JPH0323297B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は工作機械の自動芯出し補正方法に関
するものである。

一般に工作機械では、長時間に亘つて加工を続
行していると、熱変位その他の原因により、位置
決め誤差が生ずることは避けられない。

上記のような加工中の位置決め誤差を補正する
には、工作機械の可動部、特にテーブルや工作物
等が、当初、設定した基準点（例えば基準穴）に
対し、どの程度変位しているかを自動的に測定
し、補正する必要がある。

従来の測定法では、第１図に示す様に、基準穴
Ａに対し、公知の三次元測定機で使用されている
のと同等のプローブ１を接近させ、これを第１図
及び第２図に示す様に±Ｘ及び±Ｙ方向に移動さ
せて基準穴Ａの内周面にプローブ１の先端の触針
２が接触したときの座標値を検出し、その値か
ら、変位量を検出していた。即ち、この場合は、
プローブ１を工作機械主軸に取付けておくものと
すると、熱変位等の誤差が生じた場合には、プロ
ーブ１の中心は、基準穴Ａの中心とは、ずれてい
ることになり、その結果、プラスＸとマイナスＸ
の値が一致せず、またプラスＹとマイナスＹの値
も一致しないので、それらの値の差の半分が中心
のずれ量となり、かつ、正負どちらにずれている
かは、上記差の正負により判断される。これを制
御部に送つて補正すればよい。

上記の方法では、計測時にプローブ１をXY面
内において移動させる必要があり、このため、工
作機械の移動に伴う位置決め誤差が、そのまま測
定精度の劣化となり、また測定の際の移動による
時間的損失も大きく、工作機械の稼動率の観点か
らして得策ではない。

そこで、この発明は、本発明の提案した実公昭
61−10166号（被加工物の内外径の精密測定装置）
を応用して、上記のようなXY面内での移動を不
要化し、しかも、これを工具と同様な形状として
工具マガジンに装着しておき、加工プログラム中
に自動芯出し補正工程を付加させ、加工中の所定
時（例えば定期的に）自動的に位置決め誤差を補
させてロスタイムの少ない高精度の加工を行わせ
るようにしたものである。

以下、この発明の構成を図面について説明する
と次の通りである。

第３図は本発明で使用する測定バーを示し、工
具自動交換装置を装備するマシニングセンタ等の
ような数値制御工作機械に適用される工具と同様
な基部形状とした測定バー１０の先端に３個の検
出器１１，１２，１３が第４図に示す配置角τ、
φで設けてある。

従つて、上記測定バー１０は、工具と同様に工
具マガジン（図示せず）に装着可能であり、か
つ、主軸（図示せず）にも自動装着可能である。

上記測定バー１０による穴径の測定要領は、実
公昭61−10166号で示された通りで、第５図に示
す様に、測定バー１０を穴の軸方向に移動させ、
所定の穴深さ位置にて位置決めを行い、穴内面１
４の円周上の３点にて検出器１１，１２，１３に
より、測定バー１０と穴内面との間隙量y₁、y₂、
y₃を検出する。

ここで、測定バー１０の半径Ｒは既知であるの
で、測定バー１０の中心Ｏから３個所の被測定点
w₁、w₂、w₃までの距離が₁＝Y₁＝Ｒ＋y₁、
ow₂＝Y₂＝Ｒ＋y₂、₃＝Y₃＝Ｒ＋y₃として測定
される。

そして、穴内面１４の中心O₁との偏心量をｅ
とし、Ｏ、O₁と３測定点w₁、w₂、w₃とのなす角
を、それぞれα、β、γとすると、 o₁w₁＝Y₁cos α＋ｅ cos δ o₁w₂＝Y₂cos β−ｅ cos（π−α＋β−τ−δ） o₁w₃＝Y₃cos γ＋ｅ cos（−α−γ＋φ−δ） …(1) であるから、前記穴内面１４の平均半径Roは Ro＝１／３（_{1 1}＋_{1 2}＋_{1 3}） ＝１／３｛Y₁cos α＋Y₂cos β＋Y₃cos γ ＋ｅ cos δ−ｅ cos（π−α＋β−τ−
δ） ＋ｅ cos（−α−γ＋φ−δ）｝ …(2) となる。ここで、角α、β、γは微小であると仮
定すれば、 cosα≒１、cosβ≒１、cosγ≒１となり、前記式
は、 Ro＝１／３［（Y₁＋Y₂＋Y₃）＋ｅ｛cosδ＋ cos（δ＋τ）＋cos（φ−δ）｝］ …(3) 上式の第２項 ｅ｛cosδ＋cos(δ+τ)＋cos(φ-δ)｝ が、測定バー１０の中心Ｏと穴内面１４の中心
O₁とが一致していないために生ずる誤差項であ
る。

