JP7301570B2

JP7301570B2 - 真円度測定装置およびそれを備えた工作機械ならびに測定方法

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Publication number: JP7301570B2
Application number: JP2019059584A
Authority: JP
Inventors: 航糸矢
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2023-07-03
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP2020159868A

Description

本発明は、ワークの真円度を測定可能な測定装置およびそれを備えた工作機械ならびに測定方法に係り、特に自動工具交換式工作機械に用いて好適な真円度測定装置およびそれを備えた工作機械ならびに測定方法に関する。

従来の一般的な真円度測定方法では、接触式プローブを使用する場合には、接触子を持つプローブをワークに当接させ、ワークとプロ－ブのいずれかまたは双方をワークの軸周りに回転させて、接触子の軸からの距離の変化を求めている。また、非接触式センサを使用する場合には、ワークからセンサを所定距離だけ離して配置した後、ワークまたはセンサのいずれかを軸周りに回転させてセンサとワーク間の静電容量や渦電流値の変化を検出している。例えば、特許文献１においては、ワークの加工途中や加工終了時に、ワーク形状を高精度に測定するため、工作機械の主軸ヘッドに渦電流式センサを取付け、一方主軸にプローブを取付けて、プローブの主軸ヘッドの軸心に対する偏差を求め、その後プローブが検出した測定値からセンサを用いて求めた偏差分を補正し、ワークの真の測定値を得ている。

また、特許文献２には、工作機械や専用機に取り付け可能な接触式の内径測定装置が開示されている。この公報に記載の内径測定装置では、ボアゲージが、ワークの内面に当接する複数個の測定子と、測定子のそれぞれに設けられ測定子に接続された検出器を備える。複数個の測定子は内径測定装置の中心軸を通る直線にその中心線が交差し、周方向に１８０°互いに離隔した測定子を含んでいる。２個の測定子はそれぞれ内径測定装置の中心軸に直交する方向の変位を測定可能であり、２個の測定子を１８０°回転させたときの測定子の変位量から内径測定装置の心ずれ量を求め、検出器が検出した測定値から心ずれ量分だけ補正して、真の測定値を得る。なお、加工装置に測定具を取付ける例が特許文献３ないし５に開示されている。

特開２０１８－８９７３８号公報特開２０１８－１６９１８０号公報特開平１０－１５７１２号公報特開平９－２０１７４４号公報特開２０１８－１０３２８６号公報

従来、加工装置で加工中または加工後にワークの内径または真円度を求めるために、接触式または非接触式の測定装置を用いている。ワークの内径または真円度を高精度に測定するためには、直接ワークの内周面に当接させるのが最も確実であるので、高精度測定では三次元測定機が用いられてきた。三次元測定機を用いた測定では、装置が内径または真円度の測定に用いる他の計測手段に比べて大型であることと環境の影響を少なくするため、加工装置とは別個の場所または環境に測定機を配置する。そのため、測定の段取りおよび加工場所との移動および復元に多数の工数を要している。

一方、プローブの偏心変位を求める特許文献１に記載の従来の測定装置は、確かにプローブを有するホルダのシャンク部の取付け誤差を高精度には検出できるものの、プローブの偏心変位を検出し、その後プローブを用いてワーク内径を測定している。すなわち、プローブの偏心量を介してワーク内径の変動量を間接的に求めているので、測定誤差を低減するためにはセンサおよびプローブによる測定の双方が高精度である必要がある。特にワークの内周面を測定するためには、ワークの中心軸、より正確には加工内周面の中心軸に対するセンサおよびプローブの傾きの影響を相殺できるようにする必要がある。そのため段取り作業等に多大な工数を要する。

接触式測定の他の方法である特許文献２に記載の測定方法では、ボアゲージを加工装置に取付けることも可能であるので、加工環境から大きく離れた場所で測定する必要がない。しかしながら、加工装置の送り誤差が正確な測定に対する誤差要因となり得る。また、取付けるゲージは測定結果を伝達するために電源を必要とするが、ゲージを加工機に取付ける制約上内蔵電池を電源にしている。電池の頻繁な交換を防止するため電池の消耗をできるだけ低減することが必要であるが、従来多用された差動変圧器型の測定子では電池の消耗を抑制することが困難である。

特許文献３ないし５には、加工機からワークを動かすことなく、加工機に測定プローブを取付けて加工時に測定することが開示されているが、これらにおいても正確な測定と測定プローブにおける電池の消耗の低減の両立を図ることについては、まだ不十分である。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、エンジンのシリンダ等の内周面加工したワークの内周面の真円度および／または外径を、加工装置に対するワークの位置を変化させずにその場で高精度に測定可能にすることにある。本発明の他の目的は、この目的に加えて測定プローブにおける電池の消耗を低減して電池交換の頻度を減らし、さらに上記測定を短工数で実現可能にしてワークの加工能率を向上させることにある。そして本発明は、これら目的の少なくとも一つを達成することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の特徴は、工作機械に付設された自動工具交換装置を用いて加工具の代わりに前記工作機械の主軸に取付けられ、ワークの真円度を測定する真円度測定装置において、前記主軸の主軸端に形成された主軸穴のテーパと相補的なテーパが形成されたシャンク部を有する本体を備え、前記本体は、前記本体の反シャンク部側に配置され、ワークの真円度を検出するセンサを取付けるセンサホルダ部と、前記シャンク部と前記センサホルダ部の間に配置された電池を含む電源部を含む無線通信部を備え、前記センサホルダ部には１個の光学スケールを有する１個の光学式センサだけが取付けられているとともに、このセンサは一方向の変位のみ検出可能なセンサであり、前記無線通信部は前記センサが検出した検出値を変位信号に変換し、前記真円度測定装置はさらに、前記工作機械またはその近傍に配設され、変換された変位信号を無線で受信するレシーバと、前記レシーバに有線または無線で接続された管制部を備えることにある。

