JP2010137321A - ダブルボールバー - Google Patents

Abstract

【課題】長手方向の長さを任意の長さに変更しても、変更した長さにて変位量の測定に必要な分解能を確保できるダブルボールバーを提供する。
【解決手段】工作機械の各軸の誤差の測定に用いるダブルボールバーであって、長手方向に伸縮可能に構成されたアーム部（基準アーム部６１、伸縮アーム部６２）の両端部に球体ジョイント部を備え、被測定部に向けて出射したレーザ光の反射光を検出して被測定部までの距離を測定するレーザ測定手段６４が用いられており、基準アーム部または伸縮アーム部の一方には、レーザ測定手段６４が設けられ、他方にはレーザ光を反射する反射面Ｍ６３を備えたレーザ反射部材６３が設けられている。レーザ反射部材またはレーザ測定手段の少なくとも一方は、取り付けられている基準アーム部または伸縮アーム部に対して着脱可能であるとともに長手方向において任意の位置に固定可能に構成されている、ダブルボールバー６０。
【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械の各軸の誤差を検出する際に用いるダブルボールバーに関する。

従来より、複雑な形状の加工を行う場合、図１（Ａ）の例に示すようなパラレルリンク機構を備えた工作機械ユニット１を用いて加工を行っている。なお、図１（Ａ）はパラレルリンク機構を備えた工作機械ユニット１の全体の概略斜視図を示しており、図１（Ｂ）は工作機械ユニット１における工作機械１０の概略斜視図を示している。
パラレルリンク機構を備えた工作機械ユニット１は、フレーム３０の天井に支柱３１が固定されており、支柱３１の下端に工作機械１０が取り付けられている。
工作機械１０は、支柱３１に固定される基台１１と、基台１１に固定されるベースＦ１〜Ｆ６と、ベースＦ１〜Ｆ６の各々に設けられたモータＭ１〜Ｍ６と、モータＭ１〜Ｍ６の各々の動作によってスライドするスライドテーブルＳ１〜Ｓ６と、スライドテーブルＳ１〜Ｓ６の各々とボールジョイントを介して接続されたロッドＡ１〜Ａ６と、ロッドＡ１〜Ａ６の各々とボールジョイントを介して接続されたトラベリングプレート１２と、トラベリングプレート１２に設けられた主軸２０とを備えている。なお、主軸２０の駆動機構については記載を省略している。
また、工作機械ユニット１は、主軸２０の向きや位置を目標値とする指令値をサーボユニット５０に出力する制御装置４０と、制御装置４０から入力される指令値とモータＭ１〜Ｍ６からの位置検出信号に基づいてモータＭ１〜Ｍ６に駆動信号を出力するサーボユニット５０とを備えている。なお、モータＭ１〜Ｍ６は、スライドテーブルＳ１〜Ｓ６の位置を検出するためのエンコーダ等を備えている。
この構成により、モータＭ１〜Ｍ６の動作を制御することで、主軸２０の向きや位置を３次元で制御することが可能となるように構成されており、フレーム台座３２上の固定部３３に載置したワークを加工可能である。

このようにパラレルリンク機構を備えた工作機械ユニット１は、図１（Ｂ）に示すトラベリングプレート１２の向きや位置を制御するので、１個の軸のみを駆動させることはなく、複数の軸を連動させて同時に駆動するため、各軸の誤差を個々に測定することが非常に困難である。
そこで、長手方向に伸縮可能なアーム部の両端部に球体ジョイント部を備えたダブルボールバーを用いて、誤差を測定している（図３（Ａ）、（Ｂ）参照）。
誤差の測定方法としては、例えばダブルボールバーの一方の端部の球体ジョイント部を主軸に取り付け、他方の端部の球体ジョイント部を工作機械の固定部（ワークを載置するテーブル上の所定位置等）に取り付け、前記固定部からの法線を中心とした円を主軸に描かせて、ダブルボールバーの伸縮量の変化を測定する。各軸の誤差がなく理想的な状態であればダブルボールバーの伸縮量に変化はなく、ダブルボールバーの伸縮量に変化がある場合、いずれかの軸に誤差があることを示している。ダブルボールバーの他方の端部を種々の固定部に設定し、種々の円を主軸に描かせて、ダブルボールバーの実際の伸縮量の変化の測定値と、理想的な伸縮量の変化とに基づいて、各軸の誤差を求め、補正を行っている。
なお、ダブルボールバーは、パラレルリンク機構を備えた工作機械ユニット１の主軸の誤差の測定に限定されず、いわゆるマシニングセンタの主軸の誤差の測定等、種々の工作機械の主軸の誤差の測定に用いることができる。

