JPS60207742A - On-machine measurement correcting apparatus for machine tool - Google Patents

On-machine measurement correcting apparatus for machine tool

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JPS60207742A
JPS60207742A JP6115184A JP6115184A JPS60207742A JP S60207742 A JPS60207742 A JP S60207742A JP 6115184 A JP6115184 A JP 6115184A JP 6115184 A JP6115184 A JP 6115184A JP S60207742 A JPS60207742 A JP S60207742A
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JP
Japan
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point
displacement
saddle
machine tool
laser
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JP6115184A
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Japanese (ja)
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Tadashi Rokkaku
正 六角
Sadamu Takahashi
定 高橋
Yuzo Matsunaga
松永 有三
Kataru Ichikawa
市川 語
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00Program-control systems
    • G05B2219/30Nc systems
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    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/30Nc systems
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    • G05B2219/49169Compensation for temperature, bending of tool

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Abstract

PURPOSE:To improve the accuracy in positioning an NC machine tool by automatically carrying-out calculation correction by the irradiation of laser light and the signals supplied from a light receiving and detecting apparatus and electrical level meters and correcting the shift of a main spindle by the external force such as thermal deformation, transfer load, etc. CONSTITUTION:The laser light outputted from a laser head 13 is formed into two pieces of laser light in the vertical direction by a beam slitter 14 and a beam bender 15, and one is projected onto the light receiving surface of the first semiconductor position detector 18, and the other is projected into a penta prism 19, and the optical path is changed in the direction of shift Z of a headstock 8 which crosses at right angles to the incident optical path, and the laser light is projected onto the light receiving surface of the second semiconductor position detector 21 installed through an installation member 20. The coordinates having the point O1 on a column base 3 as original point and having the vertical line passing through O1 as starting line and the coordinates of the point Q of the stock 8 are calculated from the outputs of electrical level meters 16a and 16b, and the top edge point O of a main spindle 10 or the shift of the position of the cutting edge of a cutting tool is calculated, and the value is input into an NC apparatus, and the measured value is corrected. Thus, the accuracy in positioning a machine tool can be improved.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、NC(数値側脚)工作機械の位置決め誤差を
機上計測して補正する装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for measuring and correcting positioning errors of an NC (numerical side leg) machine tool on-machine.

近年、F M S (flexible znanuf
acturing system 。
In recent years, FMS (flexible znanuf
Acturing system.

複合生産システム)化などの無人化の普及に伴って、熱
変位や切削力、重力等の外力による変形によって生じる
加工誤差が工作機械の無人化を阻害する大きな問題とし
てクローズアンプされてきた。
With the spread of unmanned machine tools such as complex production systems, machining errors caused by deformation due to external forces such as thermal displacement, cutting force, and gravity have been highlighted as a major problem that hinders unmanned machine tools.

従来はNC工作機械といえども特に高精度を必要とされ
る加工を行う場合には1機械の原点のずれやワーク基準
面に対する位置決め誤差は作業者自身が適時チェックし
補正を行っていた。
Conventionally, when performing machining that requires particularly high precision even with NC machine tools, workers themselves have to check and correct the deviation of the origin of one machine and the positioning error with respect to the workpiece reference plane from time to time.

このような現状は完全な無人化には程遠いものである。This current situation is far from completely unmanned.

そこで、無人化を進めるに当っては、機械の精度の安定
性を確保するか、あるいは工作機械自体の変位量を自動
的に計測してNC装置に位置座標値の補正を行わせる等
の機上計測補正が必要とされている。工作機械の変形の
中で単純な伸縮変形によるものは比較的容易に機上計測
補正を行うことが可能であるが、傾きや曲がシ変形によ
るものは従来その補正を行うことがきわめて困難であっ
た。
Therefore, when proceeding with unmanned operation, it is necessary to ensure the stability of machine accuracy, or to create a system that automatically measures the amount of displacement of the machine tool itself and has the NC device correct the position coordinate values. Above measurement correction is required. Among the deformations of machine tools, it is relatively easy to correct on-machine measurements for those caused by simple expansion and contraction deformations, but it has been extremely difficult to correct for those caused by tilting or curved deformations. there were.

この問題は、特に大物の加工物を大型工作機械で加工す
る場合には最も深刻な問題となる。
This problem becomes the most serious problem especially when a large workpiece is processed using a large machine tool.

その第1の理由は、大型工作機械の場合は小型機よシも
熱変位量も一般に大きく現れるとともに、構造物の小さ
な傾きも回転中心から主軸先端部までの距離が大きいた
め主軸先端部の変位置としては大きな値となることであ
る。第2の理由は、大物の加工物の場合はその加工n度
を作業者が計測してチェックすることが容易でないこと
である。従来、大物の加工物の加工精度を測定する自動
計測補正装置として、主軸にタッチセンサーを嵌着して
機械のNC座標軸をスケールとして加工精度を測定する
ものがある。
The first reason is that in the case of large machine tools, the amount of thermal displacement generally appears larger than that of small machines, and even a small inclination of the structure causes a change in the tip of the spindle because the distance from the center of rotation to the tip of the spindle is large. This is a large value in terms of position. The second reason is that in the case of a large workpiece, it is difficult for an operator to measure and check the degree of processing. 2. Description of the Related Art Conventionally, as an automatic measurement and correction device for measuring the machining accuracy of a large workpiece, there is one that measures the machining accuracy by fitting a touch sensor to the main shaft and using the NC coordinate axis of the machine as a scale.

しかし、この装置では前述したように工作機械自体の変
位があるとタッチセンサーで計測された精度も信頼性の
乏しいものとなってしまう。
However, with this device, as mentioned above, if the machine tool itself is displaced, the accuracy measured by the touch sensor becomes unreliable.

