CN104950795B - 机床的控制方法以及控制装置 - Google Patents

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Abstract

提供机床的控制方法以及控制装置，对具备不垂直的2个轴以上的平动轴的机床的几何误差进行修正，算出平动轴的指令值。机床的控制方法，机床利用不垂直的2个轴以上的平动轴和1个轴以上的旋转轴使安装工具的主轴与保持工件的工作台相对移动来利用工具加工工件，修正因几何误差而产生的工具相对于工件的位置误差，算出控制平动轴的指令值，执行：变换步骤，通过从工件坐标系向假想设定为2个轴以上的平动轴垂直的假想垂直坐标系的齐次坐标变换，将位置误差和修正位置误差的修正值变换到假想垂直坐标系上；和修正值计算步骤，将通过变换步骤变换到假想垂直坐标系上的修正值从假想垂直坐标系向平动轴的指令值坐标系进行齐次坐标变换，算出指令值坐标系上的修正值。

Description

机床的控制方法以及控制装置
技术领域
本发明涉及机床的控制方法以及控制装置，所述机床利用互相不垂直的2个轴以上的平动轴和1个轴以上的旋转轴，使安装工具的主轴与保持工件的工作台进行相对移动，由此利用所述工具来加工所述工件，其中，对由几何学的误差所引起的所述工具相对于所述工件的位置误差进行修正，来计算用于控制所述平动轴的指令值。
背景技术
图6是该机床的一例，是具有3个平动轴和2个旋转轴的5轴控制加工中心101的示意图。利用作为平动轴且彼此垂直的X轴和Z轴，主轴头102能够相对于底座103进行二自由度平动的运动。利用作为旋转轴的C轴，工作台104能够相对于托架105进行一自由度旋转的运动。利用作为旋转轴的A轴，托架105能够相对于耳轴106进行一自由度旋转的运动，其中A轴与C轴彼此垂直。利用作为平动轴且与X轴和Z轴垂直的Y轴，耳轴106能够相对于底座103进行一自由度平动的运动。通过由数控装置(未图示)控制的伺服电机(未图示)来驱动各轴，将工件固定在工作台104，在主轴头102上安装工具(未图示)并使其旋转，对工件与工具的相对位置进行控制来进行工件加工。
作为对所述5轴控制加工中心101的运动精度造成影响的因素，例如存在如下误差：旋转轴的中心位置的误差(相对于所设想的位置的偏移)；以及旋转轴的倾斜误差(轴间的垂直度和平行度)等各轴之间的几何学的误差(几何误差)。如果存在几何误差，则作为5轴控制加工中心101的运动精度恶化，工件的加工精度恶化。因此，需要通过调整来减小几何误差，但是使几何误差为零是困难的，通过执行对几何误差进行修正的控制，能够进行高精度的加工。
作为对几何误差进行修正的方案，提出了如专利文献1所记载的方法。在专利文献1所记载的方法中，考虑到机床的几何误差，将工具末端点的位置变换成各平动轴的位置，并且将它们设为用于控制平动轴的指令值，由此能够对由几何误差而产生的工具末端点的位置误差进行修正。
另外，在专利文献2中提出了如下方法：将与机床的动作相伴随的变形误差、与平动轴的指令位置对应地产生的定位误差、以及由机床的各要素的发热等所引起的热位移而产生的误差视为所述几何误差，并且将根据该几何误差计算出的平动轴的修正值相加至该平动轴的指令值，由此计算出用于控制平动轴的指令值。
专利文献1：日本特开2004-272887号公报
专利文献2：日本特开2009-104317号公报
但是，专利文献1、2所记载的方法是以作为平动轴的X轴、Y轴及Z轴相互垂直的机床为对象的，因此，在此方法中存在这样的不良状况：无法对具备相互不垂直的2个轴以上的平动轴的机床中的几何误差进行修正来计算该平动轴的指令值。
发明内容
本发明是鉴于这样的状况而提出的，其目的是提供一种机床的控制方法以及控制装置，能够对具备相互不垂直的2个轴以上的平动轴的机床中的几何误差进行修正来计算该平动轴的指令值。
关于技术方案1的发明所涉及的机床的控制方法，所述机床利用相互不垂直的2个轴以上的平动轴和1个轴以上的旋转轴使安装工具的主轴与保持工件的工作台进行相对移动，由此利用所述工具加工所述工件，在该机床中，对于因几何学的误差而产生的所述工具相对于所述工件的位置的误差，根据通过考虑了所述几何学的误差的从工具坐标系向工件坐标系的齐次坐标变换而求出的、存在所述几何学的误差的情况下的所述工具的位置，和通过不考虑所述几何学的误差的从工具坐标系向工件坐标系的齐次坐标变换而求出的、理想的所述工具的位置，来计算出所述因几何学的误差而产生的所述工具相对于所述工件的位置的误差，并对所述误差进行修正，计算出用于控制所述平动轴的指令值，该机床的控制方法的特征在于包含以下步骤：变换步骤，通过从所述工件坐标系向假想地设定为所述2个轴以上的平动轴相互垂直的假想垂直坐标系的齐次坐标变换，将所述误差变换到所述假想垂直坐标系上，并且将修正该误差的修正值变换到该假想垂直坐标系上；修正值计算步骤，将通过所述变换步骤变换到所述假想垂直坐标系上的所述修正值从所述假想垂直坐标系向所述平动轴的指令值坐标系进行齐次坐标变换，由此计算出所述指令值坐标系上的修正值；以及更新步骤，将通过所述修正值计算步骤算出的所述修正值与用于控制所述平动轴的指令值相加，由此来更新所述指令值。
