JP2010099753A - 工作機械のピッチ誤差補正方法及びピッチ誤差補正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 所望の加工精度誤差を確保可能な工作機械のピッチ誤差補正方法及びピッチ誤差補正装置を提供すること。
【解決手段】 出荷前の調整段階において制御装置５０が、入力した１〜２５ポイントのピッチ誤差測定値Ｐ０からピッチ誤差補正値Ｐ１を算出しテーブルに登録する。出荷先で、制御装置５０が、１〜２５ポイントのピッチ誤差補正値Ｐ１と、顧客が入力したオフセット値をＲＡＭ５３から読み出し（Ｓ１０）、このオフセット値を１〜２５ポイントのピッチ誤差補正値Ｐ１に夫々加算することでピッチ誤差補正値Ｐ１を更新する（Ｓ１１）。
【選択図】 図６

Description

本発明は、工作機械のピッチ誤差補正方法及びピッチ誤差補正装置に関する。

工作機械は、ワークをセットしたテーブルをＸ軸方向とＹ軸方向に移動させる移動機構と、前記テーブルに対して主軸ヘッドをＺ軸方向に昇降駆動する昇降機構と、これら移動機構と昇降機構を制御する数値制御装置とを備えている。

例えば、Ｘ軸移動機構によりテーブルを指令した距離だけＸ方向に正確に移動させることができれば問題はないが、実際には工作機械の各軸移動機構のボールねじシャフトやナット部の製作誤差により送り動作したときの移動量の誤差が発生する。このことはＹ，Ｚ軸移動機構についても同様である。そこで、出荷前の調整段階において工場でメーカーがピッチ誤差を精密に測定し、この測定値を用いてピッチ誤差補正を行っている。

例えば、特許文献１の数値制御工作機械における送りネジピッチ誤差補正方法においては、移動体の原点を基準にした送りネジの一定回転角度毎のピッチ誤差補正値を記憶装置内の補正値テーブルに予め記憶してある。サーボモータの回転により送りネジとナットを介してテーブルが移動し始めると、送りネジの一定回転角度毎にピッチ誤差補正処理を行う。それ故、理論値において加工精度誤差を０μｍにすることができる。
特開昭６１−６７０５号公報

しかし、近年顧客によっては、加工精度誤差を例えば、３μｍにしたいという要望があるが、従来はそのような調整を行うことができなかった。

本発明の目的は、所望の加工精度誤差を確保することができる工作機械のピッチ誤差補正方法及びピッチ誤差補正装置を提供することである。

請求項１の工作機械のピッチ誤差補正方法は、工作機械の送り軸を駆動する駆動手段を制御して所望の加工をワークに施す数値制御装置を備えた工作機械のピッチ誤差補正方法において、前記送り軸について予め設定された補正区間毎にピッチ誤差が０となる補正値を求める第１ステップと、前記第１ステップで求めた補正値と、補正範囲記憶手段に記憶したピッチ誤差の所望の範囲の値とに基づいてピッチ誤差補正値を決定する第２ステップとを備えたことを特徴としている。

この工作機械のピッチ誤差補正方法では、先ず、送り軸について予め設定された補正区間毎にピッチ誤差が０となる補正値を求める。次に、その補正値と、補正範囲記憶手段に記憶したピッチ誤差の所望の範囲の値とに基づいてピッチ誤差補正値を決定する。これにより、顧客が所望する加工精度で加工すること
ができる。尚、送り軸には、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸ボールねじシャフトを適用することが可能である。

請求項２の工作機械のピッチ誤差補正装置は、工作機械の送り軸を駆動する駆動手段を制御して所望の加工をワークに施す数値制御装置を備えた工作機械のピッチ誤差補正装置において、前記送り軸について予め設定された補正区間毎にピッチ誤差が０となる補正値を求める算出手段と、ピッチ誤差の所望の範囲の値を記憶した補正範囲記憶手段と、前記算出手段で求めた補正値と、前記補正範囲記憶手段に記憶したピッチ誤差の所望の範囲の値とに基づいてピッチ誤差補正値を決定する決定手段とを備えたことを特徴としている。

