WO1998019824A1 - Appareil de correction d'erreurs pour machine-outil a commande numerique - Google Patents

Appareil de correction d'erreurs pour machine-outil a commande numerique Download PDF

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error correction
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Kazuo Yamazaki
Kyoichi Yamamoto
Sadayuki Matsumiya
Naoki Morita
Original Assignee
Okuma Corporation
Mitutoyo Corporation
Kabushiki Kaisha Mori Seiki Seisakusho
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q15/00—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work
    • B23Q15/20—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work before or after the tool acts upon the workpiece
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q23/00—Arrangements for compensating for irregularities or wear, e.g. of ways, of setting mechanisms
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T408/00—Cutting by use of rotating axially moving tool
    • Y10T408/16—Cutting by use of rotating axially moving tool with control means energized in response to activator stimulated by condition sensor

Definitions

  • the present invention relates to an error correction device for calibrating the motion accuracy of a moving body of a numerically controlled machine tool and sequentially correcting errors during motion.
  • This calibration is generally performed by mounting a special measuring device such as a laser interferometer or a dial gauge on the machine tool.However, various types of motion, such as roll, pitch, and Because it is difficult to automatically measure movement errors and movement errors such as parallelism between movement axes and movement perpendicularity, it is difficult to manually set up a dedicated setup for each error measurement. At present, errors are measured and tested over a considerable period of time (at least several hours).
  • the measurement accuracy of the optical wavelength standard is susceptible to the effects of temperature, air fluctuation, humidity, etc., and is generally not easily used in a factory environment where machine tools operate. was there.
  • An object of the present invention is to solve the above-described problems and reduce the spatial motion error of a machine tool caused by thermal deformation of a machine tool, wear of a motion mechanism, and deterioration of assembly accuracy, which change over time.
  • detection can be performed without being affected by the environment, and the motion of the machine tool is controlled while correcting the machine motion error based on the detection result. Is to be able to operate with high accuracy. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a numerical control machine tool, comprising: a moving body position detecting means for detecting a position of a moving body to be axis-controlled on a predetermined control axis; Motion state detecting means for detecting a state of how the robot moves, motion error calculating means for calculating a motion error of a machine using the motion state, and correcting the motion error based on the motion error. Characterized in that it has a motion error correction means. Also, there is provided a first motion state storage means for preliminarily storing a motion state to be detected by the motion state detection means, and the motion error calculation means is stored in the first motion state storage means. It has the function of calculating a motion error based on the difference between the motion state and the current motion state.
  • the exercise state detected by the exercise state detection means is stored as needed.
  • the movement error calculation means has a function of calculating a movement error based on a difference between the movement state stored in the second movement state storage means and the current movement state. It is assumed that.
  • the motion error correction means has a function of constantly correcting a motion error of the machine by adding an error correction amount to a position command value.
  • the motion state detecting means detects a displacement amount from a motion reference on a coordinate axis different from the motion axis at a specific point in the motion axis direction of the moving body, and the motion error calculating means detects the detected motion amount. It is characterized in that a motion error is calculated based on the displacement amount.
  • the detection of the motion state uses a reference position beam generator installed so as to generate a reference position beam parallel to the direction of the movement axis, and a reference position beam from the reference position beam generator.
  • a moving body two-dimensional detection element installed on the moving body to detect a displacement amount from a movement reference on a coordinate axis different from the movement axis.
  • the detection of the motion state may be performed by installing two moving body two-dimensional detection elements on one moving body, and detecting a motion axis of the moving body based on a displacement amount from the motion reference detected by each of the two moving body two-dimensional detection elements. It is characterized by including detection of torsion.
  • a moving end two-dimensional detecting element for adjusting the setting of the reference position beam is provided at the moving end so as to face the reference beam generator.
  • the moving object two-dimensional detection element transmits the reference position beam.
  • it has a function of detecting a two-dimensional position that has passed.
  • a two-dimensional CCD and a beam splitter are used as the moving object two-dimensional detection element.
  • FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of an error correction device in a numerical control device according to the present invention.
  • Fig. 2 is an example of one axis of the motion state detection unit according to the present invention.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a beam passing type two-dimensional detecting element according to the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of an error correction device in a numerical control device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram of a third embodiment of the error correction device in the numerical control device according to the present invention.
  • FIG. 6 is an embodiment of a beam passing type two-dimensional detecting element according to the present invention.
  • a numerically controlled machine tool is usually constructed by combining a plurality of motion axes so that the machine can move three-dimensionally in a certain work space.
  • the error correction device performs a movement motion for each motion axis. Each time it is performed, for each axis, how much the motion is from the reference position is detected, and the detection results obtained for each axis are spatially combined, and the motion accuracy of the machine tool at that time.
  • the principle is that the amount of correction for each axis is always calculated in order to secure the machine motion, and that the amount of correction is used to correct and control the machine motion. As shown in FIG.
  • the error correction device includes a moving body position detecting unit 1 that detects a position of a moving body to be axis-controlled for each axis, and a motion state of how the moving body moves. , A motion error calculator 3 for calculating a machine motion error from the motion state, and a motion error corrector 4 for calculating and correcting an error correction amount from the motion error.
  • the moving body position detector 1 detects the moving position of a mechanical element (slider) that moves on the axis of motion. _ It is configured to be able to detect for each axis. For example, in detecting the movement state of the X-axis, as shown in FIG. 2, the movement position in the X-axis direction is detected using a linear scale, an X-axis ball screw, a rotary position detector attached to a motor, or the like. Then, the current position of each axis slider is sent to the motion state detector 2.
