JP5355037B2 - 精度測定方法及び数値制御工作機械の誤差補正方法並びに誤差補正機能を有した数値制御工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、機械の精度を測定する精度測定方法及び数値制御工作機械の誤差補正方法並びに誤差補正機能を有した数値制御工作機械に関する。

一般に、複数の直線送り軸と複数の回転送り軸を有する多軸の工作機械においては、複数の回転送り軸を位置指令に従って動かしたときには位置や姿勢の誤差を生じるため、工具の加工点（基準位置）を所定の位置に位置決めしたり、所定の姿勢に姿勢決めしたりすることは難しいとされている。このため、精度の高い加工を行う場合には、位置や姿勢の誤差に応じて位置指令の補正が行われている。位置指令の補正を行うためには、補正の前段階として機械の誤差が正確に測定されている必要がある。誤差を測定する測定方法の従来の一例として、以下で開示されている方法が知られている。

特許文献１は、工作機械の運動精度の測定方法について開示し、段落番号［００１７］には、「本実施例において、この基準球１−１に対して変位検出手段１−２ａ、ｂはテーブル１−３及びサドル１−９の移動方向、Ｘ軸及びＹ軸方向から基準球１−１の変位を検出可能なように調整され、テーブル１−３に固定されている。運動精度測定時において前記機械は基準球１−１がテーブル１−３に固定された工作物であるかのように駆動制御され、変位検出手段１−２ａ、ｂにより検出された変位出力が運動精度として記録装置１−１１に記録される」と記載されている。

また、特許文献１には、段落番号［００１９］及び［００２０］において、運動精度測定時の機械の動きについての説明があり、「測定時の機械の動きは基準球４−１がテーブル側に固定された工作物とみなして、基準球４−１の球面上に作用素が作用するように駆動制御される。この時、機械が理想的に動けば基準球４−１が空間上でその中心回りに自転する事になり、変位検出手段４−３ａ、ｂ、ｃには基準球４−１の真球度のみが検出されることになる。しかしながら機械が理想的に動くことはなく、実際の測定では基準球４−１の真球度に機械の運動精度が重畳された形の出力が変位検出手段４−３ａ、ｂ、ｃから得られ、記録装置４−５に記録される。」と記載されている。

特開２００３−１２１１３４号公報

特許文献１で開示されている運動精度の測定方法では、基準球４−１が所定長さの部材４−２（支軸に相当）を介して機械（主軸）に取り付けられているため、基準球の変位出力（変位）には部材４−２のたわみ量が含まれたものとなり、運動精度を正確に測定できないという問題がある。

本発明は従来技術の問題点を解決することを課題としており、本発明の目的は、回転送り軸の回転動作によるテストバー（支軸付き基準球）のたわみの影響を排除でき、機械の精度を高めることができる精度測定方法及び数値制御工作機械の誤差補正方法並びに誤差補正機能を有した数値制御工作機械を提供することである。

本発明によれば、機械の精度を測定する精度測定方法において、回転送り軸を有する機械の精度を測定する精度測定方法において、前記機械の主軸又はテーブルに基準球を装着し、前記回転送り軸が基準姿勢にあるときの前記基準球の支軸のたわみ量を測定し、測定した基準球の支軸のたわみ量と前記回転送り軸の回転角度に基づいて補正値を演算し、測定値に前記補正値を加味して前記機械の精度を測定する精度測定方法が提供される。

また、本発明によれば、回転送り軸を有する数値制御工作機械の誤差補正方法において、主軸又はテーブルに支軸の先端に基準球を有するテストバーを装着し、前記回転送り軸が基準姿勢にあるときの前記テストバーのたわみ量を取得し、前記基準姿勢にあるときの前記テストバーのたわみ量からたわみ係数を算出し、前記たわみ係数と前記支軸の長さと前記回転送り軸の回転角度とを含む関係式より、任意の測定点で前記テストバーの補正値を算出し、算出された前記テストバーの補正値に基づいて前記回転送り軸の回転動作に関係する誤差を補正する数値制御工作機械の誤差補正方法が提供される。

