JP5719625B2

JP5719625B2 - 工作機械

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Publication number: JP5719625B2
Application number: JP2011031554A
Authority: JP
Inventors: 山崎　和雄; 和雄山崎; 徹藤森
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2031-02-17
Also published as: DE102011079792A1; ITMI20110809A1; JP2012045703A

Description

本発明は、工具及びワークの移動位置をフィードバック制御するための位置検出器とは別の位置検出器を備えた工作機械に関する。

工作機械では、従来から、工具及びワークの移動位置がフィードバック制御により制御されており、その一例として、例えば、特開２００８−１１４３２２号公報に開示された工作機械がある。

この工作機械は、ベースと、ベース上に水平方向たるＸ軸方向に移動自在に設けられ、ワークが装着されるテーブルと、ベース上に、Ｘ軸と垂直な水平方向たるＺ軸方向に移動自在に設けられるコラムと、コラムに上下方向たるＹ軸方向に移動自在に設けられる主軸頭と、主軸頭に支持され、工具が装着される主軸と、Ｘ軸モータによってテーブルをＸ軸方向に移動させるＸ軸送り機構と、Ｚ軸モータによってコラムをＺ軸方向に移動させるＺ軸送り機構と、Ｙ軸モータによって主軸頭をＹ軸方向に移動させるＹ軸送り機構と、Ｘ軸方向におけるテーブルの位置を検出するＸ軸位置検出器と、Ｚ軸方向におけるコラムの位置を検出するＺ軸位置検出器と、Ｙ軸方向における主軸頭の位置を検出するＹ軸位置検出器と、テーブル，コラム及び主軸頭のＸ軸方向，Ｚ軸方向及びＹ軸方向における目標移動位置と、Ｘ軸，Ｚ軸及びＹ軸位置検出器によって検出される位置とを基に、Ｘ軸，Ｚ軸及びＹ軸送り機構をフィードバック制御して、テーブル，コラム及び主軸頭を前記目標移動位置に移動させる制御装置とを備える。

尚、前記Ｘ軸，Ｚ軸及びＹ軸位置検出器は、Ｘ軸方向，Ｚ軸方向及びＹ軸方向に目盛りが形成されたＸ軸，Ｚ軸及びＹ軸スケールと、Ｘ軸，Ｚ軸及びＹ軸スケールの目盛りを読み取るＸ軸，Ｚ軸及びＹ軸読取器とから構成され、Ｘ軸及びＺ軸スケールはベースに、Ｙ軸スケールはコラムにそれぞれ設けられ、Ｘ軸読取器はテーブルに、Ｚ軸読取器はコラムに、Ｙ軸読取器は主軸頭にそれぞれ設けられている。

特開２００８−１１４３２２号公報

しかしながら、ベース，テーブル，コラム及び主軸頭などの工作機械構造体にそれぞれ取り付けられたスケール及び読取器によってテーブル，コラム及び主軸頭の位置を検出するようになった上記従来の工作機械では、工作機械構造体の自重及び外力による弾性変形や熱変形によって読取器の３次元空間内における位置や各読取器間の位置関係が変化するため、位置検出器の検出値が誤差を含んだものとなって正確な位置を検出することができない。

このため、例えば、工具に代えて測定ヘッドを主軸に装着し、この測定ヘッドの測定子をテーブル上に固定された加工後のワークに接近，接触させて、測定子がワークに接触した時点における、テーブル，コラム及び主軸頭のＸ軸方向，Ｚ軸方向及びＹ軸方向の位置をＸ軸，Ｚ軸及びＹ軸位置検出器により検出し、検出した位置を基にワークの形状精度を算出しても、精度の良い機上測定を行うことはできない。

また、単にワークの形状精度を算出するだけではなく、算出したワークの形状精度を基に、ワーク加工時におけるテーブル，コラム及び主軸頭のＸ軸方向，Ｚ軸方向及びＹ軸方向の移動位置を補正しても、同様に、精度の高い補正を実施することはできない。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、工具及びワークの正確な位置を検出することができる工作機械の提供をその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、
工具が装着される工具装着手段と、
ワークが装着されるワーク装着手段と、
前記工具装着手段及びワーク装着手段を直交３軸方向に移動自在に支持する第１支持手段と、
前記工具装着手段及びワーク装着手段を前記直交３軸方向に移動させる送り手段と、
前記工具装着手段及びワーク装着手段の前記直交３軸方向における位置を検出する第１位置検出手段と、
前記工具装着手段及びワーク装着手段の前記直交３軸方向における目標移動位置と、前記第１位置検出手段によって検出される位置とを基に、前記送り手段をフィードバック制御して、前記工具装着手段及びワーク装着手段を前記目標移動位置に移動させる制御手段とを備えた工作機械であって、
前記第１支持手段とは別に設けられる第２支持手段と、
前記工具装着手段及びワーク装着手段の内、移動可能な手段に設けられるスケールと、前記第２支持手段に設けられ、前記スケールの目盛りを読み取る読取器とを少なくとも２組有し、前記工具装着手段及びワーク装着手段の前記直交３軸方向における位置を検出する第２位置検出手段とを更に備えており、
前記第２支持手段は、前記第１支持手段よりも線膨張係数が低い材料から構成されていることを特徴とする工作機械に係る。

