KR101158772B1 - 수치제어 공작기계 및 수치제어 장치 - Google Patents

Abstract

직선 이송축{送軸} 및 회전 이송축을 가지고, 주축과 워크 테이블과의 상대위치 및 상대자세의 오차를, 미리 상기 직선 이송축 및 상기 회전 이송축을 소정의 위치 및 자세에 위치결정해서 계측하고, 계측된 오차데이터에 의거해서 이동지령을 보정하는 기능을 가지는 수치제어 공작기계로서, 오차데이터는 위치오차와 자세오차를 포함하는 다차원 데이터이며, 직선 이송축 및 회전 이송축의 위치 및 회전각도에 대응한 복수의 오차데이터를 수집해서 작성된 에러맵을 기억하는 오차데이터 기억수단과, 직선 이송축 및 회전 이송축에 대한 지령위치와 오차데이터 기억수단에 기억된 오차데이터로부터, 이동지령을 보정하는 보정데이터를 연산하는 보정데이터 연산수단을 갖춘다.

Description

수치제어 공작기계 및 수치제어 장치{NUMERICALLY CONTROLLED MACHINE TOOL AND NUMERICALLY CONTROL DEVICE}

본 발명은, 주축과 테이블이 상대적으로 이동가능한 구성임과 아울러, 직선 이송축{送軸}과 회전 이송축을 가지는 수치제어 공작기계 및 수치 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 직선 이송축과 회전 이송축을 가지는 공작기계에서는, 이송축을 이동지령에 따라서 움직이게 했을 때에 오차가 생기기 때문에, 공구를 원하는{所望} 위치에 위치결정{位置決}하는 것은 어렵다. 이 때문에, 정밀도{精度}가 높은 가공을 행하는 경우에는, 기계의 오차에 따라 보정이 행해지고 있다. 보정을 행하기 위해서는, 보정의 앞{前}단계로서 기계의 오차가 정확하게 측정되어 있을 필요가 있다. 오차의 측정 및 보정을 행하는 종래의 기술로서, 이하에 개시되어 있는 기술이 알려져 있다.

일본 특공평{特公平}6-88192호 공보에서는, 서로 직교하는 2개의 회전 이송축(A, B)을 가지는 공작기계의 2개의 회전 이송축의 축 어긋남(축중심의 위치 어긋남)을 미리 측정해 두고, 이 축 어긋남을 가미해서 2개의 회전 이송축의 좌표를 구하는 것이 개시되어 있다.

일본 특개{特開}2004-272887호 공보에서는, 서로 직교하는 3축의 직선 이동축(X, Y, Z)과, 서로 직교하는 2개의 회전 이송축(A, C)을 가지는 공작기계에 있어서, 실제로 기계가 이동해야 할 기계위치를, 회전축 중심 및 주축 선회 중심의 어긋남량에 의거해서 구하고, 구동 제어수단에 의해, 직선 이동축 및 회전 이송축을 구한 기계위치로 이동하는 것에 의해, 공구선단의 위치를 보정하는 기술이 개시되어 있다.

일본 특개평{特開平}9-237112호 공보에서는, 패러렐 링크기구의 공작기계의 공구유닛의 오차를 오차맵에 의거해서 보정하는 방법이 개시되어 있다. 오차맵은, 공구유닛 선단의 작업공간의 격자점에 대응해서, 공구유닛 선단의 위치 및 자세의 지령값과 검출값과의 차로부터 연산에 의해 산출{算出}된 오차데이터를 가지고 있다.

또, 국제공개 제2004/034164호 팜플렛에서는, 수치제어 공작기계의 헤드 및/또는 테이블을 측정하고, 보정하고, 시험하기 위해서, 수치제어 시스템에서 자동화되어 통합된 시스템 및 프로세스를 개시한다. 이 시스템은, 다수의 거리센서를 갖춘 적어도 하나의 서포트 베이스와, 일단{一端}에 헤드에 연결하는 연결수단을 가지고, 타단{他端}에 구{球}를 가지는 가늘고 긴{細長} 실린더로 이루어지는 게이지 툴형의 적어도 하나의 디바이스를 갖추고 있다. 구는 거리센서에 인접해서 배치되어 있다. 거리센서는, 구로부터 떨어져 있는 거리를 측정하기 위해서, 언제나 어떠한 위치로도 움직일 수 있도록 되어 있다. 이것에 의해서, 데카르트 좌표공간 내의 위치가 결정된다.

일본 특공평6-88192호 공보 및 일본 특개2004-272887호 공보에서 개시되어 있는 보정방법은, 회전축의 축어긋남을 보정하는 것이며, 축 자체의 기복{waviness, swell}이나 직선 이송축의 위치에 의해서 변화하는 오차 등은 보정할 수 없는 문제가 있었다. 일본 특개평9-237112호 공보에서 개시되어 있는 오차맵은, 패러렐 링크기구에 의해서 구동되는 공구유닛 선단의 오차를 테이블 데이터로 한 것이며, 직선 이송축과 회전 이송축을 가지는 공작기계에 적용할 수 없는 문제가 있었다. 국제공개 제2004/034164호 팜플렛에서 개시되어 있는 측정방법에서는, 기준구{基準球}의 중심위치의 어긋남을 측정하고 있을 뿐이므로, 공구 길이나 공구 돌출길이가 변화했을 때, 주축과 테이블의 상대자세의 오차에 의해서 발생하는 공구선단의 위치 어긋남을 보정할 수 없는 문제가 있었다.

