JP2015194929A - 工作機械の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直交しない２軸以上の並進軸を備えた工作機械での幾何誤差を補正し並進軸の指令値を算出する工作機械の制御方法を提供する。
【解決手段】工具を装着する主軸と工作物を保持するテーブルとが、直交しない２軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸とにより相対移動し、工具により工作物を加工する工作機械にて、幾何誤差による工作物に対する工具の位置誤差を補正し並進軸を制御する指令値を算出する工作機械の制御方法であって、工作物座標系から２軸以上の並進軸が直交するように仮想的に設定された仮想直交座標系への同次座標変換により、位置誤差及び位置誤差を補正する補正値を仮想直交座標系に変換する変換ステップＳ４０と、変換ステップにより仮想直交座標系に変換した補正値を、仮想直交座標系から並進軸の指令値座標系へ同次座標変換し、指令値座標系における補正値を算出する補正値算出ステップＳ５０とを実行する。
【選択図】図４

Description

この発明は、工具を装着する主軸と、工作物を保持するテーブルとが、互いに直交しない２軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸とによって相対移動することにより、前記工具によって前記工作物を加工する工作機械において、幾何学的な誤差による前記工作物に対する前記工具の位置の誤差を補正して、前記並進軸を制御するための指令値を算出する工作機械の制御方法及び制御装置に関する。

図６は、当該工作機械の一例であり、３つの並進軸と２つの回転軸とを有する５軸制御マシニングセンタ１０１の模式図である。主軸頭１０２は、並進軸であり互いに直交するＸ軸・Ｚ軸によって、ベッド１０３に対して並進２自由度の運動が可能である。テーブル１０４は、回転軸であるＣ軸によってクレードル１０５に対して回転１自由度の運動が可能である。クレードル１０５は、回転軸であるＡ軸によって、トラニオン１０６に対して回転１自由度の運動が可能であり、Ａ軸とＣ軸とは互いに直交している。トラニオン１０６は、並進軸でありＸ軸・Ｚ軸に直交するＹ軸により、ベッド１０３に対して並進１自由度の運動が可能である。各軸は数値制御装置（図示せず。）により制御されるサーボモータ（図示せず。）により駆動され、工作物をテーブル１０４に固定し、主軸頭１０２に工具（図示せず。）を装着して回転させ、工作物と工具との相対位置を制御して工作物の加工を行う。

前記５軸制御マシニングセンタ１０１の運動精度に影響を及ぼす要因として、例えば、回転軸の中心位置の誤差（想定されている位置からのズレ）や回転軸の傾き誤差（軸間の直角度や平行度）等の各軸間の幾何学的な誤差（幾何誤差）がある。幾何誤差が存在すると５軸制御マシニングセンタ１０１としての運動精度が悪化し、工作物の加工精度が悪化する。そのため、調整により幾何誤差を小さくする必要があるが、ゼロにすることは困難であり、幾何誤差を補正する制御を行うことで高精度な加工を行うことができる。

幾何誤差を補正する手段として、特許文献１に記載されるような方法が提案されている。特許文献１に記載の方法では、工作機械の幾何誤差を考慮して工具先端点の位置を各並進軸の位置に変換し、それらを並進軸を制御するための指令値とすることで幾何誤差による工具先端点の位置誤差を補正することができる。

また、特許文献２には、工作機械の動作に伴う変形誤差と、並進軸の指令位置に対応して発生する位置決め誤差と、工作機械の各要素の発熱等に起因する熱変位による誤差と、を前記幾何誤差とみなし、この幾何誤差を基にして算出した並進軸の補正値を、該並進軸の指令値に加算することで、並進軸を制御するための指令値を算出する方法が提案されている。

特開２００４−２７２８８７号公報 特開２００９−１０４３１７号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載の方法は、並進軸であるＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸が互いに直交する工作機械を対象とするものであるため、この方法では、互いに直交しない２軸以上の並進軸を備えた工作機械での幾何誤差を補正して該並進軸の指令値を算出できないという不都合があった。

この発明は、このような状況に鑑み提案されたものであって、互いに直交しない２軸以上の並進軸を備えた工作機械での幾何誤差を補正して該並進軸の指令値を算出できる工作機械の制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明に係る工作機械の制御方法は、工具を装着する主軸と、工作物を保持するテーブルとが、互いに直交しない２軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸とによって相対移動することにより、前記工具によって前記工作物を加工する工作機械において、幾何学的な誤差による前記工作物に対する前記工具の位置の誤差を、前記幾何学的な誤差を考慮した工具座標系から工作物座標系への同次座標変換により求めた前記幾何学的な誤差がある場合の前記工具の位置と、前記幾何学的な誤差を考慮しない工具座標系から工作物座標系への同次座標変換により求めた理想的な前記工具の位置と、から算出し、前記誤差を補正して前記並進軸を制御するための指令値を算出する工作機械の制御方法であって、前記工作物座標系から前記２軸以上の並進軸が互いに直交するように仮想的に設定された仮想直交座標系への同次座標変換により、前記誤差を前記仮想直交座標系に変換すると共に、該誤差を補正する補正値を該仮想直交座標系に変換する変換ステップと、前記変換ステップによって前記仮想直交座標系に変換した前記補正値を、前記仮想直交座標系から前記並進軸の指令値座標系へ同次座標変換することにより、前記指令値座標系における補正値を算出する補正値算出ステップと、前記補正値算出ステップによって算出した前記補正値を、前記並進軸を制御するための指令値に加算することにより、前記指令値を更新する更新ステップと、を実行することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１において、前記変換ステップでは、前記互いに直交しない２軸以上の並進軸に含まれる並進軸が所定の基準方向に対してなす傾き角度を考慮して、前記誤差及び前記補正値を、前記工作物座標系から前記仮想直交座標系へ同次座標変換することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記２軸以上の並進軸に含まれる任意の並進軸及び前記１軸以上の回転軸に含まれる任意の回転軸を有する任意の軸構成を選択可能な選択ステップを実行し、前記変換ステップでは、前記工作物座標系から前記選択ステップによって選択した前記任意の軸構成に含まれる任意の２軸以上の並進軸が互いに直交するように仮想的に設定された任意の前記仮想直交座標系への同次座標変換により、前記誤差及び前記補正値を前記任意の仮想直交座標系に変換し、前記補正値算出ステップでは、前記変換ステップによって前記任意の仮想直交座標系に変換した前記補正値を、該任意の仮想直交座標系から前記指令値座標系へ同次座標変換することにより、前記指令値座標系における補正値を算出することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３において、前記任意の並進軸を前記工作物の加工に実際に使用する前記並進軸とし、前記任意の回転軸を該加工に実際に使用する前記回転軸として、前記選択ステップでは、前記工作物の加工に実際に使用する並進軸及び前記加工に実際に使用する回転軸を有する使用軸構成を判別する判別情報に基づいて、前記２軸以上の並進軸に含まれる該並進軸及び前記１軸以上の回転軸に含まれる該回転軸を有する軸構成の中に前記使用軸構成が存在するか否かを判別して、該判別した使用軸構成を前記任意の軸構成として選択し、前記変換ステップでは、前記工作物座標系から前記選択ステップによって選択した前記使用軸構成に含まれる２軸以上の並進軸が互いに直交するように仮想的に設定されて前記任意の仮想直交座標系に含まれる一の仮想直交座標系への同次座標変換により、前記誤差及び前記補正値を前記一の仮想直交座標系に変換し、前記補正値算出ステップでは、該変換ステップによって前記一の仮想直交座標系に変換した前記補正値を、該一の仮想直交座標系から前記指令値座標系へ同次座標変換することにより、前記指令値座標系における補正値を算出することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４において、前記選択ステップにより、前記軸構成の中に前記工作物の加工に使用しない前記軸構成が存在すると判別したときに、前記幾何学的な誤差がある場合の前記工具の位置と前記理想的な前記工具の位置とから算出する前記誤差が、前回の誤差を保持あるいは零に設定するように決定される誤差決定ステップを実行することを特徴とする。