この発明によれば、工具装着手段及びワーク装着手段の直交３軸方向における目標移動位置と、第１位置検出手段によって検出される位置とを基に、制御手段により、送り手段がフィードバック制御されて、工具装着手段及びワーク装着手段が前記目標移動位置に移動せしめられる。また、第２位置検出手段によって工具装着手段及びワーク装着手段の直交３軸方向における位置が検出される。

尚、第２位置検出手段は、直交３軸方向の位置を検出することができればどのようなものを採用しても良く、例えば、直交２軸方向の位置を検出可能なスケール及び読取器と、１軸方向のみの位置を検出可能なスケール及び読取器とによって直交３軸方向の位置を検出したり、１軸方向のみの位置を検出可能な３組のスケール及び読取器によって直交３軸方向の位置を検出したり、直交２軸方向の位置を検出可能な３組のスケール及び読取器によって直交３軸方向の位置を検出しても良い。

本発明では、第２位置検出手段の読取器が、工具装着手段及びワーク装着手段を支持する第１支持手段とは別の第２支持手段に設けられているので、第１支持手段が自重や外力によって弾性変形したり、熱変形しても、第２支持手段はこれらの影響を受け難く、読取器の３次元空間内における位置や各読取器間の位置関係が変化するのを抑えることができる。したがって、この第２位置検出手段では、その検出値に誤差が含まれるのを防止して、工具装着手段及びワーク装着手段（工具及びワーク）の直交３軸方向における位置を正確に検出することができる。

したがって、例えば、第２位置検出手段により検出される位置と、前記目標移動位置、或いは第１位置検出手段によって検出される位置とを比較すれば、工具装着手段及びワーク装着手段の運動誤差を高精度に解析することができる。

また、ワーク加工時において、工具装着手段及びワーク装着手段を直交３軸方向に移動させるに当たり、第１位置検出手段の検出値など、工具装着手段及びワーク装着手段の位置を前記解析した運動誤差を基に補正すれば、高精度にワークを加工することができる。

更に、工具に代えて測定ヘッドを工具装着手段に装着し、この測定ヘッドの測定子をワーク装着手段に装着された加工後のワークに接近，接触させて、測定子がワークに接触した時点における工具装着手段及びワーク装着手段の直交３軸方向の位置を第１位置検出手段により検出し、検出した位置を基にワークの形状精度を算出するに当たり、前記第１位置検出手段の検出値を前記解析した運動誤差を基に補正すれば、機上測定を高精度に実施することができる。

尚、前記第１支持手段は、ベッドと、前記ベッド上に固設される門形のコラムであって、前記ベッドの両側に設けられた１対の支柱と、前記１対の支柱間に掛け渡されたクロスビームとを有するコラムとから構成され、前記工具装着手段は、前記クロスビームに上下方向たる第１軸方向に移動自在に設けられる主軸頭と、前記主軸頭によって軸線が前記第１軸と平行に支持され、工具が装着される主軸とから構成され、前記ワーク装着手段は、前記ベッド上に水平方向たる第２軸方向に移動自在に設けられるサドルと、前記サドル上に、前記第２軸と垂直な水平方向たる第３軸方向に移動自在に設けられ、ワークが装着されるテーブルとから構成され、前記送り手段は、前記主軸頭を前記第１軸方向に、前記サドルを前記第２軸方向に、前記テーブルを前記第３軸方向にそれぞれ移動させるように構成され、前記第１位置検出手段は、前記主軸頭の前記第１軸方向における位置、前記サドルの前記第２軸方向における位置及び前記テーブルの前記第３軸方向における位置をそれぞれ検出するように構成され、前記制御手段は、前記主軸頭，サドル及びテーブルの前記第１軸，第２軸及び第３軸方向における目標移動位置と、前記第１位置検出手段によって検出される位置とを基に、前記送り手段をフィードバック制御して、前記主軸頭，サドル及びテーブルを前記目標移動位置に移動させるように構成され、前記サドルは、上下に貫通する貫通穴を前記テーブルの移動領域内に有し、前記第２支持手段は、矩形状且つ枠状の部材から構成されて、縦辺部が前記第１軸に沿い、横辺部が前記クロスビームの長手方向に沿うように、且つ枠内に前記サドル及びテーブルが位置するように前記ベッド及びコラムに配設され、前記第２位置検出手段は、前記第１軸方向に目盛りが形成され、前記主軸頭に設けられる第１スケールと、前記第２軸方向及び第３軸方向に目盛りが形成され、前記テーブルの下面に設けられる第２スケールと、前記第２支持手段の、前記主軸頭の近傍部分に設けられ、前記第１スケールの目盛りを読み取る第１読取器と、前記第２支持手段の、前記テーブルの下方部分且つ前記貫通穴に対応した部分に設けられ、前記第２スケールの目盛りを読み取る第２読取器とから構成されていても良い。

