JP7568461B2 - 制御装置、産業機械及び制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、制御装置、産業機械及び制御方法に関する。

特許文献１には、産業機械の工具を形状測定プローブとして用いる技術が開示されている。具体的には、特許文献１には、工具に振動を与え、工具に取り付けられた力センサが当該振動を検出したときに、工具が物体に接触したと判定する技術が開示されている。

特開２００６－１５９２９９号公報

産業機械などの機械によるワークの加工精度を向上するためには、ワークの加工をしながら加工誤差を補正することが望まれる。
本開示の目的は、ワークの加工をしながら加工誤差を補正することができる制御装置、産業機械及び制御方法を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、制御装置は、ワークを支持する治具と、前記ワークを加工する工具とを備える機械の制御装置であって、前記治具及び前記工具の変位の計測値に基づいて前記治具と前記工具との相対変位を特定する相対変位特定部と、前記治具及び前記工具の変位の計測値に基づいて前記治具及び前記工具がそれぞれ治具較正点及び工具較正点に位置するか否かを判定する位置判定部と、前記治具及び前記工具がそれぞれ治具較正点及び工具較正点に位置すると判定したときに、前記治具較正点の撮像画像及び前記工具較正点の撮像画像に基づいて前記治具及び前記工具の変位の計測値を補正する変位補正部と、前記工具の撓みに係る計測値に基づいて、前記工具が前記ワークに接触したか否かを判定する接触判定部と、前記工具が前記ワークに接触したと判定したときの前記相対変位に基づいて、前記工具の長さを示す工具長データを補正する工具長補正部と、前記相対変位と、前記ワークの形状と、前記工具長データとに基づいて前記治具又は前記工具を制御するための制御指令を生成する制御部と、を備える。

上記態様によれば、制御装置は、ワークの加工をしながら加工誤差を補正することができる。

第１の実施形態に係るマシニングセンタの外観を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る主軸ヘッドの構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態に係る制御装置のキャリブレーション動作を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る制御装置による加工動作を示すフローチャートである。 撮像画像に基づく相対変位の補正動作時における較正点の位置とヘッドマークの位置との関係を示す図である。 相対変位の補正を行わずに、主軸ヘッドが較正点に位置するように制御する場合における較正点の位置とヘッドマークの位置との関係を示す図である。 トルク及び撓みの計測値と剛性の計算値との関係を示すグラフである。 ワークの側面加工の例を示す図である。 側面加工によるワークの加工誤差の計測結果を示す図である。 少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。

〈第１の実施形態〉
《マシニングセンタ２０の構成》
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
図１は、第１の実施形態に係るマシニングセンタ２０の外観を示す斜視図である。マシニングセンタ２０は、基台２１と、コラム２２と、テーブル２３と、ヘッドカメラ３１と、テーブルカメラ３２と、制御装置４０とを備える。コラム２２及びテーブル２３は、基台２１の上面に設けられる。

コラム２２は、基台２１の上面に平行に設定されるＸ軸方向に移動可能に設けられる。基台２１には、Ｘ軸モータ２２Ｍ及びＸ軸エンコーダ２２Ｅが設けられる。Ｘ軸モータ２２Ｍは、コラム２２をＸ軸に沿って移動させるためのアクチュエータである。Ｘ軸モータ２２Ｍの回転は、図示しないボールねじ機構により、直線運動に変換される。Ｘ軸エンコーダ２２Ｅは、コラム２２の移動量を計測する。

コラム２２には、スライダ２４が取り付けられている。スライダ２４は、コラム２２のテーブル２３側の側部に配置されると共に、Ｘ軸及びＺ軸に共に直交するＹ軸方向に移動可能に設けられる。コラム２２には、Ｙ軸モータ２４Ｍ及びＹ軸エンコーダ２４Ｅが設けられる。Ｙ軸モータ２４Ｍは、スライダ２４をＹ軸に沿って移動させるためのアクチュエータである。Ｙ軸モータ２４Ｍの回転は、図示しないボールねじ機構により、直線運動に変換される。Ｙ軸エンコーダ２４Ｅは、スライダ２４の移動量を計測する。

スライダ２４のテーブル２３側の面には、主軸ヘッド２５が取り付けられている。主軸ヘッド２５の上面には、ヘッドマーク２５Ｘが描かれている。ヘッドマーク２５Ｘは、図１に示すように例えばＸ印で表される。ヘッドマーク２５Ｘの形態はＸ印に限られず、中心位置と角度を特定可能なものであればよい。主軸ヘッド２５は、Ｚ軸と平行な回転軸線回りに回転可能にスピンドル２６を支持する。なお、主軸ヘッド２５自身は回転しない。スピンドル２６には工具Ａが装着される。工具Ａの例としては、フライスなどが挙げられる。スピンドル２６には、スピンドル２６を回転させるためのスピンドルモータ２６Ｍが設けられる。工具Ａは、利用者によってスピンドル２６に取り付けられ、付け替えが可能である。

