JP2000504867A - ワークピースおよびツールキャリッジの運動用の改良されたモニタシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 工作機械は、ワークピース（３２）を担持するためのワークピースキャリッジ（２８）を有し、ワークピースからツールキャリッジ（４８）により担持されるツール（５４）により材料が除去される。２軸スケール（８６、８８）がキャリッジの一方に取付けられ他キャリッジに取付けられる読取ヘッド（９６、９８）と協働する。読取ヘッドからの出力は信号処理手段により処理され、キャリッジの互いに対する位置および／または運動の表示を提供し、機械加工動作を行なうためのこれらの運動の制御の補助のためのキャリッジの一方または両方に関する位置データを生成するためのものである。２つのキャリッジの相対位置を直接測定することによって、たとえばキャリッジが上に装着される機械フレームの歪みなどから生じる問題が少なくとも緩和される。この機械の好ましい一実施例は、１キャリッジに取付けられ、他キャリッジ上のスケールを組入れる第２の読取ヘッドを組入れ、したがって、キャリッジがたどる経路に何らかの相対的な角変位があったかどうかを決定するため２つの読取ヘッドからの出力を使用できる。また、１キャリッジの他キャリッジに対する直線運動を決定する方法およびこの工作機械を使用して達成される機械加工方法も提供される。

Description

【発明の詳細な説明】 名称：ワークピースおよびツールキャリッジの運動用の改良されたモニタシステ ム 発明の分野 この発明は、工作機械におけるワークピースの運動およびツールキャリッジの 運動をモニタするための方法および装置ならびにこのような改良されたモニタシ ステムを取付けられたときの工作機械に関する。工作機械という用語は、ワーク ピースから材料を除去するためにツールが使用される任意の機械であって、ツー ルおよびワークピースのいずれかが、典型的にはこれらの一方または両方の回転 および直線変位を含む機械加工動作の間に互いに対して運動する、任意の機械を 意味する。発明の背景 現在、旋盤などの２軸機械においてキャリッジの位置のフィードバックを得る 手段は、移動軸の各々と機械の基部との間に直線位置感知装置を取付けることを 含んでいる。したがって、ツールとワークピースとの間の位置関係は、２組のフ ィードバック情報から導出される。すなわち、 １．基部に対する位置の変化についてモニタされる、ワークピースキャリッジ上 の点および ２．基部に対する位置の変化についてモニタされる、ツールキャリッジ上の点で ある。 しかし、ツールキャリッジ上の点に対してチェックされる基部上の位置は、ワ ークピースキャリッジ上の点の位置をモニタするために基準として使用される基 部上の点と同じではない。結果的に、以下の可能性によって、係合の点における ワークピースに対してのツールの位置の計算において誤差が生じ得る。 Ａ） ワーク送り測定システムの基準点と機械加工点との関係の変動、 Ｂ） ツール送り測定システムと機械加工点との関係における同様の変動、お よび Ｃ） ２つの軸測定システムが取付けられる基部上の２つの点の関係における 何らかの静的または動的な変化。 この発明の目的は、ツール／ワークピースの係合点の計算における誤差を減じ 、かつ高精度機械加工が可能な機械を提供するため、ワークピースキャリッジお よびツールキャリッジの位置を測定する改良された方法を提供することである。 この発明のさらなる目的は、従来のキャリッジモニタシステムを使用する場合 に必要とされるのと同程度の組立精度を必要とせず、したがって、組立コストが 著しく減じられるはずの機械設計を提供することである。 この発明は、ワークピースの機械加工の間にワークピースキャリッジおよび／ またはツールキャリッジがかなりの距離を運動する工作機械にも適用できようが 、この発明の実際の主たる適用分野は、動作量が少なく、ワークピースキャリッ ジおよびツールキャリッジの両方が機械加工動作の間比較的短い距離のみを運動 する工作機械である。発明の概要 工作機械において第１のキャリッジの第２のキャリッジに対する直線運動を決 定する方法であって、２つのキャリッジはそれぞれワークピースとワークピース の機械加工のためのツールとを担持し、２軸スケール手段が１キャリッジととも に運動するよう１キャリッジに取付けられ、スケール手段と協働する読取ヘッド が他キャリッジとともに運動するよう他キャリッジに取付けられ、前記方法は、 １キャリッジについてスケール手段と読取ヘッドとから位置データを導出するス テップと、２つのキャリッジの一方または他方または両方にこれらが機械に対し て運動するよう力を加えるステップと、キャリッジ運動の開始時および終了時の 位置データ間の差を決定することにより、他キャリッジに対する１キャリッジの 直線変位の値を導出するステップとを含む。 この発明はまた、前記他キャリッジの運動軸に平行に測定して、第１の読取ヘ ッドの取付位置から離れた位置で、２つのキャリッジのうち前記キャリッジに第 ２の読取ヘッドが取付けられる場合の、上述のような方法のさらなる方法を提供 し、このさらなる方法は、前記１キャリッジに関する第２の位置データを第２の 読取ヘッドから導出するステップと、２つの別個の読取ヘッドからの位置データ から導出される変位の値の間のいかなる差からも誤差値を計算するステップと、 前記計算された誤差値を使用して、第１の読取ヘッドから得られた直線変位値を 訂正するステップとを含む。 このようにして、この好ましい発展により、キャリッジ運動の間または終了時 に、第１の読取ヘッドから導出されるデータから決定可能な位置と第２の読取ヘ ッドから導出されるデータから決定可能な位置とを比較することによって、機械 または他キャリッジに対する１キャリッジのいかなる角偏向またはいかなる歪み も検出され補償されることが可能である。キャリッジを増分的段階的に移動させ 各段階の終了時に位置値を調整することによってキャリッジの極めて精密な位置 決めが達成できる。 位置データにおける差は、特に、１キャリッジの他キャリッジに対する角変位 および／または２つのキャリッジ軸の非直交性に起因するものであり得、いかな るこのような差も適切に設計および構築された機械においては小さなものであろ うが、もしこの誤差が訂正されなければ累積的な機械加工誤差が生じ、これに対 してこの発明は、２つの読取ヘッドからの信号を使用することによって得られる 差の値を使用して、第１の読取ヘッドから得られる位置データの訂正を可能にす ることによりこれに対処する。 