CN104731012A - 具备用于修正工件引起的位移误差的功能的数值控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具备用于修正工件引起的位移误差的功能的数值控制装置。数值控制装置使用工件格状区域设定单元、旋转轴工件格状区域设定单元构成误差修正用的格点，并通过工件起因平移修正量设定单元来设定由工件引起的平移误差的修正量。工件起因平移修正量计算单元计算刀具前端点位置的修正量，在修正部中将其与三个指令直线轴的位置相加来进行修正。

Description

具备用于修正工件引起的位移误差的功能的数值控制装置

技术领域

本发明涉及一种对具有三个直线轴和两个旋转轴的五轴加工机进行控制的数值控制装置。特别是涉及一种设定基于工件的种类而变化的误差量，来作为与在工件内规定的坐标位置相对应的平移误差修正量，由此进行控制使刀具前端点位置移动到没有误差的位置，从而进行高精度的加工的数值控制装置。

背景技术

在日本特开2009-151756号公报中公开了如下的数值控制装置，即将直线轴坐标系和旋转轴坐标系分别划分成格状区域，在格点中存储格点修正向量，从直线轴位置和旋转轴位置基于格点修正向量计算轴依存平移修正量和轴依存旋转修正量，来修正直线轴位置。

在日本特开2009-151756号公报公开的数值控制装置中，能够根据预先测定出的机械系统引起的误差，修正可能产生的刀具前端点的误差。然而，没有考虑通过改变工件对机械系统产生影响而新产生的误差，或由于工件的形状变化而产生的误差。

发明内容

因此，本发明通过设定覆盖工件的工件近旁区域内的格点的可测定点的修正量，根据这些修正量来求出刀具前端点的平移修正量并将其与指令直线轴位置相加。由此，本发明的目的在于提供一种对将刀具前端点位置移动至没有误差的位置，实现高精度加工的五轴加工机进行控制的数值控制装置。即，本发明的目的是提供一种在五轴加工机中，即使在更换工件后也能够在指令的刀具前端位置进行加工的数值控制装置。

本发明是一种数值控制装置，在对通过三个直线轴和两个旋转轴对安装在工作台上的工件即加工物进行加工的五轴加工机进行控制的数值控制装置中，设定由于工件而进行位移的误差量来作为与工件内规定的坐标位置对应的平移修正量，由此驱动三个直线轴使刀具前端位置在工件上成为没有误差的位置。

并且，本发明的数值控制装置控制通过三个直线轴和两个旋转轴对安装在工作台上的工件进行加工的五轴加工机，其具有：工件格状区域设定单元，其在固定在工作台上的三维坐标系中，在覆盖工件的工件近旁区域内设定通过预定间隔的格点划分的工件格状区域；旋转轴工件格状区域设定单元，其设定该工件格状区域的、两个工作台旋转轴的旋转位置；工件起因平移修正量设定单元，其针对该旋转轴工件格状区域中的格点，设定由工件引起的平移误差的修正量；以及工件起因平移修正量计算单元，其根据该修正量，计算工件上的刀具前端点位置的修正量，在修正部中，将该工件起因平移修正量与三个指令直线轴的位置相加进行误差修正。

所述五轴加工机可以是通过所述两个旋转轴使工作台旋转的工作台旋转型五轴加工机。

或者，所述五轴加工机还可以是通过所述两个旋转轴使刀具头、工作台双方旋转的混合型五轴加工机。

通过具备以上的结构，除了考虑机械引起的误差外还考虑工件引起的误差，因此本发明能够提供一种能够实现可期待提高工件形状的质量的加工的、具有修正工件导致的位移误差的功能的数值控制装置。

