专利名称：刀架、机床及其对工件进行加工的方法
技术领域：
本发明涉及刀架、机床及其对工件进行加工的方法。在本说明书中，下列术语的确切定义是“机床”是指为了对工件进行加工处理而专门设计的带有刀具的机器，它要对工件的形状或对其材料的特性产生影响。
“刀架”是指机床的这样一部分，刀具安装在它上面作相对于机床的运动并对工件进行加工。
“刀具”是指安装在刀架上的一种装置，它对工件进行加工。
“材料加工处理”是指施加在工件上的任何形式的处理，包括打标记、涂漆、在工件表面上镀层或沉积任何材料、测量、磨光、调整、切削、钻孔、冲孔、机加工、沉积、电火花加工、磁化或退磁、研磨、着色、化学处理、清理或清洗、光照或辐射照射、淬火硬化、退火、加热或冷却、紧固、攻丝、铣削、穿透、超声波测量或处理、辐射，或者任何其他的工件加工方式或标准的机加工操作以及上述各项工艺的任何组合。
“计算机文件”是指可储存和取出的任何形式的计算机信息或数据资料以及方法，包括任何三维立体文件格式以及澳大利亚专利申请48716/96和59391/99中所述的储存和检索方法的全部内容。
在全部说明中，除非上下文有需要，词语“包括”或它的变形“包含”或“由...组成”都应理解为含有“包含(或包括)所述的一件事物或一组事物”的意思，但并不排除任何其他的事物或一组事物。
本发明所涉及的技术领域是使用一种机床对材料或工件进行加工处理，包括使用像计算机数字控制(CNC)机床这样的设备。同时，本发明还揭示了包括以受控方式利用刀具对工件进行任何加工处理的实用方法，这种刀具要对工件进行前面所述的各种不同类型的加工处理，因此该刀具相对于工件而言具有充分的机动性和灵活性是必要的。
本发明揭示的特殊方法适用于多轴数控机床，特别是五轴或六轴机床。
背景技术：
对刀具能提供五轴控制的机床通常是机械手，它能满足材料机加工或焊接处理所需要的机动灵活性。但是，对于从事材料机加工处理的中小企业来说，机械手在其加工车间、制造工厂或有关部门中的适用性是有限的。而CNC机床对于所述类型的中小企业就特别有用和受益。比如，可以大大节省在培训如何使用机器人而进行教学和演示所花费的时间，虽然它们在机动灵活性方面受到某种程度的限制。此外，为了达到与机械手程度相近的机动灵活性，一台CNC机床至少应是五轴，即在三维空间中，机床刀架相对于工件可以在五个不同的轴方向上任意运动。
尽管计算机控制五轴机床已得到广泛的应用，并且能胜任大多数机加工任务，但是还有某些任务需要机床有更多的机动灵活性，而目前已知结构的五轴机床尚不能满足这一要求。例如，有可能需要对一块有矩形中空截面(RHS)材料的全部四个边进行正交切割，然后在两个边上进行内斜切割和(或)进行其他的加工处理。目前已知结构的五轴机床尚不能以合理的加工成本和简便的方法完成这项任务。
发明内容
因此，本发明的目的就是要提供一种既简便又经济的材料加工处理方法。
本发明的优选目的就是要提供一种机床刀架，它比目前已知结构的五轴机床能够提供更多的机动灵活性。
按照本发明的第一方面提供一种用于工件加工的机床刀架包括刀夹，用来将刀具连接到对工件进行加工的机床刀架上；刀夹接合装置，用来在相对于工件的主轴线或平面的各种不同的方向上接合和支撑所述的刀夹；定向装置，用来改变所述刀夹接合装置的位置，在任何所述的方向上相对于所述的主轴线或平面将所述的刀夹定向；驱动装置，用来驱动所述的定向装置并且用可控的方式改变刀夹的方向；以及安装装置，用来将机床刀架安装到刀架支承元件上。
通常，刀夹确定了一个主平面并具有刀具连接装置，用来将刀具按固定的方向连接到所述的主平面上；以及所述的刀夹接合装置包含多个承窝，每个承窝万向地连接到所述的刀夹上，因此，接头与所述的主平面设置成共面关系。
通常，所述的定向装置包含多对柱塞和缸筒，每个所述的承窝上有一个柱塞和一个缸筒，柱塞和缸筒可以使承窝独立于其他承窝相对于所述的缸筒作轴向移动。
通常，相对应的一对缸筒和柱塞彼此之间及对应的承窝呈同轴关系，并且，所有的成对柱塞和缸筒都是互相平行配置的。
