JP2002528279A - 機械のジオメトリにおける温度条件による寸法偏差を補償する方法 - Google Patents

機械のジオメトリにおける温度条件による寸法偏差を補償する方法

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ラウト・ミヒャエル
ツァツェック・ヨハン
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Abstract

(57)【要約】 工作機械における温度条件による寸法偏差を補償するためには、本発明により最小に短縮することができる、非常に多くの計算時間が必要である。このため、工作物に関する座標系において行なわれる使用者による入力を機械に関する座標系へ換算する前に、温度条件による寸法偏差の補償を行なう。これにより変換行列による必要な座標変換を、使用者による入力及び補償値のために2重で行なう必要が無くなったり、もしくは補償値を工作物に関する座標系において算出しないですみ、このことは計算時間を劇的に短縮する。更に、温度変化のためのある最小値を越えた場合にだけ、温度条件による膨張のための補償値を算定する。補償値の本質的にまれなこの算定によって、同様に計算時間を短縮することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、請求項1に記載の機械の運動学上の記載において、機械の寸法の温
度に依存した偏差を補償する方法に関する。
【0002】 以前より専門家たちの努力は、工作機械の精度を低下させる、工作機械の構成
要素における温度に依存した寸法偏差を、補償のための適当な手段によって補正
することである。
【0003】 例えばドイツ連邦共和国特許明細書第36 33 573号から、機械の構成
要素の温度に依存した膨張を補償するために、独立した、平行に整向された2つ
測定システムを使用することが公知である。例えば作動スピンドル軸の温度に依
存した膨張が生じた場合には、作動スピンドル軸に対して平行な両方の測定器に
よって算定された長さの差が設定される。その際両方の測定システム及び作動ス
ピンドルの公知の温度膨張係数、並びに公知の温度においては、作動スピンドル
の位置のための制御装置は、全て結果として生じる温度条件による膨張を算出、
補償することができる。
【0004】 この場合には、付加的な2つの回転軸に基づいて工作物を5軸加工する際に、
熱を条件とした機械の構成要素の長さの変化が、両方の回転軸の位置に依存して
、3次元直交座標系(kartesisches Koordinatensystem)の異なる方向に生じる
という欠点がある。更に、工具が案内される軌道曲線のそれぞれの内挿点で、温
度補償を新たに算定しなければならないという欠点がある。
【0005】 ドイツ連邦共和国特許出願明細書第31 51 750号より、スピンドルの
熱による移動を補償することが公知である。このため熱によって引き起こされた
スピンドルの移動の値は、スイッチを入れた後の一定の時点で、記憶装置に入れ
られる。スピンドルが位置決めされるべき場合には、スピンドルの送りのために
指示する値が、熱によって引き起こされる移動のために入れられる値の使用の下
に補償され、スピンドルはこのように補償された制御データに基づいて位置決め
される。
【0006】 この場合このやり方も、迅速な5軸加工のために適さないという欠点がある。
何故なら、軌道曲線のそれぞれ個々の内挿点のために、熱による移動を新たに算
定しなければならないからである。
【0007】 WO 第97/46925号より、機械の精度を改善する方法が公知である。
この際、レーザー干渉計又は比較可能な3次元測定システムの使用の下に、スピ
ンドルヘッドの位置が設定される。精確なこの位置は、スピンドルヘッドのプロ
グラミングされた位置と比較される。これら両方の位置データの偏差より修正値
が設定され、精密な位置決めをする制御装置に供給される。
【0008】 この場合には、非常に値段が高く、壊れ易い測定器が、精密な位置設定のため
に付加的に必要となるという欠点がある。加えてここでもまた、5軸加工のため
に、処理すべき軌道曲線のそれぞれの内挿点のために、位置を算定する際の修正
値を考慮すべきである。
【0009】 ドイツ連邦講和国特許出願明細書第42 03 994号からも、自動熱膨張
補償装置が公知である。この際、複数の温度測定子の信号に依存して修正値が算
