专利名称：机床控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超精细机床的控制器，特别涉及在旋转轴以高速旋转时进行的刀刃位置校正。
背景技术：
刀具在持续使用中会磨损。如果不顾及刀具的损耗而持续进行加工，那么加工精度会逐渐降低。因此，在现有技术中，采用了以下的方法测量刀具的直径和/或刀具端面的位置，获得刀具校正量，校正刀具直径的设定值和加工条件。
为了测量刀具直径和刀具端面位置，采用了刀具停止旋转时测量，或者刀具保持旋转时测量的方法。
例如，已知一项发明，其中，随着主轴保持转动，使用非接触检测器检测连接到主轴的参考刀具的半径值X0和连接到主轴的加工刀具的半径值x0，并存储该两个值；进行预订单位数量的加工后，保持主轴旋转的同时，测量参考刀具的半径值Xi和加工刀具的半径值xi；然后获得加工之前和加工之后检测的参考刀具的半径值之间的差值AXi＝Xi-X0，以及加工之前和加工之后检测的加工刀具的半径值之间的差值Axi＝xi-x0；之后，由这两个所检测的半径值的差值，获得刀具损耗品质ATi＝Axi-AXi；通过将刀具损耗品质的累积值AS与刀具寿命标准值进行比较，提供刀具校正值(参见JP63-50140B)。
还已知一项发明，其中，通过与切割刀具圆周面接触的测量仪器的探测器测量切割刀具的旋转跳动(run-out)；重复切割刀具的替换直到所测量的值降低到等于或小于一阈值；当降低到等于或小于阈值时，进行加工。测量仪器的探测器周期性地与切割刀具的圆周面和端面接触以检测磨损，并依赖于检测的磨损量改变加工条件或确定刀具寿命(参见JP 2843488B)。
还已知一种方法，其中，通过检测刀具一次旋转中切割位置的变化获取校正值。例如，JP 3162936B公开了一项发明，其中，通过在X轴传感器与端铣刀的圆周面相接触时以低速旋转端铣刀，获得最大跳动然后获得基于最大跳动的X轴校正值；通过在Z轴传感器与端铣刀的圆周面相接触时以低速旋转端铣刀，获得最大跳动然后获得基于最大跳动的Z轴校正值。
如上所述，在现有技术中，测量刀具直径等以及进行刀具直径校正的目的是为了阻止因为刀具磨损而引起的刀具直径变化所进而引起的加工精度降低。此外，在JP 3162936B中描述的发明中，是在考虑刀具一次旋转中的跳动或刀具连接差错而进行校正的目的下测量刀具直径等。
同时，在进行超精细加工的机床中，当以连接到高速旋转的主轴上的刀具或工件进行加工时，切割位置不会因为刀具的磨损或一次旋转跳动而变化。
图1至3是解释主轴以高速旋转时导致上述变化的示图。图1至3中，主轴1由轴承2可旋转的支撑，刀具或工件连接到主轴1上。图1至3是关于其中连接了刀具2的例子。如图1所示，在主轴1不旋转的情况下，刀具2的中心轴与主轴1的中心轴4一致。但是，当主轴以高速旋转时，主轴1的中心轴4如图2中断线和参考符号4’(由此发生位移的主轴和刀具分别以参考符号1’和2’示出)所示移位，或者如图3的断线所示主轴1变为倾斜并产生跳动，从而刀具的径向位置和推进位置发生变化，使得刀刃(cutting edge)位置产生变化。
这样的在高速旋转中，连接至高速旋转轴的刀具或工件的位移是因为主轴(旋转轴)装配精度及主轴(旋转轴)重量平衡的影响，这种影响在高速旋转中出现。
在现有技术中，高速旋转下的主轴位移(刀具或工件的位移)的测量以下述方式进行如果圆柱体形状的工件连接到旋转轴，则使得传感器等与圆柱体的旋转面接触。
