(57)【要約】【課題】工具の位置誤差を算出して並進軸により補正することで加工精度の低下を防止する。【解決手段】ステップＳ１にて、各軸の指令値を指令値生成手段から取得し、ステップＳ２にて、回転軸の誤差パラメータの算出を行い、ステップＳ３にて、幾何誤差と回転軸の角度偏差による工具の位置誤差に対する並進軸の補正値を算出して、ステップＳ４にて、算出した補正値のリミットチェックを行った後、ステップＳ５にて、並進軸の指令値に算出した補正値を加算し、補正値を加算した新しい指令値で各軸を動作させる。【選択図】図３
2020038569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、２軸以上の並進軸と、ブレーキ機構もしくはクランプ機構を備えた１軸以上の回転軸と、各軸の位置を検出する位置検出器と、前記各軸を位置決めするための指令値を生成する指令値生成部と、前記指令値をもとに前記各軸を制御・駆動するサーボ制御部とを有する工作機械において、前記並進軸を制御するための数値制御方法であって、
前記回転軸の指令値と前記位置検出器の検出値との差分値である角度偏差による前記工具の位置誤差を、前記各軸の指令値と前記位置検出器の検出値とから演算する位置誤差演算ステップと、
前記工具の位置誤差を前記並進軸もしくは前記回転軸の指令座標系に変換することにより、前記工具の位置誤差に対する前記並進軸の補正値を演算する補正値演算ステップと、
演算した前記補正値を前記並進軸の指令値に加算する指令値補正ステップと、
を実行することを特徴とする数値制御方法。
【請求項２】
前記位置誤差演算ステップでは、前記角度偏差をローパスフィルタに入力して、所定の周波数以下の成分に変換した誤差パラメータを用いて前記工具の位置誤差を演算することを特徴とする請求項１に記載の数値制御方法。
【請求項３】
前記回転軸を前記ブレーキ機構により保持していないもしくは前記クランプ機構によりクランプしていない場合には、前記誤差パラメータを０とすることを特徴とする請求項２に記載の数値制御方法。
【請求項４】
前記工具の位置誤差を前記各軸間の幾何学的な誤差とみなして、
前記位置誤差演算ステップでは、前記工具の位置誤差を、前記幾何学的な誤差がある場合の前記工具の位置と、前記幾何学的な誤差がない場合の前記工具の位置とから演算することを特徴とする請求項１に記載の数値制御方法。
【請求項５】
工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、２軸以上の並進軸と、ブレーキ機構もしくはクランプ機構を備えた１軸以上の回転軸と、各軸の位置を検出する位置検出器と、前記各軸を位置決めするための指令値を生成する指令値生成部と、前記指令値をもとに前記各軸を制御・駆動するサーボ制御部とを有する工作機械において、前記並進軸を制御するための数値制御装置であって、
前記回転軸の指令値と前記位置検出器の検出値との差分値である角度偏差による前記工具の位置誤差を、前記各軸の指令値と前記位置検出器の検出値とから演算する位置誤差演算手段と、
前記工具の位置誤差を前記並進軸もしくは前記回転軸の指令座標系に変換することにより、前記工具の位置誤差に対する前記並進軸の補正値を演算する補正値演算手段と、
演算した前記補正値を前記並進軸の指令値に加算する指令値補正手段と、
を備えることを特徴とする数値制御装置。
【請求項６】
前記位置誤差演算手段は、前記角度偏差をローパスフィルタに入力して、所定の周波数以下の成分に変換した誤差パラメータを用いて前記工具の位置誤差を演算することを特徴とする請求項５に記載の数値制御装置。
【請求項７】
前記回転軸を前記ブレーキ機構により保持していないもしくは前記クランプ機構によりクランプしていない場合には、前記誤差パラメータを０とすることを特徴とする請求項６に記載の数値制御装置。
【請求項８】
前記工具の位置誤差を前記各軸間の幾何学的な誤差とみなして、
