CN102639289A

CN102639289A - 加工工具及其操作方法

Info

Publication number: CN102639289A
Application number: CN2010800528760A
Authority: CN
Inventors: M·斯托克
Original assignee: Cinetic Landis Grinding Ltd
Current assignee: Cinetic Landis Ltd; Cinetic Landis Grinding Ltd
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2030-12-20
Also published as: ES2606860T3; EP2516108B1; EP2516108A2; ES2443161T3; GB2476468B; WO2011077127A2; CN102639289B; WO2011077127A3; EP2684640A3; US9248535B2; WO2011077127A4; EP2684640A2; GB2476468A; GB0922392D0; EP2684640B1; US20120276813A1

Abstract

本发明涉及一种加工工具，其包括：加工基部（10）；设置在第一旋转加工轴上的第一支撑件（200），第一旋转轴安装在基部上，相对于基部处于固定位置中；设置在第二旋转加工轴上的第二支撑件（202），第二旋转轴安装在基部上，相对于基部处于固定位置中，其中第二旋转轴的旋转轴线与第一旋转轴的旋转轴线平行且沿侧向间隔开。安装座由支撑臂承载在第二支撑件上，该支撑臂能够相对于第二支撑件绕转动轴（210、232、252）进行运动。控制装置能够操作成控制第一支撑件相对于第一旋转轴的旋转轴线的定向，以及安装座相对于第二旋转轴的旋转轴线的定向及其绕转动轴的旋转位置，以便支配第一支撑件和安装座相对于彼此的定位和定向。这样，绕三个旋转轴的运动的组合方便对第一支撑件和第二支撑件上的安装座的相对定向的通用且精确的控制。加工基部可以包括位于加工轴（322，324）之间的中心支撑件（320），加工轴安装在支撑件的相对两侧上。

Description

加工工具及其操作方法

技术领域

本发明涉及加工工具，并且具体地，本发明涉及减小这种工具中的对准误差。

背景技术

针对加工工具的许多应用要求空间中的两个点在扫掠面积或空间范围内在位置和角度方面受到控制而相对彼此进行运动。期望使所涉及的加工轴的数量最少，以优化这种控制。还期望在两个点之间保持非常紧密的刚性回路，并且当调节点的位置和角度时将回路中的刚度值理想地保持恒定。这改善了运动的精度水平和可重复性。

现有的加工工具通常使用长的线性引导轨道，以便允许在沿着工件长度的任何位置处在切削工具（例如磨削轮）和工件之间的接触。较短的线性引导轨道可以由长轨道承载，以方便切削工具沿着与长轨道正交的方向朝向或离开工件的运动。这些堆叠的轨道（或轴）引起了不期望的顺应性，减小了工具对部件的刚度。这又在尺寸精度和精加工方面导致部件质量降低。另外，长的线性引导轨道通常需要至少和待加工的工件一样长。这通常导致轴具有不利的支承比，其中该轴沿着切削力的方向最为顺应。当正交的进给轴堆叠在长轴上时该问题是复合性的。

如果采用轴上位置编码器，那么使用堆叠的轴也存在问题。轴堆叠得越高，所关注的点和编码器之间的距离越大。这导致“阿贝偏移”误差，这降低了加工工具的固有精度。

此外，使用正交的堆叠线性轴需要消耗时间和昂贵的对准来保持轴之间的正交性并且使得每个轴的俯仰、摇晃和摇摆误差最小化。

这些长线性轴还需要长伸缩覆盖件，该长伸缩覆盖件是昂贵的，产生摩擦，易于故障，并且还能够影响线性运动的精度（例如其笔直度、定位精度和可重复性）。

本发明试图克服以上与使用长引导轨道相关的问题，并且减少堆叠的正交轴的需要。

国际公开WO2009/093064（属于本申请人）描述了一种加工工具，其包括加工基部、安装在基部上的第一旋转加工轴上的第一支撑件和安装在基部上的第二旋转加工轴上的第二支撑件。第二旋转轴与第一旋转轴平行且沿侧向间隔开，并且承载安装座，该安装座能够相对于第二支撑件沿着与第二旋转轴正交的第一线性加工轴运动。设有控制装置，该控制装置能够操作成控制第一支撑件在第一旋转轴上的定向和安装座相对于第二旋转轴的定向及其沿线性轴的位置，以便支配第一支撑件和安装座相对于彼此的定位和定向。这可以在不需要长线性轴和堆叠的线性轴的情况下实现，由此克服与上述已知构造相关的问题。

发明内容

本发明提供一种加工工具，其包括：

加工基部；

第一支撑件，该第一支撑件设置在第一旋转加工轴上，该第一旋转轴在相对于基部的固定位置中安装在基部上；

第二支撑件，该第二支撑件设置在第二旋转加工轴上，该第二旋转轴在相对于基部的固定位置中安装在基部上，其中第二旋转轴的旋转轴线与第一旋转轴的旋转轴线平行且沿侧向间隔开；

安装座，该安装座由支撑臂承载在第二支撑件上，该支撑臂能够相对于第二支撑件绕转动轴进行运动；以及

控制装置，该控制装置能够操作成控制第一支撑件相对于第一旋转轴的旋转轴线的定向，以及安装座相对于第二旋转轴的旋转轴线的定向及其绕转动轴的旋转位置，以便支配第一支撑件和安装座相对于彼此的定位和定向。

