KR101130596B1 - 기상 계측 장치의 프로브 장착 위치 산출 방법 - Google Patents

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Abstract

기준구의 표면에 대해 프로브의 중심축이 수직이 되도록 X 축, Z 축을 움직여 계측하는 계측 프로그램을 작성하고, 그 계측 프로그램에 따라 상이한 2 개의 회전축의 각도 (θ1, θ2) 에서 측정하여 얻어진 프로브의 위치 데이터와, 본래의 프로브 위치 데이터의 오차를 구한다. 그리고, 그 오차가 제로가 되도록, 2 개의 회전축의 각도 (θ1, θ2) 에 있어서 상기 프로브 선단 각각의 위치 좌표를 보정한다. 다음으로, X 축, Z 축의 좌표를 플러스 또는 마이너스의 어긋남량을 단계적으로 주어 보정하고, 계산에 의해 측정 오차를 구한다. 그리고, 그 구한 측정 오차가 최소가 되는 보정량으로 보정한 X 축, Z 축의 좌표를 실제 프로브 선단 위치로 한다.

Description

기상 계측 장치의 프로브 장착 위치 산출 방법{METHOD OF CALCULATING PROBE-MOUNTING POSITION IN ON-BOARD MEASURING DEVICE}
본 발명은 공작 기계에 장착된 기상 (機上) 계측 장치를 사용하여 워크의 형상을 측정할 때의 그 기상 계측 장치의 프로브 장착 위치 산출 방법에 관한 것이다.
초정밀 가공에 있어서 나노미터 오더의 형상 정밀도를 실현시키기 위해서는, 기상 계측에 의한 보정 가공이 필요 불가결하다. 또, 최근의 기상 계측에 의한 보정 가공을 필요로 하는 가공 형상은 점점 복잡해지고 있고, 60 도 이상의 가파른 경사각을 갖는 형상에 대해서도 정확하게 나노미터 단위의 형상 정밀도를 실현시켜야 한다. 또한, 동시 5 축 가공의 수요가 증가함으로써, 5 축 가공에 의한 3 차원 입체 형상의 기상 계측도 앞으로 필요해질 것으로 예상된다.
일본 공개특허공보 2010-32373호에는 종래의 직동축만에 의한 기상 계측에 회전축을 추가하여 동시 5 축 가공 계측을 실시함으로써, 60 도 이상의 가파른 경사각을 갖는 형상은 물론 동시 5 축 가공에 의한 3 차원 입체 형상의 기상 계측을 실현시키는 것을 특징으로 한, 기상 계측 장치에 의해 계측 대상물의 형상을 계측하는 시스템이 개시되어 있다.
종래 기술에 의하면, 기상 계측 장치의 프로브를 회전축 상에, 프로브 선단부가 그 회전축과 직교하는 평면 상에서 최대한 그 회전축의 회전 중심에 일치하도록 장착하여 노기스, 마이크로미터 등의 치수 측정 장치로 조정을 한다. 그 후, 기준이 되는 대상물 (구 (球) 등) 을 측정하여, 프로브 선단부를 회전축의 회전 중심에 가까워지도록 스테이지, 엄지 나사, 해머 등으로 미조정을 한다. 또, 프로브를 회전 중심으로부터 오프셋하여 장착하는 경우에도 마찬가지로 조정 혹은 미조정을 한다.
회전축을 추가한 기상 계측에 있어서 가장 중요한 것은, 기상 계측 장치가 장착된 회전축의 회전 중심축과 프로브의 선단 위치의 위치 관계를 정확하게 산출하는 것이다. 이 산출을 위해 평면판을 사용한 프로브 장착 위치 산출 방법이 일본에 특허출원되어 있다 (2009년 12월 25일 출원 ; 일본 특허출원 2009-295501호).
프로브의 장착 위치의 위치 관계에 오류가 있으면, 회전 계측시의 프로브의 위치 결정이 불가능해져, 나노미터 오더의 정확한 계측을 할 수 없다.
