JP2011141247A - 回転角度位置決め装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】1歯周期誤差の補正を、補正点数を最小限に抑えつつ実現できる回転角度位置決め装置を提供する。
【解決手段】
被検出リング8と、角度検出センサ9とを有する回転角度検出装置7と、回転角度が、与えられた回転角度指令値αとなるように回転軸を回転させる回転軸駆動装置10とを備えた回転角度位置決め装置6において、
前記被検出リング8における任意の1歯周期の補正分割点に対応する前記角度検出センサ9による検出回転角度と、実際の回転角度との誤差からなる1歯周期誤差パターンFを記憶する誤差パターン記憶部11aと、前記回転角度指令値αを前記1歯周期誤差パターンFに基づいて補正することにより回転角度補正指令値α2を求める指令値補正部11bとを備えた。
【選択図】 図1

Description

本発明は、例えば工作機械の回転軸を所定の角度位置に位置決めする回転角度位置決め装置に関し、特に、回転角度検出センサの誤差の補正方法の改善に関する。
工作機械の回転軸、例えば旋盤の、チャックが装着された主軸を、所定の角度位置に位置決めする回転角度位置決め装置として、前記主軸の回転角度を検出する回転角度検出装置と、該回転角度検出装置により検出された前記主軸の回転角度が、回転角度指令値となるように前記主軸を回転駆動する駆動装置とを備えたものがある。
前記主軸の回転角度検出装置として、主軸に取り付けられ、所定ピッチで形成された複数の歯を有する被検出リングと、該被検出リングの歯と対向する位置に固定配置され、前記被検出リングの歯との距離の遠近度合いに応じた電圧信号を出力する角度検出センサとを用いたものがある(特許文献1参照)。
特開平05−288573号公報
ところが、前記従来の回転角度検出装置では、前記主軸が実際に回転した角度と前記角度検出センサによる検出値との間で、前記被検出リングの中心のずれ等に起因して被検出リングが1回転する間の1回転周期誤差が生じる上に、被検出リングの歯の加工精度等に起因する1歯周期毎の1歯周期誤差が生じるといった問題がある。
前記1回転周期誤差の補正については、被検出リングの1回転周期(360°)を複数に分割した補正分割点における前記角度検出センサの検出誤差を予め求めておき、この誤差により回転角度指令値を補正することで実現できる。
一方、前記1歯周期誤差の補正については、1歯周期における補正分割点の間隔(deg)の小数点以下の桁数が多すぎて、現行の回転角度位置決め装置では対応できないといった問題が生じる。具体的には、例えば歯数512,補正分割数16の場合は、補正分割点の間隔(deg)=360°÷歯数÷補正分割数=0.0439453125degとなる。
また前記1回転周期誤差の補正方法を、前記歯数512,補正分割点数16の1歯周期誤差の補正にそのまま採用した場合は、補正点数=歯数×補正分割数=8,192となり、補正点数が多すぎて処理出来ないという問題が生じる。
本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたもので、1歯周期誤差の補正を、補正点数を最小限に抑えつつ実現できる回転角度位置決め装置を提供することを課題としている。
請求項1の発明は、回転軸に設けられ、所定ピッチで形成された複数の歯を有する被検出リングと、前記歯に対向するように配置され、該歯との距離に応じた出力を発生する角度検出センサとを有し、該角度検出センサからの前記出力に基づいて前記被検出リングの回転角度を求める回転角度検出装置と、前記回転角度が、与えられた回転角度指令値となるように前記回転軸を回転させる回転軸駆動装置とを備えた回転角度位置決め装置において、前記被検出リングにおける任意の1歯周期の補正分割点に対応する前記角度検出センサによる検出回転角度と、実際の回転角度との誤差からなる1歯周期誤差パターンを記憶する誤差パターン記憶部と、前記回転角度指令値を前記1歯周期誤差パターンに基づいて補正することにより回転角度補正指令値を求める指令値補正部とを備えたことを特徴としている。
