DE102020206719A1

DE102020206719A1 - Positionsmessverfahren und Positionsmesssystem für ein Objekt in einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102020206719A1
Application number: DE102020206719.8A
Authority: DE
Inventors: Reiji KANBE
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2020-12-03
Also published as: JP2020196051A; JP7390117B2; US11156446B2; US20200378738A1; CN112008496B; CN112008496A

Abstract

Ein Positionsmessverfahren für ein Objekt in einer Werkzeugmaschine misst eine Position eines Objekts (W) mit einem Tastsystem (7) unter Verwendung einer Werkzeugmaschine (M). Die Werkzeugmaschine (M) umfasst drei oder mehr Translationsachsen (X, Y, Z), eine drehbare Hauptspindel (6) und einen Tisch (3). Das Tastsystem (7) ist ein an der Hauptspindel (6) montierbarer Positionsmesssensor. Das Positionsmessverfahren umfasst einen Schritt zum Erhalten des Kompensationswerts, einen Schritt zur Bestimmung des Drehwinkels der Hauptspindel und einen Berechnungsschritt. Der Schritt zum Erhalten des Kompensationswertes ist ein Schritt des vorläufigen Erhaltens von Kompensationswerten von Kontaktpositionen in einer radialen Richtung des Tastsystems (7) in mindestens zwei Richtungen, wobei die Drehwinkel der Hauptspindel um 180° unterschiedlich sind. Der Schritt zur Bestimmung des Drehwinkels der Hauptspindel ist ein Schritt zur Bestimmung des Drehwinkels der Hauptspindel bei einem Kontakt mit einer Messoberfläche des Objekts (W), der dem Messinhalt entspricht. Der Berechnungsschritt ist ein Schritt zur Berechnung eines Messwertes der Position des Objektes (W) aus einer Position des Tastsystems (7) am Kontakt mit der Messoberfläche und des Kompensationswertes in Übereinstimmung mit dem bestimmten Drehwinkel der Hauptspindel.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Offenbarung bezieht sich auf ein Positionsmessverfahren und ein Positionsmesssystem zur Messung der Position eines Objekts, wie z.B. eines Werkzeugs oder eines Werkstücks, in einer Werkzeugmaschine.
BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN STANDS DER TECHNIK
Eine bekannte automatische Messung einer Position und Abmessungen eines Werkstücks werden mit einem schaltenden Tastsystem (Tastsystem) für eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit in einer Werkzeugmaschine durchgeführt. Die Werkzeugmaschine bearbeitet das auf einem Tisch montierte Werkstück mit einem Werkzeug, das an einer Hauptspindel montiert und gedreht wird. Das schaltbare Tastsystem (Tastsystem) enthält einen Kugeltaster, der mit dem Werkstück kontaktierbar ist, und an der Hauptspindel montiert ist. Bei der Messung der Position und der Abmessungen durch das Tastsystem wird eine Kalibrierung durchgeführt, um einen Kompensationswert für die Kompensation eines Durchmesserversatzes der Tastkugel, eines Tastereinsatzlängenversatzes, einer Mittenverschiebung zwischen der Hauptspindelmitte und dem Tastsystem und dergleichen zu erhalten.
Beispielsweise berührt in der japanischen geprüften Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 5-47345 ( JP-B-5-47345 ) ein Tastsystem 25 einen Innendurchmesser auf einer Seite einer Referenzbohrung 24 eines Werkstücks 14, und auf der gegenüberliegenden Seite berührt das Tastsystem 25 den Innendurchmesser der Referenzbohrung 24, während eine Hauptspindel (Hauptspindel 16) um 180° gedreht wird. Dann werden die erste und zweite relative Position AX1 und AX2 in einem Zustand erhalten, in dem der gleiche Tastsystem-Versatz zu den gegenüberliegenden Flächen vorgesehen ist, wodurch diese gemittelt werden, um die Mittelposition der Referenzbohrung 24 zu erhalten.
In der japanischen ungeprüften Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2017-193043 wird die Kalibrierung der jeweiligen Kompensationswerte eines Tastsystem-Durchmessers und einer Tastsystem-Länge gleichzeitig durch mehrfachen Kontakt eines schaltenden Tastsystems 30 mit einer Referenzkugel 44 durchgeführt.
Darüber hinaus wird in dem Verfahren, das in der japanischen ungeprüften Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 4-63664 offenbart ist, ein Referenzkompensationswert als Kompensationswert eines Tastsystem-Durchmessers in einer Richtung vorläufig ermittelt und gespeichert (Kompensationswert-Speichereinheit 12). Bei der Messung eines Werkstücks wird ein einer Messrichtung entsprechender Kompensationswert aus dem Referenzkompensationswert bei gleicher Kontaktposition des Tastsystems erhalten, indem ein Drehwinkel der Hauptspindel so verändert wird, dass die Messrichtung mit der Richtung gemäß dem Referenzkompensationswert übereinstimmt.
Bei den Verfahren ändern sich die Position und die Haltung des Tastsystems in Bezug auf die Hauptspindel, um im folgenden Fall einen Fehler bei der Messung des Werkstücks durch das Tastsystem zu erzeugen. Es handelt sich z.B. um einen Fall, in dem nach Durchführung der Kalibrierung des Tastsystems, um die Kompensationswerte für das Tastsystem zu erhalten, eine thermische Verzerrung des Tastsystems aufgrund von Änderungen der Raumtemperatur und ähnlichem auftritt, oder eine externe Kraft aufgrund der Berührung einer Hand und ähnlichem wirkt, um einen Montagewinkel des Tastsystems zu ändern. Der Einfluss des Messfehlers kann zwar durch Erhöhung der Kalibrierfrequenz verringert werden, erfordert aber Arbeitsaufwand.
