JP5745646B2 - 誤差測定方法及び工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸の直線送り軸に加えて、少なくともＡ軸とＣ軸の２つの回転送り軸を有した多軸工作機械の直線送り軸の誤差を測定する方法および工作機械に関する。

工作機械は、テーブル上に取り付けられたワークと、主軸先端に取り付けられた工具とをＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸の直線方向に相対移動させてワークを加工する。工作機械の分野では、近時、直交３軸の軸送り精度を高めるため、レーザービームを用いた誤差測定方法が開発されている。

例えば、特許文献１には、工具取付け軸に取り付けられた反射体と、該反射体を追尾して、その追尾する反射体の移動量を測定すると共に、反射体の移動量から工具の座標を検出するレーザ追尾式測定装置が開示されている。

特開平７−２４６５４７号公報

特許文献１に記載の発明は、反射体を追尾するために回転支持機構を備えたレーザー追尾装置が４つ必要となり、非常に大型で高価になるという問題がある。

そこで、本発明は、従来技術の問題を解決することを技術課題としており、構成が簡単で低コストの直線送り軸の誤差を測定する方法および工作機械を提供することを目的としている。

本発明によれば、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸の直線送り軸に加えて、少なくとも２つの回転送り軸を有した多軸工作機械の前記直線送り軸の誤差を測定する方法において、前記工作機械のテーブルに少なくとも第１〜第３のレトロレフレクタである反射鏡を取り付け、前記工作機械の主軸先端にレーザー測長器を取り付け、前記３軸の直線送り軸を駆動して前記レーザー測長器を所定の測定点へ移動させ、前記測定点の各々で、前記少なくとも２つの回転送り軸を駆動して前記レーザー測長器を前記反射鏡の方向に向け、前記第１〜第３のレトロレフレクタである反射鏡と前記レーザー測長器との間の距離を測定することによって、前記測定点の各々の座標を演算し、前記測定点における工作機械の機械座標と、前記演算して得られた前記測定点の各々の座標とを比較することによって、前記工作機械の前記直線送り軸の誤差を求めるようにした誤差を測定する方法が提供される。

また、本発明の他の特徴によれば、ワークを取り付けるテーブルと、工具を把持し回転可能に支持された主軸と、前記テーブルと前記主軸とを相対的にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸方向に移動させる直線送り軸と、少なくとも２つの回転送り軸とを具備した工作機械において、前記主軸の先端に取り付けられたレーザー測長器と、前記テーブルに取り付けられた第１〜第３のレトロレフレクタである反射鏡とを具備し、前記直線送り軸を駆動して前記レーザー測長器を所定の測定点へ移動させ、前記測定点の各々で、前記少なくとも２つの回転送り軸を駆動して前記レーザー測長器を前記反射鏡の方向に向け、前記第１〜第３のレトロレフレクタである反射鏡と前記レーザー測長器との間の距離を測定することによって、前記測定点の各々の座標を演算し、前記測定点における工作機械の機械座標と、前記演算して得られた前記測定点の各々の座標とを比較することによって、前記工作機械の前記直線送り軸の誤差を測定する工作機械が提供される。

本発明によれば、工作機械の直交３軸の直線送り軸と、少なくともＡ軸とＣ軸の２つの回転送り軸とを備えた工作機械の主軸先端にレーザー測長器を取り付け、テーブルに反射鏡を取り付けて、工作機械の送り軸を利用して、レーザー測長器を反射鏡に常に向けることが可能となり、簡単な構成で高精度の誤差測定が可能となる。

本発明の好ましい実施の形態による工作機械の側面図である。 図１の工作機械のコラム正面図である。 図１の工作機械の送り軸を制御する数値制御装置の一つの実施の形態を示すブロック図である。 誤差測定方法の一例を示すフローチャートである。 誤差測定方法を説明する誤差測定装置の略図である。 誤差測定方法を説明する誤差測定装置の略図である。 誤差測定方法を説明する誤差測定装置の略図である。 誤差測定方法を説明する誤差測定装置の略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。本発明に係る数値制御工作機械は、機械を加工プログラムに従って動作させる数値制御装置を備えている。図１、２を参照すると、主軸側に２つの回転送り軸であるＡ軸及びＣ軸を有した５軸の横形工作機械１０が示されている。工作機械１０は、フロア上に設置されている後部ベッド１２、後部ベッド１２の上面に水平方向であるＸ軸方向に直動可能に立設されたコラム１４、コラム１４に鉛直方向であるＹ軸方向および水平方向であるＺ軸方向に直動可能に取り付けられた主軸台１６、主軸台１６の前面にＺ軸周りのＣ軸に回転可能に取り付けられたブラケット１８、ブラケット１８にＸ軸周りのＡ軸に回転可能に取り付けられ主軸２２を回転可能に支持する主軸頭２０、後部ベッド１２に対してＺ軸方向に並置された前部ベッド２４、前部ベッド２４上に主軸２２に対面するように設けられたテーブル２６を具備している。なお、Ｚ軸は、Ｘ軸、Ｙ軸の双方に垂直な水平方向である。更に、工作機械１０は測定装置５２を具備している。

