CN102736559B - 机床的校正值运算方法以及机床的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机床的校正值运算方法以及程序，在机床中，能够校正几何误差引起的刀具的位置或者位置和姿态的误差，并且校正刀具的姿态误差，而且，通过不进行校正指令引起的平动轴的微小动作而能够提高加工精度。在具有2个以上的平动轴和1个以上的旋转轴的机床中，使用所述旋转轴的指令位置、所述平动轴的指令位置空间内的预先指定的一个点即校正基准点的坐标值(参照步骤S2)以及表示所述几何误差的几何参数，运算所述平动轴的校正值。

Description

机床的校正值运算方法以及机床的控制装置

技术领域

本发明涉及运算用于校正具有平动轴和旋转轴的机床的几何误差的校正值的方法或者控制装置。

背景技术

图1是作为该机床的一个示例的具有3个平动轴和2个旋转轴的机床(五轴控制加工中心，五轴机)的示意图。主轴头2为平动轴，能够通过相互正交的X轴和Z轴，相对于机座1进行两个自由度的平动。工作台3能够通过作为旋转轴的C轴，相对于摇架4进行一个自由度的旋转。摇架4能够通过作为旋转轴的A轴，相对耳轴5进行一个自由度的旋转，A轴和C轴相互正交。耳轴5为平动轴，能够通过与X轴和Z轴正交的Y轴，相对机座1进行一个自由度的平动。各轴由数控装置控制的伺服电机(未图示)驱动，将被加工物(工件)固定在工作台3上，在主轴头2上安装刀具并使刀具旋转，控制被加工物与刀具的相对位置进行加工。

作为对所述五轴机的运动精度带来影响的主要原因，例如，有旋转轴的中心位置的误差(与假定位置的偏差)、旋转轴的倾斜误差(轴间的垂直度或平行度)等各轴间的几何学上的误差(几何误差)。如果存在几何误差，则机床的运动精度恶化，被加工物的加工精度恶化。因此，需要通过调整来减小几何误差，但是却很难将几何误差变为0，只能通过进行校正几何误差的控制来进行高精度的加工。

作为校正几何误差的手段，提出了下述专利文献1记载的方法。专利文献1中，能够考虑机床的几何误差，将刀具前端点的位置转换成各平动轴的位置，通过将各平动轴的位置设为指令位置，校正几何误差引起的刀具前端点的位置误差。另一方面，专利文献2中，能够通过控制存在几何误差时刀具前端点相对于被加工物的位置与不存在几何误差时的位置之间的差分值作为平动轴的校正值，校正几何误差引起的刀具前端点的位置误差。

【专利文献1】日本特开2004-272887号公报

【专利文献2】日本特开2009-104317号公报

专利文献1或专利文献2中，在对旋转轴的倾斜误差进行校正的情况下，由于随着平动轴的动作，平动轴被施加校正指令，因此，即使只使1个平动轴动作，其它的平动轴也会有微小的动作。例如，在存在X轴与A轴的平行度误差的情况下，即使只使X轴动作，Y轴或Z轴也会有微小的动作。

这样的动作有时会对平面加工或开孔加工等的加工精度造成坏的影响。例如，如图2所示，在图1的五轴机中，当由于绕Y轴的旋转几何误差导致A轴相对于X轴倾斜了角度β的情况下，将从图2的纸面的正面向背面的方向设为进给方向，将大箭头P的方向作为铣进(pick)方向，利用方头立铣刀(刀具)6进行平面加工时，在铣进方向上，通过校正将刀具前端点定位在相对于X轴倾角为β的直线上的点群上，即铣进方向的各定位位置Q排列在以倾角β倾斜的直线上，因此在加工面上产生了阶梯。另外，在直线轴为滑动导向的情况下，当使其进行上述的微小动作时，轴一会动一会不动，产生所谓的“滞送(ため送り)”，加工面上出现凹凸等，使加工面性状变差。进而，当不是通过方头立铣刀6进行平面加工而是通过钻头进行开孔加工的情况下，在相对于钻头的轴方向即Z轴倾角为β的方向上进给Z轴，因此将会产生孔径异常，导致钻头的寿命下降。