그러나, 종래에는 프로브의 정확한 장착 위치를 파악하기 위해 수동으로 반복 조정을 할 필요가 있었기 때문에, 조정하는 데에 손이 많이 가고 시간이 매우 걸림과 함께 조정 작업을 하는 작업자의 조정 작업의 숙련도에 크게 의존하고 있었다.
또, 기상 계측 장치의 프로브 장착 위치의 산출 방법은, 연산식에 의해 구함으로써 계측시의 노이즈, 오차 등이 증폭될 우려가 있고, 이로 인하여 산출 정밀도가 악화될 가능성이 있다. 따라서, 보다 고정밀도의 초정밀 계측을 위해서는, 그 산출 정밀도를 보정할 필요가 있다.
그래서, 본 발명의 목적은 회전축을 사용한 기상 계측에 있어서, 각종 연산에 의해 산출된, 기상 계측 장치에 장착된 회전축의 회전 중심축과 프로브의 선단과의 거리를 기준구 계측 결과를 기초로 보정하는 기상 계측 장치의 프로브 장착 위치 산출 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한, 기상 계측 장치의 프로브 장착 위치 산출 방법에 있어서, 그 기상 계측 장치는, 적어도 3 개의 직동축과 1 개의 회전축을 갖는 공작 기계의 그 회전축 상에 장착되어 있고, 또한 상기 3 개의 직동축은 각각 직교하고, 이들 직동축 중 1 개를 상기 회전축의 방향에 맞추고, 상기 기상 계측 장치의 프로브는 상기 회전축의 방향과 직교하는 방향으로 움직인다. 상기 프로브의 이동 변위는, 상기 기상 계측 장치에 장착된 프로브 위치 검출기에 의해 검출된다. 상기 프로브의 선단에 장착된 측정자 선단을 상기 공작 기계에 설치된 기준구에 대어, 상기 회전축의 회전 중심과 상기 측정자 선단 사이의 거리를 산출한다. 그리고, 이 프로브 장착 위치 산출 방법은,
(1) 상기 직동축 중 상기 회전축과 직교하는 2 개의 방향으로 움직이는 직동축을 각각 제 1, 제 2 직동축으로 하고, 상기 회전축의 중심에 대한 상기 측정자 선단 위치를 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표로서 미리 정의해 두는 단계,
(2) 상기 회전축의 소정의 상이한 2 개의 각도에 대해, 상기 기준구의 표면에 대해 프로브의 중심축이 수직이 되도록 상기 제 1 및 제 2 직동축을 움직여 계측하는 계측 프로그램을 작성하는 단계,
(3) 작성한 상기 계측 프로그램에 따라 상기 회전축의 상기 2 개의 각도에서 측정한 상기 프로브의 이동 변위 데이터와 상기 프로브의 본래의 이동 변위 데이터의 오차를 상기 2 개의 각도에 대한 각각의 측정 오차로서 구하는 단계,
(4) 상기 측정 오차가 각각 제로가 되는 상기 제 1 및 제 2 직동축의 변위량을 상기 2 개의 각도에 대한 각각의 제 1 보정량으로서 구하는 단계,
(5) 상기 제 1 보정량을 가지고 보정한, 상기 계측 프로그램의 상기 2 개의 각도에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 기준 좌표로서 구하고, 또한 상기 직동축의 위치 검출 분해능을 최소 단위로 하여 소정의 범위 내에서 각각 독립적으로 증감시켰을 때의 증감량을 제 2 보정량으로 하여, 상기 (1) 의 단계에서 정의한 상기 측정자 선단 위치를 그 제 2 보정량을 가지고 보정한 위치를 기초로 상기 (2) 의 단계에서 작성된 계측 프로그램으로부터, 상기 2 개의 각에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정 좌표로서 구하는 단계,
(6) 상기 (1) 의 단계에서 정의한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를, 상기 (5) 의 단계에서 각각 구한 상기 기준 좌표 및 상기 보정 좌표의 양자의 차가 최소가 되는 상기 제 2 보정량을 가지고 보정한 것을 최종적인, 상기 회전축의 중심에 대한 상기 측정자 선단 위치의 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표로 하는 단계로 이루어진다.
