專利名稱：用于工件切削加工的機床的制作方法
技術領域：
本發明涉及根據權利要求1前序部分的用于工件切削加工的機床，用于這種機床的補償單元及用于工件切削加工的相應方法。
這種機床例如是具有旋轉銑頭的銑床、鉆床、磨床及類似機床、或車床。
這些機床在現今以數字控制(CNC)加工自動裝置的形式獲得極高的精確度標準。這除了自動裝置高精確度的機械構造外還基于精密的控制及調節方法，它使得高成本的結構件可借助相對小的銑頭進行銑加工，以致無需更換刀具，并由此減小了加工自動裝置的停機時間。
在此情況下為了能滿足所需的高質量標準，在生產工序中需要盡可能地避免或排除所有影響產品質量的誤差源。在生產工序中起副作用的一種誤差源譬如是不平衡，即一個轉動刀具如銑頭的不平衡或旋轉工件如被加工軸等的不平衡。
當例如一個轉動銑頭顯示不平衡時，則視不平衡量及轉速的不同，可導致銑頭在圓周方向上偏移，并將銑出大于所希望的銑加工范圍。這雖然可通過使用高精度(平衡)銑頭及通過銑頭夾具的再調整作為對策，但這種不平衡的完全消除是不可能的。此外在銑頭或夾具上可能由于損壞或磨損形成不平衡，這就需要及早地更換刀具或再調整。這兩者均是相對高成本及耗工時的。
同樣地，旋轉工件的不平衡也起到副作用。譬如當快速轉動的旋轉體如軸或類似工件出現不平衡時，可導致過早的軸承磨損。因此這類工件通常應進行平衡處理。
在此平衡處理工序時，將旋轉工件夾持在平衡裝置中并使其投入轉動，及通過不平衡傳感器如在軸承上設置的力傳感器，根據力的大小及其位置(轉動位置)來確定可能出現的不平衡。接著使旋轉工件制動，并在相應于不平衡的位置上除去材料或是補上材料；也可以在一個位置上除去材料并在另一位置補上材料來補償不平衡。這個過程需重復進行，即為了要重新確定不平衡使旋轉工件投入轉動并接著為平衡其不平衡使工件制動，直至所產生的不平衡低于一個可容許的限值為止。這種處理過程也是費工、費時的。
本發明的任務在于，提供一種開始部分所述類型的對工件進行切削加工的機床及相應的方法，可以用簡單的方式補償在旋轉體中可能出現的不平衡。
該任務將通過根據權利要求1的機床、根據權利要求10的方法及根據權利要求15的補償單元來解決；從屬權利要求涉及本發明進一步的有利構型。
在根據本發明的機床中，借助于一個不平衡傳感器來檢測轉動工件或轉動刀具的不平衡，并根據該不平衡量來對實現刀具與工件之間相對運動的進給傳動裝置進行控制。對于該不平衡，例如可與轉動件的轉角位置一起，通過作用于轉動件夾具上的不平衡力來測量；或通過使轉動件產生變形的不平衡力來測量，在此情況下可以使用光傳感器或譬如感應式傳感器。
這樣，在具有轉動刀具例如銑頭的數控機床中，可通過不平衡檢測來校正刀具及工件之間相對運動的預給定位置控制。
如開始所述的，因為在刀具上由于磨損或損壞引起的不平衡是不可能完全避免的，因此本發明建議，對銑頭的不平衡及與此關聯的“虛擬加大量”進行檢測并在位置控制時加以考慮。在現有技術中人們試圖通過刀具更換或重調整來減小不平衡，與現有技術不同本發明又前進了一步，即認為刀具中還存在“剩余不平衡”，它引起刀具虛擬地變大了。故這樣地控制機床，就好比所使用的是有些加大的銑頭。
根據本發明的依賴不平衡檢測控制進給量的原理也可非常有效地應用在車床上。在車床上，通常刀具可相對轉動工件移動地被夾持著，隨著高度發展的驅動技術，例如可通過線性電動機實現極其快速地移動刀具，譬如在一種非圓車床上這已經實現。現在根據本發明，使這樣快速的刀具進給傳動裝置與不平衡傳感器相耦合，并根據不平衡轉動位置通過控制進給傳動裝置切削掉相應于工件不平衡的材料，由此使工件在車床上可即刻被平衡。這里應注意到，為了使不平衡得以平衡，不需要使工件制動，而是與檢測不平衡的運動狀態下同時進行的。因此就消除了必須使工件在停止狀態進行處理的高成本平衡工序。