以上に述べた従来の工作機械の問題点の具体例を第1図
および第2図によって説明する。第1図は従来の大型工
作機械の1例として示す機中ぐシフライス盤の正面図、
第2図はその側面図である。両図に示すように、ベンド
1はフロア−2上に図示しない複数個のジヤツキで支持
されておシ、コラムペース3はベンド1上の案内部材4
a、4bに案内されて図示しない駆動装置によシX軸方
向に駆動、位置決めされる。
Specific examples of the problems of the conventional machine tools mentioned above will be explained with reference to FIGS. 1 and 2. Figure 1 is a front view of a machine milling machine as an example of a conventional large-scale machine tool.
FIG. 2 is a side view thereof. As shown in both figures, the bend 1 is supported on a floor 2 by a plurality of jacks (not shown), and the column space 3 is supported by a guide member 4 on the bend 1.
a and 4b, and is driven and positioned in the X-axis direction by a drive device (not shown).

コラム6はコラムベース3上に立設されており、サドル
5がコラム6に設けられ九摺動面を有する案内部材7a
、’ybに案内され、図示しない送りねじ、モータ等の
駆動装置によりY軸方向に駆動1位置決めされる。さら
に、ヘッドストック8はサドル5に設けられた摺動面を
有する案内部材9a、9bに案内され1図示しない駆動
装置によって2軸方向に駆動、位置決めされるようにな
っている。また、主軸10はヘッドストック8に組み込
まれた図示しない軸受に支承されておシ、ヘントスドッ
ク8上に設置されたモータ11によシ図示しない駆動歯
車を介して回転、駆動される。主軸10の先端には切削
工具(図示しない)が装着され、コラム6に対向してテ
ーブル上に載置された図示しない加工物を切削加工する
The column 6 is erected on the column base 3, and the saddle 5 is provided on the column 6 and includes a guide member 7a having a sliding surface.
, 'yb, and is driven to one position in the Y-axis direction by a drive device such as a feed screw or a motor (not shown). Further, the headstock 8 is guided by guide members 9a and 9b having sliding surfaces provided on the saddle 5, and is driven and positioned in two axial directions by a drive device (not shown). The main shaft 10 is supported by a bearing (not shown) built into the head stock 8, and is rotated and driven by a motor 11 installed on the hentos dock 8 via a drive gear (not shown). A cutting tool (not shown) is attached to the tip of the main spindle 10 to cut a workpiece (not shown) placed on a table facing the column 6.

このような工作機械においては、熱変形や移動荷重によ
る変形によシ、下記のような主軸10の先端点Oの変位
を生じる。
In such a machine tool, thermal deformation or deformation due to a moving load causes the following displacement of the tip point O of the main shaft 10.

すなわち先ず第1には、コラム6のA面側と8面側とで
熱慣性が異なり、室温変化によってコラム6がX−Y平
面内で曲がり変形を生じるため、主軸先端点0のX軸方
向およびY軸方向への変位が起こる。
First of all, the thermal inertia is different between the A side and the 8th side of the column 6, and the column 6 bends and deforms in the X-Y plane due to changes in room temperature. and displacement in the Y-axis direction.

第2には、サドル5と案内部材7a、7bとの間の潤滑
油の温度変化があると、同様にコラム6のX−Y平面内
での曲がシ変形が生じる。
Second, if there is a temperature change in the lubricating oil between the saddle 5 and the guide members 7a, 7b, the column 6 will also undergo bending deformation in the XY plane.

特に大型工作機械では、サドル5と案内部材7a、7b
との間には静圧油軸受案内面が構成されておシ、潤滑油
の温度変化はコラム6の大きな曲がシ変形を生じ、主軸
先端点OのX軸方向およびY軸方向への変位となって現
われる。
Especially in large machine tools, the saddle 5 and guide members 7a, 7b
A hydrostatic oil bearing guide surface is formed between the column 6 and the lubricating oil, and temperature changes in the lubricating oil cause a large bend in the column 6 to deform, causing displacement of the spindle tip point O in the X- and Y-axis directions. It appears as.

第3には、ヘッドストック8の2軸方向への移動によシ
ナドル5.コラム6、コラムベース3にモーメント荷重
が加わシ、その結果コラムベース3のX軸まわシの回転
変位、コラム6のY−Z平面内の傾きおよび曲が9.サ
ドル5のxmまわシの回転変位が生じ、主軸先端点0の
Y軸方向への変位が生じる。
Thirdly, by moving the headstock 8 in two axial directions, the synadre 5. 9. A moment load is applied to the column 6 and the column base 3, resulting in rotational displacement of the X-axis rotation of the column base 3, inclination and bending of the column 6 in the Y-Z plane.9. A rotational displacement of xm rotation of the saddle 5 occurs, and a displacement of the main shaft tip point 0 in the Y-axis direction occurs.

第4には、コラムペース3とペンド1の案内部材4a、
4bとの間に静圧油軸受の案内面が形成されている場合
には、潤滑油の温度変化によって上記の静圧油軸受案内
面の特性が変化しコラムベース3のX軸まわシおよび2
@まわシの回転変位が生じる。その結果、主軸先端点O
のX軸方向、z軸方向およびY軸方向への変位が起こる
Fourth, the column pace 3 and the guide member 4a of the pend 1,
4b, the characteristics of the hydrostatic oil bearing guide surface change due to temperature changes in the lubricating oil, and the X-axis rotation of the column base 3 and the
@ Rotational displacement of mawashi occurs. As a result, the spindle tip point O
displacement occurs in the X-axis direction, Z-axis direction, and Y-axis direction.

さらに第5には、主軸10の回転によシ主軸10やヘッ
ドストック8内の駆動歯車を支承する軸受の発熱が主因
となってヘントスドック8の温度が上昇する。この場合
、ヘッドストック8のサドル5側の面は案内部材9a、
9bと接しているためサドル5と反対側の面と熱の放散
性が異なる。そのため、ヘッドストツク8全体がZ−X
XF−面内で曲がシ変形を生じる。このようなヘッドス
トック8の熱変形により主軸先端点0のX軸方向への変
位が生じるとともに、ヘントスドック8のサドル5に灼
する運動は2−X平面円でヒステリシス特性を示し、主
軸先端点0の運動の真直度に関するね度も悪化する。
Furthermore, fifthly, the temperature of the hentos dock 8 increases due to the heat generation of the bearings that support the drive gear in the main shaft 10 and the headstock 8 due to the rotation of the main shaft 10. In this case, the surface of the headstock 8 on the saddle 5 side is a guide member 9a,
9b, the heat dissipation properties are different from the surface opposite to the saddle 5. Therefore, the entire headstock 8 is
The song undergoes a deformation in the XF-plane. Such thermal deformation of the headstock 8 causes displacement of the spindle tip point 0 in the X-axis direction, and the movement of the hentos dock 8 on the saddle 5 exhibits hysteresis characteristics in the 2-X plane circle, and the spindle tip point 0 The degree of straightness of the motion also deteriorates.

