JP4842903B2 - 数値制御装置及び数値制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、５軸工作機械等に用いられる送り駆動系における数値制御装置及び数値制御方法に関する。

図１０は直交３軸のＸＹＺ軸とＹ軸回りの回転軸Ｂ軸とＺ軸回りの回転軸Ｃ軸を備えた５軸工作機械の数値制御装置、図１１は当該５軸工作機械の概略図を夫々示す。なお、５軸各軸の構成は共通であるのでＸ軸のみについて説明する。Ｘ軸において、サーボモータ４３の回転力は、ボールねじ５１を介して直線運動に変換されて、被駆動体となるＸ軸テーブル５３を駆動させる。サーボモータ４３には位置検出器４４が搭載されており、この位置検出器４４からの出力によってフィードバック制御が行われる。すなわち、位置検出器４４により回転角を検出して間接的にＸ軸テーブル５３の位置を検出して位置制御を行うものである。そして、ワーク５６の載ったＸ軸テーブル５３を所望の位置に移動することで主軸５４とワーク５６を相対的に制御してワーク５６を工具５５で加工する。数値制御装置４５においては、プログラムに基づいて関数発生部４１で生成された位置指令値ＴＰのＸ軸の位置指令値ＴＰｘから、サーボモータ４３に取り付けられている位置検出器４４の現在位置を引いた値が制御器４２に入力されるようになっている。

図１１に示した従来のセミクローズドループ方式の５軸工作機械では、駆動力を発生するボールねじ５１の軸とＸ軸テーブル５３の重心位置とが異なる場合は、Ｘ軸テーブル５３の姿勢に変化が生じ、Ｘ軸テーブル５３を所定の位置に正の向きで位置決めした場合と負の向きで位置決めした場合とでは両停止位置に差が生じる。そこで、ある送り速度で送ったときにおけるこの差を測定し、バックラッシ補正値として数値制御装置４５に予め与えておき移動量を補正している。
例えば特許文献１には、テーブル移動方向の反転時におけるボールねじの変形量の変化およびテーブルの変形量の変化を検出可能にする機能を設け、テーブルの移動方向反転時における位置誤差をボールねじの変形に基づく位置誤差とテーブルの変形に基づく位置誤差とに分けて検出し、それぞれの誤差を補正する機能を備えた数値制御装置が記載されている。また、特許文献２には、位置指令を２回微分して求められる加速度に係数を乗じた値を補正量として求め、速度指令に加算して加減速時の構造体の伸縮による位置誤差を補正する制御法が記載されている。さらに、特許文献３には、移動体の加速度を検出し目標位置の補正量を求める位置決め装置が記載されている。

特開平６−６７７１６号公報 特許第３３０８６５６号公報 特開平８−２９７５０８号公報

しかし、特許文献２，３の方法には、直線軸の被駆動体が姿勢変化することで生じるロストモーションによる被駆動体の姿勢変形や、直線軸と直交する回転軸も含めた補正について言及がない。このロストモーションは、被駆動体の重心と駆動力が作用する位置とが一致していないために生じるもので、送り駆動系に十分な剛性を持たせればこのような姿勢変化は無視できるが、コスト上やむを得ず剛性を持たせることができない場合や、大型の工作機械のように被駆動体の重心と駆動位置とが大きく離れ、且つ被駆動体の質量が大きい場合は無視することができない。ロストモーションの値は一定値ではなく、また反転時だけでなく加減速度の変化によって刻々と変化するため、特許文献２，３に記載のような運動方向反転時に一定の補正値を加えるバックラッシ補正機能では、姿勢変化におけるロストモーションを補正するのには不十分で、主軸とワークとの相対位置等の補正は行えない。特許文献１には、テーブルの移動方向反転時のテーブル部の変形量の変化を検出して誤差を補正する技術が開示されてはいるが、被駆動体の姿勢変化を求めるのに特別な変位センサを設ける必要がありコスト高になってしまう。

