JP2021049591A - On-machine measuring method in machine tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、工作機械における機上測定の高精度化に関する。 The present invention relates to high accuracy of on-machine measurement in a machine tool.
従来、後述する図1に示すような工作機械(研削盤)が実用化されている。即ち、直線X軸、Y軸およびZ軸を有し、Z軸と平行に冗長なW軸を有する。直線U軸は直線Z軸によりX−Y面との距離を調整できるし、旋回C軸によりX−Y面と平行、Z軸と直角を維持した方向を設定することが出来る。
X、Y、Z、W、C、Uのどの軸についても図示しないが、モータ内蔵のパルスコーダもしくは別置きのリニアスケールやロータリエンコーダなどの位置検出の仕組みを有しているか、パルスモータのような位置制御の仕組みを有しており、制御器の指令に合わせて工具としての砥石の位置を変更できるようになっている。
この種の工作機械において、制御器には、プロービング装置が接続される(例えば、特許文献1参照)。このプロービング装置が接触を検知した瞬間に制御器に信号を挙げ、それを受けた制御器は送りを即座に停止させる機能を有している(以降、このような機能をスキップ機能と呼ぶ)。このスキップ機能で停止させた場合には停止位置を取得することが出来き、この停止位置から形状を評価することが出来る。複数のポイントで測定を行いその差から寸法を評価するということが行われる(例えば、特許文献2参照)。
一方、先に述べた位置検出の仕組みはリニアスケールやロータリエンコーダなど多くの種類があるが、位置制御の仕組みとしては、送りねじ(親ねじ)の回転角度までしか検出・制御に使用しないオープン・ループやセミクローズド・ループという制御と位置まで検出し制御にしようするフルクローズドループ制御がある。
Conventionally, a machine tool (grinding machine) as shown in FIG. 1 described later has been put into practical use. That is, it has a linear X-axis, a Y-axis, and a Z-axis, and has a redundant W-axis parallel to the Z-axis. The distance of the straight U-axis to the XY plane can be adjusted by the straight Z axis, and the direction maintained parallel to the XY plane and perpendicular to the Z axis can be set by the swivel C axis.
Although not shown for any of the X, Y, Z, W, C, and U axes, it has a position detection mechanism such as a pulse coder with a built-in motor or a separate linear scale or rotary encoder, or a pulse motor. It has a position control mechanism, and the position of the grindstone as a tool can be changed according to the command of the controller.
In this type of machine tool, a probing device is connected to the controller (see, for example, Patent Document 1). The moment the probing device detects a contact, a signal is sent to the controller, and the controller that receives the signal has a function of immediately stopping the feed (hereinafter, such a function is referred to as a skip function). When stopped by this skip function, the stop position can be acquired, and the shape can be evaluated from this stop position. Measurements are made at a plurality of points and the dimensions are evaluated from the differences (see, for example, Patent Document 2).
On the other hand, there are many types of position detection mechanisms such as linear scales and rotary encoders mentioned above, but the position control mechanism is open-loop, which uses only the rotation angle of the lead screw (lead screw) for detection and control. There are loop and semi-closed loop control and full closed loop control that detects and controls the position.
送りねじやリニアスケールの品質や組み付けの具合により入力となる位置指令と出力となる変位の関係が図4に示すように非線形になる場合が多い。特に送りねじについては周期的な偏差が残りやすい。また、リニアスケールについても細かく見るとスリット・刻線などを組み合わせて変位に応じて周期的な信号レベル変化を生じさせて、補間して分解能を確保している場合が多く、周期的な偏差は完全に避けられるものではない。
これら非線形性は光の干渉を利用した校正機もしくは基準スケールを用いて校正を行って使うことも多い。
この場合、有名な補正方法は2つある。図5のように非線形性を設定された補正位置での補正パルス生成として扱う補正と図6のように非線形性を直線で補正するタイプ等があり、どちらも比較的長周期の測定には有効であるが、図5のような補正の場合には局所的(短周期の測定)にはもとの補正を入れない場合に比べ大きな非線形性を持っていることになる。図6のような補正ではこのようなことは起こりにくいが、フルクローズドループ制御であったとしても完全に工具先端の位置を制御しているわけではなく姿勢変化による非線形性の影響を免れない。
これを生じる理由は送りねじや支持機構(ベアリングのボールとボールの間隔など)に起因する姿勢の若干の変化などがある。
ところで、比較的長周期の測定における平均感度はブロックゲージのような基準ブロックの測定により概ね一定の精度を確保できるが、非線形性が残留する場合がある。特に補正パルス生成の結果だった場合には、補正位置を跨いだ複数の測定結果に偏差を生じる。従来は複数回測定を行ったとしてもその差は安定性の範囲内で変わることはない。しかし、局所的な大きな非線形性と言う大きな偏差の種が組み込まれてしまうことになる。
Depending on the quality of the lead screw and the linear scale and the condition of assembly, the relationship between the input position command and the output displacement is often non-linear as shown in FIG. Especially for lead screws, periodic deviations tend to remain. Also, looking closely at the linear scale, there are many cases where slits, engraved lines, etc. are combined to generate a periodic signal level change according to the displacement, and interpolation is performed to ensure resolution, and the periodic deviation is It cannot be completely avoided.