본 발명은, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하는 것을 과제로 하고 있으며, 본 발명의 목적은, 직선 이송축 및 회전 이송축을 가지는 공작기계의 오차를 정밀도좋게 보정하기 위한 수치제어 공작기계 및 수치 제어장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의하면, 직선 이송축 및 회전 이송축을 가지고, 주축과 워크 테이블과의 상대위치 및 상대자세의 오차를, 미리 상기 직선 이송축 및 상기 회전 이송축을 소정의 위치 및 자세에 위치결정해서 계측하고, 계측된 오차데이터에 의거해서 이동지령을 보정하는 기능을 가지는 수치제어 공작기계로서, 상기 오차데이터는 위치오차와 자세오차를 포함하는 다차원 데이터이며, 상기 직선 이송축 및 상기 회전 이송축의 위치 및 회전각도에 대응한 복수의 상기 오차데이터를 수집해서 작성된 에러맵을 기억하는 오차데이터 기억수단과, 상기 직선 이송축 및 상기 회전 이송축에 대한 지령위치와 상기 오차데이터 기억수단에 기억된 상기 오차데이터로부터, 상기 이동지령을 보정하는 보정데이터를 연산하는 보정데이터 연산수단을 갖춘 수치제어 공작기계가 제공된다.

또, 본 발명에 의하면, 상기 위치오차는, 상기 주축과 상기 워크 테이블과의 상대위치의 오차로서, 상기 회전 이송축이 소정의 회전각도로 위치결정되었을 때에 3차원 좌표값으로 표시되는 오차이며, 상기 자세오차는, 상기 주축과 상기 워크 테이블과의 상대자세의 오차로서, 서로 직교하는 제1 회전 이송축과 제2 회전 이송축이 소정의 회전각도로 위치결정되었을 때의 기울기 각도로 표시되는 오차인 수치제어 공작기계가 제공된다.

또, 본 발명에 의하면, 상기 제1 회전 이송축 및 상기 제2 회전 이송축에서의 상기 회전각도의 계측간격은, 서로 이웃하는 계측점에서의 상기 자세오차의 차분이 소정값으로 되도록 설정되어 있는 수치제어 공작기계가 제공된다.

또, 본 발명에 의하면, 상기 보정데이터 연산수단은, 상기 주축에 장착된 회전 공구의 공구선단 위치를 상기 지령위치에 따라서 위치결정할 때에, 상기 자세오차와 상기 회전 공구의 치수로부터 상기 공구선단 위치의 3차원 좌표값의 어긋남량을 연산하고, 상기 직선 이송축의 이동지령을 보정하는 수치제어 공작기계가 제공된다.

또, 본 발명에 의하면, 직선 이송축 및 회전 이송축을 가진 공작기계를 제어하고, 미리 계측된 오차데이터에 의거해서 이송축의 이동지령을 보정하는 기능을 가지는 수치 제어장치로서, 상기 오차데이터는 위치오차와 자세오차를 포함하는 데이터이며, 상기 이송축의 위치 및 회전각도에 대응한 복수의 상기 오차데이터를 수집해서 작성된 에러맵을 기억하는 오차데이터 기억수단과, 상기 이송축에 대한 지령위치와 상기 오차데이터 기억수단에 기억된 상기 오차데이터로부터, 상기 이동지령을 보정하는 보정데이터를 연산하는 보정데이터 연산수단을 갖춘 수치제어 장치가 제공된다.

본 발명의 수치제어 공작기계 및 수치 제어장치에 의하면, 직선 이송축 및 회전 이송축을 가진 수치제어 공작기계의 위치오차 및 자세오차를 측정해서, 에러맵을 작성할 수가 있다. 본 발명으로 작성된 에러맵은, 이송축이 이동하는 것에 의해서 변화하는 위치오차와 자세오차의 오차데이터가 따로따로{別別} 기억되어 있고, 이 오차데이터에 의거해서 위치지령을 보정한다. 따라서, 본 발명에 의하면, 공구 길이나 공구 돌출길이가 변화해도 공구선단 또는 공구의 가공점을 목표위치에 고정밀도로 위치결정할 수가 있다. 또, 서로 이웃하는 측정영역에서 직선 이송축의 좌표 위치가 동일한 측정점을 설정한 경우, 측정장치의 부착{取付}오차에 의한 영향을 배제할 수가 있다. 또, 서로 이웃하는 측정점의 간격을 오차의 차가 일정하게 되도록 설정한 경우, 원하는 보정 정밀도를 유지한 채, 에러맵의 데이터량을 삭감할 수가 있다. 또, 가공한 테스트피스 또는 워크를 측정해서 에러맵을 작성한 경우, 주축의 회전에 의한 주축이나 공구의 흔들림{振; swing}, 절삭 부하에 의한 기계나 공구의 휨{撓; bending, deflection} 등에 의해 발생하는 오차도 포함시켜 보정할 수가 있다.

