JP5265274B2 - 数値制御工作機械の位置決め制御方法及び位置決め制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、マシニングセンタなどの数値制御工作機械の位置決め制御方法及び位置決め制御装置に関し、特に、ベッド上に傾斜テーブル若しくは回転テーブル又はその両方を有するテーブル装置が設けられ、このテーブル装置の傾斜テーブル上又は回転テーブル上に載置された工作物に対し加工を施すものに係わる。

従来、マシニングセンタなどの数値制御工作機械においては、工作物に対する多面加工や複雑な形状加工を可能にするために、例えば特許文献１に開示されているように、工作物を２軸回りに回転可能に保持するテーブル装置（トラニオン又はトラニオン装置ともいう）をベッド上に設けることがある。このテーブル装置は、通常、ベッド上を水平な一軸方向に沿って移動可能に設けられている上、その移動方向と直交する水平軸回りに傾動する傾斜テーブルと、この傾斜テーブル上でその面に垂直な軸回りに回転する回転テーブルとを有し、回転テーブル上に工作物を載置して保持する構成になっている。尚、回転テーブルは、モータなどのアクチュエータにより回転駆動されるが、傾斜テーブルは、アクチュエータにより回転駆動されるものと、手動で任意の角度に固定されるものや、一定角度に固定されたものとがある。
特開２００８−７３８１３号公報

ところで、上述の如きテーブル装置を装備した数値制御工作機械において、傾斜テーブル上又は回転テーブル上に工作物を載置して保持し、傾斜テーブルを傾斜させた状態で工作物に対し加工を施す場合、テーブル上に載置保持された工作物の重心がテーブルの傾斜又は回転に伴ってテーブルの回転中心からずれることから、テーブルに偏荷重が作用し、テーブルは、自身の回転方向に対して角度偏差を生じる。特に、工作物が重量物でかつその高さ寸法が大きい場合にはこの角度偏差が大きなものになる。しかるに、従来の数値制御工作機械では、この角度偏差に対する有効な対応策が採られていないのが実情であり、工作機械の高精度化のために、角度偏差に対する有効な対応策を採ることが要請されている。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、特に、本発明者らの鋭意研究の結果、傾斜テーブル又は回転テーブルの角度偏差と工作物のモーメント荷重とが比例関係を有することを知見し、この知見に基づいて、傾斜テーブル又は回転テーブルの角度偏差を推定して位置決め指令を適切に補正することにより、工作機械の高精度化を実施上有効に図り得る数値制御工作機械の位置決め制御方法及び位置決め制御装置を提供せんとするものである。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、ベッド上に傾斜テーブル若しくは回転テーブル又はその両方を有するテーブル装置が設けられ、このテーブル装置の傾斜テーブル上又は回転テーブル上に載置された工作物に対し加工を施す数値制御工作機械の位置決め制御方法として、工作物をテーブル上に載置した後、加工に先立って、傾斜テーブル又は回転テーブルを所定角度往復運動させるように駆動し、その際の平均駆動トルクを算出するトルク算出工程と、上記平均駆動トルクから工作物のモーメント荷重を推定する第１の推定工程と、この推定したモーメント荷重を基にこれと比例関係にある傾斜テーブル又は回転テーブルの角度偏差量を推定する第２の推定工程と、この推定した角度偏差量を補正量とし、位置決め指令に重畳して位置決め制御を実行する制御実行工程とを備える構成にする。

