JPH07501412A - Ｎｃ工作機械の加工精度の検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ＮＣ工作機械の加工精度の検査方法 従来の技術 本発明は、円形の目標路を実際の機械運動を描く実際円形路と比較することによ って、少な（とも２つのサーボ回路を有する少なくとも２軸のＮＣ工作機械に対 し、当該ＮＣ工作機械の加工精度を検査する方法であって、前記サーボ回路はそ れぞれ、目標運動路を描かせる位置案内信号に従ってキャリッジを案内するため の軸駆動部と、該キャリッジの位置を検出およびフィードバックするための距離 測定装置とを有するものである検査方法に関する。

ＮＣ工作機械の加工精度を検出するために、いわゆる円形検査法（Ｋｒｅｉｓｆ ｏｒｍｔｅｓｔ）が開発された。この検査法では、ＮＣ工作機械により実行され る円形路が所定の基準円形路と比較される。この形式の検査法は、例えば“Ｄｅ ｒ　Ｋｒｅｉｓｆｏｒｍ−Ｔｗｓｔ　ｚｕｒ　Ｐｒｕｅｆｕｎｇ　ｖｏｎ　ＮＣ −Ｗｅ　ｒｋｚｅｕｇｍａｓｃｈ　ｉ　ｎｅｎ”　、Ｗ、Ｋｎａｐｐ、Ｓ、Ｈｒ ｏｖａｔ著、１９８６年、１９〜２５頁に記載されている。この刊行物によれば 円形検査法とは、ＮＣ工作機械により走行された円形路を高精度の基準工具によ り定められた既知の直径の基準円と比較することである。検査を行うために、Ｎ Ｃ工作機械の制御部に基準円に相応する円形路がプログラミングされ、２次元走 査子により検出された実際の輪郭とＮＣ工作機械により実際に実行された円形路 とが比較される。差はグラフィックにおよび／または数値的に表示される。円形 検査法の際に発見された軌跡差に基づき、ＮＣ工作機械の公差の保持状態が検査 され、並びに偏差原因に関する情報が得られる。

円形検査法により得られた結果をどのように評価するのかという詳しい説明も前 記の刊行物に記載されている。

円形検査法を実行するための他の方式は、ＲＥＮＩＳＨＡＷ社のパンフレット、 １９９１年、’Ｄａｓｎｅｕｅ　ＰＣ−ｇｅｓｔｕｅｔｚｔｅ　Ｍｅｓｓｓｙｓ ｔｅｍ　ｚｕｒ　Ｕｅｂｅｒｐｒｕｅｆｕｎｇｖｏｎ　Ｂｅａｒｂｅｉｔｕｎｇ ｓｚｅｎｔｒｅｎ”から公知である。この構成では、長さの変化するスケールの 一方の端部が、機械によって走行すべき円形の中央に固定され、他方の端部が機 械の軸に固定される。

円を走行する際に発生するスケールにおける長さ変化が表示される。

これら公知の検査法の欠点は、機械的構成を調整するために非常に時間がかかる ことである。これは特に、Ｋ　ｎ　ａ　ｐ　ｐ　／　Ｈｒ　ｏ　ｖ　ａ　ｔによ る検査法で基準円を調整する際にあてはまる。ＲＥＮＩＳＨＡＷの検査法は迅速 に実行することが、しかしこの測定装置自体が２つの継ぎ手を有し、これらの継 ぎ手が付加的なエラー凛となって、精度の問題がある。

本発明の課題は、結果を従来公知の検査法よりも迅速に簡単に得ることのできる 円形検査方法を提供することである。

この課題は本発明により、距離測定装置から送出された位置信号から実際円形路 を形成することにより解決される。

本発明の方法は、付加的に正確な測定装置が必要ないという利点がある。本発明 は、簡単に、かつ迅速に任意の頻度で実施することができる。

特別な構成では本発明の方法は、前記の公知の検査法を補充するように実施され る。このようにして機械加工精度の特に簡単な分析が達成される。

本発明の実施例を以下図面に基づき、詳細に説明する。

図１は、公知の円形検査法を実施する装置のブロック回路図、 図２は、本発明の方法を実施する装置のブロック回路図、 図３は、円形検査法により得られる結果を表す概略図、 図４は、本発明の方法のステップを示す概略図である。

