JP2790697B2 - スケール検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、NC加工機における駆動系等の誤差補正に用
いて有用なスケール検出装置に関する。

（従来の技術） 従来のNC加工機における駆動系としてはセミクローズ
ドループ制御系によるものとフルクローズドループ制御
系にもるものの例である。

周知の通り、前者は、サーボモータにロータリエンコ
ーダやレゾルバなど位置検出器を設け、ボールねじやラ
ック・ピニオンによる動力伝達機構を介して移動体を駆
動するものである。また、後者は移動体の実際移動位置
をいわゆる光学スケールの如き高精度の位置検出器によ
り検出するものである。

ところが、セミクローズドループによる制御系では減
速機構にボールねじないしラック・ピニオンを含めた動
力伝達機構の熱的歪やフレームの熱的歪が影響し、加工
誤差が生じるという問題がある。

ボールねじとラック・ピニオンとを比較すると、熱的
影響はボールねじの方が大きいが、本来ラック・ピニオ
ンの方が位置決め精度が悪いのでラック・ピニオンの方
が優れているとは言い難い。

また、前記フルクローズドループの制御を用いると動
力伝達機構の熱的歪は除去されるが、ワークやフレーム
の熱的歪による誤差は検出できない。また、光学スケー
ルは非常に高価であり、かつ加工時の振動による物理的
破損が生じ易く、スケール信号の脱調が生じる等の問題
がある。さらに、常にサーボ系にフィードバック信号を
与えているため、応答速度に限界があり、モータ速度が
制限される。さらに、駆動系の剛性によりサーボ系が不
安定となりハンチングを生じる等の問題点もあり、セミ
クローズドループに対して一長一短である。

そこで、移動体の移動状況を一定温度に換算可能の態
様で固定位置に対して検出し、この検出値を前記クロー
ズドループ制御系における検出値と比較することによ
り、実際加工位置が前記一定温度において指令値と一致
するよう前記クローズドループ制御系を制御することが
考えられる。

この場合、移動体の移動状況をクローズドループ制御
系の位置検出とは別個に、別のスケールを用いて検出
し、この検出をクローズドループ制御系で検出した位置
と比較するようになる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記の如く考えられるスケール検出装
置にあっては、特別に設けたスケールを移動体の移動に
伴って、例えば光学センサで検出するような構成となる
ため、スケール上のマークを正確に読み取るのが難かし
い。

例えば、市販の光学式センサでは30μｓ以上、近接セ
ンサでは500μｓ以上の検出タイミングの遅れがあるの
で、移動速度を50m/min、応答遅れを1msとすると、0.83
3mmのずれが生ずることになる。

また、応答遅れに対して全体的にオフセットを与える
としても、実際加工に即してリアルタイムの検出を行い
たい場合に速度バラツキが生じれば、この種オフセット
を与えるのも困難である。

そこで、本発明は、移動体の移動状況をクローズドル
ープ制御系の位置検出器とは別個に設けたスケールを用
いて検出するスケール検出装置において、前記移動体の
移動速度を併せて実測し、所定速度についてのデータの
みを有効とし、有効データを用いて高精度の位置検出を
行うことを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成する本発明は、クローズドループで制
御される加工機械の移動体に沿って配置された複数マー
クを有するスケールを前記移動体の移動に伴い検出する
装置において、前記マークの入力端及び出力端の通過タ
イミングを検出し、内一つの端部でそのときの前記移動
体の前記クローズドループで管理される移動位置データ
をラッチするデータラッチ回路と、前記入力端及び出力
端の通過時間の計測により現在速度を予定の速度と比較
することにより、現在速度が略予定速度であるときのみ
前記データラッチ回路でラッチされたデータを有効とす
るデータ良否判別回路を備えたことを特徴とする。

（作用） 本発明のスケール検出装置では、スケール上でのマー
クの入力端及び出力端の通過時間を計測し、この時間が
一定、すなわち所定速度であるときのみ、今回検出され
たデータを有効として、このデータに速度に応じた一定
のオフセットを与えて、検出位置データを求める。

