CN102621930A - 具有三轴加工机用工件设置误差修正部的数值控制装置 - Google Patents

Abstract

具有三轴加工机用工件设置误差修正部的数值控制装置控制通过至少三个直线轴加工在工作台上安装的工件的三轴加工机。该数值控制装置具有修正设置工件时的设置误差的工件设置误差修正部。该工件设置误差修正部根据上述三个直线轴的指令直线轴位置，根据为了保持刀具尖端点位置对于工件的位置而预先设定的设置误差，进行对于上述指令直线轴位置的误差修正，求出修正直线轴位置。然后，根据该求出的修正直线轴位置，驱动上述三个直线轴。

Description

具有三轴加工机用工件设置误差修正部的数值控制装置

技术领域

本发明涉及控制对安装在工作台上的工件(加工物)通过至少三个直线轴进行加工的三轴加工机的数值控制装置，特别涉及具有修正设置工件时的设置误差的三轴加工机用工件设置误差修正部的数值控制装置。

背景技术

为使机床的加工变得容易，使用在工作台上固定工件的夹具。在这种情况下，因为通过使用夹具或者工作台自身的倾斜等产生工件对于机床的设置误差(偏移)，所以需要修正这样的设置误差。

例如在下述的专利文献中公开了在加工设置在工作台上的工件时修正工件对于工作台的设置误差(安装误差)的技术。

在日本特开平7-299697号公报中公开了修正上述安装误差的技术。该技术涉及对于安装在夹具上的工件同时进行5轴控制来控制刀具的数值控制装置中的工件的安装误差修正方法，根据数值指令决定在工件的坐标系中的刀具的位置和方向，对于各方向预先进行设定量的误差修正，而且求出满足进行了误差修正后的结果的刀具位置和方向的5轴的坐标值，根据该求出的5轴的坐标值对于各轴的驱动单元给予数值控制指令。

在日本特开2009-15464号公报中，公开了这样的数值控制装置：在加工程序设想的加工物的位置和实际设置的加工物的位置之间有误差，在该加工物在加工过程中进行旋转时，为得到与没有误差时相同的结果，通过进行误差修正前的坐标值进行插补，对于求出的插补后的位置对于每一插补点进行误差修正。

在日本特开2009-93269号公报中，涉及控制使用三个直线轴和两个旋转轴加工在工作台上安装的工件的5轴加工机的数值控制装置，特别公开了具有修正设置工件时的设置误差的工件设置误差修正单元的数值控制装置。

上述三个专利文献各自公开的技术，全部以5轴加工机的数值控制装置为对象，该5轴加工机具有能够控制刀具对于工件的方向的直线轴和旋转轴。即，在5轴加工机中，目的在于通过对于工件的设置误差修正刀具对于工件的位置和方向，来保持原来的指令中的刀具对于工件的位置和方向。

对此，在至少具有三个直线轴的三轴加工机中，虽然不能修正刀具的方向，但是希望修正作为加工点的刀具尖端点的位置。此时，在以能够控制刀具方向的5轴加工机为对象的上述的专利文献公开的方法，因为是以还能够修正刀具方向为前提的修正方法，所以不能适用于三轴加工机。

在以5轴加工机为对象的上述专利文献中，例如如图1所示，在工件位置围绕Y轴有旋转误差(β)时，对于刀具基准点位置(Xc，Yc，Zc)^T以及指令刀具方向(Ic，Jc，Kc)^T如下述(1)式那样进行旋转误差(β)的修正计算，求出修正刀具基准点位置(Xa，Ya，Za)^T以及修正刀具方向(Ia，Ja，Ka)^T。然后作为实现求出的修正刀具方向(Ia，Ja，Ka)^T的旋转轴位置(A、B、C轴等的位置)求出修正旋转轴位置。然后，通过向修正刀具基准点位置(Xa，Ya，Za)^T驱动X、Y、Z轴，向修正旋转轴位置驱动旋转轴(A、B、C轴等)，来修正刀具对于实际工件位置的位置(修正基准点位置)和方向，保持原指令中的刀具对于工件的位置和方向。这里“T”意味转置。但是，以下在转置明确的情况下不特别进行该意思的表记。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xa}\\ \mathrm{Ya}\\ \mathrm{Za}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& \sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xc}\\ \mathrm{Yc}\\ \mathrm{Zc}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Ia}\\ \mathrm{Ja}\\ \mathrm{Ka}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& \sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Ic}\\ \mathrm{Jc}\\ \mathrm{Kc}\end{array}\right]...\left(1\right)$

