CN85105480A - 针尖接触式探测系统 - Google Patents

Abstract

一非切削工具或针尖(32)安装在某一位置，该位置是数控机械加工系统的转塔(26)，一般情况下，工具装于其上，针尖对于旋转的工件(41)有摩擦。从工件(41)发出的摩擦振动用一加速度计(62)作为触碰信号而测出，加速度计的输出信号经整形送至数控装置(46)。例如，直径的测量是这样进行的：直接触碰在机床中心线(14)二侧的工件上相对的二个点并计算其差以得出直径的测量值。

Description

本应用是同互有联系的应用系列NO.-（G.E.DOCKET21-NU-3405）有关的，它的题目为“工具接触探测系统的数据参考”，填上了姓名R.K.-，他被指定为发明的受托人。

总的来说，本发明是关于闭路数字控制的机械加工系统，特别是关于接触式探测系统和量测技术。

有关自动精密机械加工的技术发展得很快。完全由手动操作的系统已大大地被新技术装备起来了，因而，零件的加工是用一种通用的，数字控制的机器系统来完成的。尽管切削或别的除掉材料的方法在这种系统中是自动的，但仍需要大量的手工操作，主要是测量加工的尺寸并且用普通的数字控制切削机偏差作切削的调整等。这些切削工具的人工测量和调整要考虑大量的变量，如：切削工具的磨损;切削工具的重定位及/或更换;以及切削工具尺寸的变化，还有由于受热、加负载后的变形等加工设备本身及工件所受的影响等。

用一个例子，若用一台数控（NC）机床如车床来完成一典型的操作时，某些调整，如工具偏差的调整，必须由操作人员把机器调到加工该特定的工件或部件后才能实现。在开始加工之前，操作员必须把切削工具引向工具夹住的表面并由手工测量工具同参考表面之间的间隔来决定工具的位置。这通常用填塞片或类似的东西来做的，且这种测量形成了手工工具偏差测量的基础。车床上有工具夹持装置如多位工具转塔，这种操作必须对每个工具分别地完成以及对机器的每个运动轴都需要单独地来完成。在对某一特定工作的表面作最后的精加工之前，要用手拿的量具测量半成品工件表面的各种尺寸。这就使操作人员可决定在精加工时所需的切割工具的偏差，在精加工之后，再次用手拿量具检验工件，以便测定精加工表面所要求的尺寸同实际尺寸之间的一致性。

上述手工操作每次都是很费时的，为了把一特定工件加工至所需的尺寸总是要耽搁许多时间。这就限制了机械工具的加工能力。考虑到目前车床或铣床（加工中心）的价格，机械工具的任何加工能力的降低都是一个重大的经济问题。而且，所有这种手工操作都为制造过程中人为的误差开了绿灯。

作为一般的认识，前面这一问题的解答是把切削工具的手工测量和手工调整自动化，例如采用计算机操作的数字控制系统，在这种系统里，计算机可以安装在远离数字控制机床处或可结合在其中，如微处理机即可装在机床上。或者，可由数字控制单元远程提供计算功能，或也可装在一起，不采用普通的数控系统那样，把存储在带上或其它类似介质上的成批数据逐一送出，计算机数控系统能存储整个程序并按所需的顺序调用它们，并可增加或删除一些模块来进行程序编辑，并实现偏差及类似数据的计算。

尽管全自动系统在精密加工发展的这一阶段还未被广泛采用，但至今已进行了大量的开发工作，多数是属于专门目的，重复完成单一的机械加工操作。大家也知道要在加工设备的床上或可以搖摆的枢轴的臂上安装一种触碰探测式的传感器。记下工具接触上探针时的位置来定出切削工具相对于探针的位置。从观察到的所要求的位置和实际位置之间的偏差可决定一补偿偏差，并把它存储在有关的计算机数控装置的存储器里，该偏差补偿了给定的接触位置同实际接触位置之间的差。

