JP2017061012A - 工作機械の幾何誤差同定方法及び幾何誤差同定プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】旋回主軸にターゲット球を設置し、ミーリング主軸のオフセット位置にタッチプローブを装着して、ターゲット球の三次元空間上の初期位置をタッチプローブで計測する初期位置計測ステップ(S1)と、計測した初期位置に基づいて旋回主軸を複数の角度に割出してターゲット球を位置決めし、タッチプローブによりターゲット球の三次元空間上の位置を計測する誤差計測ステップ(S3〜S5)と、計測結果に基づいて各軸間の幾何学的な誤差の演算を行う幾何誤差同定ステップ(S6)と、を実行する幾何誤差同定方法であって、S1の初期位置計測ステップでは、ターゲット球の初期位置を計測すると同時にタッチプローブのキャリブレーションを実行する。
【選択図】図6
Description
5軸機のような多軸工作機械は駆動軸数が多いため、駆動軸数が少ない機械に対し運動精度が悪化する傾向にある。その主要因として、各軸間の誤差である幾何学的な誤差(以下、「幾何誤差」という。)がある。この幾何誤差を機械の製造・組立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、幾何誤差を補正して制御することにより、多軸工作機械の高精度化を図る技術が開発されている。
タッチプローブはその先端にスタイラス球がついており、スタイラス球が測定対象に接触するとその瞬間に信号を発信する。図2で示した制御装置10は、接続された受信機14にてその信号を受信すると、その時点での各軸の現在位置に遅れ分を考慮した位置を接触位置とする。
しかし、スタイラス球の接触位置は、主軸中心から球の半径分オフセットした位置となっている。また、主軸中心とスタイラス球との芯ズレや接触を感知してから制御装置10が認識するまでの遅れ分、タッチプローブのセンサ特性によってもオフセットが発生する。さらに、接触方向によってもオフセット量が異なるため、予めこのオフセット量を接触方向ごとにキャリブレーションして制御装置10に記録させておく必要がある。
このキャリブレーション方法として、本件出願人は、特願2014−218476において、幾何誤差の計測を実施する過程でテーブルに設置されたターゲット球の中心位置を、スタイラス球の接触方向が同じとなるように主軸を割出して球の外周5点に接触させて計測を行い、再度主軸の定位置に割出した状態で球の外周に接触させて、そのときの接触位置と、ターゲット球の直径値とを用いてキャリブレーションを行う方法を提案している。
この多軸工作機械は、旋削加工をメインに行う旋盤をベースとした機械であるため、並進軸X軸のマイナス側の可動範囲が小さい。一方でタッチプローブの本来の目的は工作物を測定することにあるが、工作物が大きい場合にはX軸のマイナス側での測定ができないため、図5に示すようにミーリング主軸22の中心からタッチプローブ41の中心軸までがX軸のマイナス方向にオフセットした状態でタッチプローブ41が取り付けられる。42はスタイラス球、43はターゲット球である。
しかしながら、先願のキャリブレーション方法は、このようなミーリング主軸22の中心から中心軸がオフセットしたタッチプローブ41のキャリブレーション方法に対応したものとなっておらず、幾何誤差を計測、同定する過程でキャリブレーションを行うことができなかった。
前記ワーク回転軸に計測ターゲットを設置し、前記主軸に位置計測センサを、その中心軸が前記主軸の中心からオフセットする位置に装着して、前記計測ターゲットの三次元空間上の初期位置を前記位置計測センサで計測する初期位置計測ステップと、
前記初期位置計測ステップで計測した前記初期位置に基づいて前記ワーク回転軸を複数の角度に割出して前記計測ターゲットを複数の箇所に位置決めし、前記位置計測センサにより前記計測ターゲットの三次元空間上の位置を計測する誤差計測ステップと、
前記誤差計測ステップでの計測結果に基づいて、前記各軸間の幾何学的な誤差の演算を行う幾何誤差同定ステップと、を実行する幾何誤差同定方法であって、
