專利名稱：刀具相對工件的參考位置的測量方法及實(shí)現(xiàn)所述方法的機(jī)床的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量一刀具的參考位置的方法，此刀具相對一由所述刀具加工的工件固定在所述機(jī)床的第一夾持器中，該工件則夾持在機(jī)床的第二夾持器中，所述兩夾持器由一定位裝置使它們相對移動，由這種方法，在定位裝置預(yù)定好的參考位置上用刀具在工件上加上一個識別記號，隨后一傳感器和工件由定位裝置使彼此相對移動，刀具相對于工件的參考位置以傳感器分辨出識別記號的定位裝置的位置上加以確定。
本發(fā)明還涉及到一種用刀具制造工件的方法，在這種方法里工件相對于刀具的參考位置是根據(jù)本發(fā)明的一種方法測量的。
本發(fā)明還涉及到一種機(jī)床有用于刀具的第一夾持器，用于以所述刀具加工的工件的第二夾持器，一定位裝置用來使兩夾持器相對移位，以及一控制器用來控制定位裝置，定位裝置被控制器所控制，目的在于根據(jù)一控制程序來測量刀具相對于工件的參考位置，按照這程序在定位裝置預(yù)定的參考位置上刀具在工件上加工出一識別記號，然后定位裝置使傳感器與工件相對移位，刀具相對工件的參考位置從定位裝置的一個位置確定，在此位置上傳感器檢測到識別記號。
上述為測量刀具相對于工件的參考位置的一種方法，上述用刀具加工工件的方法，以及上述的機(jī)床種類都是廣為所知的。這種為實(shí)現(xiàn)已知方法的機(jī)床常常備有大量刀具的刀具庫，第一夾持器夾持的刀具可以和刀具庫里的刀具之一用交換機(jī)構(gòu)來交換。上述傳感器，例如一機(jī)械探頭也出現(xiàn)在這種機(jī)床的工具庫里。
根據(jù)測量刀具相對工件的參考位置的常見的方法，機(jī)床的定位裝置被移動到一預(yù)定的參考位置，在此第一夾持器與第二夾持器在一給定的彼此相對位置里。在這定位裝置的參考位置里，一識別記號用夾持在第一夾持器里的刀具加在夾持在第二夾持器里的工件上。如果這機(jī)床，譬如是車床，它的第二夾持器和工件是圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的，舉例說識別記號，是用刀具在旋轉(zhuǎn)的工件上車出的刀痕。如果機(jī)床是銑床，其中第一夾持器帶刀具回繞一旋轉(zhuǎn)軸線回轉(zhuǎn)，識別記號則是例如由回轉(zhuǎn)刀具加工在工件上的凹口。這之后，刀具用交換機(jī)構(gòu)換成所述傳感器，傳感器夾持到第一夾持器上。傳感器和工件隨后由定位裝置使之彼此相對作位移，傳感器對工件掃描。當(dāng)傳感器檢測到識別記號的瞬間，定位裝置所在的位置定義刀具相對工件的參考位置。舉例來說，由于刀具相對于第一夾持器的位置不精確度，第一夾持器相對于定位裝置的位置不精確度，定位裝置相對于機(jī)床床身的位置不精確度，第二夾持器相對機(jī)床床的位置不精確度以及工件相對于第二夾持器的位置不精確度，刀具相對工件的這參考位置往往與定位裝置的所述參考位置不同，在這所述參考位置中由刀具作出識別記號。對定位裝置的參考位置算出一校正量，這樣量得的刀具相對工件的參考位置和定位裝置的所述參考位置相比較，使定位裝置的參考位置對應(yīng)于刀具相對工件的參考位置，而工件可以在精確在狀態(tài)下由刀具加工制造，與以上提到的機(jī)床元件的相互位置的不精確無關(guān)。
刀具相對工件的參考位置，用已知的方法在已知的機(jī)床上通常可以量到微米的范圍，即達(dá)到一到幾個微米的精度，因而用刀具加工的工件的尺寸精度也是在微米范圍內(nèi)，只要定位裝置有適當(dāng)?shù)亩ㄎ痪?。但是，在已知機(jī)床上用已知的方法，能夠測量到的刀具相對工件的參考位置的精度對于制造在亞微米范圍內(nèi)的尺寸精度的工件都是不夠的，這時刀具相對工件的定位精度必須在0.1μm或者更高的精度級。在已知機(jī)床中的所述精度事實(shí)上由交換機(jī)構(gòu)的所謂傳遞誤差所限制的，而這是由刀具與傳感器用交換機(jī)構(gòu)固定到第一夾持器中能達(dá)到的受限制的精度造成的。所述傳遞誤差在相對于用來加工識別記號的刀具第一夾持器的位置與用來檢測識別記號的傳感器第一夾持器的位置之間造成偏差，同時在刀具相對于第一夾持器在加工識別記號時所占有的位置與此同一刀具相對第一夾持器在隨后加工工件時所占有的位置之間也出現(xiàn)偏差。
本發(fā)明的一個目的是提供一種測量刀具相對工件的參考位置的方法，并提供一種開頭一節(jié)中提到的那樣的機(jī)床，這種機(jī)床上刀具相對工件的參考位置可以以亞微米級的精度來測量，因而給定定位裝置適當(dāng)?shù)亩ㄎ痪龋眠@刀具制造的產(chǎn)品的尺寸精度也在亞微米范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，測量相對于工件的刀具參考位置的方法，為了這一目的具有這樣的特點(diǎn)，即刀具與傳感器在識別記號加工以前都是聯(lián)接在彼此相對并對第一夾持器固定不變的位置上。
根據(jù)本發(fā)明，為此目的機(jī)床特征在于刀具與傳感器彼此相對并相對于第一夾持器在操作時都是聯(lián)接在固定不變的位置上。
