JP6782161B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、コラムによって主軸頭が支持された工作機械、特には、基礎上に配置されたコラムによって、主軸が鉛直方向に直立するように支持された工作機械、あるいは、当該コラムによって主軸が水平方向に支持された横中ぐり盤等の工作機械、に関する。

従来より、コラムにより主軸頭が支持された工作機械が知られている。本タイプの工作機械は、コラムがベッドまたは基礎上を移動できるコラム移動型と、コラムがベッドまたは基礎上を移動しない（ワークが移動する）コラム固定型と、にそれぞれ分類される。

いずれの工作機械においても、ワークを正確に加工するためには、主軸頭に取り付けられている主軸の先端（主軸先端）の位置を高精度で制御する必要がある。しかしながら、工作機械の設置場所の環境によっては、コラムの前後左右における室温の相違、空調機や窓（屋外）からの空気の流れ、日光のコラムへの当たり具合等に起因して、コラムに温度差（温度勾配）が生じてコラムが熱的に変形してしまい、この結果、主軸先端の位置が不所望に変位してしまう場合があった。また、ワークの加工のために主軸先端に取り付けられる工具（アタッチメント）の重量は様々であり、取り付けられる工具に応じてコラムが支持する重量が変動する。このことにより、コラムの撓み量が変化し、この結果、主軸先端の位置が不所望に変位してしまう場合があった。

更に、当該主軸先端は、主軸を回転させる主軸頭の回転駆動部の発熱によって、所望の位置から熱的に変位してしまう、という問題もあった。具体的には、（１）主軸を回転させる主軸頭の温度上昇に起因して、主軸を含む主軸頭自体が、熱膨張によって経時的に変形し、更に、（２）主軸頭からの熱伝達に起因して、当該主軸頭を支持するコラムも、熱膨張によって経時的に変形する。これらの結果、主軸先端が不所望に変位してしまうので、当該主軸先端に取り付けられた工具によるワークの加工において、加工精度が低下してしまう、という問題があった。

主軸を含む主軸頭の変位に関しては、主軸頭の熱膨張に起因する変形が主軸方向（Ｚ軸方向と呼ぶ）において支配的であることに鑑みて、Ｚ軸熱変位補正と称して、熱源である主軸頭近傍の温度を測定して当該温度から主軸方向の伸びを推定して補正する方法や、主軸の回転数及び過去の実測値に基づいて主軸方向の伸びを推定して補正する方法が、従来より採用されている。

また、特開昭５７−４８４４８号公報（特許文献１）には、一端部に発磁体が設けられた基準バー（石英ガラス棒）を主軸頭の表面に沿うように配置して当該基準バーの他端部において当該主軸頭に固定し、前記発磁体の位置と当該発磁体に対応して主軸頭の表面上に固定された磁気検出ヘッドの位置との間の距離を測定し、その測定結果に基づいて主軸先端の主軸方向の熱的変位を補正する方法が開示されている。

但し、特許文献１の方法によっては、主軸先端の主軸方向への熱的変位は補正されるものの、鉛直方向への熱的変位は補正されない。この問題に対応すべく、特公平７−１１５２８２号公報（特許文献２）には、一端部に発磁体が設けられた複数の基準バーを主軸頭の表面に沿うように配置して当該複数の基準バーの他端部において主軸頭に固定し、各発磁体の位置と当該発磁体に対応して主軸頭の表面に固定された各検出ヘッドの位置との間の距離を測定し、それらの測定結果に基づいて主軸頭の主軸方向のみならず鉛直方向においても熱的変位を補正する方法が開示されている。

特開昭５７−４８４４８号公報 特公平７−１１５２８２号公報

しかしながら、特許文献２による主軸頭の熱的変位を補正する場合でも、特に主軸方向が水平方向である中ぐり機等の工作機械においては、依然として主軸方向（Ｚ軸方向）に垂直な方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）において変位が残存する場合があった。

このようなＸ軸方向及びＹ軸方向の変位は、前述の通り、工作機械の設置場所の環境やコラムが支持する重量が変動すること等に起因していると考えられる。しかしながら、コラムの変形（姿勢変化）に起因する主軸先端の変位の補正については、従来、検討ないし実施されてこなかった。

本発明は、以上のような問題に鑑みて、コラムの姿勢変化を低コストで高精度に測定することにより、当該姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークの正確な加工が実現可能な工作機械を提供することを課題とする。

本発明は、鉛直方向に直立するように配置され、所定の線膨張係数を有するコラムと、
前記コラムに支持され、工具取付のための水平主軸を支持する主軸頭と、
を備えた工作機械であって、
前記コラムに対して離間して配置され、当該コラムの線膨張係数とは異なる線膨係数を有する２本の第１基準バー、第２基準バーと、
前記第１基準バー側の測定対象部位と前記コラムの第1コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向の距離を測定する第１測定手段と、
前記第２基準バー側の測定対象部位と前記コラムの第２コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向の距離を測定する第２測定手段と、
前記測定手段による距離の測定結果の差δと予め定められた第１基準バーと第２基準バーの間の水平面内の距離とコラムの高さに基づいて、前記コラムの姿勢変化を評価する姿勢変化評価部と、
前記姿勢変化評価部の評価結果に基づいて、前記主軸の先端の位置を制御する制御部と、を備え、
前記姿勢変化評価部は、前記コラムの高さをＨとして、同じ中心角を持つ円弧長Ｈの内周円弧と円弧長Ｈ＋δの外周円弧とで前記コラムの変形状態を近似し、前記差δから求めた前記中心角に基づいて前記コラムの姿勢を評価するようになっていることを特徴とする、工作機械である。

本発明によれば、基準バー側測定対象部位とコラム側測定対象部位との間の距離を測定手段によって直接的に測定することによって、コラムの熱変形を低コストで高精度に測定することができる。このことにより、コラムの姿勢変化を低コストで高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークの正確な加工が実現可能な工作機械を提供することができる。

すなわち、本発明の工作機械は、前記測定手段によるそれぞれの距離の測定結果に基づいて、前記主軸頭の姿勢変化を評価する姿勢変化評価部と、前記姿勢変化評価部の評価結果に基づいて、前記主軸の先端の位置を制御する制御部と、を更に備えていることが好ましい。

好ましくは、前記姿勢変化評価部には、前記基準バー側測定対象部位と前記コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、及び、水平面内の互いに直交する２方向、のそれぞれについて、予め定められた基準距離が格納されており、前記姿勢変化評価部は、前記基準距離と、前記測定手段によって測定される距離と、を比較することによって、前記主軸頭の姿勢変化を評価するようになっている。

あるいは、好ましくは、予め定められた基準条件下において、前記測定手段は、前記基準バー側測定対象部位と前記コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、及び、水平面内の互いに直交する２方向、のそれぞれの距離を基準距離として測定するようになっており、前記姿勢変化評価部は、前記基準距離と、前記測定手段によって測定される距離と、を比較することによって、前記主軸頭の姿勢変化を評価するようになっている。

あるいは、好ましくは、前記測定手段は、前記基準バー側測定対象部位と前記コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、及び、水平面内の互いに直交する２方向、のそれぞれの距離を逐次的に測定するようになっており、前記姿勢変化評価部は、前記測定手段によって測定される距離を逐次的に比較することによって、前記主軸頭の姿勢変化を逐次的に評価するようになっている。

また、好ましくは、前記基準バー側測定対象部位に対して、前記コラムの上面において所定の距離を隔てた第１コラム測定対象部位と第２コラム側測定対象部位とが関連付けられており、前記水平面内の互いに直交する２方向は、前記主軸の軸線方向と水平面内において当該主軸の軸線方向と直交する方向とであり、前記測定手段は、前記基準バー側測定対象部位と前記第１コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、前記主軸の軸線方向、及び、水平面内において前記主軸の軸線方向に直交する方向、のそれぞれの距離と、前記基準バー側測定対象部位と前記第２コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、及び、水平面内において前記主軸の軸線方向に直交する方向、のそれぞれの距離と、を測定するようになっており、前記姿勢変化評価部は、前記測定手段による距離の測定結果に基づいて前記第１コラム測定対象部位と第２コラム側測定対象部位とを結ぶ直線の傾きを評価することによって、前記主軸頭の姿勢変化を評価するようになっている。

この場合、計算プロセスが単純であるため、コラムの姿勢変化を迅速に評価することができる。

また、好ましくは、前記姿勢変化評価部には、前記基準バー側測定対象部位と前記第１コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、前記主軸の軸線方向、及び、水平面内において前記主軸の軸線方向に直交する方向、のそれぞれの距離、並びに、前記基準バー側測定対象部位と前記第２コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、及び、水平面内において前記主軸の軸線方向に直交する方向、のそれぞれの距離について、予め定められた基準距離が格納されており、前記姿勢変化評価部は、前記基準距離と、前記測定手段によって測定される距離と、を比較することによって、前記主軸頭の姿勢変化を評価するようになっている。

あるいは、好ましくは、予め定められた基準条件下において、前記測定手段は、前記基準バー側測定対象部位と前記第１コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、前記主軸の軸線方向、及び、水平面内において前記主軸の軸線方向に直交する方向、のそれぞれの距離、並びに、前記基準バー側測定対象部位と前記第２コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、及び、水平面内において前記主軸の軸線方向に直交する方向、のそれぞれの距離、を基準距離として測定するようになっており、前記姿勢変化評価部は、前記基準距離と、前記測定手段によって測定される距離と、を比較することによって、前記主軸頭の姿勢変化を評価するようになっている。

あるいは、好ましくは、前記測定手段は、前記基準バー側測定対象部位と前記第１コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、前記主軸の軸線方向、及び、水平面内において前記主軸の軸線方向に直交する方向、のそれぞれの距離、並びに、前記基準バー側測定対象部位と前記第２コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、及び、水平面内において前記主軸の軸線方向に直交する方向、のそれぞれの距離、を逐次的に測定するようになっており、前記姿勢変化評価部は、前記測定手段によって測定される距離を逐次的に比較することによって、前記主軸頭の姿勢変化を逐次的に評価するようになっている。

また、好ましくは、前記基準バーは、３０℃乃至１００℃における線膨張係数が１．０×１０^−６／℃以下である。

この場合、基準バーには熱的変位がほとんど発生しないため、当該基準バーの測定対象部位とコラムの測定対象部位との間の距離を、当該コラムの測定対象部位の熱的変位として取り扱うことができる。

また、好ましくは、前記測定手段は、前記コラム側測定対象部位に支持された接触式の変位センサである。あるいは、前記測定手段は、前記コラム側測定対象部位に支持された非接触式の変位センサであってもよい。

また、前記基準バーは、複数設けられていても良い。この場合、コラム側測定対象部位が複数設定されている場合に、その各々に各１つの基準バーを対応させることにより、コラム側測定対象部位とこれに対応する基準バー側測定対象部位との間の距離をより高精度に測定することができる。

また、前記コラムは１対設けられており、 前記基準バーは、前記一対のコラムそれぞれに対応して設けられていても良い。この場合、門形マシニングセンタ等の２本のコラムを有する工作機械においても、当該コラムの姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークの正確な加工を実現することができる。

あるいは、本発明は、工具取付のための主軸を支持している主軸頭と、鉛直方向に直立するように配置され、所定の鉛直方向の線膨張係数を有し、前記主軸頭を支持しているコラムと、所定の高さを有し、前記コラムの鉛直方向における伸縮と干渉しないような態様で、当該コラムの内部に、または、当該コラムの側面に沿って、少なくとも鉛直方向成分を有する方向に配置されていると共に、前記コラムの鉛直方向の線膨張係数とは異なる鉛直方向の線膨張係数を有し、一端側の固定部位が当該コラムに固定され他端側の測定対象部位が当該コラムに対して相対変位可能である基準バーと、を備え、前記基準バーの前記測定対象部位に対して、前記コラムにおいても測定対象部位が関連付けられており、前記基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの前記測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定する測定手段が設けられていることを特徴とする工作機械である。

本発明によれば、コラムと基準バーとの間の鉛直方向の線膨張係数の相異に基づいて、コラムの測定対象部位と基準バーの測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定手段によって直接的に測定することによって、コラムの熱的変位を低コストで高精度に測定することができる。このことにより、コラムの姿勢変化を低コストで高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークの精確な加工を実現可能な工作機械を提供することが可能となる。

すなわち、本発明の工作機械は、前記測定手段による前記鉛直方向の距離の測定結果に基づいて、前記コラムの姿勢変化を評価する姿勢変化評価部と、前記姿勢変化評価部の評価結果に基づいて、前記主軸の先端の位置を制御する制御部と、を更に備えていることが好ましい。

また、好ましくは、前記基準バーの前記測定対象部位に対して、前記コラムの上面において所定の距離を隔てた２箇所の測定対象部位が関連付けられており、前記測定手段は、前記基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの２箇所の測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定するようになっており、前記姿勢変化評価部は、前記測定手段による２つの鉛直方向の距離の測定結果に基づいて、前記コラムの２箇所の測定対象部位を結ぶ直線の傾きの変化を評価することによって、前記コラムの姿勢変化を評価するようになっている。

この場合、直線の傾きの変化の評価という単純な計算プロセスを採用することにより、コラムの姿勢変化を迅速に評価することができる。

あるいは、好ましくは、前記基準バーの前記測定対象部位に対して、前記コラムの上面において所定の距離を隔てた３箇所の測定対象部位が関連付けられており、前記測定手段は、前記基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの３箇所の測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定するようになっており、前記姿勢変化評価部は、前記測定手段による３つの鉛直方向の距離の測定結果に基づいて例えば、前記コラムの３箇所の測定対象部位によって規定される平面の傾きの変化を評価することによって、前記コラムの姿勢変化を評価するようになっている。