技术方案2的发明的特征是，在技术方案1中，在所述变换步骤中，考虑到在所述相互不垂直的2个轴以上的平动轴中包含的平动轴相对于规定的基准方向所构成的倾斜角度，将所述误差和所述修正值从所述工件坐标系向所述假想垂直坐标系进行齐次坐标变换。
技术方案3的发明的特征是，在技术方案1或2中，在所述机床的控制方法中执行选择步骤，在该选择步骤中，对具有在所述2个轴以上的平动轴中所包含的任意的平动轴和在所述1个轴以上的旋转轴中所包含的任意的旋转轴的任意的轴结构进行选择，在所述变换步骤中，通过从所述工件坐标系向任意的所述假想垂直坐标系的齐次坐标变换，将所述误差和所述修正值变换到所述任意的所述假想垂直坐标系上，所述假想垂直坐标系被假想地设定为在通过所述选择步骤选择出的所述任意的轴结构中所包含的任意的2个轴以上的平动轴相互垂直，在所述修正值计算步骤中，将通过所述变换步骤变换到所述任意的所述假想垂直坐标系上的所述修正值从该任意的所述假想垂直坐标系向所述指令值坐标系进行齐次坐标变换，由此计算出所述指令值坐标系上的修正值。
技术方案4的发明的特征是，在技术方案1中，将所述任意的平动轴作为实际使用于所述工件的加工的所述平动轴，将所述任意的旋转轴作为实际使用于该加工的所述旋转轴，在所述选择步骤中，根据对具有实际使用于所述工件的加工的平动轴和实际使用于所述加工的旋转轴的使用轴结构进行判别的判别信息，来判别在具有所述2个轴以上的平动轴所包含的该平动轴和所述1个轴以上的旋转轴所包含的该旋转轴的轴结构中，是否存在所述使用轴结构，将该判别出的使用轴结构选择为所述任意的轴结构，在所述变换步骤中，通过从所述工件坐标系向一个假想垂直坐标系的齐次坐标变换，将所述误差和所述修正值变换到所述一个假想垂直坐标系上，所述一个假想垂直坐标系被假想地设定为在通过所述选择步骤选择的所述使用轴结构中所包含的2个轴以上的平动轴相互垂直，并且所述一个假想垂直坐标系包含在所述任意的所述假想垂直坐标系中，在所述修正值计算步骤中，将通过该变换步骤变换到所述一个假想垂直坐标系上的所述修正值从该一个假想垂直坐标系向所述指令值坐标系进行齐次坐标变换，由此计算出所述指令值坐标系上的修正值。
技术方案5的发明的特征是，在技术方案4中，在所述机床的控制方法中包含误差决定步骤，在该误差决定步骤中，当通过所述选择步骤判别为在所述轴结构中存在不使用于所述工件的加工的所述轴结构时，决定为将根据存在所述几何学的误差的情况下的所述工具的位置和所述理想的所述工具的位置算出的所述误差设定为零，或使所述误差保持上次的误差。
关于技术方案6的发明所涉及的机床的控制装置，所述机床利用相互不垂直的2个轴以上的平动轴和1个轴以上的旋转轴使安装工具的主轴与保持工件的工作台进行相对移动，由此利用所述工具加工所述工件，在该机床中，对于因几何学的误差而产生的所述工具相对于所述工件的位置的误差，根据通过考虑了所述几何学的误差的从工具坐标系向工件坐标系的齐次坐标变换而求出的、存在所述几何学的误差的情况下的所述工具的位置，和通过不考虑所述几何学的误差的从工具坐标系向工件坐标系的齐次坐标变换而求出的、理想的所述工具的位置，来计算出所述因几何学的误差而产生的所述工具相对于所述工件的位置的误差，并对所述误差进行修正，计算出用于控制所述平动轴的指令值，该机床的控制装置的特征在于，该机床的控制装置具备：变换单元，其通过从所述工件坐标系向假想地设定为所述2个轴以上的平动轴相互垂直的假想垂直坐标系的齐次坐标变换，将所述误差变换到所述假想垂直坐标系上，并且将修正该误差的修正值变换到该假想垂直坐标系上；修正值计算单元，其将通过所述变换单元变换到所述假想垂直坐标系上的所述修正值从所述假想垂直坐标系向所述平动轴的指令值坐标系进行齐次坐标变换，由此计算出所述指令值坐标系上的修正值；以及更新单元，其将通过所述修正值计算单元算出的所述修正值与用于控制所述平动轴的指令值相加，由此来更新所述指令值。
技术方案7的发明的特征是，在技术方案6中，所述变换单元考虑到在所述相互不垂直的2个轴以上的平动轴中包含的平动轴相对于规定的基准方向所构成的倾斜角度，将所述误差和所述修正值从所述工件坐标系向所述假想垂直坐标系进行齐次坐标变换。
技术方案8的发明的特征是，在技术方案6或7中，所述机床的控制装置具备选择单元，所述选择单元对具有在所述2个轴以上的平动轴中所包含的任意的平动轴和在所述1个轴以上的旋转轴中所包含的任意的旋转轴的任意的轴结构进行选择，所述变换单元通过从所述工件坐标系向任意的所述假想垂直坐标系的齐次坐标变换，将所述误差和所述修正值变换到所述任意的所述假想垂直坐标系上，所述假想垂直坐标系被假想地设定为在通过所述选择单元选择出的所述任意的轴结构中所包含的任意的2个轴以上的平动轴相互垂直，所述修正值计算单元将通过所述变换单元变换到所述任意的所述假想垂直坐标系上的所述修正值从该任意的所述假想垂直坐标系向所述指令值坐标系进行齐次坐标变换，由此计算出所述指令值坐标系上的修正值。
