对机加工过程控制的改进的制作方法

发明领域

本发明涉及对使用机床执行的机加工过程的控制的改进。这包括但不限于涉及使用砂轮和/或旋转工件的过程。

发明背景

在机加工过程中，通过刀具来从工件上去除材料。刀具被推进到工件中直至其达到工件呈现其最终完成尺寸时的位置。例如，在研磨或磨削加工过程中，材料是通过可以呈现出砂轮的形式的、固持在易碎基质中的大量切削点来去除的。

在现有的机加工过程中，使得工件的一部分到达其最终尺寸的操作被分成多个不同的、分开的阶段。通常，这些阶段可以被指示成“快速”、“中速”和“慢速”进给操作。在us2014/0213147的图8中展示了以这种方式的过程控制的实例。在此，三个磨削阶段表示为“粗磨削”、“精密磨削”和“细磨削”。

在这些已知的磨削过程中，为每个阶段确定了的切入进给参数(例如在刀具与工件绕其旋转的轴线之间的相对速度)。其目的是为了实现安全的材料去除，同时避免结构损害、诸如与烧灼相关的损失硬度。随着工件接近尺寸在各个阶段中以不同的水平设定材料去除速率以减小几何误差。因而，在砂轮接近最终工件尺寸的过程中，各步骤具有从一个步骤到下一步骤减小的恒定的进给速率(或相对速度)。

技术实现要素：

本发明提供了使用机床机加工工件的方法，所述机床包括承载刀具的刀具安装件、承载工件的工件安装件、用于将所述刀具安装件和所述工件安装件中的至少一者相对于另一者加以移动的驱动机构、以及用于控制所述驱动机构的控制安排，其中，所述方法包括在所述控制安排的控制下以所述驱动机构来移动所述刀具安装件和所述工件安装件中的至少一者使得：

所述刀具接触所述工件的一部分以执行机加工操作；并且

所述刀具然后将材料从所述工件的部分上去除直到完成所述机加工操作，所述移动使得在所述机加工操作过程中所述刀具与所述工件之间的相对速度在所述刀具和所述工件彼此接触的大部分时间过程中连续地下降。

已知的机加工过程涉及在刀具相对于工件的速度中的台阶式改变。这引起刀具移动的突然改变和相应的可以导致在磨削力量的突然爆发和机加工误差的高加加速度特性。从一个阶段至下一个阶段的台阶式改变是通过参照最终尺寸的位置数据来控制的。在每个台阶式改变过程中，可能必须的是在切入进给已经停止后允许机床延迟来安定和恢复。这种朝向尺寸的进给的暂停可以伴有离开工件的少量回撤以进一步努力避免损害工件，这样可以暂时松开磨削力。同样地，可能必须的是在以下一个阶段的速度重新开始机加工之前等待工件完成旋转。这是因为在工件的旋转中的特定点处暂停切入进给将产生在被机加工的表面上的中断，并且机加工将需要在超出此中断的点处重新开始。朝向尺寸的进给的暂停或从工件的小回撤可能是耗时的，从而增加了用于将工件机加工到其最终尺寸所用的总时间。

本发明解决了与现有的过程相关的这些不希望的特性和延迟。控制安排(例如，cnc机床的控制系统)要求在刀具与工件相接触的至少大部分时间过程中相对速度连续减小。可以减小或避免突然加速和减速。同样地，可以通过避免与现有的成阶段的机加工控制相关联的上述性质的延迟来减少用于从工件去除磨削余量的时间。

在此用术语“相对速度”来指刀具和工件中的至少一者相对于另一者运动的结果的刀具进入工件的切入进给速率。

在机加工操作中，刀具与工件之间的控制安排要求的相对速度可以在刀具和工件彼此接触的至少80％、或者更优选至少90％或者甚至整个时间过程中连续下降。在刀具与工件之间的相对速度连续减小时，相对速度对时间的轮廓可以随着工件接近其最终尺寸而与连续下降的材料去除速率相联系。