본 발명에서의 지령위치란 가공 프로그램에서 지령된 이송축의 이동처{移動先}의 위치를 말하며, 위치지령이란 지령위치나 지령속도 등에 의거해서 보간부로부터 서보부에 송출되는 지령펄스 중, 이송축의 위치를 제어하기 위한 지령을 말한다.

본 발명의 상기와 다른{他} 목적, 특징 및 이점은, 첨부 도면에 관련한 이하의 매우 적합{好適}한 실시형태의 설명에 의해 한층 명확하게 될 것이다.
도 1은, 본 발명에 관계된 수치제어 공작기계의 측면도,
도 2는, 본 발명에 관계된 수치제어 공작기계의 수치제어 장치의 하나의 실시형태를 도시하는 블록도,
도 3은, 3차원 좌표공간의 격자점을 도시하는 설명도,
도 4는, 도 3의 각 격자점에 관계지어지는 2차원의 데이터시트(맵데이터)를 도시하는 설명도,
도 5는, 공구의 선단에 장착된 기준구를, 팰릿{pallet}에 장착된 측정장치로 측정하고 있는 상태를 도시하는 설명도,
도 6은, 길이가 다른{異} 지축{支軸}을 가진 기준구의 측정범위를 Y축방향에서 본 도면,
도 7은, 복수의 측정영역의 결정방법을 도시하는 설명도,
도 8은, 위치오차 및 자세오차를 측정하는 제1 측정 방법을 설명하는 플로차트,
도 9는, 도 8의 플로차트의 M3의 상세 플로차트,
도 10은, 자세오차를 2변수{變數}로 도시하는 설명도,
도 11은, 팰릿 측에 기준구가 장착되고, 주축 측에 측정장치가 장착된 주축 회전형 기계의 1예를 도시하는 도면,
도 12는, 테이블에 측정장치가 장착되고, 주축에 기준구가 장착된 테이블 회전형 기계의 1예를 도시하는 도면,
도 13은, 위치오차 및 자세오차를 측정하는 제2 측정방법을 설명하는 플로차트,
도 14는, 각 평면을 직선 이송축의 동작만으로 가공하고 있는 상태를 도시하는 설명도,
도 15는, 산출각도{割出角度}마다의 가공하는 장소를 나타내는 직방체의 5면의 전개도,
도 16은, 회전 이송축 B, C의 산출각도로, 워크에 격자모양의 면을 가공하고 있는 상태를 도시하는 설명도,
도 17은, 소정의 각도로 산출해내어진{割出} 각 측정면을 측정하고 있는 상태를 도시하는 설명도,
도 18은, 3평면의 교점을 구하는 방법을 설명하는 설명도,
도 19는, 에러맵을 이용한 보정방법의 1예를 도시하는 플로차트.

이하, 첨부 도면을 참조해서, 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다. 본 발명에 관계된 수치제어 공작기계는, 기계를 가공 프로그램에 따라서 동작시키는 수치 제어장치를 갖추고 있다. 도 1에는, 주축 측에 2개의 회전 이송축을 가진 5축의 횡형 머시닝 센터의 구성이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 머시닝 센터(1)는, 플로어 위에 설치되어 있는 베드(2)와, 베드(2) 위에서 Z축방향으로 직동{直動}가능하게 세워설치{立設; stand upright, vertically dispose}된 칼럼(3)과, 칼럼(3)에 연직{鉛直}방향인 Y축방향으로 직동가능한 주축대{主軸台}(5)를 갖추고 있다. 주축대(5)에는, 브래킷(5a)이 Z축에 평행한 축 둘레{周}의 C축방향으로 회전가능하게 지지되어 있다. 브래킷(5a)에는, 주축머리{主軸頭}(4)가 X축에 평행한 축 둘레의 A축방향으로 회전가능하게 지지되어 있다. 주축머리(4)에는, 공구를 파지{把持; grip, hold}하는 주축이 회전가능하게 지지되어 있다.

또, 머시닝 센터(1)는, 베드(2) 위에서 주축머리(4)에 대향하는 위치에 세워설치되며, 지면{紙面}에 수직인 방향인 X축방향으로 직동가능한 테이블(6)을 갖추고 있다. 테이블(6)에는 앵글레스트{angle rest}(8)를 거쳐서 워크(7)가 보존유지{保持}되어 있다.

도 2에는, 공작기계의 이송축의 위치를 제어하는 수치 제어장치(20)의 구성이 블록도로 도시되어 있다.

도 2에 도시하는 수치 제어장치(20)는, 공작기계의 위치오차 및 자세오차를 보정하는 기능을 갖춘 것이며, 가공 프로그램(21)을 판독{讀取; read}하고, 해석해서 각 이송축의 지령속도 및 지령위치를 연산하는 판독 해석부(22)와, 각 이송축에서의 이송을 직선 보간하거나 원호 보간하거나 하기 위해서 지령위치나 지령속도 등에 의거해서 지령펄스를 연산하는 보간부(23)와, 지령펄스를 취득해서 각 이송축에의 위치지령을 인식하는 위치지령 인식수단(24)과, 측정장치(50)에서 측정된 측정 데이터와 측정점의 좌표에 의거해서 측정점의 위치오차 및 자세오차를 연산하는 연산부와, 이 연산부에서 연산한 위치오차 및 자세오차를 직선 이송축의 위치 및 회전 이송축의 회전각도에 대응시켜 기억하는 오차데이터 기억수단(25)과, 위치지령과 오차데이터 기억수단(25)에 기억된 오차데이터로부터 위치지령을 보정하기 위한 보정데이터를 연산하는 보정데이터 연산수단(26)과, 보정데이터에 의거해서 위치지령을 보정하는 보정펄스를 구하는 보정펄스 연산수단(27)과, 지령펄스와 보정펄스를 더한 펄스를 서보부(29)에 출력하는 가산수단(28)을 갖추고 있다.

