专利名称：机床的状态检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及能够始终正确地检测被加工物和工具安装轴的位置、同 时得到正确尺寸的加工物的机床的状态检测装置及方法。
背景技术：
以往，公知有对被加工物进行加工的自动机床。为了利用自动机床 自动地加工被加工物，需要始终自动地检测被加工物的位置的状态、和 对该被加工物进行加工的自动机床的工具安装轴的位置的状态。作为这种自动机床的结构，例如像日本特开07-239209号公报中所 看到的那样，公开有如下的结构在自动机床的工具安装轴上固定反射 体，并配置多个追踪式激光干涉计，利用这些多个追踪式激光干涉计来 追踪反射体，对该追踪的反射体的移动量进行测定。在该日本特开07-239209号公报那样的结构的情况下，在利用自动 机床进行主工作之前，使工具安装轴动作以使反射体移动至指定位置， 同时，利用追踪式激光干涉计追踪移动的反射体并对反射体的移动量进 行测定，通过对从测定的移动量计算出的反射体的移动后的位置和指定 位置进行比较来测定运动精度。但是，上述的使用追踪式激光干涉计的自动机床的状态检测方法存 在以下的课题。首先，例如，在五轴控制机床等中，大多情况是将用于安装对被加 工物进行加工的作为作用单元的工具的主轴装配在旋转机构上、或者在 工作物侧具有旋转机构，因此存在移动轴的物理干涉遮挡激光、从而利 用追踪式干涉计进行测定变得困难的问题。并且，通常，利用自动机床加工被加工物需要切削油。该切削油由 于工具的旋转而向周围飞散。这样飞散的切削油附着在构成追踪式激光干涉计的发送器和接收器的主要部分上，还存在使检测精度降低的问题。 并且，进一步，如上所述，在主工作前的初期，需要对发送部和接 收部的位置关系进行调节，还存在该初期调节花费时间的问题。发明内容本发明的目的在于提供能够始终正确地检测被加工物和工具安装轴 的位置、同时得到正确尺寸的加工物的机床的状态检测装置及方法。首先，本发明的机床的状态检测装置是能够始终以三维的方式对加 工被加工物的工具的状态进行检测的机床的状态检测装置，其特征在于， 所述机床的状态检测装置具有波动发送器，其安装在装配有加工被加 工物的工具的工具保持部件上，并通过保持该工具保持部件的工具安装 轴移动；以及至少三个波动接收器，其接收从该波动发送器发送的波动 能量。其次，本发明的机床的状态检测方法是能够始终以三维的方式对加 工被加工物的工具的状态进行检测的机床的状态检测方法，其特征在于， 将波动发送器安装在装配有对被加工物进行加工的工具的工具保持部件 上，将安装有该波动发送器的工具保持部件保持在机床的工具安装轴上， 一边利用上述工具对上述被加工物进行加工， 一边从波动发送器发送波 动能量，利用至少三个波动接收器同时接收波动能量，根据该接收来确 定波动发送器的位置。
图1中上面的图是示出第一实施方式的自动机床的主要部分的概要 结构的立体图，下面的图是其俯视图。图2是示出第二实施方式的自动机床的主要部分的概要结构的立体图。图3是示出第三实施方式中的被加工物保持机构的立体图。符号说明1:数控自动机床；52:基础框架；3:固定工作台；4 (4a、 4b):侧部框架；5:工具安装轴保持结构物；6:工具安装轴；7:工具保持部件；8:工具；9:波动发送器；11:接收器安装臂；12 (12a、 12b、、 12f):波动接收器;13:移动工作台；14 (14a、 14b):长波动接收器设置臂；15 (15a、 15b):短波动接收器设置臂； 16:自动机床；17 (17a、 17b):绝热材料； 18:被加工物保持机构； 19:倾斜工作台支承座；19a:底部；19b:侧部；19c:侧部； 21:倾斜工作台；21a:底部；21b:侧部；22:旋转工^台；23a、 23b:倾斜转动轴；24:倾斜轴电动机；25:离合部；26:倾斜轴电动机罩；27:旋转工作台旋转轴； 28:旋转工作台电动机； 29:安装夹具； 30:被加工物；30—1 30—10:波动发送器。
