JP2017223574A

JP2017223574A - 産業機械

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Publication number: JP2017223574A
Application number: JP2016119797A
Authority: JP
Inventors: 聖一大坪; Seiichi Otsubo
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-16
Also published as: JP6738661B2; US20170363401A1; US10288402B2; DE102017210051A1; CN107525457B; CN107525457A

Abstract

【課題】ワークの荷重に起因するガイド部の変形量を簡易かつ高精度に求める。
【解決手段】ワークが載置される載置面１１に対して相対移動可能なコラム２２と、載置面１１上に設けられ、コラム２２をガイドするガイド部１２と、ガイド部１２の側面１２ａで支持されたリニアエンコーダ５０のスケール５２と、コラム２２に設けられ、スケール５２との相対変位を検出する検出器５６、５７と、を備える三次元測定装置１において、検出器５６、５７は、コラム２２の移動方向及び鉛直方向における変位をそれぞれ検出し、検出器５６、５７の検出結果に基づいて、スケール５２に対するガイド部１２の相対的な変形量を取得する変形量算出部９４３を更に備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、産業機械に関する。

産業機械として、例えば直交する３軸方向に移動してワーク（被測定物）の座標等を測定する三次元測定装置が利用されている。三次元測定装置においては、ベースの載置面にワークが載置された状態で、プローブが支持された移動体をベースのガイド部に沿って移動させながら、プローブによってワークを測定する。

特開２０１２−２７１５号公報

ところで、載置面にワークが載置されている際に、ベースが変形することがある。例えば、ワークの荷重によって、ベースのガイド部が撓むように変形することがある。かかる場合には、移動体が撓んだ状態のガイド部上を移動することになるため、移動体に支持されたプローブによるワークの測定結果に誤差が発生してしまう。このような誤差を補正するために、ガイド部の変形量を適切に求めることが要請されている。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、ワークの荷重に起因するガイド部の変形量を簡易かつ高精度に求めることを目的とする。

本発明の一の態様においては、ワークが載置される載置面に対して相対移動可能な移動体と、前記載置面上に設けられ、前記移動体をガイドするガイド部と、前記ガイド部の側面で支持されたリニアエンコーダのスケールと、前記移動体に設けられ、前記スケールとの相対変位を検出する検出器と、を備える産業機械において、前記検出器は、前記移動体の移動方向及び鉛直方向における変位をそれぞれ検出し、前記検出器の検出結果に基づいて、前記スケールに対する前記ガイド部の相対的な変形量を取得する変形量取得部を更に備える、産業機械を提供する。

また、前記検出器は、前記移動方向に沿って複数設けられており、前記変形量取得部は、前記複数の検出器の各々が検出した検出結果を比較して、前記ガイド部の変形量を求めることとしてもよい。

また、前記スケールには、前記鉛直方向に沿って所定間隔で形成された複数の第１目盛りが設けられており、前記変形量取得部は、前記複数の検出器の各々が検出した前記第１目盛りを比較して、前記ガイド部の変形量を求めることとしてもよい。

また、前記スケールには、前記移動方向に沿って所定間隔で形成され、前記移動体の前記移動方向における位置を特定するための複数の第２目盛りが形成されていることとしてもよい。

また、前記検出器は、前記スケールとの距離を検出する距離検出センサであり、前記変形量取得部は、複数の前記距離検出センサの各々が検出した距離を比較して、前記ガイド部の変形量を求めることとしてもよい。

また、前記ガイド部の前記側面には、前記スケールを前記移動方向において点支持する支持部が複数設けられていることとしてもよい。

また、前記スケールは、前記移動方向と平行な状態で鉛直方向に変位可能となるように前記ガイド部に支持されたケースに固定されていることとしてもよい。

また、前記産業機械は、前記変形量取得部が求めた前記ガイド部の変形量に基づいて、補正用の前記ガイド部の真直度誤差又は角度誤差を求める補正部を更に備えることとしてもよい。