そしてこの特徴において、前記センサはワークに当接する測定子を備え、前記レシーバと前記管制部の少なくともいずれかは、前記無線通信部から送信された、ワークの周方向における多数の測定点からなる測定点群の変位信号を、ワークの周方向に結んで形成された測定図形から真円度を演算することが好ましい。さらに、前記レシーバと前記管制部の少なくともいずれかで実行される真円度演算では、真円度成分に前記センサの回転軸とワークの加工穴の加工中心の偏差を合成した成分である前記測定点群の変位信号を、ワークの周方向に結んで得られた測定図形に対して、最小二乗法または最小領域法を用いて最小円と最大円を求め、それら２つの円の半径差を真円度とすることが望ましい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、自動工具交換装置が付設されたマシニングセンタやＮＣ工作機械等の工作機械において、自動工具交換装置は、加工具を取付け可能な加工ホルダと、前記加工ホルダに形成されたシャンク部と実質的に同じテーパが形成されたシャンク部を有する本体を、取外し可能に取付け可能であり、前記工作機械は、上記に記載の少なくとも１個の真円度測定装置を備え、前記自動工具交換装置は前記加工具による加工を終了した後に、前記自動工具交換装置を用いて前記主軸に取付けられていた前記加工ホルダを前記少なくとも１個の真円度測定装置に自動交換し、この自動交換によりその場（ｉｎ－ｓｉｔｕ）測定を可能にすることにある。

そしてこの特徴において、前記工作機械は、前記自動工具交換装置に工具交換位置で前記真円度測定装置の本体を主軸に取付けさせ、その後、前記主軸を加工位置に戻させ、前記本体が有する光学式の変位センサの測定子を計測対象部位に当接させ、当接した前記測定子をワークの周方向に１周以上、加工速度より遅い速度で前記主軸とともに回転させ、前記測定子の変位を前記変位センサで検出するよう構成されるのが望ましい。

上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、自動工具交換装置を付設した工作機械を用いて、加工中または加工工程の終了後にその場（ｉｎ－ｓｉｔｕ）測定を可能にする、ワークの内径加工における真円度測定方法において、前記工作機械の主軸の主軸端に形成されたテーパが付いた主軸穴に取付けられた加工具を、前記自動工具交換装置を用いて真円度測定装置の本体に交換するステップと、前記真円度測定装置の本体が備える測定子をワークの内周に当接させた後、前記主軸を回転させながら、ワークの周方向に少なくとも１周以上前記測定子を回動させて、スケールを有する光学式センサで、ワークの周方向の少なくとも異なる４点以上について内径に対応するデータを検出するステップと、検出したワークの内径に対応するデータを内径データの変動に変換して、無線通信部からレシーバを介して管制部に送信するステップと、レシーバおよび／または管制部において、送信されたデータから最小二乗法または最小領域法により最小円と最大円を求め、それら２つの円の径差を真円度として演算するステップを含むことにある。そして前記真円度測定装置の本体が備える前記測定子をワークの内周に当接する代わりにワークの外周に当接させ、前記主軸を回転させながら、ワークの周方向に少なくとも１周以上前記測定子を回動させて、ワークの外周の真円度を演算するようにしてもよい。

本発明に係るマシニングセンタの一実施例の主要部の正面図である。図１に示したマシニングセンタの側面図である。図１に示したマシニングセンタに取付け可能な真円度測定装置の一実施例の正面図、測定子の詳細図及び受信部の概要を示すブロック図である。光学式センサの概要を説明する図である。内径計測結果の一例を示すグラフである。内径計測データから真円度を求めるシミュレーション結果の一例を示す図である。本発明に係る外径測定装置の一実施例の正面図である。

以下、本発明に係る真円度測定装置及びそれを備える工作機械の実施形態を、図面を用いて説明する。以下の説明においては、工作機械として自動工具交換装置（ＡＴＣ）を備えたマシニングセンタを例に取り説明するが、工作機械はマシニングセンタに限らず、ＮＣ加工機等であってもよい。ただしいずれの場合においても、自動工具交換装置を備えることが望ましい。

図１及び図２は、マシニングセンタの一実施例の主要部を模式的に示す図であり、図１はその正面図、図２はその側面図である。本実施例のマシニングセンタ１００は、立形マシニングセンタであり、ワーク１５０を加工する位置とは異なる位置に主軸ヘッド１０９の先端部に設けられた主軸１１６を主軸ヘッド１０９ごと移動して、工具交換を実行するものである。

