TWI328484B - Lathe and processing method using lathe - Google Patents

Description

1328484 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種車床及利用車床的加工方法，特別 關於一種能正確加工工件之車床及利用車床的加工方法。 【先前技術】 就車床加工而言，為能正確地加工工件，準確地控制 工具位置是必要的。尤其是正確的設定工具之芯高（即工 具車刀尖端對於工件中心的高度）更為重要。但，即使加 工開始前準確的設定芯高，隨著加工的進行，芯高仍會自 所要求的位置產生偏移。 而關於芯高對準的技術，例如日本專利特開 2000-33502號公報所揭示的事項。 於該專利中揭示有，決定刀具與保持工件轉動之主軸 單元在鉛直方向上的相對位置後，並同時保持兩者的相對 位置，以決定刀具與主軸單元於鉛直方向之位置的技術手 段。 但是，於該專利技術中，並未考慮關於因加工進行可 能發生的誤差。 目前因應加工中芯高之位移所提出的改善技術有以 下幾種，（1)預估溫度上升，先利用球形螺絲給予一預應 力之技術，（2)利用油溫控制器等溫度調節機構來進行油 温管理，以排除熱位移影響之技術，以及（3)藉由設置 溫標以排除溫度上升所產生之熱位移影響之技術等。 7 1328484 關於前述⑴及（2)’雖可以減少芯高之位移絕對 量，但是容易受到裝置本身存在的缺點以及室溫的變化等 影響。特別是在X件極小的情況下，可能發生無法忽視的 不良狀態。 又’關於（3)則會產生成本上升的問題。且因檢測 面的位移而產生的細小位移，於進行細微的加工時，亦可 能發生無法忽視的不良狀態。 【發明内容】 有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能正確且 精密加工之車床及利用車床的加工方法。 本么明之另一目的為提供一種能於加工流程中適當 的設定工具與工件之位置_之車床及利用車床的加: 方法。 本發明之又一目的為提供一種即使用於加工小尺寸 之工件，亦能正確加卫工件之車床及利用車床的加 法。 . 為達上述目的，本發明之一種車床包含一主軸、一工 具台一㈣機構及-工具台驅動機構。主軸係具有握持 :之夾盤。工具台係設置有至少一加工工件之工 具°量_構係量測1具對謂進行加工，1具所變動的 位置’及對於變動之工具之位置的相對位置關係為固定不 動之—基準點與反映卫具之位置或工具變動之-特定變 動點之間的輯。工具台驅動機構係根據量測機構之一量 8 1328484 測結果，移動工具與工具台，使工具之芯高與工件之中心 線成為特定的位置關係。 .本發明之車床亦可為量測機構固定於工具台，且特定 變動點係設定於量測機構，量測機構係量測其本身與基準 點間的距離。 · 本發明·之車床亦可更包含一導套，基準點係位於導 套。 本發明之車床亦可為量測機構每當完成特定個數之 工件加工後，即進行距離的量測，且工作台驅動機構於每 次距離測量後即移動工具。 本發明之車床亦可為工作台驅動機構移動工具，使工 具之怎南與工件之中心線位於同一水平面。 . 本發明之車床亦可更包含一鼓風機，係用以去除附著 於量測機構之異物。 為達上述目的，本發明之一種利用車床的加工方法包 含以下步驟··量測一不動的基準點與一因進行加工一工件 而產生移動之一固定於工具台之一工具的位置或隨著工 具之移動而移動之一特定變動點之間的距離；根據量測後 之距離’·移動工具使工具之芯高與工件之中心線成為特定 的位置關係。 • 本發明之利用車床的加工方法亦可為特定變動點設 ，置於一量測機構，量測機構固定於工具台，量測機構係量 測其本身與基準點之間的距離。 