상기 (5) 의 단계에서는,
(51) 상기 제 1 보정량을 가지고 보정한, 상기 계측 프로그램의 상기 2 개의 각도에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 기준 좌표로서 구하고, 또한 상기 직동축의 위치 검출 분해능에 소정의 범위 내의 정 (正) 의 정수를 곱한 값을 제 2 보정량으로 하여, 상기 (1) 의 단계에서 정의한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표에서 각각 상기 제 2 보정량을 뺀 위치를 기초로 상기 (2) 의 단계에서 작성된 계측 프로그램으로부터, 상기 2 개의 각에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정 좌표로서 구하는 단계와,
(52) 상기 제 (51) 의 단계에서 구한 상기 기준 좌표와 상기 보정 좌표의 차가 소정의 오차 이하가 되는, 상기 제 2 보정량 중에서 최소의 오차가 되는 상기 제 2 보정량을 가지고, 상기 (1) 의 단계에서 정의한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정한 것을 최종적인, 상기 회전축의 중심에 대한 상기 측정자 선단 위치의 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표로 하는 단계로 이루어지고,
또한, 상기 (51) 및 (52) 의 단계에서 상기 오차가 상기 소정의 오차 이하가 되지 않았을 때,
(53) 상기 (1) 의 단계에서 정의한 상기 제 1 직동축의 좌표에서 상기 제 2 보정량을 빼고, 또한 상기 (1) 의 단계에서 정의한 상기 제 2 직동축의 좌표에 상기 제 2 보정량을 더한 위치를 기초로 상기 (2) 의 단계에서 작성된 계측 프로그램으로부터, 상기 2 개의 각에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정 좌표로서 구하는 단계와,
(54) 상기 (53) 의 단계에서 구한 상기 기준 좌표와 상기 보정 좌표의 차가 소정의 오차 이하가 되는, 상기 제 2 보정량 중에서 최소의 오차가 되는 상기 제 2 보정량을 가지고, 상기 (1) 의 단계에서 정의한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정한 것을 최종적인, 상기 회전축의 중심에 대한 상기 측정자 선단 위치의 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표로 하는 단계로 이루어지고,
또한, 상기 (51) 내지 (54) 의 단계에서 상기 오차가 상기 소정의 오차 이하가 되지 않았을 때,
(55) 상기 (1) 의 단계에서 정의한 상기 제 1 직동축의 좌표에 상기 제 2 보정량을 더하고, 또한 상기 (1) 의 단계에서 정의한 상기 제 2 직동축의 좌표에서 상기 제 2 보정량을 뺀 위치를 기초로 상기 (2) 의 단계로부터 구해지는 계측 프로그램으로부터, 상기 2 개의 각에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정 좌표로서 구하는 단계와,
(56) 상기 (55) 의 단계에서 구한 상기 기준 좌표와 상기 보정 좌표의 차가 소정의 오차 이하가 되는, 상기 제 2 보정량 중에서 최소의 오차가 되는 상기 제 2 보정량을 가지고, 상기 (1) 의 단계에서 정의한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정한 것을 최종적인, 상기 회전축의 중심에 대한 상기 측정자 선단 위치의 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표로 하는 단계로 이루어지고,
또한, 상기 (51) 내지 (56) 의 단계에서 상기 측정 오차가 상기 소정의 측정 오차 이하가 되지 않았을 때,
(57) 상기 제 1 단계에서 정의한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표에 각각 상기 제 2 보정량을 더한 위치를 기초로 상기 (2) 의 단계에서 작성된 계측 프로그램으로부터, 상기 2 개의 각에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정 좌표로서 구하는 단계와,
(58) 상기 (57) 의 단계에서 구한 상기 기준 좌표와 상기 보정 좌표의 차가 소정의 오차 이하가 되는, 상기 제 2 보정량 중에서 최소의 오차가 되는 상기 제 2 보정량을 가지고, 상기 (1) 의 단계에서 정의한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정한 것을 최종적인, 상기 회전축의 중심에 대한 상기 측정자 선단 위치의 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표로 하는 단계로 이루어지도록 해도 된다.