請求項６の発明に係る工作機械の制御装置は、工具を装着する主軸と、工作物を保持するテーブルとが、互いに直交しない２軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸とによって相対移動することにより、前記工具によって前記工作物を加工する工作機械において、幾何学的な誤差による前記工作物に対する前記工具の位置の誤差を、前記幾何学的な誤差を考慮した工具座標系から工作物座標系への同次座標変換により求めた前記幾何学的な誤差がある場合の前記工具の位置と、前記幾何学的な誤差を考慮しない工具座標系から工作物座標系への同次座標変換により求めた理想的な前記工具の位置と、から算出し、前記誤差を補正して前記並進軸を制御するための指令値を算出する工作機械の制御装置であって、前記工作物座標系から前記２軸以上の並進軸が互いに直交するように仮想的に設定された仮想直交座標系への同次座標変換により、前記誤差を前記仮想直交座標系に変換すると共に、該誤差を補正する補正値を該仮想直交座標系に変換する変換手段と、前記変換手段によって前記仮想直交座標系に変換した前記補正値を、前記仮想直交座標系から前記並進軸の指令値座標系へ同次座標変換することにより、前記指令値座標系における補正値を算出する補正値算出手段と、前記補正値算出手段によって算出した前記補正値を、前記並進軸を制御するための指令値に加算することにより、前記指令値を更新する更新手段と、を備えることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６において、前記変換手段は、前記互いに直交しない２軸以上の並進軸に含まれる並進軸が所定の基準方向に対してなす傾き角度を考慮して、前記誤差及び前記補正値を、前記工作物座標系から前記仮想直交座標系へ同次座標変換することを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項６又は７において、前記２軸以上の並進軸に含まれる任意の並進軸及び前記１軸以上の回転軸に含まれる任意の回転軸を有する任意の軸構成を選択可能な選択手段を備え、前記変換手段は、前記工作物座標系から前記選択手段によって選択した前記任意の軸構成に含まれる任意の２軸以上の並進軸が互いに直交するように仮想的に設定された任意の前記仮想直交座標系への同次座標変換により、前記誤差及び前記補正値を前記任意の仮想直交座標系に変換し、前記補正値算出手段は、前記変換手段によって前記任意の仮想直交座標系に変換した前記補正値を、該任意の仮想直交座標系から前記指令値座標系へ同次座標変換することにより、前記指令値座標系における補正値を算出することを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項８において、前記任意の並進軸を前記工作物の加工に実際に使用する前記並進軸とし、前記任意の回転軸を該加工に実際に使用する前記回転軸として、前記加工に実際に使用する並進軸及び前記加工に実際に使用する回転軸を有する使用軸構成を判別する判別情報を記憶する記憶手段を備え、前記選択手段は、前記記憶手段に記憶された前記判別情報に基づいて、前記２軸以上の並進軸に含まれる該並進軸及び前記１軸以上の回転軸に含まれる該回転軸を有する軸構成の中に前記使用軸構成が存在するか否かを判別して、該判別した使用軸構成を前記任意の軸構成として選択し、前記変換手段は、前記工作物座標系から前記選択手段によって選択した前記使用軸構成に含まれる２軸以上の並進軸が互いに直交するように仮想的に設定されて前記任意の仮想直交座標系に含まれる一の仮想直交座標系への同次座標変換により、前記誤差及び前記補正値を前記一の仮想直交座標系に変換し、前記補正値算出手段は、前記変換手段によって前記一の仮想直交座標系に変換した前記補正値を、該一の仮想直交座標系から前記指令値座標系へ同次座標変換することにより、前記指令値座標系における補正値を算出することを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項９において、前記選択手段が、前記軸構成の中に前記工作物の加工に使用しない前記軸構成が存在すると判別したときに、前記幾何学的な誤差がある場合の前記工具の位置と前記理想的な前記工具の位置とから算出する前記誤差が、前回の誤差を保持あるいは零に設定するように決定される誤差決定手段を備えることを特徴とする。

