WO2017043127A1 - 数値制御装置 - Google Patents
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Abstract
工具の先端位置を三次元空間内で高精度に位置決め可能な数値制御装置を提供する。数値制御装置(1)は位置補正部(5)及び誤差データ記憶部(10)を備える。誤差データ記憶部(10)は、X,Y,Zの各軸におけるX軸まわりの角度誤差(Eax,Eay,Eaz)、Y軸まわりの角度誤差(Ebx,Eby,Ebz)、及びZ軸まわりの角度誤差(Ecx,Ecy,Ecz)に係る誤差データを記憶する。位置補正部(5)は、指令位置(Ix,Iy,Iz)、誤差データ及び使用工具の工具長データを基に、工具長に応じた修正量(Mx,My,Mz)を算出して、指令位置(Ix,Iy,Iz)に対する補正量(Cx,Cy,Cz)を修正し、修正した補正量で指令位置(Ix,Iy,Iz)を補正する。
Description
本発明は、主軸の軸線に沿ったZ軸、並びに前記Z軸に直交し且つ相互に直交するX軸及びY軸の各送り軸を備えた工作機械の、当該各送り軸を数値制御する数値制御装置に関する。
従来、工作機械の運動誤差要因として、X軸、Y軸及びZ軸の各送り軸についての位置決め誤差、各送り軸の真直度、並びに、三次元空間内における主軸の姿勢誤差などが考慮されており、このような運動誤差を補償する数値制御装置として、従来、特開平8-152909号公報(下記特許文献1)に開示される数値制御装置が提案されている。
この数値制御装置は、特許文献1に開示されるように、座標系を各座標軸方向に一定間隔の格子状領域に分割し、この格子状領域の格子点において予め測定された格子点補正ベクトルを格納する格子点補正ベクトル記憶手段と、移動指令に応じて各送り軸の補間パルスを出力する補間手段と、補間パルスを加算して各送り軸における現在位置を認識する現在位置認識手段と、現在位置における現在位置補正ベクトルを格子点補正ベクトルに基づいて算出する現在位置補正ベクトル算出手段と、現在位置補正ベクトルを、補間前の旧現在位置における始点位置補正ベクトルと比較し、変化量を補正パルスとして出力する補正パルス出力手段と、補正パルスを補間パルスに加算する加算手段とを備えている。
そして、この数値制御装置によれば、補間パルスが出力されるごとに、現在位置における三次元補正ベクトルを求め、これを補正パルスとして補間パルスに加算するようにしているので、機械系に起因した三次元空間上の位置誤差を、一つの補間形の誤差補正機能で補正することができる。
尚、上記格子状領域の各格子点における格子点補正ベクトルは、前記各送り軸についてこれらを一定間隔で位置決め制御したときの、主軸の軸線上に適宜設定された基準位置の三次元空間内における位置決め誤差を測定することによって得られる。また、測定は、一般的には、レーザ干渉計、レーザ測長器やオートコリメータなどを用いて行われる。また、前記基準位置は、一般的には、例えば、主軸の軸線と主軸前端面とが交差する位置や、主軸軸線において主軸前端面から所定距離だけ前方の位置に設定され、測定方法によって適宜決定される。
ところで、加工プログラムで指令される指令位置は、通常、加工ポイント、即ち、主軸軸線上における工具の先端位置が想定されている。したがって、数値制御装置の位置決め制御においては、使用する工具の長さに応じて、その相異分(変動分)を補償する必要がある。そして、従来、このような補償を実現するために、一般的には、上記基準位置から工具先端までの長さを工具オフセット量とし、この工具オフセット量を各工具について予め設定して、使用される工具に応じて、その工具オフセット量分だけ、前記指令位置を工具の長手方向であるZ軸方向にオフセットするようにしている。
例えば、図10に示すように、X軸-Z軸平面で見たときに、上記基準位置Rから工具先端Ttまでの長さ、即ち、工具オフセット量をLとすると、加工プログラム上の指令位置P1(x1,z1)は、工具の長手方向であるZ軸方向において、そのプラス方向に工具オフセット量Lだけオフセットされた位置P1’(x1’,z1’)となる。
x1’=x1
z1’=z1+L
x1’=x1
z1’=z1+L
尚、図10では、説明が容易になるように、X軸-Z軸の二次元平面における関係を示している。因みに、この二次元平面において、運動誤差は、上記基準位置Rについて測定されるので、X軸-Z軸平面において、オフセットされた位置P1’(x1’,z1’)に対して、上記基準位置Rが位置P1”(x1”,z1”)に位置しているとすると、位置決め誤差を補償するための補正値Cx1、Cz1は、それぞれ以下により計算される。
