JPH0348903A - 数値制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、三次元測定機やマシニングセンタなど、三次
元的な動作を行う数値制御機械の動作精度を高める方法
に関するものである。

［従来の技術］ 従来の数値制御機械は、移動体を位置制御憧たは速度制
御しながら送ろうとするとき、移動体が乗っている案内
体に、一定間隔の目盛りを刻んだメジャーを移動体の移
動方向に平行に固定しておき、送り動作中に、メジャー
の目盛りを移動体上から読み取ることにより移動体の位
置検出や速度検出を行っている。

例えば、テーブル送りの位置制御または速度制御は、テ
ーブルの案内体であるサドルまたは機械本体上に固定し
たメジャーの目盛りをテーブル上から読み取り、これを
制御装置へフィードバックすることにより送り用モー夕
の回転量や回転速度を制御している。他の移動体である
コラムや主軸頭に関しても制御は同様の方法で行われて
いる。

［発明が解決しようとする課題］ 一方、１個の移動体が移動すると、３個の位置誤差およ
び３個の角度誤差が発生することは周知である。位置誤
差とは、移動体の送り方向に発生する送り誤差、移動体
の移動方向に垂直な面内で互いに直角な方向に発生する
２個の移動線真直誤差である。３個の角度誤差とは、直
交する三つの座標軸回りに発生する回転誤差であり、水
平移動体に対してはピッチ、ヨー、ロールと呼ばれるも
のである。このうち、送り方向に発生する送り誤差は、
主に移動体送りネジのリードの不揃いやメジャーの熱膨
張または精度不良に起因して発生するもので送り指令量
と送り量との差である。移動方向に直角の方向で発生す
る位置誤差は、主に移動体を案内するレールの凹凸に起
因して発生するものである。また、各角度誤差は、主に
移動体を案内する　レールの曲がりや傾がりに起因して
発生す：るものである。三次元動作を行う機械では、３
８１の移動体のそれぞれの運動に伴ってこれら６個の移
動誤差が発生するから、最大１８個の移動誤差が発生す
ることになる。また、三次元動作機械は３個の移動体の
移動線をそれぞれ直交させようとして組み立てられてい
るが、実際にはこれらの角度が９０度から債かにずれて
組み立てられている。よって、三次元動作を行う機械で
は、移動体の移”動に伴い最大２１個の誤差が発生して
いることｋなる。

ところが、従来の機械では、各移動体の検出送り量だけ
を制御装置へフィードバックして怠り、各移動体送りに
伴って発生する他の５個の移動誤差と移動線間の直角誤
差は全く処理していない。

しかも、本来送り制御したい対象は、主軸頭から伸ばし
た工具や測定用プローブの先端であるのに、これらの制
御対象から隔たった箇所で送り量を検出しているのであ
る。従って制御対象の位置においては、移動線真直誤差
とともに、送り量検出位置と制御対象との距離に比例し
て、角度誤差に起因した位置誤差が発生しているにも拘
らず、これらは処理されていない。すなわち、・従来の
機械で検出している送り量は見掛けの送り量に過ぎない
のである。また、移動するサドルに移動、するテーブル
が載っている場合や、移動するコラムに移動する主軸頭
が載っている場合には、各移動体の移動線真直誤差や角
度誤差が重なり、制御対象の位置誤差はさらに大きくな
る。、 送り量検出位置と制御対象との隔たりに起因する検出誤
差をなくする手段として、特開昭６０−１０３０６に示
されるように、レーザ測長機で工具先端、またはプロー
ブ先端において発生する送り誤差の平均値を予め測定し
、これを数値制御装置へ入力しておき、送り誤差を数値
制御装置内で補正する方法があり、広く一般に採用され
ている。

しかし、この方法はレーザ測長機で測定した線上を制御
対象が移動する場合にだけ有効な手段であり、工具や測
定用プローブの長さが測定時のものと変わったり、測定
しない他の２個の移動体の移動位置がレーザ測定時の位
置と違った場合には、全く効力を持たないことになる。

それどころか、レーザ測長機での測定線上にだけ有効な
補正操作を行うために、他の線上での送り誤差、および
工具やＪｌ定用プロ、−ブが７レ一ザ測長時のものと変
わった場合の工具やプローブ先端の送９誤差は、補正操
作によって本来の誤差よりもかえって増大してしまうと
いう危険性がある。また、偶発的な送り誤差が発生する
場合にも対応できないという欠点がある。

このように、従来の制御法では移動方向に発生する見掛
け、の送り誤差しか考慮しておらず、制御対象である工
具及びプローブ先端の位置誤差を検出し、これを制御す
る方法ではないので高い機械精度は望めない。

、この制御法に、よって、工具やプローブの先端に発生
する三次元的な位置誤差は、マシニングセンタ等の大型
工作機械の場合には数十μｍに達することが経験的に知
られている。

工具やプローブ先端の送り量を直接検出する方法として
、工具やプローブの中心線の延長線上で送り量を検出す
る、いわゆるＡｂｂｅの原理を採用したものがある。し
かし、工具やプローブの中心線方向が移動体の送り方向
と一致している場合に対してのみ有効な方法であり、そ
の他の場合に対しては適用できない方法で、送り量の検
出箇所が工具中心線の延長線上に限られるという機械設
計上の制約もある。また、工具先端やプローブ先端にお
ける他の２個の位置誤差である真直誤差の検出に対して
は全（効果を有しないのは旧法と同様である。

このように、検出器はサブミクロンの精度で誤差を読み
取る性能を持っているにもかかわらず、三次元動作機械
の移動体の全移動誤差を検出し、それらをどう処理すべ
きかが知られていないため、機械精度の向上を望めない
のが現状である。