  • FIG. 2 shows an example in which the lower scale is attached to the fixed side as a moving object position detecting scale, and a moving object position detecting head is attached to the slider side to detect the moving position.
  • the motion state detector 2 receives the current position of each axis slider from the moving object position detector 1 as an input, and how the mechanical elements (sliders) that move on the motion axis move for each axis of the motion. This is done by detecting the displacement of the coordinate values of two axes out of the three axis (X, Y, ⁇ ) axis values of a specific point on the slider at a certain moment.
  • the detection of the amount of displacement of the two-axis coordinate values is a force performed by detecting the deviation of each motion axis from the motion reference position;
  • the difference between the spatial position in the ⁇ axis and the ⁇ axis direction during or after the movement of a specific point on the moving slider and the reference position can be detected.
  • Attach a two-dimensional detection element (beam position detection element) as a beam passing position detector to a specific point on the slider.
  • the reference position is generated using a light beam. That is, the reference position beam generator is attached so that the reference position beam is generated parallel to the moving direction in which the X-axis moving table is guided.
  • a moving end beam position detector is attached to the reference position beam generator to adjust the reference position beam.
  • the beam passing position detector and the moving end beam position detector shall have the function of specifying the position on the two-dimensional plane where the beam is applied.
  • Such a detector can be implemented in various ways.
  • this can be realized by using a two-dimensional CCD (electrically integrated solid-state imaging device).
  • the beam passing position detector since the current CCD detects the light beam and there is no beam that passes through the detection surface, the beam passing position detector has a beam splitter (beam splitter).
  • a light beam splitting element that allows a part to pass through in the beam traveling direction as it is, and refracts the rest in a direction perpendicular to the incident direction before transmitting. Is used.
  • the incident beam traveling straight in parallel to the X-axis is refracted by the beam splitter in the direction perpendicular to the incident direction, and the refracted incident beam is received by the CCD so that its position can be detected. is there. Therefore, when the slider shown in Fig. 2 shifts in the Y-axis direction, the incident beam deviates from the original beam as shown in Fig. 3, and the amount of the shift is detected by the CCD and the reference position where the CCD should actually receive light. It can be recognized from the detected light receiving position.
  • the passing position (ybc, zbc) of the reference beam at the slider position Xc at a certain point in time with respect to the X-axis movement of the machine tool It can be seen that the displacement amounts Dy (xc) and Dz (xc), which are the amounts indicating the distance from the predetermined reference position (ybr, zbr), can be detected as the motion state.
  • D y (x c) and D z (x c) are the displacement amounts indicating the distance from the predetermined reference position (ybr, zbr
  • the reference positions ybr and zbr used in this calculation may be set and stored in advance in the motion state detection unit 2 in a form corresponding to ⁇ c in the form of a reference table or an arithmetic function.
  • the moving end beam position detector can detect the deviation of the beam position by a simple calculation similar to the above.
  • the reference position beam generator and the moving end beam position detector shall be installed so as to be spatially arranged so as not to change as much as possible due to disturbance or the like.
  • the moving position Xc is detected by the moving object position detecting unit 1 and sent to the moving state detecting unit 2 so that it can be used for associating the moving state with the moving position.
  • the movement position Xc and the displacement amounts Dy (xc) and Dz (xc) corresponding thereto are sent from the movement state detection unit 2 to the movement error calculation unit 3. Further, the displacement amounts Dye (x) and Dze (x) at the moving end detected by the moving end beam position detector are also sent to the motion error calculator 3.
  • each motion axis of (X, ⁇ , Z) is configured as shown in FIG.
  • the motion state detector 2 detects the displacement at the current position Xc, yc, ⁇ c with respect to the X, Y, and Z axes and the displacement at the moving end of each axis.
  • the displacement amounts D y (xc) and D z (xc) are detected as the motion state related to the X-axis motion, and the displacement amounts D ye (x) and D ze (x) are detected as the beam position error at the X-axis moving end.
  • the displacement amount DX (yc), D z (yc) as the Y-axis motion state
  • the displacement amount D ⁇ e (y), D ze (y), Z-axis as the beam position error at the Y-axis moving end
  • the displacements Dx (zc) and Dy (zc) are obtained as the motion state
  • the displacements Dxe (z) and Dye (z) are obtained as the beam position error at the Z-axis moving end.
  • the beam passing position coordinate value z b c (X c) on the detector on the detector is as follows:
  • the X-axis beam passage position is detected.
  • the reference position beam on the ⁇ -axis should be detected by the ⁇ -axis moving end beam detector.
  • the reference position beam on the Y axis should be detected by the Y-axis moving end beam detector.
  • the reference position of the Z-axis should be detected by the Z-axis moving end beam detector.
  • the reference position of the z-axis should be detected by the z-axis moving end beam detector.Y-direction coordinate value of the beam on the detector
  • the motion error calculator 3 combines the three-dimensional coordinate position with the motion state detected as the displacement from the motion reference position of the other two axes with respect to the movement position of each motion axis, and synthesizes the three-dimensional coordinate position. Is calculated as the motion error. Assuming that the three-dimensional coordinate position is P (x c, y c, z c), the motion error E x in the X direction at the position P is a function of D x (y c) and D x (z c), and is expressed as follows.