また、本発明によれば、回転送り軸を有し、主軸とテーブルとが相対回転可能に構成された誤差補正機能を有した数値制御工作機械において、前記主軸及び前記テーブルの一方に設けられたテストバーであって、支軸の先端に基準球を有するテストバーと、前記主軸及び前記テーブルの他方に設けられた測定器とを有し、前記回転送り軸が基準姿勢にあるときの前記テストバーのたわみ量を測定する測定装置と、前記基準姿勢にあるときの前記テストバーのたわみ量から求めたたわみ係数と前記支軸の長さと前記回転送り軸の回転角度とを含む関係式より、任意の測定点で前記テストバーの補正値を算出する誤差補正値演算部と、前記誤差補正値演算部で算出された前記補正値に基づいて前記回転送り軸の回転動作に関係する誤差を補正する誤差補正部と、を具備した、誤差補正機能を有した数値制御工作機械が提供される。

本発明によれば、回転送り軸を有する工作機械は、回転送り軸が回転動作することによって位置誤差及び姿勢誤差を生じるが、回転送り軸の測定点における誤差がテストバーのたわみ量を考慮して補正されることで、回転送り軸の回転動作によるテストバーのたわみの影響を排除でき、機械の精度を高めることができる。これにより、工作機械を目標位置に正確に位置決めすることができ、高精度の加工を行うことができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。本発明に係る数値制御工作機械は、機械を加工プログラムにしたがって動作させる数値制御装置を備えている。図１には、主軸側に２つの回転送り軸を有した５軸の横形マシニングセンタの構成が示されている。図１を参照すると、マシニングセンタ１は、フロア上に設置されているベッド２と、ベッド２上でＺ軸方向に直動可能に立設されたコラム３と、コラム３に鉛直方向であるＹ軸方向に直動可能な主軸台５とを備えている。主軸台５には、ブラケット５ａがＺ軸に平行な軸周りのＣ軸方向に回転可能に支持されている。ブラケット５ａには、主軸頭４がＸ軸に平行な軸周りのＡ軸方向に回転可能に支持されている。主軸頭４には、工具を把持する主軸が回転可能に支持されている。また、マシニングセンタ１は、ベッド２上で主軸頭４に対向する位置に立設され、紙面に垂直な方向であるＸ軸方向に直動可能なテーブル６を備えている。テーブル６にはイケール８を介してワーク７が保持されている。

図２には、工作機械の送り軸の位置を制御する数値制御装置２０の構成がブロック図で示されている。図示する数値制御装置２０は、工作機械の位置誤差を補正する機能を備えたものであり、加工プログラム２１を読み取り、解釈して各送り軸の指令速度及び指令位置を演算する読取解釈部２２と、各送り軸における送りを直線補間したり、円弧補間したりするために指令位置や指令速度等に基づいて指令パルスを演算する補間部２３と、指令パルスを取得して各送り軸への位置指令を認識する位置指令認識手段２４と、測定装置５０で測定された測定データと測定点の座標とに基づいて測定点の位置誤差を演算する空間誤差演算部４１と、を備えている。ここで、測定装置５０は、回転送り軸を備えた主軸に設けられたテストバー５１であって、支軸４０の先端に基準球５２を有するテストバー５１と、イケール８に設けられた測定器であって、直交する３軸方向で基準球５２の位置を測定する非接触測定器５５とを有しているが、本実施の形態に制限されるものではなく、回転送り軸がテーブル６に備わる場合はイケール８にテストバー５１を装着し、主軸に測定器５５を備えることも可能である。

本発明に係る数値制御装置２０は、誤差演算部４１で求めた位置誤差を補正して空間誤差を小さくするための誤差補正値演算部４２と誤差補正部４３とをさらに備えている。主軸に装着するテストバー５１は所定長さの支軸４０を有しているため、回転送り軸を回転動作させて誤差を測定した際に、誤差にはテストバー５１のたわみが含まれるものとなるが、数値制御装置２０が誤差補正値演算部４２と誤差補正部４３を備えることで、テストバー５１のたわみが誤差に含まれることを排除することができる。

