CN102814706B - 自由形态切割机 - Google Patents

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Abstract

公开了一种自由形态切割机。所述自由形态切割机包括工作台、主轴；以及附至主轴的切割装置。所述切割装置具有用于从工作台上的工件切削所选部分的至少一个刀具。自由形态切割机使刀具对工件表面施加连续的成形力，直到工件的第一表面形状与预定义的完成的样条表面形状相符为止。

Description

自由形态切割机
技术领域
本发明涉及样条形工件的机械加工。具体描述了一种简化样条形物体的机械加工的自由形态切割机。
背景技术
机械加工是机械切割多件材料，从而获得期望的几何形状的过程。铣床、车床和钻床通常用于把诸如木材、塑料和金属之类的材料机械加工成具有要求高精度的物体。常规的车削加工机器(最常见的具体设备是车床)典型地利用单刃刀具来将工件加工成形。典型的配置包括旋转工件的主轴，所述工件随后被刀具咬合。刀具位置可被移动，从而更靠近或者更远离旋转中的工件，不过刀具定向典型地被设定成固定角度。不幸的是，尽管这种配置非常适合于机械加工圆柱形工件，不过机械加工更复杂的形状则更困难。由于无法在刀具进行切割时调整刀具定向，因此非圆柱形工件在旋转时会改变其和刀片之间的角度。
例如，利用这种配置机械加工样条形工件会导致本行业中通常称为的碰撞(crash)。当刀片的侧面部分(实质上是刀具的底面)和工件表面接触时，旋转的车削加工机器刀具会发生碰撞。刀具典型地被设计成借助刀具的侧面部分和工件表面之间的后角工作。后角确保刀具与工件表面接触的唯一部分是侧面的单一刀刃(实质上是侧面的前刃)。碰撞典型地会在刀具试图切削工件的圆角周围时发生。刀具相对于工件表面的定向变化过大会使后角减小到0，从而使刀具的侧面接触工件。
于是，想要一种允许单次走刀创建复杂几何形状的机器。
发明内容
一种通过利用刀具对工件表面施加连续的成形力，直到工件的第一表面形状与预定义的完成的样条表面形状相符为止的机械加工工件的方法。当所述刀具根据工件表面在工件表面上的所有点处保持预先确定的刀具角度而不考虑工件表面几何形状的剧烈变化时，施加所述成形力。
还要求保护一种自由形态切割机。所述自由形态切割机包括工作台，主轴；和附至主轴的切割装置。所述切割装置具有用于从工作台上的工件切削所选部分的至少一个刀具，其中自由形态切割机使刀具对工件表面施加连续的成形力，直到工件的第一表面形状与预定义的完成的样条表面形状相符为止。
在另一个实施例中，公开一种非临时性计算机可读介质，所述计算机可读介质存储可由处理器执行的计算机代码，所述处理器与用于机械加工工件的自由形态切割机耦接。所述非临时性计算机可读介质至少包括利用刀具对工件表面施加连续的成形力，直到工件的第一表面形状与预定义的完成的样条表面形状相符为止的计算机代码，其中所述刀具根据工件表面在工件表面上的所有点处保持预先确定的刀具角度，而不考虑工件表面几何形状的剧烈变化。
附图说明
参考结合附图进行的以下描述，可最好地理解本发明及其优点。
图1示出了按照描述的实施例的刀具相对于工件表面的定向的正视图。
图2示出了按照描述的实施例之一的自由形态切割机的透视图。
图3示出了自由形态切割机的侧视图，图中示出了当刀具在工件上来回移动时，工件在Z轴的运动。
图4示出了自由形态切割机的正视图，图中示出了伺服如何调整刀具的定向。
图5示出了附至伺服的刀具近视图，以及刀具是如何相对于工件定向的。
图6示出了自由形态切割机的另一个正视图，示出了当刀具切削工件的边角周围时的刀具重定向和切削。
图7A和7B示出了自由形态切割机的备选实施例的正视图，其中刀具安装在刀架上且工件在旋转。
图8示出了自由形态切割机的另一个备选实施例，其中增加了第三伺服以允许刀具在Z轴移动。
图9示出了使用自由形态切割机的方法。
