JP5743408B2 - 回転体位置測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工機の主軸に取り付けられたワークや工具等の回転体の回転軸方向の位置を精密に測定する回転体位置測定方法に関するものである。

精密な加工を要求される加工機において、主軸の回転動作に伴う発熱により主軸ローター部が回転軸方向に伸びる。その際に、主軸に取り付けられたワークや工具の位置が変化し、加工形状に及ぼす影響が問題になっている。その解決方法として、主軸の回転軸方向の変位を測定して制御する方法が提案されている（特許文献１参照）。この測定方法は、主軸内部において回転体端面に取り付けられた反射ミラーで反射された光と、固定された参照ミラーで反射された光を合成して干渉光を生成し、反射ミラーの変位量の測定を行っている。また、より正確に回転体の位置を測定するために、主軸の回転数に対してサンプリング周期を同期させる方法が提案されている（特許文献２参照）。これにより、常に同じ位置で測定し、反射ミラーの面ぶれによって生じる測長誤差を打ち消すことが可能となっている。

特開平７−８０７５７号公報 特開平７−１００７３６号公報

しかし、上記従来の位置測定方法には、干渉光による測長に伴うサイクリックエラーが存在する。サイクリックエラーとは、測定光（測長光）や参照光が本来意図していない光（迷い光）により発生するものである。一例として、参照光の一部が反射ミラーで反射されることや、測定光のλ／４板による反射などが挙げられる。これらの光学素子により生じる迷い光が受光素子上で本来の光と干渉し誤差を生じる。サイクリックエラーは本来の光と迷い光との光路差による干渉誤差なので、反射ミラーの変位Ｌに関する周期性を持つ。レーザ光である測定光の波長をλとした時、干渉の周期はｎを反射ミラーの変位に対する前記光路差の変化量の比とすると、λ＝ｎＬを満たす。ただしｎは２以上の整数である。Ａを干渉の振幅としたとき、サイクリックエラーＥと反射ミラーの変位量Ｌの関係は以下の式（１）によって表わされる。

迷い光は複数存在するため、サイクリックエラーは周期関数の重ね合わせで表わされる。このため、実際のサイクリックエラーＥｎは以下の式（２）によって表わされる。

装置上でこれらの迷い光による測長誤差であるサイクリックエラーを全てなくすように光学素子をアライメントすることは困難である。したがって、回転体の位置を測定した結果にサイクリックエラーが重畳されて正確に測定できないという問題点がある。

サイクリックエラーを取り除く手段として、一般的にはサイクリックエラーを同定し補正を行う。補正値の測定には、反射ミラーを一定方向に等速度で動かし、動かした距離と測長された距離の差分を取り、サイクリックエラーを同定し補正を行う。図５に実際に動かした距離と干渉測長により測定された距離及び理想的な測長出力の関係を示す。補正値は差分を取ることによって行われる。しかし、加工機主軸の回転体に反射ミラーを取り付けた場合、スペースや軸構成の問題で補正のために動かす機構を設けることが困難である。したがって、従来の方法ではサイクリックエラーを同定することができずに、回転体の位置を精密に測定することができないという課題があった。

本発明は、加工機の主軸等に取り付けた回転体の位置測定におけるサイクリックエラーを低減することのできる回転体位置測定方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明の回転体位置測定方法は、回転体の位置を干渉測長手段によって測定する回転体位置測定方法において、前記回転体の回転軸に垂直な平面に対して傾斜した反射ミラーを前記回転体に固定し、前記回転軸に沿って照射される測定光を前記反射ミラーによって反射させ、前記回転体を回転させながら前記干渉測長手段による測長データを得る工程と、得られた測長データを演算処理することによって前記回転体の回転軸方向の変位を求める工程と、を有し、前記測定光は、前記回転軸に対して垂直な方向にずれた位置に照射され、前記測定光の前記回転軸からの距離Ｒと、前記反射ミラーの傾斜角度θが以下の関係を満たすことを特徴とする。
０．４５λ＜２Ｒｓｉｎθ＜０．５５λ
ここで、λ：測定光の波長

反射ミラーを傾斜させ、その傾斜角度と、回転軸と測定光の距離との関係を限定することで、サイクリックエラーによる測長誤差を低減し、主軸の伸びによる回転体の変位を高精度に測定することが可能となる。このように加工機等の主軸の伸びを高精度に測定し、回転体の位置の補正を行うことにより、高精度に加工することができる。