  • F xy (xc, yc, zc) is the displacement amount D x (yc) in the X-axis direction due to the Y-axis position (yc) at the position (xc, yc, zc), and the combined motion error in the x-direction.
  • F xz (xc, yc, zc) is the displacement amount in the X-axis direction due to the Z-axis position (zc) at the position (xc, yc, zc) D x (zc) 1
  • the extent of the impact The function to represent.
  • the motion error calculated in this way is sent to the motion error correction unit 4.
  • the motion error correction unit 4 converts the calculated motion errors EX, Ey, Ez into position error correction amounts and sends them to the position command unit.
  • the position command section always adds this position error correction amount to the position command value, thereby enabling control while constantly correcting the machine motion error.
  • Some types of machines are intentionally manufactured to have a positional error with respect to the reference beam.
  • the exercise state intentionally manufactured is stored in the first exercise state storage unit 5 in advance.
  • both the motion state stored in the first motion state storage unit 5 and the motion state constantly detected are sent to the motion error calculation unit 3, and the motion error calculation unit 3 determines whether the motion state is Then, the motion error is calculated, and the motion error correction unit 4 corrects the position.
  • the movement position and the movement state sent from the movement state detection unit 2 are stored in the second movement state storage unit 6 as needed, and the movement error calculation unit 3 detects the movement state.
  • the motion error is calculated based on the motion state constantly detected from the motion section 2 and the motion state previously stored in the second motion state storage section 6, and the motion error correction section 4 corrects the position. Is shown.
  • the motion state at the time of the first part machining is stored in the second motion state storage unit 6, and then at the time of the subsequent part machining, the second motion state is stored first. Based on the motion state stored in the storage unit 6 and the motion state constantly detected, control can be performed while constantly correcting the motion error of the machine so as to maintain the position error at the time of the first component machining.
  • the motion with respect to the motion axis can be further improved by attaching two two-dimensional CCDs as shown in FIG.
  • the twist can be further detected from the reference axis. That is, the motion state detection unit 2 calculates the torsion ⁇ and the displacement y 1 using the following equations (1), (2), and (3) based on X 1 and x 2 detected by the CCD 1 and CCD 2. , Y 2, and the torsion and the displacement are sent to the motion error calculator 3 as a motion state.
