CN1207183A - 用于工件切削加工的机床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于切下切屑的工件切削机床,如磨床或车床。为了检测转动件,即切削头(40)或待加工的工件(10)的不平衡,设置了传感器(60)。根据不平衡传感器(60)的信号这样地校正工件(10)要对刀具(40)的进给量,即对刀具不平衡的可能偏差进行补偿。在车床的情况下,工件的进给量可根据转角位置及确定出的不平衡进行控制,以使得在处理期间或处理后能出现平衡。

Description

用于工件切削加工的机床

本发明涉及根据权利要求1前序部分的用于工件切削加工的机床，用于这种机床的补偿单元及用于工件切削加工的相应方法。

这种机床例如是具有旋转铣头的铣床、钻床、磨床及类似机床、或车床。

这些机床在现今以数字控制(CNC)加工自动装置的形式获得极高的精确度标准。这除了自动装置高精确度的机械构造外还基于精密的控制及调节方法，它使得高成本的结构件可借助相对小的铣头进行铣加工，以致无需更换刀具，并由此减小了加工自动装置的停机时间。

在此情况下为了能满足所需的高质量标准，在生产工序中需要尽可能地避免或排除所有影响产品质量的误差源。在生产工序中起副作用的一种误差源譬如是不平衡，即一个转动刀具如铣头的不平衡或旋转工件如被加工轴等的不平衡。

当例如一个转动铣头显示不平衡时，则视不平衡量及转速的不同，可导致铣头在圆周方向上偏移，并将铣出大于所希望的铣加工范围。这虽然可通过使用高精度(平衡)铣头及通过铣头夹具的再调整作为对策，但这种不平衡的完全消除是不可能的。此外在铣头或夹具上可能由于损坏或磨损形成不平衡，这就需要及早地更换刀具或再调整。这两者均是相对高成本及耗工时的。

同样地，旋转工件的不平衡也起到副作用。譬如当快速转动的旋转体如轴或类似工件出现不平衡时，可导致过早的轴承磨损。因此这类工件通常应进行平衡处理。

在此平衡处理工序时，将旋转工件夹持在平衡装置中并使其投入转动，及通过不平衡传感器如在轴承上设置的力传感器，根据力的大小及其位置(转动位置)来确定可能出现的不平衡。接着使旋转工件制动，并在相应于不平衡的位置上除去材料或是补上材料；也可以在一个位置上除去材料并在另一位置补上材料来补偿不平衡。这个过程需重复进行，即为了要重新确定不平衡使旋转工件投入转动并接着为平衡其不平衡使工件制动，直至所产生的不平衡低于一个可容许的限值为止。这种处理过程也是费工、费时的。

本发明的任务在于，提供一种开始部分所述类型的对工件进行切削加工的机床及相应的方法，可以用简单的方式补偿在旋转体中可能出现的不平衡。

该任务将通过根据权利要求1的机床、根据权利要求10的方法及根据权利要求15的补偿单元来解决；从属权利要求涉及本发明进一步的有利构型。

在根据本发明的机床中，借助于一个不平衡传感器来检测转动工件或转动刀具的不平衡，并根据该不平衡量来对实现刀具与工件之间相对运动的进给传动装置进行控制。对于该不平衡，例如可与转动件的转角位置一起，通过作用于转动件夹具上的不平衡力来测量；或通过使转动件产生变形的不平衡力来测量，在此情况下可以使用光传感器或譬如感应式传感器。

这样，在具有转动刀具例如铣头的数控机床中，可通过不平衡检测来校正刀具及工件之间相对运动的预给定位置控制。

如开始所述的，因为在刀具上由于磨损或损坏引起的不平衡是不可能完全避免的，因此本发明建议，对铣头的不平衡及与此关联的“虚拟加大量”进行检测并在位置控制时加以考虑。在现有技术中人们试图通过刀具更换或重调整来减小不平衡，与现有技术不同本发明又前进了一步，即认为刀具中还存在“剩余不平衡”，它引起刀具虚拟地变大了。故这样地控制机床，就好比所使用的是有些加大的铣头。

