加工操作的进程补偿及机器布置的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于执行进程补偿在工件上加工操作的方法，其中，所述补偿过程包括产生代表相对于工件的加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力大小的控制信号；基于所述控制信号，确定补偿参数值；以及基于所述补偿参数值，补偿所述加工操作。本发明还涉及相应的机器布置，用于执行在工件上加工操作，比如硬车削过程。
【专利说明】加工操作的进程补偿及机器布置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在工件上执行加工操作的方法及机器布置，其中，所述加工操作包括通过采用切削工具经受工件的加工表面并且通过提供所述工件与切削工具之间的相对旋转运动及相对平移运动在物理上将材料从工件去除。例如，本发明可以用于例如金属或陶瓷部件的车削、硬车削以及镗削(内部车削)，例如基于手动、半自动或自动的加工操作使用车床或自动车床。例如，加工操作可以基于CNC(计算机数字控制)，其中，命令被传递至例如布置成基于CNC参数来执行加工操作的机床。
【背景技术】
[0002]各种高性能和高品质的金属、钢或陶瓷部件，比如轴承部件、杆、轮轴、轴、联接器、发动机构件等，可以通过使用车削过程由工件制造。车削过程涉及加工操作，其采用切削工具在物理上将材料从工件的加工表面去除，切削工具通常包括可更换的工具刀片或尖端，比如碳化物、CBN(立方氮化硼)或陶瓷刀片。加工操作过程中的材料去除是这样实现的，通过提供工件与切削工具之间的相对旋转运动，采用切削工具的尖端接触工件的加工表面，以及相对于工件移动切削工具，从而在车削过程的每个旋转中去除适量的材料。
[0003]为了实现部件的适当高品质性能比如高尺寸精度，如作为关键因素的圆度和圆柱度，通常利用进一步的处理涉及例如研磨和/或珩磨的制造步骤。但是，额外的制造步骤需要额外的机器并增加制造时间和复杂性以及成本。因此，为了便于制造，需要根据加工操作提高部件最终切削的质量，从而可以减少或避免用于实现部件的预期尺寸和表面精加工的后续制造步骤。特别是，这适用于硬车削制造，其中加工操作在部件工件上进行，该部件工件具有由最终部件应用所需的硬度，比如在轴承环或滚动体部件的情况下的滚动轴承应用。
[0004]然而，加工操作涉及切削工具与工件的加工表面之间的高度复杂的相互作用，其在制造过程中妨碍定型部件的精度和性能。例如，初始工件变形(例如来自硬化过程)以及待处理加工表面的初始高水平的表面粗糙度和尺寸不精确对加工结果具有负面影响。此夕卜，基本上随机的和/或不可控的与切削工具有关的车削过程，比如崩刃、断裂、磨损、刀瘤等，影响最终切削，例如通过增加加工部件的轮廓误差。这导致该部件的最终质量和性能受到损害，而且生产效率受到阻碍。
[0005]因此，存在需要改善目前的技术以及实现能够提供改进的且更有效的加工操作、更高的生产率及具有增加的尺寸精度和表面性能的改进部件的制造过程和加工设备。
【发明内容】
[0006]鉴于现有技术的上述及其他缺点，本发明的总体目的是通过提供涉及工件加工操作的改进的、更有效的和尺寸上更精确的制造以及用于工件加工操作的改进的机器布置来减轻上述提及的缺点。
[0007]根据其第一方面，本发明涉及一种用于补偿在工件上加工操作的方法，所述方法包括执行加工操作，其通过采用切削工具进行工件的表面加工，并且通过提供所述工件与切削工具之间的相对旋转运动及相对运动，例如相对平移运动，在物理上将材料从工件去除，其中，所述方法还包括所述加工操作的进程补偿，所述补偿包括产生代表相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力大小的控制信号；基于所述控制信号，确定补偿参数；以及基于所述补偿参数，补偿所述加工操作。
[0008]有利地，本发明通过使得能够进程补偿的加工操作来实现工件的改进加工操作。特别地，基于在特定工件的制造过程中被测量的实时信息，所述进程补偿允许提高加工操作的精度。改进质量的部件可在更加耐久且有效的过程中被制造，其中，废弃产品的数量，例如由于制造上的过失和/或缺陷，可以大大降低。此外，通过使用相同的机器布置，用于进程补偿的方法使得能够更灵活且通用地制造不同部件和具有不同形状的部件。因此，在加工操作之后，可以大大减少或避免笨重且昂贵的后处理过程，比如研磨等。另外，可以减少或避免用于不同部件生产线的不同后处理机器设备和不同机器配置。相反，根据补偿加工操作的本方法，相同的过程和机器布置可以用于制造高品质的不同部件，所有这些都满足例如特定形状误差和表面粗糙度要求等。因此，通过使得能够有效补偿加工操作，具有足够精确尺寸和形状特性的部件可直接在例如自动车削或硬车削制造过程中被制造。
