JP3684137B2 - 工作機械の位置決め誤差補正方法及び補正装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＮＣ工作機械において案内面上を移動する移動体に取り付けた工具又は工作物のいずれか一方の位置決め誤差を補正する技術に関するものであり、更に詳しくは移動体と案内面との特定位置での距離を計測して工具又は工作物の位置決め誤差を補正する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械において案内面上を移動体例えばテーブル或いは往復台等を移動させる場合、案内面と移動体との接触部分での摩耗や摩擦抵抗を減少させるために、通常潤滑剤としての油を案内面上に供給する。このとき潤滑剤としての油は案内面上に油膜を形成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術で述べた案内面上の油膜は、その厚さが機械の運転状態・環境温度により変化し、また移動体の各位置でそれぞれ異なる厚さとなる。そのため移動体の各位置で案内面と移動体との距離に差が生じ移動体が傾斜し、移動体上の工具又は工作物が変位して位置決めに誤差が生じ、位置決め精度に影響を与えるという問題を有していた。そしてこの問題に対し全く対策が施されていなかった。本発明は従来の技術の有するこのような問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは案内面上の油膜厚さの差により移動体と案内面との距離が異なることにより工具又は工作物の位置の位置決めに生じる誤差を補正する方法及び装置を提供しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載された本発明の方法は、ＮＣ工作機械の移動体上に工具又は工作物のいずれか一方を取り付けて移動位置決めする際の工具又は工作物のいずれか一方の位置の位置決め誤差を補正する方法であって、案内面における移動体の少なくとも２位置での案内面との距離を計測し、該距離から工具又は工作物のいずれか一方の位置の前記２位置を含む平面での変位位置を求め、更に該変位位置に応じた補正量を求め、移動体に該補正量による補正送りを行わせるものである。
請求項１の発明の方法によれば案内面上の少なくとも２位置での移動体との距離を計測し、該距離から工具又は工作物の変位位置を求めて、移動体に補正送りを行うようになしたので、工具又は工作物が変位位置にあっても正確な加工を行うことが出来る。
【０００５】
また、請求項２に記載された本発明の装置は、ＮＣ工作機械の移動体上に工具又は工作物のいずれか一方を取り付けて移動位置決めする際の工具又は工作物のいずれか一方の位置の位置決め誤差を補正する装置であって、ベッドの案内面上を移動する移動体と、前記移動体の少なくとも２位置に設けられた案内面との距離を計測する変位センサと、該変位センサの出力をもとに前記工具又は工作物のいずれか一方の変位位置を演算する演算回路と、該演算回路の出力に応じた補正量を演算する演算回路とを含み、移動体に前記補正量による補正送りをＮＣ装置で行わせるものである。
【０００６】
また、請求項３に記載された本発明の装置は、前記２位置は移動体の進行方向に離れた２位置である。
また、請求項４に記載された本発明の装置は、前記２位置は移動体進行方向と直角方向の離れた２位置である。
請求項１，３，４の発明によれば、機械自体には補正のための装置を全く付加することなく、制御回路のみにて正確な加工を行わせることが出来る。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態として、ＮＣ旋盤の刃物台に取り付けた工具の刃先位置の位置決め誤差を補正する場合について図面に基づいて説明する。
図１乃至図３は本発明を適用するＮＣ旋盤の刃物台部分の概略説明図である。旋盤のベッド１の上面には作業者に近い側と遠い側とに水平Ｚ軸方向に延びる２本の平行な案内面１ａ，１ｂが設けられている。案内面１ａ，１ｂ上にはＺ軸方向に移動位置決め可能に移動体としての往復台２が載せられていて、往復台２の下面にはナット３が取り付けられている。ナット３はベッド１にＺ軸方向に軸架されたボールねじ４と螺合されている。ボールねじ４はベッド１の外端に取着されたサーボモータ５により回転駆動制御させられる。