发明内容

因此，本发明的目的在于，利用本发明中的技术方案1～3提供一种能够运算旋转轴的校正值的方法以及控制装置，其中，在以五轴机为首的机床中，能够校正几何误差引起的刀具的位置或者位置和姿态的误差，并且校正刀具的姿态误差，而且，能够通过不进行校正指令引起的平动轴的微小动作而提高加工精度。

为了实现上述目的，技术方案1记载的发明提供一种机床的校正值运算方法，在具有2个以上的平动轴和1个以上的旋转轴的机床中，对几何误差引起的刀具相对于被加工物的位置或者位置和姿态的误差进行校正，其特征在于，使用所述旋转轴的指令位置、作为所述平动轴的指令位置空间内的预先指定的一个点的校正基准点的坐标值、代入所述校正基准点的坐标值后的所述平动轴的指令位置以及作为各轴间的几何相对误差表示所述几何误差的几何参数，根据通过考虑到所述几何参数的从工具坐标系到被加工物坐标系的同次坐标转换而求出的存在所述几何相对误差时的工具的位置、以及通过不考虑所述几何参数的从工具坐标系到被加工物坐标系的同次坐标转换而求出的理想的工具的位置，运算所述几何参数引起的被加工物坐标系下的工具的位置误差，通过从被加工物坐标系到指令值坐标系的同次坐标转换将所述位置误差转换到各轴的指令值坐标系，由此，运算所述平动轴的校正值。

技术方案2记载的发明是在上述发明的基础上，其特征在于，所述校正基准点根据所述旋转轴的指令位置而移动。

为了实现上述目的，技术方案3记载的发明提供一种机床的控制装置，其特征在于，该机床的控制装置用于使计算机执行上述机床的校正值运算方法。

根据本发明，虽然在旋转轴动作的情况下使平动轴校正值变化，但是在平动轴动作的情况下不使平动轴校正值变化，因此即使当对旋转轴进行分度而进行平面加工或开孔加工等的情况下，也不会引起加工面的精度/质量或刀具寿命的下降，能够进行高精度的加工。

附图说明

图1是五轴控制加工中心(五轴机)的示意图。

图2是在现有示例的由五轴机进行的加工中，从与铣进方向垂直的方向上观察工作台等时的示意图。

图3是执行本发明的控制方法的控制装置的框线图。

图4是本发明第1实施方式的校正值运算的流程图。

图5是本发明第2实施方式中的与旋转轴动作同步的校正基准点的移动的示意图。

图6是本发明第2实施方式中的校正值运算的流程图。

图7是与本发明的图2相当的示意图。

标号说明

1：机座；2：主轴头；3：工作台；4：摇架；5：耳轴；6：方头立铣刀(刀具)；7：工件(被加工物)。

具体实施例方式

[第1实施方式]

以下，作为本发明的实施方式的示例，基于适当的附图对图1所示的五轴机中的校正进行说明。该校正是通过执行校正程序的计算机来进行的，该计算机可以是五轴机的数控装置，也可以是与其连接的独立的控制装置，还可以是它们的组合。另外，该方式不限于下述的示例，例如也可以适用于4个轴以下或6个轴以上的机床，也可以取代通过旋转轴使工作台3具有两个自由度的旋转，而是使主轴头2具有两个自由度的旋转，或者使主轴头2和工作台3分别具有一个自由度以上的旋转。另外，作为机床，也可以不采用加工中心(图1)而采用车床、复合加工机、磨床等。

图3是用于执行本发明第1实施方式的控制方法的数控装置10的一个示例。当被输入加工程序G时，指令生成单元11生成各驱动轴的指令值。校正值运算单元12基于由指令值生成单元11生成的指令值运算各轴的校正值，接收到该指令值与校正值的合计值的伺服指令值转换单元13运算各轴的伺服指令值，并发送至各轴的伺服放大器14a-14e。各轴的伺服放大器14a-14e分别驱动伺服电机15a-15e，控制主轴头2相对于工作台3的相对位置以及姿态。

