JP7300374B2

JP7300374B2 - 工作機械の誤差計測方法及び工作機械

Info

Publication number: JP7300374B2
Application number: JP2019212622A
Authority: JP
Inventors: 拓也小島; 哲也松下
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2039-11-25
Also published as: DE102020214750A1; CN112828682A; CN112828682B; US20210154791A1; US11338407B2; JP2021084142A

Description

本発明は、工作機械の誤差を計測する方法及び当該方法を実行可能な工作機械に関する。

図１は、３つの並進軸を有する数値制御工作機械（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軸によって並進２自由度の運動が可能であり、テーブル３は、並進軸でありＸ・Ｚ軸に直交するＹ軸により並進１自由度の運動が可能である。したがって、テーブル３に対して主軸頭２は並進３自由度を有する。各軸は、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の主軸２ａに工具を装着して回転させ、被加工物を任意の形状に加工する。
工作機械の運動精度として、位置決め精度や真直度といったものがある。これらの運動精度は被加工物の形状に転写され、被加工物の形状・寸法誤差の要因となる。これに対して、位置決め精度や真直度をパラメータとして補正制御を行うことで、高精度な加工を実現できる。
例えば特許文献１では、タッチプローブでマスタワーク上のターゲットの位置を計測し、計測結果と校正値との偏差をもとに、直線補間送りの誤差に対する補正パラメータを計算し、計算した補正パラメータをもとに補正制御を行う方法を提供している。
しかし、この方法では、マスタワークの平面を測定ターゲットとしており、球や穴の直径といった所定の長さを持たないため、ターゲットの所定部位の長さを計測して、それらの校正値との誤差のばらつきをもとにして計測ミスを判断することができない。
これに対して本件出願人は、特許文献２において、マスタワーク上のターゲットの形状を球とし、球の所定部位の長さを計測して、校正値との誤差のばらつきを算出し、そのばらつきが所定値を超えた場合に計測ミスと判断する発明を提供している。

特開平６－１３８９２１号公報特開２０１２－３０３３８号公報

しかし、タッチプローブでマスタワーク上のターゲットの位置を計測する際、マスタワークに付着した異物などの影響で計測結果に外乱が入ることがあり、正確な計測結果が得られないことがある。このような計測結果をもとに算出した補正パラメータにより補正制御を行うと、却って加工精度を悪化させてしまう事態も起こりうる。

