CN114728392A - 具有力传感器的切削机床、用于操作这种切削机床的方法以及用于校准这种切削机床的力传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于工件(9)切削成型的切削机床(1)，切削成型按照制造步骤的时间顺序用多个所需工具(14)进行；具有保持所需工具(14)的工具架(13)和将工具架(13)紧固在驱动单元(10)上的工具臂(11)；并且驱动单元(10)使工具臂(11)运动，通过工具臂(11)运动在每个制造步骤中能够使所需工具(14)之一关于工件(9)定向，工具臂(11)具有上臂(11.1)和下臂(11.2)，上臂(11.1)和下臂(11.2)是独立单元并且相互机械连接；上臂(11.1)紧固在驱动单元(10)上；下臂(11.2)紧固在工具架(13)上；至少一个力传感器(12.1，12.2)在空间上布置在上臂(11.1)与下臂(11.2)之间，力传感器(12.1，12.2)可以在力主路中测量在工件(9)切削成型过程中由所需工具(14)之一施加的工具力(Kw)。

Description

具有力传感器的切削机床、用于操作这种切削机床的方法以 及用于校准这种切削机床的力传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种具有根据独立权利要求的前序部分所述的力传感器的切削机床。本发明还涉及一种用于操作这种切削机床的方法。并且本发明还涉及一种用于校准这种切削机床的力传感器的方法。
背景技术
切削机床是已知的。已知的切削机床是车床、铣床、锯床等。通过使用工具以切割楔形部去除工件的材料的方式，利用切削机床实现工件的切削成型。在此，切割楔形部施加工具力。工件由诸如金属、木材、塑料等任意材料制成。切割楔形部由诸如金属、陶瓷等坚硬、坚固和坚韧的切割材料制成。众所周知的用于切削成型的工具有凿子、车刀、铣刀、沉头、锯片等。
在切削成型过程中，工件和工具相对运动。在此，工件和工具都是直线或圆周地运动。为此，切削机床具有多个驱动单元，如电驱动单元、气动驱动单元等。
为了成本低廉且质量稳定地制造工件，需要测量工具力，因为工具力以及在切削成型过程中出现的高温会导致切割楔形部的磨损。该磨损改变了切割楔形部的切割几何形状。而且，磨损的切割楔形部需要更大的工具力用于工件的切削成型，这导致切削机床的能耗较高，并且还降低了工件的表面质量和尺寸精度。
专利文献EP0433535A1公开了一种具有多分量力传感器的布置，用于在切削机床中对工件切削成型时测量工具力。该多分量力传感器被力配合地夹紧在机器零件的留空中。
专利文献EP0433535A1的这种布置的一个缺点在于，工具力不是在其作用位置、即切割楔形部上测量，而是在远离切割楔形部的地方、即在机器零件中测量。并且在那里，工具力是被间接地测量为在机器零件中出现的机械应力。该机械应力又受到机器零件的尺寸和质量的影响。此外，多分量力传感器是布置在机器零件中在力支路(Krafthnebenschluss)中。然而在力支路中只能测量到一小部分发生在那里的机械应力。所有这些都会导致工具力的测量不准确。测量工具力的精度表示所测量的工具力与实际工具力的偏差，对工具力的测量越准确，所测得的工具力与实际工具力的偏差越小。
目前，工件的切削成型通常是按照制造步骤的时间顺序，利用多个所需工具进行。亦即需要更频繁地更换工具。在每个新的制造步骤中，需要将新的工具关于工件定向，并且工具和工件相对于彼此运动。为了迅速且成本低廉的更换工具和迅速且同样成本低廉的定向工具，切削机床因此具有工具架。工具架保持制造步骤所需的工具。随后，为了更换新的工具并将新工具关于工件定向，移动工具架。为此将工具架紧固在工具臂上。亦即，由驱动单元移动的工具臂将工具架上制造步骤所需的工具关于工件定向，然后使工具和工件相对于彼此运动。
本发明的第一个目的是利用力传感器精确地测量在切削机床中对工件进行切削成型时作用的工具力。该目的特别是应该针对具有工具架的切削机床，该工具架由驱动单元通过工具臂来移动。本发明的第二个目的在于将力传感器节省空间地布置在切削机床中，以测量在工件切削成型过程中作用的工具力。本发明的第三个目的是利用力传感器成本低廉地测量在工件切削成型过程中作用的工具力。
发明内容
这些目的中的至少一个目的通过独立权利要求的特征来实现。
本发明涉及一种用于工件切削成型的切削机床，该切削成型是按照制造步骤的时间顺序利用多个所需工具进行；该切削机床具有用于保持所需工具的工具架和用于将工具架紧固在驱动单元上的工具臂；并且所述驱动单元使工具臂运动，通过工具臂的运动，在每个制造步骤中可以使所需工具之一关于工件定向，其中工具臂具有上臂和下臂，其中上臂和下臂是单独的单元并且相互机械连接；其中上臂紧固在驱动单元上；其中下臂紧固在工具架上；并且其中，至少一个力传感器在空间上布置在上臂与下臂之间，该力传感器可以在力主路(Krafthauptschluss)中测量在工件切削成型过程中由所需工具之一所施加的工具力。
本发明是基于以下发现：为了所需工具关于工件的精确定向以及为了所需工具相对于工件的精确运动，所需工具由工具架无弹性地保持，并且工具架是无弹性地紧固在工具臂上。发明人现在认识到，从所需工具经由工具架到工具臂的无弹性机械转移也能够实现工具力从所需工具之一到工具臂中的很大程度的无阻尼力流。因为每次弹性变形都会抑制工具力的力流并且使工具力的测量失真。应该理解的是，将力传感器在空间上布置在上臂与下臂之间的力主路中，能够实现工具力的准确测量。力传感器位于两件式的工具臂的内部，既节省空间又成本低廉，因为由此保留了传统工具臂的预定外部尺寸，并且也不必改变传统的切削机床。只有传统的工具臂被根据本发明的工具臂所替代。