本発明は、上述したような問題点を一掃し。The present invention eliminates the above-mentioned problems.

n度の信頼性の高い工作機械を実現し得る機上計測補正
装置を提供することを目的とするものでめる。
The purpose of this invention is to provide an on-machine measurement and correction device that can realize a machine tool with n degree of reliability.

本発明の工作機械の機上計測補正装置は、前述の如く鉛
直方向に立設されたコラムと、該コラムに設けられた摺
#lJJ面に案内されて鉛直方向に駆動1位置決めされ
るサドルと、該サドルに設けられた摺動面に案内されて
水平方向に駆動。
The on-machine measurement correction device for a machine tool of the present invention includes a column that stands upright in the vertical direction as described above, and a saddle that is driven and positioned in the vertical direction by being guided by the sliding #lJJ surface provided on the column. , is guided by the sliding surface provided on the saddle and driven in the horizontal direction.

位置決めされるヘントスドックと、該ヘッドストック内
に軸受で支持され回転、駆動される主軸とを有するNC
工作機械において、前記コラムの下端部近傍または該コ
ラムの下面を構成するコラムベース等の部材上に、直交
する方向に配設された2個の電気レベル計と、鉛直方向
の2本の平行なレーザー光路を形成するレーザーヘッド
、ビームスプリッタ−およびビームベンダーとを設置し
、さらに前記2本のレーザー光の一方を入射する受光面
を有する第1の半導体装置検出器と、該第1の半導体装
置検出器に接近して前記2本のレーザー光の他方を入射
するペンタプリズムとを前記サドル上に設けるとともに
、該ペンタプリズムにニジヘッドストック移動方向(水
平方向)に変向されたレーザー光を入射する受光面を有
する第2の半導体装置検出器をヘッドストック先端部に
設置し、前記2個の電気レベル計の出力、前記2個の半
導体装置検出器の出力ならびにNC座標値より演算され
る主軸の変位を補正量としてNC装置に入力する手段を
設けたことを特徴とする。上記の構成によって、熱変形
や移動荷重等の外力による変形に伴って生じる主軸の変
位を自動的に機上計測し、これをNC装置に入力するこ
とによって補正が行われるものであり、これにより工作
機械の位置決め精度の信頼性が大きく同上する。
NC that has a hentos dock that is positioned and a main shaft that is supported by a bearing in the headstock and rotated and driven.
In a machine tool, two electric level meters are installed in the vicinity of the lower end of the column or on a member such as a column base that constitutes the lower surface of the column, and two electric level meters are installed in perpendicular directions and two parallel electric level meters are installed in the vertical direction. a first semiconductor device detector provided with a laser head forming a laser optical path, a beam splitter, and a beam bender, and further having a light receiving surface into which one of the two laser beams is incident; and the first semiconductor device. A pentaprism that approaches the detector and receives the other of the two laser beams is provided on the saddle, and a laser beam deflected in the direction of rainbow head stock movement (horizontal direction) is input to the pentaprism. A second semiconductor device detector having a light-receiving surface that is The present invention is characterized in that a means is provided for inputting the displacement of 1 to the NC device as a correction amount. With the above configuration, the displacement of the main shaft caused by thermal deformation or deformation due to external forces such as moving loads is automatically measured on the machine, and correction is performed by inputting this to the NC device. The reliability of the positioning accuracy of the machine tool is much the same as above.

以下1図面に示した実施例に基づき1本発明の構成の詳
細を説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the configuration of the present invention will be explained below based on the embodiment shown in the drawings.

第3図は、第1図および第2図において説明した機中ぐ
りフライス盤に本発明を適用した1実施例を示した側面
図である。図において、コラムベース3上に固定された
取付板12には。
FIG. 3 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to the boring and milling machine described in FIGS. 1 and 2. FIG. In the figure, the mounting plate 12 is fixed on the column base 3.

レーザーヘッド13% ビームスプリッタ−14゜ビー
ムベンダー15ならびに直交して配置された2個の電気
レベル計16a、16bが設置されている。レーザーヘ
ッド13から発射されたレーザー光はビームスプリッタ
−14とビームベンダー15によって鉛直方向への2本
の平行なレーザー光路となる。
A laser head (13%), a beam splitter (14°), a beam bender (15), and two electric level gauges (16a, 16b) arranged perpendicular to each other are installed. The laser beam emitted from the laser head 13 is formed into two parallel laser beam paths in the vertical direction by a beam splitter 14 and a beam bender 15.

サドル54Cは、取付部材17を介して第1の半導体装
置検出器18とペンタプリズム19が設置されている。
A first semiconductor device detector 18 and a pentaprism 19 are installed on the saddle 54C via a mounting member 17.

前記2本の平行なレーザー光の一方は上記第1の半導体
装置検出器18の受光面に入射し、レーザー光の他方は
ペンタプリズム19に入射する。ペンタプリズム19に
入射したレーザー光は、入射光路に直交するヘッドスト
ック8の移動方向(Z軸方向)に光路変向され、ヘッド
ストック8の先端部近傍に取付部材20を介して設置さ
れた第2の半導体装置検出器21の受ft、面に入射す
る。
One of the two parallel laser beams is incident on the light receiving surface of the first semiconductor device detector 18, and the other laser beam is incident on the pentaprism 19. The laser beam incident on the pentaprism 19 has its optical path changed in the moving direction (Z-axis direction) of the headstock 8 orthogonal to the incident optical path, and is directed to a laser beam installed near the tip of the headstock 8 via a mounting member 20. The light is incident on the receiving surface of the semiconductor device detector 21 of No. 2.