Cx1=x1’-x1”=x1-x1”
Cz1=z1’-z1”=z1+L-z1”
Cx1=x1’-x1”=x1-x1”
Cz1=z1’-z1”=z1+L-z1”
ところが、上述した従来の数値制御装置では、各送り軸についての位置決め誤差、各送り軸の真直度、並びに三次元空間内における主軸の姿勢誤差については、その誤差を補正することができるようになっているが、工具の長さに起因した位置決め誤差の補正については、依然として、工具長に応じたZ軸方向の工具オフセットのみに依存しており、この面において正確な位置決めを行うことができないという問題があった。
図11は、図10と同じく、説明が容易になるように、X軸-Z軸の二次元平面における関係を示しているが、この図11に示すように、主軸Sの姿勢に誤差が生じ、当該主軸SがZ軸に対して角度θだけ傾いているとすると、工具の先端位置Ttは、図10に示した位置から、X軸方向にL・sinθだけ変位するとともに、Z軸方向にL・(1-cosθ)だけ変位することになる。
したがって、この変位量を補正しなければ、工具先端Ttの正確な位置決めは実現されない。言い換えれば、工具先端Ttの高精度な位置決めを実現するには、かかる工具長に起因した誤差を補正する必要があるのである。しかしながら、上記従来の数値制御装置では、このような工具長に起因した位置決め誤差を補正することができなかった。
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、主軸に装着された工具の先端位置を、三次元空間内においてより高精度に位置決めすることができる数値制御装置の提供を、その目的とする。
上記課題を解決するための本発明は、
工具を保持する主軸を備えるとともに、該主軸の軸線に沿った方向のZ軸、並びに該Z軸に直交し且つ相互に直交するX軸及びY軸の各基準軸に対応する送り軸を備えた工作機械の前記各送り軸を数値制御する数値制御装置であって、
前記各送り軸における、前記X軸まわりの角度誤差Eax,Eay,Eaz、前記各送り軸における、前記Y軸まわりの角度誤差Ebx,Eby,Ebz、及び前記各送り軸における、前記Z軸まわりの角度誤差Ecx,Ecy,Eczに係る成分を含んだ誤差データを記憶する誤差データ記憶部と、
前記各送り軸に対する指令位置Ix,Iy,Izを、該各指令位置Ix,Iy,Izに対応する補正量Cx,Cy,Czによって補正する位置補正部とを備えた数値制御装置において、
前記位置補正部は、更に、前記各送り軸に対する指令位置Ix,Iy,Izと、前記誤差データ記憶部に記憶された誤差データと、加工に使用する工具の工具長に係るデータとを基に、該工具長に応じた修正量であって、前記各送り軸の前記補正量Cx,Cy,Czに対する修正量Mx,My,Mzを下式によって算出し、算出した修正量Mx,My,Mzによって前記補正量Cx,Cy,Czを修正するように構成された数値制御装置に係る。
Mx=-(Ecx+Ecy+Ecz)・Ly+(Ebx+Eby+Ebz)・Lz
My=-(Eax+Eay+Eaz)・Lz+(Ecx+Ecy+Ecz)・Lx
Mz=-(Ebx+Eby+Ebz)・Lx+(Eax+Eay+Eaz)・Ly
工具を保持する主軸を備えるとともに、該主軸の軸線に沿った方向のZ軸、並びに該Z軸に直交し且つ相互に直交するX軸及びY軸の各基準軸に対応する送り軸を備えた工作機械の前記各送り軸を数値制御する数値制御装置であって、
前記各送り軸における、前記X軸まわりの角度誤差Eax,Eay,Eaz、前記各送り軸における、前記Y軸まわりの角度誤差Ebx,Eby,Ebz、及び前記各送り軸における、前記Z軸まわりの角度誤差Ecx,Ecy,Eczに係る成分を含んだ誤差データを記憶する誤差データ記憶部と、
前記各送り軸に対する指令位置Ix,Iy,Izを、該各指令位置Ix,Iy,Izに対応する補正量Cx,Cy,Czによって補正する位置補正部とを備えた数値制御装置において、
前記位置補正部は、更に、前記各送り軸に対する指令位置Ix,Iy,Izと、前記誤差データ記憶部に記憶された誤差データと、加工に使用する工具の工具長に係るデータとを基に、該工具長に応じた修正量であって、前記各送り軸の前記補正量Cx,Cy,Czに対する修正量Mx,My,Mzを下式によって算出し、算出した修正量Mx,My,Mzによって前記補正量Cx,Cy,Czを修正するように構成された数値制御装置に係る。
Mx=-(Ecx+Ecy+Ecz)・Ly+(Ebx+Eby+Ebz)・Lz
My=-(Eax+Eay+Eaz)・Lz+(Ecx+Ecy+Ecz)・Lx
Mz=-(Ebx+Eby+Ebz)・Lx+(Eax+Eay+Eaz)・Ly
