JP6942577B2 - 工作機械の数値制御装置及び数値制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械においてワークの質量によって生じる機械の変形を補正するための数値制御装置及び数値制御方法に関するものである。

図１は、３つの並進軸及び２つの回転軸を有する５軸制御マシニングセンタの模式図である。主軸頭２は、並進軸であり互いに直交するＸ軸、Ｚ軸によってベッド１に対して並進２自由度の運動が可能である。テーブル３は、回転軸であるＣ軸によってクレードル４に対して回転１自由度の運動が可能であり、クレードル４は、回転軸であるＡ軸によってトラニオン５に対して回転１自由度の運動が可能であり、Ａ軸とＣ軸は互いに直交している。さらに、トラニオン５は、並進軸でありＸ・Ｚ軸に直交するＹ軸によりベッド１に対して並進１自由度の運動が可能である。したがって、主軸頭２は、テーブル３に対して並進３自由度および回転２自由度の運動が可能である。各送り軸は、図示しない数値制御装置により制御されるサーボモータにより駆動され、被加工物をテーブル３に固定し、主軸頭２に工具を装着して回転させ、被加工物と工具の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」と呼ぶ）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、また前記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には、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、指定した割出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示されている。

テーブル３上に積載した治具やワークの重力などの外力および並進軸や回転軸の動作によるクレードル４やトラニオン５などの重心移動によって発生する変形誤差も、この５軸機の運動精度に影響を及ぼす要因のひとつとして挙げられる。変形誤差を抑えるためには、機械を構成する各要素の厚みを増すなどの対策を施し静的剛性を高める方法があるが、材料のコストや機械自体の質量の増加による速度の低下などの問題が発生する。
このような問題に対して、特許文献２の三次元測定器では、事前に種々の質量のワークを積載した状態で幾何誤差を計測し、その計測結果からワークの質量毎の補正パラメータを求めて記憶し、測定すべきワークの質量に対応した補正パラメータを適宜読み出して測定すべきワークの測定座標を補正している。
また、特許文献３では、外力による変形誤差、熱変位、機械の位置決め誤差などの各種誤差を幾何誤差として扱うことで、より簡単な構成で各種誤差を補正する装置が提案されている。

特開２０１１−３８９０２号公報 特開２００５−２１４９４３号公報 特開２００９−１０４３１７号公報

前記変形誤差は、機台ごとの組み付け精度によってばらつく。また、機械を長期間使用していくと部品が摩耗し、変形の挙動が変化する。このため、特許文献２のように事前に計測した変形誤差をもとに変形誤差を推定した場合には、経年変化による誤差が生じる。
また、特許文献１に記載のシステムのように、機械の経年変化に対してタッチプローブなどの計測装置を用いて自動で幾何誤差を同定することもできるが、軸の位置に依存して変化する変形誤差を同定することはできない。また、大物のワークを積載した状態では機械と干渉するため計測を行えない場合がある。さらにワークの重心位置が回転軸Ｃ軸の中心から偏芯している場合には、Ｃ軸の位置によって重心位置が移動し変形の挙動が変化するため、幾何誤差を同定できない。
特許文献３では、外力による変形誤差をワークの質量や重心などに対する関数としているが、前記のように機台ばらつきや機械の使用状況によって変形の挙動は変化するため、ワークの質量や重心の関数だけでは変形誤差を精度よく推定することはできない。

