本発明は、加工における製品精度を向上させるために、移動体及び回転体の変位を加工中にリアルタイムで測定する変位測定装置に関する。
高精度な加工を行うためには、工作機械、測定機械の性能だけでなく、これらの工具、加工物または検出素子の空間位置決め精度が必要となる。
空間位置決め精度とは、工具または加工物を空間移動させ、位置決めを行う際の精度のことである。空間位置決め精度を高めることによって加工精度を高めることができるが、実際は、工作機械の運動による誤差及び加工機械・工具・加工物の熱変形による誤差によって、加工精度が低下してしまう。
加工精度低下の原因である工作機械の運動による誤差及び加工機械・工具・加工物の熱変形による誤差などを低減し、加工精度を向上させるためには、加工機械・工具・加工物などの変位を精密に測定し、誤差を補正する必要がある。
工具または加工物の変位を高精度で測定し、精密に位置補正制御をする方法として、レーザ測長を用いた工作機械の精度を向上させるシステム(例えば、特許文献1)などが提案されている。また、変位測定用センサを用いた回転体の変位測定システム(例えば、特許文献2)などが提案されている。
特開平7−80757号公報
特開平8−233565号公報
従来技術では、被測定物の変位を実用的な精度で測定するために必要となるレーザ測長器は非常に高価なため、一般の加工システムには適用しにくかった。また、特に回転体の変位を測定するためには、回転体から約0.1mmのギャップを隔てて変位測定用センサを取り付ける必要があることから、加工システムには適用しにくかった。
そこで、本発明は上記問題点に着目し、加工機械・工具・加工物などの被測定物の変位を離れた位置から実用的な精度で測定する比較的安価な被測定物の変位測定装置を提供することを目的とする。
本発明の請求項1記載の変位測定装置は、被測定物と、光を出射する発光部と、前記光を受光する光検出素子とを備え、前記光検出素子の出力により前記被測定物の変位を検出する変位測定装置において、前記光検出素子がPSDであることを特徴とする。
本発明の請求項2記載の変位測定装置は、請求項1において、前記被測定物を挟んで前記発光部と前記PSDを配置し、前記被測定物の基準部の一側を通過した前記光を前記PSDで受光することを特徴とする。
本発明の請求項3記載の変位測定装置は、請求項1において、前記被測定物を挟んで、一方と他方に前記発光部と前記PSDを配置すると共に、他方と一方に前記発光部と前記PSDを配置し、前記一方の発光部と前記他方の発光部の光は逆向きで略平行をなし、前記一方の発光部の光を前記被測定物の基準部の一側を通過して前記他方のPSDで受光し、前記他方の発光部の光を前記被測定物の基準部の他側を通過して前記一方のPSDで受光することを特徴とする。
本発明の請求項4記載の変位測定装置は、請求項2又は3において、前記基準部は溝状のスリット部であることを特徴とする。
本発明の請求項5記載の変位測定装置は、請求項2又は3において、前記基準部は円柱の一部であることを特徴とする。
本発明の請求項6記載の変位測定装置は、請求項2又は3において、前記基準部は円形リング状の突出部であることを特徴とする。
本発明の請求項7記載の変位測定装置は、請求項3において、前記一方のPSDより得られた出力と、前記他方のPSDより得られた出力とにより変位を算出することを特徴とする。
本発明の請求項8記載の変位測定装置は、請求項1〜7のいずれかの1項において、前記発光部及び前記PSDが、前記被測定物から離れた位置に配置されることを特徴とする。
本発明のPSD(Position Sensitive Detector)を用いた変位測定装置によれば、比較的安価なPSDを用いて加工機械・工具・加工物などの被測定物の変位測定装置の変位を離れた位置から実用的な精度で測定できる。
請求項1の構成によれば、前記光検出素子としてPSDを用いることにより、前記光検出素子の設置場所が限定されることなく、比較的安価な変位測定装置を提供することができる。
また、請求項2の構成によれば、前記被測定物に設けた基準部の一側を通過した前記光を前記PSDで受光することにより、被測定物の軸心方向及び軸心直交方向の変位を測定することができる変位測定装置を提供することができる。
また、請求項3の構成によれば、前記被測定物に設けた基準部の一側及び他側をそれぞれ通過した前記光を前記PSDで受光することにより、被測定物の軸心方向及び軸心直交方向の変位を2方向より測定することができる変位測定装置を提供することができる。
また、請求項4の構成によれば、前記基準部として溝状のスリット部を設けることにより、回転体の軸心方向及び軸心直交方向の両方向の変位を測定することができる変位測定装置を提供することができる。
