JPH084997B2

JPH084997B2 - 機械装置における変位測定装置

Info

Publication number: JPH084997B2
Application number: JP3290487A
Authority: JP
Inventors: 鷹男真鍋; 栄一黒川
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1987-02-16
Filing date: 1987-02-16
Publication date: 1996-01-24
Anticipated expiration: 2011-01-24
Also published as: JPS63200947A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は熱、重力あるいは切削力等による機械装置の
変位量を測定する装置に関し、一層詳細には、例えば、
工作機械を構成する構造体内にインバー等の不変鋼から
なる測定基準材を配設し、前記測定基準材に対する構造
体の変位量を測定することで工作機械における加工精度
の向上を達成する機械装置における変位測定装置に関す
る。

［従来の技術］近年、機械工場等の生産現場では低コストによる大量
生産を実現するために生産ラインの自動化および無人化
が進んでいる。従って、このような現場において使用さ
れる工作機械は夜間運転等により連続稼働している時間
が長期化する傾向にある。

ところで、工作機械を長時間連続的に稼働させた場
合、例えば、そのピストンドルユニットから相当な熱が
発生しこの熱によってコラム等が熱変形することがあ
る。この場合、前記スピンドルユニットに連結される工
具の位置が変位してワークに対する加工精度が低下する
不都合が生じる。また、熱による前記工具の変位量によ
ってはワークあるいは当該工具に対して過大な負荷がか
かるため、いずれかが損傷する危険性も指摘されてい
る。一方、ワークに対する工具位置が不正確となる原因
としては、上述した熱による影響の他に、スピンドルユ
ニットあるいはこのスピンドルユニットを支持する構造
体等の自重や切削力による変位も考えられ、この場合も
ワークの加工精度が低下する欠点が生じる。

そこで、このような問題に対する対策として、コラム
等の構造体における熱あるいは重力等による変位量を測
定し、その変位量に基づいて工具位置を補正する方法が
種々提案されている。例えば、構造体の温度を測定し、
前記構造体を構成する材質の熱膨張率に基づいて変位量
を算出して工具位置の補正を行う方法がある。この場
合、変位量は温度から間接的に換算されるため高精度な
補正を行うことは出来ない。また、構造体の温度が場所
によって異なるため、工具の全ての加工位置に対する変
位量を算出することは不可能である。

一方、他の方法として、レーザ光を用いて構造体の変
位量を直接測定することも考えられるが、この場合、前
記レーザ光の出力は温度、気圧の変化、空気のゆらぎ等
に対して極めて敏感であるため、当該変位量の精密な測
定が出来ないという欠点がある。

［発明が解決しようとする問題点］本発明は前記の不都合を克服するためになされたもの
であって、機械装置を構成する構造体内にインバー等の
不変鋼からなる測定基準材を配設し、前記測定基準材に
対する構造体の変位量を変位検出手段を用いて直接測定
することにより、極めて簡易な構成で正確な変位量デー
タを得ることが出来、このデータに基づいて精度向上が
達成可能となる機械装置における変位測定装置を提供す
ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］前記の目的を達成するために、本発明は機械装置を構
成する構造体内に不変鋼からなる測定基準材を前記構造
体の被測定部位に対して無接触の対で配設する一方、前
記被測定部位の変位に追従し測定基準材に対する変位量
を検出する変位検出手段を前記測定基準材に装着するこ
とを特徴とする。

［実施態様］次に、本発明に係る機械装置における変位測定装置に
ついて好適な実施態様を挙げ、添付の図面を参照しなが
ら以下詳細に説明する。

第１図において、参照符号10は本発明に係る変位測定
装置を有した工作機械のコラム部を示す。この場合、コ
ラム部10はベッド12上にガイドレール14a、14bを介して
配設されており、図示しない駆動源の作用下に矢印Ｚ方
向に移動可能に構成される。