當然，根據本發明的原理也可以應用在一個純粹的平衡裝置上。
在根據本發明方法的一個優選構型中，例如，對每件工具或每種工具類型一次地建立一個參考表，它給出不平衡擺幅(“虛擬加大量”)與預給定不平衡量的關系。這個參考表可以“一勞永逸”地求得，并存儲到譬如一個數控機床的工作計算機中。在機床運轉時，其控制則參照該參考表進行，并對不平衡傳感器測得的每個不平衡量調用相應的不平衡擺幅并在位置控制時予以考慮。
因為不平衡擺幅涉及相對小的擺幅，因此該不平衡擺幅與不平衡質量成線性關系及與轉速的平方相關。因而可以確定出不平衡擺幅與這些參數之間關系的近似公式。當然也可以使用憑經驗確定的參考表與一種近似算法相結合，其中譬如以轉速作為參數。
在本發明的一個優選構型中，設有一個用于數控機床的補償單元，它具有用于不平衡傳感器、轉動角度傳感器和/或轉速傳感器的接口及存儲參考表和/或近似公式算法的存儲器，其中補償計算器產生用于機床中位置控制的校正信號。有利地是，這個補償單元可作為機床工作計算機的接口卡接入使用，其中相應的數據及信號格式適應于工作計算機的標準。
以下將借助附圖來說明本發明的實施方式，附圖為
圖1一個數控銑加工自動裝置的概要示圖；圖2用于解釋一個銑頭不平衡擺幅的概要示圖；及圖3一個自動機床的概要示圖。
根據圖1，一個數控銑床包括由一個操作計算器100及一個數據載體110組成的CNC系統。操作計算器100由操作數據求得與給定控制值相應的位置控制數據，并將該數據通過接口120傳送給一個驅動計算器130。該驅動計算器130譬如控制該銑床90的線性進給傳動裝置50，以使一工件10移動。此外一個位置傳感器(未示出)的位置數據通過另一接口140反饋給驅動計算器130。這實際上用于一種位置的給定值-測量值調節，其中這種調節的細節在這里不再贅述，因為它是公知的。
該銑床90還包括一個旋轉的銑頭40，它被接收在一夾持器30中。對于銑床90的夾持器30及旋轉驅動器20設置了一個不平衡傳感器60。
該不平衡傳感器60例如測量在夾持器30中出現的不平衡力并將相應的信號傳給一個補償計算器150。該補償計算器對不平衡傳感器60的信號估值并將相應的控制信號傳給驅動計算器130，后者相應地校正對進給傳動裝置50的位置控制。
在圖1中補償單元150被表示為與驅動計算器130分開，當然也可以使該補償單元150直接地集合在驅動計算器130中。此外應該指出，銑頭也可可移動地設置，如通過銑頭旁的雙箭頭所表示的。進給傳動裝置50通常不僅在一個方向上作線性運動，而且也在一個平面中運動，即也垂直于圖1的圖面地運動，這是在進給方向的運動。
這里所有這些運動應理解為在進給方向的運動，及所有這些運動可以由補償計算器50根據傳感器60的信號來校正。工件10為了被銑成一定輪廓而相對銑頭的旋轉運動在此意義上也是一種進給運動。
此外這里應明確指示，在文中以單數表示的詞義“傳感器”也應包括具有多個傳感器的傳感器系統。
圖2表示用于解釋不平衡偏移的銑頭細節。在具有一個軸承或類似件的夾持器30中夾持著銑頭40，并當銑頭40未顯示任何不平衡時，它位于虛線所示的位置。但如果出現了不平衡時，則銑頭將徑向地偏移一個不平衡偏移Δ，如通過實線所表示的(在圖2中僅表示了向右偏移，當然在銑頭轉動時偏移會出現在另外所有的徑向上)。該銑頭40的不平衡擺幅Δ譬如與不平衡量(相當于不平衡質量)、刀具材料、刀具形狀及轉速有關。
