JP2011013149A - 回転精度測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロスピンドルのラジアルモーション、アキシャルモーション及びアンギュラモーション全ての誤差を同時に且つ正確に計測可能とする。
【解決手段】回転体としてその回転軸線に沿って連接された第１及び第２の測定対象物１１，１２を含み、第１の測定対象物１１に対して直交２方向から光を照射する一対の第１の光照射手段１５Ａと、第１の光照射手段１５Ａから照射された光をそれぞれ受光する一対の第１の受光手段１４Ａと、第２の測定対象物１２に対して直交２方向から光を照射する一対の第２の光照射手段１５Ｂと、第２の光照射手段１５Ｂから照射された光をそれぞれ受光する一対の第２の受光手段１４Ｂと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、典型的には工作機械等のスピンドル等の回転体の回転精度を高精度に計測する回転精度測定方法及び測定装置に関する。

近年、省資源や省エネルギあるいは省スペースを目的とした工作機械の小型化が進み、これらに用いるスピンドルも小型小径化している（マイクロスピンドル）。このマイクロスピンドルの回転精度の測定は従来、実質的に困難である。工作物の形状精度や表面粗さはスピンドルの回転精度に依存するため、この回転精度の正確な評価方法の確立が要求されてきている。

従来では一般的に、回転精度の測定には例えば図８に示した例のように基準球１００あるいは基準軸１０１と複数の変位計１０２（ほとんどの場合、静電容量形変位計が使用される）を用いて行われる。ところが、スピンドルの小径化に伴い基準球や基準軸も小径化する必要があるが、静電容量型の変位計は測定対象の面積や曲率に制限があるために、基準球や基準軸が小径になると測定不可能になる。また、基準球及び基準軸が小径になると、複数の変位計が近接配置されることからそのままでは機械的に干渉し、設置できなくなる等の問題がある。

また、スピンドルに取り付ける工具径の小径化に伴い、スピンドル回転数の増加が要求され、その高速スピンドルの評価には変位計などの各種センサの高速な応答性能が求められる。マイクロスピンドルに対応する方法として、基準球にレーザ光線を照射し、その反射光の変動から回転精度を測定する方法等が提案されている。

具体的なものとして例えば特許文献１に記載の回転精度測定装置では、光学式回転精度測定によりラジアルモーションを求め、回転軸の回転精度を測定している。また、特許文献２に記載の回転精度測定システムでは、光学式センサを用いて回転軸の回転精度を算出する。

特開２００５−４３２０３号公報 特開平９−２８０８１９号公報

特許文献１の回転精度測定装置は、ラジアルモーション誤差のみの測定を行い、その他のアキシャルモーションやアンギュラモーションの測定はできない。なお、ここで図９にスピンドル回転誤差の定義を示す。即ち、スピンドル１に例えば工具２が装着されたものとし、ラジアルモーション誤差ｒ、アキシャルモーション誤差ａ及びアンギュラモーション誤差θとする。更に、特許文献２の回転精度測定システムでは、ラジアルモーション及びアンギュラモーションを算出しているが、アキシャルモーションについては求められていない。

本発明はかかる実情に鑑み、特に超高速マイクロスピンドルのラジアルモーション、アキシャルモーション及びアンギュラモーション全ての誤差を同時に且つ正確に計測可能な回転精度測定方法及び測定装置を提供することを目的とする。

本発明の回転精度測定装置は、回転体の回転精度を光学的に測定する回転精度測定装置であって、
前記回転体としてその回転軸線に沿って連接された第１及び第２の測定対象物を含み、
前記第１の測定対象物に対して直交２方向から光を照射する一対の第１の光照射手段と、
前記第１の光照射手段から照射された光をそれぞれ受光する一対の第１の受光手段と、
前記第２の測定対象物に対して直交２方向から光を照射する一対の第２の光照射手段と、
前記第２の光照射手段から照射された光をそれぞれ受光する一対の第２の受光手段とを有し、
前記第１及び第２の受光手段の受光強度値に基づき、前記回転体の変位を検出するようにしたことを特徴とする。