  • the motion error calculator 3 calculates a motion error based on the detected twist and displacement. For example, an arithmetic function for calculating the motion error E y in the y direction is set and stored using the above parameters a, yl, and y 2 as parameters, and the motion state detector 2 constantly performs the motion along the X axis. The motion error E y in the y direction is calculated based on the detected yl and y 2.
  • the machine operation rate can be greatly improved compared to the conventional method.
  • the measuring device is built into the numerically controlled machine tool and can be used without performing setup work at all times, when calibration is required, the measuring device is set up on the machine tool each time, and the measurement work is performed. It is not necessary to remove the measuring device from the machine after finishing.
  • the principle of measurement is based on the straightness of light and not the principle of measuring distance based on the wavelength of light, the measurement accuracy is not affected by temperature, fluctuations of air, humidity, etc. Very easy to use during normal operation of machine tools.

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Description

明細書
発明の名称 数値制御工作機械における誤差補正装置 技術分野
本発明は、 数値制御工作機械の移動体の運動精度を較正し、 運動中の誤差を逐 次補正する誤差補正装置に関する。 背景技術
最近の数値制御工作機械は加工の高精度化をめざし、 多くの新しい技術を開発 し、 利用している。 その新しい技術の概念は、 高速な運動でも動的運動外乱が生 じないよう、 工作機械構造が高い剛性を持つようにし、 また繰り返しの運動で常 に同じ振る舞いを示すよう高再現性の運動メカニズムを採用する。 しかし、 この ような設計対策を行っても、 工作機械構造の熱変形等により、 運動誤差は完全に 無くすことはできないため、 通常、 機械の完成後はある時間間隔でキヤリプレー ションと呼ばれる較正作業を随時行って機械運動,誤差を測定し、 その測定結果を 数値制御装置内に記憶保持させておき、 実際に機械を動作制御する際にこれらの 誤差分を制御情報に反映させて運動指令を補正し、 実際の運動が誤差を生じない ようにする方法が取られている。
このキヤリブレーションはレ一ザ一干渉計やダイヤルゲージなど特別な計測装 置を工作機械上に取り付けて行う方法が一般的であるが、 運動軸のロール、 ピッ チ、 ョ一等の種々の運動誤差や複数の運動軸間の運動平行度や運動直角度等の運 動誤差を一括して自動的に計測することは難しいため、 人手によりそれぞれの誤 差測定用に専用のセッ トアップ作業を行い、 かなりの長時間 （少なくても数時間） をかけて誤差を測定し、 検定しているのが現状である。
また、 精密較正作業においては、 計測手段として光測定を行なう場合に、 光波 長を基準として距離の測定を行うことを原理とするのが一般的であった。 発明が解決しょうとする課題 ― このような較正方法では、 較正作業の度に工作機械が占有され、 通常の加工作 業に使用することができず、 機械の稼働率が低下してしまうので、 頻繁に較正作 業を行うことはできない。 また、 この測定作業中に測定環境の温度変化や振動の 発生などの外乱により測定精度が変動しないよう、 きわめて安定した測定環境を 常に確保する必要がある。
また、 前述した新しい設計概念に基づいて開発された工作機械であっても機械 の熱変形による誤差のように完全に除去することのできない誤差がつきまとう。 この誤差は、 一般に、 時間の経過とともに不規則かつ複雑な振る舞いをすること が知られている。 この挙動の変化は時間に対して数十分から数時問という比較的 長い時間をかけて徐々に発生することが知られているため、 数十分から数時間の 時間間隔で従来法による較正作業を行えば機械の運動誤差補正を効果的に実施す ることができるが、 それは機械稼働率の確保の点から、 実現性に欠けるものであ る。
さらに、 光波長基準の測定精度は、 温度 ·空気の揺らぎ ·湿度などの影響を受 け易く、 一般に工作機械が動作している工場環境では容易に利用することができ なレヽとレ、う問題があった。
一方で、 製品品質の向上は年々要求が厳しくなつてきているため、 これら、 従 来の較正方法の欠点を解決する新しい技術の開発が望まれている。
本発明の目的は、 上記のような問題を解決し、 時間の経過とともに変化するェ 作機械の熱変形や運動メカニズムの摩耗や組付け精度劣化により生じる工作機械 の空間的運動誤差を、 加工作業を含む通常の運転状態において、 一般工場環境で もその環境の影響を受けずに検出できるようにし、 その検出結果に基づいて機械 運動誤差を補正しつつ工作機械の運動を制御し、 ェ作機械を高精度で運転できる ようにすることである。 発明の開示