この場合、コラムの姿勢変化を精確に評価することができ、より高精度に主軸先端の変位を補正することが可能となる。

あるいは、好ましくは、前記基準バーの前記測定対象部位に対して、前記コラムの上面において所定の距離を隔てた４箇所の測定対象部位が関連付けられており、前記測定手段は、前記基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの４箇所の測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定するようになっており、前記姿勢変化評価部は、前記測定手段による４つの鉛直方向の距離の測定結果に基づいて、前記コラムの姿勢変化を評価するようになっている。

この場合、コラムの姿勢変化をより精確に評価することができ、より一層高精度に主軸先端の変位を補正することが可能となる。

好ましくは、前記姿勢変化評価部には、予め定められた基準距離が格納されており、前記姿勢変化評価部は、前記基準距離と、前記測定手段によって測定される前記鉛直方向の距離と、を比較することによって前記コラムの姿勢変化を評価するようになっている。

あるいは、好ましくは、前記測定手段は、予め定められた基準条件下において前記基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの前記測定対象部位との間の鉛直方向の距離を基準距離として測定するようになっており、前記姿勢変化評価部は、前記基準距離と、前記測定手段によって測定される前記鉛直方向の距離と、を比較することによって前記コラムの姿勢変化を評価するようになっている。

あるいは、好ましくは、前記測定手段は、前記基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの前記測定対象部位との間の鉛直方向の距離を逐次的に測定するようになっており、前記姿勢変化評価部は、前記測定手段によって測定された前記鉛直方向の距離同士を逐次的に比較することによって前記コラムの姿勢変化を逐次的に評価するようになっている。

また、好ましくは、前記基準バーは、３０℃乃至１００℃における鉛直方向の線膨張係数が１．０×１０^−６／℃以下である。

この場合、基準バーには鉛直方向の熱的変位がほとんど発生しないため、当該基準バーの測定対象部位とコラムの測定対象部位との間の鉛直方向の距離を当該コラムの測定対象部位の鉛直方向の熱的変位として取り扱うことができる。

更に、好ましくは、前記コラムには、鉛直方向に延びる貫通孔が形成されており、前記基準バーは、前記貫通孔に設けられた軸受によって支持されている。この場合、コラムの鉛直方向における伸縮と干渉しないような態様で、基準バーを容易に配置することができる。

また、好ましくは、前記測定手段は、前記コラムの前記測定対象部位に支持された接触式の変位センサである。あるいは、前記測定手段は、前記コラムの前記測定対象部位に支持された非接触式の変位センサであってもよい。

また、前記測定手段は、前記基準バーの前記測定対象部位に支持された接触式の変位センサであってもよい。あるいは、前記測定手段は、前記基準バーの前記測定対象部位に支持された非接触式の変位センサであってもよい。

また、本発明は、コラムの複数の測定対象部位に関連付けられた複数の基準バーを有する工作機械である。すなわち、本発明は、工具取付のための主軸を支持している主軸頭と、鉛直方向に直立するように配置され、所定の鉛直方向の線膨張係数を有し、前記主軸頭を支持しているコラムと、それぞれが所定の高さを有し、前記コラムの鉛直方向における伸縮と干渉しないような態様で、当該コラムの内部に、または、当該コラムの側面に沿って、少なくとも鉛直方向成分を有する方向に配置されていると共に、前記コラムの鉛直方向の線膨張係数とは異なる鉛直方向の線膨張係数を有し、一端側の固定部位が当該コラムに固定され他端側の測定対象部位が当該コラムに対して相対変位可能である、という第１及び第２基準バーと、を備え、前記第１基準バーの前記測定対象部位に対して、前記コラムにおいても第１測定対象部位が関連付けられており、前記第２基準バーの前記測定対象部位に対して、前記コラムにおいても第２測定対象部位が関連付けられており、前記第１基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの前記第１測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定する第１測定手段が設けられており、前記第２基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの前記第２測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定する第２測定手段が設けられていることを特徴とする工作機械である。

本発明によれば、コラムと第１及び第２基準バーとの間の鉛直方向の線膨張係数の相異に基づいて、コラムの第１及び第２の測定対象部位と第１及び第２基準バーの各測定対象部位との間のそれぞれの鉛直方向の距離を各測定手段によって直接的に測定することによって、コラムの熱的変位を低コストでより一層高精度に測定することができる。このことにより、コラムの姿勢変化を低コストでより一層高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークの精確な加工を実現可能な工作機械を提供することが可能となる。

あるいは、本発明は、工具取付のための主軸を支持している主軸頭と、鉛直方向に直立するように配置され、所定の鉛直方向の線膨張係数を有し、前記主軸頭を支持しているコラムと、それぞれが所定の高さを有し、前記コラムの鉛直方向における伸縮と干渉しないような態様で、当該コラムの内部に、または、当該コラムの側面に沿って、少なくとも鉛直方向成分を有する方向に配置されていると共に、前記コラムの鉛直方向の線膨張係数とは異なる鉛直方向の線膨張係数を有し、一端側の固定部位が当該コラムに固定され他端側の測定対象部位が当該コラムに対して相対変位可能である、という第１、第２及び第３基準バーと、を備え、前記第１基準バーの前記測定対象部位に対して、前記コラムにおいても第１測定対象部位が関連付けられており、前記第２基準バーの前記測定対象部位に対して、前記コラムにおいても第２測定対象部位が関連付けられており、前記第３基準バーの前記測定対象部位に対して、前記コラムにおいても第３測定対象部位が関連付けられており、前記第１基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの前記第１測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定する第１測定手段が設けられており、前記第２基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの前記第２測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定する第２測定手段が設けられており、前記第３基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの前記第３測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定する第３測定手段が設けられていることを特徴とする工作機械である。

本発明によれば、コラムと第１、第２及び第３基準バーとの間の鉛直方向の線膨張係数の相異に基づいて、コラムの第１、第２及び第３の測定対象部位と第１、第２及び第３基準バーの各測定対象部位との間のそれぞれの鉛直方向の距離を各測定手段によって直接的に測定することによって、コラムの熱的変位を低コストでより一層高精度に測定することができる。このことにより、コラムの姿勢変化を低コストでより一層高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークの精確な加工を実現可能な工作機械を提供することが可能となる。

あるいは、本発明は、工具取付のための主軸を支持している主軸頭と、鉛直方向に直立するように配置され、所定の鉛直方向の線膨張係数を有し、前記主軸頭を支持しているコラムと、それぞれが所定の高さを有し、前記コラムの鉛直方向における伸縮と干渉しないような態様で、当該コラムの内部に、または、当該コラムの側面に沿って、少なくとも鉛直方向成分を有する方向に配置されていると共に、前記コラムの鉛直方向の線膨張係数とは異なる鉛直方向の線膨張係数を有し、一端側の固定部位が当該コラムに固定され他端側の測定対象部位が当該コラムに対して相対変位可能である、という第１、第２、第３及び第４基準バーと、を備え、前記第１基準バーの前記測定対象部位に対して、前記コラムにおいても第１測定対象部位が関連付けられており、前記第２基準バーの前記測定対象部位に対して、前記コラムにおいても第２測定対象部位が関連付けられており、前記第３基準バーの前記測定対象部位に対して、前記コラムにおいても第３測定対象部位が関連付けられており、前記第４基準バーの前記測定対象部位に対して、前記コラムにおいても第４測定対象部位が関連付けられており、前記第１基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの前記第１測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定する第１測定手段が設けられており、前記第２基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの前記第２測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定する第２測定手段が設けられており、前記第３基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの前記第３測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定する第３測定手段が設けられており、前記第４基準バーの前記測定対象部位と前記コラムの前記第４測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定する第４測定手段が設けられていることを特徴とする工作機械である。

本発明によれば、コラムと第１、第２、第３及び第４基準バーとの間の鉛直方向の線膨張係数の相異に基づいて、コラムの第１、第２、第３及び第４の測定対象部位と第１、第２、第３及び第４基準バーの各測定対象部位との間のそれぞれの鉛直方向の距離を各測定手段によって直接的に測定することによって、コラムの熱的変位を低コストでより一層高精度に測定することができる。このことにより、コラムの姿勢変化を低コストでより一層高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークの精確な加工を実現可能な工作機械を提供することが可能となる。

あるいは、本発明は、鉛直方向に直立するように配置され、所定の線膨張係数を有するコラムと、前記コラムに支持され、工具取付のための鉛直主軸を支持する主軸頭と、前記コラムに対して離間して配置され、当該コラムの線膨張係数とは異なる線膨張係数を有する基準バーと、を備え、前記コラムは、コラム側測定対象部位を有しており、前記基準バーは、基準バー側測定対象部位を有しており、前記コラム側測定対象部位と前記基準バー側測定対象部位との間の距離を測定する測定手段が設けられていることを特徴とする工作機械である。

本発明によれば、基準バー側測定対象部位とコラム側測定対象部位との間の距離を測定手段によって直接的に測定することによって、コラムの熱変形を低コストで高精度に測定することができる。このことにより、コラムの姿勢変化を低コストで高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークの正確な加工が実現可能な工作機械を提供することができる。

一例として、前記基準バーは、第１基準バーと第２基準バーとを有し、当該第１基準バーには第１基準バー側測定対象部位が設けられ、当該第２基準バーには第２基準バー側測定対象部位が設けられており、前記コラムは、第１コラムと第２コラムとを有し、当該第１コラムには第１コラム側測定対象部位が設けられ、当該第２コラムには第２コラム側測定対象部位が設けられており、前記測定手段は、第１測定手段と第２測定手段とを有しており、前記第１基準バー側測定対象部位と前記第１コラム側測定対象部位と前記第１測定手段とが対応付けられており、前記第２基準バー側測定対象部位と前記第２コラム側測定対象部位と前記第２測定手段とが対応付けられている工作機械が挙げられる。

以上のような工作機械は、前記第１測定手段及び前記第２測定手段によるそれぞれの距離の測定結果に基づいて、前記主軸頭の姿勢変化を評価する姿勢変化評価部と、前記姿勢変化評価部の評価結果に基づいて、前記主軸の先端の位置を制御する制御部と、を更に備えていることが好ましい。

また、好ましくは、前記姿勢変化評価部は、前記第１測定手段及び前記第２測定手段によるそれぞれの距離の測定結果に基づいて前記第１コラム側測定対象部位と前記第２コラム側測定対象部位とを結ぶ直線の傾きを評価することによって、前記主軸頭の姿勢変化を評価するようになっている。

この場合、直線の傾きの評価という単純な計算プロセスを採用することにより、２本のコラムの姿勢変化を迅速に評価することができる。

好ましくは、前記姿勢変化評価部には、前記第１基準バー側測定対象部位と前記第１コラム側測定対象部位との間、及び、前記第２基準バー側測定対象部位と前記第２コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、及び、水平面内の互いに直交する２方向、について、予め定められた基準距離が格納されており、前記姿勢変化評価部は、前記基準距離と、前記第１測定手段及び前記第２測定手段によって測定されるそれぞれの距離と、を比較することによって前記主軸頭の姿勢変化を評価するようになっている。

あるいは、好ましくは、予め定められた基準条件下において、前記第１測定手段は、前記第１基準バー側測定対象部位と前記第１コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、及び、水平面内の互いに直交する２方向のそれぞれの距離を、前記第２測定手段は、前記第２基準バー側測定対象部位と前記第２コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、及び、水平面内の互いに直交する２方向のそれぞれの距離を、基準距離として測定するようになっており、前記姿勢変化評価部は、前記基準距離と、前記第１測定手段及び前記第２測定手段によって測定されるそれぞれの距離と、を比較することによって前記主軸頭の姿勢変化を評価するようになっている。

あるいは、好ましくは、前記第１測定手段は、前記第１基準バー側測定対象部位と前記第１コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、及び水平面内の互いに直交する２方向のそれぞれの距離を、前記第２測定手段は、前記第２基準バー側測定対象部位と前記第２コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向、及び水平面内の互いに直交する２方向のそれぞれの距離を、逐次的に測定するようになっており、前記姿勢変化評価部は、前記第１測定手段及び前記第２測定手段によって測定されたそれぞれの距離を逐次的に比較することによって、前記主軸頭の姿勢変化を逐次的に評価するようになっている。

また、好ましくは、前記第１基準バー及び前記第２基準バーは、３０℃乃至１００℃における線膨張係数が１．０×１０^−６／℃以下である。

この場合、各基準バーには熱的変位がほとんど発生しないため、各基準バー側測定対象部位と２つのコラム側測定対象部位との間の距離を、当該２つのコラム側測定対象部位の熱的変位として取り扱うことができる。

また、好ましくは、前記第１測定手段及び前記第２測定手段は、前記第１コラム側測定対象部位及び前記第２コラム側測定対象部位にそれぞれ支持された接触式の変位センサである。あるいは、前記第１測定手段及び前記第２測定手段は、前記第１コラム側測定対象部位及び前記第２コラム側測定対象部位にそれぞれ支持された非接触式の変位センサであってもよい。

また、前記第１測定手段及び前記第２測定手段は、前記第１基準バー側測定対象部位及び前記第２基準バー側測定対象部位にそれぞれ支持された接触式の変位センサであってもよい。あるいは、前記第１測定手段及び前記第２測定手段は、前記第１基準バー側測定対象部位及び前記第２基準バー側測定対象部位にそれぞれ支持された非接触式の変位センサであってもよい。