また、本発明の回転精度測定装置において、
前記第１の測定対象物としてのロッドレンズと、前記第２の測定対象物としてのボールレンズとを有することを特徴とする。
また、本発明の回転精度測定装置において、
前記第１の光照射手段及び前記第１の受光手段は、前記回転体の回転軸線に対する第１の直交平面上に配置され、
前記第２の光照射手段及び前記第２の受光手段は、前記回転体の回転軸線に対する第２の直交平面上に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転精度測定装置。

また、本発明の回転精度測定装置は、回転体の回転精度を光学的に測定する回転精度測定装置であって、
前記回転体に対して直交２方向から光を照射する一対の光照射手段と、
前記光照射手段から照射された光をそれぞれ受光する一対の受光手段とを有し、
前記受光手段の受光強度値に基づき、前記回転体の変位を検出するようにしたことを特徴とする。

また、本発明の回転精度測定装置において、
前記回転体として切削工具を有し、前記光照射手段から照射された光を前記切削工具の表面で反射させ、その反射光を前記受光手段により受光することを特徴とする。

また、本発明の回転精度測定方法は、回転体の回転精度を光学的に測定する回転精度測定方法であって、
前記回転体としてその回転軸線に沿って連接された第１及び第２の測定対象物を含み、
前記第１の測定対象物に対して一対の第１の光照射手段により直交２方向から光を照射し、
前記第１の光照射手段から照射された光を一対の第１の受光手段によりそれぞれ受光し、
前記第２の測定対象物に対して一対の第２の光照射手段により直交２方向から光を照射し、
前記第２の光照射手段から照射された光を一対の第２の受光手段によりそれぞれ受光し、
前記第１及び第２の受光手段の受光強度値に基づき、前記回転体の変位を検出することを特徴とする。

本発明の典型的な実施形態において、第１の測定対象物としてのロッドレンズと、第２の測定対象物としてのボールレンズとを有し、これらに照射した光の透過光を受光する。測定対象物が変位すると各受光手段で受光する光強度値が変化し、この受光した光強度値の変化に基づき測定対象物、従って回転体の変位を検出することができる。

本発明の回転精度測定装置の全体構成を示す斜視図である。 本発明の回転精度測定装置の測定原理を示す図である。 本発明に係る測定原理のシミュレーションによる解析結果を示す図である。 本発明に係る測定原理のシミュレーションによる解析結果を示す図である。 本発明に係る測定原理のシミュレーションによる解析結果を検証するための実験結果を示す図である。 本発明に係るロッドレンズの移動方位角度による測定分解能を評価するための実験例を示す図である。 本発明に係る測定対象として工具を用いる場合の測定原理を示す図である。 従来の回転精度測定装置の概略構成例を示す斜視図である。 スピンドル回転誤差の定義を示す図である。

以下、図面を参照して本発明による回転精度測定方法及び測定装置の好適な実施の形態を説明する。
図１は、本発明の回転精度測定装置１０を原理的に示している。この実施形態において工作機械、例えばマシニングセンタ等のスピンドル（回転主軸）の回転精度を測定装置１０によって測定するものとする。前述したように工作機械の小型化に伴いスピンドルの小型小径化が進み、更にその回転数も従来の３×１０⁴ｒｐｍ程度から３×１０⁵ｒｐｍと極めて高速化している。本実施形態ではそのようなマイクロスピンドルに対して、測定対象物としてロッドレンズ及びボールレンズを使用する例とする。

図１においてスピンドル１の軸端には、先端にボールレンズ１２（第２の測定対象物）を接着したロッドレンズ１１（第１の測定対象物）が取り付けられている。ロッドレンズ１１の周囲には、ロッドレンズ１１に向かってレーザ光を照射する光ファイバ１３が設置されている（なお、光ファイバを使用せずに、レーザ光をレンズで集光させるようにしてもよい）ロッドレンズ１１を透過した光は、ロッドレンズ１１を挟んで反対側に設置された４分割フォトダイオード１４（以下、ＱＰＤという。なお、ＰＳＤやＣＣＤ、フォトダイオード等が接続された複数本の光ファイバ等他の受光素子でも可能である。）で受光する。投光用の光ファイバ１３には、半導体レーザ１５が接続されている。

