JP2007296610A

JP2007296610A - 工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置

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Publication number: JP2007296610A
Application number: JP2006126835A
Authority: JP
Inventors: Teruhiro Nishizaki; 照洋西崎; Yoshiharu Oyabe; 快晴親部; Shiro Murai; 史朗村井
Original assignee: Nippei Toyama Corp
Current assignee: Nippei Toyama Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: DE102007020265A1; JP4846432B2; US7854575B2; CN101063608B; TW200804029A; KR101280088B1; TWI377109B; CN101063608A; US20070258781A1; KR20070106434A

Abstract

【課題】主軸装置の熱変位量と、工具の回転振れ量を共に測定することができるとともに、測定精度を向上することができる工作機械における主軸装置の変位及び回転振れ測定装置を提供する。
【解決手段】工作機械のベッドの所定位置にエア噴射ノズル２５を配置する。主軸装置２０のハウジング２０ａの外周面に取り付けられた基準ブロック３０を主軸装置２０とともに測定開始位置Ａ１へ移動し、基準ブロック３０を前記エア噴射ノズル２５から噴射されるエアを横切るようにＺ軸方向に移動し、この行程で測定された圧力の変化に基づいて主軸装置２０の熱変位量を演算する。又、前記主軸装置２０に装着された工具の外周面を前記エア噴射ノズル２５の先端面に接近させて、該工具を所定位置において回転しつつエアを工具の外周面に噴射して、エアの圧力を測定し、この測定圧力の変化に基づいて工具の回転振れ量を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械における主軸装置の変位及び振れを測定する測定装置に関する。

一般に、工作機械においては、ベッドの上面にワーク支持テーブル及び治具を介してワークが支持されている。同じくベッドの上面にＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸方向にそれぞれ数値制御移動される主軸装置に工具を備えた工具ホルダが装着され、前記工具によってワークが加工されるようになっている。従来、主軸装置の前記３軸方向の移動動作は、主としてサーボモータにより回転されるボールねじと、ボールねじナットを用いた移動機構が採用されている。この移動機構のうち主軸装置を軸線方向に前後移動させる移動機構が熱膨張すると、主軸装置の実際の移動位置に誤差が生じる。この誤差が生じたままワークの加工が行われると、ワークの加工精度が低下する。このため、例えば特許文献１に開示されたボールねじの熱変位補正装置が提案されている。この補正装置は、ボールねじの自由端の端面から軸方向に所定距離隔てた位置に検出器を配置し、この検出器によりボールねじの長さの変化を測定するとともに、その変化量に基づいて、主軸装置の送り量を補正するようになっている。

一方、主軸装置の主軸に形成されたテーパ穴には、工具を保持した工具ホルダのテーパシャンク部が嵌入固定されるようになっており、前記テーパ穴の内周面とテーパシャンク部の外周面の接触界面に切粉が噛み込まれていると、工具ホルダ及び工具が傾斜して、ワークの加工が適正に行われなくなる。このため、工具ホルダの回転振れ量の良否を判別する工作機械が提案されている。この工作機械として特許文献２には、主軸装置のハウジングに工具ホルダの外周面に対向させて距離センサを設け、該距離センサにより回転中の工具ホルダの外周面とセンサとの距離を測定し、この測定された距離の変化量に応じて、工具ホルダの回転振れ量の良否を判定するようになっている。
特開２００１−１３８１７８号公報特開２００５−３１３２３９号公報

ところが、特許文献１に開示されたボールねじの熱変位補正装置は、主軸装置から離れた位置にあるボールねじの長さの変化を測定する構造のため、加工部位に近いところでの主軸装置の熱変位量を直接測定することができないので、測定精度を向上することができないという問題があった。又、前記ボールねじの端面に切粉等の異物が付着すると、測定精度が低下するという問題があるとともに、この従来の装置では主軸装置に装着された工具ホルダ又は工具の回転振れ量を測定することができないという問題もあった。

一方、特許文献２に開示された工具ホルダの回転振れ量の良否を判別する工作機械は、非接触式の距離センサを使用しているので、工具ホルダの外周面に切粉等の異物が付着していると、判定精度が低下するという問題があるとともに、この従来の装置では主軸装置の例えば送り方向の熱変位量を測定することができないという問題もあった。又、センサに切粉等の異物が付着した場合に清掃作業が必要であるという問題もあった。

本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、主軸装置の熱変位量と、工具ホルダ又は工具の回転振れ量を測定することができるとともに、それらの測定精度を向上することができる工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、ベッド上に数値制御移動される主軸装置を装着するとともに、ワーク支持装置に支持されたワークを主軸装置に工具ホルダを介して装着された工具により加工するようにした工作機械において、前記ベッド又はワーク支持装置に装着された流体噴射ノズルと、上記流体噴射ノズルに流体を供給する流体供給源と、前記流体供給源から流体噴射ノズルに至る流体通路内の流体の圧力又は流量を測定する測定手段と、前記主軸装置を熱変位測定のために設定された測定位置に移動して、この主軸装置のハウジングに設けた基準面を、前記流体噴射ノズルに対向接近させた状態で、該ノズルから流体を前記基準面に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて主軸装置の熱変位量を演算する熱変位量演算手段と、前記主軸装置を回転振れ測定のために設定された測定位置に移動して、この主軸装置の工具ホルダ又は工具と前記流体噴射ノズルを対向接近させた状態で、該ノズルから流体を回転中の前記工具ホルダ又は工具に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて工具ホルダ又は工具の回転振れ量を演算する回転振れ量演算手段とを備えたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記基準面は前記主軸のハウジングに取り付けた基準ブロックに形成されていることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記基準面は前記主軸の軸方向と平行な面であり、前記流体噴射ノズルは一つであることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記熱変位量演算手段は、前記基準ブロックの基準面を前記流体噴射ノズルの先端から該ノズルの軸線方向に関して一定の間隔を保持した状態で、前記主軸装置の軸方向への送りにより、該基準ブロックを測定開始位置から測定終了位置へ定速度で移動する行程で前記測定手段により測定された圧力又は流量に基づいて前記基準面の中心位置を演算する中心位置演算部と、予め記憶媒体に記憶された基準中心位置と、新たに測定手段により測定された圧力又は流量に基づいて演算された測定中心位置とに基づいて主軸装置の熱変位量を演算する熱変位量演算部とにより構成されていることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１又は２において、前記基準面は主軸の軸方向と直交する面であり、前記熱変位量演算手段は、前記基準面を前記流体噴射ノズルに対して接近移動させた状態で、該流体噴射ノズルから流体を前記基準面に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて主軸装置の熱変位量を演算するように構成されていることを要旨とする。

