説明

幾何誤差同定装置

【課題】ミス値を取得してしまったとしても、ミス値を用いることなく幾何誤差の同定を行うことにより、ミス値を用いることによる幾何誤差の同定精度の低下を防止することができる幾何誤差同定装置を提供する。
【解決手段】計測値(たとえばターゲット球の直径の計測値)と(S4)、設定値(予め設定されている直径)とを比較することにより(S5)、計測値が正しい計測値であるか否かを判断し、たとえミス値を取得したとしても当該ミス値を用いることなく、正しい計測にもとづく計測値のみを用いて幾何誤差の同定を行うため(S10)、幾何誤差の同定精度を従来と比較して向上することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、たとえば5軸制御マシニングセンタ等といった多軸工作機械における幾何誤差を同定するための幾何誤差同定装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、たとえば特許文献1に開示されているように、直交3軸であるX軸、Y軸、及びZ軸に加え、テーブルの回転軸となるC軸及びA軸の合計5軸方向への動作を制御して加工する5軸制御マシニングセンタといった多軸工作機械が知られている。このような多軸工作機械においては、各部材の寸法精度や部材の組み立て精度の向上にも限度があるため、隣り合う軸間での傾きや位置誤差等といった所謂幾何誤差を同定する必要がある。
そして、上記5軸制御マシニングセンタにおける幾何誤差を同定する方法としては、ボールバーと呼ばれる変位センサを用いて行う3軸円弧補間運動測定、すなわち直線軸2軸と回転軸1軸とを同期させて、テーブル上の所定点と主軸の相対間変位を保持したまま円運動させ、得られた円軌跡の中心偏差量から幾何誤差を同定する方法が一般的に知られている。しかしながら、この方法では、ボールバーという特殊な測定器が必要になるとともに、ボールバーの設置方法によって同定精度に与える影響が大きく、幾何誤差の正確な同定に高い技能が必要になるという問題がある。
【0003】
そこで、ボールバーの代わりにタッチプローブ(ボールバーと比べると一般的な測定器である)及び計測ターゲットとなるターゲット球を用いて、上記3軸円弧補間運動測定と同様の幾何誤差同定原理からなる幾何誤差同定方法が考案されている。これは、たとえば上記5軸制御マシニングセンタにおいては、テーブル上にターゲット球を設置し、テーブルをC軸周り及びA軸周りおいて複数の角度で割り出すとともに、テーブル上のターゲット球の位置を主軸に装着したタッチプローブで計測し、この計測されたターゲット球の位置にもとづき複数の割出条件によって描かれた円弧軌跡の中心偏差量から幾何誤差を同定するという方法である。つまり、非特許文献1に記載されているように、たとえばテーブルをA軸周りについては任意の角度で固定し、C軸周りについて複数回割り出す、或いは逆にテーブルをC軸周りについては任意の角度で固定し、A軸周りについて複数回割り出し、それぞれの割出条件でタッチプローブをターゲット球に複数回接触させ、ターゲット球の中心座標及び直径を算出するといった計測を繰り返し、複数ポイントでの計測値から幾何誤差を同定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2007−44802号公報
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】「タッチプローブを用いた5軸制御工作機械の幾何誤差同定」2010年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集Q38−1105頁〜1106頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
タッチプローブをターゲットに接触させて計測するにあたり、外部からの振動やタッチプローブの移動に係る工作機械自体の加減速等に起因して、タッチプローブとターゲットとが本来接触する位置ではない位置でトリガ入力が生じてしまい、正しくない計測値(ミス値)を取得してしまう場合がある。そして、このミス値を用いて幾何誤差を同定することで、当然ながら幾何誤差の同定精度が低くなってしまうといった問題につながる。