また、請求項5の構成によれば、前記基準部として円柱の一部を利用することにより、回転体の軸心方向及び軸心直交方向の両方向の変位を測定することができる変位測定装置を提供することができる。
また、請求項6の構成によれば、前記基準部として円形リング状の突出部を設けることにより、回転体の軸心方向及び軸心直交方向の両方向の変位を測定することができる変位測定装置を提供することができる。
また、請求項7の構成によれば、被測定物に対する発光部とPSDの相対変位に伴う測定誤差を補正し、測定精度を向上させることができる変位測定装置を提供することができる。
また、請求項8の構成によれば、前記発光部及び前記PSDを前記被測定物から離れた位置に配置でき、一般の加工システムに適用することができる変位測定装置を提供することができる。
以下、本発明によるPSDを用いた変位測定装置の実施形態について、説明する。
本発明の被測定物の変位測定装置は、測定対象となる被測定物と、光を出射する発光部と、この発光部を駆動するための駆動装置と、光により変位を検出する光検出素子と、光検出素子の出力信号を処理する信号処理装置とを有する変位測定装置であって、前記光検出素子がPSDであることを特徴とするものである。
本発明に用いる被測定物としては、特定のものに限定されるものではないが、例えば、移動体及び回転体となる加工機械・工具・加工物が好ましい。光検出素子に変位を検出させるための光を出射する発光部としては、特定のものに限定されるものではないが、例えば、レーザダイオード、発光ダイオードなどが好ましい。
また、発光部を駆動するための駆動装置としては、特定のものに限定されるものではないが、例えば、パルス変調駆動装置、リニア変調駆動装置、RF重畳変調駆動装置などが好ましい。
本発明に用いる光により変位を検出する光検出素子としては、PSDが最も好ましい。また、光もレーザ光以外でも紫外光、赤外光、可視光などでもよく、さらに、光検出素子から出力される出力信号を処理する信号処理装置としては、特定のものに限定されるものではないが、信号処理回路、A/Dコンバータ及び演算用コンピュータから構成される処理装置が最も好ましい。
まず、本発明の参考例について図1〜図4を参照して説明する。図1は、本発明の参考例による被測定物の変位測定装置を説明するための概略図である。
同図に示すように、本参考例は、工作機械の主軸ヘッド3が上下に移動する場合、主軸ヘッド3の傾斜Δθ、及び上下動と直交する方向(前後方向)の変位Δxを検出する例であり、工作機械の本体1は、工具2を取り付ける主軸ヘッド3を備え、この主軸ヘッド3の回転中心4より一側に前記工具2が設けられ、その主軸ヘッド3の回転中心より他側に、2つのレーザ光源部5,5Aを設けている。これら光源部たるレーザ光源部5,5Aは、主軸ヘッド3の長さ方向に所定間隔をおいて配置され、前記工具2の軸心方向と平行にレーザ光を出射するものである。なお、前記回転中心4は、主軸ヘッド3の基準点である。
また、それら工具2及びレーザ光源部5,5Aの軸心は前記主軸ヘッド3の軸心と直交し、前記回転中心4から距離L0の位置に前記工具2の軸心が位置し、前記回転中心4から距離L1,L2の位置にレーザ光源部5,5Aの中心が位置し、それら工具2及びレーザ光源部5,5Aは、主軸ヘッド3の長さ方向に一直線上に並んで配置されている。また、前記工具2の先端たる刃先は、主軸ヘッド3の軸心から距離Ltだけ離れている。
また、前記本体1には、前記レーザ光源部5,5Aに対向して、これらの下方に光検出素子たるPSD6,6Aが固設され、PSD6はPSD6Aより高さhdだけ高い位置にある。また、図1の実線に示す主軸ヘッド3が水平な工具基準位置で、前記主軸ヘッド3の軸心とPSD6とは基準高さhrだけ離れ、主軸ヘッド3の軸心とPSD6Aは高さ(hr+hd)だけ離れている。なお、これらの高さはPSD6,6Aの受光面を基準としている。そして、基準位置において、レーザ光源部5,5Aのレーザ光は、PSD6,6Aに直交して入射する。なお、この例のPSDは、2次元半導体位置検出素子が用いられる。
また、前記PSD6,6Aには、これらPSD6,6Aの出力電圧をアナログ信号として処理するPSD信号処理回路7が接続され、そのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/Dコンバータ8と、そのデジタル信号から変位を算出して算出結果を表示することに加えて工具2の位置補正制御するためのコンピュータ9とを備える。また、レーザ光源部5,5Aには駆動装置たるLD変調器10が接続されている。
また、図中には示していないが、アクチュエータとしての役割を果たすピエゾ素子を工具の位置制御部に組み込んでもよい。
図1において、鎖線で示す主軸ヘッド3が該主軸ヘッド3の移動位置を示し、この移動位置の回転中心4と前記PSD6とは高さhtだけ離れており、移動位置と基準位置の回転中心4の水平方向変位はΔxである。
