JP2018179958A - 光学式スピンドル多自由度誤差測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大幅にコストを抑制できる光学式スピンドル多自由度誤差測定装置の提供。【解決手段】センサーモジュール３０が、Ｚ軸方向に間隔をあけて設置したプライマリセンサー群及びサブセンサー群と、斜め方向レーザーヘッド及び受光面を有する反射光点変位センサーを備え、プライマリセンサー群の第１レーザーヘッド、第２レーザーヘッド、及び、サブセンサー群の第３レーザーヘッド、第４レーザーヘッドから、Ｘ軸及びＹ軸方向に沿って照射されたレーザー光が、標準棒２０の円柱形レンズを通して第１光点変位センサー、第２光点変位センサー、及び、第３光点変位センサー、第４光点変位センサーに達し、斜め方向レーザーヘッドから照射されたレーザー光が、標準棒２０の反射面で反射されて受光面に受光され、センサーモジュール３０が受け取ったレーザー光の変化により、標準棒２０の移動を測定する。【選択図】図１

Description

本発明は、動力機械に適用する光学式スピンドル多自由度誤差測定装置及び方法に関する。

図９に示すように、一般的な動力機械のスピンドルと回転プラットフォームの回転軸の誤差源Ａは６つに分けることができる。そのうち、スピンドルは３つの位置誤差δ_x(θ)、δ_y(θ)、δ_z(θ)と１つの角度振れ誤差（ｗｏｂｂｌｅ，α）に分けられ、スピンドルの測定時は主にδ_x(θ)、δ_y(θ)を通じてスピンドルの径方向の誤差を検知し、δ_z(θ)から軸方向誤差を検知した後、角度振れ誤差（ｗｏｂｂｌｅ，α）を検知することでスピンドルの振れ状況が分かり、スピンドルの下方の回転プラットフォームは別途３つのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の回転軸角度の位置誤差ε_x(θ)、ε_y(θ)、ε_z(θ)を検知する必要がある。

従来の動力機械のスピンドルの測定法は、主に静態測定と動態測定の２種類の方法に分けられる。
静態測定は標準棒にダイヤルゲージを組み合わせて測定を行い、ダイヤルゲージの数値を読み取り、それがスピンドルの回転誤差となる。この測定方法は重大な欠点があり、即ち、測定が実際の回転速度下で行われず、かつ誤差に標準棒の設置誤差が含まれるため、スピンドルの真の回転精度を反映することができない。
動態測定は、静態測定の欠点を回避でき、現在多くがＬＩＯＮ ＴＡＲＧＡ ＩＩＩ ＰＣＢ高速回転スピンドル動態振れ測定器を使用して測定を行っている。この計器は通常５つの非接触式静電容量プローブを使用し、スピンドルの実際の回転速度下における回転誤差、スピンドル振れ、径方向と軸方向の誤差を測定することができ、測定方法は、通常、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）標準番号ＡＳＴＭ Ｂ５.５４の標準に従って行うが、静電容量式プローブは価格が非常に高いため、購入が容易でない。

動力機械、例えば加工機で航空宇宙部材を加工するとき、大部分の部材がナイフを使用して実体ブロック材を高効率で除去して成るため、加工時間が非常に長い。工作機械で加工するとき、各種の内外熱源が工作機械の構造または部材に熱変形を生じ、加工の位置決め精度の偏差を引き起こすため、スピンドル、すなわち主軸が回転加工を一定時間行った後は必ずずれが生じ、主軸の軸方向と径方向の跳ね、主軸の振れ誤差が発生して加工精度が失われる。このような誤差は解析を行わないと加工精度を向上することができない。
しかしながら、前述のように、従来の測定で常用されている方法は、高価なＬＩＯＮ ＴＡＲＧＡ ＩＩＩ ＰＣＢ高速主軸動態振れ測定器で工作機械の主軸に対して動態的誤差測定を行うしかないが、コストが高くつくため、使用者の調達意欲が不足しており、高速回転する工作機械の主軸の誤差に対して解析を行い、加工精度を向上することができずにいる。

本発明が解決しようとする課題は、市場で容易に取得できる部材を使用し、大幅にコストを抑えることができる、光学式スピンドル多自由度誤差測定装置及びこの測定装置を用いた測定方法を提供することにある。

