CN101678523B - 机床的工件加工方法及变动计测装置 - Google Patents

Abstract

一种机床的工件加工方法，其由以下工序构成：第一工序(步骤S4)，连续地测定安装在主轴上的刀具的前端的位置；第二工序(步骤S5)，根据测定结果计算刀具的前端位置的位移量；第三工序(步骤S8)，监视位移量处于预先设定的允许位移量内的时间；第四工序(步骤S9)，当位移量处于允许位移量内的时间比预先设定的范围时间短时，继续暖机运转，当达到范围时间时，结束暖机运转；及第五工序(步骤S10)，当暖机运转结束时，开始工件的加工。

Description

机床的工件加工方法及变动计测装置

技术领域

本发明涉及一种机床的工件加工方法及变动计测装置。

背景技术

在机床中，因伴随主轴的旋转、使工件和刀具的位置相对位移的轴进给的电机等的发热、及机床的设置地点的环境温度的变化等，构成主轴等的机床的部件产生热位移时、例如主轴的轴方向上产生热位移时，出现刀具加工工件的深度变化等、工件和刀具的相对位置产生偏差而成为加工误差的问题。

上述加工误差尤其由于旋转造成的主轴热位移的影响较大，因此现有技术中采用以下方法：为了维持加工精度，直到主轴热位移稳定为止进行使主轴空转的所谓的暖机运转，在等待主轴热位移稳定后，开始工件的加工。

进行上述暖机运转的时间、即开始暖机运转后主轴发热到该主轴的热位移稳定为止的时间，因机床周围的环境、这之前的运转状况等也不同，因此熟练作业人员根据经验进行判断，或者不论主轴的热位移的速度而预先设定一定的时间等。因此，可能会在主轴的热位移稳定前开始加工或者以超过必要长度的时间进行暖机运转，存在担心加工效率降低的问题。

针对这一问题，下述专利文献1公开了以下内容：在机床上设置刀具长度计测装置，每隔规定时间测定刀具的刀尖的位置，如果测定的刀具的刀尖位置的变化量为允许值以内，则结束暖机运转。

专利文献1：日本特开2004-261934号公报

发明内容

但专利文献1所述的构成是，每隔规定时间断续地测定刀具的刀尖的位置，与紧前面测定的结果相比来判断刀具的刀尖位置的变化量是否在允许值以内，例如工件和刀具前端的相对位置不是单一的向一个方向的变化(一次函数变化)，而如波形一样复杂变化时，根据测定的时间间隔的不同，在工件和刀具前端的相对位置稳定前、该相对位置如波形一样复杂变化的状态下，担心检测出和规定时间前检测出的值相同的值(例如波形的山和山等)，而错误判断为稳定。并且，认为刀具的刀尖位置也会向主轴的轴方向以外的方向变形，但存在无法检测出向主轴的轴方向以外的方向的变形的问题。因此，可能导致加工精度降低、加工效率下降。

鉴于此，本发明的目的在于提供一种机床的工件加工方法、及变动计测装置，防止超过必要地进行暖机运转，并且不依赖于作业人员地在主轴等热位移可靠地稳定的状态下开始工件加工而可确保加工精度。

用于解决上述课题的第1发明涉及的机床的工件加工方法中，使工件和刀具相对位移而进行上述工件的加工，其特征在于包括以下工序：第一工序，连续地测定安装在主轴上的刀具的前端的位置；第二工序，根据测定结果依次计算出刀具的前端位置的位移量；第三工序，监视上述位移量处于为了判断伴随温度变化移动的刀具前端的位置是否稳定而预先设定的允许位移量内的时间；第四工序，当上述位移量处于允许位移量内的时间比为了判断伴随温度变化移动的刀具前端的位置是否稳定而预先设定的时间即上述范围时间短时，继续暖机运转，另一方面当上述位移量处于允许位移量内的时间达到上述范围时间时，结束暖机运转；及第五工序，在上述第四工序中暖机运转已结束时，开始上述工件的加工。

第2发明涉及的机床的工件加工方法的特征在于，在第1发明中，二维或三维地测定上述刀具的前端的位置。

第3发明涉及的机床的工件加工方法的特征在于，在第1或第2发明中，在上述第二工序和上述第三工序之间包括以下工序：计算出上述刀具的前端位置的位移量后，从开始上述刀具的前端位置的计测后在预先设定的最大计测时间内时，继续上述刀具的前端位置的计测，从开始上述刀具的前端位置的计测后经过了预先设定的最大计测时间时，结束上述刀具的前端位置的计测。