각 이송축의 모터(30)는, 서보부(29)에 의해서 증폭된 구동전류에 의해서 구동되고, 각 이송축을 이동시키도록 되어 있다. 서보부(29)는, 모터(30)로부터의 속도 피드백과 도시하지 않은 위치 검출장치로부터의 위치 피드백에 의거해서 각 이송축이 원하는 속도로 원하는 위치로 이동하도록 제어하고 있다.

본 발명은, 판독 해석부(22)로부터 지령위치를 취득해서 보정하고, 보정된 지령위치를 보간부에 입력함으로써 모터가 원하는 위치로 이동하도록 구성한 장치도 포함한다.

다음에, 에러맵 작성방법에 대해서 설명한다. 에러맵은, 도 3에 도시하는 바와 같이 직교 좌표계의 직선 이송축 X, Y, Z의 각 축방향의 원하는 위치에 있는 각 격자점(31)을 설정하고, 각 격자점(31)의 각각에, 도 4에 도시하는 바와 같은 회전 이송축의 회전각도에 대응한 2차원 배열데이터(33)가 관련지어져 있다. 즉, 에러맵은, X, Y, Z, A, C의 5차원 배열의 데이터로 구성되어 있다.

에러맵은, 각 이송축을 원하는 측정점에 위치결정해서 측정한 복수의 오차데이터(34)로 구성되어 있다. 또, 오차데이터(34)는, 위치오차(34a)와 자세오차(34b)로 구성되어 있다.

여기서, 위치오차(34a)란, 주축과 테이블과의 상대위치의 오차로서, 이송축을 소정의 위치 또는 회전각도로 위치결정했을 때에 생기는 3차원 좌표값(x, y, z)으로 표시되는 위치의 오차이다. 즉, 위치지령으로 지령된 이론적인 위치와, 실제의 위치와의 차가 위치오차이다.

자세오차(34b)란, 주축과 테이블과의 상대자세의 오차로서, 이송축을 소정의 위치 또는 회전각도로 위치결정했을 때에 생기는 기울기 각도로 표시되는 오차이다. 즉, 위치지령으로 지령된 이론적인 기울기와, 실제의 기울기와의 차가 자세오차이다.

여기서, 오차데이터(34)의 측정간격은, 서로 이웃하는 측정점에서의 위치오차(34a) 또는 자세오차(34b)의 차가 소정값으로 되도록 설정되어 있다. 바꾸어 말하면, 서로 이웃하는 측정점에서의 오차의 차가 적은 경우는 측정간격을 넓히고, 오차의 차가 큰 경우는 측정간격을 좁힌다. 오차의 차가 적은 부분의 측정간격을 넓힘으로써 데이터량을 삭감해서 메모리의 부담을 줄일 수 있으며, 오차의 차가 큰 부분의 측정간격을 좁힘으로써 보정의 정밀도를 보존유지할 수가 있다.

다음에, 주축 측에 회전 이송축 A, C를 가지는 공작기계의 위치오차(34a) 및 자세오차(34b)를 측정하는 측정방법의 1예에 대해서 설명한다. 도 5, 도 6에 도시하는 바와 같이, 측정장치(50)는, 주축 회전형 공작기계의 주축에 지축(40)을 거쳐서 장착되고, 외형 치수 및 제어점으로부터 구{球} 중심 P1, P2까지의 거리 L1, L2가 기지{旣知}의 기준구(52)와, 테이블에 고정되어 있는 팰릿(54)에 장착되고, X방향, Y방향, Z방향에 비접촉 센서(55)를 가진 센서 브래킷(53)을 갖추고 있다. 비접촉 센서(55)는 각 방향에서 기준구(52)까지의 거리를 비접촉으로 측정할 수가 있다. 또한, 본 발명의 센서는 비접촉식 센서뿐만 아니라 접촉식 센서도 포함한다.

측정은, 각 회전 이송축 A, C의 측정범위를 등피치 또는 부등피치로 분할하고, 그 각 분할점(측정점)에서 기준구(52)의 중심위치를 유지하도록 직선 이송축을 동시에 동작시키고, 측정한다. 여기서, 등피치란, 소정의 각도마다 측정점을 정하고, 서로 이웃하는 측정점의 각도 간격을 등간격으로 하는 것을 말하며, 부등피치란, 예를 들면 오차의 규정값을 넘은 포인트에서만 오차데이터를 가지고, 서로 이웃하는 측정점의 각도간격이 부등간격으로 되는 것을 말한다.

