JP6845612B2 - 工作機械における機械精度の測定方法及び装置 - Google Patents

Description

この発明は、工作機械の機械精度（校正すべき誤差。以下、「機械誤差」とも言う。）の測定方法及び測定装置に関するもので、例えば直線３軸と回転２軸を備えた多軸構成の機械において、５軸幾何誤差測定法（以下、「５軸測定法」と言う。）により旋回中心のずれを測定するのに用いる方法及び装置に関するものである。

工作機械の加工において、近年、ワークの形状が複雑になっており、加工時間の短縮や加工精度の向上を目的として、５軸同時制御による加工が行われるようになっている。同時に制御する加工軸の数が多くなると、２軸間の傾きや旋回軸の中心位置のずれなど、一般的に幾何誤差と言われる誤差が問題になり、完成した工作機械の機械誤差をより高精度に測定する必要が生ずる。

図８は、マシニングセンタのテーブル４２の旋回軸の中心位置のずれを５軸測定法を用いて計測する例を模式的に示した図である。テーブル４２の外周部に基準球２を固定し、刃物台４３に設けられている工具軸４１にタッチプローブ１を装着する。そして、テーブル４２を所定角度（例えば５度）ずつ回転させた位置でタッチプローブ１を５方向から基準球２に接触して基準球２の中心座標を求める。

マシニングセンタでは、テーブル４２の旋回はＣ軸（Ｚ軸回り）が一般的であり、テーブル４２の上面はＸ‐Ｙ平面である。この場合の５方向は、−Ｙ、＋Ｙ、−Ｘ、＋Ｘ及び＋Ｚの５方向である（図８参照）。

刃物台４３に柄杆１２がＺ軸方向に延在するようにタッチプローブ１を装着してやれば、テーブル４２がどの位置に旋回してもタッチプローブの先端球１１を図９で示した５方向の位置に接触させることができる。

このような手順でタッチプローブを基準球に接触させて基準球の中心座標を計測し、その計測値から機械誤差を演算するプログラムは、例えばタッチプローブのメーカーによって提供されており、従来からマシニングセンタの機械精度の測定に用いられている。

マシニングセンタに用いられている上記の機械精度の測定方法をＢ軸旋回可能な刃物台を備えた旋盤（複合旋盤）におけるＢ軸旋回角の精度測定に利用しようとすると、測定可能な旋回角の範囲が制限されるという問題が生ずる。

すなわち、旋盤のＢ軸の測定においては、タッチプローブの先端球１１や基準球２の大きさにもよるが、旋回角が４０度程度の角度を超える角度では、図６に示すように、タッチプローブの先端球１１が基準球２に接触する前にタッチプローブの柄杆１２が基準球２に当接して、測定ができなくなる。

すなわち、旋回角の精度を測定しようとする刃物台の旋回に伴ってタッチプローブも旋回する場合には、タッチプローブのメーカーから提供されている測定プログラムを用いてマシニングセンタで行われているような機械精度の自動計測を行うことはできなかった。

また、測定不能な角度範囲においては、測定可能な範囲の測定値から類推して基準球の中心を求めるという方法も考えられるが、そのような方法では、測定精度が大幅に低下してしまうという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決して、タッチプローブが装着されている刃物台の旋回中心の機械誤差などを旋回角の角度範囲の限定を受けないで高い精度で測定することができる方法及び装置を提供することを課題としている。

この発明では、タッチプローブ１の旋回角θの範囲に応じて５軸測定における測定平面Ｐ（Ｐａ、Ｐｂ）及び測定軸Ａ（Ａａ、Ａｂ）の方向を切り替える。また、必要に応じて、測定平面Ｐの測定軸Ａ方向の位置を基準球２とタッチプローブ１の柄杆１２とが干渉しない位置に設定して５軸測定を行う。例えば、推定される基準球２の中心Ｏとタッチプローブの先端球１１の中心Ｑを結ぶ線かタッチプローブの柄杆１２に対して垂直となる位置に測定平面Ｐを設定して５軸測定を行う。