最好借助于銑頭40的軸承或夾持器30上的不平衡傳感器60來測量不平衡量。然后補償計算器根據不平衡力及轉角或轉速傳感器70測得的轉速來求得相應的不平衡擺幅Δ，并相應地補償驅動計算器的位置控制。
此外，還可以直接地例如通過一個光傳感器80或一個感應傳感器來測量該不平衡擺幅Δ，該不平衡擺幅使銑頭40的“虛擬半徑”加大。由于銑頭附近的有限空間及由于材料切屑、油、煙等形成的不利環境條件，故而最好是使用在夾持器上測量力的不平衡傳感器60，而非使用光傳感器或感應傳感器80。
為了求得不平衡擺幅Δ與不平衡傳感器60的信號及轉速和/或旋轉位置傳感器70的信號的關系，例如可如下地進行。
在一次試驗運行時，對一個精密的刀具設置一個精確地確定的不平衡量，并測量它所產生的不平衡擺幅。這個不平衡擺幅Δ可以直接地，例如通過光學途徑測得；或通過一個模型刀具的加工，在此情況下在模型刀具上測量標定凹陷與由不平衡擺幅產生的附加凹陷之間的偏差。對于各個不同的精確確定的不平衡量進行這種測量，并以此方式制訂一個參考表。如所述的，在該表中也可列入轉速值。另一個可能影響不平衡擺幅的參數是待加工的材料，在一個相對硬的材料的情況下不平衡擺幅較小，而在一個相對軟的材料的情況下不平衡擺幅較大。
基本上也具有這樣的可能性，即不平衡擺幅相對于轉速、不平衡質量、及材料等的函數關系以一個近似公式的形式給出，或使用參考表及近似公式的組合。
圖3概要地表示一個車床，其中在夾持器30中夾持了一個待加工的軸10。軸10由一個旋轉驅動器20驅動，并通過一個僅概要地表示的轉動傳感器70來測量轉速及轉角位置。為了加工軸，使用了一個車削刀具40，它被可移動地夾持在一個進給傳動裝置50上(可在圖3的圖面中移動)。
不平衡傳感器60設置在車床的夾持器30或軸承上，并測量由軸引起的不平衡力。綜合不平衡傳感器的數據及轉角和轉速傳感器的數據可由一個計算器以本身公知的方式求得不平衡的位置。該計算器此外通過對待加工材料、工件尺寸等的特定加權及傳感信號求得應由車刀40切削的材料的位置及量值，以使不平衡得以平衡。
當工件處于相應于待平衡的不平衡車削位置區域時，對此車刀40始終一直向工件10進給，也就是，在極端情況下其進刀相應于工件10的轉動頻率。這樣快的進刀在現今譬如使用線性驅動裝置可無問題地實現，該線性驅動裝置業已應用在非圓車床上。
雖然根據本發明實際上材料的切削與不平衡的測量同時地進行，由此避免了不必要的工序，如使軸制動等。但是這里應當指出，最好測量與車刀的進給在時間上錯開地進行，以便盡可能地消除由于車刀40作用于軸的加工力對傳感器帶來的影響。
用于圖3中所示車床的控制部分的結構實際上相當于圖1中的結構，其中傳感器70和60的信號相應地輸出到補償計算器150，該補償計算器在此情況下也可稱為平衡計算器。然后該計算器150根據傳感器信號及操作計算器100的預給定信號等來控制車床的進給傳動裝置50。
權利要求
1.用于工件(10)的切削加工的機床，它具有一個帶有轉動件、即一個刀具(40)或一個工件(10)的夾持器(30)的旋轉驅動器(20)，及至少一個進給傳動裝置(50)，用于改變刀具及工件之間的相對運動，其特征在于至少設有一個用于檢測轉動著的轉動件的不平衡的不平衡傳感器(60)，其中根據檢測的不平衡量對進給傳動裝置(50)進行控制。
2.根據權利要求1的機床，其特征在于不平衡的測量及進給傳動裝置(50)的控制實際上是同時地進行的。
3.根據權利要求1或2的機床，其特征在于設有一個轉動傳感器(70)，用于檢測轉動件的不平衡轉角位置和/或其轉速。