技术方案9的发明的特征是，在技术方案8中，将所述任意的平动轴作为实际使用于所述工件的加工的所述平动轴，将所述任意的旋转轴作为实际使用于该加工的所述旋转轴，所述机床的控制装置具备存储单元，所述存储单元存储对使用轴结构进行判别所得到的判别信息，所述使用轴结构具有实际使用于所述加工的平动轴和实际使用于所述加工的旋转轴，所述选择单元根据在所述存储单元中存储的所述判别信息，来判别在具有所述2个轴以上的平动轴所包含的该平动轴和所述1个轴以上的旋转轴所包含的该旋转轴的轴结构中，是否存在所述使用轴结构，将该判别出的使用轴结构选择为所述任意的轴结构，所述变换单元通过从所述工件坐标系向一个假想垂直坐标系的齐次坐标变换，将所述误差和所述修正值变换到所述一个假想垂直坐标系上，所述一个假想垂直坐标系被假想地设定为在通过所述选择单元选择的所述使用轴结构中所包含的2个轴以上的平动轴相互垂直，并且所述一个假想垂直坐标系包含在所述任意的所述假想垂直坐标系中，所述修正值计算单元将通过所述变换单元变换到所述一个假想垂直坐标系上的所述修正值从该一个假想垂直坐标系向所述指令值坐标系进行齐次坐标变换，由此计算出所述指令值坐标系上的修正值。
技术方案10的发明特征是，在技术方案9中，所述机床的控制装置具备误差决定单元，当所述选择单元判别为在所述轴结构中存在不使用于所述工件的加工的所述轴结构时，所述误差决定单元决定为将根据存在所述几何学的误差的情况下的所述工具的位置和所述理想的所述工具的位置算出的所述误差设定为零，或使所述误差保持上次的误差。
根据技术方案1的发明所涉及的机床的控制方法和技术方案6的发明所涉及的机床的控制装置，在将因几何学的误差而产生的工具相对于工件的位置的误差和修正该误差的修正值从工件坐标系临时向假想垂直坐标系进行齐次坐标变换之后，将已齐次坐标变换到该假想垂直坐标系上的所述修正值向平动轴的指令值坐标系进行齐次坐标变换，仅通过这样简单的方法，就能够在指令值坐标系下计算出修正所述误差的修正值。而且，利用使该算出的修正值与用于控制平动轴的指令值相加这样简单的方法，能够更新所述指令值。由此，通过组合这些简单的方法，能够对具备相互不垂直的2个轴以上的平动轴的机床中的几何误差进行修正，计算出该平动轴的指令值。
根据技术方案2和7的发明，在已确定相互不垂直的2个轴以上的平动轴所包含的平动轴相对于规定的基准方向构成的倾斜角度之后，能够将工具位置的误差和修正该误差的修正值从工件坐标系向假想垂直坐标系进行齐次坐标变换。
根据技术方案3和8的发明，可与具有任意的平动轴和任意的旋转轴的轴结构相对应地计算出对因几何学的误差而产生的工具相对于工件的位置的误差进行修正的修正值。
根据技术方案4和9的发明，可与具有实际使用于工件的加工的平动轴和旋转轴的使用轴结构相对应地计算出对因几何学的误差而产生的工具相对于工件的位置的误差进行修正的修正值。
根据技术方案5和10的发明，关于在工件的加工中不使用的轴结构，可省略对由于几何学的误差而产生的工具相对于工件的位置的误差的计算。由此，能够降低计算该误差时的计算负荷。
附图说明
图1是本发明的实施方式的复合加工车床的示意图。
图2是对作为平动轴的Ys轴相对于作为平动轴的X轴倾斜的状态进行说明的图。
图3是执行实施方式的控制方法的数控装置的框线图。
图4是计算平动轴的指令值的处理的流程图。
图5是工件坐标系上的工具末端点位置的误差计算处理的流程图。
图6是现有的5轴控制加工中心的示意图。
标号说明
1：复合加工车床；2：主轴头；6：第1主轴台；8：第2主轴台；10：工具；20：数控装置；22：指令值生成单元；27：存储单元。
具体实施方式
参照图1或图5来说明本发明的实施方式。图1所示的复合加工车床1是本发明的机床的一例，具有4个平动轴(X轴、Ys轴、Z轴、W轴)和3个旋转轴(B轴、C1轴、C2轴)。主轴头2可利用相互不垂直的作为平动轴的X轴、Ys轴、Z轴相对于底座3进行3自由度平动的运动。在本实施方式中，如图2所示，X轴与Ys轴不垂直，Ys轴相对于Y轴以角度θ倾斜。除此之外，主轴头2可利用内置于刀架4中的作为旋转轴的B轴进行一自由度旋转的运动。
另外，第1主轴台6固定于底座3上，可利用旋转轴C1进行一自由度旋转的运动。该第1主轴台6具备的第1主轴部7可围绕旋转轴C1进行旋转，在第1主轴部7上可安装工件(未图示)。另外，第2主轴台8可利用作为平动轴的与Z轴平行的W轴相对于底座3进行1个自由度平动的运动。除此之外，第2主轴台8可利用作为旋转轴的C2轴进行一自由度旋转的运动。该第2主轴台8所具备的第2主轴部9可绕旋转轴C2进行旋转，在第2主轴部9上也可以安装工件(未图示)。各平动轴(X轴、Ys轴、Z轴、W轴)以及各旋转轴(B轴、C1轴、C2轴)被由后述的数控装置20控制的伺服电机25a～25g(参照图3)驱动，一边对安装在主轴头2上的工具10(参照图1)与工件的相对位置进行控制，一边利用工具10将所述工件加工为任意的形状。此外，第1主轴台6以及第2主轴台8是本发明的工作台的一例。
图3示出了用于进行本实施方式的控制的数控装置20的一例。该数控装置20具备指令值生成单元22和伺服指令值变换单元23。关于指令值生成单元22，如果输入加工程序21作为用于在加工工件时使工具10移动至进行该加工的位置的指令，则指令值生成单元22生成各轴(B轴、C1轴、C2轴、X轴、Ys轴、Z轴、W轴)的指令值，其中所述加工程序21描述了该工具10的末端位置的指令坐标值。该指令值被送到伺服指令值变换单元23。收到该指令值的伺服指令值变换单元23对所述各轴的伺服指令值进行运算，并向各轴的伺服放大器24a～24g发送。各轴的伺服放大器24a～24g分别驱动伺服电机25a～25g，对工具10相对于第1主轴台6或第2主轴台8的相对位置以及姿势进行控制。此外，图3中的标号27是在数控装置20中具备的、对加工程序21或根据后述的实际测量所求出的几何误差进行存储的存储单元。