本発明の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を備えた動力機械に使用され、標準棒と、前記標準棒に組み合わせるセンサーモジュールを含み、前記標準棒が直立した棒体であり、円柱形レンズが設置され、下端に反射面が形成され、前記センサーモジュールが磁性座体を備え、前記磁性座体上に支持座部が結合され、前記支持座部の周囲を囲む形態でセンサーフレームが結合され、前記センサーフレームの内側に標準棒測定エリアが形成され、前記標準棒測定エリアに前記標準棒が進入し、前記センサーフレームにプライマリセンサー群とサブセンサー群がＺ軸方向に沿って間隔をあけて設置され、前記プライマリセンサー群は、前記標準棒測定エリアを囲む形態で前記センサーフレームに結合され、第１レーザーヘッドと、第２レーザーヘッドと、第１光点変位センサーと、第２光点変位センサーを含み、そのうち、前記第１レーザーヘッドと前記第１光点変位センサーが前記センサーフレームのＸ軸方向両側に結合され、前記第２レーザーヘッドと前記第２光点変位センサーが前記センサーフレームのＹ軸方向両側に結合され、前記サブセンサー群は、前記標準棒測定エリアを囲む形態で前記センサーフレームに結合され、第３レーザーヘッドと、第４レーザーヘッドと、第３光点変位センサーと、第４光点変位センサーを含み、そのうち、前記第３レーザーヘッドと前記第３光点変位センサーが前記センサーフレームのＸ軸方向両側に結合され、前記第４レーザーヘッドと前記第４光点変位センサーが前記センサーフレームのＹ軸方向両側に結合され、前記支持座部上面の相反する両側に斜め方向レーザーヘッドと反射光点変位センサーが結合され、前記斜め方向レーザーヘッドの自由端が内側の上方に向かって延伸され、前記反射光点変位センサーの前記標準棒測定エリアに向かう一側に受光面が形成され、前記標準棒は、前記円柱形レンズが、前記第１レーザーヘッドと前記第１光点変位センサーの間、前記第２レーザーヘッドと前記第２光点変位センサーの間、前記第３レーザーヘッドと前記第３光点変位センサーの間、及び、前記第４レーザーヘッドと前記第４光点変位センサーの間に位置し、前記反射面が、前記斜め方向レーザーヘッドの自由端から照射されたレーザー光を前記受光面に向けて反射する位置へ設置可能である。

前記センサーフレームが、前記支持座部のＸ軸方向に沿った相反する両側及びＹ軸方向に沿った相反する両側に対を成して結合された４つの取付板を含み、前記標準棒測定エリアが４つの取付板で囲まれた内側に形成され、前記プライマリセンサー群の第１レーザーヘッド、第２レーザーヘッド、第１光点変位センサー、第２光点変位センサーは４つの取付板にそれぞれ結合され、前記サブセンサー群の第３レーザーヘッド、第４レーザーヘッド、第３光点変位センサー、第４光点変位センサーが４つの取付板にそれぞれ結合されることがある。

この場合、前記プライマリセンサー群が前記センサーフレームの４つの取付板の上部に結合され、前記サブセンサー群が前記センサーフレームの４つの取付板の下部に結合され、前記標準棒が前記標準棒測定エリアの中央に進入したとき、前記円柱形レンズの上側部分が前記プライマリセンサーの間に位置し、前記円柱形レンズの下側部分が前記サブセンサー群の間に位置し、前記反射面の高さが前記斜め方向レーザーヘッドと前記反射光点変位センサーの高さより高く、前記斜め方向レーザーヘッドが射出するレーザー光が前記反射面の中心により反射された後、前記受光面の中央に集中されるとよい。

さらに、前記斜め方向レーザーヘッドと前記反射光点変位センサーが、対称の形態で前記標準棒測定エリアの範囲内に設置され、前記斜め方向レーザーヘッドは斜め方向に設けられた柱形部材で、前記斜め方向レーザーヘッドの軸心線と水平面の挟角が４５度であり、前記反射光点変位センサーは斜め方向に設置された柱形部材で、前記受光面が前記反射光点変位センサーの自由端の端面に形成され、前記受光面と水平面の挟角が４５度であってもよい。
前記第１光点変位センサー、第２光点変位センサー、第３光点変位センサー、第４光点変位センサー、反射光点変位センサーはそれぞれ、一次元光電センサー、二次元光電センサー、位置センサー、ＣＣＤセンサーまたはＣＭＯＳセンサーとすることができる。

