JP4992078B2 - 傾斜角測定装置、これを搭載した工作機械および工作機械の傾斜角校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造が複雑ではなく、傾斜角度の測定範囲を広くとることができ、かつ測定対象の形状に依存することがなく、しかも自動または半自動の高精度測定ができる傾斜角測定装置、これを搭載した工作機械、および傾斜角校正方法に関する。

傾斜角度測定器は、地盤，建築物の傾斜検査、車両，船舶，航空機等の姿勢検出、ダム等の水門、はねあげ橋の開度検出、工作機械等に用いられる傾斜円テーブルの傾斜角度の測定等、様々な用途に用いられている。

従来、たとえば、（１）振り子を用いて建造物の傾斜角を測定する技術（特許文献１）、（２）筒形容器の内部に質量体を封入し、容器の下面が歪んだ変位を検出することでダム等の傾斜角を測定する技術（特許文献２）、（３）複数箇所から超音波を測定対象物に向けて出射し、反射された超音波に基づいて遅延時間差を時系列として算出して測定対象物の傾斜角を測定する技術（特許文献３）、（４）錘による荷重により板バネの歪みを検出し傾斜角を測定する技術（特許文献４）、（５）容器内の液体表面にレーザ光を照射し反射光から液面の変位を求めて傾斜角を測定する技術（特許文献５）、（６）何れの方向にも振れる振り子の外周面に９０°の角度差をもって２つの変位センサを配置して傾斜方向と傾斜角を測定する技術（特許文献６）、（７）非磁性体の皿の上に配置した球状磁性体の位置を磁気センサにより求めることで、皿の傾斜方向と傾斜角を測定する技術（特許文献７）、（８）モータの回転軸に不釣合い錘付きの円盤を取り付け、負荷電流を検出することで円盤の回転角、すなわち傾斜角を測定する技術（特許文献８）等が知られている。

特開２００５−３００１９６公報 特開２００５−２３３９１８公報 特開２００５−２３３８４４公報 特開２００５−１０６６４３公報 特開２０００−２６３３公報 特開平１１−９４５４６号公報 特開平８−１５２３２１号公報 特公平６−６３７６５号公報 特開２００１−１５７９５１公報 内藤邦夫：「角度割出装置とその検査法、精密機械」 Ｖｏｌ．４４、Ｎｏ．５（１９７８）ｐｐ．５５７−５６３

上記の各従来技術では構成上の理由から測定範囲はせいぜい傾斜測定範囲は０°±５°程度である。また、上記の各従来技術では、せいぜい測定精度は０．１°ないし０．０１°であり、さらに高い測定精度が要求される用途には適用できない。

たとえば、高分解能の傾斜テーブル式工作機械では、テーブルの傾斜角を少なくとも０°±９０°（０°は水平を意味する）の範囲で回転させることができ、かつ、高い傾斜角分解能を有している。テーブルの傾斜角の校正に際しては、傾斜測定装置を使用してテーブルの傾斜角を少なくとも０．０００１°オーダで測定する必要がある。すなわち、上記の各従来技術を、この種の傾斜テーブル式工作機械のテーブルの傾斜角の校正に使用することはできない。

これに対して、オートコリメータと多面反射鏡とを組み合わせた傾斜角の測定技術も知られている（特許文献９）。しかし、この技術では、高い測定精度（たとえば、０．０００１°オーダ）で傾斜角を測定できるもののレーザ光源を用いなければならず、構造が複雑になるという問題がある。

また、水準器と角度目盛り板（精密目盛り円盤）とを組み合わせたクリノメータによる傾斜角の測定技術も知られている（非特許文献１）。この測定技術では、本体に固定された角度目盛り板に対して水準器が回転できるように構成されており、測定対象に本体を固定し、水準器側が常に水平になるように調整することで、測定対象の傾斜角度を広い傾斜角範囲で高精度に測定できる。しかし、この技術では、傾斜角測定にはある程度の慣れが必要とされ、また目視によって水準器を確認しなくてはならないため（すなわち、自動測定ができないない）、測定には長い時間を要するという問題がある。

