JP6506149B2

JP6506149B2 - 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

Info

Publication number: JP6506149B2
Application number: JP2015187075A
Authority: JP
Inventors: 拓也小島
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2035-09-24
Also published as: JP2017061011A

Description

本発明は、工作機械において幾何誤差を計測して同定するための方法及びプログラムに関する。

図１は、３つの並進軸および２つの回転軸を有する５軸制御複合加工機（以下、「５軸機」という。）の模式図である。５軸機は、工具を保持し工具を回転させ傾斜させることが可能な刃物台２と、工作物を保持し回転可能な旋削主軸３を有している。刃物台２はＢ軸ユニット４に内蔵された回転軸Ｂ軸により１自由度の回転運動と、さらにコラム５に設けられた並進軸Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸により３自由度の並進運動がベッド１に対して可能である。旋削主軸３は、回転軸Ｃ軸により１自由度の回転運動がベッド１に対して可能である。各軸は、図示しないＮＣ装置によって制御されたサーボモータにより駆動され、旋削主軸３に保持した工作物を刃物台２に保持した工具により相対位置および相対姿勢を制御して加工を行うことができる。
この５軸機の運動精度に影響を及ぼす要因として、例えば、回転軸の中心位置の誤差（想定されている位置からのズレ）や回転軸の傾き誤差（軸間の直角度、平行度）などの各軸間の幾何学的な誤差（以下、「幾何誤差」という。）がある。幾何誤差が存在すると機械としての運動精度が悪化し、工作物の加工精度が悪化する。そのため、調整により幾何誤差を小さくする必要があるが、ゼロにすることは困難であり、幾何誤差を補正する制御を行うことで高精度な加工を行うことができる。
機械の幾何誤差を測定する手段として様々な手法が提案されているが、測定には高価な測定機器もしくは複数の測定機器が必要であり、また幾何誤差の測定にはある程度の技量が要求される。そこで、特許文献１に開示のように、機械の刃物台にタッチプローブを取付け、テーブルにターゲット球を設置して、指定した割出指令位置に機械が自動で傾斜軸・回転軸の割出動作を行い、各割出指令位置でターゲット球の中心座標を計測し、この結果を元に幾何誤差を同定・補正するシステムが開発されている。

特開２０１１−３８９０２号公報

しかし、回転軸が、?み合い方式のクランプ機構や位置決め用のピンが設けられたクランプ機構のように離散的な位置でのみクランプ可能なクランプ機構を有する場合は、予め設定された複数の割出指令位置の一部でクランプ不可能となり、クランプ可能な割出位置とクランプ不可能な割出位置が混在する場合がある。こうした異なるクランプ状態による計測結果が混在すると、クランプ機構による力の作用によってわずかに位置誤差や姿勢変化が生じ、工具先端点がずれるため、計測対象のクランプ状態における幾何誤差の同定精度が低下するといった問題がある。

そこで、本発明は、回転軸が離散的な位置でのみクランプ可能なクランプ機構を有する場合であっても、全ての割出指令位置において回転軸をクランプして計測可能となり、クランプ時の幾何誤差を高精度に同定することができる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を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、２軸以上の並進軸と、離散的な位置で工具又はワークをクランプ可能なクランプ機構を備えた１軸以上の回転軸とを有する工作機械において、
前記回転軸を予め設定された割出指令位置に基づいて所定の角度に割り出して前記回転軸に取り付けた被測定治具を複数箇所に位置決めし、位置計測センサにより前記被測定治具の三次元空間上の位置を計測する計測ステップと、
前記計測ステップにおいて計測された複数の位置計測値から幾何学的な誤差を同定する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、
前記計測ステップでは、前記回転軸を前記所定の角度に割り出す前に、
前記クランプ機構をクランプ状態にする設定か否かを判定するクランプ状態判定ステップと、
当該クランプ状態判定ステップでクランプ状態にする設定であると判定された場合、前記割出指令位置が前記クランプ機構をクランプ可能な位置か否かを判定するクランプ可能位置判定ステップと、
前記クランプ可能位置判定ステップでクランプ可能な位置でないと判定された場合、当該割出指令位置を前記クランプ機構がクランプ可能な位置に変更する位置変更ステップと、を実行して、変更された前記割出指令位置に基づいて前記回転軸を前記所定の角度に割り出すことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記計測ステップでは、前記クランプ状態判定ステップで前記クランプ機構をクランプ状態にする設定であると判定したら、隣り合う前記割出指令位置同士の間隔と、前記クランプ機構がクランプ可能な隣り合う位置同士の間隔とを比較する間隔比較ステップと、
前記間隔比較ステップで前記割出指令位置同士の間隔が前記クランプ可能な位置同士の間隔よりも小さいと判定された場合、前記割出指令位置同士の間隔が前記クランプ可能な位置同士の間隔と等しくなるように計測点数を変更して前記割出指令位置同士の間隔を変更する計測点数変更ステップと、をさらに実行した後、前記クランプ可能位置判定ステップを実行することを特徴とする。
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、前記位置変更ステップでは、前記割出指令位置を最も近いクランプ可能な位置に変更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。