第4发明涉及的机床的变动计测装置中，该机床控制工件和刀具的相对位置而进行上述工件的加工，其特征在于，具有：计测单元，连续且二维或三维地测定刀具前端位置；及控制单元，根据由上述计测单元测定的结果计算上述刀具前端位置的位移，监视通过计算所计算出的位移处于预先设定的允许位移量以内的状态维持的时间，当上述刀具前端位置的位移处于上述允许位移量以内的状态维持的时间在预先设定的允许位移持续时间内时，继续暖机运转，当上述刀具前端位置的位移处于上述允许位移量以内的状态维持的时间经过了上述允许位移持续时间时，结束暖机运转。

第5发明涉及的机床的变动计测装置的特征在于，在第4发明中，上述计测单元是以一定时间间隔连续拍摄上述刀具前端位置的拍摄单元，上述控制单元根据由上述拍摄单元拍摄的图像计算出上述刀具的前端位置的位移。

第6发明涉及的机床的变动计测装置的特征在于，在第4发明中，上述计测单元是激光干涉仪。

根据上述第1发明涉及的机床的变动计测方法，使工件和刀具相对位移而进行工件的加工，包括以下工序：第一工序，连续地测定安装在主轴上的刀具的前端的位置；第二工序，根据测定结果依次计算出刀具的前端位置的位移量；第三工序，监视位移量处于为了判断伴随温度变化而移动的刀具前端的位置是否稳定而预先设定的允许位移量内的时间；第四工序，当位移量处于允许位移量内的时间比为了判断伴随温度变化移动的刀具前端的位置是否稳定而预先设定的时间即范围时间短时，继续暖机运转，另一方面当位移量处于允许位移量内的时间达到范围时间时，结束暖机运转；及第五工序，在第四工序中暖机运转已结束时，开始工件的加工，因此，可防止超过必要地进行暖机运转，并且在热位移可靠稳定的状态下开始工件加工，因此可提高加工精度。

并且，根据第2发明涉及的机床的变动计测方法，二维或三维地测定刀具的前端的位置，因此不限于刀具的轴方向的热位移，可考虑机床整体的热位移来进行工件的加工，可进一步提高加工精度。

并且，根据第3发明涉及的机床的变动计测方法，在第二工序和第三工序之间，包括以下工序：计算出刀具的前端位置的位移量后，从开始刀具的前端位置的计测后在预先设定的最大计测时间内时，继续刀具的前端位置的计测，从开始刀具的前端位置的计测后经过了预先设定的最大计测时间时，结束刀具的前端位置的计测，因此，在即使经过最大计测时间刀具的前端位置也不稳定时，可视为发生某些问题而结束暖机运转，可防止超过必要地进行暖机运转。

并且，根据第4发明涉及的机床的变动计测装置，该机床控制工件和刀具的相对位置而进行工件的加工，具有：计测单元，连续且二维或三维地测定刀具前端位置；及控制单元，根据由计测单元测定的结果计算刀具前端位置的位移，监视通过计算所计算出的位移处于预先设定的允许位移量以内的状态维持的时间，当刀具前端位置的位移处于允许位移量以内的状态维持的时间在预先设定的允许位移持续时间内时，继续暖机运转，当刀具前端位置的位移处于允许位移量以内的状态维持的时间经过了允许位移持续时间时，结束暖机运转，因此，可防止超过必要地暖机运转，并且在热位移可靠稳定的状态下开始工件的加工，可缩短包括暖机运转在内的加工时间，并确保加工精度。

并且，根据第5发明涉及的机床的变动计测装置，计测单元是以一定时间间隔连续拍摄刀具前端位置的拍摄单元，控制单元根据由拍摄单元拍摄的图像计算出刀具的前端位置的位移，因此，可计测对于和刀具的刀尖的位置的轴方向正交的方向的位移进，可进一步提高加工精度。

并且，根据第6发明涉及的机床的变动计测装置，计测单元是激光干涉仪，因此，可计测对于和刀具的刀尖的位置的轴方向正交的方向的位移，可提高加工精度。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式涉及的机床的变动计测构造的框图。

图2是表示本发明的实施方式涉及的机床的变动计测流程的流程图。

图3是表示伴随本发明的实施方式涉及的机床的变动计测构造的主轴的旋转的刀具和工作台的相对位移与时间的关系的图表。

具体实施方式

以下参照图1至图3说明本发明的一个实施方式。图1是表示本实施方式的机床的变动计测的概要的框图，图2是表示本实施方式的刀具位置计测的流程的流程图，图3是表示伴随主轴旋转的刀具和工作台的相对位移与时间的关系的图表。

