JP5491098B2

JP5491098B2 - 工作機械のタッチプローブのキャリブレーション方法及び工作機械

Info

Publication number: JP5491098B2
Application number: JP2009186729A
Authority: JP
Inventors: 成治渡辺
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-08-11
Also published as: JP2011036959A

Description

本発明は、タッチプローブのキャリブレーション方法及び当該キャリブレーション方法を実施するマシニングセンタ等の工作機械に関するものである。

マシニングセンタにおいては、加工前や加工後に、主軸にタッチプローブを取り付けてワークを測定することにより、ワークの位置や加工精度等を求めることが一般に行われている。この時に使用されるタッチプローブは一般に軸の先端に球状の測定子を有し、この測定子がワークに当接した際の傾きを検出するように構成されている。正確な測定を行うためには、ワークに接触させたときにタッチプローブの反応する位置が主軸中心に対してどれだけずれているかを正確に特定している必要があり、このため、特許文献１に記載のマシニングセンタに見られるように、主軸とテーブルとの相対移動を利用して、テーブル上に取り付けたゲージを主軸に装着したタッチプローブで測定することによりキャリブレーションを行っていた。

特開２００８−１１９７８４号公報

上述したように、特許文献１に記載のマシニングセンタの如く、ゲージを主軸に対してＸ・Ｙ・Ｚ軸の３軸方向へ相対移動可能な位置に設置したものについては、３軸方向全てにおいてキャリブレーションを行うことができる。しかしながら、このようなマシニングセンタにおいて、ゲージの設置位置は、加工の邪魔にならない等の配慮により、テーブルの外周部等、主軸からかなり距離のある位置となってしまう。したがって、熱変位等によりゲージの位置がずれた際、その誤差がキャリブレーションにより大きく影響することになる。

ここで、上記誤差による影響を小さくすべく、ゲージを、たとえば主軸を上下動させるためのクロスレール等の主軸の近傍位置に設けることも考えられる。しかしながら、この場合、ゲージを主軸に対して前後方向へ相対移動できないため、前後方向へのキャリブレーションが行えない。したがって、当然加工精度が低下することになってしまう。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、熱変位等による誤差に起因するキャリブレーションの信頼性の低下を防止しつつ、加工精度の低下も招かない方法及び工作機械を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、所定の軸線周りで回転可能な主軸を備えているとともに、キャリブレーションのための基準部材が、前記主軸の軸線と直交する第１方向へは前記主軸と相対移動可能で、且つ、前記主軸の軸線及び前記第１方向と直交する第２方向へは前記主軸と相対移動不可能な部材に設けられた工作機械において、前記主軸にタッチプローブを装着し、当該タッチプローブを、前記基準部材に対して相対移動させ、前記基準部材に当接させることにより、前記タッチプローブのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、前記タッチプローブが装着された前記主軸を前記軸線周りに９０度回転させる第１工程と、９０度回転させた状態で前記主軸を前記第１方向へ相対移動させ、前記タッチプローブを前記基準部材に当接させる第２工程と、当該当接にもとづき前記タッチプローブの前記第２方向でのキャリブレーションを行う第３工程とを実行することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、所定の軸線周りで回転可能な主軸を備えているとともに、キャリブレーションのための基準部材が、前記主軸の軸線と直交する第１方向へは前記主軸と相対移動可能で、且つ、前記主軸の軸線及び前記第１方向と直交する第２方向へは前記主軸と相対移動不可能な部材に設けられており、前記主軸にタッチプローブを装着し、当該タッチプローブを、前記基準部材に対して前記第１方向へ相対移動させ、前記基準部材に当接させることにより、前記タッチプローブの前記第１方向でのキャリブレーションを行う工作機械であって、前記タッチプローブが装着された前記主軸を前記軸線周りに９０度回転させるとともに、９０度回転させた状態で前記第１方向へ相対移動させ、前記基準部材に当接させることにより、前記タッチプローブの前記第２方向でのキャリブレーションを行うことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明に加えて、ベッドを挟んで平行に立設された一対のコラムと、当該コラムに上下方向へ移動可能に設けられたクロスレールと、前記クロスレールに前記上下方向と直交する左右方向へ移動可能に設けられたサドルと、前記サドルに上下方向へ移動可能に設けられ、主軸軸線が前記上下方向又は前記左右方向となる主軸装置とを備えた工作機械において、前記基準部材を前記コラム又は前記クロスレールに設けており、前記主軸を軸線周りに９０度回転させ、前記左右方向又は前記上下方向へ相対移動させて前記タッチプローブを前記基準部材に当接させることにより、前記上下方向及び前記左右方向に直交する前後方向での前記タッチプローブのキャリブレーションを行うことを特徴とする。

