JP2004322255A

JP2004322255A - 直線位置計測器付き工作機械

Info

Publication number: JP2004322255A
Application number: JP2003119614A
Authority: JP
Inventors: Takao Hayashi; 孝雄林; Atsushi Nakagawa; 篤中川
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】加工手段の移動の原点座標を正確に求め、加工手段の送り精度、加工精度を向上させることのできる直線位置計測器付き工作機械を提供する。
【解決手段】ワークＷを支持して回転させるワーク支持手段３と、ワーク支持手段３に対して相対移動可能に設置された加工手段４と、直線位置計測器２５とを備える。直線位置計測器２５は、ワーク支持手段３および加工手段４のいずれか一方および他方にそれぞれ取付けられたスケール２５ａおよびセンサ２５ｂを有する。加工手段４の移動を制御する移動制御主端２７は、ワーク支持手段３の回転中心Ｏ_Ｗを原点座標Ｘ_００として制御するものとする。この原点座標Ｘ_００を設定する原点座標設定手段２５として、ワーク支持手段３に把持されたマスタワークや治具等の所定の被検出部Ｍを上記直線位置計測器２５で実測し、その実測結果により設定するものを設ける。この実測は、タッチプローブ１９が被検出部Ｍに接してオンしたときの直線位置計測器２５の値を読み込むものとする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、旋盤等の工作機械において、クローズドループ方式で制御するための直線位置計測器を備えた直線位置計測器付き工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
旋盤等の工作機械のフィードバック制御形式として、一般的には、サーボモータに付属のパルスコーダを利用したセミクローズドループ方式が採用される。高精度加工のために、刃物台の位置をリニアエンコーダ等の直線位置計測器で直接に読み取って制御するクローズドループ方式が採られることがある。上記のいずれの場合も、原点位置は、刃物台が主軸から最も離れた位置とすることが一般的である。この他に、クローズドループ方式と、サーボモータの回転検出によるセミクローズドループ方式とを併用し、主軸中心を原点とすることも提案されている（例えば特許文献１）。また、旋盤の熱変位補正機能を備えた制御装置や、加工済みのワークの計測を行う機内計測装置において、ワークの実測による校正を行うことも提案されている（例えば特許文献２，３）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１４４１９１号
【特許文献２】
実用新案登録第２５７４２８８号公報
【特許文献３】
特公平７−８３９７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記各従来例のうち、特許文献１に示すものは、主軸中心を原点としてクローズドループ方式による加工が行われるため、フィードバック制御方法として、最も精度の高い制御が可能である。しかし、機械組付け時に、直線位置計測器の原点位置に微小な誤差があったり、また長年使用の間に直線位置計測器の原点位置に狂いが生じた場合に、初期の加工精度が得られなくなることがある。
また、特許文献２や特許文献３によるものは、加工済みワークの機内計測や、機械の熱変位補正のために校正動作を適宜行うようにしているが、計測器の原点位置に狂いが生じた場合の加工を考慮したものではなく、原点位置の誤差に対して加工精度の向上が望めない場合がある。
【０００５】
