JP7130022B2 - 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、
前記第１、第２測定手段による距離の測定結果と予め定められた第１基準バーと第２基準バーの間の距離に基づいて、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、を備え、
前記姿勢変化評価部は、前記第１測定手段、第２測定手段により測定された測定対象部位のそれぞれについて、予め定められた基準距離からの鉛直方向の変位を求め、これらの変位と第１基準バーと第２基準バーの間の間隔距離に基づき前記主軸の先端の特定方向の変位を線形近似して評価し、前記主軸頭の姿勢変化を評価するようになっていることを特徴とする。

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のコラムのＺ軸方向の変形をモデル化した模式図である。 コラムの上部の基準バーの配置を示す部分的な概略斜視図である。 コラムのＸ軸方向の変形をモデル化した模式図図である。 コラムの上部の基準バーの他の配置例を示す部分的な概略斜視図である。 本発明の第２実施形態による工作機械のコラムの上部の基準バーの他の配置例を示す部分的な概略斜視図である。 変形状態の図１２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１４の工作機械の概略平面図である。 図１４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１４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１４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２２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２２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２２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。 コラムの上部での基準バーの配置を示す部分的な概略斜視図である。 コラムのＸ軸方向の変形をモデル化した模式図図である。 コラムの上部の基準バーの他の配置例を示す部分的な概略斜視図である。 本発明の第４実施形態による工作機械のコラムの上部の基準バーの他の配置例を示す部分的な概略斜視図である。

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。

（第１実施形態）
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Ｚ軸方向に間隔を置くように配列されている。

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４２ａ、４２ｂがＺ軸方向に設置されている。これらの第１及び第２変位センサ４２ａ、４２ｂ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（Ｙ軸方向）の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４２ａ、４２ｂ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４２ａ、４２ｂ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４２ａ、４２ｂ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４２ａ、４２ｂ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。

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４２ａ、４２ｂ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Ｙ軸方向の変位が測定される。

本実施の形態では、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は、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向について評価される。

図８に示すように、コラム１０の変形は、次のようにモデル化される。第１基準バー３０a、第２基準バー３０ｂは、熱変位せずに長さは変わらず、コラム１０の変形とともに平行なまま傾くだけであるものとする。コラム１０は熱により変形して傾くものとする。コラム１０の実際の変形では、伸びによる湾曲などの変形が生じるが、図８では単純化して傾いた形に誇張して表現されている。

図８において、Δａｙは、第１基準バー３０aと第１変位センサ４２ａにより測定されたＹ軸方向（鉛直方向）の変位量を示す。Δｂｙは、第２基準バー３０ｂと第２変位センサ４２ｂにより測定されたＹ軸方向（鉛直方向）の変位量を示す。Ｌｚは、第１基準バー３０aと第２基準バー３０ｂのＺ軸方向の間隔距離を示している。第１基準バー３０aの上端をＰ、第２基準バー３０ｂの上端をＱ、Ｑ点から第１基準バー３０aに降ろした垂線と第１基準バー３０aの交点をＲとして、三角形ＰＱＲを考える。

他方、コラム１０において，第１基準バー３０aの下端をＱ‘、第１基準バー３０aの途中の主軸２２の高さｌの位置をＲ’、Ｒ‘から第１基準バー３０aに直角に立てた線を鉛直線との交点をＰ’とする。三角形ＰＱＲと三角形Ｐ‘Ｑ’Ｒ‘は相似形であることがわかる。コラム１０の傾き角θと、三角形ＰＱＲの∠ＰＱＲは等しいからである。

三角形ＰＱＲの辺ＰＲと三角形Ｐ‘Ｑ’Ｒ‘の辺P’R‘の比は、辺ＱＲと辺Ｑ’Ｒ‘の比と等しいから、Ｚ軸方向の変位δｚは、
[数１]
δｚ＝ｌ×（Δａｙ－Δｂｙ）／Ｌｚ）
と表すことができる。このことは、第１基準バー３０aと第２基準バー３０ｂを利用して、Ｙ軸方向の変位Δａｙ、Δｂｙを求めることで、Ｚ軸方向の変位を比例的（線形的）に近似して求められることを意味している。