本发明的其它优选技术方案由从属权利要求的特征给出。
附图说明
下面参照附图示例性地说明本发明。其中：
图1示意性示出了切削机床的第一种实施方式的一部分，其具有一个力传感器；
图2以分解图示出了切削机床的第二种实施方式的一部分，其具有两个力传感器；
图3示出了用于校准根据图1或图2的切削机床的至少一个力传感器的方法步骤的流程图；以及
图4示意性示出了用于执行根据图3的方法步骤的校准装置的一种实施方式的一部分以及如图2所示的具有两个力传感器的切削机床的第二种实施方式。
原则上，相同的部件在附图中利用相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1和图2示出了用于工件9的切削成型的切削机床1的两种实施方式的一部分。切削机床1具有驱动单元10、机器臂11、至少一个力传感器12.1和12.2、工具架13和多个所需工具14。切削机床1被布置在具有三个轴线x、y、z的正交坐标系中，这三个轴也称为横向轴线x、水平轴线y和竖直轴线z。
工件9由任意材料制成，例如金属、木材、塑料等。工件9的切削成型是利用多个所需工具14按照制造步骤的时间顺序进行。在根据图1的切削机床1的第一种实施方式中，在两个制造步骤中需要两个工具14.1、14.2。在第一制造步骤中需要第一工具14.1，在第二制造步骤中需要第二工具14.2。当然，本领域技术人员也可以将本发明用于利用两个以上的工具对工件进行切削成型。因此，在根据图2的切削机床1的第二种实施方式中，在八个加工步骤中需要八个工具14.1-14.8。
在工件9的切削成型中，所需工具14在由横向轴线x和竖直轴线z展开的横向平面xy中实施切割运动。并且，在工件9的切削成型中，所需工具14沿着水平轴线y实施进给运动。在此，所需工具14将工具力Kw施加到工件9上。工具力Kw具有三个力分量Kwx、Kwy、Kwz。由于切割运动，工具力Kw具有沿横向轴线x方向的横向推力分量(Querschubkomponente)Kwx和沿竖直轴线z方向的竖直推力分量(Vertikalschubkomponente)Kwz。并且由于进给运动，工具力Kw具有沿水平轴线y方向的水平力分量(Horizontalkraftkomponente)Kwy。
工具架13保持制造步骤所需的工具14。工具架13由诸如钢、工具钢等机械抗性材料制成。在根据图1的切削机床1的第一种实施方式中，工具架13保持有两个所需工具14.1、14.2。在根据图2的切削机床1的第二种实施方式中，工具架13保持有八个所需工具14.1-14.8。
如根据图1的切削机床1的第一种实施方式所示，每个所需工具14.1、14.2具有至少一个切割楔形部14.11、14.12和一个柄部14.21、14.22。切割楔形部14.11、14.12由金属、陶瓷等坚硬、坚固、坚韧的切割材料制成。第一所需工具14.1具有三角形的切割楔形部14.11，第二所需工具14.2具有矩形的切割楔形部14.21。在根据图2的切削机床1的第二种实施方式中，每个所需工具14.1-14.8具有两个切割楔形部和一个柄部。切割楔形部位于柄部的相对端部上。
工具架13由具有大于200Gpa的高弹性模量的材料制成。这与由具有110GPa的正常弹性模量的铸铁制成的常规工具架形成对比。由于具有高弹性模量，工具架13比常规工具架高两倍无弹性地传递工具力Kw。
所需工具14通过其柄部保持在工具架13中。为此，工具架13具有多个保持件和多个留空(Aussparung)。
在根据图1的切削机床1的第一种实施方式中，第一留空13.21容置第一柄部14.21和第一保持件13.11。第二留空13.22容置第二柄部14.22和第二保持件13.12。第一保持件13.11和第二保持件13.12是楔形的，并且根据斜面的机械原理利用保持力将柄部14.21、14.22保持在留空13.21、13.22中。第一留空13.21和第二留空13.22相对于竖直轴线z相叠布置。
在根据图2的切削机床1的第二种实施方式中，八个留空13.21-13.28中的每一个均容置八个所需工具14.1-14.8之一的柄部和保持件。保持件是埋头螺栓并且相对于水平轴线y成直角地伸入到留空13.21-13.28中。每一个埋头螺栓压在一所需工具14.1-14.8的柄部上，并利用保持力将该所需工具14.1-14.8保持在留空13.21-13.28中。
所需工具14在工具架13中的保持力的大小至少比工具力Kw的大小大一个数量级，以便工具架13无弹性地保持所需工具14。在本发明的意义上，形容词“无弹性的”意味着所需工具14的任意点与工具架13的任意点总是彼此相距相同的距离，而与外力无关。
工具架13紧固在工具臂11上。工具臂11由诸如钢、工具钢等具有机械耐性的材料制成。工具架13紧固在下臂11.2上。驱动单元10紧固在上臂11.1上。这种紧固可以通过任何紧固措施实现，例如螺栓连接、钎焊连接、焊接连接等。
将工具架13紧固在下臂11.2上和将驱动单元10紧固在上臂11.1上的紧固力的大小至少比工具力Kw的大小大一个数量级，以便将工具架13无弹性地紧固在下臂11.2上，并且将驱动单元10无弹性地紧固在上臂11.1上。
工具臂11由具有大于200Gpa的高弹性模量的材料制成。这与由具有110GPa的正常弹性模量的铸铁制成的常规机器臂形成对比。相对高两倍的弹性模量从技术上说有以下两个原因：
-首先，工具臂11的外部尺寸是预先给定的。然而，由于是将力传感器12.1、12.2布置在工具臂11的内部，因此工具臂11在其内部具有用于力传感器12.1、12.2的中空空间，故而工具臂11本身可以用较少的材料制成。然而，为了所需工具14关于工件9的精确定向以及所需工具14相对于工件9的精确运动，必须满足工具臂11的最小机械稳定性。工具臂11的这种最小机械稳定性满足大于200GPa的高弹性模量。在本发明的意义上，表达“精确定向”和“精确运动”是指沿着三个轴线x、y、z定向和运动时的位置精度为±1μm。
