CN112775717B - 机床的误差校正方法以及机床 - Google Patents

机床的误差校正方法以及机床 Download PDF

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Abstract

提供机床的误差校正方法以及机床，即使是不熟练的操作人员也能够容易地实施，并且能够降低由测量偏差导致的校正控制时的运动误差。执行如下步骤：基准器条件输出步骤，将至少1个基准器条件输出到输出单元；基准器设置步骤，根据基准器条件将基准器设置于工作台；基准器测量步骤，检测基准器条件下的多个目标的位置，取得与目标的位置相关的测量值；误差值计算步骤，使用得到的测量值和与目标的位置相关的校正值来计算误差值；以及校正参数计算步骤，对测量值与误差值的关系进行曲线近似以及直线近似，在平移轴行程的一部分的范围内根据近似曲线来计算平移轴的定位误差的校正参数，在其他范围内根据近似直线来计算定位误差的校正参数。

Description

机床的误差校正方法以及机床
技术领域
本发明涉及对机床产生的运动误差进行校正的方法和能够执行该方法的机床。
背景技术
图1是具有3个平移轴的机床(加工中心)的示意图。
主轴箱2能够通过作为平移轴且互相垂直的X轴·Z轴来进行2个平移自由度的运动，工作台3能够通过作为平移轴且与X·Z轴垂直的Y轴进行1个平移自由度的运动。因此，主轴箱2相对于工作台3具有3个平移自由度。各轴由被数值控制装置控制的伺服电动机驱动，将被加工物固定于工作台3，在主轴箱2的主轴2a上安装刀具而使刀具旋转，从而将被加工物加工成任意的形状。
作为这样的机床的运动误差，有定位误差、直线度等。这些运动误差被转印到被加工物的形状上，成为被加工物的形状·尺寸误差的主要原因。与此相对，通过将定位误差、直线度作为参数来进行校正控制，能够实现高精度的加工。例如，在专利文献1中公开了如下方法：使用接触探头来测量主块的基准直线部，根据测量结果和预先输入的主工件形状数据的偏差，计算针对直线插补进给的误差的校正参数，根据计算出的校正参数来进行校正控制。
专利文献1：日本特开平6-138921号公报
在专利文献1那样的接触探头的测量结果中，包含由测量偏差引起的误差，当将测量结果直接作为校正量时，该测量偏差成为运动误差。
此外，在代替主块而使用作为精度基准的基准器对平移轴的误差进行测量的情况下，需要作业者自身考虑如何设置哪个基准器，对于不熟练的操作人员来说是困难的作业。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供即使是不熟练的操作人员也能够容易地实施、能够降低由测量偏差导致的校正控制时的运动误差的机床的误差校正方法以及机床。
为了达成上述目的，技术方案1的发明是机床的误差校正方法，在机床中，根据校正参数对平移轴的运动误差进行校正，该机床具有2轴以上的所述平移轴、能够保持工件的工作台以及能够保持刀具的主轴，保持于所述主轴的刀具能够通过所述平移轴而相对于工件进行2个平移自由度以上的相对运动，并且该机床具有输出单元，其特征在于，
该机床的误差校正方法执行如下步骤：
基准器条件输出步骤，将多个基准器条件中的至少1个所述基准器条件输出到所述输出单元，该多个基准器条件包括具有多个目标的基准器的种类、所述基准器的设置方向以及所述基准器的设置位置；
基准器设置步骤，根据所输出的所述基准器条件将所述基准器设置于所述工作台；
基准器测量步骤，使用安装于所述主轴的传感器来检测所述基准器条件下的所述多个目标的位置，从而取得与所述目标的位置相关的测量值；
误差值计算步骤，使用在所述基准器条件下得到的所述测量值和与所述目标的位置相关的校正值来计算误差值；以及