因?yàn)榈毒吲c傳感器在加工和檢測識別記號時都是聯(lián)接在彼此相對并相對第一夾持器的固定不變的位置上的，刀具相對傳感器的位置的精度決定于第一夾持器的機(jī)械剛度和熱膨脹系數(shù)，而這精度相對于所制造的工件所需的尺寸精度而言由于第一夾持器合理設(shè)計(jì)的結(jié)果是相當(dāng)高的。刀具相對工件的參考位置能達(dá)到的精度，按本發(fā)明的方法測量并在按本發(fā)明的機(jī)床上相應(yīng)地?zé)o例外地是由機(jī)床的定位裝置的定位精度所決定的。因而，通過采用定位精度在亞微米范圍的適當(dāng)?shù)亩ㄎ谎b置，刀具相對工件的參考位置可以用本發(fā)明的方法并在本發(fā)明所規(guī)定的機(jī)床上以亞微米范圍的精度來測量。因而用刀具加工的工件的尺寸精度也在亞微米范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，一種用刀具制造工件的方法，在此法中，工件相對刀具的參考位置是用按照本發(fā)明的方法來測量的，其特征在于，為制造工件，定位裝置被移位到順序的多個位置中，這些位置各自對應(yīng)供應(yīng)給定位裝置的一個位置和定位裝置參考位置與刀具相對工件的參考位置之差的和。
根據(jù)本發(fā)明機(jī)床的一特殊實(shí)施例特征在于，為了制造工件，定位裝置遵照控制程序被移到相繼的位置上，這些位置各個對應(yīng)于由機(jī)床使用者供給控制程序的定位裝置的一個位置與定位裝置參考位置與測得的刀具相對工件的參考位置之間的差之和。
既然定位裝置的相繼的位置各自對應(yīng)于供給到定位裝置的一個位置與定位裝置的參考位置與測得的刀具相對工件的參考位置之差的所述和，由此可知刀具是由定位裝置帶入相對于工件的一預(yù)期位置的，如果供給定位裝置的位置等于刀具相對工件的預(yù)期位置。定位裝置的相繼的位置就由使用者可以以清晰的形式提供。
按照本發(fā)明的另一種機(jī)床實(shí)施例，特征在于傳感器是一光學(xué)測頭，應(yīng)用光學(xué)測頭意味著刀具相對工件的參考位置的測量是以無接觸方式實(shí)現(xiàn)的，因而測量中不會由于機(jī)械摩擦或者傳感器與工件間的滯后造成誤差。
還有另一種按照本發(fā)明的實(shí)施例特點(diǎn)在于光學(xué)測頭備有光源，物鏡系統(tǒng)使光源輻射的光聚焦在工件上，還有一聚焦誤差測頭。光學(xué)測頭的聚焦誤差測頭檢測光源所輻射的并由工件表面反射的光的焦點(diǎn)是否在工件的表面上。當(dāng)光擊中加工好的識別記號時，聚焦誤差測頭將檢測到聚焦誤差，表明識別記號已檢測到。這種聚焦誤差測頭靈敏度很高，即它能根據(jù)檢測到的聚焦誤差提供比較大的輸出信號(例如聚焦誤差為10μm時輸出電壓10V)。這就表示識別信號只要比較小的尺寸，而且用聚焦誤差測頭實(shí)現(xiàn)的計(jì)量是特別精確的。
一種按照本發(fā)明方法用來測量刀具相對工件的參考位置的特殊實(shí)施例，和一種按照本發(fā)明為用刀具加工工件的方法的一種特殊實(shí)施例，在此方法中第二夾持器回繞一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動而第一夾持器相對第二夾持器平行于方向垂直于回轉(zhuǎn)軸的X軸用定位裝置來移動，特征在于工件上有一垂直于回轉(zhuǎn)軸延伸的表面，而識別記號是由刀具在所述表面上加工出的圓槽。
一種按照本發(fā)明的機(jī)床特殊實(shí)施例，其中第二夾持器能繞一回轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動而第一夾持器相對第二夾持器平行于方向垂直于回轉(zhuǎn)軸線的X軸由定位裝置作移動，特征在于識別記號是圓槽，由刀具在工件表面上加工出，工件表面垂直于回轉(zhuǎn)軸線延伸。
這種圓槽可以在簡單的方式下并在較短的時間內(nèi)用刀具來實(shí)現(xiàn)，而且也能在較短的時間內(nèi)用傳感器來檢測出，這時后者(傳感器)由定位裝置平行所述工件表面移位。
按照本發(fā)明的一種測量刀具相對于工件的參考位置的方法的又一種實(shí)施例，以及按照本發(fā)明用刀具加工工件的方法的又一種實(shí)施例，特征在于刀具相對于工件的參考位置是由圓槽的直徑來決定的，該直徑用傳感器測定。
按照本發(fā)明的機(jī)床的另一種實(shí)施例的特征在于刀具相對工件的參考位置由圓槽的直徑?jīng)Q定，該直徑用傳感器測量。
在這些按照本發(fā)明的方法與機(jī)床的多種實(shí)施例中，由刀具相對工件回轉(zhuǎn)軸所占的參考位置可以以一種簡單、準(zhǔn)確而快速的方式測量。當(dāng)傳感器在一與第二夾持器的回轉(zhuǎn)軸線相交且平行于X軸線的直線中由定位裝置使之移位時，圓槽在兩個徑向相對的位置用傳感器檢測到。圓槽的直徑可以用傳感器測量，因?yàn)閭鞲衅鳈z測到圓槽的定位裝置的兩個位置可以確定。于是刀具相對工件回轉(zhuǎn)軸的參考位置就相當(dāng)于測得直徑的一半。
根據(jù)本發(fā)明為測量刀具相對工件的參考位置的方法的又一種實(shí)施例，以及根據(jù)本發(fā)明為用刀具加工工件的方法的又一種實(shí)施例，其特征在于采用一種光檢測器作為傳感器，用它檢測圓槽的側(cè)墻。
根據(jù)本發(fā)明的機(jī)床的又一種實(shí)施例，特征在于光學(xué)檢測器檢測圓槽的一側(cè)墻。
所述圓槽的側(cè)墻構(gòu)成槽的臺階邊界，用光檢測器可以特別精確地檢測到這臺階邊界。此外，刀具工作點(diǎn)相對側(cè)墻的位置能精確確定，因而刀具相對工件工作點(diǎn)的參考位置可以以特別精確的方式測量。