この構成では、工作物をテーブル装置の傾斜テーブル上又は回転テーブル上に載置した後、加工に先立って、傾斜テーブル又は回転テーブルを所定角度往復運動させるように駆動し、その際の平均駆動トルクを算出し、この平均駆動トルクから工作物のモーメント荷重を推定し、この推定したモーメント荷重を基にこれと比例関係にある傾斜テーブル又は回転テーブルの角度偏差量を推定する。そして、加工時には、この推定した角度偏差量を補正量とし、位置決め指令に重畳して位置決め制御を実行するため、傾斜テーブルの傾斜による工作物のモーメント荷重に起因する傾斜テーブル又は回転テーブルの角度偏差の影響を受けることなく、位置決め制御が適切に行われることになる。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の数値制御工作機械の位置決め制御方法において、特に好ましい形態を提供するものである。すなわち、上記テーブル装置は、傾斜テーブル及び回転テーブルの角度がそれぞれモータにより変更可能なものであり、上記トルク算出工程ではこのモータの駆動トルクを基に平均駆動トルクを算出するものである構成にする。この構成では、傾斜テーブルの傾斜がモータにより変更可能ないわゆるチルトテーブル装置の場合、そのモータの駆動トルクを、例えばモータの電流値信号などから測定して平均駆動トルクを容易に算出することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１記載の数値制御工作機械の位置決め制御方法を実施するのに適した装置を提供するものである。すなわち、ベッド上に傾斜テーブル若しくは回転テーブル又はその両方を有するテーブル装置が設けられ、このテーブル装置の傾斜テーブル上又は回転テーブル上に載置された工作物に対し加工を施す数値制御工作機械の位置決め制御装置として、上記テーブル装置の傾斜テーブル又は回転テーブルの駆動トルクを測定する測定手段と、工作物をテーブル上に載置した後、加工に先立って、傾斜テーブル又は回転テーブルを所定角度往復運動させるように駆動した際に上記測定手段の測定結果を基に平均駆動トルクを算出するトルク算出手段と、このトルク算出手段で算出した平均駆動トルクから工作物のモーメント荷重を推定する第１の推定手段と、この第１の推定手段で推定したモーメント荷重を基にこれと比例関係にある傾斜テーブル又は回転テーブルの角度偏差量を推定する第２の推定手段と、この第２の推定手段で推定した角度偏差量を補正量とし、位置決め指令に重畳して位置決め制御を実行する制御実行手段とを備える構成にする。

以上のように、本発明における数値制御工作機械の位置決め制御方法及び位置決め制御装置によれば、傾斜テーブルの傾斜による工作物のモーメント荷重に起因する傾斜テーブル又は回転テーブルの角度偏差の影響を受けることなく、位置決め制御を適切に行うことができるので、工作機械の高精度化を図ることができる。しかも、傾斜テーブル又は回転テーブルの角度偏差量を工作物のモーメント荷重から推定し、かつそのモーメント荷重を傾斜テーブル又は回転テーブルの平均駆動トルクから推定するものであるため、角度偏差量を実測する場合の如くセンサ類により工作物の回転テーブル上への載置に支障を生じたり、制御が複雑になったりすることはなく、実施化を容易に図ることができる。

特に、請求項２に係る発明では、傾斜テーブルの傾斜がモータにより変更可能なチルトテーブル装置の場合、そのモータの駆動トルクの電流値信号などから平均駆動トルクを容易にかつ特別なセンサ類を要することなく算出することができるので、実施化をより容易に図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態である実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る数値制御工作機械の全体構成を示し、１は基台としてのベッドであって、このベッド１上には一対のガイドレール２，２に沿って水平面内の一軸方向（Ｘ軸方向）に移動可能なコラム３が設けられ、このコラム３にはサドル４を介して主軸ヘッド５が上下方向（Ｙ軸方向）に昇降可能に設けられている。

また、上記ベッド１上にはガイドレール６に沿ってコラム３の移動方向と直交する一軸方向（Ｚ軸方向）に移動可能なスライド台７が設けられ、このスライド台７上にはテーブル装置８が取り付けられている。このテーブル装置８は、図２に詳示するように、スライド台７に固定された架台１１と、この架台１１にＸ軸方向に延びる左右の支軸１２Ｌ，１２Ｒを介して傾動可能に支持された傾斜テーブル１３と、この傾斜テーブル１３上でその面に垂直な軸回りに回転可能に設けられた回転テーブル１４とを有している。

上記架台１１にはサーボモータ１５が取り付けられており、このサーボモータ１５の回転力は、ウォーム１６及びウォームホイール１７を介して支軸１２Ｒに伝達されて、傾斜テーブル１３を支軸１２Ｌ，１２Ｒ回りに傾動させるようになっている。また、傾斜テーブル１３の裏面側には、図示していないが、回転テーブル１４を回転駆動するためのモータなどが設けられている。そして、この回転テーブル１４上に載置された工作物Ｗに対し、上記主軸ヘッド５に装着した工具（図示せず）により切削などの加工を施すようになっている。