一実施形態による回転体位置測定方法を説明するもので、（ａ）は加工機を示す模式図、（ｂ）は光学ユニットの構成を示す図である。 反射ミラーに対する測定光の入射点に関する説明図である。 回転体の変位量とｎ＝２の時のサイクリックエラーの関係を示すグラフと、実施例１によるサイクリックエラーの低減率を示すグラフである。 実施例２によるサイクリックエラーの低減率を示すグラフと、測長誤差と時間の関係を示すグラフである。 従来例による測長誤差を説明するグラフである。

図１は一実施形態による加工機である回転装置１を示すもので、定盤２、主軸ハウジング３、軸受け４、主軸５、主軸５に取り付けられた回転体６、主軸５を回転させるモーター７、反射ミラー８、傾斜調整機構９、光学ユニット１０等を有する。回転体６の位置を干渉測長手段である光学ユニット１０によって測定する。反射ミラー８は、主軸５及び回転体６の回転軸（回転中心）に垂直な平面に対して傾斜して固定されている。その傾斜角度θと、回転軸に沿って、回転軸に垂直な方向にずれた位置に照射される測定光２０ａの回転軸からの距離Ｒは、測定光２０ａの波長をλとした時に０．４λ＜２Ｒｓｉｎθを満たすように設定される。そして、光学ユニット１０によって得られる測長データを演算処理することで、回転体６の回転軸方向の変位を求める。

図２は、主軸５の１回転あたりに測定光２０ａの照射位置における面ぶれによる回転軸方向の変位を示す。１回転あたりの変位量Ｌの最大値は以下の式（３）によって表わされる。

実際の出力にはこの周期的な変位に対してサイクリックエラーが重畳された結果が出力される。

図３（ａ）にサイクリックエラーの最大周期であるｎ＝２の時のサイクリックエラーによる測長誤差と回転体１回転あたりの測定変位量の関係を示す。このグラフから、０．４λ＜２Ｒｓｉｎθの関係を満たすように設定して測定を行う。これにより、測定結果に４／５以上の周期的なサイクリックエラーを重畳させた出力（測長データ）を得て、演算処理することによってサイクリックエラーを低減できることがわかる。

さらに、０．４５λ＜２Ｒｓｉｎθ＜０．５５λの関係を満たすように設定して測定を行うことで、最大周期であるｎ＝２の時に０．９周期以上１．１周期以下の周期的なサイクリックエラーを重畳させれば、サイクリックエラーをより一層低減できる。

なお、演算処理においては、平均化処理又はフィルタリング処理を用いる。

本実施例による回転体位置測定方法は、図１（ａ）に示すように、加工機の主軸５に取り付けた工具である回転体６の位置測定に適用したものである。図１（ｂ）に示すように、光源１１から照射されたレーザ光２０は、ビームスプリッタ１２で測定光２０ａと参照光２０ｂに分岐される。分岐した測定光２０ａは、回転体６に傾斜して固定された反射ミラー８によって反射され受光素子１４に入射する。参照光２０ｂは、参照ミラー１０で反射され、受光素子１４に入射する。反射ミラー８及び参照ミラー１３と、ビームスピリッタ１２の間には、それぞれ、１／４板１５、１６が設けられ、測定光２０ａと参照光２０ｂを干渉させて測長を行う。

主軸５及び回転体６の回転軸に対して垂直な平面に対して傾斜して取り付けた反射ミラー８の傾斜角度θと、測定光２０ａを回転軸からずらした距離Ｒとの関係が、０．４λ＜２Ｒｓｉｎθを満たすように設定する。このために、反射ミラー８の傾きを調整するための傾斜調整機構９と、光学ユニット１０の高さを調整するための高さ調整機構１７が設けられる。傾斜調整機構９は市販のチルトステージを用いても良いし、シムを挟んで傾きをつけてもよい。

本実施例では光学ユニット１０の高さを変えることによって距離Ｒを調整したが、調整する方向は回転軸に直交な平面上であればどの方向でも構わない。

このようにして、主軸１回転あたりに検出される最大変位量２Ｒｓｉｎθが０．４λ以上になるように調整すれば、サイクリックエラーが重畳された測長データが得られる。図３（ｂ）にこの測長データの平均化処理を行った際のサイクリックエラーによる測長誤差の低減率を示す。縦軸のサイクリックエラーによる測長誤差の低減率は、従来のサイクリックエラーを１００％とした時の、本実施例で測定した時のサイクリックエラーの相対値である。このように、０．４λ＜２Ｒｓｉｎθの範囲内においてはサイクリックエラーを従来の２５％以下に低減することが可能となる。したがって、回転体６の位置を精度よく測定することが可能となる。