半導体装置検出器18.21はシリコンダイオードを応
用した元スポットの位前検出器であシ、受光面に投射さ
れる元スポットの2次元変位を高精度(例えば分解能1
0μm)で検出するものである。また、ペンタプリズム
19は直交ベンダーとも称、せられるもので6D、サド
ル5にX軸(紙面に垂直な軸)まわシの回転変位θBX
 lZ軸まわシの回転変位θszi生じても入射光路司
もと射出光路61との直交性が維持される性質を有して
いる。
The semiconductor device detectors 18 and 21 are original spot position detectors using silicon diodes, and detect the two-dimensional displacement of the original spot projected onto the light receiving surface with high precision (for example, resolution 1
0 μm). The pentagonal prism 19 is also called an orthogonal bender, and the rotational displacement θBX of the X-axis (axis perpendicular to the plane of the paper) on the saddle 5 is 6D.
Even if a rotational displacement θszi of the lZ-axis rotation occurs, the incident optical path has a property of maintaining orthogonality with the original exit optical path 61.

第4図は、前記半導体装置検出器18.21および電気
レベル計16a、16bの出力から。
FIG. 4 shows the outputs of the semiconductor device detector 18, 21 and the electric level meters 16a, 16b.

コラムベース3上の点0□を原点とし0□を通る鉛直線
を始線とする座標系におけるサドル5上の点P□の座標
およびヘッドストック8の先端部近傍の点Qの座標を演
算して主軸10の先端点0または主軸10に嵌着される
工具の刃先位置の変位を演算し、補正社としてNC装置
に入力するための回路の構成を示しfcフロック図であ
る。
Calculate the coordinates of point P□ on saddle 5 and the coordinates of point Q near the tip of headstock 8 in a coordinate system whose origin is point 0□ on column base 3 and the starting line is a vertical line passing through 0□. 2 is an fc block diagram showing the configuration of a circuit for calculating the tip point 0 of the main spindle 10 or the displacement of the cutting edge position of the tool fitted on the main spindle 10 and inputting it to the NC device as a correction company.

同図において、電気レベル1t16a、16bの出力は
それぞれ信号ji122a、22bを介してD/A変換
器23a 、23bに入力されてディジタル量に変換さ
れたコラムベース3のレベル変化量θBX、θBZ と
して、それぞれ信号線24a。
In the same figure, the outputs of the electrical levels 1t16a and 16b are input to the D/A converters 23a and 23b via the signals ji122a and 22b, respectively, and are converted into digital amounts as the level change amounts θBX and θBZ of the column base 3. Each signal line 24a.

24bを介してインターフェース回路25に入力される
ようになっている。第1の半導体装置検出器18によっ
て検知される第3図のレーザー光路可丙に対するサドル
5のX軸方向と2軸方向の変位に関する信号は、信号伝
達経路26を介して切換回路27に入力される。同様に
第2の半導体装置検出器21によって検知される第3図
のレーザー光路后−に対するヘントスドック8の先端部
のX軸方向とY軸方向の変位に関する信号は、信号伝達
経路28を介して切換回路27に入力される。
The signal is input to the interface circuit 25 via 24b. Signals related to the displacement of the saddle 5 in the X-axis direction and the two-axis direction with respect to the laser beam path in FIG. Ru. Similarly, signals related to the displacement of the tip of the hentos dock 8 in the X-axis direction and the Y-axis direction with respect to the laser beam path rearward in FIG. It is input to the circuit 27.

切換回路27はインターフェース回路25からの切換指
令信号29を受け、信号伝達経路26または28のいず
れか一方の信号を信号伝達経路30を介して信号処理回
路31に入力する。
The switching circuit 27 receives the switching command signal 29 from the interface circuit 25 and inputs the signal from either the signal transmission path 26 or 28 to the signal processing circuit 31 via the signal transmission path 30.

信号処理回路31では半導体装置検出器18または21
からの信号に基いて、レーザー光路がモに対するサドル
5のX軸方向と2軸方向の変位に関するディジタル信号
(X□、2□)またはレーザー光路P2Qに対するヘン
トストンク8の先端部のX軸方向とY軸方向の変位に関
するディジタル信号(x2.y2)を、信号伝達経路3
2を介してインターフェース回路25に入力する。
In the signal processing circuit 31, the semiconductor device detector 18 or 21
Based on the signals from The digital signal (x2.y2) regarding the displacement in the axial direction is sent to the signal transmission path 3.
2 to the interface circuit 25.

インターフェース回路25はNC装置33の内部ノユー
ザマクロ、エリア内のプログラムに基いて出力されるデ
ータ取込信号34を受けると切換指令信号29を切換回
路27に伝達し、レーザー光路がHに対するサドル5の
変位に関するディジタル信号(X□、2□)とレーザー
光路PzQに対するヘントスドック8の先端部の変位に
関する信号(X21y2)とを順次入力するとともに。
When the interface circuit 25 receives the data acquisition signal 34 output based on the internal user macro of the NC device 33 and the program in the area, the interface circuit 25 transmits a switching command signal 29 to the switching circuit 27, so that the laser beam path changes to the saddle 5 with respect to H. and a signal (X21y2) regarding the displacement of the tip of the hentos dock 8 with respect to the laser optical path PzQ are sequentially input.

コラムベース3のレベル変化量に関する信号θBXIθ
B2をそれぞれ入力したのち、これらの信号を信号伝達
経路35を介してNC装置33に入力する。信号伝達経
路35から入力された信号はNC装置33の内部のユー
ザマクロエリア内にあるデータメモリー内に格納される
。NC装置33は、上記のデータメモリー内に設けられ
たプログラムによって主軸10の先端点0または主軸1
0に嵌着される工具の刃先位置の変位を演算し、NC座
徐値に対して補正社をカロ算するようになっている。
Signal θBXIθ regarding the level change amount of column base 3
After inputting B2, these signals are input to the NC device 33 via the signal transmission path 35. The signal input from the signal transmission path 35 is stored in a data memory in the user macro area inside the NC device 33. The NC device 33 sets the tip point 0 or 1 of the spindle 10 according to a program provided in the data memory described above.
The displacement of the cutting edge position of the tool to be fitted at 0 is calculated, and the correction value is calculated for the NC setting value.

