JP7138003B2 - 工作機械の誤差同定方法及び誤差同定システム - Google Patents
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Description
本発明は、工作物を保持するテーブルと工具を保持する主軸とが、並進軸と回転軸とによって相対移動する工作機械において、幾何誤差を計測・同定する方法に関するものである。
図１は、並進３軸と回転２軸を有する５軸制御マシニングセンタ（以下、「５軸機」という。）の模式図である。この５軸機は、工具を保持し回転させることが可能な主軸２と、工作物を保持し回転および傾斜可能なテーブル３とを有している。主軸２は、互いに直交する並進軸Ｚ軸とＸ軸とにより、ベッド１に対して２自由度の並進運動が可能である。テーブル３は、クレードル４によりＣ軸周りで回転可能に支持されており、クレードル４は、ベッド１上でＹ軸方向へ移動可能なトラニオン５によりＡ軸周りで回転可能に支持されている。よって、テーブル３は、互いに直交する回転軸Ｃ軸とＡ軸とにより２自由度の回転運動と、Ｚ軸とＸ軸とに直交する並進軸Ｙ軸により１自由度の並進運動がベッド１に対して可能である。
各軸は、図２に示す位置検出器２２により軸の位置を検出し、制御装置２０は位置検出器２２から取得した各軸の位置情報をもとにサーボモータ２１を制御・駆動して、テーブル３に保持した工作物を主軸２に保持した工具により加工を行う。
各軸は、図２に示す位置検出器２２により軸の位置を検出し、制御装置２０は位置検出器２２から取得した各軸の位置情報をもとにサーボモータ２１を制御・駆動して、テーブル３に保持した工作物を主軸２に保持した工具により加工を行う。
この５軸機のような多軸工作機械は駆動軸数が多いため、駆動軸数が少ない機械に対し運動精度が悪化する傾向にある。その要因として、各軸間の誤差である幾何学的な誤差（以下、「幾何誤差」という。）がある。この幾何誤差を機械の製造・組立段階で小さくして高精度化を図るのは、コスト・技術的に困難な面があり、幾何誤差を補正して制御することにより、多軸工作機械の高精度化を図る技術が開発されている。
５軸機の幾何誤差を補正制御するためには、機械に内在する幾何誤差を計測して、同定する必要がある。機械の幾何誤差を計測・同定する方法として、特許文献１のような方法が提案されている。特許文献１に記載の方法は、主軸に位置計測センサであるタッチプローブを装着して、テーブルに計測ターゲットであるターゲット球を設置し、予め設定された計測条件に従って回転軸をある角度からある角度まで任意角度ピッチで割り出して、各割り出し角度でテーブルに固定したターゲット球の中心位置をタッチプローブにより計測し、得られた円弧軌跡を０次と、１次と、２次の円弧で近似して、その円弧の１次成分から回転軸に関する幾何誤差と、２次成分から並進軸の傾き誤差（幾何誤差）とを同定する方法である。
５軸機の幾何誤差を補正制御するためには、機械に内在する幾何誤差を計測して、同定する必要がある。機械の幾何誤差を計測・同定する方法として、特許文献１のような方法が提案されている。特許文献１に記載の方法は、主軸に位置計測センサであるタッチプローブを装着して、テーブルに計測ターゲットであるターゲット球を設置し、予め設定された計測条件に従って回転軸をある角度からある角度まで任意角度ピッチで割り出して、各割り出し角度でテーブルに固定したターゲット球の中心位置をタッチプローブにより計測し、得られた円弧軌跡を０次と、１次と、２次の円弧で近似して、その円弧の１次成分から回転軸に関する幾何誤差と、２次成分から並進軸の傾き誤差（幾何誤差）とを同定する方法である。
特許文献１に記載の方法を用いて幾何誤差を計測・同定する場合、５軸機の基本精度である並進軸の真直度や位置決め精度、回転軸の位置決め精度が、前記位置の計測に影響し、その位置をもとに同定する幾何誤差も影響を受けるため、基本精度に大きな誤差が生じていないことが重要となる。
これらの基本精度は機械の製造・組立段階で調整されるが、回転軸に位置を保持するためのブレーキ機構がある場合、その影響により前記回転軸の割り出し指令位置に対して実際に割り出した際の位置にずれ（DIFFERENCE、以下「DIFF」と称する。）が生じやすくなる。回転軸にDIFFが生じると位置決め精度が低下するため、幾何誤差の計測・同定精度も低下してしまう。また、回転軸にかみ合い方式のクランプ機構、もしくは位置決め用のピンが設けられたクランプ機構がある場合、回転軸をクランプ機構によりクランプすると、回転軸の位置決め精度はクランプ機構の精度によって決まることとなる。クランプ機構の精度を幾何誤差の計測・同定精度に影響しないレベルに調整するのは困難であり、回転軸をクランプ機構によりクランプして幾何誤差の計測・同定を行うと、クランプ機構の精度に応じたDIFFが生じて幾何誤差の計測・同定精度が低下してしまうといった問題がある。
