JP5792271B2 - ワークによる変位誤差を補正する機能を備えた数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、直線軸３軸と回転軸２軸とを有する５軸加工機を制御する数値制御装置に関する。特に、ワークにより変位する誤差量をワーク内に規定した座標の位置に対応した並進誤差補正量として設定することによって、工具先端点位置を誤差のない位置に移動を行い、高精度な加工を行うように制御する数値制御装置に関する。

特許文献１には、直線軸座標系と回転軸座標系をそれぞれ格子状領域に分割し、格子点において格子点補正ベクトルを格納し、直線軸位置と回転軸位置から軸依存並進補正量と軸依存回転補正量を格子点補正ベクトルに基づいて算出し直線軸位置を補正する技術が開示されている。

特許第４３２７８９４号公報

特許文献１に開示された技術では、あらかじめ測定された機械系に起因する誤差により発生し得る工具先端点の誤差を補正することができる。しかしワークを変えることで機械系に影響を受け新たに発生する誤差、またワークの形状変化により発生する誤差を考慮することはできない。
そこで、本発明は、ワークを覆うワーク近傍領域内の格子点の測定可能点の補正量を設定することによって、それらの補正量から工具先端点の並進補正量を求め指令直線軸位置に加算する。このことにより、本発明は、工具先端点位置を誤差のない位置に移動を行い、高精度な加工を実現する５軸加工機を制御する数値制御装置を提供することを目的とする。つまり、５軸加工機においてワーク交換後においても指令通りの工具先端位置での加工を行うことのできる数値制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、テーブルに取付られたワーク（加工物）に対して直線軸３軸と回転軸２軸によって加工する５軸加工機を制御する数値制御装置において、ワークにより変位する誤差量をワーク内に規定した座標の位置に対応した並進補正量として設定することで、工具先端点位置がワーク上で誤差の無い位置になるように直線軸３軸を駆動させる数値制御装置である。

本願の請求項１に係る発明は、テーブルに取付られたワーク（加工物）に対して直線軸３軸と回転軸２軸によって加工する５軸加工機を制御する数値制御装置において、テーブル上に固定した３次元座標系においてワークを覆うワーク近傍領域内で所定間隔の格子点により分割したワーク格子状領域を設定するワーク格子状領域設定手段と、前記テーブルを回転する前記回転軸２軸の回転位置により該ワーク格子状領域を回転軸ワーク格子領域として設定する回転軸ワーク格子状領域設定手段と、該回転軸ワーク格子状領域における格子点に対し前記ワークを前記テーブルに載置する前後で生じる前記格子点のワークに起因する並進誤差の補正量を設定するワーク起因並進補正量設定手段と、該補正量よりワーク上の工具先端点位置の補正量を計算するワーク起因並進補正量計算手段と、該ワーク起因並進補正量を指令直線３軸の位置に加算し誤差補正を行う機能を有することを特徴とする数値制御装置である。

請求項２に係る発明は、前記５軸加工機は前記回転軸２軸によってテーブルを回転するテーブル回転形５軸加工機である請求項１に記載の数値制御装置である。
請求項３に係る発明は、直線軸３軸と回転軸２軸を備え、前記回転軸２軸の１軸によって工具ヘッド、他の１軸によってテーブルを回転し、該テーブルに取付られたワーク（加工物）を加工する混合形５軸加工機を制御する数値制御装置において、テーブル上に固定した３次元座標系においてワークを覆うワーク近傍領域内で所定間隔の格子点により分割したワーク格子状領域を設定するワーク格子状領域設定手段と、前記テーブルを回転する前記回転軸の１軸の回転位置により該ワーク格子状領域を回転軸ワーク格子領域として設定する回転軸ワーク格子状領域設定手段と、該回転軸ワーク格子状領域における格子点に対し前記ワークを前記テーブルに載置する前後で生じる前記格子点のワークに起因する並進誤差の補正量を設定するワーク起因並進補正量設定手段と、該補正量よりワーク上の工具先端点位置の補正量を計算するワーク起因並進補正量計算手段と、該ワーク起因並進補正量を指令直線３軸の位置に加算し誤差補正を行う機能を有することを特徴とする数値制御装置である。