例えば、特許文献１に記載された従来技術では、エンドプレート（トラベリングプレートに相当）上の点と、固定部上の点と、の距離を測定して機械の位置決め精度を測定し、１軸ずつの誤差情報を抽出し、１軸ずつ機械の機械寸法を測定し、１軸ずつ誤差を補正し、最終的にエンドプレートの位置決め誤差を補正している。なお、測定にはダブルボールバーを用いて、上記に記載した方法と同様、主軸に円を描かせて誤差を求めている。
また、特許文献２に記載された従来技術では、ダブルボールバーを用いて、上記に記載した方法と同様、主軸に円を描かせ、複数の機械パラメータの行列式から各軸の誤差を求めている。
また、特許文献３に記載された従来技術では、ダブルボールバーを用いて、上記に記載した方法と同様、主軸に円を描かせ、指令値に対する実測値を取得し、実測値と指令値とに基づいてコンプライアンス値を求めている。そして、直交座標系で与えられる指令値をアクチュエータの出力に変換する変換式に、求めたコンプライアンス値を適用し、変換式によるアクチュエータの出力値に含まれる誤差を低減する、パラレルリンク機構を備えた工作機械の制御方法が開示されている。
特開２００１−０９２５１０号公報 特開平１１−１１４７７７号公報 特開２００２−０９６２３２号公報

パラレルリンク機構を備えた工作機械では、１個の軸のみを動作させてその軸のみの誤差を測定することができないため、ダブルボールバーを用いて複数の軸を駆動させて実際の軌跡を測定し、理想的な軌跡と実際の軌跡とを比較して誤差を求めている。
ここで、いずれの特許文献も、ダブルボールバーの構造については独特な構造が開示されていないため、既存のダブルボールバーが用いられているものと推定される。
既存のダブルボールバーは、内部に差動トランスや小型リニアスケールの変位量測定器が設けられており、分解能は約０．１［μｍ］と、充分な精度を有しているが、測定可能範囲（変位量の範囲）が約±１［ｍｍ］であり、測定可能な範囲が非常に狭い。一般的に、分解能が高くなる程、ダイナミックレンジ（測定可能範囲）は狭くなる。
上記に記載したように、誤差を測定する場合、工作機械の固定部と主軸との間をダブルボールバーで接続して主軸に種々の円を描かせるのであるが、前記固定部と主軸との間の距離が異なる毎に、当該距離に応じたダブルボールバーを取り付けて測定する必要がある。このため、誤差の測定の際にダブルボールバーを頻繁に交換する必要があり、非常に手間と時間がかかる。また、予め用意しているダブルボールバーの長さに応じた測定を行うことしかできないため、誤差の測定の自由度が少ない。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、長手方向の長さを任意の長さに変更しても、変更した長さにて変位量の測定に必要な分解能を確保できるダブルボールバーを提供することを課題とする。

