JP2015203567A

JP2015203567A - 計測システム

Info

Publication number: JP2015203567A
Application number: JP2014081310A
Authority: JP
Inventors: 忠洋沖; Tadahiro Oki
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2015-11-16
Also published as: US20150292852A1; DE102015205366A1; US9506736B2; CN104972361A

Abstract

【課題】ターゲット球の中心座標を短時間で誤差なく正確に計測することが可能な計測システムを提供する。
【解決手段】計測システムＳは、ターゲット球６の座標およびターゲットの寸法を特定する初期位置計測ステップ（Ｓ１）と、複数の割出条件にしたがって回転軸を位置決めし、ターゲット球６をタッチプローブ３１のセンサ３２で計測して得られた座標値であるセンサ計測座標値から幾何誤差を同定する割出計測ステップ（Ｓ３）とを用いて幾何誤差を同定するようになっている。そして、割出計測ステップ（Ｓ３）においては、ターゲット球６をセンサ３２で３回計測するだけで、初期位置計測ステップ（Ｓ１）で得られたターゲット球の寸法を用いてターゲット球６の座標を求めることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、多軸工作機械において幾何誤差を計測し補正するための計測システムに関するものである。

工作機械の分野においては、高能率加工や複雑な形状のワークの加工を行うために、従来の３軸マシニングセンタに回転２軸を付加した５軸マシニングセンタの如き多軸工作機械が開発されており、その加工精度の向上が望まれている。一般的に軸数が増えると組み立て（製造）が困難になる上、加工精度も悪化する傾向にあるが、組立で加工精度を向上させるには限界があるため、隣り合う軸間の傾きや位置誤差といった所謂幾何誤差を補正することで加工精度を向上させる補正システムが開発されている。

上記の如き補正システムにおいて幾何誤差を同定する手法としては、変位計と直角スコヤ等の測定器を使用し、計測結果より幾何誤差を求める手法が知られているが、そのような方法は、複数の測定器が必要であるばかりでなく、測定技量の違い等に起因した計測結果の不確かさによって同定精度が大きく変動する、という不具合がある。また、５軸マシニングセンタの幾何誤差の同定手法としては、ボールバーと呼ばれる変位センサを用い、同時３軸円弧補間運動測定（すなわち、直線２軸と回転１軸を同期させ、テーブル上の一点と主軸の相対間変位を保つようにボールバーを円運動させ、得られた円軌跡の中心偏差量より幾何誤差を同定する手法）も広く知られているが、かかる手法では、ボールバーという特殊な測定器が必要な上に、ボールバーのセッティングの仕方によって同定精度が変動する、という不具合がある。

そこで、特許文献１の如く、タッチプローブ（工作機械に搭載されていることが多い）とターゲットとなる球体（ターゲット球）を用いて、ボールバーによる同時３軸円弧補間運動測定と同様の原理によって幾何誤差を求める計測システムが開発されている。当該計測システムにより、たとえば、テーブル旋回形５軸マシニングセンタにおいて幾何誤差を求める場合には、まず、ターゲット球をテーブルに設置し、設置された座標を計測する。しかる後、回転軸を様々な角度に割り出し、各割出条件毎にターゲット球の中心座標と直径を計測する。そして、それらの複数のターゲット球の座標より描かれる円弧軌跡の中心偏差量を算出することによって、幾何誤差を同定する。また、この計測システムにより幾何誤差を同定する際には、回転軸の割出によって位置決めされたターゲット球の中心座標および直径を、直線３軸を用いて計測する。たとえば、ターゲット球に対してある１軸だけの動作、すなわち＋Ｘ方向、−Ｘ方向、＋Ｙ方向、−Ｙ方向、＋Ｚ方向から単軸動作によってタッチプローブをターゲット球に接触させ、４点以上の接触点座標より幾何学的に中心座標と直径を算出する。

特開２０１１−０３８９０２号公報

しかしながら、上記した特許文献１の計測システムは、ターゲット球の中心座標および直径を計測するためにタッチプローブを数多くターゲット球に接触させなければならないため（４回以上）、ターゲット球の中心座標および直径の計測に、多くの手間と時間とを要する。そのため、接触させる回数を減らして（３回）ターゲット球の中心座標を計測する方法が採用されることもあるが、そのためには、ターゲット球の直径値を予め別の方法で正確に把握しておく必要がある。また、計測の際に用いるターゲット球の直径値に誤差が生じると、そのまま中心座標の計測誤差となってしまう、という問題点もあった。

