JP3646562B2

JP3646562B2 - 数値制御装置

Info

Publication number: JP3646562B2
Application number: JP13221599A
Authority: JP
Inventors: 勝彦竹内; 慎二村上
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1999-05-13
Filing date: 1999-05-13
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2019-05-13
Also published as: JP2000322115A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の数値制御装置に関し、特に、高速に加工を行う際に発生する工作機械系の部分的弾性変形による加工形状誤差の発生を防止する数値制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マシニングセンタ等の工作機械の分野では、工作物に関する加工時間の短縮等を目的として、例えば、リニアモータ駆動の採用や可動体の軽量化等による高速、或いは、高加速度の工作機械が提案・開発されている。これらの技術革新により、従来のボールネジ駆動、鋳鉄製コラム等による工作機械では実現できなかった高加速度（１Ｇ以上）が達成されるようになってきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
工作機械系の一部を構成する移動体（工具などの支持部材）が加減速されると、移動体にはその質量及び加速度に比例する慣性力が働く。この慣性力の作用により、この工作機械系には部分的な弾性変形が生じ、特に工具先端などの制御点と、工具の位置を検出する測位点との間でこの弾性変形が生じると、支持部材等からなる移動体の加減速時に、上記制御点に対する測位精度が劣化することになる。
【０００４】
このような問題は、特に、可動体等が軽量化されて構成部品の剛性が比較的低いか、或いは、リニアモータ駆動等により高速加工が可能な工作機械が製造されるようになってから表面化、或いは、顕在化するようになってきている。
また、このような形状誤差は、上記移動体の加工時の速度、或いは、加速度が大きくなるほど大きくなる。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、高速、高精度の曲線加工を実現することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、第１の手段は、固定フレームと、その上に配設されたガイドレールと、そのガイドレールにより案内されリニアモータによりｘ軸方向に移動可能に配設されたガントリとから成るｘ軸方向の移動機構と、
ガントリ上に配設されたガイドレールと、そのガイドレールに案内されリニアモータによりｘ軸に垂直なｙ軸方向に移動可能に配設されたサドルと、このサドル上に配設されたラムと、ラム上に配設され、工具を支持した工具主軸とから成るｙ軸方向の移動機構とを有した工作機械に対して、前ガントリとサドルの位置をリニアスケールにより検出してそれらの位置をサーボ制御して、工具を工作物の加工曲線に沿って高速に移動させるための数値制御装置であって、
工具にかかる加速度（ａ）によるｙ軸方向の移動機構の部分的弾性変形により生じる移動の経路の加工曲線からのズレを、ｙ軸方向に作用する加速度（ａ_y）と、ｙ軸方向の移動機構における可動体の質量ｍ_yとｙ軸方向の移動機構の弾性率（Ｋ_y）との比に係わる関連値（Ｃ_y）に基づいて、加速度ａのｙ軸方向成分（ａ_y）に比例する補正量（ε_y）で補正すると共に、
加速度（ａ）によるｘ軸方向の移動機構の部分的弾性変形により生じる移動の経路の加工曲線からのズレを、ｘ軸方向に作用する加速度（ａ_x）と、ｘ軸方向の移動機構における可動体の質量（ｍ_x）とｘ軸方向の移動機構の弾性率（Ｋ_x）との比に係わる関連値（Ｃ_x）に基づいて、加速度のｘ軸方向成分（ａ_x）に比例する補正量（ε_x）で補正する位置補正手段を備えることである。
【０００８】
また、第２の手段は、上記の第１の手段において、関連値（Ｃ_x,Ｃ_y）を予め実験的に求めておくことである。
【０００９】