すなわち、この発明では、計測時のタッチプローブ１の基準方向からの傾斜角θに応じてタッチプローブの柄杆１２と基準球２とが干渉しない位置で、かつ当該傾斜角θの角度範囲に応じた測定方向で自動計測を行うことで、上記課題を解決したものである。

この発明の工作機械における機械精度の測定装置は、旋回可能な刃物台３に装着したタッチプローブ１で所定位置に設置した基準球２を検出することにより、刃物台３の旋回中心の位置ずれを計測するための、一般的にはソフトウエアで構成される装置である。

この発明の測定装置は、刃物台３の旋回原点角に近い角度範囲で基準球２の中心位置を５軸測定法により測定する第１測定手段４ａと、第１測定手段４ａで用いた第１測定平面Ｐａに直交する第１測定軸Ａａと第１測定平面Ｐａの一方の軸とを含む平面を第２測定平面Ｐｂとしこれに直交する軸を第２測定軸Ａｂとして基準球２の中心位置を５軸測定法により検出する第２測定手段４ｂと、刃物台３の旋回角の予め定めた角度位置で第１測定手段４ａと第２測定手段４ｂとを切り替える切替手段Ｓ（図７参照）とを備えている。

上記装置によれば、刃物台３の旋回角θに応じて測定方法が切り替わるので、計測範囲の制限がなくなり、広い角度範囲にわたって精度の良い計測が可能となる。

基準球２の半径Ｒに比較してタッチプローブ１の先端球１１の半径ｒが小さいときには、前記第１測定手段４ａと第２測定手段４ｂとのいずれか又は両方において、タッチプローブの先端球１１が基準球２に接触する前にタッチプローブの柄杆１２が基準球２に当接して５軸測定法による測定が不能になることがある。この問題は、タッチプローブの柄杆１２と基準球２とが当接しない位置に測定平面Ｐを測定軸Ａの方向に移動する測定平面移動手段５（５ａ、５ｂ）を設けることにより、回避することができる。

最も簡単で確実な測定平面移動手段５は、測定平面Ｐを基準球２の中心が位置すると推定される平面Ｐ０（Ｐ０ａ、Ｐ０ｂ）から測定軸Ａ方向に（Ｒ＋ｒ）sinθ移動した平面とする手段である。すなわち、基準球２とタッチプローブの柄杆１２を結ぶ直線が、タッチプローブの柄杆１２に対して垂直になる位置で計測することにより、柄杆１２との干渉を生ずることなく基準球２の中心Ｏを検出できる。

この発明の測定装置は、Ｂ軸旋回可能な刃物台３を備えた旋盤における当該刃物台３のＢ軸旋回における機械精度の計測に特に好適に用いることができる。

この発明では、計測時のタッチプローブの角度に応じて基準球の計測方向が自動的に選択され、必要なときには基準球の計測位置がタッチプローブの柄杆と基準球とが干渉しない位置に設定されるため、タッチプローブの全ての角度で基準球の５軸測定が可能となり、計測精度、すなわち機械の校正精度が向上する。

この発明により、マシニングセンタで実績のあるテーブルの旋回中心位置ずれの精度測定を旋盤の刃物台の旋回中心位置ずれの精度測定に応用することができるなど、旋回軸を使用した機械誤差の測定において技術的に安定した高い精度での機械精度の自動計測が可能になるという効果がある。

旋盤のＢ軸旋回の機械精度を測定している状態を模式的に示した斜視図 第１測定手段のフローチャート 第１測定手段の動作を示す斜視図 第２測定手段のフローチャート 第２測定手段の動作を示す斜視図 測定不能状態を示す説明図 自動測定手順を示すフローチャート マシニングセンタのＢ軸旋回の機械精度を測定している状態を模式的に示した斜視図 図８の場合に測定動作を示す斜視図

