JP2016133870A - 工作機械を用いたワークの加工方法及び工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークを極めて高精度に加工することができるワークの加工方法及び工作機械を提供する。
【解決手段】工作機械１は、支持具３０によって地面に支持されたベッドや、Ｘ軸方向に移動自在なテーブル、Ｙ軸方向に移動自在な主軸頭、Ｚ軸方向に移動自在に設けられたクイル、軸線中心に回転自在にクイルによって支持された主軸、テーブルなどを各軸方向に移動させる送り機構、送り機構の作動を制御する数値制御装置４０から構成され、数値制御装置４０は、運動軌跡推定部４７、影響係数記憶部４８、運動誤差算出部４９及び運動軌跡記憶部５０によって支持具３０に作用する荷重値から運動誤差を算出し、位置補正部５１によって運動誤差分を補正するための補正信号を生成し、当該生成した補正信号を位置生成部４３から位置制御部４４へと送信される位置制御信号に加算するように構成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、工作機械を用いてワークを加工する方法と、これを実施するための工作機械に関し、特に、ベッドが複数の支持具によって支持された工作機械において、ベッドにおける水平レベルの変化に起因して生じる位置誤差を補正してワークを加工する方法と、これを実施するための工作機械に関する。

工作機械は、通常、そのベッドが工場等の床面にジャッキボルト（支持具）を介して配設されており、ベッドの基準面における水平レベルの調整は、各ジャッキボルトの支持状態を調整することにより行っている。尚、このような調整作業は、極めて経験的な要素が強く、また、感覚的なものであり、作業に熟練を要していたが、近年においては、ジャッキに作用する負荷を検出できる負荷検出型ジャッキが用いられるようになっており、比較的容易に調整作業を行うことができるようになっている。

ところで、工作機械におけるベッドの水平レベルは、ワークを加工する際の精度に大きな影響を及ぼす要素の一つであり、水平レベルが所定の範囲を超えた状態のままでワークを加工すると、加工精度が悪化するという問題が発生する。そのため、通常は、上述したように、工作機械におけるベッド基準面の水平レベルを調整した状態でワークの加工を行うようにしているが、例えば、水平レベルの調整から時間が経過し、構造体の経年変化や周囲の環境変化などによって水平レベルが変化して、当該水平レベルが所定の範囲を超えたような場合には、ワークを精度良く加工することができなくなる。

そこで、ベッドの水平レベルが変化した場合に、ベッドの水平レベルを所定の範囲内に収めるよう自動的に調整する装置として、例えば、特開平４−３３６９２７号公報に開示された工作機械の自動レベリング装置が提案されている。

この自動レベリング装置は、ベッドのレベル変化を検出するレベリング検出手段と、ベッドの下方に配設され、油圧シリンダで駆動される複数のレベリングブロックと、前記レベリング検出手段によって検出されたレベル変化に係る信号に基づいて、前記油圧シリンダを制御する制御手段とから構成されている。

この自動レベリング装置によれば、レベリング検出手段によって検出されるレベル変化が所定の範囲内であるか否かにより、レベルの修正が必要であるか否かを判断し、レベル変化が所定の範囲内になく、レベルの修正が必要である場合には、制御手段による制御の下で各油圧シリンダがそれぞれのレベリングブロックを駆動し、自動的にレベリングが行われる。

特開平４−３３６９２７号公報

ところが、上記従来の自動レベリング装置においては、レベリング検出手段によって検出されるレベル変化が所定の範囲内に収まっていない場合にレベルの修正が必要であると判断し、自動的にレベリングを行うようにしているため、検出されるレベル変化が所定の範囲から外れるまではレベリングが行われない。

したがって、レベル変化が所定の範囲内にある場合には微小なレベル変化を無視することになるため、微小なレベル変化も無視することができないような極めて高い精度が要求される加工を行う場合には、要求された精度を満たすことができなくなるという問題が生じる。

一方、上記問題は、レベル修正が必要であるとする範囲を狭めることによって解消することは可能であるが、このようにした場合、微小なレベル変化が検出される度にレベリングを行うことになるため、加工効率が著しく低下するという別の問題が発生する。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであり、加工効率の著しい低下を抑えつつ、ワークを極めて高精度に加工することができる工作機械を用いたワークの加工方法及び工作機械の提供を、その目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、
垂直方向の支持位置を調整する調整機構、並びに支持荷重を検出するロードセルを有する複数の支持具によって支持された工作機械を用いて、ワークを加工する方法であって、
前記各支持具のロードセルによって検出される支持荷重を基に、工作機械に装着した工具とワークとを相対的に運動させたときの運動軌跡を推定し、
推定した運動軌跡と予め設定した基準運動軌跡との間の運動誤差を、運動方向に沿って所定間隔で算出するとともに、
算出した運動誤差を基に、該運動誤差を補償するように、前記工具とワークとの間の相対運動を補正して前記ワークを加工する一方、
少なくとも、算出した運動誤差の最大値が予め定めた基準値を超えているとき、又は、運動方向に沿った運動誤差の変動値が予め定めた基準値を超えているときには、アラームを発するようしたワーク加工方法に関する。

そして、この加工方法は、
ベッドと、
垂直方向の支持位置を調整する調整機構、並びに支持荷重を検出するロードセルを有し、予め定められた支持位置で前記ベッドを支持する複数の支持具と、
前記ベッド上に配設され、ワークを保持するワーク保持部と、
前記ベッド上に配設され、工具を保持する工具保持部と、
前記ワーク保持部と工具保持部とを相対的に移動させる送り装置と、
前記ワークを前記工具により目標形状に加工するための加工プログラムに従って位置制御信号を生成し、生成した位置制御信号により前記送り装置の動作を数値制御する数値制御部とを備えた工作機械であって、
該工作機械は、更に、
前記各支持具のロードセルによって検出される支持荷重を基に、前記送り装置による工具とワークとの間の相対的な運動軌跡を推定し、推定した運動軌跡と予め設定した基準運動軌跡との間の運動誤差を、運動方向に沿って所定間隔で算出する運動誤差算出部と、
少なくとも、前記運動誤差算出部によって算出された運動誤差の最大値が予め定めた基準値を超えているとき、又は、運動方向に沿った運動誤差の変動値が予め定めた基準値を超えているときに、アラーム信号を出力する運動誤差判定部とを備え、
前記数値制御装置は、前記位置制御信号を生成するに当たり、前記運動誤差算出部によって算出された運動誤差を基に、この運動誤差を補償した前記位置制御信号を生成するように構成された工作機械によって好適に実施することができる。

