JP5355693B2

JP5355693B2 - 誤差補正方法及び工作機械

Info

Publication number: JP5355693B2
Application number: JP2011523531A
Authority: JP
Inventors: 忠笠原; 一成石井
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2009-07-22
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-07-22
Also published as: JPWO2011010397A1; WO2011010397A1

Description

本発明は、複数の直線送り軸と複数の回転送り軸を有して主軸とワークテーブルとが相対移動可能に構成された工作機械の誤差を補正する誤差補正方法及び工作機械に関する。

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移動指令に従って動かしたときには機械が位置や姿勢の誤差を生じるため、工具の加工点を所定の位置に位置決めすることは難しい。このため、精度の高い加工を行う場合には、種々の方法により位置や姿勢の誤差に応じて移動指令に対する補正が行われている。位置と姿勢の誤差を補正する工作機械の従来の技術が、特許文献１で開示されている。
特許文献１には、３次元直交座標系の任意の格子点において回転送り軸の回転角度に関係付けされた位置誤差と姿勢誤差とを含むエラーマップを用いて、直線送り軸及び回転送り軸の位置誤差と姿勢誤差とを補正することが記載されている。また、段落番号００２６の第３行〜第７行には、位置誤差及び姿勢誤差について、「位置誤差３５ａは、回転送り軸Ａ，Ｃが所定の位置に位置決めされたときに生じる３次元座標値で表される位置の誤差であり、姿勢誤差３５ｂは、主軸ヘッド４とワークテーブル６との相対姿勢の誤差であって、互いに直交する回転送り軸Ａ，Ｃが所定の回転角度に位置決めされたときに生じる傾き角度で表される誤差である。」と記載されている。
この従来技術では、位置誤差や姿勢誤差に応じて移動指令に対する補正を行うことにより、所定の突き出し長さを有する工具の先端点を目標位置に精度良く位置決めすることができるものである。ここで、工具の先端点は、回転工具の軸線上に存在する点であり、ボールエンドミルのボール中心位置、又はスクエアエンドミルやラジアスエンドミルの先端位置として設定されることができる。このように、工具の先端点は、回転工具の種別などによって異なるものである。また、工具の先端点は、工具の切れ刃とワークの加工面との接触点としての加工点に一致するものではない。すなわち、工具の先端点と加工点との間にはずれがあるため、工具の先端点を基準点として補正し加工が行われると、削り過ぎを生じたり、逆に浅い切込みで加工が行われたりすることがある。

特開２００８−２６９３１６号公報

本発明の目的は、機械が姿勢誤差を有し工具の軸線が傾いている場合に、ワークの削り過ぎが生じないような誤差補正方法及び工作機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、工作機械の誤差を補正する誤差補正方法において、前記工作機械の誤差を位置誤差と姿勢誤差のエラーマップとして記憶し、使用する工具の工具種別及び工具径を含む工具情報と加工するワークの加工深さを含むワーク情報とを入力し、前記位置誤差及び前記姿勢誤差と入力された前記工具情報及び前記ワーク情報に基づいてワークの削り過ぎが生じないように送り軸の補正量を演算し、前記演算した補正量で移動指令を補正することを特徴とした誤差補正方法が提供される。
また、本発明によれば、端面と外周面とが交差するコーナ部に底刃を有する回転工具が使用され、前記姿勢誤差により前記回転工具が傾くことにより、前記底刃が前記ワークの底面を削り過ぎないように、前記底刃が前記ワークの底面から遠ざかるように、前記工作機械の直線送り軸に対する移動指令を補正する誤差補正方法が提供される。
また、本発明によれば、外周面に外周刃を有する回転工具が使用され、前記姿勢誤差により前記回転工具が傾くことにより、前記外周刃が前記ワークの壁面を削り過ぎないように、前記外周刃が前記ワークの壁面から遠ざかるように、前記工作機械の直線送り軸に対する移動指令を補正する誤差補正方法が提供される。
また、本発明によれば、複数の直線送り軸を有して主軸とワークテーブルとが相対移動可能に構成された工作機械において、前記主軸と前記ワークテーブルとの誤差を、位置誤差と姿勢誤差とを含むエラーマップとして記憶する誤差データ記憶手段と、工具がワークを削り過ぎないように、前記姿勢誤差と工具種別及び工具径を含む工具情報と加工深さを含むワーク情報とに基づいて、前記直線送り軸に対する移動指令の補正量を演算する演算部と、前記演算部で演算した補正量で前記移動指令を補正する補正部と、を具備することを特徴とした工作機械が提供される。

