CN101403906B - 具有工件设置误差补偿单元的数值控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有工件设置误差补偿单元的数值控制装置。控制5轴加工机的数值控制装置对在工作台上设置了工件时的设置误差进行补偿。在该设置误差补偿中，根据预先设定的误差量来进行针对直线轴3轴以及旋转轴2轴的误差补偿，以确保计算出的刀具在指令坐标系上的位置以及方向。在该误差补偿中的三角函数的计算中存在多个解时，从这些多个解中选择接近所述计算的刀具在指令坐标系上的方向的解，并将其作为通过上述误差补偿来补偿的旋转轴2轴的位置。

Description

具有工件设置误差补偿单元的数值控制装置

技术领域

本发明涉及控制通过直线轴3轴以及旋转轴2轴对安装在工作台上的工件(被加工物)进行加工的5轴加工机的数值控制装置，尤其涉及具有对设置了工件时的设置误差进行补偿的工件设置误差补偿单元的数值控制装置。

背景技术

为了使在机床中的加工变得容易，用夹具固定工件(加工物)。此时，由于使用夹具而产生相对于机床的工件(加工物)的安装误差(偏移)，因而需要补偿这样的安装误差。

例如，在美国专利5,661,654号公报中公开了补偿这样的工件安装误差的技术。在该美国专利中公开的技术涉及针对安装在夹具中的工件，对刀具进行同时5轴控制的数值控制装置中的工件的安装误差补偿，根据数值指令来决定在工件坐标系中的刀具的位置以及方向，并对决定的各方向进行预先设定的量的误差补偿。然后，求出满足进行了误差补偿后的刀具位置以及方向的5轴的坐标值，并根据该求出的5轴的坐标值对各轴的驱动单元输出数值控制指令。

但是，在上述美国专利中说明了为了求出B轴或者A轴位置而执行利用反正切(arctangent)的计算。但是，利用反正切的计算在0度～360度的范围内通常具有两个解，通过这样的方法不能唯一地确定B轴或者A轴位置。

另外，如此求出的补偿位置通常与指令位置不同，也有可能存在即使想移动到补偿位置，由于机械结构上的限制等不能移动的时候。例如，如上述美国专利所示，若A轴是工作台倾斜轴，则通常不能向0度～360度的角度范围内的任意角度移动。换言之，指令位置通常从CAM(Computer AidedManufacturing)输出，但在CAM侧能够设定移动范围，通过CAM侧的处理来在移动范围内生成指令位置。但是，在数值控制装置侧求出的补偿位置通常与指令位置不同，因而存在即使想移动到求得的补偿位置，由于结构上的限制等不能移动到该补偿位置的时候。或者，有可能发生由于试着移动到原来无法到达的位置上而产生超程(over travel)警报或者损坏机械等预测不到的事情。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种数值控制装置，其控制通过直线轴3轴以及旋转轴2轴对安装在工作台上的工件(加工物)进行加工的5轴加工机，该数值控制装置具有对设置了工件时的设置误差进行补偿的工件设置误差补偿单元，能够将通过该工件设置误差补偿单元进行了误差补偿的旋转轴2轴的位置移动到指令位置附近的更理想的位置。

此外，本发明的目的是提供一种数值控制装置，其控制通过直线轴3轴以及旋转轴2轴对安装在工作台上的工件(加工物)进行加工的5轴加工机，该数值控制装置具有对设置了工件时的设置误差进行补偿的工件设置误差补偿单元，能够将通过该工件设置误差补偿单元进行了误差补偿的旋转轴2轴的位置移动到限制范围内的更理想的位置。

本发明的数值控制装置控制通过直线轴3轴以及旋转轴2轴对安装在工作台上的工件进行加工的5轴加工机。

该数值控制装置的第一方面是，具有对设置了工件时的设置误差进行补偿的工件设置误差补偿单元。该工件设置误差补偿单元具有：刀具位置方向计算单元，根据指令数值计算刀具在指令坐标系上的位置以及方向；误差补偿单元，根据预先设定的误差量进行针对所述直线轴3轴以及旋转轴2轴的误差补偿，以确保通过所述刀具位置方向计算单元计算出的、在指令坐标系上的刀具的位置以及方向；以及解选择单元，当在所述误差补偿单元进行的误差补偿中的三角函数的计算中存在多个解时，从这些多个解中选择接近在所述刀具位置方向计算单元中计算的、在指令坐标系上的刀具的方向的解，并将其作为通过上述误差补偿来补偿的旋转轴2轴的位置。从而，数值控制装置根据通过所述工件设置误差补偿单元求出的直线轴3轴以及旋转轴2轴的坐标值，驱动各轴。

