JP7373970B2 - 工作機械の誤差補正方法及び工作機械 - Google Patents
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Description
主軸頭2は、並進軸であり互いに直交するX軸・Z軸によって並進2自由度の運動が可能であり、テーブル3は、並進軸でありX・Z軸に直交するY軸により並進1自由度の運動が可能である。したがって、テーブル3に対して主軸頭2は並進3自由度を有する。各軸は、数値制御装置により制御されるサーボモータにより駆動され、被加工物をテーブル3に固定し、主軸頭2の主軸2aに工具を装着して回転させ、被加工物を任意の形状に加工する。
このような工作機械の運動誤差として、位置決め誤差や真直度といったものがある。これらの運動誤差は、被加工物の形状に転写され、被加工物の形状・寸法誤差の要因となる。これに対して、位置決め誤差や真直度をパラメータとして補正制御を行うことで、高精度な加工を実現できる。例えば特許文献1には、タッチプローブを用いてマスタブロックの基準直線部を計測し、計測結果と予め入力されたマスタワーク形状データの偏差とをもとに、直線補間送りの誤差に対する補正パラメータを計算し、計算した補正パラメータをもとに補正制御を行う方法が開示されている。
さらに、マスタブロックの代わりに精度基準となる基準器を用いて並進軸の誤差を計測する場合、どの基準器をどのように設置するかを作業者自身が考える必要があり、不慣れなオペレータには難しい作業となる。
複数のターゲットを有する基準器の種類と、前記基準器の設置方向と、前記基準器の設置位置とを含む複数の基準器条件のうちの少なくとも1つの前記基準器条件を、前記出力手段に出力する基準器条件出力ステップと、
出力された前記基準器条件に従って前記基準器を前記テーブルに設置する基準器設置ステップと、
前記主軸に取り付けたセンサを用いて、前記基準器条件における前記複数のターゲットの位置を検出することで、前記ターゲットの位置に関する計測値を取得する基準器計測ステップと、
前記基準器条件において得られた前記計測値と、前記ターゲットの位置に関する校正値とを用いて誤差値を算出する誤差値算出ステップと、
前記計測値と前記誤差値との関係を曲線近似及び直線近似し、前記基準器計測ステップにて前記基準器を計測した際の前記並進軸の指令値の範囲内においては近似曲線をもとに前記並進軸の位置決め誤差の前記補正パラメータを算出し、
前記基準器計測ステップにて前記基準器を計測した際の前記並進軸の指令値の範囲外においては近似直線をもとに前記位置決め誤差の前記補正パラメータを算出する補正パラメータ算出ステップと、を実行することを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、上記構成において、前記補正パラメータ算出ステップでは、前記基準器条件において得られた前記誤差値と前記計測値とに対して、1つの前記近似曲線又は前記近似直線を求めることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、上記構成において、前記補正パラメータ算出ステップでは、前記位置決め誤差の前記補正パラメータを算出する際に、
複数の前記基準器条件のうちの2つの組み合わせにおいて、前記設置位置がマイナス側の第1の基準器条件において、一部の前記誤差値と前記計測値との関係を直線近似し、
前記設置位置がプラス側の第2の基準器条件において、一部の前記誤差値と前記計測値との関係を直線近似し、
前記第1の基準器条件の前記設置方向のプラス端の前記計測値と、前記第2の基準器条件のマイナス端の前記計測値との中間点において、前記第1の基準器条件の近似直線と、前記第2の基準器条件の近似直線とが交点を持つように、前記誤差値をオフセットすることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、上記構成において、前記補正パラメータ算出ステップでは、前記並進軸の真直度に関する補正パラメータをさらに算出し、
前記真直度の補正パラメータの算出において、複数の前記基準器条件の前記計測値が重複する範囲において、前記誤差値と前記計測値との関係を前記基準器条件のそれぞれで近似した直線が一致するように、前記誤差値を修正することを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、上記構成において、前記補正パラメータ算出ステップでは、前記近似曲線を多次式とし、
