JP2022069255A - 基準器の校正値の誤差診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のターゲットを有する基準器であっても校正値の誤差を測定可能とし、且つ反転法では機械の運動誤差との分離ができないターゲット間隔の校正値に対しても誤差の度合いの診断を可能とする。【解決手段】Ｓ１で基準器をテーブルに設置し、Ｓ２で主軸頭に取り付けたセンサを用いて複数のターゲットの位置を検出することで、ターゲットの位置に関する反転前計測値を取得し、Ｓ３で基準器の校正値と反転前計測値とをもとに反転前誤差値を算出し、Ｓ４で基準器をターゲットの突出方向と平行な軸を中心に反転させ、Ｓ５でセンサを用いて、反転した基準器の複数のターゲットの位置を検出することでターゲットの位置に関する反転後計測値を取得し、Ｓ６で校正値と反転後計測値とをもとに反転後誤差値を算出し、Ｓ７で反転前誤差値と反転後誤差値とをもとに診断指標値を計算する。【選択図】図６

Description

本発明は、工作機械等の誤差測定に用いられる基準器について、その校正値の誤差の度合いを診断する方法に関するものである。

図１は、３つの並進軸を有する数値制御工作機械（マシニングセンタ）の模式図である。
主軸頭２は、並進軸であり互いに直交するＹ軸、Ｚ軸によって並進２自由度の運動が可能である。テーブル３は、並進軸でありＹ・Ｚ軸に直交するＸ軸により並進１自由度の運動が可能である。したがって、テーブル３に対して主軸頭２は並進３自由度を有する。各軸は、数値制御装置により制御されるサーボモータにより駆動され、被加工物をテーブル３に固定し、主軸頭２に工具を装着して回転させ、被加工物を任意の形状に加工する。
工作機械の運動誤差として、位置決め誤差や真直度といったものがある。これらの運動誤差は被加工物の形状に転写され、被加工物の形状・寸法誤差の要因となる。運動誤差は予めターゲットの相対位置が校正された基準器を用いて測定することができる。しかし、基準器の校正値に誤差がある場合、それが測定誤差となる。
これに対して、特許文献１の発明で用いられている反転法を用いることで、基準器の校正値と機械の真直度とを分離して測定することができる。

特許文献１で用いられている反転法について、図３のような基準器としてのホールピッチマスタ２１を、図４に示すようにテーブル３上にＸ軸と平行に設置し、ホールピッチマスタ２１上のターゲット穴２２の位置を主軸頭２に装着したタッチプローブ３１を用いて測定する例を用いて説明する。適用する機械としては、図１のマシニングセンタを例に説明する。
校正値から求められる反転前のターゲット穴Ｐ_１とＰ_ｉ（ｉ＝１～１０）の理想的な相対位置をca_ｉ＝（cax_ｉ, cay_ｉ）、相対位置の計測結果をma_ｉ＝（max_ｉ, may_ｉ）とすると、反転前の相対位置の誤差δa_ｉ＝（δax_ｉ, δay_ｉ）は、以下の数１の式で求められる。

次にＸ軸まわりにホールピッチマスタ２１を反転し、反転前と同様に計測を行う。校正値から求められる反転後のターゲット穴Ｐ_１とＰ_ｉ（ｉ＝１～１０）との理想的な相対位置をcb_ｉ＝（cbx_ｉ, cby_ｉ）、相対位置の計測結果をmb_ｉ＝（mbx_ｉ, mby_ｉ）とすると、反転後の相対位置の誤差δb_ｉ＝（δbx_ｉ, δby_ｉ）は、以下の数２の式で求められる。

反転前後の誤差δa_ｉ, δb_ｉは、以下の数３の式のように、機械の運動誤差δma_ｉ＝（δmax_ｉ, δmay_ｉ）, δmb_ｉ＝（δmbx_ｉ, δmby_ｉ）と、校正値の誤差δwa_ｉ＝（δwax_ｉ, δway_ｉ）, δwb_ｉ＝（δwbx_ｉ, δwby_ｉ）とに分けることができる。

