CN102999007A - 具有工件设置误差修正部的多轴机床用数值控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有工件设置误差修正部的多轴机床用数值控制装置。控制利用三个直线轴与三个旋转轴进行加工的多轴加工机的数值控制装置具有修正工件设置时的设置误差的功能。该数值控制装置以工件设置坐标系上的工具位置及工具方向在具有设置误差的工件上保持的方式，通过根据该设置误差计算修正工具位置与修正工具方向，求出三个直线轴的修正直线轴位置与三个旋转轴的修正旋转轴位置，根据这些修正直线轴位置与修正旋转轴位置驱动控制这些各轴。

Description

具有工件设置误差修正部的多轴机床用数值控制装置

技术领域

本发明涉及控制通过利用至少三个直线轴及三个旋转轴使工作台或工具头旋转的机构对安装在工作台上的工件（加工物）进行加工的多轴机床（多轴加工机）的数值控制装置，尤其涉及具备修正设置工件时的设置误差的工件设置误差修正部的数值控制装置。

背景技术

在三个直线轴（X、Y、Z轴）外具有两个旋转轴的五轴加工机比较普遍。在这种五轴加工机中，在例如下述三个专利文献1中公开了具备修正设置工件时的设置误差的工件设置误差修正部的数值控制装置。

在日本特开2009-15464号公报中，公开了在五轴加工机中将在机械坐标系中插入的位置转换为中间坐标系并相对于工件设置时的误差进行误差修正，并将该中间坐标系的位置变换为机械坐标系的位置的技术。但是，在该专利文献中没有记载在旋转轴的位置具有多个解的场合选择哪个解，因此无法将该技术用于数值控制装置。

在美国专利8041447号公报中记载了下述技术：在五轴加工机中计算工具的指令坐标系上的位置与方向，在计算相对于工件设置时的误差进行误差修正后的旋转轴位置时，在该解存在多个的场合选择近似于指令位置的解。

在日本特开2011-133968号公报中论述了作为与上述美国专利8041447号公报的问题点产生在特殊点附近的旋转轴的较大的动作的场合。当产生在特殊点附近的旋转轴的较大的动作时，产生加工时间变长，在加工面上产生台阶或偏离并使加工面品质下降等不良状况。因此，在该日本特开2011-133968号公报中，公开了在旋转轴超过特殊点并指令为相反侧的场合，使该旋转轴的路径为特殊点通过的技术。但是，在该技术中，由于改变路径，产生加工误差。另外，这些技术如上所述，全部以五轴加工机为对象。

最近，使用了如图1及图2所示的、具有三个旋转轴的头旋转式多轴加工机用的工具头。另外，也使用具有工作台旋转用的两个旋转轴与头旋转用的一个旋转轴的混合式多轴加工机（参照图3）或具有工作台旋转用的一个旋转轴与头旋转用的两个旋转轴的混合式多轴加工机（参照图4）。另外，考虑将具有工作台旋转用的三个旋转轴的工作台旋转式多轴加工机（参照图5）也作为机械结构。如上所述，现有技术涉及在三个直线轴（X、Y、Z轴）之外具有两个旋转轴的五轴加工机，没有利用数值控制装置修正在具有三个旋转轴的多轴结构的机床（多轴加工机）上设置工件时的其设置误差的技术。

另外，在上述美国专利8041447号公报中，即使选择多个解中的任一个，也只选择两组解中的任意一个。然而，后述所述，就具有三个旋转轴的多轴加工机而言，计算这些旋转轴的位置时的解存在无数个。因此，无法简单地将u上述五轴加工机相关的现有技术应用于具有三个旋转轴的多轴加工机。

另外，在五轴加工机中，在特殊点附近存在具有产生上述那样的旋转轴的较大的动作或加工误差的场合之类的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种数值控制装置，其控制通过利用至少三个直线轴及三个旋转轴使工作台或工具头旋转的机构对安装在工作台上的工件进行控制，具备修正设置工件时的位置误差的工件设置误差修正部。另外，在具有至少三个直线轴及三个旋转轴的多轴机床修正工件设置时的设置误差时，不产生在五轴加工机中产生的特殊点附近的较大的动作。由此，能以更短的时间且更高的品质进行更高精度的加工。

本发明的数值控制装置对利用至少三个直线轴与三个旋转轴加工安装在工作台上的工件的多轴机床进行控制，该数值控制装置具备对设置工件时的设置误差进行修正的工件设置误差修正部。并且，该工件设置误差修正部具有：根据上述三个直线轴和上述三个旋转轴的指令位置计算作为设置工件时的坐标系的工件设置坐标系上的工具位置与工具方向的工具位置／方向计算部；以在具有上述设置误差的工件上保持由上述工具位置／方向计算部计算的上述工件设置坐标系上的工具位置与工具方向的方式，根据与上述设置误差对应地预先设定的设置误差量进行修正工具位置与修正工具方向的计算的修正工具位置／方向计算部；以及根据由上述修正工具位置／方向计算部计算的修正工具位置与修正工具方向计算上述三个直线轴的修正直线轴位置与上述三个旋转轴的修正旋转轴位置的修正直线轴／旋转轴位置计算部。并且，根据由上述修正直线轴／旋转轴位置计算部计算的上述三个直线轴的修正直线轴位置与上述三个旋转轴的修正旋转位置驱动这些各轴。

