JP5491312B2 - 多軸工作機械の幾何誤差の計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、多軸工作機械において幾何誤差を計測し補正するための幾何誤差の計測方法（同定方法）に関するものである。

工作機械として、能率の高い加工や複雑な形状のワークの加工を行う目的で従来の３軸マシニングセンタに回転軸や旋回軸を付加した５軸マシニングセンタ等の多軸工作機械が知られており、そのような多軸工作機械における加工精度の向上が望まれている。

多軸工作機械においては、一般的に、軸数が増えると、組み付けの精度が悪化し、加工精度が悪くなる傾向にあるが、組み付けの精度の向上には限界があるため、隣り合う軸間の傾きや位置誤差といった所謂幾何誤差を計測し、その幾何誤差を補正することによって加工精度を向上させる補正システムが開発されている。

幾何誤差を計測（同定）する手法として、従来は、変位計と直角スコア等の複数の計測対象をセッティングしてそれらの計測対象の所定部分の計測結果に基づいて幾何誤差を求める方法や、ボールバーを用いて同時２軸および同時３軸円弧動作を計測したときの計測結果を用いて幾何誤差を求める方法（特許文献１）が利用されていたが、どちらも高価な測定器が必要である上、計測者の技量により結果が異なったものとなる等の不具合があった。

そのため、高価な測定器を必要とせず計測者の技量に左右されない幾何誤差の同定方法として、工作機械の主軸にタッチプローブを付け、テーブルにターゲット（被計測治具）となる球を設置して、自動で旋回軸や回転軸の割出動作を複数回行い、各割出条件でターゲットの位置を計測し、それらの計測結果に基づいて幾何誤差を自動的に求める（同定する）計測方法が開発されている。

特開２００４−２１９１３２号公報

しかしながら、上記した計測方法で用いるターゲットは、実際のワークの加工時には干渉対象となるため、幾何誤差計測を行う際にテーブル等に取り付け、計測が完了するとテーブルから取り外す必要がある。取り外しを容易にするためにマグネットにより固定するターゲットも開発されているが、そのようなターゲットを用いると、計測中にターゲットが動いてしまう可能性がある。ところが、計測中にターゲットが動いても、タッチプローブの計測範囲内であれば計測可能な状態が維持されてしまうため、計測結果に、ターゲットの位置の変動量も含まれてしまうこととなる。そして、そのようにターゲットの位置の変動量が含まれたまま幾何誤差を同定すると、同定結果に不測の誤差が生じ、そのような同定結果を用いて幾何誤差補正システムで補正を行うと、加工精度を向上させることができないばかりか、却って悪化させてしまう事態も起こり得る。

本発明の目的は、上記従来の計測方法が有する問題点を解消し、外乱に基づいて不適切な幾何誤差が計測された場合であっても、そのような不適切な幾何誤差に基づく補正の実行により多軸工作機械の加工精度が低下する事態を、きわめて効果的に防止することが可能な幾何誤差の計測方法を提供することにある。

本発明の内、請求項１に記載された発明は、複数の直進軸、回転軸を有する工作機械において、主軸に設けたセンサによってテーブルに設置されたターゲット（被計測治具）の位置を計測し、計測された位置に関する情報に基づいて、直進軸、回転軸に関連した幾何誤差を算出して同定する幾何誤差の計測方法であって、前記幾何誤差の同定前に、前記直進軸あるいは回転軸を複数の条件で割り出して、ターゲットの所定部位の長さを計測してそれらの計測値のバラツキを算出し、そのバラツキが所定値を超えた場合に計測ミスと判断する外乱誤差有無確認ステップを実行することを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記外乱誤差有無確認ステップが、初期設定位置でターゲットの所定部位の長さの計測を実行した後に、直進軸あるいは回転軸を別の複数の位置に割り出してターゲットの所定部位の長さを計測するとともに、それらの直進軸あるいは回転軸の割り出し後の各計測値と、前記ターゲットの設置位置確認時の計測値との差が、予め設定された計測値変動量許容値を上回る場合に、計測ミスと判断することを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記外乱誤差有無確認ステップが、初期設定位置でターゲットの所定部位の長さの計測を実行した後に、直進軸あるいは回転軸を別の複数の位置に割り出してターゲットの所定部位の長さを計測するとともに、それらの直進軸あるいは回転軸の割り出し後の各計測値と、前記ターゲットの設置位置確認時の計測値との差が、予め設定された計測値変動量許容値を上回る場合に、前記直進軸あるいは回転軸の割り出し後の各計測値の平均値を算出し、その平均値と、前記ターゲットの設置位置確認時の計測値との差が、前記計測値変動量許容値を上回る場合に、計測ミスと判断することを特徴とするものである。

請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれかに記載された発明において、前記初期設定位置でターゲットの設置位置を計測した後、前記直進軸あるいは回転軸の割り出し後の各計測を実行してから、ターゲットの設置位置が初期設定位置となるように直進軸あるいは回転軸を割り出してターゲットの設置位置を再度計測し、その再計測されたターゲットの設置位置と、前記初期設定位置とのずれが、予め設定されたターゲットの位置変動量許容値を上回る場合に、計測ミスと判断するものであることを特徴とするものである。

