JP6295070B2 - 多軸工作機械の幾何誤差同定方法及び多軸工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、２軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸とを有する多軸工作機械の幾何誤差を同定する方法と、当該方法を実行可能な多軸工作機械とに関する。

工作機械において、高能率加工や複雑形状のワーク加工を行うため従来の３軸マシニングセンタに２つの回転軸を付加した５軸マシニングセンタのような多軸工作機械の精度向上が望まれている。一般的に軸数が増えると組立も困難になり、精度も悪化する傾向にある。しかし、組立で精度を追求する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いわゆる幾何誤差を補正することで精度を向上させる補正システムが開発されている。
幾何誤差を同定する手法として、変位計と直角スコヤ等の複数の測定器を使用し、計測結果より求める手法が従来より存在する。しかし、複数の測定器が必要なことに加え、測定技量で読み値が変化するといった計測結果の不確かさが同定精度に大きな影響を与えている。
５軸マシニングセンタの幾何誤差同定手法として、ボールバーと呼ばれる変位センサを用い、同時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、テーブル上の一点と主軸の相対間変位を保つように円運動させ、得られた円軌跡の中心偏差量より幾何誤差を同定する手法が広く知られている。しかし、この手法ではボールバーという特殊な測定器が必要であり、さらに測定器のセッティング方法によって同定精度に与える影響が大きく、容易に計測できるものではない。
さらに、幾何誤差は機械の据え付け状態や、環境温度変化による熱変位等様々な要因によって変化する。そのため幾何誤差補正を行うための幾何誤差同定は高精度加工を行う直前に実施するのが望ましいが、上記手法では測定に要する時間も多く、特別な測定器が必要であったり同定精度が測定者の測定技能によるため運用は難しい。

そこで、工作機械に搭載されているタッチプローブと計測ターゲットとなる球とを用い、ボールバーによる同時３軸円弧補間運動精度測定と同様の幾何誤差同定原理からなる計測システムが開発されている（特許文献１）。例えばテーブル旋回型５軸マシニングセンタではターゲット球をテーブルに設置し、回転軸や旋回軸を複数の角度に割り出し、例えば旋回軸を任意の角度に固定して回転軸のみ複数回割り出したり、或いは回転軸を任意の角度に固定して旋回軸のみ複数回割り出したりして、それぞれの割り出し条件でテーブル上のターゲット球に主軸に取り付けたタッチプローブを複数回接触させ、球の中心座標と直径とを算出する計測を繰り返す。この計測された球の位置より複数の割り出し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ものである。
この幾何誤差計測システムは隣り合う軸間の関係、すなわちある軸と隣り合う軸の位置関係において並進誤差と回転誤差の６成分を、機械の構成軸間の全てにおいて同定する機能である。しかし、各軸においてもそれぞれ単独の誤差が存在し、例えば直線軸では位置決め誤差が加工精度に影響を及ぼす。この位置決め誤差は一般的にレーザ測長機等の計測器を用いて予め測定し、位置決め誤差の補正に適用されている。

すなわち、工作機械の位置検出器としては、モータの回転を制御するためのロータリエンコーダや、高精度に位置を検出するための手段として直接検出器であるリニアエンコーダ等が用いられるが、これらの位置検出器は、一般的な工作機械の構成素材である鋳物とは材質が異なるので、位置検出器を構成する主要な材質の線膨張係数を設定し、そのセンサ位置に近い物体温度を取得してレーザ測長機で位置決め誤差の計測を行い、補正テーブルが作られる。しかし、補正テーブルを作製するための計測時に、正確な線膨張係数を設定していなかったり、適用する物体温度センサの位置が不適切であったりすると、機械の設置環境温度が変化した場合等に格納されている補正テーブルと実際の機械挙動との間には、一般的にスケーリングエラーと呼ばれる誤差が生じる。このスケーリングエラーを補正する技術として、例えば特許文献２には、テーブル上のワークの固定位置の変位量を求めるために用いるスケールの変位量を、スケール温度と基準温度との差に基づいて求めた熱変位推定用温度と、刃先位置の座標とスケール検出器位置の座標との差と、スケールの線膨張係数との積によって求める発明が開示されている。