請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、キャリブレーションのための基準部材が、主軸に対して、主軸の軸線と直交する第１方向へは相対移動可能で、且つ主軸の軸線及び第１方向と直交する第２方向へは相対移動不可能な場合であっても、主軸を９０度回転した状態で第１方向へ相対移動させ、タッチプローブを基準部材に当接させることにより、相対移動不可能な第２方向でのキャリブレーションが可能になる。よって、ワークの加工精度を低下させることがない。

請求項３に記載の発明によれば、基準部材をクロスレール又はコラム上に設けることによって、主軸と基準部材との距離が減少して熱変位等による誤差が低下するため、タッチプローブのキャリブレーション精度の悪化が抑制される。

本発明が適用される門形マシニングセンタの全体図である。本発明のキャリブレーション装置の説明図である。本実施例のキャリブレーション装置において、縦型主軸頭を用いた際の説明図である。（ａ）縦型主軸頭の主軸を基準部材に挿入した図である、（ｂ）タッチプローブを基準部材の左端部と右端部とに接触させた図である。本実施例のキャリブレーション装置において、横型主軸頭を用いた際の説明図である。（ａ）横型主軸頭の主軸を基準部材に挿入した図である、（ｂ）タッチプローブを基準部材の上端部と下端部とに接触させた図である。

以下、本発明の一実施形態となるキャリブレーション装置４が設置された門形マシニングセンタ１について、図面をもとに詳細に説明する。

図１は、門形マシニングセンタ１全体の説明図である。図１における、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は直交する３軸であって、Ｘ軸方向を前後方向とし、Ｙ軸方向を左右方向とし、Ｚ軸方向を上下方向とする。門形マシニングセンタ１は、一対のコラム５，５、ベッド６、クロスレール７、サドル８、及び主軸本体１３と主軸頭９とから成る主軸装置２２から構成されている。床面に設置されたベッド６の両脇には、一対のコラム５，５が垂設され、前面には第１Ｚ軸案内面５Ａ，５Ａが形成されている。そして、クロスレール７が、この一対のコラム５，５間に跨るように、第１Ｚ軸案内面５Ａに水平に掛け渡されている。

クロスレール７は、第１Ｚ軸案内面５Ａ，５Ａを上下に昇降するようになっており、その前面にはＹ軸案内面７Ａが形成され、該Ｙ軸案内面７Ａには、サドル８がＹ軸方向へ移動可能に設置されている。また、サドル８の前面には第２Ｚ軸案内面８Ａが形成されており、その第２Ｚ軸案内面８Ａには、Ｚ軸方向へ移動可能に主軸装置２２の主軸本体１３が設置されている。そして、主軸本体１３の下端には、主軸１０を備えた主軸頭９が着脱可能に装着されている。したがって、クロスレール７の上下方向のストロークと、サドル８に対する主軸頭９の上下方向のストロークとが合成され、これにより、主軸頭９に支持されている主軸１０は、大きなストロークでＺ軸方向に移動可能となる。

一方、ベッド６の上には、テーブル１２が設けられている。テーブル１２は、３６０度回転可能なロータリーテーブルであり、テーブル１２に載置したワークＷを任意の方向に向けることができる。そして、上記門形マシニングセンタ１における正面視右側のクロスレール７の下部前面には、本願発明を実施するためのキャリブレーション装置４がブラケット１８を介して取り付けられている。尚、上述した門形マシニングセンタ１における動作は、全てＮＣ装置（図示せず）によって制御されている。

