机床的校正值运算方法以及程序的制作方法

专利名称：机床的校正值运算方法以及程序的制作方法
技术领域：
本发明涉及运算用于校正具有平动轴和旋转轴的机床的几何误差的校正值的方法或者程序。
背景技术：
图I是作为该机床的一个示例的具有3个平动轴和2个旋转轴的机床(五轴加工中心、五轴机)的示意图。主轴头2为平动轴，能够通过相互正交的X轴和Z轴，相对于机座I进行两个自由度的平动。工作台3能够通过作为旋转轴的C轴，相对于摇架4进行一个自由度的旋转。摇架4能够通过作为旋转轴的A轴，相对于耳轴5进 行一个自由度的旋转，A轴和C轴相互正交。耳轴5为平动轴，能够通过与X轴和Z轴正交的Y轴，相对于机座I进行一个自由度的平动。各轴由数控装置控制的伺服电机(未图示)驱动，将被加工物(工件)固定在工作台3上，在主轴头2上安装刀具并使刀具旋转，控制被加工物与刀具的相对位置进行加工。作为对所述五轴机的运动精度带来影响的主要原因，例如，有旋转轴的中心位置的误差(与假定位置的偏差)、旋转轴的倾斜误差(轴间的垂直度或平行度)等各轴间的几何学上的误差(几何误差)。如果存在几何误差，则机床的运动精度恶化，被加工物的加工精度恶化。因此，需要通过调整来减小几何误差，但是却很难将几何误差变为0，只能通过进行校正几何误差的控制来进行高精度的加工。作为校正几何误差的手段，提出了下述专利文献1、2记载的方法。专利文献I中，能够考虑机床的几何误差，将刀具前端点的位置转换成各平动轴的位置，通过将各平动轴的位置设为指令位置，校正由几何误差引起的刀具前端点的位置误差。另一方面，专利文献2中，能够通过控制存在几何误差时刀具前端点相对于被加工物的位置与不存在几何误差时的位置之间的差分值作为平动轴的校正值，校正由几何误差引起的刀具前端点的位置误差。通过专利文献I的校正手段，虽然对刀具前端点的位置误差进行了校正，但是实际上，几何误差不只会引起刀具前端点的位置误差，还会引起刀具的姿态误差。例如，在图I的五轴机中，如果考虑如图2所示将方头立铣刀6安装在主轴头2上对工件7进行平面加工的情况，则当绕X轴的旋转几何误差α引起工作台3相对于主轴头2倾斜时，产生方头立铣刀6的前端面的姿态误差。这里，当将从图2的纸面的正面向背面的方向设为进给方向、将大箭头P方向设为铣进(Pick)方向进行平面加工时，方头立铣刀6的铣进方向的定位指令值变成相互留有间隔的多个点的集合。因此，虽然通过这些校正手段，刀具前端点根据各定位指令值被校正成相对于Y轴倾斜倾角α的点Q，但是由于定位指令值存在间隔，因此校正后的点Q也存在间隔，如图2所示在加工面上产生了阶梯。这里，在专利文献2中，求出存在几何误差时相对于工件的刀具姿态向量、^ =[ijk]，使用向量tVc和A轴指令值a通过下面的[公式I]计算旋转轴(A轴和C轴)的校正值Λ a、Λ c，通过校正旋转轴指令值进行控制，能够校正刀具的姿态误差。
[公式I]
Δα = I,/
I /I fc — __
[ siri0专利文献I日本特开2004-272887号公报专利文献2日本特开2009-104317号公报然而，专利文献2存在如下问题由于A轴指令值a为O时不能通过上述[公式I] 进行计算，即使A轴指令值a在O附近也会变成非常大的值，即所谓的奇点，因此，不能正确地导出校正值，需要进行例外处理。其根本原因在于，由于五轴机为3个平动轴和2个旋转轴的结构，因此，无法与由几何误差引起的空间六自由度(平动三个自由度、旋转三个自由度)的误差全部对应。另外，上述刀具姿态向量TVe的运算存在如下问题需要与刀具前端点的位置误差的校正值的运算几乎相同的计算量，导致在校正刀具的姿态误差时计算量增大。

发明内容
