CN103692248B - 夹紧装置、整体系统及机械夹紧或松开被夹紧物体的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种夹紧装置，具有可旋转驱动的心轴，夹紧器具布置在心轴上用于机械夹紧被夹紧物体，夹紧器具包括旋转体，通过执行旋转体相对于心轴的相对旋转运动，旋转体允许被夹紧物体夹紧或松开，旋转体有齿轮齿，夹紧装置包括驱动齿轮，设有设计为与旋转体的齿轮齿互补的齿轮齿，其中，驱动齿轮定位成与旋转体接合，夹紧装置包括用于旋转驱动该驱动齿轮的驱动器，旋转体的齿轮齿设计成与驱动齿轮的齿轮齿一起提供侧面游隙，使得驱动齿轮能相对于旋转体采取中性角位置，其中，驱动齿轮的齿轮齿的前部或后部齿侧面都不与旋转体的齿轮齿的相应齿侧面接触。本申请还公开了包括夹紧装置的整体系统和通过夹紧装置来机械夹紧或松开被夹紧物体的方法。

Description

夹紧装置、整体系统及机械夹紧或松开被夹紧物体的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在装料（charging）装置中夹紧工具或工件的装置，例如作为机床或测量机器的一部分，本发明还涉及一种用于操作相应夹紧装置的方法。
背景技术
已经有多种机械加工方法来用于制造精确的部件，其中，工件夹紧在机床的夹紧装置中。在夹紧过程中，一方面，重要的是工件足够牢固地保持在夹紧装置中，以使它不管产生的机械加工力如何都不会脱开或移动。另一方面，重要的是知道工件在夹紧装置中（因此也在机器中）的精确夹紧位置。因此能够参考机器的坐标系来制造，这对于机械加工的精度很重要。
物体必须被夹紧为使得它在绝对没有游隙的情况下在正确的位置和固定就位地抵抗机械加工力，或者当为测量机器时能够高精度地被扫描。
夹紧有时非常费时间和工作强度大，且迄今为止一部分步骤人工执行。在较大部件的情况下，由于固有的重量或尺寸，其人工处理可能更困难。还有，在较大零件数（例如批量生产）的情况下，人工处理可能并不利。因此，有时需要使得工具、工件、测量物体和其它物体的夹紧自动化。不过，在这样自动化的情况下，除了在以上测量装置外，用于自动夹紧的夹紧装置不能对测量精度有任何不利影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种夹具或夹紧装置，它能够自动夹紧物体，其中，夹具或夹紧装置对整个系统（机床、测量机器或者试验台）的精度没有任何不利影响。
相应的方案也减少了处理工作，迄今为止该处理工作必须由操作人员来施加。
该目的通过根据权利要求1的装置和根据权利要求12的方法来实现。
根据本发明的装置的优选实施例形成了权利要求2至9的主题。相应装备的整个系统能够由权利要求10和11得出。根据本发明的方法的优选实施例形成权利要求12至16的主题。
根据本发明，使用一种夹紧装置，该夹紧装置布置在可旋转驱动的心轴上，用于机械夹紧被夹紧物体的夹紧器具布置在该心轴上。夹紧器具包括旋转体，通过执行旋转体相对于心轴的相对旋转运动，该旋转体允许被夹紧物体进行夹紧或松开。夹紧装置的特征在于，旋转体有齿轮齿，且夹紧装置另外有驱动齿轮，该驱动齿轮设有齿轮齿，该齿轮齿设计为与旋转体的齿轮齿互补。驱动齿轮定位成与旋转体接合。另外，夹紧装置包括用于旋转驱动该驱动齿轮的驱动器。旋转体的齿轮齿设计成与驱动齿轮的齿轮齿一起设置侧面游隙，使得驱动齿轮能够相对于旋转体采取中性角位置，其中，驱动齿轮的齿轮齿的前部或后部齿侧面都不与旋转体的齿轮齿的相应齿侧面接触。
在全部实施例中，旋转体优选是设计为车床夹具的夹紧器具的部件。
驱动齿轮优选是可通过控制器由于驱动器而运动至中性角位置。优选是，在旋转体和驱动齿轮的区域中的角度测量传感器用于该目的，它们通过电路而与控制器连接。
