CN104698966B - 多轴机床的几何误差确定方法及多轴机床 - Google Patents

多轴机床的几何误差确定方法及多轴机床 Download PDF

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Abstract

本发明提供多轴机床的几何误差确定方法及多轴机床，能够以高精度实现相邻的轴之间的几何误差的确定和对各轴的标度误差的校正。在该多轴机床的几何误差确定方法中，执行如下步骤：计测步骤，将安装于主轴和工作台中的一方的目标球的位置绕旋转轴分度为多个角度，并且，使用安装于另一方的接触式探针，计测目标球在各分度位置处的位置；几何误差计算步骤，根据计测出的目标球的位置计算出几何误差；椭圆算式计算步骤(S1)，使旋转轴动作并根据计测出的圆弧轨迹计算出椭圆近似式；以及误差校正步骤(S3～S6)，根据计算出的椭圆近似式计算出平动轴的标度误差并进行校正。

Description

多轴机床的几何误差确定方法及多轴机床
技术领域
本发明涉及对具有2个轴以上的平动轴和1个轴以上的旋转轴的多轴机床的几何误差进行确定的方法、和能够执行该方法的多轴机床。
背景技术
在机床中，期望提高为了进行高效的加工或复杂形状的工件加工而在以往的3轴加工中心中附加2个旋转轴所构成的5轴加工中心这样的多轴机床的精度。一般来说，如果增加轴数，则组装也会变得困难，精度也存在恶化的倾向。但是，在组装中追求精度是存在极限的，因此开发了这样的校正***：其通过对相邻的轴之间的倾斜度或位置误差这样的所谓的几何误差进行校正，来使精度提高。
作为确定几何误差的方法，一直以来存在使用位移计和直角尺等多个测量仪并根据计测结果来求取的方法。但是，这不仅需要多个测量仪，而且，读数根据测量技能而发生变化这样的计测结果的不确定性也会给确定精度造成很大的影响。
作为5轴加工中心的几何误差确定方法，众所周知如下的方法：使用被称作球杆仪的位移传感器，进行3轴联动圆弧插补运动测量，即，使2个直线轴与1个旋转轴同步，并以保持工作台上的一点与主轴之间的相对位移的方式进行圆运动，根据得到的圆轨迹的中心偏差量来确定几何误差。但是，在该方法中，需要球杆仪这样的特殊的测量仪，而且测量仪的设置方法对确定精度造成的影响较大，不能容易地进行测量。
而且，几何误差根据机器的安装状态和由环境温度变化所引起的热位移等各种各样的因素而发生变化。因此，期望在马上要进行高精度加工之前实施用于进行几何误差校正的几何误差确定，但是，在上述方法中，测量所需的时间多，需要特别的测量仪，并且确定精度取决于测量者的测量技能，因此难以运用。
因此，开发了如下计测***：其使用搭载于机床的接触式探针和作为计测目标的球，并根据与基于球杆仪实现的3轴联动圆弧插补运动精度测量相同的几何误差确定原理而构成(专利文献1)。例如在工作台回转式5轴加工中心中，将目标球设置于工作台，将旋转轴或回转轴分度为多个角度，例如将回转轴固定于任意的角度并仅对旋转轴进行多次分度，或者将旋转轴固定于任意的角度并仅对回转轴进行多次分度，在各个分度条件下使安装于主轴的接触式探针与工作台上的目标球多次接触，重复进行用于计算球的中心坐标和直径的计测。利用该计测出的球的位置，并根据由多个分度条件描画出的圆弧轨迹的中心偏差量，来确定出几何误差。
该几何误差计测***具有这样的功能：在机器的所有的构成轴之间，确定出相邻的轴之间的关系中的、即某个轴与相邻的轴的位置关系中的平动误差和旋转误差的6个分量(成分)。但是，在各轴中还分别存在单独的误差，例如在直线轴中，定位误差会对加工精度造成影响。该定位误差一般使用激光测长仪等计测仪器预先进行测量，并应用于定位误差的校正。