针对机加工操作的相对速度对时间的轮廓可以被计算成使得达到最终部件尺寸所用的时间最小化，同时保持低于给定操作的烧灼阈值所指定的最大材料去除率以使。

可以将相对速度轮廓计算成在最终工件尺寸处达到为零或者非常接近零的相对速度。例如，这个最终速度可以在从0mm/s至0.02mm/s的范围内。

可以将机加工操作开始时实现的相对速度计算成与比预定具体材料去除率(smrr)阈值更小的材料去除率相对应。在刀具与工件接触之前，可以有快速运动，从而导致与在刀具与工件发生接触时要求的初始相对速度相比更大的相对速度，之后是减速到初始相对速度。

通过根据本发明的方法通过将工件的一部分机加工到希望的尺寸或更优选地机加工到其最终尺寸来优选地完成机加工操作。

方法优选包括在所述机加工操作的过程中使用速度轮廓产生算法来计算有待在所述刀具与所述工件之间实现的相对速度对时间的轮廓的步骤。

在一些实施例中，所述速度轮廓产生算法包括二次多项式或高次多项式。在其他实施例中，所述速度轮廓产生算法包括相对于时间以指数方式降低的项。以另外优选的手段，所述相对速度轮廓是参照时间和速度的多个预定组合来计算的。

在又另外的实施例中，所述相对速度轮廓是参照仍有待从所述工件上去除的材料的深度与在所述机加工操作开始时实现的相对速度的分数的组合来计算的。

相对速度轮廓可以是通过使用样条拟合算法参照在机加工操作过程中的多个预定点来确定的。

在本发明的实施例中，在所述机加工操作中途的预定点，检测正在被机加工的所述工件的部分的至少一个尺寸，并且参照所检测到的尺寸确定有待在所述机加工操作的其余部分的至少一部分上、在所述刀具与所述工件之间实现的新的相对速度轮廓。

在检测所述工件的部分的至少一个尺寸的步骤过程中可以暂停从所述工件去除材料。

根据本发明的实施例的机加工操作可以包括暂停从工件去除材料，同时机床从一个冷却剂工作状态切换至另一个。

在一些实施例中，在检测所述工件的部分的至少一个尺寸的步骤过程中持续从所述工件去除材料。以此方式，可以采取措施并进行机加工操作所需的任何调整而不会使得用来执行机加工操作的时间有任何显著增加。机床可以被配置成在机加工操作继续而不需要暂停材料去除时确定并且实施任何需要的调整。以此方式，机加工操作可以是连续的并且能够顺利执行，而同时结合任何必要的校正。

发明人已经意识到，虽然在继续从工件去除材料的同时执行测量可能因为工件的尺寸将继续变化而不会于在材料去除被暂停时获得测量一样准确，但是所获得的测量无论如何都对于任何调整需求都是足够准确来提供良好测量的。

在机加工操作中可以一次或多次执行对所述工件的部分的尺寸检测。更优选地，可以在一些或所有机加工操作的过程中连续地获得这些测量值。以此方式，可以使用这些测量值来在机加工操作的过程中检测与期望的工件尺寸的任何偏差，所述偏差例如是由于机器的扭曲或者对材料去除操作有影响的相关热处理或其他过程。可以在机器操作的过程中多次使用测量数据来计算确保工件达到其目标尺寸所需的任何调整。可以在刀具朝向工件的初始快速接近之后直至获得尺寸会不再对于控制最终尺寸有用的点之前的任何时间上使用例如尺寸计量器来检测尺寸。

在优选的实施例中，确定所述新相对速度轮廓的步骤包括：

通过参照在所述机加工操作中在那一点所述检测的尺寸的测量尺寸与所述检测的尺寸的期望尺寸之间的差异，来计算速度修正参数的值，所述速度修正参数对应于沿着当前所遵从的相对速度轮廓在时间上向前或向后移位，所述移位被计算成针对此差异加以校正以便在所述机加工操作结束时获得所述尺寸的希望的最终值；并且

参照所述速度修正参数的计算值来沿着所述当前相对速度轮廓调整当前位置。

相应地，当前相对速度轮廓的一部分可以用于新速度轮廓中，速度修正参数调整沿着原始轮廓的当前位置以限定新的轮廓，目的是确保在机加工操作结束达到速度轮廓的末端时达到目标尺寸。优选地，此调整确保了达到目标尺寸与达到零或非常接近零的相对速度同时发生。