附图说明

通过参照附图对以下的实施例进行说明，本发明的上述以及其他目的以及特征更加明确。在这些附图中：

图1是本发明一实施方式的数值控制装置控制的五轴加工机的工作台旋转型的实施例。

图2表示没有误差时的刀具与工作台的关系、包含机械起因误差的刀具与工作台的关系以及包含由于在工作台上设置了工件而产生的工件起因平移误差的工件与工作台的关系图。

图3是表示在将工件上表面包围的范围内，在可设置测定基准球的位置划分成格状的图。

图4是表示在将工件底面近旁包围的范围内，在可设置测定基准球的位置划分成格状，通过工件上表面的格点以及在线上连接的三维坐标系构成的工件格状区域的图。

图5是表示图4的工件格状区域的图。

图6是表示伴随控制工作台的旋转轴位置的变化，工件格状区域也进行了旋转的状态的图。

图7是说明设定工件格状区域的格编号的图。

图8是表示针对安装工件前的工件格状区域的格点P12的基准球，通过测量用探针测定并计算出的基准球中心的位置数据MO₁₂的图。

图9是表示格点P6的位置数据MO₆的图。

图10是表示针对安装工件后的工件格状区域的格点P12的基准球，通过测量用探针测定并计算出的基准球中心的位置数据Mw₁₂的图。

图11是表示格点P6的位置数据Mw₆的图。

图12是说明将测定出的工件起因平移修正量ΔCw的数据作为修正量表存储在内置于数值控制装置中的非易失性存储器等中的图。

图13是表示刀具前端点位于由格点P14～P24构成的工件格状区域内的图。

图14是说明具备误差修正部的数值控制装置的图。

图15是表示在实施方式1中执行的修正的算法的流程图。

图16是数值控制装置控制的五轴加工机的混合型的实施方式。

图17是表示没有误差时的刀具与工作台的关系、包含机械起因平移误差的刀具与工作台的关系以及包含由于在工作台上设置了工件而产生的工件起因平移误差的工件与工作台的关系图。

具体实施方式

(实施方式1)

<1>对象机械和误差修正向量

图1是数值控制装置控制的五轴加工机的工作台旋转型的一实施方式。在图1所示的机械结构中，将通过C轴旋转进行旋转且通过B轴旋转倾斜的工作台30搭载在Y轴上，Y轴搭载在X轴上来进行直线移动，刀具头20在Z轴上进行上下直线移动。将工件40搭载在工作台30上。

对工作台旋转型五轴加工机的机械引起的平移误差、工件引起的平移误差以及这些误差的修正进行说明。在此，将机械引起的平移误差作为机械起因平移误差，将工件引起的平移误差作为工件起因平移误差。

图2表示没有误差时的刀具21与工作台30的关系、包含机械起因平移误差的刀具21与工作台30的关系以及包含由于在工作台30上设置了工件40而产生的工件起因平移误差的工件40与工作台30的关系图。在此，表示了在通过以工作台旋转中心为原点的(Xa，Ya，Za)坐标来表示工作台坐标系时，由于从机械发生的误差即机械起因平移误差，工作台坐标系成为(Xa’，Ya’，Za’)坐标，并且由于在工作台上搭载了工件而发生的误差即工件起因平移误差，工作台坐标系成为(Xa”，Ya”，Za”)。

在此，机械起因平移误差是通过直线轴以及旋转轴的位置即机械位置关系而产生的平移方向的误差。图2中的机械起因平移误差即(ΔXm，ΔYm，ΔZm)表示(Xa，Ya，Za)坐标与(Xa’，Ya’，Za’)坐标之间的X轴方向/Y轴方向/Z轴方向的平移误差。这些误差是微量的误差，但为了便于理解将这些误差夸大来描述。针对机械起因平移误差的误差修正是在日本特开2009-151756号公报等中记载的现有技术，因此不进行详细叙述。

工件起因平移误差是由于在工作台30上设置工件40而产生的由工件40引起的平移方向的误差。在工件40与刀具前端点接触的点上，成为与本来位置的误差量的图2中的工件起因平移误差(ΔXw，ΔYw，ΔZw)表示(Xa’，Ya’，Za’)坐标与(Xa”，Ya”，Za”)坐标之间的X轴方向/Y轴方向/Z轴方向的平移误差。这些误差是微量的误差，但为了便于理解将这些误差夸大来描述。