These non-linearities are often used after being calibrated using a calibrator that utilizes light interference or a reference scale.
In this case, there are two well-known correction methods. There are two types, one is a correction that treats the non-linearity as a correction pulse generation at the set correction position as shown in FIG. 5, and the other is a type that corrects the non-linearity with a straight line as shown in FIG. However, in the case of the correction as shown in FIG. 5, the locality (measurement in a short period) has a large non-linearity as compared with the case where the original correction is not inserted. Although such a situation is unlikely to occur with the correction as shown in FIG. 6, even if the full closed loop control is used, the position of the tool tip is not completely controlled and the influence of the non-linearity due to the attitude change is unavoidable.
The reason for this is a slight change in posture due to the feed screw and the support mechanism (such as the distance between the balls of the bearing).
By the way, the average sensitivity in the measurement of a relatively long period can be secured to be substantially constant by the measurement of a reference block such as a block gauge, but the non-linearity may remain. In particular, when it is the result of correction pulse generation, a deviation occurs in a plurality of measurement results across the correction positions. Conventionally, even if multiple measurements are performed, the difference does not change within the range of stability. However, a large deviation seed called a large local non-linearity will be incorporated.
本発明の目的は、工作機械において、その機上測定の高精度化を可能とする技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique capable of improving the accuracy of on-machine measurement in a machine tool.
本発明者は、工作機械において、その機上測定の高精度化を可能とする方法について、鋭意研究した結果、その方法として、例えば、Z軸を使用してワークの高さ測定を行う場合を想定し、一度測定した後にW軸をわずかにδWだけオフセットさせてもう一度測定を行い、得られた結果の組の差を上記非特許文献1に示される方法を用いてその場で校正を行えば、まず非線形性が許容範囲内にありそうか否かを想定でき、また、繰り返し性の範囲内で非線形性の補正も可能であること、また、この方法は、広く、工作機械において、X軸、Y軸、Z軸のいずれかの軸を使用して当該軸における前記工作機械の所定の基準となる座標と測定対象である任意の座標間の差を測定する場合に適用できることを見出した。
As a result of diligent research on a method that enables high-precision on-machine measurement in a machine tool, the present inventor has made a case where, for example, the height of a work is measured using the Z-axis as the method. Assuming that the measurement is performed once, the W axis is slightly offset by δW, the measurement is performed again, and the difference between the obtained sets is calibrated on the spot using the method shown in
即ち、本発明の様相によれば、工作機械において、X軸、Y軸、Z軸のいずれかの軸を使用して当該軸における前記工作機械の所定の基準となる座標と測定対象である任意の座標間の差を測定する場合を想定し、一度測定した後に、前記それぞれの測定したい方向に対してわずかにδだけオフセットさせてもう一度測定を行い、1回目に測定した測定点の群と2回目に測定した測定点の群の差を各測定点毎に比較して、他の測定点の組に対して外れた測定値があるか否かを判定し、その外れた測定値の箇所で非線形性があるとして、その場で校正することを特徴とする機上測定方法が得られる。これにより、まず非線形性が許容範囲内にありそうか否かを想定できる。また、繰り返し性の範囲内で非線形性の補正も可能である。 That is, according to the aspect of the present invention, in the machine tool, any of the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis is used, and the coordinates that serve as a predetermined reference and the measurement target of the machine tool on the axis are arbitrary. Assuming the case of measuring the difference between the coordinates of, once the measurement is performed, the measurement is performed again with a slight offset of δ with respect to each of the desired directions, and the group of measurement points measured the first time and 2 The difference between the groups of measurement points measured the second time is compared for each measurement point to determine whether or not there is a measurement value that deviates from the other measurement point sets, and at the location of the deviated measurement value. Given the non-linearity, an on-board measurement method characterized by in-situ calibration can be obtained. This makes it possible to first assume whether or not the non-linearity is likely to be within the permissible range. In addition, it is possible to correct the non-linearity within the range of repeatability.
本発明によれば、工作機械において、その機上測定の高精度化を可能とする技術を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a technique capable of improving the accuracy of on-machine measurement in a machine tool.
