JP2018142064A - 工作機械の誤差同定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】５軸制御工作機械における精度の高い幾何誤差の同定方法及びそれによる補正の提供を目的とする。
【解決手段】Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に並進制御された直線３軸と、それぞれＢ，Ｃ軸回転制御された回転２軸とからなる５軸制御工作機械において、Ｃ軸側に基準球を設置し、Ｂ軸側にタッチプローブを取り付けるステップと、Ｃ軸を固定した状態でＢ軸角度を所定角度毎に割り出しながら基準球中心位置を計測する計測第１ステップと、前記タッチプローブの測定点の旋回半径を変えて前記計測第１ステップと同様に基準球中心位置を計測する計測第２ステップと、Ｂ軸を固定した状態でＣ軸角度を所定角度毎に割り出しながら基準球中心位置を計測する計測第３ステップと、前記基準球のＺ方向初期位置を変えて前記計測第３ステップと同様に基準球中心位置を計測する計測第４ステップとを有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ターニングセンタ等の数値制御工作機械の幾何誤差の同定及び補正方法に関する。

直線３軸と回転２軸で構成される５軸制御工作機械には、１３種類の幾何誤差があることは、例えば特許文献１等にも記載されているように公知である。
また、回転軸を割り出しながら基準球の中心位置をタッチプローブにて計測することで、幾何誤差を同定することも公知である。

特許文献１には、１３種類の幾何誤差のうち、回転軸の中心位置誤差４つ，回転軸の傾き誤差４つ，直線軸の直角度２つを同時に同定することができる同定方法を開示している。
しかし、同公報に関する同定方法は、例えば図１に示したターニングセンタモデルにおいて図５に示す１３種類のうち、例えばα_ＺＹ，β_ＸＢ，γ_ＢＳ等の幾何誤差の同定が不充分である問題がある。

特開２０１６−１５５１８５号公報

本発明は、５軸制御工作機械における精度の高い幾何誤差の同定方法及びそれによる補正の提供を目的とする。

本発明に係る工作機械の誤差同定方法は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に並進制御された直線３軸と、それぞれＢ，Ｃ軸回転制御された回転２軸とからなる５軸制御工作機械において、Ｃ軸側に基準球を設置し、Ｂ軸側にタッチプローブを取り付けるステップと、Ｃ軸を固定した状態でＢ軸角度を所定角度毎に割り出しながら基準球中心位置を計測する計測第１ステップと、前記タッチプローブの測定点の旋回半径を変えて前記計測第１ステップと同様に基準球中心位置を計測する計測第２ステップと、Ｂ軸を固定した状態でＣ軸角度を所定角度毎に割り出しながら基準球中心位置を計測する計測第３ステップと、前記基準球のＺ方向初期位置を変えて前記計測第３ステップと同様に基準球中心位置を計測する計測第４ステップとを有することを特徴とする。

このように、計測第２ステップにてタッチプローブの測定点の旋回半径を変えることと、計測第４ステップにて基準球のＺ方向の初期位置を変えて計測することで、１３種類の幾何誤差が全て同定できるとともに、幾何誤差の影響を構造要素毎に分離して同定できる。

本発明においては、必ずしも１３種類の幾何誤差の同定が必要でない場合に、例えば上記計測第２ステップ又は計測第４ステップのうち、一方のみを実行してもよい。

本発明は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に並進制御された直線３軸と、それぞれＢ，Ｃ軸回転制御された回転２軸とからなる５軸制御工作機械において、Ｃ軸側に基準球を設置し、Ｂ軸側にタッチプローブを取り付けるステップと、Ｂ軸を０〜−９０°の範囲にて割り出し旋回させながらその間にＣ軸が１回転するように割り出しながら基準球中心位置を計測する同時計測第１ステップと、前記タッチプローブの測定点の旋回半径を変えて前記同時計測第１ステップと同様に基準球中心位置を計測する同時計測第２ステップと、前記基準球のＺ方向初期位置を変えて前記同時計測第１ステップと同様に基準球中心位置を計測する同時計測第３ステップとを有するようにしてもよい。

