JP2843362B2 - Nc装置の楕円補間制御方法およびnc装置 - Google Patents

Nc装置の楕円補間制御方法およびnc装置

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Description

【発明の詳細な説明】 <発明の目的> 〔産業上の利用分野〕 本発明は、NC装置の楕円補間制御方法に関し、真円精
度が要求される工作機械の動作制御を行うNC装置に利用
できる。
〔背景技術〕
従来より、三次元切削等を行う工作機械においては、
X軸,Y軸,Z軸等の各軸毎に配置された駆動機構の同時移
動により立体動作を実現しており、これらの多軸同時制
御にはプログラム式の数値制御装置(NC装置)が多用さ
れている。
このNC装置は、外部入力された所定の動作指令プログ
ラムからの各軸毎の移動指令値を解析し、各々を工作機
械の各軸の駆動機構に逐次出力し、動作プログラムに設
定された所期の動作を自動実行させるものである。
ここで、NC装置により工作機械に真円内外切削等の動
作を行わせるには、少なくとも二軸の同時制御が必要と
なる。例えば、X−Y平面で座標(xo,yo)を中心とし
た半径rの真円を描かせる場合には、X軸座標xおよび
Y軸座標yが互いに(x−xo+(y−yo=r2
なるように協調させる必要があり、各軸の指令値は各々
x=(r cosθ+xo)、y=(r sinθ+yo)のように角
度θを介して同期制御される。
しかし、このような二軸の同時制御には誤差が伴い、
従来の真円動作制御は全て近似の楕円であった。このよ
うな楕円化を生じる誤差要因としては、各軸間のピッチ
エラー、各軸毎の熱変位、主軸頭本体の熱変位、工作機
械本体の姿勢変化、制御装置および工作機械本体の経年
変化などがある。
これに対し、各軸毎の静的精度の高精度化や剛性の
強化といった対応がなされているほか、熱変位の問題に
対しては、発熱源の抑え込みあるいは除去による対応
などが図られているほか、ピッチエラー補正、勾配
補正、熱変位補正など、誤差要因に対応した補正を行
うことがなされている。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで、前述した楕円化誤差に対する処置あるいは
補正は、それぞれ問題となる要因毎に対応する形で行わ
れていた。
このため、NC装置および工作機械に到る系の真円加工
精度を向上させるためには、工作機械自体の特性や制御
形式に対応した特殊な技術を把握することが不可欠とな
り、一般的なレーザレベルでの対応は極めて困難ないし
不可能なものであった。
例えば、静的精度の高精度化には、各軸間の直角度
や真直度の測定や調整に熟練が必要であるうえ、特殊な
測定具等が必要となり、早急な対応が難しい。また、
発熱源の抑え込みや除去には、主軸頭やボールネジ、油
圧ユニットなどの多くの発熱源に対し、それぞれ対策を
とる必要があり、構造変更による煩雑さに加えてコスト
面の付加が膨大となるが完全な効果は得られていない。
一方、ピッチエラー補正では各軸の短縮に対し、
勾配補正では各軸の直角度および真直度に対し、それぞ
れ実施されているが、これらは一時的な処理であるうえ
熟練者の技術と特殊な測定具が必要である。また、熱
変位補正では、多種にわたる発熱の影響を予め測定し、
その変位を補正するものであり、熱変位に対しては効果
的であるが、機械本体における誤差の発生に対しては有
効ではない。
さらに、前述した制御装置および工作機械本体の経年
変化に関しては、機械的な精度の低下が避けることがで
きないほか、制御装置における補正も各々の時点での状
態に最適設定されるものであり、経時変化に対する有効
な手段がないという問題があった。
本発明の目的は、簡単かつ確実に真円精度を向上でき
るとともに、経時変化を含む多用な楕円誤差要因に総合
的に対処できるNC装置の楕円補間制御方法およびNC装置
を提供することにある。
<発明の構成> 〔課題を解決するための手段〕 本発明は、NC装置で真円制御される工作機械の動作結
果に基づいて補正を行うものであり、特に、工作機械の
動作軌跡の全体的な形状を表す楕円形状データに基づい
