JP7431550B2

JP7431550B2 - 工作機械の高精度化が可能な調整方法

Info

Publication number: JP7431550B2
Application number: JP2019183140A
Authority: JP
Inventors: 岳見浅井
Original assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Priority date: 2019-10-03
Filing date: 2019-10-03
Publication date: 2024-02-15
Anticipated expiration: 2039-10-03
Also published as: JP2021060673A

Description

本発明は、工作機械の高精度化が可能な調整方法に関する。

従来、後述する図１に示すような工作機械（研削盤）が実用化されている。即ち、直線Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を有し、Ｚ軸と平行に冗長なＷ軸を有する。直線Ｕ軸は直線Ｚ軸によりＸ－Ｙ面との距離を調整できるし、旋回Ｃ軸によりＸ－Ｙ面と平行、Ｚ軸と直角を維持した方向を設定することが出来る。
Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗ、Ｃ、Ｕのどの軸についても図示しないが、モータ内蔵のパルスコーダもしくは別置きのリニアスケールやロータリエンコーダなどの位置検出の仕組みを有しているか、パルスモータのような位置制御の仕組みを有しており、制御器の指令に合わせて工具としての砥石の位置を変更できるようになっている。
この種の工作機械において、制御器には、プロービング装置が接続される（例えば、特許文献１参照）。このプロービング装置が接触を検知した瞬間に制御器に信号を挙げ、それを受けた制御器は送りを即座に停止させる機能を有している（以降、このような機能をスキップ機能と呼ぶ）。このスキップ機能で停止させた場合には停止位置を取得することが出来き、この停止位置から形状を評価することが出来る。複数のポイントで測定を行いその差から寸法を評価するということが行われる（例えば、特許文献２参照）。
一方、先に述べた位置検出の仕組みはリニアスケールやロータリエンコーダなど多くの種類があるが、位置制御の仕組みとしては、送りねじ（親ねじ）の回転角度までしか検出・制御に使用しないオープン・ループやセミクローズド・ループという制御と位置まで検出し制御にしようするフルクローズドループ制御がある。

特開２００７－００７８２２号公報特開２００３－３１１５３５号公報

幾何学量センサのその場自律校正法の研究（清野他、精密工学会誌Ｖｏｌ．６３、Ｎｏ．１０、１９９７、１４１７－２１頁）

送りねじやリニアスケールの品質や組み付けの具合により入力となる位置指令と出力となる変位の関係が非線形になる場合が多い。特に送りねじについては周期的な偏差が残りやすい。また、リニアスケールについても細かく見るとスリット・刻線などを組み合わせて変位に応じて周期的な信号レベル変化を生じさせて、補間して分解能を確保している場合が多く周期的な偏差は完全に避けられるものではない。
これら非線形性は光の干渉を利用した校正機もしくは基準スケールを用いて校正を行って使うことも多いが、この校正基準自体も周期的非線形成分を有していることは注意を要する点である。

本発明の目的は、工作機械の高精度化が可能な調整方法を提供することにある。

本発明者は、工作機械の高精度化が可能な製造方法又は調整方法について、鋭意研究した結果、その方法として、Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸と、更に該Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸の各々に平行な直線軸を有する工作機械か、又は、Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸と回転軸を有し、更に該回転軸の回転により当該直線軸の送り方向を前記Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸のうちの何れか１軸に平行にできる直線軸を有する工作機械の調整方法において、前記直線軸の設定位置（入力）と変位（出力）の関係を前記工作機械とは別の校正装置で校正し、送りの位置指令と変位の関係の線形性をソフトウェアにより改善させている前記工作機械の調整方法であって、前記線形性の校正のため変位（出力）を校正装置で読み取ることができるように構成し、前記Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸のうち校正する１軸を選び該１軸を評価対象とし、直線軸各位置の設定（入力）と変位（出力）の関係の読み取りを行うことを１回の測定と捉えた場合の測定を２回行い、該２回の測定について１回目と２回目で評価対象と平行または回転により平行にした軸の位置をわずかに変更し、変更したわずかな差は１回目と２回目で共通する測定する範囲に亘って一定であるはずであるのにずれていないかを以て校正装置の側の非線形性まで校正し、且つ長周期の成分についてはどちらか一方の評価で２回のうち片方しか全体に亘って評価をしない場合には全体に亘って評価をした側を使用し、レーザ校正器やリニアスケールにあっては、該レーザ校正器やリニアスケールの内挿前の信号周期の数倍程度まで、また基準ねじを用いた校正装置においては基準ねじの１周あたりの送りの数倍程度までの長さを短周期とし、該短周期の成分については２回の評価から推定される校正装置の周期的非線形性を考慮した補正値を作成することを見出した。

