专利名称：具有工件设置误差修正部的多轴机床用数值控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制通过利用至少三个直线轴及三个旋转轴使工作台或工具头旋转的机构对安装在工作台上的工件(加工物)进行加工的多轴机床(多轴加工机)的数值控制装置，尤其涉及具备修正设置工件时的设置误差的工件设置误差修正部的数值控制装置。
背景技术：
在三个直线轴(X、Y、Z轴)外具有两个旋转轴的五轴加工机比较普遍。在这种五轴加工机中，在例如下述三个专利文献I中公开了具备修正设置工件时的设置误差的工件设置误差修正部的数值控制装置。在日本特开2009-15464号公报中，公开了在五轴加工机中将在机械坐标系中插入的位置转换为中间坐标系并相对于工件设置时的误差进行误差修正，并将该中间坐标系的位置变换为机械坐标系的位置的技术。但是，在该专利文献中没有记载在旋转轴的位置具有多个解的场合选择哪个解，因此无法将该技术用于数值控制装置。在美国专利8041447号公报中记载了下述技术在五轴加工机中计算工具的指令坐标系上的位置与方向，在计算相对于工件设置时的误差进行误差修正后的旋转轴位置时，在该解存在多个的场合选择近似于指令位置的解。在日本特开2011-133968号公报中论述了作为与上述美国专利8041447号公报的问题点产生在特殊点附近的旋转轴的较大的动作的场合。当产生在特殊点附近的旋转轴的较大的动作时，产生加工时间变长，在加工面上产生台阶或偏离并使加工面品质下降等不良状况。因此，在该日本特开2011-133968号公报中，公开了在旋转轴超过特殊点并指令为相反侧的场合，使该旋转轴的路径为特殊点通过的技术。但是，在该技术中，由于改变路径，产生加工误差。另外，这些技术如上所述，全部以五轴加工机为对象。最近，使用了如图1及图2所示的、具有三个旋转轴的头旋转式多轴加工机用的工具头。另外，也使用具有工作台旋转用的两个旋转轴与头旋转用的一个旋转轴的混合式多轴加工机(参照图3)或具有工作台旋转用的一个旋转轴与头旋转用的两个旋转轴的混合式多轴加工机(参照图4)。另外，考虑将具有工作台旋转用的三个旋转轴的工作台旋转式多轴加工机(参照图5)也作为机械结构。如上所述，现有技术涉及在三个直线轴(X、Y、Z轴)之外具有两个旋转轴的五轴加工机，没有利用数值控制装置修正在具有三个旋转轴的多轴结构的机床(多轴加工机)上设置工件时的其设置误差的技术。另外，在上述美国专利8041447号公报中，即使选择多个解中的任一个，也只选择两组解中的任意一个。然而，后述所述，就具有三个旋转轴的多轴加工机而言，计算这些旋转轴的位置时的解存在无数个。因此，无法简单地将u上述五轴加工机相关的现有技术应用于具有三个旋转轴的多轴加工机。另外，在五轴加工机中，在特殊点附近存在具有产生上述那样的旋转轴的较大的动作或加工误差的场合之类的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种数值控制装置，其控制通过利用至少三个直线轴及三个旋转轴使工作台或工具头旋转的机构对安装在工作台上的工件进行控制，具备修正设置工件时的位置误差的工件设置误差修正部。另外，在具有至少三个直线轴及三个旋转轴的多轴机床修正工件设置时的设置误差时，不产生在五轴加工机中产生的特殊点附近的较大的动作。由此，能以更短的时间且更高的品质进行更高精度的加工。本发明的数值控制装置对利用至少三个直线轴与三个旋转轴加工安装在工作台上的工件的多轴机床进行控制，该数值控制装置具备对设置工件时的设置误差进行修正的工件设置误差修正部。并且，该工件设置误差修正部具有根据上述三个直线轴和上述三个旋转轴的指令位置计算作为设置工件时的坐标系的工件设置坐标系上的工具位置与工具方向的工具位置/方向计算部；以在具有上述设置误差的工件上保持由上述工具位置/方向计算部计算的上述工件设置坐标系上的工具位置与工具方向的方式，根据与上述设置误差对应地预先设定的设置误差量进行修正工具位置与修正工具方向的计算的修正工具位置/方向计算部；以及根据由上述修正工具位置/方向计算部计算的修正工具位置与修正工具方向计算上述三个直线轴的修正直线轴位置与上述三个旋转轴的修正旋转轴位置的修正直线轴/旋转轴位置计算部。