CN101138831A - 加工原点设定方法及用于实施该方法的机床 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于设定旋转刀具和被切削材料接触的加工原点的加工原点设定方法，具备以下步骤：在使上述旋转刀具的切削刃前端与固定于工作台上的上述被切削材料的外表面接触的状态下，在保持上述旋转刀具的主轴上施加不使上述旋转刀具旋转的程度的负载转矩；在对上述主轴施加了上述负载转矩的状态下，沿上述旋转刀具的轴向或垂直于轴的方向的任意一个进给轴方向点动进给上述工作台或上述主轴的任意一方，使得上述切削刃前端沿离开上述外表面的方向移动；以及将上述主轴旋转的瞬间的坐标设定为已进行了点动进给的上述进给轴方向上的上述加工原点。

Description

加工原点设定方法及用于实施该方法的机床
技术领域
本发明涉及一种用于设定旋转刀具和被切削材料的加工开始位置的加工原点设定方法及用于实施该方法的机床。
背景技术
在使用切削刀具加工被切削材料的场合，通常在每次更换切削刀具和被切削材料的至少一方时，需要设定切削刀具和被切削材料的接触开始点、即存在于被切削材料的被加工面上的切削刀具的切削刃的加工原点。特别是在使用立铣刀等旋转刀具加工模具的场合，还要求微米级别乃至更高的纳米级别的加工精度(尺寸精度、精加工表面精度等)，从而需要精度更高地设定加工原点。
可是，设定刀具和被切削材料的加工原点的作业需要一边点动进给进给轴一边慎重地操作，因此会产生非常耗费时间的问题。另外，该作业需要经验和直觉，因此难以实现作业标准化，从而限制了作业效率的提高。
作为使该作业自动化并以短时间高效地进行加工原点的设定的方法之一，有特开2004-98213号公报中公开的方法，而该方法需要包含传感器的特别的测定装置，从而有成本高的问题。另外，由于该方法在垂直于刀具的旋转轴的方向上设定传感面，因此虽然能够检测刀具在旋转轴方向的位置，但是不能检测出在垂直于旋转轴的方向上、即刀具在径向的位置。另外，该方法主要适用于外径为100μm以下的微小直径的刀具，从而有测定方法的适用范围受到限制的问题。
另外，作为现有的其它方法的一个例子，有使用具有显微镜的专用刀具探测装置的方法。该刀具探测装置虽然能够探测刀具的位置，但是存在不能探测工件的位置的问题。另外，还存在对于刀尖尖锐的刀具不能正确地探测刀尖的前端位置的问题。即，在使用显微镜的场合，虽然能够测定刀尖和工件的距离，并能够最大限度地靠近刀具，但由于显微镜焦距的关系，有时因加工准备工序而无法看到刀尖。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种不增加成本并容易且正确地设定旋转刀具和被切削材料的加工原点的加工原点设定方法及用于实施该方法的机床。
为了实现上述目的，本发明的加工原点设定方法的一种方式是用于相对被切削材料设定旋转刀具的加工原点的加工原点设定方法，其特征在于，包括以下步骤：在使上述旋转刀具的切削刃前端与固定于工作台上的上述被切削材料的外表面接触的状态下，在保持上述旋转刀具的主轴上施加不使上述旋转刀具旋转的程度的负载转矩；在对上述主轴施加了上述负载转矩的状态下，沿上述旋转刀具的轴向或与轴垂直的方向的任意一个进给轴方向点动进给上述工作台或上述主轴的任意一方，使得上述切削刃前端沿离开上述外表面的方向移动；以及将上述主轴旋转的瞬间的坐标设定为已进行了点动进给的上述进给轴方向上的上述加工原点。