这种构造提供与WO2009/093064中所述实施例相关的优点，这些优点来自于提供设置成间隔开固定距离的两个旋转加工轴。不同之处在于安装座相对于第二支撑件的运动是围绕转动轴，安装座通过支撑臂与转动轴间隔开，而不是安装座能够相对于第二支撑件沿着线性加工轴运动。

如WO2009/093064中所述，线性加工轴和两个旋转加工轴的组合方便对在扫掠面积范围内第一支撑件和第二支撑件上的安装座的相对定向的通用控制。在与第一和第二旋转轴垂直的平面中的线性运动分量与它们的转动运动有利地组合，以便例如能够通过实施该概念的磨削机磨削圆柱形表面。

发明人已经认识到，由线性加工轴提供的自由度实际上可以方便由另一个转动轴代替，从而消除了用于该功能的线性轴的需要。采用控制装置的适当控制，利用相关的驱动装置可以实现安装座绕其轴的旋转，以提供安装座相对于第一支撑件的所需线性运动分量。从而，在一些实施例中，加工工具采用仅仅这些三个转动轴，从而方便第一支撑件和安装座之间的相对运动，同时降低对对准误差的敏感性。

使用第三转动轴取代线性轴意味着，所有的三个轴都可以是能够用迷宫式密封进行密封而不会产生摩擦力的转动轴。这与线性轴所需的线性滑动防护件或覆盖件完全不同。这些防护件或覆盖件往往重、昂贵且产生不可重复的摩擦力。

此外，使用第三转动轴有可能意味着，较小的质量块进行运动以产生期望的线性运动分量。当采用线性轴时，沿着轴运动的包括滑架的较大的质量块运动越过第二支撑件轴，这将第二支撑件组件的极惯性矩改变到较大的程度。这又可能要求“调低”转动轴伺服回路，以防止整个极惯性范围内的伺服不稳定性。

术语“加工轴”在本文中表示物理加工轴，与基准轴线相对。每个加工轴具有两个部分，这两个部分在使用中通过由控制装置支配的相关驱动装置驱动而相对于彼此绕或沿着基准轴线运动。

对于安装在安装座上的磨削轮，要求保护的本发明方便在保持在第一支撑件上的工件的整个长度范围内的横向进给、渐缩、角度和内推磨削。尤其适合于磨削细长的多特征部件，例如凸轮和曲轴。

安装在另一个支撑件上的工件的纵向轴可以与支撑件的旋转轴间隔开，例如工件靠近支撑件的周边，使得其整个长度易于呈现给一个支撑件上的工具。更具体地，工件的纵向轴可以处于与从相应旋转轴向外延伸的径向线正交的定向中。

第三转动轴可以与第二旋转加工轴的旋转轴线正交。或者，其可以处于与第二旋转加工轴的旋转轴线平行的定向中。

支撑件能够绕其相应的旋转轴独立地旋转。或者，他们可以布置成用于进行旋转，使得一个支撑件沿一个方向的旋转运动基本上与另一个支撑件的等效旋转相匹配，但是处于相反的方向。

支撑件的旋转定位能够相对于加工基部选择性地锁定。例如，在横向进给磨削操作期间，仅仅一个轴，即安装座的转动轴，是“活的”，使得磨削期间加工工具的动刚度显著大于仅仅采用线性引导轨道的常规的加工工具。每个转动轴可以例如利用制动器或者通过关闭相关的空气或流体静力学轴承通过伺服保持而锁定，以便有效地磨削相应的轴。

在优选的实施例中，支撑件通过转动轴承（优选地通过轴颈和推力轴承）支撑在加工基部上。大的推力轴承可以直接安装在加工基部上，以提供高刚性阻尼轴，其在所有方向上具有非常好的支承比，从而导致轴对称刚性特性。平的平面加工基部可能易于构造，两个转动轴推力平面安装在该平的平面加工基部上。

三个转动轴可以采用共同的部件，以降低整体机器成本。例如，它们可以采用相同或类似的马达、驱动件、编码器和/或轴承部件。

优选地，第一和第二旋转轴以及与安装座相关的转动轴的轴承为流体静力学轴承的形式。线性轴承通常具有比转动轴承大的轴承间隙，并且需要使用较厚（更粘性）的油来保持将流量降到可接受的水平。对于实践目的，所有的加工轴（如果有的话，包括磨削主轴）优选地使用相同的流体静力学油。使用较厚的油在高速磨削主轴中产生较大的油加热。这可能导致主轴过热的问题。从而，较薄的油优选地用于磨削主轴。如果所有的三个加工轴都具有转动流体静力学轴承，那么所有的轴承都可以具有较小的轴承间隙，并且使用较低粘性的油，这对于磨削主轴是有利的。

支撑件相对于加工基部的旋转可以受到相应的直接驱动马达的影响。

优选，每个支撑件都包括旋转传感器以用于提供与相应的支撑件相对于加工基部的旋转定位有关的信号。控制装置能够接收来自旋转传感器的信号并且控制支撑件的旋转定位。具体地，这样的控制装置可以构造为在加工操作期间补偿这些支撑件的运动中的不精确性。这种误差修正可以用来例如保持切削工具和工件之间的相对运动的校准，而不是仅仅取决于机器的线性轴的笔直度。