そこで、本発明は、上述のような問題に鑑みなされたものであり、変位センサ等を設けることなく、直線軸に生じた姿勢変化を回転軸を含めて精度よく補正することができる数値制御装置及び数値制御方法を提供するものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、被駆動体を直線移動させる１又は互いに直交する複数の直線軸と、何れかの直線軸回りで回転して他の直線軸と直交する１以上の回転軸とを有する数値制御装置において、前記被駆動体の加減速度を求める加減速度演算手段と、前記加減速度演算手段で得られた前記被駆動体の加減速度と、前記被駆動体の重心位置及び質量と、前記被駆動体に駆動力が作用する位置とに基づいて、少なくとも前記回転軸の周りの姿勢変位量を含む前記被駆動体の姿勢変位量を求める姿勢変位量演算手段と、前記姿勢変位量演算手段で得られた姿勢変位量から少なくとも前記回転軸の補正値を求める回転補正値演算手段と、を備えたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記被駆動体上に他の直線軸若しくは回転軸が載っている場合、前記姿勢変位量演算手段は、前記他の直線軸若しくは回転軸の重心位置を加味して修正した重心位置を前記被駆動体の重心位置として前記被駆動体の姿勢変位量を求めることを特徴とするものである。
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、前記被駆動体の重心位置及び／又は質量を入力する入力手段を設けて、前記姿勢変位量演算手段で用いる前記被駆動体の重心位置及び／又は質量を任意に変更可能としたことを特徴とするものである。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、数値制御方法であって、１又は互いに直交する複数の直線軸で直線駆動する被駆動体の加減速度を求めて記憶手段に格納する第１ステップと、第１ステップで得られた被駆動体の加減速度と、前記被駆動体の重心位置及び質量と、前記被駆動体に駆動力が作用する位置とに基づいて、少なくとも、何れかの直線軸回りで回転して他の直線軸と直交する１以上の回転軸の周りの姿勢変位量を含む前記被駆動体の姿勢変位量を求めて前記記憶手段に格納する第２ステップと、第２ステップで得られた姿勢変位量から、少なくとも前記回転軸の補正値を求める第３ステップと、を有することを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項４の構成において、前記被駆動体上に他の直線軸若しくは回転軸が載っている場合、前記第２ステップでは、前記他の直線軸若しくは回転軸の重心位置を加味して修正した重心位置を前記被駆動体の重心位置として前記被駆動体の姿勢変位量を求めることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５の構成において、前記第２ステップでは、入力手段によって得られた前記被駆動体の重心位置及び質量を用いることを特徴とするものである。

請求項１及び４の発明では、直線軸に生じた姿勢変化に基づいて回転軸を補正することで、例えば主軸とワークとの相対位置等を精度よく制御することが可能になる。特に、姿勢変化量を加速度から求めて補正するため動的に補正することが可能である。
請求項２及び５の発明では、補正対象の直線軸上に直線軸若しくは回転軸が載っている場合、上に載っている軸の移動により補正対象の直線軸の重心位置が変化した場合でも対応でき、高精度な加工を実現することができる。
請求項３及び６の発明では、ワークの大きさや重さが大きく異なる場合でも、オペレータがワークの当該情報を数値制御装置に入力することでワークの変化に対応可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［形態１］
図１は、５軸工作機械の数値制御装置のブロック図、図２は５軸工作機械の説明図である。５軸工作機械や数値制御装置の基本的な構成は図１０、１１と同じで、ここでもＸ軸のみについて説明する。
まず数値制御装置５においては、関数発生部１の他、各軸の駆動系ごとに、制御器２、サーボモータ３、位置検出器４を夫々備えている。図１０と異なるのは、Ｘ軸テーブル１３に生じた姿勢変化量を計算する補正値計算部（姿勢変化量演算手段及び回転補正値演算手段）６と、位置検出器４の出力から加速度を求める加速度計算部（加減速度演算手段）７とを新たに設けた点である。
この数値制御装置５においては、例えばＸ軸テーブル１３が移動した場合、加速度計算部７で求められたＸ軸テーブル１３の加速度ＡＡｘと各軸の位置指令値ＴＰとを用いて補正値計算部６が補正値ＥＰを算出して各軸に送る。よって、位置指令値ＴＰから補正値ＥＰとサーボモータ３に取り付けられた位置検出器４の現在位置ＡＰを引いた値が制御器２に入力されることになる。

