JP2009104317A - 数値制御方法及び数値制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各誤差に対応した補償技術を併せて用いることなく、より簡単な構成で各種誤差を統合的に補償する。
【解決手段】数値制御装置においては、指令位置算出手段１２より算出された指令位置を基に変形誤差推定手段１８にて変形誤差の推定値が演算され、指令位置を基に位置決め誤差推定手段１９にて位置決め誤差の推定値が演算され、機械の各所に組み込んだ温度センサで計測した温度を基に熱変位推定手段２０にて熱変位の推定値が演算される。これらの各推定値は機械の幾何誤差の一部として他の幾何誤差と共に扱われ、幾何誤差補償値演算手段１６にて各軸に対する幾何誤差の補償値が演算される。この補償値を補償値加算手段１７にて指令位置に加算することでサーボ指令値変換手段１３に渡る指令位置が更新される。
【選択図】図３

Description

本発明は、工作機械等の制御のために用いられる数値制御方法及び数値制御装置に関する。

図１は、並進軸および回転軸を有する５軸制御工作機械の模式図である。
図において１はフレームで、フレーム１の正面には主軸頭２が設けられている。この主軸頭２は、並進軸であって互いに直交するＸ軸、Ｚ軸によって並進２自由度の運動が可能である。また、主軸頭２の下方に設けられるテーブル３は、トラニオン４を介してサドル５に支持されて、互いに直交する回転軸であるＡ軸、Ｃ軸によって回転２自由度の運動が可能で、並進軸でありＸ・Ｚ軸に直交するＹ軸により並進１自由度の運動が可能となっている。各軸は後述する数値制御装置により制御されるサーボモータにより駆動され、被加工物をテーブル３に固定し、主軸頭２に工具を装着して回転させ、被加工物を任意の形状に加工する。

このような５軸制御工作機械において、その運動精度及び運動精度が転写される被加工物の形状精度に影響を及ぼす要因の一つとして、例えば、回転軸と並進軸の平行度や各回転軸間の回転中心の不一致など製造、組立により発生する各軸間の幾何学的な誤差（以下、幾何誤差と呼ぶ）が大きな割合を占める場合がある。この幾何誤差を製造上無くすことは非常に困難であり、この幾何誤差を補償する手段として、特許文献１のような制御装置が提案されている。ここでは機械の幾何誤差を基に、工具とワークの相対関係が誤差のない機械と同じになるように各軸指令位置を補償して各軸を駆動している。
一方、他の要因として、並進軸の位置決め誤差、真直度誤差が挙げられる。各並進軸の位置決め誤差は、同軸の位置に依存して同軸方向に発生する誤差であり、真直度誤差は、各軸の位置に依存して他の２軸方向に発生する誤差であるため、併せて３軸方向に発生する位置決め誤差と考えることができる。そこで、特許文献２では、３次元格子状に可動空間を区切り、各格子交点に誤差ベクトルを設定し、各軸の位置とそれに対応する誤差ベクトルから３軸方向の誤差を算出して指令値を補償するようにしている。
また、その他の要因として、機械の動作に伴う変形誤差が挙げられる。例えば、５軸制御工作機械においてＡ軸を旋回させると重心位置が変化し、Ａ軸の回転軸部材のねじれやこれらを支える部材の変形が生じる。また、テーブル上に搭載される被加工物の重量や重心が変化しても同様な変形が発生する。この変形誤差が主軸頭とテーブル間の相対誤差として現れる。この変形誤差のうち回転部材のねじれに対しては、公知である回転軸割り出し位置に対応した補償値を基に割り出し位置を補償することで精度良く割り出すことを可能にしている。
さらに、その他の要因として、機械の要素の発熱や環境温度変化による熱変位が挙げられる。特許文献３では、主軸頭側に回転軸を有する５軸機械において、主軸の回転による発熱が原因で主軸に熱変位が生じた場合に、温度センサの情報を基に熱変位量を推定し、その熱変位量を回転軸の位置に応じて各並進軸方向に分配して各軸を補償することで、精度良い制御を可能にしている。

