CN101174145B - 具备检测刀具与工件之间的接触的功能的机床 - Google Patents

Abstract

一种可精确检测加工起始位置的超精密机床，其中由液压轴承支持可移动轴。工件安装在B轴的旋转台上，旋转台安装在为线性动作轴的X轴上。刀具安装在Y轴上。Y轴安装在Z轴上。每次Z轴移动预定量时反向移动X轴，扫描工件的加工面，且确定X轴，Y轴和B轴的位置偏移是否达到或超过参考值。驱动Y轴且朝着工件移动刀具预定量，且执行上述扫描。当X轴，Y轴和B轴的位置偏移达到或超过参考值时，确定发生了刀具与工件之间的接触，且将该接触点存储为加工起始位置，使Y轴跳跃，且从远离工件的方向移动刀具预定量，因而将从工件的加工面最大突出的点简单地检测为加工起始点。

Description

具备检测刀具与工件之间的接触的功能的机床

技术领域

本发明涉及需要纳米单位精度的执行超精密加工的机床，特别涉及可以精确确定加工起始位置的机床。

背景技术

在需要纳米单位精度的执行超精密加工的机床中，当在加工面上执行划线等时，为了提供加工精度，必须精确确定刀尖点相对于工件的位置并开始加工，也必须以纳米精度设置工件加工起始点的坐标位置。

传统的，利用传感器或其他的这样的特殊刀具检测设备或显微镜来检测刀尖位置。作为检测工件位置的方法，已知一发明，其限制旋转马达制动器的输出扭矩，并使刀具朝着工件前进，并且在过扭的状态下，甚至在跳跃偏移量超过预定位置偏移时，跳过移动指令并停止任何之后的移动指令(见，例如，JP2002-328707A)。

作为检测刀具相对工件的位置的方法，可以传统使用的刀具检测设备检测刀具位置，但是不能精确确定工件的位置。另外，以具有锋利的尖部的刀具，不能检测尖部的真实位置。

而且，当利用显微镜检测时，检测刀刃尖部和工件之间的距离，且将刀具送到临近于工件。然而，对于给定的有限的显微镜焦距，随着加工的进行，有时不能再看到刀刃。

另外，在JP2002-328707A描述的发明中，限制例如驱动刀具的马达的制动器的输出扭矩并朝着工件移动刀具，在过扭状态下获取位置偏移超过跳跃偏移量时的位置，并测量相对刀具的工件位置，在过扭状态下的扭矩作用在刀具和工件上。在以纳米单位测量的加工精度进行超精密加工的机床中，移动轴的轴承包括例如空气轴承的液压轴承，即无摩擦轴承。结果，即使在可移动轴上施加很小的力，因为在例如JP2002-328707A描述的过扭等状态下，当检测刀位置偏移超过预定值时，可移动轴移动，所以增加了刀具或工件已从刀具和工件的接触位置移开的可能性，使得很难以纳米精度确定位置。

发明内容

本发明提供了一种具有可精确检测超精度机床中的加工起始位置的工件接触检测功能的机床，该超精度机床包括液压轴承支持的无摩擦可移动轴。

本发明的机床，利用由液压轴承支持的可移动轴相对工件从加工的起始点开始移动刀具，从而执行工件表面的加工。该机床包括：位置检测器，用于检测各个可移动轴的位置；位置偏移检测单元，用于检测作为可移动轴的指令位置与检测位置之间的差值的、各个可移动轴的位置偏移；接触点检测单元，用于通过利用可移动轴使刀具相对工件移动来扫描工件的表面，从而基于位置偏移检测单元检测到的位置偏移来检测刀具与工件之间的接触，并将在检测到接触时的可移动轴的位置自动设置并存储为加工的起始点；以及撤回单元，用于在检测到接触时利用安装了刀具的可移动轴使刀具从工件撤回。

可移动轴可以包括线性轴和旋转轴，且用于检测线性轴的位置的位置检测器包括具有10nm或更小的检测精确度的线性刻度。

用于检测旋转轴的位置的位置检测器可以包括具有1/10000度或更小的检测精确度的旋转编码器，且旋转轴直接耦合于马达且由马达直接驱动。

接触点检测单元可以利用可移动轴之一使刀具以恒定速度相对工件移动，且基于可移动轴之一的位置偏移来检测刀具与工件之间的接触。

可移动轴可以包括作为线性轴的X轴，作为配置于X轴上且与其垂直的旋转轴的B轴，作为与X轴垂直且与B轴平行的线性轴的Y轴，作为与X轴和Y轴垂直的线性轴的Z轴。刀具可以安装在Y轴上。

