JP2504698B2 - Nc工作機械の加工精度の検査方法 - Google Patents

Nc工作機械の加工精度の検査方法

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JP2504698B2 JP4912494A JP4912494A JP2504698B2 JP 2504698 B2 JP2504698 B2 JP 2504698B2 JP 4912494 A JP4912494 A JP 4912494A JP 4912494 A JP4912494 A JP 4912494A JP 2504698 B2 JP2504698 B2 JP 2504698B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、円形の目標路を実際の
機械運動を描く実際円形路と比較することによって、少
なくとも2つのサーボ回路を有する少なくとも2軸のN
C工作機械に対し、当該NC工作機械の加工精度を検査
する方法であって、前記サーボ回路はそれぞれ、目標運
動路を描かせる位置案内信号に従ってキャリッジを案内
するための軸駆動部と、該キャリッジの位置を検出およ
びフィードバックするための距離測定装置とを有するも
のである検査方法に関する。
【0002】
【従来の技術】NC工作機械の加工精度を検出するため
に、いわゆる円形検査法(Kreisformtes
t)が開発された。この検査法では、NC工作機械によ
り実行される円形路が所定の基準円形路と比較される。
この形式の検査法は、例えば“Der Kreisfo
rm−Twst zur Pruefung von
NC−Werkzeugmaschinen”,W.K
napp,S.Hrovat著、1986年、19〜2
3頁に記載されている。この刊行物によれば円形検査法
とは、NC工作機械により走行された円形路を高精度の
基準工具により定められた既知の直径の基準円と比較す
ることである。検査を行うために、NC工作機械の制御
部に基準円に相応する円形路がプログラミングされ、2
次元走査子により検出された実際の輪郭とNC工作機械
により実際に実行された円形路とが比較される。差はグ
ラフィックにおよび/または数値的に表示される。円形
検査法の際に発見された軌跡差に基づき、NC工作機械
の公差の保持状態が検査され、並びに偏差原因に関する
情報が得られる。
【0003】円形検査法により得られた結果をどのよう
に評価するのかという詳しい説明も前記の刊行物に記載
されている。
【0004】円形検査法を実行するための他の方式は、
RENISHAW社のパンフレット、1991年、“D
as neue PC−gestuetzte Mes
ssystem zur Ueberpruefung
von Bearbeitungszentren”
から公知である。この構成では、長さの変化するスケー
ルの一方の端部が、機械によって走行すべき円形の中央
に固定され、他方の端部が機械の軸に固定される。円を
走行する際に発生するスケールにおける長さ変化が表示
される。
【0005】これら公知の検査法の欠点は、機械的構成
を調整するために非常に時間がかかることである。これ
は特に、Knapp/Hrovatによる検査法で基準
円を調整する際にあてはまる。RENISHAWの検査
法は迅速に実行することが、しかしこの測定装置自体が
2つの継ぎ手を有し、これらの継ぎ手が付加的なエラー
源となって、精度の問題がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、結果
を従来公知の検査法よりも迅速に簡単に得ることのでき
る円形検査方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明によ
り、距離測定装置から送出された位置信号から実際円形
路を形成することにより解決される。
【0008】本発明の方法は、付加的に正確な測定装置
が必要ないという利点がある。本発明は、簡単に、かつ
迅速に任意の頻度で実施することができる。
【0009】特別な構成では本発明の方法は、前記の公
知の検査法を補充するように実施される。このようにし
て機械加工精度の特に簡単な分析が達成される。
【0010】本発明の実施例を以下図面に基づき、詳細
に説明する。
【0011】
【実施例】本発明の方法を実施するのに適した構成が図
2に簡単に示されている。ここには、詳細に図示しない
多軸NC工作機械の制御部の一部が示されているが、し
かし本発明の方法は基本的にすべての機械形式および例
えばロボットにたいしても適するものである。制御部は
通常の制御部であり、その構成および機能は周知であ
る。従って図2には、以下の説明で必要な要素だけが制
御部全体の中から示されている。
【0012】補間器10は公知のように、加工処理部か
ら到来する運動目標路の基準点に対して所定のように中
間基準点を発生する。補間器10の出力信号は、機械の
少なくとも2つのキャリッジを円形の目標運動路RNC
沿って案内するためのベクトル案内量w→NCである。案
内量w→NCの成分は、個々の軸を制御するため後置接続
されたサーボ制御回路30、40、50に対する位置案
内信号wNC1,wNC2,..,wNCi,..である。
【0013】補間器10はさらに図示しない予備制御装
置を有する。この予備制御装置は、補間器10から出力
された位置案内信号wNC1,wNC2,..,wNCi,..