上記工作機械によれば、まず、ロードセルによって検出される支持荷重を基に、前記運動誤差算出部において、工具とワークとの間の相対的な運動軌跡を推定し、当該推定した運動軌跡と予め設定した基準運動軌跡との間の運動誤差を、運動方向に沿って所定間隔で算出する。

ついで、数値制御装置は、前記算出された運動誤差を基にして、当該運動誤差を補償した位置制御信号を生成し、生成した位置制御信号によって送り装置の動作を制御して、工具保持部とワーク保持部とを相対的に移動させる。尚、数値制御装置が運動誤差を補償した位置制御信号を生成する態様としては、加工プログラム中に指定された指令がある場合にはその指令に従って、前記運動誤差を補償した位置制御信号を生成する態様や、加工プログラム中に指定された指令があるか否かに関わらず、一連の処理として、算出された運動誤差を補償した位置制御信号を生成する態様を例示することができる。

このように、上記工作機械においては、運動誤差を補償した位置制御信号を生成して、これによって送り装置の動作を制御し、工具保持部とワーク保持部とを相対的に移動させるようにしている。そのため、微小な運動誤差に対しては、工具保持部とワーク保持部とを運動誤差が補償された状態で相対的に移動させてワークを加工することができ、加工効率の著しい低下を抑えつつ、ワークを高精度に加工することができる。

また、上記ワーク加工方法は、
ベッドと、
垂直方向の支持位置を調整する調整機構、並びに支持荷重を検出するロードセルを有し、予め定められた支持位置で前記ベッドを支持する複数の支持具と、
前記ベッド上に配設され、ワークを保持するワーク保持部と、
前記ベッド上に配設され、工具を保持する工具保持部と、
前記ワーク保持部と工具保持部とを相対的に移動させる送り装置と、
前記ワークを前記工具により目標形状に加工するための加工プログラムに従って位置制御信号を生成し、生成した位置制御信号により前記送り装置の動作を数値制御する数値制御部とを備えた工作機械であって、
該工作機械は、更に、
前記各支持具のロードセルによって検出される支持荷重を基に、前記送り装置による工具とワークとの間の相対的な運動軌跡を推定し、推定した運動軌跡と予め設定した基準運動軌跡との間の運動誤差を、運動方向に沿って所定間隔で算出する運動誤差算出部と、
少なくとも、前記運動誤差算出部によって算出された運動誤差の最大値が予め定めた基準値を超えているとき、又は、運動方向に沿った運動誤差の変動値が予め定めた基準値を超えているときに、アラーム信号を出力する運動誤差判定部と、
前記数値制御部によって生成される位置制御信号を逐次受信し、前記運動誤差算出部によって算出された運動誤差を基に、受信した位置制御信号に対する補正信号を生成して、生成した補正信号を前記数値制御装置における位置制御信号に加算する位置補正部とを備えた工作機械によっても好適に実施することができる。

この工作機械によれば、上記と同様に、まず、前記運動誤差算出部において、前記運動誤差を運動方向に沿って所定間隔で算出する。

次に、数値制御部で生成される位置制御信号を位置補正部が逐次受信し、当該位置補正部は、前記算出された運動誤差を基にして、受信した位置制御信号に対する補正信号を生成し、生成した補正信号を数値制御部における位置制御信号に加算する。そして、前記数値制御部は、補正信号が加算された位置制御信号によって送り装置の動作を制御して、工具保持部とワーク保持部とを相対的に移動させる。

このように、この工作機械においては、算出された運動誤差を補正する補正信号を生成し、これを位置制御信号に加算し、当該補正信号が加算された位置制御信号により送り装置の動作を制御するようにしている。したがって、上記と同様に、微小な運動誤差に対しては、当該運動誤差が補正された状態で工具保持部とワーク保持部とを相対的に移動させてワークを加工することができ、加工効率の著しい低下を抑えつつ、ワークの加工を高精度に行うことができる。

ところで、算出された運動誤差の値が大き過ぎる場合や、運動方向に沿った運動誤差の変動値が大き過ぎる場合には、運動誤差を補償するように工具保持部とワーク保持部とを相対的に移動させると加工精度が低下する、例えばワーク加工面の平面度などの形状精度や面粗度が悪くなるなどいった問題が生じる虞がある。

そこで、本発明に係る工作機械においては、前記運動誤差算出部で算出された運動誤差が運動誤差判定部へと送信され、当該運動誤差判定部において、前記算出した運動誤差の最大値と予め定めた基準値とを比較して、算出した運動誤差の最大値が基準値を超えている場合、或いは、前記運動方向に沿った運動誤差の変動値と予め定めた基準値とを比較して、算出した運動誤差の変動値が基準値を超えている場合には、当該運動誤差判定部がアラーム信号を出力するように構成されている。尚、アラーム信号が出力された場合に採り得る態様としては、例えば、加工を停止させるといった態様や、操作盤に警告文を表示するなどして作業者に支持位置の調整を促すようにする態様が挙げられる。

したがって、本発明に係る工作機械によれば、算出された運動誤差の値や運動方向に沿った運動誤差の変動値が所定の基準値よりも大きい場合、運動誤差を基に当該運動誤差を補償するように工具保持部とワーク保持部とを相対移動させた際に加工精度が低下するという問題の発生を防止することができる。

