JP2007044802A - 多軸工作機械における旋回軸中心測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な旋回軸中心を容易に測定可能であって、高精度な加工を実現させることのできる旋回軸中心測定方法を提供する。
【解決手段】まず、テーブル上の所定位置にマスター球２５を設置するとともに、Ａ軸の旋回軸中心をＡ（ｙ０，ｚ０）と仮定する。次に、テーブルをＡ軸周りに任意の旋回角度βだけ旋回させ、その傾斜状態（旋回角度β）においてマスター球２５の中心Ｃ１（ｃｙ１，ｃｚ１）を求める。その後、さらにテーブルをＡ軸周りに所定角度αだけ旋回させて旋回角度γ（すなわち、γ＝α＋β）とし、その傾斜状態（旋回角度γ）においてマスター球２５の中心Ｃ２（ｃｙ２，ｃｚ２）を求める。ここで、ベクトルＡＣ１をα度回転させた直線がベクトルＡＣ２となるため、旋回軸中心Ａ（ｙ０，ｚ０）を演算により算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、たとえば５軸制御マシニングセンタ等といった多軸工作機械において旋回軸中心を測定するための方法に関するものである。

近年、省段取りや加工精度の向上、多面加工といったニーズに応えるべく複数の旋回軸を有する多軸工作機械が注目されている。そして、たとえば特許文献１に開示されているような多軸工作機械が従来より知られている。

特開２００１−１９８７４９号公報

ここで、従来の多軸工作機械６１について図５を基に説明する。図５は、多軸工作機械１を側面から見た説明図である。尚、チルトテーブル６５側を多軸工作機械６１の前方とする。
多軸工作機械６１は、ベッド６２上に、Ｘ軸方向へスライド移動自在なコラムベース６３と、チルトテーブル６５をＡ軸周りで旋回可能に支持したチルトベース６４とを設置したものである。コラムベース６３上には、Ｚ軸方向へスライド移動自在なコラム６６が設置されており、該コラム６６の前面には、切削工具７１を取付可能な主軸頭６７がＹ軸方向へスライド自在に設置されている。一方、チルトテーブル６５上には、ワークＷを載置可能な旋回テーブル６８がＢ軸周りで旋回可能に設置されている。そして、切削工具７１のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へのスライド移動を制御するとともに、ワークＷをＡ軸、及びＢ軸周りで旋回移動させながらワークＷに対する加工を行う。

このように構成される多軸工作機械６１において、たとえばＡ軸やＢ軸といった旋回軸中心は、基本的には機械原点等といった使用者に分かりやすい位置に設定されている。しかしながら、多軸工作機械６１が設置されている環境の変化や長期に亘る使用によって、その旋回軸中心の位置に誤差が生じ、加工精度の悪化等の要因となる。そこで、多軸工作機械６１において加工を始める前に、予めＡ軸やＢ軸といった旋回軸の中心位置を把握（測定）する必要がある。

該旋回軸の中心位置を把握・測定する方法の一つとして、従来採用していたものを以下に例示する。図６は、従来の旋回軸中心測定方法について示した説明図である。尚、該説明では、便宜上、立型マシニングセンタで説明する。
（ａ）まず、テーブル８１上に基準ブロック（寸法が既知の方体ブロック）８２を載置するとともに、主軸頭８３に基準工具（長さ・径が既知の円筒）８４を装着する。そして、主軸頭８３を基準位置からＹ軸方向へとスライド移動させ、基準ブロック８２の特定箇所（以下、測定ポイントと称す）と接触したときの座標をＹ座標として測定する。
（ｂ）また、同状態にある基準ブロック８２に対し、主軸頭８３をＺ軸方向へとスライド移動させ、同様に基準ブロック８２の測定ポイントのＺ座標を測定する。
（ｃ）次に、テーブル８１を９０度旋回（たとえば、Ａ軸周りで）させる。そして、該状態にある基準ブロック８２に対し、主軸頭８３をスライド移動させて、基準ブロック８２の測定ポイントのＹ座標を測定する。
（ｄ）さらに、９０度旋回状態にある基準ブロック８２の測定ポイントのＺ座標を測定する。
そして、得られた２点の座標値（４つの座標値）と、旋回角９０度とから旋回中心を算出・測定していた。

