DE102015221001A1

DE102015221001A1 - Erkennungssystem für einen geometrischen Fehler und Erkennungsverfahren für einen geometrischen Fehler

Info

Publication number: DE102015221001A1
Application number: DE102015221001.4A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Matsushita; Tadahiro OKI
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2016-04-28
Also published as: CN105547072A; JP2016083729A; ITUB20154219A1; US20160116275A1

Abstract

Ein Erkennungssystem für einen geometrischen Fehler und ein Erkennungsverfahren für einen geometrischen Fehler, die eine Vereinfachung einer Kalibrierung eines Positionsmesssensors (13) ermöglichen, um so eine Verbesserung einer Positioniergenauigkeit einer Maschine (1) zu verbessern, werden bereitgestellt. Ein Messwert zum Messen eines Mittelpunktanfangswerts (einer Anfangsposition) einer Zielkugel (14) wird verwendet, um die Kalibrierung an einem entfernten Endabschnitt eines Tastkopfs (13) in der radialen Richtung durchzuführen. Dementsprechend kann die Kalibrierung des Tastkopfs (13) gleichzeitig mit der Messung des Mittelpunktanfangswerts durchgeführt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Erkennungssystem für einen geometrischen Fehler und ein Erkennungsverfahren für einen geometrischen Fehler zum Erkennen eines geometrischen Fehlers in einer Maschine, die eine translatorische Antriebsachse und eine Rotationsantriebsachse enthält.
Eine Multi-Achsen-Werkzeugmaschine ist herkömmlicherweise eine Maschine, die eine translatorische Antriebsachse und eine Rotationsantriebsachse enthält. Zum Beispiel steuert die in der Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2011-38902 ( JP-A-2011-38902 ) offenbarte Multi-Achsen-Werkzeugmaschine die Operationen in den insgesamt fünf Achsenrichtungen, die, zusätzlich zu der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse als die orthogonalen drei Achsen, tischseitig die C-Achse und die A-Achse als die Rotationsachsen enthalten, um ein Bearbeiten auszuführen. In dieser Multi-Achsen-Werkzeugmaschine sind geometrische Fehler zwischen den jeweiligen Achsen, zum Beispiel der Fehler der Mittelpunktposition der Rotationsachse und der Neigungsfehler der Rotationsachsen (die Rechtwinkligkeit und die Parallelität zwischen den Achsen) Faktoren, die die Bewegungsgenauigkeit beeinflussen. Beispielsweise gibt es in der in JP-A-2011-38902 offenbarten Multi-Achsen-Werkzeugmaschine insgesamt 13 geometrische Fehler, die drei geometrische Fehler als geometrische Fehler bezüglich der translatorischen Achsen, nämlich die Rechtwinkligkeit zwischen der X- und Y-Achse, die Rechtwinkligkeit zwischen der Y- und Z-Achse und die Rechtwinkligkeit zwischen der Z- und X-Achse, zwei geometrische Fehler als geometrische Fehler, die sich auf eine Hauptspindel beziehen, nämlich die Rechtwinkligkeit zwischen dem Werkzeug und der Y-Achse und die Rechtwinkligkeit zwischen dem Werkzeug und der X-Achse, und acht geometrische Fehler als geometrische Fehler bezüglich der Rotationsachsen auf der Tischseite, nämlich den X-Richtungs-Fehler der C-Achsen-Mittelpunktposition, den Versatzfehler zwischen der C- und A-Achse, den Winkelversatzfehler der A-Achse, die Rechtwinkligkeit zwischen der C- und A-Achse, den Y-Richtungsfehler der A-Achsen-Mittelpunktposition, den Z-Richtungsfehler der A-Achsen-Mittelpunktposition, die Rechtwinkligkeit zwischen der A- und Z-Achse und die Rechtwinkligkeit zwischen der A- und Y-Achse enthalten. Um die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern, ist es dementsprechend notwendig, diese geometrischen Fehler in dieser Multi-Achsen-Werkzeugmaschine zu erkennen, um sie zu kompensieren.
Das in JP-A-2011-38902 offenbarte Verfahren ist beispielsweise in den Verfahren zum Erkennen der oben beschriebenen geometrischen Fehler enthalten. Dieses Verfahren verwendet einen Tastkopf, der als ein Positionsmesssensor an der Hauptspindel angebracht ist, und eine Zielkugel, die eine Lehre ist, als ein Messobjekt. Das Verfahren misst die Mittelpunktposition der Zielkugel in dem Zustand, in dem ein entferntes Ende des Tastkopfs die Oberfläche der Zielkugel berührt, während der Tisch, an dem die Zielkugel befestigt ist, in einer Mehrzahl von Rotationswinkeln und Neigungswinkeln weitergeschaltet wird, um so die geometrischen Fehler aus dem erhaltenen Messergebnis zu erkennen.
Um eine Messung mit dem Tastkopf wie oben beschrieben durchzuführen, ist eine Kalibrierung notwendig. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Hauptspindelzentrum als die Referenz der Position der Zustellachse bezüglich der Position der Zustellachse um den Radius des entfernten Endes (der Tastkugel) des Tastkopfs versetzt ist, wenn das entfernte Ende des Tastkopfs die Oberfläche der Zielkugel berührt. Der Versatz wird auch durch einen Fluchtungsfehler zwischen dem Hauptspindelzentrum und dem Tastkopf, eine Signalverzögerung während eines Kontakts mit der Zielkugel, die Sensorcharakteristik des Tastkopfs und ähnliche Gründen verursacht. Dann unterscheiden sich diese Versatzbeträge noch in Abhängigkeit von der Richtung eines Kontakts mit der Zielkugel.
