JP2000322115A - 数値制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 移動体の慣性力による工作機械系の部分的な
弾性変形量（形状誤差ε）を補正して、高速、高精度の
曲線加工を実現する。 【解決手段】 リニアモータ駆動式の工作機械を構成し
た場合、工具又は工具を支持する支持部材と各測位点と
が離れているため、その間の工作機械系の部分的弾性変
形により測位誤差が生じる。このような工作機械では、
ｙ軸方向の移動機構が、ｘ軸方向の移動機構の内部に包
括的に組み込まれるいわゆる入れ子構造をしているた
め、工作物の形状誤差εの、ｘ軸方向の形状誤差ε_x に
寄与する可動体の質量ｍ_x と、ｙ軸方向の形状誤差ε_y
に寄与する可動体の質量ｍ_y とは異なるが、本発明で
は、各軸成分毎に支持部材の加速度成分より形状誤差成
分を求めることにより、各軸単位に形状誤差の補正を行
うため、上記の様な弾性変形量についての異方性が有っ
ても、各軸対応に正確に補正することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の数値制
御装置に関し、特に、高速に加工を行う際に発生する工
作機械系の部分的弾性変形による加工形状誤差の発生を
防止する数値制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マシニングセンタ等の工作機械の分野で
は、工作物に関する加工時間の短縮等を目的として、例
えば、リニアモータ駆動の採用や可動体の軽量化等によ
る高速、或いは、高加速度の工作機械が提案・開発され
ている。これらの技術革新により、従来のボールネジ駆
動、鋳鉄製コラム等による工作機械では実現できなかっ
た高加速度（１Ｇ以上）が達成されるようになってきて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】工作機械系の一部を構
成する移動体（工具などの支持部材）が加減速される
と、移動体にはその質量及び加速度に比例する慣性力が
働く。この慣性力の作用により、この工作機械系には部
分的な弾性変形が生じ、特に工具先端などの制御点と、
工具の位置を検出する測位点との間でこの弾性変形が生
じると、支持部材等からなる移動体の加減速時に、上記
制御点に対する測位精度が劣化することになる。

【０００４】このような問題は、特に、可動体等が軽量
化されて構成部品の剛性が比較的低いか、或いは、リニ
アモータ駆動等により高速加工が可能な工作機械が製造
されるようになってから表面化、或いは、顕在化するよ
うになってきている。また、このような形状誤差は、上
記移動体の加工時の速度、或いは、加速度が大きくなる
ほど大きくなる。

【０００５】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的は、高速、高精度の曲線加
工を実現することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めには、以下の手段が有効である。即ち、第１の手段
は、工具又は工作物より成る被支持物を支持する支持部
材を工作物の加工曲線に沿って高速に移動させるための
数値制御装置において、支持部材等の加速度による工作
機械系の部分的弾性変形により生じる、支持部材の移動
経路の加工曲線からのズレを制御軸の各軸成分毎に、支
持部材の予定された加速度と、支持部材と共に軸方向に
平行移動する可動体の質量及び弾性率、或いは、変形量
等の部分的弾性変形の関連値に基づいて、加速度の対応
軸成分に略比例する補正量で補正する位置指令値補正手
段を備えることである。

【０００７】また、第２の手段は、工具又は工作物より
成る被支持物を支持する支持部材を第１の軸線方向に移
動可能に支持する第１の可動体と、この第１の可動体を
第１の軸線方向と直交する第２の軸線方向に移動可能に
支持する第２の可動体とを制御して、支持部材を工作物
の加工曲線に沿って高速に移動させるための数値制御装
置において、被支持物の加速度（ａ）による第１の可動
体の部分的弾性変形により生じる支持部材の移動の経路
の加工曲線からのズレを、第１の軸線方向に作用する加
速度（ａ_y ）と、支持部材及び第１の可動体の質量ｍ_y
と第１の可動体の弾性率（Ｋ_y ）との比に係わる関連値
（Ｃ_y ）に基づいて、加速度ａの第１の軸線方向成分
（ａ_y ）に略比例する補正量（ε_y ）で補正すると共
に、加速度（ａ）による第２の可動体の部分的弾性変形
により生じる支持部材の移動の経路の加工曲線からのズ
レを、第２の軸線方向に作用する加速度（ａ_x ）と、支
持部材及び第１の可動体及び第２の可動体の質量
（ｍ_x ）と第２の可動体の弾性率（Ｋ _x ）との比に係わ
る関連値（Ｃ_x ）に基づいて、加速度ａの第２の軸線方
向成分（ａ_x ）に略比例する補正量（ε_x ）で補正する
位置補正手段を備えることである。