【0007】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、ミス値を取得してしまったとしても、ミス値を用いることなく幾何誤差の同定を行うことにより、ミス値を用いることによる幾何誤差の同定精度の低下を防止することができる幾何誤差同定装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項1に記載の発明は、工具を装着する主軸と、ワークを保持するテーブルとが、互いに直交する3方向の並進軸と、少なくとも1つの回転軸とによって相対移動することにより前記ワークを前記工具で加工する多軸工作機械において、前記主軸又は前記テーブルの一方に取り付けられたターゲットの割出位置を、前記主軸又は前記テーブルの他方に取り付けられたタッチプローブにより計測して計測値を取得し、複数の前記計測値にもとづいて前記多軸工作機械の幾何誤差を同定する制御装置を備えた幾何誤差同定装置であって、前記制御装置は、取得した前記計測値と予め設定されている設定値とを比較することにより、前記計測値が正しい計測にもとづくものであるか否かを判断するとともに、正しい計測にもとづく前記計測値のみを用いて前記幾何誤差を同定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に記載の発明において、前記制御装置は、前記割出位置において前記ターゲットの径又は所定の2点間の距離を前記計測値として取得し、当該径又は所定の2点間の距離と前記設定値とを比較し、両者の差が所定値以内であると、取得した計測値が正しい計測にもとづく計測値であると判断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に記載の発明において、前記制御装置は、前記割出位置において前記ターゲットにおける所定点の座標を前記計測値として取得し、取得した前記座標と、前記ターゲットが前記割出位置に割り出された際に前記所定点が位置するであろう推定座標とを比較し、両者の差が所定値以内であると、取得した計測値が正しい計測にもとづく計測値であると判断することを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3の何れかに記載の発明において、前記制御装置は、取得した複数の前記計測値のうち、正しい計測にもとづかない前記計測値を用いることなく、正しい計測にもとづく前記計測値のみを用いて前記幾何誤差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1〜3の何れかに記載の発明において、前記制御装置は、正しい計測にもとづかない前記計測値については、当該計測値を取得した前記割出位置において正しい計測にもとづく計測値を新たに取得し、当該新たに取得した正しい計測値をも含めて前記幾何誤差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1〜5の何れかに記載の発明において、前記制御装置は、前記幾何誤差を同定するに際して円弧軌跡を同定するものであり、前記正しい計測にもとづく計測値の数に応じて、前記円弧軌跡の成分次数を変更することを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、取得した計測値と予め設定されている設定値とを比較することにより、計測値が正しい計測にもとづくものであるか否かを判断するとともに、正しい計測にもとづく計測値のみを用いて幾何誤差を同定する。つまり、たとえ正しい計測にもとづかない計測値(ミス値)を取得したとしても当該ミス値を用いることなく、正しい計測にもとづく計測値のみを用いて幾何誤差の同定を行うため、幾何誤差の同定精度を従来と比較して向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】多軸工作機械を示した斜視説明図である。
【図2】並進3成分/回転3成分の合計6成分による幾何誤差を示した表である。
【図3】テーブル上にターゲット球を設置した状態を示した説明図である。
【図4】幾何誤差の同定に係る制御を示したフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の一実施形態となる幾何誤差同定装置について、図面にもとづき詳細に説明する。尚、本実施形態では、多軸工作機械の一例である5軸制御マシニングセンタにおける幾何誤差(特に、並進軸間の傾き誤差)の同定について説明する。