そこで、本発明は、ターゲットの形状にかかわらず、計測結果から外乱を自動的に検知して正確な計測結果が得られる工作機械の誤差計測方法及び工作機械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、被加工物を保持可能なテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記並進軸により、被加工物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械において、誤差を計測する方法であって、
複数のターゲットを有するマスタワークを前記テーブルに設置し、前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて各前記ターゲットの位置を検出することで、各前記ターゲットの位置に関する計測値をそれぞれ取得し、取得した各前記計測値と、予め取得した各前記ターゲットの位置に関する校正値とを用いて各前記ターゲットの位置に関する誤差値をそれぞれ取得する誤差値取得ステップと、
各前記ターゲットごとに、測定の外乱の度合いを示す少なくとも１つの外乱指標値を、複数の前記誤差値と窓関数とをもとに算出する外乱指標値算出ステップと、
前記外乱指標値があらかじめ設定したしきい値を超えるかどうか判定するしきい値判定ステップと、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２に記載の発明は、２軸以上の並進軸と、１軸以上の回転軸もしくは前記並進軸とは別の並進軸と、被加工物を保持可能なテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記２軸以上の並進軸により、被加工物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械において、誤差を計測する方法であって、
１つのターゲットを前記テーブルに設置し、前記２軸以上の並進軸と、前記回転軸もしくは前記別の並進軸と、を複数条件に位置決めし、前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて前記ターゲットの位置を検出することで、前記ターゲットの位置に関する計測値を各位置決め条件ごとにそれぞれ取得し、取得した各前記計測値をもとに前記ターゲットの位置に関する誤差値をそれぞれ取得する誤差値取得ステップと、
各前記位置決め条件ごとに、測定の外乱の度合いを示す少なくとも１つの外乱指標値を、複数の前記誤差値と窓関数とをもとに算出する外乱指標値算出ステップと、
前記外乱指標値があらかじめ設定したしきい値を超えるかどうか判定するしきい値判定ステップと、を実行することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、上記構成において、前記外乱指標値のうちの少なくとも１つは、１つの前記誤差値と、複数の前記誤差値を前記窓関数により平滑化して得られる値との差分をもとに算出することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、上記構成において、前記しきい値判定ステップにおいて、少なくとも１つの前記外乱指標値がしきい値を超えた場合に、前記誤差値を取得済みの前記ターゲットもしくは前記位置決め条件に対して前記誤差値取得ステップを再実行することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、上記構成において、前記ターゲットもしくは前記位置決め条件に対する前記誤差値取得ステップの実行回数が所定の回数を超えている場合、前記誤差値取得ステップの再実行を行わないことを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、上記構成において、前記しきい値判定ステップにおいて、少なくとも１つの前記外乱指標値がしきい値を超えた場合に、その事態を報知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、２軸以上の並進軸と、被加工物を保持可能なテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記並進軸により、被加工物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械であって、
複数のターゲットを有するマスタワークを前記テーブルに設置した状態で、前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて各前記ターゲットの位置を検出することで、各前記ターゲットの位置に関する計測値をそれぞれ取得し、取得した各前記計測値と、予め取得した各前記ターゲットの位置に関する校正値とを用いて各前記ターゲットの位置に関する誤差値をそれぞれ取得する誤差値取得手段と、
各前記ターゲットごとに、測定の外乱の度合いを示す少なくとも１つの外乱指標値を、複数の前記誤差値と窓関数とをもとに算出する外乱指標値算出手段と、
前記外乱指標値があらかじめ設定したしきい値を超えるかどうか判定するしきい値判定手段と、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８に記載の発明は、２軸以上の並進軸と、１軸以上の回転軸もしくは前記並進軸とは別の並進軸と、被加工物を保持可能なテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記２軸以上の並進軸により、被加工物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械であって、
１つのターゲットを前記テーブルに設置した状態で、前記２軸以上の並進軸と、前記回転軸もしくは前記別の並進軸と、を複数条件に位置決めし、前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて前記ターゲットの位置を検出することで、前記ターゲットの位置に関する計測値を各位置決め条件ごとにそれぞれ取得し、取得した各前記計測値をもとに前記ターゲットの位置に関する誤差値をそれぞれ取得する誤差値取得手段と、
各前記位置決め条件ごとに、測定の外乱の度合いを示す少なくとも１つの外乱指標値を、複数の前記誤差値と窓関数とをもとに算出する外乱指標値算出手段と、
前記外乱指標値があらかじめ設定したしきい値を超えるかどうか判定するしきい値判定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、マスタワークのターゲットの形状に関わらず、外乱の大きな計測結果を自動的に検知して、再計測を実行したり、計測を中断したりすることができる。よって、正確な計測結果が得られて加工精度の悪化も防止できる。

数値制御工作機械の模式図である。プローブとテーブル上に設置されたマスタワークの模式図である。マスタワークの模式図である。本発明の誤差計測方法の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。
適用する機械としては、図１の数値制御工作機械を例に説明する。但し、本発明に関わる機械としては、複合加工機や旋盤、研削盤などの他の工作機械でもよい。
本発明では、図２に示すようにタッチプローブ１１を主軸頭２の主軸２ａに装着させ、測定対象となるマスタワーク１２をテーブル３に固定し、マスタワーク１２のターゲットの位置をタッチプローブ１１で測定する。図２は、マスタワーク１２の平面上のターゲットを測定してＸ軸のＺ方向成分真直度を計測する例であるが、その他の軸、その他の成分の真直度や位置決め精度を計測する場合に対しても、本発明を実施することができる。ここでは工作機械に設けられる数値制御装置が、本発明の誤差値取得手段、外乱指標値算出手段、しきい値判定手段として機能する。