この発明はまた工作機械であって、２軸スケール手段がツールキャリッジまた はそのワークピースキャリッジにそれとともに運動するよう装着され、スケール 手段と協働するよう適合される読取ヘッドが前記他キャリッジの機械加工点に近 接した点に取付けられ、信号処理手段が、機械加工動作を行なうためのキャリッ ジの一方または両方の運動の制御を補助するため、キャリッジの一方または両方 に関する位置データを発生するために１キャリッジの他キャリッジに対する位置 および／または運動を示す読取ヘッドからの信号を受取る。 上述の工作機械は、好ましくは、やはりスケール手段と協働するよう適合され 第１の読取ヘッドと同じキャリッジだが第１のヘッドが装着される位置と（キャ リッジ軸に平行に測定して）異なる位置に装着される第２の読取ヘッドを含み、 信号処理手段は、両方のヘッドからの信号を受取り、１キャリッジの他キャリッ ジに対する直線運動を示す第１の出力信号および２つのヘッドから導出される位 置信号間の何らかの差を表わす第２の出力信号（したがって、特に１キャリッジ の他キャリッジに対する何らかの非直線運動または非直交運動を示す信号）を提 供する。 ２つの読取ヘッドが設けられる場合は、この発明はまた、機械および／または 他キャリッジに対しての１キャリッジの何らかの不所望の運動の結果として起こ る読取ヘッドから得られる位置データにおけるいかなる差も補償するため、ワー クピースまたはツールキャリッジまたはその両者の位置を調整するステップを含 む。 典型的には、第１の測定システムの読取ヘッドは機械加工点に近接してツール キャリッジの下側に取付けられ、読取ヘッド用の格子は同様の態様でワークピー スキャリッジに装着される。 スケール手段は、単一の比較的大面積の２軸スケールまたは実質的に同じ平面 内に配置される２つのより小さい２軸スケールを含んでよい。 好ましい実施例においては、２つの別個の２軸スケールが１キャリッジに取付 けられ、２つのスケールはツールとワークピースとの間の係合点に可能な限り近 接させて実質的に同一の平面内に配置され、２つのスケールと協働するための２ つの読取ヘッドは２つのキャリッジの他方に担持される。もし２つのキャリッジ の運動軸が直交しており１キャリッジ軸と他キャリッジ軸との間に全く歪みが生 じなければ、１キャリッジと他キャリッジとの間のいかなる相対運動についても ２つの読取ヘッドから導出されるＸ座標およびＺ座標における変化は同一となろ う。しかしもし２つのキャリッジ軸が非直交になるような何らかの歪みが生じれ ば、１キャリッジの他キャリッジに対しての運動後に、２つの読取ヘッドの一方 から得られるＸおよび／またはＺ座標は他読取ヘッドから得られる値とは異なる ものとなるであろうし、他読取ヘッドから得られる値は、補外法によりあるべき 第１の値を示すであろう。 ワークピースキャリッジ軸とツールキャリッジ軸との間の歪みには依存せずツ ールとワークピースとの係合点を維持しいかなる歪みも補償するように、運動が 歪んでいなければワークピースキャリッジまたはツールキャリッジまたはその両 方が取ったであろう位置にこれらの一方または他方または両方を再位置付けする ように、ワークピースキャリッジまたはツールキャリッジまたはその両者に加え る力（ドライブ）を調整することによって、差をモニタし補償することができる 。 この発明を具体化し２つの読取ヘッドを用いる装置は、好ましくは、２つの読 取ヘッドからの位置データを受信する信号処理手段から得られるいかなる誤差信 号にも対処するため、工作機械内のワークピースまたはツールキャリッジの位置 を調整するためのフィードバック手段を含む。 この発明は、機械加工誤差の考えられる原因としての、以下の機械により引起 こされる誤差が完全になくならないとしても実質的に低減されるシステムを提供 する。 １．ツールキャリッジおよびワークピースキャリッジの軸の直交性、 ２．静的低振動数、動的コンプライアンス、幾何学的安定性、熱膨張および歪み （これらはすべて前記軸の一方の他方に対する角度に影響を与え得るが）を含む 、機械基部に起因する誤差、および ３．横方向、軸方向および角方向偏差ならびに案内面の外乱。 機械加工システムにおける残りの誤差は以下のように起因し得るものと考えら れる。 （Ａ） 切削工具と格子基準点との間の直接経路およびワークピース切削ゾーン と格子基準点への直接経路との間の直接経路に位置する機械力学において生じる 歪み、偏向、膨張など。 （Ｂ） 格子自体における誤差。これらの誤差は必ずしも些末なものではない。 Ｘ軸とＺ軸との直交性、補間法誤差および格子におけるいかなる他の誤差も、ワ ークピースに直接影響するであろう。 （（Ｂ）に挙げた）スケーリングおよび直交性の誤差訂正は、コンピュータ制 御を使用して電子的に行なうことができる。 注意深い機械設計によって、上述の（Ａ）で特定した歪みおよび偏向などによ る誤差は最小限に減じることができる。 （Ｂ）項の残りの誤差は極めて小さいものである傾向があり、一般に無視でき る。 機械加工の間のツールおよび／またはワークピースのそれらそれぞれの軸に沿 っての直線運動が短い場合および機械の軸が物理的に近接している場合は、キャ リッジの運動に粘性減衰を与えることによって、この発明を組入れる機械の動的 特性を高めることができる。 粘性減衰を組入れるこの発明の一実施例においては、第１のプレートがツール キャリッジに取付けられてもよく、第２のプレートがワークピースキャリッジに 取付けられてもよく、これら２つのプレートはスケールシステムに近接し、粘性 減衰がこれら２つのプレートに与えられてもよい。 一配置例では、これら２つのプレートは各々個別に別個の粘性減衰媒体に係合 し、したがって各々が精密なチューニングのため調整可能であり、または、２つ のプレートは単一の粘性減衰媒体へと突出していてもよい。 他の配置例においては、プレートの一方が他方の上に載り、前記減衰を与える ため２つのプレートの間に粘性流体が導入される。 