如果刀具连接到主轴(旋转轴)，则如图4所示，从切割入工件5的刀具2的刀刃2a的位置测量旋转中旋转轴(主轴1)的位移。
但是，以此方法测量高速旋转下主轴(旋转轴)的位移是困难的任务。而且本申请的发明人发现连接到旋转轴(主轴)的刀具、工件或之类的位移量依赖旋转轴(主轴)的旋转速度而变化。因此，为了以高精度进行加工，需要进行考虑了依赖旋转速度的刀具、工件或之类的位移量的校正。
发明内容
本发明提供了一种控制器，其能够根据主轴的旋转速度通过校正主轴的位移以高精度进行超精细加工。
本发明的控制器控制具有其上连接有要旋转的刀具或工件的主轴的机床。该控制器包括测量装置，用于使用非接触位移计在推进方向和径向至少其中之一的方向上，测量从主轴的静态到最大速度旋转态连接到主轴的旋转的刀具或工件的位移；存储装置，用于存储基于所述测量装置测量的主轴不同旋转速度下的位移所确定的主轴不同旋转速度的校正量；和校正装置，用于根据主轴的旋转速度使用所述存储装置中存储的校正量来校正机床加工程序的命令。
测量装置可以测量相对于工件移动刀具的进给轴的方向上的位移，从而确定进给轴的方向上的校正量并存储在存储装置中。
通过以上配置，即使在高速旋转中刀具或工件产生位移时，也可以在加工中补偿刀具或工件的位移以达到高精度的超精细加工。
图1示出了主轴停止旋转的状态图；图2示出了主轴以高速旋转从而旋转的中心产生位移的状态图；图3示出了主轴以高速旋转从而主轴倾斜并产生跳动的状态图；图4是解释用于测量主轴高速旋转时产生的连接到主轴的刀具的位移的传统测量方法的示图；图5是根据本发明的机床控制器实施例在获得校正量时的功能框图，以及从垂直于主轴的轴的角度看的与刀具非接触的位移计的配置示意图；图6示出了从主轴的轴向观察，本发明的实施例中的与刀具非接触的位移计的设置的视图；图7是相同实施例的机床控制器进行加工时，响应于高速旋转中产生的主轴位移而进行校正的功能框图；图8是由相同实施例的机床控制器执行的获取校正量的程序流程图；图9是由相同实施例的机床控制器执行的进行加工的程序流程图；
图10是本发明应用于菲涅耳透镜加工的示例图。
具体实施例方式
图5的示意框图示出了本发明一个实施例中，考虑到诸如连接到主轴的刀具或工件等旋转体的位移时获得校正量的结构示意框图，其伴随着主轴高速旋转时产生的主轴位移和/或跳动(run-out)。在此实施例中，连接到主轴的旋转体是刀具。
关于本发明，用于控制机床的控制器10，例如数字控制器，包括校正量获取装置12和用于存储获取的校正量的校正量存储装置13。
当要获取校正量时，用于测量X轴方向位移、Y轴方向位移和Z轴方向位移的非接触位移计分别对准相对于工件移动刀具的进给轴的X轴方向、Y轴方向和Z轴方向围绕刀具2设置。首先，相对于连接到可旋转地由轴承3支撑的主轴1上的刀具2(或工件)，将非接触位移计6x，6y的相应传感器部分接近刀具端部的圆周面设置，以检测X轴方向位移和Y轴方向位移(圆周面位置的变化)，其中X轴方向和Y轴方向是主轴1旋转时刀具2的半径方向并且以直角相互交叉。并且，用于检测刀具2的推进方向(Z轴方向)位移(刀具端面位置的变化)的非接触位移计6z的传感器部分接近于刀具2的端面设置。