[0009]本发明基于的实现是，由加工操作过程中切削工具与工件的加工表面之间的高度复杂且随机的相互作用而产生的形状误差和制造缺陷可以得到减少，并且在制造过程中被直接补偿。这有利地通过在加工操作过程中相对于在法线方向上相对加工表面施加在切削工具上的所测得的接触力的大小补偿切削工具来实现。换句话说，本发明人已经实现的是，通过利用在加工表面的法线方向上施加在切削工具上的测量力即法向力与没有进程补偿所制造的最终产品的所测得的形状轮廓之间的相关性，可能会大大增加有效过程中加工操作的尺寸精度。例如，根据本方法的示例性实施例，测量施加在切削工具上的法向力的增量增加，并且由用于确定补偿参数的所生成的控制信号表示，其中通过调整相对于工件的切削工具的位置，基于所确定的补偿参数，所述加工操作得到适当地补偿。特别地，可以相对于所述工件调整切削工具，从而使机器布置的任何部分的任何变形由于增加的法向力而以这样的方式被抵消，也就是切削工具尖端在加工或切削操作过程中相对于工件及加工表面而被保持在正确的相对位置。
[0010]加工操作过程中作用在切削工具上的增加的法向力可能产生于原始工件的尺寸不精确或材料缺陷，比如要从工件去除的材料的厚度。作为示例，加工操作之后相对于工件的理论上所需的最终尺寸通常所测得的要去除的材料的增加的厚度增加施加在切削工具上的法向力，其产生切削工具、工具架和/或整机布置及任何额外的机械支承装置比如车床旋转器或冲压装置的非期望的偏转。所产生的偏转促使切削工具尖端非期望地运动，从而使该尖端相对于工件的理论上所需的最终尺寸被移动远离其正确的切削位置。然而，根据本发明的方法，发生在加工操作过程中的偏转被测量和补偿，以使得在该过程中切削工具在相对于预定的操作性能和特点的所允许容限内连续保持在正确的位置，从而实现具有预定形状、尺寸精度和表面性能的部件。另外，施加在切削工具上的法向力还可能在加工操作过程中受到切削工具损坏的影响，比如崩刃、断裂、磨损、刀瘤等。因此，切削工具的损坏可在操作过程中根据本发明而得以有利地补偿。
[0011 ] 本发明人对无补偿加工操作过程中法向力与出现的形状误差之间的相关性的实现是特别有利的，因为其使得能够以直接有利的方式实现用于补偿加工操作的持久有效的方法，其中，影响加工性能的切削工具与加工表面之间的相互作用的复杂性有利地减少至代表法向力大小的简化的、可检测的、且高度可控的控制信号。
[0012]根据各种实施例，加工操作的进程补偿可以通过例如自动车床的主控制系统或主算法或者车削机器布置而被控制。换言之，控制加工操作比如根据预定切削轮廓的切削工具移动的实际控制参数或算法可以被补偿，从而抵消法向力的任何测量差异。例如，进程补偿可能涉及实时调整CNC操作代码。还可以通过独立于主加工操作或主控制系统运行的或者联同其一起运行的单独子控制系统和/或单独致动器装置执行进程补偿。例如，致动器可以布置成基于控制信号相对于工件和车床的主旋转器或冲压装置致动切削工具。此外，根据示例性实施例，加工操作的进程补偿可以配置成调整组合的加工操作与单独子控制系统的主要控制参数。
[0013]根据本发明的各种实施例，加工操作可以包括相对于切削工具旋转工件，切削工具可以大致固定、相对于工件的旋转轴线在平移方向上移动或者可以自由移动，例如根据相对于工件的预定轮廓曲线。可替换地，相对旋转运动还可以通过相应地相对于工件旋转切削工具或者相对于彼此旋转工件和切削工具来实现。
[0014]例如可以根据本发明来实现加工操作的进程补偿，用于车削操作，其包括但不限于纵向车削/刮面、仿形、断面加工、切入或切槽、以及镗孔各种部件，比如轴承部件、杆、轮轴、轴、联接器、发动机部件等。本方法还可以有利地用于制造轴承部件，比如内/外圈或滚动元件，其中不同的轴承类型和尺寸具有不同的滚道轮廓和外部尺寸。特别是，相同的机器布置可以用于提供不同的定型产品。例如，这对于硬车削制造轴承部件是有利的，其中，在硬化的部件工件上执行加工操作，该工件具有由最终部件应用所需的硬度，比如在轴承圈或滚动体的情况下的滚动轴承应用。换句话说，由硬化钢制成的部件可以在根据本发明不同实施例的进程车削操作后被基本上直接定型。
[0015]根据本发明的示例性实施例，在进程补偿中的所产生的控制信号代表仅施加在切削工具上的法向力。换句话说，基本上只有从工件作用于切削工具上的力的法向分量用于确定补偿参数。例如，术语基本上只有法向力分量可以被理解为在任何方向上在5、10或15度区域或者相对于实际法线方向的方向锥形内的力分量。此外，实际的法线方向通常定义为相对于工件的最终理论上所需的加工表面，因为加工表面的实际最终尺寸和表面将至少在非常低水平的程度上包括小的缺陷和粗糙度变化。