根据本发明的依赖不平衡检测控制进给量的原理也可非常有效地应用在车床上。在车床上，通常刀具可相对转动工件移动地被夹持着，随着高度发展的驱动技术，例如可通过线性电动机实现极其快速地移动刀具，譬如在一种非圆车床上这已经实现。现在根据本发明，使这样快速的刀具进给传动装置与不平衡传感器相耦合，并根据不平衡转动位置通过控制进给传动装置切削掉相应于工件不平衡的材料，由此使工件在车床上可即刻被平衡。这里应注意到，为了使不平衡得以平衡，不需要使工件制动，而是与检测不平衡的运动状态下同时进行的。因此就消除了必须使工件在停止状态进行处理的高成本平衡工序。

当然，根据本发明的原理也可以应用在一个纯粹的平衡装置上。

在根据本发明方法的一个优选构型中，例如，对每件工具或每种工具类型一次地建立一个参考表，它给出不平衡摆幅(“虚拟加大量”)与预给定不平衡量的关系。这个参考表可以“一劳永逸”地求得，并存储到譬如一个数控机床的工作计算机中。在机床运转时，其控制则参照该参考表进行，并对不平衡传感器测得的每个不平衡量调用相应的不平衡摆幅并在位置控制时予以考虑。

因为不平衡摆幅涉及相对小的摆幅，因此该不平衡摆幅与不平衡质量成线性关系及与转速的平方相关。因而可以确定出不平衡摆幅与这些参数之间关系的近似公式。当然也可以使用凭经验确定的参考表与一种近似算法相结合，其中譬如以转速作为参数。

在本发明的一个优选构型中，设有一个用于数控机床的补偿单元，它具有用于不平衡传感器、转动角度传感器和/或转速传感器的接口及存储参考表和/或近似公式算法的存储器，其中补偿计算器产生用于机床中位置控制的校正信号。有利地是，这个补偿单元可作为机床工作计算机的接口卡接入使用，其中相应的数据及信号格式适应于工作计算机的标准。

以下将借助附图来说明本发明的实施方式，附图为：

图1：一个数控铣加工自动装置的概要示图；

图2：用于解释一个铣头不平衡摆幅的概要示图；及

图3：一个自动机床的概要示图。

根据图1，一个数控铣床包括由一个操作计算器100及一个数据载体110组成的CNC系统。操作计算器100由操作数据求得与给定控制值相应的位置控制数据，并将该数据通过接口120传送给一个驱动计算器130。该驱动计算器130譬如控制该铣床90的线性进给传动装置50，以使一工件10移动。此外一个位置传感器(未示出)的位置数据通过另一接口140反馈给驱动计算器130。这实际上用于一种位置的给定值-测量值调节，其中这种调节的细节在这里不再赘述，因为它是公知的。

该铣床90还包括一个旋转的铣头40，它被接收在一夹持器30中。对于铣床90的夹持器30及旋转驱动器20设置了一个不平衡传感器60。

该不平衡传感器60例如测量在夹持器30中出现的不平衡力并将相应的信号传给一个补偿计算器150。该补偿计算器对不平衡传感器60的信号估值并将相应的控制信号传给驱动计算器130，后者相应地校正对进给传动装置50的位置控制。

在图1中补偿单元150被表示为与驱动计算器130分开，当然也可以使该补偿单元150直接地集合在驱动计算器130中。此外应该指出，铣头也可可移动地设置，如通过铣头旁的双箭头所表示的。进给传动装置50通常不仅在一个方向上作线性运动，而且也在一个平面中运动，即也垂直于图1的图面地运动，这是在进给方向的运动。

这里所有这些运动应理解为在进给方向的运动，及所有这些运动可以由补偿计算器50根据传感器60的信号来校正。工件10为了被铣成一定轮廓而相对铣头的旋转运动在此意义上也是一种进给运动。