本発明の光学式スピンドル多自由度誤差測定方法は、
測定装置を設置する工程：請求項１の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置を用意して、前記標準棒を動力機械のスピンドルに設置し、前記センサーモジュールを動力機械のプラットフォームに設置するとともに、前記プライマリセンサー群の中心と前記サブセンサー群の中心とのＺ軸方向に沿った距離を架設距離Ｌと定義する工程と、
測定装置をゼロ復帰する工程：前記標準棒を前記センサーモジュールの標準棒測定エリアの中央まで移動し、前記第１レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第１光点変位センサーの中央に集中させ、前記第２レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第２光点変位センサーの中央に集中させ、前記第３レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第３光点変位センサーの中央に集中させ、前記第４レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第４光点変位センサーの中央に集中させ、前記反射面の高さを調整し、前記斜め方向レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記反射面の中心に照射させた後、前記反射光点変位センサーの受光面中央に反射させ、前記標準棒がＺ軸方向に沿って移動する距離ΔＺと前述の反射したレーザー光が前記受光面中央から傍らに移動した距離ΔＸの比をゲイン値Ｋと定義する工程と、
スピンドルを起動して回転させ、変位データを取得する工程：動力機械のスピンドルを起動して回転させ、前記スピンドルがずれて前記標準棒を移動させたとき、前記第３光点変位センサーが前記円柱形レンズの下側位置のＹ軸移動変化Ｙ１を測定し、前記第４光点変位センサーが前記円柱形レンズの下側位置のＸ軸移動変化Ｘ１を測定し、前記第１光点変位センサーが前記円柱形レンズの上側位置のＹ軸移動変化Ｙ２を測定し、前記第２光点変位センサーが前記円柱形レンズの上側位置のＸ軸移動変化Ｘ２を測定し、前記反射光点変位センサーの受光面が反射したレーザー光が受光面の中央から傍らに移動した距離ΔＸを測定する工程と、
スピンドルと回転軸の自由度誤差を計算して得る工程：上述の移動変化Ｘ１、Ｙ１、Ｘ２、Ｙ２のデータとΔＸのデータを計算ユニットに伝送し、架設距離Ｌとゲイン値Ｋを以下の方程式に代入して演算し、６つの自由度の誤差を得る工程とを含む。

好ましくは、前記測定装置を設置する工程の前に、測定装置のゲイン値を取得する工程：器具で前記標準棒を前記センサーモジュールの標準棒測定エリア中央に配置し、続いて前記反射面の高低位置を調整し、前記センサーモジュールの斜め方向レーザーヘッドが射出するレーザー光を反射面の中心に照射させた後、前記反射光点変位センサーの受光面中央に反射させ、続いて器具でＺ軸方向に沿って前記標準棒を移動させ、器具による校正で前記ゲイン値Ｋを取得する工程を含む。

本発明によれば、標準棒は容易に製造でき、かつセンサーモジュールは一般的な光電部材で製造できるため、従来の動態測定手段よりも安価であり、ユーザーの採用意欲を大幅に高め、各種動力機械のスピンドルと回転軸の精度測定に用いることができ、高速回転する動力機械のスピンドル誤差に対する解析実施の普遍性を向上し、誤差データを取得して動力機械のスピンドルまたは工作機械の主軸の加工精度を改善することができる。

本発明の実施例を示す光学式スピンドル多自由度誤差測定装置の斜視図である。 本発明の実施例を示す光学式スピンドル多自由度誤差測定装置の要部拡大斜視図である。 本発明の実施例を示す光学式スピンドル多自由度誤差測定装置の要部平面図である。 本発明の実施例を示す光学式スピンドル多自由度誤差測定装置の要部横断面図である。 本発明の実施例に係るセンサーモジュールの要部縦断面図である。 本発明の実施例を示す光学式スピンドル多自由度誤差測定装置のレーザー反射時における要部縦断面図である。 本発明の実施例において、レーザー反射位置の変化を示す概略図である。 本発明の実施例を示す測定方法のフローチャートである。 従来の動力機械のスピンドルと回転プラットフォーム回転軸の誤差源を示す概略図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１から図５に示すように、本発明の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置は、使用時に動力機械のスピンドルとプラットフォームに設置される。
例えば、本実施例の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置は工作機械１０の主軸１１とプラットフォーム１２の間に設置される。工作機械１０は、多軸工作機械であり、少なくともＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を備え（図９参照）、プラットフォーム１２は回転プラットフォームである。

光学式スピンドル多自由度誤差測定装置は標準棒２０と、標準棒２０に組み合わせるセンサーモジュール３０を含み、センサーモジュール３０が測定した標準棒２０の誤差を計算するために、電気的接続または無線接続によりセンサーモジュール３０の誤差信号を受信する計算ユニット４０が設けられる。
本実施例では、標準棒２０を主軸１１に結合し、かつセンサーモジュール３０をプラットフォーム１２に結合した形態で使用される。

標準棒２０は、真っ直ぐの棒体であり、直立してかつ同心状に主軸１１の下端に結合される。
また、標準棒２０には円柱形レンズ２１が設置される。円柱形レンズ２１は、透光性の円柱体であり、標準棒２０上の一区間としても、または円柱形レンズ２１で標準棒２０全体を構成してもよい。本実施例では、円柱形レンズ２１で標準棒２０全体を構成しており、円柱形レンズ２１の自由端、すなわち標準棒２０の下端面にコーティング方式で反射面２２が形成される。前記反射面２２は水平面である。