在“先進(jìn)機(jī)械電子技術(shù)國際會議學(xué)報(bào)，1989年5月21-24，日本東京，pp.143-146”中的一篇論文“一種超精密加工方法或工件形狀精度控制系統(tǒng)”中公開了一種有固定在公共Z向滑板上的鉆石刀具及光傳感器的機(jī)床。在這著名的機(jī)床上，切削刀具通過微致動器裝在Z向滑板上，(微致動器沒有任何細(xì)節(jié)描述)因此切削刀具與傳感器在工作中彼此相對且相對Z向滑板并非聯(lián)接在固定不變位置上。此論文中關(guān)于微致動器的機(jī)械剛度及滯后沒有任何說明，因此在微致動器在某一給定位置時，刀具相對傳感器和相對Z向滑板的位置的精度如何不得而知。此外，光傳感器不是用來檢測工件表面上存在的識別記號的，而是用來測量Z向滑板與工件的一個表面間的距離的，而且傳感器構(gòu)成控制系統(tǒng)的一部分，利用控制系統(tǒng)使所述距離保持不變。
下面參考圖紙，將更詳細(xì)的解釋本發(fā)明。這些圖中

圖1示意地表示為實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的機(jī)床的第一實(shí)施例，圖2表示圖1機(jī)床的控制部分，圖3示意地表示圖1機(jī)床的光學(xué)檢測器，圖4a示意地表示用圖1中表示的機(jī)床加工一工件，在此工件上用本發(fā)明的方法加上一識別記號，圖4b表示圖4a中的識別記號的檢測，圖5詳細(xì)表明在圖1中所表示的機(jī)床的刀具在應(yīng)用圖4中所表示的識別記號時，
圖6示意地表示實(shí)現(xiàn)按照本發(fā)明的方法的機(jī)床的第二實(shí)施例，圖7表示屬于圖6機(jī)床上為工件用的夾持器，圖8示意地表示用圖6所示的機(jī)床加工工件，在此工件上用按照本發(fā)明的方法加工一識別記號。
為了實(shí)現(xiàn)按照本發(fā)明的一種方法的機(jī)床1的第一實(shí)施例，如圖1所示備有機(jī)座3可以放在基面上。機(jī)座3上有一導(dǎo)塊5，上有平行X軸的直導(dǎo)軌7。機(jī)床1上有滑座9可以沿著導(dǎo)軌7由靜壓液體支承(圖1中看不到)作位移。為工具例如切削刀具13用的第一夾持器11安排在滑座9上?；?用定位裝置15可以沿導(dǎo)軌7移位。結(jié)果帶切削刀具13的第一夾持器11平行于X軸可以移位。定位裝置15包含有驅(qū)動桿17平行于X軸伸展并聯(lián)接到滑座9，此桿17在箱座19上引導(dǎo)，箱座19用若干個導(dǎo)輪21聯(lián)接到機(jī)座3，圖1中導(dǎo)輪僅示意地表示。摩擦輪23在箱19中有它的轉(zhuǎn)動的軸承并可由聯(lián)接在箱體19上的電動機(jī)25驅(qū)動，在預(yù)拉伸條件下支承在驅(qū)動桿17上，因而滑座9可以用電動機(jī)25通過驅(qū)動桿17及摩擦輪23平行于X軸移位。
圖1還表明，機(jī)床1有主軸27，平行于方向垂直于X軸的Z軸延伸，并回繞與Z軸重合的回轉(zhuǎn)軸29轉(zhuǎn)動。X軸與Z軸在坐標(biāo)系統(tǒng)(X，Z)的原點(diǎn)O相交，位置在回轉(zhuǎn)軸29上?？拷谝欢?1，主軸27上具有第二夾持器33可以裝工件35。主軸27有一空心軸37，在垂直于Z軸的方向用徑向靜壓軸承39支承著，圖1中僅示意地表示。主軸27通過軸向靜壓軸承41(圖1中沒有表示出任何細(xì)節(jié))并通過彈性變形聯(lián)接件47聯(lián)接到定位裝置49。所述軸向靜壓軸承41具有基本上垂直于回轉(zhuǎn)軸線29的支承面43與45。主軸27在平行于Z軸的方向內(nèi)用軸向靜壓軸承41支承并加預(yù)載。由于采用了型號為EP-A-0 602 724的聯(lián)接件47，軸向靜壓軸承41可以相對支承面43及回轉(zhuǎn)軸線29的交點(diǎn)51擺動，因而軸向靜壓軸承41的支承面43與45相對轉(zhuǎn)動軸線29在垂直度方面的不準(zhǔn)確性在主軸27繞回轉(zhuǎn)軸線29轉(zhuǎn)動時對主軸27平行Z軸的位置沒有影響。
上面提到的定位裝置49有一驅(qū)動桿53平行Z軸伸展且聯(lián)接到聯(lián)接件47上。驅(qū)動桿53由若干個圖1中僅示意表示的導(dǎo)軌55作引導(dǎo)，諸導(dǎo)輪在箱57中的轉(zhuǎn)動軸承聯(lián)接到機(jī)座3上。定位裝置49還有一摩擦輪59，它的轉(zhuǎn)動軸承也是在箱57中并能由聯(lián)接在箱57上的電動機(jī)61所驅(qū)動。摩擦輪59帶預(yù)緊靠在驅(qū)動桿53上，因而主軸27可以由電機(jī)61通過摩擦輪59、驅(qū)動桿53、聯(lián)接件47以及軸向液壓軸承41平行于Z軸實(shí)現(xiàn)移位。圖1還表示，主軸27由另一個電動機(jī)63驅(qū)動，繞旋轉(zhuǎn)軸線29轉(zhuǎn)動，該電動機(jī)63也是安裝在機(jī)座3上并通過帶輪65、繩67、另一和空心軸37一體的帶輪69聯(lián)接到空心軸37。繩67有足夠的彈性來適應(yīng)空心軸37及另一個帶輪69平行于Z軸的位移。