請求項１の発明に係る工作機械の制御方法及び請求項６の発明に係る工作機械の制御装置によれば、幾何学的な誤差による工作物に対する工具の位置の誤差及びこの誤差を補正する補正値を、工作物座標系から一旦仮想直交座標系に同次座標変換した後に、この仮想直交座標系に同次座標変換した前記補正値を並進軸の指令値座標系に同次座標変換するだけの簡単な手法により、指令値座標系において前記誤差を補正する補正値を算出できる。そのうえで、該算出した補正値を、並進軸を制御するための指令値に加算するという簡単な手法によって、前記指令値を更新できる。よって、これらの簡単な手法を組み合わせることにより、互いに直交しない２軸以上の並進軸を備えた工作機械での幾何誤差を補正して該並進軸の指令値を算出することが可能になる。
請求項２及び７の発明によれば、互いに直交しない２軸以上の並進軸に含まれる並進軸が所定の基準方向に対してなす傾き角度を特定したうえで、工作物座標系から仮想直交座標系に、工具の位置の誤差及びこの誤差を補正する補正値を同次座標変換することが可能になる。
請求項３及び８の発明によれば、任意の並進軸及び任意の回転軸を有する軸構成に対応させて、幾何学的な誤差による工作物に対する工具の位置の誤差を補正する補正値を算出することが可能になる。
請求項４及び９の発明によれば、工作物の加工に実際に使用する並進軸及び回転軸を有する使用軸構成に対応させて、幾何学的な誤差による工作物に対する工具の位置の誤差を補正する補正値を算出することが可能になる。
請求項５及び１０の発明によれば、工作物の加工に使用しない軸構成に関しては、幾何学的な誤差による工作物に対する工具の位置の誤差の算出を省略できる。よって、この誤差を算出する際の計算負荷を下げることができる。

本発明の実施形態の複合加工旋盤の模式図である。 並進軸であるＹｓ軸が並進軸であるＸ軸に対して傾いた状態を説明する図である。 実施形態の制御方法を行う数値制御装置のブロック線図である。 並進軸の指令値を算出する処理のフローチャートである。 工作物座標系での工具先端点位置の誤差算出処理のフローチャートである。 従来の５軸制御マシニングセンタの模式図である。

本発明の実施形態を図１ないし図５を参照しつつ説明する。図１に示す複合加工旋盤１は、本発明の工作機械の一例であり、４つの並進軸（Ｘ軸・Ｙｓ軸・Ｚ軸・Ｗ軸）と、３つの回転軸（Ｂ軸・Ｃ１軸・Ｃ２軸）とを有する。主軸頭２は、互いに直交していない並進軸であるＸ軸・Ｙｓ軸・Ｚ軸によって、ベッド３に対して並進３自由度の運動が可能である。本実施形態では、図２に示すように、Ｘ軸とＹｓ軸とが直交しておらず、Ｙ軸に対してＹｓ軸が角度θだけ傾いている。加えて主軸頭２は、刃物台４に内蔵された回転軸であるＢ軸によって、回転１自由度の運動が可能である。

また第１主軸台６は、ベッド３に固定されて回転軸Ｃ１により、回転１自由度の運動が可能である。この第１主軸台６が備える第１主軸部７は回転軸Ｃ１回りで回転可能であり、第１主軸部７には工作物（図示せず。）が取り付け可能とされている。さらに第２主軸台８は、並進軸であってＺ軸と平行なＷ軸によって、ベッド３に対して並進１自由度の運動が可能である。これに加えて第２主軸台８は、回転軸であるＣ２軸によって、回転１自由度の運度が可能である。この第２主軸台８が備える第２主軸部９は回転軸Ｃ２回りで回転可能であり、第２主軸部９にも工作物（図示せず。）が取り付け可能とされている。各並進軸（Ｘ軸・Ｙｓ軸・Ｚ軸・Ｗ軸）及び各回転軸（Ｂ軸・Ｃ１軸・Ｃ２軸）は、後述する数値制御装置２０により制御されるサーボモータ２５ａ〜２５ｇ（図３参照。）により駆動され、主軸頭２に装着される工具１０（図１参照。）と工作物との相対位置を制御しながら、工具１０によって前記工作物を任意の形状に加工する。なお、第１主軸台６及び第２主軸台８は、本発明のテーブルの一例である。

図３には本実施形態の制御を行うための数値制御装置２０の一例を示した。この数値制御装置２０は、指令値生成手段２２とサーボ指令値変換手段２３とを備えている。指令値生成手段２２は、工作物に加工を行う際に工具１０を該加工を行う位置に移動させる指令として該工具１０の先端位置の指令座標値が記述された加工プログラム２１が入力されると、各軸（Ｂ軸・Ｃ１軸・Ｃ２軸・Ｘ軸・Ｙｓ軸・Ｚ軸・Ｗ軸）の指令値を生成する。この指令値はサーボ指令値変換手段２３に送られる。この指令値を受けたサーボ指令値変換手段２３は、前記各軸のサーボ指令値を演算して、各軸のサーボアンプ２４ａ〜２４ｇへ送る。各軸のサーボアンプ２４ａ〜２４ｇはそれぞれサーボモータ２５ａ〜２５ｇを駆動し、第１主軸台６や第２主軸台８に対する工具１０の相対位置および姿勢を制御する。なお、図３中の符号２７は、数値制御装置２０に備えられて、加工プログラム２１や後述の実測により求めた幾何誤差を記憶する記憶手段である。

本実施形態では幾何誤差を、隣り合う軸間の相対並進誤差３方向及び相対回転誤差３方向の合計６成分（δｘ，δｙ，δｚ，α，β，γ）であると定義する。本実施形態の複合加工旋盤１では、工作物から工具１０への軸構成（以下、軸構成１という。）が、Ｃ１軸−Ｚ軸−Ｙｓ軸−Ｘ軸−Ｂ軸となっている。この軸構成１では１３個の幾何誤差が存在する。また、他の軸構成（以下、軸構成２という。）が、Ｃ２軸−Ｗ軸−Ｚ軸−Ｙｓ軸−Ｘ軸−Ｂ軸となっている。この軸構成２では１５個の幾何誤差が存在する。