実施例 本発明の方法を実施するのに適した構成が図２に簡単に示されている。ここには 、詳細に図示しない多軸ＮＧ工作機械の制御部の一部が示されているが、しかし 本発明の方法は基本的にすべての機械形式および例えばロボットにたいしても適 するものである。制御部は通常の制御部であり、その構成および機能は周知であ る。従って図２には、以下の説明で必要な要素だけが制御部全体の中から示され ている。

補間器１０は公知のように、加工処理部から到来する運動目標路の基準点に対し て所定のように中間基準点を発生する。補間器１ｏの出力信号は、機械の少なく とも２つのキャリッジを円形の目標運動路Ｒ８゜に沿って案内するためのベクト ル案内１ｗ、　ｃである。案内量ＷＮｃの成分は、個々の軸をｍ御するため後置 接続されたサーボ制御回路３ｏ、４ｏ、５ｏに対する位置案内信号ＷＮＣＩＩ　 ＷＮＣ２１−−＋　ＷＮＣＩＩ　・−である・補間器１０はさらに図示しない予 備制ｍ装置を有する。この予備制御装置は、補間器１０から出力された位置案内 信号ＷＮＣＩＩ　Ｖ／１１ｃ２．−　、　＋　ＷＮＣＩＩ　・−に対して予備制 御信号Ｗ、。ＴＩＩＷＩ＋。＋＋１−　、　、　ｗ、。＋Ｉ＋　、＋を形成する 。この予備制御信号も同様に、それぞれ駆動部３１．４１、キャリッジ３２．４ ２並びに距離測定装ｆｆ１３３．３４からなる後置接続されたサーボｆｉＩＩ御 回路３０．４０．５ｏに供給される。有利には補間器１０から構成される装置案 内信号Ｖ／ＮＣＩ＋　ｗＮＣ２＋　１．＋ｗＮｃ、、　、　、の少なくとも１次 および２次の時間導関数、すなわち案内速度および案内加速度が予備制御される 。予備制御は必ずしも必要ではないが、円形検査法で得られる結果を格段に改善 する。予備制御の基本は、例えば刊行物Ｐ、５ｔｏｐｈ著、”Ｖｅｒｍｉｎｄｅ ｒｕｎｇｄｙｎａｍｉｓｃｈｅｒ　Ｂａｈｎａｂｗｅｉｃｈｕｎｇｅｎ　ｂｅｉ 　ｎｕｍｅｒｉｓｃｈ　ｂａｈｎｇｅｓｔｅｕｅｒｔｅｎ　ｗｅｒｋｚｅｕｇｍ ａｓｃｈｉｎｅｎ″、　Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ　ｆｕｅｒ　１ｎｄｕｓｔｒｉ ｅｌｌｅ　Ｆｅｒｔｉｇｕｎｇ、　１９７８年、３２９〜３３３頁に記載されて いる。予備制御を実施するために必要ないわゆる予備制御パラメータをどのよう に形成するかはドイツ特許出願第４０３９６２０．７号明細書に記載されている 。

補間器１０には当該機械の軸数に相応する複数の、しかし少なくとも２つのサー ボ制御回路３０．４０．５０が後置接続されている。これらサーボ制御回路のう ち見やすくするため３つだけが図２に図示されているが、しかし３個以上存在す ることもある。すべてのサーボ制御回路３０．４０．５０は原則的に同じように 構成されており、それぞれ１つの軸駆動ｆ＄３１．４１を有する。軸駆動部は補 間器１０により設定された位置案内信号に従いキャリッジ３２．４２を、一般的 には線形の軸線に沿って制御する。実際路Ｒ２にあるキャリッジ３２．４２の、 機械固定した基準点に関する実際位置Ｘ旧Ｔ　ＸｌＩ２＋　−、＋　ＸＭｌ、・ ・が距離測定装置３３．４３により軸ごとに検出され、軸駆動部３１．４１にフ ィードバックされる。距離測定装置３３．４３は有利には長さを直接測定するた めの長さスケールであり、相互に直交して配置され、光学的に走査される。この 形式の距離測定装置並びにその機能は、例えば刊行物″Ｋｏｎｓｔｒｕｋｔｉｏ ｎ”、４３．１９９１年、４０１〜４１Ｑ頁に記載されている。