て真円補正を行うものである。
すなわち、例えば座標(xo,yo)を中心としてX軸方
向の長軸半径がar、Y軸方向の短軸半径がbrの楕円軌跡
で表され、この楕円上の点P′(x,y)と楕円中心とを
結ぶ直線のX軸となす角をθとすると、 x=(ar cosθ+xo) y=(br sinθ+yo) と表すことができる。
これに対し、同じ中心で半径rの真円軌跡は(x−
xo+(y−yo=r2で表され、この真円上の点P
(x,y)は、 x=(r cosθ+xo) y=(r sinθ+yo) で表される。
従って、楕円上の点P′と真円上の点Pとの変換は、
その差分をとる等の制御では複雑化しやすくかつ各時点
毎の補正となるのに対し、楕円形状を与える係数a,b等
を用いて補正を行えば総合的かつ簡単に行える。
このような知見に基づいて、本発明では、NC装置によ
り真円制御される工作機械の動作軌跡を楕円形状として
検出し、この楕円形状の短軸および長軸を表す楕円形状
データを取得するとともに、この楕円形状データから得
られる短軸および長軸を、前記NC装置による真円制御命
令で設定される真円の径に補正する2つの補正係数を算
出した後、前記NC装置からの真円制御命令に対する制御
軌跡を、これら2つの補正係数によって表される短軸お
よび長軸からなる楕円に補間することにより、NC装置の
楕円補間制御方法を構成する。
ここで、短軸および長軸を表す楕円形状データの内容
としては、前述のような長軸短軸半径の係数a,bの他、
楕円形状を決定する長軸短軸比率、長軸と短軸との差な
ど、所定の楕円形状を全体的なパターンとして決定でき
る値が採用でき、長軸または短軸の基準方向に対する傾
きや、真円補正する際の半径比率等を含めてもよい。
これらの楕円形状データは、適用するNC装置で工作機
械を真円制御し、その際に工作機械が行う実際の動作軌
跡に対して適宜形状解析を行って決定すればよい。例え
ば、本来の真円加工に先立って試験動作を行い、サーキ
ュラテスト(NC工作機械総合精度測定器)等により動作
軌跡を計測し、その楕円傾向量を判定するといった方法
が採用できる。
また、楕円形状データの解析ないし真円補正といった
本発明の方法に基づく処理はNC装置に適宜な処理手段を
設けて実行すればよく、サーキュラテストで得られた動
作軌跡がNC装置に直接入力されるようにして一連の処理
をNC装置で一括して自動実行することが望ましい。
また、本発明に係るNC装置は、工作機械への動作指令
プログラムを解析するプログラム解析部と、このプログ
ラム解析部の解析結果に基づいて、前記工作機械を構成
する移動軸の移動指令を演算する補間演算部とを備えた
NC装置であって、前記補間演算部から与えられる真円制
御命令による前記工作機械の動作軌跡を楕円形状として
検出し、この楕円形状の短軸および長軸を表す楕円形状
データを取得するとともに、この楕円形状データから得
られる短軸および長軸を、前記真円制御命令で設定され
る真円の径に補正する2つの補正係数を算出する楕円解
析部と、前記補間演算部から与えられる真円制御命令に
対する制御軌跡を、これら2つの補正係数によって表さ
れる短軸および長軸からなる楕円に補正する楕円補正部
と、を備えていることを特徴とする。
〔作用〕
このような本発明によれば、予め真円制御される工作
機械の実際の動作軌跡を楕円形状として検出しているの
で、NC装置から工作機械に至る系の各段階に生じる各種
誤差を、楕円形状の全体形状として捉え、一括して補償
することが可能となる。
また、楕円形状の短軸および長軸を表す楕円形状デー
タを取得するとともに、この楕円形状データから得られ
る短軸および長軸を、NC装置の真円制御命令で設定され
る真円の径に補正する2つの補正係数を算出することに
より、制御軌跡の補間を行っているので、必要最小限の
楕円形状データで制御軌跡を補間することができ、簡単
に真円精度を向上することが可能となる。
さらに、補正係数に基づいて、NC装置からの真円制御
命令による制御軌跡を楕円補間しているので、予め検出
された工作機械の動作軌跡に応じて制御軌跡をデフォル
メし、ワークの加工中、実際の動作軌跡が真円となるよ
