JPH07100736A - 主軸位置測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 反射ミラーの面ぶれによって生じる主軸位置
測定値の誤差成分を除去できる主軸位置測定装置を提供
することを目的とする。 【構成】 精密旋盤はレーザ測長手段として、ベース１
上にレーザ発振器９、レーザ干渉計１０、及びレシーバ
１１を有する。主軸３内部を貫通して形成された光路
が、主軸シャフト６の回転中心と正確に一致しなけれ
ば、この光路内で往復する測定光ビームによるヘッド４
位置の測定値は、主軸３の回転によってヘッド４に配置
された反射ミラー８の面ぶれが生じて、それに基づく測
定光路長の変動分の誤差が生じる。この誤差は正弦波状
の変動値として実際のヘッド位置に加算されて出力され
る。レシーバ１１からのヘッド位置信号を主軸に指令さ
れる回転周期毎にサンプリングすることによって、信号
処理手段からは工具あるいはワークの位置変位信号が出
力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は主軸位置測定装置に関
し、特に精密加工機械の主軸送り機構における位置制御
精度をレーザ干渉計によって向上させるための主軸位置
測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から加工中の工具、或いはワークの
位置誤差を測定して加工精度を向上する方法として、い
わゆるインプロセス法が知られている。この場合に、精
密加工機械の送り機構においては一般にレーザ干渉測長
手段が利用されている。

【０００３】旋盤型加工機械におけるレーザ干渉測長手
段を利用したインプロセス法による主軸位置測定では、
例えばレーザ干渉計によって位置を計測するために加工
部の近傍に測定点が設定される。すなわち、工具、ある
いはワークを装着した主軸ヘッド内側に反射ミラーを取
り付け、主軸内部を貫通して測定光ビームを往復させる
ことによって、原理的にはアッベの誤差を回避して主軸
ヘッド位置が測定できる。

【０００４】出願人はこの種の位置変位測定方法及び装
置について、既に提案している（発明の名称を工作機械
における位置変位測定方法及び装置とする平成５年９月
１４日付の出願）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、回転する主軸
ヘッドの内側に、主軸の回転軸方向に対して反射ミラー
の反射面が完全に直交するように、反射ミラーを配置す
ることは不可能である。主軸ヘッドの内側の反射ミラー
が反射面にぶれ（面ぶれ）のある状態で回転する場合、
主軸内部を貫通して形成される光路内を往復する測定光
ビームをレーザ干渉計で測定すれば、面ぶれによる誤差
は避けられない。そして、その測定光路長は主軸の回転
に同期する正弦波状の変動を示すことになる。

【０００６】このため、工作機械の主軸位置補正データ
としては、主軸回転数に同期した短期的な変動に全体的
な位置変位が埋もれてしまう。したがって、インプロセ
ス測定によって工作機械でのワークの加工精度を高める
ためには、レーザ干渉測定システムから出力される信号
に対して複雑な信号処理を施さなければならないという
問題があった。

【０００７】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、反射ミラーの面ぶれによって生じる主軸位置
測定値の誤差成分を除去できる主軸位置測定装置を提供
することを目的とする。

【０００８】また、本発明の他の目的は数値制御される
工作機械の位置制御精度を向上するために、インプロセ
ス法による誤差測定を精度良く実行できる主軸位置測定
装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、加工点の近傍を測定点として、工作機械
の主軸に装着された工具あるいはワークの位置変位を精
密測定する主軸位置測定装置において、前記主軸のヘッ
ド内に配置された光反射手段と、前記光反射手段を含
み、前記主軸内部を貫通して形成された光路内で測定光
ビームを往復させることによって前記主軸のヘッド位置
を計測する測長手段と、前記測長手段からのヘッド位置
信号を前記主軸に指令される回転周期毎にサンプリング
し、前記工具あるいはワークの位置変位信号として出力
する信号処理手段と、を有することを特徴とする主軸位
置測定装置が提供される。