以上の検討結果は、主軸頭２０のＸ軸方向の姿勢変化を評価する場合も同様である。

図９に示されるように、この場合には、コラム１０には、Ｘ軸方向に間隔を取って、第１貫通孔１２ａ、第２貫通孔１２ｂが形成され、この第１貫通孔１２ａ、第２貫通孔１２ｂにそれぞれ第１基準バー３０a、第２基準バー３０ｂが挿入され、第１変位センサ４２ａ、第２変位センサ４２ａとともにＸ軸方向に配列されている。

図１０は、コラム１０の変形とＸ軸方向の変位との関係をモデル化して示す図である。

Ｘ軸方向の場合も、Ｚ軸方向と全く同様に、三角形ＰＱＲと三角形Ｐ‘Ｑ’Ｒ‘は相似形になるので、
Ｘ軸方向の変位δｘは、
［数２］
δｘ＝ｌ×（Δａｙ－Δｂｙ）／Ｌｘ）
と表すことができる。

なおＹ軸方向の変位δｙは、Δａｙとｂｙの平均値としてもよい。

次に、図１１は、基準バーの他の配置例を示す図である。このうち、図１１（Ａ）は、３本の第１乃至第３基準バー３０ａ乃至３０ｃを配置した例を示し、図１１（Ｂ）は、４本の第１乃至第４基準バー３０ａ乃至３０ｄを配置した例を示す。

基準バーが３本の場合、第１基準バー３０ａと第２基準バー３０ｂは、第１変位センサ４２ａ、第２変位センサ４２ｂとともにＸ軸方向に配置され、Ｚ軸方向の変位測定に用いられる。第１基準バー３０ａと第３基準バー３０ｃは、第１変位センサ４２ａ、第３変位センサ４２ｃとともにＸ軸方向に配置され、Ｚ軸方向の変位測定に用いられる。

基準バーが４本の場合、第１基準バー３０ａと第２基準バー３０ｂ、第３基準バー３０ｃと第４基準バー３０ｄの２組が、Ｘ軸方向の変位の測定に用いられる。第１基準バー３０ａと第３基準バー３０ｃ、第２基準バー３０ｂと第４基準バー３０ｄの２組はＺ軸方向の変位の測定に用いられる。

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）のみの変位を測定するだけで、コラム１０のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の軸方向の熱的変位を簡易な構成により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。

（第２実施形態）
次に、図１２乃至図２１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１２及び図１３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１２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１３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１２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２０参照）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１２の右上の方向から）見ると、図１３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１２参照）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１４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１５は、図１４の工作機械６００の概略平面図である。

図１４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１４及び図１５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１５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１５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１４及び図１５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１４及び図１５における左右方向）に移動可能となっている。

[0126] 図１６は、図１４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１６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１４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１７参照）に係合されている。

図１７は、図１４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１８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１７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１７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１８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１９は、図１４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１９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１９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２０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２０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。

（第３実施形態）
次に、図２１を用いて、本発明の第３の実施の形態を説明する。図２１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２１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２１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。

（第４実施形態）
次に、図２２～図３０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２２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２２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２２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２２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２２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２２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２２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２３は、図２２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２４は、図２２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２３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２３におけるＺ軸方向）に対し、直交する方向（図２３におけるＸ軸方向）に等距離に設けられている。

また、図２３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２４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２３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１０４３ａ、１０４３ｂが設置されている。これらの第１及び第２変位センサ１０４３ａ、１０４３ｂ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Ｚ軸方向（鉛直方向）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１０４３ａ、１０４３ｂには、接触式のデジタルセンサが採用されている。なお、図２３では、第１及び第２変位センサ１０４３ａ、１０４３ｂが、拡大されて示されている。

また、図２５は、図２２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２５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１０４３ａ、１０４３ｂ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２５に示すように、第１及び第２変位センサ１０４３ａ、１０４３ｂ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。

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２２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２２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１０４３ａ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Ｚ軸方向の距離が、第２変位センサ１０４３ｂ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Ｚの各軸方向の距離が、それぞれ測定される。

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Ｚ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２６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２６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とする。

