JP2023035004A - 工作機械における運動誤差の補正パラメータの算出方法、工作機械 - Google Patents
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Abstract
【課題】特殊な測定器を使用することなく、工作機械の運動誤差を適切に測定して補正できるようにする。【解決手段】タッチプローブで直角基準器の３つの測定面Ａ～Ｃを測定する第１測定ステップ（Ｓ２）と、測定面Ａと測定面Ｂとの測定結果から第１直角度を、測定面Ａと測定面Ｃとの測定結果から第２直角度をそれぞれ算出する第２直角度算出ステップ（Ｓ３）と、２つの直角度の差分を算出する差分算出ステップ（Ｓ４）と、当該差分と差分閾値とを比較する判定ステップ（Ｓ５）と、差分が差分閾値以下である場合、２つの直角度の平均値を算出する（Ｓ６）一方、差分が差分閾値を越えていた場合、並進軸の角度偏差を算出して角度偏差と第１直角度又は第２直角度とに基づいて修正直角度を算出する直角度同定ステップ（Ｓ８，Ｓ９）と、平均値又は修正直角度をもとに補正パラメータを設定する補正パラメータ設定ステップ（Ｓ１０）とを実行する。【選択図】図４
Description
本開示は、工作機械において、運動誤差を補正するための補正パラメータを算出する方法及び工作機械に関するものである。
図１は、並進３軸を有する工作機械の一例であるマシニングセンタＭの模式図である。マシニングセンタＭは、工具を保持し回転させることが可能な主軸頭２と、工作物を保持するテーブル３とを有している。
主軸頭２は、互いに直交する並進軸Ｚ軸とＸ軸とにより、ベッド１に対して２自由度の並進運動が可能である。テーブル３は、Ｚ軸とＸ軸とに直交する並進軸Ｙ軸により１自由度の並進運動がベッド１に対して可能である。各並進軸は、数値制御装置により制御されるサーボモータにより駆動され、主軸頭２に装着した工具を回転させ、テーブル３に固定した工作物を任意の形状に加工する。
工作機械の運動誤差として、非特許文献１に記載されている位置決め誤差、真直度、角度偏差（ピッチ、ヨー、ロール）、直角度といったものがある。これらの運動誤差は、工作物の形状に転写され、工作物の形状や寸法誤差の要因となる。これらの運動誤差を機械の製造・組立て段階で小さくして高精度化を図るのはコスト・技術的に困難な面があり、運動誤差を考慮して各軸を駆動させる補正技術が開発されている。
運動誤差を補正制御するためには、運動誤差を測定して算出する必要がある。また、運動誤差は変化するため、定期的に測定ができ、かつ、特殊な測定器を使用することなく測定できることが重要となる。
主軸頭２は、互いに直交する並進軸Ｚ軸とＸ軸とにより、ベッド１に対して２自由度の並進運動が可能である。テーブル３は、Ｚ軸とＸ軸とに直交する並進軸Ｙ軸により１自由度の並進運動がベッド１に対して可能である。各並進軸は、数値制御装置により制御されるサーボモータにより駆動され、主軸頭２に装着した工具を回転させ、テーブル３に固定した工作物を任意の形状に加工する。
工作機械の運動誤差として、非特許文献１に記載されている位置決め誤差、真直度、角度偏差（ピッチ、ヨー、ロール）、直角度といったものがある。これらの運動誤差は、工作物の形状に転写され、工作物の形状や寸法誤差の要因となる。これらの運動誤差を機械の製造・組立て段階で小さくして高精度化を図るのはコスト・技術的に困難な面があり、運動誤差を考慮して各軸を駆動させる補正技術が開発されている。
運動誤差を補正制御するためには、運動誤差を測定して算出する必要がある。また、運動誤差は変化するため、定期的に測定ができ、かつ、特殊な測定器を使用することなく測定できることが重要となる。
非特許文献１には、運動誤差を測定して評価する方法が提案されている。例えば、角度偏差を測定する場合には、精密水準器や光学式角度偏差測定器を使用する方法が記載されている。また、直角度を測定する場合には、直定規と直角定規とダイヤルゲージとを使用する方法が記載されている。
非特許文献２には、位置決め誤差、真直度、角度偏差を同時にレーザーで測定可能な測定器について記載がされている。
また、特許文献１には、複数のブロックを有しかつブロック間の距離が既知であるステップゲージを使用して、ステップゲージの向きを複数の方向に変えて、各方向でブロック間距離を計測し、並進軸の位置決め誤差と、並進軸間の直角度を測定・算出する方法が提案されている。
非特許文献２には、位置決め誤差、真直度、角度偏差を同時にレーザーで測定可能な測定器について記載がされている。
また、特許文献１には、複数のブロックを有しかつブロック間の距離が既知であるステップゲージを使用して、ステップゲージの向きを複数の方向に変えて、各方向でブロック間距離を計測し、並進軸の位置決め誤差と、並進軸間の直角度を測定・算出する方法が提案されている。
「日本工業規格 JIS B 6336-2 : 2002」、[令和３年７月１４日検索]、インターネット＜https://kikakurui.com/b6/B6336-2-2002-01.html＞
「XM-60/XM-600 マルチアクシスキャリブレータ」、レニショー、［令和３年７月１４日検索］、インターネット＜https://www.renishaw.jp/jp/xm-60-and-xm-600-multi-axis-calibrator--39258＞
非特許文献１や特許文献１に記載の方法で直角度の測定を行う場合、並進軸の角度偏差が大きいとその影響を受けて、直角度が測定した位置によって変わり、一意に決まらないといった問題がある。さらに、この測定した直角度をもとに補正パラメータを算出して指令値の補正を行っても、工作物の形状や寸法誤差が改善しない問題がある。
一方で、並進軸の角度偏差の影響を取り除くには、角度偏差を測定して補正する必要があるが、測定には非特許文献１や２に記載されているような特殊な測定が必要になるといった問題がある。
一方で、並進軸の角度偏差の影響を取り除くには、角度偏差を測定して補正する必要があるが、測定には非特許文献１や２に記載されているような特殊な測定が必要になるといった問題がある。