図２は、第１の実施形態に係る主軸ヘッド２５の構成を示す概略図である。主軸ヘッド２５には、スピンドル２６の工具取り付け部分の変位を計測する変位センサ２６Ｄと、スピンドル２６のトルクを計測するトルクセンサ２６Ｔとが設けられる。変位センサ２６Ｄの例としては、渦電流式変位センサが挙げられる。変位センサ２６Ｄは、工具取り付け部分の変位を計測することで、工具Ａの撓みを計測することができる。なお、他の実施形態においては、マシニングセンタ２０がトルクセンサ２６Ｔを備えず、スピンドルモータ２６Ｍのトルク指令値や電流値に基づいてスピンドル２６のトルクを特定してもよい。

テーブル２３は、基台２１の上面に平行でＸ軸に直交するＺ軸方向に移動可能に設けられる。テーブル２３の上部には、ワークテーブル２７が取り付けられている。ワークテーブル２７は、加工対象物であるワークＷを支持する治具である。ワークテーブル２７の上面には、テーブルマーク２７Ｘが描かれている。テーブルマーク２７Ｘは、図１に示すように例えばＸ印で表される。テーブルマーク２７Ｘの形態はＸ印に限られず、中心位置と角度を特定可能なものであればよい。テーブルマーク２７Ｘは、テーブル２３のうちワークＷが設置されない部分に描かれていてよい。ワークＷが設置されない部分にテーブルマーク２７Ｘが描かれていることで、ワークＷが設置された状態で後述のキャリブレーションを行うことができる。基台２１には、Ｚ軸モータ２３Ｍ及びＺ軸エンコーダ２３Ｅが設けられる。Ｚ軸モータ２３Ｍは、テーブル２３をＺ軸に沿って移動させるためのアクチュエータである。Ｚ軸モータ２３Ｍの回転は、図示しないボールねじ機構により、直線運動に変換される。Ｚ軸エンコーダ２３Ｅは、テーブル２３の移動量を計測する。

ヘッドカメラ３１は、コラム２２及びスライダ２４が予め定めた較正点に位置するときに、光軸が主軸ヘッド２５のヘッドマーク２５Ｘの中心を通るように設けられる。ヘッドカメラ３１は、光軸がＹ軸と平行になるように設けられる。コラム２２が位置すべき較正点はコラム較正点ともいう。スライダ２４が位置すべき較正点はスライダ較正点ともいう。コラム２２がコラム較正点に位置し、スライダ２４がスライダ較正点に位置するとき、主軸ヘッド２５が工具較正点に位置する。
テーブルカメラ３２は、テーブル２３が予め定めた較正点に位置するときに、光軸がワークテーブル２７のテーブルマーク２７Ｘの中心を通るように設けられる。テーブルカメラ３２は、光軸がＹ軸と平行になるように設けられる。テーブル２３が位置すべき較正点はテーブル較正点ともいう。テーブル２３がテーブル較正点に位置するとき、ワークテーブル２７は治具較正点に位置する。
ヘッドカメラ３１及びテーブルカメラ３２は、カメラ治具３３に取り付けられる。カメラ治具３３には、ヘッドカメラ３１及びテーブルカメラ３２を取り付けるための孔が設けられる。カメラ治具３３は、例えばセラミックスなどの熱膨張がほとんど生じない材料で構成される。カメラ治具３３は、マシニングセンタ２０を覆う図示しない筐体に取り付けられる。

《制御装置４０の構成》
図３は、第１の実施形態に係る制御装置４０の構成を示す概略ブロック図である。制御装置４０は、マシニングセンタ２０の計測データに基づいて、マシニングセンタ２０の各種アクチュエータを制御する。
制御装置４０は、データ取得部４１、形状記憶部４２、パラメータ記憶部４３、位置判定部４４、変位補正部４５、相対変位特定部４６、剛性計算部４７、接触判定部４８、工具長補正部４９、切込量決定部５０、モデル生成部５１、誤差特定部５２、制御部５３、出来形生成部５４、表示制御部５５を備える。

データ取得部４１は、マシニングセンタ２０の各種センサから計測データを取得する。具体的には、データ取得部４１は、Ｘ軸エンコーダ２２Ｅ、Ｚ軸エンコーダ２３Ｅ、Ｙ軸エンコーダ２４Ｅ、変位センサ２６Ｄ及びトルクセンサ２６Ｔから計測データを取得する。またデータ取得部４１は、ヘッドカメラ３１及びテーブルカメラ３２から画像データを取得する。