[0016]根据本发明的示例性实施例，补偿加工操作的步骤包括相对于工件补偿切削工具，例如通过调整或维持切削工具尖端相对于工件或相对于机器布置的位置。更详细地，进程补偿可能涉及小规模的调整，其中所述切削工具、工具架以及机器的偏转被抵消。因此，进程补偿可能涉及调整工具架相对于工件的位置，而由于切削工具、工具架以及围绕设备和支承构件的偏转，切削工具尖端保持相对于工件的基本上相同的相对位置。
[0017]根据本发明的进程补偿的额外有益效果在于，可以利用更轻且更具成本效益的机器布置，因为机器及机器支承构件的偏转和弯曲变得不再是个大问题，原因是这些问题可在加工操作过程中得到补偿。
[0018]根据示例性实施例，补偿切削工具的步骤包括在法线方向上相对于工件致动切削工具。因此，在操作过程中，例如当减小的法向力被检测到并且表示在所产生的控制信号中时，补偿加工操作的步骤包括在远离工件的法线方向上调整工具架，从而抵消由于减小的法向力的机器布置的减少的偏转。换句话说，在正常操作期间，切削工具、工具架及额外机器布置得以偏转或弹性压缩。然而，如果作用于切削工具上的法向力减少，则切削设备的法向偏转将减少，这可能导致不期望的效果，比如增加的切削深度。因此，通过在朝向及远离工件的法线方向上调整切削工具，加工操作的效率和直接进行补偿被提供。优选地，所述切削工具和工具架由布置成基于所施加的控制电流在法线方向上致动工具架的致动器调整，比如压电致动器或放大的压电致动器。然而，切削工具还可以由电动、气动和/或液压致动器致动。例如，致动器由电能及电信号驱动和操作，从而使其通过施加控制电流而在法线方向上伸长。
[0019]根据基于所述法向力的进程补偿的另一示例性实施例，补偿加工操作的步骤包括相对于工件调整切削工具的进给速率。因此，加工操作过程中的变化的法向力可以被抵消，从而通过控制加工操作的相对进给速度减轻切削工具的偏转。任选地，根据示例性实施例，加工操作的进程补偿包括偏转稳定过程，其包括相对于切削路径中的工件例如在切线方向上或在任何其他方向上调整切削工具的瞬时进给，同时监测相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力并保持其恒定。
[0020]例如，可以调整理论上的切削深度，即在忽略偏转时的所需切削深度、基于每转多少毫米的进给速度、或切削旋转速度。而且，考虑与进给速率相关的额外参数。
[0021]根据本方法的另一示例性实施例，确定补偿参数值的步骤包括基于所述控制信号来确定偏转参数值，所述偏转参数值代表相对于工件的切削刀具的进程偏转，其中基于所述偏转参数值来确定补偿参数值。因此，该方法基于所述控制信号允许并涉及确定偏转参数。例如，偏转参数从代表与特定机器布置相关联的和/或与特定操作模式相关联的偏转特性的参数值的所存储的存储器中被提取。基于施加在切削工具上的所测量的法向力，偏转参数值代表与正在进行加工操作相关联的实际偏转，且可以被提取并用于实时确定补偿参数。换句话说，偏转参数形成偏转指纹，用于特定机器和/或加工操作。基于为不同机器和加工操作条件的所定制的信息，这有利地允许精确有效地进程补偿。还可以根据偏转算法确定偏转参数，该算法基于所述控制信号输出偏转参数。可以利用一般的偏转算法，或者可以为特定的设备和操作条件定制算法。
[0022]根据另一示例性实施例，所述进程补偿步骤独立于执行加工操作的步骤而得到控制。这是有利的，因为可以更快更精确地控制该进程补偿，这是因为其形成主要或仅仅利用控制信号作为输入的单独系统。此外，该方法可以与已经现有的加工操作一起使用，并且布置成将其改善，而不会主要重新配置现有的操作/控制参数。
[0023]例如，根据示例性实施例，基于加工操作参数，比如CNC代码，执行加工操作的步骤例如由加工操作控制单元控制，并且进程补偿步骤可以由补偿控制单元控制。因此，加工操作及补偿操作的控制可以以更有效的方式同时进行。
[0024]根据另一示例性实施例，所述工件可以是大致圆筒形的构件，用作滚动轴承部件，比如圈或滚动体，其中所述法线方向与圆柱形构件的径向方向重合。此外，根据示例性实施例，该方法以这样的方式而被有利地使用，也就是补偿所述加工操作的步骤补偿工件的轮廓误差、非圆度和/或椭圆度。例如，工件可以包括一个或多个凸角，其以微米范围突出并且因此致使工件非圆。更详细地，凸角使工件的表面不平，从而使工件的加工深度波动，其频率正比于工件的旋转速度和凸角的数量。然而，根据本发明，可以通过补偿相对于对应工件的波动加工表面的工件的切削工具来补偿对凸角的加工操作的影响。
[0025]此外，所述方法例如是车削过程或硬车削过程，其可以定义为执行加工操作具有的洛氏C硬度大于45的这样的工件。通常，硬车削涉及在工件被热处理之后进行的加工操作。例如，硬车削包括约0.05毫米至2或3毫米的切削深度。
