CN107160240B - 机床的机械精度的测定方法和装置 - Google Patents

机床的机械精度的测定方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种机床的机械精度的测定方法和测定装置。涉及例如用于通过5轴几何误差测定法来测定旋转中心的偏移的方法和装置，能够不会受到旋转角的角度范围的限定且高精度地测定安装有接触式探头的刀架的旋转中心的机械误差等。根据接触式探头(1)的旋转角的范围来切换5轴测定中的测定平面和测定轴的方向。并且，根据需要将测定平面的测定轴向的位置设定在基准球(2)与接触式探头(1)的柄杆(12)不干涉的位置而进行5轴测定。例如，将测定平面设定在将所估计的基准球(2)的中心和接触式探头的前端球(11)的中心连结的线与接触式探头的柄杆(12)垂直的位置而进行5轴测定。

Description

机床的机械精度的测定方法和装置
技术领域
本发明涉及机床的机械精度(应该校正的误差。以下，也称为“机械误差”。)的测定方法和测定装置，例如涉及在具有直线3轴和旋转2轴的多轴结构的机床中通过5轴几何误差测定法(以下，称为“5轴测定法”。)来测定旋转中心的偏移时使用的方法和装置。
背景技术
在机床的加工中，近年来，工件的形状变得复杂，以加工时间的缩短和加工精度的提高为目的，进行基于5轴同时控制的加工。当同时控制的加工轴的数量较多时，2轴间的倾斜或旋转轴的中心位置的偏移等通常被称为几何误差的误差会成为问题，需要更高精度地测定已完成的机床的机械误差。
图8是示意性示出使用5轴测定法来计测加工中心的工作台42的旋转轴的中心位置的偏移的例的图。在工作台42的外周部固定基准球2，在设置于刀架43的刀具轴41上安装接触式探头1。并且，在使工作台42每次旋转规定角度(例如5度)后的位置处使接触式探头1从5个方向与基准球2接触而求出基准球2的中心坐标。
在加工中心中，工作台42的旋转通常情况下是绕C轴(绕Z轴)，工作台42的上表面是X‐Y平面。该情况下的5个方向是-Y、+Y、-X、+X以及+Z这5个方向(参照图8)。
如果以柄杆12在Z轴向上延伸的方式将接触式探头1安装于刀架43上，则不论工作台42旋转到哪个位置都能够使接触式探头的前端球11与图9所示的5个方向上的位置接触。
按照这样的工序使接触式探头与基准球接触来计测基准球的中心坐标并根据该计测值来计算机械误差的程序例如由接触式探头的制造商提供，以往用于加工中心的机械精度的测定。
当将加工中心中所使用的上述的机械精度的测定方法用于具有能够进行B轴旋转的刀架的车床(复合车床)的绕B轴旋转角的精度测定时，会产生能够测定的旋转角的范围被限制这样的问题。
即，在车床的B轴的测定中，虽然也取决于接触式探头的前端球11或基准球2的大小，但在旋转角为超过40度左右的角度的角度时，如图6所示，在接触式探头的前端球11与基准球2接触之前接触式探头的柄杆12与基准球2抵接而变得无法进行测定。
即，在接触式探头也伴随着要想测定旋转角的精度的刀架的旋转而旋转的情况下，无法使用接触式探头的制造商所提供的测定程序来进行如在加工中心中进行的机械精度的自动计测。
并且，还考虑了在不能测定的角度范围内，根据能够测定的范围的测定值进行类推而求出基准球的中心这样的方法，在这样的方法中，存在测定精度会大幅度下降这样的问题。
发明内容
本发明的课题在于，解决上述的问题点，提供如下的方法和装置：不会受到旋转角的角度范围的限定而能够高精度地测定安装有接触式探头的刀架的旋转中心的机械误差等。
在本发明中，根据接触式探头1的旋转角θ的范围来切换5轴测定的测定平面P(Pa、Pb)和测定轴A(Aa、Ab)的方向。并且，根据需要，将测定平面P在测定轴A方向上的位置设定在基准球2与接触式探头1的柄杆12不干涉的位置处而进行5轴测定。例如，在连结所估计的基准球2的中心O与接触式探头的前端球11的中心Q的线相对于接触式探头的柄杆12垂直的位置处设定测定平面P而进行5轴测定。
即，在本发明中，根据计测时的接触式探头1从基准方向的倾斜角θ，在接触式探头的柄杆12与基准球2不干涉的位置处，在与该倾斜角θ的角度范围对应的测定方向上进行自动计测，从而解决了上述课题。