しかしながら、上述したような測定方法によれば、方体の基準ブロックと円筒状の基準工具を用いるため、０度と９０度とでしか座標を測定できない。したがって、０度と９０度以外の角度で旋回軸中心線がずれているような場合、正確な旋回軸中心を測定できないという問題を抱えている。
また、他の角度で測定を行う場合には、新たな装置を必要としたり、新たな段取りを作成する必要が生じるため、その確認作業に手間がかかるという問題もある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、正確な旋回軸中心を容易に測定可能であって、高精度な加工を実現させることのできる旋回軸中心測定方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、旋回対象を所定の旋回軸周りで旋回可能に備えてなる多軸工作機械において、該旋回軸の旋回軸中心を測定するための方法であって、前記旋回対象に、前記旋回軸に直交する断面の形状が円をなす基準体を設置するとともに、旋回軸中心Ａを仮定する第１工程と、前記旋回対象を任意の旋回角度βに位置させ、該旋回角度βにおける前記基準体の前記円の中心座標Ｃ１を求める第２工程と、前記旋回対象を更に所定角度αだけ旋回させ旋回角度γとし、該旋回角度γにおける前記基準体の前記円の中心座標Ｃ２を求める第３工程と、仮定された前記旋回軸中心Ａと前記中心座標Ｃ１、Ｃ２とから求められるベクトルＡＣ１、ベクトルＡＣ２、及び旋回角度αとから実際の旋回軸中心Ａを算出する第４工程とを行うことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、上記第４工程の後に、前記基準体を設置した旋回対象を任意の旋回角度δに位置させ、該旋回角度δにおける前記基準体表面上の所定の測定点の座標値を測定により求める第５工程と、前記第４工程にて算出された旋回軸中心Ａを基に前記旋回角度δにおける前記測定点の座標値を演算により求める第６工程と、前記第５工程及び第６工程でそれぞれ求めた測定点同士を比較する第７工程とを行うことを特徴とする。

本発明によれば、旋回軸に直交する断面の形状が円をなす基準体を用いることにより、従来利用されてきた基準ブロックのように測定可能な旋回角度が限定されることなく、任意の旋回角度に対応できる。したがって、９０度旋回ができない旋回軸であっても、その旋回軸中心を容易に測定することが可能であり、汎用性に富む。
また、１つの段取りで旋回軸の様々な角度での座標の測定を容易に行うことができるため、より正確な旋回軸中心をより短時間で測定することができる。
さらに、請求項２の発明によれば、任意の旋回角度δにある旋回対象上の基準体の所定測定点の座標値について、実測により求めたものと演算により求めたものとを比較する。したがって、測定された旋回軸中心が正確なものか否かを容易に判断することができ、より信頼性の高い高精度な旋回軸中心の測定を可能とする。さらにまた、比較により誤差が生じた場合、該誤差を基に算出された旋回軸中心を補正することで、より高精度な旋回軸中心を測定可能とすることもできる。加えて、基準体に所定の測定点を設定してやることにより、たとえばタッチプローブ等を用いる際、タッチプローブを常に同じ方向から基準体に当接させることになり、タッチプローブの測定方向による誤差や主軸頭等のスライド移動機構の誤差を少なくすることができ、より高精度な確認・測定が可能となる。

以下、本発明の一実施形態となる多軸工作機械における旋回軸中心測定方法ついて図面を基に説明する。尚、本実施形態では、多軸工作機械をその一例である５軸制御立形マシニングセンタとして説明する。

