JPH1020912A - 数値制御装置による熱変位補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱による機械の変位をも考慮して位置の制御
を数値制御装置によって行う。 【解決手段】 加工空間を所定間隔で分割し、各格子点
に工具を位置決めする。そのとき、実際の工具位置と格
子点とのずれを該格子点における補正ベクトルとして数
値制御装置に設定記憶させておく。実際に加工を行うと
きには、指令された位置を包含する直方体の各格子点の
補正ベクトルを補間して指令された位置に対する補正量
を求める。この補正量を指令位置に加算して、補正され
た指令位置を求める。この補正された指令位置に基づい
て各軸への移動指令の分配を行い機械各軸を駆動する。
熱による機械の変位を補正して位置制御がなされるから
精度の高い加工を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械やロボッ
ト等の産業機械を制御する数値制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】数値制御装置で制御される工作機械やロ
ボット等の産業機械においては、数値制御装置によっ
て、これらの機械の可動部の位置を数値制御装置によっ
て制御している。数値制御装置から指令される位置と可
動部を駆動するサーボモータに取り付けられたサーボモ
ータの回転位置を検出する位置検出器からのフィードバ
ック信号に基づいて、指令位置とフィードバックされた
可動部の位置が一致するようにフィードバック制御され
る。

【０００３】機械の可動部は、通常ボールネジ等の伝動
機構を介してサーボモータによって駆動される。そのた
め、サーボモータの回転位置を指令位置に位置決めした
としても、伝動機構のバックラッシやピッチ誤差等によ
って、可動部は必ずしも指令位置に位置決めされたもの
とはならない。そこで、バックラッシ補正やピッチ誤差
補正を行って、可動部の位置をより正確に位置決めする
方法が一般的に採用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】バックラッシ補正やピ
ッチ誤差補正が行われたとしても、ボールネジ等の伝動
機構等の機械各部が熱により膨脹収縮し変位した場合に
は、この熱による変位分位置誤差が生じる。従来は、こ
の熱による伝動機構等の機械各部の変位は無視されてい
た。しかし、より精度の高い加工や、位置決めを行うよ
うな場合、この熱による機械の変位を考慮する必要があ
る。そこで、本発明の目的は、熱による変位をも考慮し
て位置の制御ができる数値制御装置による熱変位補正方
法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、作業空間を所
定間隔毎に分割し、分割した各格子点における指令位置
と実際の位置の差を補正ベクトルとして求め数値制御装
置内に記憶設定しておく。該数値制御装置で制御される
機械を運転する際には、指令された位置に対する補正量
を、上記補正ベクトルを補間することによって求める。
そして、指令された位置に求めた補正量を加算して補正
された指令位置を求め、該位置への移動指令を機械の各
軸に出力して機械を駆動制御する。特に、指令位置を含
む直方体を形成する８つの格子点の補正ベクトルを補間
して指令位置における補正量を求める。解くに、機械を
運転し工作機械の周囲の温度や機械の運転による発熱等
によって機械の変位状態が変化た場合には、次の機械の
運転開始前に各格子点の補正ベクトルを更新するように
する。

【０００６】指令位置に対して、該指令位置における熱
による機械の変位を補正して実際の指令位置としたか
ら、機械可動部が移動した際には機械の熱による変位を
補正した正確な指令位置に移動することになり、工作機
械であればより精度の高い加工を行うことができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を工作機械を制御す
る数値制御装置に適用した一実施形態を説明する。図１
は、作業空間における熱による位置変位を補正するため
の補正ベクトルの説明図である。工作機械が加工する加
工空間を直方体とし、該直方体を等間隔で区分し複数の
直方体に分割する。図１の例では８つの直方体に分割し
ている例を示している。そして分割した各格子点の位置
における熱による位置変位を補正する補正ベクトルＶを
測定し数値制御装置内のメモリに記憶する。即ち、各軸
サーボモータを駆動して１つの格子点位置、例えば座標
位置（ｘ，ｙ，ｚ）に工具先端を位置決めし、その工具
先端位置を測定し、その測定結果が座標位置（ｘ´，ｙ
´，ｚ´）であったとすると、位置が（ｘ−ｘ´）、
（ｙ−ｙ´）、（ｚ−ｚ´）だけずれているものであ
り、該格子点における補正ベクトルＶとして（ｘ−ｘ
´、ｙ−ｙ´、ｚ−ｚ´）を記憶する。このようにして
全ての格子点に対して補正ベクトルを求め記憶する。