請求項６に記載の発明は、ベッド上に数値制御移動される主軸装置を装着するとともに、ワーク支持装置に支持されたワークを主軸装置に工具ホルダを介して装着した工具により加工するようにした工作機械において、前記ベッド又はワーク支持装置に装着された第１流体噴射ノズルと、前記ベッド又はワーク支持装置に装着された第２流体噴射ノズルと、上記第１及び第２流体噴射ノズルに流体をそれぞれ供給する流体供給源と、前記流体供給源から第１及び第２流体噴射ノズルに至る流体通路内の流体の圧力又は流量を測定する第１及び第２測定手段と、前記主軸装置のハウジングに設けた基準面と前記第１流体噴射ノズルを対向接近させた状態で、該ノズルから流体を前記基準面に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて主軸装置の熱変位量を演算する熱変位量演算手段と、前記主軸装置の工具ホルダ又は工具と前記第２流体噴射ノズルを対向接近させた状態で、該ノズルから流体を回転中の前記ホルダ又は工具に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて工具ホルダ又は工具の回転振れ量を演算する回転振れ量演算手段とを備えたことを要旨とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６において、前記基準面は前記主軸のハウジングに取り付けた基準ブロックに形成されていることを要旨とする。
請求項８に記載の発明は、請求項６又は７において、前記基準面は主軸の軸方向と直交する面であり、前記第１流体噴射ノズルは前記基準面と対向して設けられ、前記熱変位量演算手段は、前記基準面を測定開始位置から前記第１流体噴射ノズルの先端に向かって接近させたときに測定された圧力又は流量に基づいて前記基準面の位置を演算する位置演算部と、この位置演算部により予め演算されて記憶媒体に記憶された基準位置演算値と、新たに測定された前記圧力又は流量に基づいて演算された測定位置演算値とに基づいて主軸装置の熱変位量を演算する熱変位量演算部とにより構成されていることを要旨とする。

請求項９に記載の発明は、請求項６又は７において、前記基準面は主軸の軸方向と直交する面であり、前記第１流体噴射ノズルは前記基準面と対向して設けられ、前記熱変位量演算手段は、前記基準面を前記第１流体噴射ノズルの先端から該ノズルの軸線方向に関して一定の間隔を保持した状態で、該基準ブロックを測定開始位置から測定終了位置へ定速度で移動する行程で前記測定手段により測定された圧力又は流量に基づいて前記基準面の中心位置を演算する中心位置演算部と、この中心位置演算部により予め演算されて記憶媒体に記憶された基準中心位置演算値と、新たに測定手段により測定された圧力又は流量に基づいて演算された測定中心位置演算値とに基づいて主軸装置の熱変位量を演算する熱変位量演算部とにより構成されていることを要旨とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項６〜９のいずれか一項において、前記主軸のハウジングは主軸の軸方向と平行な基準面を有し、前記第２流体噴射ノズルは主軸の軸方向と直交する方向において前記基準面と対向され、前記熱変位量演算手段は、前記基準面を前記第２流体噴射ノズルに対して接近移動させた状態で、該第２流体噴射ノズルから流体を前記基準面に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて主軸装置の熱変位量を演算するように構成されていることを要旨とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項１〜１０のいずれか一項において、前記回転振れ量演算手段は、工具ホルダ又は工具を第１測定位置へ移動した状態で、測定された第１測定圧力に基づいて、第１振れ量を演算する第１振れ量演算部と、前記第１振れ量が予め記憶媒体に記憶された第１振れ量許容値内にあるか否かを判定する第１判定部と、工具ホルダ又は工具を第１測定位置よりも前記流体噴射ノズルに接近した第２測定位置へ移動した状態で、新たに測定された第２測定圧力に基づいて、第２振れ量を演算する第２振れ量演算部と、前記第２振れ量が予め記憶媒体に記憶された第２振れ量許容値内にあるか否かを判定する第２判定部とを備えていることを要旨とする。

請求項１〜５に記載の発明は、前記主軸装置のハウジングに設けた基準面を、前記流体噴射ノズルに接近させた状態で、該ノズルから流体を前記基準面に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて前記熱変位量演算手段により主軸装置の熱変位量を演算することができる。又、前記主軸装置の工具ホルダ又は工具と前記流体噴射ノズルを接近させた状態で、該ノズルから流体を回転中の前記工具ホルダ又は工具に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて回転振れ量演算手段により工具ホルダ又は工具の回転振れ量を演算することができる。従って、一つの流体噴射ノズルにより主軸装置の熱変位量と、工具ホルダ又は工具の回転振れ量を測定することができ、部品点数を低減してコストを低減することができる。又、前記流体噴射ノズルから流体が前記基準面や工具ホルダ又は工具の外周面等に噴射されるので、前記基準面、工具ホルダ、工具の外周面及び流体噴射ノズル等に付着している切粉等の異物を除去して、圧力の測定精度を向上することができ、熱変位量及び回転振れ量の測定精度を向上することができる。