誤差補正値演算部４２では、回転送り軸を基準姿勢にしたとき、すなわち回転送り軸の軸線を水平にしたときのテストバー５１のたわみ量から求めたたわみ係数Ｑと、テストバー５１の支軸４０の長さと、回転送り軸の回転角度とを含む関係式、すなわち下記の数３より、回転送り軸を回転させたときの任意の測定点でテストバー５１の補正値、すなわちたわみ量δを算出する。

ここで、図３について説明すると、（ａ）は支軸４０の長さが短いテストバー５１の基準姿勢におけるたわみ量を測定している状態を示し、（ｂ）は支軸４０の長さが長いテストバー５１の基準姿勢におけるたわみ量を測定している状態を示し、（ｃ）は回転送り軸を回転させたときの任意の測定点において、数３で求めた支軸４０の長さが短いテストバー５１のたわみ量を示し、（ｄ）は回転送り軸を回転させたときの任意の測定点において、数３で求めた支軸４０の長さが長いテストバー５１のたわみ量を示す説明図である。

たわみ係数Ｑは、支軸４０の長さに依存しない係数として、数１のたわみの式を変形して、数２に示すように得ることができる。数３で算出した指令姿勢におけるたわみ量δからＸＹＺ軸の各軸方向成分（δx，δy，δz）を求め、誤差補正部４３において、誤差演算部４１で演算した誤差データに加算され、誤差が補正される。数１において、δはたわみ量、Ｗはテストバーの重さ、Ｌは支軸の長さ、Ｅはヤング率、Ｉは断面二次モーメントである。数３において、Ｃは第１の回転送り軸の指令角度、Ａは第２の回転送り軸の指令角度である。

図４は、回転送り軸の回転動作に関係する位置誤差を補正するフローチャートが示されている。ステップＳ１で機械精度測定処理を開始し、ステップＳ２でテストバーのたわみ量を考慮せずに位置誤差データを誤差演算部４１で演算する。ステップＳ３では、回転送り軸の軸線を水平にしたときのテストバー５１のたわみ量を予め実測しておく。ステップＳ４では回転送り軸の軸線を傾けたときのテストバー５１のたわみ量を数３で算出し、ステップＳ５においてステップＳ２で求めた誤差にステップＳ４で求めたたわみ量を加算し、ステップＳ６で位置指令を補正する補正量を計算する。

また、数値制御装置２０は、誤差補正部４３で補正された位置誤差及び姿勢誤差を直線送り軸の位置及び回転送り軸の回転角度に対応させて記憶する誤差データ記憶手段２５と、位置指令と誤差データ記憶手段２５に記憶された誤差とから位置指令を補正するための補正データを演算する補正データ演算手段２６と、補正データに基づいて位置指令を補正する補正パルスを求める補正パルス演算手段２７と、指令パルスと補正パルスとを加えたパルスをサーボ部２９に出力する加算手段２８とを備えている。

各送り軸のモータ３０は、サーボ部２９によって増幅された駆動電流によって駆動され、各送り軸を移動させるようになっている。サーボ部２９は、モータ３０からの速度フィードバックと図示しない位置検出装置からの位置フィードバックとに基づいて各送り軸が所望の速度で所望の位置に移動するように制御している。

次に、誤差データ記憶手段２５に記憶される誤差データが位置誤差と姿勢誤差からなる他の形態について説明する。図５に示すように、誤差データ記憶手段２５に記憶される誤差データは、エラーマップの形式で記憶されることができる。エラーマップは、図６に示すように直交座標系の直線送り軸Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向の所望の位置にある各格子点３１を設定し、各格子点３１のそれぞれに、回転送り軸の回転角度に対応した２次元配列データ３３を関連付けすることにより作成される。すなわち、エラーマップは、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｃの各送り軸を所望の測定点に位置決めして測定した５次元配列のデータで構成されている。誤差データ３４は、位置誤差３４ａと姿勢誤差３４ｂとから構成されている。