特開２００４−２７２８８７号公報 特許第３１７４７０４号公報 特開平２−１０６２５２号公報

しかし、各誤差を全て補償するためにはこれら全ての補償技術を併せて用いることとなりシステムが煩雑になるという課題がある。
また、変形誤差は回転軸部材のねじれだけではなく、変形する部材によっては複数の方向に誤差として現れるため、変形誤差を全て補償できないという課題がある。
さらに、熱変位においても、部材の変形が傾きの場合、加工物の形状精度に影響する度合いは各軸の位置により異なるため、十分な補償結果が得られないという課題もある。

そこで、本発明は、各誤差に対応した補償技術を併せて用いることなく、より簡単な構成で各種誤差を統合的に補償する機能を有する数値制御方法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に記載の発明は、２軸以上の並進軸および１軸以上の回転軸を有する機械を制御する数値制御方法であって、各軸の指令位置に従って各軸が動作した際に機械の各要素が変形して発生する変形誤差の推定値と、前記各軸の指令位置に対応し各軸方向に発生する位置決め誤差の推定値とを夫々演算し、前記各誤差の推定値を機械の幾何学的な誤差の一部とみなし、当該一部を含めて前記指令位置での機械の幾何学的な誤差による前記各軸方向の誤差を演算して該誤差の各軸に対する補償値を演算し、前記補償値を前記指令位置に加算して前記指令位置を更新することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、熱変位による誤差も簡単に補償するために、変形誤差と位置決め誤差との推定値に加え、前記機械の各要素の熱変位の推定値を演算し、該熱変位の推定値も前記機械の幾何学的な誤差の一部とみなして、前記指令位置での機械の幾何学的な誤差による前記各軸方向の誤差を演算することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２の構成において、誤差の補償精度をより向上させるために、前記変形誤差の推定値と、前記位置決め誤差の推定値と、前記熱変位の推定値との少なくとも１つについて各軸に対する補償値を演算し、該補償値を前記幾何学的な誤差に対する補償値と共に前記指令位置に加算することを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、２軸以上の並進軸および１軸以上の回転軸を有する機械を制御する数値制御装置であって、各軸の指令位置を算出する指令位置算出手段と、前記指令位置に従って各軸が動作した際に機械の各要素が変形して発生する変形誤差の推定値を演算する変形誤差推定手段と、前記指令位置に対応し各軸方向に発生する位置決め誤差の推定値を演算する位置決め誤差推定手段と、前記各推定手段で得られた推定値を機械の幾何学的な誤差の一部と見なし、当該一部を含めて前記指令位置での機械の幾何学的な誤差による前記各軸方向の誤差を演算して該誤差の各軸に対する補償値を演算する幾何誤差補償値演算手段と、前記補償値を前記指令位置に加算して前記指令位置を更新する補償値加算手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４の構成において、熱変位による誤差も簡単に補償するために、前記機械の各要素の熱変位の推定値を演算する熱変位推定手段を備えて、前記幾何誤差補償値演算手段は、該熱変位の推定値も前記機械の幾何学的な誤差の一部とみなして、前記指令位置での機械の幾何学的な誤差による前記各軸方向の誤差を演算することを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４または５の構成において、誤差の補償精度をより向上させるために、前記変形誤差の各軸に対する補償値を演算する変形誤差補償値演算手段と、前記位置決め誤差の各軸に対する補償値を演算する位置決め誤差補償値演算手段と、前記熱変位の各軸に対する補償値を演算する熱変位補償値演算手段とのうち少なくとも１つを設けて、ここで得られる補償値も前記補償値加算手段において前記指令位置に加算することを特徴とする。