［問題点を解決するための手段］ そこで、本発明は、三次元動作機械上に、各移動体の移
動に伴って発生するすべての位置誤差と角度誤差および
移動線問直角度を測定するための検出器を配置するとと
もに、全く新たに導いた関係式に従ってこれらの検出器
での検出量から、制御対象である工具やプローブ先端の
実送り量を算出し、この算出量を各移動体送り装置へフ
ィードバックしようとするものである。

［作用］ このことにより、従来全く不可能であった制御対象であ
る工具またはプローブ先端部の送り制御が可能になり、
機械の動作精度が著しく向上することになるものである
。

［実施例］ 以下に、本発明をマシニングセンタ等の三次元動作加工
機械に対して実施した場合につき、発明の構成を図面に
基づいて説明するが、各図面ではテーブル、コラム、主
軸頭の送り用モータは省略しである。また、位置誤差と
角度誤差のレーザ測定用レシーバも省略しである。

三次元動作機械は、床に固定されて動かない機械本体と
３個の移動体の計４個のユニットで構成されており、各
ユニットの組合わせ方により種々の型の機械が存在する
。最も一般的な機械は、ＸＹの二次元動作を機械本体上
に独立して乗るテーブルと同じく独立して乗るコラムの
両移動体動作で行うコラム移動型と、機械本体上の移動
体であるサドルとサドルに乗る移動体であるテーブルと
で行うテーブル移動型である。ここではコラム移動型を
例にして説明する。

図１は、コラム移動型三次元動作加工機械の構成を示す
もので、１は機械本体、２はコラム、３は主軸頭の各移
動体で、主軸頭は移動するコラムを案内体としている。

４はテーブル、５ａ１５ｂはコラム案内用レール、６ａ
、６ｂは主軸頭案内用レール、７ａ、７ｂはテーブル案
内用レール、８は工具である。９．１２．１５はレーザ
発撮器であり、９．１２は機械本体に、１５はコラムに
固定されている。１０．１３．１６は干渉計であり、１
０．１３は機械本体に、１６はコラムに固定されている
。１１．１４．１７は見掛けの送り量検出用ミラーであ
り、１１はテーブルに、１４はコラムに、１７は主軸頭
に固定されている。９０は機械の座標軸で、Ｘ５Ｙ１２
は送り方向、Ａ　ｓＢ、Ｃは回転変位方向を表す。

図２は従来の制御における送り用モータの駆動法を示す
ものである。従来の三次元機械の動作は、原点復帰状態
からテーブル、コラム、主軸頭をＸ、Ｙ、Ｚ方向に送ろ
うとする場合、すなわちテーブル上の加工物に対して工
具先端を（−Ｘ、　　Ｙ、　Ｚ）だけ移動させようとす
るとき、各送り用モータ２０５．２０６．２０７の回転
によりテーブル、コラム、主軸頭を駆動し、各検出器か
らの、送り誤差を含む見掛けの検出送り量（Ｘ、’　Ｙ
、’　Ｚ’　）と数値制御装置本体２０１からの指令送
り量（Ｘ。

Ｙ、Ｚ）との差が許容偏差内に納まるまでモータを回転
し続けるフィードバック制御を採用している。２０２．
２０３．２０４は各モータ駆動回路、２０８．２０９．
２１０は検出データから送り量を演算する回路、２５１
．２５２．２５３は検出送りに相当したパルスを発生す
る回路である。

一方、送りに伴ってテーブル、コラム、主軸頭の各移動
体には、送り誤差の他に角度誤差と送り方向に直角な面
内で移動線真直誤差が発生することが知られているにも
かかわらず、これらの誤差は従来の制御方法では全く検
出されておらず、処理方法も全く不明であった。送り制
御したいのは工具の先端であるのに、実は送り量検出ミ
ラー固定部の送り誤差を検出し制御しているに過ぎない
のである。

図３は、本発明の実施例であり、機械の各移動誤差を検
出するためのレーザ測定光学系の配置を示している。１
から１７までは図１と同様である。

１８ａ、１８ｂはビームスプリッタ、１９はピッチ用干
渉計、２１はヨー用干渉計で、それぞれ機械本体上に固
定しである。２０はピッチ検出用ミラー、２２はヨー検
出用ミラーで、それぞれデープル上に固定しである。２
３はレーザ発振器、２４はロール用干渉計でともに機械
本体に固定しである。２５はロール検出用ミラーでテー
ブルに一定しである。

３３烏、３３ｂはビームスプリッタ、３４はピッチ用干
渉計、３１はヨー用干渉計で、それぞれ機械本体に固定
しである。３５はピッチ検出用ミラー、３２はヨー検出
用ミラーで、コラムに固定しである。３６はレーザ良振
器、３７はロール用干渉計でそれぞれ機械本体に固定し
である。３８はａ−ル検出用ミラーで、コラムに固定し
である。

４３ｍ、４３ｂはビームスプリッタ、４４はＸ軸回りの
角度誤差用干渉計、４５嘴Ｙ輪回りの角度誤差用干渉計
で、コラムに固定しである。４６はＸ軸回りの角度誤差
検出用ミラー、４７はＹ軸回りの角度誤差検出用ミラー
で主軸頭に固定しである。４８はレーザ発振器、４９は
ロール用干渉計で、コラムに固定しである。５０はロー
ル検出用ミラーで主軸頭に固定して−ある。

２６はレーザ発振器、２７，２Ｂは入射光を直角方向に
反射させるペンタプリズムで、２７は機械本体に、２８
はコラムに固定しである。９１はレーザ発振器２６から
ペンタプリズム２７に入射するレーザ光、９２４１ペン
タプリズム２７から反射してペンタプリズム２８へ入射
するし・−ザ光、９３はペンタプリズム２８からの反射
レーザ光である。ペンタプリズム２８は、コラムが機械
原点復帰状態には、レーザ光９３がレーザ光９１に対し
て直交する゛ように調整してコラム２に固定しである。

