專利名稱：機(jī)床控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超精細(xì)機(jī)床的控制器，特別涉及在旋轉(zhuǎn)軸以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行的刀刃位置校正。
背景技術(shù)：
刀具在持續(xù)使用中會(huì)磨損。如果不顧及刀具的損耗而持續(xù)進(jìn)行加工，那么加工精度會(huì)逐漸降低。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，采用了以下的方法測量刀具的直徑和/或刀具端面的位置，獲得刀具校正量，校正刀具直徑的設(shè)定值和加工條件。
為了測量刀具直徑和刀具端面位置，采用了刀具停止旋轉(zhuǎn)時(shí)測量，或者刀具保持旋轉(zhuǎn)時(shí)測量的方法。
例如，已知一項(xiàng)發(fā)明，其中，隨著主軸保持轉(zhuǎn)動(dòng)，使用非接觸檢測器檢測連接到主軸的參考刀具的半徑值X0和連接到主軸的加工刀具的半徑值x0，并存儲(chǔ)該兩個(gè)值；進(jìn)行預(yù)訂單位數(shù)量的加工后，保持主軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，測量參考刀具的半徑值Xi和加工刀具的半徑值xi；然后獲得加工之前和加工之后檢測的參考刀具的半徑值之間的差值A(chǔ)Xi＝Xi-X0，以及加工之前和加工之后檢測的加工刀具的半徑值之間的差值A(chǔ)xi＝xi-x0；之后，由這兩個(gè)所檢測的半徑值的差值，獲得刀具損耗品質(zhì)ATi＝Axi-AXi；通過將刀具損耗品質(zhì)的累積值A(chǔ)S與刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，提供刀具校正值(參見JP63-50140B)。
還已知一項(xiàng)發(fā)明，其中，通過與切割刀具圓周面接觸的測量儀器的探測器測量切割刀具的旋轉(zhuǎn)跳動(dòng)(run-out)；重復(fù)切割刀具的替換直到所測量的值降低到等于或小于一閾值；當(dāng)降低到等于或小于閾值時(shí)，進(jìn)行加工。測量儀器的探測器周期性地與切割刀具的圓周面和端面接觸以檢測磨損，并依賴于檢測的磨損量改變加工條件或確定刀具壽命(參見JP 2843488B)。
還已知一種方法，其中，通過檢測刀具一次旋轉(zhuǎn)中切割位置的變化獲取校正值。例如，JP 3162936B公開了一項(xiàng)發(fā)明，其中，通過在X軸傳感器與端銑刀的圓周面相接觸時(shí)以低速旋轉(zhuǎn)端銑刀，獲得最大跳動(dòng)然后獲得基于最大跳動(dòng)的X軸校正值；通過在Z軸傳感器與端銑刀的圓周面相接觸時(shí)以低速旋轉(zhuǎn)端銑刀，獲得最大跳動(dòng)然后獲得基于最大跳動(dòng)的Z軸校正值。
如上所述，在現(xiàn)有技術(shù)中，測量刀具直徑等以及進(jìn)行刀具直徑校正的目的是為了阻止因?yàn)榈毒吣p而引起的刀具直徑變化所進(jìn)而引起的加工精度降低。此外，在JP 3162936B中描述的發(fā)明中，是在考慮刀具一次旋轉(zhuǎn)中的跳動(dòng)或刀具連接差錯(cuò)而進(jìn)行校正的目的下測量刀具直徑等。
同時(shí)，在進(jìn)行超精細(xì)加工的機(jī)床中，當(dāng)以連接到高速旋轉(zhuǎn)的主軸上的刀具或工件進(jìn)行加工時(shí)，切割位置不會(huì)因?yàn)榈毒叩哪p或一次旋轉(zhuǎn)跳動(dòng)而變化。
圖1至3是解釋主軸以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)致上述變化的示圖。圖1至3中，主軸1由軸承2可旋轉(zhuǎn)的支撐，刀具或工件連接到主軸1上。圖1至3是關(guān)于其中連接了刀具2的例子。如圖1所示，在主軸1不旋轉(zhuǎn)的情況下，刀具2的中心軸與主軸1的中心軸4一致。但是，當(dāng)主軸以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸1的中心軸4如圖2中斷線和參考符號4’(由此發(fā)生位移的主軸和刀具分別以參考符號1’和2’示出)所示移位，或者如圖3的斷線所示主軸1變?yōu)閮A斜并產(chǎn)生跳動(dòng)，從而刀具的徑向位置和推進(jìn)位置發(fā)生變化，使得刀刃(cutting edge)位置產(chǎn)生變化。
