DE102010038783A1

DE102010038783A1 - Verfahren und Programm zum Erkennen von mechanischen Fehlern

Info

Publication number: DE102010038783A1
Application number: DE102010038783A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Matsushita
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2011-02-24
Also published as: ITMI20101452A1; IT1400758B1; CN101992407A; CN101992407B; US20110040523A1; JP2011038902A; JP5448634B2; US8494800B2

Abstract

Ein Verfahren zum Erkennen geometrischer Fehler bezüglich zumindest zwei translatorischer Achsen und zumindest einer rotatorischen Achse einer Maschine, die eine Steuerungsvorrichtung verwendet, wird offenbart. Das Verfahren umfasst die Schritte von: Messen von Positionen einer Lehre (12) in einem dreidimensionalen Raum unter Verwendung eines Positionsmesssensors (11), wobei eine Messung ausgeführt wird, wenn die Lehre (12), die um die rotatorische Achse herum um eine Mehrzahl von Winkeln weitergeschaltet wird, sich an den Positionen befindet; Annähern einer Mehrzahl von gemessenen Werten von in dem Messschritt gemessenen Positionen zu einem kreisförmigen Bogen; und Berechnen eines Fehlers im Hinblick auf eine Zentrumsposition der rotatorischen Achse und/oder eines Neigungsfehlers in der rotatorischen Achse und Neigungsfehler in den translatorischen Achsen basierend auf dem kreisförmigen Bogen, der aus dem Annäherungsschritt resultiert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Programm zum Erkennen geometrischer Fehler einer Maschine, die translatorische und rotatorische Antriebsachsen aufweist.
Als ein Beispiel einer Maschine, die translatorische und rotatorische Antriebsachsen aufweist, ist eine Werkzeugmaschine zum Bearbeiten von Teilen oder Metallformen bekannt. Solch eine Werkzeugmaschine kann ein Werkstück durch einen Materialabtragprozess, der relative Bewegungen von sowohl entweder einem Werkzeug als auch einem Werkstück enthält, während sie das Werkzeug oder das Werkstück dreht, in eine gewünschte Form bearbeiten.
Als ein Beispiel dieser Werkzeugmaschine zeigt 1 eine schematische Darstellung eines Dreiachsensteuerungsbearbeitungszentrums (Dreiachsenmaschine), die drei translatorische Achsen aufweist. Einem Spindelkopf 2 wird es erlaubt, eine translatorische Bewegung mit zwei Freiheitsgraden in Bezug auf ein Bett 1 entlang einer X-Achse und einer Z-Achse, die zueinander rechtwinklige translatorischen Achsen sind, auszuführen. Einem Tisch 3 wird es erlaubt, eine translatorische Bewegung mit einem Freiheitsgrad in Bezug auf das Bett 1 entlang einer Y-Achse, die eine zu der X-Achse und der Z-Achse rechtwinklige translatorische Achse ist, auszuführen. Dementsprechend hat der Spindelkopf 2 drei Freiheitsgrade einer translatorischen Bewegung in Bezug auf den Tisch 3. Die Werkzeugmaschine wird unter Verwendung eines Servomotors (nicht gezeigt) angetrieben, der durch eine numerische Steuerungsvorrichtung gesteuert wird. Ein Werkstück wird an dem Tisch 3 gesichert und ein Werkzeug ist an dem Spindelkopf 2 angebracht und angetrieben, um zu rotieren. Eine relative Position zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug wird gesteuert und eine Bearbeitung wird ausgeführt.
Als ein anderes Beispiel dieser Werkzeugmaschine zeigt 2 eine schematische Ansicht eines Fünfachsensteuerungsbearbeitungszentrums (Fünfachsenmaschine), das drei translatorische Achsen und zwei rotatorische Achsen hat. Einem Spindelkopf 2 wird es erlaubt, eine translatorische Bewegung mit zwei Freiheitsgraden in Bezug auf ein Bett 1 entlang einer X-Achse und einer Z-Achse, die zueinander rechtwinklige translatorische Achsen sind, auszuführen. Einem Tisch 3 wird es erlaubt, eine rotatorische Bewegung mit einem Freiheitsgrad in Bezug auf eine Wiege 4 entlang einer C-Achse, die eine rotatorische Achse ist, auszuführen, und der Wiege 4 wird es erlaubt, eine rotatorische Bewegung mit einem Freiheitsgrad in Bezug auf einen Drehzapfen 5 entlang einer A-Achse, die eine rotatorische Achse ist, auszuführen. Die A-Achse und die C-Achse sind rechtwinklig zueinander. Weiterhin wird es dem Drehzapfen 5 erlaubt, eine translatorische Bewegung mit einem Freiheitsgrad in Bezug auf das Bett 1 entlang einer Y-Achse, die eine translatorische Achse rechtwinklig zu der X- und der Z-Achse ist, auszuführen. Dementsprechend hat der Spindelkopf 2 in Bezug auf den Tisch 3 drei Freiheitsgrade einer translatorischen Bewegung sowie zwei Freiheitsgrade einer rotatorischen Bewegung. Daher kann nicht nur eine relative Position zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug, sondern auch eine relative Stellung dazwischen während einer Bearbeitung gesteuert werden.
