CN104972361A - 计测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种计测系统，其可以在短时间内无误差地准确地计测目标球的中心坐标。计测系统(S)使用初始位置计测步骤(S1)和分度计测步骤(S3)确定几何误差，其中，初始位置计测步骤(S1)确定目标球(6)的坐标和目标(6)的尺寸，分度计测步骤(S3)按照多个分度条件定位旋转轴，并根据传感器计测坐标值确定几何误差，所述传感器计测坐标值是通过接触式探针(31)的传感器(32)对目标球(6)进行计测而得到的坐标值。并且，在分度计测步骤(S3)中，通过传感器(32)对目标球(6)进行仅仅3次计测，就可以使用在初始位置计测步骤(S1)中所得到的目标球(6)的尺寸求出目标球(6)的坐标。

Description

计测系统
技术领域
本发明涉及计测系统，其用来在多轴机床上计测几何误差并进行校正。
背景技术
在机床的领域中，为了进行高效率加工和复杂形状的工件的加工而开发了一种像5轴加工中心那样的多轴机床，其在以往的3轴加工中心中附加了2个旋转轴，期望提高其加工精度。一般来说，如果轴数增加则组装(制造)变得困难，并且加工精度也存在恶化的倾向，但是，由于在组装中使加工精度提高存在界限，所以开发了一种校正系统，其通过对相邻的轴之间的倾斜度或位置误差这样的所谓几何误差进行校正而使加工精度提高。
在上述那样的校正系统中，作为确定几何误差的方法公知如下的方法：使用位移计和直角尺等测量仪，并根据计测结果求出几何误差，但是这样的方法不但需要多个测量仪，而且会由于测量技能的不同等原因所造成的计测结果的不确定性而引起确定精度大幅变动之类的不良情况。并且，作为5轴加工中心的几何误差的确定方法，还众所周知使用被称为球杆仪的位移传感器进行3轴联动圆弧插补运动测量(即，使2个直线轴和1个旋转轴同步，使球杆仪以保持工作台上的一点与主轴之间的相对位移的方式进行圆运动，并根据所获得的圆轨迹的中心偏差量来确定几何误差的方法)，但是，在这一方法中，不但需要球杆仪这种特殊的测量仪，而且还会产生由于球杆仪的设置方法所造成的确定精度变动之类的不良情况。
因此，开发出一种如专利文献1那样的计测系统，其使用接触式探针(多搭载于机床上)和作为目标的球体(目标球)，根据与通过球杆仪而实现的3轴联动圆弧插补运动测量相同的原理而求出几何误差。在利用该计测系统对例如工作台回转型5轴加工中心求出几何误差的情况下，首先在工作台上设置目标球，并计测所设置的坐标。然后，将旋转轴分度成各种角度，并按照每个分度条件计测目标球的中心坐标和直径。然后，通过对由这些多个目标球的坐标所描绘的圆弧轨迹的中心偏差量进行计算而确定几何误差。并且，在通过该计测系统确定几何误差时，使用3个直线轴对通过旋转轴分度而被定位的目标球的中心坐标和直径进行计测。例如，通过使接触式探针相对于目标球进行仅某1轴的动作，即从+X方向、-X方向、+Y方向、-Y方向、+Z方向进行单轴动作而使接触式探针接触目标球，并通过4点以上的接触点坐标以几何学方式计算中心坐标和直径。
专利文献1：日本特开2011-038902号公报
但是，因为上述的专利文献1的计测系统为了对目标球的中心坐标和直径进行计测必须使接触式探针多次接触目标球(4次以上)，所以目标球的中心坐标和直径的计测需要很多的工夫和时间。因此，有时还采用一种减少接触次数(3次)而计测目标球的中心坐标的方法，但为此需要通过其他的方法事先准确地把握目标球的直径值。并且，还存在如下问题：如果计测时所使用的目标球的直径值产生误差，则会直接导致中心坐标的计测误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计测系统，其消除上述现有的多轴机床中的计测系统所存在的问题，并可以在短时间内没有误差地准确计测目标球的中心坐标。
本发明之中，技术方案1所述的发明的计测系统在具备3个直线轴和2个旋转轴的多轴机床中，在将传感器设置于主轴或者工作台的任意一方并且将目标设置于另一方的状态下，使用初始位置计测步骤和分度计测步骤对多轴机床的几何误差进行计测，其中，所述初始位置计测步骤确定目标或者传感器的坐标和目标的尺寸，所述分度计测步骤按照多个分度条件定位旋转轴，并根据传感器计测坐标值确定几何误差，所述传感器计测坐标值是通过传感器对目标进行计测而得到的坐标值，所述计测系统的特征在于，在所述分度计测步骤中，通过传感器对目标进行仅仅3次计测，使用在所述初始位置计测步骤中所得到的目标的尺寸求出目标的中心坐标。