【０００８】
往復台２の上面には刃物台ユニット６が設けられていて、この刃物台ユニット６に工具Ｔが取り付けられている。そして図示しない主軸の先端に取着されたチャックに把持されている工作物に加工を施す。刃物台ユニット６は一般には往復台２上をＺ軸に直角なＸ軸方向に移動位置決め可能な中台、中台上に固着された刃物台、刃物台の主軸側端面に取り付けられたＺ軸に平行な旋回軸回りに旋回割出しを行い工具Ｔをクランプするタレットから構成されている。
そして刃物台ユニット６は往復台２に設けられたサーボモータ７により中台が図示しないボールねじ及びナットを介してＸ軸方向に移動位置決めされることにより加工領域に移動される。
【０００９】
往復台２のベッド案内面１ａ，１ｂとの接触面には、往復台２と案内面１ａ，１ｂとの距離を計測する変位センサ１１乃至１６が取り付けられている。変位センサ１１と１２は往復台２の裏面でベッド１の案内面１ａ上面と接触する位置にＺ方向に距離ａｚをおいて設けられている。変位センサ１３と１４は往復台２の裏面でベッド１の案内面１ｂ上面と接触する位置にＺ方向に距離ａｚをおいて設けられている。変位センサ１５と１６は往復台２の内側面でベッド１の案内面１ｂの外側面と接触する位置にＺ方向に距離ａｚをおいて設けられている。なお変位センサとしては、例えば渦電流型，静電容量型などの非接触変位センサを用いることができる。
往復台２と案内面１ａ，１ｂとの間には潤滑油が供給され、その潤滑油の油膜厚さにより往復台は浮上させられて、工具Ｔの刃先位置決め精度に悪影響を及ぼす。油膜厚さは機械の運転状態即ち工具に加わる切削力、工具の送り速度、工具の切り込み深さ、主軸の回転数、潤滑油の供給状態、更には環境温度等により変わる。
【００１０】
次に補正値の算出方法を図４，図５，図６にもとづき説明する。
先ず変位センサ１１と変位センサ１３の計測値を用いて工具Ｔの刃先位置の補正値を算出する。
【００１１】
図４において、変位センサ１１と変位センサ１３がＸ軸方向に寸法ａｘ離れていて、変位センサ１３の位置から工具Ｔの刃先位置まで直線にて寸法ｂｘあるものとする。そして変位センサ１３の位置において工具Ｔの刃先位置が水平基準線に対して仰角αを有しているものとし、このときの工具Ｔの刃先位置をＴ１とする。この状態で案内面１ａ，１ｂに潤滑油を供給し、往復台２の前進で案内面１ａ側は油膜が厚くなり油膜厚さに差ができ、変位センサ１１側が持ち上がったとするそして変位センサ１１の計測値と変位センサ１３の計測値に寸法ｈｘの差が生じ、この寸法ｈｘにより刃物台ユニット６が角度θｘ傾いたものとする。角度θｘはｓｉｎθｘ＝ｈｘ／ａｘから求めることができる。
【００１２】
ここに寸法ａｘは既知数であり、寸法ｈｘは計測値の差として求めた変位値である。そしてこの傾きにより工具Ｔの刃先位置がＴ１位置からＴ２位置に変位することになる。変位センサ１３からＴ１位置までのＸ軸方向の寸法はａｘ、変位センサ１３からＴ２位置までのＸ軸方向の寸法はｂｘ・ｃｏｓ（αｘ＋θｘ）、従って工具Ｔの刃先のＴ１位置からＴ２位置までのＸ軸方向変位量ｘは、
ｘ＝ａｘ−ｂｘ・ｃｏｓ（αｘ＋θｘ）……………………………（１）
工具Ｔの刃先のＴ１位置における水平基準線からのＹ軸方向寸法は、ｂｘ・ｓｉｎαｘ、工具Ｔの刃先のＴ２位置における水平基準線からのＹ軸方向寸法は、ｂｘ・ｓｉｎ（αｘ＋θｘ）。従って工具Ｔの刃先のＴ１位置からＴ２位置までのＹ軸方向変位量ｙは、
ｙ＝ｂｘ・ｓｉｎ（αｘ＋θｘ）−ｂｘ・ｓｉｎαｘ
ｙ＝ｂｘ｛ｓｉｎ（αｘ＋θｘ）−ｓｉｎαｘ｝……………………（２）
である。
【００１３】