上記問題を解決するため、 本発明は、 数値制御工作機械において、 軸制御され る移動体の所定の制御軸での位置を検出する移動体位置検出手段と、 前記移動体 がどのように運動するかの状態を検出する運動状態検出手段と、 前記運動状態を 用いて機械の運動誤差を算出する運動誤差算出手段と、 前記運動誤差に基づレ、て 運動誤差を補正する運動誤差補正手段を有することを特徴とするものである。 また、 前記運動状態検出手段で検出されるべき運動状態を予め記憶しておく第 1運動状態記憶手段を有し、 前記運動誤差算出手段は、 前記第 1運動状態記憶手 段に記憶されている運動状態と現時点での運動状態の相違により運動誤差を算出 する機能を有することを特徴とするものである。
また、 前記運動状態検出手段で検出された運動状態を必要に応じて記憶する第
2運動状態記憶手段を有し、 前記運動誤差算出手段は、 前記第 2運動状態記憶手 段に記憶された運動状態と現時点での運動状態の相違により運動誤差を算出する 機能を有することを特徴とするものである。
また、 前記運動誤差補正手段は、 機械の運動誤差の常時補正を位置指令値に対 し誤差補正量を加算することにより行なう機能を有することを特徴とするもので ある。
また、 前記運動状態検出手段は、 前記移動体の運動軸方向の特定点における前 記運動軸と異なる座標軸上の運動基準からの変位量を検出し、 前記運動誤差算出 手段は、 前記検出された変位量に基づいて運動誤差を算出することを特徴とする ものである。
また、 前記運動状態の検出には、 前記運動軸方向と平行に基準位置ビームが生 成されるように設置された基準位置ビーム発生器と、 前記基準位置ビーム発生器 からの基準位置ビームを用いて運動軸と異なる座標軸上の運動基準からの変位量 を検出するために前記移動体に設置された移動体 2次元検出素子とを用いること を特徴とするものである。
また、 前記運動状態の検出は、 1つの前記移動体に 2つの前記移動体 2次元検 出素子を設置し、 各々で検出される前記運動基準からの変位量に基づく前記移動 体の運動軸に対するネジレの検出を含むことを特徴とするものである。
また、 前記基準ビーム発生器と対向する形で移動端に基準位置ビームの設定調 整を行うための移動端 2次元検出素子を設けることを特徴とするものである。 また、 前記移動体 2次元検出素子は、 前記基準位置ビームを通過させるととも に、 通過した 2次元位置を検出する機能を有することを特徴とするものである。 _ さらには、 前記移動体 2次元検出素子には、 2次元 C C Dとビ一ムスプリッタ とを用いることを特徴とするものである。 図面の簡単な説明
図 1 本発明に関わる数値制御装置における誤差補正装置の第 1の実施形態の ブロック図である。
図 2 本発明に関わる運動状態検出部の 1軸分の例である。
図 3 本発明に関わるビーム通過タイプの 2次元検出素子の実施例である。 図 4 本発明に関わる数値制御装置における誤差補正装置の第 2の実施形態の ブロック図である。
図 5 本発明に関わる数値制御装置における誤差補正装置の第 3の実施形態の ブロック図である。
図 6 本発明に関わるビーム通過タイプの 2次元検出素子の実施例である。 発明を実施するための最良の形態
以下に、 本発明による実施形態の一例を示す。
数値制御工作機械においては機械がある作業空間において 3次元的に運動でき るよう、 通常複数の運動軸を組み合わせて構成されるが、 本発明による誤差補正 装置では各運動軸に対して移動運動を行う毎に、 一軸毎に、 その運動が基準位置 からどのく らいずれているかを検出し、 各軸毎に得られた検出結果を空間的に合 成して、 その時点で工作機械の運動精度を確保するための各軸の補正量を常時算 出し、 その補正量を利用して機械運動を補正制御するという原理を採用している。 本発明による誤差補正装置は図 1に示すように、 軸制御される移動体の位置を 1軸毎に検出する移動体位置検出部 1 と、 前記移動体がどのように移動するかと いう運動状態を検出する運動状態検出部 2と、 前記運動状態から機械の運動誤差 を算出する運動誤差算出部 3と、 前記運動誤差から誤差補正量を算出し補正する 運動誤差補正部 4から構成される。
移動体位置検出部 1は運動軸上を移動する機械要素 （スライダ） の移動位置を _ 一軸毎に検出できるように構成されているものである。 例えば、 X軸の運動状態 の検出では、 図 2に示すように X軸方向の移動位置をリニァスケールや X軸ボ一 ルネジやモータにつけられた回転型位置検出器等を用いて検出する。 そして、 現 在の各軸スライダの位置を運動状態検出部 2へ送出する。
尚、 図 2はリユアスケールを移動体位置検出用スケールとして固定側に取り付 け、 スライダ側には移動体位置検出へッ ドを取り付けて移動位置を検出するよう 構成した例である。
運動状態検出部 2は移動体位置検出部 1から現在の各軸スライダの位置を入力 として受け取ると共に、 運動軸各軸毎に運動軸上を移動する機械要素 （スライダ） がそれぞれどのように移動するかをある瞬間でのスライダ上の特定点の 3軸 （X、 Y、 Ζ ) 軸座標値のうちの 2軸の座標値の変位量を検出することによって行う。 この 2軸座標値の変位量の検出は各運動軸の運動基準位置からのズレを検出する ことによって行う力;、 この検出を運動状態の検出と定義する。
図 2の例では、 移動スライダが X軸方向に移動した場合、 移動スライダ上の特 定点の移動中または移動後の Υ軸および Ζ軸方向の空間的位置と基準位置との差 を検出できるよう、 スライダ上の特定点に 2次元検出素子 （ビーム位置検出素子） をビ一ム通過位置検出器として取り付ける。 基準位置は光ビームを利用して生成 する。 すなわち X軸移動テーブルが案内される移動方向に平行に基準位置ビーム が生成されるよう基準位置ビーム発生器を取り付ける。
また、 基準位置ビームの設定調整用に基準位置ビーム発生器と対向する形で移 動端ビーム位置検出器を取り付ける。 ビーム通過位置検出器や移動端ビーム位置 検出器はビームの当てられた位置を 2次元平面内のどの位置であるかを特定でき る機能を有するものとする。 このような検出器は種々の方法で実現することが可 能である。
例えば、 図 3に示すように 2次元 C C D (電化集積型固体撮像素子） を用いれ ば実現できる。 図 3の例では現状の C C Dは光ビームを検出した後、 ビームが検 出面を透過するものは存在しないため、 ビーム通過位置検出器の構成としてはビ —ムをビ一ムスプリッタ （入射ビームの一部をビームの進行方向にそのまま通過 させ、 残りを入射方向と直角方向へ屈折させてから透過させる光ビーム分岐素子） を用いている。