請求項５に記載された発明は、請求項１〜３のいずれかに記載された発明において、前記直進軸あるいは回転軸の任意の割り出し条件において前記ターゲットの設置位置を計測した後、同じ割り出し条件においてターゲットの設置位置を再度計測し、その再計測されたターゲットの設置位置と、前回の計測時における設置位置とのずれが、予め設定されたターゲットの位置変動量許容値を上回る場合に、計測ミスと判断することを特徴とするものである。

請求項６に記載された発明は、請求項１〜請求項５のいずれかに記載された発明において、幾何誤差を同定する毎に、その同定された幾何誤差に基づいて算出された幾何誤差の補正パラメータを、新たな補正パラメータとして更新するパラメータ更新ステップを有しているとともに、計測ミスと判断した場合には、前記パラメータ更新ステップを実行しないことを特徴とするものである。

請求項７に記載された発明は、請求項１〜請求項６のいずれかに記載された発明において、計測ミスと判断した場合に、その事態を報知し、前記ターゲットの位置あるいは所定部位の長さの計測を中断することを特徴とするものである。

請求項８に記載された発明は、請求項１〜請求項７のいずれかに記載された発明において、前記ターゲットが球状のものであり、前記ターゲットの所定部位の長さが球の直径であることを特徴とするものである。

本発明に係る幾何誤差の計測方法によれば、幾何誤差の計測中にターゲット（被計測治具）の位置がずれたり、不測の振動によりタッチプローブがターゲットに接触した旨の信号を発する等の原因により不適切な幾何誤差（外乱による誤差を含む幾何誤差）が同定された場合であっても、そのような不適切な幾何誤差に基づく補正の実行により多軸工作機械の加工精度が低下する事態を、きわめて効果的に防止することが可能となる。

マシニングセンタを示す説明図（斜視図）である。 マシニングセンタの制御機構を示すブロック図である。 記憶手段の概念図である。 主軸頭にタッチプローブを装着し、テーブルにターゲットを装着した状態を示す説明図である。 Ｃ軸の複数の割出位置でターゲット球を計測する様子を示す説明図である。 Ａ軸の複数の割出位置でターゲット球を計測する様子を示す説明図である。 ターゲット球の直径の算出方法を示す説明図である。 外乱誤差有無確認処理の内容を示すフローチャートである。 ターゲット球の直径の再計測処理の内容を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る幾何誤差の計測方法の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

＜多軸工作機械の構成＞
図１は、多軸工作機械の一例である５軸制御マシニングセンタ（テーブル旋回型５軸機）を示したものである（以下、単にマシニングセンタＭという）。マシニングセンタＭのベッド（基台）１には、正面視略Ｕ字状のトラニオン５が、Ｙ軸に沿ってスライド可能に設けられており、当該トラニオン５には、正面視略Ｕ字状のクレードル４が、Ａ軸（回転軸）を中心として、回転可能に設けられている。さらに、クレードル４には、円盤状のテーブル３が、Ａ軸と直交するＣ軸（回転軸）を中心として、回転可能に設けられている。また、ベッド１の上部には、工具を装着可能な主軸頭２が、Ｙ軸と直交するＸ軸、および、それらのＸ，Ｙ軸と直交するＺ軸に沿ってスライド可能に設けられている。当該主軸頭２は、装着した工具をＺ軸を中心として回転させることができるようになっている。

上記マシニングセンタＭは、主軸頭２に装着された工具を回転させた状態で、テーブル３に固定された被加工物（ワーク）に対して、当該主軸頭２を相対的にアプローチさせることによって、被加工物と工具との相対位置および相対姿勢を制御しながら、被加工物に対して種々の加工を施すことができるようになっている。また、マシニングセンタＭは、上記の如く構成されているため、被加工物から工具までの軸のつながりが、Ｃ軸→Ａ軸→Ｙ軸→Ｘ軸→Ｚ軸の順番になっている。

また、図２は、上記したマシニングセンタＭの制御機構を示すブロック図であり、トラニオン５、主軸頭２を並進させるための各サーボモータ、および、クレードル４、テーブル３を回転させるための各サーボモータは、制御装置（数値制御装置）２１によって駆動制御されるようになっている。また、制御装置２１には、割出位置（割出条件）等を設定するための入力手段３１、後述する同定環境判定の結果等を出力するためのモニタやスピーカ等の出力手段３２等が接続されている。さらに、制御装置２１には、記憶手段２２が設けられており、当該記憶手段２２内には、図３の如く、各種のプログラムを記憶するためのプログラム記憶領域２３、各種の演算に用いる変数等を記憶するための変数記憶領域２４、予め設定された各種の許容値等を記憶するための許容値記憶領域２５等が設けられている。

そして、プログラム記憶領域２３には、同定された幾何誤差に基づいて当該幾何誤差の補正に用いる補正パラメータを算出するための補正パラメータ算出プログラムや、補正パラメータを算出する毎に、算出後の補正パラメータを新たな補正パラメータとして自動更新するためのパラメータ更新プログラム等が記憶されている。また、許容値記憶領域２５には、予め設定された直径変動量許容値（閾値）Ｄａや、予め設定された位置変動量許容値（閾値）Ｐａ等が記憶されている。