技术方案2所述的发明的特征在于，在技术方案1所述的发明中，所述目标是球体，并且，在所述初始位置计测步骤中所得到的目标的尺寸是直径值或者半径值，在所述分度计测步骤中，通过在求出所述传感器计测坐标值时参酌所述直径值或者半径值而求出目标的中心坐标。
技术方案3所述的发明的特征在于，在技术方案2所述的发明中，通过沿着3个直线轴的各个进行单轴动作而进行所述传感器向目标的趋近，在使传感器从直线轴的正方向趋近目标的情况下，减去作为所述目标的球体的直径值或者半径值，在使传感器从直线轴的负方向趋近的情况下，加上作为所述目标的球体的直径值或者半径值，从而求出目标的中心坐标。
根据本发明的计测系统，在确定多轴机床的几何误差时，在用来求出目标(例如球体)的坐标的初始计测中，例如，只需使安装于主轴的前端的接触式探针与目标接触5次而对目标的中心坐标和直径值或者半径值进行计测，使用所获得的目标的直径值或者半径值，通过旋转轴分度使接触式探针与目标接触3次而计测目标的位置，从而即使事前不通过三维测量机等准确地计测目标的直径，也可以容易地求出目标的坐标。因此，根据本发明的计测系统，可以大幅度减少在确定多轴机床的几何误差时所需要的时间和工夫。
附图说明
图1是示出加工中心的说明图(立体图)。
图2是示出加工中心的控制机构的框图。
图3是示出几何误差的确定(计测)处理的内容的流程图。
图4是示出通过5次接触而进行的目标球的中心坐标和半径的计测方法的说明图。
图5是示出分度条件的一例的图表。
图6是示出使用通过5次接触而进行的目标球的半径的计测结果来计测目标球的中心坐标的方法的说明图。
图7是示出对目标球的中心坐标进行计测时的半径值、计测误差以及计测位置的偏离之间的关系的说明图。
标号说明
S：计测系统；6：目标球；11：控制装置；21：加工中心；22：机座；23：耳轴(沿Y轴平动)；24：托架(以A轴为中心旋转)；25：工作台(以C轴为中心旋转)；26：主轴头(沿X轴、Z轴平动)；31：接触式探针；32：传感器。
具体实施方式
<多轴机床的结构>
下面根据附图详细地说明本发明的计测系统的一个实施方式。图1示出了作为搭载有本发明涉及的计测系统的多轴机床的一个例子的5轴控制加工中心(工作台回转型5轴机)(下面简称为“加工中心21”)。在加工中心21的机座(基台)22上以能够沿Y轴滑动的方式设置有主视大致呈U字状的耳轴23，在该耳轴23上以能够以A轴(旋转轴)为中心旋转的方式设置有主视大致呈U字状的托架24。进而，在托架24上以能够以与A轴正交的C轴(旋转轴)为中心旋转的方式设置有圆盘状的工作台25。并且，在机座22的上部，以能够沿着与Y轴正交的X轴和与该X轴、Y轴正交的Z轴滑动的方式设置有可以安装工具的主轴头26。该主轴头26可以使所安装的工具(未图示)以Z轴为中心旋转。
上述加工中心21通过在使安装于主轴头26的工具旋转的状态下使该主轴头26相对于固定在工作台25上的被加工物(工件)相对地趋近，能够一边控制被加工物与工具之间的相对位置和相对姿态，一边对被加工物实施各种加工。并且，因为加工中心21如上述那样构成，所以表示被加工物与工具之间的位置关系的、从被加工物到工具的轴的顺序为C轴→A轴→Y轴→X轴→Z轴。
<多轴机床的控制机构>
图2是示出上述的加工中心21的控制机构的框图。在控制装置(数值控制装置)11中，用于使耳轴23、主轴头26平动的各伺服电动机、用于使托架24、工作台25旋转的各伺服电动机、以及后述的安装于主轴头26的前端的接触式探针31的传感器32等经由接口16而与CPU 15连接，耳轴23、主轴头26、托架24以及工作台25的工作内容由控制装置11驱动控制。并且，在控制装置11上连接有用来设定分度位置(分度条件)等的输入单元12、以及监视器或扬声器等输出单元13等。而且，在控制装置11中设置有存储单元14，在该存储单元14内存储几何误差计算程序和校正程序等，其中，几何误差计算程序用来使安装于主轴头26的接触式探针31发生位移而确定(计算)几何误差，校正程序用于基于已确定的几何误差而对该几何误差进行校正。并且，成为由控制装置11、用于使耳轴23、主轴头26平动的各伺服电动机、用于使托架24、工作台25旋转的各伺服电动机、以及传感器32等构成用来确定加工中心21的几何误差的计测系统S的状态。