うに、工作機械を動作させることが可能となり、工作機
械の加工状態に応じて逐次補正することなく、簡単に工
作機械の真円精度を向上を図ることが可能となる。
NC装置からの真円制御命令に対する制御軌跡を、2つ
の補正係数で表される短軸および長軸からなる楕円に補
間しているので、楕円上の点と真円上の点との差分をと
って補間する場合のように制御の複雑化を招くこもな
く、簡単に工作機械の真円精度を向上することが可能と
なる。
従って、本発明においては、制御系の各部および動作
サイクルの各時点に現れる誤差が総合的に補償されるこ
とになり、個々の誤差についての詳細な検討や経年変化
を含む誤差要因別の煩雑な対応の必要性が解消され、真
円精度の向上を簡単かつ確実に行うことが可能となり、
これらにより前記目的が達成される。
また、本発明に係るNC装置によれば、上述した楕円補
間方法が楕円解析部および楕円補正部により実行できる
ので、構造が簡単であるうえ、既存のNC装置に適用する
ことで容易に実施することができる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例に図面に基づいて説明する。
第1図において、本実施例のNC装置30は、設定された
動作指令プログラム20に基づいて制御を行い、工作機械
10に真円切削を含む二次元加工を実行させるものであ
る。
このうち、工作機械10は、切削加工用の主軸11を二次
元的に移動させるために、互いに交叉配置されたボール
ねじ軸等を用いたX軸移動機構12XおよびY軸移動機構1
2Yを備え、これらの角軸12X,Yにはそれぞれ駆動用のモ
ータ13X,Yおよび移動量検出用の検出器1X,Yが接続され
ている。
また、動作指令プログラム20は、工作機械10における
主軸11の移動を指示する軸移動指令21を主体に構成され
たものであり、併せて円弧補間指令22および直線補間指
令23が設定されている。
一方、NC装置30は、プログラム20を解析するプログラ
ム解析部31を備えるとともに、プログラム解析部31の解
析結果に基づいてX軸およびY軸の移動指令32X,Yを演
算する補間演算部33を備えている。補間演算部33は、X,
Y各軸の協調動作が必要な円弧移動や斜めの直線移動等
に対しては円弧補間指令22および直線補間指令23を参照
し、補間操作を行って移動指令32X,YがX−Y平面に描
く制御軌跡LOを最適化する。
また、NC装置30は、移動指令32X,Yを差分器34X,Yおよ
び速度制御部35X,Yを介して工作機械10のモータ13X,Yに
出力するとともに、検出器14X,Yの出力を差分器34X,Yに
負帰還させるフィードバッククループ36X,YによってX,Y
各軸12X,Yの移動指令32X,Yに対する追従性を確保してい
る。
ここで、本実施例のNC装置30には、真円移動時に本発
明に基づく楕円補間を行うための楕円補間手段40が設け
られている。
この楕円補間制御手段40は、NC装置30に外部接続され
て工作機械10の動作軌跡Lrを計測するサーキュラテスト
41と、このサーキュラテスト41の計測結果から楕円形状
データDcを作成する楕円解析部42と、この楕円解析部42
の出力に基づいてプログラム解析部31から与えられる補
正係数Cx,Cyに基づいて移動指令32X,Yの補正を行う楕円
補正部43X,Yとを備えている。
このうち、サーキュラテスト41は、NC装置30で工作機
械10を動作させた際の主軸11の実際の軌跡を計測するも
のであり、ここでは、NC装置30からの制御軌跡Lo(第3
図参照)を与える移動指令32X,Yにより主軸11を真円移
動させた際の1サイクル分の動作軌跡Lr(第2図参照)
を計測し、得られた計測結果を楕円解析部42に自動的に
入力させるものである。
また、楕円解析部42は、入力された動作軌跡Lrを楕円
とみなし、その最大径および最小径を識別して各々を長
軸および短軸とする等により楕円形状データDcを決定す
る。ここでは、第2図に示すような動作軌跡 からX軸方向の短軸径AおよびY軸方向の長軸径Bが識
別され、その中間値A+B/2を半径とする真円Lrcを与え