通常、旋盤において旋削加工を行う場合には工具Ｔの刃先のＹ軸方向位置は工作物の心高位置と一致させる。図５は工具Ｔの補正量を模式的に示した図であり、工作物の中心０と同じ心高位置に工具Ｔの変位前の刃先位置がＴ１として示されている。そして刃物台ユニット６が油膜により浮き上がったときの刃先位置がＴ２として示されている。刃先位置Ｔ１において旋削加工を行うと、加工後の工作物の半径は正しい寸法ｒとなる。しかし工具Ｔが刃先位置Ｔ２に変位した状態で旋削加工を行うと、加工後の工作物の半径は大きい寸法Ｒとなり、寸法ｒよりも大径の工作物となる。
【００１４】
そこで工具ＴのＹ軸方向変位に起因する補正量δを次の数式に示す。
【数１】

従って工具ＴのＸ軸方向全補正量は、次の数式となる。
【数２】

ここにｘ，ｙは上述の式（１）（２）の如く求められるので工作物の半径に応じて全補正量を求めることが出来る。
【００１５】
次にサーボモータ７にＸ軸方向の補正送りの指令を発する回路図について図６をもとに説明する。
変位センサ１１と１３の計測値を受けて演算回路２１では、案内面１ａと１ｂにおける往復台２と案内面１ａ，１ｂとの距離の寸法差ｈｘを算出し、演算回路２２に送る。演算回路２２は演算回路２１の出力ｈｘ及び設定器２３に設定された変位センサ１１と１３の距離ａｘを受けて往復台２の傾き角θｘを算出し、演算回路２４と演算回路２７に送る。演算回路２４は演算回路２２の出力角度θｘ、設定器２３の設定値ａｘ、設定器２５に設定された変位センサ１３の位置から工具Ｔの刃先位置までの距離ｂｘ及び設定器２６に設定された変位センサ１３の位置における工具Ｔの刃先位置Ｔ１の水平面に対する仰角αｘを受けて工具Ｔの刃先Ｔ１位置とＴ２位置でのＸ軸方向変位量ｘを算出し、演算回路２８に送る。〔ｘは式（１）に示す〕
【００１６】
演算回路２７は演算回路２２の出力角度θｘ、設定器２５の設定値ｂｘ及び設定器２６の設定値αｘを受けて工具Ｔの刃先Ｔ１位置とＴ２位置でのＹ軸方向変位量ｙを算出し、演算回路２８に送る。〔ｙは式（２）に示す。〕
演算回路２８は演算回路２４の出力ｘ、演算回路２７の出力ｙ及び設定器２９に設定された工作物の加工寸法の半径値ｒを受けて工具ＴのＸ軸方向全補正量ｘ＋δを算出して制御部２９に送る。制御部２９は演算回路２８の出力である全補正量ｘ＋δを受けてサーボモータ駆動部３０にＸ軸方向の補正送りの指令信号を出力し、サーボモータ７を駆動制御する。
【００１７】
次に変位センサ１１と変位センサ１２の計測値を用いて工具Ｔの刃先位置の補正値を算出する場合について述べる。
図７において変位センサ１１と変位センサ１２がＺ軸方向に寸法ａｚ離れていて、変位センサ１２の位置から工具Ｔの刃先位置まで直線にて寸法ｂｚにあるものとする。そして変位センサ１２の位置において工具Ｔの刃先位置が水平基準線に対し仰角αｚを有しているものとする。このときの工具Ｔの刃先位置はＴ１である。この状態で案内面１ａ，１ｂに潤滑油を供給し、往復台２の前進で前側と後側の油膜厚さに差ができ変位センサ１１側が持ち上がったとする。そして変位センサ１１の計測値と変位センサ１２の計測値に寸法ｈｚの差が生じ、この寸法ｈｚにより刃物台ユニット６が角度θｚ傾いたものとする。角度θｚはｓｉｎθｚ＝ｈｚ／ａｚから求めることが出来る。ここに寸法ａｚは既知数であり、寸法ｈｚは計測値の差として求めた値である。
【００１８】
図７に示す如くこの傾きで工具Ｔの刃先位置がＴ１位置からＴ４位置に変位することになる。Ｔ１位置とＴ４位置のＹ軸方向変位量ｙｚは、
ｙｚ＝ｂｚ｛ｓｉｎ（αｚ＋θｚ）−ｓｉｎαｚ｝……………………（４）
従って工具ＴのＸ軸方向補正量δｚは、次のような数式となる。
【数３】

尚この場合Ｔ１位置とＴ４位置は図５に示す如く同一垂直面内にあり、Ｘ軸方向変位量としてのｘの値は零である。従って回路図としては図６において演算回路２４を不要とした形となる。
【００１９】
次に変位センサ１５と変位センサ１６の計測値を用いて工具Ｔの刃先位置の補正値を算出する場合について述べる。
図８，図９において変位センサ１５と変位センサ１６がＺ軸方向に寸法ａｚ離れていて、変位センサ１５と変位センサ１６からｙｘの高さ位置に工具Ｔの刃先位置Ｔ１があるものとする。また、工具Ｔの刃先位置Ｔ１と変位センサ１５とはＸ軸方向にＣｘの距離を有しているものとする。
【００２０】
