CN1874869A - 机器改装 - Google Patents

Abstract

披露了通过机床主轴柄传输电力和/或信号。所述柄上的接头(340)可连接到主轴(210)上的轨道(24/22)。当所述柄在未知方向上插入所述主轴时，可用电路(例如图15)确定所述接头相对于所述轨道的的方向。

Description

机器改装

技术领域

本发明涉及在例如机床这样的机器内的电力和/或数据的传输，更具体地涉及(但不仅涉及)向电气附件供电和与其进行数据通信的装置，所述电气附件例如为装在机器主轴上的测量探针。

背景技术

当例如测量探针这样的电气附件布置在通常用作刀具的机床主轴上时，难以向所述附件供电，也难以提供到达和/或来自所述附件的信号通道。电池具有有限寿命，特别是向远程接收器无线传输大量探测数据时更是如此。同样，不希望在机器主轴周围安装具有额外电源或者数据传输的元件，这是因为这些元件会干涉以连续方式布置在主轴中的刀具，或者这些元件可能会与工件或者自动换刀机构相碰撞。

美国专利No.4,339,714中显示了一个包括安装在主轴周围的元件的机器的一个示例，所述元件向所述机器供电，并用于传输来自机器的信号。其它类似的设备显示在美国专利No.5,791,836和No.4,536，661中。

美国专利No.5,109,223公开了一种在机床内提供信号通道的一种布置。所述公开内容显示了机床主体具有一个以第一电感链路的形式到达可转动的主轴的信号通道。此外还显示了在所述主轴和测量探针之间横跨锥柄(5)的最宽部分的第二电感链路。探针安装在所述柄上。

在该专利中第二链路的布置不适合于现代机床，这是因为使用刀具时，由于例如高的刀具侧面加载以及高的主轴速度，所述圆锥的基座上的大面积高度受压。该第二链路的位置意味着，其可能受到正插入的刀具柄的碰撞，并可能从柄固定器上移开。因此，车床制造商将难以成功地改装其现有的机器设计以便结合所示的布置。同样，新设计也将需要另外加固件以便补偿由所示第二电感链路产生的缺点。

并且，如果链路太小，那么它们将不能传输足够的电力。因此，看起来有必要将第二链路布置在锥柄的较大端，以使其尺寸最大。此外，在小工具柄(例如直径小于或等于30mm)上使用第二链路将不是个实用的建议，这是因为柄上的链路将过小，以至于不能传输足够的电力。

为了使电感链路有效地运行，不应该用可磁化的材料(例如所述柄的金属表面)来分离美国专利No.5,109,223所提及的铁氧体元件。因此为了有效运行，在柄上的链路处，必须在柄的表面上形成遮断。这种遮断必须被密封住。在美国专利No.5,109,223的图1中所示的机床运行环境中的受压位置处，使非金属元件和金属元件形成密封非常困难。

该专利中图1的布置要求在工具柄和主轴之间相对定向。这种定向在机床中并不总能做到。图2的布置要求在前述高度受压位置处的柄中具有环形槽。

美国专利No.5,109,223中并未设想向探针传输电力。

国际专利申请No.PCT/GB2003/001677中所示的实施例解决以上问题，但并没有显示下列各项。

发明内容

按照本发明，提供了一种机床附件，包括柄，用于以可松开的方式将所述附件连接到机床的主轴上，所述柄能够沿多个方向连接在主轴上，并具有用于和所述主轴上的互补电接头(electrical contact)电气通信的电接头，所述附件还包括用于确定所述柄的接头相对于所述主轴上的互补接头的方向的电路。

本说明书中，电接头是提供物理导电接触从而产生通过电链路的导电通路的任何部件。第一链路描绘为本说明书中的第一元件，第二链路描绘为第三元件。

本发明涉及一种机床柄，所述机床柄用于将车床刀具或其它机床附件按可松开的方式安装到机床主轴上，所述机床柄包括以多个电接头形式的电链路的一部分，所述电接头如此布置使得每个电接头能够连接到所述主轴的柄接受区域上的多个互补接头中的任一接头上。