【００１０】

【作用】主軸内部を貫通して形成された光路が、主軸の
回転中心と正確に一致しなければ、この光路内で往復す
る測定光ビームによるヘッド位置の測定値は、主軸の回
転によって主軸のヘッド内に配置された光反射手段の面
ぶれが生じて、それに基づく測定光路長の変動分の誤差
が生じる。

【００１１】この誤差は正弦波状の変動値として実際の
ヘッド位置に加算されるものである。したがって、測長
手段からのヘッド位置信号を主軸に指令される回転周期
毎にサンプリングすることによって、信号処理手段から
は工具あるいはワークの位置変位信号が出力される。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明の主軸位置測定装置を備えた精密
工作機械の概略構成を示す模式図である。

【００１３】図１では、主要に精密旋盤の主軸及びスラ
イド部と、この旋盤主軸の回転中心上に配置された反射
ミラーを含むレーザ測長手段が示されている。精密旋盤
はベース１上にあって、ここにはガイド２を介して主軸
機構を図の左右方向にスライドさせる主軸ハウジング３
が搭載されている。主軸機構のうち主軸ハウジング３を
スライドさせる送り機構は図示されていない。

【００１４】主軸機構は、主軸ヘッド４、主軸駆動用モ
ータ５、及び駆動力をモータ５から主軸ヘッド４に伝達
するシャフト６を含み、主軸ヘッド４の端面にはワーク
７が取り付けられるようになっている。

【００１５】また、シャフト６は中空構造に形成されて
いて、主軸駆動用モータ５から主軸ヘッド４まで貫通す
るレーザ光線の往復光路となっている。すなわち、主軸
ヘッド４のワーク装着部の背面にはレーザ光線の反射ミ
ラー８が取り付けられていて、加工時には反射ミラー８
が所定の回転速度で回転することになる。なお、反射ミ
ラー８は後述するレーザ測長手段の一部分をなす光反射
手段を構成する。

【００１６】レーザ測長手段としては、精密旋盤のベー
ス１上に搭載されたレーザ発振器９、レーザ干渉計１
０、及びレシーバ１１を有する。これらは、レーザ光線
がレーザ発振器９からレーザ干渉計１０を貫通してシャ
フト６に形成された光路に入射するように配置される。

【００１７】このためレーザ発振器９はビーム方向を調
整して、正確にレーザ干渉計１０に入射させる光軸調整
機構を有する。また、反射ミラー８で反射されたレーザ
光を再びレーザ干渉計１０を通ってレシーバ１１で受光
するためには、反射ミラー８の反射面の向きを正確に調
整して、ビーム方向を常にシャフト６の中心線と一致さ
せる必要がある。

【００１８】主軸ヘッド４に固定され、主軸駆動用モー
タ５によって回転するワーク７に対しては、図示しない
切削工具が図の左側から前進してくることによって切削
加工が行われる。その際に、切削工具のＸ軸位置及びＹ
軸位置は予め加工プログラムに従って、ＮＣ装置、エン
コーダ等を含む制御装置によって、従来と同様のセミク
ローズド方式によって制御され、ワーク７に対する加工
位置が制御される。しかし、Ｚ軸位置すなわち主軸方向
位置については、後述する信号処理回路からのワーク７
の位置変位信号に基づいた位置制御が行われる。

【００１９】なお、レーザ測長手段を使用して加工誤差
を連続的に計測する場合には、反射ミラー８は出来るだ
けワーク７の加工位置の近傍に取り付けられることが望
ましい。その意味では、ワーク７が図の左側に位置する
工具と接触する面内に測定点を設定すべきである。しか
しここでは、工具とレーザ光との干渉を避けるため、レ
ーザ発振器９は主軸機構の後方に配置され、レーザ光が
主軸内部を貫通して形成された光路内で測定光ビームと
して往復させている。

【００２０】この場合に、レーザ光が常に反射ミラー８
の回転中心に入射するならば、加工点の移動方向（Ｚ
軸）と測定光ビームの光路とは常に同一直線上にあっ
て、アッベの誤差は生じる余地はない。しかし、反射ミ
ラー８は必ずしも主軸の回転軸とは正確に直角には設定
されていない。したがって測定誤差を完全に無くすこと
は現実には不可能である。