形状記憶部４２は、ワークＷの目標形状を表す三次元データである目標形状データ、ワークＷの初期形状を表す三次元データである初期形状データ及びワークＷの加工後の形状を表す三次元データである加工形状データを記憶する。目標形状データ及び初期形状データは、予めマシニングセンタ２０の利用者によって入力される。加工形状データの初期値は初期形状データと同じである。

パラメータ記憶部４３は、制御部５３によるマシニングセンタ２０の制御に用いるパラメータを記憶する。具体的には、パラメータ記憶部４３は、相対変位オフセット、工具長、状態モデルを記憶する。相対変位オフセットは、エンコーダの計測データから求められる主軸ヘッド２５とワークテーブル２７との相対変位に対する補正値である。相対変位は、平行移動量のみならず、回転角を含んでもよい。相対変位は、ヘッドマーク２５Ｘの中心点とテーブルマーク２７Ｘの中心点との距離のＸ軸成分及びＺ軸成分によって表されてよい。回転角は、ヘッドマーク２５Ｘの中心点からヘッドマーク２５Ｘの特徴点（例えば、Ｘ印の右上の突出部）へ伸びる直線と、テーブルマーク２７Ｘの中心点からテーブルマーク２７Ｘの特徴点へ伸びる直線とがなす角によって表されてよい。工具長は、スピンドル２６に取り付けられる工具Ａの長さである。状態モデルは、ワークＷの加工中におけるマシニングセンタ２０の状態によって生じる加工誤差を予測する関数である。加工中におけるマシニングセンタ２０の状態の例としては、工具Ａの撓みやスピンドル２６のトルクの変化などが挙げられる。

位置判定部４４は、データ取得部４１が取得したＸ軸エンコーダ２２Ｅ、Ｚ軸エンコーダ２３Ｅ及びＹ軸エンコーダ２４Ｅの計測データに基づいて、主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７が、計算上、所定の較正点に位置するか否かを判定する。なお、計算上、主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７が丁度較正点に位置すると判定されても、エンコーダの計測誤差などによって、実際には主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７の位置が較正点と一致しないことがある。この場合にも、主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７は少なくとも較正点の近傍に位置する。近傍とは、ヘッドカメラ３１及びテーブルカメラ３２の撮像範囲内にそれぞれヘッドマーク２５Ｘ及びテーブルマーク２７Ｘが位置する範囲である。

変位補正部４５は、ヘッドカメラ３１及びテーブルカメラ３２の画像データに基づいて、主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７を較正点に移動させる。変位補正部４５は、主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７を較正点に位置するときのＸ軸エンコーダ２２Ｅ、Ｚ軸エンコーダ２３Ｅ、Ｙ軸エンコーダ２４Ｅの値に基づいて、パラメータ記憶部４３が記憶する相対変位オフセットを更新する。

相対変位特定部４６は、Ｘ軸エンコーダ２２Ｅ、Ｚ軸エンコーダ２３Ｅ及びＹ軸エンコーダ２４Ｅの計測データ、並びに、パラメータ記憶部４３が記憶する相対変位オフセットに基づいて、主軸ヘッド２５とワークテーブル２７の相対変位を特定する。例えば、相対変位特定部４６は、ワークテーブル２７の上面の中央の点を基準としたときの主軸ヘッド２５の位置を特定する。

剛性計算部４７は、変位センサ２６Ｄ及びトルクセンサ２６Ｔの計測データに基づいて、工具Ａの剛性を計算する。具体的には、以下の式（１）に従って剛性Ｋを計算する。

Ｔはトルクセンサ２６Ｔの計測値である。εは変位センサ２６Ｄの計測値である。なお、工具Ａの撓みがない場合、εは理論的にゼロをとる。δは予め定める微小値である。微小値δは、撓みεがゼロである場合にも剛性Ｋの解を得ることができるように設定される。ｓｉｇｎ（ε）は、撓みεの符号を表す関数である。

接触判定部４８は、剛性計算部４７が計算した剛性の値に基づいて、工具ＡがワークＷに接触したか否かを判定する。工具ＡがワークＷに接触していないとき、工具Ａの撓みεはゼロであるため、式（１）で計算される剛性の値は発散する。他方、工具ＡがワークＷに接触すると、工具Ａの撓みεがゼロでなくなるため、式（１）で計算される剛性の値は収束する。そのため、接触判定部４８は、剛性計算部４７が計算した剛性の値が発散状態から収束したときに、工具ＡがワークＷに接触したと判定する。

工具長補正部４９は、工具ＡがワークＷに接触したと判定されたときの主軸ヘッド２５とワークテーブル２７の相対変位と、形状記憶部４２が記憶する初期形状データに基づいて、工具長を特定する。具体的には、工具長補正部４９は、以下の手順で工具長を特定する。工具長補正部４９は、主軸ヘッド２５とワークテーブル２７の相対変位のうちＸ軸及びＹ軸成分の値に基づいて、ワークＷが工具Ａと正対する点の高さ（Ｚ軸の値）を求める工具長補正部４９は、主軸ヘッド２５とワークテーブル２７の相対変位のうちＺ軸成分の値から、ワークＷが工具Ａと正対する点の高さを減算することで、工具長を特定する。