-第二，由于高弹性模量，工具臂11比常规工具臂低两倍无弹性地传递工具力Kw。
上臂11.1和下臂11.2是单独的单元。在本发明的意义上，“单独的单元”这种表述是指上臂11.1和下臂11.2是彼此分开的对象。上臂11.1和下臂11.2优选在横向平面xz中相互机械连接。上臂11.1和下臂11.2通过连接装置15相互机械连接。
在根据图1的切削机床1的第一种实施方式中，连接装置15是第一连接装置15.1。该第一连接装置15.1是包括伸缩螺栓(Einziehschraube)15.11、下臂11.2中的孔15.12和上臂11.1中的内螺纹15.13的螺栓连接。该螺栓连接平行于水平轴线y。伸缩螺栓15.11的外螺纹穿过孔15.12到达内螺纹15.13。通过将外螺纹和内螺纹15.13拧在一起，伸缩螺栓15.11的螺栓头将下臂11.2压靠在上臂11上。
在根据图2的切削机床1的第二种实施方式中，连接装置15由两个连接装置15.1、15.2组成。第一连接装置15.1是包括伸缩螺栓15.11、下臂11.2中的孔15.12和上臂11.1中的内螺纹15.13的螺栓连接。第二连接装置15.2是包括伸缩螺栓15.21、下臂11.2中的孔15.22和上臂11.1中的内螺纹15.23的螺栓连接。这两个连接装置15.1、15.2彼此平行地布置在由横向轴线x和水平轴线y展开的水平平面xy中。所述两个螺栓连接平行于水平轴线y。伸缩螺栓15.11、15.21的外螺纹穿过孔15.12、15.22到达内螺纹15.13、15.23。通过外螺纹和内螺纹15.13、15.23的螺栓连接，伸缩螺栓15.11、15.21的螺栓头将下臂11.2压靠在上臂11.1上。
上臂11.1和下臂11.2通过连接装置15机械连接的连接力的大小至少比工具力Kw的大小大一个数量级，以使上臂11.1与下臂11.2无弹性地机械连接。当然，本领域技术人员在了解本发明的情况下也可以使用钎焊连接、焊接连接等来替代螺栓连接。
驱动单元10是电驱动单元、气动驱动单元等。驱动单元10使机器臂11沿着三个轴线x、y和z运动。当然，本领域技术人员也可以将本发明用于一个以上的驱动单元。
在根据图1的第一种实施方式中，切削机床1具有力传感器12.1。在根据图2的第二种实施方式中，切削机床1具有两个力传感器12.1、12.2。所述至少一个力传感器12.1、12.2布置在空间上位于上臂11.1与下臂11.2之间的连接平面11.3中。在了解本发明的情况下，本领域技术人员在上臂与下臂之间布置多少个力传感器是自由的。使用单个力传感器完全足以测量工具力。使用两个力传感器允许则冗余地测量工具力，这两个力传感器相互独立地测量工具力并且针对所测量的工具力相互独立地产生测量信号，根据测量信号可以形成算术平均值，从统计学上看，这比使用单个力传感器更准确地测量工具力。
在根据图1的切削机床1的第一种实施方式中，力传感器12.1具有由诸如钢、工具钢等机械耐性材料制成的壳体12.11。在根据图2的切削机床1的第二种实施方式中，第一力传感器12.1具有第一壳体12.11，第二力传感器12.2具有第二壳体12.21。
下面将借助根据图1的切削机床1的第一种实施方式来阐述力传感器12.1、12.2的细节。对力传感器12.1的这种细节描述也适用于根据图2的切削机床1的第二种实施方式的两个力传感器12.1、12.2。
力传感器12.1是中空柱形的，具有两个壳体端面12.11’、12.11”’和壳体孔12.11”。力传感器12.1与下臂11.2通过第一壳体端面12.11’面接触。第一壳体端面12.11’平行于横向平面xz，第二壳体端面12.11”’位于横向平面xz中。壳体孔12.11”的纵轴线平行于水平轴线y。壳体孔12.11”的直径尺寸被设计为，能够使伸缩螺栓15.11伸出。
待测量的工具力Kw通过壳体端面12.11’、12.11”’作用在力传感器12.1上。壳体端面12.11’、12.11”’的表面积比伸缩螺栓15.11的横截面积大至少一个数量级。力传感器12.1所测量的工具力Kw的占比为至少90％。因此，力传感器12.1布置在空间上位于上臂11.1与下臂11.2之间的力主路中。因此，力传感器12.1是以非常高的灵敏度测量工具力Kw。在本发明的意义上，该灵敏度是力传感器12在工具力Kw的作用下所产生的模拟测量信号Sa与作用在力传感器12.1上的工具力Kw的比率
Figure BDA0003638281410000081
力传感器12.1是具有压电材料12.12的压电式力传感器，该压电材料由单晶制成，例如石英(SiO2)、镓锗酸钙(Ca3Ga2Ge4O14或CGG)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14或LGS)、电气石、磷酸镓等，以及由诸如锆钛酸铅(Pb[ZrxTi1-x]O3，0≤x≤1)等压电陶瓷制成。
压电材料12.12是中空柱形的，具有平行于壳体端面12.11’、12.11”’并且因此平行于横向平面xz的端面。因此，待测量的工具力Kw作用在压电材料12.12的端面上。压电材料12.12被定向为，其在工具力Kw所作用的端面上对所要测量的工具力Kw具有最高的灵敏度。在最高灵敏度下，压电材料12.12产生最大数量的极化电荷。因此，由单晶构成的压电材料12.12被定向地切割为中空柱体，使其针对作用在端面上的工具力Kw产生最大数量的极化电荷。因此，由压电陶瓷制成的压电材料12.12在电场中被极化并通过机械压制形成中空柱体形状，使其针对作用在端面上的工具力Kw产生最大数量的极化电荷。
