用于机床的换刀装置和制造系统的制作方法

本发明涉及一种用于机床的换刀装置以及一种具有至少一个机床和换刀装置的制造系统。根据各个方面，本发明涉及的是紧凑设计的机床及其集成到制造系统中和用于切削加工的设备中的方案。紧凑设计的机床例如是作业空间小于250mm×250mm×250mm的机床。

背景技术：

1、在示例性配置中，机床的作业空间小于200mm×200mm×200mm。在示例性配置中，机床的作业空间小于150mm×150mm×150mm。在示例性配置中，机床的作业空间小于100mm×100mm×100mm。在示例性配置中，机床的作业空间小于75mm×75mm×75mm。这些表达特别是涉及沿x、y和z轴可行的进给量(移动路径)。作业空间可以设计成立方体。然而，长方体的结构空间也是可以考虑的，长方体的结构空间在x、y和z上的行进路径是不统一的。例如，以这种方式设计的机床适合于精密加工，例如在钟表、珠宝等制造领域内。不言而喻，其他应用也是可以考虑的，例如在医疗技术、精密技术等领域。

2、用于切削加工的机床和设备是已知的。从us2019/0084102a1中已知一种制造设备，其具有多个彼此相叠和彼此并排地布置的紧凑设计的机床，这些机床布置在共同的包壳中，另外还设置有用于更换刀具和/或更换工件的机器人，所述机器人沿水平可移动地布置在沿竖向可移动的杆上。该设备包括用于可与机器人一起移动的刀具的集成式储存装置。

3、ep1985411a1公开了一种机床，其具有刀具主轴和工件架以及被设计成更换工件或刀具的操作机器人。操作机器人并非设计用于直接与刀具主轴替换刀具。取而代之的是，设置有可水平移动的传送滑座，传送滑座在操作机器人和刀具主轴之间传送刀具。

4、de29821047u1公开了一种具有换刀装置的机床，该换刀装置具有多轴机器人，该多轴机器人具有多个铰接轴并且能够沿着水平直线轴线在至少一个刀具储仓和机床的主轴头之间移动，用于更换刀具。至少一个刀具储仓以位置固定的方式布置并且在换刀期间不能移动。

5、已经表明，例如通过紧凑设计的机床，即使机床的外部尺寸相对较小，也可以高精度和高效率地制造所需的构件。

6、然而，也有研究表明，在自动化方面，需要考虑在紧凑设计的机床中特殊的边界条件。一方面，传送系统、操作单元等不能以任意方式紧凑地设计。即使这在技术上是可行的，但在实践中，对于传送系统、操作单元、机器人、抓具等通常存在一定的最小尺寸。

7、这可能会使得实际的机床(或其作业空间)相对于自动化技术(操作技术、传送系统等)来说很小。此外，自动化技术(例如具有抓具等的机器人)必须在机床的结构空间(可能是作业空间)中与机床互动，以便能够传送工件以及必要时传送刀具。

8、还已经表明，即使对于设计紧凑的机床，通常也希望操纵人员能够直接目视监控。与大型设计的机床类似，通常需要带有窗格的进口(门)。在自动化系统中，这意味着该区域(机床的“前侧”)恰好不可用于自动化技术。

9、还已经表明，紧凑设计的机床通常相对于标准自动化技术被设计得较小。这使得对紧凑型机床自动化有特定的要求。此外，自动化和连接也有了新的可能性，而这也许对于传统机床来说是不可能实现的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种用于机床的换刀装置，该换刀装置特别适合于紧凑型机床。对于紧凑设计的机床，换刀装置应考虑到最特殊的框架条件。借助换刀装置，即使结构空间很小，也应该可以实现部分自动化、甚至高度自动化生产的制造系统。这例如涉及的是换刀。换刀装置还应当尽可能提供储存能力，使得机床能够至少暂时自给自足或自主地运行。

2、最后，在本发明的范围内，还应给出一种制造系统，这种制造系统具有机床和换刀装置，该换刀装置能够实现自动换刀，并且在必要时，能够实现自动进行工件装置更换。换刀装置应当尽可能包括多个刀具储存位置。总体而言，制造系统应紧凑并且对于操纵人员是友好的。

3、根据第一方面，本发明涉及一种用于特别紧凑设计的机床的换刀装置，其具有以下部件：

4、带有承载刀具抓具的操作机器人的操作单元，以及

5、用于可更换的刀具储仓的供给位置，该刀具储仓设计为具有竖直的转动轴线的竖立的盘式储仓，

6、其中，刀具储仓在供给位置处可拆卸地放置到转台上，该转台使刀具储仓产生对于换刀所期望的转动位置，在所述转动位置中，刀具储仓中的选定的刀具位置对于操作单元的刀具抓具而言可以达到，

