确定加工轴线的方法和设备 |
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| 申请号 | CN201480004251.5 | 申请日 | 2014-01-27 | 公开(公告)号 | CN104903693B | 公开(公告)日 | 2017-12-22 |
| 申请人 | 申克罗泰克有限责任公司; | 发明人 | M.罗格拉; | ||||
| 摘要 | 为了确定可旋转的 工件 毛坯的加工轴线，在测量设备(10)内安装一个有同心于其 不平衡 基轴的支承面的参考工件和接着安装工件毛坯，以及借助传感装置(36)测量参考工件和工件毛坯保持不加工的表面区，测得的 位置 数据由计算机(40)作为参考件部分表面和毛坯部分表面储存在数据 存储器 (41)内。计算机(40)计算毛坯部分表面与参考件部分表面之间的差异，并根据此差异计算不平衡作用，它通过假设的工件主惯性轴的位置表达。通过给主惯性轴的位置添加补偿量(offset)计算加工轴线，这一补偿量借助事先制成的工件测得的相对于加工轴线的实际不平衡度经验确定。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种借助有能力测量工件表面一些点空间位置的测量设备(10)确定可旋转的工件毛坯的加工轴线的方法，该工件毛坯有通过材料切削进行加工的工件区和保持不加工的工件区，以及它的理论质量分布是已知的，方法包括下列步骤： |
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| 说明书全文 | 确定加工轴线的方法和设备技术领域[0001] 本发明涉及一种借助有能力测量工件表面一些点空间位置的测量设备，确定可旋转的工件毛坯，尤其曲轴加工轴线位置的方法，该工件毛坯有通过材料切削进行加工的工件区和保持不加工的工件区，以及它的理论质量分布是已知的。 背景技术[0002] 由DE2823219C2已知一种借助平衡定心机测量规定用于旋转的工件惯性轴位置的方法。在这里，工件以由其几何形状预定的初始位置安装在机器中并绕安装座的旋转轴线旋转。在工件旋转期间，测量存在的不平衡度以及确定工件的惯性轴关于已有的旋转轴线的位置。在另一个步骤中将工件的支承改变为，使提供的旋转轴线与惯性轴一致。然后，在此位置，在工件上施加定心孔或安置类似的定心装置，它们在接着的加工过程中用作工件的安装座。 [0003] 由EP0268724B1已知一种平衡地定心部分要切削加工的工件，尤其曲轴的方法，在此方法中，在加工前为了减小不平衡度工件的旋转轴线横向移动，以及设置规定平衡的中心位置的定心孔。在这里，为了确定工件横向移动的大小和方向，忽视通过要加工的工件区引起的不平衡度，而仅顾及保持不加工的工件区引起的不平衡度。因此基于工件和定心孔固定的旋转轴线的横向移动，仅关于保持不加工的工件部分平衡地运行。因为工件加工定位在通过定心孔规定的旋转轴线上，所以达到预平衡。在这里，保持不加工的工件区通过对准工件表面选出的各个参考点的传感器，测量在此工件区内存在的外形并输入计算机，计算机将此实际形状与理想工件的额定形状相比较，以及根据实际形状与额定形状之间当时的差异并在考虑规定的材料余量的情况下计算工件位移。这种已知的方法需要很复杂的测量设备，为的是能具有所需精度地测量保持不加工的工件区。 [0004] 此外由EP2184595A1还已知一种确定在曲轴内钻孔形成的定心孔位置的方法，在此方法中，测量曲轴的外表面并获知三维形状数据，以此形状数据为基础假设曲轴内定心孔的位置，以此定心孔位置的假设为基础作为参考量模拟曲轴预定的加工，并确定曲轴按照模拟加工达到的形状。接着，在平衡判定步骤中检验，曲轴按模拟加工后所达到形状的不平衡度是否处于预定的许可范围内，以及当不平衡度处于许可的范围内时，在定心孔判定步骤中确定定心孔假设的位置作为适用的钻孔位置。 发明内容[0005] 本发明的目的是提供一种前言所述类型的方法，它能准确地确定用于规定工件毛坯加工轴线的定心点，从而导致被加工的工件毛坯有最小的不平衡度。此外，这种方法应能简便和快速地实施，以及为了实施所述方法应不需要复杂而昂贵的设施。应能在短的时间内实现工件毛坯定心点的确定。 [0006] 此外，本发明的目的是提供一种用于实施所述方法有利的设备。 [0007] 提出的有关方法方面的目的通过按照本发明的方法达到，即一种借助有能力测量工件表面一些点空间位置的测量设备确定可旋转的工件毛坯的加工轴线的方法，该工件毛坯有通过材料切削进行加工的工件区和保持不加工的工件区，以及它的理论质量分布是已知的，方法包括下列步骤： [0008] 将参考工件安装在测量设备的插入位置内， [0009] 借助测量设备测量参考工件保持不加工的表面区上许多点相对于在测量设备内规定的不平衡基轴的位置， [0010] 将所测得的参考工件保持不加工的表面区上许多点的位置数据作为参考件部分表面储存在计算机的数据存储器内， [0011] 从测量设备取出参考工件， [0012] 将工件毛坯安装在测量设备的插入位置内， [0013] 借助测量设备测量工件毛坯保持不加工的表面区上许多点的位置，[0014] 将所测得的工件毛坯保持不加工的表面区上许多点的位置数据作为毛坯部分表面储存在计算机的数据存储器内， [0015] 根据储存的位置数据，计算由于毛坯部分表面与参考件部分表面之间的差异造成的相对于不平衡基轴的不平衡作用， [0016] 通过假设的有理想质量分布的工件主惯性轴的位置表达不平衡作用，以及，[0017] 通过给主惯性轴位置添加补偿量计算加工轴线。 [0018] 有关设备方面的目的通过按照本发明的设备达到，即一种确定可旋转的工件毛坯的加工轴线的设备，该工件毛坯有通过材料切削进行加工的工件区和保留的不加工工件区，以及它的理论质量分布是已知的，设备包括 [0019] 参考工件， [0020] 有用于安装参考工件或工件毛坯的插入位置的测量设备，它有用于测量参考工件和工件毛坯保持不加工的表面区上许多点位置的扫描装置，以及有为扫描装置配设的不平衡基轴， [0021] 计算机，包括用于储存所测得的保持不加工的表面区上许多点的位置数据，作为参考工件参考件部分表面和作为工件毛坯的毛坯部分表面的数据存储器，[0022] 其中，计算机设置为，根据储存的位置数据，计算由于毛坯部分表面与参考件部分表面之间的差异造成的相对于不平衡基轴的不平衡作用， [0023] 不平衡作用通过假设的有理论质量分布的工件主惯性轴的位置表达，[0024] 以及，通过给主惯性轴位置添加补偿量计算加工轴线。 [0025] 按本发明，用于借助有能力测量工件表面一些点空间位置的测量设备确定可旋转的工件毛坯加工轴线端侧定心点位置的方法，该工件毛坯有通过材料切削进行加工的工件区和保持不加工的工件区，以及它的理论质量分布是已知的，方法包括下列步骤： [0026] 将参考工件安装在测量设备的插入位置内， [0027] 借助测量设备测量参考工件保持不加工的表面区许多点相对于在测量设备内规定的不平衡基轴的位置， [0028] 将所测得的参考工件保持不加工的表面区许多点的位置数据作为参考件部分表面储存在计算机的数据存储器内， [0029] 从测量设备取出参考工件， [0030] 将工件毛坯安装在测量设备的插入位置内， [0031] 借助测量设备测量工件毛坯保持不加工的表面区许多点的位置，[0032] 将所测得的工件毛坯保持不加工的表面区许多点的位置数据作为毛坯部分表面储存在计算机的数据存储器内， [0033] 根据储存的位置数据，计算由毛坯部分表面与参考件部分表面之间的差异造成的相对于不平衡基轴的不平衡作用， [0034] 通过假设的有理论质量分布的工件主惯性轴的位置表达不平衡作用，以及，[0035] 通过给主惯性轴位置添加补偿量(offset)计算工件毛坯的加工轴线。 [0036] 所述补偿量首先可假设为零值，然后借助所测得的多个有按本方法确定的加工轴线加工制成的成品工件相对于被加工的工件轴线的不平衡度，经验确定所述补偿量并储存在计算机内。优选地，加工轴线的位置可以通过定心点的位置表达，这些定心点作为加工轴线通过工件毛坯垂直于不平衡基轴定向的端侧表面的贯穿点被计算。 [0037] 经验确定的补偿量考虑到参考工件关于或涉及在测量设备内规定的不平衡基轴的不平衡度，以及考虑到工件毛坯通过接着的用按本发明规定的加工轴线加工发生的变化，所述补偿量抵消这些不利影响，以减小完成加工的工件的不平衡度。 [0038] 按本发明方法的优点在于，能提供非常准确的结果，因为在使用相同的测量方法测量时只有少量彼此不同的测量对象，亦即参考工件和工件毛坯，以及相互比较测量时获得的这两个测量对象的位置数据，在这种情况下，在进一步的计算中只计入所获得的这些位置数据之间的差异。基于位置数据的比较，补偿了通过测量过程引起的影响和基于此影响的测量值失真及零点偏移，因此可忽略不计对测量精度的影响。此外，因为参考工件和工件毛坯只通过处于通常制造公差范围内的差异彼此区别，所以位置数据的比较提供较小的差值，从而测量时出现的不精确度也只会在很低的程度上造成影响。 [0039] 在实际工作中充分证明，按本发明的方法导致有利的结果。它在用于平衡成品工件的终端平衡机上产生小的分散范围。测量设备只须直线测量并提供在参考工件和在工件毛坯上相同测量位置可再现的测量值。测量值绝对量较小的差异只起微小的作用，从而使测量设备如其为了计算工件体积所需要的那样的精确校准不再是必需的。许多测量点求平均值进一步降低对测量设备的精度要求。因此可以为本方法使用便宜的测量设备，例如按激光断面法工作的3D测量系统。 [0040] 按本发明另一项建议，不平衡作用的计算以下述方式进行：选择参考件部分表面一些离散的参考点，对于每个离散的参考点确定基于毛坯部分表面与参考点之间的差异的部分不平衡作用，以及通过累加所有参考点的部分不平衡作用确定总的不平衡作用。以此方式可以保持小的计算工作量和简化计算过程。 [0041] 按本发明另一种有利的进一步发展可在于，在假设毛坯部分表面与参考点之间小理论差异的情况下，确定选择的离散的每个参考点理论的部分不平衡作用，并作为参考点的影响系数储存；以及，离散的每个参考点实际的部分不平衡作用，通过参考点的影响系数与测得的毛坯部分表面与参考点之间的差异相乘确定。 [0042] 以此方式，在测量参考工件并储存毛坯部分表面后，可以预先对离散的每个参考点计算参考点的影响因素，从而在接着确定工件毛坯的不平衡作用时，只是再将在参考点测得的差异与相关的影响系数相乘。以此方式大幅度降低在测量工件毛坯的毛坯部分表面后的计算工作量。 [0043] 按本发明，离散的每个参考点理论的部分不平衡作用，表达作为假设有理论质量分布的工件主惯性轴的位置差异，例如表达为在定心平面内主惯性轴偏心率的改变。于是各参考点部分不平衡作用之和直接导致确定主惯性轴的位置，这一位置可以只是再通过添加经验确定的补偿量进行校正。 [0044] 作为参考工件可以从一系列要测量的同类工件毛坯中选择任意一个工件毛坯。然而有利的是，作为参考工件选择这样一个工件毛坯，在此工件毛坯中保持不加工工件区的形状处于制造引起的形状差异的中间。由此使参考件部分表面与要测量的工件毛坯的毛坯部分表面之间的差异保持为较小，这有益于提高定心点确定的精度。此外有利的是，由原始不平衡度很小的工件毛坯制成参考工件。 [0045] 按本发明为了制造参考工件，可以在选出的工件毛坯中通过平衡定心确定加工轴线的最佳位置，以及必要时在施加相应的定心孔后，可以通过接着加工工件毛坯而配置与加工轴线同心的、用于插入测量设备内的支承面。优选地，支承面可以含有耐磨的淬火表面。以此方式制成的参考工件可以将其支承面安装在平衡机内并能测量其主惯性轴的位置。若主惯性轴的位置与通过插入测量设备中规定的不平衡基轴的位置不同，则这一位置偏差或与此位置偏差相应的不平衡度，在按本发明的方法中累加在主惯性轴的计算位置中，例如通过添加在要累加的补偿量内。 [0046] 一种用于实施本方法有利的设备按本发明包括参考工件，有用于安装参考工件或工件毛坯的插入位置的测量设备，该测量设备有用于测量参考工件和工件毛坯保持不加工的表面区上许多点位置的扫描装置，以及有为扫描装置配设的不平衡基轴，计算机，包括用于储存所测得的保持不加工的表面区上许多点的位置数据，作为参考工件的参考件部分表面和作为工件毛坯的毛坯部分表面的数据存储器，其中，计算机设置为，根据储存的位置数据，计算由毛坯部分表面与参考件部分表面之间的差异造成的相对于不平衡基轴的不平衡作用，不平衡作用通过假设的有理论质量分布的工件主惯性轴的位置表达，以及，给主惯性轴的位置添加一补偿量，这一补偿量借助事先制成的多个工件相对于加工轴线测得的实际不平衡度经验确定并储存。