【００２１】特に、測定光ビームの光路を長くとって、
測定精度をより向上させようとするために、反射ミラー
８と干渉計１０との間で複数回測定光を往復させる２パ
ス方式、あるいは４パス方式が採用される。その場合
に、レーザ光を常に反射ミラー８の回転中心に入射させ
ることは事実上不可能であって、反射ミラー８の回転に
同期して面ぶれが生じて、それに基づく測定光路長の変
動分の誤差は避けられない。

【００２２】図２は反射ミラー８の回転に同期する面ぶ
れと、それに基づく測定光路長の変動を説明する図であ
る。反射ミラー８が主軸の回転軸（図では一点鎖線によ
り示す）に対して直角でなければ、反射ミラー８は主軸
が２分の１回転するときレーザ光に対して８ａの状態か
ら８ｂの状態に変化する。このような面ぶれに基づく測
定光路長の変化ｄは、ミラー回転に基づく誤差として示
してある。

【００２３】なお、図では理解を容易にするために実際
に想定される角度を超えて、面ぶれの角度を極端に誇張
して示している。図３は反射ミラー８の回転角とレシー
バ１１の測定値の変動を説明する図である。横軸には反
射ミラー８の回転角θ（ｒａｄ）を、縦軸には測定値を
示す。

【００２４】この図では主軸ヘッド４と干渉計１０との
相対変位が理論上まったくない場合であって、主軸ヘッ
ド４の回転角と測定値の変動との関係を示している。反
射ミラー８は主軸ヘッド４とともに回転して、その角度
θが０，π／２，π，３π／２，２πと変化していくに
連れて、レシーバ１１から正弦波状の変位が出力され
る。ここで、正弦波の振幅は反射ミラー８へのレーザ光
の入射位置と反射ミラー８の面ぶれの角度によって決定
される。

【００２５】図４は実際にワークを加工しながらレシー
バ１１からの測定値として出力される波形図である。横
軸には時間軸が、縦軸には反射ミラー８と干渉計１０と
の相対変位に対応する測定値の大きさが示されている。

【００２６】周期ｆは、主軸に指令された回転数に一致
する周期であり、出力波形はこの周期ｆの正弦波と実際
のＺ軸方向への主軸機構の移動によって生じる変位とが
重ね合わせられた波形となっている。

【００２７】直線Ｌ１は測定値変動の中央値を結ぶ直線
であり、直線Ｌ２は時刻ｔ，ｔ＋ｆ，ｔ＋２ｆの測定値
を結ぶ直線である。そして、直線Ｌ１はＬ２と同じ傾斜
を有する。このことは、主軸ヘッド４の実際の変位は、
直線Ｌ１を決定しなくても、直線Ｌ２が決定されれば求
められることを示している。なお、測定値変動の中央値
を結ぶ線がＬ１のように直線となるのは、主軸機構がＺ
軸方向に一定速度で移動する場合である。そして、Ｚ軸
方向の速度指令が変化した場合には、直線Ｌ１の傾斜は
変化するが、同様にＬ２も同様に同じ傾斜に変化してい
くから、いずれの場合であっても周期ｆ毎の間隔で測定
値の変動を観測しさえすれば、反射ミラー８の相対変位
を知ることが出来る。

【００２８】図５は本発明の主軸位置測定装置を適用し
た精密工作機械の主軸位置制御装置を示すブロック図で
ある。レシーバ１１からアンプ１２を介して主軸ヘッド
４の位置信号が信号処理回路１３に入力される。ＣＮＣ
１４は、内部メモリに格納されたプログラムデータにし
たがってＸ，Ｙ，Ｚ各軸データに対して必要な補間演算
を行い、所定周期毎に各軸の移動指令を共有メモリ１５
に送り出す。