また、第３の手段は、上記の第１又は第２の手段において、第１の軸線方向に作用する加速度（ａ_y）及び前記第２の軸線方向に作用する加速度（ａ_x）を支持部材の移動の経路を指令するＮＣデータから計算することである。
【００１０】
以上の手段により、前記の課題を解決することができる。
【００１１】
【作用及び発明の効果】
本発明の作用・効果を簡単のため、ｘｙ平面上での曲線加工の場合について以下に説明する。加工処理時の慣性力及び形状誤差をそれぞれｘ軸成分、ｙ軸成分毎に（Ｆ_x，Ｆ_y），（ε_x，ε_y）と表すことにすれば、次式（１）〜（８）が成り立つ。ただし、その他の各変数の定義は、以下の通りである。
（変数定義）
ａ：支持部材の加速度の大きさ
θ：支持部材の加速度の曲座標表示における角度（加速度の向き）
ε：形状誤差の大きさ
ａ_x：支持部材の加速度のｘ軸成分（第２の軸線方向成分）
ｍ_x：支持部材と共にｘ軸方向に平行移動する可動体の質量
（支持部材、第１の可動体、及び第２の可動体の質量）
Ｋ_x：形状誤差ε_xの発生要因となる工作機械系のｘ軸方向の弾性率
ａ_y：支持部材の加速度のｙ軸成分（第１の軸線方向成分）
ｍ_y：支持部材と共にｙ軸方向に平行移動する可動体の質量
（支持部材、及び第１の可動体の質量）
Ｋ_y：形状誤差ε_yの発生要因となる工作機械系のｙ軸方向の弾性率
ｖ：支持部材の速度の大きさ
ｒ：加工円の半径
【００１２】
【数１】
ε²＝ε_x ²＋ε_y ² …（１）
【数２】
Ｆ_x＝−ｍ_xａ_x＝Ｋ_xε_x （ｘ軸方向慣性力） …（２）
【数３】
Ｆ_y＝−ｍ_yａ_y＝Ｋ_yε_y （ｙ軸方向慣性力） …（３）
【数４】
ε_x＝−Ｃ_xａ_x （Ｃ_x≡ｍ_x／Ｋ_x） …（４）
【数５】
ε_y＝−Ｃ_yａ_y （Ｃ_y≡ｍ_y／Ｋ_y） …（５）
【数６】
ａ_x＝ａ cosθ …（６）
【数７】
ａ_y＝ａ sinθ …（７）
【数８】
ε（θ）＝ａ｛（Ｃ_xｃｏｓθ）²＋（Ｃ_yｓｉｎθ）²｝^1/2 …（８）
ただし、ε（θ）の角θは、あくまでも上記の支持部材の加速度の向きを表すものであり、変位（形状誤差ε）の方向とは必ずしも一致しない。
【００１３】
尚、上記のＣ_x、Ｃ_yは、次式（９）を満たす試験的な円加工、或いは試験的な円運動（空運転）を実施することにより、式（10）、（11）の通りに求めることができる。
【数９】
ａ＝ｖ²／ｒ＝（一定） …（９）
【数１０】
Ｃ_x＝ε（α）／ａ（α＝０，π） …（10）
【数１１】
Ｃ_y＝ε（β）／ａ（β＝π／２，３π／２） …（11）
【００１４】
即ち、半径ｒの円加工を行って、その際の形状誤差εをθの関数ε（θ）として測定すれば、モデリングや数値計算などの複雑、或いは高度な解析技法を用いてｍ_x、Ｋ_x、ｍ_y、Ｋ_yの各値を個々に求めることが困難な場合でも、Ｃ_x≡ｍ_x／Ｋ_x、Ｃ_y≡ｍ_y／Ｋ_yの値を（10）、（11）により求めることが可能となる。
【００１５】
したがって、（４），（５）を用いて、位置指令値に対する補正を行えば、高速の曲線加工の際にも所望の加工形状を得ることができる。
【００１６】
また、式（２）、（３）からも判る様に、本発明は工具又は工作物より成る被支持物を支持する支持部材を有する可動体の質量が大きな場合や、或いは、工作機械系の部分的弾性変形に関する弾性率が小さな場合においても、上記と同様に大きな効果を発揮する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
図１及び図２に、本発明を適用する工作機械の側面図及び正面図を示す。本工作機械は、互いに直交する３軸を有するリニアモータ駆動式であり、その主な構成要素は、ベース１０の前部に配置されたワークテーブル１１、ベース１０の後部に配置された固定フレーム１５、固定フレーム１５の前側でベース１０及び固定フレーム１５によりガイドされてｘ軸方向に水平移動するガントリ２０、このガントリ２０により案内されてｙ軸方向に上下移動するサドル５０、サドル５０によりＺ方向に水平移動するラム６０（工具Ｔより成る被支持物を支持する支持部材）、ガントリ２０、可動体の一部を構成しているサドル５０、ラム６０をそれぞれ移動する電気リニアモータ３５、３７、５７、６７、及びラム６０に回転自在に支持された工具主軸７１などである。
【００１８】