マシニングセンタ１００は、壁で仕切られた加工室８０とこの加工室８０に付設された制御装置１２６を有する。加工室８０には主軸ヘッド１０９が設けられている。主軸ヘッド１０９は、一対のＺ軸ガイド１１０により上下方向であるＺ_１方向に移動可能であるとともに、Ｘ軸ガイド１１４によりＸ_１方向に移動可能である。主軸ヘッド１０９の下部には主軸１１６が設けられており、主軸１１６の下端部である主軸端１１７に形成された主軸穴１５８には、加工具１６０を取付けた加工ホルダ１１８が嵌合されている。ホルダ１１８の上部は先窄まりのテーパが形成されたシャンク部１５９を構成しており、主軸端１１７に形成された主軸穴１５８はこのシャンク部１５９のテーパと相補的である。

主軸ヘッド１０９の下方の床面には、ベッド１０３が設けられており、ベッド１０３にはワーク１５０を固定保持するためのテーブル１０５が配設されている。テーブル１０５の下面にはスライダ１０６が取付けられており、スライダ１０６がベッド１０３上に配設された一対のＹ軸ガイド１０４上をＹ_１方向に移動可能になっている。従ってワーク１５０はテーブル１０５とともにＹ_１方向に移動可能である。主軸ヘッド１０９の移動方向であるＺ_１方向及びＸ_１方向、テーブル１０５の移動方向であるＹ_１方向はデカルト座標系を構成する。

このように構成したマシニングセンタ１００による自動加工においては、予めテーブル１０５にワーク１５０を取付け、ワーク１５０をＹ軸ガイド１０４とスライダ１０６により、テーブル１０５ごと加工位置へ移動させる。一方、所望の加工具１６０、図１ではエンドミルを取付けた主軸端１１７を主軸ヘッド１０９のＸ軸ガイド１１４を用いてワーク１５０の真上に移動させ、主軸ヘッド１０９のＺ軸ガイドを用いて内径加工する。主軸ヘッド１０９の主軸１１６は図示しないモータで回転駆動され、主軸ヘッド１０９を下降させることにより、ワーク１５０の内周面が加工される。所定の加工が終了すると、主軸ヘッド１０９が上昇し、ワーク１５０は位置を変えずに残されるが、主軸ヘッド１０９は加工位置から退避される。そして次の加工または計測のために、主軸端１１７に取付けるホルダ１１８を交換する。

ところでマシニングセンタ１００は、自動工具交換装置２００を備えているので工具の無人交換が可能になる。図１では、主軸ヘッド１０９よりも左側に自動工具交換装置２００が設けられている。自動工具交換装置２００は、工具マガジン２４０と移載（トランスファ）部２５０を主要構成としている。工具マガジン２４０は、離隔して配置した一対のスプロケット２０２、２０４とこれらのスプロケット２０２、２０４に装架されるチェーン２０６を有している。チェーン２０６の外側面には間隔を置いて複数の工具ポッド２４２が取り付けられている。各工具ポッド２４２には主軸端１１７に形成したのと実質的に同一のテーパ穴１５８が形成されており、加工具１６１、１６２、…が取付けられたホルダ１１８のテーパ状のシャンク部が嵌合可能になっている。詳細を後述するが、工具ポッド２４２には真円度を計測する真円度装置３００の本体（ホルダ）１４０も取り付け可能である。

図示しないモータが少なくとも一方のスプロケット２０２、２０４に連結されており、スプロケット２０２、２０４を回転駆動する。２個のスプロケットの間であって近傍には、移載ロボット２１０がＹ_２方向に移動可能に取り付けられている。移載ロボット２１０はＹ_２方向の前側、すなわち図２の右側に、Ｘ軸ガイド２１１をガイドにしてＸ_２方向に移動可能なハンド２１２を備えている。ハンド２１２の前側には、上下方向であるＺ_２方向に開閉可能な１対のグリッパ２１４を備えている。Ｘ_２、Ｙ_２、Ｚ_２方向はデカルト座標を形成する。

移載部２５０は、取り出しアーム２３０とホルダ交換具２２６を備える。取り出しアーム２３０では先端部に工具ポッド２４２と同様のポッド２３２が取り付けられており、ポッド２３２には主軸端１１７に形成されているのと実質的に同一のテーパ穴１５８が形成されている。取り出しアーム２３０は、水平方向から真下まで回転中心２３１を中心にθ２方向にほぼ９０度だけ回動する。

主軸ヘッド１０９を工具交換位置まで退避させ、取り出しアーム２３０を真下にしたときに、主軸ヘッド１０９と取り出しアーム２３０のＸ_１方向およびＹ_１方向の中央部になるところにホルダ交換具２２６が設けられている。ホルダ交換具２２６は、上下方向、すなわちＺ_１方向に移動可能な移載アーム軸２２０と、移載アーム軸２２０の下端に回転対称に設けられた水平方向に延びる細長い板状の移載アーム軸２２２を備える。移載アーム軸２２２の各先端部には、加工具１６０のホルダ１１８または真円度測定装置３００の本体１４０を把持可能なように、グリッパ２２４が設けられている。