【0012】
まず、多軸工作機械1について、図1をもとに説明する。図1は、多軸工作機械1を示した斜視説明図である。尚、図1中のX軸、Y軸、及びZ軸は直交3軸(多軸工作機械1が有する並進軸)であって、Y軸方向を多軸工作機械1における前後方向、X軸方向を左右方向、Z軸方向を上下方向とする。
多軸工作機械1のベッド2の上面には、Y軸案内3、3が形成されており、該Y軸案内3、3には、トラニオン構造のAC軸ユニット4がY軸方向へ移動可能に設置されている。AC軸ユニット4は、前面視で左右方向に幅広なU字状に形成されたクレードル5を備えてなるもので、該クレードル5は、左右に内蔵されたA軸駆動機構(図示せず)により、X軸方向と平行なA軸(回転軸)周りに旋回傾斜可能となっている。また、AC軸ユニット4は、クレードル5の上面に加工対象となるワークを保持するためのテーブル6を備えており、該テーブル6は、クレードル5に内蔵されたC軸駆動機構(図示せず)により、Z軸と平行なC軸(回転軸)周りに360度回転可能となっている。
【0013】
一方、ベッド2には、Y軸案内3、3を跨ぐように門形構造のクロスレール7が固定されており、クロスレール7の前面には、X軸案内部8が形成されている。そして、X軸案内部8に、ラムサドル9がX軸方向へ移動可能に設置されている。また、ラムサドル9には、Z軸案内部10が設けられており、該Z軸案内部10には、下端に主軸11を備えた主軸頭12がZ軸方向へ移動可能に設置されている。尚、ラムサドル9、AC軸ユニット4、及び主軸頭12は、各案内部の案内面と平行に設置されたボールネジと、該ボールネジに連結されたサーボモータとにより移動可能となっている。また、多軸工作機械1には、幾何誤差同定装置を含んだ図示しないNC装置(制御装置)が設けられており、NC装置によって、AC軸ユニット4や主軸頭12等の各部材の各軸方向での駆動が制御されている。
そして、上記多軸工作機械1は、テーブル6上に固定されるワークをA軸周り及びC軸周りで旋回・回転させるとともにY軸方向へと移動させる一方、工具を取り付けた主軸11をX軸及びZ軸へと移動させることにより、ワークに対して多面加工を施すようになっている。
【0014】
ここで、本発明の要部となる多軸工作機械1における幾何誤差を同定する方法について説明する。
上記並進軸を3軸有する5軸制御マシニングセンタである多軸工作機械1における幾何誤差は、隣り合う軸間において並進3成分/回転3成分の合計6成分の誤差が存在してる。しかしながら、冗長となる誤差を考慮すると、多軸工作機械1において同定すべき幾何誤差は、図2に示す13個となる。
そこで、これらの幾何誤差を同定するため、まず図3に示すようにテーブル6の回転中心からRだけ離れた位置へターゲット球21を固定する。そして、A軸旋回中心がC軸中心線上にあるとすると、C軸中心線とA軸旋回中心との交点を座標原点とした場合におけるターゲット球21の中心座標[X]は下記(式1)となる。
【0015】
【数1】

【0016】
また、上述したように幾何誤差の同定原理はボールバーを用いた3軸円弧補間運動と同様であり、回転1軸(ここでは旋回軸となるA軸又は回転軸であるC軸)を複数の角度で割り出して、各割出位置におけるターゲット球21の中心座標及び直径をタッチプローブをターゲット球21に接触させることで計測・算出し、これら複数の計測ポイントを夫々所定の同一円弧軌跡上の一点と見なし、得られた計測値(計測座標)より最小二乗法などを用いて円弧の軌跡に関する関係式である下記(式2)の係数A〜Eを求めればよい。尚、下記(式2)における極座標を示すθは、C軸周り又はA軸周りでのテーブル6の割出角度と一致する。
【0017】
【数2】

【0018】
上記計測値から円弧の軌跡を求めるにあたり、解析対象となる座標成分、すなわちXYZ成分の選択は、求める幾何誤差によって異なる。
つまり、たとえばA軸の旋回角度が0degで、C軸、X軸、及びY軸による同時3軸円弧補間運動を行う場合、上記(式2)におけるθはC軸の割出角度と一致し、まず、Z成分のみを用いると、上記(式2)の1次成分は下記(式3)の関係式で表される。尚、下記(式3)におけるBXYC0_ZとCXYC0_Zとは、どちらもXYC同時3軸測定のZ成分により導いた上記(式2)における1次成分を表す。