具体实施方式
以下， 一边参照附图一边对本发明的实施方式进行说明。 第一实施例图1中上面的图示出第一实施方式的数控自动机床的立体图，下面 的图示出其俯视图。图1中所示的数控自动机床l具有基础框架2;固定工作台3，其固定配置在该基础框架2之上；侧部框架4 (4a、 4b)，它们沿着这些基 础框架2和固定工作台3的一侧的端部(图1的左侧)的两侧面固定， 且分别对置地立起设置；以及工具安装轴保持结构物5，其横跨固定在这 些侧部框架4的上端。另外，在图1中，为了容易理解地示出本来处于后面而看不到的内 侧的结构物，以半透明状图示近前侧的侧部框架4a和工具安装轴保持结 构物5。并且，在图1中，设对置配置的侧部框架4a、 4b的配置方向为X轴 方向，设横跨侧部框架4a、 4b的上端的工具安装轴保持结构物5的厚度 方向为Z轴方向，设沿着固定工作台3的侧面的方向为Y轴方向，并将 工具安装轴保持结构物5的上表面设定为Z轴方向的原点位置。工具安装轴6以沿X轴方向移动自如的方式保持在上述的工具安装 轴保持结构物5的右侧面上。工具安装轴6由配设在工具安装轴保持结 构物5的内部的电动机(未图示)驱动着沿着X轴方向朝向正反两个方 向移动。并且，在工具安装轴6的下部穿设有工具保持部件收纳孔(未图示， 以下称为收纳孔)，通过将工具保持部件7的上端侧嵌合插入至该收纳孔7内的一定位置，从而该保持部件7被定位，进而，工具保持部件7在工具安装轴6的下部侧以沿着Z轴方向升降自如的方式被保持。在工具保持部件7的前端装卸自如地装配有工具8，工具保持部件7 的上端侧由配设在工具安装轴6的内部的电动机(未图示)驱动而沿着Z 轴方向升降。在相对于上述工具安装轴6始终处于露出位置的工具保持 部件7的前表面安装有发送预定的波动的波动发送器9。由该波动发送器 9产生的预定的波动与各个工具8对应、即针对每个工具保持部件7的设 定不同。并且，在固定工作台3上，接收器安装臂11与其一侧的端部(图1 的左面)上表面接触，并且该接收器安装臂11的两端固定在侧部框架4a 和4b上。在接收器安装臂11上，在其两端附近的前表面上安装有两个 波动接收器12 (12a、 12b)。并且，在固定工作台3的上表面，配置有以波动发送器9正下方的 位置作为中心的基准位置的移动工作台13。移动工作台13由配设在固定 工作台3的内部的电动机(未图示)驱动着沿Y轴方向朝向正反两个方 向移动。根据上述的结构，载置在移动工作台13上的中心的被加工物通过固 定工作台3沿Y轴方向自由地移动，工具8随着工具安装轴6向X轴方 向的移动而在X轴方向移动，同时，随着工具保持部7向Z轴方向的移 动而在Z轴方向移动，由此，工具8相对于被加工物能够朝向XYZ的三 维方向相对地移动。并且，在数控自动机床l上，还设有长短四根波动接收器设置臂14 U4a、 14b)和15 (15a、 15b)，所述波动接收器设置臂固定设置在基础 框架2和固定工作台3的另一侧的端部(图1的右侧)两侧面的附近且 立起设置。这些波动接收器设置臂14 (14a、 14b)和15 (15a、 15b)从基础框 架2和固定工作台3离开而固定设置在不会受到基础框架2和固定工作 台3的热变位的影响的位置。在这些长短四根波动接收器设置臂14和15的上端部分别安装有使8接收面朝向波动发送器9方向配置的波动接收器12( 12c、 12d、 12e、 12f)。 安装在较长的波动接收器设置臂14a和14b上的波动接收器12c和 12d的高度位置设置在如下的位置即使安装在工具安装轴6的下部的工 具保持部件7前表面上的波动发送器9移动至工具安装轴6的Z轴方向 的正向侧最远的位置，也比波动发送器9高的位置。但是，只要不是相 同高度即可。