Als Faktoren, die eine geometrische Genauigkeit von Bewegungen der Fünfachsenmaschine beeinflussen, sind geometrische Fehler zwischen den Achsen (nachstehend wird sich darauf einfach als geometrische Fehler bezogen) bekannt, die zum Beispiel einen Zentrumspositionsfehler der rotatorischen Achse (d. h. Verlagerung von einer mutmaßlichen Position) und einem Neigungsfehler der rotatorischen Achse (d. h. Abweichung in einer Parallelität zwischen der rotatorischen Achse und der translatorischen Achse) enthalten. Obwohl geometrische Fehler, wie z. B. Abweichungen in einer Rechtwinkligkeit der zwei translatorischen Achsen relativ zueinander in der Dreiachsenmaschine vorkommen, ist die Anzahl der geometrischen Fehler in der Fünfachsenmaschine größer als in der Dreiachsenmaschine, da die Anzahl von Achsen in der Fünfachsenmaschine größer ist. Um genauer zu sein, ist eine Summe von fünf geometrischen Fehlern in der Dreiachsenmaschine möglicherweise vorhanden, d. h. drei Rechtwinkligkeitsfehler zwischen jeder der translatorischen Achsen und zwei Rechtwinkligkeitsfehler zwischen der rotatorischen Achse des Spindelkopfs und den translatorischen Achsen. Währenddessen ist in dem Fall der Fünfachsenmaschine für eine rotatorische Achse der Zentrumspositionsfehler der rotatorischen Achse möglicherweise in zwei Richtungen vorhanden, und der Neigungsfehler der rotatorischen Achse ist möglicherweise ebenfalls in zwei Richtungen vorhanden, so dass vier mögliche geometrische Fehler für eine rotatorische Achse vorhanden sind. Da die Fünfachsenmaschine zwei rotatorische Achsen enthält, sind möglicherweise acht geometrische Fehler vorhanden. Weiterhin sind, wie bei der Dreiachsenmaschine, möglicherweise fünf geometrische Fehler in der Fünfachsenmaschine im Hinblick auf die translatorischen Achsen, d. h. drei Rechtwinkligkeitsfehler zwischen jeder der translatorischen Achsen und zwei Rechtwinkligkeitsfehler zwischen der rotatorischen Achse des Spindelkopfs und den translatorischen Achsen vorhanden. Daher ist möglicherweise die Summe von 13 geometrischen Fehlern in der Fünfachsenmaschine vorhanden.
Weiterhin wird, da die Dreiachsenmaschine keine Referenzposition, wie z. B. das Zentrum einer rotatorischen Achse hat, eine relative Bearbeitung in der Dreiachsenmaschine auf der Basis eines beliebigen Bearbeitungspunkts ausgeführt. Im Gegensatz dazu tritt ein Fehler in der Fünfachsenmaschine auf, wenn eine Beziehung zwischen einer rotatorischen Achse und dem Werkstück oder eine Beziehung zwischen einer rotatorischen Achse und dem Werkzeug von einer mutmaßlichen Beziehung abweicht. Mit anderen Worten ist ein Einfluss der geometrischen Fehler auf die Bearbeitungsgenauigkeit in der Fünfachsenmaschine ausgeprägter als in der Dreiachsenmaschine. Es kann gesagt werden, dass, falls die geometrischen Fehler erkannt werden, eine hochgenaue Bearbeitung mittels verschiedener Verfahren ausgeführt wird; z. B. Reduzieren der geometrischen Fehler durch Einstellen, Steuern mit einem Befehlsprogramm, das die geometrischen Fehler berücksichtigt und Steuern, um die geometrischen Fehler zu Kompensieren. Aus diesem Grund ist es für eine genaue Bearbeitung in der Fünfachsenmaschine extrem wichtig, die geometrischen Fehler zu wissen.
Als ein erstes Verfahren zum Erkennen geometrischer Fehler in der Fünfachsenmaschine schlägt die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 2004-219132 ein Verfahren vor, in dem eine Doppel-Kugel-Stangen-(„Double Ball Bar”)-Messvorrichtung angewendet wird, die in der Lage ist, eine Entfernung zwischen den Mittelpunkten von zwei Kugeln, d. h. einer spindelseitigen Kugel und einer tischseitigen Kugel zu messen, und eine rotatorische Achse wird synchron mit zwei translatorischen Achsen, die entlang eines Bogens in einer solchen Weise bewegt werden, dass die Entfernung zwischen Mittelpunkten der spindelseitigen Kugel und der tischseitigen Kugel konstant gehalten wird, bewegt, und eine relative Verlagerung zwischen der spindelseitigen Kugel und der tischseitigen Kugel wird gemessen. Die erhaltenen Messdaten betreffen eine Bogen-Bahnkurve und einige der geometrischen Fehler davon können von der Zentrumsabweichung erkannt werden. Durch Verändern der Anbringrichtung der Kugelstange können verschiedene geometrische Fehler erkannt werden, so dass die Summe von acht geometrischen Fehlern hinsichtlich der rotatorischen Achse erkannt werden kann.
Als ein zweites Verfahren zum Erkennen geometrischer Fehler in der Fünfachsenmaschine schlägt die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 2005-61834 ein Verfahren vor, in dem eine Kugel auf dem Tisch gesichert ist, und während Positionen der Kugel um eine rotatorische Achse weitergeschaltet werden, die Zentrumsposition der Kugel an mehreren verschiedenen Punkten unter Verwendung eines Tastkopfs, der an dem Spindelkopf angebracht ist, gemessen wird. Aus der Mehrzahl von gemessenen Zentrumspositionen der Kugel wird eine Ebene berechnet, ein Vektor normal zu dieser Ebene wird als ein tatsächlicher Vektor der rotatorischen Achse betrachtet, und ein Neigungsfehler der rotatorischen Achse wird aus einer Differenz zwischen einem idealen Vektor und dem tatsächlichen Vektor der rotatorischen Achse erhalten. Weiterhin wird die Zentrumsposition der tatsächlichen rotatorischen Achse aus der Mehrzahl von gemessenen Werten der Zentrumspositionen der Kugel unter Berücksichtigung dieses aktuellen Vektors erhalten, und ein Zentrumspositionsfehler der rotatorischen Achse wird basierend auf einer Differenz zwischen einer idealen Zentrumsposition und der tatsächlichen Zentrumsposition erhalten. Daher kann die Summe von acht geometrischen Fehlern im Hinblick auf die rotatorische Achse erkannt werden.