＜マシニングセンタの幾何誤差＞
次に、上記したマシニングセンタＭの幾何誤差について説明する。ここでは、幾何誤差が、各軸間の相対並進誤差３方向および相対回転誤差３方向の合計６成分（δｘ，δｙ，δｚ，α，β，γ）からなるものであると仮定する。また、各幾何誤差は、挟まれた２つの軸名称を添えて示すものとする。たとえば、Ｃ軸とＡ軸との間のＹ方向の並進誤差は、δｙ_ＣＡ，Ｙ軸とＸ軸との間のＺ軸周りの回転誤差は、γ_ＹＸと表記する。また、工具を示す記号はＴとする。

マシニングセンタＭにおける被加工物から工具までの軸のつながりは、Ｃ軸，Ａ軸，Ｙ軸，Ｘ軸，Ｚ軸の順番であるため、Ｚ軸と工具間も考慮すると合計６０個の幾何誤差が存在するが、冗長の関係となるものにおいて１つを残し他を除外すると、最終的な幾何誤差は、δｘ_ＣＡ，δｙ_ＣＡ，α_ＣＡ，β_ＣＡ，δｙ_ＡＹ，δｚ_ＡＹ，β_ＡＹ，γ_ＡＹ，γ_ＹＸ，α_ＸＺ，β_ＸＺ，α_ＺＴ，β_ＺＴの合計１３個となる。なお、それらの内のγ_ＹＸ，α_ＸＺ，β_ＸＺ，α_ＺＴ，β_ＺＴの５つは、直進軸に関する幾何誤差であり、それぞれ、Ｘ−Ｙ軸間直角度，Ｙ−Ｚ軸間直角度，Ｚ−Ｘ軸間直角度，工具−Ｙ軸間直角度，工具−Ｘ軸間直角度である。他の８つは、回転軸に関する幾何誤差であり、それぞれ、Ｃ軸中心位置Ｘ方向誤差，Ｃ−Ａ軸間オフセット誤差，Ａ軸角度オフセット誤差，Ｃ−Ａ軸間直角度，Ａ軸中心位置Ｙ方向誤差，Ａ軸中心位置Ｚ方向誤差，Ａ−Ｘ軸間直角度，Ａ−Ｙ軸間直角度である。それゆえ、マシニングセンタＭにおける幾何誤差は、δｘ_ＣＡ，δｙ_ＣＡ，α_ＣＡ，β_ＣＡ，δｙ_ＡＹ，δｚ_ＡＹ，β_ＡＹ，γ_ＡＹ，γ_ＹＸ，α_ＸＺ，β_ＸＺ，α_ＺＴ，β_ＺＴの合計１３個のパラメータを求めることによって同定される。

＜幾何誤差の同定方法＞
上記した幾何誤差の同定方法について、以下に説明する。幾何誤差を同定する際には、図４の如く、主軸頭２に、工具の代わりにタッチプローブ１１を装着させ、テーブル３にターゲットであるターゲット球１２を固定させる（ターゲット球１２の土台に組み付けられた磁石等によって固定させる）。なお、タッチプローブ１１は、ターゲット球１２に接触したことを感知するセンサ（図示せず）を有しており、接触を感知した場合に赤外線や電波等で信号を発することができるようになっている。一方、マシニングセンタＭの制御装置２１は、接続された受信機によりタッチプローブ１１から発せられた信号を受信した瞬間（もしくは遅れ分を考慮した時点）の各軸の現在位置を、測定値として記憶手段２２に記憶することができるようになっている。そして、制御装置２１からの指令により、Ａ軸、Ｃ軸の所定の割出状態において、タッチプローブ１１によりターゲット球１２の中心位置等を計測し、その計測値に基づいて幾何誤差の同定（計測）を実行する。

ここで、ターゲット球１２の中心位置の計測値と幾何誤差との関係について説明する。ターゲット球１２の中心位置がテーブル座標系（幾何誤差がない理想な状態でＡ軸とＣ軸との交点を原点とし、そのＸ軸がマシニングセンタＭのＸ軸に平行であるテーブル３上の座標系）で（Ｒ，０，Ｈ）であるとする。幾何誤差がない場合のターゲット球１２の中心位置計測値（ｘ，ｙ，ｚ）は、Ａ軸角度をａ、Ｃ軸角度をｃとすると、次に示す［数１］で表すことができる。

一方、ターゲット球１２の取付位置の誤差（δｘ_ＷＣ，δｙ_ＷＣ，δｚ_ＷＣ）を含めた幾何誤差が存在する場合のターゲット球１２の中心位置の計測値（ｘ’，ｙ’，ｚ’）に関する行列関係式は、次の［数２］となる。ただし、幾何誤差が微小であるとして近似している。

この［数２］を展開すると次の［数３］となる。ここで、式の簡略化のため、幾何誤差同士の積は微小であるとして０に近似している。

幾何誤差を同定する際には、初めに、テーブル３の上面が主軸頭２（Ｚ軸）と垂直になる状態（Ａ軸角度ａ＝０°）にＡ軸を割り出し、Ｃ軸角度ｃを０°から任意の角度ピッチで割り出して１周分ｎヶ所のターゲット球１２の中心位置の計測を行う。たとえば、角度ピッチを３０°とすると、図５に示すように０°から３３０°まで１２ヶ所の計測を行う（以下、この計測を割出計測という）。これにより、ｉ＝１〜ｎとするとｎ個の球中心位置計測値（ｘ_ｉ’，ｙ_ｉ’，ｚ_ｉ’）が得られ、計測値は円軌跡を描くことになる。なお、幾何誤差の同定におけるＡ軸、Ｃ軸の割出位置（割出条件）は、予め、制御装置２１の記憶手段２２内に記憶されている。