本発明によれば、幾何誤差を測定する際のクランプ状態のユーザ設定を判定し、クランプ機構によるクランプを行う設定の場合には、割出指令位置がクランプ可能な位置かどうか判定し、クランプ不可能な位置の場合は、割出指令位置をクランプ可能な位置に自動的に変更する。よって、全ての割出指令位置において回転軸をクランプして計測可能となり、クランプ時の幾何誤差を高精度に同定することが可能となる。

５軸制御複合加工機の模式図である。幾何誤差の計測処理のフローチャートである。割出条件の作成処理のフローチャートである。幾何誤差を計測するための計測条件の設定例である。図４に示す計測条件に対する割出条件のリストの作成例である。図５の割出条件のリストの割出指令位置の変更例である。幾何誤差を計測するための計測条件の他の設定例である。割出条件の設定の変更例である。図８に示す計測条件に対する割出条件のリストの作成例である。図９の割出条件のリストの割出指令位置の変更例である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
ここでの工作機械は、３つの並進軸と２つの回転軸を有する図１の５軸機であって、ワークから工具への軸構成は、Ｃ軸−Ｚ軸−Ｙ軸−Ｘ軸−Ｂ軸となっている。なお、本発明に関わる工作機械としては複合加工機に限らず、旋盤やマシニングセンタ、研削盤などでもよい。また、軸数は５軸に限らず、４軸、６軸以上でもよい。さらに、回転軸により刃物台２と旋削主軸３がそれぞれ回転１自由度を持つ機構に限らず、刃物台２が回転２自由度を持つ機構や、旋削主軸３が回転２自由度を持つ機構でもよい。
この５軸機において、各軸間の相対並進誤差および相対回転誤差の合計６成分（δｘ、δｙ、δｚ、α、β、γ）から定義される幾何誤差は３６個存在する。しかし冗長の関係にあるものが存在するため、それらを除くと合計１３個となる。

続いて、この幾何誤差の計測方法のフローについて説明する。図２はこの計測方法のフローの一例で、ここでは５軸機の制御手段であるＮＣ装置が、記憶装置に記録されたプログラムに従って計測を実行する。後述する図３の割出条件のデータリストの作成も、プログラムに従ってＮＣ装置が実行する。

まず、幾何誤差の計測を行う前に、回転軸である旋削主軸３に被測定治具としてのターゲット球を設置し、傾斜軸である刃物台２に装着した位置計測センサとしてのタッチプローブにより球の位置（初期・基準位置）を特定する（Ｓ１１）。
次に、幾何誤差の同定を行うための割出計測を、割出条件で設定されている回数実行する（Ｓ１２〜Ｓ１６の計測ループ（計測ステップ））。ここでは後記する傾斜軸・回転軸の割出条件のデータリストを読み込み（Ｓ１３）、このデータリストに従って傾斜軸・回転軸の割出動作を実行し（Ｓ１４）、各割出条件でターゲットの座標を計測する（Ｓ１５）。そして、Ｓ１２〜Ｓ１６の計測ループが終了したら、Ｓ１７で、計測結果から幾何誤差を同定する（幾何誤差同定ステップ）。この幾何誤差の同定は、先の特許文献１に開示されるように、計測された複数の位置計測値を円弧近似し、近似された円弧から回転軸の中心位置の誤差や回転軸の傾き誤差、並進軸の傾き誤差等を算出する公知の方法で行う。