【０００８】また、第３の手段は、上記の第２の手段に
おいて、関連値（Ｃ_x,Ｃ_y ）を予め実験的に求めておく
ことである。

【０００９】また、第４の手段は、上記の第２又は第３
の手段において、第１の軸線方向に作用する加速度（ａ
_y ）及び前記第２の軸線方向に作用する加速度（ａ_x ）
を支持部材の移動の経路を指令するＮＣデータから計算
することである。

【００１０】更に、第５の手段は、上記の第１乃至第４
の何れか１つの手段において、支持部材および各可動体
の少なくとも１つをリニアモータで駆動することであ
る。以上の手段により、前記の課題を解決することがで
きる。

【００１１】

【作用及び発明の効果】本発明の作用・効果を簡単のた
め、ｘｙ平面上での曲線加工の場合について以下に説明
する。加工処理時の慣性力及び形状誤差をそれぞれｘ軸
成分、ｙ軸成分毎に（Ｆ_x ，Ｆ_y ），（ε_x ，ε_y ）と
表すことにすれば、次式（１）〜（８）が成り立つ。た
だし、その他の各変数の定義は、以下の通りである。 （変数定義） ａ：支持部材の加速度の大きさ θ：支持部材の加速度の曲座標表示における角度（加速
度の向き） ε：形状誤差の大きさ ａ_x ：支持部材の加速度のｘ軸成分（第２の軸線方向成
分） ｍ_x ：支持部材と共にｘ軸方向に平行移動する可動体の
質量（支持部材、第１の可動体、及び第２の可動体の質
量） Ｋ_x ：形状誤差ε_x の発生要因となる工作機械系のｘ軸
方向の弾性率 ａ_y ：支持部材の加速度のｙ軸成分（第１の軸線方向成
分） ｍ_y ：支持部材と共にｙ軸方向に平行移動する可動体の
質量（支持部材、及び第１の可動体の質量） Ｋ_y ：形状誤差ε_y の発生要因となる工作機械系のｙ軸
方向の弾性率 ｖ：支持部材の速度の大きさ ｒ：加工円の半径

【００１２】

【数１】 ε² ＝ε_x ² ＋ε_y ² …（１）

【数２】 Ｆ_x ＝−ｍ_x ａ_x ＝Ｋ_x ε_x （ｘ軸方向慣性力） …（２）

【数３】 Ｆ_y ＝−ｍ_y ａ_y ＝Ｋ_y ε_y （ｙ軸方向慣性力） …（３）

【数４】 ε_x ＝−Ｃ_x ａ_x （Ｃ_x ≡ｍ_x ／Ｋ_x ） …（４）

【数５】 ε_y ＝−Ｃ_y ａ_y （Ｃ_y ≡ｍ_y ／Ｋ_y ） …（５）

【数６】 ａ_x ＝ａ cosθ …（６）

【数７】 ａ_y ＝ａ sinθ …（７）

【数８】 ε（θ）＝ａ｛（Ｃ_x ｃｏｓθ）² ＋（Ｃ_y ｓｉｎθ）² ｝^1/2 …（８） ただし、ε（θ）の角θは、あくまでも上記の支持部材
の加速度の向きを表すものであり、変位（形状誤差ε）
の方向とは必ずしも一致しない。

【００１３】尚、上記のＣ_x 、Ｃ_y は、次式（９）を満
たす試験的な円加工、或いは試験的な円運動（空運転）
を実施することにより、式（10）、（11）の通りに求め
ることができる。