工件35可以用第二夾持器33中的切削刀具13加工，這時工件35由電動機(jī)63驅(qū)動繞軸線29旋轉(zhuǎn)，帶刀具13的第一夾持器11由定位裝置15帶動以適當(dāng)?shù)姆绞狡叫蠿軸移動，而帶著工件35的第二夾持器33由定位裝置49帶動以適當(dāng)?shù)姆绞狡叫衂軸移動。如果第二夾持器33連續(xù)的Z位置僅僅取決于第一夾持器11的X位置，工件35就得到一個相對于旋轉(zhuǎn)軸線29旋轉(zhuǎn)對稱的表面。如果第二夾持器33連續(xù)的Z位置還取決于主軸27繞旋轉(zhuǎn)軸線29的回轉(zhuǎn)角，工件35的表面就不是旋轉(zhuǎn)對稱于旋轉(zhuǎn)軸線29。工件35，舉例說，可以是塑料透鏡或隱形眼鏡，就有旋轉(zhuǎn)對稱的球面的或非球面的，或者是旋轉(zhuǎn)非對稱散光表面，一種用復(fù)制法制造這種透鏡的模，或者軸向動力槽支承的支承表面。
圖2表示機(jī)床1的控制部分71，利用它定位裝置15與49就可控制?？刂撇糠?1包括有外形發(fā)生器73，它根據(jù)事先規(guī)定好的程序發(fā)出第一信號Ux，對應(yīng)于帶著刀具13的第一夾持器11的一個要求的X位置，再發(fā)出第二信號Uz相當(dāng)于帶工件35的第二夾持器33的一個要求的Z位置。信號Uz是按照數(shù)學(xué)算法作為刀具13需要的X位置和主軸27繞旋轉(zhuǎn)軸29測得的旋轉(zhuǎn)角的函數(shù)由外形發(fā)生器73算得的。如圖1所示，機(jī)床1為此目的包括有一種普通而本質(zhì)上著名的光學(xué)轉(zhuǎn)角傳感器75，裝在靠近主軸27的第二端77處，而控制部分71有第一電輸入79，見圖2，用來接收第一電輸入信號U該信號對應(yīng)主軸27回繞旋轉(zhuǎn)軸線29的轉(zhuǎn)角，由轉(zhuǎn)角傳感器75測定。
圖2還表明，控制部分71包括有第一比較器81，它把對應(yīng)于帶刀具13的第一夾持器11需要的X位置的第一信號Ux和第二電輸入信號Uxx進(jìn)行比較。第二電輸入信號Uxx對應(yīng)于第一夾持器11測得的X位置，它由控制部分71的第二電輸入83所接收。第二電輸入信號Uxx由一第一光學(xué)位置傳感器85供給，該光學(xué)傳感器是普通而本質(zhì)上著名的，在圖1中僅示意地表示，備有光源87和光檢測器89聯(lián)接到定位裝置15的箱子19，還有一裝在定位裝置15的滑座9上的反射面91。如圖2所示，第一比較器81供應(yīng)一個差分信號Ucx＝Uxx-Ux送到普通而本質(zhì)上著名的第一控制器93這信號供給定位裝置15的電動機(jī)25，使差分信號成為零Ucx＝0，而帶刀具13的第一夾持器11的測得的與需要的X位置成為相等。
圖2還表示，控制部分71還有第二比較器95對第二信號Uz與第三電輸入信號Uzz進(jìn)行比較。第二信號Uz對應(yīng)帶工件35的第二夾持器33需要的Z向位置，由外形發(fā)生器73計(jì)算出，第三信號Uzz對應(yīng)于測得的第二夾持器33 Z向位置，由控制部分的第三電輸入口97所接收。第三電輸入信號Uzz由普通而本質(zhì)上著名的第二光學(xué)位置傳感器99供給，在圖1中再一次僅示意地表示，有一光源101及一光學(xué)檢測器103，都固定在定位裝置49的箱體57上，而且還有一反射面105聯(lián)接在定位裝置49的驅(qū)動桿53上。圖2表示，第二比較器95供應(yīng)一差分信號Ucz＝Uzz-Uz，它被送到普通而本質(zhì)上著名的第二控制器107，它向定位裝置49的電動機(jī)61供電，使差分信號消失Ucz＝0，即，裝工件35的第二夾持器33測得的Z向位置與需要的Z向位置相等。
因?yàn)槎ㄎ谎b置15、49的摩擦輪23、59靠在驅(qū)動桿17、53上帶有預(yù)應(yīng)力，而滑座9和主軸27是用靜壓軸承相對機(jī)座3引導(dǎo)移動的，第一夾持器11與第二夾持器33用定位裝置15、49彼此相對運(yùn)動時基本上是無摩擦、無竄動、無滯后的。由于這點(diǎn)，以及由于控制部分71的控制器93、107的適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，結(jié)果第一夾持器11與第二夾持器33彼此相對定位時定位精度可達(dá)亞微米范圍，亦即定位精度達(dá)到0.1μm或更高的水平。由于工件35可以達(dá)到的尺寸精度是由刀具13相對工件35的定位精度決定的，還由于刀具13相對工件35的位置取決于第一夾持器11相對第二夾持器的位置，還取決于刀具13相對工件35的參考位置。工件35有一也是在亞微米范圍內(nèi)的尺寸精度，只要所述刀具13相對工件35的參考位置能以亞微米范圍的精度來測量。
機(jī)床1的控制部分71的輪廓發(fā)生器73有一控制程序，用此程序刀具13相對工件35的參考位置就以下面詳細(xì)說明的方式進(jìn)行測量。為此目的，機(jī)床1上也有一傳感器109，圖3中示意地表出并如圖1所示聯(lián)接到第一夾持器11上。傳感器109是光盤機(jī)上的本質(zhì)上著名的光學(xué)檢測器，傳感器在光盤機(jī)上用在控制系統(tǒng)里把光學(xué)測讀元件聚焦在被讀光盤的帶信息的面上，并使光讀元件定位在光盤面信息道的垂直方向內(nèi)，該信息道將由光讀元件跟蹤的。如圖3所示，傳感器109包括一光源111，一半透明板113，一物鏡系統(tǒng)115用來將光源111所輻射的光聚焦到工件35的表面上，一圓柱透鏡117，以及一細(xì)分為四個象限的聚焦誤差檢測器119。這種傳感器的操作在G.Bouwhuis等人所寫的“光盤系統(tǒng)原理”(“Principles of Optical Disc System”Adam Hilger Ltd，Bristol，ISBN 0-85274-785-3.)一書中有說明。傳感器109的聚焦誤差檢測器119檢測由光源111所輻射并工件35的表面及射回的光的焦點(diǎn)F是否仍在工件35的表面上。這種聚焦誤差檢測器119供給一電輸出信號，和被檢測的聚焦誤差相比這是相當(dāng)強(qiáng)的，例如10μm的聚焦誤差輸出電壓為10V.，就是說它有高靈敏度。