但し、Lx,Ly及びLzは、工作機械の主軸に装着された工具の先端位置の、予め設定された基準位置からの偏差であって、LxはX軸方向の偏差、LyはY軸方向の偏差、LzはZ軸方向の偏差である。
尚、Mx、My及びMzを算出するための上式において、前の項の正負及び後の項の正負は、それぞれ、前記X軸,Y軸及びZ軸の正負の方向に応じて決定されるものである。
本発明の数値制御装置によれば、前記位置補正部により、前記X軸,Y軸,Z軸に対する指令位置Ix,Iy,Izが、該各指令位置Ix,Iy,Izに対応する補正量(工作機械の三次元空間内における運動誤差を補償する補正量)Cx,Cy,Czによって補正され、このような補正によって、工作機械の三次元空間内における運動誤差が高精度に補償される。
そして、前記位置補正部は、更に、前記各送り軸に対する指令位置Ix,Iy,Izと、前記誤差データ記憶部に記憶された誤差データと、加工に使用する工具の工具長に係るデータとを基に、該工具長に応じた修正量であって、前記各送り軸の前記補正量Cx,Cy,Czに対する修正量Mx,My,Mzを算出し、算出した修正量Mx,My,Mzによって前記補正量Cx,Cy,Czを修正する。尚、この修正量Mx,My,Mzは、三次元空間における主軸の姿勢誤差に起因し、工具の長さに応じて生じる工具先端部の位置誤差を補正するものである。
斯くして、本発明の数値制御装置によれば、工作機械の三次元空間内における運動誤差を補正するとともに、主軸の姿勢誤差と工具長に応じて生じる工具先端部の位置誤差を補正することができるので、三次元空間内における工具の先端位置を、従来に比べてより高精度に位置決め制御することができる。
本発明に係る数値制御装置は、更に、加工に使用する工具の工具長に応じたデータを記憶する工具長データ記憶部を備え、前記位置補正部は、前記工具長データ記憶部に格納されたデータを基に、前記修正量Mx,My,Mzを算出するように構成されていても良い。
また、前記工具長データ記憶部は、工具長に応じて指令位置Ix,Iy,Izをオフセットするための工具オフセット量を記憶するように構成されていても良い。
以上のように、本発明によれば、工作機械の三次元空間内における運動誤差を補正するとともに、主軸の姿勢誤差と工具長に応じて生じる工具先端部の位置誤差を補正することができるので、三次元空間内における工具の先端位置を、従来に比べてより高精度に位置決め制御することができる。
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図1には、本発明の一実施形態に係る数値制御装置の概略構成を示し、図2には、この数値制御装置によって制御される工作機械の一例を示している。
図2に示すように、本例の工作機械50は、上面がワーク載置面(所謂テーブル)となったベッド51と、門形をしたフレーム52と、サドル53とから構成される。フレーム52は、その水平部がベッド51の上方に位置するように配設されるとともに、その2つ垂直部がそれぞれベッド51の側部に係合して、全体としてY軸方向に移動可能になっている。また、サドル53は、フレーム52の水平部に係合し、この水平部に沿ってX軸方向に移動可能となっている。更に、このサドル53には、主軸54がZ軸方向に移動可能に、且つ、Z軸と平行な軸線を中心に回転可能に保持されている。
前記X軸、Y軸及びZ軸は、相互に直交する基準軸であり、この基準軸に対応した各送り軸が、図1に示したX軸送り機構55、Y軸送り機構56及びZ軸送り機構57によって構成される。尚、前記X軸送り機構55は、ボールねじ(図示せず)、ボールナット(図示せず)及びこのボールねじ(図示せず)を駆動するX軸サーボモータ55aなどから構成され、前記サドル53をX軸方向に移動させる。
前記Y軸送り機構56も同様に、ボールねじ(図示せず)、ボールナット(図示せず)及びこのボールねじ(図示せず)を駆動するY軸サーボモータ56aなどから構成され、前記フレーム52をY軸方向に移動させる。
更に、前記Z軸送り機構57も同様に、ボールねじ(図示せず)、ボールナット(図示せず)及びこのボールねじ(図示せず)を駆動するZ軸サーボモータ57aなどから構成され、前記主軸54をZ軸方向に移動させる。
図1に示すように、本例の数値制御装置1は、プログラム記憶部2、プログラム解析部3、位置指令部4、位置補正部5、工具オフセット記憶部9、誤差データ記憶部10、X軸制御部11、Y軸制御部12及びZ軸制御部13といった機能部を備えて構成される。
前記プログラム記憶部2は、工作機械50による加工を実行するための加工プログラムを記憶する機能部である。尚、加工プログラムには、送り軸である前記X軸送り機構55、Y軸送り機構56及びZ軸送り機構57についての移動位置及び送り速度に係る指令、主軸54の回転に係る指令や、使用工具に係る工具番号等が含まれている。