この工作機械のピッチ誤差補正装置では、算出手段が、送り軸について予め設定された補正区間毎にピッチ誤差が０となる補正値を求める。補正範囲記憶手段にピッチ誤差の所望の範囲の値を予め記憶しておく。算出手段で求めた補正値と、前記補正範囲記憶手段に記憶した所望の範囲の値とに基づいて、決定手段がピッチ誤差補正値を決定する。これにより、請求項１と同様の作用を奏する。尚、送り軸には、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸ボールねじシャフトを適用することが可能である。

請求項１の発明によれば、送り軸について予め設定された補正区間毎にピッチ誤差が０となる補正値を求め、その補正値と、補正範囲記憶手段に記憶したピッチ誤差の所望の範囲の値とに基づいてピッチ誤差補正値を決定するので、顧客の所望する加工精度で加工することができる。

請求項２の発明によれば、送り軸について予め設定された補正区間毎にピッチ誤差が０となる補正値を求める算出手段と、ピッチ誤差の所望の範囲の値を記憶した補正範囲記憶手段と、前記算出手段で求めた補正値と、補正範囲記憶手段に記憶したピッチ誤差の所望の範囲の値とに基づいてピッチ誤差補正値を決定する決定手段とを備えたので、請求項１と同様の効果を奏する。

以下、本発明を実施する為の最良の形態について説明する。

図１〜図４に基づいて工作機械Ｍの構成について説明する。
図１に示すように、工作機械Ｍは、ワークと工具とをＸＹＺ直交座標系における各軸方向へ独立に相対移動させることによって、ワークに所望の機械加工（例えば、「中ぐり」、「フライス削り」、「穴空け」、「切削」等）を施すことができる。この工作機械Ｍは、鋳鉄製の基台であるベース１と、ベース１の上部に設けて、ワークの切削加工を行う機械本体２と、ベース１の上部に固定した、機械本体２とベース１の上部を覆う箱状の図示しないスプラッシュカバーとを主体に構成してある。

ベース１はＹ軸方向に長い略直方体状の鋳造品である。ベース１の下部の四隅には高さ調節が可能な脚部を夫々設け、工作機械Ｍは、これらの脚部を工場等の床面に設置することで設置してある。

次に、機械本体２について説明する。
図１、図２に示すように、機械本体２は、ベース１の後部上のコラム座部３の上面に固定され且つ鉛直上方に延びるコラム４と、このコラム４の前面に沿って昇降可能な主軸ヘッド５と、この主軸ヘッド５の内部に回転可能に支持された主軸５Ａと、主軸ヘッド５の右側に設け且つ主軸５Ａの先端に工具６の工具ホルダを取り付けて交換する工具交換装置（ＡＴＣ）７と、ベース１の上部に設け且つワークを着脱可能に固定するテーブル８とを主体に構成してある。コラム４の背面側には、箱状の制御ボックス９を設け、この制御ボックス９の内側には、工作機械Ｍの動作を制御する制御装置５０（図４参照）を設けてある。

次に、テーブル８をＸ軸方向とＹ軸方向に移動させる移動機構について説明する。
図１、図４に示すように、サーボモータからなるＸ軸モータ（駆動手段）７１及びＹ軸モータ（駆動手段）７２は、Ｘ軸方向（図１の機械本体２の左右方向）及びＹ軸方向（機械本体２の奥行き方向）にテーブル８を移動制御する。この移動機構は以下の構成からなる。テーブル８の下側に直方体状の支持台１０を設けてある。その支持台１０にはＸ軸方向に沿って延びる１対のＸ軸送りガイドを設け、１対のＸ軸送りガイド上にテーブル８を移動可能に支持している。

図３に示すように、テーブル８の下面にナット部８ａを配置し、このナット部８ａはＸ軸モータ７１と接続するＸ軸ボールねじシャフト（送り軸）８１と螺合することでボールねじ機構を構成している。支持台１０に固定した固定ベアリング９１ａがＸ軸ボールねじシャフト８１のＸ軸モータ７１側の端部８１ａを支持し、可動ベアリング９１ｂが反対側の端部８１ｂを支持している。

ベース１の上側に支持台１０を配置し、そのベース１の長手方向に沿って延びる１対のＹ軸送りガイド上に支持台１０を移動可能に支持している。支持台１０上に設けたＸ軸モータ７１がＸ軸送りガイドに沿ってＸ軸方向にテーブル８を移動駆動し、ベース１上に設けたＹ軸モータ７２がＹ軸送りガイドに沿ってＹ軸方向に支持台１０を移動駆動する。
尚、Ｙ軸の移動機構もＸ軸と同様にボールねじ機構となっている。