工件可以安装在旋转B轴上的旋转台上，且接触点检测单元可以利用X轴线性移动工件，来基于X轴，B轴和Y轴中任一个轴的位置偏移的变化检测刀具与工件之间的接触。

在开始加工时，可移动轴可自动地移动到由接触点检测单元设置并存储的位置。

接触点检测单元可以在每次B轴和Y轴停止而以预定量驱动Z轴时，通过反向驱动X轴由刀具扫描工件的X-Z平面，并且每次以预定量驱动Y轴时重复执行扫描，从而将刀具移动到更接近于工件，直到检测到刀具与工件之间的接触。

可以在Y轴上提供平行于X轴的附加线性轴，可以在旋转B轴上的旋转台上安装工件，且接触点检测单元可以利用附加线性轴使刀具在平行于X轴的方向上反向移动以检测刀具与工件之间的接触。

可以将用于控制可移动轴的伺服控制器的伺服增益设置较低值，以便对外部扰动具有较大敏感性，从而以在刀具或工件上施加的较小的力检测刀具与工件之间的接触。

机床可进一步包括检测单元，用于检测任一位置偏移的异常增加，其中所述在所述检测单元检测到异常增加时，所述撤回单元从工件撤回刀具。

所述检测单元可输出表示被检测到位置偏移的异常增加的可移动轴的信号。

在包括液压轴承支持的无摩擦可移动轴的超精度机床中，即使施加在可移动部上的很小的力也使得可移动部移动，这用于检测位置偏移的增加。结果，由刀具与工件之间的接触而简单地检测从加工面突出最多的部分，且将该接触点检测作为加工起始点的位置。

附图说明

图1是根据本发明实施例的执行超精确加工的机床的示意图；

图2是控制该实施例的机床的控制器的主要部件的方框图；

图3a和3b是示出根据该实施例的机床的加工起始点坐标位置检测操作的示意图；

图4a和4b是显示在移动非液压轴承可移动轴和液压轴承可移动轴时检测到的位置偏移的示意图；

图5是示出根据该实施例的机床的加工起始点检测处理算法的流程图；

图6是划线中使用的附加线性轴的示例的示意图。

具体实施方式

参考附图给出根据本发明的实施例的具体描述。

图1是根据本发明实施例的执行超精确加工的机床的示意图。在本实施例中，作为可移动轴，存在三种线性运动轴(此后称为“线性轴”)和一个旋转轴。旋转台10安装在X轴部件11上，X轴部件11是在水平方向X轴的方向上驱动的线性轴。旋转台10绕B轴旋转，B轴是与X轴垂直放置的轴。工件2作为要加工的对象，安装在旋转台10上。刀具1安装在Y轴部件12上，Y轴部件12是沿着与旋转B轴平行的Y轴方向移动的线性轴。而且，Y轴部件12安装在Z轴部件13上，Z轴部件13沿着与X轴和Y轴垂直的Z轴方向移动的线性轴。工件2沿着X轴方向直线移动且绕B轴旋转。另外，刀具1在Y轴方向和Z轴方向直线移动。通过X，Y，Z和B轴由刀具1加工工件2。

应注意的是，在本实施例中，驱动线性X轴，Y轴和Z轴的马达是线性马达，驱动旋转B轴的马达是旋转伺服马达。旋转台10和旋转伺服马达以直接驱动配置方式互相直接耦合。

X轴，Y轴，Z轴和B轴的轴承是液压轴承(空气轴承)。

图2是控制机床的控制器的主要部件的方框图。数字控制单元21读取并执行加工程序，并将用于轴的运动命令输出到轴伺服控制单元22x-22b。如相对控制用于X轴的马达24x的X轴伺服驱动单元22x所描述的，伺服控制单元22x-22b的每一个都包括位置控制部221，速度控制部222，电流控制部223等，而用于Y轴，Z轴和B轴的伺服控制单元22y，22z和22b分别具有如上所述的X轴伺服控制单元22x的相同结构。

