JPS63200947A - 機械装置における変位測定装置 - 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動している時間が
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動させた場合、
例えば、そのスピ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状態で配設する一方、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、１４
ｂ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、１８ｂの上端部間にはプレース２０が
橋架される。ここで、コラムベース１６、コラム１８ａ
、１８ｂおよびプレース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、１８
ｂ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およびプレース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はプレース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およびプレース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４４１を直方体
状に構成し７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およびプレース２０内に横架される測定
基準材４４ｅ乃至４４ｊ２によって連結される。なお、
測定基準材４４ｉ、４４におよび４４２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４５ａ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４４１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４６
ｆ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１８ａ１１８ｂ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４４！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５０
ｄ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、５
４ｂ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、６２
ｂと、前記コラム６２ａ１６２ｂの上端部間を連結する
プレース６４と、両端部が前記コラム６２ａおよび６２
ｂ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７
４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８Ｑｄにより矢印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６２ａ、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、だけ変
位することになる。

この場合、変位量δ、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δ１として検出される。

そして、この変位量δ８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２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δ２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δ３、δ２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４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Ｍ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
ことも可能である。

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、１
８ｂ・・・コラム　２０・・・プレース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〜４４ｆ・・・測定
基準材４６ａ〜４６ｆ・・・変位検出手段 ６０・・・コラム部　　　　６２ａ、６２ｂ・・・コラ
ム６４・・・プレース　　　　６６・・・横桁６８・・
・サドル　　　　　７４・・・工具７６・・・モータ　
　　　　７８ａ、７８ｂ・・・測定基準材ＦＩＧ、１ ｎ ＦＩＧ、２ １８ａ（ｂ） ５０ｉａ−ｆＪ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （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状
   態で配設する一方、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。
2. （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。
3. （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
   。
4. （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。
5. （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る
   変位測定装置。
6. （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。