静的なおよび低振動数の機械誤差の両方をこのように包括的に取除き、より高 振動数での相対運動を制御するため既知の方法を適用することによって、高い機 械加工精度を持つが低コストとなるように、この発明により機械を構築できる。 この発明の他局面により、静止または回転してもよいツールを使用して、回転 するワークピースから材料を除去するための機械加工方法は、ツールがワークピ ースの表面から材料を除去するようツールをワークピースの表面に係合するよう に移動させるステップと、ワークピースキャリッジまたはツールキャリッジの一 方に装着される読取ヘッドおよび動作領域に近接して位置付けられ他方のキャリ ッジに装着される２軸スケール手段を含む２軸スケール測定システムを使用して ツールキャリッジの位置を決定するステップと、ツールの前進およびしたがって 機械加工の範囲を読取ヘッドからの位置データを使用して制御するステップとを 含む。 この発明のさらなる局面により、上述のような機械加工方法は、やはり前記２ 軸スケール手段と協働し、第１に言及した読取ヘッドが装着されるのと同じキャ リッジに装着される第２の読取ヘッドによってツールキャリッジの位置を決定す るステップを含んでもよく、この方法は、（１キャリッジ軸の他キャリッジ軸に 対する角ドリフトなどの）いかなる歪みをも測定するステップと、直線キャリッ ジ運動において訂正を行なうことを可能にしそれによって機械加工の力によるい かなる歪みをも補償するため、いずれの所与の直線キャリッジ運動にも続いてス ケール読取値と予測されるスケール読取値との間のいずれの測定されたダイバー ジェンス（誤差）をも利用するステップとを含む。 この発明のさらなる好ましい特徴により、ツールキャリッジおよびワークピー スキャリッジの軸を規定する案内面は好ましくは、２つの案内面の間の距離を減 じるように、機械構造の直交垂直面上に装着される。 この発明のさらなる局面により、第１の２軸スケールがワークピースキャリッ ジに近接して装着され、第２の２軸スケールがまたワークピース軸に沿って測定 した第１に言及したスケールとワークピースとの間の距離に近い距離だけ（ワー クピースキャリッジの軸に垂直に測定して）そこから間隔をおいてワークピース キャリッジに装着され、位置感知プローブが２つのスケールと協働するためツー ルキャリッジ上に装着される。 ツールおよびワークピースの軸が同一の水平面にある場合は、２つのスケール は同一の水平面内に装着されることが好ましい。そうではない場合は、第１のス ケールは、ツールおよびツールの装着と実質的に整列して水平方向に延在するこ とが好ましく、一方、第２に言及したスケールはワークピースとその支持部と実 質的に整列して水平方向に延在することが好ましく、それによって、ツールと第 １のスケールとの間のおよびワークピースと第２のスケールとの間などの視差誤 差を減じることができる。 ２軸スケールは両方とも同一のキャリッジに取付けられるため、２つのより小 さなスケールの代わりに単一の大面積スケールを使用してもよいが、この発明は 主としてツール軸およびワークピース軸のそれぞれに沿って比較的短い移動のみ が必要とされる機械に主として適用可能であるため、このような大きな２軸スケ ールの面積の多くは実際には使用されないであろうし、したがってこのような構 成要素のコストは通常正当化されないであろう。 回転するワークピースの回転する表面から材料を除去するように回転するワー クピースに関して離散的運動命令によりツールが漸進的に移動させられる機械加 工処理において、第１のツール位置規定信号を、ツール支持部に取付けられツー ル支持部とともに運動可能であり、かつワークピース支持部が運動するに伴いワ ークピースの回転軸と平行に運動するためワークピース支持部に取付けられる２ 軸スケール手段と協働する第１の読取ヘッドから得、第２のツール位置規定信号 をやはりツール支持部に取付けられツール支持部とともに運動可能であり、２軸 スケール手段と協働する第２の読取ヘッドから得、ツールのいかなる位置誤差を も示す誤差信号を、第１の位置から第２の位置へのツールの所与の直線運動に対 し第２の読取ヘッドから得られるはずの信号の値を、第１の読取ヘッドから得ら れるツール位置規定信号を使用して決定し、実際に第２の読取ヘッドから得られ た第２のツール位置規定信号とこれとを比較することにより、得る。 １キャリッジまたは他キャリッジ（または両方）の位置は、ツールのワークピ ースに対しての所望の位置を達成するよう、前記比較により明らかになる任意の 誤差信号に応答して調整されてもよく、または、前の運動命令の結果としてのツ ールの実際の位置に対処するようツール支持部が修正されるように次の運動命令 に応答して調整されてもよい。 「工作機械」という表現の一般性を侵害することなく、この発明を旋盤および 研削盤に適用してもよい。図面の簡単な説明 以下に添付図面を参照し例としてこの発明を説明する。 図１は、明瞭性のため、選択された部分を除去し他の部分を切欠きした、この 発明を実現する工作機械の部分の平面図である。 図２は、選択された部分を明瞭性のためやはり除去した、図１の矢印Ａの方向 から見た機械の端面図である。 図３は、やはり明瞭性のため選択された部分が除去された、図１の矢印Ｂの方 向から見た機械の正面図である。 図４は工作機械用制御システムのブロック図である。 図５および図６は、各々、図４のシステムのそれぞれの部分を拡大して示すブ ロック図である。詳細な説明 図１から図３を参照し、工作機械のメインフレームの部分が１０で示される。 典型的には、これは、１２および１４の機械加工された平らな直交面を備える鋳 造物であって、この面に対し、図２および図３に最もよく図示されている、ツー ルおよびワークピース支持部（キャリッジ）を担持するための上部滑り面および 下部滑り面が取付けられる。したがって、図３に図示するように面１２において ２つの平行レール１６、１８が装着され、その上に２対の上部スライド２０、２ ２および下部スライド２４、２６がそれぞれレールに沿っての摺動運動のため装 着される。ワークピース支持部２８はスライドとワークピース支持部の一端から 突出するチャック３０とにより担持され、その中にワークピース（たとえばスピ ンドル３２）が固定される。 チャックおよびしたがってワークピースをワークピース軸３４に関して駆動す るための回転ドライブが、支持部２８内に設けられ、軸３４と平行方向に支持部 ２８を増分的に前進させたりまたは後退させたりするためのインデックスドライ ブ手段がまた設けられる（図示せず）。