前記位置誤差演算手段は、前記工具の位置誤差を、前記幾何学的な誤差がある場合の前記工具の位置と、前記幾何学的な誤差がない場合の前記工具の位置とから演算することを特徴とする請求項５に記載の数値制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作物を保持するテーブルと工具を保持する主軸とが、並進軸と回転軸とによって相対移動する工作機械において、工作機械の誤差を補正制御する数値制御方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、並進３軸と回転２軸を有する５軸制御マシニングセンタ（以下、「５軸機」という。）の模式図である。この５軸機は、工具を保持し回転させることが可能な主軸２と、工作物を保持し回転および傾斜可能なテーブル３とを有している。主軸２は、互いに直交する並進軸Ｚ軸とＸ軸とにより、ベッド１に対して２自由度の並進運動が可能である。テーブル３は、クレードル４によりＣ軸周りで回転可能に支持されており、クレードル４は、ベッド１上でＹ軸方向へ移動可能なトラニオン５によりＡ軸周りで回転可能に支持されている。よって、テーブル３は、互いに直交する回転軸Ｃ軸とＡ軸とにより２自由度の回転運動と、Ｚ軸とＸ軸とに直交する並進軸Ｙ軸により１自由度の並進運動がベッド１に対して可能である。また、各軸に設けられた位置検出器は各軸の位置を検出することができ、数値制御装置は位置検出器から取得した各軸の位置情報と、入力手段により指令された各軸の位置情報とをもとに各軸の指令値を生成し、この指令値によりサーボモータを制御・駆動して、主軸２に保持した工具によりテーブル３に保持した工作物の加工を行う。
【０００３】
５軸機のような多軸工作機械は駆動軸数が多いため、駆動軸数が少ない機械に対し運動精度が悪化する傾向にある。その要因として、前記各軸間の誤差である幾何学的な誤差（以下、「幾何誤差」という。）がある。この幾何誤差を機械の製造・組立段階で小さくして高精度化を図るのはコスト・技術的に困難な面があり、幾何誤差を補正して制御することにより、多軸工作機械の高精度化を図る技術が開発されている。
５軸機の幾何誤差を補正する手段として、さまざまな方法が提案されている。特許文献１に記載されている方法は、前記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）や傾き誤差（軸間の直角度、平行度）などの幾何誤差を考慮して工具先端の位置を並進軸の指令値に変換し、駆動させることで、前記誤差を補正している。
また、特許文献２に記載の方法は、工作機械のさまざまな誤差（姿勢変化や発熱等に起因する熱変位など）を幾何誤差とみなして並進軸の補正値を算出し、並進軸の指令値に加算して駆動することで、前記誤差を補正している。
前記各軸を指令値にもとづいて位置決めした際に、想定した位置からのずれである位置決め誤差も前記５軸機の運動精度を悪化させる要因となる。そこで、前記位置決め誤差を予め実測して、数値制御装置に記録させておき、各軸の指令値を生成する際に位置決め誤差を加味することで補正する方法がとられている。しかし、前記軸を任意位置で保持するためのブレーキ機構やクランプ機構により、軸を保持すると、前述したような補正方法が困難な場合がある。
このような問題に対して、特許文献３に記載の方法は軸を任意位置でクランプするクランプ機構を備えたクランプ軸がある場合に、クランプ軸によって生じた工具の位置誤差を補正するための方法を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２７２８８７号公報
【特許文献２】特開２００９−１０４３１７号公報
【特許文献３】特開２００６−１５５５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１，２に記載の方法は、予め実測した幾何誤差をもとに補正値を算出するものであり、特許文献３に記載の方法も、予め実験により測定したクランプ軸によって生じる位置誤差をもとに、各軸の補正値を算出するものである。そのため、これらの誤差が変化するような場合には対応できないといった問題がある。
例えば、機械を長期間使用していくと構成部品が磨耗し、前記位置決め誤差が変化する。そのため、特許文献３に記載の方法にもとづいて、前記クランプ軸によって生じた工具の位置誤差を補正しても正しく補正できないといった問題がある。