所述解选择单元，在所述误差补偿单元进行的误差补偿中的三角函数的计算中，针对旋转轴2轴，基于反正切(arctangent)、反余弦(arccosine)、或者反正弦(arcsine)的解为多个时，从这些多个解中可以选择接近在所述刀具位置方向计算单元中计算的、在指令坐标系上的刀具的方向的解。

此外，该数值控制装置的第二方面是，具有对设置了工件时的设置误差进行补偿的工件设置误差补偿单元以及预先设定旋转轴的可动作范围的旋转轴动作范围设定单元。该工件设置误差补偿单元具有：刀具位置方向计算单元，根据指令数值计算刀具在指令坐标系上的位置以及方向；误差补偿单元，根据预先设定的误差量进行针对所述直线轴3轴以及旋转轴2轴的误差补偿，以确保通过所述刀具位置方向计算单元计算出的、在指令坐标系上的刀具的位置以及方向；以及旋转轴位置舍入单元，对通过所述误差补偿单元求出的旋转轴2轴的位置进行舍入，使旋转轴2轴的位置成为通过所述旋转轴动作范围设定单元设定的范围内的位置。从而，数值控制装置根据通过所述工件设置误差补偿单元求出的直线轴3轴以及旋转轴2轴的坐标值，驱动各轴。

根据本发明，当在误差补偿的三角函数的计算中存在多个解时，从这些多个解中选择接近根据指令数值计算的、在指令坐标系上的刀具的方向的解作为旋转轴位置。其结果是，误差补偿后的旋转轴能够移动到接近指令位置的更理想的位置上。

此外，对旋转轴位置进行舍入，以使旋转轴的位置在预先设定的旋转轴动作范围内，由此能够移动到限制范围内的更理想的位置上。

附图说明

参照附图说明以下实施方式，由此本发明的上述以及其他目的以及特征变得更加明确。在附图中，

图1是说明在刀具头(head)旋转型的机床中的工件设置误差补偿的图；

图2是分别表示图1的B轴位置为0、C轴位置为0时的刀具的姿势以及B轴和C轴的旋转方向的图。

图3是以旋转轴位置的数直线来表示B轴以及C轴的驱动范围的图；

图4是针对程序指令执行工件设置误差补偿的本发明的数值控制装置的一实施方式的概略框图；

图5是针对插入位置执行工件设置误差补偿的本发明的数值控制装置的一实施方式的概略框图；

图6是表示本发明的数值控制装置执行误差补偿的部分的算法的流程图；

图7是本发明的数值控制装置的一实施方式的主要单元的框图。

具体实施方式

图1是说明在刀具头旋转型的机床中的工件设置误差补偿的图。在该机床中，刀具头5，伴随直线轴X、Y、Z轴的动作，沿着围绕Z轴的C轴以及围绕Y轴的B轴旋转。

由于设置了工件6时的偏移或者工作台7的倾斜等，实际工件位置相对于原来的工件位置偏移。预先测定其偏移量，该偏移量被设定为相对于基准机械坐标系的X、Y、Z轴方向的平移(translational)误差量(δx、δy、δz)、围绕X轴的旋转误差量(α)、围绕Y轴的旋转误差量(β)以及围绕Z轴的旋转误差量(γ)。然后，根据这些已设定的误差量来生成了与基准机械坐标系相对应的实际机械坐标系，以使基准机械坐标系上的基准工件位置与实际机械坐标系上的实际工件的位置相同。

在基准机械坐标系中指定程序指令(Xc、Yc、Zc、Bc、Cc)。即、将基准机械坐标系作为指令坐标系。在实际机械坐标系上，为了确保基于程序指令的、刀具8在指令坐标系上的位置以及方向，换言之为了使实际机械坐标系上的刀具8的位置以及方向与基于程序指令的基准坐标系上的刀具8的位置以及方向相同，根据预先设定的X、Y、Z轴方向的平移误差量(δx、δy、δz)、围绕X轴的旋转误差量(α)、围绕Y轴的旋转误差量(β)以及围绕Z轴的旋转误差量(γ)，对直线轴3轴以及旋转轴2轴，如下地执行工件设置误差补偿。

图2分别示出了当B轴位置为0(B＝0)、C轴位置为0(C＝0)时的刀具8的姿势以及B轴和C轴的旋转方向。在此，将B＝0、C＝0时的刀具方向设为(0、0、1)^T。