定され、位置決め駆動機構に供給される。この際温度測定子の1つが、交換可能
な加工ヘッドに取り付けられ、加工ヘッドの膨張を補償する信号を供給する。使
用するこの温度測定子の出力信号が何もない場合には、加工ヘッドは何も結合さ
れておらず、加工ヘッドの膨張の付加的な修正は何も実施されないということが
認められる。
【0010】 機械のジオメトリへの熱の影響を補償するこの形態においても、5軸加工の際
に、それぞれ個々の内挿点のために、温度補償を算定しなければならない。
【0011】 Dr. Johannes Heidenhain GmbHのTNC426
B及びTNC430に対する技術ハンドブックの4ページ29行目から4ページ
38行目までより、5軸加工を可能とするために、旋回可能な工具ホルダ及び/
又は工作物ホルダが設けられることが公知である。このような回転が、少なくと
も1つの回転軸を中心として行なわれる場合には、例えばスピンドルの長手軸に
沿った熱膨張は、機械に関する直交座標系の1つの軸線方向へだけ生じるのでは
なく、このような座標系の軸線の少なくとも2つの方向へも生じる。機械に関す
る直交座標系のそれぞれの軸線の方向への膨張の成分は、座標系の軸線と共に旋
回させられたスピンドル軸が含み、三角法の機能の下に算定することができる角
度に依存している。更にこの出版物より、機械に関する直交座標系の少なくとも
1つの軸線を中心にして回転可能である加工ヘッド及び旋回テーブルのために、
これらの構造群によって引き起こされる、工具又は工作物の移動を考慮するため
、また構造群の運動学を記載するために、いわゆる機械のパラメータが設けられ
ていることが公知である。例えばNCセットが処理されるべきである場合には、
このNCセットが、工作物に関する座標系における大部分の座標を含み、これら
の座標が、工作物の加工を行なう工具尖端を移動させることが記載されている。
その際これらの座標は、制御装置によって−機械のジオメトリの自由度に応じて
−モータの移動量へと換算され、これらのモータは、工具尖端がNCセットでプ
ログラミングされた位置に存在するように、機械に関する座標系の軸線に沿って
機械の構造群を移動させる。その際更に温度補償のために、温度を条件とした、
機械のジオメトリの変化が考慮される。これにより最初に、機械のモータのため
の制御信号が所望の移動のために設定される。
【0012】 この場合には、5軸加工をする際、機械のジオメトリの熱膨張を補償するため
の非常に計算に時間のかかる三角法による算定を、軌道曲線のそれぞれの内挿点
に対して行なわなければならないということが欠点となる。
【0013】 従って、5軸加工をする際にも、大きな計算時間を要さずに簡単な温度補償を
実施することを可能にする方法を提供することが、本発明の課題である。
【0014】 この課題は請求項1の特徴を有する方法によって解決される。
【0015】 本発明による方法の有利な実施形は、従属する請求項より明らかになる。
【0016】 本発明による方法は、工作物に関する座標系から機械に関する座標系へと使用
者の入力を変換する前には既に、温度補償を含む構成データが考慮されるという
利点を備える。これにより温度補償が、軸駆動の制御信号を算定するために必要
である座標変換の前に行われる。工具の実際の位置への熱の影響を考慮すること
が座標変換後に残る。従って構成データにより機械のジオメトリにおける熱の影
響を考慮することによって、熱の影響の個々の構成要素を費用のかかる三角法に
より算定することは、機械に関する座標系においては無くなる。更にこれにより
、回転軸A及び/又はBを中心として回転する際には、もはや、それぞれの内挿
段階で温度補償を新たに算定する必要はない。
【0017】 本発明の詳細及び他の利点を、以下に、図面において図示された実施形により
詳細に説明する。
【0018】 以下に、その工具が、直交座標系の直交する軸線x、y及びzに対して平行に
移動できるだけでなく、付加的に回転軸A及びBの周りにも移動することができ
、これにより5軸加工が可能となるフライス盤において、本発明による方法が使
用されるところから始める。この回転は、工具が旋回ヘッドにより回転されるか
、工作物が回転テーブルにより回転されるかのいずれかによって行なうことがで
きる。両方の場合において、5軸加工が可能である。
【0019】 実行されるプログラムにNCセットの形態で使用者が入力することによるか、
機械の構造群の移動を作動させる軸方向のキーを操作することによって、制御装