図２は、Ｘ軸テーブル１３がＸ軸ボールねじ１１の駆動により加速度ＡＡｘで移動することでＸ軸テーブル１３にピッチングが生じている様子を示している。１４は主軸、１５は工具である。また、Ｘ軸ボールねじ１１の軸心とＸ軸テーブル１３の重心との距離Ｈｘ、転がりガイド１２のスライダ間距離Ｌｘ、Ｘ軸テーブル１３の質量Ｍｘ、重力加速度ｇ、スライダのラジアル方向剛性Ｋｘは、夫々補正値計算部６のメモリに予め記録されている。図２においては、Ｘ軸テーブル１３の重心はその２つのスライダ１２（ａ）と１２（ｂ）との中心にある。この図２を用いて姿勢変化量の算出方法について具体的に説明する。
まず、加速度ＡＡｘは、加速度計算部７で求められる（本発明の第１ステップ）。
次に、前側のスライダ１２（ａ）のラジアル方向負荷荷重をＦ１、後側のスライダ１２（ｂ）のラジアル方向負荷荷重をＦ２、Ｘ軸テーブル１３の倒れ量をΔＢとすると、

Ｆ１＝Ｍｘ・ｇ／２−Ｍｘ・ＡＡｘ・Ｈｘ／（２Ｌｘ）・・（式１）
Ｆ２＝Ｍｘ・ｇ／２＋Ｍｘ・ＡＡｘ・Ｈｘ／（２Ｌｘ）・・（式２）
ΔＢ＝ｔａｎ^−１（｜Ｆ１−Ｆ２｜／Ｋｘ／Ｌｘ）・・（式３）
と表すことができる。
すなわち、Ｘ軸テーブル１３が加減速することで、スライダ１２のラジアル方向負荷荷重に、Ｍｘ・ＡＡｘ・Ｈｘ／（２Ｌｘ）の項が加わるが、前後のスライダ１２でその符号が異なるため、負荷荷重に差が生じてＸ軸テーブル１３の姿勢変化となる。図１の補正値計算部６では、式３から補正値ＥＰｂ＝ΔＢが算出され、Ｂ軸が補正により旋回することになる。

こうして姿勢が変位したＸ軸テーブル１３と刃先の位置とを旋回前後で一致させるために、Ｘ軸とＺ軸をΔＸ、ΔＺだけ移動させる必要がある。Ｚ軸の指令値（この場合、Ｘ軸テーブル重心とＢ軸回転中心間の距離）をＴＰｚとすると、
ΔＸ＝ＴＰｚ・ｓｉｎΔＢ・・（式４）
ΔＺ＝ＴＰｚ（１−ｃｏｓΔＢ）・・（式５）
と表すことができる。すなわち、ＥＰｘ＝ΔＸとＥＰｚ＝ΔＺとが夫々補正値となる。

図３は、数値制御装置５の姿勢変位補正機能のフローチャートで、プログラムによりＸ軸移動が指令されると、まずＳ１で関数発生部１よりＴＰｘが算出される。次にＳ２では、加速度計算部７が位置検出器４の値からＸ軸の加速度ＡＡｘを算出し（本発明の第１ステップ）、Ｓ３では、Ｓ２で求められたＸ軸加速度ＡＡｘと、Ｓ１で算出されたＺ軸指令値ＴＰｚとを用いて、上述したように補正値計算部６で補正値ＥＰｘ、ＥＰｚ、ＥＰｂが夫々算出されることになる（本発明の第２、第３ステップ）。

このように、上記形態１の数値制御装置５及び数値制御方法によれば、Ｘ軸テーブル１３の加速度を求める加速度計算部７と、加速度計算部７で得られたＸ軸テーブル１３の加速度、Ｘ軸テーブル１３の重心位置及び質量、Ｘ軸テーブル１３に駆動力が作用する位置、に基づいてＸ軸テーブル１３の姿勢変位量を求め、得られた姿勢変位量からＸ軸、Ｚ軸及びＢ軸の補正値を求める補正値計算部６とを備えたことで、直線軸に生じた姿勢変化を回転軸を用いて補正して、主軸とワークの相対位置等を精度よく制御することが可能になる。特に、姿勢変化量を加速度から求めて補正するため動的に補正することが可能である。

［形態２］
次に、本発明の他の形態を説明する。なお、形態１と同じ構成部には同じ符号を付して重複する説明は省略する。
図４に示す数値制御装置５ａにおいては、補正値計算部６に、重心位置を計算する重心位置計算部８を新たに設け、直線軸上に直線軸もしくは回転軸が載っている場合、上に載っている軸の移動により補正対象の直線軸の重心位置が変化した場合でも対応できるようになっている。
図５は、５軸工作機械のＹ軸を示すもので、２１はＹ軸ボールねじ、２２はＹ軸テーブル２９を案内するＹ軸転がりガイド、２３はＹ軸クロスレール、２４はＹ軸サーボモータ、２４はＹ軸位置検出器である。ここでは直線移動するＹ軸テーブル２９に他の直線軸であるＺ軸が載っており、Ｚ軸サーボモータ２６、Ｚ軸位置検出器２７が搭載されて、被駆動体としてのＺ軸ラム２８を上下動可能としている。