請求項１及び４に記載の発明によれば、各誤差に対応した補償技術を併せて用いることなく、より簡単な構成で、幾何学的な誤差、変形誤差、位置決め誤差、熱変位を統合的に１つの補償システムで補償することができる。
また、従来補償できなかった変形誤差や傾きを伴う熱変位の補償が可能になり、機械を精度良く動作させることが可能になる。
請求項２及び５に記載の発明によれば、上記効果に加えて、熱変位の推定値も補償値の演算に利用することで、熱変位による誤差も簡単に補償可能となる。
請求項３及び６に記載の発明によれば、上記効果に加えて、各誤差の各軸に対する補償値を演算して指令位置に加算することで、誤差の補償精度をより向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［形態１］
ここでも本発明の対象となる機械の一例として、図１で示した５軸制御工作機械を用いて説明する。なお、本発明に関わる機械としては５軸に限定するものではなく、２軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸を有するものであれば、工作機械に限らず、ロボット、産業機械、建築機械などでもよい。
まず、従来の数値制御装置のブロック図を図２に示す。
この数値制御装置には、各軸の所望の動作が記述された加工プログラム１１が格納される。この加工プログラム１１は、指令位置算出手段１２により制御周期毎の各軸の指令位置に変換され、変換された指令位置は、サーボ指令値変換手段１３にてサーボアンプ１４に対する指令値に変換され、指令値を基に各軸のサーボアンプ１４ａ〜１４ｅにより各軸のサーボモータ１５ａ〜１５ｅが駆動されて所望の動作を行うことになる。

次に、本発明の数値制御装置のブロック図を図３に示す。ここでも図２と同様に指令位置算出手段１２とサーボ指令値変換手段１３とを備えている。なお、加工プログラム１１、サーボアンプ１４ａ〜１４ｅ、サーボモータ１５ａ〜１５ｅは簡略化のため図示を省略している。
ここでは、指令位置算出手段１２より算出された指令位置を基に変形誤差推定手段１８にて変形誤差の推定値が演算される。また、指令位置を基に位置決め誤差推定手段１９にて位置決め誤差の推定値が演算される。さらに機械の各所に組み込んだ温度センサで計測した温度や指令情報を基に熱変位推定手段２０にて熱変位の推定値が演算される。
これらの各推定値は機械の幾何誤差の一部として他の幾何誤差と共に扱われ、幾何誤差補償値演算手段１６にて各軸に対する幾何誤差の補償値が演算される。この補償値を補償値加算手段１７にて指令位置に加算することでサーボ指令値変換手段１３に渡る指令位置が更新され、新しい指令位置を基に最終的にサーボモータ１５ａ〜１５ｅが制御される。

次に、各推定手段１８〜２０及び幾何誤差補償値演算手段１６による各種誤差の推定値および補償値の演算について説明する。
上述の工作機械では、主軸頭２およびテーブル３上にそれぞれ座標系を考慮しており、主軸頭２の座標系上の点、すなわち工具先端点ベクトル^ＴＰをワーク座標系に変換する場合、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｃ軸の指令位置を夫々ｘ、ｙ、ｚ、ａ、ｃとすると、各軸の変換行列は数１の通りとなるため、数２を用いて同次座標変換を行うことができる。これにより誤差のない場合のワーク座標系での工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｉを求めることができる。

次に、機械に幾何誤差が存在する場合、各幾何誤差を各軸間の相対誤差として考え、各幾何誤差の並進誤差をδｘ、δｙ、δｚ、回転誤差をα、β、γとすると、数３のマトリックスεが幾何誤差による変換行列となり、これらを数２の各軸間に配置した数４とすることで、幾何誤差がある場合のワーク座標系での工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｇを求めることができる。ここで、各幾何誤差は実測により予め求めておく。

一方、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸それぞれに真直度誤差、位置決め誤差がある場合、その誤差を曲線もしくは線分群として各軸指令位置に対する関数ｆとし、それを成分とした数５に示すマトリックスζを数２の該当軸に隣接して配置した数６とすることで、真直度誤差、位置決め誤差がある場合のワーク座標系での工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｐを求めることができる。ここで、真直度誤差や位置決め誤差の関数は、それぞれの推定値や実測値や解析値を用いることができ、離散値であれば点間を直線や曲線で補間する。