在优选的实施方式中，一个支撑件承载工具安装座，该工具安装座可以为磨削主轴或磨头的形式，适于旋转例如安装在其上的磨削轮。磨头可以由支撑臂承载，并且定向成使得磨削轮的旋转轴与转动轴平行。或者，磨削轮的旋转轴可以与转动轴正交。

作为另外一种选择或除此之外，支撑件可以承载工具，该工具为例如车削工具、一个或多个量规或传感器，例如抛光工具检测传感器。工具、量规、整形工具等的组合可以设置在每个支撑件上并且选择为适合于相应支撑件的旋转。

优选地，安装座的中心线（和/或工具安装座和相关工具的质心）在加工基部上方比工件中心线（和/或其质心）高。这导致通过工具施加在工件上的力向下指向加工基部，从而增加机器的稳定性。

两个工具安装座可以由支撑件中的一个支撑件承载，每个工具安装座够能够相对于该支撑件独立于另一个工具安装座进行运动。这样，可以同时在工件上加工两个特征结构。

每个工具安装座可以由第二支撑件上的相应的支撑臂承载，每个支撑臂都能够相对于第二支撑件绕相应的转动轴独立地运动。在一些实施例中，每个支撑臂都安装在共同的轴上。支撑臂中的至少一个还能够相对于该一个支撑件沿着线性轴运动以改变工具安装座的间距。

另一个支撑件可以布置成支撑细长工件，该细长工件的纵向轴处于与旋转加工轴的旋转轴线正交的平面内。

根据另一个方面，本发明提供一种加工工具，其包括：

加工基部；

安装座，该安装座由第二支撑件承载并且能够相对于第二支撑件进行运动；以及

控制装置，该控制装置能够操作成控制第一支撑件相对于第一旋转轴的旋转轴线的定向，以及安装座相对于第二旋转轴的旋转轴线的定向，以便支配第一支撑件和安装座相对于彼此的定位和定向，

其中加工基部包括位于加工轴之间的中心支撑件，并且该加工轴安装在支撑件的相对两侧上。

从而，一个旋转加工轴作用在另一个上所产生的力在张紧和压缩方面受到抵抗，而不是在弯曲方面受到抵抗（在弯曲方面受到抵抗是已知机床构造存在的情况）。此外，刚性和热回路保持基本上与加工轴的定向独立。

优选，两个加工轴的重量基本上由中心支撑件支撑。

本发明还提供一种利用如上所述的加工工具加工工件的方法，其包括以下步骤：

将工件安装在一个支撑件上；

旋转支撑件以将工件的选定部分呈现给由另一个支撑件承载的切削工具；以及

利用切削工具加工工件的选定部分。

这样，第一和第二旋转轴可以用来将切削工具沿着工件带到所需位置。然后，可以锁定这些转动轴并且第三转动轴用来将切削工具进给到工件中。

该方法还可以包括以下进一步的步骤：

沿相反的方向旋转支撑件并且使工件和/或切削工具相对于相应的支撑件运动，以使工件的第二部分与切削工具接合；以及

利用切削工具加工工件的第二部分。

对于支撑件的旋转以及工件和/或切削工具相对于相应支撑件的运动的同步，切削工具可以沿着工件成横向，从而能够产生复杂的部件轮廓。

将具有纵向轴的工件安装在一个支撑件上；

旋转该另一个支撑件，使得由另一个支撑件承载的磨削轮的旋转轴不与工件的纵向轴平行；以及

利用磨削轮磨削工件，其中磨削轮的旋转轴与工件的纵向轴成一角度。

根据本发明还提供另一个方法，其包括以下步骤：

（a）将工件安装在一个支撑件上；

（b）将具有基准轴线的工具安装在另一个支撑件上；以及

（c）使第一支撑件相对于第一旋转轴的旋转轴线运动，并且使安装座相对于第二旋转轴的旋转轴线和转动轴运动，使得在工件上限定预定曲线或轮廓表面，同时保持工具的基准轴线与所述表面垂直。

还提供一种校正如上所述的加工工具的方法，其包括以下步骤：

（a）将激光光源安装在一个支撑件上；

（b）从该光源发射激光光束，该激光光束入射在由另一个支撑件支撑的光学器件上；

（c）相对于由相应的旋转传感器测量的支撑件的定位监测激光光束路径；

（d）计算定位误差；以及

（e）校正该控制装置以降低误差。

光学装置可以是例如检测器，或用于将入射激光向后朝向安装在另一个支撑件上的检测器反射的反射器。在优选的实施方式中，采用双激光光束，并且干涉测量法用来测量激光光源和光学装置之间的距离。

使用两个主要旋转轴能够使用软件误差修正来保持两个关注点之间的定位、笔直度和角度运动控制，而不是必须取决于机器的线性轴的笔直度。在加工构建期间，能够测量两个点之间的插入线性运动的定位并且进行软件补偿。

本发明具有宽范围的可能应用，其中两个点相对于彼此的定位和角度需要在整个扫掠面积和空间范围内进行控制。具体地，这在需要在整个扫掠面积和空间范围内控制定位或角度的复杂部件的加工、检测或定位中可能是尤其有利的。一个具体的实例是金刚石车削，其通常需要保持切削工具相对于被加工表面处于法向定向。