そこで、本開示は、特殊な測定器を使用することなく、工作機械の運動誤差を適切に測定して補正することが可能な工作機械における運動誤差の補正パラメータの算出方法及び工作機械を提供することを目的としたものである。
上記目的を達成するために、本開示の第１の構成は、工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、３軸以上の並進軸とを有し、前記主軸が前記テーブルに対して並進３自由度以上の相対運動が可能で、前記並進軸の運動誤差を所定の補正パラメータに従って補正可能な工作機械において、所定の測定面Ａと、前記測定面Ａに直交し互いに平行な測定面Ｂと測定面Ｃとを有し、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとのなす角度と、前記測定面Ａと前記測定面Ｃとのなす角度とが既知の直角基準器を用いて前記補正パラメータを算出する方法であって、
前記テーブルに前記直角基準器を設置し、前記主軸に装着した位置計測センサで、前記直角基準器の前記測定面Ａと、前記測定面Ｂと、前記測定面Ｃとをそれぞれ測定する第１測定ステップと、
前記第１測定ステップの前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの間の第１直角度を算出する第１直角度算出ステップと、
前記第１測定ステップの前記測定面Ａと前記測定面Ｃとの測定結果から、前記測定面Ａと前記測定面Ｃとの間の第２直角度を算出する第２直角度算出ステップと、
前記第１直角度と前記第２直角度との差分を算出する差分算出ステップと、
前記差分と、予め設定した差分閾値とを比較する判定ステップと、
前記差分が前記差分閾値以下である場合、前記第１直角度と前記第２直角度との平均値を算出する一方、前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記並進軸の角度偏差を算出して前記角度偏差と前記第１直角度又は前記第２直角度とに基づいて修正直角度を算出する直角度同定ステップと、
前記平均値又は前記修正直角度をもとに前記補正パラメータを設定する補正パラメータ設定ステップと、を実行することを特徴とする。
本開示の第１の構成の別の態様は、上記構成において、前記判定ステップで前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記直角度同定ステップでは、前記直角基準器を複数の位置に設置して、各前記位置で前記第１測定ステップと前記第１直角度算出ステップと前記第２直角度算出ステップと前記差分算出ステップとを再度実施し、得られた複数の前記差分に基づいて前記角度偏差を算出することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本開示の第２の構成は、工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、３軸以上の並進軸とを有し、前記主軸が前記テーブルに対して並進３自由度以上の相対運動が可能で、前記並進軸の運動誤差を所定の補正パラメータに従って補正可能な工作機械において、所定の測定面Ａと、前記測定面Ａに直交する測定面Ｂとを有し、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとのなす角度が既知の直角基準器を用いて前記補正パラメータを算出する方法であって、
前記テーブルに前記直角基準器を設置し、前記主軸に装着した位置計測センサで、前記直角基準器の前記測定面Ａと前記測定面Ｂとをそれぞれ測定する第１測定ステップと、
前記直角基準器の向きを変えて前記測定面Ａと前記測定面Ｂとを前記位置計測センサで測定する第２測定ステップと、
前記第１測定ステップの前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの間の第１直角度を算出する第１直角度算出ステップと、
前記第２測定ステップの前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの間の第２直角度を算出する第２直角度算出ステップと、
前記第１直角度と前記第２直角度との差分を算出する差分算出ステップと、
前記差分と、予め設定した差分閾値とを比較する判定ステップと、
前記差分が前記差分閾値以下である場合、前記第１直角度と前記第２直角度との平均値を算出する一方、前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記並進軸の角度偏差を算出して前記角度偏差と前記第１直角度又は前記第２直角度とに基づいて修正直角度を算出する直角度同定ステップと、
前記平均値又は前記修正直角度をもとに前記補正パラメータを設定する補正パラメータ設定ステップと、を実行することを特徴とする。
本開示の第２の構成の別の態様は、上記構成において、前記判定ステップで前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記直角度同定ステップでは、前記直角基準器を複数の位置に設置して、各前記位置で前記第１測定ステップと前記第２測定ステップと前記第１直角度算出ステップと前記第２直角度算出ステップと前記差分算出ステップとを再度実施し、得られた複数の前記差分に基づいて前記角度偏差を算出することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本開示の第３の構成は、工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、３軸以上の並進軸とを有し、前記主軸が前記テーブルに対して並進３自由度以上の相対運動が可能で、前記並進軸の運動誤差を所定の補正パラメータに従って補正可能な工作機械であって、
所定の測定面Ａと、前記測定面Ａに直交し互いに平行な測定面Ｂと測定面Ｃとを有し、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとのなす角度と、前記測定面Ａと前記測定面Ｃとのなす角度とが既知の直角基準器を前記テーブルに設置した状態で、前記主軸に装着した位置計測センサで、前記直角基準器の前記測定面Ａと、前記測定面Ｂと、前記測定面Ｃとをそれぞれ測定する第１測定手段と、