本発明により、機械に起因する誤差に加えて、ワークによる誤差も考慮するため、ワーク形状の品質向上が期待できる加工が可能なワークによる変位誤差を補正する機能を備えた数値制御装置を提供できる。

本発明の数値制御装置が制御する５軸加工機のテーブル回転形の実施例である。 誤差が無いときの工具とテーブルの関係、機械起因誤差を含んだ工具とテーブルの関係、およびテーブルにワークが設置されたことで発生するワーク起因並進誤差を含んだワークとテーブルの関係図を示す。 ワーク上面を取り囲む範囲において、測定基準球が設置可能な箇所で格子状に分割することを示す図である。 ワーク底面近傍を取り囲む範囲において測定基準球が設置可能な箇所で格子状に分割し、ワーク上面の格子点と線上に結び３次元座標系で構成されたワーク格子状領域を示す図である。 図４のワーク格子状領域を示す図である。 テーブルを制御する回転軸位置の変化に伴いワーク格子状領域も回転した状態を示す図である。 ワーク格子状領域の格子番号が設定されることを説明する図である。 ワーク取り付け前のワーク格子状領域の格子点Ｐ１２における基準球に対し計測用ブローブで測定し算出した基準球中心の位置データＭ０₁₂ を示す図である。 格子点Ｐ６における位置データＭ０_６を示す図である。 ワーク取り付け後のワーク格子状領域の格子点Ｐ１２における基準球に対し計測用ブローブで測定し算出した基準球中心の位置データＭｗ₁₂ を示す図である。 格子点Ｐ６における位置データＭｗ_６を示す図である。 測定されたワーク起因並進補正量ΔＣｗのデータが、補正量テーブルとして数値制御装置に内蔵される不揮発性メモリ等に格納されることを説明する図である。 格子点Ｐ１４〜Ｐ２４から成るワーク格子状領域内に工具先端点が位置していることを示す図である。 本発明の誤差補正部を備えた数値制御装置を説明する図である。 本発明の実施形態１で実行される補正のアルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明の数値制御装置が制御する５軸加工機の混合形の実施形態である。 誤差が無いときの工具とテーブルの関係、機械起因並進誤差を含んだ工具とテーブルの関係、およびテーブルにワークが設置されたことで発生するワーク起因並進誤差を含んだワークとテーブルの関係を示す図である。

以下、本発明である５軸加工機を制御する数値制御装置の実施形態について図面とともに説明する。

（実施形態１）
＜１＞対象機械と誤差補正ベクトル
図１は本発明の数値制御装置が制御する５軸加工機のテーブル回転形の実施形態である。図１に示す機械構成では、Ｃ軸回転で回転しＢ軸回転で傾斜するテーブル３０がＹ軸上に載りＹ軸はＸ軸上に載って直線移動し、工具ヘッド２０はＺ軸で上下直線移動する。テーブル３０上にワーク４０が載っている。

テーブル回転形５軸加工機における機械に起因する並進誤差、ワークに起因する並進誤差およびそれらの補正について説明する。ここで、機械に起因する並進誤差は機械起因並進誤差、ワークに起因する並進誤差はワーク起因並進誤差とする。

図２は、誤差が無いときの工具２１とテーブル３０の関係、機械起因並進誤差を含んだ工具２１とテーブル３０の関係、およびテーブル３０にワーク４０が設置されたことで発生するワーク起因並進誤差を含んだワーク４０とテーブル３０の関係図を示す。ここでは、テーブル座標系をテーブル回転中心を原点とする（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）座標で表すと、機械から発生する誤差である機械起因並進誤差によってテーブル座標系が（Ｘａ’，Ｙａ’，Ｚａ’）座標となり、さらにテーブル上にワークが載ったことで発生する誤差であるワーク起因並進誤差によってテーブル座標系が（Ｘａ’’，Ｙａ’’，Ｚａ’’）になることを示している。