切込量決定部５０は、相対変位特定部４６が特定した主軸ヘッド２５とワークテーブル２７の相対変位と、形状記憶部４２が記憶する目標形状データとに基づいて、ワークＷの切込量を算出する。

モデル生成部５１は、切込量決定部５０が算出した切込量と、変位センサ２６Ｄ及びトルクセンサ２６Ｔの計測データとに基づいて、パラメータ記憶部４３が記憶する状態モデルを更新する。具体的には、モデル生成部５１は、切込量に対する工具Ａの撓みの変化量を示す撓み対切込ゲインと、切込量に対するスピンドル２６のトルクの変化量を示すトルク対切込ゲインとを出力するように、状態モデルを更新する。状態モデルは、例えばカルマンフィルタによって実現される。

誤差特定部５２は、パラメータ記憶部４３が記憶する状態モデルに切込量決定部５０が算出した切込量を代入することで、切込量決定部５０が算出する切込量での指示によって生じる工具Ａの撓み及びスピンドル２６のトルクの誤差を特定する。

制御部５３は、誤差特定部５２によって算出された誤差を打ち消すように切込量決定部５０が決定した切込量を補正し、パラメータ記憶部４３が記憶する工具長に基づいて各アクチュエータの制御信号を生成する。

出来形生成部５４は、Ｘ軸エンコーダ２２Ｅ、Ｚ軸エンコーダ２３Ｅ、Ｙ軸エンコーダ２４Ｅ、変位センサ２６Ｄ及びトルクセンサ２６Ｔの計測データに基づいて、加工対象のワークＷの形状を示す三次元データを生成する。

表示制御部５５は、生成した三次元データをディスプレイ等に出力する。

《制御装置４０の動作》
図４は、第１の実施形態に係る制御装置４０のキャリブレーション動作を示すフローチャートである。図１に示す例では、ワークＷが設置されない部分にテーブルマーク２７Ｘが描かれ、工具Ａの取り付け位置と異なる部分にヘッドマーク２５Ｘが描かれている。これにより、制御装置４０は工具Ａ及びワークＷが設置された状態で、すなわち加工直前にキャリブレーションを行うことができる。他方、ワークＷが設置される部分にテーブルマーク２７Ｘが描かれている場合、テーブル２３にワークＷを設置していない状態でキャリブレーションを行い、キャリブレーション後にテーブル２３にワークＷを設置する。

マシニングセンタ２０が起動すると、データ取得部４１は、Ｘ軸エンコーダ２２Ｅ、Ｚ軸エンコーダ２３Ｅ及びＹ軸エンコーダ２４Ｅから計測データを取得する（ステップＳ１）。位置判定部４４は、ステップＳ１で取得した計測データに基づいて、主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７が所定の較正点の近傍に位置するか否かを判定する（ステップＳ２）。すなわち、位置判定部４４は、Ｘ軸エンコーダ２２Ｅ、Ｚ軸エンコーダ２３Ｅ及びＹ軸エンコーダ２４Ｅの値が較正点の位置を示すか否かを判定する。主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７が所定の較正点の近傍に位置しない場合（ステップＳ２：ＮＯ）、制御部５３は、ステップＳ１で取得した計測データに基づいて、主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７が所定の較正点に位置するように、Ｘ軸モータ２２Ｍ、Ｚ軸モータ２３Ｍ及びＹ軸モータ２４Ｍを制御する（ステップＳ３）。その後、制御装置４０は、処理をステップＳ１に戻す。

主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７が所定の較正点の近傍に位置する場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、データ取得部４１は、ヘッドカメラ３１及びテーブルカメラ３２から画像データを取得する（ステップＳ４）。変位補正部４５は、ステップＳ４で取得した画像データに写るヘッドマーク２５Ｘ及びテーブルマーク２７Ｘが、画像データの所定位置（例えば画像中央）に所定の大きさで写っているか否かを判定する（ステップＳ５）。すなわち、変位補正部４５は、予め主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７が較正点に位置するときのヘッドマーク２５Ｘ及びテーブルマーク２７Ｘの形状を記憶しておき、画像データに写るヘッドマーク２５Ｘ及びテーブルマーク２７Ｘが当該形状と一致するか否かを判定する。ヘッドマーク２５Ｘ又はテーブルマーク２７Ｘが、所定位置かつ所定の大きさで写っていない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、制御部５３は、形状の誤差が小さくなるようにＸ軸モータ２２Ｍ、Ｚ軸モータ２３Ｍ及びＹ軸モータ２４Ｍを制御する（ステップＳ６）。そして、制御装置４０はステップＳ４に処理を戻す。