さらに、文献が挙げないが、傾斜角の測定技術として、サインバー（両端がコロで支持された棒状体）と精密水準器を組み合わせた技術も知られている。しかし、この技術では、高精度（たとえば、０．０００１°オーダの精度）で傾斜角の測定が可能であろうが、傾斜角度の測定範囲が限定される（０°±９０°の測定はできない）という問題がある。また、さらに文献としては挙げないが、測定対象の回転中心にロータリーエンコーダの回転軸を結合して、傾斜角の測定技術も知られている。この技術では、測定精度を０．０００１°オーダ（すなわち、ロータリーエンコーダの分解能）とでき、かつ測定範囲が０°±９０°の傾斜角測定装置が実現できる。しかし、測定対象の形状によっては、回転中心を特定することが容易ではないし、仮に測定対象の回転中心が特定できても、実際には当該回転中心にロータリーエンコーダの回転軸を結合することができず、測定ができない場合も多い。

本発明の目的は、構造が複雑ではなく、傾斜角度の測定範囲を広くとることができ、かつ測定対象の形状に依存することがなく、しかも自動または半自動の高精度測定ができる傾斜角測定装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、高精度の傾斜角測定を行いつつ加工が可能な傾斜テーブル式の工作機械を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、傾斜テーブルの傾斜角の校正が可能な傾斜テーブル式の工作機機の傾斜角校正方法を提供することにある。

本発明の傾斜角測定装置は（１）〜（４）を要旨とする。
（１）「傾斜角測定対象に本体が固定されたロータリーエンコーダと、
前記ロータリーエンコーダの回転軸に取り付けられ前記回転軸と一体に回転し、且つ、錘部を備え当該錘部により水平姿勢となるように付勢される水準器と、
前記水準器が水平姿勢となるように前記回転軸を回動する回転軸回動機構と、
を備えたことを特徴とする傾斜角測定装置。」
前記回転軸回動機構として、たとえば回転式アクチュエータのように直接回転軸に作用してこれを回転する機構を採用できるし、前記水準器を搭載するための治具に作用して間接的に回転軸を回動するようにしてもよい。

（２）「前記水準器が姿勢を検出して姿勢情報を出力する水準器姿勢検出器を備え、前記回転軸回動機構は前記姿勢情報に基づき前記回転軸を回動することを特徴とする（１）に記載の傾斜角測定装置。」
具体的には、水準器として水準器姿勢検出器を内蔵している電子式水準器を使用することができる。水準器は、姿勢情報として、少なくとも前記水準器が水平姿勢であるか、またはさらに回転軸を中心としてどちらの方向に水平からずれているかの情報を出力できればよく、姿勢情報として水平姿勢との偏差の値を出力する必要はない。

具体的には、水準器姿勢検出器は、レーザビーム発生装置と、水準器に取り付けた多面ミラーと、レーザビーム受光器と含む、周知の角度測定システムか、力平衡サーボシステムにより、ねじり継手にサポートされる振り子の位置をフォトセンサまたは電気式のギャップセンサにより検出する、周知の角度測定システムより構成できる。

（３）「傾斜機構により傾斜する傾斜テーブルを備えた工作機械において、
前記テーブルが前記傾斜角測定対象であり、当該テーブルの傾斜角を測定する装置として（１）または（２）に記載の傾斜角測定装置を搭載したことを特徴とする工作機械。」
本発明の傾斜角校正方法は（４）を要旨とする。

（４）「前記テーブルのテーブル面に（１）または（２）に記載の傾斜角測定装置を前記ロータリーエンコーダの回転軸が前記テーブルの回転軸に平行となるように取り付け、前記傾斜角測定装置の測定結果に基づき前記テーブルの傾斜角を校正することを特徴とする工作機械の傾斜角校正方法。

本発明の傾斜角測定装置では、ロータリーエンコーダの回転軸に水準器を結合し、アクチュエータにより水準器を水平に矯正するようにしたので、正確な傾斜角測定が可能となる。
本発明の工作機械によれば、本発明の傾斜角測定装置を使用することで、テーブルの傾斜を高精度で検出しながら工作をすることが可能となる。
本発明の傾斜角校正方法によれば、本発明の傾斜角測定装置を使用することで、テーブルの傾斜角の指示値を高精度で校正することが可能となる。

図１および図２により、本発明の第１実施形態を説明する。図１において、５は、テーブル傾斜型５軸制御マシニングセンタであり、傾斜機構により傾斜する傾斜テーブル５１を備えている。工作機械５の制御機構は、テーブル５１を水平な軸Ｌ１を中心に回転させることにより傾斜角θを変化させることができ、テーブル面に垂直な軸Ｌ２を中心に回転（回転角をφで示す）させることによりテーブル面を回転させることができる。なお、図１では、加工ドリル５２がＸ，Ｙ，Ｚ軸移動できるように構成されている。

