CN110268345B - 运动评价方法、评价装置以及使用了该评价方法的参数调节方法、工件的加工方法以及机床 - Google Patents

运动评价方法、评价装置以及使用了该评价方法的参数调节方法、工件的加工方法以及机床 Download PDF

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Abstract

本发明的运动评价方法通过圆运动试验而评价数值控制机床的运动特性，根据圆运动轨迹计算轨迹的法线方向变化率，并通过极坐标表示轨迹的法线方向变化率，来评价数值控制机床的运动特性。

Description

运动评价方法、评价装置以及使用了该评价方法的参数调节 方法、工件的加工方法以及机床
技术领域
本发明例如涉及根据人的视觉特性评价机床的运动特性的运动评价方法、评价装置以及使用了该评价方法的参数调节方法、工件的加工方法以及机床。
背景技术
如果通过数值控制机床进行加工，则有时在加工面上出现不希望的条纹状加工痕迹，在进给轴的运动方向反转时产生的象限突起、台阶差上的轨迹误差是其原因之一。通过适当地设定控制装置具有的控制装置的参数，能够降低象限突起、台阶差上的轨迹误差。在专利文献1中，表示了以下的方法，即根据圆运动轨迹的测定结果，调节数值控制装置的参数。另外，在非专利文献1中，记载了进行圆运动试验，调节参数使得其轨迹误差变小。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-80616号公报
非专利文献
非专利文献1：JIS B6190-4，机床试验方法通则-第四部：基于数值控制的圆运动试验
发明内容
本发明的目的在于：提供根据人的视觉特性评价数值控制机床的运动特性的运动评价方法和评价装置，并且提供能够根据这样的评价调节参数的工件的加工法和机床。
为了实现上述目的，根据本发明，提供一种运动评价方法，其在通过圆运动试验而评价数值控制机床的运动特性的运动评价方法中，根据圆运动轨迹计算轨迹的法线方向变化率，并通过极坐标表示上述轨迹的法线方向变化率。
另外，根据本发明，提供一种运动评价装置，其在通过圆运动试验而评价数值控制机床的运动特性的运动评价装置中，具备：法线方向变化率计算部，其根据使机床的主轴进行圆运动时的运动轨迹数据，计算法线方向变化率；可识别极限数据存储部，其存储了上述法线方向变化率与人能够在视觉上识别形状的变化的极限的法线方向变化率关联的数据；极坐标变换部，其将上述法线方向变化率计算部计算出的法线方向变化率变换为极坐标数据；显示部，其通过极坐标同时显示变换为极坐标数据的法线方向变化率和上述可识别极限数据存储部的可识别极限。
进而，根据本发明，提供一种工件的加工方法，其在工件的加工方法中，使主轴在规定的平面内沿着规定的圆周进给，根据该主轴的圆运动轨迹计算轨迹的法线方向变化率，通过极坐标显示上述轨迹的法线方向变化率，变更机床的控制参数使得轨迹的法线方向变化率的最大值成为预先确定的值以下。
进而，提供一种机床，其在具备至少垂直的3个轴的进给装置并使安装在主轴的工具和工件进行相对移动而加工该工件的机床中，具备：法线方向变化率计算部，其根据使机床的主轴进行圆运动时的运动轨迹数据，计算法线方向变化率；可识别极限数据存储部，其存储了上述法线方向变化率与人能够在视觉上识别形状的变化的极限的法线方向变化率关联的数据；极坐标变换部，其将上述法线方向变化率计算部计算出的法线方向变化率变换为极坐标数据；显示部，其通过极坐标同时显示变换为极坐标数据的法线方向变化率和上述可识别极限数据存储部的可识别极限；参数变更部，其变更机床的控制参数，使得轨迹的法线方向变化率的最大值成为预先确定的值以下。