センサーモジュール３０は、プラットフォーム１２の上面に結合される磁性座体３１を有し、磁性座体３１上に支持座部３２が結合され、支持座部３２の周囲を囲む形態でセンサーフレーム３３が結合される。
センサーフレーム３３は、４つの組を成して支持座部３２に結合された取付板３３１を含む。各取付板３３１は直立した板体であり、支持座部３２のＸ軸方向両側と、Ｙ軸方向両側に立設され、４つの取付板３３１の内側の間に標準棒測定エリア５０が形成される（図７参照）。
また、標準棒２０は標準棒測定エリア５０の中央に下方向に向けて挿入される。

センサーフレーム３３の上部には、標準棒測定エリア５０を囲む形態で、第１レーザーヘッド３４１、第２レーザーヘッド３４２、第１光点変位センサー３４３、第２光点変位センサー３４４を含むプライマリセンサー群３４が結合される。
そのうち、第１レーザーヘッド３４１と第１光点変位センサー３４３がセンサーフレーム３３のＸ軸方向両側の２つの取付板３３１に結合され、第１レーザーヘッド３４１の中心と第１光点変位センサー３４３の中心が左右で対向している。
また、第２レーザーヘッド３４２と第２光点変位センサー３４４がセンサーフレーム３３のＹ軸方向両側の２つの取付板３３１に結合され、第２レーザーヘッド３４２の中心と第２光点変位センサー３４４の中心が前後で対向している。

センサーフレーム３３の下部には、標準棒測定エリア５０を囲む形態で、第３レーザーヘッド３５１、第４レーザーヘッド３５２、第３光点変位センサー３５３、第４光点変位センサー３５４を含むサブセンサー群３５が結合される。
そのうち、第３レーザーヘッド３５１と第３光点変位センサー３５３がセンサーフレーム３３のＸ軸方向両側の２つの取付板３３１に結合され、第３レーザーヘッド３５１の中心と第３光点変位センサー３５３の中心が左右で対向している。
また、第４レーザーヘッド３５２と第４光点変位センサー３５４がセンサーフレーム３３のＹ軸方向両側の２つの取付板３３１に結合され、第４レーザーヘッド３５２の中心と第４光点変位センサー３５４の中心が前後で対向している。
プライマリセンサー群３４とサブセンサー群３５の設置位置は上下に揃っており、プライマリセンサー群３４の中心とサブセンサー群３５の中心のＺ軸方向に沿った長さの距離を架設距離Ｌと定義する。

支持座部３２は標準棒測定エリア５０範囲内の下面に配置され、Ｘ軸方向に沿った相反する両側に対称の形態でそれぞれ斜め方向レーザーヘッド３６と反射光点変位センサー３７が結合される。
斜め方向レーザーヘッド３６は斜め方向に設けられた柱形部材で、自由端が内側上方に向かって延伸される。反射光点変位センサー３７は斜め方向に設けられた柱形部材で、自由端が同様に内側上方に向かって延伸される。反射光点変位センサー３７の自由端の端面に受光面３７１が形成され、斜め方向レーザーヘッド３６の軸心線と水平面の挟角が４５度であり、反射光点変位センサー３７の受光面３７１と水平面の挟角が４５度である。

上述の第１光点変位センサー３４３、第２光点変位センサー３４４、第３光点変位センサー３５３、第４光点変位センサー３５４、反射光点変位センサー３７はそれぞれ一次元光電センサー、二次元光電センサー、位置センサー、ＣＣＤセンサーまたはＣＭＯＳセンサー等の非接触式光電センサーを選択して用いることができる。
工作機械１０が未作動で、標準棒２０とセンサーモジュール３０がゼロ復帰の位置にあるとき、上述の第１レーザーヘッド３４１と第２レーザーヘッド３４２がそれぞれ射出するレーザー光は正十字で円柱形レンズ２１の上側位置の中心で交差し、第３レーザーヘッド３５１と第４レーザーヘッド３５２がそれぞれ射出するレーザー光線が正十字で円柱形レンズ２１下側位置の中心で交差する。
図６に示すように、斜め方向レーザーヘッド３６が射出するレーザー光は反射面２２の中心に照射された後、反射光点変位センサー３７の受光面３７１中央に反射される。

本発明の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置を工作機械１０に設置して使用する前に、器具で標準棒２０を標準棒測定エリア５０の中央に配置し、反射面２２の高低位置を調整して、斜め方向レーザーヘッド３６の自由端中央が射出するレーザー光を反射面２２の中心に照射させた後、反射光点変位センサー３７の受光面３７１の中央に反射させるようにする。
続いて、図７に示すように、Ｚ軸方向に沿って標準棒２０を移動させ、器具で校正する方式で、標準棒２０のＺ軸方向に沿って移動した距離ΔＺと反射的レーザー光が受光面３７１の中央から傍らに移動した距離ΔＸの比を取得し、この比をゲイン値Ｋとする。