即，使用用于控制马达的旋转的旋转编码器作为机床的位置检测器、或者使用直接检测器即线性编码器等来作为用于高精度地检测位置的单元，但是，由于这些位置检测器的材质与作为一般的机床构成材料的铸件不同，因此对构成位置检测器的主要的材质的线膨胀系数进行设定，取得靠近其传感器位置的物体温度并利用激光测长仪进行定位误差的计测，并制作出校正表。但是，在进行用于制作校正表的计测时，如果未设定正确的线膨胀系数、或者应用的物体温度传感器的位置不合适，则在机器的设置环境温度发生了变化的情况等下所存储的校正表与实际的机器动作之间会产生一般被称作标度误差(scalingerror)的误差。作为校正该标度误差的技术，例如在专利文献2中公开了如下发明：关于为了求取工作台上的工件的固定位置的位移量而使用的标尺的位移量，利用将基于标尺温度与基准温度之差所求出的热位移推定用温度、刀尖位置的坐标与标尺检测器位置的坐标之差、以及标尺的线膨胀系数相乘的积，来求出所述标尺的位移量。
专利文献1：日本特开平2011-38902号公报
专利文献2：日本特开平2006-281335号公报
但是，标度误差不仅因为温度还会因为其他的因素而变化，因此仅通过温度信息来修正标度误差是困难的。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种多轴机床的几何误差确定方法及多轴机床，其能够确定相邻的轴之间的几何误差和各平动轴的标度误差，并高精度地进行校正。
为了达成上述目的，第1方面所述的发明是一种多轴机床的几何误差确定方法，在所述多轴机床中，能够安装工具的主轴和保持工件的工作台借助2个轴以上的平动轴和1个轴以上的旋转轴并通过控制单元而相对移动，由此利用所述工具加工所述工件，所述多轴机床的几何误差确定方法是在该多轴机床中通过所述控制单元来确定与所述平动轴及所述旋转轴相关的几何学的误差、并且校正所述平动轴的标度误差的方法，所述多轴机床的几何误差确定方法的特征在于，在所述多轴机床的几何误差确定方法中执行下述步骤：计测步骤，在所述计测步骤中，将安装于所述主轴和所述工作台中的一方的被测量工具的位置绕所述旋转轴分度为多个角度，并且，使用安装于所述主轴和所述工作台中的另一方的位置计测传感器，计测所述被测量工具在各分度位置处的位置；几何误差计算步骤，在所述几何误差计算步骤中，根据计测出的所述被测量工具的位置计算出几何误差；椭圆算式计算步骤，在所述椭圆算式计算步骤中，使所述旋转轴动作并根据计测出的圆弧轨迹计算出椭圆近似式；以及误差校正步骤，在所述误差校正步骤中，根据计算出的所述椭圆近似式计算出所述平动轴的标度误差并进行校正。
第2方面所述的发明的特征在于，在第1方面的结构中，在所述椭圆近似式的长径和短径之差超过预先设定的阈值的情况下，执行所述误差校正步骤。
第3方面所述的发明的特征在于，在第2方面的结构中，所述阈值以每单位长度的变化量来设定。
第4方面所述的发明的特征在于，在第1方面的结构中，在所述误差校正步骤中，将所述标度误差的校正作为一次式，并使所述标度误差的校正反映到所述平动轴的定位误差校正表的梯度中，来设定新的定位误差校正表，由此进行所述标度误差的校正。
第5方面所述的发明的特征在于，在第1方面的结构中，在所述误差校正步骤中，计算出在各平动轴的检测器附近设置的温度传感器的检测温度、与在成为基准的任意的位置处设置的温度传感器的检测温度之差，按照所述检测温度的差的比例分配所述标度误差的校正量来进行校正。
第6方面所述的发明的特征在于，在第5方面的结构中，使用设置所述被测量工具的结构体的线膨胀系数，来修正所述标度误差的校正量。