此外这里应明确指示，在文中以单数表示的词义“传感器”也应包括具有多个传感器的传感器系统。

图2表示用于解释不平衡偏移的铣头细节。在具有一个轴承或类似件的夹持器30中夹持着铣头40，并当铣头40未显示任何不平衡时，它位于虚线所示的位置。但如果出现了不平衡时，则铣头将径向地偏移一个不平衡偏移Δ，如通过实线所表示的(在图2中仅表示了向右偏移，当然在铣头转动时偏移会出现在另外所有的径向上)。该铣头40的不平衡摆幅Δ譬如与不平衡量(相当于不平衡质量)、刀具材料、刀具形状及转速有关。

最好借助于铣头40的轴承或夹持器30上的不平衡传感器60来测量不平衡量。然后补偿计算器根据不平衡力及转角或转速传感器70测得的转速来求得相应的不平衡摆幅Δ，并相应地补偿驱动计算器的位置控制。

此外，还可以直接地例如通过一个光传感器80或一个感应传感器来测量该不平衡摆幅Δ，该不平衡摆幅使铣头40的“虚拟半径”加大。由于铣头附近的有限空间及由于材料切屑、油、烟等形成的不利环境条件，故而最好是使用在夹持器上测量力的不平衡传感器60，而非使用光传感器或感应传感器80。

为了求得不平衡摆幅Δ与不平衡传感器60的信号及转速和/或旋转位置传感器70的信号的关系，例如可如下地进行。

在一次试验运行时，对一个精密的刀具设置一个精确地确定的不平衡量，并测量它所产生的不平衡摆幅。这个不平衡摆幅Δ可以直接地，例如通过光学途径测得；或通过一个模型刀具的加工，在此情况下在模型刀具上测量标定凹陷与由不平衡摆幅产生的附加凹陷之间的偏差。对于各个不同的精确确定的不平衡量进行这种测量，并以此方式制订一个参考表。如所述的，在该表中也可列入转速值。另一个可能影响不平衡摆幅的参数是待加工的材料，在一个相对硬的材料的情况下不平衡摆幅较小，而在一个相对软的材料的情况下不平衡摆幅较大。

基本上也具有这样的可能性，即不平衡摆幅相对于转速、不平衡质量、及材料等的函数关系以一个近似公式的形式给出，或使用参考表及近似公式的组合。

图3概要地表示一个车床，其中在夹持器30中夹持了一个待加工的轴10。轴10由一个旋转驱动器20驱动，并通过一个仅概要地表示的转动传感器70来测量转速及转角位置。为了加工轴，使用了一个车削刀具40，它被可移动地夹持在一个进给传动装置50上(可在图3的图面中移动)。

不平衡传感器60设置在车床的夹持器30或轴承上，并测量由轴引起的不平衡力。综合不平衡传感器的数据及转角和转速传感器的数据可由一个计算器以本身公知的方式求得不平衡的位置。该计算器此外通过对待加工材料、工件尺寸等的特定加权及传感信号求得应由车刀40切削的材料的位置及量值，以使不平衡得以平衡。

当工件处于相应于待平衡的不平衡车削位置区域时，对此车刀40始终一直向工件10进给，也就是，在极端情况下其进刀相应于工件10的转动频率。这样快的进刀在现今譬如使用线性驱动装置可无问题地实现，该线性驱动装置业已应用在非圆车床上。

虽然根据本发明实际上材料的切削与不平衡的测量同时地进行，由此避免了不必要的工序，如使轴制动等。但是这里应当指出，最好测量与车刀的进给在时间上错开地进行，以便尽可能地消除由于车刀40作用于轴的加工力对传感器带来的影响。

用于图3中所示车床的控制部分的结构实际上相当于图1中的结构，其中传感器70和60的信号相应地输出到补偿计算器150，该补偿计算器在此情况下也可称为平衡计算器。然后该计算器150根据传感器信号及操作计算器100的预给定信号等来控制车床的进给传动装置50。

