CN101121235A - 具有改进的同心度的机床 - Google Patents

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CN101121235A CNA2007101367874A CN200710136787A CN101121235A CN 101121235 A CN101121235 A CN 101121235A CN A2007101367874 A CNA2007101367874 A CN A2007101367874A CN 200710136787 A CN200710136787 A CN 200710136787A CN 101121235 A CN101121235 A CN 101121235A
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Abstract

本发明涉及具有改进的同心度的机床。能够用于补偿被工作主轴固定的物体的摆动的调整运动的动态主轴调整提供在机床的主轴轴承上。该调整设计成至少足以动态地调整，以允许可靠地跟踪旋转的工作主轴。结果，一个或多个主轴能够相对于静止的机床床身以这样的方式移动，使得固定在该工作主轴上的物体的路径表示绕希望的物体轴线(对称轴线)的理想旋转。该补偿运动能够通过对具有正弦或余弦调节信号的轴承装置的适当的致动器赋予能量来实现，该信号被重叠以产生该起作用的轴承装置的圆运动。这种圆运动用于补偿固定在该工作主轴上的物体(7)的圆周运动。

Description

具有改进的同心度的机床
技术领域
本发明涉及包括至少一个工作主轴的机床，以及用于移动保持在这样的工作主轴上的工件或刀具的方法。
背景技术
当今，普遍使用安装有抗摩擦滚珠轴承的高精度主轴轴承。鉴于能够达到旋转精度、旋转速率、润滑和使用寿命，这种主轴轴承是不断研制的对象。虽然这样做的确已经取得进步，但是当前的制造可能性不能够刚好关于支撑轴的径向和轴向的运行的平稳性以及的同轴性得到任何改进。预期仍然有形成的不对规则性。
为了处理这个问题，文献DE10344239A1已经提出包括机器调节装置的工具磨床，该工具磨床借利用适当的测量装置起初确定毛坯的不重合度，然后所述毛坯被工作主轴上的工件插孔接纳，由于该毛坯或工件被磨光，要考虑并补偿这种不重合尽管不重合，其中尽管不重合，该磨具以这样的方式被引导以使工件能够以尺寸稳定和对中的方式上被加工。
例如，利用重叠在磨具进给运动上的运动补偿圆柱形工件的摆动，该重叠的运动是该工件和刀具之间的轴向接合位置的函数。而且，不仅涉及点形刀具与工件的接合，而且涉及线性刀具，甚至面积刀具与工件的接合，当考虑到用刀具的运动补偿工件的摆动时，该补偿很困难，甚至不可能，所述工件被保持在旋转的工作主轴上。
发明内容
考虑到这一点，本发明的目的是改进工作主轴上的刀具或工件的不对准度的补偿的可能性。
该目的用权利要求1的机床和权利要求22的方法实现。
本发明的机床包括连接于调整装置的工作主轴，该调整装置用于动态调整该工作主轴的旋转轴线的直线同轴性。利用调整装置，该工作主轴的直线同轴性能够作为所述工作主轴的旋转角度的函数改变。因此，工作主轴能够以这样的方式相对于静止的机床床身(body)运动，使得夹紧在工作主轴上的物体(工件或刀具)的运动进行理想的旋转运动，而没有任何偏心或圆周运动分量，并且可选地没有轴向运动分量。这可以叫做沿径向和/或轴向的工作主轴同轴性的主动调整，所述调整是旋转角度的函数，因此，这可以叫做主动主轴轴承。这种主动主轴轴承可以与常规的补偿装置结合，例如，文献DE 10244193A1中所公开的补偿装置，其中，其他的机器轴线用于校正旋转体的不对准度。
