JP4198861B2

JP4198861B2 - 多軸工作機械の主軸頭における機械誤差の補正方法

Info

Publication number: JP4198861B2
Application number: JP2000082781A
Authority: JP
Inventors: 一男長島; 忠志田中
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: US20010032056A1; JP2001269839A; US6540454B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、多軸工作機械の主軸頭における機械誤差の補正方法に関し、特に、傾斜旋回式の主軸頭を有する多軸工作機械の主軸頭における機械誤差の補正方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金型加工等のために、自由曲面加工を行う多軸（５軸）工作機械として、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動可能なラムに、鉛直軸線周りに３６０度旋回可能な第１の部材（Ｃ軸部材）と、前記第１の部材の旋回中心軸線に対して傾斜（１５度傾斜）した旋回面同士で対向し、その傾斜旋回面を直角に貫通する方向に延在する傾斜軸線（Ｂ’軸）周りに旋回可能な第２の部材（Ｂ軸部材）とを備え、前記第２の部材上に主軸頭を搭載されている型式の多軸工作機械が、本願出願人と同一の出願人により提案されている（特願平１１−３２８７５４号）。
【０００３】
上述のような構成による多軸工作機械は、鉛直線周りに３６０度旋回できるＣ軸部材と、これに直交するＢ軸周りに回動可能なＢ軸部材を備えたものに比して、主軸頭および主電動機の大きさに制限を与えることがなく、強力な切削を可能にし、高い加工能率を得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した型式の多軸工作機械は、理想的には、鉛直軸線（Ｃ軸）は完全な鉛直軸線周りに旋回すべきであるが、現実には機械構造部品の製造上の微少な角度誤差や自重による変形等により僅かに倒れた軸線周りに旋回する。そのまま放置すると、主軸頭の傾斜方向変更の前後で、加工面が正しく接続されなくなることがあるので、この誤差を補正する必要がある。
【０００５】
また、傾斜軸線（Ｂ’軸）の傾斜角度と傾斜方向、ならびに鉛直軸線（Ｃ軸）および傾斜軸線（Ｂ’軸）それぞれの中心位置にも製造上許容すべき誤差が存在し、これらの誤差も補正する必要がある。
【０００６】
この発明は、上述の如き課題に鑑みてなされたものであり、鉛直軸線（Ｃ軸）、傾斜軸線（Ｂ’軸）に関係する誤差に起因する主軸頭の位置誤差を補正する自動化可能な多軸工作機械の主軸頭における機械誤差の補正方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１による多軸工作機械の主軸頭における機械誤差の補正方法は、鉛直軸線周りに３６０度旋回可能な第１の部材と、この第１の部材の旋回中心軸線に対して傾斜した傾斜旋回面同士で対向し、その傾斜旋回面を直角に貫通する方向に延在する傾斜軸線周りに旋回可能な第２の部材とを備え，この第２の部材上に主軸頭を搭載されている型式の多軸工作機械の主軸頭における機械誤差の補正方法において、
前記第２の部材の傾斜軸線周りの旋回角を所定角度に固定した状態で、前記第１の部材を鉛直軸線周りに旋回させて所定旋回角度毎に前記主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置を測定し、その測定値より前記第１の部材の軸方向ベクトルを決定し、
前記第１の部材の鉛直軸線周りの旋回角を所定角度に固定した状態で、前記第２の部材を傾斜軸線周りに旋回させて所定旋回角度毎に前記主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置を測定し、その測定値より前記第２の部材の軸方向ベクトルを決定し、
前記傾斜軸線と前記鉛直軸線の交点である旋回中心から前記主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置までの距離と、決定された前記軸方向ベクトルと、この軸方向ベクトルから前記傾斜軸線と前記鉛直軸線の周りに旋回した状態での前記主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置を求め、
この求めた主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置と前記距離と傾斜軸線指令と鉛直軸線指令から求めた誤差がないＮＣ指令における座標のオフセット位置との差分を前記主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置の誤差として主軸頭における機械誤差を補正するものである。
【０００８】
また、請求項２による多軸工作機械の主軸頭における機械誤差の補正方法は、前記主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置の測定値を回帰方程式により重回帰分析して前記第２の部材の旋回平面を決定し、当該旋回平面の法線ベクトルを前記第２の部材の傾斜軸線の軸方向ベクトルとすることものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００１０】
図１はこの発明による主軸頭における機械誤差の補正方法を適用される多軸工作機械（門型マシニングセンタ）を示している。この多軸工作機械は、ベッド１上をＸ軸方向に移動可能なワークテーブル２と、クロスレール３より支持されてＹ軸方向に移動可能なサドル４と、サドル４より支持されてＺ軸方向に移動可能なラム５と、ラム５より支持されて鉛直線（Ｃ軸）周りに３６０度旋回可能なＣ軸部材（第１の部材）６と、Ｃ軸部材６の旋回中心軸線に対して１５度傾斜した傾斜旋回面７同士で対向し、その傾斜旋回面７を直角に貫通する方向に延在する傾斜軸線（Ｂ’軸）周りに旋回可能なＢ軸部材（第２の部材）８とを有し、Ｂ軸部材８に主軸頭９が搭載されている。
【００１１】
ＮＣ指令は、通常の５軸機のＢ軸とＣ軸の回転角度として、Ｂ軸指令βと、Ｃ軸指令γとで指令されるから、これを上述の型式による工作機械のＢ’軸とＣ軸の角度として、Ｂ’軸指令θと、Ｃ軸指令φ＝γ＋δとに対応させる必要がある。δは、Ｂ’軸の主軸旋回方向をＢ軸とＣ軸で指定された方向に一致させるために必要なＣ軸の指令に追加される角度である。
【００１２】
ここで、図２に示されているように、Ｂ’軸とＣ軸の交点を原点とし、Ｂ’軸直角方向にξ、η軸方向にζを取る局所座標系を考える。上記原点である旋回中心からゲージラインまでの距離をＬｇ、同ラインから工具Ｔの先端までの工具長さをＬｔ、工具先端半径をｒとすると，旋回中心から前記主軸頭９に装着された工具Ｔの工具先端半径ｒの中心位置（Ｐ）までの距離Ｌは、Ｌ＝Ｌｇ＋Ｌｔ−ｒであり，前記工具先端半径の中心位置の座標は次の式（１）によって与えられる。
【００１３】
｛ξ，η，ζ｝＝Ｌ｛sinθsin１５° cosθcos１５° −cos１５°｝
…（１）
【００１４】
これをＢ’軸線周り−１５度旋回させてから、さらにＣ軸方向に任意角度φ旋回させたときの工具先端半径中心位置の広域座標ｘ,ｙ,ｚは、式（２）〜（４）のように求められる。
【００１５】
ｘ＝Ｌ［cosφsinθsin１５°−sinφ（１−cosθ）sin１５°cos１５°］
…（２）
ｙ＝−Ｌ［sinφsinθsin１５°＋cosφ（１−cosθ）sin１５°cos１５°］
…（３）
ｚ＝−Ｌ［１−（１−cosθ）sin^２１５°］
…（４）
【００１６】
γ＝０のとき、φ＝δとなり、主軸頭９を−Ｙ方向に傾斜させるためのδとβは、ｘ＝０と置いて式（５）、（６）のように求められる。
【００１７】
δ＝tan^−１［sinθ／（１−cosθ）cos１５°］ …（５）
β＝tan^−１［sinθsin１５°／sinδ{１−（１−cosθ）cos^２１５°}…（６）
【００１８】
Ｂ’軸とＣ軸が、ともに歯数７２の正面歯車結合（カービックカップリング）を利用しているとすると、表１のように、計算値に近い５度単位の割出し位置を採用する。指令角度に対して若干の角度差を生ずるが、これも補正の対象である。
【００１９】
【表１】

