JPS5913681B2 - In-process measurement method for rotary axis motion - Google Patents

In-process measurement method for rotary axis motion

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JPS5913681B2
JPS5913681B2 JP52117681A JP11768177A JPS5913681B2 JP S5913681 B2 JPS5913681 B2 JP S5913681B2 JP 52117681 A JP52117681 A JP 52117681A JP 11768177 A JP11768177 A JP 11768177A JP S5913681 B2 JPS5913681 B2 JP S5913681B2
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JP
Japan
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center line
rotation
axis
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line
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孝次 高田
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転していろ軸の運動をインプロセスで測定
するための方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for in-process measurement of the motion of a rotating shaft.

回転している軸の運動を精密に追跡する技術は、機械工
学の中でも基本的なものであり、対象の大きさ、回転速
度、周囲の環境などに対応した棟々の手法が開発されて
いる。工作機械においても、近時、高精度加工の要求が
高まるに従つて研究及び実用の両面から主軸回転運動の
インプロセス測定の必要が生じている。しかし、現在で
は実、験室的に測定する方式がわずかに提案されている
のみであり、実際の加工中に、即ちインプロセスで軸の
回転精度を並進運動をも含めて測定し得る方法は見当た
らない。本発明は、主として工作機械主軸の回転運動を
光学的手法を用いて簡単にインプロセス測定する方法を
提供しようとするものである。
The technology to precisely track the motion of a rotating axis is fundamental in mechanical engineering, and a variety of methods have been developed that correspond to the size of the object, rotation speed, surrounding environment, etc. . In machine tools as well, as the demand for high-precision machining has recently increased, there has been a need for in-process measurement of spindle rotational motion for both research and practical purposes. However, at present, only a few methods have been proposed to measure it in a laboratory setting, and there are no methods that can measure the rotational accuracy of a shaft, including translational movement, during actual machining, that is, in-process. Not found. The present invention primarily aims to provide a method for easily in-process measuring the rotational motion of a machine tool spindle using an optical method.

一般に、回転体の回転中心線を(ある瞬間において回転
体の回転中心となつている線分)は常時変動しており、
これを適確に把握するには、その変動を基準線ιoに対
する比較的長周期の変動、即ち平均中心線j!m(ある
時間間隔で観察される回転中心線の平均的位置を表わす
線分)の変位、及び短周期の変動即ち平均中心線tmに
対する回)転中心線をの誤差運動に分解して計測しなけ
ればならない。
Generally, the rotation center line of a rotating body (the line segment that is the rotation center of the rotating body at a certain moment) is constantly changing.
To understand this accurately, it is necessary to consider the fluctuation as a relatively long-period fluctuation with respect to the reference line ιo, that is, the average center line j! m (a line segment representing the average position of the rotational centerline observed at a certain time interval) and short-period fluctuations (i.e. rotations relative to the average centerline tm). There must be.

そして、平均中心線tmの変位は、第1図に示すように
、基準線lo(Z軸)に対する半径方向、軸方向及び傾
きからなる三成分の変位DrA(なJ いしDrB)、
D2、Dθ(ベクトル)に分解される。
The displacement of the average center line tm is, as shown in FIG.
It is decomposed into D2 and Dθ (vector).

同図において、を3は平均中心線tmの一端Aを通つて
z軸に平行な線であり、DrA(ないしHrB)はz軸
に垂直な平面内に、6zはZ軸上にとつている。また、
平均中心線Tmの゛一端Aについての各記号には添字A
を付し、他端Bについては添字Bを付している。さらに
、回転中心線tの短周期の誤差運動も、第2図に示すよ
うに、平均中心線Tmに対する半径方向、軸方向及び傾
きの三成分ErA(ないしFrB),Fz,fθ(ベク
トル)によつて表わされる。
In the same figure, 3 is a line that passes through one end A of the average center line tm and is parallel to the z-axis, DrA (or HrB) is in a plane perpendicular to the z-axis, and 6z is on the Z-axis. . Also,
Each symbol for one end A of the average center line Tm has a subscript A.
, and the other end B is given a subscript B. Furthermore, as shown in Fig. 2, the short-period error motion of the rotation center line t is also caused by three components ErA (or FrB), Fz, and fθ (vector) in the radial direction, axial direction, and inclination with respect to the average center line Tm. It is expressed as follows.