（実施例） 以下、本発明の実施例を説明する。

第２図は、本発明をパンチプレス機に実施した位置決
め装置の一例を示す説明図である。駆動系はセミクロー
ズドループの例で示す。

図において、左右方向（Ｘ方向）に移動自在とされる
テーブル１はテーブルブラケット２に固定されている。
このテーブルブラケット２は、その上方に埋め込まれた
ナット３を前記Ｘ方向に延伸されたボールねじ４を螺合
させることよにり、ボールねじ４の回転に応じＸ方向に
移動自在とされる。

前記ボールねじ４の両端は軸受５に回転自在に支承さ
れている。また、ボールねじ４の一端は減速ギヤ６を介
してサーボモータ７と接続されている。

サーボモータ７にはタコジェネレータ８及びインクリ
メンタル方式のロータリエンコーダ９が設けられてい
る。

前記テーブル１上には前記Ｘ方向と直交するＹ方向
（図において紙面と直行する方法）に移動自在とされる
ワーククランプ装置10が設けられ、把持したワークＷを
テーブル１上でＹ方向で移動可能とされている。しがっ
て、サーボモータ７のＸ方向の駆動及びワーククランプ
装置10のＹ方向の駆動により、ワークＷはX,Y平面内で
移動自在である。

前記テーブル１の下方で固定のフレーム部分には原点
位置でピン11によって１点支持され、Ｘ方向に伸縮自在
のＸ軸用のマスタスケール12が取付けられている。

該マスタスケール12は熱膨脹率が既知で均質な材質を
用いて帯状に形成され、前記ピン11に対して一定ピッチ
（例えば100mmピッチ）で順次複数の光学センサ用ドグ
穴Pn（P1,P2,P3,…,PN）が設けられている。ピッチは後
述するように計測されて使用されるので必ずしも高精度
に製作する必要はない。ただし、各穴Pnの穴寸法は一定
に製作しておく必要がある。

また、前記テーブル１の下面には、該テーブル１の移
動に伴って前記ドグ穴Pnを検出する光学式近接センサ13
が設けられている。

本例では、前記テーブル１の上方にクランク軸13が設
けられ、このクランク軸13に取付けられたラム（図示せ
ず）を昇降駆動することによりワークＷの上下に設けた
金型を押圧してパンチ加工するようになっている。クラ
ンク軸13の一位置には上死点ドグ14が設けられ、これを
近接センサ15で検出することにより、上死点すなわち非
パンチ状態を識別できるよるになっている。

前記フレームには、環境温度の代表値としてその温度
を検出するための温度センサTSが設けられている。

一方、上記構成のパンチプレスを制御する制御装置は
NC装置及びこれと接続させるプログラマブルコントロー
ラを主体として構成され、この制御装置の例えばプログ
ラマブルコントローラ内にはカウンタ回路16が設けら
れ、このカウンタ回路16は、送受信演算処理装置17及び
サーボパラメータ記憶部18を備えたサーボシステム19と
接続されている。一般的なサーボシステム19は、位置ル
ープ及び速度ループを有し、前記NC装置が出力した位置
決め目標値を入力して、この目標値に移動体、すなわち
前記テーブル１を指令の速度で制御するようなものであ
る。

カウンタ回路16は、所定のタイミングで前記マスタス
ケール12のドグ穴Pnの検出信号を入力し、そのときの前
記エンコーダ９より検出される位置信号をラッチし、こ
の値を送受信演算装置17に送信する。

送受信演算処理装置17は、その内部にバッファを有
し、各ピッチ距離、前記ドグ穴Pnの検出データを入力
し、サーボパラメータ記憶部18にサーボパラメータを設
定し、また設定したパラメータを書き換えするものであ
る。

上記構成の装置において、以下、初期設定、補正原
理、加工中のサーボパラメータの変速処理、機材料対応
方式、ドグ穴検出方式の順で説明する。

組立時においては、テーブル１のブラケッ等にレーザ
用ミラーを取り付け、レーザ距離計によりNCの指令値に
対する実際動作の差分δを記憶する。

例えば、100mmの指令値に対し、レーザ検出による実
際の移動量が100.05mmであったとすると、差分100.05−
100＝0.05を記録し、その値を演算処理装置17に与え
る。