るようにX,Y各軸の補正係数 を設定し、これらをプログラム解析部31を介して楕円補
正部43X,Yに出力する。
さらに、楕円補正部43X,Yは、それぞれ与えられた補
正係数Cx,Cyで移動指令32X,Yを補正することより、各フ
ィードバックループ36X,Yに与えられる制御軌跡Loを、
第3図の補正済制御軌跡 に変換して楕円補間を行う。この際、プログラム解析部
31は、プログラム20に基づく動作が真円移動である際に
限り楕円解析部42からの補正係数Cx,Cyを楕円補正部43
X,Yに設定し、その他の動作の際は楕円補正部43X,Yが等
価交換となるように設定する等により移動指令32X,Yへ
の関与を無効化する。
これらにより、NC装置30で工作機械10を真円制御する
際の楕円補間を行う楕円補間制御手段40が構成されてい
る。
このように構成された本実施例においては、NC装置30
による制御のもとで工作機械10により真円移動を含む加
工動作を行う。
ここで、真円移動に対して楕円補間を行うために、実
際の加工作業に先立って、NC装置30に真円移動を指令す
るプログラム20を実行させ、制御軌跡Loに応じた工作機
械10の動作軌跡Lrをサーキュラテスト41で計測する。第
4図には、このように計測された二回分の動作軌跡Lr1
およびLr2が示されている。
続いて、計測された動作軌跡Lrは楕円解析部42で解析
され、楕円形状データDcとしてこの軌跡Lrは長軸がY軸
方向で短軸がX軸方向であるとともに、短軸径がAで長
軸径がBであることが識別され、これらの短軸径A、長
軸径Bから得られるX,Y各軸の補正係数 を楕円補正部43X,Yに設定することにより、NC装置30に
おける制御軌跡Loは制御軌跡Locに補正される。
このような補正の結果、制御軌跡Locに応じた工作機
械10の動作軌跡Lrcは、第5図の動作軌跡Lrc1およびLrc
2に示すように、それぞれ真円に近い形状に改められ、
これらにより楕円補間が行われる。従って、実際の加工
作業においては、真円移動を実行する際に前述した楕円
補間を行うことにより、製品の真円度が向上される。
このような本実施例によれば、以下に示すような効果
が得られる。
すなわち、NC装置30で制御される工作機械10の実際の
動作軌跡Lrに基づいて制御軌跡Loに真円補正を加えるた
め、NC装置30からの工作機械10に到る系の各段階に生じ
る各種誤差を一括して補償することができる。
また、工作機械10の動作軌跡Lrを全体形状として解析
し、得られる短軸径Aおよび長軸径B等の楕円形状デー
タDcに基づいて真円の動作軌跡Lroを与えるような補正
係数Cx,Cyを設定し、これらの補正係数Cx,Cyにより補正
された制御軌跡Locを出力させることにより、動作軌跡L
rの一サイクル中に順次現れる各種誤差の影響をまとめ
て補償することができる。
さらに、補正係数Cx、Cyに基づいて、NC装置30からの
真円制御命令による制御軌跡Loを楕円補間しているの
で、予め検出された工作機械の動作軌跡Lrに応じて制御
軌跡Loをデフォルメし、ワークの加工中、実際の動作軌
跡Lrが真円となるように、工作機械を動作させることが
でき、工作機械10の加工状態に応じて逐次補正すること
なく、簡単に工作機械10の真円精度を向上を図ることが
できる。
このため、本実施例によれば、NC装置30から工作機械
10に到る制御系の各部および工作機械10の真円動作サイ
クルの各時点に現れる誤差が総合的に補償させることに
なり、個々の誤差についての詳細な検討や誤差要因別の
煩雑な対応の必要性が解消され、真円精度の向上を簡単
かつ確実に行うことができる。
具体例として、本実施例と同様だが楕円補間制御手段
40を持たないNC装置30ないし工作機械10を用いて真円切
削を行った結果、得られた製品の切削形状を真円度測定
器で測定すると、その測定結果は第6図に示すように、
真円の制御軌跡Loに対して楕円形状の軌跡Ltとなる。こ
れに対し、楕円補間制御手段40を有する本実施例のNC装
置30ないし工作機械10を用いて同様な真円切削の結果を
測定すると、第7図に示すように制御軌跡Loに近い略真
円の軌跡L2となり、本実施例の楕円補間が真円精度の改