本发明涉及一种机床，该机床包括静止元件、具有柄接受区域的主轴、能够相对于所述主轴的任何方向或多个方向按可松开的方式容纳于所述柄接受区域的的柄、以及连在所述柄上的机床附件，还包括所述静止元件和所述主轴之间的第一电链路以及在所述柄接受区域的第二电链路，所述第二链路与所述第一链路电气通信，用以在所述主轴和所述柄之间提供可断开的电链路，以将电力或者信号提供给所述附件，其中，所述第二链路形成两个部分，一部分装在所述主轴上，另一部分装在所述柄上，其中，每个部分都具有用于在所述两个部分之间进行电气通信的多个互补接头，还具有电路，用于确定所述一部分的多个电接头中哪个接头与所述另一部分的多个电接头中的哪个接头进行连接。

本发明也涉及适用于上述机床或柄的测量探针。

优选地，上述的所述链路用于向所述附件供电。优选地，所述链路用于将信号传输给所述附件和/或从所述附件传输信号。

附图说明

现将参看附图说明本发明，附图中：

图1显示机床主轴的典型布置，所述主轴适用于向安装在其上的附件供电，以及将数据传输给所述附件和从所述附件传输数据；

图2～11显示装置的各种实施例，所述装置用于供电给所述主轴，并且用于向所述主轴传输数据或者接收来自所述主轴的数据；

图12和13显示用于沿主轴传输电力和信号的装置；

图14a显示的装置用于从主轴供应电力和接收/发送数据到装于所述主轴的附件上；

图14b显示如14a所示的装置的可选布置；

图15显示图14所示装置的一部分、以及用于确定主轴中柄的方向的电路；

图16显示图14所示装置的一部分、以及包含于使用电力和信号的附件中的电路；

图17a显示装置的另一实施例，所述装置用于从主轴供应电力和接收/发送数据到附件上；

图17b显示图17a所示装置的局部俯视图；

图18显示的装置用于从主轴供应电力和接收/发送数据到装于所述主轴的附件上；

图19显示和本发明一起使用的密封布置。

具体实施方式

参看图1，显示的机床200的一部分具有由马达220直接驱动的主轴210。所述主轴210中，锥形外壳230形式的空腔或柄接受区域用于保持刀具，或者保持如该图所示的测量探针100。现代机床具有自动换刀器。也能用其它附件代替刀具。所有附件将安装在标准工具柄360上。大多数标准工具柄为锥形(截锥体)构造。本发明将使用刀具以及一个或多个附件的圆盘传送带，并且将由程序来选择正确的刀具/附件。当要进行测量操作时，将从所述圆盘传送带选择测量探针形式的附件，并自动地将其装到所述主轴上。要么通过所述主轴的平移运动，要么(如果所述探针本身能移动的话)通过保持所述主轴不动而操纵所述探针，机器可移动到期望位置，所述工件能得到测量。

为了通过旋转构件(在该情况下是可连续旋转的主轴210)向机床200上的测量探针100或其它附件提供电力或信号通道，需要三个元件。第一元件是静止机器200和主轴210之间的电链路，用于横过旋转界面提供电力和/或信号连接；第二元件是沿主轴210的通道；以及第三元件是可断开的电链路，该链路从所述主轴210到达探针100或柄接受区域230的其它附件。

可布置上述第一元件(以下详细说明其各种不同变化)在许多位置处，这些位置的示例如图1中圆圈内参考标记1a、1b、1c和1d所示。位置1a已用点划线示意显示，该位置设置的旋转链路给出了信号通道S、电源P和(本例中)底座回线E。