本発明によれば、ワークの荷重に起因するガイド部の変形量を簡易かつ高精度に求めることができるという効果を奏する。

本発明の一の実施形態に係る三次元測定装置１の外観構成の一例を示す斜視図である。リニアエンコーダ５０の構成を説明するための図である。スケール５２を支持する支持部１５ａ、１５ｂの構成を説明するための図である。支持部１５ｂ及び周辺部の詳細構成を説明するための模式図である。図３Ａのベース１０が変形した状態を示す図である。検出器５６の構成を示す図である。制御装置９０の構成の一例を説明するためのブロック図である。第１変形例に係る構成を説明するための図である。第２変形例に係る構成を説明するための図である。第３変形例に係る構成を説明するための図である。第４変形例に係る構成を説明するための模式図である。

＜三次元測定装置の構成＞
図１を参照しながら、本発明の一の実施形態に係る産業機械の一例である三次元測定装置１の構成について説明する。

図１は、一の実施形態に係る三次元測定装置１の外観構成の一例を示す斜視図である。三次元測定装置１は、図１に示すように、ベース１０と、移動機構２０とを有する。

ベース１０は、図１に示すように、矩形板状に形成されている。ベース１０は、ここでは石材から成るが、これに限定されない。ベース１０は、架台（図２に示す架台６０）に支持されている。また、ベース１０は、被測定物であるワークが載置される載置面１１を有する。

ベース１０のＸ軸方向の一端側には、載置面１１上にＹ軸方向に沿ってガイド部１２が設けられている。ガイド部１２は、移動機構２０（具体的には、移動機構２０のコラム２２）のＹ軸方向への移動をガイドする。また、ガイド部１２の側面１２ａには、後述するリニアエンコーダ（図２）が設けられている。

移動機構２０は、ラム２５の先端に取り付けられたプローブ２８（図６参照）を、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に移動させる。移動機構２０は、コラム２２と、ビーム２３と、スライダ２４と、ラム２５とを有する。また、移動機構２０は、コラム２２、スライダ２４及びラム２５を駆動する駆動部２９（図６参照）を有する。

コラム２２は、ガイド部１２上に立設されている。コラム２２は、駆動部２９によって、ガイド部１２上をＹ軸方向に沿って移動可能である。本実施形態では、コラム２２が、ワークが載置される載置面１１に対して相対移動可能な移動体に該当する。

ビーム２３は、Ｘ軸方向に延びるように設けられている。ビーム２３の長手方向の一端側は、コラム２２に支持されており、ビーム２３の長手方向の他端側は、支柱２６に支持されている。ビーム２３は、コラム２２と共にＹ軸方向に移動する。

スライダ２４は、ビーム２３に支持されており、Ｚ軸方向に沿って筒状に形成されている。スライダ２４は、駆動部２９によって、ビーム２３上をＸ軸方向に沿って移動可能である。

ラム２５は、スライダ２４の内部に挿通されており、スライダ２４と共にＸ軸方向に移動する。また、ラム２５は、駆動部２９によって、スライダ２４内をＺ軸方向に沿って移動可能である。

ところで、三次元測定装置１においては、ベース１０が変形することがある。例えば、ベース１０の載置面１１に載置されたワークの荷重によって、ベース１０が撓む。また、ベース１０が石材ベースの場合には、温度変化に伴い石材の温度分布の偏りが発生するため、ベース１０が曲がったり、膨らんだり、凹んだりする。また、石材の中には水分を吸う性質を有するものもあり、水分の出入りによって、ベース１０が膨らんだり、凹んだりすることがある。

ベース１０が変形すると、ベース１０のガイド部１２も変形することになる。ガイド部１２が変形すると、コラム２２が、変形した状態のガイド部１２上を移動することになるため、コラム２２を介して支持されたプローブ２８によるワークの測定結果に誤差が発生してしまう。

これに対して、本実施形態では、後述するリニアエンコーダ５０によって、ガイド部１２を含むベース１０の変形に起因するコラム２２の変形量を求めている。そして、後述する制御装置９０が、コラム２２の変形量に基づいて、ガイド部１２の変形量を取得し、真直度誤差や角度誤差を補正している。これにより、精度良く誤差を補正することが可能となる。