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明が適用される研削盤の一例を示す斜視図、図2は、そのU軸送り装置と砥石軸周辺の拡大図である。本発明が適用される研削盤10は、図1に示すように、ベッド12上にテーブル送り装置36およびテーブル30がレール16を介してY軸方向(前後方向)へ移動可能に支持されている。コラム14はベッド12に固定されているが、前述の通り、送り装置36との間にはレール16に沿った方向に相対運動を与えることができる。ベッド12の後部には図示しない送り装置36移動用モータが配設され、このモータにより図示しないボールネジ等を介してテーブル送り装置36がレール16に沿って前後移動されるようになっている。コラム14にはヘッド18がW軸方向に移動可能(昇降可能)に支持され、そのヘッド18の先端には砥石軸20が設けられており、砥石軸20の先端には、砥石100(図2参照)が取付けられる。コラム14の上部には図示しないヘッド昇降用モータが配設され、このモータにより図示しないボールネジ等を介してヘッド18が昇降されるようになっている。ヘッド18の後部には砥石軸(回転用)モータ24(図2参照)が配設され、このモータにより砥石軸20が回転されるようになっている。ヘッド昇降用モータには、図示しない計測手段を構成するエンコーダが付設される。このほかの砥石軸を除く直線軸および回転軸には図示しない場合にもエンコーダおよびモータを備え送り量ないし回転量が算出・制御できるようになっている。このエンコーダから出力されるデータによりヘッド18の昇降量、及び図示しないワークに対する切り込み量が算出される。W軸方向に平行にZ軸が設けられており、W軸のヘッドの動き、C軸回転およびU軸直線運動を妨げることなくZ軸運動を与えることができる。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an example of a grinding machine to which the present invention is applied, and FIG. 2 is an enlarged view of the U-axis feed device and the periphery of the grindstone shaft. In the
先に述べた通り、ベッド12上にはレール16を介してX軸送り装置36が載っている。このX軸送り装置36はレール16の方向に沿ってY方向に前後直線運動できるように構成されている。このX軸送り装置36の上に更に図示しないレールを介してテーブル30が支持されている。このテーブル30はX軸送り装置36に対して左右方向に直線運動できるように構成されている。その上面には図示しないワークが着脱可能に設置固定されるようになっている。当然ながらベッド12にはX軸送り装置36を移動する用のモータが配設され、このモータにより図示しないボールネジ等を介してX軸送り装置36がレール16に沿って移動されるようになっている。テーブル30についても同様に図示しないモータおよびボールネジ等を介してX軸送り装置36上を動くようになっている。そして、上記砥石軸回転用モータ24により砥石軸20が回転された状態で、上記ヘッド昇降用モータによりヘッド18(砥石軸20)が下降されて、砥石軸20の先端に取り付けられた砥石100がテーブル30上のワークの面に接触させられる。テーブル30は上述の2つのモータでX−Y方向に自由に可動させられる。これにより、ワークの表面が砥石100にて研削されるようになっている。尚、研削盤10は、砥石100とワークとの接触検知手段としての図示しないAE(アコースティックエミッション)センサをワーク側に備えている。そして、AEセンサによりワークと砥石100との接触を検知したら、スキップ信号により砥石100の送りを止めることができるように構成されている。
As described above, the
図1に示す工作機械(研削盤)10は、以上に述べたように、少なくともX−Y−Zの三軸の同時制御ができるCNC制御の工作機械(研削盤)であり、更に、砥石軸20という回転軸と軸方向が平行な駆動軸(回転軸又は直線駆動軸)を有している。即ち、工作機械(研削盤)10は、ヘッド18の下部にU軸送り装置40を有しており、このU軸送り装置40は、砥石軸20と、その上部の円盤体27を含む直線送り機構であり、砥石軸20とその上部の円盤体27を、その時のC軸の角度位置に応じて所定のストロークの範囲内で直線移動させる装置であり、この直線移動方向をU軸(方向)と定義している。即ち、図1に示す工作機械(研削盤)10では、ヘッド18は、Z軸方向に直線移動(上下移動)できる。Z軸との区別のため、W軸送り装置と呼称する。また、ヘッド18に対して、U軸送り装置40をZ軸直線移動とZ軸周り旋回(C軸と呼称する)に旋回させることができる。U軸送り装置40は、砥石軸20をU軸方向に直線移動させることができる。図2及び図3を参照して、工作機械(研削盤)10の駆動軸制御を更に具体的に述べれば、工作機械(研削盤)10では、U軸の直線送り機構はC軸の回転側に載っている。砥石軸(U軸)の送り指令によって、U軸送り装置40をU軸の方向に沿って直線移動させることができる。C軸の回転指令によって砥石軸の中心ごと回転する。更に、このC軸装置は、Z軸装置で鉛直方向に直線移動させることができる。
As described above, the machine tool (grinding machine) 10 shown in FIG. 1 is a CNC-controlled machine tool (grinding machine) capable of simultaneously controlling at least three axes of XYZ, and further, a grindstone shaft. It has a drive shaft (rotary shaft or linear drive shaft) whose axial direction is parallel to the rotation shaft of 20. That is, the machine tool (grinding machine) 10 has a
図3は、図1に示したジグ研削盤の制御系の概略を示すブロック図である。本発明に係るジグ研削盤は、制御系として、制御装置300と、入出力装置310と、各軸モータ320及びそれぞれのモータドライバ330、砥石回転モータ102Aと砥石モータインバータ102invを有している。制御装置300は、コンピュータ数値制御部(CNC)302と、プログラマブルコントローラ304と、I/O(入出力)モジュール306を有している。本発明に係るジグ研削盤の制御系には、入出力装置310として、キーボード、各種スイッチ、温度センサ等と、スキップ信号に関わるツールセッタ、AEセンサ等も有している。
FIG. 3 is a block diagram showing an outline of the control system of the jig grinding machine shown in FIG. The jig grinding machine according to the present invention has a