尚、前記運動誤差算出部は、予め取得された、前記各支持具に作用する支持荷重と、前記工具とワークとの間の相対的な運動軌跡との関係式と、前記各支持具のロードセルによって検出される支持荷重とを基に、前記工具とワークとの間の相対的な運動軌跡を推定するように構成しても良い。この場合、予め取得された関係式を用いることができるため、スムーズにワークの加工を行うことができる。

以上のように、本発明に係る工作機械を用いたワークの加工方法及び工作機械によれば、加工効率の低下を抑えつつ、ワークの加工を高精度に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る工作機械の外観を示す概略図である。 図１における矢示Ａ方向から見た平面図である。 工作機械を地面に支持するのに用いられる支持具の外観を示す概略図である。 本発明の一実施形態における数値制御装置の構成例を示すブロック図である。 運動軌跡を推定する方法を説明するための図である。 影響係数の説明に用いる図である。 影響係数の説明に用いる図である。 運動誤差を算出する方法を説明するための図である。 本発明の他の実施形態における数値制御装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態における運動軌跡を推定する方法の説明に用いる図である。

以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照しつつ説明する。

［１．工作機械の全体構成］
図１及び図２に示すように、本例の工作機械１は、支持具３０を介して地面に配設され、上面に２つの案内部３，４（第１案内部３及び第２案内部４）が並設されたベッド２と、下面に２つの摺動部６，７（第１摺動部６及び第２摺動部７）が設けられ、これら２つの摺動部６，７が前記２つの案内部３，４に係合して水平方向におけるＸ軸方向に移動自在な状態でベッド２上に配設されたテーブル５と、前記ベッド２の上面に配設されたコラム８と、当該コラム８に支持され、上下方向たるＹ軸方向に移動自在に設けられたクイル９と、Ｘ軸及びＹ軸の双方と直交するＺ軸方向に移動自在、且つ軸線がＺ軸方向と平行な軸線中心に回転自在に前記クイル９に支持された主軸頭１０と、当該主軸頭１０に支持され、先端部に工具Ｔが装着される主軸１１とを備えている。

また、前記工作機械１は、前記２本の案内部３，４の間にこれと平行に設けられた送りねじ１６、前記テーブル５の下面に固設され、前記送りねじ１６と螺合するナット１７及び前記送りねじ１６を軸中心に回転させるＸ軸用サーボモータ１８とからなり、前記テーブル５をＸ軸方向に移動させるＸ軸送り機構１５の他、Ｙ軸用サーボモータ２１などからなり、前記主軸頭９をＹ軸方向に移動させるＹ軸送り機構２０と、Ｚ軸用サーボモータ２６などからなり、前記クイル１０をＺ軸方向に移動させるＺ軸送り機構２５とを備え、更に、当該工作機械１は、前記Ｘ軸送り機構１５、Ｙ軸送り機構２０及びＺ軸送り機構２５の作動などを制御する数値制御装置４０を備えている。

また、図３に示すように、ベッド２を支持する支持具３０は、平板状の基台３１と、外周面にねじ溝が形成されたボルト部３２ａ及びこれを支持する基部３２ｂからなり、前記基台３１上に配設され、垂直方向の支持位置を調整するジャッキ部３２と、前記基部３２ｂの内部に配設され、自身に作用する荷重を測定するロードセル３３と、このロードセル３３によって測定された荷重データを送信する送信コード３４と、この送信コード３４を介し、前記ロードセル３３から荷重データを受信し、受信した荷重データを無線によって前記数値制御装置４０に送信する送信機３５とから構成されている。当該支持具３０は、前記ベッド２の下面に形成された取付用ねじ穴２ａに前記ボルト部３２ａを螺合させることによってベッド２を支持するようになっており、ベッド２からの荷重はボルト部３２ａを介してロードセル３３に伝達されるようになっている。尚、ボルト部３２ａを回転させる（ジャッキ部３２を操作する）ことによって、ベッド２の支持位置を調整することができるようになっている。また、本例は、１０個の支持具３０によってベッド２を支持する態様とし、これら１０個の支持具３０は、その５個を１つの列として、ベッド２における、図２の紙面に向かって左右の両側に、前記第１及び第２案内部３，４の案内方向（Ｘ軸方向）と平行な列となるように配設されており、各列において、支持具３０同士は一定の間隔を空けて配設されている。

［２．数値制御装置の構成］
前記数値制御装置４０の構成（機能ブロック）を、図４を用いて説明する。同図に示すように、数値制御装置４０は、加工プログラム記憶部４１、プログラム解析部４２、位置生成部４３、位置制御部４４、速度制御部４５、電流制御部４６、運動軌跡推定部４７、影響係数記憶部４８、運動誤差算出部４９、基準運動軌跡記憶部５０、位置補正部５１及び運動誤差判定部５２から構成される。

前記加工プログラム記憶部４１は、予め作成された加工プログラムを記憶する機能部であり、記憶された加工プログラムを前記プログラム解析部４２へ送信する。

前記プログラム解析部４２は、前記加工プログラム記憶部４１から受信した加工プログラムを解析して、前記Ｘ軸送り機構１５、Ｙ軸送り機構２０及びＺ軸送り機構２５の送り速度や移動位置などに関する指令を抽出し、抽出した指令を前記位置生成部４３へと送信する。

前記位置生成部４３は、プログラム解析部４２から受信した信号を基に予め定められた時定数を加味してＸ軸送り機構１５、Ｙ軸送り機構２０及びＺ軸送り機構２５の時間あたり（予め設定された時間あたり）の移動目標位置に関する信号（制御信号たる動作指令信号）を生成し、これを前記位置制御部４４及び前記位置補正部５１へ逐次送信する。

前記位置制御部４４は、前記位置生成部４３から送信される動作指令信号（位置制御信号）と、前記位置補正部５１から送信される補正信号とに基づいて速度指令信号を生成し、生成した速度指令信号を前記速度制御部４５へ送信する。

前記速度制御部４５は、前記位置制御部４４から送信される速度指令信号と、適宜Ｘ軸用サーボモータ１８、Ｙ軸用サーボモータ２１及びＺ軸用サーボモータ２６にそれぞれ設けられた位置検出器（図示せず）から送信（フィードバック）される実際の速度データとの偏差に基づいて電流指令信号を生成し、生成した電流指令信号を前記電流制御部４６へ送信する。