并且，根据由上述修正直线轴/旋转轴位置计算部计算的上述三个直线轴的修正直线轴位置与上述三个旋转轴的修正旋转位置驱动这些各轴。上述修正直线轴/旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正旋转轴位置根据由上述修正工具位置/方向计算部计算的修正工具方向计算上述三个旋转轴的多个解，并合成这些计算的多个解。上述修正直线轴/旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正直线轴位置将由上述修正工具位置/方向计算部计算的修正工具位置与上述修正旋转轴位置中工作台旋转轴位置的逆矩阵相乘。上述多个解是在上述三个旋转轴中、第一旋转轴不进行动作的场合的第一旋转轴固定解、第二旋转轴不进行动作的场合的第二旋转轴固定解、以及第三旋转轴不进行动作的场合的第三旋转轴固定解。上述多个解是在上述三个旋转轴中、第一旋转轴移动在一周期前的插入周期中求出的该第一旋转轴的移动量的场合的第一旋转轴固定解、第二旋转轴移动在一周期前的插入周期中求出的该第二旋转轴的移动量的场合的第二旋转轴固定解、以及第三旋转轴移动在一周期前的插入周期中求出的该第三旋转轴的移动量的场合的第三旋转轴固定解。上述修正直线轴/旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正旋转轴位置计算放大地评价移动量为相对于上述多个解小的值的评价值，将该计算的评价值乘以由上述多个解得到的移动量，并合成该相乘移动量。上述修正直线轴/旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正旋转轴位置根据该修正直线轴/旋转轴位置计算部求出的上述三个旋转轴的修正旋转轴位置求出检验工具方向，检验求出的检验工具方向与由上述修正工具位置/方向计算部计算的修正工具方向的差是否为预先设定的容许差以内，如果不是上述容许差以内，则针对上述评价值求出进一步放大地评价移动量为较小值的评价值，反复进行上述修正旋转轴位置的计算。根据本发明，能够提供即使在具有至少三个直线轴及三个旋转轴的多轴机床中存在工件设置时的设置误差，也能按照指令进行正确的加工、高精度的加工的数值控制装置。另外，在本发明中，通过为了在具有三个旋转轴的多轴机床中修正工件设置时的设置误差而利用旋转轴一轴量的冗长性，能选择无数个解中不产生特殊点附近的较大的动作的适当的解。通过这样，能够提供通过不产生在特殊点附近的旋转轴的较大的动作且通过在更短的时间进行更高品质、没有加工误差且更高精度的加工的数值控制装置。这样，根据本发明，是一种控制具有至少三个直线轴及三个旋转轴的多轴机床的数值控制装置，能够提供能不产生在特殊点附近的旋转轴的较大的动作且没有误差地进行相对于工件设置时的设置误差的修正的加工的工件设置误差修正部的数值控制装置。
图1是从B轴方向观察具有三个旋转轴的头旋转式多轴加工机用的工具头时的概略结构图。图2是从A轴方向观察具有三个旋转轴的头旋转式多轴加工机用的工具头时的概略结构图。图3是说明具有工作台旋转用的两个旋转轴与头旋转用的一个旋转轴的混合式多轴加工机的机械结构的概略结构图。图4是说明具有工作台旋转用的一个旋转轴与头旋转用的两个旋转轴的混合式多轴加工机的机械结构的概略结构图。图5是说明具有工作台旋转用的三个旋转轴的工作台旋转式多轴加工机的机械结构的概略结构图。图6是说明具有工作台旋转用的一个旋转轴与头旋转用的两个旋转轴的混合式多轴加工机的工件设置误差修正的图。图7是只表示图6的工件与工具头部分的图。图8是将A、B、C轴作为坐标表示各旋转轴固定解的说明图，该各旋转轴固定解是将A、B、C轴的固定的位置作为在一周期前的插入周期求出的A、B、C轴位置(a0，b0，CO)进行计算的场合的解。图9是说明本发明的、具备工件设置误差修正部的多轴机床用数值控制装置的方框图。图10是表示本发明的、多轴机床用数值控制装置具备的工件设置误差修正部(实施方式一)的修正直线轴/旋转轴位置计算部进行的处理的算法的流程图。图11是说明本发明的、具备工件设置误差修正部(实施方式一)的多轴机床用数值控制装置的硬件的结构的图。
