专利名称：设备的误差辨识方法和误差辨识程序的制作方法
技术领域：
本发明涉及对具有平移驱动轴和旋转驱动轴的设备的几何学误差进行辨识的方 法和程序。
背景技术：
作为具有平移驱动轴和旋转驱动轴的设备的一个例子，可以举出加工零部件、模 具的机床。在这样的机床中，使刀具或被加工物旋转，通过使这两者或者其中一者相对运动 并进行除去加工，从而将被加工物加工成任意形状。图1是作为这种机床之一的具有三根平移轴的三轴控制加工中心(三轴机)的示 意图。主轴箱2通过作为平移轴且相互正交的X轴、Z轴能够相对于床身1进行两个平移自 由度的运动，工作台3通过作为平移轴且与X轴及Z轴正交的Y轴而能够相对于床身1进 行一个平移自由度的运动。因此，主轴箱2相对于工作台3具有三个平移自由度。各轴通 过由数控装置控制的伺服电动机(未图示)被驱动，将被加工物固定于工作台3，将刀具装 配于主轴箱2并使该刀具旋转，控制被加工物与刀具之间的相对位置并进行加工。图2是作为上述的机床之一的具有三根平移轴和两根旋转轴的五轴控制加工中 心(五轴机)的示意图。主轴箱2通过作为平移轴且相互正交的X轴、Z轴能够相对于床身 1进行两个平移自由度的运动。工作台3通过作为旋转轴的C轴能够相对于摇架(cradle)4 进行一个旋转自由度的运动，摇架4通过作为旋转轴的A轴能够相对于耳轴(trunnion) 5 进行一个旋转自由度的运动，A轴与C轴相互正交。进而，耳轴5通过作为平移轴且与X轴 及Z轴正交的Y轴能够相对于床身1进行一个平移自由度的运动，因此，主轴箱2能够相对 于工作台3进行三个平移自由度和两个旋转自由度的运动，不仅能够控制被加工物与刀具 的相对位置，而且能够控制被加工物与刀具的相对姿势，并在控制的同时进行加工。作为影响所述五轴机的运动精度的因素，例如存在旋转轴的中心位置误差(相对 于假设的位置的偏差)、旋转轴的倾斜误差(旋转轴与平移轴的平行度)等各轴之间的几何 学误差(以下称作几何误差)。三轴机也存在两个平移轴之间的垂直度等几何误差，然而由 于五轴机比三轴机的轴数多，因此几何误差的数量也多。即，在三轴机中各平移轴之间的垂 直度为三个、主轴箱的旋转轴和平移轴之间的垂直度为两个，存在共计五项几何误差。另一 方面，在五轴机中，对于旋转轴来说，由于各旋转轴存在两个方向的中心位置误差和两个方 向的倾斜误差，因此每一根旋转轴存在四项几何误差，由于有两根旋转轴因此存在八项几 何误差。并且，在五轴机中，对于平移轴来说，与三轴机同样地，各平移轴之间的垂直度为三 个、主轴箱的旋转轴与平移轴之间的垂直度为两个，存在共计五项几何误差。由此，在五轴 机中存在共计十三项几何误差。并且，三轴机不存在像旋转轴中心那样的基准，而是进行以任意加工点为基准的 相对加工，而在五轴机中，在旋转轴与被加工物或刀具之间的相对关系与假设的状态不同 的情况下会产生误差。即，在五轴机中，这些几何误差对加工精度的影响比三轴机大。得知 几何误差的大小的话，就能够通过如下等方法进行高精度的加工通过调整来减小几何误差、通过将几何误差考虑进来的指令程序进行控制、对几何误差的修正进行控制。因此，为 了通过五轴机进行高精度的加工，了解五轴机的几何误差处于何种程度是非常重要的。作为辨识五轴机的几何误差的方式，提出有如下述专利文献1记载的方法。艮口， 将可测定两个球的中心之间的距离的测定器即球杆仪安装于主轴箱侧和工作台侧，将主轴 箱侧球的中心与工作台侧球的中心之间的距离保持一定，使两个平移轴进行圆弧运动的同 时使一个旋转轴同步地动作，测定主轴箱侧球与工作台侧球之间的相对位移。得到的测定 数据为圆弧轨迹，根据该中心偏差来辨识与旋转轴相关的几何误差的一部分。并且，通过改 变球杆仪的安装方向能够辨识不同的几何误差，能够辨识共计八个与旋转轴相关的几何误 差。另一方面，作为辨识五轴机的几何误差的其他方式，提出有如下述专利文献2记 载的方法。