に対して予備制御信号wvor1,wvor2,..,
vori,..を形成する。この予備制御信号も同様に、
それぞれ位置制御装置、駆動部31、41、キャリッジ
32、42並びに距離測定装置33、34からなる後置
接続されたサーボ制御回路30、40、50に供給され
る。有利には補間器10から出力される位置案内信号w
NC 1,wNC2,..,wNCi,..の少なくとも1次およ
び2次の時間導関数、すなわち案内速度および案内加速
度が予備制御される。予備制御は必ずしも必要ではない
が、円形検査法で得られる結果を格段に改善する。予備
制御の基本は、例えば刊行物P.Stoph著、“Ve
rminderung dynamischer Ba
hnabweichungen bei numeri
sch bahngesteuerten werkz
eugmaschinen”,Zeitschrift
fuer industrielle Fertig
ung,1978年、329〜333頁に記載されてい
る。予備制御を実施するために必要ないわゆる予備制御
パラメータをどのように形成するかはドイツ特許出願第
4039620.7号明細書に記載されている。
【0014】補間器10には当該機械の軸数に相応する
複数の、しかし少なくとも2つのサーボ制御回路30、
40、50が後置接続されている。これらサーボ制御回
路のうち見やすくするため3つだけが図2に図示されて
いるが、しかし3個以上存在することもある。すべての
サーボ制御回路30、40、50は原則的に同じように
構成されており、それぞれ1つの位置制御装置と軸駆動
部31、41とを有する。軸駆動部は補間器10により
設定された位置案内信号に従いキャリッジ32、42
を、一般的には線形の軸線に沿って制御する。実際路R
Mにあるキャリッジ32、42の、機械固定した基準点
に関する実際位置xM1,xM2,..,xMi,..が距離
測定装置33、43により軸ごとに検出され、軸駆動部
31、41を有する位置制御装置にフィードバックされ
る。距離測定装置33、43は有利には長さを直接測定
するための長さスケールであり、相互に直交して配置さ
れ、光学的に走査される。この形式の距離測定装置並び
にその機能は、例えば刊行物“Konstruktio
n”,43,1991年、401〜410頁に記載され
ている。
【0015】少なくとも2つの位置制御装置ないし軸駆
動部31、41は相互に直交する軸に作用する。これら
の軸は1平面上に展開されている。少なくとも2つの位
置制御装置ないし軸駆動部31、41により作用される
運動に基づいて、所属のキャリッジ32、42が当該軸
に沿って次のように運動される。すなわち、その相対運
動が補間器10から案内量w→NCとして設定された目標
路RNCに相応するように運動される。どちらのキャリッ
ジ32、42が移動されるかは重要でない。キャリッジ
32、42の運動はそれぞれ1つ以上の軸駆動部によっ
て制御することができ、3つ以上の軸に沿って行うこと
ができる。重要なのはキャリッジ32と42の相互の相
対運動である。
【0016】距離測定装置33、43により検出された
キャリッジ位置xM1,xM2,..,xMi,..はさらに
診断ユニット20に供給される。診断ユニット20には
他に、案内量信号w→NCにより定められた目標円形路R
NCの信号、基準信号RRef並びにスケーリングのための
信号SVが供給される。診断ユニット20の出力信号は
有利には2つの相互に直交する情報レーンXD1,XD2
らなる。この出力信号は、有利には画面の形態の表示ユ
ニット70に供給される。
【0017】図1は、従来技術から公知の基準円と走査
子を有する測定装置を示す。これは例えば、Knapp
/Hrovatの刊行物から公知である。図2に基づき
既に説明した要素には同じ参照符号が付してある。距離
測定装置33、43の他に、図1の装置は例えば2次元
走査子を有する。2次元走査子は実質的に走査ヘッド6
0と測定ピックアップ61からなり、これらは機械的に
