CN109015377A - 一种精密数控机床以及提高精密数控机床加工精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机床加工，特别是一种精密数控机床，该机床具有工件支架、工具单元、量测设备及控制设备，控设备可与量测设备及工具单元连接，其中量测设备承载于工具单元上，量测设备具有至少两个测头，其中该等至少两个测头在量测设置时具有彼此之间的基础间距，该基础间距界定量测区域，其中基础间距应大于已知的基准尺寸，控制设备被设计为，于至少两个测头上采集探测值，采集工具单元的实际位置，根据接触工件时工具单元的移动行程，再参照基准尺寸及/或基础间距，测定实际间距，尤为测定实际直径。

Description

一种精密数控机床以及提高精密数控机床加工精度的方法

技术领域

本发明涉及机床加工，特别是一种精密数控机床以及提高精密数控机床加工精度的方法。

背景技术

当前技术中机床为已知，尤为研磨机床。举例而言，因此，例如圆磨床可具有轴对称的工件，如砂轮，其可以适当方式与工件共同来降低材料损耗。圆磨床可以例如用于外圆磨、内圆磨、深磨或斜深磨。除砂轮外，在圆磨时原则上还需使用砂带。若可以适当方式驱动工件支架及工具单元使其彼此相对移动，则亦可加工除轴对称区域以外的偏心建构的工件区域。以此方式可以加工或研磨凸轮轴、曲轴或具有偏心几何形状的类似工件。

待加工的工件可置于工件支架的两个尖端之间或位于工件之间的一侧。此外还已知所谓的无尖端研磨，此种研磨不将研磨机床中的工件置于尖端之间，而将其藉由支承轨、控制盘、导引轮或类似部件来承载或导引。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一目的提供一种精密数控机床。

本发明为实现上述目的而采取的技术方案为：

一种精密数控机床，该机床具有工件支架，其具有至少一个用于承载工件的工件夹具；工具单元，其具有尤为研磨头的工具轴，工具轴承载及驱动工具，工具尤为至少一个砂轮，其中工具单元可沿进给轴向工件方向移动；承载于工具单元上的量测设备，其中量测设备48具有至少两个测头，其中该等至少两个测头在量测设置时具有彼此之间的基础间距，该基础间距界定量测区域，其中基础间距应大于已知的基准尺寸；以及控制设备，其可与量测设备及工具单元连接，其中控制设备被设计为，于至少两个测头上采集探测值，采集工具单元沿进给轴的实际位置，根据至少两个测头接触被置入量测区域中的工件时工具单元的移动行程，再参照基准尺寸或基础间距，测定实际间距，尤为测定实际直径。

作为进一步改进，量测设备具有量测头，其承载至少两个测头，其中量测头 为可偏转式，藉由偏转将工件置入量测区域。

作为进一步改进，量测设备具有连接传动机构，其可实现于量测位置与啮合脱开位置之间的旋转。

作为进一步改进，至少两个测头中的至少一者可在比例范围内偏转，以及其中控制设备被设计为，采集至少一个测头的偏转量。

作为进一步改进，工件可承载于工件轴上，工件轴可选择性地围绕工件轴中心线旋转，其中工件轴中心线较佳垂直于进给轴布置，以及其中工具轴较佳具有工具轴中心线，其平行于工件轴中心线布置。

作为进一步改进，工具单元可平行于工件轴中心线相对于工件相对移动。

作为进一步改进，将控制设备设计为，在发生关联运动时工具单元选择性地沿进给轴移动，而工件轴选择性地围绕工件轴中心线驱动；将控制设备设计为，在发生关联运动时工具单元还选择性地平行于工件轴中心线移动；工具单元与量测设备选择性地于快速运行状态或探测运行状态中移动。

本发明的第二目的提供了一种提高精密数控机床加工精度的方法，其具有以下步骤：提供量测设备，其可沿进给轴相对于工件相对移动，其中量测设备较佳承载于工具单元上，其中量测设备具有至少两个测头；设定至少两个测头之间的基础间距86，基础间距必须大于已知的基准几何形的基准尺寸，基础间距界定量测区域；将基准几何形承载于机床中；将基准尺寸置入量测区域；量测设备48相对于基准几何形相对移动，量测设备藉由测头接触基准尺寸，同时测定量测设备的实际位置，从而测定量测设备的移动行程，以及参考基准尺寸及接触时量测设备的实际位置来测定基础间距。