前記初期位置計測ステップでは、前記計測ターゲットの前記初期位置を計測すると同時に前記位置計測センサのキャリブレーションを実行することを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1の構成において、
前記計測ターゲットを球とし、前記位置計測センサを、先端にスタイラス球を備えたタッチプローブとして、前記初期位置計測ステップでは、
前記主軸を任意の位置に割出して、前記タッチプローブを前記球の外周に少なくとも5点以上接触させて計測を行った後、前記主軸を前記任意の位置から180°回転した位置に割出して、前記タッチプローブを前記球の外周に少なくとも4点以上接触させて計測を行う中心位置計測ステップと、
前記中心位置計測ステップでの計測結果から、前記球の中心位置と、前記主軸の中心からの前記タッチプローブの中心軸のオフセット量との演算を行う球中心位置・オフセット量演算ステップと、
前記球中心位置・オフセット量演算ステップで得られた前記球の中心位置に基づいて、前記球に対して前記タッチプローブの接触方向が同じ方向となるように前記主軸を割出し、前記タッチプローブを前記球の外周に少なくとも2点以上接触させて計測を行うスタイラス球半径計測ステップと、
前記スタイラス球半径計測ステップでの計測結果から、前記スタイラス球の半径の演算を行うスタイラス球半径演算ステップと、
前記主軸を任意の位置に割出して、前記球中心位置・オフセット量演算ステップで得られた前記球の中心位置に基づいて、前記タッチプローブを前記球の外周に少なくとも5点以上接触させて計測を行うスタイラス径補正値計測ステップと、
前記スタイラス径補正値計測ステップでの計測結果と、前記球中心位置・オフセット量演算ステップで得られた前記球の中心位置及び前記オフセット量とに基づいて、前記スタイラス球の径の補正値の演算を行うスタイラス径補正値演算ステップと
を実施し、前記スタイラス球の径の補正値を用いて前記タッチプローブのキャリブレーションを行うことを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2の構成において、前記中心位置計測ステップでは、前記主軸を割出す前記任意の位置を、前記並進軸の可動範囲と、前記初期位置計測ステップを開始した際の前記並進軸の位置と、前記主軸の中心からの前記タッチプローブの中心軸の概算オフセット量とに基づいて決定することを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、工作機械の幾何誤差同定プログラムであって、請求項1乃至3の何れかに記載の工作機械の幾何誤差同定方法を、コンピュータに実行させることを特徴とする。
特に、請求項3に記載の発明によれば、中心位置計測ステップでは、並進軸の可動範囲を考慮して主軸の割出し位置を決定するため、並進軸の可動範囲を超えるなどして計測ができなくなることを可能な限り防ぐことができる。
ここでは工作機械の一例として、図3に示した多軸工作機械を例示する。すなわち、3つの並進軸(X軸、Y軸、Z軸)と、2つの回転軸(B軸、C軸)とを有しており、ミーリング主軸22、旋回主軸23がそれぞれ本発明の主軸、ワーク回転軸となる。なお、本発明に関わる工作機械は図3に示す多軸工作機械に限らず、マシニングセンタや旋盤などであってもよい。
本例の多軸工作機械の場合、各軸間と、C軸と工作物間と、B軸と工具間とに前記6成分の幾何誤差がそれぞれ存在するため、合計36個の幾何誤差が存在する。ただし、36個のうち冗長な関係のものを除くと13個であり、幾何誤差が存在する軸間を工具側からの順番を添え字として表すと、13個の幾何誤差は、δx1、δz1、α1、β1、α2、γ2、β3、γ3、α4、δx5、δy5、α5、β5となる。これらは順に、B軸中心位置X方向誤差、B軸中心位置Z方向誤差、刃物台−Y軸間直角度、B軸原点誤差、B−Z軸間直角度、B−X軸間直角度、Z−X軸間直角度、X−Y軸間直角度、Y−Z軸間直角度、C軸中心位置X方向誤差、C軸中心位置Y方向誤差、C−Y軸間直角度、C−X軸間直角度である。
