CN103962891A - 程控机床的加工单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及程控机床的加工单元，包括：一个外罩（2）；一个工作主轴（15），其可转动地安装在所述外罩中并包含一个旋转驱动装置；一个刀架，其位于所述工件主轴（15）内并包含夹紧装置，用于可拆卸地固定一个刀轴在所述刀架内；一个测量和监控装置，用于监测刀轴在刀架内的位置和状态。根据本发明，该测量和监控装置包括多个轴向传感器和多个径向传感器，和一个用于评估传感器检测到的测量结果的评估单元，其中所述传感器系统有一外环（10），其可拆卸地固定在所述主轴壳体上，所述外环包含一个电子传输元件和端子，用于电力供应和数据线缆。一个转子（16）被分配给该固定外环（10），转子包含传感器并连接到所述外环，用于非接触式数据传输，其中所述转子由螺栓连接可拆卸地固定在所述主轴的前端面。

Description

程控机床的加工单元

【技术领域】

本发明涉及程控机床的加工单元，例如加工中心、车床等等，其包括可沿机柱（machine column）移动的外罩、安装在外罩内的可旋转的工作主轴（work spindle）、用于工作主轴的旋转驱动器；还包括在工作主轴上的刀架（tool holder），该刀架包括夹紧装置，可以将刀轴（tool shaft）从工作主轴上拆卸下来，和将刀轴固定在准确的位置上；还包括在工作主轴上的测量装置，用于监测刀轴插入到刀架内的位置和状态，其中所述测量装置具有多个传感器和一个用于评估传感器测量结果的评估单元。

【背景技术】

现代切削机床无论是加工单个工件还是加工连续的工件，都要求达到高精度，并严格遵守最近的公差范围。为了实现并达到这些高规格，参与加工过程的组件，即工件（包括它们的工件台、托盘）和刀具（包括它们的刀架和工作主轴），都必须高精度地定位并锁紧。加工过程中由刀具产生的切屑在工作区周围飞溅，并沉积在组件上，这些切屑有特别重要的意义。当这些切屑和其他杂质粘在刀锥和刀架相接触的精加工面上和/或前侧表面上，当下一次更换刀具时这些累积的切屑会被压实，这将导致特别问题。因为由工作主轴上夹紧装置施加到刀轴上的夹紧力可以达到非常高的值，夹在刀架内表面和刀轴外表面之间的碎屑会造成主轴头的轻微变形，这可以是为什么刀具不正确运转的原因，也可以是其他故障机械加工的原因。

另外，当精加工表面具有微小的缺陷或者有切屑沉积在刀架的前侧面上，会产生类似的问题。当刀轴进入主轴时，累积的切屑或其它沉积物会位于两个超精加工表面之间。结果是，刀具轴线相对于主轴中心轴会有小小倾斜或偏移，从而使刀具在加工期间不正确运转。这些在机床上产生的缺陷，往往只能对整个机床进行复杂的测量来确定，这是一个相当大的技术工作量，此外还涉及到生产极大量废品的风险。

已经有以下这样的系统，通过该系统，可以检测到刀具或工作主轴上的不平衡现象，然后采取措施，以避免和/或均衡所述不平衡现象。在更换刀具时，例如，暴露的刀轴和主轴上的刀架可通过手工或吹除操作而进行清洁。但是，为了进行这些操作，仅仅是为了监测目的，必须先加速工作主轴，然后再减速，因此需要额外的时间和工作。

由挤压切屑造成的刀架变形，而导致刀架或主轴头的摆动运动，也可以通过光学系统（如通过激光束）而检测到，该光学系统的测量数据在光电评估单元中处理，并提供给机床控制。

EP 1,889,685公开了一种程控切削机床的加工单元，所述加工单元包括一个可沿机柱移动的主轴外罩，并有一个安装在其中的可旋转工作主轴。在工作主轴内部中心位置有一个可轴向移动的夹头（collet），用于在工作主轴前端的刀架内夹紧和松开刀轴。一个监控装置用于控制主轴头的形状，包括至少一个测量单元，其响应于微小的位置偏差，所述位置偏差可以是由分别沉积在刀轴和刀架的精加工表面上的切屑而引起的。所述测量装置可以包含机械、电气、机电、声学或光学作用的传感器，其能以高测量精度检测所述主轴头的形状，其输出数据在评估单元内处理。这样一来，在夹紧刀具后，不需要驱动工作主轴，就能够检测到由沉积切屑引起的错误定位。通过机床控制，评估单元启动刀具的更换操作和夹紧表面的清洁，例如通过一个吹除步骤。该加工单元使用的测量装置只检测主轴头在圆周方向上的变形，因为所采用的传感器只检测圆柱头的圆柱形侧表面及其形状偏差。

