JP2009028819A - 工作機械の位置検出誤差測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＮＣ工作機械の位置検出器で加工点における各軸のピッチ、ヨー、ロール成分による影響を除去し加工精度の向上を図る。
【解決手段】工作機械に設置されている位置検出器の位置検出精度の補正方法において、
レーザ測長器を用いて位置決め誤差測定用リニアスケール１１の位置決め精度を補正する工程と、補正された位置決め誤差測定用リニアスケール１１を前記工作機械の直線軸に並行に取り付ける工程と、前記直線軸を一定量移動し工作機械の前記位置検出器から得られる移動量と、前記直線軸に並行に取り付けられた前記位置決め誤差測定用リニアスケール１１から読み取った移動量とを比較し、その差分を前記工作機械の位置検出器の誤差データとして記憶する工程、とからなる工作機械の位置検出誤差測定方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、工作機械に備えられた位置検出器の位置検出誤差測定方法に関し、特に、ピッチ、ヨー、ロール変動による工作機械の加工点での位置決め誤差を補正する位置検出器誤差測定方法、および、該誤差測定方法を利用して得られた誤差データを利用した工作機械に関する。

半導体製造装置のＸ−Ｙテーブル等に使用されるリニアスケールの位置検出精度を向上させるために、Ｘ−Ｙテーブルの各軸をある一定距離ずつ移動し、その都度実際の移動距離を、レーザ測長器を用いて測定し、指令した移動距離と実際の移動距離の差分を算出し、得られた差分データを用いて、Ｘ−Ｙテーブルに使用されるリニアスケールの位置検出精度の向上を図る技術がある（特許文献１参照）。
リニアスケールは、レーザ測長器に比較して絶対精度はよくない。しかし、リニアスケールは、その周辺の温度や気圧が変動しても測定への影響がレーザ測長器に比べ非常に小さい。

特開平３−１７５３１９号公報

精密な光学部品の金型、例えば、ＤＶＤピックアップレンズのような精密光学部品は、ナノメートルオーダの非常に高度な形状精度が要求される。ワークを正確な形状で加工するには位置決め精度の良いコンピュータ内蔵の数値制御（ＣＮＣ）工作機械で加工するのが最良であるが、ナノメートルオーダの絶対精度で位置決め可能なＣＮＣ工作機械を製作するのは困難であった。
また、一般的に、工作機械に用いられるスライドはＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれについて、ピッチ、ヨー、ロールによる傾きの影響が発生する。特に、ピッチやロールによる傾きはスライド上の低い位置と高い位置とでは距離換算すると何倍もの差が生じる。

現状のコンピュータ内蔵の数値制御（ＣＮＣ）工作機械の位置検出器と加工点とは距離が離れていることから、前記ＣＮＣの位置検出器では検出されない加工点における各軸のピッチ、ヨー、ロール成分の影響を極力除去し、よりよい精度の加工を求める場合、加工点付近の動きを測長精度の良いレーザ測長器にて測定し、工作機械の各軸の絶対位置決め精度を補正するのが望ましい（図５参照）。

しかし、レーザは温度や気圧などの周囲の環境が変化すると発振波長が変化するため、正確なレーザ測長を行う場合、なるべく環境変動の少ない場所で測定を行うか、レーザの光路にカバーをし、更に、測定中は光路近辺の温度および気圧を測定し、リアルタイムでその観測結果をレーザの波長にフィードバックする必要がある。しかし、工作機械の加工点近辺でレーザ測長をする場合、そのようなカバーを設けるのは大掛かりになる場合がある。
そこで、本発明の目的は、加工点付近の動きをリニアスケールにより測定し、測定結果に基づいてＣＮＣ工作機械に設置されている位置検出器の位置検出器の補正を行い、ＣＮＣ工作機械の位置検出器では検出されない加工点における各軸のピッチ、ヨー、ロール成分の影響を極力除去し、よりよい精度の加工を行えるようにすることである。