そこで、本発明は、入力されたワークの質量及び重心位置をもとに変形誤差を推定すると共に、ワークを積載した状態でタッチプローブなどの計測装置を用いて変形誤差を同定することで、様々なワークに対して高精度な加工が実現可能となる数値制御装置及び数値制御方法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、工具を装着する主軸と、ワーク及び治具を保持するテーブルと、３つの並進軸と、少なくとも１つの回転軸とを備えた工作機械を制御する数値制御装置であって、
並進軸及び／又は回転軸が動作することで工作機械が変形して生じる軸依存変形誤差の推定値を、少なくとも軸依存変形誤差パラメータと、少なくとも１つの回転軸の指令値とに基づいた回転軸の６自由度の幾何誤差の関数を用いて演算する軸依存変形誤差推定手段と、
ワーク及び／又は治具の質量及び重心位置を入力するための入力手段と、
ワーク及び／又は治具の質量により発生する重力変形誤差の推定値を、少なくとも重力変形誤差パラメータと、入力手段で入力された質量及び重心位置と、指令値とに基づいて演算する重力変形推定手段と
軸依存変形誤差の推定値と、重力変形誤差の推定値と、指令値とに基づいて、ワークに対する工具の位置及び／又は姿勢の誤差に対する並進軸及び／又は回転軸の補正値を演算する補正値演算手段と、
補正値を指令値に加算する加算手段と、を備えることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、工具を装着する主軸と、ワーク及び治具を保持するテーブルと、３つの並進軸と、少なくとも１つの回転軸とを備えた工作機械を制御する数値制御装置であって、
主軸又はテーブルのいずれか一方に取り付けられたターゲットの位置を、他方に取り付けられた計測手段により計測し、計測されたターゲットの複数の位置の３次元座標値にもとづいて軸依存変形誤差パラメータを同定する誤差同定手段と、
並進軸及び／又は回転軸が動作することで工作機械が変形して生じる軸依存変形誤差の推定値を、少なくとも軸依存変形誤差パラメータと、並進軸及び／又は回転軸の指令値とに基づいて演算する軸依存変形誤差推定手段と、
ワーク及び／又は治具の質量及び重心位置を入力するための入力手段と、
ワーク及び／又は治具の質量により発生する重力変形誤差の推定値を、少なくとも重力変形誤差パラメータと、入力手段で入力された質量及び重心位置と、指令値とに基づいて演算する重力変形推定手段と
軸依存変形誤差の推定値と、重力変形誤差の推定値と、指令値とに基づいて、ワークに対する工具の位置及び／又は姿勢の誤差に対する並進軸及び／又は回転軸の補正値を演算する補正値演算手段と、
補正値を指令値に加算する加算手段と、を備え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、重力変形推定手段は、ワーク及び／又は治具の質量と、ワーク及び／又は治具の重心位置と、少なくとも１つの回転軸の指令値と、に依存する関数を用いて、重力変形誤差の推定値を演算することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項２の構成において、誤差同定手段は、回転軸のうちの少なくとも１つの軸を動作軸、その他の軸を固定軸とし、固定軸を２つ以上の固定位置に位置決めし、各固定位置において、動作軸を複数の位置に位置決めして、計測手段によりターゲットの位置を計測してターゲットの位置の座標値をそれぞれ取得し、各固定位置における複数の座標値にもとづいて軸依存変形誤差パラメータを同定することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４の構成において、誤差同定手段は、各固定位置における複数の座標値から、各固定位置における動作軸に関する６自由度誤差を同定し、同定した６自由度誤差から軸依存変形誤差パラメータを同定することを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項２の構成において、誤差同定手段は、重力変形誤差によって生じるワークに対する工具の位置誤差の推定値を、重力変形誤差がある場合に推定されるワークに対する工具の位置と、重力変形誤差がない理想的なワークに対する工具の位置との差から演算し、計測手段により計測したターゲットの座標値から位置誤差の推定値を差し引いた座標値を用いて軸依存変形誤差パラメータを同定することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項７に記載の発明は、工具を装着する主軸と、ワーク及び治具を保持するテーブルと、３つの並進軸と、少なくとも１つの回転軸とを備えた工作機械を制御する数値制御方法であって、
並進軸及び／又は回転軸が動作することで工作機械が変形して生じる軸依存変形誤差の推定値を、少なくとも軸依存変形誤差パラメータと、少なくとも１つの回転軸の指令値とに基づいた回転軸の６自由度の幾何誤差の関数を用いて演算する軸依存変形誤差推定ステップと、
ワーク及び／又は治具の質量及び重心位置を取得するワーク情報取得ステップと、
ワーク及び／又は治具の質量により発生する重力変形誤差の推定値を、少なくとも重力変形誤差パラメータと、ワーク情報取得ステップで取得された質量及び重心位置と、指令値とに基づいて演算する重力変形推定ステップと
軸依存変形誤差の推定値と、重力変形誤差の推定値と、指令値とに基づいて、ワークに対する工具の位置及び／又は姿勢の誤差に対する並進軸及び／又は回転軸の補正値を演算する補正値演算ステップと、
補正値を指令値に加算する加算ステップと、を実行することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項８に記載の発明は、工具を装着する主軸と、ワーク及び治具を保持するテーブルと、３つの並進軸と、少なくとも１つの回転軸とを備えた工作機械を制御する数値制御方法であって、
主軸又はテーブルのいずれか一方に取り付けられたターゲットの位置を、他方に取り付けられた計測手段により計測し、計測されたターゲットの複数の位置の３次元座標値にもとづいて軸依存変形誤差パラメータを同定する誤差同定ステップと、
並進軸及び／又は回転軸が動作することで工作機械が変形して生じる軸依存変形誤差の推定値を、少なくとも軸依存変形誤差パラメータと、並進軸及び／又は回転軸の指令値とに基づいて演算する軸依存変形誤差推定ステップと、
ワーク及び／又は治具の質量及び重心位置を取得するワーク情報取得ステップと、
ワーク及び／又は治具の質量により発生する重力変形誤差の推定値を、少なくとも重力変形誤差パラメータと、ワーク情報取得ステップで取得された質量及び重心位置と、指令値とに基づいて演算する重力変形推定ステップと
軸依存変形誤差の推定値と、重力変形誤差の推定値と、指令値とに基づいて、ワークに対する工具の位置及び／又は姿勢の誤差に対する並進軸及び／又は回転軸の補正値を演算する補正値演算ステップと、
補正値を指令値に加算する加算ステップと、を実行することを特徴とする。

