组合车床设备及控制方法,车刀架,刀刃位置记录及检测装置的制作方法

专利名称：组合车床设备及控制方法,车刀架,刀刃位置记录及检测装置的制作方法
技术领域：
本发明关于一种控制组合车床设备的方法， 一种组合车床设备，车刀架， 刀刃位置记录装置以及刀刃位置检测装置。
背暈技术
组合车床设备的基本设计理念包括下述的(1)至(3)。 这些是设计时应该考虑进的最重要的几点。
(1) 操作者可以接近工件和主轴箱以方便使用。
(2) 工厂内安装机床的空间很小。
(3) 碎屑可以顺利地排出并且便于处理。
因此，如图12 (A)至12 (C)所示，具有相对水平线倾斜预定角度e的
可移动体420的设备是作为具有自动刀具更换设备的组合车床设备来使用。通 常，预定角度是45。， 60°或90°。可移动体420放置在床身410上方，并且沿 着X轴可移动的主轴箱400设置在可移动体420上。在图例12(A)中，可移 动体420沿着水平线Yt移动并且主轴箱400沿着相对于水平线Yt成9角的X 轴移动。水平线Yt是包括在水平面和X-Y平面内的直线。
在图例12 (B)中，可移动体420沿着Y轴移动并且主轴箱400沿着相对 于水平线Yt成e角的X轴移动。在图例12(C)中，可移动体420沿着Y轴 (水平线Yt)移动并且主轴箱400沿着垂直于水平线Yt的X轴移动。
在这类组合车床设备中，工件以预定角度e被切割，从而在工件上进行车 削加工。例如，日本专利公开号2000-254802公开的组合加工车床中，使用放 置在垂直于工件主轴轴线方向的刀具来加工工件，以避免工件主轴的热位移效 应。
在上述具有自动刀具更换装置的组合车床设备中，在工件的外周面进行车 削加工的情况下，由于工件自身重量，出现工件弯曲而直接影响加工精度(圆 柱度)的问题。通常，被支撑工件的弯曲量S(mm)可以通过公式(1)计算。
<formula>formula see original document page 4</formula> (1)
P是工件的重量(N)， L是工件的长度(mm)， E是直接弹性模量(N/mm2), I是截面惯性矩(mm4)。公式(1)包括工件长度L的立方。K此，工件的长度 对弯曲量S起最主要的作用。因此，工件的长度L越大，由亍工件歪量导致的弯曲量s变得更大。因此，当在相对水平线Yt的预定角度e进行车削加工时，
受到工件弯曲的影响，加工工件的精度变得很差(以下这个问题称为第一问 题)。
根据床身的一般结构，为了使用方便，垂直方向的厚度很小并且横向的长 度很大。在机床情况下，调整定位螺栓以定位机床。但是，由于发生地震，使 得机床安装其上的混凝土制基部的状态等发生变化，基部的位置以及施加给定 位螺栓的负荷也改变。因此，机床上很薄且具有低刚度的床身的垂直方向的弯 曲程度很容易改变。
垂直方向上的弯曲程度的变化意味着如图15所示的摆动(pitching)上有 同样的变化。摆动意味着当主轴箱沿工件主轴移动时发生的角度偏离。弯曲量 S是由于机床侧误差为"O"的情况下工件W弯曲而导致的，而摆动则是由于机 床中的误差而导致的。
这个误差影响了刀片在垂直方向的位置，而且同时影响工件W的加工精度 (以下这个问题称为第二问题)。在通过重新调整定位螺栓来解决这个问题时， 调整需要大量的时间和精力。除此之外，很难判断基部在这种状态下的改变是 否已降低了精度。
并且，旋转刀具，车削加工刀具等根据加工的对象安装在主轴箱上。转动 旋转刀片的马达、支撑被转动物体的轴承等组装在主轴箱内。在这种情况下， 马达和轴承是引起主轴箱内热位移的热源。沿着刀具主轴的轴线很容易引起热 位移。如图14所示，刀具主轴的轴线方向与利用车削加工刀具所加工工件的 切削方向一致。也就是说，即使在用车削加工刀具更换转动刀具后，车削加工 刀具也会受到主轴箱热位移的影响。在图14中，Wa表示在受到热位移的状态 下，已经进行了切削加工的工件W的外径。图14中，q表示在没受到热位移 的状态下，已进行了切削加工的工件W的外径，减去在受到热位移的状态下已 进行了切削加工的工件W的外径Wa得到的长度。
因此，车削加工刀具的热位移影响了外径车削加工的加工精度和加工后工 件W外径的精度(以下这个问题称为第三问题)。让机床纠正热位移量的技术 已经提出。但是根据这种技术，没有根本的措施来克服这个问题，因此很难稳 定地进行高精度的车削加工。
日本专利公开号2000-254802揭露的组合加工车床没有可以更换旋转刀具 和车削加工刀具的自动刀具替换设备。因此，本发明涉及的具有自动刀具替换
设备的组合加工车床设备不能同时解决第一至第三问题。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有自动刀具更换装置的组合车床设备的控制方法，该方法抑制了工件由于自身重量导致的弯曲影响，由于低刚性床身 在垂直方向弯曲方式改变而导致摆动的影响以及由于来自转动旋转刀具的马 达和轴承的热量导致的热位移的影响。
本发明的另一个目的是提供一种具有自动刀具更换装置的组合车床设备， 该设备抑制了工件由于自身重量导致的弯曲影响，由于低刚性床身在垂直方向 弯曲方式改变而导致摆动的影响以及由于来自转动旋转刀具的马达和轴承的 热量导致的热位移的影响。
本发明还有一个目的是提供一种根据具有自动刀具更换装置的组合车床 设备的控制方法来使用的、并用于具有自动刀具更换装置的组合车床设备的车 刀架。本发明进一步的目的是提供一种在具有自动刀具更换装置的组合车床设 备中使用的刀刃位置记录装置。本发明进一步还有一个目的是提供一种在具有 自动刀具更换装置的组合车床设备中使用的刀刃位置检测装置。
为达成上述目的和对应本发明的第一个方面，提供一种控制组合车床设备 的方法。该组合车床设备包括工件安装其上的工件主轴，刀具主轴，对所述工 件进行车削加工的车削加工刀具可拆卸地安装在所述刀具主轴上，从多个车削 加工刀具中取出特定的车削加工刀具并用该特定的车削加工刀具更换安装在 所述刀具主轴上的车削加工刀具的自动刀具更换装置，可沿着垂直于第一轴线 的第二轴线移动的可移动体，所述第一轴线是所述工件主轴的轴线并与水平面