図１の装置において、０．４５λ＜２Ｒｓｉｎθ＜０．５５λの関係を満たすように反射ミラー８の傾斜角度θと、測定光２０ａを回転軸からずらす距離Ｒの調整を行う。図４（ａ）に、本実施例による測長データの平均化処理を行った際のサイクリックエラーの低減率を示す。縦軸のサイクリックエラーの低減率は従来のサイクリックエラーを１００％とした時の、本実施例で測定した時のサイクリックエラーの相対値である。図４（ａ）より、上記範囲においてのサイクリックエラーは１０％以下に低減できることがわかる。

２Ｒｓｉｎθ＝０．５λに調整して使用することによりサイクリックエラーをさらに低減することが可能である。実際の測定では、サイクリックエラーによる測長誤差だけではなく、面ぶれによる測長誤差も考慮する必要がある。面ぶれによる測長誤差を図４（ｂ）に示す。この測長誤差も平均化処理を行うことによって低減を行う。Δｔの区間で移動平均を取ると、回転数をＮ、平均化するための時間をΔｔとすると、面ぶれによる最大測長誤差ｄは以下の式（４）によって表わされる。

φは位相角で、この結果より、面ぶれによる測長誤差量は変位量２Ｒｓｉｎθに比例する。従って、サイクリックエラーの測長誤差を十分に減少させる範囲において面ぶれによる最大変位量２Ｒｓｉｎθの値を最小にアライメントすることにより、さらに精密に回転体６の回転軸方向の位置を測定することが可能である。

実施例２において、平均化処理の代わりにローパスフィルタを用いてもよい。その場合は測定する目的によってカットオフ周波数を求める必要がある。加工機の主軸の熱による伸びの周波数は数Ｈｚ以下と考えられる。また、面ぶれによる測長誤差の低減化を考えて、ここではカットオフ周波数３０Ｈｚを使用することが考えられる。同様に影響のない範囲においてローパスフィルタをバンドパスフィルタに変えてもよい。

１ 回転装置
２ 定盤
３ 主軸ハウジング
４ 軸受け
５ 主軸
６ 回転体
７ モーター
８ 反射ミラー
９ 傾斜調整機構
１０ 光学ユニット
１２ ビームスプリッタ
１３ 参照ミラー
１４ 受光素子
１７ 高さ調整機構

Claims (6)

1. 回転体の位置を干渉測長手段によって測定する回転体位置測定方法において、
   前記回転体の回転軸に垂直な平面に対して傾斜した反射ミラーを前記回転体に固定し、前記回転軸に沿って照射される測定光を前記反射ミラーによって反射させ、前記回転体を回転させながら前記干渉測長手段による測長データを得る工程と、
   得られた測長データを演算処理することによって前記回転体の回転軸方向の変位を求める工程と、を有し、
   前記測定光は、前記回転軸に対して垂直な方向にずれた位置に照射され、前記測定光の前記回転軸からの距離Ｒと、前記反射ミラーの傾斜角度θが以下の関係を満たすことを特徴とする回転体位置測定方法。
   ０．４５λ＜２Ｒｓｉｎθ＜０．５５λ
   ここで、λ：測定光の波長
2. 前記演算処理においては、前記測長データを平均化処理することを特徴とする請求項１に記載の回転体位置測定方法。
3. 前記演算処理においては、前記測長データをフィルタリング処理することを特徴とする請求項１に記載の回転体位置測定方法。
4. 回転体の位置を干渉測長手段によって測定する回転体位置測定装置において、
   前記回転体に固定され、前記回転体の回転軸に垂直な平面に対して傾斜した反射ミラーと、
   前記反射ミラーに反射された測定光を、参照光と干渉させる前記干渉測長手段と、を有し、
   前記測定光は、前記回転軸に対して垂直な方向にずれた位置に照射され、前記測定光の前記回転軸からの距離Ｒと、前記反射ミラーの傾斜角度θが以下の関係を満たすことを特徴とする回転体位置測定装置。
   ０．４５λ＜２Ｒｓｉｎθ＜０．５５λ
   ここで、λ：測定光の波長
5. 前記反射ミラーを傾斜させるための傾斜調整機構をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の回転体位置測定装置。
6. 前記干渉測長手段は、光学ユニットを有し、前記光学ユニットの高さを調整するための高さ調整機構をさらに有することを特徴とする請求項４または５に記載の回転体位置測定装置。

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