図３に示すように、第１レーザーヘッド３４１が射出するレーザー光が円柱形レンズ２１の上側の位置を通過した後、第１光点変位センサー３４３の中央に集中され、第２レーザーヘッド３４２が射出するレーザー光が円柱形レンズ２１の上側の位置を通過した後、第２光点変位センサー３４４の中央に集中される。
図４に示すように、第３レーザーヘッド３５１が射出したレーザー光が円柱形レンズ２１の下側の位置を通過した後、第３光点変位センサー３５３の中央に集中され、第４レーザーヘッド３５２が射出するレーザー光が円柱形レンズ２１の下側の位置を通過した後、第４光点変位センサー３５４の中央に集中される。
図５、図６に示すように、斜め方向レーザーヘッド３６が射出するレーザー光が反射面２２の中心に照射された後、９０度の挟角で反射され、反射光点変位センサー３７自由端の中央に集中される。

工作機械１０の主軸１１が高速回転を開始すると、工作機械１０内部の機構が内部の熱源または外部の熱源により熱変形を生じ、主軸１１の位置がずれて標準棒測定エリア５０内における標準棒２０の位置が連帯的に移動されると、円柱形レンズ２１の下側位置の移動が照射される２本のレーザー光の第３光点変位センサー３５３と第４光点変位センサー３５４上における集中位置を変化させるため、第３光点変位センサー３５３は円柱形レンズ２１の下側位置のＹ軸移動変化Ｙ１を測定でき、第４光点変位センサー３５４は円柱形レンズ２１の下側位置のＸ軸移動変化Ｘ１を測定することができる。

主軸１１の位置ずれに伴って標準棒測定エリア５０内における標準棒２０の位置が移動すると、円柱形レンズ２１の上側位置の移動が照射される２本のレーザー光の第１光点変位センサー３４３と第２光点変位センサー３４４上の集中位置を変化させるため、第１光点変位センサー３４３は円柱形レンズ２１の上側位置のＹ軸移動変化Ｙ２を測定でき、第２光点変位センサー３４４は円柱形レンズ２１の上側位置のＸ軸移動変化Ｘ２を測定することができる。
主軸１１の位置ずれに伴って標準棒測定エリア５０内における標準棒２０の位置が移動すると、図７に示すように、標準棒２０のＺ軸方向に沿った位置の移動距離ΔＺが反射面２２の上下移動を生じ、反射面２２で反射されたレーザー光が受光面３７１に照射される位置に変化が生じる。このとき、反射光点変位センサー３７の受光面３７１は反射されたレーザー光が受光面３７１の中央から傍らに移動した距離ΔＸを測定することができる。

計算ユニット４０は単一チップまたはコンピューターとすることができる。本実施例において、計算ユニット４０はコンピューターであり、かつ電気的接続または無線接続の方式でサブセンサー群３５が検知した円柱形レンズ２１の下側位置のＸ軸移動変化Ｘ１とＹ軸移動変化Ｙ１、プライマリセンサー群３４が検知した円柱形レンズ２１の上側位置のＸ軸移動変化Ｘ２とＹ軸移動変化Ｙ２、反射されたレーザー光が受光面３７１の中央から傍らに移動した距離ΔＸを受信し、既知の架設距離Ｌ及びゲイン値Ｋを組み合わせ、主軸１１とプラットフォーム１２の回転軸の誤差演算を実行する。

反射光点変位センサー３７の受光面３７１を水平面との挟角４５度の形態で設けるほか、受光面３７１と水平面の挟角は例えば０度または６０度の角度など、その他任意の角度としてもよく、受光面３７１が反射面２２に反射されたレーザー光を受光できればよい。 このほか、斜め方向レーザーヘッド３６の軸心線と水平面の挟角は、４５度のほか、その他の角度に変えてもよく、斜め方向レーザーヘッド３６が射出するレーザー光が反射面２２の中心に照射された後、受光面３７１に反射されればよい。斜め方向レーザーヘッド３６の軸心線と水平面の挟角を変化させたとき、または受光面３７１と水平面の挟角を変化させたとき、本発明のゲイン値Ｋの数値が変化する。このときは先に器具で再度校正を行い、新しいゲイン値Ｋを見つける必要がある。

図８に示すように、上記光学式スピンドル多自由度誤差測定装置を使用した光学式スピンドル多自由度誤差の測定方法は、次の工程を含む。
測定装置のゲイン値を取得する工程：器具で前記光学式スピンドル多自由度誤差測定装置の標準棒２０をセンサーモジュール３０の標準棒測定エリア５０の中央に配置し、続いて反射面２２の高低位置を調整して、センサーモジュール３０の斜め方向レーザーヘッド３６が射出するレーザー光を反射面２２の中心に照射させた後、反射光点変位センサー３７の受光面３７１の中央に反射させ、続いて、器具でＺ軸方向に沿って標準棒２０を移動させ、器具で校正する方式で標準棒２０のＺ軸方向に沿って移動した距離ΔＺと、反射したレーザー光が受光面３７１の中央から傍らに移動した距離ΔＸとの比を取得し、この比をゲイン値Ｋとする。