同図において、T2は回転中心線tの一端を通つて平均
中心線Tmに平行な線であり、百RA(ないしNrB)
はZ軸に垂直な平面内にとつている。上述した基準線に
対する平均中心線Tmの変位及び平均中心線に対する回
転中心線tの誤差運動を求めるため、本発明においては
、以下に詳述する方法によつて、基準線TOに対する回
転中心線−}tの両端の半径方向の変動Vr及び軸方向
の変動→Vzの測定を行う。
In the same figure, T2 is a line passing through one end of the rotation center line t and parallel to the average center line Tm, and is 100 RA (or NrB).
lies in a plane perpendicular to the Z axis. In order to obtain the displacement of the average center line Tm with respect to the reference line mentioned above and the error movement of the rotation center line t with respect to the average center line, in the present invention, the rotation center line - with respect to the reference line TO is determined by the method detailed below. } Measure the radial variation Vr and the axial variation → Vz at both ends of t.

なお、回転中心線tの両端についての測定法は全く同一
であるから、以下においてそれらを区別する必要がない
場合には単にVrとして説明する。而して、測定したV
r及びVzから前述した各成分は次のようにして求める
ことができる。
Note that since the measurement method for both ends of the rotational center line t is exactly the same, hereinafter, when there is no need to distinguish between them, they will be simply referred to as Vr. Therefore, the measured V
Each component described above can be obtained from r and Vz as follows.

−シ −一+ ★ここで、Vi,Vjはそれぞ
れVr,Vzの平均を示しており、LはA,B間の距離
である。
-C -1+ ★Here, Vi and Vj indicate the averages of Vr and Vz, respectively, and L is the distance between A and B.

第3図は、基準線TOに対する回転中心線tの半径方向
の変動Vr(t)を光学的方式によつて検出するための
原理を示すもので、Pは4分割フオトセル(P1〜P4
)の受光面、Sはレーザ●ビーム等の光のスポツトであ
り、フオトセルPは中心0′を回転軸の中心線と一致さ
せてその回転軸に取付け、また光のスポツトSはその中
心0が基準線上に位置するように光軸を基準線と一致さ
せた平行光を静止系からフオトセルPに対して投射する
。このような状態で回転軸を回転させ、4分割フオトセ
ルP1とP2の受光量の差に比例して生じる出力V1、
及び4分割フオトセルP3とP4の受光量の差に比例し
て生じる出力V2を取出すと、図示したようにフオトセ
ルPの中心0′がスポツトSの中心0(基準線)からV
r(t)=Vr(tヒ?リだけずれている場合における
上記V,,V2は、次式によつて表わされる。
FIG. 3 shows the principle for optically detecting the radial variation Vr(t) of the rotation center line t with respect to the reference line TO, where P is a quadrant photocell (P1 to P4
), S is a light spot such as a laser beam, and the photocell P is attached to the rotation axis with its center 0' aligned with the center line of the rotation axis. Parallel light whose optical axis is aligned with the reference line so as to be located on the reference line is projected onto the photocell P from a stationary system. By rotating the rotating shaft in this state, an output V1 is generated in proportion to the difference in the amount of light received by the four-split photocells P1 and P2,
And when we take out the output V2 that is generated in proportion to the difference in the amount of light received by the 4-split photocells P3 and P4, the center 0' of the photocell P is V from the center 0 (reference line) of the spot S, as shown in the figure.
r(t)=Vr (The above-mentioned V, , V2 in the case where there is a deviation by t degree is expressed by the following equation.

いま、求めるべきものはVr(t)であるから、(1)
(2)式からω●tを消去しなければならない。
What we need to find now is Vr(t), so (1)
ω●t must be eliminated from equation (2).

そのため、回転軸にロータリーエンコーダ等の回転角検
出器を取付け、を得て、次のような演算を行えばよい。
Therefore, a rotation angle detector such as a rotary encoder may be attached to the rotating shaft, and the following calculations may be performed.

V1・3+V2・V4=r(t)・μsα(t)−Δx
(t) ・・・(5)V2・V3−V4・−Vr(t)
・Shlα(t)−Δy(t) ・・・(6)この演算
によつてΔX,Δyが求まるので、Vr(t)は次のよ
うにして求められる。
V1・3+V2・V4=r(t)・μsα(t)−Δx
(t) ... (5) V2・V3-V4・-Vr(t)
- Shlα(t)−Δy(t) (6) Since ΔX and Δy are determined by this calculation, Vr(t) is determined as follows.