這樣的在高速旋轉(zhuǎn)中，連接至高速旋轉(zhuǎn)軸的刀具或工件的位移是因?yàn)橹鬏S(旋轉(zhuǎn)軸)裝配精度及主軸(旋轉(zhuǎn)軸)重量平衡的影響，這種影響在高速旋轉(zhuǎn)中出現(xiàn)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，高速旋轉(zhuǎn)下的主軸位移(刀具或工件的位移)的測量以下述方式進(jìn)行如果圓柱體形狀的工件連接到旋轉(zhuǎn)軸，則使得傳感器等與圓柱體的旋轉(zhuǎn)面接觸。
如果刀具連接到主軸(旋轉(zhuǎn)軸)，則如圖4所示，從切割入工件5的刀具2的刀刃2a的位置測量旋轉(zhuǎn)中旋轉(zhuǎn)軸(主軸1)的位移。
但是，以此方法測量高速旋轉(zhuǎn)下主軸(旋轉(zhuǎn)軸)的位移是困難的任務(wù)。而且本申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)連接到旋轉(zhuǎn)軸(主軸)的刀具、工件或之類的位移量依賴旋轉(zhuǎn)軸(主軸)的旋轉(zhuǎn)速度而變化。因此，為了以高精度進(jìn)行加工，需要進(jìn)行考慮了依賴旋轉(zhuǎn)速度的刀具、工件或之類的位移量的校正。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種控制器，其能夠根據(jù)主軸的旋轉(zhuǎn)速度通過校正主軸的位移以高精度進(jìn)行超精細(xì)加工。
本發(fā)明的控制器控制具有其上連接有要旋轉(zhuǎn)的刀具或工件的主軸的機(jī)床。該控制器包括測量裝置，用于使用非接觸位移計(jì)在推進(jìn)方向和徑向至少其中之一的方向上，測量從主軸的靜態(tài)到最大速度旋轉(zhuǎn)態(tài)連接到主軸的旋轉(zhuǎn)的刀具或工件的位移；存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)基于所述測量裝置測量的主軸不同旋轉(zhuǎn)速度下的位移所確定的主軸不同旋轉(zhuǎn)速度的校正量；和校正裝置，用于根據(jù)主軸的旋轉(zhuǎn)速度使用所述存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)的校正量來校正機(jī)床加工程序的命令。
測量裝置可以測量相對于工件移動(dòng)刀具的進(jìn)給軸的方向上的位移，從而確定進(jìn)給軸的方向上的校正量并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中。
通過以上配置，即使在高速旋轉(zhuǎn)中刀具或工件產(chǎn)生位移時(shí)，也可以在加工中補(bǔ)償?shù)毒呋蚬ぜ奈灰埔赃_(dá)到高精度的超精細(xì)加工。


圖1示出了主軸停止旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)圖；圖2示出了主軸以高速旋轉(zhuǎn)從而旋轉(zhuǎn)的中心產(chǎn)生位移的狀態(tài)圖；圖3示出了主軸以高速旋轉(zhuǎn)從而主軸傾斜并產(chǎn)生跳動(dòng)的狀態(tài)圖；圖4是解釋用于測量主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的連接到主軸的刀具的位移的傳統(tǒng)測量方法的示圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的機(jī)床控制器實(shí)施例在獲得校正量時(shí)的功能框圖，以及從垂直于主軸的軸的角度看的與刀具非接觸的位移計(jì)的配置示意圖；圖6示出了從主軸的軸向觀察，本發(fā)明的實(shí)施例中的與刀具非接觸的位移計(jì)的設(shè)置的視圖；圖7是相同實(shí)施例的機(jī)床控制器進(jìn)行加工時(shí)，響應(yīng)于高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的主軸位移而進(jìn)行校正的功能框圖；圖8是由相同實(shí)施例的機(jī)床控制器執(zhí)行的獲取校正量的程序流程圖；圖9是由相同實(shí)施例的機(jī)床控制器執(zhí)行的進(jìn)行加工的程序流程圖；