根据本发明，能够提供基于人的视觉特性的物体表面的评价方法、评价装置、以及利用了该评价方法的工件的加工方法、以及机床。另外，根据本发明，能够容易地判断人是否能够识别加工面的条纹状的加工痕迹，其效益显著。
附图说明
图1是本发明的理想的实施方式的机床的运动评价装置的框图。
图2是示例圆运动轨迹的概要图。
图3是表示90°附近的圆筒加工面的图。
图4是求出法线方向变化率的方法的说明图。
图5是根据坐标信息求出法线方向的角度的方法的说明图。
图6是说明基于法线方向变化率的机床的运动评价方法的说明图。
图7是表示本发明的运动评价装置的应用例子的框图。
图8是表示本发明的运动评价装置的其他应用例子的框图。
图9是表示根据本发明的参数调节方法调节机床的控制参数的结果的图。
图10是表示根据本发明调节机床的控制参数的情况下的90°附近的圆筒加工面的图。
附图标记说明
10：参数调节装置；12：圆运动轨迹数据取得部；14：法线方向变化率计算部；16：可识别界限数据存储部；18：极坐标变换部；20：轨迹分析部；22：显示部；24：运动评价装置；26：参数变更部；28：输入装置；40：设定点；42：设定点；44：设定点；50：机床；52：驱动机构；54：NC装置；60：加工机；62：底座；64：工作台；66：主轴；68：主轴头；80：测定器。
具体实施方式
在使用具备至少垂直的3个轴的进给装置并使安装在主轴的工具和工件进行相对移动而加工该工件的机床中，在如圆筒面、圆周槽那样进给轴的运动方向反转时，产生象限突起、台阶差状的加工痕迹。非专利文献1规定了伴随着这样的进给轴的反转的数值控制的圆运动试验。通过放大地显示圆运动轨迹的半径方向误差，来评价圆运动试验结果。在图2中表示圆运动轨迹的测定结果的例子。
在图2(a)中，表示出在各轴的进给轴反转的象限切换时，产生约5微米的台阶差状的轨迹误差。在图2(b)中，表示出在各进给轴反转的象限切换时，产生约50微米的突起状的轨迹误差(象限突起)。以前，调节参数使得轨迹误差尽量小。即，图2(a)的轨迹比图2(b)的轨迹更理想。
这些轨迹误差在加工面上成为条纹状的加工痕迹而出现。在图3 中表示在与测定图2的运动轨迹相同的条件下，通过方端铣刀外周刃进行圆筒加工，并摄影产生轨迹误差的90°附近的加工面的结果。如果参照图3，则在轨迹误差小的图3(a)中，出现了明显的条纹状的加工痕迹，与此相对，在图3(b)中无法观察到加工痕迹。由此，从加工面的外观的观点出发，图2(b)的轨迹比图2(a)的轨迹更理想，在现有的评价方法和调整方法中，在其评价结果中没有考虑到加工面的外观，即使调整参数，也不一定能够降低外观上的缺陷。
以下，参照附图，说明解决这样的问题的本发明的理想的实施方式。
如果参照图1，则作为本发明的物体表面的评价装置的参数调节装置10具备运动评价装置24、参数变更部26。作为主要构成要素，运动评价装置24具备包括圆运动轨迹数据取得部12、法线方向变化率计算部14、可识别极限数据存储部16、以及极坐标变换部18的轨迹分析部20、显示部22。轨迹分析部20可以由CPU、RAM、ROM、硬盘、SSD、连接它们的双向总线、以及关联的程序构成。显示部22 可以由液晶屏、触摸屏构成。
圆运动轨迹数据取得部12如后述那样，从机床50的NC装置接受使机床50的主轴在平面内进行圆运动时的圆运动轨迹数据或进给轴的坐标值。或者，圆运动数据也可以使用对工件进行圆筒加工并用正圆度测定器等测定其形状所得的结果。
另外，参数变更部26依照操作者通过输入装置28输入的指令，针对机床50变更控制参数。输入装置26例如可以为键盘、鼠标或构成显示部22的触摸屏。