控制器优选是设计成用于确定（监测）驱动齿轮的驱动器的功率消耗，以便能够在夹紧过程中由驱动器的功率消耗来确定成功夹紧和/或获得预定的夹紧力。当控制器已经确认成功夹紧和/或获得夹紧力时，在随后步骤中，旋转体通过控制器而相对于驱动齿轮转变至中性位置，并保持在该位置。
优选是，一旦控制器确认成功夹紧和/或获得夹紧力，控制器就中断驱动器的供电，以便使旋转体转变到相对于驱动齿轮的中性位置。
根据重量、材料、长度/直径比率、夹紧深度和其它条件，夹紧力必须设置为较高或较低。夹紧力能够相应变化，其中，相应规范定制给控制器。
本发明的用途特别适用于测量或测试机器中，因为由于零位置而能够消除驱动齿轮的驱动对测量或测试可能的影响。
不过，当本发明设计成用于高精度（精细）机械加工工件时或例如整修工具时，本发明也可以用于机床中。在这里，驱动齿轮对机械加工的影响也可能产生干涉。因此，在全部实施例中，旋转体也优选是相对于驱动齿轮转变成中性位置。
本发明的优点在于，由于故意预先限定侧面游隙，能够补偿齿轮齿的不精确（分度/真实运转）。换句话说，这意味着由驱动齿轮和旋转体组成的齿轮传动装置不必设计成特别精确。
本发明的还一优点是夹紧装置或者它的部件能够以相对无问题的方式来更换。
不过，本发明最重要的优点是当保持中性角位置时，（辅助）驱动器和驱动齿轮不会对心轴轴线的运转性能有任何干预影响。
附图说明
下面将参考附图更详细地介绍本发明的示例实施例。
图1A表示了整个系统（这里为测量机器）的示意侧视图，该系统装备有本发明的夹紧装置；
图1B表示了根据图1A的、整个系统的一部分的示意俯视图；
图2A表示了驱动齿轮的齿隙和旋转体的齿的示意俯视图，其中有在一侧接触的侧面；
图2B表示了根据图2A的、驱动齿轮的齿隙和旋转体的齿的示意俯视图，其中，驱动齿轮相对于旋转体处于中性角位置。
具体实施方式
术语将结合本发明使用，该术语也用于相关申请和专利中。不过应当知道，这些术语的使用只是用于更好地理解。本发明的思想和专利权利要求的保护范围并不在它们的解释中由术语的特殊选择来限制。本发明可以很容易地转变成其它术语系统和/或技术领域。术语将因此应用于其它技术领域中。
在介绍本发明的特殊实施例之前将定义基本术语（在它们并不是不解自明的情况下）。
整个系统100的一部分在这里表示为装置10。整个系统100例如能够是机床、测量机器或者试验台。下文中将基于测量机器100来介绍本发明，因为本发明的用途在这里特别有利。
可编程的、基于计算机的控制器被理解为“CNC”控制器50。控制任务直接由计算机系统（通常为微计算机）来执行。为此，（CNC）控制器50处理NC程序，该NC程序包括一系列的指令。因此在所有实施例中，整个系统100的轴或该轴的驱动器设计为能够被控制或调节。
在所有实施例中，该（CNC）控制器50优选是多轴控制器，除了控制和调节整个系统100的轴，该多轴控制器另外也控制和调节（辅助）驱动器23。
术语夹紧器具14用于说明能够夹紧或夹持被夹紧物体30的任何类型机械装置。术语夹紧器具14不仅包括使用旋转运动来操作的这种夹紧器具14，还包括通过旋转来触发运动或引起平移（该运动或平移使得夹紧该被夹紧物体30）的夹紧器具14。夹紧器具14用于使得被夹紧物体30在心轴12上正确和精确地固定就位。术语夹紧器具14例如包括（钻头）夹具，如由钻孔机可知。不过，它也包括（爪）夹紧器具14，其中，夹紧爪14.1、14.2、14.3径向向内或向外运动，以便有力地夹紧该被夹紧物体30。下文中将根据示例实施例来介绍本发明，在示例实施例中，夹紧爪14.1、14.2、14.3用作夹紧器具14，如图1B中所示。图1A表示夹紧爪14.1、14.2、14.3接合在被夹紧物体30（这里是有外部齿的圆柱体轮）的中心孔31中，并夹持该被夹紧物体30，其中，夹紧爪14.1、14.2、14.3径向向外运动。