本発明の目的は、上記従来の多軸工作機械における計測システムが有する問題点を解消し、ターゲット球の中心座標を短時間で誤差なく正確に計測することが可能な計測システムを提供することにある。

本発明の内、請求項１に記載された発明は、直線３軸と回転２軸を備えた多軸工作機械において、主軸あるいはテーブルのいずれかにセンサを設置するとともに、他方にターゲットを設置した状態で、ターゲットまたはセンサの座標およびターゲットの寸法を特定する初期位置計測ステップと、複数の割出条件にしたがって回転軸を位置決めし、ターゲットをセンサで計測して得られた座標値であるセンサ計測座標値から幾何誤差を同定する割出計測ステップとを用いて、多軸工作機械の幾何誤差を計測する計測システムであって、前記割出計測ステップにおいて、ターゲットをセンサで３回のみ計測し、前記初期位置計測ステップで得られたターゲットの寸法を用いてターゲットの中心座標を求めることを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記ターゲットが球体であるとともに、前記初期位置計測ステップで得られるターゲットの寸法が直径値または半径値であり、前記割出計測ステップにおいて、前記センサ計測座標値を求める際に前記直径値または半径値を参酌することによって、ターゲットの中心座標を求めることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項２に記載された発明において、前記センサのターゲットへのアプローチを３つの各直線軸に沿った単軸動作で行い、センサを直線軸のプラス方向からターゲットにアプローチさせた場合には、前記ターゲットである球体の直径値または半径値を減算し、センサを直線軸のマイナス方向からアプローチさせた場合には、前記ターゲットである球体の直径値または半径値を加算することによって、ターゲットの中心座標を求めることを特徴とするものである。

本発明の計測システムによれば、多軸工作機械における幾何誤差の同定の際に、ターゲット（たとえば、球体）の座標を求めるための初期計測において、たとえば、主軸の先端に装着したタッチプローブをターゲットに５回接触させてターゲットの中心座標および直径値または半径値を計測し、得られたターゲットの直径値または半径値を用いて、回転軸割出によってタッチプローブをターゲットに３回接触させてターゲットの位置を計測するだけで、事前にターゲットの直径を三次元測定機等で正確に計測しなくても、容易にターゲットの座標を求めることができる。したがって、本発明の計測システムによれば、多軸工作機械の幾何誤差の同定に要する時間および手間を大幅に削減することが可能となる。

マシニングセンタを示す説明図（斜視図）である。マシニングセンタの制御機構を示すブロック図である。幾何誤差の同定（計測）処理の内容を示すフローチャートである。５回接触によるターゲット球の中心座標および半径の計測方法を示す説明図である。割出条件の一例を示す図表である。５回接触によるターゲット球の半径の計測結果を用いてターゲット球の中心座標を計測する方法を示す説明図である。ターゲット球の中心座標を計測する際の半径値、計測誤差、計測位置のずれとの関係を示す説明図である。

＜多軸工作機械の構成＞
以下、本発明に係る計測システムの一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る計測システムを搭載した多軸工作機械の一例である５軸制御マシニングセンタ（テーブル旋回型５軸機）を示したものである（以下、単にマシニングセンタ２１という）。マシニングセンタ２１のベッド（基台）２２には、正面視略Ｕ字状のトラニオン２３が、Ｙ軸に沿ってスライド可能に設けられており、当該トラニオン２３には、正面視略Ｕ字状のクレードル２４が、Ａ軸（回転軸）を中心として、回転可能に設けられている。さらに、クレードル２４には、円盤状のテーブル２５が、Ａ軸と直交するＣ軸（回転軸）を中心として、回転可能に設けられている。また、ベッド２２の上部には、工具を装着可能な主軸頭２６が、Ｙ軸と直交するＸ軸、および、それらのＸ，Ｙ軸と直交するＺ軸に沿ってスライド可能に設けられている。当該主軸頭２６は、装着した工具（図示せず）をＺ軸を中心として回転させることができるようになっている。