ガイドレール14a、14bには摺動自在な状態でコラムベ
ース16が係合しており、このコラムベース16の上にはコ
ラム18aおよび18bが立設する。また、前記コラム18a、1
8bの上端部間にはブレース20が橋架される。ここで、コ
ラムベース16、コラム18a、18bおよびブレース20は鋳
造、鋼板等によって構成され、その内部には軽量化のた
め中空部が画成される。すなわち、第２図に示すよう
に、コラム18a、18bにはリブ22a乃至22dによって仕切ら
れた鋳抜穴24a乃至24eが画成され、これらの鋳抜穴24a
乃至24eは前記リブ22a乃至22dに形成した連通孔26a乃至
26hにより連通される。同様に、コラムベース16および
ブレース20内にも前記鋳抜穴24a乃至24eに連通した状態
で図示しない鋳抜穴が画成される。

コラム18a、18b間の前面部にはサドル28が支持されて
おり、このサドル28はブレース20の上面部に配設したモ
ータ30の駆動作用下にボールねじ32を介して矢印Ｙ方向
に移動可能に構成される。サドル28には主軸頭34を介し
て工具36が取着される。この場合、工具36はサドル28に
内装されるモータ38によって回転駆動される。なお、コ
ラム18a、18bの前面部はサドル28が摺動するサドル摺動
面40a、40bであり、このサドル摺動面40a、40bは工具36
の矢印Ｚ方向に対する基準面となる。

一方、コラム部10を構成するコラムベース16、コラム
18a、18bおよびブレース20内には本実施態様に係る変位
測定装置を構成する枠体42が配設される。枠体42はイン
バー等の熱膨張係数が極めて小さい不変鋼からなる棒状
の測定基準材44a乃至44lを直方体状に構成したものであ
り、コラム部10内において第２図に示すように配設され
る。

すなわち、測定基準材44a乃至44dは連通孔26a乃至26h
を介してコラム18a、18b内に立設しており、前記測定基
準材44a乃至44dの各端部間はコラムベース16およびブレ
ース20内に横架される測定基準材44e乃至44lによって連
結される。なお、測定基準材44i、44kおよび44lは軸方
向に摺動自在なリニアモーションタイプのベアリング45
a乃至45cを介してコラムベース16の内壁面上に保持され
る。この結果、測定基準材44a乃至44lによって構成され
る枠体42はコラム部10内において自立した状態となる。

また、コラム18a、18b内に立設された測定基準材44a
および44dには、例えば、磁気スケールを用いたダイヤ
ルゲージからなる変位検出手段46a乃至46fが装着され
る。この場合、前記変位検出手段46a乃至46fのプローブ
48a乃至48fの先端部はサドル摺動面40a、40bの背面部で
ある鋳抜穴24b乃至24dの内壁面50a乃至50fに所定の接触
圧で当接する。

なお、前記変位検出手段46a乃至46fは、第３図に示す
ように、コラム18a、18bの内壁面50a乃至50fに取着さ
れ、各プローブ48a乃至48fの先端部が測定基準材44aお
よび44dに圧接するよう構成してもよい。

本発明に係る機械装置における変位測定装置は基本的
には以上のように構成されるものであり、次にその作用
並びに効果について説明する。

コラム部10が図示しない駆動源の駆動作用下にガイド
レール14a、14bに沿って矢印Ｚ方向に移動すると共に、
サドル28がモータ30の駆動作用下にボールねじ32によっ
て矢印Ｙ方向に移動する。この結果、前記サドル28に取
着された工具36が図示しないワークに対して位置決めさ
れる。なお、矢印Ｘ方向に対する位置は、例えば、ワー
クの搬送系によって設定されるものとする。そこで、工
具36はモータ38の駆動作用下にワークに対して加工作業
を開始する。

ここで、工具36による加工作業が長時間連続的に行わ
れた場合、モータ38あるいは主軸頭34から発生する熱が
サドル28を介してコラム18a、18bに伝達し、前記コラム
18a、18bが熱変形することになる。この場合、サドル摺
動面40a、40bは、第２図に示すように、矢印Ｚ方向にδ
だけ変位する。従って、ワークに対する工具36の位置も
δだけ変位することになる。