マスタワーク１２には、図３に示すように複数のターゲットＰ（Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３・・Ｐ_ｎ－２，Ｐ_ｎ－１，Ｐ_ｎ）が存在している。
ターゲットＰ_１～Ｐ_ｎの相対的な位置は、事前に高精度な測定器などで測定され、その測定結果が校正値として記録されている。なお、図３ではターゲットＰが平面上の点である例を示しているが、相対的な位置が記録されたものであれば球が付いたものや穴が開いたものでもよい。

続いて、本発明の誤差計測方法について、図４のフローチャートにもとづいて説明する。
まず、ターゲット番号ｉのときに、ターゲットＰ_ｉの位置をタッチプローブ１１で計測する。計測して得られた計測値Ｚm_ｉと事前に記録した校正値Ｚc_ｉとの差分をとり、誤差値ΔＺ_ｉ＝Ｚm_ｉ－Ｚc_ｉを取得する（Ｓ１：誤差値取得ステップ）。
得られた誤差値ΔＺ_ｉに対して外乱指標値を算出する（Ｓ２：外乱指標値算出ステップ）。ｉ－ｋ番目のターゲットＰの外乱指標値の計算には、ｉ－２ｋからｉ番目のターゲットＰの誤差値を用いる。このためｉ番目のターゲットＰの誤差値の取得後にｉ－ｋ番目のターゲットＰの外乱指標値を計算する。
誤差値ΔＺ_ｉはその周辺の誤差値と比較して急激に変化することはない。一方、誤差値ΔＺ_ｉに外乱が含まれている場合、外乱によって誤差値ΔＺ_ｉが急激に変化する。このため、窓関数を用いることで誤差値の変化成分ｄ_ｉ－ｋを算出し、誤差値の変化成分ｄ_ｉ－ｋをもとに外乱指標値Ｄ_ｉ－ｋを算出する。

誤差値の変化成分ｄ_ｉ－ｋは、ΔＺ_ｉ－２ｋ～ΔＺ_ｉに窓関数ｗ_ｉ－２ｋ～ｗ_ｉを乗じて総和をとることで下記の数１のように算出する。

窓関数ｗ_ｉの一例について説明する。ここではｋ＝２の場合について説明する。対象となるｉ－４からｉ番目のターゲットＰの誤差値ΔＺ_ｉ－４～ΔＺ_ｉを平滑化して、ｉ－２番目のターゲットＰの平滑化誤差ΔＺ_Ｓｉ－２を求める。例えば、平滑化フィルタとしてSavitzky－Golayフィルタを用いると、平滑化後の誤差値ΔＺ_Ｓｉ－２は、下記の数２のように表すことができる。

誤差値の変化成分ｄ_ｉ－２は、誤差値ΔＺ_ｉ－２から平滑化後の誤差値ΔＺ_Ｓｉ－２を差し引くことで、下記の数３のように算出する。

続けて、外乱指標値Ｄ_ｉ－ｋの計算方法について説明する。外乱指標値Ｄ_ｉ－ｋは、誤差値の変化成分ｄ_ｉ－ｋの絶対値をとることで算出する。または、下記の数４に示すようにｋ＋１～ｉ－ｋ番目までのターゲットＰの誤差値の変化成分ｄ_ｋ＋１～ｄ_ｉ－ｋの最大値と最小値との差分をとることで算出してもよい。