7、其中，操作单元被设计用于在刀具储仓和机床的作业空间中的刀架之间更换刀具，

8、其中，操作单元和刀具储仓布置在换刀装置的装备单元中，该装备单元可以通过可锁定的装备接口与机床的作业空间相连接，并且

9、其中，操作机器人被设计用于将刀具抓具移动穿过装备接口移入作业空间中，以便在那里更换刀具。

10、通过这种方式，可以升级机床以实现自动换刀。至少在示例性构造中，操作单元适合于紧凑设计的机床。

11、例如，仅具有小尺寸的工件可以使用具有相应小的作业空间的机床来加工。这对结构空间要求(占地面积)产生总体上积极的影响。然而，如果使用尺寸较小且特别是结构空间较小的机床，则会有利的是，具有操作机器人的操作单元与作业空间尽可能少地互动。

12、这可以涉及如下配置：其中，操作机器人仅出于更换刀具的目的才进入机床的作业空间中。如果当前不进行换刀，则根据这些配置，操作机器人被完全移出作业空间。

13、在示例性设计中，第一装载接口可以由门封闭，使得当不发生换刀时，作业空间与换刀装置充分分开。

14、根据示例性设计，操作机器人被设计成，至少与刀具抓具一起移动穿过装备接口进入机床的作业空间，以便将刀具直接递送给刀架或从刀架接收刀具。

15、操作机器人可以利用刀具抓具足够远地移动到作业空间中，以便在那里更换刀具。这例如包括将需要的刀具递送给刀架以及从刀架上接收不再需要的刀具。由于操作机器人没有安装在作业空间中，因此如果没有换刀并且操作机器人已经带着刀具抓具移出作业空间，则作业空间不会被操作机器人占据。

16、在示例性设计中，操作机器人被布置在单元中，该单元也可以被称为装备单元。装备单元设计紧凑，与机床的作业空间相邻。装备接口根据需要将作业空间与装备单元连接。

17、根据示例性设计，刀具储仓具有至少两个彼此相叠的平面，每个平面具有多个刀具位置。按照这种方式，可以增加刀具储仓用于容纳刀具的容量。例如，每个平面由一个储仓盘组成。盘式储仓的设计简化了刀具或刀具位置的定位，以便在刀具储仓和操作单元之间进行递送。选定的刀具位置可以通过围绕刀具储仓的垂直纵向轴线的分度旋转运动来定位。例如，每个平面具有至少十个呈圆形分布的刀具位置。在示例性设计中，在每个层上布置多于15个呈圆形分布的刀具位置。在示例性设计中，在每个层上布置20个呈圆形分布的刀具位置。

18、根据另一示例性设计，刀具储仓具有至少三个彼此相叠的平面，每个平面具有多个刀具位置，这些刀具位置特别地围绕转动轴线沿相同直径分布。至少在示例性设计中，这些平面分别水平定向并且沿竖向彼此错开。

19、这使得刀具储仓的容量进一步提高。在示例性设计中，至少三个彼此相叠而置的平面中的每一个都由储仓盘形成。在示例性设计中，所述储仓盘分别具有相同的直径。根据这种配置，储仓刚好没有被设计成平台的形式。

20、根据另一示例性设计，刀具储仓被设计成本身是刚性的，其中，彼此相叠的平面抗扭地经由共用的中心彼此连接。例如，中心由具有沿着刀具储仓的纵向轴线的轴向伸展的中心型廓(例如中心管)形成。两个或更多个彼此相叠的平面在轴向上沿纵向轴线彼此相对地错开地布置，并且例如经由中心型廓彼此连接。操作单元可以沿径向达到这些平面。然而，中心型廓实现高刚性，并且所述平面可以分别呈环状像突出的凸缘一样环绕着延伸。

21、根据另一示例性设计，刀具储仓具有放置面，刀具储仓利用该放置面放置在转台上，该放置面沿着刀具储仓的纵向伸展以纵向伸展的至少30％与刀具储仓的下端部间隔开。

22、按照这种方式，刀具储仓不以其下端部放置在转台上。下端部是布置在供给位置上的刀具储仓竖立定向时面向地面的一端。转台至少分段沿轴向接合到刀具储仓中。刀具储仓居中得到支撑。按照这种方式，可能的倾斜趋势都可以最小化。

23、根据另一示例性设计，放置面布置在刀具储仓的中心型廓内，刀具位置围绕中心型廓分布地布置在刀具储仓中。按照这种方式，具有中心型廓的刀具储仓可以套装在转台上。按照这种方式，当放置面和转台上的相关联的支撑面适合于中心型廓的内部空间时，则实现了防倾斜保护，并且在必要时还实现了对中心。