前記工具オフセット記憶部9は、加工に使用される複数の工具について、その工具長に応じて設定されるオフセット量を記憶する機能部である。尚、本例では、工具オフセット量は、具体的には、図10に示すように、主軸S(本例の主軸54に相当)の軸線上に設定された基準位置Rから工具Tの先端Ttまでの距離Lとしている。また、図2では具体的に図示していないが、工作機械50には、複数の工具が格納される工具マガジン、及びこの工具マガジンに格納された工具を主軸54に装着する工具交換装置が付設されており、前記加工プログラムが実行されると、当該加工プログラム中に指令される工具が、この工具交換装置によって、主軸54に装着される。
前記誤差データ記憶部10は、前記X軸送り機構55,Y軸送り機構56及びZ軸送り機構57におけるX軸,Y軸及びZ軸方向の位置決め誤差Exx,Eyy,Ezz、前記X軸送り機構55,Y軸送り機構56及びZ軸送り機構57における真直誤差Eyx,Ezx,Exy,Ezy,Exz,Eyz、前記X軸送り機構55,Y軸送り機構56及びZ軸送り機構57における前記X軸まわりの角度誤差Eax,Eay,Eaz、前記X軸送り機構55,Y軸送り機構56及びZ軸送り機構57における前記Y軸まわりの角度誤差Ebx,Eby,Ebz、及び前記X軸送り機構55,Y軸送り機構56及びZ軸送り機構57における前記Z軸まわりの角度誤差Ecx,Ecy,Eczに係る誤差データを記憶する機能部である。
より正確には、上記各誤差は以下のように定義される。
Exx;X軸送り機構55のX軸方向における位置決め誤差
Eyy;Y軸送り機構56のY軸方向における位置決め誤差
Ezz;Z軸送り機構57のZ軸方向における位置決め誤差
Eyx;X軸送り機構55のX軸-Y軸平面における真直誤差
Ezx;X軸送り機構55のX軸-Z軸平面における真直誤差
Exy;Y軸送り機構56のY軸-X軸平面における真直誤差
Ezy;Y軸送り機構56のY軸-Z軸平面における真直誤差
Exz;Z軸送り機構57のZ軸-X軸平面における真直誤差
Eyz;Z軸送り機構57のZ軸-Y軸平面における真直誤差
Eax;X軸送り機構55におけるX軸まわりの角度誤差
Eay;Y軸送り機構56におけるX軸まわりの角度誤差
Eaz;Z軸送り機構57におけるX軸まわりの角度誤差
Ebx;X軸送り機構55におけるY軸まわりの角度誤差
Eby;Y軸送り機構56におけるY軸まわりの角度誤差
Ebz;Z軸送り機構57におけるY軸まわりの角度誤差
Ecx;X軸送り機構55におけるZ軸まわりの角度誤差
Ecy;Y軸送り機構56におけるZ軸まわりの角度誤差
Ecz;Z軸送り機構57におけるZ軸まわりの角度誤差
Exx;X軸送り機構55のX軸方向における位置決め誤差
Eyy;Y軸送り機構56のY軸方向における位置決め誤差
Ezz;Z軸送り機構57のZ軸方向における位置決め誤差
Eyx;X軸送り機構55のX軸-Y軸平面における真直誤差
Ezx;X軸送り機構55のX軸-Z軸平面における真直誤差
Exy;Y軸送り機構56のY軸-X軸平面における真直誤差
Ezy;Y軸送り機構56のY軸-Z軸平面における真直誤差
Exz;Z軸送り機構57のZ軸-X軸平面における真直誤差
Eyz;Z軸送り機構57のZ軸-Y軸平面における真直誤差
Eax;X軸送り機構55におけるX軸まわりの角度誤差
Eay;Y軸送り機構56におけるX軸まわりの角度誤差
Eaz;Z軸送り機構57におけるX軸まわりの角度誤差
Ebx;X軸送り機構55におけるY軸まわりの角度誤差
Eby;Y軸送り機構56におけるY軸まわりの角度誤差
Ebz;Z軸送り機構57におけるY軸まわりの角度誤差
Ecx;X軸送り機構55におけるZ軸まわりの角度誤差
Ecy;Y軸送り機構56におけるZ軸まわりの角度誤差
Ecz;Z軸送り機構57におけるZ軸まわりの角度誤差
上記各誤差は、例えば、図2に示すような、レーザ測長器101を用いた測定結果から得られる。具体的には、ベッド51上にレーザ測長器101を配設するとともに、主軸54にミラー102を装着した状態で、前記X軸送り機構55、Y軸送り機構56及びZ軸送り機構57について、それぞれを一定間隔毎に位置決め制御することにより、三次元空間内を前記一定間隔で格子状に分割した各格子点に前記ミラー102を位置決めし、各格子点において、レーザ測長器101からミラー102にレーザ光を照射するとともに、その反射光をレーザ測長器101に受光することによって、当該レーザ測長器101によりミラー102との間の距離を測長する。