[0026]根据本发明的另一方面或示例性实施例，其涉及一种计算机程序产品或装置，包括存储在可读介质上的程序代码，用于当所述程序在控制单元或计算机装置上运行时执行根据本发明的方法及其实施例。
[0027]根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读介质，其体现计算机程序产品，用于补偿在工件上加工操作，所述计算机程序产品包括配置成在由处理器或计算机执行时的代码:执行加工操作，其通过采用切削刀具进行工件的表面加工，并且通过提供所述工件与切削工具之间的相对旋转运动及相对运动，在物理上将材料从工件去除；并且执行所述加工操作的进程补偿，所述补偿包括产生代表相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力大小的控制信号，基于所述控制信号来确定补偿参数值，以及基于所述补偿参数值来补偿所述加工操作。根据各种示例性实施例，所述计算机程序还可以包括配置成根据本发明的方法和/或其实施例操作的代码。
[0028]所述计算机可读介质可以是可移动非易失性随机存取存储器、硬盘驱动器、软盘、⑶-ROM、DVD-ROM、USB存储器、SD存储卡或本领域中已知的类似计算机可读介质之一。
[0029]此外，根据本发明的另一方面，其涉及用于工件加工操作的机器布置，所述加工操作包括在物理上从所述工件去除材料，所述机器布置包括工件架，其布置成固定和旋转所述工件；切削工具，其连接至工具架；以及运动装置，其用于所述工具架，其中，所述运动装置布置成设置所述切削工具与工件的加工表面接触，并且根据加工操作参数使切削工具相对于工件移动。所述布置还包括传感器，其布置成产生代表相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力大小的控制信号；以及补偿控制单元，其可操作地连接至所述传感器，并且布置成基于所述控制信号来确定补偿参数，其中，补偿控制单元布置成基于所述补偿参数来提供所述加工操作的进程补偿。该机器布置是有利的，因为其能够实现包括加工操作的改进的、更高效的、且尺寸上更准确的制造。这通过相对于在法线方向上相对于加工表面施加在切削工具上的力的所测得的大小在加工操作过程中补偿切削工具来实现。此外，所述机器布置相对于用于补偿根据本发明的加工操作的方法以如上所述的类似方式是有利的。
[0030]根据示例性实施例，所述传感器是多部件压电测力计。
[0031]例如，根据示例性实施例，所述补偿控制单元布置成基于所述控制信号来实时地调整所述加工操作参数，其中，所述运动装置布置成基于所调整的加工操作参数来相对于工件调整所述切削工具。
[0032]根据本发明的另一方面，其涉及一种用于工件加工操作的机器布置，所述加工操作包括在物理上从所述工件去除材料，所述机器布置包括工件架，其布置成在加工操作过程中固定和旋转所述工件；切削工具，其连接至工具架；以及运动装置，其用于支承所述工具架，其中，所述运动装置布置成设置所述切削工具与工件的加工表面接触，并且根据加工操作参数使切削工具相对于工件移动。所述机器布置还包括致动器装置，其支承所述工具架，所述致动器布置在所述运动装置与工具架之间，其中，所述致动器布置成相对于所述运动装置调整工具架的位置。这方面是有利的，因为其允许在加工操作过程中相对于工件改进控制切削工具，其中所述切削工具可以相对于运动装置而被控制。例如，致动器可用于进程补偿，或用于主动地控制加工操作，以便提供例如表面特性，比如加工表面的某些区域具有增加的或减少的摩擦、或者润滑属性。此外，所述机器布置相对于根据本发明的方法以如上所述的类似方式是有利的。
[0033]根据所述机器布置的示例性实施例，所述致动器布置成在法线方向上相对于工件致动所述切削工具。例如，所述致动器可以具有的工作范围小于500、100、50、25、15、10、5或I微米或者在其内。所述致动器还可以布置成在0.1与500微米之间或0.2与20微米之间或0.5与10微米之间的范围内进行操作。因此，该致动器可被优化，用于以高频例如多达15、10、8、6或4千赫执行快速但微小的调整。所述致动器还是有利的，因为其允许与车削机器的定期运动装置有关的相当多的可控操作，特别是由于其较小的尺寸和重量。
[0034]根据本发明的另一示例性实施例，所述机器布置还包括传感器，其布置成产生代表相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力大小的控制信号；以及补偿控制单元，其可操作地连接至所述传感器，并且布置成基于所述控制信号来确定补偿参数，其中，所述致动器布置成至少部分地基于所述控制信号来调整切削工具的位置。