根据本发明，在旋转刀具的轴向给予规定的进刀量同时在与轴垂直的方向上进给旋转刀具而进行三维切削的场合，当在旋转刀具的轴向求出旋转刀具和被切削材料的加工原点时，在使旋转刀具的切削刃与被切削材料的侧面(交叉于被切削面)接触的状态下，在主轴上施加不使旋转刀具旋转的程度的小负载转矩，点动进给工作台或主轴的任意一方，使得旋转刀具的切削刃沿垂直离开被切削面的方向移动，将通过负载转矩主轴旋转的瞬间的坐标设定为加工原点。另一方面，当在垂直于旋转刀具的轴的方向求出旋转刀具和被切削材料的加工原点时，在使旋转刀具的切削刃与被切削材料的被切削面接触的状态下，在主轴上施加不使旋转刀具旋转的程度的小负载转矩，点动进给工作台或主轴的任意一方，使得旋转刀具的切削刃沿垂直离开被切削面的方向移动，将主轴旋转的瞬间的坐标设定为加工原点。这样，能够在旋转刀具的轴向和垂直于轴的方向上的相互正交的两个方向上求出加工原点。因此，无需设置新设备，使用已有的设备便能够容易且正确地求出旋转刀具和被切削材料的加工原点。
本发明的机床的一种方式是用于实施相对被切削材料设定旋转刀具的加工原点的加工原点设定方法的机床，具有：使上述旋转刀具旋转的主轴；探测该主轴的旋转的传感器；保持上述被切削材料的工作台；在上述旋转刀具的切削刃前端与上述被切削材料的外表面接触的状态下，在上述主轴上施加不使上述旋转刀具旋转的程度的负载转矩的驱动源；以及具有加工原点设定部的控制器，在对上述主轴施加上述负载转矩的状态下，点动进给上述主轴或上述工作台的任意一方，使得上述切削刃前端沿离开上述外表面的方向移动，该加工原点设定部将在该点动进给中当利用上述传感器探测到上述主轴的旋转时的坐标设定为上述加工原点。
根据本发明，通过本发明的机床的加工原点设定部具有自动修正加工开始位置的功能，能够按照更换旋转刀具及被切削材料时或在一次操作加工结束时的被切削材料的尺寸，偏置加工原点作为新的加工原点。另外，本发明适用于具有以空气涡轮马达或电气马达作为驱动源而旋转的主轴的机床，在主轴以空气涡轮马达为驱动源的场合，通过利用电信号控制供给到空气涡轮马达的压缩空气的压力，从而能够控制在旋转刀具与被切削材料接触时所施加的负载转矩。在主轴以电气马达为驱动源的场合，通过利用电信号控制供给到马达的电流，从而能够控制在旋转刀具与被切削材料接触时所施加的负载转矩。
附图说明
通过参照附图的以下对优选实施方式的说明，本发明的上述及其它目的、特征和优点将进一步明确。图中：
图1是表示本发明的机床的一个实施方式的构成图；
图2是表示具有纵向主轴的立式机床的概要的侧视图；
图3是设定旋转刀具和被切削材料的加工原点的方法的流程图；
图4是表示旋转刀具的切削刃前端与被切削材料的侧面接触，且旋转刀具停止旋转的状态的概念图；
图5是图4所示的旋转刀具和被切削材料的主视图；
图6是表示旋转刀具的切削刃前端离开被切削材料侧面的瞬间的状态(旋转刀具旋转时的状态)的概念图；
图7是图6所示的旋转刀具和被切削材料的主视图；
图8是表示使用具有横向主轴的卧式机床，旋转刀具的切削刃前端与被切削材料上表面接触，且旋转刀具停止旋转的状态的概念图；
图9是图8所示的旋转刀具和工件的主视图；
图10是表示使用具有横向主轴的卧式机床，旋转刀具的切削刃前端离开被切削材料上表面的瞬间的状态(旋转刀具旋转时的状态)的概念图；
图11是图10所示的旋转刀具和被切削材料的主视图。
具体实施方式