ここで、 X軸に平行に直進する入射ビームが上記ビームスプリッタにより入射 方向と直角方向へ屈折させられて、 この屈折させられた入射ビームを C C Dで受 光し、 その位置を検出できるようにしてある。 従って図 2に示したスライダが Y 軸方向にズレた場合は、 図 3のように入射ビームが本来のビームとずれ、 そのズ レ量は本来 C C Dが受光すべき基準位置と実際に C C Dが検出した受光位置とか ら認識することができる。
以上説明したような移動体位置検出部 1 と運動状態検出部 2を用いて工作機械 の X軸運動に対して、 ある時点のスライダ位置 X cにおいて、 基準ビームの通過 位置 （y b c , z b c ) が予め定めた基準位置 （y b r， z b r ) に対してどの 程度離れているかを示す量である変位量 D y ( x c ) 、 D z ( x c ) が運動状態 として検出できることが分かる。 尚、 D y ( x c ) 、 D z ( x c ) はそれぞれ、
D y ( x c ) = y b c ( x c ) ― y b r ( x c )
D z ( x c ) = z b c ( x c ) 一 z b r ( x c )
で表される。
この計算に用いられる基準位置 y b r , z b rは予め χ cと対応する形で運動 状態検出部 2内に参照テーブルや算術関数の形で設定、 記憶しておけばよい。 ま た、 基準位置ビームの設定が何らかの理由により初期の設定位置からずれた場合 には、 上記と同様な単純な計算により移動端ビーム位置検出器においてビーム位 置のずれたことを検出できる。 この基準ビーム位置の設定に関しては、 基準位置 ビーム発生器と移動端ビーム位置検出器をできる限り外乱などにより変化しない ような空間的配置となるように設置するものとする。
先に説明した通り、 移動位置 X cは移動体位置検出部 1で検出され、 運動状態 と移動位置との対応づけに用いることができるよう運動状態検出部 2に送られる。 移動位置 X cとそれに対応した変位量 D y ( x c ) 、 D z ( x c ) は運動状態検 出部 2から、 運動誤差算出部 3に送られる。 さらに移動端ビーム位置検出器が検 出する移動端での変位量 D y e ( x ) および D z e ( x ) も運動誤差算出部 3に 送られる。
以上運動状態検出部 2と移動体位置検出部 1の作用を X軸一軸の移動運動を例 にとつて説明したが、 この作用は複数の運動軸から構成される機械の場合でも実 現可能である。 例えば、 （X, Υ, Z ) 軸の運動軸を有する 3軸工作機械の場合、 (X, Υ, Z ) の各運動軸を図 2で示すような構成とし、 移動体位置検出部 1か らは移動の現在位置 x c、 y c、 z cが運動状態検出部 2に送られるようにする。 これを受けた運動状態検出部 2は X軸、 Y軸、 Z軸に関する現在位置 X c， y c , ζ cでの変位量と各軸の移動端での変位量を検出する。
即ち、 X軸運動に関する運動状態として変位量 D y ( x c ) 、 D z ( x c ) を、 X軸移動端でのビーム位置誤差として変位量 D y e ( x ) 、 D z e ( x ) を検出 するのと同様に、 Y軸運動状態として変位量 D X ( y c ) 、 D z ( y c ) 、 Y軸 移動端でのビーム位置誤差として変位量 D χ e ( y ) 、 D z e ( y ) 、 Z軸運動 状態として変位量 D x ( z c ) 、 D y ( z c ) 、 Z軸軸移動端でのビーム位置誤 差として変位量 D x e ( z ) 、 D y e ( z ) をそれぞれ求める。
D y ( X c ) — γ b c ( x c ― y b r ( x c )
D z ( x c ) = z b c ( x c ) ― z b r ( x c )
D y e ( x ) = y c e ( x ) — y r e ( x )
D z e ( x ) — z e e ( x ) ― z r e ( x )
D x ( y c ) = x b c ( y c ) ― x b r ( y c )
D z ( y c ) = z b c ( y c ) ― z b r ( y c )
D e ( y ) = x c e ( y ) — x r e ( y )
D z e ( y ) = z c e ( y ) ― z r e ( y )
D x ( z c ) = x b c ( z c ) — x b r ( z c )
D y ( z c ) = y b c ( z c ) ― y b r ( z c )
D x e ( z ) = x c e ( z ) 一 x r e ( z )
D y e ( z ) = y c e ( z ) ― z r e ( z )
以上の式においては、
x c ： X軸用移動体位置検出部において求められた X軸上を運動するスライダ
(X軸スライダ） 上のある特定点 （X軸スライダ位置） の現在位置 y c ： Y軸用移動体位置検出部において求められた Y軸上を運動するスライダ (Y軸スライダ） 上のある特定点 （Y軸スライダ位置） の現在位置 z c ： Z軸用移動体位置検出部において求められた Z軸上を運動するスライタ"
( Z軸スライダ） 上のある特定点 （Z軸スライダ位置） の現在位置 y b c x c ) ：
X軸基準ビームが X軸スライダ位置 x cの時に X軸ビーム通過位置検出 器を通過したときの検出器上での y方向のビーム通過位置座標値 z b c ( X c ) ：
X軸基準ビームが X軸スライダ位置 X cの時に X軸ビーム通過位置検出 器を通過したときの検出器上での z方向のビーム通過位置座標値、 b c ( y c ) ：
Y軸基準ビームが Y軸スライダ位置 y cの時に Y軸ビーム通過位置検出 器を通過したときの検出器上での X方向のビーム通過位置座標値 z b c ( y c ) ：
Y軸基準ビームが Y軸スライダ位置 y cの時に Y軸ビーム通過位置検出 器を通過したときの検出器上での z方向のビーム通過位置座標値
X b c ( z c ) ：