よって、レーザ距離計で正確に計測された差分δによ
り、エンコーダの計測値を正確なものにしたのち、ピッ
チ間隔が計測され、これが20℃換算されて、真のピッチ
間隔Ｔ（n,f4）とされて、これがサーボパラメータ記憶
部18に記憶される。

具体的に示すと、ここで前提となるのがゲージの加工
精度がミクロン台に於いて既知でないこと、光学センサ
の応答速度によりラッチ遅れが発生すること、軸の速度
設定値の変化により測定ラッチデータが異なることを認
識し、スケール12の初期値を求めなければならない。

まずスケール単体を測定器で計って求めることができ
るが、取り付け位置（摺動面との状態及び取り付け基準
穴位置）によって左右されるのでこの手段を使ってスケ
ール12の基準値を求めることは考えない。

よって、スケール12は図面通りに取り付けてしまう。
また、金型をセットし加工準備をする。

軸速をオーバライド値F4にセットし、NCコンソールか
ら指令値C1mm（測定器の測定可能ストロークでできるだ
け大きい値となるように）を入力し加工する。

続いて、C2mm（ワークの原点近くで10mm付近）を入力
し加工する。

このとき、加工板を20℃の管理下で一昼夜寝かし測定
器で測定しこのときの測定値がそれぞれM1mm、M2mmだっ
たとする。

又、過去に続いて（加工と同一環境下で）軸速F4で測
定を行いそのカウンタラッチ座標Lnmm（x1,x2,…,xNと
する）をすべてのピッチ点で記憶する。

同様に軸速F3、F2、F1に対してもそれぞれ上記の測定
を繰り返しラッチ座標を記憶する。これらから第３図に
示すラッタ座標テーブルを作成する。

ここでF4と比較してF3時での遅れの平均Ｄ（４−３）
を求める。

Ｄ（４−３） ＝Σ（Ｌ（n,f3）−Ｌ（n,f4））/N 同様にF4と比較してF2,F1時での遅れの平均Ｄ（４−
２）、Ｄ（４−１）を求める。

Ｄ（４−２） ＝Σ（Ｌ（n,f2）−Ｌ（n,f4））/N Ｄ（４−１） ＝Σ（Ｌ（n,f1）−Ｌ（n,f4））/N 平均値を求めた理由は管理するデータをできるだけ少
なく抑える為であり、実際にソフト上で管理するのはＴ
（n,f4）とＤ（４−３）、Ｄ（４−２）、Ｄ（４−１）
である。速度f4に対する誤差の関係を第４図に示した。

次に求めるべき寸法のＴ（n,f4）を求める。

Ｔ（n,f3）＝Ｔ（n,f4）＋Ｄ（４−３） Ｔ（n,f2）＝Ｔ（n,f4）＋Ｄ（４−２） Ｔ（n,f1）＝Ｔ（n,f4）＋Ｄ（４−１） 以上により得られる値を20℃換算値として、送受信演
算処理装置17内のバッファに予め記憶し、環境温度に応
じて、各ピッチの値を求め、これをサーボパラメータと
して、サーボシステム19に与え、周知のピッチ誤差補正
を与えるわけである。

＜補正原理＞ 以上により、マスタースケール12の各ドク穴Pn位置は
20℃換算されてその位置が管理される。言い換えれば、
環境温度が如何に変化しようとも、マスタスケール12の
ドグ穴Pn位置を検出することにより実際の加工ずれを検
出することができ、その差分に応じて適格な補正値を与
えることができる。

基本動作を示すと材質が鉄の加工板が仮に25℃の環境
におかれているとすると、20℃に対し1mに付き11.7μm/
℃・ｍ×（25−20）＝58.5μｍ伸びている。この板を高
剛性とし理論値通りに加工し、この板を20℃に冷却する
と、逆に58.5μｍ小さく加工されたことになる。