首先，根据指令数值计算刀具在指令坐标系上的(在本发明的实施方式中是基准机械坐标系上的)位置以及方向。

按照如下式(1)所示的方式求出当B＝Bc、C＝Bc时的刀具方向(I、J、K)^T。另外，在此，刀具方向(I、J、K)^T是刀具8在指令坐标系上的方向。另外，“T”表示转置。此外，在cos(Cc)等三角函数的标记中，当显而易见时省略()。

$\left[\begin{array}{c}I\\ J\\ K\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Cc}& -\sin \mathrm{Cc}& 0\\ \sin \mathrm{Cc}& \cos \mathrm{Cc}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Bc}& 0& \sin \mathrm{Bc}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{Bc}& 0& \cos \mathrm{Bc}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

                                         ....(1)

$=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{Cc}*\sin \mathrm{Bc}\\ \sin \mathrm{Cc}*\sin \mathrm{Bc}\\ \cos \mathrm{Bc}\end{array}\right]$

由于在基准机械坐标系中指定程序指令，因而刀具8在指令坐标系上的位置是直线轴的程序指令(Xc、Yc、Zc)本身。

接着，如下地进行误差补偿。如以下(2)式所示，刀具方向(I、J、K)^T根据围绕X轴的旋转误差量(α)、围绕Y轴的旋转误差量(β)以及围绕Z轴的旋转误差量(γ)被补偿为(Ia、Ja、Ka)^T。此处，以(α)、(β)、(γ)的顺序补偿旋转误差。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Ia}\\ \mathrm{Ja}\\ \mathrm{Ka}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\γ}& 0\\ \sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& \sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}I\\ J\\ K\end{array}\right]....\left(2\right)$

同样，如以下(3)式所示，(Xc、Yc、Zc)^T被补偿为(Xa、Ya、Za)^T。在该(Xc、Yc、Zc)^T的补偿中，加上旋转误差的补偿的同时还加上平移误差(δx、δy、δz)的补偿。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xa}\\ \mathrm{Ya}\\ \mathrm{Za}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\γ}& 0\\ \sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& \sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xc}\\ \mathrm{Yc}\\ \mathrm{Zc}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δx}\\ \mathrm{\δy}\\ \mathrm{\δz}\end{array}\right]....\left(3\right)$

对通过上述(2)式求出的(Ia、Ja、Ka)^T，如下地计算出实现(Ia、Ja、Ka)^T的B轴位置Ba以及C轴位置Ca。此处，在反余弦(arccosine)的计算以及反正切(arctangent)的计算中，假设都是获得0度～180度的范围内的值。反正切计算中的n*360度的项中的‘n’是整数，表示加上360度的n倍的值的位置也是解。即、假设C轴在正负方向上可任意旋转，但B轴只能在-180度～+180度内可以动作。

1)当Ia>0、Ja>0时，

第1解

Ba₁＝arccos(Ka)

第2解

Ba₂＝-arccos(Ka)

2)Ia<0、Ja>0时，

第1解

Ba₁＝arccos(Ka)

第2解

Ba₂＝-arccos(Ka)

3)当Ia<0、Ja<0时，

第1解

Ba₁＝arccos(Ka)

第2解

Ba₂＝-arccos(Ka)

4)当Ia>0、Ja<0时，

第1解

Ba₁＝arccos(Ka)

第2解

Ba₂＝-arccos(Ka)

5)当Ia＝0、Ja>0时，

第1解

Ba₁＝arccos(Ka)

Ca₁＝90度+n*360度....(12)

第2解

Ba₂＝-arccos(Ka)

Ca₂＝270度+n*360度....(13)

6)当Ia＝0、Ja<0时，

第1解

Ba₁＝arccos(Ka)

Ca₁＝270度+n*360度....(14)

第2解

Ba₂＝-arccos(Ka)

Ca₂＝90度+n*360度....(15)

7)当Ia>0、Ja＝0时，

第1解

Ba₁＝arccos(Ka)

Ca₁＝0度+n*360度....(16)

第2解

Ba₂＝-arccos(Ka)

Ca₂＝180度+n*360度....(17)

8)当Ia<0、Ja＝0时，

第1解

Ba₁＝arccos(Ka)

Ca₁＝180度+n*360度....(18)

第2解

Ba₂＝-arccos(Ka)

Ca₂＝0度+n*360度....(19)

9)当Ia＝0、Ja＝0、Ka＝1时，

只有第1解

Ba＝0度

Ca＝Cc....(20)

关于当Ia＝0、Ja＝0、Ka＝1的情况，在机械结构上不会产生这样的情形，因而在上面没有进行说明。

在上述(4)式～(19)式中，“Ba”是通过反余弦(arccosine)的计算来求出，但也可以如下地通过反正弦(arcsine)的计算来求出。此处，假设反正弦的计算得到0度～90度的值。