图10示出了图2的自由形态切割机的微小改进，其中工作台能够沿着更多轴调整工件。
具体实施方式
在下面的描述中，陈述了众多的具体细节，以便透彻理解本发明。不过，对本领域的技术人员来说，显然可以在没有一些或所有这些具体细节的情况下实践当前描述的实施例。
机械加工允许生产具有高精度几何形状的物体。铣床、车床和钻床是用于机械加工诸如木材、塑料和金属之类材料的最常用工具。历史上，把物体(通常称为工件)机械加工成成品的过程很耗时，因为它典型地是由每人每次加工一个工件且每次进行一次切削而人工地进行的。通过整合计算机，该过程已被显著缩短。目前，用户可以利用计算机辅助制图(CAD)工具和计算机辅助制造(CAM)工具，向与机械加工工具耦接的计算机发送把工件加工成形为各种不同几何形状的指令。用于生产工件的耦接计算机的机器典型地被称为计算机数字控制(CNC)机。不幸的是，CNC机的出现并未解决机械加工行业中的所有低效率问题。
例如，铣床是创建复杂形状时的工具选择。不幸的是，为了完成复杂零件的机械加工，铣床必须对工件进行多次走刀，结果在工件表面形成缺陷；尤其在试图创建弯曲表面(比如样条形状)时更是如此，这是因为铣床每次只能在一个平面内进行切削。当铣床改变每次走刀的角度以形成弯曲表面时，通常会见到工件中的微小脊线。由此得到未完成的工件通常必须经过额外的砂磨和抛光步骤，以获得比如在加利福尼亚州库珀蒂诺的苹果公司制造的一体式铝质MacBook上见到的令人满意的光滑表面。尽管标准的机械加工工具包括使用户能够准确预测要求的替换时间的压力传感器，但是在常规的切削机械加工操作之后所需的额外砂磨和抛光步骤是相当令人厌烦的，这是因为抛光垫和磨砂机往往会不可预测地磨损，从而相比于标准机械加工工具，需要对其的磨损进行更频繁地检查。对铝进行磨砂和抛光还会产生对环境有害影响极大的相当大量的铝粉。
这种问题的解决方案是自由形态切割机，它利用与增强的回转机器结合的CNC机械加工工艺。如上所述，CNC机器已被用于自动化现有的人工过程。自由形态切割机的重要创新之一是利用该机器使不能手工完成的过程自动化。在工件旋转的时候，使刀具保持恒定角度定向于非圆形工具表面要求极其高水平的速度和精度，不是仅用人手就能实现的。通过利用机器人，高精度的伺服机构，CNC能够实现这种精确定位和定向。伺服线性驱动装置控制刀具和工件之间的径向距离，而伺服旋转驱动装置则控制刀具相对于工件表面的定向。这两种伺服的组合使自由形态切割机能够快速机械加工复杂的样条形工件。
类似于常规的车削加工机器，由于自由形态切割机的刀具与工件表面保持恒定接触，因此不会留下类似铣床产生的脊线或缺陷。除了与工件表面保持恒定接触之外，使定向角保持一致可使刀具效率最大化。
图1示出了按照所述实施例的在代表性完成工序期间刀具102相对于工件104的部分100。工件104可以由多种材料，比如铝、不锈钢、塑料、甚至木材形成。不过应注意刀具102的成分可取决于形成工件104的材料，和/或期望的表面或成品。例如，当要求镜面精加工时，可以用硅晶金刚石形成刀具102。当较粗糙的表面就足够时，可以用碳化物或多晶金刚石形成刀具102。被切割的每种材料具有能实现最光滑最高效切割的理想前角106和后角110。这使得对自由形态切割机来说，重要的是精确地保持刀具定向。前角106被定义成刀具正面108和垂直于工件104表面的向量N之间的角度。后角110被定义成刀具侧面112和与工件104表面相切的向量T之间的角度。当达到前角106和后角110的最佳值时，刀具102需要较小的作用力就能维持切割设备114的运动。此外，刀具102的有效使用寿命也通常更长。如图1中所示，刀具102的刀刃116通过以切屑122形式去除工件104的一部分而将工件104的原始表面118重新修整成新的表面120。应注意的是，出于减小环境影响的考虑，固体切屑的去除优于通过磨砂和抛光操作产生的大量粉尘。