【数3】

【0019】
次に、XYZ成分を用いると、上記(式2)の1次及び2次成分は下記(式4)の関係式で表される。尚、下記(式4)におけるBXYC0_XYZ、CXYC0_XYZ、及びDXYC0_XYZは、全てXYC同時3軸測定のXYZ成分より導いた上記(式2)における1次及び2次成分を表す。
【数4】

【0020】
上記同様に、A軸が90degで、XYC同時3軸測定のXYZ成分より導いた上記(式2)における2次成分であるDXYC90_XYZは、下記(式5)で表される。
【数5】

【0021】
また、C軸が±90degで、YZA同時3軸測定のX成分より導いた上記(式2)における1次成分であるBYZA_X及びCYZA_Xは、下記(式6)の関係式で表される。
【数6】

【0022】
最後に、C軸が±90degで、YZA同時3軸測定のXYZ成分より導いた上記(式2)における1次及び2次成分であるBYZA_XYZ、CYZA_XYZ、及びDYZA_XYZは、下記(式7)の関係式で表される。
【数7】

【0023】
そして、以上のような(式3)から(式7)を用いて図2に示すような種々の幾何誤差が同定されることになる。してみると、円弧軌跡を求めるにあたり、上記(式2)における2次成分まで求める場合、未知係数は5つあるため、最低5箇所の計測ポイントでの計測値が必要である一方、1次成分しか求めない場合、未知係数は3つしかないため、最低3箇所の計測ポイントでの計測値で十分となる。つまり、多軸工作機械1において、X軸、Y軸、及びZ軸の各軸間での直角度誤差αXZ、βXZ、γXYを同定するためには5箇所以上での計測が必要であり、それ以外の幾何誤差を同定するためには3箇所以上での計測でよい。
【0024】
そこで、図4のフローチャート図にしたがい、幾何誤差(ここでは円弧軌跡の2次成分まで求めることが必要な並進3軸間の直角度誤差、及び1次成分だけでよい他の幾何誤差)の同定に係る制御を説明すると、まず作業者によりAC軸ユニット4の動作範囲や主軸11のストローク範囲等に応じて、主軸11に装着されたタッチプローブによるテーブル6上に固定されたターゲット球21の計測ポイント(A軸周り及びC軸周りでの割出角度)が複数ポイント(ここでは5ポイント以上)順序づけて設定される(S1)。それから、計測動作を開始させ、AC軸ユニット4を作動させてA軸周り若しくはC軸周りでターゲット球21を最初の計測ポイントへと割り出す(S2)。そして、主軸11をX軸及びZ軸方向へ移動させるとともにテーブル6をY軸方向へ移動させて、ターゲット球21を計測する計測ポイントへタッチプローブを位置決めする(S3)。その後、タッチプローブを複数回ターゲット球21に接触させて、ターゲット球21の中心座標及び直径を計測値として取得する(S4)。また、取得した計測値(特に直径)と予め設定されている直径(設定値)とを比較することにより、計測値が正しい計測値(正しい計測にもとづく計測値)であるかミス値(正しい計測にもとづかない計測値)であるかを判断し(すなわち、取得した計測値と設定値との差が所定値以上である場合にはミス値、所定値以内である場合には正しい計測値であると判断)、正しい計測値であるなら正しい計測値として、ミス値であるならミス値として夫々記憶する(S5)。そして、S1で設定された全ての計測ポイントにおいて計測を行ったか否かを判断し(S6)、全ての計測ポイントで計測を行うまではS2〜S5を繰り返す。
【0025】
そして、全ての計測ポイントにおける計測が終了すると(S6でYES)、取得した計測値のうち正しい計測値が円弧軌跡の算出成分を求めるために必要な個数(すなわち5個以上)あるか否かを判断する(S7)。たとえば、S1で計測ポイントとして6ポイント設定したとすると、正しい計測値が5つ以上あるか(逆に言うと、ミス値が1つ以下であるか)を判断することになる。そして、必要な個数以上ある場合(S7でYESと判断)には、取得した計測値のうち正しい計測値のみを用いて円弧軌跡を同定し(S9)、円弧軌跡の係数と幾何誤差との関係式から幾何誤差(並進軸間の直角度誤差及び他の幾何誤差)を同定する(S10)。
【0026】