次に、幾何誤差の計測ステップで使用される割出条件のデータリストの作成手順について、図３の割出条件作成処理フローに基づいて説明する。
まず、Ｓ２１で、ユーザ設定された幾何誤差の計測条件の設定を読込むと共に、Ｓ２２で、計測時の各傾斜軸・回転軸に備えたクランプ機構のクランプ状態に関するユーザ設定の読込みを行う。
計測条件の設定の一例を図４に示す。計測条件の設定は、傾斜軸（Ｂ軸）・回転軸（Ｃ軸）の一方を動作軸として割出して計測を行う計測点数Ｎと、Ｎ回の割出動作を行う動作軸の名称と、割出動作の開始角度θ_ｓｔと終了角度θ_ｅｘと、動作軸の他方で割出位置を変更しない固定軸の名称と、その角度と、から構成される。
一方、クランプ状態のユーザ設定は、計測時にクランプ機構をクランプするかどうか、クランプ機構は連続的な位置でクランプ可能か離散的な位置でのみクランプ可能か、などの情報を有する。

こうして計測条件とクランプ状態のユーザ設定との読込みを行った後、Ｓ２３で、動作軸のクランプ設定を判定する（クランプ状態判定ステップ）。ここでクランプ設定が離散クランプの場合、Ｓ２４で割出ピッチの判定を行う。一方、Ｓ２３の判定で離散クランプ以外（後述する連続クランプや、離散クランプであってもクランプ状態にしないアンクランプも含む。）の場合は、Ｓ２６でそのまま割出指令位置のデータリストを作成する。
Ｓ２４での判定に使用される割出ピッチΔθは、以下の式（１）により得られる。
Δθ＝ (θ_ｅｘ−θ_ｓｔ）／（Ｎ−１）・・（１）
Ｓ２４では、この割出ピッチΔθが、クランプ機構をクランプ可能な隣り合う割出指令位置のピッチΔθ_ｃｌ（以下、「クランプピッチ」と呼ぶ）より小さいか否かを判定する（間隔比較ステップ）。ここで割出ピッチの方が小さい場合、Ｓ２５で、割出ピッチがクランプピッチと等しくなるように計測点数の変更を行い、変更後の計測点数Ｎ’を計測条件として再設定する（計測点数変更ステップ）。割出ピッチがクランプピッチより大きい場合は、Ｓ２６に移行する。Ｓ２５での変更後の計測点数Ｎ’は、以下の式（２）により得られる。
Ｎ’＝（θ_ｅｘ−θ_ｓｔ)／Δθ_ｃｌ＋１・・（２）

次に、設定された計測条件とクランプ状態をもとに、各傾斜軸・回転軸のそれぞれの割出位置とクランプ状態の情報を有するデータリストを作成する（Ｓ２６）。
図５は、Ｓ２６において図４の計測条件をもとに作成されるデータリストの一例である。計測条件の設定では１点目〜４点目はＢ軸を−３０°〜９０°に割出すとしているため、４点を等間隔に割り振ると、データリスト１行目〜４行目のＢ軸の割出指令位置は、４０°ごとの−３０°、１０°、５０°、９０°となる。一方、Ｃ軸は、１点目〜４点目では０°に固定されているため、データリスト１行目〜４行目のＣ軸の割出指令位置は０°となる。５行目〜８行目ではＣ軸割出指令位置が０°、９０°、１８０°、２７０°に、Ｂ軸割出指令位置が０°になりデータリストが作成される。さらに、Ｂ軸のクランプ設定を離散クランプ、Ｃ軸のクランプ設定をディスクブレーキのように連続的な位置でクランプ可能な機構によるクランプ（以下、「連続クランプ」という。）として、その情報を各行に含める。

作成したデータリストについては、Ｓ２７〜Ｓ３０の確認・修正ループにおいてチェックを行う。まず、Ｓ２８で、動作軸のクランプ設定を判定する（クランプ状態判定ステップ）。ここでクランプ設定が離散クランプの場合は、Ｓ２９で割出指令位置がクランプ可能な位置かどうか判定する（クランプ可能位置判定ステップ）。離散クランプ以外の場合はＳ３１でループ終了となる。
Ｓ２９の判定で、クランプ可能な位置でない場合は、Ｓ３０で、割出指令位置を最も近いクランプ可能な位置に変更する（位置変更ステップ）。クランプ可能な位置である場合はＳ３１へ移る。なお、Ｓ３０で、最も近いクランプ可能な位置が複数存在する場合には、どちらに変更しても良いが、変更の仕方はデータリストの全行で統一する。