在优选的实施例中，控制安排可以确定介入速度轮廓，所述介入速度轮廓在所述当前相对速度轮廓与所述新相对速度轮廓之间提供平滑过渡。这使对相对速度的任何调整能够顺利实施。

在优选实施例中，在已经检测所述尺寸之后，将在那一点所述检测的尺寸的测量尺寸与所述检测的尺寸的期望尺寸的上阈值和/或下阈值进行比较，并且只有所检测到的尺寸超出这些阈值中的一者才确定新相对速度轮廓。

以此方式，朝向工件的希望最终尺寸的机加工操作的进程是是参照尺寸控制窗口或“飞行路径”来适配的，在机加工操作中所述尺寸控制窗口或“飞行路径”是通过与相应点关联的上阈值和/或下阈值来限定的。如果发现机加工操作中检测到的尺寸在针对当前位置尺寸控制窗口之外，则当前速度轮廓终点不再适用于控制刀具的最终切入进给位置。然后确定新相对速度轮廓，所述新相对速度轮廓被计算成用于使工件在机加工操作结束时达到所要求的尺寸。

优选地，在机加工操作过程中上阈值与下阈值之间的差异定期地或连续地减小以在工件接近其最终尺寸时减小可接受的与期望的工件尺寸的偏离。

刀具可以例如是砂轮。

机床可以被配置成用于在机加工操作过程中围绕基准线旋转工件。

应理解的是在此对于刀具与工件的相对速度的引用涵盖了由于刀具相对于工件的、或反之亦然的、或两者的组合的运动而导致的相对运动。

本发明还提供了被配置成用于执行如任何先前权利要求所述方法的机床，所述机床包括承载刀具的刀具安装件、承载工件的工件安装件、用于将所述刀具和所述工件中的至少一者相对于另一者加以移动的驱动机构、以及用于控制所述驱动机构的控制安排。

附图说明

现在以举例方式并且参考所附示意性附图来描述本发明的现有技术过程和实施例，在附图中：

图1示出了针对包括“快速”、“中速”和“慢速”刀具进给速率的已知机加工操作的刀具速度和刀具位置对时间的绘图；

图2以竖直轴线上更大的比例示出了图1的刀具速度绘图的一部分；

图3针对已知机加工操作和本发明的实施例示出了工件到最终尺寸的距离对时间的绘图；

图4是工件到最终尺寸的距离对刀具速度(呈现为其在机加工操作开始时的速度的百分比)的组合的表格；

图5是由图4表格中所指示的参数产生的速度曲线；

图6是对应于图5表示的机加工操作的刀具位置对时间的绘图；

图7和图8是实施了本发明的机加工操作的刀具速度和刀具位置对时间的绘图，该机加工操作包括用于测量程序的暂停，图8以竖直轴线上更大的比例示出了图7的刀具速度绘图的一部分；

图9是刀具位置对时间的三个绘图，示出了在测量操作后的不同调整；

图10示出了实施了本发明的机加工操作的刀具位置和目标最终位置对时间的绘图；

图11至图13示出了实施了本发明的三个机加工操作的刀具位置、目标最终位置和尺寸计量器读数对时间的绘图；

图14示出了根据实施了本发明的另外的机加工操作的刀具位置、上下刀具位置阈值和目标最终位置对时间的绘图；并且

图15是与图11所展示的相类似的机加工操作的刀具速度对位置的草绘绘图。

本发明的实施例的详细描述

图1和图2展示了已知的使用逐阶段分段进给控制的机加工操作。图1示出了相对于工件的刀具速度对时间的绘图2。其包括分别对应于“快速”、“中速”和“慢速”进给速率的三个不同阶段4、6和8。

图2示出了同一机加工操作，其中，以竖直轴线上更大的比例示出了刀具速度绘图2的一部分2’。在图2(和其他类似附图)中，在y轴线上的刀具速度的负值表示朝向工件的运动，正值表示远离工件的运动。特征10是在绘图中与将刀具从工件表面短时受控收回相对应的尖峰，该短时受控收回用于在将刀具快速收回并且移动至下一个有待机加工的工件部分之前避免微观表面缺陷。在慢速进给阶段的过程中朝向工件的刀具速度的幅值大于零，但是在这个绘图中太小而不能识别。

