JP2011173234A

JP2011173234A - 工作機械の制御方法

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Publication number: JP2011173234A
Application number: JP2011006511A
Authority: JP
Inventors: Ken Kobayashi; 献小林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-15
Filing date: 2011-01-15
Publication date: 2011-09-08

Abstract

【課題】複数の軸の誤差が複雑に影響しあって誤差要因が特定できない場合や誤差モデルが複雑になりすぎて解析不能な場合にも、高精度な誤差補償を行うことができる。
【解決手段】各基準軸Ａ，Ｃにそれぞれ所定間隔毎に基準位置を設定し、基準位置に対する基準球の実際の移動位置での補正軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向における誤差量を各基準軸Ａ，Ｃの基準位置の組み合わせに対応させて記憶させた誤差データベースを形成する。各基準軸Ａ，Ｃに与える任意の位置を指令位置とし、各基準軸Ａ，Ｃにおける指令位置の組み合わせに近い２つ以上の基準位置の組み合わせを選択して、これら組み合わせに対応する誤差量を指令位置と基準位置の距離の逆数に応じた重み付けで平均した補間誤差量を算出してこれを補正量として各補正軸Ｘ，Ｙ，Ｚに与える。
【選択図】図１

Description

本発明は工作機械の制御方法に関するもので、特に５軸工作機械に適用して、ワーク形状データを取得する等の煩雑な作業を要することなく高精度な誤差補償を行なうことができる工作機械の制御方法に関するものである。

Ｘ，Ｙ，Ｚ直交３軸に加えてさらに二つの旋回軸を備えた５軸工作機械は、一回の工作物把持で主要５方向からの加工と、さらにＸ，Ｙ，Ｚ軸と平行でない任意の角度の加工が可能になり、工程集約ができることから、近年その優位性が様々な加工分野で注目されている。この種の工作機械を使って必要な加工精度を確保するには、各軸の真直度、直角度、平行度、原点位置等で生じる累積誤差を確実に補償する必要がある。

ここで、例えば特許文献１には５軸加工機の姿勢保証システムが示されている。当該システムにおいては、主軸頭を旋回させるＡ軸とテーブルを旋回させるＣ軸についてそれぞれ、ワークの、加工する全ての傾斜穴についてその形状データに基いて予めＡ軸角度の目標値と実際の測定値の誤差量、およびＣ軸角度の目標値と実際の測定値の誤差量をそれぞれ測定して、実際の加工時にＡ軸、Ｃ軸のそれぞれについて上記誤差量を補償するように目標値を補正して加工を行っている。

特開２００８−１１９７８４

しかし、上記従来の姿勢保証システムでは、各ワーク毎に、加工する全ての傾斜穴についてＣＡＤの形状データを取得する必要があるという点で煩雑である上に、各旋回軸毎にその誤差量を単独に測定するものであるため、各軸の真直度、直角度、平行度、ピッチ誤差、原点位置等の誤差が積み重なって生じる誤差について補償しきれないという問題があった。一般に工作機械は軸数が増加すればするほど自在な加工が可能になるが、複数の軸の誤差が複雑に影響しあって誤差要因が特定できなくなり、また誤差モデルが複雑になりすぎて解析不能となるため、高精度な誤差補償が困難であった。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、複数の軸の誤差が複雑に影響しあって誤差要因が特定できない場合や誤差モデルが複雑になりすぎて解析不能な場合にも、高精度な誤差補償を行うことができる工作機械の制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明では、全軸のうち二つ以上の軸を基準軸として選択するとともに、前記全軸のうち一つ以上の軸を補正軸として選択し、前記各基準軸にそれぞれ所定間隔毎に基準位置を設定して、前記基準位置に対するワークないし工具の実際の移動位置での前記補正軸方向における誤差量を前記各基準軸の基準位置の組み合わせに対応させて記憶させた工作機械の誤差データベースを使用する工作機械の制御方法であって、前記各基準軸に与える任意の位置を指令位置とし、前記各基準軸における指令位置の組み合わせに最も近い前記基準位置の組み合わせに対応する前記誤差量を補正量として前記各補正軸に与えることを特徴としている。