Daher sind die in der Offenlegung der japanischen Patentanmeldung Nr. 4-63664 und dem japanischen Patent 58-82649 beschriebenen Verfahren üblicherweise als ein Kalibrierverfahren des Tastkopfs bekannt. Das in JP-A-4-63664 beschriebene Verfahren umfasst ein Montieren einer Messuhr an einer Hauptspindel, ein Anordnen des Zentrums des Messrings als die Referenz und des Hauptspindelzentrums in einer konzentrischen Weise, und dann ein Montieren eines Tastkopfs an der Hauptspindel, um den inneren Durchmesser des Messrings zu berühren, um so basierend auf dem Sprungwert und dem inneren Durchmesserwert des Messrings zu diesem Zeitpunkt einen Kompensationswert des Tastkopfs in einer radialen Richtung zu erhalten. Andererseits veranlasst das in JP-A-58-82649 beschriebene Verfahren, das ein Bearbeitungsobjekt verwendet, das eine Bohrung als die Referenz hat, einen Tastkopf dazu, den Innendurchmesser der Bohrung in einer Richtung zu berühren, und rotiert die Hauptspindel in die entgegengesetzte Richtung um 180°, wenn der Tastkopf in Kontakt ist. Dann wird der Durchschnittswert der Sprungwerte verwendet, um eine Bohrungszentrumposition zu erhalten und die Kompensationswerte in den jeweiligen Richtungen zu erhalten.
Offensichtlich ist es erforderlich, den Tastkopf vor der Messung zum Erkennen der geometrischen Fehler zu kalibrieren. Eine Wärmeentwicklung der Hauptspindel verursacht einen thermischen Versatz, eine andauernde Veränderung und ähnliche Resultate, um so den Kompensationswert des Tastkopfs zu verändern. Dementsprechend wird die Kalibrierung bevorzugt unmittelbar vor der Messung ausgeführt. Jedoch ist es in den oben in JP-A-4-63664 und JP-A-58-82649 beschriebenen Verfahren erforderlich, ein anderes Messinstrument, wie etwa eine Messuhr, bereitzustellen, oder die Referenz, wie etwa einen Messring oder ein bearbeitetes Objekt, das Bohrungen hat, gesondert bereitzustellen. Dementsprechend gab es das Problem, dass die Kalibrierung sehr mühsam war. Außerdem wird, wenn die Kalibrierung einmal ausgeführt ist, die nachfolgende Kalibrierung nicht oft durchgeführt. Es gab auch das Problem, dass die Genauigkeit beim Erkennen der geometrischen Fehler gering ist und eventuell die Positioniergenauigkeit der Maschine herabgesetzt wird (die Werkzeugmaschine kann zum Beispiel eine Bearbeitung nicht mit einer großen Genauigkeit ausführen).
Daher wurde die vorliegende Erfindung hinsichtlich der oben beschriebenen Probleme getätigt, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Erkennungssystem für einen geometrischen Fehler und ein Erkennungsverfahren für einen geometrischen Fehler bereitzustellen, um das Kalibrieren des Positionsmesssensors zu vereinfachen, um so eine Verbesserung bei der Positioniergenauigkeit der Maschine zu vereinfachen.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, ist ein erster Aspekt der Erfindung ein Erkennungssystem für einen geometrischen Fehler, das eine Steuerungseinheit enthält, die konfiguriert ist, geometrische Fehler in einer Maschine zu erkennen. Die Maschine enthält eine Hauptspindel. Die Maschine ist konfiguriert, drei oder mehr translatorische Achsen und eine oder mehrere Rotationsachsen, die andere als die Hauptspindel sind, zu steuern, um so ein Positionieren für einen Positionsbezug zwischen der Hauptspindel und einem Objekt durchzuführen. Die Steuerungseinheit ist konfiguriert, die Rotationsachse zu steuern, um so eine Messobjektlehre in eine Mehrzahl von Positionen weiterzuschalten, eine weitergeschaltete Position der weitergeschalteten Messobjektlehre unter Verwendung eines an der Hauptspindel angebrachten Positionsmesssensors in einem dreidimensionalen Raum zu messen, um so einen Messwert zu erfassen, und geometrische Fehler der Maschine bezüglich der translatorischen Achse und/oder der Rotationsachse in der Mehrzahl von Positionen basierend auf den Messwerten zu erkennen. Die Steuerungseinheit ist konfiguriert, eine Anfangsposition der Messobjektlehre zu messen und eine Kalibrierung des Positionsmesssensors unter Verwendung des zum Messen der Anfangsposition erlangten ersten Messwerts auszuführen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist wie folgend. In der Erfindung gemäß dem ersten Aspekt ist der Positionsmesssensor ein Tastkopf und die Messobjektlehre ist eine Kugellehre.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen ist ein dritter Aspekt der Erfindung ein Erkennungsverfahren für einen geometrischen Fehler zum Erkennen von geometrischen Fehlern in einer Maschine. Die Maschine enthält eine Hauptspindel. Die Maschine ist konfiguriert, drei oder mehr translatorische Achsen und eine oder mehrere Rotationsachsen, die eine andere als die Hauptspindel sind, zu steuern, um so ein Positionieren für einen Positionsbezug zwischen der Hauptspindel und einem Objekt durchzuführen. Das Verfahren enthält ein Steuern der Rotationsachse, um so eine Kugellehre in eine Mehrzahl von Positionen weiterzuschalten, eine weitergeschaltete Position der weitergeschalteten Kugellehre unter Verwendung eines an der Hauptspindel angebrachten Tastkopfs in einem dreidimensionalen Raum zu messen, um so einen Messwert zu erfassen, und ein Erkennen von geometrischen Fehlern der Maschine bezüglich der translatorischen Achse und/oder der Rotationsachse in der Mehrzahl von Positionen basierend auf den Messwerten. Das Verfahren führt einen ersten Schritt eines Weiterschaltens der Hauptspindel in vier oder mehr Richtungen und eines Berührens eines identischen Punkts des Tastkopfs mit der Kugellehre in einer Anfangsposition, um so eine Messung durchzuführen, einen zweiten Schritt eines Erhaltens einer Mittelpunktposition in einer vorbestimmten Ebene der Kugellehre basierend auf einem in dem ersten Schritt gemessenen Messwert, einen dritten Schritt eines Weiterschaltens der Hauptspindel in einer Richtung und einer Berührung des