第7方面所述的发明的特征在于，在第1方面的结构中，在所述误差校正步骤中，预先设定成为基准的所述平动轴，使所述标度误差的差分反映到其他的所述平动轴上来进行校正。
为达成上述目的，第8方面的发明为一种多轴机床，在该多轴机床中，能够安装工具的主轴和保持工件的工作台借助2个轴以上的平动轴和1个轴以上的旋转轴并通过控制单元而相对移动，由此利用所述工具加工所述工件，所述多轴机床的特征在于，所述控制单元能够执行第1至第7方面中的任一方面所述的几何误差确定方法。
根据本发明，不仅能够进行相邻的轴之间的几何误差的确定，同时还能够修正平动轴的标度误差，从而能够实施更高精度的加工。
特别地，不仅根据温度信息，还根据在几何误差确定中取得的圆弧轨迹直接确定标度误差，因此能够实现更高精度的对标度误差的校正。
附图说明
图1是5轴控制加工中心的立体图。
图2是示出因标度误差所导致的长椭圆成分的说明图。
图3是示出目标球相对于工作台的固定状态的说明图，(A)示出了俯视面，(B)示出了侧视面。
图4是标度误差的校正处理的流程图。
标号说明
1：5轴控制加工中心；2：机座；4：AC轴单元；5：托架；6：工作台；7：横梁；11：主轴；12：主轴头；13～15、17：温度传感器；16：目标球。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是多轴机床的一个例子，并且是从工件朝向工具的轴构成顺序以工件、C轴、A轴、Y轴、X轴、Z轴、工具来表示的5轴控制加工中心1的立体图。图1中的X轴、Y轴及Z轴是正交的3个轴(平动轴)，以Y轴方向为前后方向，以X轴方向为左右方向，以Z轴方向为上下方向。
在机座2的上表面形成有Y轴引导件3、3，在Y轴引导件3、3上，以能够沿Y轴方向移动的方式设置有耳轴结构的AC轴单元4。AC轴单元4具备托架5，该托架5形成为在从前面观察时左右方向较宽的U字状，托架5借助内置于左右的A轴驱动机构(未图示)，能够绕与X轴方向平行的A轴回转倾斜。并且，AC轴单元4在托架5的上表面具备用于载置作为加工对象的工件的工作台6，工作台6借助内置于托架5的C轴驱动机构(未图示)，能够绕与Z轴平行的C轴旋转360度。
另一方面，在机座2上，以跨越Y轴引导件3、3的方式固定有门形结构的横梁7，在横梁7的前表面形成有X轴引导部8。而且，在X轴引导部8上以能够沿X轴方向移动的方式设置有滑鞍9。并且，在滑鞍9上设有Z轴引导部10，在Z轴引导部10上以能够沿Z轴方向移动的方式设置有主轴头12，在该主轴头12的下端具备主轴11。另外，滑鞍9、AC轴单元4及主轴头12借助与各引导部的引导面平行地设置的滚珠丝杠、和与该滚珠丝杠连结的伺服马达而能够移动。并且，在5轴控制加工中心1中设有未图示的NC装置(控制单元)，通过NC装置来控制AC轴单元4和主轴头12等各个部件在各轴方向上的驱动。
该5轴控制加工中心1使固定在工作台6上的工件绕A轴及C轴回转/旋转，并且沿Y轴方向移动，另一方面，该5轴控制加工中心1使安装有工具的主轴11沿X轴及Z轴移动，由此对工件实施多面加工。
并且，13是计测环境温度的温度传感器，在机座2上，在未图示的Y轴直线标尺的设置位置附近设置有温度传感器14，在横梁7上，在未图示的X轴直线标尺的设置位置附近设置有温度传感器15。
在这样的5轴控制加工中心1中，在XY平面的各轴中存在标度误差ΔX、ΔY，在如图2这样描画半径R的圆轨迹时，通常知道会形成为下述算式(1)这样的椭圆。
【数学式1】
在实际使用作为位置计测传感器的接触式探针和作为被测量工具的目标球来确定直角度误差γ的情况下，首先如图3所示，将目标球16固定到从工作台6的旋转中心离开R的位置。在该实施例中，当A轴回转中心处于C轴中心线上时，如下述的算式(2)这样设定以C轴中心线和A轴回转中心的交点为坐标原点的情况下的目标球16的中心坐标[X0 Y0 Z0 A0C0]。H是从坐标原点至目标球16的中心的距离。