圖10是本發(fā)明應(yīng)用于菲涅耳透鏡加工的示例圖。
具體實(shí)施例方式
圖5的示意框圖示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，考慮到諸如連接到主軸的刀具或工件等旋轉(zhuǎn)體的位移時(shí)獲得校正量的結(jié)構(gòu)示意框圖，其伴隨著主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的主軸位移和/或跳動(dòng)(run-out)。在此實(shí)施例中，連接到主軸的旋轉(zhuǎn)體是刀具。
關(guān)于本發(fā)明，用于控制機(jī)床的控制器10，例如數(shù)字控制器，包括校正量獲取裝置12和用于存儲(chǔ)獲取的校正量的校正量存儲(chǔ)裝置13。
當(dāng)要獲取校正量時(shí)，用于測量X軸方向位移、Y軸方向位移和Z軸方向位移的非接觸位移計(jì)分別對準(zhǔn)相對于工件移動(dòng)刀具的進(jìn)給軸的X軸方向、Y軸方向和Z軸方向圍繞刀具2設(shè)置。首先，相對于連接到可旋轉(zhuǎn)地由軸承3支撐的主軸1上的刀具2(或工件)，將非接觸位移計(jì)6x，6y的相應(yīng)傳感器部分接近刀具端部的圓周面設(shè)置，以檢測X軸方向位移和Y軸方向位移(圓周面位置的變化)，其中X軸方向和Y軸方向是主軸1旋轉(zhuǎn)時(shí)刀具2的半徑方向并且以直角相互交叉。并且，用于檢測刀具2的推進(jìn)方向(Z軸方向)位移(刀具端面位置的變化)的非接觸位移計(jì)6z的傳感器部分接近于刀具2的端面設(shè)置。
圖5示出了從Y軸觀察時(shí)，刀具2和非接觸位移計(jì)6x，6y，6z之間的關(guān)系。圖6示出了從Z軸觀察時(shí)，刀具2和非接觸位移計(jì)6x，6y之間的關(guān)系。如圖6所示，依賴于主軸(旋轉(zhuǎn)軸)的旋轉(zhuǎn)速度(刀具的旋轉(zhuǎn)速度)，刀具2徑向(X軸方向、Y軸方向)位移εx，εy產(chǎn)生變化，從而刀刃位置產(chǎn)生變化。盡管未示出，軸向(Z軸方向)位移εz，即刀具2端面位置的變化量也依賴于旋轉(zhuǎn)速度變化。這些位移εx，εy，εz通過非接觸位移計(jì)6x，6y，6z進(jìn)行測量。
用于控制機(jī)床的控制器10，例如數(shù)字控制器，和非接觸位移計(jì)6x，6y，6z通過輸入/輸出接口11連接。而且，用于檢測主軸旋轉(zhuǎn)速度的速度檢測器7與控制器10通過輸入/輸出設(shè)備以傳統(tǒng)方式連接。
因此，控制器10通過連續(xù)地改變速度命令，給于驅(qū)動(dòng)主軸1的主軸馬達(dá)(未示出)指定的速度，而不對主軸1產(chǎn)生負(fù)擔(dān)，來使主軸1和刀具2旋轉(zhuǎn)。校正量獲取裝置12通過輸入/輸出接口11獲取每個(gè)旋轉(zhuǎn)速度下由非接觸位移計(jì)6x，6y，6z檢測的位移，并獲取校正量，并且以關(guān)聯(lián)于速度檢測器7檢測到的并通過輸入/輸出接口11提供的速度將校正量存儲(chǔ)在校正量存儲(chǔ)裝置13中。
因此，在校正量存儲(chǔ)裝置13中，刀具2的徑向(X軸方向、Y軸方向)校正量和推進(jìn)方向(Z軸方向)校正量通過與主軸1的旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)聯(lián)的方式進(jìn)行存儲(chǔ)。
圖7是控制器10進(jìn)行加工時(shí)的功能框圖。與傳統(tǒng)的數(shù)字控制器相比，控制器10不同之處在于提供了動(dòng)作命令校正裝置15。