第5図はペンタプリズム19の原理を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing the principle of the pentaprism 19.

ペンタプリズム19ij:HI、Hl で示される面を
通して元が入射または出射されるようになっており、元
路肩を通るレーザー元は反射面LK上の0点で反射され
たのち反則面石のD点で再び反射されて光路豆を通って
出て行く。ペンタプリズム19は、光路肩の入射角が変
化しても元路肩と光路■の直交性が維持されるという性
質を有している。しかし、第6図で示すようにブtts
)、Bが2軸の■方向にδだけ平行移動して7営に変わ
ると1反射元の光路訂はδだけY軸の■方向に平行移動
してE’F”に変わる。また、図中の元路託と面の交点
をP2とすると、入射光路がZ軸■方向にδだけ平行移
動すると点P2はz軸の■方向にδ。
Pentaprism 19ij: The laser source enters or exits through the surfaces indicated by HI and Hl, and the laser source that originally passes through the roadside is reflected at the 0 point on the reflective surface LK and then returns to the point D on the irregular surface stone. It is reflected again and goes out through the light path bean. The pentaprism 19 has a property that the orthogonality between the original shoulder and the optical path (2) is maintained even if the angle of incidence at the shoulder of the optical path changes. However, as shown in Figure 6, butts
), when B moves in parallel by δ in the ■ direction of the two axes and changes to 7, the optical path correction of one reflection source moves in parallel by δ in the ■ direction of the Y axis and changes to E'F''. Assuming that the intersection point between the center plane and the surface is P2, when the incident optical path moves in parallel by δ in the Z-axis ■ direction, point P2 moves by δ in the Z-axis ■ direction.

Y軸の■方向にδだけ変位した点P2′に移動する。It moves to point P2' displaced by δ in the ■ direction of the Y-axis.

次に、計測の原理と前記ユーザマクロエリア内における
補正Iの演算内容について説明する。
Next, the principle of measurement and the calculation contents of the correction I within the user macro area will be explained.

第3図において、レーザーヘッド13.ビームスプリッ
タ−14、ビームベンダー15およ、び電気レベル計1
6a、16bはそれぞれ実際には接近して配置されるも
のとし、レーザーヘッド13、ビームスプリッタ−14
1ビームベンダー15のレベル変化11 ! 気レベル
1f−16& 116bによって検出されるものとする
In FIG. 3, the laser head 13. Beam splitter 14, beam bender 15, and electrical level meter 1
6a and 16b are actually arranged close to each other, and the laser head 13 and beam splitter 14
1 beam bender 15 level changes 11! It shall be detected by the air level 1f-16 & 116b.

この場合、点0□を原点とし1点0□を通る鉛直線をY
軸とし、Y軸に直交しコラムペース3の移動方向である
Y軸を有する座標系を考えると、V−ザー光路可Gの直
線の式は電気レベル計16a、16bの出力から一意的
に決定される。
In this case, point 0□ is the origin and the vertical line passing through one point 0□ is Y
Considering a coordinate system having the Y-axis as an axis, which is orthogonal to the Y-axis and is the moving direction of the column pace 3, the equation of the straight line of the V-zer optical path G is uniquely determined from the outputs of the electric level meters 16a and 16b. be done.

すなわち、前記NC装置33のユーザマクロエリア内の
プログラム(以下単にプログラムという)では%電気レ
ベル計16a、16bの出力データに基いて、先ず光路
O12工の直線の式を算出するようになっている。
That is, the program in the user macro area of the NC device 33 (hereinafter simply referred to as the program) first calculates the equation of the straight line of the optical path O12 based on the output data of the % electric level meters 16a and 16b. .

次にサドル5のY軸方向のNC座標値から。Next, from the NC coordinate value of saddle 5 in the Y-axis direction.

第1の半導体装置検出器18の受光点P□の点0□に対
するY軸方向の距離y□は一意的に決まつておシ、プロ
グラムでは直線百J7の式と前記の距離y、とから1点
O1を原点とす る前記座標系における点P工の座標値
を演算する。
The distance y□ in the Y-axis direction of the light receiving point P□ of the first semiconductor device detector 18 with respect to point 0□ is uniquely determined, and in the program, it is determined from the equation of the straight line 10J7 and the distance y. The coordinate values of point P in the coordinate system with one point O1 as the origin are calculated.

次にプログラムでは、前記ビームベンダー15の反射点
02の座標を1点O1を2軸の負の方向に/、たけ移動
した点として算出する。ここで厳密にはコラムベース3
のレベル変化があると点02は点0□を原点とする前記
座標系においてY軸方向への変位が生じるが、0,0.
=l□カ小さくまたコラムベース3のレベル変化自体も
実際には小さいので、点0□のY軸方向への変位は無視
しても実用上差支えない。また%原点O工自身もフロア
−2に対してY軸方向とZ軸方向に変位を生じるが、次
の理由によシこの変位も実用上無視しても支障ないもの
とする。すなわち。
Next, in the program, the coordinates of the reflection point 02 of the beam bender 15 are calculated as a point obtained by moving one point O1 by a distance in the negative direction of the two axes. Here, strictly speaking, column base 3
When there is a level change in , point 02 is displaced in the Y-axis direction in the coordinate system with point 0□ as the origin, but 0, 0 .
=l□ is small, and the level change itself of the column base 3 is actually small, so there is no practical problem in ignoring the displacement of point 0□ in the Y-axis direction. In addition, the % origin O process itself causes displacement in the Y-axis direction and the Z-axis direction with respect to the floor 2, but this displacement can be ignored in practice for the following reason. Namely.