상기 기준구는 100 나노미터 이하의 형상 정밀도를 갖는 구인 것이 바람직하다.
본 발명에 의해, 회전축을 사용한 기상 계측에 있어서, 각종 연산에 의해 산출된, 기상 계측 장치에 장착된 회전축의 회전 중심축과 프로브의 선단 사이의 거리를 기준구 계측 결과를 기초로 보정을 하는 기상 계측 장치의 프로브 장착 위치 산출 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 상기한 그리고 그 밖의 목적 및 특징은 첨부 도면을 참조한 이하의 실시예의 설명으로부터 명백해질 것이다. 이들 도면 중 :
도 1 은 수치 제어 장치에 의해 제어되고, 3 개의 직동축 (X 축, Y 축, Z 축) 과 2 개의 회전축 (B 축, C 축) 으로 구성되어 있는 공작 기계를 설명하는 도면.
도 2 는 프로브를 계측 대상면을 따라 이동시켜, 그 프로브의 변위에 따라 계측 대상물의 형상을 계측하는, 프로브를 구비한 기상 계측 장치의 일례를 설명하는 주요부 단면도.
도 3 은 기상 계측 장치를 구비한 공작 기계와, 그 공작 기계를 제어하는 수치 제어 장치를 갖는 시스템을 설명하는 도면.
도 4 는 곡면을 갖는 워크면을 기상 계측 장치의 프로브의 변위에 따라 계측하는 것을 설명하는 도면.
도 5 는 기상 계측 장치와 가공 장치를 1 개의 회전축에 장착한 경우의, 그 가공 장치가 구비하는 가공 공구에 의한 가공을 설명하는 도면.
도 6 은 기상 계측 장치와 가공 장치를 1 개의 회전축에 장착한 경우의, 그 기상 계측 장치에 의한 계측을 설명하는 도면.
도 7 은 회전축 (B 축) 중심과 기상 계측 장치의 프로브의 선단 사이의 거리에 관한 정의를 설명하는 도면.
도 8a 및 도 8b 는 도 15 에 나타내는 평면판 계측에 의해 산출한 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 에 의해, 회전축을 추가한 기상 계측을 실시했을 때의 정상 궤적 (도 8a) 과 이상 궤적 (도 8b) 을 각각 나타내는 도면.
도 9a 및 도 9b 는 도 8b 에 나타내는 이상 궤적을 정상 궤적으로 하기 위한 이론식과, 그 식을 사용하여 진정한 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 를 구하는 것을 나타내고 있고, 도 9a 는 도 8b 의 1 점 쇄선으로 나타내는 영역을 확대한 도면.
도 10 은 프로브에 의해 기준구를 계측함으로써, 평면판 계측에 의해 산출된 프로브 장착 위치 (B 축 회전 중심과 기상 계측 장치의 프로브의 측정자 사이의 거리) 의 정밀도를 향상시키는 계측의 준비 단계 (제 0 단계) 에서의 처리의 플로우차트.
도 11 은 프로브에 의해 기준구를 계측함으로써, 산출한 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 의 정밀도를 향상시킬 준비 단계 (제 1 단계) 를 설명하는 플로우차트.
도 12 는 프로브에 의해 기준구를 계측함으로써, 산출한 프로브 장착 위치 (B 축 회전 중심과 기상 계측 장치의 프로브의 측정자 사이의 거리) 의 정밀도를 향상시킬 준비 단계 (제 2 단계) 를 설명하는 플로우차트.
도 13 은 프로브에 의해 기준구를 계측함으로써, 산출한 프로브 장착 위치 (B 축 회전 중심과 기상 계측 장치의 프로브의 측정자 사이의 거리) 의 정밀도를 향상시킬 준비 단계 (제 3 단계) 를 설명하는 플로우차트.