Tastkopfs und der Kugellehre in der Anfangsposition an fünf oder mehr Punkten, um so eine Messung durchzuführen, einen vierten Schritt eines Erhaltens einer Mittelpunktposition in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Kugellehre, eines Erhaltens einer Mittelpunktposition der Kugellehre in einem dreidimensionalen Raum in der Anfangsposition und eines Erhaltens eines Kompensationswerts des Tastkopfs in einer radialen Richtung basierend auf in dem ersten Schritt und dem dritten Schritt gemessenen Messwerten, und einen fünften Schritt eines Vermessens der in die Mehrzahl von Positionen weitergeschalteten Kugellehre unter Verwendung des Kompensationswerts aus, um so die geometrischen Fehler zu erkennen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Ausführen einer Kalibrierung des Positionsmesssensors, wie etwa eines Tastkopfs, unter Verwendung des Anfangsmesswerts, der erfasst wird, um die Anfangsposition der Messobjektlehre zu erfassen, um so, gleichzeitig mit einer Messung der Anfangsposition, eine Kalibrierung des Positionsmesssensors auszuführen. Dementsprechend ist es nicht erforderlich, ein anderes Messinstrument, wie etwa eine Messuhr, bereitzustellen und es ist möglich, eine Kalibrierung zu vereinfachen. Die Kalibrierung wird jedes Mal durchgeführt, wenn die Anfangsposition der Messobjektlehre gemessen wird. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Genauigkeit beim Erkennen von geometrischen Fehlern, um so die Positioniergenauigkeit der Maschine zu verbessern.
1 ist eine perspektivische erklärende Ansicht, die eine Multi-Achsen-Werkzeugmaschine darstellt.
2 ist eine erklärende Ansicht, die einen Zustand darstellt, in dem eine Zielkugel auf einem Tisch installiert ist.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Steuerung im Zusammenhang mit einem Erkennen von geometrischen Fehlern darstellt.
4 ist Ablaufdiagramm, das eine Steuerung, im Zusammenhang mit einem Messen der Anfangsposition und einem Kalibrieren eines Tastkopfs.
5 ist eine erklärende Ansicht, die ein Verhältnis zwischen einem Messwert und dem Kugelmittelpunkt bei der Messung der Anfangsposition der Zielkugel mit dem Tastkopf darstellt.
6 ist eine erklärende Ansicht, die das Verhältnis zwischen einem Messwert und einem Kompensationswert des Tastkopfs bei der Messung der Anfangsposition der Zielkugel mit dem Tastkopf darstellt.
Nachfolgend wird ein System und Verfahren zur Erkennung von geometrischen Fehlern als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basierend auf den Zeichnungen im Detail beschrieben. In dieser Ausführungsform wird hier eine Beschreibung eines Erkennens von geometrischen Fehlern in einem Fünf-Achsen-Steuerungs-Bearbeitungszentrum als einem Beispiel einer Maschine, die eine translatorische Achse und eine Rotationsachse enthält, geliefert.
Zuerst wird basierend auf 1 eine Beschreibung einer Mehr-Achsen-Werkzeugmaschine 1 geliefert. 1 ist eine perspektivische erklärende Ansicht, die die Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1 darstellt. Hier sind in 1 die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse drei rechtwinklige Achsen (die in der Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1 vorgesehenen translatorischen Achsen). Angenommen wird, dass die Y-Achsen-Richtung in der Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1 die Vorwärts-Rückwärts-Richtung ist, die X-Achsen-Richtung die Links-Rechts-Richtung ist und die Z-Achsen-Richtung die Auf-Ab-Richtung ist.
Auf der oberen Fläche eines Betts 2 der Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1 sind Y-Achsen-Führungen 3 und 3 gebildet und eine AC-Achsen-Einheit 4 in dem Drehzapfenaufbau ist auf diesen Y-Achsen-Führungen 3 und 3 in der Y-Achsen-Richtung beweglich montiert. Die AC-Achsen-Einheit 4 enthält eine Gabel 5, die so geformt ist, dass sie eine U-Form hat, die von vorne gesehen ihre Breite in der Rechts-Links-Richtung hat. Diese Gabel 5 kann durch einen nicht gezeigten A-Achsen-Antriebsmechanismus, der in dem rechten und linken Abschnitt eingebaut ist, um die A-Achse (die Rotationsachse) parallel zu der X-Achsen-Richtung gedreht und gekippt werden. Die AC-Achsen-Einheit 4 enthält auf der oberen Fläche der Gabel 5 einen Tisch 6 zum Halten eines Werkstücks als ein Ziel der Bearbeitung. Der Tisch 6 ist um die C-Achse (die Rotationsachse) parallel zu der Z-Achse durch einen nicht gezeigten C-Achsen-Antriebsmechanismus, der in der Gabel 5 eingebaut ist, um 360° drehbar.
Ein Querträger 7 an einem rahmenförmigen Aufbau ist an dem Bett 2 befestigt, während er über die Y-Achsen-Führungen 3 und 3 hinaus nach oben steht. An der vorderen Fläche des Querträgers 7 ist eine X-Achsen-Führungseinheit 8 gebildet. Dann ist auf der X-Achsen-Führungseinheit 8 ein in der X-Achsen-Richtung beweglicher Schlitten 9 montiert. Der Schlitten 9 enthält eine Z-Achsen-Führungseinheit 10. Auf der Z-Achsen-Führungseinheit 10 ist eine Hauptspindeleinheit 12, die an einem unteren Ende davon eine Hauptspindel 11 enthält, in der Z-Achsen-Richtung beweglich montiert. Hier können der Schlitten 9, die AC-Achsen-Einheit 4 und der Hauptspindelkopf 12 durch eine parallel zu den Führungsflächen der jeweiligen Führungseinheiten montierte Kugelumlaufspindel und einen an diese Kugelumlaufspindel gekoppelten Servomotor bewegt werden. Die Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1 enthält eine nicht gezeigte NC-Einheit (Steuerungseinheit), die eine Erkennungseinrichtung für einen geometrischen Fehler enthält, und die NC-Einheit steuert das Ansteuern der jeweiligen Elemente, wie etwa der AC-Achsen-Einheit 4 und des Hauptspindelkopfs 12, in den jeweiligen axialen Richtungen.