本発明によれば、機台ごとのばらつきや機械の使用状況による変形挙動の変化があっても、計測装置で変形誤差を同定することができる。大物のワークを積載しており干渉して計測を行えない場合でも、計測可能な状態、例えば治具のみ積載した状態、などで変形誤差を同定した後に、その時点から上積みされた治具やワークの質量や重心位置の情報から変形誤差を推定することで、変形誤差をより正確に推定することができる。また、ワークの重心位置が回転軸の中心から偏芯している場合にも、回転軸の位置によって変化する変形誤差をワークの質量と重心位置をもとにして推定することができる。推定した変形誤差を基に補正することで、回転軸の位置による変形誤差の変化も補正される。さらに計測装置を用いることで推定し切れなかった変形誤差を同定することができる。
以上のようにして同定・推定した誤差を補正することで、様々なワークに対してより高精度な加工が実現可能となる。

５軸制御マシニングセンタの模式図である。 従来の数値制御装置のブロック線図である。 本発明の数値制御方法を行う数値制御装置のブロック線図である。 幾何誤差を同定するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す５軸制御マシニングセンタ（以下、「５軸機」という。）を例に本発明の実施形態の一例を説明する。今回ワークから工具への軸構成が、Ｃ軸−Ａ軸−Ｙ軸−Ｘ軸−Ｚ軸であるテーブル旋回型のマシニングセンタについての実施例を挙げるが、本発明は、３つの並進軸と少なくとも１つの回転軸とを備えた工作機械であれば、マシニングセンタに限定したり、５軸機に限定したりするものではない。

次に、幾何誤差について説明する。
幾何誤差を、各軸間の相対並進誤差３方向および相対回転誤差３方向の合計６成分（δx、δy、δz、α、β、γ）であると定義する。本例の５軸機において、テーブル３に固定されるワーク（被加工物）から主軸頭２の主軸に装着される工具までの軸のつながりは、Ｃ軸、Ａ軸、Ｙ軸、Ｘ軸、Ｚ軸の順番であり、Ｚ軸と工具間、ワークとＣ軸間も考慮すると合計３６個の幾何誤差が存在する。ただし、３６個の幾何誤差の中には冗長の関係にあるものが複数存在するため、それらを除外した最終的な幾何誤差は、各幾何誤差の工具側からの順番を添え字として表すと、δx5、δy5、α5、β5、δy4、δz4、β4、γ4、γ3、α2、β2、α1、β1の合計１３個となる。これらの幾何誤差の意味は、それぞれ、Ｃ軸中心位置Ｘ方向誤差、Ｃ−Ａ軸間オフセット誤差、Ａ軸角度オフセット誤差、Ｃ−Ａ軸間直角度、Ａ軸中心位置Ｙ方向誤差、Ａ軸中心位置Ｚ方向誤差、Ａ−Ｘ軸間直角度、Ａ−Ｙ軸間直角度、Ｘ−Ｙ軸間直角度、Ｙ−Ｚ軸間直角度、Ｚ−Ｘ軸間直角度、主軸−Ｙ軸間直角度、主軸−Ｘ軸間直角度である。