ここで機械起因並進誤差とは直線軸および回転軸の位置つまり機械的な位置関係で発生する並進方向の誤差である。図２における機械起因並進誤差である(ΔＸm，ΔＹm，ΔＺm)は、（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）座標と（Ｘａ’，Ｙａ’，Ｚａ’）座標との間のＸ軸方向／Ｙ軸方向／Ｚ軸方向の並進誤差を示す。これらの誤差はわずかの量であるが、理解を助けるために誇張して描いている。機械起因並進誤差に対する誤差補正は、特許文献１などに記載された従来技術であるので詳述しない。

ワーク起因並進誤差とはテーブル３０にワーク４０が設置されたことで発生するワーク４０に起因した並進方向の誤差である。ワーク４０と工具先端点の接触する点において、本来の位置からの誤差量となる図２におけるワーク起因並進誤差(ΔＸw，ΔＹw，ΔＺw)は、（Ｘａ’，Ｙａ’，Ｚａ’）座標と（Ｘａ’’，Ｙａ’’，Ｚａ’’）座標との間のＸ軸方向／Ｙ軸方向／Ｚ軸方向の並進誤差を示す。これも誤差はわずかの量であるが、理解を助けるために誇張して描いている。

指令直線軸位置Ｐｍｌ（Ｐｍｘ，Ｐｍｙ，Ｐｍｚ）および、指令回転軸位置Ｐｍｒ（Ｐｍｂ，Ｐｍｃ）に基づく機械起因並進誤差の補正量をΔＣｍ（ΔＸｍ，ΔＹｍ，ΔＺｍ）、ワーク起因並進誤差の補正量をΔＣｗ（ΔＸｗ，ΔＹｗ，ΔＺｗ）とする。テーブル３０およびワーク４０側の誤差量は、それを追いかけるように補正するので補正量でもある。機械起因並進誤差に対し並進補正後の工具先端点ベクトルをＴｍ_{o−ｔｃｐ}（Ｔｍ_{o−ｔｃｐ}ｘ，Ｔｍ_{o−ｔｃｐ}ｙ，Ｔｍ_{o−ｔｃｐ}ｚ）、ワーク起因並進誤差に対し並進補正後の工具先端点ベクトルをＴｗ_{o−ｔｃｐ}（Ｔｗ_{o−ｔｃｐ}ｘ，Ｔｗ_{o−ｔｃｐ}ｙ，Ｔｗ_{o−ｔｃｐ}ｚ）とすると、ΔＣｗ（ΔＸｗ，ΔＹｗ，ΔＺｗ）は数１式で表せる。

こうして求められたワーク起因並進補正量ΔＣｗ（ΔＸw，ΔＹw，ΔＺw）を、機械起因並進補正量が加味された修正直線軸位置Ｐｍｌ’（Ｐｍｘ’、Ｐｍｙ’、Ｐｍｚ’）に加算し修正直線軸位置Ｐｍｌ’’（Ｐｍｘ’’、Ｐｍｙ’’、Ｐｍｚ’’）を求める。各直線軸Ｘ、Ｙ、Ｚ軸はこの修正直線軸位置Ｐｍｌ’’（Ｐｍｘ’’、Ｐｍｙ’’、Ｐｍｚ’’）へ、回転軸Ｂ、Ｃ軸は指令位置へ駆動する。このことによって、テーブルから見た工具先端点位置を既に補正済の機械に起因する誤差に加えてワークに起因する誤差がない位置に移動することができる。

＜２＞ワーク（加工物）に起因する誤差
ワーク（加工物）４０に起因する誤差（ワークによる変位誤差）とは、重量、大きさの異なるワーク４０に取り換えることで、テーブル３０の面が傾いて加工領域に発生する誤差である。また回転軸の位置決めによりテーブル３０が傾くことで、ワーク４０がテーブル３０の回転中心軸に影響を与え発生する誤差である。