术语被夹紧物体30将广泛地选择，因为本发明能够用于夹紧或夹持多种不同物体（本体）30。术语被夹紧物体30特别包括工具、工件和被测量的物体（测试对象）。
下面将根据图1A和1B介绍特别优选的夹紧装置10的细节。这里，夹紧装置10是测量机器100的一部分，该测量机器包括机器台板11和塔状测量结构18。心轴轴线A1垂直于顶侧O1平面的心轴12布置在机器台板11的顶侧O1上。这里，心轴轴线A1用作转台测量轴线。心轴驱动器17能够设置在测量机器100的内部，该心轴驱动器17与心轴轴线A1连接，从而心轴驱动器17的旋转运动使得心轴12旋转。绕心轴轴线A1的旋转运动以ω1表示。通过电路而与（CNC）控制器50连接的角度测量传感器15能够设置在心轴驱动器17上。在角度测量传感器15和（CNC）控制器50之间的电路连接以参考标号s1表示。
心轴12能够包括可选的适配器13，如图1A中所示。在所示示例中，夹紧装置10通过可选的适配器13而与心轴12连接。不过，它也能够直接与心轴12连接。夹紧装置10、可选的适配器13和心轴12布置成与心轴轴线A1同轴，并当（CNC）控制器50利用电流来驱动心轴驱动器17时一致地环绕它旋转。
旋转体21布置在心轴12区域中，在全部实施例中，该旋转体21优选是具有环形状，具有外部齿轮齿。更通常地说，旋转体21设有（外部或内部）齿轮齿。通过执行旋转体21相对于心轴12的相对旋转运动，被夹紧物体30能够被夹紧（或夹持）或松开（或脱开）。机械元件的这种操作过程和相互作用实践中为公知，因此这里将并不更详细解释。
驱动齿轮22布置在心轴12的周围，以使得它与旋转体21的齿轮接合。即，驱动齿轮22的至少一个齿轮齿总是处于旋转体21的齿轮齿的齿隙中，如图2A和2B中所示。
如前所述，旋转体21具有在外边或内部的齿轮齿。另外，夹紧装置10包括所述驱动齿轮22，该驱动齿轮22设有外部或内部齿。驱动轮22的齿轮齿设计为与旋转体21的齿轮齿互补。驱动齿轮22（在正常情况下）定位成与旋转体21接合，即齿相互接合，或者更准确地说，一组齿轮齿接合在设计为互补的齿轮齿的齿隙中。
而且，夹紧装置10包括可CNC控制的（辅助）驱动器23，用于旋转驱动该驱动齿轮22。重要的只是旋转体21的齿轮齿与驱动齿轮22的齿轮齿一起设计成设有侧面游隙F（其中，F=F1+F2；见图2B），使得驱动齿轮22能够相对于旋转体21采取中性角位置。该中性角位置能够在图2B中可见。在该中性角位置中，驱动齿轮22的齿轮齿的前部或后部齿侧面24、25都不与旋转体21的齿轮齿的相应齿侧面26、27接触。即，在中性角位置中，旋转体21和驱动齿轮22并不接触。
在夹紧装置14的打开和/或关闭的过程中，旋转体21必须执行相对于心轴12绕心轴轴线A1的旋转运动。心轴12固定（制动）且旋转体21旋转，或者旋转体21固定（制动）且心轴12旋转。在后一种情况下，被夹紧物体30（例如工件）将与心轴12共同旋转，这可能不利于自动装载或人工装载。
下面将介绍心轴12固定（制动）且旋转体21旋转的实施例。为了能够使得旋转体21旋转，夹紧装置10包括（辅助）驱动器23，该（辅助）驱动器23在所有实施例中设计成用于驱动齿轮22的CNC控制旋转驱动。图1A表示了该驱动器23能够例如固定在机器台板11上。驱动器23建立（辅助）轴线A2，该（辅助）轴线A2基本平行于心轴轴线A1延伸。
通过电路而与（CNC）控制器50连接的角度测量传感器16能够设置在驱动器23上。在角度测量传感器16和（CNC）控制器50之间的电路连接以参考标号s2表示。
下面将介绍整个系统100（这里是测量机器100）的其它示例细节。载有测量传感器27（这里是追踪器销）的测量轴26能够设置在如前所述的测量结构18上。