因此，本发明中的技术方案I 8、12的目的在于，提供一种方法以及程序，在以五轴机为首的机床中，能够校正几何误差引起的刀具前端点的位置误差并且校正刀具的姿态误差，而且计算量小，能够运算不依赖旋转轴指令值的旋转轴的校正值。另外，为了确保加工时的刚性，大部分机床的旋转轴大多具有夹紧机构。虽然用于进行刀具姿态的校正的校正参数发生变更或变化，旋转轴的校正值发生变化，但是在旋转轴被夹紧机构夹紧的状态下，尽管被夹紧但是由于旋转轴校正值导致旋转轴要进行动作，因此，旋转轴由于扭转等被施加较大的负荷，产生部材的变形引起的旋转误差，造成精度下降。另外，还可能引起驱动旋转轴的电机过热，也可能造成机械故障。因此，本发明中的技术方案9 11、12的目的在于，提供一种校正值的运算方法以及程序，用于避免在旋转轴处于夹紧状态时旋转轴的校正值发生变化，旋转轴勉强动作的情况，从而校正刀具前端点的位置误差以及刀具的姿态误差。为了实现上述目的，技术方案I记载的发明提供一种机床的校正值运算方法，在具有2个以上的平动轴和I个以上的旋转轴的机床中，校正几何误差引起的刀具相对于被加工物的位置和姿态的误差，其特征在于，该机床的校正值运算方法具有旋转轴校正值运算步骤，在该步骤中，使用表示所述几何误差的几何参数，运算所述旋转轴的校正值;第I平动轴校正值运算步骤，在该步骤中，使用各所述旋转轴的指令值以及所述各平动轴的指令值和所述几何参数，运算所述平动轴的校正值。技术方案2记载的发明是在上述发明的基础上，其特征在于，在所述第I平动轴校正值运算步骤中，还使用所述旋转轴的校正值运算所述平动轴的校正值。技术方案3记载的发明是在上述发明的基础上，其特征在于，在所述第I平动轴校正值运算步骤中，通过根据所述旋转轴的校正值进行所述旋转轴的校正，运算用于进一步校正假定在所述平动轴产生的误差的、所述平动轴的校正值。技术方案4记载的发明是在上述发明的基础上，其特征在于，所述第I平动轴校正值运算步骤具有理想刀具位置运算步骤，在该步骤中，使用各所述旋转轴的指令值和所述各平动轴的指令值，运算没有所述几何误差时的理想的刀具位置；实际刀具位置运算步骤，在该步骤中，使用各所述旋转轴的指令值、所述各平动轴的指令值、所述几何参数、以及在所述旋转轴校正值运算步骤中计算出的所述旋转轴的校正值，运算存在所述几何误差时的实际的刀具位置；刀具位置误差运算步骤，在该步骤中，运算所述理想的刀具位置和所述实际的刀具位置的差分；以及刀具位置坐标转换步骤，在该步骤中，对所述差分进行坐标转换。技术方案5记载的发明是在上述发明的基础上，其特征在于，在所述旋转轴校正值运算步骤中，将与所述旋转轴相同的旋转方向的多个所述几何参数的和或者和的负数作为该旋转轴的校正值。技术方案6记载的发明是在上述发明的基础上，其特征在于，所述机床具有I个所述旋转轴，在所述旋转轴校正值运算步骤中，将与所述旋转轴相同的旋转方向的全部所述几何参数的和或者和的负数作为该旋转轴的校正值。 技术方案7记载的发明是在上述发明的基础上，其特征在于，所述机床具有2个所述旋转轴，在所述旋转轴校正值运算步骤中，将2个所述旋转轴视为从刀具到被加工物的轴的链，将刀具与从刀具起第2个所述旋转轴(以下称作第2个旋转轴)之间的、与从刀具起第I个所述旋转轴(以下称作第I个旋转轴)相同的旋转方向的所述几何参数的和或者和的负数，作为所述第I个旋转轴的校正值，将所述第I个旋转轴与被加工物之间的、与所述第2个旋转轴相同的旋转方向的所述几何参数的和或者和的负数，作为所述第2个旋转轴的校正值。技术方案8记载的发明是在上述发明的基础上，其特征在于，所述机床具有3个所述旋转轴，在所述旋转轴校正值运算步骤中，将3个所述旋转轴视为从刀具到被加工物的轴的链，将刀具与所述第2个旋转轴之间的、与所述第I个旋转轴相同的旋转方向的所述几何参数的和或者和的负数，作为所述第I个旋转轴的校正值，将所述第I个旋转轴和刀具和第3个所述旋转轴(以下称作第3个旋转轴)之间的、与所述第2个旋转轴相同的旋转方向的所述几何参数的和或者和的负数，作为所述第2个旋转轴的校正值，将所述第2个旋转轴与被加工物之间的、与所述第3个旋转轴相同的旋转方向的所述几何参数的和或者和的负数，作为所述第3个旋转轴的校正值。