他方、ヘッドマーク２５Ｘ及びテーブルマーク２７Ｘが、所定位置かつ所定の大きさで写っている場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、データ取得部４１は、Ｘ軸エンコーダ２２Ｅ、Ｚ軸エンコーダ２３Ｅ及びＹ軸エンコーダ２４Ｅから計測データを取得する（ステップＳ７）。変位補正部４５は、較正点の位置として設定されたＸ軸エンコーダ２２Ｅ、Ｚ軸エンコーダ２３Ｅ及びＹ軸エンコーダ２４Ｅの値と、ステップＳ７で取得した計測データとの差分を、相対変位オフセットとして算出し、パラメータ記憶部４３に記憶させる（ステップＳ８）。これにより、制御装置４０は、主軸ヘッド２５とワークテーブル２７の相対変位のキャリブレーションを高速に行うことができる。

図５は、第１の実施形態に係る制御装置４０による加工動作を示すフローチャートである。
マシニングセンタ２０のキャリブレーションが完了すると、制御装置４０は、ワークＷの加工を開始する。作業者は、加工開始前までに、形状記憶部４２に初期形状データ及び目標形状データを記憶させる。

制御装置４０が加工を開始すると、データ取得部４１は、Ｘ軸エンコーダ２２Ｅ、Ｚ軸エンコーダ２３Ｅ及びＹ軸エンコーダ２４Ｅから計測データを取得する（ステップＳ２１）。相対変位特定部４６は、取得した計測データとパラメータ記憶部４３が記憶する相対変位オフセットに基づいて、主軸ヘッド２５とワークテーブル２７の相対変位を特定する（ステップＳ２２）。制御部５３は、目標形状データに基づいてワークＷの加工開始点を決定し、ステップＳ２２で特定した相対変位に基づいて工具ＡがワークＷの加工開始点に正対するようにＸ軸モータ２２Ｍ及びＹ軸モータ２４Ｍを制御する（ステップＳ２３）。

次に、制御部５３は、工具ＡがワークＷに所定量接近するようにＺ軸モータ２３Ｍを制御する（ステップＳ２４）。データ取得部４１は、Ｘ軸エンコーダ２２Ｅ、Ｚ軸エンコーダ２３Ｅ、Ｙ軸エンコーダ２４Ｅ、変位センサ２６Ｄ及びトルクセンサ２６Ｔから計測データを取得する（ステップＳ２５）。相対変位特定部４６は、主軸ヘッド２５とワークテーブル２７の相対変位を特定する（ステップＳ２６）。剛性計算部４７は、ステップＳ２５で取得した変位センサ２６Ｄ及びトルクセンサ２６Ｔの計測データに基づいて、工具Ａの剛性を計算する（ステップＳ２７）。接触判定部４８は、ステップＳ２７で計算した剛性の値が発散しているか否かを判定する（ステップＳ２８）。

剛性の値が発散している場合（ステップＳ２８：ＹＥＳ）、制御装置４０はステップＳ２４に処理を戻す。他方、剛性の値が発散していない場合（ステップＳ２８：ＮＯ）、工具長補正部４９は、ステップＳ２６で算出した相対変位と、形状記憶部４２が記憶する初期形状データに基づいて、工具長を特定し（ステップＳ２９）、パラメータ記憶部４３が記憶する工具長を更新する。

次に、切込量決定部５０は、相対変位特定部４６が特定した主軸ヘッド２５とワークテーブル２７の相対変位と、形状記憶部４２が記憶する目標形状データとに基づいて、ワークＷの切込量を算出する（ステップＳ３０）。データ取得部４１は、Ｘ軸エンコーダ２２Ｅ、Ｚ軸エンコーダ２３Ｅ、Ｙ軸エンコーダ２４Ｅ、変位センサ２６Ｄ及びトルクセンサ２６Ｔから計測データを取得する（ステップＳ３１）。モデル生成部５１は、ステップＳ３０で算出した切込量と、変位センサ２６Ｄ及びトルクセンサ２６Ｔの計測データとに基づいて、状態モデルを生成する（ステップＳ３２）。すなわち、モデル生成部５１は、切込量に対する工具Ａの撓みの変化量を示す撓み対切込ゲインと、切込量に対するスピンドル２６のトルクの変化量を示すトルク対切込ゲインとを出力するように、状態モデルを生成する。誤差特定部５２は、パラメータ記憶部４３が記憶する状態モデルにステップＳ３０で算出した切込量を代入することで、ステップＳ３０で算出した切込量での指示によって生じる工具Ａの撓み及びスピンドル２６のトルクの誤差を特定する（ステップＳ３３）。すなわち、誤差特定部５２は、切込量に、状態モデルから求められる撓み対切込量ゲインを乗算することで、工具Ａの撓み量を計算する。また誤差特定部５２は、切込量に、状態モデルから求められるトルク対切込量ゲインを乗算することで、スピンドル２６のトルクを計算する。そして、誤差特定部５２は、状態モデルに基づく計算値と計測値を比較することによってそれぞれの誤差を特定することができる。これらの誤差から、指示された切込み量と実際の切込み量との差、つまり加工誤差が分かる。