参考标记1b显示所述第一元件的另一可能位置。在该位置1b上，机器与其主轴之间的链路将可能形成在马达220之内，并且将采用如下所述的定子和转子线圈的形式。

参考标记1c和1d显示所述第一元件的其它可能位置，所述第一元件可采用下述具有完全封装优点的任何链路的形式。

参考数字2表示第二元件，亦即沿着所述主轴连接第一和第三元件的电力和信号通道。该元件的可选实施例将在以后说明。

参考数字3同样表示第三元件的位置，亦即主轴210和探针100或其它附件之间的链路。该元件的可选实施例也将在以后说明。

图2～11显示提供从静止机器200到旋转元件(在本例中是主轴210)的电力和信号链路的各种方式。

图2显示具有两个环222和两个电刷225的滑环布置，一个提供电力和信号的组合(P+S)，一个形成公共回线E。电力和信号供应确定为通过沿主轴的绝缘通道I进行传输，公共回线E由主轴的剩余部分形成。例如可使用三个或更多滑环来用作分离的电力和信号通道。

图3显示机器到主轴的另一链路，该链路采用电感旋转变压器的形式。在这种变型中，交变电流通过静止变压器线圈235，并由旋转线圈230获得。该布置中只使用了一套线圈，但可使用更多线圈，例如两套。在该布置中，电力P和信号S结合在一个交变电流中，该电流通过绝缘主轴轨道I送到附件100，并通过主轴通道E返回。当使用非常高的主轴速度时，例如50,000rpm时，该旋转变压器更坚固，这是因为所述变压器的线圈在使用中将离心地推向侧壁250。这些壁在旋转期间将支撑所述线圈。

图4显示机器到主轴的另一链路，该链路采用单线圈旋转变压器形式，所述变压器具有轴向隔开的定子245和转子240。该布置按照与图3所示的旋转变压器相似的方式运行。

图5显示机器到主轴的电感链路，该链路采用具有旋转元件252和静止元件253的多线圈旋转变压器的形式。使用中能利用分离的电力和信号通道，在这种情况下，主轴上将需要由两个绝缘的通道IP和IS。在此使用了公共主轴回线E。

图6显示机器到主轴的另一链路，该变化链路采用具有定子265和转子260的旋转变压器与电容链路，所述电容链路同样具有定子元件275和转子元件270。信号S经过电容链路，电力通过旋转变压器供应。所述主轴具有两个绝缘通道IS和IP以及公共回线E。

图7显示机器到主轴的链路，该链路完全是电容性的。图中显示了定子290和转子295。在该示例中，存在电力通道P-IP、分离的信号通道S-IS、以及公共回线E。所述电力通道将必须具有较高电容，因此电容板280的表面面积应比信号通道板285的面积更大。

图8显示另一电容性的机器到主轴的链路。该变化链路具有径向延伸的板297/300，以提供比图6和图7中所示周向延伸的板可达到的面积更大的表面面积。该示例按照与如图7所示和如上所述的电容性链路相同的方式运行。图中显示了定子297和转子300。

图9显示又一机器到主轴的链路。该示例中，旋转变压器310用于电力传输。信号通道IS由主轴中的光纤315提供，所述光纤与光学机器模块(OMM)相互配合。主轴中的信号通道是通过使用中会旋转的光纤315。在静止的OMM和主轴的旋转元件之间存在小的间隙来通过光线。因此，形成了用于信号的旋转链路。可在主轴或附件中设置光学收发机来沿着光纤315进行双向通信。

图10和11显示光纤到OMM的链路的示例。图10显示纤维315，所述光纤315能通过静止的轴向发射器/传感器320传输和/或接收数据。图11a显示y形纤维315，所述y形纤维315能通过周向布置在其端部周围的静止发射器/传感器325的环来传输和/或接收数据。图11b显示纤维315熔合到盘316上，所述盘316也能通过静止发射器/传感器325的环来传输和/或接收数据。

图2所示的电链路是个接触链路，而图3～11b所示的电链路都是非接触链路。

图12和图13显示所述第二元件的示例，并显示了通过主轴210的具有拉杆孔330的部分。每张图上都显示了分别用于信号和电力的两个绝缘通道IS和IP、以及由主轴的剩余部分形成的公共回线E。在这些示例中使用两根导线来用于主轴的动态平衡。也可使用组合的信号和电力通道，因而就可以只需要一根导线。如果只存在一根导线，则要使用平衡物或不对称部件来提供平衡的轴。图中显示了两根绝缘导线，但是可使用多于两根导线。可选地或者另外地，一根或多根光纤可形成所需的信号通道。也可能完全省略光纤，因而在机器到主轴的链路和电气设备之间会设有直线光路。