上述修正直线轴／旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正旋转轴位置：根据由上述修正工具位置／方向计算部计算的修正工具方向计算上述三个旋转轴的多个解，并合成这些计算的多个解。

上述修正直线轴／旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正直线轴位置：将由上述修正工具位置／方向计算部计算的修正工具位置与上述修正旋转轴位置中工作台旋转轴位置的逆矩阵相乘。

上述多个解是在上述三个旋转轴中、第一旋转轴不进行动作的场合的第一旋转轴固定解、第二旋转轴不进行动作的场合的第二旋转轴固定解、以及第三旋转轴不进行动作的场合的第三旋转轴固定解。

上述多个解是在上述三个旋转轴中、第一旋转轴移动在一周期前的插入周期中求出的该第一旋转轴的移动量的场合的第一旋转轴固定解、第二旋转轴移动在一周期前的插入周期中求出的该第二旋转轴的移动量的场合的第二旋转轴固定解、以及第三旋转轴移动在一周期前的插入周期中求出的该第三旋转轴的移动量的场合的第三旋转轴固定解。

上述修正直线轴／旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正旋转轴位置：计算放大地评价移动量为相对于上述多个解小的值的评价值，将该计算的评价值乘以由上述多个解得到的移动量，并合成该相乘移动量。

上述修正直线轴／旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正旋转轴位置：根据该修正直线轴／旋转轴位置计算部求出的上述三个旋转轴的修正旋转轴位置求出检验工具方向，检验求出的检验工具方向与由上述修正工具位置／方向计算部计算的修正工具方向的差是否为预先设定的容许差以内，如果不是上述容许差以内，则针对上述评价值求出进一步放大地评价移动量为较小值的评价值，反复进行上述修正旋转轴位置的计算。

根据本发明，能够提供即使在具有至少三个直线轴及三个旋转轴的多轴机床中存在工件设置时的设置误差，也能按照指令进行正确的加工、高精度的加工的数值控制装置。

另外，在本发明中，通过为了在具有三个旋转轴的多轴机床中修正工件设置时的设置误差而利用旋转轴一轴量的冗长性，能选择无数个解中不产生特殊点附近的较大的动作的适当的解。通过这样，能够提供通过不产生在特殊点附近的旋转轴的较大的动作且通过在更短的时间进行更高品质、没有加工误差且更高精度的加工的数值控制装置。

这样，根据本发明，是一种控制具有至少三个直线轴及三个旋转轴的多轴机床的数值控制装置，能够提供能不产生在特殊点附近的旋转轴的较大的动作且没有误差地进行相对于工件设置时的设置误差的修正的加工的工件设置误差修正部的数值控制装置。

附图说明

图1是从B轴方向观察具有三个旋转轴的头旋转式多轴加工机用的工具头时的概略结构图。

图2是从A轴方向观察具有三个旋转轴的头旋转式多轴加工机用的工具头时的概略结构图。

图3是说明具有工作台旋转用的两个旋转轴与头旋转用的一个旋转轴的混合式多轴加工机的机械结构的概略结构图。

图4是说明具有工作台旋转用的一个旋转轴与头旋转用的两个旋转轴的混合式多轴加工机的机械结构的概略结构图。

图5是说明具有工作台旋转用的三个旋转轴的工作台旋转式多轴加工机的机械结构的概略结构图。

图6是说明具有工作台旋转用的一个旋转轴与头旋转用的两个旋转轴的混合式多轴加工机的工件设置误差修正的图。

图7是只表示图6的工件与工具头部分的图。

图8是将A、B、C轴作为坐标表示各旋转轴固定解的说明图，该各旋转轴固定解是将A、B、C轴的固定的位置作为在一周期前的插入周期求出的A、B、C轴位置（a0，b0，c0）进行计算的场合的解。

图9是说明本发明的、具备工件设置误差修正部的多轴机床用数值控制装置的方框图。

图10是表示本发明的、多轴机床用数值控制装置具备的工件设置误差修正部（实施方式一）的修正直线轴／旋转轴位置计算部进行的处理的算法的流程图。

图11是说明本发明的、具备工件设置误差修正部（实施方式一）的多轴机床用数值控制装置的硬件的结构的图。

具体实施方式

（实施方式一）

使用图6对具有工作台旋转用的一个旋转轴与头旋转用的两个旋转轴的混合式多轴加工机的工件设置误差修正进行说明。

在该多轴加工机中，构成为与作为三个直线轴的X、Y、Z轴的动作一起，工具头21利用绕Y轴的B轴与绕X轴的A轴旋转，并且旋转工作台22利用绕Z轴的C轴旋转。在图6中，符号23表示工具。