以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。図１は、この発明の測定装置を用いてＢ軸旋回可能な刃物台３を有する旋盤のＢ軸旋回の機械精度を測定している状態を模式的に示した斜視図である。図の刃物台３は、Ｚ、Ｘ、Ｙの３軸方向に移動可能で、かつＢ軸（Ｙ軸回り）旋回可能な回転工具軸３１を備えている。回転工具軸３１の原点方向（Ｂ軸原点）は、Ｘ軸方向である。基準球２は、刃物台３に対して相対的に不動の部材、例えば主軸台に固定されている。

旋盤の制御器１０は、刃物台３の制御部９を含んでいる。旋盤の制御器１０に登録した図示実施例の測定装置は、切替手段Ｓを含む自動計測手順を記録したメインプログラム６と、第１測定プログラム４ａと、第２測定プログラム４ｂとを備えている。第１測定プログラム４ａは、第１測定平面移動ステップ５ａを含んでおり、第２測定プログラム４ｂは、第２測定平面移動ステップ５ｂを含んでいる。

測定プログラム４は、基準球２を５方向から計測してその中心座標を検出するプログラムであり、測定平面移動ステップ５（５ａ、５ｂ）は、基準球２とタッチプローブの柄杆１２とが干渉しない位置に５軸測定の測定平面Ｐを設定するプログラムである。第１測定プログラム４ａ及び当該プログラムに含まれる中心座標演算プログラム７ａは、従来、マシニングセンタで使用されているものをそのまま用いることができる。

図２及び図３は、第１測定プログラム４ａのフローチャート及び計測動作を示した図である。第１測定プログラム４ａは、マシニングセンタについて説明した図９のＸ、Ｙ、Ｚ軸をＺ、Ｘ、Ｙ軸として同様な処理を行うプログラムで、基準球２を−Ｚ方向から測定し、次に＋Ｚ方向から測定し、次に−Ｙ方向から測定し、更に＋Ｙ方向から測定して、基準球２のＺ‐Ｙ平面における中心座標（Ｚ０、Ｙ０）を算出する。次に刃物台３は、算出されたＺ０、Ｙ０座標に先端球１１が位置するように移動し、刃物台３を−Ｘ方向に移動して基準球２を検出する。以上の５点の測定結果より、従来の５軸測定法で用いられていると同様な演算７ａで、基準球２の中心座標（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）を算出する。

タッチプローブの先端球１１の半径ｒや基準球２の半径Ｒなどの幾何形状のデータは、予め精密に計測して制御器１０に登録されている。算出された基準球の中心座標と刃物台制御部９から取得した計測時の刃物台３の座標を用いて、幾何学的な演算により、工具軸３１のＢ軸回りの旋回角を演算することができる。そして、演算結果の角度と刃物台制御部９が指令した角度との差により、Ｂ軸旋回の機械誤差を測定することができる。この第１測定プログラム４ａの計測動作は、Ｂ軸の旋回角が−４４．９度〜＋４４．９度の角度範囲のときに実行される（図７参照）。

図４及び図５は、第２測定プログラム４ｂのフローチャート及び計測動作を示した図である。第２測定プログラム４ｂは、第１測定プログラム４ａにおけるＺ軸とＸ軸を変換したプログラムであり、基準球２を−Ｘ方向から測定し、次に＋Ｘ方向から測定し、次に−Ｙ方向から測定し、更に＋Ｙ方向から測定して、基準球２のＸ‐Ｙ平面における中心座標（Ｘ０、Ｙ０）を算出する。次に刃物台３は、算出されたＸ０、Ｙ０座標に先端球１１が位置するように移動し、刃物台３をＺ方向に移動して基準球２の中心を検出する。以上の５点の測定結果より、従来の５軸測定方法で用いられていると同様な演算７ｂで、基準球２の中心座標（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）を算出し、その中心座標を用いて工具軸３１のＢ軸回りの旋回角を演算する。この第２測定プログラム４ｂの計測動作は、Ｂ軸の旋回角が−９０度〜−４５度及び＋４５度〜＋９０度の角度範囲のときに実行される（図７参照）。

図２及び図４に示したフローチャートでは、測定プログラム４ａ、４ｂを実行する前に、タッチプローブの柄杆１２と基準球２との干渉を回避する測定平面移動動作を実行できるようになっている。