并且，安装在较短的波动接收器设置臂15a和15b上的波动接收器 12e和12f的高度位置设置在如下的位置即使安装在工具安装轴6的下 部的工具保持部件7前表面上的波动发送器9移动至工具安装轴6的Z 轴方向的负向侧最远的位置，也比波动发送器9低的位置。但是，只要 不是相同高度即可。
并且，安装在接收器安装臂11上的波动接收器12a和12b的高度位 置以与安装在较短的波动接收器设置臂15a和15b上的波动接收器12e 和12f不是相同高度的方式配设。
但是，在上述的数控自动机床1中，可以清楚对于为了使驱动工 具8旋转的主轴旋转而配设在工具安装轴6的内部的未图示的电动机， 会由于使工具安装轴6的内部的主轴旋转而发热，从而工具安装轴6的 下部由于热膨胀而朝向Z轴的负方向伸长。
在本例中，始终从安装在工具安装轴6的下部的工具保持部件7上 的波动发送器9发送作为波动能量的电波。在加工作业开始之前的状态 下，利用三个以上的波动接收器12接收该电波，对工具安装轴6的下部 的位置、即对应的工具保持部件7的位置进行检测。
并且，由于预先测定工具8的长度，因此只要知道工具安装轴6的 下部的工具保持部件7的位置就知道了工具8的加工刃的位置。根据该 加工刃的位置的检测，利用准备好的加工程序开始对被加工物进行加工。
在加工程序中定期地(在本实施例中为大约五分钟的间隔)加入如 下的处理中断基于工具8的加工刃对被加工物的加工，使工具安装轴6 的下部(即对应的工具保持部件7)返回到如上述那样在加工之前确认了 的工具安装轴6的下部的位置(即对应的工具保持部件7的位置)的基准位置。
当使该工具安装轴6的下部返回到基准位置的处理完成时，利用检
测装置(来自波动发送器9的波动能量的发送和基于多个波动接收器12 的波动能量的接收)对工具安装轴6的下部的位置进行测定。
通过该测定，读取当前位置和加工之前的位置(基准位置)之间是
否存在位置的变化，如果存在变化，则判断为产生了由工具安装轴6的 下部的热膨胀引起的变化，中断对被加工物的加工，并将变化的量反馈 至未图示的驱动控制部。
驱动控制部利用与反馈来的差分的内容对应的校正值对保持在工具 安装轴6的收纳孔内的工具保持部件7在Z轴方向上的驱动位置进行校 正，然后，继续进行中断了的对被加工物的加工作业。
但是，在以往的加工中，由于加工中的工具安装轴的热变位导致被 加工物在Z轴方向被过度切削，从而形成加工完的部件在Z轴方向上的 尺寸比期望的尺寸减小的部件。
但是，根据本实施方式，由于能够在被加工物的加工过程中实时地 对工具安装轴6的热变位量进行测定，定期地以一定时间间隔中断基于 工具8的对被加工物的加工，并根据工具安装轴6的下部的热变位量对 工具保持部件7的位置进行校正，因此能够以正确的尺寸加工被加工物， 得到正确尺寸的最终加工物。
另外，在上述实施方式中，对由热变位引起的Z轴方向的动态精度 的校正进行了说明，对于由X轴方向、和Y轴方向的热变位引起的动态 精度的校正，也能够与对Z轴方向的热变位进行校正的情况同样地进行 校正。
并且，在按照指令对工具安装轴6的主轴是否动作的静态精度的确 认中也能够与上述同样地实施进行确认。
并且，在雕模放电加工机或金属线放电加工机中也能够与上述同样 地实施动态精度和静态精度的校正。
第二实施例
图2是示出第二实施方式的自动机床的主要部分的概要结构的立体图。
另外，由于图2所示的自动机床16的结构除了一部分以外都与图1 所示的第一实施方式中的自动机床i的结构相同，因此仅对需要说明的 部分赋予与图1相同的标号进行表示，对其他的相同的结构部分省略标 号。