ここで、計測値のＸＹ平面上での半径、すなわち、Ｃ軸の中心位置から各中心位置計測値までの距離は、幾何誤差がない場合はＲであり、幾何誤差がある場合には半径誤差ΔＲ_ＸＹが加わる。このΔＲ_ＸＹは［数３］を変形して近似することで、次の［数４］に示すように算出することができる。

この［数４］に［数３］を代入すると、次の［数５］が得られる。したがって、ΔＲ_ＸＹは０次（半径誤差），１次（中心偏差），２次（楕円形状）の成分を含んだ円軌跡となる。

また、３６０°を等間隔でｎ個に分割した角度θ_１〜θ_ｎの正弦・余弦関数には次の［数６］のような性質がある。

そして、［数５］の２次正弦成分に着目し、この［数６］の性質を利用する。各中心位置計測値に対応するΔＲ_ＸＹｉに、それぞれ割り出したときのＣ軸角度ｃ_ｉの２次の正弦値を掛け合わせて平均を取ることで２次正弦成分ｒ_ｂ２が得られ、これを変形すると次に示す［数７］となり、Ｘ−Ｙ軸間直角度γ_ＹＸを求めることができる。

さらに１次成分を抽出する。ΔＲ_ＸＹｉにＣ軸角度ｃ_ｉの１次の余弦値もしくは正弦値を掛け合わせることで１次余弦成分ｒ_ａ１および１次正弦成分ｒ_ｂ１が得られ、これを変形して次の［数８］が得られる。

なお、［数３］を変形して各中心位置計測値のＸ座標ｘ’、Ｙ座標ｙ’の平均をそれぞれ求めることで［数９］が得られる。この［数９］は円軌跡の中心、すなわち１次成分を求めるものであり、［数８］の代わりに用いることができる。

一方、［数３］の中心位置計測値のＺ座標の式からわかるように、Ｚ座標値はＣ軸角度ｃ_ｉに対して０次、１次余弦・正弦成分を持った円である。この円の１次成分を抽出するため、各中心位置計測値のＺ座標に、それぞれ割り出したときのＣ軸角度ｃ_ｉの余弦値、正弦値を掛け合わせると、次の［数１０］が得られる。β_ＡＹは別の方法もしくは後述の測定および式から求めて代入することにより、Ｃ軸の傾き誤差に関する幾何誤差であるβ_ＣＡ，α_ＣＡを求めることができる。

次に、Ａ軸を０°以外の任意の角度ａ_ｔに傾けて、Ｃ軸角度ｃを０°から任意の角度ピッチで割り出して１周分ｎヶ所でターゲット球１２の中心位置の計測を行う（割出計測）。先と同様に、中心位置計測値は円軌跡を描くが、その半径、すなわち、Ａ軸とＣ軸との交点から各中心位置計測値までの距離は、幾何誤差がない場合はＲであり、幾何誤差がある場合は半径誤差ΔＲが加わる。ΔＲは［数３］を変形して近似することで得られる次の［数１１］で示される。

この［数１１］に［数３］を代入すると次の［数１２］が得られる（なお、ｒ_ａ０，ｒ_ａ１，ｒ_ｂ１，ｒ_ａ２の詳細な式については省略する）。

この［数１２］は［数５］と同様に、０〜２次成分を含んだ円軌跡である。２次正弦成分に着目し、各中心位置計測値に対応するΔＲ_ｉに、それぞれ割り出したときのＣ軸角度ｃ_ｉの２次の正弦値を掛け合わせると、次に示す［数１３］が得られる。この［数１３］に対し［数７］や別の方法で求めたγ_ＹＸを代入することで、β_ＸＺを求めることができる。

ここで、Ａ軸の割り出し角度によっては、主軸頭２とテーブル３等との干渉や、各軸の可動範囲の制限等により、１周分測定できない場合がある。１周分の中心位置計測値がない場合は［数１３］を使うことができない。その場合、複数の中心位置計測値を用いて［数１２］の係数を最小自乗法等で解くことにより次の［数１４］が得られる。

次に、図６に示すように、Ｃ軸角度ｃ_ｔを９０°もしくは−９０°に割り出し、Ａ軸を任意の複数の角度に割り出してｍヶ所のターゲット球１２の中心位置の計測を行う（割出計測）。Ａ軸は機構的に１周回転することができない場合が多く、できたとしてもタッチプローブ１１により計測できないため、１周分ではなく、ある角度範囲の間で計測を行う。中心位置計測値のＸ座標に着目すると、［数３］から次に示す［数１５］が得られる。

すなわち、［数１５］は、０，１次成分を含んだ円弧を示しているといえる。ただし、Ｃ軸角度ｃ_ｔを９０°，−９０°と変えて混在させると、ｃ_ｔに依存した０次成分も加わる。［数１２］の各成分の係数を変数として最小自乗法等で求めることで次の［数１６］が得られる。したがって、β_ＸＺを上述の方法もしくは別の方法で求めて代入することで、Ａ軸の傾き誤差に関する幾何誤差γ_ＡＹとβ_ＡＹとを求めることができる。