ＱＰＤ１４によりロッドレンズ１１及びボールレンズ１２に対してそれぞれ、第１の受光手段１４Ａ及び第２の受光手段１４Ｂが構成される。また、半導体レーザ１５によりロッドレンズ１１及びボールレンズ１２に対してそれぞれ、第１の光照射手段１５Ａ及び第２の光照射手段１５Ｂが構成される。
この場合、ロッドレンズ１１及びボールレンズ１２は回転体として、スピンドル１の回転軸と同心に配置され（なお、故意に偏心させて配置してもよい）、一対の第１の光照射手段１５Ａはロッドレンズ１１に対して直交２方向からレーザ光を照射する。これら第１の光照射手段１５Ａとこれらに対応する第１の受光手段１４Ａは、回転体の回転軸線に対する第１の直交平面上に配置される。これらの構成は、第２の受光手段１４Ｂ及び第２の光照射手段１５Ｂについても同様である。

ここで、各ＱＰＤ１４で検出する各素子の光強度値は電圧値に変換され、それぞれ次のものとする。
Ｉ_RX1〜Ｉ_RX4，Ｉ_RY1〜Ｉ_RY4，Ｉ_BX1〜Ｉ_BX4，Ｉ_BY1〜Ｉ_BY4（Ｖ）
スピンドル１１の回転に振れがない場合は、各ＱＰＤ１４の光強度値Ｉ_RX1＋Ｉ_RX4とＩ_RX2＋Ｉ_RX3は等しくなる。他のＱＰＤ１４の光強度値Ｉ_RY1〜Ｉ_RY4，Ｉ_BX1〜Ｉ_BX4，Ｉ_BY1〜Ｉ_BY4についても同様である。

一方、軸に振れがありラジアル方向、アキシャル方向、アンギュラ方向にロッドレンズ１１及びボールレンズ１２が変位すると、各透過光の屈折方向が変化し、ＱＰＤ１４，１５上の光スポット（あるいは帯状の光ライン）も変位する。ここで、ＱＰＤ１４上の光スポットはロッドレンズ１１及びボールレンズ１２により変位が拡大されて検出される。ＱＰＤ１４上の光スポットが変位すると各ＱＰＤ１４の光強度値に差が生じ、接触方向を検出できる。この場合、ロッドレンズ１１のレーザ照射部位のＸ方向変位の出力をＩ_RX、Ｙ方向変位の出力をＩ_RY、Ｚ方向変位の出力をＩ_RZ、またボールレンズ１２のレーザ照射部位のＸ方向の出力をＩ_BX、Ｙ方向の出力をＩ_BY、Ｚ方向の出力をＩ_BZを次の式（１）〜（６）で定義する。

（数１）
Ｉ_RX＝[(Ｉ_RX1+Ｉ_RX4)-(Ｉ_RX2+Ｉ_RX3)]/(Ｉ_RX1+Ｉ_RX2+Ｉ_RX3+Ｉ_RX4) （１）
Ｉ_RY＝[(Ｉ_RY1+Ｉ_RY4)-(Ｉ_RY2+Ｉ_RY3)]/(Ｉ_RY1+Ｉ_RY2+Ｉ_RY3+Ｉ_RY4) （２）
Ｉ_RZ＝[(Ｉ_RX3+Ｉ_RX4)-(Ｉ_RX1+Ｉ_RX2)]/(Ｉ_RX1+Ｉ_RX2+Ｉ_RX3+Ｉ_RX4) （３）
Ｉ_BX＝[(Ｉ_BX1+Ｉ_BX4)-(Ｉ_BX2+Ｉ_BX3)]/(Ｉ_BX1+Ｉ_BX2+Ｉ_BX3+Ｉ_BX4) （４）
Ｉ_BY＝[(Ｉ_BY1+Ｉ_BY4)-(Ｉ_BY2+Ｉ_BY3)]/(Ｉ_BY1+Ｉ_BY2+Ｉ_BY3+Ｉ_BY4) （５）
Ｉ_BZ＝[(Ｉ_BY3+Ｉ_BY4)-(Ｉ_BY1+Ｉ_BY2)]/(Ｉ_BY1+Ｉ_BY2+Ｉ_BY3+Ｉ_BY4) （６）