制御部５３は、ステップＳ３０で算出した切込量とステップＳ３３で算出した誤差とに基づいて切込量を補正し、パラメータ記憶部４３が記憶する工具長に基づいて各アクチュエータを制御する（ステップＳ３４）。出来形生成部５４は、ステップＳ３１で取得した計測データに基づいて、加工形状データを更新する（ステップＳ３５）。

制御部５３は、ワークＷの加工が完了したか否かを判定する（ステップＳ３６）。ワークＷの加工が完了していない場合（ステップＳ３６：ＮＯ）、制御装置４０は処理をステップＳ３０に戻す。他方、ワークＷの加工が完了した場合（ステップＳ３６：ＹＥＳ）、表示制御部５５は、形状記憶部４２が記憶する加工形状データと目標形状データとの差分を算出する（ステップＳ３７）。表示制御部５５は、加工形状データの表面に、ステップＳ３７で算出した差分に応じた色をマッピングし、加工形状データをレンダリングすることで、表示画像を生成する（ステップＳ３８）。表示制御部５５は、表示画像をディスプレイに出力する（ステップＳ３９）。差分に応じた色は、例えば削りが不十分である部分を赤色、削りが過剰である部分を青色で表し、差分の大きさのグラデーションで表したものであってよい。
これにより、制御装置４０は、ワークＷの加工をしながら加工誤差を補正し、さらに完成品と目標形状との差を作業者に視覚的に認識させることができる。

《作用・効果》
このように、第１の実施形態に係る制御装置４０は、主軸ヘッド２５とワークテーブル２７との相対変位と工具の撓みに係る計測値に基づいて、工具長データを補正する。即ち、制御装置４０は、ワークＷの加工の際に、ワークＷと工具Ａとの接触を検知し、これに基づいて工具長データを補正することができる。これにより、制御装置４０は、ワークＷの加工をしながら工具長による加工誤差を補正することができる。

第１の実施形態に係る制御装置４０は、工具Ａのトルクと工具Ａの撓みとに基づいて剛性を計算し、当該計算値に基づいて工具ＡとワークＷとの接触を判定する。図８は、トルク及び撓みの計測値と剛性の計算値との関係を示すグラフである。図８に示すように、ワークＷと工具Ａとが接触してから工具Ａのトルク及び工具Ａの撓みの計測値に有意に変化が生じるまでには、遅れが生じる。例えば、図８に示す例では、時刻Ｔ０においてにワークＷと工具Ａとが接触している。工具Ａのトルク及び工具Ａの撓みの計測値は、ワークＷと工具Ａとの接触によって変化し、ワークＷと工具Ａとの接触から時間ｔ１経過後に定常状態となっている。つまり、工具Ａのトルク及び工具Ａの撓みの計測値が有意に変化するまでには、ワークＷと工具Ａとの接触から時間ｔ１の遅れが生じる。これに対し、剛性の計算値は、ワークＷと工具Ａとの接触から時間ｔ２経過後に収束する。図８に示すように、時間ｔ２は時間ｔ１と比較して有意に短いことが分かる。具体的には、時間ｔ２は時間ｔ１の約５分の１である。このことから、剛性の計算値はワークＷと工具Ａとの接触に対する感度が高いことが分かる。したがって、第１の実施形態に係る制御装置４０は、剛性の計算値を用いることで、接触判定を遅れなく行うことができる。