<几何误差的计测处理>
图3是示出由上述的计测系统S确定几何误差时的处理内容的流程图。在确定几何误差的情况下，如图1所示，在主轴头26上代替工具而安装接触式探针31，并使作为目标的目标球6固定在工作台25上(通过安装于目标球6的基座5上的磁铁等使其固定)。此外，接触式探针31具有用来感知接触到了目标球6的传感器32(参照图2)，在感知到了接触的情况下，可以通过红外线或电波等发出信号。另一方面，控制装置11将由所连接的接收机接收到从传感器32所发出的信号的瞬间(或者是考虑了延迟量的时刻)的各轴的当前位置作为计测值存储在存储单元14中。
并且，在如上所述的主轴头26上安装接触式探针31之后，对配置在任意位置上的目标球6的坐标进行计测(S1)。此外，在该实施方式中，对如下方法进行说明：如图4所示，使接触式探针31与目标球6接触5次，即，使其从+X方向、-X方向、+Y方向、-Y方向以及+Z方向进行接触，而对目标球6的中心坐标和半径进行计测。在该计测方法中，首先通过在Y轴＝Y12、Z轴＝Z1234的位置上，使接触式探针31从+X方向和-X方向接触目标球6，而获取计测结果(计测值)X1和X2。并且，根据所获取的计测结果X1、X2而计算公式1中所示出的X轴中心坐标XC。
XC＝(X1+X2)/2...公式1
接着通过在X轴＝XC、Z轴＝Z1234的位置上，使接触式探针31从+Y方向和-Y方向接触目标球6，而获取计测结果Y3和Y4。并且，根据所获取的计测结果Y3、Y4而计算公式2中示出的Y轴中心坐标YC和公式3中示出的XY计测剖面上的半径RXY。
YC＝(Y3+Y4)/2...公式2
RXY＝(Y3-Y4)/2...公式3
接着通过在X轴＝XC、Y轴＝YC的位置上，使接触式探针31从+Z方向接触目标球6，而获取计测结果Z5。在该计测结果Z5、距Z轴的中心坐标ZC的偏离δZ、以及目标球6的半径R之间，从几何学关系上满足公式4、公式5。
R2＝RXY2+(R-δZ)2...公式4
δZ＝Z5-Z1234...公式5
通过上述的关系，可以通过公式6求得目标球6的半径R，可以通过公式7求得Z轴中心坐标ZC。
R＝(RXY2+δZ2)/(2·δZ)...公式6
ZC＝Z5-R...公式7
通过这样进行计测，即使在目标球6的中心坐标不明因而XY计测剖面超出目标球6的顶点的情况下，也可以容易地计测准确的球的半径R和Z轴中心坐标ZC。
接着使用如上述那样求出的对目标球6的设置坐标(中心坐标)进行了计测的结果，开始进行用于确定几何误差的计测。例如，在使用图5所示的分度条件的情况下，首先推定对旋转轴进行了分度时的目标球6的位置[Xn，Yn，Zn]，并使直线轴趋近到可以计测的位置(S2)。
接着使接触式探针31与目标球6的中心坐标接触3次而进行计测(S3)。此外，在本实施方式中，对如图6所示使其从+X方向、+Y方向和+Z方向这3个方向进行接触的方法进行说明。首先，根据在X轴为Yn、Z轴为Zn的位置上从+X方向使其接触目标球6而得到的计测结果X1，X轴中心坐标XC满足公式8。
XC＝X1-R...公式8
接着，根据在X轴为XC、Z轴为Zn的位置上使接触式探针31从+Y方向接触目标球6而得到的计测结果Y2，Y轴中心坐标YC满足公式9。
YC＝Y2-R...公式9
最后，根据在X轴为XC、Y轴为YC的位置上使接触式探针31从+Z方向接触目标球6而得到的计测结果Z3，Z轴中心坐标ZC满足公式10。
ZC＝Z3-R...公式10
这种通过3次接触而进行的球的中心坐标计测，例如在从+X方向使其接触的情况下，如果如图7所示以δ的量超出目标球6的顶点进行计测，则传感器32的接触值会产生ε的误差。在该ε、距Z轴的中心坐标ZC的偏离δZ、以及目标球6的半径R之间，从几何学关系上满足公式11。其中r是接触式探针31的触针半径。
(R+r)2＝δ2+(R-ε)2...公式11