力传感器12.1测量工具力Kw的三个工具力分量Kwx、Kwy、Kwz。为此，力传感器12.1具有三个由压电材料12.12制成的压电元件12.12’、12.12”、12.12”’。第一压电元件12.12’被定向为，其针对沿横向轴线x方向的力分量Kx以最高的灵敏度产生电极化电荷。在该示例中，第二压电元件12.12”被定向为，其针对沿竖直轴线z方向的力分量Kz以最高的灵敏度产生电极化电荷。并且在该示例中，第三压电元件12.12被定向为，其针对沿水平轴线y方向的法向力分量Ky以最高的灵敏度产生电极化电荷。
电极化电荷是必须从端面拾取。为此，力传感器12.1具有电极12.13。电极12.13由诸如铜、金等导电材料12.3制成并且是中空柱形的。每个电极12.13直接布置在压电元件12.12’、12.12”、12.12”’的端面之一上。力传感器12.1因此具有总共六个电极12.13。三个信号电极12.13’、12.13”、12.13”’从第一端面拾取电极化电荷作为模拟测量信号Sa，三个接地电极12.13””从第二端面拾取电极化电荷。模拟测量信号Sa与工具力Kw的大小成比例。所述三个信号电极12.13’、12.13”、12.13”’相对于壳体12.11电绝缘，所述三个接地电极12.13””与壳体12.11电连接并且处于壳体12.11的接地电势上。由于接地电极12.13””全部处于相同的接地电势，因此它们具有相同的附图标记。所述三个信号电极12.13’、12.13”、12.13”’与信号线缆12.14电连接。信号线缆12.14将模拟测量信号Sa从信号电极12.13’、12.13”、12.13”’传输到分析单元16。
对于每个利用所需工具14的制造步骤，力传感器12.1产生模拟测量信号Sa1。模拟测量信号Sa包括关于沿横向轴线x方向的横向推力分量Kwx的模拟横向推力信号Sa1’、关于沿竖直轴线z方向的竖直推力分量Kwz的模拟竖直推力信号Sa1”以及关于沿水平轴线y方向的水平力分量Kwy的模拟水平力信号Sa1”’。每个制造步骤持续1秒至100秒。力传感器12.1以1kHz至50kHz的频率范围内的时间分辨率产生模拟测量信号Sa1。
为了使电极12.13能够从压电元件12.12’、12.12”、12.12”’的端面上拾取所有产生的电极化电荷，并且没有电极化电荷残留在压电元件12.12’、12.12”、12.12”’的端面上并使工具力Kw的测量失真，电极12.13被机械地预紧在12.12’、12.12”、12.12”’的端面上。通过力传感器12.1的机械预紧，封闭了电极12.13与压电元件12.12’、12.12”、12.12”’的端面之间的微孔。力传感器12.1的机械预紧通过连接装置15来实现。连接装置15.1是通过使伸缩螺栓15.11穿过下臂11.2中的孔15.12以及穿过壳体12.1中的壳体孔12.11”与上臂11.1中的内螺纹15.13螺栓连接而形成。通过将外螺纹和内螺纹15.13拧在一起，伸缩螺栓15.11的螺栓头将下臂11.2压靠在上臂11.1上，并将电极12.13机械预紧在压电元件12.12’、12.12”、12.12”’的端面上。通过上臂11.1与下臂11.2的机械连接，连接装置15也对力传感器12.1进行机械预紧。该机械预紧对应于上臂11.1与下臂11.2的机械连接的连接力。
分析单元16具有至少一个转换器单元16.1、至少一个计算机16.2、至少一个输入单元16.3和至少一个输出单元16.4。
力传感器12.1通过信号线缆12.14与转换器单元16.2电连接。转换器单元16.1将从信号电极12.13’、12.13”、12.13”’经由信号线缆12.14导出的模拟测量信号Sa1转换为数字测量信号Sd1。转换器单元16.1针对每个利用所需工具14的制造步骤将模拟测量信号Sa1转换为数字测量信号Sd1。转换器单元16.1将模拟横向推力信号Sa1’转换为数字横向推力信号Sd1’，将模拟竖直推力信号Sa1”转换为数字竖直推力信号Sd1”，并将模拟水平力信号Sa1”’转换为数字水平力信号Sd1”’。数字测量信号Sd1包括数字横向推力信号Sd1’、数字竖直推力信号Sd1”和数字水平力信号Sd1”’。
计算机16.2包括至少一个数据处理器和至少一个数据存储器。计算机16.2可以通过输入单元16.3来操作。输入单元16.3可以是用于输入控制指令的键盘。在本发明的意义上，动词“操作”是指由人通过输入单元16.3以控制指令启动、控制和关闭计算机16.2。计算机16.2读入数字测量信号Sd1。计算机16.2在输出单元16.4上显示所读入的数字测量信号Sd1。输出单元16.4可以是屏幕，用于图形地显示所分析的数字测量信号。
在分析数字测量信号Sd1时，计算机16.2读取参考信号R和校准因子αi。
参考信号R特定于工件9的材料和所需工具14的切割材料。在此，诸如强度、韧性和硬度这样的材料特性和切割材料特性是决定性的。对于工件9的每种材料和所需工具14的每种切割材料，均有参考信号R存储在计算机16.2的数据存储器中，并且可以由计算机16.2从数据存储器中读出。对于每个所需工具14，参考信号R包括横向推力参考信号R、竖直推力参考信号R”和水平力参考信号R”’。
