机床的数控装置和数控方法与流程

本发明涉及在机床中用于校正由工件的质量引起的机床变形的数控装置和数控方法。

背景技术：

图1是具有三个平移轴和两个旋转轴的5轴控制加工中心的示意图。主轴头2能够借助作为平移轴的彼此垂直的x轴、z轴相对于底座1进行两个平移自由度的运动。工作台3能够借助作为旋转轴的c轴相对于托架4进行一个旋转自由度的运动，托架4能够借助作为旋转轴的a轴相对于耳轴5进行一个旋转自由度的运动，a轴和c轴彼此垂直。此外,耳轴5能够借助作为平移轴且与x、z轴垂直的y轴相对于底座1进行一个平移自由度的运动。因此，主轴头2能够相对于工作台3进行三个平移自由度和两个旋转自由度的运动。各进给轴被由未图示的数控装置控制的伺服电机驱动，将被加工物固定到工作台3上，将刀具安装在主轴头2上并使刀具旋转，控制被加工物和刀具之间的相对位置和相对姿态来进行加工。

对该5轴机床的运动精度产生影响的主要因素例如有旋转轴的中心位置的误差(相对于假定的位置的偏离)以及旋转轴的倾斜误差(轴间的垂直度、平行度)等各轴间的几何学误差(以下称为“几何误差”)。若存在几何误差，则导致机床的运动精度恶化，工件的加工精度恶化。因此，虽然需要通过调整来减小几何误差，但是难以使其为零，可以通过进行校正几何误差的控制来进行高精度的加工。

作为测定机床的几何误差的手段，已经提出了各种方法，但是测定需要昂贵的测定仪器或多个测定仪器，此外，所述误差的测定还要求某种程度的技能水平。因此，专利文献1公开了一种系统，其中，在机床的刀具台上安装接触探针，在工作台上设置目标球，使机床在指定的分度位置自动进行倾斜轴/旋转轴的分度动作，在各分度位置计测目标球的中心坐标，基于该结果辨识、校正几何误差。

还可举出由于装载在工作台3上的夹具或工件的重力等外力以及平移轴和旋转轴的动作导致的托架4和耳轴5等的重心移动而产生的变形误差也是对该5轴机床的运动精度产生影响的主要因素之一。为了抑制变形误差，存在有实施增加构成机床的各要素的厚度等措施以提高静刚性的方法，但是会发生由于材料的成本或机床本身的质量增加而导致的速度降低等问题。

针对这样的问题，在专利文献2的三维测定器中，在预先装载各种质量的工件的状态下计测几何误差，根据该计测结果求出并存储每个工件质量的校正参数，适当读出与待测定工件的质量对应的校正参数来校正待测定的工件的测定坐标。

此外，在专利文献3中，已经提出了如下装置：将由于外力引起的变形误差、热位移和机床的定位误差等各种误差作为几何误差来处理，从而以更简单的结构来校正各种误差。

在先技术文献

专利文献1：日本特开2011-38902号公报

专利文献2：日本特开2005-214943号公报

专利文献3：日本特开2009-104317号公报

上述变形误差根据每台机床的组装精度而有偏差。此外，长时间使用机床会导致部件磨损，变形行为发生变化。因此，在如专利文献2那样基于预先计测的变形误差估计变形误差时，产生由于老化引起的误差。

此外，像专利文献1所述的系统那样，对于机床的老化，也可以使用接触探针等计测装置来自动辨识几何误差，但是无法辨识依赖于轴的位置而变化的变形误差。此外，在装载有大工件的状态下，有如下情况：由于与机床发生干涉，因此无法进行计测。此外，在工件的重心位置从旋转轴c轴的中心偏离时，重心位置根据c轴的位置而移动，变形行为发生变化，因此无法辨识几何误差。

在专利文献3中，将由于外力引起的变形误差作为针对工件质量、重心等的函数，但是，由于变形行为如上所述根据每台机床的偏差和机床的使用状况而变化，因此，仅凭工件的质量和重心的函数，无法高精度地估计变形误差。

