JP2011214931A - 機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置(X0,Z0)の精度を向上させる準備段階において、(X0,Z0)のX,Z値を各々―1nmずつずらし、ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1,θ2での座標を求め所定の条件内であるか否か判断し、条件を満たす場合には、(X0,Z0)に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了し、条件を満たさない場合には、ずらす度に一定角θ1,θ2での座標から離れるか否か判断し、離れない場合には準備段階の最初へ移行し、離れる場合には異なる方向へずらす第2の準備段階へ移行する。
【選択図】図11
Description
しかしながら、従来はプローブの正確な取り付け位置を把握するために、手動で繰り返し調整を行う必要があることから、調整の手間と時間が非常にかかってしまうとともに、調整作業を行なう作業者の調整作業の熟練度に大きく依存する。
まず、本発明の概略を説明する。本発明は、回転軸を用いた機上計測において、各種演算により算出された機上計測装置の取り付けられた回転軸の回転中心軸とプローブ先端との距離を基準球計測結果を基に補正し、ナノ単位の超精密回転計測を実現することを特徴とする。
図5は、機上計測装置1とスピンドルのような加工装置20とを回転軸に備えた場合の、加工工具による加工を説明する図である。図5は、加工装置20が回転軸に取り付けられ、ワークの球面と工具軸とが垂直になるように工作機械の各軸が同時制御されながら((1)→(2)→(3))加工を行うことを説明している。ワークの加工面に対して工具軸が垂直となるように指令して工作機械に加工させることは従来から行われており、この加工を実行する加工プログラムそれ自体も従来から用いられている加工プログラムである。
図7は、回転軸中心と機上計測装置のプローブの先端との距離に関する定義を説明する図である。図7では、回転軸であるB軸の面盤上に機上計測装置1が取り付けられていて、B軸回転中心と機上計測装置1のプローブ1bの先端の球型測定子1fとの距離に関する定義を示している。
本発明の回転軸を用いた機上計測は、機上計測装置1が取り付けられた回転軸の回転中心軸と機上計測装置1のプローブ1bの先端に取り付けられている球型測定子1fの各直動軸の距離X0,Z0を簡単にかつ正確に算出することで、機上計測装置1の取り付けおよび取り外しを繰り返してもナノメートルオーダーの超精密計測を実現できる。各直動軸の距離X0,Z0を基に、算出したプローブ取り付け位置(X0,Z0)を得る。
図10は、基準球を計測することにより、平面板計測により算出されたプローブ取り付け位置(B軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離)の精度を向上させる計測の準備段階(第0段階)を説明するアルゴリズムのフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。
●[ステップSA100]算出したプローブ取り付け位置(X0,Z0)で基準球回転計測プログラムを作成する。
●[ステップSA101]基準球の計測を行う。
●[ステップSA102]一定角度θ1,θ2での測定誤差、ΔZP1,ΔZP2を実測する。
●[ステップSA103]誤差補正のための移動距離(ΔX1,ΔZ1),(ΔX2,ΔZ2)を求める。
●[ステップSA104]基準球回転計測プログラムの一定角θ1,θ2での座標(X1,Z1,θ1),(X2,Z2,θ2)をΔZP1,ΔZP2が0になるように、誤差補正のための移動距離で補正する。補正後の座標を(X1’,Z1’,θ1),(X2’,Z2’,θ2)とし、終了する。
●[ステップSB100](X0,Z0)のX,Z値を各々―1nmずつずらす。
●[ステップSB101]ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1,θ2での座標(XS1,ZS1,θ1),(XS2,ZS2,θ2)を求める。
●[ステップSB102](X1’,Z1’,θ1)=(XS1,ZS1,θ1)かつ(X2’,Z2’,θ2)=(XS2,ZS2,θ2)であるか否か判断し、条件を満たす場合(YES)にはステップSB103に移行し、条件を満たさない場合(NO)にはステップSB104へ移行する。
●[ステップSB103](X0,Z0)に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了する。
●[ステップSB104]ずらす度に、(XS1,ZS1,θ1)は(X1’,Z1’,θ1)から離れ、かつ、(XS2,ZS2,θ2)は(X2’,Z2’,θ2)から離れるか否か判断し、離れない場合にはステップSB100へ移行し、離れる場合にはステップSB105へ移行する(図12参照)。
●[ステップSB105](X0,Z0)のX,Z値を各々―1nm,+1nmずつずらす。
●[ステップSB106]ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1,θ2での座標(XS1,ZS1,θ1),(XS2,ZS2,θ2)を求める。
●[ステップSB107](X1’,Z1’,θ1)=(XS1,ZS1,θ1)かつ(X2’,Z2’,θ2)=(XS2,ZS2,θ2)であるか否か判断し、条件を満たす場合(YES)にはステップSB108に移行し、条件を満たさない場合(NO)にはステップSB109へ移行する。
●[ステップSB108](X0,Z0)に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了する。