【数学式2】
在图2的例子中，在计测范围0度～360度内存在8个计测点，因此分度间距为45度，因此，以45度的间距对C轴进行分度，每当进行分度时就利用安装于主轴的接触式探针(省略图示)计测目标球16的坐标(计测步骤)。
接下来，根据计测出的坐标确定几何误差。这例如如专利文献1所公开的那样以下述方式来进行：对计测出的多个中心位置计测值进行圆弧近似，根据近似的圆弧的1次或2次分量计算出C轴的中心位置的误差和倾斜度误差、以及X轴和Y轴的倾斜度误差(几何误差计算步骤)。
然后，根据在此测量到的目标球16的坐标，并使用X轴及Y轴坐标[Xi Yi]，确认X轴和Y轴的标度误差。如果只有标度误差，则成为算式(1)那样的椭圆算式，但实际上，由于直角度或旋转轴中心的位置误差等几何误差，当设椭圆中心为[XC YC]、设椭圆的倾角为θ时，椭圆的一般算式成为下述的算式(3)。
【数学式3】
根据该计测数据[Xi Yi]并利用最小平方法等计算出算式(3)的系数，得到椭圆的近似式，进行标度误差的校正。以下，按照图4的流程图对该校正的具体的顺序进行说明。
首先，为了判定X轴和Y轴的标度误差，根据X轴坐标和Y轴坐标的计测数据求出算式(3)的椭圆近似式(S1，椭圆算式计算步骤)。
接下来，对求出的作为长径和短径的(R－ΔX)和(R－ΔY)进行比较，判定是否存在差而成为长椭圆(S2)。这里，根据预先设定的阈值ε[mm/mm](每单位长度的变化量)，当(ε×R)＜|ΔX－ΔY|时判定为存在长椭圆成分。
在S2的判定中存在长椭圆成分的情况下，取得各温度传感器13～15的各个温度T1、T2、T3(S3)。另一方面，在不存在长椭圆成分的情况下，不进行标度误差的校正并结束处理。
接下来，将基准温度设定为成为环境温度的温度传感器13的温度T1，计算X轴温度差ΔTX＝T3－T1、Y轴温度差ΔTY＝T2－T1(S4)。但是，基准温度并不限于环境温度，例如可以采用油控制器的基准温度传感器的温度、或在不受油压设备等的影响的位置设置的温度传感器的温度等、任意的位置处的温度。
接下来，根据标度误差的差分(ΔX－ΔY)，并按照温度变化量的权重，如下述算式(4)这样分配用于对各轴上的位置校正的梯度进行修正的系数kX、kY(S5)。
【数学式4】
另外，这里使用了成为基准温度的温度传感器，但例如在使用切削液时，设置目标球的工作台的温度与基准温度不同，从而存在温度差对计测出的R造成影响这样的情况。从而，新设置了温度传感器17(图1)，该温度传感器17用于对设置目标球的工作台6的上表面的温度进行计测，将从该温度传感器17取得的工作台温度设为T4，将机器的线膨胀系数设为α，并将下述算式(5)的R'应用于算式(4)的R，由此能够实现更高精度的修正。
【数学式5】
R'＝R·α·(T4-T1)...(5)
最后，如下述算式(6)这样使修正系数反映到位置误差校正的表F(X)、F(Y)中来设定新的位置误差校正表F'(X)、F'(Y)，并修正标度误差(S6，S3～S6为标度误差校正步骤)。
【数学式6】
这样，根据上述方式的几何误差确定方法，不仅能够进行相邻轴之间的几何误差的确定，还能够同时修正平动轴的标度误差，从而能够实施更高精度的加工。
特别地，不仅根据温度信息，还根据在几何误差确定中取得的圆弧轨迹直接确定标度误差，因此能够实现更高精度的对标度误差的校正。
另外，在上述方式中，根据各部分的温度差分配位置误差校正表的修正梯度，但通过下述这样方法也能取得同样的效果：预先设定作为基准的直线轴，使标度误差的差分反映至其他的轴上。
