專利名稱：設(shè)備的誤差辨識方法和誤差辨識程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對具有平移驅(qū)動軸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸的設(shè)備的幾何學(xué)誤差進行辨識的方 法和程序。
背景技術(shù)：
作為具有平移驅(qū)動軸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸的設(shè)備的一個例子，可以舉出加工零部件、模 具的機床。在這樣的機床中，使刀具或被加工物旋轉(zhuǎn)，通過使這兩者或者其中一者相對運動 并進行除去加工，從而將被加工物加工成任意形狀。圖1是作為這種機床之一的具有三根平移軸的三軸控制加工中心(三軸機)的示 意圖。主軸箱2通過作為平移軸且相互正交的X軸、Z軸能夠相對于床身1進行兩個平移自 由度的運動，工作臺3通過作為平移軸且與X軸及Z軸正交的Y軸而能夠相對于床身1進 行一個平移自由度的運動。因此，主軸箱2相對于工作臺3具有三個平移自由度。各軸通 過由數(shù)控裝置控制的伺服電動機(未圖示)被驅(qū)動，將被加工物固定于工作臺3，將刀具裝 配于主軸箱2并使該刀具旋轉(zhuǎn)，控制被加工物與刀具之間的相對位置并進行加工。圖2是作為上述的機床之一的具有三根平移軸和兩根旋轉(zhuǎn)軸的五軸控制加工中 心(五軸機)的示意圖。主軸箱2通過作為平移軸且相互正交的X軸、Z軸能夠相對于床身 1進行兩個平移自由度的運動。工作臺3通過作為旋轉(zhuǎn)軸的C軸能夠相對于搖架(cradle)4 進行一個旋轉(zhuǎn)自由度的運動，搖架4通過作為旋轉(zhuǎn)軸的A軸能夠相對于耳軸(trunnion) 5 進行一個旋轉(zhuǎn)自由度的運動，A軸與C軸相互正交。進而，耳軸5通過作為平移軸且與X軸 及Z軸正交的Y軸能夠相對于床身1進行一個平移自由度的運動，因此，主軸箱2能夠相對 于工作臺3進行三個平移自由度和兩個旋轉(zhuǎn)自由度的運動，不僅能夠控制被加工物與刀具 的相對位置，而且能夠控制被加工物與刀具的相對姿勢，并在控制的同時進行加工。作為影響所述五軸機的運動精度的因素，例如存在旋轉(zhuǎn)軸的中心位置誤差(相對 于假設(shè)的位置的偏差)、旋轉(zhuǎn)軸的傾斜誤差(旋轉(zhuǎn)軸與平移軸的平行度)等各軸之間的幾何 學(xué)誤差(以下稱作幾何誤差)。三軸機也存在兩個平移軸之間的垂直度等幾何誤差，然而由 于五軸機比三軸機的軸數(shù)多，因此幾何誤差的數(shù)量也多。即，在三軸機中各平移軸之間的垂 直度為三個、主軸箱的旋轉(zhuǎn)軸和平移軸之間的垂直度為兩個，存在共計五項幾何誤差。另一 方面，在五軸機中，對于旋轉(zhuǎn)軸來說，由于各旋轉(zhuǎn)軸存在兩個方向的中心位置誤差和兩個方 向的傾斜誤差，因此每一根旋轉(zhuǎn)軸存在四項幾何誤差，由于有兩根旋轉(zhuǎn)軸因此存在八項幾 何誤差。并且，在五軸機中，對于平移軸來說，與三軸機同樣地，各平移軸之間的垂直度為三 個、主軸箱的旋轉(zhuǎn)軸與平移軸之間的垂直度為兩個，存在共計五項幾何誤差。由此，在五軸 機中存在共計十三項幾何誤差。并且，三軸機不存在像旋轉(zhuǎn)軸中心那樣的基準(zhǔn)，而是進行以任意加工點為基準(zhǔn)的 相對加工，而在五軸機中，在旋轉(zhuǎn)軸與被加工物或刀具之間的相對關(guān)系與假設(shè)的狀態(tài)不同 的情況下會產(chǎn)生誤差。即，在五軸機中，這些幾何誤差對加工精度的影響比三軸機大。得知 幾何誤差的大小的話，就能夠通過如下等方法進行高精度的加工通過調(diào)整來減小幾何誤差、通過將幾何誤差考慮進來的指令程序進行控制、對幾何誤差的修正進行控制。因此，為 了通過五軸機進行高精度的加工，了解五軸機的幾何誤差處于何種程度是非常重要的。作為辨識五軸機的幾何誤差的方式，提出有如下述專利文獻1記載的方法。艮口， 將可測定兩個球的中心之間的距離的測定器即球桿儀安裝于主軸箱側(cè)和工作臺側(cè)，將主軸 箱側(cè)球的中心與工作臺側(cè)球的中心之間的距離保持一定，使兩個平移軸進行圓弧運動的同 時使一個旋轉(zhuǎn)軸同步地動作，測定主軸箱側(cè)球與工作臺側(cè)球之間的相對位移。