JP5740202B2

JP5740202B2 - 幾何誤差同定装置

Info

Publication number: JP5740202B2
Application number: JP2011101837A
Authority: JP
Inventors: 忠洋沖
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: JP2012232376A

Description

本発明は、たとえば５軸制御マシニングセンタ等といった多軸工作機械における幾何誤差を同定するための幾何誤差同定装置に関するものである。

従来、たとえば特許文献１に開示されているように、直交３軸であるＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に加え、テーブルの回転軸となるＣ軸及びＡ軸の合計５軸方向への動作を制御して加工する５軸制御マシニングセンタといった多軸工作機械が知られている。このような多軸工作機械においては、各部材の寸法精度や部材の組み立て精度の向上にも限度があるため、隣り合う軸間での傾きや位置誤差等といった所謂幾何誤差を同定する必要がある。
そして、上記５軸制御マシニングセンタにおける幾何誤差を同定する方法としては、ボールバーと呼ばれる変位センサを用いて行う３軸円弧補間運動測定、すなわち直線軸２軸と回転軸１軸とを同期させて、テーブル上の所定点と主軸の相対間変位を保持したまま円運動させ、得られた円軌跡の中心偏差量から幾何誤差を同定する方法が一般的に知られている。しかしながら、この方法では、ボールバーという特殊な測定器が必要になるとともに、ボールバーの設置方法によって同定精度に与える影響が大きく、幾何誤差の正確な同定に高い技能が必要になるという問題がある。

そこで、ボールバーの代わりにタッチプローブ（ボールバーと比べると一般的な測定器である）及び計測ターゲットとなるターゲット球を用いて、上記３軸円弧補間運動測定と同様の幾何誤差同定原理からなる幾何誤差同定方法が考案されている。これは、たとえば上記５軸制御マシニングセンタにおいては、テーブル上にターゲット球を設置し、テーブルをＣ軸周り及びＡ軸周りおいて複数の角度で割り出すとともに、テーブル上のターゲット球の位置を主軸に装着したタッチプローブで計測し、この計測されたターゲット球の位置にもとづき複数の割出条件によって描かれた円弧軌跡の中心偏差量から幾何誤差を同定するという方法である。つまり、非特許文献１に記載されているように、たとえばテーブルをＡ軸周りについては任意の角度で固定し、Ｃ軸周りについて複数回割り出す、或いは逆にテーブルをＣ軸周りについては任意の角度で固定し、Ａ軸周りについて複数回割り出し、それぞれの割出条件でタッチプローブをターゲット球に複数回接触させ、ターゲット球の中心座標及び直径を算出するといった計測を繰り返し、複数ポイントでの計測値から幾何誤差を同定する。

特開２００７−４４８０２号公報

「タッチプローブを用いた５軸制御工作機械の幾何誤差同定」２０１０年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集Ｑ３８−１１０５頁〜１１０６頁