【００２０】
つぎに、主軸頭９における機械誤差の補正について説明する。
図３に示されているように、Ｂ’軸を任意の一定の角度に傾斜させた状態で、Ｃ軸を所定角度ずつ旋回させ、そのときの前記工具先端半径中心位置の誤差を測定する。測定データ列をΔｐ_ｋ｛Δｘ_ｋ，Δｙ_ｋ，Δｚ_ｋ｝、ただし（ｋ＝１〜ｎ）とし，これに理論的な旋回位置の座標を加算してｐ_ｋ｛ｘ_ｋ，ｙ_ｋ，ｚ_ｋ｝、ただし（ｋ＝１〜ｎ）の各旋回位置での工具先端半径中心位置を推定する。ただし、ｎは測定数である。
【００２１】
ｘ_ｋおよびｙ_ｋを独立変数とし、ｚ_ｋを従属変数として次の回帰方程式により重回帰分析を行い、旋回平面（図３において破線で示した楕円である）を決定する。
ｚ＝ｂ_０＋ｂ_１ｘ＋ｂ_２ｙ …（７）
【００２２】
ここで、ｓ＝√（１＋ｂ_１ ^２＋ｂ_２ ^２）、ｌ_ｃ＝−ｂ_１／ｓ、ｍ_ｃ＝−ｂ_２／ｓ、ｎ_ｃ＝１／ｓ、ｄ＝−ｂ_０／ｓとすると、旋回平面は次の方程式で表される。
ｌ_ｃｘ＋ｍ_ｃｙ＋ｎ_ｃｙ＋ｄ＝０ …（８）
この旋回平面の法線ベクトルＮ_ｃ｛ｌ_ｃ，ｍ_ｃ，ｎ_ｃ｝がＣ軸の方向ベクトルで、図３において破線で示したＮｃである。
【００２３】
次に、図４に示されているように、Ｃ軸を固定した状態でＢ’軸を所定角度ずつ旋回させ，そのときの前記主軸頭９に装着された工具Ｔの工具先端半径中心位置の誤差を測定し、これに理論的な旋回位置の座標を加算して、各旋回位置での工具先端半径中心位置Ｐ’を推定し、Ｂ’軸の方向ベクトルＮ_ｂ｛ｌ_ｂ，ｍ_ｂ，ｎ_ｂ｝を決定する。
【００２４】
φ＝０、γ＝０における工具先端半径中心位置と軸方向ベクトルを２行３列の行列式で次のように表す。
【００２５】
【数１】