本発明の第１の実施の形態の工作機械の概略斜視図である。 図１の工作機械の概略側面図である。 図１の右方から見た、主軸頭及びコラムの概略側面図である。 図１の工作機械に使用されているコラムの概略斜視図である。 図１の工作機械に使用されている基準バーの概略側面図である。 図４のコラムの上部の詳細を示す部分的な概略斜視図である。 図１の工作機械に使用されている制御装置の概略的なブロック図である。 図４のコラムが変形する際の測定対象部位及び主軸先端の変位を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態の工作機械に使用されているコラムの上部の詳細を示す部分的な概略斜視図である。 図９のコラムが変形する際の測定対象部位及び主軸先端の変位を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態の工作機械におけるコラムの姿勢変化の評価原理を説明するための図である。 変形状態の図１１のコラムを円弧として近似している図である。 本発明の第２の実施の形態の工作機械の概略正面図である。 図１３の工作機械の概略平面図である。 図１３の右方から見た、主軸頭及びコラムの概略側面図である。 図１３の工作機械に使用されているコラムの概略斜視図である。 本発明の第２の実施の形態の基準バーの概略側面図である。 図１３のコラムの上部の詳細を示す部分的な概略斜視図である。 本発明の第２の実施の形態の制御装置の概略的なブロック図である。 本発明の第３の実施の形態の工作機械におけるコラムの上部の詳細を示す部分的な概略斜視図である。 本発明の第４の実施の形態の工作機械の概略斜視図である。 図２１の工作機械の上部及び第１コラムの内部の詳細を示す部分的な概略斜視図である。 図２１の工作機械に使用されている基準バーの概略側面図である。 図２１の工作機械に使用されている制御装置の概略的なブロック図である。 コラムが変形する際の測定対象部位及び主軸先端の変位を説明するための図である。 本発明の変形例に採用されるコラムの上部の詳細を示す部分的な概略斜視図である。 図２６のコラムが変形する際の測定対象部位及び主軸先端の変位を説明するための図である。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の第１の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態の工作機械３００の概略斜視図であり、図２は、図１の工作機械３００の概略側面図である。

図１に示すように、本実施の形態の工作機械３００は、加工機１００と当該加工機１００を制御する制御装置２００とを有している。

本実施の形態の加工機１００は、例えば横中ぐり盤であり、図１及び図２に示すように、ベッド５２と、鉛直方向に直立するようにベッド５２上に固定された角柱状のコラム１０と、このコラム１０に支持され、工具取付のための水平主軸（中ぐり軸）２２を支持している主軸頭２０と、を有している。なお、水平主軸とは、回転中心軸が水平になっている主軸を意味する。

図１に示すように、本実施の形態の工作機械３００は、基礎５１と基礎５１上にレベリングブロック５３を介して固定されたベッド５２とを有している。これら基礎５１及びベッド５２は、例えば次のようにして設置される。すなわち、本実施の形態の工作機械３００が設置される場所の床面に１次穴を設け、この１次穴に、木材等で２次穴が確保されるようにした状態でコンクリートを流し込み、基礎５１が敷設される。そして、ベッド５２に基礎ボルト及びレベリングブロック５３が取り付けられ、この状態で、前記２次穴に基礎ボルトが入るようにベッド５２を複数の地点で支持し、ジャッキ（仮芯治具）等でベッド５２を基礎５１上に仮置する。そして、ベッド５２の水平を仮調整した後、前記２次穴にコンクリート（及び硬化剤）を流し込み、基礎施工が完了する。２次穴のコンクリートが硬化した後、ジャッキ等を取り外し、レベリングブロック５３を調整することで、構造物（ベッド５２及び各コラム１０、１１）の水平を確保する。以上から明らかなように、本実施の形態のベッド５２は、レベリングブロック５３を調整することによって、基礎５１に対する傾きが調整（修正）され得る。

本実施の形態の主軸２２は、例えば直径１１０ｍｍの円柱形状となっており、先端部（図２における左端部）には、所望の加工工具が着脱可能に取り付けられるようになっている。また、本実施の形態では、主軸２２は、主軸頭２０内に設けられた駆動機構により軸線回りに例えば５〜３０００ｍｉｎ−１での回転が可能であると共に、軸線方向に例えば最大で５００ｍｍの繰り出しが可能である。

更に、ベッド５２上にはサドル（不図示）が設けられており、ワークが載置される移動式のテーブル６０が当該サドル上に設置されている。このテーブル６０が水平面内においてサドルに対してＸ軸方向へ相対移動し、当該サドルがベッド５２に対してＺ軸方向に相対移動することによって、ワークに対する主軸２２の水平面内における位置決めが行われるようになっている。また、後述されるように、本実施の形態の主軸頭２０は、コラム１０に沿って鉛直方向（図１及び図２における上下方向）に移動可能となっており、この移動によってワークに対する主軸２２の鉛直方向の位置決めが行われるようになっている。

図３は、図１の右方から見た、主軸頭２０及びコラム１０の概略側面図である。図３に示すように、本実施の形態の主軸頭２０は、主軸２２の軸線を水平に維持した状態でコラム１０の側面に配置されている。本実施の形態の主軸頭２０は、既知の駆動機構、例えばボールネジ１６及び当該ボールネジ１６を駆動するサーボモータ１７、によって鉛直方向（図３における上下方向）に移動可能となっている。本実施の形態では、当該駆動機構による主軸頭２０の上下方向の移動を支援するべく、当該主軸頭２０は、コラム１０内に配置されたバランスウェイトに一端が連結され加工機１００の上部に設けられた滑車を介して垂下している、ワイヤ１５の他端に連結されて、吊り下げられている。更に、主軸頭２０には、コラム１０に面する領域に被ガイド部（溝部）が設けられており、当該被ガイド部は、当該主軸頭２０がワイヤ１５によって吊り下げられた状態で、コラム１０の一側面に一体的に設けられたガイド部（レール）１１（図４参照）に係合されている。

図４は、図１の工作機械３００に使用されているコラム１０の概略斜視図であり、図５は、図１の工作機械３００に使用されている基準バー３０の概略側面図である。図４に示すように、本実施の形態のコラム１０には、鉛直方向に第１及び第２貫通孔１２ａ、１２ｂが形成されている。本実施の形態では、第１及び第２貫通孔１２ａ、１２ｂは、コラム１０の角部（横断面における矩形の頂点）の近傍に主軸２０の軸線方向（図４におけるＹ軸方向）に沿って設けられている。

また、図４に示すように、本実施の形態では、第１貫通孔１２ａには、第１基準バー３０ａが挿入されており、第２貫通孔１２ｂには、第２基準バー３０ｂが挿入されている。本実施の形態の第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂは、図５に示すように、下端部に雄ネジ部３１が形成された円柱形状となっており、当該雄ネジ部３１がベッド５２に設けられた雌ネジ部に螺着されるようになっている。本実施の形態のコラム１０は、主軸頭２０が鉛直に移動するように基礎５１に固定されたレベリングブロック５３が調整された状態で、ベッド５２の上に固定的に支持されている。本実施の形態では、第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂは、工作機械３００の通常使用において第１及び第２貫通孔１２ａ、１２ｂの内周面と干渉することがないように、ベッド５２に螺着されている。なお、他の実施の形態においては、第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂは、水平の確保されたブロックなどを介して基礎５１に独立して固定されても良い。

また、本実施の形態の第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂは、コラム１０の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有しており、３０℃乃至１００℃における線膨張係数が０．２９×１０^−６／℃である。

図６は、図４のコラム１０の上部の詳細を示す部分的な概略斜視図である。図６に示すように、コラム１０の上部の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂには、接触式の第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂが設置されている。本実施の形態の第１変位センサ４０ａは、鉛直方向（図６におけるＹ軸方向）の変位ないし距離を検出する第１Ｙ軸変位センサ４２ａと、水平面内の互いに直交する２方向（図６におけるＸ軸方向及びＺ軸方向）の変位ないし距離を検出する第１Ｘ軸変位センサ４１ａ及び第１Ｚ軸変位センサ４３ａと、を有している。また、本実施の形態の第２変位センサ４０ｂは、Ｙ軸方向の変位ないし距離を検出する第２Ｙ軸変位センサ４２ｂと、Ｘ軸方向の変位ないし距離を検出する第２Ｘ軸変位センサ４１ｂ及び第２Ｚ軸変位センサ４３ｂと、を有している。これらの第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂによって、第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂと第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂの各測定対象部位との間の鉛直方向及び水平面内における変位ないし距離が測定されるようになっている。本実施の形態の第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂには、高精度のデジタルセンサが採用されている。なお、図６では、第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂが、拡大されて示されている。

また、図７は、図１の工作機械３００に使用されている制御装置２００の概略的なブロック図である。図７に示すように、本実施の形態では、第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂの出力信号は、制御装置２００に送信されるようになっている。当該制御装置２００は、図７に示すように、第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂによる測定結果に基づいてコラム１０の姿勢変化を評価する姿勢変化評価部２１０と、姿勢変化評価部２１０の評価結果に基づいて主軸先端の変位（位置ズレ）を補正するためのデータを生成する補正データ生成部２２０と、を有している。補正データ生成部２２０は、主軸先端の位置を制御する制御部２３に接続されており、生成された補正データが当該制御部２３に向けて出力されるようになっている。

本実施の形態では、例えば加工機１００の精度調整の際に、予め定められた基準条件下において、第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂによって、第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂの上部の測定対象部位とコラム１０の上面の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂとの間の鉛直方向（図６におけるＹ軸方向）及び水平面内の互いに直交する２方向（図６におけるＸ軸方向及びＺ軸方向）の距離が測定されるようになっている。具体的には、第１及び第２Ｘ軸変位センサ４１ａ、４１ｂによって、第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂの上部の測定対象部位とコラム１０の上面の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂとの間のＸ軸方向の距離ａｘ、ｂｘが測定され、主軸の右倒れ及び左倒れが確認されるようになっている。第１及び第２Ｙ軸変位センサ４２ａ、４２ｂによって、第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂの上部の測定対象部位とコラム１０の上面の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂとの間のＹ軸方向の距離ａｙ、ｂｙが測定され、コラムの伸び縮みが確認されるようになっている。第１及び第２Ｚ軸変位センサ４３ａ、４３ｂによって、第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂの上部の測定対象部位とコラム１０の上面の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂとの間のＺ軸方向の距離ａｚ、ｂｚが測定され、主軸の前倒れ及び後ろ倒れが確認されるようになっている。そして、測定された各距離ａｘ、ａｙ、ａｚ、及び、ｂｘ、ｂｙ、ｂｚは、制御装置２００内の姿勢変化評価部２１０に基準距離として格納され、前述の具体的な変位とそれに対する補正値とが演算されるようになっている。

次に、本実施の形態の工作機械３００の作用について説明する。

まず、主軸先端に、所望の加工工具（フライスカッター等）が取り付けられる。次に、ユーザによって、加工対象のワークがテーブル６０上に設置されると共に、制御装置２００に所望の加工データが入力される。加工機１００は、当該加工データに基づいて制御される。次に、前記加工データに基づいて、ワークが載置されたテーブル６０がサドル上をＸ軸方向に移動し、且つ、当該テーブル６０を支持するサドルがベッド５２上をＺ軸方向に移動することで水平面内におけるワークの位置決めが行われると共に、主軸頭２０が前述の駆動機構を介して鉛直方向に所望の位置まで移動される。そして、主軸２２が、ワークに向かって水平方向に繰り出される。

その後、主軸頭２０内の主軸駆動機構によって主軸２２の回転が開始され、加工工具の先端に向かって切削液の供給が開始され、ワークの加工が開始される。

本実施の形態では、ワークの加工が開始される前に、第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂによって、第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂの測定対象部位とコラム１０の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂとの間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離ａｘ’、ａｙ’、ａｚ’、及び、ｂｘ’、ｂｙ’、ｂｚ’が測定される。そして、制御装置２００内の姿勢変化評価部２１０によって、第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂにおけるＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の基準距離に対する変位が評価される。すなわち、第１測定対象部位１３ａにおけるＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の基準距離に対する変位は、それぞれ、ａｘ’−ａｘ（＝Δａｘ）、ａｙ’−ａｙ（＝Δａｙ）、ａｚ’−ａｚ（＝Δａｚ）であり、第２測定対象部位１３ｂにおけるＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の基準距離に対する変位は、それぞれ、ｂｘ’−ｂｘ（＝Δｂｘ）、ｂｙ’−ｂｙ（＝Δｂｙ）、ｂｚ’−ｂｚ（＝Δｂｚ）である。

そして、姿勢変化評価部２１０は、コラム１０の変形に起因する主軸頭２０の姿勢変化による主軸先端の不所望の変位δをＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向について評価する。この評価に関し、図４のコラム１０が変形する際の、第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂ及び主軸先端の変位を説明するための図が、図８に示されている。まず、Ｘ軸方向における主軸頭２０の姿勢変化について検討する。図８に示すように、第２測定対象部位１３ｂのＺ座標をＺｂ、測定対象部位１３ａのＺ座標をＺａ、第１測定対象部位１３ａからコラム１０の姿勢変化を考慮しない場合の名目上の主軸２２の位置まで、具体的には主軸２２を駆動する駆動系に対して定められた基準位置Ｐまでの距離をｌ、コラム１０の姿勢変化を考慮しない場合の第１測定対象部位１３ａと第２測定対象部位１３ｂとを結ぶ直線距離をＬ、コラム１０の姿勢変化を考慮した場合の実際の主軸先端Ｐ’と名目上の主軸２２の基準位置Ｐとの間の距離（変位）をδとすると、この変位δのＸ軸方向の成分δｘは、次の式で表される。なお、実際の主軸先端の変位を算出する際には、本計算による変位に加え、主軸本体の傾きの影響も考慮することが好ましい。