タッチプローブをターゲットに接触させて計測するにあたり、外部からの振動やタッチプローブの移動に係る工作機械自体の加減速等に起因して、タッチプローブとターゲットとが本来接触する位置ではない位置でトリガ入力が生じてしまい、正しくない計測値（ミス値）を取得してしまう場合がある。そして、このミス値を用いて幾何誤差を同定することで、当然ながら幾何誤差の同定精度が低くなってしまうといった問題につながる。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、ミス値を取得してしまったとしても、ミス値を用いることなく幾何誤差の同定を行うことにより、ミス値を用いることによる幾何誤差の同定精度の低下を防止することができる幾何誤差同定装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、工具を装着する主軸と、ワークを保持するテーブルとが、互いに直交する３方向の並進軸と、少なくとも１つの回転軸とによって相対移動することにより前記ワークを前記工具で加工する多軸工作機械において、前記主軸又は前記テーブルの一方に取り付けられたターゲットの割出位置を、前記主軸又は前記テーブルの他方に取り付けられたタッチプローブにより計測して計測値を取得し、複数の前記計測値にもとづいて前記多軸工作機械の幾何誤差を同定する制御装置を備えた幾何誤差同定装置であって、前記制御装置は、取得した前記計測値と予め設定されている設定値とを比較することにより、前記計測値が正しい計測にもとづくものであるか否かを判断するとともに、正しい計測にもとづく前記計測値のみを用いた円弧軌跡を同定して前記幾何誤差を同定するとともに、前記円弧軌跡を同定するにあたり、前記正しい計測にもとづく計測値の数に応じて、前記円弧軌跡の成分次数を変更することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御装置は、前記割出位置において前記ターゲットの径又は所定の２点間の距離を前記計測値として取得し、当該径又は所定の２点間の距離と前記設定値とを比較し、両者の差が所定値以内であると、取得した計測値が正しい計測にもとづく計測値であると判断することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御装置は、前記割出位置において前記ターゲットにおける所定点の座標を前記計測値として取得し、取得した前記座標と、前記ターゲットが前記割出位置に割り出された際に前記所定点が位置するであろう推定座標とを比較し、両者の差が所定値以内であると、取得した計測値が正しい計測にもとづく計測値であると判断することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記制御装置は、取得した複数の前記計測値のうち、正しい計測にもとづかない前記計測値を用いることなく、正しい計測にもとづく前記計測値のみを用いて前記幾何誤差を同定することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記制御装置は、正しい計測にもとづかない前記計測値については、当該計測値を取得した前記割出位置において正しい計測にもとづく計測値を新たに取得し、当該新たに取得した正しい計測値をも含めて前記幾何誤差を同定することを特徴とする。

本発明によれば、取得した計測値と予め設定されている設定値とを比較することにより、計測値が正しい計測にもとづくものであるか否かを判断するとともに、正しい計測にもとづく計測値のみを用いて幾何誤差を同定する。つまり、たとえ正しい計測にもとづかない計測値（ミス値）を取得したとしても当該ミス値を用いることなく、正しい計測にもとづく計測値のみを用いて幾何誤差の同定を行うため、幾何誤差の同定精度を従来と比較して向上することができる。

多軸工作機械を示した斜視説明図である。並進３成分／回転３成分の合計６成分による幾何誤差を示した表である。テーブル上にターゲット球を設置した状態を示した説明図である。幾何誤差の同定に係る制御を示したフローチャート図である。

以下、本発明の一実施形態となる幾何誤差同定装置について、図面にもとづき詳細に説明する。尚、本実施形態では、多軸工作機械の一例である５軸制御マシニングセンタにおける幾何誤差（特に、並進軸間の傾き誤差）の同定について説明する。

まず、多軸工作機械１について、図１をもとに説明する。図１は、多軸工作機械１を示した斜視説明図である。尚、図１中のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は直交３軸（多軸工作機械１が有する並進軸）であって、Ｙ軸方向を多軸工作機械１における前後方向、Ｘ軸方向を左右方向、Ｚ軸方向を上下方向とする。
多軸工作機械１のベッド２の上面には、Ｙ軸案内３、３が形成されており、該Ｙ軸案内３、３には、トラニオン構造のＡＣ軸ユニット４がＹ軸方向へ移動可能に設置されている。ＡＣ軸ユニット４は、前面視で左右方向に幅広なＵ字状に形成されたクレードル５を備えてなるもので、該クレードル５は、左右に内蔵されたＡ軸駆動機構（図示せず）により、Ｘ軸方向と平行なＡ軸（回転軸）周りに旋回傾斜可能となっている。また、ＡＣ軸ユニット４は、クレードル５の上面に加工対象となるワークを保持するためのテーブル６を備えており、該テーブル６は、クレードル５に内蔵されたＣ軸駆動機構（図示せず）により、Ｚ軸と平行なＣ軸（回転軸）周りに３６０度回転可能となっている。