即ち、本発明の様相によれば、Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸と、更に該Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸の各々に平行な直線軸を有する工作機械か、又は、Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸と回転軸を有し、更に該回転軸の回転により当該直線軸の送り方向を前記Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸のうちの何れか１軸に平行にできる直線軸を有する工作機械の調整方法において、前記直線軸の設定位置（入力）と変位（出力）の関係を前記工作機械とは別の校正装置で校正し、送りの位置指令と変位の関係の線形性をソフトウェアにより改善させている前記工作機械の調整方法であって、前記線形性の校正のため変位（出力）を校正装置で読み取ることができるように構成し、前記Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸のうち校正する１軸を選び該１軸を評価対象とし、直線軸各位置の設定（入力）と変位（出力）の関係の読み取りを行うことを１回の測定と捉えた場合の測定を２回行い、該２回の測定について１回目と２回目で評価対象と平行または回転により平行にした軸の位置をわずかに変更し、変更したわずかな差は１回目と２回目で共通する測定する範囲に亘って一定であるはずであるのにずれていないかを以て校正装置の側の非線形性まで校正し、且つ長周期の成分についてはどちらか一方の評価で２回のうち片方しか全体に亘って評価をしない場合には全体に亘って評価をした側を使用し、レーザ校正器やリニアスケールにあっては、該レーザ校正器やリニアスケールの内挿前の信号周期の数倍程度まで、また基準ねじを用いた校正装置においては基準ねじの１周あたりの送りの数倍程度までの長さを短周期とし、該短周期の成分については２回の評価から推定される校正装置の周期的非線形性を考慮した補正値を作成することを特徴とする工作機械の調整方法が得られる。

本発明によれば、高精度化が可能な工作機械の調整方法を提供することができる。

本発明が適用される工作機械（研削盤）の基本構成を示す図である。図１に示した工作機械（研削盤）におけるＵ軸送り装置と砥石軸周辺の拡大図である。図１に示した工作機械（研削盤）の制御系の概略を示すブロック図である。本発明の調整方法が適用される工作機械（研削盤）の基本構成を示す図である。本発明の実施形態に係る工作機械の高精度化が可能な調整方法の工程を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る工作機械の調整方法において、長周期成分の出方の例と、短周期成分の出方の例を、それぞれ入力に対する出力の変化を表すグラフと共に示す図であり、（ａ）は、長周期成分の出方の例を、入力（変位）に対する出力（変位表示）の変化で表すグラフであり、（ｂ）は、短周期成分の出方の例を、入力（変位）に対する出力（非線形）の変化で表すグラフである。本発明の実施形態の変形例に係る工作機械の調整方法を説明するための図であり、（ａ）は、スケールの長手方向の数箇所で評価箇所を設ける例を示す図であり、（ｂ）は、位相オフセットλ（ｘ）の出方を示す例である。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明が適用される研削盤の一例を示す斜視図、図２は、そのＵ軸送り装置と砥石軸周辺の拡大図である。本発明が適用される研削盤１０は、図１に示すように、ベッド１２上にテーブル送り装置３６およびテーブル３０がレール１６を介してＹ軸方向（前後方向）へ移動可能に支持されている。コラム１４はベッド１２に固定されているが、前述の通り、送り装置３６との間にはレール１６に沿った方向に相対運動を与えることができる。ベッド１２の後部には図示しない送り装置３６移動用モータが配設され、このモータにより図示しないボールネジ等を介してテーブル送り装置３６がレール１６に沿って前後移動されるようになっている。コラム１４にはヘッド１８がＷ軸方向に移動可能（昇降可能）に支持され、そのヘッド１８の先端には砥石軸２０が設けられており、砥石軸２０の先端には、砥石１００（図２参照）が取付けられる。コラム１４の上部には図示しないヘッド昇降用モータが配設され、このモータにより図示しないボールネジ等を介してヘッド１８が昇降されるようになっている。ヘッド１８の後部には砥石軸（回転用）モータ２４（図２参照）が配設され、このモータにより砥石軸２０が回転されるようになっている。ヘッド昇降用モータには、図示しない計測手段を構成するエンコーダが付設される。このほかの砥石軸を除く直線軸および回転軸には図示しない場合にもエンコーダおよびモータを備え送り量ないし回転量が算出・制御できるようになっている。このエンコーダから出力されるデータによりヘッド１８の昇降量、及び図示しないワークに対する切り込み量が算出される。Ｗ軸方向に平行にＺ軸が設けられており、Ｗ軸のヘッドの動き、Ｃ軸回転およびＵ軸直線運動を妨げることなくＺ軸運動を与えることができる。

