WO2009057229A1

WO2009057229A1 - エラーマップ作成方法及び装置並びにエラーマップ作成機能を有した数値制御工作機械

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Publication number: WO2009057229A1
Application number: PCT/JP2007/071750
Authority: WO
Inventors: Norio Mori; Tadashi Kasahara; Tadahiro Nishiguchi
Original assignee: Makino Milling Machine Co., Ltd.
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-05-07
Also published as: CN101842189B; CA2704365A1; EP2221692A2; EP2975475A1; CN101842189A; US20100244762A1; KR101158772B1; US8680806B2; US8786243B2; EP2975475B1; KR20100047906A; JP5058270B2; JPWO2009057229A1; US20100207567A1; KR20100054864A; EP2208572A1; KR101088843B1; EP2208572B1; EP2221692A3; CA2704365C

Abstract

直線送り軸及び回転送り軸を有して主軸とテーブルとが相対移動可能に構成された数値制御工作機械において、直線送り軸及び回転送り軸の可動範囲内に設定された複数の測定点で、直線送り軸及び回転送り軸の動作により生じる位置誤差と姿勢誤差を測定し、測定された位置誤差及び姿勢誤差を直線送り軸の位置及び回転送り軸の回転角度に対応したエラーマップとして記憶する。

Description

明細書エラーマツプ作成方法及び装置並びにエラーマツプ作成機能を有した数値制御工作機械技術分野

本発明は、主軸とテーブルとが相対的に移動可能な構成であると共に、直線送り軸と回転送り軸とを有する数値制御工作機械の誤差の測定及び補正に関する。背景技術

一般に、直線送り軸と回転送り軸を有する工作機械においては、送り軸を移動指令に従って動かしたときに誤差が生じるため、工具を所望の位置に位置決めすることは難しい。このため、精度の高い加工を行う場合には、機械の誤差に応じて補正が行われている。補正を行うためには、補正の前段階として機械の誤差が正確に測定されている必要がある。誤差の測定及び補正を行う従来の技術として、以下で開示されている技術が知られている。

特公平 6 — 8 8 1 9 2号公報では、互いに直交する 2つの回転送り軸（A、 B ) を有する工作機械の 2つの回転送り軸の軸ずれ（軸中心の位置ずれ）を予め測定しておき、この軸ずれを加味して 2つの回転送り軸の座標を求めることが開示されている。

特開 2 0 0 4 - 2 7 2 8 8 7号公報では、互いに直交する 3軸の直線移動軸（X、 Y、 Ζ ) と、互いに直交する 2つの回転送り軸（ A、 C ) を有する工作機械において、実際に機械が移動すべき機械位置を、回転軸中心及び主軸旋回中心のずれ量に基づいて求め、駆動制御手段により、直線移動軸及び回転送り軸を求めた機械位置へ移動することにより、工具先端の位置を補正する技術が開示されている。

特開平 9 一 2 3 7 1 1 2号公報では、パラレルリンク機構の工作機械の工具ュニットの誤差を誤差マップに基づいて補正する方法が開示されている。誤差マップは、工具ユニット先端の作業空間の格子点に対応して、工具ュニット先端の位置及び姿勢の指令値と検出値との差から演算により算出された誤差デ一夕を有している。

また、国際公開第 2 0 0 4 / 0 3 4 1 6 4号パンフレツトでは、数値制御工作機械のへッド及び Z又はテーブルを測定し、補正し、試験するために、数値制御システムで自動化され、統合されたシステム及びプ Πセスを開示する。このシステムは、多数の距離センサを備えた少なくとち一つのサポートベースと、一端にヘッドに連結する連結手段を有し、他端に球を有する細長いシリンダからなるゲージツール型の少な < とも一つのデバイスと、を備えている。球は距離センサに隣接して配置されている。距離センサは、球から離れている距離を測定するために、いつでも如何なる位置にも動くことができるようになつているこれによつて、デカルト座標空間内の位置が決定される

特公平 6 ― 8 8 1 9 2号公報及び特開 2 0 0 4— 2 7 2 8 8 7号公報で開示されている補正方法は、回転軸の軸ずれを補正するものであり、軸自体のうねりや直線送り軸の位置によって変化する誤差等は補正できない問題があった。特開平 9 一 2 3 7 1 1 2号公報で開示されている誤差マップは、パラレルリンク機構によって駆動される工具ユニット先端の誤差をテーブルデータとしたものであり、直線送り軸と回転送り軸を有する工作機械に適用できない問題があつた。国際公開第 2 0 0 4 / 0 3 4 1 6 4号パンフレットで開示されている測定方法では、基準球の中心位置のずれを測定しているだけなので、工具長や工具突き出し長さが変化したとき、主軸とテ一ブルの相対姿勢の誤差によって発生する工具先端の位置のずれを補正できない問題があつた。発明の開示

本発明は、前述の従来技術の問題点を解決することを課題としており、本発明の目的は、直線送り軸及び回転送り軸を有する工作機械の誤差を精度良く補正するためのエラ一マップ作成方法及び装置並びにエラーマツプ作成機能を有した数値制御工作機械を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明によれば、直線送り軸及び回転送り軸を有して主軸とテーブルとが相対移動可能に構成された数値制御工作機械のエラーマツプ作成方法において、前記直線送り軸及び前記回転送り軸の可動範囲に複数の測定点を定める工程と、前記定めた測定点における主軸とテーブルとの相対位置及び相対姿勢を測定する工程と、前記求めた相対位置及び Z又は相対姿勢と送り軸の位置決めの指令データとから各測定点の位置誤差及び/又は姿勢誤差を求める工程と、前記位置誤差及び前記姿勢誤差を前記直線送り軸の位置及び前記回転送り軸の回転角度に対応して記憶するェ程と、を含むエラ一マップ作成方法が提供される。