一方、コラム部10内に配設された枠体42はインバー等
の熱膨張係数が極めて小さい不変鋼からなる測定基準材
44a乃至44lによって構成されており、この枠体42はサド
ル28から伝達される熱によって変形することは殆どな
い。従って、測定基準材44aおよび44dに装着された変位
検出手段46a乃至46fはそのプローブ48a乃至48fがサドル
摺動面40a、44bの変位を鋳抜穴24b乃至24dの内壁面50b
乃至50dの変位量として検出する。なお、前記変位量は
磁気スケール等によって電気信号に変換される。

そこで、各変位検出手段46a乃至46fにより検出された
変位量とその測定位置とからサドル摺動面40a、40bの変
位量δを算出する。そして、この変位量δに基づき工具
36のワークに対する加工位置を補正すれば高精度な加工
作業を遂行することが可能となる。

なお、第４図に示すように、１本の測定基準材54aお
よび54bを各コラム18a、18b内に自立させるように構成
してもよい。すなわち、測定基準材54a、54bの上端部側
を連通孔26aに装着されるリニアモーションタイプのベ
アリング56a、56bによって矢印Ｙ方向に摺動自在な状態
で支持すると共に、尖鋭状に形成した下端部をピボット
軸受58a、58bによって支持するように構成する。この場
合、変位検出手段46a乃至46fはコラム18a、18bの矢印Ｙ
方向の変位の影響を受けることなく、矢印Ｚ方向の変位
のみを正確に検出することが出来る。

一方、本発明に係る変位測定装置は第５図に示す門型
の工作機械のコラム部60に対しても適用可能である。す
なわち、このコラム部60は一対のコラム62a、62bと、前
記コラム62a、62bの上端部間を連結するブレース64と、
両端部が前記コラム62aおよび62bの前面部に係合しＷ方
向に移動可能な横桁66と、横桁66の前面部に沿って矢印
Ｙ方向に移動可能なサドル68とを含む。サドル68にはラ
ム70が矢印Ｚ方向に移動可能に装着されており、前記ラ
ム70の下端部には主軸72を介して工具74が取着される。
なお、工具74はラム70の上端部に取着されたモータ76に
よって駆動制御される。

ここで、横桁66内にはインバー等の不変鋼よりなる２
本の測定基準材78a、78bが矢印Ｙ方向に沿って平行に配
設される。この場合、測定基準材78a、78bは、その両端
部が横桁66に対してリニアモーションタイプのベアリン
グ80a乃至80dによる矢印Ｙ方向に変位可能な状態で支持
される。また、測定基準材78a、78bには、第２図乃至第
４図に示した場合と同様に、横桁66の矢印Ｕ方向に対す
る変位量を測定し得るよう変位検出手段（図示せず）を
装着しておく。

そこで、サドル68の矢印Ｙ方向への移動動作およびラ
ム70の矢印Ｚ方向への移動動作によって工具74が変位
し、矢印Ｘ方向に移動するテーブル75上に載置された図
示しないワークに対する加工作業が開始される。この場
合、大型工作機械は手動面の摩擦力を小さくすることと
高剛性を得るために油静圧を摺動面に採用することが多
いので横桁66の前面側が発熱源となる。また、コラム62
a、62bの高さが高くなると機械を設置している空間の温
度差も大きくなる。従って、横桁66は熱膨張し、第６図
に示すように、矢印Ｕ方向にδ_１だけ変位することにな
る。

この場合、変位量δ_１は前述した場合と同様に変位検
出手段により測定基準材78a、78bに対する横桁66の変位
量δ_１として検出される。そして、この変位量δ_１に基
づいて工具74の位置を補正すれば正確な加工作業を行う
ことが出来る。なお、測定基準材78aに装着された変位
検出手段より得られた変位量と測定基準材78bに装着さ
れた変位検出手段により得られた変位量とを比較すれ
ば、サドル68のＹ軸を中心とした捩じれ等をも検出する
ことが可能となる。