次に、中心位置計測値のＹ，Ｚ座標に着目する。幾何誤差による円軌跡の半径誤差、すなわち、Ａ軸中心から球中心までの距離の誤差ΔＲ_ＹＺは次の［数１７］から得られる。

この［数１７］に［数３］を代入すると次の［数１８］となる。なお、ｒ_ａ０，ｒ_ｃ０の詳細な式については省略する。

したがって、ΔＲ_ＹＺは０〜２次成分を含んだ円弧軌跡であり、各成分の係数を最小自乗法等で解くことにより、次の［数１９］が得られる。

ここで、［数１８］の係数を求めることは、円弧の半径と中心位置、および円弧に含まれる楕円成分の大きさを求めることと同じである。一般的に、円弧の中心位置や楕円成分を求めることは、円弧角度が小さいほど精度が悪くなる。そこで、図６に示すように、Ｃ軸を９０°（ターゲット球１２の中心位置がｅ_ｐ１〜ｅ_ｐ４）と−９０°（ターゲット球１２の中心位置がｅ_ｎ１〜ｅ_ｎ４）の両方に割り出して計測する。これにより円弧角度を広くすることができ、同定精度を上げることができる。なお、α_ＸＺを求める必要がない場合は、［数１９］において、２次成分であるｒ_ａ２、ｒ_ｂ２を０として無視して計算を行っても良い。

以上から、前述の方法でターゲット球１２の中心位置を複数箇所測定し、上述の数式を用いて計算することで、回転軸（Ａ軸、Ｃ軸）に関する幾何誤差８個に加えて、直進軸（Ｙ軸、Ｘ軸、Ｚ軸）に関する３個も併せて１１個の幾何誤差を同定することが可能である。なお、残りの２つは別の方法で同定しておく必要がある。

＜外乱誤差の有無の確認＞
マシニングセンタＭにおいては、制御装置２１内で、上記した方法により幾何誤差を同定するが、その際に、その同定される幾何誤差中に外乱（ターゲット球の位置ずれ等）による誤差が入り込んでいるか否かを判定する外乱誤差有無確認処理（以下、単に確認処理という）を実行する（この処理を、外乱誤差有無確認ステップという）。当該確認処理においては、Ａ軸、Ｃ軸の各割り出し位置において、以下の方法により、マシニングセンタＭの主軸頭２を、各直線軸（Ｙ軸、Ｘ軸、Ｚ軸）の内の一つに沿って動かし、ターゲット球１２にタッチプローブ１１を合計で５回接触させることによって、ターゲット球１２の直径を計測する。そして、計測されたターゲット球１２の直径の計測値およびターゲット球１２の設置位置を対比し、その結果に基づいて、同定される幾何誤差中に外乱による誤差が入り込んでいるか否かをを判定する。

＜ターゲット球の直径の計測方法＞
図７は、ターゲット球の直径を計測する方法の一例を図式化したものである。ターゲット球１２の直径を計測する際には、まず、主軸頭２を、Ｘ軸方向に動かして、タッチプローブ１１をターゲット球１２に接触させる。そして、＋Ｘ方向からターゲット球１２に接触させて計測した結果（ＴＰ１）と、−Ｘ方向からターゲット球１２に接触させて計測した結果（ＴＰ２）とを用いて、下式１により、ターゲット球１２のＸ軸方向における中心位置Ｘ_Ｓを算出する。なお、ＴＰ１，ＴＰ２の計測の際には、Ｙ軸およびＺ軸においては主軸頭２を同じ位置に保たせる。また、そのときの主軸頭２のＺ軸における位置をＺ_{ＴＰ１２３４}とする。
Ｘ_Ｓ＝（Ｘ_ＴＰ１＋Ｘ_ＴＰ２）／２ ・・・１

次に、主軸頭２を、Ｘ軸方向に沿って、ターゲット球１２のＸ軸方向における中心位置Ｘｓに移動させた後に、当該主軸頭２を、Ｘ軸およびＺ軸においては同じ位置を保ったままＹ軸方向に動かして、タッチプローブ１１をターゲット球１２に接触させる。そして、＋Ｘ方向からターゲット球１２に接触させて計測した結果（ＴＰ３）と、−Ｘ方向からターゲット球１２に接触させて計測した結果（ＴＰ４）とを用いて、下式２により、ターゲット球１２のＹ軸方向における中心位置Ｙ_Ｓを算出する。
Ｙ_Ｓ＝（Ｙ_ＴＰ３＋Ｙ_ＴＰ４）／２ ・・・２

このとき、Ｚ_{ＴＰ１２３４}（すなわち、Ｘ_Ｓ，Ｙ_Ｓ計測時のＺ軸方向における主軸頭２の位置）で計測したターゲット球１２の半径Ｒ_ＸＹは、下式３によって求められる。
Ｒ_ＸＹ＝（Ｙ_ＴＰ３−Ｙ_ＴＰ４）／２ ・・・３

最後に、主軸頭２を、Ｙ軸方向に沿って、ターゲット球１２のＹ軸方向における中心位置Ｙｓに移動させた後に、当該主軸頭２を、Ｘ軸およびＹ軸においては同じ位置を保ったまま、＋Ｚ方向からＺ軸方向に沿って動かして、タッチプローブ１１をターゲット球１２に接触させることにより、計測結果（ＴＰ５）を得る。このとき、ターゲット球１２の半径をＲ_０とすると、以下の下式４が成り立つ。
Ｒ_０ ^２＝Ｒ_ＸＹ ^２＋［Ｒ_０＋（Ｚ_ＴＰ５−Ｚ_{ＴＰ１２３４}）］^２ ・・・４