通常，所述的驱动装置包含齿轮和丝杠驱动装置，由用于每对缸筒和柱塞的专门的伺服电机驱动，每个所述的伺服电机单独地和精确地受到控制，通过齿轮驱动丝杠正转或反转，以相对于所述的缸筒沿轴向将所述的承窝和柱塞推出或退回。
通常，有三对对应的承窝、缸筒和柱塞，为所述的刀夹及刀具提供三个运动轴向，并使所述的刀夹相对于所述的主轴在节距、倾斜和伸展方面得到精确的控制和具有完全的灵活性。
按照本发明的第二方面提供一种用于工件加工的多轴机床，包括内装环形轴承的机座，具有中心轴线，被加工的工件就沿着该轴线布置；环形枢轴，同心地和可以旋转地设置在所述的轴承内，它可以相对于所述的轴承正转或反转；枢轴驱动装置，安装到所述的环形轴承上，与环形枢轴啮合并受控地驱动所述的环形枢轴，使其相对于所述的轴承正转或反转；与本发明前一方案的定义大体相同机床刀架，具有用于刀具的刀夹，刀具连接到其上而对工件进行加工，所述的刀架固定在所述的环形枢轴上，刀夹则安装在该环形枢轴的径向上，当工件主轴线与所述的中心轴线同轴时，刀具在由所述定向装置规定的相对于工件表面的方向上进行工件的材料加工处理。
通常，环形枢轴具有从动齿轮部分，环绕地安装在枢轴的一端，所述的枢轴驱动装置也具有驱动齿轮部分，它与所述的枢轴从动齿轮相啮合并驱动所述的环形枢轴相对于所述的轴承正转或反转。
通常，所述的基座安装在可以沿着轨道轴线作轴向移动的滑板上，该轨道轴线与所述轴承的中心轴线是平行的。一种替代方案或者附加方案是机床包括包括工件进给装置，支承工件使其主轴线与所述的中心轴线重合，并驱动工件相对于所述的机座沿其主轴线和中心轴线作轴向移动。
根据本发明的另一方面，提供一种加工具有主轴的工件来对其提供材料处理的方法，包括将工件放置在使其主轴线与中心轴线重合的位置上，所述材料处理就绕所述中心轴线进行；在相对于工件及主轴线和中心轴线的规定径向方向上夹紧刀具，以进行材料处理；相对于所述的工件环绕其整个周边必要时在横向穿过所述的中心轴线的方向上移动所述刀具；以及根据预先确定的控制程序必要时连续改变刀具相对于工件的方向，以实现材料处理。
通常，刀具在三维空间中定向并具有三个运动轴线，使刀具在其径向位置上相对于工件运动时，在节距、退回和伸展方面可以得到精确地控制并具有完全的灵活性。
通常，刀具进一步在三维空间中定向并相对于工件的运动还有另外两个轴线，一个是旋转的轴线，从而使刀具可相对于所述的中心轴线环绕工件作整圈运动；另一个是直线，平行于所述的中心轴线，刀具可以相对于其主轴线轴向地横跨工件的表面。
根据对下面实施例所作的说明将能对本发明有更好的理解。说明将参照下列附图做出。这些附图是图1是透视图，显示机床被围在一个矩形框架内正在加工处理一根金属工字梁。
图2和2′分别是安装了外罩的机床前视轮廓线图和实体透视图。显示了一根圆柱形工件正待加工处理。
图3和3′分别是图2和2′所示机床后视轮廓线图和实体透视图。
图4和4′分别是机床的基座(机座)、环形轴承以及枢轴驱动装置的后视轮廓线图和实体透视图。
图5是一张顶部透视图，显示了取掉外罩后的枢轴驱动装置。
图6和6′分别是局部轮廓线图和实体透视图，显示了环形枢轴与机床刀架是如何连接的。
图7和7′分别是与图6和6′相似的局部轮廓线图和实体透视图，但是，它是从更宽的视角方向看。
图8和8′分别是与图3和3′相似的轮廓线图和实体透视图，但外罩已被去掉，机床刀架处在不同的方向上。
图9是分解后透视图，显示与机座分离的一个部分上的环形枢轴和机床刀架组件，以及另一部分上的环形轴承和枢轴驱动组件，均处在正确的透视位置上。
图10A至10D显示了不同角度的机床视图，没有任何工件处在加工处理的位置上。在图A中，前外罩已被取下。在图C中机床刀架外罩也被取下。
图11是透视图，它显示了刀夹连接装置是怎样与刀夹连接的。
图12A和12B是局部透视图，从不同角度方向显示了刀具和刀夹。
图13A是透视图，显示了机床刀架上的缸筒和已伸展的臂图13B与13A相似，但显示出臂是缩回的。
图14是机床刀架的透视图。
图15是图14所示的机床刀架的顶视图。