24、根据另一示例性设计，刀具储仓具有用于手动操作、特别是用于手动更换刀具储仓的手柄。该手柄例如被设计为位于刀具储仓的上端的柄部。

25、特别是在紧凑设计的机床的情况下，可以使用小尺寸的刀具。例如，有空心柄的外直径为40mm、32mm、25mm甚至15mm的hsk刀架(hsk：空心柄锥形体)。对于设计特别紧凑的机床，也有更小的具有空心锥柄的刀架，例如具有15mm的标称直径，容纳在这种刀架中的刀具的(作业)直径可以是例如4mm至12mm，但也可以是明显更小的直径。这种小型化刀具重量轻。因此，即使存在具有多个刀具位置的多个平面，也可以手动移动刀具储仓。

26、由于根据设计，刀具储仓可以提供相当大的刀具容量，因此相对很少需要改变或更换刀具储仓。然后，该过程可以使用手柄手动完成。

27、根据另一示例性设计，在供给位置处设置有至少一个传感器，用于检测刀具储仓的存在和/或用于检测刀具在刀具储仓中的刀具位置中的存在。一方面，这可以指单纯的存在(刀具位置被占用或未被占用)。不言而喻，在必要时还可以检测其他的信息。

28、根据另一示例性设计，刀具储仓被设计用于以悬挂方式容纳刀具，其中，刀具特别是在刀具储仓中在上侧被覆盖。这样做的优点是可以从上方保护刀具储仓中的刀具免受污染。这可以指切屑、其他磨损、冷却润滑剂残留物等。设计为盘式储仓的刀具储仓的平面分别覆盖悬挂布置在其下方的刀具。

29、当刀具被悬挂容纳时，刀具的带有刀刃的柄沿竖向或基本上沿竖向向下定向。换句话说，在悬挂式容纳的情况下，即便在立式机器的情况下，刀具储仓中的刀具的定向也大致相当于刀具在机床的刀具主轴中的定向。

30、在示例性设计中，刀具经由也用于将刀具保持在刀架(刀具主轴)上的型廓被容纳在刀具位置处。这样做的优点是，利用操作单元对刀具的传送通过其他型廓进行，这既不干扰刀具储仓上的容纳，也不干扰在机床的刀架上的容纳。例如，可以通过空心柄锥体的锥形空心柄在刀具位置处进行容纳。通过这种方式，可以实现良好的对中心以及必要时实现锁定以固定位置。

31、根据另一示例性设计，刀具储仓具有竖直向下定向的刀具位置，并且刀具的刀具柄架能够通过轴向的插入运动插入到该刀具位置中。

32、刀具位置例如囊袋或兜囊状地设计，并且布置在盘式储仓的相应盘片下方。根据该实施例，刀具位置具有向下敞开的凹口，刀具可以插入到该凹口中。该刀具沿竖向通过提升运动插入凹口中和从凹口中取出。在凹口中，刀具能够以力锁合和/或型面锁合的方式紧固在其支座中。操作单元的刀具抓具可以使用刀具的外部操作型廓，例如空心柄锥体的外部抓具凹槽。

33、根据另一示例性设计，操作机器人具有竖直定向的平移提升轴线和至少一个竖直定向的枢转轴线。在示例性设计中，操作机器人具有恰好一个具备竖直定向的枢转轴线以及恰好一个用于刀具抓具的附加的、竖直定向的转动轴线。刀具储仓位于转台上，因此可以将选定的刀具位置移动到限定的递送位置，即使只有很少的自由度，操作机器人也可以达到该递送位置。

34、具有多个枢转轴线且枢转轴线彼此平行的操作机器人通常被称为scara机器人。通过枢转轴线的竖直定向，这实现了在平面内移动。附加的提升轴线可实现垂直于水平平面的提升运动。

35、以这种方式，可以提供刀具储仓和刀架之间的刀具更换所需的运动自由度。当在机床的作业空间更换刀具时，至少操作机器人的刀具抓具通过装备接口(装备开口)伸入到机床的作业空间中。操作机器人可以完全退出机床作业空间。装备开口可以通过门关闭，特别是密封地关闭。

36、根据另一示例性设计，刀具抓具被设计为多重抓具，例如三重抓具或四重抓具。不言而喻，三个或四个以上的刀具抓具座也是可能的。因此，刀具抓具具有多个用于刀具的支座，这些支座被设计为例如抓具叉，其可以将刀具保持在两个臂之间。

37、刀具抓具可以沿侧向到达安置在刀具储仓中的刀具并通过其抓具凹槽将刀具抓紧。然后，操作机器人可以有针对性地沿竖向移动刀具(例如降低刀具)，以便将刀具从刀具位置释放。之后，操作机器人可以水平和竖直移动刀具。将刀具插入刀具储仓的空闲刀具位置的过程相反地进行。