本发明的机床中的机械精度的测定装置用于通过利用安装在能够旋转的刀架3上的接触式探头1来检测设置在规定位置上的基准球2而计测刀架3的旋转中心的位置偏移，通常是由软件构成的装置。
本发明的测定装置具有：第1测定单元4a，在接近刀架3的旋转原点角的角度范围内通过5轴测定法来测定基准球2的中心位置；第2测定单元4b，将包含与第1测定单元4a所使用的第1测定平面Pa垂直的第1测定轴Aa和第1测定平面Pa的一个轴在内的平面设为第2测定平面Pb，将与该第2测定平面Pb垂直的轴设为第2测定轴Ab，通过5轴测定法来检测基准球2的中心位置；以及切换单元S(参照图7)，在刀架3的旋转角的预定的角度位置处切换第1测定单元4a和第2测定单元4b。
根据上述装置，由于根据刀架3的旋转角θ来切换测定方法，因此不存在计测范围的限制，能够在较宽的角度范围内进行高精度的计测。
在接触式探头1的前端球11的半径r比基准球2的半径R小的情况下，在所述第1测定单元4a和第2测定单元4b中的任意一个或者双方中，有时在接触式探头的前端球11与基准球2接触之前接触式探头的柄杆12与基准球2抵接而无法进行基于5轴测定法的测定。能够通过设置测定平面移动单元5(5a、5b)而避免该问题，该测定平面移动单元5(5a、5b)使测定平面P沿测定轴A的方向移动到接触式探头的柄杆12不与基准球2抵接的位置处。
最简单且可靠的测定平面移动单元5是使测定平面P成为从被估计为基准球2的中心所在的平面P0(P0a、P0b)起沿测定轴A方向移动了(R+r)sinθ后的平面的单元。即，通过在将基准球2和接触式探头的柄杆12连结的直线相对于接触式探头的柄杆12垂直的位置处进行计测，能够在不会产生与柄杆12的干涉的情况下检测基准球2的中心O。
本发明的测定装置能够特别适合用于具有能够进行B轴旋转的刀架3的车床中的该刀架3的B轴旋转的机械精度的计测。
发明效果
在本发明中，根据计测时的接触式探头的角度来自动地选择基准球的计测方向，由于在需要时基准球的计测位置被设定在接触式探头的柄杆与基准球不干涉的位置处，因此在接触式探头的所有的角度上能够进行基准球的5轴测定，计测精度、即机械的校正精度提高。
根据本发明，存在如下的效果：能够将加工中心中有实际成绩的工作台的旋转中心位置偏移的精度测定应用于车床的刀架的旋转中心位置偏移的精度测定等、使用了旋转轴的机械误差的测定中能够进行技术上稳定且高精度的机械精度的自动计测。
附图说明
图1是示意性示出对车床的B轴旋转的机械精度进行测定的状态的立体图。
图2是第1测定单元的流程图。
图3是示出第1测定单元的动作的立体图。
图4是第2测定单元的流程图。
图5是示出第2测定单元的动作的立体图。
图6是示出不能测定的状态的说明图。
图7是示出自动测定工序的流程图。
图8是示意性示出对加工中心的B轴旋转的机械精度进行测定的状态的立体图。
图9是示出在图8的情况下的测定动作的立体图。
标号说明
1：接触式探头；2：基准球；3：刀架；4a：第1测定程序；4b：第2测定程序；5(5a、5b)：测定平面移动程序；11：前端球；12：柄杆；A(Aa、AB)：测定轴；O：基准球的中心；P(Pa、Pb)：测定平面；P0(P0a、P0b)：平面；Q：前端球的中心；S：切换单元；R：基准球的半径；r：前端球的半径；θ：旋转角。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是示意性示出使用本发明的测定装置来测定具有能够进行B轴旋转的刀架3的车床的B轴旋转的机械精度的状态的立体图。图的刀架3具有能够在Z、X、Y这3轴向上移动且能够进行B轴(绕Y轴)旋转的旋转刀具轴31。旋转刀具轴31的原点方向(B轴原点)是X轴方向。基准球2被固定在相对于刀架3相对不动的部件、例如主轴台上。
车床的控制器10包含刀架3的控制部9。在车床的控制器10上所登记的图示实施例的测定装置具有：主程序6，其记录了包含切换单元S在内的自动计测工序；第1测定程序4a；以及第2测定程序4b。第1测定程序4a包含第1测定平面移动步骤5a，第2测定程序4b包含第2测定平面移动步骤5b。
