JP2008269316A - 数値制御工作機械及び数値制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転送り軸を有する工作機械の位置と姿勢の誤差を精度良く補正することができる数値制御工作機械及び数値制御装置を提供する。
【解決手段】直線送り軸及び回転送り軸を有し、主軸とワークテーブルとの相対位置及び相対姿勢の誤差を、予め直線送り軸及び回転送り軸を所定の位置及び姿勢に位置決めして計測し、計測された誤差データに基づいて移動指令を補正する機能を有する数値制御工作機械であって、誤差データは位置誤差と姿勢誤差とを含む多次元のデータであり、直線送り軸及び回転送り軸の位置及び回転角度に対応した多数の誤差データを収集して作成されたデータテーブルを記憶する誤差データ記憶手段２５と、直線送り軸及び前記回転送り軸に対する指令位置と誤差データ記憶手段に記憶された誤差データとから、移動指令を補正する補正データを演算する補正データ演算手段２６と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、直線送り軸及び回転送り軸を有する数値制御工作機械及び数値制御装置に関するものである。

一般に、多軸の工作機械において、送り軸の位置や姿勢を所定の位置や姿勢に正確に位置決めすることは難しく、位置や姿勢の誤差が発生する。このため、高精度の加工が必要とされる場合には、位置や姿勢の誤差に応じて送り軸を補正することが行われている。このような送り軸の誤差を補正する従来の一例として、特許文献１〜３に開示されているものが知られている。

特許文献１では、互いに直交するＡ軸とＢ軸の２つの回転送り軸を有する工作機械の２つの回転送り軸の軸ずれ（軸中心の位置ずれ）を予め計測しておき、この軸ずれを加味して２つの回転送り軸の座標を求めることが開示されている。計測された軸ずれは数値制御装置などの記憶手段に予め記憶され、ワークの加工基準点が変更になって新しい加工基準点が求められるときに記憶手段から読み出され、新しい加工基準点を正確に求めることができるようになっている。

特許文献２では、互いに直交するＡ軸とＣ軸の２つの回転送り軸を有する工作機械の機械位置を、１）Ｃ軸に関する位置誤差及び姿勢誤差と、２）Ａ軸に関する位置誤差及び姿勢誤差と、３）旋回中心としての主軸に関する位置誤差及び姿勢誤差とに基づいて計算により求める方法が開示されている。Ｃ軸、Ａ軸及び主軸に関するそれぞれの位置誤差及び姿勢誤差は、ワークの加工面に対して回転工具が所定の位置関係にある場合の予め求められた誤差である。

特許文献３では、パラレルリンク機構の工作機械の工具ユニットの誤差を誤差マップに基づいて補正する方法が開示されている。誤差マップは、工具ユニット先端の作業空間の格子点に対応して、工具ユニット先端の位置及び姿勢の指令値と検出値との差から演算により算出された誤差データを有している。

特公平６−８８１９２号公報 特開平９−２３７１１２号公報 特開２００４−２７２８８７号公報

特許文献１で開示されている補正方法は、Ａ軸とＢ軸の２つの回転送り軸の軸ずれ（位置誤差）を補正するものであり、姿勢誤差を補正するものではない。このため、加工精度を高める上で限界があった。

特許文献２で開示されている補正方法は、各軸に関する位置誤差及び姿勢誤差が予め分かっている場合に、位置誤差及び姿勢誤差に基づいて工作機械の機械位置を求める方法であるため、位置誤差及び姿勢誤差が分かっていない場合には、工作機械の機械位置を正確に求めることができない。このため、実際の加工中においては、工作機械の機械位置を求めることができず、機械位置には各軸の位置誤差及び姿勢誤差が含まれたものとなり、精度の高い３次元の曲面加工を行うことができないという問題があった。

特許文献３で開示されている誤差マップは、パラレルリンク機構によって駆動される工具ユニット先端の位置及び姿勢の誤差をテーブルデータとしたものであり、直交３軸の直線送り軸と回転送り軸を有する工作機械に直接的に適用できるものではなかった。

