JP4799836B2

JP4799836B2 - 自由曲面形状測定方法

Info

Publication number: JP4799836B2
Application number: JP2004223906A
Authority: JP
Inventors: 豊槻田; 将彦福田; 昌彦西岡
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP2006043779A

Description

この発明は、加工物（ワーク）の自由曲面形状測定方法に関し、特に、加工機（工作機械）に取り付けられた変位測定器を用いて曲面形状を計測する自由曲面形状測定方法に関するものである。

数値制御式加工機によってレンズ金型などの自由曲面形状の加工が行われている。近年、需要が高まっている小径非球面レンズでは、機械構成と砥石との干渉回避のために、ワーク回転軸線に対して砥石軸を傾斜させて加工を行う斜軸研削が提案されている（例えば、特許文献１、２）。

近年では、砥石軸の傾斜ベクトルと自由曲面接線角度を一定に維持しながら加工する法線制御が提案されている（例えば、特許文献３）。法線制御による加工は、具体的には、工具スピンドルをＢ軸テーブル上に設置して工具軸線を接線角度に合わせ、Ｘ軸、Ｚ軸、Ｂ軸（Ｙ軸周りの首振り軸）の同時３軸制御による法線制御加工が行われる。

また、加工機の工具スピンドルに測定子（プローブ）を有する変位測定器を取り付け、機上で、ワーク加工面の形状精度を計測することが行われている（例えば、特許文献４）。更に、その計測データを用いて補正プログラムを作成し、仕上げ加工することも行われている。

形状精度の計測に使用される変位測定器は、直動式のものが一般的であり、測定子の中心軸線と同一の軸線方向である変位検知方向と測定面の法線方向とがなす角度（接触角度）が、ある角度（最大接触角度）を超えると、高精度な測定を行うことができない。

このことに対して、従来の機上測定では、Ｘ軸とＺ軸とにより定義される平面において、プローブの中心軸線をＺ軸に合わせ、加工面をＸ−Ｚ軸の同時２軸制御によって走査することにより、加工面の形状精度を計測している。

このため、小径非球面レンズの成形金型のように、加工面（計測面）の曲率半径が小さいものでは、加工面の外周縁側において、測定子の接触角度が大きくなり（例えば、６０度程度）、精度よく測定を行うことが困難になる。
特開平８−２２９７９２号公報特開２００３−１１０５７号公報特開平７−１００７５２号公報特開２００２−２６７４３８号公報

この発明が解決しようとする課題は、測定子を有する変位測定器による自由曲面の形状測定において、曲率半径が小さい加工面でも、測定子の接触角度を小さい値（例えば、４５度以下）に保って、精度よく自由曲面形状の測定を行うことである。

この発明による自由曲面形状測定方法は、直交３軸の制御軸を有する加工機に取り付けた変位測定器を用いて前記加工機に取り付けられたワークの自由曲面の形状測定を行う自由曲面形状測定方法であって、前記加工機は、互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸の制御軸と、Ｚ軸線周りに回転するワークスピンドルを有し、測定子を含む前記変位測定器のスタイラスを直交３軸のうちの２軸により定義される平面において前記ワークスピンドルの回転軸線に対して傾斜した軸線上に配置し、前記ワークの自由曲面の任意の座標位置を測定点とし、前記ワークスピンドルに取り付けられた前記ワークの自由曲面の形状に応じた同時２軸制御に同期してもう一つの軸の軸制御を行うことにより、前記ワークの測定点と前記測定点から前記測定子の中心軸線へ垂直に下ろした線との交点を結ぶベクトルと、自由曲面形状データから得られる前記測定点における自由曲面の法線ベクトルとがなす角度を一定に保って、前記加工機上で自由曲面の形状測定を行う。

この発明による自由曲面形状測定方法は、直交３軸の制御軸を有する加工機に取り付けた変位測定器を用いて前記加工機に取り付けられたワークの自由曲面の形状測定を行う自由曲面形状測定方法であって、前記加工機は、互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸の制御軸と、Ｚ軸線周りに回転し且つＣ軸制御として回転角制御可能なワークスピンドルを有し、測定子を含む前記変位測定器のスタイラスを直交３軸のうちの２軸により定義される平面において前記ワークスピンドルの回転軸線に対して傾斜した軸線上に配置し、前記ワークの自由曲面の任意の座標位置を測定点とし、前記ワークスピンドルに取り付けられた前記ワークの自由曲面の形状に応じたＣ軸を含む同時３軸制御に同期してもう一つの軸の軸制御を行うことにより、前記ワークの測定点と前記測定点から前記測定子の中心軸線へ垂直に下ろした線との交点を結ぶベクトルと、自由曲面形状データから得られる前記測定点における自由曲面の法線ベクトルとがなす角度を一定に保って、前記加工機上で自由曲面の形状測定を行う。