Z軸基準ビームが Z軸スライダ位置 z cの時に Z軸ビーム通過位置検出 器を通過したときの検出器上での X方向のビーム通過位置座標値 y b c ( z c ) ：
Z軸基準ビームが Z軸スライダ位置 z cの時に Y軸ビーム通過位置検出 器を通過したときの検出器上での y方向のビーム通過位置座標値 y b r x c ) ：
X軸基準ビームが X軸スライダ位置 x cの時に X軸ビーム通過位置検出 . 器を通過すべき検出器上での y方向ビーム通過基準位置座標値 z b r ( x c ) ：
X軸基準ビームが X軸スライダ位置 x cの時に X軸ビーム通過位置検出 器を通過すべき検出器上での z方向のビーム通過基準位置座標値
X b r ( y c ) ：
Y軸基準ビームが Y軸スライダ位置 y cの時に Y軸ビーム通過位置検出 器を通過すべき検出器上での X方向のビーム通過基準位置座標値 _ z b r ( y c ) ：
Y軸基準ビームが Y軸スライダ位置 y cの時に Y軸ビーム通過位置検出 器を通過すべき検出器上での ζ方向のビーム通過基準位置座標値
X b r ( z c ) ：
Z軸基準ビームが Z軸スライダ位置 z cの時に Z軸ビーム通過位置検出 器を通過すべき検出器上での X方向のビーム通過基準位置座標値 y b r ( z c ) ：
Z軸基準ビームが Z軸スライダ位置 z cの時に Z軸ビーム通過位置検出 器を通過すべき検出器上での y方向のビーム通過基準位置座標値 y c e ( x ) ：
X軸の基準位置ビームが X軸移動端ビーム検出器で検出されたときのビ ームの検出器上での y方向の座標値
z e e ( X ) ：
X軸の基準位置ビームが X軸移動端ビーム検出器で検出されたときのビ ームの検出器上での z方向の座標値
X c e ( y ) ：
Y軸の基準位置ビームが Y軸移動端ビーム検出器で検出されたときのビ —ムの検出器上での X方向の座標値
z e e 、 y ) ：
Y軸の基準位置ビームが Y軸移動端ビーム検出器で検出されたときのビ ームの検出器上での z方向の座標値
X c e 、 z ) ：
Z軸の基準位置ビームが Z軸移動端ビーム検出器で検出されたときのビ ームの検出器上での X方向の座標値
y c e z ) ：
Z軸の基準位置ビームが Z軸移動端ビーム検出器で検出されたときのビ —ムの検出器上での y方向の座標値
y r e ( x ) ：
X軸の基準位置ビームが X軸移動端ビーム検出器で検出されるべき検出 一 器上でのビームの y方向の座標値
z r e 、 xノ ：
X軸の基準位置ビームが X軸移動端ビーム検出器で検出されるべき検出 器上でのビームの z方向の座標値
X r e 、 yノ ：
γ軸の基準位置ビームが γ軸移動端ビーム検出器で検出されるべき検出 器上でのビームの X方向の座標値
z r e 、y) ：
Y軸の基準位置ビームが Y軸移動端ビーム検出器で検出されるべき検出 器上でのビームの z方向の座標値
X r e ( z ) ：
Z軸の基準位置ビームが Z軸移動端ビーム検出器で検出されるべき検出 器上でのビームの X方向の座標値
y r e ( z ) ：
z軸の基準位置ビームが z軸移動端ビーム検出器で検出されるべき検出 器上でのビームの y方向の座標値
と定義される。
運動誤差算出部 3では、 3次元座標位置に対して、 各運動軸の移動位置に対す る他の 2軸の運動基準位置からの変位量として検出される運動状態を合成して 3 次元座標位置の運動誤差として算出する。 3次元座標位置を P (x c、 y c、 z c ) とすると、 位置 Pでの X方向の運動誤差 E xは D x (y c ) と D x ( z c ) の関数となり、 次のように表わされる。
E X = F X y 、x c， y c， z c ) D x (y c )
+ F x z ( x c , y c， z c ) D x ( z c )
ここで、 F x y (x c , y c , z c ) は位置 （x c， y c , z c ) における Y 軸の位置 （y c ) による X軸方向の変位量 D x (y c ) 、 合成された x方向の 運動誤差にあたえる影響の程度を表わす関数である。 また、 F x z (x c, y c , z c ) は位置 （x c， y c， z c ) における Z軸の位置 （ z c ) による X軸方向 の変位量 D x ( z c) 1 合成された x方向の運動誤差にあたえる影響の程度を 表わす関数である。 これらの関数はスライダ運動機構や運動状態検出部 2の設置 位置、 さらには運動機構を含む機械の空間的構造 （幾何学的構造） を考慮して決 められる。 ここでは、 説明を簡略化するため、 位置による影響の度合いを常に 1 として考える。 この場合、 合成された X方向の運動誤差 E Xは、 単純な算術和と して表わされる。
E X = D X ( y c ) + D X { z c )
同様にして、 y方向、 z方向の運動誤差も以下のように表わされる。
E y = D y ( z c ) + D y 、x c )
E z — Ό z ( x c ) + D z ( y c )
このようにして、 算出された運動誤差は、 運動誤差補正部 4に送出される。 運動誤差補正部 4では、 算出された運動誤差 E X , E y , E zを位置誤差補正 量に換算して位置指令部へ送出する。 位置指令部では、 常時、 この位置誤差補正 量を位置指令値に加算することにより、 機械の運動誤差を常時補正しつつ制御で きる。
以上、 本発明の基本動作を説明したが、 さらに運動状態を記憶する手段を設け ることによって以下に示すような応用ができる。
機械の種類によっては、 意図的に基準ビームに対し位置誤差を持つように製造 される場合がある。 そのような場合は、 図 4に示すように、 第 1運動状態記憶部 5に、 予め、 意図的に製造された運動状態を記憶させておく。 機械の運動時には、 第 1運動状態記憶部 5に記憶された運動状態と常時検出される運動状態との双方 を運動誤差算出部 3に送出し、 運動誤差算出部 3において、 これらの運動状態か ら運動誤差を算出し、 運動誤差補正部 4で位置補正を行う。 このような構成によ り、 製造時の意図した位置誤差を保つように機械の運動誤差を常時補正しつつ制 御できる。