ワーク１５０の１つの加工工程が終了すると、マシニングセンタ１００は、加工具１６０を加工位置から退避させた後、主軸ヘッド１０９を工具交換位置まで移動する。それと並行して、移載部２５０を有する自動工具交換装置２００では、以下の工程が実行される。すなわち初めに、工具マガジン２４０のチェーン２０６がスプロケット２０２、２０４により回転駆動され、交換される加工具１６０が取り付けられたホルダ１１８または真円度測定装置３００の本体１４０が取り付けられた工具ポッド２４２が移載ロボット２１０の最前部（図２で最も右側）に移動される。移載ロボット２１０をＹ_２方向に移動して、工具ポッド２４２に取り付けられたホルダ１１８または真円度測定装置３００の本体１４０を、移載ロボット２１０が備えるハンド２１２のグリッパ２１４部で把持する。次に、ハンド２１２をＸ軸ガイド２１１に沿って移動させて、工具ポッド２４２からホルダ１１８または本体１４０を工具ポッド２４から抜き取る。移載ロボット２１０をさらに前方へ移動させ、取り出しアーム２３０の先端部に設けたポッド２３２のテーパ穴１５８にグリッパ２１４が把持したホルダ１１８または本体１４０のシャンク部１５９を位置決めする。そして、ハンド２１２をＸ_２方向に戻して、シャンク部１５９をテーパ穴１５８に嵌合させる。この時、取り出しアーム２３０は、水平状態にある。

ホルダ１１８または本体１４０が取り出しアーム２３０に保持されたら、グリッパ２１４を開放し、移載ロボット２１０を後ろ側に後退させる。移載ロボット２１０が干渉する恐れがなくなったので、ホルダ１１８または本体１４０を取り出しアーム２３０のポッド２３２に嵌合させたまま、取り出しアーム２３０を実質的に９０°だけ下側に回動させる。ホルダ１１８または真円度測定装置３００の本体１４０は、加工具１６０であるエンドミルや測定子１５６（図３（ａ）、（ｂ）参照）を下側にして、ほぼ垂直な状態に維持される。つまり、これから使用されるホルダ１１８または本体１４０と使用を終えて主軸１１６から取り外されるホルダ１１８とが、平行でかつ同じ高さに保持される。

この状態で、移載アーム２２２の両端部に設けたグリッパ２２４が、ホルダ交換具２２６のＺ_３方向高さ位置を、使用後のホルダ１１８と使用前のホルダ１１８または本体１４０を把持できる高さ位置に調整する。なお、この高さ位置調整時点では、移載アーム２２２は、ほぼ主軸ヘッド１０９の移動方向であるＸ_１方向に直角なＹ_１方向に延びており、高さ位置調整の際に取り出しアーム２３０や主軸１１６と干渉することはない。高さ位置が把持位置に調整されたら、移載アーム軸２２０を回転駆動して、移載アーム２２２をＸ_１－Ｙ_１平面内で実質的に９０°だけ回動する。そして、移載アーム２２２の両端に設けたグリッパ２２４で使用後のホルダ１１８と使用前のホルダ１１８または本体１４０を、同時に把持する。両端部のグリッパ２２４がホルダ１１８や本体を把持し終えたら、移載アーム軸２２０をＺ_３方向の下側へ移動させて、ホルダ１１８や本体１４０を主軸端１１７および取り出しアーム２３０のポッド２３２から取り外す。

ホルダ１１８や本体１４０を主軸端１１７および取り出しアーム２３０のポッド２３２から取り外し終えたら、移載アーム軸２２０をＸ_１－Ｙ_１平面内で１８０°回動させて、使用済みホルダ１１８を取り出しアーム２３０のポッド２３２に、これから使用するホルダ１１８または本体１４０を主軸端１１７のテーパ穴１５８に位置決めし、移載アーム軸２２０をＺ_３方向に引き上げる。そして、使用済みホルダ１１８をポッド２３２に、これから使用するホルダ１１８または本体１４０を主軸端１１７に同時に嵌合する。

ホルダ１１８や本体１４０のシャンク部１５９がテーパ穴１５８に嵌合したら、移載アーム２２２のグリッパ２２４を開放し、ホルダ交換具２２６が主軸１１６および取り出しアーム２３０に干渉しない位置へ、移載アーム軸２２０を９０°だけ戻す。その際、移載アーム軸２２０の高さは適宜位置にする。

以上により自動工具交換が済んだので、新しいホルダ１１８または本体１４０を取り付けた主軸１１６はＸ軸ガイド１１４を用いて、ワーク１５０が残されている元の加工位置へ戻される。これにより、新しいホルダ１１８または本体１４０とワーク１５０の相対位置を高精度に復元できる。

一方使用を終えたホルダ１１８は、取り付けと逆の手順で工具マガジン２４０に戻される。具体的には、取り出しアーム２３０を回動中心周りに下側から水平に９０°だけ回転させ、次いで移載ロボット２１０のグリッパ２１４がホルダ１１８を把持し、ハンド２１２がＸ_２方向に移動してホルダ１１８を取り出しアーム２３０のポッド２３２から抜き取る。その後移載ロボット２１０を後退させ、チェーン２０６周りに配設された空き工具ポッド２４２に収納する。

次に加工具１６０に代わって主軸１１６に自動交換で取り付けられる、本発明に係る真円度測定装置３００の実施例を、図３ないし図７を用いて説明する。図３は、真円度測定装置３００の一実施例の図であり、図３（ａ）はその本体１４０の正面図であり、測定状態を分かりやすく示すためにワーク１５０（一部断面）とともに示した図である。図３（ｂ）は本体１４０の模式断面図であり、図３（ｃ）は通信系統を示す図である。