また、重量のあるワークをテーブルに設置して加工を行う場合や、重切削を行う場合には、前記軸に備えられたブレーキ機構によりブレーキ状態で動作させることがある。このような場合にも、ワークの重量やブレーキ機構の影響を受けて位置決め誤差が変化するため、特許文献３に記載の方法では正しく補正できないといった問題がある。
一方で、位置決め誤差を測定するためには非常に高価な測定器が必要であり、また、その操作には高い技能を要することから、誰でも簡単に位置決め誤差の測定を行うことができないといった課題がある。
さらに、多くの場合、前記クランプ軸は軸をクランプした場合と、クランプしていない場合とで位置決め誤差が異なる。そのため、クランプしているか／していないかを判断してクランプ軸かそれ以外の軸で補正するかを切り替えるだけではなく、それぞれの状態に応じた位置決め誤差をもとに補正値を算出する必要がある。
【０００６】
そこで、本発明は、ブレーキ機構やクランプ機構を備えた回転軸を有する工作機械において、構成部品の磨耗やワークの重量などの影響を受けて位置決め誤差が変化する場合においても、工具の位置誤差を算出して並進軸により補正することで加工精度の低下を防止することができる数値制御方法及び数値制御装置を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、２軸以上の並進軸と、ブレーキ機構もしくはクランプ機構を備えた１軸以上の回転軸と、各軸の位置を検出する位置検出器と、前記各軸を位置決めするための指令値を生成する指令値生成部と、前記指令値をもとに前記各軸を制御・駆動するサーボ制御部とを有する工作機械において、前記並進軸を制御するための数値制御方法であって、
前記回転軸の指令値と前記位置検出器の検出値との差分値である角度偏差による前記工具の位置誤差を、前記各軸の指令値と前記位置検出器の検出値とから演算する位置誤差演算ステップと、
前記工具の位置誤差を前記並進軸もしくは前記回転軸の指令座標系に変換することにより、前記工具の位置誤差に対する前記並進軸の補正値を演算する補正値演算ステップと、
演算した前記補正値を前記並進軸の指令値に加算する指令値補正ステップと、を実行することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記位置誤差演算ステップでは、前記角度偏差をローパスフィルタに入力して、所定の周波数以下の成分に変換した誤差パラメータを用いて前記工具の位置誤差を演算することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２の構成において、前記回転軸を前記ブレーキ機構により保持していないもしくは前記クランプ機構によりクランプしていない場合には、前記誤差パラメータを０とすることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１の構成において、前記工具の位置誤差を前記各軸間の幾何学的な誤差とみなして、前記位置誤差演算ステップでは、前記工具の位置誤差を、前記幾何学的な誤差がある場合の前記工具の位置と、前記幾何学的な誤差がない場合の前記工具の位置とから演算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５に記載の発明は、工作物を保持するテーブルと、工具を保持する主軸と、２軸以上の並進軸と、ブレーキ機構もしくはクランプ機構を備えた１軸以上の回転軸と、各軸の位置を検出する位置検出器と、前記各軸を位置決めするための指令値を生成する指令値生成部と、前記指令値をもとに前記各軸を制御・駆動するサーボ制御部とを有する工作機械において、前記並進軸を制御するための数値制御装置であって、
前記回転軸の指令値と前記位置検出器の検出値との差分値である角度偏差による前記工具の位置誤差を、前記各軸の指令値と前記位置検出器の検出値とから演算する位置誤差演算手段と、
前記工具の位置誤差を前記並進軸もしくは前記回転軸の指令座標系に変換することにより、前記工具の位置誤差に対する前記並進軸の補正値を演算する補正値演算手段と、