特開２０１１−３８９０２号公報 特開２００６−２８１３３５号公報

しかし、スケーリングエラーは温度だけでなく、その他の要因でも変化するため、温度情報のみでスケーリングエラーを修正するのは困難であった。

そこで、本発明は、隣り合う軸間の幾何誤差と、各並進軸のスケーリングエラーとを同定し、高精度で補正することができる多軸工作機械の幾何誤差同定方法及び多軸工作機械を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、工具を装着可能な主軸と、ワークを保持するテーブルとが、２軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸とを介して制御手段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、前記制御手段により前記並進軸及び前記回転軸に関する幾何学的な誤差を同定すると共に、前記並進軸のスケーリングエラーを補正する方法であって、前記主軸又は前記テーブルの一方に取り付けられた被測定治具の位置を前記回転軸周りで複数角度に割り出すと共に、他方に取り付けられた位置計測センサを用いて、各割出位置での前記被測定治具の位置を計測する計測ステップと、計測された前記被測定治具の位置から幾何誤差を算出する幾何誤差算出ステップと、前記計測ステップで計測した円弧軌跡より楕円近似式を算出する楕円式算出ステップと、算出された前記楕円近似式から前記並進軸のスケーリングエラーを算出して補正するエラー補正ステップと、を実行することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記エラー補正ステップは、前記楕円近似式の長径と短径との差が予め設定された閾値を超えた場合に実行することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２の構成において、前記閾値は、単位長さ当たりの変化量で設定することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかの構成において、前記エラー補正ステップでは、前記スケーリングエラーの補正を一次式とし、前記並進軸の位置決め誤差補正テーブルの勾配に反映させて新しい位置決め誤差補正テーブルを設定することで前記スケーリングエラーの補正を行うことを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかの構成において、前記エラー補正ステップでは、各並進軸の検出器付近に設けられた温度センサと、基準となる任意の位置に設けられた温度センサとのそれぞれの検出温度の差を算出し、前記スケーリングエラーの補正量を前記検出温度の差の比率で分配して補正することを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項５の構成において、前記スケーリングエラーの補正量を、前記被測定治具を設置する構造体の線膨張係数を用いて修正することを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項７に記載の発明は、工具を装着可能な主軸と、ワークを保持するテーブルとが、２軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸とを介して制御手段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であって、前記制御手段は、請求項１乃至６の何れかに記載の幾何誤差同定方法を実行可能であることを特徴とするものである。

本発明によれば、隣り合う軸間の幾何誤差の同定だけでなく、並進軸のスケーリングエラーも同時に修正することができ、さらなる高精度加工が実施できる。
特に、温度情報だけではなく、幾何誤差同定において取得した円弧軌跡から直接スケーリングエラーを同定するため、より高精度なスケーリングエラーの補正を実現することができる。

５軸制御マシニングセンタの斜視図である。 スケーリングエラーによる長楕円成分を示す説明図である。 テーブルへのターゲット球の固定状態を示す説明図で、（Ａ）が平面、（Ｂ）が側面をそれぞれ示す。 スケーリングエラーの補正処理のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、多軸工作機械の一例であり、ワークから工具への軸構成順序が、ワーク・Ｃ軸・Ａ軸・Ｙ軸・Ｘ軸・Ｚ軸・工具、で表される５軸制御マシニングセンタ１の斜視図である。図１中のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は直交３軸（並進軸）であって、Ｙ軸方向を前後方向、Ｘ軸方向を左右方向、Ｚ軸方向を上下方向とする。
ベッド２の上面には、Ｙ軸案内３、３が形成されており、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、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載置するためのテーブル６を備えており、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、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、５軸制御マシニングセンタ１には、図示しないＮＣ装置（制御手段）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。

この５軸制御マシニングセンタ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。
そして、１３は、環境温度を計測する温度センサで、ベッド２には、図示しないＹ軸リニアスケールの設置位置近傍で温度センサ１４が設置され、クロスレール７には、図示しないＸ軸リニアスケールの設置位置近傍で温度センサ１５が設置されている。

このような５軸制御マシニングセンタ１においては、ＸＹ平面の各軸においてスケーリングエラーΔＸ、ΔＹが存在し、図２のように半径Ｒの円軌跡を描いた場合、下記式（１）のような楕円となることが一般的に知られている。