一方、ベッド２には、Ｙ軸案内３、３を跨ぐように門形構造のクロスレール７が固定されており、クロスレール７の前面には、Ｘ軸案内部８が形成されている。そして、Ｘ軸案内部８に、ラムサドル９がＸ軸方向へ移動可能に設置されている。また、ラムサドル９には、Ｚ軸案内部１０が設けられており、該Ｚ軸案内部１０には、下端に主軸１１を備えた主軸頭１２がＺ軸方向へ移動可能に設置されている。尚、ラムサドル９、ＡＣ軸ユニット４、及び主軸頭１２は、各案内部の案内面と平行に設置されたボールネジと、該ボールネジに連結されたサーボモータとにより移動可能となっている。また、多軸工作機械１には、幾何誤差同定装置を含んだ図示しないＮＣ装置（制御装置）が設けられており、ＮＣ装置によって、ＡＣ軸ユニット４や主軸頭１２等の各部材の各軸方向での駆動が制御されている。
そして、上記多軸工作機械１は、テーブル６上に固定されるワークをＡ軸周り及びＣ軸周りで旋回・回転させるとともにＹ軸方向へと移動させる一方、工具を取り付けた主軸１１をＸ軸及びＺ軸へと移動させることにより、ワークに対して多面加工を施すようになっている。

ここで、本発明の要部となる多軸工作機械１における幾何誤差を同定する方法について説明する。
上記並進軸を３軸有する５軸制御マシニングセンタである多軸工作機械１における幾何誤差は、隣り合う軸間において並進３成分／回転３成分の合計６成分の誤差が存在してる。しかしながら、冗長となる誤差を考慮すると、多軸工作機械１において同定すべき幾何誤差は、図２に示す１３個となる。
そこで、これらの幾何誤差を同定するため、まず図３に示すようにテーブル６の回転中心からＲだけ離れた位置へターゲット球２１を固定する。そして、Ａ軸旋回中心がＣ軸中心線上にあるとすると、Ｃ軸中心線とＡ軸旋回中心との交点を座標原点とした場合におけるターゲット球２１の中心座標［Ｘ_０Ｙ_０Ｚ_０Ａ_０Ｃ_０］は下記（式１）となる。

また、上述したように幾何誤差の同定原理はボールバーを用いた３軸円弧補間運動と同様であり、回転１軸（ここでは旋回軸となるＡ軸又は回転軸であるＣ軸）を複数の角度で割り出して、各割出位置におけるターゲット球２１の中心座標及び直径をタッチプローブをターゲット球２１に接触させることで計測・算出し、これら複数の計測ポイントを夫々所定の同一円弧軌跡上の一点と見なし、得られた計測値（計測座標）より最小二乗法などを用いて円弧の軌跡に関する関係式である下記（式２）の係数Ａ〜Ｅを求めればよい。尚、下記（式２）における極座標を示すθは、Ｃ軸周り又はＡ軸周りでのテーブル６の割出角度と一致する。

上記計測値から円弧の軌跡を求めるにあたり、解析対象となる座標成分、すなわちＸＹＺ成分の選択は、求める幾何誤差によって異なる。
つまり、たとえばＡ軸の旋回角度が０ｄｅｇで、Ｃ軸、Ｘ軸、及びＹ軸による同時３軸円弧補間運動を行う場合、上記（式２）におけるθはＣ軸の割出角度と一致し、まず、Ｚ成分のみを用いると、上記（式２）の１次成分は下記（式３）の関係式で表される。尚、下記（式３）におけるＢ_{ＸＹＣ０＿Ｚ}とＣ_{ＸＹＣ０＿Ｚ}とは、どちらもＸＹＣ同時３軸測定のＺ成分により導いた上記（式２）における１次成分を表す。

次に、ＸＹＺ成分を用いると、上記（式２）の１次及び２次成分は下記（式４）の関係式で表される。尚、下記（式４）におけるＢ_{ＸＹＣ０＿ＸＹＺ}、Ｃ_{ＸＹＣ０＿ＸＹＺ}、及びＤ_{ＸＹＣ０＿ＸＹＺ}は、全てＸＹＣ同時３軸測定のＸＹＺ成分より導いた上記（式２）における１次及び２次成分を表す。