先に述べた通り、ベッド１２上にはレール１６を介してＸ軸送り装置３６が載っている。このＸ軸送り装置３６はレール１６の方向に沿ってＹ方向に前後直線運動できるように構成されている。このＸ軸送り装置３６の上に更に図示しないレールを介してテーブル３０が支持されている。このテーブル３０はＸ軸送り装置３６に対して左右方向に直線運動できるように構成されている。その上面には図示しないワークが着脱可能に設置固定されるようになっている。当然ながらベッド１２にはＸ軸送り装置３６を移動する用のモータが配設され、このモータにより図示しないボールネジ等を介してＸ軸送り装置３６がレール１６に沿って移動されるようになっている。テーブル３０についても同様に図示しないモータおよびボールネジ等を介してＸ軸送り装置３６上を動くようになっている。そして、上記砥石軸回転用モータ２４により砥石軸２０が回転された状態で、上記ヘッド昇降用モータによりヘッド１８（砥石軸２０）が下降されて、砥石軸２０の先端に取り付けられた砥石１００がテーブル３０上のワークの面に接触させられる。テーブル３０は上述の２つのモータでＸ－Ｙ方向に自由に可動させられる。これにより、ワークの表面が砥石１００にて研削されるようになっている。

図１に示す工作機械（研削盤）１０は、以上に述べたように、少なくともＸ－Ｙ－Ｚの三軸の同時制御ができるＣＮＣ制御の工作機械（研削盤）であり、更に、砥石軸２０という回転軸と軸方向が平行な駆動軸（回転軸又は直線駆動軸）を有している。即ち、工作機械（研削盤）１０は、ヘッド１８の下部にＵ軸送り装置４０を有しており、このＵ軸送り装置４０は、砥石軸２０と、その上部の円盤体２７を含む直線送り機構であり、砥石軸２０とその上部の円盤体２７を、その時のＣ軸の角度位置に応じて所定のストロークの範囲内で直線移動させる装置であり、この直線移動方向をＵ軸（方向）と定義している。即ち、図１に示す工作機械（研削盤）１０では、ヘッド１８は、Ｚ軸方向に直線移動（上下移動）できる。Ｚ軸との区別のため、Ｗ軸送り装置と呼称する。また、ヘッド１８に対して、Ｕ軸送り装置４０をＺ軸直線移動とＺ軸周り旋回（Ｃ軸と呼称する）に旋回させることができる。Ｕ軸送り装置４０は、砥石軸２０をＵ軸方向に直線移動させることができる。図２及び図３を参照して、工作機械（研削盤）１０の駆動軸制御を更に具体的に述べれば、工作機械（研削盤）１０では、Ｕ軸の直線送り機構はＣ軸の回転側に載っている。砥石軸（Ｕ軸）の送り指令によって、Ｕ軸送り装置４０をＵ軸の方向に沿って直線移動させることができる。Ｃ軸の回転指令によって砥石軸の中心ごと回転する。更に、このＣ軸装置は、Ｚ軸装置で鉛直方向に直線移動させることができる。

図３は、図１に示したジグ研削盤の制御系の概略を示すブロック図である。本発明に係るジグ研削盤は、制御系として、制御装置３００と、入出力装置３１０と、各軸モータ３２０及びそれぞれのモータドライバ３３０、砥石回転モータ１０２Ａと砥石モータインバータ１０２ｉｎｖを有している。制御装置３００は、コンピュータ数値制御部（ＣＮＣ）３０２と、プログラマブルコントローラ３０４と、Ｉ／Ｏ（入出力）モジュール３０６を有している。本発明に係るジグ研削盤の制御系には、入出力装置３１０として、キーボード、各種スイッチ、温度センサ等と、スキップ信号に関わるツールセッタ、ＡＥセンサ等も有している。