在该方法中，对旋转轴进行分度，并通过被装配于主轴箱的接触测头(touch probe)测定多个被固定于工作台上的球的中心位置。根据测定得到的多个球中心位置求得 平面，并将该平面的法线向量作为实际的旋转轴的向量，根据该向量与理想向量的差分求 得旋转轴的倾斜误差。此外，考虑到该实际向量，根据所述多个球中心位置测定值求得实际 的旋转轴中心位置，并根据实际的旋转轴中心位置与理想中心位置的差分求得旋转轴的中 心位置误差。因此，能够辨识与旋转轴相关的八个几何误差。专利文献1 日本特开2004-219132号公报专利文献2 日本特开2005-61834号公报然而，在专利文献1的方法中，需要使用高价的测定器即双球杆仪(double ball bar)，并且，该操作需要比较熟练，因此存在着不是任何人都能简单地进行的课题。另一方面，在专利文献2的方法中，使用的接触测头比较廉价，并且其作为任选附 件附属于机床以用于被加工物的定心等，因此无需购入新的测定器，入手性佳。再有，由于 控制装置执行测定用动作，因此还存在着无需熟练而能简单地测定的优点。然而，存在着仅 能辨识与旋转轴相关的几何误差而不能辨识与平移轴相关的几何误差的课题。在存在平 移轴的几何误差的情况下，由于所测定的球中心位置也包含了所述平移轴的几何误差的影 响，因此无法准确地辨识与旋转轴相关的几何误差。虽然与平移轴相关的几何误差也可先 利用其他方法进行检测，然而由于几何误差随热位移、时效变化等而变化，因此存在着因这 些变化的影响而无法准确地辨识的情况。因此，要了解某个时刻的几何误差，需要同时辨识 所有的几何误差。
发明内容
因此，本发明中的第一方面、第六方面的目的在于提供能够大致同时地辨别与旋 转轴相关的几何误差以及与平移轴相关的几何误差的方法、程序。为了达成上述目的，第一方面所述的发明为设备的误差辨识方法，其特征在于，该 设备的误差辨识方法为通过控制装置对具有两根以上的平移轴和一根以上的旋转轴的设 备的与所述平移轴和所述旋转轴相关的几何学误差进行辨识的方法，其中，该设备的误差 辨识方法包括检测步骤，将所述旋转轴分度为多个角度并将被测定件定位于多个部位，通 过位置检测传感器检测所述被测定件在三维空间上的位置；圆弧近似步骤，将在所述检测 步骤中所检测到的多个位置检测值进行圆弧近似；以及误差计算步骤，根据在所述圆弧近似步骤中近似得到的圆弧计算所述旋转轴的中心位置误差和/或所述旋转轴的倾斜误差、 以及所述平移轴的倾斜误差。在上述目的的基础上，为了达成在维持精度的同时更为简单地进行辨识的目的， 第二方面所述的发明的特征在于，在上述发明中，在所述圆弧近似步骤中，近似为以所述位 置检测值与所述旋转轴的旋转中心之间的距离为半径的圆弧，在所述误差计算步骤中，根 据近似得到的圆弧的二次分量计算所述平移轴的倾斜误差。在上述目的的基础上，为了达成在维持精度的同时更为简单地进行辨识的目的， 第三方面所述的发明的特征在于，在上述发明中，在所述圆弧近似步骤中，近似为以所述位 置检测值与所述旋转轴的旋转中心之间的距离为半径的圆弧，在所述误差计算步骤中，根 据近似得到的圆弧的一次分量计算与所述旋转轴相关的几何学误差。在上述目的的基础上，为了达成对更为复杂的设备也可简易地进行精度良好的辨 识的目的，第四方面所述的发明的特征在于，在上述发明中，所述设备具有两根以上的所述 旋转轴，在所述检测步骤中，将除了被分度为多个角度的所述旋转轴以外的所述旋转轴分 度为两个以上的角度并进行检测。在上述目的的基础上，为了达成在维持精度的同时更为简单地进行辨识的目的， 第五方面所述的发明的特征在于，在上述发明中，在所述圆弧近似步骤中，将所述位置检测 值的与所述旋转轴平行的轴向分量近似为圆弧，在所述误差计算步骤中，根据近似得到的 圆弧的一次分量计算所述旋转轴的倾斜误差。为了达成上述目的，第六方面所述的发明为设备的误差辨识程序，该设备的误差 辨识程序用于在计算机中执行上述的设备的误差辨识方法。根据本发明，不仅能够辨识与旋转轴相关的几何误差，而且能够辨识与平移轴相 关的几何误差。并且，由于能够大致同时地进行这些辨识，因此能够了解因热位移等而发生 变化的时刻的几何误差，能够有助于进行高精度的加工。进而，将比较廉价且入手性好的接 触测头用作位置检测传感器的话，无论是谁都能够简单地进行几何误差的辨识。