請求項2の発明は、請求項1に記載の回転角度位置決め装置において、前記誤差パターン記憶部は、前記1歯周期誤差パターン及び前記被検出リングを1回転させたときの前記角度検出センサによる検出回転角度と実際の回転角度との誤差からなる1回転周期誤差パターンを記憶し、前記指令値補正部は、前記回転角度指令値を前記1回転周期誤差パターン及び前記1歯周期誤差パターンに基づいて補正することにより回転角度補正指令値を求めることを特徴としている。
請求項3の発明は、請求項2に記載の回転角度位置決め装置において、前記指令値補正部は、前記回転角度指令値を前記1回転周期誤差パターンに基づいて補正することにより第1回転角度補正指令値を求め、該第1回転角度補正指令値を前記1歯周期誤差パターンに基づいて補正することにより第2回転角度補正指令値を求めることを特徴としている。
本願発明者は、被検出リングの任意の隣接する2つの歯の間における検出回転角度の実際の回転角度に対する誤差である1歯周期誤差パターンは、何れの1歯周期においても略同じ傾向を示す点を見出し、この点を基にして本発明を完成した。
即ち、本発明では、任意の1歯周期における1歯周期誤差パターンを何れの1歯周期においても使用して回転角度指令値を補正し、回転角度検出装置で検出した回転角度が前記補正した回転角度補正指令値となるように回転軸を回転駆動することにより、角度検出センサの誤差を吸収できる。
このように任意の隣接する2つの歯の間における補正分割点における角度検出センサの検出誤差からなる1歯周期誤差パターンのみを使用することで補正ができるので、誤差の補正点数を大幅に削減できるとともに、必要な記憶容量が小さくて済む。
請求項2の発明によれば、1歯周期誤差パターン及び1回転周期誤差パターンを用いて回転角度指令値を補正するので、被検出リングの中心のずれ等に起因する誤差及び被検出リングの歯の加工精度等に起因する誤差を補正できる。
また請求項3の発明によれば、回転角度指令値を前記1回転周期誤差パターンに基づいて補正することにより第1回転角度補正指令値を求め、該第1回転角度補正指令値を前記1歯周期誤差パターンに基づいて補正することにより第2回転角度補正指令値を求めるようにしたので、被検出リングの中心のずれ等に起因する誤差を補正した後に、被検出リングの歯の加工精度等に起因する誤差を補正することとなり、前記両方の誤差をより効率的にかつ確実に補正することができる。
本発明の実施例1に係る回転角度位置決め装置を備えた工作機械の模式平面図である。 本発明の実施例1に係る回転角度位置決め装置の回転角度検出装置部分の模式構成図である。 本発明の実施例1に係る回転角度位置決め装置の1回転周期誤差パターンの模式図である。 本発明の実施例1に係る回転角度位置決め装置の1歯周期誤差パターンの模式図である。 前記1歯周期誤差パターンの求め方を説明するための模式図である。 前記1回転周期誤差パターンの具体例の模式図である。 前記1歯周期誤差パターンの具体例の模式図である。 本発明の実施例1に係る回転角度位置決め装置の動作を説明するためのフローチャートである。 前記フローチャートに採用された1歯周期を説明するための模式図である。 前記フローチャートに採用された1歯周期誤差補正テーブルを示す図である。 本発明の実施例2に係る回転角度位置決め装置の1回転周期誤差補正テーブルを示す図である。 本発明の実施例2に係る回転角度位置決め装置の1回転周期誤差を求める方法を説明するための図である。 本発明の実施例2に係る回転角度位置決め装置の1歯周期誤差補正テーブルを示す図である。 本発明の実施例2に係る回転角度位置決め装置の1歯周期誤差を求める方法を説明するための図である。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1〜図10は、本発明の実施例1に係る工作機械の回転角度位置決め装置を説明するための図である。
図において、1は工作機械の一例としてのタレット旋盤である。該タレット旋盤1は、ベッド2の左端部に配設された第1主軸台3と、該第1主軸台3と対向するように配設された第2主軸台4と、該第1,第2主軸台3,4の間でかつ奥側に配設された刃物台5とを備えている。