如图1所示，机床1由床身11、立柱12、工作台13、滑鞍14、主轴箱15、及主轴16等构成。具体而言，在构成机床1主体的床身11上配置立柱12及工作台13。立柱12沿左右方向(图1中和纸面垂直的方向。以下称为x轴方向)以可移动的状态支撑滑鞍14，该滑鞍14沿下述刀具17的轴方向(图1中为上下方向。以下称为z轴方向)以可移动的状态支撑主轴箱15。主轴箱15可旋转地支撑主轴16，刀具17被安装到该主轴16上。并且，工作台13在立柱12的前方，沿着前后方向(和x轴方向及z轴方向垂直的方向。以下称为y轴方向)以可移动的状态被支撑。

工作台13、滑鞍14、主轴箱15分别通过伺服电机18a、18b、18c沿着y轴方向、x轴方向、z轴方向移动，并且主轴16的构成是随着未图示的电机的驱动绕轴线旋转。使主轴16旋转的电机、及伺服电机18a、18b、18c的驱动分别根据来自NC装置19的指令被控制。NC装置19具有各种程序，是进行主轴15的旋转、伺服电机18a、18b、18c的驱动等的控制的部分。

这样，根据来自NC装置19的指令控制工作台13、滑鞍14、主轴箱15的移动，从而通过使放置/固定于工作台13上的未图示的工件和刀具17的相对位置改变来进行工件的加工。

进一步，在本实施方式中，使用放置在工作台13上的作为计测单元的计测装置21进行机床1的变动计测。计测装置21例如具有以一定时间间隔连续拍摄刀具17的前端的照相机等拍摄单元，可连续且二维或三维地计测主轴的热位移等引起的刀具17的刀尖的位置和工作台13(或工件)的相对位置的变化。

并且，该计测装置21通过作为控制单元的测定控制部22与NC装置19连接。测定控制部22至少具有：图像处理功能，从由计测装置21拍摄的图像将刀具17的前端部分的形状数值化，并计算出刀具17的前端位置的变化等；及监视功能，对刀具17的前端位置的变化处于下述允许精度以内的状态维持的时间进行监视，是以根据来自NC装置19的指令对计测装置21指示开始刀具位置计测、或根据刀具前端位置的计测结果向NC装置19及计测装置21输出刀具位置计测结束这样的方式进行基于计测装置21的与刀具位置计测相关的控制的部分。

以下根据图2所示的流程图说明本实施方式涉及的刀具17的前端位置的变动计测的流程。

如图2所示，使用新的刀具进行工件的加上时，首先进行判断值的设定(步骤S1)，所示判断值是用于对于因机床主体的发热、机床设置地点的环境温度的变化等而与工作台13的相对位置变化的刀具17的前端位置，判断该刀具17的前端位置的变化是否稳定的判断值。在本实施方式中，作为该判断值，进行允许精度、范围时间及最大计测时间的设定。

允许精度及范围时间是用于判断机床1的热位移是否稳定、刀具17的前端位置的位移是否结束的值。允许精度是刀具17的前端位置和工作台13的规定时间内的相对位移的允许值，当相对位移为该允许精度以下时，认为刀具17的状态稳定。并且，范围时间是刀具17的前端位置的变化量处于上述允许精度内的状态维持的时间，将允许精度维持了该范围时间(例如5分钟)时，认为刀具17的位移稳定。

并且，最大计测时间是到刀具17的前端位置因某种原因不稳定时结束计测为止的时间。

在步骤S1中结束判断值的设定后，通过刀具17的更换等向主轴16安装必要的刀具17(步骤S2)，接着开始主轴16的旋转，即暖机运转(步骤S3)。并且，通过测定控制部22从NC装置19向计测装置21发送指示，开始基于计测装置21的刀具17的前端位置的计测(刀具位置计测)，即在本实施方式中开始刀具17的前端的拍摄(步骤S4)。此外，刀具17的前端是以一定时间间隔连续拍摄。

接着，例如将由计测装置21拍摄的刀具17的形状及位置数值化，依次比较/解析连续二张的图像数据，计算出伴随机床主体的发热及环境温度变化的刀具前端位置的移动量(步骤S5)。接着，进行计测时间是否在设定最大计测时间内的判断(步骤S6)，当超过最大计测时间时(否)，作为警告停止机床1或进行发出警告音等的处理(步骤S7)。

另一方面，当计测时间在设定最大计测时间内时(是)，判断在设定范围时间内刀具17的前端位置是否维持在允许精度以内，换言之刀具前端位置的变化量在设定允许精度以内的状态是否持续了设定范围时间(步骤S8)。并且，判断结果是刀具17的前端位置的变化量在设定允许精度以内的状态未持续设定范围时间时(否)，继续暖机运转，返回到步骤S5。

另一方面，当刀具17的前端位置的变化量在设定允许精度以内的状态持续了设定范围时间时(是)，认为刀具17的前端位置稳定，结束刀具位置计测(步骤S9)，结束暖机运转并开始工件加工(步骤S10)。