相互に結合している。2次元走査子は機械的にキャリッ
ジ32、42の少なくとも1つと結合している。これは
機械部材65により考慮されている。測定ヘッド60が
制御部により設定された目標円形路RNCに相応して移動
する間、測定ピックアップ61は基準円として構成され
たリング状の測定ヘッド62に沿って、この測定ヘッド
により物理的に定められた軌跡上を案内される。その
際、後での測定結果の評価を見れば、基準円62の内側
の走査(内側基準円)と基準円の外側の走査(外側基準
円)とが区別される。2次元走査子の出力信号R2DT
加算点63に供給される。加算点にはその他に基準信号
Refを供給することができる。加算点63の出力信号
も画面の形態の表示ユニット70に供給される。
【0018】以下、図面に示された装置構成の機能を詳
細に説明する。その際まず図2を基準にする。
【0019】円形検査法の実施の際、補間器10は図示
しない制御部を介して、前もってプログラミングされた
円形状の目標路RNCを設定する。有利には目標円形路R
NCは、この円形路が2つの軸により展開された平面内に
正確にあるように選択される。目標円形路RNCを機械に
よって加工する場合、円形路の平面に展開された機械軸
だけが作動され、その他の軸は作用しない。このような
機械的適合処置により後での結果の評価が簡単になる。
目標円形路RNCは機械により一定の軌跡速度で走行され
る。距離測定装置33、43は、キャリッジ32、42
による機械運動の際に実際に加工された実際路RMを検
出する。これはそれぞれ運動に関与するキャリッジ3
2、42の位置を検出することにより行われる。相対的
キャリッジ運動路の位置を一義的に検出するためには、
少なくとも2つのサーボ回路30、40、50のキャリ
ッジの位置が必要である。走行された実際路RMが測定
装置33、43に関する平面内に正確になければ、少な
くとも3つのサーボ回路30、40、50のキャリッジ
位置が既知でなければならない。実際路RMの検出され
たすべての位置は診断ユニット20に供給される。位置
案内信号w→NCにより設定された各目標位置ごとに、す
なわち補間器10の各補間ステップごとに、診断ユニッ
ト10は連続的に、目標路RNC上のキャリッジ32およ
び42相互の位置と、所属の距離測定装置33、43に
より測定された実際路RM上の位置との差を検出する。
この診断ユニット20で検出された差は軌跡偏差ΔRの
形で円形検査法の結果を既に表す。この結果が表示器7
0に表示される。
【0020】得られた結果の意味を簡単にするため、軌
跡偏差ΔRを連続的に、有利には基準円経路の形態の設
定された基準信号RRefに加算する。また第2の実施例
ではこれから減算する。このようにして円形として見る
ことができるように結果が可視表示される。さらに種々
異なる円形検査からの結果を比較することができる。診
断ユニット20で発見された軌跡偏差ΔRが基準円経路
Refから減算されれば表示器70には、過度に小さな
実際円形路RMが過度に大きな円形として、また過度に
大きな実際路RMが過度に小さな円形として表示され
る。これにより表示器70から直接所要の補正を取りだ
すことができる。この表示形式は、図1に示した内側基
準円での走査による円形検査法に相応する。診断ユニッ
ト20で検出された軌跡偏差ΔRが基準信号RRefに加
算されるならば、過度に小さな円は表示器70に過度に
小さく、過度に大きな円は過度に大きく表示される。こ
の場合表示器70から直接、目標路と実際路との偏差を
取りだすことができる。この表示は、図1の外側基準円
の走査による円形検査法に相応する。結果を解釈および
提示するためには再度、冒頭に述べたKnapp/Hr
ovatの刊行物が参照される。そこに記載された評価
法は、ここに提案した円形検査法でも同様に適用するこ
とができる。
【0021】読み取り易くするため、表示器の表示を有
利には表示器に基礎表示された座標系のスケーリングに