도 9에 도시하는 바와 같이, 우선, 기준구(52)의 중심위치 P1을, 서로 직교하는 각 방향 X, Y, Z에서, 비접촉 센서(55)를 가지는 측정장치(50)에 의해 측정한다. 실제의 상대자세와 실제의 제어점을 구하기 위해서, 도 6에 도시하는 바와 같이 지축(40)의 길이가 다른 기준구를 장착해서, 재차 기준구(52)의 중심위치 P2를 측정한다. 길이가 다른 지축(41a, 41b)을 장착해서 각각 측정함으로써 주축과 테이블의 상대자세를 구할 수가 있다.

본 발명은 길이를 조절할 수 있는 지축을 이용하는 경우도 포함한다. 본 실시형태에서는, 제어점을 제1 회전 이송축C의 회전중심과 제2 회전 이송축A의 회전 중심과의 교점에 설정하고 있다. 또, 상대자세란, 주축과 테이블의 상대적인 기울기를 말한다.

측정장치(50)의 센서 브래킷(53)은, Z축에 평행한 축선 둘레에 회전가능하게 부착되어 있으므로, 360도 전부를 측정하고 싶은 경우, 센서 브래킷(53)을 Z축에 평행한 축선 둘레에 90도씩 회전시켜 4회 측정을 행하면 좋다.

도 7, 도 8에 도시하는 바와 같이, 측정해야 할 영역이 넓은 경우는 측정영역을 복수로 나누어 측정한다. 그 때, 기준으로 되는 제1 측정영역(70a)의 직선 이송축 X, Y, Z의 동작 범위를 레이저 측정기, 인디케이터 등을 이용해서 측정하고, 요구 정밀도에 대해서 충분한 정밀도를 가지도록 조정해 둔다. 본 발명은, 제1 측정영역(70a)의 직선 이송축 X, Y, Z의 동작범위의 정밀도를 조정하지 않고 측정결과를 고려해서 오차를 연산하는 경우를 포함한다. 이것은, 제1 측정영역(70a)에서의 측정결과를 회전 이송축 A, C를 회전시켰을 때에 생기는 오차만으로 하기 위해서이다.

또, 측정영역(70a, 70b)의 측정점은, 옆의{隣; 이웃하는} 측정영역의 측정점과 동일한 직선 이송축 좌표값을 가지는 측정점(71)이 1개 이상 존재하도록 정한다. 이것은, 제1 측정영역(70a)과 다른{他} 측정영역(70b)과의 사이에서 측정장치(50)의 부착오차가 측정결과에 영향을 주지 않도록 하기 위해서 행해진다.

동일한 직선 이송축 좌표값을 가지는 측정점에서의 측정결과의 차로부터 회전 이송축의 회전각도의 차이{違}에 의한 오차를 감산하면 측정장치(50)의 부착오차를 구할 수 있으며, 이 부착오차를 각 측정영역의 측정결과로부터 감산하는 것에 의해서, 모든 측정영역을 1회의 절차?방법{段取}으로 측정했을 때와 같은 측정결과가 얻어진다.

다음에, 위치오차와 자세오차의 연산 방법에 대해서 설명한다. 우선, 자세오차를 이하와 같이 구한다. 회전 이송축 A, C의 회전각도의 지령값으로부터 지령된 주축과 테이블의 상대적인 기울기를 구한다. 여기에서는, 주축의 회전축선과 앵글레스트의 워크 부착면에 수직인 선이 이루는 각도를 주축과 테이블의 상대자세로 하고 있다. 측정한 2군데{箇所}의 기준구(52)의 중심위치 P1, P2로부터 P1 및 P2를 지나는 선과 앵글레스트의 워크 부착면에 수직인 선이 이루는 각도를 구하며, 이것을 실제의 주축과 테이블의 상대적인 기울기로 한다. 지령된 주축과 테이블의 상대적인 기울기와 실제의 주축과 테이블의 상대적인 기울기와의 차를 구하고, 이것을 자세오차로 한다. 자세오차는 X축방향에서 본 Z축에 대한 각도의 차 i, Y축방향에서 본 Z축에 대한 각도의 차 j, Z축방향에서 본 Y축에 대한 각도의 차 k로 표시한다. 본 발명은, 도 10에 도시하는 바와 같이 자세오차를 2개의 각도 I, J로 표시하는 경우도 포함한다.

다음에, 위치오차를 이하와 같이 구한다. 본 실시형태에서는 제어점을 제1 회전 이송축C의 회전중심과 제2 회전 이송축A의 회전 중심과의 교점에 설정하고 있으므로, 회전 이송축이 어느 회전각도이더라도 이론적인 제어점의 위치는 변하지 않는다. 그래서, 직선 이송축 X, Y, Z의 지령값으로부터 지령된 제어점의 위치를 구한다. 여기서, 제어점의 위치란, 테이블의 기준점과 주축의 제어점과의 상대적인 위치를 말한다. 전술한 자세오차를 구하는 공정에서 구한 P1 및 P2를 지나는 선 위에서, P2로부터 P1의 방향으로 L2의 거리에 있는 점의 위치를 구하고, 이것을 실제의 제어점의 위치로 한다. 지령된 제어점의 위치와 실제의 제어점의 위치와의 사이의 벡터를 구하고, 이것을 위치오차로 한다. 위치오차의 벡터는, X, Y, Z축방향의 성분으로 나뉘며 (x, y, z)의 형으로 표시한다. 본 발명은, 위치오차의 벡터를 다른 형으로 표시하는 경우도 포함한다.