为了实现上述目的，技术方案9记载的发明提供一种机床的校正值运算方法，在具有2个以上的平动轴和I个以上的具有夹紧机构的旋转轴的机床中，对几何误差引起的刀具相对于被加工物的位置和姿态的误差进行校正，其特征在于，该机床的校正值运算方法具有旋转轴校正值更新运算步骤，在该步骤中，在所述夹紧机构不处于夹紧状态的情况下，使用表示所述几何误差的几何参数运算并更新所述旋转轴的校正值，在所述夹紧机构处于夹紧状态的情况下，将所述旋转轴的校正值维持在从前的值；以及第2平动轴校正值运算步骤，在该步骤中，使用各所述旋转轴的指令值以及所述各平动轴的指令值和所述几何参数，运算所述平动轴的校正值。技术方案10记载的发明是在上述发明的基础上，其特征在于，在所述第2平动轴校正值运算步骤中，还使用所述旋转轴的校正值运算所述平动轴的校正值。技术方案11记载的发明是在上述发明的基础上，其特征在于，在所述第2平动轴校正值运算步骤中，在所述夹紧机构处于夹紧状态的情况下，当变更与所述刀具的姿态的误差相关的所述几何参数时，运算用于校正由于该变更而产生的所述刀具的位置误差的变化量的、所述平动轴的校正值。为了实现上述目的，技术方案12记载的发明提供一种机床的校正值运算程序，该机床的校正值运算程序用于使计算机执行上述的机床的校正值运算方法。根据本发明，能够通过计算量小的简单的运算方法，在计算量小的状态下计算出不依赖于旋转轴指令值的旋转轴的校正值，校正由于五轴机等机床的几何误差引起的刀具前端点的位置误差，并且校正由于几何误差引起的刀具的姿态误差。另外，根据本发明，通过在旋转轴被夹紧的状态下不更新而是保持旋转轴的校正值，能够不在旋转轴产生过度的载荷地对刀具前端点的位置误差进行校正。


图I是五轴加工中心的示意图。图2是现有示例的由刀具的姿态误差引起的平面加工状态的示意图。图3是执行本发明的控制方法的控制装置的框线图。图4是本发明第I实施方式的校正值运算的流程图。图5是在本发明的旋转轴的校正值运算中使用的几何参数的开始位置和结束位置的图表。图6是本发明第2实施方式的校正值运算的流程图。标号说明I :机座；2 :主轴头；3 :工作台；4 :摇架；5 :耳轴；6 :方头立铣刀(刀具)；7 :工件(被加工物)。具体实施例方式以下，作为本发明的实施方式的示例，基于适当的附图对图I所示的五轴机中的校正进行说明。该校正是由执行校正程序的计算机来进行的，该计算机可以是五轴机的数控装置，也可以是与其连接的独立的控制装置，还可以是它们的组合。另外，该方式不限于下述的示例，例如也可以适用于4个轴以下或6个轴以上的机床，也可以取代通过旋转轴使工作台3具有两个自由度的旋转,而是使主轴头2具有两个自由度的旋转,或者使主轴头2和工作台3分别具有一个自由度以上的旋转。另外，作为机床，也可以不采用加工中心(图I)，而采用车床、复合加工机、磨床等。[第I实施方式]图3是用于执行本发明第I实施方式的控制方法的数控装置10的一个示例。当被输入加工程序G时，指令值生成单元11生成各驱动轴的指令值。校正值运算单元12基于由指令值生成单元11生成的指令值运算各轴的校正值，接收到该指令值与校正值的合计值的伺服指令值转换单元13运算各轴的伺服指令值，并发送至各轴的伺服放大器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的相对位置以及姿态。接着，对几何误差进行说明。将几何误差定义成各轴间的3个方向的相对平动误差以及3个方向的相对旋转误差，共计6个分量(δχ，δγ, δ ζ, α , β , γ)0从固定在五轴机的工作台3上的工件7到固定在主轴头2上的刀具的轴，按照C轴、A轴、Y轴、X轴、Z、轴的顺序连接，如果还考虑Z轴与刀具间以及工件7与C轴间，则存在共计36个几何误差。但是，在36个几何误差中，由于存在多个处于冗余关系的几何误差，因此，作为最终的几何误差，将这些误差除外。因此，如果将轴的名称以及各几何误差从刀具侧起的序号作为下角标表示，则最终的几何误差为 δ χ5, δ y5, α 5，β 5，δ y4, δ ζ4, β 4, Y4, Y 3, α 2, β 2, Ct1, β j 共计 13 个。这些几何误差按照顺序分别是C轴中心位置X方向误差、C-A轴间的偏离误差、A轴角度偏离误差、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。