あるいは、 このようにして、回転中心線tの基準線TOに対する半
径方向の変動を、回転軸の両軸端など、少なくとも回転
軸上の2個所において測定すれば、それに基づいて回転
中心線の傾きの変動を容易に求めることができる。
Alternatively, if the variation in the radial direction of the rotation center line t with respect to the reference line TO is measured in this way at at least two locations on the rotation axis, such as both ends of the rotation axis, the inclination of the rotation center line can be determined based on the measurement. The fluctuation of can be easily determined.

また、第4図は回転軸の軸方向の変動Vz(t)を光波
干渉によつて測定するための干渉測長器の構成を示すも
ので、回転軸1の軸端にコーナキユーブ・プリズム2を
取付け、レーザ光源3からのレーザ●ビームを干渉計4
におけるビームスプリツタ5において二分し、その一方
のビームを上記コーナキユーブ●プリズム2において反
転させた後、干渉計4において他方のビームと干渉させ
、検出器6における出力として軸方向の変動Vz(t)
を得るように構成している。
FIG. 4 shows the configuration of an interferometric length measuring instrument for measuring the axial variation Vz(t) of the rotating shaft by light wave interference, in which a corner cube prism 2 is installed at the end of the rotating shaft 1. Attach the laser beam from laser light source 3 to interferometer 4
The beam splitter 5 splits the beam into two, and one of the beams is inverted at the corner cube prism 2, and then interfered with the other beam at the interferometer 4, and the output from the detector 6 is the axial fluctuation Vz(t).
It is configured to obtain .

第5図は、前記回転中心線の変動VrA,VrB及びV
zを同時に測定し得る光学系を示している。
FIG. 5 shows the fluctuations VrA, VrB and V of the center line of rotation.
It shows an optical system that can measure z simultaneously.

この光学系においては、レーザ光源10からのレーザ・
ビームを、まず干渉計11におけるビームスプリツタ1
2で光波干渉のために二分し、一方のビームを回転軸1
3の一端に取付けたビームスプリツタ14においてさら
に二分し、その一方を回転軸端部のフオトセル15の受
光面PAに投射し、このフオトセル15の出力に基づい
てVrAを得る。また、ビームスプリツタ14において
二分した他方のビームはコーナキユーブ●プリズム16
に投射して反転させ、再びビームスプリツタ14で二分
してその一方をフオトセル17の受光面PBに投射し、
このフオトセル17の出力に基−十づいてVr魁を得る
In this optical system, the laser beam from the laser light source 10
The beam is first passed through the beam splitter 1 in the interferometer 11.
2 splits the beam into two for light wave interference, and sends one beam to the rotation axis 1.
A beam splitter 14 attached to one end of the photocell 3 further divides the beam into two, and one of the two is projected onto the light receiving surface PA of a photocell 15 at the end of the rotating shaft, and VrA is obtained based on the output of this photocell 15. The other beam split into two by the beam splitter 14 is split into two by a corner cube prism 16.
The beam is projected onto the light receiving surface PB of the photocell 17, which is then split into two by the beam splitter 14 and projected onto the light receiving surface PB of the photocell 17.
Based on the output of this photocell 17, Vr is obtained.

ビームスプリツタ14で二分した他方のビームは、干渉
計11において光波干−》渉させ、検出器18の出力と
してVzを得る。
The other beam split into two by the beam splitter 14 causes light wave interference in the interferometer 11, and Vz is obtained as the output of the detector 18.

上述した光学系におけるフオトセル15及び17の配置
は、それらをコーナキユーブ●プリズムとの間の距離(
L/2)の2倍の間隔で中心線上に配設したことに相当
するものである。なお、図示していないが、回転軸の適
宜位置に回転角検出器を取付けることは勿論である。
The arrangement of the photocells 15 and 17 in the optical system described above is such that they are separated by the distance between them and the corner cube prism (
This corresponds to arranging them on the center line at an interval twice as large as L/2). Although not shown, it goes without saying that a rotation angle detector may be attached to an appropriate position on the rotation shaft.

第6図は、第5図におけるフオトセル15,17及び千
渉計11等から得られる電気的出力を前述したところに
従つて演算処理し、軸の回転運動中に生じる各変動成分
を出力するための処理回路を示している。以上に詳述し
たところから明らかなように、本発明によれば、軸の回
転運動中における各種変動成分を光学的手法により簡単
にインプロセス測定することができる。
FIG. 6 shows how the electrical outputs obtained from the photocells 15, 17 and the sensor 11 shown in FIG. The processing circuit is shown. As is clear from the above detailed description, according to the present invention, various fluctuation components during the rotational movement of the shaft can be easily measured in-process using an optical method.