作为进一步改进，其还具有以下步骤：将工件承载于机床中，将工件的量测几何形置入量测区域，藉由测头接触工件的量测几何形，同时测定量测设备的移动行程，以及参考基础间距及接触时量测设备的移动行程来测定量测几何形的实际间距。

本发明的目的在于，其在投入较小的情况下即可对工件进行高精度且高度灵活的量测，其仅藉由量测设置即可进行多种量测。

附图说明

图1是本发明的机床俯视图；

图2是本发明的机床的透视图；

图3是本发明的图2的机床量测时处于啮合脱开位置；

图4是本发明图3的量测位置的侧视图；

图5是本发明量测头及参考工件的简易视图；

图6和图7是本发明图5的量测头的不同位置触及工件；

图8是本发明图5的量测头测定工件的形状公差时的视图；

图9是本发明图5的量测头触及偏心环绕的工件的视图；

图10是校准量测设备的方法的流程图及量测工件的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做个详细的说明。

本发明一种精密数控机床以及提高精密数控机床加工精度的方法。该机床10在此建构为研磨机床。机床10具有机台12，其可设计为支架的一部分。工件支架14位于机台12并在其上滑动。工件支架14具有配备工件轴16的工件主轴承。尾座18从属于工件轴16。工件可置于工件轴16与尾座18之间。

工件轴16具有工件轴中心线20，工件可围绕此中心线旋转，参见标号为24的箭头。工件轴中心线20亦可用C轴来标示。C轴可支持承载于工件支架14上的工件进行有目的、受控制的旋转。箭头22表示沿着所谓的Z轴的移动方向。

如图2所示。工件与加工工具之间的相对运动可沿Z轴进行。因此，工件、工具单独沿Z轴移动，或连着共同沿Z轴移动。Z轴平行于工件轴中心线20或与其叠合。

机床10的机台12上还放有工具单元28。工具单元28可具有工具台29。工具台29可以设计为十字台。其他设计亦可。工具单元28具有工具轴30，其在此设计为研磨头。工具轴30上承载着工具32，此处为砂轮。工具32可以藉由工具轴30围绕工具轴中心线34进行旋转，参见箭头36.图1中仅显示了工具32的一部分。工具单元28还具有覆盖工具32主体部分的罩盖38。

若工具单元28具有十字台形的工具台29，则工具轴30可沿箭头40相对于工件支架14移动。箭头40亦可从属于Z轴，若工件支架14于加工工件时不沿箭头22纵向移动，则工件与工具32之间的相对运动可藉由工件轴30及位于其上的工具32沿箭头40移动来实现。

箭头42表示从属于X轴的进给方向，如图2所示。工具32可沿X轴向工件方向进给，从而与其接触。X轴亦可标示为进给轴，图2中的进给轴70。可藉由工具台29或机台12的适当的导引构建来实现沿X轴或进给轴70的运动。

举例而言，图1中工具单元28还具有B轴44。图1中B轴44垂直于视图平面。B轴44可使工具轴30实现旋转，参照旋转箭头46。B轴44可允许在工具单元28上为大量带工具32的工具轴30。在需要时可藉由旋转B轴44来向加工位置输送工具轴。从而可以藉由工具32使用不同的研磨材料来实现灵活加工。因此，无须特别耗费即可使用于粗加工、精加工或最终加工的不同砂轮与工件接触。B轴44从属于Z轴，参见箭头22及40，或从属于X轴，参见箭头42，其亦可采取不同于图1的设计。举例而言，B轴44亦可平行于工件轴中心线20或工具轴中心线34布置。此类设计中亦可于悬架上承载其他工具，悬架位于工具轴30上，为了使其他工具围绕工具轴中心线34旋转，悬架可向工件方向旋转图1中未显示。

机床10当然亦可不设置B轴44，其尤其适用于仅设有工具轴30的情况。 工具轴30上布置有量测设备48，如图2所示。量测设备48具有量测头50。箭头52表示量测设备48与量测头50可旋转地布置于工具轴30上。

