[0001] 本发明是申请号为202080079567.6的中国专利申请的分案申请。本发明涉及机床(machine tool)的领域，更具体地涉及车床的领域，例如自动车床。更具体地，本发明在第一方面涉及一种用于机床的套组(也称为刀具支架)，例如用于自动车床的套组。更具体地，本发明涉及一种套组，该套组在被重复使用时不需要重新校准附接到该套组的刀具的位置。在第二方面，本发明涉及一种用于机床的刀具定位装置。更具体地，本发明涉及一种刀具定位装置，其允许相对于待加工的棒材精确且快速地定位刀具，而不需要在定位期间移动该装置的驱动器件。在第三方面，本发明涉及一种用于机床的旋转刀具驱动装置。更具体地，本发明涉及一种具有磁齿轮的旋转刀具驱动装置。最后，在第四方面，本发明涉及一种机床(例如自动车床)，其包括根据本发明的刀具定位装置、根据本发明的套组和/或根据本发明的旋转刀具驱动装置。

[0002] 当通过机床特别是通过精密机床(如自动车床)加工机械零件时，用于加工所需零件所需的刀具必须能够相对于待加工的棒材非常精确地定位。如今，同样必要的是，这种定位能够尽可能快地完成，以便减少总的加工时间，这最终使得可以降低加工成本以及提高零件的生产率。

[0003] 现有技术中已知的用于机床的刀具定位装置通常包括两个独立的线性导轨，其用于一个或多个刀具或托架(刀具附接在其上)的移动。已知机器的线性导轨通常优选地彼此成直角定向，并联接到各自的马达，从而允许刀具相对于待加工的棒材移动。通过结合两个线性导轨的平移移动，这些刀具可以在垂直于棒材的平面内沿任何方向移动。

[0004] 然而，现有技术的定位装置具有一个主要缺点。实际上，线性导轨以“串联”方式布置，这意味着两个线性导轨中的一个及其相应的马达必须由另一个线性导轨移动。这意味着在定位刀具时，大的质量块(尤其是马达质量块)必须总是被移动。这是不利的，因为这意味着相对于待加工的棒材定位刀具需要大量的行程时间。这最终限制了加工速率。此外，由于这种系统的高惯性，当刀具高速移动时，难以精确定位刀具。最后，轴堆(即串联安装的轴)不如平行结构刚性大。

[0005] 现有技术中已知的也称为刀具支架的套组通常包括刀具支架，例如呈金属板形式的刀具支架，刀夹(tool holder)安装在该刀具支架上。刀夹通常设计成接收板夹(plate holder)，板(即切削刀具)本身最终附接到该板夹。

[0006] 已知套组允许达到高的加工精度，但是它们又大又重。已知套组的大质量意味着相对于待加工的棒材定位刀具需要长的定位时间。此外，已知套组的几何形状和尺寸意味着必须进行大的移动，以将用于加工零件所需的不同刀具定位在待加工的棒材附近。这些位移当然限制了加工速率。此外，现有技术中已知的套组仅提供基本上彼此平行定向的刀夹。因此，已知套组提供彼此相邻安装的刀具。对于拥有大量刀具的大型套组来说，位于套组端部处的刀具彼此相距甚远。如果在加工期间使用这些刀具中的第一个，然后使用另一个，则该套组必须在相对大的距离上被移动，这意味着额外的定位时间，并且自然地限制了加工速率。最后，现有技术中的已知套组的特征在于套组上刀具的附接点和工作点之间的距离大。这意味着刀具在加工期间会变形，这会导致较低的加工质量。

[0007] 现有技术中已知的用于机床的旋转刀具驱动器通常采用机械齿轮来驱动刀具旋转。机械齿轮的缺点是会产生大量的振动、噪音和热量。高精度机械齿轮非常昂贵。此外，机械齿轮装置仅允许被旋转驱动的刀具的受限制的加速和减速。此外，现有技术的装置尺寸大、重量重，这意味着当这些装置在加工期间必须移动时，需要长的行程时间。此外，已知装置的大质量不允许这些装置在保证高精度定位的同时在最少量的时间内被移动。