この発明による自由曲面形状測定方法によれば、直交３軸加工機の３軸制御によってワークの測定点と測定点から変位測定器の測定子の中心軸線へ垂直に下ろした線との交点を結ぶベクトルと、測定点における自由曲面の法線ベクトルとがなす角度を一定に保つ法線制御が行われる。

これにより、変位測定器の測定子の接触角度の変化がなく、加工面（計測面）の曲率半径が小さいものでも、測定子の接触角度を小さい値に保つことができ、自由曲面の形状測定を、精度よく行うことができる。

まず、この発明による自由曲面形状測定方法の実施に用いられる直交３軸加工機を、図１を参照して説明する。

直交３軸加工機は、この実施形態では、ＸＹＺ軸の３軸制御のＮＣ超精密非球面研削盤である。この研削盤は、機台１１上のＺ軸方向の水平なＶ−Ｖ形案内面部１２上にＺ軸テーブル１３が、Ｘ軸方向の水平なＶ−Ｖ形案内面部１４上にＸ軸テーブル１５を有する。

Ｚ軸テーブル１３はＶ−Ｖ形案内面部１２に案内されてＺ軸方向に直線移動可能で、Ｘ軸テーブル１５はＶ−Ｖ形案内面部１４に案内されてＸ軸方向に直線移動可能になっている。Ｚ軸テーブル１３はＺ軸サーボモータ２７によってＺ軸方向に駆動され、Ｘ軸テーブル１５はＸ軸サーボモータ２８によってＸ軸方向に駆動される。

Ｚ軸テーブル１３上にはワークスピンドルユニット１６が搭載されている。ワークスピンドルユニット１６は、空気軸受けによりＺ軸周りに回転可能なワークスピンドル１７と、ワークスピンドル１７を回転駆動するＣ軸サーボモータ（ワークスピンドルモータ）１８とを有し、ワークスピンドル１７の先端部に真空チャック等によってワークＷを保持する。

Ｘ軸テーブル１５上にはＹ軸コラム１９が固定装着されている。Ｙ軸コラム１９はＹ軸テーブル２０を鉛直なＹ軸方向に移動可能に支持している。Ｙ軸テーブル２０は、Ｙ軸サーボモータ２１によるボールねじ駆動（図示省略）になっている。

Ｙ軸テーブル２０には取付ブラケット２２によって工具スピンドルユニット２３が傾斜装着されている。工具スピンドルユニット２３は、空気軸受けによる工具スピンドル２５と、工具スピンドル２５を回転駆動する工具スピンドルモータ２６とを有する。

工具スピンドル２５は、Ｙ軸とＺ軸とにより定義される平面において所定角度、例えば４５度傾斜した軸線上に配置された斜軸配置になっており、工具（砥石）を取り付けられてクロス研削法における斜軸研削を行う。

取付ブラケット２２は水平な変位測定器取付片部２４を一体に有する。変位測定器取付片部２４には、直動式の変位測定器４０が取り付けられている。変位測定器４０は、図２に示されているように、変位測定器４０の中心軸をなすスタイラス４１の先端に球状の測定子（プローブ）４２を有し、スタイラス４１の軸線方向移動、即ち、プローブ中心軸線Ｓｔ方向の移動量を変位センサ４３によって検出する直動式のものである。

変位測定器４０は、水平な変位測定器取付片部２４に装着されることにより、Ｘ軸とＺ軸とにより定義される水平面においてワークスピンドル１７の回転軸線（Ｚ軸方向）に対して所定角度、例えば４５度傾斜した軸線上に配置された斜軸配置となる。

数値制御装置３０は、マイクロコンピュータ式のものであり、ＮＣ加工プログラムに従って、Ｚ軸サーボモータ２７と、Ｘ軸サーボモータ２８と、Ｙ軸サーボモータ２１の同時３軸制御を行う。

Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各制御軸に関しては、図示されていないが、リニアスケール等が設けられ、フルクローズド方式による位置フィードバック制御を行われる。