図３を参照すると、工作機械１０の送り軸の位置を制御する数値制御装置３０は、加工プログラム３２を読取り、解釈して各送り軸の指令速度及び指令位置を演算する読取解釈部３４、各送り軸における送りを直線補間したり円弧補間したりするために指令位置や指令速度等に基づいて指令パルスを演算する補間部３６、指令パルスを取得して各送り軸への位置指令を認識する位置指令認識手段３８、測定装置５２で測定された測定データと、工作機械１０のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各直線送り軸のデジタルスケール等の読みである機械座標とに基づいて誤差を演算し、得られた誤差を記憶する誤差演算記憶手段４８と、位置指令と誤差演算記憶手段４８に記憶された誤差データとから位置指令を補正するための補正データを演算する補正データ演算手段４０と、補正データに基づいて位置指令を補正する補正パルスを求める補正パルス演算手段４２と、各軸の送りモータ５０を制御するサーボ部４６、指令パルスと補正パルスとを加えたパルスをサーボ部４６に出力する加算手段４４とを備えている。

次に、測定装置５２をより詳細に説明する。本実施の形態において、測定装置５２は、主軸２２の工具装着孔（図示せず）に装着されたレーザー測長器５４と、テーブル２６に取り付けられた複数の反射鏡５６とを具備している。本実施の形態では、レーザー測長器５４はレーザー干渉計を用いている。レーザー干渉計５４は、例えば周波数安定化ヘリウム−ネオンレーザーを照射するレーザー光源と、該レーザー光源からのレーザービームを２つに分割するビームスプリッター、該ビームスプリッターで分割された２つのレーザービームの一方と反射鏡５６で反射して戻ってきた他方のレーザービームとの干渉によって作られる干渉縞の数を計数する例えばフォトダイオードアレイから成るカウンターを含み、干渉縞の数の変化から反射鏡５６に対する光路長の変化を測定することができる。

反射鏡５６は、該反射鏡５６へのレーザービームの入射角が変化しても、元の方向にレーザービームを反射する所謂レトロレフレクターを具備している。本実施の形態では、反射鏡５６はテーブル２６に着脱可能に取り付けられたパレット２８の四隅に固定された第１〜第４の反射鏡５６ａ〜５６ｄを具備している。

次に、本実施の形態による測定装置５２の測定原理を説明する。
上述したように、本実施の形態において、レーザー測長器５４はレーザー干渉計であって、干渉縞の変化に基づいて、第１〜第４の反射鏡５６ａ〜５６ｄのうち１つの反射鏡と１つの測定点との間の距離（光路長）と、同じ反射鏡と現在の測定点との間の距離（光路長）との差が以下の式によって測定される。
ΔＬ(i, j)=(Ｌ(P_i,H_j)-Ｌ(P₀,H_j))
ここで
ΔＬ：光路長差
P_i：ｉ番目の測定点
Ｐ₀：基準となる最初の測定点
H_j：ｊ番目の反射鏡
Ｌ(P₀,H_j)：最初の測定点とｊ番目の反射鏡との間の距離（光路長）
Ｌ(P_i,H_j)：ｉ番目の測定点とｊ番目の反射鏡との間の距離（光路長）
である。

ｉ番目の測定点とｊ番目の反射鏡との間の距離は、一般的に以下の式にて表される。
Ｌ(P_i, H_j)=((X_i-X_hj)²+(Y_i-Y_hj)²+(Z_i-Z_hj)²)^1/2…（１）
ここで、
X_i：ｉ番目の測定点（P_i）のＸ座標
X_hj：ｊ番目の反射鏡（H_j）のＸ座標
Y_i：ｉ番目の測定点（P_i）のＹ座標
Y_hj：ｊ番目の反射鏡（H_j）のＹ座標
Z_i：ｉ番目の測定点（P_i）のＺ座標
Z_hj：ｊ番目の反射鏡（H_j）のＺ座標
である。

ここで、測定点の数をｍ、つまりｉ＝１〜ｍとすると、反射鏡５６が本実施の形態のように４個の反射鏡を具備する場合、未知数は、１２＋３×ｍ個（４個の反射鏡の座標が１２個と、測定点の座標が３×ｍ個）となり、ｍが１２の場合に連立方程式によって式（１）を解くことが可能となる。ｍが１２よりも大きくなると、未知数よりも連立方程式の数が多くなり解に冗長性が生じる（式の組合せによって異なる解の組合せができる）が、例えば最小二乗法等により平均化処理する。測定された誤差は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸方向の加工空間内で誤差マップとして誤差演算記憶手段４８に格納するようにできる。