一方、正しい計測値が円弧軌跡の算出成分を求めるために必要な個数ない場合(S7でNOと判断)、つまり、たとえばS1で計測ポイントとして6ポイント設定したとすると、正しい計測値が4つ以下しかない(逆に言うと、ミス値が2つ以上ある)と、円弧軌跡の2次成分を求めることができないため、算出する円弧軌跡の成分を1次成分のみに変更する(S8)。そして、取得した計測値のうち正しい計測値のみを用いて円弧軌跡を同定し(S9)、円弧軌跡の係数と幾何誤差との関係式から幾何誤差(直角度誤差以外の幾何誤差)を同定する(S10)。尚、S7で正しい計測値が2つ以下しかない場合、円弧軌跡の同定や幾何誤差の同定は行わない。
【0027】
以上のような構成を有する幾何誤差同定装置によれば、計測値と設定値とを比較することにより、計測値が正しい計測値であるか否かを判断し、たとえミス値を取得したとしても当該ミス値を用いることなく、正しい計測にもとづく計測値のみを用いて幾何誤差の同定を行うため、幾何誤差の同定精度を従来と比較して向上することができる。
【0028】
なお、本発明に係る幾何誤差同定装置は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、計測値の正誤判断に係る制御やミス値を取得した際の制御に係る構成等を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。
【0029】
たとえば、上記実施形態では、取得した直径と予め設定されている直径とを比較することにより計測値の正誤を判断するように構成しているが、計測した座標(たとえばターゲット球21の中心座標)と計測ポイントとして設定される割出角度等から予め算出される推定座標とを比較し、計測した座標と推定座標との差が所定値以上である場合にはミス値、所定値以内である場合には正しい計測値であると判断するような構成を採用することも可能である。当該構成を採用したとしても、計測値の正誤を判断することができ、ミス値を用いて幾何誤差を同定したりすることがなく、幾何誤差の同定精度の向上を図ることができる。
また、上記実施形態ではターゲット球21の直径を計測値として取得するように構成しているが、ターゲット球21の半径を取得し、取得した半径と予め設定されている半径とを比較するような構成としてもよい。加えて、ターゲット球の代わりに立方体をターゲットとして採用することも可能である。この場合、立方体の対向面間の距離や所定の2点間の距離をターゲット球の直径の代わりとすればよいし、立方体の中心座標をターゲット球の中心座標とすればよい。
【0030】
さらに、上記実施形態では、記憶した計測値のうちミス値を用いず、正しい計測値のみを用いて幾何誤差を同定するように構成しているが、ミス値と判断した場合、その計測ポイントを再度計測して正しい計測値を取得し、その正しい計測値を幾何誤差の同定に用いるように構成してもよい。該構成を採用することにより、円弧軌跡を同定する際に必要な数の正しい計測値がなかったが故に、当初同定したかった幾何誤差とは別の幾何誤差しか同定することができないといった上記事態の発生を防止することができ、使い勝手の向上を図ることができる。尚、再計測するにあたっては、各計測毎に行う正誤判断によりミス値であると判断した場合に同じ計測ポイントで再計測を行う(S5において行う計測値の正誤判断により、ミス値である場合には再びS4を実行する)ことが望ましいものの、全ての計測ポイントでの計測を一通り終わらせた後、ミス値となっている計測ポイントのみを再計測する(計測値の中にミス値がある場合には、S6とS7との間でミス値となっている計測ポイントにおける計測を再び行う)ように構成してもよい。また、再計測するか否かについて、たとえばS1において適宜設定可能としてもよい。
【0031】
さらにまた、上記実施形態では、各計測毎に正誤判断を行うように構成しているが、全ての計測ポイントでの計測を一通り終わらせた後、各計測ポイントにおける計測値が正しいか否かを判断するように構成する(すなわち、S5では計測値の記憶のみを行い、S6とS7との間において計測値の正誤判断を行う)ことも可能である。
またさらに、S1においてAC軸ユニット4の動作範囲や主軸11のストローク範囲を超えて計測ポイントを設定してしまったことにより、円弧軌跡を求めるに際して必要な数の正しい計測値がないような場合にも、円弧軌跡の求める算出成分を変更、すなわち同定する幾何誤差を変更するようにしても何ら問題はない。
【0032】