そこで、このようにしないために、マスタスケール12
のドク穴Pnのラッチ点で加工機の位置決め補正をすれば
良い。

注意すべきは、この補正値は、実際加工位置を温度補
正機能をもって正確なスケールで検出したものであるの
で、動力伝達機構の機械的な歪や温度歪は勿論のこと、
ワーク及びフレームの温度による影響をも打ち消すもの
であり、マスタスケール12及びその測定システムの測定
精度をもって加工できるということである。

具体例を示すと、今、動力伝達機能たるボールねじ４
がワーク温度Twより少し高かったとし、ボールねじの歪
が△1,ワークＷの膨脹による誤差が△２、その他フレー
ムの歪などが△３であったとすると、これら値△1,△2,
△３がどうであろうと、関係ないということである。

よって、条件変化、特に温度変化に応じて、適宜サー
ボパラメータの補正をすれば、ほとんど誤差のない加工
を永久的に持続できることになる。

なお、このセミクローズドループの効果をフルクロー
ズドループのものと比較すると、高速加工が可能である
点、脱調の心配が無い点、加えて安価に設計できる点な
どの、実用上の観点からむしろセミクローズドループの
方が優れていると言えるものである。温度による誤差に
ついては、基本的には同等である。

また、本例ではボールねじ４の例で示しているが、こ
れはラック・ピニオンとしてもよい。ただし、バックラ
ッシュなどによる本来の精度から見て、加工精度はボー
ルねじの方がより良好である。

第５図にサーボパラメータの設定方式を示した。加工
開始に際し、ステップ501で原点復帰すると、ステップ5
02で、まずNCへスタートの禁止をする。

次いで、ステップ503で現在値カウンタにリセット信
号を送出し、ステップ504で補正機能オンの信号を送出
する。

次いでステップ505で温度センサTSのデータを送信
し、ステップ506でその温度でのフレーム伸びを算出し
てからステップ507でNCへスタートを許可する。

ステップ506では20℃換算の値Ｔ（ｎ・f4）に基い
て、温度θに応じたサーボパラメータ値を設定する。な
お、本例では、補正作業をサーボシステム19で行ってい
るとするが、元の目標値を変更するように補正すること
も可能である。

＜補正パラメータの変更処理＞ サーボパラメータの変更は第６図及び第７図の処理に
より実行される。第６図は変更要求の手続き、第７図は
変更要求があった場合の変更手続きを示す。

第６図において、加工中ステップ601で第１図に示す
近傍センサ15によりパンチ中か否かが判別され、パンチ
中でなければステップ602へ移行して、ここで移動方向
が予め定めた測定方向であるか否かを判別する。

予め定めた方向であれば、ステップ603へ移行して、
ドグ穴Pnのラッチ座標を送出し、ステップ604で、その
ラッチ座標がどのドグ穴Pnのものであるかに応じそのド
グ穴Pnについてのラッチ値をメモリにロードする。

そこで、ステップ605では、ステップ604でロードした
値を、基準の値、すなわち20℃換算された値に基いて前
に検出された温度にて検出されるべき値と比較し、許容
値内でないならば、ステップ606へ移行してパラメータ
変更要求のビットをオンとする。なお、ステップ607で
はフレーム温度を受信している。

このようにパラメータ変更要求が出されるのは、主に
温度変化、すなわち環境温度の変化、あるいは負荷の変
動にてボールねじ４の温度が変化したような場合であ
る。

次に、第７図において、ステップ701でパラメータ変
更要求がオンとすると、ステップ702で原点位置へ戻る
のを待ち、ステップ703でNCへスタートの禁止を出力す
る。

次いで、ステップ704でワークＷの材料が前と同じく
鉄であれば、ステップ706へサーボパラメータの変更値
を計算し、ステップ707で設定し、ステップ708でNCへス
タートを許可する。ステップ706での計算は、実際計測
されたラッチデータを用いて現在状況に応じたサーボパ
ラメータを算出するものである。ステップ705について
は後述する。計測されたラッチデータは、そのときの速
度に応じて補正される。

＜材料対応方式＞ 材料対応方式には次の２通りがある。

一つは、各材料の膨脹率、例えば、 鉄…11.7μm/m・℃ 銅…16.7μm/m・℃ アルミ…23μm/m・℃ に応じ、現在使用されているマスタスケール12の材質に
対して、適宜補正を与える方式である。