此外，由力传感器12.1、12.2测量的工具力Kw也特定于所需工具14相对于力传感器12.1、12.2的位置i。在根据图2的第二实施例中，切削机床1的工具臂11具有处于八个不同位置i的八个留空13.21-13.28，i＝1...8，并且切削机床1具有两个力传感器12.1，12.2。八个留空13.21-13.28中的每一个均位于距所述两个力传感器12.1、12.2中的每一个不同的距离处。留空13.21-13.28中的每一个相对于所述两个力传感器12.1、12.2中的每一个有不同的距离的结果是，每个所需工具14被布置在相对于力传感器12.1、12.2的特定位置i上，使得工具力Kw的力流也特定于所需工具14相对于所述两个力传感器12.1、12.2中的每一个的位置i。
因此，针对每个位置i，在计算机16.2的数据存储器中存储校准因子αi，并且能够由计算机16.2从数据存储器中读出。每个校准因子αi包括横向推力校准因子αi’、竖直推力校准因子αi”以及水平力校准因子αi”’。
为了进行分析，计算机16.2通过乘以所需工具14相对于力传感器12.1、12.2的位置i的校准因子αi来校准所需工具14的数字测量信号Sd1。对于每个方法步骤，计算机16.2针对工件9的材料和所需工具14的切割材料形成被校准的数字测量信号Sd1与读出的参考信号R之间的差Δ。
αi*Sd1–R＝Δ≤T＝10％*R
在计算机16.2的数据存储器中存储有至少一个预定义的公差变量T，该预定义的公差变量T针对每个制造步骤被读出。每个预定义的公差变量T包括预定义的横向推力公差变量T’、预定义的竖直推力公差变量T”和预定义的水平力公差变量T”’。
针对每个制造步骤，将差Δ与预定义的公差变量T进行比较。如果差Δ小于/等于预定义的公差变量T，则所需工具14没有磨损并将被继续使用；如果差Δ大于预定义的公差变量T，则所需工具14已磨损并将被替换。在第一近似中，预定义的公差变量T等于参考信号R的10％。
还通过计算机16.2对工具力Kw的工具力分量Kwx、Kwy、Kwz的数字测量信号Sd1’、Sd1”、Sd1”’进行分析。
对于每个方法步骤，计算机16.2针对工件9的材料和所需工具14的切割材料形成校准的数字横向推力测量信号Sd1’与读取的横向推力参考信号R’之间的横向推力差Δ’。如果该横向推力差Δ’小于/等于预定义的横向推力公差变量T’，则所需工具14没有磨损并将被继续使用；如果该横向推力差Δ’大于预定义的横向推力公差变量T’，则所需工具14已磨损并将被替换。在第一近似中，预对于的横向推力公差变量T’等于横向推力参考信号R’的10％。
αi’*Sd1’–R’＝Δ’≤T’＝10％*R’
对于每个方法步骤，计算机16.2针对工件9的材料和所需工具14的切割材料形成校准的数字竖直推力测量信号Sd1”与读出的竖直推力参考信号R”之间的竖直推力差Δ”。如果该竖直推力差Δ”小于/等于预定义的竖直推力公差变量T”，则所需工具14没有磨损并将被继续使用；如果该竖直推力差Δ”大于预定义的竖直推力公差变量T”，则所需工具14已磨损并将被替换。在第一近似中，预定义的竖直推力公差变量T”等于竖直推力参考信号R”的10％。
αi”*Sd1”–R”＝Δ”≤T”＝10％*R”
对于每个方法步骤，计算机16.2针对工件9的材料和所需工具14的切割材料形成校准的数字水平力测量信号Sd1”’与读出的水平力参考信号R”’之间的水平力差Δ”’。如果该水平力差Δ”’小于/等于预定义的水平力公差变量T”’，则所需工具14没有磨损并将被继续使用；如果该水平力差Δ”’大于预定义的水平力公差变量T”’，则所需工具14已磨损并将被替换。在第一近似中，预定义的水平力公差变量T”’等于水平力参考信号R”’的10％。
αi”’*Sd1”’–R”’＝Δ”’≤T”’＝10％*R”’
类似地，在使用两个力传感器的情况下，如根据图2的切削机床的第二种实施方式中那样，由这两个力传感器产生第一和第二模拟测量信号，并且该第一和第二模拟测量信号由转换器单元转换为第一和第二数字测量信号。计算机针对每个所需工具形成第一和第二数字测量信号之和，并将该第一和第二数字测量信号之和乘以所需工具的位置的校准因子，并从该第一和第二数字测量信号的校准后的总和中减去由工件材料和所需工具的切割材料组成的配对参考信号。
图3示出了包括方法步骤210-260的流程图，用于校准根据图1或图2的两种实施方式的切削机床1的至少一个力传感器12.1、12.2。图4示出了用于执行根据图3的方法步骤的校准装置2的实施方式的一部分以及根据图2的切削机床1的第二种实施方式。
校准装置2具有校准触点21、校准力传感器21、校准驱动单元20和分析单元26。
在第一方法步骤210中提供机器臂11，其具有所需工具14和至少一个力传感器12.1、12.2。
在下一个方法步骤220中，将力传感器12.1、12.2与分析单元26接触。分析单元26具有至少一个转换器单元26.1、至少一个计算机26.2、至少一个输入单元26.3和至少一个输出单元26.4。
在根据图4的校准装置2的实施方式中，两个力传感器12.1、12.2通过信号线缆12.14、12.24与转换器单元26.2电连接。
在下一个方法步骤230中，通过校准装置2在所需工具14上施加校准力Kk。
校准装置2具有校准驱动单元20、校准触点21和校准力传感器22。
校准驱动单元20是电驱动单元、气动驱动单元等。校准驱动单元20使校准触点21和校准力传感器22沿着三个轴线x、y和z运动。校准驱动单元20使校准触点21关于在工具架13中的位置i中的所需工具14精确地定向，并在所需工具14上施加校准力Kk。校准力Kk具有三个校准力分量Kkx、Kky、Kkz。校准力Kk具有沿横向轴线x方向的横向推力校准分量Kkx、沿竖直轴线y方向的竖直推力校准分量Kkz和沿水平轴线z方向的水平力校准分量Kkz。
在根据图4的校准装置2的实施方式中，校准触点22是指状的并且具有用于施加校准力Kk的尖端。校准触点22由例如钢、工具钢等机械耐性材料制成。校准触点22由具有大于200GPa的高弹性模量的材料制成。由于高弹性模量，校准触点22比由具有较低弹性模量的材料制成的校准触点更加无弹性地传递校准力KK。