真円度測定装置３００の本体（ホルダ）１４０は、マシニングセンタ１００の主軸端１１７に形成されたテーパ穴１５８と相補的なテーパが形成されたシャンク部１５９を一端側に備え、他端側（反シャンク部側）には測定子１５６を有する変位センサ１５５を備える。変位センサ１５５はセンサホルダ部１４２に取り付けられており、センサホルダ部１４２とシャンク部１５９の間には、無線通信部１３２が設けられている。無線通信部１３２は、変位センサ１５５が検出したデータ（本例では内径データ）を変換して主軸１１６から離隔して配置されたレシーバ１７０へ無線で送信するために、アンテナ１３５を含む。アンテナ１３５は筐体内に保持されアンテナ配設部に対応する筐体の外面は、樹脂カバー１３４で覆われている。樹脂カバー１３４でアンテナ１３５を覆うことにより、アンテナ１３５への加工液の付着や電磁障害を起こす恐れを回避できる。

また図示しないが無線通信部１３２は、変位センサ１５５が検出したデータを変位信号に変換する演算手段等の回路手段も備えている。さらに、無線通信部１３２には変位センサ１５５に電力を供給する電源部としての電池１３３、例えば単三乾電池が取り外し可能に取り付けられている。無線通信部１３２とセンサホルダ部１４２の間は、接続部１４３で接続されている。本実施例では、このように構成した真円度測定装置３００の本体（ホルダ）１４０は、上述した通り自動工具交換装置２００の工具マガジン２４０に取り付けられている。

次に、変位センサ１５５の詳細を図３（ｂ）と図４により説明する。本発明では変位センサ１５５に光学スケールを有する光学式センサを用いている。その理由は、自動工具交換装置２００では加工具の場合のホルダに対応する本体内に電源を配置する必要があり、容易に入手できかつたとえ頻繁な交換が発生しても容易に交換ができる電源として電池、特に乾電池を使用する必要がある。生産性を向上させるためには電池の交換頻度、ひいては電池の消耗をできるだけ抑える必要があり、従来変位センサとして多用される差動変圧式変位計よりも、例えば１個の測定子当たりの消費電力を２０～６０％低減できる光学式変位計を用いている。さらに、消費電力を低減するために、使用時以外は低消費電力モード、使用時だけ加速度センサで動きを検出して通常モードに戻す電力消費パターンを組み合わせることで、上記の電力低減量は倍加する。

図３（ｂ）に戻って、ワーク１５０の内周面１４８に当接する測定子１５６は、円柱状をしており一端の当接部１５７が、ほぼ半球形に形成されている。当接部１５７は、硬い金属またはルビー等の鉱石で形成されている。測定子１５６の中間部には、測定子１５６に直交する方向に延びるアーム１８１が設けられている。アーム１８１は、アーム１８１の長手方向中間部に取り付けられた回動軸１８４で上アーム部１８３と下アーム部１８２に分かれている。アーム１８１は筐体１８０内に大部分が収容されており、下アーム部１８２の一部だけが筐体１８０から下方に延在している。上アーム部１８３の上端には、検出部１０を構成する、リニアスケール４が取り付けられたスケール・パターン５が形成されている。スケール・パターンに対向してリーディングヘッド１が配設されている。リーディングヘッド１には無線通信部１３２の電池１３３から電源線１９１を介して電力が供給され、またリーディングヘッド１が検出した信号は、信号線１９２を介して無線通信部１３２に送信される。

上アーム部１８３の長手方向適宜位置には引っ張りバネ１８６の一端を係止するバネ係止穴が形成されており、引っ張りバネ１８６の他端部はバネ取付け部１８９で筐体１８０に固定されている。したがって、測定子１５６が長手方向に移動すると、アーム１８１が回動軸１８４周りに回動し、リーディングヘッド１とリニアスケール４との相対位置が変化する。この相対位置の変化をリーディングヘッド１が読み取り、測定子１５６の変位に変換される。バネ１８６は測定子１５６の長手方向の移動を抑制するように働いており、測定子１５６がワークに触れていない場合には、測定子１５６を外側に押しやるように働く。なお測定子１５６の移動方向は１方向だけが許容されてあり、したがって変位センサ１５５は１方向の変位のみ検出可能である。

本実施例による光学式の変位センサ１５５の検出部１０の詳細を、図４に示す。図４（ａ）は、リニアスケール４の拡大正面図であり、同図（ｂ）はリーディングヘッド１とリニアスケール４の側面図である。リニアスケール４は、例えばガラス製のスケール基板１ａにＡｇ、Ａｌ等の光反射率の高い金属を蒸着等で成膜して形成した反射部５ｂと、反射部５ｂ間に非成膜部分（または非処理部）として形成された透過部５ａを有する。反射部５ｂと透過部５ａは同一幅、例えば２０μｍであり、これら反射部５ｂと透過部５ａとでスケール・パターン５が形成される。そして、このスケール・パターン５が、アーム１８１の移動方向であるＸ方向に多数繰り返し形成されている。上述したように、リニアスケール４はアーム１８１の上端に取り付けられており、アーム１８１とともにＸ方向に移動する。