前記第2主軸台4は、これの第2主軸4aの軸線と前記第1主軸台3の第1主軸3aの軸線とが同軸をなすように、かつ軸線方向(Z軸方向)に移動可能に配設されている。また前記刃物台5は、前記Z軸と直交するY軸方向に移動可能に配設された刃物台ベース5aと、該刃物台ベース5a上に、前記Z軸と平行な回転軸回りに回転可能に配設されたタレット5bとを有し、該タレット5bには複数の工具Tが配設されている。
前記第1主軸台3は、前記ベッド2上に固定された第1主軸台ハウジング3bと、該第1主軸台ハウジング3bにより複数の軸受3cを介して回転可能に支持された前記第1主軸(回転軸)3aとを有する。また前記第1主軸3aの、前記第1主軸台ハウジング3bから前記第2主軸台4側へ突出する先端部3dには被加工物(ワーク)Wを把持するチャック3eが取り付けられている。
前記第2主軸台4は、前記ベッド2上に、Z軸方向に移動可能に搭載された第2主軸台ハウジング4bと、該第2主軸台ハウジング4bにより複数の軸受4cを介して回転可能に支持された前記第2主軸(回転軸)4aとを有する。また前記第2主軸4aの、前記第2主軸台ハウジング4bから前記第1主軸台3側へ突出する先端部4dには被加工物(ワーク)を把持するチャック4eが取り付けられている。
前記第1主軸台3及び第2主軸台4は、それぞれ同じ構造の回転角度位置決め装置6を備えている。以下、第1主軸台3に設けられた回転角度位置決め装置6について説明する。
前記回転角度位置決め装置6は、前記第1主軸3aの回転角度を検出する回転角度検出装置7と、該回転角度検出装置7で検出された回転角度が与えられた回転角度指令値αとなるように前記第1主軸3aを回転させる駆動モータ10と、該駆動モータ10による駆動を制御するコントローラ11とを備えている。
前記コントローラ11は、後述する1回転周期誤差パターンE及び1歯周期誤差パターンFを記憶する誤差パターン記憶部11aと、前記回転角度指令値αを前記1回転周期誤差パターンEに基づいて補正することにより第1回転角度補正指令値α1を求め、さらに該第1回転角度補正指令値α1を前記1歯周期誤差パターンFに基づいて補正することにより第2回転角度補正指令値α2を求める指令値補正部11bとを有する。
前記駆動モータ10は、前記第1主軸台ハウジング3bと前記第1主軸3aとの間に配置されており、第1主軸3aを高速で回転駆動する機能及び微小角度だけ回転駆動する機能を有する。
前記回転角度検出装置7は、前記第1主軸3aの後端部3gに固定されて該第1主軸3aと共に回転する被検出リング8と、該被検出リング8に対向し、かつ非接触となるように固定配置された角度検出センサ9とを備えている。
前記被検出リング8は、外周面に歯8aが所定ピッチで複数(本実施例では512歯)形成された軟磁性体製の円環状のものである。
前記角度検出センサ9は、非磁性体からなるケース9a内に、前記歯8aの歯先面8bに直角に対向するように配置固定された永久磁石9bと、前記ケース9a内に、前記永久磁石9bと歯先面8bとの間に位置するように配置固定され、複数のホール素子9dを有するホールIC9cとを有する。前記永久磁石9bは、NS極軸が前記歯先面8bに対して直角をなすように配置され、前記ホールIC9cはN極側に配置されている。
本実施例の回転角度検出装置7は、前記被検出リング8及び前記角度検出センサ9によって前記第1主軸3aの回転角度を検出する。具体的には、図2に示すように、前記角度検出センサ9は、前記被検出リング8の対向面までの距離の大小に応じた電圧信号Sを出力する。この電圧信号Sは、前記角度検出センサ9が前記歯8aの歯先面8bの回転方向中央部aと対向する時点で最も高く、ここから歯8a,8a間の中央部bに向けて徐々に低くなり、さらに隣の歯面8bに向けて徐々に高くなる。従って、前記角度検出センサ9からの電圧信号Sの大きさによって前記第1主軸3aの回転角度が検出される。
そして、前記回転角度検出装置7により検出される回転角度が、与えられた回転角度指令値αとなるように、前記駆動モータ10により前記第1主軸3aが回転駆動されて位置決めされる。
一方、前記回転角度検出装置7においては、前記被検出リング8の中心位置のずれ等に起因して、該被検出リング8が1回転する間に、図3に示す1回転周期誤差が生じ、さらに被検出リング8の歯8aの加工精度等に起因して、図4に示す1歯周期毎の1歯周期誤差が生じる場合がある。