この発明の目的は、加工手段の移動の原点座標を正確に求め、加工手段の送り精度、加工精度を向上させることのできる直線位置計測器付き工作機械を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の構成を実施形態に対応する図１と共に説明する。この直線位置計測器付き工作機械は、ワーク（Ｗ）を支持して回転させるワーク支持手段（３）と、ワーク（Ｗ）に加工を行うために上記ワーク支持手段（３）に対して相対移動可能に設置された加工手段（４）と、上記ワーク支持手段（３）および加工手段（４）のいずれか一方および他方にそれぞれ取付けられたスケール（２５ａ）およびセンサ（２５ｂ）を有し上記加工手段（４）の上記ワーク支持手段（３）に対する相対移動の位置を検出する直線位置計測器（２５）と、上記加工手段（４）の刃先が上記ワーク支持手段（７）の回転中心（Ｏ_Ｗ）に一致する位置が原点座標として定められて、上記直線位置計測器（２５）の計測値に従い上記加工手段（４）の上記相対移動を制御する移動制御手段（２７）とを備える。この工作機械において、上記ワーク支持手段（３）の所定の被検出部（Ｍ）を上記直線位置計測器（２５）で実測してその実測結果により上記移動制御手段（２７）の上記原点座標を設定する原点座標設定手段（２５）とを備えたものである。
この構成によると、移動制御手段（２７）による加工手段（４）の移動制御がワーク支持手段（３）の回転中心（Ｏ_Ｗ）を原点座標として行われる。また、スケール（２５ａ）およびセンサ（２５ｂ）を有する直線位置計測器（２５）により、加工手段（４）の移動位置が直接に検出される。そのため、機械部（１）自体に熱変位や外乱等による多少の変位が生じても、ワーク支持手段（３）の回転中心（Ｏ_Ｗ）となるワーク中心からワーク（Ｗ）の加工部位までの半径寸法に対応する機械変位分だけとなる。そのため、機械自体の精度が多少変化しても、加工精度が低下しない。この場合に、原点座標に誤差があると、その誤差の影響が生じるが、この発明では、原点座標設定手段（２５）により、ワーク支持手段（４）の所定の被検出部（Ｍ）を上記直線位置計測器（２５）で実測してその実測結果により上記移動制御手段（２７）の上記原点座標を設定するため、精度良く原点位置が設定できる。例えば、機械部（１）の組立時に直線位置計測器（２５）の機械部（１）に対する設置位置の誤差が生じていたり、長年使用の間に直線位置計測器（２５）の設置位置に微妙な狂いが生じたような場合であっても、実測結果により原点位置を正しく設定することができる。したがって、ワーク支持手段（３）の回転中心（Ｏ_Ｗ）を原点座標としたこと、加工手段（４）の位置を直接に検出する直線位置計測器（２５）を用いたこと、および原点座標を実測結果に応じて設定することとが相まって、加工手段（４）の送り精度およびワーク（Ｗ）の加工精度の向上が得られる。
【０００７】
この発明において、原点座標設定手段（２５）が、上記加工手段（４）に設けられて上記ワーク支持手段（３）の所定の被検出部（Ｍ）に接触したことを検出するタッチプローブ（１９）と、このタッチプローブ（１９）により検出されたときの上記直線位置計測器（２５）の検出値に基づき上記原点座標を設定する原点設定処理部（２４）とを有するものであっても良い。
この構成の場合、加工手段（４）に設けられたタッチプローブ（１９）と直線位置計測器（２５）とで被検出部（Ｍ）の位置を検出し、それに基づき原点位置を設定するため、加工手段（４）と直線位置計測器（２５）の関係のずれが生じず、より一層精度が向上する。
【０００８】
上記被検出部（Ｍ）は、上記ワーク支持手段（３）の回転中心（Ｏ_Ｗ）に対して上記相対移動方向の両側に被検出面（Ａ），（Ｂ）を有するものであることが好ましい。上記原点座標設定手段（２５）は上記被検出部（Ｍ）の上記両側の被検出面（Ａ），（Ｂ）を実測した値の平均値を原点位置とする。