由于设置工件时的偏差或工作台的倾斜等，实际工件位置相对于原本的基准工件位置偏离。预先测定该偏差量，作为相对于工件设置坐标系的X、Y、Z轴方向的平移误差量（δx，δy，δz）、绕X轴的旋转误差量（α）、绕Y轴的旋转误差量（β）、绕Z轴的旋转误差量（γ）而设定。这些平移误差量（δx，δy，δz）、旋转误差量（α、β、γ）是设置误差量。并且，以工件设置坐标系上的基准工件位置与误差坐标系上的实际工件位置相同的方式根据该设置误差量制成相对于工件设置坐标系的误差坐标系（参照图7）。图7是只表示图6的工件与工具头部分的图。

三个直线轴与三个旋转轴的指令位置（Xc、Yc、Zc、Ac、Bc、Cc）在机械坐标系中进行指令。三个直线轴的指令位置（Xc、Yc、Zc）可以作为工具前端点的位置，也可以作为在工具头侧离开工具前端点工具长修正量的位置即工具基准点。在图6中，将A轴的旋转中心与B轴的旋转中心的交点作为工具基准点。在此，三个直线轴的指令位置（Xc、Yc、Zc）是工具前端点位置。

工件设置坐标系是程序坐标系，原点位于C轴旋转中心。程序指令在程序坐标系中进行指令，每个插入周期所插入的机械坐标系上的插入位置为三个直线轴与三个旋转轴的指令位置（Xc、Yc、Zc、Ac、Bc、Cc）。另外，在程序指令中，能够将在程序坐标系上进行指令的位置作为指令位置。

以在误差坐标系中保持根据指令位置的工具位置与工具方向的方式、换言之，以误差坐标系上的工具位置和工具方向与工件设置坐标系上的指令位置的工具位置与工具方向相同的方式利用预先设定的X、Y、Z轴方向的平移误差量（δx，δy，δz）、绕X轴的旋转误差量（α）、绕Y轴的旋转误差量（β）、绕Z轴的旋转误差量（γ）如下进行相对于三个直线轴与三个旋转轴的工件设置误差修正。另外，上述的误差坐标系上的工具位置与工具方向当在工件设置坐标系中观察时是后述的修正工具位置与修正工具方向，在图7中也作为修正工具位置与修正工具方向而表示。

图6表示A=0、B=0、C=0的位置。将A=0、B=0、C=0时的工具方向作为Z轴方向，即向量（0、0、1）^T。首先，根据指令位置计算工件设置坐标系上的工具位置与工具方向。另外，在此，“^T”表示转置，以后在明确的场合省略。另外，在sin（Ac）等三角函数的表述中，在明确的场合，如sinAc那样省略（ ）。

A=Ac、B=Bc、C=Cc时的工件设置坐标系上的工具方向（iw、jw、kw）如下述（1）式计算，另外，工具位置（xw，yw、zw）如下述（2）式计算。（2）式的（x0，y0，z0）是在机械坐标系中的工件设置坐标系原点的位置。在此，相对于（1）式的向量（0，0，1）的矩阵计算以从工具向工件的旋转轴顺序进行。另外，（2）式的矩阵计算是对工作台旋转轴（在此为C轴）的旋转量进行正转换的矩阵计算。如后所述，如图3、图5所示，只要还具有其他工作台旋转轴，就同样地追加正转换的矩阵计算。因此，这些（1）式、（2）式的计算由机械结构决定。这些是工具位置／方向计算部的计算。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{iw}\\ \mathrm{jw}\\ \mathrm{kw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Cc}& -\sin \mathrm{Cc}& 0\\ \sin \mathrm{Cc}& \cos \mathrm{Cc}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{Ac}& -\sin \mathrm{Ac}\\ 0& \sin \mathrm{Ac}& \cos \mathrm{Ac}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Bc}& 0& \sin \mathrm{Bc}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{Bc}& 0& \cos \mathrm{Bc}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{Cc}\sin \mathrm{Bc}+\sin \mathrm{Cc}\sin \mathrm{Ac}\cos \mathrm{Bc}\\ \sin \mathrm{Cc}\sin \mathrm{Bc}-\cos \mathrm{Cc}\sin \mathrm{Ac}\cos \mathrm{Bc}\\ \cos \mathrm{Ac}\cos \mathrm{Bc}\end{array}\right]$