附图说明

现在将参考附图，借助实例描述已知的加工工具构造和本发明的实施例，其中：

图1至3为WO2009/093064中所述加工工具的透视图；

图4至9为实施本发明的加工工具的透视图，以示出其操作；

图10和11分别为实施本发明且具有能够绕水平转动轴运动的磨削轮的加工工具的侧视图和透视图；

图12为图10和11中所示形式的加工工具的简化透视图；

图13为为实施本发明且具有能够绕水平转动轴运动的安装座的另一个加工工具的透视图；

图14为实施本发明的加工工具的透视图，其中磨削轮能够相对于第二支撑件绕竖直转动轴运动；以及

图15至18为实施本发明的加工工具的透视图，其包括能够绕水平转动轴独立地旋转的两个支撑臂；

图19为已知的磨削机的透视图，以示出其可变热回路；

图20为根据本发明另一个方面的加工工具的侧横截面图，其包括用于两个旋转加工轴的中心支撑件；

图21至26为图13所示形式的加工工具处于不同定向的透视图；以及

图27至32取自WO2009/093064，以示出也能够应用于本发明实施例的加工工具的特征和能力。

应该指出的是，附图仅仅是示例性的。相同的附图标记在修改的和不同的实施例中通常用来表示对应的或类似的特征。

具体实施方式

图1至3为表示WO2009/093064中所述加工工具的透视图。它们包括加工基部10。第一和第二支撑件100、102直接安装在基部上，以用于绕与加工基部的平面垂直的相应旋转加工轴的旋转轴线旋转。它们的旋转运动分别由箭头A和B指示。点104和106代表与各个支撑件相关的基准点。每个点都具有穿过该点的基准轴线108、110。

安装座112由第二支撑件102承载，并且能够沿着线性加工轴运动。基准点104处于第一支撑件上，基准点106处于由第二支撑件102承载的安装座112上。在这里参考点104和106以及它们相关的基准轴线108和110来考虑第一支撑件和安装座的定位和定向的控制。

第一支撑件、第二支撑件和安装座的虚影图像100'、102'和112'of包含在图1中，以示出其在绕它们各自的旋转加工轴旋转之后的不同定向。这示出了用于改变基准轴线108和110之间的角度的运动。

图2示出了安装座112沿着其线性轴到虚影轮廓所示的第二位置112'的运动。箭头C表示运动方向。这种能力方便控制两个固定点104和106之间的距离。两个转动轴和一个线性轴的组合使得该点能够在扫掠面积范围内在两个位置和角度中进行受控制的运动。

图3示出了加工工具构造，其中第一支撑件100也能够沿着与其旋转轴线平行的线性加工轴F运动。通过虚影轮廓100'示出了支撑件在沿着该轴运动之后的定位。这种进一步的运动维度方便了在扫掠空间范围内对第一支撑件和安装座相对于彼此的定位和定向的控制。

在本发明的实施例中，能够通过在支撑件上提供安装座来实现图1至3中所示的已知加工工具构造的能力，该安装座能够相对于支撑件绕转动轴运动，并且通过支撑臂与转动轴间隔开。采用安装座的绕该转动轴的运动的线性分量来实现在这些已知装置中出现的线性自由度。

图4至9示出了使用转动轴以提供用于安装座的水平运动分量。

第一和第二支撑件200、202直接安装在加工基部10上，以用于绕与加工基部的平面垂直的相应旋转加工轴的旋转轴线旋转。点204和206代表与各个支撑件相关的基准点。基准轴线214穿过基准点204。

支撑臂208由第二支撑件202承载，并且能够相对于第二支撑件绕转动轴210运动。

图4至6示出了随着基准点204和206在由立方形工作区212代表的想象工件的表面上移动加工工具部件的相继定位。当支撑件沿相反方向旋转时，通过支撑臂绕轴210的旋转而沿基准轴线214的方向保持基准点之间的恒定间距。

图7至9示出了在图4至6中所示的加工工具定向的侧视图。在支撑臂208的一部分上标记的延伸穿过支撑件202的基准线216突出显示了支撑臂相对于支撑件的旋转定位中的变化。

图10和11中示出了实施本发明的磨削机。磨削轮220设置有旋转轴222，该旋转轴222处于水平定向并且通过支撑臂（在这些图中不可见）与水平转动轴210间隔开。工件224安装在另一个支撑件202上（可见于图11中）。箭头226表示由于磨削轮相对于转动轴210的运动而引起的磨削轮的轴沿着弧的运动，绕该转动轴210的旋转由箭头228表示。

当在WO2009/093064所述的加工工具中具有线性加工轴时，磨削轮绕转动轴210的运动的水平分量实现相同的水平修正运动。

优选地，第三转动轴驱动马达229安装在第二支撑件202上，其中心线与磨头轴222平行，并且具体地，其中心线与第三转动轴210重合。配重223也由第三转动轴承载，以帮助控制磨头相对于该轴的定位。

图12示出了CAD模型，其用来证实利用绕水平转动轴来提供修正运动的旋转运动所需的控制数学模型。

当利用线性轴在磨削轮和工件之间提供直线运动来实现该修正运动时，线性修正数据保持不变，而与待磨削的部件的直径或磨削轮的直径无关。对于图12所示形式的加工构造，保持直线运动所需的修正运动(例如)随着磨削轮直径和工件直径而变化。在下表中示出了利用CAD模型计算的转动轴角度：