測定装置を設置する工程：前記光学式スピンドル多自由度誤差測定装置の標準棒２０を動力機械のスピンドル、例えば工作機械１０の主軸１１下端に設置し、またセンサーモジュール３０を動力機械のプラットフォーム、例えば工作機械１０のプラットフォーム１２に設置する。工作機械１０が少なくともＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を備えた多軸加工機であり、プラットフォーム１２が２軸プラットフォームまたは回転プラットフォームとすることができる。

測定装置をゼロ復帰する工程：工作機械１０を起動して主軸１１と標準棒２０を移動させ、標準棒２０をセンサーモジュール３０の標準棒測定エリア５０の中央まで移動させ、プライマリセンサー群３４が円柱形レンズ２１の上側位置の周囲を囲み、またサブセンサー群３５が円柱形レンズ２１の下側位置の周囲を囲み、第１レーザーヘッド３４１が射出するレーザー光を円柱形レンズ２１に通過させた後、第１光点変位センサー３４３の中央に集中させ、第２レーザーヘッド３４２が射出するレーザー光を円柱形レンズ２１に通過させた後、第２光点変位センサー３４４の中央に集中させ、第３レーザーヘッド３５１が射出するレーザー光を円柱形レンズ２１に通過させた後、第３光点変位センサー３５３の中央に集中させ、第４レーザーヘッド３５２が射出するレーザー光を円柱形レンズ２１に通過させた後、第４光点変位センサー３５４の中央に集中させ、斜め方向レーザーヘッド３６が射出するレーザー光を標準棒２０の反射面２２の中心に照射させた後、反射光点変位センサー３７の受光面３７１の中央に反射させる。

スピンドルを起動して回転させ、変位データを取得する工程：工作機械１０の主軸１１を起動して回転させ、主軸１１が高速回転してずれの変化が生じ、標準棒２０のセンサーモジュール３０内における位置が連帯的に移動したとき、第３光点変位センサー３５３が円柱形レンズ２１の下側位置のＹ軸移動変化Ｙ１を測定し、第４光点変位センサー３５４が円柱形レンズ２１の下側位置のＸ軸移動変化Ｘ１を測定し、第１光点変位センサー３４３が円柱形レンズ２１の上側位置のＹ軸移動変化Ｙ２を測定し、第２光点変位センサー３４４が円柱形レンズ２１の上側位置のＸ軸移動変化Ｘ２を測定し、反射光点変位センサー３７は受光面３７１に反射されたレーザー光が受光面３７１の中央から傍らに移動した距離ΔＸを測定することができる。

スピンドルと回転軸の自由度誤差を計算して得る工程：センサーモジュール３０が標準棒２０の移動変化Ｘ１、Ｙ１、Ｘ２、Ｙ２とΔＸのデータを電気的接続または無線接続の方式で前記計算ユニット４０に伝送し、架設距離Ｌとゲイン値Ｋを以下の誤差の方程式に代入して演算し、次の主軸１１とプラットフォーム１２の回転軸の６つの自由度の誤差を得る。

本発明の光学式スピンドル多自由度誤差測定方法を実行するときは、２つの装置設置方法がある。
１つ目の方法はセンサーモジュール３０を工作機械１０の主軸１１下端に設置し、標準棒２０を工作機械１０のプラットフォーム１２に設置する。この方法は動力機械のスピンドルの４つの自由度誤差、それぞれδ_x(θ)、δ_y(θ)、ΔＺと角度振れ誤差（ｗｏｂｂｌｅ，α）を測定することができる。
２つ目の方法は、標準棒２０を工作機械１０の主軸１１下端に設置し、センサーモジュール３０を工作機械１０のプラットフォーム１２に設置する。この方法は動力機械のスピンドルの６つの自由度誤差、それぞれδ_x(θ)、δ_y(θ)、ΔＺ、ε_x(θ)、ε_y(θ)と角度振れ誤差（ｗｏｂｂｌｅ，α）を測定することができる。