この場合には、例えば、NCが原点へ戻されたとき、第
７図のステップ704で材料変更を識別し、ステップ705で
材料毎に20℃についての計算をし、計算された値を記憶
するようにすればよい。

また、他の一つは、第８図（ａ）及び第８図（ｂ）
に示すような材質毎のカートリッジタイプのマスタスケ
ール20を作成し、ピン11及びガイド部材21に対して交換
設定する方式である。

ガイド21に取付けられているボルト22は移動方向と直
交する方向へのずれを防止するためのものである。その
ボルト22の先端は球状に形成され、カートリッジスケー
ル20を、移動方向に摺動可能の態様でガイド21に対して
軽く押圧するものである。なお、固定点を原点に一致さ
せるためピン11の支持点も球状に形成されている。固定
点が原点よりずらされている場合には、所定のずれ補正
を行う必要がある。なお、パンチプレスの場合、加工は
パンチセンターで行われるので、全ての基準をパンチセ
ンターにとってもよい。

＜ドグ穴検出方式（その１）＞ 本項目は、ドグ穴Pnの検出において、検出データの良
否を識別できるようにしたものである。

第９図に検出回路の具体例を示す。

図において、ドグ穴Pnの検出回路は、エンコーダ９が
出力するＡ、B2相を入力するバッファ（差動TTL）23
と、光学式センサ13の検出信号を入力するカウンタラッ
チ制御部24を有し、両回路23,24は、前記カウンタ回路1
6に入力されている。該カウンタ回路16には内部クロッ
ク信号CLKが入力されている。

前記カウンタ回路16にはセンサオン用バッファ25とク
ロックカウンタ26が接続され、両回路25,26の出力はデ
ータの良否制御部27に接続され、該制御部27はデータバ
ス28と接続されている。前記クロックカウンタ26にも、
前記内部クロック信号CLKが入力される。

上記の構成において、第10図に示すように、今センサ
13が一方向に移動し、一つのドグ穴Pnに対して信号29を
得たとする。この信号29は、あるしきい値をもってオン
となり、次いでオフとなるパルス状の信号である。指令
の軸速をb₀ mm/Sであるとする。ドグ穴Pnの幅は既知でa
mmとする。

信号処理方式を第１図に示した。

ステップ101でセンサオンでのラッチデータをバッフ
ァ25に仮にストアし、ステップ102でクロックカウンタ2
6によりセンサオンに次いでのオフまでの時間ｔを得
る。

そこで、ステップ103により、データの良否制御部27
で、b₀t＝ａを判別し、すなわち現在速度値ｈが予定の
速度b₀に対し許容値内にあるか否かを判別し、許容値内
ならステップ104でセンサオン時のラッチデータを有効
とし、これをデータバス28に流す。一方、速度ｂが許容
値外ならステップ105でラッチデータを無効とする。

よって、本例では、センサ13で検出されるラッチデー
タの信頼性が向上し、ひいては加工精度そのものを向上
することができる。

本例では、ドグ穴Pnの検出について示したがマスタス
ケール12のマークはこれに限られず、例えば異なる色を
印刷したようなものであってもよく、この場合にも同様
にラッチデータの良否を判別できるものである。

＜ドグ穴検出方式（その２）＞ 本項は、適度に応じラッチデータを補正する例を示す
ものである。

第11図において、本例の検出回路では、前記カウンタ
回路16に、波形検出による速度演算部30と、ラッチ座標
取出し部31が接続されている。うち速度演算部30には平
均遅れのパラメータ値演算部32が接続され、この演算部
32とラッチ座標取出し部31とは測定結果出力部33に接続
されている。

平均遅れのパラメータ値演算部32は、第12図に示すよ
うな速度及び信号遅れによって発生する誤差εの対応表
を有し、速度演算部30によって波形値より演算された速
度に応じて誤差εを算出する。誤差はバラつくので、平
均値を採用している。

