JPH04160301A - 機械の静的精度計測用のマスター計測装置 - 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、マシニングセンタ等の工作機械やその他の計
測機器類等、主に使用頻度が高く、かつ精度維持要求の
高い機械類の静的精度の計測と較正やＮＧ制御装置に供
給する機械側の軸補正データの採取、機械設置域に対す
る設置レベルの計測と調整等の多用途に使用することの
できる静的精度計測用のマスター計測装置に関する。

〔従来技術〕

従来より、マシニングセンタを始緬とする工作機械、２
次元、３次元測定装置等の機械類においては、機械の導
入、設置時や使用過程におけ”る定期保守等で計測機器
やゲージ類を使用して静的精度の計測と較正が遂行され
る。このような工作機械類の静的精度の計測、較正は従
来から日本工業規格の規定（ＪＩＳ　Ｂ　６３３６　）
を適用し、直定規、直角定規等の測定具を機械のテーブ
ル面上に設置し、テーブルや主軸頭の動作時にテストイ
ンジケータで測定具の測定面を辿ることにより、測定デ
ータを取得する方法が取られていた。

例えば、第５図は工作機械の直交２軸、つまりワークテ
ーブルの移動方向（Ｘ軸方向）と主軸頭の上下移動方向
（１１１１方向）との直角度を計測、較正する場合の例
を示している。第５図において、マシニングセンタのコ
ラム１に沿って上下する主軸頭２の主軸先端２ａにテス
トインジケータ６を取付け、又、機械のベツドに対して
サドル４′を介して平面内で直交する２軸方向（Ｘ軸、
Ｚ軸）に移動変位可能なワークテーブル３にＬ字形をし
た直角定規７を載置し、このとき、同直角定規７は鉛直
な測定面７ａがＺ軸に平行になるようにテストインジケ
ータ６の読みから調節しながら設置する。また、同測定
面７ａと直角な面７ｃが、テーブル３のＸ軸移動面と平
行になるように予約機械のレベルを調節しておく。こう
して直角定規７の設置後に測定面７ａにテストインジケ
ータ６を接触させ、次に主軸頭２をＹ軸方向に移肚変位
させることによりテストインジケータ６の振れを読み取
り、読みの最大値から工作機械のＸ軸とＹ軸との直角度
を計測、較正するものである。

また、第６図は工作機械の旋回テーブルにおけるワーク
載台面の面振れを測定、較正する場合を示している。こ
の場合には、主軸頭２の主軸２ａにテストインジケータ
８を取付け、機械のワークテーブル４上に載置した旋回
テーブル９の上面に設置したゲージブロック１０の測定
面にテーブルインジケータ８の先端を接触させて旋回テ
ーブル９を旋回変位させる。このとき、旋回テーブル９
の中心点を中心にして９０°づつの割出し位置を設定し
、各９０°の割出し位置に就いて旋回時のテーブルイン
ジケータ８の振れを読み、最大読みを測定データにして
、面振れ測定し、所要の°較正がおこなわれる。

〔発明が解決しようとする課題〕

然しながら、上述した測定具を用いて行う工作機械の静
的精度の計測と較正は測定具を工作機械のワークテーブ
ルや旋回テーブルの載置面に設置してから、実際に計測
を実行するまでの段取り処理、例えば、測定具を工作機
械の設置現場の環境温度に安定させたり、その後、測定
具の測定面をテストインジケータの触針に対して予約ワ
ークテーブルの移動変位方向に応じて調整をおこなわな
ければならない等の処理が必須であり、また、段取り後
の実測作業にも相当の時間を要し、上述したＪＩＳ　Ｂ
　６３３６　　に規定された精度検査項目を網羅するに
は、１台の工作機械の計測、較正に２日程度もの日数を
要するばかりか、作業者の高熟練度が要求される問題が
ある。

このような測定具を用いた工作機械の静的精度の測定方
法による問題点を緩和する一環として、最近、金属性の
立方体ブロックに測定基準面゛や基準孔を穿設して種々
の計測項目を単一の計測ブロックにより網羅し得るよう
にして、計測工数の削減を図った計測ブロック装置も市
販されているが、この計測ブロック装置は、金属材料製
であり、低膨張金属材が使用されているとしても、工作
機械が設置される加工現場において、種々の熱源からの
発熱の影響や１日を周期とした気温の変化等による温度
変化に応じて発生する伸縮による寸法変化ハ、マシニン
グセンタ等の精密な工作機械の静的精度検査等に用いる
基準測定具として適用するには精度的に相応しくないと
言う欠点がある。