Die oben beschriebene Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1 dreht und rotiert das auf dem Tisch 6 befestigte Werkstück um die A-Achse und um die C-Achse und bewegt das Werkstück auch in der Y-Achsen-Richtung. Andererseits bewegt die Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1 die mit einem Werkzeug ausgerüstete Hauptspindel 11 in der X-Achsen-Richtung und der Z-Achsen-Richtung, um so eine Mehr-Flächen-Bearbeitung an dem Werkstück auszuführen.
Eine Beschreibung eines Verfahrens zum Erkennen von geometrischen Fehlern in der Multi-Achsen-Werkzeugmaschine wird hier als ein Hauptbestandteil der vorliegenden Erfindung geliefert.
Um geometrische Fehler in der Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1 zu erkennen, wird vor der Messung ein Tastkopf 13 an der Hauptspindel 11 angebracht, während eine Zielkugel 14 in einer vorbestimmten Position auf dem Tisch 6 montiert wird (in 2). Der Hauptspindelkopf 12 wird so positioniert, dass das entfernte Ende des Tastkopfs 13 in der +Z-Richtung in der Nähe des Scheitelpunkts der Zielkugel 14 positioniert ist. Darüber hinaus wird der Durchmesser der Zielkugel 14 vorab durch eine Koordinatenmessmaschine oder eine ähnliche Maschine gemessen, und dann wird ein Kompensationswert des Tastkopfs in der axialen Richtung t1 durch ein bekanntes Verfahren (zum Beispiel ein Verfahren zum Erhalten eines Werkzeuglängen-Kompensationswerts eines konventionellen Werkzeugs) erlangt.
Gemäß einem in 3 dargestellten Ablaufdiagramm wird das Verfahren zum Erkennen der geometrischen Fehler beschrieben. Wie nachstehend beschrieben, wird (in S1) die Mittelpunktposition (der Mittelpunktanfangswert) der Zielkugel 14 gemessen und die Zielkugel 14 wird verwendet, um den Tastkopf 13 zu kalibrieren. Nachfolgend werden der Kompensationswert des Tastkopfs in der axialen Richtung t1 und der in S1 gemessene Mittelpunktanfangswert verwendet, um (in S2) die Mittelpunktposition (einen erwarteten Mittelpunktwert) der Zielkugel 14 und die entfernten Endposition des Tastkopfs 13, die nach einer Bewegung, wenn die Rotationsachse unter den vorangehend gewählten Messbedingungen (die Weiterschaltwinkel der jeweiligen Rotationsachsen enthalten) rotiert wird, erwartet werden, zu berechnen. Darüber hinaus werden die erwarteten Mittelpunktwerte (d. h. dreidimensionale Positionskoordinatenwerte), die an den jeweiligen Weiterschaltwinkeln berechnet wurden, als die Anweisungswerte (die Anweisungswerte der translatorischen Achsen) der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse gewählt, und eine Anweisungswertliste, in der jeweilige Weiterschaltwinkel als die Anweisungswerte der Rotationsachsen eingestellt sind, wird erzeugt (in S2).
Die jeweiligen Achsen werden basierend auf der in S2 erzeugten Anweisungswertliste gesteuert, um die Zielkugel 14 in der vorbestimmten Position weiterzuschalten, und der Tastkopf 13 wird mit weitergeschalteten vier Punkten (oder mehr Punkten) auf der Oberfläche der Zielkugel 14 in Kontakt gebracht, um eine Messung durchzuführen, um so die Mittelpunktposition (ein Mittelpunktmesswert) und den Durchmesserwert (ein Durchmessermesswert) der Zielkugel 14 zu berechnen (in S3). Hier kann der bereits bekannte Durchmesserwert (der mit der Koordinatenmessmaschine oder ähnlichen Maschine vor S1 gemessene Durchmesserwert) der Zielkugel 14 verwendet werden, um den Mittelpunktmesswert und ähnlichen Wert selbst bei einer berührenden Messung an drei Punkten der Oberfläche der Zielkugel 14 zu erhalten.
Weiterhin wird in dem Fall, in dem (in S4) in bestimmt wird, ob die Messung an allen den weitergeschalteten Positionen abgeschlossen ist und die Messung nicht abgeschlossen ist (in dem Fall, in dem in S4 NEIN bestimmt wird), (in S3) die nächste Messung durchgeführt. In dem Fall, in dem die Messung abgeschlossen ist (in dem Fall, in dem in S4 JA bestimmt wird), werden die geometrischen Fehler der Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1 erkannt und basierend auf dem berechneten Mittelpunktmesswert und den Anweisungswerten der Anweisungswerte-Liste (in S5) berechnet, um so die geometrischen Fehler in der Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1 zu erkennen.
Entsprechend einem in 4 dargestellten Ablaufdiagramm wird hier eine detaillierte Beschreibung der Messung des Mittelpunktanfangswerts und der Kalibrierung des Tastkopfs 13 in S1 geliefert. Hier wird der Tastkopf 13 bewusst mit den Scheitelpunkten in den jeweiligen Richtungen in Kontakt gebracht, um den Tastkopf 13 mit der Zielkugel 14 zu berühren, aber es ist schwierig, den Scheitelpunkt exakt zu berühren. Dementsprechend enthält der ”Scheitelpunkt” nicht nur einen genauen Scheitelpunkt, sondern auch die Umgebung des Scheitelpunkts.
Um den Mittelpunktanfangswert zu messen und eine Kalibrierung des Tastkopfs 13 auszuführen, wird zuerst der Tastkopf 13 in der –Z-Richtung bewegt, um den Scheitelpunkt der Zielkugel 14 in der +Z-Richtung zu berühren, und ein gemessener Z-Achsen-Koordinatenwert zm1 wird (in S21) gespeichert. Ein bekannter Durchmesserwert d0 der Zielkugel 14 und der Kompensationswert des Tastkopfs in der axialen Richtung t1, der vorab erlangt wird, werden verwendet, um basierend auf der nachstehenden Formel 1 eine angenommene Z-Mittelpunktposition zt (in S22) zu erhalten.
[Formel 1]