以下参照附图详细说明本发明的实施方式的具体例。图1是表示本发明的机床的一个实施方式的构成图。图2是表示机床的概要的侧视图，表示主轴在上下方向配置的所谓立式机床。如这些附图所示，本实施方式的机床1具有：床身2；从床身2垂直立起的柱3；设于柱3的上部并上下移动的主轴箱4；可旋转地设于主轴箱4上的主轴5；探测主轴5的旋转的传感器6(图1)；可在水平方向移动地支撑于床身2上，并通过夹具等夹紧被切削材料20的工作台7；驱动主轴5旋转的主轴马达(驱动源)8；分别在上下方向(Z方向)和水平方向(X-Y2轴方向)驱动主轴箱4和工作台7的多个进给轴驱动马达(驱动源)9；以及控制主轴马达8及多个进给轴驱动马达9驱动的控制器10。
主轴5夹紧立铣刀、切刀、钻头等旋转刀具的轴部，并且通过主轴马达8以规定的转数及转矩使这些旋转刀具12旋转。探测主轴5的旋转的传感器6可以使用装入主轴5的未图示的轴承中的磁传感器或各种传感器。另外，在作为主轴马达使用电气马达时，也可以将编码器用作传感器。
工作台7能够通过由空气轴承和线性马达组合而成的进给机构，在水平面内在相互正交的X-Y2轴方向上移动。工作台7的进给速度可任意设定，在切削进给模式、快速进给模式、点动进给模式的各种模式下，能够以微米单位或纳米单位移动。
主轴箱4的进给机构也能做成与工作台7的进给机构同样的结构。主轴箱4通过进给机构能够在上下方向上移动。主轴箱4也能够在所选择的各种进给模式下以微米单位或纳米单位移动。
驱动工作台7及主轴箱4的各个进给轴驱动线性马达9，可以使用例如用直线检测元件控制的线性马达。线性马达通过直线检测元件读取头来检测移动位移，将该移动位移作为位置信息利用，从而保证线性马达输出轴的精度。
使主轴5旋转的主轴马达8可以使用空气涡轮马达，该空气涡轮马达具有向主轴5内未图示的涡轮叶片供给压缩空气的压缩空气供给装置、对压缩空气的压力进行减压的减压阀15以及控制压力的压力控制阀16。减压阀15是在压力源的发生压力比规定压力高时，用于将供给压力控制在规定压力以下的阀，是将输入的压力调整为一定压力以下并输出的阀。压力控制阀16是通过来自控制器10的电信号来控制电磁力，并调整阀的开度的电磁阀。由此，控制成马达8以规定转矩稳定旋转。
控制器10具有由处理器、ROM、RAM等构成的数字伺服电路，通过通信线路与主轴马达8和多个进给轴驱动马达9、未图示的可编程控制器和操作盘及外围装置等电连接，从而发挥各种功能。本发明的机床1的控制器10具备加工原点设定部11，该加工原点设定部11具有设定作为旋转刀具12和被切削材料20的加工基准坐标的加工原点的功能。该加工原点设定部11是一设定单元，如后述那样，在旋转刀具12的切削刃13与被切削材料20接触的状态下，在主轴5上施加微小的负载转矩，点动进给主轴箱4或工作台7之一，使切削刃13前端离开被切削材料20，主轴5开始旋转，此时该设定单元将主轴5开始旋转的瞬间的坐标设定为加工原点。
接下来，说明使用本实施方式的机床1设定加工原点的方法。图3是表示设定加工原点的方法的流程图，图4及图5是表示旋转刀具12和被切削材料20的接触状态的概念图，图6和图7是表示旋转刀具12与被切削材料20离开的状态的概念图。图4～图7所示的主轴5是在立式机床1上在上下方向配置的主轴，与图2相同。
图示的旋转刀具12是端面切削用刀具，由具有1片刀刃的主体12b和柄部12a构成。切削刃13具有位于径向外侧的外周侧切削刃区域13a、与该外周侧切削刃区域13a交叉并位于轴向前端侧的端面侧切削刃区域13b、以及位于外周侧切削刃区域13a与端面侧切削刃区域13b之间的拐角切削刃区域13c，并且从主体12b的下表面向下突出。拐角切削刃区域13c是作为主切削刃发挥作用的区域，是以规定的角半径形成的弧状的切削刃区域。拐角切削刃区域13c的角半径的大小决定理论上的精加工表面粗糙度。还有，在主体12b具有多片在周向以大致等间距配置的切削刃时，在多片切削刃中以最向下突出的切削刃作为对象设定加工原点。