【０００８】例えば、指令格子点の座標位置が（１０
０，１００，１００）であり、実際に測定した座標位置
が例えば（１０１，１０２，９８）であるような場合に
は、該格子点における補正ベクトルＶは（−１，−２，
＋２）である。実際の加工時において、指令座標位置が
（１００，１００，１００）であったとすれば、この位
置に該格子点の補正ベクトルＶを加算し、上記例で（９
９，９８，１０２）の座標位置を指令とすれば、工具
は、目標とする座標位置（１００，１００，１００）に
位置決めされることになる。

【０００９】一方、実際の加工時において、指令位置が
各格子点位置ではない場合には、各格子点の補正ベクト
ルＶを補間して当該位置の補正ベクトルＣを求め、指令
位置を補正する。この補正ベクトルＣの求め方を図２に
基づいて説明する。

【００１０】指令位置Ｐ（Ｐx ，Ｐy ，Ｐz ）がある直
方体内にあるとき、その直方体におけるＸ，Ｙ，Ｚ軸の
座標値の一番小さい座標値の格子点を基準点Ｐ0 （Ｐ0
x，Ｐ0y，Ｐ0z）とする。即ち、指令位置Ｐ（Ｐx ，Ｐy
，Ｐz ）の各軸の座標値よりも座標値が小さくかつ一
番近い格子点を基準点Ｐ0 （Ｐ0x，Ｐ0y，Ｐ0z）とし、
この基準点Ｐ0 よりも各軸の値が次に大きい７つの格子
点を求め、この８つの格子点Ｐ0 〜Ｐ7 で形成される直
方体が指令位置Ｐ（Ｐx ，Ｐy ，Ｐz ）が属する直方体
となる。なおこの８つの格子点Ｐ0 〜Ｐ7 における補正
ベクトルを図２に示すようにＶ1 、Ｖ2 、Ｖ3 、…Ｖ8
とする。

【００１１】そこで、まず、格子間隔の長さ、即ち、直
方体の各軸の長さＬx ，Ｌy ，Ｌzを１とする正規化さ
れた基準点Ｐ0 を原点とする指令位置Ｐまでの座標値
（ｘ，ｙ，ｚ）を次の式で求める。 ｘ＝（Ｐx −Ｐ0x) ／Ｌx …（１） ｙ＝（Ｐy −Ｐ0y) ／Ｌy …（２） ｘ＝（Ｐz −Ｐ0z) ／Ｌz …（３） そして、指令位置Ｐ（Ｐx ，Ｐy ，Ｐz ）の補正ベクト
ルＣ（Ｃx ，Ｃy ，Ｃz ）を次の４式によって求める。

【００１２】 Ｃi ＝Ｖ1i・（１−ｘ）（１−ｙ）（１−ｚ） ＋Ｖ2i・ｘ（１−ｙ）（１−ｚ） ＋Ｖ3i・ｘｙ（１−ｚ） ＋Ｖ4i・（１−ｘ）ｙ（１−ｚ） ＋Ｖ5i・（１−ｘ）（１−ｙ）ｚ ＋Ｖ6i・ｘ（１−ｙ）ｚ ＋Ｖ7i・ｘｙｚ ＋Ｖ8i・（１−ｘ）ｙｚ …（４） なお、ｉ＝ｘ，ｙ，ｚである。