Der Messinhalt des Werkstücks durch das Tastsystem kann zusätzlich zu den oben beschriebenen Messinhalten mindestens irgendeine von z.B. XY-Koordinaten einer beliebigen Oberfläche des Werkstücks (Koordinate auf einer Ebene, die sich in radialer Richtung des Tastsystems ausdehnt), einen Innendurchmesser irgendeines Loches, einen Außendurchmesser eines zylindrischen Objekts, eine Zwischenkoordinate, einen Abstand zwischen irgendwelchen zwei Oberflächen und die Zentralkoordinate irgendeines Teils umfassen.
Daher ist es ein Hauptgegenstand der Beschreibung, eine Messmethode und ein Messsystem zum Messen einer Position eines Objekts in einer Werkzeugmaschine in einem Zustand bereitzustellen, in dem ein Fehler entsprechend eines Messinhalts reduziert wird, selbst wenn sich der Status eines Tastsystems relativ zu einer Hauptspindel nach Durchführung der Kalibrierung ändert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, wird ein Positionsmessverfahren nach einem ersten Aspekt der Offenbarung bereitgestellt. Bei dem Positionsmessverfahren wird die Position eines Objekts mit einem Tastsystem unter Verwendung einer Werkzeugmaschine gemessen. Die Werkzeugmaschine umfasst drei oder mehr Translationsachsen, eine drehbare Hauptspindel, an der ein Werkzeug montiert ist, und einen Tisch. Das Tastsystem ist ein an der Hauptspindel montierbarer Positionsmesssensor. Das Objekt ist auf dem Tisch befestigt. Ein Messinhalt ist mindestens irgendeines eines Durchmesser eines Loches, eines Durchmessers eines zylindrischen Objekts, eines Abstands zwischen zwei Oberflächen, einer Zentralkoordinate eines Loches, einer Zentralkoordinate eines zylindrischen Objekts, einer Zwischenkoordinate zwischen zwei Oberflächen und einer Koordinate von irgendeiner Oberfläche des Objekts. Das Positionsmessverfahren umfasst einen Schritt zur Ermittlung des Kompensationswerts, einen Schritt zur Bestimmung des Drehwinkels der Hauptspindel und einen Berechnungsschritt. Der Schritt zum Erhalten eines Kompensationswerts ist ein Schritt zum vorläufigen Erhalten von Kompensationswerten von Kontaktpositionen in einer radialen Richtung des Tastsystems in mindestens zwei Richtungen, in denen die Drehwinkel der Hauptspindel als Drehwinkel der Hauptspindel um 180° unterschiedlich sind. Der Schritt zur Bestimmung des Drehwinkels der Hauptspindel ist ein Schritt zur Bestimmung des Drehwinkels der Hauptspindel an einem Kontakt mit einer Messoberfläche des Objekts, dem Messinhalt entsprechend. Der Berechnungsschritt ist ein Schritt zur Berechnung eines Messwerts der Position des Objekts aus einer Position des Tastsystems beim Kontakt mit der Messoberfläche und des Kompensationswerts in Übereinstimmung mit dem bei der Bestimmung des Drehwinkels der Hauptspindel ermittelten Drehwinkel der Hauptspindel.
Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, wird ein Positionsmesssystem gemäß einem zweiten Aspekt der Offenlegung bereitgestellt. Das Positionsmesssystem misst die Position eines Objekts mit einem Tastsystem in einer Werkzeugmaschine. Die Werkzeugmaschine umfasst drei oder mehr Translationsachsen, eine drehbare Hauptspindel, an der ein Werkzeug montiert ist, einen Tisch, das Tastsystem und eine Steuervorrichtung. Das Tastsystem ist ein an der Hauptspindel montierbarer Positionsmesssensor. Die Steuervorrichtung steuert die Translationsachsen und die Hauptspindel. Das Objekt ist auf dem Tisch befestigt. Ein Messinhalt ist mindestens einer von dem Durchmesser eines Loches, einem Durchmesser eines zylindrischen Objekts, dem Abstand zwischen zwei Oberflächen, der Zentralkoordinate eines Loches, einer Zentralkoordinate eines zylindrischen Objekts, einer Zwischenkoordinate zwischen zwei Oberflächen und der Koordinate einer beliebigen Oberfläche des Objekts. Das Positionsmesssystem umfasst eine Kompensationswerteinstelleinheit, eine Hauptspindel-Drehwinkelsteuereinheit und eine Berechnungseinheit. Die Kompensationswert-Einstelleinheit stellt Kompensationswerte von Kontaktpositionen in radialer Richtung des Tastsystems in mindestens zwei Richtungen ein, wobei die Drehwinkel der Hauptspindel als Drehwinkel der Hauptspindel um 180° unterschiedlich sind. Die Steuereinheit des Drehwinkels der Hauptspindel steuert den Drehwinkel der Hauptspindel bei einem Kontakt mit einer dem Messinhalt entsprechenden Messoberfläche des Objekts. Die Berechnungseinheit berechnet einen Messwert für die Position des Objekts aus einer Position des Tastsystems am Kontakt mit der Messoberfläche und dem Kompensationswert.
Die Offenbarung stellt einen Haupteffekt der Bereitstellung des Messverfahrens und des Messsystems zur Messung der Position des Objekts in der Werkzeugmaschine in dem Zustand zur Verfügung, in dem ein dem Messinhalt entsprechender Fehler reduziert wird, selbst wenn sich ein Status des Tastsystems relativ zur Hauptspindel nach Durchführung der Kalibrierung ändert.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Bearbeitungszentrums gemäß der Offenbarung.
2 ist ein Blockdiagramm eines Positionsmessverfahrens eines Objekts gemäß dem Bearbeitungszentrums von 1.
3A ist eine schematische Darstellung einer Hauptspindel-Mittelpunktskoordinate Xa1', wenn eine Messoberfläche auf einer Innenfläche eines Loches auf eine Koordinate Xa auf einer X-Achse gesetzt wird und eine Tastkugel eines Messsystems die Messoberfläche in einem Zustand berührt, in dem sich ein Drehwinkel der Hauptspindel an einer Referenzposition befindet.
