JPH02249909A - 回転体の送り移動量検出方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ＮＣボール盤などの工作機械を実施対象に、
その工具の送り移動量を検出する回転体の送り移動量検
出方式に関する。

〔従来の技術〕

頭記したボール盤などの工作機械では、工具をモータで
回転駆動しながら軸方向に送りをかけてワークを加工す
る。この場合に工作機械では工具の送り移動量を検出し
、この移動検出値を制御情報として運転制御するように
しており、したがって特に精密加工を行う工作機械では
、加工精度を高めるために工具の送り移動量を正確に検
出することが極めて重要である。

ところで、従来ではこの種の工作機械に対する工具の送
り移動量を検出する手段として、一般にロークリエンコ
ーダが採用されている。この方式をボール盤を例に第６
図で示すと、図において、ｌは駆動モータ、２はモータ
軸の先端にチャック３を介して取付けたドリル、４はワ
ークであり、モータ１はベツド側に設けた送り台レール
５の上に搭載され、モータ１にはボールネジ６ａが取付
けられ、このボールネジ６ａと組合わせたネジ軸６ｂを
送りモータ６Ｃで回転することにより矢印Ａ方向に直線
的に送りがかけられる。そして、この送り移動量を検出
するために、ネジ軸６ｂの回転量を検出するためのロー
タリエンコーダ６ｄを送りモータ６ｃのシャフトに接続
して設ける。モータ１はネジ軸６ｂの回転量に応じた移
動量で送られるので、ロータリエンコーダ６ｄにより検
出されるネジ軸６ｂの回転量からモータ１の移動量を算
出し、モータ１の送り移動量をそのままドリル２の送り
移動量と見なしてロータリエンコーダ６の検出値を基に
ボール盤をＮＣ？１ｌＩＪ？Ｈするようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、前記のようにロータリエンコーダを用いて工
具の送り移動量を検出する方式では、検出精度面で次記
のような欠点がある。すなわち、ボール盤の運転状況に
より駆動モータ１の発熱温度が変化し、これが基でモー
タ軸の軸長が微妙に膨張、収縮変化する。このために駆
動モータ１の検出位置とドリル２との間に軸方向で相対
的な位置ずれが生じ、ロータリエンコーダ６で得た移動
量検出値がドリル２の位置と正確に一致しなくなり、こ
の位置ずれが送り移動量の誤差となってワーク４の加工
精度が低下するようになる。

そこで、発明者等は前記問題点の対策として、ロータリ
エンコーダの代わりに最近になり各種の計測分野で応用
されている光マイクロとして知られた光学式の非接触変
位測定器を採用し、工具の送り移動量を検出する方式を
開発した。その方式を第７図に示す、すなわちこの検出
方式は、第６図におけるロータリエンコーダの代わりに
、チャック３を被検出回転体とし、その回転軸と直交す
る端面を検出面としてこれに光マイクロとしての光学式
変位測定器７を対向配置し、ドリル２の送り移動に伴う
チャック端面の変位を変位測定器７により測定してワー
ク４の加工時におけるドリル２の送り移動量を検出する
ようにしたものである。

なお、光学式の非接触変位測定器の構造、原理について
は、例えば特開昭５５−１１９００６号公報などで既に
よく知られている。

かかる検出方式によれば、ドリル２とともにモータ軸の
先端に連結したチャック３の端面を検出面としてチッヤ
ックの移動位置を変位測定器７で直接検出するようにし
たので、駆動モータ１の発熱によるモータ軸の熱的な軸
長変化の影響を受けることな（、ドリル２の送り移動量
０位置が的確に検出できる。したがって、この検出情報
を基にモータ軸の軸長変化分を補償するようにボール盤
の送りを修正制御することでワークの加工精度を高める
ことができる。

しかしながら、この検出方式でも工作機械に採用して実
機テストしたところ、次のような弱点のあることが判明
した。すなわち、駆動モータｌにチャック３を取付けた
組立状態では、回転体検出面であるチャック端面の回転
軸に対する直角度。

送り台に対するモータ軸の平行度、およびモータ軸に対
するチャックの取付は姿勢の傾きなどに起因する累積誤
差が原因でチャック３の端面ば回転軸に対して僅少では
あるが傾き、このためにチャック３をモータ１で回転駆
動するとチャック３の端面が波打つように面振れが発生
する。しかもこの面振れの振幅は各種工作機械について
実測した結果によれば４〜１０−にもなることが確認さ
れている。これに対して前記した光マイクロの測定分解
能は１１１ｍ以下であり、この結果、前記の検出方式で
は、変位測定器の検出値にチャックの面振れに起因する
ノイズが乗って検出値にふらつきが生じ、工具の真の送
り移動量を正確に検出することができない。