５３はレーザ光９１に沿って動くＹ方向真直誤差検出器
でテーブルに固定しである。５４はレーザ光９１に沿っ
で動くＺ方向真直誤差検出器でテーブルに固定しである
。５５はレーザ光９２に沿つて動くＺ方向真直誤差検出
器でコラムに固定しである。５６はレーザ光９３に沿っ
て動くＹ方向真直誤差検出器で主軸頭に固定しである。

５７はレーザ光９３に沿って動くＸ方向真直誤差検出“
器で主軸頭に固定しである。

図４は、検出データと制御対象物実位置との関係を求め
るために必要な、基準線と基準点の設は方に付いて説明
したものである。基準線６０はテーブル移動方向と平行
に、機械本体上の任意位置に固定した仮想線である。基
準点８１は、テーブル４の移動に伴い、基準線６０に沿
って動く仮想点で、テーブル上のＸ方向が任意の箇所に
固定されている。

基準＄１７０は、コラム２の移動方向と平・行に、機械
本体上の任意の位置に固定した仮想線である。

基準点７１は、コラム上でＹ方向が任意の箇所に固定さ
れており、コラム２の移動に伴い、基準線７０に沿って
動く仮想点である。

基準＊ＳＯは、基準点７１を通って、主軸頭の移動方向
に平行に伸びた仮想線で、点７１と同様にコラムに固定
しである。基準点８１は、主軸頭３め移動に伴い、基準
線８０に沿つて動（仮想点で、主軸頭上で２方向が任意
の箇所に固定されている６ 図４は、各移動体が各々の移動原点にある原点復帰の状
態を示すものであり、この時の工具先端点Ｐのテーブル
上の位置を加工原点０とする。原点復帰状態には基準線
６０．７０、・８０は互いに完全に直交させておく。点
８１から工具先端点Ｐに至る座標軸方向長さをｌｌｓら
、ム　、基準線６０と７０との距離を６１点６１から原
点０に至る座標軸方向長さをｌいｌいｌ、とする。

図５は原点復帰時に工具先端点Ｐが原点Ｏに一致してい
た状態から、テーブル、コラム、主軸頭を送り指令量（
、￥、Ｙ、Ｚ）に従って同時三軸送りした図である。主
軸頭上にあって工具先端点Ｐから（Ｔｘ、ＲｌＴｔ　）
だけ隔たった点をＴ１テーブル上にあって原点０から（
Ｗｘ、Ｗｖ　、Ｗｚ　）だけ隔たった点をＷとする。図
の、１００は原点復帰時にレーザ発振器２６から照射さ
れているレーザ光軸９１．９２．９３の向きを表す単位
ベクトル（Ｅｏｘ−Ｅｏｖ、　Ａ’ｏｚ　）である。１
１０は機械本体上に固定された単位ベクトル（Ｅｒｇ、
Ｊ？＋ｙ、Ｅ＋□）、１２０はコラム上に固定された単
位ベクトル（Ａ’２ｘ、ｆｆｚｙ、Ｅｒｇ　）　、１３
０は主軸頭上に固定された単位ベクトル＜　ＥＩＸ、　
ｇｓｖ、　ｇｓｚ　）　、ｉ　４ｏはテーブル上に固定
された単位ベクトル（Ｅ、ｘ、　Ｅ４．。

Ｅ、２）で、各々機械本体、コラム、主軸頭、テーブル
の姿勢を表現している。点Ｐと点０が一致している原点
復帰時には、（Ａ’＋ｘ、Ｅ、ｖ、Ｅｒｇ）、（Ｅｚｘ
、　Ｅｚｒ、　Ｅｒｚ　）　、（Ａ’＋ｘ、Ｅｓｖ、Ｅ
ｓｚ　）、（Ｅ４ｘ。

Ｅｒｇ、Ｅｒｇ）の各ベクトルは一致させておき、互い
のベクトル間には角度変位がないように選ぶ。

図中のη、（Ｇ）は送りに伴って仮想点６１．７１．８
１に発生する位置誤差を表し、Ｇは送りの方向、Ｆは位
置誤差の発生方向を指す。また、θｌＡｘθｌＢ％θ１
．は原点復帰時における真直誤差測定用レーザ光Ｅ０に
対する機械本体上のベクトルＥ、の角度変位量で、レー
ザ組み付は誤差を意味する。

θ、いθ２Ｂｓ　θ７．は各々コラムに発生するピッチ
、ロール、ヨーの各角度誤差を表す。θＩＡＮ　　θ３
８％θｊｃは各々主軸頭に発生するＸ軸回り、Ｙ軸回り
、Ｚ軸回りの各角度誤差を表す。θ０、θ、８、θ１．
はテーブルに発生するロール、ピッチ、ヨーの各角度誤
差を表す。

図５で、基準線６０から下した鉛直線と基準線７０との
交点をＳとすると、点Ｓから点Ｔへ向かうベクトルＲ１
は式（］）となる。

Ｒ丁 ＝（ｙ＋ム＋ｌｔ）＆ｙ＋ηｘｃＹ）Ｈｌｘ　＋　１１
ｖＣＹ）Ｊ？＋ｖ＋　７７Ｋ（１つＥ１□＋（Ｚ＋ｌｅ
＋ｌ＊＋ム）　Ｂｏｘｒ　ｒｔｘｃ２′）Ｈｔ＊＋　ｎ
ｖｃＺ）ＩＬｖ＋　ηｘ（Ｚ）＆ｚ＋（ｂ＋Ｔｘ）Ｅｒ
ｇ−（Ｌ−Ｔｖ）ｇ＋ｖ−（ムーＴｚ　）　ｌ１ｓｚ　
　　　　　　　（１）式（１）右辺の第１行は点Ｓから
点７１へ、第２行は点７１から点８１へ、第３行は点８
１から点Ｔへ向かう各位置ベクトルを表現している。