請求項６〜１０に記載の発明は、第１流体噴射ノズルと、第２流体噴射ノズルを個別に設けたので、両ノズルの指向方向をそれぞれの測定に適した適正な方向に設定することができる。

請求項１１に記載の発明は、工具ホルダ又は工具の回転振れ量を二段階で安全に測定できるとともに、回転振れ異常を正確に判定することができる。

以下、本発明を具体化した工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置の第１実施形態を図１〜図９に従って説明する。
最初に、工作機械の概略構成について説明する。図７に示すように、ベッド１１の上面に装着されたワーク支持テーブル１２には治具１３を介してワークＷが支持されるようになっている。前記ベッド１１の上面にはＺ軸案内レール１４が敷設され、このＺ軸案内レール１４にはＺ軸サドル１５が後述するボールねじ方式のＺ軸駆動機構４５Ａ（図９参照）によりＺ軸方向（図７の左右方向）に往復動可能に支持されている。前記Ｚ軸サドル１５の上面には、Ｘ軸案内レール１６が敷設され、このＸ軸案内レール１６には、Ｘ軸コラム１７が後述するＸ軸駆動機構４５Ｂ（図９参照）によりＸ軸方向（図７の紙面直交方向）に往復動可能に装着されている。前記Ｘ軸コラム１７の前面には、Ｙ軸案内レール１８が敷設され、このＹ軸案内レール１８には、Ｙ軸サドル１９が後述するＹ軸駆動機構４５Ｃ（図９参照）によりＹ軸方向（図７の上下方向）に往復動可能に装着されている。この実施形態では前記ワーク支持テーブル１２と治具１３によりワーク支持装置が構成されている。

前記Ｙ軸サドル１９には、主軸装置２０が装着され、この主軸装置２０の内部に回転可能に支持された主軸２１には、工具２３を備えた工具ホルダ２２が装着されている。使用済みの工具が装着された工具ホルダ２２は、図示しない工具交換装置によって、主軸２１から取り出され、新工具が装着された工具ホルダと交換されるようになっている。

前記ベッド１１の上面には、ブラケット２４を介して、流体噴射ノズルとしてのエア噴射ノズル２５が装着されている。このエア噴射ノズル２５は図８に示すように主軸装置２０の軸線方向、つまりＺ軸方向と直交するＸ軸（水平）方向に支持されている。

図８に示すように、前記エア噴射ノズル２５には、コンプレッサー等の流体供給源としてのエア供給源２６からエア配管２７を通して圧力エアが供給されるようになっている。前記エア配管２７にはエアの圧力及び流量を一定に保持するレギュレータ２８と電磁式の開閉弁２９が接続されている。前記主軸装置２０のハウジング２０ａの外周面には熱変位量の測定用の基準ブロック３０が取り付けられている。この基準ブロック３０は、図１及び図８に示すようにＺ軸と平行でＸ軸と直交する平面である基準面３０ａと、該基準面３０ａのＺ軸方向の両端部に直角に形成された前側面３０ｂ及び後側面３０ｃとにより形成されている。そして、前記エア噴射ノズル２５から噴射されたエアが、前記基準ブロック３０の基準面３０ａに吹き付けられるようになっている。又、エア噴射ノズル２５から噴射されたエアは、工具ホルダ２２又は工具２３の回転振れ量の測定時において、工具ホルダ２２の外周面又は工具２３の外周面にも吹き付けられるようになっている。

図８に示すように、前記エア噴射ノズル２５にはその内部の圧力を測定する測定手段としての圧力測定器３１が接続されている。この圧力測定器３１により測定されたアナログ信号の圧力値（データ）は、Ａ／Ｄ変換器３２によりデジタル信号に変換されて、工作機械の各種の動作を制御するとともに、ワークの加工プログラムの熱変位量の補正を行なう制御システム３３に送られるようになっている。

次に、図９に基づいて、前記制御システム３３の構成と機能について説明する。
制御装置３５には各種の演算処理を行うための中央演算処理装置（ＣＰＵ）３６が設けられている。このＣＰＵ３６には、工作機械の動作を制御するための加工プログラム、あるいは測定プログラム等の各種のデータを記憶した書き換え可能な不揮発性の記憶媒体としてのリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）３７が接続されている。又、前記ＣＰＵ３６には、各種のデータを記憶するための読み出し書き込み可能な記憶媒体としてのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３８が接続されている。前記ＣＰＵ３６には、入出力インターフェース３９を介して、前記Ａ／Ｄ変換器３２及びキーボードあるいはマウス等の入力手段４１が接続されている。同じく前記ＣＰＵ３６には、入出力インターフェース４２を介して、報知手段としての表示装置４３が接続されている。同じく前記ＣＰＵ３６には、入出力インターフェース４４及び図示しない駆動回路を介して、Ｚ，Ｘ，Ｙ軸の各軸駆動機構４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃが接続され、主軸装置２０がＺ，Ｘ，Ｙ軸方向にそれぞれ数値制御移動されるようになっている。又、入出力インターフェース４４には図示しない駆動回路を介して前記エア供給源２６及び開閉弁２９が接続されている。