＜リニアエンコーダの構成＞
図２を参照しながら、ガイド部１２の側面１２ａに設けられたリニアエンコーダ５０の詳細構成について説明する。

図２は、リニアエンコーダ５０の構成を説明するための図である。リニアエンコーダ５０は、ガイド部１２に支持されたコラム２２の移動方向（Ｙ軸方向）及び鉛直方向（Ｚ軸方向）の変位を検出するためのものである。リニアエンコーダ５０は、スケール５２と、検出器５６、５７とを含む。

スケール５２は、例えばガラス製であり、ガイド部１２の側面１２ａで支持されている。スケール５２は、側面１２ａに固定されておらず、側面１２ａに設けられた２つの支持部１５ａ、１５ｂによって支持されている。２つの支持部１５ａ、１５ｂは、Ｙ軸方向において所定距離離れており、スケール５２の底面を点支持している。

図３Ａは、スケール５２を支持する支持部１５ａ、１５ｂの構成を説明するための図である。２つの支持部１５ａ、１５ｂは、ここでは軸状のピンである。２つの支持部１５ａ、１５ｂのうちの支持部１５ａは、スケール５２を拘束せずに支持しているのに対して、支持部１５ｂは、スケール５２を拘束するように支持している。

図３Ｂは、支持部１５ｂ及び周辺部の詳細構成を説明するための模式図である。図３Ｂに示すように、支持部１５ｂは、スケール５２のＶ字状の溝５２ａに挟まっている。ここで、支持部１５ｂが溝５２ａに挟まるようにするため、支持部１５ｂの直径が支持部１５ａの直径よりも大きい。なお、これに限定されず、例えば、直径が支持部１５ａと同じ大きさの支持部１５ｂの中心が、Ｚ軸方向において支持部１５ａの中心よりも上方に位置してもよい。そして、支持部１５ｂは、バネ１７との間でスケール５２を挟持している。バネ１７は、スケール５２に対して支持部１５ｂに向けて付勢している。
上記のように、スケール５２が、側面１２ａに固定されずに支持部１５ａ、１５ｂに支持されていることで、ベース１０が変形しても、スケール５２は変形しない。

図４は、図３Ａのベース１０が変形した状態を示す図である。ここでは、ベース１０の載置面１１（図１）に載置されたワークによって、ベース１０（ガイド部１２）が撓んでいるものとする。図３Ａと図４を対比すると分かるように、ベース１０が変形すると、２つの支持部１５ａ、１５ｂがＺ軸方向において変位する。

なお、上記では、スケール５２が２つの支持部１５ａ、１５ｂによって支持されていることとしたが、スケール５２を支持する構成は上記以外であってもよい。例えば、特許４７２２４００号公報に記載の支承手段（例えば、図２等に示す支持装置３００）を用いて、ガイド部１２を支持してもよい。このような支承手段を用いる場合には、ガイド部１２に変形が生じた際に、支承手段を介してガイド部１２に支持されたスケール５２において変形が生じた側の変形を他の側に伝えることなく許容できる。

図２に戻り、スケール５２は、第１目盛り５３と、第２目盛り５４とを有する。
第１目盛り５３は、スケール５２の上半分に形成されている。第１目盛り５３は、Ｚ軸方向におけるガイド部１２の変位を特定するためのものである。第１目盛り５３は、Ｚ軸方向に沿って所定間隔で複数形成されている。具体的には、第１目盛り５３として、Ｙ軸方向に平行な直線が、Ｚ軸方向に所定間隔で複数形成されている。

第２目盛り５４は、スケール５２の下半分に形成されている。第２目盛り５４は、コラム２２のＹ軸方向における位置を特定するためのものである。第２目盛り５４は、Ｙ軸方向に沿って所定間隔で複数形成されている。具体的には、第２目盛り５４として、Ｚ軸方向に平行な直線が、Ｙ軸方向に所定間隔で複数形成されている。

なお、上記では、第１目盛り５３及び第２目盛り５４とも直線として形成されているが、これに限定されず、他の形態で形成されていてもよい。また、上記では、第１目盛り５３がスケール５２の上半分に形成され、第２目盛り５４がスケール５２の下半分に形成されていることとしたが、これに限定されず、第１目盛り５３がスケール５２の下半分に形成され、第２目盛り５４がスケール５２の上半分に形成されてもよい。