Claims (17)

1.用于工件(10)的切削加工的机床，它具有一个带有转动件、即一个刀具(40)或一个工件(10)的夹持器(30)的旋转驱动器(20)，及至少一个进给传动装置(50)，用于改变刀具及工件之间的相对运动，其特征在于：至少设有一个用于检测转动着的转动件的不平衡的不平衡传感器(60)，其中根据检测的不平衡量对进给传动装置(50)进行控制。

2.根据权利要求1的机床，其特征在于：不平衡的测量及进给传动装置(50)的控制实际上是同时地进行的。

3.根据权利要求1或2的机床，其特征在于：设有一个转动传感器(70)，用于检测转动件的不平衡转角位置和/或其转速。

4.根据权利要求1、2或3的机床，其特征在于：不平衡传感器(60)检测转动件夹持器(30)上的不平衡力。

5.根据权利要求1至4中任一项的机床，其特征在于：不平衡传感器(60)检测由于不平衡力产生的转动件的变形(Δ)。

6.根据权利要求5的机床，其特征在于：该不平衡传感器(60)是一个光传感器或一个感应传感器。

7.根据权利要求1至6任一项的机床，其特征在于：该机床是一个数控铣床、磨床、钻床或类似的机床；转动件是一个铣头、磨头或钻头或类似刀具；及根据通过不平衡传感器的测量来校正转动件及工件(10)之间相对运动的预定位置控制。

8.根据权利要求1至6中任一项的机床，其特征在于：该机床是一个车床或一个磨床；转动件是一个待加工的工件(10)；及根据通过不平衡传感器的测量来校正转动件及刀具之间相对运动的预定位置控制。

9.根据权利要求1至6中任一项的机床，其特征在于：该机床是一个平衡装置，其中转动件是一个待平衡的主体，在此情况下这样地控制进给传动装置(50)，即刀具(40)切削与求得的不平衡量及转动位置相对应的转动件的材料量。

10.用于工件切削加工的方法，其中使一个转动件，即一个工件或一个刀具投入转动，及进一步使工件及刀具彼此相对运动，其特征在于：对转动件的不平衡进行测量，并根据测量的不平衡量对相对运动进行控制。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于：对相对运动的控制实际上与对不平衡的检测同时地进行。

12.根据权利要求10的方法，其特征在于：将作为转动件的待平衡主体投入转动并借助刀具使该主体被平衡。

13.根据权利要求10的方法，其特征在于：转动件是一个刀具；及对于每个刀具及每种刀具类型在一个试验运行中求得在一确定的不平衡情况下产生的不平衡摆幅(Δ)，对于不同的不平衡重复该过程，并建立一个参考表和/或近似公式；以及在加工时借助于瞬时不平衡及近似公式和参考表校正相对运动。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于：采用刀具的转速作为参考表或近似公式中的另一参数。

15.在一个数控机床或类似机器中补偿转动刀具的不平衡摆幅的补偿单元，具有：

一个用于接收不平衡传感器信号的接口，

一个用于接收转角和/或转速传感器(70)的信号的接口，

一个存储器，在其中存储不平衡摆幅与不平衡量的关系的参考表和/或以一个算法形式的近似公式，及

一个补偿计算器，它根据参考表和/或近公式的数据产生用于机床驱动计算器的补偿数据。

16.在一个数控机床或类似机器中平衡转动工件的不平衡的补偿单元，具有：

一个用于接收不平衡传感器信号的接口，

一个用于接收转角和/或转速传感器(70)的信号的接口，

一个存储器，在其中存储材料切削量与不平衡量及转速的关系的参考表和/或以一个算法形式的近似公式，及

一个补偿计算器，它根据参考表和/或近似公式的数据产生用于机床驱动计算器的补偿数据。

17.根据权利要求15或16的补偿单元，它具有用于机床的工作计算机的接口卡形式。

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