本発明は、回転送り軸を有する工作機械の位置と姿勢の誤差を精度良く補正することができる数値制御工作機械及び数値制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の数値制御工作機械は、 直線送り軸及び回転送り軸を有し、主軸とワークテーブルとの相対位置及び相対姿勢の誤差を、予め前記直線送り軸及び前記回転送り軸を所定の位置及び姿勢に位置決めして計測し、計測された誤差データに基づいて移動指令を補正する機能を有する数値制御工作機械であって、
前記誤差データは位置誤差と姿勢誤差とを含む多次元のデータであり、前記直線送り軸及び前記回転送り軸の位置及び回転角度に対応した多数の前記誤差データを収集して作成されたデータテーブルを記憶する誤差データ記憶手段と、
前記直線送り軸及び前記回転送り軸に対する指令位置と前記誤差データ記憶手段に記憶された前記誤差データとから、前記移動指令を補正する補正データを演算する補正データ演算手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載の数値制御工作機械において、前記位置誤差は、前記主軸と前記ワークテーブルとの相対位置の誤差であって、前記回転送り軸が所定の回転角度に位置決めされたときに３次元座標値で表される誤差であり、前記姿勢誤差は、前記主軸と前記ワークテーブルとの相対姿勢の誤差であって、互いに直交する第１の回転送り軸と第２の回転送り軸が所定の回転角度に位置決めされたときの傾き角度で表される誤差であることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項２に記載の数値制御工作機械において、前記第１の回転送り軸及び前記第２の回転送り軸における前記回転角度の計測間隔は、隣り合う計測点における前記姿勢誤差の差分が所定値になるように設定されていることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項２又は３に記載の数値制御工作機械において、前記補正データ演算手段は、前記主軸に装着された回転工具の工具先端位置を前記指令位置に従って位置決めする時に、前記姿勢誤差と前記回転工具の寸法とから前記工具先端位置の３次元座標値のずれ量を演算し、前記直線送り軸の移動指令を補正することを特徴とする。

また、請求項５に記載の数値制御装置は、直線送り軸及び回転送り軸を有した工作機械を制御し、予め計測された誤差データに基づいて送り軸の移動指令を補正する機能を有する数値制御装置であって、前記誤差データは位置誤差と姿勢誤差とを含む多次元のデータであり、前記送り軸の位置及び回転角度に対応した多数の前記誤差データを収集して作成されたデータテーブルを記憶する誤差データ記憶手段と、前記送り軸に対する指令位置と前記誤差データ記憶手段に記憶された前記誤差データとから、前記移動指令を補正する補正データを演算する補正データ演算手段と、を備えたことを特徴とする。

以上の如く、本発明の数値制御工作機械によれば、誤差データ記憶手段に記憶されるテータテーブルは、回転送り軸が動作することによって発生する誤差である位置誤差及び姿勢誤差の双方を含む誤差データを含んでいるため、この誤差データに基づいて移動指令を補正することで、工作機械を目標位置に高精度に位置決めすることができる。

また、姿勢誤差を計測する計測点の計測間隔を隣り合う計測点における姿勢誤差の差分が所定値になるように設定するため、差分が少ない場合は計測間隔を広げることができる。このため、補正の精度を保持しつつデータ量を削減することができ、メモリの負担を減らすことができる。

また、Ｘ，Ｙ，Ｚの直線送り軸と、Ａ，Ｃの回転送り軸とを有する５軸の工作機械で、Ｂ軸方向の姿勢誤差をＡ、Ｃ軸を回転させることにより補正しようとすると、補正のたびに回転送り軸を大きく旋回させなければならず、加工に悪影響を与えることになるが、工具先端位置のずれ量を３次元座標値の移動指令で移動先へ移動させることで、Ｂ軸方向の姿勢誤差の補正を回転送り軸を回転させることなく行うことができる。これにより、いわゆる特異点問題を回避することができる。

