JP2014191607A

JP2014191607A - 数値制御工作機械および数値制御工作機械の主軸誤差補正方法

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Publication number: JP2014191607A
Application number: JP2013066874A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Kaminishi; 大輔上西
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-06
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: CN104070414A; US9448552B2; DE102014104170B4; CN104070414B; JP5670504B2; DE102014104170A1; US20140297022A1

Abstract

【課題】機械本体の製造段階の組み立て誤差やワークの加工中に発生する熱による機械本体の変形による誤差によって生じる主軸誤差を補正する機能を有する数値制御装置を備える工作機械を提供する。
【解決手段】主軸誤差計測用治具３０を主軸の工具装着部１５に装着する。工作機械１の各軸の移動軸方向に計測可能な測定子５をテーブル１１に設置し、テーブル１１のＸ軸，Ｙ軸、および、主軸ヘッド１４を昇降するＺ軸の各移動軸を数値制御装置３により駆動制御して、主軸中心位置計測用の穴３２、及び、主軸角度偏差計測用の端面３３を計測することによって主軸誤差計測を行う。主軸誤差計測結果を元に主軸誤差計算を行う。主軸誤差計算結果を元に角度偏差Ｂ（α_ｈ，β_ｈ）と主軸誤差補正量（θ_Ｃ，θ_Ａ）を求める。角度偏差Ｂ（α_ｈ，β_ｈ）と主軸誤差補正量（θ_Ｃ，θ_Ａ）を、テーブル１１と主軸の相対移動量を補正するパラメータとして用い、主軸誤差を補正することができる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、数値制御工作機械に関し、特に、数値制御工作機械の主軸誤差補正方法および主軸誤差補正機能を備えた数値制御工作機械に関する。

従来、ある直線移動軸又は回転軸に固定された主軸と１軸以上の直線移動軸又は回転軸を有するテーブルを備え、これらの主軸とテーブルの動作を制御する数値制御装置を備える工作機械において、あるワークの加工面に対して高精度に垂直、または平行な加工を行う場合、ワークや加工面を移動軸に対して高精度に垂直、または平行に設置させることで高精度に加工可能である。

しかし、バイスやチャックなどの治具を使い、ワークを工作機械に取り付けて加工する場合、加工面が移動軸に対して傾きが生じる可能性があり、必ずしも垂直、または平行にならないため、その度に手動による微調整が必要である。

これに対して、特許文献１には、ワークや加工面の傾きを加工前に測定し、ワークを設置しているテーブルを、測定により求められた傾きにあわせて傾斜補正させ、加工面に対して高精度に加工する方法が特許文献１に開示されている。

しかしながら、上記特許文献１に開示される技術は、ワークの傾きを補正するものだけであり、加工工具を保持する主軸が、ワークを載置するテーブルに対して高精度に垂直または平行に設置されていれば、図１６に示すように高精度な加工が可能であるが、主軸がテーブルに対して垂直または平行に設置されていない場合、図１７に示すようにフライス加工では段差などの加工不良の発生原因となり、また、穴あけ加工ではドリルが変形する。

なお、図１６（ａ）はテーブル上に載置されたワークにエンドミル加工により二段のポケット加工を行う例を図示している。また、図１６（ｂ）はテーブル上に載置されたワークにドリル加工を行う例を図示している。図１７（ａ）はテーブル上に載置されたワークにエンドミル加工により二段のポケット加工を行う例を図示している。また、図１７（ｂ）はテーブル上に載置されたワークにドリル加工を行う例を図示している。図１７に示されるように、主軸がテーブル上のワークに対して垂直でない場合、加工不良や工具の破損を引き起こしてしまう。

特開２０１０−２０１５８１号公報

そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、ある直線移動軸に固定された主軸と２軸以上の直線移動軸を有するテーブルと該テーブル上に設置された２軸以上の回転軸を有するワークを固定するための回転テーブルを備え、これらの主軸とテーブルを制御する数値制御装置を備える工作機械において、機械本体の製造段階の組み立て誤差やワークの加工中に発生する熱による機械本体の変形による誤差によって生じる主軸誤差を補正する機能を有する数値制御工作機械および数値制御工作機械の主軸誤差補正方法を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、主軸を移動させる直線移動軸と、テーブルを移動させる２軸以上の直線移動軸と、前記テーブル上に設置された２軸以上の回転軸を有するワークを固定するための回転テーブルと、前記主軸、前記直線移動軸、および、前記回転軸を制御し前記ワークの加工を行う数値制御装置を備えた工作機械において、主軸に取り付けられ、主軸軸線に対して平行な被測定面である内面を有する主軸中心位置計測用の穴と前記主軸軸線に対して垂直な被測定面である主軸角度偏差計測用の端面とを備える被測定部材である主軸誤差計測用治具と、前記テーブル上に設置され主軸誤差計測用治具の前記主軸中心位置計測用の穴と前記主軸角度偏差計測用の端面を検出する測定子と、前記主軸誤差計測用治具を前記主軸に取り付け、前記測定子により前記主軸誤差計測用治具の内面と端面を測定した結果から主軸角度偏差を算出する主軸角度偏差算出手段と、該算出した主軸角度偏差から前記テーブルおよび前記回転テーブルの位置を補正する補正量を算出する補正量算出手段と、該補正量に基づいて前記直線移動軸と前記回転テーブルを移動させる位置補正手段、とを備えることを特徴とする数値制御工作機械である。