利用调整装置进行旋转轴线的同轴性的动态调整允许，例如，磨削接近于理想的圆柱形表面，或相对于理想的旋转轴线以几乎理想的同轴方式加工其他成形的元件，与任何潜在的不对准度无关，例如，在卡盘或作为其他影响的结果。
基本上，能够设计出调整装置作为轴承装置的一部分。优选该轴承装置是无接触轴承装置，例如液体静压轴承装置，或空气轴承装置，磁力轴承装置等。由于各轴承介质(油、空气或磁场)的影响，轴承装置能够至少沿着垂直于该旋转轴线的方向相对于该旋转轴线定位，优选地，能够沿着相互成直角并且垂直于旋转轴线的两个方向定位。但是，也能够以这样的方式构造调整装置，使得它具有根据需要对其定位的轴承装置。能够使用的调整装置是电调整装置，例如压电调整装置，或甚至由其他介质驱动的调整装置，例如液压调整装置。
优选地，调整装置由控制装置致动，该控制装置经由传感装置或其他合适的装置检测工作主轴的旋转位置并因此控制调整装置。此外，该控制装置连接于确定工作主轴上的物体的不对准度的数据的数据源。该数据源可以是测量装置，例如激光测量装置等，其检测工作主轴上的物体在两个轴向间隔开的位置偏心度。数据源可以是其中储存有测量数据的存储装置。
优选地，调整装置显示可实现的调整频率，该频率对应于，或大于所希望的工作主轴的工作旋转速率。这样做，能够通过利用调整装置或主动主轴轴承补偿工作主轴上的物体的潜在不对准度，而不减慢机床的运行速度。如果调整装置的最大调整频率低于所希望的工作主轴的工作旋转速率，可以减小工作主轴的工作旋转速率，以便仍然允许不对准度的补偿。然而，在这种情况下，机床精度的提高有损于加工速度。
物体不对准度的检测可以在实际加工之前，或者在实际加工中进行。这样做，可以使用接触式或非接触式的传感器。这样做，优选，进行调整动作与工作主轴的旋转速率无关，仅仅根据工作主轴的位置进行。
为了补偿不对准度，调整装置的合适元件可以进行径向调整运动，如果需要，进行轴向调整运动。用于补偿不对准度所用的数据可以存在于机床本身，或者也可以存放在外部数据源中，例如，测量装置中。
根据本发明的方法，检测夹紧在工作主轴上的物体的不对准度，并且在工作主轴旋转时，所述主轴的旋转运动被摆动运动重叠，该摆动运动使得工件的不对准度在给定的位置被补偿，但是，优选全部补偿。因此，能够实现提高加工精度。
附图说明
本发明有利实施例的其他细节是附图、说明书和从属权利要求的内容，它们示于
图1是机床的示意侧视图；
图2是根据图1的工作主轴，其轴承和机床的相关调整装置的示意纵剖视图；
图3是根据图2的装置的剖视图；
图4是夹紧在工作主轴上的不同轴的物体旋转时的几何关系的立体示意图；
图5是根据图4的物体在其旋转时补偿不对准度；
图6是用于不对准度补偿的装置的示意图；
图7是具有不对准度补偿的液体静压轴承装置的非常概略的示意图；
图8是不同轴的圆柱形物体的示意的几何关系图；以及
图9是不同轴的圆柱形物体的示意的几何关系图，具有沿一个方向的至少一个不对准度补偿。
具体实施方式
图1示出机床1，其包括机架2，工作主轴3支撑在其上，使得它能够绕旋转轴线4旋转。该工作主轴3可以以静止状态支撑在机架2上，或者如图所示，支撑成使得它能够以线性方式定位在空间，或借助于一个或多个滑块5定位在其他路径。该工作主轴与驱动装置6相连，以便以旋转方式驱动该工作主轴3。工作主轴3可以设置成接纳工件或刀具。图1示出表示工件的圆柱形毛坯7。为了加工所述工件，在图1中所用的刀具8用磨轮9表示。这个磨轮由磨轮头10驱动，该磨轮头10经由定位装置，例如复合滑块11，由机架2支撑。利用所述复合滑块，该磨轮头10能够定位在各种不同的空间位置。此外，磨轮头10可以设置成绕一个或多个轴线旋转。