前述したように、本発明者は、高精度化が可能な工作機械の製造又は調整方法について、鋭意研究した結果、その方法として、Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸を有し、これと各々平行な直線軸または回転軸によってどれか１軸と平行に出来る直線軸を有し、これら直線軸の設定位置（入力）と変位（出力）の関係を別の校正装置で校正し、送りのピッチ精度をソフトウェアにより改善させていることを特徴とする工作機械であって、このピッチ精度の校正のための測定を２回行い１回目と２回目で評価対象と平行または平行にした軸の位置をわずかに変更し校正装置の側の非線形性まで校正し、かつ長周期の成分についてはどちらか一方の評価を使用し、短周期の成分については２回の評価から推定される校正器の非線形性の考慮した補正を作成することを見出した。

図４は、本発明の調整方法が適用される工作機械（研削盤）の基本構成を示す図である。即ち、まず本発明の調整方法が適用される工作機械（研削盤）は、図１に示した工作機械（研削盤）と基本構成は略同様である（その基本構成は図１を参照）。即ち、図４にも示すように、Ｘ－Ｙ－Ｚの３軸を有し、これと各々平行な直線軸または回転軸によってどれか１軸と平行に出来る直線軸を有し、これら直線軸の設定位置（入力）と変位（出力）の関係を別の校正装置（システム）９２で校正し、送りのピッチ精度をソフトウェアにより改善させている工作機械である。尚、図４では、リニアスケール９４でＸ軸を校正する例を示しており、リニアスケール検出ヘッド９６を備えているが、レーザ干渉システムを用いても周期性が現れるのは同様である。そして、本発明の製造方法又は調整方法では、上記のような工作機械（研削盤）において、このピッチ精度の校正のための測定を２回行い、１回目と２回目で評価対象と平行または平行にした軸の位置をわずかに変更し校正装置の側の非線形性まで校正し、かつ長周期の成分についてはどちらか一方の評価を使用し、短周期の成分については２回の評価から推定される校正器の非線形性の考慮した補正を作成する。

以下、本発明の調整方法の要部について、図５乃至図７を参照して説明する。図５は、本発明の実施形態に係る工作機械の高精度化が可能な調整方法の工程を示すフローチャートである。まず、基準尺を校正基準として位置決めの偏差を評価する（１回目）（ステップＳ１０１）。続いて、校正尺をδオフセットする（ステップＳ１０２）。Ｘ軸を評価する場合には、Ｕ軸の方向をＸ軸と平行になるようにしておく。Ｙ軸を評価する場合には、Ｕ軸の方向をＹ軸と平行になるようにしておく。Ｕ軸を評価する場合には、Ｘ軸を平行にしておく。Ｚ軸とＷ軸は元から平行である。オフセットは平行な軸のうち、評価しない側の軸で行う。更に、今度は、校正尺を基準として位置決めの偏差を評価する（２回目）（ステップＳ１０３）。繰り返し性の範囲内で１回目と２回目は同じ動きとなるはずである。しかし、オフセットを与えたため、出力として現れる範囲が異なる。基準尺側の線形性が高ければ、出力はオフセットするだけであるが、非線形性の分だけ出力にオフセット以外の差が生じる。上述した非特許文献１では、このようにオフセットさせた同じ入力をある測長器の入力として与えて出力を比較することで校正を行うことができることを示している。但し、２回も細かいピッチで評価をするには時間を要するので、その評価は短い範囲に留める。そして、長周期については、１回目と２回目どちらか全長の評価を行った方の評価を用いてピッチ補正を行う（ステップＳ１０４Ａ）。一方、短周期については、１回目と２回目で非線形性を評価し、周期関数として近似して全域に亘ってピッチ補正を重畳する（ステップＳ１０４Ｂ）。ここで、短周期と長周期の境目は、光学式スケール・レーザ干渉式測長システム・校正器の親ねじ等、基本周期が現れやすいシステムを使う場合に、概ね、その周期より小さいものを短周期とし、その周期より大きいものを長周期とする（定義する）。仮に、１回目を全長に亘る評価を行う測定回とすると、この回では測定ピッチを長めに取る評価と２回目で評価する範囲については短ピッチで細かく測定を行う。例えば、内挿入前の号周期８マイクロメートルで全長１メートルのスケールを信号周期２マイクロメートルの基準尺で評価する場合、内挿入前の信号周期がどちらもマイクロメートルのオーダなので、１６マイクロメートルや２４マイクロメートル等の範囲内を１マイクロメートルや０．５マイクロメートルピッチで局所短ピッチ測定評価すると共に、全長に亘っては５ミリメートルや１０ミリメートルピッチ等大きめの間隔で評価する。求める補正のオーダによっては、５０ミリメートルピッチ等でも構わない。１回目の評価は大き目のピッチで行う全長に亘る評価と、２回目での局所的な評価範囲については局所的な評価の両方を行い、２回目の評価では局所的な評価のみでよい。