図２は、従来の数値制御装置の一例である。
加工プログラム１１が入力されると、指令値生成手段１２において各駆動軸の指令値が生成される。
次に、生成された指令値をもとに補正値演算手段１６により各軸の補正値が演算され、指令値と補正値の合計値がサーボ指令値変換手段１３に送られてサーボ指令値が演算され、各軸のサーボ指令値が各軸のサーボアンプ１４ａ〜１４ｅに送られる。各軸のサーボアンプ１４ａ〜１４ｅはそれぞれサーボモータ１５ａ〜１５ｅを駆動し、テーブル３に対する主軸頭２の相対位置および姿勢を制御する。

ここで、幾何誤差に対する補正値の演算方法について説明する。主軸頭２にある主軸座標系上の工具先端点ベクトルＰ_Ｔを、テーブル３にあるワーク座標系に変換するには、使用する工具の長さをｔとし、Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｃ軸の指令位置をそれぞれx、y、z、a、c、とすると、以下の数１を用いて同次座標変換を行うことで求めることができる。すなわち、幾何誤差がない場合のワーク座標系での工具先端点ベクトルＰ_Ｉを求める。

一方、以下の数２のように各幾何誤差を変換マトリックスとして数１の各軸の変換マトリックス間に配置することで、幾何誤差がある場合のワーク座標系での工具先端点ベクトルＰ_Ｒを求める。なお、数２は幾何誤差が微小であるとしてそれらの積を０とみなした近似式である。

従って、ワーク座標系での工具先端点の位置誤差ΔＰ_Ｗ＝（δx, δy, δz）は、以下の数３となる。

さらに、ワーク座標系での工具先端点の位置誤差ΔＰ_Ｗを、以下の数４のように座標変換することで指令値における誤差ΔＰ_Ｏを求めることができる。

したがって、各軸の指令値と、上述の式の幾何誤差をあらかじめ計測・同定したパラメータ（幾何パラメータ）とした以下の数５により、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の補正値ΔＰ＝(Δx, Δy, Δz)が得られる。

また姿勢誤差を補正する場合、以下の数６のようにして回転軸Ａ軸、Ｃ軸の補正値Δa、Δcが求められ、そのときのＸ、Ｙ、Ｚ軸の補正値ΔＰ＝ (Δx, Δy, Δz)は、以下の数７のように求めることができる。

こうして各並進軸の補正値を対応する並進軸の指令値にそれぞれ加算して指令することで、幾何誤差による工具先端点の位置誤差と姿勢誤差を補正することができる。

一方、外力による変形誤差がある場合、その誤差を曲線もしくは線分群とした関数ｆ_Ｇとする。変形誤差の関数ｆ_Ｇは、後述する推定値ｆ_{Ｇ_sim}や同定値ｆ_{Ｇ_idt}を合計して、以下の数８のように求めることができ、離散値であれば点間を直線や曲線で補間する。

この変形誤差は一部の幾何誤差として扱うことができ、例えばワークの積載によりテーブル３が変形した場合、その変形誤差をＣ軸とＡ軸間の幾何誤差として扱うことができ、変形誤差がある場合のワーク座標系での工具先端点ベクトル^ＷＰ_Ｄは、以下の数９から求めることができる。

次に、本発明の数値制御方法を行うための数値制御装置の一例を図３に示す。指令値生成手段１２とサーボ指令値変換手段１３は図２と同じであり、加工プログラム１１、サーボアンプ１４ａ〜１４ｅ、サーボモータ１５ａ〜１５ｅは図の簡略化のために省略している。
この数値制御装置では、指令値生成手段１２より算出された指令値を基に、重力変形推定手段１８および軸依存変形誤差推定手段２０にて変形誤差の推定値がそれぞれ演算される（重力変形推定ステップ及び軸依存変形誤差推定ステップ）。重力変形推定手段１８および軸依存変形誤差推定手段２０で算出した各変形誤差の推定値を合算して補正値演算手段１６に入力することで変形誤差に対する補正値が求められる（補正値演算ステップ）。算出した補正値が加算手段としての加算器２１にて指令値に加算され、サーボ指令値変換手段１３に入力される（加算ステップ）。