また、点Ｓから点Ｗに向かうベクトルＲＷは式１式％ ） 式（２）右辺の第１行は点Ｓから点６１へ、第２行は点
６１から点Ｗへ向かう各位置ベクトルを表現している。

これら二つのベクトルから、点Ｗから点Ｔへ向かうベク
トルΔは次のように表現できる。但し、Δ８．Δ７．Δ
２はＢｏｘｒ　Ｅｏｖ＊　Ｅｏｚの成分量である。

Δ＝（ΔｘＥ、ｘｌΔ、Ｅ、、、Δ２Ｅｏｚ　）　＝Ｒ
ｒ　　Ｒｗ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３
）一方、Ｅ、　、Ｅ！、Ｅ箇、Ｅ、の各ベクトルは、Ｅ
ｏを用いて次の様に表現できる。

（４） 式（４）の、Ｅ、はＥ、　、Ｅ、、Ｅｌ、Ｅ４の各単位
ベクトルを表し、θ＋ｏ（Ｄ＝Ａ、　Ｂ、　Ｃ）はベク
トルＥＩがベクトルＥ、、に対してＤ方向に回転する回
転変位量すなわちオイラー角を表わす。例えば、ベクト
ルＥ３、Ｅ、は式（５）　、＋６１で表現される。

＃３　＝　（Ｅ３Ｘ、　Ｅｓｖ−Ｅ３ｚ　１・・・・・
・・・・・・・・・・　（５）ＩＩ、　＝　（Ｅ４　ｘ
、　Ｅ＊　ｖ、　Ｅ４ｚ　）＋　Ｔｖ　−（Ｚ−Ｗｚ　
＋　Ｔｚ　）　　θｌＡ＋　４７’！　　ＷＸ−ｘ）　
　１９１（（Ｚ＋Ｔｚ＋１４＋ｌｓ）　　θ、、＋　（
ｌｓ＋Ｔｘ）（θ、＋θｍｃ）−（ｒｚ−ム）θｓａ＋
（Ｚｉ＋Ｗｚ１θ４　Ａ　−（ｌ＠　＋　Ｗｘ　）　θ
４１：　　”””””””’　（８）・・・・・・・・
・・・・・・・（６）これらを式（３）に代入し、η、
（Ｇ）θ、Ｄを微少量として無視すると、式（３）中め
Ｈ＠ｚ、　ＥＨ１１Ｅ＠ｚめ各ベクトル成分Δ８、Δ１
、Δ２は式□（η１．．　（８）　、ＩＩ　（９）とな
る。

Δｘ　（Ｘ、　Ｙ、　Ｚ、　Ｗｘ、　Ｗｖ、　ｗ、、　
Ｔｘ、　’ＴＹ、　Ｔｚ　）−一η！００＋ηｘｃ　）
’）　＋　１ｘＣＺ）　　Ｘ＝Ｗｘ＋　Ｔｘ　＋（ｚ＋
　Ｔ、　−Ｗｚ　）　θ３．＝（Ｙ＋・Ｔ讐−Ｗｖ　）
θ＋ｃ＋（Ｚ＋ム＋ム＋Ｔ工）θ＊ｓ＋（ｌ＋−ｒｖ　
）　ｅｔｃ＋（Ｔｚ−１ｓ　）　θｓｍ＋（Ｊ＋−Ｔｙ
）　θ、Ｃ＋　（ｂ＋　Ｗｙ　）　θ、Ｃ−（ｌｓ　＋
　Ｗｚ　）　＃ａｓ　　・開開・・・（ηΔｖＣＸ、　
　Ｙ、　　Ｚ、　　Ｗｘ、　　Ｗｖ、　　Ｗｚ−Ｔｘ、
　　Ｔｖ、　　Ｔｚ）−一ηＹ（、￥）＋η、（Ｙ）＋
ηｖ　（Ｚ　）　＋　Ｙ−ＳＦｙΔｚ　（Ｘ、　　Ｙ、
　　Ｚ、　　ｗ、、　　Ｗｖ、　　Ｗｚ、　　Ｔｘ、　
　Ｔｖ、　　Ｔｔ　）−−Ｗｚ（Ｘ）＋７７ｚ（Ｙ）＋
３７ｚ（Ｚ）＋Ｚ−Ｗｚ　＋　Ｔｚ　＋　（ｙ＋　Ｔｖ
　−Ｗｖ　）　θｔ　ａ　＋　（Ｘ−Ｔｘ＋Ｗ８）　　
θ１１＋　（Ｔｖ−ｔ＋　）　　（θ、、＋＃１Ａ）−
（Ｔ８＋ム）（θ１．＋θｓｓ　）”　（Ｊｔ＋　Ｗｖ
　）θ４Ａ＋（ｔ＊＋ＷＸ）　　θ１．・・・・・・・
・・・・・・−＝−（９）送り指令量＜ｘ、ｙ、ｚ＞に
対する工具先端点Ｐの実送り量（Ｘ”、　ｙ”、　ｚ“
）は、式（η、（８）４　（９）より式ａ・、ａ勘、＠
として求まる。

ｘ’−−ｈ＊ｃＸ、　Ｙ、　Ｚ、０．０．０．０．０．
０　）−η、（ｒ）−η、（ｙ）−η、（Ｚ）＋Ｘ−ｚ
ｅ＋ｍ＋Ｙθ＋ｃ　　（Ｚ＋７４＋ム）θ。

−１，ｅ、、＋１．θｓｍ−ｔ＋　ｅｓｃ＝ｔｖ　ｅ４
ｃ＋１．θ、―・・・・・・・・・・・・・・・（至）
Ｙ”＝ΔＹ（Ｘ、Ｙ、Ｚ、０，０，０，０，０．０　”
）＝−ηｖ（Ｘ′）＋ηｙ（Ｙ）＋　ｎ　ｖ＜ｚ＞　　
＋　ｙ−Ｚθ、Ａ−Ｘθｒ　ｃ　−（；ｌ　＋　１４　
＋　Ｉｓ　）　　θ、十ｌ、（θ、Ｃ＋θｓｃ）＋ｌ＊
θｓ　Ａ’＋　ｔｓθ４Ａ−１，θ、Ｃ・・・・・・・
・・・・・・・・ＱＤＺ”−Ａｚ（ｘ、Ｙ、Ｚ、　　０
，０，０，０，０．０　）＝　　　Ｗｚ（Ｘ）＋η２（
Ｙ）＋η、（Ｚ）　　＋Ｚ＋Ｙθ、Ａ＋Ｘθ１゜−１ｌ
（θ、十θｓＡｇ−ｌ、（θ８．＋θｘｓ）　　ｂθ、
Ａ十へ〇、。

