JP2019014035A - Ｃｎｃ機械の幾何学的誤差および精度の監視および評価法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＮＣ機械の幾何学的誤差および精度の監視および評価法を提供すること。
【解決手段】機械部材を有する機械の機械動作中に空間精度を測定するための方法および装置が開示される。方法は、機械作業の前に従来の方法を使用して機械を測定するステップ、および、機械部材にセンサを取り付けてセンサをゼロ位置に較正するステップに従う。各センサ位置は、機械部材上の測定された幾何学的点の物理的位置と関連付けられる。機械部材の角度変化は、機械動作中に各センサ位置において継続的に測定される。機械作業の前に従来の方法によって取得された機械測定値は、機械幾何形状の何らかの変化を判定するため、および、工具経路誤差を計算するために、機械動作中を含めて常に取得されるセンサ測定値と比較される。
【選択図】図４

Description

[001]計算された工具経路誤差を提示するために、既存の機械の特性決定結果にマッピングされる機械動作中の工作機械部材の幾何学的関係を測定する固定精密センサを使用して、工作機械のＣＮＣ幾何学的誤差、単軸精度、および空間精度の監視および評価が行われる。

[002]工具先端または工具中心点においてコンピュータ数値制御（ＣＮＣ：ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ）工作機械の空間測定を行うことが、工作機械業界で知られている。そのような測定は、レーザ干渉計または他の測定技法を用いた直線変位測定を利用し得る。そのような測定は、測定事象のたびに設備のセットアップおよび取外しを必要とする。このタイプの測定は、以下の点に関して不備がある：
１．このタイプの測定は、製造作業のために機械が使用されている間には測定が行われないので、測定事象後の変化を認識しないまたは考慮に入れない。

２．ＩＳＯ２３０−６などの標準に従った工具先端における直方体対角線レーザ測定は、測定された誤差が機械軸における幾何学的誤差に起因するとは考えない。
３．スピンドルまたは工具先端においてなされる測定は、源における幾何学的誤差および幾何学的変化を監視しない。

４．継続的な自動化されたデータ測定の欠如は、機械挙動、幾何学的誤差、および空間精度が月、季節、および年のような長期間にわたって高頻度で傾向付けおよび分析されることを可能にしない。

[003]本デバイスは、切削工具の状態または性能を監視するのではなく、その代わりに、全ての軸の周りでのロール、ピッチ、およびヨーの変化を測定する、機械構造に固定されたセンサを利用する。センサは、工作機械の幾何学的形状を測定および監視して、その幾何学的形状が許容差の範囲に含まれることを確保する。システムは、更新された幾何学的誤差結果および空間精度誤差を出力するために、マッピングされた特徴付け結果に照らして、機械の各部材の角度に関する幾何学的関係を直接監視する。

[004]本デバイスは、機械部材の位置を光電子光学的に捕捉するため、または、２点間の関係の差異を監視するために、カメラまたはレーザなどの２次的な測定技術を使用しない。その代わりに、精密電子水準器が、機械部材上の取付け点に直接固定されて、ゼロまたは水準位置に較正される。機械動作中を含めてどの時点でも、水準センサから集められたデータは、前もって較正されたゼロ位置からのセンサの移動を示す。システム制御装置は、センサからの角度の差異情報およびセンサの物理的な位置の差異情報を使用して、機械の軸当たりの更新された幾何学的誤差の変化と、機械の空間精度とを計算する。

[005]本デバイスは、幾何学的誤差および空間精度の結果を提供するのに工具先端または工具中心点の測定に重点を置かないので、従来の試みとは異なる。本デバイスは、ＣＮＣ機械構造において生じる角度的な自由度の誤差の変化の継続的測定に重点を置いて、基準線測定からの機械の幾何学的誤差、各軸の精度、および結果的に工具先端において生じる空間精度を計算する。本デバイスは、以下の点において、当業界における従来の空間精度の解決法とは異なる：
１．測定機器は、ＣＮＣ機械構造上の所定の取付け点に固定される多数のセンサを配備する。