前記第１測定手段による前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から第１直角度を算出する第１直角度算出手段と、
前記第１測定手段による前記測定面Ａと前記測定面Ｃとの測定結果から第２直角度を算出する第２直角度算出手段と、
前記第１直角度と前記第２直角度との差分を算出する差分算出手段と、
前記差分と、予め設定した差分閾値とを比較する判定手段と、
前記差分が前記差分閾値以下である場合、前記第１直角度と前記第２直角度との平均値を算出する一方、前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記並進軸の角度偏差を算出して前記角度偏差と前記第１直角度又は前記第２直角度とに基づいて修正直角度を算出する直角度同定手段と、
前記平均値又は前記修正直角度をもとに前記補正パラメータを設定する補正パラメータ設定手段と、を備えたことを特徴とする。
上記目的を達成するために、本開示の第４の構成は、工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、３軸以上の並進軸とを有し、前記主軸が前記テーブルに対して並進３自由度以上の相対運動が可能で、前記並進軸の運動誤差を所定の補正パラメータに従って補正可能な工作機械であって、
所定の測定面Ａと、前記測定面Ａに直交する測定面Ｂとを有し、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとのなす角度が既知の直角基準器を前記テーブルに角基準器を設置した状態で、前記主軸に装着した位置計測センサで、前記直角基準器の前記測定面Ａと前記測定面Ｂとをそれぞれ測定する第１測定手段と、
前記直角基準器の向きを変えて前記測定面Ａと前記測定面Ｂとを前記位置計測センサで測定する第２測定手段と、
前記第１測定手段による前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から第１直角度を算出する第１直角度算出手段と、
前記第２測定手段による前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から第２直角度を算出する第２直角度算出手段と、
前記第１直角度と前記第２直角度との差分を算出する差分算出手段と、
前記差分と、予め設定した差分閾値とを比較する判定手段と、
前記差分が前記差分閾値以下である場合、前記第１直角度と前記第２直角度との平均値を算出する一方、前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記並進軸の角度偏差を算出して前記角度偏差と前記第１直角度又は前記第２直角度とに基づいて修正直角度を算出する直角度同定手段と、
前記平均値又は前記修正直角度をもとに前記補正パラメータを設定する補正パラメータ設定手段と、を備えたことを特徴とする。
前記テーブルに前記直角基準器を設置し、前記主軸に装着した位置計測センサで、前記直角基準器の前記測定面Ａと、前記測定面Ｂと、前記測定面Ｃとをそれぞれ測定する第１測定ステップと、
前記第１測定ステップの前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの間の第１直角度を算出する第１直角度算出ステップと、
前記第１測定ステップの前記測定面Ａと前記測定面Ｃとの測定結果から、前記測定面Ａと前記測定面Ｃとの間の第２直角度を算出する第２直角度算出ステップと、
前記第１直角度と前記第２直角度との差分を算出する差分算出ステップと、
前記差分と、予め設定した差分閾値とを比較する判定ステップと、
前記差分が前記差分閾値以下である場合、前記第１直角度と前記第２直角度との平均値を算出する一方、前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記並進軸の角度偏差を算出して前記角度偏差と前記第１直角度又は前記第２直角度とに基づいて修正直角度を算出する直角度同定ステップと、
前記平均値又は前記修正直角度をもとに前記補正パラメータを設定する補正パラメータ設定ステップと、を実行することを特徴とする。
本開示の第１の構成の別の態様は、上記構成において、前記判定ステップで前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記直角度同定ステップでは、前記直角基準器を複数の位置に設置して、各前記位置で前記第１測定ステップと前記第１直角度算出ステップと前記第２直角度算出ステップと前記差分算出ステップとを再度実施し、得られた複数の前記差分に基づいて前記角度偏差を算出することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本開示の第２の構成は、工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、３軸以上の並進軸とを有し、前記主軸が前記テーブルに対して並進３自由度以上の相対運動が可能で、前記並進軸の運動誤差を所定の補正パラメータに従って補正可能な工作機械において、所定の測定面Ａと、前記測定面Ａに直交する測定面Ｂとを有し、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとのなす角度が既知の直角基準器を用いて前記補正パラメータを算出する方法であって、
前記テーブルに前記直角基準器を設置し、前記主軸に装着した位置計測センサで、前記直角基準器の前記測定面Ａと前記測定面Ｂとをそれぞれ測定する第１測定ステップと、
前記直角基準器の向きを変えて前記測定面Ａと前記測定面Ｂとを前記位置計測センサで測定する第２測定ステップと、
前記第１測定ステップの前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの間の第１直角度を算出する第１直角度算出ステップと、