形成预定角e (o<e^9o°)，以及所述可移动体支撑的刀具主轴箱。所述刀具
主轴箱具有所述刀具主轴。所述可移动体可在包括与所述第一轴线和所述第二
轴线垂直的第三轴线分量的方向上移动。所述刀具主轴可受控进行转动或保持
固定不转动。为了使安装在所述刀具主轴上的所述车削加工刀具的切削点沿着
垂直于所述第一轴线的水平线移动，通过在包括所述第三轴线分量的方向上移
动所述可移动体，或通过在包括所述第三轴线分量的方向上移动所述可移动
体、并同时沿着所述第二轴线移动所述刀具主轴箱，来对安装在所述工件主轴
上的所述工件进行车削加工。
根据本发明的第二方面，提供一种组合车床设备，包括工件安装其上的工
件主轴，刀具主轴，对所述工件进行车削加工的车削加工刀具可拆卸地安装在
所述刀具主轴上，从多个车削加工刀具中取出特定的车削加工刀具并用该特定 的车削加工刀具更换安装在所述刀具主轴上的车削加工刀具的自动刀具更换
装置，可沿着与第一轴线垂直的第二轴线移动的可移动体，所述第一轴线是所 述工件主轴的轴线并与水平面形成预定角e (o<es%°)，所述可移动体支撑 的刀具主轴箱。所述刀具主轴箱具有所述刀具主轴以及用于控制所述可移动体 移动的控制装置。所述可移动体可在包括与所述第一轴线和所述第二轴线垂直 的第三轴线分量的方向上移动。所述刀具主轴可受控进行转动或保持不转动。为了使安装在所述刀具主轴上的所述车削加工刀具的切削点沿着垂直于所述 第一轴线的水平线移动，控制装置通过在包括所述第三轴线分量的方向上移动 所述可移动体，或通过在包括所述第三轴线分量的方向上移动所述可移动体、 并同时沿着所述第二轴线移动所述刀具主轴箱，来对安装在所述工件主轴上的 所述工件进行车削加工。
根据本发明的第三方面，提供一种可拆卸并同轴安装在与水平面成预定角
e的刀具主轴上的车刀架，所述车刀架具有刀架本体，具有车刀头的车刀安装
在所述刀架本体上。所述刀架本体具有将所述车刀安装在其上的车刀安装表 面。所述车刀安装表面和所述刀架本体的轴线之间形成的角与所述刀具主轴和 水平面之间形成的预定角e相等。
根据本发明的第四方面，提供一种设置在根据本发明的第二方面的组合车 床设备内用于记录所述车削加工刀具的刀刃位置的刀刃位置记录装置。基准点 设置在所述刀具主轴的轴线上。刀刃位置记录装置包括刀刃位置输入装置和存 储装置。所述刀刃位置输入装置输入第一刀具长度、第二刀具长度以及第三刀 具长度，所述第一刀具长度为所述车削加工刀具的刀刃从基准点沿着所述第一 轴线偏移的偏移量，所述第二刀具长度为所述车削加工刀具的刀刃从基准点沿 着与所述第一轴线垂直的水平线偏移的偏移量，所述第三刀具长度为所述车削 加工刀具的刀刃从基准点沿着垂直线偏移的偏移量。所述存储装置，用于存储 所述输入的第一刀具长度、第二刀具长度和第三刀具长度。
根据本发明的第五方面，提供一种设置在根据本发明的第二方面的组合车 床设备内的刀刃位置检测装置，具有可以与所述车削加工刀具的刀刃接触的多 个检测表面，并且当所述刀刃与其中的一个检测表面接触时，输出检测信号。 所述刀刃位置检测装置包括第一检测表面，用于检测沿所述工件主轴的轴线移 动的所述车削加工刀具的刀刃，第二检测表面，用于检测沿与所述工件主轴的 轴线垂直的水平线移动的所述车削加工刀具的刀刃，和第三检测表面，用于检 测沿垂直线移动的所述车削加工刀具的刀刃。


图1是示出根据本发明第一至第三实施例的组合车床设备的立体图； 图2是示出组合车床设备的主轴箱附近部分的放大立体图； 图3是示出组合车床设备的侧视图； 图4是示出控制装置的方块图5是说明拖板、刀具主轴，车刀架以及工件之间的位置关系的图6 (A)是比较现有技术和本实施例之间车削加工刀具的位置的图6 (B)是比较现有技术和本实施例之间车削加工刀具的位置的示意侧视图7是说明现有技术和本实施例之间切削点差异的图8是示出根据本发明第三实施例的刀刃位置检测装置的立体图9是示出部分刀刃位置检测装置的放大侧视图IO是示出针元件一部分的放大立体图11是说明弯曲的工件部被车削和未弯曲的工件部被车削情况的图12 (A)至12 (C)是示出各个组合车床设备的示意图13是说明摆动误差的图； 图14是说明热位移的图； 图15是说明摆动的图16是示出了沿着刀具主轴的轴线的热位移量和与刀具主轴轴线垂直方 向的热位移量的图表；
图17 (A)和17 (B)是说明沿着刀具主轴的轴线的热位移量和与刀具主 轴轴线垂直方向的热位移量的图18是示出了主轴箱的示意剖视图19是示出了显示部显示的刀具记录屏幕的表格；
图20 (A)是示出了显示部显示的X — Z平面车削用刀具的刀具长度填写 栏的表格；
图20 (B)是示出了显示部显示的水平车削用刀具的刀具长度填写栏的表格。
具体实施例
(第一实施例)
以下参考图1至图7说明根据本发明第一实施例的组合车床设备和车刀架。
如图1和2所示，CNC组合车床设备20 (以下称为组合车床设备)具有 都为矩形平行六面体形状并在Z轴延伸的床身21和框体11。前门12设置在框 体11的前表面上，可以开闭。主轴箱26安装在床身21的上方，工件主轴26a 通过主轴箱26支撑使得可以绕着轴线02旋转，工件主轴26a以轴线02平行 于Z轴的方式放置。
卡盘26b设置在工件主轴26a内。待加工的工件W安装在卡盘26b上。尾 架27放置在床身21上以面向主轴箱26。尾架27可沿Z轴移动。对应待加工 工件W的尺寸、形状或加工的类型，在尾架27内设置支撑工件W上未被卡盘 支持的端部的尾架轴27a。
并且，已知的刀具库14安装在框体11内的工件主轴26a的后表面侧部上。刀具库14包含是车削加工刀具的车刀单元，以及诸如旋转刀具单元的刀具单
元。车刀单元由下述的车刀45和车刀架40组成。已知的ATC30 (自动刀具更 换设备)安装在刀具库14的附近。ATC30从刀具库40中取出刀具单元并将 其安装在下述刀具主轴25上，以及卸下已安装在刀具主轴25上的刀具单元并 将其放入刀具库14。