在本实施方式中，将几何误差定义为相邻的轴间的3个方向相对平动误差和3个方向相对旋转误差的合计6个分量(δx，δy，δz，α，β，γ)。在本实施方式的复合加工车床1中，从工件至工具10的轴结构(以下，称为第1轴结构。)为C1轴-Z轴-Ys轴-X轴-B轴。在该第1轴结构中存在13个几何误差。另外，其它轴结构(以下，称为第2轴结构。)为C2轴-W轴-Z轴-Ys轴-X轴-B轴。在该第2轴结构中存在15个几何误差。
第1轴结构中的13个几何误差被表示为δx11、δz11、α11、β11、α12、γ12、β13、γ13、α14、δx15、δy15、α15、β15，其中x、y、z分别表示轴名，将轴结构编号设为第1下标、将从工具10朝向工件的排序编号设为第2下标。这些几何误差依次分别意味着B轴中心位置X方向误差、B轴中心位置Z方向误差、第1主轴台6－Y轴间垂直度、B轴原点误差、B－Z轴间垂直度、B－X轴间垂直度、Z－X轴间垂直度、X－Y轴间垂直度、Y－Z轴间垂直度、C1轴中心位置X方向误差、C1轴中心位置Y方向误差、C1－Y轴间垂直度以及C1－X轴间垂直度。第1轴结构中的13个几何误差通过实测被预先求出，并存储在存储单元27中。
另外，根据与第1轴结构中的几何误差相同的方法，第2轴结构中的15个几何误差被表示为δx21、δz21、α21、β21、α22、γ22、β23、γ23、α24、α25、β25、δx26、δy26、α26、β26。这些几何误差依次分别意味着B轴中心位置X方向误差、B轴中心位置Z方向误差、第2主轴台8-Y轴间垂直度、B轴原点误差、B-Z轴间垂直度、B-X轴间垂直度、Z-X轴间垂直度、X-Y轴间垂直度、Y-Z轴间垂直度、W-Y轴间垂直度、W-X轴间垂直度、C2轴中心位置X方向误差、C2轴中心位置Y方向误差、C2-Y轴间垂直度、C2-X轴间垂直度。第2轴结构中的15个几何误差也通过实测被预先求出，并存储在存储单元27内。
接着，利用图4以及图5，对由数控装置20执行的平动轴及旋转轴的各指令值的计算方法进行说明。该数控装置20(指令值生成单元22)通过在存储单元27中存储的计算程序，并考虑上述的几何误差或角度θ(参照图2)，能够计算出所述各指令值。
在图4内的步骤S10中，指令值生成单元22取得各轴(平动轴以及旋转轴)的指令值。在步骤S10中，根据加工程序21(参照图3)取得平动轴(X轴、Ys轴、Z轴、W轴)的指令值或旋转轴(B轴、C1轴、C2轴)的指令值。然后，指令值生成单元22将所述取得的各指令值存储于存储单元27。
在步骤S10之后，指令值生成单元22在步骤S20中如以下说明的那样执行工具末端点位置的误差计算处理，在该工具末端点位置的误差计算处理中计算出在工件坐标系上的工具末端点位置的误差。在步骤S20中，执行图5所示的步骤S21～步骤S24。指令值生成单元22在步骤S21中取得实际使用于工件的加工中的平动轴和旋转轴的判别信息。在步骤S21中，作为一例，获取针对实际使用的每个平动轴和每个旋转轴而存储在存储单元27(参照图3)中的加工程序21的程序名。在本实施方式中，针对实际使用的每个平动轴和旋转轴的组合使加工程序21的程序名不同。作为一例，在程序名是“A”的情况下，利用第1轴结构(C1轴-Z轴-Ys轴-X轴-B轴)，工具10对安装在第1主轴台6(第1主轴部7)上的工件进行加工。另外，在程序名是“B”的情况下，利用第2轴结构(C2轴-W轴-Z轴-Ys轴-X轴-B轴)，工具10对安装在第2主轴台8(第2主轴部9)上的工件进行加工。另外，在程序名是“C”的情况下，利用轴结构1和2，工具10对安装在第1主轴台6和第2主轴台8上的工件进行加工。
在步骤S21之后，指令值生成单元22在步骤S22中判别是否使用第1、第2轴结构。在步骤S22中，在通过步骤S21取得的程序名是“A”的情况下，判别为使用第1轴结构，在所述的取得的程序名是“B”的情况下，判别为使用第2轴结构。另外，在所述的取得的程序名是“C”的情况下，判别为使用第1和第2轴结构双方。此外，第1、第2轴结构是本发明的任意的轴结构的一例。另外，判别为使用的第1、第2轴结构是本发明的使用轴结构的一例。判别为使用的第1轴结构中的Z轴、Ys轴、X轴和第2轴结构中的W轴、Z轴、Ys轴、X轴是在本发明的工件的加工中实际使用的平动轴的一例，判别为使用的第1轴结构中的C1轴、B轴和判别为使用的第2轴结构中的C2轴、B轴是在本发明的加工中实际使用的旋转轴的一例。另外，程序名是本发明的判别信息的一例。此外，步骤22是本发明的选择步骤的一例，指令值生成单元22是本发明的选择单元的一例。
当在步骤S22中判别为使用第1和第2轴结构中的任意一方或双方时，指令值生成单元22在步骤S23中如以下说明的那样计算出平动轴的在工件坐标系上的工具末端点位置的误差。在将主轴头2处的工具坐标系上的工具末端点矢量TP变换到第1主轴台6以及第2主轴台8处的工件坐标系上的情况下，设工具10的长度为t(tX、tY、tZ)、设B轴、C轴(C1轴、C2轴)、X轴、Y轴、Z轴、W轴的各指令位置为i，则各轴的变换矩阵成为[算式1]。通过使用该工具末端点矢量TP和各轴的变换矩阵MB(i)、MC(i)、MX(i)、MY(i)、Mz(i)、MW(i)，计算出不存在几何误差的情况下的工件坐标系上的工具末端点矢量WPI。