此外，上述右边的矩阵，假定在下面的(2)式的围绕X轴的旋转误差(α)、围绕Y轴的旋转误差(β)、围绕Z轴的旋转误差(γ)的矩阵的积中，只是与β有关的矩阵。此外，在图1以及后述的图2中，对于立方体工件的各边位于与X、Y、Z轴平行的位置的基准工件位置，通过围绕Y轴的旋转误差(β)在X-Z平面上表示成为实际工件位置的情况。β是小的量，但是在图上描绘的大。

$\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\γ}& 0\\ \sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& \sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]...\left(2\right)$

但是，因为在三轴加工机的情况下不具有旋转轴，所以不能进行刀具方向的修正。即不进行上述(1)式的(Ia，Ja，Ka)的计算。结果，如图2所示，实际工件位置和修正刀具尖端点位置的关系变得与基准工件位置和刀具尖端点位置的关系不同。那是因为数值控制装置把图2的刀具基准点位置作为三个直线轴的驱动位置进行控制的缘故。即，当对于刀具基准点位置(Xc，Yc，Zc)进行基于旋转误差(β)的(1)式的计算求出修正刀具基准点位置(Xa，Ya，Za)时，对应的修正刀具尖端点位置对于实际工件位置不在正确的位置。这是因为仅通过对于刀具基准点位置(Xc，Yc，Zc)的计算实际工件位置和修正刀具尖端点的关系与基准工件位置和刀具尖端点位置的关系不同。

这点在上述的日本特开2009-15464号公报中在“在不具有旋转轴的三轴的机床中，由于在加工过程中加工物的旋转角度不变化地旋转，由此上述设置误差不变化，所以通过使用工件偏移的设定或三维坐标变换功能，能够进行设置误差的修正”中已经说明(参照段落“0003”)，这意味者关于平移误差即使有时能够通过工件偏移的设定来进行修正，但是关于旋转误差无法通过三维坐标变换功能正确地修正。不能修正的原因在于(2)式和者(1)式的矩阵计算是三维坐标变换，即使如上所述把这些计算应用于三轴加工机也不能正确地进行修正。

因此，在三轴加工机的情况下，对于三轴加工机应用五轴加工机中的工件设置误差修正的方法、或者上述日本特开2009-15464号公报中的使用三维坐标变换功能的方法等现有技术无法进行基于修正刀具尖端点位置的正确的加工。

发明内容

因，此本发明的目的在于提供一种数值控制装置，其在至少具有三个直线轴的三轴加工机中，在有工件的设置误差的情况下，能够正确地修正作为加工点的刀具尖端点位置。

本发明的数值控制装置控制通过至少三个直线轴对安装在工作台上的工件进行加工的三轴加工机，该数值控制装置具有工件设置误差修正部，其修正设置工件时的设置误差。并且，该工件设置误差修正部具有误差修正部，其根据上述三个直线轴的指令直线轴位置，根据为了保持刀具尖端点位置相对于工件的位置而预先设定的设置误差，进行对于该指令直线轴位置的误差修正，求出修正直线轴位置，根据该误差修正部求出的上述修正直线轴位置，驱动上述三个直线轴。

上述设置误差被设定为X、Y、Z轴方向平移误差、围绕X轴的旋转误差、围绕Y轴的旋转误差、或者围绕Z轴的旋转误差。

上述指令直线轴位置是在程序指令中指令的上述三个直线轴的刀具基准点位置。

上述指令直线轴位置是对程序指令进行插补后的上述三个直线轴的刀具基准点位置。

上述指令直线轴位置是在程序指令中指令的上述三个直线轴的指令刀具尖端点位置加上刀具长度修正矢量后的指令刀具基准点位置。

上述指令直线轴位置是对在程序指令中指令的上述三个直线轴的指令刀具尖端点位置加上刀具长度修正矢量后的指令刀具基准点位置进行插补后的上述三个直线轴的刀具基准点位置。

根据本发明，在至少具有三个直线轴的三轴加工机中，能够提供在有工件的设置误差时，正确地修正作为加工点的刀具尖端点位置的数值控制装置。由此，即使不能修正刀具的方向，因为作为加工点的刀具尖端点位置对于工件成为正确的位置，所以能够正确地进行刀具尖端点的加工。