以上のような構成において、移動体たる主軸ヘッド3に設置したレーザ光源部5,5AをLD変調器10により駆動し、任意の波長の光を出射させる。出射されたレーザ光11,11Aは下方に対向して設置されたPSD6,6Aに投射される。主軸ヘッド3の変位に応じて、PSD6,6Aに投射されるレーザ光11,11Aの投射位置及び投射角度が変化する。さらに、レーザ光11,11Aの投射位置及び投射角度が変化することにより、PSD6,6Aの出力電圧が変化する。PSD6,6Aの出力電圧をアナログ信号のままPSD信号処理回路7により処理した後に、A/Dコンバータ8によりデジタル信号に変換する。変換されたデジタル信号をコンピュータ9に取り込み、演算を行うことで、移動体の変位が得られる。さらに、得られる変位情報に基づいて、ピエゾ素子により工具2の位置補正制御を行うことによって、工具2の位置を制御し、加工精度を向上させることができる。
ここで、本参考例においてPSDが出力する水平方向変位及び垂直方向変位を、測定システムの構成部品の幾何学的な空間配置及び空間距離、光の投射位置変化及び投射角度変化により示す。移動体の水平方向変位及び垂直方向変位は、以下のように求めることができる。
図1において、基準高さhrから、高さhtへ移動する間のレーザ光源部5の水平方向変位Δx及び角度変化ΔθによるPSD5上の光点移動は、それぞれ数式1、数式2で表すことができる。
なお、Δf1Xは、PSD6におけるレーザ光11の投射位置の水平方向変位であり、Δf1θは、移動後の角度変化に応じて変化した水平方向変位である。
数式1及び数式2を合成して得られるPSD6上での光点移動は、数式3のように表される。
同様に、レーザ光源部5Aから出射されるレーザ光11AのPSD6A上での光点移動は数式4、数式5、数式6で表される。
なお、Δf2Xは、PSD6Aにおけるレーザ光11Aの投射位置の水平方向変位であり、Δf2θは、移動後の角度変化に応じて変化した水平方向変位である。
数式4及び数式5を合成して得られるPSD6A上での光点移動は、数式3のように表される。
数式3、数式6より、回転中心4のΔθ及びΔx(水平方向変位)は、次式により求められる。
さらに、工具2の先端の水平方向変位ΔXt、高さ方向変位ΔZtは数式9、数式10で表される。
また、本発明に用いるPSDの出力安定性及び傾斜変位測定システムの位置検出精度を評価した。
PSDの出力安定性を以下の方法により評価した。
レーザ光源部とPSD間の距離が一定となるようにレーザ光源部とPSDを設置し、PSDの出力安定性を評価した。PSDの出力安定性は、レーザ光源部とPSDの動作開始直後から5時間にわたってPSDの出力変位を測定することにより評価した。室内光による出力変位の誤差を除去するために、レーザ光源部の出射するレーザ光線の波長と同じ635nm付近の波長のみを通す干渉フィルターをPSDの前面に設置した。図2は、PSDの出力安定性を示すグラフである。同グラフより、PSDの出力変位は、動作開始直後から約1時間45分後までの間に初期変動を起こすが、連続動作を通じたエージングを行うことによって、初期変動が抑えられ、出力変位が安定することを確認した。最終的なPSDの出力変位の変動は約±2.3μmであり、測定分解能は0.6μm(1 LSB:Least Significant Bit)であることを確認した。
そして、本参考例による変位測定装置による位置検出精度を以下の方法により評価した。
図示しないが、ベースに固定したレーザ光源部から、コンピュータ数値制御(CNC)方式の可動テーブル上に設置したPSDに向けてレーザ光を投射することにより、PSDの位置検出精度を評価した。PSDの位置検出精度を評価する前に、レーザ光源部とPSDを3時間程度エージングした。PSDの位置検出精度の評価は、前記可動テーブルを移動した際のレーザ測長器より得られる可動テーブル変位に対するPSDの出力変位及び出力変位精度によって行われた。図3は、y軸方向の変位が−0.9から+0.9である時のx軸方向のレーザ測長器の変位に対するPSDの出力変位を示すグラフである。同グラフより、x軸方向に対するPSDの測定可能範囲は、測定中心より約±1.0mmであることが確認された。この測定可能範囲は、PSDの信号処理に用いるA/Dコンバータの入力電圧範囲を広げることにより拡張することが可能である。図3において、x軸方向のレーザ測長器の変位が−1.0から+1.0までの実測値を直線近似し、実測値と近似直線より得られた値との差を算出した。実測値と近似直線より得られた値との差をx軸方向に対するPSDの出力変位精度とした。図4は、x軸方向におけるレーザ測長器の変位に対するPSDの出力変位精度のグラフを示す。グラフより、PSDの出力変位精度は、−16.0μmから+15.2μmであることが確認された。