刀具13與傳感器109聯(lián)接成彼此相對并相對第一夾持器11固定不變的位置關(guān)系。刀具13與傳感器109為此目的聯(lián)接在第一夾持器11上，舉例來說，采用普通而且熟知的帶聯(lián)接，圖1中沒有表明任何細(xì)節(jié)。因?yàn)榈毒?3與傳感器109是在固定不變的彼此相對位置并相對第一夾持器11聯(lián)接在固定不變的位置上的，刀具13相對傳感器109的位置精度取決于第一夾持器11的機(jī)械剛度和熱膨脹系數(shù)。這是由第一夾持器11適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和切削刀具13及傳感器109固定到第一夾持器11上的位置恰當(dāng)?shù)倪x擇來達(dá)到的，使刀具13相對傳感器109的位置有一精度相對工件35需要的精度要高得多。
根據(jù)控制部分71的所述控制程序，刀具13相對工件35的參考位置是如下測量的。首先轉(zhuǎn)動的工件35上準(zhǔn)備有一如圖4a中示出的表面121垂直于旋轉(zhuǎn)軸線29伸展而刀具13用定位裝置15在預(yù)先定好的第二夾持器33的參考位置Z參內(nèi)平行X軸移動。結(jié)果，工件35上由刀具13加工出圓槽123，如圖4a中所示，過程如下第一夾持器11與刀具13由定位裝置15被移動到定位裝置15的一預(yù)定的第一參考位置X參1，然后由第二夾持器33平行于Z-軸作適當(dāng)?shù)奈灰剖沟毒?3切入旋轉(zhuǎn)的工件35到預(yù)定的切深d，然后由定位裝置15使第一夾持器11和刀具13平行于X軸移位到預(yù)定的定位裝置15第二參考位置X參2。如圖4a所示，當(dāng)?shù)谝粖A持器11分別是在第一和第二參考位置X參1及X參2時，刀具13相對工件35分別是在第一參考位置X’參1和第二參考位置X’參2里，因而圓槽123的內(nèi)直徑D內(nèi)等于2XZ’參1，而圓槽123內(nèi)外徑D外等于2XX’參2。
圓槽123形成工件35的識別記號，由傳感器109根據(jù)所述控制程序進(jìn)行檢測。如圖4b所示，為此目的，依照控制程序通過第二夾持器33適當(dāng)?shù)奈灰?，傳感?09聚焦在工件35的表面121上。接著，由定位裝置15使傳感器109平行于X軸沿著與第二夾持器33的回轉(zhuǎn)軸29相交的直線作位移，而帶工件35的第二夾持器33的Z向位置保持不變。當(dāng)傳感器109在這時經(jīng)過圓槽123的內(nèi)側(cè)墻125或外側(cè)墻127，所述內(nèi)側(cè)墻125或外側(cè)墻125就被傳感器109所檢測到，因?yàn)檫@時傳感器109不再聚焦在工件35的表面121上，而聚焦誤差檢測器119則檢測到一聚焦誤差。如圖4b所示，圓槽123的內(nèi)側(cè)墻125與外側(cè)墻127在傳感器109平行于工件35的表面121作位移時各自被傳感器109兩次檢測到。傳感器109檢測到圓槽123的內(nèi)側(cè)墻125時第一夾持器11和定位裝置15的X位置分別叫作X’2與X’3，而傳感器109檢測到圓槽123的外側(cè)墻127第一夾持器11和定位裝置15的X位置叫作X’1與X’4。控制程序然后從圓槽123的內(nèi)側(cè)墻125的直徑D內(nèi)來確定刀具13相對工件35的第一參考位置X’參1，其中D內(nèi)＝X’3-X’2，而X’參1＝D內(nèi)/2＝(X’3-X’2)/2，同時控制程序從圓槽123的外側(cè)墻127的直徑D外來確定刀具13相對工件35的第二參考位置X’參2，其中D外＝X’4-X’1而X’參2＝D外/2＝(X’4-X’1)/2。因?yàn)閭鞲衅?09和刀具13在這測量過程中是相對第一夾持器11并相互相對聯(lián)接在固定不變的位置，而且由定位裝置15平行于X軸使之移位的，刀具13相對工件35的參考位置X’參1和X’參2的測量精度由定位裝置15的定位精度決定，如前所述，后一種精度在亞微米范圍。
由于刀具13相對第一夾持器11，第一夾持器11相對定位裝置15，定位裝置15相對機(jī)床1的機(jī)架3之間位置以及第二夾持器33相對機(jī)床1的機(jī)架3位置的偏差本質(zhì)上是定常的，測得的刀具13相對工件35的參考位置X’參1和X’參2偏離定位裝置15的參考位置X參1與X參2，其中圓槽123的內(nèi)側(cè)墻125與外側(cè)墻127分別是刀具13加工的。當(dāng)工件35被刀具13加工時，帶刀具13的第一夾持器11由定位裝置15移到順序的X位置X’，而帶工件35的第二夾持器33則由定位裝置49移到順序的Z位置Z’，這些X和Z位置X’和Z’由外形發(fā)生器73決定。根據(jù)控制程序，順序的X位置X’因而各自對應(yīng)于一要求的定位裝置15的第一夾持器11的X-位置的X由機(jī)床1的使用者輸入控制程序和定位裝置15的第一夾持器11的參考位置X參與刀具13相對工件35測得的參考位置X’參間的差δX參之和。