依って、本発明の目的は、上述した日本工業規格に基づ
く測定具で工作機械の静的精度測定を方法や市販の特殊
な計測ブロック装置を用いた方法で遭遇する計測技術上
の問題点を解決し得る基準計測装置を提供せんとするも
のである。

本発明の他の目的は、温度変化の影響を受けて基準計測
具としての精度が劣化することの無いように改善された
機械の静的精度計測用のマスター計測装置を提供せんと
するものである。　　゛本発明の更に他の目的は、マシ
ニングセンタにのワークテーブル上に設置されて静的精
度を計測せんとしたときに、マシニングセンタの制御装
置によって自動計測し、マシニングセンタの静的精度の
計測データを得ることを可能にし、故に、作業者の熟練
度をいたずらに要しないようにした絶対座標系を有した
機械の静的精度計測用のマスター計測装置を提供せんと
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、線膨張係数が０または０に近い、つまり路線
膨張係数が０の棒状体の端面に基準面を有した複数本の
計測棒を組み合わせ、これらを低膨張性の材料によって
形成した中空体構造の支持具に取付、固定することによ
り、三次元空間内に複数の計測基準面を設けるようにし
た単一基準計測装置を構成して上述の目的を達成するよ
うにしたものである。

すなわち、本発明によれば、計測対象機械に設置して用
いられ、該機械に装着した接触形計゛測ツールで接触検
知する基準接触面を備えることにより機械の静的精度を
計測するマスター計測装置において、 前記計測対象機械の載台面に直接又はパレットを介して
載置される基準底面を有し、低膨張材から成る支持ブロ
ックと、 線膨張計数が略０値の棒体の少なくとも両端面を前記接
触形計測ツールと協動する基準計測面にして複数の該棒
体を井桁状に組んで前記支持ブロックに取付は固定した
基準計測棒と、 前記支持ブロックの基準底面と反対の頂面に相互に分離
して取付、固定される少なくとも３つの座標基準設定用
のボールと、 を具備して構成された機械の静的精度計測用のマスター
計測装置を提供するものである。

〔作用〕

本発明による機械の静的精度計測用のマスター計測装置
は、基準計測棒に形成された基準計測面に使用し、工作
機械の主軸に装着したテスト°インジケータ等の接触形
計測ツールとの接触点における読みを得て演算すること
により、自動的に機械の静的精度の計測を行い、その計
測データに従って、較正をおこなうことができるのであ
る。

以下、本発明を添付図面に示す実施例に基づいて更に詳
細に説明する。

〔実施例〕

第１図は、本発明に係る機械の静的精度計測用のマスタ
ー計測装置の構造を示す斜視図、第２Ａ図から第２Ｃ図
は、六面体構造を有した支持ブロックの構造を示す断面
図、上面図、２Ｃ−２Ｃ断面図、第３図は、線膨張係数
が略０の棒状材料によって形成される基準計測棒の正面
図、第４図は、工作機械の静的精度の計測方法を説明す
る略示斜視図、第５図と第６図は従来技術による工作機
械の静的精度の計測方法を説明する略示図である。

第１図を参照すると、本発明の実施例に係るマスター計
測装置は、支持ブロック２０を有し、この支持ブロック
２０は略立方体又は直方体形“状を有した中空六面体ユ
ニットとして形成され、低膨張係数を有し、かつ中空状
態で機械強度が大きな材料、例えば、低膨張鋳鉄による
鋳物ユニットとして形成され、周囲の温度変化による形
状、寸法の変化を極小に抑制し得るようにしている。