另外，数控装置10包括存储这些几何误差的存储单元(未图示)O接着，在本实施方式中，说明数控装置10执行的针对几何误差的校正值的运算方法。图4是第I实施方式的校正值运算的流程图。在步骤SI中判定是否进行刀具姿态误差的校正。在不校正刀具姿态误差的情况 下，在步骤S2中不运算旋转轴的校正值而将其设为O。另一方面，在校正刀具姿态误差的情况下，在步骤S3中运算旋转轴的校正值。步骤S3的运算将在后面叙述。最后，在步骤S4中进行平动轴的校正值的运算。在对步骤S3的运算进行说明之前，先对步骤S4的平动轴的校正值的运算方法进行说明。在将位于主轴头2的主轴坐标系下的刀具前端点向量Pt转换成位于工作台3的工件坐标系时，如果将使用的刀具的长度设为t，将X、Y、Z、A、C轴的指令位置分别设为X、
I、z、a、c，则通过使用下面所示的[公式2]进行同次坐标转换就能够求出。即，求出没有几何误差时的工件坐标系下的刀具前端点向量P”[公式2]P1 = M5 · M4 · M3 · M2 · M1 · Pt其中、
cost' - sin c Cl O |I O O
suu cosr O OIO ciK</ - - sit； i/ OM, =I, M1 =,
O OI OIOCi)s / O
O(IO I I OOOI
僅
]O O O][IO O.T[I O I) O Γ()
OIOrOI OOO I O O OΜ, =J/, -Af =.P,=
' O O I (Iο O I O O I 二， I
OCl O IOOOlj O O O I : [I另一方面，如接下来的[公式3]所示，通过将各几何误差作为转换矩阵配置在上述[公式2]的各轴的转换矩阵间，求出存在几何误差时的工件坐标系下的刀具前端点向量Pro另外，[公式3]是认为几何误差微小而将它们的积视为O的近似式。[公式3]Pe = ε 6 · M5 · ε 5 · M4 · ε 4 · M3 · ε 3 · M2 · ε 2 · M1 · ε j · Pt其中权利要求
1.一种机床的校正值运算方法，该机床的校正值运算方法在具有2个以上的平动轴和I个以上的旋转轴的机床中，对几何误差引起的刀具相对于被加工物的位置和姿态的误差进行校正，其特征在于，该机床的校正值运算方法具有 旋转轴校正值运算步骤，在该步骤中，使用表示所述几何误差的几何參数，运算所述旋转轴的校正值；以及 第I平动轴校正值运算步骤，在该步骤中，使用各所述旋转轴的指令值以及所述各平动轴的指令值和所述几何參数，运算所述平动轴的校正值。
2.根据权利要求I所述的机床的校正值运算方法，其特征在干， 在所述第I平动轴校正值运算步骤中，还使用所述旋转轴的校正值运算所述平动轴的校正值。
3.根据权利要求I所述的机床的校正值运算方法，其特征在干，在所述第I平动轴校正值运算步骤中，通过根据所述旋转轴的校正值进行所述旋转轴的校正，运算用于进一歩校正假定在所述平动轴中产生的误差的、所述平动轴的校正值。
4.根据权利要求2所述的机床的校正值运算方法，其特征在干， 在所述第I平动轴校正值运算步骤中，通过根据所述旋转轴的校正值进行所述旋转轴的校正，运算用于进一歩校正假定在所述平动轴中产生的误差的、所述平动轴的校正值。
5.根据权利要求I所述的机床的校正值运算方法，其特征在干， 所述第I平动轴校正值运算步骤具有 理想刀具位置运算步骤，在该步骤中，使用各所述旋转轴的指令值和所述各平动轴的指令值，运算没有所述几何误差时的理想的刀具位置； 实际刀具位置运算步骤，在该步骤中，使用各所述旋转轴的指令值、所述各平动轴的指令值、所述几何參数以及在所述旋转轴校正值运算步骤中计算出的所述旋转轴的校正值，运算存在所述几何误差时的实际的刀具位置； 刀具位置误差运算步骤，在该步骤中，运算所述理想的刀具位置与所述实际的刀具位置的差分；以及 刀具位置坐标转换步骤，在该步骤中，对所述差分进行坐标转换。
6.根据权利要求I 5中的任意一项所述的机床的校正值运算方法，其特征在干， 在所述旋转轴校正值运算步骤中，将与所述旋转轴相同的旋转方向的多个所述几何參数的和或者和的负数作为该旋转轴的校正值。
