CN1835822A - 刀具磨损纠正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用设置有至少一个刀刃(3)的旋转刀具(2)来加工工件(1)的方法，在这个方法中，加工过程以预定的时间间隔被中断，刀具(2)被移离工件(1)，接着对刀具(2)执行磨损测量，其特征在于，在磨损测量之后，刀具(2)至少返回其中断之前所占据的进给位置，加工操作继续进行，接下来在一段时间间隔内刀具连续进给以补偿测量出的磨损。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有自动纠正刀具磨损功能的工件加工方法。详细来讲，本发明涉及一种具有独立权利要求所描述的特征的方法。
背景技术
当对工件进行磨削加工或铣削加工时，刀具上会有加工过程造成的磨损。这个磨损导致刀具切削几何形状的改变，从而在加工的工件上产生尺寸偏差。在诸如磨削和铣削的加工过程中，刀具上发生的磨损是一个连续过程，且磨损是不能预先测定的。
为了避免工件的偏差过大，众所周知的是，中断加工过程且使用机器中相适配的测量装置来自动测量刀具和/或工件。
其后刀具的进给量得到纠正，从而以想要的方式把工件表面加工到精确尺寸。当超过规定的磨损公差限度时，刀具可以被所谓的同型刀具替代以继续加工操作。这样的同型刀具与原来的刀具相似。
在指定的机器中，例如在平磨床(flat grinding machines)中，已知在加工操作过程中有刀具或磨盘的连续控制。这样的连续控制被用来在加工过程中通过机器中的连续进给(feed)在控制器中连续地纠正磨损。然而在许多机器中，这样的方法是不可行的，因为从技术上说，在加工过程中是不能对刀具的几何形状进行测量的。在这样的机器中，必须中断加工过程来测量刀具。
然而，这个方法的缺点是磨损的测量带有间隔性而且具有延迟。在表面加工时间短的机器中，例如车床，因为在连贯的区域被加工后刀具总是可以被测量的，这不会产生什么影响。
然而在加工区域需要较长加工时间的机器中，例如刀具和模具的铣刀，中断加工区域的加工、刀具的测量和接着用测量的磨损对刀具进给量作纠正，会导致待加工区域上产生台阶，这需要以后进行大量的手工清理工作，例如抛光来消除。
在许多应用场合，尤其是刀具和模具制作中，需要加工的表面的特定尺寸公差范围很严格。表面还必须达到抛光质量。因此，已经在加工刀具上试图制作在公差范围内并达到尽可能高的表面质量的表面，尤其是不能有讨厌的台阶。
发明内容
本发明的目的是提供一种上述类型的方法，它设计简单、执行可靠，还可以纠正磨损而没有现有技术的缺点。
根据本发明，这个目标由独立权利要求的特征组合而达到；从属权利要求显示本发明的进一步有利配置。
因此，根据本发明，刀具在磨损测量后至少回到中断以前它占据的进给位置，而加工过程继续进行，其后刀具在一段时间内持续进给以补偿测量出的磨损。
因此，本发明可以在加工表面时为了测量刀具而不限次数地中断加工过程并在控制器中纠正测量出的磨损，使得表面上没有不需要的台阶形成。结果，在加工过程中可以产生更窄的公差和更好的表面。
为此，在控制器中使用了一种蠕动(creeping)纠正。加工过程中断后在高精度的测量装置中测量加工刀具的磨损。测量装置可以是比如激光挡板(laser light barrier)或者记录与旋转刀具相接触时发出声音的测量装置(测量钻石)，由此检测刀具的尺寸。
根据本发明，在测量操作结束后，加工过程首先继续进行而不进给用测量出磨损纠正的刀具(刀具轴)。例如，避免了在被加工表面上产生台阶。此外，可以选择能够被机器的操作人员自由选择的“蠕动”纠正。机器轴的进给量的必要纠正就这样在加工过程中连续地进行。
在磨损测量完成和刀具再次进给后，刀具也可以回缩一个预定的量，使得刀具平稳地进入工件表面。同样方法也可以用到刀具变化上。
纠正过程的速度可以通过加工路径或加工时间来确定。此外，速度可以根据测出的总磨损或根据测量单位来确定，诸如以0.001mm，就是说0.001mm/min来界定。