よって、ターゲット球１２の計測直径Ｄ_０は、下式５によって求められる。
Ｄ_０＝［Ｒ_ＸＹ ^２＋（Ｚ_ＴＰ５−Ｚ_{ＴＰ１２３４}）^２］／（Ｚ_ＴＰ５−Ｚ_{ＴＰ１２３４}） ・・・５

なお、上記したように幾何誤差を同定（計測）するためには、ターゲット球１２の中心位置を求める必要があるため、各割出位置において、ターゲット球１２の中心位置および直径を計測する際には、制御装置２１により、主軸頭２（タッチプローブ１１）の移動回数が最も少なくなるように制御される。

＜外乱誤差有無確認処理の内容＞
以下、制御装置２１内で実行される外乱誤差有無確認処理の内容について、図８のフローチャートにしたがって具体的に説明する。

外乱誤差有無確認処理においては、まず、Ａ軸、Ｃ軸の各割り出し条件でのターゲット球１２の直径の計測前に、ターゲット球１２の設置位置および直径を計測する（以下、この計測を設置位置確認計測という）。そして、その計測により得られたターゲット球１２の中心位置ＸＹＺ（Ｘ_Ｓ，Ｙ_Ｓ，Ｚ_Ｓ）および直径（以下、基準値Ｄｓという）を、計測時のＡ軸、Ｃ軸の割り出し位置と対応させて記憶手段２２内に記録する（Ｓ１−ａ）。

次に、幾何誤差の同定を行うための各割り出し条件でのターゲット球１２の設置位置の計測（以下、割出計測という）を、所定の回数だけ実行する（Ｓ１−ｂ）。それぞれの計測においては、まず、計測条件に設定されているＡ軸とＣ軸の割出動作を実行する（Ｓ１−ｃ）。その割出動作によって、ターゲット球１２の位置が変動するため、割出動作毎に、上記した方法（すなわち、主軸頭２を、マシニングセンタＭのＹ軸、Ｘ軸、Ｚ軸の内の一つに沿って動かし、タッチプローブ１１をターゲット球１２に複数回接触させる方法）によって、ターゲット球１２の中心位置と直径とを計測し、それらの計測結果を記憶手段２２内に記録する（Ｓ１−ｄ）。

上記の如く、所定の割出位置でターゲット球１２の中心位置と直径との計測を行った後には、その計測された直径が確からしいか否かの評価を行う。かかる評価においては、設置位置確認計測時におけるターゲット球１２の直径の計測結果である基準値Ｄｓ、および、予め設定された直径変動量許容値Ｄａ（閾値）を、記憶手段２２内から呼び出す（Ｓ１−ｅ，Ｓ１−ｆ）。そして、下式６により、当該割出動作後に計測されたターゲット球１２の直径の値Ｄｍと、基準値Ｄｓとの差が、直径変動量許容値Ｄａの範囲内に収まっているか否か判定する（Ｓ１−ｇ）。
Ｄｓ−Ｄａ／２＜Ｄｍ≦Ｄｓ＋Ｄａ／２ ・・・６
（ただし、Ｄｓは基準値、Ｄａは直径変動量許容値、Ｄｍは割出動作後の計測値）

そして、上記関係を満たしている場合には、計測結果には問題がない（外乱による誤差が含まれていない）と判断する。一方、上式６の関係を満たしていない場合には、計測中にターゲット球１２の位置ずれ等の外乱による誤差が入ったと判定して直径変動ＮＧフラグを有効にする（Ｓ１−ｈ）。そして、そのような判定を、全ての割出計測毎に実施する。

さらに、上記した全ての割出計測の完了後に、再度、設置位置確認計測時におけるターゲット球１２の設置位置へ、Ａ軸とＣ軸とを割り出し、ターゲット球１２の中心位置ＸＹＺ（Ｘ_Ｆ，Ｙ_Ｆ，Ｚ_Ｆ）および直径を計測する（Ｓ１−ｉ）（以下、再計測ステップという）。

上記の如く、設置位置確認計測時におけるターゲット球１２の設置位置においてターゲット球１２の中心位置および直径を再計測した後には、設置位置確認計測時と再計測時との計測値の変動量△ＸＹＺを下式７により算出する。
△ＸＹＺ＝√［（Ｘ_Ｆ−Ｘ_Ｓ）^２＋（Ｙ_Ｆ−Ｙ_Ｓ）^２＋（Ｚ_Ｆ−Ｚ_Ｓ）^２］ ・・・７

しかる後、記憶手段２２内に記憶されている予め設定されたターゲット球１２の位置変動量許容値Ｐａ（閾値）を呼び出し、算出された変動量△ＸＹＺと、呼び出された位置変動量許容値Ｐａとを比較する（Ｓ１−ｊ）。

そして、変動量△ＸＹＺを位置変動量許容値Ｐａとを比較した結果、変動量△ＸＹＺが位置変動量許容値Ｐａ以下であった場合には、計測結果には問題ない（外乱による誤差が含まれていない）と判断する。一方、変動量△ＸＹＺが位置変動量許容値Ｐａを上回る場合には、計測中にターゲット球１２の位置ずれ等の外乱による誤差が入った（計測ミスが発生した）と判断し、設置位置変動ＮＧフラグを有効にする（Ｓ１−ｋ）。