【００２６】
ここに、１行目は工具先端半径中心位置の座標を、２行目は軸方向ベクトルを表す。
【００２７】
工具先端半径中心位置を原点ｐ_０｛０，０，０｝とすれば，Ｂ’軸の回転中心ｐ_ｂ’｛ｘ_ｂ’，ｙ_ｂ’ｚ_ｂ’｝は、ｘ_ｂ’＝Ｌ・ｌ_ｃ、ｙ_ｂ’＝Ｌ・ｍ_ｃ、ｚ_ｂ’＝Ｌ・ｎ_ｃにある。
【００２８】
工具先端半径中心位置と方向を、回転中心ｐ_ｂ’｛ｘ_ｂ’，ｙ_ｂ’ｚ_ｂ’｝および方向ベクトルＮ_ｂ｛ｌ_ｂ，ｍ_ｂ，ｎ_ｂ｝の周りに角度θ旋回した行列は下式（１０）で与えられる。
【００２９】
【数２】

【００３０】
ここに、［Ｒ_θ］は回転変換マトリックスであり，下式（１１）で与えられる。
【数３】

【００３１】
同様に、これを回転中心ｐ_ｃ｛ｘ_ｃ，ｙ_ｃ，ｚ_ｃ｝および方向ベクトルＮ_ｃ｛ｌ_ｃ，ｍ_ｃ，ｎ_ｃ｝の周りに角度φ旋回した行列は下式（１２）で与えられる。
【００３２】
【数４】