一方リーディングヘッド１は、リニアスケール４から間隔を置いてリニアスケール４に平行に筐体１８０に固定して対向配置され、リニアスケール４とともにインクレメンタル方式の光学エンコーダもしくはセンサ部を形成する。リーディングヘッド１は、発光部２と受光部３をスケール基板１ａ上に有している。発光部２はＬＥＤアレイやレーザアレイからなる光源と、格子や光透過部材を有する。受光部３は、フォトダイオードアレイからなる受光素子を有する。

このように構成した検出部１０は、リニアスケール４がアーム１８１とともに図中Ｘ方向に動くと、発光部２から発光された入射光１１は、リニアスケール４上の複数のスケール・パターン５に入射し、反射部５ｂでは反射して反射光１２として受光部３へ入射し、一方透過部５ａでは透過光１３としてリニアスケール４を通り抜ける。受光部３に入射した反射光１２が、リニアスケール４のＸ方向への移動量の検出信号として以後処理される。

図３（ｃ）に戻り、検出部１０が検出した変位信号は無線通信部１３２の処理回路で信号処理されて変位信号として無線通信部１３２のアンテナ１３５から、レシーバ１７０に無線送信される。レシーバ１７０は、例えばマシニングセンタ１００の制御装置１２６の側面に配置される。レシーバ１７０に無線送信された信号は、例えばマシニングセンタ１００の内部に配置した管制部１７２に、無線または有線送信手段１７４で送信される。管制部１７２は、受信した変位信号から以下に示す演算処理を施してワーク１５０の真円度を求める。求めた真円度に基づいて、管制部１７２は、ワークの加工を次工程に進めるか、再加工するか、不良品として加工を中止するか判断する。

ワーク１５０の内径を、本発明の真円度測定装置３００を用いて測定した例を図５および図６に示す。これらはシミュレーション結果である。この測定に当たっては、マシニングセンタ１００の自動工具交換装置２００を用いて、エンドミル等の加工具１６０での加工を終えたワーク１５０の内径を測定している。その際、自動工具交換装置２００で真円度測定装置３００の本体１４０を主軸端１１７に加工具１６０と実質的に同心で取付け、その後主軸１１６を加工位置に移動させて、本体１４０が備える測定子１５６を測定対象部位であるワーク１５０の加工面としての内周面１４８に当接させる。これによりその場（ｉｎ－ｓｉｔｕ）測定が可能になる。

主軸１１６が備えるθ_１方向の回転機構を用いて、ワーク１５０に当接した測定子１５６を、本体１４０と一緒に加工速度よりも遅い速度で周方向に少なくとも１周以上回転させてワーク１５０の内周面１４８の形状をトレースし、検出部１０を用いて、断続的または離散的に多数点（少なくとも４点以上で、通常数十点）で測定子１５６の変位を検出する。これから、本体１４０の周方向角度と、検出部１０が検出した当接部１５７の半径方向変位量の関係が得られる。結果の一例を図５に示す。なおこの図で示した変形方向変位量では、真円度成分に変位センサ１５５の回転軸とワーク１５０の加工穴の加工中心Ｏの偏差が合成されている。

図５の縦軸がデジタル処理により算出された測定値（又は変位量）であり、リニアスケール４のスケール・パターン５における縞の数の変化に対応する。ここで、実際のリニアスケール４の縞は例えば２０μｍ幅であるが、リーディングヘッド１が検出した縞の数をデジタル処理でさらに内挿及び細分して、μｍ以下の精度で測定値を得ている。横軸は、周方向基準点からの周方向角度であり、例えばワーク１５０の内周面１４８の加工中心Ｏを中心とする座標系における、Ｘ軸の位置を基準点とする。なお、測定子１５６はワークを模擬した内径既知のマスタで予め校正されている。

検出部１０が検出したデータは、無線通信部１３２に送られて、上記デジタル処理が施され変位データに変換される。測定データは離散点のデジタル信号の集合（測定点群）で表されて、無線で遠隔のレシーバ１７０に送信される。この無線送信においては、たとえば２．４ＧＨｚ帯でデータを送信する。しかしながら、マシニングセンタ１００等が配設される工場内では無人化のため及びその他の理由によりタッチプローブやＷｉＦｉなどの通信が、２．４ＧＨｚ帯で実行されているので、通信が混信する恐れがある。そこで本発明では、周波数ホッピングパターンで無線通信部１３２とレシーバ１７０間の接続を確立して、他の２．４ＧＨｚ帯の通信との混信を防止している。これにより、他からの干渉の影響で真円度測定装置３００が動作停止や誤動作をすることがなく、かつ他の工作機械を安定して運用できる。

ところで、変位センサ１５５が取付けられた本体１４０は、主軸１１６に着脱可能にしているので商用電源の利用が困難であり、例えば単三乾電池１３３等の本体１４０に設けられた電源からの電力供給で自己完結するようにしている。そのため、変位センサ１５５や無線通信部１３２での電力消費は、極力抑制することが望まれる。本実施例においては、変位センサ１５５では、主として光源２とリーディングヘッド１に電力を供給し、無線通信部１３２では、主として送受信および検出データの変位への変換に電力を消費する。そして複雑な演算等は商用電源を利用できるレシーバ１７０または管制部１７２で実施する。なおレシーバ１７０を単に中継具として用いればレシーバ１７０が小型化され、以下に記載のような演算を管制部１７２で実行できる。