本發明之利用車床的加工方法亦可為基.準點設定於 13284,84 支撐工件之一導套。 本發明之利用車床的加工方法亦可為一量測機構每 當完成特定個數之工件加工後，即進行距離的量測，且一 工作台驅動機構於每次距離測量後即移動工具。 承上所述，本發明係先測量工具因加工過程改變之位 置與不動之基準點間的距離，再根據測量結果進行工具之 芯高與工件之中心線的芯高對準處理，因此可以對工件正 確且精密的加工。 特別是，前述之芯高對準處理，因亦可於加工中同時 進行，因此對於加工中所可能產生的誤差同樣能有所對 應。 又，本發明用於加工小尺寸之工件時，亦能正確的加 . 工工件。本發明於此情況下，更能產生顯著的效果。因為， 於工件為小尺寸的情況下，加工量僅為少許的量，若芯高 存在有些許的偏移量，則對於正確及精密的加工所產生的 影響會變大。因此，於本發明中係適當地進行芯高對準處 理，並適切地没定工具的怒南。 【實施方式】 以下關於本發明之車床，請參照圖1至圖3之說明。 車床60包含床體10、主軸20、工具支持機構30、導套 90、控制部100及量測機構。

主軸20係由主軸台21支撐，主軸台21設置於滑動 台21A上，滑動台21A則設置於如圖1中安裝在沿著Z 1328484 軸方向之床體10左右兩側的二軌道11及12上，滑動台 21A並與Z軸馬達22連接。主軸20乃至主轴台21，自Z 轴馬達22受到動力，邊沿執道11及12邊往Z軸方向被 驅動。 又，主軸台21内置有工件回轉馬達（圖中未表示）， 工件回轉馬達用以回轉主軸20具有之夹盤23所握持的工 件（圖1至圖3中未表示）。 工具支持機構30如圖1或圖2所示，具有Y軸方向 滑動台40及X軸方向滑動台50。 Y軸方向滑動台40如圖2所示，其側面形狀大概呈L 型。於L型具有較寬面積的板狀形態部分，如圖2或圖3 • 所示，形成一中空部40H以使握持於主軸20上的工件能 - 夠通過。又，於板狀形態部分的一面上具有一工具保持部 .41，工具保持部41係維持固定複數工具421、422、423。 板狀形態部分的另一面，如圖1所示，具有導桿45、46， 導桿45、46與Z軸方向垂直，沿著穿出圖1紙面的Y軸 方向延伸。導桿45、46與X轴方向滑動台50具有之導溝 45G、46G 結合。 又，Y軸方向滑動台40，如圖2所示，其端部與沿Y 轴方向配置的球形螺絲43連接。球形螺絲43的一端與能 使其迴轉的Y軸馬達44連接。 經由上述結構，Y軸方向滑動台40受到Y軸馬達44 的動力，沿著.導桿45、46被驅動作Y軸方向運動。 另外，Y軸方向滑動台40及工具保持部41設置有至 11 1328484 少一加工工件W之工具421，因此可稱為一工具台。球形 螺絲43、Y軸馬達44、導桿45、46及導溝45G、46G可 用以移動工具421與工具台，因此可稱為一工作台驅動機 構。 X軸方向滑動台50係略呈平板狀。如圖2所示，球形 螺絲43係收納於X:軸方向滑動台50的内部。又，導溝 45G、46G，如圖1所示，係位於略平板狀的一面。而略平 板狀的另一面，如圖2所示，具有導桿51、52。該等導桿 51、52係沿著與Z軸及Y軸皆垂直的X轴方向設置。導 桿51、52並與後述的導套支挎台90B結合。 X轴方向滑動台：50，如圖2或圖3所示，形成中空部 - 50H以使握持於主軸20的工件能夠通過。中空部50H形 . 成於XY平面上的位置，約略與Y軸方向滑動台40的中 空部40H —致。 ’ 又，X軸方向滑動台50，如圖1或圖3所示，其端部 與X軸馬達53連接。 經由上述結構，X軸方向滑動台50受到X軸馬達53 的動力，沿著導桿51、52被驅動作X軸方向運動。 