前記ＣＰＵ３６には、図１において主軸装置２０を原点位置Ａ０から前記エア噴射ノズル２５と同一高さの測定開始位置Ａ１へ移動した状態で、該主軸装置２０とともに基準ブロック３０をＺ軸方向に一定速度で移動するための基準ブロック定速移動制御部５１が設けられている。前記測定開始位置Ａ１は、図１に示すようにエア噴射ノズル２５の中心軸線Ｏ１から基準ブロック３０の基準面３０ａの中心Ｏ２がＺ軸方向に所定距離Ｌ１（例えば２０ｍｍ）だけ離れた位置に設定されるとともに、エア噴射ノズル２５の先端面２５ａからＸ軸方向に所定距離Ｌ２（例えば０．２ｍｍ）だけた離れた位置に設定されている。又、前記ＣＰＵ３６には、基準ブロック３０のＺ軸方向の中心位置を演算するための中心位置演算部５２が設けられている。前記ＣＰＵ３６には予めＲＡＭ３８に記憶された基準中心位置（演算値）と、新たに測定演算された測定中心位置（演算値）とに基づいて主軸装置２０のＺ軸方向の熱変位量を演算するための熱変位量演算手段としての熱変位量演算部５３が設けられている。前記ＣＰＵ３６には前記熱変位量に基づいて主軸装置２０のＺ軸方向の座標位置データを補正するための座標位置データ補正部５４が設けられている。

前記ＣＰＵ３６には、図４に示すように前記工具２３を原点位置Ａ０から前記エア噴射ノズル２５と同一高さの第１振れ量測定位置Ｂ１に移動した状態で、工具２３を回転させてエア噴射ノズル２５からエアを噴射したときに前記圧力測定器３１によって測定された圧力値（データ）に基づいて、工具の第１振れ量を演算するための第１振れ量演算部５５が設けられている。同じく、前記ＣＰＵ３６には、予めＲＡＭ３８に記憶された第１許容値と、新たに測定演算された第１振れ量とを比較して第１振れ量が第１振れ量許容値内にあるか否かを判定するための第１判定部５６が設けられている。さらに、前記ＣＰＵ３６には、前記工具２３をＸ軸方向の移動により第１振れ量測定位置Ｂ１よりもエア噴射ノズル２５に接近させた第２振れ量測定位置Ｂ２に移動した状態で、前記第１振れ量演算部５５及び第１判定部５６と同様の動作を行うための第２振れ量演算部５７及び第２判定部５８が設けられている。

前記ＣＰＵ３６には後述する第２実施形態の工作機械に用いられる基準ブロック３０のＺ軸方向の位置演算部５９及び熱変位量演算部６０が設けられている。
前記ＲＯＭ３７には、ワークの加工動作を制御するための加工プログラムを記憶する加工プログラム記憶エリア６１が設けられるとともに、測定プログラム記憶エリア６２が設けられ、さらに、各種のデータを記憶するためのエリアが設けられている。前記ＲＡＭ３８には、測定された圧力値（データ）等の各種のデータが記憶されるようになっている。

次に、前記のように構成した前記制御装置３５のＣＰＵ３６の動作及び制御装置３５から出力される各種の信号によって行われる工作機械の各種の動作について説明する。
最初に、図１〜図３に基づいて主軸装置２０のＺ軸方向の熱変位量の測定演算動作について説明する。図９に示す制御システム３３からの制御信号に基づいて図３のフローチャートに示す各種の動作が以下のように行われる。

図１に実線で示すように基準ブロック３０が原点位置Ａ０にある状態で、図３のステップＳ１において、前記開閉弁２９を開放して、エア噴射ノズル２５からエアを噴射し、圧力測定器３１によりエアの圧力を測定する。スデップＳ２で、ＣＰＵ３６により測定圧力ＰｓがＲＡＭ３８に予め記憶された上限値Ｈ０よりも高いか否かが判定され、ノーの場合にはステップＳ３で測定圧力ＰｓがＲＡＭ３８に予め記憶された下限値Ｌ０よりも小さいか否かが判定される。そして、ステップＳ２，Ｓ３でイエスの場合には、表示装置４３にエラー表示が行われ、作業者によって異常が修復される。

ステップＳ３でノーと判定された場合には、ステップＳ５で測定圧力Ｐｓ、つまり元圧Ｐｇが「正常」であることが表示装置４３に表示される。
次に、ステップＳ６で基準ブロック３０を主軸装置２０とともに原点位置Ａ０から測定開始位置Ａ１へ移動する。ステップＳ７で、基準ブロック定速移動制御部５１からの制御信号に基づいて基準ブロック３０を図１に示す前記測定開始位置Ａ１から一定速度で圧力測定のためＺ軸方向に移動し、測定終了位置Ａ２で停止する。このとき、圧力測定器３１の測定圧力Ｐｓの曲線は、図２に実線で示すように一定の元圧Ｐｇの水平部ｅ１、圧力の上昇部ｅ２、圧力が一定の水平部ｅ３、圧力の下降部ｅ４及び水平部ｅ５からなる圧力曲線で示されるものとなる。

次に、ステップＳ８で、測定圧力Ｐｓが予めＲＡＭ３８に記憶された図２に示す所定圧力Ｐａのときの基準ブロック３０の前側面３０ｂの位置Ｚａ１及び後側面３０ｃの位置Ｚａ２から基準ブロック３０の中心位置Ｚａを前記中心位置演算部５２により演算して、この演算値を基準中心位置ＺａとしてＲＡＭ３８に記憶する。

以上の動作により主軸装置２０のＺ軸方向の熱変位量を測定するための準備作業が終了する。
次に、ステップＳ９でワークの加工が行われ、ステップＳ１０で中央演算処理装置ＣＰＵ３６によりワークの加工数が予め設定された設定値Ｘを超えたか否かが判断され、加工数が設定値Ｘを超えた時点において行われるＺ軸駆動機構４５Ａの熱変位量の測定演算動作について説明する。

