NC工作機械の動作経路計測システムの開発
牛尾 雅樹*1 牛島 英史*2 神谷 昌秀*3 楢原 弘之*2 鈴木 裕*2
Development of a Motion Accuracy Measurement System of NC Machine Tools
Masaki Ushio, Hidefumi Ushizima, Masahide Kouya, Hiroyuki Narahara, Hiroshi Suzuki
NC工作機械の動作軌跡は，加工対象の仕上品位に大きく影響する。したがって，NC工作機械の動作軌跡を評価し，
誤差要因の特定とその定量を行うことは，加工精度の追求のためには，重要である。本研究では，NC工作機械の種々 の動作経路を，1台で計測可能な測定装置の開発を目指した。本報告では，測定範囲で高い真直度を持つエアスライ ドを組み合わせ，XY2次元平面での任意動作軌跡を計測可能な装置の開発及び試作を行い，それを用いて動作経路の 計測評価を通じて，システムの有用性を報告する。
1 はじめに
NC工作機械の動作軌跡は，加工対象の仕上品位に大 きく影響する。したがって，NC工作機械の動作軌跡を 評価し，誤差要因の特定とその定量を行うことは，加 工精度の追求のためには，重要である。
円運動経路に代表される，2次元以上の動作軌跡を計 測する手法として，円運動試験法や格子交差スケール による方法さらに，実際に加工を行い三次元測定装置 で形状誤差を計測評価する手法がある。円運動試験法 は 工 作 機 械 に 円 運 動 を 行 わ せ ， そ の 動 作 軌 跡 を DBB(Double Ball Bar)で計測し，その結果をNC指令座 標と相対的に比較し，誤差要因の特定とその定量を行 うことにより，動作経路から機械精度を知ることがで き，円弧軌跡の評価により，工作機械の組立精度や制 御応答等を評価できるが，加工に多用される直線経路 については，計測装置の構造上の問題で計測ができな い。また，レーザ干渉計を複数用いて，2次元以上の動 作軌跡を評価する方法も考えられるが，一般的に装置 が高価であり，複数軸のレーザ光源とインターフェロ メータを極めて高い精度で光路を形成しなければなら ない。
本研究では，NC工作機械の種々の動作経路を，1台で 計測可能な測定装置の開発を目指した。本報告では，
測定範囲で高い真直度を持つエアスライドを組み合わ せ，XY2次元平面での任意動作軌跡を計測可能な装置の 開発及び試作を行い，それを用いて動作経路の計測評 価を通じて，システムの有用性を報告する。
2 研究，実験方法 2-1 計測システム
試作した計測システム計測部の写真を図1に示す。シ ステムは，工作機械のテーブルに設置する計測部と，
計測データ収録部及び解析部により構成される。計測 部はベースを工作機械テーブルに固定し，その上部に ボールベアリングを介して主軸に取り付けている。計 測部の構造は，高分解能光学リニアスケールをエアス ライドに取付け，これを軸構成ユニット(以下計測軸) とし，試作では計測可能範囲をXY100mmとした。
収録部は，それぞれの計測軸スケールから独立して出 力されるパルス信号を計数し，時間的な同期を取り，
X・Y軸座標数値に変換し，数値ファイルとして保存す るカ ウ ンタ ー ボー ド を試 作 した 。 収録 タ イミ ン グを 1s～100μsで任意に設定でき，NC指令タイミングに一 致させることを可能とした。解析部はパソコンを用い，
NC指令座標を基準として動作軌跡を表示すると共に，
動作軌跡から各誤差要因の数値を算出するプログラム を，LabVIEW(National Instruments社製)上で作成し，
レーザ干渉測長器を用い，比較校正を行った。
2-2 計測経路の設定
本報では，XY2次元での動作経路評価を行った。加工 に用いられる経路の代表として，円運動経路・直線運 動経路を設定し，動作中の座標軌跡を計測しNC指令値 との比較により，誤差要因毎の誤差量の数値化を行っ た。
*1 機械電子研究所
*2 九州工業大学 情報工学部
*3 （財）福岡県産業・科学技術振興財団
図1 計測システム(計測部)
65.0
-65.0 -60.0 -50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
70.0
-70.0 -60.0 -40.0 -20.0 0.0 20.0 40.0 60.0
data reference 座標
Circle
data point color
0.0000
distance (mm）
（Cursor1～Cursor2）
D:\matsuura-mam72\CW\Circle\ｆ１000.dat File name