測定原理
例えばスピンドル１の振れにより＋Ｘ方向にロッドレンズ１１及びボールレンズ１２が変位すると、Ｉ_RX＞０及びＩ_BX＞０となる（図２参照）。ここで、図２は測定原理を示しており、初期状態（図２（ａ））からスピンドル１がＸ（＋）方向に移動（振れ）した場合（図２（ｂ）、矢印Ｘ）と、Ｙ（＋）方向に移動した場合（図２（ｃ）、矢印Ｙ）を示している。
＋Ｙ方向にロッドレンズ１１が変位すると、Ｉ_RY＞０及びＩ_BY＞０となる。
また、＋Ｚ方向にロッドレンズ１１が変位すると、Ｉ_BZ＞０となり、回転軸のラジアルモーション、アキシャルモーションを求めることができる。アンギュラモーションについてはＩ_RX，Ｉ_BX及びＩ_RY，Ｉ_BYの出力差とロッドレンズ照射部位とボールレンズ照射部位の距離Ｄを用いて算出することができる。

シミュレーション結果
次に、受光素子に光ファイバ（フォトダイオードに接続）を用いて幾何光線追跡シミュレーションを用いて上述の測定原理を確認する。解析結果を図３に示す。ここでは、例としてロッドレンズ１１（あるいはボールレンズ１２）のレーザ照射箇所をＸ方向に±５μｍ変位させた際の解析結果を示す。
図３においてロッドレンズ１１とＱＰＤ１４との距離Ｌ_lを３００，９００，１３００μｍに変化させた場合のＩ_RYの変化を示す。横軸はロッドレンズ１１のレーザ照射箇所変位量、縦軸はＹ方向変位の出力Ｉ_RYを示す。Ｉ_RYの変化はほとんどなく、Ｘ方向に対する感度は低いと言える。

また、図４は同条件におけるＩ_RXの変化を示す。横軸はロッドレンズ１１のレーザ照射箇所変位量、縦軸はＸ方向変位の出力Ｉ_RXを示す。Ｉ_RXの変化割合は、Ｌ_l＝９００μｍの場合に最大となり、Ｘ方向変位±１μｍの範囲で０．０２６（％／ｎｍ）となる。このようにＩ_RX及びＩ_RYの変化割合の比からロッドレンズ１１が変位する方向（スピンドル１の回転に伴う振れまわりの方向）の検出が可能である。

実験結果
前述したシミュレーション結果を検証するために、解析結果に基づき実際に装置の試作を行い、次の基礎実験を行った。ロッドレンズ１１を精密ピエゾステージに取り付け、Ｘ軸の±方向にｌ００μｍピッチで接触子に変位を与えた際の、Ｘ，Ｙ方向変位の出力Ｉ_RX及びＩ_RYの変化量を測定する。

図５にその測定結果を示す。横軸はロッドレンズ変位量、縦軸はＸ，Ｙ方向変位の出力Ｉ_RX及びＩ_RYの変化量を示している。Ｘ方向に接触子が変位する場合、Ｉ_RYの変化はほとんどないことが確認できる。また、Ｉ_RXの変化割合は、Ｘ方向変位±４μｍの範囲ではほぼ直線近似できることが確認できる。