ついで、レーザ測長器101を他の異なる2点以上の位置(例えば、図2において破線で示した位置)にレーザ測長器101を設置し、また、ミラー102についても少なくとも1ヶ所のレーザ測長器101に対して、上記の位置とは異なる位置に設置して、上記と同様にして、三次元空間内の各格子点に前記ミラー102を位置決めしながら、各格子点において、レーザ測長器101によりミラー102との間の距離を測長する。
そして、以上のようにして得られた測定データを基に、三辺測量法の原理に従って、三次元空間内の前記各格子点におけるミラー102の位置を算出し、算出された位置データ及び当該位置データを解析することによって、上記各誤差が得られる。尚、このミラー102の位置の一つが主軸54の軸線上に設定される基準位置(図10及び図11に示した基準位置Rに相当)となる。
以上のようにして得られるミラー102の各格子点における位置データ(位置決め誤差、以下同様)の一例を図6~図8に示しており、図6は、或るX-Z平面における格子点の位置データを示し、図7は、或るY-Z平面における格子点の位置データを示し、図8は、或るX-Y平面における格子点の位置データを示している。また、かかる位置データから得られる上記各誤差を図3~図5に示す。図3はX軸送り機構55における各誤差、図4は、Y軸送り機構56における各誤差、図5は、Z軸送り機構57における各誤差を示している。前記誤差データ記憶部10には、このような誤差データが格納される。
前記プログラム解析部3は、前記プログラム記憶部2に格納された加工プログラムを読み出して、これを実行する機能部であり、加工プログラム中に含まれる動作指令を認識して、認識した動作指令を位置指令部4に送信する処理を行う。この加工プログラム中の動作指令には、少なくとも前記X軸送り機構55,Y軸送り機構56及びZ軸送り機構57の各送り軸方向の移動位置及び送り速度に係る指令が含まれる。
前記位置指令部4は、前記プログラム解析部3から受信した前記X軸送り機構55,Y軸送り機構56及びZ軸送り機構57に係る動作指令を基に、それぞれについての所謂機械座標系に係る位置指令を生成する。その際、位置指令部4は、前記工具オフセット記憶部58に格納された工具オフセット量の内、現在の使用工具について設定された工具オフセット量を基に、これらを考慮した、即ち、指令位置を工具オフセット量だけZ軸方向にオフセットした位置指令を生成する。尚、工具オフセットの意義については、図10を基に説明した上述の通りである。
そして、位置指令部4は、このようにして生成したX軸送り機構55に係る位置指令Ix(以下、指令位置Ixともいう)をX軸制御部11に送信し、Y軸送り機構56に係る位置指令Iy(以下、指令位置Iyともいう)をY軸制御部12に送信し、Z軸送り機構57に係る位置指令Iz(以下、指令位置Izともいう)をZ軸制御部13に送信するとともに、これらの位置指令Ix,Iy,Izを位置補正部5にも送信する。また、位置指令部4は、前記プログラム解析部3から使用工具に係る指令を受信した場合には、当該工具情報を位置補正部5に送信する。
前記位置補正部5は、図1に示すように、補正量算出部6、修正量算出部7及び修正補正量算出部8から構成される。
前記補正量算出部6は、前記位置指令部4から受信した前記X軸送り機構55に係る指令位置Ix、Y軸送り機構56に係る指令位置Iy及びZ軸送り機構57に係る指令位置Izを基に、前記誤差データ記憶部10に格納された誤差データを参照して、指令位置Ix,Iy,Izに対する補正量Cx,Cy,Czを算出する機能部である。具体的には、指令位置Ix,Iy,Izが各格子点に当たる場合には、前記誤差データ記憶部10に格納された当該格子点における誤差データを基に、X軸,Y軸及びZ軸方向の各誤差を補償する補正量Cx,Cy,Czを算出する。
また、図9に示すように、位置指令Ix,Iy,Izに係る位置Pが格子点P1~P8の間に在る場合には、補正量算出部6は、次式によって補正量Cx,Cy,Czを算出する。
但し、x,y,zは、位置Pの格子点間における内分比であり、Cxn,Cyn,Cznは格子点Pnにおける補正量である(n=1~8)。
前記修正量算出部7は、前記位置指令部4から受信した工具情報(使用工具に係る情報)を基に、前記工具オフセット記憶部9を参照して、当該使用工具に係るオフセット量を読み出し、読み出したオフセット量と、前記誤差データ記憶部10に格納された誤差データとを基に、前記補正量算出部で算出された補正量Cx,Cy,Czに対する修正量Mx,My,Mzを算出する機能部である。
この修正量はMx,My,Mzは、主軸54の姿勢誤差に起因し、使用工具の工具長に応じて生じる誤差分を修正するための修正量であって、それぞれ下式によって算出される。
Mx=-(Ecx+Ecy+Ecz)・Ly+(Ebx+Eby+Ebz)・Lz