Jedoch verwendet das erste Verfahren eine Doppel-Kugel-Stange, die eine aufwendige Messvorrichtung ist, und eine relativ sachkundige Erfahrung ist für eine Handhabung dieser Doppel-Kugel-Stangen-Messvorrichtung erforderlich. Daher kann dieses Verfahren nicht jeder einfach ausführen.
In dem zweiten Verfahren ist jedoch ein Tastkopf, der bei diesem Verfahren verwendet wird, relativ billig und ist üblicherweise in der Werkzeugmaschine als eine Möglichkeit zum Zweck einer Werkstückzentrierung, usw. vorgesehen. Daher ist es nicht notwendig, zusätzlich eine Messvorrichtung mitzuliefern, und die Messvorrichtung ist einfach zu erhalten. Weiterhin ist, da die Messvorgänge durch eine Steuerungsvorrichtung ausgeführt werden, keine besondere Fähigkeit erforderlich und vorteilhafterweise können Messungen einfach ausgeführt werden. Jedoch kann dieses Verfahren nur geometrische Fehler im Hinblick auf die rotatorischen Achsen erkennen, und nachteilige geometrische Fehler im Hinblick auf die translatorischen Achsen können nicht erkannt werden. Wenn geometrische Fehler im Hinblick auf die translatorischen Achsen vorhanden sind, beeinflussen solche Fehler die gemessenen Werte der Zentrumspositionen der Kugel, was es unmöglich macht, die geometrischen Fehler im Hinblick auf die rotatorischen Achsen genau zu erkennen. Geometrische Fehler im Hinblick auf die translatorischen Achsen können im Voraus unter Verwendung eines anderen Verfahrens gemessen werden. Jedoch kann es, da geometrische Fehler entsprechend thermischer Verlagerungen, dauerhafte Veränderungen und dergleichen variieren, wegen des Einflusses dieser Veränderungen schwierig sein, die geometrischen Fehler genau zu erkennen. Um die geometrischen Fehler zu einem bestimmten Zeitpunkt zu wissen, ist es notwendig, alle geometrischen Fehler zur gleichen Zeit zu erkennen.
Im Hinblick auf die obigen Nachteile der konventionellen Erkennungsverfahren sucht die vorliegende Erfindung, ein Verfahren und ein Programm zum Erkennen von geometrischen Fehlern hinsichtlich der translatorischen Achsen zusätzlich zu geometrischen Fehlern hinsichtlich der rotatorischen Achsen im Wesentlichen zu derselben Zeit bereitzustellen.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, wie hierin ausgeführt und beschrieben, ein Verfahren zum Erkennen geometrischer bezüglich zumindest zwei translatorischer Achsen und zumindest einer rotatorischen Achse einer Maschine, die eine Steuerungsvorrichtung verwendet, vorgesehen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Messen von Positionen einer Lehre in einem dreidimensionalen Raum unter Verwendung eines Positionsmesssensors, wobei eine Messung ausgeführt wird, wenn die Lehre, die um die rotatorische Achse herum um eine Mehrzahl von Winkeln weitergeschaltet wird, sich an diesen Positionen befindet; Annähern einer Mehrzahl von gemessenen Werten von den in dem Messschritt gemessenen Positionen zu einem kreisförmigen Bogen; und Berechnen eines Fehlers hinsichtlich einer Zentrumsposition der rotatorischen Achse und/oder eines Neigungsfehlers in der rotatorischen Achse und Neigungsfehler in den translatorischen Achsen basierend auf dem kreisförmigen Bogen, der aus dem Annährungsschritt resultiert.
Entsprechend einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist, wie hierin ausgeführt und beschrieben, ein Programm, das in einem Medium gespeichert ist, um einen Computer zu Veranlassen, das Verfahren wie oben beschrieben auszuführen, vorgesehen.
Mit diesen Konfigurationen des vorgenannten Erkennungsverfahrens und Programms können nicht nur geometrische Fehler im Hinblick auf die rotatorischen Achsen, sondern auch geometrische Fehler im Hinblick auf die translatorischen Achsen erkannt werden. Da diese Fehler im Wesentlichen zur selben Zeit erkannt werden können, ist es möglich, geometrische Fehler an einem bestimmten Punkt, wo eine Veränderung auf Grund von thermischen Verlagerungen oder dergleichen auftritt, zu wissen, und eine hochgenaue Bearbeitung kann unter Verwendung dieser erhaltenen geometrischen Fehler ausgeführt werden. Weiterhin können, wenn ein Tastkopf als ein Positionsmesssensor verwendet wird, geometrische Fehler einfach erkannt werden, da der Tastkopf relativ billig und einfach zu erhalten ist.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des vorgenannten Erkennungsverfahrens kann der Annäherungsschritt ein Bestimmen eines Radius des kreisförmigen Bogens durch Messen eines Abstands von einem Zentrum der rotatorischen Achse zu der Mehrzahl von gemessenen Werten aufweisen, und der Fehlerberechnungsschritt kann ein Berechnen der Neigungsfehler in den translatorischen Achsen aus Komponenten zweiter Ordnung des kreisförmigen Bogens aufweisen.
Mit dieser Konfiguration kann zusätzlich zu den obigen vorteilhaften Effekten des Erkennungsverfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ein einfacheres Erkennungsverfahren realisiert werden, während die Genauigkeit beibehalten wird.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform des vorgenannten Erkennungsverfahrens kann der Annäherungsschritt ein Bestimmen eines Radius des kreisförmigen Bogens durch Messen eines Abstands von einem Zentrum der rotatorischen Achse zu der Mehrzahl der gemessenen Punkte aufweisen, und der Fehlerberechnungsschritt kann ein Berechnen der geometrischen Fehler im Hinblick auf die rotatorische Achse aus Komponenten erster Ordnung des kreisförmigen Bogens aufweisen.