如图3所示，拖板基部22安装在床身21的水平面21a上。拖板23为可移 动体并安装在拖板基部22上。在床身21的水平表面21a上，拖板23可沿Z 轴移动，称之为纵向移动，并可沿Y轴的投影线移动，称之为横向移动。横向 移动对应在包括Y轴线分量的方向移动拖板23。
拖板23具有沿着X轴延伸的滑行表面23a。滑行表面23a相对床身21的 水平面21a倾斜预定的角度0。预定角度0例如可以是45°或60。，或是0<0^90° 范围内的任意角度。刀具主轴箱24安装在滑行表面23a上使得可沿X轴滑动。 在本实施例中，Z轴对应第一轴，X轴对应第二轴，Y轴对应第三轴。
如图2所示，刀具主轴安装部31在刀具主轴箱24的下端形成。在图3中， 为了便于说明省略了刀具主轴安装部31。刀具主轴25通过刀具主轴安装部31 支撑使之可转动。刀具主轴25绕垂直于X — Z平面的轴04在图2中的B轴线 方向旋转。刀具主轴25形成了刀具主轴箱24的主体的一部分。
B轴驱动马达Mb (参见图4)组装在刀具主轴箱24内。由齿轮、转动杆 等组成的动力传输装置(图中未示)设置在B轴驱动马达Mb和刀具主轴25 之间。动力传输装置将B轴驱动马达Mb的动力传给刀具主轴25。结果是，刀 具主轴25绕着轴04在B轴方向旋转。
并且，将刀具主轴25固定在刀具主轴安装部31上或解除固定的夹具装置 (图中未示)设置在刀具主轴安装部31和刀具主轴25之间。动力传输装置和 夹具装置在图2的B轴方向转动刀具主轴25并同时将刀具主轴25定位在预定 角度。刀具主轴25的轴01平行于拖板23的滑动表面23a，即X轴。
接着，结合图5和6说明车刀架40。
车刀架40具有刀架本体41。截锥状装配部42在刀架本体41的近端部内 形成。刀架本体41和装配部42是同轴设置。刀架本体41通过装配部42安装 在刀具主轴25上使得与轴01同轴并可移动。
如图5和6(A)所示，安装槽43设置在刀具本体41的一个侧面。安装槽 43具有面向工件W的开口。从安装槽43的内表面中接近装配部42的表面称 之为车刀安装表面44。如图5所示，车刀安装表面44相对刀架本体41的轴成 预定角e。
车刀45装配在刀架本体41的安装槽43内。利用螺栓48将车刀45固定 在刀架本体41的下端面。车刀45的末端沿着水平线Yt从安装槽43突出。车刀头46设置在车刀45的末端。水平线Yt是包含在X — Y平面和水平面内的直 线。X — Y平面对应具有第二和第三轴的平面。 接着，参考图4说明控制装置100。
组合车床设备20具有控制装置100。如图4所示，控制装置100具有由 CPU作为控制装置组成的主控制部110。加工程序存储器120、系统程序存储 器130、缓冲存储器140、加工控制部150、具有键盘等的控制面板160以及由 液晶显示装置组成的显示部170通过总线105与主控制部110连接。
X轴控制部200、 Yt轴控制部210、 Z轴控制部220以及B轴控制部230 通过总线105与主控制部110连接。各个轴控制部接收来自主控制部110的相 对轴的移动指令。轴控制部分别将相对轴的移动指令输出给驱动电路202、212、 222和232。驱动电路202、 212、 222和232分别接收相应的移动指令并驱动 各个轴马达(X、 Yt、 Z以及B轴驱动马达)。
当驱动X轴驱动马达Mx，刀具主轴25沿着X轴在拖板23的滑行表面23a 上移动。当驱动Yt轴驱动马达Myt，拖板23沿着水平线Yt移动，与此同时， 刀架主轴25也沿着水平线Yt移动。当驱动Z轴驱动马达Mz，拖板23沿着Z 轴移动，与此同时，刀具主轴25也沿着Z轴移动。
工件主轴控制部240通过总线105与主控制部110连接。工件主轴控制部 240从主控制部110接收转动指令并将该转动指令输出给驱动电路242。驱动 电路242从主控制部110接收到转动指令并使工件主轴驱动马达Mws转动。
刀具主轴控制部250通过总线105与主控制部110连接。刀具主轴控制部 250从主控制部110接收转动指令，并将主轴速度信号输出给驱动电路252。 驱动电路252根据刀具主轴控制部250的主轴速度信号，以对应转动控制指令 的转动速度转动与刀具主轴25连接的嵌入式马达MTs。结果是，转动刀具单元 与刀具主轴25—起转动。当使用车削加工刀具时，主控制部110将停止控制 指令输出给刀具主轴控制部250。刀具主轴控制部250从主控制部110接收停 止控制指令并使马达Mts停止。
接着，说明组合车床设备20的操作。
为了便于说明，车刀架40安装在刀具主轴25上。另外，假设刀具主轴25 的轴Ol绕B轴在平行于X轴的方向转动，并且轴Ol已被定位。在这种状态， 刀具主轴控制部250使马达MTs停止。控制装置IOO遵循存储在加工程序存储 器120中的加工程序并将转动指令输出给工件主轴控制部240，并使工件主轴 驱动马达Mws转动。
在控制装置100中，主控制部IIO遵循上述加工程序并将移动指令输出给 X轴控制部200。 X轴控制部200将该移动指令输出给驱动电路202并驱动X 轴驱动马达Mx。结果是，主轴箱24沿着刀具主轴25的轴01移动。结果，如图3所示，车刀45的车刀头46的刀刃位于包括有工件主轴26a的轴02的水 平面内和X—Y平面内的直线上。
在这种状态下，主控制部110将移动指令输出给Yt轴控制部210。 Yt轴 控制部210将移动指令输出给驱动电路212。驱动电路212使Yt轴驱动马达 Myt驱动，从而拖板23沿着水平线Yt移动，同时刀具主轴25也沿着水平线 Yt移动。另外，主控制部110遵循存储在加工程序存储器120中的加工程序并 将移动指令输出给Z轴控制部220。 Z轴控制部220输出移动指令给驱动电路 222。驱动电路222使Z轴驱动马达Mz驱动，从而，拖板23沿着Z轴移动， 同时，刀具主轴25也沿着Z轴移动。
如上所述，当刀具主轴25沿着水平线Yt移动时，工件W被车削加工刀具 沿着水平线Yt切削。在这种状态下，车刀45的车刀头46与刀具主轴25—起 沿着Z轴移动，从而，在工件W上进行车削加工。车刀头46在工件W上进行 切削加工的点称为切削点。因此，当切削点沿着垂直Z轴方向移动时，工件W 被车刀45沿着水平线Yt切割.