請求項２に係る発明は、前記主軸角度偏差算出手段は、前記測定子によって前記主軸誤差計測用治具の穴の内面であって同一面上の３点以上測定した結果から主軸中心位置を求め、前記主軸誤差計測用治具の端面を、前記主軸中心位置から前記主軸誤差計測用治具の端面に対して垂直に降ろした線の交点を中心とした任意の直径の円上の点を３点以上測定した結果から、主軸角度偏差を算出することを特徴とする請求項１に記載の数値制御工作機械である。
請求項３に係る発明は、前記主軸角度偏差算出手段は、前記主軸角度偏差に加え、主軸誤差計測用治具の主軸取付誤差を算出し、前記補正量算出手段は、前記主軸取付誤差および主軸角度偏差から前記テーブルおよび前記回転テーブルの位置を補正する補正量を算出することを特徴とする請求項２に記載の数値制御工作機械である。
請求項４に係る発明は、前記位置補正手段は、前記回転テーブルの２軸以上の各回転軸に対して、前記補正量に基づいて各回転軸を補正し、前記主軸に対して前記ワークを垂直または平行に位置補正し、各直線移動軸の移動指令を前記主軸が前記ワークに対して垂直または平行に移動するために、前記補正量に基づいて各直線移動軸の相対移動補正量を算出し、該相対移動補正量に基づいて相対移動補正することを特徴とする請求項１に記載の数値制御工作機械である。

請求項５に係る発明は、直線移動軸と回転軸を制御する数値制御装置を備える数値制御工作機械の主軸誤差補正方法において、前記工作機械の主軸軸線に対して平行な被測定面である内面を有する主軸中心位置計測用の穴と前記主軸軸線に対して垂直な被測定面である主軸角度偏差計測用の端面とを備える被測定部材である主軸誤差計測用治具を主軸に取り付けるステップと、ワークを載置する回転テーブルを固定するテーブル上に設置された測定子により、前記主軸誤差計測用治具で前記主軸中心位置計測用の穴と前記主軸角度偏差計測用の端面を検出するステップと、前記測定子により前記主軸誤差計測用治具の内面および端面を検出した結果から主軸角度偏差を算出するステップと、前記算出された主軸角度偏差から前記テーブルおよび前記回転テーブルの位置を補正する補正量を算出するステップと、前記補正量に基づいて前記直線移動軸と前記回転テーブルを移動させるステップ、とを備えることを特徴とする数値制御工作機械の主軸誤差補正方法である。

請求項６に係る発明は、前記主軸角度偏差の算出は、前記測定子によって前記主軸誤差計測用治具の穴の内面であって同一面上の３点以上測定した結果から主軸中心位置を求め、前記主軸誤差計測用治具の端面を、前記主軸中心位置から前記主軸誤差計測用治具の端面に対して垂直に降ろした線の交点を中心とした任意の直径の円上の点を３点以上測定した結果から、主軸角度偏差を算出することを特徴とする請求項５に記載の数値制御工作機械の主軸誤差補正方法である。
請求項７に係る発明は、前記主軸角度偏差に加え、主軸誤差計測用治具の主軸取付誤差を算出し、前記主軸取付誤差および主軸角度偏差から前記テーブルおよび前記回転テーブルの位置を補正する補正量を算出することを特徴とする請求項５または６のいずれか一つに記載の数値制御工作機械の主軸誤差補正方法である。

請求項８に係る発明は、前記移動は、前記回転テーブルの２軸以上の各回転軸に対して、前記補正量に基づいて各回転軸を補正し、前記主軸に対して前記ワークを垂直または平行に位置補正し、各直線移動軸の移動指令を前記主軸が前記ワークに対して垂直または平行に移動するために、前記補正量に基づいて各直線移動軸の相対移動補正量を算出し、該相対移動補正量に基づいて相対移動補正することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載の数値制御工作機械の主軸誤差補正方法である。

本発明により、ある直線移動軸に固定された主軸と２軸以上の直線移動軸を有するテーブルと該テーブル上に設置された２軸以上の回転軸を有するワークを固定するための回転テーブルを備え、これらの主軸とテーブルを制御する数値制御装置を備える工作機械において、機械本体の製造段階の組み立て誤差やワークの加工中に発生する熱による機械本体の変形による誤差によって生じる主軸誤差を補正する機能を有する数値制御工作機械および数値制御工作機械の主軸誤差補正方法を提供できる。