少なくとも２つの軸駆動部３１．４工は相互に直交する軸に作用する。これらの 軸はｌ平面上に展開されている。少なくとも２つの軸駆動部３１．４１により作 用される運動に基づいて、所属のキャリッジ３２．４２が当該軸に沿って次のよ うに運動される。すなわち、その相対運動が補間器１０がら案内量ｗＮｃとして 設定された目標路ＲＮｃに相応するように運動される。

どちらのキャリッジ３２．４２が移動されるかは重要でない。キャリッジ３５． ３６の運動はそれぞれ１つ以上の軸駆動部によって制御することができ、３つ以 上の軸に沿って行うことができる。重要なのはキャリッジ３５と３６の相互の相 対運動である。

距１１１ｔａ定装置３１．４１により検出されたキャリッジ位置ＸＭＩＩ　Ｘ１ ｉｚ＋　＋　、＋　ＸＭＩＩ　−−はさらに診断ユニット２０に供給される。診 断ユニット２ｏには他に、案内量信号ｗＮｃにより定められた目標円形路ＲＮｃ の信号、基準信号ＲＲ＊　Ｉ並びにスケーリングのための信号れが供給される。

診断ユニット２ｏの出方信号は有利には２つの相互に直交する情報レーンＸ。ｌ ＋　ｘ、、からなる、この出力信号は、有利には画面の形態の表示ユニット７０ に供給される。

図１は、従来技術から公知の基準円と走査子を有する測定装置を示す、これは例 えば、Ｋｎａ　ｐ　ｐ　／　Ｈｒｏｖａｔの刊行物から公知である。図２に基づ き既に説明した要素には同じ参照符号が付しである。距離測定装置３３．４３の 他に、図１の装置は例えば２次元走査子を有する。２次元走査子は実質的に走査 ヘッド６０と測定ピックアップ６１からなり、これらは機械的に相互に結合して いる。２次元走査子は機械的にキャリッジ３２．４２の少なくとも１つと結合し ている。

これは機械部材６５により考慮されている。測定ヘッド６０が制御部により設定 された目標円形路ＲＮｃに相応して移動する間、測定ピックアップ６１は基準円 として構成されたリング状の測定ヘッド６２に沿って、この測定ヘッドにより物 理的に定められた軌跡上を案内される。その際、後での測定結果の評価を見れば 、基準円６２の内側の走査（内側基準円）と基準円の外側の走査（外側基準円） とが区別される。２次元走査子の出力信号Ｒ，，，は加算点６３に供給される。

加算点にはその他に基準信号Ｒ□、を供給することができる。加算点６３の出力 信号も画面の形態の表示ユニット７０に供給される。

以下、図面に示された装置構成の機能を詳細に説明する。その際まず図２を基準 にする。

円形検査法の実施の際、補間器１０は制御部１１を介して前もってプログラミン グされた円形状の目標路ＲＮｃを設定する。有利には目標円形路ＲＮｃは、この 円形路が２つの軸により展開された平面内に正確にあるように選択される。目標 円形路ＲＮｃを機械によって加工する場合、円形路の平面に展開された機械軸だ けが作動され、その他の軸は作用しない。このような機械的適合処置により後で の結果の評価が簡単になる。目標円形路ＲＮｃは機械により一定の軌跡速度で走 行される。距離測定装置３３．４３は、キャリッジ３２．４２による機械運動の 際に実際に加工された実際路Ｒ。