前記第２測定ステップの前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの間の第２直角度を算出する第２直角度算出ステップと、
前記第１直角度と前記第２直角度との差分を算出する差分算出ステップと、
前記差分と、予め設定した差分閾値とを比較する判定ステップと、
前記差分が前記差分閾値以下である場合、前記第１直角度と前記第２直角度との平均値を算出する一方、前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記並進軸の角度偏差を算出して前記角度偏差と前記第１直角度又は前記第２直角度とに基づいて修正直角度を算出する直角度同定ステップと、
前記平均値又は前記修正直角度をもとに前記補正パラメータを設定する補正パラメータ設定ステップと、を実行することを特徴とする。
本開示の第２の構成の別の態様は、上記構成において、前記判定ステップで前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記直角度同定ステップでは、前記直角基準器を複数の位置に設置して、各前記位置で前記第１測定ステップと前記第２測定ステップと前記第１直角度算出ステップと前記第２直角度算出ステップと前記差分算出ステップとを再度実施し、得られた複数の前記差分に基づいて前記角度偏差を算出することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本開示の第３の構成は、工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、３軸以上の並進軸とを有し、前記主軸が前記テーブルに対して並進３自由度以上の相対運動が可能で、前記並進軸の運動誤差を所定の補正パラメータに従って補正可能な工作機械であって、
所定の測定面Ａと、前記測定面Ａに直交し互いに平行な測定面Ｂと測定面Ｃとを有し、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとのなす角度と、前記測定面Ａと前記測定面Ｃとのなす角度とが既知の直角基準器を前記テーブルに設置した状態で、前記主軸に装着した位置計測センサで、前記直角基準器の前記測定面Ａと、前記測定面Ｂと、前記測定面Ｃとをそれぞれ測定する第１測定手段と、
前記第１測定手段による前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から第１直角度を算出する第１直角度算出手段と、
前記第１測定手段による前記測定面Ａと前記測定面Ｃとの測定結果から第２直角度を算出する第２直角度算出手段と、
前記第１直角度と前記第２直角度との差分を算出する差分算出手段と、
前記差分と、予め設定した差分閾値とを比較する判定手段と、
前記差分が前記差分閾値以下である場合、前記第１直角度と前記第２直角度との平均値を算出する一方、前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記並進軸の角度偏差を算出して前記角度偏差と前記第１直角度又は前記第２直角度とに基づいて修正直角度を算出する直角度同定手段と、
前記平均値又は前記修正直角度をもとに前記補正パラメータを設定する補正パラメータ設定手段と、を備えたことを特徴とする。
上記目的を達成するために、本開示の第４の構成は、工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、３軸以上の並進軸とを有し、前記主軸が前記テーブルに対して並進３自由度以上の相対運動が可能で、前記並進軸の運動誤差を所定の補正パラメータに従って補正可能な工作機械であって、
所定の測定面Ａと、前記測定面Ａに直交する測定面Ｂとを有し、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとのなす角度が既知の直角基準器を前記テーブルに角基準器を設置した状態で、前記主軸に装着した位置計測センサで、前記直角基準器の前記測定面Ａと前記測定面Ｂとをそれぞれ測定する第１測定手段と、
前記直角基準器の向きを変えて前記測定面Ａと前記測定面Ｂとを前記位置計測センサで測定する第２測定手段と、
前記第１測定手段による前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から第１直角度を算出する第１直角度算出手段と、
前記第２測定手段による前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から第２直角度を算出する第２直角度算出手段と、
前記第１直角度と前記第２直角度との差分を算出する差分算出手段と、
前記差分と、予め設定した差分閾値とを比較する判定手段と、
前記差分が前記差分閾値以下である場合、前記第１直角度と前記第２直角度との平均値を算出する一方、前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記並進軸の角度偏差を算出して前記角度偏差と前記第１直角度又は前記第２直角度とに基づいて修正直角度を算出する直角度同定手段と、
前記平均値又は前記修正直角度をもとに前記補正パラメータを設定する補正パラメータ設定手段と、を備えたことを特徴とする。
本開示によれば、精度マスタとなる直角基準器の３つ又は２つの測定面を位置計測センサで測定することで、特殊な測定器を使用することなく運動誤差の補正パラメータを取得することができる。よって、取得した補正パラメータに基づいて工作機械の運動誤差を適切に補正可能となる。また、並進軸の角度偏差が測定した直角度に悪影響していないか容易に判断できる。さらに、並進軸の角度偏差が大きく、直角度が一意に決まらない場合でも、並進軸の角度偏差を測定して補正パラメータを取得することが可能となる。
以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて説明する。
ここでは、Ｘ－Ｙ軸間直角度、Ｙ軸の角度偏差（ヨー）を計測して補正する場合を一例として説明する。適用する工作機械としては、図１のマシニングセンタＭを例に説明する。図２は、数値制御装置２１の機能ブロック図である。