２．空間精度を計算するための直接測定は、機械構造上で行われ、工具先端では行われない。
３．本デバイスは、静的および動的の両方の角度測定を同時に利用する。

４．いったん設置されると、機械が製造作業に使用されている間に、幾何学的誤差および空間精度の評価がリアルタイムで継続的に行われる。
５．工具先端において生じる空間精度は、機械構造上の様々な位置においてリアルタイムで継続的に生じる経験的測定を使用して「計算される」のであり「測定される」のではない。

６．システムによる継続的な測定により、機械挙動の分析ならびに幾何学的誤差データの傾向付けおよび分析のために、データが記憶され得る。
[006]システムは、機械内の各自由度を測定するセンサの初期水準位置からの逸脱を測定することと、それらの測定を使用して機械の基準線ロール、ピッチ、ヨー、真直度、精度、直角度、および空間精度の結果を計算しかつ更新することとに基づく。

[007]角度センサは、機械構造に物理的に取り付けられて、センサ位置において機械の歪みをロール、ピッチ、またはヨーとして直接測定する。次いで、機械軸のロール、ピッチ、ヨー、真直度、および位置決め精度は、工具先端において生じる誤差を報告するために、工具先端に対して算出される。

[008]オーバヘッドガントリ工作機械の斜視図である。 [009]垂直マシニングセンタの斜視図である。 [0010]水平マシニングセンタの斜視図である。 [0011]工作機械で使用されるシステムの要素を示す図である。 [0012]図１〜４に示されたようなデバイスを使用するステップを示す図である。

[0013]図１は、参照番号１０によって全体が指定されたオーバヘッドガントリ工作機械の斜視図である。オーバヘッドガントリ機械１０は、Ｘ軸に延在する１対のレール１４と、Ｚ軸に延在する１対の垂直支柱１５とを備える。垂直支柱１５は、Ｙ軸に延在する水平梁１６と、スピンドル１８を支持する垂直Ｚ軸コラム１７とを支持する。垂直支柱１５の対は、Ｘ軸においてレール１４に沿って移動し、Ｚ軸コラム１７は、Ｙ軸において水平梁１６にわたって水平に移動し、かつ、Ｚ軸において垂直に移動する。

[0014]複数の精密水準センサ２４が、レール１４のそれぞれの取付け点に取り付けられ、複数の精密水準センサ２８が、水平梁１６に取り付けられる。精密水準センサ３２もまた、Ｚ軸コラム１７上の取付け点に取り付けられ、また、１つまたは複数の精密水準センサ３６が、スピンドル１８に取り付けられ得る。レール１４上の精密水準センサ２４は、電線路２５によりデータ収集デバイス２６に電気的に結合されてもよく、梁１６上の精密水準センサ２８は、電線路２９によりデータ収集デバイス３０に電気的に結合されてもよい。コラム１７上の精密水準センサ３２は、電線路３３によりデータ収集デバイス３４に電気的に結合されてもよく、スピンドル１８上の精密水準センサ３６は、電線路（図示せず）によりデータ収集デバイス３８に電気的に結合されてもよい。データ収集デバイス２６、３０、３４、および３８は、精密水準センサ２４、２８、３２、および３６から受信する信号を以下でより詳細に説明される中央処理装置（ＣＰＵ）３９に送信するために、ブルートゥース（登録商標）伝送能力（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標） ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を有し得る。

[0015]本明細書において使用される場合、「精密水準センサ」という用語は、表面の角度またはその運動軸に沿った物体の角度を測定する電子水準器を意味する。出力測定値は、地平面（ｅａｒｔｈ ｌｅｖｅｌ）および／または既定の基準角度と比較される。他のタイプの位置センサまたは運動センサが使用されてもよい。本明細書において示されかつ説明された用など精密水準センサの数および位置は、単に例示の目的のためのものであり、センサの他の数および位置が用いられてもよい。