第１の実施形態に係る制御装置４０は、主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７が所定の較正点に位置するときにヘッドカメラ３１及びテーブルカメラ３２が撮像した画像に基づいて、主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７の相対変位を補正する。これにより、制御装置４０はエンコーダの計測誤差を補正することができる。図６は、撮像画像に基づく相対変位の補正動作時における較正点の位置とヘッドマーク２５Ｘの位置との関係を示す図である。図７は、相対変位の補正を行わずに、主軸ヘッド２５が較正点に位置するように制御したときの、較正点の位置とヘッドマーク２５Ｘの位置との関係を示す図である。図７に示すように、工具の位置の補正を行なわずに、目標形状データから生成されるＮＣ（Numerical Control）データに従って加工制御を行う場合、熱や重力による変位等の影響により、工具の位置の誤差がそのまま加工誤差として表れる。
なお、ヘッドカメラ３１及びテーブルカメラ３２の相対変位はカメラ治具３３により固定される。そのため、ヘッドカメラ３１及びテーブルカメラ３２が撮像した画像をリファレンスとして用いて、主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７の相対変位を補正することで、加工誤差を低減することができる。なお、第１の実施形態に係る制御装置４０は、ヘッドマーク２５Ｘ及びテーブルマーク２７Ｘが撮像画像において所定形状で写るようにアクチュエータを駆動させることで相対変位の補正を行う。そのため、ヘッドカメラ３１及びテーブルカメラ３２の精密なキャリブレーションなしに主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７の相対変位の補正を行うことができる。なお、他の実施形態においては、ヘッドカメラ３１及びテーブルカメラ３２の位置を精密に設定しておくことで、変位補正部４５が撮像画像におけるヘッドマーク２５Ｘ及びテーブルマーク２７Ｘのずれ量から相対変位オフセットを算出してもよい。また、制御装置４０は画像を用いて主軸ヘッド２５及びワークテーブル２７の相対変位を補正することで、相対的な平行移動量のみならず、回転角すなわち相対的な姿勢のずれも補正することができる。

第１の実施形態に係る制御装置４０は、マシニングセンタ２０の計測値及び切込量とに基づいて、マシニングセンタ２０の状態を算出する状態モデルを生成し、当該状態モデルに基づいて切込量から制御誤差を特定する。これにより、制御装置４０は、ワークＷの加工をしながら制御誤差を補正することができる。なお、工具Ａの先端部分は、ワークＷの加工中には火花、切りくず及びクーラントの存在によりカメラ等で観察することができないが、本実施形態に係る制御装置４０によれば、これらの存在の有無に関わらず工具Ａの先端の状態を認識することができる。図９は、ワークＷの側面加工の例を示す図である。図９によれば、マシニングセンタ２０は、工具ＡによってＹ軸に沿ったワークＷの側面を加工する。このとき、工具Ａは、ワークＷの側面との接触によりＸ軸方向に撓む。図１０は、側面加工によるワークの加工誤差の計測結果を示す図である。図１０に示すように、側面加工時に状態モデルから特定される加工誤差は、側面加工後に三次元測定機を用いて計測した加工誤差とほぼ一致していることが分かる。つまり、本実施形態によれば、制御装置４０は、後工程で加工誤差の計測をすることなく、高精度に加工誤差を提示することができる。

〈他の実施形態〉
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。
上述した実施形態に係る制御装置４０は、単独のコンピュータによって構成されるものであってもよいし、制御装置４０の構成を複数のコンピュータに分けて配置し、複数のコンピュータが互いに協働することで制御装置４０として機能するものであってもよい。このとき、制御装置４０を構成する一部のコンピュータがマシニングセンタ２０の内部に搭載され、他のコンピュータがマシニングセンタ２０の外部に設けられてもよい。

上述した実施形態に係る制御装置４０は、マシニングセンタ２０を制御するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置４０は、研削盤、フライス盤、旋盤、ボール盤などの他の工作機械を制御してもよい。

上述した実施形態では、工具Ａの撓みを渦電流型の変位センサ２６Ｄによって検出するが、これに限られない。例えば、他の実施形態では、工具Ａの撓みをスピンドル２６に取り付けた複数のひずみセンサや加速度センサによって検出してもよい。

上述した実施形態では、ヘッドマーク２５Ｘが主軸ヘッド２５の上面に描かれ、ヘッドカメラ３１が主軸ヘッド２５の上方に設けられるが、これに限られない。例えば、ヘッドマーク２５Ｘが主軸ヘッド２５の側面に描かれ、ヘッドカメラ３１が主軸ヘッド２５の側方に設けられていてもよい。同様に、テーブルマーク２７Ｘがテーブル２３の側面に描かれ、テーブルカメラ３２がテーブル２３の側方に設けられていてもよい。また他の実施形態においては、ヘッドカメラ３１及びテーブルカメラ３２を複数備え、制御装置４０が各カメラが撮像した画像に基づいてキャリブレーションを行ってもよい。

〈コンピュータ構成〉
図１１は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
コンピュータ１００は、プロセッサ１０１、メインメモリ１０２、ストレージ１０３、インタフェース１０４を備える。
上述の制御装置４０は、コンピュータ１００に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ１０３に記憶されている。プロセッサ１０１は、プログラムをストレージ１０３から読み出してメインメモリ１０２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、プロセッサ１０１は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ１０２に確保する。プロセッサ１０１の例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）、マイクロプロセッサなどが挙げられる。

プログラムは、コンピュータ１００に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージに既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、コンピュータ１００は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサ１０１によって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。このような集積回路も、プロセッサの一例に含まれる。

ストレージ１０３の例としては、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ１０３は、コンピュータ１００のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース１０４または通信回線を介してコンピュータ１００に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ１００に配信される場合、配信を受けたコンピュータ１００が当該プログラムをメインメモリ１０２に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも１つの実施形態において、ストレージ１０３は、一時的でない有形の記憶媒体である。