【００１３】上記４式の右辺第１項について説明する
と、基準点Ｐ0 の補正ベクトルＶ1 のＸ軸成分がＶ1x
で、該Ｘ軸成分Ｖ1xは基準点Ｐ0 を原点とし該原点から
の距離に比例して減少しＸ軸上の格子点Ｐ1 においては
「０」と考え、指令位置ＰのＸ軸上の位置ｘにおけるこ
のＸ軸成分Ｖ1xの大きさを補間して求める。この大きさ
はＶ1x・（１−ｘ）となる。同様にＹ軸上においても、
基準点Ｐ0 では、その位置における補正ベクトルの各軸
成分値をもちＹ軸上の次の格子点Ｐ3 では、「０」と
し、Ｙ軸上の距離ｙによって補間して求める。その結
果、Ｘ，Ｙ軸平面における（ｘ，ｙ）の点の上記Ｘ軸成
分Ｖ1xに対応する大きさはＶ1x・（１−ｘ）（１−ｙ）
となる。Ｚ軸についても同様に考えれば、指令位置Ｐ
（Ｐx ，Ｐy ，Ｐz）における上記Ｘ軸成分Ｖ1xに対応
する大きさはＶ1x・（１−ｘ）（１−ｙ）（１−ｚ）と
なる。

【００１４】また格子点Ｐ1 における補正ベクトルＶ2
のＸ軸成分Ｖ2xによる指令位置Ｐ（Ｐx ，Ｐy ，Ｐz ）
における影響は、該Ｘ軸成分Ｖ2xは基準点Ｐo では
「０」と考え、同様にしてＶ2x・ｘ（１−ｙ）（１−
ｚ）として求められる。以下、各格子点Ｐ2 〜Ｐ7 の補
正ベクトルＶ3 〜Ｖ8 のＸ軸成分Ｖ3x〜Ｖ8xに対する指
令位置Ｐ（Ｐx ，Ｐy ，Ｐz ）における影響を補正ベク
トルＶ3 〜Ｖ8 を補間して同様に求めると、指令位置Ｐ
（Ｐx ，Ｐy ，Ｐz ）における補正ベクトルＣのＸ軸成
分Ｃx はＶ1x・（１−ｘ）（１−ｙ）（１−ｚ）＋Ｖ2x
・ｘ（１−ｙ）（１−ｚ）＋Ｖ3x・ｘｙ（１−ｚ）＋Ｖ
4x・（１−ｘ）ｙ（１−ｚ）＋Ｖ5x・（１−ｘ）（１−
ｙ）ｚ＋Ｖ6x・ｘ（１−ｙ）ｚ＋Ｖ7x・ｘｙｚ＋Ｖ8x・
（１−ｘ）ｙｚとして求められる。

【００１５】以下、同様にしてＹ軸成分Ｃy 、Ｚ軸成分
Ｃz を求めれば指令位置Ｐ（Ｐx ，Ｐy ，Ｐz ）におけ
る補正ベクトルＣ（Ｃx ，Ｃy ，Ｃz ）が求まる。こう
して求められた補正ベクトルＣを指令位置Ｐ（Ｐx ，Ｐ
y ，Ｐz ）に加算して出力する。Ｘ軸に対しては、Ｐx
＋Ｃx 、Ｙ軸に対してはＰy ＋Ｃy 、Ｚ軸に対してはＰ
z ＋Ｃz を各軸サーボモータに出力すれば、工具位置は
機械の熱の変位を補正して目標とするる指令位置Ｐ（Ｐ
x ，Ｐy ，Ｐz ）に位置決めされることになる。

【００１６】図３は工作機械を駆動制御する数値制御装
置１００の要部を示す機能ブロック図である。数値制御
装置１００のプロセッサ１１は数値制御装置１００を全
体的に制御するプロセッサである。このプロセッサ１１
は、ＲＯＭ１２に格納されたシステムプログラムをバス
２１を介して読み出し、このシステムプログラムに従っ
て、数値制御装置１００を全体的に制御する。ＲＡＭ１
３には一時的な計算データや表示データおよびＣＲＴ／
ＭＤＩユニット７０を介してオペレータが入力した各種
データ等が格納される。ＣＭＯＳメモリ１４は図示しな
いバッテリでバックアップされ、数値制御装置１００の
電源がオフにされても記憶状態が保持される不揮発性メ
モリとして構成され、インターフェイス１５を介して読
込まれた加工プログラムやＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０
を介して入力された加工プログラム等が記憶されるよう
になっている。また、ＲＯＭ１２には、加工プログラム
の作成および編集のために必要とされる編集モードの処
理や自動運転のための処理を実施するための各種のシス
テムプログラムが予め書き込まれている。