【算式1】
在本实施方式中，如图2所示，Ys轴相对于Y轴倾斜角度θ。使该Ys轴绕Z轴朝向Y轴旋转角度θ的旋转变换矩阵成为[算式2]。并且，通过使用[算式3]，来进行从不存在几何误差的情况下的工具坐标系向不存在几何误差的情况下的第1轴结构中的工件坐标系的齐次坐标变换。由此，计算出不存在几何误差的情况下的第1轴结构中的工件坐标系上的理想的工具末端点矢量WPI1。另外，通过使用[算式4]，来进行从不存在几何误差的情况下的工具坐标系向不存在几何误差的情况下的第2轴结构中的工件坐标系的齐次坐标变换。由此，计算出不存在几何误差的情况下的第2轴结构中的工件坐标系上的理想的工具末端点矢量WPI2。此外，[算式3]的c1是C1轴的指令位置，z是Z轴的指令位置，ys是Ys轴的指令位置，x是X轴的指令位置，b是B轴的指令位置。除此之外，[算式4]的c2是C2轴的指令位置，w是W轴的指令位置，z是Z轴的指令位置，ys是Ys轴的指令位置，x是X轴的指令位置，b是B轴的指令位置。
【算式2】
【算式3】
WPI1＝MC(c1)·MZ(z)·MY(ys)·OC(θ)-1·MX(x)·MB(b)·TP
【算式4】
WPI2＝MC(c2)·MW(w)·MZ(z)·MY(ys)·OC(θ)-1·MX(x)·MB(b)·TP
另外，在步骤S23中，当复合加工车床1存在几何误差时，将各几何误差考虑为各轴间的相对误差，使用了在存储单元27中存储的各几何误差的平动误差δx、δy、δz和旋转误差α、β、γ的[算式5]的矩阵εjk成为基于几何误差的变换矩阵。通过使用将该矩阵εjk配置在[算式3]的各轴之间而得到的[算式6]，来进行从存在几何误差的情况下的工具坐标系向存在几何误差的情况下的第1轴结构中的工件坐标系的齐次坐标变换。由此，计算出存在几何误差的情况下的第1轴结构中的工件坐标系上的工具末端点矢量WPG1。除此之外，通过利用将矩阵εjk配置在[算式4]的各轴之间而得到的[算式7]，来进行从存在几何误差的情况下的工具坐标系向存在几何误差的情况下的第2轴结构中的工件坐标系的齐次坐标变换。由此，计算出存在几何误差的情况下的第2轴结构中的工件坐标系上的工具末端点矢量WPG2。此外，矩阵εjk的第1下标j表示轴结构编号(这里是1或2)，矩阵εjk的第2下标k表示在存在几何误差的轴间从工具10朝向工件的排序编号。
【算式5】
【算式6】
WPG1＝ε16·MC(c1)·ε15·MZ(z)·ε14·MY(ys)·OC(θ)-1·ε13·MX(x)·ε12·MB(b)·ε11·TP
【算式7】
WPG2＝ε27·MC(c2)·ε26·MW(w)·ε25·MZ(z)·ε24·MY(ys)·OC(θ)-1·ε23·MX(x)·ε22·MB(b)·ε21·TP
接着，在步骤S23中，通过使用[算式8]，来计算出工件坐标系上的工具末端点的位置误差Δej。在上述的步骤S22中，当判别为使用第1轴结构的情况下，在步骤S23中，通过使用[算式8]，根据利用[算式6]算出的工具末端点矢量WPG1与利用[算式3]算出的工具末端点矢量WPI1的差，来计算出第1轴结构中的工件坐标系上的工具末端点的位置误差Δe1。另一方面，在步骤S22中，当判别为使用第2轴结构的情况下，在步骤S23中，通过使用[算式8]，根据利用[算式7]算出的工具末端点矢量WPG2与利用[算式4]算出的工具末端点矢量WPI2的差，来计算出第2轴结构中的工件坐标系上的工具末端点的位置误差Δe2。另外，在步骤S22中，当判别为使用第1、第2轴结构双方的情况下，在步骤S23中，计算出所述位置误差Δe1以及所述位置误差Δe2。在步骤S23中算出的位置误差Δe1以及位置误差Δe2被存储于存储单元27内。通过以上处理，步骤S23结束。
【算式8】
另外，在上述的步骤S22中，当判别为不使用第1、第2轴结构中的任意一方的情况下，在步骤S24中，指令值生成单元22决定为将不使用的轴结构中的工具末端点位置的误差设定为零或者保持上次的误差。所谓上次的误差是指在步骤S22中判别为不使用第1、第2轴结构中的任意一方时被存储于存储单元27中的位置误差Δe1、位置误差Δe2。通过进行该步骤S24，关于在工件的加工中不使用的平动轴，可省略对工件坐标系上的工具末端点的位置误差Δej的计算。此外，步骤S24是本发明的误差决定步骤的一例。另外，指令值生成单元22是本发明的误差决定单元的一例。此外，在步骤S22中判别为不使用的第1、第2轴结构是在本发明的工件的加工中不使用的轴结构的一例。
在步骤S20之后，在步骤S30中，指令值生成单元22判定是否结束了对所有的轴结构中的平动轴上的工具末端点位置的误差的计算。这里，判定在存储单元27中是否存储有与在所述步骤S22中判别为使用的轴结构对应的位置误差Δe1或位置误差Δe2。在步骤S30中，当判定为在存储单元27内没有存储与所述轴结构对应的位置误差Δe1或位置误差Δe2，并判定为对所有的轴结构中的工具末端点位置的误差的计算没有结束的情况下，执行步骤20。