また、当該プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、当該プログラムは、前述した機能をストレージ１０３に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせで実現するもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

１００…コンピュータ １０１…プロセッサ １０２…メインメモリ １０３…ストレージ １０４…インタフェース ２０…マシニングセンタ ２１…基台 ２２…コラム ２２Ｅ…Ｘ軸エンコーダ ２２Ｍ…Ｘ軸モータ ２３…テーブル ２３Ｅ…Ｚ軸エンコーダ ２３Ｍ…Ｚ軸モータ ２４…スライダ ２４Ｅ…Ｙ軸エンコーダ ２４Ｍ…Ｙ軸モータ ２５…主軸ヘッド ２５Ｘ…ヘッドマーク ２６…スピンドル ２６Ｄ…変位センサ ２６Ｍ…スピンドルモータ ２６Ｔ…トルクセンサ ２７…ワークテーブル ２７Ｘ…テーブルマーク ３１…ヘッドカメラ ３２…テーブルカメラ ３３…カメラ治具 ４０…制御装置 ４１…データ取得部 ４２…形状記憶部 ４３…パラメータ記憶部 ４４…位置判定部 ４５…変位補正部 ４６…相対変位特定部 ４７…剛性計算部 ４８…接触判定部 ４９…工具長補正部 ５０…切込量決定部 ５１…モデル生成部 ５２…誤差特定部 ５３…制御部 ５４…出来形生成部 ５５…表示制御部 Ａ…工具 Ｗ…ワーク

Claims (6)

1. ワークを支持する治具と、前記ワークを加工する工具とを備える機械の制御装置であって、
   前記治具及び前記工具の変位の計測値に基づいて前記治具と前記工具との相対変位を特定する相対変位特定部と、
   前記治具及び前記工具の変位の計測値に基づいて前記治具及び前記工具がそれぞれ治具較正点及び工具較正点に位置するか否かを判定する位置判定部と、
   前記治具及び前記工具がそれぞれ治具較正点及び工具較正点に位置すると判定したときに、前記治具較正点の撮像画像及び前記工具較正点の撮像画像に基づいて前記治具及び前記工具の変位の計測値を補正する変位補正部と、
   前記工具の撓みに係る計測値に基づいて、前記工具が前記ワークに接触したか否かを判定する接触判定部と、
   前記工具が前記ワークに接触したと判定したときの前記相対変位に基づいて、前記工具の長さを示す工具長データを補正する工具長補正部と、
   前記相対変位と、前記ワークの目標形状と、補正された前記工具長データとに基づいて前記治具又は前記工具を制御するための制御指令を生成する制御部と、
   を備える制御装置。
2. 前記工具のトルクと、前記工具の撓みに係る計測値とに基づいて前記工具の剛性を計算する剛性計算部を備え、
   前記接触判定部は、前記剛性の計算値が収束したときに前記工具が前記ワークに接触したと判定する
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記機械に係る計測値及び前記制御指令とに基づいて、前記機械の状態を算出する状態モデルを生成するモデル生成部と、
   前記機械に係る計測値及び前記制御指令を前記状態モデルに入力することで、制御誤差を特定する誤差特定部と、
   を備える請求項１又は請求項２に記載の制御装置。
4. 前記制御誤差に基づいて前記制御指令によって加工された前記ワークの形状を表す三次元データを生成する出来形生成部
   を備え、
   前記制御部は、前記目標形状を表す目標データに基づいて前記制御指令を生成する
   請求項３に記載の制御装置。
5. ワークを支持する治具と、
   前記ワークを加工する工具と、
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載の制御装置と
   を備える産業機械。
6. ワークを支持する治具と、前記ワークを加工する工具とを備える機械の制御方法であって、
   前記治具及び前記工具の変位の計測値に基づいて前記治具と前記工具との相対変位を特定するステップと、
   前記治具及び前記工具の変位の計測値に基づいて前記治具及び前記工具がそれぞれ治具較正点及び工具較正点に位置するか否かを判定するステップと、
   前記治具及び前記工具がそれぞれ治具較正点及び工具較正点に位置すると判定したときに、前記治具較正点の撮像画像及び前記工具較正点の撮像画像に基づいて前記治具及び前記工具の変位の計測値を補正するステップと、
   前記工具の撓みに係る計測値に基づいて、前記工具が前記ワークに接触したか否かを判定するステップと、
   前記工具が前記ワークに接触したと判定したときの前記相対変位に基づいて、前記工具の長さを示す工具長データを補正するステップと、
   前記相対変位と、前記ワークの目標形状と、補正された前記工具長データとに基づいて前記治具又は前記工具を制御するための制御指令を生成するステップと、
   を備える制御方法。

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