コラムベース3は案内部材4a、4bとの間に形成され
る静圧油軸受案内面の特性変化、ベンド1の歪み変形、
ベッド1とフロア−2の間の図示されない複数個のジヤ
ツキの歪み変形等に起因してレベル変化やY軸方向、Z
軸方向への変位を生じる。しかし、一般の大型工作機械
では鞘度の保守管理が定期的に行われて計p、コラムベ
ース3の紙面に垂直なX軸方向への運動の真m度も定期
的検査によって管理されておシ。
The column base 3 is subject to changes in the characteristics of the hydrostatic oil bearing guide surface formed between the guide members 4a and 4b, distortion deformation of the bend 1,
Due to distortion and deformation of multiple jacks (not shown) between bed 1 and floor 2, level changes and changes in the Y-axis direction and Z-axis direction may occur.
causes displacement in the axial direction. However, in general large machine tools, the sheath degree is maintained and managed regularly, and the accuracy of the movement of the column base 3 in the X-axis direction perpendicular to the plane of the paper is also controlled by regular inspections. Sh.

少なくとも精匿出し調整された範囲内の変位に抑えられ
ている。ここで問題なの線、大型工作機械においてはコ
ラムペース3上の点0.と主軸10の先端点0のY軸方
向およびZ軸方向の距離が大きいため、コラムベース3
の微小なレベル変化も主軸10の先端点Oでは拡大され
て大きくなって現われることであり、本発明もそのよう
な変位を補正することを目的の一つとしているのである
At least the displacement is suppressed to within the adjusted range. The problem here is the point 0 on column pace 3 for large machine tools. Since the distance between the tip point 0 of the main shaft 10 and the Y-axis direction and the Z-axis direction is large, the column base 3
Even the slightest level change appears as a magnified and larger change at the tip point O of the main shaft 10, and one of the objects of the present invention is to correct such a displacement.

プログラムでは、前述の如く点02の座標値を決足した
のち、直ItilO□P2の式を点0□を通シ酊モに平
行な直線として算出する。
In the program, after determining the coordinate values of the point 02 as described above, the equation of the line ItilO□P2 is calculated as a straight line passing through the point 0□ and parallel to the point 0□.

次にプログラムでは1点01を原点とする前記座標系に
おける点P2の座標値を次のようにして算出する。第6
図ですでに説明したように、レーザー光伝夙に対してペ
ンタプリズム19がZMの■方向にaだけ変位すると、
見掛けの反射点P2もY軸の■方向にδだけ変位する。
Next, the program calculates the coordinate values of point P2 in the coordinate system with point 01 as the origin as follows. 6th
As already explained in the figure, when the pentaprism 19 is displaced by a in the ZM direction with respect to the laser beam propagation,
The apparent reflection point P2 is also displaced by δ in the ■ direction of the Y-axis.

ベ ンタプリズム19は第1の半導体装置検出器18じ
接近して配置されているものとすると、可7□202P
2 でろるから該第1の半導体装置検出器18の出力デ
ータから上記の変位ζが算ttlされ、従って前記の見
掛けの反射点P2の座標値が演算される。
Assuming that the Venta prism 19 is placed as close as the first semiconductor device detector 18, it is possible to
2, the above-mentioned displacement ζ is calculated from the output data of the first semiconductor device detector 18, and therefore the coordinate values of the above-mentioned apparent reflection point P2 are calculated.

次に、プログラムでは自σ台己ベンタフ′リズム19で
光路変向されたレーザー元の第2の半導体装置検出器2
1の受元爪Qの座標ffL′(I″仄のようにして演算
する。
Next, in the program, the second semiconductor device detector 2 at the source of the laser whose optical path is changed by the self-sigma self-bentuff rhythm 19
The coordinates of the receiving claw Q of No. 1 are calculated as ffL'(I'').

点Qの2軸方向の座標値はN C座標値から算出される
ものとし、また第3図におけるP2Q =z2もNC座
標値から算出されるものとする。
It is assumed that the coordinate values of point Q in the two axis directions are calculated from the NC coordinate values, and P2Q = z2 in FIG. 3 is also calculated from the NC coordinate values.

点02を原点とする前記座標系において反射点P2を會
むY−Z平面を考え、この平面に投影された直ffko
xPzを0′2P2とし、この平面内で点P2を通シ0
□′P2に厘父する直線をP2Q’とする。プログラム
では第2の半導体装置検出器21の出カデータから得ら
れるヘントスドック8の先端部のX軸方向およびY軸方
向の変位を直線PgQ’に対する変位とみなし、NC座
標値から算出さの式ならびに第2の半導体装置検出値1
9の出。
Considering the Y-Z plane that meets the reflection point P2 in the coordinate system with point 02 as the origin, the direct ffko projected onto this plane is
Let xPz be 0'2P2, and pass through point P2 in this plane to
□' Let the straight line extending to P2 be P2Q'. In the program, the displacement of the tip of the hentos dock 8 in the X-axis direction and the Y-axis direction obtained from the output data of the second semiconductor device detector 21 is regarded as the displacement with respect to the straight line PgQ', and the equation calculated from the NC coordinate value and the 2 semiconductor device detection value 1
Out of 9.

カデータから、点O工を原点とする前記座標系における
ヘントスドック8の先゛端部のx、y、zの各軸方向へ
の変位を演算することとなっている。
From the data, the displacement of the tip end of the hentos dock 8 in the x, y, and z axis directions in the coordinate system with the origin at the point O is calculated.

このような演算方法によって算出されたヘッドストック
8の先端部のX軸方向の変位には次の問題があシ、以下
これについて説明する。
The displacement of the tip of the head stock 8 in the X-axis direction calculated by such a calculation method has the following problem, which will be explained below.

なお、記号を次のよりに定める。The symbols are determined as follows.