接着，对几何误差进行说明。将几何误差定义成各轴间的3个方向的相对平动误差以及3个方向的相对旋转误差，共计6个分量(δ_X，δ_y，δ_Z，α，β，γ)。从固定在五轴机的工作台3上的工件7到固定在主轴头2上的刀具的轴，按照C轴、A轴、Y轴、X轴、Z轴的顺序连接，如果还考虑Z轴与刀具间以及工件7与C轴间，则存在共计36个几何误差。但是，在36个几何误差中，由于存在多个处于冗余关系的几何误差，因此，作为最终的几何误差，将这些误差除外。

于是，如果将轴的名称以及各几何误差的从刀具侧起的序号作为下角标表示，则最终的几何误差为δx₅、δy₅、α₅、β₅、δy₄、δz₄、β₄、γ₄、γ₃、α₂、β₂、α₁、β₁共计13个。这些几何误差按照顺序分别是C轴中心位置X方向误差、C-A轴间的偏离误差、A轴角度偏离误差、C-A轴间垂直度、A轴中心位置Y方向误差、A轴中心位置Z方向误差、A-X轴间垂直度、A-Y轴间垂直度、X-Y轴间垂直度、Y-Z轴间垂直度、Z-X轴间垂直度、主轴-Y轴间垂直度、主轴-X轴间垂直度。另外，数控装置10包括存储这些几何误差的存储单元(未图示)。

接着，对由数控装置10执行的、第1实施方式的校正值的运算方法进行说明。图4是该校正值运算的流程图。

在步骤Sl中，判定是否在校正值运算中不使用平动轴指令值而使用校正基准点的坐标值。校正基准点是属于与指令值相同的坐标系(指令坐标系)的任意点，其坐标值取X、Y、Z轴的指令值的范围内的值，使用预先设定并存储的值或在用于生成指令值的加工程序G等中记录的值等。

在使用校正基准点的情况下，在步骤S2中，将平动轴的指令值P_o＝(x，y，z)置换成校正基准点的坐标值P_d＝(x_d，y_d，z_d)。另一方面，在不使用校正基准点坐标值的情况下不进行置换。然后，在步骤S3中，使用各轴的指令值运算校正值。

对步骤S3的运算进行说明。在将位于主轴头2的主轴坐标系上的刀具前端点向量P_T转换成位于工作台3的工件坐标系时，如果将要使用的刀具的长度设为t，将X、Y、Z、A、C轴的指令位置分别设为x、y、z、a、c，则通过使用下面所示的[公式1]进行同次坐标转换就能够求出。即，求出没有几何误差时工件坐标系下的刀具前端点向量P_I。

[公式1]

P_I＝M₅·M₄·M₃·M₂·M₁·P_T

其中，

$M_5=\left[\begin{array}{cccc}\cos c& -\sin c& 0& 0\\ \sin c& \cos c& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],M_4=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos a& -\sin a& 0\\ 0& \sin a& \cos a& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$M_3=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& y\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],M_2=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& x\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],M_1=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],P_T=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -t\\ 1\end{array}\right]$

另一方面，如接下来的[公式2]，通过将各几何误差作为转换矩阵配置在上述[公式1]的各轴的转换矩阵间，求出存在几何误差时工件坐标系下的刀具前端点向量P_R。另外，[公式2]是认为几何误差微小而将它们的积视为0的近似式。

[公式2]

P_R＝ε₆·M₅·ε₅·M₄·ε₄·M₃·ε₃·M₂·ε₂·M₁·ε₁·P_T

其中，

${\mathrm{\ϵ}}_1=\left[\begin{array}{cccc}1& -{\mathrm{\γ}}_j& {\mathrm{\β}}_j& {\mathrm{\δx}}_j\\ {\mathrm{\γ}}_j& 1& -{\mathrm{\α}}_j& {\mathrm{\δy}}_j\\ -{\mathrm{\β}}_j& {\mathrm{\α}}_j& 1& {\mathrm{\δz}}_j\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],(j=1,2,...,6)$

因此，工件坐标系下的刀具前端点的位置误差ΔP_W＝(δx，δy，δz)变成下面所示的[公式3]。

[公式3]

ΔP_W＝P_R-P_I

进而，通过如下面的[公式4]所示对工件坐标系下的刀具前端点的位置误差ΔP_W进行坐标转换，能够求出指令值中的误差ΔP_o。

[公式4]