これらの基本精度は機械の製造・組立段階で調整されるが、回転軸に位置を保持するためのブレーキ機構がある場合、その影響により前記回転軸の割り出し指令位置に対して実際に割り出した際の位置にずれ（DIFFERENCE、以下「DIFF」と称する。）が生じやすくなる。回転軸にDIFFが生じると位置決め精度が低下するため、幾何誤差の計測・同定精度も低下してしまう。また、回転軸にかみ合い方式のクランプ機構、もしくは位置決め用のピンが設けられたクランプ機構がある場合、回転軸をクランプ機構によりクランプすると、回転軸の位置決め精度はクランプ機構の精度によって決まることとなる。クランプ機構の精度を幾何誤差の計測・同定精度に影響しないレベルに調整するのは困難であり、回転軸をクランプ機構によりクランプして幾何誤差の計測・同定を行うと、クランプ機構の精度に応じたDIFFが生じて幾何誤差の計測・同定精度が低下してしまうといった問題がある。
そこで、本発明は、DIFFの影響を受けることなく幾何誤差を計測・同定することができる誤差同定方法及び誤差同定システム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、工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸とが、３軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸とによって相対移動可能であり、前記軸の位置を検出する位置検出器により前記各軸の位置を検出して、前記各軸を制御・駆動する工作機械において、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方法であって、
前記テーブルと前記主軸との何れか一方に計測ターゲットを設置し、他方に位置計測センサを装着し、前記回転軸を任意の位置に割り出して、前記計測ターゲットの３次元空間上の初期位置を前記位置計測センサで計測する初期位置計測ステップと、
前記回転軸を割り出した際の指令位置と、前記位置検出器により検出した位置との差分値を取得する第１差分値取得ステップと、
前記初期位置計測ステップで計測した前記計測ターゲットの初期位置から、前記第１差分値取得ステップで取得した前記回転軸の差分値の影響を除外する初期位置修正ステップと、
前記初期位置修正ステップで得られた前記計測ターゲットの修正位置をもとに、前記回転軸を複数の角度に割り出して前記計測ターゲットを複数の箇所に位置決めし、前記回転軸を割り出した際の指令位置と、前記位置検出器により検出した位置との差分値の取得を複数の位置に対して実施する第２差分値取得ステップと、
各位置決め位置で前記位置計測センサにより前記計測ターゲットの３次元空間上の位置を計測する誤差計測ステップと、
前記誤差計測ステップで計測した複数の前記計測ターゲットの位置から、前記第２差分値取得ステップで取得した前記回転軸の差分値の影響を除外して、複数の前記計測ターゲットの位置に対する修正位置をそれぞれ算出する誤差計測位置修正ステップと、
前記誤差計測位置修正ステップで得られた複数の修正位置の円弧軌跡に対して円弧近似を行う円弧近似ステップと、
前記円弧近似ステップから得られた円弧近似成分を用いて前記幾何学的な誤差の演算を行う誤差同定ステップと、を実施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の構成において、前記初期位置修正ステップでは、
前記第１差分値取得ステップで取得した前記回転軸の差分値と、前記回転軸の中心位置から前記計測ターゲットの位置までの距離とから、前記回転軸の差分値による前記回転軸に対する接線方向誤差を算出する接線方向誤差算出ステップと、
前記回転軸の割り出し指令位置を用いて、前記接線方向誤差を並進軸方向誤差に変換する誤差変換ステップと、
前記初期位置計測ステップで計測した前記計測ターゲットの位置から、前記誤差変換ステップで変換した前記並進軸方向誤差を加算もしくは減算する接線誤差除外ステップと、を実施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又は２の構成において、前記誤差計測位置修正ステップでは、前記第２差分値取得ステップで取得した前記回転軸の差分値と、前記回転軸の中心位置から前記計測ターゲットの位置までの距離とから、前記回転軸の差分値による前記回転軸に対する接線方向誤差を算出する接線方向誤差算出ステップと、