校正参数计算步骤，对所述测量值与所述误差值的关系进行曲线近似以及直线近似，在所述平移轴行程的一部分的范围内根据近似曲线来计算所述平移轴的定位误差的所述校正参数，在所述平移轴行程的其他范围内根据近似直线来计算所述定位误差的所述校正参数。
技术方案2的发明的特征在于，在上述结构中，在所述校正参数计算步骤中，对在所述基准器条件下得到的所述误差值和所述测量值求出1个所述近似曲线或所述近似直线。
技术方案3的发明的特征在于，在上述结构中，在所述校正参数计算步骤中，计算所述定位误差的所述校正参数时，
在多个所述基准器条件中的2个组合中，在所述设置位置处于负侧的第1基准器条件下，对一部分的所述误差值与所述测量值的关系进行直线近似，
在所述设置位置处于正侧的第2基准器条件下，对一部分的所述误差值与所述测量值的关系进行直线近似，
以使所述第1基准器条件的近似直线和所述第2基准器条件的近似直线在所述第1基准器条件的所述设置方向的正端的所述测量值与所述第2基准器条件的负端的所述测量值的中间点处具有交点的方式，使所述误差值偏移。
技术方案4的发明的特征在于，在上述结构中，在所述校正参数计算步骤中，进一步计算与所述平移轴的直线度相关的校正参数，
在所述直线度的校正参数的计算中，在多个所述基准器条件的所述测量值重复的范围内，以使在各个所述基准器条件下对所述误差值与所述测量值的关系进行近似而得的直线一致的方式对所述误差值进行修正。
技术方案5的发明的特征在于，在上述结构中，在所述校正参数计算步骤中，将所述近似曲线设为多次式，
在所述误差值的数量与所述多次式的次数之差小于规定的阈值的情况下，减少所述次数。
技术方案6的发明的特征在于，在上述结构中，在所述校正参数计算步骤中，计算出的所述校正参数的绝对值的最大值超过规定的验证用阈值的情况下，通过所述输出单元来通知所述校正参数过大。
技术方案7的发明的特征在于，在上述结构中，在所述校正参数计算步骤中，计算出的所述校正参数的绝对值的最大值超过所述验证用阈值的情况下，以使所述校正参数的绝对值与所述验证用阈值相同的方式置换所述校正参数。
为了达成上述目的，技术方案8的发明是机床，该机床具有2轴以上的平移轴、能够保持工件的工作台以及能够保持刀具的主轴，保持于所述主轴的刀具能够通过所述平移轴而相对于工件进行2个平移自由度以上的相对运动，并且该机床具有输出单元，能够根据校正参数对所述平移轴的运动误差进行校正，其特征在于，
所述机床具有：
基准器条件输出单元，其将多个基准器条件中的至少1个所述基准器条件输出到所述输出单元，该多个基准器条件包括具有多个目标的基准器的种类、所述基准器的设置方向以及所述基准器的设置位置；
基准器测量单元，其在根据所输出的所述基准器条件将所述基准器设置于所述工作台的状态下，使用安装于所述主轴的传感器来检测所述基准器条件下的所述多个目标的位置，从而取得与所述目标的位置相关的测量值；
误差值计算单元，其使用在所述基准器条件下得到的所述测量值和与所述目标的位置相关的校正值来计算误差值；以及
校正参数计算单元，其对所述测量值与所述误差值的关系进行曲线近似和直线近似，在所述平移轴行程的一部分的范围内根据近似曲线来计算所述平移轴的定位误差的所述校正参数，在所述平移轴行程的其他范围内根据近似直线来计算所述定位误差的所述校正参数。
根据本发明，仅通过根据输出的基准器条件来设置基准器，即使是不熟练的操作人员也能够实施测量并设定校正参数。
并且，用曲线对测量结果进行近似，根据近似曲线来计算校正参数，因此，能够降低由测量偏差导致的校正控制时的运动误差。特别是，不仅在基准器的测量范围内通过基于近似曲线的校正参数来进行高精度的校正控制，在测量范围外也通过基于近似直线的校正参数来进行校正控制，因此，能够在平移轴行程的整个范围内降低运动误差。
附图说明
图1是具有X轴、Y轴、Z轴的平移轴的机床的示意图。
图2是数值控制的框图。
图3是示出数值控制装置的框图。
图4是本发明的误差校正方法的流程图。
图5是本发明的基准器条件的一例。