测量机器100能够包括多个CNC控制轴驱动器，该CNC控制轴驱动器由（CNC）控制器50驱动。相应的驱动器和控制连接未示出。图1A只表示了用于控制驱动器23的控制连接s3和用于控制驱动器17的控制连接s4，因为本发明基本只涉及绕轴线A1和（辅助）轴线A2的旋转运动的正确相互作用。
这样的测量机器100能够包括例如X驱动器，该X驱动器使得测量结构18能够由（CNC）控制器50控制地沿X方向运动（例如见图1B）。Y驱动器使得测量轴26能够运动离开测量结构18或者退回。这种运动也由（CNC）控制器50控制。CNC控制Z驱动器使得测量轴26能够沿测量结构18向上或向下运动。夹具操作方向变化或者被夹紧物体30的取出和布置的方向在图1A中由表示为W的双箭头表示。
心轴12绕心轴轴线A1的旋转运动以ω1表示，驱动齿轮22绕（辅助）轴线A2的旋转运动以ω2表示。驱动器23的CNC控制驱动能够通过电路连接s3来执行，如图1A中所示。驱动器17的CNC控制驱动能够通过电路连接s4来执行，如图1A中所示。
下面将根据图1A、1B或2A来解释本发明的示例步骤，这些示例步骤在被夹紧物体20布置（引入）之后进行。执行驱动齿轮22的旋转驱动（该驱动齿轮22与心轴12的旋转体21接合），同时心轴12固定（制动），或者执行心轴12的旋转驱动，同时旋转体（该旋转体与驱动齿轮22接合）由驱动齿轮22固定。因此，在旋转体21和心轴12之间产生相对旋转运动。在所有实施例中，夹紧器具14通过这种相对旋转运动而运动，使得它们夹紧或松开被夹紧物体30。在图1B中，夹紧器具14（这里成三个可径向运动地安装的夹紧爪14.1、14.2、14.3的形式）的运动由靠近夹紧爪14.1、14.2、14.3布置的三个双箭头表示。
例如，当在图1B中的驱动齿轮22进行逆时针角运动ω2时，旋转体21通过驱动齿轮22而顺时针旋转，如ω1所示。这种情况在图2A中示意表示。驱动齿轮22的前部齿侧面24与旋转体21的侧面26接触，并将驱动力矩传递给旋转体21。在图2A所示的时刻，心轴12和夹紧爪14.1、14.2、14.3以及被夹紧物体30并不旋转，因为它们由制动装置（例如通过在制动模式下操作的驱动器17）来保持。驱动力矩从驱动齿轮22传递给旋转体21（需要时有升高或降低的传递），并使得夹紧器具14打开或关闭。
例如，当要使用测量传感器27来测量被夹紧物体30的形态时，当该被夹紧物体30夹紧在夹紧装置10中时，被夹紧物体30通过（CNC）控制器50而绕心轴轴线A1以控制方式旋转。在这种情况下，旋转体21将与驱动齿轮22相互作用，且驱动齿轮22和驱动器23也将不得不旋转，即使驱动器断开。这将导致不希望的测量不准确，该测量不准确可能由于心轴12的运转不准确而引起。另外，夹紧装置10的夹紧动作可能由于系统中的摩擦力而变化。
因此，根据本发明，在对被夹紧物体30进行测量或机械加工之前，驱动齿轮22相对于旋转体21转移至上述中性角位置，该中性角位置在图2B中表示。因为在驱动齿轮22和旋转体21的设计过程中特意设有侧面游隙，因此在侧面25和27之间的侧面游隙F1以及在侧面24和26之间的侧面游隙F2导致中性角位置。
根据本发明，在全部实施例中，侧面游隙F=F1+F2为至少100μm。当被夹紧物体30并不旋转时，旋转体21和驱动齿轮22也为空闲，即ω1=ω2=0
优选是，在全部实施例中，当被夹紧物体30旋转时，驱动齿轮22与旋转体21一致地旋转。这方面在图2B中表示，其中，角速度ω1指向逆时针方向。角速度ω2指向顺时针方向。通过一致地追踪（trace）（主动共同旋转），驱动齿轮22总是相对于旋转体21保持在中性角位置。一致地共同旋转通过控制器50的配合而进行，该控制器50读出或分析用于该目的的角度测量传感器15、16，并执行驱动器17和驱动器20的驱动，以使得在心轴12和被夹紧物体30的旋转过程中也保持中性角位置。这种处理因此称为主动共同旋转，因为两个驱动器17和23的旋转运动通过控制器50的配合而进行。