軸構成１における１３個の幾何誤差は、各軸名に加えて、軸構成番号を第１添え字、工具１０から工作物に向けた順番を第２添え字として、δｘ_１１、δｚ_１１、α_１１、β_１１、α_１２、γ_１２、β_１３、γ_１３、α_１４、δｘ_１５、δｙ_１５、α_１５、β_１５のように表される。これらの幾何誤差は、順に、それぞれ、Ｂ軸中心位置Ｘ方向誤差、Ｂ軸中心位置Ｚ方向誤差、第１主軸台６−Ｙ軸間直角度、Ｂ軸原点誤差、Ｂ−Ｚ軸間直角度、Ｂ−Ｘ軸間直角度、Ｚ−Ｘ軸間直角度、Ｘ−Ｙ軸間直角度、Ｙ−Ｚ軸間直角度、Ｃ１軸中心位置Ｘ方向誤差、Ｃ１軸中心位置Ｙ方向誤差、Ｃ１−Ｙ軸間直角度、Ｃ１−Ｘ軸間直角度を意味する。軸構成１における１３個の幾何誤差は、実測によって予め求めておき、記憶手段２７に記憶されている。

また軸構成２における１５個の幾何誤差は、軸構成１における幾何誤差と同様な方法により、δｘ_２１、δｚ_２１、α_２１、β_２１、α_２２、γ_２２、β_２３、γ_２３、α_２４、α_２５、β_２５、δｘ_２６、δｙ_２６、α_２６、β_２６のように表される。これらの幾何誤差は、順に、それぞれ、Ｂ軸中心位置Ｘ方向誤差、Ｂ軸中心位置Ｚ方向誤差、第２主軸台８−Ｙ軸間直角度、Ｂ軸原点誤差、Ｂ−Ｚ軸間直角度、Ｂ−Ｘ軸間直角度、Ｚ−Ｘ軸間直角度、Ｘ−Ｙ軸間直角度、Ｙ−Ｚ軸間直角度、Ｗ−Ｙ軸間直角度、Ｗ−Ｘ軸間直角度、Ｃ２軸中心位置Ｘ方向誤差、Ｃ２軸中心位置Ｙ方向誤差、Ｃ２−Ｙ軸間直角度、Ｃ２−Ｘ軸間直角度を意味する。軸構成２における１５個の幾何誤差も、実測によって予め求めておき、記憶手段２７に記憶されている。

続いて、数値制御装置２０によって実行される並進軸及び回転軸の各指令値の算出方法を図４及び図５を用いて説明する。この数値制御装置２０（指令値生成手段２２）は、記憶手段２７に記憶された計算プログラムにより、上述の幾何誤差や角度θ（図２参照。）を考慮して、前記各指令値を算出可能としている。

図４中のステップＳ１０では、指令値生成手段２２が、各軸（並進軸及び回転軸）の指令値を取得する。ステップＳ１０では、加工プログラム２１（図３参照。）から並進軸（Ｘ軸・Ｙｓ軸・Ｚ軸・Ｗ軸）の指令値や回転軸（Ｂ軸・Ｃ１軸・Ｃ２軸）の指令値を取得する。その後指令値生成手段２２は、前記取得した各指令値を記憶手段２７に記憶する。

ステップＳ１０の後には、指令値生成手段２２が、ステップＳ２０において以下に説明するように、工作物座標系での工具先端点位置の誤差を算出する工具先端点位置の誤差算出処理を実行する。ステップＳ２０では、図５に示すステップＳ２１〜ステップＳ２４を実行する。指令値生成手段２２は、ステップＳ２１において、工作物の加工に実際に使用する並進軸・回転軸の判別情報を取得する。ステップＳ２１では、一例として、実際に使用する並進軸・回転軸毎に記憶手段２７（図３参照。）に記憶された加工プログラム２１のプログラム名を取得する。本実施形態では、実際に使用する並進軸・回転軸毎に加工プログラム２１のプログラム名を異ならせた。一例として、プログラム名が「Ａ」の場合には、軸構成１（Ｃ１軸−Ｚ軸−Ｙｓ軸−Ｘ軸−Ｂ軸）により、工具１０が第１主軸台６（第１主軸部７）に取り付けられた工作物を加工する。また、プログラム名が「Ｂ」の場合には、軸構成２（Ｃ２軸−Ｗ軸−Ｚ軸−Ｙｓ軸−Ｘ軸−Ｂ軸）により、工具１０が第２主軸台８（第２主軸部９）に取り付けられた工作物を加工する。さらに、プログラム名が「Ｃ」の場合には、軸構成１及び２により、工具１０が第１主軸台６及び第２主軸台８に取り付けられた工作物を加工することとした。

ステップＳ２１の後には、指令値生成手段２２が、ステップＳ２２において軸構成１，２を使用するか否かを判別する。ステップＳ２２では、ステップＳ２１によって取得したプログラム名が「Ａ」の場合には軸構成１を使用すると判別し、前記取得したプログラム名が「Ｂ」の場合には軸構成２を使用すると判別する。また、前記取得したプログラム名が「Ｃ」の場合には軸構成１，２の双方を使用すると判別する。なお、軸構成１，２は本発明の任意の軸構成の一例ある。また、使用すると判別された軸構成１，２は、本発明の使用軸構成の一例である。使用すると判別された軸構成１におけるＺ軸・Ｙｓ軸・Ｘ軸及び軸構成２におけるＷ軸・Ｚ軸・Ｙｓ軸・Ｘ軸は、本発明の工作物の加工に実際に使用する並進軸の一例であり、使用すると判別された軸構成１におけるＣ１軸・Ｂ軸及び使用すると判別された軸構成２におけるＣ２軸・Ｂ軸は本発明の加工に実際に使用する回転軸の一例である。また、プログラム名は本発明の判別情報の一例である。さらに、ステップ２２は本発明の選択ステップの一例であり、指令値生成手段２２は本発明の選択手段の一例である。