ここで、位置誤差３４ａとは、主軸とテーブル６との相対位置の誤差であって、送り軸を所定の位置又は回転角度に位置決めしたときに生じる３次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）で表される位置の誤差である。すなわち、位置指令で指令された理論的な位置と、実際の位置との差が位置誤差である。姿勢誤差３４ｂとは、主軸とテーブル６との相対姿勢の誤差であって、送り軸を所定の位置又は回転角度に位置決めしたときに生じる傾き角度で表される誤差である。すなわち、位置指令で指令された理論的な傾きと、実際の傾きとの差が姿勢誤差である。

次に、主軸側に回転送り軸Ａ，Ｃを有する工作機械の位置誤差３４ａ及び姿勢誤差３４ｂを測定する測定方法の一例について説明する。図７、図８に示すように、測定装置５０は、主軸回転型の工作機械の主軸に支軸４０を介して装着され、外形寸法及び制御点から球中心Ｐ１、Ｐ２までの距離Ｌ１、Ｌ２が既知の基準球５２と、テーブル６に固定されているイケール８に装着され、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に非接触測定器５５を有した測定器ブラケット５３とを備えている。

測定は、各回転送り軸Ａ、Ｃの測定範囲を等ピッチ又は不等ピッチで分割し、その各分割点（測定点）で基準球５２の中心位置を維持するように直線送り軸を同時に動作させ、測定する。先ず、基準球５２の中心位置Ｐ１を、互いに直交する各方向Ｘ、Ｙ、Ｚで、非接触測定器５５を有する測定装置５０により測定する。実際の姿勢と制御点を求めるために、図３に示すように、長さが異なる支軸４０の先端に基準球５２を備えたテストバー５１を装着して、基準球５２の中心位置を測定する。長さの異なるテストバー５１を装着して基準球５２の位置を測定することで主軸とテーブル６の相対姿勢を求めることができる。長さの異なるテストバー５１を２本使用する代わりに長さを調節することができるテストバーを用いることもできる。

次に、位置誤差と姿勢誤差の演算方法について説明する。先ず、姿勢誤差を以下のように求める。回転送り軸Ａ、Ｃの回転角度の指令値から指令された主軸とテーブル６の相対的な傾きを求める。ここでは主軸の回転軸線とイケ−ル８のワーク取り付け面に垂直な線とのなす角度を主軸とテーブル６の相対姿勢としている。測定した２箇所の基準球５２の中心位置Ｐ１、Ｐ２からＰ１及びＰ２を通る線とイケ−ル８のワーク取り付け面に垂直な線とのなす角度を求め、これを実際の主軸とテーブル６の相対的な傾きとする。指令された主軸とテーブル６の相対的な傾きと実際の主軸とテーブル６の相対的な傾きとの差を求め、これを姿勢誤差とする。姿勢誤差はＸ軸方向から見たＺ軸に対する角度の差ｉ、Ｙ軸方向から見たＺ軸に対する角度の差ｊ、Ｚ軸方向から見たＹ軸に対する角度の差ｋで表す。

位置誤差を以下のように求める。本実施の形態では制御点を第１の回転送り軸Ｃの回転中心と第２の回転送り軸Ａの回転中心との交点に設定しているので、回転送り軸がどの回転角度であっても理論的な制御点の位置は変わらない。そこで、直線送り軸Ｘ、Ｙ、Ｚの指令値から指令された制御点の位置を求める。ここで制御点の位置とはテーブル６の基準点と主軸の制御点との相対的な位置のことである。前述の姿勢誤差を求める工程で求めたＰ１及びＰ２を通る線上で、Ｐ２からＰ１の方向にＬ２の距離にある点の位置を求め、これを実際の制御点の位置とする。指令された制御点の位置と実際の制御点の位置との間のベクトルを求め、これを位置誤差とする。位置誤差のベクトルは、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の成分に分けられ、（ｘ，ｙ，ｚ）の形で表す。