また、本発明によれば、前記複数の測定点を定める工程は、前記直線送り軸の可動範囲内に複数の測定領域を定め、各測定領域に測定点を定め、それぞれの測定領域の少なくとも一つの測定点は隣の測定領域の測定点と前記直線送り軸の座標位置が同一になるように測定点を定めるエラ一マップ作成方法が提供される。

また、本発明によれば、前記複数の測定点を定める工程は、隣り合う測定点の間隔が一定になるように、又は隣り合う測定点の位置誤差若しくは姿勢誤差の差が一定になるように測定点を定めるエラ一マツプ作成方法が提供される。

また、本発明によれば、前記相対位置及び相対姿勢を測定するェ程は、前記主軸及び前記テーブルの一方に設けられた外形寸法が既知の基準球と他方に設けられた変位センサとを有した測定装置を用い、前記回転送り軸を動作させたときに前記基準球の中心と前記変位センサとの相対位置が理論的に変化しないように前記直線送り軸を制御しながら、前記回転送り軸を複数の測定点に位置決めし、前記変位センサで各測定点における前記基準球の位置の変位を測定し、測定した前記変位と測定時の座標値とから前記相対位置及び前記相対姿勢を求めるエラーマップ作成方法が提供される。

また、本発明によれば、前記相対位置及び相対姿勢を測定するェ程は、前記回転送り軸を複数の回転角度に位置決めして前記テープルに取り付けられたテストピース又はワークを加工し、前記回転送り軸を前記複数の回転角度のうち 1つの回転角度に位置決めし、前記 1つの回転角度で加工したときの加工面と他の回転角度で加工したときの加工面との変位を測定し、測定した前記変位と測定時の座標値とから前記相対位置及び前記相対姿勢を求めるエラ一マツプ作成方法が提供される。

また、本発明によれば、前記相対位置及び相対姿勢を測定するェ程は、前記回転送り軸を複数の回転角度に位置決めし、それぞれの回転角度で前記テ一ブルに取り付けられたテストピース又はワークの 3面を加工し、前記回転送り軸を前記複数の回転角度のうちの 1 つの回転角度に位置決めし、前記 1つの回転角度で加工したときの 3つの加工面と他の回転角度で加工したときの 3つの加工面との位置の差及び傾きの差を前記主軸に取り付けられた夕ツチプローブで測定し、測定した前記位置の差及び傾きの差と測定時の機械座標値とから前記相対位置及び前記相対姿勢を求めるエラーマツプ作成方法が提供される。

また、本発明によれば、直線送り軸及び回転送り軸を有して主軸とテーブルとが相対移動可能に構成された数値制御工作機械のエラ一マップ作成方法において、前記直線送り軸及び前記回転送り軸の可動範囲に複数の測定点を定める工程と、前記定めた測定点で前記回転送り軸を複数の回転角度に位置決めし、該位置決めしたそれぞれの回転角度で前記テーブルに取り付けられた直方体のテストピース又はワークの直交する 3面を加工する工程と、前記回転送り軸を前記複数の回転角度のうち 1つの回転角度に位置決めして加工したときの加工面の傾きを他の回転角度に位置決めして測定し、各回転角度における姿勢誤差を求める工程と、加工したテストピース又はワークの加工面を測定し、それぞれの回転角度毎に該回転角度で加ェした加工面を含む 3平面の交点の位置を求める工程と、前記回転送り軸を前記 1つの回転角度に位置決めして加工したときの加工面を含む 3平面の交点と他の回転角度に位置決めして加工したときの加工面を含む 3平面の交点との位置の差及び前記求めた姿勢誤差から各測定点における位置誤差を求める工程と、前記位置誤差及び前記姿勢誤差を前記直線送り軸の位置及び前記回転送り軸の回転角度に対応して記憶する工程と、を含むエラーマップ作成方法が提供される。

また、本発明によれば、直線送り軸及び回転送り軸を有して主軸とテーブルとが相対移動可能に構成された数値制御工作機械のエラ —マツプ作成方法において、前記直線送り軸及び前記回転送り軸の可動範囲に複数の測定点を定める工程と、前記定めた測定点で前記回転送り軸を複数の回転角度に位置決めし、該位置決めしたそれぞれの回転角度で前記テーブルに取り付けられた直方体のテストピース又はワークの直交する 3面を加工する工程と、加工したテストピース又はワークの加工面を測定し、それぞれの回転角度毎に該回転角度で加工した加工面の傾き及び該加工面を含む 3平面の交点の位置を求める工程と、前記回転送り軸を前記複数の回転角度のうち 1 つの回転角度に位置決めして加工したときの加工面の傾きと他の回転角度に位置決めして加工したときの加工面の傾きとの差から各測定点における姿勢誤差を求める工程と、前記回転送り軸を前記 1つの回転角度に位置決めして加工したときの加工面を含む 3平面の交点と他の回転角度に位置決めして加工したときの加工面を含む 3平面の交点との位置の差及び前記求めた姿勢誤差から各測定点における位置誤差を求める工程と、前記位置誤差及び前記姿勢誤差を前記直線送り軸の位置及び前記回転送り軸の回転角度に対応して記憶する工程と、を含むエラーマップ作成方法が提供される。

