专利名称：多轴机床用工具头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种工具头，其形式可以所附权利要求1中传统工艺部分所述特征识别。
本实用新型可以在能够执行自动化钻孔、锥形扩钻或其它机加工操作的系统中获得应用，并且可以在加工面的高度未知情况下得到极高的公差。
特别，当意味着其总体范围无限制时，本实用新型可有利地与数控多轴机床协同使用，尤其如在飞机工业中在机翼和和机身段外板上钻孔和锥形扩孔，以便为插入铆钉做好准备。实际上，插入的铆钉头部必须保持与飞机的外部蒙皮完全齐平，以保证使其不致产生涡流，涡流将在空气动力阻力方面引起显著增加。
背景技术：
传统工艺包含能够控制钻孔或扩钻深度的装置，该深度在每次加工前通过机械调整设定。
专利IT 1220732，具体地披露一种控制深度的钻孔和锥形扩钻的装置，能够在位于相对于工具进给方向的任何给定高度下的表面上进行加工。所讨论的装置包括带柄部的工具夹持器，该柄部固定在机床的主轴中，还包括与该工具夹持器通过一对轴承联合的挡板机架机构，并呈现一对有活塞杆从两端伸出的气缸。各活塞杆在其一端连接到套环(当穿入工件时可通过该环插入工具)，而在对面端连接到安装板。套环可以相对于工具夹持器按平行于工具轴方向移动。联合在远离工具的活塞杆一端的安装板各设置测微计螺杆，它可用挡板牢固锁定在选定的位置上。在主轴上固定两个微动开关，其轴线与测微计轴线重合。微动开关也连接到适合于作为引导主轴的工具进给运动的装置。为控制扩孔的深度，螺杆的位置以如此的方式调节，即螺杆顶端和相应微动开关之间的距离等于套环面和工具之间距离，再加上扩钻深度。在操作中，机床的主轴继续前进一直到螺杆接触和扣动微动开关。在该点，引导主轴运动的装置将被造成的接触促使缩回工具。如此，加工深度可机械地予以控制，而一旦达到预定深度，开关简单地用来停止主轴的运动。
发明内容
申请人发现，在以上所描述的传统工艺装置中可以从各种观点上加以改进。
更精确地说，以上所描述熟知的机械控制装置不容许对在工作循环中工具下沉的深度进行任何自动调整。
不过实际上，这样的调整成为必需这一事实说明，使用中铆钉的杆身一般是相同的，而各(铆钉)头部尺寸将常有变化。相应地，首先钻孔然后扩孔的单独工具必须按照最终将占用该孔的铆钉头部尺寸钻到不同深度。此外，该循环将包括最初以互相不同的直径钻割所有的孔，并然后以一单独的工具轮流穿入不同深度(按不同孔径决定)扩钻。
为此目的，当采用传统工艺的装置时，机床必须停车以便手动调整测微计螺杆。
本实用新型目的是解决传统工艺所遇到的问题，通过提出一种多轴机床用的工具头，它能够容许自动地钻割和扩钻到不同深度，而不需要任何机械调整。
本实用新型还有一个目的是提供一种多轴机床用的工具头，设计成可容许减少各机加工循环之间的停机时间，由此使生产最佳化。
所述目的及其它等从下列说明将变得更加清楚，并按照所附权利要求中特性部分所叙述的特征，基本上可实现一种多轴机床用工具头。
附图简要说明现在将通过例子及附图帮助详细描述本实用新型，其中
图1阐明装备按照本实用新型工具头的多轴机床的立体图；图2为
图1中所示工具头的放大立体图；图3为显示固定在多轴机床主轴中的图2所示工具头的侧视剖面图；图4a和4b显示在各操作步骤中的图2中工具头的放大细节图。
具体的实施方式参见附图，1表示按照本实用新型的完整的工具头。
工具头1安装在数控多轴机床3的主轴头2中。
一般而言，机床3包括床身4，在其上安装有可相对于床身4沿多条定位轴线自由运动的主轴头。主轴头2由传统方案驱动装置5(不再描述)定位于各轴线上，并连接到处理和控制单元6，在编入控制单元6的数据基础上，控制工具U绕相关加工轴线J旋转。
纯粹作为例子，在
图1中示意地显示的机床3具有五条带线性马达的轴线X、Y、Z、C和A，并设计为可在可观尺寸的零件，诸如飞机机翼的面板和肋骨上钻孔和扩钻。