以上に説明したように、本発明による変位測定装置は、被測定物たる工具2と、光たるレーザ光11,11Aを出射する発光部たるレーザ光源部5,5Aと、レーザ光11,11Aにより変位を検出する光検出素子たるPSD6,6Aと、PSD6,6Aの出力信号を処理する信号処理装置たるPSD信号処理回路7と、デジタル信号に変換するA/Dコンバータ8と、変換されたデジタル信号を演算するコンピュータ9とを有する被測定物の変位測定装置であって、光検出素子がPSDであるから、比較的安価に、工具及び加工物の変位を離れた位置から実用的な精度で測定できる。
このように本参考例は、被測定物たる主軸ヘッド3と、光たるレーザ光11,11Aを出射する発光部たるレーザ光源部5,5Aと、レーザ光11,11Aを受光する光検出素子たるPSD6,6Aとを備え、PSD6,6Aの出力により主軸ヘッド3の変位を検出する変位測定装置において、光検出素子がPSD6,6Aであるから、光検出素子としてPSD6,6Aを用いることにより、PSD6,6Aの設置場所が限定されることなく、比較的安価な被測定物の変位測定装置を提供することができる。
また、このように本参考例では、被測定物たる主軸ヘッド3に複数の発光部たるレーザ光源部5,5Aを設け、これら複数のレーザ光源部5,5Aに対応して複数のPSD6,6Aを配置したから、主軸ヘッド3の変位を測定することができる。
また、このように本参考例では、発光部たるレーザ光源部5,5A及びPSD6,6Aが、被測定物たる主軸ヘッド3とこの主軸ヘッド3に設けた工具2から離れた位置に配置されるから、一般の加工システムに適用することができる被測定物の変位測定装置を提供することができる。
図5は本発明の実施例1を示し、上記参考例と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。図5は、回転体である主軸の軸心方向と軸心直交方向の(熱変位+相対変位を含む)全ての変位の測定を説明するための概略図である。図5(A)は、回転体である主軸を軸心方向と直角な方向から見た図であり、図5(B)は、回転体である主軸を軸心方向から見た図である。
図5において、回転体たる主軸21の外周には、基準部たる溝状のスリット部22が形成されており、このスリット部22の底部は前記主軸21の径小部23になっている。すなわち、スリット部22は、径小部23とこの径小部23の軸方向両側の壁面部24,24の間に形成されている。
前記主軸21を挟んで離間した両側に、前記レーザ光源部5と前記PSD6が配置され、それらレーザ光源部5,主軸21及びPSD6は、略直線上に並ぶように設置され、前記レーザ光源部5からは前記主軸21の軸心と直交方向にレーザ光11が出射される。
そして、前記レーザ光源部5と前記PSD6は、それぞれレーザ光11がスリット部22の一側を通過してPSD6に到達するように水平に設置されている。なお、レーザ光源部5とPSD6は、工具(図示せず)と主軸21間の相対変位を直接測定するために、工具固定部に直接設置又はテーブルやサドルなどに固定してもよい。また、図示しないが、アクチュエータとしての役割を果たすピエゾ素子を工具の位置制御部に組み込んでもよい。
また、図5に示すように、レーザ光源部5から出射するレーザ光11は、主軸21の軸心方向の寸法及び軸心直交方向の寸法が、前記スリット部22より大きく、したがって、レーザ光源部5から出射したレーザ光11は、スリット部22により一部が切り取られ、PSD6に入射する。
以上のような構成において、レーザ光源部5より出射されたレーザ光11は、主軸21に形成されたスリット部22の一側を通過した後にPSD6に投射される。このPSD6は、PSD6に投射されるレーザ光11の投射位置に応じた電圧を出力する。ここで、主軸21の運動時に生じる変位又は加工時及び機械駆動時に生じる熱による変位が生じた場合、それらの変位に応じて、スリット部22を通過したレーザ光11の投射位置が変化する。従って、レーザ光11のPSD6における投射位置が変化することにより、PSD6の出力電圧が変化し、このPSD6の出力変化をリアルタイムで測定することにより、加工中の相対変位及び熱変位情報を得ることができる。さらに、得られる変位情報に基づいて、ピエゾ素子により工具の位置補正制御を行うことによって、工具の切込み量を制御し、加工精度を向上させることができる。