さらに、重力や摩擦力などの外力による変形誤差がある場合、その誤差を曲線もしくは線分群とし、Ａ・Ｃ軸指令値位置およびテーブル上のワーク質量ｍ_Ｗおよび重心ｖ_Ｗなどに対する関数ｆ_Ｇとすると、それを要素とした数７に示すマトリックスξ_Ｇを用いて、変形誤差がある場合のワーク座標系での工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｐを数８から求めることができる。ここで、変形誤差の関数は推定値や実測値や解析値を用いることができ、離散値であれば点間を直線や曲線で補間する。

また、変形誤差は一部の幾何誤差として扱うことができる。例えば、ワークの積載によりＡ軸回転軸のねじれが発生した場合、Ａ軸とＹ軸間の回転誤差α_ＡＹ（幾何誤差変換行列ε_ＡＹの成分）として扱うことができ、Ａ・Ｃ軸指令位置およびテーブル上のワーク質量および重心などによりα_ＡＹを変更することで、該変形誤差がある場合のワーク座標系での工具先端点ベクトルを数４から求めることができる。
さらにまた、変形誤差の別の例として、ワークの積載によりトラニオン４が変形した場合、Ｃ軸とＡ軸間の並進誤差δｘ_ＣＡ、δｙ_ＣＡ、δｚ_ＣＡ（幾何誤差変換行列ε_ＣＡの成分）として扱うことができ、Ａ・Ｃ軸指令位置およびテーブル上のワーク質量および重心などによりδｘ_ＣＡ、δｙ_ＣＡ、δｚ_ＣＡを変更することで、該変形誤差がある場合のワーク座標系での工具先端点ベクトルを数４から求めることができる。

一方、熱変位がある場合、例えばＣ軸回転による発熱に起因したトラニオン４の熱変位はＣ軸とＡ軸間の並進幾何誤差δｘ_ＣＡ、δｙ_ＣＡ、δｚ_ＣＡとして扱うことができ、従来技術により推定した熱変位の推定値を用いてδｘ_ＣＡ、δｙ_ＣＡ、δｚ_ＣＡを更新することで、該熱変位がある場合のワーク座標系での工具先端点ベクトルを数４から求めることができる。
また、別の例として、環境温度変化によりフレーム１が変形し、Ｚ軸を支える部材が変位しながらＸ軸周りに傾いた場合、Ｚ軸とＸ軸の間の並進誤差δｙ_ＸＹ、回転誤差α_ＸＺ（幾何誤差変換行列ε_ＸＺの成分）として扱うことができ、推定した熱変位を用いてδｙ_ＸＹ、回転誤差α_ＸＺを更新することで該熱変位がある場合のワーク座標系での工具先端点ベクトルを数４から求めることができる。

上述の各種誤差によるワーク座標系での工具先端点の誤差ベクトルは、各種誤差がある場合のワーク座標系での工具先端点ベクトル^ＷＰ_＊と^ＷＰ_Ｉとの差分から求めることができる。一方、各種誤差に対するＸ，Ｙ，Ｚ軸の補償値は、指令値座標系上の工具先端点の誤差ベクトルである。指令値座標系は一例として挙げた５軸制御工作機械の場合、Ｃ軸とＹ軸の間にあると考えることができるため、各種誤差に対するＸ、Ｙ、Ｚ軸の補償値Δｘ_＊、Δｙ_＊、Δｚ_＊は数９から求めることができる。

また、上述の各種誤差が全てある場合のワーク座標系での工具先端点ベクトル^ＷＰ_ａｌｌは全ての誤差行列を用いた数１０からまとめて求めることができる。

したがって、上述の全ての誤差に対するＸ、Ｙ、Ｚ軸の補償値Δｘ、Δｙ、Δｚは数１１から求めることができる。

次に、回転軸Ａ、Ｃ軸の補償値を求める場合について説明する。まず工具座標系での工具姿勢ベクトル^ＴＶを数１２とする。

上述の全ての誤差がある場合のワーク座標系での工具姿勢ベクトル^ＷＶ_Ｇは数１３にて求めることができる。ここで、Ｍ_ａｌｌは数１０のものを再利用することで効率的に計算することができる。