zt = zm1 – d0/2 – t1

Nachfolgend wird die Hauptspindel 11 auf 0° weitergeschaltet und der Hauptspindelkopf 12 wird so positioniert, dass das entfernte Ende des Tastkopfs 13 in der +X-Richtung in der Nähe des Scheitelpunkts der Zielkugel 14 positioniert ist. Nachfolgend wird der Tastkopf 13 in der –X-Richtung bewegt, um den Scheitelpunkt der Zielkugel 14 in der +X-Richtung zu berühren, und ein gemessener X-Achsen-Koordinatenwert xm1 wird (in S23) gespeichert. Die Hauptspindel 11 wird auf 180° weitergeschaltet, so dass der Punkt, der identisch mit dem Punkt ist, der in S23 berührt wird, mit der Zielkugel 14 in Kontakt gebracht wird, und der Hauptspindelkopf 12 wird so positioniert, dass das entfernte Ende des Tastkopfs 13 in der –X-Richtung in der Nähe des Scheitelpunkts der Zielkugel 14 positioniert ist. Nachfolgend wird der Tastkopf 13 in der +X-Richtung bewegt, um so den Scheitelpunkt der Zielkugel 14 in der –X-Richtung zu berühren, und ein gemessener X-Achsen-Koordinatenwert xp1 wird (in S24) gespeichert. Dann werden der gespeicherte X-Achsen-Koordinatenwert xp1 und der X-Achsen-Koordinatenwert xm1 verwendet, um eine X-Mittelpunktposition xo basierend auf der nachstehenden Formel 2 (in S25) zu erhalten. Wie eben beschrieben, wird der identische Punkt des entfernten Endes des Tastkopfs 13 mit der Zielkugel 14 in Kontakt gebracht (in 5 dargestellt), um es so zu ermöglichen, die X-Mittelpunktposition xo zu erhalten, ohne von dem Unterschied der Eigenschaften aufgrund des Unterschieds der Berührrichtung des Tastkopfs 13, eines Schwingens des Tastkopfs 13 und der Hauptspindel 11 und aus ähnlichen Gründen beeinflusst zu sein.
[Formel 2]

xo = (xp1 + xm1)/2

Daraufhin wird die Hauptspindel 11 auf 270° weitergeschaltet, und der Hauptspindelkopf 12 wird so positioniert, dass das entfernte Ende des Tastkopfs 13 in der +Y-Richtung in der Nähe des Scheitelpunkts der Zielkugel 14 positioniert ist. Nachfolgend wird der Tastkopf 13 in der –Y-Richtung bewegt, um so den Scheitelpunkt der Zielkugel 14 in der +Y-Richtung zu berühren, und ein gemessener Y-Achsen-Koordinatenwert ym1 wird (in S26) gespeichert. Die Hauptspindel 11 wird auf 90° weitergeschaltet, so dass der Punkt, der mit dem in S26 berührten Punkt identisch ist, mit der Zielkugel 14 in Kontakt gebracht wird, und der Hauptspindelkopf 12 wird so positioniert, dass das entfernte Ende des Tastkopfs 13 in der –Y-Richtung in der Nähe des Scheitelpunkts der Zielkugel 14 positioniert ist. Nachfolgend wird der Tastkopf 13 in der +Y-Richtung bewegt, um so den Scheitelpunkt der Zielkugel 14 in der –Y-Richtung zu berühren, und ein gemessener Y-Achsen-Koordinatenwert yp1 wird (in S27) gespeichert. Dann werden der gespeicherte Y-Achsen-Koordinatenwert yp1 und der Y-Achsen-Koordinatenwert ym1 verwendet, um (in S28) basierend auf der nachstehenden Formel 3 eine Y-Mittelpunktposition yo zu erhalten.
[Formel 3]

yo = (yp1 + ym1)/2

Dann wird (in S29) bestimmt, ob die Berechnung der angenommenen Z-Mittelpunktposition zt, X-Mittelpunktposition xo und Y-Mittelpunktposition yo so oft als eine vorangehend gewählte spezifizierte Anzahl durchgeführt ist. Wenn die Berechnung nicht so oft als die spezifizierte Anzahl durchgeführt ist (NEIN wird in S29 bestimmt), kehrt der Prozess zu S21 zurück, um so wieder die angenommene Z-Mittelpunktposition zt, X-Mittelpunktposition xo und Y-Mittelpunktposition yo zu berechnen. Nachfolgend wird in S21 bis S29 die Berechnung der angenommenen Z-Mittelpunktposition zt, X-Mittelpunktposition xo und Y-Mittelpunktposition yo bis zu der spezifizierten Anzahl wiederholt. Wenn die Anzahl der Berechnungen die spezifizierte Anzahl erreicht hat (JA wird in S29 bestimmt), geht der Prozess zu S30 weiter.
Dann wird in S30 die Hauptspindel 11 auf 0° weitergeschaltet, was der während einer gewöhnlichen Messung weitergeschaltete Winkel ist. Nachfolgend wird der Hauptspindelkopf 12 so positioniert, dass das entfernte Ende des Tastkopfs 13 an der X-Koordinate xo, der Y-Koordinate yo und einer Z-Koordinate positioniert ist, die die Position in der +Z-Richtung in der Nähe des Scheitelpunkts der Zielkugel 14 ist. Nachfolgend wird der Tastkopf 13 in der –Z-Richtung bewegt, um den Scheitelpunkt der Zielkugel 14 in der +Z-Richtung zu berühren, und ein gemessener Z-Achsen-Koordinatenwert zm2 wird (in S31) gespeichert. Dann werden, zusätzlich zu dem gespeicherten Z-Achsen-Koordinatenwert zm2, der bekannte Durchmesserwert d0 der Zielkugel 14 und der Kompensationswert des Tastkopfs in der axialen Richtung t1, die vorangehend erlangt werden, verwendet, um (in S32) eine Z-Mittelpunktposition zo basierend auf der nachstehenden Formel 4 zu erhalten.
[Formel 4]