そこで本実施例では、以下詳述するように、まず、前記1回転周期誤差のパターンEに基づいて前記回転角度指令値αを補正して第1回転角度補正指令値α1を求める。続いて前記1歯周期誤差のパターンFに基づいて、前記第1回転角度補正指令値α1を補正して第2回転角度補正指令値α2を求める。
そして、前記回転角度検出装置7で検出された回転角度が前記回転角度指令値αと一致するように、第2回転角度補正指令値α2に基づいて前記駆動モータ10が第1主軸3aを回転駆動し、該第1主軸3aの回転角度位置決めを行う。
前記1回転周期誤差パターンEは、以下のようにして求められる。まず、図3に示すように、被検出リング8の1回転周期(360°)を例えば30°毎に12分割した補正分割点1〜12が求められる。前記各補正分割点1〜12に対応する回転角度を、前記実際に採用されている角度検出センサ9を用いて計測した検出回転角度と、十分に高い分解能を有する高精度センサを用いて計測した基準回転角度との差が求められる。そして前記各補正分割点1〜12における前記差が1回転周期誤差E1,E2,・・・E12とされ、該各1回転周期誤差E1・・・E12を結んだ曲線が1回転周期誤差パターンEとされる。
一方、前記1歯周期誤差パターンFは以下のようにして求められる。まず、図5,図9に示すように、1歯周期における補正分割数を12とする場合、任意の歯8a〜8a間を12等分した補正分割点1〜12が求められる。前記各補正分割点1〜12に対応する回転角度を、前記実際に採用されている角度検出センサ9を用いて計測した検出回転角度と、十分に高い分解能を有する高精度センサを用いて計測した基準回転角度との差が求められる。そして前記各補正分割点1〜12における前記差が1歯周期誤差F1,F2,・・・F12とされ、該各1歯周期誤差F1・・・F12を結んだ曲線が1歯周期誤差パターンFとされる。
ここで前記1歯周期誤差パターンFは、例えば図4あるいは図7に示すように、何れの1歯周期においても略同様の傾向を示すことが判明した。そこで、本実施例では、任意の1歯周期における1歯周期誤差パターンFを求め、このパターンFを何れの1歯周期においても適用することとした。これにより、計測すべき補正分割点の数は、被検出リング8の歯数が何枚であっても12で済み、大幅に減少できる。なお、前記1周期誤差パターンEと同様の方法で誤差を求めるようにした場合は、補正分割点数=512×12=6144となる。
前記1回転周期誤差パタンーンE及び1歯周期誤差パターンFは、前記コントローラ11の誤差パターン記憶部11aに格納されている。前記指令値補正部11bは、回転角度指令値αを前記1回転周期誤差パターンEで補正して第1回転角度補正指令値α1を求め、さらに該第1回転角度補正指令値α1を前記1歯周期誤差パターンFで補正して第2回転角度補正指令値α2を求める。
前記回転角度指令値がαである場合の、前記第1回転角度補正指令値α1を求める方法を図3に沿って説明する。
前記1回転周期誤差パターンE上における回転角度指令値αに対応する補正値をE23とすると、
α1=α+E23
E23=E2+(E3−E2)×(α−60°)/30°
により求められる。
次に第2回転角度補正指令値α2を求める方法を図8のフローチャートに基づいて、より具体的に説明する。この場合、回転角度指令値:α、第1回転角度補正指令値:α1,第2回転角度補正指令値:α2,被検出リング8の歯数:β(=512)、誤差補正テーブルの分割数(補正分割点数):γ(=12)とする。
まず、回転角度指令値αを前述の方法で補正した第1回転角度補正指令値α1が読み込まれ(ステップS1)、(α1/360°)×β(式1)により、第1回転角度補正指令値α1が検出リング8の歯8aの何枚分に相当するかが演算される。この場合、前記式1の商(整数部)をXとし、小数点以下をYとする(ステップ2)。
前記小数点以下(Y)が0の場合(ステップS3)、つまり前記第1回転角度補正指令値α1が、被検出リング8の何れかの歯8aの歯先面8bの中央部aに一致する角度である場合は、図10に示す誤差補正テーブルの分割数「0」に対応する補正値が読み込まれ(ステップS9)、この補正値が第1回転角度補正指令値α1に加えられ(ステップS10)、これが最終回転角度指令値(第2回転角度補正指令値)α2とされる(ステップS11)。