回転中心（Ｏ_Ｗ）に対する両側の被検出面を検出して平均するため、原点位置をより一層精度良く求めることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施形態を図面と共に説明する。この直線位置計測器付き工作機械は、機械部１と、この機械部１を制御する制御装置２とを備え、機械部１に直線位置計測器２５が設けられている。機械部１は、ワークＷを支持して回転させるワーク支持手段３と、ワークＷに加工を行うためにワーク支持手段３に対して相対移動可能に設置された加工手段４とを備える。この実施形態は、タレット式の旋盤に適用したものであり、ワーク支持手段３は主軸８からなる。主軸８は、ベッド５上に設置された主軸台７に支持されており、ワークＷを把持する主軸チャック８ａを有している。主軸８は、ベッド５または主軸台７に設置された主軸モータ（図示せず）により回転駆動される。
【００１０】
加工手段４は、ベッド５上に進退自在に設置された送り台９と、この送り台９に設置された刃物台１０と、刃物台１０に取付けられた工具１６と、送り台９の進退駆動手段１１とで構成される。送り台９は、ベッド５上に設けられた案内１２上を、主軸８の軸方向（Ｚ軸方向）に対する直交方向（Ｘ軸方向）に進退自在に設置されている。進退駆動手段１１は、サーボモータ１３の回転により、ボールねじ機構１４を介して送り台９を進退させるものである。サーボモータ１３は、パルスコーダまたはパルスジェネレータ等の回転検出器１５を有している。刃物台１０はタレットからなり、外周の複数箇所に設けられた各工具ステーションに工具１６が取付けられる。工具１６は、バイト等の固定工具であっても、ドリル等の回転工具であっても良い。刃物台１０の一部の工具ステーションに、工具１６の代わりにタッチプローブ１９が設けられている。タッチプローブ１９は、先端が物体に接触することで検出信号を出力するセンサである。このタレット刃物台１０は、タレット軸１７を介して送り台９にその進退方向（Ｘ軸方向）と直交する方向（Ｚ軸方向）に出入り自在で、かつ回転自在に設置されている。送り台９には、刃物台１０の出入り駆動手段と割出回転駆動手段（いずれも図示せず）が搭載されている。なお、送り台９は、図示は省略するが、例えば上下２段積みの構成とし、その下側送り台部分に対して上側送り台部分を前後（Ｚ軸方向）移動自在とし、その上側送り台部分にタレット刃物台１０を回転自在に設置したものであっても良い。また、加工手段４は、タレット式のものに限らず、刃物台１０を省略し、送り台９に工具１６を取付けたものであっても良い。換言すれば、送り台９が刃物台となるものであっても良い。
【００１１】
直線位置計測器２５は、直線状に延びるスケール２５ａ、およびこのスケール２５ａを読み取るセンサ２５ｂを有するものである。このような直線位置計測器２５として、磁気スケール、光学スケール、インダクトシン等が使用できる。直線位置計測器２５は、スケール２５ａおよびセンサ２５ｂを有する形式のものであれば良く、リニアエンコーダ、あるいは一般にリニアセンサまたはリニアスケール等と呼ばれるものが使用される。
直線位置計測器２５は、ワーク支持手段３と加工手段４との間に、両手段３，４の相対移動方向（Ｘ軸方向）に沿って設けられる。その場合に、スケール２５ａおよびセンサ２５ｂのいずれか一方がワーク支持手段３に取付けられ、他方が加工手段４に取付けられる。また、スケール２５ａが加工手段４の進退方向（Ｘ軸方向）に延びて設置される。図示の例では、スケール２５ａの端部がワーク支持手段３の主軸台７の上面に取付けられて加工手段４の上方に延び、加工手段４の送り台９の上面にセンサ２５ｂが取付けられている。センサ２５ｂの出力は、センサアンプ（図示せず）を有するセンサインタフェース２６を介して取り出される。