校准力传感器22测量校准力Kk的三个校准力分量Kkx、Kky、Kkz。校准力传感器22可以根据任意的测量原理工作。校准的条件是，校准力传感器22以比所述至少一个力传感器12.1、12.2高至少一个数量级的精度测量校准力Kk的校准力分量Kkx、Kky、Kkz。校准力传感器22通过校准信号线缆22.14与转换器单元26.2电连接。
在下一个方法步骤240中，校准力分量Kkx、Kky、Kkz通过力传感器12.1、12.2并通过校准装置2的校准力传感器22来测量。
第一力传感器12.1产生第一模拟测量信号Sa1。第一模拟测量信号Sa1包括用于沿横向轴线x方向的横向推力校准分量Kkx的第一模拟横向推力信号Sa1’、用于沿竖直轴线z方向的竖直推力校准分量Kkz的模拟竖直推力信号Sa1”、和用于沿水平轴线y方向的水平力校准分量Kky的第一模拟水平力信号Sa1”’。
第二力传感器12.2产生第二模拟测量信号Sa2。第二模拟测量信号Sa2包括用于沿横向轴线x方向的横向推力校准分量Kkx的第二模拟横向推力信号Sa2’、用于沿竖直轴线z方向的竖直推力校准分量Kkz的第二模拟竖直推力信号Sa2”以及用于沿水平轴线y方向的水平力校准分量Kky的第二模拟水平力信号Sa2”’。
校准力传感器22产生模拟校准信号Ka。校准信号Ka包括用于沿横向轴线x方向的横向推力校准分量Kkx的模拟横向推力校准信号Ka’、用于沿竖直轴线z方向的竖直推力校准分量Kkz的模拟竖直推力校准信号Ka”以及用于沿水平轴线y方向的水平力校准分量Kky的模拟水平力校准信号Ka”’。
在下一个方法步骤250中，将力传感器12.1、12.2的测量信号Sa和校准力传感器22的校准信号Ka传输到分析单元26。
在根据图4的校准装置2的实施方式中，转换器单元26.1将从信号电极经由所述两个力传感器12.1、12.2的信号线缆12.14、12.24导出的模拟测量信号Sa1、Sa2转换为数字测量信号Sd1、Sd2。
转换器单元26.1将第一模拟横向推力信号Sa1’转换为第一数字横向推力信号Sd1’，将第一模拟竖直推力信号Sa1”转换为第一数字竖直推力信号Sd1”，并将第一模拟水平力信号Sa1”’转换为第一数字水平力信号Sd1”’。第一数字测量信号Sd1包括第一数字横向推力信号Sd1’、第一数字竖直推力信号Sd1”以及第一数字水平力信号Sd1”’。
转换器单元26.1将第二模拟横向推力信号Sa2’转换为第二数字横向推力信号Sd2’，将第二模拟竖直推力信号Sa2”转换为第二数字竖直推力信号Sd2”，并将第二模拟水平力信号Sa2”’转换为第二数字水平力信号Sd2”’。第二数字测量信号Sd2包括第二数字横向推力信号Sd2’、第二数字竖直推力信号Sd2”和第二数字水平力信号Sd2”’。
转换器单元26.1将从校准力传感器22经由信号线缆22.14导出的模拟校准信号Ka转换为数字校准信号Kd。
转换器单元26.1将模拟横向推力校准信号Ka’转换为数字横向推力校准信号Sd’、将模拟竖直推力校准信号Ka”转换为数字竖直推力校准信号Kd”，并且将模拟水平力校准信号Ka”’转换为数字水平力校准信号Kd”’。数字校准信号Kd包括数字横向推力校准信号Kd’、数字竖直推力校准信号Kd”和数字水平力校准信号Kd”’。
在下一个方法步骤260中，在分析单元26中比对导出的测量信号Sa1和导出的校准信号Ka。
计算机26.2具有至少一个数据处理器和至少一个数据存储器。计算机26.2可以通过输入单元26.3来操作。输入单元26.3可以是键盘，用于输入控制指令。在本发明的意义上，动词“操作”是指计算机26.2由人通过输入单元26.3以控制指令进行启动、控制和关闭。计算机26.2数字测量信号Sd1、Sd2以及数字校准信号Kd。计算机26.2在输出单元26.4上显示比对后的数字测量信号Sd1、Sd2和数字校准信号Kd。输出单元26.4可以是屏幕，用于图形地显示所分析的数字测量信号。
计算机26.2利用数字校准信号Kd来比对数字测量信号Sd1、Sd2。这种比对特别是针对所需工具14的位置i进行。校准触点22将校准力Kk施加在第三留空13.23中的第三所需工具14.3上。第三留空13.23是第三位置i＝3，所需工具14.3位于该第三位置i＝3。
在根据图4所示校准装置2的实施方式的比对中，计算机26.2形成第一和第二数字测量信号Sd1、Sd2的特定于位置的和(Sd1+Sd2)i，并利用数字校准信号Kdi对其进行特定于位置地比对。这种比对的结果是特定于位置的校准因子αi。
αi*(Sd1+Sd2)i＝Kdi i＝1...8
在特定于位置的和(Sd1+Sd2)i与数字校准信号Kdi一致的情况下，特定于位置的校准因子αi＝1.00。通常，特定于位置的校准因子αi在0.85至1.15的范围内波动。
类似地，在使用单个力传感器的情况下，如根据图1的切削机床的第一种实施方式中那样，由力传感器产生模拟测量信号，该模拟测量信号由转换器单元转换为数字测量信号。计算机利用数字校准信号特定于位置地比对数字测量信号。在仅使用一个力传感器的情况下，仅存在该一个力传感器的数字测量信号，并因此不形成两个力传感器的数字测量信号的特定于位置的总和。
在比对期间，计算机26.2形成数字横向推力信号Sd1’、Sd2’的特定于位置的和(Sd1’+Sd2’)i，并且将其与特定于位置的数字横向推力校准信号Kdi’进行比较。这种比对的结果是横向推力校准因子αi’。
αi’*(Sd1’+Sd2’)i＝Kdi’i＝1...8
在比对期间，计算机26.2形成数字竖直推力信号Sd1”、Sd2”的特定于位置的和(Sd1”+Sd2”)i，并且将其与特定于位置的数字竖直推力校准信号Kdi”进行比较。这种比对的结果是竖直推力校准因子αi”。