ワークＷが非球面レンズ成形用金型のようなものである場合、それの自由曲面は、図２に示されているように、ワークスピンドル１７の回転中心軸（Ｚ軸）周りの軸対称形状の回転面（自由曲面）Ｗｆとなる。

この発明による自由曲面形状測定方法では、図３に示されているように、変位測定器４０の測定子４２をワークＷの自由曲面Ｗｆに接触させ、自由曲面Ｗｆ上の測定点（測定子４２の自由曲面Ｗｆに対する接触点）Ｐと測定点Ｐから変位測定器４０のプローブ中心軸線Ｓｔへ垂直に下ろした線との交点Ｏを結ぶベクトルＰＯ^→ と、測定点Ｐにおける自由曲面Ｗｆの法線ベクトルＰＱ^→ とがなす角度αが常に一定になるように、直交３軸加工機のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸制御を行って自由曲面Ｗｆを走査して自由曲面Ｗｆの形状測定を行う。なお、この明細書では、ベクトルを、符号^→ で示す。点Ｑは球状の測定子４２の中心点である。

この実施形態では、ワークスピンドル１７の回転中心軸（Ｚ軸）周りの軸対称形状の回転面（自由曲面）Ｗｆの形状測定において、ワークＷをワークスピンドル１７によってＺ軸線周りに回転させ、ワークＷの自由曲面Ｗｆの形状に応じたＸ軸とＺ軸の同時２軸制御に加えて、Ｙ軸の同期軸制御を行うことにより、ワークＷの測定点Ｐと測定点Ｐからプローブ中心軸線Ｓｔへ垂直に下ろした線との交点Ｏを結ぶベクトルＰＯ^→ と、測定点Ｐにおける自由曲面Ｗｆの法線ベクトルＰＱ^→ とがなす角度αを一定に保って自由曲面Ｗｆの形状測定を行う。

これにより、法線ベクトルＰＱ^→ を自由曲面Ｗｆの法線方向に保つ法線制御が行われ、接触子４２の接触角度（この実施形態では４５度）の変化がなく、計測面（自由曲面Ｗｆ）の曲率半径が小さくても、測定子４２の接触角度が小さい値（４５度）に保たれ、自由曲面の形状測定を、精度よく行うことができる。ここで、測定子４２の接触角度が小さい値とは、所要精度による形状測定が可能な最大接触角度以下の角度を云う。

この自由曲面Ｗｆの形状測定は、ワークＷを、当該ワークＷの形状加工を行う加工機のワークスピンドル１７に装着した状態で、いわゆる、インプロセス方式で行われる。

つぎに、軸対称形状の回転面Ｗｆの形状測定において、変位測定器４０の接触角度を一定にするための法線制御について、図３を参照して詳細に説明する。

図３に示されている変位測定器−ワークの位置関係において、法線制御を検討する場合、ベクトルＰＯ^→ と測定点における法線ベクトルＰＱ^→ は一定の角度をなすために、以下に示す２つの条件を満たすことによって測定子４２の走査軌跡Ｔｒ（図４参照）が計算される。

ＰＱ^→ ・ＰＯ^→ ＝│ＰＱ^→ ││ＰＯ^→ │ｃｏｓ４５°（一定） …（１）
ＰＱ^→ //Ｎ^→ …（２）
Ｎ^→は自由曲面形状データから得られる加工面の法線ベクトルである。

この条件を満たすような走査軌跡Ｔｒを求め、得られた走査軌跡によるＮＣプログラムを作成し、上述のＮＣ超精密非球面研削盤によってＸＹＺ軸の３軸制御により測定子４２で加工面を走査し、形状測定を行う。

ワークスピンドル１７を回転駆動するスピンドルモータを位置制御可能なＣ軸サーボモータ１８とし、ワークスピンドル１７をＣ軸として制御することによって、自由曲面形状のワークについても、この発明による自由形状測定法を適用することが可能となる。

この場合には、ワークの自由曲面の形状に応じたＸ軸とＺ軸とＣ軸の同時３軸制御に加えて、Ｙ軸の同期軸制御を行うことにより、図３に示されているものと同様、ワークＷの測定点Ｐと測定点Ｐからプローブ中心軸線Ｓｔへ垂直に下ろした線との交点Ｏを結ぶベクトルＰＯ^→ と、測定点Ｐにおける自由曲面Ｗｆの法線ベクトルＰＱ^→ とがなす角度αを一定に保って自由曲面の形状測定を行う。