数値制御装置２１では、加工プログラム１１が入力されると、指令値生成手段１２において各並進軸の指令値が生成される。
生成された指令値をもとに補正値演算手段１６により各軸の補正値が演算され、指令値と補正値との合計値がサーボ指令値変換手段１３に送られてサーボ指令値が演算される。演算された各軸のサーボ指令値は、各軸のサーボアンプ１４ａ～１４ｃに送られる。各軸のサーボアンプ１４ａ～１４ｃはそれぞれ各軸用サーボモータ１５ａ～１５ｃを駆動させ、テーブル３に対して主軸頭２の相対位置を制御する。
ここでは、Ｘ－Ｙ軸間直角度、Ｙ軸の角度偏差（ヨー）を計測して補正する場合を一例として説明する。適用する工作機械としては、図１のマシニングセンタＭを例に説明する。図２は、数値制御装置２１の機能ブロック図である。
数値制御装置２１では、加工プログラム１１が入力されると、指令値生成手段１２において各並進軸の指令値が生成される。
生成された指令値をもとに補正値演算手段１６により各軸の補正値が演算され、指令値と補正値との合計値がサーボ指令値変換手段１３に送られてサーボ指令値が演算される。演算された各軸のサーボ指令値は、各軸のサーボアンプ１４ａ～１４ｃに送られる。各軸のサーボアンプ１４ａ～１４ｃはそれぞれ各軸用サーボモータ１５ａ～１５ｃを駆動させ、テーブル３に対して主軸頭２の相対位置を制御する。
数値制御装置２１は、図３に示すように記録手段２２を持ち、補正パラメータや基準器条件、補正パラメータの算出プログラム、運動誤差の補正プログラムなどを記憶することができる。また、オペレータに情報を伝達する表示手段２３と、計測対象の入力などを行う入力手段２４と、後述するタッチプローブ１０１の検出信号の受信器２５とを備えている。
補正値の基となる補正パラメータは、記録手段２２に記録されており、Ｘ－Ｙ軸間直角度や、Ｙ軸角度偏差（ヨー）であればＹ軸位置とその位置における角度偏差を点群データとして持つ。各点間の角度偏差は、線形補完などで補完して計算する。Ｘ－Ｙ軸間直角度をγxy、Ｙ軸角度偏差（ヨー）をＥＡＹ(i)とすると、補正値は、以下の数１で計算できる。
［数１］
ΔＣｘ＝γxy（Ｙ－Ｙｋ)
ΔＣｙ＝ＥＡＹ(i)（Ｘ－Ｘｋ）
ここで、ΔＣｘ、 ΔＣｙはそれぞれＸ軸、Ｙ軸補正値、Ｘ、ＹはそれぞれＸ軸、Ｙ軸指令値、Ｘｋ、ＹｋはそれぞれＸ軸、Ｙ軸の補正基準位置である。
補正値の基となる補正パラメータは、記録手段２２に記録されており、Ｘ－Ｙ軸間直角度や、Ｙ軸角度偏差（ヨー）であればＹ軸位置とその位置における角度偏差を点群データとして持つ。各点間の角度偏差は、線形補完などで補完して計算する。Ｘ－Ｙ軸間直角度をγxy、Ｙ軸角度偏差（ヨー）をＥＡＹ(i)とすると、補正値は、以下の数１で計算できる。
［数１］
ΔＣｘ＝γxy（Ｙ－Ｙｋ)
ΔＣｙ＝ＥＡＹ(i)（Ｘ－Ｘｋ）
ここで、ΔＣｘ、 ΔＣｙはそれぞれＸ軸、Ｙ軸補正値、Ｘ、ＹはそれぞれＸ軸、Ｙ軸指令値、Ｘｋ、ＹｋはそれぞれＸ軸、Ｙ軸の補正基準位置である。
続いて、数値制御装置２１が実行する補正パラメータの算出方法について、図４のフローチャートに基づいて説明する。数値制御装置２１は、本開示の第１測定手段、第２測定手段、第１直角度算出手段、第２直角度算出手段、差分算出手段、判定手段、直角度同定手段、補正パラメータ設定手段として機能する。
まず、オペレータから計測誤差が入力手段２４によって入力される。この入力は、数値制御装置２１にどのような誤差を計測するのか認識させるためのものである。
図６は、誤差計測に使用する直角基準器Ｇの一例であり、入力された計測誤差には、図７に示すような直角基準器Ｇの計測ポイント（Ｐ１００～Ｐ１１４）の校正値データが紐づいている。
まず、ステップ（以下「Ｓ」と表記する）１にて、オペレータが、図８に示すように、測定面ＡがＹ軸に平行となるように直角基準器Ｇをテーブル３上に設置し、主軸頭２にタッチプローブ１０１を装着して直角基準器原点の直上に来るように位置決めする。タッチプローブ１０１の先端にはスタイラスが付いており、スタイラスが測定対象に接触するとその瞬間に信号を発信する。数値制御装置２１は、接続された受信器２５にてその信号を受信すると、その時点での各軸の位置を接触位置とすることで、位置の測定を行う。
まず、オペレータから計測誤差が入力手段２４によって入力される。この入力は、数値制御装置２１にどのような誤差を計測するのか認識させるためのものである。
図６は、誤差計測に使用する直角基準器Ｇの一例であり、入力された計測誤差には、図７に示すような直角基準器Ｇの計測ポイント（Ｐ１００～Ｐ１１４）の校正値データが紐づいている。
まず、ステップ（以下「Ｓ」と表記する）１にて、オペレータが、図８に示すように、測定面ＡがＹ軸に平行となるように直角基準器Ｇをテーブル３上に設置し、主軸頭２にタッチプローブ１０１を装着して直角基準器原点の直上に来るように位置決めする。タッチプローブ１０１の先端にはスタイラスが付いており、スタイラスが測定対象に接触するとその瞬間に信号を発信する。数値制御装置２１は、接続された受信器２５にてその信号を受信すると、その時点での各軸の位置を接触位置とすることで、位置の測定を行う。
次に、Ｓ２にて、直角基準器Ｇの計測ポイント（Ｐ１００～Ｐ１１４）の計測を行う（第１測定ステップ）。測定面Ｂの計測ポイント（Ｐ１００～Ｐ１０４）では、スタイラスをＹ方向から接触させ各計測ポイントでのＹ方向位置を計測する。測定面Ａの計測ポイント（Ｐ１０５～Ｐ１０９）では、スタイラスをＸ方向から接触させ各計測ポイントでのＸ方向位置を計測する。、測定面Ｃの計測ポイント（Ｐ１１０～Ｐ１１４）では、スタイラスをＹ方向から接触させ各計測ポイントでのＹ方向位置を計測する。
次に、Ｓ３て、直角度の算出を行う（第１直角度及び第２直角度算出ステップ）。計測ポイント（Ｐ１００～Ｐ１０４）と計測ポイント（Ｐ１１０～Ｐ１１４）とについて、計測したＹ方向位置（Ｍy１００～Ｍy１０４）、（Ｍy１１０～Ｍy１１４）と、各ポイントのＸ軸指令値とから最小自乗法などにより傾きａ２とａ３とを算出する。次に、計測ポイント（Ｐ１０５～Ｐ１０９）について、計測したＸ方向位置（Ｍx１０５～Ｍx１０９）と、各ポイントのＹ軸指令値とから最小自乗法などにより傾きａ１を算出する。そして、以下の数２により、直角度γxy１とγxy２とを計算する。