αi”*(Sd1”+Sd2”)i＝Kdi”i＝1...8
在比对期间，计算机26.2形成数字水平力信号Sd1”’、Sd2”’的特定于位置的和(Sd1”’+Sd2”’)i，并且将其与特定于位置的数字水平力校准信号Kdi”’进行比较。这种比对的结果是水平力校准因子αi”’。
αi”’*(Sd1”’+Sd2”’)i＝Kdi”’i＝1...8
校准因子αi可以存储在分析单元16的计算机16的数据存储器中。每个横向推力校准因子αi’、每个竖直推力校准因子αi”以及每个水平力校准因子αi”’也能够存储在分析单元16的计算机16的数据存储器中。
附图标记列表
1 切削机床
2 校准装置
9 工件
10 驱动单元
11 机器臂
11.1 上臂
11.2 下臂
12.1，12.2 力传感器
12.11，12.12 壳体
12.11’，12.11”’ 壳体端面
12.11” 壳体孔
12.12 压电材料
12.12’-12.12”’ 压电元件
12.13 导电材料
12.13’-12.13”’ 信号电极
12.3”” 接地电极
12.14，12.24 信号线缆
13 工具架
13.11，13.12 保持件
13.21-13.28 留空
14，14.1-14.8 所需工具
14.11，14.12 切割楔形部
14.21，14.22 柄部
15，15.1，15.2 连接装置
15.11，15.21 伸缩螺栓
15.12，15.22 孔
15.13，15.23 内螺纹
16，26 分析单元
16.1，26.1 转换器单元
16.2，26.2 计算机
16.3，26.3 输入单元
16.4，26.4 输出单元
20 校准驱动单元
21 校准触点
22 校准力传感器
22.14 校准信号线缆
210-260 方法步骤
α 校准因子
α’ 横向推力校准因子
α” 竖直推力校准因子
α”’ 水平力校准因子
Δ 差
Δ’ 横向推力差
Δ” 竖直推力差
Δ”’ 水平力差
i 位置
Kw 工具力
Kwx，Kwy，Kwz 工具力分量
Kk 校准力
Kkx，Kky，Kkz 校准力分量
Sa1，Sa2 模拟测量信号
Sa1’，Sa2’ 模拟横向推力信号
Sa1”，Sa2” 模拟竖直推力信号
Sa1”’，Sa2”’ 模拟水平力信号
Sd1，Sd2 数字测量信号
Sd1’，Sd2’ 数字横向推力信号
Sd1”，Sd2” 数字竖直推力信号
Sd1”’，Sd2”’ 数字水平力信号
R 参考信号
R’ 横向推力参考信号
R” 竖直推力参考信号
R”’ 水平力参考信号
Ka 模拟校准信号
Ka’ 模拟横向推力校准信号
Ka” 模拟竖直推力校准信号
Ka”’ 模拟水平力校准信号
Kd 数字校准信号
Kd’ 数字横向推力校准信号
Kd” 数字竖直推力校准信号
Kd”’ 数字水平力校准信号
T 预定义的公差变量
T’ 预定义的横向推力公差变量
T” 预定义的竖直推力公差变量
T”’ 预定义的水平力公差变量
x 横向轴线
y 水平轴线
z 竖直轴线
xy 横向平面。

Claims (13)

1.一种切削机床(1)，用于工件(9)的切削成型，所述切削成型按照制造步骤的时间顺序利用多个所需要的工具(14)进行；所述切削机床具有用于保持所需要的工具(14)的工具架(13)和用于将所述工具架(13)紧固在驱动单元(10)上的工具臂(11)；并且所述驱动单元(10)使所述工具臂(11)运动，通过所述工具臂(11)的运动，在每个制造步骤中能够使所需要的工具(14)之一关于所述工件(9)定向，其特征在于，所述工具臂(11)具有上臂(11.1)和下臂(11.2)，所述上臂(11.1)和所述下臂(11.2)是单独的单元并且相互机械连接；所述上臂(11.1)紧固在所述驱动单元(10)上；所述下臂(11.2)紧固在所述工具架(13)上；至少一个力传感器(12.1，12.2)在空间上布置在所述上臂(11.1)与所述下臂(11.2)之间，所述力传感器(12.1，12.2)可以在力主路中测量在所述工件(9)的切削成型过程中由所需要的工具(14)之一所施加的工具力(Kw)。
2.根据权利要求1所述的切削机床(1)，其特征在于，所述上臂(11.1)和所述下臂(11.2)通过连接装置(15)相互机械连接；并且所述连接装置(15)还利用所述上臂(11.1)与所述下臂(11.2)的机械连接来机械预紧所述力传感器(12.1，12.2)。
3.根据权利要求1或2所述的切削机床(1)，其特征在于，所述工具架(13)由具有大于200Gpa的高弹性模量的材料制成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的切削机床(1)，其特征在于，所述工具臂(11)由具有大于200Gpa的高弹性模量的材料制成。
5.一种工具臂(11)在切削机床(1)中的应用，以对工件(9)进行切削成型，所述切削成型按照制造步骤的时间顺序利用多个所需工具(14)进行；所述切削机床具有用于保持所需要的工具(14)的工具架(13)；所述工具臂(11)将所述工具架(13)紧固在驱动单元(10)上；并且所述驱动单元(10)使所述工具臂(11)运动，通过所述工具臂(11)的运动，在每个制造步骤中能够使所需要的工具(14)之一关于所述工件(9)定向，其特征在于，所述工具臂(11)具有上臂(11.1)和下臂(11.2)，所述上臂(11.1)和所述下臂(11.2)是单独的单元并且相互机械连接；所述上臂(11.1)紧固在所述驱动单元(10)上；所述下臂(11.2)紧固在所述工具架(13)上；并且至少一个力传感器(12.1，12.2)在空间上布置在所述上臂(11.1)与所述下臂(11.2)之间，所述力传感器(12.1，12.2)在力主路中测量在所述工件(9)的切削成型过程中由所需要的工具(14)之一所施加的工具力(Kw)。