另外，經上述結構，工具支持機構30可作X軸及Y 軸方向的移動，且工具421、422及423亦可隨著作同方 向的移動。 導套90如圖2所示，以穿過分別形成於X軸方向滑 動台50的中空部50H以及Y轴方向滑動台40的中空部 40H之方式作配置。導套90係支撐由主轴20突出之工件 12 13284.84 自由滑動，藉此，經由 力使工件產生彎曲等力 工具切削加工時，可防止因切削阻 學性變形。 導套90係由第-導套支持台9〇a及第二導套 刪支樓。第-導套支持台嫩’如圖2所示，係構成ς 體10的一部分。第二導套古拄Α 〇ΛΤ5 > η

嘗克持σ 90Β之側面形狀大致呈L 型，且構成L型呈板狀的―側設置於第—導套支持台佩 上’並利用螺絲釘91固定。 而構成L型呈板狀的另—側則形成有一中空部 娜Η ’中空部9讎所形成的形狀與主軸台21頂端的形 狀大體上為一致的。： • · 經由中空部90ΒΗ的設置，第二導套支持台刪即不 ’ t妨礙主轴台21沿Ζ軸方向的移動。又’藉此握持於主 • 轴20的工件亦能穿過中空部90BH及X軸方向滑動台5〇 與Y轴方向滑動台40的中空部。 導套90係嵌合於第一導套支持台9〇B的中空部9〇bh 中，以與第二導套支持台9〇B固定。 由於如上述的構成，導套9〇相對於床體1〇為不動的。 控制部100具有一處理益、〜唯讀記憶體（Read 〇n以 Memory，ROM)及一隨機存取記憶體（Rand〇m Access

Memory，RAM)(圖中皆未表示其中，唯讀記憶體係 儲存有定義處理器之處理順序的程式，隨機存取記憶體則 儲存有接受使用者輸入之適當數值並執行的程式以及必 要資訊。控制部100係控制驅動用於主軸2〇的z軸馬達 22與工件回轉馬達，以及⑽1具支持機構扣的乂抽馬 13 13284,84 =53與Y軸馬達44。藉此，即可適#的設定王件與工具 …422及423的相對位置關係。且，控制部1〇〇除控制 述=件外，亦進行下述之量測機構相關的控制。 量測機構係包含一位移感測器。位移感測器細，如 2及圖3所示，經由-利用螺絲釘勘固定之支撐物2〇2 圖中Y軸方向滑動台4〇的下端。位移感測器· '、、·子導套;9〇側面（於圖2及圖3中的下面）上的一點。 位移感測器200例如為—渦電流式距離測定器，並經 ，制部1GG的控制’量測其與導套9()之間的距離。位 測器200具有一流有高周波電流的線圈（圖中未表 二）。由於該線圈流有高周波電流，因此會產生高周波磁 :，並經由電磁感應作用，導套9〇的表面會產生渦電流。 如此’線圈中的阻抗會產生變化，電流振動狀態亦產生變 匕而璉化程度係對應於線圈與導套9〇的距離而不同。 位矛夕感測器200根據此原理來測量前述的距離，並將測量 值回傳至控制部1〇〇。 藉由位移感測器200測量前述距離所需的時間，則由 、二制。卩1〇〇來決定。又，亦可利用各種習知的感測器來作 為位移感測器200。 本貫施例中，更有一鼓風機2〇1鄰設於位移感測器 2〇〇。鼓風機201係用以吹除附著於位移感測器2〇〇的冷 部劑、廢物或工件加工時產生的切削碎屑等異物。藉此， 確保位移感測器200.能正確的作動。 位矛夕感測^§ 200因精由支撐·物202連結於Y轴方向滑 1328484 動台40，因此相對於Y軸方向滑動台40位移感測器200 係為不動的，而導套90相對於床體10為不動的。因此， 隨時間變化後之位移感測器200的量測結果，即為Υ軸方 向滑動台40之位置對於床體10或導套90隨時間的變化。 換言之，此量測結果即表示工具421、422及423對於工 件之相對位置關係隨:時間的變化。 以下，對於隨時間變化的量測值，係利用一時間點之 測量值與其後某一時間點之測量值的差，或以類似的差值 來表示總體時間進行.方向，並稱為「位移量」。 接著，說明如上述構成之車床60的作動方式。