这里也可以这样，纠正速度选得很慢，使得当为了作下一个磨损测量而下一个加工过程的中断已经在进行时，这个纠正还没有完成。在这种情况下，可以向操作人员产生出错信号(error message)或警告信息或者把新的磨损测量和还没有完成纠正的前一个测量而得的磨损纠正叠加在一起，而让蠕动纠正根据叠加的纠正值继续进行下去。
在某些应用场合中，工件总是只由刀具边缘上的一个点来加工的。根据要被加工的区域的倾斜度，所述点沿着刀刃移动到各个地方，例如在用球形铣刀加工自由形状的表面的情况下。其后，磨损不会在刀刃上均匀分布，而是根据刀刃上各个独立的点的啮合时间长短来决定的。因此，在这种情况下有必要测量整个刀刃，例如逐段进行。不仅检测刀具的一个磨损值，而是沿着刀刃检测。在具有好几个刀刃的刀具中，刀具的旋转会造成包络体。在刀具测量过程中，会测量由所有刀刃的最高点所形成的包络体。
在这种情况下的磨损纠正，也就是机器轴的进给，必须考虑到各个当前正在加工的刀刃的啮合点。本发明的蠕动纠正只能对刀刃的这个啮合点起作用，因为，如果啮合点的变化总是在刀刃上，台阶会再次出现。因此，本发明提供了一个细分到小部分的刀刃的视图，例如经过支撑点的栅格。进给是在垂直于工件表面的方向进行的。因此，必须知道工件表面的方向。这通常可以经过在加工程序中输出的面法线向量来说明。
例如在铣削加工程序的情况下，如果不能通过法线向量从加工程序中知道刀刃的啮合点，也可以按照本发明来计算在控制器联机加工中的加工进程，就是说，好比在控制器内部模拟它，好像从模拟程序中知道一样。当然，为此，刀具的几何形状是必须知道的，例如通过测量。因为一直在计算材料的切除，所以只要知道刀刃正在切除哪些材料和啮合点位于刀刃的何处，就可以联机计算出来。所说的点可以用来纠正磨损。
在本发明中，材料切除的联机计算也可以用来为刀具测量控制加工过程的中断间隔。当控制器计算到很大量的材料被切除时，会更频繁地进行测量。
一种稍粗略的方法是平均法。在这种情况下，磨损也是沿着整个刀刃测量的，但是计算的是平均值。于是根据这个平均值进行“蠕动”纠正。也可以决定只在一根轴上进行纠正，如主轴上。在这种情况下，即使磨损在一点上测量，例如刀具尖端，也就够了。如果不知道控制器中的啮合点，且由于也没有计算过表面倾斜度，这个步骤是需要的。
磨损测量的间隔和由此需要的加工过程的中断可以通过加工路径或加工时间来确定。也可以把各自上一次磨损测量的结果作为直至下一次测量的间隔时间的量度。举例来说，可以实现一种自我调节过程，高磨损时测量被执行的更加频繁，磨损小时测量被执行的比较少。
按照本发明的“蠕动”纠正也可以以一种线性方式来进行。然而，其他任何需要的数学函数也是可用的。
在整个加工操作过程中，加工刀具的整个磨损也可以根据本发明计算出来。如果刀具的总磨损超过由操作人员预定的公差，加工过程将不再使用所述刀具继续进行下去，因为所述刀具磨损太大，将不能进行正常的切削操作。在这种情况下，刀具可以自动地由同型刀具所替代。
而且，从一个测量到下一个测量的磨损的过度增加可能会使得刀具被分类为过量磨损，且加工过程不是被一起中断就是由相应的同型刀具继续进行。
在某些加工操作中，刀具在加工中稍微偏离一点，也就是，刀具被切削力压离工件表面，导致不想要的公差，如长铣刀进行横向加工操作。偏离可以随着磨损而变化，也就是，在新的锋利的刀具中，偏离小于略有磨损的刀具。当然，这样的偏离也导致工件上的尺寸偏离。根据本发明，这样的与磨损有关的偏离可以在通过储存在控制器中的经验数据附加地被考虑到“蠕动”磨损纠正中。在这种情况下，为补偿随着磨损的增加而增加的偏离，磨损会得到略微过多的补偿。