更具体地说，机床3的床身4包括两条平行的沿第一定位轴线X的滑轨7，在其中间将安放工件，并且在其上方安置可沿滑轨7移动的龙门机架8。龙门机架8上运送第一横向滑架9，它可沿龙门机架8横梁移动，该梁的方向与垂直于第一轴线X的第二定位轴线Y重合并平行于地面。装在第一滑架9上的第二横向滑架10可沿第三定位轴线Z移动，按垂直于地面方向延伸，并在底部端携带旋转单元11(其中心处于平行于第三轴线Z的第四轴线C)。主轴头2安装在旋转单元11上，并也可绕第五轴线A(正交于第四轴线C)枢转。
参见图2和3，工具头1偶合于主轴头2中的主轴12。更精确地说，工具头1包括呈现圆柱体形状并以机加工轴线J为中心的工具夹持器13，其中一端13a具有可握持工具U的弹簧夹头14，而另一端13b具有可固定于主轴12(示意地显示)的柄部15。
工具夹持器13和工具U制成可一体地相对于主轴头2绕加工轴J旋转，而工具夹持器13和主轴头2刚性地互相联合在一起沿同一轴线J移动。
在所附图中显示的工具U具有钻头16和切削部分17，该部分由扩大工具U的轴获得，以便形成截头锥形表面而可对钻头16所钻孔进行扩钻。
在一个可替代的解决方案中，工具U可以只包括锥形扩钻部分17。
工具头1包括能够相对于工具夹持器13(因此也相对于主轴头2)轴向地移动的挡板机架元件18。挡板机架元件18具有作用表面19，它横向于加工轴线J设置，使其可与工件加工表面S接触(图4a和4b)。在图中较佳实施方案中，作用表面19在圆周上包围工具U(图2)。
挡板机架元件18能够在第一操作位置(其中作用表面19位于工具U具有的切削部分17的前面，以相对于主轴头2接近工件表面S所沿方向考虑)和第二操作位置(其中工具的切削部分17至少在工作循环中一部分时间处于作用表面S的前面，该循环将在适当时机描述)之间移动。
更详细地，在结构上，工具头1也包括安放工具夹持器13的辅助壳体21，它具有邻近弹簧夹头14的第一部分21a，和邻近柄部15的第二部分21b，而第二部分21b的直径大于第一部分21a的直径(图3)。
辅助壳体21通过一对轴承22可旋转地安装在工具夹持器13上，而被约束与同一工具夹持器13一起沿加工轴线J移动。挡板机架元件18依此可滑动地安装在辅助壳体21上。
更精确地说，挡板机架元件18具有第一圆柱形部分18a，它套在壳体21的第一部分21a上并可在壳体21上平行于加工轴线J滑动。
挡板机架元件18的第二圆柱形部分18b同轴地并且刚性地连接在第一圆柱形部分18a上，并延伸到弹簧夹头14以外接近工具U切削部分17的一点。挡板机架元件18中第二圆柱形部分18b的一端23，即较近切削部分17的一端，具有与测微计螺纹套圈24(提供作用表面19)接合的螺蚊。
第一圆形密封件25a位于挡板机架元件18的第二圆柱形部分18b和辅助壳体21之间。
挡板机架元件18通过一对可滑动地容纳在壳体21中的杆26也连接于辅助壳体21。
具体地说，杆26固定在挡板机架元件18的第一圆柱形部分18a上，并沿平行于加工轴线J方向延伸趋向工具夹持器13的柄部15，再通过特别形成在辅助壳体21中第二部分21b中的通路27。各杆26的第一端26a稳定地插入挡板机架元件18的第一圆柱形部分18a，而杆26的第二端26b从辅助壳体21的第二部分21b突出，面向主轴头2。两杆26的第二端26b固定在包围工具夹持器13的板28上。
工具头1还包括作用在挡板机架元件18和辅助壳体21之间的弹簧装置29，其方式为偏压同一挡板机架元件18使其趋向第一操作位置。
在所说明的例子中，在实施中该弹簧装置29包括两盘绕弹簧，各套在杆26上，杆26的一端坐落在挡板机架元件18上而另一端坐落在辅助壳体21上。
至此为止所描述的工具头结构如此设计，使挡板机架元件18和由工具夹持器13及辅助壳体21组成的组件容许自由地相对移动，平行于加工轴线J，而在包括第一和第二操作位置的两极限行动位置之间。
只要作用面19没有导向顶紧任何工作表面S，工具头1将由于盘绕弹黄29的作用而保持在第一极限位置。在该位置上板28将紧顶在辅助壳体21的第二部分21b上。