本願の請求項１に係る発明は、工作機械に設置されている位置検出器の位置検出精度の補正方法において、レーザ測長器を用いて位置決め誤差測定用リニアスケールの位置決め精度を補正する工程と、補正された位置決め誤差測定用リニアスケールを前記工作機械の直線軸に並行に取り付ける工程と、前記直線軸を一定量移動し工作機械の前記位置検出器から得られる移動量と、前記直線軸に並行に取り付けられた前記位置決め誤差測定用リニアスケールから読み取った移動量とを比較し、その差分を前記工作機械の位置検出器の誤差データとして記憶する工程、とからなる工作機械の位置検出誤差測定方法である。
請求項２に係る発明は、位置決め誤差測定用リニアスケールを工作機械の加工点近辺（領域近傍）に設置することを特徴とする請求項１記載の工作機械の位置検出誤差測定方法である。
請求項３に係る発明は、工作機械の位置検出器はリニアスケールである請求項１記載の工作機械の位置検出誤差測定方法である。
請求項４に係る発明は、前記誤差データを用いて工作機械の位置検出器の検出データを補正することを特徴とする工作機械の位置検出誤差修正方法である。

レーザ測長器を用いて誤差補正を行ったリニアスケールをマスタースケールとして用いることで、簡便な方法でＣＮＣ工作機械に使用されるスライドに存在するピッチ、ヨー、ロール方向の傾きの影響を、加工点すなわち実際に加工を行う高さで測定した値で補正することが可能となり、ＣＮＣ工作機械のよりよい位置決め精度を達成することが可能となった。
また、リニアスケールをＣＮＣ工作機械の加工点近傍に治具を用いて配置すればよいので、レーザ測長器を用いる際のような光学軸の調整作業などを行う必要が無く、ＣＮＣ工作機械が用いられている製造現場・研究室のその場で、当該発明である位置検出誤差測定方法を実施できる。

さらに、光学軸の調整作業などを必要が無いことから、ＣＮＣ工作機械の加工領域全体にわたり、各軸を所定量づつずらし、当該発明である位置検出誤差方法を容易に実施でき、製造現場・研究室の現場で、加工領域全体を小さなブロック単位で位置検出誤差の測定を実現できる。

以下、図を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１はリニアスケールが加工点近辺に取り付けられ、本発明が実行される一実施形態であるＣＮＣ工作機械の要部斜視図である。
ＣＮＣ工作機械には工具とワークとが取り付けられ、Ｘ軸１、Ｚ軸２の２つの並進軸と、Ｚ軸２に回転軸３を取り付けた構成となっている。回転軸３には回転テーブル４が取り付けられている。そして、回転テーブル４にはワーク５が取り外し可能に固定されている。また、Ｘ軸１のスライダ８には工具６が固定された工具固定治具７が取り外し可能に取り付けられている。このような構成の工作機械において、前述のとおり各並進軸に対してピッチ、ヨー、ロール成分による位置決め誤差が発生する。

図２は図１のＣＮＣ工作機械に取り付けられる位置決め誤差測定用リニアスケールの絶対精度向上を図る誤差測定装置の一例を説明している。図１の加工点近辺に取り付けられる光学式、磁気式、電気式等のリニアスケールは、ナノメートルオーダでみたとき、レーザ測長器に比較して絶対精度はよくない。しかし、リニアスケールは、その周辺の温度や気圧が変動しても測定への影響はレーザ測長器に比べ非常に小さい。そこで、リニアスケールを予め温度及び気圧変動の少ない環境でレーザ測長器を用いて補正し絶対精度を向上させる。