测定程序4是从5个方向计测基准球2而检测其中心坐标的程序，测定平面移动步骤5(5a、5b)是在基准球2与接触式探头的柄杆12不干涉的位置上设定5轴测定的测定平面P的程序。第1测定程序4a和在该程序中所包含的中心坐标运算程序7a可以直接使用以往在加工中心中所使用的程序。
图2和图3是示出第1测定程序4a的流程图和计测动作的图。第1测定程序4a是将关于加工中心所说明的图9的X、Y、Z轴设为Z、X、Y轴而进行相同的处理的程序，从-Z方向测定基准球2，接着从+Z方向测定，接着从-Y方向测定，进而从+Y方向测定，计算出基准球2在Z‐Y平面上的中心坐标(Z0，Y0)。接着刀架3进行移动而使前端球11位于所计算出的Z0，Y0坐标，使刀架3向-X方向移动而检测基准球2。根据以上的5个点的测定结果，按照与以往的5轴测定法中所使用的运算相同的运算7a来计算基准球2的中心坐标(X0，Y0，Z0)。
接触式探头的前端球11的半径r或基准球2的半径R等几何形状的数据被预先精密地计测而被登记于控制器10。能够通过使用计算出的基准球的中心坐标和从刀架控制部9取得的计测时的刀架3的坐标，通过几何学的运算来计算出刀具轴31的绕B轴的旋转角。并且，能够根据计算结果的角度与刀架控制部9所指示的角度之间的差来测定B轴旋转的机械误差。该第1测定程序4a的计测动作是在绕B轴的旋转角处于-44.9度～+44.9度的角度范围内时执行(参照图7)。
图4和图5是示出第2测定程序4b的流程图和计测动作的图。第2测定程序4b是转换了第1测定程序4a中的Z轴和X轴的程序，从-X方向测定基准球2，接着从+X方向测定，接着从-Y方向测定，进一步从+Y方向测定，计算基准球2在X‐Y平面上的中心坐标(X0，Y0)。接着刀架3移动而使前端球11位于所计算出的X0，Y0坐标，使刀架3向Z方向移动而检测基准球2的中心。根据以上的5个点的测定结果，按照与以往的5轴测定方法中所使用的运算相同的运算7b来计算基准球2的中心坐标(X0，Y0，Z0)，使用该中心坐标计算刀具轴31的绕B轴的旋转角。该第2测定程序4b的计测动作是在B轴的旋转角处于-90度～-45度和+45度～+90度的角度范围内时执行(参照图7)。
在图2和图4所示的流程图中，在执行测定程序4a、4b之前，能够执行避免接触式探头的柄杆12与基准球2干涉的测定平面移动动作。
如图2、4所示，在该测定平面移动动作中，在连结基准球2的中心O与接触式探头的前端球11的中心Q的直线相对于接触式探头的柄杆12垂直的位置处进行测定平面P上的4个点的测量，是为了防止在接触式探头的前端球11的半径r比基准球2的半径R小的情况下接触式探头的柄杆12与基准球2干涉而导致不能测定从而设置的。
在以往的5轴测定法中，将包含基准球2的被估计的中心的平面作为固定的基准测定平面P0进行计测，但当接触式探头的柄杆12的角度θ从与基准测定平面P0垂直的角度偏移时，有时在基准球2与接触式探头的前端球11接触之前基准球2与接触式探头的柄杆12接触，而不能进行接触式探头对基准球的检测。因此，在指示了干涉避免动作时，在判定步骤S2中分支，而执行测定平面移动步骤5，使测定平面P向测定轴A方向移动。
在B轴旋转角处于-44.9度～+44.9度的角度范围内的图2的第1测定平面移动步骤5a中，在从包含所估计的基准球的中心O在内的平面P0a起，X轴方向上向刀架3与基准球2分离的方向移动了(R+r)sinθ后的位置上设定测定平面Pa，在该移动后的测定平面Pa上进行第1测定程序4a的测定工序中的-Z、+Z、-Y和+Y的测定。
并且，在B轴旋转角处于-90度～-45度和+45度～+90度的角度范围内的图4的第2测定平面移动步骤5b中，在从包含所估计的基准球的中心O在内的平面P0b起，Z轴方向上向刀架3与基准球2分离的方向移动了(R+r)sinθ后的位置上设定测定平面Pb，在该移动后的测定平面Pb上进行第2测定程序4b的测定工序中的-X、+X、-Y和+Y的测定。