変位センサ１５と変位センサ１６と刃先位置Ｔ１の３点の位置を用いて図８に示す直方体３１を想定する。案内面１ａ，１ｂに潤滑油を供給し、往復台２の前進で案内面側面の前側の油膜が後側の油膜よれ厚くなり油膜厚さの差により変位センサ１５の計測値と変位センサ１６の計測値に寸法ｈの差が生じたとすると、想定した直方体は計測センサ１６の位置における垂直線３２を中心としてこの寸法ｈにより刃物台ユニット６が水平面内にて角度θ傾くことになる。角度θは、ｓｉｎθ＝ｈ／ａｚから求めることだ出来る。ここに寸法ａｚは既知数であり、寸法ｈは計測値の差として求めた値である。
【００２１】
図９に示す如くこの傾きで工具Ｔの刃先位置はＴ１位置からＴ５位置に水平に変位することになる。即ち工具Ｔは工作物の中心に対し心高を変えることなく変位することになり、この状態を図５に示す。変位センサ１５とＴ５位置とのＸ軸方向の寸法は、ｃｘ・ｃｏｓθ、従って工具ＴのＸ軸方向補正量Ｘｘは、
Ｘｘ＝ｃｘ＋ｈ−ｃｘ・ｃｏｓθ……………………（６）
となる。
尚この場合工具ＴはＹ軸方向に変位しないためＹ軸方向変位に起因するＸ軸方向補正量δｘは零である。
【００２２】
次に変位センサ１５と１６を用いた場合におけるサーボモータ７にＸ軸方向の補正送り指令を発する回路図を図１０にもとづき説明する。
変位センサ１５と１６の計測値を受けて演算回路４１では案内面１ｂの側面における往復台２と案内面１ｂとの距離の寸法差ｈを算出し、演算回路４２に送る。演算回路４２は演算回路４１の出力ｈ及び設定器４３に設定された変位センサ１５と１６の距離ａｚを受けて往復台２の水平面内での傾き角θをｓｉｎθ＝ｈ／ａｚより算出し演算回路４４に送る。
【００２３】
演算回路４４は演算回路４２の出力角度θ及び設定器４５に設定された想定直方体３１のＸ軸方向の辺長さｃｘを受けて変位センサ１５と工具刃先位置Ｔ５とのＸ軸方向の寸法ｃｘ・ｃｏｓθを算出し演算回路４６に送る。演算回路４６は演算回路４４の出力ｃｘ・ｃｏｓθ、設定器４５の設定値ｃｘ及び演算回路４１の出力ｈを受けて工具ＴのＸ軸方向補正量Ｘｘを算出して制御部２９に送る。〔Ｘｘは式（６）に示す。〕 制御部２９は演算回路４６の出力である補正量Ｘｘを受けて、サーボモータ駆動部３０にＸ軸方向の補正送り指令信号を出し、サーボモータ７を駆動制御する。
【００２４】
上記説明においては変位センサ１１と１３によるＸＹ面内での工具Ｔの変位、変位センサ１１と１２によるＺＹ面内での工具Ｔの変位、変位センサ１５と１６によるＸＺ面内での工具Ｔの変位について、それぞれ独立して述べた。
しかしこれら各変位を総合して複合した変位量として補正を行うことにより一層正確に工具Ｔの刃先を工作物に位置決めすることが出来て、精密加工を実現することが可能となる。
【００２５】
次に他の実施例として本発明をマシニングセンタに適用した場合について図１１にもとづいて説明する。
マシニングセンタのベース５１は上面がＴ字状をなしていて、水平面上にはＺ軸方向に平行な２本の案内面５１ａ，５１ｂを有している。またＸ軸方向に平行な２本の案内面５１ｃ，５１ｄを有している。
２本の案内面５１ａ，５１ｂ上にはＺ軸方向に移動位置決め可能にコラム５２が取り付けられている。コラム５２の２本の案内面５１ｃ，５１ｄ側側面には垂直に２本の案内面５２ａ，５２ｂが設けられていて、この２本の案内面５２ａ，５２ｂ上を垂直方向に昇降位置決め可能に主軸頭５３が設けられている。
【００２６】
主軸頭５３には案内面５１ａ，５１ｂに平行に主軸５４が回転割出し可能に軸承されていて、主軸５４の先端に図示しない工具が装着されている。ベース５１上面の２本の案内面５１ｃ，５１ｄ上には移動体としてのテーブル５５がＸ軸方向に移動位置決め可能に設けられている。テーブル５５上には旋回割出し可能に旋回台５６が取り付けられている。旋回台５６上には工作物を取着するパレット５７が載置されている。そしてパレット５７に取着された工作物が前記工具によって加工される。以上は一般的な横型マシニングセンタの構成である。
【００２７】