在第二极限位置，挡板机架元件18被强迫顶紧在位于辅助壳体21的第一部分21a和第二部分21b之间联结处的台肩21c上。邻近台肩21c的空间为第二圆形密封件25b所占用，它位于挡板机架元件18的第一圆柱形部分18a和辅助壳体21之间。
有利地，工具头还包括能够连续地监控挡板机架元件18相对于工具夹持器13轴向位置的传感器装置30。
同样有利地，工具头1的传感器装置30如此连接在机床3的处理和控制单元6上，使主轴头2的轴向进给与在同一控制单元6中编程的扩钻深度值互锁。
上述传感器装置30包括至少一个连接于处理单元32(与主控制单元6有接口关系或联成整体)的位移传感器31。实际上，处理从传感器31来的信号所需电子器件或者可以综合在主控制单元6中，或者作为安装在传感器31和控制单元6之间的独立单元。
要求传感器31探测挡板机架元件18和工具夹持器13的相对位移。假定工具夹持器13与主轴头2成为一体地沿加工轴线J移动，传感器31将较佳地定位，使其可探测到挡板机架元件18和主轴头2之间的相对移位。
传感器31可以是任何已知的形式，只要它能够产生与正在讨论的部件之间的相对位移成正比的输出信号。
在本实用新型较佳的第一实施方案中，位移传感器31为熟悉形式的“线性可变差动变压器”或“LVDT”变换器，安装在主轴头2和挡板机架元件18之间。例如，LVDT变换器的气缸可以固定在主轴头2上，而柱塞杆提供给与挡板机架元件18联结的板28。
在本实用新型第二实施方案中，位移传感器31可以是一个与LVDT完全同样方式安装的测量探头。
可替代地，在本实用新型的第三可能的实施方案中，位移传感器31可以是运行在主轴头2和挡板机架元件18之间的感应变换器。作为例子，如图3所示，感应变换器31可以安装在主轴头2上并指向联结于挡板机架元件18上的板28，在此例子中的板28必须是金属板。
最后，在第四实施方案中，位移传感器31可以采取运行在主轴头2和挡板机架元件18之间的激光设备形式。同样在此例子中，激光设备较佳地安装在主轴头2上，并指向与挡板机架元件18联结的板28。
至此为止所注意的主要是关于结构方面的描述，现在将描述装备本实用新型工具头机床的操作，特别是关于钻孔和扩钻的单独操作。
处理和控制单元6的程序编制包括在已知公称表面上钻出和扩钻一定数量的孔，各孔扩钻到预定深度H。
以上阐明形式的工具U装在工具夹持器13中，而测微计套圈24，如果需要，相对于截头锥形切削部分(它将形成锥形扩钻)17如此调整，使同一截头锥形部分17的前导边沿与作用表面19对准。所说的位置可以用极高的精度校正，例如借助于扫描装置。
机床3开始其工作循环，通过主轴头2向工件前进而在表面S上钻孔。在接近过程中，工具的尖端P穿入工件而挡板机架元件18通过盘绕弹簧29的作用而保持在第一极限位置上；在这一阶段作用表面19仍未与工件表面S接触，传感器31记录常数距离，或换言之，零距离。
当作用表面19进入与工件表面S接触时(图4a)，工具U和主轴头2继续前进，而挡板机架元件18保持对工件相对静止。
控制单元测量挡板机架元件18相对于主轴头2的位移，这实际上对应于截头锥形部分17的穿入距离，并因此就是扩钻深度H(图4b)。一旦工具的穿入距离符合编程深度值H，控制单元产生指令以缩回主轴头2和工具U，并开始另一循环。机床上使用的工具可以与所显示的不同，例如仅为扩钻或仅为钻头。工具的尖端在任何情况均占有在附图例子中切削部分所示位置，基本上与作用表面19对准。
开始时所说目的已由本实用新型实现，与传统工艺相关的问题已适当克服。
首先和最重要的是，按照本实用新型多轴机床用的工具头可保证在过程的每一步中加工深度的精确和连续控制，即使对于不正确知道从基准面高度的加工表面。
此外，所披露的工具头可用来执行在不同深度下的机械加工操作，而不需停止机器并调整工具相对于工具头给定部分的位置。实际上，加工深度在循环开始前已编制在程序中并由机器的控制器所管理。
最后，应该注意上述优点还伴随着减少加工循环之间时间的好处，并因此获得最佳化生产的好处。