按本发明，计算机还可以设置用于计算定心点，所述定心点作为加工轴线通过工件毛坯垂直于不平衡基轴定向的端侧表面的贯穿点。但工件毛坯定心点的计算也可以在定心钻孔机的计算机内进行，定心钻孔机用于钻孔形成确定工件毛坯内加工轴线的定心孔。附图说明 [0047] 下面借助附图中表示的实施例详细说明本发明。其中： [0048] 图1表示按本发明的设备； [0049] 图2表示按图1的设备在测量参考工件时；以及 [0050] 图3表示参考工件的视图。 具体实施方式[0051] 在图1中表示的测量设备10有两个彼此间隔地排列在机架11上的轴承箱12、14。在这两个轴承箱12、14内分别可旋转地支承一个主轴，所述主轴在从轴承箱12、14伸出朝向机架11中央的端部带有圆盘状主轴头16、18。在主轴头16、18的互相面对侧设置配备夹紧装置的安装座20、22，用于工件的轴颈或支承法兰。安装座20、22可以设计为不同的形式，它们可以有能径向调整的菱形体，或设计为多爪式卡盘或弹簧夹钳。这两个主轴可借助电机24、26驱动旋转。电机24、26互相机械连接或通过电路互相连接为，使它们能同步运动。电机26设有转角传感器，它检测由电机26驱动的那个主轴头的转角位置。主轴和主轴头16、18彼此同轴定位。 [0052] 除轴承箱12、14外，在机架11上还固定导轨30，滑架32可以平行于所述两个主轴共同的轴线运动地安装在导轨30上。滑架32包含驱动电机，滑架32借助它可以沿导轨30运动。通过位移测量系统可以测量当时的滑架位置。支架34可绕轴线35回转地安装在滑架32上。 轴线35处于一个垂直于主轴旋转轴线的平面内。传感器36固定在支架34上，它能够光学三维检测物体。传感器36按激光断面法工作。它的测量区37在图中用一个平面表示。用双向箭头暗示的数据传输装置38，连接传感器36与可编程的电子计算机40和与计算机40连接的数据存储器41。数据传输装置38可以设计为无线式或用电缆连接。此外将计算机40设计为，能控制电机24、26和滑架32及支架34的驱动器，并能接收并处理电机26转角传感器的信号。 [0053] 取代图中表示的可旋转式传感器36，按本发明也可以在滑架32上固定两个或多个固定式传感器，它们同时沿不同方向对准工件，使得每个传感器可以检侧工件的另一侧。这样做虽然成本较高，但带来的优点是，人们不必重复回转这一个传感器并缩短所需要的测量时间。 [0054] 在图示的测量设备10中，用于计算不平衡作用的不平衡基轴，通过主轴头16、18公共的旋转轴线确定。传感器36的测量区37优选地在一个所述旋转轴线处于其中的平面内延伸和运动。但工件表面的光学检测也可以不旋转工件而借助多个传感器完成。在这里，不平衡基轴可以由一条直线构成，在此直线内所述多个传感器测量区的中心或中面相交。 [0055] 图2表示在测量过程中的测量设备10。形式上为曲轴的参考工件50处于主轴头16、18上的安装座20、22内，它包括轴颈52、曲柄销53和曲柄臂54。对于这种曲轴，只是材料切削加工轴颈52和曲柄销53。而曲柄臂54的表面则保持不加工。在参考工件50中只在两端加工轴颈52并设有圆柱形支承面56，所述支承面56用于将参考工件50定位在测量设备10的安装座20、22内，以及确定用于参考工件50的不平衡基轴。其他轴颈52和曲柄销53都不需要加工，但加工也无妨。 [0056] 测量设备的安装座20、22设计为，通过插入带有支承面56的参考工件50，使参考工件50的支承轴线与在测量设备内规定不平衡基轴的主轴和主轴头16、18的旋转轴线重合。借助传感器36可以测量支承面56和主轴头16、18圆柱形外表面的位置，并通过计算和比较它们轴线的位置，检验参考工件50在安装座20、22内的定心。若检验表明在参考工件50的不平衡基轴与支承轴线之间有位置差异，则借助设置在安装座20、22上的调整装置校正参考工件50的位置。 [0057] 在将参考工件50安装并夹紧在测量设备10中后，可以测量参考工件50保持不加工的表面区。为此通过控制电机24、26缓慢旋转参考工件50。与此同时，处于例如图2中表示的第一个角向位置的传感器36，借助滑架32按第一方向在参考工件50旁沿着它运动，在此过程中从测量区37检测曲柄臂的周缘和一侧。