這樣，定位裝置15的第一夾持器11的參考位置X參是所述第一與第二參考位置X參1和X參2的平均值；X參＝(X參1+Z參2)/2，而刀具13相對工件測量得的參考位置X’參是測得的第一和第二參考位置X’參1和X’參2的平均值；X’參＝(X’參1+X’參2)/2，因而X’＝X+δX參＝X+(X參-X’參)＝X+(X參1-X’參1)/2+(X參2-X’參 2)/2。因?yàn)槎ㄎ谎b置15的第一夾持器11的順序的X-位置X’各自對應(yīng)于使用者需要的X-位置X與定位裝置15的第一夾持器11的參考位置與測得的刀具13相對工件35的參考位置之差的所述和，就能得知定位裝置15在X-位置X’，刀具13是在相對工件35的一個X-位置，這對應(yīng)于使用者希望的X-位置X，因?yàn)橄Ｍ亩ㄎ谎b置15的X-位置X可調(diào)整到亞微米范圍的精度，而且參考位置X參與X’參可以以亞微米范圍的精度進(jìn)行測量，X位置的X’可以調(diào)整到亞微米范圍的精度，因此刀具13相對工件35可以安放位置到，工件35用刀具13加工到亞微米級的精度。
應(yīng)當(dāng)注意，刀具13相對工件35的位置是指刀具15的刀尖P的位置，如圖5所示。刀尖P形成刀具13有曲率半徑r的圓弧切削刃129的中心?？梢宰⒁獾毒?3相對工件35的參考位置也是以一種本質(zhì)上廣為所知的方式修改的并一般用在刀具13的切削刃129上，切削刃129的形狀事先以亞微米范圍的精度測量過并納入控制程序。
圖6示意地表示為實(shí)現(xiàn)按照本發(fā)明的方法的一種機(jī)床131的第二實(shí)施例。機(jī)床131包括有裝銑刀135的第一夾持器133，銑刀135相對第一夾持器133裝有軸承并可用聯(lián)接到第一夾持器133的電動機(jī)137驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。第一夾持器133用圖6中沒有表示任何細(xì)節(jié)的定位裝置沿第一直線導(dǎo)軌139移動。第一直線導(dǎo)軌139僅示意地表出，它平行Z軸延伸，此Z軸與銑刀135的回轉(zhuǎn)軸線141重合。圖6還表示，機(jī)床131有一第二夾持器143，可以用來夾持用銑刀135加工的工件145。平面7中示意表示第二夾持器143。如圖7所示，第二夾持器143用圖7中沒有表示出任何細(xì)節(jié)的一定位裝置沿僅示意表示的第二直導(dǎo)軌147移動。第二直導(dǎo)軌147平行于與Z軸垂直的X軸延伸，并聯(lián)接到可移位的滑座149，該滑座149用另一定位裝置(圖7中未有任何細(xì)節(jié)表出)沿第三直導(dǎo)軌151可以移位，第三直導(dǎo)軌151也僅示意表出，平行于方向垂直于Z軸及X軸的Y軸延伸。如圖6及圖7表示，X軸、Y軸與Z軸彼此在坐標(biāo)系統(tǒng)(Z，Y，Z)的原點(diǎn)O相交，沒原點(diǎn)O在回轉(zhuǎn)軸線141上(圖6)。
工件145可以用銑刀135這樣加工銑刀135繞回轉(zhuǎn)軸線141由電動機(jī)137轉(zhuǎn)動，帶銑刀135的第一夾持器133平行于Z軸以適當(dāng)?shù)姆绞揭苿?，而帶工?45的第二夾持器143則以適當(dāng)?shù)姆绞狡叫杏赬軸與Y軸移位。機(jī)床131第二實(shí)施例具有，和第一實(shí)施例1一樣，諸圖中未表明任何細(xì)節(jié)的控制部分帶有控制程序，利用它對工件145相對銑刀135的一個參考位置進(jìn)行測量。如圖6所示，131為此目的包括有和機(jī)床1的傳感器109種類類似的一個傳感器153，而銑刀135和傳感器153就象機(jī)床1的刀具13和傳感器109一樣，是聯(lián)接在相對第一夾持器133以及彼此相對固定不變的位置上的。如圖6所示，傳感器153為此目的是固定到傳感器夾持器155上而后者是相對第一夾持器133聯(lián)接在固定不變的位置上的。
現(xiàn)在扼要解釋工件145相對銑刀135的參考位置如何用機(jī)床131的控制程序測量。首先，工件145像機(jī)床1的工件35一樣準(zhǔn)備有垂直Z軸延伸的表面157，如圖8所示，工件145在垂直于Z軸的平面內(nèi)用第二夾持器143的定位裝置移位到帶轉(zhuǎn)動的銑刀135的第一夾持器133的預(yù)定參考位置Z參內(nèi)。然后，圖8所表示的圓柱形識別記號159在工件145的表面157上形成。工件145放在第二夾持器143的定位裝置的預(yù)定參考位置X參與Y參，然后銑刀135通過第一夾持器133適當(dāng)?shù)奈灰圃诠ぜ?45的表面157上加工出圓柱形凹槽。識別記號159這樣就有一相當(dāng)于銑刀135直徑的直徑。當(dāng)?shù)诙A持器143的定位裝置是在參考位置X參與Y參時工件145相對銑刀135是在R’參與Y’參參考位置上，因而圖8中所示圓柱識別記號159的一軸線A是在位置X’M＝X’參+δX，及Y’M＝Y(jié)’參+δY，其中δX是銑刀135的旋轉(zhuǎn)軸141與傳感器153的光學(xué)軸線163間的一段距離，事先平行X-軸量得并輸入控制程序，而δY是銑刀135的旋轉(zhuǎn)軸141與傳感器153的光學(xué)軸線163之間的一段距離。圖6中只能看到距離δY。然后傳感器153通過第一夾持器133適當(dāng)?shù)奈灰?