上記テーブル装置８は、更に、サーボモータ１５のエンコーダ２１と、ウォームホイール１７に取り付けられ、傾斜テーブル１３の傾斜角度を検出するロータリエンコーダ２２とを有し、この両エンコーダ２１，２２の検出信号は、工作機械の制御装置３０に入力される。この制御装置３０には、エンコーダ２１，２２の信号以外に、図示していないが、サーボモータ１５を駆動するサーボアンプに内蔵された測定手段としての電流値信号出力部からの信号なども入力されるようになっている。また、制御装置３０は、図示していないが、制御プログラム及び制御データなどを記憶しておく記憶部と、制御プログラムを実行する演算制御部と、制御データなどを入力する入力部とを有し、工作機械の各駆動部（テーブル装置８のサーボモータ１５などの駆動部も含む）を制御するようになっている。

そして、上記制御装置３０（詳しくはその演算制御部）は、本発明の特徴点として、傾斜テーブル１３の傾斜による工作物Ｗのモーメント荷重に起因する傾斜テーブル１３の角度偏差に対応した位置決め制御を実行するようになっており、この位置決め制御は、図３に示すフローチャートに従って行われる。

すなわち、図３において、工作物Ｗを回転テーブル１４上に載置した後、制御装置３０の入力部の作業開始スイッチなどを操作して制御を開始させると、加工に先立って、ステップＳ１でテーブル装置８のサーボモータ１５を作動させて傾斜テーブル１３を、その傾斜角度が例えば−５°〜−９０°〜−５°と変化するように往復運動させる。その際、ステップＳ２でサーボモータ１５の電流値信号出力部からの信号に基づいてサーボモータ１５の駆動トルクＴ_ｍを検出し、ステップＳ３でこの駆動トルクＴ_ｍの平均値である平均駆動トルクＴ_ｍ’を算出する。ステップＳ１〜Ｓ３により、本発明にいう、平均駆動トルクＴ_ｍ’を算出するトルク算出工程又はトルク算出手段３１が構成されている。

続いて、ステップＳ４で上記平均駆動トルクＴ_ｍ’から工作物Ｗの傾斜テーブル１３に作用するモーメント荷重Ｍ_ｗを推定する。ここで、平均駆動トルクＴ_ｍ’から工作物Ｗのモーメント荷重Ｍ_ｗを推定できる理由について説明するに、傾斜テーブル１３を所定角度（−５°〜−９０°）往復運動させた時の傾斜テーブル１３の回転速度が一定であるとすれば、駆動トルクＴ_ｍは次式（１）で表される。

Ｔ_ｍ＝Ｔ_ｇ＋Ｔ_μ …（１）
ここで、Ｔ_μは摩擦トルクであり、モーメント荷重Ｍ_ｗを保持するトルクＴ_ｇは次式（２）で表される。

Ｔ_ｇ＝Ｍ_ａ・α＝（Ｍ_ｔ＋Ｍ_ｗ）・α …（２）
但し、Ｍ_ｔ＝ｍ_ｔ・ｒ_ｔ・ｇ・ｓｉｎθ

Ｍ_ａ：総モーメント［Ｎ・ｍ］、α：減速比、Ｍ_ｔ：傾斜テーブル１３のモーメント［Ｎ・ｍ］、ｍ_ｔ：傾斜テーブル１３の質量［ｋｇ］、ｒ_ｔ：傾斜テーブル１３の重心と回転テーブル１４の回転中心Ｐの距離［ｍ］、ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ^２］、θ：傾斜テーブル１３の傾斜角［ｄｅｇ．］

各角度における往路と復路の摩擦トルクＴ_μは逆方向であり、駆動トルクＴ_ｍの平均値を計算すると摩擦トルクＴ_μの項は相殺される。従って、平均駆動トルクＴ_ｍ’は、次式（３）で表される。

Ｔ_ｍ’＝Ｔ_ｇ＝Ｍ_ａ・α …（３）
図４は平均駆動トルクＴ_ｍ’と総モーメントＭ_ａの関係を実測値で示したものであり、この場合、１／α＝１０１．９である。減速比α又はその逆数は、工作機械に固有の値であり、実測値から求める。そして、上記の（３）式から、平均駆動トルクＴ_ｍ’を基に総モーメントＭ_ａを決定し、この総モーメントＭ_ａから、傾斜テーブル１３のモーメントＭ_ｔの実測値を減算することにより、工作物Ｗのモーメント荷重Ｍ_ｗを推定できるのである。また、ステップＳ４により、本発明にいう、工作物Ｗのモーメント荷重Ｍ_ｗを推定する第１の推定工程又は第１の推定手段３２が構成されている。