この場合には、主軸頭，サドル及びテーブルの第１軸，第２軸及び第３軸方向における目標移動位置と、第１位置検出手段によって検出される位置とを基に、制御手段により、送り手段がフィードバック制御されて、主軸頭，サドル及びテーブルが前記目標移動位置に移動せしめられる。また、主軸頭の第１軸方向における位置は第２位置検出手段の第１スケール及び第１読取器によって検出され、サドルの第２軸方向における位置及びテーブルの第３軸方向における位置は第２位置検出手段の第２スケール及び第２読取器によって検出される。

また、この場合、第１読取器及び第２読取器が同じ部材（矩形状且つ枠状をした部材）に設けられているので、各読取器間の位置関係を容易且つ精度良く認識することができ、主軸頭，サドル及びテーブルの位置をより高精度に検出することができる。

また、前記各スケール及び読取器は、前記工具とワークとの接触点たる切削点の近傍に配設されていることが好ましく、このように、切削点の近傍に配設すれば、離れているときに比べ、より精度良く位置検出を行うことができる。

また、前記第２読取器は、前記主軸の真下に配設されていることが好ましく、このように、主軸の真下に配設すれば、真下以外に配置されているときに比べ、位置検出精度をより高いものにすることができる。

また、前記第２位置検出手段は、前記第１軸方向及び第２軸方向に目盛りが形成され、前記主軸頭に設けられる第１スケールと、前記第２軸方向及び第３軸方向に目盛りが形成され、前記テーブルの下面に設けられる第２スケールと、前記第１軸方向及び第３軸方向に目盛りが形成され、前記主軸頭に設けられる第３スケールと、前記第２支持手段の、前記主軸頭の近傍部分に設けられ、前記第１スケールの目盛りを読み取る第１読取器と、前記第２支持手段の、前記テーブルの下方部分且つ前記貫通穴に対応した部分に設けられ、前記第２スケールの目盛りを読み取る第２読取器と、前記第２支持手段の、前記主軸頭の近傍部分に設けられ、前記第３スケールの目盛りを読み取る第３読取器との３組のスケール及び読取器から構成されていても良い。

この場合には、主軸頭の第１軸方向及び第２軸方向における位置が第１スケール及び第１読取器によって検出され、主軸頭の第１軸方向及び第３軸方向における位置が第３スケール及び第３読取器によって検出され、テーブルの第２軸方向及び第３軸方向における位置が第２スケール及び第２読取器によって検出される。このようにして検出された各軸方向についての２つ（合計６つ）の検出値を基により精度の高い位置検出を実施することができる。

また、前記第２支持手段は、その線膨張係数が１．５×１０^−６／℃の部材から構成されていることが好ましく、このようにすれば、雰囲気温度が変動したり、工作機械の発熱源（例えば、軸受やモータなど）から熱が伝導しても第２支持手段の熱変位をごく僅かに抑え、読取器の３次元空間内における位置や各読取器間の位置関係が変化するのを防止することができるので、第２位置検出手段の検出精度が低下するのを防止することができる。

以上のように、本発明に係る工作機械によれば、第２位置検出手段の読取器を第２支持手段に設けて工具装着手段，ワーク装着手段及び第１支持手段から分離させたので、工具及びワークの正確な位置を検出することができる。

本発明の一実施形態に係る工作機械の概略構成を示した斜視図である。図１における矢示Ａ−Ａ方向の断面図である。図１における矢示Ｂ方向の平面図である。図１における矢示Ｃ−Ｃ方向の断面図である。本実施形態に係る制御装置及び位置検出器などの概略構成を示したブロック図である。本発明の他の実施形態に係る制御装置及び位置検出器などの概略構成を示したブロック図である。スケールと読取器との関係を説明するための説明図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、添付図面に基づき説明する。

図１乃至図５に示すように、本例の工作機械１は、矩形状をしたベッド１１と、ベッド１１上に固設される門形のコラム１２と、コラム１２に上下方向たるＺ軸方向に移動自在に設けられる主軸頭１５と、主軸頭１５によって軸線がＺ軸と平行且つ軸線中心に回転自在に支持され、下端に工具Ｔが装着される主軸１６と、ベッド１１上に水平方向たるＹ軸方向に移動自在に設けられるサドル１７と、サドル１７上に、Ｙ軸及びＺ軸の双方と垂直なＸ軸方向に移動自在に設けられ、上面にワークＷが装着されるテーブル１８と、主軸頭１５をＺ軸方向に移動させるＺ軸送り機構と、サドル１７をＹ軸方向に移動させるＹ軸送り機構と、テーブル１８をＸ軸方向に移動させるＸ軸送り機構と、主軸頭１５のＺ軸方向における位置を検出するＺ軸位置検出器３０と、サドル１７のＹ軸方向における位置を検出するＹ軸位置検出器３３と、テーブル１８のＸ軸方向における位置を検出するＸ軸位置検出器３６と、各送り機構の作動を制御する制御装置４０とから構成される。