図６に、本発明の実施形態に係る工作機械の調整方法において、長周期成分の出方の例と、短周期成分の出方の例を、それぞれ入力に対する出力の変化を表すグラフと共に示す。図６（ａ）は、長周期成分の出方の例を、入力（変位）に対する出力（変位表示）の変化で表すグラフであり、図６（ｂ）は、短周期成分の出方の例を、入力（変位）に対する出力（非線形）の変化で表すグラフである。尚、図６（ｂ）において、横軸の間隔ｌは、スケールの内挿前の信号周期（もしくは親ねじのリード）である。図６（ａ）（ｂ）に示すように、長周期成分の出方に比べ、短周期成分の出方は、非線形であるが、略周期的な成分が主体である。そこで、このように略周期的な成分が主体であることを確認し、全長に亘って、これが続くと仮定し、周期関数近似の数式（１）を用いる。

そして、スケールの内挿前の信号周期の整数倍だけの１回目、２回目の評価を上記非特許文献１の方法で処理し、内挿の偏差を推定する。この周期的な偏差の傾向が全長に亘って分布していると考え、周期的なピッチ補正を行うようにする（長周期のピッチ補正に重畳する）。

ところで、スケールの内挿前の信号周期の整数倍だけの周期的な偏差の傾向が全長に亘って分布していると考えて周期的なピッチ補正だけを行うと、特に評価基準として高分解能のスケールをした場合は、端の部分では位相がずれる場合がある。図７は、本発明の実施形態の変形例に係る工作機械の調整方法を説明するための図であり、（ａ）は、スケールの長手方向の数箇所で評価箇所を設ける例を示す図であり、（ｂ）は、位相オフセットλ（ｘ）の出方を示す例である。図７（ａ）（ｂ）に示すように、本実施形態の変形例として、例えば、スケールの長手方向のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆなど数箇所で位相オフセットλ（ｘ）を、λをいくつにした時に、最も非線形性が小さくなるかを基準に評価し、λ（ｘ）を決める。これを元に、補正の位相を調節するようにすれば良い。この補正の位相を調節するには、修正補正式として以下の数式（２）を用い、これを長周期のピッチ補正に重畳するようにすれば良い。

以上のように、本発明の実施形態又はその変形例によれば、工作機械の高精度化が可能な調整方法を得ることができる。

１０研削盤、１２ベッド、１４コラム、１６レール、１８ヘッド、２０砥石軸、２４砥石軸（回転用）モータ、３０テーブル、３６テーブル送り装置、４０Ｕ軸送り装置９２校正装置（システム）、９４リニアスケール、９６リニアスケール検出ヘッド、１００砥石、

Claims

Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸と、更に該Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸の各々に平行な直線軸を有する工作機械か、又は、Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸と回転軸を有し、更に該回転軸の回転により当該直線軸の送り方向を前記Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸のうちの何れか１軸に平行にできる直線軸を有する工作機械の調整方法において、前記直線軸の設定位置（入力）と変位（出力）の関係を前記工作機械とは別の校正装置で校正し、送りの位置指令と変位の関係の線形性をソフトウェアにより改善させている前記工作機械の調整方法であって、前記線形性の校正のため変位（出力）を校正装置で読み取ることができるように構成し、前記Ｘ－Ｙ－Ｚ３軸のうち校正する１軸を選び該１軸を評価対象とし、直線軸各位置の設定（入力）と変位（出力）の関係の読み取りを行うことを１回の測定と捉えた場合の測定を２回行い、該２回の測定について１回目と２回目で評価対象と平行または回転により平行にした軸の位置をわずかに変更し、変更したわずかな差は１回目と２回目で共通する測定する範囲に亘って一定であるはずであるのにずれていないかを以て校正装置の側の非線形性まで校正し、且つ長周期の成分についてはどちらか一方の評価で２回のうち片方しか全体に亘って評価をしない場合には全体に亘って評価をした側を使用し、レーザ校正器やリニアスケールにあっては、該レーザ校正器やリニアスケールの内挿前の信号周期の数倍程度まで、また基準ねじを用いた校正装置においては基準ねじの１周あたりの送りの数倍程度までの長さを短周期とし、該短周期の成分については２回の評価から推定される校正装置の周期的非線形性を考慮した補正値を作成することを特徴とする工作機械の調整方法。