移動軸に組立誤差の無い状態で固定されている主軸の例を説明する図である。移動軸に組立誤差がある状態で固定されている主軸の例を説明する図である。移動軸に組立誤差かつ変形による誤差がある状態で固定されている主軸の例を説明する図である。主軸軸線に対してワークを相対的に動作させた場合を説明する図である。主軸誤差補正回転テーブルを搭載した例を説明する図である。主軸誤差補正回転テーブルを説明する図である。主軸誤差計測用治具の一例を説明する図である。主軸誤差計測用治具の他の例を説明する図である。本発明の実施形態に係る主軸誤差補正機能を備えた工作機械の構成を示すブロック図である。主軸誤差計測用治具の計測例を説明する図である。主軸誤差補正制御手段を説明する図である（その１）。主軸誤差補正制御手段を説明する図である（その２）。主軸誤差補正制御手段を説明する図である（その３）。テーブル相対移動手段を説明する図である。数２式を補足説明する図である。主軸がワークに対して垂直の場合の加工例を説明する図である。主軸がワークに対して垂直ではない場合の加工例を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、従来技術の説明と同じ構成、類似する構成は同じ符号を用いて説明する。
本発明は、ある直線移動軸に固定された主軸と２軸以上の直線移動軸を有するテーブルと該テーブル上に設置された２軸以上の回転軸を有するワークを固定するための回転テーブルを備え、これらの主軸とテーブルを制御する数値制御装置を備える工作機械において、機械本体の製造段階で移動軸に対して固定された主軸の組み立て誤差、及び、加工中に発生する熱による変形によって発生する主軸の変位による誤差の問題を解決するために、下記の工作機械を提供する。

図１を用いて工作機械を説明する。工作機械１は機械本体２と機械本体２を制御する数値制御装置３（図９参照）を含んで構成される。工作機械本体２を説明する。ベッド１０はＹ軸方向（機械本体２の前後方向）に長い略直方体状に形成され、鋳型内に鋳鉄などの金属材料を流し込むことによって成型されている。ベッド１０の下部の四隅に高さ調節可能な脚部１０ａが各々設けられている。これらの脚部１０ａが工場などの床面に設置されることにより、工作機械１が所定場所に設置される。

機械本体２は、ベッド１０と、ベッド１０の上部後方に配置され、垂直上方に延設された直方体状のコラム１２と、コラム１２の前面に沿って設けられた移動軸（Ｚ軸）１３と、移動軸（Ｚ軸）１３によってコラム１２の前面に沿って昇降可能に設けられた主軸ヘッド１４と、主軸ヘッド１４の下部から鉛直下方に延設された主軸に固定され、工具ホルダを取り付けて交換する工具装着部１５と、ベッド１０の上部に設けられ、ワークを着脱可能に固定するテーブル１１とを備えている。機械本体２は、図示省略した制御装置によって、主軸、各移動軸が制御される。テーブル１１は、図示省略されたモータによって駆動され、Ｘ軸とＹ軸方向に移動する。

工作機械１の機械本体２の製造上、ある移動軸に固定された主軸を正確な位置、および方向に調整して製造することは困難なため、主軸の位置と方向について誤差が生ずる。この誤差とは、本来主軸が固定されている移動軸に対して主軸軸線１００が垂直（Ｘ軸とＹ軸に垂直）又は平行（Ｚ軸）に設置されているべきものが（図１参照）、主軸軸線１０２が図２のように、固定されている移動軸（Ｚ軸）に対して角度偏差Ａ（α_０，β_０）を持つことを指し、この時の主軸中心位置Ｐを（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）とする。なお、これ以降、この誤差を固定された誤差という。

また、この固定された誤差に加え、加工中に発生する熱や外気温変化によって工作機械１の機械本体２が変形し、図３に示されるように、主軸軸線は、主軸軸線１０２から主軸軸線１０４へ移動する。そうすると、図３に示されるように、主軸中心位置Ｑ（Ｘ_ｈ，Ｙ_ｈ，Ｚ_ｈ）及び主軸を固定した移動軸に対する角度偏差Ｂ（α_ｈ，β_ｈ）が発生する。工作機械１の機械本体２の変形によって、主軸中心位置は、主軸中心位置Ｐ（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）から主軸中心位置Ｑ（Ｘ_ｈ，Ｙ_ｈ，Ｚ_ｈ）に移動する。

主軸中心位置Ｐ（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）を基準とし、機械本体２に変形が加わったことによる主軸中心位置Ｑ（Ｘ_ｈ，Ｙ_ｈ，Ｚ_ｈ）との差を、主軸中心位置誤差量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）とする。主軸中心位置誤差量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）は、図３に示されるように、各軸の差（ΔＸ＝Ｘ_０―Ｘ_ｈ，ΔＹ＝Ｙ_０―Ｙ_ｈ，ΔＺ＝Ｚ_０―Ｚ_ｈ）で表される。

主軸中心位置Ｐ（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）、主軸中心位置Ｑ（Ｘ_ｈ，Ｙ_ｈ，Ｚ_ｈ）、角度偏差Ａ（α_０，β_０）、および角度偏差Ｂ（α_ｈ，β_ｈ）は、後述するように、特定の工具（主軸誤差計測用治具）と測定子を使用することで求めることが出来る。

