本发明涉及一种现场加工机床主轴自动定位方法，可实现机床装备安装调试过程中主轴的自动检测、调节、定位和紧固。本发明采用两种基准轴线确立方法：一种是采用标准环或工艺基准面方法，由两个或多个标准环或工艺基准面中心所确定的联合轴线作为基准轴线，另一种是水平测量仪与标准环或工艺基准面组合以确定基准轴线的方法；通过扫描检测标准环或工艺基准面，采集数据并分析计算出基准轴线位置来判断机床主轴位置和偏差。可应用于水电站、船舶、采矿等领域的大型机床装备和零部件的安装、使用、调试、维护、加工、修理、检测等作业，也可扩展应用于一般孔类零件加工及和各种操作过程中的主轴自动定位。
1.一种现场加工机床主轴自动定位方法，其特征在于，采用该方法进行主轴自动定位的机床由主轴及主轴驱动装置、主轴定心调整装置、主轴位置检测装置、刀架径向进给装置和轴向进给装置、控制系统组成，机床初步吊装固定于被加工零件后，能完成机床主轴轴线与所要求基准轴线相对位置检测，计算出轴线偏差并自动调整机床主轴轴线位置，并自动紧固；
所述机床主轴轴线相对位置是通过检测标准环或工艺基准面实现；或者通过检测一个标准环或工艺基准面，配合水平测量仪实现；当检测标准环或工艺基准面时，采用激光或其他位置传感器扫描检测标准环或工艺基准面，采集数据并分析计算标准环或工艺基准面所确立的联合轴线，从而获得机床当前主轴轴线的相对位置；当采用一个标准环或工艺基准面配合水平测量仪时，扫描检测并采集标准环或工艺基准面数据，分析计算标准环或工艺基准面中心，水平测量仪测量主轴与水平面的垂直度，从而获得机床主轴轴线的相对位置。
2.根据权利要求1所述的现场加工机床主轴自动定位方法，其特征在于，所述标准环是根据被加工孔要求、加工条件和特点，专门设计和制作的精密圆环，标准环采用两个以上，安装固定于被加工孔两端指定位置，用以确立被加工孔零件现场安装、检修、调节和加工时的基准轴线。
3.根据权利要求1所述的现场加工机床主轴自动定位方法，其特征在于，标准环预先设置在被加工孔零件指定轴线位置，工艺基准面设置在被加工孔零件周边的工艺表面上。
4.根据权利要求1所述的现场加工机床主轴自动定位方法，其特征在于，配置一个水平测量仪与标准环或工艺基准面检测配合，以确定现场加工基准轴线；水平测量仪安装于机床主轴指定位置，用于调整机床主轴轴线垂直于水平面，使得现场安装、检修、调节、加工、操作时机床主轴轴线与所要求的基准轴线一致。
5.根据权利要求1所述的现场加工机床主轴自动定位方法，其特征在于，采用多个所述标准环时，基准轴线是各标准环联合中心确定的轴线；当采用一个标准环或工艺基准面时，基准轴线是标准环或工艺基准面所确定某位置点的中心，再配合所述水平测量仪确定的轴线。
6.根据权利要求1所述的现场加工机床主轴自动定位方法，其特征在于，所述主轴位置检测装置安装在刀架径向和轴向进给装置上，控制系统可以驱动其沿径向调整检测位置，沿轴向产生进给移动，实现对标准环或工艺基准面的扫描检测，也能对被加工孔表面进行扫描检测。
7.根据权利要求1所述的现场加工机床主轴自动定位方法，其特征在于，所述主轴定心调整装置由轴两端的第一定心调整装置(Z201)和第二定心调整装置(Z202)组成，所述第一定心调整装置和第二定心调整装置均包括定心调整机构和驱动控制，其中定心调整机构均配置有轴承座，可控制轴承座位移，当机床主轴轴线与所要求基准轴线的相对位置产生偏差时，由控制系统驱动定心调整机构，使机床主轴在一定空间范围位移或偏转，实现机床主轴调节、定位。
8.根据权利要求7所述的现场加工机床主轴自动定位方法，其特征在于，所述轴承座在其径向端配置有不少于3套可以伸缩的调节顶杆，当机床主轴轴线与所要求基准轴线的相对位置产生偏差时，根据偏差大小和方向由控制系统给出修正指令，调节顶杆伸缩调整轴承座的位置，修正机床主轴轴线位置，实现加工轴线自动定位。