7.根据权利要求6所述的机床的校正值运算方法，其特征在干， 所述机床具有I个所述旋转轴， 在所述旋转轴校正值运算步骤中，将与所述旋转轴相同的旋转方向的全部所述几何參数的和或者和的负数作为该旋转轴的校正值。
8.根据权利要求6所述的机床的校正值运算方法，其特征在干， 所述机床具有2个所述旋转轴， 在所述旋转轴校正值运算步骤中，将2个所述旋转轴视为从刀具到被加工物的轴的链，将刀具与第2个所述旋转轴之间的、与第I个所述旋转轴相同的旋转方向的所述几何參数的和或者和的负数，作为第I个所述旋转轴的校正值，将第I个所述旋转轴与被加工物之间的、与第2个所述旋转轴相同的旋转方向的所述几何參数的和或者和的负数，作为第2个所述旋转轴的校正值。
9.根据权利要求6所述的机床的校正值运算方法，其特征在干， 所述机床具有3个所述旋转轴， 在所述旋转轴校正值运算步骤中，将3个所述旋转轴视为从刀具到被加工物的轴的链，将刀具与第2个所述旋转轴之间的、与第I个所述旋转轴相同的旋转方向的所述几何參数的和或者和的负数，作为第I个所述旋转轴的校正值，将第I个所述旋转轴与第3个所述旋转轴之间的、与第2个所述旋转轴相同的旋转方向的所述几何參数的和或者和的负数，作为第2个所述旋转轴的校正值，将第2个所述旋转轴与被加工物之间的、与第3个所述旋转轴相同的旋转方向的所述几何參数的和或者和的负数，作为第3个所述旋转轴的校正值。
10.一种机床的校正值运算方法，该机床的校正值运算方法在具有2个以上的平动轴 和I个以上的具有夹紧机构的旋转轴的机床中，对几何误差引起的刀具相对于被加工物的位置和姿态的误差进行校正，其特征在于，该机床的校正值运算方法具有 旋转轴校正值更新运算步骤，在该步骤中，在所述夹紧机构不处于夹紧状态的情况下，使用表示所述几何误差的几何參数运算并更新所述旋转轴的校正值，在所述夹紧机构处于夹紧状态的情况下，将所述旋转轴的校正值维持在从前的值；以及 第2平动轴校正值运算步骤，在该步骤中，使用各所述旋转轴的指令值以及所述各平动轴的指令值和所述几何參数，运算所述平动轴的校正值。
11.根据权利要求10所述的机床的校正值运算方法，其特征在干， 在所述第2平动轴校正值运算步骤中，还使用所述旋转轴的校正值运算所述平动轴的校正值。
12.根据权利要求10所述的机床的校正值运算方法，其特征在干， 在所述第2平动轴校正值运算步骤中，在所述夹紧机构处于夹紧状态的情况下，当变更与所述刀具的姿态的误差相关的所述几何參数时，运算用于校正由于该变更而产生的所述刀具的位置误差的变化量的、所述平动轴的校正值。
13.根据权利要求11所述的机床的校正值运算方法，其特征在干， 在所述第2平动轴校正值运算步骤中，在所述夹紧机构处于夹紧状态的情况下，当变更与所述刀具的姿态的误差相关的所述几何參数时，运算用于校正由于该变更而产生的所述刀具的位置误差的变化量的、所述平动轴的校正值。
14.一种机床的校正值运算程序，该机床的校正值运算程序用于使计算机执行权利要求I 13中的任意一项所述的机床的校正值运算方法。
全文摘要
本发明提供一种机床的校正值运算方法以及程序，在机床中，能够校正几何误差引起的刀具前端点的位置误差并且校正刀具的姿态误差，而且计算量小，能够运算不依赖于旋转轴指令值的旋转轴的校正值。该机床的校正值运算方法在具有2个以上的平动轴和1个以上的旋转轴的机床中，校正几何误差引起的刀具相对于被加工物的位置和姿态的误差，其特征在于，该机床的校正值运算方法具有旋转轴校正值运算步骤(S3)，在该步骤中，使用表示所述几何误差的几何参数，运算所述旋转轴的校正值；以及平动轴校正值运算步骤(S4)，在该步骤中，使用各所述旋转轴的指令值以及所述各平动轴的指令值和所述几何参数，运算所述平动轴的校正值。
文档编号G05B19/404GK102736560SQ20121009337
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月31日 优先权日2011年4月4日
发明者松下哲也 申请人:大隈株式会社