傾斜角測定装置１の本体は、傾斜角測定対象であるテーブル５１の表面（テーブル面）に、軸Ｌ１と平行となる向きに固定されている。
図２は傾斜角測定装置１の斜視説明図、図３（Ａ）〜（Ｄ）は傾斜角測定装置１のテーブル傾斜時の背面図、右側面図、正面図および左側面図である。
ロータリーエンコーダ１１と、水準器１２と、回転軸回動機構１３と、回転軸回動機構制御装置１４と、ビデオカメラ１５と、ディスプレイ１６とを備えている。ロータリーエンコーダ１１は、傾斜角測定対象（テーブル５１）に本体が固定されている。

本実施形態では、水準器１２は気泡管式水準器であり、ロータリーエンコーダ１１の回転軸１１１に一体に取り付けられている。また、本実施形態では、水準器１２は錘部１２１を備えており、水準器１２はこの錘部１２１により水平姿勢となるように付勢されている。なお、図２および図３（Ａ）〜（Ｄ）では、錘部１２１は断面逆Ｌ字形状の金属板からなる。図２および図３（Ａ）〜（Ｄ）では、錘部１２１は、水準器１２の取り付け治具としても機能し、さらに水準器１２自体も錘として機能するように、回転軸１１１から離れた位置（下方）に取り付けられている。

回転軸回動機構１３は、水準器１２が水平姿勢となるように回転軸１１１を回動するように構成されている。本実施形態では回転軸回動機構１３は、回転式アクチュエータ（モータタイプ、圧電式タイプ等）であり、直接、回転軸１１１に作用してこれを回転する機構を備えている。なお、図２および図３（Ａ）〜（Ｄ）では説明の便宜上、回転軸回動機構１３をロータリーエンコーダ１１から分離して示してある。
ビデオカメラ１５は、水準器１２を撮影しており、ディスプレイ１６に水準器１２を表示する。

回転軸回動機構制御装置１４は、本実施形態ではコンピュータの機能の一部として構成できる。操作者は、ディスプレイ１６に表示された水準器１２の画像に基づき、コンピュータの操作装置（マウス，コントローラ、キーボード等）から、水準器１２は水平姿勢となるように回転軸回動機構制御装置１４に指示を送出する。回転軸回動機構制御装置１４は、この指示に応じた制御量を生成し、これを回転軸回動機構１３に送出する。

たとえば、テーブル５１が角θで傾斜している場合、水準器１２には錘部１２１が取り付けられているので、理想的には水準器１２は水平姿勢となり、ロータリーエンコーダ１１は傾斜角としてθを出力するはずである。しかし、実際にはロータリーエンコーダ１１の回転軸１１１と図示しない軸受けとの間の摩擦力等により、水準器１２は水平姿勢とはならない姿勢で静止する（錘部１２１は鉛直方向を向かずに静止する）。すなわち、ロータリーエンコーダ１１は傾斜角としてθ−δを出力する。

本実施形態では、角度δは測定誤差を表しており、たとえばロータリーエンコーダ１１の分解能が０．０００１°である場合にδが±１°程度だとすると、ロータリーエンコーダ１１の実質の分解能は約１／１０００に低下する。
本実施形態では、水準器１２の検出精度に応じて、角度δを当該精度で検出できることになる。水準器１２に要求される測定範囲は、δの範囲で動作できるものであればよい。水準器１２による測定結果は水平の検出のためだけに使用するので、水準器１２は感度さえ高ければ、偏差の値を出力する機能は要求されない。すなわち、水準器１２の精度や直線性は傾斜角測定装置１全体の測定精度には影響を与えない。したがって、傾斜角測定装置１は、ロータリーエンコーダ１１の分解能に依存する精度で傾斜角度の測定を行うことができる。
本実施形態では、水準器１２は、高い感度で傾斜をで検出できるものが採用されている。水準器１２の感度はロータリーエンコーダ１１の分解能（ここでの例では、０．０００１°）と同じか、それ以上とすることができるので、傾斜角測定装置１の傾斜角測定精度はロータリーエンコーダ１１の分解能に応じて高くできる。