机床10还具有控制设备56，其尤其设计为，对工件支架14与工件轴16、工具单元28与工具轴30、工具32以及可能存在的B轴44或工件轴中心线20的推进或位移进行有目的地控制。可沿X轴或Z轴进行运动。控制设备56亦可设计为，自机床10的部件获取运行参数，例如位置参数。控制设备56可具有测定单元、分析单元以及控制单元。

图2中为了清楚说明机床10的X、Y、Z轴描绘了坐标系58。此处所示的轴与方向仅用于说明目的，并非公开件限定的内容。此外，机床10的部件的运动原则上可以彼此相对进行。换言之，若第一元件应向第二元件移动，则要么第一元件进行运动，要么第二元件进行运动。两个元件亦可同时运动。

图2中工件夹紧装置60位于工件支架14的工具轴16上，其基本可设计为夹盘。清楚起见，图2中舍弃了机床10的部分部件。例如未显示尾座18。对于短工件而言，将其单侧承载于工件夹紧装置60上即可。与此相对，尤为长或壁薄的工件可于工件轴16及尾座18旁额外德藉由至少一个中间支承的背撑未显示来支承。

量测设备48具有旋转组装件，其可设计为连接传动机构64。量测设备48位于工具轴30上，其可与工具轴共同沿进给轴70移动。进给轴70为X轴或平行于X轴布置。箭头42表示从属的往复运动。

图2中量测设备48位于量测位置。在量测位置上，测具有第一测头66及第二测头68的量测头50向工件轴中心线20区域移动或旋转。

图3和图4中展示了量测设备48的范例结构。量测设备48具有旋转机构，其由连接传动机构64来实现。连接传动机构64在此实施为双摇杆。亦可使用其他可实现量测设备48的旋转功能的机构。

连接传动机构64具有两个设计为摇杆的连接部分72a、72b。摇杆72a、72b可旋转地布置于工具轴30上，如图2所示。72a、72b分别与设计为连接杆的连接部分74a、74b相连。图3和图4所示的长度比例下，对于摇杆72a、 72b以及连接杆74a、74b而言，在旋转时参见箭头52均可实现彼此平行导引。其他长度比例亦可。

连接杆74a、74b在其前端区域与悬架76相连。悬架76藉由旋转接头与连接杆74a相连。连接杆74b藉由一纵向槽与悬架76相连。

连接传动机构64的设计可满足特殊的结构空间要求。尤为相对于纯粹的摇臂，其在结构空间方面具有显著优势。亦可藉由其他形式来实现量测设备48的旋转。

图3显示了与摇杆72b相连的调整气缸77。调整气缸77驶出时连接传动机构64可旋转。亦可使用其他驱动构件。

图4所示图形与图2所示的量测位置相符。与之相反，图3所示则为量测设备48的啮合脱开位置。在如图4的量测位置上，量测头50可藉由第一测头66及第二测头68包围工件，从而进行相互触碰。测头66、68界定量测区域78，该测定区域可确定待测工件或工件的待测部分的最大值。

图5中示例性显示了如何与量测的前校准配备两个测头66、68的量测设备48的量测头50。为此将已知基准几何形82导入量测区域78，例如试样。具有基准几何形82的试样可置于机床10的工件支架14上。可藉由旋转量测设备48来将试样置入量测区域78。

试样的基准几何形82具有已知的基准尺寸84。为了校准或校正量测头50，基准尺寸84或基准几何形82与第一测头66及第二测头68相互侧面接触。工具轴30从属的运动由箭头42a、42b来表示，如图2所示。量测头50例如藉由旋转组装件64及工具轴30与定位器92及尺寸体现器90相连，尺寸体现器用于描述工具单元28沿进给轴70的实际位置。

以此方式可于基准几何形82与第一测头66及第二测头68接触式测定从属的实际位置。以简单的方式即可自此实际位置与已知基准尺寸84之间的距离来测定基础间距86。基础间距86可以作为所有的后进行的工件测定的基础。定位器92采集的位置数据可输送至控制设备56用于分析。亦可使用其他方式测定位置。定位器92可设计为感应同步器或绝对值同步器。此外亦可使用光学、电感、电容或磁力量测原理。