図１は、本発明に係るマシニングセンタの一実施形態の側面図である。
図２は、本発明に係るマシニングセンタの位置誤差及び姿勢誤差を補正する機能を備えた数値制御装置のブロック図である。
図３は、３次元座標空間の格子点を示す説明図である。
図４は、図３の各格子点に関係付けられる２次元のデータシートを示す説明図である。
図５は、エラーマップを用いた補正方法の一例を示すフローチャートである。
図６は、軸線が傾いている回転工具によりワークの壁面を削り過ぎている状態を示す説明図である。
図７は、軸線が傾いている回転工具によりワークの底面を削り過ぎている状態を示す説明図である。

以下に本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。本発明の工作機械は、本明細書で示される水平主軸を有する横形マシニングセンタに限定されるものではなく、複数の直線送り軸及び複数の回転送り軸を有する全ての工作機械、例えば、垂直主軸を有する立形マシニングセンタや、数値制御装置を備えた他の工作機械なども本発明の工作機械に含まれる。本実施形態の工作機械は、互いに直交する３つの直線送り軸であるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する工作機械本体と、工作機械本体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とを備えている。
図１には、５軸の横形マシニングセンタ１の基本的構成が示されている。横形マシニングセンタ１は、直交３軸の直線送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚと２軸の回転送り軸Ａ，Ｃを有している。
本明細書では、工作機械本体の３つの直線送り軸であるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸と、２つの回転送り軸であるＡ軸及びＣ軸とを次のように定めるものとする。主軸の軸線に直交し、紙面に垂直な方向をＸ軸とし、主軸の軸線に直交する高さ方向をＹ軸とし、主軸の軸線に一致する方向をＺ軸とする。２つの回転送り軸であるＡ軸及びＣ軸は、Ｘ軸に平行な軸周りの回転をＡ軸とし、Ｚ軸に平行な軸周りの回転をＣ軸とする。
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、Ｚ軸に平行な軸周りのＣ軸方向にサーボモータ３０により回転送り可能にブラケット５ａが設けられている。ブラケット５ａには、主軸頭４がＸ軸に平行な軸周りのＡ軸方向にサーボモータ３０により回転送り可能に設けられている。
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ワークテーブル６を備えている。ワークテーブル６にはイケール８を介してワーク７が保持されている。
主軸頭４には、所定の突出し長で、かつ、所定の直径を有する回転工具９が回転可能に保持されている。回転工具９には、各種エンドミル、ドリルなどを適用することができる。
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２に示す数値制御装置２０は、工作機械の位置誤差及び姿勢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演算部と、この演算部で演算し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に記憶された誤差データ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。
本発明は、読取解釈部２２から指令位置を取得して補正し、補正された指令位置を補間部に入力することでモータが所望の位置に移動するように構成した装置も含む。
さらに、補正データ演算手段２６は、機械が姿勢誤差を有し工具の軸線が傾いている場合に、ワークの削り過ぎを生じないようにする削り過ぎ回避手段を備えている。削り過ぎ回避手段は、姿勢誤差や、工具種別及び工具形状などの工具情報や、加工深さ（溝深さ）などのワーク情報や、加工面と工具との相対的位置関係などに基づいて、工具９がワーク７を削り過ぎないように、機械の直線送り軸に対する移動指令を補正するための補正量を演算し、補正データに加算する。
次に、図３及び図４を参照してエラーマップについて説明する。エラーマップは、図３に示すような、３次元直交座標系の各格子点３１に、図４に示すような、マトリックス状の２次元配列データ３３が関連付けされている。すなわち、エラーマップは、３次元直交座標系の各格子点３１に関連付けされた多数の２次元配列データ３３から構成されている。
各２次元配列データ３３は、横軸がＡ軸であり、縦軸がＣ軸であり、Ａ軸とＣ軸の任意の角度において計測された多数の誤差データ３４から構成されている。誤差データ３４は、位置誤差３５ａと姿勢誤差３５ｂとから構成されている。位置誤差３５ａは、回転送り軸Ａ，Ｃが所定の位置に位置決めされたときに生じる３次元座標値で表される位置の誤差である。すなわち、プログラムで指令された制御点と、実際の制御点とのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の位置の誤差である。姿勢誤差３５ｂは、主軸頭４とワークテーブル６との相対姿勢の誤差であって、互いに直交する回転送り軸Ａ，Ｃが所定の回転角度に位置決めされたときに生じる傾き角度で表される誤差である。姿勢誤差３５ｂは［Ｉ，Ｊ，Ｋ］で表され、ＩはＸ方向から見た角度の誤差、ＪはＹ方向から見た角度の誤差、ＫはＺ方向から見た角度の誤差である。