図６に、本発明による真円度測定装置３００による真円度の算出結果をグラフで示す。図５に示した変位データを極座標形式で表したもので、座標の周方向を図６の横軸の角度とし、半径方向を図６の縦軸の変位量として得られる。真円度はＪＩＳＢ０６２１に、「円形形体（Ｃ）を二つの同心の幾何学的円で挟んだとき、同心二円の間隔が最小となる場合の、二円の半径の差（ｆ）で表」すとあり、例えば最小二乗中心法（最小二乗法）や最小領域中心法（最小領域法）が用いられる。最小二乗法では、離散的な測定点（図中四角印）を結んで得られた測定図形３１０に対して、偏差の二乗和が最小となる円３２０を一つ当てはめ、その円３２０の中心座標位置を測定図形３１０の中心と考えて、これに同心で測定図形３１０に内接及び外接する二円３１２、３１４、すなわち最小円と最大円の半径差として真円度が得られる。

図示しないが、最小領域法を用いると、測定図形３１０を挟む二円の同心円の半径差が最も小さくなるように二円の中心座標の位置を探し出し、この中心座標を測定図形３１０の中心と考え、このときの二円（最大円と最小円）の半径差から真円度が得られる。その他、測定図形３１０に外接する任意の円とそれと同心の内接円との半径差から真円度を得る最小外接円中心法や測定図形３１０に内接する任意の円とそれと同心の外接円との半径差から真円度を得る最大内接円中心法等を用いることもできる。以上に述べた各演算は、測定データから変位に変換する場合に比べ、格段にメモリや演算処理時間を要するので電力消費が大きくなる。そのため、これらの演算は管制部１７２で実行するのが望ましい。

本実施例では、測定図形３１０を得るために、変位センサ１５５は、１個の測定子１５６及びそれに接続する１個の検出部１０しか必要としない。従って装置の複雑化を回避できるとともに装置を容易に小型化でき、小径の内周面にも容易に適用可能となる。また、加工時に加工具１６０の曲がりなどにより加工穴の加工中心Ｏの位置ずれがあったり、形状が歪んでいても、正確な真円度測定が可能になる。つまり、本実施例によれば真円度測定において、マシニングセンタ１００の主軸１１６の回転だけを利用して、測定位置（測定子１５６当接部１５７）を周方向に変化させているので、マシニングセンタ１００の送り誤差やタッチプローブの持つ感度の方向依存性の影響を排除した測定をその場（ｉｎ－ｓｉｔｕ）で可能にする。

図７に、ワーク１５０の外径の真円度測定の例を示す。本実施例は、図３に示した内周面１４８の真円度測定とは、センサホルダと変位センサの本体に対する相対位置が相違している。本体１３８は、センサホルダ部１４１と変位センサ１５５の配置場所が異なるだけで、それらを構成する各部品は図３に示した本体１４０と同様のものである。つまり、センサホルダ１４１は本体１３５の最外周側に配置され、変位センサ１５５はそれよりも内側に配置されている。変位センサ１５５の測定子１５６をワーク１５１の外周面１４７に当接させ、その後加工時の速度よりも低速で主軸１１６を回転させて、ワーク１５１の外周面１４７の真円度を測定する。測定後の処理は、内周面１４８の測定の場合と同様である。本変形例によっても、小型でかつ簡単にその場で（ｉｎ－ｓｉｔｕ）の真円度の測定が可能になる。

なお上記実施例においては、光学スケール式の変位センサを１組だけ真円度測定に用いているので、差動変圧器型の変位センサに比べてセンサ部における消費電力を低減できる。また光学スケールを２組使用するボアゲージに比べて消費電力を１／２または１／４程度まで低減できる。

上記実施例においては、工作機械が備える自動工具交換装置を用いて加工具の代わりに真円度測定装置を工作機械に装着しているので、工作機械の加工時と実質的に同じ取付け状態で真円度を測定できるので、その場（ｉｎ－ｓｉｔｕ）計測が可能になる。さらに、上記実施例においては変位センサの測定子の変位方向が、常に一方向であるので、ワークを測定した位置や方向に応じて測定誤差が変化する恐れがない。また、光学式変位センサの測定範囲は１ｍｍ程度もあるので、差動変圧器型の変位センサに比べて測定範囲が広く、わずかに内径または外径が異なるワークの真円度を測定することも可能になる。

１…リーディングヘッド、２…発光部、３…受光部、４…リニアスケール、５…スケール・パターン、５ａ…透過部、５ｂ…反射部、１０…検出部、８０…加工室、１００…マシニングセンタ、１０３…ベッド、１０４…Ｙ軸ガイド、１０５…テーブル、１０６…スライダ、１０７…コラム、１０９…主軸ヘッド、１１０…Ｚ軸ガイド、１１４…Ｘ軸ガイド、１１６…主軸、１１７…主軸端、１１８…（加工）ホルダ、１２６…制御装置、１３２…無線通信部、１３３…電池（電源部）、１３４…樹脂カバー、１３５…アンテナ、１３８、１４０…本体（ホルダ）、１４１、１４２…センサホルダ（部）、１４３…接続部、１４７…外周面、１４８…内周面、１５０、１５１…ワーク、１５５…変位センサ、１５６…測定子、１５７…当接部、１５８…（シャンク用）テーパ穴（主軸穴）、１５９…シャンク（部）、１６０…加工具（エンドミル）、１６１…加工具（エンドミル）、１６２…加工具（ドリル）、１７０…レシーバ、１７２…管制部、１７４…送信手段、１８０…筐体、１８１…アーム、１８２…下アーム部、１８３…上アーム部、１８４…回動軸、１８６…引張りバネ、１８８…バネ係止穴、１８９…バネ取付け部、１９１…電源線、１９２…信号線、２００…自動工具交換装置（ＡＴＣ）、２０２、２０４…スプロケット、２０６…チェーン、２１０…移載ロボット、２１１…Ｘ軸ガイド、２１２…ハンド、２１４…グリッパ、２２０…移載アーム軸、２２２…移載アーム、２２４…グリッパ、２２６…ホルダ交換具、２３０…取り出しアーム、２３１…回動中心、２３２…ポッド、２４０…工具マガジン、２４２…工具ポッド、２５０…移載（トランスファ）部、３００…真円度測定装置、３１０…測定図形、３１２…最大円、３１４…最小円、３２０…最小二乗近似円。