まず多軸工作機械２について図１を基に説明する。図１は、多軸工作機械２の外観を示した斜視説明図である。尚、多軸工作機械２のＹ軸方向を前後方向、Ｘ軸方向を左右方向、Ｚ軸方向を上下方向とする。
多軸工作機械２の基盤となるベッド１１の上面には、Ｙ軸案内１２、１２が形成されており、該Ｙ軸案内１２、１２には、トラニオン構造のＡＣ軸ユニット１３がＹ軸方向（すなわち、前後方向）へ移動可能に設置されている。ＡＣ軸ユニット１３は、前面が幅広なＵ字状に形成されたトラニオン１４を備えてなるものであって、トラニオン１４の左右にＡ軸駆動機構１５、１５を内蔵している。そして、トラニオン１４を、Ａ軸駆動機構１５、１５によって、Ｘ軸方向（すなわち、左右方向）に平行なＡ軸を中心に（以下、Ａ軸周りにと称す）回転傾斜可能としている。一方、トラニオン１４は、加工対象となるワークを載せたパレットを設置するためのテーブル（旋回対象）１６を備えている。該テーブル１６は、トラニオン１４に内蔵されたＣ軸駆動機構（図示せず）によって、Ｚ軸と平行なＣ軸を中心として（以下、Ｃ軸周りにと称す）３６０度旋回可能に構成されている。

また、ベッド１１には、Ｙ軸案内１２、１２を跨ぐように門形構造のクロスレール１７が固定されている。クロスレール１７の前面には、Ｘ軸案内面１８が形成されており、該Ｘ軸案内面１８に、ラムサドル１９がＸ軸方向へ移動可能に設置されている。さらに、ラムサドル１９の前面には、Ｚ軸案内面２０が形成されており、該Ｚ軸案内面２０には、下端に主軸２２を備えた主軸頭２１がＺ軸方向（すなわち、上下方向）へ移動可能に設置されている。尚、ラムサドル１９、ＡＣ軸ユニット１３、及び主軸頭２１は、各案内面と平行に設置されたボールネジと、該ボールネジに連結されたサーボモータ（図示せず）とにより移動可能となっている。また、工作機械１には、ＮＣ制御手段を有する演算装置（図示せず）が設けられており、該ＮＣ制御手段によって、ＡＣ軸ユニット１３やサーボモータ等の駆動が制御されている。
そして、テーブル１６上に固定されるワークをＡ及びＣ軸周りで回転させるとともにＹ軸方向へと移動させて位置決めし、工具を取り付けた主軸２２をＸ軸及びＺ軸方向へと移動させることにより、ワークに対して多面加工を施すことができる。

一方、テーブル１６の側面には、上方へと突出するようなＬ字状の支持部材が着脱自在に備えられており、該支持部材の先端にはマスター球２５が取り付けられている。マスター球２５は、径・変形率等が既知の球体であって、多軸工作機械２においてＡ軸又はＣ軸の旋回軸中心を測定するにあたって、上述の如く支持部材を介してテーブル１６に設置して使用される。このようにマスター球２５を支持部材を介して設置することにより、テーブル１６上にワークを装着したままで、後述の如き旋回軸中心の測定を行うことができる。また、Ｘ軸方向においてテーブル１６の旋回中心に近い位置に位置させることができ、ワークに加工を施す位置の近くで測定を行うことができるため、より信頼性の高い測定値を得ることができる。

このように構成される多軸工作機械２において、加工前に予めＡ軸やＣ軸といった旋回軸の中心位置を測定することは、加工精度の向上へとつながる。そこで、該多軸工作機械２における旋回軸中心の測定方法について、図２〜４を基に説明する。
図２は、本発明に係る旋回軸中心測定方法において使用するマスター球２５の中心位置を求める様子を示した説明図であり、図３は、マスター球２５を用いて旋回軸中心を測定する様子を示した説明図である。また、図４は、測定された旋回軸中心を確認する様子を示した説明図である。