上記マシニングセンタ２１は、主軸頭２６に装着された工具を回転させた状態で、テーブル２５に固定された被加工物（ワーク）に対して、当該主軸頭２６を相対的にアプローチさせることによって、被加工物と工具との相対位置および相対姿勢を制御しながら、被加工物に対して種々の加工を施すことができるようになっている。また、マシニングセンタ２１は、上記の如く構成されているため、被加工物から工具までの軸のつながりが、Ｃ軸→Ａ軸→Ｙ軸→Ｘ軸→Ｚ軸の順番になっている。

＜多軸工作機械の制御機構＞
図２は、上記したマシニングセンタ２１の制御機構を示すブロック図である。制御装置（数値制御装置）１１においては、トラニオン２３、主軸頭２６を並進させるための各サーボモータ、および、クレードル２４、テーブル２５を回転させるための各サーボモータ、後述する主軸頭２６の先端に装着するタッチプローブ３１のセンサ３２等が、インターフェイス１６を介してＣＰＵ１５と接続されており、トラニオン２３、主軸頭２６、クレードル２４、テーブル２５の作動内容が、制御装置１１によって駆動制御されるようになっている。また、制御装置１１には、割出位置（割出条件）等を設定するための入力手段１２、モニタやスピーカ等の出力手段１３等が接続されている。さらに、制御装置１１には、記憶手段１４が設けられており、当該記憶手段１４内には、主軸頭２６に装着したタッチプローブ３１を変位させて幾何誤差を同定（算出）するための幾何誤差算出プログラム、同定された幾何誤差に基づいて当該幾何誤差を補正するための補正プログラム等が記憶されている。そして、制御装置１１、トラニオン２３、主軸頭２６を並進させるための各サーボモータ、および、クレードル２４、テーブル２５を回転させるための各サーボモータ、センサ３２等によって、マシニングセンタ２１の幾何誤差を同定するための計測システムＳが構成された状態になっている。

＜幾何誤差の計測処理＞
図３は、上記した計測システムＳによって幾何誤差を同定する際の処理内容を示すフローチャートである。幾何誤差を同定する場合には、図１の如く、主軸頭２６に、工具の代わりにタッチプローブ３１を装着させ、テーブル２５にターゲットであるターゲット球６を固定させる（ターゲット球６の土台５に組み付けられた磁石等によって固定させる）。なお、タッチプローブ３１は、ターゲット球６に接触したことを感知するセンサ３２（図２参照）を有しており、接触を感知した場合に赤外線や電波等で信号を発することができるようになっている。一方、制御装置１１は、接続された受信機によりセンサ３２から発せられた信号を受信した瞬間（もしくは遅れ分を考慮した時点）の各軸の現在位置を、計測値として記憶手段１４に記憶するようになっている。

そして、上記の如く主軸頭２６にタッチプローブ３１を装着させた後には、任意の位置に配置させたターゲット球６の座標を計測する（Ｓ１）。なお、この実施形態においては、図４に示すように、タッチプローブ３１をターゲット球６に５回接触させて、すなわち＋Ｘ方向、−Ｘ方向、＋Ｙ方向、−Ｙ方向および＋Ｚ方向から接触させて、ターゲット球６の中心座標と半径を計測する方法について説明する。この計測方法においては、まず、Ｙ軸＝Ｙ_１２、Ｚ軸＝Ｚ_１２３４の位置で、＋Ｘ方向と−Ｘ方向とからタッチプローブ３１をターゲット球６に接触させることによって、計測結果（計測値）Ｘ_１およびＸ_２を得る。そして、得られた計測結果Ｘ_１，Ｘ_２より、式１で示すＸ軸中心座標Ｘ_Ｃを算出する。
Ｘ_Ｃ＝（Ｘ_１＋Ｘ_２）／２・・式１

次に、Ｘ軸＝Ｘ_Ｃ、Ｚ軸＝Ｚ_１２３４の位置で、＋Ｙ方向および−Ｙ方向からタッチプローブ３１をターゲット球６に接触させることによって、計測結果Ｙ_３およびＹ_４を得る。そして、得られた計測結果Ｙ_３，Ｙ_４より、式２で示すＹ軸中心座標Ｙ_Ｃ、および式３で示すＸＹ計測断面での半径Ｒ_ＸＹを算出する。
Ｙ_Ｃ＝（Ｙ_３＋Ｙ_４）／２・・式２
Ｒ_ＸＹ＝（Ｙ_３−Ｙ_４）／２・・式３