また、本発明によれば、直線送り軸及び回転送り軸を有して主軸とテーブルとが相対移動可能に構成された数値制御工作機械のエラ一マップ作成装置において、前記主軸及び前記テ一ブルの一方に設けられた基準球と他方に設けられたセンサとを有し、所望の測定点で前記センサにより前記基準球の位置を測定する測定装置と、前記測定装置で測定した測定データと前記測定点の座標値に基づいて前記主軸と前記テーブルの位置誤差及び姿勢誤差を演算する演算部と、前記演算部で演算した位置誤差及び姿勢誤差を前記測定点における前記直線送り軸の位置及び前記回転送り軸の回転角度に対応させて記憶する記憶部と、を具備するエラーマツプ作成装置が提供される。

また、本発明によれば、直線送り軸及び回転送り軸を有して主軸とテーブルとが相対移動可能に構成された数値制御工作機械において、前記主軸及び前記テーブルの一方に設けられた基準球と他方に設けられたセンサとを有し、所望の測定点で前記センサにより前記基準球の位置を測定する測定装置と、前記測定装置で測定した測定データと前記測定点の座標値に基づいて前記主軸と前記テーブルの位置誤差及び姿勢誤差を演算する演算部と、前記演算部で演算した位置誤差及び姿勢誤差を前記測定点における前記直線送り軸の位置及び前記回転送り軸の回転角度に対応させて記憶する記憶部と、を具備するエラーマツプ作成機能を有した数値制御工作機械が提供される。

また、本発明によれば、直線送り軸及び回転送り軸を有して主軸とテーブルとが相対移動可能に構成された数値制御工作機械において、前記テーブルに取り付けられたテストピース又はワークと、前記主軸に設けられたセンサを有し、所望の測定点で前記センサにより前記テストピース又はワークの加工面を測定する測定装置と、前記測定装置で測定した測定データと前記測定点の座標値に基づいて前記主軸と前記テーブルの位置誤差及び姿勢誤差を演算する演算部と、前記演算部で演算した位置誤差及び姿勢誤差を前記測定点における前記直線送り軸の位置及び前記回転送り軸の回転角度に対応させて記憶する記憶部と、を具備するエラ一マップ作成機能を有した数値制御工作機械が提供される。

また、本発明によれば、前記数値制御工作機械は、前記記憶部に記憶された位置誤差及び姿勢誤差に基づいて、前記直線送り軸又は前記回転送り軸の指令位置又は位置指令を補正する補正部を更に具備するエラーマツプ作成機能を有した数値制御工作機械が提供される。

本発明のエラーマップ作成方法及び装置並びにエラーマツプ作成機能を有した数値制御工作機械によれば、直線送り軸及び回転送り軸を有した数値制御工作機械の位置誤差及び姿勢誤差を測定して、エラーマップを作成することができる。本発明で作成されたエラーマップは、送り軸が移動することによって変化する位置誤差と姿勢誤差の誤差データが別々に記憶されており、この誤差データに基づいて位置指令を補正する。したがって、本発明によれば、工具長や工具突き出し長さが変化しても工具先端又は工具の加工点を目標位置に高精度に位置決めすることができる。また、隣り合う測定領域で直線送り軸の座標位置が同一の測定点を設定した場合、測定装置の取り付け誤差による影響を排除することができる。また、隣り合う測定点の間隔を誤差の差が一定になるように設定した場合、所望の捕正精度を維持したまま、エラーマップのデータ量を削減ことができる。また、加工したテストピース又はワークを測定してエラ一マップを作成した場合、主軸の回転による主軸や工具の振れ、切削負荷による機械や工具のたわみ等により発生する誤差も含めて補正することができる。

本発明における指令位置とは加工プログラムで指令された送り軸の移動先の位置のことであり、位置指令とは指令位置や指令速度等に基づいて補間部からサーポ部へ送出される指令パルスのうち、送り軸の位置を制御するための指令のことである。図面の簡単な説明

本発明の上記並びに他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関連した以下の好適な実施の形態の説明により一層明らかになろう。図 1は、本発明に係る数値制御工作機械の側面図である。

図 2は、本発明に係る数値制御工作機械の数値制御装置の一つの実施の形態を示すブロック図である。

図 3は、 3次元座標空間の格子点を示す説明図である。

図 4は、図 3の各格子点に関係付けられる 2次元のデータシート (マップデ一夕）を示す説明図である。

図 5は、工具の先端に装着された基準球を、パレットに装着された測定装置で測定している状態を示す説明図である。

図 6は、長さの異なる支軸を有した基準球の測定範囲を Y軸方向からみた図である。

図 7は、複数の測定領域の決定方法を示す説明図である。

図 8は、位置誤差及び姿勢誤差を測定する第 1 の測定方法を説明するフローチヤ一トである。

図 9は、図 8のフローチャートの M 3の詳細フローチャートである。

図 1 0は、姿勢誤差を 2変数で表す説明図である。

図 1 1は、パレット側に基準球が装着され、主軸側に測定装置が装着された主軸回転型の機械の一例を示す図である。

図 1 2は、テーブルに測定装置が装着され、主軸に基準球が装着されたテーブル回転型の機械の一例を示す図である。

図 1 3は、位置誤差及び姿勢誤差を測定する第 2の測定方法を説明するフローチャートである。

図 1 4は、各平面を直線送り軸の動作のみで加工している状態を示す説明図である。

図 1 5は、割り出し角度毎の加工する場所を示す直方体の 5面の展開図である。

図 1 6は、回転送り軸 B , Cの割り出し角度で、ワークに格子状の面を加工している状態を示す説明図である。

図 1 7は、所定の角度に割り出された各測定面を測定している状態を示す説明図である。

図 1 8は、 3平面の交点を求める方法を説明する説明図である。図 1 9は、エラーマップを用いた補正方法の一例を示すフローチャ一卜である。発明を実施するための最良の形態