图1中的图形12是沿着承载刀具的物理机器轴线的刀具的位置对时间的绘图。

为清楚起见，图1和图2的绘图示出了要求的刀具位置并且因此不包括切割过程引起的实际上发生的影响。

在图1和图2中，可以看出在从一个阶段至下一个阶段的过渡中，存在刀具相对于工件的简短、快速的减速直至达到下一个恒定速度阶段的速度。

图3示出了根据三个不同机加工操作的、到工件的最终尺寸刀具所有待行进的距离对时间的绘图。

在图3中还以绘图20示出了与图1的绘图12相类似的绘图。绘图20对应于包括快速、中速和慢速阶段(“fms”程序)的已知类型的机加工操作。在这个实例中，快速进给速度是-0.55mm/s，中速进给速度是-0.12mm/s，慢速进给速度是-0.018mm/s。工件约9.5秒机加工至最终尺寸。在其中刀具并无进一步切入进给地使得工件旋转的另外的0.5秒过程中这一操作完成。这些进给速率与作为实例用于曲轴磨削的典型进给速率一致，其中，有待去除的材料的量(“存量水平”)具有为1mm的量级。

绘图22表示根据本发明计算的速度曲线。该速度曲线是通过以第二阶曲线(换言之，二次多项式表达式)拟合fms程序的起点和终点来确定的。可以看出在刀具与工件之间的相对速度从机加工操作的开始至结束不断下降。

绘图24表示本发明的进一步的实施例。这个速度轮廓是通过以指数下降曲线拟合fms程序的起点和终点来确定的。在另一个实施例中，使用样条拟合技术产生速度轮廓(实例在图3中未示出)。

已经发现连续下降的速度轮廓可以拟合常规fms操作的起点和终点，通过刀具切入进给的初始速度小于fms初始切入进给速度，就仍然在类似或甚至更短的时间尺度上获得最终工件尺寸。

图4至图6展示了如何可以通过参照在机加工操作中的多个预定中间点来确定实施本发明的速度轮廓。

通过举例方式，图4是识别出多个中间点的表格，这些中间点表示使用者所认同的、用于引导磨削操作的目标点。在每个点处，针对给定的、仍有待刀具行进过而到达最终位置(在此处工件已经磨削到尺寸)的距离，作为机加工操作开始时其速度的百分比而指明了刀具与工件之间的相对速度。这些点然后被输入到曲线拟合过程中以得出这些点所引导的速度轮廓(但是不必准确穿过起点与终点之间的每个点)，其中刀具与工件之间的相对速度在机加工操作过程中平稳且连续地下降。图5中展示了图4中示出的基于这些点的曲线30。

然后可以用图5的曲线来计算速度轮廓，所述速度轮廓随着接近目标工件尺寸而具有连续减小的速度。机加工操作的时间尺度被确定成使得初始速度没有导致在机加工操作开始时过量的smrr。在磨削程序中，smrr是就砂轮的每单位宽度每秒去除的材料的体积而言大致测量的。

图6中展示导致的速度轮廓的实例。在这个实施例中，刀具在时间12.25秒时、在沿着承载刀具的物理机器轴线的测量为512.575mm的位置处接合工件。机加工过程然后在约10秒后完成、刀具位置在沿其轴线的511.95mm处。

在优选的实施例中，机加工工件的方法可以涉及以下顺序的步骤：

-将刀具的目标位置确定在有待机加工的工件的一部分被磨削至其最终尺寸的点处；

-通过参照目标位置加上有待去除的存料的量加上任何额外“跳动”来确定刀具的开始位置；

-确定刀具与工件之间的初始相对速度，从而使得其小于该过程在烧灼发生之前所可以容忍的最大值；

-通过参照初始进给速度并且在最终工件尺寸处实现零或非常接近于零的速度、使用可以储存在机床的控制器或独立处理器中的曲线拟合程序或算法，来计算相对速度轮廓；

-在机加工操作开始时添加快速运动以到达刀具与工件相接触的起始位置，以最小化机加工操作使用的时间。这包括对以上计算的初始进给控制速度的减速；

-在已经仅使用目标位置来完成部件(用“计时器磨削”表示)的情况下，则进给速度被控制成遵循速度轮廓直至在目标位置处达到零。工件的最终尺寸精度取决于目标位置的计算，这些计算基于机器的进给控制轴线的原始校准和其相对于工件位置的绝对位置、以及此外为机器轴线的温度上的与过程相关的变化和由过程的力所导致的挠曲而包括在内的小余量。通过这种途径，在机加工过程中不对剩余存量水平加以测量，这应允许将正确的补偿包括在内，这些补偿可以是与诸如温度和湿度的环境条件中的变化相关的。