，聚焦在工?45的表面157上。此后，工件145首先平行于X-軸依照圖8中所示第一直線11首先移動，而第一夾持器133的Z向位置是定值，第二夾持器143的Y位置是Y’1。傳感器153在這過程中兩次檢測到檢測記號159的一個側(cè)墻161。第二夾持器143的位置以(X’11，Y’1)與(X’12，Y’1)表示，在這位置中，當(dāng)工件145沿直線11移位時，傳感器153檢測到識別記號159的側(cè)墻161。接著，工件145平行于Y軸線沿第二直線12(見圖8)移動，這時第一夾持器133的Z位置是定常的而第二夾持器143的X位置是X’2。傳感器153檢測到識別記號159的側(cè)墻161時的瞬間，沿直線12的工件145的位移被停止。當(dāng)工件145沿直線12移動，傳感器153檢測到識別記號159的側(cè)墻161時的第二夾持器143的位置是(X’2，Y’21)。控制程序接著以普通且廣為所知的方式確定圓心位置，包括測得的位置(X’11，Y’1)，(X’12，Y’1)和(X’2，Y’21)。所述圓心的X位置與Y位置對應(yīng)于識別記號159的軸線A的所述位置X’M與Y’M。銑刀135相對工件145測得的參考位置(X’參，Y’參)按如下算出X’參＝X’M-δX，Y’參＝Y(jié)’M-δY。如在機(jī)床1中，銑刀135相對工件145的參考位置R’參與Y’參測量時的精度是由第二夾持器143的定位裝置的定位精度決定的。所述定位精度歸功于所述定位裝置和定位裝置的控制部分的設(shè)計(jì)是在亞微米范圍內(nèi)的，因此所述的參考位置都能以亞微米范圍的精度來測量。
用銑刀135在工件145上操作時，第二夾持器143帶同工件145被移位到連續(xù)的X-與Y-位置X’與Y’。X’與Y’根據(jù)機(jī)床131的控制程序各自對應(yīng)兩個數(shù)據(jù)的和，X’的第一數(shù)據(jù)是第二夾持器143需要的X位置的X值，由機(jī)床131的用戶輸入控制程序。另一數(shù)據(jù)是第二夾持器143的參考位置X參與測得的銑刀135相對工件145的參考位置X’參之間的差δX參。Y’對應(yīng)于第二夾持器143需要的Y位置的Y值，由機(jī)床131的用戶輸入控制程序，和第二夾持器143的參考位置Y參與測得的銑刀135相對工件145的參考位置Y’參間的差δY參，因而分別得到X’＝X+δX參＝X+(X參-X’參)，和Y’＝Y(jié)+δY參＝Y(jié)+(Y參-Y’參)。因?yàn)槠谕牡诙A持器143的X-與Y-位置X與Y可調(diào)整到亞微米范圍的精度，而參考位置X參，X’參，Y參和Y’參可以以亞微米范圍的精度測量，X-和Y-位置X’和Y’可以調(diào)整到亞微米范圍的精度，因而銑刀135可以相對工件145定位到，工件145用銑刀135加工到亞微米范圍的精度。
前面描述的機(jī)床1以刀具13加工旋轉(zhuǎn)的工件35，而前面描述的機(jī)床131以旋轉(zhuǎn)的銑刀135加工工件145。可以注意到按照本發(fā)明的方法也適用于其他型式的以刀具加工工件，而工件與刀具彼此相對作位移的機(jī)床。因而這方法，舉例來說，可以用于一種刀具是激光刀的機(jī)床或者刀具是電火花腐蝕刀的機(jī)床。
機(jī)床1上帶刀具13的第一夾持器11平行X軸線可以移動，而帶工件35的第二夾持器33可以繞Z軸線轉(zhuǎn)動和平行Z軸線移動。機(jī)床131帶銑刀135的第一夾持器133可以平行Z軸線移動，而帶工件145的第二夾持器143平行X軸線和平行Y軸線能移動。已指出過根據(jù)本發(fā)明的方法也能應(yīng)用于這樣的機(jī)床，其中帶刀具的第一夾持器和帶工件的第二夾持器以某些其他方式彼此相對位移。因而這方法還可以，舉例來說，用在一臺機(jī)床上，其中帶刀具的第一夾持器平行X軸線與Z軸線可以移位而帶工件的第二夾持器繞Z軸旋轉(zhuǎn)，或者用在一臺機(jī)床上其中第一夾持器平行于X軸線與Z軸線可以移位而第二夾持器是鼓形的，并繞平行X軸的旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動。
機(jī)床1按照所述方法提供一圓形槽123作為識別記號，而機(jī)床131提供一圓柱形凹口159作為識別記號。可以注意到按照所用方法識別記號可以替代地有不同的形狀和幾何條件，識別記號的形狀和幾何條件通常取決于機(jī)床型式和刀具型式。例如，在前段中描述的有鼓形第二夾持器的機(jī)床上，識別記號可以是一圓槽，其中心線與鼓形第二夾持器的所述轉(zhuǎn)動軸線重合。
最后要說明的是，代替前面描述的光學(xué)傳感器109，153，可以用其他型式的傳感器，舉例說像普通廣為所知的機(jī)械觸頭、電容傳感器或者電感傳感器。
權(quán)利要求
1.一種方法，用來測量聯(lián)接到機(jī)床第一夾持器中的刀具相對工件的參考位置，所述工件由所述刀具加工并由機(jī)床第二夾持器所夾緊，所述兩夾持器由一定位裝置使彼此相對作位移，以這種方法在預(yù)先決定的定位裝置的參考位置內(nèi)用刀具在工件上加上一識別記號，然后一傳感器與工件由定位裝置使之彼此相對移動，刀具相對工件的參考位置由定位裝置的位置所決定，在此位置上識別記號由傳感器檢測到，其特征在于在識別記號形成以前，刀具與傳感器彼此相對并相對第一夾持器是聯(lián)接在固定不變的位置上的。