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。本発明に係る数値制御工作機械は、機械を加工プログラムにしたがって動作させる数値制御装置を備えている。図 1 には、主軸側に 2つの回転送り軸を有した 5軸の横形マシニングセンタの構成が示されている。図 1 を参照すると、マシニングセンタ 1は、フロァ上に設置されているべッド 2 と、ベッド 2上で Z軸方向に直動可能に立設されたコラム 3 と、コラム 3に鉛直方向である Y軸方向に直動可能な主軸台 5 とを備えている。主軸台 5には、ブラケット 5 aが Z軸に平行な軸周りの C軸方向に回転可能に支持されている。ブラケット 5 aには、主軸頭 4が X軸に平行な軸周りの A軸方向に回転可能に支持されている。主軸頭 4には、工具を把持する主軸が回転可能に支持されている。

また、マシニングセン夕 1は、ベッド 2上で主軸頭 4に対向する位置に立設され、紙面に垂直な方向である X軸方向に直動可能なテ一ブル 6 を備えている。テーブル 6にはィケ一ル 8 を介してワーク 7が保持されている。

図 2には、工作機械の送り軸の位置を制御する数値制御装置 2 0 の構成がブロック図で示されている。

図 2に示す数値制御装置 2 0は、工作機械の位置誤差及び姿勢誤差を補正する機能を備えたものであり、加工プログラム 2 1 を読み取り、解釈して各送り軸の指令速度及び指令位置を演算する読取解釈部 2 2 と、各送り軸における送りを直線補間したり円弧補間したりするために指令位置や指令速度等に基づいて指令パルスを演算する補間部 2 3 と、指令パルスを取得して各送り軸への位置指令を認識する位置指令認識手段 2 4と、測定装置 5 0で測定された測定デ一夕と測定点の座標とに基づいて測定点の位置誤差及び姿勢誤差を演算する演算部と、この演算部で演算した位置誤差及び姿勢誤差を直線送り軸の位置及び回転送り軸の回転角度に対応させて記憶する誤差データ記憶手段 2 5 と、位置指令と誤差デ一夕記憶手段 2 5に記憶された誤差データとから位置指令を補正するための補正データを演算する補正データ演算手段 2 6 と、補正データに基づいて位置指令を補正する補正パルスを求める補正パルス演算手段 2 7 と、指令パルスと補正パルスとを加えたパルスをサ一ポ部 2 9 に出力する加算手段 2 8 とを備えている。

各送り軸のモータ 3 0は、サーボ部 2 9によって増幅された駆動電流によって駆動され、各送り軸を移動させるようになつている。サ一ポ部 2 9は、モータ 3 0からの速度フィードバックと図示しない位置検出装置からの位置フィードバックとに基づいて各送り軸が所望の速度で所望の位置に移動するように制御している。

本発明は、読取解釈部 2 2から指令位置を取得して補正し、補正された指令位置を補間部に入力することでモー夕が所望の位置に移動するように構成した装置も含む。

次に、エラーマップ作成方法について説明する。エラーマップは、図 3に示すように直交座標系の直線送り軸 X、 Y、 Ζの各軸方向の所望の位置にある各格子点 3 1 を設定し、各格子点 3 1のそれぞれに、図 4に示すような回転送り軸の回転角度に対応した 2次元配列デ一夕 3 3が関連付けされている。すなわち、エラーマップは、 X、 Y、 Z、 A、 Cの 5次元配列のデ一夕で構成されている。

エラーマップは、各送り軸を所望の測定点に位置決めして測定した複数の誤差データ 3 4から構成されている。また、誤差データ 3 4は、位置誤差 3 4 aと姿勢誤差 3 4 bとから構成されている。ここで、位置誤差 3 4 aとは、主軸とテ一ブルとの相対位置の誤差であって、送り軸を所定の位置又は回転角度に位置決めしたときに生じる 3次元座標値（ X , y , z ) で表される位置の誤差である。すなわ.ち、位置指令で指令された理論的な位置と、実際の位置との差が位置誤差である。

姿勢誤差 3 4 bとは、主軸とテーブルとの相対姿勢の誤差であつて、送り軸を所定の位置又は回転角度に位置決めしたときに生じる傾き角度で表される誤差である。すなわち、位置指令で指令された理論的な傾きと、実際の傾きとの差が姿勢誤差である。

ここで、誤差データ 3 4の測定間隔は、隣り合う測定点における位置誤差 3 4 a又は姿勢誤差 3 4 bの差が所定値になるように設定されている。言い換えると、隣り合う測定点における誤差の差が少ない場合は測定間隔を広げ、誤差の差が大きい場合は測定間隔を狭める。誤差の差の少ない部分の測定間隔を広げることでデータ量を削減してメモリの負担を減らすことができ、誤差の差が大きい部分の測定間隔を狭めることで補正の精度を保持することができる。次に、主軸側に回転送り軸 A， Cを有する工作機械の位置誤差 3 4 a及び姿勢誤差 3 4 bを測定する測定方法の一例について説明する。図 5、図 6に示すように、測定装置 5 0は、主軸回転型の工作機械の主軸に支軸 4 0 を介して装着され、外形寸法及び制御点から球中心 P l 、？ 2までの距離 1 、 L 2が既知の基準球 5 2 と、テ —ブルに固定されているパレット 5 4に装着され、 X方向、 Y方向、 Z方向に非接触センサ 5 5を有したセンサブラケット 5 3 とを備えている。非接触センサ 5 5は各方向で基準球 5 2までの距離を非接蝕で測定することができる。なお、本発明のセンサは非接触式のセンサだけではなく接触式のセンサも含む。