电通路IS和IP可由任何不同的导电通道形成，例如由可能处于一个或多个凹槽中或者是卷在中心拉杆孔330内的柔性导电带形成。通过绝缘拉杆、在主轴或拉杆上形成的导电镀层的离散带、或者是主轴内或拉杆内的同轴绝缘管，可形成电力和信号通道。

图14a显示本发明第三元件的示例，亦即所述主轴和所述电气设备之间的可断开的链路。

探针100连在柄360上，该柄360可插入(通常是自动的)柄接受区域，该柄接受区域以锥形外壳230的形式处于主轴210的端部。导电轨道24和22提供用于向探针100提供电力和信号的通道，或者提供来自探针100的信号。所述轨道与其周围环境电绝缘。

当所述柄插入所述外壳230时，柄上的弹簧销340与所述轨道接触，并提供了到达所述探针的电力和信号通道。销340也绝缘于其支撑的周围环境。所述销邻近外壳230。图14b显示轨道22/24和销340的可选布置。在这种情况下，每个轨道22/24设置了三个销340。

图15显示了轨道24和22的供电电路。这些电路在图18中得到更详细的显示。所述电路可从接头22/24供电。

现在，如果不能控制所述柄相对于所述主轴的方向，或者所述柄可在两个或更多位置上随机定向，那么所述销相对于所述轨道的位置将无法得知或者是不确定的。为克服该问题，销340连接到电路360上，所述电路360将确定哪些销连到哪些轨道上。然后所述电路会切换所述销来提供正确的探针电路。

每个销连接多路受控开关350(亦即开关1、2、3或4)，所述多路受控开关350在该例中是固态开关，具有测试位置T，并且在该情况下还具有四个其它位置，其中两个位置用于供电P1、P2，而两个位置用于信号通道S1、S2。电路360包括控制器，在该例中所述控制器是微处理器，该控制器控制开关350并将每个开关350设置到初始测试位置T。在该位置上，通过轨道24供应的交变电流将在交替的半周期上，产生通过电阻R1、R2、R3或R4中的两个电阻的半波增压。通过每个电阻的电压V由微处理器监控。如果其对应电阻R1、R2、R3或R4上有电压通过，则微处理器将开关1、2、3或4中的第一个开关切换到P1位置。同样，如果其对应电阻R1、R2、R3或R4上有电压通过，则微处理器将开关1、2、3或4中的第二个开关切换到P2位置。

所述微处理器能接着将剩余的两个开关切换到位置S1和S2。

图16显示了简化的探针电路，其中开关350已经通过微处理器得到正确切换。负荷电路380通过开关1和2接入，信号通道通过开关3和4设置到发送和接收电路390。图15中，要注意，每个电连接24和21都是并排显示的。但是，如果它们对角相对布置，则不需要有电路来确定所述接头的方向，这是因为所述接头都聚集到了一起，使得它们的方向不再重要了。

图17a和17b显示了图15和16的装置的细部结构。由于图15和16中所示的一个或多个销340有可能会落入所述轨道24之间的间隙400中，如图17b所示，则较好的方式是设置5个销340，如图17a和17b中所示的1、2、3、4和5。下一步，至少一个销340将与每个轨道24/22接触，而不需考虑所述柄360相对于外壳230的方向。

在该细部结构中，必须修改电路360的运行。如前所述，所述电路将确定哪些销与电源连接。然后，所述微处理器能确定哪些销具有的阻抗与它们之间的变压器线圈55的阻抗相等(指示连接到信号通道S)、那些销的阻抗小于它们之间的阻抗(指示两个销在相同轨道上)、以及那些销是断路的(指示间隙400中没有连接销)。接下来，所述微处理器能正确地切换开关350，因而形成电路380和390的合适的连接。以上刚说明的技术可用于多个轨道和多个销。轨道和销的数目不需要相同。