ΔP_o＝M₄ ^-1·M₅ ^-1·ΔP_W

由此，根据各轴的指令值和将上述公式的几何误差作为预先计测/辨识出的参数(几何参数)的下述[公式5]，得到X，Y，Z轴的校正值ΔP＝(Δx，Δy，Δz)。

[公式5]

ΔP＝-ΔP_o＝M₃·M₂·M₁·P_T-M₄ ^-1·M₅ ^-1·ε₆·M₅·ε₅·M₄·ε₄·M₃·ε₃·M₂·ε₂·M₁·ε₁·P_T

通过将这样得到的各平动轴的校正值△P分别与对应的平动轴的指令值相加而进行指令，能够校正几何误差引起的刀具前端点的位置误差。

另外，以上，在使用校正基准点的情况下，在步骤S2中将平动轴的指令值P₀置换成校正基准点的坐标值P_d，但是也可以不进行该置换，而是在步骤S3的校正值运算中，不使用平动轴的指令值P₀而使用校正基准点的坐标值P_d。即，不使用[公式1]的矩阵M_l、M₂、M₃而分别使用下述[公式6]的M_ld，M_2d，M_3d。

[公式6]

$M_{3d}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& y_d\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],M_{2d}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& x_d\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],M_{1d}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& z_d\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

[第2实施方式]

接着，以与第1实施方式的区别点为中心对本发明的第2实施方式进行说明。第2实施方式的物理结构与第1实施方式相同，校正值的运算方法不同。

即，在第2实施方式的运算中，不将校正基准点定义为指令值坐标系下的点，而是定义为任意的工作台基准坐标系下的点。工作台基准坐标系是固定在工作台3上的坐标系，是随着工作台3的旋转/傾斜而在指令值坐标系下移动的坐标系。图5是工作台基准坐标系与校正基准点的示例，被加工物(工件7)的顶点为原点O_w的工作台基准坐标系和校正基准点P_d通过A/C轴的旋转，分别移动到O_w'、P_d'。

图6是第2实施方式的校正值运算方法的流程图。对于与第1实施方式(图3)内容相同的步骤，标注与第1实施方式相同的符号并适当省略重复的说明。

当在步骤Sl中判断为使用校正基准点的情况下，在步骤S5中，通过下述[公式7]，将工作台基准坐标系下的校正基准点的坐标值^WP_d＝(x_wd，y_wd，z_wd)转换成指令值坐标系下的值P_d＝(x_d，y_d，z_d)。其中，工作台基准坐标原点是O_W＝(x_w，y_w，z_w)。

[公式7]

P_d＝^WP_d+O_W

接着，在步骤S6中，执行是否与旋转轴同步的判定。在与旋转轴同步的情况下，在步骤S7中，进行指令值坐标系下的校正基准点坐标值的平动/旋转转换。如本实施方式那样，A、C轴的旋转中心在设计上相交于一点，当该交点与指令值坐标系原点为同一点的情况下，通过下面的[公式8]得到平动/旋转转换后的指令值坐标系下的校正基准点P_d'＝(x_d'，y_d'，z_d')。另一方面，在不使其同步的情况下，不进行平动/旋转转换。

[公式8]

P_d'＝M₄ ^-1M₅ ^-1P_d

此后，在步骤S2中将平动轴指令值置换成校正基准点坐标值，在步骤S3中执行校正值的运算。

[各实施方式的效果]

使用算式对上述各实施方式的效果进行说明。另外，虽然两个实施方式的运算过程中着眼的坐标系不同，但是实质的运算结果或者校正效果是相同的。

假定机械上存在13个几何误差δx₅、δy₅、α₅、β₅、δy₄、δz₄、β₄、γ₄、γ₃、α₂、β₂、α₁、β₁。另外，为了简化后面的公式，认为几何误差微小而进行了将几何误差之间的积视为0的近似。

刀具长t＝0时平动轴的校正值(Δx，Δy，Δz)变成下面的[公式9]。因此，X轴的校正值依赖于Y，Z、A轴指令值而变化，Y轴的校正值依赖于X，Z，A轴指令值而变化，Z轴的校正值依赖于X，Y，A轴指令值而变化。

[公式9]