（図示しない）インデックスドライブは 、鋳造レール１６、１８に対しての支持部２８の高精度位置決めを可能にするた め選択される。 ２つの類似したレール３６、３８が隣接した直交鋳造面１４上に装着され、こ れらはさらなる２対のスライド４０、４２および４４、４６（図１参照）用の滑 り面を提供し、スライドはその間にツール支持部（キャリッジ）４８を担持する 。（図１に見えるように）ツール支持部上にインデックスドライブ５０が装着さ れ、これによって８つのツール５４−６８を保持するツールキャプスタン（また はタレット）５２を、図３ではツール５４がされているように８つのツールの任 意の１つをワークピース係合位置に入れるため必要とされるように回転可能にイ ンデックス付けることができる。図１の平面図ではツール５４と６２としか図示 していないが、図１はツール５４とワークピース３２との機械加工係合を図３よ りもより明確に図示する。 さらなるドライブ手段（図示せず）が、ツール軸７０に沿ってワークピース３ ２へ向けておよび３２から離しての支持部４８の増分的インデックス付けのため 、鋳造物１０または支持部４８上に装着される。 各支持キャリッジ２８、４８とそれらそれぞれの装着面１２、１４との間に、 各キャリッジ２８、４８のそのそれぞれの軸３４、７０に対する位置およびもし 軸に沿って移動するならば支持キャリッジ２８、４８の軸に対しての変位を示す ため、直線位置決定手段（図４および図６の２００、２０２）が装着される。位 置決定手段の出力はまた、キャリッジの鋳造物１０に対しての速度を計算するた め使用できる。 鋳造物１０の角は、水平面７４、７６および垂直壁７８、８０により規定され るキャビティ７２を形成するため切欠きされている２つの装着面１２、１４によ り規定される。図２では、上部水平面７４および下部水平面７６とともに壁７８ が（断面で）見えているが、図１では下部水平面７６とともに壁７８および８０ の両方が（断面で）図示されており、（上部面７４を含む）鋳造物の上部領域が 切欠きされている。 キャビティは、この発明の位置指示手段が突出できる空間を提供する。 この発明により、水平プラットホーム８２がワークピース支持キャリッジ２８ に８４で固定され、２つの別個の２軸スケール（格子）８６および８８を担持し 、一方、９０ではツール支持キャリッジ４８に対し剛性のアーム９２が固定され 、アームは支持部４８から横方向に延びてプラットホーム８２に重なりそれと平 行になるように位置付けられる。図示していないが、アーム９２の剛性を高める ためにアーム９２の上面に垂直リブを形成してもよい。その下部は実質的に平ら である。 同様の態様で、プラットホーム８２の下側に強化用リブが設けられ、その１つ が図２の９４に図示される。 ２つの読取ヘッド９６、９８がアーム９２により担持され、ヘッドはＸ軸座標 およびＺ軸座標を提供するようそれぞれスケール８６、８８に重なりこれらと協 働するようアーム９２上に位置付けられる。スケールはワークピース支持キャリ ッジ２８とともに移動し読取ヘッドはツール支持キャリッジ４８とともに移動す るため、Ｘ₁、Ｚ₁とＸ₂、Ｚ₂（鋳造物１０に対しての２つのキャリッジ２８、４ ８の一方の直線運動の開始時および終了時のＸ座標およびＺ座標）との間の差は 、実際には、１キャリッジの他キャリッジに対しての運動である。したがって、 たとえばもしワークピース支持キャリッジが静止して（すなわちＺ軸３４に沿っ た位置に固定されて）いれば、ツール支持キャリッジ４８が軸７０（Ｘ軸）に沿 って２ミクロン前進したならば、Ｚ₁の値とＺ₂の値は同じとなり、Ｘ₂の値はＸ₁ の値よりも２ミクロン大きくなるであろう。 しかし、もしツール５４を２ミクロン前進させるため支持キャリッジ４８に加 えられる駆動力へのツールとワークピースとの係合における反作用によって、支 持キャリッジ４８を装着する構造および／または鋳造物１０および／または支持 キャリッジ２８を装着する構造に小さな歪みが生じたならば、第１の読取ヘッド ９８からのＸ軸座標において２ミクロンの変化を達成するためのワークピース３ ２に対するツール５４の実際の運動は２ミクロンよりも大きくなるという結果に なるだろう。このためにワークピースの直径から除去される材料が超過するであ ろう。 応用例の中には、このような歪みより生じる誤差を無視することができるもの もあり、このような応用例については、キャリッジ４８の開始位置（すなわちキ ャリッジ４８が前進して初めてワークピースにツール５４が接触したときのその 位置）を較正した後、単に読取ヘッド９８からＸ軸座標をモニタすることによっ て機械加工増分が決定されよう。 このような誤差が許容できない場合には、第２の読取ヘッド９６からのＸ軸の 読取値も考慮され、もし９６に対する座標の値が９８からの値と調和しなくなり 始めると、ツール／ワークピースの係合点での機械加工力に対する反作用による Ｘ軸に沿って生じる歪みの大きさを示す誤差信号がコンピューティング装置にお いて計算される。 ツールのその軸７０に沿っての余計な不所望の前進を防ぐため、この誤差信号 の三角解析を利用して、ツール支持キャリッジ４８へのドライブはそれ以外の場 合よりも速く調整、解放または除去されてもよい。 プラットホーム８２を収納するため、支持キャリッジ４８の内向き面は１００ （図１および図２を参照）で窪み、アーム９２とキャリッジ４８との間の取付領 域９０は実際、凹部１００の内側面１０２上にある。 ワークピースの領域からツールアセンブリを取除くためキャリッジ４８を制止 し、所望のツールが「動作」位置に来るまでキャプスタンをインデックス付ける ことによって、５６、５８などの異なったツールを使用できるようにすることが でき、その後は新しいツールがワークピースと係合するようキャリッジを再び前 進させることができる。 この発明は特に、ワークピースに対してのツールのおよびツールに対してのワ ークピースの極めて短い軸運動（ストローク）を必要とする機械加工動作および ワークピースに応用される。このような応用例の１つである、コンピュータディ スクドライブ用スピンドルなどの小さな部品の機械加工においては、精密な完成 直径および最小高低差を達成するため高い機械加工精度が要求される。 