轴伺服控制单元22x-22b的每一个的位置控制部221包括误差寄存器221a和位置增益K项目221b。以误差寄存器221a，获取作为数字控制单元21对每个轴指令的位置之间的差异的位置偏移ε、和从检测位置和速度的位置/速度检测器25x-25b反馈的位置，将位置偏移ε乘以位置增益K并获取指令速度，以速度控制部222减去位置/速度检测器25x-25b反馈的速度来获取速度偏移，并以比例/积分处理等形式执行速度的反馈控制以获取电流指令(扭矩指令)。然后，在电流控制部223，基于如上所述获得的电流指令和从放大器23x-23b反馈的电流执行电流反馈控制，并且通过放大器23x-23b驱动轴马达24x-24b。

在本实施例中，线性轴X轴，Y轴和Z轴的马达24x，24y和24z是线性马达。而且驱动旋转B轴的马达24b是旋转伺服马达，并如上所述直接驱动旋转台10。另外，由线性刻度位置/速度检测器25x，25y和25z检测线性轴X轴，Y轴和Z轴的线性马达24x，24y和24z驱动的可移动部件的位置。本实施例的机床执行超精度加工，因此线性刻度位置/速度检测器25x，25y和25z是具有10纳米或更小的检测精准度能力的高精度检测器。在旋转轴B的情况下，包括旋转编码器等且安装在用于旋转轴B的伺服马达24b上的位置/速度检测器25b也是具有1/10000度或更小的精准度能力的高精度检测器。

上述机床配置和控制该机床的控制单元的配置与传统的用于超精密加工的机床及其控制器相同。本发明提供具有检测刀具和工件之间的接触的接触检测功能的机床，从而以高精度确定加工起始位置。

图3a和3b是示出本实施例的加工起始点坐标位置检测操作的示意图。当在工件2上执行超精密表面加工时，必须从在刀具切进工件的方向上的尖部最邻近的部分开始执行表面加工，以保持要加工的加工表面的不平坦。在本实施例中，垂直方向Y轴方向是刀具1切进工件的方向，且水平X-Z面是加工面。在该情况下，当刀具1在Y轴方向(朝着工件2)下降且对刀具1给定用于切割的预定切进时，从加工面突出的任何部分强迫比必要要多地切进，因此在刀具上施加了过多的负载。为了防止该情况，必须检测最突出的部分(在Y轴方向朝着刀具突出的部分)且从该部分开始加工。

如图3a所示，刀具1放置于预定位置，且工件2在X轴方向相反的移动，且确定刀具1的尖部1a是否接触工件2。如果刀具1的尖部1a没有接触工件2，则刀具1在Z轴方向移动预定量，之后，重复执行在X轴方向相反的移动工件2的操作并扫描工件2加工面。然后，如图3b所示，当刀具1的尖部1a接触工件2的突出部分的最高部时，将该坐标位置作为加工起始位置。

在本实施例中，由轴的位置偏移的增加检测刀具1和工件2之间的接触。

如上所述，本实施例的机床采用用于线性轴X，Y和Z轴以及旋转轴B的液压轴承，实际上没有摩擦。结果，当刀具1和工件2互相接触且在刀具1或工件2上施加负载时，该负载使得X轴，Y轴和Z轴移动。该移动使得指令位置和检测位置之间的位置偏差ε增加，因此通过检测位置偏差ε的增加可检测刀具1和工件2之间的接触。

图4a显示在使用传统轴承(例如球轴承)而不使用液压轴承作为移动轴(X轴，Y轴，Z轴以及B轴)的轴承时，在移动轴的移动过程中的位置偏移的测量。随着移动轴的移动生成的摩擦阻力引起位置偏移的发生。相对比的，图4b显示了在使用液压轴承作为移动轴的轴承并移动移动轴时位置偏移的测量。由于实际上没有摩擦，位置偏移的波动相比图4a所示的波动大幅减小。应注意的是，在图4b中，参考符号P表示的点表示刀具1接触工件2的点以及增加的位置偏移。