また、直径変動ＮＧフラグが有効になっている場合には、ターゲット球１２の設置位置確認計測時に計測ミスが生じていた可能性もあるため、当該直径変動ＮＧフラグの再確認を行う（Ｓ１−ｌ）。

図９は、直径変動ＮＧフラグの再確認における処理内容を示すフローチャートであり、直径変動ＮＧフラグを再確認する場合には、まず、記憶手段２２内から全ての割出計測におけるターゲット球１２の直径の計測結果を呼び出し（Ｓ２−ａ）、それらの計測結果の中から、最大値Ｄｍ_ｍａｘと最小値Ｄｍ_ｍｉｎを取得する（Ｓ２−ｂ）。そして、最大値Ｄｍ_ｍａｘと最小値Ｄｍ_ｍｉｎとの差が、下式８を満たす場合には、計測ミスはないと判断する（Ｓ２−ｃ）。
｜Ｄｍ_ｍａｘ−Ｄｍ_ｍｉｎ｜＜Ｄａ ・・・８
（ただし、Ｄｍ_ｍａｘは直径の最大値、Ｄｍ_ｍｉｎは直径の最小値、Ｄａは直径変動量許容値）

一方、最大値Ｄｍ_ｍａｘと最小値Ｄｍ_ｍｉｎとの差が直径変動量許容値Ｄａを超えていた場合には、ターゲット球１２の設置位置確認計測時に計測ミスが生じていたと判断する。その場合には、統計手法を用いて、全ての計測値の平均値Ｄｍ_ａｖを算出し（Ｓ２−ｄ）、全ての計測値Ｄｍの内、下式９を満たさない計測値（すなわち、平均値Ｄｍ_ａｖとの差が直径変動量許容値Ｄａを上回っている計測値）に対して、直径変動ＮＧフラグを有効にする（Ｓ２−ｅ）（以下、平均値比較ステップという）。
Ｄｍ_ａｖ−Ｄａ／２≦Ｄｍ≦Ｄｍ_ａｖ＋Ｄａ／２ ・・・９
（ただし、Ｄｍ_ａｖは平均値、Ｄｍは計測値、Ｄａは直径変動量許容値）

しかる後、直径変動ＮＧフラグが有効であるか否か判断し、直径変動ＮＧフラグが有効になっていない（すなわち、計測ミスが生じていない）と判断した後には、上記した方法によって、幾何誤差の同定を実行する（Ｓ１−ｍ）。そして、記憶手段２２内に記憶された補正パラメータ算出プログラムに基づいて、同定された幾何誤差の補正に用いる補正パラメータを算出する。

幾何誤差の同定を実行した後には、直径変動ＮＧフラグおよび設置位置変動ＮＧフラグを再度確認し（Ｓ１−ｎ）、それらのフラグが存在しない場合には、記憶手段２２内に記憶されたパラメータ更新プログラムに基づいて、算出された補正パラメータを新たな補正パラメータとして自動更新し、その後に一連の処理を終了する（Ｓ１−ｏ）。

一方、直径変動ＮＧフラグあるいは設置位置変動ＮＧフラグが存在した場合には、出力手段３２によってアラームやメッセージ等を出力する（Ｓ１−ｐ）。なお、この場合には、同定結果が誤差を含むものとなった可能性があるため、初期設定の内容に拘わらず、パラメータ更新プログラムに基づく補正パラメータの自動更新を実行することなく、一連の処理を終了する。

＜幾何誤差計測方法による効果＞
上記実施形態における幾何誤差の計測方法は、幾何誤差の同定前に、Ａ軸およびＣ軸を複数の条件で割り出して、ターゲット球１２の直径を計測してそれらの計測値のバラツキを算出し、そのバラツキが予め設定された閾値である直径変動量許容値Ｄａを超えた場合に計測ミスと判断する外乱誤差有無確認ステップを実行するものであるため、不適切な幾何誤差（外乱に基づく誤差を含んだ幾何誤差）に基づく補正の実行によりマシニングセンタＭの加工精度が低下する事態を、非常に効果的に防止することができる。

＜幾何誤差計測方法の変更例＞
本発明に係る幾何誤差の計測方法は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、必要に応じて適宜変更することができる。たとえば、本発明に係る計測方法は、上記実施形態の如く、球状のターゲット（被計測治具）を用いる方法に限定されず、直方体状等の他の形状のターゲットを用いて、その直方体状のターゲットの所定の辺の長さや所定の面同士の間隔の計測値のバラツキによって外乱誤差の有無を確認するものでも良い。

また、本発明に係る幾何誤差の計測方法は、上記実施形態の如く、外乱誤差有無確認処理においてＮＧフラグが存在すると判断した場合でも処理を継続するものに限定されず、ＮＧフラグが存在した場合に計測ミスが存在する旨を出力して直ちに全ての処理を終了するもの等に変更することも可能である。