【数９】 ａ＝ｖ² ／ｒ＝（一定） …（９）

【数１０】 Ｃ_x ＝ε（α）／ａ （α＝０，π） …（10）

【数１１】 Ｃ_y ＝ε（β）／ａ （β＝π／２，３π／２） …（11）

【００１４】即ち、半径ｒの円加工を行って、その際の
形状誤差εをθの関数ε（θ）として測定すれば、モデ
リングや数値計算などの複雑、或いは高度な解析技法を
用いてｍ_x 、Ｋ_x 、ｍ_y 、Ｋ_y の各値を個々に求めるこ
とが困難な場合でも、Ｃ_x ≡ｍ_x ／Ｋ_x 、Ｃ_y ≡ｍ_y ／
Ｋ_y の値を（10）、（11）により求めることが可能とな
る。

【００１５】したがって、（４），（５）を用いて、位
置指令値に対する補正を行えば、高速の曲線加工の際に
も所望の加工形状を得ることができる。

【００１６】また、式（２）、（３）からも判る様に、
本発明は工具又は工作物より成る被支持物を支持する支
持部材を有する可動体の質量が大きな場合や、或いは、
工作機械系の部分的弾性変形に関する弾性率が小さな場
合においても、上記と同様に大きな効果を発揮する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。図１及び図２に、本発明を適用する
工作機械の側面図及び正面図を示す。本工作機械は、互
いに直交する３軸を有するリニアモータ駆動式であり、
その主な構成要素は、ベース１０の前部に配置されたワ
ークテーブル１１、ベース１０の後部に配置された固定
フレーム１５、固定フレーム１５の前側でベース１０及
び固定フレーム１５によりガイドされてｘ軸方向に水平
移動するガントリ２０、このガントリ２０により案内さ
れてｙ軸方向に上下移動するサドル５０、サドル５０に
よりＺ方向に水平移動するラム６０（工具Ｔより成る被
支持物を支持する支持部材）、ガントリ２０、可動体の
一部を構成しているサドル５０、ラム６０をそれぞれ移
動する電気リニアモータ３５、３７、５７、６７、及び
ラム６０に回転自在に支持された工具主軸７１などであ
る。

【００１８】また、各軸方向のガイド機構は、ｘ軸方向
がガイドレール２９、３２、及びベアリングブロック３
０、３１、３３により、ｙ軸方向がガイドレール５３、
５５、及びベアリングブロック５４、５６により、Ｚ方
向が下部リニアガイド機構６１、及び上部リニアガイド
機構６２により、それぞれ構成されている。尚、図１の
記号Ｔ、及びＷはそれぞれ、工具、及び工作物を表して
いる。

【００１９】図３に、本発明の作用を説明する簡易モデ
ルの物理的概念図を示す。各数値符号は、各々上記図１
又は図２と同一の構成要素を示している。図１及び図２
に示す様にリニアモータ駆動式の工作機械を構成した場
合、工具又は工具を支持する支持部材と各測位点（各々
図中の△印の位置）とが離れているため、その間の工作
機械系の部分的弾性変形により、測位誤差が生じる。

【００２０】また、ｙ軸方向の移動機構が、ｘ軸方向の
移動機構の内部に包括的に組み込まれる、いわゆる入れ
子構造をしているため、工作物の形状誤差εの、ｘ軸方
向の弾性変形量（形状誤差ε_x ）に寄与する可動体の質
量ｍ_x と、ｙ軸方向の弾性変形量（形状誤差ε_y ）に寄
与する可動体の質量ｍ_y とは大きく異なっている（ｍ _x
＞ｍ_y ＞ｍ；ただし、ｍはラム６０の質量とする）。し
かしながら、本発明では、式（４）、（５）により、各
軸単位に形状誤差の補正を行うため、上記の様な弾性変
形量についての異方性が有っても、各軸対応に正確に補
正することができる。