并且，在上述方式中对修正X轴和Y轴的标度误差的情况进行了说明，但在修正Y轴和Z轴的标度误差的情况下，可以以如下方式实施：根据将C轴固定为任意的角度并将A轴定位成多个分度条件而得到的计测结果的Y轴坐标和Z轴坐标的轨迹，同样地确定出椭圆近似式。
而且，即使在主轴和工作台之间调换目标球和接触式探针的配置，也能够应用本发明。
而且，作为多轴机床，并不限于5轴控制加工中心，只要是具有2个以上的平动轴及1个以上的旋转轴的多轴机床即可，例如可以是在主轴侧设有2个以上的旋转轴的多轴机床、或者在主轴侧和工作台侧分别设有1个旋转轴的多轴机床。因此，不限于加工中心这样的机床，以车床为基础的复合加工机等也是对象。
并且，只要能够计测工作台的平动轴方向的位置，并不限于直线标尺，即使是旋转编码器等其他的检测器也能够应用于本发明。

Claims (8)

1.一种多轴机床的几何误差确定方法，在所述多轴机床中，能够安装工具的主轴和保持工件的工作台借助2个轴以上的平动轴和1个轴以上的旋转轴并通过控制单元而相对移动，由此利用所述工具加工所述工件，所述多轴机床的几何误差确定方法是在该多轴机床中通过所述控制单元来确定与所述平动轴及所述旋转轴相关的几何学的误差、并且校正所述平动轴的标度误差的方法，
所述多轴机床的几何误差确定方法的特征在于，
在所述多轴机床的几何误差确定方法中执行下述步骤：
计测步骤，在所述计测步骤中，将安装于所述主轴和所述工作台中的一方的被测量工具的位置绕所述旋转轴分度为多个角度，并且，使用安装于所述主轴和所述工作台中的另一方的位置计测传感器，计测所述被测量工具在各分度位置处的位置；
几何误差计算步骤，在所述几何误差计算步骤中，根据计测出的所述被测量工具的位置计算出几何误差；
椭圆算式计算步骤，在所述椭圆算式计算步骤中，根据在所述计测步骤中计测出的圆弧轨迹计算出椭圆近似式；以及
误差校正步骤，在所述误差校正步骤中，根据计算出的所述椭圆近似式计算出所述平动轴的标度误差并进行校正。
2.根据权利要求1所述的多轴机床的几何误差确定方法，其特征在于，
在所述椭圆近似式的长径和短径之差超过预先设定的阈值的情况下，执行所述误差校正步骤。
3.根据权利要求2所述的多轴机床的几何误差确定方法，其特征在于，
所述阈值以每单位长度的变化量来设定。
4.根据权利要求1所述的多轴机床的几何误差确定方法，其特征在于，
在所述误差校正步骤中，将所述标度误差的校正作为一次式，并使所述标度误差的校正反映到所述平动轴的定位误差校正表的梯度中，来设定新的定位误差校正表，由此进行所述标度误差的校正。
5.根据权利要求1所述的多轴机床的几何误差确定方法，其特征在于，
在所述误差校正步骤中，计算出在各平动轴的检测器附近设置的温度传感器的检测温度、与在成为基准的任意的位置处设置的温度传感器的检测温度之差，按照所述检测温度的差的比例分配所述标度误差的校正量来进行校正。
6.根据权利要求5所述的多轴机床的几何误差确定方法，其特征在于，
使用设置所述被测量工具的结构体的线膨胀系数，来修正所述标度误差的校正量。
7.根据权利要求1所述的多轴机床的几何误差确定方法，其特征在于，
在所述误差校正步骤中，预先设定成为基准的所述平动轴，使所述标度误差的差分反映到其他的所述平动轴上来进行校正。
8.一种多轴机床，在该多轴机床中，能够安装工具的主轴和保持工件的工作台借助2个轴以上的平动轴和1个轴以上的旋转轴并通过控制单元而相对移动，由此利用所述工具加工所述工件，
所述多轴机床的特征在于，
所述控制单元能够执行权利要求1至7中的任意一项所述的几何误差确定方法。
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