反転前後でホールピッチマスタ２１の位置を変えずに反転しているため、反転前後の機械の運動誤差は、以下の数４の関係となる。

ここで、ホールピッチマスタ２１をＸ軸周りに反転させているため、図５に示すようにＹ方向の校正値の誤差δway_ｉ, δwby_ｉは、以下の数５の関係となる。

このため、反転前後の誤差値の平均をとることで、以下の数６の式のようにＹ方向の運動誤差δmay_ｉを求めることができる。

また、反転前後の誤差値の差分をもとに、以下の数７の式のようにＹ方向の校正値の誤差δway_ｉを求めることができる。

特開平５－１８７８６８号公報

図２のように相対位置が校正された複数のターゲット球１２（Ｐ_１～Ｐ_１０）が梁上へ凸状に取り付けられている基準器１１を用いる場合、ターゲット球１２の配置方向に平行な軸を中心にして基準器１１を反転することができないため、特許文献１で用いられているような反転法を用いることができない。また、凸状のターゲット球１２やホールピッチマスタのターゲット穴２２の間隔に関する校正値については、反転法では機械の運動誤差との分離ができないため、校正値の誤差の度合いを診断することができない。

そこで、本発明は、複数のターゲットを有する基準器であっても校正値の誤差の測定が可能で、且つ反転法では機械の運動誤差との分離ができないターゲット間隔の校正値に対しても誤差の度合いの診断が可能となる基準器の校正値の誤差診断方法を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、本発明は、２軸以上の並進軸と、工作物を保持可能なテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記並進軸により、工作物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械を用いて、複数のターゲットが直線上に配置されてなる基準器の前記ターゲットの位置に関する校正値の誤差の度合いを診断する方法であって、
前記基準器を前記テーブルに設置する基準器設置ステップと、
前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて、前記複数のターゲットの位置を検出することで、前記ターゲットの位置に関する反転前計測値を取得する反転前計測ステップと、
前記校正値と前記反転前計測値とをもとに反転前誤差値を算出する反転前誤差算出ステップと、
前記反転前計測ステップの基準器設置方向に対して、前記複数のターゲットが配置されている方向に直交し、且つ前記ターゲットの突出方向と平行な軸を中心に前記基準器を反転させる基準器反転ステップと、
前記センサを用いて、反転した前記基準器の前記複数のターゲットの位置を検出することで、前記ターゲットの位置に関する反転後計測値を取得する反転後計測ステップと、
前記校正値と前記反転後計測値とをもとに反転後誤差値を算出する反転後誤差算出ステップと、
前記反転前誤差値と前記反転後誤差値とをもとに診断指標値を計算する診断指標値計算ステップと、を実行することを特徴とする。
本発明の別の態様は、上記構成において、前記診断指標値計算ステップでは、前記診断指標値が、前記反転前誤差値と前記反転後誤差値との差分をもとに計算されることを特徴とする。
本発明の別の態様は、上記構成において、前記診断指標値計算ステップでは、前記反転前誤差値と前記反転後誤差値とを鮮鋭化フィルタに通すことで局所的な誤差成分を抽出し、前記誤差成分をもとに前記診断指標値を計算することを特徴とする。
本発明の別の態様は、上記構成において、前記診断指標値を予め設定したしきい値と比較する判定ステップと、
前記判定ステップで前記診断指標値が前記しきい値以上と判定した場合はその旨を報知する報知ステップと、を更に有することを特徴とする。

本発明によれば、ターゲットの突出方向と平行な軸を中心に反転させる前後で基準器のターゲットの位置に関する計測を実施し、反転前後の計測結果をもとに基準器の校正値の診断指標値を計算することで、基準器の校正値の誤差の度合いを診断することができる。これにより、複数のターゲットを有する基準器であっても、校正値の誤差の測定が可能となる。また、反転法では機械の運動誤差との分離ができないターゲット間隔の校正値に対しても誤差の度合いが診断可能となる。

Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の並進軸を有する数値制御工作機械の模式図である。 基準器の一例を示す説明図である。 ホールピッチマスタの一例である。 タッチプローブとテーブル上に設置されたホールピッチマスタとの模式図である。 （Ａ）は、反転前のホールピッチマスタとＹ方向の誤差との関係を示した図である。（Ｂ）は、反転後のホールピッチマスタとＹ方向の誤差との関係を示した図である。 校正値の誤差診断方法のフローチャートである。 タッチプローブとテーブル上に設置された反転前の基準器との模式図である。 タッチプローブとテーブル上に設置された反転後の基準器との模式図である。 （Ａ）は、反転前の基準器とＸ方向の誤差との関係を示した図である。（Ｂ）は、反転後の基準器とＸ方向の誤差との関係を示した図である。