重力変形推定手段１８にワークの質量と重心位置を入力し、入力されたワークの質量と重心位置を基に変形誤差（以降、「重力変形誤差」という。）の推定値を演算する一連の流れについて説明する。
まず、数値制御装置に設けられた入力手段１７により、ワークの質量ｍ_Ｗ・重心位置ｖ_Ｗを重力変形推定手段１８に入力する（ワーク情報取得ステップ）。入力手段１７としては手動入力もしくは自動で同定したワークの質量・重心位置を入力する方法が挙げられる。
重力変形推定手段１８において、入力された質量・重心位置と指令値生成手段１２にて生成された指令値をもとに、関数ｆ_{Ｇ_sim}(a,c,ｍw,ｖw)に従って重力変形誤差が計算される。変形誤差の関数ｆ_{Ｇ_sim}(a,c,ｍw,ｖw)は、Ａ軸とＣ軸の指令値と質量ｍ_Ｗと重心位置ｖ_Ｗとを重力変形誤差パラメータとする関数であり、事前に実測値や解析値などで求めておく。

次に誤差同定手段１９にて同定した幾何誤差をもとに軸依存変形誤差推定手段２０にて変形誤差の関数ｆ_{Ｇ_idt}（以降、「軸依存変形誤差関数」という。)を同定し、変形誤差（以降、「軸依存変形誤差」という。)の推定値を演算する一連の流れについて説明する。
図４は、誤差同定手段１９にて計測装置を用いた測定を行い、幾何誤差を同定する一連のフローである。
まず、幾何誤差の計測を行う前に、主軸に装着した計測手段としてのタッチプローブにより、テーブルに設置したターゲット球の初期・基準位置を特定する（Ｓ１−１）。
次に、幾何誤差の同定を行うための割出し計測を、計測条件で設定されている回数実行する（Ｓ１−２）。
次に、入力手段１７等によって予め設定される旋回軸（Ａ軸）・回転軸（Ｃ軸）の割出し条件に従って（Ｓ１−３）、傾斜軸であるＡ軸及び回転軸であるＣ軸の割出し動作を実行する（Ｓ１−４）。
そして、各割出し条件でターゲット球の座標を計測する処理（Ｓ１−５）を繰り返し（Ｓ１−６）、その結果から幾何誤差を同定する（Ｓ１−７）。

次に、ステップＳ１−７の詳細について説明する。
１つの計測条件において、回転軸の一方を固定し、もう一方を複数の角度に割り出して、ターゲット球中心位置を計測することを考える。この計測条件での指令値に対する球中心位置の計測値の差分ベクトルは、割出軸の半径方向、軸方向、接線方向成分に分配できる。これら各成分は、０次成分(半径誤差)、１次成分(中心偏差)、２次成分(楕円形状)のフーリエ級数、すなわち誤差を持つ円弧として、最小二乗法などにより近似できる。
計測条件ｉにおけるｊ番目の回転軸のｋ番目の割出角θ_ｉｊｋにおける計測値の半径方向成分dRr_ｉ、軸方向成分dRa_i、接線方向成分dRt_iは、以下の数１０として表すことができる。

変形誤差をＣ軸とＡ軸間の幾何誤差として扱い、Ａ軸角度がａのときの軸依存変形誤差をｆ_{Ｇ_idt}(a)とする。固定軸をＡ軸、割出軸をＣ軸、計測条件ｉのＡ軸角度をａ_ｉとすると、計測条件ｉにおけるＣ軸とＡ軸間の幾何誤差、すなわちＡ軸角度がａ_ｉのときの軸依存変形誤差ｆ_{Ｇ_idt}(a_ｉ)は、以下の数１１のようにして同定される。ここでＨはテーブル座標系（幾何誤差がない理想な状態でＡ・Ｃ軸の交点を原点とし、そのＸ軸は機械のＸ軸に平行であるテーブル上の座標系）でのターゲット球中心のＺ方向座標である。