演算した前記補正値を前記並進軸の指令値に加算する指令値補正手段と、を備えることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５の構成において、前記位置誤差演算手段は、前記角度偏差をローパスフィルタに入力して、所定の周波数以下の成分に変換した誤差パラメータを用いて前記工具の位置誤差を演算することを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項６の構成において、前記回転軸を前記ブレーキ機構により保持していないもしくは前記クランプ機構によりクランプしていない場合には、前記誤差パラメータを０とすることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項５の構成において、前記工具の位置誤差を前記各軸間の幾何学的な誤差とみなして、前記位置誤差演算手段は、前記工具の位置誤差を、前記幾何学的な誤差がある場合の前記工具の位置と、前記幾何学的な誤差がない場合の前記工具の位置とから演算することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ブレーキ機構やクランプ機構を備えた回転軸を有する工作機械において、構成部品の磨耗やワークの重量、ブレーキ機構やクランプ機構などの影響を受けて位置決め誤差が変化する場合においても、軸の指令値と位置検出器により検出した位置との差分値である角度偏差を加味して工具の位置誤差を算出して並進軸により補正することができる。よって、加工精度の低下を防止できる。
特に、請求項２及び６に記載の発明によれば、回転軸の角度偏差をローパスフィルタに入力して誤差パラメータを得るため、外乱などにより瞬間的に大きな角度偏差が生じても、並進軸の補正値が急激に変化することを防止でき、加工精度の低下を抑止できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】５軸制御マシニングセンタの模式図である。
【図２】５軸制御マシニングセンタの制御構成を示すブロック図である。
【図３】工具の位置誤差を演算するためのフローチャートである。
【図４】回転軸の誤差パラメータを算出するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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軸機は、本発明の工作機械の一例であり、前述のように３つの並進軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）と、２つの回転軸（Ａ軸、Ｃ軸）とを有している。また、並進軸および回転軸はそれぞれ位置検出器２８ａ〜２８ｅ（図２）を備えており、各軸の位置を検出することができる。
図２は本実施形態の制御を行うための数値制御装置の一例であり、入力手段２１と、記録手段２２と、指令値生成手段２３と、サーボ指令値変換手段２４とを有している。指令値生成手段２３は入力手段２１により軸移動指令を受けると、各軸の指令値を生成する。
この指令値をサーボ指令値変換手段２４に送り、サーボ指令値に変換して各軸のサーボアンプ２５ａ〜２５ｅに送る。各サーボアンプ２５ａ〜２５ｅはこのサーボ指令値と、位置検出器２８ａ〜２８ｅから取得した各軸の位置情報とをもとにサーボモータ２６ａ〜２６ｅを制御・駆動させて、並進軸移動機構２７ａ〜２７ｃと、回転機構２７ｄ、２７ｅとを動作させることで各軸の位置決めを行う。ここでは指令値生成手段２３とサーボ指令値変換手段２４とが本発明の指令値生成部に相当し、サーボアンプ２５ａ〜２５ｅとサーボモータ２６ａ〜２６ｅとが本発明のサーボ制御部に相当する。
【００１１】
また、回転軸Ａ，Ｃ軸は任意の位置で軸を保持可能なブレーキ機構もしくは、クランプ可能なクランプ機構２９ｄ、２９ｅを備えており、これらの機構によって軸の保持やクランプもしくは、保持の解除やクランプの解除を行う。