Mit dieser Konfiguration kann auch zusätzlich zu den obigen vorteilhaften Effekten des Erkennungsverfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ein einfacheres Erkennungsverfahren realisiert werden, während die Genauigkeit beibehalten wird.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform des vorgenannten Erkennungsverfahrens kann die Maschine mehr als zwei rotatorische Achsen haben, und in dem Messschritt können zum Messen mehr als zwei Winkel basierend auf einer rotatorischen Achse, die eine andere als die rotatorische Achse ist, um der die Mehrzahl der Winkel weitergeschaltet wird, weitergeschaltet werden.
Mit dieser Konfiguration können zusätzlich zu den obigen vorteilhaften Effekten des Erkennungsverfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung geometrische Fehler in einer einfachen genauen Weise erkannt werden, selbst wenn eine kompliziertere Maschine verwendet wird.
Gemäß einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform des vorgenannten Erkennungsverfahrens können in dem Annährungsschritt axiale Komponenten parallel zu der rotatorischen Achse, von der die Mehrzahl der gemessenen Werte erhalten wird, zu einem kreisförmigen Bogen angenähert werden, und ein Neigungsfehler in der rotatorischen Achse kann in dem Fehlerberechnungsschritt aus Komponenten erster Ordnung des kreisförmigen Bogens berechnet werden.
Mit dieser Konfiguration kann zusätzlich zu den obigen vorteilhaften Effekten des Erkennungsverfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ein einfacheres Erkennungsverfahren realisiert werden, während die Genauigkeit beibehalten wird.
Der obige Aspekt, andere Vorteile und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch detailliertes Beschreiben veranschaulichender, nicht beschränkender Ausführungsformen davon unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen offensichtlicher, in denen
1 eine schematische Ansicht eines Dreiachsensteuerungsbearbeitungszentrums ist;
2 eine schematische Ansicht eines Fünfachsensteuerungsbearbeitungszentrums ist;
3 eine schematische Ansicht ist, die ein Beispiel eines Tastkopfs und einer Zielkugel, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ist;
4 ein Beispiel von Messpositionen in dem Fall, in dem die Zielkugel um eine Mehrzahl von Winkeln um eine C-Achse herum weitergeschaltet wird, zeigt, und
5 ein Beispiel von Messpositionen in dem Fall, in dem die Zielkugel um eine Mehrzahl von Winkeln um eine A-Achse herum weitergeschaltet wird, zeigt.
Ein Verfahren zum Erkennen von Fehlern eines in 2 gezeigten Fünfachsensteuerungsbearbeitungszentrums, das eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die einen Computer (d. h. Steuerungsvorrichtung (nicht gezeigt)) verwendet, wird, wo notwendig, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, nachstehend beschrieben. Der Computer kann eine numerische Steuerungsvorrichtung für die Fünfachsenmaschine, ein separater Computer, der mit der numerischen Steuerungsvorrichtung verbunden ist, oder die Kombination davon sein. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgende spezielle Ausführungsform beschränkt ist.
Zuerst werden geometrische Fehler beschrieben. Eine Summe von sechs Komponentenfehlerparametern (d. h. δx, δy, δz, α, β, γ) werden als geometrische Fehler definiert; d. h. relative translatorische Fehler in drei Richtungen und relative rotatorische Fehler in drei Richtungen zwischen den Achsen. In dem Fall der in 2 gezeigten Fünfachsenmaschine sind Achsen von dem Werkstück zu dem Werkzeug in der Reihenfolge der C-Achse, der A-Achse, der Y-Achse, der X-Achse und der Z-Achse zugehörig, und wenn eine Beziehung zwischen der Z-Achse und dem Werkzeug in Betracht gezogen wird, ist die Summe von 30 geometrischen Fehlern vorhanden. Jeder der geometrischen Fehler ist unter Verwendung eines symbolischen Indexes, der den Namen der zwei eingreifenden Achsen darstellt, bezeichnet. Zum Beispiel ist δy_CA ein translatorischer Fehler in Y-Richtung zwischen der C-Achse und A-Achse, und γ_YX ist ein rotatorischer Fehler um die Z-Achse zwischen der Y-Achse und der X-Achse. Das Werkzeug wird unter Verwendung des Symbols T bezeichnet.
Da eine Mehrzahl von redundanten Fehlerparametern in diesen 30 geometrischen Fehlern vorhanden ist, werden diese redundanten Fehlerparameter eliminiert, um nur eine nicht redundante Gruppe von Fehlerparametern zuzulassen. Als ein Ergebnis wird die Summe von 13 Komponentenfehlerparametern belassen, die δx_CA, δy_CA, α_CA, β_CA, δy_AY, δz_AY, β_AY, γ_AY, γ_YX, α_XZ, β_XZ, α_ZT und β_ZT enthalten. Von diesen Parametern sind 5 Fehlerparameter, die γ_YX, α_XZ, β_XZ, α_ZT und β_ZT enthalten, geometrische Fehler im Hinblick auf die translatorischen Achsen, die ebenfalls in der Dreiachsenmaschine vorhanden sind; dies ist die Rechtwinkligkeit zwischen der X-Achse und der Y-Achse, die Rechtwinkligkeit zwischen der Y-Achse und der Z-Achse, die Rechtwinkligkeit zwischen der Z-Achse und der X-Achse, die Rechtwinkligkeit zwischen dem Werkzeug und der Y-Achse und die Rechtwinkligkeit zwischen dem Werkzeug und der X-Achse. Die verbleibenden acht Fehlerparameter sind geometrische Fehler im Hinblick auf die rotatorische Achsen, die den Zentrumspositionsfehler der C-Achse in X-Richtung, den Versatzfehler zwischen der C-Achse und der A-Achse, den Winkelversatzfehler der A-Achse, die Rechtwinkligkeit zwischen der C-Achse und der A-Achse, den Zentrumspositionsfehler der A-Achse in Y-Richtung, den Zentrumspositionsfehler der A-Achse in Z-Richtung, die Rechtwinkligkeit zwischen der A-Achse und der X-Achse und die Rechtwinkligkeit zwischen der A-Achse und der Y-Achse enthalten. Der Computer enthält eine Speichereinheit zum Speichern dieser geometrischen Fehler.