9.根据权利要求1所述的现场加工机床主轴自动定位方法，其特征在于，所述径向进给装置通过进给滑套安装在主轴上，径向进给装置由独立的电机和传动丝杆螺母副驱动，实现径向进给；所述轴向进给装置安装于主轴一端，通过安装于主轴一侧凹槽内的传动丝杆，带动进给滑套及其上的径向进给装置沿主轴作轴向移动，实现轴向进给。
现场加工机床主轴自动定位方法
技术领域
[0001] 本发明专利涉及一种现场加工机床主轴自动定位方法，涉及到机床装备安装调试过程中主轴的自动检测、调节、定位和紧固，可应用于水电站、核电站、舰艇、船舶，采矿等领域的大型机床装备和零部件的安装、使用、调试、维护、加工、修理、检测等作业，也可扩展应用于一般孔类零件加工及和各种操作过程中的主轴自动定位。
背景技术
[0002] 大型装备和零部件的安装、使用、调试、维护、加工、修理、检测等作业，经常不能采用传统的处理方法，即使用大型机械或者制作专机，经常也不易拆卸，不便于运输以至于运输到制造厂商或指定操作地点都困难重重，同时传统处理方法会造成加工周期长、成本昂贵、操作处理后涉及到零部件的现场重新安装也不容易保证安装精度，造成工程费时、费力、费财、协调困难。例如，大型水电站、核电站、舰艇、船舶，采矿等领域所涉及的一些大型装备和零部件，经常遇到的检测、加工、修复问题。为了适应社会发展的需求，人们发展了现场加工技术，即直接在被加工零件上安装操作加工机床，完成加工任务。现场加工条件下，如何尽快、便利、高效、优质实施作业，机床的安装定位成为行业的核心技术问题，其中机床主轴的位置，其检测与调试，传统方法费时、费力，直接影响后续工程的进展和正确操作、加工质量。有时施工时，还会遇到操作人员无法进入内部进行安装和调试，需要能够全自动安装、检测、自动操作和加工等功能的装备与技术。因此，机床自动安装定位成为关键。
[0003] 能够自动安装定位的机床，目前手段还十分有限。
发明内容
[0004] 本发明要解决的问题是提供一种能够在现场加工条件下，将加工机床正确安装在被加工孔零件上，并自动检测加工机床主轴轴线与被加工孔轴线相对位置，完成机床加工轴线的自动调整、定位和紧固的方法。
[0005] 发明内容一是设计能自动检测、调整、定位机床主轴轴线位置的方法和机床；
[0006] 发明内容二是机床主轴的基准轴线确立方法；机床主轴位置的检测和误差判断，以及相应的检测技术手段、措施；
[0007] 发明内容三是基准轴线设置、制作、相应工艺措施和实施方法；
[0008] 发明内容四是设计机床主轴在一定空间范围可旋转、调节的轴线位置调整、定位控制方法；
[0009] 发明内容五是机床主轴自动调整定心机构设计；
[0010] 发明内容六是能自动完成机床主轴位置检测和被加工孔检测的扫描检测机构设计；
[0011] 所实施的一种现场加工机床主轴自动定位的方法如下，如图1所示。发明内容一，现场加工机床主轴自动定位装置由主轴及主轴驱动装置Z100、第一定心调整装置Z201和第二定心调整装置Z202、主轴位置检测装置Z300、刀架轴向进给装置Z400、刀架径向进给装置Z500、控制系统Z600等组成，机床初步吊装固定于被加工零件后，通过刀架轴向进给装置Z400产生的轴向进给运动、刀架径向进给装置Z500产生的径向进给运动以及主轴及主轴驱动装置Z100产生的轴向旋转运动，由安装在刀架径向和轴向进给机构上的主轴位置检测装置Z300实施扫描和检测标准环8或工艺基准面16，数据采集并分析计算由标准环或工艺基准面所确立的基准轴线位置，判断机床主轴位置和偏差，通过主轴两端的第一定心调整装置Z201和第二定心调整装置Z202对机床主轴进行轴线位置调整、定位。