本第１発明によると、複数の軸の誤差が複雑に影響しあって誤差要因が特定できない場合や誤差モデルが複雑になりすぎて解析不能な場合にも、高精度な誤差補償を行ってワークを高精度に加工することができる。すなわち、本第１発明では、複数（例えば数十点）の基準位置における誤差量を全て誤差データベースに記録しているから、これに基づいて補正量を選択ないし算出すれば、全ての誤差情報が有効に利用されるので精度の高い誤差補償が可能になる。例えば、５軸工作機械で、旋回移動軸のＡ軸、Ｃ軸を基準軸として選択し、直線移動軸のＸ，Ｙ，Ｚ軸を補正軸として選択すれば、旋回移動軸の旋回中心軸のずれや傾きによる誤差を補償することができる。また、マシニングセンタで、直線移動軸のＸ，Ｙ，Ｚ軸を基準軸かつ補正軸として選択すれば、真直度、直角度、ピッチ誤差による誤差を補償することができる。その他、２主軸や３刃物台を有する複合加工機への適用も可能である。

本第２発明では、全軸のうち二つ以上の軸を基準軸として選択するとともに、前記全軸のうち一つ以上の軸を補正軸として選択し、前記各基準軸にそれぞれ所定間隔毎に基準位置を設定して、前記基準位置に対するワークないし工具の実際の移動位置での前記補正軸方向における誤差量を前記各基準軸の基準位置の組み合わせに対応させて記憶させた工作機械の誤差データベースを使用する工作機械の制御方法であって、前記各基準軸に与える任意の位置を指令位置とし、前記各基準軸における前記指令位置の組み合わせに近い２つ以上の前記基準位置の組み合わせを選択して、これら組み合わせに対応する前記誤差量を前記指令位置と前記基準位置の距離の逆数に応じた重み付けで平均した補間誤差量を算出してこれを補正量として前記各補正軸に与えることを特徴としている。

本第２発明においては、本第１発明の作用効果に加えて、基準位置に対応した離散的な誤差量から任意の指令位置に対応する補間誤差量を連続的に算出するようにしているから、より高精度な誤差補償が可能であるとともに、少ない基準位置で精度の高い補正が可能であるから実務性が高い。

本第３発明では、本第１発明又は本第２発明において、全軸のうちワークないし工具を所定の軸周りにそれぞれ旋回移動させる二つの軸を前記基準軸とし、ワークないし工具を３次元空間の任意位置へそれぞれ直線移動させる三つの軸を前記補正軸として設定する。

本第３発明においては、直線移動の三軸と旋回移動の二軸を備える５軸工作機械の誤差データベースを容易に形成することができ、このような誤差データベースを使用することによって、特に旋回移動軸の旋回中心軸のずれや傾きによる誤差を効果的に補償してワークを高精度に加工することができる。

以上のように、本発明の工作機械の制御方法によれば、複数の軸の誤差が複雑に影響しあって誤差要因が特定できない場合や誤差モデルが複雑になりすぎて解析不能な場合にも、工作機械の高精度な誤差補償を行うことができる。

本発明の第１実施形態における、５軸工作機械の要部概略斜視図である。本発明の第１実施形態における、Ａ軸の旋回中心軸を求める過程を示す概略側面図である。本発明の第１実施形態における、誤差データベースの概念図である。本発明の第２実施形態における、誤差データベースの概念図である。本発明の第２実施形態における、誤差データベースの概念図である。本発明の第２実施形態における、誤差データベースの概念図である。本発明の第２実施形態における、誤差データベースの概念図である。