・・・・・・・・・・・・・・・Ｏ 一方、位置誤差のレーザ検出値と検出器固定座標との関
係は同じく式（η、　（８）、　（９）から以下のよう
に、求めることができる。

Ｘ送り時の見掛けの送り誤差を６．（Ｘ）、原点復帰時
にテーブル上の原点０から測った送り量検出ミラー１１
の固定座標を（Ｐｘ、’、　７’□、Ｐ□、）とすると
、送り量検出はＹ送り、２送りに影響されないから、同
時３軸送りではあるが、検出送り量はｙ＝　ｏ　、ｚ＝
　ｏとした式■で表現される。

Ｘ＋δｘ（ｘ） ＝−ΔＩ（Ｘ、　Ｏ−０、八ｓ、Ｐｖｓ−Ｐｚａ、Ｉ％
ａ、Ｐｖ４−　Ｐｉｓ＞”　＃　＆ｌ　（Ｘ）＋’Ｘ−
（ｌｔ＋Ｐｖａ　）　４９　＊ｃ＋（１，＋Ｐ工、）θ
、′、・・・・・・・・・・・・・・・Ｏ・Ｘ送り時の
Ｙ方向検出真直誤差をＪＹＣＸ）、原点復帰時にテーブ
ル上の原点Ｏから測った検出器５３の固定座標を（Ｈ□
＠　ＨＹ４＊　Ｈ１Ｓ　）とすると、検出はＹ送り、Ｚ
送りに影響されないから、検出真直−差はｙ＝ｏ、ｚ−
ｏとした弐〇〇・で表現される。

δ、（Ｘ） ＝−ΔｖＣＸ、　０　、０　、Ｈｘ−、Ｈｖ−、Ｈｚａ
、　Ｈｚａ、　ＨＶ４．　Ｈ２Ｓ”）”　ｎ　ｙ（Ｘ）
　＋　Ｘ　＃　ｌｃ　−（ム＋Ｈ８，１θ、−１＋　　
（ｌ＠　＋　Ｈｚ　４　　）　’　＃　＊　ｃ・＝・・
・・・・−・０４Ｘ送り時め２方向検也真直誤差を６□
（Ｘ）、・原点復帰時にテーブル上の原点０から測った
検出器５４の固定座標を（Ｖｘａ−Ｖｖａ＝　Ｖｉａ　
）とすると、検出はＹ送り、Ｚ送りに゛影響されないか
ら、検出真直誤差はｙ＝　ｏ　、ｚ＝　ｏとした式ａ９
で表現される。

δ２（Ｘ） ＝−Δｚ　（Ｘ、　０　、０　、　Ｖｘ　４．　Ｖｖ　
＋　、　Ｖｚ　４　、　Ｖｘ　＊　、　Ｖｖ　＋　、　
Ｓ’ｚ　＋　）＝ｎ　ｚ（Ｘ）　　ＸＯ＋ａ＋　（ｂ＋
　Ｖｖ＋　）　　θ、Ａ（ｔ、＋Ｖ□）　θ４ａ・・・
・・・・・・・・・・・・ａ！９Ｙ送り時の見掛けの送
り誤差をδＹ（Ｙ）、原点復帰時にテーブル上の原点Ｏ
から測った送り量検出ミラー１４の固定座標を　（Ｐｖ
ｘ、　Ｐｖｘ　、Ｐｚｔ　）とすると、送り量検出はＸ
送り、Ｚ送りに影響されないから、検出送り量はｘ＝ｏ
、ｚ＝ｏとした式ａｅで表現される。

Ｙ＋δＹ（Ｙ） ＝ΔＹ　（０、Ｙ、　Ｏ、Ｐｔｓ、Ｐｔｓ、Ｐｚｚ、Ｆ
ｌｚ、Ｐｖｘ、Ｐｚｘ）＝　ηＹ（Ｙ）＋　Ｙ−（Ｐ、
　＋　ｌ＊＋ム）θ、Ａ＋（Ｐｘｚ＋ム）θ１．・・・
・・・・・・・・・・・・αＧＹ送り時のＺ方向検出真
直誤差をδＺ（Ｙ）、原点復帰時にテーブル上の原点０
から測った検出器５５の固定座標を（Ｖｖｓ、Ｖｖｔ、
Ｖｖｓ　）とすると、検出は、Ｘ送り、Ｚ送りに影響さ
れないから検出真直誤差はＸ＝　０　、Ｚ＝　Ｏとした
式αηで表される。

δ２（Ｙ） ＝Δｚ（０、Ｙ、　０　、Ｖｘｘ、Ｖｖｔ、Ｖｚｘ、Ｖ
ｘｚ、　Ｖｙｔ、　Ｖｘｚ）＝η、（ｙ）＋ｙθｌＡ＋
（Ｖｖ、−１１）　　θ、Ａ（’ｖｌｚ　＋　ｉｓ　）
　　θ２Ｂ・・・・・・・・・・・・・・・ａりＺ送り
時の見掛けの送り誤差を６２（Ｚ）、原点復帰時にテー
ブル上の原点０から測ったミラー１７の固定座標を（Ｐ
ｘｓ、Ｐｖｓ、Ｐｚｓ　）とすると、検出はＸ送り、Ｙ
送りに影響されないから、検出送り量はｘ＝ｏ、ｙ＝ｏ
とした式Ｑ８で表現される。