图16是一张透视图，它显示了带有进料和出料输送带系统和上下料工位的加工线(机床系统)。
图17A和17A′分别是为焊接切下和倒角的一段管子的轮廓线图和实体透视图。
图17B和17B′分别是按交叉方向切下并倒角的管子的轮廓线图和实体透视图。
图17C和17C′分别是按交叉方向切下的一段带有倒角的管子的轮廓线图和实体透视图。
图17D和17D′分别是被切下的一段带有斜角端头的辊轧槽钢的轮廓线图和实体透视图。
图17E和17E′分别是被切下的一段角铁的轮廓线图和实体透视图，有若干用实施例中所述的设备能够完成的异乎寻常的切口，但是它们并不能完全用通常的五轴机床来完成。
图17F是一个带有矩形中空截面(RHS)工件的透视图，其一端为斜切口，在两个相对的侧面上有圆孔。
具体实施例方式
本发明的实施例涉及CNC型五轴机床。它有一个机床刀架，上面安装了对工件进行加工处理的刀具。
本实施例的工件为长型等截面金属型材。这里“长型”的意思是工件的长度大约是任何其他尺寸的五倍。因此，本发明实施例所涉及的加工处理材料多为金属型材，如像管子，具有矩形、正方形和其他有中空截面的金属型材，角铁，工字钢以及具有U形截面的槽钢等。
本实施例所使用的刀具是一种切削刀具，用来将金属型材切断成规定长度的型材，并完成一系列特殊的材料加工处理任务，如像将型材切成斜截面或复合斜截面，在型材的外或内侧倒角，沿型材长度方向在任意点上开出任意形状的孔或槽以及在型材的端头切出任何特殊形状的凹槽等。
在本实施例中完成这类材料加工处理任务的切削刀具是一种等离子体或氧-丙烷切割头。
如附图1所示，机床11具有固定在一对滑板15上的机座13，滑板15适于在一对滑轨(图中未表示出)上沿轴向运动，滑轨确定一对滑轨轴线17(见图2)。滑轨固定在矩形辅助机架18的顶部，机床11就悬挂在机架上，所以，机床实际上是被围在辅助机架18内。
机座13内有环形轴承19，它的中心轴线是21(见图4)，该轴线也就是刀具的主轴线。在轴承19内，同心地容纳了环形枢轴23(见图6)。
机床11还包括一个枢轴驱动装置，它以定位齿轮电机25(见图2和图4)的形式固定在环形轴承19上并与环形枢轴23相啮合，它相对于轴承19驱动环形枢轴正转或反转。
机床刀架27固定在环形枢轴23上(见图6)，它基本上是处在相对于环形轴承19的中心轴线21的径向位置上。
环形轴承19与前外罩29a(见图2)装配在一起，形成了环形外罩29的一半。环形枢轴23与形成了相对立的外罩的另一半的后外罩29b相连接，。外罩的两半互相对置，前外罩29a以严密的配合扣装在后外罩29b上，但在边缘部分留有间隙使后外罩29b相对于前外罩29a能够转动，如图2至3′和图10A至10D所示。于是，后外罩29b便能相对于前外罩29a旋转、轴承19和轴承23的大部分容纳在整个外罩29形成的环中。
机座13包含了两对支腿31，在中心轴线21的两侧各有一对。每对支腿31构成一个框架，其一端与环形轴承19相连，另一端则与滑板15相连。轴承19具有位于机床前面的外部法兰盘33，每个支腿框架31的内端均与该法兰盘固定连接。
支腿框架31包含主外支腿35，主内支腿37和中间支撑杆39。每根主外支腿35的内端分别相对竖直方向焊接到法兰盘33的两侧，并且相对于水平方向焊接到法兰盘的同一侧。如图2至3′所示，这个同一侧就是法兰盘33的上侧。主外支腿35从法兰盘33开始，相对于中心轴线21、沿水平方向、倾斜地、朝着相对于水平方向的法兰盘的相对一侧向外扩展延伸。最后，两支腿的外端通过焊接分别与滑板15连接固定。
每个滑板15都具有不等边长度的中空矩形截面，它们彼此互相平行并与中心轴线21平行，它们与中心轴线的距离相等，但又足够分开以便不触及罩29的外圆周边。也就是说，每个滑板15与中心轴线21之间的距离大于罩29的半径。
每个内支腿37的设置与外支腿35相似，内端焊接到法兰盘33相对竖直方向的两侧，以及法兰盘相对于水平方向同一侧上，但是与外支腿的方向相反。在图2至3′所示的情况下，这个同一侧指的是绕中心轴线21相对于水平方向的法兰盘33的下侧。