次に、Ｘ軸＝Ｘ_Ｃ、Ｙ軸＝Ｙ_Ｃの位置で、＋Ｚ方向からタッチプローブ３１をターゲット球６に接触させることによって、計測結果Ｚ_５を得る。当該計測結果Ｚ_５と、Ｚ軸における中心座標Ｚ_CからのずれδＺと、ターゲット球６の半径Ｒとの間には、幾何学的な関係から式４、式５が成立する。
Ｒ^２＝Ｒ_ＸＹ ^２＋（Ｒ−δＺ）^２・・式４
δＺ＝Ｚ_５−Ｚ_１２３４・・式５

上記した関係より、ターゲット球６の半径Ｒは、式６で求めることができ、Ｚ軸中心座標Ｚ_Ｃは、式７で求めることができる。
Ｒ＝（Ｒ_ＸＹ ^２＋δＺ^２）／（２・δＺ）・・式６
Ｚ_Ｃ＝Ｚ_５−Ｒ・・式７

そのように計測することによって、ターゲット球６の中心座標が不明なためＸＹ計測断面がターゲット球６の頂点を外していた場合でも、正確な球の半径Ｒ、Ｚ軸中心座標Ｚ_Cを容易に計測することができる。

次に、上記の如く求めたターゲット球６の設置座標（中心座標）を計測した結果を用いて、幾何誤差を同定するための計測を開始する。たとえば、図５に示す割出条件を用いる場合には、まず、回転軸を割り出したときのターゲット球６の位置［Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ］を推定し、計測可能な位置まで直線軸をアプローチする（Ｓ２）。

次に、ターゲット球６の中心座標にタッチプローブ３１を３回接触させて計測する（Ｓ３）。なお、この実施形態においては、図６に示すように、＋Ｘ方向、＋Ｙ方向および＋Ｚ方向の３方向から接触させる方法について説明する。まず、Ｘ軸がＹｎ、Ｚ軸がＺｎの位置で、＋Ｘ方向からターゲット球６に接触させて得られた計測結果Ｘ_１より、Ｘ軸中心座標Ｘ_Ｃは式８となる。
Ｘ_Ｃ＝Ｘ_１−Ｒ・・式８

次に、Ｘ軸がＸ_Ｃ、Ｚ軸がＺｎの位置で、タッチプローブ３１を＋Ｙ方向からターゲット球６に接触させて得られた計測結果Ｙ_２より、Ｙ軸中心座標Ｙ_Ｃは式９となる。
Ｙ_Ｃ＝Ｙ_２−Ｒ・・式９

最後に、Ｘ軸がＸ_Ｃ、Ｙ軸がＹ_Ｃの位置で、タッチプローブ３１を＋Ｚ方向からターゲット球６に接触させて得られた計測結果Ｚ_３より、Ｚ軸中心座標Ｚ_Ｃは式１０となる。
Ｚ_Ｃ＝Ｚ_３−Ｒ・・式１０

この３回接触による球の中心座標計測は、たとえば、＋Ｘ方向から接触させる場合、図７のようにδだけターゲット球６の頂点を外して計測すると、εだけセンサ３２の接触値に誤差が生じる。当該εと、Ｚ軸における中心座標Ｚ_CからのずれδＺと、ターゲット球６の半径Ｒとの間には、幾何学的な関係から式１１が成立する。ただしｒは、タッチプローブ３１のスタイラス半径とする。
（Ｒ＋ｒ）^２＝δ^２＋（Ｒ−ε）^２・・式１１

当該１１式より、測定誤差となるεは、式１２として求められる。
ε＝Ｒ−√｛（Ｒ＋ｒ）^２−δ^２｝・・式１２

たとえば、ターゲット球６の半径Ｒを１２．５ｍｍ、タッチプローブのスタイラス半径ｒを２．５ｍｍ、頂点からの位置誤差δを０．１ｍｍとすると、式１２より計測誤差εは０．３μｍとなる。なお、通常、回転軸を割り出したときの位置の推定に０．１ｍｍも誤差があることはないため、計測結果に与える影響は無視できる。

上記の如く、ターゲット球６の中心座標を計測した後には、次の割出計測が存在するか確認する（Ｓ４）。そして、存在すると判断した場合には、Ｓ２からの処理を繰り返し、存在しない場合は計測を完了する。