図２は、上記キャリブレーション装置４を詳細に説明したものである。キャリブレーション装置４は、箱型のハウジングと、その内部に収納されたアーム１７と、そのアーム１７に取り付けられたリングゲージ（基準部材）１４ａ，１４ｂとから構成されている。
ハウジングは、左側面に開口部２０Ａを有する本体２０と、該開口部と略同じ大きさの開閉カバー２１とから構成されている。本体２０内部には、Ｘ軸回りで旋回可能なアーム１７が設けられており、アーム１７の先端の下面側は開閉カバー２１の内面と連結している。そのため、アーム１７が上方に旋回するに伴って、開閉カバー２１も旋回する。そして、アーム１７が本体２１内に収納される位置まで旋回すると、開閉カバー２１は本体２０の開口部２０Ａを塞いだ状態となる。

リングゲージ１４ａ，１４ｂは円筒状部材で、その中心部に高精度に加工された基準穴１５ａ，１５ｂが設けられている。リングゲージ１４ａは、その基準穴１５ａの開口が上側を向くように、アーム１７の先端側の上面に設置されている。また、リングゲージ１４ｂは、その基準穴１５ｂの開口が左側を向くように、アーム１７の先端側の側面に設置されている。
そして、キャリブレーション装置４は、クロスレール７の下部で、主軸頭９がクロスレール７上の最右端に位置した際には、主軸１０が接触しない位置に取り付けられている。さらに、キャリブレーション装置４は、キャリブレーション装置４内に備えられたリングゲージ１４ａ，１４ｂ内の基準穴１５ａ，１５ｂの中心が、主軸１０先端の左右方向での移動軌跡上に位置するように設置されている。

上述したキャリブレーション装置４を用いて、キャリブレーションを行う過程を、図３及び図４を基に説明する。図３は、本発明のキャリブレーション装置４において、縦型主軸頭９Ａを用いた場合のキャリブレーション説明図で、また図４は、横型主軸頭９Ｂを用いた場合のキャリブレーション説明図である。

以下に、縦型主軸頭９Ａを用いたキャリブレーションの過程を説明する。
先ず、縦型主軸頭９Ａの主軸１０に対し、タッチプローブ１１を装着する。次にサドル８を、クロスレール７上の右方向に動かし、縦型主軸頭９Ａをキャリブレーション装置４まで移動させる。続いて、図３（ａ）に示すように、タッチプローブ１１の測定子１１ａを縦型リングゲージ１４ａの基準穴１５ａの内側に挿入する。次に、従来同様に、Ｙ制御軸を作動させて、タッチプローブ１１を左右（図３（ｂ））に移動させる。測定子１１ａが前記基準穴１５ａの内面に接触した時の基準値の間隔とリングゲージ直径とから測定の誤差量を計算する。

また、キャリブレーション装置４はクロスレール７下部に設けられているため、主軸１０に装着させたタッチプローブ１１は、キャリブレーション装置４のリングゲージ１４ａに対して、Ｘ軸方向に移動することができない。そこで、主軸１０を縦型主軸頭９Ａの軸方向を中心として９０度回転させ、上述したＹ軸方向におけるキャリブレーション操作を再度行い、Ｙ軸方向の補正値をＸ軸方向の補正値として記録することで、Ｘ軸方向のキャリブレーションを行う。

一方、横型主軸頭９Ｂを用いたキャリブレーションは、図４に示すように、基本的には上述した縦型主軸頭９Ａを用いたキャリブレーションと同様の作業を行う。
Ｚ軸方向のキャリブレーションに関しては、タッチプローブ１１の測定子１１ａを横型リングゲージ１４ｂの基準穴１５ｂの内側に挿入し、上下のＺ制御軸の座標値を求める。
また、Ｘ軸方向のキャリブレーションに関しては、主軸１０を横型主軸頭９Ｂの軸方向を中心として９０度回転させ、Ｚ軸方向におけるキャリブレーション操作を行い、Ｚ軸方向の補正値をＸ軸方向の補正値として記録する。