従来、工作機械１の機械本体２を製造する際に生じる主軸軸線の垂直方向からのズレのため、工作機械１は、図１６のように主軸に角度偏差が無い状態で加工することはなく、実際には図２又は図３のように、主軸が、主軸中心位置Ｐ（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）または主軸中心位置Ｑ（Ｘ_ｈ，Ｙ_ｈ，Ｚ_ｈ）、及び、角度偏差Ａ（α_０，β_０）または角度偏差Ｂ（α_ｈ，β_ｈ）を持った状態で加工している。

これに対して、本発明の実施形態である工作機械１は、工作機械の周囲の外気温の変化や主軸回転動作による発熱、加工後、暖機運転後などの主軸誤差発生動作によって発生した誤差である主軸中心位置誤差量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）を各軸に補正する手段をとることで、前記主軸誤差発生動作によって発生した誤差を補正した加工を行える。

しかしながら、前記各軸に補正する手段だけでは主軸の角度偏差が考慮されていない。図１７の例に示すように主軸角度偏差によって、高さや位置を変えたエンドミルによる加工では段差が発生し、ドリル加工では加工開始位置と終了位置とドリル位置が異なるため、異常負荷によって加工穴の変形や工具異常磨耗、工具破損、精度不良などの加工不良が発生する。

このような問題を解決するためには、主軸が移動軸に対して固定されている場合（図１の場合、Ｚ軸に固定）、加工開始前や加工中に主軸の静的精度調整によって主軸角度偏差を修正することで高精度な加工が実現可能である。しかし、加工前に機械の静的精度調整を行うことは現実的に困難であり、外気温の変化や主軸回転動作の発熱による一定ではない工作機械の変形を静的精度調整で調整することは不可能である。

そこで、移動軸に固定されている角度偏差を持つ主軸を、主軸軸線に対して垂直又は平行に動作させるようにワークを相対移動させることで、主軸に装着している工具に対して高精度且つ安定した加工が可能となる（図４参照。主軸はＺ軸に固定されている。）。図４（ａ），（ｂ）はエンドミル加工を説明する図である。図４（ｃ）はドリル加工を説明する図である。また、図５のように計測した主軸の角度偏差に合わせて、主軸誤差補正回転テーブル１９の各軸（傾斜軸（Ａ軸）２０，回転軸（Ｃ軸）２１）を制御し、ワーク１６の姿勢を変化させることでワーク１６に対して高精度な加工が可能となる。

主軸に装着した工具（エンドミル１７、ドリル１８など）を用いてワーク１６へ高精度な加工を行うには、図４や図５に示される上記の加工を実現するため、前記主軸誤差発生動作によって一定ではない変形をした主軸に対して、角度偏差を補正する必要がある。

そこで、まず主軸中心位置Ｑ（Ｘ_ｈ，Ｙ_ｈ，Ｚ_ｈ）を計測するため、図７に示す主軸誤差計測用治具３０を工具の替わりに主軸に取り付ける（具体的には、主軸誤差計測用治具３０の治具ホルダ３１を工具装着部１５に装着する。）。なお、主軸中心位置Ｐも同様に計測できる。

図７は主軸誤差計測用治具例を説明する図である。図７（ａ）は主軸誤差計測用治具を側面から見た概略図である。図７（ｂ）は矢印３４の方向に主軸誤差計測用治具を見た図である。主軸誤差計測用治具３０は、主軸の工具装着部１５に装着するための治具ホルダ３１、主軸軸線（中心軸線）に対して平行な内周面を有する主軸中心位置計測用の穴３２、および、前記主軸軸線に対して垂直な被測定面である主軸角度偏差計測用の端面３３を備えている。主軸中心位置計測用の穴３２の深さ方向に直交する断面の形状と主軸角度偏差計測用の端面３３は円形形状をなしている。図８には、主軸誤差計測用治具３０の主軸角度偏差計測用の端面３３の形状として、十字形状を主な形状例としてあげている。

なお、主軸誤差計測用治具３０は、測定範囲を主軸軸線に対して垂直としている形状であれば円盤形状や十字形状以外でもよい。また、主軸中心位置計測用の穴３２の形状は円や四角形状を主な形状例としてあげているが、測定範囲を主軸軸線に対して平行としている形状であれば円や四角形状以外でもよい。

図９は、本発明の実施形態に係る主軸誤差補正機能を備えた工作機械の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態では、工作機械１は、機械本体２、主軸誤差補正回転テーブル１９、測定子５、および、数値制御装置３を備えている。数値制御装置３は、機械本体２、および、主軸誤差補正回転テーブル１９の動作を制御し、測定子５から出力される主軸誤差計測用治具３０の検出信号を取得する。

機械本体２の各移動軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）、主軸誤差補正回転テーブル１９の各回転軸（Ｃ軸，Ａ軸）には、図示しない位置検出器が設けられており、各々の前記位置検出器からのフィードバック信号が数値制御装置３に入力されるようになっている。数値制御装置３は、工作機械１の全体を制御する装置である。数値制御装置３は、ワーク１６に対して機械加工を行う場合は、予め設定された加工プログラムにより工作機械本体２の各軸を駆動するモータに対して駆動指令を出力し、ワーク１６に対する、各移動軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）の相対位置を制御する。