このようなマスター球２５及びタッチプローブ２６を利用して旋回軸中心の位置を測定する。以下、Ａ軸についてその旋回軸中心を測定する方法について説明する。
まず、所定位置にマスター球２５を設置するとともに、Ａ軸の旋回軸中心をＡ（ｙ０，ｚ０）と仮定する（工程１）。
次に、トラニオンをＡ軸周りに任意の旋回角度βだけ旋回させ、その傾斜状態（旋回角度β）においてマスター球２５の中心Ｃ１（ｃｙ１，ｃｚ１）を求める（工程２）。マスター球２５の中心位置を求めるにあたっては、図２に示す如く、マスター球２５の表面の任意の３点の座標をタッチプローブ２６により測定し、演算により算出する。

その後、さらにトラニオンをＡ軸周りに所定角度αだけ旋回させて旋回角度γ（すなわち、γ＝α＋β）とし、その傾斜状態（旋回角度γ）においてマスター球２５の中心Ｃ２（ｃｙ２，ｃｚ２）を求める（工程３）。
ここで、ベクトルＡＣ１をα度回転させた直線がベクトルＡＣ２となるため、旋回軸中心Ａ（ｙ０，ｚ０）を演算により算出する（工程４）。
このような方法によって、Ａ軸の旋回軸中心を測定する。尚、タッチプローブ２６による測定や、該測定値に基づく演算等は、多軸工作機械２に設けられている演算装置にて行われる。また、Ｃ軸についてその旋回軸中心を測定したい場合にも同様の方法で行えばよく、テーブルをＣ軸周りにβ、γと旋回させ、それぞれの状態においてマスター球２５の中心を求めればよい。

また、上記方法によって、測定した旋回軸中心が正しいか否かを図４に示すような方法で確認することができる。つまり、上記方法によって旋回軸中心を測定しているため、トラニオンを任意の旋回角度に位置させたマスター球２５表面上の所定測定点の座標を演算により求めることができる。したがって、演算により算出された座標と実際にタッチプローブ２６により測定された座標とを比較することで、旋回軸中心が正しいか否かを確認することができる。該確認にあたっては、トラニオンを徐々に（たとえば、所定の単位角度ずつ）旋回させてマスター球２５をδ１〜δ５に順次位置決めし、その都度、マスター球２５表面上の所定測定点（ここでは、球の左端）について演算値と測定値とを比較するようにすることにより、測定された旋回軸中心の正確さ（信頼性）を向上させることができる。また、所定測定点を設定してやることにより、タッチプローブ２６を常に同じ方向からマスター球２５に当接させることになり、タッチプローブ２６の測定方向による誤差や主軸頭等のスライド移動機構の誤差を少なくすることができ、より高精度な確認・測定が可能となる。

以上のような旋回軸中心の測定方法によれば、マスター球２５を用いることにより、従来利用されてきた基準ブロックのように測定可能な旋回角度が限定されることなく、任意の旋回角度に対応できる。したがって、９０度旋回ができない旋回軸であっても、その旋回軸中心を容易に測定することが可能であり、汎用性に富む。また、１つの段取りで旋回軸の様々な角度での座標の測定を容易に行うことができるため、より正確な旋回軸中心をより短時間で測定することができる。
さらに、マスター球２５をテーブル上に設置するとともに、タッチプローブ２６を主軸２２に装着するだけで行うことができるため、別途新しい装置等を用意する必要もなく、汎用性が非常に高い。

さらに、測定された旋回軸中心を上述したような方法で確認することができる。したがって、測定された旋回軸中心の信頼性が高くなるため、多軸工作機械２において高精度な加工を実現させることができる。
加えて、該確認においては、所定測定点を設定してやることにより、タッチプローブ２６を常に同じ方向からマスター球２５に当接させることになり、タッチプローブ２６の測定方向による誤差や主軸頭等のスライド移動機構の誤差を少なくすることができ、より高精度な確認・測定が可能となる。