テーブル５５の下面でベース案内面５１ｃ，５１ｄとの接触面にはテーブル５５と案内面５１ｃ，５１ｄとの距離を計測する変位センサ５８乃至６１が取り付けられている。そしてテーブル５５の移動時に案内面５１ｃ，５１ｄに供給される潤滑油の油膜によりテーブル５５が浮上させられる。このとき油膜厚さの差によりパレット５７上に取着された工作物の位置が変位する。この変位による工作物の位置決め誤差の補正は上述の工具刃先位置の位置決め誤差補正と同様に行う。
【００２８】
尚コラム５２の下面でベース案内面５１ａ，５１ｂとの接触面にはコラム５２と案内面５１ａ，５１ｂとの距離を計測する図示しない変位センサが取り付けられている。また、主軸頭５３のコラム案内面５２ａ，５２ｂとの接触面には主軸頭５３と案内面５２ａ，５２ｂとの距離を計測する図示しない変位センサが取り付けられている。そしてコラム５２，主軸頭５３も位置決め誤差の補正が行われる。
このように本発明の位置決め誤差補正方法及び装置はＮＣ旋盤の刃物台に限らずマシニングセンタ，研削盤など工作機械の工具又は工作物の位置決めに広く適用可能であることは言うまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので次に記載する効果を奏する。
請求項１に記載の方法の発明は、案内面上の少なくとも２位置での移動体との距離を計測し、該距離から工具又は工作物の変位位置を求めて、移動体に補正の送りを行うようになしたので、工具又は工作物が変位位置にあっても正確な加工を行うことができる。
【００３０】
また請求項２，３，４に記載の装置は機械自体に補正のための装置を全く付加することなく、制御回路のみにて正確な加工を行わせることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した旋盤の概略説明図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ矢視図である。
【図４】変位センサ１１と１３を用いた場合の補正量算出説明図である。
【図５】Ｘ軸方向の補正量算出説明図である。
【図６】変位センサ１１と１３を用いた場合の補正送り指令回路図である。
【図７】変位センサ１１と１２を用いた場合の補正量算出説明図である。
【図８】変位センサ１５と１６を用いた場合の変位説明図である。
【図９】変位センサ１５と１６を用いた場合の補正量算出説明図である。
【図１０】変位センサ１５と１６を用いた場合の補正送り指令回路図である。
【図１１】本発明を適用した他の実施例の概略説明図である。
【符号の説明】
１ ベッド １ａ，１ｂ 案内面
１１〜１６ 変位センサ
２４，２７，２８，４６ 演算回路
Ｔ 工具 Ｔ１〜Ｔ５ 工具刃先位置

Claims (4)

1. ＮＣ工作機械の移動体上に工具又は工作物のいずれか一方を取り付けて移動位置決めする際の工具又は工作物のいずれか一方の位置の位置決め誤差を補正する方法であって、案内面における移動体の少なくとも２位置での案内面との距離を計測し、該距離から工具又は工作物のいずれか一方の位置の前記２位置を含む平面での変位位置を求め、更に該変位位置に応じた補正量を求め、移動体に該補正量による補正送りを行わせることを特徴とする工作機械の位置決め誤差補正方法。
2. ＮＣ工作機械の移動体上に工具又は工作物のいずれか一方を取り付けて移動位置決めする際の工具又は工作物のいずれか一方の位置の位置決め誤差を補正する装置であって、ベッドの案内面上を移動する移動体と、前記移動体の少なくとも２位置に設けられ案内面との距離を計測する変位センサと、該変位センサの出力をもとに前記工具又は工作物のいずれか一方の変位位置を演算する演算回路と、該演算回路の出力に応じた補正量を演算する演算回路とを含み、移動体に前記補正量による補正送りをＮＣ装置で行わせることを特徴とする工作機械の位置決め誤差補正装置。
3. 前記２位置は移動体の進行方向に離れた２位置である請求項２に記載の工作機械の位置決め誤差補正装置。
4. 前記２位置は移動体進行方向と直角方向の離れた２位置である請求項２に記載の工作機械の位置決め誤差補正装置。

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