3B ist ein schematisches Diagramm, das eine Mittelkoordinate Xb1' der Hauptspindel veranschaulicht, wenn eine Messfläche auf der Innenfläche des Loches auf eine Koordinate Xb auf der X-Achse gesetzt wird und die Tastkugel des Tastsystems die Messfläche in dem Zustand berührt, in dem sich der Drehwinkel der Hauptspindel an der Referenzposition befindet.
4A ist eine schematische Darstellung einer Hauptspindel-Mittelpunktskoordinate Xa2', wenn die Messoberfläche auf der Innenfläche des Loches auf die Koordinate Xa auf der X-Achse eingestellt ist und die Tastereinsatzkugel des Messtasters die Messoberfläche in einem Zustand berührt, in dem der Hauptspindeldrehwinkel gegenüber der Referenzposition um 180° gedreht ist.
4B ist eine schematische Darstellung einer Hauptspindel-Mittelpunktskoordinate Xb2', wenn die Messoberfläche auf der Innenfläche des Loches auf die Koordinate Xb auf der X-Achse eingestellt ist und die Tastereinsatzkugel des Messtasters die Messoberfläche in einem Zustand berührt, in dem der Hauptspindeldrehwinkel gegenüber der Referenzposition um 180° gedreht ist.
5A ist eine schematische Darstellung, die die Messung einer Mittelkoordinate des Loches und eines Durchmessers in Richtung der X-Achse des Objekts gemäß der Offenbarung zeigt und einen Fall veranschaulicht, in dem das Tastsystem die Messflächen so berührt, dass eine Kontaktposition des Tastsystems mit den Messflächen durch Änderung des Hauptspindeldrehwinkels gleich wird.
5B ist ein schematisches Diagramm, das die Messung der Zentralkoordinate des Loches und des Durchmessers in Richtung der X-Achse des Objekts gemäß der Offenlegung veranschaulicht und einen Fall veranschaulicht, in dem die Sonde die Messoberflächen in einem Zustand berührt, in dem sich der Drehwinkel der Hauptspindel an einer vorbestimmten Position befindet.
6A ist ein schematisches Diagramm, das die Messung in Richtung der X-Achse einer Koordinate einer beliebigen Oberfläche des Objekts gemäß der Offenlegung veranschaulicht und einen Fall veranschaulicht, in dem die Sonde eine Messoberfläche in einem Zustand berührt, in dem sich der Hauptspindeldrehwinkel an einer vorbestimmten Position befindet.
6B ist ein schematisches Diagramm, das die Messung einer Koordinate einer beliebigen Fläche des Objekts gemäß der Offenbarung in Richtung der X-Achse veranschaulicht und einen Fall veranschaulicht, in dem der Drehwinkel der Hauptspindel in Bezug auf die Referenzposition um 180° gedreht ist.
7 ist ein Flussdiagramm einer beispielhaften Durchführung der Positionsmessung (beispielhaftes Positionsmessverfahren) gemäß der Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden eine Ausführungsform und Modifikationsbeispiele entsprechend der Offenbarung anhand der Figuren entsprechend der Zeichnungen beschrieben.
Die Offenbarung ist nicht auf die Ausführungformen und die Modifikationsbeispiele unten beschränkt. Jeweiligen Richtungen von vorne und hinten, oben und unten sowie rechts und links sind zur besseren Veranschaulichung definiert und ändern sich in einigen Fällen aufgrund mindestens eines Aspekts des Haltens eines Tastsystems 7, einer relativen Positionsbeziehung zwischen dem Tastsystem 7 und einem Objekt W der Positionsmessung und der Durchführung wie der Drehung.
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Bearbeitungszentrums M als eine Ausführungsform einer Werkzeugmaschine gemäß der Offenbarung.
Das Bearbeitungszentrum M hat drei zueinander orthogonale Translationsachsen, eine X-Achse (Achse in einer Rechts-Links-Richtung), eine Y-Achse (Achse in einer Vorwärts-Rückwärts-Richtung) und eine Z-Achse (Achse in einer Aufwärts-Abwärts-Richtung).
Das Bearbeitungszentrum M umfasst einen Spindelkopf 2, der in Bezug auf ein Bett 1 mit zwei Freiheitsgraden für die Translation auf der X-Achse und der Z-Achse beweglich ist. Der Spindelkopf 2 ist auf einem Sattel 5 in Richtung der Z-Achse beweglich montiert. Der Sattel 5 ist an einer Säule 4 montiert, die senkrecht zum Bett 1 in Richtung der X-Achse beweglich angeordnet ist.
Das Bearbeitungszentrum M umfasst einen Tisch 3, auf dem ein Werkstück als Bearbeitungsobjekt und ein Objekt W der Positionsmessung fixierbar sind. Der Tisch 3 ist in Bezug auf das Bett 1 mit einem Freiheitsgrad für die Translation auf der Y-Achse senkrecht zur X-Achse und zur Z-Achse beweglich.
Dementsprechend ist der Spindelkopf 2 in Bezug auf den Tisch 3 mit drei Freiheitsgraden für die Translation beweglich.
Der Spindelkopf 2 trägt eine säulenförmige Hauptspindel 6, die um eine Mittelachse in Richtung der Z-Achse drehbar ist.
Bei der Bearbeitung des Werkstücks auf dem Tisch 3 durch das Bearbeitungszentrum M wird die Hauptspindel 6, an der ein Werkzeug (nicht abgebildet) montiert ist, unter einer Steuerung durch ein numerisches Steuergerät (Steuergerät) (nicht abgebildet) gedreht. Dann werden entsprechende Bewegungen des Spindelkopfes 2 und des Tisches 3 entlang der jeweiligen Translationsachsen unter der Steuerung durch die numerische Steuervorrichtung über einen Servomotor (nicht abgebildet) ausgeführt. Auf diese Weise steuert die numerische Steuervorrichtung eine relative Position und eine relative Haltung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug und führt so eine beabsichtigte Bearbeitung des Werkstücks durch das Werkzeug durch.