【００２１】図４に、本実施例の工作機械のハードウェ
ア構成図を示す。数値制御装置１００は、ＣＰＵ１０
１、メモリ１０２、サーボ制御装置との物理的インター
フェイスを取るインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）１０３、
入出力装置１０４等の主要構成要素を有する。ＣＰＵ１
０１は、各リニアモータに対応する測位装置（リニアス
ケール）により測定された工具のｘ座標、ｙ座標、ｚ座
標の各値（ｘ，ｙ，ｚ）をＩ／Ｆ１０３を介して随時入
力する。また、ＣＰＵ１０１は、補間演算により求めら
れた、次に到達すべき補間点の位置を与える差分量の各
値（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）をＩ／Ｆ１０３を介して、ｘ軸
サーボ制御装置１１１、ｙ軸サーボ制御装置１１２、及
びｚ軸サーボ制御装置１１３に対し各々随時出力する。
各軸のサーボ制御装置１１１〜１１３は、差分量（ｄ
ｘ，ｄｙ，ｄｚ）により与えられた次の補間点までの工
具の移動を制御する。

【００２２】図５に、本実施例の数値制御装置１００の
ソフトウェア構成図を示す。ＮＣプログラム解析部１２
１は、与えられたＮＣデータを解析し、補間演算部１２
２は解析されたデータに基づいて補間処理を行う。すな
わち、指令された速度と予め設定された速度パターンに
基づいて一定の補間周期毎の速度を求め、この速度と補
間周期の積により移動距離を求める。そして、ＮＣデー
タで与えられる加工曲線上に求められた移動距離だけ離
れた点（ｘ，ｙ，ｚ）を補間点として順次設定してい
く。ただし、ここでは、本加工曲線は簡単のため、ｘｙ
座標平面（ｚ＝（一定値））上にあるものとする。

【００２３】加速度演算部１２３は、補間演算部１２２
にて求められた各補間点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）から各補
間点における加速度（ａ_x,ａ_y ）を演算する。補正量演
算部１２４は、この加工曲線上の各補間点における工具
の加速度のｘ軸成分ａ_x 及びｙ軸成分ａ_y を入力し、式
（４）,(５）を用いて、加工曲線上の各補間点（ｘ，
ｙ，ｚ）におけるｘ軸方向の形状誤差ε_x 、及びｙ軸方
向の形状誤差ε_y を求める。

【００２４】加算演算部１２５は、補間演算部１２２か
ら入力した加工曲線上の各補間点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）
と、補正量演算部１２４から入力したこの各補間点
（ｘ，ｙ，ｚ）におけるｘ軸方向の形状誤差ε_x 及びｙ
軸方向の形状誤差ε_y より、各補間点の位置指令値を
（ｘ−ε_x ，ｙ−ε_y ，ｚ）なる座標値に補正する。そ
して、この補正された位置指令値が各サーボ制御装置に
対して各々随時出力される。このように曲線加工を実施
することにより、例えば、上記の加工曲線が真円である
場合には、所望の精度の真円加工を実現することができ
る。

【００２５】尚、加速度演算部１２３における加速度演
算は、補間演算部１２２の出力を用いずに、工具の加速
度を直に事前の試し加工時にリニアスケールで実測する
ことにより行っても良い。即ち、Ｉ／Ｆ１０３を介して
随時入力される工具のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の各値
（ｘ，ｙ，ｚ）を用いて、微分演算により、工具の加速
度ベクトルを直に事前の試し加工により求めることが可
能となる。

【００２６】この方法を用いて、加速度演算部１２３に
おける加速度演算を試し加工により実行すれば、複雑な
形状の曲線加工においても、加工曲線上の各点での加速
度を簡単な演算により容易に求めることができる。従っ
て、本発明は、加工曲線上の各点における加速度を予測
または予定することが容易でない場合においても、事前
の試し加工時に各点における加速度を測定しておくこと
により、任意の曲線形状に対しても適応が容易である。