＜計測システムの効果＞
計測システムＳは、上記の如く、ターゲット球６の座標およびターゲット球６の寸法を特定する初期位置計測ステップ（Ｓ１）と、複数の割出条件にしたがって回転軸を位置決めし、ターゲット球６をタッチプローブ３１（センサ３２）で計測して得られた座標値であるセンサ計測座標値から幾何誤差を同定する割出計測ステップ（Ｓ３）とを用いて幾何誤差を同定するようになっており、割出計測ステップ（Ｓ３）において、ターゲット球６をタッチプローブ３１（センサ３２）で３回だけ計測するだけで、初期位置計測ステップ（Ｓ１）で得られたターゲット球６の寸法を用いてターゲット球６の座標を求めることができる。

すなわち、計測システムＳによれば、任意の位置に設置したターゲット球６の座標を特定するための計測から得られた半径値を用い、幾何誤差を同定するための回転軸割出によるターゲット球６の座標を３回タッチプローブ３１を接触させて計測するだけで、予め三次元測定機等でターゲット球６の正確な値を別途計測することなく、非常に容易に幾何誤差を求めることができる。したがって、計測システムＳによれば、計測精度に影響を与えることなく計測に要する時間を大幅に短縮することができる。

＜計測システムの変更例＞
本発明に係る計測システムは、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、必要に応じて適宜変更することができる。たとえば、ターゲット球の設置位置や半径の測定は、上記実施形態の如く、タッチプローブをターゲットに接触させる方法に限定されず、非接触で距離が測定できるレーザ変位計を利用した方法等に変更することも可能である。また、本発明に係る計測システムは、上記実施形態の如く、ターゲット球の半径を計測し、その値に基づいてターゲットの中心座標を求めるものに限定されず、ターゲット球の直径を計測し、その値に基づいてターゲットの中心座標を求めるもの等に変更することも可能である。また、計測システムによって幾何誤差を同定する際の処理内容は、上記したフローチャートの内容に限定されず、必要に応じて適宜変更することができる。さらに、本発明に係る計測システムは、上記実施形態の如く、主軸のタッチプローブにセンサを設置するとともテーブルにターゲットを設置した状態で幾何誤差を同定するものに限定されず、主軸にターゲットを設置するとともテーブルにセンサを設置した状態で幾何誤差を同定するもの等に変更することも可能である。

Ｓ・・計測システム
６・・ターゲット球
１１・・制御装置
２１・・マシニングセンタ
２２・・ベッド
２３・・トラニオン（Ｙ軸に沿って並進）
２４・・クレードル（Ａ軸を中心に回転）
２５・・テーブル（Ｃ軸を中心に回転）
２６・・主軸頭（Ｘ軸、Ｚ軸に沿って並進）
３１・・タッチプローブ
３２・・センサ

Claims

直線３軸と回転２軸を備えた多軸工作機械において、
主軸あるいはテーブルのいずれかにセンサを設置するとともに、他方にターゲットを設置した状態で、
ターゲットまたはセンサの座標およびターゲットの寸法を特定する初期位置計測ステップと、複数の割出条件にしたがって回転軸を位置決めし、ターゲットをセンサで計測して得られた座標値であるセンサ計測座標値から幾何誤差を同定する割出計測ステップとを用いて、多軸工作機械の幾何誤差を計測する計測システムであって、
前記割出計測ステップにおいて、ターゲットをセンサで３回のみ計測し、前記初期位置計測ステップで得られたターゲットの寸法を用いてターゲットの中心座標を求めることを特徴とする計測システム。
前記ターゲットが球体であるとともに、
前記初期位置計測ステップで得られるターゲットの寸法が直径値または半径値であり、
前記割出計測ステップにおいて、前記センサ計測座標値を求める際に前記直径値または半径値を参酌することによって、ターゲットの中心座標を求めることを特徴とする請求項１に記載の計測システム。
前記センサのターゲットへのアプローチを３つの各直線軸に沿った単軸動作で行い、センサを直線軸のプラス方向からターゲットにアプローチさせた場合には、前記ターゲットである球体の直径値または半径値を減算し、センサを直線軸のマイナス方向からアプローチさせた場合には、前記ターゲットである球体の直径値または半径値を加算することによって、ターゲットの中心座標を求めることを特徴とする請求項２に記載の計測システム。