なお、支持ブロック２０の構造の詳細はＩＫ２Ａ図から
第２Ｃ図に従って後述する。

支持ブロック２０の底面２２は加工時に高仕上げ精度に
仕上げられた一平坦面に形成され、支持ブロック２０を
工作機械のワークテーブル上に直接またはパレット等の
治具を介して設置するときに安定に設置可能とする基準
面を形成している。また、支持ブロック２００西側面の
各面には保持具３０を介して計測棒４０が取付け、固定
されている。このとき、複数の保持具３０は、１つの部
品として低膨張材料（低膨張鋳鉄）を用いて別に製造さ
れ、支持ブロック２０の各側面のコーナ一部位に、固定
ネジ等の取付手段で取付け、固定されるか、または支持
ブロック２０を鋳造する過程で同時に鋳造、形成した支
持ブロックと一体の一部分として設けられても良い。そ
して、各保持具３０は丸棒形状を有した計測棒４０を挿
通する保持孔と、その保持孔に計測棒４０を挿通後に締
付はネジで計測棒４０を不動に固定できるように上記保
持孔に向けて切り入れたすり割りとを備え、締付はネジ
ですり割り部分を締付けて計測棒４０を固定的に保持す
る構造を備えている。

さて、計測棒４０は各面に４本が井桁状に組んで取付け
、固定されている。この計測棒４０は線膨張係数が略０
のガラス材料で形成されており、そのようなガラス材料
としては、例えば日本電気ガラス（株）により製造、販
売されているネオセ５　ムＮＯ，Ｎ−０（線膨張係数：
　−６，５Ｘ　１０−’／ｌ）からなる棒状体を研削゛
形成することにより所望の計測棒とすることができる。

なお、上記のネオセラムＮＯ，Ｎ−０によると、計測棒
の長さが３２０ｍｍの場合に温度変化が１０℃に対して
誤差は２ミクロン程度の極小値になり、故に、マシニン
グセンタ等の高精度の工作機械の静的精度を計測する用
途にも十分に耐えることができる。各計測棒４０は第３
図に図示のように、少なくともその両端が接触形のイン
ジケータにより接触、計測される計測基準面４２を形成
するように予め高仕上げ面として形成されている。然し
なから、更に、棒状体の長さ方向の表面に１ないし複数
の平坦な計測面４４を予め形成しておいても良い。　こ
の計測棒４０は上述のように線膨張係数が略０と見做し
ことができる材料から形成されているので、１日の気温
変化等により温度変化が発生する場所で使用されても伸
縮により計測に影響を来すような長さ変動が発生しない
よう配慮されている。このように温度変化の影響が低減
された計測棒４０は、既述の如く各棒が両端に計測面基
準４２を有することにより、マスター計測装置の各側面
には４本の計測棒４０により空間内に夫々が分離したＡ
：Ｂ。

Ｃ：Ｄ、Ｇ：Ｈ，Ｉ　：Ｊで示された８点の計測基準面
４２が形成されている。なお、各側面の計測棒４０の計
測基準面４２は、予め計測棒４０の長さを４本が全て等
長となるように製造し、例えば第１図において、計測基
準面４２に就き、ＧｏとＩが、又ＨとＪが縦方向に略揃
っているように取付け、固定し、又ＡとＣ及びＢとＤが
水平方向に略揃っているように取付け、固定することが
好ましい。又、本実施例では、最適実施例として支持ブ
ロック２００４つの側面に夫々、井桁状に計測棒４０を
組み付けた構造として記載したが、所要に応じて４つの
側面全部ではなく、例えば、隣接した２つの側面にだけ
計測棒４０の井桁組立体を取付け、固定した構造として
も十分に計測機能を達成できる場合もある。　４つの側
面全部に計測棒４０を取付けておけば、マシニングセン
タ等の工作機械上に設置して使用するときに、任意の側
面の計測棒４０を使用できる点、静的精度に関する検査
項目が多い場合にも１台のマスター計測装置で全て網羅
できる点等で便宜であると言う利点がある。

支持ブロック２０の上面には、十字形の支持板３２がネ
ジ止め又は接着等の固定方法で取付けられ、この支持板
３２に依って形成される４つのコーナー位置と中心位置
との５つの位置にマス°ター球３４が取付台３６を介し
て取付けられている。