この測定平面移動動作は、図２、４に示すように、基準球２の中心Ｏとタッチプローブの先端球１１の中心Ｑを結ぶ直線がタッチプローブの柄杆１２に対して垂直となる位置で測定平面Ｐでの４点の計測を行うようにするものであり、タッチプローブの先端球１１の半径ｒが基準球２の半径Ｒに対して小さい場合に、タッチプローブの柄杆１２が基準球２に干渉して測定不能になるのを防止するために設けられたものである。

従来の５軸測定法においては、基準球２の推定される中心が含まれる平面を固定の基準測定平面Ｐ０として計測を行うが、タッチプローブの柄杆１２の角度θが基準測定平面Ｐ０と垂直になる角度からずれてくると、基準球２とタッチプローブの先端球１１が接触する前に基準球２とタッチプローブの柄杆１２とが接触して、タッチプローブによる基準球の検出が不能になることがある。そこで、干渉回避動作が指令されているときは、判定ステップＳ２で分岐して、測定平面移動ステップ５を実行し、測定平面Ｐを測定軸Ａ方向に移動する。

Ｂ軸旋回角が−４４．９度〜＋４４．９度の角度範囲における図２の第１測定平面移動ステップ５ａでは、推定される基準球の中心Ｏを含む平面Ｐ０ａから（Ｒ＋ｒ）sinθだけＸ軸方向に刃物台３が基準球２から離れる方向に移動した位置に測定平面Ｐａを設定して、この移動後の測定平面Ｐａ上で第１測定プログラム４ａの測定手順における−Ｚ、＋Ｚ、−Ｙ及び＋Ｙの測定を行わせる。

また、Ｂ軸旋回角が−９０度〜−４５度及び＋４５度〜＋９０度の角度範囲における図４の第２測定平面移動ステップ５ｂでは、推定される基準球の中心Ｏを含む平面Ｐ０ｂから（Ｒ＋ｒ）sinθだけＺ軸方向に刃物台３が基準球２から離れる方向に移動した位置に測定平面Ｐｂを設定して、この移動後の測定平面Ｐｂ上で第２測定プログラム４ｂの測定手順における−Ｘ、＋Ｘ、−Ｙ及び＋Ｙの測定を行わせる。

次にメインプログラム６の手順を示す図７を参照して、この発明の装置によるＢ軸の機械誤差の自動測定手順を説明する。図７のプログラムは、Ｂ軸を−９０度に指定して実行する。手順が実行されると、ステップＳ１でＢ軸を指定された角度に割り出し、判定ステップＳでその角度範囲が−４５度から＋４５度の範囲内であるかどうかを判定する。もし、角度がその範囲内であれば、第１測定プログラム４ａの手順を実行して、基準球２の中心座標を検出して、当該Ｂ軸角度における機械誤差を演算する。一方、角度範囲が−４５度以下又は＋４５度以上であれば、第２測定プログラム４ｂの手順を実行し、基準球２の中心を求めて当該Ｂ軸角度におけるＢ軸旋回の機械誤差を演算する。

最初はＢ軸を−９０度に指定しているので、第２測定プログラムの手順を実行し、Ｂ軸の指令値に５度を加算して次の角度での測定を行う。このように−９０度から５度刻みに、角度範囲に応じて第１測定プログラム４ａと第２測定プログラム４ｂとを選択肢ながら、それぞれの角度での測定を行うという動作を繰り返す。機械誤差の計測は、−９０度〜＋９０度の範囲で行うので、５度を加算した指令値が＋９５度になった時点で計測動作完了がＹＥＳとなり、自動計測を終了する。

以上の説明から理解されるように、この発明によれば、基準球を検出するタッチプローブ自体が機械精度を計測しようとする刃物台の旋回に伴って旋回する場合においても、５軸測定法により、広い角度範囲で基準球の中心位置を正確に検出することができ、従来マシニングセンタで利用されていた手段を応用して、複合旋盤における刃物台のＢ軸旋回の機械誤差のように、機械誤差を測定しようとする旋回動作によってタッチプローブも旋回する工作機械においても、その旋回角の機械誤差を高い精度で計測することができる。