6.一种用于操作根据权利要求1至4中任一项所述的切削机床(1)的方法，其特征在于，为了工件(9)的切削成型，在每个制造步骤中使所需要的工具(14)之一关于所述工件(9)定向；并且由力传感器(12.1，12.2)测量在所述工件(9)的切削成型过程中由该所需要的工具(14)所施加的工具力(Kw)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述工件(9)的切削成型过程中，所需要的工具(14)在由横向轴线(x)和竖直轴线(z)展开的横向平面(xz)中实施切割运动，由此，所述工具力(Kw)沿所述横向轴线(x)具有横向推力分量(Kwx)，并且沿所述竖直轴线(z)具有竖直推力分量(Kwz)；在所述工件(9)的切削成型过程中，所需要的工具(14)沿水平轴线(y)的方向实施进给运动，由此，所述工具力(Kw)沿所述水平轴线(y)的方向具有水平力分量(Kwy)；并且由所述力传感器(12.1，12.2)针对在制造步骤中所测量的每个工具力(Kw)产生模拟测量信号(Sa1，Sa2)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，由所述力传感器(12.1，12.2)测量的所述模拟测量信号(Sa1，Sa2)包括用于沿所述横向轴线(x)方向的横向推力分量(Kwx)的模拟横向推力信号(Sa1’，Sa2’)、用于沿所述竖直轴线(z)方向的竖直推力分量(Kwz)的模拟竖直推力信号(Sa1”，Sa2”)、和用于沿所述水平轴线(y)方向的水平力分量(Kwy)的模拟水平力信号(Sa1”’，Sa2”’)。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述切削机床(1)具有至少一个转换器单元(16.1)，所述转换器单元(16.1)针对每个利用所需要的工具(14)的制造步骤将模拟测量信号(Sa1)转换为数字测量信号(Sd1)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述切削机床(1)具有至少一个计算机(16.2)，所述计算机(16.2)针对每个制造步骤读入所述数字测量信号(Sd1，Sd2)；针对所述工件(9)的材料和所需工具(14)的切割材料，在所述计算机(16.2)中存储至少一个参考信号(R)，所述参考信号(R)针对每个制造步骤被读出；针对所需要的工具(14)相对于所述力传感器(12.1，12.2)的位置(i)，在所述计算机(16.2)中存储至少一个特定的校准因子(αi)，所述校准因子(αi)针对每个制造步骤被读出；针对每个制造步骤，通过乘以读出的校准因子(αi)来校准读入的数字测量信号(Sd1)；并且针对每个制造步骤，形成校准后的数字测量信号(Sd1)与读出的参考信号(R)之间的差(Δ)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述计算机(16.2)中存储至少一个预定义的公差变量(T)，所述预定义的公差变量(T)针对每个制造步骤被读出；并且针对每个制造步骤，将所述差(Δ)与所述预定义的公差变量(T)进行比较；如果所述差(Δ)小于/等于所述预定义的公差变量(T)，则所需要的工具(14)没有磨损并将进一步使用；如果所述差(Δ)大于所述预定义的公差变量(T)，则所需要的工具(14)已磨损并且将被替换。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述力传感器(12.1)具有第一压电元件(12.12’)，所述第一压电元件(12.12’)被定向为，其针对所述横向推力分量(Kwx)以最高的灵敏度产生电极化电荷；所述力传感器(12.1)具有第二压电元件(12.12”)，所述第二压电元件(12.12”)被定向为，其针对所述竖直推力分量(Kwz)以最高的灵敏度产生电极化电荷；并且所述力传感器(12.1)具有第三压电元件(12.12”’)，所述第三压电元件(12.12”’)被定向为，其针对所述水平力分量(Kwy)以最高的灵敏度产生电极化电荷。
13.一种使用校准力传感器(22)校准根据权利要求1至4中任一项所述的切削机床(1)的力传感器(12.1，12.2)的方法，其特征在于，在第一方法步骤(210)中提供所述切削机床(1)的机器臂(11)，所述机器臂(11)具有所需要的工具(14)和至少一个力传感器(12.1，12.2)，所需要的工具(14)布置在关于所述力传感器(12.1，12.2)的一位置(i)中；在下一个方法步骤(230)中，在所需要的工具(14)上施加校准力(Kk)；在下一个方法步骤(240)中，利用所述力传感器(12.1，12.2)和所述校准力传感器(22)测量所述校准力(Kk)；所述力传感器(12.1，12.2)针对所测量的校准力(Kk)产生模拟测量信号(Sa1，Sa2)；所述校准力传感器(22)针对所测量的校准力(Kk)产生模拟校准信号(Ka)；将模拟测量信号(Sa1，Sa2)转换为数字测量信号(Sd1，Sd2)；并将模拟校准信号(Ka)转换为数字校准信号(Kd)；并且在下一个方法步骤(260)中，比对数字测量信号(Sd1，Sd2)和数字校准信号(Kd)，其中所述比对的结果是得到用于所需要的工具(14)相对于所述力传感器(12.1，12.2)的位置(i)的校准因子(αi)。
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