高精度が要求される場合は、キャリッジ２８および４８のＸ軸変位およびＺ軸 変位を達成するためのドライブは、英国ベッドフォード、クランフィールド、ワ ーリー・エンドのクランフィールド・プレシジョン・エンジニアリング・リミテ ッドにより開発供給されているもののような高牽引摩擦ドライブ（High Tractio n Friction Drive）であってよい。このようなドライブは０．１ミクロン未満の 増分段階の達成を可能にする。 典型的な応用例においては、ツールキャリッジのＸ基本ストロークは２０ｍｍ のオーダであってよく、ワークピースのＺ軸ストロークは約５０ｍｍであってよ い。 再び図１を参照し、読取ヘッド９８とツールおよびワークピースの係合点（図 １の１０４）との間の距離が、読取ヘッド９８と読取ヘッド９６との間の距離に 等しければ、第２の読取ヘッド９６の完全な利点が得られる。 もしツールとワークピースとの係合点がスケールおよび読取ヘッドと同一平面 になければ視差誤差が生じ得る。 スケールと読取ヘッドとは奥行きが有限であり、ヘッドとスケールの表面との 間には小さな間隙が存在しているはずなので、スケールとヘッドとが同一の水平 平面を占めることは不可能である。しかし図示する構成は、スケール用の支持プ ラットホーム８２をワークピース軸とツールの係合点１０４（図１を参照）とを 含む水平平面１０６のすぐ下に位置付け、読取ヘッドを担持するアーム９２を水 平平面からプラットホーム８２が下になっている距離だけ水平平面より上に位置 付けることによって、これ以外の場合は生じるような視差誤差を最低限にしてい る。このようにして水平平面１０６は読取ヘッドとスケールとの間の間隙内に位 置する。 ２軸Ｘ、Ｚ座標測定装置は特に、ハイデンハイン ＧｍｂＨのヨハネス・ハイ デンハイン博士により製造され、これは、２つの直交方向における運動を精密に 決定するため回折格子と光センサとを利用する。 図４から図６を参照し、キャリッジ２８と４８とはそれぞれ「ボイスコイル」 型のモータ２０４および２０６により駆動される。モータ２０４および２０６を 動作させるための電力は、コンピュータがモータ２０８および２１０に制御信号 を送ることを可能にするデジタル信号処理インターフェイスカード２１４を通じ てモータ２０８および２１０に接続されるコンピュータ２１２（ラックＭＴＤＰ Ｃ）の制御下にある増幅器２０８および２１０により提供される。カード２１４ はまたコンピュータ２１２のスピンドル増幅器２１６の制御を可能にし、スピン ドル増幅器２１６は、チャック３０を回転させるためスピンドルモータ２１８を 動作させるための電力を供給する。 位置決定手段２０２は、キャリッジ４８上に装着される直線スケール２２０と 、鋳造物１０上に装着されスケール２２０を読取るよう配されるハイデンハイン エンコーダ２２２とを含む。鋳造物１０に対してのキャリッジ４８の位置につい てのさらなる情報は、鋳造物１０上に装着されキャリッジ４８が軸７０に沿って のその移動範囲の一端にあるときキャリッジ４８（図示せず）の部分により閉じ られるデータスイッチ２２４により提供される。決定手段２００は同様に、キャ リッジ２８上の直線スケール２２６と鋳造物１０上に装着されるセンサ２２８と データスイッチ２３０とを含む。 センサ９８、２２２および２２８からの出力はハイデンハインスプリッタボッ クス２３２を介してコンピュータ２１２に与えられ、機械の（チャック３０がや はり上に装着される）ワークピーススピンドル上に装着されスピンドルについて のしたがって、ワークピース３２についての速度および位置情報を提供するよう 配されるエンコーダ２３４からの出力も同様である。スプリッタボックス２３２ はまたこれらのセンサと増幅器２０８、２１０、および２１６との通信を可能に する。 コンピュータ２１２はまた制御回路２３６を通じてキャプスタン５２用のイン デックスドライブ５０に接続され、キャプスタン５２の角位置についての情報は 、インターフェイスユニット２４０を通じてコンピュータ２１２に接続されるKa manプローブ２３８からの出力からコンピュータにより導出される。機械上に装 着されるワークピースの部分の寸法は、やはりコンピュータ２１２に接続される 空気プローブ２４２により測定できる。 操作者は、この場合はモニタ２４６、キーパッド２４８および制御パネル２５ ０の形をとる、マンマシンインターフェイス２４４によりコンピュータ２１２の 動作を制御できる。機械はまた、さまざまな制御および情報信号を生成し、コン ピュータ２１２に接続されるＩ／Ｏインターフェイスモジュール２５２、２５４ および２５６を通じて、たとえばローダまたは測定信号などのさまざまな他の信 号を受取ることができる。機械のこの例は、コンピュータ２１２に接続され制御 回路２６０を用いてコンピュータ２１２により制御される２軸ローダロボット２ ５８を含む。 機械への主電源が中断した場合は、中断することのない電源２６２によってコ ンピュータ２１２への電源が維持され、これによって機械の停止の制御が可能に なりコンピュータ２１２の揮発性メモリからデータが失われることを防ぐ。 機械はまた、大まかに２６４で示される溝削りシステムによってワークピース へ前進させることができる溝削りツール（図示せず）を備えてもよい。 エンコーダ９６は、またスプリッタボックス２３２を通じてコンピュータ２１ ２に接続されるが、簡略化のため図４から図６においては省略する。 キャリッジ２８および４８は各々、キャリッジの運動に減衰を与えるため使用 されるそれぞれのプレートを担持してもよい。プレートは、大まかに３００およ び３０２で示される位置に、下部壁７６のちょうど上および強化リブ９４の下に 配置されてもよく、その各々がそれぞれキャリッジ４８に取付けられるプレート およびキャリッジ２８に取付けられるプレートに相当する。明瞭性のため、図に はプレートは図示しない。キャリッジ２８に取付けられるプレートは、キャリッ ジ４８に取付けられるプレートに重なり、キャリッジ運動の減衰を与えるため２ つのプレートの間に油などの粘性流体が導入される。代替的配置例においては、 ２つのプレートは互いに重なり合わず、代わって各プレートはナット７６の下に 装着されるそれぞれのトレイに部分的に重なり、このトレイが前記減衰を与える ための粘性流体を入れている。