なお、このコラム部60では長尺な横桁66に対して重量
物であるサドル68が係合している。従って、前記横桁66
は重力の作用下に鉛直下方向に変位するため、矢印Ｚ方
向にも加工誤差が生じる（第７図参照）。この場合、変
位検出手段を用いて測定基準材78a、78bに対する横桁66
の矢印Ｗ方向の変位量δ_２を測定することも容易であ
る。そこで、測定基準材78a、78bおよび変位検出手段を
用いて横桁66の矢印Ｕ方向およびＷ方向の変位量δ_１、
δ_２を測定すれば、熱による変位および重力による変位
の双方の影響による工具位置の変位を補正することが出
来、極めて正確な加工作業を遂行することが可能とな
る。

［発明の効果］以上のように、本発明によれば、機械装置を構成する
構造体内にインバー等の不変鋼からなる測定基準材を配
設し、前記測定基準材に対する構造体の変位量を変位検
出手段を用いて測定するように構成している。そのた
め、例えば、加工作業時に発生する熱および周囲温度の
変化による前記構造体の変位量を極めて簡単な構成で、
しかも、正確に測定することが出来る。従って、この変
位量に基づいて工作機械のNCデータ等を補正すれば、熱
による影響のない極めて正確な加工作業を遂行すること
が可能となる。なお、本発明によれば、熱による構造体
の変位のみならず、重力等の他の影響による変位をも正
確に測定することが出来るため、工作機械による加工精
度の一層の向上が招来される。

以上、本発明について好適な実施態様を挙げて説明し
たが、本発明はこの実施態様に限定されるものではな
く、例えば、測定基準材としてアンバー等の不変鋼を用
いるこも可能である。また、精密さが要求される各種機
械装置、例えば、座標測定装置等の機械装置に対しても
適用可能である等、本発明の要旨を逸脱しない範囲にお
いて種々の改良並びに設計の変更が可能なことは勿論で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る変位測定装置を有する工作機械の
コラム部を示す概略構成斜視図、第２図は第１図に示す工作機械に装着された変位測定装
置の構成説明図、第３図は本発明に係る変位測定装置の他の実施態様を示
す説明図、第４図は本発明に係る変位測定装置のさらに他の実施態
様を示す説明図、第５図は本発明に係る変位測定装置が装着された他の工
作機械のコラム部を示す概略構成斜視図、第６図および第７図は第５図に示す工作機械の平面説明
図および正面説明図である。 10……コラム部、16……コラムベース 18a、18b……コラム、20……ブレース 28……サドル、34……主軸頭 36……工具、38……モータ 40a、40b……サドル摺動面 42……枠体、44a〜44l……測定基準材 46a〜46f……変位検出手段 60……コラム部、62a、62b……コラム 64……ブレース、66……横桁 68……サドル、74……工具 76……モータ、78a、78b……測定基準材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機械装置を構成する構造体内に不変鋼から
なる測定基準材を前記構造体の被測定部位に対して無接
触の対で配設する一方、前記被測定部位の変位に追従し
測定基準材に対する変位量を検出する変位検出手段を前
記測定基準材に装着することを特徴とする機械装置にお
ける変位測定装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の装置におい
て、測定基準材はインバーより構成してなる機械装置に
おける変位測定装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の装置におい
て、測定基準材によって枠体を形成し前記枠体を構造体
内に自立させるよう構成してなる機械装置における変位
測定装置。
【請求項４】特許請求の範囲第１項記載の装置におい
て、測定基準材は上端部を軸方向に摺動自在なベアリン
グにより支持すると共に下端部をピボット軸受により支
持するよう構成してなる機械装置における変位測定装
置。
【請求項５】特許請求の範囲第１項記載の装置におい
て、変位検出手段は変位量を磁気スケールを用いて電気
量に変換するダイヤルゲージより構成してなる機械装置
におけ変位測定装置。
【請求項６】特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれ
かに記載の装置において、機械装置は工作機械より構成
してなる機械装置における変位測定装置。