次に、測定対象物として工具（例えばドリル、エンドミル等の切削工具）を使用する例について説明する。
図７は、測定対象に工具１６を用いる場合の測定原理を示している。図７において光の照射口１７（光ファイバ１３を介して、あるいは直接レーザ光を照射するいずれの場合でもよい）から工具１６の軸心に向けて光を照射するものとする。スピンドルに回転誤差がない場合、工具１６の表面で反射した光の一部は、各受光素子１８（フォトダイオード等でよい）で受光されるが、その際の光強度値Ｉ_X1，Ｉ_X2，Ｉ_Y1，Ｉ_Y2は等しくなる。

一方、スピンドルに回転誤差が生じて、例えば工具１６の軸心から＋Ｙ方向に変位すると（図７、矢印Ｙ）、各受光素子１８において受光される光強度値が変化する。この場合は、＋Ｙ方向に変位するので、Ｉ_X1＝Ｉ_X2，Ｉ_Y1＞Ｉ_Y2となり、これにより工具１６の変位方向を検知することができる。

このように工具１６の変位を直接測定することで、切削加工中の切削状態をモニタリングすることができる。これにより工具１６の磨耗や折損、あるいはびびり振動等の検出が可能になり、この結果加工精度の向上や工具１６の長寿命化を図ることができる。

１ スピンドル
１０ 回転精度測定装置
１１ ロッドレンズ
１２ ボールレンズ
１３ 光ファイバ
１４ ４分割フォトダイオード
１５ 半導体レーザ
１６ 工具
１７ 照射口
１８ 受光素子

Claims (6)

1. 回転体の回転精度を光学的に測定する回転精度測定装置であって、
   前記回転体としてその回転軸線に沿って連接された第１及び第２の測定対象物を含み、
   前記第１の測定対象物に対して直交２方向から光を照射する一対の第１の光照射手段と、
   前記第１の光照射手段から照射された光をそれぞれ受光する一対の第１の受光手段と、
   前記第２の測定対象物に対して直交２方向から光を照射する一対の第２の光照射手段と、
   前記第２の光照射手段から照射された光をそれぞれ受光する一対の第２の受光手段とを有し、
   前記第１及び第２の受光手段の受光強度値に基づき、前記回転体の変位を検出するようにしたことを特徴とする回転精度測定装置。
2. 前記第１の測定対象物としてのロッドレンズと、前記第２の測定対象物としてのボールレンズとを有することを特徴とする請求項１に記載の回転精度測定装置。
3. 前記第１の光照射手段及び前記第１の受光手段は、前記回転体の回転軸線に対する第１の直交平面上に配置され、
   前記第２の光照射手段及び前記第２の受光手段は、前記回転体の回転軸線に対する第２の直交平面上に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転精度測定装置。
4. 回転体の回転精度を光学的に測定する回転精度測定装置であって、
   前記回転体に対して直交２方向から光を照射する一対の光照射手段と、
   前記光照射手段から照射された光をそれぞれ受光する一対の受光手段とを有し、
   前記受光手段の受光強度値に基づき、前記回転体の変位を検出するようにしたことを特徴とする回転精度測定装置。
5. 前記回転体として切削工具を有し、前記光照射手段から照射された光を前記切削工具の表面で反射させ、その反射光を前記受光手段により受光することを特徴とする請求項４に記載の回転精度測定装置。
6. 回転体の回転精度を光学的に測定する回転精度測定方法であって、
   前記回転体としてその回転軸線に沿って連接された第１及び第２の測定対象物を含み、
   前記第１の測定対象物に対して一対の第１の光照射手段により直交２方向から光を照射し、
   前記第１の光照射手段から照射された光を一対の第１の受光手段によりそれぞれ受光し、
   前記第２の測定対象物に対して一対の第２の光照射手段により直交２方向から光を照射し、
   前記第２の光照射手段から照射された光を一対の第２の受光手段によりそれぞれ受光し、
   前記第１及び第２の受光手段の受光強度値に基づき、前記回転体の変位を検出することを特徴とする回転精度測定方法。

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