この様子を第８図で説明する。すなわち、第７図のボー
ル盤について、加工時に第８図における腺（イ）で表す
ようにドリルに一定速度の割合で送りをかけた場合に、
変位測定器の検出値（ロ）にはチャック端面の面振れに
起因する正負方向の脈動分が送り移動量を表す線（イ）
に重畳して検出されることになり、このままでは真の送
り移動量が正確に検出できない、なお、チャック端面の
面振れに起因する検出値（ロ）の脈動はモータ１の回転
周期をＴとして、この回転周期に同期して現れる。

本発明は上記の点にかんがみなされたものであり、前記
した回転体の面振れに起因して変位測定器の検出値に現
れる脈動ノイズの影響を排除してその送り移動量を高い
精度で検出できるようにした回転体の送り移動量検出方
式を提供することを目的とする。

（１１８を解決するための手段〕 上記課題を解決するために、本発明の移動量検出方式は
、非接触式変位測定器により、回転軸と直交する回転体
の端面を被測定面として検出された変位信号をサンプリ
ングしかつそのサンプル値を所定の周期で平均化して得
た平均値を回転体の送り移動量検出値として出力するよ
うにしたものである。

また、前記検出方式における信号処理の方式としては、
変位測定器で検出した変位信号を回転体の回転周期の１
／２以下の周期でサンプリングし、かつこのサンプル値
を回転体の回転周期ないしその整数倍周期に同期させて
平均化するか、あるいは変位測定器で検出した変位信号
を、サンプリングの前段で回転体の回転周期に対応する
周波数を減衰帯域に含むフィルタでフィルタリングした
上で、サンプル値を所定の周期で平均化する方式がある
。

そして、前記の非接触式変位測定器として、好ましくは
光学式変位測定器を採用するものとする。

〔作用〕

上記の検出方式によれば、変位測定器の検出部から検出
された変位信号（アナログ値）の回転体の面振れに起因
して正負方向に変化する脈動成分は、変位信号を少なく
とも回転体の回転周期の２以下の周期でサンプリングし
た上で、このサンプル信号（ディジタル値）を回転体の
回転周期ないしその整数倍周期に同期させて加算平均す
ることにより、脈動成分が相殺、消滅して平均値出力に
は含まれなくなる。したがって、回転体の送り移動に追
随した移動量を精度よく検出することができる。

また、変位測定器で検出した変位信号を、サンプリング
する前段で、回転体の回転周期に対応する周波数を減衰
帯域に含むフィルタでフィルタリングすることより、回
転体の回転周期に同期して変位信号に現れる脈動分がサ
ンプリング以前の段階で大きく減衰される。これにより
、この変位信号をサンプリング、平均化して得た平均値
出力の検出精度をより一層高めることができる。

〔実施例〕

第１図ないし第４図はそれぞれボール盤に適用した本発
明の異なる実施例のブロック回路図、第５図は信号処理
動作を説明する信号図であり、第７図に対応する同一部
材には同じ符号が付しである。

すなわち、図示実施例は基本的には第７図で述べた検出
方式と同じであり、ドリル２を取付けたチャック３を検
出対象の回転体とし、その回転軸と直交する前端面を検
出面としてこれに光マイクロとしての光学式変位測定器
７を対向配備し、送り台レール５に沿って矢印Ａ方向に
直線移動する回転体の送り移動量を光学式変位測定器７
で検出するようにしたものである。

ところで、光学式変位測定器７は検出部８と信号処理部
９とに分けられている。ここで、検出部８は半導体レー
ザなどの光源８ａ、投光レンズ８ｂ。

結像レンズ８ｃ、ボジシッンセンサとしての受光素子８
ｄなどを内蔵して構成されたものであり、光源８ａから
チャック３の端面に向けて照射したレーザ光の反射光ス
ポットが受光素子８ｄの面上に受光される。また、駆動
モータ１をレール５上で移動してドリル２に送りをかけ
ると、受光素子８ｄの面上における光スポットの位置が
移動し、受光素子の両側の端子からは光スポフトの位置
に依存した電流が発生する。そして、この電流値に対応
した検比信号は後段の信号処理部９に入力され、ここで
演算処理して変位量に換算されることは周知の通りであ
る。