ステップＳ２２において、軸構成１，２のいずれか一方又は双方を使用すると判別した場合には、指令値生成手段２２が、ステップＳ２３において以下に説明するように並進軸における工作物座標系での工具先端点位置の誤差を算出する。主軸頭２にある工具座標系上の工具先端点ベクトル^ＴＰを、第１主軸台６及び第２主軸台８にある工作物座標系に変換する場合には、工具１０の長さをｔ（ｔ_Ｘ，ｔ_Ｙ，ｔ_Ｚ）とし、Ｂ軸、Ｃ軸（Ｃ１軸・Ｃ２軸）、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｗ軸の各指令位置をｉとすると、各軸の変換行列は［数１］のようになる。この工具先端点ベクトル^ＴＰと、各軸の変換行列Ｍ_Ｂ（ｉ）、Ｍ_Ｃ（ｉ）、Ｍ_Ｘ（ｉ）、Ｍ_Ｙ（ｉ）、Ｍ_ｚ（ｉ）、Ｍ_Ｗ（ｉ）とを用いることにより、幾何誤差がない場合の工作物座標系での工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｉを算出する。

本実施形態では、図２に示すようにＹ軸に対してＹｓ軸が角度θだけ傾いている。このＹｓ軸をＺ軸回りでＹ軸に向けて角度θだけ回転させる回転変換行列は［数２］のようになる。そして、［数３］を用いることにより、幾何誤差がない場合の工具座標系から幾何誤差がない場合の軸構成１における工作物座標系への同次座標変換を行う。これにより、幾何誤差がない場合の軸構成１における工作物座標系での理想的な工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｉ１を算出する。また、［数４］を用いることにより、幾何誤差がない場合の工具座標系から幾何誤差がない場合の軸構成２における工作物座標系への同次座標変換を行う。これにより、幾何誤差がない場合の軸構成２における工作物座標系での理想的な工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｉ２を算出する。なお、［数３］のｃ_１はＣ１軸の指令位置、ｚはＺ軸の指令位置、ｙｓはＹｓ軸の指令位置、ｘはＸ軸の指令位置、ｂはＢ軸の指令位置である。加えて、［数４］のｃ_２はＣ２軸の指令位置、ｗはＷ軸の指令位置、ｚはＺ軸の指令位置、ｙｓはＹｓ軸の指令位置、ｘはＸ軸の指令位置、ｂはＢ軸の指令位置である。

さらにステップＳ２３では、複合加工旋盤１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考え、記憶手段２７に記憶されている各幾何誤差の並進誤差δｘ，δｙ，δｚや回転誤差α，β，γを用いた［数５］のマトリックスε_ｊｋが、幾何誤差による変換行列になる。このマトリックスε_ｊｋを［数３］の各軸間に配置した［数６］を用いることにより、幾何誤差がある場合の工具座標系から幾何誤差がある場合の軸構成１における工作物座標系への同次座標変換を行う。これにより、幾何誤差がある場合の軸構成１における工作物座標系での工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｇ１を算出する。これに加えて、マトリックスε_ｊｋを［数４］の各軸間に配置した［数７］を用いることにより、幾何誤差がある場合の工具座標系から幾何誤差がある場合の軸構成２における工作物座標系への同次座標変換を行う。これにより、幾何誤差がある場合の軸構成２における工作物座標系での工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｇ２を算出する。なお、マトリックスε_ｊｋの第１添え字ｊは軸構成番号（ここでは１又は２）を示し、マトリックスε_ｊｋの第２添え字ｋは、幾何誤差が存在する軸間を工具１０から工作物に向けた順番を示している。

続いてステップＳ２３では、［数８］を用いることにより、工作物座標系での工具先端点の位置誤差Δｅ_ｊを算出する。上述のステップＳ２２において、軸構成１を使用すると判別した場合には、ステップＳ２３では、［数８］を用いることにより、［数６］により算出した工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｇ１と［数３］により算出した工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｉ１との差分から、軸構成１における工作物座標系での工具先端点の位置誤差Δｅ_１を算出する。一方、ステップＳ２２において、軸構成２を使用すると判別した場合には、ステップＳ２３では、［数８］を用いることにより、［数７］により算出した工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｇ２と［数４］により算出した工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｉ２との差分から、軸構成２における工作物座標系での工具先端点の位置誤差Δｅ_２を算出する。さらにステップＳ２２において、軸構成１，２の双方を使用すると判別した場合には、ステップＳ２３では、前記位置誤差Δｅ_１及び前記位置誤差Δｅ_２を算出する。ステップＳ２３において算出した位置誤差Δｅ_１及び位置誤差Δｅ_２は、記憶手段２７に記憶される。以上により、ステップＳ２３が終了する。

また、上述のステップＳ２２において、軸構成１，２のいずれか一方を使用しないと判別した場合には、指令値生成手段２２は、ステップＳ２４において、使用しない軸構成における工具先端点位置の誤差が零に設定あるいは前回の誤差を保持するように決定される。前回の誤差とは、ステップＳ２２において軸構成１，２のいずれか一方を使用しないと判別した時点で記憶手段２７に記憶されている位置誤差Δｅ_１、位置誤差Δｅ_２を意味する。このステップＳ２４を行うことにより、工作物の加工に使用しない並進軸に関しては、工作物座標系での工具先端点の位置誤差Δｅ_ｊの算出を省略できる。なお、ステップＳ２４は本発明の誤差決定ステップの一例である。また、指令値生成手段２２は本発明の誤差決定手段の一例である。さらに、ステップＳ２２において使用しないと判別された軸構成１，２は、本発明の工作物の加工に使用しない軸構成の一例である。

ステップＳ２０の後には、指令値生成手段２２が、ステップＳ３０において、全ての軸構成での並進軸における工具先端点位置の誤差の算出が終了したか否かを判定する。ここでは、記憶手段２７に、上述のステップＳ２２において使用すると判別した軸構成に対応する位置誤差Δｅ_１や位置誤差Δｅ_２が記憶されているか否かを判定する。ステップＳ３０において、記憶手段２７に前記軸構成に対応する位置誤差Δｅ_１や位置誤差Δｅ_２が記憶されていないと判定して、全ての軸構成での工具先端点位置の誤差の算出が終了していない判定した場合には、ステップ２０を実行する。