Ｘ軸送りガイドには、テレスコピック式に収縮するテレスコピックカバー１１，１２がテーブル８の左右両側に設けてある。Ｙ軸送りガイドには、テレスコピックカバー１３とＹ軸後カバーとが、支持台１０の前後に夫々設けてある。これら複数のカバーによって、テーブル８がＸ軸方向とＹ軸方向の何れの方向に移動した場合でも、テレスコピックカバー１１，１２，１３とＹ軸後カバーが、常にＸ軸送りガイドとＹ軸送りガイドを覆っている。つまり、加工領域から飛散する切粉や、クーラント液の飛沫等が各レール上に落下するのを防止できる。

次に、主軸ヘッド５の昇降機構について説明する。
図１、図２に示すように、サーボモータからなるＺ軸モータ（駆動手段）７３は、Ｚ軸方向（図１の機械本体２の上下方向）に主軸ヘッド５を昇降駆動する。主軸ヘッド５は、コラム４の前面側の上下方向に延びるＺ軸ボールねじシャフト（図示略）に対してナット（図示略）で連結している。このナット部は、Ｚ軸ボールねじシャフトと協働してボールねじ機構を構成している。Ｚ軸モータ７３がＺ軸ボールねじシャフトを正逆方向に回転駆動することで、主軸ヘッド５を上下方向に昇降駆動する。従って、制御装置５０のＣＰＵ５１（図４参照）からの制御信号に基づいて、Ｚ軸駆動回路６３によりＺ軸モータ７３が主軸ヘッド５を昇降駆動するようになっている。

図１，図２に示すように、工具交換装置７は、工具６を支持する工具ホルダを複数格納する工具マガジン１４と、前記主軸５Ａに取付けた工具ホルダと他の工具ホルダとを把持して搬送するための工具交換アーム１５等を有する。工具マガジン１４の内側には、工具ホルダを支持する複数の工具ポットと、それら工具ポットを工具マガジン１４内で搬送する搬送機構とを設けてある。

次に、制御装置５０の電気的構成について説明する。
図４に示すように、制御装置５０は、マイクロコンピュータを含んで構成してあり、入出力インタフェース５４と、ＣＰＵ５１と、ＲＯＭ５２と、ＲＡＭ５３と、軸制御回路６１ａ〜６４ａ，７５ａと、サーボアンプ６１〜６４と、微分器７１ｂ〜７４ｂなどを備えている。軸制御回路６１ａ〜６４ａは、夫々サーボアンプ６１〜６４に接続している。サーボアンプ６１〜６４は、夫々Ｘ軸モータ７１、Ｙ軸モータ７２、Ｚ軸モータ７３、主軸モータ７４に接続している。軸制御回路７５ａはマガジンモータ７５に接続している。

Ｘ軸モータ７１、Ｙ軸モータ７２は、夫々、テーブル８をＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動させるものである。Ｚ軸モータ７３は、主軸ヘッド５をＺ軸方向に昇降駆動させるものである。マガジンモータ７５は工具マガジン１４を回転移動させる為のものである。主軸モータ７４は、前記主軸５Ａを回転させる為のものである。尚、前記Ｘ軸モータ７１、Ｙ軸モータ７２、Ｚ軸モータ７３、主軸モータ７４は、夫々エンコーダ７１ａ〜７４ａを備えている。入出力インタフェース５４には、操作入力部５５と、表示器５６と、各軸の軸制御回路６３ａ、６４ａ、６１ａ、６２ａ、７５ａとが接続している。

操作入力部５５は、キーボードで構成され後述するオフセット値を顧客が入力する為のものである。
表示器５６は、液晶ディスプレイ等で構成され、工作機械Ｍの状態を画面に表示する為のものである。

軸制御回路６１ａ〜６４ａは、ＣＰＵ５１からの移動指令量を受けて、電流指令量（モータトルク指令値）をサーボアンプ６１〜６４に出力する。サーボアンプ６１〜６４は、この指令を受けてモータ７１〜７４に駆動電流を出力する。軸制御回路６１ａ〜６４ａは、エンコーダ７１ａ〜７４ａから位置フィードバック信号を受けて、位置のフィードバック制御を行う。微分器７１ｂ〜７４ｂは、エンコーダ７１ａ〜７４ａから入力した位置フィードバック信号を微分して速度フィードバック信号に変換し、軸制御回路６１ａ〜６４ａに速度フィードバック信号を出力する。