前述したように、水準器１２を目視している操作者は、水準器１２が水平姿勢となるように回転軸回動機構制御装置１４に操作装置から指示を回転軸回動機構制御装置１４に指示を送出する。回転軸回動機構制御装置１４は、この指示に応じた制御量を生成し、これを回転軸回動機構１３に送出し、回転軸回動機構１３は水準器１２が水平姿勢となるように回転軸１１１を回動させる。回転軸回動機構１３は、水準器１２が水平姿勢となるような駆動されるので、回動の精度は水準器１２の精度に依存することになる。

以上のようにして傾斜角測定装置１により測定した傾斜角測定値により、工作機械５の制御機構による傾斜角の校正、すなわち、複数の傾斜角における傾斜角指示値を傾斜角測定装置１により測定した傾斜角測定値に一致させる調整を行うことができる。

図４により、本発明の第２実施形態を説明する。図１に示した工作機械５に、図４の傾斜角測定装置を適用できる。
図４において、傾斜角測定装置２の本体は、傾斜角測定対象であるテーブル５１（図１参照）の表面（テーブル面）に、軸Ｌ１と平行となる向きに固定されている。

傾斜角測定装置２は、ロータリーエンコーダ２１と、電子式の水準器２２と、回転軸回動機構２３と、回転軸回動機構制御装置２４とを備えている。ロータリーエンコーダ２１は、傾斜角測定対象（テーブル５１）に本体が固定されている。

本実施形態では、水準器２２は電子式水準器であり、ロータリーエンコーダ２１の回転軸２１１に一体に取り付けられている。また、本実施形態では、水準器２２は錘部２２１を備えており、水準器２２はこの錘部２２１により水平姿勢となるように付勢されている。
水準器２２は、姿勢を検出して姿勢情報を出力する水準器姿勢検出器２２２を備えている。
回転軸回動機構２３は、図２および図３（Ａ）〜（Ｄ）に示した回転軸回動機構１３と同様、水準器２２が水平姿勢となるように回転軸２１１を回動するように構成されている。本実施形態の回転軸回動機構２３は、第１実施形態の回転軸回動機構１３と同様、回転式アクチュエータ（モータタイプ、圧電式タイプ等）である。回転軸回動機構２３は水準器姿勢検出器２２２からの姿勢情報に基づき回転軸を回動することができる。
回転軸回動機構制御装置２４は、本実施形態では、ロータリーエンコーダ２１のフレームに取り付けられている。
第１実施形態におけると同様、テーブル５１が角θで傾斜している場合、理想的には水準器２２は水平姿勢となり、ロータリーエンコーダ２１は傾斜角としてθを出力するはずである。しかし、実際にはロータリーエンコーダ２１の回転軸２１１と図示しない軸受けとの間の摩擦力等により、水準器２２は水平姿勢とはならない姿勢で静止し、ロータリーエンコーダ２１は傾斜角としてθ−δを出力する。

第１実施形態の場合と同様、角度δは測定誤差を表しており、たとえばロータリーエンコーダ２１の分解能が０．０００１°である場合にδが±１°程度だとすると、ロータリーエンコーダ２１の実質の分解能は約１／１０００に低下する。

本実施形態でも、水準器２２の検出精度に応じて、角度δを当該精度で検出できることになり、水準器２２に要求される測定範囲は、δの範囲で動作できるものであればよい。水準器２２による測定結果は水平の検出のためだけに使用するので、水準器２２は感度さえ高ければ、偏差の値を出力する機能は要求されない。したがって、傾斜角測定装置２は、ロータリーエンコーダ２１の分解能に依存する精度で傾斜角度の測定を行うことができる。

本実施形態では、水準器２２は電子式であり、高い感度で水平からずれているか否かおよび回転軸を中心としてどちらの方向に水平からずれているかの情報を出力できる（たとえば、０．０００１°の傾斜を感知できる）。水準器２２の感度はロータリーエンコーダ２１の分解能（ここでの例では、０．０００１°）と同じか、それ以上とすることができるので、傾斜角測定装置２の傾斜角測定精度はロータリーエンコーダ２１の分解能に応じて高くできる。

水準器２２の水準器姿勢検出器２２２から、姿勢情報が回転軸回動機構制御装置２４に送出され、回転軸回動機構制御装置２４は、この姿勢情報に応じた制御量を生成し、これを回転軸回動機構２３に送出し、回転軸回動機構２３は水準器２２が水平姿勢となるように回転軸２１１を回動させる。回転軸回動機構２３は、水準器２２が水平姿勢となるように駆動されるので、回動の精度は水準器２２の精度に依存することになる。