Ｚ＋６２（Ｚ） 一Δｚ（０、Ｏ、Ｚ、Ｐｘｓ、Ｐｖｓ、Ｐｔｓ、Ｐｔｓ
、Ｐｖｓ、Ｐｚ３＞”　　ｎ　ｚ（Ｚ）　＋　Ｚ　＋　
（Ｐｖｓ　　ｌ＋　）　ｅ、−（Ｐｘｓ　＋　ｉｓ　）
θ、１・・・・・・・・・・・・・・αＱ原点復帰時の
レーザ光９３に対し、Ｙ１２同時送りにより検出器５７
はＸ方向に ６ｍ　（０、Ｙ、　Ｚ、　Ｈｚ　ｓ、Ｈｙ　ｓ、Ｈｚ　
ｓ、＆　ｓ、Ｈｖ　ｓ’、Ｈｚ　３）だけ変位する。た
だし、原点復帰時に原点０から測った検出器５７の固定
座標を（Ｈｘｓ、Ｈｖｓ、Ｈｚｘ　）とする。しかしＹ
送りによりレーザ光軸９３はペンタプリズム２８を中心
としてコラムのロール角θ２．だけ回転するから、原点
復帰時に原点０から測ったペンタプリズム２８の座標を
（ＭｘｌＭ、。

Ｍ２）とすると検出器５７の実際の検出値δＸ　（Ｚ）
は式０９で与えられる。

δ８（Ｚ） ＝Δｘ　（０、Ｙ、　Ｚ、　Ｈｘ　＋、Ｈｙ　ｓ、Ｈｚ
　ｓ、Ｈｘ　１．ＨＹ　１．Ｈｚ　ｓ　）−〇、、　（
Ｈ２，十Ｚ　−Ｍ２） −ηｘ（Ｙ）＋ηｘ（Ｚ）＋Ｚθ、８−Ｙθｌｃ＋ｌ＋
ム＋Ｍ２）θｙｅ＋（ＬＨｖｓ）θ２Ｃ＋　（Ｈｚｓ　
　ｂ　）θ、。

＋　（Ｉｔ　　ＨＹｓ　）θ、ｃ（ＩＩ原点復帰時のレ
ーザ光軸９３に対し、Ｙ、Ｚ同時送りにより検出器５６
はＹ方向に Δｙ　（０、Ｙ、Ｚ、　Ｖｘ、、　Ｖｖ、、　Ｌ’ｚｓ
、　Ｖｘｓ、Ｖｖ３．Ｖｚｓ）だけ変位する。ただし、
原点復帰時の検出器５６の固定座標を（Ｖｘｓ、Ｖｖｓ
、Ｖｚｓ　）とする。また、レーザ光軸９３はＡ方向に
回転することはないがペンタプリズム２８とともに次の
量だけＹ方向に移動する。

ΔＹ　（０、Ｙ、　０　、Ａ４．、Ｍｖ、Ｉｖｂ、Ｍ工
、　Ｍｖ　、　Ａｆｘ　）さらに、レーザ光軸９３はペ
ンタプリズム２８のＺ方向真直誤差によって次の量だけ
Ｙ方向に変位する。

Δｚ　（０、Ｙ、　０　、Ａｆｘ、Ｍｙ、Ｍｚ、Ｍｘ、
Ａｆｖ、Ｍｚ）よって検出器５６での実際の検出量δＹ
（Ｚ）は次式で与えられる。

δＹ（Ｚ） ＝Δｖ　（０、Ｙ、　Ｚ、　Ｖｖ３．　Ｖｖ３．　Ｖｚ
ｘ、　Ｖｘｓ、　Ｖｖｘ、　Ｖｚ、＞−Δｙ　（０、Ｙ
、　０　、Ｍｘ、Ｍｖ、Ｍｚ、Ｍｘ、ＭＹ、ｈｂ）−Δ
ｚ　（０、Ｙ、　０　、Ｍｘ、Ｍｖ、Ｍｚ、ｈｂ、Ｍｖ
、Ｍｚ）、”　７７　ｙ（Ｚ）　−ｒｌｔｃＹ）　−Ｃ
Ｙ＋Ｚ）　ｅ　、、−（Ｚ＋ＭＶ−Ｍ２十Ｖｚｓ　　ｌ
＋　）θＩＡ＋（Ｍｘ＋ム）θｚｓ＋（Ｌ’ｘｚ−ＭＫ
）θ、Ｃ（Ｖｚｓ　　１２）θｓＡ＋　（１３＋Ｖｘ　
３　）θ、ｃ　　　　■式ＱＬ　（１（１，（Ｆ９．　
Ｑ［９，（１７）、　ＱＬ　Ｑｌ、　Ｃ！Ｉ）ヲ基準点
６１．７１．８１の位置誤差η、（Ｇ）について解き、
０１．　Ｑｌ）、　０３に代入すると、本来の制御対象
である工具先端部の実送り量Ｘ”、Ｙ″、Ｚ″は、シυ
、（財）、（至）のように送り指令量、検出位置誤差δ
Ｐ（Ｇ）、検出角度誤差θ、。および位置誤差検出器と
ペンタプリズム２８の原点復帰時固定座標から求まる。