［第１実施形態］
図１には本発明の対象となる５軸工作機械の一例を示す。工作機械は、工具を取り付ける主軸１を駆動手段によって３次元空間の任意位置へそれぞれ直線移動させるための互いに直交する三つの軸Ｘ，Ｙ，Ｚを備えている。また、ワークを載置するテーブル２を駆動手段によってＸ軸に平行な軸Ｐ周りに旋回移動させるＡ軸と、Ａ軸が原位置にある場合にテーブル２を駆動手段によってＺ軸に平行な軸Ｑ周りに旋回移動させるＣ軸を備えている。主軸１には工具に代えてタッチプローブ３が固定されている。一方、テーブル２上にはワークに代えて基準治具４が設置されている。基準治具４は支持棒４１の先端に真円球に近い基準球４２を装着したものである。なお、本実施形態では、Ａ軸、Ｃ軸を基準軸として選択し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を補正軸として選択する。

（誤差データベースの形成）
最初にＡ軸の旋回中心軸を求める。これはテーブル２上に基準治具４を設置した状態でテーブル２をＡ軸に沿って複数個所に旋回させ、図２に示すように、各旋回位置で基準球４２にタッチプローブ３を接触させて公知の方法で基準球４２の中心位置（×印）を検出する。そして、上記複数個所で基準球４２の中心位置が検出されたら、これら中心位置を連ねる最も近い円弧Ｌを算出してその円弧中心ＯをＡ軸の旋回中心軸とする。この際、円弧の半径Ｒも算出する。

続いてＡ軸の場合と同様の方法でＣ軸の旋回中心軸を求める。これはテーブル２上の偏心位置に基準治具４を設置した状態でテーブル２をＣ軸に沿って複数個所に旋回させ、各旋回位置で基準球４２にタッチプローブ３を接触させて公知の方法で基準球４２の中心位置を検出する。そして、上記複数個所で基準球４２の中心位置が検出されたら、これら中心位置を連ねる最も近い円弧を算出してその円弧中心をＣ軸の旋回中心軸とする。この際、円弧の半径も算出する。

次に、Ａ軸、Ｃ軸について、上述のように決定された各旋回中心軸に対し所定角度間隔毎に基準位置（Ａ0,Ａ1,Ａ2,…,Ａi,Ａi+1,…、Ｃ0,Ｃ1,Ｃ2,…,Ｃk, Ｃk+1,…）を設定して、これら基準位置へ基準球４２の中心位置（ワーク位置）を位置決めしたとした場合の、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向でのタッチプローブ位置すなわち工具位置との相対位置を理論相対位置として算出する。なお、上記基準位置は例えば１５°毎の０°,１５°,３０°,４５°,…,３４５°,３６０°とする。

続いてＡ軸、Ｃ軸について、上記基準位置を各Ａ軸、Ｃ軸に与えて実際にテーブル２をこれら各軸に沿って旋回移動させ、各旋回位置での基準球中心位置すなわちワーク位置の、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向でのタッチプローブ位置すなわち工具位置との相対位置を実測相対位置として検出する。

次に、Ａ軸、Ｃ軸の基準位置毎に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向での上記理論相対位置と実測相対位置の差を誤差量（Ｘ0,0、Ｙ0,0、Ｚ0,0、Ｘ1,0、Ｙ1,0、Ｚ1,0、…、Ｘi,k、Ｙi,k、Ｚi,k、…、Ｘi+1,k+1、Ｙi+1,k+1、Ｚi+1,k+1、…）として算出し、この誤差量を、Ａ軸、Ｃ軸の上記各基準位置の組み合わせに対応して記憶させて図３に示すような誤差データベースを形成する。

以上の誤差データベース形成手順はマクロプログラムで記述して自動化することができる。

（工作機械の制御）
上記誤差データベースを使用して５軸工作機械を制御する場合について以下に説明する。Ａ軸、Ｃ軸に対する任意の位置たる指令位置がそれぞれａ，ｃであった場合に、例えばＸ軸に対する補間誤差量Δｘは式（１）で算出される。ここで、ＡiとＡi+1、ＣkとＣk+1はそれぞれＡ軸、Ｃ軸の隣り合う基準位置であり、Ａi，Ａi+1，Ｃk，Ｃk+1とａ，ｃの間には式（２）で示す不等式が成立している。