ここで、タッチプローブは測定点の旋回半径が異なる複数のスタイラスを有し、自動計測を可能にすることもできる。
又は、図１のモデルにてＣ軸側のＺ方向位置が異なる複数の基準球を用いて測定する方法でもよい。

本発明は、回転２軸の旋回角度を一定間隔で割り出しながら、基準球の中心位置（座標）をタッチプローブにより計測する際に、基準球のＺ方向初期位置とタッチプローブの測定点の旋回半径を変えることで、１３種類の幾何誤差の全てが同定できる。
また、同定する目的によっては、基準球のＺ方向の初期位置を変えることと、タッチプローブの測定点の旋回半径を変えることの一方を採用してもよい。
幾何誤差の変化を計測することで、幾何誤差の影響を構造要素毎に分離して同定できるので、その補正により加工精度の向上が容易になる。
また、誤差同定の自動化を図ることで、工作機械のメンテナンスが容易になる。

５軸制御ターニングセンタのモデル図を示す。 ２主軸対向ターニングセンタのモデル図を示す。 基準球とタッチプローブの位置関係を示す。 １３種類の幾何誤差を示す。 図４に示した幾何誤差の一覧表を示す。 幾何誤差の同定シミュレーション結果を示す。 （ａ）は測定データ（１）、（ｂ）は測定データ（２）、（ｃ）は測定データ（３）を示す。 （ａ）は測定データ（１）と（２）の差分を示す。（ｂ）は測定データ（１）と（３）との差分を示す。

本発明に係る幾何誤差の同定方法にて、以下具体的に説明する。
図１，２に工作機械のモデルを模式的に示し、図２のＬ，Ｒ、２主軸対向ターニングセンタにおいて、Ｌ側の主軸の端面に図３に示すように基準球１を設置し、Ｂ軸側にタッチプローブ２を取り付ける。
タッチプローブ２には、旋回半径の異なるスタイラス２ａ〜２ｃが取り付けられた例になっている。
この種の工作機械は、主軸にてワークを保持し、Ｂ軸制御された工具主軸にツールを取り付け加工に供される。

幾何誤差がない場合において、工作物側座標系の原点をＣ軸端面中心とし、工具側座標系の原点をＢ軸と工具主軸の交点とする。
基準球をＬ側に取り付けた場合，基準球中心位置計測値［Ｘ’Ｙ’Ｚ’］^Ｔ［ｍｍ］は、次式で表せる。
工具側座標系でのスタイラス位置：［Ｌ_ｘ ０ Ｌ_ｚ］^Ｔ［ｍｍ］
基準球初期位置：［ｘ_０ ０ ｚ_０］^Ｔ［ｍｍ］
ｂ：Ｂ軸角度 ［°］，ｃ：Ｃ軸角度 ［°］