My=-(Eax+Eay+Eaz)・Lz+(Ecx+Ecy+Ecz)・Lx
Mz=-(Ebx+Eby+Ebz)・Lx+(Eax+Eay+Eaz)・Ly
Mx=-(Ecx+Ecy+Ecz)・Ly+(Ebx+Eby+Ebz)・Lz
My=-(Eax+Eay+Eaz)・Lz+(Ecx+Ecy+Ecz)・Lx
Mz=-(Ebx+Eby+Ebz)・Lx+(Eax+Eay+Eaz)・Ly
但し、Lx,Ly及びLzは、主軸54に装着された工具の先端位置の、予め設定された主軸軸線上の基準位置からの偏差であって、LxはX軸方向の偏差、LyはY軸方向の偏差、LzはZ軸方向の偏差である。また、前記工具先端位置は、図10及び図11におけるTtが相当する。また、前記基準位置は、上述したように、前記ミラー102の位置であって、図10及び図11に示した位置Rに相当する。
ところで、図11から分かるように、工具先端位置Ttが基準位置RからZ軸方向に偏差Lzで変位している場合には、主軸54の姿勢誤差によって生じる工具先端位置Ttの位置誤差は、X軸-Z軸平面で見ると、X軸方向の誤差が大きく、Z軸方向の誤差は小さい。同様に、X軸-Y軸平面で見ると、Y軸方向の誤差が大きく、Z軸方向の誤差は小さい。したがって、工具先端位置TtのZ軸方向の変位(偏差Lz)は、主にX軸方向とY軸方向の位置誤差を生じさせるものと考えられ、同様に、工具先端位置TtのX軸方向の変位(偏差Lx)は、主にY軸方向とZ軸方向の位置誤差を生じさせるものと考えられ、また、工具先端位置TtのY軸方向の変位(偏差Ly)は、主にX軸方向とZ軸方向の位置誤差を生じさせるものと考えられる。
斯くして、X軸方向の位置誤差は、主軸54の姿勢誤差に起因して生じる偏差Ly及びLzに応じた誤差と見做され、これを補償するための修正量Mxは、上式のように、Lyの補正項及びLzの補正項によって算出される。同様に、Y軸方向の位置誤差は、主軸54の姿勢誤差に起因して生じる偏差Lx及びLzに応じた誤差と見做され、これを補償するための修正量Myは、上式のように、Lxの補正項及びLzの補正項によって算出される。また、Z軸方向の位置誤差は、主軸54の姿勢誤差に起因して生じる偏差Lx及びLyに応じた誤差と見做され、これを補償するための修正量Mzは、上式のようにLxの補正項及びLyの補正項によって算出される。
尚、上式は、工具先端位置Ttが基準位置RからX軸,Y軸及びZ軸方向にそれぞれ変位している場合の修正量算出式であるが、このように、工具先端位置Ttが基準位置RからX軸,Y軸及びZ軸方向にそれぞれ変位する工作機械50の態様としては、主軸54が旋回するように構成されたものを例示することができる。一方、上式において、主軸54が旋回しない構成のように、工具先端位置が主軸軸線上にある場合には、Lx=Ly=0となるため、この場合には、Lzのみを考慮したMx及びMyのみを用いた修正が行われる。
また、Eax,Ebx,Ecx、Eay,Eby,Ecy、Eaz,Ebz,Eczは、位置指令Ix,Iy,Izが各格子点に当たる場合には、前記誤差データ記憶部10に格納された当該格子点における各誤差データとし、図9に示すように、位置指令Ix,Iy,Izに係る位置Pが格子点P1~P8の間に在る場合には、それぞれ下式によって算出される。
Eix=Eix1・(1-x)+Eix2・x
Eiy=Eiy1・(1-y)+Eiy4・y
Eiz=Eiz1・(1-z)+Eiz5・z
Eiy=Eiy1・(1-y)+Eiy4・y
Eiz=Eiz1・(1-z)+Eiz5・z
但し、i=a,b,cである。また、x,y,zは、位置Pの格子点間における内分比であり、Eixn、Eiyn及びEiznは、格子点Pnにおけるそれぞれの誤差量である(n=1~8)。
尚、Mx、My及びMzを算出するための上式において、前の項の正負及び後の項の正負は、それぞれ、前記X軸,Y軸及びZ軸の正負の方向に応じて決定されるものである。
前記修正補正量算出部8は、前記補正量算出部6によって算出された位置指令Ix,Iy,Izに対する補正量Cx,Cy,Czと、前記修正補正量算出部7によって算出された位置指令Ix,Iy,Izに対する修正量Mx,My,Mzとを基に、位置指令Ix,Iy,Izに対する修正補正量Cx’,Cy’,Cz’を算出し、算出した修正補正量Cx’,Cy’,Cz’を前記位置指令部4からX軸制御部11,Y軸制御部12及びZ軸にそれぞれ送信される位置指令Ix,Iy,Izに加算する機能部である。具体的には、修正補正量算出部8は、修正補正量Cx’を位置指令Ixに加算し、修正補正量Cy’を位置指令Iyに加算し、修正補正量Cz’を位置指令Izに加算する。
尚、修正補正量Cx’,Cy’,Cz’は次式による。