当Ka≧0时， $\mathrm{Ba}=\arcsin \left(\sqrt{I{a}^2+J{a}^2}\right)$

当Ka<0时，

此处，上述1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)、8)的每一种情况都有2组解，而对各个解的组以及‘n’，计算下述(22)式中的D，并选择成为最小的D的解的组以及‘n’。其中，在上述9)的情况下，只有一组解，因而选择(20)式的解。

D＝(Bc-Ba)²+(Cc-Ca)²....(22)

这样，选择更加接近根据指令值Bc、Cc计算出的刀具8的指令坐标系上的方向的刀具方向。将这样选择的解作为Bs、Cs。

图3是以旋转轴位置的数直线来表示B轴以及C轴的驱动范围的图。B轴以及C轴有时存在动作范围。此处，假设B轴在机械结构上仅在-45度～+45度范围内动作、B轴仅在-135度～+135度范围内动作。该旋转动作范围是预先设定的。即、求出上述(4)式～(19)式的条件是“C轴在正负方向上可任意旋转，但B轴只能在-180度～+180度范围内动作”，但此处，假设B轴在机械结构上仅在-45度～+45度范围内动作、C轴仅在-135度～+135度范围内动作。

此时，如上所述选择成为最小的D的解的组以及‘n’后，当所选择的Bs、Cs超过B轴、C轴的动作范围时，对B轴、C轴的位置进行舍入(round)，使B轴、C轴位置成为在这些动作范围内与Bs、Cs最近的位置。例如，当Bs＝-50度(图3的(a))、Cs＝140度(图3的(c))时，若将分别进行舍入的B轴位置、C轴位置分别作为Br、Cr，则Br成为-45度(图3的(b))、Cr成为+135度(图3的(d))，向这些位置以及通过上述(2)式求出的(Xa、Ya、Za)^T驱动直线轴3轴以及旋转轴2轴。以旋转轴位置的数直线表示这些，就变成如图3所示。

图4是针对在指令解析部解析的程序指令执行设置误差补偿的本发明的数值控制装置的一实施方式的概略框图。在该实施方式中，所谓指令数值是指在程序中指令的数值。

图5是针对插入位置执行工件设置误差补偿的本发明的数值控制装置的一实施方式的概略框图。在该实施方式中，所谓指令数值是指针对被插入的X、Y、Z、B、C轴位置进行工件设置误差补偿时的插入位置。

此外，之前说明了由本发明的数值控制装置控制的5轴加工机是刀具头旋转型的机械的情况。但是，该5轴加工机还包含通过旋转轴2轴来旋转工作台的工作台旋转型的机械或者通过旋转轴1轴来旋转工作台、并通过另外一个旋转轴1轴来旋转刀具头的混合型的机械等。在这些机械中也同样地在工件设置误差补偿的三角函数的计算中，针对旋转轴2轴，基于反正切(arctangent)、反余弦(arccosine)、或者反正弦(arcsine)的解为多个，此时也同样能够选择接近根据指令数值计算的刀具的指令坐标系上的方向的解。此外，在这些机械中也有旋转轴的动作范围，同样地，能够将旋转轴位置设为最接近在这些动作范围内选择的解的位置。

此外，在之前的说明中，假设旋转轴2轴是围绕Z轴的C轴和围绕Y轴的B轴，但也可以代替这些，将旋转轴2轴设为围绕X轴的A轴以及围绕Z轴的C轴，或者围绕X轴的A轴以及围绕Y轴的B轴，而且，也可以组合这样的旋转轴2轴与上述的工作台旋转型的机械或者上述的混合型的机械混合。

图6是表示本发明的执行误差补偿的部分的算法的流程图。

首先，取得平移误差量(δx、δy、δz)、旋转误差量(α、β、γ)、旋转轴2轴(C轴以及B轴)的动作范围(步骤S1)。

然后，根据(1)式～(2)式求出补偿的直线轴位置(Xa、Ya、Za)、旋转轴位置的第1解(Ba1、Ca1)以及旋转轴位置的第2解(Ba2、Ca2)(步骤S2)。然后，在从(4)式到(19)式所示的旋转轴的第1解、第2解以及‘n’中，选择使(22)式中记载的D最小的第1解或者第2解以及‘n’，将这些选择的解作为Bs、Cs。而且，设Br＝Bs、Cr＝Cs(步骤S3)。