一般，人在物体表面的法线方向变化率大的部分中，能够在视觉上识别形状的变化，在法线方向变化率小的部分中，无法在视觉上识别形状的变化。在可识别极限数据存储部16中，存储有人能够在视觉上识别形状的变化的法线方向变化率的极限。准备具有不同的多个已知的法线方向变化率的多个试验片，由多个观察者判定是否能够在视觉上识别形状的变化，并对这时的法线方向变化率进行平均，由此能够得到该人能够在视觉上识别形状的变化的法线方向变化率的极限。
法线方向变化率计算部14根据来自圆运动轨迹数据取得部12 的圆运动轨迹数据，计算机床50的圆运动轨迹的法线方向变化率。参照图4、5说明法线方向变化率。在来自圆运动轨迹数据取得部12 的圆运动轨迹数据中包含有二维的坐标值。在图4所示的例子中，是用与Z轴垂直的平面(XY平面)切断圆筒形状的工件W所得的部分截面图。可以在工件W的表面，以预先确定的每个间隔设定法线向量。在XY平面中，以规定的间隔切断工件W。通过在各个切断面中以每个规定的间隔设定法线向量，能够进行工件W的表面全体的评价。
在工件W的加工面上，以预先确定的每个间隔设定设定点40。接着，在设定点40处，设定与表面的倾斜垂直的法线向量ni。法线向量ni是第i个设定点40的法线向量。可以针对法线向量ni，设定法线方向的角度θi。在此，将相对于Y轴的角度设定为法线方向的角度θi。
在图5中，第i个设定点42和第(i+1)个设定点44的坐标值是已知的。能够根据这2个设定点42、44的坐标值，设定向量ai。向量ai是从设定点42朝向设定点44的向量。另外，能够将与向量ai垂直的向量设定为法线向量ni。能够根据下式(1)计算出这时的法线方向的角度θi。这样，能够针对加工面的第i个设定点，计算出法线方向的角度θi。
[公式1]
Figure BDA0002160902810000061
θi：第i个设定点处的法线方向的角度
法线方向变化率计算部14计算设定点40处的法线方向变化率。法线方向变化率是相互相邻的设定点的法线方向的角度的变化率。例如，法线方向的角度θi和法线方向的角度θi+1的变化率。能够根据下式(2)计算出法线方向变化率。下式(2)表示出设计形状的第i个设定点40处的法线方向变化率。也能够根据同样的方法计算出评价对象形状的法线方向变化率。此外，即使设为加工面的切线方向的变化率而求出法线方向的变化率，也为相同的结果，这在几何学上明确的。
[公式2]
Figure BDA0002160902810000062
Figure BDA0002160902810000063
法线方向变化率
极坐标变换部18将这样得到的法线方向变化率变换为极坐标，并与存储在可识别界限数据存储部16中的法线方向变化率的可识别的极限值一起向显示部22发送。在图6中表示显示到显示部22的法线方向变化率计算部14的计算结果。
在图6中，用虚线表示法线方向变化率的识别极限值。另外，图 6(a)、6(b)与图2(a)、2(b)、图3(a)、3(b)对应。此外，轨迹的法线方向变化率为从轨迹的几何学法线方向变化率只抽出人能够在视觉上识别的空间频率分量所得的结果。人能够在视觉上识别的空间频率分量的范围既可以根据眼科诊疗的对比灵敏度曲线来确定，也可以使用另外准备的评价用形状来确定。
另外，在图中还用虚线表示出另外评价的人的法线方向变化率识别极限。如果比较图6(a)和图6(b)，则6(a)产生了更大的法线方向变化率，对应于即使图2(a)的圆运动轨迹的误差比图2(b) 的圆运动轨迹小，即加工精度高，也如图3(a)所示那样产生明显的加工痕迹。这样，根据运动评价装置24，在加工之前，使机床50进行圆运动，取得其轨迹数据，由此能够根据本发明的运动评价方法，进行与加工面的外观对应的运动评价。