内支腿37也是朝着机床的前方向外扩展延伸，但倾斜角度比外支腿35要小。于是，内支腿37的末端便在滑板15的中部、与外支腿35相比在更靠近外罩29的位置上与滑板相连。内支腿37的外端也与外支腿相似被焊接到滑板15上。
横向支撑杆39的两端与内外支腿的中部焊接，从而分别对机床两侧的由支腿构成的框架起支撑和加固作用。
每个滑板15都延伸并超过后外罩29b的外端面，从而使机床11的重心处在滑板的边界以内。这样一来，由支腿31和滑板15构成的框架就能支撑机床的其余部分使其处于稳定平衡状态。
在环形轴承19的法兰盘33上具有环形部分33a，外罩的前侧面29a就是用若干螺钉和螺母34可拆卸地固定在它上面；矩形板部分33b，外支腿35和内支腿37的内端都与其相连接。
环形轴承19的主圆柱部分沿着中心轴线21延伸，因此环形枢轴23就有可能利用一个合适的插在其间的轴承座圈环绕在轴承的外面，使得枢轴能相对于轴承转动。
定位齿轮电机25利用托架45固定到法兰盘的环形部分33a上。托架45与法兰盘共面并相对于中心轴线21向外伸出。托架45上有一个中心孔，定位齿轮电机25就利用该孔横向定位。因此，电机的转子47就能做到与中心轴线21平行。定位齿轮电机25通过环形安装法兰盘53固定到托架45上。安装法兰盘53利用一系列螺栓或螺纹紧固件固定到托架45的外面，如图5所示。
转子47的外端向外突出并超过法兰盘33的外端面，而前外罩29a被埋入到托架45内，以便让转子47向外突出。转子47的外突部分用端盖49盖住，用来向定位齿轮电机25提供电力和进行方向控制的接线端子51与端盖49相邻。
转子47的内端具有驱动齿轮55，和转子紧固在一起并随转子一起转动，从而驱动环形枢轴23。
通常，用来操作电机的计算机控制回路(未示出)构成CNC机床计算机控制的一部分，它连接到接线端子51上，按照输入到CNC机床的程序控制编码来控制定位齿轮电机25的运行。
环形枢轴23呈圆筒形，有一个较大的外部被驱动齿圈57在它的内轴头处与枢轴连成一体，其安装位置与环形轴承19的法兰盘33相邻。被驱动齿圈57与定位齿轮电机25的驱动齿轮55相啮合。
轴向延伸的护罩板59固定在法兰盘33的内侧，它将被驱动齿圈57上半部封闭在由外罩29形成的环形空间内，以防止尘埃和污垢进入到被驱动齿圈的轮齿中。护罩板59的顶部有一个切口61，驱动齿轮可以穿过切口突出来与被驱动齿圈57相啮合。枢轴23的外端也带有环形法兰盘63，后外罩29b就是用多个螺钉和螺母64固定在法兰盘上，与前外罩29a安装到法兰盘33上的情况相似。因此，环形法兰盘63设置在机床11的后侧，与后外罩29b相连而且共面。
机床刀架27具有安装装置，安装装置包括支座65，刀架的其余部分都固定在该支座上；刀架支撑元件67，将支座连接到环形枢轴23上。该支撑元件67实际上是一个径向延伸的托架，它与环形法兰盘63相邻而且共面，上面有许多通孔，线缆可穿过通孔与机床刀架连接，支座65也可以固定在上面。刀架支撑元件67在其近端通过若干螺钉和螺母紧固件安装固定到环形法兰盘63的扇面的内侧。
除了安装装置，机床刀架27包括刀夹73，刀夹接合装置75，刀夹定向装置77和驱动装置79(见图11至15)。
刀夹73上有三个径向臂81，它们以中心螺纹孔83为中心呈等角度分布。中心螺纹孔83用来安装特制刀具85。在本实施例中，刀具85是用电力驱动的等离子体切割头。合适的电缆86借助电缆钩穿过刀夹的后部连接到刀具的内端，把电力输送到刀具85上。关于电力传送方面的问题，后面将要作更详细的说明。
刀具85从刀夹73的外侧向外突出，它与孔83同轴，并确定了刀具轴线84。刀夹的臂81呈槽形，每个臂均由纵向延伸的凹槽87形成。各凹槽87的近端互相交汇，并且沿臂纵向外延伸，因此，每个臂在其远端的轴向端部都是呈开口状的。每个凹槽的纵向延伸的锐角扇形面沿着刀夹的内侧是开口的，从而形成独立的承窝(socket)，它能将刀夹73与刀夹接合装置75连接起来。