前記誤差値の数と前記多次式の次数との差が所定のしきい値未満の場合は、前記次数を減らすことを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、上記構成において、前記補正パラメータ算出ステップでは、算出した前記補正パラメータの絶対値の最大値が所定の検証用しきい値を超える場合、前記補正パラメータが過大である旨を前記出力手段によって報知することを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、上記構成において、前記補正パラメータ算出ステップでは、算出した前記補正パラメータの絶対値の最大値が、前記検証用しきい値を超える場合、前記補正パラメータの絶対値が前記検証用しきい値と同一になるように前記補正パラメータを置き換えることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項8に記載の発明は、上記構成において、2軸以上の並進軸と、工作物を保持可能なテーブルと、工具を保持可能な主軸とを有し、前記主軸に保持された工具が、前記並進軸により、工作物に対して並進2自由度以上の相対運動が可能であると共に、出力手段を備えて、前記並進軸の運動誤差を補正パラメータに従って補正可能な工作機械であって、
複数のターゲットを有する基準器の種類と、前記基準器の設置方向と、前記基準器の設置位置とを含む複数の基準器条件のうちの少なくとも1つの前記基準器条件を、前記出力手段に出力する基準器条件出力手段と、
出力された前記基準器条件に従って前記基準器が前記テーブルに設置された状態で、前記主軸に取り付けたセンサを用いて、前記基準器条件における前記複数のターゲットの位置を検出することで、前記ターゲットの位置に関する計測値を取得する基準器計測手段と、
前記基準器条件において得られた前記計測値と、前記ターゲットの位置に関する校正値とを用いて誤差値を算出する誤差値算出手段と、
前記計測値と前記誤差値との関係を曲線近似及び直線近似し、前記基準器計測ステップにて前記基準器を計測した際の前記並進軸の指令値の範囲内においては近似曲線をもとに前記並進軸の位置決め誤差の前記補正パラメータを算出し、
前記基準器計測ステップにて前記基準器を計測した際の前記並進軸の指令値の範囲外においては近似直線をもとに前記位置決め誤差の前記補正パラメータを算出する補正パラメータ算出手段と、を備えることを特徴とする。
また、計測結果を曲線で近似し、近似曲線をもとに補正パラメータを算出するので、測定ばらつきによる補正制御時の運動誤差を低減することができる。特に、基準器を計測した際の並進軸の指令値の範囲内で近似曲線をもとにした補正パラメータによる高精度な補正制御を行うだけでなく、当該指令値の範囲外でも近似直線をもとにした補正パラメータにより補正制御を行うので、並進軸ストロークの全域で運動誤差を低減することができる。
まず、図2は、マシニングセンタの数値制御装置による数値制御の一例である。加工プログラム11が入力されると、指令値生成手段12において各駆動軸の指令値が生成される。生成された指令値をもとに、補正値演算手段16により各軸の補正値が演算され、指令値と補正値との合計値がサーボ指令値変換手段13に送られてサーボ指令値が演算され、各軸のサーボ指令値が各軸のサーボアンプ14a~14cに送られる。各軸のサーボアンプ14a~14cは、それぞれサーボモータ15a~15cを駆動し、テーブル3に対する主軸2aの相対位置を制御する。
はじめにオペレータから計測対象が入力手段23により入力される。計測対象には少なくとも1つの基準器条件が紐づけられている。基準器条件には、予め基準器の種類と、設置方向と、設置位置とが定められている。S1で入力された基準器条件を順次出力手段24に表示し(S2:基準器条件出力ステップ)、出力された基準器条件に従ってオペレータが基準器をテーブル3上に設置する(S3:基準器設置ステップ)。ここでは、計測対象がX軸とY軸との位置決め誤差及び真直度であり、図5のような基準器条件を例とする。
S2にて表示される基準器条件1に従って、S3にて図6に示すようにX軸と平行にX=0の位置に基準器32を設置する。本例の基準器32には、図7に示すように、相対位置が校正された複数のターゲット球33(P1~P10)が取り付けられている。
数値制御装置21の補正値演算手段16は、ターゲット球P1とPiとの相対位置をXCi,YCi,ZCiとして、ターゲット球Piの計測値の誤差値δxi,δyi,δziを、下記の数1で求める(S5:誤差値算出ステップ)。
なお、P1を基準とするため、i=1のときの誤差値δxi,δyi,δziは0となる。
[数1]
δxi=(Xi-X1)-XCi
δyi=(Yi-Y1)-YCi
δzi=(Zi-Z1)-ZCi
次に、補正値演算手段16は、全基準器条件において得られた誤差値のうち、図8のように設置方向がともにX方向である基準器条件1,2で得られた誤差値の修正を行う(S6)。この誤差値の修正方法について、図9のフローチャートにもとづいて説明する。
はじめに誤差値を修正する際に参照するデータを抽出する(S6-1)。ここでは基準器条件1(設置位置がマイナス側の第1の基準器条件)のターゲット球33の位置の計測値X1,1~X10,1と、基準器条件2(設置位置がプラス側の第2の基準器条件)のターゲット球33の位置の計測値X1,2~X10,2とを比較して、重複範囲X7,1~X10,1(プラス端),X1,2~X4,2(マイナス端)を参照データとする。そのほかの方法として各基準器条件の端2点であるX9,1,X10,1とX1,2,X2,2を参照データとすることもできる。