置において、フライス盤の5つの軸の軸駆動機構のための制御信号が算定される
。この場合それぞれの軸には、少なくとも1つの駆動機構が設けられている。使
用者の入力は、この場合、常に工作物に関する座標系において行われ、機械に関
する座標系へ変換されなければならない。この変換は、回転が軸A又はBを中心
にして行われる場合には、特に複雑になり、多くの計算時間を必要とする。
【0020】 図1に図示されているように、回転軸A及びBが回転されることなく、x、y
及びz軸における移動だけを先ず考える場合には、機械のジオメトリの、例えば
x方向の熱を条件とした膨張は、x軸のための機械のパラメータを温度に依存し
てオフセットさせることによって補償される。この機械のパラメータによって、
もともと、機械の軸のための駆動機構と、工具が工作物に作用する加工箇所との
間で、例えば異なる加工ヘッドにより、x、y及びz座標に対するオフセット値
の形態で考慮される取り付け部分を経る機械のジオメトリの変化だけが考慮され
る。従って機械のパラメータはもはや一定の値ではなく、これにより温度に依存
した値となる。これにより今や有利に、熱膨張が既に機械のジオメトリのパラメ
ータによって算定の際に考慮され、熱膨張に基づいて、モータを制御するための
値を独立して算定することは、有利に何も行なわれない。従って、使用者の入力
及び機械のパラメータよりもともと算定されているモータを制御するための値に
加えて、熱膨張によって引き起こされる誤差を独立して計算機により考慮するこ
とはない。
【0021】 その際熱膨張の依存は、任意の機能によって、特に線形結合又は、温度及び熱
膨張によるべき結合によって記載される。熱膨張の新たな計算は、位置設定に依
存せず、例えば算定された温度変化に基づいて行なうことができる。
【0022】 このやり方は、図2において図示されているように、特にA及び/又はB軸を
中心にして工具を回転させる際に、本質的な利点を有する。回転の際、工作物に
関する座標系における目標座標の形態で行なう使用者の入力は、機械に関する座
標系における基準座標から、軸駆動機構のための予入力基準値を算定できるよう
にするために、変換行列Δによって、機械に関する座標へと変換される。この際
機械に関する座標系は、材料に関する座標系がA及びB軸の回転と共に回転し、
機械に関する座標系が空間において固定されていることによって、工作物に関す
る座標系と異なる。
【0023】 この変換行列Δは以下のように定義されている。
【式1】 この場合には、成分tx,y,zは、工作物に関する座標を機械に関する座標
系に変換する移動機構の割合を、また成分r11〜r33は、工作物に関する座
標を機械に関する座標系に変換する回転機構の割合を考慮する。従って回転が軸
A又はBの一方を中心にして行なわれたら直ちに、変換行列Δの成分r11〜r
33及び成分tx,y,zが新たに算定され、移動が軸に沿って行なわれたら直
ちに、成分tx,y,zだけが新たに算定されなければならない。
【0024】 個々に、軸駆動機構のための制御信号の形態で行なう使用者の入力から目標座
標を換算するために、本発明により先ず機械のジオメトリが、機械のパラメータ
によって考慮される。このため、回転軸の実際の角度座標を有する機械のパラメ
ータが、変換行列の構成に含まれる。機械のパラメータが、既に熱膨張を補償す
るための修正値を含んでいるので、もはやこれらの熱膨張を別個に処理する必要
はない。引き続き先ず、目標座標のベクトルが前記変換行列Δと結合され、これ
により機械に関する座標系への換算が達成される。このため目標の点のためのベ
クトルが同次で拡大され、従ってその第1の座標は1を含んでいる。その際これ
から結果として生じるベクトルは、既に温度補償された目標座標を、機械に関す
る座標系において含んでいる。その際この機械に関する座標が、軸駆動機構のた
めの制御信号を算定するために使用される。これにより工具又は工作物の回転に
関係なく、工作物に関する座標系で入力された軌道曲線が温度補償されるように
処理されるように制御されることが保証され、このため変換行列Δとの唯一つの
結合が必要である。
【0025】 これまで工作機械の個々の形態に適応させるためだけに使用される機械のパラ
メータにおいて、機械の構造群の熱膨張を補償する値を初期に考慮することに基
いて、熱膨張を補償する値は、機械のパラメータと一緒に変換行列Δに含まれる
。これにより、比較的計算に時間のかかる操作は、温度補償のために分離して実