Claims

工作機械に付設された自動工具交換装置を用いて加工具の代わりに前記工作機械の主軸に取付けられ、ワークの真円度を測定する真円度測定装置において、
前記主軸の主軸端に形成された主軸穴のテーパと相補的なテーパが形成されたシャンク部を有する本体を備え、
前記本体は、前記本体の反シャンク部側に配置され、ワークの真円度を検出するセンサを取付けるセンサホルダ部と、前記シャンク部と前記センサホルダ部の間に配置された電池を含む電源部を含む無線通信部を備え、
前記センサホルダ部には１個の光学スケールを有する１個の光学式センサだけが取付けられているとともに、このセンサは一方向の変位のみ検出可能なセンサであり、
前記無線通信部は、前記センサが検出した検出値を変位信号に変換し、
前記真円度測定装置はさらに、前記工作機械またはその近傍に配設され、変換された変位信号を無線で受信するレシーバと、前記レシーバに有線または無線で接続された管制部を備え、
前記センサは前記ワークに当接する測定子を備えることを特徴とする真円度測定装置。
前記レシーバと前記管制部の少なくともいずれかは、前記無線通信部から送信された、ワークの周方向における多数の測定点からなる測定点群の変位信号を、ワークの周方向に結んで形成された測定図形から真円度を演算することを特徴とする請求項１に記載の真円度測定装置。
前記レシーバと前記管制部の少なくともいずれかで実行される真円度演算では、真円度成分に前記センサの回転軸とワークの加工穴の加工中心の偏差を合成した成分である前記測定点群の変位信号を、ワークの周方向に結んで得られた測定図形に対して、最小二乗法または最小領域法を用いて最小円と最大円を求め、それら２つの円の半径差を真円度とすることを特徴とする請求項２に記載の真円度測定装置。
自動工具交換装置が付設されたマシニングセンタやＮＣ工作機械等の工作機械において、
自動工具交換装置は、加工具を取付け可能な加工ホルダと、前記加工ホルダに形成されたシャンク部と実質的に同じテーパが形成されたシャンク部を有する本体を、取り外し可能に取付け可能であり、前記工作機械は上記請求項１ないし３のいずれか１項に記載の少なくとも１個の真円度測定装置を備え、前記自動工具交換装置は前記加工具による加工を終了した後に、前記自動工具交換装置を用いて前記主軸に取付けられていた前記加工ホルダを前記少なくとも１個の真円度測定装置の本体に自動交換し、この自動交換によりその場（ｉｎ－ｓｉｔｕ）測定を可能にしていることを特徴とする工作機械。
前記工作機械は、前記自動工具交換装置に工具交換位置で前記真円度測定装置の本体を主軸に取付けさせ、その後、前記主軸を加工位置に戻させ、前記本体が有する光学式の変位センサの測定子を計測対象部位に当接させ、当接した前記測定子をワークの周方向に１周以上、加工速度より遅い速度で前記主軸とともに回転させ、前記測定子の変位を前記変位センサで検出するよう構成されていることを特徴とする請求項４に記載の工作機械。
自動工具交換装置を付設した工作機械を用いて、加工中または加工工程の終了後にその場（ｉｎ－ｓｉｔｕ）測定を可能にする、ワークの内径加工における真円度測定方法において、
前記工作機械の主軸の主軸端に形成されたテーパ付き主軸穴に取付けられた加工具を、前記自動工具交換装置を用いて真円度測定装置の本体に交換するステップと、
前記真円度測定装置の本体が備える測定子をワークの内周に当接させた後、前記主軸を回転させながら、ワークの周方向に少なくとも１周以上前記測定子を回動させて、スケールを有する光学式センサで、ワークの周方向の少なくとも異なる４点以上について内径に対応するデータを検出するステップと、
検出したワークの内径に対応するデータを内径データの変化にデータ処理して、無線通信部からレシーバを介して管制部に送信するステップと、
レシーバおよび／または管制部において、送信されたデータから最小二乗法または最小領域法により最小円と最大円を求め、それら２つの円の径差を真円度として演算するステップを含むことを特徴とする真円度測定方法。
請求項６において、前記真円度測定装置の本体が備える前記測定子をワークの内周に当接する代わりにワークの外周に当接させ、前記主軸を回転させながら、ワークの周方向に少なくとも１周以上前記測定子を回動させて、ワークの外周の真円度を演算する真円度測定方法。