この誤差項を消去するために、_{1 1}、_{1 2}、
o₁w₃に１：ａ：ｂ（ａ≠１、ｂ≠１）の重みをか
けて、それらの和を考えると、_{1 1} ＋ａ・_{1 2}＋ｂ・_{1 3} ＝｛Y₁＋aY₂＋bY₃｝ ＋ｅ｛cosδ（１＋ａ cosτ＋ｂ cosφ） −sin δ（ａ sinτ−ｂ sinφ）｝ …(4) となり、従つて、上記式で、 １＋ａ cosτ＋ｂ cosφ＝０ ａ sinτ−ｂ sinφ＝０ …(5) となるように、検出器配置角τ、φと、更には
τ、φから決定される重みａ、ｂを次式の如く設
定する。

ａ＝−sinφ／sin（τ＋φ）、 ｂ＝−sinτ／sin（τ＋φ） …(6) ａ、ｂを(6)式の如く設定すると、(4)式の( )内は
零となり、(4)式は次のように簡素化される。

（_{1 1}＋ａ・_{1 2}＋ｂ・_{1 3}） ＝Y₁＋aY₂＋bY₃ …(7) 上式において、Y₁、Y₂、Y₃は測定バーにより
検出される偏心を有した状態での半径検出量であ
る。_{1 1}、_{1 2}、_{1 3}は偏心のない場合の穴内
面１４の半径であり、穴内面１４の真円度誤差が
無視できる一般の条件下では、 o₁w₁＝o₁w₂＝o₁w₃＝Ro …(8) である。よつて、(7)式は平均半径Roを用いて次
のように表される。

o₁w₁＋ａ・o₁w₂＋ｂ・o₁w₃ ＝（１＋ａ＋ｂ）Ro＝Y₁＋aY₂＋bY₃ …(9) 故に、Ro＝Y₁＋aY₂＋bY₃／１＋ａ＋ｂ …(10) 以上が、実公昭61−10166号で提案した測定法
の概要である。

以上の諸式は、厳密解(2)式に対し、直角α、
β、δが微小であると仮定し、cosα≒１、cosβ
≒１、cosγ≒１とした場合の近似式(3)を基本式
として導いたものである。

このとき検出器配置角をτ＝φ＝120゜（ｉ・ｅ、
ａ＝ｂ＝１）の等角配置とした場合には、平均半
径を与える(3)、(10)の両式とも Ro＝１／３（Y₁＋Y₂＋Y₃） …(11) と一致することになり、見かけ上、τ＝φ＝120゜
を選択することにより、偏心の影響が完全に除去
され、しかも最も自然な角度配置であり、あたか
も、τ＝φ＝120゜が最適値と誤解されがちである
が、現実にはτ＝φ＝120゜とした算術平均では測
定誤差が大きく、精度上問題視されている現実と
の矛盾が生じる。

具体的には、検出器配置角の精度が穴径測定精
度に影響することになる。即ち、実装上の問題と
して、実際の配置角には組立部品の加工精度及び
組立時の調整誤差等により、角度誤差を伴うもの
と考えるのが一般的である。

そこで、上記配置角度誤差の穴径測定精度に及
ぼす影響を数値計算にて検討した結果、τ＝φ＝
120゜の等角配置とした場合には、τ≠120゜、φ≠
120゜とした場合に比べ、約60倍もの穴径測定誤差
を生じることになり、それだけに加工誤差や組立
調整誤差による角度変化に対し敏感であることが
示されている。（参考文献・幸田盛堂：金沢大学
博士論文「自動加工システムにおける高精度化対
応技術に関する研究」（平成２年１月）P.117の図
３、51国会図書館蔵） 故にμmオーダの穴径測定精度を対象とする場
合には、τ＝φ＝120゜を除外するのが妥当と考え
られる。

上記において、この発明では、最初、測定バー
１０の中心と基準穴の中心とは一致させておくも
ので、このときの３個の検出器の測定値は、第６
図の点線部分を参照すれば明らかなように ow₁＝Ｒ＋y₁、ow₂＝Ｒ＋y₂、ow₃＝Ｒ＋y₃であ
り、これに前述の測定装置を用いた場合には、重
みを加味した、Ｒ＋y₁、ａ（Ｒ＋y₂）、ｂ（Ｒ＋y₃）
が検出されることになる。

これらの値をＸ、Ｙ成分に分解して、△Ｘ、△
Ｙを求めると、 △Ｘ；ａ（Ｒ＋y₁）sinτ−ｂ（Ｒ＋y₁）s
inφ ＝（Ｒ＋y₁）（ａ sinτ−ｂ sinφ） △Ｙ；（Ｒ＋y₁）＋ａ（Ｒ＋y₁）cosτ ＋ｂ（Ｒ＋y₁）cosφ ＋ｂ（Ｒ＋y₁）cosφ ＝（Ｒ＋y₁）（１＋ａ cosτ＋ｂ cosφ）…(1
2) となる。