複数の計測条件において数１１のようにＡ軸の指令値を変数とした６自由度の幾何誤差の関数を用いて６自由度の幾何誤差を同定することで、複数の計測条件の各Ａ軸角度ａ_ｉに対する軸依存変形誤差ｆ_{Ｇ_idt}(a_ｉ)が得られる。得られた各Ａ軸角度ａ_ｉに対する軸依存変形誤差ｆ_{Ｇ_idt}(a_ｉ)を直線や曲線で補間したり、離散値を三角関数などで近似したりすることで、軸依存変形誤差関数ｆ_{Ｇ_idt}(a)が求められる。
三角関数で近似する例について説明する。軸依存変形誤差関数のＸ方向成分ｆ_{Ｇ_idt}x(a)が１次の三角関数で表現できるとした場合、軸依存変形誤差関数のＸ方向成分ｆ_{Ｇ_idt}x(a)は軸依存変形誤差パラメータのＸ方向成分δx_ａ、δx_ｂを用いて以下の数１２のように表すことができる。

複数のＡ軸角度ａ_ｉに対してＸ方向軸依存変形誤差ｆ_{Ｇ_idt}x(a_ｉ)を同定することで、数１２をＸ方向軸依存変形誤差パラメータδx_ａ、δx_ｂについて最小二乗法などを用いて解くことができる。Ｘ方向成分以外の５成分についても同様に計算することで、６自由度の軸依存変形誤差パラメータが同定される。
こうして誤差同定手段１９で同定した軸依存変形誤差パラメータ、および指令値をもとに、軸依存変形誤差推定手段２０で軸依存変形誤差の推定値が演算される。この推定値と、重力変形推定手段１８で演算された重力変形誤差の推定値とが合算されて補正値演算手段１６に入力され、指令値に加算される補正値が求められることになる。

このように、上記５軸機の数値制御装置及び数値制御方法によれば、並進軸及び／又は回転軸が動作することで５軸機が変形して生じる軸依存変形誤差の推定値を、軸依存変形誤差推定手段２０により、軸依存変形誤差パラメータと、並進軸及び／又は回転軸の指令値とに基づいて演算し、入力手段１７により、ワークの質量及び重心位置を入力し、重力変形推定手段１８により、ワークの質量により発生する重力変形誤差の推定値を、重力変形誤差パラメータと、入力手段１７で入力された質量及び重心位置と、当該指令値とに基づいて演算し、補正値演算手段１６により、軸依存変形誤差の推定値と、重力変形誤差の推定値と、当該指令値とに基づいて、ワークに対する工具の位置及び／又は姿勢の誤差に対する並進軸及び／又は回転軸の補正値を演算し、加算器２１により、補正値を指令値に加算している。

これにより、機台ごとのばらつきや機械の使用状況による変形挙動の変化があっても、計測装置で変形誤差を同定することができる。大物のワークを積載しており干渉して計測を行えない場合でも、計測可能な状態、例えば治具のみ積載した状態、などで変形誤差を同定した後に、その時点から上積みされた治具やワークの質量や重心位置の情報から変形誤差を推定することで、変形誤差をより正確に推定することができる。また、ワークの重心位置が回転軸Ｃ軸の中心から偏芯している場合にも、Ｃ軸の位置によって変化する変形誤差をワークの質量と重心位置をもとにして推定することができる。推定した変形誤差を基に補正することで、Ｃ軸の位置による変形誤差の変化も補正される。さらに計測装置を用いることで推定し切れなかった変形誤差を同定することができる。
以上のようにして同定・推定した誤差を補正することで、様々なワークに対してより高精度な加工を実現することができる。

なお、別の実施例として、テーブルに治具やワークを積載した状態で重力変形誤差ｆ_{Ｇ_sim}をのぞいて軸依存変形誤差を同定することで、テーブルに治具やワークが積載されていない場合の軸依存変形誤差を同定する例について説明する。
重力変形誤差ｆ_{Ｇ_sim}によって生じるＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の工具先端点の位置誤差は、以下の数１３で求められる。

よって、誤差同定手段１９では、球中心位置の計測値から数１３で求められるＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の工具先端点の位置誤差を差し引いた後に、数１０、数１１、数１２に従って計算することで、重力変形誤差ｆ_{Ｇ_sim}を除いた軸依存変形誤差パラメータを同定することができる。