［数１］
δｘ＝Δａｘ＋ｍｘｌ （但し、ｍｘ＝（Δａｘ−Δｂｘ）／Ｌ）

以上の検討結果は、Ｙ軸方向における主軸頭２０の姿勢変化を評価する場合についても同様である。すなわち、変位δのＹ軸方向の成分δｙは、次の式で表される。
［数２］
δｙ＝Δａｙ＋ｍｙｌ （但し、ｍｙ＝（Δａｙ−Δｂｙ）／Ｌ）

また、Ｚ軸方向についても、同様に評価できる。
［数３］
δｚ＝Δａｚ＋ｍｚｌ （但し、ｍｚ＝（Δａｚ−Δｂｚ）／Ｌ）

以上の各式において、δは、直交３軸に分解して演算される。但し、第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂは共に１つのコラム１０の上面に存在しているため、ΔａｚとΔｂｚとが全く異なる値となることは物理的に考えられない。このため、本実施の工作機械１００には、第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂ間の距離が一定以上変動するような異常な姿勢変化が生じた際にアラームを発する監視システムが設けられていることが好ましい。

姿勢変化評価部２１０による評価結果は、補正データ生成部２２０に送信され、当該補正データ生成部２２０よって、主軸先端の変位を補正するための補正データが生成される。補正データの生成自体については、公知の各種のアルゴリズムが援用され得る。生成された補正データは、主軸先端の位置を制御（補正）する制御部２３に送信される。そして、当該制御部２３は、受信した補正データに従って主軸先端の位置を制御（補正）する。制御部２３による制御の具体的内容については、公知の各種アルゴリズムが援用され得る。

以上のような本実施の形態によれば、鉛直方向（Ｙ軸方向）、及び、水平面内の互いに直交する２方向（Ｘ軸方向及びＺ軸方向）について、第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂの測定対象部位とコラム１０の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂとの間の距離を第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂによって直接的に測定することによって、コラム１０の熱的変位を低コストで高精度に測定することができる。このことにより、コラム１０の姿勢変化を低コストで高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークの正確な加工が実現可能な工作機械３００を提供することができる。

特に、本実施の形態によれば、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向について、第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂの測定対象部位とコラム１０の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂとの間の距離を第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂによって直接的に測定することによって、コラム１０の熱的変位を低コストで一層高精度に測定することができる。このことにより、コラム１０の姿勢変化を低コストでより一層高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークの正確な加工が実現可能な工作機械３００を提供することが可能となる。

また、本実施の形態では、第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂの測定対象部位に対して、コラム１０の上面において所定の距離を隔てた第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂが関連付けられており、水平面内の互いに直交する２方向は、主軸２２の軸線方向と水平面内において当該主軸２２の軸線方向と直交する方向とであり、第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂは、第１基準バー３０ａの測定対象部位とコラム１０の第１測定対象部位１３ａとの間の、鉛直方向、主軸２２の軸線方向、及び、水平面内において主軸２２の軸線方向に直交する方向、のそれぞれの距離と、第２基準バー３０ｂの測定対象部位とコラム１０の第２測定対象部位１３ｂとの間の、鉛直方向、及び、水平面内において主軸２２の軸線方向に直交する方向、のそれぞれの距離と、を測定するようになっており、姿勢変化評価部２１０は、第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂによるそれぞれの距離の測定結果に基づいてコラム１０の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂを結ぶ直線の傾きを評価することによって、主軸頭２０の姿勢変化を評価するようになっている。このため、計算プロセスが単純であり、コラムの姿勢変化を迅速に評価することができる。

更に、第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂは、ワークの加工が開始される前に、第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂの測定対象部位とコラム１０の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂとの間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離を測定するようになっており、姿勢変化評価部２１０は、測定された各距離を当該姿勢変化評価部２１０に格納されている第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂの各基準距離と比較することによって、コラム１０の姿勢変化を評価するようになっている。このため、各軸方向の変位の評価が容易である。

更に、第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂは、３０℃乃至１００℃における線膨張係数が０．２９×１０^−６／℃である。このため、第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂには熱的変位がほとんど発生しないため、当該第１及び第２基準バー３０ａ、３０ｂの測定対象部位とコラム１０の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂとの間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離を当該コラム１０の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂの熱的変位として取り扱うことができる。

更に、本実施の形態では、測定手段として、コラム１０の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂに支持された接触式の第１及び第２変位センサ４０ａ、４０ｂが採用されている。このため、各基準バー３０ａ、３０ｂの測定対象部位とコラム１０の第１及び第２測定対象部位１３ａ、１３ｂとの間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離を容易に高精度で測定することができる。

なお、前述の通り、ΔａｚとΔｂｚとが全く異なる値となることは物理的に考えられない。このため、第２Ｚ軸変位センサ４３ｂを省略し、第１測定対象部位１３ａにおいて生じた変位Δａｚが測定対象部位１３ｂにおいても生じているものとして主軸頭２０の姿勢変化を評価することも可能である。すなわち、この場合、変位δのＺ軸方向の成分δｚは、次の式で表される。
［数４］
δｚ＝Δａｚ

あるいは、変位δのＺ軸方向の成分δｚを、ΔａｚとΔｂｚとの平均値（（Δａｚ＋Δｂｚ）／２）に等しいもの、あるいは、Δｂｚに等しいものとして扱っても良い。但し、第２測定対象部位１３ｂよりも第１測定対象部位１３ａの方が主軸先端に近い位置にあるため、当該主軸先端に生じている変位（位置ズレ）をより正確に評価できると推定される。

なお、以上のような図８に基づく主軸先端の変位の補正計算は一例であり、他の手法によって主軸先端の変位を評価しても良い。例えば、変位センサの実測値と事前の試験により予め取得された主軸先端の変位の測定データとによる別の類似式で代用しても良い。

なお、本実施の形態の工作機械３００として、単一のコラム１０を有する工作機械を例示して説明したが、水平主軸を有している工作機械であれば、複数のコラムを有していても良い。例えば、２本のコラムを有するマシニングセンタにおいては、当該２本のコラムの各々に１組の基準バー及び変位センサを設置することにより、前述の計算式に基づいて主軸先端の変位を評価することができる。あるいは、当該２本のコラムの各々に複数組（例えば２組）の基準バー及び変位センサを設置し、当該複数組の変位センサの測定結果に基づいてコラム毎に測定対象部位の変位を決定し、前述の計算式に当該変位を適用することにより、主軸先端の変位を評価しても良い。

なお、単一のコラムを有する工作機械においては、当該コラムに１組の基準バー及び変位センサを設置することにより、主軸先端の変位を評価することも可能である。この変形例における主軸先端の変位の評価方法の一例について、図９及び図１０を参照して説明する。

図９は、本発明の第２の実施の形態における工作機械に使用されているコラム４１０の上部の詳細を示す部分的な概略斜視図であり、図１０は、図９のコラム４１０が変形する際の測定対象部位４１３ａ及び主軸先端の変位δを説明するための図である。

本実施の形態のコラム４１０には、主軸頭に最も近い角部のみに鉛直方向（図９におけるＹ軸方向）に貫通孔４１２ａが形成されており、当該貫通孔４１２ａ内に基準バー４３０ａが挿入されている。更に、コラム４１０の上面には、基準バー４３０ａに対応して測定対象部位４１３ａが関連付けられている。この測定対象部位４１３ａには、接触式の変位センサ４４０ａが設置されており、基準バー４３０ａの測定対象部位とコラム４１０の測定対象部位４１３ａとの間の鉛直方向、及び、水平面内の互いに直交する２方向（図９におけるＸ軸方向及びＺ軸方向）、のそれぞれの距離が測定されるようになっている。具体的には、本実施の形態の変位センサ４４０ａも、鉛直方向の変位ないし距離を検出するＹ軸変位センサ４４１ａと、水平面内の互いに直交する２方向の変位ないし距離を検出するＸ軸変位センサ４４２ａ及びＺ軸変位センサ４４３ａと、を有していて、この変位センサ４４０ａによって、測定対象部位４１３ａと基準バー４３０ａの測定対象部位との間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の変位ないし距離が測定されるようになっている。

そして、例えば加工機の精度調整の際に、予め定められた基準条件下において、変位センサ４４０ａによって、基準バー４３０ａの上部の測定対象部位とコラム４１０の上面の測定対象部位４１３ａとの間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離ａｘ、ａｙ、ａｚが予め測定され、当該各距離ａｘ、ａｙ、ａｚが、制御装置２００（図７参照）内の姿勢変化評価部２１０（図７参照）に基準距離として格納されるようになっている。また、姿勢変化評価部２１０には、予め、コラム４１０の上面に位置する、測定対象部位４１３ａとは異なる点である基準座標（図１０における点Ｏの座標）が格納されており、後述されるように、この基準座標に対する測定対象部位４１３ａの変位に基づいて、主軸頭２０の姿勢変化が評価されるようになっている。ここでは、基準座標は、この基準座標と測定対象部位４１３ａとを結ぶ直線がＺ軸と平行になるように設定されている。その他の構成は、第１の実施の形態の工作機械３００と同様であるため、その詳細な説明は省略する。

主軸先端の変位を評価するに際し、本変形例においても、ワークの加工が開始される前に、変位センサ４４０ａによって、基準バー４３０ａの測定対象部位とコラム４１０の測定対象部位４１３ａとの間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離ａｘ’、ａｙ’、ａｚ’が測定される。そして、制御装置２００内の姿勢変化評価部２１０によって、コラム４１０の測定対象部位４１３ａにおけるＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の基準距離に対する変位（ａｘ’−ａｘ（＝Δａｘ）、ａｙ’−ａｙ（＝Δａｙ）、ａｚ’−ａｚ（＝Δａｚ））が評価される。

以上の評価結果に基づいて、姿勢変化評価部２１０は、コラム４１０の姿勢変化を評価する。この評価に関し、図９のコラム４１０が変形する際の、測定対象部位４１３ａ及び主軸先端の変位を説明するための図が、図１０に示されている。まず、Ｘ軸方向における主軸頭２０の姿勢変化について検討する。図１０に示すように、点ＯのＺ座標をＺＯ、測定対象部位４１３ａのＺ座標をＺａ、測定対象部位４１３ａからコラム４１０の姿勢変化を考慮しない場合の名目上の主軸先端Ｐまでの距離をｌ、コラム１０の姿勢変化を考慮しない場合の測定対象部位１３ａと基準座標とを結ぶ直線距離をＬ、コラム４１０の姿勢変化を考慮した場合の実際の主軸先端Ｐ’と名目上の主軸先端Ｐとの間の距離（変位）をδとすると、この変位δのＸ軸方向の成分δｘは、次の式で表される。
［数５］
δｘ＝Δａｘ＋ｍｘｌ （但し、ｍｘ＝Δａｘ／Ｌ）

以上の検討結果は、Ｙ軸方向における主軸頭２０の姿勢変化を評価する場合についても同様である。すなわち、変位δのＹ軸方向の成分δｙは、次の式で表される。
［数６］
δｙ＝Δａｙ＋ｍｙｌ （但し、ｍｙ＝Δａｙ／Ｌ）

一方、Ｚ軸方向については、測定対象部位４１３ａにおいて生じた変位Δａｚが点Ｏにおいても生じているものとして、主軸頭２０の姿勢変化が評価される。これは、測定対象部位４１３ａ及び点Ｏがいずれもコラム４１０上の点であることにより、測定対象部位４１３ａと点Ｏとの間のＺ軸方向の距離が保存されるためである。すなわち、変位δのＺ軸方向の成分δｚは、次の式で表される。
［数７］
δｚ＝Δａｚ

そして、第１の実施の形態と同様に、姿勢変化評価部２１０による評価結果は、補正データ生成部２２０に送信され、当該補正データ生成部２２０よって、主軸先端の変位を補正するための補正データが生成される。生成された補正データは、主軸先端の位置を制御（補正）する制御部２３に送信される。そして、当該制御部２３は、受信した補正データに従って主軸先端の位置を制御（補正）する。

以上のような変形例においても、鉛直方向（Ｙ軸方向）、及び、水平面内の互いに直交する２方向（Ｘ軸方向及びＺ軸方向）について、基準バー４３０ａの測定対象部位とコラム４１０の測定対象部位４１３ａとの間の距離を変位センサ４４０ａによって直接的に測定することによって、コラム４１０の熱的変位を低コストで高精度に測定することができる。このことにより、コラム４１０の姿勢変化を低コストで高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークの正確な加工が実現可能な工作機械を提供することができる。

なお、本実施の形態及び前述の変形例の説明においては、コラムが基礎５１またはベッド５２上に固定されているものとして説明したが、コラムが基礎５１またはベッド５２上を移動するタイプの工作機械であっても良い。この場合、コラムに設けた貫通孔内に基準バーの水平方向への変位を規制するガイド部材（例えば軸受）を設け、主軸先端のＹ軸方向のみの変位を評価することが可能である。

工作機械が２本の移動式のコラムを有する場合は、各コラムに１組の基準バー及び変位センサを設置しても良いし、複数組の基準バー及び変位センサを設置しても良い。いずれの場合においても、本実施の形態において説明した計算式に基づいて主軸先端の変位を評価することが可能である。あるいは、変位センサの実測値と試験による変位の実測データとによる別の類似式に基づいて主軸先端の変位を評価しても良い。

また、工作機械が単一の移動式のコラムを有する場合にも、当該コラムに１組の基準バー及び変位センサを設置しても良いし、複数組の基準バー及び変位センサを設置しても良い。これらの場合においても、本実施の形態及び前述の変形例において示した計算式に基づいて主軸先端の変位を評価することが可能である。あるいは、変位センサの実測値と試験による変位の実測データとによる別の類似式に基づいて主軸先端の変位を評価しても良い。