为了确定物体7的对准度，利用测量装置12，所述装置在两个轴向间隔开的点13、14测量物体8同心度。为此，例如，利用两个激光测量头15、16，或者其他合适的装置。该测量可以在加工物体7之前和/或该物体被加工时进行。
图2更加详细的示出工作主轴3，虽然以示意的方式。所述主轴与轴17相连，该轴以旋转方式支撑在轴承装置18中并且设置成在其自由端具有用于接纳物体7的装置，例如，所述接纳装置构造成卡盘19。该轴承装置18包括至少两个轴向间隔开的轴承20、21，它们是相互同轴的并且形成旋转轴线4。轴承20、21可以具有任何结构。优选它们是非接触轴承，例如空气轴承、液体静压轴承或磁力轴承。
轴承装置18与调整装置22相连，调整装置22与两个轴向间隔开的调节结构23、24相连，它们允许支撑轴17的旋转中心至少在径向方向偏移。参考本实例，沿所有径向的偏移是可能的。参考图3，作为例子下面将描述调节结构23。
轴承20由若干个，例如四个致动器，如压电致动器26、27、28、29中心地保持在其外环上。这样做，相应的两个压电致动器26、27；28、29相互相对地成对设置。所有的压电致动器26至29一起代表形成第一调整方向r1和第二调整方向r2的压电调整装置，该第一和第二调整方向朝着旋转轴线4径向地取向。由压电调整装置表示的调整结构23连接于控制装置30，如图6所示。同样，调整结构24也连接于控制装置30。该控制装置30接纳来自测量装置12和角度传感器31的信号，它们检测轴17的旋转位置并且可以检测设置在轴17上的标记32。优选地，角度传感器31以绝对方式产生确定轴17的旋转角度的信号。可选地，可以使用渐增的传感器。
控制装置30优选基于计算装置，例如微型计算机。所述控制装置包括处理装置33和存储装置34，其中，存储合适的加工程序，并且可选地，存储有关物体7的不对准度的数据。
迄今所描述的机床1设置成按如下方式运行：
为了示出功能，假定工作主轴3上的物体7——以高度夸张的方式示出——不同轴地保持。工作主轴的旋转轴线4和物体7的对称轴线35不重合。这些轴线可以相互为邻或者以随机方式相交。而且，它们可以相互平行或形成锐角。图4示出旋转轴线4和对称轴线35相互交叉地通过而不相交。
如果工作主轴绕旋转轴线4旋转，物体7如图4的箭头36所示进行摆动。这样做时，其对称轴线33上的每个点绕对称轴线4如图4中的径向箭头37所示进行圆周运动。参考图4，对称轴线35，如径向箭头38、39所示，在仅仅由参考箭头精确地符号地所示的轴承20、21的区域内也进行圆周运动。这以静止方式作用于调整结构23、24，即，当轴17不进行任何径向移动时。
当校准机床1时，物体7的摆动运动被跟踪，其中轴17绕旋转轴线4旋转，并且物体7的运动在点13、14被跟踪，结果得到的数据被存储在，例如，存储器34中。
如果数据被记录到这样的程度，即在点13、14的偏心度被确定，这能够用于计算来自径向箭头38、39的明显的偏心度。这些被反向，即通过计算转换成补偿径向箭头38、39的径向箭头40、41。至少在简化的情况下，当旋转轴线4和对称轴线35相交时，得到径向箭头40，其中径向箭头38绕旋转轴线4旋转180°。同样，这应用于径向箭头39、41。之后，调整结构23通过控制装置30以这样的方式赋予能量，使得轴17，如径向箭头40、41预先规定的，径向偏移。由径向箭头40、41描述的径向偏移随着轴17的旋转而旋转，即根据轴17的当前旋转角度压电致动器26至29被赋予能量。因此，轴17沿着所述轴的轴线42在图5所示的圆锥形或截头圆锥形路径的路线进行摆动运动。因此，对称轴线35和旋转轴线4变成相互重合。因而物体7进行纯理想的旋转运动。