使用两个磨削轮直径(400mm和410mm)以及两个部件直径(50mm和5Imm)。在该模拟中，磨削轮被迫保持其磨削边缘与工件的纵向表面平行。可以看到，在两个部件末端(一250mm和+250mm)处以及在中心（0mm）处所需的转动轴角度随着磨削轮和部件的直径的变化而变化。

从而，对于了解磨削轮和部件的直径，可以计算绕第三转动轴的角运动，以保持切削工具和工件之间所需的运动轮廓。

图13示出了根据本发明实施例的另一个加工工具构造。支撑臂230能够以箭头234所示的方式绕第三转动轴232枢转。在所示的布置中，磨削轮头236安装在支撑臂的远侧端部处，使得其旋转轴与第三转动轴垂直并且与相对于沿支撑臂延伸的轴线的径向方向垂直。臂绕轴232的枢转引起磨削轮头在由箭头238表示的弧中的运动。

对于处于大致水平定向的支撑件，其远侧端部绕第三转动轴的运动主要沿竖直方向。

在图13所示的构造中，弯曲部240用来方便支撑臂230绕转动轴232的旋转，但是应当理解，可以采用任何类型的转动联接，例如转动轴承。可以通过宽泛的选择来提供转动驱动力，包括轴上马达、离轴马达（经由例如带或齿轮驱动）或凸轮驱动。

支撑臂和弯曲部安装成用于沿着由第二支撑件202承载的线性轴242的运动。这方便磨削轮头朝向和离开安装在第一支撑件200上的工件244的运动。这种线性运动也用来修正磨头绕第三转动轴232的运动的水平分量。

如图13所示，这种绕第三转动轴的运动可以用来提升和降低磨削轮，该磨削轮定向成其旋转轴基本上竖直（即与第三转动轴和支撑臂正交）。然后，例如，其可以用来在工件244（例如硅片）上形成边缘轮廓，或者可以用来移动工件和下方的磨削轮形成轮245之间的轮。

图14中示出了本发明的另一个实施例。这里，支撑臂250能够绕第三转动轴252旋转。这个轴具有与第一和第二旋转加工轴的旋转轴线平行的竖直定向。支撑臂绕该轴沿箭头254指示的方向的运动使得磨削轮头256绕轴沿箭头258所示的弧运动。着用来使安装在磨削轮260上的磨头朝向和离开安装在第一支撑件200上的工件262水平地运动。

采用与前述实施例类似的方式，通过相应支撑件202、200的旋转，工具（在这种情况下为磨削轮260）可以沿着细长工件262运动，其中工具绕第三转动轴252的运动沿与工件的轴垂直的方向的分量用来提供修正运动。

在图14所示的构造中，可以看到，在加工操作期间，安装座在支撑臂250的端部处的高度保持恒定。这意味着不需要以上关于图12所述的修正计算。

另外，如果臂250在加工操作期间在与工件的轴平行的定向的任一侧运动几度，那么相对与该轴垂直的期望直线运动仅仅存在二阶偏差。因此，当实施仅仅需要与工件的轴垂直的小的运动的操作时，图14所示形式的布置采用第三转动轴来提供靠近线性轴的运动，同时仅仅采用转动轴。

图15至18示出了实施本发明的加工工具，其包括两个工具安装座。每个工具安装座都由相应的支撑臂230、230'承载。在这些实施例中，工具安装座布置成承载相应的磨削轮220、220'，其绕第三转动轴210的运动提供相应的磨削进给。这允许每个磨削轮与另一个磨削轮同时磨削不同的直径。

为每个支撑臂提供单独的转动驱动以及相关的定位编码器。因此，每个磨削轮能够完全独立于另一个磨削轮进行操作。因此，可以同时在工件上磨削两个特征，这可以用在例如轨道曲柄销磨削中。

支撑臂230也安装成用于沿着转动轴210的线性运动，以允许两个支撑臂之间沿该方向的间距发生变化。

图16示出了与图15类似的视图，除了支撑臂230已经沿着且平行于转动轴210运动成更靠近支撑臂230'。

在图15和16所示的构造中，两个支撑臂由共同的轴颈轴承轴支撑。在图17所示的实施例中，两个支撑臂230、230'安装在单独的支撑轴上。支撑臂230安装成用于沿着与转动轴210平行的线性轴的运动，以方便沿箭头270所示的方向的运动。这方便控制两个支撑臂之间以及其上安装的相关工具之间的间距。

图18中示出了另外的两个安装座构造。另外，一对支撑臂230、230'安装成用于绕第三转动轴210的旋转。在图18的构造中，不采用轴上转动驱动每个支撑臂，而是设有沿箭头282、282'所示方向作用的相应的线性驱动装置280、280'。每个线性驱动器经由相应的枢轴286、286'联接到相应的安装座284、284'。每个线性驱动器的另一端联接到相应的支撑臂。枢转安装座284'能够沿着与转动轴210平行的线性轴运动，以提供沿箭头288指示的方向的运动。这提供了对支撑臂230、230'之间以及相关的工具之间的间距的控制。