次に、Ｓ３で、計算した外乱指標値Ｄ_ｉ－ｋがしきい値Ｄ_ｔｈ以内かどうか判定する（しきい値判定ステップ）。この判定でしきい値以内（Ｄ_ｉ－ｋ≦Ｄ_ｔｈ）であれば、Ｓ４でターゲット番号ｉをカウントアップし、次のターゲットＰの計測に移行する。一方、外乱指標値Ｄ_ｉ－ｋがしきい値より大きい（Ｄ_ｉ－ｋ＞Ｄ_ｔｈ）場合は、Ｓ５で同一ターゲットのリトライ計測回数Ｎ_ｉ－ｋの判定を行う。
ここでリトライ計測回数Ｎ_ｉ－ｋがリトライ用のしきい値Ｎ_ｔｈ以内の場合は、Ｓ６でターゲット番号ｉをｉ－ｋに再設定してＳ７でリトライ計測回数Ｎ_ｉ－ｋをカウントアップし、Ｓ１へ戻ってターゲットＰ_ｉ－ｋの誤差値を再度取得する。一方、Ｓ５でリトライ計測回数がリトライ用のしきい値を超えた場合は、リトライせずにＳ４でターゲット番号ｉをカウントアップして次のターゲットＰの計測に移行する。このとき、次のターゲットＰの計測に移行せず、測定を中断してその旨を報知してもよい。
最後にＳ８にてすべてのターゲットＰの測定が完了しているか判定し、完了していれば測定を終了する。

測定終了後は、外乱指標値がしきい値以内のターゲットＰの誤差値のみを用いて補正パラメータを計算し、計算した補正パラメータをもとに数値制御装置が各制御パラメータの補正を行う。

このように、上記形態の誤差計測方法及び数値制御工作機械によれば、複数のターゲットＰを有するマスタワーク１２をテーブル３に設置し、主軸頭２に取り付けたタッチプローブ１１（センサ）を用いて各ターゲットＰの位置を検出することで、各ターゲットＰの位置に関する計測値をそれぞれ取得し、取得した各計測値と、予め取得した各ターゲットＰの位置に関する校正値とを用いて各ターゲットＰの位置に関する誤差値をそれぞれ取得する誤差値取得ステップと、各ターゲットＰごとに、測定の外乱の度合いを示す少なくとも１つの外乱指標値を算出する外乱指標値算出ステップと、外乱指標値があらかじめ設定したしきい値を超えるかどうか判定するしきい値判定ステップと、を実行する。
この構成により、マスタワーク１２のターゲットＰの形状に関わらず、外乱の大きな計測結果を自動的に検知して、再計測を実行したり、計測を中断したりすることができる。よって、正確な計測結果が得られて加工精度の悪化も防止できる。

なお、上記形態では、Ｓ３の判別で外乱指標値がしきい値を越えている場合、リトライ用のしきい値以内のリトライ計測回数でリトライ（誤差値の再取得及び外乱指標値算出）を行うようにしているが、外乱指標値がしきい値を超えている場合はリトライを行わずに誤差値の再取得を中断し、その旨を報知するようにしてもよい。

また、上記形態では、複数のターゲットの位置を計測してそれぞれ校正値に対する誤差値を取得し、外乱指標値の算出を行っているが、２軸以上の並進軸に加え、１以上の回転軸若しくは他の冗長な並進軸を有する工作機械においても本発明は適用できる。この場合、テーブルに１つのターゲットを設置し、回転軸や並進軸を複数条件に位置決めして、各位置決め条件ごとにターゲットの位置を計測し、上記形態と同様に各位置決め条件ごとに複数の誤差値を取得すればよい。
この場合も、各位置決め条件ごとに外乱指標値を算出し、その外乱指標値をしきい値と比較することで、正確な計測結果を得ることができる。