また、前記工作機械１は、更に、主軸頭１５のＸ軸方向及びＺ軸方向における位置を検出するＸ−Ｚ位置検出器５１と、主軸頭１５のＹ軸方向及びＺ軸方向における位置を検出するＹ−Ｚ位置検出器５４と、サドル１７のＹ軸方向における位置及びテーブル１８のＸ軸方向における位置（即ち、テーブル１８のＸ軸方向及びＹ軸方向における位置）を検出するＸ−Ｙ位置検出器５７と、ベッド１１及びコラム１２とは別に設けられ、各位置検出器５１，５４，５７を構成する後述の読取器５３，５６，５９が配設される計測フレーム（第２支持手段）５０とを備えている。

尚、前記ベッド１１及びコラム１２は、特許請求の範囲に言う第１支持手段と、前記主軸頭１５及び主軸１６は、特許請求の範囲に言う工具装着手段と、前記サドル１７及びテーブル１８は、特許請求の範囲に言うワーク装着手段と、前記Ｚ軸，Ｙ軸及びＸ軸位置検出器３０，３３，３６は、特許請求の範囲に言う第１位置検出手段と、前記Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ位置検出器５１，５４，５７は、特許請求の範囲に言う第２位置検出手段としてそれぞれ機能する。

前記ベッド１１には、その上面に開口する溝１１ａがＸ軸方向に沿って形成される。前記コラム１２は、ベッド１１のＸ軸方向における両側に立設された１対の支柱１３と、１対の支柱１３の上部間にＸ軸と平行に掛け渡されたクロスビーム１４とから構成される。支柱１３には、その互いに向かい合う面に開口する溝１３ａがＺ軸方向に沿って形成されており、この溝１３ａの下端は前記溝１１ａに接続されている。一方、クロスビーム１４には、その長手方向の中央部に上下に貫通する貫通穴１４ａが形成され、この貫通穴１４ａのＸ軸方向における両側には、下面に開口する溝１４ｂがＸ軸方向に沿って形成されており、この溝１４ｂの両端は前記貫通穴１４ａ及び溝１３ａにそれぞれ接続されている。

前記主軸頭１５は、クロスビーム１４の貫通穴１４ａ内に配置されており、主軸頭１５の外周面に設けられた案内部材２０と、貫通穴１４ａの内周面に設けられた案内部材２１との係合関係により案内されてＺ軸方向に移動する。

前記サドル１７は、長手方向がＸ軸方向に沿った矩形状に形成されており、テーブル１８の移動領域内且つ長手方向の中央部には、上下に貫通する矩形状の貫通穴１７ａが形成されている。このサドル１７は、その下面に形成された案内部２２と、ベッド１１の上面に設けられた案内部材２３との係合関係により案内されてＹ軸方向に移動する。また、前記テーブル１８は、その下面に形成された案内部２４と、サドル１７の上面に形成された案内部２５との係合関係により案内されてＸ軸方向に移動する。

前記Ｚ軸，Ｙ軸及びＸ軸送り機構は、Ｚ軸駆動モータ２６，Ｙ軸駆動モータ２７及びＸ軸駆動モータ２８や、Ｚ軸，Ｙ軸及びＸ軸駆動モータ２６，２７，２８によって回転せしめられるＺ軸ボールねじ，Ｙ軸ボールねじ及びＸ軸ボールねじ、Ｚ軸，Ｙ軸及びＸ軸ボールねじと螺合したＺ軸ナット，Ｙ軸ナット及びＸ軸ナットを備え、Ｚ軸，Ｙ軸及びＸ軸駆動モータ２６，２７，２８を駆動することで、主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８をＺ軸方向，Ｙ軸方向及びＸ軸方向に移動させる。

前記Ｚ軸，Ｙ軸及びＸ軸位置検出器３０，３３，３６は、それぞれリニアエンコーダから構成されており、検出した位置を制御装置４０に送信する。

前記Ｚ軸位置検出器３０は、貫通穴１４ａの内周面にＺ軸方向に沿って設けられるとともに、Ｚ軸方向に目盛りが形成されたＺ軸スケール３１と、主軸頭１５の外周面にＺ軸スケール３１と対向するように設けられ、Ｚ軸スケール３１の目盛りを読み取るＺ軸読取器３２とからなる。

前記Ｙ軸位置検出器３３は、ベッド１１の案内部材２３の側面にＹ軸方向に沿って設けられるとともに、Ｙ軸方向に目盛りが形成されたＹ軸スケール３４と、サドル１７の側面にＹ軸スケール３４と対向するように設けられ、Ｙ軸スケール３４の目盛りを読み取るＹ軸読取器３５とからなる。

前記Ｘ軸位置検出器３６は、サドル１７の側面にＸ軸方向に沿って設けられるとともに、Ｘ軸方向に目盛りが形成されたＸ軸スケール３７と、テーブル１８の側面にＸ軸スケール３７と対向するように設けられ、Ｘ軸スケール３７の目盛りを読み取るＸ軸読取器３８とからなる。