另外，在图4～图7中，被切削材料20是方柱体，利用旋转刀具12加工的被切削面位于上表面21。在上表面21的周围，相对的2组侧面22与上表面21正交地形成。就使用该旋转刀具12的切削加工而言，在Z轴方向给予规定的进刀量，在X方向以规定的进给速度移动，进行三维切削加工。当切削的加工量大时，可以分成数次给予进刀量，通过多次操作而精加工被切削面。当被切削面要求高精度的表面粗糙度的场合，也可以留下小进刀量的精加工量而结束旋转刀具12的切削，之后通过精加工专用的旋转刀具进行精加工。
首先，说明设定Z轴方向上的加工原点的方法。在图3的步骤1中，分别相对移动工作台7和主轴箱4，使旋转刀具12的切削刃13前端与被切削材料20的侧面22轻轻接触(图4和图5)。在该接触状态下，切削刃13的前倾面与被切削材料20的侧面22相对。接着，在步骤2中，在切削刃13的前倾面与被切削材料20的侧面22接触的方向上使主轴5旋转，在对主轴5施加小负载转矩的状态下，使切削刃13前端与侧面22抵接。
在步骤3中，直到切削刃13前端与被切削材料20的上表面21处于同一平面内且旋转刀具12开始旋转的瞬间，从步骤2的状态通过点动进给将主轴箱4沿侧面22向Z轴上方移动。在步骤4中，判断旋转刀具12是否开始旋转，在未旋转的场合返回到步骤3，继续进行点动进给。在已旋转的场合前进至步骤5。
在步骤5中，旋转刀具12的切削刃13前端与被切削材料20的上表面21位于同一平面上(图6和图7)，若通过探测旋转的传感器6探测到旋转刀具12的旋转，则向控制器10的加工原点设定部11输出探测信号。在步骤6中，将加工原点设定部11接受到探测信号的瞬间时的主轴箱4的Z坐标记录在存储器中。这样，就设定位于旋转刀具12的轴向前端侧的切削刃13与被切削材料20的上表面21接触的加工原点。加工原点作为表示旋转刀具12和被切削材料20的相对位置关系的加工基准坐标而求出。
接着，基于图8～图11，说明使用本实施方式的机床设定加工原点的其它方法。该例与上例的不同点在于：使用主轴25在水平方向配置的卧式机床以及使用种类不同的旋转刀具26。旋转刀具26是精加工用的1片刀刃的立铣刀。另外，在旋转刀具26的轴向为Y轴方向这一点也与旋转刀具12的轴向为Z轴方向的上例有所不同。被切削材料20与上例中的相同。
该方法在图3的步骤1中，使旋转刀具26的切削刃27以横卧的状态与被切削材料20的上表面21接触(图8和图9)。在步骤2中，在切削刃27的前倾面与被切削材料20的上表面21接触的方向使主轴25旋转，在对主轴25施加小负载转矩的状态下，使切削刃27前端与上表面21抵接。
在步骤3中，直到切削刃27前端从被切削材料20的上表面21离开的瞬间，从步骤2的状态通过点动进给向Z轴上方移动工作台7。在步骤4中，判断旋转刀具26是否开始旋转，在未旋转的场合返回到步骤3，继续进行点动进给。在已旋转的场合前进至步骤5。
在步骤5中，旋转刀具26的切削刃27前端与被切削材料20的上表面21位于同一平面上(图10和图11)，若通过探测旋转的传感器探测到旋转刀具26的旋转，则向控制器10的加工原点设定部11输出探测信号。在步骤6中，将加工原点设定部11接受到探测信号的瞬间时的主轴箱4的Z坐标记录在存储器中。这样，就设定位于旋转刀具26的径向(与轴垂直的方向)外侧的切削刃27和被切削材料20的上表面21接触的加工原点。