在机器中使用同型刀具是众所周知的。当超过一定的磨损限度时，同型刀具就自动地被用作替代物。在这里磨损是如上所述以一定间隔测量的。当超过由操作人员预定的或储存在控制器中的刀具的磨损公差时，机器自动地将相同几何形状的同型刀具作为替代物，然后用所述的同型刀具继续加工操作。为了保持窄的公差，已知控制器在加工程序中回到上次磨损测量的地方，且从所述的地方继续加工操作。举例来说，工件上加工过程中磨损超过公差的区域重新用新刀具加工来补偿被超过的磨损公差。然而，在这个方法中，工件表面也会形成台阶。这是因为新的同型刀具比之前的刀具锋利。当加工操作在上次测量的地方开始时，新的锐利刀具的切削力较小，因而以较轻的程度被压离工件表面，结果，切除更多材料，因此在工件表面的所述地方形成台阶。
根据本发明的“蠕动”进给，也可以避免在使用同型刀具时工件上产生这样的不需要的台阶。新的同型刀具如上所述在上次刀具测量的程序位置开始加工操作。然而，加工操作从小的刀具纠正开始，以使得新的同型刀具开始时并不切除材料，因为这个区域已经被之前的刀具加工过了。因此，它保持在稍为高于工件表面的位置。在程序运行过程中，再次进行缓慢的进给运动，也就是说，刀具纠正被缓慢减小，从而刀具缓慢地接近被之前刀具加工成的材料表面，最后非常缓慢地伸入材料，开始切除一些材料。从而生成一种近乎切向的过渡，因此避免了不需要的台阶。在本方法中，没有必要精确地在上次测量的地方用同型刀具继续加工操作。为了有足够的加工路径来进行缓慢进给，可以回到加工程序中更往后的地方。
在许多应用场合中使用了不同尺寸的加工刀具。这是如在进行铣削任务中必须加工位于相对大的表面旁的小内径时需要的。在这些情况下，大表面通常使用大直径的刀具来正常加工，使得加工时间不会过长，且为了得到良好的表面质量，刀具路径之间的直线间隔不必太窄。加工小内径时，使用小半径的刀具。工件表面上不需要的台阶大多数情况是由于刀具的变化而产生。这些台阶是由于刀具测量中的公差和切削力的不同以及其他因素造成的。它们不能被一起避免。在工件上可靠地避免台阶的一个可能性是较小的连续刀具的“蠕动”进入。在相似于同型刀具的说明的方式中，刀具开始加工工件表面上之前已经被较大刀具加工过的区域中的小内径，而且保持稍微高于工件刀具。加工程序其后配置为加工刀具缓慢地(例如成线性)移向小半径，再次发生“蠕动”供料运动，使得小刀具非常缓慢地进入工件表面，并建立几乎切向的过渡。
根据本发明，当所述刀具又邻近之前使用较大刀具加工过的表面时，同样方法可在加工操作结束时用于较小刀具。不是突然完成加工操作，加工程序要进入之前被较大刀具加工过的工件表面的区域，机器在加工中要非常缓慢地增加刀具纠正量，以使得使用较小刀具加工的工件表面在用较大刀具加工的工件表面接近切向退出。
附图说明
下面结合附图参考实施例来说明本发明，其中：
图1是使用处于离开状态的刀具来加工工件的加工情况的示意图；
图2是根据现有技术的误差纠正的说明图；
图3是根据本发明的误差纠正的说明图；
图4是刀具相对于工件的运动示意图；
图5是刀具相对于工件表面的进给方向的示意图；
图6是本发明的加工过程中的弧形工件表面的说明图。
具体实施方式
图1是被旋转刀具2(铣刀、磨具，等等)加工的工件的示意图。刀具2的面端带有至少一个刀刃3。
图1显示一个被旧刀具加工过的加工区域1a。这就是为什么在区域1a中的材料切除量太少的原因。区域1b显示一个材料切除量正确的加工区域。图2中显示的高度差造成区域1a和1b之间的一个台阶5。台阶5的高度差是由于在现有技术中中断表面1a的加工以及对刀具的测量而产生的。发现所述刀具没有被向工件1的方向被施加足够的进给，差一个高度差的距离(见图2)。因此，增加了进给量。虽然这生成了表面1b的正确尺寸，但在进一步的加工中形成了上述台阶(见图2中的水平箭头)。这个台阶必须在以后再加工处理。
图1显示了根据现有技术在加工过程结束和刀具2已经离开后的加工操作。图2显示了在后续加工操作过程中根据图1的加工操作。标号1c是指沿刀具2的移动方向还没有加工过的区域。如图2所示，在磨损测量进行以后进给量改变了一个高度差h的量。这形成了台阶5的边缘。
图3显示了改进的情况。沿整个路径长度L进行“蠕动”纠正直到刀具2被进给来补偿高度差h。由此，避免了边缘或台阶5的形成。如上所述，长度L可以通过路径、加工时间或加工速度来确定。