軸制御回路６１ａ〜６４ａは、微分器７１ｂ〜７４ｂから速度フィードバック信号を受けて、速度フィードバックの制御を行う。電流検出器６１ｂ〜６４ｂが、サーボアンプ６１〜６４からモータ７１〜７４に出力した駆動電流を検出する。電流検出器６１ｂ〜６４ｂで検出した駆動電流を、軸制御回路６１ａ〜６４ａにフィードバックする。軸制御回路６１ａ〜６４ａはフィードバックされた駆動電流に基づいて電流（トルク）制御を行う。
軸制御回路７５ａは、ＣＰＵ５１からの移動指令量を受けて、マガジンモータ７５を駆動する。

ＲＯＭ５２は、工作機械Ｍの加工プログラムを機能させるメインの制御プログラム、後述するピッチ誤差補正値を演算する為の演算プログラム等を記憶している。ＲＡＭ５３は、ピッチ誤差補正値のテーブルを記憶しており、このテーブルは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ボールねじ機構のピッチ誤差を補正する為のテーブルである。即ち、ボールネジ機構は、製造公差等によりボールネジシャフトの回転量とナット部の移動量とのピッチ誤差が避けられないので、それを補正する必要がある。

このピッチ誤差を補正するためのピッチ誤差補正値は、メーカーが工作機械Ｍを製作後の出荷前の調整段階において、テーブル８をＸ軸方向へ２０ｍｍ間隔にて補正ポイント毎に移動させる。指令値に対する誤差、つまり（目標値−実移動量）である誤差を精密に測定し、ピッチ誤差補正値のテーブルを作成し、そのテーブルをＲＡＭ５３に予め格納して出荷する。Ｙ軸、Ｚ軸方向についても同様にしてピッチ誤差補正値のテーブルを作成する。尚、本実施例において補正ポイントは、２５箇所（１〜２５ポイント）設定している。

ＲＡＭ５３は、更に、顧客が要望する加工精度の誤差をオフセット値として記憶している。尚、ＲＡＭ５３が補正範囲記憶手段に相当する。オフセット値は、顧客が操作入力部５５を用いて所望の値を入力する。本実施例においては、オフセット値として３μｍを入力した場合について説明する。

次に、ピッチ誤差補正値登録とピッチ誤差補正値更新の作業手順について説明する。
図７は、実際に測定したピッチ誤差測定値に基づいてピッチ誤差補正値を算出した場合の具体例を示す線図である。縦軸はピッチ誤差、横軸は測定位置（１〜２５ポイント）である。

先ず、ピッチ誤差補正値登録の作業手順を示すフローチャートについて、図５に基づいて説明する。但し、図中Ｓｉ（ｉ＝１，２・・・）は各ステップを示す。
このピッチ誤差補正値登録は、出荷前の調整段階においてメーカーが工場で実行するものである。以下、Ｘ軸ボールねじ機構のピッチ誤差補正値について説明するが、Ｙ軸、Ｚ軸ボールねじ機構のピッチ誤差補正値についても同様にして求めることができる。

ピッチ誤差補正値登録においては、先ず、メーカーが、工作機械Ｍを作動させてテーブル８をＸ軸方向へ２０ｍｍ間隔にて補正ポイント毎に移動させ、１〜２５ポイントのピッチ誤差を測定する（Ｓ１）。測定した１〜２５ポイントのピッチ誤差測定値Ｐ０を制御装置５０に入力する（Ｓ２）。

制御装置５０は、１〜２５ポイントのピッチ誤差測定値Ｐ０の符号を夫々反転させた値をピッチ誤差補正値Ｐ１とし、１〜２５ポイントのピッチ誤差補正値Ｐ１をＲＡＭ５３内のピッチ誤差補正値のテーブルに登録し（Ｓ３）、この作業を終了する。このとき、図７に示すように補正後理論値Ｐ２（ピッチ誤差）は０になる。
このように、出荷前の調整段階において工場でメーカーがピッチ誤差を精密に測定し、ピッチ誤差補正値のテーブルを作成している。