得到的測定 數(shù)據(jù)為圓弧軌跡，根據(jù)該中心偏差來辨識與旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的幾何誤差的一部分。并且，通過改 變球桿儀的安裝方向能夠辨識不同的幾何誤差，能夠辨識共計八個與旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的幾何誤 差。另一方面，作為辨識五軸機的幾何誤差的其他方式，提出有如下述專利文獻2記 載的方法。在該方法中，對旋轉(zhuǎn)軸進行分度，并通過被裝配于主軸箱的接觸測頭(touch probe)測定多個被固定于工作臺上的球的中心位置。根據(jù)測定得到的多個球中心位置求得 平面，并將該平面的法線向量作為實際的旋轉(zhuǎn)軸的向量，根據(jù)該向量與理想向量的差分求 得旋轉(zhuǎn)軸的傾斜誤差。此外，考慮到該實際向量，根據(jù)所述多個球中心位置測定值求得實際 的旋轉(zhuǎn)軸中心位置，并根據(jù)實際的旋轉(zhuǎn)軸中心位置與理想中心位置的差分求得旋轉(zhuǎn)軸的中 心位置誤差。因此，能夠辨識與旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的八個幾何誤差。專利文獻1 日本特開2004-219132號公報專利文獻2 日本特開2005-61834號公報然而，在專利文獻1的方法中，需要使用高價的測定器即雙球桿儀(double ball bar)，并且，該操作需要比較熟練，因此存在著不是任何人都能簡單地進行的課題。另一方面，在專利文獻2的方法中，使用的接觸測頭比較廉價，并且其作為任選附 件附屬于機床以用于被加工物的定心等，因此無需購入新的測定器，入手性佳。再有，由于 控制裝置執(zhí)行測定用動作，因此還存在著無需熟練而能簡單地測定的優(yōu)點。然而，存在著僅 能辨識與旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的幾何誤差而不能辨識與平移軸相關(guān)的幾何誤差的課題。在存在平 移軸的幾何誤差的情況下，由于所測定的球中心位置也包含了所述平移軸的幾何誤差的影 響，因此無法準(zhǔn)確地辨識與旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的幾何誤差。雖然與平移軸相關(guān)的幾何誤差也可先 利用其他方法進行檢測，然而由于幾何誤差隨熱位移、時效變化等而變化，因此存在著因這 些變化的影響而無法準(zhǔn)確地辨識的情況。因此，要了解某個時刻的幾何誤差，需要同時辨識 所有的幾何誤差。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明中的第一方面、第六方面的目的在于提供能夠大致同時地辨別與旋 轉(zhuǎn)軸相關(guān)的幾何誤差以及與平移軸相關(guān)的幾何誤差的方法、程序。為了達成上述目的，第一方面所述的發(fā)明為設(shè)備的誤差辨識方法，其特征在于，該 設(shè)備的誤差辨識方法為通過控制裝置對具有兩根以上的平移軸和一根以上的旋轉(zhuǎn)軸的設(shè) 備的與所述平移軸和所述旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的幾何學(xué)誤差進行辨識的方法，其中，該設(shè)備的誤差 辨識方法包括檢測步驟，將所述旋轉(zhuǎn)軸分度為多個角度并將被測定件定位于多個部位，通 過位置檢測傳感器檢測所述被測定件在三維空間上的位置；圓弧近似步驟，將在所述檢測 步驟中所檢測到的多個位置檢測值進行圓弧近似；以及誤差計算步驟，根據(jù)在所述圓弧近似步驟中近似得到的圓弧計算所述旋轉(zhuǎn)軸的中心位置誤差和/或所述旋轉(zhuǎn)軸的傾斜誤差、 以及所述平移軸的傾斜誤差。