Cx’=Cx+Mx
Cy’=Cy+My
Cz’=Cz+Mz
Cx’=Cx+Mx
Cy’=Cy+My
Cz’=Cz+Mz
前記X軸制御部11は、位置指令部4から送信され、位置補正部5によって補正された位置指令(Ix+Cx’)に従ってX軸送り機構55のX軸サーボモータ55aをフィードバック制御する。同様に、前記Y軸制御部12は、位置指令部4から送信され、位置補正部5によって補正された位置指令(Iy+Cy’)に従ってY軸送り機構56のY軸サーボモータ56aをフィードバック制御する。更に、前記Z軸制御部13も同様に、位置指令部4から送信され、位置補正部5によって補正された位置指令(Iz+Cz’)に従ってZ軸送り機構57のZ軸サーボモータ57aをフィードバック制御する。
以上の構成を備えた本例の数値制御装置1によれば、前記プログラム記憶部2に格納された加工プログラムを起動する実行信号が外部から入力されることによって、処理が開始される。
即ち、前記実行信号が外部から入力されると、まず、前記プログラム解析部3によって、対応する加工プログラムが前記プログラム記憶部2から読み出されて順次解析され、当該加工プログラム中に含まれる動作指令が順次認識され、認識された動作指令が順次位置指令部4に送信される。
そして、送信される動作指令が前記X軸送り機構55,Y軸送り機構56及びZ軸送り機構57に係る移動位置及び送り速度である場合には、当該位置指令部4は、それぞれについての所謂機械座標系に係る位置指令Ix,Iy,Izを順次生成して、それぞれ位置指令IxをX軸制御部11に送信し、位置指令IyをY軸制御部12に送信し、位置指令IzをZ軸制御部13に送信する。その際、位置指令部4は、現在の使用工具に係る工具オフセット量を前記工具オフセット記憶部58から読み出し、この工具オフセット量を考慮した位置指令Ix,Iy,Izを生成する。
一方、前記位置補正部5では、その前記補正量算出部6により、前記位置指令部4から受信した前記位置指令Ix,Iy,Izを基に、前記誤差データ記憶部10に格納された誤差データを参照して、当該位置指令Ix,Iy,Izに対する補正量Cx,Cy,Czが算出される。
また、前記修正量算出部7により、前記位置指令部4から受信した工具情報(使用工具に係る情報)を基に、前記工具オフセット記憶部9を参照して、当該使用工具に係るオフセット量を読み出し、読み出したオフセット量と、前記誤差データ記憶部10に格納された誤差データとを基に、前記補正量算出部6で算出された補正量Cx,Cy,Czに対する修正量Mx,My,Mzが算出される。
そして、前記修正補正量算出部8により、前記補正量算出部6で算出された補正量Cx,Cy,Czと、前記修正補正量算出部7で算出された修正量Mx,My,Mzとを基に、位置指令Ix,Iy,Izに対する修正補正量Cx’,Cy’,Cz’が算出され、それぞれ修正補正量Cx’が位置指令Ixに加算され、修正補正量Cy’が位置指令Iyに加算され、修正補正量Cz’が位置指令Izに加算されることによって、位置指令Ix,Iy,Izが補正される。
斯くして、X軸制御部11は、補正された位置指令(Ix+Cx’)に従ってX軸サーボモータ55aをフィードバック制御し、前記Y軸制御部12は、補正された位置指令(Iy+Cy’)に従ってY軸サーボモータ56aをフィードバック制御し、Z軸制御部13も同様に、補正された位置指令(Iz+Cz’)に従ってZ軸サーボモータ57aをフィードバック制御する。
このように、本例の数値制御装置1によれば、位置補正部5により、前記X軸送り機構55,Y軸送り機構56,Z軸送り機構57に対する指令位置Ix,Iy,Izと、前記誤差データ記憶部10に記憶された誤差データとを基に、前記指令位置Ix,Iy,Izに対する補正量Cx,Cy,Czが算出されるとともに、算出された補正量Cx,Cy,Czによって対応する指令位置Ix,Iy,Izが補正され、このような補正によって、工作機械50の三次元空間内における運動誤差が高精度に補償される。
そして、位置補正部5は、更に、前記指令位置Ix,Iy,Izと、前記誤差データ記憶部10に記憶された誤差データと、加工に使用する工具の工具長に係る工具オフセット量とを基に、当該工具長に応じた修正量であって、前記補正量Cx,Cy,Czに対する修正量Mx,My,Mzを算出し、算出した修正量Mx,My,Mzによって前記補正量Cx,Cy,Czを修正するようにしているので、主軸54の姿勢誤差と工具長に応じて生じる工具先端部の位置誤差を補正することができ、三次元空間内における工具の先端位置を、従来に比べてより高精度に位置決め制御することができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明が採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。
