光学式リニアスケールのピッチ誤差

質問

はじめまして。私は某工作機メーカーのサービスマンです。光学式リニアスケール取付状態でのピッチ誤差について質問します。
問題はサドル移動型の縦型ＭＣのＸ軸なのですが、１９００ｍｍストロークにおいて、約０．１５ｍｍの伸び（１９００．１５ｍｍ）がピッチマスターでの測定で確認されました。ピッチマスターは約１．５日の温度慣らしを行い、校正済みの物を使用しています。測定環境が１１℃と低過ぎる点もありますが、Ｙ軸での測定は９００ｍｍで０．０１ｍｍ以内が確保できているため私自身はＸ軸に問題有りと考えています。
取付状態はテーブル側にスケール本体、サドル側にスケールヘッドが取り付いており、Ｘ軸移動時はスケール本体が移動し、スケールヘッド本体は動かないという取付方法です。取付基準はメーカーの基準をクリアしてありました。機械レべル、ライナーギブ等調整後の測定でも大きな変化はありません。現在は応急的にピッチ補正で逃げています(補正入力もストロークスタート、エンド部に偏って入力されるのではなく全体に分散しての入力となりました）。
当然、リニアスケール付いてるのに何故こんなに誤差が出るの？という疑問が出てきます。
原因として考えられる事何か教えてもらえないでしょうか？

回答No.2

noname#230359 · ベストアンサー

はじめまして。
少しでもお役に立てれば。

光学式リニアスケールといってもピンからキリまでありますので…

まずは、採用されているNCに対応したサーボ調整ソフト(MS　Configurator,SERVO GUIDE等)を使用し、指令値に対してクローズドループが確立されているかを確認されてはどうでしょうか？

フルクローズドといっても想定外の外乱に対してはオープンと同様ですので、整理して一つずつ機械的要素を確認して見るというのも手だと思います。
(同じ内容を二度確認することで、見落としに気付く事が多々あります)

私も原因が分からない時はどうしても偏った考えに陥り時間を使ってしまいます。
色々な方とアドバイスしあって良い方向に持って行ければ良いのですが。

下記は参考程度にお読み頂ければ…

Ｆ社ＮＣという事でフルクローズからセミクローズへの変更は少し面倒かと思いますので現状のまま、ピッチ補正とバックラッシ補正をキャンセル。
(1)SERVO GUIDEで測定(測定サイクルは最小)を行いながら該当軸をプラス方向に何箇所かピッチマスターで測定を行う。この時、実測値とサーボ移動量が合致しているか確認、マイナス方向で同じ事を行う。
→方向を変化させる事で、繰り返し精度の傾向を見る。

(2)ＸＹ円弧移動時のサーボ移動量を測定する。
→通常、フィードバックは遅れ方向から入るがＹ軸と比較して異常が無いか確認（分かり難いようならループゲインを大きめにする）。
制御系に異常が見られる場合、Ｘ軸からＹ軸に掛けて位置偏差量が反転すると思います。

何か新しい情報が見つかれば良いのですが。

(2)項の確認方法についてですが、
サーボ調整画面からの該当軸の位置偏差量項目の確認ですと、判断が難しいかもしれません。NCﾊﾟﾗﾒｰﾀｰの中で表示する位置偏差量を平均化するﾊﾟﾗﾒｰﾀｰがあったと思いますので、その辺をうまく使用頂ければ。
Ｙ軸(正常と思われる軸)と比較したデータが、今回のﾄﾗﾌﾞﾙの原因切り分けに役に立てれば良いのですが。
ﾓﾃﾞﾙ「3X」系NCの場合、実機にてｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞできたと思いますので、そちらを使用される事をお勧めします。

お礼

アドバイスありがとうございます。
なるほど、Ｆ社サーボガイドで試してみます。
＞想定外の外乱とは例えばどんなことでしょうか？
特に、最後の一文、感激です。一人で考えているとどうしても偏った考え方に陥ります。ありがとうございました。