具有上述特点的一种系统和方法发表在美国专利NO.4382215题目为“精密机械加工的系统和方法”中，这是在1983年5月3日颁发给ALLAN R_oBARLOW和WILLIAM A_oHUNTER的专利权并作目前应用分配给受让人。就如在本专利中所说，一种称为“RENISHAW一三维触碰探针”的触碰探针装在夹具上。上述的探针先是对数据或参考表面标定，然后用来标定工具传感器探针。剩下只是用工具传感器探针接触来对选定的工具的切削刃进行标定。由这些操作结果得出的初始工具偏差存放在数字控制装置里，在机械加工之后，部件敏感元件探针再次标定并再用来探测工件的加工表面，所获得的信息决定了所需的精加工的最后偏差。随后，加工完的表面可以进行检测以测定其与所需尺寸的一致程度。尽管在结构上很简单，对某一类要测的参考数来说触碰探针必经专门设计，可从销售商那里购得商业产品的探针，不仅贵且易损坏而且不能满足所有的切削形状。

另一接触探测的例子见美国专利4，195，250题目为“数字控制机械工具的自动测量和工具位置补偿系统”一文，它是在1980年3月25日颁发给T.YAMAMATO的。在这份专利中，一针尖在数字控制下的移动交替地同工件相接触，采用了数字式测量系统产生一连串测量脉冲，代表了针尖移动量，当针尖接触工件，电压就变化了，因而就启动脉冲的产生，如此，以针尖接触工件来使脉冲串开始及结束，脉冲的计数值就转换为所需尺寸的测量值。若系统中采用了美国专利4，195，250中所发表的装置，则总的系统的复杂性就增加了，因而随着不利的影响的到来系统的可靠性将减少。在系统的实现中价格也是一个主要问题。

因此，本发明的目的是为了在机械部件的测量方面提供一种改进。

本发明还有一个目的是改进用在闭路数控机械加工系统中的触碰探针系统。

本发明的另一个目的是提出一种新的改进的能自动精密加工工件的系统，它利用了结构上相当简单且经济的装置。

简单地说，上述和其它的目的是由非切削工具或针尖来实现的，该非切削工具或针尖是装在数控机械加工系统如车床的转塔上的。针尖包括位于一桿的一精密硬质合金小株所组成，该桿卡紧在象工具夹持器那样的部件上。当针尖上导珠同转动着的工件摩擦时，装在转塔上的加速度计就测出“摩擦”振动，加速度计的输出信号由一旋转的藕合器加至一信号整形器上，然后加至数字控制装置上并利用这信号。例如，把针尖放在二个位于机床中心线两边的对着的接触点然后把此两测量值相减而得所要的测量值来测量工件的直径的。

对某一类切削来说，针尖可能会无意地触碰沟槽边缘，故应当用特殊形状的针尖。

各图的简介

本发明已在所附的详细说明并成为它的一部分的申请专利范围中所规定好了。当参考下面的图一起来看时就会有一个更好的了解。

图1是已经加进了本发明特点的水平六角车床的简化正视图;

图2是图1所示的六角车床的简单顶视图;

图3为有助于理解本发明的特性曲线;

图4为用于图2中转塔上的一种针尖的具体形式的部份透视图;

图5是一简图，它画出了按本发明所做的直径测量的方式;及

图6为一电路方块图，画出了图1和图2中所示的装在转塔上加速度计与图1中数控装置之间的电信号通路。

现在来参考图，特别是图1和图2，图中表示水平六角车床机械系统的简化图。典型的六角车床的操作是沿互相垂直的二个轴，X轴和Z轴进行的，X轴指向横跨机床床身的轴，而Z轴则沿床身的长度，如图中所画，车床床身包括框架10，上有二根导轨12和13，它沿Z轴延伸，并行于Z轴的是中心线或车床主轴16的旋转轴14。一滑板或横向横块18可滑动地安装在导轨12和13上，且能沿Z轴以正向（向着工件，-Z）或反向（离开工件，+Z）来定位。滑板18沿Z轴的定位是由一导向螺丝实现的，它在图中未画出，但可由普通的直流定位电机驱动。