数値制御装置３は、予め設定された主軸誤差補正制御プログラムにより、測定子５を用いて、機械本体２の工具装着部１５に装着された主軸誤差計測用治具３０の計測を実行する。予め設定されたプログラム（主軸誤差補正制御プログラム）により、機械本体２の各軸のモータに駆動指令を出力し、主軸誤差計測用治具３０に対する、各移動軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）の相対位置を制御する。数値制御装置３は、測定子５からの出力信号を受信することにより、主軸誤差計測用治具３０の所要の位置のデータを取得する。

数値制御装置３は、主軸誤差補正制御プログラムを実行することで、主軸誤差計測、計測結果を用いた主軸誤差計算、計算によって得られた主軸誤差を補正する補正量を求める主軸誤差補正計算、および、前記補正量を主軸誤差パラメータとして設定する一連の処理を実行する。

以下、＜主軸誤差計測＞、＜主軸誤差計算＞、＜主軸誤差補正＞、＜主軸誤差パラメータ設定＞を説明する。
図１０に示すように、工作機械１の移動軸方向に計測可能な測定子（接触式測定装置）５をテーブル１１上に設置し、テーブル１１のＸ軸，Ｙ軸、および、主軸ヘッド１４を昇降するＺ軸の各移動軸を、数値制御装置３により駆動制御して、主軸中心位置計測用の穴３２、及び、主軸角度偏差計測用の端面３３を計測する。なお、測定子（接触式測定装置）５は測定対象物と接触したときに検出信号を出力するタッチ式センサなどを公知のものを使用することができる。
＜主軸誤差計測＞
下記（１）〜（３）について図１１を参照して説明する。
（１）主軸中心位置の計測
主軸中心位置計測用の穴３２の計測では、測定子５を用いて主軸中心位置計測用の穴３２の主軸軸線に対して平行な面（主軸中心位置計測用の穴３２の内周側面）に対して３点以上の位置で計測し、計測結果を用いて、機械起動時または主軸誤差発生動作後の主軸中心位置Ｑ（Ｘ_ｈ，Ｙ_ｈ，Ｚ_ｈ）を算出できる。
より具体的には、図１１に示すように移動軸方向に計測可能な測定子５をテーブル１１に設置し、テーブル１１のＸ軸，Ｙ軸、および、主軸ヘッド１４を昇降するＺ軸の各移動軸を数値制御装置３により駆動制御して、主軸中心位置計測用の穴３２の内周面上であって同一平面上にあり異なる少なくとも３点を計測する。
（２）主軸誤差計測用治具取付誤差の計測
主軸角度偏差計測用の端面３３の計測では、前記主軸中心軸位置Ｑを中心とした任意の計測直径Ｄの位置において、図１２（ａ）に示すとおり測定子５を用いて、主軸を０〜３６０°の間で回転させて、３点以上の位置で計測し、主軸に対する主軸誤差計測治具３０の主軸誤差計測治具取付誤差（Ｚ_ｘｅ，Ｚ_ｙｅ）を計測する。
図１２（ｂ）と（ｃ）では端面３３の４点計測における主軸誤差計測治具取付誤差（Ｚ_ｘｅ，Ｚ_ｙｅ）の計測方法を示す。これは主軸誤差計測治具を主軸に装着した状態においてＸ軸方向を０°とした場合、Ｘ軸及びＹ軸方向における治具の傾きを計測するため、各軸上で主軸中心位置Ｑを中心とした計測直径Ｄの半径位置（Ｄ／２，０）で対応する角度にてＸ軸方向では２点（０°と１８０°）、Ｙ軸方向では２点（９０°と２７０°）の合計４点でＺ軸方向の位置を計測し、各軸方向の治具の傾きを計測する方法である。
図１２（ｂ）は、Ｘ軸方向における治具の傾きを計測する方法を説明している。測定子５を（Ｄ／２，０）の位置に置き、主軸の回転角度が０°の時、測定子５により検出される主軸誤差計測用治具３０のＺ軸方向の位置をＺ_ｘ１とする。次に、主軸の回転角度が１８０°の時、測定子５により検出される主軸誤差計測用治具３０のＺ軸方向の位置をＺ_ｘ２とする。そして、Ｚ―Ｘ平面内における誤差Ｚ_ｅｘ＝Ｚ_ｘ２―Ｚ_ｘ１として表される。
図１２（ｃ）は、Ｙ軸方向における治具の傾きを計測する方法を説明している。主軸の回転角度が９０°の時、測定子５により検出される主軸誤差計測用治具３０のＺ方向の位置をＺ_ｙ１とする。次に、主軸の回転角度が２７０°の時、測定子５により検出される主軸誤差計測用治具３０のＺ方向の位置をＺ_ｙ２とする。そして、Ｚ―Ｙ平面内における誤差Ｚ_ｙｅ＝Ｚ_ｙ２―Ｚ_ｙ１として表される。