analysis(μm) without reversal spike
return
G G
0.655 -0.539 center
3.741 roundness
lost motion reversal spike
＋ ＋ － －
0.821 0.528 0.841 0.622 3.324 0.880 1.332 0.926 (μm) D (mm) 80
1000 error bias
3 reversal spike(deg)
-0.149 radius diminution
x
Ｘ y
Ｘ
Ｙ Ｙ
図2 動作経路計測結果(円弧補間)
65.0
-65.0 -60.0 -50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
70.0
-70.0 -60.0 -40.0 -20.0 0.0 20.0 40.0 60.0
Cursor2 Cursor1
data reference center
Rectangular
data point color
0.0000
distance (mm）
（Cursor1～Cursor2）
D:\matsuura-mam72\CW\rectangular\ｆ１000.dat File name
analysis（μm）
return
ｹｰﾙ誤差(μm 1.344 -1.416 scale error
＋ ＋ － －
0.213 0.277 0.234 0.225 straightness
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ 1.218 -1.515 1.345 -1.047 angle error G G
0.508 -0.470 center error bias 1000 analysis P(%) 70 length(mm) 80
Ｙ Ｙ Ｘ y
Ｘ x
Ｙ Ｘ
図3 動作経路計測結果(一軸直線補間)
65.0
-65.0 -60.0 -50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
70.0
-70.0 -60.0 -40.0 -20.0 0.0 20.0 40.0 60.0
data reference center
Rectangular－４５°
data point color
0.0000
distance (mm）
（Cursor1～Cursor2）
D:\matsuura-mam72\CW\rectangular45\ｆ１000.dat File name
analysis（μm）
return
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ 2.144 1.924 1.869 1.729 straightness ＋
＋ － －
-2.490 2.181 -1.501 1.810 angle error G G
0.789 -0.581 center
1000 error bias
70 analysis P (%)
80 diagonal (mm)
Ｙ Ｘ Ｙ y
Ｘ x
図4 動作経路計測結果(二軸直線補間)
表1 検査成績書との比較(円弧補間) 誤差要因(μｍ) 検査値 解析結果
真円度 ３．２ ３．７
半径減少量 ０ ０．５
3 結果と考察
図2から図4は，設定した経路を計測表示し，その結 果を用いて誤差要因の解析を行った結果である。
3-1 出荷検査記録との比較
実験に用いた工作機械の出荷検査記録から，本シス テムでの計測結果と比較する誤差要因を表1にまとめ る。
検査記録では，送り速度1000mm/minでの評価が中心 であるため，本計測でも同速度での計測結果を用いた。
機械性能を評価する指標として用いられる，真円度 について計測結果を比較した場合，DBBでは3.2μmであ り，本システムでの計測結果では3.7μmであった。表1 の各数値を比較することにより，本システムでの計測 と，DBBによる出荷検査記録で顕著な差異は見いだせず，
計測の有用性を明らかにできた。
3-2 機械制御の違い
さらに，先読み加減速制御の効果について計測を行 った結果を示す。送り速度を5000mm/minに設定し計測 を行い，制御の違いを数値化することができた。
4 まとめ
(1)2次元平面において任意動作軌跡を計測し，結果 を表示できる計測システムを開発した。
(2) ISO230で規定された項目について，出荷検査記 録との比較を行い，その妥当性を明らかにした。
(3) 開発したシステムを用いれば，任意経路の計測 をリアルタイムで行え，解析結果から制御調整を 簡便かつ短時間に行えることを示した。
5 掲載論文
牛尾雅樹，他：精密工学会誌，71巻(8号)，P.1000-1004 (2005)