なお、本発明の測定方法や該測定方法を実施する多軸工作機械の構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、上記実施の形態では、旋回角度βとγとの２点における測定値を基に旋回軸中心を算出するようにしているが、３点以上のポイントにおいて測定値を求め、旋回軸中心の平均値を出すことにより、より精度の高い旋回軸中心を割り出すような方法としても何ら問題はない。
また、一度上記実施形態の方法で旋回軸中心を算出する（すなわち、２点測定により）とともに、上記確認方法で確認し、その際の誤差から旋回軸中心（２点測定により算出されたもの）をより正確な値に補正し、最終的な旋回軸中心を求めるような方法とすることもできる。

さらに、タッチプローブの代わりに、従来より使用していた基準工具を用いることも可能である。
さらにまた、上記実施形態に記載したような多軸工作機械以外の多軸工作機械（たとえば、６軸以上の多軸工作機械や、多軸横形マシニングセンタ等）に対しても当然適用可能である。また、演算装置を別途設置するようにしてもよく、演算装置を備えていない多軸工作機械等であっても対応可能である。
加えて、上記実施の形態では基準体としてマスター球を用いているが、旋回軸に直交する断面形状が円であれば球体に何ら限定されることはなく、たとえば円筒体や円柱体、半球体等であっても適用可能である。尚、円筒体や円柱体を用いる場合には、円筒（円柱）の中心軸が旋回軸と平行になるように配置する必要はある。また、所望の旋回角度において表面の任意の３点を測定可能であれば、断面は円弧であっても良い。

多軸工作機械の外観を示した斜視説明図である。 マスター球を示した説明図である。 マスター球を用いて旋回軸中心を測定する様子を示した説明図である。 測定された旋回軸中心を確認する様子を示した説明図である。 多軸工作機械を側面から見た説明図である。 従来の旋回軸中心位置測定方法について示した説明図である。

符号の説明

２・・多軸工作機械、１１・・ベッド、１２・・Ｙ軸案内、１３・・ＡＣ軸ユニット、１４・・トラニオン、１５・・Ａ軸駆動機構、１６・・テーブル、１７・・クロスレール、１８・・Ｘ軸案内面、１９・・ラムサドル、２０・・Ｚ軸案内面、２１・・主軸頭、２２・・主軸、２５・・マスター球、２６・・タッチプローブ。

Claims (2)

1. 旋回対象を所定の旋回軸周りで旋回可能に備えてなる多軸工作機械において、該旋回軸の旋回軸中心を測定するための方法であって、
   前記旋回対象に、前記旋回軸に直交する断面の形状が円をなす基準体を設置するとともに、旋回軸中心Ａを仮定する第１工程と、
   前記旋回対象を任意の旋回角度βに位置させ、該旋回角度βにおける前記基準体の前記円の中心座標Ｃ１を求める第２工程と、
   前記旋回対象を更に所定角度αだけ旋回させ旋回角度γとし、該旋回角度γにおける前記基準体の前記円の中心座標Ｃ２を求める第３工程と、
   仮定された前記旋回軸中心Ａと前記中心座標Ｃ１、Ｃ２とから求められるベクトルＡＣ１、ベクトルＡＣ２、及び旋回角度αとから実際の旋回軸中心Ａを算出する第４工程と
   を行うことを特徴とする旋回軸中心測定方法。
2. 上記第４工程の後に、
   前記基準体を設置した旋回対象を任意の旋回角度δに位置させ、該旋回角度δにおける前記基準体表面上の所定の測定点の座標値を測定により求める第５工程と、
   前記第４工程にて算出された旋回軸中心Ａを基に前記旋回角度δにおける前記測定点の座標値を演算により求める第６工程と、
   前記第５工程及び第６工程でそれぞれ求めた測定点同士を比較する第７工程と
   を行うことを特徴とする請求項１に記載の旋回軸中心測定方法。

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