［数２］
γxy１＝ａ２－ａ１
γxy２＝ａ３－ａ１
次に、Ｓ３て、直角度の算出を行う（第１直角度及び第２直角度算出ステップ）。計測ポイント（Ｐ１００～Ｐ１０４）と計測ポイント（Ｐ１１０～Ｐ１１４）とについて、計測したＹ方向位置（Ｍy１００～Ｍy１０４）、（Ｍy１１０～Ｍy１１４）と、各ポイントのＸ軸指令値とから最小自乗法などにより傾きａ２とａ３とを算出する。次に、計測ポイント（Ｐ１０５～Ｐ１０９）について、計測したＸ方向位置（Ｍx１０５～Ｍx１０９）と、各ポイントのＹ軸指令値とから最小自乗法などにより傾きａ１を算出する。そして、以下の数２により、直角度γxy１とγxy２とを計算する。
［数２］
γxy１＝ａ２－ａ１
γxy２＝ａ３－ａ１
次に、Ｓ４にて、以下の数３により直角度差分Δγxyを算出する（差分算出ステップ）。
［数３］
Δγxy＝γxy２－γxy１
次に、Ｓ５にて、算出した直角度差分と、予め記録手段２２に記録しておいた差分閾値とを比較する（判定ステップ）。Ｓ５で直角度差分が差分閾値以下であると判定された場合、Ｓ６にて、直角度γxy１とγxy２との平均値γxy’を計算する（直角度同定ステップ）。
［数３］
Δγxy＝γxy２－γxy１
次に、Ｓ５にて、算出した直角度差分と、予め記録手段２２に記録しておいた差分閾値とを比較する（判定ステップ）。Ｓ５で直角度差分が差分閾値以下であると判定された場合、Ｓ６にて、直角度γxy１とγxy２との平均値γxy’を計算する（直角度同定ステップ）。
一方、Ｓ５にて、直角度差分が差分閾値より大きいと判定された場合、Ｓ７にて、表示手段２３に角度偏差の計測の必要性を表示する。
次に、Ｓ８にて、角度偏差（ヨー）の計測を行う。角度偏差計測の詳細については後述する。
次に、Ｓ９にて、Ｓ８で計算した角度偏差（ヨー）ＥＡＹ(i)と、Ｓ３で算出した直角度γxy１とから、以下の数４より角度偏差を考慮した直角度γxy”（修正直角度）を計算する（Ｓ７～Ｓ９：直角度同定ステップ）。
［数４］
Δγxy＝γxy１－ＥＡＹ（Ｐy１００）
ここで、ＥＡＹ（Ｐy１００）は、Ｓ２で直角基準器Ｇの計測ポイントＰ１００の計測を行った際のＹ軸位置における角度偏差である。
次に、Ｓ１０にて、Ｓ６で得られた直角度の平均値γxy’又は、Ｓ９で得られた直角度γxy”の何れかを補正パラメータとして設定する（補正パラメータ設定ステップ）。
取得した補正パラメータは、記録手段２２に記録され、図２の補正値演算手段１６において補正値の演算（例えば先の数１）に使用される。
次に、Ｓ８にて、角度偏差（ヨー）の計測を行う。角度偏差計測の詳細については後述する。
次に、Ｓ９にて、Ｓ８で計算した角度偏差（ヨー）ＥＡＹ(i)と、Ｓ３で算出した直角度γxy１とから、以下の数４より角度偏差を考慮した直角度γxy”（修正直角度）を計算する（Ｓ７～Ｓ９：直角度同定ステップ）。
［数４］
Δγxy＝γxy１－ＥＡＹ（Ｐy１００）
ここで、ＥＡＹ（Ｐy１００）は、Ｓ２で直角基準器Ｇの計測ポイントＰ１００の計測を行った際のＹ軸位置における角度偏差である。
次に、Ｓ１０にて、Ｓ６で得られた直角度の平均値γxy’又は、Ｓ９で得られた直角度γxy”の何れかを補正パラメータとして設定する（補正パラメータ設定ステップ）。
取得した補正パラメータは、記録手段２２に記録され、図２の補正値演算手段１６において補正値の演算（例えば先の数１）に使用される。
続いて、Ｓ８の角度偏差の計測について、図５に示すフローチャートをもとに説明する。
はじめに、Ｓ８－２にて、直角基準器Ｇを設置する位置を表示手段２３に表示する。表示する設置位置とは、例えば図９に示すようなものであり、まず、直角基準器設置位置１の位置に設置するよう促す。
次に、Ｓ８－３にて、表示された設置位置に従ってオペレータが直角基準器Ｇをテーブル３上に設置し、タッチプローブ１０１が直角基準器原点の直上に来るように位置決めする。
次に、Ｓ８－４にて、Ｓ２にて説明した方法により直角基準器Ｇの３つの測定面Ａ～Ｃの計測を行う。
次に、Ｓ８－５にて、Ｓ３にて説明した方法で２つの直角度γxy３、γxy４を算出して、Ｓ４にて説明した方法で直角度差分Δγxy（Ｙ１）を算出する。直角基準器Ｇの設置位置２～５に変えてＳ８－２～８－５を繰り返す。
次に、Ｓ８－７にて、得られたΔγxy（Ｙ１）～Δγxy（Ｙ５）から以下の数５により角度偏差（ヨー）を算出する。
［数５］
ＥＡＹ(i)＝ΣΔγxy(i)
はじめに、Ｓ８－２にて、直角基準器Ｇを設置する位置を表示手段２３に表示する。表示する設置位置とは、例えば図９に示すようなものであり、まず、直角基準器設置位置１の位置に設置するよう促す。
次に、Ｓ８－３にて、表示された設置位置に従ってオペレータが直角基準器Ｇをテーブル３上に設置し、タッチプローブ１０１が直角基準器原点の直上に来るように位置決めする。
次に、Ｓ８－４にて、Ｓ２にて説明した方法により直角基準器Ｇの３つの測定面Ａ～Ｃの計測を行う。
次に、Ｓ８－５にて、Ｓ３にて説明した方法で２つの直角度γxy３、γxy４を算出して、Ｓ４にて説明した方法で直角度差分Δγxy（Ｙ１）を算出する。直角基準器Ｇの設置位置２～５に変えてＳ８－２～８－５を繰り返す。
次に、Ｓ８－７にて、得られたΔγxy（Ｙ１）～Δγxy（Ｙ５）から以下の数５により角度偏差（ヨー）を算出する。
［数５］
ＥＡＹ(i)＝ΣΔγxy(i)
このように、上記形態の運動誤差の補正パラメータの算出方法及びマシニングセンタＭでは、精度マスタとなる直角基準器Ｇの３つの測定面Ａ～Ｃを、主軸頭２（主軸）に装着したタッチプローブ１０１（位置計測センサ）で測定し、測定結果から２つの直角度を算出して両者の差分を算出し、当該差分と差分閾値との比較結果に基づいて直角度を同定して、同定した直角度に基づいて補正パラメータを設定する。