参考上面描述，假定轴承装置和调整装置由分开的模块单元构成。图7示出修改的实施例，其中轴承装置18和调整装置22形成不可分开的单元。在这种情况下，轴承装置18由用于支撑轴17的液体静压轴承装置表示。设置至少三个，优选四个分布在轴承孔的圆周上的槽43、44、45、46，通过油供给管路47所述槽用高压油填充。槽43至46的边缘与轴17形成窄间隙。在槽43至46之间，设置挡油槽48、49、50、51。所述挡油槽排出的油流过间隙。两个相对设置的槽44、46经由阀装置52连接于高压液体流体的源53，例如被施加高压的油的源。通过对槽44或槽46目标地施加增加的压力，轴47能够偏移离开其中心位置。虽然实现调整行程仅仅是几分之一毫米，但是对于精确用途该调整路径可以是足够的。同样，如果沿着水平方向调整，交变的压力可以经由阀施加于槽43、45，并且沿着竖直方向。
参考上面描述，物体7表示工件，并且磨轮8表示刀具。但是，在物体7表示刀具，例如磨轮的情况下，代替磨轮8，也可以设置工件。
参考上述示范性的实施例，假定物体7的摆动运动沿所有的径向被补偿，即完全地补偿，以便实现理想的旋转运动。然而，参考不太复杂的例子，仅仅在一个或几个选择点补偿摆动运动是足够的，如图8和图9所示。参考图8和图9，箭头53表示材料要被去掉的点，例如，利用切削型机械加工工艺。如果如图8所示存在偏心54，物体7的精密加工不可能。但是，如果偏心54沿着与按照箭头53所示的刀具前进方向一致的一个方向被补偿，如图9所示，的确仍然能够垂直于前进分方向53进行摆动运动；但是，沿着前进方向作用的分量已经被消除。这种类型的补偿可以用调整装置实现。这种调整装置仅仅允许沿着选择的径向方向的调整运动。但是上述完全补偿是优选的。
允许用于补偿由工作主轴保持的物体的摆动运动的动态主轴调整设置在机床的主轴轴承上，校准设计成至少足够动态地校准，以能够可靠地跟踪该旋转工作主轴。结果，一个和多个主轴能够相对于静止机床身以这样的方式运能，使得保持在工作主轴上的物体的路径表示绕希望的物体轴线(对称轴线)的理想的物体旋转。通过用正弦和余弦调整信号对轴承装置的合适的致动器赋予能量能够实现补偿运动，该信号被重叠以产生起作用的轴承装置的圆运动。这个圆运动补偿保持在工作主轴上的不同轴的物体7的圆周运动。
附图标记表
1机床
2机架
3工作主轴
4旋转轴线
5滑块
6驱动器
7物体
8工件
9磨轮
10磨头
11复合滑块
12测量装置
13点
14点
15激光测量头
16激光测量头
17轴
18轴承装置
19卡盘
20轴承
21轴承
22调整装置
23调整结构
24调整结构
25外环
26压电致动器
27压电致动器
28压电致动器
29压电致动器
30控制装置
31角度传感器
32标记
33处理装置
34存储器
35对称轴线
36箭头
37径向箭头
38径向箭头
39径向箭头
40径向箭头
41径向箭头
42轴线
43槽
44槽
45槽
46槽
47线
48槽
49槽
50槽
51槽
52阀装置
53箭头/前进运动

Claims (23)

1.一种机床(1)，包括
具有用于支撑至少一个工件(7)或至少一个刀具(7)的装置(19)的机架(2)；
至少一个设置成容纳刀具(7)和/或工件(7)并且相对于该机架(2)以旋转方式驱动的工作主轴(3)；
构造成用于支撑该工作主轴(3)以便能够绕预先规定的旋转轴线(4)旋转所述轴承的轴承装置(18)；以及
由调整信号控制的调整装置(22)，用于该旋转轴线(4)的对准度的动态调整。