重力変形推定手段１８で演算した重力変形誤差と軸依存変形誤差推定手段２０で演算した軸依存変形誤差を数８のように合計し、補正値演算手段１６に入力することで、工具先端点の位置誤差と姿勢誤差の補正値が計算される。計算された補正値が指令値に加算されることで工具先端点の位置誤差と姿勢誤差が補正される。

なお、上記形態及び別の実施例では、ワークの質量及び重心位置が入力されているが、ワークと治具とを含めた質量及び重心位置であってもよいし、治具のみの質量及び重心位置であってもよい。

１・・ベッド、２・・主軸頭、３・・テーブル、４・・クレードル、５・・トラニオン、１１・・加工プログラム、１２・・指令値生成手段、１３・・サーボ指令値変換手段、１４ａ〜１４ｅ・・サーボアンプ、１５ａ〜１５ｅ・・サーボモータ、１６・・補正値演算手段、１７・・入力手段、１８・・重力変形推定手段、１９・・誤差同定手段、２０・・軸依存変形誤差推定手段、２１・・加算器。

Claims (8)

1. 工具を装着する主軸と、ワーク及び治具を保持するテーブルと、３つの並進軸と、少なくとも１つの回転軸とを備えた工作機械を制御する数値制御装置であって、
   前記並進軸及び／又は前記回転軸が動作することで前記工作機械が変形して生じる軸依存変形誤差の推定値を、少なくとも軸依存変形誤差パラメータと、少なくとも１つの前記回転軸の指令値とに基づいた前記回転軸の６自由度の幾何誤差の関数を用いて演算する軸依存変形誤差推定手段と、
   前記ワーク及び／又は治具の質量及び重心位置を入力するための入力手段と、
   前記ワーク及び／又は治具の質量により発生する重力変形誤差の推定値を、少なくとも重力変形誤差パラメータと、前記入力手段で入力された前記質量及び重心位置と、前記指令値とに基づいて演算する重力変形推定手段と
   前記軸依存変形誤差の推定値と、前記重力変形誤差の推定値と、前記指令値とに基づいて、前記ワークに対する前記工具の位置及び／又は姿勢の誤差に対する前記並進軸及び／又は前記回転軸の補正値を演算する補正値演算手段と、
   前記補正値を前記指令値に加算する加算手段と、
   を備えることを特徴とする工作機械の数値制御装置。
2. 工具を装着する主軸と、ワーク及び治具を保持するテーブルと、３つの並進軸と、少なくとも１つの回転軸とを備えた工作機械を制御する数値制御装置であって、
   前記主軸又は前記テーブルのいずれか一方に取り付けられたターゲットの位置を、他方に取り付けられた計測手段により計測し、計測された前記ターゲットの複数の位置の３次元座標値にもとづいて軸依存変形誤差パラメータを同定する誤差同定手段と、
   前記並進軸及び／又は前記回転軸が動作することで前記工作機械が変形して生じる軸依存変形誤差の推定値を、少なくとも前記軸依存変形誤差パラメータと、前記並進軸及び／又は前記回転軸の指令値とに基づいて演算する軸依存変形誤差推定手段と、
   前記ワーク及び／又は治具の質量及び重心位置を入力するための入力手段と、
   前記ワーク及び／又は治具の質量により発生する重力変形誤差の推定値を、少なくとも重力変形誤差パラメータと、前記入力手段で入力された前記質量及び重心位置と、前記指令値とに基づいて演算する重力変形推定手段と
   前記軸依存変形誤差の推定値と、前記重力変形誤差の推定値と、前記指令値とに基づいて、前記ワークに対する前記工具の位置及び／又は姿勢の誤差に対する前記並進軸及び／又は前記回転軸の補正値を演算する補正値演算手段と、
   前記補正値を前記指令値に加算する加算手段と、
   を備えることを特徴とする工作機械の数値制御装置。
3. 前記重力変形推定手段は、前記ワーク及び／又は治具の質量と、前記ワーク及び／又は治具の重心位置と、少なくとも１つの前記回転軸の指令値と、に依存する関数を用いて、前記重力変形誤差の推定値を演算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数値制御装置。