検出器５６、５７は、Ｙ軸方向において所定間隔離れている。検出器５６、５７は、それぞれ連結部５８を介してコラム２２に連結されている。このため、検出器５６、５７は、コラム２２と連動して移動する。検出器５６、５７は、ガイド部１２のＹ軸方向及びＺ軸方向における変位をそれぞれ検出する。

図５は、検出器５６の構成を示す図である。検出器５６は、第１検出部５６ａと、第２検出部５６ｂとを有する。
第１検出部５６ａは、第１目盛り５３に対向するように上側に設けられ、第２検出部５６ｂは、第２目盛り５４に対向するように下側に設けられている。第１検出部５６ａが第１目盛り５３を検出することで、スケール５２に対するＺ軸方向における変位を検出でき、第２検出部５６ｂが第２目盛り５４を検出することで、スケール５２に対するＹ軸方向における変位を検出できる。
なお、上記では、第１検出部５６ａ及び第２検出部５６ｂが一つの部品に設けられているが、これに限定されず、第１検出部５６ａと第２検出部５６ｂが、それぞれ独立した部品に設けられていてもよい。

検出器５７も、検出器５６と同様に、後述する図６に示すように、第１検出部５７ａと、第２検出部５７ｂとを有する。第１検出部５７ａ及び第２検出部５７ｂは、検出器５６の第１検出部５６ａ及び第２検出部５６ｂと同様な構成であるので、詳細な説明は省略する。

上述したスケール５２及び検出器５６、５７を設けることによって、図４に示すようにベース１０が変形した場合には、二つの検出器５６、５７の検出結果を比較することで、コラム２２の変位量を検出することができる。具体的には、検出器５６の第１検出部５６ａの検出結果と、検出器５７の第１検出部５７ａの検出結果とを比較することで、コラム２２のＺ軸方向における変位量及びＸ軸周りの回転角度変位量を検出できる。

＜制御装置の構成＞
図６を参照しながら、制御装置９０の構成について説明する。制御装置９０は、検出器５６、５７の検出結果に基づいて、スケール５２に対するガイド部１２の相対的な変形量を取得して、補正する。

図６は、制御装置９０の構成の一例を説明するためのブロック図である。制御装置９０は、三次元測定装置１の動作全体を制御する。制御装置９０は、モーションコントローラ９１と、ホストコンピュータ９２とを有する。

モーションコントローラ９１は、三次元測定装置１の本体の制御を実行する。モーションコントローラ９１は、駆動制御部９１ａと、カウンタ部９１ｂとを有する。
駆動制御部９１ａは、移動機構２０の駆動部２９の駆動制御を実行する。

カウンタ部９１ｂは、スケールセンサ９６から出力されるパルス信号と、プローブ２８のプローブセンサ９７から出力されるパルス信号とを計数する。例えば、カウンタ部９１ｂは、スケールセンサ９６から出力されるパルス信号をカウントして移動機構２０のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の移動量を計測するスケールカウンタと、プローブセンサ９７から出力されるパルス信号をカウントしてプローブ２８のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の移動量を計測するプローブカウンタとを含む。なお、図６に示すスケールセンサ９６は、前述したリニアエンコーダ５０の検出器５６、５７を含む。

ホストコンピュータ９２は、モーションコントローラ９１に所定の指令を与えると共に、ワークによるガイド部１２の形状解析等の演算処理を実行する。例えば、ホストコンピュータ９２は、モーションコントローラ９１に指令を与えることで、三次元測定装置１の本体を制御する。ホストコンピュータ９２は、記憶部９３と、制御部９４とを有する。

記憶部９３は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。記憶部９３は、制御部９４が実行するためのプログラムや各種データを記憶する。例えば、記憶部９３は、検出器５６、５７の検出結果を記憶する。

制御部９４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。制御部９４は、記憶部９３に記憶されたプログラムを実行することにより、三次元測定装置１の動作を制御する。制御部９４は、検出結果取得部９４２、変形量算出部９４３、及び補正部９４４として機能する。