この構成により、特殊な測定器を使用することなく運動誤差の補正パラメータを取得することができる。よって、取得した補正パラメータに基づいてマシニングセンタＭの運動誤差を適切に補正可能となる。また、２つの直角度の差分と差分閾値との比較結果から、並進軸の角度偏差が測定した直角度に悪影響していないか容易に判断できる。さらに、並進軸の角度偏差が大きく、直角度が一意に決まらない場合でも、並進軸の角度偏差を測定して補正パラメータを取得することが可能となる。
この構成により、特殊な測定器を使用することなく運動誤差の補正パラメータを取得することができる。よって、取得した補正パラメータに基づいてマシニングセンタＭの運動誤差を適切に補正可能となる。また、２つの直角度の差分と差分閾値との比較結果から、並進軸の角度偏差が測定した直角度に悪影響していないか容易に判断できる。さらに、並進軸の角度偏差が大きく、直角度が一意に決まらない場合でも、並進軸の角度偏差を測定して補正パラメータを取得することが可能となる。
なお、上記形態では、本開示を、測定面Ａ、測定面Ｂ、測定面Ｃとの３つの測定面を有した直角基準器Ｇを例に説明したが、測定面Ａ、測定面Ｂの２つの測定面を有した直角基準器Ｇを用いても本開示は適用可能である。
この場合、マシニングセンタＭでは、例えば以下の手順で測定を行う。
まず、テーブル３に直角基準器Ｇを設置し、主軸頭２に装着したタッチプローブ１０１で、直角基準器Ｇの測定面Ａと測定面Ｂとをそれぞれ測定する第１測定ステップを実行する。
次に、直角基準器Ｇの向きを変えて（例えばＸ軸周りに１８０度回転させて）設置し、測定面Ａと測定面Ｂとをタッチプローブ１０１で測定する第２測定ステップを実行する。
次に、第１測定ステップの測定面Ａと測定面Ｂとの測定結果から、先の形態と同様に、測定面Ａと測定面Ｂとの間の第１直角度を算出する第１直角度算出ステップを実行する。
次に、第２測定ステップの測定面Ａと測定面Ｂとの測定結果から、先の形態と同様に、測定面Ａと測定面Ｂとの間の第２直角度を算出する第２直角度算出ステップを実行する。
その後の処理は先の形態と同様である。
この場合も、特殊な測定器を使用することなく運動誤差の補正パラメータを取得することができる。
その他、本開示の工作機械は、マシニングセンタに限らない。
この場合、マシニングセンタＭでは、例えば以下の手順で測定を行う。
まず、テーブル３に直角基準器Ｇを設置し、主軸頭２に装着したタッチプローブ１０１で、直角基準器Ｇの測定面Ａと測定面Ｂとをそれぞれ測定する第１測定ステップを実行する。
次に、直角基準器Ｇの向きを変えて（例えばＸ軸周りに１８０度回転させて）設置し、測定面Ａと測定面Ｂとをタッチプローブ１０１で測定する第２測定ステップを実行する。
次に、第１測定ステップの測定面Ａと測定面Ｂとの測定結果から、先の形態と同様に、測定面Ａと測定面Ｂとの間の第１直角度を算出する第１直角度算出ステップを実行する。
次に、第２測定ステップの測定面Ａと測定面Ｂとの測定結果から、先の形態と同様に、測定面Ａと測定面Ｂとの間の第２直角度を算出する第２直角度算出ステップを実行する。
その後の処理は先の形態と同様である。
この場合も、特殊な測定器を使用することなく運動誤差の補正パラメータを取得することができる。
その他、本開示の工作機械は、マシニングセンタに限らない。
１・・ベッド、２・・主軸頭、３・・テーブル、１１・・加工プログラム、１２・・指令値生成手段、１３・・サーボ指令値変換手段、１４ａ～１４ｃ・・サーボアンプ、１５ａ～１５ｃ・・サーボモータ、１６・・補正値演算手段、２１・・数値制御装置、２２・・記録手段、２３・・表示手段、２４・・入力手段、２５・・受信器、１０１・・タッチプローブ、Ｇ・・直角基準器、Ｍ・・マシニングセンタ。
Claims (6)
- 工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、３軸以上の並進軸とを有し、前記主軸が前記テーブルに対して並進３自由度以上の相対運動が可能で、前記並進軸の運動誤差を所定の補正パラメータに従って補正可能な工作機械において、所定の測定面Ａと、前記測定面Ａに直交し互いに平行な測定面Ｂと測定面Ｃとを有し、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとのなす角度と、前記測定面Ａと前記測定面Ｃとのなす角度とが既知の直角基準器を用いて前記補正パラメータを算出する方法であって、
前記テーブルに前記直角基準器を設置し、前記主軸に装着した位置計測センサで、前記直角基準器の前記測定面Ａと、前記測定面Ｂと、前記測定面Ｃとをそれぞれ測定する第１測定ステップと、
前記第１測定ステップの前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの間の第１直角度を算出する第１直角度算出ステップと、
前記第１測定ステップの前記測定面Ａと前記測定面Ｃとの測定結果から、前記測定面Ａと前記測定面Ｃとの間の第２直角度を算出する第２直角度算出ステップと、
前記第１直角度と前記第２直角度との差分を算出する差分算出ステップと、
前記差分と、予め設定した差分閾値とを比較する判定ステップと、
前記差分が前記差分閾値以下である場合、前記第１直角度と前記第２直角度との平均値を算出する一方、前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記並進軸の角度偏差を算出して前記角度偏差と前記第１直角度又は前記第２直角度とに基づいて修正直角度を算出する直角度同定ステップと、
前記平均値又は前記修正直角度をもとに前記補正パラメータを設定する補正パラメータ設定ステップと、
を実行することを特徴とする工作機械における運動誤差の補正パラメータの算出方法。 - 前記判定ステップで前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記直角度同定ステップでは、前記直角基準器を複数の位置に設置して、各前記位置で前記第１測定ステップと前記第１直角度算出ステップと前記第２直角度算出ステップと前記差分算出ステップとを再度実施し、得られた複数の前記差分に基づいて前記角度偏差を算出することを特徴とする請求項１に記載の工作機械における運動誤差の補正パラメータの算出方法。