도 14 는 프로브에 의해 기준구를 계측함으로써, 산출한 프로브 장착 위치 (B 축 회전 중심과 기상 계측 장치의 프로브의 측정자 사이의 거리) 의 정밀도를 향상시킬 준비 단계 (제 4 단계) 를 설명하는 플로우차트.
도 15 는 도 7 에서 설명된 회전축 중심과 기상 계측 장치의 프로브의 선단의 각 직동축 방향의 거리 (X0, Z0) 및 각종 파라미터를 설명하는 도면.
먼저, 본 발명에 의한 기상 계측 장치의 프로브 장착 위치 산출 방법의 개략을 설명한다. 본 발명은 회전축을 사용한 기상 계측에 있어서, 각종 연산에 의해 산출된, 기상 계측 장치에 장착된 회전축의 회전 중심축과 프로브 선단 사이의 거리를 기준구 계측 결과를 기초로 보정하여, 나노미터 단위의 초정밀 회전 계측을 실현하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로는,
(a) 프로브가 장착된 회전축의 중심에 대한 그 프로브의 선단의 위치를 X 축, Z 축의 좌표로 하여 미리 정의하고,
(b) 기준구의 표면에 대해 상기 프로브의 중심축이 수직이 되도록 X 축, Z 축을 움직여 계측하는 기준구 계측 프로그램을 작성하고,
(c) 그 작성한 기준구 계측 프로그램에 따라 상기 회전축이 상이한 2 개의 각도 (θ1, θ2) 에서 측정하여 얻어진 프로브의 위치 데이터와, 본래의 프로브 위치 데이터의 오차를 측정 오차로서 구하고,
(d) 상기 측정 오차가 제로가 되도록, 상기 회전축이 상이한 2 개의 각도 (θ1, θ2) 에 있어서의 상기 프로브의 선단의 각각의 위치 좌표를 보정한다.
(e) 다음으로, 직선축의 검출 분해능의 단위로 X 축, Z 축의 좌표를 플러스 또는 마이너스의 어긋남량 (도 11 의 단계 SB103, 도 12 의 단계 SB108, 도 13 의 단계 SB113 또는 도 14 의 단계 SB118 에서 말하는 「총 어긋남량」) 을 부여하여 보정하고, 보정한 후의 측정 오차를 계산에 의해 구하고, 그리고,
(f) 상기 구한 측정 오차가 원하는 측정 오차 정밀도 이하 중 최소의 측정 오차가 되는 보정량 (총 어긋남량) 에 의해 보정한 X 축, Z 축의 좌표를 실제의 프로브 선단 위치로 한다.
도 1 은 수치 제어 장치에 의해 제어되고, 적어도 3 개의 직동축과 적어도 1 개의 회전축으로 구성되어 있는 공작 기계의 일례를 설명하는 도면이다. 이 공작 기계는 X 축, Y 축, Z 축의 직동축을 갖고, 또한 X 축 상에 회전축인 B 축과 Y 축 상에 회전축인 C 축을 가져 5 축 동시 제어가 가능하게 되어 있다. 각 가동축을 나노미터 오더로 제어함으로써, 워크의 가공을 나노미터 오더의 정밀도로 실시할 수 있다.
도 2 는 기상 계측 장치의 일례를 설명하는 주요부 단면도이다. 이 기상 계측 장치 (1) 는 케이스 (1a) 와, 이 케이스 (1a) 에 내장된 프로브 (1b) 를 포함한다. 이 프로브 (1b) 는 케이스 (1a) 에 형성된 공기 베어링 등의 베어링 (도시 생략) 에 의해 프로브 (1b) 의 중심축 방향으로 이동할 수 있는 가동부이다. 그 프로브 (1b) 의 선단에는 가는 막대 형상의 부재로 이루어지는 측정자의 봉 (1e) 이 장착되고, 또한 그 측정자의 봉 (1e) 의 선단에는 구형 측정자 (1f) 가 장착되어 있다. 이 구형 측정자 (1f) 는, 계측 대상물 (100) 의 계측 대상면 (100a) 에 접촉하여 형상을 계측한다. 프로브 (1b) 를 계측 대상면 (100a) 을 따라 이동시켜 프로브 (1b) 의 변위를 계측함으로써, 계측 대상물 (100) 의 계측 대상면 (100a) 의 표면 형상이 측정된다.