次に、図１１乃至図２０を参照して本発明の第２の実施の形態の工作機械について説明するが、これに先立ち、図１１及び図１２を参照して、２つの変位センサ８４０ａ、８４０ｂに基づくコラム８１０の変位（姿勢変化）の評価原理を説明する。図１１は、本実施の形態によるコラム８１０の姿勢変化の評価原理を説明するための図であり、図１２は、変形状態の図１１のコラム８１０を円弧状に近似している図である。

コラム８１０には、図１１に示すように、左手前の壁部の左右両側に鉛直方向に延びる２つの貫通孔８１２ａ、８１２ｂが形成されており、当該貫通孔８１２ａ、８１２ｂのそれぞれに基準バー８３０ａ、８３０ｂが挿入されている。更に、コラム８１０の上部には、基準バー８３０ａ、８３０ｂに対応して２箇所の測定対象部位８１３ａ、８１３ｂが関連付けられている。更に、それぞれの測定対象部位８１３ａ、８１３ｂには、接触式の変位センサ８４０ａ、８４０ｂが設置されており、基準バー８３０ａ、８３０ｂの測定対象部位とコラム８１０の測定対象部位８１３ａ、８１３ｂとの間の鉛直方向の距離が測定されるようになっている。

そして、例えば加工機の精度調整の際に、予め定められた基準条件下において、変位センサ８４０ａ、８４０ｂによって、基準バー８３０ａ、８３０ｂの上面の測定対象部位とコラム８１０の上面の２つの測定対象部位８１３ａ、８１３ｂとの間の鉛直方向の距離ａ、ｂが予め測定される。測定された距離ａ、ｂは、制御装置２００内の姿勢変化評価部２１０（図１９参照）に基準距離ａ、ｂとして格納される。

次に、ワークＷの加工が開始される前に、変位センサ８４０ａ、８４０ｂによって、基準バー８３０ａ、８３０ｂの測定対象部位とコラム８１０の２箇所の測定対象部位８１３ａ、８１３ｂとの間の鉛直方向の距離ａ’、ｂ’が測定される。

そして、制御装置２００内の姿勢変化評価部２１０によって、コラム４１０の各測定対象部位８１３ａ、８１３ｂにおける鉛直方向の変位（ａ’−ａ（＝Δａ）、ｂ’−ｂ（＝Δｂ））が評価される。姿勢変化評価部２１０は、更に、Δａ−Δｂ（＝δ）を評価する。

以上の評価結果に基づいて、姿勢変化評価部２１０は、例えば、次のようにしてコラム８１０の姿勢変化を評価する。すなわち、この時のコラム８１０は、Ｚ軸の負の側から正の側に向かって（図１１の右上の方向から）見ると、図１２に示すように、内周Ｈ、外周Ｈ＋δ、内径Ｒ、外径Ｒ＋Ｂの円弧（中心角θ）を構成するものとして近似できる。この時、Ｒθ＝Ｈ、及び、
（Ｒ＋Ｂ）θ＝Ｈ＋δ
の各関係式が成立する。これら２式をθについて解くと、θはδをパラメータとした関数として求めることができる。すなわち、
θ＝ｆ（δ）・・・(1)
という関係が得られる。ここで、Ｈはコラム８１０の長さ（高さ）を示しており、Ｂはコラム８１０の幅を示している。

姿勢変化評価部２１０は、評価されたδ（＝Δａ−Δｂ）を前記(1)式に代入することにより、θを評価する。そして、当該θに基づいてコラム８１０の傾きを直線で近似することにより、当該コラム８１０のＸ軸方向（図１１参照）の姿勢変化を評価する。

続いて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１３は、本発明の第２の実施の形態の工作機械６００の概略正面図であり、図１４は、図１３の工作機械６００の概略平面図である。

図１３に示すように、本実施の形態の工作機械６００は、加工機１００と当該加工機１００を制御する制御装置２００とを有している。

本実施の形態の加工機１００は、例えば横中ぐり盤であり、図１３及び図１４に示すように、水平方向に延びる主軸（中ぐり軸）２２を支持するラム２１を有する主軸頭２０と、当該主軸頭２０を側面に支持する角柱状のコラム１０と、を有している。本実施の形態の主軸２２は、直径１８０ｍｍの円柱形状となっており、前方（図１４における下方）の端部には、所望の加工工具が着脱可能に取り付けられるようになっている。

本実施の形態では、主軸２２を支持するラム２１は、一辺が略５００ｍｍの正方形の横断面を有する角柱状となっており、主軸２２を主軸方向（図１４における上下方向）に摺動（繰り出し）可能に支持している。当該ラム２１自体も、主軸頭２０に形成された一辺が略５００ｍｍの正方形の横断面を有する孔部に挿入されて水平に支持されており、主軸頭２０に対して主軸２２の軸線方向に摺動（繰り出し）可能となっている。

本実施の形態では、ラム２１は主軸頭２０に対して最大で１，４００ｍｍの繰り出しが可能である。更に、主軸（中ぐり軸）２２は、ラム２１に対して最大で１，２００ｍｍの繰り出しが可能である。すなわち、主軸２２の先端に取り付けられた加工工具は、加工機１００に対して最大で２，６００ｍｍもの長さに亘って主軸方向へ移動可能となっている。

更に、本実施の形態のコラム１０は、図１３及び図１４に示すように、台座１４を介してベッド５２上に支持されており、当該台座１４に設けられた既知の駆動機構によって、ベッド５２上を左右方向（図１３及び図１４における左右方向）に移動可能となっている。

図１５は、図１３の右方から見た、主軸頭２０及びコラム１０の概略側面図である。図１５に示すように、本実施の形態の主軸頭２０は、主軸２２の軸線を水平に維持した状態でコラム１０の側面に位置している。本実施の形態のコラム１０は金属製であり、一辺が１，６００ｍｍの略正方形状の横断面を有する高さ６，６５０ｍｍの角柱状となっている。また、本実施の形態の主軸頭２０は、既知の駆動機構、例えばボールネジ１６及び当該ボールネジ１６を駆動するサーボモータ１７、によって上下方向（図１３における上下方向）に移動可能となっている。本実施の形態では、当該駆動機構による主軸頭２０の上下方向への移動を支援するべく、当該主軸頭２０は、コラム１０内に配置されたバランスウェイトに一端が連結されており加工機１００の上部に設けられた滑車を介して垂下している、ワイヤ１５の他端に連結されて、吊り下げられている。更に、主軸頭２０には、コラム１０に面する領域に被ガイド部（溝部）が設けられており、当該被ガイド部は、当該主軸頭２０がワイヤ１５によって吊り下げられた状態で、コラム１０の一側面に一体的に設けられたガイド部（レール）１１（図１６参照）に係合されている。

図１６は、図１３の工作機械６００に使用されているコラム１０の概略斜視図であり、図１７は、本発明の第２の実施の形態の基準バー３０の概略側面図である。図１６に示すように、本実施の形態のコラム１０には、鉛直方向に延びる直径が６４ｍｍの第１〜第４貫通孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが形成されている。本実施の形態では、第１〜第４貫通孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、コラム１０の角部（横断面における矩形の頂点）の近傍に設けられている。

また、図１６に示すように、本実施の形態の第１〜第４貫通孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄには、第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄが挿入されている。本実施の形態の第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、図１７に示すように、下端部に雄ネジ部３１が形成された直径３０ｍｍの円柱形状となっており、当該雄ネジ部３１がコラム１０の台座１４に設けられた雌ネジ部に螺着されるようになっている。更に、この状態で、第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、コラム１０の第１〜第４貫通孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに設けられた円環状の滑り軸受に挿通されて支持されており、コラム１０の鉛直方向への伸縮と干渉しないように配置されている。

また、本実施の形態の第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、コラム１０の鉛直方向の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有している。具体的には、本実施の形態の第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの３０℃乃至１００℃における鉛直方向の線膨張係数は、０．２９×１０^−６／℃である。

図１８は、図１３のコラム１０の上部の詳細を示す部分的な概略斜視図である。図１８に示すように、コラム１０の上部の第１〜第４測定対象部位１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄには接触式の第１〜第４変位センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄが設置されており、当該第１〜第４測定対象部位１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄと第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの測定対象部位との間の鉛直方向の距離が測定されるようになっている。図１８では、変位センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄが、拡大されて示されている。

また、図１９は、本発明の第３の実施の形態の制御装置２００の概略的なブロック図である。本実施の形態では、変位センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄの出力信号は、制御装置２００に送信されるようになっている。当該制御装置２００は、図１９に示すように、第１〜第４変位センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄによる測定結果に基づいてコラム１０の姿勢変化を評価する姿勢変化評価部２１０と、姿勢変化評価部２１０の評価結果に基づいて主軸２２の先端の変位を補正するためのデータを生成する補正データ生成部２２０と、を有している。補正データ生成部２２０は、主軸２２の先端の位置を制御する制御部２３に接続されており、生成された補正データが当該制御部２３に向けて出力されるようになっている。

次に、本実施の形態の工作機械６００の作用について説明する。

まず、主軸２２の先端に、所望の加工工具（フライスカッター等）が取り付けられる。

次に、ユーザによって、加工対象のワークＷが所定の位置に設置されると共に、制御装置２００に所望の加工データが入力される。加工機１００は、当該加工データに基づいて制御される。次に、前記加工データに基づいて、主軸頭２０がボールネジ１６を介して鉛直方向に所望の位置に移動される。そして、主軸２２を支持するラム２１が、ワークＷに向かって水平方向に繰り出される。

その後、主軸頭２０内の主軸駆動機構によって主軸２２の回転が開始され、加工工具の先端に向かって切削液の供給が開始され、ワークＷの加工が開始される。

本実施の形態では、ワークＷの加工が開始される前に、第１〜第４変位センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄによって、第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの上面の測定対象部位とコラム１０の上面の第１〜第４測定対象部位１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄとの間の鉛直方向の距離が測定される。

次に、測定された各距離は、姿勢変化評価部２１０によって、当該姿勢変化評価部２１０に格納されている第１〜第４測定対象部位１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの各基準距離と比較され、前述の測定原理に従って、コラム１０の姿勢変化が評価される。なお、各基準距離は、前述の通り、例えば加工機の精度調整の際に、予め定められた基準条件下において測定され、姿勢変化評価部２１０に予め格納されている。

本実施の形態では、４箇所の測定結果に基づいて、Ｚ軸方向（主軸方向）及びＸ軸方向（水平面内におけるＺ軸に垂直な方向）の２方向について、コラム１０の傾きを評価することができる。すなわち、姿勢変化評価部２１０によって、コラム１０の第１〜第４測定対象部位１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄにおける鉛直方向への変位（ａ’−ａ（＝Δａ）、ｂ’−ｂ（＝Δｂ）、ｃ’−ｃ（＝Δｃ）、ｄ’−ｄ（＝Δｄ））が評価される。そして、姿勢変化評価部２１０は、例えば、２つの変位の平均値同士の差
（Δｃ＋Δｂ）／２−（Δｄ＋Δａ）／２（＝δｘ）、及び、
（Δｃ＋Δｄ）／２−（Δｂ＋Δａ）／２（＝δｚ）
を評価する。そして、δｘ及びδｚをそれぞれ前記(1)式のδに代入することにより、Ｘ軸方向及びＺ軸方向それぞれについてθを評価する。そして、姿勢変化評価部２１０は、当該θに基づいてコラム１０の傾きを直線で近似することにより、当該コラム１０のＸ軸方向及びＺ軸方向の姿勢変化を評価する。

姿勢変化評価部２１０による評価結果は、補正データ生成部２２０に送信され、当該補正データ生成部２２０よって、主軸２２の先端の変位を補正するための補正データが生成される。補正データの生成自体については、公知の各種のアルゴリズムが援用され得る。

当該補正データは、主軸２２の先端の位置を制御（補正）する制御部２３に送信される。

そして、当該制御部２３は、送信された補正データに従って主軸２２の先端の位置を制御（補正）する。制御部２３による制御の具体的内容については、公知の各種アルゴリズムが援用され得る。

以上のような本実施の形態によれば、コラム１０と第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄとの間の鉛直方向の線膨張係数の相異に基づいて、コラム１０の第１〜第４測定対象部位１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄと第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの測定対象部位との間の鉛直方向の距離を第１〜第４変位センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄによって直接的に測定することによって、コラム１０の熱的変位を低コストで高精度に測定することができる。このことによりコラム１０の姿勢変化を低コストで高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸２２の先端の変位を補正してワークＷの精確な加工を実現可能な工作機械６００を提供することが可能となる。

特に、本実施の形態によれば、コラム１０と第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄとの間の鉛直方向の線膨張係数の相異に基づいて、コラム１０の第１〜第４の測定対象部位１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄと第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの各測定対象部位との間の鉛直方向の距離を第１〜第４変位センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄによって直接的に測定することによって、コラム１０の熱的変位を低コストでより一層高精度に測定することができる。このことにより、コラム１０の姿勢変化を低コストでより一層高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸２２先端の変位を補正してワークＷの精確な加工を実現可能な工作機械６００を提供することが可能となる。

更に、第１〜第４変位センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄは、ワークＷの加工が開始される前に、第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの測定対象部位とコラム１０の第１〜第４測定対象部位１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄとの間の鉛直方向の距離を測定するようになっており、姿勢変化評価部２１０は、測定された各距離を当該姿勢変化評価部２１０に格納されている第１〜第４測定対象部位１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの各基準距離と比較することによって、コラム１０の姿勢変化を評価するようになっている。