Bei der Positionsmessung des Objekts W auf dem Tisch 3 zur Verbesserung der Genauigkeit u.ä. wird das Tastsystem 7 als schaltendes Tastsystem an der Hauptspindel 6 montiert und befestigt. Das Tastsystem 7 ist so montiert, dass es sich in Richtung der Z-Achse erstreckt, am unteren Ende über eine Tastkugel verfügt und als Positionsmesssensor fungiert, der so konfiguriert ist, dass er die Position erfasst.
Die Werkzeugmaschine kann gemäß der Offenbarung eine Drehbank, eine Multitasking-Maschine oder eine Schleifmaschine sein. Für die Translationsachsen können zwei oder weniger Achsen oder vier oder mehr Achsen vorgesehen werden. Ferner kann die Werkzeugmaschine über einen oder mehrere Freiheitsgrade für die Rotation verfügen, indem z.B. Rotationswellen für den Spindelkopf 2 und den Tisch 3 vorgesehen werden.
2 ist ein Blockdiagramm eines Positionsmesssystems P für das Objekt W gemäß dem Bearbeitungszentrum M.
Das Positionsmesssystem P umfasst eine Kompensationswert-Einstelleinheit 8, eine Kompensationswert-Speichereinheit 12, eine Messkoordinatenwert-Leseeinheit 9, eine Messinhalts-Leseeinheit 10, eine Steuerereinheit des Drehwinkels der Hauptspindel 11, eine Messzyklus-Steuereinheit 13, eine Berechnungseinheit 14 und eine Ausgabeeinheit 15. Die Kompensationswert-Einstelleinheit 8 stellt Kompensationswerte ΔXm, ΔXp ein, um einen Versatz zwischen der Kontaktposition des Tastsystems 7 und der Mitte der Hauptspindel 6 zu kompensieren. Die Kompensationswertspeichereinheit 12 speichert die Kompensationswerte ΔXm, ΔXp. Die Einheit 9 zum Ablesen eines gemessenen Koordinatenwerts liest eine MessstartKoordinate zum Zeitpunkt eines Messbefehls ab. Die Messinhalts-Leseeinheit 10 liest den Messinhalt des Objekts W (hier Werkstück) aus dem Messbefehl. Die Steuereinheit 11 des Drehwinkels der Hauptspindel steuert den Drehwinkel der Hauptspindel 6 durch eine vorläufig eingestellte Durchführung auf der Grundlage des gelesenen Messinhalts. Die Messzyklus-Steuereinheit 13 steuert eine Vorschubachse (Translationsachse) bei der Messung durch eine vorläufig eingestellte Durchführung aus der gelesenen Messstartkoordinate und dem Messinhalt. Die Berechnungseinheit 14 berechnet einen Wert des Messinhalts auf der Grundlage der Mittelkoordinate der Hauptspindel 6 auf der Messoberfläche, die von der Messzyklus-Steuereinheit 13 erhalten wird, und den Kompensationswert des Versatzes zwischen der Kontaktposition des Tastsystems 7 und der Mitte der Hauptspindel 6 in der Kompensationswert-Speichereinheit 12. Die Ausgabeeinheit 15 gibt den von der Berechnungseinheit 14 erhaltenen Wert des Messinhalts aus.
Der Messinhalt des Objekts W umfasst (1) eine Mittelkoordinate eines Loches, eine Mittelkoordinate eines zylindrischen Objekts und eine Zwischenkoordinate zwischen zwei Oberflächen, (2) einen Innendurchmesser eines Loches, einen Außendurchmesser eines zylindrischen Objekts und einen Abstand zwischen zwei Oberflächen und (3) die XY-Koordinate einer jeglichen Oberfläche.
Die Ausgabeeinheit 15 zeigt den Wert des Messinhalts z.B. auf einem Bildschirm eines Monitors (nicht abgebildet) an oder gibt ihn als Datendatei aus.
Als nächstes wird eine Beschreibung der Berechnung und dergleichen der Positionsmessung des Objekts W durch das Positionsmesssystem P gegeben. 3A und 3B sind schematische Diagramme, die eine Beziehung zwischen den Mittelkoordinaten Xa1' und Xb1' der Hauptspindel 6 darstellen, wenn zwei Messflächen an der Innenfläche des Loches des Objekts W auf die Koordinaten Xa und Xb auf der X-Achse gesetzt werden und die Tastkugel des Tastsystems 7 die Messflächen berührt.
Die 4A und 4B sind schematische Diagramme, die eine Beziehung zwischen den Mittelkoordinaten Xa2' und Xb2' der Hauptspindel 6 darstellen, wenn zwei Messflächen auf der Innenfläche des Loches des Objekts W auf die Koordinaten Xa und Xb auf der X-Achse gesetzt werden und die Tastkugel des Tastsystems 7 die Messflächen in einem Zustand berührt, in dem sich die Drehwinkel der Hauptspindel 6 um 180° von den Drehwinkeln der Hauptspindel 6 in den 3A und 3B unterscheiden.
Die 3A und 3B zeigen einen Fall, bei dem sich der Drehwinkel der Hauptspindel 6 in einer Referenzposition befindet, und die 4A und 4B zeigen einen Fall, bei dem der Drehwinkel der Hauptspindel 6 gegenüber der Referenzposition um 180° gedreht ist.
In dem Fall, in dem sich der Drehwinkel der Hauptspindel 6 in der Referenzposition befindet, beträgt ein Durchmesserversatz in einer positiven X-Richtung der Tastkugel dXp, ein Durchmesserversatz in einer negativen X-Richtung der Tastkugel dXm und ein Mittenversatz zwischen der Mitte der Hauptspindel 6 und dem Tastsystem 7 beträgt dL.