图7和图8展示了根据本发明的实施例的机加工操作，其包括在材料去除中的简短暂停，在该暂停期间通过机加工操作使用尺寸计量器来测量了工件的尺寸。在图7中，绘图40是在刀具与工件之间的相对速度对时间的绘图。绘图42是沿着垂直于工件的轴线的刀具位置对时间的绘图。图8示出了绘图40’，所述绘图以竖直轴线上的更大比例尺示出绘图40的一部分。

在这个实施例中，在机加工操作中在刀具进给位置穿过预定点时，尺寸计量器被应用于工件。这个点可以是参照沿着其机器轴线的刀具的位置限定的，使得在工件上留下充足的余量来从计量器获取其接近完成尺寸(用“计量器磨削”指示)信息的点处允许一种满意的完成进给控制。计量器读数针对过程和环境尺寸变化提供补充，这些变化在其他情况下可能产生在前述“计时器磨削”中的尺寸精度的损失。

在达到预定点时，刀具相对于工件的切入进给暂停并且使得计量器与工件持续充足时间地发生接触从而获得所要求的尺寸测量。参照计量器测量来计算刀具有待从在前述材料去除过程中达到的位置至其目标完成位置所行进的距离。然后在这个基础上重新计算机加工操作的其余部分的速度轮廓。相对于之前版本修改出经修订的速度轮廓以将由刀具机器轴线指示的当前到尺寸的距离与由计量器测量指示的到尺寸的距离之间的任何差异考虑在内。

图9展示了根据两个不同方案的对在图7和图8中展示的机加工操作的修改。可以看出在这个实施例中是在工件在其最终尺寸之上约150微米时采用计量器测量的。在图9中以绘图50示出了在计量器测量之后针对机加工操作的一部分的对应于原始速度轮廓的刀具位置轮廓。绘图52示出了与再次计算的速度轮廓相对应的刀具位置轮廓，其中，由于砂轮的尺寸比所期望的要大，刀具在与原先所计算的相比距离工件更远的刀具机器轴线位置处结束机加工操作。可替代地，绘图54示出了与修订的速度轮廓相对应的刀具位置轮廓，其中，由于砂轮尺寸小于预期，刀具沿其机器轴线的结束位置与原先所计算的相比更靠近工件。

现在将参照图10至图14描述本发明的、涉及在机加工操作过程中与所执行的工件测量相关地调整速度轮廓的不同方式的实施例。

出于与随后绘图进行比较的目的，图10示出了根据本发明的实施例的刀具位置对时间的绘图60，刀具与工件之间的相对速度在机加工操作的过程中不断降低。图中也示出了表示目标最终位置的绘图62。为了这个展示的目的，使用不同竖直轴线(已经覆盖)产生两个绘图60和62。类似的考虑适用于图11至图14的竖直轴线。

图11展示了在机加工操作中途引入尺寸计量器读数。绘图70示出了在机加工操作过程中的刀具位置，绘图72是目标最终位置，并且绘图74对应于尺寸计量器读数输出。

在这个实例中，发现尺寸计量器读数指明砂轮尺寸小于预期，并且因此工件在这个阶段小于所预期的。相应地，刀具必须行进得更远来使工件达到目标尺寸终点。机床的控制安排因此执行计算来将针对砂轮的尺寸调整考虑在内地确定刀具需要移动到哪里来使得工件将被磨削至正确尺寸。此计算导致对目标最终位置的修改，这是由图11中示出的绘图72中的竖直下降指示的。这可以是通过在一段时间上减小刀具切入进给速度的减小速率以适应这种到目标最终位置的延伸来实施的。可替代地，这可能导致机加工操作沿着相对速度轮廓移动返回至进给速度更高的点处。在这个实例中，这个运动相对小，并且因此图11中示出的刀具位置轮廓70在时间t1的梯度变化是几乎不能被察觉的。