如上所述,工件W越长，由于其自身重量造成工件越弯曲。考虑到这一点， 在本实施例中，在工件W的外周面进行车削加工的情况下，工件由于自身重量 的弯曲不会直接影响加工精度。也就是说，与现有技术不同，即使工件W很长， 也避免了工件弯曲的影响。
另外，床身21很薄并沿水平线Yt延伸。因此，可以认为床身21在刚性 很低的垂直方向上的弯曲方式很容易改变。这意味着摇摆如图15所示改变。 但是，在本实施例中，上述摇摆的影响通过沿水平线Yt切削工件W被抑制。 (由于工件W弯曲产生的降低量)
在使用直径100mmX长度1270mm的铁材料作为工件W的情况下，如公 式(1)所示，弯曲量S变为20pm。工件W的弯曲在工件W的中部最大。因 此，在组合车床设备的高度不变的情况下，工件W的高度在工件W的中部变 得最小。根据现有的方法进行车削加工的情况下，表示工件W加工精度的圆柱 度变为4(Him，在加工精度上出现了很大的问题。
获得由于工件弯曲导致的圆柱度降低量的计算公式如下所示。图11示出 了车削工件弯曲部分和车削工件未弯曲部分的方法。在工件W沿着水平线Yt 切削的情况下，由于工件弯曲导致的圆柱度降低量A1可以通过以下公式(2) 表示。<formula>formula see original document page 11</formula>(2)如利用上述公式(2)所计算的，在工件W的半径R为50mm和S为20pm 的情况下，Al为7.9nm。另外，在工件处在相对水平线Yt倾斜切削角6k的 位置切削工件的情况下，由于工件弯曲导致的圆柱度降低量A2可以通过以下公式(3)表示。<formula>formula see original document page 12</formula>
R:根据加工程序指令加工后的工件半径
5:工件弯曲最大部分的弯曲量(例如，工件纵向方向的中心) U:工件中心与工件弯曲最大部分处的刀片之间的最小距离。 如利用上述公式(3)所计算的，在工件W的半径R是50mm, S为20pm 并且切割角ek是90度的情况下，A2为40pm。
如利用上述公式(3)所计算的，在工件W的半径R是50mm， S为20pm 并且切割角6k是60度的情况下，A2为34pm。另外，如利用上述公式(3) 所计算的，在工件W的半径R是50mm, S为20pm并且切割角9k是45度的 情况下，A2为28pm。因此，根据沿着水平线Yt切削工件的方法，圆柱度降 低量可以保持小到可以忽略的程度。
接着，结合图13说明摆动误差(error of pitching)。图13示出了在工件 W上使用现有的车削方法的情况。刀具主轴箱沿着垂直直线移动并且车刀也沿 着垂直直线移动。例如，在ISO10791-l中，摆动中的精度公差值被确定为 60|im/1000mm。在图13所示的现有技术的情况下，刀片在高度方向的位置改 变"A"可以通过以下公式表示。
△ = L x cos9n — (L - 60 jxm) = L(cos9n — 1) + 60 jam
L:床身21的拖板的滑行表面与车刀头46的刀刃之间的距离0im)
0n:摆动误差(伴随沿Z轴移动而产生的角度偏移)
0n = tan (60/1000000)，因此，cos9n = 0.999994，并且根据实际的机床尺寸， 例如假定L = 1000 mm时，A^54pm。在L=2000mm的情况下，A= 48pm。在A=54 pm的情况下，加工后的工件W的圆柱度为108pm，这是个很大的问题。
下面说明使用图12 (A)所示的组合车床设备20的情况。在工件W沿水平 线Yt切割的情况下，可以通过下述公式(4)来表示由于摆动误差导致的圆柱 度的降低量A3。
如利用上述公式(4)所计算的，在工件W的半径R是50mm, A二54iiim的 情况下，A3为0.1pm。另外，在工件处在相对水平线Yt倾斜切削角6k的位置 切削工件的情况下，由于摆动误差导致的圆柱度的降低量A4可以通过以下公 式(5)表示。
如利用上述公式(5)所计算的，在工件W的半径R是50mm，/^54pm，
<formula>formula see original document page 12</formula>并且切割角0k为60度的情况下，A4为92拜。因此，与A4相比，降低量A3 小到可以忽略不计。
接着，说明热位移。
由于马达MTs和轴承散发出的热，刀具主轴25和旋转刀具在轴向发生热 位移。在这种情况下，即使在旋转刀具单元变成车削加工刀具后，车削加工刀
具也间接受到马达MTS和轴承的热量的影响。
图18示出了刀具主轴25的内部结构。
如图18所示，定子37以围绕转子32的方式设置在外部圆柱体35的内表 面。轴承33和34以可以相对外部圆柱体35转动的方式支撑转子32。另外， 刀具单元，例如是旋转刀具单元，安装在转子32的末端。另外，冷却回路36 组装在外部圆柱体35内。温度被控制的流体流过冷却回路36。因此，通常保 持"垂直于刀具主轴25轴向上的热位移"小于"刀具主轴25轴向上的热位移"。 图18中的箭头表示了热位移的方向。
接着，说明沿着刀具主轴25的轴线发生的热位移和发生在垂直于该轴线 的方向上的热位移。图16是沿着刀具主轴25的轴线发生的热位移量和发生在 垂直于该刀具主轴25的轴线方向上的热位移量之间关系的图表。如图16所示， 随着刀具主轴箱24的温度升高，沿着刀具主轴25的轴线发生的热位移变得比 发生在垂直于刀具主轴25的轴线的方向上的热位移量大。因此，沿着刀具主 轴25的轴线发生的热位移影响了安装在刀具主轴25上的车削加工刀具。