ここで、Ｚ軸ラム２８が例えば同図下側に示すように下降等することで、Ｙ軸テーブル２９等を含むＹ軸Ｚ軸の重心位置はＨｙｚからＨｙｚ’へと変化する。このＨｙｚ’は、Ｙ軸の質量Ｍｙ、Ｚ軸の質量をＭｚ、重心位置Ｈｙｚを求めた時からのＺ軸移動量ΔＴＰｚとすれば、
Ｈｙｚ’＝Ｈｙｚ−Ｍｚ・ΔＴＰｚ／(Ｍｙ＋Ｍｚ）・・（式６）
で求めることができる。ここでは重心位置計算部８がこのＨｙｚ’を求めるようになっている。
よって、この数値制御装置５ａにおいては、図６のフローチャートに示すように、プログラムによりＹ軸移動が指令されると、Ｓ１１で関数発生によりＴＰｙが算出される。Ｓ１２では、加速度計算部７がＹ軸位置検出器２５の値からＹ軸の加速度ＡＡｙを算出すると共に、重心位置計算部８で、Ｚ軸の指令値ＴＰｚを用いて変位後のＹＺ軸重心位置Ｈｙｚ’を算出する。次に、Ｓ１３では、Ｓ１２で求めたＹ軸加速度ＡＡｙと、ＹＺ軸重心位置Ｈｙｚ’とを用いて、補正値計算部６で補正値ＥＰｙ、ＥＰｚ、ＥＰａを夫々算出することになる。

このように、上記形態２の数値制御装置５ａ及び数値制御方法においても、直線軸に生じた姿勢変化を回転軸を用いて補正して、主軸とワークの相対位置等を精度よく制御することが可能になる。
特にここでは、Ｙ軸の被駆動体上にＺ軸が載っている場合、補正値計算部６は、Ｚ軸の重心位置を加味して修正した重心位置をＹ軸の重心位置としてＹ軸テーブル２９等の姿勢変位量を求めるようにしているので、上に載っている軸の移動により補正対象の直線軸の重心位置が変化した場合でも対応でき、高精度な加工を実現することができる。

［形態３］
図７に示す数値制御装置５ｂにおいては、形態２の構成に加え、機械のオペレータがワークの情報をキーボード等の入力手段を用いて入力することで、ワークの大きさや重さが大きく異なる場合でも対応できるようになっている。例えば図８に示すようにＸ軸テーブル１３に大型のワーク３１が載った場合、被駆動体の質量はＭｘからＭｘ’に、重心位置はＨｘからＨｘ’に変化する。このような場合、補正値計算部６に機械オペレータからこれらの情報（Ｍｘ’、Ｈｘ’）を入力することで、被駆動体の質量と重心位置とを正確に把握することができる。
よって、図９のフローチャートに示すように、Ｓ２１でオペレータがワークの高さや質量に基づいて被駆動体の質量、重心位置を数値制御装置５ｂに入力する。Ｓ２２でプログラムによりＸ軸移動が指令されると、Ｓ２２で関数発生によりＴＰｘが算出される。次に、Ｓ２３では加速度計算部７が位置検出器４の値からＸ軸の加速度ＡＡｘを算出する。そして、Ｓ２４では、Ｓ２３で求められたＸ軸加速度ＡＡｘと、Ｓ２１で算出されたＺ軸指令値ＴＰｚとを用いて、補正値計算部６で補正値ＥＰｘ、ＥＰｚ、ＥＰｂを夫々算出することになる。

このように、上記形態３の数値制御装置５ｂ及び数値制御方法においても、直線軸に生じた姿勢変化を回転軸を用いて補正して、主軸とワークの相対位置等を精度よく制御することが可能になる。
特にここでは、Ｘ軸テーブルの重心位置及び質量を入力する入力手段を設けて、補正値計算部６で用いるＸ軸テーブルの重心位置及び質量を任意に変更可能としているので、ワークの大きさや重さが大きく異なる場合でも、オペレータがワークの当該情報を数値制御装置に入力することでワークの変化に対応可能となっている。