＜３＞ワーク格子状領域の定義方法
図３は、ワーク上面を取り囲む範囲において、測定基準球が設置可能な箇所で格子状に分割した点である。基準球の中心位置が格子点となる。図４は、ワーク底面近傍を取り囲む範囲において測定基準球が設置可能な箇所で格子状に分割し、ワーク上面の格子点と線上に結び３次元座標系で構成されたワーク格子状領域である。ワーク形状は図３で示すような円柱以外の直方体、角錐台、球形などにも適用可能である。また、測定基準球の設定箇所により格子点数は増減される。

図５は、図４のワーク格子状領域を示している。ワーク側面において格子状に分割し、境界線が交わる点が格子点Ｐ１〜Ｐ１２である。なお、格子間隔は一定間隔でなくてもよい。これがワーク格子状領域設定手段である。

図６は、テーブルを制御する回転軸位置の変化に伴いワーク格子状領域も回転した場合である。ワークを構成する直線３軸を座標系とするワーク格子状領域基準座標系で考える。回転軸の角度により、ワーク格子状領域を図５と同様に分割する。つまり、格子点番号は回転軸２軸とワーク格子領域基準座標系として考えた直線軸３軸により構成される。回転軸２軸と直線軸３軸の５次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｂ，Ｃ）の補正空間となる。

図５の格子点Ｐ１〜Ｐ１２、図６の格子点Ｐ１３〜Ｐ２４は回転軸の角度における一例であるが、その他の角度においても図７のようにワーク格子状領域の格子点番号が設定される。これが回転軸ワーク格子状領域設定手段である。

＜４＞ワーク起因並進誤差の測定例および補正量テーブル設定
図８は、ワーク取り付け前のワーク格子状領域の格子点Ｐ１２における基準球に対し計測用ブローブで測定し算出した基準球中心の位置データＭ０₁₂ を示す。図９は、図８と同様に格子点Ｐ６における位置データＭ０_６を示す。

図１０は、ワーク取り付け後のワーク格子状領域の格子点Ｐ１２における基準球に対し計測用ブローブで測定し算出した基準球中心の位置データＭｗ₁₂ を示す。図１１は、図１０と同様に格子点Ｐ６における位置データＭｗ_６を示す。

数１式と、図８のＭ０₁₂ 、図１０のＭｗ₁₂ より格子点Ｐ１２におけるワーク起因並進補正量は数２式となる。

同様に、図９のＭ０_６、図１１のＭｗ_６より格子点Ｐ６におけるワーク起因並進補正量は数３式となる。

測定されたワーク起因並進補正量ΔＣｗのデータは、図１２のように補正量テーブルとして数値制御装置に内蔵される不揮発性メモリ等に格納される。格子点番号は、測定用の基準球中心で図５のＰ１〜Ｐ１２、図６のＰ１３〜Ｐ２４を示す。そして格子点番号Ｐｎにおける回転軸座標値（Ｂ(ｎ)，Ｃ(ｎ)）、ワーク格子状領域基準座標系で考えた直線軸座標値（Ｘ(ｎ)，Ｙ(ｎ)，Ｚ(ｎ)）、および測定で算出されたワーク起因並進補正量ΔＣｗ(ΔＸｗ(ｎ)，ΔＹｗ(ｎ)，ΔＺｗ(ｎ))を設定する。これがワーク起因並進補正量設定手段である。

＜５＞工具先端点位置のワーク起因並進補正量の算出
図１３は、格子点Ｐ１４〜Ｐ２４から成るワーク格子状領域内に工具先端点が位置していることを示す。工具先端点位置Ｐｍ−ｔｃｐ（Ｐｍ−ｔｃｐ−ｘ，Ｐｍ−ｔｃｐ−ｙ，Ｐｍ−ｔｃｐ−ｚ）は、指令直線軸位置Ｐｍｌ（Ｐｍｘ，Ｐｍｙ，Ｐｍｚ）と工具長補正ベクトルＴ（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）より数４式で示される位置である。