ステップＳ４でのモーメント荷重Ｍ_ｗの推定の後、ステップＳ５でこの推定したモーメント荷重Ｍ_ｗを基にこれと比例関係にある傾斜テーブル１３の角度偏差量を推定ないし決定する。

ここで、工作物Ｗのモーメント荷重Ｍ_ｗと傾斜テーブル１３の角度偏差Δθとの関係に関し、本発明者らが行った実験方法及び実験結果について簡単に説明する。

実験方法として、傾斜テーブル１３（回転テーブル１４）上に０〜１００ｋｇの錘を載置し、傾斜テーブル１３を−５°〜−９０°に傾斜させた。各傾斜角において、傾斜テーブル１３上の２点にそれぞれ静電容量型非接触変位計２６（図２参照）を固定し、錘を載せた時の変位量を測定した。測定された２点の変位量をΔＸ_１，ΔＸ_２、２点間の距離をＬ（実験時は２００ｍｍ）とすると、角度偏差Δθは、次式（４）で表される。

Δθ＝ｔａｎ^−１（（ΔＸ_１−ΔＸ_２）／Ｌ） …（４）
また、錘の質量をｍ_ｗ、回転テーブル１４の回転中心Ｐと錘重心の距離をｒ_ｗとすると、モーメント荷重Ｍ_ｗは、次式（５）で表される。

Ｍ_ｗ＝ｍ_ｗ・ｒ_ｗ・ｇ・ｓｉｎθ …（５）
そして、実験結果として、図５はモーメント荷重Ｍ_ｗと角度偏差Δθの関係を実測値で示したものであり、角度偏差Δθはモーメント荷重Ｍ_ｗに比例し、次式（６）で表される。

Δθ＝１．０６×１０^−５・Ｍ_ｗ …（６）
従って、ステップＳ５での角度偏差量の決定は、モーメント荷重Ｍ_ｗ及び（６）式から算出される。但し、（６）式の常数は、工作機械に固有の値であり、実測値から求める。また、ステップＳ５により、本発明にいう、傾斜テーブル１３の角度偏差量を推定する第２の推定工程又は第２の推定手段３３が構成されている。

以上のステップＳ１〜Ｓ５により、加工に先立って行われる準備工程が終了する。そして、工作物Ｗの加工時には、ステップＳ６で補正処理が行われる。この補正処理は、傾斜テーブル１３の角度偏差量を補正量とし、位置決め指令に重畳して位置決め制御を実行する。ステップＳ６により、本発明にいう、位置決め制御を実行する制御実行工程又は制御実行手段３４が構成されている。

以上のように、上記制御装置３０の位置決め制御においては、加工に先立って、テーブル装置８の傾斜テーブル１３（回転テーブル）１４上に載置した工作物Ｗの傾斜テーブル１３の傾斜によるモーメント荷重Ｍ_ｗに起因する傾斜テーブル１３の角度偏差量を決定し、加工時にこの角度偏差量を補正量とし、位置決め指令に重畳して位置決め制御を実行するため、傾斜テーブル１３の角度偏差Δθの影響を受けることなく、位置決め制御を適切に行うことができ、工作機械の高精度化を図ることができる。

その上、上記角度偏差量の決定に当たっては、傾斜テーブル１３を所定角度往復運動させるようにサーボモータ１５を駆動し（ステップＳ１）、その際のサーボモータ１５の電流値信号を基に平均駆動トルクＴ_ｍ’を算出し（ステップＳ２，Ｓ３）、この平均駆動トルクＴ_ｍ’から工作物Ｗのモーメント荷重Ｍ_ｗを推定し（ステップＳ４）、更にこのモーメント荷重Ｍ_ｗからこれと比例関係にある傾斜テーブル１３の角度偏差量を推定ないし決定する（ステップＳ５）ものであるため、角度偏差量を例えば静電容量型非接触変位計２６を用いて実測する場合の如く変位計などのセンサ類により工作物Ｗの傾斜テーブル１３（回転テーブル１４）上への載置に支障を生じたり、制御が複雑になったりすることはなく、その分実施化を容易に図ることができる。また、測定手段としてのサーボモータ１５の電流値信号出力部は、数値制御工作機械に通常装備されているものであり、新規なセンサ類を必要としないので、実施化をより容易に図ることができる。