△XS 二点0□を原点とする座標系におけるX軸方向
の変位 △XH:上記の座標系におけるヘントスドック8の先端
部のX軸方向の変位 θY :サドル5のY軸まわ9の回転変位第7図に示す
ように、サドル5がP2を通る鉛直線(Y軸)を中心と
してθYだけ回転変位すると、光路P2Qはz−X平面
円でθYだけ回転変位してP となる。従って、プログ
ラムでQr 演算された△XHにはz2θYだけ誤差が含まれている
。よって、笑際には△XHは点O□に対するサドル5の
X軸方向の変位と、サドル5の内部に固定された別の座
標軸に対する変位を加算したものと見なし得る。すなわ
ち1点O0を原点とするx−y−z座標系とは別にサド
ル5内の固定点08を原点とする座標系Xs −Ys−
Z、を考え、初期状態ではx、y、z各軸に平行である
とすると、プログラムで演算された前記の変位△XHに
1点O1を原点とする座標系におけるサドル内の固定点
05のX軸方向の変位と1点08を原点とする座標系X
B−Y、−Z、におけるXB軸軸力への変位とを加算し
たものと見なすことができる。
△XS Displacement in the X-axis direction in a coordinate system with two points 0□ as the origin △XH: Displacement in the X-axis direction of the tip of the hentos dock 8 in the above coordinate system θY: Rotational displacement of the Y-axis rotation 9 of the saddle 5 As shown in FIG. 7, when the saddle 5 is rotationally displaced by θY about the vertical line (Y-axis) passing through P2, the optical path P2Q is rotationally displaced by θY on the z-X plane circle and becomes P. Therefore, ΔXH calculated by the program includes an error of z2θY. Therefore, in actuality, ΔXH can be regarded as the sum of the displacement of the saddle 5 in the X-axis direction with respect to the point O□ and the displacement with respect to another coordinate axis fixed inside the saddle 5. That is, in addition to the x-y-z coordinate system whose origin is one point O0, there is a coordinate system Xs -Ys- whose origin is a fixed point 08 in the saddle 5.
Z, and assuming that it is parallel to the x, y, and z axes in the initial state, the fixed point 05 in the saddle in the coordinate system with one point O1 as the origin is the displacement △XH calculated by the program. Displacement in the X-axis direction and coordinate system X with 1 point 08 as the origin
It can be considered as the addition of the displacement to the XB-axis axial force at B-Y and -Z.

次にプログラムでは、主軸10の先端点OOY軸方向方
向位△y、、z軸方向の変方向zoが次のようにして演
算される。ここで記号を次のように定める。
Next, in the program, the tip point OOY axis direction position Δy, and the displacement direction zo in the z axis direction are calculated as follows. Here, the symbols are defined as follows.

Y() : N C座標値から算出される点01 がら
点OへのY軸方向の距離 △Ya :P2を含むY−Z平面内に直線硯ヲ投影した
直線行モに直交する直線も石r の式と、NC座標値から算出される Z 2 = P2Qと、第2の半導体装置検出器21の
出力データから得られる点0□を原点とする座標系にお
けるヘントスド ック8の先端部のY軸方向の変位 Zo :NC座標値から算出される点0.がら点Oへの
z軸方向の距離(Zo=Z□+Z2+Z3)△zo:点
O!を原点とする座標系における点0の2軸方向の変位 △Yo:点0□全0□とする座標系における点0のY軸
方向の変位 θBX:電気レベル計16aによって検知されるコラム
ベース3のX@まわシの回転 変位量 △z、二ag可可の式と可p、 = )’1および第1
の半導体装置検出器18の出力データ から演算される点O□を原点とする座 標系におけるサドル5の2軸力肉質位 △Yo、△zoは次式によって演算される。
Y(): Distance in the Y-axis direction from point 01 to point O calculated from N C coordinate values △Ya: A straight line perpendicular to the straight line projected on the Y-Z plane including P2 is also a straight line. The Y-axis of the tip of the Hentos dock 8 in the coordinate system whose origin is the point 0□ obtained from the equation of r, Z 2 = P2Q calculated from the NC coordinate value, and the output data of the second semiconductor device detector 21. Displacement in direction Zo: Point 0 calculated from NC coordinate values. Distance in the z-axis direction to point O (Zo=Z□+Z2+Z3)△zo: Point O! Displacement of point 0 in the two-axis direction in the coordinate system with origin ΔYo: Displacement of point 0 in the Y-axis direction in the coordinate system with point 0 □ Total 0 □ θBX: Column base 3 detected by the electric level meter 16a The amount of rotational displacement △z of
The biaxial force positions ΔYo and Δzo of the saddle 5 in the coordinate system having the origin at the point O□, which are computed from the output data of the semiconductor device detector 18, are computed by the following equation.

△Yo=△YH十(Z、−Z、−Z2)・θBX・・・
・・・(第1式)△2.=△Z、+(Y、−11)”θ
Bx−−−−−−−−−<第2式)次にプログラムでは
、主軸10の先端点0のX軸方向の変位を1次に示す2
つの方法のいずれか一力を適時選択して演算している。
△Yo = △YH ten (Z, -Z, -Z2)・θBX...
...(1st formula) △2. =△Z, +(Y, -11)"θ
Bx------<2nd formula) Next, in the program, the displacement of the tip point 0 of the main shaft 10 in the X-axis direction is expressed as 2
Calculations are performed by selecting one of the two methods at the appropriate time.

その第1の方法は、ヘッドストック8の先端部のX軸方
向の変位△xHを主軸10の先端点0のX軸方向の変位
△Xo と見なす方法である。その第2の方法は、第8
図に示すようにヘッドストック8を2軸のeの方向に移
動させて、各移動位置において演算される△zHから得
られるヘッドストック8の先端部のX−2平面内の軌跡
を2軸のeの方向に23だけ延長して外挿して得られる
点0の変位を△Xoと見なす方法である。
The first method is to consider the displacement ΔxH of the tip of the headstock 8 in the X-axis direction as the displacement ΔXo of the tip point 0 of the main shaft 10 in the X-axis direction. The second method is
As shown in the figure, the headstock 8 is moved in the direction of two axes e, and the trajectory of the tip of the headstock 8 in the X-2 plane obtained from ΔzH calculated at each movement position is plotted on the two axes. This is a method in which the displacement of point 0 obtained by extending by 23 in the direction of e and extrapolating is regarded as ΔXo.