加えて、本発明に係る幾何誤差同定装置が対象とする多軸工作機械は、上記実施形態の多軸工作機械に何ら限定されることはなく、たとえば主軸側に回転軸を2軸以上設けてなるものや、主軸側とテーブル側との夫々に回転軸を1軸ずつ設けてなるものであってもよいし、主軸側又はテーブル側の何れか一方にのみ回転軸を1軸しか備えていないものであってもよい。すなわち、5軸加工機と称されるマシニングセンタベースの工作機械のみならず、旋盤をベースとする複合加工機なども対象となる。そして、そのような場合には、直交3軸の並進軸は制御上構成可能であれば、実際の案内面が直交している必要はない。
また、回転軸の1つであるA軸はクレードルの旋回軸に限定されず、360度回転可能な回転軸であってもよいし、ターゲットとタッチプローブの配置を入れ替えても幾何誤差の同定は可能である。
【符号の説明】
【0033】
1・・多軸工作機械、4・・AC軸ユニット、6・・テーブル、11・・主軸、21・・ターゲット球(ターゲット)。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
工具を装着する主軸と、ワークを保持するテーブルとが、互いに直交する3方向の並進軸と、少なくとも1つの回転軸とによって相対移動することにより前記ワークを前記工具で加工する多軸工作機械において、前記主軸又は前記テーブルの一方に取り付けられたターゲットの割出位置を、前記主軸又は前記テーブルの他方に取り付けられたタッチプローブにより計測して計測値を取得し、複数の前記計測値にもとづいて前記多軸工作機械の幾何誤差を同定する制御装置を備えた幾何誤差同定装置であって、
前記制御装置は、取得した前記計測値と予め設定されている設定値とを比較することにより、前記計測値が正しい計測にもとづくものであるか否かを判断するとともに、正しい計測にもとづく前記計測値のみを用いて前記幾何誤差を同定することを特徴とする幾何誤差同定装置。
【請求項2】
前記制御装置は、前記割出位置において前記ターゲットの径又は所定の2点間の距離を前記計測値として取得し、当該径又は所定の2点間の距離と前記設定値とを比較し、両者の差が所定値以内であると、取得した計測値が正しい計測にもとづく計測値であると判断することを特徴とする請求項1に記載の幾何誤差同定装置。
【請求項3】
前記制御装置は、前記割出位置において前記ターゲットにおける所定点の座標を前記計測値として取得し、取得した前記座標と、前記ターゲットが前記割出位置に割り出された際に前記所定点が位置するであろう推定座標とを比較し、両者の差が所定値以内であると、取得した計測値が正しい計測にもとづく計測値であると判断することを特徴とする請求項1に記載の幾何誤差同定装置。
【請求項4】
前記制御装置は、取得した複数の前記計測値のうち、正しい計測にもとづかない前記計測値を用いることなく、正しい計測にもとづく前記計測値のみを用いて前記幾何誤差を同定することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の幾何誤差同定装置。
【請求項5】
前記制御装置は、正しい計測にもとづかない前記計測値については、当該計測値を取得した前記割出位置において正しい計測にもとづく計測値を新たに取得し、当該新たに取得した正しい計測値をも含めて前記幾何誤差を同定することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の幾何誤差同定装置。
【請求項6】
前記制御装置は、前記幾何誤差を同定するに際して円弧軌跡を同定するものであり、前記正しい計測にもとづく計測値の数に応じて、前記円弧軌跡の成分次数を変更することを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の幾何誤差同定装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2012−232376(P2012−232376A)
【公開日】平成24年11月29日(2012.11.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−101837(P2011−101837)
【出願日】平成23年4月28日(2011.4.28)
【出願人】(000149066)オークマ株式会社 (476)
【Fターム(参考)】