以下、本発明の基準器の校正値の誤差診断方法について、図６のフローチャートにもとづいて説明する。
図７に示すように、基準器１１をテーブル３上にＸ軸と平行に設置し（Ｓ１：基準値設置ステップ）、基準器１１上のターゲット球１２の位置を主軸頭２に装着したタッチプローブ３１を用いて測定する（Ｓ２：反転前計測ステップ）。校正値から求められる反転前のターゲット球Ｐ_１とＰ_ｉ（ｉ＝１～１０）との理想的な相対位置をca_ｉ＝（cax_ｉ, cay_ｉ, caz_ｉ）、相対位置の計測結果をma_ｉ＝（max_ｉ, may_ｉ, maz_ｉ）とすると、反転前の相対位置の誤差δa_ｉ＝（δax_ｉ, δay_ｉ, δaz_ｉ）は、以下の数８の式で求められる（Ｓ３：反転前誤差算出ステップ）。

次に、図８に示すように、基準器１１を、Ｘ軸方向での中心位置で、ターゲット球１２の突出方向と平行となるＺ軸周りに１８０°反転させてテーブル３に設置し（Ｓ４：基準器反転ステップ）、反転前と同様の計測を行う（Ｓ５：反転後計測ステップ）。校正値から求められる反転後のターゲット球Ｐ_１とＰ_ｊ（ｊ＝１～１０）との理想的な相対位置をcb_ｊ＝（cbx_ｊ, cby_ｊ, cbz_ｊ）、相対位置の計測結果をmb_ｊ＝（mbx_ｊ, mby_ｊ, mbz_ｊ)とすると、反転後の相対位置の誤差δb_ｊ＝（δbx_ｊ, δby_ｊ, δbz_ｊ）は、以下の数９の式で求められる（Ｓ６：反転後誤差算出ステップ）。

続けて反転前後で得た誤差をもとに基準器１１の校正値誤差に対する診断指標値Ｆwを計算する（Ｓ７：診断指標値計算ステップ）。
反転前後の誤差δa_ｉ,δb_ｊは、以下の数１０の式のように、機械の運動誤差δma_ｉ＝（δmax_ｉ, δmay_ｉ, δmaz_ｉ）, δmb_ｊ＝（δmbx_ｊ, δmby_ｊ, δmbz_ｊ）と、校正値の誤差δwa_ｉ＝（δwax_ｉ, δway_ｉ, δwaz_ｉ）, δwb_ｊ＝（δwbx_ｊ, δwby_ｊ, δwbz_ｊ）とに分けることができる。

反転前後で基準器１１の位置が同じであるため、反転前のターゲット球Ｐ_ｉと反転後のターゲット球Ｐ_１１－ｉとは近い位置となる。このため、基準器１１の反転前後で機械の運動誤差が変化しないとすると、以下の数１１の関係が成り立つ。

下記の数１２の式のように反転前後の誤差の差分Δab_ｉを計算すると、校正値の誤差成分のみが残る。

基準器１１をＺ軸周りに反転させているため、図９に示すように反転前後の校正値の誤差δwa_ｉ, δwb_ｊは、以下の数１３の関係となる。

校正値の誤差はターゲット球によって異なるため、δwa_ｉとδwb_１１－ｉとは一定の関係を持たない。
よって、本例では、反転前後の誤差の差分Δab_ｉの絶対値の最大値を、以下の数１４に示す診断指標値Ｆwとして計算する。

診断指標値Ｆwが大きな値となる場合、いずれかの|Δab_ｉ|が大きな値でなければならない。さらに、|Δab_ｉ|が大きな値となるには、校正値の誤差δwa_ｉもしくはδwb_１１－ｉ（＝－δwa_１１－ｉ）のいずれかが大きな値である必要がある。つまり、診断指標値Ｆwが大きな値であれば、校正値の誤差が大きいと診断することができる。
よって、Ｓ７で求めた診断指標値Ｆwを、あらかじめ定めたしきい値と比較して、診断指標値Ｆwがしきい値以上かどうか判定する（Ｓ８：判定ステップ）。ここでしきい値以上の場合には、校正値の誤差が大きいと判断してアラームを出力する（Ｓ９：報知ステップ）。