【００１７】インターフェイス１５は、数値制御装置１
００に接続可能な外部機器のためのインターフェイスで
あり、フロッピーカセットアダプタ等の外部機器７２が
接続される。外部機器７２からは加工プログラム等が読
み込まれ、また、数値制御装置１００内で編集された加
工プログラムを外部機器７２を介してフロッピーカセッ
ト等に記憶させることができる。

【００１８】ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コント
ローラ）１６は、数値制御装置１００に内蔵されたシー
ケンスプログラムで工作機械の補助装置、例えば、工具
交換用のロボットハンド等といったアクチュエータを制
御する。即ち、加工プログラムで指令されたＭ機能，Ｓ
機能およびＴ機能に従って、これらシーケンスプログラ
ムで補助装置側で必要な信号に変換し、Ｉ／Ｏユニット
１７から補助装置側に出力する。この出力信号により各
種アクチュエータ等の補助装置が作動する。また、工作
機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号
を受け、必要な処理をして、プロセッサ１１に渡す。特
に本発明と関連して、上記Ｉ／Ｏユニット１７には、工
具位置を検出する３次元位置センサが接続され、後述す
るように、指定された各格子点の位置における工具位置
を該数値制御装置１００に入力するようになっている。

【００１９】ＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０はディスプレ
イやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、
インータフェイス１８はＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０の
キーボードからの指令、データを受けてプロセッサ１１
に渡す。インターフェイス１９は手動パルス発生器７１
に接続され、手動パルス発生器７１からのパルスを受け
る。手動パルス発生器７１は操作盤に実装され、手動操
作に基く分配パルスによる各軸制御で工具を精密に位置
決めするために使用される。

【００２０】工具を移動させるＸ，Ｙ，Ｚ各軸の軸制御
回路３０〜３２はプロセッサ１１からの各軸の移動指令
を受けて、各軸の指令をサーボアンプ４０〜４２に出力
する。サーボアンプ４０〜４２はこの指令を受けて、各
軸のサーボモータ５０〜５２を駆動する。各軸のサーボ
モータ５０〜５２には位置・速度検出器が内蔵されてお
り、この位置・速度検出器から位置，速度フィードバッ
ク信号がフィードバックされる。図１ではこれらの位置
信号のフィードバックおよび速度のフィードバックの説
明は省略している。

【００２１】スピンドル制御回路６０は主軸回転指令を
受け、スピンドルアンプ６１にスピンドル速度信号を出
力する。スピンドルアンプ６１はこのスピンドル速度信
号を受けて、主軸モータ６２を指令された回転速度で回
転させる。主軸モータ６２には歯車あるいはベルト等で
ポジションコーダ６３が結合され、該ポジションコーダ
６３が主軸の回転に同期して帰還パルスを出力し、その
帰還パルスはスピンドル制御回路６０に帰還され、速度
制御がなされる。以上の数値制御装置１００の構成は従
来の数値制御装置の構成と同一であり、詳細な説明は省
略する。