具体的に、図５のデータリストを例に説明する。この場合、Ｓ２８ではＢ軸のクランプ設定が全行離散クランプと判定されるため、Ｓ２９では全行に対してクランプ可能な位置の判定が行われる。このとき、Ｂ軸のクランプ可能な割出位置が１５の倍数（−３０°、−１５°、０°、１５°、３０°、４５°、６０°、７５°、９０°・・）であると、リストＮｏ．２，３の割出位置（１０°、５０°）でクランプ不可能と判定（クランプ判定が×）される。よって、Ｓ３０では、図６に示すように、リストＮｏ．２は１０°から最も近いクランプ可能な位置である１５°に変更される。同様にリストＮｏ．３は５０°から最も近いクランプ可能な位置である４５°に変更される。

このように、上記形態の幾何誤差同定方法及びプログラムによれば、Ｓ１２〜Ｓ１６の計測ステップでは、動作軸を所定の角度に割り出す前に、クランプ機構をクランプ状態にする設定か否かを判定するクランプ状態判定ステップ（Ｓ２８）と、当該クランプ状態判定ステップでクランプ状態にする設定であると判定された場合、割出指令位置がクランプ機構をクランプ可能な位置か否かを判定するクランプ可能位置判定ステップ（Ｓ２９）と、クランプ可能位置判定ステップでクランプ可能な位置でないと判定された場合、当該割出指令位置をクランプ機構がクランプ可能な位置に変更する位置変更ステップ（Ｓ３０）と、を実行して、変更された割出指令位置に基づいて動作軸を所定の角度に割り出すこととなる。すなわち、幾何誤差を測定する際のクランプ状態のユーザ設定を判定し、クランプ機構によるクランプを行う設定の場合には、割出指令位置がクランプ可能な位置かどうか判定し、クランプ不可能な位置の場合は、割出指令位置をクランプ可能な位置に自動的に変更する。よって、全ての割出指令位置において回転軸をクランプして計測可能となり、クランプ時の幾何誤差を高精度に同定することが可能となる。

特にここでは、クランプ状態判定ステップ（Ｓ２３）でクランプ機構をクランプ状態にする設定であると判定したら、割出ピッチとクランプピッチとを比較する間隔比較ステップ（Ｓ２４）と、割出ピッチがクランプピッチよりも小さいと判定された場合、割出ピッチがクランプピッチと等しくなるように計測点数を変更して割出指令位置同士の間隔を変更する計測点数変更ステップ（Ｓ２５）と、をさらに実行した後、クランプ可能位置判定ステップ（Ｓ２９）を実行するので、割出ピッチをクランプピッチに合わせた状態で割出指令位置のデータリストを作成でき、クランプ時の幾何誤差の同定精度の向上が期待できる。

なお、上記形態では、計測点数の変更（Ｓ２５）と、割出指令位置の変更（Ｓ３０）とが図３のフローチャートに従って順番に行われる例としているが、Ｓ２３で動作軸のクランプ設定を判定した後、計測点数の変更（Ｓ２５）と割出指令位置の変更（Ｓ３０）とを同時に行ってもよい。以下、この変更例を、図７〜図１０に基づいて説明する。ここではクランプ設定はＢ軸を離散クランプ、Ｃ軸をアンクランプとし、Ｂ軸のクランプ可能な位置は１５の倍数とする。Ｂ軸のクランプピッチは１５°となる。