よって所定の拡大係数SVで拡大する。適当な拡大係数
は1000倍のオーダーである。
【0022】本発明の方法の基本的考えは、サーボ回路
にいずれにしろ存在する、キャリッジの実際位置と所望
の目標位置についての情報を円形検査法の実施に利用す
ることである。しかし一見簡単に思えるこの方法の困難
性は、NC補間器10により設定された目標位置とダイ
レクト距離測定装置33、43により測定された実際位
置とを、円形偏差を形成するためには正しく対応割当て
しなければならないことである。種々異なる大きさです
べての数値制御機械に発生する慣性誤差(例えば既にサ
ーボ回路での位置制御器の比例制御器としての構成に起
因する)のため一般的な作用が発生し、制御部により設
定される目標値は機械によって到達される実際値に先行
する。これにより、円形運動の場合は機械により実際に
処理される実際円の半径が常に得ようとする目標円の半
径よりも小さい。従って目標路と実際路とは、同じ時点
で検出された目標位置ないし実際位置の単純な評価によ
って比較することはできない。
【0023】慣性誤差に起因する対応割当ての問題が図
3に示されている。RNCは目標円形路を示す。この目標
円形路は、機械のデジタル動作に起因して、目標位置の
シーケンス(図3では分線分として示されている)によ
り多角形に近似している。RMは、距離測定装置33、
43により検出された実際円形路を示す。実際円形路は
図3の例では時計方向に巡回する。表示されているの
は、任意の2つの直交軸により展開されたx−y平面で
ある。時点t1で目標位置x1,y1が制御部から設定さ
れる。慣性誤差のため、機械は同じ時点t1では実際に
は位置xM1,yM1にある。
【0024】図3からわかるように、固定の時点t1
の目標位置と実際位置との比較は機械特性に関する情報
を提供することができないこととなる。というのは、時
点t1で存在する見かけの軌跡偏差ΔRは、この時点で
実際に存在する軌跡偏差ΔRと一致しないからである。
【0025】提案された方法により、その制御部が予備
制御装置12を含む機械での対応割当ての問題を一般的
に取り扱うことができる。というのは予備制御の目的は
慣性誤差を回避することであり、この形式の制御では目
標位置と実際位置とが円形運動の際に一般的に一致する
からである。
【0026】確かに予備制御はダイナミックな慣性誤差
を格段に低減することができる。しかしこれを理想的に
ゼロにすることはできない。さらに、予備制御が不可能
な場合、または所望されない場合での適用も考えられ
る。
【0027】対応割当ての問題を解決する別の手段は、
提案された円形検査法をまず補正なしで実行し、得られ
た結果を、後から遅れ間隔を数学的考慮して評価するの
である。この形式の方法が図4に示されている。まずス
テップ21で、NC工作機械は所定の目標円形路RNC
走行する。目標位置wNCと測定された実際位置xMは軸
ごとに記憶され、その際目標位置wNCと測定された実際
位置xMとはそれぞれ同じ時間に検出される。
【0028】第1のステップ21で記憶された位置値か
ら、実際位置xMがステップ22で、デカルト座標系を
展開する2つの軸jに対して新たな補正された位置目標
値wNC(新)が次のように割り当てられる。
【0029】(1) wNCj(新)=RNC/√(xM1 2
M2 2)・xMJ j=1,2 この対応割当ての意味は、目標路RNC上のポイントは図
3で分線分として示された位置の間では正確な目標値で
あるからである。
【0030】有利には表示器70に図示される円形偏差
により、ΔR=RNC−RM ,ここで (2) RM=√(xM1 2+xM2 2) 新たな位置目標値w→NC(新)により次のステップ23
で各実際位置ごとに、時点t1で実際にNC工作機械に
発生する軌跡偏差ΔRが次のようにして得られる。
【0031】(3) ΔR=√((wNC1(新)−
M12+(wNC2(新)−xM22) 結果を見やすくするため、式(2)で発見された軌跡偏