図６は推定した角度偏差Δθと測定値の比較を示し、図７は補正後の角度偏差Δθを示す。この両図から、角度偏差の補正を行う本発明例の場合、角度偏差Δθが±０．５×１０^−３ｄｅｇ．範囲に抑えられており、本発明例の有効性が確認される。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の形態を包含するものである。例えば上記実施形態では、傾斜テーブル１３の角度偏差量を補正する場合について述べたが、本発明は、傾斜テーブル１３の傾斜が所定角度であるときの回転テーブル１４の角度偏差量を補正する場合にも適用することができる。この場合、工作物を回転テーブル１４上に載置した後、加工に先立って、回転テーブル１４を所定角度往復運動させるように駆動し、その際の平均駆動トルクを算出し、この平均駆動トルクから工作物のモーメント荷重を推定し、この推定したモーメント荷重を基にこれと比例関係にある回転テーブル１４の角度偏差量を推定し、更にこの推定した角度偏差量を補正量とし、位置決め指令に重畳して位置決め制御を実行すればよい。

また、上記実施形態では、テーブル装置８の傾斜テーブル１３がサーボモータ１５により駆動されるいわゆる自動チルド式のものついて述べたが、本発明は、傾斜テーブルが手動により傾動するいわゆる手動チルド式のもの、一定角度に固定されたものなどにも同様に適用することができる。

本発明の実施形態に係る数値制御工作機械の全体構成を示す側面図である。 上記工作機械に装備されたテーブル装置の斜視図である。 制御装置の制御内容を示すフローチャート図である。 平均駆動トルクと総モーメントの関係を示す図である。 モーメント荷重と角度偏差の関係を示す図である。 推定した角度偏差と測定値の比較を示す図である。 補正後の角度偏差を示す図である。

符号の説明

１ ベッド
８ テーブル装置
１３ 傾斜テーブル
１４ 回転テーブル
１５ サーボモータ
３０ 制御装置
３１ トルク算出手段
３２ 第１の推定手段
３３ 第２の推定手段
３４ 制御実行手段
Ｗ 工作物

Claims (3)

1. ベッド上に傾斜テーブル若しくは回転テーブル又はその両方を有するテーブル装置が設けられ、このテーブル装置の傾斜テーブル上又は回転テーブル上に載置された工作物に対し加工を施す数値制御工作機械の位置決め制御方法であって、
   工作物をテーブル上に載置した後、加工に先立って、傾斜テーブル又は回転テーブルを所定角度往復運動させるように駆動し、その際の平均駆動トルクを算出するトルク算出工程と、
   上記平均駆動トルクから工作物のモーメント荷重を推定する第１の推定工程と、
   この推定したモーメント荷重を基にこれと比例関係にある傾斜テーブル又は回転テーブルの角度偏差量を推定する第２の推定工程と、
   この推定した角度偏差量を補正量とし、位置決め指令に重畳して位置決め制御を実行する制御実行工程とを備えたことを特徴とする数値制御工作機械の位置決め制御方法。
2. 上記テーブル装置は、傾斜テーブル及び回転テーブルの角度がそれぞれモータにより変更可能なものであり、上記トルク算出工程ではこのモータの駆動トルクを基に平均駆動トルクを算出するものである請求項１記載の数値制御工作機械の位置決め制御方法。
3. ベッド上に傾斜テーブル若しくは回転テーブル又はその両方を有するテーブル装置が設けられ、このテーブル装置の傾斜テーブル上又は回転テーブル上に載置された工作物に対し加工を施す数値制御工作機械の位置決め制御装置であって、
   上記テーブル装置の傾斜テーブル又は回転テーブルの駆動トルクを測定する測定手段と、
   工作物をテーブル上に載置した後、加工に先立って、傾斜テーブル又は回転テーブルを所定角度往復運動させるように駆動した際に上記測定手段の測定結果を基に平均駆動トルクを算出するトルク算出手段と、
   このトルク算出手段で算出した平均駆動トルクから工作物のモーメント荷重を推定する第１の推定手段と、
   この第１の推定手段で推定したモーメント荷重を基にこれと比例関係にある傾斜テーブル又は回転テーブルの角度偏差量を推定する第２の推定手段と、
   この第２の推定手段で推定した角度偏差量を補正量とし、位置決め指令に重畳して位置決め制御を実行する制御実行手段とを備えたことを特徴とする数値制御工作機械の位置決め制御装置。