并且，对第二实施方式中的成为新的结构的部分赋予新的标号进行 表示。
如图2所示，对于本例的自动机床16,在基础框架2和固定工作台 3的另一侧的端部(图的右侧)的一个侧面(图的近前侧)与长短两根波 动接收器设置臂14a和15a的间隙中夹装有绝热材料17 (17a)。
进而，在基础框架2和固定工作台3的另一侧的端部(图的右侧) 的另一个侧面(图的远处侧)与长短两根波动接收器设置臂14b和15b 的间隙中也夹装有绝热材料17 (17b)。上述的绝热材料17 (17a、 17b) 例如是由陶瓷等形成的绝热材料。
通过这样在基础框架2和固定工作台3与波动接收器设置臂14a和 14b之间、以及波动接收器设置臂15a和15b之间夹装绝热材料17，能 够避免来自基础框架2和固定工作台3的辐射热的影响。
并且，通过夹装陶瓷那样的刚体的绝热材料17，在具有一定的间隔 地将波动接收器设置臂14和15组装在基础框架2和固定工作台3上的 情况下，能够有助于稳定的组装。
第三实施例
图3是示出第三实施方式中的被加工物保持机构的立体图。本例的 图3所示的被加工物保持机构18根据需要固定在第一和第二实施方式中 的自动机床1和16的移动工作台13上进行使用。
艮P，在为利用普通的XYZ三轴控制的加工无法完成的加工时，该被 加工物保持机构18在上述第一和第二实施方式中进行使用。
如图3所示，被加工物保持机构18具有固定在移动工作台13上 的倾斜工作台支承座19;支承在倾斜工作台支承座19上的倾斜工作台 21;以及支承在倾斜工作台21上的旋转工作台22。倾斜工作台支承座19形成截面有棱角的U字形的形状，并将U字
形的底部19a的下表面固定在移动工作台13上。进而，通过倾斜转动轴 23a和23b以能够转动的方式将倾斜工作台21支承在该U字形的两侧部 19b和19c的各内表面之间。
倾斜工作台21也形成截面有棱角的U字形的形状，由底部21a、两 侧部21b和21c构成。该底部21a的下表面从倾斜工作台支承座19的底 部19a的上表面离开预定的间隔。
倾斜转动轴23a和23b中的一方的倾斜转动轴23a的一端(图的右 侧端部)通过倾斜工作台支承座19的U字形的一个侧部19b以绕轴转动 自如的方式支承。进而，倾斜转动轴23a的另一端(图中的左侧端部) 固定在倾斜工作台21的U字形的一个侧部21b上。
并且，倾斜转动轴23a和23b中的另一方的倾斜转动轴23b的一端 (图的右侧端部)固定在倾斜工作台21的U字形的另一个侧部21c上。
进而，倾斜转动轴23b的另一端(图的左侧端部)贯通倾斜工作台 支承座19的U字形的另一个侧部19c并由该侧部19c支承为能够转动， 并且该倾斜转动轴23b的从贯通部进一步延伸出来的端部经由离合部25 与倾斜轴电动机24的旋转轴连接。
倾斜轴电动机24和离合部25由固定在倾斜工作台支承座19的U 字形的另一个侧部19c的外侧的倾斜轴电动机罩26覆盖。
倾斜工作台21通过倾斜轴电动机24的顺逆两方向的旋转以倾斜转 动轴23a和23b作为转动中心在图3的近前侧方向90度、图3的远处侧 90度、总计180度的范围内转动。
由此，倾斜工作台21的底部21a在图3的前后180度的范围内以描 绘圆弧的方式倾斜。
旋转工作台22配置在该倾斜工作台21的底部21a的上表面。在旋 转工作台22的底部的中心位置固定设置有旋转工作台旋转轴27。旋转工 作台旋转轴27的处于固定设置旋转工作台旋转轴27的一侧的相反侧的 端部与配设在倾斜工作台21的底部21a的内部的旋转工作台电动机28 的旋转轴连接。
12通过旋转工作台电动机28朝向顺逆两方向旋转，旋转工作台22在 倾斜工作台21的底部21a的上表面朝顺逆两方向旋转360度以上。