前記回転軸の割り出し指令位置を用いて、前記接線方向誤差を並進軸方向誤差に変換する誤差変換ステップと、
前記誤差計測ステップで計測した前記計測ターゲットの位置から、前記誤差変換ステップで変換した前記並進軸方向誤差を加算もしくは減算する接線誤差除外ステップと、を前記誤差計測ステップで計測した複数の位置に対して実施することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、工作機械の誤差同定システムであって、
工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸とが、３軸以上の並進軸と、任意の位置で軸を保持可能なブレーキ機構及び／又はクランプ可能なクランプ機構を備えた１軸以上の回転軸とによって相対移動可能であり、前記軸の位置を検出する位置検出器により前記各軸の位置を検出して、前記各軸を制御・駆動する工作機械と、
前記テーブルと前記主軸との何れか一方に設置される計測ターゲットと、
他方に設置される位置計測センサとを含み、
請求項１乃至３の何れかに記載の工作機械の誤差同定方法を実施可能であることを特徴とする。
前記テーブルと前記主軸との何れか一方に計測ターゲットを設置し、他方に位置計測センサを装着し、前記回転軸を任意の位置に割り出して、前記計測ターゲットの３次元空間上の初期位置を前記位置計測センサで計測する初期位置計測ステップと、
前記回転軸を割り出した際の指令位置と、前記位置検出器により検出した位置との差分値を取得する第１差分値取得ステップと、
前記初期位置計測ステップで計測した前記計測ターゲットの初期位置から、前記第１差分値取得ステップで取得した前記回転軸の差分値の影響を除外する初期位置修正ステップと、
前記初期位置修正ステップで得られた前記計測ターゲットの修正位置をもとに、前記回転軸を複数の角度に割り出して前記計測ターゲットを複数の箇所に位置決めし、前記回転軸を割り出した際の指令位置と、前記位置検出器により検出した位置との差分値の取得を複数の位置に対して実施する第２差分値取得ステップと、
各位置決め位置で前記位置計測センサにより前記計測ターゲットの３次元空間上の位置を計測する誤差計測ステップと、
前記誤差計測ステップで計測した複数の前記計測ターゲットの位置から、前記第２差分値取得ステップで取得した前記回転軸の差分値の影響を除外して、複数の前記計測ターゲットの位置に対する修正位置をそれぞれ算出する誤差計測位置修正ステップと、
前記誤差計測位置修正ステップで得られた複数の修正位置の円弧軌跡に対して円弧近似を行う円弧近似ステップと、
前記円弧近似ステップから得られた円弧近似成分を用いて前記幾何学的な誤差の演算を行う誤差同定ステップと、を実施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の構成において、前記初期位置修正ステップでは、
前記第１差分値取得ステップで取得した前記回転軸の差分値と、前記回転軸の中心位置から前記計測ターゲットの位置までの距離とから、前記回転軸の差分値による前記回転軸に対する接線方向誤差を算出する接線方向誤差算出ステップと、
前記回転軸の割り出し指令位置を用いて、前記接線方向誤差を並進軸方向誤差に変換する誤差変換ステップと、
前記初期位置計測ステップで計測した前記計測ターゲットの位置から、前記誤差変換ステップで変換した前記並進軸方向誤差を加算もしくは減算する接線誤差除外ステップと、を実施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又は２の構成において、前記誤差計測位置修正ステップでは、前記第２差分値取得ステップで取得した前記回転軸の差分値と、前記回転軸の中心位置から前記計測ターゲットの位置までの距離とから、前記回転軸の差分値による前記回転軸に対する接線方向誤差を算出する接線方向誤差算出ステップと、
前記回転軸の割り出し指令位置を用いて、前記接線方向誤差を並進軸方向誤差に変換する誤差変換ステップと、
前記誤差計測ステップで計測した前記計測ターゲットの位置から、前記誤差変換ステップで変換した前記並進軸方向誤差を加算もしくは減算する接線誤差除外ステップと、を前記誤差計測ステップで計測した複数の位置に対して実施することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、工作機械の誤差同定システムであって、