まず、旋削主軸23に固定されたターゲット球43の中心位置の計測を行う(S1、初期位置計測ステップ)。但し、ここでは同時に、後述のように記憶手段32に記録されているスタイラス球42の径補正値を用いてタッチプローブ41のキャリブレーションも行う。次に、S1で計測したターゲット球43の中心位置と、記憶手段32に記録された計測条件などをもとに、計測条件に従って旋回主軸23を割出した際のターゲット球43の中心指令位置と、タッチプローブ41をターゲット球43の直上に位置決めするための位置とを算出する(S2)。次に、計測条件に従って旋回主軸23を割出し、S2で算出した位置決め位置にタッチプローブ41の位置決めを行い(S3)、ターゲット球43の外周表面にスタイラス球42を接触させてターゲット球43の中心位置を計測する(S4)。次に、全ての割出し位置で計測が完了したか否かを判定し(S5)、完了するまでS3〜S5の誤差計測ステップを繰り返す。全ての割出し位置で計測が完了すると、S2で算出したターゲット球43の中心指令位置と、S4で計測したターゲット球43の中心計測位置とをもとに幾何誤差の同定計算を公知の方法で行う(S6、幾何誤差同定ステップ)。
まず、並進軸X軸とY軸との可動範囲と、計測を開始したときの並進軸X軸とY軸との現在位置(xs, ys)と、ミーリング主軸22の中心からタッチプローブ41の中心軸までのオフセット量概算値tplx’と、スタイラス球42の半径概算値tc’と、ターゲット球43の直径dと、をもとに、ミーリング主軸22の割出し位置を決定する(S11)。
この割出し位置について、タッチプローブ41のオフセットがミーリング主軸22の中心からX軸のマイナス方向となるように割出した状態の割出し位置を0°、X軸のプラス方向となるように割出した状態の位置を180°、Y軸のプラス方向となるように割出した状態の位置を90°、Y軸のマイナス方向となるように割出した状態の位置を270°とする。以下の数1を満たす場合には、ミーリング主軸22の割出し位置を0°とする。数1を満たさず、数2を満たす場合には、ミーリング主軸22の割出し位置を90°とする。
続いて、ターゲット球43のY軸プラス方向の頂点付近にタッチプローブ41を移動させ、Y軸マイナス方向にY軸を動作させてターゲット球43のY軸プラス方向頂点付近に接触させて、接触時のY軸座標値yp1を取得して記憶手段32に記録する(S17)。次に、ターゲット球43のY軸マイナス方向の頂点付近にタッチプローブ41を移動させ、Y軸プラス方向にY軸を動作させてターゲット球43のY軸マイナス方向頂点付近に接触させて、接触時のY軸座標値ym1を取得して記憶手段32に記録する(S18)。
こうしてS19でターゲット球43の中心位置とタッチプローブ41のオフセット量との計測が完了したと判定された場合、次にターゲット球43のX軸とY軸方向の中心位置(xo, yo)と、タッチプローブ41のオフセット量tplx、tplyを以下の数4、数5により算出して記憶手段32に記録する(S21、球中心位置・オフセット量演算ステップ)。
なお、S22とS23では、ミーリング主軸22の割出し位置を0°と180°とし、ターゲット球43に対してタッチプローブ41をX軸方向から接触させたが、S11でミーリング主軸22の割出し位置を90°と決定した場合には、割出し位置を90°、270°とし、ターゲット球43に対してタッチプローブ41をY軸方向から接触させてもよい。
次に、以下の数6によりスタイラス球42の半径tcを算出する(S24、スタイラス球半径演算ステップ)。
次に、ターゲット球43のY軸プラス方向の頂点真上にタッチプローブ41を移動させ、Y軸マイナス方向にY軸を動作させてターゲット球43のY軸プラス方向頂点に接触させて、接触時のY軸座標値yp4を取得して記憶手段32に記録する(S30)。次に、ターゲット球43のY軸マイナス方向の頂点真上にタッチプローブ41を移動させ、Y軸プラス方向にY軸を動作させてターゲット球43のY軸マイナス方向頂点に接触させて、接触時のY軸座標値ym4を取得して記憶手段32に記録する(S31)。このS25〜S31までの5点の計測がスタイラス径補正値計測ステップとなる。