善に有効であることが判る。
一方、本実施例では、楕円補間を行う楕円補間制御手
段40を、NC装置30に外部接続されるサーキュラテスト4
1、NC装置30内に配置される楕円解析部42および楕円補
正部43X,Yにより構成したため、構造が簡単であるう
え、既存のNC装置に適用することで容易に実施できる。
また、楕円解析部42においては、楕円形状データDcと
して短軸径Aおよび長軸径Bを採用したため、サーキュ
ラテスト41で測定した動作軌跡Lrから最大径および最小
径を測定すればよく、処理を簡単に行うことができる。
さらに、楕円形状データDcに基づく制御軌跡Loの補正
にあったては、楕円補正部43X,Yにより移動指令36X,Yを
操作しており、出力段のフィードバックループ36X,Yの
直前での補正であるため効果を確実なものにできる。
また、楕円補正部43X,Yでの補正については、プログ
ラム解析部31で動作内容に応じて有効無効を切換えられ
るようにし、真円移動以外の制御の際には無用な補正が
行われないようにしたため、真円移動の他の円弧移動あ
るいは直線移動等に影響することがなく、通常のNC装置
30と同様な動作を行うことができる。
このため、工作機械10に出力される本来の移動指令32
X,Yに対して行われる補間演算部33による円弧補間や直
線補間、あるいは速度制御部35X,Yによる制御等を有効
に活かすことができる。
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではな
く、以下に示すような変形をも含むものである。
すなわち、楕円形状データDcとしては、動作軌跡Lrの
短軸径Aおよび長軸径Bの他、長軸短軸半径の係数(制
御軌跡Lcの半径をrとしてa=A/r,b=B/rなど)、長軸
短軸比率A/B、長軸と短軸との差A−Bなど、所定の楕
円形状を全体的なパターンとして決定できる値であれば
よい。
また、動作軌跡Lrの長軸または短軸は必ずしもX軸お
よびY軸に一致するものではないが、このような場合は
楕円形状の解析にあたって各軸の傾きを計測し、補正係
数Cx,Cyの演算の際あるいはこれらによる楕円補正の際
に参照できるようにすればよい。
さらに、短軸径Aあるいは長軸径Bの制御軌跡Loの半
径rに対する変位状態が一様でない場合、楕円補間した
動作軌跡Lrcの半径(A+B)/2が本来の半径rに一致
しないこともある。このような場合には半径に対する比
率(A+B)/2rを求めておき、制御軌跡Loの補正操作
に際して調整すればよい。
これらの楕円形状データDcを決定する際、工作機械10
の動作軌跡Lrを計測する手段としては、サーキュラテス
ト41に限らず他の測定装置等であってもよく、要するに
楕円傾向量を識別できる動作軌跡Lrが計測できるもので
あればよい。
この際、得られた動作軌跡Lrは、途中人為的な操作を
介してNC装置30に入力されるとしてもよいが、前記実施
例のように自動的に直接入力されるようにすれば、本発
明に基づく処理をNC装置30で一括して自動実行させるこ
とができ、作業性が向上できるとともに、入力ミス等に
よる誤差の発生を未然に防止できる。
さらに、NC装置30に設ける楕円補間制御手段40の具体
的構成は前記実施例のような楕円解析部42および楕円補
正部43X,Yに限られるものではなく、制御軌跡Loを補正
する楕円補正部43X,Yの配置等、あるいは補正係数Cx,Cy
の値や属性等を実施にあたって適宜変更すればよい。
例えば、各軸方向の補正は差分の加減算に限らず、半
径に対するスケーリング比率を用いた乗算補正としても
よく、X軸の補正量がU、Y軸の補正量がVのとき、各
軸方向のスケーリング比率 と設定しておき、各時点での移動指令の軸方向成分に乗
算することにより補正を行ってもよい。
さらに、楕円解析部42における演算手法は、使用する
楕円形状データDcに応じて適宜変更すればよく、適用さ
れる作業内容に応じて適宜変更してもよい。
例えば、切削加工では削り過ぎた場合に元に戻すこと
はできないので、円柱等の外周切削では制御軌跡を小さ
めに、また孔空け等の内周切削では大きめに設定する等
してもよい。