工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸とが、３軸以上の並進軸と、任意の位置で軸を保持可能なブレーキ機構及び／又はクランプ可能なクランプ機構を備えた１軸以上の回転軸とによって相対移動可能であり、前記軸の位置を検出する位置検出器により前記各軸の位置を検出して、前記各軸を制御・駆動する工作機械と、
前記テーブルと前記主軸との何れか一方に設置される計測ターゲットと、
他方に設置される位置計測センサとを含み、
請求項１乃至３の何れかに記載の工作機械の誤差同定方法を実施可能であることを特徴とする。
本発明によれば、幾何誤差を計測・同定するために行う計測ターゲットの位置の計測において、位置の計測とともに回転軸の差分値（DIFF）を同時に取得して、DIFFによる計測した位置への影響を除外する。さらに、DIFFの影響を除外した位置をもとに幾何誤差の同定を行うため、比較的DIFFが生じやすいブレーキ機構もしくはクランプ機構を備えた回転軸を有する工作機械においても、DIFFの影響を受けることなく幾何誤差を計測・同定することができる。
また、回転軸にブレーキ機構もしくはクランプ機構を備えていない工作機械であっても、何らかの要因で回転軸にDIFFが生じるような場合には、本発明を適用することで回転軸のDIFFの影響を受けることなく幾何誤差の計測・同定が可能となる。
また、回転軸にブレーキ機構もしくはクランプ機構を備えていない工作機械であっても、何らかの要因で回転軸にDIFFが生じるような場合には、本発明を適用することで回転軸のDIFFの影響を受けることなく幾何誤差の計測・同定が可能となる。
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に示した５軸機は、本発明の工作機械の一例であり、３つの並進軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）と、２つの回転軸（Ａ軸、Ｃ軸）とを有している。また、並進軸および回転軸は、図２に示すように、それぞれサーボモータ２１及び位置検出器２２を備えており、制御装置２０が入力手段２３により軸移動指令を受けると、位置検出器２２にて検出した軸位置情報をもとにサーボモータ２１を制御・駆動させて各軸の位置決めを行う。また、回転軸は、任意の位置で軸を保持可能なブレーキ機構もしくはクランプ可能なクランプ機構を備えており、入力手段２３により指令を受けることでこれらの機構によって軸を保持もしくは、クランプする。
なお、本発明に関わる工作機械は図１に示すマシニングセンタベースの多軸工作機によらず、旋盤ベースの多軸工作機械などであってもよい。また、回転軸に軸位置を保持するための機構を備えていなくとも本発明を適用することが可能である。
図１に示した５軸機は、本発明の工作機械の一例であり、３つの並進軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）と、２つの回転軸（Ａ軸、Ｃ軸）とを有している。また、並進軸および回転軸は、図２に示すように、それぞれサーボモータ２１及び位置検出器２２を備えており、制御装置２０が入力手段２３により軸移動指令を受けると、位置検出器２２にて検出した軸位置情報をもとにサーボモータ２１を制御・駆動させて各軸の位置決めを行う。また、回転軸は、任意の位置で軸を保持可能なブレーキ機構もしくはクランプ可能なクランプ機構を備えており、入力手段２３により指令を受けることでこれらの機構によって軸を保持もしくは、クランプする。
なお、本発明に関わる工作機械は図１に示すマシニングセンタベースの多軸工作機によらず、旋盤ベースの多軸工作機械などであってもよい。また、回転軸に軸位置を保持するための機構を備えていなくとも本発明を適用することが可能である。
次に、幾何誤差について説明する。幾何誤差を隣り合う軸間の相対並進誤差３成分および相対回転誤差３成分の合計６成分（δx、δy、δz、α、β、γ）で定義する。
本例の５軸機の場合、各軸間と、Ｃ軸と工作物間と、Ｚ軸と工具間とに前記６成分の幾何誤差がそれぞれ存在するため、合計３６個の幾何誤差が存在する。ただし、３６個のうち冗長な関係のものを除くと１３個であり、幾何誤差が存在する軸間を工具側からの順番を添え字として表すと、１３個の幾何誤差は、α１、β１、α２、β２、γ３、δy４、δz４、β４、γ４、δx５、δy５、α５、β５となる。これらは順に、工具－Ｙ軸間直角度、工具－Ｘ軸間直角度、Ｙ－Ｚ軸間直角度、Ｚ－Ｘ軸間直角度、Ｘ－Ｙ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、Ｃ軸中心位置Ｘ方向誤差、Ｃ－Ａ軸間オフセット誤差、Ａ軸原点オフセット誤差、Ｃ－Ａ軸間直角度である。