[0016]図２は、機械の取付け点に精密水準センサが装着された、工作機械の別の形態である垂直マシニングセンタ４０を示す。垂直マシニングセンタ４０は、機械基部４２、コラム４４、スピンドル４８を担持するサドル４７、Ｙ軸スライド５０、およびＸ軸テーブル５２を備える。センサ４１が、機械基部４２上に配置され、センサ４３が、コラム４４に取り付けられ、センサ４６が、スピンドル４８を担持するサドル４７に取り付けられる。センサ４９もまた、Ｙ軸スライド５０に取り付けられてもよく、センサ５１が、Ｘ軸テーブル５２に取り付けられてもよい。図１に関連して上述された構成と同様の態様で、センサ４１、４３、４６、４９、および５１は、データ収集デバイス（図示せず）に電気的に結合されてもよく、データ収集デバイスは、ブルートゥース伝送によりＣＰＵに結合されてもよい。

[0017]図３は、機械の取付け点に精密水準センサが装着された、工作機械の別の形態である水平マシニングセンタ５５を示す。水平マシニングセンタ５５は、機械基部５７、Ｙ軸コラム５９、スピンドルハウジング６１、Ｚ軸スライド６４、およびＸ軸テーブル６６を備える。センサ５６が、機械基部５７上に配置され、センサ５８が、Ｙ軸コラム５９上に配置され、１つまたは複数のセンサ６０が、スピンドルハウジング６１上に配置され得る。センサ６３もまた、Ｚ軸スライド６４に取り付けられ、センサ６５が、Ｘ軸テーブル６６に取り付けられ得る。図１に関連して上述された構成と同様の態様で、センサ５６、５８、６０、６３、および６５は、データ収集デバイス（図示せず）に電気的に結合されてもよく、データ収集デバイスは、ブルートゥース伝送によりＣＰＵ３９に結合されてもよい。

[0018]図４は、機械状態の検知およびＣＰＵ３９への伝送のために共に結合されたシステムの主たる要素を示す。複数のデータ収集デバイス７３に電力を供給するために、電源７０が給電線７１によって結合され得る。データ収集デバイス７３のそれぞれは、１つまたは複数の精密水準センサ７６に結合されてもよく、また、必要に応じてセンサ７６に給電することができる。精密水準センサ７６のそれぞれは、データ収集デバイス７３のうちの１つから電線路７８を介して電力を受け取り、かつ、電線路７８を介してデータ収集デバイスにデータを送信する。データ収集デバイス７３のそれぞれは、精密水準センサ７６から受信したデータをＣＰＵ３９に伝送するために、ブルートゥース伝送能力を有し得る。あるいは、データ収集デバイス７３はまた、ＣＰＵ３９に配線で接続されてもよい。システム結果を構成および表示するために、操作者インターフェイスまたは制御パネル７９が、電線路７７によりＣＰＵ３９に結合されてもよい。