[0035]根据示例性实施例，所述传感器是多部件压电测力计。
[0036]例如，传感器布置在主运动装置与致动器之间、致动器与工具架之间、或者与致动器结合一体。因此，致动器和传感器形成有利的补偿单元，其允许进程补偿加工操作。特别地，基于如由传感器所测量的施加在切削工具上的法向力，所述补偿单元允许有效补偿切削工具、切削架以及周围机器布置的偏转。
[0037]此外，根据各种实施例，控制装置比如补偿控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程设备。所述控制装置还可以或者替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件或者数字信号处理器。其中所述控制装置包括可编程装置，比如微处理器、微控制器或上述可编程数字信号处理器，该处理器还可以包括控制所述可编程装置的操作的计算机可执行代码。
[0038]通过研究所附的权利要求及下面的说明，本发明的进一步的特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员要认识到的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明的不同特征进行组合，以创建不同于下面所述的实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]下面，参照示出了本发明示例性实施例的附图，对本发明的这些及其它方面进行更详细地描述，其中:
[0040]图1是用于根据本发明加工操作的机器布置的示例性实施例的示意图，所述机器布置包括传感器装置。
[0041]图2是用于根据本发明加工操作的机器布置的示例性实施例的示意图，所述机器布置包括传感器装置和致动器装置。
[0042]图3a是根据本发明示例性实施例的代表着相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力与机器布置的偏转之间的关系的示意性曲线图。[0043]图3b是根据本发明示例性实施例的用于调整切削工具的致动器的驱动电流与致动器的伸长率之间的关系的示意性曲线图。
[0044]图4是代表在测试部件的无补偿加工操作过程中施加在切削工具上的法向力(下图)与在无补偿加工操作之后测试部件的所得到的表面轮廓(上图)之间的相关性的两个示意性曲线图。
[0045]图5是根据本发明示例性实施例的代表来自无补偿加工操作(下图)和进程补偿加工操作(上图)的测试结果的示意性曲线图。
[0046]图6是根据本发明示例性实施例的在加工操作之前的工件的示意性剖视图。
[0047]图7是根据本发明示例性实施例的用于执行工件加工操作的机器布置的示意性首1J视图。
[0048]图8是根据本发明示例性实施例的加工操作过程中切削工具尖端与工件的示意性放大视图。
[0049]图9示出了根据本发明的方法的示例性实施例的概念性流程图。
【具体实施方式】
[0050]下面，参照其中示出了本发明示例性实施例的附图，在下文中对本发明进行更全面地描述。但是，本发明可以体现为许多不同的形式，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，这些实施例用于彻底及完整性。全文中类似参考符号指代类似元件。附图仅是示意图且未按真实比例绘制。
[0051]在图1和2中，示出了用于执行根据本发明加工操作的两个示例性机器布置10和20的示意图。机器布置10和20每个都包括相应的切削工具12和22，比如碳化物、CBN、陶瓷或非陶瓷插入件，以及相应的工具架13和23，用于在加工操作过程中支承切削工具。
[0052]参照图1，工具架13牢固地连接至运动装置14，其通常包括机器旋转器或冲压装置，用于相对于工件移动工具架13和切削工具12的目的。该运动装置由控制系统17控制，该控制系统配置成基于加工操作参数来执行并控制加工操作过程。
[0053]此外,机器布置10包括传感器或力传感器15,其布置成产生代表相对于工件的加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力大小的控制信号16。如图所示，传感器15布置在工具架13与运动装置14之间。在操作过程中，切削工具12保持与工件切削接触，其中在工件相对于切削工具的车削运动过程中，工件的表面变化连续引发切削工具与工件之间变化的法向力，该法向力由传感器15测得。