施しなくてよく、つまり温度補償は、機械に関する座標系において個々に算定し
なくてよいということが達成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 機械に関する座標系及び工作物に関する座標系で5軸加工をすることが可能な
機械を示す。
【図2】 5軸加工をするために回転軸A及びBを中心にして回転された工具を有する図
1による機械を示す。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成12年8月23日(2000.8.23)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項1
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0012
【補正方法】変更
【補正内容】
【0012】 この場合には、5軸加工をする際、機械のジオメトリの熱膨張を補償するため
の非常に計算に時間のかかる三角法による算定を、軌道曲線のそれぞれの内挿点
に対して行なわなければならないということが欠点となる。 またヨーロッパ特許公開公報第0 625 739号においても、機械に関す
る座標系における熱膨張のための補償が行なわれている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラウト・ミヒャエル ドイツ連邦共和国、83301 トラウンロイ ト、バイエルンストラーセ、6 (72)発明者 ツァツェック・ヨハン ドイツ連邦共和国、83552 エフェンハウ ゼン、ゾンライテンストラーセ、5 Fターム(参考) 3C001 KA05 KB04 TA01 TB10 5H269 AB05 BB03 CC02 DD01 EE05 EE11 NN07

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 特に工作機械またはロボットの機械のジオメトリにおける温
    度条件による寸法偏差を補償する方法であって、軸駆動機構のための制御信号を
    設定するために、使用者による入力を第1の座標系において実施し、換算を第2
    の座標系において行なう方法において、 温度条件による寸法偏差の補償を、第1の座標系から第2の座標系へと座標を
    換算する前に行なうことを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 1つ又は複数の変化可能な機械製造群によって引き起こされ
    る移動機構及び/又は回転機構の、工具が工作物に当たる加工点の移動のための
    1つ又は複数のオフセット値を、第1の座標系に関する構成データの形態で記憶
    させること、これらのオフセット値が、温度条件による寸法偏差を補償する成分
    を備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 使用者による入力を、直接実施する制御装置に直接入力する
    形態で、又は後の時点で初めて実施するNCセットの形態で行なうことを特徴と
    する請求項1又は2に記載の方法。
  4. 【請求項4】 構成データを、一定のオフセット値及び付加的な温度に依存
    した割合より構成することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の方
    法。
  5. 【請求項5】 第1の座標系が工具又は工作物に関する座標系であり、第2
    の座標系が機械に関する座標系であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか
    1つに記載の方法。
  6. 【請求項6】 温度条件による寸法偏差の算定を、機械の熱膨張のための線
    形又はべきモデルによって行なうことを特徴とする請求項1〜5のずれか1つに
    記載の方法。
  7. 【請求項7】 検出された温度をある最小値だけ変化させた際に、温度条件
    による寸法偏差を常に新たに算定することを特徴とする請求項1〜6のいずれか
    1つに記載の方法。
JP2000578704A 1998-10-22 1999-09-30 機械のジオメトリにおける温度条件による寸法偏差を補償する方法 Pending JP2002528279A (ja)

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