図３のステップＳ１０でイエスと判断された場合には、前述したステップＳ１〜Ｓ７と同様の動作が行われる。即ち、元圧の測定動作が行われるとともに、基準ブロック３０が原点位置Ａ０から測定開始位置Ａ１へ移動される。基準ブロック３０が一定速度で圧力測定のため測定開始位置Ａ１から測定終了位置Ａ２へ移動される。そして、ステップＳ１１で圧力測定器３１により測定された測定圧力Ｐｓが所定圧力Ｐａのときの基準ブロック３０の前側面３０ｂの位置Ｚａ１' 及び後側面３０ｃの位置Ｚａ２' の中心位置Ｚａ' が演算され、この演算値がＲＡＭ３８に記憶される。ステップＳ１２で前記熱変位量演算部５３により熱変位量ΔＺ＝Ｚａ' −Ｚａが演算される。ステップＳ１３で座標位置データ補正部５４により前記熱変位量ΔＺに基づいて加工プログラムの主軸装置２０のＺ軸方向の座標の位置データが補正される。その後、ステップＳ９に戻りワークの加工が行われる。

次に、図４〜図６を中心に、工具２３の回転振れ量を測定演算する動作について説明する。
図６に示すようにこの測定演算動作の場合にも、図３に示すステップＳ１〜Ｓ５と同様の動作が行われた後、図６のステップＳ６で、前記主軸装置２０と共に工具２３が３軸駆動機構により図４に示す原点位置Ａ０から第１振れ量測定位置Ｂ１への早送りの後、低速送り（例えば２００ｍｍ／ｍｉｎ）で移動される。この第１振れ量測定位置Ｂ１にある工具２３の外周面２３ａとエア噴射ノズル２５の先端面２５ａとの距離Ｌ３は、例えば、０．４ｍｍに設定されている。ステップＳ７で、工具２３が回転され、工具２３の外周面２３ａにエア噴射ノズル２５からエアが吹き付けられて、圧力測定器３１によりエアの圧力が測定され、この圧力が第１測定圧力Ｐｓ１としてＲＡＭ３８に記憶される。この第１測定圧力Ｐｓ１は、図５に示すように工具２３に回転振れがあると、サインカーブ状の曲線となって表れる。この圧力値（データ）に基づいて、ステップＳ８で、第１振れ量演算部５５により工具２３の第１振れ量Δｆ１が演算され、この第１振れ量Δｆ１がＲＡＭ３８に記憶される。ステップＳ９で第１振れ量Δｆ１がＲＡＭ３８に予め記憶された第１振れ量許容値Ｐｈ１内にあるか否かが判定され、ノーと判定された場合には、ステップＳ１０で表示装置４３にエラー表示が行われ、作業者によって工具ホルダ２２の装着部の清掃が行われる。

ステップＳ９でイエスと判定された場合には、ステップＳ１１で工具２３が主軸装置２０とともに図４に示す第２振れ量測定位置Ｂ２へ低速送りで移動される。この第２振れ量測定位置Ｂ２にある工具２３の外周面２３ａとエア噴射ノズル２５の先端面２５ａとの距離Ｌ４は、例えば、０．２ｍｍに設定されている。

ステップＳ１２で工具２３が回転されるとともに、工具２３の外周面２３ａにエアが吹き付けられて、圧力測定器３１により第２測定圧力Ｐｓ２が測定される。この第２測定圧力Ｐｓ２も第１測定圧力Ｐｓ１と同様にサインカーブ状となり、第２振れ量演算部５７により工具２３の第２振れ量Δｆ２が演算され、ＲＡＭ３８に記憶される。次に、ステップＳ１３で第２判定部５８により第２振れ量Δｆ２がＲＡＭ３８に予め記憶された第２振れ量許容値Ｐｈ２内にあるか否かが判定され、ノーと判断された場合には、ステップＳ１４で表示装置４３にエラー表示が行われ、作業者によって工具ホルダ２２の装着部の清掃が行われる。ステップＳ１３でイエスと判定された場合にはステップＳ１５でワークの高精度の加工が行われる。

上記第１実施形態の工作機械における主軸装置の熱変位量及び回転振れ量測定装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）第１実施形態では、所定位置に設置された一つのエア噴射ノズル２５に対し、主軸装置２０の基準ブロック３０を測定開始位置Ａ１から測定終了位置Ａ２へ移動しつつ基準ブロック３０にエアを噴射して、圧力測定器３１によりエアの圧力を測定し、この測定圧力Ｐｓに基づいて、主軸装置２０のＺ軸方向の熱変位量ΔＺを演算するようにした。又、前記エア噴射ノズル２５に対し工具２３の外周面２３ａを接近させて測定位置に移動して工具２３の回転振れ量を演算し、この振れ量が振れ量許容値にあるか否かを判定するようした。このため、一つのエア噴射ノズル２５を用いて、熱変位量ΔＺの測定演算と、工具２３の回転振れ量の測定演算を行うことができ、部品点数を低減してコストダウンを図ることができる。

（２）第１実施形態では、基準ブロック３０の基準面３０ａ及び工具２３の外周面２３ａにエア噴射ノズル２５からエアを噴射するようにした。このため基準面３０ａ及び外周面２３ａに付着した切粉等の異物を除去することができ、圧力の測定精度を向上することができ、この結果、主軸装置２０のＺ軸方向の熱変位量及び工具２３の回転振れ量の測定精度を向上することができる。

（３）第１実施形態では、基準ブロック３０を測定開始位置Ａ１から測定終了位置Ａ２まで移動する行程で測定された図２に示す圧力Ｐｓと所定圧力Ｐａとに基づいて基準ブロック３０の位置Ｚａ１' 及び位置Ｚａ２' を演算する。そして、両位置Ｚａ１' 及び位置Ｚａ２' から基準ブロック３０の測定中心位置Ｚａ' を演算し、これと予めＲＡＭ３８に記憶された基準中心位置Ｚａとに基づいて熱変位量ΔＺを演算するようにした。このため、基準ブロック３０のＺ軸方向の熱変位量の測定演算精度を向上することができ、ひいてはワークの加工精度を向上することができる。