また、本発明の数値制御工作機械によれば、回転送り軸を動作させることによって発生する主軸とワークテーブルとの相対姿勢及び相対位置の誤差を確実に補正することができ、精度の高い加工を行うことができる。

以下に本発明の実施の形態の具体例を図面を用いて詳細に説明する。図１は、一例として、主軸ヘッドが傾斜する５軸の横形マシニングセンタ（数値制御工作機械）に適用される本発明に係る数値制御装置の一実施形態を示すものである。図１では、本実施形態の数値制御装置の機能的な構成がブロック線図で示されている。また、図２ではマシニングセンタの基本的構成が示され、図３で直交３軸の直線送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚと２軸の回転送り軸Ａ，Ｃが示されている。なお、図３において、回転送り軸Ｂ軸は示されていないが、Ｃ軸を９０゜回転させることによりＡ軸はＢ軸として機能するようになっている。

図２を参照すると、マシニングセンタ１は、フロア上に設置されているベース２と、ベース２上でＺ軸方向に直動可能に立設されたコラム３と、コラム３に鉛直方向であるＹ軸方向に直動可能な主軸台５とを備えている。主軸台５には、Ｚ軸に平行な軸回りのＣ軸方向にサーボモータ３０（図１参照）により回転送り可能にブラケット５ａが設けられている。ブラケット５ａには、主軸ヘッド４がＸ軸に平行な軸回りでのＡ軸方向にサーボモータ３０（図１参照）により回転送り可能に設けられている。

また、マシニングセンタ１は、ベース２上で主軸ヘッド４に対向する位置に立設され、紙面に垂直な方向であるＸ軸方向に直動可能なワークテーブル６を備えている。ワークテーブル６にはイケール８を介してワーク７が保持されている。

図３を参照すると、図２で示されている直交３軸の座標系と共にＣ軸及びＡ軸が示されている。Ａ軸はＸ軸に平行な軸回りの回転送りのことであり、主軸ヘッド４がブラケット５ａに対してＡ軸方向に回転可能になっている。図示例では、工具が装着される位置に位置及び角度を計測するための接触式の測定プローブ９が装着されている。測定プローブ９は、一般的なものであり、例えば差動トランスでなるトランスデューサーと、セラミックス製の接触子１０を有している。接触子１０は互いに直交する３軸方向に変位可能になっている。接触子１０の各軸方向の変位は、各トランスデューサーにより検出され、電気信号に変換されるようになっている。なお、送り軸の位置や角度を計測する測定器や測定方法は、特に制限されるものではなく、レーザ測長器や他の測定器を用いて測定することも可能である。

図１に示すように、上記マシニングセンタ１を制御する本実施形態の数値制御装置２０は、５軸の送り軸の位置誤差及び姿勢誤差を補正する機能を備えたものであり、加工プログラム２１を解読して各送り軸の移動指令を演算する前処理演算手段２２と、各送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｃにおける送りを直線補間したり円弧補間したりするために移動指令に基づいて補間パルスを演算する補間手段２３と、補間パルスを取得することにより各送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｃの移動先の位置である指令位置を認識する指令位置認識手段２４と、位置誤差と姿勢誤差とを含み、回転送り軸Ａ，Ｃの位置及び姿勢に関係付けられた多数の誤差データ３４を集めて作成されたエラーマップ（データテーブル）３２を記憶する誤差データ記憶手段２５と、指令位置と誤差データ記憶手段２５から読み出された誤差データ３４とから、指令位置を補正する補正データを演算する補正データ演算手段２６と、補正データに基づいて指令位置を補正して補正パルスを求める補正パルス演算手段２７と、補間パルスと補正パルスとを加えたパルスをサーボアンプ２９に出力する加算手段２８と、備えている。各送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｃのサーボモータ３０は、サーボアンプ２９によって増幅された駆動電流によって駆動し、各送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｃを移動させるようになっている。