图1是三轴控制加工中心的示意图。图2是五轴控制加工中心的示意图。图3是本发明所采用的接触测头和目标球的一个例子的示意图。图4是将C轴分度为多个角度并进行测定的情况下的测定位置的一个例子。图5是将A轴分度为多个角度并进行测定的情况下的测定位置的一个例子。标号说明1 床身；2 主轴箱；3 工作台；4 摇架；5 耳轴；11 接触测头；12 目标球。
具体实施例方式以下，作为本发明涉及的实施方式的例子，基于适当附图对采用图2所示的五轴 控制加工中心中的计算机(控制装置，未图示)进行的误差辨识进行说明。计算机可以是 五轴机的数控装置，也可以是与五轴机的数控装置连接的独立的控制装置，也可以是两者 的组合。另外，该形态并不限于下述的例子。
首先，对几何误差进行说明。将几何误差定义为各轴之间的三个方向的相对平移 误差和三个方向的相对旋转误差共计六个分量(δ χ、δ y、δ ζ、α、β、Y)。在图2的五轴 机中，从被加工物至刀具为止的轴之间的联系按照C轴、A轴、Y轴、X轴、Z轴的顺序，将Z 轴与刀具之间的几何误差也考虑进来的话，存在共计30个几何误差。在此，对于表示各几 何误差的记号，将构成该几何误差的两个轴的名称作为下标进行表示。例如，将C轴与A轴 之间的Y方向的平移误差表示为Sy0^f Y轴与X轴之间的绕Z轴的旋转误差表示为γγχ。 此外，表示刀具的记号为Τ。在所述30个几何误差中存在多个具有冗长关系的误差。在将具有冗长关系的误 差中保留一个误差而将其他误差去除后，最终的几何误差为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 这五个为在
三轴机中也存在的与平移轴相关的几何误差，分别为X轴-Y轴之间的垂直度、Y轴-Z轴之 间的垂直度、Z轴-X轴之间的垂直度、刀具-Y轴之间的垂直度、刀具-X轴之间的垂直度。 除这些以外的八个误差为与旋转轴相关的几何误差，分别为C轴中心位置在X方向上的误 差、C轴-A轴之间的偏移误差、A轴角度偏移误差、C轴-A轴之间的垂直度、A轴中心位置 在Y方向上的误差、A轴中心位置在Z方向上的误差、A轴-X轴之间的垂直度、A轴-Y轴之 间的垂直度。计算机中包括存储这些几何误差的存储装置。在本发明中，将图3所示的接触测头11装配于主轴箱2，并将作为测定对象即被测 定件(被测定治具)的目标球12用磁铁等固定于工作台3，并基于计算机的指令检测目标 球12的中心位置。接触测头11具有感知与目标球12的接触的传感器(未图示)，并能够 在感知到接触的情况下利用红外线、电波等发出信号。计算机将在通过与其自身连接的接 收器接收到该信号的瞬间或者将延迟量也考虑进来了的时刻的、各轴的当前位置作为测定 值，并将该测定值存储于存储装置。为了测定目标球12的中心位置，当目标球12的半径已 知时，接触最少三点地进行检测就能够求得目标球12的中心位置，当目标球12的半径未知 时，接触最少四点并进行检测即能够求得目标球12的中心位置。因此，将接触测头11用作 用于检测目标球12的中心位置的位置检测传感器。另一方面，作为位置检测传感器的其他例子，在现有技术中还存在能够以非接触 方式测定距离的激光位移计、使用三个以上位移传感器同时与球接触并根据各自的检测值 求得球的中心位置的装置，这些装置可以取代接触测头11。接着，对目标球12的中心位置的检测值与几何误差之间的关系进行说明。另外， 在计算机中包括计算与该关系相关的下述各式的程序，在上述存储装置中存储有该程序、 以及下述各式及其要素和变量等。目标球12的中心位置在工作台坐标系(在不存在几何误差的理想状态下以A轴 和C轴相交的交点为原点、且X轴与设备的X轴平行的工作台3上的坐标系)中为(R，0， H)。设A轴角度为a、C轴角度为c，则在不存在几何误差的情况下的目标球12的中心位置 检测值(x，y，z)能够由以下所示的式1来表示。式1