另一方面，在步骤S30中，当判定为对所有的轴结构的平动轴上的工具末端点位置的误差的计算已经结束时，指令值生成单元22在步骤S40中如以下说明的那样将平动轴上的工具末端点位置的误差从工件坐标系向假想垂直坐标系变换，并且将修正该误差的修正值变换到假想垂直坐标系上。假想垂直坐标系是指如图2的例子所示那样2个平动轴X轴、Z轴与假想设定的Y轴相互垂直的坐标系。在步骤S40中，通过利用包含了[算式2]所示的旋转变换矩阵的[算式9]，来进行从所述工件坐标系向假想垂直坐标系的齐次变换。由此，计算出将所述误差抵消的假想垂直坐标系上的平动轴的修正值矢量ΔCompj′。[算式9]中的j表示轴结构编号(这里是第1或第2)，θ表示Ys轴相对于Y轴所构成的倾斜角度。另外，在j＝1的情况下，m表示旋转轴C1的指令位置，在j＝2的情况下，m表示旋转轴C2的指令位置。在上述的步骤S22中，当判别为使用第1轴结构的情况下，在步骤S40中，通过使用[算式9]来计算出第1轴结构中的平动轴在假想垂直坐标系上的修正值矢量ΔComp1′。另一方面，在步骤S22中，当判别为使用第2轴结构的情况下，在步骤S40中通过使用[算式9]来计算出第2轴结构中的平动轴在假想垂直坐标系上的修正值矢量ΔComp2′。另外，在步骤S22中，当判别为使用第1、第2轴结构的双方的情况下，在步骤S40中计算出所述修正值矢量ΔComp1′以及所述修正值矢量ΔComp2′。此外，图2所示的Y轴的轴方向是本发明的规定的基准方向的一例，Ys轴是本发明的相互不垂直的2个轴以上的平动轴中所包含的平动轴的一例。另外，图2所示的角度θ是本发明的倾斜角度的一例，图2所示的XYZ坐标系是本发明的一个假想垂直坐标系和任意的假想垂直坐标系的一例。另外，步骤S40是本发明的变换步骤的一例，指令值生成单元22是本发明的变换单元的一例。
【算式9】
在步骤S40之后，指令值生成单元22在步骤S50中如以下所说明的那样将通过步骤S40变换到假想垂直坐标系上的平动轴的修正值向平动轴(X轴、Ys轴、Z轴)的指令值的坐标系即指令值坐标系变换。在本实施方式的第1轴结构中，在工件侧的最初的旋转轴即C1轴与最初的平动轴即Z轴之间存在指令值坐标系，在第2轴结构中，在工件侧的最初的旋转轴即C2轴与最初的平动轴即W轴之间存在指令值坐标系。在步骤S50中，通过利用包含如下这样的变换矩阵的[算式10]来进行从所述假想垂直坐标系向指令值坐标系的齐次变换：该变换矩阵表示Ys轴相对于Y轴倾斜角度θ这样的平动轴的关系。由此，计算出将在步骤S40中算出的修正值矢量ΔCompj′变换到指令值坐标系上而得到的修正值矢量ΔCompj。在上述的步骤S22中，当判别为使用第1轴结构的情况下，在步骤S50中，通过利用[算式10]来计算出第1轴结构1的在指令值坐标系上的修正值矢量ΔComp1。另一方面，在步骤S22中，当判别为使用第2轴结构的情况下，在步骤S50中，通过利用[算式10]来计算出第2轴结构的在指令值坐标系上的修正值矢量ΔComp2。另外，在步骤S22中，当判别为使用第1、第2轴结构的双方的情况下，在步骤S50中计算出所述修正值矢量ΔComp1以及所述修正值矢量ΔComp2。此外，步骤S50是本发明的修正值计算步骤的一例，指令值生成单元22是本发明的修正值计算单元的一例。
【算式10】
在步骤S50之后，在步骤S60中，指令值生成单元22计算出作为旋转轴的C轴(C1轴、C2轴)和B轴在指令值坐标系上的修正值。在步骤S60中，通过利用[算式11]来分别计算出C轴在指令值坐标系上的修正值ΔCcj和B轴在指令值坐标系上的修正值ΔCbj。在上述的步骤S22中，当判别为使用第1轴结构的情况下，在步骤S60中，通过利用[算式11]来计算出第1轴结构中的C1轴在指令值坐标系上的修正值ΔCc1和B轴在指令值坐标系上的修正值ΔCb1。另一方面，当在步骤S22中判别为使用第2轴结构的情况下，在步骤S60中，通过利用[算式11]来计算出第2轴结构中的C2轴在指令值坐标系上的修正值ΔCc2和B轴在指令值坐标系上的修正值ΔCb2。另外，在步骤S22中，当判别为使用第1和第2轴结构的双方时，在步骤S60中计算出所述修正值ΔCc1、ΔCc2以及所述修正值ΔCb1、ΔCb2。
【算式11】
这里，Is1、Ie1、Is2、Ie2如下表所示。
j(轴结构) Is1 Ie1 Is2 Ie2
1 2 6 1 5
2 2 7 1 6
在步骤S60之后，在步骤S70中，指令值生成单元22分别确认通过步骤S50变换到指令值坐标系上的平动轴的修正值的优劣、和通过步骤S60算出的旋转轴在指令值坐标系上的修正值的优劣。在步骤S70中确认各修正值是否超过预先设定的上限阈值或者各修正值是否低于预先设定的下限阈值。并且，在确认为各修正值未超出所述上限阈值且不低于所述下限阈值后，将该各修正值存储于存储单元27中。另一方面，当确认为各修正值超出所述上限阈值或者低于所述下限阈值时，不将该各修正值存储于存储单元27中，并且使在复合加工车床1上设置的灯发光，由此对用户告知修正值的异常。
在步骤S70之后，在步骤S80中，指令值生成单元22更新各轴(平动轴以及旋转轴)的指令值。在步骤S80中，使通过步骤S70存储于存储单元27内的平动轴的修正值与通过步骤S10取得并存储于存储单元27内的平动轴的指令值相加。这样，对平动轴(X轴、Ys轴、Z轴、W轴)的指令值进行更新。除此之外，在步骤S80中，使通过步骤S70存储于存储单元27内的旋转轴的修正值与通过步骤S10取得并存储于存储单元27内的旋转轴的指令值相加。这样，对旋转轴(B轴、C1轴、C2轴)的指令值进行更新。此外，步骤S80是本发明的更新步骤的一例，指令值生成单元22是本发明的更新单元的一例。