技术实现要素：

因此，本发明目的在于提供数控装置和数控方法，基于所输入的工件的质量和重心位置估计变形误差，并且在装载有工件的状态下使用接触探针等计测装置辨识变形误差，从而能够对各种工件实现高精度的加工。

为了实现所述目的，技术方案1的发明是数控装置，该数控装置控制机床,所述机床具备安装有刀具的主轴、保持工件和夹具的工作台、三个平移轴以及至少一个旋转轴,该数控装置的特征在于,具备:轴依存变形误差估计单元,其至少根据轴依存变形误差参数和平移轴和/或旋转轴的指令值，运算由于平移轴和/或旋转轴的动作引起机床发生变形而产生的轴依存变形误差的估计值；输入单元,其用于输入工件和/或夹具的质量和重心位置；重力变形估计单元,其至少根据重力变形误差参数、由输入单元输入的质量和重心位置以及指令值，运算由工件和/或夹具的质量引起的重力变形误差的估计值；校正值运算单元,其根据轴依存变形误差的估计值、重力变形误差的估计值以及指令值，运算与刀具相对于工件的位置和/或姿态的误差对应的平移轴和/或旋转轴的校正值；以及加法单元,其将校正值加到指令值中。

技术方案2的发明的特征在于,在技术方案1的结构的基础上，轴依存变形误差估计单元使用以至少一个旋转轴的指令值作为变量的、旋转轴的6个自由度的几何误差的函数，运算轴依存变形误差的估计值。

技术方案3的发明的特征在于,在技术方案1或2的结构的基础上，重力变形估计单元使用依赖于工件和/或夹具的质量、工件和/或夹具的重心位置以及至少一个旋转轴的指令值的函数，运算重力变形误差的估计值。

技术方案4的发明的特征在于,在技术方案1至3中的任意一个结构的基础上，具备误差辨识单元，该误差辨识单元利用安装于主轴或工作台中的任意一方的计测单元来计测安装于另一方的目标的位置，根据计测出的目标的多个位置的三维坐标值来辨识轴依存变形误差参数,轴依存变形误差估计单元根据由误差辨识单元辨识的轴依存变形误差参数和指令值来运算轴依存变形误差的估计值。

技术方案5的发明的特征在于,在技术方案4的结构的基础上，误差辨识单元以旋转轴中的至少一个轴为动作轴，另一个轴为固定轴，将固定轴定位在两个以上的固定位置，在各固定位置上,将动作轴定位在多个位置,利用计测单元计测目标的位置而分别取得目标的位置的坐标值，根据各固定位置处的多个坐标值辨识轴依存变形误差参数。

技术方案6的发明的特征在于,在技术方案5的结构的基础上，误差辨识单元根据各固定位置处的多个坐标值辨识各固定位置处的与动作轴相关的6个自由度误差，根据辨识出的6个自由度误差辨识轴依存变形误差参数。

技术方案7的发明的特征在于,在技术方案4的结构的基础上，误差辨识单元根据存在重力变形误差时估计的刀具相对于工件的位置与没有重力变形误差的理想的刀具相对于工件的位置之差，运算由重力变形误差引起的刀具相对于工件的位置误差的估计值，使用从计测单元所计测的目标的坐标值中减去位置误差的估计值而得到的坐标值，辨识轴依存变形误差参数。

为了实现上述目的，技术方案8的发明是机床的数控方法，该数控方法用于控制所述机床,所述机床具备安装有刀具的主轴、保持工件和夹具的工作台、三个平移轴以及至少一个旋转轴,该数控方法的特征在于,执行以下步骤:轴依存变形误差估计步骤,至少根据轴依存变形误差参数和平移轴和/或旋转轴的指令值，运算由于平移轴和/或旋转轴的动作引起机床发生变形而产生的轴依存变形误差的估计值；工件信息取得步骤,取得工件和/或夹具的质量和重心位置；重力变形估计步骤,至少根据重力变形误差参数、通过工件信息取得步骤取得的质量和重心位置以及指令值，运算由工件和/或夹具的质量引起的重力变形误差的估计值；校正值运算步骤,根据轴依存变形误差的估计值、重力变形误差的估计值以及指令值，运算与刀具相对于工件的位置和/或姿态的误差对应的平移轴和/或旋转轴的校正值；以及加法步骤,其将校正值加到指令值中。