此外，DE 103,51,347公开了一种用于机床的测量和监控装置，所述机床包括一个可沿机柱移动的主轴外罩，并有一个安装在其中的可旋转工作主轴。在工作主轴内的夹紧元件用于在刀架内夹紧和松开可更换的相配的刀轴。为了确保刀轴和刀架的精确平滑对接，主轴头上安装有一个环状法兰，在法兰正面上有多个等距离的精加工的子区域。每个子区域对应一个传感器，传感器连接到传输单元，经由内部连线而传输测量数据。所述传感器和测量单元只检测轴向变形，如果刀轴上的接触表面是非平滑对接，那么在主轴头的环形配合表面上就会出现所述轴向变形。电力供应线和数据线延伸到各个组件中，即它们集成在一起。该测量和监控系统的一个缺点是，传感器系统和评估单元与工作主轴一起被制作成一个模块单元，只能和工作主轴一起安装和移除。这意味着在实践中，如果传感器系统中出现故障，例如如果一个或几个传感器失效和/或其连接被中断，那么就需要大修和重大的维护。

【发明内容】

本发明的一个目的是提供一种上述类型的加工单元，其中测量和监控装置的维护和修理，允许以铣刀头的形式单独测定圆周方向上的变化，另外还能测定刀轴相对于所述主轴轴线的偏离，并且其中所述测量和监控装置在工作主轴上的安装和拆卸也更简化。

根据本发明，该目的是通过权利要求1的特征来实现的。完全改善的测量精度是通过使用两种不同类型的传感器来实现的，一方面是“轴向”传感器，另一方面是“径向”传感器。“轴向”传感器检测由刀轴对接环施加到主轴头的配合面上的轴向压力，所述压力是由夹头的夹紧力产生的。因为分别有多个传感器设置在所述主轴头的环轮状的接触面上，从而分布在其圆周表面上，所以能够检测到圆周上非均匀分布的接触压力，从而得到刀轴相对于所述主轴轴线的倾斜。而所述现象通常是由沉积在接触表面之间的切屑引起的。第二种传感器，通常包括几个“径向”传感器，可以检测主轴头外圆周上的变形，该变形通常是由刀架和刀轴的锥形表面之间的异物和切屑造成的，当刀轴进入刀架时这会导致主轴头在径向和圆周方向的微小变形。根据本发明，所述传感器和电子评估单元被集成在一个环状体内，该环状体可拆卸地固定在工作主轴的前端部，例如通过多个轴向柱螺栓固定。所述环状体包含传输装置，用于非接触式传输测量数据和电力信号。为此，一个感应线圈可以包含在所述环状体内。根据本发明，该环状体由一个固定的外环环住，该外环可拆卸地固定到所述主轴外壳的前端，例如通过轴向柱螺栓固定。在该外环上还有另外的传输装置（例如采用线圈的形式），其与内部环状体上的传输装置进行通信，内部环状体起到转子的作用。此外，在环状体的外部还有用于电力供应的电缆连接和数据线缆。所述电力供应电缆和数据线缆位于主轴壳体上一个对外开放的纵向通道上，该通道被防护板或其他防护装置覆盖住。

本发明的一个特别优势是，所述外环和所述内部环状体可以简单而快速地单独或联合地拆卸和安装。与此相反的，以前的做法是，如果测量系统发生故障，需要从机床移走整个主轴，而这总需要大量的努力。

【附图说明】

下面将结合附图详细描述本发明的示例性实施例，其中：

图1是一个加工单元的透视分解图，其包括一个工作主轴和所述测量装置；

图2a和2b是图1所示加工单元的两个不同比例尺的轴向剖视图。

【具体实施方式】

所示加工单元通过夹紧在工作主轴上的刀具（图中未显示），用于进行工件的铣削和钻削工作。加工单元包括一外罩1，它通过一环形法兰2而连接到或组装在机床的预定组件上，所述环形法兰2上有多个轴向孔3。一个截头圆锥壳体部分4安装在该环形法兰的前侧，在所述截头圆锥壳体4的管壁上有至少一个对外开放的纵向槽5。该纵向槽5的延续是在法兰2上形成的容纳槽6。该纵向槽5和延续6形成一个容纳通道，用于电力供应电缆和测量数据线缆（图1中未显示），这些线缆敷设在此通道5、6内，然后盖上一个成型板7，成型板7可拆卸地紧固在截头圆锥4上。