[0008] 现有技术中已知的包括刀具定位装置、套组和/或旋转刀具驱动装置的机床不允许以非常高的速度加工高精度零件。事实上，这些元件的质量和/或尺寸限制了可实现的加工速率和精度。

[0009] 因此，需要一种刀具定位装置、一种用于机床的旋转刀具驱动装置、一种套组和一种机床，它们能够提高加工速率，同时保证被加工工件的高精度。

[0052] 图1示出了根据本发明该方面的第一实施例的机床1(这里是自动车床)的第一透视图。自动车床1包括：框架2；在该实施方式中优选固定的筒体3；移动主轴箱(未示出)，该移动主轴箱允许夹紧待加工的棒材以及驱动该棒材沿着对应于棒材纵向轴线的轴线z旋转和平移；以及承载加工所需的刀具101(也参见图2)的套组100。套组100优选地附接到托架207，托架207是本发明的定位装置200的一部分，定位装置200允许刀具101相对于被加工的棒材在最少量的时间内精确定位。

[0053] 首先，将参照图2至图5描述本发明的定位装置200的结构和功能特征。

[0054] 图2示出了机床1的正视图，该机床1包括根据本发明该方面的第一实施例的定位装置200。如可以看出的，装置200包括托架207，托架207被构造成使得套组100可以附接到托架207。在定位装置200的基本位置，即托架207相对于待加工的棒材对称定位的位置，套组100也相对于机床1的筒体3对称定位，且因此相对于待加工的棒材(这里未示出)对称定位。在该图中，x、x’、x”、y和z轴被示出，并且将在下面被用于解释定位系统200的操作原理。y轴在下文中被称为竖直轴线，x轴被称为水平轴线，x’轴被称为第一倾斜轴线，x”轴被称为第二倾斜轴线。从该图中可以看出，在该实施例中，倾斜轴线x’和x”形成直角。

[0055] 图3至图5分别示出了机床1和定位装置200的底部透视图、正视透视图和正视图，它们均是部分分解的。定位装置200包括第一笔直线性导轨201和第二笔直线性导轨202，在该实施例中，它们相对于z轴对称地放置在机床1的框架2的倾斜平面2a和2b上(见图3)。重要的是要注意，倾斜平面2a和2b的存在对于定位装置200的操作而言并非必需的。第一和第二笔直线性导轨201、202可以附接在框架2的垂直于z轴的平面上。然而，倾斜平面2a和2b的存在允许滑块203和204设置在笔直线性导轨和倾斜线性导轨之间。由于这一点，刀具101可以更靠近机床1的筒体3定位，从而可以加工尺寸非常小的工件而没有刀具偏移。有利地，滑块203和204由非常坚硬且轻质的材料(例如铸铁，优选EN‑GJS‑400‑15)制成。它们还优选被挖空，以便尽可能地相应地限制它们的重量和体积。如可以看出的，托架207也优选是中空的，这也相应地限制了其重量和体积。

[0056] 如图3至图5所示，第一倾斜线性导轨205和第二倾斜线性导轨206分别附接在第一和第二滑块203、204上。滑块203和204被设计成使得与第一和第二倾斜线性导轨205、206相关联的平移方向x’和x”形成垂直于z轴的平面，即垂直于待加工的棒材的纵向轴线。此外，连接到倾斜线性导轨205和206的托架207以这样的方式设置，即优选地经由套组100附接到托架207的刀具101仅在垂直于z轴的平面内移动。

[0057] 装置200还包括第一直线驱动马达和第二直线驱动马达(图中未示出)，它们经由第一滚珠丝杠联轴器201a和第二滚珠丝杠联轴器202a分别作用在第一滑块203和第二滑块204上，从而平行于竖直轴线y驱动它们。

[0058] 现在将借助于图1和图6至图8来解释定位装置200的操作原理，图1和图6至图8示出了托架207的不同位置，并因此示出了刀具101相对于筒体3和相对于待加工的棒材的不同位置。