In 3A wird die Beziehung zwischen der Koordinate Xa der Messfläche und der Mittelkoordinate Xa1' der Hauptspindel 6 durch die folgende Formel 1 ausgedrückt. $Xa = Za1' + (dL + dXm)$
Bei der eigentlichen Kalibrierung ist es schwierig, den Mittenversatz dL zwischen dem Mittelpunkt der Hauptspindel 6 und dem Tastsystem 7 und den Durchmesserversatz dXm der Tastkugel getrennt zu messen, und (dL + dXm) in der Formel 1 wird als Versatz ΔXm zwischen der Kontaktposition des Tastsystems 7 und dem Mittelpunkt der Hauptspindel 6 erhalten (Formel 2 unten). $Δ Xm = (dL + dXm)$
Die Formel 1 wird durch die folgende Formel 1' unter Verwendung der Formel 2 ausgedrückt. $Xa = Xa1' + Δ Xm$
In ähnlicher Weise wird in 3B die Beziehung zwischen der Koordinate Xb der Messfläche und der Mittelkoordinate Xb1' der Hauptspindel 6 durch die folgende Formel 3 ausgedrückt. $Xb = Xb1' + (dL + dXp)$
Ein Versatz ΔXp zwischen der Kontaktposition des Tastsystems 7 und der Mitte der Hauptspindel 6 wird durch die folgende Formel 4 ausgedrückt. $Δ Xp = (dL + dXp)$
Die Formel 3 wird durch die folgende Formel 3' unter Verwendung der Formel 4 ausgedrückt. $Xb = Xb1' + Δ Xp$
In 4A, die den Fall darstellt, dass der Drehwinkel der Hauptspindel 6 aus der Referenzposition um 180° gedreht ist, wird die Beziehung zwischen der Koordinate Xa der Messfläche und der Zentralkoordinate Xa2' der Hauptspindel 6 durch die folgende Formel 5 ausgedrückt. $Xa = Xa2' + (-dL - dXp)$
Die Formel 5 wird durch die folgende Formel 5' unter Verwendung der Formel 4 ausgedrückt. $Xa = Xa2' - Δ Xp$
In ähnlicher Weise wird in 4B die Beziehung zwischen der Koordinate Xb der Messfläche und der Mittelkoordinate Xb2' der Hauptspindel 6 durch die folgende Formel 6 ausgedrückt. $Xb = Xb2' + (-dL - dXm)$
Die Formel 6 wird durch die folgende Formel 6' unter Verwendung der Formel 2 ausgedrückt. $Xb = Zb2' - Δ Xm$
Dann wird ein Innendurchmesser D des Loches als Differenz zwischen Xa und Xb durch die folgende Formel 7 und Formel 7' unter Verwendung von Xa1' und Xb1' ausgedrückt. $\begin{matrix} D = Xb - Xa \\ \begin{matrix} = (Xb1' + Δ Xp) - (Xa 1' + Δ Xm) Formel 7 \\ = (Xb1' - Xa1') + (Δ Xp - Δ Xm) \\ = (Xb1' - Xa1') + {(dL + dXp) - (dL + dXm)} \\ = (Xb1' - Xa1') + (dXp - Δ Xm) Formel 7' \end{matrix} \end{matrix}$
Der Innendurchmesser D wird unter Verwendung der Versätze ΔXp und ΔXm zwischen der Kontaktposition dem Tastsystem 7 und der Mitte der Hauptspindel 6 ohne den Einfluss des Mittenversatzes dL zwischen der Mitte der Hauptspindel 6 und dem Tastsystem 7 berechnet.
Ähnlich wie bei der Berechnung des Innendurchmessers D kann auch der Außendurchmesser des zylindrischen Objekts und der Abstand zwischen den beiden Oberflächen berechnet werden (siehe oben beschriebener Messinhalt (2)).
Eine Mittelkoordinate CX des Loches als Zwischenwert zwischen Xa und Xb wird durch die folgende Formel 8 und Formel 8' unter Verwendung von Xa1' und Xb2' ausgedrückt. $\begin{array}{l} CX = (Xb + Xa) / 2 \\ \begin{matrix} = {(Xb 2' - Δ Xm) + (Xa 1' + Δ Xm)} / 2 Formel 8 \\ = (Xb 2' + Xa 1') / 2 Formel 8' \end{matrix} \end{array}$
Die Mittelkoordinate CX wird unter Verwendung der Versätze ΔXp und ΔXm zwischen der Kontaktposition des Tastsystems 7 und der Mitte der Hauptspindel 6 ohne den Einfluss des Betrags des Mittenversatzes dL zwischen der Mitte der Hauptspindel 6 und dem Tastsystem 7 berechnet.
Ähnlich wie bei der Berechnung der Mittelkoordinate CX kann die Mittelkoordinate des zylindrischen Objekts und die Zwischenkoordinate zwischen den beiden Oberflächen berechnet werden (siehe oben beschriebener Messinhalt (1)).
Ferner wird die Xa-Koordinate durch die folgende Formel 9 und Formel 9' unter Verwendung von Xa1' und Xa2' ausgedrückt. $\begin{array}{l} Xa = {(Xa 1' + Δ Xm) + (Xa 2' - Δ Xp)} / 2 Formel 9 \\ \begin{matrix} = [(Xa 1' + Xa 2') + {(dL + dXm) - (dL + dXP)}] / 2 \\ = {(Xa 1' + Xa 2') + (dXm - dXp)} / 2 Formel 9' \end{matrix} \end{array}$
Die Xa-Koordinate wird unter Verwendung der Versätze ΔXp und ΔXm zwischen der Kontaktposition des Tastsystems 7 und dem Mittelpunkt der Hauptspindel 6 ohne den Einfluss des Betrags des Mittenversatzes dL zwischen dem Mittelpunkt der Hauptspindel 6 und dem Tastsystem 7 berechnet.