具体实施例方式(实施方式一)使用图6对具有工作台旋转用的一个旋转轴与头旋转用的两个旋转轴的混合式多轴加工机的工件设置误差修正进行说明。在该多轴加工机中，构成为与作为三个直线轴的X、Y、Z轴的动作一起，工具头21利用绕Y轴的B轴与绕X轴的A轴旋转，并且旋转工作台22利用绕Z轴的C轴旋转。在图6中，符号23表不工具。由于设置工件时的偏差或工作台的倾斜等，实际工件位置相对于原本的基准工件位置偏离。预先测定该偏差量，作为相对于工件设置坐标系的X、Y、Z轴方向的平移误差量(δχ, δγ, δζ)、绕X轴的旋转误差量(α)、绕Y轴的旋转误差量(β)、绕Z轴的旋转误差量(Y)而设定。这些平移误差量(S X，δγ, δζ)、旋转误差量(α、β、Y)是设置误差量。并且，以工件设置坐标系上的基准工件位置与误差坐标系上的实际工件位置相同的方式根据该设置误差量制成相对于工件设置坐标系的误差坐标系(参照图7)。图7是只表示图6的工件与工具头部分的图。三个直线轴与三个旋转轴的指令位置(Xe、Yc、Zc、Ac、Be、Ce)在机械坐标系中进行指令。三个直线轴的指令位置(Xc、Yc、Zc)可以作为工具前端点的位置，也可以作为在工具头侧离开工具前端点工具长修正量的位置即工具基准点。在图6中，将A轴的旋转中心 与B轴的旋转中心的交点作为工具基准点。在此，三个直线轴的指令位置(Xc、Yc、Zc)是工具前端点位置。工件设置坐标系是程序坐标系，原点位于C轴旋转中心。程序指令在程序坐标系中进行指令，每个插入周期所插入的机械坐标系上的插入位置为三个直线轴与三个旋转轴的指令位置(Xe、Yc、Zc、Ac、Be、Ce )。另外，在程序指令中，能够将在程序坐标系上进行指令的位置作为指令位置。以在误差坐标系中保持根据指令位置的工具位置与工具方向的方式、换言之，以误差坐标系上的工具位置和工具方向与工件设置坐标系上的指令位置的工具位置与工具方向相同的方式利用预先设定的X、Y、Z轴方向的平移误差量(δΧ，δΥ, δΖ)、绕X轴的旋转误差量(α )、绕Y轴的旋转误差量(β )、绕Z轴的旋转误差量(Y )如下进行相对于三个直线轴与三个旋转轴的工件设置误差修正。另外，上述的误差坐标系上的工具位置与工具方向当在工件设置坐标系中观察时是后述的修正工具位置与修正工具方向，在图7中也作为修正工具位置与修正工具方向而表示。图6表示A=O、B=O、C=O的位置。将A=0、B=0、C=0时的工具方向作为Z轴方向，SP向量(0、0、1)τ。首先，根据指令位置计算工件设置坐标系上的工具位置与工具方向。另外，在此，“Τ”表示转置，以后在明确的场合省略。另外，在Sin (Ac)等三角函数的表述中，在明确的场合，如sinAc那样省略()。A=Ac、B=Bc、C=Cc时的工件设置坐标系上的工具方向(iw、jw、kw)如下述(I)式计算，另外，工具位置(xw, yw、zw)如下述(2)式计算。(2)式的(x0, yO, z0)是在机械坐标系中的工件设置坐标系原点的位置。在此，相对于(I)式的向量(0，0，I)的矩阵计算以从工具向工件的旋转轴顺序进行。另外，(2)式的矩阵计算是对工作台旋转轴(在此为C轴)的旋转量进行正转换的矩阵计算。如后所述，如图3、图5所示，只要还具有其他工作台旋转轴，就同样地追加正转换的矩阵计算。因此，这些(I)式、(2)式的计算由机械结构决定。这些是工具位置/方向计算部的计算。
iw cos Ce -sin Ce O I OO cos Be O sin Be Ojw = sin Ce cos Ce 0 0 cos Ac -sin Ac 0 I 0 0 kw 00 10 sin Ac cos Ac -sin Be 0 cos He I
权利要求
1.一种数值控制装置，其对利用至少三个直线轴与三个旋转轴加工安装在工作台上的工件的多轴机床进行控制，该数值控制装置的特征在于，上述数值控制装置具备对设置工件时的设置误差进行修正的工件设置误差修正部，该工件设置误差修正部具有根据上述三个直线轴和上述三个旋转轴的指令位置计算作为设置工件时的坐标系的工件设置坐标系上的工具位置与工具方向的工具位置/方向计算部；以在具有上述设置误差的工件上保持由上述工具位置/方向计算部计算的上述工件设置坐标系上的工具位置与工具方向的方式，根据与上述设置误差对应地预先设定的设置误差量进行修正工具位置与修正工具方向的计算的修正工具位置/方向计算部；以及根据由上述修正工具位置/方向计算部计算的修正工具位置与修正工具方向计算上述三个直线轴的修正直线轴位置与上述三个旋转轴的修正旋转轴位置的修正直线轴/旋转轴位置计算部，该数值控制装置根据由上述修正直线轴/旋转轴位置计算部计算的上述三个直线轴的修正直线轴位置与上述三个旋转轴的修正旋转位置驱动这些各轴。