このような場合には、それぞれのキャリッジの減 衰の量を精密にチューニングできるようにするため、それぞれのプレートの重な り合う比率を変化させるよう各トレイが可動であってもよい。 次にキャリッジ２８上に装着されるワークピースに対してのキャプスタン５２ 上の作業ツール用の正しい経路を決定するため使用されるさまざまなオフセット 値および基準値の以下に述べる定義を参照しつつ、研削機械の動作の２つの例を 説明する。Ｘ軸およびＺ軸の基準点 これらは、所与の基準点により規定される、キャリッジ４８および２８のそれ ぞれのＸ軸およびＺ軸に沿った位置である。初めに、基準点は、データスイッチ ２２４および２３０が閉じているキャリッジの位置により規定できる。これらの 位置に対応する格子８６および８８のいずれかの上の基準線を、続く動作中に基 準位置を機械が見つけることができるように、機械によってストアできる。Ｘ軸およびＺ軸のホームポジション これらは、キャリッジ２８および４８のストロークの後退した端と考えられる 位置である。これらの位置においては、マンマシンインターフェイス２４４上の ディスプレイがＸについては＋３５、Ｚについては＋５０の値を示すよう設定さ れる。Ｘ軸の切削点 これは、軸３４上に（オフセットを全く必要としない）ツールが位置付けられ るであろうキャリッジ４８の位置であり、したがって、キャリッジ４８のストロ ークの最も遠い前方端、すなわちＸ＝０に対応する。Ｚ軸の切削点 キャプスタン５２上の（オフセットを必要としない）ツールはこの点でチャッ ク３０のジョーの前面から１０ｍｍ（こえた）点に位置付けられるであろうが、 これはキャリッジ２８がその作業ストロークの最も遠い前方端にある（Ｚ＝０で ある）ところである。チャックのＺ基準オフセット これは、実際に機械に取付けられるチャック３０のジョーの前面と１５ｍｍの 概念上のチャックジョーの前面との間のＺ値の差（軸３４に沿っての距離）であ る。このオフセットは、たとえばジョーのスキミング（Skimming）を補償するた め変えることができる。ツールセットのＸおよびＺオフセット これらはキャプスタン５２内のツールの切削端縁の理想位置とこれが機械に取 付けられたときの実際の位置との測定された差である。もし、このオフセットが ０であれば、ツールの端縁はＸおよびＺ＝０であるときの切削点上に位置付けら れる。これらのオフセットはオフラインツール基準付けフィクスチャ上で測定さ れコンピュータ２１２に与えられる。各ツールはそれ自身のＸオフセット値およ びＺオフセット値を必要とする。インデックスＸおよびＺツールオフセット これは、キャプスタン５２上のツールが実際に切削点に位置付けられる位置と 、機械の前の動作に対する対応する位置との検出される差である。このオフセッ トは、ツールとワークピースとの互いに対しての運動の非繰返し性を表わす。所 与のキャプスタン５２について、キャプスタン上の各位置について１組ずつ、８ 組のＸおよびＺツールオフセット値があるであろう。ＸおよびＺ測定ツールオフセット ワークピースが機械により動作された後、ワークピースはワークピースの寸法 が測定され理論上の寸法と比較される処理後測定ステーション（図示せず）に転 送される。したがって、測定ステーションは、時間に伴う条件の変化に従って予 め定められた許容誤差内に完成ワークピースの寸法を維持するため必要とされる オフセットを表わす不断に更新される値の組を生成する。緩い熱ドリフト、ツー ルの摩耗などから生じる誤差はこの態様で訂正されよう。これらの訂正は、モジ ュール２５６を通じてコンピュータへ自動的に入力することもでき、または、測 定ステーションで測定されないオフライン測定特徴が作業限界をこえるドリフト を示せば手動で入力もできる。 機械の構築およびセットアップの間に、キャリッジを基準点位置およびホーム ポジションから切削点へ移動させるため必要とされる運動量を変化させることに よって、緩い制限内でキャリッジ２８および４８の各々のストロークを調整でき る。これは、基準／ホーム位置および切削位置に対応するＸ値の間の差の変化に 反映されるであろう。 そして、Ｘ軸およびＺ軸の切削点、すなわちチャック３０のジョーの面と軸３ ４に対して、ツールの運動経路の開始点および終了点を規定するためコンピュー タ２１２をプログラミングできる。機械は、完成したワークピースをモニタしま たキャプスタン５２の非繰返し性をチェックすることによって、さらなる訂正を 自動的に行なう。例１：直径を削る 直径１０ｍｍの円筒型ワークピースを形成するため以下のステップが行なわれ る。 １．キャリッジ２８および４８をそれぞれのホームポジションに移動させる。 ２．機械外ツール基準付け装置（図示せず）のツールホルダ内にツールを位置付 けることによってツールのツールセットＸオフセットを測定する。次にツール（ たとえば５４）はキャプスタン５２の面板内の所与の受け部内に装着され、測定 されたツールセットＸオフセットがコンピュータ２１２へ入力され、コンピュー タはこの数字を受け部に適用可能なツールオフセットデータテーブル内に位置付 ける。 ３．次にツールはキャリッジ４８上でＸ＝５．０００（すなわちツールの端が軸 ３４から５ｍｍ離れた）位置まで前進させられ、コンピュータ２１２はツールの 位置座標にツールセットＸオフセットを組入れているので、ツールは１０ｍｍ直 径を削るための位置に来る。 ４．初めの削りの間、インデックスＸツールオフセットは０に設定される。 ５．直径１０ｍｍに削られたワークピースが製造された後、これは測定ステーシ ョンに転送される。 完成部品の精度は、Ｘ軸切削点の位置の累積誤差、決定されたツールセットＸ オフセット値およびキャプスタン５２内の受け部の位置の非繰返し性から導入さ れる誤差により限定されるであろうが、これら両者はキャプスタンの面プレート およびキャリッジ２８および４８の基準点に関連する。 しかし、測定Ｘツールオフセットは、測定ステーションにおいて計算され、コ ンピュータ２１２にフィードバックされ、コンピュータは測定Ｘツールオフセッ トを続くワークピースのツール位置を改めるために使用するであろう。 このようなワークピースが形成される前に、機械は、また、スケール８６およ び８８と協働して動作するセンサ９６および９８がツールがＸ軸切削点にあるこ とを示すまでキャリッジ７０を移動させることよって、そして続いてこの測定値 を決定手段２０２により与えられる位置測定値と比較することによって、インデ ックスＸツールオフセットの値を計算するであろう。