本例の５軸機の場合、各軸間と、Ｃ軸と工作物間と、Ｚ軸と工具間とに前記６成分の幾何誤差がそれぞれ存在するため、合計３６個の幾何誤差が存在する。ただし、３６個のうち冗長な関係のものを除くと１３個であり、幾何誤差が存在する軸間を工具側からの順番を添え字として表すと、１３個の幾何誤差は、α１、β１、α２、β２、γ３、δy４、δz４、β４、γ４、δx５、δy５、α５、β５となる。これらは順に、工具－Ｙ軸間直角度、工具－Ｘ軸間直角度、Ｙ－Ｚ軸間直角度、Ｚ－Ｘ軸間直角度、Ｘ－Ｙ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、Ｃ軸中心位置Ｘ方向誤差、Ｃ－Ａ軸間オフセット誤差、Ａ軸原点オフセット誤差、Ｃ－Ａ軸間直角度である。
前記幾何誤差を計測・同定するためには、図３に示すように主軸２に位置計測センサとしてのタッチプローブ１１を装着し、テーブル３に計測ターゲットとしてのターゲット球１２を固定して誤差同定システムを構成する。また、回転軸Ａ軸を０°（Ｃ軸とＺ軸とが平行になるよう） に、回転軸Ｃ軸を任意位置に割り出しておく。
なお、主軸２にターゲット球１２を、テーブル３にタッチプローブ１１を固定してもよい。
タッチプローブ１１の先端にはスタイラスが付いており、スタイラスが測定対象に接触するとその瞬間に信号を発信する。制御装置２０は、接続された受信機２４にてその信号を受信すると、その時点での各軸の位置を位置検出器２２より取得して接触位置とし、記憶手段２０ａに記憶する。
なお、主軸２にターゲット球１２を、テーブル３にタッチプローブ１１を固定してもよい。
タッチプローブ１１の先端にはスタイラスが付いており、スタイラスが測定対象に接触するとその瞬間に信号を発信する。制御装置２０は、接続された受信機２４にてその信号を受信すると、その時点での各軸の位置を位置検出器２２より取得して接触位置とし、記憶手段２０ａに記憶する。
次に、制御装置２０による幾何誤差の計測・同定方法について、図４に示すフローチャートをもとに説明する。
まず、回転軸Ａ軸を０°（Ｃ軸とＺ軸とが平行になるよう）に、回転軸Ｃ軸を任意位置に割り出し、テーブル３に固定されたターゲット球１２の直上に、タッチプローブ１１のスタイラス先端が位置するよう位置決めする（Ｓ１）。また、回転軸Ａ，Ｃ軸は後述する計測条件に従って、軸を保持もしくはクランプさせておく。
次に、ターゲット球１２の外周にスタイラスを複数回接触させてターゲット球１２の初期位置である設置中心位置（Ｘm０,Ｙm０,Ｚm０）を計測するとともに、各回転軸の割り出し指令位置（Ａc０,Ｃc０）と、各軸の位置検出器２２により検出した位置（Ａm０,Ｃm０)との差分値であるDIFF（ΔＡ０,ΔＣ０）を取得する（Ｓ２：初期位置計測ステップ及び第１差分値取得ステップ）。
まず、回転軸Ａ軸を０°（Ｃ軸とＺ軸とが平行になるよう）に、回転軸Ｃ軸を任意位置に割り出し、テーブル３に固定されたターゲット球１２の直上に、タッチプローブ１１のスタイラス先端が位置するよう位置決めする（Ｓ１）。また、回転軸Ａ，Ｃ軸は後述する計測条件に従って、軸を保持もしくはクランプさせておく。
次に、ターゲット球１２の外周にスタイラスを複数回接触させてターゲット球１２の初期位置である設置中心位置（Ｘm０,Ｙm０,Ｚm０）を計測するとともに、各回転軸の割り出し指令位置（Ａc０,Ｃc０）と、各軸の位置検出器２２により検出した位置（Ａm０,Ｃm０)との差分値であるDIFF（ΔＡ０,ΔＣ０）を取得する（Ｓ２：初期位置計測ステップ及び第１差分値取得ステップ）。
次に、計測したターゲット球１２の初期位置から回転軸のDIFFの影響の除外を行う（Ｓ３：初期位置修正ステップ）。ここでは取得した回転軸のDIFFと、回転軸中心位置からターゲット球１２の中心位置までの距離とから接線方向誤差の算出を行う。さらに、算出した接線方向誤差を回転軸の指令位置を用いて並進軸方向の誤差に変換し、計測したターゲット球１２の初期位置より減算した修正中心位置（Ｘm０",Ｙm０",Ｚm０"）を算出する。詳細な方法については、後述する。
次に、Ｓ３で算出したターゲット球１２の修正中心位置（Ｘm０",Ｙm０",Ｚm０"）と、記憶手段２０ａに予め記録された幾何誤差を計測するための回転軸割り出し条件などの計測条件をもとに、各回転軸の割り出し指令位置（Ａcｉ,Ｃcｉ）や、各回転軸を指令位置に割り出した際のターゲット球１２の中心指令位置（Ｘcｉ,Ｙcｉ,Ｚcｉ）と、タッチプローブ１１をターゲット球１２の直上に位置決めするための位置を算出する（Ｓ４）。