도 11에는, 주축 회전형 기계에서, 팰릿(54) 측에 기준구(52)가 장착되고, 주축 측에 변위검출 프로브(58)가 장착된 실시형태가 도시되어 있다. 변위검출 프로브(58)는, 피측정물의 측정점의 법선 방향으로 변위하도록 구성되며, 그 변위의 양을 검출할 수가 있다.

또, 도 12에는, 테이블 측에 회전 이송축 B, C를 가지는 테이블 회전형 기계에 본 발명을 적용한 실시형태가 도시되어 있다. 도 11 및 도 12에 도시하는 실시형태에서도, 도 5에 도시하는 실시형태와 같은 원리로 이송축의 오차를 측정할 수가 있다.

다음에, 테이블 측에 회전 이송축 B, C를 가지는 공작기계의 위치오차(34a) 및 자세오차(34b)를 측정하는 측정방법의 1예에 대해서 설명한다. 도 13에는, 이 측정방법의 플로차트가 도시되어 있다. 이 측정방법은, 특별한 측정장치를 이용하지 않고, 기{機} 위에서 테스트피스 또는 워크를 가공하고, 가공된 테스트피스 또는 워크를 주축에 부착한 터치프로브로 측정하는 것에 의해 위치오차 및 자세오차를 구하는 방법이다. 본 실시형태에서는 입방체의 테스트피스를 이용한다.

도 13에 도시하는 바와 같이, 우선, 회전 이송축 B, C의 위치오차 및 자세오차가 필요한 정밀도에 대해서 충분히 작은 회전각도(본 실시형태에서는 B축 0도, C축 0도)로 산출해내고{割出}, 도 14에 도시하는 바와 같이 X, Y, Z축방향을 법선방향으로 하는 테스트피스(60)의 각 평면(봉모양{棒狀}의 기준 가공면(61))을 회전 이송축을 동작시키지 않고 가공한다.

기준 가공면(61)을 틀모양{frame shape}으로 하는 이유는, 측정점을 다수로 한 경우에서도 정확하게 자세오차를 구하기 위해서이며, 테스트피스(60)의 전체길이{全長}를 사용해서 기울기를 측정하는 것이 보다 정확하게 자세오차가 구해지기 때문이다. 여기서, 절삭 공구(63)에는 볼 엔드밀을 이용한다. 기준 가공면(61)은, 회전 이송축의 소정의 회전각도에서의 자세오차를 측정하기 위한 기준으로 된다.

계속해서, 도 16에 도시하는 바와 같이, 회전 이송축을 각 측정점에 산출해내고, 테스트피스(60)의 서로 직교하는 3면을 직선 이송축의 동작만으로 가공한다. 가공하는 장소는 도 15와 같이, 회전 이송축의 산출각도{割出角度}에 따라 소정의 장소를 할당한다.

다음에, 도 17에 도시하는 바와 같이, 회전 이송축을 각 측정점에 산출해내고, 기준 가공면(61)의 P10～P14를 터치프로브(64)로 측정하고, P10과 P11을 지나는 선의 실제 기울기, P10과 P12를 지나는 선의 실제 기울기 및 P13과 P14를 지나는 선의 실제의 기울기를 구한다. 구한 실제의 3개의 기울기와 측정시의 회전 이송축의 위치지령으로부터 연산한 이론적인 3개의 기울기의 차를 자세오차로 한다.

그리고, 도 18에 도시하는 바와 같이, 회전 이송축을 기준의 회전각도인 B축 0도, C축 0도로 산출해내고, 각 회전각도로 가공한 가공면 P15～P20을 측정하고, 회전 이송축을 B축 0도, C축 0도로 산출해내어 가공한 가공면 P18～P20의 위치와 다른 회전각도로 산출해내어 가공했을 때의 가공면 P15～P17의 위치와의 차를 구한다.

본 발명에서는 하나의 회전각도로 가공된 가공면과 다른 회전각도로 가공된 가공면과의 위치의 차 및/또는 기울기의 차를 가공면의 변위라고 부른다.

가공면 P18～P20의 측정 데이터로부터 자세오차가 없다고 가정한 경우의 가공면 P18～P20을 포함하는 3평면의 교점 P21을 구한다. 가공면 P15～P17의 측정 데이터와 구한 자세오차로부터 가공면 P15～P17을 포함하는 3평면의 교점 P22를 구한다. 구한 교점 P21과 교점 P22과의 차분을 위치오차로 한다. 본 발명은, 주축 측에 회전 이송축을 가진 공작기계로 테스트피스 또는 워크를 가공하고, 그 가공면의 측정결과로부터 위치오차 및 자세오차를 구하는 경우도 포함한다.

전술한 방법으로 구한 오차는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 직선 이송축 X, Y, Z의 위치 및 회전 이송축 B, C의 회전각도에 관련지어지고, 에러맵으로서 기억된다.