【００１２】
制御装置２は、コンピュータ式の数値制御装置からなり、加工プログラム２１を演算制御部２２で解読して機械部１の各部を制御する手段である。制御装置２は、プログラマブルコントローラの機能を有している。演算制御部２２は中央処理装置（図示せず）および制御プログラムからなる。演算制御部２２のうち、加工手段４の移動制御を行う部分が移動制御部２７ａである。この移動制御部２７ａとサーボコントローラ２３とで、移動制御手段２７が構成される。移動制御部２７ａは、加工プログラム２１の移動命令Ｒに従い、その命令の指令値に対応するパルス列等により移動指令をサーボコントーラ２３に出力する。サーボコントーラ２３は、上記移動指令に従って、加工手段４の進退駆動手段１１のサーボモータ１３に駆動電流を出力する。サーボコントローラ２３は、位置フィードバック制御機能を有するものとされ、直線位置計測器２５の検出信号がセンサインタフェース２６を介してサーボコントローラ２３に入力される。直線位置計測器２５は加工手段４の位置を直接に検出するものであるため、サーボコントローラ２３は位置制御につきクローズドループ形式のフィードバック制御を行うことになる。また、サーボコントローラ２３は、サーボモータ１３の回転検出器１５の回転検出信号を用いて速度フィードバック制御を行う。
【００１３】
移動制御手段２７は、加工手段４の標準工具等の所定の工具１６の刃先がワーク支持手段３の回転中心Ｏ_Ｗに一致する位置が、この移動制御手段２７により制御を行う原点座標として定められ、直線位置計測器２５の計測値に従い、加工手段４の上記相対移動を制御する。直線位置計測器２５自体の原点位置は、そのスケール２５ａの端部であり、この例では主軸台７上にあるが、上記のように工具刃先が回転中心Ｏ_Ｗに一致するときの直線位置計測器２５の読取り値となるべき値が、原点基準値Ｘ_０として、移動制御手段２７における原点座標記憶手段２８に記憶される。この原点基準値Ｘ_０は、工作機械の設計上で分かる値である。原点基準値Ｘ_０は、移動制御手段２７における移動制御部２７ａに設定され、制御に用いられる。
【００１４】
移動制御手段２７は、上記原点基準値Ｘ_０に対するオフセット値αの設定が可能とされ、オフセット値αが設定されている場合は、原点基準値Ｘ_０にオフセット値αを加えた値であるＸ_０＋αを、制御の際の原点座標Ｘ_００として用いる。オフセット値αは、上記原点座標記憶手段２８に、原点基準値Ｘ_０と共に設定可能である。なお原点座標記憶手段２８は、原点基準値Ｘ_０を記憶するエリアとオフセット値αを記憶するエリアとを総称したものであり、両エリアは物理的に異なる記憶手段に設けられていても良い。オフセット値αは、次のように原点座標設定手段２５により、実測値に基づいて設定される。また、原点座標記憶手段２８は、オフセット値αを記憶せずに、実測により求められた原点座標Ｘ_００を記憶するものとしても良い。
【００１５】
原点座標設定手段２５は、ワーク支持手段３の所定の被検出部Ｍを直線位置計測器２５で実測してその実測結果により移動制御手段２７の原点座標Ｘ_００を設定する手段である。原点座標設定手段２５は、上記タッチプローブ１９と、このタッチプローブ１９により接触が検出されたときの直線位置計測器２５の検出値に基づき上記原点座標Ｘ_００を設定する原点設定処理部２４とを有する。原点設定処理部２４で行う原点座標Ｘ_００の設定は、この例では具体的にはオフセット値αの設定である。