2.一種用刀具加工工件的方法，在這種方法中工件相對刀具的參考位置是用權(quán)利要求1中所說明的方法來測量的，其特征在于，為了加工工件的目的，定位裝置被移位到順序的若干位置上，每個位置都對應(yīng)于一個供給定位裝置的位置和定位裝置的參考位置與測得的刀具相對工件參考位置之差的和。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述的方法，在此方法中第二夾持器繞一旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動而第一夾持器相對第二夾持器平行于方向垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的X軸線由定位裝置實(shí)現(xiàn)位移，特征在于工件有一垂直于旋轉(zhuǎn)軸線延伸的表面，而識別記號是由刀具在所述表面上加工出的圓槽。
4.一種如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于刀具相對工件的參考位置是由傳感器所測得的圓槽的直徑所決定。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于用一光學(xué)檢測器作為傳感器，利用它圓槽的一側(cè)墻被檢測到。
6.一機(jī)床，具有為刀具用的第一夾持器；為用所述刀具加工的工件用的第二夾持器；用來使兩夾持器能相對移位的定位裝置，以及用來控制定位裝置的控制部分，定位裝置能被控制部分所控制，為了測量刀具相對工件的參考位置的目的，遵照控制程序，刀具在工件上事先確定好的定位裝置的參考位置作出一識別記號，就測定位裝置使傳感器相對工件移動，刀具相對工件的參考位置是由定位裝置的位置來確定，在此位置中傳感器檢測到識別記號，特征在于刀具與傳感器是聯(lián)接在彼此相對且相對于第一夾持器在操作時固定不變的位置上的。
7.如權(quán)利要求6所述的機(jī)床，其特征在于，為了加工工件，定位裝置可以遵照控制程序移位到相繼的諸位置，這些位置各自對應(yīng)于由機(jī)床使用者供給控制程序一個定位裝置的位置與定位裝置的參考位置和測得的刀具相對工件的參考位置之間的差的和。
8.如權(quán)利要求6或7所述的機(jī)床，特征在于傳感器是光學(xué)檢測器。
9.如權(quán)利要求8所述的機(jī)床，其特征在于光學(xué)檢測器備有光源，用來把光源輻射的光聚焦到工件上的物鏡系統(tǒng)，以及一聚焦誤差探測器。
10.如權(quán)利要求6、7、8或9所述的機(jī)床，其中第二夾持器是繞轉(zhuǎn)動軸線回轉(zhuǎn)的而第一夾持器相對第二夾持器平行于方向垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的X軸由定位裝置可以移位，其特征在于識別記號是一圓槽，是由刀具在垂直于回轉(zhuǎn)軸線延伸的工件表面上加工出的。
11.如權(quán)利要求10所述的機(jī)床，其特征在于刀具相對工件的參考位置是由傳感器所測得的圓槽直徑確定的。
12.如權(quán)利要求8或9及權(quán)利要求10或11所述的機(jī)床，其特征在于光學(xué)檢測器檢測圓槽的一側(cè)墻。
全文摘要
一種測量刀具(13，135)的參考位置的方法。此刀具相對一工件(35，145)，固定在機(jī)床(1，131)的第一夾持器(11，133)內(nèi)。工件(35，145)用所述刀具(13，135)加工并固定在機(jī)床(1，131)的第二夾持器(33，143)內(nèi)。按照本發(fā)明，當(dāng)?shù)谝粖A持器(11，133)相對第二夾持器(33，143)在一預(yù)定的參考位置時刀具(13，135)在工件(35，135)上加工一識別記號(123，159)。然后，識別記號(123，159)用傳感器(109，153)檢測，而刀具(13，133)相對工件(35，145)的參考位置從第一夾持器(11，133)相對第二夾持器(33，143)的位置來決定，在這位置上識別記號(123，159)由傳感器(109，153)檢測到。在實(shí)現(xiàn)這一方法時，刀具(13，135)和傳感器(109，153)聯(lián)接在彼此相對并相對第一夾持器(11，133)的固定不變的位置上。由此得到刀具(13，135)相對工件(35，145)參考位置能測量達(dá)到的精度唯一地取決于第一夾持器(11，133)相對第二夾持器(33，143)取位時能達(dá)到的精度，因而工件(35，145)用刀具(13，135)加工時能達(dá)到的精度并不受刀具(13，135)相對工件(35，145)的參考位置被測量時的精度有害的影響。在依照本發(fā)明的機(jī)床(1，131)一特定實(shí)施例中，傳感器(109，153)是一帶聚焦誤差檢測器(119)的光學(xué)傳感器。按照本發(fā)明機(jī)床(1)的另一實(shí)施例中，帶工件(35)的第二夾持器(33)能繞Z軸旋轉(zhuǎn)，帶刀具(13)的第一夾持器(11)能平行于x軸移動，x軸垂直于Z軸，而識別記號是在工件(35)的垂直于Z軸伸展的表面(121)上的圓槽(123)。
文檔編號G05B19/401GK1141014SQ95191681
公開日1997年1月22日 申請日期1995年10月23日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月31日
發(fā)明者A·范圖倫, G·H·馮古爾, J·H·F·M·范李斯特 申請人:菲利浦電子有限公司