图14～17显示了柄360上的弹簧销340以及主轴210上的轨道24/22。所述销和轨道的位置可以颠倒。任何类型的电接头都可以用来代替所示销和轨道。可采用任何合适数目的轨道和销等，但是为了简化起见，在主轴上优选地是具两个接头来用于电力和/或两个接头用于信号，所述主轴与装于所述柄上的5个销或轨道配合。

图18是代表用于图14～17b所示的装置的电气原理的示意图。两个电感链路用于提供静止外壳和所述主轴的旋转元件之间的通信，一个链路用于提供电力而一个链路用于传输信号(第一元件)。图中还显示了用于在所述主轴和所述柄之间进行通信的两个接头组21/22、24/25。所述链路的旋转元件显示在由点划线所界定的区域之内。每个电感链路由间隔微小的一对环形圈40/50(图18)组成，所述环形圈在该情况下是铁氧体圈，每个圈具有与其关联的导体线圈。所述铁氧体圈和线圈一起，在静止机器200和主轴210之间形成非接触电感链路。所述铁氧体圈和线圈可相对彼此转动。在该实施例中，两组铁氧体圈/线圈具有不同的直径DP和DS，因此一组能够布置在另一组之内。这意味着，能够节约机器的轴向空间。已显示的电感元件之间的间隔为围绕所述主轴的旋转轴的圆柱形。然而，间隔也可能在垂直于所述轴的平面内。

以上所示的接头必须在恶劣环境下运行。例如，使用机器冷却液，并且常常迫使所述冷却液通过通过所述主轴330(图1所示)的中心。这种冷却液会在所述接头上引起电接触问题。为了缓解该问题，可设置密封。

图19显示了称为BT40柄的锥形柄。接头22和24布置在柄360周围。装在接头340附近的密封362防止来自所述主轴中心330的冷却液泄漏到接头22/24/340上。当柄360插入到主轴空腔230时，所述密封开始起作用。在可选布置中，密封362可装到柄360上。

通过测量探针所安装的机器向所述测量探针供电和/或提供信号通道的优点在于：

探针中只需要很少或者不需要内部电力；

由于不需要电池盒以及传输块，使得探针更紧凑；

不需要操作员来更换电池；

与机器的主轴外所使用的无线电或光数据传输系统相比，所述接头、电感或电容性的信号链路受到外部干扰的可能性较小；以及

由于没有使用机器外部的元件，当不使用探针时，不会存在多余元件来干扰机器的其它运行。

虽然本发明已根据其对机床和测量探针的应用进行了说明，但是本发明有许多其它应用，因此本发明并不试图局限在该领域。例如，适于在旋转的机器元件上容纳电气设备并能够向所述设备供电或者提供与所述设备进行信号往来的通道的任何机器中，都可以使用本发明。

可与所述旋转元件一起使用的、不同于探针的其它附件的例子有：机器人夹子或工件操纵器；激光去毛刺工具(可铰接)；激光钻孔机/靠模工具机/雕刻机/表面硬化机；照相机，例如用于测量光洁度或用于监视工具断裂；尺寸调整工具、工件清洁器(例如真空吸尘器)；电磁铁；高速马达(例如用于去毛刺)或具有辅助装备的工具，例如磨损、偏斜、断裂、识别、以及使用记录设备，或者是温度、切削扭矩或振动监测设备。

可以使用的不同探针的例子包括：扫描探针，例如模拟探针或数据流探针；触发探针；非接触探针，例如照相机或激光探针或表面结构探针(surface texture probe)；此外，通过将可移动的探头装到上述柄上，所述探针能够进行铰接。

所述附件可包括数据存储，并且可读取或重写所述数据。存放的数据可包括识别信息(其中使用了工具以及辅助装备)和工具的几何形状或使用信息。

说明书和权利要求书中涉及柄。此中，所述术语“柄”意味着包含适于按可拆卸方式连接机器旋转元件和附件的任何接头(例如外螺纹接头或内螺纹接头)