Entsprechend dieser Ausführungsform ist ein Tastkopf 11, so wie in 3 gezeigt, an einem Spindelkopf 2 angebracht. Eine Zielkugel 12, die eine Lehre als ein Messobjekt ist, ist an einem Tisch 3 mittels eines Magnets oder desgleichen befestigt, und die Zentrumsposition der Kugel 12 wird basierend auf einer Anweisung des Computers gemessen. Der Tastkopf 11 hat einen Sensor (nicht gezeigt) zum Fühlen eines Kontakts mit der Zielkugel 12 und der Sensor überträgt ein Infrarotsignal oder ein elektrisches Wellensignal über einen Berührkontakt mit der Zielkugel 12. Ein Empfänger ist mit dem Computer verbunden und der Computer misst die tatsächliche Position von jeder Achse als einen gemessenen Wert in demselben Moment oder nach einer vorbestimmten Verzögerung, wenn der Empfänger das Signal empfängt, und speichert den gemessenen Wert in der Speichereinheit. Um die Zentrumsposition der Zielkugel 12 zu messen, sind zumindest drei Punkte für einen Kontakt mit dem Tastkopf 11 zum Messen erforderlich, falls der Radius der Zielkugel 12 bekannt ist, und zumindest vier Punkte sind erforderlich, wenn der Radius der Zielkugel 12 unbekannt ist. Dementsprechend kann der Tastkopf 11 als ein Positionsmesssensor zum Messen der Zentrumsposition der Zielkugel 12 verwendet werden.
Andere Typen von Positionsmesssensoren sind als eine Alternative des Tastkopfs 11 bekannt. Diese Sensoren können z. B einen Laserverlagerungsmesser, der in der Lage ist, einen Abstand in einer nicht-berührenden Weise zu messen, und eine Vorrichtung, die mehr als drei Verlagerungssensoren von einem berührenden Typ auf der Tischseite und eine Kugel, die an der Spindelseite angebracht ist, enthalten, und konfiguriert sein, die Zentrumsposition der Kugel aus den gemessenen Werten des Verlagerungssensors zu berechnen.
Als nächstes werden Beziehungen zwischen gemessenen Werten der Zentrumsposition der Zielkugel 12 und geometrischen Fehlern beschrieben. Der Computer hat ein Programm zum Berechnen der folgenden mathematischen Ausdrücke im Hinblick auf die Beziehungen, und die Speichereinheit speichert dieses Programm, die folgenden mathematischen Ausdrücke, Elemente oder Variablen der Ausdrücke und dergleichen.
Es wird angenommen, dass die Zentrumsposition der Zielkugel 12 durch (R, O, H) in einem Tischkoordinatensystem gegeben ist; das Tischkoordinatensystem ein Koordinatensystem auf dem Tisch 3 ist, in dem ein Schnittpunkt der A-Achse und der C-Achse als ein Ursprung definiert ist, wenn ein idealer Zustand ohne jegliche Geometriefehler angenommen wird, und die X-Achse des Tischkoordinatensystems parallel zu der X-Achse der Maschine ist. Wenn keine geometrischen Fehler vorliegen, wird der Messwert (x, y, z) der Zentrumsposition der Zielkugel 12 durch den folgenden mathematischen Ausdruck (1) gegeben. Hierbei ist der Winkel der A-Achse a und der Winkel der C-Achse ist c. e = M –1 / A M –1 / C ^Wq (1)
Wobei
Währenddessen wird, wenn geometrische Fehler, die einen Anbringpositionsfehler (δx_WC, δy_WC, δz_WC) der Zielkugel 12 enthalten, vorhanden sind, die Determinante bezüglich des Zentrumspositionsmesswerts (x', y', z') der Zielkugel 12 durch den folgenden mathematischen Ausdruck (2) gegeben. Hierbei wird; unter der Annahme, dass die geometrischen Fehler ausreichend klein sind, die Annäherung verwendet. e' = e + ε –1 / AY M –1 / A ε –1 / CA M –1 / C ε –1 / WC ^Wq – M_Yε_YXM_Xε_XZM_Zε_ZT ^Tp (2) wobei
Durch Erweitern dieses mathematischen Ausdrucks (2) kann der folgende mathematische Ausdruck (3) erhalten werden. Um den Ausdruck zu vereinfachen, wird das Produkt der geometrischen Fehler als ausreichend klein erachtet und somit zu null angenähert.
Als nächstes wird das Erkennen der geometrischen Fehler beschrieben. Der Computer hat ein Programm zum Berechnen der folgenden mathematischen Ausdrücke im Hinblick auf das Erkennen der geometrischen Fehler, und die Speichereinheit speichert dieses Programm, die folgenden mathematischen Ausdrücke, Elemente von Variablen der Ausdrücke und dergleichen.
Als Erstes wird der Winkel der A-Achse weitergeschaltet, so dass die obere Oberfläche des Tischs 3 rechtwinklig zu der Hauptspindel 2 wird (d. h. der Winkel der A-Achse ist null Grad (a = 0°)), und der Winkel der C-Achse wird von null Grad zu einem beliebigen Winkelabstand weitergeschaltet, so dass die Zentrumsposition der Zielkugel 12 bei einer Anzahl n von Punktorten auf dem vollständigen Umfang gemessen wird (Messschritt). Zum Beispiel findet, wenn der Winkelabstand, wie in 4 zu sehen ist, auf 30 Grad eingestellt wird, die Messung an 12 Punkten von 0 Grad bis 330 Grad statt. Dementsprechend können, falls i von 1 bis n variiert, die Anzahl n der Zentrumspositionsmesswerte (x_i', y_i', z_i') der Zielkugel 12 erhalten werden, und die Messwerte zeichnen eine kreisförmige Bahnkurve.