在上述目的的基礎(chǔ)上，為了達成在維持精度的同時更為簡單地進行辨識的目的， 第二方面所述的發(fā)明的特征在于，在上述發(fā)明中，在所述圓弧近似步驟中，近似為以所述位 置檢測值與所述旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心之間的距離為半徑的圓弧，在所述誤差計算步驟中，根 據(jù)近似得到的圓弧的二次分量計算所述平移軸的傾斜誤差。在上述目的的基礎(chǔ)上，為了達成在維持精度的同時更為簡單地進行辨識的目的， 第三方面所述的發(fā)明的特征在于，在上述發(fā)明中，在所述圓弧近似步驟中，近似為以所述位 置檢測值與所述旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心之間的距離為半徑的圓弧，在所述誤差計算步驟中，根 據(jù)近似得到的圓弧的一次分量計算與所述旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的幾何學(xué)誤差。在上述目的的基礎(chǔ)上，為了達成對更為復(fù)雜的設(shè)備也可簡易地進行精度良好的辨 識的目的，第四方面所述的發(fā)明的特征在于，在上述發(fā)明中，所述設(shè)備具有兩根以上的所述 旋轉(zhuǎn)軸，在所述檢測步驟中，將除了被分度為多個角度的所述旋轉(zhuǎn)軸以外的所述旋轉(zhuǎn)軸分 度為兩個以上的角度并進行檢測。在上述目的的基礎(chǔ)上，為了達成在維持精度的同時更為簡單地進行辨識的目的， 第五方面所述的發(fā)明的特征在于，在上述發(fā)明中，在所述圓弧近似步驟中，將所述位置檢測 值的與所述旋轉(zhuǎn)軸平行的軸向分量近似為圓弧，在所述誤差計算步驟中，根據(jù)近似得到的 圓弧的一次分量計算所述旋轉(zhuǎn)軸的傾斜誤差。為了達成上述目的，第六方面所述的發(fā)明為設(shè)備的誤差辨識程序，該設(shè)備的誤差 辨識程序用于在計算機中執(zhí)行上述的設(shè)備的誤差辨識方法。根據(jù)本發(fā)明，不僅能夠辨識與旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的幾何誤差，而且能夠辨識與平移軸相 關(guān)的幾何誤差。并且，由于能夠大致同時地進行這些辨識，因此能夠了解因熱位移等而發(fā)生 變化的時刻的幾何誤差，能夠有助于進行高精度的加工。進而，將比較廉價且入手性好的接 觸測頭用作位置檢測傳感器的話，無論是誰都能夠簡單地進行幾何誤差的辨識。


圖1是三軸控制加工中心的示意圖。圖2是五軸控制加工中心的示意圖。圖3是本發(fā)明所采用的接觸測頭和目標(biāo)球的一個例子的示意圖。圖4是將C軸分度為多個角度并進行測定的情況下的測定位置的一個例子。圖5是將A軸分度為多個角度并進行測定的情況下的測定位置的一個例子。標(biāo)號說明1 床身；2 主軸箱；3 工作臺；4 搖架；5 耳軸；11 接觸測頭；12 目標(biāo)球。
具體實施例方式以下，作為本發(fā)明涉及的實施方式的例子，基于適當(dāng)附圖對采用圖2所示的五軸 控制加工中心中的計算機(控制裝置，未圖示)進行的誤差辨識進行說明。計算機可以是 五軸機的數(shù)控裝置，也可以是與五軸機的數(shù)控裝置連接的獨立的控制裝置，也可以是兩者 的組合。另外，該形態(tài)并不限于下述的例子。
首先，對幾何誤差進行說明。將幾何誤差定義為各軸之間的三個方向的相對平移 誤差和三個方向的相對旋轉(zhuǎn)誤差共計六個分量(δ χ、δ y、δ ζ、α、β、Y)。在圖2的五軸 機中，從被加工物至刀具為止的軸之間的聯(lián)系按照C軸、A軸、Y軸、X軸、Z軸的順序，將Z 軸與刀具之間的幾何誤差也考慮進來的話，存在共計30個幾何誤差。在此，對于表示各幾 何誤差的記號，將構(gòu)成該幾何誤差的兩個軸的名稱作為下標(biāo)進行表示。例如，將C軸與A軸 之間的Y方向的平移誤差表示為Sy0^f Y軸與X軸之間的繞Z軸的旋轉(zhuǎn)誤差表示為γγχ。 此外，表示刀具的記號為Τ。在所述30個幾何誤差中存在多個具有冗長關(guān)系的誤差。在將具有冗長關(guān)系的誤 差中保留一個誤差而將其他誤差去除后，最終的幾何誤差為δΧα、δ yCAa CA、δΥΑγ>