アドバイスありがとうございます。
文面、内容より同業者でかなりのエキスパートと想像しております。スケールのＯＮ、ＯＦＦはさほど難しくないＮＣなのでスケール有無しでの比較、確認後、貴殿の（１）、（２）項をトライしてみます。
(２)項の確認方法について恥ずかしながらこういう判断で良いでしょうか？
１／４円のプログラム運転中に、サーボ調整画面にて位置偏差を確認して判断するということでしょうか？

いろいろとありがとうございました。
トラブルユーザーへの再調査（とりあえずは精度復旧したため、現在仕事量が膨大になり、おちついて機械止めれないこと、一応は応急的なピッチ補正で今現在までは加工トラブルもなく再検査でもＯＫですととの連絡を受けました。）に時間を要すため一度回答を締め切らしていただきます。また、本社工場（私は地方出先サービスマン）へ出向き、貴殿アドバイスの検証方法をシュミレートしたり他部門スタッフの意見交換をしてみたいと考えています。
本当にありがとうございました。

回答No.6

noname#230359

専門家が分からないと言っているくらいですから、簡単な事ではないと思います。
答えになっていなくて月並みですが、まずは、
◇スケール入り切りでの測定値の変化。
◇環境温度を変えての測定値の変化。
より、原因を絞り込んでいくと良いと思います。

お礼

ありがとうございました。
恥ずかしながら、貴殿提案のスケール入切での比較を先ず、実施すべきでした。やはり、こういう場を借りて色々な人の意見を聞く事の重要性を再認識しました。大きな見落としをしてしまうところでした。

回答No.5

noname#230359

ガラススケールの一端は固定して、
もう一方の端はフリーになっているかと
全くフリーだと揺れるので支えておく必要があるかと
その支えがきつくてスケールが熱膨張出来ないのではと
１１℃だと収縮になるのかな。

お礼

ありがとうございます。
＞もう一方の端はフリー
取付はアルミ製のボデーを２０本のＭ５キャップスクリューでテーブルに固定していますので内部構造について壊れて廃却するようなのが出てきた時に調べてみます。

回答No.4

noname#230359

参考過去質問
　　マシニングセンタのガラススケールの熱膨張に関する質問
　　http://www.nc-net.or.jp/mori_log/detail.php?id=225147

　　スケールフィードバックの誤差
　　http://www.nc-net.or.jp/mori_log/detail.php?id=122995

これらではガラススケールについて、線膨張率を鉄に近づけているとする主旨が主流。超級恒温室に鎮座させるなら別だが、並級ではこの方が良いと思う。

因みにガラスは近づけるとはいえ、8.5ppmまでとする資料が多く、鉄10.5ppmとの差で 10.5：2.0

私も、機械全体の熱不均一による歪と答えてるが、今回は加工抜きと思われるので除外でしょうかねぇ・・・・

お礼

アドバイスありがとうございます。
過去ログ、私も質問前に参考にさせていただきしたが、いまいち今回の測定結果との整合性に納得できませんでした。
私の表現方法がまずかったのですが、今回のトラブルは穴ピッチのX方向の伸びがスタートで（Y方向は６００mmで０．０１mm以内でＯＫ）、検証のためピッチマスターで測定したところ測定値ほぼ同じデータとなり悩んでしまった次第です。申しわけ有りませんでした。

回答No.3

noname#230359

>原因として考えられる事何か教えてもらえないでしょうか？
サドル移動型というのは、Ｚ軸つまりテーブルが上下するニータイプのＭＣでしょうか。
その上下するニーの上を左右にテーブル（Ｘ軸）が移動すると仮定すると、

重心が移動するにつれてニーが傾き、その傾きでテーブルが大きな円弧を描く
ように移動する結果０．１９伸びているように見えると思います。

ニータイプ（ひざ型）フライス盤はニーを軽く締めて精度検査（JISB6204 ひざ形立てフライス盤－精度検査　※現在廃止されています）をするようになっていますから（した）、もし同じ構造ならニーをコラムに固定してから測られてはいかがでしょうか。