次に、本発明の要部である機上測定方法について、図1乃至図3に加え、図7乃至図17をも参照して説明する。図7は、本発明の実施形態に係る研削盤におけるZ軸に平行な方向のタッチ測定例である。ここでは、図1に示した工作機械において、例えば、図7(a)(b)に示すように、Z軸を使用してワークの高さ測定を行う場合を想定する。まず、図7(a)に示すように、一度測定した後に、次に、図7(b)に示すように、W軸をわずかにδWだけオフセットさせてもう一度測定を行う。得られた結果の組の差を本明細書の冒頭で述べた上記非特許文献1に示される方法を用いてその場で校正すれば、まず非線形性が許容範囲内にありそうか否かを想定できる。また、繰り返し性の範囲内で非線形性の補正も可能である。このような測定は、例えば、図7(a)(b)に示すように、地点1、2、3の3箇所で測定する等、1箇所2箇所だけとは限らず、また、評価項目1として地点1でのワークの高さ、評価項目2として地点3でのワークの高さ等、複数の評価項目があるはずである。得られた結果の組(オフセットの前後)の差を考えると、プロービングで停止したZの座標はδWだけずれているはずである。W軸に非線形性があることを考えるとある線形性のオーダでは、不確かさがある。δW自体も平均によって蓋然性が推し量られる。従って、Z軸の線形性が明らかに悪い区間でプロービングしたデータが混ざっていると座標が平均から大きくずれる。但し、補正後の送り軸の線形性のオーダによる。これにより、明らかに線形性の悪い区間で測ったデータが混ざることを避けることが出来る。更に、計算によって得られたδWの平均とオフセット前後のデータの組から上記非特許文献1の論文中の1次推定までは可能であり、より正しいと思われる結果の推定までが可能になる。
Next, the on-board measurement method, which is a main part of the present invention, will be described with reference to FIGS. 7 to 17 in addition to FIGS. 1 to 3. FIG. 7 is an example of touch measurement in the direction parallel to the Z axis in the grinding machine according to the embodiment of the present invention. Here, in the machine tool shown in FIG. 1, for example, as shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b), it is assumed that the height of the work is measured using the Z axis. First, as shown in FIG. 7 (a), the measurement is performed once, and then, as shown in FIG. 7 (b), the W axis is slightly offset by δW and the measurement is performed again. If the difference between the obtained pairs of results is calibrated in-situ using the method shown in
一方、図1に示した工作機械において、X−Y軸を使用してワークを測定する際には、C軸を旋回してU軸をX軸、Y軸に平行にすることでZ軸と同様に扱うことが出来る。評価項目にX方向とY方向が混ざっている場合には、X軸に対して45度などに設定するようにする。 On the other hand, in the machine tool shown in FIG. 1, when measuring a workpiece using the XY axes, the C axis is swiveled so that the U axis is parallel to the X axis and the Y axis, so that the work is aligned with the Z axis. It can be treated in the same way. When the X direction and the Y direction are mixed in the evaluation item, set it to 45 degrees with respect to the X axis.
図8は、本発明の実施形態に係る機上測定方法において、非線形性の補正用の式もしくはテーブルを用意するために、ブロックを事前に2回測定しておく例を示す図であり、(a)は、そのブロックの所定間隔ごとの高さ位置を1回目に測定する場合、(b)は、その1回目の測定後に、高さをδWだけオフセットさせて2回目にそのブロックの所定間隔ごとの高さ位置を測定する場合を示す。上述した図7に示した例では、測定段階になって評価を行うため、2回の測定を余儀なくされていたが、図8のようなブロックを事前に2回測定しておけば非線形性の補正用の式もしくはテーブルを事前に用意しておくことが可能である。 FIG. 8 is a diagram showing an example in which the block is measured twice in advance in order to prepare an equation or table for correcting nonconformity in the on-board measurement method according to the embodiment of the present invention. In a), when the height position of the block is measured at predetermined intervals for the first time, in (b), the height is offset by δW after the first measurement, and the predetermined interval of the block is measured for the second time. The case of measuring the height position of each is shown. In the example shown in FIG. 7 described above, since the evaluation is performed at the measurement stage, it is necessary to perform the measurement twice. However, if the block as shown in FIG. 8 is measured twice in advance, the non-linearity can be obtained. It is possible to prepare a formula or table for correction in advance.