然后，传感器回转到例如与第一个角向位置相对于径向平面对称的第二个角向位置，并按反方向在参考工件50旁沿着它运动，此时除周缘外检测曲柄臂的另一侧。在运动期间测量曲柄臂54保持不加工的表面区许多点的位置，并将测量数据传输给计算机。计算机40根据传感器36的测量数据及转角传感器与之配属的转角数据，计算三维位置数据并将它们作为参考件部分表面储存在数据存储器41内。 [0058] 接着可以按所说明的方式将工件毛坯安装在测量设备10内，测量并将测量结果作为毛坯部分表面储存在数据存储器41内。 [0059] 然后，可以借助储存的参考件部分表面和毛坯部分表面的位置数据，为了将定心孔施加在工件毛坯上计算每个定心点的最佳位置。为此，计算机40的程序将参考件部分表面许多离散的参考点与毛坯部分表面相比较，此时对每个参考点计算毛坯部分表面相比于参考点的最小差异。若例如毛坯部分表面超出参考点，则人们可以计算该超出部位的体积，例如作为小的锥体或球拱，并根据此体积和现有的关于工件毛坯的数据，计算该体积的质量、它的重心位置并因而其不平衡作用，亦即由于毛坯部分表面的所述部位相对于参考件部分表面的差异导致的不平衡度变化。 [0060] 同样的计算针对所有选择的参考点实施，然后将在此过程中确定的不平衡作用累加成总的不平衡作用。算得的总不平衡作用可以换算为有工件毛坯理论质量分布的假设工件的主惯性轴的位置。 [0061] 然而所计算出的惯性轴的位置还不适合作为工件毛坯的加工轴线，因为还必须考虑到工件毛坯通过接着的加工过程、零点移位以及参考工件可能存在的不平衡引起的改变。因此业已证实有利的是，给主惯性轴的位置添加一补偿量，这一补偿量借助所测得的多个由同类型工件毛坯制成的工件相对于加工轴线的不平衡度予以确定并储存在计算机内。在添加补偿量后确定加工轴线的位置，以及可以计算定心点的位置，所述定心点作为加工轴线通过垂直于不平衡基轴的、处于工件毛坯待加工端侧的平面的贯穿点。 [0062] 定心点的位置数据传输给定心钻孔机，工件毛坯在其从测量设备取出后插入定心钻孔机内，为的是在为此所计算的位置施加定心钻孔。定心钻孔机的插入装置优选地设计为，使工件毛坯的空间位置与测量设备的以及与定心钻孔机的安装轴线的关系总是相同的。 [0063] 图3表示参考工件60的示例，它由一系列同类型工件中选出的工件毛坯制成。在选择用于参考工件60的工件毛坯时，有利的是，此工件毛坯的尺寸处于适用的制造公差的中带，由此使要与参考工件60相比较的工件毛坯可能的差异不会过大。参考工件60只在端侧轴颈62上加工，因为它们用于插入测量设备10内。参考工件60其余所有部分不加工。为了加工轴颈，参考工件60平衡定心，为的是相对于加工轴线达到最小的不平衡度。因为参考工件60的加工轴线与测量设备10内的不平衡基轴应尽可能准确一致，所以恰当的是，轴颈62有耐磨表面，由此能良好重复地将参考工件60安装在测量设备内。因此在事先经车削的轴颈 62上压紧套上淬火环63，在将它紧压后磨削到标称或名义直径。在测量设备10中，所述环的圆柱形支承面64可以由传感器36检测并计算其在定心面内的中点，以获知不平衡基轴的位置。因此为了计算各个要与参考工件60比较的工件毛坯的不平衡作用，通过参考工件60持续规定所述不平衡基轴。 [0064] 在制成参考工件60后借助平衡机测量其相对于加工轴线的不平衡度。测得的不平衡值然后纳入定心点的计算中，例如将其添加给所述补偿量。作为替代方式，参考工件60也可以通过在轴颈和曲柄销区域内的材料切削得以平衡，从而在计算时可以免于考虑不平衡作用。 [0065] 参考工件60还可以有利地应用于为工件毛坯钻孔的定心钻孔机的零点调整。为此，除淬火环63外还在轴颈62端面附加设计同轴的圆柱形测量面65，它们在定心钻孔机装设千分表时能更好地被扫描或测量。这些测量面65可以由压入定心孔圆柱段中的定位销66构成。 [0066] 本发明不限于所说明的这些实施例。例如工件可以固定不动地固定在测量设备的安装座内，而传感器可以围绕固定不动的工件被导引运动。此外也可以取代一个传感器而围绕工件设置多个传感器，使它们可以沿固定不动的工件移动。 |
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