なお、上記形態１〜３では、加減速度演算手段で得た加速度を用いて被駆動体の姿勢変位量を求めるようにしているが、減速の際の減速度を用いて被駆動体の姿勢変化量を求めるようにしてもよい。
また、形態３においては、オペレータは被駆動体の質量と重心位置とを共に変更するようにしているが、何れか一方であっても差し支えない。
そして、上記形態１〜３では、５軸工作機械において本発明を適用した例で説明しているが、直線軸や回転軸はこれよりも少ない工作機械であっても差し支えないし、直線軸と、その直線軸に直交する回転軸とを有して夫々被駆動体を制御するものであれば、他の工作機械や産業機械にも本発明は適用可能である。

形態１の数値制御装置のブロック図である。 形態１の５軸工作機械の説明図である。 形態１の数値制御装置の姿勢変位補正機能のフローチャートである。 形態２の数値制御装置のブロック図である。 形態２の５軸工作機械の説明図である。 形態２の数値制御装置の姿勢変位補正機能のフローチャートである。 形態３の数値制御装置のブロック図である。 形態３の５軸工作機械の説明図である。 形態３の数値制御装置の姿勢変位補正機能のフローチャートである。 従来の数値制御装置のブロック図である。 従来の５軸工作機械の説明図である。

符号の説明

１・・関数発生部、２・・制御器、３・・サーボモータ、４・・位置検出器、５，５ａ，５ｂ・・数値制御装置、６・・補正値計算部、７・・加速度計算部、８・・重心位置計算部、１１・・Ｘ軸ボールねじ、１２・・スライダ、１３・・Ｘ軸テーブル、１４・・主軸、１５・・工具、２１・・Ｙ軸ボールねじ、２２・・Ｙ軸転がりガイド、２４・・Ｙ軸サーボモータ、２５・・Ｙ軸位置検出器、２６・・Ｚ軸サーボモータ、２７・・Ｚ軸位置検出器、２９・・Ｙ軸テーブル、３１・・大型ワーク。

Claims (6)

1. 被駆動体を直線移動させる１又は互いに直交する複数の直線軸と、何れかの直線軸回りで回転して他の直線軸と直交する１以上の回転軸とを有する数値制御装置において、
   前記被駆動体の加減速度を求める加減速度演算手段と、
   前記加減速度演算手段で得られた前記被駆動体の加減速度と、前記被駆動体の重心位置及び質量と、前記被駆動体に駆動力が作用する位置とに基づいて、少なくとも前記回転軸の周りの姿勢変位量を含む前記被駆動体の姿勢変位量を求める姿勢変位量演算手段と、
   前記姿勢変位量演算手段で得られた姿勢変位量から少なくとも前記回転軸の補正値を求める回転補正値演算手段と、
   を備えたことを特徴とする数値制御装置。
2. 前記被駆動体上に他の直線軸若しくは回転軸が載っている場合、前記姿勢変位量演算手段は、前記他の直線軸若しくは回転軸の重心位置を加味して修正した重心位置を前記被駆動体の重心位置として前記被駆動体の姿勢変位量を求めることを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
3. 前記被駆動体の重心位置及び／又は質量を入力する入力手段を設けて、前記姿勢変位量演算手段で用いる前記被駆動体の重心位置及び／又は質量を任意に変更可能としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の数値制御装置。
4. １又は互いに直交する複数の直線軸で直線駆動する被駆動体の加減速度を求めて記憶手段に格納する第１ステップと、
   第１ステップで得られた被駆動体の加減速度と、前記被駆動体の重心位置及び質量と、前記被駆動体に駆動力が作用する位置とに基づいて、少なくとも、何れかの直線軸回りで回転して他の直線軸と直交する１以上の回転軸の周りの姿勢変位量を含む前記被駆動体の姿勢変位量を求めて前記記憶手段に格納する第２ステップと、
   第２ステップで得られた姿勢変位量から、少なくとも前記回転軸の補正値を求める第３ステップと、
   を有することを特徴とする数値制御方法。
5. 前記被駆動体上に他の直線軸若しくは回転軸が載っている場合、前記第２ステップでは、前記他の直線軸若しくは回転軸の重心位置を加味して修正した重心位置を前記被駆動体の重心位置として前記被駆動体の姿勢変位量を求めることを特徴とする請求項４に記載の数値制御方法。
6. 前記第２ステップでは、入力手段によって得られた前記被駆動体の重心位置及び質量を用いることを特徴とする請求項４又は５に記載の数値制御方法。

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