指令値生成手段２３には補正値生成部２３ａが設けられており、この補正値生成部２３ａは、本発明の位置誤差演算手段、補正値演算手段として、後述する工具の位置誤差に基づく補正値の算出を行う。指令値生成手段２３は、本発明の指令値補正手段として、算出した各軸の補正値を各軸の指令値に加算し、この補正値を加算した指令値をサーボ指令値変換手段２４に送ることとなる。
なお、本発明に関わる工作機械は図１に示すマシニングセンタベースの多軸工作機によらず、旋盤ベースの多軸工作機械などであってもよい。
【００１２】
次に、幾何誤差について説明する。幾何誤差を隣り合う軸間の相対並進誤差３成分および相対回転誤差３成分の合計６成分（δx、δy、δz、α、β、γ）で定義する。
本例の５軸機の場合、各軸間と、Ｃ軸と工作物間と、Ｚ軸と工具間とに前記６成分の幾何誤差がそれぞれ存在するため、合計３６個の幾何誤差が存在する。ただし、３６個のうち冗長な関係のものを除くと１３個であり、幾何誤差が存在する軸間を工具側からの順番を添え字として表すと、１３個の幾何誤差は、α１、β１、α２、β２、γ３、δy４、δz４、β４、γ４、δx５、δy５、α５、β５となる。これらは順に、工具−Ｙ軸間直角度、工具−Ｘ軸間直角度、Ｙ−Ｚ軸間直角度、Ｚ−Ｘ軸間直角度、Ｘ−Ｙ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、Ｃ軸中心位置Ｘ方向誤差、Ｃ−Ａ軸間オフセット誤差、Ａ軸原点オフセット誤差、Ｃ−Ａ軸間直角度である。これらの誤差は予め測定しておき、記録手段２２に記録させておく。
【００１３】
続いて、幾何誤差と回転軸の角度偏差による工具の位置誤差を補正するための方法について、図３に示すフローチャートをもとに説明する。
まず、ステップＳ１にて、各軸の指令値を指令値生成手段２３から取得する。
次に、ステップＳ２にて、回転軸の誤差パラメータの算出を行う（位置誤差演算ステップ）。ステップＳ２の詳細な説明については後述する。
次に、ステップＳ３にて、幾何誤差と回転軸の角度偏差による工具の位置誤差に対する並進軸の補正値の算出を行う（補正値演算ステップ）。ステップＳ３の詳細な説明については後述する。
次に、ステップＳ４にて、算出した補正値のリミットチェックを行う。このリミットチェックは、算出した補正値が予め記録手段２２に設定された閾値を越えるかどうかを判定し、閾値を超える場合には数値制御装置がアラームを表示し、作業者にその旨を知らせる。
最後に、ステップＳ５にて、並進軸の指令値に算出した補正値を加算し、補正値を加算した新しい指令値で各軸を動作させることで、幾何誤差と回転軸の角度偏差による工具の位置誤差を補正することとなる（指令値補正ステップ）。
【００１４】
次に、ステップＳ２の回転軸の誤差パラメータの算出処理について、図４のフローチャートをもとに説明する。
まず、ステップＳ１１にて、回転軸の角度偏差によって生じる工具の位置誤差の補正を行うかどうかが設定されている補正ＯＮ／ＯＦＦスイッチの判定を行う。この補正ＯＮ／ＯＦＦスイッチは、回転軸の位置の検出方法によって自動設定される。検出方法には、軸の位置を直接検出する方法と、サーボモータの回転角度から位置を検出する方法とがあり、前者の場合にＯＮ、後者の場合にＯＦＦが設定される。また、作業者が前記補正を行うか否かによってもＯＮ／ＯＦＦを設定することができる。
ステップＳ１１で補正ＯＮ／ＯＦＦスイッチがＯＮであると判定した場合、ステップＳ１２にて、回転軸がブレーキ機構により保持もしくはクランプ機構によりクランプされているか判定する。
ステップＳ１２で保持もしくはクランプしていると判定した場合、ステップＳ１３にて、回転軸の指令値（ＡＣ,ＣＣ）と位置検出器２８ｄ，２８ｅにより検出した回転軸の位置（Ａm,Ｃm）との差分値である角度偏差（ΔＡ,ΔＣ）の取得を行う。
【００１５】
次に、ステップＳ１４にて、ステップＳ１３で取得した回転軸の角度偏差を、ローパスフィルタに入力し、ある周波数成分以下の値に変換した変換角度偏差（ΔＡ',ΔＣ'）を取得する。ここでローパスフィルタは移動平均やＦＩＲフィルタ、ＩＩＲフィルタなどでよい。
次に、ステップＳ１５にて、ステップＳ１４で取得した変換角度偏差を誤差パラメータに設定する。ここで、誤差パラメータはαＤ、γＤであり、αＤにはΔＡ'を、γＤにはΔＣ'を設定する。