【００２９】一方、精密工作機械の各軸毎にはディジタ
ルサーボ回路１６等が設けられている。図示した主軸位
置制御装置では、Ｚ軸位置すなわち主軸方向位置を制御
するディジタルサーボ回路１６に対して共有メモリ１５
から所定周期で位置指令信号が読み出される。サーボモ
ータ１７はエンコーダ１８を介してディジタルサーボ回
路１６との間で位置ループを形成している。

【００３０】信号処理回路１３には、ＣＮＣ１４から主
軸駆動用モータ５に指令される回転周期ｆが常に読み込
まれている。そして、アンプ１２を介して入力される位
置信号はこの回転周期ｆをサンプリング周期として抽出
され、差分データを演算してワークの位置変位信号とし
てディジタルサーボ回路１６に出力している。ディジタ
ルサーボ回路１６では、エンコーダ１８からフィードバ
ックされた位置データが、位置変位信号として入力され
た差分データによって位置補正される。

【００３１】この信号処理回路１３によって、主軸位置
の測定値が正弦波状の変動分を含んでいる場合であって
も、任意の主軸回転角位置で、主軸の１回転に１つの位
置変位信号のみを取り出すようにしている。したがっ
て、周期ｆ毎の間隔で測定値の変動データが簡単に獲得
され、反射ミラー８の相対変位を精度良く取り込んで、
要求される加工精度で精密加工を実行できる。

【００３２】このように主軸ヘッド４の位置信号が、反
射ミラー８の面ぶれに起因する周期的変動分を含んで入
力される場合に、従来ではその最大値と最小値を求め
て、その中間値の変化をもって全体の変化を評価するな
どの方法が採用されていた。しかし、本発明では正弦波
状の波形のある１点のみを取り出すだけで、確実に位置
変位信号が得られるから、処理速度は容易に向上され
る。

【００３３】なお、上述した実施例では回転する主軸上
にワーク７を固定して、そのワーク装着部の背面に反射
ミラー８を設けて測定する例を説明したが、回転する主
軸に工具を装着する場合でも本発明の主軸位置測定装置
を同様に適用できる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、光反射
手段の回転によって生じる測長手段からの測定データの
周期的変動を簡単に除去して、精度良く主軸位置を測定
することができる。

【００３５】したがって、精密機械等でレーザ干渉計を
使用した精密測長において、数値制御される工作機械の
位置制御精度が向上でき、特に、インプロセス法による
誤差測定を精度良く実行できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の主軸位置測定装置を備えた精密工作機
械の概略構成を示す模式図である。

【図２】反射ミラーの面ぶれに基づく測定光路長の変動
を説明する図である。

【図３】反射ミラー回転角に対する測定値の変動を説明
する図である。

【図４】ワーク加工中の主軸の位置変位についての測定
値出力を示す波形図である。

【図５】本発明を適用した精密工作機械の主軸位置制御
装置を示すブロック図である。

【符号の説明】

３ 主軸ハウジング ４ 主軸ヘッド ５ 主軸駆動用モータ ６ シャフト ７ ワーク ８ 反射ミラー ９ レーザ発振器 １０ レーザ干渉計 １１ レシーバ １３ 信号処理回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加工点の近傍を測定点として、工作機械
   の主軸に装着された工具あるいはワークの位置変位を精
   密測定する主軸位置測定装置において、 前記主軸のヘッド内に配置された光反射手段と、 前記光反射手段を含み、前記主軸内部を貫通して形成さ
   れた光路内で測定光ビームを往復させることによって前
   記主軸のヘッド位置を計測する測長手段と、 前記測長手段からのヘッド位置信号を前記主軸に指令さ
   れる回転周期毎にサンプリングし、前記工具あるいはワ
   ークの位置変位信号として出力する信号処理手段と、 を有することを特徴とする主軸位置測定装置。
2. 【請求項２】 前記測長手段は、前記工作機械の主軸上
   で加工点から相対的に離隔した位置に配置された干渉計
   と、前記干渉計を介して可干渉性の測定光ビームを前記
   主軸の回転中心と一致する光路内に入射させる光源とを
   有することを特徴とする請求項１記載の主軸位置測定装
   置。