4.根據權利要求1、2或3的機床，其特征在于不平衡傳感器(60)檢測轉動件夾持器(30)上的不平衡力。
5.根據權利要求1至4中任一項的機床，其特征在于不平衡傳感器(60)檢測由于不平衡力產生的轉動件的變形(Δ)。
6.根據權利要求5的機床，其特征在于該不平衡傳感器(60)是一個光傳感器或一個感應傳感器。
7.根據權利要求1至6任一項的機床，其特征在于該機床是一個數控銑床、磨床、鉆床或類似的機床；轉動件是一個銑頭、磨頭或鉆頭或類似刀具；及根據通過不平衡傳感器的測量來校正轉動件及工件(10)之間相對運動的預定位置控制。
8.根據權利要求1至6中任一項的機床，其特征在于該機床是一個車床或一個磨床；轉動件是一個待加工的工件(10)；及根據通過不平衡傳感器的測量來校正轉動件及刀具之間相對運動的預定位置控制。
9.根據權利要求1至6中任一項的機床，其特征在于該機床是一個平衡裝置，其中轉動件是一個待平衡的主體，在此情況下這樣地控制進給傳動裝置(50)，即刀具(40)切削與求得的不平衡量及轉動位置相對應的轉動件的材料量。
10.用于工件切削加工的方法，其中使一個轉動件，即一個工件或一個刀具投入轉動，及進一步使工件及刀具彼此相對運動，其特征在于對轉動件的不平衡進行測量，并根據測量的不平衡量對相對運動進行控制。
11.根據權利要求10的方法，其特征在于對相對運動的控制實際上與對不平衡的檢測同時地進行。
12.根據權利要求10的方法，其特征在于將作為轉動件的待平衡主體投入轉動并借助刀具使該主體被平衡。
13.根據權利要求10的方法，其特征在于轉動件是一個刀具；及對于每個刀具及每種刀具類型在一個試驗運行中求得在一確定的不平衡情況下產生的不平衡擺幅(Δ)，對于不同的不平衡重復該過程，并建立一個參考表和/或近似公式；以及在加工時借助于瞬時不平衡及近似公式和參考表校正相對運動。
14.根據權利要求13的方法，其特征在于采用刀具的轉速作為參考表或近似公式中的另一參數。
15.在一個數控機床或類似機器中補償轉動刀具的不平衡擺幅的補償單元，具有一個用于接收不平衡傳感器信號的接口，一個用于接收轉角和/或轉速傳感器(70)的信號的接口，一個存儲器，在其中存儲不平衡擺幅與不平衡量的關系的參考表和/或以一個算法形式的近似公式，及一個補償計算器，它根據參考表和/或近公式的數據產生用于機床驅動計算器的補償數據。
16.在一個數控機床或類似機器中平衡轉動工件的不平衡的補償單元，具有一個用于接收不平衡傳感器信號的接口，一個用于接收轉角和/或轉速傳感器(70)的信號的接口，一個存儲器，在其中存儲材料切削量與不平衡量及轉速的關系的參考表和/或以一個算法形式的近似公式，及一個補償計算器，它根據參考表和/或近似公式的數據產生用于機床驅動計算器的補償數據。
17.根據權利要求15或16的補償單元，它具有用于機床的工作計算機的接口卡形式。
全文摘要
本發明涉及用于切下切屑的工件切削機床,如磨床或車床。為了檢測轉動件,即切削頭(40)或待加工的工件(10)的不平衡,設置了傳感器(60)。根據不平衡傳感器(60)的信號這樣地校正工件(10)要對刀具(40)的進給量,即對刀具不平衡的可能偏差進行補償。在車床的情況下,工件的進給量可根據轉角位置及確定出的不平衡進行控制,以使得在處理期間或處理后能出現平衡。
文檔編號G05B19/404GK1207183SQ97191637
公開日1999年2月3日 申請日期1997年10月9日 優先權日1997年10月9日
發明者迪特馬·思特伯, 思格福里德·庫博, 米切爾·辛茨 申請人:卡勞斯-馬菲股份公司