기상 계측 장치 (1) 는, 케이스 (1a) 내에, 프로브 (1b) 의 이동 변위 검출 수단으로서 리니어 스케일 (1d) 과 레이저 헤드 (1c) 를 구비한다. 또한, 레이저 헤드 (1c) 와 리니어 스케일 (1d) 을 사용한 변위 검출 수단은 이미 알려져 있다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 기상 계측 장치 (1) 를 계측 대상물 (100) 의 계측 대상면 (100a) 을 따라 이동시켜, 프로브 (1b) 의 변위를 이동 변위 검출 수단 (리니어 스케일 (1d) 과 레이저 헤드 (1c)) 에 의해 검출한다. 이 이동 변위 검출 수단의 검출 출력은, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 기상 계측 장치 (1) 로부터의 계측 신호 (ipf) 로서 퍼스널 컴퓨터 (11) 에 입력되고, 그 퍼스널 컴퓨터 (11) 에 프로브 (1b) 의 위치 정보로서 저장된다.
도 3 은 기상 계측 장치와 공작 기계를 연결한 일례를 설명하는 도면이다. 이 공작 기계의 5 개의 가동축인 X, Y, Z, B, C 축은, 각 축을 제어하기 위한 동일한 회로 구성의 인터페이스를 각각 갖고, 기상 계측 장치 (1) 도 또한 그것들과 동일한 회로 구성의 인터페이스를 갖고 있다. 기상 계측 장치 (1) 는 공작 기계의 가동축을 구성하는 것은 아니지만, 여기에서는 그 기상 계측 장치 (1) 를 공작 기계의 일 가동축으로 간주함으로써, 그 기상 계측 장치 (1) 로부터 얻어지는 신호를, 공작 기계의 각 가동축 (X, Y, Z, B, C 축) 으로부터 얻어지는 신호와 마찬가지로, 수치 제어 장치 (8) 의 서보 제어부 (8b) 를 통하여 퍼스널 컴퓨터 (11) 에 저장하도록 하고 있다.
전술한 바와 같이, 공작 기계의 5 개의 가동축과 기상 계측 장치가 각각 동일한 회로 구성의 인터페이스를 가짐으로써 계측시에 이하의 것이 행해진다. 각 가동축으로부터의 위치 검출 신호와 기상 계측 장치 (1) 로부터의 위치 검출 신호가 수치 제어 장치 (8) 의 서보 제어부 (8b) (이송축 구동 제어부) 에 간단하게 동기하면서 입력된다. 수치 제어 장치 (8) 와 퍼스널 컴퓨터 (11) 가 이더넷 (12 ; 등록 상표) 을 경유하여 LAN 통신을 행하여, 외부 기억 장치인 퍼스널 컴퓨터 (11) 에 각 축의 위치 정보와 기상 계측 장치 (1) 의 프로브의 변위 데이터가 동시에 입력된다. 또한, 입력된 각 가동축의 위치 정보와 프로브의 변위 데이터의 보존에 계측용 소프트웨어가 이용된다.
도 3 은 기상 계측 장치 (1) 로부터의 계측 신호를 수치 제어 장치 (8) 를 통하여 퍼스널 컴퓨터 (11) 에 입력하는 예를 나타내고 있다. 이 예에서는 공작 기계의 각 가동축 (X, Y, Z, B, C 축) 과 B 축에 장착된 기상 계측 장치 (1) 가 각각 동일한 인터페이스를 가짐으로써, 각 가동축의 위치 검출 신호와 기상 계측 장치 (1) 의 계측 신호가, 수치 제어 장치 (8) 의 이송축 구동 제어부 (서보 제어부 (8b)) 에 간단하게 동기하면서 입력된다.