图6是接触探头和设置于工作台的基准器的示意图。
图7是基准器的一例。
图8是相同设置方向的基准器条件下的基准器的设置方法的例子。
图9是误差值的修正方法的流程图。
图10是多个基准器条件下的定位误差的误差值和测量值的例子。
图11是多个基准器条件下的定位误差的修正后的误差值和测量值的例子。
图12是多个基准器条件下的直线度的误差值和测量值的例子。
图13是多个基准器条件下的直线度的修正后的误差值和测量值的例子。
标号说明
1：床身；2：主轴箱；2a：主轴；3：工作台；31：接触探头；32：基准器；33：目标球。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。这里，作为机床，以图1的加工中心为例来进行说明。
首先，图2是加工中心的数值控制装置的数值控制的一例。当输入加工程序11时，在指令值生成单元12中生成各驱动轴的指令值。根据所生成的指令值，通过校正值运算单元16来运算各轴的校正值，将指令值与校正值的合计值发送到伺服指令值变换单元13而运算伺服指令值，将各轴的伺服指令值发送到各轴的伺服放大器14a～14c。各轴的伺服放大器14a～14c分别对伺服电动机15a～15c进行驱动，并对主轴2a相对于工作台3的相对位置进行控制。
作为校正值的基础的校正参数具有平移轴的位置及该位置的误差作为点群数据。各点间的校正值可以通过线性插补等进行插补来计算。
并且，如图3所示，数值控制装置21具有存储单元22，能够存储校正参数、基准器条件等。并且，具有进行测量对象的输入等的输入单元23、向操作人员传递信息的显示部等输出单元24。
进一步，数值控制装置21作为本发明的基准器条件输出单元、基准器测量单元、误差值计算单元、校正参数计算单元来发挥功能。
接着，基于图4的流程图对数值控制装置21执行的本发明的误差校正方法进行说明。
首先，操作人员通过输入单元23来输入测量对象。测量对象与至少1个基准器条件相关联。在基准器条件中，预先确定有基准器的种类、设置方向以及设置位置。将在S1中输入的基准器条件依次显示在输出单元24中(S2：基准器条件输出步骤)，根据所输出的基准器条件，操作人员将基准器设置在工作台3上(S3：基准器设置步骤)。这里，测量对象是X轴和Y轴的定位误差及直线度，以图5那样的基准器条件为例。
根据在S2中显示的基准器条件1，在S3中，如图6所示，在与X轴平行且X＝0的位置处设置基准器32。如图7所示，在本例的基准器32中安装有相对位置被校正的多个目标球33(P1～P10)。
接着，使用安装在主轴2a上的接触探头31来测量所设置的基准器32上的目标球33的位置(S4：基准器测量步骤)。通过测量目标球33，可得到与目标球Pi(i＝1～10)的位置相关的测量值Xi、Yi、Zi(i＝1～10)。
数值控制装置21的校正值运算单元16将目标球P1与Pi的相对位置设为XCi、YCi、ZCi，通过下述的式1来求出目标球Pi的测量值的误差值δxi、δyi、δzi(S5：误差值计算步骤)。
另外，由于以P1为基准，所以i＝1时的误差值δxi、δyi、δzi为0。
【式1】
δxi＝(Xi-X1)-XCi
δyi＝(Yi-Y1)-YCi
δzi＝(Zi-Z1)-ZCi
根据要显示的基准器条件，变更基准器32的种类、设置方向、设置位置而依次实施以上的S2～S5，由此，校正值运算单元16能够在各基准器条件j下得到误差值δxi,j、δyi,j、δzi,j和目标球33的位置的测量值Xi,j、Yi,j、Zi,j。
接着，校正值运算单元16对在全部基准器条件下得到的误差值中的如图8那样在设置方向都为X方向的基准器条件1、2下得到的误差值进行修正(S6)。基于图9的流程图对该误差值的修正方法进行说明。
首先，以图10那样的测量值和误差值的数据为例对S6-1～S6-3的定位误差(这里为X方向误差值)的修正方法进行说明。