更に、第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、３０℃乃至１００℃における鉛直方向の線膨張係数が０．２９×１０^−６／℃である。このため、第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄには鉛直方向の熱的変位がほとんど発生しないため、当該各基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの測定対象部位とコラム１０の第１〜第４測定対象部位１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、３０ｄとの間の鉛直方向の距離を当該コラム１０の第１〜第４測定対象部位１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの鉛直方向の熱的変位として取り扱うことができる。

また、本実施の形態では、コラム１０には、鉛直方向に延びる第１〜第４貫通孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが形成されており、第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、第１〜第４貫通孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに設けられた滑り軸受によって支持されている。このため、コラム１０の鉛直方向における伸縮と干渉しないような態様で、第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを配置することができる。

更に、本実施の形態では、測定手段として、コラム１０の第１〜第４測定対象部位１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄに支持された４つの接触式の変位センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄが採用されている。このため、第１〜第４基準バー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの測定対象部位とコラム１０の第１〜第４測定対象部位１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄとの間の鉛直方向の距離を容易に高精度で測定することができる。

次に、図２０を用いて、本発明の第３の実施の形態を説明する。図２０は、本発明の第３の実施の形態の工作機械７００におけるコラム５１０の上部の詳細を示す部分的な概略斜視図である。本実施の形態では、図２０に示すように、コラム５１０の３つの角部に鉛直方向に延びる第１〜第３貫通孔５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃが形成されており、各貫通孔５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃには、第１〜第３基準バー５３０ａ、５３０ｂ、５３０ｃが挿入されている。更に、コラム５１０の上部には、第１〜第３基準バー５３０ａ、５３０ｂ、５３０ｃに対応して第１〜第３測定対象部位５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃが関連付けられている。

本実施の形態においても、各測定対象部位５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃには、第２の実施の形態と同様の接触式の第１〜第３変位センサ５４０ａ、５４０ｂ、５４０ｃが設置されており、各基準バー５３０ａ、５３０ｂ、５３０ｃの測定対象部位とコラム５１０の各測定対象部位５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃとの間の鉛直方向の距離がそれぞれ測定されるようになっている。その他の構成については、第２の実施の形態と同様である。

本実施の形態でも、前述の測定原理に従って、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の２方向について、コラム５１０の傾きが評価される。すなわち、姿勢変化評価部２１０によって、コラム５１０の各測定対象部位５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃにおける鉛直方向への変位（ａ’−ａ（＝Δａ）、ｂ’−ｂ（＝Δｂ）、ｃ’−ｃ（＝Δｃ））が評価される。そして、姿勢変化評価部２１０は、例えば、
Δｂ−（Δａ＋Δｃ）／２（＝δｘ）、及び、
Δｃ−Δａ（＝δｚ）
を評価する。そして、δｘ及びδｚをそれぞれ前記(1)式のδに代入することにより、Ｘ軸方向及びＺ軸方向それぞれについてθを評価する。そして、姿勢変化評価部２１０は、当該θに基づいてコラム５１０の傾きを直線で近似することにより、当該コラム５１０のＸ軸方向及びＺ軸方向の姿勢変化を評価する。

なお、工作機械の設置場所の環境に応じて、コラム５１０の姿勢変化の評価精度が最も高くなるようなδｘ及びδｚの式の組、例えば、
Δｂ−（Δａ＋Δｃ）／２（＝δｘ）、及び、
Δｃ−（Δｂ＋Δａ）／２（＝δｚ’）
等を実測値から特定し、当該式の組を採用することも可能である。

そして、姿勢変化評価部２１０による評価結果は、補正データ生成部２２０に送信され、第２の実施の形態と同様に主軸先端の変位の補正が実行される。

なお、図２０においては、貫通孔５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃは、コラム５１０の３つの角部の近傍に設けられているが、これに限定されない。第１〜第３貫通孔５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃの内の少なくとも１つが、隣接する２つの角部間の中点に配置されていてもよい（例えば、第１〜第３貫通孔５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃの内の２つはコラム５１０の２つの隣接する角部の近傍に設けられ、貫通孔５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃの内の残り１つが残りの２つの角部の中点に配置されていてもよい）。

本実施の形態によれば、コラム５１０と第１〜第３基準バー５３０ａ、５３０ｂ、５３０ｃとの間の鉛直方向の線膨張係数の相異に基づいて、コラム５１０の第１〜第３測定対象部位５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃと各基準バー５３０ａ、５３０ｂ、５３０ｃの測定対象部位との間のそれぞれの鉛直方向の距離が、第１〜第３変位センサ５４０ａ、５４０ｂ、５４０ｃによって直接的に測定される。これにより、コラム５１０の熱的変位を低コストでより一層高精度に測定することができる。このことにより、コラム５１０の姿勢変化を低コストでより一層高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークＷの正確な加工を実現可能な工作機械を提供することが可能となる。

なお、第２及び第３の実施の形態において、基準バー３０、５３０は、単一の部材によって形成されている必要はなく、例えば、複数の基準バー要素が連結されて構成されていてもよい。この場合、各基準バー要素の下端部には係合部（例えば雄ネジ部）が形成されており、上端部には当該係合部と係合する被係合部（例えば雌ネジ部）が形成されている。

また、変位センサ４０、５４０は、接触式に限られず、非接触式（例えば光学式）であってもよい。この場合にも、基準バー３０、５３０の測定対象部位とコラム１０、５１０の測定対象部位１３、５１３との間の鉛直方向の距離を容易に高精度で測定することができる。

更に、各実施の形態において、変位センサ４０、５４０は、コラム１０、５１０の測定対象部位１３、５１３に設置されているが、これとは逆に、基準バー３０、５３０の測定対象部位に設置されていてもよい。

また、各実施の形態では、基準バー３０、５３０は円柱状の部材であるが、他の形状、例えば角柱状や多角柱状、であってもよい。更に、その材質も低熱膨張材に限られず、棒状に加工できる材料であれば他の材質であってもよい。

この場合にも、コラム１０、５１０の各測定対象部位１３、５１３と、基準バー３０、５３０との間の距離が測定されることにより、コラム１０、５１０の姿勢変化を評価することが可能である。

あるいは、変位センサ４０、５４０によって基準バー３０、５３０の測定対象部位とコラム１０、５１０の測定対象部位１３、５１３との間の鉛直方向の距離が逐次的に測定されるようになっており、姿勢変化評価部によって当該鉛直方向の距離同士が逐次的に比較されることにより、コラム１０、５１０の姿勢変化が逐次的に評価されるようになっていてもよい。この場合、コラム１０、５１０の姿勢変化に起因する主軸先端の変位をより滑らかに補正することができる。

なお、以上の説明においては、基準バーに対応してコラムの上部に関連付けられた測定対象部位が２箇所、３箇所及び４箇所である場合について例示されたが、当該測定対象部位は５箇所以上であってもよい。すなわち、例えば、基準バーの測定対象部位に対してコラムの上面において所定の距離を隔てた５箇所の測定対象部位が関連付けられており、測定手段が、基準バーの測定対象部位とコラムの５箇所の測定対象部位との間の鉛直方向の距離を測定するようになっており、姿勢変化評価部が、測定手段による５つの鉛直方向の距離の測定結果に基づいてコラムの姿勢変化を評価するようになっている、という工作機械であってもよい。この場合も、前述の各実施の形態と同様に、主軸先端の変位の補正が好適に実行され得る。

次に、図２１〜図２７を参照して、本発明の第４の実施の形態を詳細に説明する。

図２１は、本発明の第４の実施の形態の工作機械１３００の概略斜視図である。図２１に示すように、本実施の形態の工作機械１３００は、加工機１１００と当該加工機１１００を制御する制御装置１２００とを有している。

本実施の形態の加工機１１００は、門形のマシニングセンタであり、図２１に示すように、基礎１０５１と、鉛直方向に直立するように所定の間隔を空けて当該基礎１０５１上に固定された角柱状の第１コラム１０１０及び第２コラム１０１１と、第１コラム１０１０及び第２コラム１０１１に適宜の支持機構によって支持され、水平方向に延びているクロスレール１０１４と、クロスレール１０１４に支持され、工具取付のための鉛直主軸を支持している主軸頭１０２０と、を有している。本実施の形態の第１コラム１０１０と第２コラム１０１１とは、クロスレール１０１４と平行なブレース１０１９によって上部が連結されている。なお、鉛直主軸とは、回転中心軸が鉛直になっている主軸を意味する。

図２１に示すように、本実施の形態の工作機械１３００は、基礎１０５１と基礎１０５１上にレベリングブロック１０５３を介して固定されたベッド１０５２とを有している。これら基礎１０５１及びベッド１０５２は、第１の実施の形態と同様に、例えば次のようにして設置される。すなわち、本実施の形態の工作機械１３００が設置される場所の床面に１次穴を設け、この１次穴に、木材等で２次穴が確保されるようにした状態でコンクリートを流し込み、基礎１０５１が敷設される。そして、ベッド１０５２に基礎ボルト及びレベリングブロック１０５３が取り付けられ、この状態で、前記２次穴に基礎ボルトが入るようにベッド１０５２を複数の地点で支持し、ジャッキ（仮芯治具）等でベッド１０５２を基礎１０５１上に仮置する。そして、ベッド１０５２の水平を仮調整した後、前記２次穴にコンクリート（及び硬化剤）を流し込み、基礎施工が完了する。２次穴のコンクリートが硬化した後、ジャッキ等を取り外し、レベリングブロック１０５３を調整することで、構造物（ベッド１０５２及び各コラム１０１０、１０１１）の水平を確保する。以上から明らかなように、本実施の形態のベッド１０５２は、レベリングブロック１０５３を調整することによって、基礎１０５１に対する傾きが調整（修正）され得る。

図２１に示すように、本実施の形態のクロスレール１０１４には、第１コラム１０１０及び第２コラム１０１１に面する領域に被ガイド部（溝部）が設けられており、当該被ガイド部は、コラム１０１０の一側面に一体的に設けられたガイド部（レール）１０１７、１０１８に係合されている。このガイド部１０１７、１０１８は、公知のすべりガイドもしくは動圧ガイドでも良い。更に、本実施の形態のクロスレール１０１４は、公知の駆動機構によってガイド部１０１７、１０１８に沿って鉛直方向（図２１におけるＺ軸方向）に駆動されるようになっている。また、本実施の形態のクロスレール１０１４には、鉛直方向に貫通孔が形成されたサドル１０１５と、サドル１０１５の貫通孔内に支持され、当該貫通孔内を鉛直方向に摺動可能な角柱状のラム１０１６と、が設けられている。

また、本実施の形態では、図示されていないが、主軸の先端部に所望の加工工具が着脱可能に取り付けられるようになっている。本実施の形態の主軸は、主軸頭１０２０内に設けられた公知の主軸駆動機構により軸線回りに例えば５〜１００００ｍｉｎ−１での回転が可能であると共に、サドル１０１５内に設けられた駆動機構によってラム１０１６が移動（摺動）されることにより、鉛直方向に例えば最大９００ｍｍの繰り出しが可能である。

更に、ワークが載置される移動式のテーブル１０６０がベッド１０５２上に設置されている。このテーブル１０６０は、適宜の駆動機構によって、水平面内においてベッド１０５２の長手方向（図２１におけるＸ軸方向）に移動可能となっており、この移動によってワークに対する主軸のＸ軸方向の位置決めが行われるようになっている。また、本実施の形態では、主軸頭１０２０を支持するクロスレール１０１４が、コラム１０１０に沿って鉛直方向に移動可能となっており、この移動によってワークに対する主軸のＺ軸方向の位置決めが行われるようになっている。更に、本実施の形態のサドル１０１５は、クロスレール１０１４の長手方向（図２１におけるＹ軸方向）に沿って、適宜の駆動機構によって当該クロスレール１０１４上を移動可能となっており、この移動によって、ワークに対する主軸のＹ軸方向の位置決めが行われるようになっている。

図２２は、図２１の工作機械１３００の上部及び第１コラム１０１０の内部の詳細を示す部分的な概略斜視図であり、図２３は、図２１の工作機械１３００に使用されている基準バー１０３０の概略側面図である。図２２に示すように、本実施の形態の第１コラム１０１０には、鉛直方向に第１貫通孔１０１２ａが形成されており、第２コラム１０１１には、鉛直方向に第２貫通孔１０１２ｂが形成されている。本実施の形態では、各貫通孔１０１２ａ、１０１２ｂは、各コラム１０１０、１０１１のクロスレール１０１４に面する側面の近傍に主軸１０２０の軸線方向（図２２におけるＺ軸方向）に対し、直交する方向（図２２におけるＸ軸方向）に等距離に設けられている。

また、図２２に示すように、本実施の形態の各貫通孔１０１２ａ、１０１２ｂには、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂがそれぞれ挿入されている。本実施の形態の第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂは、図２３に示すように、下端部に雄ネジ部１０３１が形成された円柱形状となっており、当該雄ネジ部１０３１が各コラム１０１０、１０１１の下部に設けられた雌ネジ部に螺着されるようになっている。本実施の形態の各コラム１０１０、１０１１は、ガイド部１０１７、１０１８を介してクロスレール１０１４が鉛直に移動するように基礎１０５１に固定されたレベリングブロック１０５３が調整された状態で、当該レべリングブロック１０５３上に固定的に支持されている。本実施の形態では、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂは、工作機械１３００の通常使用において第１及び第２貫通孔１０１２ａ、１０１２ｂの内周面と干渉することがないように、基礎１０５１に固定されたレベリングブロック１０５３上に支持された各コラム１０１０、１０１１の下部に螺着されている。なお、他の実施の形態においては、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂは、水平の確保されたブロックなどを介して基礎１０５１に独立して固定されても良い。

また、本実施の形態の第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂは、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有しており、３０℃乃至１００℃における線膨張係数が０．２９×１０^−６／℃である。