上記同様に、Ａ軸が９０ｄｅｇで、ＸＹＣ同時３軸測定のＸＹＺ成分より導いた上記（式２）における２次成分であるＤ_{ＸＹＣ９０＿ＸＹＺ}は、下記（式５）で表される。

また、Ｃ軸が±９０ｄｅｇで、ＹＺＡ同時３軸測定のＸ成分より導いた上記（式２）における１次成分であるＢ_{ＹＺＡ＿Ｘ}及びＣ_{ＹＺＡ＿Ｘ}は、下記（式６）の関係式で表される。

最後に、Ｃ軸が±９０ｄｅｇで、ＹＺＡ同時３軸測定のＸＹＺ成分より導いた上記（式２）における１次及び２次成分であるＢ_{ＹＺＡ＿ＸＹＺ}、Ｃ_{ＹＺＡ＿ＸＹＺ}、及びＤ_{ＹＺＡ＿ＸＹＺ}は、下記（式７）の関係式で表される。

そして、以上のような（式３）から（式７）を用いて図２に示すような種々の幾何誤差が同定されることになる。してみると、円弧軌跡を求めるにあたり、上記（式２）における２次成分まで求める場合、未知係数は５つあるため、最低５箇所の計測ポイントでの計測値が必要である一方、１次成分しか求めない場合、未知係数は３つしかないため、最低３箇所の計測ポイントでの計測値で十分となる。つまり、多軸工作機械１において、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸間での直角度誤差α_ＸＺ、β_ＸＺ、γ_ＸＹを同定するためには５箇所以上での計測が必要であり、それ以外の幾何誤差を同定するためには３箇所以上での計測でよい。

そこで、図４のフローチャート図にしたがい、幾何誤差（ここでは円弧軌跡の２次成分まで求めることが必要な並進３軸間の直角度誤差、及び１次成分だけでよい他の幾何誤差）の同定に係る制御を説明すると、まず作業者によりＡＣ軸ユニット４の動作範囲や主軸１１のストローク範囲等に応じて、主軸１１に装着されたタッチプローブによるテーブル６上に固定されたターゲット球２１の計測ポイント（Ａ軸周り及びＣ軸周りでの割出角度）が複数ポイント（ここでは５ポイント以上）順序づけて設定される（Ｓ１）。それから、計測動作を開始させ、ＡＣ軸ユニット４を作動させてＡ軸周り若しくはＣ軸周りでターゲット球２１を最初の計測ポイントへと割り出す（Ｓ２）。そして、主軸１１をＸ軸及びＺ軸方向へ移動させるとともにテーブル６をＹ軸方向へ移動させて、ターゲット球２１を計測する計測ポイントへタッチプローブを位置決めする（Ｓ３）。その後、タッチプローブを複数回ターゲット球２１に接触させて、ターゲット球２１の中心座標及び直径を計測値として取得する（Ｓ４）。また、取得した計測値（特に直径）と予め設定されている直径（設定値）とを比較することにより、計測値が正しい計測値（正しい計測にもとづく計測値）であるかミス値（正しい計測にもとづかない計測値）であるかを判断し（すなわち、取得した計測値と設定値との差が所定値以上である場合にはミス値、所定値以内である場合には正しい計測値であると判断）、正しい計測値であるなら正しい計測値として、ミス値であるならミス値として夫々記憶する（Ｓ５）。そして、Ｓ１で設定された全ての計測ポイントにおいて計測を行ったか否かを判断し（Ｓ６）、全ての計測ポイントで計測を行うまではＳ２〜Ｓ５を繰り返す。

そして、全ての計測ポイントにおける計測が終了すると（Ｓ６でＹＥＳ）、取得した計測値のうち正しい計測値が円弧軌跡の算出成分を求めるために必要な個数（すなわち５個以上）あるか否かを判断する（Ｓ７）。たとえば、Ｓ１で計測ポイントとして６ポイント設定したとすると、正しい計測値が５つ以上あるか（逆に言うと、ミス値が１つ以下であるか）を判断することになる。そして、必要な個数以上ある場合（Ｓ７でＹＥＳと判断）には、取得した計測値のうち正しい計測値のみを用いて円弧軌跡を同定し（Ｓ９）、円弧軌跡の係数と幾何誤差との関係式から幾何誤差（並進軸間の直角度誤差及び他の幾何誤差）を同定する（Ｓ１０）。