图2示出了按照所述实施例的自由形态切割机200的透视图。自由形态切割机200可包括至少一个底座202，底座202能够支持具有轴箱正面206的轴箱204，主轴208安装在该轴箱正面206上。在本实施例中，轴箱204可包括用于旋转主轴208的齿轮电动机(未示出)。轨道210可附至底座202的顶面。以此方式，可以沿着带动其上能够放置工件的工作台212(为清楚起见，示出为线图)的任一方向，垂直于轴箱正面206传送置于轨道210上的物体。以此方式，能够按需使工件更靠近或更远离附至主轴208的切割装置214。
图3示出了自由形态切割机200的侧视图，突出显示了安装在工作台304上的工件302、主轴208和切割装置214之间的关系。可以看出，通过利用轨道210，工作台304沿着Z向的运动可用于控制工件302的表面和切割装置214之间的接触点。
图4示出了自由形态切割机200的正视图。该视图示出了附至主轴208(未示出)前面的旋转圆盘402。旋转圆盘402具有贯穿旋转圆盘402的旋转中心的圆盘通道404。圆盘通道404使伺服线性驱动装置406可以被安装在旋转圆盘402的圆盘通道404内。伺服线性驱动装置406以方向R(至旋转圆盘402的旋转中心的径向)沿着圆盘通道404来回移动。另外示出了安装在伺服线性驱动装置406的一端的伺服旋转驱动装置408。伺服旋转驱动装置408能够360°旋转，这使其能够将刀具410定向以切割工件302的外表面或内表面。这里，应注意用可调整的CAM机构替换伺服旋转驱动装置408也被认为在公开的自由形态切割机的范围之内。当旋转圆盘402旋转时，伺服线性驱动装置406和伺服旋转驱动装置408的组合允许刚性附至伺服旋转驱动装置408的刀具410在工件302的表面上来回移动。描绘了第二位置θ2，以示出伺服机构如何调整以保持刀具就位和定向在位置θ1和θ2。
图5示出了图4的放大图。更具体地说，图5集中在刀具410相对于工件302表面的定向。为了使刀具410相对于工件302表面保持一致的定向，必须在机器的公差允许的范围内，由伺服旋转驱动装置408使刀具角度502保持恒定。通过保持刀具角度502，图1的前角104和后角106也保持恒定，由此能够在复杂的样条形工件的表面有效地得到无瑕疵的表面。
图6示出了图2的实施例的另一个正视图。该正视图示出了与在样条形工件302的弯曲部分周围进行的切削有关的伺服旋转驱动装置408的运动。在位置θ2和位置θ4之间，对于仅仅30-40°的主轴208旋转来说，伺服旋转驱动装置必须旋转90°。对类似于此的配置来说，伺服旋转驱动装置的旋转比主轴快约3倍。除了这种旋转速度之外，还必须具有足以使工具角度502(未示出)足够精确以维持光滑表面的精度。
图7A示出了图2所示的自由形态切割机200的备选实施例，作为自由形态切割机700。在这个实施例中，刀具和工件的位置实质上被交换。代替旋转刀具，主轴208(未示出)旋转由工件夹具702附至主轴208的工件302。工件夹具702可以是卡盘，卡盘是在车床上使用的一种最常见的工件夹具。卡盘典型地具有一定数目的卡爪，所述卡爪夹紧工件，从而在机械加工过程中使工件牢固就位。代替具有保持工件302的工作台，存在安装在轨道210上的刀架704。刀架704用于安装伺服线性驱动装置706，伺服线性驱动装置706连接到伺服旋转驱动装置708，后者则附至刀具710。伺服线性驱动装置706和伺服旋转驱动装置708仍被用于相对于工件302表面定位刀具710。图7B被提供用于示出刀具710是如何示出了从其在刀架704上的新位置相对于工件302移动的。
图8示出了自由形态切割机的另一个实施例。在这个实施例中，可以存在使刀具沿着平行于Z轴的方向成Ω角定向的第三伺服。例如，使伺服线性驱动装置连接到第一伺服旋转驱动装置，后者则连接第二伺服旋转驱动装置，其中刀具808被安装在第二伺服旋转驱动装置806上。这为刀具增加了额外的自由度。这在期望用单刃刀具加工成形在工件802的外缘周围的窄样条形唇缘部分的情况下尤其有价值。这种配置简单地使工具能在沿着Z向来回移动时成Ω角地重定向。可对自由形态切割机200或自由形态切割机700进行这种额外的改进。