本発明の実施例では、キャリブレーション装置４は、主軸１０のワーク加工の邪魔にならないように同じ門形マシニングセンタ１に設置しているため、主軸１０がキャリブレーション装置４に対してＸ軸方向へ移動できなくなっている。しかしながら、本実施例では、リングゲージ１４ａ，１４ｂを主軸１０の左右方向での移動軌跡上に位置するように設けるとともに、主軸１０を軸方向を中心として９０度旋回させるようにした。したがって、回転した主軸１０がＹ軸方向へのキャリブレーション動作によって補正値を取得することで、その補正値をＸ軸方向の補正値としてＮＣ装置に記録することができる。
また、主軸１０がクロスレール７上に設置され、キャリブレーション装置４がクロスレール７下部に設置されることで、主軸１０とキャリブレーション装置４との距離が短くなり、キャリブレーション装置４をベッド６もしくはテーブル１２上に設けた場合と比べて、主軸１０とキャリブレーション装置４との距離が減少する。そのため熱変位等による誤差が低下し、これに起因する主軸１０のキャリブレーション精度の悪化が抑制される。

以上、本発明を実施するための最良の実施の形態を挙げて説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良および設計の変更が可能である。
本実施例では、キャリブレーション装置４は、クロスレール７下部に設置されているが、主軸頭９の左右方向の延長上にリングゲージ１４ａ，１４ｂを位置させることが可能であれば、コラム５を含めた他部材上に設けることが可能である。
本実施例においては、補正に用いる基準部材としてリングゲージ１４ａ，１４ｂを使用しているが、平行な２面を持つブロックを基準部材として用いてもよく、また、円柱形状や角柱形状、立方体形状の基準部材や、予め正確な寸法が判っている部品等を用いてもよい。

１・・工作機械、４・・キャリブレーション装置、５・・コラム、８・・サドル、９・・主軸頭、１０・・主軸、１１・・タッチプローブ、１４ａ，１４ｂ・・リングゲージ（基準部材）、１５ａ，１５ｂ・・基準穴。

Claims

所定の軸線周りで回転可能な主軸を備えているとともに、キャリブレーションのための基準部材が、前記主軸の軸線と直交する第１方向へは前記主軸と相対移動可能で、且つ、前記主軸の軸線及び前記第１方向と直交する第２方向へは前記主軸と相対移動不可能な部材に設けられた工作機械において、前記主軸にタッチプローブを装着し、当該タッチプローブを、前記基準部材に対して相対移動させ、前記基準部材に当接させることにより、前記タッチプローブのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
前記タッチプローブが装着された前記主軸を前記軸線周りに９０度回転させる第１工程と、
９０度回転させた状態で前記主軸を前記第１方向へ相対移動させ、前記タッチプローブを前記基準部材に当接させる第２工程と、
当該当接にもとづき前記タッチプローブの前記第２方向でのキャリブレーションを行う第３工程とを実行することを特徴とする工作機械のタッチプローブのキャリブレーション方法。
所定の軸線周りで回転可能な主軸を備えているとともに、キャリブレーションのための基準部材が、前記主軸の軸線と直交する第１方向へは前記主軸と相対移動可能で、且つ、前記主軸の軸線及び前記第１方向と直交する第２方向へは前記主軸と相対移動不可能な部材に設けられており、
前記主軸にタッチプローブを装着し、当該タッチプローブを、前記基準部材に対して前記第１方向へ相対移動させ、前記基準部材に当接させることにより、前記タッチプローブの前記第１方向でのキャリブレーションを行う工作機械であって、
前記タッチプローブが装着された前記主軸を前記軸線周りに９０度回転させるとともに、９０度回転させた状態で前記第１方向へ相対移動させ、前記基準部材に当接させることにより、前記タッチプローブの前記第２方向でのキャリブレーションを行うことを特徴とする工作機械。
ベッドを挟んで平行に立設された一対のコラムと、当該コラムに上下方向へ移動可能に設けられたクロスレールと、前記クロスレールに前記上下方向と直交する左右方向へ移動可能に設けられたサドルと、前記サドルに上下方向へ移動可能に設けられ、主軸軸線が前記上下方向又は前記左右方向となる主軸装置とを備えた工作機械において、
前記基準部材を前記コラム又は前記クロスレールに設けており、前記主軸を軸線周りに９０度回転させ、前記左右方向又は前記上下方向へ相対移動させて前記タッチプローブを前記基準部材に当接させることにより、前記上下方向及び前記左右方向に直交する前後方向での前記タッチプローブのキャリブレーションを行うことを特徴とする請求項２に記載の工作機械。