測定は、各回転送り軸 A、 Cの測定範囲を等ピッチ又は不等ピッチで分割し、その各分割点（測定点）で基準球 5 2の中心位置を維持するように直線送り軸を同時に動作させ、測定する。ここで、等ピッチとは、所定の角度毎に測定点を定め、隣り合う測定点の角度間隔を等間隔にすることであり、不等ピッチとは、例えば、誤差の規定値を超えたポイントでのみ誤差デ一夕を有し、隣り合う測定点の角度間隔が不等間隔になることである。

図 9に示すように、先ず、基準球 5 2の中心位置 P 1 を、互いに直交する各方向 X、 Y、 Ζで、非接触センサ 5 5 を有する測定装置 5 0により測定する。実際の相対姿勢と実際の制御点を求めるために、図 6に示すように支軸 4 0 の長さが異なる基準球を装着して、再度基準球 5 2の中心位置 Ρ 2 を測定する。長さの異なる支軸 4 1 a， 4 1 bを装着してそれぞれ測定することで主軸とテーブルの相対姿勢を求めることができる。

本発明は長さを調節することができる支軸を用いる場合も含む。本実施の形態では、制御点を第 1の回転送り軸 Cの回転中心と第 2 の回転送り軸 Aの回転中心との交点に設定している。また、相対姿勢とは、主軸とテーブルの相対的な傾きのことである。

測定装置 5 0のセンサブラケット 5 3は、 Z軸に平行な軸線周りに回転可能に取り付けられているので、 3 6 0度全てを測定したい場合、センサブラケット 5 3を Z軸に平行な軸線周りに 9 0度ずつ回転させて 4回測定を行えばよい。

図 7、図 8に示すように、測定すべき領域が広い場合は測定領域を複数に分けて測定する。その際、基準となる第 1 の測定領域 7 0 aの直線送り軸 X、 Y、 Ζの動作範囲をレーザ測定器、インジケ一夕などを用いて測定し、要求精度に対して十分な精度を有するように調整しておく。本発明は、第 1の測定領域 7 0 aの直線送り軸 X 、 Υ、 Ζの動作範囲の精度を調整せずに測定結果を考慮して誤差を演算する場合を含む。これは、第 1の測定領域 7 0 aにおける測定結果を回転送り軸 A、 Cを回転させたときに生じる誤差のみにするためである。

また、測定領域 7 0 a、 7 0 bの測定点は、隣の測定領域の測定点と同一の直線送り軸座標値を有する測定点 7 1が 1つ以上存在するように定める。これは、第 1の測定領域 7 0 aと他の測定領域 7 0 b との間で測定装置 5 0 の取り付け誤差が測定結果に影響を与えないようにするために行われる。

同一の直線送り軸座標値を有する測定点での測定結果の差から回転送り軸の回転角度の違いによる誤差を減算すれば測定装置 5 0の取り付け誤差を求めることができ、この取り付け誤差を各測定領域の測定結果から減算することによって、全ての測定領域を 1回の段取りで測定したときと同様の測定結果が得られる。

次に、位置誤差と姿勢誤差の演算方法について説明する。先ず、姿勢誤差を以下のように求める。回転送り軸 A、 Cの回転角度の指令値から指令された主軸とテーブルの相対的な傾きを求める。ここでは主軸の回転軸線とィケールのワーク取り付け面に垂直な線とのなす角度を主軸とテーブルの相対姿勢としている。測定した 2箇所の基準球 5 2の中心位置 P 1 、 P 2から P 1及び P 2を通る線とィケールのワーク取り付け面に垂直な線とのなす角度を求め、これを実際の主軸とテーブルの相対的な傾きとする。指令された主軸とテ —ブルの相対的な傾きと実際の主軸とテーブルの相対的な傾きとの差を求め、これを姿勢誤差とする。姿勢誤差は X軸方向から見た Z 軸に対する角度の差 i 、 Y軸方向から見た Z軸に対する角度の差 j 、 Z軸方向から見た Y軸に対する角度の差 kで表す。本発明は、図 1 0に示すように姿勢誤差を 2つの角度 I 、 J で表す場合も含む。次に、位置誤差を以下のように求める。本実施の形態では制御点を第 1の回転送り軸 Cの回転中心と第 2の回転送り軸 Aの回転中心との交点に設定しているので、回転送り軸がどの回転角度であっても理論的な制御点の位置は変わらない。そこで、直線送り軸 X、 Y 、 Zの指令値から指令された制御点の位置を求める。ここで制御点の位置とはテーブルの基準点と主軸の制御点との相対的な位置のことである。前述の姿勢誤差を求める工程で求めた P 1及び P 2を通る線上で、 P 2から P 1の方向に L 2の距離にある点の位置を求め、これを実際の制御点の位置とする。指令された制御点の位置と実際の制御点の位置との間のべクトルを求め、これを位置誤差とする。位置誤差のベクトルは、 X、 Y、 Ζ軸方向の成分に分けられ（X , y , ζ ) の形で表す。本発明は、位置誤差のベクトルを他の形で表す場合も含む。

図 1 1 には、主軸回転型の機械において、パレット 5 4側に基準球 5 2が装着され、主軸側に変位検出プローブ 5 8が装着された実施の形態が示されている。変位検出プローブ 5 8は、被測定物の測定点の法線方向に変位するように構成され、その変位の量を検出することができる。

また、図 1 2には、テーブル側に回転送り軸 B、 C軸を有するテ —ブル回転型の機械に本発明を適用した実施の形態が示されている。図 1 1及び図 1 2に示す実施の形態においても、図 5に示す実施の形態と同じ原理で送り軸の誤差を測定することができる。