マスター球３４と取付台３６とは一体要素に予め形成さ
れ、取付台３６の下端に設けた雄ねじ軸を支持板３２の
取付位置に形成した雌ねじ孔に螺合させることにより固
定されている。このマスター球３４は予め既知の直径を
有し、鋼球により形成すれば良いが、好ましくは温度変
化の影響を受けないガラス材料等によって形成された球
体であることがより望ましい。これらの５つのマスター
球３４における中心位置のマスター球３４と支持ブロッ
ク２０の各側面の両端に位置した２つ１組のマスター球
３４　（各側面に２つ１組があり、従って４側面で４組
があることになる）との３つのマスター球３４の各位置
を周知の高精度の三次元測定器により計測した三次元位
置データを絶対座標位置として使用すれば、マスター計
測装置を工作機械に設置したとき、工作機械上における
３つのマスター球３４の位置が不変であることから、こ
れらの３つのマスター球３４の位置を工作機械に装着し
た接触形計測ツールで測定することに゛より、機械の座
標系におけるマスター球３４の位置関係からマスター計
測装置の機械上における位置、姿勢を検出して、その検
出データによって機械の静的精度の計測時に補正を行う
ことが可能となる。

つまり、マスター計測装置が機械上で例えば、設置時に
傾いて設置されている場合等はその傾きがマスター球３
４の絶対座標位置のデータから検出できるので、その後
に遂行される機械の静的精度の計測をその分だけ補正す
ることが可能となるのである。

ここで、第２Ａ図から第２Ｃ図を参照すれば明らかなよ
うに、支持ブロック２０は、中央部に円筒状の縦リブ２
４を有し、外周囲には４つの縦壁面２６を備え、縦リブ
２４と各縦壁面２６とが頂部で４つの横リブ２７で結合
されている。　そして下底部には基準面２２を有した四
角形状の基台２３と上記の縦リブ２４の外側に同心に位
置した円筒状の縦リブ２８が備えられ、両級リブ２４と
２８とは下底部の横リブ２９によって接続されている。

つまり、支持ブロック２０は中空の軽“量ユニットとし
て形成される共に内側の円筒縦リブ２４の中心線を中心
とした線対称形状を有し、故に、この点でも温度変化の
影響で形状歪みが発生しない単体ユニットに設計、製造
されていることがわかる。このような中空形状の支持ブ
ロック２０により計測棒４０を支持した構造のマスター
計測装置は温度変化に対する歪み誤差が殆ど無視可能な
高精度の計測基準装置と成ることが分かる。

マスター計測装置は、支持ブロック２０に計測棒４０、
マスター球３４が取付け、固定された組立の完了状態で
予約、高精度の三次元測定器を用いて既述したマスター
球３４の位置を絶対座標位置として計測し、また、計測
棒４０の各計測基準面４２の位置を絶対座標位置として
計測し、記録する。つまり、登録したデータはマスター
計測装置が損傷等により故障を生じた場合を除き、永続
的に同マスター装置の絶対的な基準データとして用いら
れ、以後のマスター計測装置による工作機械の静的精度
の計測時に使用されるのである。

次に上述した本発明に係るマスター計測装装置を用いて
工作機械、特に、マシニングセンタの静的精度の計測を
行う方法を第４図を参照して説明する。

第４図に示すように、マスター計測装置５０はは予めマ
シニングセンタによる加工ワークと同様にパレット６０
に予め設置される。つまり、ワーク加工の場合と同様に
、ワークステーションからマシニングセンタのワークテ
ーブル６２上に搬送車等によって自動搬送され、搭載さ
れる。

他方、マシニングセンタの主軸６４には周知の自動工具
交換装置による工具交換と同作用によって、予め工具マ
ガジンに準備された接触形計測ツール、例えば、周知の
タッチプローブ装置６６等が装着される。

なお、マスター計測装置５０をパレット６０に設置する
ときは、適宜の断熱シート材を介在させることが好まし
い。

そして、マスター計測装置５０の１つの側面がマシニン
グセンタの主軸６４に装着されたタッチプローブ装置６
６に対向するように、例えば゛、第１図に示した計測基
準面４２を有した計測棒４０のＡ：Ｂ、Ｃ：Ｄ、Ｇ：Ｈ
Ｓ　Ｉ　：Ｊの組が主軸６４の先端を向くように機械の
ワークテーブル上に設置する。