このデータは、やはりツー ルインデックスの非繰返し性を訂正するためツール位置を改めるために使用され る。 機械についての他のすべての関数が変化しないままであれば、そしてオフセッ トの計算された値が正しければ、理論的には第２の部品は正確に正しい大きさに 削られるであろう。 続いての部品も同様の態様で製造することができ、このような場合には測定Ｘ ツールオフセットは訂正処理を安定化させるため平滑化アルゴリズムに支配され る。例２：面を削る 予め機械加工された特徴に関しての位置的寸法を備える面を削るためには、チ ャック３０のジョーの前部に関してのこの特徴の位置をまず確定する必要がある 。次の例では、この寸法は３ｍｍである。 １．キャリッジ２８および４８をまず前と同様そのホームポジションに移動させ る。 ２．ツールセットＺオフセットが測定できるように、次にツールを機械外ツール 基準付けフィクスチャ内に位置付ける。次にツールとそのホルダとがキャプスタ ン５２内の所与の受け部内に装着され、ツールセットＺオフセットの数字がコン ピュータに入力され、コンピュータはこの数字をこの受け部に対するオフセット データテーブル内で使用する。 ３．次にＺ＝１３．０００の位置に到達するまでキャリッジ２８を移動させ、結 果的に、コントローラがツールセットＸオフセットをワークピースに対してのツ ールの実際のＺ位置に組入れると、ツールが面を削るような位置に来る。もしこ の時点でコンピュータ２１２のメモリ内に有効なチャックＺ基準オフセットがあ れば、コンピュータは、切削面にあるときツールのＺ位置を修正するためこの数 字も使用するであろう。 ４．第１の面の削りの間にインデックスＺツールオフセット数は０に設定される 。 ５．この処理により製造された部品は続いて測定ステーションに転送され、また 続いて手動で測定することもできる。 この部品の形成の精度は、Ｚ軸切削点の位置の累積誤差、ツールセットＺオフ セット値および前記オフセットの計算されたチャックＺ基準ならびにツールホル ダ受け部（およびキャプスタン５２）の位置の非繰返し性から導入される誤差に より限定されるであろう。 もし、続く部品に対して切削面の位置を動かさねばならないことがわかったな らば、コンピュータ２１２に適切なコマンドを入力することによって、チャック Ｚ基準オフセットまたは測定Ｚツールオフセットを手動で調整することができる 。 第２の部品を削るためには、機械はツール位置を改めるため自動的に新しいオ フセットを使用するであろう。機械はまたインデックスＺツールオフセットにお いて現在見出される値（これはインデックスＸツールオフセットと同様の態様で 計算される）をとり、やはり続く部品に対してのツールインデックスの非繰返し 性を訂正するためツール位置を改めるであろう。機械の他のすべての関数は変化 しないままであり、かつ、オフセットの値が正確に計算されれば、第２の部品お よびそれに続く部品は理論的には正確に正しい大きさに削られるであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．工作機械において、第１のキャリッジの第２のキャリッジに対する直線運動 を決定する方法であって、各キャリッジはワークピースおよびワークピースを機 械加工するためのツールのそれぞれ１つを担持し、２軸スケール手段が１キャリ ッジとともに運動するよう１キャリッジに取付けられ、スケール手段と協働する 読取ヘッドが他キャリッジとともに運動するよう他キャリッジに取付けられ、前 記方法は、第１のキャリッジに対して、スケール手段と読取ヘッドとから位置デ ータを導出するステップと、２つのキャリッジの少なくとも１つが機械に対して 運動するよう２つのキャリッジの少なくとも１つに力を加えるステップと、キャ リッジの運動の開始時および終了時の位置データ間の差を決定することにより、 第１のキャリッジの第２のキャリッジに対する直線変位についての値を導出する ステップとを含む、直線運動を決定する方法。 ２．第２の読取ヘッドが、他キャリッジの運動軸に平行に測定して第１の読取ヘ ッドの取付位置から離れた位置に、２つのキャリッジのうち１キャリッジ上に取 付けられ、第２の読取ヘッドは他キャリッジに取付けられるスケール手段と協働 し、前記方法は、第１のキャリッジに関連する第２の位置データを第２の読取ヘ ッドから導出するステップと、２つの別個の読取ヘッドからの位置データから導 出される変位値の間のいかなる差からも誤差値を計算するステップと、前記計算 された誤差値を使用して、第１の読取ヘッドから得られた直線変位値を訂正する ステップとを含む、請求項１に記載の直線運動を決定する方法。 ３．読取ヘッドは両方同一のキャリッジに取付けられ、ヘッドは両方、他キャリ ッジに取付けられるスケール手段と協働する、請求項２に記載の直線運動を決定 する方法。 ４．第１のキャリッジは増分的段階的に運動し、位置値は各ステップの終了時に 調整され、それによってキャリッジの正確な位置決めが達成できる、前掲請求項 のいずれかに記載の直線運動を決定する方法。 ５．１キャリッジの機械および／または他キャリッジに対する何らかの不所望の 運動の結果として生じる、読取ヘッドから得られる位置データの何らかの差を補 償するため、ワークピースまたはツールキャリッジまたはその両者の位置を調整 するステップを含む、請求項２に記載の直線運動を決定する方法。 ６．ワークピースキャリッジまたはツールキャリッジまたはその両者へのドライ ブを調整することによって、運動が歪んでいなければとったであろう位置にワー クピースキャリッジまたはツールキャリッジの一方または他方または両方を再位 置付けし、いかなる歪みも補償され、ワークピースキャリッジ軸とツールキャリ ッジ軸との間の歪みに依存せずワークピースとツールとの係合点を維持するよう 、差がモニタされ補償される、請求項５に記載の直線運動を決定する方法。 ７．キャリッジの運動に粘性減衰が与えられる、前掲請求項のいずれかに記載の 直線運動を決定する方法。 ８．