首先，提取在修正误差值时参照的数据(S6-1)。这里，对基准器条件1(设置位置为负侧的第1基准器条件)的目标球33的位置的测量值X1，1～X10，1和基准器条件2(设置位置为正侧的第2基准器条件)的目标球33的位置的测量值X1，2～X10，2进行比较，将重复范围X7，1～X10，1(正端)、X1，2～X4，2(负端)设为参照数据。作为其他方法，也可以将各基准器条件的端部2个点即X9，1，X10，1和X1，2，X2，2设为参照数据。
用直线对所提取的参照数据进行近似，求出近似直线的斜率a1、a2和截距b1、b2(S6-2)。
使用所求出的斜率和截距，以使近似直线如图11那样在2个基准器条件1、2的测量值的中间点(X10，1+X1，2)/2处相交的方式，根据下述的式2使基准器条件2的误差值δxi，2(i＝1～10)偏移，从而得到修正后的误差值δxi，2’(S6-3)。
【式2】
δxi，2’＝δxi，2+(a1-a2)(X10，1+X1，2)/2+(b1-b2)
接着，以图12那样的测量值和误差值的数据为例对S6-4～S6-6的直线度(这里为Y，Z方向误差值)的修正方法进行说明。以Y方向误差值为例来进行说明，但Z方向误差值的修正方法也同样如此。
对基准器条件1的目标球33的位置的测量值X1，1～X10，1和基准器条件2的目标球33的位置的测量值X1，2～X10，2进行比较，得到重复范围X7，1～X10，1、X1，2～X4，2(S6-4)。
接着，对重复范围内的误差值δy7，1～δy10，1、δy1，2～δy4，2分别进行直线近似，求出直线的斜率a1、a2和截距b1、b2(S6-5)。
根据下述的式3对基准器条件2的误差值δyi，2(i＝1～10)进行修正以使求出的2个近似直线如图13那样一致，得到修正后的误差值δyi，2’(S6-6)。
【式3】
δyi，2’＝δyi，2+(a1-a2)Xi，2+(b1-b2)
然后，利用直线和曲线分别对在S6中修正的误差值进行近似(S7)。当将近似曲线设为m次的多项式时，能够使用测量值X如下述的式4那样对X方向误差值δX’进行近似。
【式4】
δx’＝cx0+cx1X+···+cxmXm
将在设置方向都为X方向的基准器条件1、2下得到的误差值和测量值代入到式4中，从而得到下述式5。
【式5】
通过对式5的多项式的系数cx0、cx1、cx2、··、cxm求解，求出近似曲线。此时，在次数m和误差值的总数N处于N-m＞α(阈值α为0以上的整数)的关系的情况下，修正为次数m＝N+α。
当将近似直线设为1次多项式时，对于1次多项式的系数dx0、dx1，通过在式5中设为m＝1而同样地求出。Y、Z方向误差值也用同样的方法近似。
对于在基准器条件3下得到的测量结果，由于设置方向为Y，所以代替测量值X而使用测量值Y来进行同样的计算。
根据这样求出的近似曲线和近似直线，校正值运算单元16计算校正参数(S8：校正参数计算步骤)。校正参数是作为与各轴的n点的指令值对应的点群数据而存在的。
首先，计算与X轴的定位误差(X方向误差)对应的校正参数。
将设置方向为X方向的基准器条件1、2的测量值的最小值设为Xmin，将最大值设为Xmax。在X轴的指令值Xk(k＝1～n)是Xmin≦Xk≦Xmax的情况下，X轴的定位误差的校正参数Exxk能够通过下述的式6来计算。
【式6】
Exxk＝cx0+cx1Xk+···+cxmXk m
另一方面，在X轴的指令值Xk处于测量范围外(Xk＜Xmin或Xk＞Xmax)的情况下，仅对轴整体的伸缩膨胀成分进行校正。因此，校正参数Exxk能够通过下述的式7来表示。
【式7】
在Xk＜Xmin的情况下Exxk＝dx1(Xk-Xmin)+Exxmin
在Xk＞Xmax的情况下Exxk＝dx1(Xk-Xmax)+Exxmax
其中，Exxmin＝cx0+cx1Xmin+···+cxmXmin m