在该旋转工作台22的上表面固定有安装夹具29。被加工物30装卸 自如地固定在该安装夹具29的上部。
根据该结构，被加工物30在安装夹具29的上面能够朝顺逆两方向 旋转360度以上，同时，能够在图3的前后180度的范围内以描绘圆弧 的方式倾斜。
并且，该被加工物保持机构18在倾斜工作台支承座19的U字形的 两侧部19b和19c的上端面上分别具有波动发送器31 — 1和31—2。波动 发送器31 —1和31—2用于对移动工作台13相对于图l和图2所示的各 波动接收器12a 12f的XY轴方向的位置关系进行检测。
并且，在倾斜工作台支承座19的两侧部19b和19c的上端面的不同 的位置上具有两个波动发送器31— l和31—2，这是为了通过实时地测定 波动发送器31 —1和31—2与各波动接收器12a 12f的位置关系，从而 防止倾斜工作台支承座19的两侧部19b或19c与装配在工具保持部件7 上的工具8发生干涉。
并且，在倾斜工作台21的底部21a的两侧面上分别设有波动发送器 31 — 3和31—4 (其中，由于31—4位于图3的远处侧的侧面上因此成为 背阴处而无法看到)，在成为倾斜工作台21的U字形的两侧部21b和21c 的上端的前端部上分别设有波动发送器31—5和31—6。
这四个波动发送器31—3 31—6用于对倾斜工作台21相对于图1 和图2所示的各波动接收器12a 12f的倾斜状态下的位置关系进行检测。
并且，四个波动发送器31—3 31—6分别配设在不同的位置是为了 防止装配在工具保持部件7上的工具8与倾斜工作台21的底部21a的两 侧面之间的干涉、或者与两侧部21b和21c的前端部之间的干涉。
进一步，在旋转工作台22的上表面的适当的位置，在关于旋转工作 台旋转轴27的轴线对称的位置上分别配设有波动发送器31—7和31—8， 在安装夹具29的上表面的与连接上述波动发送器31—7和31 — 8的线成 直角的位置上配设有波动发送器31—9和31 —10。根据图3对本实施方式的作用进行说明。
倾斜工作台21根据被加工物30要加工的形状进行倾斜运动。旋转工作台22根据被加工物30要加工的形状迸行旋转运动。安装夹具29在一侧装卸自如地固定并保持被加工物30，在另一侧装卸自如地固定并保持在旋转工作台22上。
预先设定倾斜工作台21和旋转工作台22和夹具29与图1和图2所示的装配在工具保持部件7上的工具8发生干涉的危险位置，利用波动接收器12a 12f接收来自即将到达该危险位置的工具保持部件7的波动发送器9的发送信号和来自各波动发送器(31 — 1 31 — 10)的发送信号，将通过该接收检测到的波动发送器9和各波动发送器(31 — 1 31 —10)的位置作为设定的危险位置存储在控制部的存储器中。
进而，在被加工物30的加工过程中、或者在自动机床的操作过程中，在利用各波动接收器12a 12f检测到的任一接收信号将要超过表示上述设定的危险位置的数值的时刻，判断为波动发送器9、即装配在工具保持部件7上的工具8的位置接近与倾斜工作台21或旋转工作台22或夹具29发生干涉的危险位置，进行警报等声音报知处理，强制地使机械主体停止。
这样，根据本发明的第三实施方式，能够利用电波发送器和电波接收器之间的通信对以往由操作自动机床的操作者通过目视进行判断的工具8和其他结构物之间有无干涉进行判断。
由此，能够将有可能发生在超出人的目视界限的范围中或者由于漏看或无法看到的部位中的、工具8与倾斜工作台21或旋转工作台22或夹具29或被加工物30等其他结构物之间的干涉防范于未然。