[0059] 如上所述，图2表示托架207相对于筒体3的“基本”位置，即托架207相对于待加工的棒材对称定位的位置。当借助于第一和第二笔直线性导轨201、202同步地(即以相同的速度以及沿着相同的方向(基于方向A，平行于竖直轴线y))驱动滑块203和204时，托架207本身也被驱动平行于轴线y平移。由于滑块203、204的同步移动，刀具101的y轴位置因此可以被调节，如图6所示。

[0060] 另一方面，当只有滑块203、204中的一个被驱动平行于竖直轴线y平移(例如如图7所示，经由相应的笔直线性导轨，第一滑块203在方向A上被驱动)时，托架207不仅平行于y轴笔直平移，而且平行于x轴水平平移。因此，在这种情况下，托架被对角线地移动。实际上，由于第二滑块204经由第二马达202b与笔直线性导轨202成一体，所以它不能响应于第一滑块203的运动而沿着方向A平移。然而，响应于第一滑块203在方向A上的运动，托架207相对于第一滑块203在方向B上平行于第一倾斜轴线x’被驱动，并且相对于第二滑块204在方向C上平行于第二倾斜轴线x”被驱动。注意，在该实施例中，由于定位装置200被对称地构造的事实，沿着B和C方向的位移具有相等的幅度。第一滑块203沿着方向A位移而第二滑块204保持静止，因此最终转化为托架207的“对角线”位移，即具有沿着水平x轴的分量和沿着竖直轴线y的分量的位移。

[0061] 通过在相反的平行方向A和D上平移移动第一和第二滑块203和204，实现了托架207平行于水平轴线x的平移。例如，参考图8，托架207的仅沿着E方向的位移(不沿着y轴移动)是通过第一滑块203沿着A方向的平移伴随着第二滑块204沿着D方向的相同幅度的平移来实现的。以类似的方式，托架207在水平方向F上的位移是通过第二滑块204在方向A上的平移和第一滑块203在方向D上的平移来实现。

[0062] 从定位装置200的操作原理的上述描述中可以理解，通过结合第一和第二滑块203和204仅平行于笔直y轴的位移的方向和幅度，可以在由x和y轴限定的平面中的任何方向上移动托架207以及从而移动刀具101。因此，可以将直接附接到托架207或附接到套组100的任何刀具101带到加工工件所需的位置中。

[0063] 相对于现有技术的已知装置，定位装置200的重大优势之一在于，刀具在任何方向上运动所必需的线性导轨在拓扑上是“平行”而非“串联”布置的。在现有技术中已知的装置中，线性导轨和它们的驱动马达串联放置，这意味着至少一个驱动马达必须总是与托架207同时移动。因此，为了能够相对于待加工的棒材定位刀具，与定位装置的其它元件的质量相比而言通常大的马达质量块必须被投入运动。这意味着现有技术的已知定位装置具有高惯性，这不仅限制了可以执行定位的最小时间，而且限制了其精度。事实上，高惯性意味着高速投入运动的托架的减速更为棘手。相比之下，得益于根据本发明的定位装置，马达是固定的并且永远不必移动。因此，只有托架、滑块和刀具必须被移动，这使得可以在定位刀具时限制要移动的总质量或体积。这使得可以实现更短的定位时间以及因此更高的加工速率，同时保证高定位精度以及因此保证加工准确性。

[0064] 图9至图11和图14示出了根据本发明该方面的第一实施例的用于机床的套组100。套组100包括刀具支架102，该刀具支架102包括通过角部106连接在一起的六个大致矩形的刀具附接板104a‑f。这些图中所示的实施例的刀具支架102因此采取截头方形框架的形式。
在本发明的范围内，刀具支架102可以具有另一种基本平坦的形状，该形状至少部分地围绕加工区域，在该加工区域中，工件能够被加工。因此，在本发明的范围内，可以提供不同数量的刀具附接板。这些板的形状也可以不同于图9至图11和图14所示的形状。这些板可以具有拱形形状。刀具支架102则可以采取环或冠的形式。支架刀具102当然也可以具有多边形形状，例如三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形或任何其他类型的规则或不规则多边形。对于本发明而言，由刀具支架102形成的框架不必是封闭的。重要的只是刀具支架的形状能够至少部分地包围该区域，在该区域中工件是待加工的。