[0054]机器布置10进一步设置有用于控制进程补偿加工操作的补偿控制系统，该补偿控制系统包括采样装置19。采样装置19连接至传感器15，并且布置成例如通过采样和滤波来处理由传感器15输出到处理过的控制信号16b中的控制信号16。补偿控制系统还包括补偿控制单元19’，其布置成基于由采样装置19所提供的处理过的控制信号16b来确定补偿参数值16c。如进一步示出，补偿参数值被提供给控制系统17，以便通过控制和调整运动装置14来提供进程补偿，从而使切削工具的尖端在操作过程中被保持在相对于工件的正确配置和切削深度。
[0055]在图1中，包括采样装置19和补偿控制单元19’的补偿系统被示出为单独的装置。然而，应当指出的是，例如补偿单元可以结合到整体机器布置设置的整体控制系统/单元中，例如作为加工操作控制单元17的子系统。
[0056]在示于图2并且如果没有说明或以其他方式描述的话则根据机器布置10而布置的机器布置20中，工具架23由传感器25和致动器28支承并牢固地连接至运动装置24。如图所示，传感器25和致动器布置在工具架23与运动装置24之间。在加工操作过程中，运动装置24由控制系统27控制，该控制系统配置成基于加工操作参数来执行并控制加工操作过程，其中，运动装置24根据加工操作参数同时致动切削工具22、工具架23、致动器28以及传感器25作为一个单元。
[0057]此外，如图2所示，独立于由运动装置24所提供的切削单元的致动，致动器28布置成调整工具架23与切削工具22相对于运动装置24的位置。因此，致动器允许进程实时补偿加工操作。
[0058]机器布置20进一步包括补偿控制单元30，其被可操作地连接以接收来自传感器25的信息，该信息用于确定补偿参数。补偿控制单元30可操作地连接至致动器28，其中所述补偿参数用于产生控制致动器28的致动器控制信号31。
[0059]更详细地，由采样装置29对来自传感器25的控制信号26进行采样并过滤，以便产生由补偿控制单元30所接收到的处理过的控制信号26b，该处理过的控制信号代表相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力的大小。基于处理过的控制信号26b，所述补偿控制单元还确定代表由接触力所引起的机器布置的偏转水平的偏转参数。例如，偏转参数可以根据算法确定，比如图3a所示，这是代表相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力(由X轴例如以牛顿单位表示)与机器布置的偏转(由y轴例如以微米表示)之间的关系的示意性曲线图。
[0060]特定机器布置的法向力与偏转之间的偏转关系，即机器力-偏转指纹，可被表示为函数或作为存储在可由补偿控制单元访问的存储装置中的参数值。例如，如图3a所示，偏转-力关系可以被建模为直线，根据:
[0061]偏转=C*力
[0062]其中C是常数。变量C还可以由描述机器布置的偏转-力关系的更复杂的函数来表不。
[0063]以类似的方式，图3b示出了代表致动器控制信号30 (例如由y轴以安培单位表示的致动器驱动电流)与致动器伸长率(由X轴例如以微米单位表示)之间关系的示例性图表，该关系可用于基于偏转参数来确定致动器控制信号。例如，致动器控制信号由驱动电流形成，参照图2，该驱动电流产生致动器28在方向100上的平移运动，从而使切削工具22的工具尖端相对于运动装置24移动，以便补偿该运动装置和/或整体机器布置20的偏转。
[0064]根据本发明的进程补偿基于在沿加工表面的轮廓的每个点的法向力与车削部件的所测孔轮廓之间的相关性。这种关系示于图4，该图示出了揭露相似模式的两条示意性曲线。在上面的曲线中，无补偿孔轮廓的变化以微米表示为以毫米的孔的特定长度部分的函数，在下面的曲线中，在无补偿加工操作部件过程中施加在切削工具上的所测得的法向力以牛顿表示为加工操作特定长度部分过程中的时间函数。
[0065]根据本发明的进程补偿进一步示于图5，其示出了根据本发明示例性实施例的代表来自无补偿加工操作(下图)和进程补偿加工操作(上图)的测试结果的示意性曲线图，其中y轴表示以微米的轮廓误差曲线作为由X轴表示的以毫米的相应测试部件的长度的函数。测试部件设置有相等的槽，用于模拟测试部件的未处理加工表面的尺寸不精确，便于以80微米的车削加工切削深度评估机器偏转。具有约40微米深度和7毫米长度的第一槽以约11毫米设置，具有20微米深度和相似长度的第二槽以约24毫米设置。如上图所示，相对于其中这些槽在下图中清晰可见的无补偿测试部件的所得到的误差曲线，由于加工表面的尺寸不精确在包括进程补偿机器偏转的加工操作后所得到的误差轮廓被减小至约土I微米的范围。