一方ステップＳ３０において、全ての軸構成での並進軸における工具先端点位置の誤差の算出が終了したと判定した場合には、指令値生成手段２２は、ステップＳ４０において以下に説明するように、並進軸における工具先端点位置の誤差を工作物座標系から仮想直交座標系に変換すると共に、該誤差を補正する補正値を仮想直交座標系に変換する。仮想直交座標系とは、図２の例に示すように、２つの並進軸Ｘ軸・Ｚ軸と仮想的に設定されたＹ軸とが互いに直交する座標系である。ステップＳ４０では、［数２］に示した回転変換行列を含む［数９］を用いることにより、前記工作物座標系から仮想直交座標系への同次変換を行う。これにより、前記誤差を打ち消す仮想直交座標系での並進軸の補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_ｊ′を算出する。［数９］中のｊは軸構成番号（ここでは１又は２）を示し、θは、Ｙｓ軸がＹ軸に対してなす傾き角度を示す。また、ｊ＝１の場合にはｍは回転軸Ｃ１の指令位置を示し、ｊ＝２の場合にはｍは回転軸Ｃ２の指令位置を示す。上述のステップＳ２２において、軸構成１を使用すると判別した場合には、ステップＳ４０では、［数９］を用いることにより、軸構成１における仮想直交座標系での並進軸の補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_１′を算出する。一方、ステップＳ２２において、軸構成２を使用すると判別した場合には、ステップ４０では、［数９］を用いることにより、軸構成２における仮想直交座標系での並進軸の補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_２′を算出する。さらにステップＳ２２において、軸構成１，２の双方を使用すると判別した場合には、ステップ４０では、前記補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_１′及び前記補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_２′を算出する。なお、図２に示すＹ軸の軸方向は本発明の所定の基準方向の一例であり、Ｙｓ軸は、本発明の互いに直交しない２軸以上の並進軸に含まれる並進軸の一例である。また図２に示す角度θは、本発明の傾き角度の一例であり、図２に示すＸＹＺ座標系は、本発明の一の仮想直交座標系及び任意の仮想直交座標系の一例である。さらに、ステップＳ４０は本発明の変換ステップの一例であり、指令値生成手段２２は本発明の変換手段の一例である。

ステップＳ４０の後には、指令値生成手段２２は、ステップＳ５０において以下に説明するように、ステップＳ４０にて仮想直交座標系に変換した並進軸における補正値を、並進軸（Ｘ軸・Ｙｓ軸・Ｚ軸）の指令値の座標系である指令値座標系に変換する。本実施形態の軸構成１では、工作物側の最初の回転軸であるＣ１軸と並進軸であるＺ軸との間に指令値座標系があり、軸構成２では、工作物側の最初の回転軸であるＣ２軸と並進軸であるＷ軸との間に指令値座標系がある。ステップＳ５０では、Ｙ軸に対してＹｓ軸が角度θだけ傾いた並進軸の関係を示す変換行列を含む［数１０］を用いることにより、前記仮想直交座標系から指令値座標系への同次変換を行う。これにより、ステップＳ４０にて算出した補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_ｊ′を指令値座標系に変換した補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_ｊを算出する。上述のステップＳ２２において、軸構成１を使用すると判別した場合には、ステップＳ５０では、［数１０］を用いることにより、軸構成１における指令値座標系での補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_１を算出する。一方、ステップＳ２２において、軸構成２を使用すると判別した場合には、ステップＳ５０では、［数１０］を用いることにより、軸構成２における指令値座標系での補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_２を算出する。さらにステップＳ２２において、軸構成１，２の双方を使用すると判別した場合には、ステップＳ５０では、前記補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_１及び前記補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_２を算出する。なお、ステップＳ５０は本発明の補正値算出ステップの一例であり、指令値生成手段２２は本発明の補正値算出手段の一例である。

ステップＳ５０の後には、指令値生成手段２２が、ステップＳ６０において、指令値座標系における回転軸であるＣ軸（Ｃ１軸・Ｃ２軸）・Ｂ軸の補正値を算出する。ステップＳ６０では、［数１１］を用いることにより、指令値座標系におけるＣ軸の補正値ΔＣｃ_ｊ、指令値座標系におけるＢ軸の補正値ΔＣｂ_ｊをそれぞれ算出する。上述のステップＳ２２において、軸構成１を使用すると判別した場合には、ステップＳ６０では、［数１１］を用いることにより、軸構成１における指令値座標系でのＣ１軸の補正値ΔＣｃ_１及びＢ軸の補正値ΔＣｂ_１を算出する。一方、ステップＳ２２において、軸構成２を使用すると判別した場合には、ステップＳ６０では、［数１１］を用いることにより、軸構成２における指令値座標系でのＣ２軸の補正値ΔＣｃ_２及びＢ軸の補正値ΔＣｂ_２を算出する。さらにステップＳ２２において、軸構成１，２の双方を使用すると判別した場合には、ステップＳ６０では、前記補正値ΔＣｃ_１、ΔＣｃ_２及び前記補正値ΔＣｂ_１、ΔＣｂ_２を算出する。

ステップＳ６０の後には、指令値生成手段２２が、ステップＳ７０において、ステップＳ５０にて指令値座標系に変換した並進軸における補正値の良否、ステップＳ６０にて算出した指令値座標系における回転軸の補正値の良否をそれぞれ確認する。ステップＳ７０では、各補正値が予め設定した上限閾値を上回るか、あるいは各補正値が予め設定した下限閾値を下回るかを確認する。そして、各補正値が前記上限閾値を上回らず前記下限閾値を下回らないことを確認した後に、この各補正値を記憶手段２７に記憶する。一方、各補正値が前記上限閾値を上回るあるいは前記下限閾値を下回ることを確認した場合には、この各補正値を記憶手段２７に記憶しないと共に複合加工旋盤１に設けられたランプを発光させることにより、ユーザに補正値の異常を知らせるようにしている。