於以 下說明中，前述之位移量的量測，以及工具支持機構30 根據量測結果的移動等，若沒有特別的禁止事項，可經由 記憶於控制部100之RAM中的程式自動執行。 圖4為對i件W進行外徑加工之加工示意圖。工件W 握持於夾盤23,主軸20藉由Z軸馬達22驅動沿Z轴方向 移動，藉此，以將工件W定位至如圖4所示工具421的前 方。並驅動工件回轉馬達使工件W持續回轉，且控制驅動 Z軸馬達22及X軸馬達53。藉此，工具421與工件W可 正確接觸，並對工件W的外周緣加工。經此加工，即可使 工件W之外徑形成直線、錐狀或圓弧等要求的形狀。 於加工同時，係期望能繼續維持工具421的芯高與工 件W中心線的位置於同一水平面上，或非同一水平面但為 固定的相對位置關係。然而，工具421的加工點P (請參 照圖4)對應於加工的進行，會因Y轴方向滑動台40及球 15 13284,84 型螺絲43等驅動機構的發熱，以及Y轴馬達44的發熱而 產生位移。因此，維持前述期望狀態係極為困難。 因此，本實施例之車床60係執行例如以下的動作。 第1，加工實施前，經由Υ軸馬達44之手動操作等方 〜 式使工具421之芯高與工件W的中心線一致（以下稱為「芯 高對準處理」）。於此：，芯高對準處理係使工具421之芯高 與工件W的中心線位.於同一水平面上，或自該狀態設定一 定程度的偏置。設定偏置後的狀態如圖5所示。於圖5中， 包含工具421的水平面與包含工件W之中心的水平面間， 在圖中的上下方向存在有一偏置量Q。 第2，若芯高對準處理完成，控制部100係驅動位移 - 感測器200，以量測位移感測器200與導套90間的距離。 .為使後面的說明更清楚，於此得到之量測結果，係作為基 準值的功能，儲存於控制部100的RAM内。. 第3，經由驅動之軸馬達22及X轴馬達53，利用工 具421實際進行加工。與前述相同，工具421與工件W的 相對位置關係，會因熱的影響而逐漸變化。因此，如圖4 所示之加工點P的位;置亦會隨著時間的進行而逐漸偏移。 第4，若完成對一個工件W的加工，控制部100係驅 動位移感測器200，以重新量測位移感測器200與導套90 間的距離。如此得到之量測值（以下稱為「第一量測值」）， 一般而言係與前述之基準值不同。因此，位移量δ(1)可利 用δ(1)=(第一量測值）一（基準值）.求得。另外，附加 於δ之括號内的數字“ 1 ”表示對於第一量測值的位移量。 16 1328484 圖6為關於位移量δ的概念圖。即使加工開始時，工 具421的芯高與工件W的中心線位於同一水平面上，隨著 加工的進行，工具421的位置亦會逐漸偏移。最後，如圖 所示，產生偏移量（以下稱為「芯高偏移量」）A (又，符 號Ws為假設未產生芯高偏移加工完成後的工件，Wf為產 生芯南偏移加工完成後的工件）。芯南偏移量.△係與利用 前述量測結果求得的位移量δ(η)大略一致。其原因為，位 移感測器200係固定於Υ軸方向滑動台40，且工具421 亦固定於Υ軸方向滑動台40。因此，假設位移感測器.200 或Υ軸方向滑動台40產生熱或力學變形，對於芯高偏移 量△來說係可以被忽視的。 若得到明確的位移量δ(1)，第5，控制部100根據位 移量δ(1)於Υ軸方向上驅動工具支持機構30乃至工具 421。最單純的情況，工具421僅移動抵消判定後之位移 量δ(1)(換言之，一 δ(1))即可（若以圖6來說，將工具 421往圖中下方向移動即可）。藉此，對於一個工件W加 工所產生的芯高偏移量Α即可適當的補正。 另外，若加工開始時，設定有如圖5所示之偏置量Q， 執行工具421之移動來進行芯高偏移量A之補正後，亦可 維持偏置量Q。 關於第二個工件W以後的加工亦進行相同的工作。對 第二個工件W之加工完成後，再次驅動位移感測器200。 