ここで、上記の主軸21に形成したスリット部22の効果について説明する。主軸21における変位は、該主軸21の軸心直交方向の変位と軸心方向の変位である。これに対し、主軸21の軸心方向の任意の位置で、該主軸21の外周に溝状のスリット部22を形成することにより、主軸21に軸心直交方向の変位が発生すると、レーザ光11に対して、スリット部22の底面である径小部23が変位し、スリット部22を通過するレーザ光11のPSD6におけるレーザ光5の投射位置が変化し、主軸21の軸心直交方向の変位測定が可能となり、また、主軸21が軸心方向に変位すると、スリット部22を通過するレーザ光11が両側の壁面部24,24により一部が切り取られ、PSD6におけるレーザ光5の投射位置が変化し、主軸21の軸心方向の変位測定が可能となる。なお、レーザ光源部5より出射されたレーザ光11の一部が、径小部23とスリット部22の壁面部24,24に照射されるようにレーザ径及びレーザ照射位置を設定する。
このように本実施例では、被測定物たる主軸21を挟んで発光部たるレーザ発光部5とPSD6を配置し、主軸21の基準部たるスリット部22の一側を通過したレーザ光11をPSDで受光するから、主軸21の軸心方向変位及び軸心直交方向変位を測定することができ、工具2、レーザ光源部5、PSD6などの配置の自由度を向上させた被測定物の変位測定装置を提供することができる。
また、このように本実施例では、前記基準部は溝状のスリット部22であるから、回転体である主軸21の軸心方向変位及び軸心直交方向変位を測定することができるだけでなく、工具2、レーザ光源部5、PSD6などを自由に配置することができる。
図6は本発明の実施例2を示し、上記実施例1と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。図6は、回転体である主軸の軸心方向と軸心直交方向の(熱変位+相対変位を含む)全ての変位の測定を説明するための概略図である。図6(A)は、回転体である主軸を軸心方向と直角な方向から見た図であり、図6(B)は、回転体である主軸を軸心方向から見た図である。
本実施例の回転体の変位測定装置は、上記実施例1の測定精度を向上させるために、もう1組のレーザ光源部5AとPSD6Aを追加した変位測定装置である。
上記実施例1で用いたレーザ光源部5とPSD6に加え、これらレーザ光源部5とPSD6を180°回転させた位置に逆方向になるようにレーザ光源部5AとPSD6Aが設置される。なお、レーザ光源部5とPSD6及びレーザ光源部5AとPSD6Aは、工具と主軸21間の相対変位を直接測定するために、工具を固定する固定部(図示せず)に直接設置又はテーブルやサドルなどに固定してもよい。
図6において、前記主軸21を挟んで離間した一方と他方(図中、右側と左側)に、前記レーザ光源部5と前記PSD6が配置され、それらレーザ光源部5,主軸21及びPSD6は、略直線上に並ぶように設置され、前記レーザ光源部5からは前記主軸21の軸心と直交方向にレーザ光11が出射される。また、前記主軸21を挟んで離間した他方と一方(図中、左側と右側)に、前記レーザ光源部5Aと前記PSD6Aが配置され、それらレーザ光源部5A,主軸21及びPSD6Aは、略直線上に並ぶように設置され、前記レーザ光源部5Aからは前記主軸21の軸心と直交方向にレーザ光11Aが出射される。
前記レーザ光源部5から出射されるレーザ光11が前記スリット部22の一側を通過してPSD6に到達するように設置されている。また、前記レーザ光源部5Aから出射されるレーザ光11Aが前記スリット部22の他側を通過してPSD6Aに到達するように設置されている。また、図示しないが、アクチュエータとしての役割を果たすピエゾ素子を工具の位置制御部に組み込んでもよい。
また、図6に示すように、レーザ光源部5Aから出射するレーザ光11Aは、主軸21の軸心方向の寸法及び軸心直交方向の寸法が、前記スリット部22より大きく、したがって、レーザ光源部5Aから出射したレーザ光11Aは、スリット部22により一部が切り取られ、PSD6Aに入射する。
以上のような構成において、レーザ光源部5より出射されたレーザ光11は、スリット部22の一側を通過した後にPSD6に投射される。また、レーザ光源部5と180°の位置に設置したレーザ光源部5Aより出射されたレーザ光11Aは、スリット部22の他側を通過した後にPSD6Aに投射される。PSD6及びPSD6Aは、PSD6及びPSD6Aに投射されるレーザ光11,11Aの投射位置に応じた電圧を出力する。ここで、回転体の運動時に生じる変位又は加工時・機械駆動時に生じる熱による変位が生じた場合、それらの変位に応じて、スリット部22を通過したレーザ光11,11Aの投射位置が変化する。従って、レーザ光11,11AのPSD6,6Aにおける投射位置が変化することにより、PSD6及びPSD6Aの出力電圧が変化する。