Exxmax＝cx0+cx1Xmax+···+cxmXmax m
接着，计算与X轴的直线度(Y、Z方向误差)对应的校正参数。指令值Xk为Xmin≦Xk≦Xmax时的直线度的校正参数Eyxk、Ezxk是通过使用近似直线将基准器32的设置斜率的影响去除而如下述的式8那样求出的。
【式8】
Eyxk＝cy0+cy1Xk+···+cymXk m-(dy0+dy1Xk)
Ezxk＝cz0+cz1Xk+···+czmXk m-(dz0+dz1Xk)
另一方面，在X轴的指令值Xk处于测量范围外(Xk＜Xmin或Xk＞Xmax)的情况下，能够用X轴的指令值为Xmin或Xmax时的校正参数来代替。
在计算校正参数之后，判定校正参数的绝对值是否超过验证用阈值Ethr(S9)。这里，以校正参数Exxk为例来进行说明。
在校正参数Exxk(k＝1～n)的绝对值超过验证用阈值的情况下，将警告消息输出到输出单元24(S10)，在校正参数Exxk＞0的情况下置换为Exxk＝Ethr，在Exxk＜0的情况下置换为Exxk＝-Ethr(S11)。Eyxk、Ezxk也同样如此。
对于其他轴，本质上也与X轴相同，通过与X轴同样的方法进行校正参数的计算和通过验证用阈值的判定。
这样，在上述方式的加工中心中，作为误差校正方法，执行如下步骤：基准器条件输出步骤，将基准器条件输出到输出单元24；基准器设置步骤，根据所输出的基准器条件将基准器32设置于工作台3；基准器测量步骤，使用安装于主轴2a的接触探头31(传感器)来检测基准器条件下的多个目标球33(目标)的位置，从而取得与目标球33的位置相关的测量值；误差值计算步骤，使用在基准器条件中得到的测量值和目标球P1与Pi的相对位置(与目标的位置相关的校正值)来计算误差值；以及校正参数计算步骤，对测量值与误差值的关系进行曲线近似和直线近似，在指令值处于测量范围内的情况(平移轴行程的一部分的范围)下根据近似曲线来计算平移轴的定位误差的校正参数，在指令值处于测量范围外(平移轴行程的其他范围)的情况下根据近似直线来计算定位误差的校正参数。
根据该结构，仅通过根据输出到输出单元24的基准器条件来设置基准器32，即使是不熟练的操作人员也能够实施测量而设定校正参数。
并且，用曲线对测量结果进行近似，根据近似曲线来计算校正参数，因此，能够降低由测量偏差导致的校正控制时的运动误差。特别是，不仅在基准器32的测量范围内通过基于近似曲线的校正参数来进行高精度的校正控制，在测量范围外也通过基于近似直线的校正参数来进行校正控制，从而能够在平移轴行程的整个区域内降低运动误差。
另外，在上述方式中，在S6中进行误差值的修正，但也可以省略该步骤。
并且，在S8的校正参数计算步骤中，也可以省略由直线度的校正参数的计算进行的误差值的修正。
另外，基准器的方式、目标球的方式、数量也不限于上述方式，能够适当变更。机床也不限于加工中心。

Claims (8)

1.一种机床的误差校正方法，在机床中，根据校正参数对平移轴的运动误差进行校正，所述机床具有2轴以上的所述平移轴、能够保持工件的工作台以及能够保持刀具的主轴，保持于所述主轴的刀具能够通过所述平移轴而相对于工件进行2个平移自由度以上的相对运动，并且该机床具有向操作人员传递信息的输出单元，其特征在于，
所述机床的误差校正方法执行如下步骤：
基准器条件输出步骤，将多个基准器条件中的至少1个所述基准器条件输出到所述输出单元，该多个基准器条件包括具有多个目标的基准器的种类、所述基准器的设置方向以及所述基准器的设置位置；
基准器设置步骤，根据所输出的所述基准器条件将所述基准器设置于所述工作台；
基准器测量步骤，使用安装于所述主轴的传感器来检测所述基准器条件下的所述多个目标的位置，从而取得与所述目标的位置相关的测量值；
误差值计算步骤，使用在所述基准器条件下得到的所述测量值和与所述目标的位置相关的校正值来计算误差值；以及