【００３３】
ここに、［Ｒ_φ］は回転変換マトリックスであり，下式（１３）で与えられる。
【数５】

【００３４】
これらの回転変換により、Ｂ’軸およびＣ軸がそれぞれθおよびφ旋回した状態の工具先端半径中心位置Ｐ’（ｘ’，ｙ’ｚ’）と方向（ｉ’、ｊ’、ｋ’）が求められる。
【００３５】
一方、ＮＣ指令プログラム作成時にポストプロセッサが使用する工具先端半径中心位置からＢ軸の回転中心までの公称寸法をＬ_Ｎとすれば、ＮＣ指令における座標のオフセット｛ｕ，ｖ，ｗ｝は次式（１４）で表される。
ｕ＝−Ｌ_Ｎsinβcosγ，ｖ＝−Ｌ_Ｎsinβｓｉｎγ，ｗ＝−Ｌ_Ｎcosβ+Ｌ_Ｎ …（１４）
【００３６】
ここで、ＬｎとＬとは同一であるため、予測される誤差は両者の差｛ｘ’−ｕ，ｙ’−ｖ，ｚ’−ｗ｝であるから,これらの誤差の符号を反転した値を補正量としてＮＣプログラム座標をオフセットすれば、誤差が補正できる。
【００３７】
上述の補償を実施した後も、誤差が残る場合は、sinＢ’、cosＢ’、sinＣ’、cosＣ’およびこれらの積を独立変数とし、Δｘ、Δｙ、Δｚを従属変数として重回帰分析を行なうと、誤差の関数形が定まる。この回帰関数からＢ軸、Ｃ軸の全ての旋回位置に対するΔｘ、Δｙ、Δｚの誤差を計算し、先に求めた回転変換の誤差に加算して補正すると、誤差を減少させることができる。
【００３８】
上述した主軸頭９に装着された工具Ｔの工具先端半径の中心位置の誤差補正の補正値の計算は、主軸頭９の割出し指令において、その計算のサプマクロを実行することにより、主軸頭９の割出し指令毎に行うことができる。
【００３９】
次に、図５に示されているフローチャートを参照して主軸頭９の割出し指令の処理手順を説明する。
【００４０】
まず、現在、Ｃ軸割出し位置（Ｃ軸旋回位置）は原点位置にあるかを確認し（ステップＳ１０）、原点位置になければ、原点位置への割出しを行う（ステップＳ１１）。
【００４１】
つぎに、Ｂ軸指令位置へ割出しを行い（ステップＳ１２）、ついで、Ｃ軸指令位置へ割出しを行う（ステップＳ１３）。
【００４２】
つぎに、補正量計算サブマクロを実行し、補正量を得る（ステップＳ１４）。
この新しい補正量から現在設定されている補正量を減算し、最終補正量を算出する（ステップＳ１５）。
【００４３】
そして、現在のプログラム座標に最終補正量を加算し、新しいプログラム座標系を設定し（ステップＳ１６）、新補正値をマクロ変数に保存する（ステップＳ１７）。
【００４４】
なお、工作機械固有の主軸頭９の旋回中心点から工具ケージラインまでの距離Ｌｇを工作機械の制御系に登録し、工具固有の工具ケージラインから工具Ｔの工具先端の半径中心位置までの距離Ｌｔを自動工具交換装置の工具データテーブルに登録しておき、工具交換時にこれら両距離データを参照して工具Ｔの旋回補正計算を行うこともできる。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明より理解されるように、請求項１による多軸工作機械の主軸頭における機械誤差の補正方法によれば、第２の部材の傾斜軸線周りの旋回角を所定角度に固定した状態で、第１の部材を鉛直軸線周りに旋回させて所定旋回角度毎に主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置を測定し、その測定値より前記第１の部材の軸方向ベクトルを決定し、第１の部材の鉛直軸線周りの旋回角を所定角度に固定した状態で、第２の部材を傾斜軸線周りに旋回させて所定旋回角度毎に主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置を測定し、その測定値より第２の部材の軸方向ベクトルを決定し、前記第１の部材の鉛直軸線周りの旋回角を所定角度に固定した状態で、前記第２の部材を傾斜軸線周りに旋回させて所定旋回角度毎に前記主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置を測定し、その測定値より前記第２の部材の軸方向ベクトルを決定し、前記傾斜軸線と前記鉛直軸線の交点である旋回中心から前記主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置までの距離と、決定された前記軸方向ベクトルと、この軸方向ベクトルから前記傾斜軸線と前記鉛直軸線の周りに旋回した状態での前記主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置を求め、この求めた主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置と前記距離と傾斜軸線指令と鉛直軸線指令から求めた誤差がないＮＣ指令における座標のオフセット位置との差分を前記主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置の誤差として主軸頭における機械誤差を補正するから、鉛直軸線、傾斜軸線に関係する誤差に起因する主軸頭における機械誤差を補正することができ、その補正の自動化も可能になる。また、主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置の誤差の符号を反転した値を補正値としてＮＣプログラム座標をオフセットし、前記主軸頭における装着された工具の工具先端半径の中心位置の誤差を補正するから、加工過程で、位置補正のための高速演算等を必要とすることなく、鉛直軸線、傾斜軸線に関係する誤差に起因する主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置の位置誤差を補正することができる。
【００４６】
請求項２による多軸工作機械の主軸頭における機械誤差の補正方法によれば、主軸頭における装着された工具の工具先端半径の中心位置の測定値を回帰方程式により重回帰分析して旋回平面を決定し、当該旋回平面の法線ベクトルを軸方向ベクトルとするから、安定した手法によって鉛直軸線、傾斜軸線に関係する誤差に起因する主軸頭に装着された工具の工具先端半径の中心位置誤差を補正することができ、その補正の自動化可能も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による主軸頭における機械誤差の補正方法を適用される多軸工作機械を示す斜視図である。
【図２】工具の局部座標系を示す説明図である。
【図３】Ｃ軸旋回を示す説明図である。
【図４】Ｂ’軸旋回を示す説明図である。
【図５】主軸頭の割出し指令の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ベッド
２ワークテーブル
３クロスレール
４サドル
５ラム
６Ｃ軸部材（第１の部材）
７傾斜旋回面
８Ｂ軸部材（第２の部材）
９主軸頭