以上説明したように、本発明の工作機械の機上計測補正
装置は工作機械機体の所要箇所にレーザー光の発射およ
び受光検出装置ならびに電気レベル計を設け、これらか
らの信号によシ自動的に演算を行って補正をなし得る如
く構成されたもので、主軸先端点の三次元変位が適時自
動的に計測されるから、コラムベースのレベル変化、コ
ラムの曲が逆変形、軸受発熱に因るヘッドストックの熱
変形等によって生じる主軸先端点の変位に対する補正が
児全に行われ、工作機械の位置決め8度の信頼性を著し
く高めることができる。また、工作機械に本発明を適用
すルコとによって、工作機械の主軸にタッチセンサーを
嵌着しNC座標軸を測定スケールとして行われる加工物
の加工精度の計測においても、上記測定スケールの信頼
性が高まるので信頼性の高い測定が可能となシ、特に従
来精度の信頼性に問題のあった太物加工物の測定に顕著
な効果をあけることができる。
As explained above, the on-machine measurement correction device for a machine tool of the present invention is provided with a laser beam emitting and light receiving detection device and an electric level meter at required locations on the machine tool body, and automatically adjusts the accuracy based on signals from these devices. It is configured to perform calculations and make corrections, and because the three-dimensional displacement of the spindle tip point is automatically measured at the appropriate time, it is possible to prevent changes in the level of the column base, reverse deformation of the column curve, and bearing heat generation. The displacement of the spindle tip point caused by thermal deformation of the headstock, etc. is completely corrected, and the reliability of positioning the machine tool by 8 degrees can be significantly improved. In addition, by applying the present invention to a machine tool, the reliability of the measurement scale can be improved even when measuring the machining accuracy of a workpiece by fitting a touch sensor to the main axis of the machine tool and using the NC coordinate axis as a measurement scale. This makes it possible to perform highly reliable measurements, which is particularly effective in measuring thick workpieces, which have conventionally had problems with reliability.

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

第1図は従来の横巾ぐシフライス盤の正面図。 第2図はその側面図、第3図は本発明を適用した横巾ぐ
シフライス盤の1実施例の側面図、第4図は本発明に用
いられる回路の1実施例のブo ンl 図* 第5 図
す第6図はペンタプリズムの原理図、第7図は光路の回
転変位の説明図、第8図は主軸先端点の変位の算定方法
を示す線図である。 図面中。 1はベッド、 3はコラムベース。 4a、4bは案内部材。 5はサドル。 6はコラム。 7a、7bは案内部材。 8はヘッドストック。 9a、9bは案内部材。 10は主軸。 13はレーザーヘッド。 14Fiビームスプリッタ−1 15はビームベンダー。 16a、16bは電気レベル計。 18は第1の半導体装置検出器。 19はペンタプリズム。 21は第2の半導体装置検出器である。 特許出願人 三菱重工業株式会社 復代理人 弁理士 元 石 士 部(他1名) 第1図 第5図 U 第6図 第7図 第8図 Xθ
Figure 1 is a front view of a conventional cross-sweeping milling machine. FIG. 2 is a side view thereof, FIG. 3 is a side view of an embodiment of a horizontal milling machine to which the present invention is applied, and FIG. 4 is a block diagram of an embodiment of a circuit used in the present invention. *5 Figure 6 is a diagram of the principle of a pentaprism, Figure 7 is an explanatory diagram of the rotational displacement of the optical path, and Figure 8 is a diagram showing the method of calculating the displacement of the tip of the main axis. In the drawing. 1 is the bed, 3 is the column base. 4a and 4b are guide members. 5 is the saddle. 6 is a column. 7a and 7b are guide members. 8 is the headstock. 9a and 9b are guide members. 10 is the main axis. 13 is the laser head. 14Fi beam splitter-1 15 is a beam bender. 16a and 16b are electric level meters. 18 is a first semiconductor device detector. 19 is a pentaprism. 21 is a second semiconductor device detector. Patent Applicant: Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Sub-Agent Patent Attorney: Former Ishi Shibu (and 1 other person) Figure 1 Figure 5 U Figure 6 Figure 7 Figure 8 Xθ

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 鉛直方向に亘設されたコラムと、該コラムに設けられた
摺動面に案内されて鉛直方向に駆動、位置決めされるサ
ドルと、該サドルに設けられた摺動面に案内されて水平
方向に駆動1位置決めされるヘントストンクと、#ヘン
トストンク内に軸受で支持され回転、駆動される主軸と
を有するNC工作機械にbいて、前記コラムの下端部近
傍または該コラムの下面を構成する部材上に、直交する
方向に配設された2個の電気レベル計と鉛直方向の2本
の平行なレーザー光路ヲ形成するレーザーヘンド、ビー
ムスプリッタ−およびビームベンダーとを設置し、さら
に前記2本のレーザー光の一方を入射する受光面を有す
る第1の半導体装置検出器と該第1の半導体検出器に接
近して前記2本のレーザー光の他方を入射するペンタプ
リズムとを前記サドル上に設けるとともに、該ペンタプ
リズムによりヘッドストック移動方向に変向されたレー
ザー光を入射する受光面を有する第2の半導体装置検出
器をヘッドストック先端部に設置し、前記2個の電気レ
ベル計および2個の半導体装置検出器の出力ならびにN
C座標値より演算される主軸の変位を補正量としてNC
装置に大刀する手段を設けたことを特徴とする工作機械
の機上計測補正装置。
A column installed in the vertical direction, a saddle that is guided by a sliding surface provided on the column and driven and positioned in the vertical direction, and a saddle that is guided by the sliding surface provided on the saddle and moved horizontally. Drive 1: In an NC machine tool having a positioned hentostok and a main shaft supported by a bearing in the hentostok and rotated and driven, Two electric level meters arranged in orthogonal directions, a laser head, a beam splitter, and a beam bender that form two parallel laser beam paths in the vertical direction are installed, and the two laser beams are a first semiconductor device detector having a light-receiving surface into which one of the two laser beams is incident, and a pentaprism which is close to the first semiconductor detector and into which the other of the two laser beams is incident, on the saddle; A second semiconductor device detector having a light-receiving surface into which the laser beam deflected in the direction of movement of the headstock by the pentaprism is installed at the tip of the headstock, and the two electric level meters and the two semiconductors The output of the device detector and N
NC using the displacement of the main axis calculated from the C coordinate value as the correction amount
An on-machine measurement correction device for a machine tool, characterized in that the device is provided with a means for overcoming the problem.
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