<本实施方式的效果>
在本实施方式的复合加工车床1的控制方法以及控制装置中，在步骤S40中，指令值生成单元22将由于几何误差引起的平动轴上的工具10的末端点相对于工件的位置误差Δej和修正该位置误差Δej的修正值矢量ΔCompj′，从工件坐标系临时地齐次坐标变换到假想垂直坐标系上，然后在步骤S50中，将齐次坐标变换到该假想垂直坐标系上的修正值矢量ΔCompj′向平动轴的指令值坐标系进行齐次变换，仅通过这样简单的方法，就能够在指令值坐标系中计算出修正所述位置误差Δej的修正值(修正值矢量ΔCompj)。而且，在步骤S80中，利用使该算出的修正值与用于控制平动轴(X轴、Ys轴、Z轴、W轴)的指令值相加这样简单的方法，能够更新所述指令值。由此，通过组合这些简单的方法，能够对具有相互不垂直的2个轴以上的平动轴(X轴、Ys轴、Z轴)的复合加工车床1中的几何误差进行修正，计算出该平动轴的指令值。
另外，在步骤S40中，指令值生成单元22使用了包含旋转变换矩阵的[算式9]来进行计算，由此，在确定了在相互不垂直的2个轴以上的平动轴(X轴、Ys轴、Z轴)中包含的平动轴即Ys轴相对于Y轴的轴向所构成的倾斜角度θ后，能够将工具10的末端点的位置误差Δej和修正该位置误差Δej的修正值(修正值矢量ΔCompj′)从工件坐标系向假想垂直轴坐标系进行齐次坐标变换。
另外，在步骤S50中，指令值生成单元22能够与通过步骤S22判别为实际使用于工件的加工的第1轴结构中的Z轴、Ys轴、X轴或第2轴结构中的W轴、Z轴、Ys轴、X轴相对应地计算出对工具10的末端点的位置误差Δej进行修正的修正值(修正值矢量ΔCompj)。
此外，当通过步骤S22判别为在工件的加工中不使用第1和第2轴结构中的任意一方的情况下，指令值生成单元22在步骤S24中决定为将不使用的轴结构中的工具10的末端点的位置误差Δej设定为零或者保持上次的误差。由此，关于在工件的加工中不使用的第1或第2轴结构，可省略工件坐标系上的所述位置误差Δej的计算。由此，能够降低在计算该位置误差Δej时的计算负荷。
本发明不受所述的实施方式限定，在不脱离发明主旨的范围内可适当地变更一部分结构进行实施。在所述的实施方式中虽然示出了在复合加工车床1中应用本发明的例子，但不限于此，例如在4轴以上的加工中心或具备多个刀架和多个主轴台的复合加工车床中也可应用本发明。

Claims (10)

1.一种机床的控制方法，所述机床利用相互不垂直的2个轴以上的平动轴和1个轴以上的旋转轴使安装工具的主轴与保持工件的工作台进行相对移动，由此利用所述工具加工所述工件，在该机床中，对于因几何学的误差而产生的所述工具相对于所述工件的位置的误差，根据通过考虑了所述几何学的误差的从工具坐标系向工件坐标系的齐次坐标变换而求出的、存在所述几何学的误差的情况下的所述工具的位置，和通过不考虑所述几何学的误差的从工具坐标系向工件坐标系的齐次坐标变换而求出的、理想的所述工具的位置，来计算出所述因几何学的误差而产生的所述工具相对于所述工件的位置的误差，并对所述误差进行修正，计算出用于控制所述平动轴的指令值，
该机床的控制方法的特征在于包含以下步骤：
变换步骤，通过从所述工件坐标系向假想地设定为所述2个轴以上的平动轴相互垂直的假想垂直坐标系的齐次坐标变换，将所述误差变换到所述假想垂直坐标系上，并且将修正该误差的修正值变换到该假想垂直坐标系上；
修正值计算步骤，将通过所述变换步骤变换到所述假想垂直坐标系上的所述修正值从所述假想垂直坐标系向所述平动轴的指令值坐标系进行齐次坐标变换，由此计算出所述指令值坐标系上的修正值；以及
更新步骤，将通过所述修正值计算步骤算出的所述修正值与用于控制所述平动轴的指令值相加，由此来更新所述指令值。
2.根据权利要求1所述的机床的控制方法，其特征在于，
在所述变换步骤中，考虑到在所述相互不垂直的2个轴以上的平动轴中包含的平动轴相对于规定的基准方向所构成的倾斜角度，将所述误差和所述修正值从所述工件坐标系向所述假想垂直坐标系进行齐次坐标变换。
3.根据权利要求1或2所述的机床的控制方法，其特征在于，
在所述机床的控制方法中执行选择步骤，在该选择步骤中，对具有在所述2个轴以上的平动轴中所包含的任意的平动轴和在所述1个轴以上的旋转轴中所包含的任意的旋转轴的任意的轴结构进行选择，
在所述变换步骤中，通过从所述工件坐标系向如下任意的所述假想垂直坐标系的齐次坐标变换，将所述误差和所述修正值变换到所述任意的所述假想垂直坐标系上，其中该假想垂直坐标系被假想地设定为在通过所述选择步骤选择出的所述任意的轴结构中所包含的任意的2个轴以上的平动轴相互垂直，
在所述修正值计算步骤中，将通过所述变换步骤变换到所述任意的所述假想垂直坐标系上的所述修正值从该任意的所述假想垂直坐标系向所述指令值坐标系进行齐次坐标变换，由此计算出所述指令值坐标系上的修正值。
4.根据权利要求3所述的机床的控制方法，其特征在于，
将所述任意的平动轴作为实际使用于所述工件的加工的所述平动轴，将所述任意的旋转轴作为实际使用于该加工的所述旋转轴，