上記課題を解決するための手段として、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりのダブルボールバーである。
請求項１に記載のダブルボールバーは、長手方向に伸縮可能に構成されたアーム部の両端部に球体ジョイント部を備え、一方の端部の球体ジョイント部は測定対象である工作機械の主軸、または前記主軸を取り付けるための部材、に取り付けられ、他方の端部の球体ジョイント部は前記工作機械における任意の固定部に取り付けられ、前記主軸、または前記主軸を取り付けるための部材、に所定の経路を移動させて前記工作機械の各軸を動作させるとともに、前記アーム部の伸縮量の変化を測定し、前記主軸、または前記主軸を取り付けるための部材、を移動させた経路に対する理想的な前記アーム部の伸縮量の変化と、実際に測定した前記アーム部の伸縮量の変化と、に基づいて前記工作機械の各軸の誤差を求める際に用いるダブルボールバーである。
そして前記アーム部の伸縮量の測定手段として、被測定部に向けて出射したレーザ光の反射光を検出して、前記被測定部までの距離を測定するレーザ測定手段が用いられている。
前記アーム部は、前記一方の端部の球体ジョイント部に接続されている基準アーム部と、前記他方の端部の球体ジョイント部に接続されている伸縮アーム部とで構成され、前記基準アーム部に対して前記伸縮アーム部が相対的に前記アーム部の長手方向に往復移動可能であり、前記基準アーム部または前記伸縮アーム部のいずれか一方には、前記レーザ測定手段が設けられており、前記レーザ測定手段が設けられていない側となる前記基準アーム部または前記伸縮アーム部には、前記レーザ測定手段から出射されるレーザ光を反射する反射面を備えたレーザ反射部材が設けられている。
そして、前記レーザ反射部材または前記レーザ測定手段の少なくとも一方は、取り付けられている前記基準アーム部または前記伸縮アーム部に対して着脱可能であるとともに前記長手方向において任意の位置に固定可能に構成されている。

また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりのダブルボールバーである。
請求項２に記載のダブルボールバーは、請求項１に記載のダブルボールバーであって、前記反射面は、前記アーム部の長手方向に直交する面であり、前記レーザ反射部材が取り付けられている前記基準アーム部または前記伸縮アーム部の外周を覆う円板状の形状である。

請求項１に記載のダブルボールバーでは、ダブルボールバーの伸縮による長手方向の長さの変化を、レーザ測定手段とレーザ反射部材にて、適切に検出することができる。また、レーザ測定手段は、分解能が高く且つ測定可能範囲が比較的狭いものから、分解能は高くないが測定可能範囲が比較的広いものまで種々あるが、レーザ反射部材またはレーザ測定手段の少なくとも一方が、長手方向の任意の位置に固定可能である。
これにより、レーザ測定手段の分解能や測定可能範囲等の特性に合わせて、レーザ測定手段とレーザ反射部材との間隔を適切な間隔に、容易に設定することができる。
従って、長手方向の長さを種々の長さに変更しても、変更した長さにて変位量の測定に必要な分解能を確保できるダブルボールバーを提供することができる。

また、請求項２に記載のダブルボールバーによれば、工作機械の固定部と主軸との間をダブルボールバーで接続して、主軸で円を描かせた場合に、ダブルボールバーの基準アーム部と伸縮アーム部との間で、長手方向の軸回りにねじれが生じても、レーザ測定手段から見た反射面の形状に変化がないので、ねじれが生じてもレーザ光の反射光を安定化することが可能であり、安定的な測定値を得ることができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。
図２（Ａ）は本発明のダブルボールバー６０の一実施の形態における概略斜視図を示しており。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すダブルボールバー６０の構成を示しており、図２（Ｃ）は図２（Ａ）に示すダブルボールバー６０を主軸２０と固定部３３の間に取り付け、固定部３３の法線Ｚ１回りに主軸２０にて円Ｃ１を描かせている様子の例を示している。なお、ダブルボールバー６０を用いて各軸の誤差を測定する、パラレルリンク機構を備えた工作機械ユニット１は、すでに図１を用いて説明しているので、説明を省略する。

●［ダブルボールバー６０の構造（図２）］
図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本発明のダブルボールバー６０は、基準アーム部６１と、基準アーム部６１に対して長手方向に相対的に往復移動可能な伸縮アーム部６２とで、長手方向に伸縮可能なアーム部が構成されている。
そして基準アーム部６１の端部には球体ジョイント部６１Ｋが設けられ、伸縮アーム部６２の端部には球体ジョイント部６２Ｋが設けられていることで、アーム部の両端に球体ジョイント部が設けられている。なお、アーム部が伸縮可能である点と、アーム部の両端に球体ジョイント部を備えている点は、従来のダブルボールバーと同様である。