δ ΖΑγ β ΑΥΛ Y ΑΥΛ Y γΧΛ α ΧΖ、β ΧΖ、α ΖΤ、β ZT' 13^^。 Υγχ、αχΖ、βχΖ、αΖΤ、βΖΤ 這五個為在
三軸機中也存在的與平移軸相關(guān)的幾何誤差，分別為X軸-Y軸之間的垂直度、Y軸-Z軸之 間的垂直度、Z軸-X軸之間的垂直度、刀具-Y軸之間的垂直度、刀具-X軸之間的垂直度。 除這些以外的八個誤差為與旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的幾何誤差，分別為C軸中心位置在X方向上的誤 差、C軸-A軸之間的偏移誤差、A軸角度偏移誤差、C軸-A軸之間的垂直度、A軸中心位置 在Y方向上的誤差、A軸中心位置在Z方向上的誤差、A軸-X軸之間的垂直度、A軸-Y軸之 間的垂直度。計算機中包括存儲這些幾何誤差的存儲裝置。在本發(fā)明中，將圖3所示的接觸測頭11裝配于主軸箱2，并將作為測定對象即被測 定件(被測定治具)的目標(biāo)球12用磁鐵等固定于工作臺3，并基于計算機的指令檢測目標(biāo) 球12的中心位置。接觸測頭11具有感知與目標(biāo)球12的接觸的傳感器(未圖示)，并能夠 在感知到接觸的情況下利用紅外線、電波等發(fā)出信號。計算機將在通過與其自身連接的接 收器接收到該信號的瞬間或者將延遲量也考慮進來了的時刻的、各軸的當(dāng)前位置作為測定 值，并將該測定值存儲于存儲裝置。為了測定目標(biāo)球12的中心位置，當(dāng)目標(biāo)球12的半徑已 知時，接觸最少三點地進行檢測就能夠求得目標(biāo)球12的中心位置，當(dāng)目標(biāo)球12的半徑未知 時，接觸最少四點并進行檢測即能夠求得目標(biāo)球12的中心位置。因此，將接觸測頭11用作 用于檢測目標(biāo)球12的中心位置的位置檢測傳感器。另一方面，作為位置檢測傳感器的其他例子，在現(xiàn)有技術(shù)中還存在能夠以非接觸 方式測定距離的激光位移計、使用三個以上位移傳感器同時與球接觸并根據(jù)各自的檢測值 求得球的中心位置的裝置，這些裝置可以取代接觸測頭11。接著，對目標(biāo)球12的中心位置的檢測值與幾何誤差之間的關(guān)系進行說明。另外， 在計算機中包括計算與該關(guān)系相關(guān)的下述各式的程序，在上述存儲裝置中存儲有該程序、 以及下述各式及其要素和變量等。目標(biāo)球12的中心位置在工作臺坐標(biāo)系(在不存在幾何誤差的理想狀態(tài)下以A軸 和C軸相交的交點為原點、且X軸與設(shè)備的X軸平行的工作臺3上的坐標(biāo)系)中為(R，0， H)。設(shè)A軸角度為a、C軸角度為c，則在不存在幾何誤差的情況下的目標(biāo)球12的中心位置 檢測值(x，y，z)能夠由以下所示的式1來表示。式1
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備的誤差辨識方法，該設(shè)備的誤差辨識方法為通過控制裝置對具有兩根以上 的平移軸和一根以上的旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)備的與所述平移軸和所述旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的幾何學(xué)誤差進 行辨識的方法，其特征在于，該設(shè)備的誤差辨識方法包括檢測步驟，將所述旋轉(zhuǎn)軸分度為多個角度并將被測定件定位于多個部位，通過位置檢 測傳感器檢測所述被測定件在三維空間上的位置；圓弧近似步驟，將在所述檢測步驟中所檢測到的多個位置檢測值進行圓弧近似；以及 誤差計算步驟，根據(jù)在所述圓弧近似步驟中近似得到的圓弧計算所述旋轉(zhuǎn)軸的中心位 置誤差和/或所述旋轉(zhuǎn)軸的傾斜誤差、以及所述平移軸的傾斜誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備的誤差辨識方法，其特征在于，在所述圓弧近似步驟中，近似為以所述位置檢測值與所述旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心之間的距 