●[ステップSB109]ずらす度に、(XS1,ZS1,θ1)は(X1’,Z1’,θ1)から離れ、かつ、(XS2,ZS2,θ2)は(X2’,Z2’,θ2)から離れるか否か判断し、離れない場合にはステップSB105へ移行し、離れる場合にはステップSB110へ移行する(図13参照)。ここで離れるか離れないかの判断は、(XS1,ZS1,θ1)と(X1’,Z1’,θ1)との距離、および、(XS2,ZS2,θ2)と(X2’,Z2’,θ2)の距離が、ずらし量を変化させた場合に増加するか減少するかで判断できる。
●[ステップSB110](X0,Z0)のX,Z値を各々+1nm,―1nmずつずらす。
●[ステップSB111]ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1,θ2での座標(XS1,ZS1,θ1),(XS2,ZS2,θ2)を求める。
●[ステップSB112](X1’,Z1’,θ1)=(XS1,ZS1,θ1)かつ(X2’,Z2’,θ2)=(XS2,ZS2,θ2)であるか否か判断し、条件を満たす場合(YES)にはステップSB113に移行し、条件を満たさない場合(NO)にはステップSB114へ移行する。
●[ステップSB113](X0,Z0)に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了する。
●[ステップSB114]ずらす度に、(XS1,ZS1,θ1)は(X1’,Z1’,θ1)から離れ、かつ、(XS2,ZS2,θ2)は(X2’,Z2’,θ2)から離れるか否か判断し、離れない場合にはステップSB110へ移行し、離れる場合にはステップSB115へ移行する(図14参照)。
●[ステップSB115](X0,Z0)のX,Z値を各々+1nm,+1nmずつずらす。
●[ステップSB116]ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1,θ2での座標(XS1,ZS1,θ1),(XS2,ZS2,θ2)を求める。
●[ステップSB117](X1’,Z1’,θ1)=(Xs1,ZS1,θ1)かつ(X2’,Z2’,θ2)=(XS2,ZS2,θ2)であるか否か判断し、条件を満たす場合(YES)にはステップSB118に移行し、条件を満たさない場合(NO)にはステップSB119へ移行する。
●[ステップSB118](X0,Z0)に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了する。
●[ステップSB119]ずらす度に、(Xs1,ZS1,θ1)は(X1’,Z1’,θ1)から離れ、かつ、(XS2,ZS2,θ2)は(X2’,Z2’,θ2)から離れるか否か判断し、離れない場合にはステップSB115へ移行し、離れる場合にはステップSB120へ移行する。
●[ステップSB120]異常処理を行い、処理を終了する。異常処理としては、プローブの取り付け位置特定不能などの表示をパーソナルコンピュータの表示画面などに表示する。この場合、オペレターは、第0段階の処理から再度行ない、再度、第1〜第4の処理を実行する。
また、第1段階から第4段階は、どのような順番で行ってもよく、上述した順番に限定されるものではない。
図15は、図7で説明された回転軸中心と機上計測装置のプローブの先端との各直動軸方向の距離(X0,Z0)および各種パラメータを説明する図である。プローブ1bの先端に取り付けられた球型測定子1fの半径Rは無視し、プローブ1bの先端の球型測定子1fを半径Rを有しない点として仮定する。B面盤上の回転角が0(プローブ1bがZ軸に平行な場合)のX−Z平面上(図1を参照)でのプローブ1bの先端点である球型測定子1fの位置を推定する。なお、図15では、図2に示される測定子の棒1eや球型測定子1fを省略して全体をプローブ1bとして記載している。
次に、B軸回転中心Oと機上計測装置1のプローブ1bの球型測定子1fとの各直動軸方向の距離を求める算出式を説明する。ここでは上述したように、球型測定子1fの半径Rを無視する。B軸の回転角0度(プローブ1bがZ軸に平行な場合)のX−Z平面上でのプローブ1bの先端点の位置を推定する。この時のプローブ1bの先端点のB軸回転中心OからのX軸方向とZ軸方向の距離およびZ軸方向とプローブ1bの先端点のなす角度をX0,Z0,θ0とする。角度θ0から角度θRだけさらに回転すると、θ1とθRとθ0との関係は数1式により表される。また、θ1は数2式により算出できる。なお、数1式から数10式は図15を参照すると理解し易い。
1a ケース
1b プローブ
1c レーザヘッド
1d リニアスケール
1e 測定子の棒
1f 球型測定子
2 インタフェース
3 X軸
4 Y軸
5 Z軸
6 B軸
7 C軸
8 数値制御装置
8b サーボ制御部
10 基台
11 パーソナルコンピュータ(パソコン)
11a 記憶装置
12 イーサネット(登録商標)
100 計測対象物
100a 計測対象面
300 基準球
W 被加工物(ワーク)
ipx,ipy,ipz,ipb,ipc 位置検出信号
ipf 計測信号(位置検出信号)
ΔZP 測定誤差
ΔX 測定誤差のX成分
ΔZ 測定誤差のZ成分
(X0,Z0) 算出したプローブ取り付け位置
Claims (3)
- 少なくとも3軸の直動軸と1軸の回転軸を有する工作機械の前記回転軸上に取り付けられた機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法であって、前記3軸の直動軸はそれぞれ直交し、前記直動軸の1つの軸を前記回転軸の方向に合わせ、前記プローブは、前記プローブの移動変位を検出するプローブ位置検出器を有し、前記回転軸の方向と直交する方向に動き、前記プローブの先端に取付けられた測定子の先端を、前記工作機械に設置された基準球にあてて、前記回転軸の回転中心と前記測定子の先端との距離を算出する前記プローブ取り付け位置算出方法において、
前記直動軸のうち前記回転軸と直交する方向に動く前記直動軸をそれぞれ第1、第2の直動軸とし、前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置を前記第1および第2の直動軸の座標として予め定義しておく第1のステップと、