目前有几种标准的工具柄设计，亦即装入机床的主轴端部的工具部分。如图1和图14～23所示的探针100只显示了两种柄(HSK和BT40)。因此，替代例如探针这样的工具使用的任何附件，可能需要几个不同的柄来安装所有这些机器，所述机器具有适于供电或传输信号的主轴。因此，本发明的一个特征在于所述柄本身，亦即在所述附件和所述机器的旋转元件之间的接头，虽然在一些附图中所述接头已描绘为与探针形成一体的柄，但所述接头可能是分离的部件，该分离的部件可以从许多设计中选择出来，以便适应于其上要使用所述附件的所述机器，但是所述分离的部件将具有向附件供电和/或提供信号通道的能力。

在此说明和显示的这些柄预期在使用中安装到机器上。然而，它们也可以脱离机器使用。例如，虽然脱离了所述机器，但是所述柄上的接头可用于提供为测量探针等元件保温的预热电流，使得在测量中不存在由热引起的误差。另一个例子是，在所述接头连接到机器上之前，通过所述接头将工具数据，例如几何形状、工具设置信息、预期使用、齿的数目等，上载到工具中。

权利要求书涉及到主轴。在此，所述术语“主轴”意味着包含在机床上适于可旋转驱动和固定工具的可连续旋转的部件。

说明书和权利要求书中所使用的“链路”意味着包含所有电连接，不论是串联还是并联、单通路还是多通路、接触还是非接触。

所述信号优选地以1～100MHz之间的频率传输。这个频率范围所造成的损失较低。所述电力优选地以频率大于20KHz(优选地是大约100KHz)的交流电传输。在该频率或更高的频率下，在所使用的任何接头之间很少发生电解腐蚀。为了进一步减少接头上的腐蚀，所述接头可以用钨制成。尽管当使用20KHz或更高频率的交流电时腐蚀很少，但是也可使用短脉冲电力以便消除使用中特别是在信号通道S中的任何腐蚀。

Claims (13)

1.一种机床附件，其包括柄，用于以可松开的方式将所述附件连接到机床的主轴上，所述柄能够沿多个方向连接在所述主轴上，并具有用于和所述主轴上的互补电接头电气通信的电接头，所述附件还包括用于确定所述柄的接头相对于所述主轴上的互补接头的方向的电路。

2.如权利要求1所述的机床附件，其中，所述主轴能够围绕轴旋转，并且所述附件的所述柄能够在围绕所述轴的任何方向上连接到所述主轴。

3.如权利要求2所述的机床附件，其中，所述柄上的接头数目大于所述所述主轴上的互补接头的数目。

4.如前述任一权利要求所述的机床附件，其中，所述电路包括多个多路开关，其能够切换以便适当地设定接头通路。

5.如权利要求4所述的机床附件，其中，所述电路包括电压或电流检测设备，用于检测通过所述接头的电压的存在、或者用于检测流过所述接头的电流、以及用于引起所述开关进行适当地切换。

6.如权利要求4或5所述的机床附件，其中，所述电路能用于检测通过所述互补接头的阻抗。

7.如前述任一权利要求所述的机床附件，其中，所述接头提供通道，用于所述附件的供电以及与所述附件的信号往来。

8.如前述任一权利要求所述的机床附件，其中，所述电路由电源从所述接头提供电力。

9.如前述任一权利要求所述的机床附件，其中，所述接头包括至少三个接头。

10.如前述任一权利要求所述的机床附件，其中，所述柄包括公圆锥，并且所述接头布置在所述圆锥之上或布置在其附近。

11.一种机床，所述机床包括：

静止元件；

可旋转的主轴；

以及具有柄的机床附件；

所述主轴具有柄接受区域，所述柄接受区域用于在多个方向上按可松开的方式容纳所述机床附件的所述柄；

所述机床还包括所述静止元件和所述主轴之间的第一电链路、以及在所述主轴和所述柄之间的第二电链路，所述第二电链路采用所述柄上的多个电接头以及所述主轴的所述柄接受区域处的多个互补电接头的形式，所述电接头布置为使得每个电接头能够与所述互补接头中的任何一个互补接头连接。

12.如权利要求10所述的机床，其中，所述附件与权利要求1～9中的任一权利要求所述的附件相同。

13.如权利要求12所述的机床，其中，液体密封设置在所述柄和所述主轴之间。

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