[0065] 如图9至图11和图14所示，附接支架103附接到四个刀具附接板104a、104b、104d和104e的外边缘。附接支架103有利地包括销103a，销103a旨在与设置在机床或刀具定位系统中的相应孔配合，例如与本发明的定位系统200的托架207配合。此外，附接支架103包括定位孔103b，定位孔103b旨在与机床或刀具定位装置(例如本发明的定位装置200)的销配合。
因此，可以将套组100定位以及附接到机床，从而确保支架102相对于机床和/或机床的托架采用限定明确的位置。

[0066] 此外，刀具附接器件105设置在每个刀具附接板104a‑f中。在所示实施例中，套组100包括总共24个刀具附接器件105。当然，在不超出本发明范围的情况下，可以提供不同的、更多或更少数量的刀具附接器件105。这些刀具附接器件105被构造成使得刀具101(这里为板101a的形式)可以直接附接到套组100的刀具附接板104a‑f。与现有技术中已知的套组相比，这里不需要板夹或刀夹。然而，重要的是要注意，可以在板101a和刀具附接板104a‑f之间设置间隔件，以便调节板101a和附接板之间的距离，而不超出本发明的范围。由于板
101a直接附接到刀具支架102，所以可以提供具有小框架宽度102D的刀具支架102(见图9)，从而限制了套组100的质量和尺寸。此外，板101a直接附接到刀具支架102的事实减小了在加工零件时套组100必须做出的路径的尺寸，且因此允许更快的加工。

[0067] 从图9至图11和图14中可以看出，刀具支架102被设计成包括刀具附接板104a‑104b，它们沿着至少两个不同的方向定向，并且在它们之间形成角度β。在这些图中所示的实施例中，例如，在放置在刀具附接板104a和104b上的刀具101之间提供了90°的角度β1。同时，在刀具附接板104a和104f之间存在45°的角度β2(见图10)。将刀具101放置在沿着至少两个不同方向定向的附接板上的可能性使得有可能在单个套组上提供非常大量的刀具，同时减少加工零件时该套组必须行进的平移距离。这同样允许加工速率增加。如上所述，这些图中所呈现的实施例的套组100的几何形状不应被认为是限制性的。所期望的技术效果是通过具有刀具支架的套组来实现的，该刀具支架的形状允许其至少部分地围绕加工区域。
例如，在不超出本发明的范围的情况下，套组100可以被设置为开环或闭环。

[0068] 在图9至图11和图14所示的实施例中，刀具支架102被设计成使得附接板104a‑f形成封闭的框架。这具有使套组100非常坚固的优点。由于刀具支架102的刚性，安装在套组100上的刀具101的相对位置相对于彼此保持恒定。当然，在不脱离本发明的范围的情况下，可以提供各种几何形状的刀具支架102。如上所述，根据本发明的套组可以仅包括两个刀具附接板104a‑b，它们相对于彼此定向成形成小于180°的钝角。

[0069] 如图9至图11和图14所示，套组100不仅包括呈板101a形式的刀具101，例如凿子，还包括用于加工例如孔或螺纹的旋转刀具101b和101c。套组100可以包括第一旋转刀具101b，第一旋转刀具101b的旋转轴线平行于由刀具支架102限定的平面。以有利的方式，第一旋转刀具的旋转轴线位于与板101a相同的平面中。这些第一旋转刀具101b也可以采取如图14所示的斜销(angled pin)的形式。这种斜销可以例如采取用于旋转刀具300的本发明的驱动装置的形式。该套组还包括第二旋转刀具101c，其旋转轴线在由板101a限定的平面之外。有利地，第二旋转刀具101c的旋转轴线垂直于由板101a限定的平面。第二旋转刀具
101c可以直接附接到刀具支架102，或者借助于附接到刀具支架102的旋转刀具支架107。设置单独的旋转刀具支架107允许套组100上的刀具的更大总数和/或交换旋转刀具101b或
101c的能力，同时保持刀具支架102上的刀具101a的位置不变。套组100被设计成承载加工工件所需的所有刀具。因此，可以考虑针对每个工件具有一个套组。这使得加工速率更快，因为可以更快地从一个零件切换到另一个零件。