所定の異なる2つの前記回転軸の角度に対して、基準球の表面に対してプローブの中心軸が垂直になるように前記第1および第2の直動軸を動かして計測する計測プログラムを作成する第2のステップと、
作成した前記計測プログラムに従って前記2つの角度にて測定した前記プローブの移動変位データと前記プローブの本来の移動変位データとの誤差を前記2つの角度に対する各々の測定誤差として求める第3のステップと、
前記測定誤差が各々0となるような前記第1および第2の直動軸の変位量を前記2つの角度に対する各々の第1の補正量として求める第4のステップと、
前記第1の補正量で補正した前記計測プログラムの前記2つの角度に対する前記第1および第2の直動軸の座標を基準座標として、前記直動軸の位置検出分解能を最小単位として所定の範囲内でそれぞれ独立して増減したときの増減量を第2の補正量として前記第1のステップで定義した前記位置を補正した位置に対して前記第2のステップより求まる計測プログラムから前記2つの角に対する前記第1および第2の直動軸の座標を補正座標として求める第5のステップと、
前記第5のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が最小となる前記第2の補正量で、前記第1のステップで定義した前記第1および第2の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第1および第2の直動軸の座標とする第6のステップと、
からなる機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法。 - 前記第5のステップは、
前記第1の補正量で補正した前記計測プログラムの前記2つの角度に対する前記第1および第2の直動軸の座標を基準座標として、前記直動軸の位置検出分解能に所定の範囲内の正の整数をかけた値を第2の補正量として前記第1のステップで定義した前記位置から前記第2の補正量を引いた位置に対して前記第2のステップより求まる計測プログラムから前記2つの角に対する前記第1および第2の直動軸の座標を補正座標として求める第51のステップと、
前記第51のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第2の補正量の中で最小の誤差になる前記第2の補正量で、前記第1のステップで定義した前記第1および第2の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第1および第2の直動軸の座標とする第52のステップと、からなり、
さらに、第51および第52のステップにおいて前記誤差が前記所定の誤差以下になることがなかったとき、
前記第1のステップで定義した前記位置の前記第1の直動軸の座標から前記第2の補正量を引いて前記第1のステップで定義した前記位置の前記第2の直動軸の座標に前記第2の補正量を足した位置に対して前記第2のステップより求まる計測プログラムから前記2つの角に対する前記第1および第2の直動軸の座標を補正座標として求める第53のステップと、
前記53のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第2の補正量の中で最小の誤差になる前記第2の補正量で、前記第1のステップで定義した前記第1および第2の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第1および第2の直動軸の座標とする第54のステップと、からなり、
さらに、第51から第54のステップにおいて前記誤差が前記所定の誤差以下になることがなかったとき、
前記第1のステップで定義した前記位置の前記第1の直動軸の座標に前記第2の補正量を足して前記第1のステップで定義した前記位置の前記第2の直動軸の座標から前記第2の補正量を引いた位置に対して前記第2のステップより求まる計測プログラムから前記2つの角に対する前記第1および第2の直動軸の座標を補正座標として求める第55のステップと、
前記55のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第2の補正量の中で最小の誤差になる前記第2の補正量で、前記第1のステップで定義した前記第1および第2の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第1および第2の直動軸の座標とする第56のステップと、からなり、
さらに、第51から第56のステップにおいて前記測定誤差が前記所定の測定誤差以下になることがなかったとき、
前記第1のステップで定義した前記位置の前記第1の直動軸の座標に前記第2の補正量を足した位置に対して前記第2のステップより求まる計測プログラムから前記2つの角に対する前記第1および第2の直動軸の座標を補正座標として求める第57のステップと、
前記57のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第2の補正量の中で最小の誤差になる前記第2の補正量で、前記第1のステップで定義した前記第1および第2の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第1および第2の直動軸の座標とする第58のステップと、
からなる請求項1に記載の機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法。 - 前記基準球は、100nm以下の形状精度を有する球であることを特徴とする、請求項1あるいは請求項2に記載の機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法。
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