一方、第１図で示す実施例での信号処理部９は、前記検
出部８からの検出信号を変位量に変換する演算回路１０
に加えて、演算回路１０より出力する変位信号１１（ア
ナログ値）を所定の周期でサンプリングするＡ／Ｄ変換
器としてのサンプリング回路１２、該サンプリング回路
１２にクロック信号１３を与える発信器１４、サンプリ
ング回路１２より出力するサンプル信号１５（ディジタ
ル値）を所定の周期で加算平均する平均化回路１６、該
平均化回路１６に平均化タイミング信号１７を与える平
均化周期設定器１８を備えた回路構成となっており、前
記の平均化回路１６を経て信号処理部９から平均値出力
信号１９が出力される。なお、２０は駆動モータ１に設
けた回転速度センサである。また、第１図では、サンプ
ル信号１５の平均化周期を駆動モータｌの回転同期信号
に一致させて設定しており、かつサンプリング周期をモ
ータ１の回転周期に対して少なくとも１／２以下１例え
ば１／８周期に設定し、チャック３が１回転する間に８
個のサンプル信号１５を得るようにしている。

次に前記の信号処理部９によるチャック３の送り移動量
の検出動作を第５図により説明する。なお第５図におい
て１．％ｉｌ（イ）は回転体であるチャック３に取付け
たドリル２の送り移動量、（ロ）は検出部８より検出さ
れた変位信号１１（アナログ値）、（ハ）は変位信号１
１をサンプリング周期ｔでサンプリングしたサンプル信
号１５（ディジタル値）、（ニ）はサンプル信号１５を
モータ１の回転周期Ｔに等しい平均化周期で平均化した
平均値出力信号１９を表している。

すなわち、検出部８の検出信号を演算回路１ｏで変位量
に変換して得られた変位信号１１は、サンプリング回路
１２において周期もでサンプリングされ、さらに平均化
回路１６でサンプル信号１５が平均化周期Ｔに同期して
加算平均化処理され、一定の応答遅れをもって平均値出
力信号１９として信号処理部９から出力される。

したがって、上記の説明から明らかなように、変位信号
（ロ）に含まれているチャック３の面振れに起因する脈
動成分は、回転周期Ｔに対応する平均化周期でサンプル
信号（ハ）を加算平均化処理することで相殺されて殆ど
消滅し、平均値出力信号（ニ）には脈動分が現れなくな
る。この結果、ドリル２の送り移動に追従して１２２回
転期Ｔごとに真の送り移動量（イ）に対応した精度の高
い検出値が平均値出力信号１９として出力されるように
なる。

なお、前述の実施例では、平均化周期をモータ１の回転
周期Ｔに一致させて設定した例を示したが、平均化周期
をモータの回転周期Ｔの整数倍周期に設定してサンプル
信号を加算平均するようにしてもよい、すなわち、ドリ
ル３を駆動するモータ１が毎分致方回転で高速回転する
場合には、その回転周期Ｔが極めて短い時間となるため
に、その分だけ平均化回路１６には高速処理能力が要求
される。かかる点、平均化周期を工作機械の送り制御に
支障のない範囲で回転周期の整数倍に設定することによ
り、回路に要求される処理速度の条件を緩和できる。

次に第２図、第３図に前述した実施例の応用例を示す、
まず、第２図の実施例では、変位信号１１に含まれてい
る脈動分（リップル）がモータの回転周期に同期して現
れることを基に、高域フィルタ２１を通じて変位信号１
１からリフプルだけを取出し、このリップル信号２２を
平均化周期設定器１８に与えて平均化タンミング信号１
７を得るようにしたものである。これにより第１図実施
例のようにモータ１に回転速度センサ２０を設けること
なく、信号処理部９内でモータｌの回転同期信号に相当
する信号を作ることができる。

また、第３図の実施例は、第２図の実施例における発信
器１４の代わりに、周波数逓倍器２３を備えてこの周波
数逓倍器２３に第２図で述べたリップル信号２２を取り
込み、モータ回転周期の整数倍周期のクロック信号１３
をサンプリング回路１２に付与するようにしたものであ
る。すなわち、第１図、第２図の実施例ではサンプリン
グ周期を発信器１４で独立的に設定している。このため
にモータ１の回転速度が変動すると、サンプリング周期
とモータの回転周期、つまりサンプル信号の平均化周期
との間で厳密な同期が取れなくなり、各平均化周期ごと
のサンプル信号数が変化して平均値出力信号１９が送り
移動量の変化に正しく追従し得なくなる。

かかる点、第３図の実施例によれば、モータの回転速度
が変動しても、常にその回転周期に同期させつつ、その
整数分の−の周期で変位信号１１をサンプリングするこ
とができ、サンプリング周期と平均化周期との間での同
期化が図れる。

次に、前記の各実施例の信号処理方式を更に改良した実
施例を第４図に示す、すなわち、この実施例では、演算
回路１０とサンプリング回路１２との間に新たにフィル
タ２４を介装したものである。このフィルタ２４は変位
信号１１に含まれるリップルをサンプリング回路１２の
前段で減衰させるためのものであり、前述のようにリッ
プルが回転体の回転周期に同期して現れることから、そ
の回転周期に対応する周波数を減衰帯域に含むような低
域フィルタが使用される。