在所述选择步骤中，根据对具有实际使用于所述工件的加工的平动轴和实际使用于所述加工的旋转轴的使用轴结构进行判别的判别信息，来判别在具有所述2个轴以上的平动轴所包含的该平动轴和所述1个轴以上的旋转轴所包含的该旋转轴的轴结构中，是否存在所述使用轴结构，将该判别出的使用轴结构选择为所述任意的轴结构，
在所述变换步骤中，通过从所述工件坐标系向一个假想垂直坐标系的齐次坐标变换，将所述误差和所述修正值变换到所述一个假想垂直坐标系上，所述一个假想垂直坐标系被假想地设定为在通过所述选择步骤选择的所述使用轴结构中所包含的2个轴以上的平动轴相互垂直，并且所述一个假想垂直坐标系包含在所述任意的所述假想垂直坐标系中，
在所述修正值计算步骤中，将通过该变换步骤变换到所述一个假想垂直坐标系上的所述修正值从该一个假想垂直坐标系向所述指令值坐标系进行齐次坐标变换，由此计算出所述指令值坐标系上的修正值。
5.根据权利要求4所述的机床的控制方法，其特征在于，
在所述机床的控制方法中包含误差决定步骤，在该误差决定步骤中，当通过所述选择步骤判别为在所述轴结构中存在不使用于所述工件的加工的所述轴结构时，决定为将根据存在所述几何学的误差的情况下的所述工具的位置和所述理想的所述工具的位置算出的所述误差设定为零，或使所述误差保持上次的误差。
6.一种机床的控制装置，所述机床利用相互不垂直的2个轴以上的平动轴和1个轴以上的旋转轴使安装工具的主轴与保持工件的工作台进行相对移动，由此利用所述工具加工所述工件，在该机床中，对于因几何学的误差而产生的所述工具相对于所述工件的位置的误差，根据通过考虑了所述几何学的误差的从工具坐标系向工件坐标系的齐次坐标变换而求出的、存在所述几何学的误差的情况下的所述工具的位置，和通过不考虑所述几何学的误差的从工具坐标系向工件坐标系的齐次坐标变换而求出的、理想的所述工具的位置，来计算出所述因几何学的误差而产生的所述工具相对于所述工件的位置的误差，并对所述误差进行修正，计算出用于控制所述平动轴的指令值，该机床的控制装置的特征在于，
该机床的控制装置具备：
变换单元，其通过从所述工件坐标系向假想地设定为所述2个轴以上的平动轴相互垂直的假想垂直坐标系的齐次坐标变换，将所述误差变换到所述假想垂直坐标系上，并且将修正该误差的修正值变换到该假想垂直坐标系上；
修正值计算单元，其将通过所述变换单元变换到所述假想垂直坐标系上的所述修正值从所述假想垂直坐标系向所述平动轴的指令值坐标系进行齐次坐标变换，由此计算出所述指令值坐标系上的修正值；以及
更新单元，其将通过所述修正值计算单元算出的所述修正值与用于控制所述平动轴的指令值相加，由此来更新所述指令值。
7.根据权利要求6所述的机床的控制装置，其特征在于，
所述变换单元考虑到在所述相互不垂直的2个轴以上的平动轴中包含的平动轴相对于规定的基准方向所构成的倾斜角度，将所述误差和所述修正值从所述工件坐标系向所述假想垂直坐标系进行齐次坐标变换。
8.根据权利要求6或7所述的机床的控制装置，其特征在于，
所述机床的控制装置具备选择单元，所述选择单元对具有在所述2个轴以上的平动轴中所包含的任意的平动轴和在所述1个轴以上的旋转轴中所包含的任意的旋转轴的任意的轴结构进行选择，
所述变换单元通过从所述工件坐标系向如下任意的所述假想垂直坐标系的齐次坐标变换，将所述误差和所述修正值变换到所述任意的所述假想垂直坐标系上，其中该假想垂直坐标系被假想地设定为在通过所述选择单元选择出的所述任意的轴结构中所包含的任意的2个轴以上的平动轴相互垂直，
所述修正值计算单元将通过所述变换单元变换到所述任意的所述假想垂直坐标系上的所述修正值从该任意的所述假想垂直坐标系向所述指令值坐标系进行齐次坐标变换，由此计算出所述指令值坐标系上的修正值。
9.根据权利要求8所述的机床的控制装置，其特征在于，
将所述任意的平动轴作为实际使用于所述工件的加工的所述平动轴，将所述任意的旋转轴作为实际使用于该加工的所述旋转轴，
所述机床的控制装置具备存储单元，所述存储单元存储对使用轴结构进行判别所得到的判别信息，所述使用轴结构具有实际使用于所述加工的平动轴和实际使用于所述加工的旋转轴，
所述选择单元根据在所述存储单元中存储的所述判别信息，来判别在具有所述2个轴以上的平动轴所包含的该平动轴和所述1个轴以上的旋转轴所包含的该旋转轴的轴结构中，是否存在所述使用轴结构，将该判别出的使用轴结构选择为所述任意的轴结构，
所述变换单元通过从所述工件坐标系向一个假想垂直坐标系的齐次坐标变换，将所述误差和所述修正值变换到所述一个假想垂直坐标系上，所述一个假想垂直坐标系被假想地设定为在通过所述选择单元选择的所述使用轴结构中所包含的2个轴以上的平动轴相互垂直，并且所述一个假想垂直坐标系包含在所述任意的所述假想垂直坐标系中，
所述修正值计算单元将通过所述变换单元变换到所述一个假想垂直坐标系上的所述修正值从该一个假想垂直坐标系向所述指令值坐标系进行齐次坐标变换，由此计算出所述指令值坐标系上的修正值。
10.根据权利要求9所述的机床的控制装置，其特征在于，
所述机床的控制装置具备误差决定单元，当所述选择单元判别为在所述轴结构中存在不使用于所述工件的加工的所述轴结构时，所述误差决定单元决定为将根据存在所述几何学的误差的情况下的所述工具的位置和所述理想的所述工具的位置算出的所述误差设定为零，或使所述误差保持上次的误差。
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