ところが、(5)式の関係を(12)式に代入すると、当
然のことながら、△Ｘ＝△Ｙ＝０となる。

次に、ある時間経過後に測定する際には、熱変
位等により、第６図に示すような△Ｘ、△Ｙの芯
ズレを生じ、測定バー中心0′がＯに対して相対変
位を生じて、同図の′′₁、′′₂、′′₃
を測定す
ることになる。

この時の３つの検出量について、△Ｘ、△Ｙを
(12)式と同様に求めると、 △Ｘ；ａ（Ｒ＋y₂′）sinτ−ｂ（Ｒ＋y₃
′）sinφ ＝Ｒ（ａ sinτ−ｂ sinφ） ＋（ay₂′sinτ−by₃′sinφ） ＝ay₂′sinτ−by₃′sinφ △Ｙ；（Ｒ＋y₁′）＋ａ（Ｒ＋y₂′）cosτ ＋ｂ（Ｒ＋y₃′）cosφ ＝Ｒ（１＋ａ cosτ＋ｂ cosφ） ＋（y₁′＋ay₂′cosτ＋by₃′cosφ） ＝y₁′＋ay₂′cosτ＋by₃′cosφ …(13) となる。ここで簡単化のために、３個の検出器を
等角配置すると、 ａ＝ｂ、τ＝φ …(14) となり、(13)式は次のように簡単化される。

△Ｘ＝ａ（y₂′−y₃′）sinτ △Ｙ＝y₁′＋ａ（y₂′＋y₃′）cosτ …(15) 即ち、３個の検出器を(15)式に従つて演算するこ
とにより、芯ズレ量の測定が可能となる。

この演算過程をブロツク図で示したのが、第７
図であり、検出器の配置角は一定であるので、
sinτ、cosτも一定値をとり、演算回路では単なる
係数器で構成される。例えば、τ＝φ＝125゜とし
た場合、重みはａ＝ｂ＝0.8717となる。

上記演算結果△Ｘ、△Ｙに対応する補正量を工
作機械数値制御装置に入力することにより、芯ズ
レ量の補正が可能となる。

以上説明した様に、この発明によれば、マシニ
ングセンタ等の数値制御工作機械の加工プログラ
ム中に自動芯出し補正工程を付加するだけで、熱
変位等により位置決め精度の劣化を防止し、安定
した加工精度を保証できる。

しかも、工具と同形状であり、かつ、３個の検
出器を設けたものであるから、測定バーを工具と
同様に工具マガジンと主軸とに取出し装着及び脱
着収納を行わせることができ、かつ、基準穴に挿
入せしめるだけでよいため、補正が自動的、か
つ、高速で行われ、ロスタイムの軽減となり、省
力高能率化を達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来の芯ズレ測定法を示す
説明図、第３図は本発明の測定バーの形状を示す
側面図、第４図は第３図の検出器の配置を示す正
面図、第５図は上記側定バーを使用する穴径測定
要領の説明図、第６図は補正要領を示す図式説明
図、第７図はその場合の補正動作を示すブロツク
図である。 １０……測定バー、１１，１２，１３……検出
器、１４……基準穴。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 先端部の周囲に等配間隔τ＝φで３個の検出
   器を半径方向に出没可能に具備させ、かつ、工具
   マガジン及び工作機械主軸に工具と同一要領で着
   脱可能とした円筒状の測定バーを工具マガジンに
   装着しておき、加工プログラム中に基準穴の自動
   芯出し補正工程を付加させ、加工中の所定時点で
   工作機械主軸に測定バーを自動交換により装着し
   て基準穴へ挿入させ、その時の基準穴に対する工
   作機械主軸の変位を上記３個の検出器により、基
   準穴内径面から測定バー外径面までの半径方向間
   隙量y′₁、y′₂、y′₃として検出し、等配置角度τか
   ら計算される荷重値ａ及び角度τの関数Sinτ、
   Cosτの係数を用いた演算回路により、これら３
   個の間隙量に１：ａ：ａの荷重値を与えて、測定
   バーの中心と基準穴の中心との偏心量のＸ方向成
   分△Ｘを、△Ｘ＝ａ（y′₂−y′₃）Sinτとして求め、
   Ｙ方向成分△Ｙを、△Ｙ＝y′₁＋ａ（y′₂＋y′₃）
   Cosτとして求め、これを数値制御装置にフイー
   ドバツクさせて位置決め誤差の自動補正を行わせ
   たことを特徴とする工作機械の自動芯出し補正方
   法。