工具先端点位置Ｐｍ−ｔｃｐに基づくワーク起因並進補正量ΔＣｗ−ｔｃｐ（ΔＸｗ−ｔｃｐ、ΔＹｗ−ｔｃｐ、ΔＺｗ−ｔｃｐ）は、補正量テーブルにおける近辺の格子点（Ｐ１４〜Ｐ２４）のワーク起因並進補正量ΔＣｗより内挿法で補間し算出する。内挿法は一般的な方法なので詳述しない。また測定できないワーク設置面／上面およびワーク内部のワーク起因並進補正量は、ワーク側面の測定点および近辺の測定点の誤差データより内挿法で補間する。これがワーク起因並進補正量計算手段である。

＜６＞ブロック図
次に、図１４を用いて本発明の誤差補正部を備えた数値制御装置を説明する。数値制御装置１は一般に、指令解析部２でプログラム指令を解析して補間用データを作成し、補間部３で補間用データにもとづいて補間を行って各軸の移動すべき位置を求め、各軸用の加減速部４ｘ，４ｙ，４ｚ，４ｂ（ａ），４ｃによって各軸の加減速を行った後の各軸位置を求め、補正部５で機械に起因する並進誤差をピッチ誤差補正や真直度誤差補正などの従来技術の補正を行い（特許文献１を参照）、その結果の位置によって各軸のサーボ６ｘ，６ｙ，６ｚ，６ｂ（ａ），６ｃを駆動する。

ここで、本発明によって、ワーク起因並進誤差補正部７でワーク格子状領域設定手段、回転軸ワーク格子状領域設定手段により誤差補正用の格子点を構成し、測定により算出されたワーク起因並進補正量設定手段により補正データを設定する。補正部５において工具先端点位置を取得し、対応した格子点のワーク起因並進補正量を取得する。ワーク起因並進誤差補正部７のワーク起因並進補正量計算手段により、工具先端点位置および対応した格子点のワーク起因並進補正量を用いて工具先端点位置の補正量ΔＣｗ−ｔｃｐに変換する。これを新たな補正量として従来技術の補正量に加算して補正を行う。

＜７＞アルゴリズムを示すフローチャート
図１５は本発明の実施例１で実行される補正のアルゴリズムを示すフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。
［ステップＳ１］指令軸位置の機械座標Ｐｍ（Ｐｍｘ，Ｐｍｙ，Ｐｍｚ，Ｐｍｂ，Ｐｍｃ）を得る。
［ステップＳ２］指令位置Ｐｍでの工具先端点に対応する回転軸ワーク格子状領域内の格子点のワーク起因並進補正量ΔＣｗ（ΔＸｗ，ΔＹｗ，ΔＺｗ）を取得する。
［ステップＳ３］指令位置Ｐｍでの工具先端点のワーク起因並進補正量ΔＣｗ−ｔｃｐを算出する。
［ステップＳ４］指令直線軸位置Ｐｍｌ（Ｐｍｘ、Ｐｍｙ、Ｐｍｚ）にΔＣｗ−ｔｃｐを加算、直線軸の移動すべき機械座標値とする。

（実施形態２）
＜１＞対象機械と誤差補正ベクトル
図１６は本発明の数値制御装置が制御する５軸加工機の混合形の実施例である。図１６に示される機械構成では、Ｂ軸回転で傾斜する工具ヘッド１がＹ軸とＺ軸に直線移動し、Ｃ軸回転で回転するテーブル２はＸ軸で直線移動する。テーブル２上にワーク３が載っている。
混合形５軸加工機における機械に起因する誤差、ワークに起因する並進誤差およびそれらの補正について説明する。図１７は、誤差が無いときの工具とテーブルの関係、機械起因並進誤差を含んだ工具とテーブルの関係、およびテーブルにワークが設置されたことで発生するワーク起因並進誤差を含んだワークとテーブルの関係図を示す。以降、「＜１＞対象機械と誤差補正ベクトル」の内容は実施形態１と同様のため省略する。
＜２＞ワーク（工作物）に起因する誤差
実施形態１と同様のため省略する。
＜３＞ワーク格子点定義方法
実施形態１では回転軸２軸であったのに対し実施形態２ではワークを回転させる回転軸は１軸なので、図７の表は回転軸1軸（Ｃ軸）のみに関する表でよい。つまり、直線軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と回転軸１軸（Ｃ）の４次元の表として考える。それ以外は実施形態１と同様のため省略する。
＜４＞ワーク起因並進誤差の測定例および補正量テーブル設定
＜５＞工具先端点位置のワーク起因並進補正量の算出
＜６＞ブロック図
＜７＞アルゴリズムを示すフローチャート
実施形態１と同様のため省略する。