程序分析裝置14分析加工程序并生成執(zhí)行數(shù)據(jù)。動(dòng)作命令校正裝置15從校正量存儲(chǔ)裝置13中讀取對應(yīng)命令給出的主軸1速度的校正量，并校正程序指定的動(dòng)作命令。發(fā)布裝置16執(zhí)行校正后的動(dòng)作命令的發(fā)布，并對每個(gè)軸將結(jié)果命令提供給伺服控制部。
圖8示出了獲取校正量的程序流程圖，其由控制器10的處理器執(zhí)行并對應(yīng)于圖5的功能框圖。
在主軸1沒有負(fù)擔(dān)的情況下，非接觸位移計(jì)6x，6y，6z如圖5和6所示的圍繞刀具設(shè)置，提供校正量獲取命令給控制器10。控制器10的處理器首先將主軸的速度命令Vc設(shè)置為初始速度V0(步驟a1)，輸出該速度命令至主軸控制電路使主軸以速度命令Vc指定的速度旋轉(zhuǎn)(步驟a2)。處理器等待，直到來自用于檢測主軸速度的速度檢測器7的速度反饋值Vf達(dá)到指定速度Vc(步驟a3)。當(dāng)速度反饋值Vf達(dá)到指定速度Vc時(shí)，處理器讀取非接觸位移計(jì)6x，6y，6z的輸出，計(jì)算校正量εx，εy，εz(步驟a4)，并在存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)當(dāng)前的速度Vf＝Vc和以關(guān)聯(lián)于當(dāng)前速度的方式的校正量εx，εy，εz(步驟a5)。
然后，處理器將速度命令Vc增加預(yù)定增量α(步驟a6)，并確定增加的速度命令Vc是否超過速度命令允許設(shè)置的最大值Vmax(步驟a7)。如果否，處理器返回步驟a2，執(zhí)行步驟a2和隨后的步驟。因此，在每個(gè)主軸速度，將主軸速度的校正量εx，εy，εz存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中。當(dāng)速度命令超過最大速度Vmax時(shí)，處理器結(jié)束處理。
圖9示出了控制器執(zhí)行的通過使用校正量校正動(dòng)作命令而進(jìn)行加工的程序流程圖。
控制器10的處理器從加工程序中讀取一個(gè)程序塊(步驟b1)，并確定該程序塊是否包含主軸速度命令(步驟b2)。如果包含了主軸速度命令，則處理器從存儲(chǔ)裝置中讀取對應(yīng)命令指定的主軸速度的校正量εx，εy，εz，并將它們存儲(chǔ)在寄存器R(x)，R(y)，R(z)中(步驟b3)，以傳統(tǒng)的方式執(zhí)行包含主軸速度命令的程序塊中的命令(步驟b5)，之后返回步驟b1。
如果讀取的程序塊不包含主軸速度命令，處理器轉(zhuǎn)到步驟b4確定程序塊中的命令是否為動(dòng)作命令(步驟b4)。如果程序塊中的命令不是動(dòng)作命令，處理器以傳統(tǒng)的方式執(zhí)行程序塊中的命令(步驟b5)，之后返回步驟b1。
如果程序塊中的命令是動(dòng)作命令，處理器根據(jù)存儲(chǔ)在寄存器R(x)，R(y)，R(z)中的校正量εx，εy，εz對動(dòng)作校正該動(dòng)作命令指定的X，Y或Z軸的命令值，并輸出和發(fā)布校正后的命令值，然后返回步驟S1。如果存儲(chǔ)裝置中沒有存儲(chǔ)對應(yīng)當(dāng)前主軸速度的主軸速度，則根據(jù)那些存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中并且當(dāng)前主軸速度位于其間的主軸速度的校正量，通過插值法獲取對應(yīng)當(dāng)前主軸速度的校正量，并使用由此獲取的校正量校正命令值。
執(zhí)行上述的處理過程直到讀取了程序結(jié)束命令。
由以上可以看出，當(dāng)主軸速度命令改變時(shí)，對應(yīng)改變的主軸速度命令的校正量εx，εy，εz存儲(chǔ)在寄存器R(x)，R(y)，R(z)中，并基于存儲(chǔ)的校正量εx，εy，εz校正相應(yīng)的動(dòng)作命令值。通過考慮了主軸和刀具的位移和/或跳動(dòng)引起的切割位置的變化而進(jìn)行校正，可以以高精度進(jìn)行加工。