次に、エラーマップ３２について説明する。エラーマップ３２は、図４に示すように、直交座標系の各格子点３１に関連付けされている。すなわち、直線送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の所定の位置に関連付けされている。直交座標系の各格子点３１には、図５に示すような、マトリックス状の２次元配列データシート３３が関連付けされている。エラーマップ３２は、直交座標系の各格子点３１に関連付けされた多数の２次元配列データシート３３から構成されている。

各２次元配列データシート３３は、横軸がＡ軸であり、縦軸がＣ軸であり、Ａ軸とＣ軸の任意の角度の交差する点において計測された多数の誤差データ３４から構成されている。誤差データ３４は、位置誤差３５ａと姿勢誤差３５ｂとから構成されている。位置誤差３５ａは、回転送り軸Ａ，Ｃが所定の位置に位置決めされたときに生じる３次元座標値で表される位置の誤差であり、姿勢誤差３５ｂは、主軸ヘッド４とワークテーブル６との相対姿勢の誤差であって、互いに直交する回転送り軸Ａ，Ｃが所定の回転角度に位置決めされたときに生じる傾き角度で表される誤差である。

ここで、第１の回転送り軸であるＡ軸及び第２の回転送り軸であるＣ軸における回転角度の計測間隔は、隣り合う計測点における姿勢誤差３５ｂの差分が所定値になるように設定されている。言い換えると、隣り合う計測点における姿勢誤差３５ｂの差分が少ない場合は計測間隔を広げ、差分が大きく変わる場合は計測間隔を狭める。誤差の差分の少ない部分の計測間隔を広げることでデータ量を削減してメモリの負担を減らすことができ、誤差の差分の大きく変わる部分の計測間隔を狭めることで補正の精度を保持することができる。

図６〜８の各図は、それぞれの矢視方向からみた位置誤差３５ａと姿勢誤差３５ｂを示す図である。図６は、図３のＡ視によってみた図であり、位置誤差３５ａ（Ｘ，Ｙ）と姿勢誤差３５ｂ（Ｋ）が示されている。図７は、図３のＢ視によってみた図であり、位置誤差３５ａ（Ｙ，Ｚ）と姿勢誤差３５ｂ（Ｉ）が示されている。図８は、図３のＣ視によってみた図であり、位置誤差３５ａ（Ｘ，Ｚ）と姿勢誤差３５ｂ（Ｊ）が示されている。

このように、誤差データ３４には、回転送り軸Ａ，Ｃが動作することによって発生する誤差である位置誤差３５ａ及び姿勢誤差３５ｂの双方を含んでいるため、この誤差データ３４に基づいて移動指令を正しい値に補正することで、工具先端を目標位置に高精度に位置決めすることができる。

次に、上述したエラーマップ３２を用いた移動指令の補正方法について説明する。
先ず、加工プラグラム２１の移動指令を前処理演算手段２２で解読し、所定の補間周期での各送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｃの移動ベクトルを求める。続いて、指令位置認識手段２４において、この移動ベクトルを現在位置に加算して所定の補間周期での各送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｃの指令位置を認識する。指令位置における回転送り軸Ａ，Ｃの角度が２次元配列データシート３３のＡ軸及びＣ軸の計測点の場合は誤差データ３４をそのまま取得する。指令位置における回転送り軸Ａ，Ｃの角度が２次元配列データシート３３のＡ軸及び／又はＣ軸において隣接する計測点の間の角度に相当する場合（計測点の中間位置の場合）、内挿法などの補間により誤差データを演算する。

移動先の位置である指令位置において、取得した誤差データ３４に基づいて補正データを演算する（補正データ演算手段２６）。求めた補正データを誤差の含まれている指令位置に加算して、補間周期毎の新たな指令位置とする。最後に、求めた補正データを、同じように現在位置において求めた補正データと比較し、その差分量を所定の補間周期での各送り軸の移動ベクトルに加算する。このようにして、誤差が含まれている移動指令が補正されて、各送り軸の位置を正確に求めることができる。