发明内容二，机床主轴的基准轴线确立方法，可以是采用标准环方法，此时机床主轴基准轴线是由两个或多个标准环中心所确定的联合轴线，其中，标准环也可以采用预先设置的工艺基准面替代，即基准轴线是由工艺基准面或工艺基准面与标准环组合所确立的联合轴线；机床主轴的基准轴线可以也采用配置一个水平测量仪与标准环或基准工艺面中心构成轴线的确立方法，此时过标准环或基准工艺面中心且与水平面垂直的轴线是机床主轴基准轴线；采用水平测量仪配合标准环的方法，可以确立机床主轴基准轴线，还可保证被加工零件孔与水平垂直，对于垂直深孔加工有时具有非常便利特点。发明内容三，，是根据被加工孔现场加工条件和特点，专门设计和制作的标准精密圆环，标准环可以是一个或者基准轴线设置中所采用的标准环多个，安装固定于被加工孔两端或指定位置；也可以是预先制造的作为定位基准轴线的其他工艺基准表面；或者可以是实施现场加工主轴自动定位方法前在现场零件上或零件周边加工设置的工艺表面。当基准轴线采用配置一个水平测量仪与标准环或基准工艺面中心构成轴线的方法时，水平测量仪安装于机床主轴指定位置，配合前述的标准环或工艺基准面，检测机床主轴轴线垂直于水平面的同时，与标准环配合使得现场安装、检修、调节、加工、操作时机床主轴轴线与所要求的基准轴线一致。发明内容四，设计机床主轴在一定空间范围可旋转、调节的轴线位置调整、定位以及相应的自动控制机构，该任务由主轴位置检测装置Z300扫描采集数据，控制系统Z600分析计算和发出控制指令，以及第一定心调整装置Z201和第二定心调整装置Z202驱动轴承座位移来执行和完成。当采用两个或多个标准环以及工艺基准面确定基准轴线时，需要检测每个标准环或工艺基准面所在截面内机床主轴位置的相对偏移方向和大小，综合两个或多个截面检测结果以判断当前机床主轴相对基准轴线的位移和偏转方向和偏转大小；当采用一个水平测量仪与标准环或基准工艺面配置的基准轴线检测方法时，需要检测标准环或工艺基准面所在截面内机床主轴位置的相对偏移大小和方向，并结合水平测量仪检测的机床主轴垂直度偏差及偏差方向以判断当前机床主轴相对基准轴线的位移和偏转方向和偏转大小。获得机床主轴与基准轴线位置偏差大小和方向后，由控制系统Z600给出指令，分别驱动机床主轴两端的主轴定心调整机构5和主轴定心调整机构17，通过相应调节顶杆4和调节顶杆18的伸缩，在一定空间范围的旋转、调节的轴线位置的自动调整、定位。发明内容五，机床主轴自动调整定心，是由第一定心调整装置Z201和第二定心调整装置Z202执行完成。主轴定心调整装置包括定心调整机构和驱动控制，其中定心调整机构均配置有轴承座，轴承座可产生位移。主轴10两端安置的定心调整机构轴承座，其径向端均配置有不少于3套可以伸缩的调节顶杆，因此，驱动不同调节顶杆的伸缩，可以使定心调整机构轴承座产生特定方向的位移，驱动轴两端定心调整机构轴承座相应的调节顶杆，可以根据检测获得的机床主轴轴线与所要求基准轴线相对位置偏差，对机床主轴加工轴线位置修正，实现加工轴线自动定心。发明内容六，能自动完成机床主轴位置检测和被加工孔检测的扫描检测机构，是将所述的主轴位置检测装置Z300安装在刀架径向和轴向进给机构上，控制系统Z600可以驱动其沿径向调整检测位置，沿轴向产生进给移动，配合机床主轴的旋转运动，可以实现对标准环和被加工孔的扫描检测。其中，刀架轴向进给驱动1是安装于主轴一端，通过安装于主轴侧面凹槽内的传动丝杆9，带动进给滑套12和安装在进给滑套上12的轴向进给机构13沿主轴作轴向移动，实现轴向进给；径向进给机构14通过独立的电机和传动丝杆螺母副驱动产生径向移动，实现径向进给。
附图说明
[0012] 图1机床主轴自动定位方法示意图