この実施例によれば、変位信号１１に含まれているチャ
ックの面振れに起因して発生したリップルを含め、変位
信号１１に含まれている高調波成分のノイズが全てフィ
ルタ２４で減衰される。したがって、フィルタ２４を通
過した変位信号１１ａに含まれるノイズの割合は僅少と
なり、後段で変位信号をサンプリングして加算平均する
ことにより、検出精度をより一層向上できる。なお、こ
のような信号処理を施すことで、後段で実行する変位信
号のサンプリング、平均化処理でのサンプリング周期平
均化周期とモータの回転周期とが厳密に同期しない場合
でも検出精度に及ぼす影響を僅少に抑えることができる
。

なお、前記の各実施例では、回転体の送り移動量を測定
する非接触式変位測定器として光学式変位測定器を採用
した場合について述べたが、本発明の検出方式は光学式
変位測定器以外の例えば静電容量式変位測定器を採用し
た場合でも同様な効果を奏する。しかして、頭記した加
工精度の高いＮＣ工作機械に適用して工具の送り移動量
を検出する場合には、測定器の精度、高速処理、取扱性
などの要求条件を満たすものとして、実用的には光学式
変位測定器が最も適している。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明による回転体の送
り移動量検出方式によれば、次記の効果を奏す・る。

（１１回転体の回転軸と直交する端面を検出面として、
軸方向の送り移動量を非接触式変位測定器で検出する際
に、回転体の面振れに起因して現れる検出値の脈動成分
を信号処理の段階で殆ど消滅させ、回転体の送り移動に
追従してその移動量を精度よく検出することができる。

（２）ここで、変位測定器で検出した変位信号を回転体
の回転周期の１／２以下の周期でサンプリングし、かつ
このサンプル値を回転体の回転周期ないしその整数倍周
期に同期させて平均化することにより、回転体の回転速
度に左右されることなく、回転体の送り移動に追従して
その送り移動量を常に高精度で検出することができる。

（３）また、変位測定器で検出した変位信号を、サンプ
リングの前段で、回転体の回転周期に対応する周波数を
減衰帯域に含むフィルタによりフィルタリングすること
により、検出精度をより一層高めることができる。

（４）シたがって、ボール盤などのＮＣ工作機械を実施
対象に、工具を取付けたチャックを被検出の回転体とし
、かつ光学式変位測定器を採用して本発明の検出方式を
通用することで、在来のロータリエンコーダ方式などの
ように駆動モータの発熱の影響を受けることなく、工具
の送りに追従してその送り移動量を的確、かつ精度よく
検出してＮＣ工作機械の加工精度の向上化に大きく寄与
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図はそれぞれボール盤を実施対象とし
た本発明方式の異なる実施例のブロック回路図、第５図
は第１図の実施例に対応する信号処理動作を説明する信
号図、第６図、第７図はそれぞれボール盤を対象とした
送り移動量の検出方式としてロータリエンコーダ、光学
式変位測定器を採用した従来方式の概要図、第８図は第
７図の検出方式における信号図である０図において、１
：モータ、２ニトリル、３：チャック（回転体）、５；
送り台レール、７：光学式変位測定器、８：検出部、９
：信号処理部、１０：演算回路、１１：変位信号、１２
：サンプリング回路、１５：サンプル信号、１６：平均
化回路、１９：平均値出力信号、第 図 第５ 図 弔７０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）回転軸の軸方向に直線移動する回転体の送り移動量
   を検出する方式であって、非接触式変位測定器により、
   回転軸と直交する回転体の端面を被測定面として検出さ
   れた変位信号をサンプリングしかつそのサンプル値を所
   定の周期で平均化して得た平均値を回転体の送り移動量
   検出値として出力するようにしたことを特徴とする回転
   体の送り移動量検出方式。 ２）請求項１に記載の送り移動量検出方式において、変
   位測定器で検出した変位信号を回転体の回転周期の１／
   ２以下の周期でサンプリングし、かつこのサンプル値を
   回転体の回転周期ないしその整数倍周期に同期させて平
   均化することを特徴とする回転体の送り移動量検出方式
   。 ３）請求項１に記載の送り移動量検出方式において、変
   位測定器により検出した変位信号を、サンプリングの前
   段で、回転体の回転周期に対応する周波数を減衰帯域に
   含むフィルタによりフィルタリングすることを特徴とす
   る回転体の送り移動量検出方式。 ４）請求項１ないし３項に記載の送り移動量検出方式に
   おいて、非接触式変位測定器が光学式変位測定器である
   ことを特徴とする回転体の送り移動量検出方式。