この出力電圧値の変化は、回転体たる主軸21の運動時に生じる変位又は加工時・機械駆動時に生じる熱による変位によって生じるだけでなく、スリット部22とPSD6,6A間の距離によっても生じる。PSD6、PSD6A、レーザ光源部5、レーザ光源部5Aは、工具固定部に直接設置した場合、工具が移動すると、主軸21と工具との相対距離が変化する。このような主軸21と工具との相対距離の変化にともない、レーザ光源部5,5Aとスリット部22間の距離と、スリット部22とPSD6,6A間の距離が変化する。特に、スリット部22とPSD6,6A間の距離が変化することによって、スリット部22を通過した後の投射位置が変化してしまうと、PSD6,6Aの出力電圧も変化してしまうので、測定値に含まれる誤差が大きくなってしまう。この誤差を最小限にする方法として、複数のPSD6,6Aの出力をリアルタイムで演算し、補正する方法がある。
本実施例において、リアルタイムで測定されるPSD6の出力及びPSD6Aの出力を用いて、(PSD6の出力+PSD6Aの出力)/2を算出した値を用いることによって、工具と主軸21間の相対変位の測定における誤差を補正することができる。また、レーザ光11,11Aが通過し測定している高さ位置は軸心から外れているが、この計算を採用することにより、まさに測定したい主軸21の軸心における変位を求めることが出来る。さらに、変位情報に基づいて、ピエゾ素子により工具の位置補正制御を行うことによって、工具の切込み量を制御し、加工精度を向上させることができる。具体的には、工具の切込み量を例えば1μmの精度で制御した加工が実現できる。
以上のように、本発明によるPSDを用いた変位測定装置は、比較的安価なPSDを用いて、工具と回転主軸21に固定した加工物との間の相対変位を離れた位置から実用的な精度で測定できる効果があることが確認された。
このように本実施例では、実施例1の効果に加えて、被測定物たる主軸21を挟んで、一方と他方に発光部たるレーザ光源部5とPSD6を配置すると共に、他方と一方に発光部たるレーザ光源部5AとPSD6Aを配置し、一方のレーザ光源部5と他方のレーザ光源部5Aのレーザ光11,11Aは逆向きで略平行をなし、一方のレーザ光源部5のレーザ光11を主軸21の基準部たるスリット部22の一側を通過して他方のPSD5で受光し、他方のレーザ光源部5Aのレーザ光11Aを主軸21のスリット部22の他側を通過して一方のPSD5Aで受光するから、被測定物の軸心方向変位及び軸心直交方向変位を2方向より測定することができる被測定物の変位測定装置を提供することができる。
また、このように本実施例では、一方のPSD5Aより得られた出力と、他方のPSD5より得られた出力とを、加算して得られる出力の半分を用いて変位を算出するから、主軸21と工具との相対距離の変化に伴うPSD5,5Aの出力誤差を最小限に抑えることができ、測定精度を向上させることができる被測定物の変位測定装置を提供することができる。さらに、レーザ光11,11Aが通過し測定している高さ位置は軸心から外れているが、この計算を採用することにより、まさに測定したい主軸21の軸心における変位を求めることが出来る。
図7は本発明の実施例3を示し、上記実施例1,2と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。図7は、回転体である主軸の軸心直交方向の(熱変位+相対変位を含む)変位の測定を説明するための概略図である。図7(A)は、回転体である主軸を軸心方向と直角な方向から見た図であり、図7(B)は、回転体である主軸を軸心方向から見た図である。
本実施例の回転体の変位測定装置は、上記実施例1の変形例となる変位測定装置である。
上記実施例1と同様に主軸21を挟んで離間した両側に、レーザ光源部5とPSD6が設置される。なお、レーザ光源部5とPSD6は、工具と主軸21間の相対変位を直接測定するために、工具を固定する固定部(図示せず)に直接設置又はテーブルやサドルなどに固定してもよい。
図7において、前記主軸21を挟んで離間した一方と他方(図中、右側と左側)に、前記レーザ光源部5と前記PSD6が配置され、それらレーザ光源部5,主軸21及びPSD6は、略直線上に並ぶように設置され、前記レーザ光源部5からは前記主軸21の軸心と直交方向にレーザ光11が出射される。
前記レーザ光源部5から出射されるレーザ光11が主軸21の基準部たる円柱の一部である外周面25を通過してPSD6に到達するように設置されている。また、図示しないが、アクチュエータとしての役割を果たすピエゾ素子を工具の位置制御部に組み込んでもよい。
また、図7に示すように、レーザ光源部5から出射するレーザ光11は、円柱の外周面25により一部が切り取られ、PSD6に入射する。