Hierbei wird der Radius eines Kreises, der durch die gemessenen Werte in einer XY-Ebene definiert wird, d. h. die Entfernung von der Zentrumsposition der C-Achse zu jedem der Zentrumspositionsmesswerte, R, falls keine geometrischen Fehler vorliegen. Jedoch wird, wenn geometrische Fehler vorliegen, ein Radiusfehler ΔR_XY enthalten sein. Dieser ΔR_XY kann durch den mathematischen Ausdruck (4), der durch Verändern und Annähern des Ausdrucks (3) erhalten wird, berechnet werden.
Durch Einsetzen des Ausdrucks (3) in den Ausdruck (4) kann der folgende Ausdruck (5) erhalten werden. Daher ist ΔR_XY eine kreisförmige Bahnkurve, die Komponenten nullter Ordnung (Radiusfehler), Komponenten erster Ordnung (Zentrumsabweichungen) und Komponenten zweiter Ordnung (elliptische Form) enthält (Bogen Annäherungsschritt). Δ_RXYi = r_a0 + r_a1cosc_i + r_b1sinc_i + r_b2sin2c_i (5)
Weiterhin haben Sinusfunktionen und Kosinusfunktionen von Winkeln θ₁ bis θ_n, die durch Teilen von 360 Grad durch n in gleichen Abständen erhalten werden, Eigenschaften, so wie der folgende Ausdruck (6).
Eigenschaften des Ausdrucks (6) können durch insbesonderes Fokussieren der Aufmerksamkeit auf die Sinuskomponenten zweiter Ordnung des Ausdruckes (5) verwendet werden. Weitergeschaltete Sinuswerte zweiter Ordnung des Winkels c_i der C-Achse werden mit ΔR_XYi, die jedem der Zentrumspositionsmesswerte entsprechen, multipliziert, gefolgt durch Nehmen eines Mittelwerts davon, so dass die Sinuskomponenten zweiter Ordnung r_b2 erhalten werden. Durch Verändern der Sinuskomponenten zweiter Ordnung r_b2 kann der folgende mathematische Ausdruck (7) zum Berechnender Rechtwinkligkeit γ_XY zwischen der X-Achse und der Y-Achse erhalten werden (Fehlerberechnungsschritt).
Die Komponenten erster Ordnung werden weiterhin extrahiert. Die Kosinuskomponente erster Ordnung r_a1 wird durch Multiplizieren des Kosinuswertes erster Ordnung des Winkels c_i der C-Achse mit ΔR_XYi erhalten. Die Sinuskomponente erster Ordnung r_b1 wird durch Multiplizieren des Sinuswertes erster Ordnung des Winkels c_i der C-Achse mit ΔR_XYi erhalten. Durch Verändern dieser Komponenten kann der folgende mathematische Ausdruck (8) erhalten werden.
Der folgende mathematische Ausdruck (9) kann durch Ändern des Ausdrucks (3) und Berechnen des Mittelwerts der X-Koordinate x' oder des Mittelwertes der Y-Koordinate y' von jedem der Zentrumspositionsmesswerte erhalten werden. Dieser Ausdruck (9) wird zum Berechnen des Mittelpunkts der kreisförmigen Bahnkurve, d. h. Komponenten erster Ordnung, verwendet, und kann anstatt des Ausdrucks (8) verwendet werden.
Im Gegensatz dazu betreffen, wie aus dem Ausdruck der Z-Koordinate des Zentrumspositionsmesswerts, wie in dem Ausdruck (3) gezeigt, zu verstehen ist, die Z-Koordinatenwerte einen Kreis, der Komponenten nullter Ordnung und Kosinus- und Sinuskomponenten erster Ordnung bezüglich des Winkels c_i der C-Achse hat. Um die Komponenten erster Ordnung dieses Kreises zu extrahieren, werden weitergeschaltete Kosinus- und Sinuswerte des Winkels c_i der C-Achse mit der Z-Koordinate von jedem der Zentrumspositionsmesswerte multipliziert, um den folgenden mathematischen Ausdruck (10) zu erhalten. Hierbei kann β_AY mit einem anderen Verfahren berechnet werden oder die Messung und Ausdrücke, die später zu beschreiben sind, und β_CA, α_CA, die geometrische Fehler in Bezug auf den Neigungsfehler der C-Achse sind, können durch Ersetzen von β_AY erhalten werden (Fehlerberechnungschritt). In dem Fall, in dem ein tatsächlichen Vektor der C-Achse einen Neigungsfehler enthält, ist es erforderlich, dass ein mutmaßlicher Vektor, der keine Fehler enthält, um β_CA, α_CA zur Berechnung rotiert werden kann.