根据该公式11，作为测量误差的ε可以通过公式12求得。
...公式12
例如，如果设目标球6的半径R为12.5mm，设接触式探针的触针半径r为2.5mm，设距顶点的位置误差δ为0.1mm，则根据公式12，计测误差ε为0.3μm。此外，因为通常对旋转轴进行了分度时的位置的推定连存在0.1mm的误差的情况也不会有，所以对处理结果所造成的影响可以无视。
如上述那样计测出目标球6的中心坐标之后，确认是否存在接下来的分度计测(S4)。并且，在判断为存在的情况下，重复从S2开始的处理，在不存在的情况下则结束计测。
<计测系统的效果>
计测系统S如上述那样，使用初始位置计测步骤(S1)和分度计测步骤(S3)来确定几何误差，其中，初始位置计测步骤(S1)确定目标球6的坐标和目标球6的尺寸，分度计测步骤(S3)按照多个分度条件定位旋转轴，并根据传感器计测坐标值确定几何误差，该传感器计测坐标值是利用接触式探针31(传感器32)对目标球6进行计测而得到的坐标值，在分度计测步骤(S3)中，利用接触式探针31(传感器32)对目标球6进行仅仅3次计测，就可以使用在初始位置计测步骤(S1)中所得到的目标球6的尺寸求出目标球6的坐标。
即，根据计测系统S，只需使用根据用于对设置于任意的位置上的目标球6的坐标进行确定的计测而得到的半径值，使接触式探针31进行3次接触而对通过用于确定几何误差的旋转轴分度而得到的目标球6的坐标进行计测，就可以不必事先通过三维测量机等另行计测目标球6的准确值，而非常容易地求出几何误差。因此，根据计测系统S，可以不对计测精度造成影响而大幅度缩短计测所需要的时间。
<计测系统的变更例>
本发明涉及的计测系统并不受上述实施方式的形式的任何限定，在不脱离本发明的主旨的范围内，可以根据需要进行适当变更。例如，对于目标球的设置位置或半径的测量，不限定于像上述实施方式那样使接触式探针接触目标的方法，也可以变更成利用可以以非接触式测量距离的激光位移计的方法等。并且，本发明涉及的计测系统并不限定于像上述实施方式那样对目标球的半径进行计测并基于该值而求出目标的中心坐标的方式，也可以变更成对目标球的直径进行计测并基于该值而求出目标的中心坐标的方式等。并且，通过计测系统确定几何误差时的处理内容并不限定于上述的流程图的内容，也可以根据需要进行适当变更。而且，本发明涉及的计测系统并不限定于像上述实施方式那样在将传感器设置于主轴的接触式探针并且将目标设置于工作台的状态下确定几何误差的方式，也可以变更成在将目标设置于主轴并且将传感器设置于工作台的状态下确定几何误差的方式等。

Claims (3)

1.一种计测系统(S)，在具备3个直线轴和2个旋转轴的多轴机床(21)中，在将传感器(32)设置于主轴或者工作台(25)的任意一方并且将目标(6)设置于另一方的状态下，使用初始位置计测步骤和分度计测步骤对多轴机床(21)的几何误差进行计测，其中，所述初始位置计测步骤确定目标(6)或者传感器(32)的坐标和目标(6)的尺寸，所述分度计测步骤按照多个分度条件定位旋转轴，并根据传感器计测坐标值确定几何误差，所述传感器计测坐标值是通过传感器(32)对目标(6)进行计测而得到的坐标值，所述计测系统(S)的特征在于，
在所述分度计测步骤中，通过传感器(32)对目标(6)进行仅仅3次计测，使用在所述初始位置计测步骤中所得到的目标(6)的尺寸求出目标(6)的中心坐标。
2.根据权利要求1所述的计测系统(S)，其特征在于，
所述目标(6)是球体，
并且，在所述初始位置计测步骤中所得到的目标(6)的尺寸是直径值或者半径值，
在所述分度计测步骤中，通过在求出所述传感器计测坐标值时参酌所述直径值或者半径值而求出目标(6)的中心坐标。
3.根据权利要求2所述的计测系统(S)，其特征在于，
通过沿着3个直线轴的各个进行单轴动作而进行所述传感器(32)向目标(6)的趋近，在使传感器(32)从直线轴的正方向趋近目标(6)的情况下，减去作为所述目标(6)的球体的直径值或者半径值，在使传感器(32)从直线轴的负方向趋近的情况下，加上作为所述目标(6)的球体的直径值或者半径值，从而求出目标(6)的中心坐标。
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