zo = zm2 – d0/2 – t1

Der Hauptspindelkopf 12 wird so positioniert, dass das entfernte Ende des Tastkopfs 13 in einer X-Koordinate, die die Position in der +X-Richtung in der Nähe des Scheitelpunkts der Zielkugel 14 ist, in der Y-Koordinate y0 und in der Z-Koordinate z0 positioniert ist. Nachfolgend wird der Tastkopf 13 in der –X-Richtung bewegt, um den Scheitelpunkt der Zielkugel 14 in der +X-Richtung zu berühren, und ein gemessener X-Achsen-Koordinatenwert xm2 wird (in S33) gespeichert. Der Hauptspindelkopf 12 wird so positioniert, dass das entfernte Ende des Tastkopfs 13 in einer X-Koordinate, die die Position in der –X-Richtung in der Nähe des Scheitelpunkts der Zielkugel 14, in der Y-Koordinate y0 und in der Z-Koordinate z0 ist. Nachfolgend wird der Tastkopf 13 in der +X-Richtung bewegt, um den Scheitelpunkt der Zielkugel 14 in der –X-Richtung zu berühren, und ein gemessener X-Achsen-Koordinatenwert xp2 wird (in S34) gespeichert.
Daraufhin wird der Hauptspindelkopf 12 so positioniert, dass das entfernte Ende des Tastkopfs 13 in der X-Koordinate xo, einer Y-Koordinate, die die Position in der Nähe des Scheitelpunkt der Zielkugel 14 in der +Y-Richtung ist, und der Z-Koordinate z0 positioniert ist. Nachfolgend wird der Tastkopf 13 in der –Y-Richtung bewegt, um den Scheitelpunkt der Zielkugel 14 in der +Y-Richtung zu berühren, und ein gemessener Y-Achsen-Koordinatenwert y2 wird (in S35) gespeichert. Der Hauptspindelkopf 12 wird so positioniert, dass das entfernte Ende des Tastkopfs 13 in der X-Koordinate xo, einer Y-Koordinate, die in der Nähe des Scheitelpunkts der Zielkugel 14 in der –Y-Richtung positioniert ist, und der Z-Koordinate z0 positioniert ist. Nachfolgend wird der Tastkopf 13 in der +Y-Richtung bewegt, um den Scheitelpunkt der Zielkugel 14 in der –Y-Richtung zu berühren, und ein gemessener Y-Achsen-Koordinatenwert yp2 wird (in S36) gespeichert.
Nachfolgend werden ein Kompensationswert des Tastkopfs in der radialen Richtung tc1 in der +X-Richtung, ein Kompensationswert des Tastkopfs in der radialen Richtung tc2 in der –X-Richtung, ein Kompensationswert des Tastkopfs in der radialen Richtung tc3 in der +Y-Richtung und ein Kompensationswert des Tastkopfs in der radialen Richtung tc4 in der –Y-Richtung (d. h. kalibrierte Werte) basierend auf der nachstehenden Formel 5 (in S37) erhalten. Das heißt, dass der Mittelpunkt der Hauptspindel 11 mit dem Mittelpunkt der Zielkugel 14 übereinstimmt. Wie in 6 dargestellt, ermöglicht dies, jeweilige Tastkopf-Kompensationswerte in der radialen Richtung von jeweiligen Koordinatenwerten, die zu diesem Zeitpunkt erlangt werden, die Mittelpunktpositionen xo und yo der Zielkugel 14 und den Durchmesserwert d0 der Zielkugel 14 zu erhalten.
[Formel 5]

tc1 = xo – xp2 – d0/2
tc2 = xo – xm2 + d0/2
tc3 = yo – yp2 – d0/2
tc4 = yo – ym2 + d0/2

Wie eben beschrieben, wird die Messung der Mittelpunktanfangswerte (die X-Mittelpunktposition xo, die Y-Mittelpunktposition yo und die Z-Mittelpunktposition zo) und die Kalibrierung (Erlangung der Kompensationswerte des Tastkopfs in der radialen Richtung) des Tastkopfs 13 durchgeführt.
Hier sind unter der Annahme, dass der Punkt auf der Oberfläche der Kugel zu dem Mittelpunkt der Zielkugel 14 hin berührt wird, die Messwerte der jeweiligen Achsen (xs, ys, zs). Die Tastkopf-Kompensationswerte in der radialen Richtung (tax, tay, taz) können basierend auf der nachstehenden Formel 6 erhalten werden.
[Formel 6]