図9は、本発明の実施形態に係る研削盤におけるX軸に平行な方向のタッチ測定例である。ここでは、図1に示した工作機械において、例えば、図9(a)(b)に示すように、X軸を使用して、ある基準座標からの差を測定することで、ワークのX軸方向における寸法測定を行う場合を想定する。まず、図9(a)に示すように、評価項目1、2、3として、それぞれ地点1、2、3におけるX軸方向におけるある座標(基準座標)からの差を一度測定した後に、次に、図9(b)に示すように、C軸で旋回してU軸をX軸に平行にした状態でX軸をわずかにδUだけオフセットさせてもう一度測定を行う。得られた結果の組の差を本明細書の冒頭で述べた上記非特許文献1に示される方法を用いてその場で校正すれば、図7で述べたのと同様に、まず非線形性が許容範囲内にありそうか否かを想定でき、また、繰り返し性の範囲内で非線形性の補正も可能である。
FIG. 9 is an example of touch measurement in the direction parallel to the X axis in the grinding machine according to the embodiment of the present invention. Here, in the machine tool shown in FIG. 1, for example, as shown in FIGS. 9A and 9B, the X-axis of the work is measured by measuring the difference from a certain reference coordinate using the X-axis. It is assumed that the dimensions are measured in the direction. First, as shown in FIG. 9A, as
図10は、図9に示した機上測定方法において、非線形性の補正用の式もしくはテーブルを用意するために、ブロックを事前に2回測定しておく例を示す図であり、(a)は、そのブロックの所定間隔ごとのX軸方向における基準座標からの差を1回目に測定する場合、(b)は、その1回目の測定後に、X軸方向における座標をδUだけオフセットさせて2回目にそのブロックの所定間隔ごとの差を測定する場合を示す。上述した図9に示した例では、測定段階になって評価を行うため、2回の測定を余儀なくされていたが、図10のようなブロックを事前に2回測定しておけば非線形性の補正用の式もしくはテーブルを事前に用意しておくことが可能である。 FIG. 10 is a diagram showing an example in which the block is measured twice in advance in order to prepare an equation or table for correcting non-linearity in the on-board measurement method shown in FIG. 9 (a). When the difference from the reference coordinates in the X-axis direction at predetermined intervals of the block is measured for the first time, (b) is obtained by offsetting the coordinates in the X-axis direction by δU after the first measurement. The case where the difference of the block is measured at a predetermined interval is shown at the second time. In the example shown in FIG. 9 described above, since the evaluation is performed at the measurement stage, it is necessary to perform the measurement twice. However, if the block as shown in FIG. 10 is measured twice in advance, the non-linearity can be obtained. It is possible to prepare a formula or table for correction in advance.
図11は、本発明の実施形態に係る研削盤におけるY軸に平行な方向のタッチ測定例である。ここでは、図1に示した工作機械において、例えば、図11(a)(b)に示すように、Y軸を使用して、ある基準座標からの差を測定することで、ワークのY軸方向における寸法測定を行う場合を想定する。まず、図11(a)に示すように、評価項目1、2、3として、それぞれ地点1、2、3におけるY軸方向におけるある座標(基準座標)からの差を一度測定した後に、次に、図11(b)に示すように、C軸で旋回してU軸をY軸に平行にした状態でY軸をわずかにδUだけオフセットさせてもう一度測定を行う。得られた結果の組の差を本明細書の冒頭で述べた上記非特許文献1に示される方法を用いてその場で校正すれば、図7及び図9で述べたのと同様に、まず非線形性が許容範囲内にありそうか否かを想定でき、また、繰り返し性の範囲内で非線形性の補正も可能である。
FIG. 11 is an example of touch measurement in the direction parallel to the Y axis in the grinding machine according to the embodiment of the present invention. Here, in the machine tool shown in FIG. 1, for example, as shown in FIGS. 11A and 11B, the Y-axis of the work is measured by measuring the difference from a certain reference coordinate using the Y-axis. It is assumed that the dimensions are measured in the direction. First, as shown in FIG. 11A, as
図12は、図11に示した機上測定方法において、非線形性の補正用の式もしくはテーブルを用意するために、ブロックを事前に2回測定しておく例を示す図であり、(a)は、そのブロックの所定間隔ごとのY軸方向における基準座標からの差を1回目に測定する場合、(b)は、その1回目の測定後に、Y軸方向における座標をδUだけオフセットさせて2回目にそのブロックの所定間隔ごとの差を測定する場合を示す。上述した図11に示した例では、測定段階になって評価を行うため、2回の測定を余儀なくされていたが、図11のようなブロックを事前に2回測定しておけば非線形性の補正用の式もしくはテーブルを事前に用意しておくことが可能である。 FIG. 12 is a diagram showing an example in which the block is measured twice in advance in order to prepare an equation or table for correcting non-linearity in the on-board measurement method shown in FIG. 11 (a). When the difference from the reference coordinates in the Y-axis direction at predetermined intervals of the block is measured for the first time, (b) is obtained by offsetting the coordinates in the Y-axis direction by δU after the first measurement. The case where the difference of the block is measured at a predetermined interval is shown at the second time. In the example shown in FIG. 11 described above, since the evaluation is performed at the measurement stage, it is necessary to perform the measurement twice. However, if the block as shown in FIG. 11 is measured twice in advance, the non-linearity can be obtained. It is possible to prepare a formula or table for correction in advance.