また、前記電流制御部４６は、前記速度制御部４５から送信される電流指令信号と、フィードバックされる実際の電流信号との偏差に基づいた駆動電流を前記Ｘ軸用サーボモータ１８、Ｙ軸用サーボモータ２１及びＺ軸用サーボモータ２６にそれぞれ送信する。そして、かかる駆動電流によってＸ軸用サーボモータ１８、Ｙ軸用サーボモータ２１及びＺ軸用サーボモータ２６の作動がそれぞれ制御される。

前記運動軌跡推定部４７は、前記１０個の支持具３０における各ロードセル３３によって検出された荷重値が前記送信機３５からそれぞれ送信され、当該送信された荷重値と、前記影響係数記憶部４８に格納されている影響係数行列とを基にして、ワークＷと工具Ｔとの相対的な運動軌跡を推定し、当該推定した運動軌跡を前記運動誤差算出部４９に送信する。

運動軌跡の推定は、まず、以下に示す数式１を使用し、前記送信された荷重値を基にして、第１及び第２案内部３，４における１０カ所（図５中のＹ_１〜Ｙ_１０）についての垂直方向（Ｙ軸方向）における高さ位置を算出する。

上記数式１において、Ｆ_１０は１０行１列の行列であり、ｆ_１〜ｆ_１０はそれぞれＸ_１〜Ｘ_１０の箇所にある支持具３０のロードセル３３によってそれぞれ検出された荷重値である。また、Ｓ_１０は１０行１列の行列であり、ｓ_１〜ｓ_１０は第１案内部３及び第２案内部４における１０カ所（図５中のＹ_１〜Ｙ_１０）の高さ位置である。更に、Ａ_{１０，１０}は１０行１０列の行列（影響係数行列）であり、行列中のａ_１，１〜ａ_{１０，１０}は、後述するように、予め算出された値であって、各支持具３０のロードセル３３により検出される荷重値が第１及び第２案内部３，４における前記１０カ所の高さ位置に与える影響の度合いを表す係数である。尚、前記荷重値は、実際の値を用いるようにしても良いし、予め設定された基準値からの変動値を用いるようにしても良く、実際の値を用いた場合には、算出される高さ位置も実際の位置が得られ、基準値からの変動値を用いた場合には、得られる高さ位置も実際の高さ位置から基準高さ位置を差し引いた位置（以下、「変動位置」という）となる。

そして、算出された前記１０カ所についての高さ位置又は変動位置を基にして、ワークＷと工具Ｔとの相対的な運動軌跡を推定する。具体的には、図５に示すように、第１及び第２案内部３，４におけるＹ_１〜Ｙ_１０の箇所での高さ位置又は変動位置を基にＣＡＥ解析等を利用して、テーブル５をＸ軸方向に沿って移動させた際の、主軸１１の軸線（図５中の一点鎖線Ｌ）を含むＹ−Ｚ平面とテーブル５上面（基準面）とが交差する点Ｐ（交点Ｐ）の高さ位置又は変動位置をテーブル５の移動方向（Ｘ軸方向）に沿って所定の間隔で算出し、算出した位置を結んだ線をワークＷと工具Ｔとの相対的な運動軌跡と推定する方法を例示することができる。本例では、ワークＷがテーブル５上面に載置されるため、当該テーブル５上面に点Ｐを設定するようして、この点Ｐの高さ位置又は変動位置を基にして運動軌跡を推定するようにしている。尚、図５においては、ワークの図示を省略した。

尚、前記影響係数行列は、予め算出したものが前記影響係数記憶部４８に格納されており、当該影響係数記憶部４８から前記運動軌跡推定部４７へ適宜送信されるようになっている。

ここで、影響係数記憶部４８に格納される影響係数行列は、本願発明者らが以下に述べる知見に基づいて定めたものである。

本願発明者らは、上面に平行な２本の案内部Ｇ１，Ｇ２が設けられたベッドＢを１２個の支持具（図６におけるＪ１〜Ｊ１２）を用いて地面の上に支持した状態（図６参照）で、各支持具Ｊ１〜Ｊ１２に作用している荷重及び２本の案内部Ｇ１，Ｇ２における１６カ所（図６において１〜１６の番号を付した箇所）の高さ位置を測定したところ、図７に示すように、一方の案内部Ｇ１については、その高さ位置の分布が７の番号を付した箇所を頂点とした中凸状になっており、他方の案内部Ｇ２については、その高さの位置の分布が１３の番号を付した箇所を頂点とする中凸状になっていた。そこで、２つの支持具Ｊ５，Ｊ６の支持位置を上方向に移動させ、当該２つの支持具Ｊ５，Ｊ６に作用する荷重を大きくしたところ、６、７及び８の番号を付した箇所の高さ位置は大きく減少し、１２、１３及び１４の番号を付した箇所の高さ位置にも多少の変化が見られた。このことは、案内部上の所定の箇所における高さ位置には、当該所定の箇所の近傍に配置された支持具に作用する荷重値が大きな影響を与えるものの、他の支持具の荷重値も少なからず影響を与えることを意味している。本願発明者らは、これらのことから、各箇所の高さ位置に対して各支持具が影響を及ぼす程度の度合いを影響係数として算出することにより、全ての支持具の荷重値を基にして、各箇所の高さ位置を算出できるという知見を得た。