従来のダブルボールバーでは、アーム部の伸縮量の変化を検出するために、高い分解能（約０．１［μｍ］程度）を有するが測定可能範囲が狭い（約±１［ｍｍ］程度）差動トランスや小型リニアスケールをアーム部の内部に備えている。このため、ダブルボールバーの長手方向の長さを自由に調整することができず、種々の長さのダブルボールバーを予め用意して、図２（Ｃ）に示す誤差の測定の毎に、適切な長さのダブルボールバーを選定して交換しているため、非常に手間と時間がかかるとともに、用意したダブルボールバーの長さでの測定しかできない。
本実施の形態にて説明するダブルボールバー６０は、以下に説明する構成により、従来と同等以上の分解能を確保しながら、長手方向の長さを自由に調整することが可能であるため、作業効率がより向上されるとともに、長手方向の長さを任意の長さに調整できることで、誤差の測定の自由度がより大きい。

図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本実施の形態にて説明するダブルボールバー６０は、伸縮量を測定する測定手段として、レーザ測定手段６４を用いている。
レーザ測定手段６４は基準アーム部６１に設けられており、長手方向に沿って伸縮アーム部６２の側にレーザ光Ｌ１を出射し、伸縮アーム部６２に設けられた反射面Ｍ６３（被測定部に相当）にて反射されたレーザ光Ｌ２を検出して反射面Ｍ６３までの距離に基づいた検出信号を出力する。なお、レーザ測定手段６４は、従来と同等の分解能を確保した場合、測定可能範囲は約±１５［ｍｍ］程度のものを選定できるので、非常に便利である。
ダブルボールバー６０の構造としては、図２（Ｂ）に示すように、伸縮アーム部６２は円筒状であり、内部に円筒状の基準アーム部６１が差し込まれている。そして伸縮アーム部６２は、フランジ状の反射面Ｍ６３を備えた円筒状のレーザ反射部材６３に挿通されている。また、反射面Ｍ６３は、アーム部の長手方向に直交する面である。この構造により、基準アーム部６１に対して伸縮アーム部６２は長手方向に相対的に往復移動が可能である。またレーザ反射部材６３は伸縮アーム部６２に対して着脱可能であるとともに、長手方向に対して任意の位置に移動可能であり、移動先で固定可能である。なお、伸縮アーム部６２に対してレーザ反射部材６３を固定する固定手段は、例えばネジ等であり、図示省略する。

●［各軸の誤差の測定方法（図３）］
本実施の形態にて説明するダブルボールバー６０を用いた誤差の測定方法は、従来と同様であり、図３（Ａ）及び図２（Ｃ）に示すように、ダブルボールバー６０の一方の球体ジョイント部（この場合、球体ジョイント部６１Ｋ）を工作機械ユニット１の固定部３３に取り付けた台座６０Ｂの球状凹部（図２（Ｃ）参照）に吸着させる（例えば台座６０Ｂは磁力で球体ジョイント部を吸引する）。また、ダブルボールバー６０の他方の球体ジョイント部（この場合、球体ジョイント部６２Ｋ）を工作機械１０の主軸２０（または主軸２０を取り付けるための部材（例えばトラベリングプレート１２））に取り付けた台座６０Ａの球状凹部（図２（Ｃ）参照）に吸着させる（例えば台座６０Ａは磁力で球体ジョイント部を吸引する）。そして、固定部３３からの法線Ｚ１（法線Ｚ１は台座６０Ｂの球状凹部の中心を通る）回りの円Ｃ１等、所定の経路を主軸２０（または主軸２０を取り付けるための部材）に移動させる。