[0066]在图6中，采用夸张的尺寸示出了加工操作前的工件60的示意性剖视图。该工件基本上是圆柱形的，但是包括在微米范围内径向突出的有助于使工件非圆的多个凸角64a、64b,64c0凸角使工件的表面沿着其圆周不平，从而使对应于要被去除的材料的厚度的工件的切削深度65相对于具有半径61的理论上所需的最终圆尺寸62波动。更详细地，在加工操作过程中，切削深度65会波动，其频率正比于工件的旋转速度和凸角的数量。这导致在无补偿加工操作过程中，增加的切削深度产生施加在将沿径向向外偏转的切削工具和机器布置上的增加的法向力，从而切削工具的工具尖端的偏差发生在对应于凸角64a、64b、64c的位置。因此，相对于理论上所需的尺寸62，工件60的实际最终尺寸将具有对应于虚线63的增加的径向厚度。然而，通过利用进程补偿，由于凸角64a、64b、64c的施加在切削工具上的增加的法向力被识别、测量以及由根据本发明的进程补偿而被补偿。
[0067]在图7中，示出了机器布置70的示意性剖视图，其中以球形轴承的外圈71的形式的工件在内滚道表面72上经受镗孔加工操作。外圈71被固定至具有旋转轴线73的工件架76并由其旋转。机器布置70进一步包括运动装置系统，其布置成在镗孔过程中致动和支承切削工具22、致动器28以及传感器25。运动装置系统包括可移动支承构件74，其可移动地布置至被固定到机器结构700的固定支承构件75，其中，通过垂直和水平运动来控制可移动支承构件74相对于固定的支承构件75的位置而相对于工件致动切削工具。如图进一步所示，机器布置70被偏转，其中可移动支承构件74在远离工件加工表面的方向上弯曲至由虚线表示的示意性示出的且高度夸张的偏转位置77。
[0068]参照图8，示出了加工操作过程中的切削工具82、其切削工具尖端及工件81的示意性放大视图。切削工具82沿着根据对应于所需加工表面的理论上所需的最终尺寸82a的预定路径平移。然而，沿着对应于要被去除的材料的厚度的预定的切削深度85因工件外表面的尺寸变化而变化，这会影响相对于所需的加工表面在法线方向86a上施加在切削工具上的力87a。
[0069]进一步示出了对应于第二理论上所需的最终尺寸86b的可替代的预定的切削路径，其中，相对于对应所需的加工表面在法线方向86b上，力87b被施加在切削工具82上。对于给定的理论上所需的最终尺寸的法向力可以被确定为力87b在该理论上所需的最终尺寸的法线方向上的投影。因此，根据示例性实施例，可通过比较如由控制加工操作的加工操作参数所指定的工件的理论上所需的最终尺寸与切削工具之间的角度来确定相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力。
[0070]在图9中，示出了根据本发明的方法步骤的示例性实施例。在第一步骤801中，产生代表相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力大小的控制信号。例如，控制信号基于来自传感器15或25所提供的信息，如分别关于图1和图2所述。在步骤805a中，所产生的控制信号被进一步用于确定与特定机器布置相关联的偏转参数值，其中，在步骤805b中，所述偏转参数反过来用于确定补偿参数值。接着，例如通过提供在图2中致动器28的100方向上的伸长率，或者通过控制图1中的运动装置14，输出用于补偿加工操作的控制信号。
[0071]尽管已通过参照具体的示例性实施例对本发明进行了描述，但对于本领域技术人员来说，许多不同的改变、修改等将变得显而易见。根据对附图、公开内容及所附权利要求的研究，可以由实施所要求保护的发明中的技术收件人理解并实现所公开的实施例的变化。例如，根据本发明的方法步骤可以以彼此不同的顺序被执行，并且不限于如在示例性实施例中或者在权利要求中所描述的具体实施顺序。
[0072]此外，在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。
【权利要求】
1.一种用于补偿在工件上加工操作的方法(800)，所述方法包括 执行加工操作，其通过采用切削工具使工件的表面经受加工，并且通过提供所述工件与切削工具之间的相对旋转运动及相对运动，在物理上将材料从工件去除， 其中，所述方法还包括所述加工操作的进程补偿，所述补偿包括产生(801)代表相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力大小的控制信号， 基于所述控制信号，确定(805)补偿参数值，以及 基于所述补偿参数值，补偿(810)所述加工操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，补偿所述加工操作的步骤包括 相对于工件，补偿所述切削工具。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，补偿所述切削工具的步骤包括在法线方向上相对于工件致动切削工具。