このように、上記形態の基準器１１の校正値の診断方法では、基準器１１をテーブル３に設置する基準器設置ステップ（Ｓ１）と、主軸頭２に取り付けたタッチプローブ３１（センサ）を用いて、複数のターゲット球１２（ターゲット）の位置を検出することで、ターゲット球１２の位置に関する反転前計測値を取得する反転前計測ステップ（Ｓ２）と、基準器１１の校正値と反転前計測値とをもとに反転前誤差値を算出する反転前誤差算出ステップ（Ｓ３）と、反転前計測ステップの基準器設置方向に対して、複数のターゲット球１２が配置されている方向と直交し、且つターゲット球１２の突出方向と平行な軸を中心に基準器１１を反転する基準器反転ステップ（Ｓ４）と、タッチプローブ３１を用いて、反転した基準器１１の複数のターゲット球１２の位置を検出することで、ターゲット球１２の位置に関する反転後計測値を取得する反転後計測ステップ（Ｓ５）と、校正値と反転後計測値とをもとに反転後誤差値を算出する反転後誤差算出ステップ（Ｓ６）と、反転前誤差値と反転後誤差値とをもとに診断指標値を計算する診断指標値計算ステップ（Ｓ７）と、を実行する。
この構成により、凸状のターゲット球１２を有する基準器１１であっても、校正値の誤差の測定が可能となる。また、反転法では機械の運動誤差との分離ができないターゲット間隔の校正値に対しても、診断指標値に基づいて誤差の度合いが診断可能となる。

なお、Ｓ７の診断指標値計算ステップでは、誤差δa_ｉ, δb_ｊに対して鮮鋭化フィルタなどで局所的な誤差成分のみを抽出してから同様に診断指標値の計算を行うことで、局所的な校正値誤差の影響のみを診断することもできる。

また、上記形態では、診断指標値を１つのしきい値と比較して校正値の誤差の適否を判定しているが、しきい値を複数設定して誤差の度合いを複数段階で判定するようにしてもよい。診断指標値も、誤差の差分の絶対値の最大値のみとせず、複数個設定して誤差の適否を診断することもできる。よって、誤差の適否はしきい値との比較に限らない。
報知ステップは、アラームに代えてモニタに表示したりしてもよいし、報知ステップを省略したりしてもよい。
その他、基準器の形状は適宜変更可能で、凸状のターゲットは球状に限らないし、ターゲットの数も上記形態に限定されない。凹状のターゲットを備えたマスタや、平面をターゲットとするマスタ、ホールピッチマスタ等においても本発明は採用可能である。センサの形態も変更できる。工作機械もマシニングセンタに限らない。

１・・ベッド、２・・主軸頭、３・・テーブル、１１・・基準器、１２・・ターゲット球、２１・・ホールピッチマスタ、２２・・ターゲット穴、３１・・タッチプローブ。

Claims (4)

1. ２軸以上の並進軸と、工作物を保持可能なテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記並進軸により、工作物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械を用いて、複数のターゲットが直線上に配置されてなる基準器の前記ターゲットの位置に関する校正値の誤差の度合いを診断する方法であって、
   前記基準器を前記テーブルに設置する基準器設置ステップと、
   前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて、前記複数のターゲットの位置を検出することで、前記ターゲットの位置に関する反転前計測値を取得する反転前計測ステップと、
   前記校正値と前記反転前計測値とをもとに反転前誤差値を算出する反転前誤差算出ステップと、
   前記反転前計測ステップの基準器設置方向に対して、前記複数のターゲットが配置されている方向に直交し、且つ前記ターゲットの突出方向と平行な軸を中心に前記基準器を反転させる基準器反転ステップと、
   前記センサを用いて、反転した前記基準器の前記複数のターゲットの位置を検出することで、前記ターゲットの位置に関する反転後計測値を取得する反転後計測ステップと、
   前記校正値と前記反転後計測値とをもとに反転後誤差値を算出する反転後誤差算出ステップと、
   前記反転前誤差値と前記反転後誤差値とをもとに診断指標値を計算する診断指標値計算ステップと、
   を実行することを特徴とする基準器の校正値の誤差診断方法。
2. 前記診断指標値計算ステップでは、前記診断指標値が、前記反転前誤差値と前記反転後誤差値との差分をもとに計算されることを特徴とする請求項１に記載の基準器の校正値の誤差診断方法。
3. 前記診断指標値計算ステップでは、前記反転前誤差値と前記反転後誤差値とを鮮鋭化フィルタに通すことで局所的な誤差成分を抽出し、前記誤差成分をもとに前記診断指標値を計算することを特徴とする請求項１に記載の基準器の校正値の誤差診断方法。
4. 前記診断指標値を予め設定したしきい値と比較する判定ステップと、
   前記判定ステップで前記診断指標値が前記しきい値以上と判定した場合はその旨を報知する報知ステップと、を更に有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の基準器の校正値の誤差診断方法。

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