现在将参考图19和20说明本发明的另一个方面。图19示出了采用长线性轴以磨削细长工件224的已知的磨削加工工具构造。磨削轮头300示出为处于两个不同的位置300、300'。将需要这种运动来方便磨削轮与工件整个长度的接合。

每个位置300、300'都具有相关的“热和刚性回路”，在图19中由椭圆302、302'示意性地表示。本领域中众所周知的是，刚性回路是在切削工具和部件之间通过机器的机械部件和结构的最短路径。路径越短，则机器越硬。热回路是在切削工具和部件之间通过机器的机械部件和结构的最短路径。路径越短，则机器将越易于受到热应变的影响。

可以看到，热回路302、302'的位置是完全不同的。如果磨削始于位置300，那么这将导致机器的这个区域中的温度相对于其它部分上升，从而随着磨头运动至位置300'，将会遇到温度梯度和相关的对准变化。

在这个机器的热循环期间，典型的“咽喉”运动可以为0.25mm。咽喉为加工基部的将磨削轮安装座连接到部件安装座的区段。在磨削过程期间，磨削尘屑和冷却液收集在该区域中。磨削尘屑和冷却液往往会加热咽喉的在磨削区下方的材料。被加热的咽喉区域根据沿着被磨削的部件的轴向位置而变化。在被加热的咽喉区域，材料膨胀，从而使得咽喉的该区域打开。随时间推移，整个咽喉加热，从而打开咽喉。这可能使得磨削轮的位置移动离开部件。在咽喉最热的情况下该错误运动将会最大。因为没有直接测量磨削轮与部件之间的位置，所以没有反馈系统来使得由打开咽喉引起的错误能够得到补偿。

图20示出了如本文所述的具有两个平行旋转加工轴的加工工具。在图上标记处理相关的热/刚性回路310。随着轴旋转到将工件224的不同部分呈现给由支撑件202承载的加工工具，热回路310基本上没有变化，从而避免由于可变热回路导致的不精确性。

图20示出了本发明的另一个方面，也就是提供旋转加工轴322和324之间的中心支撑件320。

对于典型的水平机床构造，从下方支撑轴。在图20的布置中，每个旋转加工轴都安装到支撑件320的相应侧上。每个加工轴都通过安装部326、328联接到支撑件的相邻侧，该安装部在相应的轴和支撑件之间水平地延伸。从而，中心支撑件或块在任一侧上承载每个加工轴的重量。因此，在加工工具操作期间产生的力经由加工轴沿相反的方向作用在中心支撑件320上。从而，支撑件以张紧或压缩状态而不是如已知机床将出现的以弯曲状态抵抗这些力。这导致在加工工具中的基本上恒定（且可能更加刚性）的刚性回路，而与支撑件200、202的定向无关。这用来进一步减少机器操作期间的错误。

现在将参考图21至26讨论与图13的机器构造相关的优点。图21至23以举例的方式示出了加工工具在用来磨削矩形贴片244的侧面时的相继定位。在图21至23中，磨削轮头236仅仅沿着线性轴242运动，支撑件202绕相应的旋转加工轴324的旋转轴线的旋转定位没有变化。

通过考虑标记在磨削轮342上的基准线340，可以看到，轮和贴片之间的接触点随着轮沿贴片的侧面运动而连续地变化。从而，不能够设立冷却液喷嘴来使得它们在贴片的整个磨削期间提供最佳的冷却和冲洗。将需要铰接的冷却液喷嘴安装座来使得能够跟踪接触点。

相比之下，在图24至26中，通过旋转轴324来提供通过磨削轮头安装座的转动运动。因此，可以看到，轮342和工件244之间的接触点是恒定的并且总是处于基准线340的端部处。这方便在磨削操作的所有部分中保持最佳的冷却液施加条件，原因是最佳的冷却液喷嘴位置相对于支撑臂230固定。

图27至32取自WO2009/093064。它们示出了本文所述的加工工具利用其两个平行旋转加工轴的构造所能获得的能力，其中线性轴安装在旋转轴中的一个上。应当理解，在所示构造中由线性轴提供的运动的分量可以根据本发明借助第三转动轴提供。因此，以下包括了这些图的说明。

在图27所示的加工工具中，线性加工轴安装在转动轴上。这使得支撑件100、102和安装座112能够被定向成使得在基准点106沿着工件肩部运动之前基准轴线108、110是平行的。然后，通过安装座112沿着其线性加工轴单独地运动而实现该运动。

可以插入相对于三个加工轴的运动，以便能够通过基准点106触及细长工件128的长度。

图28示出了基准点106，该基准点106限定了与基准点104等距的球形表面140，同时保持其基准轴线110相对于该表面处于垂直“工具法向”定向。

保持“工具法向”是成功进行高精度部件的金刚石车削的通用要求。通常必要的是（为了保持部件几何形状和恒定的车削条件），工具上相同的点保持在所有时间都保持与加工的部件相接触。

图29示出了工具支撑件22和工件支撑件20的相对旋转定向的调节如何能够用来在磨削轮36的旋转轴50与工件24的纵向轴52之间形成角度，以方便在工件上形成锥形轮廓。这个原理还可以用来产生其它轮廓，或者在滚子轴承上形成例如冠状轮廓。