……（1）

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xw}\\ \mathrm{yw}\\ \mathrm{zw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Cc}& -\sin \mathrm{Cc}& 0\\ \sin \mathrm{Cc}& \cos \mathrm{Cc}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xc}-x0\\ \mathrm{Yc}-y0\\ \mathrm{Zc}-z0\end{array}\right]$

……（2）

接着，如下对工件设置坐标系上的工具位置（xw，yw，zw）和工具方向（iw，jw，kw）进行误差修正。

修正工具位置（xa，ya，za）从工具位置（xw，yw，zw）利用旋转误差（α、β、γ）及平移误差（δx，δy，δz）根据下述（3）式计算。修正旋转误差的顺序为（α）、（β）、（γ）的顺序。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xa}\\ \mathrm{ya}\\ \mathrm{za}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\γ}& 0\\ \sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& \sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{xw}\\ \mathrm{yw}\\ \mathrm{zw}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δx}\\ \mathrm{\δy}\\ \mathrm{\δz}\end{array}\right]$

……（3）

在此，将三个直线轴的指令位置（Xc、Yc、Zc）作为工具前端点的位置，但在代替工具前端点作为工具基准点的位置的场合，只要代替（xw，yw，zw），在相对于从（xw，yw，zw）减去工具长修正向量的向量进行（3）式的矩阵计算后加上工具长修正向量即可。此时，如后述的实施方式，在具有工具头旋转轴的场合，该相加的工具长修正向量是利用后述的修正工具方向修正的工具长修正向量。

修正工具方向（ia，ja，ka）从工具方向（iw，jw，kw）利用绕X轴的旋转误差量（α）、绕Y轴的旋转误差量（β）、绕Z轴的旋转误差量（γ）根据下述（4）式计算。这些是修正工具位置／方向计算部的计算。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{ia}\\ \mathrm{ja}\\ \mathrm{ka}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\γ}& 0\\ \sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& \sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{iw}\\ \mathrm{jw}\\ \mathrm{kw}\end{array}\right]$

……（4）

接着，求出相对于修正工具方向（ia，ja，ka）的旋转轴位置。就旋转轴A、B、C轴相对于修正工具方向（ia，ja，ka）的位置（a，b，c）而言，与上述（1）式相同，下述（5）式的关系式成立。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{ia}\\ \mathrm{ja}\\ \mathrm{ka}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos c& -\sin c& 0\\ \sin c& \cos c& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos c& -\sin c\\ 0& \sin c& \cos c\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos b& 0& \sin b\\ 0& 1& 0\\ -\sin b& 0& \cos b\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{c}\cos c\sin b+\sin c\sin a\cos b\\ \sin c\sin b-\cos c\sin a\cos b\\ \cos a\cos b\end{array}\right]$

……（5）

但是，满足上述（5）式的（a，b，c）的解存在无数个，无法在解析上一味地求出。因此，求出固定A轴位置的场合的A轴固定解（第一旋转轴固定解）、固定B轴位置的场合的B轴固定解（第二旋转轴固定解）、固定C轴位置的场合的C轴固定解（第三旋转轴固定解）。作为各轴的固定方法，采用在一周期前的插入周期求出的各轴位置、或采用在一周期前的插入周期的各轴移动量即使在本次的插入周期中也相同的场合的各轴位置的方法等。

＜A轴固定解（第一旋转轴固定解）＞

将在一周期前的插入周期求出的工件设置误差修正后的A轴位置作为上述（5）式的a。或者，通过在一周期前的插入周期的工件设置误差修正后的A轴移动量即使在本次的插入周期也相同而固定该A轴移动量并将其作为a1。即，当将在一周期前的插入周期求出的工件设置误差修正后的A轴位置设为a0，将在一周期前的插入周期的工件设置误差修正后的A轴移动量设为Δa0时，通过为a1=a0或a1＝a0+Δa0，固定上述A轴位置a。在此，使用一周期前的位置a0、移动量（速度）Δa0，但也可以使用其他加速度（速度的差）、加加速度（加速度的差）等。

当将第一旋转轴固定解的b、c设为b1、c1时，通过解算上述（5）式，能够从a1、ia、ja、ka如下述（6）式那样计算。在此，n是整数。

$b1={\cos }^{-1}\left(\frac{\mathrm{ka}}{\cos a1}\right)$

$c1={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin b1}{\sqrt{{\mathrm{ia}}^2+{\mathrm{ja}}^2}}\right)-{\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{ia}}{\mathrm{ja}}\right)+n^{*}2\mathrm{\π}$