抽出した参照データを直線で近似し、近似直線の傾きa1,a2と切片b1,b2とを求める(S6-2)。
求めた傾きと切片とを用いて、図11のように2つの基準器条件1,2の計測値の中間点(X10,1+X1,2)/2で近似直線が交わるように、下記の数2に従って基準器条件2の誤差値δxi,2(i=1~10)をオフセットし、修正後の誤差値δxi,2’を得る(S6-3)。
[数2]
δxi,2’=δxi,2+(a1-a2)(X10,1+X1,2)/2+(b1-b2)
基準器条件1のターゲット球33の位置の計測値X1,1~X10,1と基準器条件2のターゲット球33の位置の計測値X1,2~X10,2とを比較して、重複範囲X7,1~X10,1,X1,2~X4,2を得る(S6-4)。
次に、重複範囲内の誤差値δy7,1~δy10,1,δy1,2~δy4,2をそれぞれ直線近似し、直線の傾きa1,a2と切片b1,b2とを求める(S6-5)。
求めた2つの近似直線が図13のように一致するように基準器条件2の誤差値δyi,2(i=1~10)を下記の数3に従って修正し、修正後の誤差値δyi,2’を得る(S6-6)。
[数3]
δyi,2’=δyi,2+(a1-a2)Xi,2+(b1-b2)
[数4]
δx’=cx0+ cx1X+ ・・+cxmXm
近似直線を1次の多項式とすると、1次の多項式の係数dx0,dx1については、数5においてm=1とすることで同様に求められる。Y,Z方向誤差値についても同様の方法で近似する。
基準器条件3で得られた計測結果については、設置方向がYであるため、計測値Xの代わりに計測値Yを用いて同様の計算を行う。
まず、X軸の位置決め誤差(X方向誤差)に対する補正パラメータを計算する。
設置方向がX方向である基準器条件1,2の計測値の最小値をXmin、最大値をXmaxとする。X軸の指令値Xk(k=1~n)が、Xmin≦Xk≦Xmaxである場合、X軸の位置決め誤差の補正パラメータExxkは、下記の数6で算出できる。
[数6]
Exxk=cx0+cx1Xk +・・+cxmXk m
[数7]
Xk<Xminの場合 Exxk=dx1(Xk-Xmin)+Exxmin
Xk>Xmaxの場合 Exxk=dx1(Xk-Xmax)+Exxmax
ただし、Exxmin=cx0+cx1Xmin+・・+cxmXmin m
Exxmax=cx0+cx1Xmax+・・+cxmXmax m
[数8]
Eyxk=cy0+cy1Xk+・・+cymXk m-(dy0+dy1Xk)
Ezxk=cz0+cz1Xk+・・+czmXk m-(dz0+dz1Xk)
一方、X軸の指令値Xkが、計測範囲外(Xk<XminもしくはXk>Xmax)の場合、X軸の指令値がXminやXmaxのときの補正パラメータで代用できる。
補正パラメータExxk(i=1~n)の絶対値が検証用しきい値を超える場合、警告メッセージを出力手段24に出力し(S10)、補正パラメータExxk>0の場合はExxk=Ethrに、Exxk<0の場合はExxk=-Ethrにそれぞれ置換する(S11)。Eyxk,Ezxkについても同様である。
その他の軸についても、本質的にX軸と同じであり、X軸と同様の方法で補正パラメータの算出や検証用しきい値による判定を行う。
また、計測結果を曲線で近似し、近似曲線をもとに補正パラメータを算出するので、測定ばらつきによる補正制御時の運動誤差を低減することができる。特に、基準器32の計測範囲内で近似曲線をもとにした補正パラメータによる高精度な補正制御を行うだけでなく、計測範囲外でも近似直線をもとにした補正パラメータにより補正制御を行うので、並進軸ストロークの全域で運動誤差を低減することができる。
また、S8の補正パラメータ算出ステップにおいては、真直度の補正パラメータの算出による誤差値の修正を省略してもよい。
その他、基準器の形態やターゲット球の形態や数についても上記形態に限らず、適宜変更可能である。工作機械もマシニングセンタに限定されない。
Claims (8)
- 2軸以上の並進軸と、工作物を保持可能なテーブルと、工具を保持可能な主軸とを有し、前記主軸に保持された工具が、前記並進軸により、工作物に対して並進2自由度以上の相対運動が可能であると共に、出力手段を備えた工作機械において、前記並進軸の運動誤差を補正パラメータに従って補正する方法であって、
複数のターゲットを有する基準器の種類と、前記基準器の設置方向と、前記基準器の設置位置とを含む複数の基準器条件のうちの少なくとも1つの前記基準器条件を、前記出力手段に出力する基準器条件出力ステップと、
出力された前記基準器条件に従って前記基準器を前記テーブルに設置する基準器設置ステップと、