さらに、本発明に係る幾何誤差の計測方法は、上記実施形態の如く、外乱誤差有無確認処理において各割出動作後に計測されたターゲット球の直径Ｄｍと基準値Ｄｓとの差が直径変動量許容値Ｄａの範囲内に収まっていない場合に、ターゲット球を設置位置確認計測時の位置に戻して再度直径の計測を行うものに限定されず、ターゲット球を設置位置確認計測時の位置以外の位置に移動させて再度直径の計測を行うもの等に変更することも可能である。

加えて、本発明に係る幾何誤差の計測方法は、上記実施形態の如く、外乱誤差有無確認処理において設置位置の再計測を実施する際に、変化量をスカラーとして捉えて位置変動量許容値Ｐａ（スカラー）との比較により外乱誤差の有無を確認するものに限定されず、変化量をＹ軸方向、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向の各成分で捉えて位置変動量許容値ＰａのＹ軸方向成分、Ｘ軸方向成分、Ｚ軸方向成分との比較により外乱誤差の有無を確認するもの等に変更することも可能である。

一方、各割出位置におけるターゲットの設置位置（中心位置）から求められる幾何誤差の同定方法も、上記実施形態の方法に限定されず、多軸工作機械の軸構成やターゲットの形状等に応じて適宜変更することができる。

また、ターゲットの設置位置（中心位置）や直径の測定は、上記実施形態の如く、タッチプローブをターゲットに接触させる方法に限定されず、非接触で距離が測定できるレーザ変位計を利用した方法や、３つ以上の変位センサを同時にターゲットに接触させて各変位センサの計測値からターゲットの中心位置や直径を求める方法等に変更することも可能である。

本発明に係る幾何誤差の計測方法は、上記の如く優れた効果を奏するものであるから、各種の多軸工作機械における幾何誤差の計測方法（同定方法）として好適に用いることができる。

Ｍ・・マシニングセンタ
１・・ベッド
２・・主軸頭
３・・テーブル
４・・クレードル
５・・トラニオン
１１・・タッチプローブ
１２・・ターゲット球
２１・・制御装置

Claims (8)

1. 複数の直進軸、回転軸を有する工作機械において、主軸に設けたセンサによってテーブルに設置されたターゲットの位置を計測し、計測された位置に関する情報に基づいて、直進軸、回転軸に関連した幾何誤差を算出して同定する幾何誤差の計測方法であって、
   前記幾何誤差の同定前に、前記直進軸あるいは回転軸を複数の条件で割り出して、ターゲットの所定部位の長さを計測してそれらの計測値のバラツキを算出し、そのバラツキが所定値を超えた場合に計測ミスと判断する外乱誤差有無確認ステップを実行することを特徴とする幾何誤差の計測方法。
2. 前記外乱誤差有無確認ステップが、
   初期設定位置でターゲットの所定部位の長さの計測を実行した後に、直進軸あるいは回転軸を別の複数の位置に割り出してターゲットの所定部位の長さを計測するとともに、
   それらの直進軸あるいは回転軸の割り出し後の各計測値と、前記ターゲットの設置位置確認時の計測値との差が、予め設定された計測値変動量許容値を上回る場合に、計測ミスと判断するものであることを特徴とする請求項１に記載の幾何誤差の計測方法。
3. 前記外乱誤差有無確認ステップが、
   初期設定位置でターゲットの所定部位の長さの計測を実行した後に、直進軸あるいは回転軸を別の複数の位置に割り出してターゲットの所定部位の長さを計測するとともに、
   それらの直進軸あるいは回転軸の割り出し後の各計測値と、前記ターゲットの設置位置確認時の計測値との差が、予め設定された計測値変動量許容値を上回る場合に、前記直進軸あるいは回転軸の割り出し後の各計測値の平均値を算出し、
   その平均値と、前記ターゲットの設置位置確認時の計測値との差が、前記計測値変動量許容値を上回る場合に、計測ミスと判断するものであることを特徴とする請求項１に記載の幾何誤差の計測方法。
4. 前記初期設定位置でターゲットの設置位置を計測した後、前記直進軸あるいは回転軸の割り出し後の各計測を実行してから、ターゲットの設置位置が初期設定位置となるように直進軸あるいは回転軸を割り出してターゲットの設置位置を再度計測し、
   その再計測されたターゲットの設置位置と、前記初期設定位置とのずれが、予め設定されたターゲットの位置変動量許容値を上回る場合に、計測ミスと判断するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の幾何誤差の計測方法。
5. 前記直進軸あるいは回転軸の任意の割り出し条件において前記ターゲットの設置位置を計測した後、同じ割り出し条件においてターゲットの設置位置を再度計測し、
   その再計測されたターゲットの設置位置と、前回の計測時における設置位置とのずれが、予め設定されたターゲットの位置変動量許容値を上回る場合に、計測ミスと判断することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の幾何誤差の計測方法。
6. 幾何誤差を同定する毎に、その同定された幾何誤差に基づいて算出された幾何誤差の補正パラメータを、新たな補正パラメータとして更新するパラメータ更新ステップを有しているとともに、
   計測ミスと判断した場合には、前記パラメータ更新ステップを実行しないことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の幾何誤差の計測方法。
7. 計測ミスと判断した場合に、その事態を報知し、前記ターゲットの位置あるいは所定部位の長さの計測を中断することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の幾何誤差の計測方法。
8. 前記ターゲットが球状のものであり、前記ターゲットの所定部位の長さが球の直径であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の幾何誤差の計測方法。

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