このように、誤差データ３４には、位置誤差３５ａ及び姿勢誤差３５ｂの双方を含んでいるため、この誤差データ３４に基づいて移動指令を補正することで、機械を高精度に位置決めすることができる。
図５には、位置誤差及び姿勢誤差の補正方法のフローチャートが示されている。先ず、ステップＳ０において、補間部２３から出力された位置指令から指令された指令位置及び指令姿勢を認識する。ステップＳ１では、指令位置に対応する誤差データ３４をエラーマップから取得する。ステップＳ２では、誤差データ３４の位置誤差３４ａから位置誤差を補正するための位置補正ベクトルを算出する。
一方、誤差データ３４の姿勢誤差３４ｂからは、ステップＳ５において姿勢補正値を算出する。ステップＳ６では、ステップＳ５で求めた姿勢補正値を、ステップＳ３において読み取った指令姿勢に加算して補正後の姿勢を求める。ステップＳ７では、ステップＳ６で求めた補正後の姿勢と工具の突き出し長から補正後の指令点を求める。
ステップＳ４では、ステップＳ３で読み取った指令姿勢と工具の突き出し長から補正前の指令点を求める。ステップＳ８では、ステップＳ７で求めた補正後の指令点からステップＳ４で求めた補正前の指令点を減算して姿勢誤差を補正するための指令点の位置の補正ベクトルを算出する。これを姿勢補正ベクトルと呼ぶ。
姿勢補正ベクトルは、主軸に保持されている工具を基端を制御点とした場合、制御点を支点として姿勢誤差を補正するように回転送り軸を回転させたときに、工具の先端が移動する大きさと方向を表すベクトルである。
ステップＳ９において、ステップＳ８で求めた姿勢補正ベクトルとステップＳ２で求めた位置補正ベクトルを加算する。
本発明における指令点とは工具の先端の位置（工具先端位置）のことであり、工具先端位置とは、実際の工具の先端の位置、工具の先端部の加工点の位置、ボールエンドミルの先端部の半球の中心等のことである。
前述のように工具先端位置の誤差を直線送り軸の移動のみによって補正するので、姿勢誤差３４ｂの補正をするとき回転送り軸が回転せず、補正の際、回転送り軸が大きく動いてしまう問題を回避することができる。
上述した位置誤差及び姿勢誤差の補正方法は、工具先端点を３次元座標値の位置指令、すなわち、位置補正ベクトルで移動先へ移動させることで、姿勢誤差の補正を回転送り軸を回転させることなく行うものであり、姿勢誤差そのものをゼロにするものではない。このため、機械が姿勢誤差を有している場合には、回転工具の軸線が誤差に相当する分だけ傾いたまま切削が行われることとなる。
図６及び図７には、回転工具９の軸線ＣＬが傾いたまま切削が行われている状態がそれぞれ示されている。図６に示すように、外周面に外周刃を有する回転工具９の軸線ＣＬが角度θで傾いた状態で、イケール８に支持固定されているワーク７の壁面を切削すると、ワーク７の壁面に削り過ぎが生じることがある。図６に示されている領域Ｚ１は、姿勢誤差によって過剰に切削される領域を示している。領域Ｚ１の大きさは、誤差情報としての角度θと、工具情報としての回転工具９の形状と、ワーク情報としての加工深さＬなどに基づいて決定されている。このため、Ｓ１０では、回転工具９の外周刃がワーク７の壁面を削り過ぎないように、回転工具９の外周刃がワーク７の壁面から図示例において横方向に遠ざかるように、回転工具９を少なくとも削り過ぎ補正量βだけ平行移動した位置に補正される。回転工具９の平行移動は、直線送り軸に対する移動指令を補正することにより行うことができる。
なお、姿勢誤差により回転工具９がワーク７の壁面を削り過ぎるのは、回転工具９がワーク７の壁面側に傾いている場合であり、逆の場合には回転工具９がワーク７の壁面を削り過ぎることはない。このため、加工プログラムには、壁面と回転工具９との相対的位置関係が記載されており、誤差情報、工具情報及びワーク情報に基づいて、回転工具９がワーク７の壁面を削り過ぎるか否かが判断され、削り過ぎる場合には、直線送り軸に対する移動指令が補正されるようになっている。
また、図７に示すように、端面と外周面とが交差するコーナ部に底刃を有する回転工具９の軸線ＣＬが角度θで傾いた状態で、イケール８に支持固定されているワーク７の底面を切削すると、底刃によりワーク７の底面に削り過ぎを生じる。コーナ部に底刃を有する回転工具９としては、スクエアエンドミルやラジアスエンドミルを挙げることができる。ボールエンドミルは、円弧切れ刃を有しているため、工具９の軸線ＣＬが傾いている場合であっても切れ刃がワーク７の底面に食い込むことはない。図７に示されている領域Ｚ２は、姿勢誤差によって過剰に切削される領域を示している。領域Ｚ２の大きさは、誤差情報としての角度θと、工具情報としての回転工具９の形状（直径など）と、ワーク情報としてのワーク形状などに基づいて決定されている。このため、本実施形態では、回転工具９の底刃がワーク７の底面を削り過ぎないように、回転工具９の底刃がワーク７の底面から図示例において上方向に遠ざかるように、回転工具９を少なくとも削り過ぎ補正量δだけ平行移動した位置に補正される。回転工具９の平行移動は、図６に示す加工事例と同様に、直線送り軸に対する移動指令を補正することにより行うことができる。
以上のように、本実施形態の誤差補正方法及び工作機械によれば、機械が姿勢誤差を有し工具の軸線が傾いている場合に、ワークの削り過ぎが生じないように姿勢誤差を補正することができ、高精度かつ高能率に加工を行うことができる。