Ｘ″＝Ｘ＋δｘｃ）Ｏ＋Ｐｖ＋θＩｃ　　＃Ｚｌθ４８
＋（Ａ／、−Ｚ）θ、ｌ１−Ｈ０θ、Ｃ−δｘ（Ｚ）＋
＆ｓθ２　Ｂ　−ＨＹ　Ｉθ、Ｃ・・・・・・・・・・
・−ａＯＹ”＝Ｙ＋δＹ（Ｊ） ＋（Ｐｚｘ　＋　Ｖｘｓ　＋　Ｍｖ　　Ａｆｚ　−１／
ｙ２　）θ、Ａ（ＭＸ　−Ｖｘ　＊　）θ！ｌ＋　ｉＭ
ｘ−Ｖｘｓ−Ｐｚｘ）θ、Ｃ＋δｖｃＺ＞＋Ｖｚｓθ５
Ａ−ｖｘｓθ、Ｃ−δｖ＜Ｘ）Ｈｚ＊θ、Ａ＋Ｈｘ、θ
、Ｃ＋６２（Ｙ）　　　　　　　　　　　　　　　　（
２）Ｚ”＝Ｚ＋δｚ（Ｚ）　　ＰｖｓθＭ　Ａ　＋　Ｐ
Ｘ　３θ、。

δｚ（Ｘ）＋　Ｖｖ４θ４ｋ　　’１１４θ１！Ｉ＋δ
ｚｃＹ）−ＶＹ＊θ２Ａ＋ＶＸ＊θ２８・・・・・・・
・・・・・・・・（２）以上は、制御対象をマシニング
センタ等の工具に限って説明したものだが、三次元測定
機のように制御対象が測定用プローブであってもそのま
ま適用できるものである。

図６は、本発明による送すモータ駆動法を示すものであ
る。まず、見掛けの送り量、見掛けの真直誤差、および
角度誤差の各検出値から、高速演算回路２３０で式？◇
、（２）、（至）に基づき工具先端部Ｐの実位置Ｉ、ｙ
″、Ｚ”を算出し、次いでこれをパルス発生回路２５１
．２５２．２５３を経て各送りモータ制御部へフィード
バックすることにより、モータを駆動するものである。

２０８．２０９．２１０は見掛けの送り量Ｘ＋δＸＣ）
Ｏ，Ｙ＋６．（Ｙ）、Ｚ＋６２（Ｚ）の各検出値演算回
路、２１１〜２１５は見掛けの真直誤差δ、（Ｘ）、δ
２（Ｘ）、δ２（Ｙ）、δＸ（Ｚ）、δ、（Ｚ）の各検
出値演算回路、２１６〜２２４は角度誤差θ、いθ２Ｒ
１θ、ｃ１θＩＡｓθ４、θ３９、θ□、θ４１１１θ
４ｃの各検出値演算回路を示す。

フィードバック動作により各移動体には、送り偏差を消
去するように微小送りｘ−ｒ　、　ｙ−ｙ”　。

Ｚ−ｒが与えられ１、それに伴って各移動体に発生して
いる位置誤差と角度誤差が変化してしまうが、送りが微
小であるから、これらの誤差の変化分は完全に無視する
ことができる。即ち、各移動体送りのフィードバック動
作は互いに影響されることなく独立して行うことが可能
である。

各検出器の固定座標ＣＰｔ　ｘ＊Ｐ＋　ｖ、Ｐ＋　ｚＸ
　ｉ　＝　２．３．４　）、ＣＨ＋ｘ、ＨＩｚ、ＨＩｚ
）　　（ｉ　　＝　３．４　）、（Ｖｌｘ、ＶＩＹ、Ｖ
、り（ｉ＝２．３．４）およびペンタプリズム２８の固
定座標（Ｍｘ　、　Ａ／Ｙ　、　Ａｆｚ　）は、工具ま
たはプローブ長さが決まると、原点復帰時に各移動体上
の検出器取り付は位置から高速演算回路内で自動的に算
出するものである。また、これらの座標値は微小検出角
度誤差との積としてｒ、Ｙ”、Ｚ”に加減算されるもの
であるから、検出器の厳密な固定位置でなくても実用上
全く問題はない。さらに、各角度誤差検出器は、固定座
標に関係なく移動体上のどこにあっても同一値が検出さ
れるから、自由に配置すればよい。

さらに、本発明によれば従来の制御装置に各誤差検出器
と検出値演算回路および高速演算回路とを付加するだけ
で工具またはプローブ先端部実位置の算出とモータ送り
へのフィードバックが可能となり、数値制御装置本体に
は殆ど改良を必要としない。すなわち、本説明ではテー
ブル上の原点０を移動開始点とし、原点Ｏから任意方向
へ隔たった点へ工具またはプローブ先端部を移動させる
同時三軸アブソリニート直線送りに付いて説明したが、
円弧切削や自由曲面等の輪郭制御切削およびインクリメ
ンタル送りなど、従来の数値制御装置本体の各種機能は
そのまま利用可能である。

図７は高速演算回路の処理を示すブロック図である。ま
ず、工具長またはプローブ長がオペレータにより入力さ
れると、原点復帰状態におけるテーブル上の原点０の位
置が機械の寸法関係から自動的に原点演算回路２３１で
計算される。。次いで、検出器座標演算回路２３２で各
位置誤差検出器とペンタプリズム２８の座標が算出され
記憶される。

一方、送りが開始されると各誤差のレーザ検出値演算回
路２０８〜２２４からのデータが逐次入力回路２３４へ
取り込まれる。

２３５は式シ０に従ってＸ方向の実送り量ｒを演算出力
する回路であり、必要データは検出器等の座標演算回路
２３２と誤差の検出値入力回路２３４から得られる。２
３６．２３７は同じく式働、−によりＹ方向、Ｚ方向の
実送り量ｙ”１Ｚ”を演算出力する回路である。ｒ　　
、ｙ”　　、ｚ”はパルス発生回路２５１．２５２．２
５３を経てモータ送りへフィードバックされる。

本実施例中では、送り量と角度誤差の検出には、２周波
レーザの位相差検出を利用したレーザ測定法を用いてい
る。特にロールの検出には昭和６１年度精密工学会春季
学術講演会論文集ｐ４７９に見られるものを用いている
。しかし、これらの検出法を、レーザ光を用いたものに
限定するものではない。