图9是示出了描绘使用按照所述实施例的自由形态切割机的过程900的流程图。过程900可通过在902接收工件而被执行。一旦收到工件，就可在904把工件固定到自由形态切割机。在实施例中，可以利用在自由形态切割机的呈工作台形式的一部分生成的真空来固定工件，其中所述工件被固定在所述工作台上。在906，用刀具对工件的表面施加连续的成形力，直到工件的第一表面形状与预定义的完成的样条表面形状相符为止。在所述实施例中，所述刀具根据工件表面在工件表面上的所有点处保持预先确定的刀具角度，而不考虑工件表面几何形状的剧烈变化。一旦工件的形状与预定的样条表面形状相符，就在908从自由形态切割机取下完成的工件，然后结束过程900。
图10示出了自由形态切割机的另一个实施例，它是对用图2的自由形态切割机200所示实施例的微小改进。在这个实施例中，工作台1102除了能够在轨道1104上移动之外，还具有沿着X轴和Y轴调整工件1106的机构。
所述实施例的各个方面、实施例、实现或特征可以单独使用或者组合使用。所述实施例的各个方面可以用软件、硬件、或者硬软件的组合实现。所述实施例也可具体体现为控制生产操作的计算机可读介质上的计算机可读代码，或者具体体现为控制生产线的计算机可读介质上的计算机可读代码。计算机可读介质是能够保存数据的任何数据存储装置，所述数据之后能够被计算机系统读取。计算机可读介质的例子包括只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、DVD、磁带和光学数据存储装置。计算机可读介质也可分布在网络耦接的计算机系统内，从而以分布方式存储和执行计算机可读代码。
为了便于描述，以上描述利用了具体术语，以便透彻理解描述的实施例。不过，对本领域的技术人员来说，具体细节显然不是实践本发明所必需的。从而，具体实施例的以上描述是出于例示和描述的目的提供的。具体实施例的以上描述不是详尽的，也不意图把本发明局限于公开的明确形式。对本领域的普通技术人员来说，鉴于以上教导，显然多种修改和变化都是可能的。

Claims (23)

1.一种机械加工工件的方法，包括：
利用刀具对工件表面施加连续的成形力，直到工件的第一表面形状与预定义的完成的表面形状相符为止，
其中施加连续的成形力包括：
使用刚性耦接至所述刀具的伺服旋转驱动装置来调整所述刀具相对于工件表面的定向角，其中所述伺服旋转驱动装置和所述刀具一起绕第一旋转中心旋转；和
使用耦接至所述伺服旋转驱动装置的一端的伺服线性驱动装置来调整所述刀具和工件表面之间的距离，其中所述伺服线性驱动装置、所述伺服旋转驱动装置和所述刀具一起绕与所述第一旋转中心不同的第二旋转中心旋转。
2.按照权利要求1所述的方法，其中所述刀具在工件表面上的所有点处保持预先确定的刀具角度，所述预先确定的刀具角度包括：
前角，所述前角是垂直于工件表面的向量和刀具侧面之间的角度；和
后角，所述后角是与工件表面相切的向量与刀具正面之间的角度。
3.按照权利要求1所述的方法，其中刀具由刀具材料形成，所述刀具材料选自：高速钢、碳化物、钴钢、立方氮化硼、多晶金刚石和硅晶金刚石。
4.按照权利要求3所述的方法，其中刀具的前角和后角是能够根据工件和刀具的材料性质而被调整的。
5.按照权利要求1所述的方法，其中用关于工件的单组旋转走刀来完成机械加工。
6.按照权利要求1所述的方法，其中只为完成工件的表面而执行所述方法。
7.按照权利要求1所述的方法，其中所述伺服线性驱动装置穿过圆盘的中心刚性耦接至所述圆盘，其中，所述圆盘刚性附至主轴并由主轴旋转。
8.按照权利要求1所述的方法，其中工件由附至一对轨道的工作台保持就位，所述轨道使工作台能在与主轴正面垂直的方向上移动。