[0019]図５は、図１〜４に示されたようなデバイスを使用するステップを示す。ステップ８５において、機械はまず、機械作業に先立ち、ＡＳＭＥ Ｂ５．５４、ならびにＩＳＯ２３０−１、ＩＳＯ−２３０−２、およびＩＳＯ２３０−６の方法論に従って、全ての直線軸に対する直線変位、ロール、ピッチ、ヨー、および真直度の誤差、ならびに直角度誤差に関して特徴付けられる。機械を特徴付けるための従来の方法は、レーザ、直線変位指示器（ｌｉｎｅａｒ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）、電子水準器、ボールバーなどの使用を含む。機械を特徴付けるために、他の方法およびデバイスが使用されてもよい。次いで、ステップ８６において、機械測定値がＣＰＵ３９に記憶される。ステップ８７において、センサが機械に取り付けられて、ゼロ位置に較正される。実際の操作では、絶対的な角度精度の電子水準センサが使用されたが、他のセンサが用いられてもよい。ステップ８８において、機械動作中、センサは、各センサ位置において角度変化を継続的（換言すれば、連続的）に測定し、かつ、その情報をＣＰＵ３９に送信する。ステップ８９において、各センサ位置は、測定された幾何学的誤差点の物理的な位置と関連付けられる。本明細書において使用される場合、「測定された幾何学的誤差点」という用語は、機械の基準線を特徴付ける測定点を意味する。ステップ９０において、ＣＰＵは、センサ位置において測定された角度変化を使用して、機械上のセンサ位置間の機械要素に対する角度変化を補間する。基準線を特徴付ける各測定点にセンサを置くことが不可能な場合もあるので、補間が必要である。システムは、機械軸の幾何学的プロフィルの更新における精度を確保するために、基準線を特徴付ける各測定点を更新しなければならない。ＣＰＵの主な働きは、ステップ８５において従来の方法によって作られた機械測定値をセンサにより継続的に作られた測定値と比較することである。ステップ９１において、ＣＰＵは、センサのそれぞれから取得された全ての測定値を収集する。ステップ９２において、ＣＰＵは、センサ読取り値の変化を取得し、各センサ位置における誤差を計算し、基準線を特徴付ける各測定点における誤差を補間し、かつ、結果のそれぞれを各点における基準線を特徴付ける測定の結果と比較することにより、機械幾何形状の何らかの変化を判定する。より詳細な説明が以下に挙げられる。ステップ９２でなされた判定の結果として、ステップ９３において、ＣＰＵは、各軸の全体的な幾何学的誤差範囲、および、機械の空間精度を計算する。ステップ９４において、ＣＰＵは、基準線特徴付け結果の改正として、更新された結果を出力する。ＣＰＵはまた、基準線結果の変化率として、変化を出力する。

[0020]上記で述べられたプロセスのさらなる説明において、ステップ９２では、機械の幾何形状の変化を判定するためのプロセスは、分析される機械のタイプおよび構造に応じて変動し得る。センサ読取り値の変化からのピッチ誤差、水平真直度誤差、および空間精度誤差の判定の例が、以下で論じられる。

[0021]図２に示されたような機械でのＸ軸上のピッチ誤差を判定するために、３つのセンサ４９のそれぞれからのピッチ角度測定値が、ＣＰＵ３９によって収集される。実際の読取り値には、ＣＰＵにより、基準線特徴付け測定線に沿った物理アドレスが割り当てられる。実際の読取り値が全てゼロを示す場合、ピッチ誤差のための基準線特徴付け測定線は、変化しないままである。センサ４９のうちのいずれかがゼロ以外の量を示す場合、各センサからの実際の誤差読取り値は、それが割り当てられた位置において基準線特徴付け測定線に加えられる。次いで、誤差は、各センサ位置間に位置する各基準線特徴付け測定点に対して補間され、かつ、基準線特徴付け測定点に加えられる。

[0022]図１に示された機械に類似した構成を有する機械のＹ軸における水平真直度誤差を判定するために、センサ２８のそれぞれからのＹ軸に関するロール測定値が、ＣＰＵ３９によって収集される。実際の読取り値の全てがゼロを示す場合、Ｙ軸ロール誤差に対する基準線特徴付け測定線は、変化しないままであり、同様に、Ｙ軸水平真直度の基準線特徴付け測定線も、変化しないままである。センサ２８のうちのいずれかがゼロ以外の量を示す場合、各センサからの実際のロール誤差読取り値は、それが割り当てられた位置において基準線特徴付け測定線に加えられる。次いで、誤差は、各センサ位置間に位置する各基準線特徴付け測定点に対して補間され、かつ、基準線特徴付け測定点に加えられる。新たなロール誤差角度値のそれぞれは、角度にそれを軸のピボットから工具先端までの距離のための線形単位に変換したものを掛け算することにより、水平真直度を計算するために使用される。

[0023]図３に示された機械に類似した構成を有する機械のＹＺ直角度誤差を判定するために、Ｘ軸に関して角度を検知するセンサ６０からの角度測定値、および、Ｚ軸に関して角度を検知するセンサ５８からの角度測定値が、ＣＰＵ３９によって収集される。センサ６０からの角度の平均値、およびセンサ５８からの角度の平均値は、更新されたＹＺ直角度誤差結果を得るために、合計されて基準線特徴付け測定結果に加えられる。