优选是，在全部实施例中，侧面游隙F1、F2选择为这样，即使在角速度ω2相对于角速度ω1有很小变化的情况下，也不会产生侧面接触。
中性角位置的特征为，即驱动齿轮22的齿轮齿的前部齿侧面24或后部齿侧面25都不与旋转体21的齿轮齿的相应齿侧面26、27接触。
优选是，在全部实施例中，第一角度测量传感器15分配给心轴21，第二角度测量传感器16分配给驱动器23。在图1A中的角度测量传感器15和16的定位应当只是理解为示例。重要的是，心轴21的实际位置可通过第一角度测量传感器15来检测，驱动齿轮22的实际位置可通过第二角度测量传感器16（能够由控制器50记录）来检测，第一角度测量传感器15和第二角度测量传感器16能够由控制器50读出或查询。相应电路连接s1和s2在图1A中表示。
优选是，在全部实施例中，心轴12分配给制动装置，该制动装置可由控制器50驱动，以便防止心轴12绕心轴轴线A1旋转，以便能够通过由驱动器23来旋转驱动该驱动齿轮22而夹紧或松开被夹紧物体30。
优选是，在全部实施例中，心轴（电）驱动器17设计为制动装置，使得它能够通过控制器50而转变成制动模式。根据心轴（电）驱动器17的结构，它能够例如在驱动短路时或者在特殊制动斜面（brakingramp）被预先限定于驱动侧上时进行制动。
优选是，在全部实施例中，正齿轮22用于驱动轮22，小齿轮用作旋转体21，如图1A至2B中所示，其中，驱动齿轮22与旋转体21一起形成正齿轮，它们特意有侧面游隙。
优选是，在全部实施例中，伺服马达用作（辅助）驱动器23。
附图标记
装置10
机器台板11
心轴12
适配器13
夹紧器具14
夹紧爪14.1、14.2、14.3
第一角度测量传感器15
第二角度测量传感器16
心轴（电）驱动器17
测量结构18
齿轮传动装置20
第一齿轮/旋转体21
第二齿轮/驱动齿轮22
（电）驱动器23
前部齿侧面24
后部齿侧面25
测量轴线26
测量传感器27
被夹紧物体/本体30
中心孔31
CNC控制器50
装置（整个系统）100
心轴轴线A1
辅助轴线A2
侧面游隙F=F1+F2
顶侧O1
电路连接s1、s2、s3、s4
旋转体21的旋转运动ω1
驱动齿轮22的旋转运动ω2
线性轴线X、Y、Z
运动W

Claims (16)

1.一种夹紧装置(10)，其具有可旋转驱动的心轴(12)，用于机械夹紧被夹紧物体(30)的夹紧器具(14)布置在所述心轴(12)上，其中，夹紧器具(14)包括旋转体(21)，通过执行旋转体相对于心轴(12)的相对旋转运动，所述旋转体允许夹紧或松开被夹紧物体(30)，其特征在于：
旋转体(21)具有齿轮齿；
夹紧装置(10)包括驱动齿轮(22)，所述驱动齿轮(22)设有设计为与旋转体(21)的齿轮齿互补的齿轮齿，其中，驱动齿轮(22)定位成与旋转体(21)接合；
夹紧装置(10)包括用于旋转地驱动所述驱动齿轮(22)的驱动器(23)；
其中，旋转体(21)的齿轮齿设计成与驱动齿轮(22)的齿轮齿一起提供侧面游隙(F1、F2)，使得驱动齿轮(22)能够相对于旋转体(21)采取中性角位置，在中性角位置中，驱动齿轮(22)的齿轮齿的前部齿侧面(24)或后部齿侧面(25)都不与旋转体(21)的齿轮齿的相应齿侧面(26、27)接触。
2.根据权利要求1所述的夹紧装置(10)，其特征在于：驱动齿轮(22)通过驱动器(23)和控制器(50)能运动至中性角位置。
3.根据权利要求2所述的夹紧装置(10)，其特征在于：第一角度测量传感器(15)被分配给心轴(12)，第二角度测量传感器(16)被分配给驱动器(23)，其中，心轴(12)的实际位置能通过第一角度测量传感器(15)来检测，驱动齿轮(22)的实际位置能通过第二角度测量传感器(16)来检测，第一角度测量传感器(15)和第二角度测量传感器(16)能够由控制器(50)读出。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的夹紧装置(10)，其特征在于：将制动装置分配给心轴(12)，所述制动装置能起动，以便防止心轴(12)绕心轴轴线(A1)旋转，从而能够通过由驱动器(23)旋转驱动所述驱动齿轮(22)而夹紧或松开被夹紧物体(30)。