Ähnlich wie bei der Berechnung der Xa-Koordinate kann auch die Xb-Koordinate berechnet werden (siehe oben beschriebener Messinhalt (3)).
Anschließend wird eine beispielhafte Durchführung (beispielhaftes Positionsmessverfahren) der Positionsmessung des Objektes W (Werkstück) mittels geeigneter Verwendung der Berechnung und dergleichen beschrieben.
Die 5A und 5B sind schematische Diagramme, die Messungen der Mittelkoordinate des Loches des Objektes W und eines Durchmessers in Richtung der X-Achse darstellen. 5A veranschaulicht einen Fall, in dem das Tastsystem 7 die Messflächen so berührt, dass die Kontaktposition des Tastsystems 7 mit den Messflächen durch Änderung des Drehwinkels der Hauptspindel 6 gleich wird. 5B zeigt einen Fall, in dem das Tastsystem 7 die Messoberflächen in einem Zustand berührt, in dem sich der Drehwinkel der Hauptspindel 6 an einer vorbestimmten Position befindet.
In den 5A und 5B ist Xa die X-Koordinate der Kontaktfläche auf der negativen X-Seite und Xb die X-Koordinate der Kontaktfläche auf der positiven X-Seite. Xa1' und Xb1' sind die Mittelkoordinaten der Hauptspindel 6, wenn sich der Drehwinkel der Hauptspindel 6 in der Referenzposition befindet, und Xb2' ist die Mittelkoordinate der Hauptspindel 6, wenn sich der Drehwinkel der Hauptspindel 6 in einer von der Referenzposition um 180° gedrehten Position befindet.
6A und 6B sind schematische Diagramme, die Messungen in X-AchsenRichtung der Koordinaten irgendeiner Oberfläche des Objekts W veranschaulichen, 6A veranschaulicht einen Fall, in dem das Tastsystem 7 die Messoberfläche in einem Zustand berührt, in dem sich der Drehwinkel der Hauptspindel 6 an einer vorbestimmten Position befindet, und 6B veranschaulicht einen Fall, in dem sich der Drehwinkel der Hauptspindel 6 an einer Position befindet, die gegenüber der Referenzposition um 180° gedreht ist.
In den 6A und 6B ist Xa die X-Koordinate der Kontaktfläche auf der negativen X-Seite. Xa1' ist die Mittelkoordinate der Hauptspindel 6, wenn sich der Drehwinkel der Hauptspindel 6 in der Referenzposition befindet, und Xa2' ist die Mittelkoordinate der Hauptspindel 6, wenn der Drehwinkel der Hauptspindel 6 gegenüber der Referenzposition um 180° gedreht ist.
7 ist ein Flussdiagramm einer beispielhaften Durchführung der Positionsmessung (beispielhaftes Positionsmessverfahren).
In Schritt S1 wird ein Versatzbetrag zwischen der Kontaktposition des Tastsystems 7 und der Mitte der Hauptspindel 6 mit einem bekannten Verfahren gemessen (siehe z.B. JP-B-5-47345 ).
Dann stellt die Kompensationswert-Einstelleinheit 8 auf der Grundlage des Messergebnisses die Versatzbeträge ΔXm und ΔXp der Kontaktpositionen des Tastsystems 7 in radialer Richtung (hier in Richtung der X-Achse) in den beiden Richtungen ein, in denen die Drehwinkel der Hauptspindel 6 um 180° voneinander abweichen, und die Versatzbeträge ΔXm und ΔXp werden in der Kompensationswertspeichereinheit 12 gespeichert (Kompensationswerterhaltungsschritt). Drei oder mehr Arten von Kompensationswerten können in Abhängigkeit von den Versatzbeträgen der Kontaktposition in radialer Richtung des Tastsystems 7 in drei oder mehr voneinander verschiedenen Richtungen erhalten und gespeichert werden.
Anschließend wird in Schritt S2 ein Messbefehlswert eingegeben, und wenn ein Messbefehl akzeptiert wird, liest die Messkoordinatenwert-Leseeinheit 9 eine Messstartkoordinate ab. Dann bestimmt die Messinhalts-Leseeinheit 10, ob der Messinhalt die Mittelkoordinate oder die Zwischenkoordinate gemäß der oben beschriebenen (1) (Ja bei Schritt S3), der Durchmesser oder der Abstand gemäß (2) (Nein bei Schritt S3, Ja bei Schritt S5) oder die Koordinate irgendeiner Oberfläche gemäß (3) (Nein bei Schritt S3, Nein bei Schritt S5) (Schritt zur Bestimmung des Drehwinkels der Hauptspindel) ist.
Wenn der Messinhalt (1) die Mittelkoordinate oder die Zwischenkoordinate (Schritt S4) ist, wie in 5A dargestellt, ändern die Hauptspindel-DrehwinkelSteuereinheit 11 und die Messzyklus-Steuereinheit 13 den Drehwinkel der Hauptspindel 6 und erhalten Kontaktkoordinaten Xa1' und Xb2', indem das Tastsystem 7 in einem Zustand, in dem die Kontaktposition des Tastsystems 7 konstant gemacht wird, mit zwei Flächen (erste Messfläche und zweite Messfläche an ihrer symmetrischen Position) des Objekts W in Kontakt gebracht wird. Mit anderen Worten, die Hauptspindel-Drehwinkelsteuereinheit 11 und die Messzyklus-Steuereinheit 13 ändern den Drehwinkel der Hauptspindel 6 so, dass das Tastsystem 7 sowohl die erste Messfläche als auch die zweite Messfläche an ihrer symmetrischen Position an der gleichen Kontaktposition berührt.