具体的に、各支持具が各箇所の高さ位置に対して影響を及ぼす度合いである影響係数からなる影響係数行列は、次のようにして算出することができる。本例においては、まず、１０個の支持具３０によってベッド２を支持している状態で、いずれか１個の支持具３０におけるジャッキ部３２を操作して、当該ジャッキ部３２を操作した支持具３０及びジャッキ部３２を操作していない支持具３０における各ロードセル３３によって検出された荷重値を記録するとともに、その際の第１及び第２案内部３，４における前記１０カ所の高さ位置又は変動位置を記録する。以下同様に、残り９個の支持具３０におけるジャッキ部３２をそれぞれ順次操作して、ジャッキ部３２を操作した支持具３０及びジャッキ部３２を操作していない支持具３０におけるロードセル３３により検出された荷重値、及びその際の第１及び第２案内部３，４における前記１０カ所の高さ位置又は変動位置をそれぞれ記録する。そして、この得られた荷重値及び高さ位置又は変動位置を基にして、以下に示す数式２を用いて影響係数行列を算出する。

尚、数式２において、Ｆ_{１０，１０}’は１０行１０列の行列であり、行列中のｆ_１，１〜ｆ_{１０，１０}は、上述した１０個のロードセル３３によって検出された荷重値であり、具体的には、１０個の支持具３０の内の１個（図５におけるＸ_１の箇所にある支持具）におけるジャッキ部３２を操作して、ジャッキ部３２を操作した支持具３０におけるロードセル３３によって検出した荷重値がｆ_１，１、操作していない他の支持具３０（図５におけるＸ_２〜Ｘ_１０の箇所にある支持具）におけるロードセル３３の荷重値がそれぞれｆ_２，１〜ｆ_１０，１である。同様に、別の支持具３０（図５におけるＸ_２の箇所にある支持具）におけるジャッキ部３２を操作して、ジャッキ部３２を操作した支持具３０におけるロードセル３３によって検出した荷重値をｆ_２，２、ジャッキ部３２を操作していない支持具３０（図５におけるＸ_１，Ｘ_３〜Ｘ_１０の位置にある支持具）におけるロードセル３３の荷重値がそれぞれｆ_１，２、ｆ_３，２〜ｆ_１０，２であり、ｆ_３，１〜ｆ_{１０，１０}についても同様に、他の１個の支持具３０におけるジャッキ部３２を操作して、当該ジャッキ部３２を操作した支持具３０のロードセル３３によって検出した荷重値及びジャッキ部３２を操作していない支持具３０のロードセル３３によって検出した荷重値である。

また、Ｓ_{１０，１０}’は１０行１０列の行列であり、行列中のｓ_１，１〜ｓ_{１０，１０}は、上述したように、支持具３０のジャッキ部３２を操作した際の第１及び第２案内部３，４における前記１０カ所の高さ位置又は変動位置であり、具体的には、Ｘ_１の箇所にある支持具３０のジャッキ部３２を操作した際の、Ｙ_１〜Ｙ_１０の箇所における高さ位置又は変動位置がｓ_１，１〜ｓ_１０，１であり、同様に、Ｘ_２〜Ｘ_１０の箇所にある支持具３０のジャッキ部３２を操作した際の、Ｙ_１〜Ｙ_１０の箇所における高さ位置又は変動位置がｓ_１，２〜ｓ_{１０，１０}である。

次に、図８を参照して、前記運動誤差算出部４９の機能について説明する。尚、図８は、横軸を工作機械１のＸ軸、縦軸を工作機械１のＹ軸とした場合における、前記推定した運動軌跡（実線）と基準運動軌跡（点線）とを模式的に表した図である。同図に示すように、運動誤差算出部４９は、前記運動軌跡推定部４７から送信される推定した運動軌跡（実線）と、前記基準運動軌跡記憶部５０に格納されている基準運動軌跡（点線）との間の運動誤差（図８中のΔｔ）を、ワークＷと工具Ｔとの相対的な運動方向に沿って所定間隔で算出し、算出した運動誤差を位置補正部５１及び運動誤差判定部５２へ送信する。尚、本例の「運動誤差」とは、推定した運動軌跡と基準運動軌跡との間におけるＹ軸方向に沿った高さ位置の差であって、より具体的に言えば、主軸１１の軸線を含むＹ−Ｚ平面におけるワークＷと工具Ｔとの間のＹ軸方向に沿った相対的な位置誤差である。

前記位置補正部５１は、前記運動誤差算出部４９から送信された運動誤差を基にして、前記位置生成部４３から送信される位置制御信号に対する補正信号を生成し、当該生成した補正信号を、位置生成部４３から位置制御部４４へ送信される位置制御信号に加算する。

前記運動誤差判定部５２は、前記運動誤差算出部４９から受信した運動誤差の最大値が予め定めた基準値を超えている、即ち、運動方向に沿って所定間隔で算出した複数の運動誤差のうちのいずれか１つでも所定の基準値を超えているものがある場合、或いは、前記運動誤差算出部４９から受信した運動誤差の、運動方向（Ｘ軸方向）に沿った変動値が予め定めた基準値を超えている、言い換えれば、受信した運動誤差と、これより１つ前に受信した運動誤差との差が所定の基準値を超えている場合にアラーム信号を出力する。

次に、以上のように構成された本実施形態の工作機械１を用い、ワークＷを加工する過程について以下説明する。

工作機械１においては、まず、加工プログラム記憶部４１に格納された加工プログラムがプログラム解析部４２によって読み出され、当該プログラム解析部４２により加工プログラム中の送り速度や移動位置などに関する指令が抽出され、抽出された指令が位置生成部４３へ送信される。

そして、位置生成部４３は、プログラム解析部４２から送信された信号を基に、動作指令信号を生成して、これを位置制御部４４及び位置補正部５１に送信する。

ところで、工作機械によるワークの加工においては、ベッドの水平レベルが加工精度に大きな影響を及ぼす要素の１つであるため、加工途中でベッドの水平レベルが変化して、当該水平レベルが所定の範囲を超えた状態のまま加工を続けると、加工精度が悪化するという問題がある。また、水平レベルが所定の範囲を超えてから当該水平レベルを調整するようにしたとしても、所定の範囲を超えるまでの間は水平レベルの調整が行われないため、微小ながらも加工精度が悪化し、極めて高い加工精度が要求される場合に対応することができないという問題がある。