将基于指令直线轴位置Pml(Pmx，Pmy，Pmz)以及指令旋转轴位置Pmr(Pmb，Pmc)的机械起因平移误差的修正量设为ΔCm(ΔXm，ΔYm，ΔZm)，将工件起因平移误差的修正量设为ΔCw(ΔXw，ΔYw，ΔZw)。工作台30以及工件40侧的误差量是以追随该误差量(修正目标)的方式进行修正，因此也是修正量。在针对机械起因平移误差将平移修正后的刀具前端点向量设成Tm_o-tcp(Tm_o-tcpx，Tm_o-tcpy，Tm_o-tcpz)，针对工件起因平移误差将平移修正后的刀具前端点向量设成Tw_o-tcp(Tw_o-tcpx，Tw_o-tcpy，Tw_o-tcpz)时，通过式1表示ΔCw(ΔXw，ΔYw，ΔZw)。

$\mathrm{\&Delta;Cw}=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;Xw}& x\\ \mathrm{\&Delta;Yw}& y\\ \mathrm{\&Delta;Zw}& z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{Tw}}_{o-\mathrm{tcp}}x-{\mathrm{Tm}}_{o-\mathrm{tcp}}x\\ {\mathrm{Tw}}_{o-\mathrm{tcp}}y-{\mathrm{Tm}}_{o-\mathrm{tcp}}y\\ {\mathrm{Tw}}_{o-\mathrm{tcp}}z-{\mathrm{Tm}}_{o-\mathrm{tcp}}z\end{array}\right]...\left(1\right)$

将这样求出的工件起因平移修正量ΔCw(ΔXw，ΔYw，ΔZw)与增加了机械起因平移修正量的修正直线轴位置Pml’(Pmx’，Pmy’，Pmz’)相加来求出修正直线轴位置Pml”(Pmx”，Pmy”，Pmz”)。向该修正直线轴位置Pml”(Pmx”，Pmy”，Pmz”)驱动各直线轴X、Y、Z轴，向指令位置驱动旋转轴B、C轴。由此，可以将从工作台观察到的刀具前端点位置移动至除了没有机械引起的误差(已修正)外还没有工件引起的误差的位置。

<2>工件引起的误差

加工物即工件40引起的误差，即工件引起的位移误差是指通过更换为重量、大小不同的工件40，工作台30的表面倾斜而在加工区域中产生的误差，或者由于旋转轴的定位使工作台30倾斜，由此工件40对工作台30的旋转中心轴产生影响的误差。

<3>工件格状区域的定义方法

图3是在将工件上表面包围的范围内，在可设置测定基准球的位置划分成格状的点。基准球的中心位置成为格点。图4是在将工件底面近旁包围的范围内，在可设置测定基准球的位置划分成格状，通过工件上表面的格点和在线上连接的三维坐标系构成的工件格状区域。工件形状可以应用图3所示的圆柱以外的立方体、角锥台、球形等。此外，根据测定球的设定位置增加格点数量。

图5表示图4的工件格状区域的图。在工件侧面划分成格状时，边界线相交的点是格点P1～P12。另外，格间隔不一定是恒定间隔。由工件格状区域设定单元8进行以上的设定。

图6是伴随控制工作台的旋转轴位置的变化，工件格状区域也进行了旋转的情况。在将构成工件的直线三轴作为坐标系的工件格状区域基准坐标系中，根据旋转轴的角度，与图5同样地划分工件格状区域。如上所述，格点编号成为由两个旋转轴和作为工件格状区域基准坐标系考虑的三个直线轴构成的、两个旋转轴和三个直线轴的五维(X，Y，Z，B，C)的修正空间。

图5的格点P1～P12、图6的格点P13～P24是旋转轴的角度的一例，而在其他角度，如图7所示设定工件格状区域的格点编号。由旋转轴工件格状区域设定单元9进行以上的设定。

<4>工件起因平移误差的测定例以及修正量表设定

图8表示针对安装工件前的工件格状区域的格点P12的基准球，通过测量用探针测定并计算出的基准球中心的位置数据MO₁₂。图9与图8同样地表示格点P6的位置数据MO₆。