[0070] 如上所述，套组100优选地包括销103a和定位孔103b，这允许套组100重复地附接到特定机床以及从特定机床拆卸，同时确保刀具101每次都处于相同的位置。当然，套组100被设计成可拆卸的事实也允许同一的套组100被用在若干个机床上。

[0071] 如上所述，套组100以这样的方式设计，即使当套组被拆卸并重新附接到一个或多个机床时，刀具101的相对位置也不会改变。这是非常有利的，因为当重新使用套组100时，不必再次确定刀具的相对位置，并且工件的加工可以立即开始，而不需要重新校准(重新校准会造成大量的时间损失)。事实上，在高精度机械零件加工领域，校准是通常需要大量精力和时间的过程。然而，为了使得安装在套组100上的刀具101可以能够被制造高精度工件，重要的是在校准期间优选地相对于套组100上的参考标记一次性地确定刀具101在套组100上的绝对位置。例如，参考标记可以是套组上的光学标记，例如十字形或等效形状。当然，也可以相对于套组的参考元件(例如其中一个销103a)来确定刀具在套组上的绝对位置。在校准期间，确定安装在套组100上的每个刀具101的加工方向(例如切削方向)也是重要的。

[0072] 重要的是要注意，刀具101在套组100上的绝对位置的确定可以经由专用校准机器(例如光学校准机器)独立于机床进行，或者通过用套组100加工校准件然后分析这些校准件的加工结果而直接在机床上进行。

[0073] 为了便于套组100的重复使用，有利的是预见到该套组具有允许其识别的唯一识别器件。该识别器件可以是以另一种方式刻在或放置在该套组的一部分上(例如在刀具支架102上)的数字或代码。然后，该数字可以由操作机床的人手动输入，该机床上安装有套组100，以向机床指示哪个套组100附接在那里。优选地，机床包含数据库，使得可以识别套组。
该数据库可以包含例如用于每个已知套组的刀具101的绝对和/或相对位置。实际上，有可能设想刀具在该套组上的所有绝对位置都是已知的，并被记录在数据库中。也有可能的是，单个刀具或单个参考点(例如上述光学标记)的绝对位置以及刀具相对于该参考元件的相对位置是已知的并被记录在数据库中。

[0074] 该套组100优选包含信息存储器件(图中未示出)，借助于该信息存储器件可以存储和记忆该套组100上的刀具101的绝对和/或相对位置以及该套组的唯一标识。该套组100然后可以包括电子通信器件，以便当套组附接到机床时，将该信息和所有其他信息传输到机床。这些电子通信器件可以是有线的，例如呈设置在套组和机床上的合适的连接器的形式(例如呈电子连接器的形式)，或者是无线的，例如呈RFID芯片或本领域技术人员已知的其他等效装置的形式。注意，信息存储器件可以有利地被提供来包含信息，除了刀具的位置和刀具的加工方向以外还有例如该套组加工的工件数量、该套组的使用日期、刀具更换日期、校准日期、对其来说该套组已经被使用过的机床列表和/或对应于该套组的工件。这个列表当然不是详尽无遗的。存储器件可以优选地设置成还包含描述相应工件的CAD文件。此外，套组100的有线或无线的电子通信器件优选地被设置成使得能够允许套组100和用于读取包含在存储器件中的数据的器件之间的单向或双向通信。例如，这些读取器件可以被提供在用于校准套组的专用校准机器中，或者被提供在任何其他装置中，例如移动通信器件(诸如例如智能手机)。这使得可以快速读取存储器件中所包含的信息，并且例如识别特定的套组以及相应的工件。得益于在该套组中所提供的通信存储器件，当该套组附接到具有等效通信器件的机床时，可以将存储在该套组中的信息自动传送到机床。例如，可以设想，均存储在该套组的存储器件中的描述工件的CAD文件以及相应的加工程序被传送到机床。机床然后准备好开始加工，而不需要操作员输入这些数据。