この場合、軸非対称形状のため、ワーク上の測定点を、以下に示すような一般的な法線ベクトルとして計算する。

{Ｎ_Ｘ，Ｎ_Ｙ，Ｎ_Ｚ}＝{−（∂ｆ／∂Ｘ），−（∂ｆ／∂Ｙ），１}・・・（３）
法線制御を行う必要条件を満たすためのＣ軸の回転角をΘｃとすると、そのときの測定点における法線ベクトルは以下のように示される。

Ｎ ^→＝｛ｐ，ｑ，ｒ｝ …（４）
ｐ＝ＮｘｃｏｓΘｃ＋ＮｙｃｏｓΘｃ …（５）
ｑ＝−ＮｘｓｉｎΘｃ＋ＮｙｓｉｎΘｃ …（６）
ｒ＝Ｎｚ …（７）
つまり、上式を前述の式（１）、（２）の条件より得られた結果を利用することにより、自由曲面上の任意の点を法線制御で計測するための座標およびワーク軸（Ｃ軸）の回転角が計算できる。

この発明による自由曲面形状測定方法の実施に用いられる直交３軸加工機（ＮＣ超精密非球面研削盤）を示す斜視図である。この発明による自由曲面形状測定方法におけるワークと変位測定器との関係を示す説明図である。この発明による自由曲面形状測定方法におけるワークと変位測定器の測定子とのベクトル関係を示す説明図である。この発明による自由曲面形状測定方法におけるワークと変位測定器の測定子との関係を示す説明図である

符号の説明

１１機台
１３Ｚ軸テーブル
１５Ｘ軸テーブル
１６ワークスピンドルユニット
１７ワークスピンドル
１８Ｃ軸サーボモータ
１９Ｙ軸コラム
２０Ｙ軸テーブル
２１Ｙ軸サーボモータ
２５工具スピンドル
２６工具スピンドルモータ
２７Ｚ軸サーボモータ
２８Ｘ軸サーボモータ
３０数値制御装置
４０変位測定器
４１スタイラス
４２測定子

Claims

直交３軸の制御軸を有する加工機に取り付けた変位測定器を用いて前記加工機に取り付けられたワークの自由曲面の形状測定を行う自由曲面形状測定方法であって、
前記加工機は、互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸の制御軸と、Ｚ軸線周りに回転するワークスピンドルを有し、
測定子を含む前記変位測定器のスタイラスを直交３軸のうちの２軸により定義される平面において前記ワークスピンドルの回転軸線に対して傾斜した軸線上に配置し、
前記ワークの自由曲面の任意の座標位置を測定点とし、
前記ワークスピンドルに取り付けられた前記ワークの自由曲面の形状に応じた同時２軸制御に同期してもう一つの軸の軸制御を行うことにより、前記ワークの測定点と前記測定点から前記測定子の中心軸線へ垂直に下ろした線との交点を結ぶベクトルと、自由曲面形状データから得られる前記測定点における自由曲面の法線ベクトルとがなす角度を一定に保って、前記加工機上で自由曲面の形状測定を行う、
ことを特徴とする自由曲面形状測定方法。
直交３軸の制御軸を有する加工機に取り付けた変位測定器を用いて前記加工機に取り付けられたワークの自由曲面の形状測定を行う自由曲面形状測定方法であって、
前記加工機は、互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸の制御軸と、Ｚ軸線周りに回転し且つＣ軸制御として回転角制御可能なワークスピンドルを有し、
測定子を含む前記変位測定器のスタイラスを直交３軸のうちの２軸により定義される平面において前記ワークスピンドルの回転軸線に対して傾斜した軸線上に配置し、
前記ワークの自由曲面の任意の座標位置を測定点とし、
前記ワークスピンドルに取り付けられた前記ワークの自由曲面の形状に応じたＣ軸を含む同時３軸制御に同期してもう一つの軸の軸制御を行うことにより、前記ワークの測定点と前記測定点から前記測定子の中心軸線へ垂直に下ろした線との交点を結ぶベクトルと、自由曲面形状データから得られる前記測定点における自由曲面の法線ベクトルとがなす角度を一定に保って、前記加工機上で自由曲面の形状測定を行う、
ことを特徴とする自由曲面形状測定方法。