次に、Ｓ３で算出したターゲット球１２の修正中心位置（Ｘm０",Ｙm０",Ｚm０"）と、記憶手段２０ａに予め記録された幾何誤差を計測するための回転軸割り出し条件などの計測条件をもとに、各回転軸の割り出し指令位置（Ａcｉ,Ｃcｉ）や、各回転軸を指令位置に割り出した際のターゲット球１２の中心指令位置（Ｘcｉ,Ｙcｉ,Ｚcｉ）と、タッチプローブ１１をターゲット球１２の直上に位置決めするための位置を算出する（Ｓ４）。
ここで、記憶手段２０ａに予め記録させておく回転軸割り出し条件について、図５の一例をもとに説明する。幾何誤差を計測・同定するためには、Ａ軸をある角度（例えば０°）に割り出して固定し、Ｃ軸を開始角度（例えば０°）から終了角度（例えば３１５°）まで任意角度（例えば４５°）ピッチで割り出して各割り出し角度（例えば図６に示すｎ１～ｎ８）でターゲット球１２の中心位置を計測するＣ軸計測と、Ｃ軸をある角度（例えば－９０°）に割り出して固定し、Ａ軸を開始角度（例えば３０°）から終了角度（例えば－９０°）まで任意角度（例えば３０°）ピッチで割り出して各割り出し角度（例えば図７に示すｐ１～ｐ５）でターゲット球１２の中心位置を計測するＡ軸計測と、を行う。回転軸割り出し条件は回転軸の開始や終了角度、角度ピッチなどである、
また、計測条件には前記回転軸割り出し条件のほかに、回転軸を割り出し条件に従って割り出した後、ブレーキ機構もしくはクランプ機構により回転軸を保持もしくはクランプするかどうかといった情報もあり、これも記憶手段２０ａに予め記録させておくこととなる。
また、計測条件には前記回転軸割り出し条件のほかに、回転軸を割り出し条件に従って割り出した後、ブレーキ機構もしくはクランプ機構により回転軸を保持もしくはクランプするかどうかといった情報もあり、これも記憶手段２０ａに予め記録させておくこととなる。
次に、Ｃ軸計測を行う（Ｓ５）。ここでは図６に示すように回転軸をＳ４で算出した割り出し指令位置（Ａcｉ,Ｃcｉ）に位置決めし、計測条件に従って回転軸を保持もしくはクランプする。このときの割り出し指令位置と位置検出器２２により検出した位置（Ａmｉ,Ｃmｉ）との差分値であるDIFF（ΔＡｉ,ΔＣｉ）を取得する。さらに、Ｓ４で算出した位置決め位置にタッチプローブ１１を位置決めして、ターゲット球１２の外周にスタイラスを接触させて、ターゲット球１２の中心位置（Ｘmｉ,Ｙmｉ,Ｚmｉ）を算出する。このＳ４，５が第２差分値取得ステップ及び誤差計測ステップとなる。
次に、Ｓ３と同様の方法で計測した複数のターゲット球１２の中心位置に対して回転軸DIFFの影響を除外した中心位置（Ｘmｉ',Ｙmｉ',Ｚmｉ'）の算出を行う（Ｓ６：誤差計測位置修正ステップ）。
次に、Ｓ６から得られた円弧軌跡に対して円弧近似を行う（Ｓ７：円弧近似ステップ）。
次に、Ａ軸計測に対しても同様の計測（Ｓ８：第２差分値取得ステップ及び誤差計測ステップ）、回転軸DIFFの影響の除外（Ｓ９：誤差計測位置修正ステップ）、円弧近似（Ｓ１０：円弧近似ステップ）を実施する。
次に、Ｓ７とＳ１０とから得られた各円弧近似成分をもとに幾何誤差の算出を行う（Ｓ１１：誤差同定ステップ）。
次に、Ｓ３と同様の方法で計測した複数のターゲット球１２の中心位置に対して回転軸DIFFの影響を除外した中心位置（Ｘmｉ',Ｙmｉ',Ｚmｉ'）の算出を行う（Ｓ６：誤差計測位置修正ステップ）。
次に、Ｓ６から得られた円弧軌跡に対して円弧近似を行う（Ｓ７：円弧近似ステップ）。
次に、Ａ軸計測に対しても同様の計測（Ｓ８：第２差分値取得ステップ及び誤差計測ステップ）、回転軸DIFFの影響の除外（Ｓ９：誤差計測位置修正ステップ）、円弧近似（Ｓ１０：円弧近似ステップ）を実施する。
次に、Ｓ７とＳ１０とから得られた各円弧近似成分をもとに幾何誤差の算出を行う（Ｓ１１：誤差同定ステップ）。
次に、Ｓ４で行う回転軸を指令位置に割り出した際のターゲット球１２の中心指令位置の算出方法を説明する。
まず、回転軸Ａ、Ｃ軸をＡcｉ、Ｃcｉの角度に割り出した際のターゲット球１２の中心指令位置（Ｘcｉ,Ｙcｉ,Ｚcｉ）は、以下の数１から算出することができる。
まず、回転軸Ａ、Ｃ軸をＡcｉ、Ｃcｉの角度に割り出した際のターゲット球１２の中心指令位置（Ｘcｉ,Ｙcｉ,Ｚcｉ）は、以下の数１から算出することができる。
ここで、xＣ、yＣは、Ｘ／Ｙ軸原点からＣ軸中心までのオフセットであり、yＡ、zＡは、Ｙ／Ｚ軸原点からＡ軸中心までのオフセットである。また、Ｘm０'、Ｙm０'、Ｚm０'は以下の数２から求めることができる。
次に、図４のＳ３やＳ６、Ｓ９で行う回転軸DIFFの影響の除外について、図８に示すフローチャートをもとに説明する。