[0075] 如上面进一步提到的，一旦已经执行了校准，即一旦已经相对于参考点确定了刀具101的位置，则套组100可以被用于若干机床，而不需要执行新的校准。此外，重要的是强调套组100具有与校准相关的另一个优点。实际上，当套组100的刀具101必须被更换(例如在破损之后)时，只需要确定替换刀具相对于参考点的位置以知晓所有相对位置。

[0076] 图12和图13示出了根据本发明该方面的优选实施例的旋转刀具300的驱动装置的剖视图。装置300包括框架301，该框架301被细分成第一子框架301a和第二子框架301b，这两个子框架均为基本上圆柱形的。从这些图中可以看出，第二子框架301b位于第一子框架301a的端部处并与第一子框架301a形成小于180°的钝角α。在这个具体实施例中，钝角α等于90°。在本发明的范围内，当然可以提供不同于90°的角度α。

[0077] 装置300还包括磁齿轮，该磁齿轮包括放置在第一子框架301a中的输入轮302a和放置在第二子框架301b中的输出轮302b。输入轮302a以这样的方式构造，使得它可以被驱动绕第一子框架301a的纵向轴线w高速旋转，例如由电动马达(这里未示出)驱动。本领域技术人员可以容易地想象如何在第一子框架301a中设置电动马达，以便驱动磁齿轮302的输入轮302a旋转。

[0078] 输入和输出轮302a、302b是磁耦合的。换句话说，输入和输出轮302a、302b包括在这些轮之间产生磁耦合的磁性元件。由于输入轮302a和输出轮302b之间的磁耦合，可以经由输入轮302a驱动输出轮302b绕第二子框架301b的纵向轴线v旋转。

[0079] 装置300还包括夹紧器件303，该夹紧器件303用于夹紧和释放刀具304，例如钻头。夹紧器件303以这样的方式连接到输出轮302b，即夹紧器件303以及因此的刀具304可以借助于磁齿轮302被驱动绕第二子框架301b的纵向轴线v旋转。

[0080] 夹紧器件303优选地包括夹爪305，夹爪305可以以垂直于轴线v的方式平移。有利地，夹爪305可以由于联接到液压系统的柔性膜(这里未示出)而被驱动平移。以有利的方式，柔性膜306可响应于液压系统的液压流体的压力变化而变形。通过调节流体的压力，柔性膜或多或少地变形，这使得可以调节夹爪305的位置，且从而可以调节夹爪305在刀具304上的夹紧力和/或刀具304的释放力。在该实施例中，液压流体的压力可以借助于调节螺钉(这里未示出)以有利的方式被调节，该调节螺钉拧入螺纹307中，该螺纹307以相对于刀具304同轴的方式设置，但是设置在与第二子框架302b相对的端部处。

[0081] 根据本发明的旋转刀具驱动装置300相对于现有技术中已知的装置是有利的，因为它允许装置的驱动马达不与被驱动旋转的刀具304同轴。这允许加工复杂的工件，包括例如平行于待由机床加工的棒材的轴线的螺纹，该机床仅包括定位装置(例如本发明的定位装置200)以及切削刀具，该定位装置允许旋转刀具移位。此外，旋转刀具驱动装置300可以有利地与本发明的套组100结合。装置300使得可以在加工复杂工件的过程中使该套组必须执行的运动最小化。为此缘故，可以提高加工速率。

[0082] 明显的是，本发明在其实施方面可以有许多变化。尽管已经通过示例的方式描述了非限制性实施例，但是当然可以理解，不可能以穷尽的方式识别所有可能的变化。当然，在不超出本发明的范围的情况下，可以想到用等同的装置来替换所描述的装置。所有这些修改构成了机床领域中本领域技术人员的公知常识的一部分。