図13は、本発明の実施形態に係る研削盤におけるX軸及びY軸に平行でない方向のタッチ測定例である。ここでは、図1に示した工作機械において、例えば、図13(a)(b)に示すように、X軸及びY軸に平行でない方向において、ある基準座標からの差を測定することで、ワークのX軸及びY軸に平行でない方向における寸法測定を行う場合を想定する。まず、図13(a)に示すように、評価項目1、2、3として、それぞれ地点1、2、3におけるX軸及びY軸に平行でない方向におけるある座標(基準座標)からの差を一度測定した後に、次に、図13(b)に示すように、U軸方向はC軸で旋回して、わずかにδUだけオフセットさせてもう一度測定を行う。得られた結果の組の差を本明細書の冒頭で述べた上記非特許文献1に示される方法を用いてその場で校正すれば、図7、図9及び図11で述べたのと同様に、まず非線形性が許容範囲内にありそうか否かを想定でき、また、繰り返し性の範囲内で非線形性の補正も可能である。
FIG. 13 is an example of touch measurement in a direction not parallel to the X-axis and the Y-axis in the grinding machine according to the embodiment of the present invention. Here, in the machine tool shown in FIG. 1, for example, as shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b), the difference from a certain reference coordinate is measured in a direction not parallel to the X-axis and the Y-axis. It is assumed that the dimensions of the work are measured in a direction not parallel to the X-axis and the Y-axis. First, as shown in FIG. 13A, as
図14は、図13に示した機上測定方法において、非線形性の補正用の式もしくはテーブルを用意するために、ブロックを事前に2回測定しておく例を示す図であり、(a)は、そのブロックの所定間隔ごとのX軸及びY軸に平行でない方向における基準座標からの差を1回目に測定する場合、(b)は、その1回目の測定後に、X軸及びY軸に平行でない方向における座標をδUだけオフセットさせて2回目にそのブロックの所定間隔ごとの差を測定する場合を示す。上述した図13に示した例では、測定段階になって評価を行うため、2回の測定を余儀なくされていたが、図14のようなブロックを事前に2回測定しておけば非線形性の補正用の式もしくはテーブルを事前に用意しておくことが可能である。即ち、図14に示す例では、図13に示したタッチ測定例に対し、評価したい方向に校正しておくことが可能である。 FIG. 14 is a diagram showing an example in which the block is measured twice in advance in order to prepare an equation or table for correcting non-linearity in the on-board measurement method shown in FIG. 13 (a). When the difference from the reference coordinates in the direction not parallel to the X-axis and the Y-axis at predetermined intervals of the block is measured for the first time, (b) is set to the X-axis and the Y-axis after the first measurement. The case where the coordinates in the non-parallel directions are offset by δU and the difference between the blocks at predetermined intervals is measured for the second time is shown. In the example shown in FIG. 13 described above, since the evaluation is performed at the measurement stage, two measurements are unavoidable. However, if the block as shown in FIG. 14 is measured twice in advance, the non-linearity can be obtained. It is possible to prepare a formula or table for correction in advance. That is, in the example shown in FIG. 14, it is possible to calibrate the touch measurement example shown in FIG. 13 in the direction to be evaluated.