さらに、Ａ，Ｃ軸の補償値は数１４を用いてワーク座標系での誤差を含んだ工具姿勢ベクトル^ＷＶ_Ｇを工具座標系に変換することで求めることができる。

従って、Ａ，Ｃ軸の補償値Δａ、Δｃは数１５から求めることができる。ここで、数１５からわかるようにＡ軸指令値が０の場合、Ｃ軸補償値Δｃは求めることができず、小さい場合は非常に大きな補償値となるため、Ｃ軸の補償はしない、若しくはＡ軸指令値によりＣ軸の補償有無を選択してもよい。また、回転軸補償値の計算は４×４行列若しくは４×１行列として行ったが、夫々３×３行列若しくは３×１行列であるとして計算してもよい。

このように、上記形態１の数値制御方法及び数値制御装置によれば、各軸の指令位置に従って各軸が動作した際に工作機械の各要素が変形して発生する変形誤差の推定値と、各軸の指令位置に対応し各軸方向に発生する位置決め誤差の推定値とを夫々演算し、各誤差の推定値を工作機械の幾何学的な誤差の一部とみなし、当該一部を含めて指令位置での工作機械の幾何学的な誤差による各軸方向の誤差を演算して該誤差の各軸に対する補償値を演算し、その補償値を指令位置に加算して指令位置を更新することで、各誤差に対応した補償技術を併せて用いることなく、より簡単な構成で、各誤差を統合的に１つの補償システムで補償することができる。また、従来補償できなかった変形誤差の補償が可能になり、機械を精度良く動作させることが可能になる。
特にここでは、変形誤差と位置決め誤差との推定値に加え、工作機械の各要素の熱変位の推定値を演算し、該熱変位の推定値も幾何学的な誤差の一部とみなして、指令位置での工作機械の幾何学的な誤差による各軸方向の誤差を演算しているため、熱変位による誤差も簡単に補償可能となっている。

［形態２］
次に、他の形態について説明する。
図４は、本形態２の数値制御装置のブロック図で、幾何誤差補償値演算手段１６や補償値加算手段１７、各推定手段１８〜２０を備えた点は形態１と同じであるが、ここでは変形誤差補償値演算手段２１、位置決め誤差補償値演算手段２２、熱変位補償値演算手段２３を夫々設けて、変形誤差推定手段１８により求められた変形誤差推定値の一部から変形誤差補償値演算手段２１にて変形誤差補償値を演算し、位置決め誤差推定手段１９により求められた位置決め誤差推定値の一部から位置決め誤差補償値演算手段２２にて位置決め誤差補償値を演算し、熱変位推定手段２０により求められた熱変位推定値の一部から熱変位補償値演算手段２３にて熱変位補償値を演算して、各補償値を補償値加算手段１７で指令位置に加算するようになっている。すなわち、各補償値を幾何誤差補償値演算手段１６により演算された幾何誤差補償値と共に指令位置に加算することで、サーボ指令値変換手段１３に渡る指令位置を更新するようにしたものである。

よって、この形態２の数値制御装置及び数値制御方法においても、各誤差に対応した補償技術を併せて用いることなく、より簡単な構成で、各誤差を統合的に１つの補償システムで補償することができると共に、従来補償できなかった変形誤差の補償が可能になり、機械を精度良く動作させることが可能になる、という形態１と同様の効果を奏する。
特にここでは、変形誤差の推定値と、位置決め誤差の推定値と、熱変位の推定値とについて各軸に対する補償値を演算し、該補償値を幾何学的な誤差に対する補償値と共に指令位置に加算しているので、形態１に比較して補償の精度がより向上する利点がある。

なお、上記形態１，２では、変形誤差と、位置決め誤差と、熱変位誤差との夫々の推定値を演算しているが、対象機械において熱変位が無視できる程度であれば、熱変位誤差の推定値の演算を省略して、変形誤差と位置決め誤差との推定値のみを利用しても差し支えない。
また、形態２では、変形誤差、位置決め誤差、熱変位夫々において補償値演算手段を設けているが、全て設ける必要はなく、少なくとも１つ設けて補償値を加算するようにしても、補償精度の向上は期待できる。

Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の並進軸およびＡ軸、Ｃ軸の回転軸を有する５軸制御工作機械の模式図である。 従来の数値制御装置のブロック図である。 形態１の数値制御装置のブロック図である。 形態２の数値制御装置のブロック図である。

符号の説明

１・・フレーム、２・・主軸頭、３・・テーブル、４・・トラニオン、５・・サドル、１４ａ〜１４ｅ・・サーボアンプ、１５ａ〜１５ｅ・・サーボモータ、１６・・幾何誤差補償値演算手段、１７・・補償値加算手段、１８・・変形誤差推定手段、１９・・位置決め誤差推定手段、２０・・熱変位推定手段、２１・・変形誤差補償値演算手段、２２・・位置決め誤差補償値演算手段、２３・・熱変位補償値演算手段。

Claims (6)

1. ２軸以上の並進軸および１軸以上の回転軸を有する機械を制御する数値制御方法であって、
   各軸の指令位置に従って各軸が動作した際に機械の各要素が変形して発生する変形誤差の推定値と、前記各軸の指令位置に対応し各軸方向に発生する位置決め誤差の推定値とを夫々演算し、
   前記各誤差の推定値を機械の幾何学的な誤差の一部とみなし、当該一部を含めて前記指令位置での機械の幾何学的な誤差による前記各軸方向の誤差を演算して該誤差の各軸に対する補償値を演算し、
   前記補償値を前記指令位置に加算して前記指令位置を更新する
   ことを特徴とする数値制御方法。
2. 前記変形誤差と位置決め誤差との推定値に加え、前記機械の各要素の熱変位の推定値を演算し、該熱変位の推定値も前記機械の幾何学的な誤差の一部とみなして、前記指令位置での機械の幾何学的な誤差による前記各軸方向の誤差を演算することを特徴とする請求項１に記載の数値制御方法。
3. 前記変形誤差の推定値と、前記位置決め誤差の推定値と、前記熱変位の推定値との少なくとも１つについて各軸に対する補償値を演算し、該補償値を前記幾何学的な誤差に対する補償値と共に前記指令位置に加算することを特徴とする請求項１または２に記載の数値制御方法。
4. ２軸以上の並進軸および１軸以上の回転軸を有する機械を制御する数値制御装置であって、
   各軸の指令位置を算出する指令位置算出手段と、
   前記指令位置に従って各軸が動作した際に機械の各要素が変形して発生する変形誤差の推定値を演算する変形誤差推定手段と、
   前記指令位置に対応し各軸方向に発生する位置決め誤差の推定値を演算する位置決め誤差推定手段と、
   前記各推定手段で得られた推定値を機械の幾何学的な誤差の一部と見なし、当該一部を含めて前記指令位置での機械の幾何学的な誤差による前記各軸方向の誤差を演算して該誤差の各軸に対する補償値を演算する幾何誤差補償値演算手段と、
   前記補償値を前記指令位置に加算して前記指令位置を更新する補償値加算手段と、
   を備えたことを特徴とする数値制御装置。
5. 前記機械の各要素の熱変位の推定値を演算する熱変位推定手段を備えて、前記幾何誤差補償値演算手段は、該熱変位の推定値も前記機械の幾何学的な誤差の一部とみなして、前記指令位置での機械の幾何学的な誤差による前記各軸方向の誤差を演算することを特徴とする請求項４に記載の数値制御装置。
6. 前記変形誤差の各軸に対する補償値を演算する変形誤差補償値演算手段と、前記位置決め誤差の各軸に対する補償値を演算する位置決め誤差補償値演算手段と、前記熱変位の各軸に対する補償値を演算する熱変位補償値演算手段とのうち少なくとも１つを設けて、ここで得られる補償値も前記補償値加算手段において前記指令位置に加算することを特徴とする請求項４または５に記載の機械の数値制御装置。

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