【００２２】そこで、補正ベクトルを取得する際には、
該数値制御装置１００に空運転指令を与えて、予め入力
されている空運転のプログラムに基づいて、主軸を回転
させると共に、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸のサーボモータを駆動し
各軸を往復動させ、機械の熱変位が安定するまで待つ。
その後、補正ベクトル取得指令を入力すると、プロセッ
サ１１は、補正ベクトル取得用のプログラムを実行し、
まず最初の格子点位置Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）に工具を位置決
めし、ＰＭＣ１６に位置決め完了信号を送信する。この
信号を受けてＰＭＣ１６は、３次元位置センサに工具位
置測定指令を出力し、３次元位置センサは測定した実際
の工具位置Ｐ´（ｘ´，ｙ´，ｚ´）をＩ／Ｏユニット
１７を介してＰＭＣ１６に送信する。ＰＭＣ１６はこの
現実の位置Ｐ´（ｘ´，ｙ´，ｚ´）をプロセッサ１１
に送信し、プロセッサ１１は現在の指令位置Ｐ（ｘ，
ｙ，ｚ）の各軸値から現実の位置Ｐ´の各軸の値を減じ
（ｘ−ｘ´）、（ｙ−ｙ´）、（ｚ−ｚ´）、当該格子
点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）における補正ベクトルＶ（ｘ−ｘ
´、ｙ−ｙ´、ｚ−ｚ´）としてＲＡＭ１３に記憶す
る。即ち位置決めした位置が格子点Ｐn の位置に対応し
て、補正ベクトルＶn として記憶されることになる。こ
うして補正ベクトルが求められるとプロセッサ１１は次
の格子点に工具を移動させ、前述と同様に該格子点にお
ける補正ベクトルＶを求め記憶する。

【００２３】なお、この実施形態では、各格子点の補正
ベクトルＶは前述したように、機械の運転を開始する前
に測定し記憶するようにしたが、機械の周囲温度等に対
して温度毎に上記各格子点の補正ベクトルを記憶してお
き、機械の運転を開始する前に、該温度を測定し、自動
的もしくは手動でそのときの温度に対応する各格子点の
補正ベクトルＶを選択するようにしてもよい。

【００２４】こうして各格子点における補正ベクトルの
が得られた後、実際の加工を開始する。数値制御装置１
００に加工指令を入力するとプロセッサ１１はＣＭＯＳ
メモリ１４に格納されている加工プログラムから１ブロ
ックを読み（ステップＳ１）、該ブロックの指令がプロ
グラムエンドか否か判断し（ステップＳ２）、プログラ
ムエンドでなければ、指令された位置Ｐ（Ｐx ，Ｐy ，
Ｐz ）を含む直方体の基準点Ｐ0 （Ｐx0，Ｐy0，Ｐz0）
を求める（ステップＳ３）。なお、ブロックの指令が移
動指令ではない場合にはその指令の動作を従来と同様に
行うが、この図４では、この点を省略している。

【００２５】基準点Ｐ0 を求める方法としては、指令位
置Ｐ（Ｐx ，Ｐy ，Ｐz ）の各軸の値と、格子点の各軸
の値を小さい値の方から順次それぞれ比較し、指令位置
の座標位置が小さくなったときの１つ前の格子点を基準
点とすればよい。Ｘ軸で説明すると、格子点のＸ軸の座
標値をＰxn（ｎ＝１，２，３…）とするとＰxn≦Ｐx＜
Ｐx(n+1)となったとき、基準点Ｐ0 のＸ軸座標値をＰxn
とし、同様にＹ軸、Ｚ軸についても求め得られたｘ，
ｙ，ｚの座標値を有する格子点が基準点Ｐ0 （Ｐx0，Ｐ
y0，Ｐz0）となる。次に、指令位置Ｐ（Ｐx ，Ｐy ，Ｐ
z ）と基準点Ｐ0 （Ｐx0，Ｐy0，Ｐz0）及び予め設定さ
れている各軸格子間隔Ｌx 、Ｌy 、Ｌz より、前述した
１〜３式の演算を行って正規化した各軸の基準点Ｐ0 か
らの距離ｘ，ｙ，ｚを求める（ステップＳ４）。