图5示出了从Y轴观察时，刀具2和非接触位移计6x，6y，6z之间的关系。图6示出了从Z轴观察时，刀具2和非接触位移计6x，6y之间的关系。如图6所示，依赖于主轴(旋转轴)的旋转速度(刀具的旋转速度)，刀具2径向(X轴方向、Y轴方向)位移εx，εy产生变化，从而刀刃位置产生变化。尽管未示出，轴向(Z轴方向)位移εz，即刀具2端面位置的变化量也依赖于旋转速度变化。这些位移εx，εy，εz通过非接触位移计6x，6y，6z进行测量。
用于控制机床的控制器10，例如数字控制器，和非接触位移计6x，6y，6z通过输入/输出接口11连接。而且，用于检测主轴旋转速度的速度检测器7与控制器10通过输入/输出设备以传统方式连接。
因此，控制器10通过连续地改变速度命令，给于驱动主轴1的主轴马达(未示出)指定的速度，而不对主轴1产生负担，来使主轴1和刀具2旋转。校正量获取装置12通过输入/输出接口11获取每个旋转速度下由非接触位移计6x，6y，6z检测的位移，并获取校正量，并且以关联于速度检测器7检测到的并通过输入/输出接口11提供的速度将校正量存储在校正量存储装置13中。
因此，在校正量存储装置13中，刀具2的径向(X轴方向、Y轴方向)校正量和推进方向(Z轴方向)校正量通过与主轴1的旋转速度相关联的方式进行存储。
图7是控制器10进行加工时的功能框图。与传统的数字控制器相比，控制器10不同之处在于提供了动作命令校正装置15。
程序分析装置14分析加工程序并生成执行数据。动作命令校正装置15从校正量存储装置13中读取对应命令给出的主轴1速度的校正量，并校正程序指定的动作命令。发布装置16执行校正后的动作命令的发布，并对每个轴将结果命令提供给伺服控制部。
图8示出了获取校正量的程序流程图，其由控制器10的处理器执行并对应于图5的功能框图。
在主轴1没有负担的情况下，非接触位移计6x，6y，6z如图5和6所示的围绕刀具设置，提供校正量获取命令给控制器10。控制器10的处理器首先将主轴的速度命令Vc设置为初始速度V0(步骤a1)，输出该速度命令至主轴控制电路使主轴以速度命令Vc指定的速度旋转(步骤a2)。处理器等待，直到来自用于检测主轴速度的速度检测器7的速度反馈值Vf达到指定速度Vc(步骤a3)。当速度反馈值Vf达到指定速度Vc时，处理器读取非接触位移计6x，6y，6z的输出，计算校正量εx，εy，εz(步骤a4)，并在存储装置中存储当前的速度Vf＝Vc和以关联于当前速度的方式的校正量εx，εy，εz(步骤a5)。
然后，处理器将速度命令Vc增加预定增量α(步骤a6)，并确定增加的速度命令Vc是否超过速度命令允许设置的最大值Vmax(步骤a7)。如果否，处理器返回步骤a2，执行步骤a2和随后的步骤。因此，在每个主轴速度，将主轴速度的校正量εx，εy，εz存储在存储装置中。当速度命令超过最大速度Vmax时，处理器结束处理。
图9示出了控制器执行的通过使用校正量校正动作命令而进行加工的程序流程图。
控制器10的处理器从加工程序中读取一个程序块(步骤b1)，并确定该程序块是否包含主轴速度命令(步骤b2)。如果包含了主轴速度命令，则处理器从存储装置中读取对应命令指定的主轴速度的校正量εx，εy，εz，并将它们存储在寄存器R(x)，R(y)，R(z)中(步骤b3)，以传统的方式执行包含主轴速度命令的程序块中的命令(步骤b5)，之后返回步骤b1。
如果读取的程序块不包含主轴速度命令，处理器转到步骤b4确定程序块中的命令是否为动作命令(步骤b4)。如果程序块中的命令不是动作命令，处理器以传统的方式执行程序块中的命令(步骤b5)，之后返回步骤b1。