まず、回転軸中心位置からターゲット球１２の中心位置までの距離Ｒa、Ｒcを以下の数３により算出する（Ｓ３－１）。
まず、回転軸中心位置からターゲット球１２の中心位置までの距離Ｒa、Ｒcを以下の数３により算出する（Ｓ３－１）。
次に、回転軸のDIFF（ΔＡｉ,ΔＣｉ）と、数３より算出した距離Ｒa、Ｒcとから、接線方向誤差Ｔaｉ、Ｔcｉを以下の数４により算出する（Ｓ３－２：接線方向誤差算出ステップ）。
次に、算出した接線方向誤差を、以下の数５により並進軸方向の誤差（ΔＴxｉ,ΔＴyｉ,ΔＴzｉ）に変換し（Ｓ３－３：誤差変換ステップ）、計測したターゲット球１２の中心位置から並進軸方向の誤差を減算して回転軸DIFFの影響を除外する（Ｓ３－４：接線誤差除外ステップ）。
なお、Ｓ３で行う回転軸DIFFの影響の除外を省略し、Ｓ６やＳ９において回転軸のDIFF（ΔＡｉ,ΔＣｉ）の代わりに、初期計測での回転軸DIFF（ΔＡ０,ΔＣ０）と各計測の回転軸DIFF（ΔＡｉ,ΔＣｉ）との差分値（ΔＡｉ',ΔＣｉ'）を用いてもよい。また、この場合、Ｓ４で行う指令位置の算出には、Ｓ２で計測したターゲット球１２の中心位置（Ｘm０,Ｙm０,Ｚm０）を用いることとなる。
次に、Ｓ７で行うＣ軸計測の円弧近似について説明する。
まず、Ｓ６で算出したターゲット球１２の中心位置（Ｘmｉ',Ｙmｉ',Ｚmｉ'）と、Ｓ４で算出したターゲット球１２の中心指令位置との差分値（ΔＸｉ,ΔＹｉ,ΔＺｉ）を算出する。
次に、以下の数６と数７とにより、軸方向成分と半径方向成分とを算出する。
まず、Ｓ６で算出したターゲット球１２の中心位置（Ｘmｉ',Ｙmｉ',Ｚmｉ'）と、Ｓ４で算出したターゲット球１２の中心指令位置との差分値（ΔＸｉ,ΔＹｉ,ΔＺｉ）を算出する。
次に、以下の数６と数７とにより、軸方向成分と半径方向成分とを算出する。
次に、軸方向成分について、０次と１次の円弧である以下の数８で近似して、０次成分p1a０と、１次余弦成分p1a１と、１次正弦成分p1b１とを得る。
次に、半径方向成分について、０次と１次と２次の円弧である以下の数９で近似して０次成分r1a０と、１次余弦成分r1a１と、１次正弦成分r1b１と、２次余弦成分r1a２と、２次正弦成分r1b２とを得る。
次に、Ｓ１０で行うＡ軸計測の円弧近似について説明する。
まず、Ｓ９で算出したターゲット球１２の中心位置（Ｘmｉ',Ｙmｉ',Ｚmｉ'）と、Ｓ４で算出したターゲット球１２の中心指令位置との差分値（ΔＸｌ,ΔＹｌ,ΔＺｌ）を算出する。
次に、以下の数１０と数１１とにより、軸方向成分と半径方向成分とを算出する。
まず、Ｓ９で算出したターゲット球１２の中心位置（Ｘmｉ',Ｙmｉ',Ｚmｉ'）と、Ｓ４で算出したターゲット球１２の中心指令位置との差分値（ΔＸｌ,ΔＹｌ,ΔＺｌ）を算出する。
次に、以下の数１０と数１１とにより、軸方向成分と半径方向成分とを算出する。
次に、軸方向成分について、０次と１次の円弧である以下の数１２で近似して、０次成分p2a０と、１次余弦成分p2a１と、１次正弦成分p2b１とを得る。
次に、半径方向成分について、０次と１次と２次の円弧である以下の数１３で近似して、０次成分r5a０と、１次余弦成分r5a１と、１次正弦成分r5b１と、２次余弦成分r5a２と、２次正弦成分r5b２とを得る。
次に、Ｓ１０で行う幾何誤差の算出について説明する。ここでは得られた円弧近似成分をもとに、例えば特許文献１に記載の公知の式により幾何誤差の算出を行う。
このように、上記形態の誤差同定方法及び誤差同定システムによれば、幾何誤差を計測・同定するために行うターゲット球１２の位置の計測において、位置の計測とともに回転軸のDIFFを同時に取得して、DIFFによる計測した位置への影響を除外する。さらに、DIFFの影響を除外した位置をもとに幾何誤差の同定を行うため、比較的DIFFが生じやすいブレーキ機構及び／又はクランプ機構を備えた回転軸を有する５軸機においても、DIFFの影響を受けることなく幾何誤差を計測・同定することができる。
また、回転軸にブレーキ機構もしくはクランプ機構を備えていない工作機械であっても、何らかの要因で回転軸にDIFFが生じるような場合には、本発明を適用することで回転軸のDIFFの影響を受けることなく幾何誤差の計測・同定が可能となる。
また、回転軸にブレーキ機構もしくはクランプ機構を備えていない工作機械であっても、何らかの要因で回転軸にDIFFが生じるような場合には、本発明を適用することで回転軸のDIFFの影響を受けることなく幾何誤差の計測・同定が可能となる。