次に、補正データ演算手段２６で演算する補正値を３次元座標値で表し、移動指令を補正する方法について説明する。この方法は、Ｃ軸が０゜であるとき、機械が本来有しないＢ軸方向に姿勢誤差がある場合に、このＢ軸方向の姿勢誤差を補正するために回転送り軸を大きく回転させるという問題、いわゆる”特異点”の問題を回避できる補正方法を提供する。なお、Ｂ軸はＹ軸に平行な軸回りの回転送り軸である。

図９には、この補正方法のフローチャートが示されている。数１には、この方法で、工具４０の姿勢及び姿勢誤差、工具４０の位置及び位置誤差、工具４０の突き出し長に基づいて位置補正ベクトルを求めるための計算式が示されている。

先ず、ステップＳ０において、加工プログラムの移動指令から指令位置を認識する。ステップＳ１では、指令位置に対応する誤差データ３４をエラーマップ３２から取得する。ステップＳ２では、誤差データ３４の位置誤差３５ａから位置の補正ベクトルを算出する。位置の補正ベクトルは、図１２に示すように、主軸ヘッドに保持されている工具４０を移動先へ平行移動させるベクトルである。一方、誤差データ３４の姿勢誤差３５ｂからは、ステップＳ５において姿勢補正値を算出する。ステップＳ６では、ステップＳ５で求めた姿勢補正値は、ステップＳ３において求めた指令姿勢に加算して補正後の姿勢を求める。ステップＳ７では、補正後の姿勢と工具４０の突き出し長から補正後の指令位置を求める。

ステップＳ４では、ステップＳ３で求めた指令姿勢と工具４０の突き出し長から補正前の指令位置を求める。ステップＳ８では、ステップＳ７で求めた補正後の指令位置からステップＳ４で求めた補正前の指令位置を減算して姿勢の補正ベクトルを算出する。姿勢の補正ベクトルは、図１１に示すように、主軸に保持されている工具４０を基端を支点として、移動先へ回転させるベクトルである。最後に、ステップＳ９において、図１０に示すように、ステップＳ８で求めた姿勢ベクトルとステップＳ２で求めた位置補正ベクトルを加算する。

このようにして、工具先端位置を３次元座標値の移動指令、すなわち、位置補正ベクトルで移動先へ移動させることで、Ｂ軸方向の姿勢誤差３５ｂの補正を回転送り軸を回転させることなく行うことができ、主軸ヘッドに保持されている工具４０のいわゆる特異点問題を回避することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態では、所定の補間周期毎にエラーマップ３２を参照して移動指令を補正する方法を説明しているが、補間を行わない場合、例えば、早送りで各送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｃを移動する場合、すなわち、始点と終点を指令する場合にもエラーマップ３２を参照して補正することができる。この場合は、図１において、加工プログラムの移動指令を前処理演算手段２２で解読し、所定の周期での各送り軸の移動ベクトルを求めた後、補間手段２３で補間を行わず、指令位置認識手段２４にて、この移動ベクトルを現在位置に加算して各送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｃの指令位置を認識する。指令位置における誤差データ３４をエラーマップ３２から取得し、取得した誤差データ３４に基づいて補正データを演算し、この補正データを移動指令の終点に加算して新たな指令位置とする。最後に、求めた補正データを所定の周期での各送り軸の移動ベクトルに加算する。

また、本実施形態のエラーマップ３２は回転送り軸Ａ，Ｃを動作させたときに誤差データ３４をデータベース化したものであるが、直線送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚを動作させたときの位置誤差と姿勢誤差からなる誤差データをデータベース化してエラーマップを作成することも可能である。