而且，滑板18还带有一对横向滑道21和22，在滑道上装有一十字形滑块24，它可自由滑动，故能沿X轴定位。十字滑块24在X轴上的定位也是用导向螺丝来实现的，导向螺丝由直流定位马达驱动。每个电机或导向螺丝上都有普通的解算器或编码器，以便用来提供反馈信号，指示相应部件的旋转位置，这些反馈信号代表了滑板18及十字滑板24分别沿它们本身的轴的直线位置，或者可用适当的电子或光电编码装置，来提供表示滑板18和滑板24的线性位置。

转塔26装在十字滑块24上，它具有多个安装工具的位置28，每个位置上都可以安装工具夹具或触碰探针的夹具。在图中所表明的结构来说，在工具位置28上，总共可安装8个独立的切削工具或触碰探针。采用一种指示的办法来旋转转塔26，就可如图中那样把每个工具或探针转到操作位置。在图1和图2的具体实现中，图2所画的是简单的转塔图，上带一简单的工具夹30，其上有切削工具29及二个针尖夹具31，夹具31中装有二种针尖探针32，这在下面还要再介绍。

图1中所示的机床床身上还有主轴驱动装置及齿轮箱34，它们装在床身的一端。旋转的主轴16伸出在驱动装置及齿轮箱组合件34之外并带有一卡盘36，它有一组夹片38以便夹住工件41。主轴16还包括一主轴突起或表面40，它贴近卡盘36。表面40的平面与主轴的轴线14的交点规定为原始“0”位置或原点，从该点特定的机器工具的制造商建立了机器零件和切削工具的位置的指标以便对系统进行编程。当所有的程序位置都参照原点而定标时，机器工具的测量系统本身总是从相对于发源地算起或量起。后者的位置通常远离主轴突起和曲线，因为滑板18及十字滑块24是能动的。

卡盘36，同已有的工艺技术一起，其结构包括一基准环，至少有一对基准面或参考面的位置，它们分别垂直于X和Z轴。每一这样的表面定位在已知的标定好的离“0”位的一距离处。如图所示，卡盘36的外圆柱面42构成了一个参考面，而卡盘面44则为另一个参考面，当需要一专门的基准时，可以用上述作为参考的有关应用。美国系列号NO.-（G.E.DOCKET    21-NU-3405）中所披露的柱22。

在图1中数控（NC）单元46在系统中是用电气藕合到许多不同的部件如直流定位马达、解算器、声传感器等上的，数控单元46包括一磁带机48，它适于存储为加工工件用的工件本身的参数及机器控制信号。如，可编一段程序用来：给出转塔的位置，在加工时打开冷却液;使主轴按选定的方向和选定的速度旋转;为了标定和测量而规定一顺序或步骤来移动探针或工具，以便用滑板18及十字滑块24的定位进行切削;还有各种其它目的。磁带上还可以包括各种数据如所需的要加工的特定表面的尺寸及每个尺寸所允许的加工误差，还有某些有关工件尺寸的参数，这些部件是要加工并要用特殊工具的。

数控单元46中可加一计算机，如微处理机，它可响应磁带上的存储码字，这样处理机就可产生适当的控制信号，并把该信号送至如直流定位电机，它将对磁带命令产生效果。微处理机也对由各种探针操作所获得的数据进行处理，并计算偏差，由这种偏差可得出由加工程序所实现的切削操作的修改量。所有这些功能，如需要的话都可由一远程计算机来完成，譬如说有一台中央计算机的分布式控制系统，故被处理的数据送入单元46，然后它产生一适当的控制信号，正常情况下，计算能力保持在数控单元46中。

探针操作接收来的数据中，解算器来的反馈数据、及通过程序本身装入的数据都由微处理机来计算前述的偏差。由处理的数据所得出的马达控制信号同从各马达解算器或从其它位置反馈装置来的位置反馈数据进行比较。建立了一闭路系统，它根据对二信号的比较而得出差值来控制工具的切削刃的位置或测量探针的位置。数据单元46也可用来计算、显示并打印出工件的具体尺寸及从程序来的值计算偏差并显示适当的所允许的加工误差。在一较好的具体实现中，数控单元46是用G。E公司的产品来组成的叫做2000计算机数字控制。