……（6）

在此，cos^-1、sin^-1及tan^-1的函数值在0～2π之间是多个，就选择它们中的某个值的解选择、及整数n的确定而言，以b1、c1为近似于一周期前的插入周期的工件设置误差修正后的B、C轴位置的解的方式决定。另外，也能够以为近似于一周期前的插入周期的A轴固定解的B、C轴位置的解的方式决定。另外，在b1的计算的cos^-1的（）中的分母、分子为0的场合不确定，另外，在cos^-1的（）中的绝对值比1大的场合为无解。在该场合，b1为一周期前的插入周期中的工件设置误差修正后的B轴位置、或将后述的第一旋转轴固定解的评价值作为0。对c1计算也相同。

这种相对于固定轴位置的方法、解选择或整数值的确定、及不确定、无解的处理在第二旋转轴固定解、第三旋转轴固定解的计算中也相同。

＜B轴固定解（第二旋转轴固定解）＞

将在一周期前的插入周期求出的工件设置误差修正后的B轴位置作为上述（5）式的b。或者，通过在一周期前的插入周期的工件设置误差修正后的B轴移动量即使在本次的插入周期也相同而固定该B轴移动量，并将其设为b2。

当将第二旋转轴固定解的a、c设为a2、c2时，通过解算上述（5）式，能够从b2、ia、ja、ka如下述（7）式那样计算。在此，m是整数。

$a2={\cos }^{-1}\left(\frac{\mathrm{ka}}{\cos b2}\right)$

$c2={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin b2}{\sqrt{{\mathrm{ia}}^2+{\mathrm{ja}}^2}}\right)-{\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{ia}}{\mathrm{ja}}\right)+m^{*}2\mathrm{\π}$

……（7）

＜C轴固定解（第三旋转轴固定解）＞

将在一周期前的插入周期求出的工件设置误差修正后的C轴位置作为上述（5）式的c。或者，通过在一周期前的插入周期的工件设置误差修正后的C轴移动量即使在本次的插入周期也相同而固定该C轴移动量，并将其设为c3。

当将第三旋转轴固定解的a、b设为a3、b3时，通过解算上述（5）式，能够从c3、ia、ja、ka如下述（8）式那样计算。

b3＝sin^-1(ia cos c3+ja sin c3)

$a3={\cos }^{-1}\left(\frac{\mathrm{ka}}{\cos b3}\right)$

……（8）

图8是将A、B、C轴作为坐标表示各旋转轴固定解的说明图，该各旋转轴固定解是将A、B、C轴的固定的位置作为在一周期前的插入周期求出的A、B、C轴位置（a0，b0，c0）进行计算的场合的解。

接着，求出相对于第一旋转轴固定解、第二旋转轴固定解、第三旋转轴固定解的各个的暂时评价值V1’、V2’、V3’。在此，第一旋转轴固定解、第二旋转轴固定解、第三旋转轴固定解是多个解。该暂时评价值为较大地评价利用多个解的各解的各轴（A、B、C轴）合成移动量小的值。例如，将下述（9）式的计算值作为暂时评价值。在此，a0、b0、c0是一周期前的插入周期的A、B、C轴位置，（9）式的各式的分母是利用各解的各轴合成移动量。W是表示是否以某种较大的程度评价移动量小的值的幂值。这样，通过较大地评价利用多个解的各解的各轴（A、B、C轴）合成移动量小的值，如后所述将各解移动量乘以评价值，并合成该相乘移动量，能够减小由工件设置误差修正产生的旋转轴的移动量。由此，能够避免在特殊点附近的旋转轴的较大的动作。

${V1}^{\′}={\left(\frac{1}{\sqrt{{(a1-a0)}^2+{(b1-b0)}^2+{(c1-c0)}^2}}\right)}^w$

${V2}^{\′}={\left(\frac{1}{\sqrt{{(a2-a0)}^2+{(b2-b0)}^2+{(c2-c0)}^2}}\right)}^w$

${V3}^{\′}={\left(\frac{1}{\sqrt{{(a3-a0)}^2+{(b3-b0)}^2+{(c3-c0)}^2}}\right)}^w$

……（9）

这些暂时评价值是一个例子，只要是较大地评价利用各解的各轴（A、B、C轴）合成移动量小的值，也能够是其他计算式。例如，在V1’的计算中，如下述（10）式所示，可以加上常数BV1，使分母为各移动量的绝对值，另外，使分子为一定值NV1。V2’、V3’也相同。

${V1}^{\′}=\mathrm{BV}1+{\left(\frac{\mathrm{NV}1}{|a1-a0|+|b1-b0|+|c1-c0|}\right)}^w$

……（10）

将使V1’、V2’、V3’正规化的值作为评价值V1、V2、V3。或者，可以将利用多个解的各解的各轴（A、B、C轴）的合成移动量最小的解的评价值作为1，将其他解的评价值作为0。这样，所谓“合成”，包括在多个解中选择一个，“合成”如下述那样进行。并且，如下述（11）式，将评价值乘以利用第一旋转轴固定解、第二旋转轴固定解、第三旋转轴固定解的移动量而合成。

a＝a0+V1(a1-a0)+V2(a2-a0)+V3(a3-a0)

b＝b0+V1(b1-b0)+V2(b2-b0)+V3(b3-b0)

c＝c0+V1(c1-c0)+V2(c2-c0)+V3(c3-c0)