ステップＳ７０の後には、指令値生成手段２２が、ステップＳ８０において、各軸（並進軸及び回転軸）の指令値を更新する。ステップＳ８０では、ステップＳ１０にて取得して記憶手段２７に記憶された並進軸の指令値に、ステップＳ７０にて記憶手段２７に記憶された並進軸の補正値を加算する。このようにして、並進軸（Ｘ軸・Ｙｓ軸・Ｚ軸・Ｗ軸）の指令値が更新される。これに加えてステップＳ８０では、ステップＳ１０にて取得して記憶手段２７に記憶された回転軸の指令値に、ステップＳ７０にて記憶手段２７に記憶された回転軸の補正値を加算する。このようにして、回転軸（Ｂ軸・Ｃ１軸・Ｃ２軸）の指令値が更新される。なお、ステップＳ８０は本発明の更新ステップの一例であり、指令値生成手段２２は本発明の更新手段の一例である。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態の複合加工旋盤１の制御方法及び制御装置では、指令値生成手段２２が、ステップＳ４０において、幾何誤差による並進軸における工作物に対する工具１０の先端点の位置誤差Δｅ_ｊ及びこの位置誤差Δｅ_ｊを補正する補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_ｊ′を、工作物座標系から一旦仮想直交座標系に同次座標変換した後に、ステップＳ５０において、この仮想直交座標系に同次座標変換した補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_ｊ′を、並進軸の指令値座標系に同次変換変換するだけの簡単な手法により、指令値座標系において前記位置誤差Δｅ_ｊを補正する補正値（補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_ｊ）を算出できる。そのうえで、ステップＳ８０において、該算出した補正値を、並進軸（Ｘ軸・Ｙｓ軸・Ｚ軸・Ｗ軸）を制御するための指令値に加算するという簡単な手法によって、前記指令値を更新できる。よって、これらの簡単な手法を組み合わせることにより、互いに直交しない２軸以上の並進軸（Ｘ軸・Ｙｓ軸・Ｚ軸）を備えた複合加工旋盤１での幾何誤差を補正して該並進軸の指令値を算出することが可能になる。

また指令値生成手段２２は、ステップＳ４０において、回転変換行列を含む［数９］を用いた計算を行うことにより、互いに直交しない２軸以上の並進軸（Ｘ軸・Ｙｓ軸・Ｚ軸）に含まれる並進軸であるＹｓ軸がＹ軸の軸方向に対してなす傾き角度θを特定したうえで、工作物座標系から仮想直交軸座標系に、工具１０の先端点の位置誤差Δｅ_ｊ及びこの位置誤差Δｅ_ｊを補正する補正値（補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_ｊ′）を同次座標変換することが可能になる。

さらに指令値生成手段２２は、ステップＳ５０において、ステップＳ２２にて工作物の加工に実際に使用すると判別した軸構成１におけるＺ軸・Ｙｓ軸・Ｘ軸や軸構成２におけるＷ軸・Ｚ軸・Ｙｓ軸・Ｘ軸に対応させて、工具１０の先端点の位置誤差Δｅ_ｊを補正する補正値（補正値ベクトルΔＣｏｍｐ_ｊ）を算出することが可能になる。

加えて指令値生成手段２２は、ステップＳ２２にて工作物の加工に軸構成１，２のいずれか一方を使用しないと判別した場合には、ステップＳ２４において、使用しない軸構成における工具１０の先端点の位置誤差Δｅ_ｊが零に設定あるいは前回の誤差を保持するように決定される。これにより、工作物の加工に使用しない軸構成１又は２に関しては、工作物座標系での前記位置誤差Δｅ_ｊの算出を省略できる。よって、この位置誤差Δｅ_ｊを算出する際の計算負荷を下げることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨を逸脱しない範囲内において構成の一部を適宜変更して実施できる。上述した実施形態では、本発明を複合加工旋盤１に適用する例を示したが、これに限らず、例えば４軸以上のマシニングセンタや、複数の刃物台と複数の主軸台とを備えた複合加工旋盤に、本発明を適用してもよい。

１・・複合加工旋盤、２・・主軸頭、６・・第１主軸台、８・・第２主軸台、１０・・工具、２０・・数値制御装置、２２・・指令値生成手段、２７・・記憶手段。

Claims (10)