静止または回転してもよいツールを使用して回転するワークピースから材料 を除去するための機械加工の方法であって、前記方法は、ワークピースの表面か ら材料を除去するためワークピースの表面に係合するようツールを移動させるス テップと、ワークピースキャリッジまたはツールキャリッジの一方に装着される 読取ヘッドおよび動作領域に近接して位置付けられる他キャリッジに装着される ２軸スケール手段を含む２軸スケール測定システムを使用してツールキャリッジ の位置を決定するステップと、ツールの前進およびしたがって機械加工の程度を 、読取ヘッドからの位置データを使用して制御するステップとを含む、機械加工 の方法。 ９．前記方法は、やはり前記２軸スケール手段と協働し第１に言及した読取ヘッ ドと同じキャリッジに装着される第２の読取ヘッドによってツールキャリッジの 位置を決定するステップと、何らかの所与の直線キャリッジ運動に続いて、直線 キャリッジ運動の訂正を可能にしそれによって機械加工力によるいかなる歪みも 補償するため、いかなる歪みも測定し、スケール読取値と予測されるスケール読 取値との間のいかなる測定されたダイバージェンスをも利用するステップとを含 む、請求項８に記載の機械加工の方法。 １０．回転するワークピースの回転する表面から材料を除去するよう、回転する ワークピースに関して、離散運動命令によってツールが漸進的に運動させられる 機械加工の方法において、第１のツール位置規定信号はツール支持部に取付けら れツール支持部とともに可動であり、ワークピース支持部が移動するに伴いワー クピースの回転軸に平行に移動するためワークピース支持部に取付けられる２軸 スケール手段と協働する第１の読取ヘッドから得られ、第２のツール位置規定信 号は、やはりツール支持部に取付けられツール支持部とともに可動であり２軸ス ケール手段と協働する第２の読取ヘッドから得られ、ツールの何らかの位置誤差 を示す誤差信号は、第１の位置から第２の位置への所与の直線運動について第２ の読取ヘッドから得られるはずの信号の値を、第１の読取ヘッドから得られるツ ール位置規定信号を使用して決定し、これと第２の読取ヘッドから得られる実際 の第２のツール位置規定信号とを比較することによって得られる、機械加工の方 法。 １１．ワークピースに対してのツールの所望の位置を達成するため、前記比較か ら導出される何らかの誤差信号に応答して１支持部または他支持部（または両者 ）の位置が調整されてもよく、または、次の運動命令により調整され、ツール支 持部が前の運動命令の結果としての実際のツールの位置に対処するよう修正され てもよい、請求項１０に記載の機械加工の方法。 １２．機械加工されるべきワークピースを担持するための可動ワークピースキャ リッジとワークピースから材料を除去するためのツールを担持するための可動ツ ールキャリッジと、キャリッジの一方とともに運動するようにキャリッジの一方 に装着される２軸スケール手段と、前記キャリッジの他方に取付けられるスケー ル手段と協働するよう適応される読取ヘッドと、１キャリッジの他キャリッジに 対する位置および／または運動を示す読取へッドからの信号を受取り、機械加工 動作を行なうためキャリッジの一方または両キャリッジの運動の制御を補助する ためキャリッジの一方または両キャリッジに関する位置データを生成するための 信号処理手段とを含む、工作機械。 １３．工作機械は、前記読取ヘッドが装着される位置とは異なる位置に前記読取 ヘッドと同じキャリッジ上に装着されやはりスケール手段と協働するよう適応さ れるさらなる読取ヘッドを含み、信号処理手段は、両ヘッドからの信号に応答し １キャリッジの他キャリッジに対する直線運動を示す第１の出力信号と２つのヘ ッドから導出される位置信号間のいかなる差も示す第２の出力信号とを提供する 、請求項１２に記載の工作機械。 １４．読取ヘッドは、機械加工点に近接してツールキャリッジの下側に取付けら れ、スケールは類似した態様でワークピースキャリッジに装着される、請求項１ ２または請求項１３に記載の工作機械。 １５．スケール手段は、実質的に同一の平面内に、各それぞれのヘッドに対して １つずつ配置される２つの２軸スケールを含む、請求項１３に記載の工作機械。 １６．２つのスケールは、１キャリッジに取付けられ、ツールとワークピースと の間の係合点に可能な限り近接して配置され、２つのスケールと協働するための ２つの読取ヘッドは２つのキャリッジの他方により担持される、請求項１５に記 載の工作機械。 １７．工作機械は、２つの読取りヘッドからの位置データに応答する信号処理手 段から得られる何らかの誤差信号に対処するため、ワークピースまたはツールキ ャリッジの位置を調整するためのフィードバック手段を含む、請求項１３、１５ 、および１６のいずれかに記載の工作機械。 １８．工作機械は、ツールキャリッジに取付けられる第１のプレートとワークピ ースキャリッジに取付けられる第２のプレートとを含む粘性減衰手段を含み、２ つのプレートはスケールシステムに近接し、前記工作機械はさらに２つのプレー トに粘性減衰を与えるための手段を含む、請求項１２から１７のいずれかに記載 の工作機械。 １９．各プレートに粘性減衰を与えるための前記手段は、各々精密なチューニン グのために調整可能なそれぞれ別個の粘性減衰媒体を含む、請求項１８に記載の 工作機械。 ２０．２つのプレートへの減衰の適用は、両プレートが中に突出する単一の粘性 減衰媒体により達成される、請求項１８に記載の工作機械。 ２１．プレートの一方が他方に重なり、粘性流体が前記減衰を行なうため２つの プレートの間に導入される、請求項２０に記載の工作機械。 ２２．両キャリッジは、２つの案内面の間の距離を減じるよう、機械構造の直交 垂直面上に装着されるそれぞれの案内面により規定される軸に沿って移動する、 請求項１２から２１のいずれかに記載の工作機械。 ２３．２軸スケールの１つがワークピースキャリッジに近接して装着され、２軸 スケールの他方がやはりワークピースキャリッジに装着されるがワークピースの 軸に沿って測定した第１に言及したスケールとワークピースとの間の距離に類似 した距離だけ２軸スケールの一方から間隔をおいて位置付けられる、請求項１５ から１７のいずれかに記載の工作機械。 ２４．第１のスケールは好ましくは実質的にツールおよびツールの装着部と整列 して水平方向に延在し、一方第２に言及したスケールは実質的にワークピースと その支持部と整列して水平方向に延在し、したがって、ツールと第１のスケール との間などの視差誤差およびワークピースと第２のスケールとの間などの視差誤 差を減じることができる、請求項２３に記載の工作機械。