１・・ベッド、２・・主軸、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、２０・・制御装置、２０ａ・・記憶手段、２１・・サーボモータ、２２・・位置検出器、２３・・入力手段、２４・・受信機。
Claims (4)
- 工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸とが、３軸以上の並進軸と１軸以上の回転軸とによって相対移動可能であり、前記軸の位置を検出する位置検出器により前記各軸の位置を検出して、前記各軸を制御・駆動する工作機械において、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方法であって、
前記テーブルと前記主軸との何れか一方に計測ターゲットを設置し、他方に位置計測センサを装着し、前記回転軸を任意の位置に割り出して、前記計測ターゲットの３次元空間上の初期位置を前記位置計測センサで計測する初期位置計測ステップと、
前記回転軸を割り出した際の指令位置と、前記位置検出器により検出した位置との差分値を取得する第１差分値取得ステップと、
前記初期位置計測ステップで計測した前記計測ターゲットの初期位置から、前記第１差分値取得ステップで取得した前記回転軸の差分値の影響を除外する初期位置修正ステップと、
前記初期位置修正ステップで得られた前記計測ターゲットの修正位置をもとに、前記回転軸を複数の角度に割り出して前記計測ターゲットを複数の箇所に位置決めし、前記回転軸を割り出した際の指令位置と、前記位置検出器により検出した位置との差分値の取得を複数の位置に対して実施する第２差分値取得ステップと、
各位置決め位置で前記位置計測センサにより前記計測ターゲットの３次元空間上の位置を計測する誤差計測ステップと、
前記誤差計測ステップで計測した複数の前記計測ターゲットの位置から、前記第２差分値取得ステップで取得した前記回転軸の差分値の影響を除外して、複数の前記計測ターゲットの位置に対する修正位置をそれぞれ算出する誤差計測位置修正ステップと、
前記誤差計測位置修正ステップで得られた複数の修正位置の円弧軌跡に対して円弧近似を行う円弧近似ステップと、
前記円弧近似ステップから得られた円弧近似成分を用いて前記幾何学的な誤差の演算を行う誤差同定ステップと、
を実施することを特徴とする工作機械の誤差同定方法。 - 前記初期位置修正ステップでは、
前記第１差分値取得ステップで取得した前記回転軸の差分値と、前記回転軸の中心位置から前記計測ターゲットの位置までの距離とから、前記回転軸の差分値による前記回転軸に対する接線方向誤差を算出する接線方向誤差算出ステップと、
前記回転軸の割り出し指令位置を用いて、前記接線方向誤差を並進軸方向誤差に変換する誤差変換ステップと、
前記初期位置計測ステップで計測した前記計測ターゲットの位置から、前記誤差変換ステップで変換した前記並進軸方向誤差を加算もしくは減算する接線誤差除外ステップと、
を実施することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の誤差同定方法。 - 前記誤差計測位置修正ステップでは、
前記第２差分値取得ステップで取得した前記回転軸の差分値と、前記回転軸の中心位置から前記計測ターゲットの位置までの距離とから、前記回転軸の差分値による前記回転軸に対する接線方向誤差を算出する接線方向誤差算出ステップと、
前記回転軸の割り出し指令位置を用いて、前記接線方向誤差を並進軸方向誤差に変換する誤差変換ステップと、
前記誤差計測ステップで計測した前記計測ターゲットの位置から、前記誤差変換ステップで変換した前記並進軸方向誤差を加算もしくは減算する接線誤差除外ステップと、を
前記誤差計測ステップで計測した複数の位置に対して実施することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の誤差同定方法。 - 工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸とが、３軸以上の並進軸と、任意の位置で軸を保持可能なブレーキ機構及び／又はクランプ可能なクランプ機構を備えた１軸以上の回転軸とによって相対移動可能であり、前記軸の位置を検出する位置検出器により前記各軸の位置を検出して、前記各軸を制御・駆動する工作機械と、
前記テーブルと前記主軸との何れか一方に設置される計測ターゲットと、
他方に設置される位置計測センサとを含み、
請求項１乃至３の何れかに記載の工作機械の誤差同定方法を実施可能であることを特徴とする工作機械の誤差同定システム。
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