图5所示的箭头88还表示，第二测头68可设计为可发生一定量的偏转。测头68此处的偏转量亦可测定并传输至控制设备56。第一测头66亦可采取相同设计。在校准过程中触及基准几何形82时，可对第一测头66及第二测头68在其中间位置上及无实际偏转进行校准。为此，工具轴30沿进给轴70的实际位置可能发生改变，直至由测头66、68发射的位置信号基本为零。在此中间位置上第一及第二测头66、68的所谓的量测范围被清零。

以下量测中，除工具轴30沿进给轴70的实际位置以外，在触及时还需虑及第一测头66或第二测头68的偏转量，以测定精确的距离。

如图6和图7所示示例性展示了工件96直径的测定。图6中量测头50的第一测头66紧贴于工件96上。接下来工具轴30移动，量测头50亦从而移动，第二测头68从而于对面一侧紧贴于工件96上。工具轴30的移动行程由箭头98表示。在已知基础间距86如图5以及移动行程98的情况下，可以简单方式测定工件96的实际间距100，尤为可测定实际直径。

图5中箭头88所示的测头68或测头66的偏转量可得出修正系数，测定实际间距100时需虑及此修正系数。

备用方式为，在第一测头66或第二测头68发生接触时工具轴30移动，直至由测头66、68发射中间位置的信号，及无偏转或几乎无偏转。

测定实际间距100时，机器端的影响因素即机床10的热进程原则上仅会在移动行程98较小时影响量测结果。基础间距86与基准距离84之间的差值为「过量」，藉由此「过量」可量测大量尺寸各异的不同工件96。

以不同的进给速度来接触工件96。其优点在于，首先在急速运行或快速运行状态下将测头66输送至预先位置，在该预先位置上测头尚未触及工件96。为了避免量测头50或工件96受损，自预先位置开始，接下来的进给均在量测运行状态下进行，直至测头66'触及工件96。

藉由在快速运行过程中将测头68输送至预先位置，亦可以同样方式实头68的接触。自预先位置开始，接下来的进给均在缓慢的量测运行状态下进行，参见箭头102a。测头88'触及工件96。

以移动行程98以及基础间距86为基础，可以测定工件96的实际间距。

如图8所示，此处可涉及圆度偏差或柱体形状偏差，参见以106a及106b来标示的公差符号。测头66可偏转，其因此可在工件96旋转时围绕工件轴中心线20持续或间断性地采集形状偏差104。此处较佳做法为，若测头66具有较大的比例范围，则可采集较大的偏差。

柱体形状公差值采集方式可为，若承载量测设备48的工具轴30在围绕工件96时平行于工件轴中心线20沿Z轴位移。例如可沿螺旋道接触柱体面。借此方式可「扫描」工件96。

图9中工件96的设计为，围绕工件轴中心线20的偏心部分围绕中心部分108旋转。若控制设备56设计为，沿X轴，即沿进给轴70，驱动工具轴30，同时驱动工件96围绕所谓的C轴旋转，C轴在此与工件轴中心线20一同下落，则可对这种至少一部分偏心建构的工件96进行量测。期待运动第一测头66于工件96的触点所发生的连接运动可于工件96旋转式时实现。以此方式原则上亦可测定圆度公差或柱体形状公差。亦可部分地驱动偏心工件96，藉由两个测头66、68如5或图6和图7所示一般测定实际间距及实际直径。

图10显示了可由机床10实施的工具量测方法的各步骤。

方法可以具有可包括校准或校正过程的开始模块130。

于步骤132中提供试样的基准尺寸，将其引入量测区域。藉由旋转量测设备来将其引入。

在后继步骤134中，可使用第一测头来对基准尺寸进行第一接触。可藉由步骤136及步骤138来结束第一接触134。步骤136可包括电子校准第一测头的量测范围。步骤138可包含测定沿X轴或进给轴的实际位置。

接下来可进行步骤140，其包括藉由第二测头进行第二接触。第二接触步骤140可包括步骤142、144，该等两个步骤可结束步骤140。步骤142可包括电子校准第二测头的量测范围。步骤144可包含测定沿X轴或进给轴的第二实际位置。 在后继步骤146中，可根据测定值以及已知的基准尺寸来测定基础间距，该基础间距可作为其他量测的基础。步骤148结束校准及校正。