图1显示有一个外环10，其异形截面（profiled cross-section）与截头圆锥4的前端截面相配，该外环被多个柱螺栓11可拆卸地紧固在所述截头圆锥4的前侧。该外环10有一个异形截面，其是图1右手侧的前表面，与截头圆锥4的左侧环形前表面相配。该外环10容纳有传输装置，传输装置用于非接触式传输测量数据和电力信号（参见图2a、2b）。此外，此外环上还有用于传感器系统中的线缆出口端子12，线缆出口端子12是相对于线缆通道5而布置的，安装时稍微插入到所述线缆通道中即可。

工作主轴15（在这里是一个常规的铣削主轴）可旋转地安装在外壳中，也是在截头圆锥4中。一个环状体16通过多个柱螺栓可拆卸地紧固在该工作主轴的前端部，并与该工作主轴一起旋转，从而构成一个转子。在该转子16内容纳有传感器，传感器用于检测该主轴和/或主轴头在轴向和圆周方向上的运转变形。不同类型的传感器，如压力传感器、应力传感器或力敏传感器，都适合作为测量传感器，以检测主轴的偏差和/或形状变化。该传感器系统包括一个评估装置，其电连接到所述不同传感器上，用于评估和存储检测到的数据，并且可以由一个微处理器来控制。切削刀具的磨损值和由冲击碰撞可能引起的机床部件的损坏也可以通过所述传感器系统检测并存储，可以适当考虑用于机床控制。

转子环状体16有一个光滑的圆柱形的内周面和一个台阶形的横截面。该环形转子16被一个环形盘16盖住，环形盘16由柱螺栓18可拆卸地固定在所述主轴的平坦端面上（如果是平面对接的情况），终止在工作主轴上的前侧，容纳所述刀架，用于夹紧刀轴。

从图2a、2b可以清楚地看出，在主轴外罩内的敷设在线缆通道5中的线缆20延伸到固定外环10中，固定外环10则通过柱螺栓11牢固地连接到所述主轴壳体4上。用于电力供应和测量数据线缆20的端子12则布置在该外环10内，其中该测量线缆20也连接到固定外环10上的传输元件21，如图2b所示，与所述传输元件21相配的配合元件22则位于所述转子环16内，与主轴一起旋转。

本发明并不局限于该示例性实施例中，还包括各种变体。例如，评估单元也可以功能上集成入并设计入内环（转子16）中。但是，评估单元也可以布置在主轴的外部部件外面或主轴壳体外，可以通过线缆20连接到传感器系统。

Claims (6)

1.一种用于程控机床的加工单元，包括：

一个外罩（1）；

一工作主轴（15），其可旋转地安装在所述外罩中，并包括一个转动驱动器；

一个刀架，其位于所述工作主轴（15）内，并包含夹紧装置，用于可拆卸地固定一个刀轴在所述刀架内；

一测量装置，用于监控刀轴在所述刀架内的位置和状态；其包括多个传感器和一个用于评估测量结果的电子评估单元；

其特征在于：

所述传感器是轴向传感器和径向传感器，所述传感器布置在一个环状转子（16）内，所述环状转子可拆卸地固定在所述工作主轴的前端部分上。

2.如权利要求1所述的加工单元，其特征在于：所述传感器系统分别包含几个轴向传感器和径向传感器，所述传感器通过非接触式传输装置被至少一个外部可接入和可拆除的线缆（20）而连接到所述机床本身的电子系统。

3.如权利要求2所述的加工单元，其特征在于：所述电力供应和数据线缆（20）敷设在一个外部可接入的线缆通道（5）内，通过插入连接器而可拆除地连接到所述机床的电子系统。

4.如以上任一权利要求所述的加工单元，其特征在于：所述主轴壳体（2）上有轴向槽（5），其作为线缆通道，用于容纳所述能量和数据线缆，所述轴向槽可以被可拆卸的固定盖板而封住。

5.如以上任一权利要求所述的加工单元，其特征在于：所述环状转子（16）的前端面上载有所述轴向传感器，所述环状转子（16）的圆周上载有所述径向传感器。

6.如以上任一权利要求所述的加工单元，其特征在于：所述环状转子（16）通过轴向柱螺栓可拆卸地固定在所述工作主轴的前端侧上。