接著，量測位移感測器200與導套90間的距離，換言之 即第二量測值。根據所得之第二量測值，藉由δ(2)=(第 17 13284.84 二量測值）一（基準值）求得位移量δ(2)後，再次對準工 具421的芯高。其後，關於δ(3)、δ(3)、…、δ(η)亦進行相 同的程序。 承上所述，本實施例之車床60，係根據決定工具421 之芯高與工件W之中心線相對位置關係之距離的量測結 果，進行有關工具421的芯高偏移量補正。藉此，即能對 工件W進行正確、精密的加工。 又，經本實施例：，因於加工流程中進行有關工具421 的芯高偏移量補正，所謂的工件W累積誤差可減少。另 外，當工件W具有累積誤差時，則必須同時進行工具421 位置的調整以及重複的切削工作。因此，經由本實施例， 則工作流程過於繁複的問題可減少。 另外，於加工流程中，適當的導入芯高偏移量補正， 則正確精密的加工亦成為可能。特別是，加工小尺寸的工 件時，本實施例之車涑更能展現顯著的效果。當工件為小 尺寸時，由於僅具有些微的加工量，因此，些許的芯高偏 移量對正確精密的加工所造成的影響會變得更大。 本發明除上述實施例外，亦可具有其他各種不同的變 化。例如下列所述之各種變化態樣。 (1 )上述實施例中，係於一個一個的工件加工完成 後，進行位移量的量測，然其非用以限制本發明。例如， 亦可於數個工件加工完成後才進行位移量的量測，或可於 一個工件加工的過程中即進行位移量的量測。 若增加量測的機會，則可量測到更多的位移量δ，而 18 1328484 芯高偏移量A亦可得;到更適切的補正。但，進行量測必須 花費一定的時間。又，依照工件的大小或加工的種類等不 同事項，有許多關於芯高偏移需要考量的情況。因此，於 不同情況下，考量到縮短作業時間，亦可延長量測間距。 (2 )上述貫施例中’蒼照圖6說明之芯南偏移量A 與經由位移感測器200量測結果所得之位移量δ(η)，係以 約略相等作說明。然而，由於位移感測器200或Υ軸方向 滑動台40等本身熱變形等的影響，若以嚴格的立場來看， Α與δ(η)不一定會相等。於此情況下，位移感測器200或 Υ軸方向滑動台40等本身的熱變形等，係可經理論、實驗 或經驗累積等進行定性的預測。若能如上述得到預測變形 量，則對於量測後之位移量δ(η)，利用預測變形量進行適 當的處理（例如加減運算）即能得到更接近真實數值的芯 高偏移量△。 (3 )上述實施例中，係選取導套90侧面上的一點作 為基準點，並以位移感測器200本身做為變動點，但此只 不過為本發明之一種實施態樣。因變動點以能反映工具 421之位置改變為優先考量，因此若有其他適當的量測位 置，亦可作不同的選擇。例如，亦可對工具421位置之一 側端點進行量測。 且，於此所謂的：「反映」，包含變動點改變的變動量 與工具421位置的變動量（以下稱為「原變動量」）相同，、 成正比或反比，或對原變動量進行固定的運算處理後即為 變動點改變的變動量等情況。 19 1328484 (4) 上述實施例中，於加工開始時，以工具421之 芯高與工件W之中心線位於同一水平面上為中心作說 明，且亦提及關於可設定偏置量Q的事項，而偏置量Q的 設定可有各種不同的方式。例如，可利用每次進行芯高偏 移量.△補正時，設定不同的偏置量Q1、Q2、…、Qm ( m 為正整數）的態樣。其中，Q1、Q2、…、Qm中，全部或 一部分為“0”亦可。 (5) 上述實施例中，專以工具421為例作說明，關 於工具422及423亦可進行與上述相同的處理。又，於Y 軸方向滑動台40上，亦可安裝例如沿工件的軸方向設置 並面對工件之端面的鑽孔器等工具。 (6 )上述實施例中，X軸方向、Y轴方向及Z軸方 向係為互相垂直，若方向不同仍應為互相垂直。 