前記主軸に取り付けたセンサを用いて、前記基準器条件における前記複数のターゲットの位置を検出することで、前記ターゲットの位置に関する計測値を取得する基準器計測ステップと、
前記基準器条件において得られた前記計測値と、前記ターゲットの位置に関する校正値とを用いて誤差値を算出する誤差値算出ステップと、
前記計測値と前記誤差値との関係を曲線近似及び直線近似し、前記基準器計測ステップにて前記基準器を計測した際の前記並進軸の指令値の範囲内においては近似曲線をもとに前記並進軸の位置決め誤差の前記補正パラメータを算出し、
前記基準器計測ステップにて前記基準器を計測した際の前記並進軸の指令値の範囲外においては近似直線をもとに前記位置決め誤差の前記補正パラメータを算出する補正パラメータ算出ステップと、
を実行することを特徴とする工作機械の誤差補正方法。 - 前記補正パラメータ算出ステップでは、前記基準器条件において得られた前記誤差値と前記計測値とに対して、1つの前記近似曲線又は前記近似直線を求めることを特徴とする請求項1に記載の工作機械の誤差補正方法。
- 前記補正パラメータ算出ステップでは、前記位置決め誤差の前記補正パラメータを算出する際に、
複数の前記基準器条件のうちの2つの組み合わせにおいて、前記設置位置がマイナス側の第1の基準器条件において、一部の前記誤差値と前記計測値との関係を直線近似し、
前記設置位置がプラス側の第2の基準器条件において、一部の前記誤差値と前記計測値との関係を直線近似し、
前記第1の基準器条件の前記設置方向のプラス端の前記計測値と、前記第2の基準器条件のマイナス端の前記計測値との中間点において、前記第1の基準器条件の近似直線と、前記第2の基準器条件の近似直線とが交点を持つように、前記誤差値をオフセット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補正方法。 - 前記補正パラメータ算出ステップでは、前記並進軸の真直度に関する補正パラメータをさらに算出し、
前記真直度の補正パラメータの算出において、複数の前記基準器条件の前記計測値が重複する範囲において、前記誤差値と前記計測値との関係を前記基準器条件のそれぞれで近似した直線が一致するように、前記誤差値を修正することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の工作機械の誤差補正方法。 - 前記補正パラメータ算出ステップでは、前記近似曲線を多次式とし、
前記誤差値の数と前記多次式の次数との差が所定のしきい値未満の場合は、前記次数を減らすことを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の工作機械の誤差補正方法。 - 前記補正パラメータ算出ステップでは、算出した前記補正パラメータの絶対値の最大値が所定の検証用しきい値を超える場合、前記補正パラメータが過大である旨を前記出力手段によって報知することを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の工作機械の誤差補正方法。
- 前記補正パラメータ算出ステップでは、算出した前記補正パラメータの絶対値の最大値が、前記検証用しきい値を超える場合、前記補正パラメータの絶対値が前記検証用しきい値と同一になるように前記補正パラメータを置き換えることを特徴とする請求項6に記載の工作機械の誤差補正方法。
- 2軸以上の並進軸と、工作物を保持可能なテーブルと、工具を保持可能な主軸とを有し、前記主軸に保持された工具が、前記並進軸により、工作物に対して並進2自由度以上の相対運動が可能であると共に、出力手段を備えて、前記並進軸の運動誤差を補正パラメータに従って補正可能な工作機械であって、
複数のターゲットを有する基準器の種類と、前記基準器の設置方向と、前記基準器の設置位置とを含む複数の基準器条件のうちの少なくとも1つの前記基準器条件を、前記出力手段に出力する基準器条件出力手段と、
出力された前記基準器条件に従って前記基準器が前記テーブルに設置された状態で、前記主軸に取り付けたセンサを用いて、前記基準器条件における前記複数のターゲットの位置を検出することで、前記ターゲットの位置に関する計測値を取得する基準器計測手段と、
前記基準器条件において得られた前記計測値と、前記ターゲットの位置に関する校正値とを用いて誤差値を算出する誤差値算出手段と、
前記計測値と前記誤差値との関係を曲線近似及び直線近似し、前記基準器計測ステップにて前記基準器を計測した際の前記並進軸の指令値の範囲内においては近似曲線をもとに前記並進軸の位置決め誤差の前記補正パラメータを算出し、
前記基準器計測ステップにて前記基準器を計測した際の前記並進軸の指令値の範囲外においては近似直線をもとに前記位置決め誤差の前記補正パラメータを算出する補正パラメータ算出手段と、
を備えることを特徴とする工作機械。
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