＜４軸動作で計測する場合＞
Ｂ軸固定、Ｃ軸回転で基準球中心位置を計測する場合、基準球中心位置計測値［Ｘ_ｃ’Ｙ_ｃ’Ｚ_ｃ’］^Ｔ［ｍｍ］は、式（１）より次のように表せる。
ここでは、ｂ＝０°，Ｌ_ｚ＝０ｍｍとする。
式（２）において、基準球初期位置［ｘ_０ ０ ｚ_０］^Ｔ→［ｘ_０＋ｘ_１ ０ ｚ_０＋ｚ_１］^Ｔと変化させたとき、基準球中心位置計測値の差分［ΔＸｃ’ΔＹｃ’ΔＺｃ’］^Ｔ［ｍｍ］は次式で表せる。
Ｃ軸固定、Ｂ軸回転で基準球中心位置を計測する場合、基準球中心位置計測値［Ｘ_ｂ’Ｙ_ｂ’Ｚ_ｂ’］^Ｔ［ｍｍ］は、式（１）より次のように表せる。
ここでは、ｃ＝０°とする。
式（４）において、工具側座標系での測定点位置を［Ｌ_ｘ ０ ０］^Ｔ→［Ｌ_ｘ＋ｌ_ｘ ０ ｌ_ｚ］^Ｔと変化させたとき、基準球中心位置計測値の差分［ΔＸ_ｂ’ΔＹ_ｂ’ΔＺ_ｂ’］^Ｔ［ｍｍ］は次式で表せる。
式（２）〜（５）を用い、以下の手順（基準球をＬ側に取り付けた場合）で幾何誤差を同定する。
１．Ｃ軸を固定し、Ｂ軸角度を一定間隔で割り出しながら基準球中心位置の計測データ（i）を得る。この時、Ｂ軸は０〜−９０°の範囲で動かす。
２．タッチプローブの測定点を旋回半径の異なる位置に変え、手順１と同様の動作で基準球中心位置の計測データ（ii）を得る。データ（i）と（ii）の差を取ったものをデータ（i）’とする。
３．Ｂ軸を固定し、Ｃ軸角度を一定間隔で割り出しながら基準球中心位置の計測データ（iii）を得る。この時、Ｃ軸はちょうど１回転するように動かす。
４．基準球のＺ方向初期位置を変え、手順３と同様の動作で基準球中心位置の計測データ（iv）を得る。データ（iii）と（iv）の差を取ったものをデータ（iv）’とする。
５．データ（iv）’と式（３）及び以下の公式（イ）より、幾何誤差α_ＣＺ，β_ＣＺが求まる。
６．手順５の結果を式（２）に代入し、データ（iii）と上記の公式（イ）から幾何誤差α_ＺＹ，γ_ＹＸが求まる。
７．式（５）をデータ（ii）’へフィッティングさせることにより、幾何誤差β_ＺＹ，β_ＸＢ，γ_ＢＳが求まる。
８．手順５，６，７の結果を式（４）に代入したものを，データ（i）へフィッティングさせることにより、幾何誤差δｘ_ＣＺ，δｙ_ＣＺ，δｘ_ＢＳ，δｚ_ＢＳ，α_ＸＢ，γ_ＸＢが求まる。

＜５軸動作で計測する場合＞
Ｂ軸が０〜―９０°の範囲で動かす間にＣ軸がちょうど１回転するように動かす。
すなわち、
が成り立つように動作させる（ｃ_０：基準球を取り付け後に球初期位置のＹ座標が０になるようにＣ軸を回転させる角度）。
したがって、式（１）より、基準球中心位置計測値［Ｘ_１’Ｙ_１’Ｚ_１’］^Ｔ［ｍｍ］は、次式で表せる。
ここでは、ｃ_０＝０°とする。
式（７）において、［ｘ_０ ０ ｚ_０］^Ｔ→［ｘ_０＋ｘ_１ ０ ｚ_０＋ｚ_１］^Ｔと変化させたとき、基準球中心位置計測値の差分［ΔＸ_１’ΔＹ_１’ΔＺ_１’］^Ｔ［ｍｍ］は次式で表せる。
式（７）において、工具側座標系での測定点位置を［Ｌ_ｘ ０ ０］^Ｔ→［Ｌ_ｘ＋ｌ_ｘ ０ ｌ_ｚ］Ｔと変化させたとき、基準球中心位置計測値の差分［ΔＸ_２’ΔＹ_２’ΔＺ_２’］^Ｔ［ｍｍ］は次式で表せる。
式（７）〜（９）を用い、以下の手順（基準球をＬ側に取り付けた場合）で幾何誤差を同定する。
１．式（６）が成り立つようにＢ軸角度、Ｃ軸角度を一定間隔で割り出し、基準球中心位置の計測データ（i）を得る。
２．タッチプローブの測定点を、旋回半径の異なる位置に変え，手順１と同様の動作で基準球中心位置の計測データ（ii）を得る。データ（i）と（ii）の差を取ったものをデータ（ii）’とする．
３．基準球のＺ方向初期位置を変え、手順１と同様の動作で基準球中心位置の計測データ（iii）を得る。データ（i）と（iii）の差を取ったものをデータ（iii）’とする。
４．データ（iii）’と式（８）より、幾何誤差α_ＣＺ，β_ＣＺが求まる。
５．式（９）をデータ（ii）’へフィッティングさせることにより、幾何誤差β_ＺＹ，β_ＸＢ，γ_ＢＳが求まる。
６．手順４，５の結果を式（７）へ代入したものを、データ（i）へフィッティングさせることにより、幾何誤差δｘ_ＣＺ，δｙ_ＣＺ，δｘ_ＢＳ，δｚ_ＢＳ，α_ＺＹ，γ_ＹＸ，α_ＸＢ，γ_ＸＢが求まる。