以下、図４〜図８を参照して本実施の形態による誤差測定方法を説明する。
誤差測定プロセスが開始されると、パラメータＩ、Ｊを０にリセット（ステップＳ１０）した後に、Ｊに１が加算される（ステップＳ１２）。パラメータＩは測定点を示している。パラメータＪは第１〜第４反射鏡５６ａ〜５６ｄに関連したパラメータであって、Ｊ＝１は第１反射鏡５６ａを、Ｊ＝２は第２反射鏡５６ｂを、Ｊ＝３は第３反射鏡５６ｃを、そしてＪ＝４は第４反射鏡５６ｄを夫々表している。

次に、図４に示すように、工作機械１０のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸の直線送り軸およびＡ軸、Ｃ軸の回転送り軸を駆動して、レーザー測長器５４、特にその干渉縞を計数するカウンターの測定部を予めプログラムした所定の測定基準点Ｐ₀へ移動し、反射鏡（J=1）つまり第１反射鏡５６ａへ向けてレーザービームを照射し、測定基準点Ｐ₀における干渉縞の数を計数する（ステップＳ１４）。次いで、パラメータＩに１を加算して（ステップＳ１６）、図５に示すように、レーザービームを第１反射鏡５６ａへ常時向けながら、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各送り軸を駆動してレーザー測長器５４を所定経路５８沿いに測定点（Ｐ₁）へ移動させる（ステップＳ１８）。測定点（Ｐ₁）において干渉縞を計数し、反射鏡（Ｊ）及び測定点（Ｐ₁）と関連付けて記憶する（ステップＳ２０）。

次に、Ｉを所定の整数ＩＩと比較して、現在測定している測定点（Ｐ_i）が最後の測定点であるかどうかを判定する（ステップＳ２２）。ここで、第１〜第４反射鏡５６ａ〜５６ｄの各々について、例えば図６、８に示すように５つの測定点で測定するようにプログラムする場合には、ＩＩ＝４となる。未だ全ての測定点で測定が完了していない場合（ステップＳ２２でＮｏ）は、フローチャートはステップＳ１６に戻って、Ｉに１を加えて、ステップＳ１８、Ｓ２０を再び実行する。

全ての測定点で測定が完了すると（ステップＳ２２でＹｅｓ）、Ｊを所定の整数ＪＪと比較して、現在測定している反射鏡（Ｊ）が最後の反射鏡であるかどうかを判定する（ステップＳ２４）。未だ全ての反射鏡について測定が完了していない場合（ステップＳ２４でＮｏ）は、フローチャートはステップＳ１２に戻り、Ｊに１を加えて次の反射鏡、例えば、図７に示すように、第２反射鏡５６ｂに対してステップＳ１４〜ステップＳ２２の測定プロセスを実行する（図８）。全ての反射鏡について測定が完了すると（ステップＳ２４でＹｅｓ）、測定プロセスは完了する。

こうして式（１）についての連立方程式を解くことによって得られたＰiの各座標と、工作機械１０のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各送り軸のデジタルスケール等の読みである機械座標とを、誤差演算記憶手段４８で比較することによって、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各送り軸の誤差が求められる。

本実施の形態によれば、レーザー測長器５４は主軸２２の先端部の工具装着孔に取り付けられているので、特段の追尾装置を設けることなく、工作機械１０のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸の直線送り軸およびＡ軸、Ｃ軸の回転送り軸を利用して、レーザー測長器５４を常に第１〜第４の反射鏡５６ａ〜５６ｄに向けることが可能となり、簡単な構成で低コストの誤差測定装置が提供される。また、工作機械１０に付設されている工具交換装置を用いてレーザー測長器５４の装着を自動化することが可能となる。

既述の実施の形態では、反射鏡はパレット２８を介してテーブル２６に取り付けられているが、反射鏡をテーブルに直接取り付けてもよい。また、本実施の形態のように、反射鏡５６を取り付けたパレット２８を予め準備しておき、工作機械１０に付設されているパレット交換装置（図示せず）によって、上述したレーザー測長器５４の自動装置と組み合わせて、誤差測定を自動化することが可能となる。これによって、日常的な誤差測定や季節ごとの誤差測定をプログラム化し、自動化することが可能となる。

更に、既述の実施の形態では、レーザー干渉計から成るレーザー測長器５４を用いたが、本発明はこれに限定されず、反射鏡５６とレーザー測長器５４との間の絶対距離を測定可能なレーザー測長器を用いてもよい。この場合には、反射鏡５６は４つではなく、３つの反射鏡で反射鏡の位置が既知であれば誤差測定が可能となる。