そこで、本実施形態に係る工作機械１においては、１０個の支持具３０に作用する荷重値を各ロードセル３３により検出し、検出した荷重値を基にして、ワークＷと工具Ｔとの間の相対的な運動軌跡を推定し、当該推定した運動軌跡を基に運動誤差を算出するようにして、この算出した運動誤差を基に生成した補正信号を、位置生成部４３から位置制御部４４へ送信される動作指令信号（位置制御信号）に補正信号を加算するように構成している。

具体的に言えば、まず、１０個の支持具３０のロードセル３３によって検出された荷重値が運動軌跡推定部４７へ送信される。ついで、運動軌跡推定部４７は、上述したように、受信した荷重値と影響係数記憶部４８に格納された影響係数行列とを基にしてワークＷと工具Ｔとの間の相対的な運動軌跡を推定し、当該推定した運動軌跡を運動誤差算出部４９に送信する。

そして、運動誤差算出部４９は、受信した運動軌跡と基準運動軌跡記憶部５０に格納された基準運動軌跡とを基にして、推定した運動軌跡と基準運動軌跡との間の運動誤差を算出し、当該算出した運動誤差を位置補正部５１及び運動誤差判定部５２に送信する。

ついで、位置補正部５１は、受信した運動誤差を基にして、位置生成部４３から送信された位置制御信号に対する補正信号を生成し、位置生成部４３から位置制御部４４へ送信される位置制御信号に補正信号を加算する。

このように、工作機械１においては、推定した運動軌跡と基準運動軌跡との間の運動誤差、言い換えれば、その時点での水平レベルと基準水平レベルとの間のずれを算出するようにして、その運動誤差が微小であってもこれを補正する信号を位置制御信号に加算するようにしているため、位置制御部４４に対して、運動誤差が補正された位置制御信号が送信される。

ついで、位置制御部４４は、補正信号が加算された位置制御信号を基に速度指令信号を生成して速度制御部４５に送信し、速度制御部４５は受信した速度指令信号を基に電流指令信号を生成して電流制御部４６に送信し、電流制御部４６は受信した電流指令信号を基に駆動指令信号を生成してＸ軸用サーボモータ１８、Ｙ軸用サーボモータ２１及びＺ軸用サーボモータ２６にそれぞれ送信し、かかる駆動指令信号によってＸ軸用サーボモータ１８、Ｙ軸用サーボモータ２１及びＺ軸用サーボモータ２６がそれぞれ駆動、制御される。

尚、その際、Ｘ軸用サーボモータ１８、Ｙ軸用サーボモータ２１及びＺ軸用サーボモータ２６にそれぞれ設けられた適宜位置検出器からフィードバックされる現在速度データによって、速度に関する追従誤差が補償され、実電流信号のフィードバックによって、電流に関する追従誤差が補償される。

尚、運動誤差算出部４９において算出した運動誤差の最大値が大きすぎる場合や、運動方向（Ｘ軸方向）に沿った運動誤差の変動値が大きすぎる場合に、運動誤差を補正する補正信号を位置制御信号に加算して加工を行うと、ワークＷと工具Ｔとを滑らかに相対移動させることができなくなり、結果的に加工面の形状精度や面粗度などが悪くなる、即ち、高い加工精度を維持することができなくなるといった問題が生じる可能性がある。

そこで、工作機械１においては、算出した運動誤差が運動誤差算出部４９から運動誤差判定部５２へ送信されるようになっており、上述したように、運動誤差判定部５２は、受信した運動誤差の最大値が所定の基準値を超えているか否か、又は運動方向に沿った運動誤差の変動値が所定の基準値を超えているか否かを判別し、最大値が所定の基準値を超えている、又は変動値が所定の基準値を超えていると判断した場合には、アラーム信号を出力する。尚、アラーム信号の出力先としては、報知手段を制御する機能部、例えば、操作パネルの表示を制御する機能部や、工作機械１に設けられる警告灯の点灯を制御する機能部を例示することができ、この場合、操作パネル上に警告文を表示する方法や、警告灯を点灯させる方法などによって、運動誤差の最大値が基準値を超えている、或いは変動値が基準値を超えていることが作業者に知らされる。

このように、加工精度を維持することができない可能性があること（運動誤差の最大値が基準値を超えていること、或いは変動値が基準値を超えていること）を作業者に知らせることにより、ワークＷの加工を停止して、水平レベルの調整作業を実施することを作業者に促すことができる。

以上のように、本実施形態に係る工作機械１によれば、支持具３０に作用する荷重値を基にして前記運動誤差を算出し、当該算出した運動誤差分を補正した位置制御信号によってＸ軸送り機構１５、Ｙ軸送り機構２０及びＺ軸送り機構２５の作動を制御するようにしているため、たとえ運動誤差が微小であってもこれを補正してワークＷを加工することができ、極めて高い加工精度を実現することができる。また、補正だけでは対応することができない運動誤差が生じている場合には、その旨を作業者に通知して水平レベルの調整作業を実施することを促し、作業者が水平レベルの調整を行うことで高い加工精度を維持することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。

例えば、上記数式１は、１０個のロードセル３３で検出される荷重値を基にして、第１及び第２案内部３，４の各箇所（Ｙ_１〜Ｙ_１０の１０カ所）における高さ位置又は変動位置を算出する式であるが、これをｎ個のロードセル３３で検出される荷重値を基にして、第１及び第２案内部３，４におけるｍカ所の高さ位置又は変動位置を求める式として一般化すると、以下に示す数式３となる。

尚、上記数式３において、Ｆはｎ行１列の行列であり、ｆ_１〜ｆ_ｎはそれぞれｎ個のロードセル３３によって検出された荷重値である。また、Ｓはｍ行１列の行列であり、ｓ_１〜ｓ_ｍはそれぞれ第１及び第２案内部３，４におけるｍカ所の高さ位置（高さ位置の変動値）である。更に、Ａはｍ行ｎ列の行列（影響係数行列）であり、ａ_１，１〜ａ_ｍ，ｎは、予め算出される値であって、支持具３０に作用する荷重が前記ｍカ所の高さ位置に与える影響の度合いを表す定数である。