38、根据另一示例性设计，刀具抓具用作用于靠近刀具主轴地提供两个或更多个不同的刀具的前台储仓。刀具抓具本身可以充当至少具有小容量的刀具储仓。在设计为双重抓具的情况下，刀具抓具可以从机床的刀架上取出刀具并且换上新刀具。在三重抓具的设计中，除了空闲的抓具之外还可以提供至少两个刀具。所提供的刀具的数量可以随着多重抓具的抓具数量的增加而相应地增加。

39、总体而言，换刀还可以进一步加快。在示例性设计中，用作前台储仓的多重抓具在工件加工期间也定位在作业空间之外。然而，多重抓具可以快速移动到作业空间，以便在那里更换刀具。

40、根据另一示例性设计，刀具储仓可以并行于主时间进行更换，其中在刀具储仓的更换期间可以更换至少一个另外的刀具和/或通过刀具抓具更换至少一个另外的刀具。换句话说，可以在加工工件的同时更换刀具储仓。只要在操作单元中使用多重抓具，则在没有刀具储仓的情况下，至少一个另外的刀具可以由操作单元本身保留，以便进行更换。

41、根据另一示例性设计，在供给位置处的刀具储仓用作后台储仓，其中，刀具抓具通过后台储仓更换刀具。按照这种方式，可以进一步优化换刀。设计为多重抓具的刀具抓具可以随时准备常用的刀具，然后将刀具抓具用作前台刀具储仓。刀具储仓和刀架之间的刀具传送间接地通过操作单元进行。

42、根据另一示例性设计，刀具储仓在其上侧的区域中具有用于工件装置的至少一个位置，用于将工件固定在机床的工件架上，其中，该至少一个工件装置可以由带有装置抓具的操作机器人在装备单元和作业空间之间传送。

43、按照这种方式，除了刀具容量之外，刀具储仓还可以为用于将工件固定在工件抓具上的装置提供至少一个容纳位置。可以使用操作单元更换工件装置。根据另一示例性设计，在供给位置处设置有至少一个用于检测工件装置在刀具储仓上的存在性的传感器。

44、根据另一示例性设计，该至少一个工件装置可以竖立地放置在刀具储仓上，其中，装置抓具适配于该至少一个工件装置的抓具凹槽。

45、至少一个工件装置可相应地放置在刀具储仓的上侧上。装置抓具作为末端执行器构造在操作机器人中，并且可以借助操作机器人移动到机床的作业空间中。

46、该装置抓具具有至少一个用于容纳工件装置的抓具。操作单元例如被设计用于将刀具抓具放置在换刀装置内，并且替代地使用装置抓具作为末端执行器。然后可以更换刀具装置。可以设想的是，使用既用作刀具抓具又用作装置抓具的组合式抓具。

47、根据另一方面，本发明涉及根据本发明的换刀装置和根据本发明的机床的组合。由于换刀装置而能够自动换刀的机床也可称为加工中心。

48、此外，本发明涉及一种用于切削加工、特别是用于制造精密机械工件的制造系统，其具有以下部件：

49、至少一个特别紧凑设计的机床，该机床设计用于多轴加工并具有刀架和工件架，刀架和工件架可以彼此相对地沿至少三个轴移动，

50、其中，刀架和工件架布置在机床作业空间的后侧上，以及

51、根据本文介绍的构造中的至少一个换刀装置，其沿侧向与机床的作业空间联接。

52、按照这种方式，机床可以至少部分自动地运行，其中，刀具能够部分自动地或全自动地更换。

53、因此，至少在示例性设计中，作业空间的前侧是敞开的，并且可以由操纵人员观察和访问。前侧也可以称为操纵人员侧。前侧与后侧相对置地布置。作业空间的侧向面可用于操作(工件更换、刀具更换)。按照这种方式，兼顾紧凑的结构类型。

54、换刀装置与机床的作业空间相邻，例如沿侧向与之间隔一小段距离地布置。操作单元对应于换刀装置而不是机床。这意味着，对于只有相对较小作业空间的机床，不需要复杂的干预和调整。

55、操作单元可以达到刀架以进行刀具更换。只要操作单元还用于更换工件装置，则操作单元可以移动到工件架，以便将用于固定工件的装置放置在那里。

56、例如，制造系统包括多个刀具储仓，其中一个刀具储仓在换刀装置的供给位置处提供。其他刀具储仓可以在换刀装置的外部装备。按照这种方式，通过仅以一步更换刀具储仓就能更换大量刀具(组块式装备)。

57、在示例性设计中，制造系统包括共用的壳体，必要时甚至包括用于机床和换刀装置的共用的机架。然而，在机床的作业空间和换刀装置的装备单元之间设置有接口，在必要时，该接口可以关闭。

58、不言而喻，上面提到的特征和下面将要解释的那些特征不仅可以分别以给出的组合使用，而且能够用于其他组合或单独使用，而不脱离本发明的范围。