……（11）

由此，求出用于本次的插入周期的A、B、C轴的移动的旋转轴位置（a、b、c）。但是，第一旋转轴固定解、第二旋转轴固定解、第三旋转轴固定解是相对于上述（5）式的解，但在上述（11）式求出的a、b、c严格地说不是（5）式的解。因此，将a、b、c代入（5）式的右边来求出检验工具方向（iv，jv，kv）并检验。即，首先，将由（11）式求出的a、b、c代入（5）式的右边并将求出的（5）式左边作为（iv，jv，kv）。然后，将该（iv、jv，kv）与利用（4）式求出的（ia，ja，ka）使用下述（12）式求出D，将求出的D与预先设定的容许差D0比较，如果D比容许差D0小，则将a、b、c作为用于本次的插入周期的A、B、C轴的移动的位置。另一方面，如果D比容许差D0大，则增大w并再次利用（9）式或（10）式求出再次评价值，进行（11）式、（12）式的计算，反复进行该计算直到D比容许差D0小。在此，为了增大w，具有w=w+dw这样加上一定值dw或w=kw×w这样乘以比1的大的系数kw等方法。

$D=\sqrt{{(\mathrm{ia}-\mathrm{iv})}^2+{(\mathrm{ja}-\mathrm{jv})}^2+{(\mathrm{ka}-\mathrm{kv})}^2}$

……（12）

最后求出的（a，b，c）是修正旋转轴位置。

接着，从修正工具位置（xa，ya，za）利用下述（13）式计算修正直线轴位置（x，y，z）。在此，利用c的矩阵计算是利用作为修正旋转轴位置求出的（a，b，c）中的工作台旋转轴（在此为C轴）位置的逆转换矩阵的乘法。如后所述，如图3、图5所示，如果还具有工作台旋转轴，同样也追加这些逆转换矩阵的乘法。

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos c& \sin c& 0\\ -\sin c& \cos c& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{xa}\\ \mathrm{ya}\\ \mathrm{za}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}x0\\ y0\\ z0\end{array}\right]$

……（13）

因此，上述（5）式～（13）式的计算是修正直线轴／旋转轴位置计算部的计算。

（实施方式二）

对具有工具头旋转轴用的三个旋转轴的工具头旋转式多轴加工机（参照图1及图2）的工件设置误差修正进行说明。

由于从工具向工件的旋转轴顺序是A、B、C轴，因此代替上述（1）式（还代替上述（5）式）使用下述（14）式，另外，由于没有工作台旋转轴，因此代替上述（2）式，使用下述（15）式，另外，代替上述（13）式，使用下述（16）式。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{iw}\\ \mathrm{jw}\\ \mathrm{kw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Cc}& -\sin \mathrm{Cc}& 0\\ \sin \mathrm{Cc}& \cos \mathrm{Cc}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Bc}& 0& \sin \mathrm{Bc}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{Bc}& 0& \cos \mathrm{Bc}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{Ac}& -\sin \mathrm{Ac}\\ 0& \sin \mathrm{Ac}& \cos \mathrm{Ac}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

……（14）

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xw}\\ \mathrm{yw}\\ \mathrm{zw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xc}\\ \mathrm{Yc}\\ \mathrm{Zc}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}x0\\ y0\\ z0\end{array}\right]$

……（15）

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{xa}\\ \mathrm{ya}\\ \mathrm{za}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}x0\\ y0\\ z0\end{array}\right]$

……（16）

由于之后的计算与上述的实施方式一相同，因此省略其说明。

（实施方式三）

对具有工作台旋转用的两个旋转轴与头旋转用的一个旋转轴的混合式多轴加工机（参照图3）的工件设置误差修正进行说明。

由于从工具向工件的旋转轴顺序是B、A、C轴，因此上述（1）式与实施方式一相同（（5）式也相同），由于工作台旋转用的两个旋转轴是A、C轴，因此代替上述（2）式，使用下述（17）式，另外，代替上述（13）式使用下述（18）式。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xw}\\ \mathrm{yw}\\ \mathrm{zw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Cc}& -\sin \mathrm{Cc}& 0\\ \sin \mathrm{Cc}& \cos \mathrm{Cc}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{Ac}& -\sin \mathrm{Ac}\\ 0& \sin \mathrm{Ac}& \cos \mathrm{Ac}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xc}-x0\\ \mathrm{Yc}-y0\\ \mathrm{Zc}-z0\end{array}\right]$

……（17）

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos c& \sin c& 0\\ -\sin c& \cos c& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{xa}\\ \mathrm{ya}\\ \mathrm{za}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}x0\\ y0\\ z0\end{array}\right]$