Wenn der Messinhalt der Durchmesser oder der Abstand (Schritt S6), wie in 5B dargestellt, ist (2), halten die Hauptspindel-Drehwinkelsteuereinheit 11 und die Messzyklus-Steuereinheit 13 den Drehwinkel der Hauptspindel 6 ohne Änderung konstant und erhalten die Kontaktkoordinaten Xa1' und Xb1', indem das Tastsystem 7 mit den beiden Oberflächen (erste Messoberfläche und zweite Messoberfläche an ihrer symmetrischen Position) des Objekts W in Kontakt gebracht wird.
Wenn der Messinhalt die Koordinate einer beliebigen Oberfläche ist (Schritt S7) (3), wie in den 6A und 6B dargestellt, ändern die Hauptspindel-Drehwinkelsteuereinheit 11 und die Messzyklus-Steuereinheit 13 den Drehwinkel der Hauptspindel 6 um 180° und erhalten die Kontaktkoordinaten Xa1' und Xa2', indem das Tastsystem 7 zweimal mit der gleichen Oberfläche des Objekts W in Kontakt gebracht wird.
Nachdem irgendeiner der Schritte S4, S6 und S7 ausgeführt wurde, berechnet die Recheneinheit 14 den Messwert (Schritt S8; Rechenschritt).
Genauer gesagt, wenn der Messinhalt (1) die Mittelkoordinate oder die Zwischenkoordinate ist, berechnet die Recheneinheit 14 den Messwert durch die oben beschriebene Formel 8.
Wenn der Messinhalt der Durchmesser oder der Abstand ist (2), berechnet die Berechnungseinheit 14 den Messwert durch die oben beschriebene Formel 7.
Wenn der Messinhalt die Koordinate einer beliebigen Oberfläche ist (3), berechnet die Berechnungseinheit 14 den Messwert durch die oben beschriebene Formel 9.
Der berechnete Messwert wird von der Ausgabeeinheit 15 ausgegeben (Schritt S9).
Bei der Positionsmessung des Objekts wird die Position entsprechend dem Messinhalt so berechnet, dass sie nicht durch den Betrag des Mittenversatzes dL zwischen dem Mittelpunkt der Hauptspindel 6 und des Tastsystems 7 beeinflusst wird. Dementsprechend wird die Position des Objekts im Bearbeitungszentrum M in dem Zustand gemessen, in dem der Fehler reduziert ist, auch wenn sich der Status des Testsystems 7 relativ zur Hauptspindel 6 nach der Durchführung der Kalibrierung ändert.
Die Ausführungsform enthält entsprechend zusätzlich zu dem oben beschriebenen Modifikationsbeispiel ein weiteres Modifikationsbeispiel wie unten beschrieben.
Während die oben beschriebene Ausführungsform das Beispiel mit der X-Achse beschreibt, kann die Messung mit der anderen Achse ähnlich durchgeführt werden, und die Messung kann auch im Falle von zwei Achsen, einschließlich der X-Achse und der Y-Achse, ähnlich durchgeführt werden. Als Kompensationswert des Versatzes zwischen der Kontaktposition des Tastsystems 7 und der Mitte der Hauptspindel 6, der im Falle von zwei Achsen verwendet wird, können die Kompensationswerte in zwei Richtungen (positive und negative Richtung), die in der Richtung der vorbestimmten einen Achse erhalten werden, für die andere Achse verwendet werden, oder die Kompensationswerte können für die jeweiligen Achsen in insgesamt vier Richtungen erhalten und entsprechend der Achse verwendet werden.
Für den Messinhalt werden irgendeine von (1) der Mittelkoordinate oder der Zwischenkoordinate, (2) dem Durchmesser oder dem Abstand, und (3) der Koordinate irgendeiner Oberfläche nicht unbedingt ausgewählt, aber sie können nacheinander gemessen werden. In diesem Fall ist es nur erforderlich, dass die Kontaktkoordinaten an den drei Positionen Xa1', Xb1' und Xb2' gemessen werden.
Die Offenbarung beschränkt sich nicht auf die Messung des Innendurchmessers, wie in 3A bis 5B dargestellt, und ist auf verschiedene Weise veränderbar, z.B. in Bezug auf mindestens irgendeine der Messungen irgendeiner Oberfläche, wie in 6A und 6B dargestellt, die Messung des Abstands zwischen zwei Oberflächen und die Messung des Mittelpunkts zwischen zwei Oberflächen.
Es wird ausdrücklich erklärt, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung sowie zum Zweck der Beschränkung der beanspruchten Erfindung unabhängig von der Zusammensetzung der Merkmale in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen getrennt und unabhängig voneinander offenbart werden sollen. Es wird ausdrücklich festgestellt, dass alle Wertebereiche oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder jede mögliche Zwischeneinheit zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung sowie zum Zweck der Beschränkung der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere als Grenzen von Wertebereichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5047345 B [0003, 0055]

Claims

Positionsmessverfahren für ein Objekt in einer Werkzeugmaschine, wobei das Positionsmessverfahren eine Position eines Objekts (W) mit einem Tastsystem (7) unter Verwendung einer Werkzeugmaschine (M) misst, wobei die Werkzeugmaschine (M) drei oder mehr Translationsachsen (X, Y, Z), eine drehbare Hauptspindel (6), an der ein Werkzeug montiert ist, und einen Tisch (3) aufweist, wobei das Tastsystem (7) ein Positionsmesssensor ist, der an der Hauptspindel (6) montierbar ist, und das Objekt (W) auf dem Tisch (3) befestigt ist, wobei ein Messinhalt mindestens irgendeines eines Durchmessers eines Lochs, eines Durchmessers eines zylindrischen Objekts, eines Abstands zwischen zwei Oberflächen, einer Zentralkoordinate eines Lochs, einer Zentralkoordinate eines zylindrischen Objekts, einer Zwischenkoordinate zwischen zwei Oberflächen und einer Koordinate einer beliebigen Oberfläche des Objekts (W) ist, das Positionsmessverfahren umfassend: einen Schritt des Erhaltens eines Kompensationswerts zum vorläufigen Erhalten von Kompensationswerten von Kontaktpositionen in einer radialen Richtung des Tastsystems (7) in mindestens zwei Richtungen, wobei die Drehwinkel der Hauptspindel als Drehwinkel der Hauptspindel (6) um 180° unterschiedlich sind; einen Hauptspindeldrehwinkel-Bestimmungsschritt zum Bestimmen des Hauptspindeldrehwinkels an einem Kontakt mit einer Messoberfläche des Objekts (W) entsprechend dem Messinhalt; und einen Berechnungsschritt zum Berechnen eines Messwerts der Position des Objekts (W) aus einer Position des Tastsystems (7) am Kontakt mit der Messoberfläche und des Kompensationswerts in Übereinstimmung mit dem Drehwinkel der Hauptspindel, der bei der Bestimmung des Drehwinkels der Hauptspindel bestimmt wurde.