发明的效果

根据本发明，即使存在每台机床的偏差或机床的使用状况所导致的变形行为的变化，也能够用计测装置辨识变形误差。即使在装载大工件、发生干涉而无法进行计测的情况下，在可计测的状态、例如仅装载夹具的状态等状态下辨识出变形误差之后，通过根据从该时刻起堆积的夹具或工件的质量或重心位置信息来估计变形误差，也能够更准确地估计变形误差。此外，即使在工件的重心位置从旋转轴的中心偏离的情况下，也能够基于工件的质量和重心位置估计根据旋转轴的位置而变化的变形误差。通过基于所估计的变形误差进行校正，还校正了由旋转轴的位置引起的变形误差的变化。此外，通过使用计测装置,能够辨识未能估计出的变形误差。

通过以上方式校正辨识/估计出的误差，能够对各种工件实现更高精度的加工。

附图说明

图1是5轴控制加工中心的示意图。

图2是以往的数控装置的框线图。

图3是执行本发明的数控方法的数控装置的框线图。

图4是辨识几何误差的流程图。

标号说明

1：底座；2：主轴头；3：工作台；4：托架；5：耳轴；11：加工程序；12：指令值生成单元；13：伺服指令值转换单元；14a～14e：伺服放大器；15a～15e：伺服电机；16：校正值运算单元；17：输入单元；18：重力变形估计单元；19：误差辨识单元；20：轴依存变形误差估计单元；21：加法器

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

以图1所示的5轴控制加工中心(以下称为“5轴机床”)为例对本发明的实施方式的一例进行说明。本次举出关于从工件到刀具的轴结构是c轴-a轴-y轴-x轴-z轴的工作台旋转型加工中心的实施例，但是，本发明只要是具备三个平移轴和至少一个旋转轴的机床，则不限于加工中心或5轴机床。

接下来，对几何误差进行说明。

几何误差被定义为各轴间的三个方向的相对平移误差和三个方向的相对旋转误差共计六个分量(δx、δy、δz、α、β、γ)。在本例的5轴机床中，从固定在工作台3上的工件(被加工物)起到安装于主轴头2的主轴上的刀具为止的轴的连接是c轴、a轴、y轴、x轴、z轴的顺序，还考虑到z轴与刀具之间、工件与c轴之间的话，共计存在36个几何误差。但是，由于在36个几何误差中有多个处于冗余关系，因此，对于将它们除外之后的最终几何误差，将从各几何误差的刀具侧起的顺序作为下标来表示的话，是δx5、δy5、α5、β5、δy4、δz4、β4、γ4、γ3、α2、β2、α1、β1共计13个。这些几何误差的含义分别是c轴中心位置x方向误差、c-a轴间偏移误差、a轴角度偏移误差、c-a轴间垂直度、a轴中心位置y方向误差、a轴中心位置z方向误差、a-x轴间垂直度、a-y轴间垂直度、x-y轴间垂直度、y-z轴间垂直度、z-x轴间垂直度、主轴-y轴间垂直度、主轴-x轴间垂直度。

图2是以往的数控装置的一例。

当加工程序11被输入时，在指令值生成单元12中生成各驱动轴的指令值。

接下来，由校正值运算单元16基于生成的指令值运算各轴的校正值，将指令值和校正值的合计值发送到伺服指令值转换单元13，运算伺服指令值，各轴的伺服指令值被发送到各轴的伺服放大器14a～14e。各轴的伺服放大器14a～14e分别驱动伺服电机15a～15e，控制主轴头2相对于工作台3的相对位置和姿态。