前記制御装置４０は、予め作成されたＮＣプログラムが格納されるプログラム記憶部４１と、プログラム記憶部４１に格納されたＮＣプログラムを解析して、主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８の移動位置などに関する動作指令を抽出するプログラム解析部４２と、プログラム解析部４２によって抽出された動作指令を基に主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８のＺ軸方向，Ｙ軸方向及びＸ軸方向における目標移動位置を生成し、生成した目標移動位置、並びにＺ軸，Ｙ軸及びＸ軸位置検出器３０，３３，３６から送信される位置（Ｚ軸，Ｙ軸及びＸ軸読取器３２，３５，３８によって読み取られた位置）を基に、Ｚ軸，Ｙ軸及びＸ軸駆動モータ２６，２７，２８をフィードバック制御して、主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８を前記目標移動位置に移動させる送り制御部４３と、前記Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ位置検出器５１，５４，５７の検出結果が格納される検出結果記憶部４４とを備える。

前記計測フレーム５０は、矩形状且つ枠状の部材から構成され、横辺（上辺及び下辺）部がＸ軸と平行、縦辺部がＺ軸と平行に設けられており、枠の中空部内には、サドル１７及びテーブル１８が位置している。この計測フレーム５０の上辺部には、そのＸ軸方向の中間部に、上下に開口して内部が中空となった筒状部５０ａが形成されており、この筒状部５０ａの内部空間５０ｂはクロスビーム１４の貫通穴１４ａと連通している。また、計測フレーム５０の下辺部には、そのＸ軸方向の中間部に、上辺側に突出した突起部５０ｃが形成され、この突起部５０ｃは、テーブル１８の下方且つサドル１７の貫通穴１７ａ内に位置している。

尚、この計測フレーム５０は、その各辺部がベッド１１の溝１１ａ，支柱１３の溝１３ａ及びクロスビーム１４の溝１４ｂ内に収容，配置されるとともに、筒状部５０ａが前記貫通穴１４ａの下部に収容，配置されている。また、計測フレーム５０は、ベッド１１，コラム１２，主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８といった構造体とは別部材から構成されて、線膨張係数が低い（少なくとも前記構造体よりも低い）、例えば、１．５×１０^−６／℃以下の材料から構成されていることが好ましく、このような材料としては、例えば、ガラスセラミックが挙げられる。

前記Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ位置検出器５１，５４，５７は、それぞれレーザ式の位置検出器から構成されており、検出した位置（読取器５３，５６，５９によって読み取られた位置）を前記検出結果記憶部４４に格納する。

前記Ｘ−Ｚ位置検出器５１は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に格子状の目盛りが形成されたＸ−Ｚスケール５２と、Ｘ−Ｚスケール５２の目盛りを読み取るＸ−Ｚ読取器５３とから構成され、Ｘ−Ｚスケール５２は、主軸頭１５の外周面且つ主軸頭１５の下部寄りにＸ軸−Ｚ軸平面と平行に配設され、Ｘ−Ｚ読取器５３は、Ｘ−Ｚスケール５２と対向するように計測フレーム５０の筒状部５０ａの内周面に配設される。尚、Ｘ−Ｚスケール５２が主軸頭１５の下部寄りに配置されることで、工具ＴとワークＷとの接触点たる切削点の近傍となる位置にＸ−Ｚスケール５２が配置され、また、計測フレーム５０の中でも前記切削点の近傍となる位置にＸ−Ｚ読取器５３が配置される。

前記Ｙ−Ｚ位置検出器５４は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に格子状の目盛りが形成されたＹ−Ｚスケール５５と、Ｙ−Ｚスケール５５の目盛りを読み取るＹ−Ｚ読取器５６とから構成され、Ｙ−Ｚスケール５５は、主軸頭１５の外周面且つ主軸頭１５の下部寄りにＹ軸−Ｚ軸平面と平行に配設され、Ｙ−Ｚ読取器５６は、Ｙ−Ｚスケール５５と対向するように計測フレーム５０の筒状部５０ａの内周面に配設される。尚、このＹ−Ｚスケール５５及びＹ−Ｚ読取器５６についても、Ｘ−Ｚスケール５２及びＸ−Ｚ読取器５３と同様、前記切削点の近傍位置に配置されている。

前記Ｘ−Ｙ位置検出器５７は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に格子状の目盛りが形成されたＸ−Ｙスケール５８と、Ｘ−Ｙスケール５８の目盛りを読み取るＸ−Ｙ読取器５９とから構成され、Ｘ−Ｙスケール５８は、Ｘ軸−Ｙ軸平面と平行にテーブル１８の下面に配設され、Ｘ−Ｙ読取器５９は、Ｘ−Ｙスケール５８と対向するように且つ主軸１６の真下に位置するように計測フレーム５０の突起部５０ｃの上面に配設される。尚、Ｘ−Ｙスケール５８は、テーブル１８の下面に設けられることで、前記切削点の近傍となる位置に配置され、また、Ｘ−Ｙ読取器５９は、主軸１６の真下に設けられることで、計測フレーム５０の中でも前記切削点の近傍となる位置に配置される。