また、各軸方向のガイド機構は、ｘ軸方向がガイドレール２９、３２、及びベアリングブロック３０、３１、３３により、ｙ軸方向がガイドレール５３、５５、及びベアリングブロック５４、５６により、Ｚ方向が下部リニアガイド機構６１、及び上部リニアガイド機構６２により、それぞれ構成されている。尚、図１の記号Ｔ、及びＷはそれぞれ、工具、及び工作物を表している。
【００１９】
図３に、本発明の作用を説明する簡易モデルの物理的概念図を示す。各数値符号は、各々上記図１又は図２と同一の構成要素を示している。図１及び図２に示す様にリニアモータ駆動式の工作機械を構成した場合、工具又は工具を支持する支持部材と各測位点（各々図中の△印の位置）とが離れているため、その間の工作機械系の部分的弾性変形により、測位誤差が生じる。
【００２０】
また、ｙ軸方向の移動機構が、ｘ軸方向の移動機構の内部に包括的に組み込まれる、いわゆる入れ子構造をしているため、工作物の形状誤差εの、ｘ軸方向の弾性変形量（形状誤差ε_x）に寄与する可動体の質量ｍ_xと、ｙ軸方向の弾性変形量（形状誤差ε_y）に寄与する可動体の質量ｍ_yとは大きく異なっている（ｍ_x＞ｍ_y＞ｍ；ただし、ｍはラム６０の質量とする）。
しかしながら、本発明では、式（４）、（５）により、各軸単位に形状誤差の補正を行うため、上記の様な弾性変形量についての異方性が有っても、各軸対応に正確に補正することができる。
【００２１】
図４に、本実施例の工作機械のハードウェア構成図を示す。数値制御装置１００は、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、サーボ制御装置との物理的インターフェイスを取るインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）１０３、入出力装置１０４等の主要構成要素を有する。ＣＰＵ１０１は、各リニアモータに対応する測位装置（リニアスケール）により測定された工具のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の各値（ｘ，ｙ，ｚ）をＩ／Ｆ１０３を介して随時入力する。また、ＣＰＵ１０１は、補間演算により求められた、次に到達すべき補間点の位置を与える差分量の各値（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）をＩ／Ｆ１０３を介して、ｘ軸サーボ制御装置１１１、ｙ軸サーボ制御装置１１２、及びｚ軸サーボ制御装置１１３に対し各々随時出力する。各軸のサーボ制御装置１１１〜１１３は、差分量（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）により与えられた次の補間点までの工具の移動を制御する。
【００２２】
図５に、本実施例の数値制御装置１００のソフトウェア構成図を示す。ＮＣプログラム解析部１２１は、与えられたＮＣデータを解析し、補間演算部１２２は解析されたデータに基づいて補間処理を行う。すなわち、指令された速度と予め設定された速度パターンに基づいて一定の補間周期毎の速度を求め、この速度と補間周期の積により移動距離を求める。そして、ＮＣデータで与えられる加工曲線上に求められた移動距離だけ離れた点（ｘ，ｙ，ｚ）を補間点として順次設定していく。ただし、ここでは、本加工曲線は簡単のため、ｘｙ座標平面（ｚ＝（一定値））上にあるものとする。
【００２３】
加速度演算部１２３は、補間演算部１２２にて求められた各補間点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）から各補間点における加速度（ａ_x,ａ_y）を演算する。補正量演算部１２４は、この加工曲線上の各補間点における工具の加速度のｘ軸成分ａ_x及びｙ軸成分ａ_yを入力し、式（４）,(５）を用いて、加工曲線上の各補間点（ｘ，ｙ，ｚ）におけるｘ軸方向の形状誤差ε_x、及びｙ軸方向の形状誤差ε_yを求める。
【００２４】
加算演算部１２５は、補間演算部１２２から入力した加工曲線上の各補間点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）と、補正量演算部１２４から入力したこの各補間点（ｘ，ｙ，ｚ）におけるｘ軸方向の形状誤差ε_x及びｙ軸方向の形状誤差ε_yより、各補間点の位置指令値を（ｘ−ε_x，ｙ−ε_y，ｚ）なる座標値に補正する。そして、この補正された位置指令値が各サーボ制御装置に対して各々随時出力される。