（４）第１実施形態では、前記エア噴射ノズル２５に対し工具２３の外周面２３ａを接近させて第１振れ量測定位置Ｂ１及び第２振れ量測定位置Ｂ２に順次移動して工具２３の第１振れ量Δｆ１及び第２振れ量Δｆ２を順次演算し、それらを第１振れ量許容値Ｐｈ１及び第２振れ量許容値Ｐｈ２にあるか否かを順次判定するようした。このように二段階での測定を行うため、工具２３の回転振れ量が大きい状態で、行き成りエア噴射ノズル２５を第２振れ量測定位置Ｂ２に移動して測定したときに生じるエア噴射ノズル２５と工具２３の外周面２３ａの接触を回避することができ、エア噴射ノズル２５の損傷を未然に防止することができる。

次に、この発明の第２実施形態を図７及び図９〜図１２に基づいて説明する。
この第２実施形態では、図７に示す前記ベッド１１、ワーク支持テーブル１２又は治具１３には図示しないブラケットを介して熱変位量の測定に用いる第１流体噴射ノズルとしての第１エア噴射ノズル７１が図１０に示すようにＺ軸方向に指向するように所定位置に取り付けられている。この第１エア噴射ノズル７１のエア供給路には図示しないが第１測定手段としての第１圧力測定器が接続されている。図７及び図１０に示す前記エア噴射ノズル２５は、前記工具ホルダ２２又は工具２３の回転振れ量の測定に用いる第２流体噴射ノズルとしての第２エア噴射ノズル２５として機能する。前記圧力測定器３１は第２測定手段としての第２圧力測定器として機能する。又、前記主軸装置２０のハウジング２０ａの前端面に対し基準面３０ａがＺ軸方向と直交するように前記基準ブロック３０が取り付けられている。

次に、第２実施形態における主軸装置２０のＺ軸方向の熱変位量の測定演算動作を図１１及び図１２に基づいて説明する。
図１２のステップＳ１〜Ｓ５は前述した第１実施形態の図３に示すステップＳ１〜Ｓ５の動作と同様である。図１２のステップＳ６において、主軸装置２０とともに前記基準ブロック３０が原点位置Ａ０から測定開始位置Ｃ１に移動される。この測定開始位置Ｃ１は基準ブロック３０の基準面３０ａが第１エア噴射ノズル７１と対向され、第１エア噴射ノズル７１の先端からＺ軸方向に所定距離Ｌ５（例えば０．６ｍｍ）だけ隔てた位置に設定されている。その後、ステップＳ７で、エア噴射ノズル７１から基準ブロック３０の基準面３０ａにエアが噴射され、ステップＳ８で前記エア噴射ノズル７１に向かって基準ブロック３０がＺ軸方向に移動される。圧力測定器３１による測定圧力Ｐｓ１は、基準面３０ａが第１エア噴射ノズル７１の先端に接近していくので、図１１に実線で示すように上昇する。この測定圧力Ｐｓ１が所定圧力Ｐｃとなった時点で基準ブロック３０の送りを停止し、その基準ブロック３０の位置をＺ軸方向の基準位置Ｚとして、予めＲＡＭ３８に記憶する。

以上の動作により測定準備作業が終了する。
次に、ステップＳ９でワークの加工が行われ、ステップＳ１０で中央演算処理装置ＣＰＵ３６によりワークの加工数が予め設定された設定値Ｘを超えたか否かが判断され、超えた時点で、主軸装置２０のＺ軸方向の熱変位量を測定する動作が行われる。ステップＳ１０の後に、前述したステップＳ１〜Ｓ７と同様の動作が行われる。即ち、元圧の測定動作が行われるとともに、基準ブロック３０が一定速度で圧力測定のため移動され、基準ブロック３０が原点位置Ａ０から測定開始位置Ｃ１へ移動され、該測定開始位置Ｃ１からエア噴射ノズル７１に向かって基準ブロック３０が移動される。そして、ステップＳ１１で圧力測定器３１により圧力が測定される。この圧力は図１１に二点鎖線で示す曲線となる。図１１から明らかなように主軸装置２０に熱変位があると、前記測定開始位置Ｃ１に移動されたはずの基準ブロック３０の実際の測定開始位置Ｃ１' も基準の測定開始位置Ｃ１と異なるため、第２測定圧力Ｐｓ２の立ち上がり開始位置もＣ１' に変位する。この第２測定圧力Ｐｓ２が前記所定圧力Ｐｃに達した時点で、主軸装置２０の送りが停止される。この時点における基準ブロック３０のＺ軸方向の位置Ｚ' が基準ブロック３０の位置演算部５９により演算され、その測定位置Ｚ' の演算値がＲＡＭ３８に記憶される。

次に、ステップＳ１２において、前記基準位置Ｚと、測定位置Ｚ' に基づいて主軸装置２０の熱変位量ΔＺが熱変位量演算部６０により式（ΔＺ＝Ｚ' −Ｚ）から演算される。ステップＳ１３で前記座標位置データ補正部５４により主軸装置２０のＺ軸方向の位置座標が熱変位量ΔＺに基づいて補正され、ステップＳ９に戻りワークの加工作業が行われる。

上記第２実施形態では、主軸装置２０の熱変位量を測定するための第１エア噴射ノズル７１と、工具ホルダ２２又は工具２３の回転振れ量を測定するための第２エア噴射ノズル２５を個別に設けたので、両ノズル７１，２５の指向方向をそれぞれの測定に適した適正な方向に設定することができる。このため、第１エア噴射ノズル７１による主軸装置２０の熱変位量の測定プログラムを、図２に示す圧力曲線を用いた複雑なプログラムから図１１に示す圧力曲線を用いた単純な測定プログラムに変更することができ、プログラムの設定作業を容易に行うことができる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記両実施形態では、主軸装置２０の送り方向であるＺ軸方向の熱変位量を測定演算するようにしたが、主軸装置２０に対しＺ軸と平行でＸ軸と直交する基準面又はＹ軸と直交する基準面を設けておき、例えば前記第２エア噴射ノズル２５を熱変位測定にも共用することにより、主軸装置２０のＸ軸方向の熱変位量又はＹ軸方向の熱変位量を測定演算する構成に具体化してもよい。主軸装置２０のＸ軸方向の熱変位量は例えば図２において、測定圧力Ｐｓの水平部ｅ３の圧力変化に基づいて演算することが考えられる。又、Ｙ軸方向の熱変位量の測定演算は、例えばＺ軸方向の熱変位量の測定演算動作と同様の原理により主軸装置２０をＹ軸方向に移動することにより行うことができる。