また、本実施形態では、主軸側がＡ、Ｃ軸に回転する例を挙げて説明したが、ワークテーブル側が回転するように構成してもよい。

本発明に係る数値制御装置の一実施形態を示すブロック図である。 図１の数値制御装置が適用されるマシニングセンタの側面図である。 図２のマシニングセンタの座標系を示す説明図である。 ３次元座標空間の格子点を示す説明図である。 図４の各格子点に関係付けられる２次元のデータシートを示す説明図である。 図３の３次元座標系をＡ視によって見た２次元座標系を表す説明図である。 図３の３次元座標系をＢ視によって見た２次元座標系を表す説明図である。 図３の３次元座標系をＣ視によって見た２次元座標系を表す説明図である。 エラーマップを用いた補正方法の一例を示すフローチャートである。 図９の補正方法を説明する説明図である。 図１０の角度補正ベクトルについて説明する説明図であり、(ａ)はＸ−Ｙ平面の図、（ｂ）はＸ−Ｚ平面の図、（ｃ）はＹ−Ｚ平面の図である。 図１０の位置補正ベクトルについて説明する説明図である。

符号の説明

１ マシニングセンタ
２０ 数値制御装置
２２ 前処理演算手段
２３ 補間手段
２４ 指令位置認識手段
２５ 誤差データ記憶手段
２６ 補正データ演算手段
２７ 補正パルス演算手段
３１ 格子点
３２ エラーマップ
３３ ２次元配列データシート
３４ 誤差データ
３５ａ 位置誤差
３５ｂ 姿勢誤差

Claims (5)

1. 直線送り軸及び回転送り軸を有し、主軸とワークテーブルとの相対位置及び相対姿勢の誤差を、予め前記直線送り軸及び前記回転送り軸を所定の位置及び姿勢に位置決めして計測し、計測された誤差データに基づいて移動指令を補正する機能を有する数値制御工作機械であって、
   前記誤差データは位置誤差と姿勢誤差とを含む多次元のデータであり、前記直線送り軸及び前記回転送り軸の位置及び回転角度に対応した多数の前記誤差データを収集して作成されたデータテーブルを記憶する誤差データ記憶手段と、
   前記直線送り軸及び前記回転送り軸に対する指令位置と前記誤差データ記憶手段に記憶された前記誤差データとから、前記移動指令を補正する補正データを演算する補正データ演算手段と、
   を備えたことを特徴とする数値制御工作機械。
2. 前記位置誤差は、前記主軸と前記ワークテーブルとの相対位置の誤差であって、前記回転送り軸が所定の回転角度に位置決めされたときに３次元座標値で表される誤差であり、
   前記姿勢誤差は、前記主軸と前記ワークテーブルとの相対姿勢の誤差であって、互いに直交する第１の回転送り軸と第２の回転送り軸が所定の回転角度に位置決めされたときの傾き角度で表される誤差である請求項１に記載の数値制御工作機械。
3. 前記第１の回転送り軸及び前記第２の回転送り軸における前記回転角度の計測間隔は、隣り合う計測点における前記姿勢誤差の差分が所定値になるように設定されている請求項２に記載の数値制御工作機械。
4. 前記補正データ演算手段は、前記主軸に装着された回転工具の工具先端位置を前記指令位置に従って位置決めする時に、前記姿勢誤差と前記回転工具の寸法とから前記工具先端位置の３次元座標値のずれ量を演算し、前記直線送り軸の移動指令を補正する請求項２又は３に記載の数値制御工作機械。
5. 直線送り軸及び回転送り軸を有した工作機械を制御し、予め計測された誤差データに基づいて送り軸の移動指令を補正する機能を有する数値制御装置であって、
   前記誤差データは位置誤差と姿勢誤差とを含む多次元のデータであり、前記送り軸の位置及び回転角度に対応した多数の前記誤差データを収集して作成されたデータテーブルを記憶する誤差データ記憶手段と、
   前記送り軸に対する指令位置と前記誤差データ記憶手段に記憶された前記誤差データとから、前記移動指令を補正する補正データを演算する補正データ演算手段と、
   を備えたことを特徴とする数値制御装置。

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