1. 工具を装着する主軸と、工作物を保持するテーブルとが、互いに直交しない２軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸とによって相対移動することにより、前記工具によって前記工作物を加工する工作機械において、幾何学的な誤差による前記工作物に対する前記工具の位置の誤差を、前記幾何学的な誤差を考慮した工具座標系から工作物座標系への同次座標変換により求めた前記幾何学的な誤差がある場合の前記工具の位置と、前記幾何学的な誤差を考慮しない工具座標系から工作物座標系への同次座標変換により求めた理想的な前記工具の位置と、から算出し、前記誤差を補正して前記並進軸を制御するための指令値を算出する工作機械の制御方法であって、
   前記工作物座標系から前記２軸以上の並進軸が互いに直交するように仮想的に設定された仮想直交座標系への同次座標変換により、前記誤差を前記仮想直交座標系に変換すると共に、該誤差を補正する補正値を該仮想直交座標系に変換する変換ステップと、
   前記変換ステップによって前記仮想直交座標系に変換した前記補正値を、前記仮想直交座標系から前記並進軸の指令値座標系へ同次座標変換することにより、前記指令値座標系における補正値を算出する補正値算出ステップと、
   前記補正値算出ステップによって算出した前記補正値を、前記並進軸を制御するための指令値に加算することにより、前記指令値を更新する更新ステップと、
   を実行することを特徴とする工作機械の制御方法。
2. 前記変換ステップでは、前記互いに直交しない２軸以上の並進軸に含まれる並進軸が所定の基準方向に対してなす傾き角度を考慮して、前記誤差及び前記補正値を、前記工作物座標系から前記仮想直交座標系へ同次座標変換することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の制御方法。
3. 前記２軸以上の並進軸に含まれる任意の並進軸及び前記１軸以上の回転軸に含まれる任意の回転軸を有する任意の軸構成を選択可能な選択ステップを実行し、
   前記変換ステップでは、前記工作物座標系から前記選択ステップによって選択した前記任意の軸構成に含まれる任意の２軸以上の並進軸が互いに直交するように仮想的に設定された任意の前記仮想直交座標系への同次座標変換により、前記誤差及び前記補正値を前記任意の仮想直交座標系に変換し、
   前記補正値算出ステップでは、前記変換ステップによって前記任意の仮想直交座標系に変換した前記補正値を、該任意の仮想直交座標系から前記指令値座標系へ同次座標変換することにより、前記指令値座標系における補正値を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の制御方法。
4. 前記任意の並進軸を前記工作物の加工に実際に使用する前記並進軸とし、前記任意の回転軸を該加工に実際に使用する前記回転軸として、
   前記選択ステップでは、前記工作物の加工に実際に使用する並進軸及び前記加工に実際に使用する回転軸を有する使用軸構成を判別する判別情報に基づいて、前記２軸以上の並進軸に含まれる該並進軸及び前記１軸以上の回転軸に含まれる該回転軸を有する軸構成の中に前記使用軸構成が存在するか否かを判別して、該判別した使用軸構成を前記任意の軸構成として選択し、
   前記変換ステップでは、前記工作物座標系から前記選択ステップによって選択した前記使用軸構成に含まれる２軸以上の並進軸が互いに直交するように仮想的に設定されて前記任意の仮想直交座標系に含まれる一の仮想直交座標系への同次座標変換により、前記誤差及び前記補正値を前記一の仮想直交座標系に変換し、
   前記補正値算出ステップでは、該変換ステップによって前記一の仮想直交座標系に変換した前記補正値を、該一の仮想直交座標系から前記指令値座標系へ同次座標変換することにより、前記指令値座標系における補正値を算出することを特徴とする請求項３に記載の工作機械の制御方法。
5. 前記選択ステップにより、前記軸構成の中に前記工作物の加工に使用しない前記軸構成が存在すると判別したときに、前記幾何学的な誤差がある場合の前記工具の位置と前記理想的な前記工具の位置とから算出する前記誤差が、前回の誤差を保持あるいは零に設定するように決定される誤差決定ステップを実行することを特徴とする請求項４に記載の工作機械の制御方法。
6. 工具を装着する主軸と、工作物を保持するテーブルとが、互いに直交しない２軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸とによって相対移動することにより、前記工具によって前記工作物を加工する工作機械において、幾何学的な誤差による前記工作物に対する前記工具の位置の誤差を、前記幾何学的な誤差を考慮した工具座標系から工作物座標系への同次座標変換により求めた前記幾何学的な誤差がある場合の前記工具の位置と、前記幾何学的な誤差を考慮しない工具座標系から工作物座標系への同次座標変換により求めた理想的な前記工具の位置と、から算出し、前記誤差を補正して前記並進軸を制御するための指令値を算出する工作機械の制御装置であって、
   前記工作物座標系から前記２軸以上の並進軸が互いに直交するように仮想的に設定された仮想直交座標系への同次座標変換により、前記誤差を前記仮想直交座標系に変換すると共に、該誤差を補正する補正値を該仮想直交座標系に変換する変換手段と、
   前記変換手段によって前記仮想直交座標系に変換した前記補正値を、前記仮想直交座標系から前記並進軸の指令値座標系へ同次座標変換することにより、前記指令値座標系における補正値を算出する補正値算出手段と、
   前記補正値算出手段によって算出した前記補正値を、前記並進軸を制御するための指令値に加算することにより、前記指令値を更新する更新手段と、
   を備えることを特徴とする工作機械の制御装置。
7. 前記変換手段は、前記互いに直交しない２軸以上の並進軸に含まれる並進軸が所定の基準方向に対してなす傾き角度を考慮して、前記誤差及び前記補正値を、前記工作物座標系から前記仮想直交座標系へ同次座標変換することを特徴とする請求項６に記載の工作機械の制御装置。
8. 前記２軸以上の並進軸に含まれる任意の並進軸及び前記１軸以上の回転軸に含まれる任意の回転軸を有する任意の軸構成を選択可能な選択手段を備え、
   前記変換手段は、前記工作物座標系から前記選択手段によって選択した前記任意の軸構成に含まれる任意の２軸以上の並進軸が互いに直交するように仮想的に設定された任意の前記仮想直交座標系への同次座標変換により、前記誤差及び前記補正値を前記任意の仮想直交座標系に変換し、
   前記補正値算出手段は、前記変換手段によって前記任意の仮想直交座標系に変換した前記補正値を、該任意の仮想直交座標系から前記指令値座標系へ同次座標変換することにより、前記指令値座標系における補正値を算出することを特徴とする請求項６又は７に記載の工作機械の制御装置。
9. 前記任意の並進軸を前記工作物の加工に実際に使用する前記並進軸とし、前記任意の回転軸を該加工に実際に使用する前記回転軸として、
   前記加工に実際に使用する並進軸及び前記加工に実際に使用する回転軸を有する使用軸構成を判別する判別情報を記憶する記憶手段を備え、
   前記選択手段は、前記記憶手段に記憶された前記判別情報に基づいて、前記２軸以上の並進軸に含まれる該並進軸及び前記１軸以上の回転軸に含まれる該回転軸を有する軸構成の中に前記使用軸構成が存在するか否かを判別して、該判別した使用軸構成を前記任意の軸構成として選択し、
   前記変換手段は、前記工作物座標系から前記選択手段によって選択した前記使用軸構成に含まれる２軸以上の並進軸が互いに直交するように仮想的に設定されて前記任意の仮想直交座標系に含まれる一の仮想直交座標系への同次座標変換により、前記誤差及び前記補正値を前記一の仮想直交座標系に変換し、
   前記補正値算出手段は、前記変換手段によって前記一の仮想直交座標系に変換した前記補正値を、該一の仮想直交座標系から前記指令値座標系へ同次座標変換することにより、前記指令値座標系における補正値を算出することを特徴とする請求項８に記載の工作機械の制御装置。
10. 前記選択手段が、前記軸構成の中に前記工作物の加工に使用しない前記軸構成が存在すると判別したときに、前記幾何学的な誤差がある場合の前記工具の位置と前記理想的な前記工具の位置とから算出する前記誤差が、前回の誤差を保持あるいは零に設定するように決定される誤差決定手段を備えることを特徴とする請求項９に記載の工作機械の制御装置。

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