次に、所望の加工精度誤差を確保するためにピッチ誤差補正値を更新する作業手順について、図６に基づいて説明する。但し、図中Ｓｉ（ｉ＝１０，１１・・・）は各ステップを示す。
制御装置５０は、ＲＡＭ５３に記憶している１〜２５ポイントのピッチ誤差補正値Ｐ１とオフセット値を読み出し（Ｓ１０）、オフセット値を１〜２５ポイントのピッチ誤差補正値Ｐ１に夫々加算することでピッチ誤差補正値Ｐ１を更新し（Ｓ１１）、この作業を終了する。

図７においては、更新ピッチ誤差補正値Ｐ１がＳ１１で演算した結果を示したものである。Ｓ１１で演算した更新ピッチ誤差補正値Ｐ１を用いて、ピッチ誤差を補正すると、加工精度の誤差は、理論値で０μｍから３μｍにオフセットされたことになる。尚、Ｓ３を実行するＣＰＵ５１が算出手段に相当し、Ｓ１１を実行するＣＰＵ５１が決定手段に相当する。

次に、以上説明した工作機械Ｍのピッチ誤差補正方法の作用、効果について説明する。
このように、Ｘ軸ボールねじシャフト８１について予め設定された補正区間毎にピッチ誤差が０となる補正値を求め、その補正値と、顧客が入力した所望の加工精度の誤差であるオフセット値とに基づいてピッチ誤差補正値を更新するので、顧客が要望する加工精度の誤差を提供することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した変更例について説明する。
１］
ピッチ誤差の所望の範囲の値として、顧客が望む加工精度の誤差であるオフセット値３μｍ（下限値に相当）で説明したが、下限値と上限値とを設定できるようにしてもよい。その場合、オフセット値を下限値と上限値との間でランダム関数や近似式を用いて決定する。また、加工精度において＋側に誤差が出ることについて説明したが、−側に誤差が出るようにしてもよい。

２］補正後理論値Ｐ２（ピッチ誤差）を０にする為、
メーカーがピッチ誤差を精密に測定し、ピッチ誤差補正値のテーブルを作成しているが、顧客が工作機械Ｍを使用中に何らかの影響によって加工精度が変わることがある。この場合、顧客において、前述した補正後理論値Ｐ２を０にする作業を行うようにしてもよい。
また、補正後理論値Ｐ２を０以外に、近似式を用いて０近傍にしてもよい。

本発明の実施例に係る工作機械の機械本体の全体斜視図である。 主軸ヘッド及び自動工具交換装置などの側面図である。 Ｘ軸ボールねじ機構の構成図である。 制御装置の電気的構成を示すブロック図である。 ピッチ誤差補正値登録の作業手順を示すフローチャートである。 ピッチ誤差補正値更新の作業手順を示すフローチャートである。 ピッチ誤差補正値とオフセット値に基づいて更新した更新後ピッチ誤差補正値を示す線図である。

符号の説明

Ｍ 工作機械
５０ 制御装置
５１ ＣＰＵ
５３ ＲＡＭ
７１ Ｘ軸モータ
８１ Ｘ軸ボールねじシャフト

Claims (2)

1. 工作機械の送り軸を駆動する駆動手段を制御して所望の加工をワークに施す数値制御装置を備えた工作機械のピッチ誤差補正方法において、
   前記送り軸について予め設定された補正区間毎にピッチ誤差が０となる補正値を求める第１ステップと、
   前記第１ステップで求めた補正値と、補正範囲記憶手段に記憶したピッチ誤差の所望の範囲の値とに基づいてピッチ誤差補正値を決定する第２ステップと、
   を備えたことを特徴とする工作機械のピッチ誤差補正方法。
2. 工作機械の送り軸を駆動する駆動手段を制御して所望の加工をワークに施す数値制御装置を備えた工作機械のピッチ誤差補正装置において、
   前記送り軸について予め設定された補正区間毎にピッチ誤差が０となる補正値を求める算出手段と、
   ピッチ誤差の所望の範囲の値を記憶した補正範囲記憶手段と、
   前記算出手段で求めた補正値と、前記補正範囲記憶手段に記憶したピッチ誤差の所望の範囲の値とに基づいてピッチ誤差補正値を決定する決定手段と、
   を備えたことを特徴とする工作機械のピッチ誤差補正装置。