次いで、マシニングセンタのワークテーブル６２のＸ軸
方向の移動変位、主軸６４を有した主軸頭のＹ軸方向の
移動変位、主軸６４の軸心に一致したＺ軸方向の移動変
位（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｙ軸は互いに三次元空間内で直交する
３方向であり、工作機械の加工動作に必要とさる通常の
動作方向である）によって主軸６４に装着したタッチプ
ローブ装置６６でマスター球３４の座標位置を検出する
。

このとき、マスター球３４は全て直径が既知量の球体で
あるから、タッチプローブ装置６６と各マスター球３４
との接触時の位置データを得ることにより、簡単に全て
のマスター球３４の中心位置のｘ、ｙ、ｚデータを検知
、採取することが可能である。　こうして、マスター球
３４の座標データ、特に、マスター計測装置５０の中心
位置にあるマスター球３４と上記４組の針棒４０を井゛
桁状に有した側面の両端に装着された２つのマスター球
３４との合計３個のマスター球３４の座標値データを計
測すれば、マシニングセンタが有する直交３軸のｘＳｙ
、ｚ座標系における各マスター球３４の座標位置が確定
する。故に、このデータとそれらマスター球３４に関し
て登録された絶対座標データとの関係からマスター計測
装置５０がマシニングセンタの機械上に設置された状態
における水平面に対する傾きやマシニングセンタ座標の
原点に対するマスター計測装置５０の中心のマスター球
３４の座標データ等を得ることができる。

このようにしてマスター球３４のデータ取得後にマシニ
ングセンタの静的精度の実測工程に入る。

例えば、マシニングセンタのワークテーブル６２の面と
主軸６４との間におけるＹ軸とＹ軸との面角度、Ｙ軸と
Ｙ軸との面角度、Ｙ軸とＹ軸との面角度を始めとするテ
ーブル動きによる位置決と精度、繰り返し位置決を精度
、ワークテーブル６２の割比し旋回におけるテーブル割
出し精度、ワークテーブルのＸ軸移動変位におけるピッ
チン゛グ精度、同ローリング精度、同ヨー精度、ワーク
テーブル上面の旋回時の面振れ精度、ワークテーブルの
Ｘ軸方向の移動変位における真直度管種々の日本工業規
格に指定された静的精度の検査項目に就いて、マスター
計測装置５０の計測棒４０における計測基準面４２を用
いて計測を遂行することができる。

例えば、ワークテーブル６２のＸ軸方向の移動変位と主
軸６４のＹ軸方向の移動変位の面角度を測定する場合に
ついて簡単に説明する。

先ず、ワークテーブル６２のＸ軸方向の移動変位によっ
て主軸６４に装着したタッチプローブ装置６６を同方向
に移動変位させ、計測棒４０の計測基準面４２における
Ｂ、Ｄの面を接触検知してデータを採取する。なお、こ
のとき、タッチプローブ装置６６を接触させるた狛に微
小のＹ軸方向の変位が主軸頭の移動により付与されても
良い。

次に主軸６４をＹ軸方向に移動変位させて計測棒４０の
計測基準面４２におけるＧと１との基準面にタッチプロ
ーブ装置６６を接触させ、同Ｇと工との基準面を検知す
る。このようにして検知した時点におけるＢ面、Ｄ面、
Ｇ面、１面の計測データをＢ、、Ｄ、、Ｇ、、Ｉ　、と
し、又、予め高精度の三次元測定装置で計測したこれら
４つの計測基準面４２の絶対座標データをＢ、、Ｄ、、
Ｇｏ、Ｉｏとすると、マシニングセンタ上におき、計測
した上記Ｂ、、Ｄ、、Ｇ、、Ｉ　、をマスター計測装置
５０の座標系の値にマスター球３４の上記計測値と三次
元測定装置で予め測定した絶対座標との差に応じて変換
し、その変換後の値をＢ、Ｄ’、Ｇ、Ｉとすると、マシ
ニングセンタにおけるワークテーブル６２の移動変位方
向であるＹ軸と主軸６４が上下に移動変位する方向であ
るＹ軸との間のｘ：Ｙ面角度は［（Ｇ−Ｇｏ　＞−（Ｉ
−Ｉｏ　）’］　ＸＱ／Ｐ−［（Ｂ−ＢＯ’）−（Ｄ−
Ｄ、）　〕・・・　（１） なる演算によって得ることができる。