一方、ステップＳ１１で補正ＯＮ／ＯＦＦスイッチがＯＦＦであると判定した場合、およびステップＳ１２で保持していないもしくはクランプしていないと判定した場合、ステップＳ１６にて、誤差パラメータαＤ、もしくはγＤに０を設定する。
最後に、ステップＳ１７にて、全ての回転軸に対して誤差パラメータが設定されたかどうかを判定し、設定されていない場合にはステップＳ１１〜ステップＳ１６を繰り返す。
【００１６】
次に、ステップＳ３で行う工具の位置誤差に対する並進軸の補正値を算出する方法の詳細について、式を用いて説明する。
回転軸Ａ、Ｃ軸と並進軸Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の変換行列、工具先端点ベクトルＴＰは、以下の数１で表すことができる。
【００１７】
【数１】
2020038569.tif 000003
【００１８】
前記誤差がない理想的なワーク座標系での工具先端点のベクトルＷＰＩは、数１の変換行列および工具先端点ベクトルを用いて、以下の数２により求めることができる。
ここで、ｚ,ｙ,ｘ,ａ,ｃは各軸の指令値である。
【００１９】
【数２】
2020038569.tif 000004
【００２０】
また、前記誤差が存在する場合の工具先端点のベクトルＷＰＧは、以下の数３に示す誤差パラメータマトリックスεj、εα、εγを用いて、以下の数４により求めることができる。
ここで、δxｊ、δyｊ、δzｊ、αｊ、βｊ、γｊは、記録手段２２に記録された幾何誤差であり、αＤ、γＤはステップＳ１５もしくはステップＳ１６で設定された誤差パラメータである。
【００２１】
【数３】
2020038569.tif 000005
【数４】
2020038569.tif 000006
【００２２】
前記幾何誤差と回転軸の角度偏差による各工具先端の位置誤差ベクトルΔeは、以下の数５に示すようにＷＰＧとＷＰＩとの差分から求められる。
【００２３】
【数５】
2020038569.tif 000007
【００２４】
また、前記位置誤差による並進軸の補正値は、前記位置誤差を指令座標系に変換し、その逆符号として扱うことができる。補正値ベクトルΔＣompを以下の数６に示す。
【００２５】
【数６】
2020038569.tif 000008
【００２６】
このように、上記形態の数値制御装置及び数値制御方法によれば、ブレーキ機構やクランプ機構を備えた回転軸（Ａ軸，Ｃ軸）を有する５軸機において、構成部品の磨耗やワークの重量、ブレーキ機構やクランプ機構などの影響を受けて位置決め誤差が変化する場合においても、軸の指令値と位置検出器２８ａ〜２８ｅにより検出した位置との差分値である角度偏差を加味して工具の位置誤差を算出して並進軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）により補正することができる。よって、加工精度の低下を防止できる。
特にここでは、回転軸の角度偏差をローパスフィルタに入力して誤差パラメータを得るため、外乱などにより瞬間的に大きな角度偏差が生じても、並進軸の補正値が急激に変化することを防止でき、加工精度の低下を抑止できる。
【００２７】
なお、上記形態では、工具の位置誤差を算出して並進軸の指令値を補正する際に、算出した補正値のリミットチェックを行っているが、このリミットチェックは省略することもできる。
【符号の説明】
【００２８】
１・・ベッド、２・・主軸、３・・テーブル、４・・クレードル、５・・トラニオン、２１・・入力手段、２２・・記録手段、２３・・指令値生成手段、２３ａ・・補正値生成部、２４・・サーボ指令値変換手段、２５ａ〜２５ｅ・・サーボアンプ、２６ａ〜２６ｅ・・サーボモータ、２７ａ〜２７ｃ・・並進軸移動機構、２７ｄ、２７ｅ・・回転機構、２８ａ〜２８ｅ・・位置検出器。
【図１】
2020038569.tif 000009
【図２】
2020038569.tif 000010
【図３】
2020038569.tif 000011
【図４】
2020038569.tif 000012