また、 図 5は、 運動状態検出部 2から送出される移動位置と運動状態とを第 2 運動状態記憶部 6に必要に応じて記憶させておき、 運動誤差算出部 3は、 運動状 態検出部 2から受けとる常時検出された運動状態と先に第 2運動状態記憶部 6に 記憶されている運動状態とに基づいて運動誤差を算出し、 運動誤差補正部 4で位 置補正を行なう方法を示している。 この方法は、 同一形状の部品加工を多数個行なう場合、 最初の部品加工時の 動状態を第 2運動状態記憶部 6に記憶させておき、 その後の部品加工時は、 先に 第 2運動状態記憶部 6に記憶させておいた運動状態と常時検出される運動状態と から最初の部品加工時の位置誤差を保つように機械の運動誤差を常時補正しつつ 制御できる。
さらに、 予め運動状態を記億させておく第 1運動状態記憶部 5と必要に応じて 運動状態を記憶させておく第 2運動状態記憶部 6とを組み合わせて用いることも 可能である。
尚、 先に図 3を用いて各運動軸の運動基準位置からのズレを検出する実施形態 を説明したが、 さらに、 図 6のように 2次元 CCDを 2つ取り付けることにより、 運動軸に対する運動基準軸からさらにネジレを検出することができる。 すなわち、 運動状態検出部 2は、 CCD 1と CCD 2が検出した X 1と x 2とに基づいて下 記の式 （1) 、 （2) 、 （3) を用いてネジレ αとズレ y 1、 y 2を算出し、 こ のネジレとズレを運動状態として運動誤差算出部 3へ送出することになる。
式 （1) . . . t a n a = (7 1 +72) (1^+ (y l +y 2) - t a η φ) 式 (2) · · · y 1 = ( h · t a n α— x 1 ) Z ( t a n 0— t a n a) 式 (3) · · · y 2 = ( h · t a n a— x 2 ) / ( t a n ^— t a n a)
運動誤差算出部 3は、 この検出されたネジレとズレに基づいて運動誤差を算出 する。 例えば、 上記 a、 y l、 y 2をパラメ一タとして y方向の運動誤差 E yを 算出する算術関数を設定、 記憶しておき、 X軸の運動にともなって、 運動状態検 出部 2で常時検出されるひ、 y l、 y 2に基づいて y方向の運動誤差 E yを算出 することになる。 X軸の運動にともなう z方向の運動誤差 E Z、 さらに Y軸の運 動にともなう X方向、 z方向の運動誤差 E x、 E z、 及び、 Z方向の運動にとも なう X方向、 y方向の運動誤差 E x、 E yについても同様である。 発明の効果
以上説明したように、 本発明によれば、 較正を通常の機械動作中に行うため、 機械動作中に最新の運動誤差を把握でき、 またその誤差に基づいて運動誤差補正 を実行できるため、 機械運動誤差を最小に抑えることができる。 また、 機械の通常運転を較正検定作業のために止める必要がないため、 従来〔こ 比べて大幅に機械稼働率を向上させることができる。
また、 計測装置を数値制御工作機械に内蔵し、 常にセットアップ作業を行わず に使用できるため、 較正が必要となったときに、 その都度計測装置を工作機械上 にセットアップして実施し、 計測作業終了後に計測装置を機械より外す必要がな レ、。
さらに、 光の直進性を測定の原理とし、 光波長を基準として距離の測定を行う ことを原理としないので、 測定精度は温度 ·空気の揺らぎ ·湿度などに影響され ず、 一般工場環境でも、 工作機械の通常作業中にきわめて簡単に利用できる。

Claims

請求の範囲 ―
1 . 数値制御工作機械において、
軸制御される移動体の所定の制御軸での位置を検出する移動体位置検出手段と、 前記移動体がどのように運動するかの状態を検出する運動状態検出手段と、 前記運動状態を用いて機械の運動誤差を算出する運動誤差算出手段と、 前記運動誤差に基づいて運動誤差を補正する運動誤差補正手段と
を有することを特徴とする数値制御装置における誤差補正装置。
2 . 前記運動状態検出手段で検出されるべき運動状態を予め記憶しておく第 1運動状態記憶手段を有し、
前記運動誤差算出手段は、
前記第 1運動状態記憶手段に記憶されている運動状態と現時点での運動状態の 相違により運動誤差を算出する機能
を有することを特徴とする請求項 1に記載の数値制御装置における誤差補正装置。
3 . 前記運動状態検出手段で検出された運動状態を必要に応じて記憶する第 2運動状態記憶手段を有し、
前記運動誤差算出手段は、
前記第 2運動状態記憶手段に記憶された運動状態と現時点での運動状態の相違 により運動誤差を算出する機能
を有することを特徴とする請求項 1に記載の数値制御装置における誤差補正装置。
4 . 前記運動誤差補正手段は、
機械の運動誤差の常時補正を位置指令値に対し誤差補正量を加算させることに より行なう機能
を有することを特徴とする請求項 1に記載の数値制御装置における誤差補正装置。
5 . 前記運動状態検出手段は、
前記移動体の運動軸方向の特定点における前記運動軸と異なる座標軸上の運動 基準からの変位量を検出し、
前記運動誤差算出手段は、
前記検出された変位量に基づいて運動誤差を算出すること を特徴とする請求項 1に記載の数値制御装置における誤差補正装置。 ―
6 . 前記運動状態の検出には、
前記運動軸方向と平行に基準位置ビームが生成されるように設置された基準位 置ビーム発生器と、
前記基準位置ビーム発生器からの基準位置ビームを用いて運動軸と異なる座標 軸上の運動基準からの変位量を検出するために前記移動体に設置された移動体 2 次元検出素子と、
を用いることを特徴とする請求項 5に記載の数値制御装置における誤差補正装置。
7 . 前記運動状態の検出は、
1つの前記移動体に 2つの前記移動体 2次元検出素子を設置し、
各々で検出される前記運動基準からの変位量に基づく前記移動体の運動軸に対 するネジレの検出
を含むことを特徴とする請求項 6に記載の数値制御装置における誤差補正装置。
8 . 前記基準ビーム発生器と対向する形で移動端に基準位置ビームの設定調 整を行うための移動端 2次元検出素子
を設けることを特徴とする請求項 6に記載の数値制御装置における誤差補正装置。
9 . 前記移動体 2次元検出素子は、
前記基準位置ビームを通過させるとともに、 通過した 2次元位置を検出する機 能
を有することを特徴とする請求項 6に記載の数値制御装置における誤差補正装置。
1 0 . 前記移動体 2次元検出素子には、
2次元 C C Dと
ビ一ムスプリッタと
を用いることを特徴とする請求項 9に記載の数値制御装置における誤差補正装置。
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