附图说明

通过参照附图说明以下的实施例，本发明的上述以及其他的目的以及特征会变得明确。在这些附图中，

图1是说明五轴加工机中的工件设置误差的修正的图；

图2是说明三轴加工机中现有的工件设置误差的修正的图；

图3是说明通过本发明的数值控制装置控制的三轴加工机中的工件设置误差的修正的图；

图4是说明使用本发明的数值控制装置即使有工件设置误差也能够正确地进行修正刀具尖端点处的加工的图；

图5是表示对于程序指令进行工件设置误差修正的、本发明的数值控制装置的一种实施方式的功能框图；

图6是表示对于插补位置进行工件设置误差修正的、本发明的数值控制装置的一种实施方式的功能框图；

图7是说明实施方式2中如图6所示关于插补的位置进行工件设置误差修正的时的工件设置误差修正部的动作的流程图；以及

图8是表示本发明的数值控制装置(CNC)的一种实施方式的重要部分的框图。

具体实施方式

首先，使用图3说明三轴加工机中的工件设置误差的修正。

在该三轴加工机中，通过直线轴X、Y、X的动作刀具移动。由于设置工件时的偏离或工作台的倾斜等实际工件位置对于本来的工件位置偏离。因此，制作对于基准机械坐标系的实际机械坐标系，使基准机械坐标系上的基准工件位置和实际机械坐标系的实际工件位置相同。

作为设置误差预先测定实际机械坐标系与基准机械坐标系的偏离量，设定为对于基准机械坐标系的X、Y、Z轴方向的平移误差(δx，δy，δz)、围绕X轴的旋转误差(α)、围绕Y轴的旋转误差(β)、围绕Z轴的旋转误差(γ)。设修正旋转误差的顺序为(α)、(β)、(γ)的顺序。不用说，不需要全部设定这些设置误差，可以设定其一部分。δx、δy、δz、α、β、γ是小的量，图中放大描绘。这里假定对于基准机械坐标系存在平移误差、旋转误差，对于其他的坐标系(例如工件坐标系)也可以假定存在误差。

在图3中，设程序指令在基准机械坐标系中进行指令，用指令直线轴位置1(Xc1，Yc1，Zc1)表示指令刀具基准点位置的情况，用指令直线轴位置2(Xc2，Yc2，Zc2)表示指令刀具尖端点位置的情况。为图示方便，仅把指令直线轴位置2(Xc2，Yc2，Zc2)图示为离开基准机械坐标系原点的位置矢量，关于指令直线轴位置1(Xc1，Yc1，Zc1)仅图示位置。一般，所谓刀具基准点位置是对刀具尖端点位置加上刀具长度修正矢量的位置。刀具尖端点位置是刀具的顶点位置，或者如果是球端铣刀则是前端半球中心。

设刀具长度修正矢量为Z轴方向的矢量，用(0，0，h)表示。h的量存在在程序中通过指令修正号码来给予的情况，还有通过参数等的设定部设定的情况。这里把刀具长度修正矢量的方向设为Z轴方向，但是也存在其他轴向或者倾斜的情况。

<实施方式1>

这里，在指令刀具基准点位置的情况下，对于指令直线轴位置1(Xc1，Yc1，Zc1)如下面的(3)式那样进行计算，得到修正直线轴位置1(Xa1，Ya1，Za1)。进行这样的计算的是工件设置误差修正部中的误差修正部。指令直线轴位置1是指令直线轴位置。修正直线轴位置1是修正直线轴位置。实际上X、Y、Z轴移动的位置是修正直线轴位置1(Xa1，Ya1，Za1)，向该位置驱动三个直线轴。由此，即使在指令刀具基准点位置的情况下，因为作为加工点的修正刀具尖端点位置(图3的修正直线轴位置2(Xa2，Ya2，Za2))对于实际工件位置成为正确的位置，所以即使有工件设置误差也能够正确地进行在刀具尖端点的加工。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xa}1\\ \mathrm{Ya}1\\ \mathrm{Za}1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&gamma;}& -\sin \mathrm{\&gamma;}& 0\\ \sin \mathrm{\&gamma;}& \cos \mathrm{\&gamma;}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&beta;}& 0& \sin \mathrm{\&beta;}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\&beta;}& 0& \cos \mathrm{\&beta;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\&alpha;}& -\sin \mathrm{\&alpha;}\\ 0& \sin \mathrm{\&alpha;}& \cos \mathrm{\&alpha;}\end{array}\right][\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xc}1\\ \mathrm{Yc}1\\ \mathrm{Zc}1\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ h\end{array}\right]]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&delta;x}\\ \mathrm{\&delta;y}\\ \mathrm{\&delta;c}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ h\end{array}\right]...\left(3\right)$