・エア噴射ノズル２５，７１に代えて、クーラント、油等の液体を噴射するノズルを用いてもよい。又、流体の圧力を測定する方式に代えて、流体の流量を測定する方式に具体化してもよい。

・前記ブラケット２４及びエア噴射ノズル２５の設置位置を前記ワーク支持テーブル１２又は治具１３に変更してもよい。
・主軸装置２０のハウジング２０ａの外周面又は先端面に対し、基準ブロック３０の基準面３０ａと同様の機能を有する平面状の基準面を形成してもよい。この場合には部品点数を低減することができる。

・前記レギュレータ２８からエア噴射ノズル２５の先端までのエアの経路の圧力を圧力測定器３１により測定するようにしてもよい。
・図１０に示す第２実施形態において、一方のエア噴射ノズル２５を省略し、他方のエア噴射ノズル７１により熱変位量の他に工具ホルダ２２又は工具２３の回転振れ量を測定するようにしてもよい。この場合には、ノズル７１の先端面に工具ホルダ２２又は工具２３の先端部外周縁を接近させた状態で工具２３を回転して、圧力測定器３１により圧力を測定し、その測定された圧力の変化から回転振れ量を演算することが考えられる。

・図１に示す主軸装置２０のＺ軸方向の熱変位量測定方法の原理を、主軸装置２０のＸ軸方向又はＹ軸方向の熱変位量測定方法にのみ適用したり、Ｚ軸方向とＸ軸方向、Ｚ軸方向とＹ軸方向、Ｘ軸方向とＹ軸方向又はＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の熱変位量測定方法に適用したりしてもよい。

・図１０に示す第１エア噴射ノズル７１による主軸装置２０のＺ軸方向の熱変位量測定方法の原理を、主軸装置２０のＸ軸方向又はＹ軸方向の熱変位量測定方法にのみ適用したり、Ｚ軸方向とＸ軸方向、Ｚ軸方向とＹ軸方向、Ｘ軸方向とＹ軸方向又はＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の熱変位量測定方法に適用したりしてもよい。

・図１０に示す振れ量測定用の第２エア噴射ノズル２５を用いて、主軸装置２０のＸ軸方向、Ｙ軸方向又はＺ軸方向の熱変位量を測定するように構成したり、Ｚ軸方向とＸ軸方向、Ｚ軸方向とＹ軸方向又はＸ軸方向とＹ軸方向の熱変位量を測定するように構成したりしてもよい。この熱変位量の測定には例えば第１実施形態の図１に示す測定方法が用いられる。

・元圧の異常測定を省略してもよい。
・ワークの加工数が設定値Ｘを超えたか否かを判断する方法に代えて、タイマーにより設定時間を超えたか否かを判断する方法を採用してもよい。

・本発明を、主軸装置２０がＺ軸方向にのみ移動される工作機械、Ｚ軸方向とＸ軸方向にのみ移動される工作機械、又はＺ軸方向とＹ軸方向にのみ移動される工作機械に具体化してもよい。

この発明の第１実施形態の主軸装置の熱変位量の測定方法の説明図。基準ブロックの位置と測定された圧力との関係を示すグラフ。熱変位量の測定動作を説明するためのフローチャート。工具の回転振れ量の測定方法の説明図。回転振れ量の測定時間と圧力との関係を示すグラフ。回転振れ量の測定動作を説明するためのフローチャート。工作機械の全体構成を示す概略正面図。熱変位量の測定装置を示す説明図。制御システムのブロック回路図。この発明の第２実施形態を示す熱変位量の測定方法の説明図。主軸装置のＺ軸方向の位置と測定圧力との関係を示すグラフ。熱変位量の測定動作を説明するためのフローチャート。

符号の説明

Ｗ…ワーク、Ｚ…基準位置、ΔＺ…熱変位量、Ａ１…測定開始位置、Ａ２…測定終了位置、Ｂ１…第１振れ量測定位置、Ｂ２…第２振れ量測定位置、Ｐａ，Ｐｃ…圧力、Ｚａ…基準中心位置、Δｆ１，Δｆ２…第１，第２振れ量、Ｚａ１，Ｚａ２…位置、１１…ベッド、２０…主軸装置、２０ａ…ハウジング、２２…工具ホルダ、２３…工具、２３ａ…外周面、２５…エア噴射ノズル、２５ａ…先端面、３０…基準ブロック、３０ａ…基準面、５２…中心位置演算部、５３，６０…熱変位量演算部、５５，５７…第１，第２振れ量演算部、５６…第１判定部、５８…第２判定部、５９…基準ブロックの位置演算部、７１…エア噴射ノズル。