以上のように構成された本例の工作機械１によれば、送り制御部４３により、主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８のＺ軸方向，Ｙ軸方向及びＸ軸方向における目標移動位置が生成され、生成された目標移動位置と、Ｚ軸，Ｙ軸及びＸ軸位置検出器３０，３３，３６から送信される位置とを基に、Ｚ軸，Ｙ軸及びＸ軸駆動モータ２６，２７，２８がフィードバック制御されて、主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８が前記目標移動位置に移動せしめられ、このようにして、工具Ｔ及びワークＷが直交３軸方向に移動する。

また、Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ位置検出器５１，５４，５７により、主軸頭１５のＸ軸方向及びＺ軸方向における位置、主軸頭１５のＹ軸方向及びＺ軸方向における位置、並びにテーブル１８のＸ軸方向及びＹ軸方向における位置が検出され、検出結果記憶部４４に格納される。そして、検出結果記憶部４４内のデータと、計測フレーム５０におけるＸ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ読取器５３，５６，５９の位置関係などから、例えば、工具Ｔ及びワークＷの３次元空間内における３次元運動が認識される。

本例の工作機械１では、上述のように、Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ読取器５３，５６，５９が、例えば、ベッド１１，コラム１２，主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８といった構造体とは別部材の計測フレーム５０に設けられて当該構造体から分離している。

したがって、これらの構造体が自重や外力によって弾性変形したり、熱変形しても、当該計測フレーム５０はこれらの影響を受け難く、Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ読取器５３，５６，５９の３次元空間内における位置やＸ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ読取器５３，５６，５９間の位置関係が変化するのを抑えることができる。したがって、前記Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ位置検出器５１，５４，５７では、その検出値に誤差が含まれるのを防止して、主軸頭１５のＸ軸方向及びＺ軸方向における位置、主軸頭１５のＹ軸方向及びＺ軸方向における位置、並びにテーブル１８のＸ軸方向及びＹ軸方向における位置を正確に検出することができる。

また、Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ読取器５３，５６，５９が計測フレーム５０という同じ部材に設けられているので、Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ読取器５３，５６，５９の位置関係を容易且つ精度良く認識することができ、主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８の位置をより高精度に検出することができる。

更に、Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙスケール５２，５５，５８並びにＸ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ読取器５３，５６，５９を、可能な限り前記切削点に近づくように配置しており、このように、切削点に近づけることで、離れているときに比べ、より精度良く位置検出を行うことができる。また、Ｘ−Ｙ読取器５９を主軸１６の真下に配置しているので、主軸１６の真下以外のときに比べ、位置検出精度をより高いものにすることができる。

また、Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ読取器５３，５６，５９でそれぞれ２平面における位置を検出しているため、このようにして検出された各軸方向についての２つ（合計６つ）の検出値を基により精度の高い位置検出を実施することができる。

また、計測フレーム５０の線膨張係数を、例えば、１．５×１０^−６／℃以下のように低くすれば、雰囲気温度が変動したり、工作機械１の発熱源（例えば、軸受やモータなど）から熱が伝導しても当該計測フレーム５０の熱変位をごく僅かに抑えることができるので、Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ読取器５３，５６，５９の３次元空間内における位置やＸ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ読取器５３，５６，５９間の位置関係が変化するのを防止して、Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ位置検出器５１，５４，５７の検出精度が低下するのを防止することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。

例えば、検出結果記憶部４４内のデータを基に、主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８の運動誤差を算出するようにしても良い。この場合、制御装置４０内には、図６に示すように、誤差算出部４５及び誤差記憶部４６が更に設けられており、誤差算出部４５は、検出結果記憶部４４内のデータ（主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８のＺ軸方向，Ｙ軸方向及びＸ軸方向における位置）と、前記目標移動位置、又はＺ軸，Ｙ軸及びＸ軸位置検出器３０，３３，３６によって検出される位置とを比較して差分を求めることにより、主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８の運動誤差を算出する。そして、算出した運動誤差が誤差記憶部４６に格納される。このようにして運動誤差を求めれば、精度良く運動誤差を求めることができる。

更に、ワーク加工時において、工具Ｔ及びワークＷを直交３軸方向に移動させるに当たり、主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８の位置を前記算出した運動誤差を基に補正するようにすれば、更に高精度にワークＷを加工することができる。

尚、このようにして補正するに当たっては、例えば、次のようにすると良い。即ち、前記算出した運動誤差から３次元エラーマッピングを作成し、作成したエラーマッピングを基に、誤差補正装置が、Ｚ軸，Ｙ軸及びＸ軸位置検出器３０，３３，３６の検出値、即ち、Ｚ軸，Ｙ軸及びＸ軸位置検出器３０，３３，３６から送り制御部４３にフィードバックされる位置データを補正し、当該送り制御部４３が、補正後のデータを基にＺ軸，Ｙ軸及びＸ軸駆動モータ２６，２７，２８を制御する。また、工作機械１の稼働中、運動誤差を誤差繰り返し性特定システムにより監視し、３次元エラーマッピングで用いられている運動誤差が繰り返されていないと判断した場合には、運動誤差情報の更新及び３次元エラーマッピングの再構築を実施する。