離為半徑的圓弧，在所述誤差計算步驟中，根據(jù)近似得到的圓弧的二次分量計算所述平移軸的傾斜誤差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備的誤差辨識方法，其特征在于，在所述圓弧近似步驟中，近似為以所述位置檢測值與所述旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心之間的距 離為半徑的圓弧，在所述誤差計算步驟中，根據(jù)近似得到的圓弧的一次分量計算與所述旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的幾何學(xué)誤差。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備的誤差辨識方法，其特征在于，在所述圓弧近似步驟中，近似為以所述位置檢測值與所述旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心之間的距 離為半徑的圓弧，在所述誤差計算步驟中，根據(jù)近似得到的圓弧的一次分量計算與所述旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的幾何學(xué)誤差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備的誤差辨識方法，其特征在于， 所述設(shè)備具有兩根以上所述旋轉(zhuǎn)軸，在所述檢測步驟中，將除了被分度為多個角度的所述旋轉(zhuǎn)軸以外的所述旋轉(zhuǎn)軸分度為 兩個以上的角度并進行檢測。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備的誤差辨識方法，其特征在于， 所述設(shè)備具有兩根以上所述旋轉(zhuǎn)軸，在所述檢測步驟中，將除了被分度為多個角度的所述旋轉(zhuǎn)軸以外的所述旋轉(zhuǎn)軸分度為 兩個以上的角度并進行檢測。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備的誤差辨識方法，其特征在于，在所述圓弧近似步驟中，將所述位置檢測值的與所述旋轉(zhuǎn)軸平行的軸向分量近似為圓弧，在所述誤差計算步驟中，根據(jù)近似得到的圓弧的一次分量計算所述旋轉(zhuǎn)軸的傾斜誤差。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備的誤差辨識方法，其特征在于，在所述圓弧近似步驟中，將所述位置檢測值的與所述旋轉(zhuǎn)軸平行的軸向分量近似為圓弧，在所述誤差計算步驟中，根據(jù)近似得到的圓弧的一次分量計算所述旋轉(zhuǎn)軸的傾斜誤差。
9.一種設(shè)備的誤差辨識程序，該設(shè)備的誤差辨識程序用于在計算機中執(zhí)行權(quán)利要求1 所述的設(shè)備的誤差辨識方法。
10.一種設(shè)備的誤差辨識程序，該設(shè)備的誤差辨識程序用于在計算機中執(zhí)行權(quán)利要求 2所述的設(shè)備的誤差辨識方法。
全文摘要
本發(fā)明提供設(shè)備的誤差辨識方法和誤差辨識程序，在具有兩根以上的平移軸和一根以上的旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)備中，大致同時地辨識與旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的幾何誤差以及與平移軸相關(guān)的幾何誤差。將作為旋轉(zhuǎn)軸的C軸等分度為多個角度并將目標(biāo)球(12)定位于多個部位，通過位置檢測傳感器檢測目標(biāo)球(12)在三維空間上的中心位置，并對所檢測到的多個中心位置檢測值進行圓弧近似，根據(jù)近似得到的圓弧的一次分量或二次分量等計算C軸等的中心位置誤差和傾斜誤差、以及作為平移軸的X軸、Y軸等的傾斜誤差。
文檔編號B23Q17/00GK101992407SQ20101025019
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月11日
發(fā)明者松下哲也 申請人:大隈株式會社