すなわち式（１）は、指令位置の組み合わせに近い４つの基準位置の組み合わせを選択してこれら組み合わせに対応する誤差量を指令位置と基準位置の距離の逆数に応じた重み付けで平均して補間誤差量Δｘを算出するものである。Ｙ軸、Ｚ軸に対する補間誤差量Δｙ，Δｚも同様にして算出される。そして、このようにして得られた補間誤差量Δｘ，Δｙ，Δｚを補正量としてそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に与える。すなわち、５軸工作機械の各軸Ａ，Ｃ，Ｘ，Ｙ，Ｚに対する数値制御プログラム上の指令位置がａ，ｃ，ｘ，ｙ，ｚであった場合には、各軸Ａ，Ｃ，Ｘ，Ｙ，Ｚに対して実際にはａ，ｃ，ｘ＋Δｘ，ｙ＋Δｙ，ｚ＋Δｙの指令出力が与えられる。

このような制御を行なうことによって、５軸工作機械のＡ軸、Ｃ軸の旋回中心軸のずれや傾きにより生じる誤差を良好に補償することができる。特に本実施形態では、基準位置に対応した離散的な誤差量から任意の指令位置ａ，ｃに対応する補間誤差量を連続的に算出するようにしているから、より高精度な誤差補償が可能である。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態として、ＸＹＺ軸の直交３軸を備えた工作機械において、基準軸をＸ軸Ｙ軸Ｚ軸とし、補正軸をＸ軸Ｙ軸Ｚ軸自身にすることができる。この場合に、第１実施形態と同様の方法で形成される誤差データベースの一例は図４〜図７に示すようなものとなる。

すなわちこれはＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を基準軸として選択すると同時に補正軸としても選択したもので、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の基準位置（Ａ0,Ａ1,Ａ2,…,Ａi,Ａi+1,…、Ｂ0,Ｂ1,Ｂ2,…,Ｂj,Ｂj+1,…、Ｃ0,Ｃ1,Ｃ2,…,Ｃk, Ｃk+1,…）毎に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向での理論相対位置と実測相対位置の差を誤差量（Ｘ0,0,0、Ｙ0,0,0、Ｚ0,0,0、Ｘ1,0,0、Ｙ1,0,0、Ｚ1,0,0、…、Ｘi,j,k、Ｙi,j,k、Ｚi,j,k、…、Ｘi+1,j+1,k+1、Ｙi+1,j+1,k+1、Ｚi+1,j+1,k+1、…）として算出し、この誤差量を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の上記各基準位置の組み合わせに対応して記憶させて図４〜図７に示すような誤差データベースを形成する。

上記誤差データベースを使用して３軸工作機械を制御する場合に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対する任意の位置たる指令位置がそれぞれｘ，ｙ、ｚであると、例えばＸ軸に対する補間誤差量Δｘは式（３）で算出される。ここで、ＡiとＡi+1、ＢjとＢj+1、ＣkとＣk+1、はそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の隣り合う基準位置であり、Ａｉ，Ａｉ＋１，Ｂｊ，Ｂｊ＋１，Ｃｋ，Ｃｋ＋１とｘ，ｙ，ｚの間には式（４）で示す不等式が成立している。

すなわち式（３）は、指令位置の組み合わせに近い８つの基準位置の組み合わせを選択してこれら組み合わせに対応する誤差量を指令位置と基準位置の距離の逆数に応じた重み付けで平均して補間誤差量Δｘを算出するものである。Ｙ軸、Ｚ軸に対する補間誤差量Δｙ，Δｚも同様にして算出される。そして、このようにして得られた補間誤差量Δｘ，Δｙ，Δｚを補正量としてそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に与える。すなわち、３軸工作機械の各軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する数値制御プログラム上の指令位置がｘ，ｙ，ｚであった場合には、各軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対して実際にはｘ＋Δｘ，ｙ＋Δｙ，ｚ＋Δｙの指令出力が与えられる。

このような制御を行なうことによって、３軸工作機械の各軸の真直度誤差、直角度誤差、ピッチ誤差等を要因とする位置決め誤差を良好に補償することができるとともに、基準位置に対応した離散的な誤差量から任意の指令位置ｘ，ｙ，ｚに対応する補間誤差量を連続的に算出するようにしているから、より高精度な誤差補償が可能である。