[0013] Z100：主轴及主轴驱动装置
[0014] Z201：第一定心调整装置
[0015] Z202：第二定心调整装置
[0016] Z300：主轴位置检测装置
[0017] Z400：刀架轴向进给装置
[0018] Z500：刀架径向进给装置
[0019] Z600：控制系统
[0020] 1.轴向进给驱动；2.主轴驱动机构；3.底座；4.调节顶杆；
[0021] 5.主轴定心机构；6.固定支架；7.安装座；8.标准环；
[0022] 9.轴向驱动丝杆；10.主轴；11.位置检测装置；12.进给滑套；
[0023] 13.轴向进给机构；14.径向进给机构；15.零件；16.工艺基准面；
[0024] 17.主轴定心机构；18.调节顶杆；19.底座；20.固定支架。
具体实施方式
[0025] 如图1所示，首先将机床初步吊装并固定于被加工零件孔内，使机床加工主轴与被加工孔轴线大体一致并固定。其次，安装包括主轴及主轴驱动装置Z100、第一定心调整装置Z201和第二定心调整装置Z202、主轴位置检测装置Z300、刀架轴向进给装置Z400、刀架径向进给装置Z500以及综合控制系统Z600等。
[0026] 然后确立基准轴线。本发明采用两种基准轴线确立方法：一种是采用标准环方法，由两个或多个标准环中心所确定的联合轴线作为基准轴线；这种方法，其中标准环也可以采用预先设置的工艺基准面替代，即基准轴线是由工艺基准面或工艺基准面与标准环组合所确立的联合轴线。另一种是水平测量仪与标准环组合以确定基准轴线的方法：过标准环中心且与水平面垂直的轴线是机床主轴基准轴线；这种方法，其中标准环也可以采用工艺基准面替代，即过工艺基准面中心且与水平面垂直的轴线是机床主轴基准轴线；图1所示的基准轴线确立方法，是采用第一种方法：由一个标准环8和一个工艺基准面16组合，它们的联合轴线作为基准轴线。现场加工应用中，标准环或工艺基准面需要根据用户要求，被加工孔现场加工条件和特点，专门设计和制作，在安装固定过程，需要精确调节以达到技术要求。
[0027] 基准轴线确定后，进行加工机床主轴位置自动检测。以图1所示的方法为例，首先扫描检测标准环8内孔表面，采集表面位置检测数据。扫描检测由刀架轴向进给装置Z400提供轴向进给运动、刀架径向进给装置Z500提供径向进给运动以及主轴及主轴驱动装置Z100提供轴向旋转运动，由控制系统Z600驱动控制安装在刀架进给机构上的主轴位置检测装置Z300进行表面扫描检测。其次，扫描检测工艺基准面16，采集表面位置检测数据。然后，扫描检测完成后，控制系统Z600将根据采集的检测数据，分析计算由标准环或工艺基准面所确立的基准轴线位置，判断当前机床主轴位置和偏差。
[0028] 通过机床主轴位置自动检测，获得机床主轴与基准轴线位置偏差大小和方向后，实施主轴位置自动调整、定位。主轴位置自动调整、定位由主轴两端的第一定心调整装置Z201和第二定心调整装置Z202执行。首先，控制系统Z600根据扫描检测后，判断当前机床主轴位置和基准轴线的偏差大小和方向，发出位置调整驱动指令。其次，分别驱动机床主轴两端的主轴定心调整机构5和主轴定心调整机构17，通过相应调节顶杆4和调节顶杆18的伸缩，使定心调整机构所在的轴承座，产生相应位移；由于定心调整机构轴承座配置有不少于3套可以伸缩的调节顶杆，因而可以产生各种方向的位移，由主轴两端的定心调整机构配合，从而使机床主轴在一定空间范围产生位移、偏转。然后，根据需要，重复上述主轴位置自动检测过程，若机床主轴与基准轴线位置偏差大小和方向未达到技术要求，继续实施主轴位置自动调整、定位，直到符合技术要求。
[0029] 机床主轴自动检测、调节、定位完成后，可实施零部件的调试、维护、加工、修理、检测等作业。