本発明の装置と方法は、標準棒２０が容易に製造でき、かつセンサーモジュール３０に採用した部材、例えばプライマリセンサー群３４及びサブセンサー群３５の部材はいずれも一般的な光電素子であるため、標準棒２０にセンサーモジュール３０を組み合わせて構成される動態誤差測定装置及びこの装置を用いた測定方法がより安価になり、工作機械１０の主軸１１の動態測定のリスクを大幅に抑えることができる効果がある。
また、各種動力機械のスピンドルと回転軸の精度測定に用い、業界において高速回転する動力機械のスピンドル誤差に対して解析を行うことの普遍性を向上し、動力機械の精度または工作機械の加工精度を高めることができる。
さらに、スピンドルと回転軸の角度の誤差変化を測定でき、単純にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の移動変化のみを測定できる従来技術とは大きく異なり、動力機械の主軸と回転軸に応用する利便性が向上されておいるため、動力機械のライン上測定に広く応用でき、測定時本発明は最多で６つの自由度誤差を測定することができる。

以上は、本発明の実施例の説明であり、本発明の権利範囲を限定するものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない変更や修飾はすべて、本発明の権利範囲に含まれる。

１０ 工作機械
１１ 主軸
１２ プラットフォーム
２０ 標準棒
２１ 円柱形レンズ
２２ 反射面
３０ センサーモジュール
３１ 磁性座体
３２ 支持座部
３３ センサーフレーム
３３１ 取付板
３４ プライマリセンサー群
３４１ 第１レーザーヘッド
３４２ 第２レーザーヘッド
３４３ 第１光点変位センサー
３４４ 第２光点変位センサー
３５ サブセンサー群
３５１ 第３レーザーヘッド
３５２ 第４レーザーヘッド
３５３ 第３光点変位センサー
３５４ 第４光点変位センサー
３６ 斜め方向レーザーヘッド
３７ 反射光点変位センサー
３７１ 受光面
４０ 計算ユニット
５０ 標準棒測定エリア
Ａ 誤差源
Ｌ 架設距離
ΔＺ 距離
ΔＸ 距離
Ｋ ゲイン値
Ｘ１、Ｘ２ 移動変化
Ｙ１、Ｙ２ 移動変化

Claims (7)

1. Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を備えた動力機械に使用する光学式スピンドル多自由度誤差測定装置であって、標準棒と、前記標準棒に組み合わせるセンサーモジュールを含み、
   前記標準棒が直立した棒体であり、円柱形レンズが設置され、下端に反射面が形成され、
   前記センサーモジュールが磁性座体を備え、前記磁性座体上に支持座部が結合され、前記支持座部の周囲を囲む形態でセンサーフレームが結合され、前記センサーフレームの内側に標準棒測定エリアが形成され、前記標準棒測定エリアに前記標準棒が進入し、前記センサーフレームにプライマリセンサー群とサブセンサー群がＺ軸方向に沿って間隔をあけて設置され、
   前記プライマリセンサー群は、前記標準棒測定エリアを囲む形態で前記センサーフレームに結合され、第１レーザーヘッドと、第２レーザーヘッドと、第１光点変位センサーと、第２光点変位センサーを含み、そのうち、前記第１レーザーヘッドと前記第１光点変位センサーが前記センサーフレームのＸ軸方向両側に結合され、前記第２レーザーヘッドと前記第２光点変位センサーが前記センサーフレームのＹ軸方向両側に結合され、
   前記サブセンサー群は、前記標準棒測定エリアを囲む形態で前記センサーフレームに結合され、第３レーザーヘッドと、第４レーザーヘッドと、第３光点変位センサーと、第４光点変位センサーを含み、そのうち、前記第３レーザーヘッドと前記第３光点変位センサーが前記センサーフレームのＸ軸方向両側に結合され、前記第４レーザーヘッドと前記第４光点変位センサーが前記センサーフレームのＹ軸方向両側に結合され、
   前記支持座部上面の相反する両側に斜め方向レーザーヘッドと反射光点変位センサーが結合され、前記斜め方向レーザーヘッドの自由端が内側の上方に向かって延伸され、前記反射光点変位センサーの前記標準棒測定エリアに向かう一側に受光面が形成され、
   前記標準棒は、前記円柱形レンズが、前記第１レーザーヘッドと前記第１光点変位センサーの間、前記第２レーザーヘッドと前記第２光点変位センサーの間、前記第３レーザーヘッドと前記第３光点変位センサーの間、及び、前記第４レーザーヘッドと前記第４光点変位センサーの間に位置し、前記反射面が、前記斜め方向レーザーヘッドの自由端から照射されたレーザー光を前記受光面に向けて反射する位置へ設置可能であることを特徴とする、光学式スピンドル多自由度誤差測定装置。
2. 前記センサーフレームが、前記支持座部のＸ軸方向に沿った相反する両側及びＹ軸方向に沿った相反する両側に対を成して結合された４つの取付板を含み、前記標準棒測定エリアが４つの取付板で囲まれた内側に形成され、前記プライマリセンサー群の第１レーザーヘッド、第２レーザーヘッド、第１光点変位センサー、第２光点変位センサーは４つの取付板にそれぞれ結合され、前記サブセンサー群の第３レーザーヘッド、第４レーザーヘッド、第３光点変位センサー、第４光点変位センサーが４つの取付板にそれぞれ結合されることを特徴とする、請求項１に記載の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置。
3. 前記プライマリセンサー群が前記センサーフレームの４つの取付板の上部に結合され、前記サブセンサー群が前記センサーフレームの４つの取付板の下部に結合され、前記標準棒が前記標準棒測定エリアの中央に進入したとき、前記円柱形レンズの上側部分が前記プライマリセンサーの間に位置し、前記円柱形レンズの下側部分が前記サブセンサー群の間に位置し、前記反射面の高さが前記斜め方向レーザーヘッドと前記反射光点変位センサーの高さより高く、前記斜め方向レーザーヘッドが射出するレーザー光が前記反射面の中心により反射された後、前記受光面の中央に集中されることを特徴とする、請求項２に記載の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置。
4. 前記斜め方向レーザーヘッドと前記反射光点変位センサーが、対称の形態で前記標準棒測定エリアの範囲内に設置され、前記斜め方向レーザーヘッドは斜め方向に設けられた柱形部材で、前記斜め方向レーザーヘッドの軸心線と水平面の挟角が４５度であり、前記反射光点変位センサーは斜め方向に設置された柱形部材で、前記受光面が前記反射光点変位センサーの自由端の端面に形成され、前記受光面と水平面の挟角が４５度であることを特徴とする、請求項３に記載の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置。
5. 前記第１光点変位センサー、第２光点変位センサー、第３光点変位センサー、第４光点変位センサー、反射光点変位センサーがそれぞれ、一次元光電センサー、二次元光電センサー、位置センサー、ＣＣＤセンサーまたはＣＭＯＳセンサーであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置。
6. 光学式スピンドル多自由度誤差測定方法であって、
   測定装置を設置する工程：請求項１の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置を用意して、前記標準棒を動力機械のスピンドルに設置し、前記センサーモジュールを動力機械のプラットフォームに設置するとともに、前記プライマリセンサー群の中心と前記サブセンサー群の中心とのＺ軸方向に沿った距離を架設距離Ｌと定義する工程と、
   測定装置をゼロ復帰する工程：前記標準棒を前記センサーモジュールの標準棒測定エリアの中央まで移動し、前記第１レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第１光点変位センサーの中央に集中させ、前記第２レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第２光点変位センサーの中央に集中させ、前記第３レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第３光点変位センサーの中央に集中させ、前記第４レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第４光点変位センサーの中央に集中させ、前記反射面の高さを調整し、前記斜め方向レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記反射面の中心に照射させた後、前記反射光点変位センサーの受光面中央に反射させ、前記標準棒がＺ軸方向に沿って移動する距離ΔＺと前述の反射したレーザー光が前記受光面中央から傍らに移動した距離ΔＸの比をゲイン値Ｋと定義する工程と、
   スピンドルを起動して回転させ、変位データを取得する工程：動力機械のスピンドルを起動して回転させ、前記スピンドルがずれて前記標準棒を移動させたとき、前記第３光点変位センサーが前記円柱形レンズの下側位置のＹ軸移動変化Ｙ１を測定し、前記第４光点変位センサーが前記円柱形レンズの下側位置のＸ軸移動変化Ｘ１を測定し、前記第１光点変位センサーが前記円柱形レンズの上側位置のＹ軸移動変化Ｙ２を測定し、前記第２光点変位センサーが前記円柱形レンズの上側位置のＸ軸移動変化Ｘ２を測定し、前記反射光点変位センサーの受光面が反射したレーザー光が受光面の中央から傍らに移動した距離ΔＸを測定する工程と、
   スピンドルと回転軸の自由度誤差を計算して得る工程：上述の移動変化Ｘ１、Ｙ１、Ｘ２、Ｙ２のデータとΔＸのデータを計算ユニットに伝送し、架設距離Ｌとゲイン値Ｋを以下の方程式に代入して演算し、６つの自由度の誤差を得る工程と、を含む：
   

   
7. 前記測定装置を設置する工程の前に、測定装置のゲイン値を取得する工程：器具で前記標準棒を前記センサーモジュールの標準棒測定エリア中央に配置し、続いて前記反射面の高低位置を調整し、前記センサーモジュールの斜め方向レーザーヘッドが射出するレーザー光を反射面の中心に照射させた後、前記反射光点変位センサーの受光面中央に反射させ、続いて器具でＺ軸方向に沿って前記標準棒を移動させ、器具による校正で前記ゲイン値Ｋを取得する工程を含むことを特徴とする、請求項６に記載の光学式スピンドル多自由度誤差測定方法。

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