图10表示针对安装工件后的工件格状区域的格点P12的基准球，通过测量用探针测定并计算出的基准球中心的位置数据Mw₁₂。图11与图10同样地表示格点P6的位置数据Mw₆。

根据式1、图8的MO₁₂以及图10的Mw₁₂，格点P12的工件起因平移修正量成为式(2)。

$\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{Cw}}_{12}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{Xw}}_{12}x\\ \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{Yw}}_{12}y\\ \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{Zw}}_{12}z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{Mw}}_{12}x-{\mathrm{MO}}_{12}x\\ {\mathrm{Mw}}_{12}y-{\mathrm{MO}}_{12}y\\ {\mathrm{Mw}}_{12}z-{\mathrm{MO}}_{12}z\end{array}\right]...\left(2\right)$

同样地，根据图9的MO₆、图11的Mw₆，格点P6的工件起因平移修正量成为式3。

$\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{Cw}}_6=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{Xw}}_{6}x\\ \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{Yw}}_{6}y\\ \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{Zw}}_{6}z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{Mw}}_{6}x-{\mathrm{MO}}_{6}x\\ {\mathrm{Mw}}_{6}y-{\mathrm{MO}}_{6}y\\ {\mathrm{Mw}}_{6}z-{\mathrm{MO}}_{6}z\end{array}\right]...\left(3\right)$

把测定并计算出的工件起因平移修正量ΔCw的数据存储在内置于数值控制装置内的非易失性存储器等中来作为图12所示的修正量表。格点编号通过测定用基准球中心表示图5的P1～P12、图6的P13～P24。并且，设定格点编号Pn的旋转轴坐标值(B(n)，C(n))、在工件格状区域基准坐标系中考虑的直线轴坐标值(X(n)，Y(n)，Z(n))以及测定并计算出的工件起因平移修正量ΔCw(ΔXw(n)，ΔYw(n)ΔZw(n))。由工件起因平移修正量设定单元10进行以上的设定。

<5>刀具前端点位置的工件起因平移修正量的计算

图13表示刀具前端点位于由格点P14～P24构成的工件格状区域内。刀具前端点位置Pm-tcp(Pm-tcp-x，Pm-tcp-y，Pm-tcp-z)是根据指令直线轴位置Pml(Pmx，Pmy，Pmz)和刀具长度修正向量T(Tx，Ty，Tz)通过式4表示的位置。

根据修正量表中的近旁的格点(P14～P24)的刀具起因平移修正量ΔCw，使用内插法进行插值计算基于刀具前端点位置Pm-tcp的工件起因平移修正量ΔCw-tcp(ΔXw-tcp，ΔYw-tcp，ΔZw-tcp)。内插法是一般的方法，所以不进行详细叙述。此外，根据工件侧面的测定点以及近旁的测定点的误差数据，通过内插法来对无法测定的工件设定面/上表面以及工件内部的工件起因平移修正量进行插值。由工件起因平移修正量计算单元12进行以上的内插法。

$P_{m-\mathrm{tcp}}=\left[\begin{array}{c}{P}_{m-\mathrm{tcp}}x\\ P_{m-\mathrm{tcp}}y\\ P_{m-\mathrm{tcp}}z\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{P}_{m}x-T& x\\ P_{m}y-T& y\\ P_{m}z-T& z\end{array}\right]...\left(4\right)$

<6>框图

接着，使用图14对一实施方式的具备误差修正部的数值控制装置进行说明。数值控制装置1一般通过指令解析部2解析程序指令来生成插值用数据，通过插值部3根据插值用数据进行插值来求出各轴应移动的位置，通过各轴用的加减速部即X轴用加减速部4x、Y轴用加减速部4y、Z轴用加减速部4z、B(A)轴用加减速部4b(a)、C轴用加减速部4c来求出进行各轴的加减速后的各轴位置，并通过修正部5对机械起因的平移误差进行螺距误差修正或直线度误差修正等现有技术的修正(参照日本特开2009-151756号公报)，根据该结果的位置来驱动各轴的伺服即X轴伺服6x、Y轴伺服6y、Z轴伺服6z、B(A)轴伺服6b(a)以及C轴伺服6c。