また、上記数式２を、ｎ個のロードセルで検出される荷重値と、第１及び第２案内部３，４におけるｍカ所の高さ位置又は変動位置とから影響係数を算出する式（数式４）として一般化することができる。尚、ｎとｍとは同じ値であることが好ましい。

この数式４において、Ｆ’はｎ行ｍ列の行列であり、ｆ_１，１〜ｆ_ｎ，ｍは、上記と同様に、ｎ個の支持具３０の内の１個のジャッキ部３２を順次操作して、当該ジャッキ部３２を操作した支持具３０のロードセル３３により検出された荷重値及びジャッキ部３２を操作していない支持具３０のロードセル３３により検出された荷重値である。また、Ｓ’はｍ行ｍ列の行列であり、ｓ_１，１〜ｓ_ｍ，ｍは、それぞれ支持具３０を操作した際の第１及び第２案内部３，４における前記ｍカ所の運動軌跡である。そして、Ａは、上記と同様に、ｍ行ｎ列の行列であり、ａ_１，１〜ａ_ｍ，ｎは、前記荷重値及び運動軌跡から数式４によって算出される値である。

更に、上例においては、位置補正部５１で運動誤差を基にした補正指令が生成され、当該位置補正部５１が位置制御信号に補正指令を加算するようにしているが、これに限られるものではなく、位置生成部において、運動誤差を補正した位置制御信号が生成され、当該運動誤差を補正した位置制御信号が位置制御部に送信されるようにしても良い。

この場合、図９に示すように、数値制御装置４０’は、加工プログラム記憶部４１、プログラム解析部４２、位置生成部４３’、位置制御部４４、速度制御部４５、電流制御部４６、運動軌跡推定部４７、影響係数記憶部４８、運動誤差算出部４９’、基準運動軌跡記憶部５０及び運動誤差判定部５２から構成される。尚、加工プログラム記憶部４１、プログラム解析部４２、位置制御部４４、速度制御部４５、電流制御部４６、運動軌跡推定部４７、影響係数記憶部４８、基準運動軌跡記憶部５０及び運動誤差判定部５２は、前記数値制御装置４０を構成する機能部と同一である。

この数値制御装置４０’において、前記運動誤差算出部４９’は、算出した運動誤差を位置生成部４３’へ送信し、位置生成部４３’は、プログラム解析部４２から受信した信号と運動誤差算出部４９’から受信した運動誤差とを基に、運動誤差が補正された位置制御信号を生成して位置制御部４４へ送信する。

尚、位置生成部４３’は、加工プログラム中の所定のコードが書き込まれている場合にのみ運動誤差が補正された位置制御信号を生成し、所定のコードが書き込まれていない場合にはプログラム解析部４２から受信した信号のみを基にして位置制御信号を生成する構成であっても良いし、加工プログラム中に所定のコードが書き込まれているか否かにかかわらず、運動誤差を補正した位置制御信号を生成する構成であっても良い。

このように、位置生成部４３’において、運動誤差を補正した位置制御信号を生成するようにしても、上例と同様に、運動誤差分を補正した位置制御信号によってＸ軸送り機構１５、Ｙ軸送り機構２０及びＺ軸送り機構２５の作動を制御することができ、微小な運動誤差が生じたとしてもこれを補正して高精度にワークＷを加工することができる。

また、本例においては、運動誤差が補正された位置制御信号が位置制御部４４に送信される態様としたが、これに限られるものではなく、運動誤差に加えて、ピッチエラーや真直度が補正された位置制御信号が位置制御部４４に送信されるようにしても良い。

また、上例では、運動軌跡を推定する際に、主軸１１の軸線を含むＹ−Ｚ平面とテーブル５上面とが交差する点Ｐを補正の対象となる点（補正対象点）として、当該点Ｐの高さ位置又は変動位置をテーブル５の移動方向に沿って所定の間隔で算出するようにしたが、補正対象点はこれに限られるものではなく、他の任意の点を補正対象点としても良い。

例えば、図１０に示すように、前記Ｙ_１〜Ｙ_１０の箇所のうち、テーブル５上面の４隅（図１０中における点Ｐ_５ａ、点Ｐ_５ｂ、点Ｐ_５ｃ、点Ｐ_５ｄ）にそれぞれ最も近い箇所（図１０においては、点Ｐ_５ａはＹ_３、点Ｐ_５ｂはＹ_８、点Ｐ_５ｃはＹ_１０、点Ｐ_５ｄはＹ_１）の高さ位置又は変動位置を前記４つの点Ｐ_５ａ，Ｐ_５ｂ，Ｐ_５ｃ，Ｐ_５ｄにおける高さ位置又は変動位置とし、これら４つの点Ｐ_５ａ，Ｐ_５ｂ，Ｐ_５ｃ，Ｐ_５ｄの座標を基にＣＡＥ解析等を利用して算出される中心点Ｐ’を補正対象点としても良い。この場合、当該中心点Ｐ’の高さ位置又は変動位置をテーブル５の移動方向に沿って所定間隔で算出し、算出した位置を結んだ線を運動軌跡と推定することができる。なお、テーブル５上面の４隅に対して最も近い箇所及び二番目に近い箇所（例えば、図１０においては、点Ｐ_５ａはＹ_３、Ｙ_４）の高さ位置又は変動位置とテーブル５上面の４隅のＸ軸方向位置に基づき、補間計算で求めた高さ位置又は変動位置（例えば、点Ｐ_５ａのＸ軸方向位置がＹ_３、Ｙ_４の中間位置であった場合、点Ｐ_５ａの高さ位置又は変動位置をＹ_３、Ｙ_４の平均値とする）を前記４つの点Ｐ_５ａ，Ｐ_５ｂ，Ｐ_５ｃ，Ｐ_５ｄにおける高さ位置又は変動位置とし、上記と同様に、これら４つの点Ｐ_５ａ，Ｐ_５ｂ，Ｐ_５ｃ，Ｐ_５ｄの座標を基にＣＡＥ解析等を利用して算出される中心点Ｐ’を補正対象点としても良い。