本申請内容係根據2006年10月26日申請之日本特 許申請特願2006-291052，本說明書並參照使用該說明 書、特許請求範圍及全部圖面。 以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離 本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均 應包含於後附之申請專利範圍中。 【圖式簡單說明】 圖1為本發明之貫施例的車床平面圖； ， 圖2為如圖1所示之車床的側面圖； 圖3為如圖1所示之車床的背面圖； 20 1328484 圖4為經由工具之工件加工示意圖； 圖5為配合工具之芯局設定偏移量的不意圖，以及 圖6為關於位移量δ的概念圖。 【主要元件符號說明】 10 :床體 11、12 :軌道 20 :主軸 21 :主軸台 21Α :滑動台 22 : Ζ軸馬達 23 :夾盤 30:工具支持機構 40 : Υ軸方向滑動台 40Η、50Η、90ΒΗ ··中空部 41 :工具保持部 421、422、423 :工具 43 :球型螺絲 44 : Υ軸馬達 45、46、51、52 :導桿 45G、46G、51G、52G :導溝 50 : X軸方向滑動台 53 : X軸馬達 60 :車床 21 1328484 90 :導套 90A :第1導套支持台 90B :第2導套支持台 91 :螺絲釘 1 100:控制部 200 :位移感測器 201 ··鼓風機 202 :支撐物 203 :螺絲釘 Q 偏置量 W、Ws、Wf :工件 - A :偏移量

Claims (1)

1328484 十、申請專利範圍： 1、 一種車床，包含'· 一主軸，係具有握持一工件之一夾盤； 一工具台，係設置有至少一加工該工件之工具； 一量測機構，係量測該工具對該工件進行加工，該工 具所變動的位置，及對於變動之該工具之位置的相 對位置關係為固定不動之一基準點與反映該工具之 位置或該工具變動之一特定變動點之間的距離；以 及 一工具台驅動機構，係根據該量測機構之一量測結 果，移動該工具與該工具台，使該工具之芯高與該 工件之中心線成為特定的位置關係。 2、 如申請專利範圍第1項所述之車床，其中該量測機構 係固定於該工具台，且該特定變動點係設定於該量測 機構，該量測機構係量測其本身與該基準點間的距離。 3、 如申請專利範圍第1項所述之車床，更包含： 一導套，該基準點係位於該導套。 . * 4、 如申請專利範圍第1項所述之車床，其中該量測機構 每完成特定個數之該工件加工後，即進行距離的量 測，該工作台驅動機構係於每次距離測量後移動該工 具。 5、 如申請專利範圍第1項所述之車床，其中該工作台驅 動機構係移動該工具，使該工具之芯高與該工件之中 心線位於同一水平面。 23 1328484 6、 如申請專利範圍第1項所述之車床，更包含： 一鼓風機，係用以去除附著於該量測機構之異物。 7、 一種利用車床的加工方法，包含以下步驟： 量測一不動的基準點與一因進行加工一工件而產生 移動之一固定於工具台之一工具的位置或隨著該工 具之移動而移動之一特定變動點之間的距離；以及 根據量測後之距離，移動該工具使該工具之芯高與 該工件之中心線成為特定的位置關係。 8、 如申請專利範圍第7項所述之加工方法，其中該特定 變動點係設置於一量測機構，該量測機構固定於該工 具台，該量測機構係量測其本身與該基準點之間的距 - 離。 . 9、如申請專利範圍第7項所述之加工方法，其中該基準 點係設定於支撐該工件之一導套。 10、如申請專利範圍第7項所述之加工方法，其中一量測 機構每完成特定個數之該工件加工後，即進行距離的 量測，且一工作台驅動機構於每次距離測量後移動該 工具。 24