[0024]ステップ９５において、機械において周囲温度が検知されてもよく、また、温度読取り値は、ＣＰＵ３９に送信されてもよい。ステップ９６において、ＣＰＵは、傾向分析を経時的に発展させるために、機械幾何形状の周期的な変化を温度の関数としてマッピングしてもよい。周期的な変化は、１時間ごと、１日ごと、または季節ごとのものであってもよい。

[0025]デバイスを使用するプロセスは、機械動作中にＣＮＣ機械部材の幾何学的関係の変化を測定する固定精密センサを使用する、リアルタイムの機械の幾何形状および空間精度の監視と機械の評価とを利用する。プロセスは、機械工具先端における直線的な逸脱のみを測定することと比べて、機械のスタックアップレベル（ｍａｃｈｉｎｅ ｓｔａｃｋ ｕｐ ｌｅｖｅｌ）ごとに幾何学的挙動を評価する。プロセスは、各センサの基準位置、各センサ測定の測定された大きさ、測定の方向、および各センサ間の位置関係を使用して、軸角度誤差、軸真直度誤差、および平面自由度の誤差を含む経験的に測定された基準線特徴付け結果を比較しかつ更新する。各センサの大きさおよび方向に対するいかなる変化も、継続的なデータ収集を使用して速やかにかつリアルタイムで感知される。情報のさらなる処理は、軸および平面誤差の根本的原因の判定、分析、および補正を可能にし得る。プロセスは、機械の継続的に更新される空間精度の再計算能力によって完結する。

[0026]本システムは、複数の精密水準センサの使用を通じて、機械部材の角度変化を検出し、かつ、初期のゼロ較正された（ｚｅｒｏ−ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ）位置からの機械上の複数の単一点の位置的な差異を測定する。動作中の機械部材の熱膨張、摩耗、または応力による歪みは、機械部材の現在位置とゼロ較正された位置との間の差異として、センサによって直接測定される。

[0027]各センサは、任意の方向における回転運動を検出するために、センサが取り付けられた機械上の特異点を継続的に測定する。特異点は、工作機械のフレーム上、および／または、機械軸のうちの１つまたは複数の機械軸の可動要素上に位置し得る。機械の幾何学的誤差および空間精度に対する計算は、基準線特徴付け結果、および、センサからの測定された角度と検出された角度の位置との組合せを使用して、行われる。

[0028]したがって、本デバイスについて説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって定義される本デバイスの範囲に含まれると考えられる様々な修正および変更が、当業者に思い浮かぶであろう。

１０ オーバヘッドガントリ工作機械
１４ レール
１５ 垂直支柱
１６ 水平梁
１７ 垂直Ｚ軸コラム
１８ スピンドル
２４ 精密水準センサ
２５ 電線路
２６ データ収集デバイス
２８ 精密水準センサ
２９ 電線路
３０ データ収集デバイス
３２ 精密水準センサ
３３ 電線路
３４ データ収集デバイス
３６ 精密水準センサ
３８ データ収集デバイス
３９ 中央処理装置、ＣＰＵ
４０ 垂直マシニングセンタ
４１ センサ
４２ 機械基部
４３ センサ
４４ コラム
４６ センサ
４７ サドル
４８ スピンドル
４９ センサ
５０ Ｙ軸スライド
５１ センサ
５２ Ｘ軸テーブル
５５ 水平マシニングセンタ
５６ センサ
５７ 機械基部
５８ センサ
５９ Ｙ軸コラム
６０ センサ
６１ スピンドルハウジング
６３ センサ
６４ Ｚ軸スライド
６５ センサ
６６ Ｘ軸テーブル
７０ 電源
７１ 給電線
７３ データ収集デバイス
７６ 精密水準センサ
７７ 電線路
７８ 電線路
７９ 操作者インターフェイス、制御パネル
８５〜９６ ステップ