tax = xo – xs – d0/2
tay = yo – ys + d0/2
taz = zo – zs + d0/2

Das Folgende beschreibt die Erkennung der geometrischen Fehler in S5 im Detail.
Es wird angenommen, dass in einem Messzustand eine Seite der Rotationsachse fest ist und die andere Seite um eine Mehrzahl von Winkeln weitergeschaltet wird, um die Mittelpunktposition der Zielkugel 14 zu messen. Der Differenzvektor des Messwerts in der Mittelpunktposition bezüglich des Anweisungswerts in diesem Messzustand kann in drei Komponenten, die radiale Richtung, die axiale Richtung und die tangentiale Richtung der Weiterschaltachse aufgelöst werden. Diese jeweiligen Komponenten können durch ein Gauß-Kreis-Verfahren als ein Bogen, der Fehler, wie etwa eine Fourier-Reihe von Komponenten nullter Ordnung (ein Radiusfehler), eine Komponente erster Ordnung (eine Mittelpunktabweichung) und eine Komponente zweiter Ordnung (eine elliptische Form), hat, angenähert werden. Eine Komponente in radialer Richtung dRr_i, eine Komponente in axialer Richtung dRa_i und eine Komponente in tangentialer Richtung dRt_i des Messwerts in den k-ten Weitschaltwinkeln θ_ijk der j-ten Rotationsachse können in einem Messzustand i durch die nachstehende Formel 7 ausgedrückt werden.
[Formel 7]

dRr_i = ra0_i + ra1_i·cos(θ_ijk) + rb1_i·cos(θ_ijk) + ra2_icos(2θ_ijk) + rb2_isin(2θ_ijk)
dRa_i = aa0_i + aa1_i·cos(θ_ijk) + ab1_i·cos(θ_ijk) + aa2_icos(2θ_ijk) + ab2_isin(2θ_ijk)
dRt_i = ta0_i + ta1_i·cos(θ_ijk) + tb1_i·cos(θ_ijk) + ta2_icos(2θ_ijk) + tb2_isin(2θ_ijk)

Hier wird bei einem in der Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1 existierenden geometrischen Fehler angenommen, dass die Rechtwinkligkeit zwischen der X- und Y-Achse dCxy ist, die Rechtwinkligkeit zwischen der Y- und Z-Achse dAxz ist, die Rechtwinkligkeit zwischen der Z- und X-Achse dBxz ist, der X-Richtungsfehler der C-Achsen-Mittelpunktposition dXca ist, der Versatzfehler zwischen der C- und A-Achse dYca ist, der Winkelversatzfehler der A-Achse dAca ist, die Rechtwinkligkeit zwischen der C- und A-Achse dBca ist, der Y-Richtungsfehler der A-Achsen-Mittelpunktposition dYay ist, der Z-Richtungsfehler der A-Achsen-Mittelpunktposition dZay ist, die Rechtwinkligkeit zwischen der A- und Z-Achse dBay ist und die Rechtwinkligkeit zwischen der A- und Y-Achse dCay ist.
Es wird angenommen, dass der Messzustand 1 der A-Achse auf 0° und der C-Achse auf 0° bis 360° bestimmt ist, der Messzustand 2 der C-Achse auf –90° und der A-Achse auf –90° bis 90° bestimmt ist, und der Messzustand 3 der A-Achse auf –90° und der C-Achse auf 0° bis 180° bestimmt ist. Dann ist Formel 7 nachstehende der Zusammenhang zwischen den jeweiligen Koeffizienten und Formel 8 zwischen den jeweiligen geometrischen Fehlern. Dementsprechend wird Formel 8 umgeformt, um eine Berechnung zu ermöglichen, d. h. die jeweiligen geometrischen Fehler zu erkennen. Hier sind R₁, R₂ und R₃ Abstände von dem Rotationszentrum zu der Mittelpunktposition der Zielkugel 14 in der Ebene, in der alle Kugel-Mittelpunktpositionen durch die Anweisungen in den jeweiligen Messzustände 1, 2 und 3 platziert sind, d. h. die Radien der Bogenbahnkurve.
[Formel 8]

ra1₁ = –dXca – (dBca + dBay + dBxz)·H
rb1₁ = dYca + dYay – (daca + dAxz)·H
rb2₁ = dCyx·R₁/2
aa1₁ = dBca + dBay
ab1₁ = dAca
ra1₂ = –dYay
rb1₂ = dZay
rb2₂ = –dAxz·R₂/2
aa1₂ = dCay
ab1₂ = –(dBay + dBxz)
rb2₃ = dBxz·R₃/2

Das Erkennungssystem für einen geometrischen Fehler und das Verfahren, die die wie oben beschriebene Konfiguration haben, führen an dem entfernten Endabschnitt des Tastkopfs 13 ein Kalibrieren in der radialen Richtung unter Verwendung der Messwerte zum Messen des Mittelpunktanfangswerts (der Anfangsposition) der Zielkugel 14 aus, um es so zu ermöglichen, ein Kalibrieren des Tastkopfs 13 gleichzeitig mit einer Messung des Mittelpunktanfangswerts durchzuführen. Nachfolgend wird die Mittelpunktposition der Zielkugel 14 gemessen, während der Tisch 6, an dem die Zielkugel 14 befestigt ist, rotiert und gekippt wird, und die geometrischen Fehler der Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1 werden basierend auf den erlangten Messwerten erkannt. Dementsprechend ist es nicht notwendig, ein anderes Messinstrument, wie etwa eine Messuhr, bereitzustellen, und es ist möglich, die Kalibrierung zu vereinfachen. Die Kalibrierung wird jedes Mal ausgeführt, wenn die Anfangsposition der Zielkugel 14 gemessen wird. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Genauigkeit zum Erkennen von geometrischen Fehlern, um so die Positioniergenauigkeit der Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1 (die Bearbeitungsgenauigkeit der Multi-Achsen-Werkzeugmaschine 1) zu verbessern.
Hier sind das Erkennungssystem für einen geometrischen Fehler und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf die Form der oben beschriebenen Ausführungsform beschränkt, und sie können, wenn notwendig, verändert werden, ohne sich von dem Geist der vorliegenden Erfindung zu entfernen.
Zum Beispiel sind die Maschine, auf die das Erkennungssystem für einen geometrischen Fehler gerichtet ist, und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf die Multi-Achsen-Werkzeugmaschine in der oben beschriebenen Ausführungsform beschränkt, und es kann eine Werkzeugmaschine sein, die eine andere als das Bearbeitungszentrum, beispielsweise eine Drehmaschine, eine kombinierte Bearbeitungsmaschine oder eine Schleifmaschine, ist. Die Maschine kann eine Werkzeugmaschine sein, die nur vier Achsen hat, sofern die Maschine mindestens drei translatorische Achsen und eine Rotationsachse hat, oder kann eine Werkzeugmaschine sein, die sechs oder mehr Achsen hat. Weiterhin kann die Werkzeugmaschine zwei oder mehr Rotationsachsen auf der Hauptspindelseite enthalten, kann eine Rotationsachse für sowohl die Hauptspindelseite als auch die Tischseite enthalten, oder kann nur eine Rotationsachse lediglich auf einer von der Hauptspindelseite oder der Tischseite enthalten. Zusätzlich ist keine Werkzeugmaschine notwendig, sondern eine industrielle Maschine oder ein Roboter können verwendet werden.
Es wird explizit festgestellt, dass beabsichtigt ist, alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale, separat und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung sowie zum Zweck eines Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von der Zusammenstellung der Merkmale in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen zu offenbaren. Es wird explizit festgestellt, dass alle Wertebereiche oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Zwischeneinheit sowohl zu dem Zweck der ursprünglichen Offenbarung als auch zum Zweck eines Einschränkens der beanspruchten Erfindung, insbesondere als Grenzen von Wertebereichen, offenbaren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011-38902 [0002]
JP 2011-38902 A [0002, 0002, 0003]
JP 4-63664 [0005]
JP 58-82649 [0005]
JP 4-63664 A [0005, 0006]
JP 58-82649 A [0005, 0006]