まず、Ｓ２３にて動作軸のクランプ設定について判定する。動作軸がＢ軸の割出指令について、Ｂ軸のクランプ設定は離散クランプであるため、Ｓ２４に移行する。ここで、割出指令の開始角度が−１０°、終了角度が８０°、計測点数が１０点であるため、式（１）に従って割出ピッチを計算すると、Δθ＝（８０−（−１０））／（１０−１）＝１０°となる。Ｂ軸のクランプピッチは１５°であるため、Ｓ２４の判定で、割出ピッチがクランプピッチより小さいと判定され、Ｓ２５に移行する。割出ピッチをクランプピッチと等しくするため、式（２）に従って変更後の計測点数を計算すると、Ｎ’＝（８０−（−１０））／１５＋１＝７となる。なお、動作軸がＣ軸の割出指令については、Ｃ軸のクランプ設定がアンクランプのため、計測点数の再設定は行われない。以上の処理の結果、計測条件は図８のように変更される。変更後の図８の計測条件をもとに、Ｓ２６にて図９のような割出指令位置のデータリストが作成される。

一方、Ｂ軸のクランプ設定は全行が離散クランプであるため、Ｓ２３の判定の後、Ｓ２４と並行してＳ２９に移行し、全行に対してクランプ可能な位置の判定を行う。Ｂ軸のクランプ可能な割出位置は１５の倍数としているため、リストＮｏ．１〜７の割出指令位置でクランプ不可能と判定される。よって、Ｓ３０において、リストＮｏ．１〜７の割出指令位置が図１０のように変更される。変更後の動作軸の割出指令位置は、Ｓ２１〜Ｓ２５にて割出ピッチがクランプピッチ以上となっているため、他の行の割出位置と重複することはない。

このように、上記変更例の幾何誤差同定方法及びプログラムにおいても、幾何誤差を測定する際のクランプ状態のユーザ設定を判定し、クランプ機構によるクランプを行う設定の場合には、割出指令位置がクランプ可能な位置かどうか判定し、クランプ不可能な位置の場合は、割出指令位置をクランプ可能な位置に自動的に変更する。よって、全ての割出指令位置において回転軸をクランプして計測可能となり、クランプ時の幾何誤差を高精度に同定することが可能となる。また、割出ピッチをクランプピッチに合わせた状態で割出指令位置のデータリストを作成でき、クランプ時の幾何誤差の同定精度の向上が期待できる。

なお、上記各例では幾何誤差の同定方法をＮＣ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ＮＣ装置に限らず、ＮＣ装置に接続された外部のコンピュータであってもよい。

１・・ベッド、２・・刃物台、３・・旋回主軸、４・・Ｂ軸ユニット、５・・コラム。

Claims

２軸以上の並進軸と、離散的な位置で工具又はワークをクランプ可能なクランプ機構を備えた１軸以上の回転軸とを有する工作機械において、
前記回転軸を予め設定された割出指令位置に基づいて所定の角度に割り出して前記回転軸に取り付けた被測定治具を複数箇所に位置決めし、位置計測センサにより前記被測定治具の三次元空間上の位置を計測する計測ステップと、
前記計測ステップにおいて計測された複数の位置計測値から幾何学的な誤差を同定する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、
前記計測ステップでは、前記回転軸を前記所定の角度に割り出す前に、
前記クランプ機構をクランプ状態にする設定か否かを判定するクランプ状態判定ステップと、
当該クランプ状態判定ステップでクランプ状態にする設定であると判定された場合、前記割出指令位置が前記クランプ機構をクランプ可能な位置か否かを判定するクランプ可能位置判定ステップと、
前記クランプ可能位置判定ステップでクランプ可能な位置でないと判定された場合、当該割出指令位置を前記クランプ機構がクランプ可能な位置に変更する位置変更ステップと、を実行して、変更された前記割出指令位置に基づいて前記回転軸を前記所定の角度に割り出すことを特徴とする工作機械の幾何誤差同定方法。
前記計測ステップでは、前記クランプ状態判定ステップで前記クランプ機構をクランプ状態にする設定であると判定したら、隣り合う前記割出指令位置同士の間隔と、前記クランプ機構がクランプ可能な隣り合う位置同士の間隔とを比較する間隔比較ステップと、
前記間隔比較ステップで前記割出指令位置同士の間隔が前記クランプ可能な位置同士の間隔よりも小さいと判定された場合、前記割出指令位置同士の間隔が前記クランプ可能な位置同士の間隔と等しくなるように計測点数を変更して前記割出指令位置同士の間隔を変更する計測点数変更ステップと、
をさらに実行した後、前記クランプ可能位置判定ステップを実行する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。
前記位置変更ステップでは、前記割出指令位置を最も近いクランプ可能な位置に変更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。