１ タッチプローブ
２ 基準球
３ 刃物台
４ａ 第１測定プログラム
４ｂ 第２測定プログラム
５（５ａ、５ｂ）測定平面移動プログラム
１１ 先端球
１２ 柄杆
Ａ（Ａａ、ＡＢ） 測定軸
Ｏ 基準球の中心
Ｐ（Ｐａ、Ｐｂ） 測定平面
Ｐ０（Ｐ０ａ、Ｐ０ｂ） 平面
Ｑ 先端球の中心
Ｓ 切替手段
Ｒ 基準球の半径
ｒ 先端球の半径
θ 旋回角

Claims (6)

1. 互いに直交する３方向の直線軸と当該直線軸のいずれかを旋回中心軸とする旋回軸との制御軸を備えた機械の所定位置に設置した基準球の中心座標を５軸幾何誤差測定法における前記基準球と前記旋回軸回りに旋回しかつ前記３方向の直線軸方向に移動する部材に装着したタッチプローブの先端球との接触により求めて当該中心座標を基準として機械精度を測定する工作機械の機械精度の測定方法であって、
   前記基準球と先端球とを複数回接触させるための移動動作のそれぞれを前記移動する部材の前記３方向のいずれか一の直線軸方向の移動により行う前記測定方法において、
   前記基準球を検出するタッチプローブの傾斜角があらかじめ定めた傾斜角に達したときに５軸幾何誤差測定法における測定平面及び測定軸の方向を前記３方向の一方から他方に切り替えることを特徴とする、工作機械における機械精度の測定方法。
2. 前記測定平面を基準球の中心が位置すると推定される平面から測定軸方向に（Ｒ＋ｒ）sinθ移動した平面として５軸幾何誤差測定を行うことを特徴とする、請求項１記載の機械精度の測定方法。ただし、Ｒは前記基準球の半径、ｒは前記タッチプローブの先端球の半径、θは前記刃物台の旋回角である。
3. 互いに直交する３方向の直線軸方向に移動可能でかつ当該直線軸のいずれかを旋回中心軸とする旋回軸回りに旋回可能な刃物台に装着したタッチプローブで所定位置に設置した基準球を検出することにより当該刃物台の旋回角の精度を計測する工作機械の機械精度の測定装置において、
   刃物台の旋回原点角に近い角度範囲で前記刃物台の前記３方向のいずれか一の直線軸方向の移動により前記基準球と前記タッチプローブの先端球とを接触させて前記基準球の中心位置を５軸幾何誤差測定法により検出する第１測定手段と、
   第１測定手段で用いた第１測定平面に直交する第１測定軸と第１測定平面の一方の軸とを含む平面を第２測定平面としこれに直交する軸を第２測定軸として、前記刃物台の前記３方向のいずれか一の直線軸方向の移動により前記基準球と前記タッチプローブの先端球とを接触させて前記基準球の中心位置を５軸幾何誤差測定法により検出する第２測定手段と、
   前記刃物台の旋回角の予め定めた角度位置で第１測定手段と第２測定手段とを切り替える切替手段とを備えている、
   工作機械における機械精度の測定装置。
4. 前記タッチプローブの先端球と基準球とが当接する前に当該タッチプローブの柄杆と基準球とが当接しない位置に前記測定平面を前記測定軸方向に移動する測定平面移動手段を備えている、請求項３記載の機械精度の測定装置。
5. 前記測定平面を基準球の中心が位置すると推定される平面から測定軸方向に（Ｒ＋ｒ）sinθ移動した平面とする測定平面移動手段を備えている、請求項３記載の機械精度の測定装置。ただし、Ｒは前記基準球の半径、ｒは前記タッチプローブの先端球の半径、θは前記刃物台の旋回角である。
6. 前記刃物台が、Ｂ軸旋回可能な刃物台を備えた旋盤の当該Ｂ軸旋回可能な刃物台である、請求項３、４又は５記載の機械精度の測定装置。

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