以上のようにして求めた位置誤差（ｘ，ｙ，ｚ）と、姿勢誤差（ｉ，ｊ，ｋ）を回転送り軸Ａ，Ｃの測定点に関連づけることにより、図５に示すようなエラーマップを作成することができる。長さの異なるテストバー５１を用いて位置誤差と姿勢誤差を含むエラーマップを作成する際には、テストバー５１のたわみ量が測定誤差として位置誤差及び姿勢誤差に含まれることとなるが、本発明による方法で長さの異なるテストバー５１のたわみ量を考慮することで、測定誤差を小さくすることができる。そして、テストバー５１のたわみ量を考慮したエラーマップに基づいて位置指令を補正することで、工具先端位置を目標位置に高精度に位置決めすることができ、高精度に加工することができる。

なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明に係る数値制御工作機械の実施の形態を示す側面図である。 本発明に係る数値制御装置の実施の形態を示すブロック図である。 （ａ）は短いテストバーの基準姿勢におけるたわみ量を測定している状態を示し、（ｂ）は長いテストバーの基準姿勢におけるたわみ量を測定している状態を示し、（ｃ）は回転送り軸を回転させたときの任意の測定点における短いテストバーのたわみ量を示し、（ｄ）は回転送り軸を回転させたときの任意の測定点における長いテストバーのたわみ量を示す説明図である。 回転送り軸の回転動作に関係する位置誤差を補正するフローチャートである。 ２次元配列データを示す説明図である。 ３次元座標の格子点を示す説明図である。 工具の先端に装着された基準球を、イケールに装着された測定装置で測定している状態を示す説明図である。 長さの異なる支軸を有した基準球の測定範囲をＹ軸方向からみた図である。

符号の説明

１ マシニングセンタ
２０ 数値制御装置
３１ 格子点
３３ ２次元配列データ
３４ 誤差データ
３４ａ 位置誤差
３４ｂ 姿勢誤差

Claims (3)

1. 回転送り軸を有する機械の精度を測定する精度測定方法において、
   前記機械の主軸又はテーブルに基準球を装着し、
   前記回転送り軸が基準姿勢にあるときの前記基準球の支軸のたわみ量を測定し、
   測定した基準球の支軸のたわみ量と前記回転送り軸の回転角度に基づいて補正値を演算し、
   測定値に前記補正値を加味して前記機械の精度を測定することを特徴とした精度測定方法。
2. 回転送り軸を有する数値制御工作機械の誤差補正方法において、
   主軸又はテーブルに支軸の先端に基準球を有するテストバーを装着し、
   前記回転送り軸が基準姿勢にあるときの前記テストバーのたわみ量を取得し、
   前記基準姿勢にあるときの前記テストバーのたわみ量からたわみ係数を算出し、
   前記たわみ係数と前記支軸の長さと前記回転送り軸の回転角度とを含む関係式より、任意の測定点で前記テストバーの補正値を算出し、
   算出された前記テストバーの補正値に基づいて前記回転送り軸の回転動作に関係する誤差を補正することを特徴とした数値制御工作機械の誤差補正方法。
3. 回転送り軸を有し、主軸とテーブルとが相対回転可能に構成された誤差補正機能を有した数値制御工作機械において、
   前記主軸及び前記テーブルの一方に設けられたテストバーであって、支軸の先端に基準球を有するテストバーと、前記主軸及び前記テーブルの他方に設けられた測定器とを有する測定装置と、
   基準姿勢にあるときの前記テストバーのたわみ量から求めたたわみ係数と前記支軸の長さと前記回転送り軸の回転角度とを含む関係式より、任意の測定点で前記テストバーの補正値を算出する誤差補正値演算部と、
   前記誤差補正値演算部で算出された前記補正値に基づいて前記回転送り軸の回転動作に関係する誤差を補正する誤差補正部と、
   を具備することを特徴とした誤差補正機能を有した数値制御工作機械。

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