若需要图1所示加工系统的全面操作的更为广泛的资料及所用的软件的资料，大家可参考上述BARLOW及今作者的美国专利4，382，215。

在上面所谈到的有关应用系列号NO.-（G.E.DOCKET    21-NU-3405）题目为“工具触碰探针系统的参考数据”，其中切削工具本身用来作测量，即用切削工具通过加速度计振动检测技术触碰旋转的工件。而该系统已按原想法操作，某些熟练的人员不愿意利用工具触碰探针技术，因为他们觉得若用工具作量规，可能仍会损伤工件。

另一方面，目前的发明提供了一套量测技术，它利用了在转塔上的非切削工具来作为上述工具量测技术的补充测量方法，转塔上一般装有切削工具。非切削工具仅用来触碰旋转着的工件。二种接触之间的区别可由幅值的差来测得，其谱特性可从图3中的特性曲线看得很清楚。简单参考图3，可以看出低幅度的噪声是作为随机噪声背景存在的，而工件产生的振动是摩擦针所产生的结果，它包括在噪声之上的固定幅度的信号，而工件的切削或测量结果是幅度相当高的，且为变化的信号。于是，一非切削工具，最好是如图4中所示的针尖形成，包括一精密的硬质合金珠50，其直径为3/16吋，埋入直径为0.125吋，金属桿52的一端，它装在夹持元件30上，它适配于图1中工具位置28中的一个位置上。进一步的情况见图4，桿52在夹持器30一边突出在孔54之外，且由金属螺丝56固定住，螺丝56在由端面60形成的螺栓孔58内。这样一个结构可用图5中横向指向工件41的表面或指向中心线来实现对工件41的“摩擦”接触。若需要的话，桿和珠的组合件可入端面60之中以形成一平行于机器中心线14的探针。这两种结构见图2，它们都位于靠近工具转塔26处。

参看图6，用装在工具转塔顶上的加速度计62来拾取接触信号作为摩擦信号，该信号通过一旋转藕合器、信号整形电路66及接口电路68加至数控单元46上，加速度计62可选用任一种商品装置。例如，VIBRA-METRIES公司生产的型号为NO.1018的加速度计是可很好满足本发明的。信号整形电路包括放大、带通滤波器和

别器，以消被假信号。信号处理器电路68为连接至数控单元46的接口。要注意，加速度计62不需要用任何专门的藕合电路而连到针尖32上。加速度计62简单地装在转塔26上，它同旋转工件或基准表面接触而在针尖32上感觉一摩擦振动信号。而且，在某些应用里，特别是非车床的那一类加工中心上，针尖62可以旋转而工件则保持靜止。此时，针尖62的旋转是类似于使用众所周知的“直线工具”。重要之点是在针尖62同接触表面之间有相对运动故产生了“摩擦振动”。装在工具转塔上的摩擦针尖式的设备是一种直接测量工件直径的装置，而不是限于测量半径，直接测量直径的不稳定性是那种用基准面及一普通切削工具作为探针的触碰探针方法的严重缺点。

用针尖型探针来测直径时，小珠在中心线14的二边与工件40相摩擦接触，如图5中所画的外形图，当与工件的每边接触上后，在车床座标系统中就建立了每个接触位置（例如工件表面）。把二个探针的位置相减而得所测的直径，在数控单元46中进行了计算。这比把所测得的半径乘2要来得准确，因为它不需要对由于温度所引起的变化进行补偿。这种定位的技术也不再要求测得切削工具的偏差或不要提供别的如参考基准面的方法。本发明尽管提出了一种机械工具量规系统，它也可以测半径，如果需要的话，如，可首先把针尖同某一基准面（基准面42用来测半径，基准面44用来测长度，）接触以建立针尖表面的第一个位置而测得工件的半径（或其它尺寸）。因为在机器参考座标系统内的基准表面的位置是严格已知的，故它可用来作为针尖位置的标定。一俟标定好，针尖就重新移到测半径时的旋转工件的表面处。记下接触点的针尖位置取该二次位置的差，可决定半径。通过针尖的摩擦振动，加速度计62（声传感器）测出探针在二位置处的摩擦接触。