第8図に示すように、動作軌跡LrがX軸方向の短軸径
AでY軸方向の長軸径Bの楕円である場合、補正動作軌
跡Lrcは前記実施例のとおり各径の中間値A+B/2を半径
とする真円としてもよいが、外周切削の場合には短軸径
Aを半径とする真円Lrciを採用し、内周切削の場合には
長軸径Bを半径とする真円Lrcoを採用してもよい。
このように、実施にあたっての補正内容は適宜選択す
ればよく、要するに、楕円の動作軌跡Lrを真円の動作軌
跡Lrcに変換する補正を制御軌跡Loに加えて実際に制御
に利用される制御軌跡Locを出力できるように構成すれ
ばよい。
<発明の効果> 以上に説明したように、本発明のNC装置の楕円補間制
御方法によれば、簡単かつ確実に真円精度を改善できる
とともに、経時変化を含む多様な誤差要因に総合的に対
処することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図、第
2図は前記実施例の動作軌跡に対する補正状態を示すグ
ラフ、第3図は前記実施例の制御軌跡に対する補正状態
を示すグラフ、第4図は前記実施例による補正前の動作
軌跡を示すグラフ、第5図は前記実施例による補正後の
動作軌跡を示すグラフ、第6図は前記実施例による補正
を行わない比較例による作業結果を示すグラフ、第7図
は前記実施例による補正後の作業結果を示すグラフ、第
8図は前記実施例による補正の変形例を示すグラフであ
る。 10……工作機械、30……NC装置、40……楕円補間制御手
段、41……サーキュラテスト、42……楕円解析部、43X,
Y……楕円補正部、A……短軸径、B……長軸径、Cx,Cy
……補正係数、Dc……楕円形状データ、Lo,Loc……制御
軌跡、Lr,Lrc……動作軌跡。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 智夫 静岡県沼津市大岡2068―3 東芝機械株 式会社沼津事業所内 (72)発明者 塩崎 正人 静岡県沼津市大岡2068―3 東芝機械株 式会社沼津事業所内 (56)参考文献 特開 昭63−205706(JP,A) 特開 昭62−255047(JP,A) 特開 昭61−253504(JP,A) 特開 平1−296304(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G05B 19/404

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】NC装置により真円制御される工作機械の動
    作軌跡を楕円形状として検出し、この楕円形状の短軸お
    よび長軸を表す楕円形状データを取得するとともに、こ
    の楕円形状データから得られる短軸および長軸を、前記
    NC装置による真円制御命令で設定される真円の径に補正
    する2つの補正係数を算出した後、 前記NC装置からの真円制御命令に対する制御軌跡を、こ
    れら2つの補正係数によって表される短軸および長軸か
    らなる楕円に補間することを特徴とするNC装置の楕円補
    間制御方法。
  2. 【請求項2】工作機械への動作指令プログラムを解析す
    るプログラム解析部と、このプログラム解析部の解析結
    果に基づいて、前記工作機械を構成する移動軸の移動指
    令を演算する補間演算部とを備えたNC装置であって、 前記補間演算部から与えられる真円制御命令による前記
    工作機械の動作軌跡を楕円形状として検出し、この楕円
    形状の短軸および長軸を表す楕円形状データを取得する
    とともに、この楕円形状データから得られる短軸および
    長軸を、前記真円制御命令で設定される真円の径に補正
    する2つの補正係数を算出する楕円解析部と、 前記補間演算部から与えられる真円制御命令に対する制
    御軌跡を、これら2つの補正係数によって表される短軸
    および長軸からなる楕円に補正する楕円補正部と、を備
    えていることを特徴とするNC装置。
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