刀夹接合装置75包括三个独立的承窝式连接器89，每个连接器有一个球形部分89a和末端带有螺纹(图中未表示出)的杆形部分89b。承窝部分89a啮合并保持在凹槽87形成的承窝座内。三个承窝连接器89分别用螺纹拧入到三个独立柱塞91底部的对应的孔中。柱塞91是刀夹定向装置77的一部分。这里，柱塞91与承窝连接器89是同轴相连接，从而构成固定的“柱塞-承窝对”。承窝连接器89与相对应的刀夹73的臂81的连接是万向型连接。
刀夹臂81和凹槽87彼此是共面的，因此，刀夹73所确定的主平面90与凹槽87的中心轴线重合。从而，刀具85相对于该主平面总是有固定的取向。在本实施例中，这一取向就是互相成正交，如图12B所示。由于每个承窝的球形部分89a与刀夹81是万向型连接，因此，该接头与主平面90是共面的。
定向装置77除了柱塞(cylinder)91以外，还包括若干缸筒(barrel)93，每个缸筒都由与其对应的柱塞同心的圆筒构成，因此柱塞可以相对于缸筒像望远镜一样伸出或缩回。在每个缸筒的外端93a处都固定了环形保持件95，它与对应的柱塞91的外表面呈滑动摩擦配合。在每个柱塞的内端91b处有保持帽97，上面有与丝杠99相配合的螺纹孔，该丝杠是驱动装置79螺纹驱动的组成部分。丝杠99同轴地安装在缸筒93内，因此它可以旋转，并驱动柱塞91作相对于缸筒93的轴向运动。
丝杠99的内端与环形螺纹头101连接，螺纹头以轴颈安装在轴承103内，固定在缸筒的内端93a上。
驱动装置79包含齿轮和丝杠驱动机构，其中有丝杠99，螺纹头101以及一套与伺电机109相连接的由驱动齿轮107和从动齿轮105组成的齿轮机构。因此，驱动装置79包含了三个独立的齿轮和丝杠驱动机构、相对应的驱动齿轮107和从动齿轮105组成的齿轮机构、相对应的螺纹头101和丝杠99，每个齿轮和丝杠驱动机构都由专用的伺服电机109驱动。每组对应的丝杠99，螺纹头101和从动齿轮105相对于缸筒93和柱塞91都是同轴对准的。
对应的驱动齿轮107位于从动齿轮105的一侧，它与对应的伺服电机109是同轴对准的，因此，伺服电机与对应的缸筒93是平行和相邻的，如图14所示。
齿轮机构位于可拆卸的外罩111内，外罩可以保护各对柱塞和承窝的齿轮和丝杠驱动机构与外界隔开，防止污物和尘埃的侵入。
刀架27的支座65包含一对三角形支架65a和65b，它们与安装装置上的刀架支撑元件67连在一起。
每个支架65a和65b上都有三个孔，每个孔内穿过一个缸筒93，各孔彼此轴向分开，因此，相对应的一对孔是同轴的，而对应的缸筒93就容纳在其中。各缸筒93被牢固地保持在各孔中，因此各缸筒互相保持平行。
伺服电机109由单独的控制电路(图中未表示出)控制，该电路由连接到固定在环形法兰盘63外侧的多个接线端子69上的控制线缆提供。
电能通过电缆链113中固定但柔性的电缆传输到接线端子69上。这些柔性电缆中包括了上述控制线缆。机床11通过软件和物理硬件等装置来防止环形枢轴23和刀架27连续不停地运转。通常，机床都经过特殊编程使其在每次切割后执行一个高速展开(uncoil)程序，因此它不需要滑环或其他滑动式导电装置。
如前所述，机床11是通过滑板15被悬挂在辅助框架18上方的滑轨(图中未表示出)上，如图1所示。滑板15及机床11的其余部分，通过固定在辅助框架上的精确的前进和退回机构(图中未表示出)的驱动而沿着滑轨轴线17和中心轴线21作轴向移动。辅助框架本身被固定在一个台面(图中未表示出)上，其在机床11的前方带有一个进料输送带系统123，在机床11的后方带有一个出料输送带系统125。输送带系统被支撑在若干支柱127上，并分别在机床11的前后两侧设置了对应的上料和下料工位129a和129b。这些上下料工位和进给输送带系统均为传统结构，这里就不再作进一步的说明了。
如前所述，被机床11处理的金属型材的截面可以有多种不同的型式。在图1和图16中，金属型材为工字梁131；而在图2至图3′及图17中，金属型材也可以是圆形管133。
现在要说明的是金属型材工件的加工方法，或者一种材料处理方法。开始时，需要在机床11上加工的金属型材尺寸和需要完成的工序是已经确定的。