この場合、主軸２０に所定の経路を移動させたことで、主軸２０の先端が描く理想的な軌跡ＴＲｔｙｐは、予めわかっている。ところが、実際の軌跡ＴＲｒｅは、理想的な軌跡ＴＲｔｙｐと一致するとは限らず、工作機械１０の各軸の誤差に起因する「ずれ」が生じる。ダブルボールバー６０からの検出信号より、回転角度に応じたアーム部の伸縮量の変化（この場合、レーザ測定手段６４から反射面Ｍ６３までの距離）を測定し、実際の軌跡ＴＲｒｅを測定する（図３（Ｂ）参照）。
種々の固定部３３や、種々の径の軌跡を描かせる等することで、複数の測定を行い、理想的な軌跡ＴＲｔｙｐと、実際に測定した軌跡ＴＲｒｅとに基づいて、工作機械１０の各軸の誤差を求める。

●［ダブルボールバー６０の長手方向の長さの調整方法（図４）］
上記に説明したように、固定部３３を種々の位置に変更したり、描かせる軌跡の径を変更したりする場合、ダブルボールバー６０のレーザ反射部材６３の位置を調整する必要がある。
そこで、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ダブルボールバー６０の長さが変更された場合、レーザ測定手段６４から反射面Ｍ６３までの距離（Ｌ（ａ）、Ｌ（ｂ））が測定可能範囲内に収まるように、反射面Ｍ６３の位置を調節する。
例えば、図４（Ａ）の状態（ダブルボールバー６０の長さがＬ（Ａ））から、図４（Ｂ）の状態（ダブルボールバー６０の長さがＬ（Ｂ））に調整する場合、まず伸縮アーム部６２をＳ（１）だけ移動させる。そして、レーザ反射部材６３の固定を解除して、反射面Ｍ６３が測定可能範囲内となるようにＳ（２）だけ移動させて固定する。

また、図３（Ａ）に示す測定を行って、主軸２０に円を描かせた場合、ダブルボールバー６０において、基準アーム部６１に対して伸縮アーム部６２が長手方向の軸回りにねじれる場合（例えば基準アーム部６１が長手方向の軸回りに１回転する間に、伸縮アーム部６２が同軸回りを２回転する等）がある。そこで、反射面Ｍ６３の形状を、伸縮アーム部６２の外周を覆う円板状とする。これにより、基準アーム部６１に対して伸縮アーム部６２がどのようにねじれても、レーザ測定手段６４から見た反射面Ｍ６３の形状は同じであり、反射面Ｍ６３にて反射されたレーザ光Ｌ２を安定化することが可能であり、安定的な測定値を得ることができる。

以上、本実施の形態にて説明したダブルボールバー６０は、長手方向の長さを任意の長さに変更しても、反射面Ｍ６３の位置を調整するだけで、必要な分解能を維持したまま利用することができる。
また、レーザ測定手段６４は、従来の差動トランスやリニアスケールと比較して、同等の分解能（約０．１［μｍ］程度）であっても、測定可能範囲が広い（従来：約±１［ｍｍ］程度、レーザ測定手段：約±１５［ｍｍ］程度）ので、３次元等の複雑な軌跡をトレースさせて誤差を測定することも可能であり、より高度な機械の調整用にも適用することが可能である。
このように、ダブルボールバーにて測定する際の長さに応じてダブルボールバーを交換する必要がないので、誤差の測定の際の段取り数を減少させ、より短時間で誤差の測定を行うことができる。
また、ダブルボールバーの長さの変更をＮＣプログラム化することも可能であるので（測定可能範囲内であれば反射面Ｍ６３の位置を変更する必要がない）、作業効率及び再現性が向上し、複数回の誤差測定が容易となり、工作機械１０をより高精度化することが可能となる。

本発明のダブルボールバー６０は、本実施の形態で説明した外観、構成、構造等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
また、本実施の形態の説明では、レーザ測定手段６４を基準アーム部６１に取り付けて、レーザ反射部材６３を伸縮アーム部６２に取り付けたが、レーザ測定手段６４を伸縮アーム部６２に取り付けて、レーザ反射部材６３を基準アーム部６１に取り付けてもよい。
また、本実施の形態の説明では、レーザ反射部材６３が伸縮アーム部６２（または基準アーム部６１）に対して着脱可能であるとともに長手方向の任意の位置に固定できる構成としたが、レーザ測定手段６４を基準アーム部６１（または伸縮アーム部６２）に対して着脱可能であるとともに長手方向の任意の位置に固定できる構成とすることも可能である。
また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
本実施の形態の説明では、本発明のダブルボールバー６０を、パラレルリンク機構を備えた工作機械ユニット１の主軸の誤差の測定に用いた例を説明したが、本発明のダブルボールバー６０は、マシニングセンタの主軸の誤差の測定等、種々の工作機械の主軸の誤差の測定に用いることができる。