図２２に戻って、本実施の形態の第１及び第２コラム１０１０、１０１１の上部には、第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂが、それぞれ設けられている。これら第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂには、接触式の第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂが設置されている。本実施の形態の第１変位センサ１０４０ａは、鉛直方向（図２２におけるＺ軸方向）の変位ないし距離を検出する第１Ｚ軸変位センサ１０４１ａと、水平面内の互いに直交する２方向（図２２におけるＸ軸方向及びＹ軸方向）の変位ないし距離を検出する第１Ｘ軸変位センサ１０４２ａ及び第１Ｙ軸変位センサ１０４３ａと、を有している。同様に、本実施の形態の第２変位センサ１０４０ｂは、Ｚ軸方向の変位ないし距離を検出する第２Ｚ軸変位センサ１０４１ｂと、水平面内の互いに直交する２方向の変位ないし距離を検出する第２Ｘ軸変位センサ１０４２ｂ及び第２Ｙ軸変位センサ１０４３ｂと、を有している。これらの第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂによって、第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂと第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂの各測定対象部位との間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の変位ないし距離が測定されるようになっている。本実施の形態の第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂには、接触式のデジタルセンサが採用されている。なお、図２２では、第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂが、拡大されて示されている。

また、図２４は、図２１の工作機械１３００に使用されている制御装置１２００の概略的なブロック図である。図２４に示すように、本実施の形態では、第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂの出力信号は、制御装置１２００に送信されるようになっている。当該制御装置１２００は、図２４に示すように、第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂによる測定結果に基づいて第１及び第２コラム１０１０、１０１１の姿勢変化を評価する姿勢変化評価部１２１０と、姿勢変化評価部１２１０の評価結果に基づいて主軸先端の変位（位置ズレ）を補正するためのデータを生成する補正データ生成部１２２０と、を有している。補正データ生成部１２２０は、主軸先端の位置を制御する制御部１０２３に接続されており、生成された補正データが当該制御部１０２３に向けて出力されるようになっている。

本実施の形態では、例えば加工機１１００の精度調整の際に、予め定められた基準条件下において、第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂによって、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂの上部の測定対象部位と第１及び第２コラム１０１０、１０１１の上面の第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂとの間の鉛直方向（図２２におけるＺ軸方向）及び水平面内の互いに直交する２方向（図２２におけるＸ軸方向及びＹ軸方向）の距離が測定されるようになっている。具体的には、第１及び第２Ｘ軸変位センサ１０４２ａ、１０４２ｂによって、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂの上部の測定対象部位と第１及び第２コラム１０１０、１０１１の上面の第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂとの間のＸ軸方向の距離ａｘ、ｂｘが測定され、主軸（サドル１０１５／クロスレール１０１４）の前倒れ、後倒れ及びひねりが確認されるようになっている。第１及び第２Ｙ軸変位センサ１０４１ａ、１０４１ｂによって、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂの上部の測定対象部位と第１及び第２コラム１０１０、１０１１の上面の第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂとの間のＹ軸方向の距離ａｙ、ｂｙが測定され、主軸（サドル１０１５／クロスレール１０１４）の左倒れ及び右倒れが確認されるようになっている。第１及び第２Ｚ軸変位センサ１０４３ａ、１０４３ｂによって、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂの上部の測定対象部位と第１及び第２コラム１０１０、１０１１の上面の第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂとの間のＺ軸方向の距離ａｚ、ｂｚが測定され、主軸（サドル１０１５／クロスレール１０１４）の伸び縮み方向に直接影響するコラムの伸び縮みが確認されるようになっている。測定された各距離ａｘ、ａｙ、ａｚ、及び、ｂｘ、ｂｙ、ｂｚは、制御装置１２００内の姿勢変化評価部１２１０に基準距離として格納され、前述の具体的な変位とそれに対する補正値とが演算されるようになっている。

次に、本実施の形態の工作機械１３００の作用について説明する。

まず、主軸先端に、所望の加工工具（フライスカッター等）が取り付けられる。次に、ユーザによって、加工対象のワークがテーブル１０６０上に設置されると共に、制御装置１２００に所望の加工データが入力される。加工機１１００は、当該加工データに基づいて制御される。次に、前記加工データに基づいて、ワークが載置されたテーブル１０６０がベッド１０５２の長手方向（図２１におけるＸ軸方向）に移動されてＸ軸方向の位置決めが行われ、主軸頭１０２０をラム１０１６を介して支持しているサドル１０１５がクロスレール１０１４の長手方向に移動されてＹ軸方向の位置決めが行われ、更に、サドル１０１５に対してラム１０１６が鉛直方向（図２１におけるＺ軸方向）に繰り出されてＺ軸方向の位置決めが行われる。

その後、主軸頭１０２０内の主軸駆動機構によって主軸の回転が開始され、加工工具の先端に向かって切削液の供給が開始され、ワークの加工が開始される。

本実施の形態では、ワークの加工が開始される前に、第１変位センサ１０４０ａによって、第１基準バー１０３０ａの測定対象部位と第１コラム１０１０の第１測定対象部位１０１３ａとの間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離ａｘ’、ａｙ’、ａｚ’が、第２変位センサ１０４０ｂによって、第２基準バー１０３０ｂの測定対象部位と第２コラム１０１１の第２測定対象部位１０１３ｂとの間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離ｂｘ’、ｂｙ’、ｂｚ’が、それぞれ測定される。そして、制御装置１２００内の姿勢変化評価部１２１０によって、第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂについて、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向の基準距離に対する変位が評価される。すなわち、第１測定対象部位１０１３ａにおけるＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の基準距離に対する変位は、それぞれ、ａｘ’−ａｘ（＝Δａｘ）、ａｙ’−ａｙ（＝Δａｙ）、ａｚ’−ａｚ（＝Δａｚ）であり、第２測定対象部位１０１３ｂにおけるＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の基準距離に対する変位は、それぞれ、ｂｘ’−ｂｘ（＝Δｂｘ）、ｂｙ’−ｂｙ（＝Δｂｙ）、ｂｚ’−ｂｚ（＝Δｂｚ）である。

そして、姿勢変化評価部１２１０は、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の変形に起因する主軸頭１０２０の姿勢変化による主軸先端の不所望の変位δをＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向について評価する。具体的には、第１コラム１０１０の第１測定対象部位１０１３ａと第２コラム１０１１の第２測定対象部位１０１３ｂとを結ぶ直線の、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の姿勢変化を考慮しない場合と第１及び第２コラム１０１０、１０１１の姿勢変化を考慮する場合との間の傾きの変化に基づいて、変位δをＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向について評価する。

この評価に関し、第１及び第２コラム１０１０、１０１１が変形する際の、第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂ並びに主軸先端の変位を説明するための図が、図２５に示されている。まず、Ｘ軸方向における主軸頭１０２０の姿勢変化について検討する。図２５に示すように、第２測定対象部位１０１３ｂのＹ座標をＹｂ、第１測定対象部位１０１３ａのＹ座標をＹａ、第１測定対象部位１０１３ａから第１及び第２コラム１０１０、１０１１の姿勢変化を考慮しない場合の名目上の主軸先端ＰのＹ座標Ｙｐまでの直線距離をｌ、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の姿勢変化を考慮しない場合の第１コラム１０１０の第１測定対象部位１０１３ａと第２コラム１０１１の第２測定対象部位１０１３ｂとの間の距離をＬ、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の姿勢変化を考慮した場合の当該直線のＸＹ平面内における傾きをｍｘ、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の姿勢変化を考慮した場合の実際の主軸先端と名目上の主軸先端Ｐとの間の距離（変位）をδとすると、この変位δのＸ軸方向の成分δｘは、図２５におけるＱＱ’間の直線距離に等しく、次の式で表される。
［数８］
δｘ＝Δａｘ＋ｍｘｌ （但し、ｍｘ＝（Δｂｘ−Δａｘ）／Ｌ）

以上の検討結果は、Ｚ軸方向における主軸頭１０２０の姿勢変化を評価する場合についても同様である。すなわち、変位δのＺ軸方向の成分δｚは、次の式で表される。
［数９］
δｚ＝Δａｚ＋ｍｚｌ （但し、ｍｚ＝（Δｂｚ−Δａｚ）／Ｌ）

また、Ｙ軸方向についても、同様に評価できる。
［数１０］
δｙ＝Δａｙ＋ｍｙｌ （但し、ｍｙ＝（Δｂｙ−Δａｙ）／Ｌ）

以上の各式において、δは、直交３軸に分解して演算される。但し、各コラム１０１０、１０１１がブレース１０１９及びクロスレール１０１４によって連結されていることから、Ｙ軸方向の姿勢変化（左右倒れ）が各コラム１０１０、１０１１に独立して発生することは物理的に考えられない。このため、本実施の工作機械１１００には、各コラム１０１０、１０１１間の距離が一定以上変動するような異常な姿勢変化、各コラム１０１０、１０１１が独立して反対方向（互いに近づく方向または互いに離れる方向）に倒れるような現象が生じた際にアラームを発する監視システムが設けられていることが好ましい。ただし、結果として各コラム１０１０、１０１１が独立して反対方向に倒れるように見えるような微小変位が生じることがあるため、一定量までは誤差量としてとらえることが望ましい。

姿勢変化評価部１２１０による評価結果は、補正データ生成部１２２０に送信され、当該補正データ生成部１２２０よって、主軸先端の変位を補正するための補正データが生成される。補正データの生成自体については、公知の各種のアルゴリズムが援用され得る。生成された補正データは、主軸先端の位置を制御（補正）する制御部１０２３に送信される。そして、当該制御部１０２３は、受信した補正データに従って主軸先端の位置を制御（補正）する。制御部１０２３による制御の具体的内容については、公知の各種アルゴリズムが援用され得る。

本実施の形態によれば、鉛直方向（Ｚ軸方向）及び水平面内の互いに直交する２方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）について、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂの測定対象部位と第１及び第２コラム１０１０、１０１１の第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂとの間の距離を第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂによって直接的に測定することによって、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の熱的変位を低コストで高精度に測定することができる。このことにより、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の姿勢変化を低コストで高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークの正確な加工が実現可能な工作機械１３００を提供することができる。

また、本実施の形態の姿勢変化評価部１２１０は、第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂによるそれぞれの距離の測定結果に基づいて第１コラム１０１０の第１測定対象部位１０１３ａと第２コラム１０１１の第２測定対象部位１０１３ｂとを結ぶ直線の傾きの変化を評価することによって、主軸頭１０２０の姿勢変化を評価するようになっている。このため、計算プロセスが単純であり、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の姿勢変化を迅速に評価することができる。

更に、予め定められた基準条件下において、第１変位センサ１０４０ａは、第１基準バー１０３０ａの測定対象部位と第１コラム１０１０の第１測定対象部位１０１３ａとの間の、鉛直方向、及び、水平面内の互いに直交する２方向のそれぞれの距離を、第２変位センサ１０４０ｂは、第２基準バー１０３０ｂの測定対象部位と第２コラム１０１１の第２測定対象部位１０１３ｂとの間の、鉛直方向、及び、水平面内の互いに直交する２方向のそれぞれの距離を、基準距離として測定するようになっており、姿勢変化評価部１２１０は、基準距離と、第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂによって測定されるそれぞれの距離と、を比較することによって主軸頭１０２０の姿勢変化を評価するようになっている。このため、各軸方向の変位の評価が容易である。

更に、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂは、３０℃乃至１００℃における線膨張係数が０．２９×１０^−６／℃である。このため、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂには熱的変位がほとんど発生しないため、当該第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂの測定対象部位と第１及び第２コラム１０１０、１０１１の第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂとの間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離を当該第１及び第２コラム１０１０、１０１１の第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂの熱的変位として取り扱うことができる。

更に、本実施の形態では、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂに支持された接触式の第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂが採用されている。このため、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂの測定対象部位と第１及び第２コラム１０１０、１０１１の第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂとの間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離を容易に高精度で測定することができる。

なお、以上の実施の形態において、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂは、単一の部材によって形成されている必要はなく、例えば、複数の基準バー要素が連結されて構成されていてもよい。この場合、各基準バー要素の下端部には係合部（例えば雄ネジ部）が形成されており、上端部には当該係合部と係合する被係合部（例えば雌ネジ部）が形成されている。

また、第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂは、接触式に限られず、非接触式（例えば光学式）であってもよい。この場合にも、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂの測定対象部位と第１及び第２コラム１０１０、１０１１の第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂ、との間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離を容易に高精度で測定することができる。

更に、各実施の形態において、第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂは、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂに設置されているが、これとは逆に、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂの測定対象部位に設置されていてもよい。

また、本実施の形態では、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂは円柱状の部材であるが、他の形状、例えば角柱状や多角柱状、であってもよい。更に、その材質も低熱膨張材に限られず、棒状に加工できる材料であれば他の材質であってもよい。この場合にも、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂと、第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂとの間の距離が測定されることにより、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の姿勢変化を評価することが可能である。

あるいは、第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂによって第１及び第２基準バー１０３０ａ、１０３０ｂの測定対象部位と第１及び第２コラム１０１０、１０１１の第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂとの間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離が逐次的に測定されるようになっており、姿勢変化評価部１２１０によって当該距離同士が逐次的に比較されることにより、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の姿勢変化が逐次的に評価されるようになっていてもよい。この場合、第１及び第２コラム１０１０、１０１１の姿勢変化に起因する主軸先端の変位をより滑らかに補正することができる。