- 工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、３軸以上の並進軸とを有し、前記主軸が前記テーブルに対して並進３自由度以上の相対運動が可能で、前記並進軸の運動誤差を所定の補正パラメータに従って補正可能な工作機械において、所定の測定面Ａと、前記測定面Ａに直交する測定面Ｂとを有し、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとのなす角度が既知の直角基準器を用いて前記補正パラメータを算出する方法であって、
前記テーブルに前記直角基準器を設置し、前記主軸に装着した位置計測センサで、前記直角基準器の前記測定面Ａと前記測定面Ｂとをそれぞれ測定する第１測定ステップと、
前記直角基準器の向きを変えて前記測定面Ａと前記測定面Ｂとを前記位置計測センサで測定する第２測定ステップと、
前記第１測定ステップの前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの間の第１直角度を算出する第１直角度算出ステップと、
前記第２測定ステップの前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの間の第２直角度を算出する第２直角度算出ステップと、
前記第１直角度と前記第２直角度との差分を算出する差分算出ステップと、
前記差分と、予め設定した差分閾値とを比較する判定ステップと、
前記差分が前記差分閾値以下である場合、前記第１直角度と前記第２直角度との平均値を算出する一方、前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記並進軸の角度偏差を算出して前記角度偏差と前記第１直角度又は前記第２直角度とに基づいて修正直角度を算出する直角度同定ステップと、
前記平均値又は前記修正直角度をもとに前記補正パラメータを設定する補正パラメータ設定ステップと、
を実行することを特徴とする工作機械における運動誤差の補正パラメータの算出方法。 - 前記判定ステップで前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記直角度同定ステップでは、前記直角基準器を複数の位置に設置して、各前記位置で前記第１測定ステップと前記第２測定ステップと前記第１直角度算出ステップと前記第２直角度算出ステップと前記差分算出ステップとを再度実施し、得られた複数の前記差分に基づいて前記角度偏差を算出することを特徴とする請求項３に記載の工作機械における運動誤差の補正パラメータの算出方法。
- 工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、３軸以上の並進軸とを有し、前記主軸が前記テーブルに対して並進３自由度以上の相対運動が可能で、前記並進軸の運動誤差を所定の補正パラメータに従って補正可能な工作機械であって、
所定の測定面Ａと、前記測定面Ａに直交し互いに平行な測定面Ｂと測定面Ｃとを有し、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとのなす角度と、前記測定面Ａと前記測定面Ｃとのなす角度とが既知の直角基準器を前記テーブルに設置した状態で、前記主軸に装着した位置計測センサで、前記直角基準器の前記測定面Ａと、前記測定面Ｂと、前記測定面Ｃとをそれぞれ測定する第１測定手段と、
前記第１測定手段による前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から第１直角度を算出する第１直角度算出手段と、
前記第１測定手段による前記測定面Ａと前記測定面Ｃとの測定結果から第２直角度を算出する第２直角度算出手段と、
前記第１直角度と前記第２直角度との差分を算出する差分算出手段と、
前記差分と、予め設定した差分閾値とを比較する判定手段と、
前記差分が前記差分閾値以下である場合、前記第１直角度と前記第２直角度との平均値を算出する一方、前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記並進軸の角度偏差を算出して前記角度偏差と前記第１直角度又は前記第２直角度とに基づいて修正直角度を算出する直角度同定手段と、
前記平均値又は前記修正直角度をもとに前記補正パラメータを設定する補正パラメータ設定手段と、
を備えたことを特徴とする工作機械。 - 工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、３軸以上の並進軸とを有し、前記主軸が前記テーブルに対して並進３自由度以上の相対運動が可能で、前記並進軸の運動誤差を所定の補正パラメータに従って補正可能な工作機械であって、
所定の測定面Ａと、前記測定面Ａに直交する測定面Ｂとを有し、前記測定面Ａと前記測定面Ｂとのなす角度が既知の直角基準器を前記テーブルに角基準器を設置した状態で、前記主軸に装着した位置計測センサで、前記直角基準器の前記測定面Ａと前記測定面Ｂとをそれぞれ測定する第１測定手段と、
前記直角基準器の向きを変えて前記測定面Ａと前記測定面Ｂとを前記位置計測センサで測定する第２測定手段と、
前記第１測定手段による前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から第１直角度を算出する第１直角度算出手段と、
前記第２測定手段による前記測定面Ａと前記測定面Ｂとの測定結果から第２直角度を算出する第２直角度算出手段と、
前記第１直角度と前記第２直角度との差分を算出する差分算出手段と、
前記差分と、予め設定した差分閾値とを比較する判定手段と、
前記差分が前記差分閾値以下である場合、前記第１直角度と前記第２直角度との平均値を算出する一方、前記差分が前記差分閾値を越えていた場合、前記並進軸の角度偏差を算出して前記角度偏差と前記第１直角度又は前記第２直角度とに基づいて修正直角度を算出する直角度同定手段と、
前記平均値又は前記修正直角度をもとに前記補正パラメータを設定する補正パラメータ設定手段と、
を備えたことを特徴とする工作機械。
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