一方、ステップS3において、前記Yが0でない場合、つまり前記第1回転角度補正指令値α1が何れかの隣接する歯8a,8aの間のある点に対応する角度である場合は、まず、前記第1回転角度補正指令値α1が隣接する何れの補正分割点間に位置しているかが求められ、この位置に基づいて誤差補正テーブルから補正値が演算される。なお、前記第1回転角度補正指令値α1が何れかの補正分割点に一致する場合は、この分割点に対応する補正値がそのまま第1回転角度補正指令値α1に加算される。
具体的には、前記小数点以下(Y)×分割数(γ)(式2)が演算されてその積がZとされ(ステップS4)、さらに前記積Z以下でかつ最大の整数Gと前記積Z以上でかつ最小の整数Hが求められる(ステップS5)。
前記誤差補正テーブル上で、前記整数G,Hに対応する補正値g,hが読み込まれ(ステップS6)、続いて、(h−g)×(Z−G)が計算され、その積がDとされ(ステップS7)、さらに(g+D)の和が補正値とされる(ステップS8)。
そして前記補正値を前記第1回転角度補正指令値α1に加えたものが最終回転角度指令値(第2回転角度補正指令値α2)となる(ステップS10,S11)。
より具体的には、ステップS2において、前記第1回転角度補正指令値α1が、例えば被検出リング8の歯99.32枚分に相当する場合には、ステップS4で、Y×γ=0.32×12=3.84となり、ステップS5で、G=3.84以下でかつ最大の整数=3,H=3.84以上でかつ最小の整数=4となり、ステップS6において、図10の誤差補正テーブルからg=分割数3の補正値=−0.003(deg),h=分割数4の補正値=0.005(deg)が読み込まれる。続いて、ステップS7で、(h−g)×(Z−G)=(0.005−(−0.003))×(3.84−3)=0.00672=Dとなり、ステップS8で、g+D=−0.003+0.00672=0.00372(deg)が補正値となり、前記第1回転角度補正指令値α1+0.00372(deg)が最終回転角度指令値(第2回転角度補正指令値)α2となる。
以上のように、本実施例では、回転角度指令値αを1回転周期誤差パターンEに基づいて補正することにより第1回転角度補正指令値α1を求め、該第1回転角度補正指令値α1を1歯周期誤差パターンFに基づいて補正することにより第2回転角度補正指令値α2を求めるようにしたので、被検出リング8の中心のずれ等に起因する誤差及び被検出リング8の歯8aの加工精度等に起因する誤差を確実に補正することができる。
また、1歯周期誤差パターンFは、被検出リング,角度検出センサの固体差によって変化するが、同じ被検出リング,同じ角度検出センサ,同じ取付け条件であれば、何れの1歯周期においても略同じ傾向を示す点を見出し、この点に着目して、任意の1歯周期における1歯周期誤差パターンFから図10に示す誤差補正テーブルを作成し、これを何れの1歯周期における補正においても使用するようにしたので、補正分割点数を大幅に削減できるとともに、必要な記憶容量が小さくて済む。
さらには、まず、回転角度指令値αを1回転周期誤差パターンEに基づいて補正して第1回転角度補正指令値α1を求め、次に該第1回転角度補正指令値α1を1歯周期誤差パターンFに基づいて補正して第2回転角度補正指令値α2を求めるようにしたので、被検出リングの中心のずれ等に起因する誤差を補正した後に、被検出リングの歯の加工精度等に起因する誤差を補正することとなり、前記両方の誤差をより効率的にかつ確実に補正することができる。
図11〜図14は本発明の実施例2を説明するための図である。本実施例2では、以下の条件において、回転角度指令値αを補正して第1,第2回転角度補正指令値α1,α2を求める。
回転角度指令値α=27deg,1回転周期における補正分割点間隔B=5degであり、かつ図11に示す1回転周期誤差補正テーブル(1回転周期誤差パターンE)を有する。また被検出リングの歯数=512,1歯周期における補正分割点数γ=16であり、かつ図12に示す1歯周期誤差補正テーブル(1歯周期誤差パターンF)を有する。なお、前記回転角度指令値αは、バックラッシュ補正や熱偏位補正等必要な補正を加味したものとする。
(1)回転角度指令値α=27degが読み込まれる。