比例案配により、
［数３］
δｚ＝ｌ×（Δｂｚ－Δａｚ）／Ｌ）
と表すことができる。

以上の実施例では、Ｚ方向（鉛直方向）の変位を算出しているが、第１実施形態での変位量評価の方式を組み合わせることにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の変位量を評価することが可能である。

図２７に示されるように、各コラム１０１０、１０１１には第１基準バー１０３０ａと第１変位センサ１０４２ａ、第２準バー１０３０ｂと第２位センサ１０４２ｂの組をＸ軸方向に配列される。

コラム１０１０、１０１１の変形は、図２８に示すように、第１実施形態と同様にモデル化される。

図２８において、Δａｚは、第１基準バー１０３０ａと第１変位センサ１０４２ａにより測定されたＺ軸方向（鉛直方向）の変位量を示す。Δｂｚは、第２基準バー１０３０ａと第２変位センサ１０４２ｂにより測定されたＺ軸方向（鉛直方向）の変位量を示す。Ｌｘは、第１基準バー１０３０ａと第２基準バー１０３０ｂのＸ軸方向の間隔距離を示している。第１基準バー１０３０ａの上端をＰ、第２基準バー１０３０ｂの上端をＱ、Ｑ点から第１基準バー１０３０ａに降ろした垂線と第１基準バー１０３０ａの交点をＲとして、三角形ＰＱＲを考える。

他方、コラム１０１０において，第１基準バー１０３０ａの下端をＱ‘、第１基準バー１０３０ａの途中の主軸頭１０１５の高さｌの位置をＲ’、Ｒ‘から第１基準バー１０３０ａに直角に立てた線を鉛直線との交点をＰ’とする。三角形ＰＱＲと三角形Ｐ‘Ｑ’Ｒ‘は相似形であることがわかる。

Ｘ軸方向の変位δｘは、
［数４］
δｘ＝ｌ×（Δａｚ－Δｂｚ）／Ｌｘ）
と表すことができる。このことは、第１基準バー１０３０と第２基準バー１０３１を利用して、Ｙ軸方向の変位Δａｚ、Δｂｚを求めることで、Ｘ軸方向の変位を比例的（線形的）に近似して求められることを意味している。他方のコラム１０１１についても同様である。

以上の検討結果は、主軸頭２０のＹ軸方向の姿勢変化を評価する場合も同様である。

図２９に示されるように、この場合には、コラム１０１０には、Ｘ軸方向に間隔を取って、第１貫通孔１０１２ａ、第２貫通孔１０１２ｂが形成され、この第１貫通孔１０１２ａ、第２貫通孔１０１２ｂにそれぞれ第１基準バー１０３０ａ、第２基準バー１０３０ｂが挿入され、第１変位センサ１０４２ａ、第２変位センサ１０４２ａとともにＹ軸方向に配列されている。

Ｙ軸方向の変位δｙは、
［数５］
δｙ＝ｌ×（Δａｚ－Δｂｚ）／Ｌｙ）
と表すことができる。

以上のようにして求めた各コラム１０１０、１０１１のＸ軸方向、Ｙ軸方向の変位δｘ、δｙは、図２６で説明した比例按分の方法を利用して、主軸先端のそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向の変位が評価される。

次に、図３０は、基準バーの他の配置例を示す図である。このうち、図３０（Ａ）は、３本の第１乃至第３基準バー１０３０ａ乃至１０３０ｃを配置した例を示し、図３０（Ｂ）は、４本の第１乃至第４基準バー１０３０ａ乃至１０３０ｄを配置した例を示す。

基準バーが３本の場合、第１基準バー１０３０ａと第２基準バー１０３０ｂは、第１変位センサ１０４２ａ、第２変位センサ１０４２ｂとともにＹ軸方向に配置され、Ｙ軸方向の変位測定に用いられる。第１基準バー１０３０ａと第３基準バー１０３０ｃは、第１変位センサ１０４２ａ、第３変位センサ１０４２ｃとともにＸ軸方向に配置され、Ｘ軸方向の変位測定に用いられる。