其次，需要选择适合于完成某种工序或某几种工序所必须的某种刀具或某几种刀具。某种刀具，例如等离子体切割刀具，已经安装到刀夹81上。选择和安装步骤可以由机械自动完成，这在CNC机床技术中是人所共知的。
在这些确定以后，就使用一种适合于CNC机床的语言将型材尺寸、工序说明及刀具参数输入到CNC机床的计算机控制系统(图中未表示出)中。
例如，可以利用一种计算机文件来创建合适的机床控制码，比如一种三维立体文件，就有可能用图像翻译软件(如像在澳大利亚专利申请78416/96和59391/99中对技术规格已有完整说明的那种形式的软件)来转换形成。
所有这些工作可以由一套独立的计算机系统(如像带有合适软件的个人计算机)来承担。在完成了机器控制码创建的基础上，将该控制码下载到CNC机床的计算机控制系统中，以便对材料的加工处理工序产生影响。
然后，用计算机控制码将CNC机床初始化并在上料工位129a设定合适的金属型材(metal section)长度，将工件放到进料输送带系统123上，并进给到机床11的工作区域。
在第一件欲处理的金属型材进给工序开始后，型材就前进到位于进料输送带123上的上料工位。随后，型材就沿着输送带123前进到机床11的前侧。
当机床11上的一个装置(图中未表示出)探测到正在前进的金属型材131的前缘或其他已知位置或参考点后，就命令CNC机床开始进行材料的加工处理。然后，CNC机床就直接控制进料输送带123并将型材送到第一工序的位置上，在那里工件(金属型材)就按照已经编制好的程序开始被加工处理。
型材被固定在这个位置上，一个精确的前进和退回机构(它能驱动机床11沿着辅助框架上设置的滑轨运动)就靠上来。
CNC机床的计算机控制系统按照编程到CNC机床中的机器控制码确定刀具85的速度、位置或移动路径。
随后，刀具开始运转并移向型材，或者刀具首先移向型材然后再开始运转。机床11相对于型材的这种运动是沿刀具中心线的直线运动，并指示了机床运动的第一轴。
随后进行第一道加工处理工序，机床按照机器控制码开始执行需要完成的工序。
在工序进行期间，为了完成型材的轴向加工处理，根据需要采用精确的前进和退回机构来确定材料和/或刀具相对于材料的位置。
在进行这些工序时，刀具85通常在枢轴驱动装置25的控制和驱动下绕中心轴线21旋转，并推动位于环形轴承19内的环形枢轴23相对于机床的机座13正转或反转。环形枢轴23的转动将直接带动机床刀架27转动，从而驱动刀具85相对于型材转动。刀具的这种转动表示了机床运动的第二轴。
应该指出的是，刀具85能够从环的外侧移动到环的中心或另一侧，因此能够在型材整个360°转动范围内的任何位置上绕着型材划圈。
刀具除了作相对于型材这种旋转以外，刀具在环内对任何特殊点的径向位置都能够在三维空间内进行调节。这可以通过控制刀架27上的一个或几个柱塞91相对于它们对应的缸筒93收缩或伸展来实现。这将使得刀头与柱塞上的一个点之间的径向距离能够连续地改变，从而提供了机床运动的第三轴。
刀具85的刀具轴线84相对于刀架27纵向轴线的相对角度位置也是可以改变的。它相对于机床11的中心轴线21是径向的。通过相对于对应的缸筒93适当伸展和(或)收缩柱塞91，刀具就可以至少在一个平面内相对于纵向轴线作连续地改变，从而提供了机床运动的第四轴。
最后，相对于纵向轴线的任何角度位置上的刀具在另一运动平面内是可以改变的，从而提供了机床运动的第五轴。
实际上，通过将刀具围绕刀具轴线84、在相对于刀架27的纵向轴线的任何方向上旋转就能得到机床运动的第六轴。
本实施例的一个重要优点是，当刀具围绕机床的中心轴线21作旋转运动时，它与该轴线的径向距离可以被连续地控制，从而使刀具能跟踪型材的外廓，并能随时将刀具保持在相对于被加工处理型材的最理想的角度位置上。
此外，刀具85在任何时候都能够在型材移动的平面内在任何方向形成角度；并且，刀具85在任何时候都能够在被进行切割或被处理的平面内与任何方向形成角度(或者在任何中间角度的方向上)。