图3表示刀具17的前端位置的变动的一例。在机床1中，因伴随主轴16的旋转、使工作台13、滑鞍14、主轴箱15移动的轴进给等的主轴箱15、伺服电机18a、18b、18c的发热、设置机床1的地点的环境温度的变化等，构成机床1的床身11、立柱12、滑鞍14、主轴箱15、主轴16等产生热位移，由此如图3所示，认为刀具17的前端位置和工件的相对位置在x轴方向、y轴方向、z轴方向分别变化，且到稳定为止的时间也在各个轴方向上不同，但根据本实施方式涉及的机床的变动计测方法，由于构成为，在计测装置21中连续且二维或三维地计测刀具17的前端位置，并在刀具17的前端位置的变化量处于允许精度内的状态持续设定范围时间时，判断机床的变动稳定，结束暖机运转，因此即使在由于机床周边的环境温度、这之前运转的机床的运转状况，使到主轴16、刀具17的热位移稳定为止的时间存在差异的情况下，也可根据各种情况高效且可靠地检测出机床的变动是否稳定，防止在机床的变动稳定前开始工件加工，或无谓地暖机运转，如图3所示，刀具和工作台的相对位移为可靠、稳定的状态下，可不进行无谓的暖机运转地开始工件加工，因此和现有技术相比，可提高加工精度及加工效率。

并且，可使以往熟练作业人员根据经验进行的暖机运转不依赖于作业人员地、高效可靠地进行，进一步提高便利性。

此外，在上述实施方式中，作为计测装置21，以使用在一定时间间隔下拍摄刀具17的前端位置的拍摄单元为例进行了说明，但作为计测装置也可以是例如如下装置：具有沿着与主轴16的轴方向正交的方向发送多个激光的发送部、及夹着刀具17设置在和发送部相对的位置的接收部，利用伴随主轴16等的热位移移动的刀具17阻断激光来在接收部中获得刀具17的位置信息的装置；或者使用可对刀具17的前端位置的三轴方向的位移进行计测的激光干涉仪等，可二维或三维地计测刀具17的前端位置的位移的装置，在不脱离本发明主旨的范围内可进行各种变更。并且，二维地测定刀具17的前端时，例如只要是刀具17的前端位置的位移是图3所示的变动的机床，则优选测定y轴方向及z轴方向的变动等、根据情况决定测定的位置即可。

本发明适用于机床的变动计测及加工方法。

Claims (6)

1.一种机床的工件加工方法，该机床使工件和刀具相对位移而进行上述工件的加工，所述机床的工件加工方法的特征在于，包括以下工序：

第一工序，连续地测定安装在主轴上的刀具的前端的位置；

第二工序，根据测定结果依次计算出刀具的前端位置的位移量；

第三工序，监视上述位移量处于为了判断伴随温度变化移动的刀具前端的位置是否稳定而预先设定的允许位移量内的时间；

第四工序，当上述位移量处于允许位移量内的时间比为了判断伴随温度变化移动的刀具前端的位置是否稳定而预先设定的时间短时，继续暖机运转，另一方面当上述位移量处于允许位移量内的时间达到上述预先设定的时间时，结束暖机运转；及

第五工序，在上述第四工序中暖机运转已结束时，开始上述工件的加工。

2.根据权利要求1所述的机床的工件加工方法，其特征在于，二维或三维地测定上述刀具的前端的位置。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的机床的工件加工方法，其特征在于，

在上述第二工序和上述第三工序之间包括如下工序：计算出上述刀具的前端位置的位移量后，从开始上述刀具的前端位置的计测后在预先设定的最大计测时间内时，继续上述刀具的前端位置的计测，从开始上述刀具的前端位置的计测后经过了预先设定的最大计测时间时，结束上述刀具的前端位置的计测。

4.一种机床的变动计测装置，该机床控制工件和刀具的相对位置而进行上述工件的加工，所述机床的变动计测装置的特征在于，具有：

计测单元，连续且二维或三维地测定刀具前端位置；及

控制单元，根据由上述计测单元测定的结果计算上述刀具前端位置的位移，并监视通过计算所计算出的位移处于预先设定的允许位移量内的时间，当上述刀具前端位置的位移处于上述允许位移量内的时间在预先设定的允许位移持续时间内时，继续暖机运转，当上述刀具前端位置的位移处于上述允许位移量内的时间经过了上述允许位移持续时间时，结束暖机运转。

5.根据权利要求4所述的机床的变动计测装置，其特征在于，

上述计测单元是以一定时间间隔连续地拍摄上述刀具前端位置的拍摄单元，上述控制单元根据由上述拍摄单元拍摄的图像计算出上述刀具的前端位置的位移。

6.根据权利要求4所述的机床的变动计测装置，其特征在于，上述计测单元是激光干涉仪。

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