Als nächstes wird die A-Achse in einen beliebigen Winkel a_t, der anders als null Grad ist, geneigt, und der Winkel c der C-Achse wird von null Grad zu einem beliebigen Winkelabstand weitergeschaltet, so dass die Zentrumsposition der Zielkugel 12 bei einer Anzahl n von Punktorten auf den vollständigen Umfang gemessen wird (Messschritt). Wie in dem obigen Fall zeichnen die Zentrumspositionsmesswerte eine kreisförmige Bahnkurve. Der Radius eines Kreises, der durch die gemessenen Werte definiert wird, d. h. der Abstand von einem Schnittpunkt der A-Achse und der C-Achse mit jedem der Zentrumspositionsmesswerte, ist R, wenn keine geometrischen Fehler vorliegen. Jedoch wird, wenn geometrische Fehler vorhanden sind, ein Radiusfehler ΔR enthalten sein. Dieser ΔR kann durch den folgenden mathematischen Ausdruck (11) ausgedrückt werden, der durch Ändern und Annähern des Ausdrucks (3) erhalten wird. ΔR_i ≈ x ' / i cosc_i – y ' / i sinc_icosa_t + z ' / i sinc_isina_t – R (11)
Durch Einsetzen des Ausdrucks (3) in den Ausdruck (11) kann der folgende mathematische Ausdruck (12) erhalten werden. Hierbei werden detaillierte Ausdrücke von r_a0, r_a1, r_b1 und r_a2 weggelassen. ΔR_i = r_a0 + r_a1cosc_i + r_b1sinc_i + r_a2cos2c_i + r_b2sin2c_i (12)
Wobei r_b2 = 1 / 2 R(γ_YXcosa_t – β_XZsina_t)
Wie der obige Ausdruck (5), betrifft der Ausdruck (12) eine kreisförmige Bahnkurve, die Komponenten nullter Ordnung bis Komponenten zweiter Ordnung enthält (Bogenannäherungsschritt). Beachtet werden die Sinus-Komponenten zweiter Ordnung. Weitergeschaltete Sinuswerte zweiter Ordnung des Winkels c_i der C-Achse werden mit ΔR_e entsprechend jedem der Zentrumspositionenmesswerte multipliziert, sodass der folgende Ausdruck (13) erhalten werden kann. Hierbei kann γ_YX aus dem Ausdruck (7) oder einem anderen Verfahren berechnet werden, und β_XZ kann durch Einsetzen des erhaltenen γ_YX in den Ausdruck (13) berechnet werden (Fehlerberechnungsschritt).
Es ist zu bemerken, dass die Messung wegen eines störenden Eingriffs zum Beispiel zwischen dem Spindelkopf 2 und dem Tisch 3, einer Beschränkung des Bewegungsbereichs von jeder Achse und dergleichen, nicht für den vollständigen Umfang entsprechend einem weitergeschalteten Winkel der A-Achse durchgeführt werden könnte. Wenn all die Zentrumspositionenmesswerte für den vollständigen Umfang nicht vervollständigt werden, ist der Ausdruck (13) nicht verwendbar. In diesem Fall werden Koeffizienten des Ausdrucks (12) durch die Methode der kleinsten Quadrate unter Verwendung einer Mehrzahl von Zentrumspositionenmesswerten gelöst, um so den folgenden Ausdruck (14) zu erhalten.
Als Nächstes wird, wie in 5 zu sehen, der Winkel c_t der C-Achse entweder auf 90 Grad oder auf –90 Grad weitergeschaltet, gefolgt von einem Weiterschalten des Winkels der A-Achse um eine Mehrzahl von beliebigen Winkeln. Die Messung wird bei einer Anzahl m von Punktorten ausgeführt, um die Zentrumspositionen der Zielkugel 12 zu erhalten (Berechnungsschritt). In den meisten Fällen wird es der A-Achse wegen ihres Mechanismus nicht erlaubt, sich um eine vollständige Umdrehung um 360 Grad zu drehen. Weiterhin kann eine Messung wegen der Position des Tastkopfs 11 nicht an all den Punktorten ausgeführt werden, selbst wenn der A-Achse eine vollständige Umdrehung um 360 Grad erlaubt ist. Aus diesem Grund wird die Messung innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs anstatt bei dem vollständigen Umfang ausgeführt. Unter Beachtung der X-Koordinate der Zentrumspositionsmesswerte kann der folgende Ausdruck (15) aus dem Ausdruck (3) erhalten werden. x ' / j = r_a0 + r_c0S + r_a1cos(a_j – ϕ) + r_b1sin(a_j – ϕ) (15)
r_a0 = –δx_CA – β_CAH
r_c0 = –δy_WC
r_a1 = γ_AY
r_b1 = –(β_AY + β_XZ)
Es kann nämlich gesagt werden, dass der Ausdruck (15) einen kreisförmigen Bogen, der Komponenten nullter Ordnung und Komponenten erster Ordnung enthält, betrifft (Bogenannäherungsschritt). Jedoch werden, wenn der Winkel c_t der C-Achse auf 90 Grad und –90 Grad geändert und vermischt wird, Komponenten nullter Ordnung abhängig von c_t ebenfalls addiert. Durch Berechnen von Koeffizienten von Elementen in dem Ausdruck (12) als Variablen unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate kann der folgende mathematische Ausdruck (16) erhalten werden. Dafür kann β_xz mit dem obigen Verfahren oder einem anderen Verfahren berechnet werden, und γ_AY und β_AY, die geometrische Fehler bezüglich der Neigungsfehler der A-Achse sind, können durch Einsetzen von β_xz in den Ausdruck (16) erhalten werden (Fehlerberechnungsschritt). In dem Fall, in dem ein tatsächlicher Vektor der A-Achse, der einen Neigungsfehler enthält, erforderlich ist, kann ein mutmaßlicher Vektor, der keine Fehler enthält, zur Berechnung um β_AY, γ_AY rotiert werden.
Als Nächstes wird auf die Y- und Z-Koordinaten der Zentrumspositionsmesswerte geachtet. Radiusfehler der kreisförmigen Bahnkurve gemäß den geometrischen Fehlern, d. h. ein Entfernungsfehler ΔR_YZ von dem Zentrum der A-Achse zu dem Zentrum der Kugel kann aus dem folgenden Ausdruck (17) erhalten werden.
Durch Einsetzen des Ausdrucks (3) in den Ausdruck (17) kann der folgende mathematische Ausdruck (18) erhalten werden. Hierbei werden detaillierte Ausdrücke von r_a0 und r_c0 weggelassen. ΔR_{YZ j} = r_a0 + r_c0·S + r_a1cos(a_j – ϕ) + r_b1sin(a_j – ϕ) + r_a2cos2(a_j – ϕ) + r_b2sin2(a_j – ϕ) (18)
Daher betrifft ΔR_YZ eine Bogen-Bahnkurve, die Komponenten nullter Ordnung bis Komponenten zweiter Ordnung enthält, und der folgende mathematische Ausdruck (19) kann durch Berechnen von Koeffizienten von jedem der Elemente unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate erhalten werden.