１・・ベッド、２・・主軸頭、２ａ・・主軸、３・・テーブル、１１・・タッチプローブ、１２・・マスタワーク、Ｐ・・ターゲット。

Claims

２軸以上の並進軸と、被加工物を保持可能なテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記並進軸により、被加工物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械において、誤差を計測する方法であって、
複数のターゲットを有するマスタワークを前記テーブルに設置し、前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて各前記ターゲットの位置を検出することで、各前記ターゲットの位置に関する計測値をそれぞれ取得し、取得した各前記計測値と、予め取得した各前記ターゲットの位置に関する校正値とを用いて各前記ターゲットの位置に関する誤差値をそれぞれ取得する誤差値取得ステップと、
各前記ターゲットごとに、測定の外乱の度合いを示す少なくとも１つの外乱指標値を、複数の前記誤差値と窓関数とをもとに算出する外乱指標値算出ステップと、
前記外乱指標値があらかじめ設定したしきい値を超えるかどうか判定するしきい値判定ステップと、
を実行することを特徴とする工作機械の誤差計測方法。
２軸以上の並進軸と、１軸以上の回転軸もしくは前記並進軸とは別の並進軸と、被加工物を保持可能なテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記２軸以上の並進軸により、被加工物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械において、誤差を計測する方法であって、
１つのターゲットを前記テーブルに設置し、前記２軸以上の並進軸と、前記回転軸もしくは前記別の並進軸と、を複数条件に位置決めし、前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて前記ターゲットの位置を検出することで、前記ターゲットの位置に関する計測値を各位置決め条件ごとにそれぞれ取得し、取得した各前記計測値をもとに前記ターゲットの位置に関する誤差値をそれぞれ取得する誤差値取得ステップと、
各前記位置決め条件ごとに、測定の外乱の度合いを示す少なくとも１つの外乱指標値を、複数の前記誤差値と窓関数とをもとに算出する外乱指標値算出ステップと、
前記外乱指標値があらかじめ設定したしきい値を超えるかどうか判定するしきい値判定ステップと、
を実行することを特徴とする工作機械の誤差計測方法。
前記外乱指標値のうちの少なくとも１つは、１つの前記誤差値と、複数の前記誤差値を前記窓関数により平滑化して得られる値との差分をもとに算出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誤差計測方法。
前記しきい値判定ステップにおいて、少なくとも１つの前記外乱指標値がしきい値を超えた場合に、前記誤差値を取得済みの前記ターゲットもしくは前記位置決め条件に対して前記誤差値取得ステップを再実行することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の工作機械の誤差計測方法。
前記ターゲットもしくは前記位置決め条件に対する前記誤差値取得ステップの実行回数が所定の回数を超えている場合、前記誤差値取得ステップの再実行を行わないことを特徴とする請求項４に記載の工作機械の誤差計測方法。
前記しきい値判定ステップにおいて、少なくとも１つの前記外乱指標値がしきい値を超えた場合に、その事態を報知することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の工作機械の誤差計測方法。
２軸以上の並進軸と、被加工物を保持可能なテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記並進軸により、被加工物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械であって、
複数のターゲットを有するマスタワークを前記テーブルに設置した状態で、前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて各前記ターゲットの位置を検出することで、各前記ターゲットの位置に関する計測値をそれぞれ取得し、取得した各前記計測値と、予め取得した各前記ターゲットの位置に関する校正値とを用いて各前記ターゲットの位置に関する誤差値をそれぞれ取得する誤差値取得手段と、
各前記ターゲットごとに、測定の外乱の度合いを示す少なくとも１つの外乱指標値を、複数の前記誤差値と窓関数とをもとに算出する外乱指標値算出手段と、
前記外乱指標値があらかじめ設定したしきい値を超えるかどうか判定するしきい値判定手段と、
を備えることを特徴とする工作機械。
２軸以上の並進軸と、１軸以上の回転軸もしくは前記並進軸とは別の並進軸と、被加工物を保持可能なテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記２軸以上の並進軸により、被加工物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械であって、
１つのターゲットを前記テーブルに設置した状態で、前記２軸以上の並進軸と、前記回転軸もしくは前記別の並進軸と、を複数条件に位置決めし、前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて前記ターゲットの位置を検出することで、前記ターゲットの位置に関する計測値を各位置決め条件ごとにそれぞれ取得し、取得した各前記計測値をもとに前記ターゲットの位置に関する誤差値をそれぞれ取得する誤差値取得手段と、
各前記位置決め条件ごとに、測定の外乱の度合いを示す少なくとも１つの外乱指標値を、複数の前記誤差値と窓関数とをもとに算出する外乱指標値算出手段と、
前記外乱指標値があらかじめ設定したしきい値を超えるかどうか判定するしきい値判定手段と、
を備えることを特徴とする工作機械。