但し、U軸は指定した方向にオフセットを与えるだけで良く、直線軸である必要はない。回転軸乃至回転軸の組合せで構成されていて、結果として以上に述べたU軸と同じようなオフセットを得られるもので良い。かかる例を図15に示す。図15(a)は、回転軸1段の例を示す。即ち、図15(a)に示すように、回転軸が1段の例では、旋回中心から一定の半径で僅かに回転することでδU’だけオフセット(微小の回転角の円弧上の軌跡であるため殆ど直線状の移動として近似できる)が得られる。しかしながら、例えば、機構上2段の回転軸を有する構造のものでも同様にオフセットが得られるものであれば、本発明の範囲内である。この例(回転軸2段の例)を図15(b)に示す。図15(b)に示すように、かかる構造の装置では、例えば、スタイラスは第2旋回中心周りに回転させられ、第2旋回中心は上記第1旋回中心周りに回転させられ得る。即ち、図15(b)に示すように、回転軸が2段の例では、第1旋回中心から一定の第1半径で(僅かに)回転する上に、この上記第1旋回中心周りに回転し得る第2旋回中心から一定の第2半径で(僅かに)回転することでδU’’だけオフセットが得られる。この場合、第1と第2の旋回は、それぞれNC制御できても良いし、ギアなどの構造でどちらか一方を動かすと、もう一方の方向が決まる構造になっていても良い。 However, the U-axis need only be offset in the specified direction, and does not have to be a linear axis. It may be composed of a combination of rotating shafts or rotating shafts, and as a result, an offset similar to that of the U-axis described above may be obtained. An example of this is shown in FIG. FIG. 15A shows an example of one stage of the rotating shaft. That is, as shown in FIG. 15A, in the example where the rotation axis is one step, the locus is offset by δU'(a locus on an arc with a minute rotation angle) by slightly rotating with a certain radius from the center of rotation. Therefore, it can be approximated as an almost linear movement). However, for example, a structure having a two-stage rotation axis on the mechanism is within the scope of the present invention as long as an offset can be obtained in the same manner. An example of this (an example of two stages of rotating shafts) is shown in FIG. 15 (b). As shown in FIG. 15B, in a device having such a structure, for example, the stylus can be rotated around the second turning center, and the second turning center can be rotated around the first turning center. That is, as shown in FIG. 15B, in the example where the rotation axis has two stages, it rotates (slightly) with a constant first radius from the first turning center and also rotates around the first turning center. An offset of δU'' can be obtained by rotating (slightly) with a constant second radius from the possible second turning center. In this case, the first and second turns may be NC-controlled, respectively, or the structure may be such that when one of them is moved by a structure such as a gear, the other direction is determined.
図16は、複数円形の穴のあるワークの例で、校正方法の一例を説明するための前半の図である。まず、図16(a)に示すような位置関係で、複数の円形の穴がワークに形成されているものとする。ここで、当該ワークを加工する工作機械では、X軸の位置指令変位の関係が図16(b)に示すようになっているとする。まず、図16(c)に示すように、左下の穴がX=50、Y=50になるように設置したとする。尚、測定座標は、タッチの法線方向がX方向のもののみ抽出することとした。図16(d)は、U0、C軸をU軸がX軸と平行になるように設定して測定した時の座標を示す。一方、図16(e)は、U0.002、C軸をU軸がX軸と平行になるように設定して測定した時の座標を示す。 FIG. 16 is an example of a work having a plurality of circular holes, and is a first half view for explaining an example of a calibration method. First, it is assumed that a plurality of circular holes are formed in the work in the positional relationship as shown in FIG. 16A. Here, in a machine tool that processes the work, it is assumed that the relationship between the position command displacement of the X-axis is as shown in FIG. 16 (b). First, as shown in FIG. 16C, it is assumed that the holes at the lower left are installed so that X = 50 and Y = 50. As for the measurement coordinates, only those whose normal direction of touch is in the X direction are extracted. FIG. 16D shows the coordinates when the U0 and C axes are set so that the U axis is parallel to the X axis and measured. On the other hand, FIG. 16E shows the coordinates when the U0.002 and the C-axis are set so that the U-axis is parallel to the X-axis and measured.
図17は、複数円形の穴のあるワークの例で、校正方法の一例を説明するための後半の図である。即ち、図17(f)の左右に示すように、図16(d)に示した座標と図16に示した座標を比較し、ずらす前[図16(d)参照]とずらした後[図16(e)参照]の測定の組同士の差をとれば、図17(f)の左右に2本の交差する曲線で繋いで示す組群の中から、図17(g)のグラフの横軸上に楕円で囲んで示すように、その差が他の組群の差と異なる組が見つかり(この場合、縦軸の値は、0.000(0付近)になっているが、必ずしも0になるわけではない)、これにより、7、8の点がこの工作機械のX軸の線形性が著しく悪い部分を測定に使用してしまったことが分かる。 FIG. 17 is an example of a work having a plurality of circular holes, and is a latter half view for explaining an example of a calibration method. That is, as shown on the left and right of FIG. 17 (f), the coordinates shown in FIG. 16 (d) and the coordinates shown in FIG. 16 are compared, and before the shift [see FIG. 16 (d)] and after the shift [FIG. 16 (e)] If the difference between the measurement pairs is taken, the side of the graph in FIG. 17 (g) is taken from the group group shown by connecting two intersecting curves on the left and right in FIG. 17 (f). As shown by enclosing it in an ellipse on the axis, a pair whose difference is different from the difference of other group groups was found (in this case, the value on the vertical axis is 0.000 (near 0), but it is not necessarily 0. This does not mean that points 7 and 8 have used the part of the machine tool where the X-axis linearity is extremely poor for measurement.