（３）主軸角度偏差の計測
次に主軸を固定（回転角度を０°）した後、測定子５を設置したテーブル１１をＸ方向に動作させ（Ｘ軸の移動軸を駆動）、主軸角度偏差計測用の端面３３を、（Ｘ_ｈ，Ｙ_ｈ，Ｚ_ｈ）を中心として、計測直径Ｄとなる直線上の２つの位置で主軸誤差計測用治具３０のＺ方向の位置を測定する。２つの位置におけるＸ軸上で主軸角度偏差をＺ_ｘｈとする。
次に、測定子５を設置したテーブル１１をＹ方向に動作させ（Ｙ軸の移動軸を駆動）、主軸角度偏差計測用の端面３３を、（Ｘ_ｈ，Ｙ_ｈ，Ｚ_ｈ）を中心として、計測直径Ｄとなる直線上の２つの位置で主軸誤差計測用治具３０のＺ方向の位置を測定する。２つの位置におけるＹ軸上で主軸角度偏差をＺ_ｙｈとする。ここで主軸角度偏差（Ｚ_ｘｈ，Ｚ_ｙｈ）とする。なお、主軸角度偏差（Ｚ_ｘｈ，Ｚ_ｙｈ）は主軸誤差計測用治具３０の主軸への取り付け誤差が含まれている。

＜主軸誤差計算＞
（４）数１式により、主軸角度偏差（Ｚ_ｘｈ，Ｚ_ｙｈ）から主軸誤差計測治具取付誤差（Ｚ_ｘｅ，Ｚ_ｙｅ）を引いた、真の主軸角度偏差（Ｚ_ｘ，Ｚ_ｙ）を求める。

真の主軸角度偏差（Ｚ_ｘ，Ｚ_ｙ）の計算結果から、数２式により主軸角度偏差補正量（θ_Ｃ，θ_Ａ）を計算する。

＜主軸誤差補正＞
（５）主軸軸線に対してワークを垂直、または平行に姿勢制御するための主軸誤差補正回転テーブル１９（図１４参照）は、回転軸（Ｃ軸）２１をベッドにした傾斜軸（Ａ軸）２０を有する主軸誤差補正回転テーブルである。回転軸（Ｃ軸）２１は主軸を固定した移動軸（Ｚ軸）に平行な軸周りに回転し、傾斜軸（Ａ軸）は２軸以上の移動軸（Ｘ軸，Ｙ軸）を有するテーブル１１の上面に対して平行な軸の周りに回転する。図６（ａ）では傾斜軸（Ａ軸）はＸ軸に平行な軸周りに回転する。主軸誤差補正回転テーブル１９の回転テーブルパラメータに主軸角度偏差補正量（θ_Ｃ，θ_Ａ）を設定して補正動作させることで、主軸誤差補正回転テーブル１９に載置したワーク１６を主軸軸線に対して垂直、平行に姿勢制御できる。

＜主軸誤差パラメータ設定＞
図１４（ａ）に示すとおり、主軸を主軸軸線に対して垂直、または平行に動作させるための手段であるテーブル相対移動手段のテーブル相対移動パラメータに、上記（４）主軸誤差計算によって算出された主軸角度偏差補正量（α_ｈ，β_ｈ，θ_Ｃ，θ_Ａ）を設定し、図１４に示すとおり移動指令に合わせて、主軸が主軸軸線に対して垂直又は平行に動作するように各移動軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）を相対動作させることで、装着した加工工具（エンドミル１７、ドリル１８など）及びワーク１６に対して高精度な加工が可能となる。

図１４（ｂ）に示されるように、図１１，図１２，および図１３を用いて説明した主軸誤差補正制御手段によって設定されたテーブル相対移動パラメータを用い、移動軸の指令量によって各軸の相対移動量（Ｘ_ｌ，Ｙ_ｌ，Ｚ_ｌ）を計算し、補正して、主軸を固定した移動軸と同期動作する。主軸の移動軸が移動量Ｚで動作した場合、各軸の相対移動量（Ｘ_ｌ，Ｙ_ｌ，Ｚ_ｌ）は、数３式により表される。なお、ｒ_ｔはテーブル１１の移動量である。

本発明は、主軸誤差計測用治具３０と測定子５と主軸誤差補正制御手段（図１１，図１２，図１３参照）によって計測された主軸角度偏差を基に算出された補正値を、主軸誤差補正回転テーブル１９の回転テーブルパラメータとテーブル相対移動手段（図１４参照）のテーブル相対移動パラメータに設定し、主軸誤差補正回転テーブル１９とワーク１６を主軸軸線に対して垂直または平行に姿勢制御し、テーブル相対移動手段によって主軸に取り付けた加工工具（エンドミル１７、ドリル１８など）を主軸軸線に対して平行に相対移動させることで主軸に装着した加工工具及びワーク１６に対して高精度に加工が可能となる。