次に、テーブル側に回転送り軸 B、 Cを有する工作機械の位置誤差 3 4 a及び姿勢誤差 3 4 bを測定する測定方法の一例について説明する。図 1 3には、この測定方法のフローチヤ一卜が示されている。この測定方法は、特別な測定装置を用いずに、機上でテス卜ピース又はワークを加工し、加工されたテストピース又はワークを主軸に取り付けた夕ツチプローブで測定することにより位置誤差及び姿勢誤差を求める方法である。本実施の形態では立方体のテストピースを用いる。

図 1 3に示すように、先ず、回転送り軸 B、 Cの位置誤差及び姿勢誤差が必要な精度に対して十分小さい回転角度（本実施の形態では B軸 0度、 C軸 0度）に割り出し、図 1 4に示すように X、 Y、 Ζ軸方向を法線方向とするテストピース 6 0の各平面（枠状の基準加工面 6 1 ) を回転送り軸を動作させずに加工する。

基準加工面 6 1 を枠状にする理由は、測定点を多数にした場合でも正確に姿勢誤差を求めるためであり、テストピース 6 0の全長を使用して傾きを測定した方がより正確に姿勢誤差を求められるためである。ここで、切削工具 6 3にはポールエンドミルを用いる。基準加工面 6 1は、回転送り軸の所定の回転角度における姿勢誤差を測定するための基準となる。

続いて、図 1 6に示すように、回転送り軸を各測定点に割り出し、テストピース 6 0の互いに直交する 3面を直線送り軸の動作のみで加工する。加工する場所は図 1 5のように、回転送り軸の割り出し角度に応じて所定の場所を割り当てる。

次に、図 1 7 に示すように、回転送り軸を各測定点に割り出し、基準加工面 6 1 の Ρ 1 0 〜 Ρ 1 4を夕ツチプローブ 6 4で測定し、 Ρ 1 0 と P 1 1 を通る線の実際の傾き、 P 1 0 と P 1 2 を通る線の実際の傾き及び Ρ 1 3 と Ρ 1 4を通る線の実際の傾きを求める。求めた実際の 3つの傾きと測定時の回転送り軸の位置指令から演算した理論的な 3つの傾きとの差を姿勢誤差とする。

そして、図 1 8に示すように、回転送り軸を基準の回転角度である Β軸 0度、 C軸 0度に割り出し、各回転角度で加工した加工面 Ρ 1 5 〜 Ρ 2 0 を測定し、回転送り軸を Β軸 0度、 C軸 0度に割り出して加工した加工面 Ρ 1 8 〜 Ρ 2 0の位置と他の回転角度に割り出して加工したときの加工面 P 1 5 〜 P 1 7の位置との差を求める。本発明では一つの回転角度で加工された加工面と他の回転角度で加工された加工面との位置の差及び/又は傾きの差を加工面の変位と呼ぶ。

加工面 P 1 8 〜 P 2 0 の測定データから姿勢誤差が無いと仮定した場合の加工面 P 1 8 〜 P 2 0 を含む 3平面の交点 P 2 1 を求める。加工面 P 1 5 〜 P 1 7 の測定データと求めた姿勢誤差とから加工面 P 1 5 〜 P 1 7 を含む 3平面の交点 P 2 2 を求める。求めた交点 P 2 1 と交点 P 2 2 との差分を位置誤差とする。本発明は、主軸側に回転送り軸を有した工作機械でテストピース又はワークを加工し、その加工面の測定結果から位置誤差及び姿勢誤差を求める場合も含む。

前述の方法で求めた誤差は、図 4に示すように、直線送り軸 X、 Y、 Ζの位置及び回転送り軸 Β、 Cの回転角度に関連付けされ、ェラーマップとして記憶される。

次に、位置誤差及び姿勢誤差を含むエラーマップを用いた位置指令の補正方法について、回転送り軸 A、 Cを有する主軸回転型の機械（図 1 、 2参照）を例にして説明する。

先ず、加工プラグラム 2 1 の指令位置を読取解釈部 2 2で解読し、補間部 2 3で所定の補間周期毎に各送り軸 X、 Υ、 Ζ、 Α、の指令パルスを求める。

続いて、位置指令認識手段 2 4において、この指令パルスから所定の補間周期毎に各送り軸 X、 Y、 Z、 A、 Cの位置指令を認識する。

位置指令における各送り軸の位置が誤差データ記憶手段 2 5 に記' 憶された測定点の位置と同一の場合は誤差データ 3 4を取得し、取得した誤差データ 3 4に基づいて補正データを求める。位置指令における各送り軸の位置が誤差データ記憶手段 2 5に記憶された測定点の位置と同一でない場合、近傍の測定点の誤差データから内揷法などの周知の補間方法により補間して誤差データを求め、補間後の誤差デ一夕に基づいて補正デ一夕を求める。求めた補正デ一夕を指令パルスの位置指令に加算して、補間周期毎の新たな位置指令とする。このようにして、位置指令が補正され、各送り軸を高精度に位置決めすることができる。

次に、補正データ演算手段 2 6で演算する補正値を 3次元座標値で表し、位置指令を補正する補正方法について説明する。例えば、 C軸が 0度のときに機械が本来有しない B軸方向に姿勢誤差がある場合、この B軸方向の姿勢誤差を補正するためには回転送り軸を大きく回転させなければならないという問題がある。本発明では、この問題を特異点問題と呼ぶ。ここで説明する補正方法は、この特異点問題を回避するための補正方法である。なお、 B軸は Y軸に平行な軸周りの回転送り軸である。

図 1 9は、この補正方法のフローチャートである。また、この方法で工具の姿勢及び姿勢誤差、工具の位置及び位置誤差、工具の突き出し長に基づいて位置補正べクトルを求めるための計算式が以下で示されている。