2.如权利要求1所述的机床，其特征在于该轴承装置(22)由该机架(2)支撑。
3.如权利要求1所述的机床，其特征在于该轴承装置(22)由定位装置(5)支撑。
4.如权利要求1所述的机床，其特征在于该调整装置(18)包括至少一个第一致动器(27，29；44，46)，以便沿着横向于该旋转轴线(4)的第一方向(r1)移动该旋转轴线(4)。
5.如权利要求1所述的机床，其特征在于该调整装置(18)包括至少一个致动器(28)，以便沿着第二方向(r2)移动该旋转轴线(4)，该第二方向(r2)横向于该旋转轴线(4)并且不同于该第一方向(r1)取向。
6.如权利要求1所述的的机床，其特征在于该调整装置(18)包括两个调整结构(23，24)，其相对于旋转轴线(4)设置成彼此相距一定的轴向距离。
7.如权利要求1所述的的机床，其特征在于该调整装置(18)显示对应于、或大于该工作主轴(3)的旋转速率的调整频率。
8.如权利要求1所述的的机床，其特征在于该调整装置(18)的操作与该工作主轴(3)的旋转同步。
9.如权利要求1所述的的机床，其特征在于该调整装置(18)是摆动调整装置，其赋予该工作主轴(3)以摆动运动，该摆动运动叠加到所述主轴的旋转运动。
10.如权利要求1所述的的机床，其特征在于该工作主轴(3)包括用于工件(7)和/或用于刀具(7)的接纳装置(19)。
11.如权利要求1所述的的机床，其特征在于在绕旋转轴线(4)旋转时由调整装置(18)产生的的调整运动与由工作主轴(3)接纳的刀具(7)或工件(7)进行的摆动运动是相反的。
12.如权利要求1所述的的机床，其特征在于在该调整装置(22)是无接触式轴承装置。
13.如权利要求1所述的的机床，其特征在于在该轴承装置(22)是气动轴承装置。
14.如权利要求1所述的的机床，其特征在于在该轴承装置(22)是液体静压轴承装置。
15.如权利要求1所述的的机床，其特征在于在该轴承装置(22)是磁力轴承装置。
16.如权利要求1所述的的机床，其特征在于在该调整装置(18)以这样的方式设置在该轴承装置(22)内，使该调整装置显示能够由调整信号调整的偏心度。
17.如权利要求1所述的的机床，其特征在于在该调整装置(18)支撑该轴承装置(22)。
18.如权利要求1所述的的机床，其特征在于在该调整装置(18)是压电调整装置(26，27，28，29)。
19.如权利要求1所述的的机床，其特征在于在该调整装置(18)是磁力调整装置。
20.如权利要求1所述的的机床，其特征在于在该调整装置(18)连接于控制装置(30)，该控制装置(30)连接于位置检测装置(31)，该检测装置用于检测该工作主轴(3)的旋转位置。
21.如权利要求1所述的的机床，其特征在于在该调整装置(18)连接于测量装置(12)，该测量装置(12)用于确定连接于工作主轴(3)的工件(7)的不对准度，所述不对准度是旋转位置的函数。
22.一种用于利用工作主轴(3)移动机床(1)中的工件或刀具的方法，由此
该工件或刀具被夹紧到该机床(1)的工作主轴(3)；
确定该工件或刀具相对于希望的该工件或刀具的旋转轴线(4)的不对准度；以及
在工作主轴(4)旋转时，该工件或刀具具有额外的摆动运动，以便补偿该工件或刀具在至少一个固定点(53)处的不对准度。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于该固定点(53)是这样一个点，在该点工件与刀具接合，或刀具与工件接合。
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