如果程序块中的命令是动作命令，处理器根据存储在寄存器R(x)，R(y)，R(z)中的校正量εx，εy，εz对动作校正该动作命令指定的X，Y或Z轴的命令值，并输出和发布校正后的命令值，然后返回步骤S1。如果存储装置中没有存储对应当前主轴速度的主轴速度，则根据那些存储在存储装置中并且当前主轴速度位于其间的主轴速度的校正量，通过插值法获取对应当前主轴速度的校正量，并使用由此获取的校正量校正命令值。
执行上述的处理过程直到读取了程序结束命令。
由以上可以看出，当主轴速度命令改变时，对应改变的主轴速度命令的校正量εx，εy，εz存储在寄存器R(x)，R(y)，R(z)中，并基于存储的校正量εx，εy，εz校正相应的动作命令值。通过考虑了主轴和刀具的位移和/或跳动引起的切割位置的变化而进行校正，可以以高精度进行加工。
尽管上述实施例设置为在加工过程中校正给出的动作命令，也可以设置为读取加工程序使用校正量校正动作命令，而不进行加工，从而获得校正后的加工程序。
而且，上述实施例是在三个轴向，即X、Y和Z轴方向测量位移来获得校正量，并根据获得的校正量通过校正动作命令进行加工的例子。但是，在刀具相对于工件仅在一个方向或仅在两个方向移动的加工中，只需通过获取移动方向的校正量来校正移动方向的移动量。
此外，尽管上述实施例是刀具连接到作为旋转轴(铣刀等)的主轴上进行加工的例子，本发明也可以应用到工件连接到主轴而进行加工的车工中。
例如，如图10所示，本发明适宜菲涅耳透镜等的加工。在图10中，用于形成菲涅耳透镜的工件5连接到主轴1，当主轴1转动时，工件5也转动。通过使刀具2在主轴的轴向(Z轴方向)切入工件进行工件端面的加工。通过在与Z轴方向直角相交的X或Y方向移动刀具2，在工件5的端面上形成凹槽，从而将工件制成菲涅耳透镜。在此例中，依赖于主轴1(工件5)的旋转速度对Z轴和X轴或Y轴进行动作命令校正，可以以高精度加工菲涅耳透镜。
权利要求
1.一种控制具有主轴的机床的控制器，刀具或工件连接于该主轴以进行旋转，该控制器包括测量装置，用于使用非接触位移计在推进方向和径向至少其中之一的方向上，测量从主轴的静态到最大速度旋转态的范围内连接到主轴的旋转的刀具或工件的位移；存储装置，用于存储基于所述测量装置测量的主轴不同旋转速度下的位移所确定的主轴不同旋转速度的校正量；和校正装置，用于根据主轴的旋转速度使用所述存储装置中存储的校正量来校正机床加工程序的命令。
2.如权利要求1所述的控制机床的控制器，其中所述测量装置测量相对于工件移动刀具的进给轴的方向上的位移，从而确定进给轴的方向上的校正量并存储在所述存储装置中。
全文摘要
一种机床控制器，能够考虑基于旋转速度而产生的主轴的位移进行校正从而以高精度进行超精细加工。当主轴以高速旋转时，连接到主轴的刀具的切割位置由于主轴安装精度和重量平衡的影响而产生变化。通过使用非接触位移计测量连接到主轴的刀具端的X，Y和Z方向的位移，以关联于主轴的旋转速度的方式获得校正量并将其存储在存储装置中。在加工过程中，根据主轴速度读取校正量，并根据使用读取的校正量所校正的程序命令值进行加工。即使刀具的切割位置在高度旋转中变化，也可以根据校正后的程序命令值进行加工。因此，可以高精度进行超精细加工。
文档编号G05B19/404GK1990177SQ200610171409
公开日2007年7月4日 申请日期2006年12月26日 优先权日2005年12月27日
发明者河合知彦, 蛯原建三, 大木武 申请人:发那科株式会社