权利要求1.一种多轴机床用工具头，包括工具夹持器(13)，可绕各自的机加工轴线(J)旋转，装备有弹簧夹头(14)，其中夹持工具(U)，并可固定于在多轴机床(3)中主轴头(2)的主轴(12)；挡板机架元件(18)，可相对于工具夹持器(13)轴向滑动，提供横向于机加工轴线(J)设置并可对工件表面(S)靠紧定位的作用表面(19)，能够在第一操作位置和第二操作位置之间运动，在第一操作位置，以相对于主轴头(2)接近工件表面(S)所沿进给方向考虑，作用表面(19)位于工具U具有的切削部分(17)的前面，在第二操作位置，工具的切削部分(17)的至少一部分处于作用表面(19)的前面；其特征在于，它还包括传感器装置(30)，它连续地监控挡板机架元件(18)相对于工具夹持器(13)的轴向位置。
2.一种如权利要求1所述的工具头，其特征在于，传感器装置(30)包括至少一个连接于处理单元(32)的位移传感器(31)。
3.一种如权利要求1所述的工具头，其特征在于，位移传感器(31)为LVDT变换器。
4.一种如权利要求3所述的工具头，其特征在于，LVDT变换器安装在主轴头(2)和挡板机架元件(18)之间。
5.一种如权利要求1所述的工具头，其特征在于，位移传感器(31)为测量探头。
6.一种如权利要求5所述的工具头，其特征在于，测量探头安装在主轴头(2)和挡板机架元件(18)之间。
7.一种如权利要求1所述的工具头，其特征在于，位移传感器(31)为感应变换器。
8.一种如权利要求7所述的工具头，其特征在于，感应变换器安装在主轴头(2)和挡板机架元件(18)之间。
9.一种如权利要求1所述的工具头，其特征在于，位移传感器(31)为激光位移传感器。
10.一种如权利要求9所述的工具头，其特征在于，激光位移传感器安装在主轴头(2)和挡板机架元件(18)之间。
11.一种如权利要求1所述的工具头，其特征在于，还包括可旋转地安装在工具夹持器(13)上，并刚性地与同一工具夹持器(13)在轴向联结的辅助壳体(21)，其中挡板机架元件(18)可滑动地安装在辅助壳体(21)上。
12.一种如权利要求11所述的工具头，其特征在于，挡板机架元件(18)通过一对可滑动地容纳在同一壳体(21)内的杆(26)安装在辅助壳体(21)上。
13.一种如权利要求11所述的工具头，其特征在于，还包括运行在挡板机架元件(18)和辅助壳体(21)之间的弹簧装置(29)，通过该装置挡板机架元件(18)被偏压趋向第一操作位置。
14.一种多轴机床用工具头，包括床身(4)；主轴头(2)，安装在床身(4)上，并能相对于床身(4)沿多条定位轴线(X，Y，Z，C，A)移动；驱动装置(5)，通过该装置主轴头(2)定位在各轴线(X，Y，Z，C，A)上；其特征为它包括按照权利要求1所述的工具头(1)；和工具头(1)的传感器装置(30)连接于处理和控制单元(6)，如此，使主轴头(2)的轴向运动可按照其程序编入同一处理和控制单元(6)的选定加工深度予以控制。
专利摘要一种多轴机床(3)用工具头(1)包括可绕工具轴线(J)旋转的并固定在主轴头(2)的主轴(12)上的工具夹持器(13)，还有可滑动地安装在工具夹持器(13)中的挡板机架元件(18)，它配备具有作用表面(19)的套圈(24)，该表面(19)横向于工具轴线(J)设置并提供给工件的表面(S)。挡板机架元件(18)在第一操作位置和第二操作位置之间往复移动，在第一操作位置，沿相对于主轴头(2)接近工件表面(S)进给方向(20)考虑，作用表面(19)位于工具(U)具有的扩钻部分(17)的前面，在第二操作位置，扩钻部分(17)至少部分处于作用表面(19)的前面。挡板机架元件(18)相对于工具夹持器(13)的轴向位置由传感器系统(30)连续地监控。
文档编号B23Q17/22GK2684995SQ200420002310
公开日2005年3月16日 申请日期2004年1月30日 优先权日2003年1月31日
发明者M·佛拉里, B·施亚维 申请人:Jobs股份公司