这样一来，由于刀架27的特殊结构，它实际上向刀夹81、因此也是向刀具85提供了运动的三个轴。这就使得刀夹和刀具相对于机床主轴线21在节距、退回和延伸等方面的运动受到精确的控制和具有完全的灵活性。
由于刀夹和刀具有如此的机动灵活性，因此能够完成下列工序1.将金属型材切断成段；2.将金属型材切成斜切口或复合斜切口；3.在金属型材内表面或外表面(或两者)的端部切出倒角；4.在沿金属型材长度方向的任何点上切出任何形状的孔或槽；5.在金属型材的端部开出任何形状的凹槽。
通过说明可以看出，本特殊实施例(由此也是本发明)与现有技术的机床相比有许多明显的优点。例如，它可以完成各种各样特殊的材料加工处理任务包括打标记、涂漆、在工件表面上镀层或沉积任何材料、测量、磨光、研磨、电火花加工、磁化或退磁、化学处理、清理或清洗、光照或辐射照射、淬火硬化、退火、加热或冷却、紧固、攻丝、钻孔、铣削以及任何标准的机加工操作，如冲孔、穿透、超声波测量或处理、辐射等。
不同型式截面型材的复合切割处理的实施例如图17A至17F所示。
还可以看出，本发明将不限于上述特殊实施例。例如，其他实施例可以很容易地设计出可能已经完成设计，它们可能有多个刀架而不是只有一个。
此外，机床可以添加各种不同的附件来扩大它的功能。例如，可以提供一种切削工作台，它能够在任何时候将任何尺寸的材料上料到机床上。另外，一种非标准尺寸切下材料(off-cut)的循环处理系统可以对这类材料进行储存和取出，供机床再次利用，以便适应CNC机床将要完成的下一个材料加工处理工序。从而可避免或减少不必要的浪费。
另一种实施例可能包括使用一个包装工作台，它能够处置型材，以便于下一道工序对材料进行加工处理。这里可能包括一个收集和放置机构，它能够完成工件的其他工序，或者将工件投入装配，或者将工件包装起来准备运输。
此外，一个建立在计算机基础上的调配和发送系统也可以并入到CNC机床的结构中，它可以取出一个调配指令并执行，将已加工完成的工件收集和包装起来准备发运。
机床也可以设计成能够长时间运转而无需人员看管。进而，也可以通过硬件或无线接口对机床进行电子访问，以便对机床进行操作，诊断，提出报告，维护保养和升级。
权利要求
1.一种用于工件加工的机床刀架包括刀夹，用来将刀具连接到对工件进行加工的机床刀架上；刀夹接合装置，用来在相对于工件的主轴线或平面的各种不同的方向上接合和支撑所述的刀夹；定向装置，用来改变所述刀夹接合装置的位置，在任何所述的方向上相对于所述的主轴线或平面将所述的刀夹定向；驱动装置，用来驱动所述的定向装置并且用可控的方式改变刀夹的方向；以及安装装置，用来将机床刀架安装到刀架支承元件上。
2.按照权利要求1所述的刀架，其特征在于，所述的刀夹确定了一个主平面并具有刀具连接装置，用来将刀具按固定的方向连接到所述的主平面上；以及所述的刀夹接合装置包含多个承窝，每个承窝万向地连接到所述的刀夹上，因此，接头与所述的主平面设置成共面关系。
3.按照权利要求2所述的刀架，其特征在于，所述的定向装置包含多对柱塞和缸筒，每个所述的承窝上有一个柱塞和一个缸筒，柱塞和缸筒可以使承窝独立于其他承窝相对于所述的缸筒作轴向移动。
4.按照权利要求3所述的刀架，其特征在于，相对应的一对缸筒和柱塞彼此之间及对应的承窝呈同轴关系，并且，所有的成对柱塞和缸筒都是互相平行配置的。
5.按照权利要求3或4所述的刀架，其特征在于，所述的驱动装置包含齿轮和丝杠驱动装置，由用于每对缸筒和柱塞的专门的伺服电机驱动，每个所述的伺服电机单独地和精确地受到控制，通过齿轮驱动丝杠正转或反转，以相对于所述的缸筒沿轴向将所述的承窝和柱塞推出或退回。
6.按照权利要求3至5中任一权利要求所述的刀架，其特征在于，有三对对应的承窝、缸筒和柱塞，为所述的刀夹及刀具提供三个运动轴向，并使所述的刀夹相对于所述的主轴在节距、倾斜和伸展方面得到精确的控制和具有完全的灵活性。