パラレルリンク機構を備えた工作機械１０（図１（Ｂ））、及び工作機械１０を備えた工作機械ユニット１（図１（Ａ））の一実施の形態を説明する図である。 本発明のダブルボールバー６０の構造と、当該ダブルボールバー６０を用いて誤差を測定する方法の例を説明する図である。 ダブルボールバー６０を使用して誤差の測定を行う様子と、測定値の例を説明する図である。 ダブルボールバー６０の長手方向の長さの調整方法の例を説明する図である。

符号の説明

１ 工作機械ユニット
１０ 工作機械（パラレルリンク機構を備えた工作機械）
１１ 基台
１２ トラベリングプレート
２０ 主軸
３０ フレーム
３１ 支柱
３２ フレーム台座
３３ 固定部
４０ 制御手段
５０ サーボユニット
６０ ダブルボールバー
６０Ａ、６０Ｂ 台座
６１ 基準アーム部
６２ 伸縮アーム部
６１Ｋ、６２Ｋ 球体ジョイント部
６３ レーザ反射部材
Ｍ６３ 反射面
６４ レーザ測定手段
Ｆ１〜Ｆ６ ベース
Ｍ１〜Ｍ６ モータ
Ｓ１〜Ｓ６ スライドテーブル
Ａ１〜Ａ６ ロッド
ＴＲｔｙｐ 理想的な軌跡
ＴＲｒｅ 実際に測定した軌跡

Claims (2)

1. 長手方向に伸縮可能に構成されたアーム部の両端部に球体ジョイント部を備え、
   一方の端部の球体ジョイント部は測定対象である工作機械の主軸、または前記主軸を取り付けるための部材、に取り付けられ、
   他方の端部の球体ジョイント部は前記工作機械における任意の固定部に取り付けられ、
   前記主軸、または前記主軸を取り付けるための部材、に所定の経路を移動させて前記工作機械の各軸を動作させるとともに、前記アーム部の伸縮量の変化を測定し、前記主軸、または前記主軸を取り付けるための部材、を移動させた経路に対する理想的な前記アーム部の伸縮量の変化と、実際に測定した前記アーム部の伸縮量の変化と、に基づいて前記工作機械の各軸の誤差を求める際に用いるダブルボールバーにおいて、
   前記アーム部の伸縮量の測定手段として、被測定部に向けて出射したレーザ光の反射光を検出して前記被測定部までの距離を測定するレーザ測定手段が用いられており、
   前記アーム部は、前記一方の端部の球体ジョイント部に接続されている基準アーム部と、前記他方の端部の球体ジョイント部に接続されている伸縮アーム部とで構成され、前記基準アーム部に対して前記伸縮アーム部が相対的に前記アーム部の長手方向に往復移動可能であり、
   前記基準アーム部または前記伸縮アーム部のいずれか一方には、前記レーザ測定手段が設けられており、
   前記レーザ測定手段が設けられていない側となる前記基準アーム部または前記伸縮アーム部には、前記レーザ測定手段から出射されるレーザ光を反射する反射面を備えたレーザ反射部材が設けられており、
   前記レーザ反射部材または前記レーザ測定手段の少なくとも一方は、取り付けられている前記基準アーム部または前記伸縮アーム部に対して着脱可能であるとともに前記長手方向において任意の位置に固定可能に構成されている、
   ダブルボールバー。
2. 請求項１に記載のダブルボールバーであって、
   前記反射面は、
   前記アーム部の長手方向に直交する面であり、
   前記レーザ反射部材が取り付けられている前記基準アーム部または前記伸縮アーム部の外周を覆う円板状の形状である、
   ダブルボールバー。
   
   

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