差は再び有利には、基準円の形の基準信号RRefに加算
されるか、またはこれから減算される。従ってステップ
24では、例えば相互作用的入力によって基準信号R
Ref並びに所望の表示が内側基準円および外側基準円で
確定される。デカルト座標系に関連する表示器70での
ポイントごとの表示は軸成分を必要とし、従って以下の
ように計算される。
【0032】(4) xDJ=(RRef/RNC)・w
NCj(新)±(wNC(新)−xMj) ここでマイナス記号は内側基準円に相応し、プラス記号
は外側基準円に相応する。
【0033】後続のステップ25で、発見された軌跡偏
差ΔRの拡大が行われる。これも例えば相互作用的に、
画面70での表示の基礎とされる座標系のスケーリング
に対してスケーリング係数を設定することにより行われ
る。
【0034】引き続き式(3)または(4)で求められ
た軸成分と共に軌跡偏差ΔRが表示器70に次のように
表示される。
【0035】(5) ΔR=√(xD1 2+xD2 2)=(R
Ref±RNC−RM) 有利にはステップ21から24はまとめられる。式
(1)、(2)および(4)から、 (6) xDj=(RRef±(RNC−RM))・xMj/RM ここでxMjは測定され、RMは式(2)に従い計算さ
れ、RRefないしRNCは設定される。マイナス符号はこ
こでも内側基準円に対するものであり、プラス符号は外
側基準円に対するものである。
【0036】全体の診断法は診断ユニット20で実行さ
れる。診断ユニットは数値制御部自体でも、外部の装置
でも実現することができる。
【0037】提案された円形検査法によって、いずれに
しろ存在する距離測定装置を用いてサーボ回路自体の加
工精度を検査することができる。サーボ回路に所属しな
い機械の外部機構、例えば工具保持に起因する機械的不
精度は検出されない。サーボ回路30、40、50外に
ある機構65の機械加工精度に及ぼす影響に付加的興味
がある場合、有利には本発明で提案された円形検査法
を、公知の機械的円形検査法、例えばKnapp/Hr
ovatの検査法と組み合わせて実行する。後者は図1
に示すように外部機構65を含んでいる。従って2つの
検査法を単純に比較することによって、外部機構に関す
る情報を得ることができる。2つの円形検査法の実施
は、有利には順次連続して、例えばまず本発明の方法を
実施することが考えられる。第2の方法のために、キャ
リッジの1つ、通常はスピンドルに2次元測定走査子が
固定される。引き続き機械は再び同じプログラミングさ
れた円形路運動RNCを実行する。機械はこの円形路運動
を前に実施した本発明の円形検査法の枠内で既に実行し
ている円形路RNCは基準円62の外側輪郭と一致する。
この外側輪郭には機械運動の間、測定走査子61が当接
する。従って測定走査子は基準円62により定められた
円形路上を移動する。機械運動の間、2次元走査子は走
査ヘッド60と測定粗さし61との間の相対運動を検出
し、これを出力信号に変換する。走査ヘッド60は実際
路に沿って、測定走査子61っは目標円形路に沿って基
準円62に案内されるから、この出力信号は円形偏差Δ
Rに相応する。ΔRはこれも有利には画面70に表示さ
れる。わかりやすくするため、信号ΔRには、既に本発
明の円形検査法での説明で提案したように、基準円形路
の形態の基準信号RRefが加算されるか、またはこれか
ら減算される。
【0038】有利には、診断ユニット20の操作をソフ
トウェアで実現された診断メニューを用いて行う。診断
メニューは例えば、新たな目標半径RNC、別の基準半径
Re f、別の拡大係数を調整し、円形運動の回転方向を
変更し、新たな円形軌跡速度を設定することができる。
さらに有利には、円形検査法により得られた結果の評価
を診断ユニットでソフトウェアにより実現する。例え
ば、円形偏差、円偏差、直径偏差並びにバックラッシュ
幅を評価することができる。
【0039】なお本明細書で使用された「w→」なる符