Δx＝-(β₅·sina-γ₄)·y-(β₅·cosa+β₄+β₂)·z-δx₅

Δy＝(β₅·sina-γ₄-γ₃)·x+(α₅+α₂)·z-δy₅·cosa-δy₄

Δz＝(β₅·cosa+β₄)·x-α₅·y+δy₅·sina-δz₄

例如，当X、Y、Z、A、C轴的指令值(x，y，z，a，c)从(0，0，0，0，0)变成(x₁，0，0，0，0)之前仅使X轴动作的情况下，现有的校正值的变化量(e_x，e_y，e_z)变成下面的[公式10]。即，Y、Z轴进行微小动作。

[公式10]

e_x＝0

e_y＝-(γ₄+γ₃)·x₁

e_z＝(β₅+β₄)·x₁

对此，如上述实施方式那样，使用了校正基准点(x_d'，y_d'，z_d')时的校正值变成下面的[公式11]。因此，各校正值不依赖于平动轴的指令值，而是依赖于旋转轴的指令值而变化。

[公式11]

Δx＝-(β₅·sina-γ₄)·y_d'-(β₅·cosa+β₄+β₂)·z_d'-δx₅

Δy＝(β₅·sina-γ₄-γ₃)·x_d'+(α₅+α₂)·z_d'-δy₅·cosa-δy₄

Δz＝(β₅·cosa+β₄)·x_d'-α₅·y_d'+δy₅·sina-δz₄

在如上述实施方式那样使用校正基准点仅使上述X轴动作的情况下，校正值的变化量(e_x'，e_y'，e_z')变成下面的[公式12]。即，平动轴不进行微小动作。

[公式12]

e_x'＝0

e_y'＝0

e_z'＝0

另外，当在上述实施方式中指令值(x，y，z，a，c)从(0，0，0，0，0)到(0，0，0，-90°，0)而仅使A轴动作-90°的情况下，使用了校正基准点的校正值的变化量变成下面的[公式13]。即，校正值由于A轴动作而变化。

[公式13]

e_x'＝0

e_y'＝δy₅

e_z'＝-δy₅

根据以上所述，在进行与上述现有技术的图2相同的平面加工的情况下，使用校正基准点的上述实施方式中，如图7所示，能够不在铣进方向(大箭头P方向)等上产生阶梯地进行加工。进而，通过在加工点附近设定校正基准点(图7的点H)，即使在将旋转轴分度成其它角度的情况下，只要是在校正基准点附近，就能够以足够的精度校正几何误差进行加工。

另外，以上各实施方式中，在运算刀具的位置误差的同时还运算刀具的旋转误差(姿态误差)，但是也可以省略后者的姿态误差的参数等，不运算姿态误差的校正值，只针对位置误差，运算使用了校正基准点的平动轴的校正值。另外，可以增减或变更几何参数、各种矩阵的行数或者列数或者要素、作为各种算式中的运算对象的矩阵等。

Claims (3)

1.一种机床的校正值运算方法，该机床的校正值运算方法在具有2个以上的平动轴和1个以上的旋转轴的机床中，对几何误差引起的刀具相对于被加工物的位置或者位置和姿态的误差进行校正，其特征在于，

使用所述旋转轴的指令位置、作为所述平动轴的指令位置空间内的预先指定的一个点的校正基准点的坐标值、代入所述校正基准点的坐标值后的所述平动轴的指令位置以及作为各轴间的几何相对误差表示所述几何误差的几何参数，根据通过考虑到所述几何参数的从工具坐标系到被加工物坐标系的同次坐标转换而求出的存在所述几何相对误差时的工具的位置、以及通过不考虑所述几何参数的从工具坐标系到被加工物坐标系的同次坐标转换而求出的理想的工具的位置，运算所述几何参数引起的被加工物坐标系下的工具的位置误差，通过从被加工物坐标系到指令值坐标系的同次坐标转换将所述位置误差转换到各轴的指令值坐标系，由此，运算所述平动轴的校正值。

2.根据权利要求1所述的机床的校正值运算方法，其特征在于，所述校正基准点根据所述旋转轴的指令位置而移动。

3.一种机床的控制装置，该机床的控制装置用于使计算机执行权利要求1或2所述的机床的校正值运算方法。