１マシニングセンタ
７ワーク
９回転工具
２５誤差データ記憶手段
３３エラーマップ
６０削過ぎ回避手段
７０演算部
８０補正部

Claims

工作機械の誤差を補正する誤差補正方法において、
前記工作機械の誤差を位置誤差と姿勢誤差のエラーマップとして記憶し、
使用する工具の工具種別及び工具径を含む工具情報と加工するワークの加工深さを含むワーク情報とを入力し、
前記位置誤差及び前記姿勢誤差と入力された前記工具情報及び前記ワーク情報に基づいてワークの削り過ぎが生じないように送り軸の補正量を演算し、
前記演算した補正量で移動指令を補正することを特徴とした誤差補正方法。
端面と外周面とが交差するコーナ部に底刃を有する回転工具が使用され、前記姿勢誤差により前記回転工具が傾くことにより、前記底刃が前記ワークの底面を削り過ぎないように、前記底刃が前記ワークの底面から遠ざかるように、前記工作機械の直線送り軸に対する移動指令を補正する、請求項１に記載の誤差補正方法。
外周面に外周刃を有する回転工具が使用され、前記姿勢誤差により前記回転工具が傾くことにより、前記外周刃が前記ワークの壁面を削り過ぎないように、前記外周刃が前記ワークの壁面から遠ざかるように、前記工作機械の直線送り軸に対する移動指令を補正する、請求項１に記載の誤差補正方法。
複数の直線送り軸を有して主軸とワークテーブルとが相対移動可能に構成された工作機械において、
前記主軸と前記ワークテーブルとの誤差を、位置誤差と姿勢誤差とを含むエラーマップとして記憶する誤差データ記憶手段と、
工具がワークを削り過ぎないように、前記姿勢誤差と工具種別及び工具径を含む工具情報と加工深さを含むワーク情報とに基づいて、前記直線送り軸に対する移動指令の補正量を演算する演算部と、
前記演算部で演算した補正量で前記移動指令を補正する補正部と、
を具備することを特徴とした工作機械。