【００２６】基準点Ｐ0 及び基準点Ｐ0 （Ｐx0，Ｐy0，
Ｐz0）よりも各軸の座標値がそれぞれ格子間隔Ｌx 、Ｌ
y 、Ｌz だけ大きい８つの格子点（指令位置を含む直方
体のを形成する８つの格子点）の補正ベクトルＶ0 〜Ｖ
7 を読み出し、該補正ベクトルＶ0 〜Ｖ7 と求められた
基準点からの距離ｘ，ｙ，ｚとによって前述した４式の
演算を行って該指令位置Ｐ（Ｐx ，Ｐy ，Ｐz ）の補正
ベクトルＣ（Ｃx ，Ｃy ，Ｃz ）を求める（ステップＳ
５）。この求めた補正ベクトルＣ（Ｃx ，Ｃy，Ｃz ）
を指令位置Ｐ（Ｐx ，Ｐy ，Ｐz ）に加算し、補正され
た指令位置Ｐ´を求める。即ち、指令位置の各軸座標値
に補正ベクトルの各軸の値をそれぞれ加算（Ｐx ＋Ｃx
）、（Ｐy ＋Ｃy ）、（Ｐz ＋Ｃz ）して、指令位置
Ｐ´（Ｐx＋Ｃx 、Ｐy ＋Ｃy 、Ｐz ＋Ｃz ）を求める
（ステップＳ６）。

【００２７】この求められた補正指令位置Ｐ´（Ｐx ＋
Ｃx 、Ｐy ＋Ｃy 、Ｐz ＋Ｃz ）によって各軸への移動
指令の分配（パルス分配）を行い（ステップＳ７）、各
軸のサーボモータ５０〜５２を駆動する。以下順次加工
プログラムのブロックを読み、上述した処理を繰り返し
実行することによって、熱により機械が変位していても
その変位は補正され正確な位置制御がなされるから、加
工プログラムで指令された形状の精度の高い加工を行う
ことができる。

【００２８】こうして１つの加工が終了した後、続けて
加工を行う場合には、工作機械の周囲の温度や機械の運
転による発熱等によって、機械の変位状態が変化してい
る可能性があるから、その温度に基づく各格子点の補正
ベクトルを更新する。加工を行う直前に各格子点におけ
る補正ベクトル取得処理を行い補正ベクトルを更新する
ことによって、より精度の高い加工を行うことができ
る。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、機械可動部の移動指令に対し
て熱による機械の変位を補正して、機械可動部を移動さ
せ位置の制御を行うようにしたから、熱による機械の変
位の影響を受けず精度の高い位置制御ができる。工作機
械であれば、精度の高い加工を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、作業空間における熱による位置変位を
補正するための補正ベクトルの説明図である。

【図２】図２は、指令位置における補正ベクトルを求め
る方法の説明図である。

【図３】図３は、本発明を工作機械に適用したときの一
実施形態の数値制御装置の要部ブロック図である。

【図４】図４は、同実施形態における熱による変位を補
正して移動指令を分配する処理のフローチャートであ
る。

【符号の説明】

１００ 数値制御装置 １１ プロセッサ ５０、５１、５２ サーボモータ ６２ スピンドルモータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作業空間を所定間隔毎に分割し、分割し
   た各格子点における指令位置と実際の位置の差を補正ベ
   クトルとして求め数値制御装置内に記憶設定しておき、
   該数値制御装置で制御される機械を運転する際には、指
   令された位置に対する補正量を上記補正ベクトルを補間
   することによって求め、指令された位置に求めた補正量
   を加算して補正された指令位置を求め、該位置への移動
   指令を機械の各軸に出力して機械を駆動制御することを
   特徴とする数値制御装置による熱変位補正方法。
2. 【請求項２】 上記指令位置に対する補正量は、指令位
   置を含む直方体を形成する８つの格子点の補正ベクトル
   より求める請求項１記載の数値制御装置による熱変位補
   正方法。
3. 【請求項３】 工作機械の周囲の温度や機械の運転によ
   る発熱等によって機械の変位状態が変化した場合には、
   次の機械の運転開始前に各格子点の補正ベクトルを更新
   するようにした請求項１又は請求項２記載の数値制御装
   置による熱変位補正方法。