測定結果出力部33は、演算部32が演算した誤差εをラ
ッチ座標取出し部31が取り出したラッチ座標に適用し、
真の値に近い測定値を出力するものである。測定値は同
一ドグ穴に対する複数データを平均化して用いるように
してもよい。

第13図に示すように、ステップ1301でセンサオンでの
座標値を取出し、ステップ1302でセンサオン時のパルス
幅より速度値を演算し、ステップ1303で誤差εを演算
し、ステップ1304で補正された測定値を出力する。

よって、スケール等の波形から速度相当値を演算し、
それに対応した遅れのパラメータを測定データに引算す
ることで測定精度、ひいては加工精度を向上することが
できる。

本例では、任意の軸速度で測定することができる。ま
た、一定速度とすれば、さらに精度向上を図ることがで
きる。なお、本例では速度値を波形検出により求めた
が、速度が安定していることを条件としてNC指令値を用
いることもできる。

以上、詳細に説明したように、本実施例によれば、マ
スタスケール12のドグ穴検出を適正に行うことにより、
セミクローズドループで制御されるテーブル１をマスタ
スケール12で定まる精度で移動させることができる。

また、このときマスタスケール12を温度補正可能に構
成してあると共に、実際加工位置を検出するよう構成し
てあるので、動力伝達機構の歪はもとより、ワーク及び
フレームの熱的影響をも取り除くことができ、従来困難
であった0.01mm以上の高精度を全ての環境条件に対して
容易にクリアすることができ、超精密加工が可能とな
る。フルクローズドループのように脱調や破損の心配も
ない。

上記実施例では、パンチプレスの例で示したが、レー
ザ加工機、パンチ・レーザ複合加工機、施盤など他のNC
工作機械であっても同様である。

また、上記実施例では、ワークが移動する例で示した
が、工具を移動させる工作機械であっても同様である。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、適宜
の設計的変更を行うことにより、この他適宜態様で実施
し得るものである。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明は、移動体の移動状況をクローズ
ドループ制御系の位置検出器とは別個に設けたスケール
を用いて検出するスケール検出装置において、該スケー
ル検出信号を用いて前記移動体の移動速度を併せて実測
し、所定速度についてのデータのみを有効とし、有効デ
ータを用いて高精度の位置検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るスケール検出装置につ
きそのデータの良否判別を行う方式を示すフローチャー
ト、第２図は本発明を実施する位置決め装置の構成を示
す説明図、第３図は各速度毎のラッチデータの説明図、
第４図は速度による誤差状況を示す説明図、第５図はサ
ーボパラメータの設定方式を示すフローチャート、第６
図はパラメータ変更要求の出力方式を示すフローチャー
ト、第７図はパラメータ変更方式のフローチャート、第
８図（ａ）は材質毎に作成したカートリッジ方式のマス
タスケールを示す正面図、第８図（ｂ）はその右側面
図、第９図はラッチデータの検出回路の一例を示すブロ
ック図、第10図はその検出作用を示す説明図、第11図は
ラッチデータの検出回路の他の例を示すブロック図、第
12図はその回路が用いるデータの説明図、第13図はラッ
チデータの測定値補正方式を示すフローチャートであ
る。 １……テーブル、３……ナット ４……ボールねじ、７……サーボモータ ９……エンコーダ、11……ピン 12……マスタスケール 13……光学式センサ 16……カウンタ回路 17……送受信演算処理装置 18……サーボパラメータ記憶部 19……サーボシステム 26……クロックカウンタ 27……データの良否制御部 Pn……ドグ穴、TS……温度センサ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】クローズドループで制御される加工機械の
   移動体に沿って配置された複数マークを有するスケール
   を前記移動体の移動に伴い検出する装置において、前記
   マークの入力端及び出力端の通過タイミングを検出し、
   内一つの端部でそのときの前記移動体の前記クローズド
   ループで管理される移動位置データをラッチするデータ
   ラッチ回路と、前記入力端及び出力端の通過時間の計測
   により現在速度を予定の速度と比較することにより、現
   在速度が略予定速度であるときのみ前記データラッチ回
   路でラッチされたデータを有効とするデータ良否判別回
   路を備えたことを特徴とするスケール検出装置。