また、工具Ｔに代えて測定ヘッドを主軸１６に装着し、この測定ヘッドの測定子をテーブル１８上の加工後のワークＷに接近，接触させて、測定子がワークＷに接触した時点における主軸頭１５，サドル１７及びテーブル１８の位置をＺ軸，Ｙ軸及びＸ軸位置検出器３０，３３，３６により検出し、検出した位置を基にワークＷの形状精度を算出する場合に、前記算出した運動誤差から３次元エラーマッピングを作成し、作成したエラーマッピングを基に、誤差補正装置によって、測定子がワークＷに接触した時点におけるＺ軸，Ｙ軸及びＸ軸位置検出器３０，３３，３６の検出値を補正し、補正後の位置データを測定値とすれば、機上測定を高精度に実施することができる。尚、測定中、運動誤差を誤差繰り返し性特定システムにより監視する点については、上記と同様である。

また、上例では、Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｚ及びＸ−Ｙ位置検出器５１，５４，５７によってそれぞれ２軸方向の位置を検出するようにしたが、これらの検出器５１，５４，５７に代えて、１軸方向のみの位置を検出する３つの検出器を設け、この検出器により直交３軸方向の位置を検出しても良い。

更に、上例では、Ｚ軸，Ｙ軸及びＸ軸位置検出器３０，３３，３６をリニアエンコーダから構成したが、ロータリエンコーダから構成しても良い。この他、計測フレーム５０は、振動が絶縁されるように構成されていても良い。

また、上例では、Ｘ−Ｚ位置検出器５１によってＸ軸方向及びＺ軸方向の位置を検出し、Ｙ−Ｚ位置検出器５４によってＹ軸方向及びＺ軸方向の位置を検出し、Ｘ−Ｙ位置検出器５７によってＸ軸方向及びＹ軸方向の位置を検出するようにしたが、Ｘ−Ｚ読取器５３はＹ軸方向の位置、Ｙ−Ｚ読取器５６はＸ軸方向の位置、Ｘ−Ｙ読取器５９はＺ軸方向の位置を検出可能に構成すれば、６自由度の運動誤差を求めることができる。

図７に示すように、スケール７０に設定された座標系をＸ_０Ｙ_０Ｚ_０と、読取器７１に設定された座標系をＸ_１Ｙ_１Ｚ_１と、Ｘセンサ１の出力をｘ＋Δｘ_１と、Ｙセンサ１の出力をｙ＋Δｙ_１と、Ｚセンサ１の出力をｈ＋Δｚ_１と、Ｙセンサ２の出力をｙ＋Δｙ_２と、Ｚセンサ２の出力をｈ＋Δｚ_２と、Ｚセンサ３の出力をｈ＋Δｚ_３とすれば、読取器７１のスケール７０に対する回転は次のように表される。即ち、Ｘ軸回りの回転は（Δｚ_３−Δｚ_１）／Ｌと、Ｙ軸回りの回転は（Δｚ_２−Δｚ_１）／Ｌと、Ｚ軸回りの回転は（Δｙ_２−Δｙ_１）／Ｌと表される。尚、ｘ，ｙは公称位置、ｈはスケール７０と読取器７１との公称隙間、Δｘ_１，Δｙ_１，Δｚ_１，Δｙ_２，Δｚ_２，Δｚ_３は実際の運動と公称運動との偏差である。

そして、座標系Ｘ_１Ｙ_１Ｚ_１と座標系Ｘ_０Ｙ_０Ｚ_０との間の同次変換行列は下式（数１）のようになる。

また、読取器７１に関する同次変換行列をＴ_２、テーブル１８とこれに対応する読取器７１との位置関係をＴ_１、主軸１６とこれに対応する読取器７１との関係をＴ_３とすれば、主軸１６とテーブル１８との空間的関係は、これらの同次変換行列Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３の乗算によって表される。このようにして、誤差を含む６自由度運動を求めることができる。

１工作機械
１１ベッド
１２コラム
１５主軸頭
１６主軸
１７サドル
１８テーブル
３０Ｚ軸位置検出器
３３Ｙ軸位置検出器
３６Ｘ軸位置検出器
４０制御装置
５０計測フレーム
５１Ｘ−Ｚ位置検出器
５２Ｘ−Ｚスケール
５３Ｘ−Ｚ読取器
５４Ｙ−Ｚ位置検出器
５５Ｙ−Ｚスケール
５６Ｙ−Ｚ読取器
５７Ｘ−Ｙ位置検出器
５８Ｘ−Ｙスケール
５９Ｘ−Ｙ読取器