Claims

鉛直軸線（Ｃ軸）周りに３６０度旋回可能な第１の部材（６）と、この第１の部材（６）の旋回中心軸線に対して傾斜した傾斜旋回面（７）同士で対向し、その傾斜旋回面（７）を直角に貫通する方向に延在する傾斜軸線（Ｂ’軸）周りに旋回可能な第２の部材（８）とを備え，この第２の部材（８）上に主軸頭（９）を搭載されている型式の多軸工作機械の主軸頭における機械誤差の補正方法において、
前記第２の部材（８）の傾斜軸線（Ｂ’軸）周りの旋回角を所定角度に固定した状態で、前記第１の部材（６）を鉛直軸線（Ｃ軸）周りに旋回させて所定旋回角度毎に前記主軸頭（９）に装着された工具（Ｔ）の工具先端半径の中心位置（Ｐ）を測定し、その測定値（Ｐ）より前記第１の部材（６）の軸方向ベクトル（Ｎｃ）を決定し、
前記第１の部材（６）の鉛直軸線（Ｃ軸）周りの旋回角を所定角度に固定した状態で、前記第２の部材（８）を傾斜軸線（Ｂ’軸）周りに旋回させて所定旋回角度毎に前記主軸頭（９）に装着された工具（Ｔ）の工具先端半径の中心位置（Ｐ’）を測定し、その測定値（Ｐ’）より前記第２の部材（８）の軸方向ベクトル（Ｎｂ）を決定し、
前記傾斜軸線（Ｂ’軸）と前記鉛直軸線（Ｃ軸）の交点である旋回中心から前記主軸頭（９）に装着された工具（Ｔ）の工具先端半径の中心位置までの距離（Ｌ）と、決定された前記軸方向ベクトル（Ｎｃ）と、この軸方向ベクトル（Ｎｃ）から前記傾斜軸線（Ｂ’軸）と前記鉛直軸線（Ｃ軸）の周りに旋回（θ、φ）した状態での前記主軸頭（９）に装着された工具（Ｔ）の工具先端半径の中心位置（Ｐ’（ｘ’、ｙ’、ｚ’））を求め、
この求めた主軸頭（９）に装着された工具（Ｔ）の工具先端半径の中心位置（Ｐ’（ｘ’、ｙ‘、ｚ’））と前記距離（Ｌ）と傾斜軸線（Ｂ軸）指令（β）と鉛直軸線（Ｃ軸）指令（γ）から求めた誤差がないＮＣ指令における座標のオフセット位置｛ｕ，ｖ，ｗ｝との差分（｛ｘ’−ｕ、ｙ‘−ｖ、ｚ’−ｗ｝）を前記主軸頭（９）に装着された工具（Ｔ）の工具先端半径の中心位置の誤差として主軸頭（９）における機械誤差を補正することを特徴とする多軸工作機械の主軸頭における機械誤差の補正方法。
前記主軸頭（９）に装着された工具（Ｔ）の工具先端半径の中心位置の測定値を回帰方程式により重回帰分析して前記第２の部材（８）の旋回平面を決定し、当該旋回平面の法線ベクトル（Ｎｂ）を前記第２の部材（８）の傾斜軸線（Ｂ’軸）の軸方向ベクトルとすることを特徴とする請求項１記載の多軸工作機械の主軸頭における機械誤差の補正方法。