を検出する。これはそれぞれ運動に関与するキャリッジ３２．４２の位置を検出 することにより行われる。

相対的キャリッジ運動路の位置を一義的に検出するためには、少なくとも２つの サーボ回路３０，４０．５０のキャリッジの位置が必要である。走行された実際 路Ｒ，が測定装置３３．４３に関する平面内に正確になければ、少なくとも３つ のサーボ回路３ｏ、４ｏ、５０のキャリッジ位置が既知でなければならない、実 際路ＲＭの検出されたすべての位置は診断ユニット２０に供給される。位置案内 信号ｗＮｃにより設定された各目標位置ごとに、すなわち補間器１０の各補間ス テップごとに、診断ユニット１０は連続的に、目標路ＲＥ上のキャリッジ３２お よび４２相互の位置と、所属の距離測定装置４０により測定された実際路Ｒ２上 の位置との差を検出する。この診断ユニット２ｏで検出された差は軌跡偏差ΔＲ の形で円形検査法の結果を既に表す。この結果が表示器７ｏに表示される。

得られた結果の意味を簡単にするため、軌跡偏差ΔＲを連続的に、有利には基準 円経路の形態の設定された基準信号ＲＲ＋＋１に加算する。また第２の実施例で はこれから減算する。このようにして円形として見ることができるように結果が 可視表示される。さらに種々異なる円形検査からの結果を比較することができる 。

診断ユニット２０で発見された軌跡偏差ΔＲが基準円経路ＲＲ，Ｉから減算され れば表示器７ｏには、過度に小さな実際円形路ＲＭが過度に大きな円形として、 また過度に大きな実際路Ｒうが過度に小さな円形として表示される。これにより 表示器７ｏがら直接所要の補正を取りだすことができる。この表示形式は、図１ に示した内側基準円での走査による円形検査法に相応する。診断ユニット２ｏで 検出された軌跡偏差△Ｒが基準信号Ｒ，ｌｅ＋に加算されるならば、過度に小さ な円は表示器７０に過度に小さく、過度に大きな円は過度に大きく表示される。

この場合表示器７ｏがら直接、目標路と実際路との偏差を取りだすことができる 。この表示は、図１の外側基準円の走査による円形検査法に相応する。結果を解 釈および提示するためには再度、冒頭に述べたＫ　ｎ　ａ　ｐ　ｐ　／　Ｈｒ　 ｏ　ｖ　ａ　ｔの刊行物が参照される。そこに記載された評価法は、ここに提案 した円形検査法でも同様に適用することができる。

読み取り易くするため、表示器の表示を有利には表示器に基礎表示された座標系 のスケーリングによって所定の拡大係数Ｓｖで拡大する。適当な拡大係数は１０ ００倍のオーダーである。

本発明の方法の基本的者えは、サーボ回路にいずれにしろ存在する、キャリッジ の実際位置と所望の目標位置についての情報を円形検査法の実施に利用すること である。しかし−見簡単に思えるこの方法の困難性は、ＮＣ補間器ｌＯにより設 定された目標位置とダイレクト距離測定装置３３．４３により測定された実際位 置とを、円形偏差を形成するためには正しく対応割当てしなければならないこと である。種々異なる大きさですべての数値制御機械に発生する慣性誤差（例えば 既にサーボ回路での位置制御器の比例制御器としての構成に起因する）のため一 般的な作用が発生し、制御部により設定される目＃Ｘ（ｆｌは機械によって到達 される実ｒｇ、値に先行する。これにより、円形運動の場合は機械により実際に 処理される実際口の半径が常に得ようとする目標口の半径よりも小さい。従って 目標路と実際路とは、同じ時点で検出された目標位置ないし実際位置の単純な評 価によって比較することはできない慣性誤差に起因する対応割当ての問題が図３ に示されている。ＲＮＣは目標円形路を示す。この目標円形路は、機械のデジタ ル動作に起因して、目標位置のシーケンス（図３では分線分として示されている ）により多角形に近似している。ＲＮは、距離測定装置３３．４３により検出さ れた実際円形路を示す。実際円形路は図３の例では時計方向に巡回する。表示さ れているのは、任意の２つの直交軸により展開されたｘ−ｙ平面である。時点ｔ １で目標位置ｘｌ、ｙ、が制御部から設定される。慣性誤差のため、機械は同じ 時点ｔ１では実際には位置Ｘｕ＋＋　ＹＩＪＩにある。

図３かられかるように、固定の時点ｔｌでの目標位置と実際位置との比較は機械 特性に関する情報を提供することができないこととなる。というのは、時点ｔ１ で存在する見かけの軌跡偏差へＲは、この時点で実際に存在する軌跡偏差ΔＲと 一致しないからである。