１ 数値制御装置
２ 指令解析部
３ 補間部
４ｘ Ｘ軸用加減速部
４ｙ Ｙ軸用加減速部
４ｚ Ｚ軸用加減速部
４ｂ（ａ） Ｂ（Ａ）軸用加減速部
４ｃ Ｃ軸用加減速部
５ 補正部
６ｘ Ｘ軸サーボ
６ｙ Ｙ軸サーボ
６ｚ Ｚ軸サーボ
６ｂ（ａ） Ｂ軸サーボ
６ｃ Ｃ軸サーボ
７ ワーク起因並進誤差補正部
８ ワーク格子状領域設定手段
９ 回転軸ワーク格子領域設定手段
１０ ワーク起因並進補正量設定手段
１１ 工具先端点位置取得部
１２ ワーク起因並進補正量計算手段

２０ 工具ヘッド
２１ 工具
３０ テーブル
４０ ワーク

Claims (3)

1. テーブルに取付られたワーク（加工物）に対して直線軸３軸と回転軸２軸によって加工する５軸加工機を制御する数値制御装置において、
   テーブル上に固定した３次元座標系においてワークを覆うワーク近傍領域内で所定間隔の格子点により分割したワーク格子状領域を設定するワーク格子状領域設定手段と、
   前記テーブルを回転する前記回転軸２軸の回転位置により該ワーク格子状領域を回転軸ワーク格子領域として設定する回転軸ワーク格子状領域設定手段と、
   該回転軸ワーク格子状領域における格子点に対し前記ワークを前記テーブルに載置する前後で生じる前記格子点のワークに起因する並進誤差の補正量を設定するワーク起因並進補正量設定手段と、
   該補正量よりワーク上の工具先端点位置の補正量を計算するワーク起因並進補正量計算手段と、
   該ワーク起因並進補正量を指令直線３軸の位置に加算し誤差補正を行う機能を有することを特徴とする数値制御装置。
2. 前記５軸加工機は前記回転軸２軸によってテーブルを回転するテーブル回転形５軸加工機である請求項１に記載の数値制御装置。
3. 直線軸３軸と回転軸２軸を備え、前記回転軸２軸の１軸によって工具ヘッド、他の１軸によってテーブルを回転し、該テーブルに取付られたワーク（加工物）を加工する混合形５軸加工機を制御する数値制御装置において、
   テーブル上に固定した３次元座標系においてワークを覆うワーク近傍領域内で所定間隔の格子点により分割したワーク格子状領域を設定するワーク格子状領域設定手段と、
   前記テーブルを回転する前記回転軸の１軸の回転位置により該ワーク格子状領域を回転軸ワーク格子領域として設定する回転軸ワーク格子状領域設定手段と、
   該回転軸ワーク格子状領域における格子点に対し前記ワークを前記テーブルに載置する前後で生じる前記格子点のワークに起因する並進誤差の補正量を設定するワーク起因並進補正量設定手段と、
   該補正量よりワーク上の工具先端点位置の補正量を計算するワーク起因並進補正量計算手段と、
   該ワーク起因並進補正量を指令直線３軸の位置に加算し誤差補正を行う機能を有することを特徴とする数値制御装置。

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