検出結果取得部９４２は、検出器５６、５７の検出結果を取得する。具体的には、検出結果取得部９４２は、検出器５６の第１検出部５６ａ及び第２検出部５６ｂの検出結果と、検出器５７の第１検出部５７ａ及び第２検出部５７ｂの検出結果とを取得する。

変形量算出部９４３は、検出器５６、５７の検出結果に基づいて、スケール５２に対するガイド部１２の相対的な変形量を取得する変形量取得部である。すなわち、変形量算出部９４３は、検出結果取得部９４２が取得した検出器５６、５７の検出結果に基づいて、ガイド部１２の相対的な変形量を取得する。

変形量算出部９４３は、検出器５６、５７の各々が検出した検出結果を比較して、ガイド部１２の変形量を求める。具体的には、変形量算出部９４３は、検出器５６の第１検出部５６ａの検出結果と検出器５７の第１検出部５７ａとが検出した検出結果とを比較して、ガイド部１２の変形量を求める。

補正部９４４は、誤差を補正する機能を有する。本実施形態では、補正部９４４は、変形量算出部９４３が求めたガイド部１２の変形量に基づいて、補正用のガイド部１２の真直度誤差又は角度誤差を求める。補正部９４４は、求めた誤差を空間補正パラメータとして、補正計算する。

＜本実施形態における効果＞
上述した三次元測定装置１は、ガイド部１２の側面１２ａで支持されたスケール５２との相対変位を検出する検出器５６、５７を有する。検出器５６、５７は、コラム２２に設けられており、コラム２２のＹ軸方向及びＺ軸方向における変位を検出する。そして、コラム２２の変位の検出結果に基づいて、スケール５２に対するガイド部１２の相対的な変形量を取得している。
かかる場合には、仮にガイド部１２が変形した場合には、スケール５２及び検出器５６、５７によってコラム２２の変位を検出することで、コラム２２をガイドするガイド部１２の変形量を簡易かつ高精度に求めることができる。

＜変形例＞
以下では、図７〜図９を参照しながら、上述した三次元測定装置１の変形例について説明する。

図７は、第１変形例に係る構成を説明するための図である。
上記では、スケール５２が支持部１５ａ、１５ｂに支持されている（図３Ａ参照）こととしたが、第１変形例においては、図７に示すように、スケール５２が固定されたケース部材７０が支持部１５ａ、１５ｂに支持されている。

ケース部材７０は、Ｙ軸方向と平行な状態でＺ軸方向に変位可能となるように、支持部１５ａ、１５ｂに点支持されている。これにより、上述した実施形態と同様に、コラム２２の変位量を適切に取得できる。また、ケース部材７０は、ブロック状の形状を成している。ケース部材７０は、剛性が高く、熱変形が小さい材料から成り、ここではセラミックス製である。かかる場合には、温度変化があっても、温度の偏りに起因する真直度変形が小さい。また、剛性も高いので、振動に起因する誤差も小さくなる。

図８は、第２変形例に係る構成を説明するための図である。
上記では、スケール５２の第１目盛り５３と第２目盛り５４とが、離れて形成されている（図５参照）こととしたが、第２変形例においては、図８に示すように、目盛りが交差するように形成された目盛り５５が設けられている。かかる場合には、検出器５６、５７の一つの検出部（図８に示す検出部５６ｃ）が、目盛り５５を検出するので、検出器５６、５７の小型化が可能となる。

図９は、第３変形例に係る構成を説明するための図である。
上記では、検出器５６の第１検出部５６ａと、検出器５７の第１検出部５７ａとが、スケール５２の第１目盛り５３を検出することとしたが、第３変形例においては、第１検出部５６ａ、５７ａの代わりに、近接センサ８１、８２が設けられている。近接センサ８１、８２は、コラム２２に取り付けられており、スケール５２から離れている。なお、検出器５６、５７は、第２検出部５６ｂ、５７ｂ（図６参照）を有する。