图30示出了如何能够采用预先形成的磨削轮60，以利用实施本发明的加工工具来在工件24上形成预定的轮廓。

加工基部可以由例如花岗岩、铸铁或聚合物混凝土形成，并且与采用长线性轴的已有加工工具的基部相比，其制造可能较为廉价。

在根据本发明的加工工具的构造期间，可以测量切削工具和工件之间的插入线性运动的精度，并且可以计算所需的任何补偿。该补偿可以结合到例如软件中的支配加工工具的控制器的操作的指令中。

可以相对于角度、线性定位和笔直度而采用激光校正，使得能够相对于转动轴和线性轴进行运动的误差修正。

图31和32示出了机器如何能够进行激光校正。光源70安装在主轴箱26上，产生两个平行激光光束72、74，该激光光束入射在由工具支撑件22承载的检测器76上。

通过使两个转动轴和一个线性轴运动，能够（利用激光光学装置的各种设定）测量笔直度、定位和角度误差，并且进行修正以补偿该误差。修正过程将根据任何给定工件的主要要求（例如被加工的特征结构的平行性、直径或轴向定位）而改变。

校正过程可以包括以下步骤：

I.利用角度误差测量光学装置：

i.旋转两个轴，使辅助轴（例如工具支撑轴）在加工最长部件所需的运动的整个范围内从属于主要轴（例如工件支撑轴）。线性轴也从属于主要轴，以保持激光光束在测量光学装置上的恒定定位。

ii.角度误差将影响：

1.被加工的特征结构的直径；

2.被加工的特征结构的平行性；

3.被加工的特征结构的轴向定位。

iii.可以通过改变辅助轴相对于主要轴的运动来补偿任何测量的角度误差。

iv.这个过程将最小化转动轴误差（由每个编码器所导致）和例如由轴承轴倾斜误差和线性轴偏航误差所导致的任何额外的转动误差。

II.利用线性定位测量光学装置：

i.重复用于（I）的运动过程。

ii.线性定位误差将影响被加工的特征结构的轴向定位。

iii.如果特征结构的轴向定位比被加工的特征结构的平行性具有较高的优先级，那么测量的定位误差可以得到补偿（利用辅助转动轴）。这将稍稍增加过程I期间最小化的角度定位误差。

1.额外的角度误差可以相对不太大。例如，为了修正3微米的轴向定位误差，需要（大约）1弧秒（arc sec）的角度修正。50mm长的结构特征上的1弧秒（arc second）将导致0.25微米的锥形。

III.利用笔直度测量光学装置确定水平笔直度误差：

i.重复运动过程。

ii.线性笔直度误差将影响被加工的特征结构的直径。

iii.可以利用线性轴直接补偿测量的水平笔直度误差。

这些过程能够进行误差运动修正，而不需要对准正交轴，这个机器设计的关键优点。

优选地，利用与那些在加工工具的常规操作期间使用的传感器独立的相应旋转传感器检测每个旋转轴的旋转定位。从而，这些专门的校正传感器方便了与常规传感器独立的校正。然后，校正过程可以测量由操作控制传感器引起的加工运动误差且能够修正该加工运动误差。

如果加工的特征结构的轴向定位特别紧密，那么可以采用线性编码器（例如安装在两个转动轴之间的激光干涉仪）作为辅助编码器，以最小化由转动编码器误差引起的线性定位误差。

这可以应用与以上校正过程所采用的类似的原理而实现。

加工工具的优选实施例使用转动编码器来同步两个转动轴之间的运动。能够在两个轴之间保持大约1弧秒的绝对定位误差。转动定位误差在给定半径处产生大约5微米（的线性误差）/米（的半径）/弧秒（的误差）的线性误差。对于大约1500mm长的部件，从转动轴中心到部件端部的半径可以为例如大约900mm。这导致大约3微米/弧秒误差的线性定位误差（沿部件的轴向方向）。

在大多数情况下，这是可接受的。然而，对于极为苛刻的要求（例如要求不大于1微米的线性误差），可能优选的是进行直接在线线性误差测量（而不是由转动编码器推断的线性测量）。

长范围线性激光编码器的实例为RLE 10，由Renishaw（RTM）销售。这种类型的编码器可以用来随着两个转动轴相对于彼此运动而提供线性定位反馈。从而，由转动编码器误差所导致的切削工具和部件之间的轴向定位误差可以直接测量为线性定位误差。

限定编码器的构造将与以上图31和32中所示的类似，以用于加工校正过程。然而，编码器的激光器和目标将需要封闭在覆盖件（图中未示出）中，远离（优选在下方）加工接触位置。

在校正过程期间采用的传感器的输出信号被提供给机器的控制装置或专门的校正处理装置。传感器信号被处理，以辨识需要应用与加工工具的控制构造的任何修正，以最小化任何检测到的定位误差。

虽然参考附图描述的实施例是磨削机，但是应当理解，根据本发明可以实施宽范围的加工相关的操作。除了磨削操作，其它应用为例如车削或抛光，以及加工的部件的检测。

应当理解，本文对正交或平行相对定向等的参考应当解释为在实践公差内限定部件之间的基本正交或平行关系。

Claims

1.一种加工工具，其包括：

加工基部；

2.根据权利要求1所述的加工工具，其中转动轴与第二旋转加工轴的旋转轴线正交。

3.根据权利要求1所述的加工工具，其中转动轴与第二旋转加工轴的旋转轴线平行。

4.根据前述权利要求中任一项所述的加工工具，其中支撑件能够绕其相应的旋转加工轴独立地旋转。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的加工工具，其中支撑件布置成用于绕其相应的旋转加工轴旋转，使得一个支撑件沿一个方向的旋转运动基本上与另一个支撑件的旋转相匹配，但是处于相反的方向。