また、上例においては、受信した運動誤差の最大値が基準値を超えている、或いは運動誤差の変動値が基準値を超えていると判定され、運動誤差判定部５２からアラーム信号が出力された場合に、操作パネルや警告灯などの報知手段によって、その旨を作業者に対して通知する態様としたが、これに限られるものではなく、作業者に対して通知することなく、ワークＷの加工を停止するようにしても良い。

１ 工作機械
２ テーブル
３ 第１案内部
４ 第２案内部
５ テーブル
８ コラム
９ クイル
１０ 主軸頭
１１ 主軸
１５ Ｘ軸送り機構
１８ Ｘ軸用サーボモータ
２０ Ｙ軸送り機構
２１ Ｙ軸用サーボモータ
２５ Ｚ軸送り機構
２６ Ｚ軸用サーボモータ
３０ 支持具
３２ ジャッキ部
３３ ロードセル
３５ 送信機
４０ 数値制御装置
４１ 加工プログラム記憶部
４２ プログラム解析部
４３ 位置生成部
４４ 位置制御部
４５ 速度制御部
４６ 電流制御部
４７ 運動軌跡推定部
４８ 影響係数記憶部
４９ 運動誤差算出部
５０ 運動軌跡記憶部
５１ 位置補正部
５２ 運動誤差判定部
Ｔ 工具
Ｗ ワーク

Claims (5)

1. 垂直方向の支持位置を調整する調整機構、並びに支持荷重を検出するロードセルを有する複数の支持具によって支持された工作機械を用いて、ワークを加工する方法であって、
   前記各支持具のロードセルによって検出される支持荷重を基に、工作機械に装着した工具とワークとを相対的に運動させたときの運動軌跡を推定し、
   推定した運動軌跡と予め設定した基準運動軌跡との間の運動誤差を、運動方向に沿って所定間隔で算出するとともに、
   算出した運動誤差を基に、該運動誤差を補償するように、前記工具とワークとの間の相対運動を補正して前記ワークを加工する一方、
   少なくとも、算出した運動誤差の最大値が予め定めた基準値を超えているとき、又は、運動方向に沿った運動誤差の変動値が予め定めた基準値を超えているときには、アラームを発するようしたことを特徴とする、工作機械を用いたワークの加工方法。
2. 前記各支持具に作用する支持荷重と、前記工具とワークとの間の相対的な運動軌跡との関係式を予め取得しておき、
   前記関係式と、前記各支持具のロードセルによって検出される支持荷重とを基に、前記工具とワークとの間の相対的な運動軌跡を推定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の、工作機械を用いたワークの加工方法。
3. ベッドと、
   垂直方向の支持位置を調整する調整機構、並びに支持荷重を検出するロードセルを有し、予め定められた支持位置で前記ベッドを支持する複数の支持具と、
   前記ベッド上に配設され、ワークを保持するワーク保持部と、
   前記ベッド上に配設され、工具を保持する工具保持部と、
   前記ワーク保持部と工具保持部とを相対的に移動させる送り装置と、
   前記ワークを前記工具により目標形状に加工するための加工プログラムに従って位置制御信号を生成し、生成した位置制御信号により前記送り装置の動作を数値制御する数値制御部とを備えた工作機械であって、
   該工作機械は、更に、
   前記各支持具のロードセルによって検出される支持荷重を基に、前記送り装置による工具とワークとの間の相対的な運動軌跡を推定し、推定した運動軌跡と予め設定した基準運動軌跡との間の運動誤差を、運動方向に沿って所定間隔で算出する運動誤差算出部と、
   少なくとも、前記運動誤差算出部によって算出された運動誤差の最大値が予め定めた基準値を超えているとき、又は、運動方向に沿った運動誤差の変動値が予め定めた基準値を超えているときに、アラーム信号を出力する運動誤差判定部とを備え、
   前記数値制御装置は、前記位置制御信号を生成するに当たり、前記運動誤差算出部によって算出された運動誤差を基に、この運動誤差を補償した前記位置制御信号を生成するように構成されていることを特徴とする工作機械。
4. ベッドと、
   垂直方向の支持位置を調整する調整機構、並びに支持荷重を検出するロードセルを有し、予め定められた支持位置で前記ベッドを支持する複数の支持具と、
   前記ベッド上に配設され、ワークを保持するワーク保持部と、
   前記ベッド上に配設され、工具を保持する工具保持部と、
   前記ワーク保持部と工具保持部とを相対的に移動させる送り装置と、
   前記ワークを前記工具により目標形状に加工するための加工プログラムに従って位置制御信号を生成し、生成した位置制御信号により前記送り装置の動作を数値制御する数値制御部とを備えた工作機械であって、
   該工作機械は、更に、
   前記各支持具のロードセルによって検出される支持荷重を基に、前記送り装置による工具とワークとの間の相対的な運動軌跡を推定し、推定した運動軌跡と予め設定した基準運動軌跡との間の運動誤差を、運動方向に沿って所定間隔で算出する運動誤差算出部と、
   少なくとも、前記運動誤差算出部によって算出された運動誤差の最大値が予め定めた基準値を超えているとき、又は、運動方向に沿った運動誤差の変動値が予め定めた基準値を超えているときに、アラーム信号を出力する運動誤差判定部と、
   前記数値制御部によって生成される位置制御信号を逐次受信し、前記運動誤差算出部によって算出された運動誤差を基に、受信した位置制御信号に対する補正信号を生成して、生成した補正信号を前記数値制御装置における位置制御信号に加算する位置補正部とを備えていることを特徴とする工作機械。
5. 前記運動誤差算出部は、予め取得された、前記各支持具に作用する支持荷重と、前記工具とワークとの間の相対的な運動軌跡との関係式と、前記各支持具のロードセルによって検出される支持荷重とを基に、前記工具とワークとの間の相対的な運動軌跡を推定するように構成されていることを特徴とする請求項３又は４記載の工作機械。
   

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