なお、本実施の形態においては、基準バーとこの基準バーに関連付けられたコラム上の測定対象部位とが、各コラムに１組ずつ、計２組設けられている場合について示されたが、各コラムに２組以上設けられていても良い。すなわち、例えば、各コラムに、基準バーの測定対象部位に対して当該コラムの上面において所定の距離を隔てた２箇所、すなわち、２本のコラムに計４箇所の測定対象部位が関連付けられており、測定手段が、基準バーの測定対象部位と各コラムの２箇所の測定対象部位との間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離を測定するようになっており、姿勢変化評価部が、測定手段による計４つの測定結果に基づいてコラムの姿勢変化を評価するようになっている、という工作機械であってもよい。この場合も、前述の各実施の形態と同様に、主軸先端の変位の補正が好適に実行され得る。

あるいは、本実施の形態においては、第１及び第２測定対象部位１０１３ａ、１０１３ｂにそれぞれＸ、Ｙ及びＺ軸の各方向の変位を測定する第１及び第２変位センサ１０４０ａ、１０４０ｂが設けられているが、Ｙ軸方向の姿勢変化（左右倒れ）が各コラム１０１０、１０１１に独立して発生することは物理的に考えられないことから、例えば第２変位センサ１０４０ｂの第２Ｙ軸変位センサ１０４３ｂを省略し、Ｙ軸方向の姿勢変化を第１変位センサ１０４０ａの第１Ｙ軸変位センサ１０４３ａのみによって測定することも可能である。この場合、変位δのＹ軸方向の成分δｙは、以下の式で表される。このような１つのセンサによる代用は、後述される変形例においても同様の応用がなされ得る。
［数１１］
δｙ＝Δａｙ

また、本実施の形態では、図２５に示すように、主軸先端が２本の基準バーの間に存在しているが、工作機械の構成上、主軸先端が２本の基準バーの間に存在しない、すなわち、主軸先端と一方の基準バーとの間の他方の基準バーが存在するような位置関係になっていても良い。この場合、図２５における第１測定対象部位１０１３ａと第２測定対象部位１０１３ｂとを結ぶ線分の延長線上に主軸先端が存在していると仮定すればよい。また、図２５に基づく主軸先端の変位の補正計算は一例であり、他の手法によって主軸先端の変位を評価しても良い。例えば、変位センサの実測値と事前の試験により予め取得された主軸先端の変位の測定データとによる別の類似式で代用しても良い。

なお、本実施の形態の工作機械１３００として、２本のコラム１０１０、１０１１を有する門形のマシニングセンタを例示して説明したが、垂直に直立するような主軸を有している工作機械であれば、コラムは２本でなくても良い。例えば、ベッドに固定された単一のコラムを有する工作機械においては、当該単一のコラムに複数組（例えばＹ軸方向に沿って２組）の基準バー及び変位センサを設置することにより、前述の計算式に基づいて主軸先端の変位を評価することができる。

あるいは、単一のコラムに１組の基準バー及び変位センサを設置することにより、主軸先端の変位を評価することも可能である。この変形例における主軸先端の変位の評価方法の一例について、図２６及び図２７を参照して説明する。

図２６は、本変形例に採用されるコラム１４１０の上部の詳細を示す部分的な概略斜視図であり、図２７は、図２６のコラム１４１０が変形する際の測定対象部位１４１３ａ及び主軸先端の変位δを説明するための図である。

本変形例のコラム１４１０には、主軸頭に最も近い角部のみに鉛直方向（図２６におけるＺ軸方向）に貫通孔１４１２ａが形成されており、当該貫通孔１４１２ａ内に基準バー１４３０ａが挿入されている。更に、コラム１４１０の上面には、基準バー１４３０ａに対応して測定対象部位１４１３ａが関連付けられている。この測定対象部位１４１３ａには、接触式の変位センサ１４４０ａが設置されており、基準バー１４３０ａの測定対象部位とコラム１４１０の測定対象部位１４１３ａとの間の鉛直方向、及び、水平面内の互いに直交する２方向（図２６におけるＸ軸方向及びＹ軸方向）、のそれぞれの距離が測定されるようになっている。具体的には、本実施の形態の変位センサ１４４０ａも、鉛直方向の変位ないし距離を検出するＺ軸変位センサ１４４２ａと、水平面内の互いに直交する２方向の変位ないし距離を検出するＸ軸変位センサ１４４３ａ及びＹ軸変位センサ１４４１ａと、を有していて、この変位センサ１４４０ａによって、測定対象部位１４１３ａと基準バー１４３０ａの測定対象部位との間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の変位ないし距離が測定されるようになっている。

そして、例えば加工機の精度調整の際に、予め定められた基準条件下において、変位センサ１４４０ａによって、基準バー１４３０ａの上部の測定対象部位とコラム１４１０の上面の測定対象部位１４１３ａとの間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離ａｘ、ａｙ、ａｚが予め測定され、当該各距離ａｘ、ａｙ、ａｚが、制御装置内の姿勢変化評価部に基準距離として格納されるようになっている。また、姿勢変化評価部には、予め、コラム１４１０の上面に位置する、測定対象部位１４４０ａとは異なる点である基準座標（図２７における点Ｏの座標）が格納されており、後述されるように、この基準座標に対する測定対象部位１４１３ａの変位に基づいて、主軸頭１０２０の姿勢変化が評価されるようになっている。ここでは、基準座標は、この基準座標と測定対象部位１４１３ａとを結ぶ直線がＸ軸と平行になるように設定されている。

主軸先端の変位を評価するに際し、本変形例においても、ワークの加工が開始される前に、変位センサ１４４０ａによって、基準バー１４３０ａの測定対象部位とコラム１４１０の測定対象部位１４１３ａとの間のＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の距離ａｘ’、ａｙ’、ａｚ’が測定される。そして、制御装置内の姿勢変化評価部によって、コラム１４１０の測定対象部位１４１３ａにおけるＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の基準距離に対する変位（ａｘ’−ａｘ（＝Δａｘ）、ａｙ’−ａｙ（＝Δａｙ）、ａｚ’−ａｚ（＝Δａｚ））が評価される。

以上の評価結果に基づいて、姿勢変化評価部は、コラム１４１０の姿勢変化を評価する。この評価に関し、図２６のコラム１４１０が変形する際の、測定対象部位１４１３ａ及び主軸先端の変位を説明するための図が、図２７に示されている。まず、Ｘ軸方向における主軸頭１０２０の姿勢変化について検討する。図２７に示すように、点ＯのＸ座標をＸＯ、測定対象部位１４１３ａのＸ座標をＸａ、測定対象部位１４１３ａからコラム１４１０の姿勢変化を考慮しない場合の名目上の主軸先端Ｐまでの距離をｌ、コラム１４１０の姿勢変化を考慮しない場合の測定対象部位１４１３ａと基準座標とを結ぶ直線距離をＬ、コラム１４１０の姿勢変化を考慮した場合の実際の主軸先端Ｐ’と名目上の主軸先端Ｐとの間の距離（変位）をδとすると、この変位δのＸ軸方向の成分δｘは、次の式で表される。
［数１２］
δｘ＝Δａｘ＋ｍｘｌ （但し、ｍｘ＝Δａｘ／Ｌ）

以上の検討結果は、Ｚ軸方向における主軸頭１０２０の姿勢変化を評価する場合についても同様である。すなわち、変位δのＺ軸方向の成分δｚは、次の式で表される。
［数１３］
δｚ＝Δａｚ＋ｍｚｌ （但し、ｍｚ＝Δａｚ／Ｌ）

一方、Ｙ軸方向については、測定対象部位１４１３ａにおいて生じた変位Δａｙが点Ｏにおいても生じているものとして、主軸頭１０２０の姿勢変化が評価される。これは、測定対象部位１４１３ａ及び点Ｏがいずれもコラム１４１０上の点であることにより、測定対象部位１４１３ａと点Ｏとの間のＹ軸方向の距離が保存されるためである。すなわち、変位δのＹ軸方向の成分δｙは、次の式で表される。
［数１４］
δｙ＝Δａｙ

そして、第１の実施の形態と同様に、姿勢変化評価部１２１０による評価結果は、補正データ生成部１２２０に送信され、当該補正データ生成部１２２０よって、主軸先端の変位を補正するための補正データが生成される。生成された補正データは、主軸先端の位置を制御（補正）する制御部１０２３に送信される。そして、当該制御部１０２３は、受信した補正データに従って主軸先端の位置を制御（補正）する。

このような変形例によれば、鉛直方向及び水平面内の互いに直交する２方向について、基準バー１４３０ａの測定対象部位とコラム１４１０の測定対象部位１４１３ａとの間の距離を変位センサ１４４０ａによって直接的に測定することによって、コラム１４１０の熱的変位を低コストで高精度に測定することができる。このことにより、コラム１４１０の姿勢変化を低コストで高精度に測定することが可能となり、当該姿勢変化に起因する主軸先端の変位を補正してワークＷの正確な加工が実現可能な工作機械を提供することができる。

なお、本実施の形態及び前述の２つの変形例の説明においては、コラム１０１０、１０１１、１４１０が基礎１０５１上に固定されているものとして説明したが、コラム１０１０、１０１１、１４１０が基礎１０５１上を移動するタイプの工作機械であっても良い。この場合、コラムに設けた貫通孔内に基準バーの水平方向への変位を規制するガイド部材（例えば軸受）を設け、主軸先端のＺ軸方向のみの変位を評価することが可能である。

工作機械が２本の移動式のコラムを有する場合は、各コラムに１組の基準バー及び変位センサを設置しても良いし、複数組の基準バー及び変位センサを設置しても良い。いずれの場合においても、本実施の形態において説明した計算式に基づいて主軸先端の変位を評価することが可能である。あるいは、変位センサの実測値と試験による変位の実測データとによる別の類似式に基づいて主軸先端の変位を評価しても良い。

また、工作機械が単一の移動式のコラムを有する場合にも、当該コラムに１組の基準バー及び変位センサを設置しても良いし、複数組の基準バー及び変位センサを設置しても良い。これらの場合においても、本実施の形態及び前述の変形例において示した計算式に基づいて主軸先端の変位を評価することが可能である。あるいは、変位センサの実測値と試験による変位の実測データとによる別の類似式に基づいて主軸先端の変位を評価しても良い。

Claims (10)

1. 鉛直方向に直立するように配置され、所定の線膨張係数を有するコラムと、
   前記コラムに支持され、工具取付のための水平主軸を支持する主軸頭と、
   を備えた工作機械であって、
   前記コラムに対して離間して配置され、当該コラムの線膨張係数とは異なる線膨係数を有する２本の第１基準バー、第２基準バーと、
   前記第１基準バー側の測定対象部位と前記コラムの第1コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向の距離を測定する第１測定手段と、
   前記第２基準バー側の測定対象部位と前記コラムの第２コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向の距離を測定する第２測定手段と、
   
   前記測定手段による距離の測定結果の差δと予め定められた第１基準バーと第２基準バーの間の水平面内の距離とコラムの高さに基づいて、前記コラムの姿勢変化を評価する姿勢変化評価部と、
   前記姿勢変化評価部の評価結果に基づいて、前記主軸の先端の位置を制御する制御部と、を備え、
   前記姿勢変化評価部は、前記コラムの高さをＨとして、同じ中心角を持つ円弧長Ｈの内周円弧と円弧長Ｈ＋δの外周円弧とで前記コラムの変形状態を近似し、前記差δから求めた前記中心角に基づいて前記コラムの姿勢を評価するようになっていることを特徴とする、工作機械。
2. 請求項１おいて、
   前記コラムには、
   前記第１基準バーと第１測定手段の組と、前記第２基準バーと第２測定手段の組との、２組が設置され、前記コラムの特定方向の姿勢を評価することを特徴とする、工作機械。
3. 請求項２において、
   前記コラムには、
   前記第１基準バーと第１測定手段の組と、前記第２基準バーと第２測定手段の組の２組に加えて、
   第３基準バーと、前記第３基準バー側の測定対象部位と前記コラムの第３コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向の距離を測定する第３測定手段と、の３組が設置され、前記コラムの特定方向に加えて、前記第１基準バーと第１測定手段の組と前記第３基準バーと第３測定手段の組による測定から、他の特定方向の姿勢を評価することを特徴とする、工作機械。
4. 請求項３において、
   前記コラムには、
   前記第１基準バーと第１測定手段の第１組と、前記第２基準バーと第２測定手段の第２組と、前記第３基準バーと第３測定手段の組との第３組に加えて、
   第４基準バーと、前記第４基準バー側の測定対象部位と前記コラムの第４コラム側測定対象部位との間の、鉛直方向の距離を測定する第３測定手段と、の第４組が設置され、
   前記第１測定手段と第２測定手段の測定値と前記第３測定手段と第４測定手段のそれぞれの測定値の平均値の差をδとして前記コラムの特定方向の姿勢を評価することに加えて、
   前記第１測定手段と第４測定手段の測定値と前記第２測定手段と第３測定手段のそれぞれの測定値の平均値の差をδとして他の特定方向の姿勢を評価することを特徴とする、工作機械。
5. 請求項４において、
   前記第１乃至第４基準バーは、下端が前記コラムに固定され、上端が前科コラムに対して鉛直方向に相対変位可能であることを特徴とする、工作機械。
6. 請求項５において、
   前記第１乃至第４基準バーは、コラムの線膨張係数と異なることを特徴とする、工作機械。
7. 請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、
   前記測定手段は、前記コラム側測定対象部位に支持された接触式の変位センサであることを特徴とする、工作機械。
8. 請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、
   前記測定手段は、前記コラム側測定対象部位に支持された非接触式の変位センサであることを特徴とする、工作機械。
9. 請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、
   前記測定手段は、前記基準バー側測定対象部位に支持された接触式の変位センサであることを特徴とする、工作機械。
10. 請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、
    前記測定手段は、前記基準バー側測定対象部位に支持された非接触式の変位センサであることを特徴とする、工作機械。
    

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