［他の実施形態］
上記各実施形態では旋回移動軸を基準軸とし、直線移動軸を補正軸に選択したが、直線移動軸を基準軸とし、旋回移動軸を補正軸としても良い。また、本発明の適用対象である工作機械は５軸や３軸のものに限られず、２軸以上であれば良い。そして、全軸のうち２軸以上を基準軸とし、基準軸と重複して、ないし基準軸を除いた他の軸のうち、少なくとも１軸を補正軸として選択すれば良い。なお、基準軸は１軸のみとすることもできる。

また、上記各実施形態では工具（主軸）を直線移動軸で移動させるとともに、ワーク（テーブル）を旋回移動軸で移動させる工作機械に本発明を適用した場合について説明したが、いずれの移動軸で工具ないしワークを移動させる工作機械であっても本発明は適用可能である。

上記各実施形態では基準位置を等間隔で設定したが、等間隔とする必要はなく、使用頻度の高い領域では間隔を小さくして誤差補償の精度を上げ、使用頻度の低い領域では間隔を大きくして誤差量算出の手間を軽減するようにしても良い。

上記各実施形態では補間誤差量を算出してこれを補正量として各補正軸に与えるようにしたが、指令位置の組み合わせに最も近い基準位置の組み合わせに対応した誤差量を選択してこれを補正量として各補正軸に与えるようにしても良い。この場合には、補間誤差量の算出の手間が軽減される。特に上述のように、使用頻度の高い領域で基準位置の間隔を小さくすれば、補間誤差量を算出することなく対応できる場合も多い。

誤差量を得る方法は上記第１実施形態で説明した方法に限られない。すなわち、適切な方法によって計測された誤差量を基準位置の組合せに対応させて記憶させることによって誤差データベースを形成しても良く、例えば加工ワークの寸法を測定してそこから求まる誤差量を各基準軸の基準位置の組み合わせに対応させて記憶させる方法が採用できる。

１…主軸、２…テーブル、３…タッチプローブ、４…基準治具、４２…基準球。

Claims

全軸のうち二つ以上の軸を基準軸として選択するとともに、前記全軸のうち一つ以上の軸を補正軸として選択し、前記各基準軸にそれぞれ所定間隔毎に基準位置を設定して、前記基準位置に対するワークないし工具の実際の移動位置での前記補正軸方向における誤差量を前記各基準軸の基準位置の組み合わせに対応させて記憶させた工作機械の誤差データベースを使用する工作機械の制御方法であって、前記各基準軸に与える任意の位置を指令位置とし、前記各基準軸における指令位置の組み合わせに最も近い前記基準位置の組み合わせに対応する前記誤差量を補正量として前記各補正軸に与えることを特徴とする工作機械の制御方法。
全軸のうち二つ以上の軸を基準軸として選択するとともに、前記全軸のうち一つ以上の軸を補正軸として選択し、前記各基準軸にそれぞれ所定間隔毎に基準位置を設定して、前記基準位置に対するワークないし工具の実際の移動位置での前記補正軸方向における誤差量を前記各基準軸の基準位置の組み合わせに対応させて記憶させた工作機械の誤差データベースを使用する工作機械の制御方法であって、前記各基準軸に与える任意の位置を指令位置とし、前記各基準軸における前記指令位置の組み合わせに近い２つ以上の前記基準位置の組み合わせを選択して、これら組み合わせに対応する前記誤差量を前記指令位置と前記基準位置の距離の逆数に応じた重み付けで平均した補間誤差量を算出してこれを補正量として前記各補正軸に与えることを特徴とする工作機械の制御方法。
全軸のうちワークないし工具を所定の軸周りにそれぞれ旋回移動させる二つの軸を前記基準軸とし、ワークないし工具を３次元空間の任意位置へそれぞれ直線移動させる三つの軸を前記補正軸として設定する請求項１又は２に記載の工作機械の制御方法。