以上はＬ側に基準球を取り付けた場合の幾何誤差同定手順を示したが、Ｒ側に取り付けた場合でも同様の手法により幾何誤差を同定できる。

次に、ターニングセンタの簡易ＣＡＤモデルを用いて、幾何誤差同定シミュレーションを行った。
図６の表中、設定値に示すように各幾何誤差の値を上記簡易モデルに与えた。
具体的には、タッチプローブ測定点と基準球中心を一致させた状態で、Ｂ軸，Ｃ軸角度を与え、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸上のスライド位置座標を測定した。
図２に示したＬ側のＣ軸端面中心を原点とするＸＹＺ座標で測定した。
その際に、基準球の位置をＳ１；［８０，０，５０］，Ｓ２；［８０，０，１００］に設定し、タッチプローブ測定点の位置（Ｂ軸と工具主軸の交点から見た座標）をＰ１；［−３００，０，０］，Ｐ２；［−２８０，０，−２０］とした。

図７（ａ）に、測定点Ｐ１と基準球Ｓ１を一致させて、Ｂ軸，Ｃ軸角度を同時に割り出した場合の測定データ（１）を示す。
（ｂ）に測定点Ｐ１と基準球Ｓ２を一致させて、Ｂ軸，Ｃ軸角度を同時に割り出した場合の測定データ（２）を示す。
（ｃ）に測定点Ｐ２と基準球Ｓ１を一致させて、Ｂ軸，Ｃ軸角度を同時に割り出した場合の測定データ（３）を示す。
なお、Ｃ軸角度は、Ｂ軸角度値の−４倍となる。
図８（ａ）に、測定データ（１）−（２）の差分を示し、（ｂ）に測定データ（１）−（３）の差分を示す。
これらの値に基づいて、同定した値を図６の表の同定値として示す。
この結果、同定誤差が小さいことが検証できた。

１ 基準球
２ タッチプローブ
２ａ スタイラス

Claims (3)

1. Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に並進制御された直線３軸と、それぞれＢ，Ｃ軸回転制御された回転２軸とからなる５軸制御工作機械において、Ｃ軸側に基準球を設置し、Ｂ軸側にタッチプローブを取り付けるステップと、
   Ｃ軸を固定した状態でＢ軸角度を所定角度毎に割り出しながら基準球中心位置を計測する計測第１ステップと、
   前記タッチプローブの測定点の旋回半径を変えて前記計測第１ステップと同様に基準球中心位置を計測する計測第２ステップと、
   Ｂ軸を固定した状態でＣ軸角度を所定角度毎に割り出しながら基準球中心位置を計測する計測第３ステップと、
   前記基準球のＺ方向初期位置を変えて前記計測第３ステップと同様に基準球中心位置を計測する計測第４ステップとを有することを特徴とする工作機械の誤差同定方法。
2. Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に並進制御された直線３軸と、それぞれＢ，Ｃ軸回転制御された回転２軸とからなる５軸制御工作機械において、Ｃ軸側に基準球を設置し、Ｂ軸側にタッチプローブを取り付けるステップと、
   Ｂ軸を０〜−９０°の範囲にて割り出し旋回させながらその間にＣ軸が１回転するように割り出しながら基準球中心位置を計測する同時計測第１ステップと、
   前記タッチプローブの測定点の旋回半径を変えて前記同時計測第１ステップと同様に基準球中心位置を計測する同時計測第２ステップと、前記基準球のＺ方向初期位置を変えて前記同時計測第１ステップと同様に基準球中心位置を計測する同時計測第３ステップとを有することを特徴とする工作機械の誤差同定方法。
3. 前記タッチプローブは、測定点の旋回半径が異なる複数のスタイラスを有し、又はＣ軸側のＺ方向位置が異なる複数の基準球を用いて測定することで自動計測を可能にした請求項１又は２記載の工作機械の誤差同定方法。