(2)まず、1回転周期誤差が演算される。1回転周期誤差補正点C1=α/B=27/5=5.4となり、目的とする補正点C1は、補正分割点5と補正分割点6との間に位置しており、また前記補正点C1の補正比率D=0.4である。
(3)前記1回転誤差補正点C1における補正量Ec1は、前記1回転周期誤差補正テーブル上の補正分割点5,6における補正量E5,E6を用いて
Ec1=E5+(E6−E5)×D
により演算される(図12参照)。
図11に示す1回転周期誤差補正テーブルより、E5=0.003deg、E6=0.005degであるから、
Ec1=0.003+0.002×0.4=0.0038 となる。
(4)従って、第1回転角度補正指令値α1=α+Ec1=27.0038degとなる。
(5)続いて、1歯周期誤差が演算される。1歯周期誤差補正点C2=α1/(360/歯数)=27.0038/(360/512)=38.4054044・・となり、前記1歯周期誤差補正点C2は、被検出リングの歯38枚目と39枚目との間に位置している。
(6)また前記補正点C2は、分割数16×0.405・・=6.4864・・より、補正分割点6と補正分割点7との間に位置しており、また1歯補正分割比率N=0.4864・・となっている。
(7)前記1歯周期補正点C2における補正量Fc2は、前記1歯周期誤差補正テーブル上の補正分割点6,7における補正量F6,F7を用いて
Fc2=F6+(F7−F6)×N
により演算される(図14参照)。
図13に示す1歯周期誤差補正テーブルより、F6=−0.001deg、F7=−0.004degであるから、
Fc2=−0.001+(−0.004+0.001)×0.4864・・=−0.0024594・・ となる。
(8)従って、第2回転角度補正指令値α2=α1+Fc2=27.0038−0.0024594・・=27.0013405・・degとなる。
本実施例2においても、前記実施例1と同様の効果が得られる。
3a 第1主軸(回転軸)
8 被検出リング
8a 歯
9 角度検出センサ
7 回転角度検出装置
6 回転角度位置決め装置
10 駆動モータ(回転軸駆動装置)
E 1回転周期誤差パターン
F 1歯周期誤差パターン
11 コントローラ(誤差パターン記憶部,指令値補正部)

Claims (3)

  1. 回転軸に設けられ、所定ピッチで形成された複数の歯を有する被検出リングと、前記歯に対向するように配置され、該歯との距離に応じた出力を発生する角度検出センサとを有し、該角度検出センサからの前記出力に基づいて前記被検出リングの回転角度を求める回転角度検出装置と、
    前記回転角度が、与えられた回転角度指令値となるように前記回転軸を回転させる回転軸駆動装置と
    を備えた回転角度位置決め装置において、
    前記被検出リングにおける任意の1歯周期の補正分割点に対応する前記角度検出センサによる検出回転角度と、実際の回転角度との誤差からなる1歯周期誤差パターンを記憶する誤差パターン記憶部と、
    前記回転角度指令値を前記1歯周期誤差パターンに基づいて補正することにより回転角度補正指令値を求める指令値補正部と
    を備えたことを特徴とする回転角度位置決め装置。
  2. 請求項1に記載の回転角度位置決め装置において、
    前記誤差パターン記憶部は、前記1歯周期誤差パターン及び前記被検出リングを1回転させたときの前記角度検出センサによる検出回転角度と実際の回転角度との誤差からなる1回転周期誤差パターンを記憶し、
    前記指令値補正部は、前記回転角度指令値を前記1回転周期誤差パターン及び前記1歯周期誤差パターンに基づいて補正することにより回転角度補正指令値を求める
    ことを特徴とする回転角度位置決め装置。
  3. 請求項2に記載の回転角度位置決め装置において、
    前記指令値補正部は、前記回転角度指令値を前記1回転周期誤差パターンに基づいて補正することにより第1回転角度補正指令値を求め、該第1回転角度補正指令値を前記1歯周期誤差パターンに基づいて補正することにより第2回転角度補正指令値を求める
    ことを特徴とする回転角度位置決め装置。
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