5.根据权利要求4所述的夹紧装置(10)，其特征在于：心轴(12)能通过心轴驱动器(17)而绕心轴轴线(A1)旋转驱动。
6.根据权利要求5所述的夹紧装置(10)，其特征在于：心轴驱动器(17)用作制动装置，其中，心轴驱动器能够通过控制器(50)而转变成制动模式。
7.根据权利要求1或2所述的夹紧装置(10)，其特征在于：控制器(50)被设计成用于确定驱动器(23)的功率消耗，以便能够在夹紧过程中由功率消耗来确定成功夹紧和/或获得夹紧力。
8.根据权利要求1或2所述的夹紧装置(10)，其特征在于：正齿轮用作驱动齿轮(22)，小齿轮用作旋转体(21)，其中，驱动齿轮(22)与旋转体(21)一起形成正齿轮(20)。
9.根据权利要求4所述的夹紧装置(10)，其特征在于：驱动器(23)具有旋转轴线(A2)，所述旋转轴线(A2)平行于心轴轴线(A1)延伸。
10.一种整体系统(100)，它包括根据前述任意一项权利要求所述的夹紧装置(10)以及CNC控制器(50)，所述CNC控制器(50)设计成用于规定中性角位置以及确定保持所述中性角位置，以便在需要时重新调节所述中性角位置。
11.根据权利要求10所述的整体系统(100)，其特征在于：所述整体系统(100)是机床、测量机器或者测试台。
12.一种用于通过夹紧装置(10)来机械夹紧或松开被夹紧物体(30)的方法，具有以下步骤：
将被夹紧物体(30)引入夹紧装置(10)的夹紧器具(14)中，所述夹紧器具(14)布置在心轴(12)上；
旋转驱动与心轴(12)的旋转体(21)接合的驱动齿轮(22)，同时固定心轴(12)；
或者旋转驱动心轴(12)，同时通过驱动齿轮(22)来固定与所述驱动齿轮(22)接合的旋转体(21)；
以便使夹紧器具(14)运动，从而使它们夹紧或松开被夹紧物体(30)；
其中，在随后步骤中，旋转体(21)相对于驱动齿轮(22)转变到中性角位置，在中性角位置中，驱动齿轮(22)的前部齿侧面(24)或后部齿侧面(25)都不与旋转体(21)的齿轮齿的相应齿侧面(26、27)接触。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：在执行旋转运动的过程中保持中性角位置。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于：根据两个角度测量传感器(15、16)来确定旋转体(21)和驱动齿轮(22)的实际角位置，旋转体(21)和/或驱动齿轮(22)执行小角度旋转，以便实现中性角位置。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：在对被夹紧物体(30)执行测量的过程中，或者在执行被夹紧物体(30)的测试过程中，或者在机械加工被夹紧物体(30)的过程中，驱动齿轮(22)通过控制器(50)而相对于旋转体(21)主动保持在中性角位置。
16.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于：在执行被夹紧物体(30)绕心轴轴线(A1)的旋转运动过程中，驱动齿轮(22)也通过控制器(50)以控制方式在相适应的角速度(ω2)下运动，以便在被夹紧物体(30)的旋转运动过程中也将驱动齿轮保持在中性角位置。
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