誤差はかなり改善されると思います。

そうでしたか・・。
それでまさかとは思いますが、スケールを使うようにパラメータ設定されていますでしょうか。
送り関係の不具合あるとき、スケール使わないようにして調べる時があります。
一度確認された方がいいと思います。

お礼

アドバイスありがとうございました。
サドル移動型→ベッド型に相当します（Ｚ軸はコラムに取り付けたヘッドが上下します）。私の会社だけかもしれませんが、コラムトラバース立て型ＭＣ（Ｘはテーブル、Ｙがコラムが動きます）をコラム移動型、前記をサドル移動型と称しています(多分、私の会社にはニータイプというフライス盤を現在製造していないから？）。
当初、重心移動についてＹ軸が問題ないことから、貴殿のように原因の有力候補と考えました。状況はＹ軸ストローク中央でＸ軸の中央、マイナス端、プラス端での水準器のＸ方向の読み誤差を調べましたところ、０．０６ｍｍ／ｍ(３目）あります。この結果、確かに弓なり運動をしていますがそこから０．１９ｍｍという数字が私の能力で導く事が出来ません。

パラメータ設定はスケール仕様です。
振動関係の判断にスケールのＯＮ、ＯＦＦでの差を比較して原因調査に利用したりします。
発想の転換でピッチについても比較すれば何かの手がかりになるかもしれません。良いアドバイスありがとうございました。

回答No.1

noname#230359

光学スケールはガラスを使用している(と思われる)ので、機械
本体と熱膨張率が異なるため、機械の熱変位の影響を受けずに
絶対精度を検出できることが特長かと。

測定環境が11℃でピッチマスタも温度慣らしを行ったということ
は、もし機械を20℃で組み立てたとすれば、それなりに冷えて縮
んでいることが考えられます。
Ｘ軸をピッチマスタで測定した際に、0.15mmの誤差が1900mmの
ストロークにおいて徐々に積算されているとすれば、環境温度
の問題であると推察いたします。

因みにもしＹ軸がスケールヘッドが移動するような取り付けであ
れば、Ｘ軸との誤差の違いに何らかの要因があるかもしれません。

なお、光学スケールを付けるぐらいの機械であれば、温度管理した
環境で使用して欲しい気もしますが．．．

蛇足ですが"縦型"ＭＣは誤りで、"立形"ＭＣと記します。
工作機械メーカの方でしたら、覚えておかれて損は無いでしょう。　

回答(3)(4)を拝見して再考いたしました。

サドルの上に1900mmのストロークのテーブルが乗っかっていると
すると、サドルのＹ軸支持間隔は十分に確保されているでしょうか。
また、テーブル上に、ＮＣ円テーブルとか加工治具とかが偏って
設置されていませんか。
このような場合、軸の端部でストロークが伸び勝手になるかもしれ
ません。
あくまでも想像の域をでませんが。

お礼

アドバイスありがとうございます。
Ｙ軸はスケールヘッドが移動するタイプです。
テーブル上は冶具、円テーブル等はありません。
最近は流行なのか光学式スケールの取付が多く、Ｙ軸ストローク８００ｍｍ、Ｘ軸１６００ｍｍ以上となれば、ほぼ８０％はスケールがついていますが、恒温工場の割合はまだまだ少ない状況です。やはり、構造的にＹ軸支持間隔に対しＸ軸ストロークがかなり欲張った仕様が多く、今回の機械もストロークエンドでは約３５０ｍｍのオーバーハングがあります（ユーザーのニーズは少しでもストロークが大きくしたい、価格は安くしてほしい、しかし設計的には運搬車両やコストダウンのことも考えなければならないためベッド、サドルは小さくしたい。)メカ的な弱点をこういったものやＮＣ機能でなんとか補助しようという流れが横行しているのも現状です。（かっこわるい話ですが）
製品として成立させるのか？商品として成立させるのか？少しぼやきになりますが。。。。