修正刀具尖端点位置(修正直线轴位置2(Xa2，Ya2，Za2))如下面的(4)式那样表示。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xa}2\\ \mathrm{Ya}2\\ \mathrm{Za}2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xa}1\\ \mathrm{Ya}1\\ \mathrm{Za}1\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ h\end{array}\right]...\left(4\right)$

结果，作为现有技术说明的图2成为图4那样，即使有工件设置误差也能够正确地进行修正刀具尖端点处的加工。即，如上面的(3)式那样，通过进行不是针对刀具基准点位置而是从指令直线轴位置中减去刀具长度修正矢量的针对刀具尖端点位置的计算，实际工件位置和修正刀具尖端点位置的关系变得与基准工件位置和刀具尖端点位置的关系相同，即使有工件设置误差也能够正确地进行刀具尖端点处的加工。

把指令直线轴位置1作为程序中指令的位置进行了说明，但有时也将它设为在每一插补周期对程序指令进行插补的X、Y、Z轴位置，对于作为该插补的X、Y、Z轴位置的指令直线轴位置1进行工件设置误差修正(参照图6)。

<实施方式2>

另外，在作为指令直线轴位置2(Xc2，Yc2，Zc2)指令刀具尖端点位置的情况下，对指令直线轴位置2(Xc2，Yc2，Zc2)相加刀具长度修正矢量(0，0，h)来求出指令刀具基准点位置，作为指令直线轴位置1(Xc1，Yc1，Zc1)。对于该指令直线轴位置1(Xc1，Yc1，Zc1)与上述实施方式1同样进行(3)式的计算，得到修正直线轴位置1(Xa1，Ya1，Za1)。进行该计算的是工件设置误差修正部中的误差修正部。这里，指令直线轴位置1是指令直线轴位置。修正直线轴位置1是修正直线轴位置。实际上X、Y、Z轴移动的位置是修正直线轴位置1(Xa1，Ya1，Za1)，向该位置驱动三个直线轴。由此，和实施方式1相同，因为作为加工点的修正刀具尖端点位置(图3的修正直线轴位置2)对于实际工件位置成为正确的位置，所以即使有工件设置误差也能够正确地进行刀具尖端点的加工。

所谓指令直线轴位置1，能够说明为由程序指令的X、Y、Z轴的三个直线轴的指令刀具尖端点位置(指令直线轴位置2(Xc2，Yc2，Zc2))加上刀具长度修正矢量(0，0，h)后的指令刀具基准点位置。但是也可以代替它，在每一插补周期对由程序指令的指令刀具尖端点位置(指令直线轴位置2(Xc2，Yc2，Zc2))加上刀具长度修正矢量(0，0，h)后的指令刀具基准点位置进行插补，而且把插补得到的X、Y、Z轴的刀具基准点位置作为三个直线轴的指令直线轴位置1，对其进行工件设置误差修正。在那种情况下，由程序指令的指令刀具尖端点位置(指令直线轴位置2(Xc2，Yc2，Zc2))加上刀具长度修正矢量(0，0，h)的运算由程序指令解析部进行。即，通过插补部插补由程序指令解析部生成的指令刀具基准点位置，生成指令直线轴位置1，对于该指令直线轴位置1进行工件设置误差修正(参照图6)。

在图3表示的三轴加工机中，设为通过直线轴X、Y、Z轴的动作刀具移动的三轴加工机，但是除此之外还有通过直线轴X、Y、Z轴的动作刀具或工作台移动的三轴加工机。对于那些三轴加工机也能够同样地进行上述的计算。

另外，这里仅以X、Y、Z轴的三轴加工机为例，但是，还可以是作为那些的平行轴附加了U、V、W轴或ATC(自动更换刀具)用辅助轴或者其他的附加轴的加工机。此外，本发明的数值控制装置控制通过至少三个直线轴加工安装在工作台上的工件的类型的三轴加工机，但是该三轴加工机具有的至少“三个直线轴”意味着上述的X、Y、Z的三个直线轴，该三轴加工机，意味着在上述三个直线轴之外，根据需要，还可以具有U、V、W或者辅助轴或者其他附加轴。

图5是表示对于程序指令进行工件设置误差修正的、本发明的数值控制装置的一种实施方式的功能框图。

在工件设置误差修正部92中，关于通过程序指令解析部90解析后的程序指令，根据来自平移误差/旋转误差指定部96的平移误差/旋转误差进行工件设置误差修正，用插补部94插补进行了工件设置误差修正的程序指令。然后，在X轴伺服电动机98X、Y轴伺服电动机98Y、以及Z轴伺服电动机98Z的驱动控制中使用插补得到的插补数据。