近接センサ８１、８２は、それぞれ、スケール５２との距離（例えば、Ｚ軸方向における距離）を検出する距離検出センサである。かかる場合には、変形量算出部９４３は、近接センサ８１、８２の検出結果を比較することで、ガイド部１２のＺ軸方向における変形量を求めることができる。また、近接センサ８１、８２を設けることで、スケール５２に第１目盛り５３を設ける必要がなくなる。

図１０は、第４変形例に係る構成を説明するための模式図である。
上述した第１変形例においては、Ｚ軸方向に沿って所定間隔で形成された第１目盛り５３と、Ｙ軸方向に沿って所定間隔で形成された第２目盛り５４とを有するスケール５２が、ケース部材７０に固定されていることとした。
これに対して、第４変形例においては、図１０に示すように、スケール５２に加えて、Ｘ軸方向に沿って所定間隔で形成された第３目盛り８５ａを有する第２スケール８５も、ケース部材７０に固定されている。具体的には、スケール５２は、ケース部材７０の側面７０ａに固定されており、第２スケール８５は、ケース部材７０の上面７０ｂに固定されている。なお、図１０には示していないが、検出器５６、５７と同様な構成の検出器が、対面する第３目盛り８５ａを検出する。

スケール５２に加えて第２スケール８５を設けた場合には、ガイド部１２がＸ軸方向に膨らむように変形した場合に、ガイド部１２のＸ軸方向の膨らみも検出可能となる。これにより、ガイド部１２の変形量をより高精度に求めることが可能となる。

なお、上記では、産業機械として三次元測定装置１を説明したが、これに限定されない。例えば、産業機械は、工作機械やロボット等であってもよい。
また、上記では、ガイド部１２がＹ軸方向に沿って設けられていることとしたが、これに限定されず、ガイド部１２がＸ軸方向に沿って設けられていてもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１三次元測定装置
１０ベース
１１載置面
１２ガイド部
１２ａ側面
１５ａ、１５ｂ支持部
２２コラム
５２スケール
５３第１目盛り
５４第２目盛り
５６、５７検出器
７０ケース部材
８１、８２近接センサ
９４３変形量取得部
９４４補正部

Claims

ワークが載置される載置面に対して相対移動可能な移動体と、
前記載置面上に設けられ、前記移動体をガイドするガイド部と、
前記ガイド部の側面で支持されたリニアエンコーダのスケールと、
前記移動体に設けられ、前記スケールとの相対変位を検出する検出器と、を備える産業機械において、
前記検出器は、前記移動体の移動方向及び鉛直方向における変位をそれぞれ検出し、
前記検出器の検出結果に基づいて、前記スケールに対する前記ガイド部の相対的な変形量を取得する変形量取得部を更に備える、産業機械。
前記検出器は、前記移動方向に沿って複数設けられており、
前記変形量取得部は、前記複数の検出器の各々が検出した検出結果を比較して、前記ガイド部の変形量を求める、
請求項１に記載の産業機械。
前記スケールには、前記鉛直方向に沿って所定間隔で形成された複数の第１目盛りが設けられており、
前記変形量取得部は、前記複数の検出器の各々が検出した前記第１目盛りを比較して、前記ガイド部の変形量を求める、
請求項２に記載の産業機械。
前記スケールには、前記移動方向に沿って所定間隔で形成され、前記移動体の前記移動方向における位置を特定するための複数の第２目盛りが形成されている、
請求項３に記載の産業機械。
前記検出器は、前記スケールとの距離を検出する距離検出センサであり、
前記変形量取得部は、複数の前記距離検出センサの各々が検出した距離を比較して、前記ガイド部の変形量を求める、
請求項２に記載の産業機械。
前記ガイド部の前記側面には、前記スケールを前記移動方向において点支持する支持部が複数設けられている、
請求項１から５のいずれか１項に記載の産業機械。
前記スケールは、前記移動方向と平行な状態で鉛直方向に変位可能となるように前記ガイド部に支持されたケースに固定されている、
請求項１から６のいずれか１項に記載の産業機械。
前記変形量取得部が求めた前記ガイド部の変形量に基づいて、補正用の前記ガイド部の真直度誤差又は角度誤差を求める補正部を更に備える、
請求項１から７のいずれか１項に記載の産業機械。