Claims (18)

1. 機械部材を有する機械の空間精度を、機械の動作中を含めて常に測定するための方法であって、
   前記機械の基準線特徴付けを決定するために、機械の動作の前に従来の方法を使用して機械の幾何学的誤差を測定するステップと、
   前記機械部材にセンサを取り付けて、前記センサをゼロ位置に較正するステップと、
   各センサの位置を前記機械部材上の測定された幾何学的点の物理的な位置と関連付けるステップと、
   機械の動作中に各センサの位置において機械部材の角度変化を継続的に測定するステップと、
   センサ読取り値および補間結果を前記基準線特徴付けと比較するステップと、
   機械の幾何形状の変化を判定するステップと、
   工具経路誤差を計算するステップと、
   を含む方法。
2. 前記機械が静止していて動いていない間に、前記機械に取り付けられた複数の固定センサによって測定された角度の変化を使用して、機械の幾何学的誤差および空間精度を計算するステップ
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記機械が動いている間に、前記機械に取り付けられた複数の固定センサによって測定された角度の変化を使用して、機械の幾何学的誤差および空間精度を計算するステップ
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記機械部材の材料温度を検知しかつ測定するステップと、
   各センサの位置の測定された前記材料温度に前記工具経路誤差をマッピングして、機械の幾何形状の周期的な変化を温度の関数として追跡するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 温度の関数としての機械の幾何形状の変化を一定時間ごとに追跡するステップ
   をさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 温度の関数としての機械の幾何形状の変化を１時間ごとに追跡するステップ
   をさらに含む、請求項４に記載の方法。
7. 温度の関数としての機械の幾何形状の変化を毎日追跡するステップ
   をさらに含む、請求項４に記載の方法。
8. 温度の関数としての機械の幾何形状の変化を季節ごとに追跡するステップ
   をさらに含む、請求項４に記載の方法。
9. 前記機械部材に取り付けられた角度センサを使用して、機械の動作中の前記機械部材の前記角度変化を測定するステップ
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 複数のセンサからのデータを使用して、基準線特徴付けからの測定結果を更新するステップ
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 機械の動作中の機械部材の幾何学的誤差および空間精度を監視することにより前記機械部材を有する工作機械の計算された工具経路誤差を提示するシステムであって、
    ロール、ピッチ、ヨー、真直度、直角度、および空間精度などの機械の幾何学的誤差の基準線特徴付けから取得された読取り値を受信するための中央処理装置（ＣＰＵ）と、
    前記機械部材に取り付けられた複数の固定精密センサと、
    工作機械の動作中に前記固定精密センサによって取得された読取り値を前記ＣＰＵに伝送し、それにより、前記ＣＰＵが前記センサからの読取り値を前記基準線特徴付けから取得された読取り値と比較して、継続的に計算され更新された工具経路誤差を提示する、データ収集デバイスと、
    を備える、システム。
12. 前記固定精密センサが、前記複数の固定精密センサから得られた角度誤差を使用することにより、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸における前記機械部材の直線運動を計算する、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記固定精密センサが、機械の軸の周りでの前記工作機械部材の回転運動を測定する、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記固定精密センサが、電子的にプログラム可能な角度センサである、請求項１１に記載のシステム。
15. 前記工作機械上の回転ヘッド、および前記回転ヘッドに取り付けられた少なくとも１つの固定精密センサ
    をさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
16. 前記工作機械上の前記回転ヘッドを支持するためのコラム、および前記コラムに取り付けられた少なくとも１つの固定精密センサ
    をさらに備える、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記回転ヘッドおよび前記コラムのうちの少なくとも一方を支持するための前記工作機械上の支持梁と、
    前記支持梁に取り付けられた前記少なくとも１つの固定精密センサと、
    をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記支持梁を支持する１対の垂直支柱と、
    前記垂直支柱のうちの少なくとも１つに取り付けられた少なくとも１つの固定精密センサと、
    をさらに備える、請求項１７に記載のシステム。

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