下面，利用名数(concrete number)说明热位移的影响。在该说明中，如 图16所示，当刀具主轴25的温度是29T时，沿着刀具主轴25的轴线的热位 移量是35pm(二Sl)并且垂直于刀具主轴25的轴线的方向上的热位移量是6pm (=52)。如图17(A)和17(B)所示，当在工件W的外周面进行车削加工 使加工后工件W的外径为R=50mm时，将现有技术中在预定角9切削工件的 情况和本实施例中沿着水平线在工件W上进行车削加工的情况进行对比。
使用现有方法的情况下，加工后工件W的半径Ri可以使用下述公式计算。
在这种情况下，加工后工件W的半径Ri二49.965 (mm)，与组合车床设备 20的6角无关。因此，在这种情况下，R-R产350im)，误差为35pm，与9角无关。
同时，沿着水平线在工件W上进行车削加工的情况下，如本实施例，当组 合车床设备20的9 = 60°时，可以使用下述公式计算加工后的工件半径。
i 2 = # -(《cos 6 + & sin 6>))2 + (《sin U2 cos 6>)2 这里，当0 = 60°时，R2 = 49.977 (mm)。因此，误差为R-R2 = 23 Oim)。
另夕卜，当6 = 45°时，R2 = 49.971 (mm)。
因此，误差为R-R2 = 29(>n)。
另夕卜，当9 =卯°时，R2 = 49.994 (mm)。
因此，误差为R-R2 = 6 0im)。
如上所述，在工件上水平地进行车削加工时，形成的热位移影响比使用现 有方法情况下小。
如上所述，在本实施例中，通过在包括Y轴线分量的方向上移动拖板23， 在安装到工件主轴26a的工件W上进行车削加工，以使车削加工刀具的切削点 沿水平线Yt移动。结果是，同时抑制了由于工件W自身重量导致的工件弯曲 的影响、摆动的影响、以及由于马达和轴承导致的热位移影响。
另外，如图5所示，在本实施例中的车刀架40中，车刀安装的表面44与 刀具本体41的轴线之间形成的角与刀具主轴25的轴线01和水平面21a之间
形成的预定角e相同。
(第二实施例)
根据现有技术，在图6 (B)所示的切削位置和X-Z平面内对工件W进行 车削加工。同时，车削加工刀具的刀刃位于包括工件W所围绕旋转的中心在内 的X — Z平面内，并沿着刀具主轴25的轴线Ol。车削加工刀具在该位置的定 位称为中心高度调整。已知这种中心高度调整对加工的精度和加工表面的质量 有影响。车刀安装在车刀架上，车刀头安装在车刀上。车刀头安装其上的商品 化的车刀的厚度Th通常是标准化的。设计车刀架要考虑车刀的厚度Th，使车 刀的刀刃对准工件主轴26a的轴02。也就是说，制成的车刀架以在车削加工时 处在X-Z平面。从而，定位了车削加工刀具，因此对工件W进行车削加工的 情况下，操作者不必进行上述的中心高度调整。
但是，如图6 (B)所示，根据第一实施例在组合车床设备20中进行车削 加工的情况下，需要定位车削加工刀具以使车刀头46的刀刃对准"垂直于工件 W的轴02的水平轴"。操作者需要仔细地进行中心高度调整。具体地，需要加 入定位X和Y轴的程序以进行中心高度的调整。同时，为了检査中心高度调整 是否已被正确地进行，利用已调整好中心高度的加工刀具切削工件W的端面， 并且对上述程序进行微调直到工件W的端面没有未切削区域剩下。这时，工件 W的端面被重复切割，因此，出现需要花费大量时间和精力的问题。
作为解决这种问题的手段，除了第一实施例中的组合车床设备20和车刀 架40，还希望与组合车床设备20 —起提供刀刃位置记录装置60。
结合图1一7， 19和20，以下说明刀刃位置记录装置60的结构。在第二实 施例中，刀刃位置记录装置60附加设置在第一实施例的结构中。因此，与第一实施例相同的部件，其符号相同，并且省略了相关说明。
如图4所示，刀刃位置记录装置60具有控制面板160和缓冲存储器140。 控制面板160对应刀刃定位输入装置，缓冲存储器140对应存储装置。
如图19所示，操作者操作控制面板160，显示出显示部170上的刀具记录 屏171。例如，操作者将字符串"刀具一C"输入刀具名称栏作为刀具名称。另外， 操作者将"X — Z平面车刀"、"水平车刀"，或其它刀具的名称，诸如旋转刀具 输入刀具类型栏中。如图20 (B)所示，用于水平车削刀具的刀具长度输入栏 172显示在显示部170的屏幕上。操作者将第一刀具长度Ca，第二刀具长度 Cb和第三刀具长度Cc输入到刀具长度输入栏172的"刀具一C"输入栏中。主 控制部IIO将输入的刀具长度存储在缓冲存储器140中。
如图6 (A)和6 (B)所示，第一刀具长度Ca是车刀头46的刀刃从沿刀 具主轴25的轴01的基准点PS沿工件主轴26a的轴02偏移的偏移量。基准 点PS处在沿刀具主轴25的轴01的预定位置。虽然在本实施例中，刀具主轴 25的端面和刀具主轴25的轴线01的交叉点是基准点PS，但本发明并不对此 作出限制。也就是说，基准点PS可以是沿着刀具主轴25的轴Ol能够容易确 定的任意位置。第一刀具长度Ca对应现有的刀具长度B。刀具长度B对应第 四刀具长度。刀具长度B是现有的车削刀具的刀刃从沿刀具主轴25的轴01 的基准PS沿工件主轴26a的轴02偏移的偏移量。
第二刀具长度Cb是车刀头46的刀刃从基准点PS沿水平线Yt偏移的偏移 量。第二刀具长度Cb用来校正被加工的工件W的直径，并根据所使用的车刀 长度和使用的车刀突出的方式来改变。