标号为150的模块表示在应用已测定值基础间距的情况下量测工件。

第一步骤152中，置入一待量测的工件，并藉由旋转量测设备将其送至量测区域。

在选用性步骤154中，可以以一第一进给速度移至预先位置。在后继步骤156中可移至第一量测位置，第一测头于此位置可接触工件。可以以一第二进给速度来移至第二预先位置。在后继步骤158中记录藉由第一接触得到的位置数值。

在后继的选用性步骤160中，可以以一第一进给速度移至第二预先位置。后继步骤162包括移至第二预先位置，第二测头于此位置可接触工件96。可以以一第二进给速度来移至第二预先位置。在后继步骤164中记录藉由第二接触得到的位置数值。

步骤166包括第一接触及第二接触，步骤166中根据已得数据以及基础间距来测定实际间距。量测过程由步骤168来结束，其亦可包括旋转量测设备。

箭头170表示，在一次校正的后可进行多次量测。因此，可测定处于量测方位内的不同实际间距。

Claims (9)

1.一种精密数控机床，其特征在于：该机床具有工件支架，其具有至少一个用于承载工件的工件夹具；工具单元，其具有尤为研磨头的工具轴，工具轴承载及驱动工具，工具尤为至少一个砂轮，其中工具单元可沿进给轴向工件方向移动；承载于工具单元上的量测设备，其中量测设备48具有至少两个测头，其中该等至少两个测头在量测设置时具有彼此之间的基础间距，该基础间距界定量测区域，其中基础间距应大于已知的基准尺寸；以及控制设备，其可与量测设备及工具单元连接，其中控制设备被设计为，于至少两个测头上采集探测值，采集工具单元沿进给轴的实际位置，根据至少两个测头接触被置入量测区域中的工件时工具单元的移动行程，再参照基准尺寸或基础间距，测定实际间距，尤为测定实际直径。

2.根据权利要求1所述的一种精密数控机床，其特征在于：量测设备具有量测头，其承载至少两个测头，其中量测头 为可偏转式，藉由偏转将工件置入量测区域。

3.根据权利要求1或2任一项所述的一种精密数控机床，其特征在于：量测设备具有连接传动机构，其可实现于量测位置与啮合脱开位置之间的旋转。

4.根据权利要求1所述的一种精密数控机床，其特征在于：至少两个测头中的至少一者可在比例范围内偏转，以及其中控制设备被设计为，采集至少一个测头的偏转量。

5.根据权利要求1所述的一种精密数控机床，其特征在于：工件可承载于工件轴上，工件轴可选择性地围绕工件轴中心线旋转，其中工件轴中心线较佳垂直于进给轴布置，以及其中工具轴较佳具有工具轴中心线，其平行于工件轴中心线布置。

6.根据权利要求5所述的一种精密数控机床，其特征在于：工具单元可平行于工件轴中心线相对于工件相对移动。

7.根据权利要求5所述的一种精密数控机床，其特征在于：将控制设备设计为，在发生关联运动时工具单元选择性地沿进给轴移动，而工件轴选择性地围绕工件轴中心线驱动；将控制设备设计为，在发生关联运动时工具单元还选择性地平行于工件轴中心线移动；工具单元与量测设备选择性地于快速运行状态或探测运行状态中移动。

8.一种提高精密数控机床加工精度的方法，其具有以下步骤：提供量测设备，其可沿进给轴相对于工件相对移动，其中量测设备较佳承载于工具单元上，其中量测设备具有至少两个测头；设定至少两个测头之间的基础间距86，基础间距必须大于已知的基准几何形的基准尺寸，基础间距界定量测区域；将基准几何形承载于机床 中；将基准尺寸置入量测区域；量测设备48相对于基准几何形相对移动，量测设备藉由测头接触基准尺寸，同时测定量测设备的实际位置，从而测定量测设备的移动行程，以及参考基准尺寸及接触时量测设备的实际位置来测定基础间距。

9.根据权利要求8所述的一种提高精密数控机床加工精度的方法，其特征在于：其还具有以下步骤：将工件承载于机床中，将工件的量测几何形置入量测区域，藉由测头接触工件的量测几何形，同时测定量测设备的移动行程，以及参考基础间距及接触时量测设备的移动行程来测定量测几何形的实际间距。