另外，机床50的操作者参照显示在显示部22的法线方向变化率，在有识别极限以上的法线方向变化率的情况下，通过输入装置28和参数变更部26，修正机床50的控制参数，直到法线方向变化率成为识别极限以下为止重复它。成为调节对象的控制参数包括位置闭环增益、速度闭环增益、速度闭环积分增益或时间常数、摩擦补偿参数、间隙修正参数。
接着，参照图7说明本发明的参数调节装置10的应用例子。在图7 所示的例子中，由机床50的NC装置构成圆运动轨迹数据取得部12。在图7的机床50中，参数调节装置10与加工机60组合。作为主要构成要素，加工机60具备固定在工厂的底面上的作为基座的底座62、安装在该底座62的上面并将工件W固定到上面的工作台 64、能够以铅垂的旋转轴线O为中心旋转地支持将与固定在底座62 的工件W面对的工具T安装到前端部的主轴66的主轴头68、相对于底座62在X轴、Y轴、Z轴的垂直三轴方向上往返地驱动主轴头68 的驱动机构52、控制驱动机构52的伺服电动机的NC装置54。
作为一个例子，驱动机构52具备X轴、Y轴、Z轴滚珠丝杆(未图示)、与该滚珠丝杆咬合的螺母(未图示)、以及与X轴、Y轴、 Z轴滚珠丝杆各自的一端部联结而对X轴、Y轴、Z轴滚珠丝杆进行旋转驱动的由伺服电动机构成的X轴、Y轴、Z轴驱动电动机Mx、 My、Mz。另外，机床50除了具备X轴、Y轴、Z轴的垂直三轴的线性进给轴以外，也可以具备以水平方向的X轴为中心的作为旋转进给轴的A轴、以铅垂方向的Z轴为中心的作为旋转进给轴的C轴那样的一或多个旋转进给轴。在该情况下，驱动机构52除了具备X轴、 Y轴、Z轴驱动电动机Mx、My、Mz以外，还具备A轴、C轴这样的旋转进给轴用的伺服电动机。
在加工机60中设置有检测X轴、Y轴、Z轴的各进给轴的位置的数字标尺(未图示)，向NC装置54反馈各进给轴的位置。运动评价装置24的圆运动轨迹数据取得部12从NC装置54接受使加工机60的主轴66在XY平面内进行圆运动时的轨迹数据。
接着，参照图8说明本发明的参数调节装置10的其他应用例子。在图8所示的例子中，机床50具备球杆法、交叉网格标尺那样的测定器80。在图8的例子中，圆运动轨迹数据取得部12也从NC装置 54接受使加工机60的主轴66在XY平面内进行圆运动时的轨迹数据。
在图7、8的结构中，参数调节装置10能够作为加工机60的机械控制装置(未图示)、或NC装置54内的控制程序的一部分来实现。在该情况下，显示部22和输入装置26能够由设置在加工机60 的控制盘(未图示)中的触摸屏(未图示)构成。
在图9中表示应用了本发明的调节方法的例子。图9(a)是现有技术的圆运动轨迹的显示结果，图9(b)是本发明的显示结果。如图9(b)所示，根据本发明，轨迹的法线方向变化率为用虚线所示的人的识别极限以下。轨迹的法线方向变化率为从轨迹的几何学法线方向变化率只抽出人能够在视觉上识别的空间频率分量所得的结果。
在图10中表示在与测定图9的运动轨迹相同的条件下，通过方端铣刀外周刃进行圆筒加工，并摄影产生轨迹误差的90°附近的加工面的结果。根据图10，可知在加工面上没有产生可识别的条纹状的加工痕迹，如果使用本发明的参数调节方法，能够得到没有外观上的缺陷的加工面。
另外，在上述的实施方式中，说明了根据圆运动轨迹计算法线方向变化率的例子，但本发明并不限于此，例如包括轨迹的切线方向的变化率、轨迹自身的微分值等与法线方向变化率等价的形式。

Claims (4)

1.一种运动评价装置，评价至少具有垂直三轴的线性进给轴的数值控制机床的圆运动特性，该运动评价装置的特征在于包括：