2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，上述修正直线轴/旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正旋转轴位置根据由上述修正工具位置/方向计算部计算的修正工具方向计算上述三个旋转轴的多个解，并合成这些计算的多个解。
3.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，上述修正直线轴/旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正直线轴位置将由上述修正工具位置/方向计算部计算的修正工具位置与上述修正旋转轴位置中工作台旋转轴位置的逆矩阵相乘。
4.根据权利要求2所述的数值控制装置，其特征在于，上述多个解是在上述三个旋转轴中、第一旋转轴不进行动作的场合的第一旋转轴固定解、第二旋转轴不进行动作的场合的第二旋转轴固定解、以及第三旋转轴不进行动作的场合的第三旋转轴固定解。
5.根据权利要求2所述的数值控制装置，其特征在于，上述多个解是在上述三个旋转轴中、第一旋转轴移动在一周期前的插入周期中求出的该第一旋转轴的移动量的场合的第一旋转轴固定解、第二旋转轴移动在一周期前的插入周期中求出的该第二旋转轴的移动量的场合的第二旋转轴固定解、以及第三旋转轴移动在一周期前的插入周期中求出的该第三旋转轴的移动量的场合的第三旋转轴固定解。
6.根据权利要求2所述的数值控制装置，其特征在于，上述修正直线轴/旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正旋转轴位置计算放大地评价移动量为相对于上述多个解小的值的评价值，将该计算的评价值乘以由上述多个解得到的移动量，并合成该相乘移动量。
7.根据权利要求6所述的数值控制装置，其特征在于，上述修正直线轴/旋转轴位置计算部通过下述方式求出上述修正旋转轴位置根据该修正直线轴/旋转轴位置计算部求出的上述三个旋转轴的修正旋转轴位置求出检验工具方向，检验求出的检验工具方向与由上述修正工具位置/方向计算部计算的修正工具方向的差是否为预先设定的容许差以内，如果不是上述容许差以内，则针对上述评价值求出进一步放大地评价移动量为较小值的评价值，反复进行上述修正旋转轴位置的计算。
8.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，上述多轴机床是利用上述三个旋转轴使工具头旋转的多轴机床。
9.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，上述多轴机床是利用上述三个旋转轴中的两个旋转轴使工作台旋转，利用剩下的一个旋转轴使工具头旋转的多轴机床。
10.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，上述多轴机床是利用上述三个旋转轴中的两个旋转轴使工具头旋转，利用剩下的一个旋转轴使工作台旋转的多轴机床。
11.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，上述多轴机床是利用上述三个旋转轴使工作台旋转的多轴机床。
全文摘要
本发明提供具有工件设置误差修正部的多轴机床用数值控制装置。控制利用三个直线轴与三个旋转轴进行加工的多轴加工机的数值控制装置具有修正工件设置时的设置误差的功能。该数值控制装置以工件设置坐标系上的工具位置及工具方向在具有设置误差的工件上保持的方式，通过根据该设置误差计算修正工具位置与修正工具方向，求出三个直线轴的修正直线轴位置与三个旋转轴的修正旋转轴位置，根据这些修正直线轴位置与修正旋转轴位置驱动控制这些各轴。
文档编号G05B19/18GK102999007SQ201210328049
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月6日 优先权日2011年9月7日
发明者大槻俊明 申请人:发那科株式会社