なお、上記（１）式において、Ｑは面Ｇと■との間のＹ
軸に沿う距離、Ｐは面ＢとＤとの間のＹ軸に沿う距離で
ある。従って、上述した変換演算や（１）式の演算をマ
シニングセンタに備えられた制御装置のメモリー手段に
予め記憶させておけば、自動的に演算を遂行することが
できる。

上述の説明は、マシニングセンタのＹ軸−Ｙ軸間の面角
度に就いて１例として説明したが、他の日本工業規格（
ＪＩＳ　Ｂ　６３３６　）に規定された工作機械の静的
精度の検査項目に就いても、マスター計測装置５０の計
測棒４０の基準計測面４２を主軸６４に装着したタッチ
プローブ６６等の計測ツールを用いて接触法で計測を遂
行することができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発胡によれば、工作
機械の静的精度の計測、その計測結果に基づく較正が単
一のマスター計測ユニットを駆使して全ての検査項目に
就いて連続的に遂行でき、従って工作機械の精度検査を
短時間で達成することができる。しかも、本発明に係る
マスター計測装置は、使用現場の１日の気温の変化や熱
発生源の存在等による温度変化の影響を受けることがな
く、故に、計測精度が温度変化に応じて劣化することが
ないと言う利点がある。

更に、本発明によるマスター計測装置は、単一の計測装
置で多数の計測項目を網羅できるから、マシニングセン
タ等の静的精度をパレットを用いて機械のワークテーブ
ル上に設置し、計測結果を同マシニングセンタの制御装
置に具備された演算手段とメモリー手段を用いて演算す
ることにより自動計測を遂行することができろう。この
結果、工作機械の精度計測を特別な熟練度を有した作業
者しか行い得ないと言う従来の欠点の解消を図ることも
できるのである。

なお、本発明に係るマスター計測装置は工作機械の静的
精度ばかりでなく、工作加工現場や検査現場で使用され
る種々の計測装置の静的精度の測定、較正やその他の一
般機械類の精度測定にも適用できることは言うまでもな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る機械の静的精度計測用のマスタ
ー計測装置の構造を示す斜視図、第２Ａ図から第２Ｃ図
は、六面体構造を有した支持ブロックの構造を示す断面
図、上面図、２Ｃ−２Ｃ断面図、第３図は、線膨張係数
が略０の棒状材料によって形成される基準計測棒の正面
図、第４図は、工作機械の静的精度の計測方法を説明す
る略示斜視図、第５図と第６図は従来技術による工作機
械の静的精度の計測方法を説明する略示図。 ２０・・・支持ブロック、２２・・・下底面、３０・・
・保持具、３４・・・マスター球、４０・・・計測棒、
４２・・・計測基準面。 ２Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　２Ｂｔ 第２Ａ図 第２Ｂ図　　　　　第２Ｃ図 第３図 第４ｙＵ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、計測対象機械に設置して用いられ、該機械に装着し
   た接触形計測ツールで接触検知する基準接触面を備える
   ことにより機械の静的精度を計測するマスター計測装置
   において、前記計測対象機械の載台面に直接またはパレ
   ットを介して載置される基準底面を有し、低膨張材から
   成る支持ブロックと、 線膨張計数が略０値の棒体の少なくとも両端面を前記接
   触形計測ツールと協動する基準計測面にして複数の該棒
   体を井桁状に組んで前記支持ブロックに取付け固定した
   基準計測棒と、 前記支持ブロックの基準底面と反対の頂面に相互に分離
   して取付、固定される少なくとも３つの座標基準設定用
   のボールと、 を具備して構成されることを特徴とした機械の静的精度
   計測用のマスター計測装置。 ２、前記支持ブロックは立方体又は直方体形状を有した
   中空ブロックからなると共に該立方体又は直方体の少な
   くとも１つの面が平面度の高い前記基準底面に形成され
   、該基準底面を囲む四面の少なくとも一つの面に４つの
   前記棒体が井桁状に取付、固定され、空間に８つの基準
   計測面を形成して成る請求項１に記載の機械の静的精度
   計測用のマスター計測装置。