接着参照表示主程序6的工序的图7，对本发明的装置的B轴的机械误差的自动测定工序进行说明。图7的程序是将B轴指定成-90度而执行的。当执行工序时，在步骤S1中将B轴分度到被指定的角度，在判定步骤S中判定该角度范围是否处于从-45度到+45度的范围内。如果角度处于该范围内，则执行第1测定程序4a的工序，检测基准球2的中心坐标，从而计算该B轴角度下的机械误差。另一方面，如果角度范围处于-45度以下或者+45度以上，则执行第2测定程序4b的工序，求出基准球2的中心而计算该B轴角度下的B轴旋转的机械误差。
最初由于将B轴指定为-90度，因此执行第2测定程序的工序，在B轴的指令值上加上5度而进行下一角度的测定。这样重复进行如下的动作：每次从-90度加上5度时，根据角度范围来选择第1测定程序4a和第2测定程序4b的同时进行各个角度下的测定。由于机械误差的计测是在-90度～+90度的范围内进行，因此在加上5度而得到的指令值为+95度的时刻，计测动作结束为“是”，结束自动计测。
根据以上的说明可理解为，根据本发明，在检测基准球的接触式探头自身伴随着要想测量机械精度的刀架的旋转而旋转的情况下，也能够通过5轴测定法来在较宽的角度范围内准确地检测基准球的中心位置，在应用以往加工中心中所使用的方法来使接触式探头还随着要想测定像复合车床中的刀架绕B轴旋转的机械误差那样的机械误差的旋转动作而旋转的机床中，也能够高精度地计测该旋转角的机械误差。

Claims (6)

1.一种机床的机械精度的测定方法，通过5轴几何误差测定法中的设置在机床的规定位置上的基准球与绕旋转轴旋转且在3个方向的直线轴方向上移动的部件上安装的接触式探头的前端球的接触来求出所述基准球的中心坐标并以该中心坐标为基准来测定机械精度，其中，所述机床具有彼此正交的3个方向的直线轴和以该直线轴中的任意直线轴为旋转中心轴的旋转轴的控制轴，
并且，通过移动的所述部件在所述3个方向中的任意一个方向的直线轴方向上的移动来进行用于使所述基准球与所述前端球多次接触的移动动作中的各个移动动作，其特征在于，
在检测所述基准球的接触式探头的倾斜角达到预先规定的倾斜角时，将5轴几何误差测定法中的测定平面和测定轴的方向从所述3个方向中的一方切换为另一方。
2.根据权利要求1所述的机械精度的测定方法，其特征在于，
将所述测定平面设为从被估计为基准球的中心所在的平面起沿测定轴方向移动了(R+r)sinθ后的平面而进行5轴几何误差测定，其中，R为所述基准球的半径，r为所述接触式探头的前端球的半径，θ为刀架的旋转角。
3.一种机床的机械精度的测定装置，其利用安装在刀架上的接触式探头来检测设置在规定位置上的基准球，由此计测该刀架的旋转角的精度，该刀架能够在彼此正交的3个方向的直线轴方向上移动且能够绕以该直线轴中的任意直线轴为旋转中心轴的旋转轴旋转，其中，该机床的机械精度的测定装置具有：
第1测定单元，其在接近刀架的旋转原点角的角度范围内通过所述刀架在所述3个方向中的任一方向的直线轴方向的移动来使所述基准球与所述接触式探头的前端球接触，通过5轴几何误差测定法来检测所述基准球的中心位置；第2测定单元，其将包含与第1测定单元所使用的第1测定平面垂直的第1测定轴和第1测定平面的一个轴在内的平面设为第2测定平面，将与该第2测定平面垂直的轴设为第2测定轴，通过所述刀架在所述3个方向中的任一方向的直线轴方向上的移动来使所述基准球与所述接触式探头的前端球接触，通过5轴几何误差测定法来检测所述基准球的中心位置；以及切换单元，其在所述刀架的旋转角的预定角度位置处切换第1测定单元和第2测定单元。
4.根据权利要求3所述的机械精度的测定装置，其中，
该机械精度的测定装置具有使所述测定平面沿测定轴方向移动到如下位置的测定平面移动单元，其中在该位置处，所述接触式探头的前端球与基准球抵接之前该接触式探头的柄杆不与基准球抵接。
5.根据权利要求3所述的机械精度的测定装置，其中，
该机械精度的测定装置具有如下的测定平面移动单元：该测定平面移动单元使所述测定平面成为从被估计为基准球的中心所在的平面起沿测定轴方向移动了(R+r)sinθ后的平面，其中，R为所述基准球的半径，r为所述接触式探头的前端球的半径，θ为所述刀架的旋转角。
6.根据权利要求3～5中的任意一项所述的机械精度的测定装置，其中，
所述刀架是具有能够进行B轴旋转的刀架的车床中的该能够进行B轴旋转的刀架。
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