图6是表示对于插补位置进行工件设置误差修正的、本发明的数值控制装置的一实施方式的功能框图。

在该实施方式中，使用插补部94插补程序指令解析部90解析后的程序指令，关于插补得到的插补数据使用工件设置误差修正部92进行工件设置误差修正，在X轴伺服电动机98X、Y轴伺服电动机98Y、以及Z轴伺服电动机98Z的驱动控制中使用进行了工件设置误差修正的插补数据。

图7是说明在上述实施方式2中关于如图6所示插补的位置进行工件设置误差修正时的工件设置误差修正部92的动作的流程图。以下遵照各步骤说明。其中，步骤SA02、步骤SA03是误差修正部。

[步骤SA01]获得平移误差(δx，δy，δz)以及旋转误差(α，β，γ)。

[步骤SA02]作为指令直线轴位置1(Xc1，Yc1，Zc1)获得三个直线轴的插补位置(刀具基准点位置)。

[步骤SA03]根据上述平移误差(δx，δy，δz)、旋转误差(α，β，γ)、以及指令直线轴位置1(Xc1，Yc1，Zc1)，使用上面的(3)式，求出修正直线轴位置1(Xa1，Ya1，Za1)。

图8是表示本发明的数值控制装置(CNC)的一实施方式的重要部分的框图。

作为整体控制数值控制装置100的处理器的CPU11通过总线20读出在ROM12中存储的系统程序，遵照该读出的系统程序控制整个数值控制装置。在RAM13中临时存储计算数据或显示数据或者通过显示器/MDI单元70由操作员输出的各种数据。SRAM存储器14作为即使切断数值控制装置100的电源也能够保持存储状态的非易失存储器构成。在SRAM存储器14内存储通过接口15读入的加工程序或通过显示器/MDI单元70输入的加工程序等。另外，在ROM12中预先写入为了加工程序的生成以及编辑所需要的编辑模式的处理或者用于实施自动运转的处理的各种系统程序。

各轴的轴控制电路30～32接受来自CPU11的各轴的移动指令，向伺服放大器40～42输出各轴的指令。伺服放大器40～42接受该指令，驱动各轴的伺服电动机50～52。各轴的伺服电动机50～52内置位置/速度检测器，向轴控制电路30～32反馈来自该位置/速度检测器的位置/速度反馈信号，进行位置/速度的反馈控制。此外，在图8中关于位置/速度的反馈省略了图示。

伺服电动机50～52驱动机床的X、Y、Z轴。主轴控制电路60接受主轴旋转指令，向主轴放大器61输出主轴速度信号。主轴放大器61接受主轴速度信号，向主轴控制电路60进行反馈，以指令的旋转速度驱动主轴电动机(SM)62，进行速度控制。

以上那样的数值控制装置100的结构不改变现有的数值控制装置的结构，通过该数值控制装置100驱动控制三轴加工机。另外，数值控制装置100的处理器(CPU)100执行具有修正设置工件时的设置误差的算法的软件。

Claims (6)

1.一种数值控制装置，其控制通过至少三个直线轴对安装在工作台上的工件进行加工的三轴加工机，其特征在于，

具有工件设置误差修正部，其修正设置工件时的设置误差，

上述工件设置误差修正部具有误差修正部，其根据上述三个直线轴的指令直线轴位置，根据为了保持刀具尖端点位置相对于工件的位置而预先设定的设置误差，进行对于该指令直线轴位置的误差修正，求出修正直线轴位置，

根据上述工件设置误差修正部具有的误差修正部求出的上述修正直线轴位置，驱动上述三个直线轴。

2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

上述设置误差被设定为X、Y、Z轴方向平移误差、围绕X轴的旋转误差、围绕Y轴的旋转误差、或者围绕Z轴的旋转误差。

3.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

上述指令直线轴位置是在程序指令中指令的上述三个直线轴的刀具基准点位置。

4.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

上述指令直线轴位置是对程序指令进行插补后的上述三个直线轴的刀具基准点位置。

5.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

上述指令直线轴位置是在程序指令中指令的上述三个直线轴的指令刀具尖端点位置加上刀具长度修正矢量后的指令刀具基准点位置。

6.根据权利要求1或2所述的数值控制装置，其特征在于，

上述指令直线轴位置是对在程序指令中指令的上述三个直线轴的指令刀具尖端点位置加上刀具长度修正矢量后的指令刀具基准点位置进行插补后的上述三个直线轴的刀具基准点位置。

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