校正参数计算步骤，对所述测量值与所述误差值的关系进行曲线近似以及直线近似，在通过所述基准器测量步骤对所述基准器测量时的所述平移轴的指令值的范围内根据近似曲线来计算所述平移轴的定位误差的所述校正参数，在通过所述基准器测量步骤对所述基准器测量时的所述平移轴的指令值的范围外根据近似直线来计算所述定位误差的所述校正参数。
2.根据权利要求1所述的机床的误差校正方法，其特征在于，
在所述校正参数计算步骤中，针对在所述基准器条件下得到的所述误差值和所述测量值求出1个所述近似曲线或所述近似直线。
3.根据权利要求1所述的机床的误差校正方法，其特征在于，
在所述校正参数计算步骤中，计算所述定位误差的所述校正参数时，
在多个所述基准器条件中的2个组合中，在所述设置位置处于所述平移轴的负侧的第1基准器条件下，对一部分的所述误差值与所述测量值的关系进行直线近似，
在所述设置位置处于所述平移轴的正侧的第2基准器条件下，对一部分的所述误差值与所述测量值的关系进行直线近似，
以使所述第1基准器条件的近似直线和所述第2基准器条件的近似直线在所述第1基准器条件的所述设置方向的靠所述正侧的正端的所述测量值与所述第2基准器条件的靠所述负侧的负端的所述测量值的中间点处具有交点的方式使所述误差值偏移。
4.根据权利要求1所述的机床的误差校正方法，其特征在于，
在所述校正参数计算步骤中，进一步计算与所述平移轴的直线度相关的校正参数，
在所述直线度的校正参数的计算中，在多个所述基准器条件的所述测量值重复的范围内，以使在各个所述基准器条件下对所述误差值与所述测量值的关系进行近似而得的直线一致的方式对所述误差值进行修正。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的机床的误差校正方法，其特征在于，
在所述校正参数计算步骤中，将所述近似曲线设为多次式，
在所述误差值的数量与所述多次式的次数之差小于规定的阈值的情况下，减少所述次数。
6.根据权利要求1所述的机床的误差校正方法，其特征在于，
在所述校正参数计算步骤中，计算出的所述校正参数的绝对值的最大值超过规定的验证用阈值的情况下，通过所述输出单元来通知所述校正参数过大。
7.根据权利要求6所述的机床的误差校正方法，其特征在于，
在所述校正参数计算步骤中，计算出的所述校正参数的绝对值的最大值超过所述验证用阈值的情况下，以使所述校正参数的绝对值与所述验证用阈值相同的方式置换所述校正参数。
8.一种机床，该机床具有2轴以上的平移轴、能够保持工件的工作台以及能够保持刀具的主轴，保持于所述主轴的刀具能够通过所述平移轴而相对于工件进行2个平移自由度以上的相对运动，并且该机床具有向操作人员传递信息的输出单元，能够根据校正参数对所述平移轴的运动误差进行校正，其特征在于，
该机床具有：
基准器条件输出单元，其将多个基准器条件中的至少1个所述基准器条件输出到所述输出单元，该多个基准器条件包括具有多个目标的基准器的种类、所述基准器的设置方向以及所述基准器的设置位置；
基准器测量单元，其在根据所输出的所述基准器条件将所述基准器设置于所述工作台的状态下，使用安装于所述主轴的传感器来检测所述基准器条件下的所述多个目标的位置，从而取得与所述目标的位置相关的测量值；
误差值计算单元，其使用在所述基准器条件下得到的所述测量值和与所述目标的位置相关的校正值来计算误差值；以及
校正参数计算单元，其对所述测量值与所述误差值的关系进行曲线近似以及直线近似，在由所述基准器测量单元对所述基准器测量时的所述平移轴的指令值的范围内根据近似曲线来计算所述平移轴的定位误差的所述校正参数，在由所述基准器测量单元对所述基准器测量时的所述平移轴的指令值的范围外根据近似直线来计算所述定位误差的所述校正参数。
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