图4示意性地显示刀具2相对于工件1的表面4移动的弯曲方向。
图5显示具有凸面4的工件1。可以看出，刀具2(未显示)的进给方向是工件表面4的法线方向，即垂直于工件表面4。
图5以示意性视图显示了法线向量。
图6显示具有凹弯或凹边的工件1的情况。图示的操作顺序显示了具有半径较小的刀头从而适用于加工凹边的刀具2(未显示)进行加工的过程。看得出来，在使用替代刀具2的过程中采用“蠕动”式进入进给和在替换刀具之前采用相应的“蠕动”退出，就可以避免台阶或边缘。
Claims (18)
1.一种使用设置有至少一个刀刃(3)的旋转刀具(2)来加工工件(1)的方法，在这个方法中，加工过程以预定的时间间隔被中断，刀具(2)被移离工件(1)，接着对刀具(2)执行磨损测量，其特征在于，在磨损测量之后，刀具(2)至少返回其中断之前所占据的进给位置，加工操作继续进行，接下来在一段时间间隔内刀具连续进给以补偿测量出的磨损。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了补偿测量出的磨损，刀具的连续进给速度和/或时间长度通过加工路径确定。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了补偿测量出的磨损，刀具的连续进给速度和/或时间长度通过加工时间确定。
4.如权利要求1至3中的任意一项所述的方法，其特征在于，为了补偿测量出的磨损，刀具的连续进给速度和/或时间长度通过测量出的磨损确定。
5.如权利要求1至4中的任意一项所述的方法，其特征在于，如果为了补偿测量出的磨损的刀具连续进给在进行下一次磨损测量的预定时间间隔结束之前还没有完成，就发出一个出错信号和/或警告信息。
6.如权利要求1至5中的任意一项所述的方法，其特征在于，磨损是沿着刀具(2)的整个刀刃(3)测量的。
7.如权利要求1至5中的任意一项所述的方法，其特征在于，磨损纠正是沿着刀具(2)的刀刃(3)对各个小段逐段进行的。
8.如权利要求1至5中的任意一项所述的方法，其特征在于，磨损是在刀具(2)的旋转过程中形成的包络体上测量的。
9.如权利要求1至8中的任意一项所述的方法，其特征在于，为了纠正磨损，刀具(2)是沿工件表面(4)的法线方向(垂直方向)进给的。
10.如权利要求所述9的方法，其特征在于，垂直于工件表面(4)的进给是根据由加工程序预定的刀具(2)的刀刃的啮合点来进行的。
11.如权利要求所述9的方法，其特征在于，垂直于工件表面(4)的进给是根据与各自的材料切除有关的刀具(2)的刀刃的啮合点的联机计算结果来进行的。
12.如权利要求1至11中的任意一项所述的方法，其特征在于，预定的时间间隔是根据刀刃(3)的各个当前材料的切除情况来决定的。
13.如权利要求1至12中的任意一项所述的方法，其特征在于，当达到刀具(2)的预定最大磨损量时，进行刀具更换。
14.如权利要求1至13中的任意一项所述的方法，其特征在于，一旦刀具(2)进行更换，加工操作在之前中断的地方继续进行，并以较小的值开始继续进给，从而刀具(2)在进给开始时不与工件表面(4)相啮合。
15.如权利要求1至13中的任意一项所述的方法，其特征在于，对工件(2)的磨损进行测量后，为了补偿由于磨损造成的误差，进给是在稍为高出一点的水平上进行的，以补偿刀具(2)的塑性变形。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，为了补偿刀具(2)的横向偏离，还要相对于工件(1)的表面(4)作横向和/或法向的附加进给。
17.如权利要求1至16中的任意一项所述的方法，其特征在于，连续进给是以线性方式进行的。
18.如权利要求1至16中的任意一项所述的方法，其特征在于，连续进给是以非线性方式进行的。
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