这样，在自动机床的状态检测中，无论主体机械工作、停止，始终能够对倾斜工作台21或旋转工作台22或夹具29或被加工物30等被检测体的位置进行检测，由此，不仅能够防止工具与被检测体的干涉，并且，通过实时地对静态精度、动态精度进而热变位量进行检测，读取检测到的数值的差分并将其反馈至驱动控制部，从而能够进行高精度的控制，其结果是能够实现高精度的加工精度。另外，在上述实施方式中，对装配在工具保持部件上的工具与其他结构物的干涉进行了说明，但是，通过预先确定利用自动机床进行的加工所需的运动范围，从而在无人工作时，能够检测出自动机床的加工动作脱离加工范围的异常的动作，具有碰撞监视装置的作用。
另外，本发明并不限于上述的实施方式，在实施阶段，能够在不改变其主旨的范围内进行各种变形。
权利要求
1、一种机床的状态检测装置，所述机床的状态检测装置能够始终以三维的方式对加工被加工物的工具的状态进行检测，其特征在于，所述机床的状态检测装置具有波动发送器，其安装在装配有对被加工物进行加工的工具的工具保持部件上，并通过保持该工具保持部件的工具安装轴移动；以及至少三个波动接收器，其接收从该波动发送器发送的波动能量。
2、 根据权利要求1所述的机床的状态检测装置，其特征在于， 上述波动发送器能够任意地变更波动能量的频率。
3、 根据权利要求1或2所述的机床的状态检测装置，其特征在于， 上述波动发送器的波动能量为电波。
4、 根据权利要求1或2所述的机床的状态检测装置，其特征在于，上述波动发送器的波动能量为超声波。
5、 根据权利要求1 3中的任一项所述的机床的状态检测装置，其 特征在于，上述机床为数控加工中心。
6、 根据权利要求1 3中的任一项所述的机床的状态检测装置，其 特征在于，上述机床为放电加工机。
7、 根据权利要求1 3中的任一项所述的机床的状态检测装置，其 特征在于，上述机床为金属线放电加工机。
8、 根据权利要求1 7中的任一项所述的机床的状态检测装置，其 特征在于，上述接收器设置在不受上述机床的热变位带来的影响的预定位置上。
9、 一种机床的状态检测方法，所述机床的状态检测方法能够始终以 三维的方式对加工被加工物的工具的状态进行检测，其特征在于，将波动发送器安装在装配有对被加工物进行加工的工具的工具保持 部件上，将安装有上述波动发送器的上述工具保持部件保持在上述机床的工 具安装轴上， 一边利用上述工具对上述被加工物进行加工， 一边从上述 波动发送器发送波动能量，利用至少三个波动接收器同时接收上述波动能量，根据该接收来确定上述波动发送器的位置。
10、 根据权利要求9所述的机床的状态检测方法，其特征在于， 上述波动发送器能够任意地变更波动能量的频率。
11、 根据权利要求9或10所述的机床的状态检测方法，其特征在于， 上述波动发送器的波动能量为电波。
12、 根据权利要求9或10所述的机床的状态检测方法，其特征在于， 上述波动发送器的波动能量为超声波。
全文摘要
在本发明的机床的状态检测装置及方法中，在数控自动机床中，朝向(X)轴方向的正反两方向驱动工具安装轴，朝向(Z)轴方向的正反两方向驱动工具保持部件，朝向(Y)轴方向的正反两方向驱动移动工作台。工具安装轴前端的工具一边相对于固定载置在移动工作台上的被加工物相对地朝向(XYZ)的三维方向移动一边将被加工物加工成预定的形状。始终从配设在工具安装轴的下部的波动发送器发送预定的波动能量，始终利用固定工作台的一侧(图的左侧)的端部的两个波动接收器和设置在长短四根波动接收器设置臂上的四个波动接收器检测工具安装轴的位置与被加工物之间的位置关系，同时利用工具加工被加工物。
文档编号B23Q17/00GK101642884SQ20081018876
公开日2010年2月10日 申请日期2008年12月25日 优先权日2008年8月7日
发明者青沼贞治 申请人:奥林巴斯株式会社