第三刀具长度Cc是车刀头46的刀刃从基准点PS在垂直方向偏移的偏移 量。第三刀具长度Cc是上述基准点PS和车刀头46的刀刃之间在垂直方向上 的距离。如图7所示，基准点相对工件W的旋转中心的位置，即机床内的原点 已知。根据现有技术，记录了第一刀具长度Ca，第二刀具长度Cb和第三刀具 长度Cc，工件加工时这些长度并不使用。
下面说明主控制部IIO利用存储在缓冲存储器140 (存储装置)中刀刃的 位置，即第二刀具长度Cb、第三刀具长度Cc和预定角e进行内部算法处理的
例子。该例子是利用第二刀具长度cb、第三刀具长度cc和预定角e获得在通
用的刀具长度校正函数中使用的X轴和Y轴方向上刀具长度a和(3的例子。 从图7中得到下述公式。 Mxsin9 = Cc …(6) MxC0Se + G = Cb …(7) GxC0Se + M = a …(8)
M:位于通过车刀头46刀刃的水平面与刀具主轴25的轴01相交处的点Tl与基准点PS之间沿着轴01的距离。
G:车刀头46的刀刃与上述点Tl之间的距离； 这里，从公式(6)得出下述公式 M = Cc/(sin6)…(9)
公式(9)代入公式(7)以得到
(cos0/sine) x Cc + G = Cb (10) 因此，
G = Cb - (cose/sin0) x Cc ...(ll)
公式(9)和公式(11)代入公式(8)以得到 a = (Cb - (cos6/sin0) x Cc) x cos0 + Cc/sin …(12)
如公式(12)所示，根据现有技术在机械座标中具有X轴和Y轴的组合车 床设备20中已使用的刀具长度a可以使用第二刀具长度Cb和第三刀具长度 Cc和预定角9来表示。刀具长度a对应第五刀具长度。刀具长度a是车刀头的 刀刃从基准点PS沿X轴偏移的偏移量。
另外，从图7中得出以下公式
|3 = G x sin9
将公式(11)代入上述公式公式以得到
P = (Cb - (cos6/sine) x Cc)) x sine …(13)
在现有技术的情况下，当假定根据程序指示，刀刃沿x轴移动的距离是工
件W的直径D时，得出下列公式。
X方向的移动量二 L —BA-a-(D/2) …(14) 丫方向的移动量=0 ...(15)
在本实施例中，为了调整中心高度，在图7中需要将刀具定位在位置1内。 另外，为了在Y'-Z平面进行切削加工，根据使用从公式(12)和(13)得到 的a和p的下列公式(16)和(17)定位刀具。控制装置100根据公式(12)， (13) ， (16)和(17)进行操作。
X方向的移动量(水平车削)=L — BA - a — (D/2) + K = L- BA-a - (D/2) + ((D/2) - (D/2) x cose) …(16)
Y方向的移动量(水平车肖1」)=卩+J = (3 + (D/2) x Sine …(n) L和BA是机械参数，并且为机床厂商装配机床时就设定的已知值。 L:机床的原点和工件W的转动中心(轴02)之间的距离 BA:当刀具主轴25返回到原点时机床的原点和刀具主轴25的端面(基准 点PS)之间的距离
D:由程序指令的工件的直径虽然省略了说明，第一刀具长度Ca指的是当刀具沿Z轴移动时与现有的 刀具长度校正同样的方式。如从上述公式中可以看出，操作者可以如现有技术 一样，简单输入工件W的直径。也就是说，对于现有的已被程序化以使刀刃沿 X轴和Z轴移动的两轴车床，在加工程序中使用第一刀具长度Ca，第二刀具长 度Cb,第三刀具长度Cc和预定角度e，可以得到刀刃沿X轴，Y轴和Z轴的 移动量。
根据第二实施例的刀刃位置记录装置60提供一种可用在根据第一实施例 的具有ATC30的组合车床设备的刀刃位置记录装置。在不需要高精度的加工 的情况下，在工件W很短或由于其自身重量对工件的影响很小的情况下，可以 采用现有的车削加工。
进行现有的车削加工的情况下，当在图19示出的刀具记录屏幕171上记 录刀具名称"刀具一A"，"刀具一B"等时，操作者输入X — Z平面车削刀具作为 刀具类型。X — Z平面车削用的"刀具一A"，"刀具一B"等对应第二轴一第一轴 平面车削用的刀具。
另外，如图20 (A)所示，主控制部110在显示部170的显示屏上显示了 X—Z平面车削刀具用的刀具长度输入栏173。操作者操作控制面板160将Z 轴偏移和X轴偏移分别输入到与刀具长度输入栏173中的"刀具一A"，"刀具一 B"所对应的栏内。主控制部IIO将输入的刀具长度存储在缓冲存储器140中。 在本实施例中，Z轴偏移对应为第四刀具长度的刀具长度B， X轴偏移对应为 第五刀具长度的刀具长度cu另外，控制面板160对应输入第四刀具长度和第 五刀具长度的输入装置，缓冲存储器140对应存储所输入的刀具长度的装置。
具有刀刃位置记录装置的该组合车床设备选择X — Z平面车削刀具作为加 工程序中指定使用的刀具，并将安装在现有车削加工刀具架上的车刀的刀具长 度B (第四刀具长度)和刀具长度a (第五刀具长度)输入，从而，可以进行 与现有技术同样的车削加工。
如上所述，控制装置100自动判定是否应当使用已经被编程为刀刃沿X轴 和Z轴移动的刀具名(当该刀具名是已经被设计成作为根据已被输入到工具记 录屏171上的刀具类型而在加工程序中所使用的刀具名中的一个)，从而应当 沿X轴和Z轴实行刀具移动控制；或是否应当使用第一刀具长度Ca，第二刀 具长度Cb，第三刀具长度Cc和预定角度0以沿X轴，Y轴和Z轴进行刀具移 动控制。