図２において、１１は誤差測定用リニアスケールとしてＣＮＣ工作機械に取り付けられるリニアスケールである。リニアスケールの例としては例えば本出願人が先に出願している特開２００６−３８８３９号に公開されているものを使用できる。リニアスケール１１を図示しない固定体に固定する。リニアスケール１１には一定ピッチの透過型の測長パターンが設けられている。測定ヘッドには図示しない発光手段からの光を検出する受光手段が設けられている。そして、測定ヘッドは測長パターンに対向しかつリニアスケール１１に沿って移動可能に構成されている。測定ヘッドで検出された測量パターンの検出信号は信号処理装置に出力される。

このような構成により、測定ヘッドを移動してリニアスケールの測長パターンの補正したい地点の検出信号を検出したとき、レーザ干渉式測長器からの検出信号とを比較することにより位置誤差が測定される。そして、この測定をリニアスケール１１の全域にわたって行うことにより、リニアスケールの位置決め精度を補正する「位置誤差情報」が求められ、当該「位置誤差情報」は記憶装置に記憶される。

図３は、図２に示したリニアスケールの誤差補正を全長１００ｍｍのリニアスケール１１について測定した際に得られる例である。リニアスケール１１の読みで０．０１ｍｍずつ動かす。その都度、実際の移動量をレーザ測長器で測定し、（リニアスケールの移動量）―（レーザ測長器で測定した移動量）＝誤差を縦軸、リニアスケールの位置を横軸に表記したものが図３のような関係が得られたとする。この測定はレーザ測長器が周囲の温度や気圧の変動を受けにくい環境で行う。

図３のグラフで、例えば、リニアスケールにおける２０ｍｍの位置の誤差が−０．００２３ｍｍであるので、リニアスケールの読みで０ｍｍから２０ｍｍの位置まで移動しても実際に移動する距離は２０ｍｍ−０．００２３ｍ＝１９．９９７７ｍｍである。逆に、２０．０００ｍｍの位置で停止させたい場合には、リニアスケールの読みで２０．００２ｍｍの位置で停止すれば２０．００２４ｍｍにおける誤差は−０．００２４ｍｍであるので、２０．００２４−０．００２４ｍｍ＝２０．００００ｍｍの位置で停止する。
このように、リニアスケールの位置決め精度を補正することは、換言すれば、リニアスケールの位置にその位置の誤差分を足し込んだ値を実際の位置として使用することである。

図４は、図１で説明したＣＮＣ工作機械から、ワーク５、工具６、及び、工具固定治具７を取り外し、回転テーブル４にスケール読み取りヘッド１０を固定する読み取りヘッド固定治具９を着脱自在に取り付ける。また、スライダ８には、誤差測定用リニアスケール１１を固定するリニアスケール固定治具１２が着脱自在に取り付ける。このようにすることで、図４に示されるように、誤差測定用リニアスケール１１をＣＮＣ工作機械のＸ軸に平行かつ加工点付近に取り付けることが可能となる。

ＣＮＣ工作機械に備わった位置検出器の検出誤差を測定する位置決め誤差測定用スケールとして用いる。直線軸を一定量移動し、工作機械の位置検出器から得られる移動量と、該軸に取り付けられた位置決め誤差測定用リニアスケールから読み取った移動量と比較し、その差分を該工作機械の位置検出器の誤差データとして記憶する。そして、ＣＮＣ工作機械の加工点付近の位置決め誤差を測定し、工作機械の絶対位置検出精度を補正する。なお、誤差測定用リニアスケールから読み取った移動量は、前記「位置誤差情報」で補正された量である。

そして、例えば、工作機械のＸ軸を、Ｘ軸の位置検出器の読みで０．０１ｍｍずつ移動し、その都度位置決め誤差測定用リニアスケールの移動量を測定する。Ｘ軸のそれぞれの位置において、その位置における誤差、換言すれば、（Ｘ軸の位置検出器の移動量）−（位置決め誤差測定用リニアスケールの移動量）を記録し、位置決めの補正データとして使用する（図５参照）。例えば、Ｘ軸を位置Ａ’まで移動する場合は、Ａ’＝Ａ＋ｍ（ｍは位置Ａにおける補正データ）を見つけ出し、Ｘ軸の位置検出器の読みでＡまで移動すれば、Ｘ軸は誤差測定用リニアスケールによって位置決めを行うことが出来る。