したがって提案された方法はとくに、制御部が予備制御装置１２を含む機械に適 する。というのは予備制御の目的は慣性誤差を回避することであり、この形式の 制御では目標位置と実際位置とが円形運動の際に一般的に一致するからである。

確かに予備制御はダイナミックな慣性誤差を格段に低減することができる。しか しこれを理想的にゼロにすることはできない。さらに、予備制御が不可能な場合 、または所望されない場合での適用も考えられる。

対応割当ての問題を解決する別の手段は、提案されだ円形検査法をまず補正なし で実行し、得られた結果を、後から遅れ間隔を数学的考慮して評価するのである 。この形式の方法が図４に示されている。まずステップ２１で、ＮＣ工作機械は 所定の目標円形路ＲＮｃを走行する。目標位置ｗＮｃと測定された実際位置ＸＭ は軸ごとに記憶され、その際目標位置Ｗ）Ｉｃと測定された実際位置ＸＭとはそ れぞれ同じ時間に検出される。

第１のステップ２１で記憶された位置値から、実際位置ｘＭがステップ２２で、 デカルト座標系を展開する２つの軸Ｊに対して新たな補正された位置目標値ＷＮ Ｃ（新）が次のように割り当てられる。

（１）　Ｗｗｃ１＝ＲＮｃ（（Ｘｖ＋＋ＸＭｉ）　・ＸＭＪ　：　Ｊ　＝　１　 、２新たな位置目標値ｗＮｃにより次のステップ２３で各実際位置ごとに、時点 ｔ、で実際にＮＣ工作機械に発生する軌跡偏差ΔＲが次のようにして得られる。

（２）　ΔＲ＝Ｊ　（（ＷＮＣＩ　ｘｕ＋）　”＋　（ＷＨｃｘ　ＸＭり　”） 結果を見やすくするため、式（２）で発見された軌跡偏差は再び有利には、基準 円の形の基準信号Ｒ１Ｉに加算されるか、またはこれから減算される。従ってス テップ２４では、例えば相互作用的入力によって基準信号Ｒ□、並びに所望の表 示が内側基準円および外側基準円で確定される。デカルト座標系に関連する表示 器７０でのポイントごとの表示は軸成分を必要とし、従って以下のように計算さ れる。

（３）内側基準円に対して：　ｘｏ、＝　ｘ、、−（１−ＲＲ／　ＲＮｃ）ＷＮ ＣＩ　（新）、ｊ＝１，２（４）外側基準円に対して・ｘｏＪ＝　（（１＋ＲＲ ／Ｒ，，）　ｗ、、１　（新）　ＸＭＩ；Ｊ＝１１２後続のステップ２５で、発 見された軌跡偏差ΔＲの拡大が行われる。これも例えば相互作用的に、画面７０ での表示の基礎とされる座標系のスケーリングに対してスケーリング係数を設定 することにより行われる引き続き式（３）または（４）でめられた軸成分と共に 軌跡偏差△Ｒが表示器７０に次のように表示される。

（５）　ΔＲ＝４　（Ｘｌｌ＋’　Ｘｏ％）　−（ＲＲ±ＲＮＣＲｅａｒ）ここ でマイナス符号は内側基準円に対するものであり、プラス符号は外側基準円に対 するものである。

（６）　△Ｒ１ｓｔ＝Ｊ　（Ｘ”ＭＩ　Ｘ’Ｗ全体の診断法は診断ユニット２０ で実行される。診断ユニットは数値制御部自体でも、外部の装置でも実現するこ とができる。

提案された円形検査法によって、いずれにしろ存在する距離測定装置を用いてサ ーボ回路自体の加工精度を検査することができる。サーボ回路に所属しない機械 の外部機構、例えば工具保持に起因する機械的不精度は検出されない。サーボ回 路３０．４０．５０外にある機構６５の機械加工精度に及ぼす影響に付加的興味 がある場合、有利には本発明で提案された円形検査法を、公知の機械的円形検査 法、例えばＫｎａｐｐ／Ｈｒｏｖａｔの検査法と組み合わせて実行する。後者は 図１に示すように外部機構６５を含んでいる。従って２つの検査法を単純に比較 することによって、外部機構に関する情報を得ることができる。２つの円形検査 法の実施は、有利には順次連続して、例えばまず本発明の方法を実施することが 考えられる。第２の方法のために、キャリッジの１つ、通常はスピンドルに２次 元測定走査子が固定される。引き続き機械は再び同じプログラミングされた円形 路運動ＲＮｃを実行する。