다음에, 위치오차 및 자세오차를 포함하는 에러맵을 이용한 위치지령의 보정방법에 대해서, 회전 이송축 A, C를 가지는 주축 회전형 기계(도 1, 도 2 참조)를 예로 해서 설명한다.

우선, 가공 프로그램(21)의 지령위치를 판독 해석부(22)에서 해독하고, 보간부(23)에서 소정의 보간주기마다 각 이송축 X, Y, Z, A, C의 지령펄스를 구한다.

계속해서, 위치지령 인식수단(24)에서, 이 지령펄스로부터 소정의 보간주기마다 각 이송축 X, Y, Z, A, C의 위치지령을 인식한다.

위치지령에서의 각 이송축의 위치가 오차데이터 기억수단(25)에 기억된 측정점의 위치와 동일한 경우는 오차데이터(34)를 취득하고, 취득한 오차데이터(34)에 의거해서 보정데이터를 구한다. 위치지령에서의 각 이송축의 위치가 오차데이터 기억수단(25)에 기억된 측정점의 위치와 동일하지 않은 경우, 근방의 측정점의 오차데이터로부터 내삽법{內揷法} 등의 주지의 보간방법에 의해 보간해서 오차데이터를 구하고, 보간후의 오차데이터에 의거해서 보정데이터를 구한다. 구한 보정데이터를 지령펄스의 위치지령에 가산해서, 보간주기마다의 새로운 위치지령으로 한다. 이와 같이 해서, 위치지령이 보정되고, 각 이송축을 고정밀도로 위치결정할 수가 있다.

다음에, 보정데이터 연산수단(26)에서 연산하는 보정값을 3차원 좌표값으로 표시하고, 위치지령을 보정하는 보정방법에 대해서 설명한다. 예를 들면, C축이 0도일 때에 기계가 본래 가지지 않는 B축방향에 자세오차가 있는 경우, 이 B축방향의 자세오차를 보정하기 위해서는 회전 이송축을 크게 회전시키지 않으면 안 된다고 하는 문제가 있다. 본 발명에서는, 이 문제를 특이점 문제라고 부른다. 여기서 설명하는 보정방법은, 이 특이점 문제를 회피하기 위한 보정방법이다. 또한, B축은 Y축에 평행한 축 둘레의 회전 이송축이다.

도 19는, 이 보정방법의 플로차트이다. 또, 이 방법에서 공구의 자세 및 자세오차, 공구의 위치 및 위치오차, 공구의 돌출 길이에 의거해서 위치 보정벡터를 구하기 위한 계산식이 이하에서 나타내어져 있다.

우선, 스텝 S0에서, 보간부(23)로부터 출력된 위치지령으로부터 지령된 지령위치 및 지령자세를 인식한다. 스텝 S1에서는, 지령위치에 대응하는 오차데이터(34)를 에러맵으로부터 취득한다. 스텝 S2에서는, 오차데이터(34)의 위치오차(34a)로부터 위치오차를 보정하기 위한 위치 보정벡터를 산출{算出}한다.

한편, 오차데이터(34)의 자세오차(34b)로부터는, 스텝 S5에서 자세보정값을 산출한다. 스텝 S6에서는, 스텝 S5에서 구한 자세보정값을, 스텝 S3에서 판독한 지령자세에 가산해서 보정후의 자세를 구한다. 스텝 S7에서는, 스텝 S6에서 구한 보정후의 자세와 공구의 돌출길이로부터 보정후의 지령점을 구한다.

스텝 S4에서는, 스텝 S3에서 판독한 지령자세와 공구의 돌출길이로부터 보정전의 지령점을 구한다. 스텝 S8에서는, 스텝 S7에서 구한 보정후의 지령점으로부터 스텝 S4에서 구한 보정전의 지령점을 감산해서 자세오차를 보정하기 위한 지령점의 위치 보정벡터를 산출한다. 이것을 자세 보정벡터라고 부른다.

자세 보정벡터는, 주축에 보존유지되어 있는 공구를 기단{基端; base end}을 제어점으로 한 경우, 제어점을 지점{支点}으로 해서 자세오차를 보정하도록 회전 이송축을 회전시켰을 때에, 공구의 선단이 이동하는 크기와 방향을 표시하는 벡터이다.

최후에, 스텝 S9에서, 스텝 S8에서 구한 자세 보정벡터와 스텝 S2에서 구한 위치 보정벡터를 가산한다.

본 발명에서의 지령점이란, 공구의 선단의 위치(공구선단 위치)를 말하며, 공구선단 위치란, 실제의 공구의 선단의 위치, 공구의 선단부의 가공점의 위치, 볼 엔드밀의 선단부의 반구{半球}의 중심 등을 말한다.

전술한 바와 같이 공구선단 위치의 오차를 직선 이송축의 이동만에 의해서 보정하므로, 자세오차(34b)의 보정을 할 때 회전 이송축이 회전하지 않아, 특이점 문제를 회피할 수가 있다.

이와 같이 본 실시형태에 의하면, 복수의 회전 이송축을 가지는 공작기계의 위치오차 및 자세오차를 측정해서, 에러맵을 작성할 수가 있다. 또, 작성된 에러맵은, 위치오차 및 자세오차가 따로따로의 오차데이터로서 기억되어 있기 때문에, 이 오차데이터에 의거해서 위치지령을 보정함으로써, 공구선단 위치를 목표위치에 고정밀도로 위치결정할 수 있고, 고정밀도로 가공할 수가 있다.