本発明によれば、工作機械において、その機上測定の高精度化を可能とすることができる。上述した実施形態では、ワークの寸法を測定する例を挙げたが、これらに限られず、本発明は、特許請求の範囲に記載した範囲内でワークとは離れて機械座標間を測定する場合にも適用可能である。また、上述した実施形態では、U軸は直線状のものを想定したが、U軸は必ずしも直線状でなくても良い。 According to the present invention, in a machine tool, it is possible to improve the accuracy of the on-machine measurement. In the above-described embodiment, examples of measuring the dimensions of the work have been given, but the present invention is not limited to these, and the present invention is used when measuring the machine coordinates apart from the work within the range described in the claims. Is also applicable. Further, in the above-described embodiment, the U-axis is assumed to be linear, but the U-axis does not necessarily have to be linear.
尚、参考文献(非特許文献1)によれば、非線形性の評価は以下のようになる。
センサの入出力関係を xを入力、vを出力として、下記の数式(1)と表す。
いま、サンプリング点xiを線形性の判断をしたい入力範囲になるべく均等に配置して、そのときの出力をviとすると第0次近似として、次式(2)を得る。
このg0(x)を用いると、xiが次式(5)のように修正される。
一般に、j番目の近似値xjiを用いて表したg’(x)およびそれを積分したg(x)の近似関数が次式(6)のように得られる。
The input / output relationship of the sensor is expressed as the following formula (1) with x as the input and v as the output.
Now, if the sampling points x i are arranged as evenly as possible in the input range for which the linearity is to be judged and the output at that time is v i , the following equation (2) is obtained as the 0th approximation.
Using this g 0 (x), x i is modified as in the following equation (5).
In general, an approximate function of g'(x) expressed using the j-th approximate value x ji and g (x) obtained by integrating it is obtained as shown in the following equation (6).
さて、ここで、ワークの測定対象によっては、サンプリング点xiを線形性の判断をしたい入力範囲になるべく均等に配置するということが、困難な場合に図8、図10および図12のごとき傾斜入力を与えるような形状を図って事前評価するということが考えられる。
また、基本的にワークを対象に測ることにして、点がまばらになる区間のみ限定して図8、図10および図12のごとき傾斜入力を与えるような形状の点が不足する入力範囲で測定するハイブリッドでもよい。
上のよう繰り返し回数jを増す操作は、一般のコンピュータでは簡単に行えるが、NCプログラムに実装するのは手間である。その場合には、j = 1とする、つまり、オフセット前後の差をそのまま用いて非線形性関係の不具合を検出する省略計算を適用するのが適当である。
Here, depending on the measurement target of the work, when it is difficult to arrange the sampling points x i as evenly as possible in the input range for which the linearity is to be judged, the inclination as shown in FIGS. 8, 10 and 12 It is conceivable to plan a shape that gives input and perform pre-evaluation.
In addition, basically, the work is measured, and the measurement is performed in the input range where the points of the shape that give the tilt input as shown in FIGS. 8, 10 and 12 are insufficient by limiting only the section where the points are sparse. It may be a hybrid.
The operation of increasing the number of iterations j as described above can be easily performed on a general computer, but it is troublesome to implement it in an NC program. In that case, it is appropriate to set j = 1, that is, to apply an abbreviated calculation that detects defects related to non-linearity by using the difference before and after the offset as it is.
10 研削盤、12 ベッド、14 コラム、16 レール、18 ヘッド、20 砥石軸、24 砥石軸(回転用)モータ、30 テーブル、36 テーブル送り装置、100 砥石 10 grinding machine, 12 beds, 14 columns, 16 rails, 18 heads, 20 grindstone shafts, 24 grindstone shafts (for rotation) motors, 30 tables, 36 table feed devices, 100 grindstones
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JPH10332420A (en) * | 1997-05-30 | 1998-12-18 | Satoshi Kiyono | Autonomous calibrating method for sensor |
JP2019155557A (en) * | 2018-03-15 | 2019-09-19 | 三井精機工業株式会社 | Method for estimation of drive shaft deviation in machine tool and machine tool with use thereof |
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2019
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