L:指令点から工具先端位置までの距離

[I, J, K]：指令工具姿勢

[dl, dJ, dK]：姿勢誤差

[dXl, dYl, dZl] ：位置誤差

[dX2, dY2, dZ2]：姿勢誤差によって発生する工具先端位置誤差 [dX3, dY3, dZ3]：工具先端位置誤差

dX2=Lx (tan(J+dJ)/((tan(I+dI))² + (tan(J + dJ)) ² + l) ^{1 / 2}

-tan(J)/((tan(I)H(tan(J))² + l) ^{1 / z}) dY2=LX (tan (l + dl)/((taii(l + dl))² + (tan (J + dJ)) ² + l) ^{1 / 2}

-tan (I)/((tan (I) ²† (tan (J))² + l) ^{1 / 2})

dZ2=LX (l/( (tan (I + dl) ) ² + (tan (J + dJ) ) ² +1) ¹⁷²

-l/ ((tan (I))² + (tan (J)) ² + l) ^{1 / 2})

dX3=dXl+dX2

dY3-dYl+dY2

dZ3=dZl+dZ2

先ず、ステップ S 0において、補間部 2 3から出力された位置指令から指令された指令位置及び指令姿勢を認識する。ステップ S 1 では、指令位置に対応する誤差デ一夕 3 4をエラーマツプから取得する。ステップ S 2では、誤差データ 3 4の位置誤差 3 4 aから位置誤差を補正するための位置補正べクトルを算出する。

一方、誤差データ 3 4の姿勢誤差 3 4 bからは、ステップ S 5において姿勢補正値を算出する。ステップ S 6では、ステップ S 5で求めた姿勢補正値を、ステップ S 3 において読み取った指令姿勢に加算して補正後の姿勢を求める。ステップ S 7では、ステップ S 6 で求めた補正後の姿勢と工具の突き出し長から補正後の指令点を求める。

ステップ S 4では、ステップ S 3で読み取った指令姿勢と工具の突き出し長から補正前の指令点を求める。ステップ S 8では、ステップ S 7で求めた補正後の指令点からステップ S 4で求めた補正前の指令点を減算して姿勢誤差を補正するための指令点の位置の補正ベクトルを算出する。これを姿勢補正ベクトルと呼ぶ。

姿勢補正べクトルは、主軸に保持されている工具を基端を制御点とした場合、制御点を支点として姿勢誤差を補正するように回転送り軸を回転させたときに、工具の先端が移動する大きさと方向を表すべクトルである。最後に、ステップ S 9において、ステップ S 8で求めた姿勢補正べクトルとステップ S 2で求めた位置補正べクトルを加算する。本発明における指令点とは工具の先端の位置（工具先端位置）のことであり、工具先端位置とは、実際の工具の先端の位置、工具の先端部の加工点の位置、ポールエンドミルの先端部の半球の中心等のことである。

前述のように工具先端位置の誤差を直線送り軸の移動のみによつて補正するので、姿勢誤差 3 4 bの補正をするとき回転送り軸が回転せず、特異点問題を回避することができる。

このように本実施の形態によれば、複数の回転送り軸を有するェ作機械の位置誤差及び姿勢誤差を測定して、エラ一マップを作成することができる。また、作成されたエラ一マップは、位置誤差及び姿勢誤差が別々の誤差デ一夕として記憶されているため、この誤差デ一夕に基づいて位置指令を補正することで、工具先端位置を目標位置に高精度に位置決めすることができ、高精度に加工することができる。

なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、本実施形態では、数値制御装置 2 0が、測定装置 5 0で測定された測定データと測定点の座標とに基づいて測定点の位置誤差及び姿勢誤差を演算する演算部と、この演算部で演算した位置誤差及び姿勢誤差を直線送り軸の位置及び回転送り軸の回転角度に対応させて記憶する誤差データ記憶手段 2 5 と、を備えているが、数値制御装置 2 0 に代わるパーソナルコンピュータやその他の装置が演算部や誤差データ記憶手段 2 5を備えることも可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 直線送り軸及び回転送り軸を有して主軸とテーブルとが相対移動可能に構成された数値制御工作機械のエラーマップ作成方法において、

前記直線送り軸及び前記回転送り軸の可動範囲に複数の測定点を定める工程と、

各測定点における前記主軸と前記テーブルとの相対位置及び相対姿勢を測定する工程と、

各測定点の位置誤差及び/又は姿勢誤差を求める工程と、前記位置誤差及び前記姿勢誤差を前記直線送り軸の位置及び前記回転送り軸の回転角度に対応して記憶する工程と、

を含むことを特徴とした、数値制御工作機械のエラーマップ作成方法。

2 . 前記複数の測定点を定める工程は、前記直線送り軸の可動範囲内に複数の測定領域を定め、各測定領域に前記測定点を定め、それぞれの測定領域の少なくとも一つの前記測定点は、隣の測定領域の測定点と前記直線送り軸の座標位置とが同一になるように測定点を定める、請求項 1 に記載の数値制御工作機械のエラーマップ作成方法。

3 . 前記複数の測定点を定める工程は、隣り合う測定点の間隔が一定になるように、又は隣り合う測定点の位置誤差又は姿勢誤差の差が一定になるように測定点を定める、請求項 1又は 2に記載の数値制御工作機械のエラーマツプ作成方法。

4 . 前記相対位置及び相対姿勢を測定する工程は、前記主軸及び前記テーブルの一方に設けられた外形寸法が既知の基準球と他方に設けられた変位センサとを有した測定装置を用い、前記回転送り軸を動作させたときに前記基準球の中心と前記変位センサとの相対位置が理論的に変化しないように前記直線送り軸を制御しながら、前記回転送り軸を複数の測定点に位置決めし、前記変位センサで各測定点における前記基準球の位置の変位を測定し、測定した前記位置の変位と測定時の座標値とから前記相対位置及び前記相対姿勢を求める、請求項 1ないし 3のいずれか 1項に記載の数値制御工作機械のエラーマップ作成方法。