また、真直誤差検出には、直角に曲げて機械に固定しで
ある１周波レーザ光からの検出器のずれ量を、検出器内
のＰＳＤ上で読み取る方式のものを用いている。しかし
、検出器の種類をこれに限定するものではない。

本説明ではコラム移動型の機械について記したが、図８
はテーブル移動型の基準線と基準点の設は方を参考まで
に示すもので、４６０は機械本体のコラムに、４７０は
機械本体のベツドに、４８０はサドルに設けた基準線で
原点復帰時には互いに直交している。４６１．４７１．
４８１はそれぞれ主ｍ頭、サドル、テーブルとともに基
準線に沿って移動する基準点であり、４００は機械本体
に固定されたレーザ光を表す単位ベクトルＥ０．４１０
は機械本体上の単位ベクトルＥ、、　４２０はサドル上
の単位ベクトルＥ、、４３０はテーブル上の単位ベクト
ルＥｓ、４４０は主軸頭上の単位ベクトルＥ、である。

この場合もコラム移動型と同様の手法で主軸頭先端にあ
る制御対象点Ｐの実送り量を求めることができる。

本説明では、真直誤差測定用レーザをすべて機械本体上
に固定したが、案内体でもある移動体上に固定すること
も可能であり、説明中のベクトルＥ６を該移動体上に固
定することにより同様の関係式を導くことができる。す
なわち、本説明中のコラム移動型の場合はコラム上に、
テーブル移動型の場合はサドル上に真直誤差測定用レー
ザを固定できるのである。

さらに、テーブルが機械本体となっておりいずれの方向
にも移動せず、移動するコラム上に２個の移動体を重ね
て三次元動作を行うような特異な型式の機械にも、コラ
ムまたはコラムを案内体とする移動体に真直誤差測定用
レーザを固定することにより、本方法の適用が可能であ
る。

このようにすべての三次元機械に対して、同様の手法で
工具またはプローブ先端部の実位置（ｒ。

ｒ、Ｚ”）を演算することができるとともに、コラム移
動型と同様の手法でそれらを各モータ送りへフィードバ
ックすることにより、高精度に機械を動作させることが
可能である。

［発明の効果］ 本発明によれば、制御対象である工具またはプローブ先
端部の動作は機械上のレーザ光で構成される三次元直交
座標に従うので、送りネジのリード不揃い、移動案内レ
ールの曲がりや凹凸、機械組立時に発生する移動体移動
線間直角誤差等に全く影響されることなく、高精度に行
われることになる。

【図面の簡単な説明】

図１は従来の機械構成を示し、１は機械本体、２はコラ
ム、３は主軸頭、４はテーブル、８は工具、９．１２．
１５はレーザ発振器、１１．１４．１７は見掛けの送り
量検出用ミラーを示す。 図２は従来の送り用モータ駆動法を示すもので、２０１
は数値制御装置本体、２０２，２０３．２０４はモータ
駆動回路、２０５．２０６．２０７は送り用モータ、２
０８．２０９．２１０は送り量検出値演算回路、２５１
．２５２．２５３はパルス発生回路を示す。 図３は、本発明実施例であり２３，２６，３６．４８は
レーザ発振器、２７．２Ｂはペンタプリズム、２０．３
５はピッチ検出用ミラー、４６はＸ軸回りの角度誤差検
出ミラー、２２．３２はヨー検出用ミラー、４７はＹ軸
回り角度誤差検出用ミラーを示す。 図４は基準線と基準点の設は方を示し、６０．７０．８
０は基準線、６１．７１．８１は基準点を示す。 図５は、工具先端部実位置を算出するためのベクトル配
置図である。Ｅｏ、Ｅ、、Ｅ、、Ｅｌ、Ｅ４は、各々真
直誤差検出用レーザ光、機械本体、コラム、主軸頭、テ
ーブル上に固定されたベクトルである。 図６は本発明の送すモータ駆動部を示す。２１１〜２１
５は真直誤差の検出値演算回路、２１６〜２２４は角度
誤差の検出値演算回路、２３０は実送り量を求める高速
演算回路を示す。 図７は実送り量の高速演算回路のブロック図で、２３４
は誤差検出値入力回路、２３１は原点０座標演算回路、
２３２は位置誤差検出器固定座標演算回路、２３５．２
３６．２３７は実送り量演算回路である。 図８はテーブル移動型の場合の基準線と基準点の設は方
を示すもので、４００は機械本体に固定された真直誤差
検出用レーザ光、４１０は機械本体上の単位ベクトルＨ
，，４２０はサドル上の単位ベクトルＥｘ　、４３０は
テーブル上の単位ベクトルＥｓ、４４０は主軸頭上の単
位ベクトルＥ、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、三次元動作機械の移動体送りに伴って各移動体に発
   生する機械座標軸回りの角度誤差および見掛けの送り量
   を各移動体の案内体上から測定するための検出器を、各
   移動体上の任意の位置に固定配置するとともに、本体ま
   たは移動体の一つにペンタプリズムを介して固定された
   レーザ光の方向が移動体の原点復帰時に機械座標方向に
   一致するようにしておき、さらに各移動体上に各移動体
   移動線の見掛けの真直誤差を前記レーザ光からのずれ量
   として検出する真直誤差検出器を固定配置し、原点復帰
   時にテーブル上の原点から測った見掛けの送り量検出器
   、同じく見掛けの移動線真直誤差検出器、同じくペンタ
   プリズムの各固定座標と、角度誤差、見掛けの送り量、
   および見かけの真直誤差の各検出値とから、主軸頭先端
   にある制御対象物の実送り量を算出する装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置により求めた制御
   対象物の実送り量を、各移動体送り制御のフィードバッ
   ク量とする三次元動作機械の数値制御装置。