Claims

Erkennungssystem für einen geometrischen Fehler, das eine Steuerungseinheit aufweist, die konfiguriert ist, geometrische Fehler in einer Maschine (1) zu erkennen, wobei die Maschine (1) eine Hauptspindel (11) enthält, die Maschine (1) konfiguriert ist, drei oder mehr translatorische Achsen und eine oder mehrere Rotationsachsen, die andere als die Hauptspindel (11) sind, zu steuern, um so eine Positionierung für einen Positionsbezug zwischen der Hauptspindel (11) und einem Objekt durchzuführen, und die Steuerungseinheit konfiguriert ist, um: die Rotationsachse zu steuern, um so eine Messobjektlehre (14) in eine Mehrzahl von Positionen weiterzuschalten; eine weitergeschaltete Position der weitergeschalteten Messobjektlehre (14) in einem dreidimensionalen Raum unter Verwendung eines an der Hauptspindel (11) angebrachten Positionsmesssensors (13) zu messen, um so einen Messwert zu erlangen; und geometrische Fehler der Maschine (1) bezüglich zumindest einer von der translatorischen Achse oder der Rotationsachse basierend auf den Messwerten in der Mehrzahl von Positionen zu erkennen, wobei die Steuerungseinheit konfiguriert ist, eine Anfangsposition der Messobjektlehre (14) zu messen und eine Kalibrierung des Positionsmesssensors (13) unter Verwendung eines zum Messen der Anfangsposition erlangten Anfangsmesswerts auszuführen.
Erkennungssystem für einen geometrischen Fehler gemäß Anspruch 1, wobei der Positionsmesssensor ein Tastkopf (13) ist, und die Messobjektlehre eine Kugellehre (14) ist.
Erkennungssystem für einen geometrischen Fehler zum Erkennen von geometrischen Fehlern in einer Maschine (1), wobei die Maschine (1) eine Hauptspindel (11) enthält, die Maschine (1) konfiguriert ist, drei oder mehr translatorische Achsen und eine oder mehrere Rotationsachsen, die eine andere als die Hauptspindel (11) sind, zu steuern, um so ein Positionieren für einen Positionsbezug zwischen der Hauptspindel (11) und einem Objekt durchzuführen, und das Verfahren enthält: ein Steuern der Rotationsachse, um so eine Kugellehre (14) in eine Mehrzahl von Positionen weiterzuschalten; ein Messen einer weitergeschalteten Position der weitergeschalteten Kugellehre (14) in einem dreidimensionalen Raum unter Verwendung eines an der Hauptspindel (11) angebrachten Tastkopfs (13), um so einen Messwert zu erlangen; und ein Erkennen von geometrischen Fehlern der Maschine (1) bezüglich zumindest einer von der translatorischen Achse oder der Rotationsachse basierend auf den Messwerten in der Mehrzahl von Positionen, und das Verfahren ausführt: einen ersten Schritt eines Weiterschaltens der Hauptspindel (11) in vier oder mehr Richtungen und eines In-Kontakt-Bringens eines identischen Punkts des Tastkopfs (13) mit der Kugellehre (14) in einer Anfangsposition, um so eine Messung auszuführen; einen zweiten Schritt eines Erhaltens einer Mittelpunktposition in einer vorbestimmten Ebene der Kugellehre (14) basierend auf einem in dem ersten Schritt gemessenen Messwert; einen dritten Schritt eines Weiterschaltens der Hauptspindel (11) in eine Richtung und eines In-Kontakt-Bringens des Tastkopfs (13) mit der Kugellehre (14) in der Anfangsposition an fünf oder mehr Punkten, um so eine Messung durchzuführen; einen vierten Schritt eines Erhaltens einer Mittelpunktposition in einer Richtung rechtwinklig zu der Ebene der Kugellehre (14), eines Erhaltens einer Mittelpunktposition der Kugellehre (14) in der Anfangsposition in einem dreidimensionalen Raum, und eines Erhaltens eines Kompensationswerts in einer radialen Richtung des Tastkopfs (13) basierend auf in dem ersten Schritt und dem dritten Schritt gemessenen Messwerten; und einen fünften Schritt eines Messens der in die Mehrzahl der Positionen weitergeschalteten Kugellehre (14) unter Verwendung des Kompensationswerts, um so die geometrischen Fehler zu erkennen.