如上所述，根据本实施方式，无需设置新设备，用已有的设备便能够在旋转刀具12、26的轴向和垂直于轴的方向上的相互正交的两个方向上容易且正确地求出加工原点。
另外，本发明不限于上述实施方式，也能够进行各种变更后实施本发明。本实施方式中使用的旋转刀具12、26的切削刃的几何形状是任意的，副偏角、主切削刃、前角、后角、切削刃的角半径等也是任意的。另外，在本实施方式中作为设定加工原点的单元对加工原点设定部11进行了说明，而考虑到切削刃13、27的刀具磨损，也可以使该加工原点设定部11具有自动偏置加工原点的功能。

Claims (6)

1.一种加工原点设定方法，用于相对被切削材料(20)设定旋转刀具(12、26)的加工原点，其特征在于，包括以下步骤：
在使上述旋转刀具(12、26)的切削刃前端与固定于工作台(7)上的上述被切削材料(20)的外表面接触的状态下，在保持上述旋转刀具(12、26)的主轴(5、25)上施加不使上述旋转刀具(12、26)旋转的程度的负载转矩；
在对上述主轴(5、25)施加了上述负载转矩的状态下，沿上述旋转刀具(12、26)的轴向或与轴垂直的方向的任意一个进给轴方向点动进给上述工作台(7)或上述主轴(5、25)的任意一方，使得上述切削刃前端沿离开上述外表面的方向移动；以及
将上述主轴(5、25)旋转的瞬间的坐标设定为已进行了点动进给的上述进给轴方向上的上述加工原点。
2.如权利要求1所述的加工原点设定方法，其特征在于，
上述旋转刀具(12、26)具有一片刀刃。
3.如权利要求1所述的加工原点设定方法，其特征在于，
上述旋转刀具(12、26)的切削刃(13、27)具有位于上述旋转刀具(12、26)的径向外侧的外周切削刃区域(13a)、位于上述旋转刀具(12、26)的轴向前端侧的端面侧切削刃区域(13b)、以及连接上述外周切削刃区域(13a)和上述端面侧切削刃区域(13b)的拐角切削刃区域(13c)，使该拐角切削刃区域(13c)与交叉于上述被切削材料(20)的被切削面(21)的侧面(22)或上述被切削面(21)接触。
4.一种机床(1)，用于实施相对被切削材料(20)设定旋转刀具(12、26)的加工原点的加工原点设定方法，其特征在于，包括：
使上述旋转刀具(12、26)旋转的主轴(5、25)；
探测该主轴(5、25)的旋转的传感器(6)；
保持上述被切削材料(20)的工作台(7)；
在上述旋转刀具(12、26)的切削刃前端与上述被切削材料(20)的外表面接触的状态下，在上述主轴(5、25)上施加不使上述旋转刀具(12、26)旋转的程度的负载转矩的驱动源(9)；以及
具有加工原点设定部(11)的控制器(10)，在对上述主轴(5、25)施加上述负载转矩的状态下，点动进给上述主轴(5、25)或上述工作台(7)的任意一方，使得上述切削刃前端沿离开上述外表面的方向移动，该加工原点设定部(11)将在该点动进给中当利用上述传感器(6)探测到上述主轴(5、25)的旋转时的坐标设定为上述加工原点。
5.如权利要求4所述的机床(1)，其特征在于，
上述加工原点是表示上述旋转刀具(12、26)和上述被切削材料(20)的相对位置关系的加工基准坐标，上述加工原点设定部(11)具有修正上述加工原点的功能。
6.如权利要求4所述的机床(1)，其特征在于，
上述负载转矩在上述驱动源(9)和控制该驱动源(9)的上述控制器(10)之间通过电信号进行调整。
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