……（18）

由于之后的计算与上述实施方式一相同，因此省略其说明。

（实施方式四）

对具有工作台旋转用的三个旋转轴的工作台旋转式多轴加工机（参照图5）的工件设置误差修正进行说明。

由于从工具向工件的旋转轴顺序是A、B、C轴，因此与上述实施方式二相同，代替上述（1）式（还代替上述（5）式）使用上述（14）式，另外，由于工作台旋转轴是A、B、C轴，因此代替上述（2）式使用下述（19）式，另外，代替上述（13）式使用下述（20）式。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xw}\\ \mathrm{yw}\\ \mathrm{zw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Cc}& -\sin \mathrm{Cc}& 0\\ \sin \mathrm{Cc}& \cos \mathrm{Cc}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Bc}& 0& \sin \mathrm{Bc}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{Bc}& 0& \cos \mathrm{Bc}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{Ac}& -\sin \mathrm{Ac}\\ 0& \sin \mathrm{Ac}& \cos \mathrm{Ac}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xc}-x0\\ \mathrm{Yc}-y0\\ \mathrm{Zc}-z0\end{array}\right]$

……（19）

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos b& 0& -\sin b\\ 0& 1& 0\\ \sin b& 0& \cos b\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos c& \sin c& 0\\ -\sin c& \cos c& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{xa}\\ \mathrm{ya}\\ \mathrm{za}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}x0\\ y0\\ z0\end{array}\right]$

……（20）

由于之后的计算与上述实施方式一相同，因此省略其说明。

使用图9说明本发明的、具有工件设置误差修正部的多轴机床用数值控制装置。

数值控制装置10一般利用指令解析部11解析程序指令，根据该解析结果在插入部12进行插入并制成各轴的插入位置，根据该插入位置驱动各轴的伺服机。在本发明中，工件设置误差修正部13将各轴的插入位置作为指令位置，利用设置误差量及存储在容许差量存储部14中的设置误差量（平移误差量（δx，δy，δz）、旋转误差量（α、β、γ））进行工件设置误差修正的计算，求出三个直线轴的修正直线轴位置与三个旋转轴的修正旋转轴位置。并且，根据预先求出的三个直线轴的修正直线轴位置与三个旋转轴的修正旋转轴位置驱动各轴。

该工件设置误差修正部13具有计算工件设置坐标系上的工具位置与工具方向的工具位置／方向计算部、相对于该工具位置与工具方向根据设置误差量计算修正工具位置与修正工具方向的修正工具位置／方向计算部、计算三个直线轴的修正直线轴位置与三个旋转轴的修正旋转轴位置相对于该修正工具位置与修正工具方向的修正直线轴／旋转轴位置计算部。该修正直线轴／旋转轴位置计算部参照设置误差量及存储在容许差存储部14中的容许差D0。

图10是表示本发明的、多轴机床用数值控制装置具备的工件设置误差修正部的实施方式一的修正直线轴／旋转轴位置计算部进行的处理的算法的流程图。

（步骤SA01）利用工件设置误差修正部13的修正工具位置／方向计算部计算修正工具方向（ia，ja，ka）及修正工具位置（xa，ya，za）。

（步骤SA02）利用（6）式计算第一旋转轴固定解，利用（7）式计算第二旋转轴固定解，并利用（8）式计算第三旋转轴固定解。

（步骤SA03）得到一周期前的插入周期的旋转轴插入位置（a0，b0，c0）。

（步骤SA04）利用（9）式分别计算相对于第一旋转轴固定解、第二旋转轴固定解、第三旋转轴固定解的暂时评价值V1’，V2’，V3’。

（步骤SA05）将在步骤SA04中计算的暂时评价值V1’，V2’，V3’正规化并分别得到评价值V1、V2、V3。

（步骤SA06）利用（11）计算用于A、B、C轴的移动的修正旋转轴位置（a，b，c）。

（步骤SA07）将在步骤SA06中计算的修正旋转轴位置（a，b，c）代入（5）式的右边并求出检验工具方向（iv，jv，kv）。

（步骤SA08）利用（12）式计算D。

（步骤SA09）判断在步骤SA08中计算的D是否比预先设定的容许差D0小，在小的场合（即判断为YES的场合）转移到步骤SA11，在不小的场合（即判断为NO的场合）转移到步骤SA10。

（步骤SA10）通过在幂值上加上一定值dw，更新幂值w，返回步骤SA04，继续该处理。

（步骤SA11）利用（13）式计算修正直线轴位置（x，y，z），结束该处理。

使用图11说明本发明的、具有工件设置误差修正部的多轴机床用数值控制装置的硬件的结构。

作为处理器的CPU21根据ROM22所存储的系统程序控制数值控制装置10的整体。图9的指令解析部及插入部12是利用CPU21利用ROM22的系统程序实行的软件的功能。同样，图9的工件设置误差修正部13也是利用软件的功能。在RAM23中存储有输入输出信号等暂时的数据。在无挥发性存储器24中存储有保持电源断开的参数、加工程序等。