基準バーが４本の場合、第１基準バー１０３０ａと第２基準バー１０３０ｂ、第３基準バー１０３０ｃと第４基準バー１０３０ｄの２組が、Ｙ軸方向の変位の測定に用いられる。第１基準バー１０３０ａと第３基準バー１０３０ｃ、第２基準バー１０３０ｂと第４基準バー１０３０ｄの２組はＸ軸方向の変位の測定に用いられる。

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）のみの変位を測定するだけで、第１及び第２コラム１０１０、１０１１のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の軸方向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。

１０…コラム、１２ａ、１２ｂ…貫通穴、２０…主軸頭、２２…主軸、３０ａ…第１基準バー、３０ｂ…第２基準バー、４２ａ、４２ｂ…第１変位センサ、第２変位センサ、５２…ベッド、６０…テーブル、１００…加工機、２００…制御装置、３００…工作機械

Claims (8)

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張係数を有する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、
   前記第１、第２測定手段による距離の測定結果と予め定められた第１基準バーと第２基準バーの間の距離に基づいて、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、を備え、
   前記姿勢変化評価部は、前記第１測定手段、第２測定手段により測定された測定対象部位のそれぞれについて、予め定められた基準距離からの鉛直方向の変位を求め、これらの変位と第１基準バーと第２基準バーの間の間隔距離に基づき前記主軸の先端の特定方向の変位を線形近似して評価し、前記主軸頭の姿勢変化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測定手段の組との、２組が設置され、前記第１測定手段により測定された変位と第２測定手段により測定された変位に基づいて前記主軸頭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、
   前記コラムの線膨張係数とは異なる線膨張係数を有する第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測定手段の組と、の３組が設置され、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測定手段の組による測定から、前記コラムについて特定１方向の変位を求め、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、前記コラムについて他の特定１方向の変位を求め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、
   前記コラムの線膨張係数とは異なる線膨張係数を有する第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４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から前記コラムの特定１方向の変位を求めることに加えて、
   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測定手段の組による測定から前記コラムの他の特定１方向の変位を求めることを特徴とする、工作機械。
5. 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第１コラムおよび第２コラムと、
   前記第１コラムと第２コラムに架け渡されたクロスレールと、
   前記クロスレールに移動可能に支持され、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、
   前記第１コラムに対して離間して配置され、当該第１コラムの線膨張係数とは異なる線膨張係数を有する第１基準バーと、
   前記第２コラムに対して離間して配置され、当該第２コラムの線膨張係数とは異なる線膨張係数を有する第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第１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第２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、
   前記第１、第２測定手段による距離の測定結果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、を備え、
   前記姿勢変化評価部は、前記第１測定手段、第２測定手段により測定された測定対象部位のそれぞれについて、予め定められた基準距離からの鉛直方向の変位を求め、これらの変位と第１基準バーと第２基準バーの間の間隔距離に基づいて前記主軸の先端の特定方向の変位を線形近似して評価し、前記主軸頭の姿勢変化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。
6. 請求項５において、
   前記第１コラム、第２コラムには、それぞれ
   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、前記第１測定手段により測定された変位と第２測定手段により測定された変位に基づいて前記主軸頭またはクロスレールの姿勢を評価することを特徴とする、工作機械。
7. 請求項６において、
   前記第１コラム、第２コラムには、それぞれ
   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、
   前記第1コラムまたは第２コラムの線膨張係数とは異なる線膨張係数を有する第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第１コラムまたは第２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測定手段の組と、の３組が設置され、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測定手段の組による測定から、前記第１コラム、第２コラムについてそれぞれ特定１方向の変位を求め、
   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、第１コラム、第２コラムについてそれぞれ他の特定１方向の変位を求めることを特徴とする、工作機械。
8. 請求項７において、
   前記第１コラム、第２コラムには、それぞれ
   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、
   前記第１コラムまたは第２コラムの線膨張係数とは異なる線膨張係数を有する第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第１コラムまたは第２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４測定手段の組と、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から前記第１コラム、第２コラムそれぞれの特定1方向の変位を求めることに加えて、
   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から前記第１コラム、第２コラムそれぞれの他の特定１方向の変位を求めることを特徴とする、工作機械。

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