4. 前記誤差同定手段は、前記回転軸のうちの少なくとも１つの軸を動作軸、その他の軸を固定軸とし、前記固定軸を２つ以上の固定位置に位置決めし、各前記固定位置において、前記動作軸を複数の位置に位置決めして、前記計測手段により前記ターゲットの位置を計測して前記ターゲットの位置の座標値をそれぞれ取得し、各前記固定位置における複数の前記座標値にもとづいて前記軸依存変形誤差パラメータを同定することを特徴とする請求項２に記載の工作機械の数値制御装置。
5. 前記誤差同定手段は、各前記固定位置における複数の前記座標値から、各前記固定位置における前記動作軸に関する６自由度誤差を同定し、同定した前記６自由度誤差から前記軸依存変形誤差パラメータを同定することを特徴とする請求項４に記載の工作機械の数値制御装置。
6. 前記誤差同定手段は、前記重力変形誤差によって生じる前記ワークに対する前記工具の位置誤差の推定値を、前記重力変形誤差がある場合に推定される前記ワークに対する前記工具の位置と、前記重力変形誤差がない理想的な前記ワークに対する前記工具の位置との差から演算し、
   前記計測手段により計測した前記ターゲットの座標値から前記位置誤差の推定値を差し引いた座標値を用いて前記軸依存変形誤差パラメータを同定することを特徴とする請求項２に記載の工作機械の数値制御装置。
7. 工具を装着する主軸と、ワーク及び治具を保持するテーブルと、３つの並進軸と、少なくとも１つの回転軸とを備えた工作機械を制御する数値制御方法であって、
   前記並進軸及び／又は前記回転軸が動作することで前記工作機械が変形して生じる軸依存変形誤差の推定値を、少なくとも軸依存変形誤差パラメータと、少なくとも１つの前記回転軸の指令値とに基づいた前記回転軸の６自由度の幾何誤差の関数を用いて演算する軸依存変形誤差推定ステップと、
   前記ワーク及び／又は治具の質量及び重心位置を取得するワーク情報取得ステップと、
   前記ワーク及び／又は治具の質量により発生する重力変形誤差の推定値を、少なくとも重力変形誤差パラメータと、前記ワーク情報取得ステップで取得された前記質量及び重心位置と、前記指令値とに基づいて演算する重力変形推定ステップと
   前記軸依存変形誤差の推定値と、前記重力変形誤差の推定値と、前記指令値とに基づいて、前記ワークに対する前記工具の位置及び／又は姿勢の誤差に対する前記並進軸及び／又は前記回転軸の補正値を演算する補正値演算ステップと、
   前記補正値を前記指令値に加算する加算ステップと、
   を実行することを特徴とする工作機械の数値制御方法。
8. 工具を装着する主軸と、ワーク及び治具を保持するテーブルと、３つの並進軸と、少なくとも１つの回転軸とを備えた工作機械を制御する数値制御方法であって、
   前記主軸又は前記テーブルのいずれか一方に取り付けられたターゲットの位置を、他方に取り付けられた計測手段により計測し、計測された前記ターゲットの複数の位置の３次元座標値にもとづいて軸依存変形誤差パラメータを同定する誤差同定ステップと、
   前記並進軸及び／又は前記回転軸が動作することで前記工作機械が変形して生じる軸依存変形誤差の推定値を、少なくとも前記軸依存変形誤差パラメータと、前記並進軸及び／又は前記回転軸の指令値とに基づいて演算する軸依存変形誤差推定ステップと、
   前記ワーク及び／又は治具の質量及び重心位置を取得するワーク情報取得ステップと、
   前記ワーク及び／又は治具の質量により発生する重力変形誤差の推定値を、少なくとも重力変形誤差パラメータと、前記ワーク情報取得ステップで取得された前記質量及び重心位置と、前記指令値とに基づいて演算する重力変形推定ステップと
   前記軸依存変形誤差の推定値と、前記重力変形誤差の推定値と、前記指令値とに基づいて、前記ワークに対する前記工具の位置及び／又は姿勢の誤差に対する前記並進軸及び／又は前記回転軸の補正値を演算する補正値演算ステップと、
   前記補正値を前記指令値に加算する加算ステップと、
   を実行することを特徴とする工作機械の数値制御方法。

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