Positionsmessverfahren für ein Objekt in der Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, wobei im Hauptspindeldrehwinkel-Bestimmungsschritt; wenn der Messinhalt mindestens irgendeine der Zentralkoordinate des Loches, der Zentralkoordinate des zylindrischen Objekts und der Zwischenkoordinate zwischen den beiden Oberflächen ist, wird die Bestimmung so durchgeführt, dass das Tastsystem (7) eine erste Messoberfläche und eine zweite Messoberfläche an einer symmetrischen Position zu der ersten Messoberfläche des Objekts (W) an identischen Kontaktpositionen durch Ändern des Drehwinkels der Hauptspindel berührt; wenn der Messinhalt mindestens einer von dem Durchmesser des Lochs, dem Durchmesser des zylindrischen Objekts und dem Abstand zwischen den beiden Oberflächen ist, die Bestimmung so durchgeführt wird, dass das Tastsystem (7) die erste Messoberfläche und die zweite Messoberfläche an der symmetrischen Position zu der ersten Messoberfläche des Objekts (W) in einem Zustand kontaktiert, in dem der Drehwinkel der Hauptspindel konstant ist; und wenn der Messinhalt die Koordinate einer beliebigen Oberfläche ist, die Bestimmung so durchgeführt wird, dass nach dem Kontakt mit den Messoberflächen des Objekts (W) das Tastsystem (7) durch Ändern des Drehwinkels der Hauptspindel die identische Messoberfläche berührt.
Positionsmesssystem für ein Objekt in einer Werkzeugmaschine, wobei das Positionsmesssystem eine Position eines Objekts (W) mit einem Tastsystem (7) in einer Werkzeugmaschine (M) misst, wobei die Werkzeugmaschine (M) drei oder mehr Translationsachsen (X, Y, Z), eine drehbare Hauptspindel (6), an der ein Werkzeug montiert ist, einen Tisch (3), das Tastsystem (7) und eine Steuervorrichtung, einschließt, wobei das Tastsystem (7) ein an der Hauptspindel (6) montierbarer Positionsmesssensor ist, die Steuervorrichtung die Translationsachsen (X, Y, Z) und die Hauptspindel (6) steuert und das Objekt (W) auf dem Tisch (3) befestigt ist, wobei ein Messinhalt mindestens irgendeiner eines Durchmessers eines Lochs, eines Durchmessers eines zylindrischen Objekts, eines Abstands zwischen zwei Oberflächen, einer Mittelkoordinate eines Lochs, einer Mittelkoordinate eines zylindrischen Objekts, einer Zwischenkoordinate zwischen zwei Oberflächen und einer Koordinate irgendeiner Oberfläche des Objekts (W) ist, wobei das Positionsmesssystem umfasst: eine Kompensationswert-Einstelleinheit (8), die Kompensationswerte von Kontaktpositionen in einer radialen Richtung des Tastsystems (7) in mindestens zwei Richtungen einstellt, wobei die Drehwinkel der Hauptspindel als Drehwinkel der Hauptspindel (6) um 180° unterschiedlich sind; eine Steuereinheit des Drehwinkels der Hauptspindel (11), die den Drehwinkel der Hauptspindel an einem Kontakt mit einer Messoberfläche des Objekts (W) entsprechend dem Messinhalt steuert; und eine Berechnungseinheit (14), die einen Messwert der Position des Objekts (W) aus einer Position des Tastsystems (7) am Kontakt mit der Messoberfläche und dem Kompensationswert berechnet.
Positionsmesssystem für das Objekt in der Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, wobei in der Steuereinheit des Drehwinkels der Hauptspindel (11): wenn der Messinhalt mindestens irgendeiner der Mittelkoordinaten des Loches, der Mittelkoordinate des zylindrischen Objektes und der Zwischenkoordinate zwischen den beiden Oberflächen ist, der Drehwinkel der Hauptspindel so geändert wird, dass das Tastsystem (7) eine erste Messoberfläche und eine zweite Messoberfläche an einer symmetrischen Position zu der ersten Messoberfläche des Objektes (W) an identischen Kontaktpositionen berührt; wenn der Messinhalt mindestens irgendeines des Durchmessers des Loches, des Durchmessers des zylindrischen Objekts und des Abstands zwischen den beiden Oberflächen ist, der Drehwinkel der Hauptspindel in Bezug auf die erste Messoberfläche und die zweite Messoberfläche an der symmetrischen Position zu der ersten Messoberfläche des Objekts (W) konstant gehalten wird; und wenn der Messinhalt die Koordinate von irgendeiner Oberfläche ist, wird nach dem Kontakt mit den Messoberflächen des Objekts (W) der Drehwinkel der Hauptspindel geändert, wenn das Tastsystem die identische Messoberfläche (7) berührt.