以上のような構成において、レーザ光源部5より出射されたレーザ光11は、主軸21の円柱の外周面25を通過した後にPSD6に投射される。このPSD6は、PSD6に投射されるレーザ光11の投影位置に応じた電圧を出力する。ここで、主軸21の運動時に生じる変位又は加工時及び機械駆動時に生じる熱による変位が生じた場合、それらの変位に応じて、外周面25を通過したレーザ光11の投射位置が変化する。従って、レーザ光11のPSD6における投射位置が変化することにより、PSD6の出力電圧が変化し、このPSD6の出力変化をリアルタイムで測定することにより、加工中の相対変位及び熱変位情報を得ることができる。さらに、得られる変位情報に基づいて、ピエゾ素子により工具の位置補正制御を行うことによって、工具の切込み量を制御し、加工精度を向上させることができる。
このように本実施例では、被測定物たる主軸21を挟んで発光部たるレーザ発光部5とPSD6を配置し、主軸21の基準部たる円柱の外周面25を通過したレーザ光11をPSD6で受光するから、主軸21の軸心直交方向変位を測定することができる変位測定装置を提供することができる。
また、このように本実施例では、前記基準部は円柱の一部である外周面25であるから、回転体である主軸21の軸心直交方向変位を測定することができる。
さらに、実施例2と同様に、もう1組のレーザ光源部5AとPSD6Aを追加して測定精度を向上させることもできる。
図8は本発明の実施例4を示し、上記実施例1,2又は3と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。図8は、回転体である主軸の軸心方向の(熱変位+相対変位を含む)変位の測定を説明するための概略図である。図8(A)は、回転体である主軸を軸心方向と直角な方向から見た図であり、図8(B)は、回転体である主軸を軸心方向から見た図である。
本実施例の回転体の変位測定装置は、上記実施例1の変形例となる変位測定装置である。
上記実施例1と同様に主軸21を挟んで離間した両側に、レーザ光源部5とPSD6が設置される。なお、レーザ光源部5とPSD6は、工具と主軸21間の相対変位を直接測定するために、工具を固定する固定部(図示せず)に直接設置又はテーブルやサドルなどに固定してもよい。
図8において、前記主軸21を挟んで離間した一方と他方(図中、右側と左側)に、前記レーザ光源部5と前記PSD6が配置され、それらレーザ光源部5,主軸21及びPSD6は、略直線上に並ぶように設置され、前記レーザ光源部5からは前記主軸21の軸心と直交方向にレーザ光11が出射される。
前記レーザ光源部5から出射されるレーザ光11が主軸21の基準部たる円柱の一部である端面の壁部24Aを通過してPSD6に到達するように設置されている。なお、レーザ光11は、主軸21の端面の壁部24Aにおいて軸心と直交する場所を通過するように設置されてもよいが、軸心と直交する場所以外の場所を通過するように設置されてもよい。また、図示しないが、アクチュエータとしての役割を果たすピエゾ素子を工具の位置制御部に組み込んでもよい。
また、図8に示すように、レーザ光源部5から出射するレーザ光11は、円柱の端面の壁部24Aにより一部が切り取られ、PSD6に入射する。
以上のような構成において、レーザ光源部5より出射されたレーザ光11は、主軸21の円柱の端面の壁部24Aを通過した後にPSD6に投射される。このPSD6は、PSD6に投射されるレーザ光11の投影位置に応じた電圧を出力する。ここで、主軸21の運動時に生じる変位又は加工時及び機械駆動時に生じる熱による変位が生じた場合、それらの変位に応じて、端面の壁部24Aを通過したレーザ光11の投射位置が変化する。従って、レーザ光11のPSD6における投射位置が変化することにより、PSD6の出力電圧が変化し、このPSD6の出力変化をリアルタイムで測定することにより、加工中の相対変位及び熱変位情報を得ることができる。さらに、得られる変位情報に基づいて、ピエゾ素子により工具の位置補正制御を行うことによって、工具の切込み量を制御し、加工精度を向上させることができる。
このように本実施例では、被測定物たる主軸21を挟んで発光部たるレーザ発光部5とPSD6を配置し、主軸21の基準部たる円柱の端面の壁部24Aを通過したレーザ光11をPSDで受光するから、主軸21の軸心方向変位を測定することができる被測定物の変位測定装置を提供することができる。
また、このように本実施例では、前記基準部は円柱の一部である端面の壁部24Aであるから、回転体である主軸21の軸心方向変位を測定することができる。
加えて、実施例2と同様に、もう1組のレーザ光源部5AとPSD6Aを追加して測定精度を向上させることもできる。
さらに、本実施例の基準部となる円柱の一部である端面の壁部24Aにおける主軸21の軸心方向変位測定に加え、実施例3の基準部となる円柱の一部である外周面25における主軸21の軸心直交方向変位測定を同時に行うことにより、主軸21の軸心方向変位及び軸心直交方向変位を測定することができる。