さらに、光学軸の調整作業などの必要が無いことから、ＣＮＣ工作機械の加工領域全体にわたり、Ｘ軸１、Ｚ軸２方向に所定量づつずらし、加工領域全体を小さなブロック単位に分割して位置検出誤差の測定することも可能である。

第２の実施形態として、誤差測定用リニアスケールの誤差測定の際の移動手段として、
ＣＮＣ工作機械のスライダを使用する。ＣＮＣ工作機械のＸ軸スライダに誤差測定用リニアスケールとレーザ光反射鏡とを誤差測定用リニアスケールとレーザ光の光軸とが平行状態になるように近接して取り付ける固定治具を用意する。誤差測定用リニアスケールとレーザ反射鏡とは近接して配置されていることから、ＣＮＣ工作機械に使用されるスライドに存在するピッチ、ヨー、ロール方向の傾きによる誤差は相殺される。このようにすることにより、誤差計測用リニアスケールの誤差測定のために特別の移動装置を用意する必要がない。そして、Ｙ軸、Ｚ軸方向での誤差は、Ｘ軸方向で誤差測定を行っていることから、Ｙ軸、Ｚ軸方向ではレーザ測長器を使用するまでもない。
第３の実施形態として、図６に示されるように工作機械の数値制御装置内に、図２に示される手段により求めた誤差測定用リニアスケールの誤差補正するためのデータテーブルを格納しておく。工作機械の使用者は工作機械の位置検出器の誤差補正を行うとき、誤差測定用リニアスケールを工作機械にとりつけることにより、自動的に工作機械の位置検出誤差補正テーブルを作成することができる。

本発明が実行される一実施形態であるＣＮＣ工作機械の要部斜視図である。 誤差測定用リニアスケールのレーザ測長器を用いた誤差測定装置の一例である。 リニアスケールの誤差の一例を示すグラフである。 工作機械のＸ軸をリニアスケールを用いて位置決め誤差測定を行うときの段取り図である。 工作機械の位置検出器の誤差の一例を示すグラフである。 誤差測定用リニアスケールの誤差補正データを記憶させた工作機械の一例。 工作機械のＸ軸を、レーザ測長器を用いて位置決め誤差測定を行うときの段取り図である。

符号の説明

１ Ｘ軸
２ Ｚ軸
３ 回転軸
４ 回転テーブル
５ ワーク
６ 工具
７ 工具固定治具
８ スライダ
９ スケール読み取りヘッド固定治具
１０ スケール読み取りヘッド
１１ 誤差測定用リニアスケール
１２ リニアスケール固定治具

Claims (4)

1. 工作機械に設置されている位置検出器の位置検出精度の補正方法において、
   レーザ測長器を用いて位置決め誤差測定用リニアスケールの位置決め精度を補正する工程と、補正された位置決め誤差測定用リニアスケールを前記工作機械の直線軸に並行に取り付ける工程と、前記直線軸を一定量移動し工作機械の前記位置検出器から得られる移動量と、前記直線軸に並行に取り付けられた前記位置決め誤差測定用リニアスケールから読み取った移動量とを比較し、その差分を前記工作機械の位置検出器の誤差データとして記憶する工程、
   とからなる工作機械の位置検出誤差測定方法。
2. 位置決め誤差測定用リニアスケールを工作機械の加工点近辺に設置することを特徴とする請求項１記載の工作機械の位置検出誤差測定方法。
3. 工作機械の位置検出器はリニアスケールである請求項１記載の工作機械の位置検出誤差測定方法。
4. 前記誤差データを用いて工作機械の位置検出器の検出データを補正することを特徴とする工作機械の位置検出誤差修正方法。

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