当已经表明并叙述了目前所考虑到的本发明的具体实现，各种变型是很容易有的。例如，对某些沟槽的切削来说，可能需要摩擦探针的针尖具有一种专门形状。因此，并不要求本发明限于这里所讲的专门的实现，而是想包括所有的改型，变型及各种变化，只要其精神和范围落在所附的申请专利范围所规定之中即可。

Claims (17)

1、机械系统中一种对工件量测的方法，包括的步骤为：

使工件绕轴线转动；

用非切削工具同基准表面接触来决定工具对该机械加工系统的机器轴线的位置；

移动该非切削工具使之与旋转工作进行预定接触；

用该工件来敏感该接触情况并产生一指示接触的电信号；

对该电信号整形并送至测量尺寸的设备；

及决定该工件表面相对于基准面表面在接触点处的尺寸。

2、按申请专利范围1的方法，该预定的触碰包括摩擦接触。

3、按申请专利范围2所述的方法，还包括下列步骤：

敏感在该工件的旋转轴二边的摩擦接触并产生各自的电信号;

把该二个信号整形并送到该尺寸测定装置里去;及响应了该二个电信号后，测定在该二个接触点处该工件的直径尺寸。

4、按申请专利范围3中的方法，敏感摩擦接触的步骤包括敏感从该工件上由加速度计发出的摩擦振动。

5、按申请专利范围3所述，该非切削工具包括一针尖。

6、按申请专利范围3中的方法，该非切削工具包括一具有圆头的针尖，位于一桿的末端，该桿的另一端固定在工具夹持器里。

7、按申请专利范围6中的方法，该工具夹持器是装在一数控机械加工系统的转塔之上的。

8、按申请专利范围7中所述的方法，测定的步骤包括用该机械加工系统的数控单元来测定直径的尺寸。

9、按申请专利范围8中所述，该机械加工系统包括一车床。

10、在机械工具中为机械加工用的测量工件尺寸的装置，包括：

装在机床上的工具夹持机构上的针尖探针。该针尖有一表面为同其它表面接触用，那一表面是位于机床参考座标系统的;

控制参考座标系统中工具夹持机构位置的装置，并给出该位置的指示信号;

还装有敏感器，以便敏感该针尖上的振动信号，当该机构的位置定在该针尖探针的表面与参考座标系统中的其它表面接触时，在针尖表面同该别的表面之间有相对运动存在给出一接触指示信号。及

接收该位置指示信号及该触碰指示信号的装置，以便决定在参考座标系统中该别的表面的相对位置，工件表面上的相对位置是工件尺寸的指示。

11、按申请专利范围10中的装置，该敏感元件包括一加速度计。

12、按申请专利范围11中的装置，该针尖探针包括一长桿，其一端可装在工具夹持机构中，其另一端有一小珠，小珠的外表面是接触参考座标系统中别的表面的表面。

13、测定装在机床上工件尺寸的方法，包括的步骤为：

A）在机床的工具夹持位置装一针尖探针;

B）移动该装好的针尖探针的实现，针尖同位于机床参考座标系统中第一表面上的点之间的触碰，以便在参考座标系统中建立针尖的第一个位置，在针尖同第一表面之间有相对运动，故可由该针尖传递的摩擦振动测出触碰;

C）移动装好的针尖探针的实现在针尖同工件上要测尺寸的那一点之间的触碰，以建立针尖在参考座标系统中的第二个位置，在针尖同工件之间有相对运动故如同B，那样测得了触碰;

D）比较针尖的第一和第二位置，以便建立工件在该位置处的尺寸。

14、按申请专利范围13的方法，该第一表面为基准面，在参考座标系统内它具有一已知的、固定的位置。

15、按申请专利范围14所述的方法，该第一表面是在工件的某一点上而不是在C）步骤的点上，对第一位置和第二位置进行比较将建立在这些点之间的工件尺寸。

16、按申请专利范围15所述的方法，步骤B）和C）的相对运动将表现为工件绕某一轴旋转。

17、按申请专利范围15所述的方法，工件在参考座标系统中保持靜止，而针尖探针则旋转。

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