图15展示了在与图11相关的、即，尺寸计量器读数指明砂轮尺寸小于预期的情境中可以如何修改速度对位置的轮廓。首先，机加工操作遵循速度轮廓110。这被计算成使得在刀具速度达到零并且刀具到达位置p2时完成操作。在刀具位置p1处，尺寸计量器读数指明在这个点砂轮小于预期。响应于这个测量，计算了速度修正参数，该参数表示速度轮廓沿着位置轴线移位使得移位后的轮廓的末端(即，在刀具速度到达零时)与刀具达到工件被磨削至正确尺寸的位置(p3)相一致而所要移位的量。图15中示出了移位后的轮廓112。控制安排计算介入速度轮廓114(在图15中用虚线示出)，其提供了旧速度轮廓110与移位后的速度轮廓112之间的平滑过渡。结果是，速度以较低速率下降直至融入移位后的速度轮廓112。

与图11的实例相比，在图12中，通过工件的尺寸计量器读数确定了砂轮尺寸大于预期。相应地，将工具机加工成要求的尺寸终点刀具就必须行进较短的距离。在图12中，绘图80是刀具位置，绘图82是目标最终位置，并且84是尺寸计量器读数输出。在分析尺寸计量器读数之后，在时间t2处修改目标最终位置，从而在这一点处致使与并非这种情况的状态相比进给速度更快地降低。在这个实例中，在时间t3处进行了第二调整。在这个实例的每次调整中，当前速度被调整为沿着相关速度轮廓移动更远，从而导致与并非这种情况的状态相比进给速度中更大的下降，其目的是使得工件在机加工操作结束时达到目标尺寸。

在图13中示出了另外的实例，绘图90是刀具位置，绘图92是目标最终位置，并且绘图94是尺寸计量器读数输出。如在图12的实例中，在这种情况下，发现砂轮尺寸大于预期。再次，刀具必须行进较短的距离以达到目标尺寸终点。在这个实例中，砂轮没有与工件接触直至计量器与工件接合之后。响应于来自计量器的信号控制安排进行第一计算从而在时间t4在目标最终位置上产生台阶式改变。可以在轮廓90中在时间t4处看到刀具的相对速度的显著减少。

控制安排于是响应于来自尺寸计量器的信号确定，对与预期工件尺寸的偏差的初始估算太大。在时间t4与t5之间遵循着六个对目标最终位置的较小的修正以便使得机床能够运动至如下的刀具位置，在该刀具位置其能够恢复遵循相对速度轮廓从而使得轮廓的终点与工件达到所要求的尺寸相一致。

图14展示了实施本发明的另外的方法。绘图100对应于实际刀具位置。绘图102和104分别对应于在机加工操作的过程中所测量的工件尺寸的上阈值和下阈值。绘图106示出了目标最终位置。在这个实例中，结合在相对速度轮廓中的进给补偿取决于(如参照尺寸计量器输出所确定的)预测终点被发现与所希望的位置相偏离的程度。上阈值和下阈值限定了如尺寸计量器所测量的在工件尺寸附近的控制带，使得只有在计量器读数落在控制带所限定的区域限制之外时，才调整相对速度轮廓。在工件接近其目标尺寸时，可以减小控制带的宽度以提高相对速度轮廓调整的精度。如果工件尺寸偏差落在控制带之外，就确定速度修正参数的值，该参数改变进给速率使得其沿着相对速度轮廓的位置发生改变，并且在机加工操作结束时达到希望的尺寸。可以看到，在图14中示出的实例中目标最终位置被调整了四次。

如在图14中所展示的，切入进给速度的修改和目标最终位置的重新计算的影响是使得刀具位置保持集中在误差窗口中。这导致在机加工操作中平滑和精确的位置与速度控制，直到实现所希望的工件尺寸。

在实施例涉及相对于工件的刀具运动的情况下，应理解的是传授内容替代地(或此外)也适用于涉及工件相对于刀具的运动的程序以便获得希望的相对速度轮廓。