図9は本発明の実施例5を示し、上記実施例1,2,3又は4と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。図9は、回転体である主軸の軸心方向及び軸心直交方向の(熱変位+相対変位を含む)全ての変位の測定を説明するための概略図である。図9(A)は、回転体である主軸を軸心方向と直角な方向から見た図であり、図9(B)は、回転体である主軸を軸心方向から見た図である。
本実施例の回転体の変位測定装置は、上記実施例1の変形例となる変位測定装置である。
上記実施例1と同様に主軸21を挟んで離間した両側に、レーザ光源部5とPSD6が設置される。なお、レーザ光源部5とPSD6は、工具と主軸21間の相対変位を直接測定するために、工具を固定する固定部(図示せず)に直接設置又はテーブルやサドルなどに固定してもよい。
図9において、前記主軸21を挟んで離間した一方と他方(図中、右側と左側)に、前記レーザ光源部5と前記PSD6が配置され、それらレーザ光源部5,主軸21及びPSD6は、略直線上に並ぶように設置され、前記レーザ光源部5からは前記主軸21の軸心と直交方向にレーザ光11が出射される。
前記レーザ光源部5から出射されるレーザ光11が主軸21の基準部たる円形リング状の突出部26により一部が切り取られてPSD6に到達するように設置されている。また、図示しないが、アクチュエータとしての役割を果たすピエゾ素子を工具の位置制御部に組み込んでもよい。
また、図9に示すように、レーザ光源部5から出射するレーザ光11は、円形リング状の突出部26により一部が切り取られ、PSD6に入射する。
以上のような構成において、レーザ光源部5より出射されたレーザ光11は、主軸21の円形リング状の突出部26により一部が切り取られた後にPSD6に投射される。このPSD6は、PSD6に投射されるレーザ光11の投影位置に応じた電圧を出力する。ここで、主軸21の運動時に生じる変位又は加工時及び機械駆動時に生じる熱による変位が生じた場合、それらの変位に応じて、突出部26により一部が切り取られたレーザ光11の投射位置又は突出部26により遮られた部分の位置が変化する。従って、レーザ光11のPSD6における投射位置又は突出部26により遮られた部分の位置が変化することにより、PSD6の出力電圧が変化し、このPSD6の出力変化をリアルタイムで測定することにより、加工中の相対変位及び熱変位情報を得ることができる。さらに、得られる変位情報に基づいて、ピエゾ素子により工具の位置補正制御を行うことによって、工具の切込み量を制御し、加工精度を向上させることができる。
このように本実施例では、被測定物たる主軸21を挟んで発光部たるレーザ発光部5とPSD6を配置し、主軸21の基準部たる円形リング状の突出部26により一部が切り取られたレーザ光11をPSDで受光するから、主軸21の軸心方向変位及び軸心直交方向変位を測定することができ、工具2、レーザ光源部5、PSD6などの配置の自由度を向上させた被測定物の変位測定装置を提供することができる。
また、このように本実施例では、前記基準部は円形リング状の突出部26であるから、回転体である主軸21の軸心方向変位及び軸心直交方向変位を測定することができる。
さらに、実施例2と同様に、もう1組のレーザ光源部5AとPSD6Aを追加して測定精度を向上させることもできる。
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形実施が可能である。例えば、基準部は、実施例に限定されるものではなく、例えば、スリット部をV字状の溝にするなど各種の変形実施が可能である。
本発明の参考例を示す全体概略図である。
同上、PSDの出力安定性を示すグラフである。
同上、x軸方向のレーザ測長器の変位に対するPSDの出力変位を示すグラフである。
同上、x軸方向のレーザ測長器の変位に対するPSDの出力変位精度を示すグラフである。
本発明の実施例1を示すの回転体の変位を測定する図であり、図5(A)は正面説明図、図5(B)は平面説明図である。
本発明の実施例2を示すの回転体の変位を測定する図であり、図6(A)は正面説明図、図6(B)は平面説明図である。
本発明の実施例3を示すの回転体の変位を測定する図であり、図7(A)は正面説明図、図7(B)は平面説明図である。
本発明の実施例4を示すの回転体の変位を測定する図であり、図8(A)は正面説明図、図8(B)は平面説明図である。
本発明の実施例5を示すの回転体の変位を測定する図であり、図9(A)は正面説明図、図9(B)は平面説明図である。
符号の説明
3 主軸ヘッド(被測定物)
5 レーザ光源部(光源部)
5A レーザ光源部(光源部)
6 PSD(光検出素子)
6A PSD(光検出素子)
11 レーザ光(光)
21 主軸(被測定物)
22 スリット部(基準部)
24A 端面(基準部)
25 外周面(基準部)
26 突出部(基準部)