なお、以上の記述では、レーザ光を用いるものとして説
明したが、本測定方法においては必ずしもレーザ光を用
いる必要はなく、Vrの測定に対しては良くコリメート
された平行光であればよく、またVr,Vz両方の測定
にはコリメートされると同時にコヒーレントな光であれ
ばよい。
Although the above description assumes that a laser beam is used, it is not necessarily necessary to use a laser beam in this measurement method, and a well-collimated parallel beam is sufficient for measuring Vr. For measuring both Vr and Vz, it is sufficient to use light that is both collimated and coherent.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図及び第2図は平均中心線及び回転中心線について
の説明図、第3図は回転中心線の半径方向の変動を検出
する原理を説明するための原理図、第4図は回転中心線
の軸方向の変動を測定する干渉測長器の構成図、第5図
は回転中心線の半径方向、軸方向及び傾きの変動を同時
に測定する光学系の構成図、第6図は第5図の装置から
得られる電気的出力を演算処理する処理回路のプロツク
構成図である。
Figures 1 and 2 are explanatory diagrams of the average center line and rotation center line, Figure 3 is a principle diagram for explaining the principle of detecting radial fluctuations in the rotation center line, and Figure 4 is the rotation center. Figure 5 is a configuration diagram of an interferometric length measuring device that measures variations in the axial direction of a line. FIG. 3 is a block diagram of a processing circuit that performs arithmetic processing on the electrical output obtained from the device shown in the figure.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 回転軸の両軸端またはそれに相当する位置にその回
転軸の中心線と中心を一致させて取付けた4分割フォト
セルに対し、光軸が基準線に一致するよう配置した平行
光を投射し、これによつて得られる4分割フォトセルの
出力、及びその回転軸に取付けた回転角検出器の出力に
基づき、回転軸における回転中心線の基準線に対する変
動を、基準線に対する平均中心線の半径方向及び傾きの
変位、並びに上記平均中心線に対する回転中心線の半径
方向及び傾きの誤差運動として光学的に測定することを
特徴とする回転軸運動のインプロセス測定方法。 2 回転軸の両軸端またはそれに相当する位置にその回
転軸の中心線と中心を一致させて取付けた4分割フォト
セルに対し、光軸が基準線に一致するよう配置した可干
渉な平行光を投射し、これによつて得られる4分割フォ
トセルの出力、その回転軸に取付けた回転角検出器の出
力、及び回転軸の軸方向の変動を光波干渉によつて測定
する干渉測長器の出力に基づき、回転軸における回転中
心線の基準線に対する変動を、基準線に対する平均中心
線の半径方向、軸方向、及び傾きの変位、並びに上記平
均中心線に対する回転中心線の半径方向、軸方向、及び
傾きの誤差運動として光学的に測定することを特徴とす
る回転軸運動のインプロセス測定方法。
[Scope of Claims] 1. For a 4-split photocell installed at both ends of a rotating shaft or at a position corresponding thereto so that the center coincides with the center line of the rotating shaft, the optical axis is arranged so as to match the reference line. Based on the output of the 4-split photocell obtained by this and the output of the rotation angle detector attached to the rotation axis, the fluctuation of the rotation center line on the rotation axis with respect to the reference line is determined as a standard. 1. An in-process measuring method for rotational axis motion, comprising optically measuring radial and inclination displacements of an average center line with respect to a line, and radial and inclination error movements of a rotation center line with respect to the average center line. 2 Coherent parallel light beam arranged so that the optical axis coincides with the reference line for a 4-split photocell installed at both ends of the rotation axis or at positions corresponding to the axis so that the center coincides with the center line of the rotation axis. An interferometric length measuring device that measures the output of a four-part photocell obtained by projecting a 4-split photocell, the output of a rotation angle detector attached to its rotation axis, and the axial fluctuation of the rotation axis by light wave interference. Based on the output of An in-process measurement method for rotational axis motion, characterized by optically measuring error motion in direction and inclination.
JP52117681A 1977-09-30 1977-09-30 In-process measurement method for rotary axis motion Expired JPS5913681B2 (en)

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JPS5451862A JPS5451862A (en) 1979-04-24
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