在显示装置／MDI面板25上设有功能根据图形控制电路30、显示装置31、系统程序等变化的软件键32、键盘33。图形控制电路30转换为能显示引导信息或输入的指定形状等的信号，赋予显示装置31。显示装置31使用液晶显示装置。

轴控制电路26从CPU（处理器）21接受包括插入脉冲CP的轴的移动指令，将轴的移动指令输出控制到伺服放大器27。该伺服放大器27接受该移动指令驱动对机床40的各轴进行驱动的伺服马达（未图示）。这些结构要素通过接线29相互连接。PMC（生产及物料控制）28在执行加工程序时，通过接线29接受T功能信号（工具选择指令）等信号。并且，利用排序程序处理该信号，作为动作指令输出信号，从而控制机床40。

Claims (11)

1.一种数值控制装置，其对利用至少三个直线轴与三个旋转轴加工安装在工作台上的工件的多轴机床进行控制，该数值控制装置的特征在于，

上述数值控制装置具备对设置工件时的设置误差进行修正的工件设置误差修正部，该工件设置误差修正部具有：

根据上述三个直线轴和上述三个旋转轴的指令位置计算作为设置工件时的坐标系的工件设置坐标系上的工具位置与工具方向的工具位置／方向计算部；

以在具有上述设置误差的工件上保持由上述工具位置／方向计算部计算的上述工件设置坐标系上的工具位置与工具方向的方式，根据与上述设置误差对应地预先设定的设置误差量进行修正工具位置与修正工具方向的计算的修正工具位置／方向计算部；以及

根据由上述修正工具位置／方向计算部计算的修正工具位置与修正工具方向计算上述三个直线轴的修正直线轴位置与上述三个旋转轴的修正旋转轴位置的修正直线轴／旋转轴位置计算部，

该数值控制装置根据由上述修正直线轴／旋转轴位置计算部计算的上述三个直线轴的修正直线轴位置与上述三个旋转轴的修正旋转位置驱动这些各轴。

2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

上述修正直线轴／旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正旋转轴位置：根据由上述修正工具位置／方向计算部计算的修正工具方向计算上述三个旋转轴的多个解，并合成这些计算的多个解。

3.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

上述修正直线轴／旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正直线轴位置：将由上述修正工具位置／方向计算部计算的修正工具位置与上述修正旋转轴位置中工作台旋转轴位置的逆矩阵相乘。

4.根据权利要求2所述的数值控制装置，其特征在于，

上述多个解是在上述三个旋转轴中、第一旋转轴不进行动作的场合的第一旋转轴固定解、第二旋转轴不进行动作的场合的第二旋转轴固定解、以及第三旋转轴不进行动作的场合的第三旋转轴固定解。

5.根据权利要求2所述的数值控制装置，其特征在于，

上述多个解是在上述三个旋转轴中、第一旋转轴移动在一周期前的插入周期中求出的该第一旋转轴的移动量的场合的第一旋转轴固定解、第二旋转轴移动在一周期前的插入周期中求出的该第二旋转轴的移动量的场合的第二旋转轴固定解、以及第三旋转轴移动在一周期前的插入周期中求出的该第三旋转轴的移动量的场合的第三旋转轴固定解。

6.根据权利要求2所述的数值控制装置，其特征在于，

上述修正直线轴／旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正旋转轴位置：计算放大地评价移动量为相对于上述多个解小的值的评价值，将该计算的评价值乘以由上述多个解得到的移动量，并合成该相乘移动量。

7.根据权利要求6所述的数值控制装置，其特征在于，

上述修正直线轴／旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正旋转轴位置：根据该修正直线轴／旋转轴位置计算部求出的上述三个旋转轴的修正旋转轴位置求出检验工具方向，检验求出的检验工具方向与由上述修正工具位置／方向计算部计算的修正工具方向的差是否为预先设定的容许差以内，如果不是上述容许差以内，则针对上述评价值求出进一步放大地评价移动量为较小值的评价值，反复进行上述修正旋转轴位置的计算。

8.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

上述多轴机床是利用上述三个旋转轴使工具头旋转的多轴机床。

9.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

上述多轴机床是利用上述三个旋转轴中的两个旋转轴使工作台旋转，利用剩下的一个旋转轴使工具头旋转的多轴机床。

10.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

上述多轴机床是利用上述三个旋转轴中的两个旋转轴使工具头旋转，利用剩下的一个旋转轴使工作台旋转的多轴机床。

11.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

上述多轴机床是利用上述三个旋转轴使工作台旋转的多轴机床。

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