5 . 前記相対位置及び相対姿勢を測定する工程は、前記回転送り軸を複数の回転角度に位置決めして前記テーブルに取り付けられたテストピース又はワークを加工し、前記回転送り軸を前記複数の回転角度のうち 1つの回転角度に位置決めし、前記 1つの回転角度で加工したときの加工面と他の回転角度で加工したときの加工面との位置の変位を測定し、測定した前記位置の変位と測定時の座標値とから前記相対位置及び前記相対姿勢を求める、請求項 1ないし 3 のいずれか 1項に記載の数値制御工作機械のエラ一マップ作成方法。

6 . 前記相対位置及び相対姿勢を測定する工程は、前記回転送り軸を複数の回転角度に位置決めし、それぞれの回転角度で前記テ一ブルに取り付けられたテストピース又はワークの 3面を加工し、前記回転送り軸を前記複数の回転角度のうちの 1つの回転角度に位置決めし、前記 1つの回転角度で加工したときの 3つの加工面と他の回転角度で加工したときの 3つの加工面との位置の差及び傾きの差を前記主軸に取り付けられたタツチプローブで測定し、測定した前記位置の差及び傾きの差と測定時の機械座標値とから前記相対位置及び前記相対姿勢を求める、請求項 1ないし 3のいずれか 1項に記載の数値制御工作機械のエラーマツプ作成方法。

7 . 直線送り軸及び回転送り軸を有して主軸とテーブルとが相対移動可能に構成された数値制御工作機械のエラーマツプ作成方法において、

前記定めた測定点で前記回転送り軸を複数の回転角度に位置決めし、該位置決めしたそれぞれの回転角度で前記テーブルに取り付けられた直方体のテストピース又はワークの直交する 3面を加工する工程と、

前記回転送り軸を前記複数の回転角度のうち 1つの回転角度に位置決めして加工したときの加工面の傾きを他の回転角度に位置決めして測定し、各回転角度における姿勢誤差を求める工程と、

加工したテストピース又はワークの加工面を測定し、それぞれの回転角度毎に該回転角度で加工した加工面を含む 3平面の交点の位置を求める工程と、

前記回転送り軸を前記 1つの回転角度に位置決めして加工したときの加工面を含む 3平面の交点と他の回転角度に位置決めして加工したときの加工面を含む 3平面の交点との位置の差及び前記姿勢誤差から各測定点における位置誤差を求める工程と、

前記位置誤差及び前記姿勢誤差を前記直線送り軸の位置及び前記回転送り軸の回転角度に対応して記憶する工程と、

8 . 直線送り軸及び回転送り軸を有して主軸とテーブルとが相対移動可能に構成された数値制御工作機械のエラーマツプ作成方法において、

加工したテストピース又はワークの加工面を測定し、それぞれの回転角度毎に該回転角度で加工した加工面の傾き及び該加工面を含む 3平面の交点の位置を求める工程と、

前記回転送り軸を前記複数の回転角度のうち 1つの回転角度に位置決めして加工したときの加工面の傾きと他の回転角度に位置決めして加工したときの加工面の傾きとの差から各測定点における姿勢誤差を求める工程と、

前記回転送り軸を前記 1つの回転角度に位置決めして加工したときの加工面を含む 3平面の交点と他の回転角度に位置決めして加工したときの加工面を含む 3平面の交点との位置の差及び前記求めた姿勢誤差から各測定点における位置誤差を求める工程と、

9 . 直線送り軸及び回転送り軸を有して主軸とテーブルとが相対移動可能に構成された数値制御工作機械のエラーマップ作成装置において、

前記主軸及び前記テーブルの一方に設けられた基準球と他方に設けられたセンサとを有し、所望の測定点で前記センサにより前記基準球の位置を測定する測定装置と、

前記測定装置で測定した測定データと前記測定点の座標値とに基づいて、前記測定点の位置誤差及び姿勢誤差を演算する演算部と、前記演算部で演算した位置誤差及び姿勢誤差を前記測定点における前記直線送り軸の位置及び前記回転送り軸の回転角度に対応させて記憶する記憶部と、

を具備することを特徴とした、数値制御工作機械のエラーマップ作成装置。

1 0 . 直線送り軸及び回転送り軸を有して主軸とテーブルとが相対移動可能に構成された数値制御工作機械において、

を具備することを特徴とした、エラ一マップ作成機能を有した数値制御工作機械。

1 1 . 直線送り軸及び回転送り軸を有して主軸とテーブルとが相対移動可能に構成された数値制御工作機械において、

前記テ一ブルに取り付けられたテストピース又はワークと、前記主軸に設けられたセンサを有し、所望の測定点で前記センサにより前記テストピース又はワークの加工面を測定する測定装置と前記測定装置で測定した測定データと前記測定点の座標値とに基づいて、前記測定点の位置誤差及び姿勢誤差を演算する演算部と、前記演算部で演算した位置誤差及び姿勢誤差を前記測定点における前記直線送り軸の位置及び前記回転送り軸の回転角度に対応させて記憶する記憶部と、を具備することを特徴としたエラーマップ作成機能を有した数値制御工作機械。

1 2 . 前記記憶部に記憶された位置誤差及び姿勢誤差に基づいて前記直線送り軸又は前記回転送り軸の指令位置又は位置指令を補正する補正部を更に具備する、請求項 1 0又は 1 1 に記載のエラーマップ作成機能を有した数値制御工作機械。