【００２７】また、上記の実施例においては、簡単のた
め、ｘｙ平面上での曲線加工について、具体的な加工手
段を示したが、これらの曲線加工は三次元空間において
も、本発明の手段により実施することができ、この場合
にも、本発明の作用により本発明の効果を得ることがで
きる。

【００２８】また、上記の実施例においては、簡単のた
め、ｘ軸とｙ軸とが直交している場合について示した
が、式（４）、（５）に示した様な互いに独立した関係
が得られれば、本発明の手段を適用することができる。
従って、この様な場合にも、本発明の作用により本発明
の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係わる工作機械を示す側面
図。

【図２】本発明の実施例に係わる工作機械を示す正面
図。

【図３】本発明の作用を説明する簡易モデルの物理的概
念図。

【図４】本発明の実施例に係わる工作機械のハードウェ
ア構成図。

【図５】本発明の実施例に係わる数値制御装置のソフト
ウェア構成図。

【符号の説明】

１００ … 数値制御装置 ６０ … ラム Ｔ … 工具 Ｗ … 工作物

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C001 KA01 KB04 KB09 TA02 TB02 TD01 5H269 AB01 BB03 CC02 EE01 EE05 EE13 GG08 QB17 RB11 RC04

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工具又は工作物より成る被支持物を支持
   する支持部材を前記工作物の加工曲線に沿って高速に移
   動させるための数値制御装置であって、 前記支持部材等の加速度による工作機械系の部分的弾性
   変形により生じる、前記移動の経路の前記加工曲線から
   のズレを制御軸の各軸成分毎に、 前記支持部材の予定された加速度と前記支持部材と共に
   軸方向に平行移動する可動体の質量及び弾性率、 或いは、変形量等の前記部分的弾性変形の関連値に基づ
   いて、 前記加速度の対応軸成分に略比例する補正量で、補正す
   る位置指令値補正手段を備えたことを特徴とする数値制
   御装置。
2. 【請求項２】 工具又は工作物より成る被支持物を支持
   する支持部材を第１の軸線方向に移動可能に支持する第
   １の可動体と、前記第１の可動体を第１の軸線方向と直
   交する第２の軸線方向に移動可能に支持する第２の可動
   体とを制御して、前記支持部材を前記工作物の加工曲線
   に沿って高速に移動させるための数値制御装置であっ
   て、 前記被支持物の加速度（ａ）による前記第１の可動体の
   部分的弾性変形により生じる前記移動の経路の前記加工
   曲線からのズレを、前記第１の軸線方向に作用する加速
   度（ａ_y ）と、前記支持部材及び前記第１の可動体の質
   量ｍ_y と第１の可動体の弾性率（Ｋ_y ）との比に係わる
   関連値（Ｃ_y ）に基づいて、前記加速度ａの前記第１の
   軸線方向成分（ａ_y ）に略比例する補正量（ε_y ）で補
   正すると共に、 前記加速度（ａ）による前記第２の可動体の部分的弾性
   変形により生じる前記移動の経路の前記加工曲線からの
   ズレを、前記第２の軸線方向に作用する加速度（ａ_x ）
   と、前記支持部材及び前記第１の可動体及び前記第２の
   可動体の質量（ｍ_x ）と前記第２の可動体の弾性率（Ｋ
   _x ）との比に係わる関連値（Ｃ_x ）に基づいて、前記加
   速度の前記第２の軸線方向成分（ａ_x ）に略比例する補
   正量（ε _x ）で補正する位置補正手段を備えたことを特
   徴とする数値制御装置。
3. 【請求項３】 前記関連値（Ｃ_x,Ｃ_y ）は、予め実験的
   に求められることを特徴とする請求項２に記載の数値制
   御装置。
4. 【請求項４】 前記第１の軸線方向に作用する加速度
   （ａ_y ）及び前記第２の軸線方向に作用する加速度（ａ
   _x ）は、前記移動の経路を指令するＮＣデータから計算
   することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の数
   値制御装置。
5. 【請求項５】 前記支持部材および前記各可動体の少な
   くとも１つはリニアモータで駆動されることを特徴とす
   る請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の数値制御
   装置。