如图4b所示，由液压轴承支持的移动轴显示实际上没有位置偏移。以例如这些轴的移动轴，即使在其上施加很小的力也发生位置偏移，因此在没有施加负载时的位置偏移与在施加负载时的位置偏移之间的差异是实质的。结果，很容易利用位置偏移设置用于检测移动轴上是否施加了负载的比较参考值。

在图4b中，如果将在没有施加负载时的位置偏移大小与在施加负载时的位置偏移大小之间的中值设置为比较参考值，当出现大于参考值的位置偏移时可以检测在移动轴上施加了负载。然而，在没有使用液压轴承的普通轴承支持移动轴的情况下(如图4a所示的一样)应用上述参考值，摩擦生成的位置偏移也超过该参考值，存在摩擦生成的位置偏移被误检测为刀具和工件之间的接触生成的位置偏移的风险。然而，在本发明中，由于使用液压轴承，可以在很小的位置偏移的状态下检测到刀具和工件之间的接触。

下面参考图5说明本实施例的加工起始点检测处理。

图5是示出数字控制单元21中提供的处理器执行的加工起始点检测处理算法的流程图。

首先，设置要执行工件2的面加工的X-Z平面中的X轴方向的冲程量和Z轴方向的冲程量，且由手工进给定位旋转轴B，从而作为工件2的加工面的扫描区域的一侧平行于X轴。另外，将X轴和Z轴定位于与刀具1扫描的扫描区域的扫描起始点一致的坐标位置。然后，当利用如键盘的手工输入单元(未图示)输入加工起始点检测指令时，数字控制器的处理器开始图5所示的处理。

以预定的恒定速度驱动X轴马达从而以设置的冲程量相反的移动X轴(步骤S1)。在X轴的反向移动过程中，确定X轴误差寄存器221a获得的X轴的位置偏移(X轴的指令位置与从位置/速度检测器反馈的实际位置之间的差值)是否是不小于用于检测异常的预定值的超量位置偏移(步骤S2)。该确定的目的是为了检测由于设置值或操作错误而导致工件和刀具1何时接触。当检测到该超量位置偏移时，输出表示X轴的超量位置偏移的异常信号，且在数字控制器的显示设备等上显示(步骤S6)，且过程进行到步骤S5，使安装刀具1的Y轴跳跃。换句话说，执行从工件分离刀具1的处理，其中从离开工件2的方向以预先指定为跳跃量的数量移动Y轴。

相对比的，当在步骤S2中确定X轴的位置偏移未超量时，处理器读取X轴，Y轴和B轴的误差寄存器221a获得的各个位置偏移ε，并确定任一位置偏移ε是否达到或超过设置的参考值。为了检测刀具1的刀尖1a相对工件2的接触而设置参考值，且如图4b所示，将比刀具和工件未互相接触时生成的位置偏移稍大的位置偏移量设置为参考值。

以恒定的速度驱动X轴，且以恒定的速度移动工件2。因此，当刀具1接触工件2时，停止工件2的移动，使得位置偏移增加。因而，基于X轴的位置偏移达到或者超过设置的参考值，检测刀具1和工件2之间的接触(步骤S3)。

另外，尽管将Y轴和B轴定位在预定位置，Y轴和B轴也由液压轴承支持，因此即使施加在轴上的很小的力也使得轴移动。结果，当刀具和工件互相接触时，如果此时在刀具1上在Y轴方向施加力，则Y轴线性马达移动，使得Y轴从其指令位置偏移并生成位置偏移。相似的，如果当刀具和工件互相接触时施加了试图旋转工件2的力时，B轴伺服马达移动，使得B轴从其指令位置偏移并生成位置偏移。因而，通过检测到Y轴和B轴的位置偏移等于或大于参考值，检测刀具1和工件2之间的接触。换句话说，基于X轴，Y轴和B轴的任一个的位置偏移是否等于或大于参考值，检测刀具1和工件2之间的接触(步骤S3)。

如果在步骤S3中确定了X轴，Y轴和B轴的位置偏移没有达到或超过参考值，则确定Z轴位置是否已达到扫描结束位置(步骤S7)。如果Z轴位置未达到扫描结束位置，则以预定量移动Z轴(步骤S8)，且过程返回到步骤S1，并且重复上述处理。