这里，对针对几何误差的校正值的运算方法进行说明。为了将位于主轴头2的主轴坐标系上的刀具末端点矢量pt转换为位于工作台3的工件坐标系，若设所使用的刀具的长度为t，x、y、z、a、c轴的指令位置分别为x、y、z、a、c，则可以通过使用以下算式1进行齐次坐标变换来求出。即，求出没有几何误差时的工件坐标系中的刀具末端点矢量pi。

【算式1】

p1＝m5·m4·m3·m2·m1·pt

在此，

另一方面，通过如下面的算式2那样将各几何误差作为转换矩阵而配置在算式1的各轴的转换矩阵间，求出存在几何误差时的工件坐标系中的刀具末端点矢量pr。另外，算式2是假定几何误差微小而将它们的积视为0的近似式。

【算式2】

pr＝ε6·m5·ε5·m4·ε4·m3·ε3·m2·ε2·m1·ε1·pr

在此，

因此，工件坐标系中的刀具末端点的位置误差δpw＝(δx，δy，δz)为以下的算式(3)。

【算式3】

δpw＝pr-p1

此外，通过像下面的算式4那样对工件坐标系中的刀具末端点的位置误差δpw进行坐标变换，能够求出指令值中的误差δpo。

【算式4】

δpo＝m4^-1·m5^-1·δpw

因此，根据采用了各轴的指令值和预先计测、辨识上述算式的几何误差而得到的参数(几何参数)的以下算式5，能够得到x、y、z轴的校正值δp＝(δx，δy，δz)。

【算式5】

δp＝-δpo＝m3·m2·m1·pt-m4^-1·m5^-1·ε6·m5·ε5·m4·ε4·m3·ε3·m2·ε2·m1·ε1·pt

此外，在校正姿态误差时，像下面的算式6那样求出旋转轴a轴、c轴的校正值δa、δc，并像下面的算式7那样求出这时的x、y、z轴的校正值δp＝(δx，δy，δz)。

【算式6】

【算式7】

δp＝-δpo＝m3·m2·m1·pt-m4^-1·m5^-1·ε6·ξc·m5·ε5·ξa·m4·ε4·m3·ε3·m2·ε2·m1·ε1·pt

在此，

这样，通过将各平移轴的校正值分别与所对应的平移轴的指令值相加进行指示，能够校正由于几何误差导致的刀具末端点的位置误差和姿态误差。

另一方面，当存在由于外力产生的变形误差时，将该误差设为曲线或线段组的函数fg。可以通过将后述的估计值fg_sim和辨识值fg_idt进行合计,像下面的算式8那样求出变形误差的函数fg，如果是离散值，则通过直线或曲线在点之间进行插值。

【算式8】

fg＝fg-sim+fg-idt

该变形误差可以作为几何误差的一部分来处理,例如，当工作台3由于工件的装载而变形时，可以将该变形误差作为c轴与a轴之间的几何误差来处理，可以根据下面的算式9来求出存在变形误差时的工件坐标系中的刀具末端点矢量^wpd。

【算式9】

^wpd＝m5·ξg·m4·m3·m2·m1·^tp＝md·^tp

在此，

接下来,图3示出用于执行本发明的数控方法的数控装置的一例。指令值生成单元12和伺服指令值转换单元13与图2相同，为了简化附图，省略了加工程序11、伺服放大器14a～14e和伺服电机15a～15e。

在该数控装置中，基于由指令值生成单元12计算出的指令值，通过重力变形估计单元18和轴依存变形误差估计单元20分别运算变形误差的估计值(重力变形估计步骤和轴依存变形误差估计步骤)。将由重力变形估计单元18和轴依存变形误差估计单元20计算出的各变形误差的估计值加起来输入到校正值运算单元16，从而求出针对变形误差的校正值(校正值运算步骤)。计算出的校正值由作为加法单元的加法器21加到指令值中，被输入到伺服指令值转换单元13(加法步骤)。

对将工件的质量和重心位置输入到重力变形估计单元18并基于所输入的工件的质量和重心位置来运算变形误差(以下称为“重力变形误差”)的估计值的一系列流程进行说明。

首先，利用设置于数控装置中的输入单元17将工件的质量mw/重心位置vw输入到重力变形估计单元18(工件信息取得步骤)。作为输入单元17，可以举出手动输入或自动输入所辨识的工件的质量/重心位置的方法。