Claims

工具が装着される工具装着手段と、
ワークが装着されるワーク装着手段と、
前記工具装着手段及びワーク装着手段を直交３軸方向に移動自在に支持する第１支持手段と、
前記工具装着手段及びワーク装着手段を前記直交３軸方向に移動させる送り手段と、
前記工具装着手段及びワーク装着手段の前記直交３軸方向における位置を検出する第１位置検出手段と、
前記工具装着手段及びワーク装着手段の前記直交３軸方向における目標移動位置と、前記第１位置検出手段によって検出される位置とを基に、前記送り手段をフィードバック制御して、前記工具装着手段及びワーク装着手段を前記目標移動位置に移動させる制御手段とを備えた工作機械であって、
前記第１支持手段とは別に設けられる第２支持手段と、
前記工具装着手段及びワーク装着手段の内、移動可能な手段に設けられるスケールと、前記第２支持手段に設けられ、前記スケールの目盛りを読み取る読取器とを少なくとも２組有し、前記工具装着手段及びワーク装着手段の前記直交３軸方向における位置を検出する第２位置検出手段とを更に備えており、
前記第２支持手段は、前記第１支持手段よりも線膨張係数が低い材料から構成されていることを特徴とする工作機械。
前記第１支持手段は、ベッドと、前記ベッド上に固設される門形のコラムであって、前記ベッドの両側に設けられた１対の支柱と、前記１対の支柱間に掛け渡されたクロスビームとを有するコラムとから構成され、
前記工具装着手段は、前記クロスビームに上下方向たる第１軸方向に移動自在に設けられる主軸頭と、前記主軸頭によって軸線が前記第１軸と平行に支持され、工具が装着される主軸とから構成され、
前記ワーク装着手段は、前記ベッド上に水平方向たる第２軸方向に移動自在に設けられるサドルと、前記サドル上に、前記第２軸と垂直な水平方向たる第３軸方向に移動自在に設けられ、ワークが装着されるテーブルとから構成され、
前記送り手段は、前記主軸頭を前記第１軸方向に、前記サドルを前記第２軸方向に、前記テーブルを前記第３軸方向にそれぞれ移動させるように構成され、
前記第１位置検出手段は、前記主軸頭の前記第１軸方向における位置、前記サドルの前記第２軸方向における位置及び前記テーブルの前記第３軸方向における位置をそれぞれ検出するように構成され、
前記制御手段は、前記主軸頭，サドル及びテーブルの前記第１軸，第２軸及び第３軸方向における目標移動位置と、前記第１位置検出手段によって検出される位置とを基に、前記送り手段をフィードバック制御して、前記主軸頭，サドル及びテーブルを前記目標移動位置に移動させるように構成され、
前記サドルは、上下に貫通する貫通穴を前記テーブルの移動領域内に有し、
前記第２支持手段は、矩形状且つ枠状の部材から構成されて、縦辺部が前記第１軸に沿い、横辺部が前記クロスビームの長手方向に沿うように、且つ枠内に前記サドル及びテーブルが位置するように前記ベッド及びコラムに配設され、
前記第２位置検出手段は、前記第１軸方向に目盛りが形成され、前記主軸頭に設けられる第１スケールと、前記第２軸方向及び第３軸方向に目盛りが形成され、前記テーブルの下面に設けられる第２スケールと、前記第２支持手段の、前記主軸頭の近傍部分に設けられ、前記第１スケールの目盛りを読み取る第１読取器と、前記第２支持手段の、前記テーブルの下方部分且つ前記貫通穴に対応した部分に設けられ、前記第２スケールの目盛りを読み取る第２読取器とから構成されていることを特徴とする請求項１記載の工作機械。
前記各スケール及び読取器は、前記工具とワークとの接触点たる切削点の近傍に配設されていることを特徴とする請求項２記載の工作機械。
前記第２読取器は、前記主軸の真下に配設されていることを特徴とする請求項２又は３記載の工作機械。
前記第２位置検出手段は、前記第１軸方向及び第２軸方向に目盛りが形成され、前記主軸頭に設けられる第１スケールと、前記第２軸方向及び第３軸方向に目盛りが形成され、前記テーブルの下面に設けられる第２スケールと、前記第１軸方向及び第３軸方向に目盛りが形成され、前記主軸頭に設けられる第３スケールと、前記第２支持手段の、前記主軸頭の近傍部分に設けられ、前記第１スケールの目盛りを読み取る第１読取器と、前記第２支持手段の、前記テーブルの下方部分且つ前記貫通穴に対応した部分に設けられ、前記第２スケールの目盛りを読み取る第２読取器と、前記第２支持手段の、前記主軸頭の近傍部分に設けられ、前記第３スケールの目盛りを読み取る第３読取器との３組のスケール及び読取器から構成されていることを特徴とする請求項２乃至４記載のいずれかの工作機械。
前記第２支持手段は、その線膨張係数が１．５×１０^−６／℃の部材から構成されていることを特徴とする請求項１乃至５記載のいずれかの工作機械。