Hierbei ist ein Erhalten der Koeffizienten in dem Ausdruck (18) das selbe wie ein Erhalten des Radius und der Zentrumsposition des kreisförmigen Bogens sowie der Größe der Ellipsenkomponenten, die in dem kreisförmigen Bogen enthalten sind (Bogenannäherungsschritt). Im Allgemeinen wird die Genauigkeit mit einem Abnehmen des Winkels des kreisförmigen Bogens schlechter, wenn die Zentrumsposition des kreisförmigen Bogens und die Ellipsenkomponenten erhalten werden. Aus diesem Grund werden, wie in 5 zu sehen, Messungen durch Weiterschalten der Zielkugel 12 um die C-Achse sowohl bei 90 Grad (die Zentrumsposition der Zielkugel 12 erstreckt sich von e_p1 bis e_p4) als auch bei –90 Grad (die Zentrumsposition der Zielkugel 12 erstreckt sich von e_n1 bis e_n4) ausgeführt (Messschritt). Dementsprechend kann der Winkel des kreisförmigen Bogens erweitert werden, was zu einer verbesserten Erkennungsgenauigkeit führt. In dem Fall, in dem die Berechnung von α_XZ unnötig ist, kann die Berechnung in dem Ausdruck (19) ausgeführt werden, während die Komponenten zweiter Ordnung r_a2, r_b2 ignoriert werden und als null betrachtet werden.
Wie oben beschrieben wird die Zentrumsposition der Zielkugel 12 an einer Mehrzahl von Punkten unter Verwendung des vorgenannten Verfahrens (Messschritt) gemessen, und acht geometrische Fehler im Hinblick auf die rotatorische Achsen und ebenso drei geometrische Fehler im Hinblick auf die translatorischen Achsen können mittels Berechnungen unter Verwendung der obigen mathematischen Ausdrücke (Bogenannäherungsschritt und Fehlerberechnungsschritt) erkannt werden. Daher kann die Summe von elf geometrischen Fehlern erkannt werden. Die verbleibenden zwei anderen geometrischen Fehler werden im Voraus unter Verwendung eines anderen Verfahrens erkannt. In dem Fall, in dem (ein) bereits bekannte(r) Fehler vorhanden sind (ist), kann er im Voraus in dem (den) mathematischen Ausdruck (Ausdrücken) ersetzt werden. In diesem Fall können unnötige Messungen und Berechnungen weggelassen werden.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf ein Fünfachsenbearbeitungszentrum als eine exemplarische Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf ein Bearbeitungszentrum beschränkt und kann auf andere Typen von Werkzeugmaschinen, wie zum Beispiel eine Multitasking-Maschine, anwendbar sein. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung, anders als eine Anwendung auf die Werkzeugmaschine, auf eine andere Maschine, die eine rotatorische Achse hat, wie zum Beispiel eine Dreikoordinatenmessmaschine, anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2004-219132 [0007]
- JP 2005-61834 [0008]

Claims

Verfahren zum Erkennen geometrischer Fehler bezüglich zumindest zwei translatorischer Achsen und zumindest einer rotatorischen Achse einer Maschine, die eine Steuerungsvorrichtung verwendet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist: Messen von Positionen einer Lehre in einem dreidimensionalen Raum unter Verwendung eines Positionsmesssensors (11), wobei eine Messung ausgeführt wird, wenn die Lehre (12), die um die rotatorische Achse herum um eine Mehrzahl von Winkeln weitergeschaltet wird, sich an den Positionen befindet; Annähern einer Mehrzahl von gemessenen Werten von den in dem Messschritt gemessenen Positionen zu einem kreisförmigen Bogen und Berechnen eines Fehlers hinsichtlich einer Zentrumsposition der rotatorischen Achse und/oder eines Neigungsfehlers in der rotatorischen Achse und Neigungsfehler in den translatorischen Achsen basierend auf dem kreisförmigen Bogen, der aus dem Annäherungsschritt resultiert.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Annäherungsschritt ein Bestimmen eines Radius des kreisförmigen Bogens durch Messen eines Abstands von einem Zentrum der rotatorischen Achse zu der Mehrzahl von gemessenen Werte aufweist, und wobei der Fehlerberechnungsschritt ein Berechnen der Neigungsfehler in den translatorischen Achsen aus Komponenten zweiter Ordnung des kreisförmigen Bogens aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Annäherungsschritt ein Bestimmen eines Radius des kreisförmigen Bogens durch Messen eines Abstands von einem Zentrum der rotatorischen Achse zu der Mehrzahl von gemessenen Werten aufweist, und wobei der Fehlerberechnungsschritt ein Berechnen der geometrischen Fehler hinsichtlich der rotatorischen Achse aus Komponenten erster Ordnung des kreisförmigen Bogens aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Maschine mehr als zwei rotatorische Achsen hat, und wobei in dem Messschritt mehr als zwei Winkel basierend auf einer rotatorischen Achse, die eine andere als die rotatorische Achse, von der die Mehrzahl von Winkeln weitergeschaltet wird, ist, zur Messung weitergeschaltet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in dem Annäherungsschritt axiale Komponenten parallel zu der rotatorischen Achse, von denen die Mehrzahl von gemessenen Werten erhalten wird, zu einem kreisförmigen Bogen angenähert werden, und wobei ein Neigungsfehler in der rotatorischen Achse in dem Fehlerberechnungsschritt aus Komponenten erster Ordnung des kreisförmigen Bogens berechnet wird.
In einem Medium gespeichertes Programm zum Veranlassen eines Computers, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.