以上のようにして傾斜角測定装置２により測定した傾斜角測定値により、工作機械５の制御機構による傾斜角の校正、すなわち、複数の傾斜角における傾斜角指示値を傾斜角測定装置２により測定した傾斜角測定値に一致させる調整を行うことができる。なお、図２ではロータリーエンコーダ２１の出力結果は、コンピュータＰＣに送出されるように構成されている。
なお、図１に示した工作機械５のテーブル５１に傾斜角測定装置２を搭載（連結）し、傾斜角測定を行いつつ工作ができるように、当該工作機械５を構成することもできる。

《試験結果》
図１に示した加工機５として、テーブル旋回型５軸制御マシニングセンタを使用し、ＪＩＳＢ６１９２に従って傾斜軸Ｌ１の位置決め精度試験を行った。
軸Ｌ１を０〜９０°の間で５度ずつ位置決めし、それぞれの角度で水平に調整しながら、５往復分の測定を行った。５°おきに位置決めする際の目標角度とロータリーエンコーダ１１または２１により測定した実際の傾斜角度から、位置決めの正確さと繰り返し性（再現性）を評価した。このときの測定・評価結果を図５（Ａ），（Ｂ）に示す。
図５（Ａ）に示すように、軸Ｌ１の駆動機構に存在するバックラッシの影響により、行きと帰りで偏差に差が生じている。また、図５（Ａ）には測定を行った各角度における測定結果の標準偏差を示している。
図５（Ｂ）に示すように、測定器自体の誤差による影響と誤差により測定結果がばらついているが、このばらつきは、どんなに悪く見積もっても、３″以下であった。

本発明の実施形態で使用される工作機械を示す説明図である。 本発明の第１実施形態を示す傾斜角測定装置の説明図である。 （Ａ）は傾斜角測定装置のテーブル傾斜時の背面図、（Ｂ）は同じく右側面図、（Ｃ）は正面図、（Ｄ）左側面図である。 本発明の第２実施形態を示す傾斜角測定装置の説明図である。 （Ａ），（Ｂ）は本発明の試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 傾斜角測定装置
５ 工作機械
１１，２１ ロータリーエンコーダ
１２，２２ 水準器
１３，２３ 回転軸回動機構
１４，２４ 回転軸回動機構制御装置
１５ ビデオカメラ
１６ ディスプレイ
５１ 傾斜テーブル
１１１，２１１ 回転軸
１２１，２２１ 錘部
２２２ 水準器姿勢検出器
θ 傾斜角
Ｌ１ θ軸
Ｌ２ φ軸

Claims (5)

1. 傾斜角測定対象に本体が固定されたロータリーエンコーダと、
   前記ロータリーエンコーダの回転軸に取り付けられ前記回転軸と一体に回転し、且つ、錘部を備え当該錘部により水平姿勢となるように付勢される水準器と、
   前記水準器が水平姿勢となるように前記回転軸を回動する回転軸回動機構と、
   を備えたことを特徴とする傾斜角測定装置。
2. 前記水準器が姿勢を検出して姿勢情報を出力する水準器姿勢検出器を備え、前記回転軸回動機構は前記姿勢情報に基づき前記回転軸を回動することを特徴とする請求項１に記載の傾斜角測定装置。
3. 傾斜機構により傾斜する傾斜テーブルを備えた工作機械において、
   前記テーブルが前記傾斜角測定対象であり、当該テーブルの傾斜角を測定する装置として請求項１または２に記載の傾斜角測定装置を搭載したことを特徴とする工作機械。
4. 傾斜機構により傾斜する傾斜テーブルを備えた工作機械の傾斜角校正方法において、
   前記テーブルが前記傾斜角測定対象であり、請求項１または２に記載の傾斜角測定装置を用いて、前記テーブルの傾斜角を校正することを特徴とする工作機械の傾斜角校正方法。
5. 前記テーブルのテーブル面に請求項１または２に記載の傾斜角測定装置を前記ロータリーエンコーダの回転軸が前記テーブルの回転軸に平行となるように取り付け、前記傾斜角測定装置の測定結果に基づき前記テーブルの傾斜角を校正することを特徴とする工作機械の傾斜角校正方法。

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