(第三实施例)
接着，结合图l， 8 —10说明在上述组合车床设备20中使用的刀刃位置检 测装置50。
支撑部53设置在床身21上方的工件主轴26a附近。沿着Z轴延伸的臂51由支撑部53以可转动的方式支撑。用于组合车床设备20的检测部本体52设 置在臂51的末端。检测部本体52设置在工件主轴26a的轴02的附近。图8 中省略了支撑部53。当对工件W进行车削加工时，臂51通过支撑部53转动， 以使检测部本体53处在本体所要进行检测的部分的外部。
本体壳54安装在臂51上。针元件55克服弹性部件(图中未示)的按压 力以可往复运动的方式被支撑在本体壳54内。另外，如图10所示，针元件55 以不可绕其轴03旋转的方式被支撑。如图8和9所示，针元件55的末端从本 体壳54的上表面突出。三对连接端子56以绕针元件55的轴03相同角间隔放 置在本体壳54的上壁54a的内表面上。如图IO所示，三个接触器57—直与从 针元件55的端部突出的三对连接端子56保持接触。
当针元件55往复运动时，三对连接端子56中的一对从接触器57移开， 以使这些连接端子对56与接触器57之间的电连接断开。三对连接端子56互 相串联连接，因此，当三对连接端子56中的一个电断开时，"断开"检测信 号被输出给控制装置100。检测体58经由L形弯曲部55a而支撑在针元件55 的末端。如图8所示，检测体58形成多面体块状。检测体58具有第一检测表 面58a，第二检测表面58b，第三检测表面58c和第四检测表面58d。
如图8和9所示，第一检测表面58a是垂直于工件主轴26a的轴02的平 面。检测体58具有沿Z轴排列的一对第一检测表面58a。当刀具沿着工件主轴 26a的轴02移动时，这对第一检测表面58a可以与车刀头46的刀刃接触。第 一检测表面58a检测第一刀具长度Ca。
当车刀头46沿+Z轴或-Z轴移动以接触第一检测表面58a时，检测信号从 检测部本体52输出给控制装置100。该检测信号输出的同时，Z轴驱动马达 Mz停止转动。这时，根据马达的转数计算刀具从初始位置ZO (没有示出)起 的移动量，以计算出刀具停止时沿Z轴的位置坐标。控制装置100以计算出的 坐标位置为基础来计算第一刀具长度Ca。控制装置100具有计算刀具移动量的
计数器o
当安装在现有刀架上的车刀移动时，第一检测表面58a可以与车刀头的刀 刃接触。也就是说，可以利用第一检测表面58a来检测安装在现有刀架上的车 刀的刀具长度B。
第二检测表面58b是垂直于水平线Yt的平面。检测体58具有一对相向设 置的第二检测表面58b。当刀具沿水平线Yt移动时，这对第二检测表面58b可 以与车刀头46的刀刃接触。第二检测表面58b检测第二刀具长度Cb。
当车刀头46沿水平线Yt移动并与第二检测表面58b接触时，检测信号从 检测部本体52输出给控制装置100。该检测信号输出的同时，Yt轴驱动马达 Myt停止转动。这时，根据马达的转数计算刀具从初始位置Yt0 (没有示出)起的移动量，以计算出刀具停止时沿Yt轴的位置坐标。控制装置100以计算 出的坐标位置为基础来计算第二刀具长度Cb。
第三检测表面58c是垂直于垂直线的水平面。检测体58具有一对相向设置 的第三检测表面58c。当刀具沿垂直线移动时，这对第三检测表面58c可以与 车刀头46的刀刃接触。第三检测表面58c检测第三刀具长度Cc。
当车刀头46沿垂直线移动并与第三检测表面58c接触时，检测信号从检测 部本体52输出给控制装置100。该检测信号输出的同时，X轴驱动马达Mx和 Yt轴驱动马达Myt都停止转动。这时，根据马达的转数计算刀具从初始位置 X0和初始位置Yt0起的移动量，以计算出刀具停止时的位置坐标。控制装置 100以计算出的坐标位置为基础来计算第三刀具长度Cc。
第四检测表面58d是垂直于X轴的平面。检测体58具有一对相向设置的 第四检测表面58d。当安装在现有刀架上的车刀沿X轴移动时，这对第四检测 表面58d可以与车刀头的刀刃接触。也就是说，第四检测表面58d用来检测安 装在现有刀架上的车刀的刀具长度cu
当车刀头46沿X轴移动并与第四检测表面58d接触时，检测信号从检测 部本体52输出给控制装置100。该检测信号输出的同时，X轴驱动马达Mx停 止转动。这时，根据马达的转数计算刀具从初始位置X0起的移动量，以计算 出刀具停止的位置坐标。控制装置100以计算出的坐标位置为基础来计算刀具 长度a。
检测体58具有一对第一检测表面58a， 一对第二检测表面58b， 一对第三 检测表面58c和一对第四检测表面58d。结果是，根据安装在刀架上的刀具位 置和形状，可以检测刀具的刀刃的位置。
根据本实施例的刀刃位置检测装置50，检测体58具有用于检测第二刀具 长度Cb和第三刀具长度Cc的第二检测表面58b和第三检测表面58c。因此， 可以检测第二刀具长度Cb和第三刀具长度Cc。另外，检测体58也具有第一 检测表面58a和第四检测表面58d。因此，第一刀具长度Ca，也就是说，安装 在现有刀架上的车刀的刀具长度B和现有的刀具长度a也可以检测。
本实施例也可以如下所示的方式实施。