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，补偿所述加工操作的步骤包括相对于工件调整切削工具的进给速度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定补偿参数值的步骤包括基于所述控制信号来确定偏转参数值，所述偏转参数值代表相对于工件的切削工具的进程偏转，其中，基于所述 偏转参数值来确定所述补偿参数值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述进程补偿步骤独立于执行所述加工操作的步骤而得到控制。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述工件是大致圆柱形构件，用作滚动轴承部件，比如圈或滚动体，并且 其中，所述法线方向与圆柱形构件的径向方向重合。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，补偿所述加工操作的步骤补偿工件的轮廓误差和/或不圆度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法是车削过程或硬车削过程。
10.一种计算机可读介质，其体现计算机程序产品，用于补偿在工件上的加工操作，所述计算机程序产品包括配置成在由处理器执行时的代码: 执行加工操作，其通过采用切削工具使工件的表面经受加工，并且通过提供所述工件与切削工具之间的相对旋转运动及相对运动，在物理上将材料从工件去除，并且执行所述加工操作的进程补偿，所述补偿包括 产生(801)代表相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力大小的控制信号， 基于所述控制信号，确定(805)补偿参数值，以及 基于所述补偿参数值，补偿(810)所述加工操作。
11.一种用于工件加工操作的机器布置(10)，所述加工操作包括在物理上从所述工件去除材料， 所述机器布置包括 工件架，其布置成固定和旋转所述工件， 切削工具(12)，其连接至工具架(13)，以及运动装置(14)，其用于所述工具架， 其中，所述运动装置布置成设置所述切削工具与工件的加工表面接触，并且根据加工操作参数使切削工具相对于工件移动， 其中，所述布置还包括 传感器(15),其布置成产生代表相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力大小的控制信号，以及 补偿控制单元(19)，其可操作地连接至所述传感器，并且布置成基于所述控制信号来确定补偿参数， 其中，补偿控制单元布置成基于所述补偿参数来提供所述加工操作的进程补偿。
12.根据权利要求11所述的机器布置(10)，其中，所述补偿控制单元布置成基于所述控制信号来实时地调整所述加工操作参数，并且 其中，所述运动装置布置成基于所调整的加工操作参数来相对于工件调整所述切削工具。
13.一种用于工件加工操作的机器布置(20)，所述加工操作包括在物理上从所述工件去除材料， 所述机器布置包括 工件架，其布置成在加工操作过程中固定和旋转所述工件， 切削工具(22)，其连接至工具架(23)，以及 运动装置(24)，其用于支承所述工具架， 其中，所述运动装置布置成设置所述切削工具与工件的加工表面接触，并且根据加工操作参数使切削工具相对于工件移动， 其中，所述布置还包括 致动器(28)，其支承所述工具架，所述致动器布置在所述运动装置与工具架之间， 其中，所述致动器布置成相对于所述运动装置调整工具架的位置。
14.根据权利要求13所述的机器布置(20)，其中，所述致动器布置成在法线方向上相对于工件致动所述切削工具。
15.根据权利要求13-14中任一项所述的机器布置(20)，其中，所述致动器具有的工作范围小于 500、100、50、25、15、10、5 或 I 微米。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的机器布置(20),还包括传感器(25),其布置成产生代表相对于加工表面在法线方向上施加在切削工具上的接触力大小的控制信号(26)，以及 补偿控制单元(30)，其可操作地连接至所述传感器，并且布置成基于所述控制信号来确定补偿参数， 其中，所述致动器布置成至少部分地基于所述控制信号来调整切削工具的位置。
【文档编号】B23B25/06GK104039502SQ201280057285
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年9月21日 优先权日:2011年9月22日
【发明者】J.卡明斯基, S.霍格纳斯, O.A.内古姆博 申请人:Skf公司