9.按照权利要求1所述的方法，其中工件由附至一对轨道的工作台保持就位，所述轨道使工作台能在与主轴正面垂直的方向上移动，其中所述工作台还具有用于在与主轴正面平行的任意方向上移动工件的装置。
10.按照权利要求1所述的方法，其中所述伺服旋转驱动装置是第一伺服旋转驱动装置，其中所述刀具连接到耦接至所述第一伺服旋转驱动装置的第二伺服旋转驱动装置，所述方法还包括：
使所述刀具和所述第二伺服旋转驱动装置绕与所述第一旋转中心和所述第二旋转中心中的每个都不同的第三旋转中心旋转。
11.按照权利要求10所述的方法，其中所述第二伺服旋转驱动装置提供用于施加连续的成形力的额外自由度。
12.按照权利要求4所述的方法，其中所述伺服旋转驱动装置是第一伺服旋转驱动装置，其中所述刀具连接到耦接至所述第一伺服旋转驱动装置的第二伺服旋转驱动装置，所述方法还包括：
使所述刀具和所述第二伺服旋转驱动装置绕与所述第一旋转中心和所述第二旋转中心中的每个都不同的第三旋转中心旋转，其中通过所述第一伺服旋转驱动装置和所述第二伺服旋转驱动装置的组合运动，实现一致的前角和后角。
13.按照权利要求12所述的方法，其中工件由附至一对轨道的工作台保持就位，所述轨道使工作台能在与主轴正面垂直的方向上移动。
14.一种自由形态切割机，包括：
主轴，被配置为绕第一旋转中心旋转；和
附至主轴的切割装置，所述切割装置被配置为绕与所述第一旋转中心不同的第二旋转中心旋转，并且具有：
刀具，被布置为从工件切削部分；
伺服线性驱动装置，被配置为控制在切削操作期间所述刀具和所述工件之间的距离；和
伺服旋转驱动装置，耦接至所述伺服线性驱动装置的一端并且刚性耦接至所述刀具，所述伺服旋转驱动装置被配置为控制在切削操作期间所述刀具相对于工件表面的定向角，其中所述自由形态切割机使刀具对工件表面施加连续的成形力，直到工件的第一表面形状与预定义的完成的样条表面形状相符为止。
15.按照权利要求14所述的自由形态切割机，其中所述刀具根据工件表面在工件表面上的所有点处保持预先确定的刀具角度，而不考虑工件表面几何形状的剧烈变化。
16.按照权利要求15所述的自由形态切割机，其中所述预先确定的刀具角度包括：
前角，前角是垂直于工件表面的向量和刀具侧面之间的角度；和
后角，后角是和工件表面相切的向量与刀具正面之间的角度。
17.按照权利要求14所述的自由形态切割机，其中刀具由刀具材料形成，所述刀具材料选自：高速钢、碳化物、钴钢、立方氮化硼、多晶金刚石和硅晶金刚石。
18.按照权利要求17所述的自由形态切割机，其中刀具的前角和后角能够按照工件和刀具的材料性质而被调整。
19.按照权利要求14所述的自由形态切割机，其中所述自由形态切割机被配置为使用关于工件的单组旋转走刀来完成工件的切削操作。
20.按照权利要求14所述的自由形态切割机，其中所述切割装置还包括：
旋转圆盘，刚性附至主轴并由主轴旋转，其中所述伺服线性驱动装置穿过所述第二旋转中心刚性附至所述旋转圆盘。
21.按照权利要求14所述的自由形态切割机，其中工件由附至一对轨道的工作台保持就位，所述轨道使工作台能在与主轴正面垂直的方向上移动。
22.按照权利要求21所述的自由形态切割机，其中工件由附至一对轨道的工作台保持就位，所述轨道使工作台能在与主轴正面垂直的方向上移动，其中所述工作台还具有用于在与主轴正面平行的任意方向上移动工件的装置。
23.按照权利要求22所述的自由形态切割机，其中刀具连接到第二种定位机构，所述第二种定位机构包括：
刀架；
伺服线性驱动装置，所述伺服线性驱动装置刚性附至所述刀架；
伺服旋转驱动装置，所述伺服旋转驱动装置刚性附至所述伺服线性驱动装置的一端；和
刀具，所述刀具刚性附至伺服旋转驱动装置；
其中通过伺服驱动装置的组合，实现一致的前角和后角。
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