6.根据前述权利要求中任一项所述的加工工具，其中支撑件的旋转定位能够相对于加工基部选择性地锁定。

7.根据前述权利要求中任一项所述的加工工具，其中支撑件经由轴颈和推力轴承支撑在加工基部上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的加工工具，其中支撑件能够通过相应的直接驱动马达而相对于加工基部旋转。

9.根据前述权利要求中任一项所述的加工工具，其中每个支撑件都包括旋转传感器以用于提供与相应的支撑件相对于加工基部的旋转定位有关的信号，控制装置能够操作成接收来自旋转传感器的信号并且在加工操作期间补偿支撑件的运动中的不精确性。

10.根据前述权利要求中任一项所述的加工工具，其中支撑臂相对于第二支撑件绕转动轴的运动由转动轴承提供。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的加工工具，其中支撑臂相对于第二支撑件绕转动轴的运动由弯曲部提供。

12.根据权利要求11所述的加工工具，其中该弯曲部能够相对于基部沿着与基部平行的线性轴运动。

13.根据前述权利要求中任一项所述的加工工具，其中支撑件中的一个承载工具安装座。

14.根据权利要求13所述的加工工具，其中两个工具安装座由支撑件中的一个支撑件承载，每个工具安装座够能够相对于该一个支撑件独立于另一个工具安装座进行运动。

15.根据权利要求14所述的加工工具，其中每个工具安装座由第二支撑件上的相应的支撑臂承载，每个支撑臂都能够相对于第二支撑件绕相应的转动轴独立地运动。

16.根据权利要求15所述的加工工具，其中每个支撑臂都安装在共同的轴上。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的加工工具，其中工具安装座中的至少一个还能够相对于该一个支撑件沿着线性轴运动。

18.根据权利要求13至17中任一项所述的加工工具，其中另一个支撑件布置成支撑细长工件，该细长工件的纵向轴处于与旋转加工轴正交的平面内。

19.根据权利要求13至18中任一项所述的加工工具，其中该工具安装座或该工具安装座中的一个为磨削轮主轴的形式。

20.根据权利要求19所述的加工工具，其中该主轴的旋转轴线与转动轴平行。

21.根据权利要求19所述的加工工具，其中该主轴的旋转轴线与转动轴正交。

22.根据前述权利要求中任一项所述的加工工具，其中加工基部包括位于加工轴之间的中心支撑件，并且该加工轴安装在支撑件的相对两侧上。

23.一种加工工具，其包括：

加工基部；

24.根据权利要求22或权利要求23所述的加工工具，其中两个加工轴的重量基本上由中心支撑件支撑。

25.根据权利要求23或从属于权利要求23的权利要求24所述的加工工具，其中安装座由支撑臂支撑在第二支撑件上，支撑臂能够相对于第二支撑件绕转动轴运动，并且控制装置能够操作成控制安装座绕转动轴的旋转定位。

26.一种利用根据前述权利要求中任一项所述的加工工具加工工件的方法，其包括以下步骤：

（a）将工件安装在一个支撑件上；

（b）将切削工具安装在另一个支撑件上；

（c）旋转支撑件以将工件的选定部分呈现给切削工具；以及

（d）利用切削工具加工工件的选定部分。

27.根据权利要求26所述的方法，其还包括以下步骤：

（d）沿相反的方向旋转支撑件并且使工件和/或切削工具相对于相应的支撑件运动，以使工件的第二部分与切削工具接合；以及

（e）利用切削工具加工工件的第二部分。

28.一种利用根据权利要求1至25中任一项所述的加工工具加工工件的方法，其包括以下步骤：

（a）将具有纵向轴的工件安装在一个支撑件上；

（b）将磨削轮安装在另一个支撑件上；

（c）旋转该另一个支撑件，使得磨削轮的旋转轴不与工件的纵向轴平行；以及

（d）利用磨削轮磨削工件，其中磨削轮的旋转轴与工件的纵向轴成一角度。

29.一种利用根据权利要求1至25中任一项所述的加工工具加工工件的方法，其包括以下步骤：

（a）将工件安装在一个支撑件上；

（b）将具有基准轴线的工具安装在另一个支撑件上；以及

（c）使第一支撑件相对于第一旋转加工轴的旋转轴线运动，并且使安装座相对于第二旋转加工轴的旋转轴线和转动轴运动，使得通过工具在工件上加工处预定轮廓，同时保持工具的基准轴线与所述表面垂直。

30.一种校正根据权利要求1至25中任一项所述的加工工具的方法，其包括以下步骤：

（a）将激光光源安装在一个支撑件上；

（d）计算定位误差；以及

（e）校正该控制装置以降低误差。

31.一种参考附图的图4至32基本上如本文所述的加工工具。

32.一种参考附图的图4至32基本上如本文所述的加工工件的方法。

33.一种参考附图的图4至32基本上如本文所述的校正加工工具的方法。