圆运动轨迹数据取得部，该圆运动轨迹数据取得部取得：利用上述垂直三轴的线性进给轴中的两个线性进给轴使上述数值控制机床的主轴在平面内进行圆运动时的、由上述两个线性进给轴的坐标值构成的圆运动轨迹数据；
法线方向变化率计算部，根据上述圆运动轨迹数据的二维坐标值，计算以预先确定的每个间隔设定的设定点处的上述主轴的圆运动轨迹的法线方向变化率，抽出人能够在视觉上识别的空间频率分量下的上述主轴的圆运动轨迹的法线方向变化率；
可识别极限数据存储部，存储了与人能够在视觉上识别形状的变化的极限的法线方向变化率关联的数据；
极坐标变换部，将上述法线方向变化率计算部抽出的上述设定点处的上述主轴的圆运动轨迹的法线方向变化率变换为极坐标数据；以及
显示部，将变换为极坐标数据的法线方向变化率和上述可识别极限数据存储部的可识别极限一起进行极坐标显示。
2.一种参数调节方法，评价至少具有垂直三轴的线性进给轴的数值控制机床的圆运动特性并调节数值控制装置的控制参数，其特征在于：
利用上述垂直三轴的线性进给轴中的两个线性进给轴使上述数值控制机床的主轴在规定的平面内沿着规定的圆周进给，
取得由上述两个线性进给轴的坐标值构成的该主轴的圆运动轨迹数据，
根据上述圆运动轨迹数据的二维坐标值，计算以预先确定的每个间隔设定的设定点处的上述主轴的圆运动轨迹的法线方向变化率，
抽出上述计算出的法线方向变化率中的人能够在视觉上识别的空间频率分量下的上述主轴的圆运动轨迹的法线方向变化率，
在上述数值控制机床的显示部上将上述抽出的设定点处的上述主轴的圆运动轨迹的法线方向变化率进行极坐标显示，
调节上述数值控制机床的控制参数使得轨迹的法线方向变化率的最大值成为预先确定的值以下。
3.一种利用至少具有垂直三轴的线性进给轴的数值控制机床加工工件的工件加工方法，其特征在于：
利用上述垂直三轴的线性进给轴中的两个线性进给轴使上述数值控制机床的主轴在规定的平面内沿着规定的圆周进给，
取得由上述两个线性进给轴的坐标值构成的该主轴的圆运动轨迹数据，
根据上述圆运动轨迹数据的二维坐标值，计算以预先确定的每个间隔设定的设定点处的上述主轴的圆运动轨迹的法线方向变化率，
抽出上述计算出的法线方向变化率中的人能够在视觉上识别的空间频率分量下的上述主轴的圆运动轨迹的法线方向变化率，
在上述数值控制机床的显示部上将上述抽出的设定点处的上述主轴的圆运动轨迹的法线方向变化率进行极坐标显示，
变更上述数值控制机床的控制参数使得轨迹的法线方向变化率的最大值成为预先确定的值以下。
4.一种数值控制机床，至少具有垂直三轴的线性进给轴，并使安装在主轴的工具和工件进行相对移动而加工该工件，该数值控制机床的特征在于包括：
圆运动轨迹数据取得部，该圆运动轨迹数据取得部取得：利用上述垂直三轴的线性进给轴中的两个线性进给轴使上述数值控制机床的主轴在平面内进行圆运动时的、由上述两个线性进给轴的坐标值构成的圆运动轨迹数据；
法线方向变化率计算部，根据上述圆运动轨迹数据的二维坐标值，计算以预先确定的每个间隔设定的设定点处的上述主轴的圆运动轨迹的法线方向变化率，抽出人能够在视觉上识别的空间频率分量下的上述主轴的圆运动轨迹的法线方向变化率；
可识别极限数据存储部，存储了与人能够在视觉上识别形状的变化的极限的法线方向变化率关联的数据；
极坐标变换部，将上述法线方向变化率计算部抽出的上述设定点处的上述主轴的圆运动轨迹的法线方向变化率变换为极坐标数据；
显示部，将变换为极坐标数据的法线方向变化率和上述可识别极限数据存储部的可识别极限一起进行极坐标显示；以及
参数变更部，变更上述数值控制机床的控制参数使得轨迹的法线方向变化率的最大值成为预先确定的值以下。
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