一方、正しい計測値が円弧軌跡の算出成分を求めるために必要な個数ない場合（Ｓ７でＮＯと判断）、つまり、たとえばＳ１で計測ポイントとして６ポイント設定したとすると、正しい計測値が４つ以下しかない（逆に言うと、ミス値が２つ以上ある）と、円弧軌跡の２次成分を求めることができないため、算出する円弧軌跡の成分を１次成分のみに変更する（Ｓ８）。そして、取得した計測値のうち正しい計測値のみを用いて円弧軌跡を同定し（Ｓ９）、円弧軌跡の係数と幾何誤差との関係式から幾何誤差（直角度誤差以外の幾何誤差）を同定する（Ｓ１０）。尚、Ｓ７で正しい計測値が２つ以下しかない場合、円弧軌跡の同定や幾何誤差の同定は行わない。

以上のような構成を有する幾何誤差同定装置によれば、計測値と設定値とを比較することにより、計測値が正しい計測値であるか否かを判断し、たとえミス値を取得したとしても当該ミス値を用いることなく、正しい計測にもとづく計測値のみを用いて幾何誤差の同定を行うため、幾何誤差の同定精度を従来と比較して向上することができる。

なお、本発明に係る幾何誤差同定装置は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、計測値の正誤判断に係る制御やミス値を取得した際の制御に係る構成等を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、上記実施形態では、取得した直径と予め設定されている直径とを比較することにより計測値の正誤を判断するように構成しているが、計測した座標（たとえばターゲット球２１の中心座標）と計測ポイントとして設定される割出角度等から予め算出される推定座標とを比較し、計測した座標と推定座標との差が所定値以上である場合にはミス値、所定値以内である場合には正しい計測値であると判断するような構成を採用することも可能である。当該構成を採用したとしても、計測値の正誤を判断することができ、ミス値を用いて幾何誤差を同定したりすることがなく、幾何誤差の同定精度の向上を図ることができる。
また、上記実施形態ではターゲット球２１の直径を計測値として取得するように構成しているが、ターゲット球２１の半径を取得し、取得した半径と予め設定されている半径とを比較するような構成としてもよい。加えて、ターゲット球の代わりに立方体をターゲットとして採用することも可能である。この場合、立方体の対向面間の距離や所定の２点間の距離をターゲット球の直径の代わりとすればよいし、立方体の中心座標をターゲット球の中心座標とすればよい。

さらに、上記実施形態では、記憶した計測値のうちミス値を用いず、正しい計測値のみを用いて幾何誤差を同定するように構成しているが、ミス値と判断した場合、その計測ポイントを再度計測して正しい計測値を取得し、その正しい計測値を幾何誤差の同定に用いるように構成してもよい。該構成を採用することにより、円弧軌跡を同定する際に必要な数の正しい計測値がなかったが故に、当初同定したかった幾何誤差とは別の幾何誤差しか同定することができないといった上記事態の発生を防止することができ、使い勝手の向上を図ることができる。尚、再計測するにあたっては、各計測毎に行う正誤判断によりミス値であると判断した場合に同じ計測ポイントで再計測を行う（Ｓ５において行う計測値の正誤判断により、ミス値である場合には再びＳ４を実行する）ことが望ましいものの、全ての計測ポイントでの計測を一通り終わらせた後、ミス値となっている計測ポイントのみを再計測する（計測値の中にミス値がある場合には、Ｓ６とＳ７との間でミス値となっている計測ポイントにおける計測を再び行う）ように構成してもよい。また、再計測するか否かについて、たとえばＳ１において適宜設定可能としてもよい。