例えば、上例の前記補正量算出部6では、可動領域を一定間隔毎の格子点に分割し、各格子点における位置決め誤差を基に、補間処理によって任意の指令位置(x,y,z)の誤差を算出して、これを補償する補正量を算出するようにしたが、これに限られるものではなく、幾何学モデルを用い、指令位置(x,y,z)に応じて、幾何学モデルから誤差を予測るようにしても良い。
また、誤差データ記憶部10に格納される誤差データは、上述した誤差データそのものに限られるものではなく、これらの誤差成分を抽出可能な状態で含むデータ(例えば、ベクトルデータ)であっても良い。
また、上例では、前記補正量Cx,Cy,Czを、位置補正部5、具体的には補正量算出部6によって算出するように構成したが、これに限られるものではなく、この補正量Cx,Cy,Czを予め算出して前記誤差データ記憶部10などの適宜記憶部に格納するように構成しても良い。この場合、前記補正量算出部6は特に設ける必要はなく、例えば、前記修正補正量算出部8において、指令位置Ix,Iy,Izに応じた補正量Cx,Cy,Czを前記記憶部から読み出するとともに、読み出した補正量Cx,Cy,Czを、前記修正量算出部7によって算出された修正量Mx,My,Mzで修正するように構成しても良い。
1 数値制御装置
2 プログラム記憶部
3 プログラム解析部
4 位置指令部
5 位置補正部
6 補正量算出部
7 修正量算出部
8 修正補正量算出部
9 工具オフセット記憶部
10 誤差データ記憶部
11 X軸制御部
12 Y軸制御部
13 Z軸制御部
55 X軸送り機構
55a X軸サーボモータ
56 Y軸送り機構
56a Y軸サーボモータ
57 Z軸送り機構
57a Z軸サーボモータ
2 プログラム記憶部
3 プログラム解析部
4 位置指令部
5 位置補正部
6 補正量算出部
7 修正量算出部
8 修正補正量算出部
9 工具オフセット記憶部
10 誤差データ記憶部
11 X軸制御部
12 Y軸制御部
13 Z軸制御部
55 X軸送り機構
55a X軸サーボモータ
56 Y軸送り機構
56a Y軸サーボモータ
57 Z軸送り機構
57a Z軸サーボモータ
Claims (3)
- 工具を保持する主軸を備えるとともに、該主軸の軸線に沿った方向のZ軸、並びに該Z軸に直交し且つ相互に直交するX軸及びY軸の各基準軸に対応する送り軸を備えた工作機械の前記各送り軸を数値制御する数値制御装置であって、
前記各送り軸における、前記X軸まわりの角度誤差Eax,Eay,Eaz、前記各送り軸における、前記Y軸まわりの角度誤差Ebx,Eby,Ebz、及び前記各送り軸における、前記Z軸まわりの角度誤差Ecx,Ecy,Eczに係る成分を含んだ誤差データを記憶する誤差データ記憶部と、
前記各送り軸に対する指令位置Ix,Iy,Izを、該各指令位置Ix,Iy,Izに対応する補正量Cx,Cy,Czによって補正する位置補正部とを備えた数値制御装置において、
前記位置補正部は、更に、前記各送り軸に対する指令位置Ix,Iy,Izと、前記誤差データ記憶部に記憶された誤差データと、加工に使用する工具の工具長に係るデータとを基に、該工具長に応じた修正量であって、前記各送り軸の前記補正量Cx,Cy,Czに対する修正量Mx,My,Mzを下式によって算出し、算出した修正量Mx,My,Mzによって前記補正量Cx,Cy,Czを修正するように構成されていることを特徴とする数値制御装置。
Mx=-(Ecx+Ecy+Ecz)・Ly+(Ebx+Eby+Ebz)・Lz
My=-(Eax+Eay+Eaz)・Lz+(Ecx+Ecy+Ecz)・Lx
Mz=-(Ebx+Eby+Ebz)・Lx+(Eax+Eay+Eaz)・Ly
但し、Lx,Ly及びLzは、工作機械の主軸に装着された工具の先端位置の、予め設定された基準位置からの偏差であって、LxはX軸方向の偏差、LyはY軸方向の偏差、LzはZ軸方向の偏差である。 - 前記加工に使用する工具の工具長に応じたデータを記憶する工具長データ記憶部を更に備え、
前記位置補正部は、前記工具長データ記憶部に格納されたデータを基に、前記修正量Mx,My,Mzを算出するように構成されていることを特徴とする請求項1記載の数値制御装置。 - 前記工具長データ記憶部は、工具長に応じて指令位置Ix,Iy,Izをオフセットするための工具オフセット量を記憶するように構成されていることを特徴とする請求項2記載の数値制御装置。
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