実際に位置計測センサとしてのタッチプローブと被測定治具としてのターゲット球とを用いて直角度誤差γを同定する場合、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１６を固定する。この実施例で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のターゲット球１６の中心座標［Ｘ_０ Ｙ_０ Ｚ_０ Ａ_０ Ｃ_０］を下記式（２）のように設定する。Ｈは座標原点からターゲット球１６の中心までの距離である。

図２の例では計測範囲が０deg〜３６０degで計測ポイントが８個であるため割出ピッチは４５degとなるので、４５degピッチでＣ軸を割り出していき、割出を行う度に主軸に付けたタッチプローブ（図示略）でターゲット球１６の座標を計測する（計測ステップ）。
次に、計測された座標から幾何誤差を同定する。これは、例えば特許文献１に開示のように、計測された複数の中心位置計測値を円弧近似し、近似された円弧の１次若しくは２次成分からＣ軸の中心位置の誤差及び傾き誤差、Ｘ軸及びＹ軸の傾き誤差を算出することで行われる（幾何誤差算出ステップ）。

そして、ここでは計測したターゲット球１６の座標よりＸ軸及びＹ軸座標［Ｘｉ Ｙｉ］を用いて、Ｘ軸とＹ軸のスケーリングエラーを確認する。スケーリングエラーだけであれば式（１）のような楕円式になるが、実際には直角度や回転軸中心の位置誤差等の幾何誤差により、楕円中心を［Ｘ_Ｃ Ｙ_Ｃ］、楕円の傾きをθとすると、楕円の一般式は下記式（３）となる。

この計測データ［Ｘｉ Ｙｉ］より最小二乗法等で式（３）の係数を算出し、楕円の近似式を得てスケーリングエラーの補正を行う。以下、当該補正の具体的な手順を図４のフローチャートに従って説明する。
まず、Ｘ軸とＹ軸とのスケーリングエラーを判定するため、Ｘ軸座標とＹ軸座標の計測データより式（３）の楕円近似式を求める（Ｓ１、楕円式算出ステップ）。
次に、求められた長径と短径とにあたる（Ｒ−ΔＸ）と（Ｒ−ΔＹ）とを比較し、差が存在して長楕円になっているか判定する（Ｓ２）。ここでは予め設定された閾値ε［mm/mm］（単位長さ当たりの変化量）より、（ε×Ｒ）＜｜ΔＸ−ΔＹ｜となったときに長楕円成分が存在すると判定する。
Ｓ２の判定で長楕円成分が存在した場合、各温度センサ１３〜１５の各温度Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３を取得する（Ｓ３）。一方、長楕円成分が存在しない場合、スケーリングエラーの補正を行わずに処理を終了する。

次に、基準温度を環境温度となる温度センサ１３の温度Ｔ_１とし、Ｘ軸温度差ΔＴ_Ｘ＝Ｔ_３−Ｔ_１、Ｙ軸温度差ΔＴ_Ｙ＝Ｔ_２−Ｔ_１を算出する（Ｓ４）。但し、基準温度は環境温度に限らず、例えばオイルコントローラの基準温度センサの温度としたり、油圧機器等の影響を受けない位置に設置された温度センサの温度等、任意の位置における温度を採用できる。
次に、スケーリングエラーの差分（ΔＸ−ΔＹ）より、各軸における位置補正の勾配を修正するための係数ｋ_Ｘ、ｋ_Ｙを、温度変化量の重みで下記式（４）のように分配する（Ｓ５）。

なお、ここでは基準温度となる温度センサを使用したが、例えば切削水を使用しているとターゲット球を設置したテーブルの温度が基準温度と異なり、計測されたＲに温度差が影響している場合がある。よって、ターゲット球を設置するテーブル６上面の温度を計測するための温度センサ１７（図１）を新たに設け、そこから得られるテーブル温度をＴ_４、機械の線膨張係数をαとして下記の式（５）のＲ'を式（４）のＲに適用すれば、さらに高度な修正が可能となる。

最後に位置誤差補正のテーブルＦ（Ｘ）、Ｆ（Ｙ）に下記式（６）のように修正係数を反映させて新しい位置誤差補正テーブルＦ'（Ｘ）、Ｆ'（Ｙ）を設定し、スケーリングエラーを修正する（Ｓ６、Ｓ３〜Ｓ６がエラー補正ステップ）。