機械はこの円形路運動を前に実施した本発明の円形検査法の枠内で既に実行して いる円形路ＲＮ。は基準円６２の外側輪郭と一致する。この外側輪郭には機械運 動の間、測定走査子６１が当接する。従って測定走査子は基準円６２により定め られた円形路上を移動する。

機械運動の間、２次元走査子は走査ヘッド６０と測定粗さし６１との間の相対運 動を検出し、これを出力信号に変換する。走査ヘッド６０は実際路に沿って、測 定走査子６１は目標円形路に沿って基準円６２に案内されるから、この出力信号 は円形偏差ΔＲに相応する。

ΔＲはこれも有利には画面７０に表示される。わかりやすくするため、信号ΔＲ には、既に本発明の円形検査法での説明で提案したように、基準円形路の形態の 基準信号Ｒ□、が加算されるか、またはこれから減算される。

有利には、診断ユニット２０の操作をソフトウェアで実現された診断メニューを 用いて行う。診断メニューは例えば、新たな目標半径ＲＮＣ１別の基準半径Ｒ１ ゜１、別の拡大係数を調整し、円形運動の回転方向を変更し、新たな円形軌跡速 度を設定することができる。

さらに有利には、円形検査法により得られた結果の評価を診断ユニットでソフト ウェアにより実現する。例えば、円形偏差、円部差、直径偏差並びにバックラッ シュ幅を評価することができる。

±ｅ、ｌ フロントページの続き （７２）発明者　グリム、　ヴオルフガングドイツ連邦共和国　６４７２０　ミ ヒエルシュタット　アルスフエルダーシュトラーセ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．円形の目標路を実際の機械運動を描く実際円形路と比較することによって、 少なくとも２つのサーボ回路を有する少なくとも２軸のＮＣ工作機械に対し、当 該ＮＣ工作機械の加工精度を検査する方法であって、 前記サーボ回路はそれぞれ、目標運動路を描かせる位置案内信号に従ってキャリ ッジを案内するための軸駆動部と、該キャリッジの位置を検出およびフィードバ ックするための距離測定装置とを有するものである検査方法において、 距離測定装置（３３、４３）から送出された位置信号（ＸＭ）から実際円形路（ ＲＭ）を形成することを特徴とする検査方法。 ２．距離測定装置（３３、４３）により測定された各位置信号（ＸＭ）を所属の 位置案内信号（ＷＮＣ）と比較する請求の範囲第１項記載の方法。 ３．同じ時点（ｔ１）で、目標位置に対して得られる値と距離測定装置によリ測 定された実際位置（ｘＭ）に対して得られる値とを検出する第１のステップ（２ １）と、 これらの値から実際位置を定める目様位置を求める第２のステップ（２２）とを 有する請求の範囲第１項または第２項記載の方法。 ４．位置案内信号（■ＮＣ）をサーボ回路（３０、４０、５０）に対して速度予 備制御する請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項記載の方法。 ５．位置案内信号（■ＮＣ）を付加的に加速度予価制御する請求の範囲第４項記 載の方法。 ６．距離測定装置（３３、４３）の出力信号（ＸＭ）を補間器（１０）の出力信 号（ＷＮＣ）から減算し、結果を引き続き基準信号（ＲＲｅｆ）から減算し、画 面（７０）に表示する請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項記載の方 法。 ７．距離測定装置（３３、４３）の出力信号（ＸＭ）を補間器（１０）の出力信 号（ＷＮＣ）から減算し、結果を引き続き基準信号（ＲＲｅｆ）に加算し、画面 （７０）に表示する請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項記載の方法 。 ８．基準信号（ＲＲｅｆ）は所定の半径を有する円形路である請求の範囲第６項 または第７項記載の方法。