ここで、図１５を用いて数２式を補足して説明する。図６に示される回転テーブル１９の各回転軸の方向性に基づいて説明する。
＜θ_Ｃの求め方＞
Ｚ_ｘ，Ｚ_ｙのそれぞれの値を、移動軸である各Ｘ軸Ｙ軸方向に置き換えることによってθ_Ｃを求める。
Ｚｙ≠０の場合
θ_Ｃ＝ｔａｎ^−１（Ｚ_ｘ／Ｚ_ｙ）
Ｚｙ＝０の場合
Ｚ_x＞０ θ_Ｃ＝９０°
Ｚ_ｘ＜０ θ_Ｃ＝−９０°
＜θ_Ａの求め方＞
計測直径ＤとＺｘ，Ｚｙから算出されるｒによってθ_Ａを求める。
ｒ＝√（Ｚ_x ^２＋Ｚｙ^２）
Ｚ_ｙ≧０ θ_Ａ＝ｔａｎ^−１（ｒ／Ｄ）
Ｚ_ｙ＜ θ_Ａ＝−ｔａｎ^−１（ｒ／Ｄ）

（計算例）
ここで、数１式、数２式、数３式の計算例を示す。
Ｄ＝２００．０，Ｚ_ｘ１＝０，Ｚ_ｘ２＝＋０．０１，Ｚ_ｙ１＝０，Ｚ_ｙ２＝−０．０２の場合、
Ｚ_ｘｅ＝Ｚ_ｘ２−Ｚ_ｘ１＝０．０１
Ｚ_ｙｅ＝Ｚ_ｙ２−Ｚ_ｙ１＝−０．０２
次に、Ｚ_ｘｈ＝＋０．０６，Ｚ_ｙｈ＝＋０．０８
Ｚ_ｘ＝Ｚ_ｘｈ−Ｚ_ｘｅ＝０．０６−０．０１＝０．０５
Ｚ_ｙ＝Ｚ_ｙｈ−Ｚ_ｙｅ＝０．０８−（−０．０２）＝０．１０
α_ｈ＝ｔａｎ^−１（Ｚ_ｘ／Ｄ）＝ｔａｎ^−１（０．０５／２００）＝０．０１４３２４
β_ｈ＝ｔａｎ^−１（Ｚ_ｙ／Ｄ）＝ｔａｎ^−１（０．１０／２００）＝０．０２８６４８

ここで、θ_Ｃとθ_Ａの計算例を示す。
Ｄ＝２００．０，Ｚ_ｘ＝＋０．０５，Ｚ_ｙ＝＋０．１
θ_Ｃ＝ｔａｎ^−１（Ｚ_ｘ／Ｚ_ｙ）
＝ｔａｎ^−１（０．０５／０．１）＝２６．５６５°
θ_Ａ＝ｔａｎ^−１（ｒ／Ｄ）＝ｔａｎ^−１（√（０．０５^２＋０．１^２）／２００．０）
＝０．０３２
よって、
θ_Ｃ＝２６．５６５°
θ_Ａ＝０．０３２°

（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１の計算例）
ここで、（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）の計算例を示す。
ＸＹＺ各軸の移動指令がＸ＝３００．０，Ｙ＝１００．０，Ｚ＝２００．０の場合
α_ｈ＝ｔａｎ^−１（Ｚ_ｘ／Ｄ）＝０．０１４３２４
β_ｈ＝ｔａｎ^−１（Ｚ_ｙ／Ｄ）＝０．０２８６４８
ｒ_ｔ＝Ｚ＊ｓｉｎθ_Ａ＝０．１１１７０１
Ｘ_１＝Ｘ＊ｃｏｓα_ｈ＋ｒ_ｔ＊ｓｉｎθ_Ｃ
＝２９９．００００００６＋０．０４９９５４＝３００．０４９９４４６
Ｙ_１＝Ｙ＊ｃｏｓβ_ｈ＋ｒ_ｔ＊ｃｏｓθ_Ｃ
＝９９．９９９９８７５＋０．０９９９０８４５＝１００．０９９８９６
Ｚ_１＝Ｘ＊ｓｉｎα_ｈ＋Ｙ＊ｓｉｎβ_ｈ＋Ｚ＊ｃｏｓθ_Ａ
＝０．０７５＋０．０５＋１９９．９９９９６８８＝２００．１２４９６８８
よって、
Ｘ_１＝３００．０４９９４４６
Ｙ_１＝１００．０９９８９６
Ｚ_１＝２００．１２４９６８８