このように、上記形態の幾何誤差同定方法によれば、隣り合う軸間の幾何誤差の同定だけでなく、並進軸のスケーリングエラーも同時に修正することができ、さらなる高精度加工が実施できる。
特に、温度情報だけではなく、幾何誤差同定において取得した円弧軌跡から直接スケーリングエラーを同定するため、より高精度なスケーリングエラーの補正を実現することができる。

なお、上記形態では各部の温度差より位置誤差補正テーブルの修正勾配を分配したが、基準となる直線軸を予め設定し、スケーリングエラーの差分を他の軸へ反映させる手法も同様の効果が得られる。
また、上記形態ではＸ軸とＹ軸とのスケーリングエラーを修正する場合を説明したが、Ｙ軸とＺ軸のスケーリングエラーを修正する場合、Ｃ軸を任意の角度に固定し、Ａ軸を複数の割出条件に位置決めして得られた計測結果のＹ軸座標とＺ軸座標との軌跡から同様に楕円近似式を同定することで実施できる。
さらに、主軸とテーブル間でターゲット球とタッチプローブとの配置を入れ替えても本発明は適用可能である。

そして、多軸工作機械としては５軸制御マシニングセンタに限らず、２以上の並進軸及び１以上の回転軸を持つ多軸工作機械であれば、例えば主軸側に回転軸を２以上設けてなるものや、主軸側とテーブル側とのそれぞれに回転軸を１つずつ設けてなるものであってもよい。よって、マシニングセンタベースの工作機械に限らず、旋盤をベースとする複合加工機等も対象となる。
また、テーブルの並進軸方向の位置が計測可能であれば、リニアスケールに限らず、ロータリーエンコーダ等の他の検出器であっても本発明は適用可能である。

１・・５軸制御マシニングセンタ、２・・ベッド、４・・ＡＣ軸ユニット、５・・クレードル、６・・テーブル、７・・クロスレール、１１・・主軸、１２・・主軸頭、１３〜１５、１７・・温度センサ、１６・・ターゲット球。

Claims (7)

1. 工具を装着可能な主軸と、ワークを保持するテーブルとが、２軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸とを介して制御手段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、前記制御手段により前記並進軸及び前記回転軸に関する幾何学的な誤差を同定すると共に、前記並進軸のスケーリングエラーを補正する方法であって、
   前記主軸又は前記テーブルの一方に取り付けられた被測定治具の位置を前記回転軸周りで複数角度に割り出すと共に、他方に取り付けられた位置計測センサを用いて、各割出位置での前記被測定治具の位置を計測する計測ステップと、
   計測された前記被測定治具の位置から幾何誤差を算出する幾何誤差算出ステップと、
   前記計測ステップで計測した円弧軌跡より楕円近似式を算出する楕円式算出ステップと、
   算出された前記楕円近似式から前記並進軸のスケーリングエラーを算出して補正するエラー補正ステップと、
   を実行することを特徴とする多軸工作機械の幾何誤差同定方法。
2. 前記エラー補正ステップは、前記楕円近似式の長径と短径との差が予め設定された閾値を超えた場合に実行することを特徴とする請求項１に記載の多軸工作機械の幾何誤差同定方法。
3. 前記閾値は、単位長さ当たりの変化量で設定することを特徴とする請求項２に記載の多軸工作機械の幾何誤差同定方法。
4. 前記エラー補正ステップでは、前記スケーリングエラーの補正を一次式とし、前記並進軸の位置決め誤差補正テーブルの勾配に反映させて新しい位置決め誤差補正テーブルを設定することで前記スケーリングエラーの補正を行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の多軸工作機械の幾何誤差同定方法。
5. 前記エラー補正ステップでは、各並進軸の検出器付近に設けられた温度センサと、基準となる任意の位置に設けられた温度センサとのそれぞれの検出温度の差を算出し、前記スケーリングエラーの補正量を前記検出温度の差の比率で分配して補正することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の多軸工作機械の幾何誤差同定方法。
6. 前記スケーリングエラーの補正量を、前記被測定治具を設置する構造体の線膨張係数を用いて修正することを特徴とする請求項５に記載の多軸工作機械の幾何誤差同定方法。
7. 工具を装着可能な主軸と、ワークを保持するテーブルとが、２軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸とを介して制御手段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であって、
   前記制御手段は、請求項１乃至６の何れかに記載の幾何誤差同定方法を実行可能であることを特徴とする多軸工作機械。

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