さらにまた、上記実施形態では、各計測毎に正誤判断を行うように構成しているが、全ての計測ポイントでの計測を一通り終わらせた後、各計測ポイントにおける計測値が正しいか否かを判断するように構成する（すなわち、Ｓ５では計測値の記憶のみを行い、Ｓ６とＳ７との間において計測値の正誤判断を行う）ことも可能である。
またさらに、Ｓ１においてＡＣ軸ユニット４の動作範囲や主軸１１のストローク範囲を超えて計測ポイントを設定してしまったことにより、円弧軌跡を求めるに際して必要な数の正しい計測値がないような場合にも、円弧軌跡の求める算出成分を変更、すなわち同定する幾何誤差を変更するようにしても何ら問題はない。

加えて、本発明に係る幾何誤差同定装置が対象とする多軸工作機械は、上記実施形態の多軸工作機械に何ら限定されることはなく、たとえば主軸側に回転軸を２軸以上設けてなるものや、主軸側とテーブル側との夫々に回転軸を１軸ずつ設けてなるものであってもよいし、主軸側又はテーブル側の何れか一方にのみ回転軸を１軸しか備えていないものであってもよい。すなわち、５軸加工機と称されるマシニングセンタベースの工作機械のみならず、旋盤をベースとする複合加工機なども対象となる。そして、そのような場合には、直交３軸の並進軸は制御上構成可能であれば、実際の案内面が直交している必要はない。
また、回転軸の１つであるＡ軸はクレードルの旋回軸に限定されず、３６０度回転可能な回転軸であってもよいし、ターゲットとタッチプローブの配置を入れ替えても幾何誤差の同定は可能である。

１・・多軸工作機械、４・・ＡＣ軸ユニット、６・・テーブル、１１・・主軸、２１・・ターゲット球（ターゲット）。

Claims

工具を装着する主軸と、ワークを保持するテーブルとが、互いに直交する３方向の並進軸と、少なくとも１つの回転軸とによって相対移動することにより前記ワークを前記工具で加工する多軸工作機械において、前記主軸又は前記テーブルの一方に取り付けられたターゲットの割出位置を、前記主軸又は前記テーブルの他方に取り付けられたタッチプローブにより計測して計測値を取得し、複数の前記計測値にもとづいて前記多軸工作機械の幾何誤差を同定する制御装置を備えた幾何誤差同定装置であって、
前記制御装置は、取得した前記計測値と予め設定されている設定値とを比較することにより、前記計測値が正しい計測にもとづくものであるか否かを判断するとともに、正しい計測にもとづく前記計測値のみを用いた円弧軌跡を同定して前記幾何誤差を同定するとともに、前記円弧軌跡を同定するにあたり、前記正しい計測にもとづく計測値の数に応じて、前記円弧軌跡の成分次数を変更することを特徴とする幾何誤差同定装置。
前記制御装置は、前記割出位置において前記ターゲットの径又は所定の２点間の距離を前記計測値として取得し、当該径又は所定の２点間の距離と前記設定値とを比較し、両者の差が所定値以内であると、取得した計測値が正しい計測にもとづく計測値であると判断することを特徴とする請求項１に記載の幾何誤差同定装置。
前記制御装置は、前記割出位置において前記ターゲットにおける所定点の座標を前記計測値として取得し、取得した前記座標と、前記ターゲットが前記割出位置に割り出された際に前記所定点が位置するであろう推定座標とを比較し、両者の差が所定値以内であると、取得した計測値が正しい計測にもとづく計測値であると判断することを特徴とする請求項１に記載の幾何誤差同定装置。
前記制御装置は、取得した複数の前記計測値のうち、正しい計測にもとづかない前記計測値を用いることなく、正しい計測にもとづく前記計測値のみを用いて前記幾何誤差を同定することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の幾何誤差同定装置。
前記制御装置は、正しい計測にもとづかない前記計測値については、当該計測値を取得した前記割出位置において正しい計測にもとづく計測値を新たに取得し、当該新たに取得した正しい計測値をも含めて前記幾何誤差を同定することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の幾何誤差同定装置。