在重力变形估计单元18中,基于所输入的质量/重心位置和由指令值生成单元12生成的指令值，根据函数fg_sim(a，c，mw，vw)计算重力变形误差。变形误差的函数fg_sim(a，c，mw，vw)是将a轴和c轴的指令值、质量mw、重心位置vw作为重力变形误差参数的函数，利用实测值和分析值等预先求出。

接下来，说明如下的一系列流程：基于由误差辨识单元19辨识的几何误差，由轴依存变形误差估计单元20辨识变形误差的函数fg_idt(以下称为“轴依存变形误差函数”)，运算变形误差(以下称为“轴依存变形误差”)的估计值。

图4示出由误差辨识单元19进行使用计测装置的测定以辨识几何误差的一系列流程。

首先，在进行几何误差的计测之前，利用安装于主轴的作为计测单元的接触探针来确定设置于工作台的目标球的初始/基准位置(s1-1)。

接下来，以在计测条件中设定的次数执行用于进行几何误差的辨识的分度计测(s1-2)。

接下来，根据由输入单元17等预先设定的旋转轴(a轴)/旋转轴(c轴)的分度条件(s1-3)来执行作为倾斜轴的a轴和作为旋转轴的c轴的分度动作(s1-4)。

然后，在各分度条件下反复进行计测目标球的坐标的处理(s1-5)(s1-6)，根据其结果辨识几何误差(s1-7)。

接下来，对步骤s1-7的详细情况进行说明。

考虑在一个计测条件下，固定旋转轴的一方，将另一方分度为多个角度来计测目标球中心位置。可以将球中心位置的计测值相对于该计测条件下的指令值的差分矢量分配为分度轴的半径方向、轴向、切线方向分量。上述各分量可以通过最小二乘法等近似为0次分量(半径误差)、1次分量(中心偏差)、2次分量(椭圆形状)的傅里叶级数、即具有误差的圆弧。

计测条件i下的第j个旋转轴的第k个分度角θijk处的计测值的半径方向分量drri、轴向分量drai、切线方向分量drti可以表示为以下算式10。

【算式10】

drri＝ra0i+ra1i*cos(θijk)+rb1i*sin(θijk)+ra2i*cos(2θijk)+rb2i*sin(2θijk)

drai＝aa0i+aa1i*cos(θijk)+ab1i*sin(θijk)+aa2i*cos(2θijk)+ab2i*sin(2θijk)

drti＝ta0i+ta1i*cos(θijk)+tb1i*sin(θijk)+ta2i*cos(2θijk)+tb2i*sin(2θijk)

将变形误差作为c轴与a轴之间的几何误差来处理，设a轴角度为a时的轴依存变形误差为fg_idt(a)。设固定轴为a轴，分度轴为c轴，计测条件i的a轴角度为ai时，通过以下算式11那样来辨识计测条件i下的c轴与a轴之间的几何误差、即a轴角度为ai时的轴依存变形误差fg_idt(ai)。这里，h是工作台坐标系(在没有几何误差的理想状态下，以a、c轴的交点作为原点，其x轴是与机床的x轴平行的工作台上的坐标系)中的目标球中心的z方向坐标。

【算式11】

fg_idtx(ai)＝-ra1i-fg_idtb(ai)*h

fg_idty(ai)＝rb1i+fg_idta(ai)*h

fg_idtz(ai)＝aa0i

fg_idta(ai)＝ab1i

fg_idtb(ai)＝aa1i

fg_idtc(ai)＝ta0i

通过在多个计测条件下使用像算式11那样以a轴的指令值作为变量的六个自由度的几何误差的函数来辨识六个自由度的几何误差，能够得到多个计测条件的相对于各a轴角度ai的轴依存变形误差fg_idt(ai)。通过用直线或曲线对所得到的相对于各a轴角度ai的轴依存变形误差fg_idt(ai)进行插值、或者用三角函数等对离散值进行近似，求出轴依存变形误差函数fg_idt(a)。