特にここでは、中心位置計測ステップにおいて、並進軸の可動範囲を考慮してミーリング主軸22の割出し位置を決定するため、並進軸の可動範囲を超えるなどして計測ができなくなることを可能な限り防ぐことができる。
また、上記形態では幾何誤差の同定方法を多軸工作機械の制御装置がプログラムに従って実行する内容としているが、同定方法を実行する制御手段としては内部の制御装置に限らず、当該制御装置に接続された外部のコンピュータであってもよい。
Claims (4)
- ワークを保持するワーク回転軸と、工具を保持する主軸とを、3軸以上の並進軸と1軸以上の回転軸とによって相対移動させて前記ワークの加工を行う工作機械において、
前記ワーク回転軸に計測ターゲットを設置し、前記主軸に位置計測センサを、その中心軸が前記主軸の中心からオフセットする位置に装着して、前記計測ターゲットの三次元空間上の初期位置を前記位置計測センサで計測する初期位置計測ステップと、
前記初期位置計測ステップで計測した前記初期位置に基づいて前記ワーク回転軸を複数の角度に割出して前記計測ターゲットを複数の箇所に位置決めし、前記位置計測センサにより前記計測ターゲットの三次元空間上の位置を計測する誤差計測ステップと、
前記誤差計測ステップでの計測結果に基づいて、前記各軸間の幾何学的な誤差の演算を行う幾何誤差同定ステップと、を実行する幾何誤差同定方法であって、
前記初期位置計測ステップでは、前記計測ターゲットの前記初期位置を計測すると同時に前記位置計測センサのキャリブレーションを実行することを特徴とする工作機械の幾何誤差同定方法。 - 前記計測ターゲットを球とし、前記位置計測センサを、先端にスタイラス球を備えたタッチプローブとして、
前記初期位置計測ステップでは、
前記主軸を任意の位置に割出して、前記タッチプローブを前記球の外周に少なくとも5点以上接触させて計測を行った後、前記主軸を前記任意の位置から180°回転した位置に割出して、前記タッチプローブを前記球の外周に少なくとも4点以上接触させて計測を行う中心位置計測ステップと、
前記中心位置計測ステップでの計測結果から、前記球の中心位置と、前記主軸の中心からの前記タッチプローブの中心軸のオフセット量との演算を行う球中心位置・オフセット量演算ステップと、
前記球中心位置・オフセット量演算ステップで得られた前記球の中心位置に基づいて、前記球に対して前記タッチプローブの接触方向が同じ方向となるように前記主軸を割出し、前記タッチプローブを前記球の外周に少なくとも2点以上接触させて計測を行うスタイラス球半径計測ステップと、
前記スタイラス球半径計測ステップでの計測結果から、前記スタイラス球の半径の演算を行うスタイラス球半径演算ステップと、
前記主軸を任意の位置に割出して、前記球中心位置・オフセット量演算ステップで得られた前記球の中心位置に基づいて、前記タッチプローブを前記球の外周に少なくとも5点以上接触させて計測を行うスタイラス径補正値計測ステップと、
前記スタイラス径補正値計測ステップでの計測結果と、前記球中心位置・オフセット量演算ステップで得られた前記球の中心位置及び前記オフセット量とに基づいて、前記スタイラス球の径の補正値の演算を行うスタイラス径補正値演算ステップと
を実施し、前記スタイラス球の径の補正値を用いて前記タッチプローブのキャリブレーションを行うことを特徴とする請求項1に記載の工作機械の幾何誤差同定方法。 - 前記中心位置計測ステップでは、前記主軸を割出す前記任意の位置を、前記並進軸の可動範囲と、前記初期位置計測ステップを開始した際の前記並進軸の位置と、前記主軸の中心からの前記タッチプローブの中心軸の概算オフセット量とに基づいて決定することを特徴とする請求項1又は2に記載の工作機械の幾何誤差同定方法。
- 請求項1乃至3の何れかに記載の工作機械の幾何誤差同定方法を、コンピュータに実行させるための工作機械の幾何誤差同定プログラム。
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