之后，只要刀具和工件未互相接触，且在步骤S3未确定X轴，Y轴和B轴的任一个的位置偏移是否达到或超过参考值，则重复执行步骤S1，S2，S3，S7和S8的处理。

然后，当Z轴达到扫描结束位置时(步骤S7)，将Z轴定位在扫描起始位置(步骤S9)，在使刀具1更接近工件2的方向上以预定量降低Y轴(步骤S10)，且此时确定Y轴误差寄存器221a获得的位置偏移量是否超量(步骤S11)。如果位置偏移量被识别为超量，则输出表示Y轴的超量位置偏移的异常信号，且在数字控制器的显示设备等上显示(步骤S12)，且过程进行到步骤S5，使安装了刀具1的Y轴跳跃。换句话说，执行将刀具1从工件分离的处理，其中从离开工件2的方向以预先指定为跳跃量的量移动Y轴。

相对比的，当在步骤S11中确定Y轴的位置偏移量未超量时，则过程返回到步骤S1，且执行步骤S1和之后步骤的处理。换句话说，以预定量朝着工件2移动刀具1，且扫描扫描范围。

之后，在通过以预定量移动Y轴而以预定量将刀具1朝着工件2连续移动时，扫描扫描范围。如果在该扫描操作中刀具1的尖部1a接触工件2的突出部分，且在步骤S3中确定了X轴，Y轴和B轴的任一个的位置偏移达到或超过参考值，则确定在刀具1和工件2之间存在接触。之后此时各个轴的坐标位置被设置并存储为加工起始点的坐标位置，同时停止X轴的移动(步骤S4)。然后，过程进行到步骤S5，执行上述的跳跃处理，Y轴在离开工件2的方向上以一跳跃量跳跃，将刀具1从工件2分离，并结束加工起始点检测处理。

如上所述，检测加工起始点，且在该加工起始点的移动轴的位置(即，其坐标)存储在数字控制单元21的存储单元中，之后，当用于开始加工的加工开始指令输入到数字控制器时，数字控制器的处理器读取出存储的轴位置，将轴定位于读取的位置，并开始工件2的加工。

在上述的加工起始点检测处理中，设计步骤S2和S11以防止由于操作错误等导致刀具1和工件2之间的冲突而引起的对刀具的损害。因此，这些步骤对于加工起始点检测处理不是必要的且可以省去。在该情况下，步骤S2，S6，S11和S12是不必要的，且过程可从步骤S1跳到步骤S3，从步骤S11跳到步骤S1。

因而，如上所述，本发明通过位置偏移的增加检测刀具1和工件2之间的接触。因此，在执行如图5所示的加工起始点检测处理时，通过降低伺服增益(例如，轴伺服控制单元的位置控制部221的位置增益K，轴伺服控制单元的速度控制部222的比例增益，整数增益等)到比常规加工中的要小，可更有效地执行这样的处理。例如，通过将位置增益K降低到低于常规值并设置时，与位置偏移成比例输出的速度指令降低且电流指令(扭矩指令)也降低。结果，当刀具1和工件2互相接触时，在施加到刀具1和工件2的力很小的状态下位置偏移增加，使得能以很小负载检测刀具1和工件2之间的接触。

应注意的是，尽管上述实施例是通过驱动X轴并移动工件2而给出的加工的示例，但在例如试图执行划线(加工大量很小的直凹槽)时，本发明也可应用于未提供X轴或不移动X轴但在Y轴上提供了平行于X轴移动的附加轴的配置中。

图6给出了在Y轴部件12上安装的在划线中使用的附加线性轴的一个示例。

如图6所示，将导引线性动作部件33的导引部件32设置在两个固定部件31a和31b之间。采用线性马达以一侧是线圈另一侧是磁铁的形式提供在导引部件32和线性动作部件33上的方式，由导引部件32上的液压轴承(气体轴承)支持线性动作部件33。固定部件31a，31b安装在Y轴部件12上。尽管在图6的示例中，如日本专利申请No.2005-325052(JP2007-130712A)所示，导引部件32可以固定安装在固定部件31a，31b上，但是导引部件32在固定部件31a，31b上由液压轴承(气体轴承)支持。刀具1通过压电元件34安装在线性动作部件33上。驱动压电元件34，对刀具1给出相对工件2的切进量，使线性动作部件33前进，执行刻槽，停止压电元件34的驱动，以该切进量收回刀具1，并收回线性动作部件33。重复上述处理执行通过划线刻槽。