Claims

ベッド上に数値制御移動される主軸装置を装着するとともに、ワーク支持装置に支持されたワークを主軸装置に工具ホルダを介して装着された工具により加工するようにした工作機械において、
前記ベッド又はワーク支持装置に装着された流体噴射ノズルと、
上記流体噴射ノズルに流体を供給する流体供給源と、
前記流体供給源から流体噴射ノズルに至る流体通路内の流体の圧力又は流量を測定する測定手段と、
前記主軸装置を熱変位測定のために設定された測定位置に移動して、この主軸装置のハウジングに設けた基準面を、前記流体噴射ノズルに対向接近させた状態で、該ノズルから流体を前記基準面に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて主軸装置の熱変位量を演算する熱変位量演算手段と、
前記主軸装置を回転振れ測定のために設定された測定位置に移動して、この主軸装置の工具ホルダ又は工具と前記流体噴射ノズルを対向接近させた状態で、該ノズルから流体を回転中の前記工具ホルダ又は工具に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて工具ホルダ又は工具の回転振れ量を演算する回転振れ量演算手段と
を備えたことを特徴とする工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置。
請求項１において、前記基準面は前記主軸のハウジングに取り付けた基準ブロックに形成されていることを特徴とする工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置。
請求項１又は２において、前記基準面は前記主軸の軸方向と平行な面であり、前記流体噴射ノズルは一つであることを特徴とする工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置。
請求項３において、前記熱変位量演算手段は、前記基準ブロックの基準面を前記流体噴射ノズルの先端から該ノズルの軸線方向に関して一定の間隔を保持した状態で、前記主軸装置の軸方向への送りにより、該基準ブロックを測定開始位置から測定終了位置へ定速度で移動する行程で前記測定手段により測定された圧力又は流量に基づいて前記基準面の中心位置を演算する中心位置演算部と、予め記憶媒体に記憶された基準中心位置と、新たに測定手段により測定された圧力又は流量に基づいて演算された測定中心位置とに基づいて主軸装置の熱変位量を演算する熱変位量演算部とにより構成されていることを特徴とする工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置。
請求項１又は２において、前記基準面は主軸の軸方向と直交する面であり、前記熱変位量演算手段は、前記基準面を前記流体噴射ノズルに対して接近移動させた状態で、該流体噴射ノズルから流体を前記基準面に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて主軸装置の熱変位量を演算するように構成されていることを特徴とする工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置。
ベッド上に数値制御移動される主軸装置を装着するとともに、ワーク支持装置に支持されたワークを主軸装置に工具ホルダを介して装着した工具により加工するようにした工作機械において、
前記ベッド又はワーク支持装置に装着された第１流体噴射ノズルと、
前記ベッド又はワーク支持装置に装着された第２流体噴射ノズルと、
上記第１及び第２流体噴射ノズルに流体をそれぞれ供給する流体供給源と、
前記流体供給源から第１及び第２流体噴射ノズルに至る流体通路内の流体の圧力又は流量を測定する第１及び第２測定手段と、
前記主軸装置のハウジングに設けた基準面と前記第１流体噴射ノズルを対向接近させた状態で、該ノズルから流体を前記基準面に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて主軸装置の熱変位量を演算する熱変位量演算手段と、
前記主軸装置の工具ホルダ又は工具と前記第２流体噴射ノズルを対向接近させた状態で、該ノズルから流体を回転中の前記ホルダ又は工具に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて工具ホルダ又は工具の回転振れ量を演算する回転振れ量演算手段と
を備えたことを特徴とする工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置。
請求項６において、前記基準面は前記主軸のハウジングに取り付けた基準ブロックに形成されていることを特徴とする工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置。
請求項６又は７において、前記基準面は主軸の軸方向と直交する面であり、前記第１流体噴射ノズルは前記基準面と対向して設けられ、前記熱変位量演算手段は、前記基準面を測定開始位置から前記第１流体噴射ノズルの先端に向かって接近させたときに測定された圧力又は流量に基づいて前記基準面の位置を演算する位置演算部と、この位置演算部により予め演算されて記憶媒体に記憶された基準位置演算値と、新たに測定された前記圧力又は流量に基づいて演算された測定位置演算値とに基づいて主軸装置の熱変位量を演算する熱変位量演算部とにより構成されていることを特徴とする工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置。
請求項６又は７において、前記基準面は主軸の軸方向と直交する面であり、前記第１流体噴射ノズルは前記基準面と対向して設けられ、前記熱変位量演算手段は、前記基準面を前記第１流体噴射ノズルの先端から該ノズルの軸線方向に関して一定の間隔を保持した状態で、該基準ブロックを測定開始位置から測定終了位置へ定速度で移動する行程で前記測定手段により測定された圧力又は流量に基づいて前記基準面の中心位置を演算する中心位置演算部と、この中心位置演算部により予め演算されて記憶媒体に記憶された基準中心位置演算値と、新たに測定手段により測定された圧力又は流量に基づいて演算された測定中心位置演算値とに基づいて主軸装置の熱変位量を演算する熱変位量演算部とにより構成されていることを特徴とする工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置。
請求項６〜９のいずれか一項において、前記主軸のハウジングは主軸の軸方向と平行な基準面を有し、前記第２流体噴射ノズルは主軸の軸方向と直交する方向において前記基準面と対向され、前記熱変位量演算手段は、前記基準面を前記第２流体噴射ノズルに対して接近移動させた状態で、該第２流体噴射ノズルから流体を前記基準面に噴射し、このときの流体の圧力又は流量の変化に基づいて主軸装置の熱変位量を演算するように構成されていることを特徴とする工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置。
請求項１〜１０のいずれか一項において、前記回転振れ量演算手段は、工具ホルダ又は工具を第１測定位置へ移動した状態で、測定された第１測定圧力に基づいて、第１振れ量を演算する第１振れ量演算部と、前記第１振れ量が予め記憶媒体に記憶された第１振れ量許容値内にあるか否かを判定する第１判定部と、工具ホルダ又は工具を第１測定位置よりも前記流体噴射ノズルに接近した第２測定位置へ移動した状態で、新たに測定された第２測定圧力に基づいて、第２振れ量を演算する第２振れ量演算部と、前記第２振れ量が予め記憶媒体に記憶された第２振れ量許容値内にあるか否かを判定する第２判定部とを備えていることを特徴とする工作機械における主軸装置の変位及び振れ測定装置。