また、回転送り軸（Ａ、Ｃ軸）に割り出し誤差や回転軸線の位置誤差等の誤差がある場合、その誤差が測定結果に影響してしまう。そこで、工作機械の組立て時に、基準となる領域における誤差が無くなるように測定しながら組み立て、機械完成後、その基準となる領域で回転送り軸（Ａ、Ｃ軸）の誤差を測定し記憶しておき、直線送り軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）の測定時に補正する。

具体的には、回転送り軸（Ａ、Ｃ軸）の角度毎に位置誤差及び姿勢誤差を記憶しておき、位置誤差に応じて直線送り軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）の補正を行い、姿勢誤差に応じて回転送り軸の補正を行う。回転送り軸（Ａ、Ｃ軸）の姿勢誤差が小さい場合は、回転送り軸（Ａ、Ｃ軸）の角度毎にレーザー測長器の基準点のずれを記憶しておき、レーザー測長器の基準点の座標が所望の位置になるように直線送り軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）のみを補正することができる。

このように直線送り軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）の測定時に、回転送り軸（Ａ、Ｃ軸）の回転位置に応じて、記憶した回転送り軸（Ａ、Ｃ軸）の誤差を補正することにより、更に精度よく直線送り軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）の誤差を測定することができる。

１０ 工作機械
１２ 後部ベッド
１４ コラム
１６ 主軸台
１８ ブラケット
２２ 主軸
２４ 前部ベッド
２６ テーブル
２８ パレット
３０ 数値制御装置
３２ 加工プログラム
３４ 読取解釈部
３６ 補間部
４６ サーボ部
５０ 送りモータ
５２ 測定装置
５４ レーザー測長器
５６ 反射鏡
５６ａ 第１反射鏡
５６ｂ 第２反射鏡
５６ｃ 第３反射鏡
５６ｄ 第４反射鏡

Claims (6)

1. Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸の直線送り軸に加えて、少なくとも２つの回転送り軸を有した多軸工作機械の前記直線送り軸の誤差を測定する方法において、
   前記工作機械のテーブルに少なくとも第１〜第３のレトロレフレクタである反射鏡を取り付け、
   前記工作機械の主軸先端にレーザー測長器を取り付け、
   前記３軸の直線送り軸を駆動して前記レーザー測長器を所定の測定点へ移動させ、
   前記測定点の各々で、前記少なくとも２つの回転送り軸を駆動して前記レーザー測長器を前記反射鏡の方向に向け、前記第１〜第３のレトロレフレクタである反射鏡と前記レーザー測長器との間の距離を測定することによって、前記測定点の各々の座標を演算し、
   前記測定点における工作機械の機械座標と、前記演算して得られた前記測定点の各々の座標とを比較することによって、前記工作機械の前記直線送り軸の誤差を求めるようにした誤差を測定する方法。
2. 更に、第４のレトロレフレクタである反射鏡を前記工作機械のテーブルに取り付け、前記主軸先端に取り付けられたレーザー測長器は、レーザー干渉計であり、前記第１〜第４のレトロレフレクタである反射鏡と前記レーザー干渉計との間の距離の変化を測定することによって、前記測定点の各々の座標を延設する請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザー測長器は、反射鏡と該レーザー測長器との間の絶対距離を測定する請求項１に記載の方法。
4. ワークを取り付けるテーブルと、工具を把持し回転可能に支持された主軸と、前記テーブルと前記主軸とを相対的にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸方向に移動させる直線送り軸と、少なくとも２つの回転送り軸とを具備した工作機械において、
   前記主軸の先端に取り付けられたレーザー測長器と、
   前記テーブルに取り付けられた第１〜第３のレトロレフレクタである反射鏡とを具備し、
   前記直線送り軸を駆動して前記レーザー測長器を所定の測定点へ移動させ、前記測定点の各々で、前記少なくとも２つの回転送り軸を駆動して前記レーザー測長器を前記反射鏡の方向に向け、前記第１〜第３のレトロレフレクタである反射鏡と前記レーザー測長器との間の距離を測定することによって、前記測定点の各々の座標を演算し、前記測定点における工作機械の機械座標と、前記演算して得られた前記測定点の各々の座標とを比較することによって、前記工作機械の前記直線送り軸の誤差を測定する工作機械。
5. テーブルに取り付けられた第４のレトロレフレクタである反射鏡を更に具備し、前記主軸先端に取り付けられたレーザー測長器はレーザー干渉計である請求項４に記載の工作機械。
6. 前記レーザー測長器は、反射鏡と該レーザー測長器との間の絶対距離を測定する請求項４に記載の工作機械。

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