在此，在工件起因平移误差修正部7中，使用工件格状区域设定单元8、旋转轴工件格状区域设定单元9来构成误差修正用格点，并使用通过测定而计算出的工件起因平移修正量设定单元10设定修正数据。在修正部5中取得刀具前端点位置，并取得对应的格点的工件起因平移修正量。通过工件起因平移误差修正部7的工件起因平移修正量计算单元12使用刀具前端点位置以及对应的格点的工件起因平移修正量来变换成刀具前端点位置的修正量ΔCw-tcp。将其作为新的修正量与现有技术的修正量相加来进行修正。

<7>表示算法的流程图

图15是表示在实施方式1中执行的修正算法的流程图。以下，按照各步骤进行说明。

[步骤S1]取得指令轴位置的机械坐标Pm(Pmx，Pmy，Pmz，Pmb，Pmc)。

[步骤S2]取得与在指令位置Pm的刀具前端点对应的旋转轴工件格状区域内的格点的工件起因平移修正量ΔCw(ΔXw，ΔYw，ΔZw)。

[步骤S3]计算在指令位置Pm的刀具前端点的工件起因平移修正量ΔCw-tcp。

[步骤S4]对指令直线轴位置Pml(Pmx，Pmy，Pmz)相加ΔCw-tcp，设成直线轴的应移动的机械坐标值。

(实施方式2)

<1>对象机械和误差修正向量

图16是数值控制装置控制的五轴加工机的混合型的实施例。在图16所示的机械结构中，通过B轴旋转而倾斜的刀具头1在Y轴和Z轴上进行直线移动，通过C轴旋转而进行旋转的工作台2在X轴上进行直线移动。将工件3搭载在工作台2上。

对混合型五轴加工机的机械起因的误差、工件起因的平移误差以及这些误差的修正进行说明。图17是表示没有误差时的刀具与工作台的关系、包含机械起因平移误差的刀具与工作台的关系以及包含由于在工作台上设置了工件而产生的工件起因平移误差的工件与工作台的关系图。因为“<1>对象机械和误差修正向量”的内容与实施方式1相同，所以以下省略说明。

<2>工件(工作物)引起的误差

与实施方式1相同，因此省略说明。

<3>工件格点定义方法

相对于在实施方式1中有两个旋转轴，而在实施方式2中只有一个使工件旋转的旋转轴，因此图7的表可以是仅关于一个旋转轴(C轴)的表。即，考虑为直线轴(X，Y，Z)与一个旋转轴(C)的四维表。除此以外与实施方式1相同，因此省略说明。

<4>工件起因平移误差的测定例以及修正量表设定

与实施方式1相同，因此省略说明。

<5>刀具前端点位置的工件起因平移修正量的计算

与实施方式1相同，因此省略说明。

<6>框图

与实施方式1相同，因此省略说明。

<7>表示算法的流程图

与实施方式1相同，因此省略说明。

Claims (3)

1.一种数值控制装置，其控制通过三个直线轴和两个旋转轴对安装在工作台上的工件进行加工的五轴加工机，其特征在于，具有：

工件格状区域设定单元，其在固定在工作台上的三维坐标系中，在覆盖工件的工件近旁区域内设定通过预定间隔的格点划分的工件格状区域；

旋转轴工件格状区域设定单元，其设定该工件格状区域的、两个工作台旋转轴的旋转位置；

工件起因平移修正量设定单元，其针对该旋转轴工件格状区域中的格点，设定由工件引起的平移误差的修正量；以及

工件起因平移修正量计算单元，其根据该修正量，计算工件上的刀具前端点位置的修正量，

在修正部中，将该工件起因平移修正量与三个指令直线轴的位置相加来进行误差修正。

2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

所述五轴加工机是通过所述两个旋转轴使工作台旋转的工作台旋转型五轴加工机。

3.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

所述五轴加工机是通过所述两个旋转轴使刀具头、工作台双方旋转的混合型五轴加工机。