虽然本发明的第一实施例是以如图12(A)所示的组合车床设备20来实施， 第一实施例也可以如图12(B)所示的组合车床设备20来实施。在这种情况下， 为了将安装在刀具主轴25上的刀具沿水平线Yt移动，拖板23在包括Y轴线 分量的方向移动，并且同时，刀具主轴箱24沿X轴移动。另外，组合车床设 备具有对安装在工件主轴26a上的工件W进行车削加工的控制装置100。在这 种情况下，刀具通过沿X轴移动Ycos0/sine和沿着Y轴移动Ytsin9。结果是， 拖板23沿着水平线Yt移动。另外，本发明可以图12 (C)所示的组合车床设备来实施。这种情况对应
e是90度并且Y轴对准水平线Yt的情况。
权利要求
1、一种控制组合车床设备的方法，其中所述组合车床设备包括工件安装于其上的工件主轴；刀具主轴，对所述工件进行车削加工的车削加工刀具可拆卸地安装在所述刀具主轴上；从多个车削加工刀具中取出特定的车削加工刀具并用该特定的车削加工刀具更换安装在所述刀具主轴上的车削加工刀具的自动刀具更换装置；可沿着垂直于第一轴线的第二轴线移动的可移动体，所述第一轴线是所述工件主轴的轴线并与水平面形成预定角θ(0＜θ≤90°)；所述可移动体支撑的刀具主轴箱，所述刀具主轴箱具有所述刀具主轴，其中所述可移动体可在包括与所述第一轴线和所述第二轴线垂直的第三轴线分量的方向上移动，其中所述刀具主轴可受控制而进行转动或保持固定不转动，所述方法的特征在于，为了使安装在所述刀具主轴上的所述车削加工刀具的切削点沿着垂直于所述第一轴的水平线移动，通过在包括所述第三轴线分量的方向上移动所述可移动体，或通过在包括所述第三轴线分量的方向上移动所述可移动体、并同时沿着所述第二轴线移动所述刀具主轴箱，来对安装在所述工件主轴上的所述工件进行车削加工。
2、 一种组合车床设备，包括工件安装其上的工件主轴；刀具主轴，对所 述工件进行车削加工的车削加工刀具可拆卸地安装在所述刀具主轴上；从多个 车削加工刀具中取出特定的车削加工刀具并用该特定的车削加工刀具更换安 装在所述刀具主轴上的车削加工刀具的自动刀具更换装置；可沿着与第一轴线 垂直的第二轴线移动的可移动体，所述第一轴线是所述工件主轴的轴线并与水平面形成预定角e (o < e《90° );所述可移动体支撑的刀具主轴箱，所述刀具主轴箱具有所述刀具主轴；和用于控制所述可移动体移动的控制装置，其中所述可移动体可在包括与所述第一轴线和所述第二轴线垂直的第三轴线 分量的方向上移动，并且其中所述刀具主轴可受控进行转动或保持固定不转 动，以及所述组合车床设备特征在于，为了使安装在所述刀具主轴上的所述车削加 工刀具的切削点沿着垂直于所述第一轴线的水平线移动，控制装置通过在包括所述第三轴线分量的方向上移动所述可移动体，或通过在包括所述第三轴线分 量的方向上移动所述可移动体、并同时沿着所述第二轴线移动所述刀具主轴 箱，来对安装在所述工件主轴上的所述工件进行车削加工。
3、 一种可拆卸并同轴安装在与水平面成预定角e的刀具主轴上的车刀架，其特征在于，所述车刀架具有刀架本体，带有车刀头的车刀安装在所述刀 架本体上，其中所述刀架本体具有将所述车刀安装在其上的车刀安装表面，并且其中所述车刀安装表面和所述刀架本体的轴线之间形成的角与所述刀具主轴和水平面之间形成的预定角e相等。
4、 一种设置在如权利要求2所述的组合车床设备内用于记录所述车削加 工刀具的刀刃位置的刀刃位置记录装置，其特征在于，在刀具主轴线上设有基准点，所述刀刃位置记录装置包括 刀刃位置输入装置，用于输入第一刀具长度、第二刀具长度以及第三刀具 长度，所述第一刀具长度为所述车削加工刀具的刀刃从基准点沿所述第一轴线 偏移的偏移量，所述第二刀具长度为所述车削加工刀具的刀刃从基准点沿着与 所述第一轴线垂直的水平线偏移的偏移量，所述第三刀具长度为所述车削加工 刀具的刀刃从基准点沿着垂直线偏移的偏移量；以及存储装置，用于存储所述输入的第一刀具长度、第二刀具长度和第三刀具 长度。
5、 如权利要求4所述的刀刃位置记录装置，其特征在于，所述刀刃位置 输入装置包括用于输入第四刀具长度及第五刀具长度的输入装置，所述第四刀 具长度为车削刀具的刀刃在第二轴线一第一轴线平面内从基准点沿着所述第 一轴线偏移的偏移量，所述第五刀具长度为所述车削刀具的刀刃在第二轴线一 第一轴线平面内从基准点沿着所述第二轴线偏移的偏移量，并且其中所述存储 装置存储所述第四刀具长度和第五刀具长度。
6、 一种设置在如权利要求2所述的组合机床设备内的刀刃位置检测装置， 具有可以与所述车削加工刀具的刀刃接触的多个检测表面，并且当所述刀刃与 其中的一个检测表面接触时，输出检测信号，所述刀刃位置检测装置的特征在于，包括第一检测表面，用于检测沿所述工件主轴的轴线移动的所述车削加工刀具的刀刃；第二检测表面，用于检测沿与所述工件主轴的轴线垂直的水平线移动的所 述车削加工刀具的刀刃；第三检测表面，用于检测沿垂直线移动的所述车削加工刀具的刀刃。
7、 如权利要求6所述的刀刃位置检测装置，其特征在于，包括 第四检测表面，用于检测与沿所述第二轴线移动的所述车削加工刀具的刀刃的接触。
全文摘要
本发明涉及组合车床设备及其控制方法、车刀架、刀刃位置记录装置及刀刃位置检测装置。为了使安装在刀具主轴(25)上的车削加工刀具沿垂直于Z轴的水平线Yt移动，使刀架(23)在包括Y轴线分量的方向上移动，从而对安装在工件主轴上的工件(W)进行车削加工。
文档编号B23Q5/22GK101306475SQ20081009882
公开日2008年11月19日 申请日期2008年5月15日 优先权日2007年5月16日
发明者奥田敏人, 山本博雅, 桃井昭二 申请人:山崎马扎克公司