１工作機械
２機械本体
３制御装置

５測定子

１０ベッド
１０ａ脚部
１１テーブル
１２コラム
１３移動軸（Ｚ軸）
１４主軸ヘッド
１５工具装着部

１６ワーク
１７エンドミル
１８ドリル

１９回転テーブル

３０主軸誤差計測用治具
３１治具ホルダ
３２主軸中心位置計測用の穴
３３主軸角度偏差計測用の端面

４０主軸誤差計測用治具
４１治具ホルダ
４２主軸中心位置計測用の穴
４３主軸角度偏差計測用の端面

１００主軸軸線
１０２主軸軸線
１０４主軸軸線

Claims

主軸を移動させる直線移動軸と、
テーブルを移動させる２軸以上の直線移動軸と、
前記テーブル上に設置された２軸以上の回転軸を有するワークを固定するための回転テーブルと、
前記主軸、前記直線移動軸、および、前記回転軸を制御し前記ワークの加工を行う数値制御装置を備えた工作機械において、
主軸に取り付けられ、主軸軸線に対して平行な被測定面である内面を有する主軸中心位置計測用の穴と前記主軸軸線に対して垂直な被測定面である主軸角度偏差計測用の端面とを備える被測定部材である主軸誤差計測用治具と、
前記テーブル上に設置され主軸誤差計測用治具の前記主軸中心位置計測用の穴と前記主軸角度偏差計測用の端面を検出する測定子と、
前記主軸誤差計測用治具を前記主軸に取り付け、前記測定子により前記主軸誤差計測用治具の内面と端面を測定した結果から主軸角度偏差を算出する主軸角度偏差算出手段と、
該算出した主軸角度偏差から前記テーブルおよび前記回転テーブルの位置を補正する補正量を算出する補正量算出手段と、
該補正量に基づいて前記直線移動軸と前記回転テーブルを移動させる位置補正手段、
とを備えることを特徴とする数値制御工作機械。
前記主軸角度偏差算出手段は、前記測定子によって前記主軸誤差計測用治具の穴の内面であって同一面上の３点以上測定した結果から主軸中心位置を求め、前記主軸誤差計測用治具の端面を、前記主軸中心位置から前記主軸誤差計測用治具の端面に対して垂直に降ろした線の交点を中心とした任意の直径の円上の点を３点以上測定した結果から、主軸角度偏差を算出することを特徴とする請求項１に記載の数値制御工作機械。
前記主軸角度偏差算出手段は、前記主軸角度偏差に加え、主軸誤差計測用治具の主軸取付誤差を算出し、
前記補正量算出手段は、前記主軸取付誤差および主軸角度偏差から前記テーブルおよび前記回転テーブルの位置を補正する補正量を算出することを特徴とする請求項２に記載の数値制御工作機械。
前記位置補正手段は、前記回転テーブルの２軸以上の各回転軸に対して、前記補正量に基づいて各回転軸を補正し、前記主軸に対して前記ワークを垂直または平行に位置補正し、各直線移動軸の移動指令を前記主軸が前記ワークに対して垂直または平行に移動するために、前記補正量に基づいて各直線移動軸の相対移動補正量を算出し、該相対移動補正量に基づいて相対移動補正することを特徴とする請求項１に記載の数値制御工作機械。
直線移動軸と回転軸を制御する数値制御装置を備える数値制御工作機械の主軸誤差補正方法において、
前記工作機械の主軸軸線に対して平行な被測定面である内面を有する主軸中心位置計測用の穴と前記主軸軸線に対して垂直な被測定面である主軸角度偏差計測用の端面とを備える被測定部材である主軸誤差計測用治具を主軸に取り付けるステップと、
ワークを載置する回転テーブルを固定するテーブル上に設置された測定子により、前記主軸誤差計測用治具で前記主軸中心位置計測用の穴と前記主軸角度偏差計測用の端面を検出するステップと、
前記測定子により前記主軸誤差計測用治具の内面および端面を検出した結果から主軸角度偏差を算出するステップと、
前記算出された主軸角度偏差から前記テーブルおよび前記回転テーブルの位置を補正する補正量を算出するステップと、
前記補正量に基づいて前記直線移動軸と前記回転テーブルを移動させるステップ、
とを備えることを特徴とする数値制御工作機械の主軸誤差補正方法。
前記主軸角度偏差の算出は、前記測定子によって前記主軸誤差計測用治具の穴の内面であって同一面上の３点以上測定した結果から主軸中心位置を求め、前記主軸誤差計測用治具の端面を、前記主軸中心位置から前記主軸誤差計測用治具の端面に対して垂直に降ろした線の交点を中心とした任意の直径の円上の点を３点以上測定した結果から、主軸角度偏差を算出することを特徴とする請求項５に記載の数値制御工作機械の主軸誤差補正方法。
前記主軸角度偏差に加え、主軸誤差計測用治具の主軸取付誤差を算出し、
前記主軸取付誤差および主軸角度偏差から前記テーブルおよび前記回転テーブルの位置を補正する補正量を算出することを特徴とする請求項５または６のいずれか一つに記載の数値制御工作機械の主軸誤差補正方法。
前記移動は、前記回転テーブルの２軸以上の各回転軸に対して、前記補正量に基づいて各回転軸を補正し、前記主軸に対して前記ワークを垂直または平行に位置補正し、各直線移動軸の移動指令を前記主軸が前記ワークに対して垂直または平行に移動するために、前記補正量に基づいて各直線移動軸の相対移動補正量を算出し、該相対移動補正量に基づいて相対移動補正することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載の数値制御工作機械の主軸誤差補正方法。