7.一种用于工件加工的多轴机床，包括内装环形轴承的机座，具有中心轴线，被加工的工件就沿着该轴线布置；环形枢轴，同心地和可以旋转地设置在所述的轴承内，它可以相对于所述的轴承正转或反转；枢轴驱动装置，安装到所述的环形轴承上，与环形枢轴啮合并受控地驱动所述的环形枢轴，使其相对于所述的轴承正转或反转；机床刀架，具有用于刀具的刀夹，刀具连接到其上而对工件进行加工，所述的刀架固定在所述的环形枢轴上，刀夹则安装在该环形枢轴的径向上，当工件主轴线与所述的中心轴线同轴时，刀具在由所述定向装置规定的相对于工件表面的方向上进行工件的材料加工处理。
8.按照权利要求7所述的多轴机床，其特征在于，环形枢轴具有从动齿轮部分，环绕地安装在枢轴的一端，所述的枢轴驱动装置也具有驱动齿轮部分，它与所述的枢轴从动齿轮相啮合并驱动所述的环形枢轴相对于所述的轴承正转或反转。
9.按照权利要求7或8所述的多轴机床，其特征在于，所述的基座安装在可以沿着轨道轴线作轴向移动的滑板上，该轨道轴线与所述轴承的中心轴线是平行的。
10.按照权利要求7至9中任一项权利要求所述的多轴机床，包括工件进给装置，支承工件使其主轴线与所述的中心轴线重合，并驱动工件相对于所述的机座沿其主轴线和中心轴线作轴向移动。
11.按照权利要求7至10中任一项权利要求所述的多轴机床，其特征在于，所述刀架是如权利要求1至6中任一项所述的刀架。
12.一种加工具有主轴的工件来对其提供材料处理的方法，包括将工件放置在使其主轴线与中心轴线重合的位置上，所述材料处理就绕所述中心轴线进行；在相对于工件及主轴线和中心轴线的规定径向方向上夹紧刀具，以进行材料处理；相对于所述的工件环绕其整个周边必要时在横向穿过所述的中心轴线的方向上移动所述刀具；以及根据预先确定的控制程序必要时连续改变刀具相对于工件的方向，以实现材料处理。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，刀具在三维空间中定向并具有三个运动轴线，使刀具在其径向位置上相对于工件运动时，在节距、退回和伸展方面可以得到精确地控制并具有完全的灵活性。
14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，刀具进一步在三维空间中定向并相对于工件的运动还有另外两个轴线，一个是旋转的轴线，从而使刀具可相对于所述的中心轴线环绕工件作整圈运动；另一个是直线，平行于所述的中心轴线，刀具可以相对于其主轴线轴向地横跨工件的表面。
15.一种对工件进行加工的机床，基本上如参照附图所描述的。
16.一种对工件进行加工的多轴机床，基本上如参照附图所描述的。
17.一种对工件进行加工的方法，基本上如参照附图所描述的。
全文摘要
本发明提供了一种用于工件(131)加工的多轴机床(11)及机床刀架(27)。机床(11)包括机座(13)，内装环形轴承(19)，轴承具有中心轴线(21)，工件(131)就按照沿着该轴线加工设置。环形枢轴(23)同心地和可旋转地设置在轴承(19)内。枢轴驱动装置(25)被固定到轴承(19)上，用来啮合和可控制地驱动环形枢轴(23)相对于轴承(19)正转或反转。机床刀架(27)包括刀夹(73)，用来将刀具(85)与加工工件(131)的刀架相连接，以及三个承窝(75)，用来在相对于工件(131)的主轴线或平面的各个不同的方向上啮合并支撑刀夹(73)。三对对应柱塞和缸筒(77)分别用来固定三个承窝(75)并改变其位置，从而使得刀夹(73)相对于主轴线或平面能取任何不同的方向。驱动装置(79)用来驱动承窝(75)伸出和缩回，并以可控制的方式在节距，倾斜和伸展等方面相对于主轴线改变刀夹(73)的方向。刀架(27)固定在环形枢轴(23)上，刀夹(73)被径向地设置在环形枢轴(23)上，从而在工件处在其主轴线与中心轴线(21)同轴的位置上，使得刀具(85)能在定向装置(77)确定的工件表面的方向上对工件(131)进行加工处理。还公开了一种工件的加工方法。
文档编号B23Q1/54GK1426341SQ01808388
公开日2003年6月25日 申请日期2001年3月7日 优先权日2000年3月7日
发明者戴维·R·赫伯特, 罗伯特·福拉尼 申请人:韦尔德比姆投资有限公司