또한, 본 발명은 전술한 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 골자를 일탈하지 않는 범위에서 갖가지로 변형해서 실시할 수가 있다. 예를 들면, 본 실시형태에서는, 수치 제어장치(20)가, 측정장치(50)에서 측정된 측정 데이터와 측정점의 좌표에 의거해서 측정점의 위치오차 및 자세오차를 연산하는 연산부와, 이 연산부에서 연산한 위치오차 및 자세오차를 직선 이송축의 위치 및 회전 이송축의 회전각도에 대응시켜 기억하는 오차데이터 기억수단(25)을 갖추고 있지만, 수치 제어장치(20)를 대신하는 퍼스널컴퓨터나 그 밖의 장치가 연산부나 오차데이터 기억수단(25)을 갖추는 것도 가능하다.

1: 머시닝 센터, 2: 베드, 3: 칼럼, 4: 주축머리, 5: 주축대, 5a: 브래킷, 6: 테이블, 7: 워크, 8: 앵글레스트{angle rest}, 20: 수치 제어장치, 21:가공 프로그램, 22: 판독 해석부, 23: 보간부, 24: 위치지령 인식수단, 25: 오차데이터 기억수단, 26: 보정데이터 연산수단, 27: 보정펄스 연산수단, 28: 가산수단, 29: 서보부, 30: 모터, 31: 격자점, 33: 2차원 배열데이터, 34: 오차데이터, 34a: 위치오차, 34b: 자세오차, 40, 41a, 41b: 지축, 50: 측정장치, 52: 기준구, 53: 브래킷, 54: 팰릿, 55: 비접촉 센서, 60: 테스트피스, 61: 기준 가공면, 63: 절삭 공구, 64: 터치프로브, 70a, 70b: 측정영역, 71: 측정점.

Claims (5)

1. 직선 이송축{送軸} 및 회전 이송축을 가지고, 주축과 워크 테이블과의 상대위치 및 상대자세의 오차를, 미리 상기 직선 이송축 및 상기 회전 이송축을 소정의 위치 및 자세에 위치결정{位置決}해서 계측하고, 계측된 오차데이터에 의거해서 이동지령을 보정하는 기능을 가지는 수치제어 공작기계로서,
   상기 오차데이터는 위치오차와 자세오차를 포함하는 다차원 데이터이며, 상기 직선 이송축의 위치 및 상기 회전 이송축의 회전각도에 대응한 복수의 상기 오차데이터를 수집해서 작성된 에러맵을 기억하는 오차데이터 기억수단과,
   상기 직선 이송축 및 상기 회전 이송축에 대한 지령위치와 상기 오차데이터 기억수단에 기억된 상기 오차데이터로부터, 상기 이동지령을 보정하는 보정데이터를 연산하는 보정데이터 연산수단
   을 갖춘 것을 특징으로 하는 수치제어 공작기계.
2. 제1항에 있어서,
   상기 위치오차는, 상기 주축과 상기 워크 테이블과의 상대위치의 오차로서, 상기 회전 이송축이 소정의 회전각도로 위치결정되었을 때에 3차원 좌표값으로 표시{表}되는 오차이며,
   상기 자세오차는, 상기 주축과 상기 워크 테이블과의 상대자세의 오차로서, 서로 직교하는 제1 회전 이송축과 제2 회전 이송축이 소정의 회전각도로 위치결정되었을 때의 기울기 각도로 표시되는 오차인 수치제어 공작기계.
3. 제2에 있어서,
   상기 제1 회전 이송축 및 상기 제2 회전 이송축에서의 상기 회전각도의 계측 간격은, 서로 이웃{隣合}하는 계측점에서의 상기 자세오차의 차분이 소정값으로 되도록 설정되어 있는 수치제어 공작기계.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 보정데이터 연산수단은, 상기 주축에 장착된 회전공구의 공구선단 위치를 상기 지령위치에 따라서 위치결정할 때에, 상기 자세오차와 상기 회전공구의 치수로부터 상기 공구선단 위치의 3차원 좌표값의 어긋남량을 연산하고, 상기 직선 이송축의 이동지령을 보정하는 수치제어 공작기계.
5. 직선 이송축 및 회전 이송축을 가진 공작기계를 제어하고, 미리 계측된 오차데이터에 의거해서 상기 직선 이송축 및 상기 회전 이송축의 이동지령을 보정하는 기능을 가지는 수치제어 장치로서,
   상기 오차데이터는 위치오차와 자세오차를 포함하는 데이터이며, 상기 직선 이송축의 위치 및 상기 회전 이송축의 회전각도에 대응한 복수의 상기 오차데이터를 수집해서 작성된 에러맵을 기억하는 오차데이터 기억수단과,
   상기 직선 이송축 및 상기 회전 이송축에 대한 지령위치와 상기 오차데이터 기억수단에 기억된 상기 오차데이터로부터, 상기 이동지령을 보정하는 보정데이터를 연산하는 보정데이터 연산수단
   을 갖춘 것을 특징으로 하는 수치제어 장치.

Images