号は、wのベクトル
【0040】
【数1】
【0041】を表すものである。
【0042】
【発明の効果】本発明により、結果を従来公知の検査法
よりも迅速に簡単に得ることのできる円形検査方法が得
られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】公知の円形検査法を実施する装置のブロック回
路図である。
【図2】本発明の方法を実施する装置のブロック回路図
である。
【図3】円形検査法により得られる結果を表す概略図で
ある。
【図4】本発明の方法のステップを示す概略図である。
【符号の説明】
10 補間器 20 診断ユニット 31、41 軸駆動部 32、42 キャリッジ 30、40、50 サーボ回路 33、43 距離測定装置 60 走査ヘッド 61 測定走査子 62 基準円
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴァルトラウト ヴィトゥカ ドイツ連邦共和国 ミヒェルシュタット シュタットリング 302 (72)発明者 ヴォルフガング グリム ドイツ連邦共和国 ミヒェルシュタット アルスフェルダーシュトラーセ 16 (56)参考文献 実開 平4−60647(JP,U)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 円形の目標路を実際の機械運動を描く実
    際円形路と比較することによって、少なくとも2つのサ
    ーボ回路を有する少なくとも2軸のNC工作機械に対
    し、当該NC工作機械の加工精度を検査する方法であっ
    て、 前記サーボ回路はそれぞれ、目標運動路を描かせる位置
    案内信号に従ってキャリッジを案内するための軸駆動部
    と、該キャリッジの位置を検出およびフィードバックす
    るための距離測定装置とを有するものである検査方法に
    おいて、 距離測定装置(33、43)から送出された位置信号
    (xM)から実際円形路(RM)を形成することを特徴と
    する検査方法。
  2. 【請求項2】 距離測定装置(33、43)により測定
    された各位置信号(xM)を所属の位置案内信号
    (wNC)と比較する請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 同じ時点(t1)で、目標位置に対して
    得られる値と距離測定装置により測定された実際位置
    (xM)に対して得られる値とを検出する第1のステッ
    プ(21)と、 これらの値から実際位置を定める目標位置を求める第2
    のステップ(22)とを有する請求項1または2記載の
    方法。
  4. 【請求項4】 位置案内信号(wNC)をサーボ回路(3
    0、40、50)に対して速度予備制御する請求項1か
    ら3までのいずれか1項記載の方法。
  5. 【請求項5】 位置案内信号(wNC)を付加的に加速度
    予備制御する請求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】 距離測定装置(33、43)の出力信号
    (xM)を補間器(10)の出力信号(wNC)から減算し、
    結果を引き続き基準信号(RRef)から減算し、画面
    (70)に表示する請求項1から5までのいずれか1項
    記載の方法。
  7. 【請求項7】 距離測定装置(33、43)の出力信号
    (xM)を補間器(10)の出力信号(wNC)から減算
    し、結果を引き続き基準信号(RRef)に加算し、画面
    (70)に表示する請求項1から5までのいずれか1項記
    載の方法。
  8. 【請求項8】 基準信号(RRef)は所定の半径を有す
    る円形路である請求項6または7記載の方法。
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