盡管上述實(shí)施例設(shè)置為在加工過程中校正給出的動(dòng)作命令，也可以設(shè)置為讀取加工程序使用校正量校正動(dòng)作命令，而不進(jìn)行加工，從而獲得校正后的加工程序。
而且，上述實(shí)施例是在三個(gè)軸向，即X、Y和Z軸方向測量位移來獲得校正量，并根據(jù)獲得的校正量通過校正動(dòng)作命令進(jìn)行加工的例子。但是，在刀具相對于工件僅在一個(gè)方向或僅在兩個(gè)方向移動(dòng)的加工中，只需通過獲取移動(dòng)方向的校正量來校正移動(dòng)方向的移動(dòng)量。
此外，盡管上述實(shí)施例是刀具連接到作為旋轉(zhuǎn)軸(銑刀等)的主軸上進(jìn)行加工的例子，本發(fā)明也可以應(yīng)用到工件連接到主軸而進(jìn)行加工的車工中。
例如，如圖10所示，本發(fā)明適宜菲涅耳透鏡等的加工。在圖10中，用于形成菲涅耳透鏡的工件5連接到主軸1，當(dāng)主軸1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，工件5也轉(zhuǎn)動(dòng)。通過使刀具2在主軸的軸向(Z軸方向)切入工件進(jìn)行工件端面的加工。通過在與Z軸方向直角相交的X或Y方向移動(dòng)刀具2，在工件5的端面上形成凹槽，從而將工件制成菲涅耳透鏡。在此例中，依賴于主軸1(工件5)的旋轉(zhuǎn)速度對Z軸和X軸或Y軸進(jìn)行動(dòng)作命令校正，可以以高精度加工菲涅耳透鏡。
權(quán)利要求
1.一種控制具有主軸的機(jī)床的控制器，刀具或工件連接于該主軸以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，該控制器包括測量裝置，用于使用非接觸位移計(jì)在推進(jìn)方向和徑向至少其中之一的方向上，測量從主軸的靜態(tài)到最大速度旋轉(zhuǎn)態(tài)的范圍內(nèi)連接到主軸的旋轉(zhuǎn)的刀具或工件的位移；存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)基于所述測量裝置測量的主軸不同旋轉(zhuǎn)速度下的位移所確定的主軸不同旋轉(zhuǎn)速度的校正量；和校正裝置，用于根據(jù)主軸的旋轉(zhuǎn)速度使用所述存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)的校正量來校正機(jī)床加工程序的命令。
2.如權(quán)利要求1所述的控制機(jī)床的控制器，其中所述測量裝置測量相對于工件移動(dòng)刀具的進(jìn)給軸的方向上的位移，從而確定進(jìn)給軸的方向上的校正量并存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)裝置中。
全文摘要
一種機(jī)床控制器，能夠考慮基于旋轉(zhuǎn)速度而產(chǎn)生的主軸的位移進(jìn)行校正從而以高精度進(jìn)行超精細(xì)加工。當(dāng)主軸以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，連接到主軸的刀具的切割位置由于主軸安裝精度和重量平衡的影響而產(chǎn)生變化。通過使用非接觸位移計(jì)測量連接到主軸的刀具端的X，Y和Z方向的位移，以關(guān)聯(lián)于主軸的旋轉(zhuǎn)速度的方式獲得校正量并將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中。在加工過程中，根據(jù)主軸速度讀取校正量，并根據(jù)使用讀取的校正量所校正的程序命令值進(jìn)行加工。即使刀具的切割位置在高度旋轉(zhuǎn)中變化，也可以根據(jù)校正后的程序命令值進(jìn)行加工。因此，可以高精度進(jìn)行超精細(xì)加工。
文檔編號G05B19/404GK1990177SQ200610171409
公開日2007年7月4日 申請日期2006年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者河合知彥, 蛯原建三, 大木武 申請人:發(fā)那科株式會(huì)社