对用三角函数进行近似的示例进行说明。当设能够用一阶三角函数来表述轴依存变形误差函数的x方向分量fg_idtx(a)时，可以使用轴依存变形误差参数的x方向分量δxa、δxb像下面的算式12那样表示轴依存变形误差函数的x方向分量fg_idtx(a)。

【算式12】

fg_idtx(a)＝δxa(1-cos(a))+δxbsin(a)

通过对多个a轴角度ai辨识x方向轴依存变形误差fg_idtx(ai)，可以对x方向轴依存变形误差参数δxa、δxb使用最小二乘法等，求出算式12的解。对于x方向分量以外的5个分量也同样地进行计算，由此辨识6个自由度的轴依存变形误差参数。

这样，基于由误差辨识单元19辨识的轴依存变形误差参数和指令值，在轴依存变形误差估计单元20运算轴依存变形误差的估计值。该估计值和由重力变形估计单元18运算出的重力变形误差的估计值被加在一起输入到校正值运算单元16，求出加到指令值中的校正值。

这样，根据上述5轴机床的数控装置和数控方法，由轴依存变形误差估计单元20根据轴依存变形误差参数和平移轴和/或旋转轴的指令值运算由于平移轴和/或旋转轴的动作引起5轴机床变形而产生的轴依存变形误差的估计值，由输入单元17输入工件的质量和重心位置，由重力变形估计单元18根据重力变形误差参数、输入单元17所输入的质量和重心位置以及该指令值，运算由工件质量引起的重力变形误差的估计值，由校正值运算单元16根据轴依存变形误差的估计值、重力变形误差的估计值以及该指令值运算与刀具相对于工件的位置和/或姿态的误差对应的平移轴和/或旋转轴的校正值，由加法器21将校正值与指令值相加。

由此,即使存在由于每台机床的偏差或机床的使用状况而导致变形行为的变化，也能够用计测装置辨识变形误差。即使在装载大工件、发生干涉而无法进行计测的情况下，在可计测的状态、例如仅装载夹具的状态等状态下辨识出变形误差之后，通过根据从该时刻起堆积的夹具或工件的质量或重心位置信息来估计变形误差，能够更准确地估计变形误差。此外，即使在工件的重心位置从旋转轴c轴的中心偏离的情况下，也能够基于工件的质量和重心位置估计根据c轴的位置而变化的变形误差。通过基于所估计的变形误差进行校正，还校正了由于c轴的位置引起的变形误差的变化。此外，通过使用计测装置,能够辨识未能估计出的变形误差。

通过以上方式校正辨识/估计的误差，能够对各种工件实现更高精度的加工。

另外，作为另一实施例，对如下示例进行说明：在工作台上装载有夹具或工件的状态下去除重力变形误差fg_sim而辨识轴依存变形误差，由此辨识在工作台上未装载夹具或工件时的轴依存变形误差。

通过下面的算式(13)求出由重力变形误差fg_sim引起的x、y、z轴方向的刀具末端点的位置误差。

【算式13】

δpog_sim＝m3·m2·m1·pt-m4^-1·ξg_sim·m4·m3·m2·m1·pt

在此，

由此，在误差辨识单元19中，从球中心位置的计测值减去通过算式13求出的x、y、z轴方向的刀具末端点的位置误差之后，根据算式10、算式11、算式12进行计算，由此能够辨识除去重力变形误差fg_sim后的轴依存变形误差参数。

如算式8那样将由重力变形估计单元18运算出的重力变形误差和由轴依存变形误差估计单元20运算出的轴依存变形误差进行合计并输入到校正值运算单元16，由此计算出刀具末端点的位置误差和姿态误差的校正值。通过将计算出的校正值加到指令值中，可以校正刀具末端点的位置误差和姿态误差。

另外，在上述方式和别的实施例中，输入工件的质量和重心位置，但是也可以是包括工件和夹具的质量和重心位置，也可以是只有夹具的质量和重心位置。