权利要求
1.一种设备的误差辨识方法，该设备的误差辨识方法为通过控制装置对具有两根以上 的平移轴和一根以上的旋转轴的设备的与所述平移轴和所述旋转轴相关的几何学误差进 行辨识的方法，其特征在于，该设备的误差辨识方法包括检测步骤，将所述旋转轴分度为多个角度并将被测定件定位于多个部位，通过位置检 测传感器检测所述被测定件在三维空间上的位置；圆弧近似步骤，将在所述检测步骤中所检测到的多个位置检测值进行圆弧近似；以及 误差计算步骤，根据在所述圆弧近似步骤中近似得到的圆弧计算所述旋转轴的中心位 置误差和/或所述旋转轴的倾斜误差、以及所述平移轴的倾斜误差。
2.根据权利要求1所述的设备的误差辨识方法，其特征在于，在所述圆弧近似步骤中，近似为以所述位置检测值与所述旋转轴的旋转中心之间的距 离为半径的圆弧，在所述误差计算步骤中，根据近似得到的圆弧的二次分量计算所述平移轴的倾斜误差。
3.根据权利要求1所述的设备的误差辨识方法，其特征在于，在所述圆弧近似步骤中，近似为以所述位置检测值与所述旋转轴的旋转中心之间的距 离为半径的圆弧，在所述误差计算步骤中，根据近似得到的圆弧的一次分量计算与所述旋转轴相关的几何学误差。
4.根据权利要求2所述的设备的误差辨识方法，其特征在于，在所述圆弧近似步骤中，近似为以所述位置检测值与所述旋转轴的旋转中心之间的距 离为半径的圆弧，在所述误差计算步骤中，根据近似得到的圆弧的一次分量计算与所述旋转轴相关的几何学误差。
5.根据权利要求1所述的设备的误差辨识方法，其特征在于， 所述设备具有两根以上所述旋转轴，在所述检测步骤中，将除了被分度为多个角度的所述旋转轴以外的所述旋转轴分度为 两个以上的角度并进行检测。
6.根据权利要求2所述的设备的误差辨识方法，其特征在于， 所述设备具有两根以上所述旋转轴，在所述检测步骤中，将除了被分度为多个角度的所述旋转轴以外的所述旋转轴分度为 两个以上的角度并进行检测。
7.根据权利要求1所述的设备的误差辨识方法，其特征在于，在所述圆弧近似步骤中，将所述位置检测值的与所述旋转轴平行的轴向分量近似为圆弧，在所述误差计算步骤中，根据近似得到的圆弧的一次分量计算所述旋转轴的倾斜误差。
8.根据权利要求2所述的设备的误差辨识方法，其特征在于，在所述圆弧近似步骤中，将所述位置检测值的与所述旋转轴平行的轴向分量近似为圆弧，在所述误差计算步骤中，根据近似得到的圆弧的一次分量计算所述旋转轴的倾斜误差。
9.一种设备的误差辨识程序，该设备的误差辨识程序用于在计算机中执行权利要求1 所述的设备的误差辨识方法。
10.一种设备的误差辨识程序，该设备的误差辨识程序用于在计算机中执行权利要求 2所述的设备的误差辨识方法。
全文摘要
本发明提供设备的误差辨识方法和误差辨识程序，在具有两根以上的平移轴和一根以上的旋转轴的设备中，大致同时地辨识与旋转轴相关的几何误差以及与平移轴相关的几何误差。将作为旋转轴的C轴等分度为多个角度并将目标球(12)定位于多个部位，通过位置检测传感器检测目标球(12)在三维空间上的中心位置，并对所检测到的多个中心位置检测值进行圆弧近似，根据近似得到的圆弧的一次分量或二次分量等计算C轴等的中心位置误差和倾斜误差、以及作为平移轴的X轴、Y轴等的倾斜误差。
文档编号B23Q17/00GK101992407SQ20101025019
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月9日 优先权日2009年8月11日
发明者松下哲也 申请人:大隈株式会社