このように曲線加工を実施することにより、例えば、上記の加工曲線が真円である場合には、所望の精度の真円加工を実現することができる。
【００２５】
尚、加速度演算部１２３における加速度演算は、補間演算部１２２の出力を用いずに、工具の加速度を直に事前の試し加工時にリニアスケールで実測することにより行っても良い。即ち、Ｉ／Ｆ１０３を介して随時入力される工具のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の各値（ｘ，ｙ，ｚ）を用いて、微分演算により、工具の加速度ベクトルを直に事前の試し加工により求めることが可能となる。
【００２６】
この方法を用いて、加速度演算部１２３における加速度演算を試し加工により実行すれば、複雑な形状の曲線加工においても、加工曲線上の各点での加速度を簡単な演算により容易に求めることができる。
従って、本発明は、加工曲線上の各点における加速度を予測または予定することが容易でない場合においても、事前の試し加工時に各点における加速度を測定しておくことにより、任意の曲線形状に対しても適応が容易である。
【００２７】
また、上記の実施例においては、簡単のため、ｘｙ平面上での曲線加工について、具体的な加工手段を示したが、これらの曲線加工は三次元空間においても、本発明の手段により実施することができ、この場合にも、本発明の作用により本発明の効果を得ることができる。
【００２８】
また、上記の実施例においては、簡単のため、ｘ軸とｙ軸とが直交している場合について示したが、式（４）、（５）に示した様な互いに独立した関係が得られれば、本発明の手段を適用することができる。従って、この様な場合にも、本発明の作用により本発明の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係わる工作機械を示す側面図。
【図２】本発明の実施例に係わる工作機械を示す正面図。
【図３】本発明の作用を説明する簡易モデルの物理的概念図。
【図４】本発明の実施例に係わる工作機械のハードウェア構成図。
【図５】本発明の実施例に係わる数値制御装置のソフトウェア構成図。
【符号の説明】
１００ … 数値制御装置
６０ … ラム
Ｔ … 工具
Ｗ … 工作物

Claims

固定フレームと、その上に配設されたガイドレールと、そのガイドレールにより案内されリニアモータによりｘ軸方向に移動可能に配設されたガントリとから成るｘ軸方向の移動機構と、
前記ガントリ上に配設されたガイドレールと、そのガイドレールに案内されリニアモータによりｘ軸に垂直なｙ軸方向に移動可能に配設されたサドルと、このサドル上に配設されたラムと、ラム上に配設され、工具を支持した工具主軸とから成るｙ軸方向の移動機構とを有した工作機械に対して、前記ガントリと前記サドルの位置をリニアスケールにより検出してそれらの位置をサーボ制御して、前記工具を工作物の加工曲線に沿って高速に移動させるための数値制御装置であって、
前記工具にかかる加速度（ａ）による前記ｙ軸方向の移動機構の部分的弾性変形により生じる前記移動の経路の前記加工曲線からのズレを、前記ｙ軸方向に作用する加速度（ａ_y）と、前記ｙ軸方向の移動機構における可動体の質量ｍ_yと前記ｙ軸方向の移動機構の弾性率（Ｋ_y）との比に係わる関連値（Ｃ_y）に基づいて、前記加速度ａの前記ｙ軸方向成分（ａ_y）に比例する補正量（ε_y）で補正すると共に、
前記加速度（ａ）による前記ｘ軸方向の移動機構の部分的弾性変形により生じる前記移動の経路の前記加工曲線からのズレを、前記ｘ軸方向に作用する加速度（ａ_x）と、前記ｘ軸方向の移動機構における可動体の質量（ｍ_x）と前記ｘ軸方向の移動機構の弾性率（Ｋ_x）との比に係わる関連値（Ｃ_x）に基づいて、前記加速度の前記ｘ軸方向成分（ａ_x）に比例する補正量（ε_x）で補正する
位置補正手段を備えたことを特徴とする数値制御装置。
前記関連値（Ｃ_x,Ｃ_y）は、予め実験的に求められることを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
前記ｙ軸方向に作用する加速度（ａ_y）及び前記ｘ軸方向に作用する加速度（ａ_x）は、前記移動の経路を指令するＮＣデータから計算することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の数値制御装置。