接着，判断Bs是否在B轴动作范围外(步骤S4)。当Bs在B轴动作范围外时，将在B轴范围内最接近Bs的位置设为Br(改写在步骤S3中设定的Br)(步骤S5)。另一方面，当Bs不在B轴动作范围外时，接着判断Cs是否在C轴动作范围外(步骤S6)。

当在步骤S6中判断为Cs在C轴动作范围外时，将在C轴动作范围内最接近Cs的位置设为Cr(改写在步骤S3中设定的Cr)(步骤S7)，并进入步骤S8中、另一方面，当在步骤S6中判断为Cs不在C轴动作范围外时，直接进入步骤S8中。然后，在步骤S8中，将(在步骤S3中设定或者在步骤S5中更新的)Br以及(在步骤S3中设定或者在步骤S7中更新的)Cr作为B轴、C轴的误差补偿位置后结束该处理。

图7是本发明的数值控制装置(CNC)100的一实施方式的主要单元的框图。

CPU11是整体控制数值控制装置100的处理器，经由总线20读取被存储在ROM12的系统程序后，根据该读取的系统程序控制数值控制装置整体。在RAM13中存储暂时的计算数据或者显示数据以及操作员通过显示器/MDI单元70输入的各种数据。CMOS存储器14被用作通过未图示的蓄电池备份、而且即使数值控制装置100的电源被关闭也能保持存储状态的非易失性存储器。在该CMOS存储器14内存储经由接口15读入的加工程序或者通过显示器/MDI单元70输入的加工程序等。此外，在ROM12中预先写入有用于执行在加工程序的生成以及编辑中所需的编辑模式处理或自动运转的处理的各种系统程序。使用CAM等生成的加工程序经由接口15输入到CMOS存储器14后被存储。

各轴的轴控制电路30～34接收来自CPU11的各轴的移动指令后向伺服放大器0～44输出各轴的指令。伺服放大器40～44接收该指令后驱动各轴的伺服电动机50～54。各轴的伺服电动机50～54内置有位置/速度检测器，向轴控制电路30～34反馈来自该位置/速度检测器的位置以及速度的反馈信号，并进行位置以及速度的反馈控制。另外，在图7中省略了位置以及速度的反馈。

伺服电动机50～54分别驱动5轴机床的X、Y、Z、B、C轴。主轴(spindle)控制电路60接收主轴旋转指令，并向主轴放大器61输出主轴速度信号。主轴放大器61接收主轴速度信号后通过被指定的旋转速度来控制主轴电动机(SM)62，向主轴控制电路60反馈在速度检测器63中检测出的实际速度。如此进行速度控制。

如以上所述的数值控制装置100的结构，与现有的数值控制装置的结构相比没有变化，通过该数值控制装置100来驱动控制5轴加工机。然后，数值控制装置100的处理器(CPU)11执行设置了工件时的设置误差的补偿处理或者旋转轴位置舍入处理的算法。

Claims (3)

1.一种数值控制装置，其控制通过直线轴3轴以及旋转轴2轴对安装在工作台上的工件进行加工的5轴加工机，其特征在于，

所述数值控制装置具有对设置了工件时的设置误差进行补偿的工件设置误差补偿单元，该工件设置误差补偿单元具有：

刀具位置方向计算单元，根据指令数值计算刀具在指令坐标系上的位置以及方向；

误差补偿单元，根据预先设定的误差量进行针对所述直线轴3轴以及旋转轴2轴的误差补偿，以确保通过所述刀具位置方向计算单元计算出的、在指令坐标系上的刀具的位置以及方向；以及

解选择单元，当在所述误差补偿单元进行的误差补偿中的三角函数的计算中存在多个解时，从这些多个解中选择接近在所述刀具位置方向计算单元中计算的、在指令坐标系上的刀具的方向的解，并将其作为通过所述误差补偿来补偿的旋转轴2轴的位置，

根据通过所述工件设置误差补偿单元求出的直线轴3轴以及旋转轴2轴的坐标值，驱动各轴。

2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

所述解选择单元，当在所述误差补偿单元进行的误差补偿中的三角函数的计算中，针对旋转轴2轴，基于反正切(arctangent)、反余弦(arccosine)、或者反正弦(arcsine)的解为多个时，从这些多个解中选择接近在所述刀具位置方向计算单元中计算的、在指令坐标系上的刀具的方向的解。

3.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，所述数值控制装置，还具有：

旋转轴动作范围设定单元，预先设定旋转轴的可动作范围；

旋转轴位置舍入单元，对通过所述误差补偿单元求出的旋转轴2轴的位置进行舍入，使旋转轴2轴的位置成为通过所述旋转轴动作范围设定单元设定的范围内的位置。

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