被検出部Ｍは、例えば主軸チャック８ａに把持されるマスタワークまたは治具である。被検出部Ｍは、主軸８の軸部または主軸チャック８ａであっても良い。この例では、被検出部Ｍはマスターワークとしている。この被検出部Ｍは、主軸回転中心Ｏ_Ｗに対して、加工手段４の相対移動方向（Ｘ軸方向）の両側に被検出面Ａ，Ｂを有するものである。上記原点座標設定手段２５は上記被検出部Ｍの上記両側の被検出面Ａ，Ｂを実測した値Ｘ_Ａ，Ｘ_Ｂの平均値（Ｘ_Ａ，Ｘ_Ｂ）／２を原点座標Ｘ_００とするものとしている。具体的には、上記平均値（Ｘ_Ａ，Ｘ_Ｂ）／２と原点基準値Ｘ_０とのオフセット値αを求め、この原点基準値Ｘ_０をオフセット値αで補正した値を原点座標Ｘ_００としている。
【００１６】
原点座標設定手段２５による原点座標の設定は、加工プログラム２１に設けられた校正モード動作のプログラム部分２１ａを演算制御部２２で実行することにより行われる。校正モード動作のプログラム部分２１ａは、加工プログラム２１とは別に設けられて、加工プログラム２１と同じプログラム記述形式で表現されたプログラムであっても良い。校正モード動作のプログラム部分２１ａは、加工部４の刃物台１０をタッチプローブ１９がワーク支持手段３側に向くように割り出す動作の命令と、タッチプローブ１９が被検出部Ｍの上記各被検出面Ａ，Ｂに接触するように加工手段４を動作させる命令と、タッチプローブ１９が上記各被検出面Ａ，Ｂに接触したことを検出する信号に応答してその検出時の直線位置計測器２５の値を読み取る処理の命令とを含む。校正モードプログラム部分２１ａは、その読み取った２つの被検出面Ａ，Ｂの値の平均値を求め、その平均値から移動制御手段２７の原点座標記憶手段２８におけるオフセット値αを求めて設定する処理までを行う命令を有するものであっても良い。その場合、図示した原点設定処理部２４は、校正モード動作のプログラム部分２１ａの一部で構成されることになる。
【００１７】
つぎに、原点設定の具体的動作を説明する。図３において加工手段４が、その工具刃先がワーク支持手段３の回転中心Ｏ_Ｗ（主軸中心）にあるときの直線位置計測器２５の示すべき値は、設計上で予め定まった値である。この値が原点基準値Ｘ_０であるとする。しかし、組立誤差や経時的な狂いにより、実際の値はＸ_０とは若干異なる値になる。その差であるオフセット値αを次のように求める。
すなわち、校正モードの動作プログラム部分２１の命令により、加工手段４の送り台９を動作させて、タッチプローブ１９を被検出部Ｍの上記回転中心Ｏ_Ｗの両側の被検出面Ａ，Ｂに順次当接させ、タッチプローブ１９がオンしたときの直線位置計測器２５の値を読み取る。直線位置計測器２５で検出される被検出面Ａ，Ｂの座標値がそれぞれＸ_Ａ，Ｘ_Ｂであるとすると、原点設定処理部２４は、両被検出面Ａ，Ｂの平均値（Ｘ_Ａ＋Ｘ_Ｂ）／２の値を取る。この値（Ｘ_Ａ＋Ｘ_Ｂ）／２と、先に定められた原点基準値Ｘ_０との差がオフセット値αとなる。このオフセット値αを、原点座標記憶手段２８のオフセット値記憶領域に設定する。移動制御手段２７は、このように設定されたオフセット値αを、原点基準値Ｘ_０に加算した座標値を原点座標Ｘ_００として加工の制御を行う。
【００１８】
なお、上記の例はオフセット値αを求めるようにしたが、上記のように検出した被検出面Ａ，Ｂの座標値Ｘ_Ａ，Ｘ_Ｂの平均値（Ｘ_Ａ＋Ｘ_Ｂ）／２の値を、そのまま原点座標記憶手段２８に設定し、その値をＸ軸方向の原点座標Ｘ_００として移動制御手段２７による制御を行うようにしても良い。
【００１９】
この構成の直線位置計測器付き工作機械によると、このように加工手段４の位置を直接に検出する直線位置計測器２５を用い、かつワーク支持手段３の回転中心Ｏ_Ｗを原点座標Ｘ_００とし、この原点座標Ｘ_００を上記直線位置計測器２５を用いた実測により求めるようにしたため、加工手段４の送り精度およびワークＷの加工精度を向上させることができる。
【００２０】
なお、上記実施形態では、タッチプローブ１９を用いたが、タッチプローブ１９の代わりに、被検出部Ｍに対し所定の距離まで近接するとオン動作する非接触変位計を用いても良い。