通过也使用附加线性轴，当检测加工起始点时，以上述的实施例，朝着工件2连续移动Y轴预定量，驱动线性马达，平行于X轴反向移动线性动作部件33，并扫描工件2的加工区域，在扫描过程中，如上述实施例一样检测停止的X轴的位置偏移或者旋转B轴的位置偏移、或者进一步Y轴的位置偏移是否已达到或超过参考值，从而检测刀具1和工件2的最大突出部分之间的接触，并且将接触时的轴的坐标位置视为加工起始点位置。

Claims (13)

1.一种以纳米单位精度执行超精密加工的机床，其通过利用由液压轴承支持的可移动轴使刀具相对工件从加工的起始点移动来执行工件表面的加工，所述机床包括：

位置检测器，用于检测各个可移动轴的位置；

位置偏移检测单元，用于检测作为可移动轴的指令位置与检测位置之间的差值的、各个可移动轴的位置偏移；

接触点检测单元，用于通过利用可移动轴使刀具相对工件移动来扫描工件的表面，从而基于所述位置偏移检测单元检测到的轴的位置偏移来检测刀具与工件之间的接触，并将在检测到接触时的可移动轴的位置自动设置并存储为加工的起始点；以及

撤回单元，用于在检测到接触时利用安装了刀具的可移动轴使刀具从工件撤回。

2.根据权利要求1所述的机床，其中

可移动轴包括线性轴和旋转轴，且用于检测线性轴的位置的位置检测器包括具有10nm或更小的检测精确度的线性刻度。

3.根据权利要求2所述的机床，其中

用于检测旋转轴的位置的位置检测器包括具有1/10000度或更小的检测精确度的旋转编码器，且旋转轴直接耦合于马达且由马达直接驱动。

4.根据权利要求1所述的机床，其中

所述接触点检测单元利用可移动轴之一使刀具以恒定速度相对工件移动，且基于可移动轴之一的位置偏移来检测刀具与工件之间的接触。

5.根据权利要求1所述的机床，其中

可移动轴包括作为线性轴的X轴，作为配置于X轴上且与其垂直的旋转轴的B轴，作为与X轴垂直且与B轴平行的线性轴的Y轴，作为与X轴和Y轴垂直的线性轴的Z轴。

6.根据权利要求5所述的机床，其中

刀具安装在Y轴上。

7.根据权利要求5所述的机床，其中

工件安装在旋转B轴上的旋转台上，且所述接触点检测单元利用X轴线性移动工件，来基于X轴，B轴和Y轴中任一个轴的位置偏移的变化检测刀具与工件之间的接触。 

8.根据权利要求1所述的机床，其中 

在开始加工时，可移动轴自动地移动到由所述接触点检测单元设置并存储的位置。 

9.根据权利要求7所述的机床，其中 

所述接触点检测单元在每次B轴和Y轴停止而以预定量驱动Z轴时，通过反向驱动X轴由刀具扫描工件的X-Z平面，并且每次以预定量驱动Y轴时重复执行扫描，从而将刀具移动到更接近于工件，直到检测到刀具与工件之间的接触。 

10.根据权利要求5所述的机床，其中 

在Y轴上提供平行于X轴的附加线性轴，在旋转B轴上的旋转台上安装工件，且所述接触点检测单元利用附加线性轴使刀具在平行于X轴的方向上反向移动以检测刀具与工件之间的接触。 

11.根据权利要求1所述的机床，其中 

将用于控制可移动轴的伺服控制器的伺服增益设置较低值，以便对外部扰动具有较大敏感性，从而以在刀具或工件上施加的较小的力检测刀具与工件之间的接触。 

12.根据权利要求1所述的机床，进一步包括 

检测单元，用于检测任一位置偏移的异常增加，其中在所述检测单元检测到异常增加时，所述撤回单元从工件撤回刀具。 

13.根据权利要求12所述的机床，其中 

所述检测单元输出表示被检测到位置偏移的异常增加的可移动轴的信号。 

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