【００２１】
【発明の効果】
この発明の直線位置計測器付き工作機械は、ワーク支持手段および加工手段のいずれか一方および他方にそれぞれ取付けられたスケールおよびセンサを有し上記加工手段の上記ワーク支持手段に対する相対移動の位置を検出する直線位置計測器と、上記加工手段の刃先が上記ワーク支持手段の回転中心に一致する位置が原点座標として定められて、上記直線位置計測器の計測値に従い上記加工手段の上記相対移動を制御する移動制御手段と、上記ワーク支持手段の所定の被検出部を上記直線位置計測器で実測してその実測結果により上記移動制御手段の上記原点座標を設定する原点座標設定手段とを備えたものであるため、加工手段の移動の原点座標を正確に求め、加工手段の送り精度、加工精度を向上させることができる。
上記原点座標設定手段が、上記加工手段に設けられて上記ワーク支持手段の所定の被検出部に接触したことを検出するタッチプローブと、このタッチプローブにより検出されたときの上記直線位置計測器の検出値に基づき上記原点座標を設定する原点設定処理部とを有する場合は、加工手段と直線位置計測器の関係のずれが生じず、より一層精度が向上する。
上記被検出部が、上記ワーク支持手段の回転中心に対して上記相対移動方向の両側に被検出面を有するものであり、上記原点座標設定手段は上記被検出部の上記両側の被検出面を実測した値の平均値を原点位置とするものである場合は、原点位置の精度がより精度良く設定でき、より一層精度の良い加工が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかる直線位置計測器付き工作機械の概念構成を示すブロック図とその機械部の正面図とを組み合わせた説明図である。
【図２】同工作機械の機械部の平面図である。
【図３】同工作機械の原点設定のための計測動作の説明図である。
【符号の説明】
１…機械部
２…制御装置
３…ワーク支持手段
４…加工手段
８…主軸
９…送り台
１０…刃物台
１６…工具
１１…進退駆動手段
１６…工具
１９…タッチプローブ
２１…加工プログラム
２１ａ…校正モード動作のプログラム部分
２５…直線位置計測器
２５ａ…スケール
２５ｂ…センサ
２７…移動制御手段
２８…原点座標記憶手段
Ａ，Ｂ…被検出面
Ｍ…被検出部
Ｏ_Ｗ…回転中心
Ｘ_０…原点基準値
Ｘ_ＯＯ…原点座標
Ｗ…ワーク
α…オフセット

Claims

ワークを支持して回転させるワーク支持手段と、ワークに加工を行うために上記ワーク支持手段に対して相対移動可能に設置された加工手段と、上記ワーク支持手段および加工手段のいずれか一方および他方にそれぞれ取付けられたスケールおよびセンサを有し上記加工手段の上記ワーク支持手段に対する相対移動の位置を検出する直線位置計測器と、上記加工手段の刃先が上記ワーク支持手段の回転中心に一致する位置が原点座標として定められて、上記直線位置計測器の計測値に従い上記加工手段の上記相対移動を制御する移動制御手段と、上記ワーク支持手段の所定の被検出部を上記直線位置計測器で実測してその実測結果により上記移動制御手段の上記原点座標を設定する原点座標設定手段とを備えた直線位置計測器付き工作機械。
上記原点座標設定手段が、上記加工手段に設けられて上記ワーク支持手段の所定の被検出部に接触したことを検出するタッチプローブと、このタッチプローブにより検出されたときの上記直線位置計測器の検出値に基づき上記原点座標を設定する原点設定処理部とを有する請求項１記載の直線位置計測器付き工作機械。
上記被検出部が、上記ワーク支持手段の回転中心に対して上記相対移動方向の両側に被検出面を有するものであり、上記原点座標設定手段は上記被検出部の上記両側の被検出面を実測した値の平均値を原点位置とするものとした請求項１または請求項２記載の直線位置計測器付き工作機械。