수치 제어 장치 (8) 의 서보 제어부 (8b) 에는, 공작 기계의 각 가동축 (X 축 (3), Y 축 (4), Z 축 (5), B 축 (6), C 축 (7)) 을 각각 구동시키는 서보 모터에 내장되는 위치 검출 장치 (도시를 생략) 로부터 출력되는 위치 검출 신호 (ipx, ipy, ipz, ipb, ipc) 가 각각의 인터페이스 (도시 생략) 를 통하여 피드백되어 입력된다. 이 서보 제어부 (8b) 에는 추가로 피가공물 (W) 의 표면 형상을 측정하는 기상 계측 장치 (1) 로부터 프로브 (1b) (도 2 참조) 의 이동 변위에 관한 계측 신호인 위치 검출 신호 (ipf) 가 인터페이스 (2) 를 통하여 상기의 위치 검출 신호 (ipx, ipy, ipz, ipb, ipc) 와 동기하여 입력된다.
또, 수치 제어 장치 (8) 는, 공작 기계의 각 가동축의 위치 정보와 기상 계측 장치 (1) 로부터의 계측 정보 (위치 정보) 를 저장하는 기억 수단 (도시 생략) 과, 이 기억 수단에 저장된 위치 정보를 외부 장치의 퍼스널 컴퓨터 (11) 로 내보내는 인터페이스를 구비하고 있다. 수치 제어 장치 (8) 가 갖는 기억 수단에 저장된 계측 정보 (위치 정보) 를 기초로 본 발명에 관련된 기상 계측에 있어서의 프로브 장착 위치 산출을 할 수 있다.
공작 기계의 각 가동축으로부터의 피드백 신호인 위치 검출 신호와 기상 계측 장치로부터의 계측 신호가 동일한 회로 구성의 인터페이스를 통하여 수치 제어 장치 (8) 의 서보 제어부 (8b) 에 취득되기 때문에, 각 가동축의 위치 검출 장치로부터의 계측 신호 (축 위치 검출 신호) 와 기상 계측 장치 (1) 로부터의 계측 신호 (위치 검출 신호) 가, 수치 제어 장치 (8) 에 간단하게 동기하여 입력되게 된다. 그리고, 수치 제어 장치 (8) 에 입력된 이들 계측 신호는, 위치 정보로서 수치 제어 장치 (8) 의 기억 수단 (도시 생략) 에 저장된다.
또, 수치 제어 장치 (8) 는, 외부 장치인 예를 들어 퍼스널 컴퓨터 (11) 에, 이더넷 (12 ; 등록 상표) 을 경유하여 LAN 통신을 행하여, 그 퍼스널 컴퓨터 (11) 에 접속 혹은 내장되어 있는 기억 장치 (11a) 에, 각 가동축으로부터의 위치 정보와 기상 계측 장치 (1) 로부터의 계측 정보를 샘플링 주기마다 동기하여 저장한다.
퍼스널 컴퓨터 (11) 내에는 계측용 소프트웨어가 저장되어 있어, 수치 제어 장치 (8) 를 통하여 판독된 상기 위치 정보에 기초하여, 피가공물의 형상 계측 등 필요한 연산 처리를 종래 기술에 의해 실행한다.
도 4 는 곡면을 갖는 워크면의 계측을 설명하는 도면이다. 기상 계측 장치 (1) 가 회전축 (도 3 의 예에서는 B 축) 에 장착되고, 곡면을 갖는 워크면을 계측하기 위해, 구형 측정자 (1f) 를 선단측에 구비한 프로브 (1b) 의 변위에 의해 기상 계측이 이루어진다. 또한, 측정자의 봉 (1e) 은, 도 4 에서는 기재를 생략하고 있다.
곡면을 갖는 워크 표면을 계측하기 위해, 구형 측정자 (1f) 인 루비구를 워크 (W) 의 표면인 곡면에 접촉시켜 모방하면서 이동하도록 각 가동축의 동시 제어에 의해 기상 계측 장치 (1) 를 주사한다. 프로브 (1b) 에 의한 주사는, 도 4 에 나타내는 (1) → (2) → (3) → (4) → (5) 의 순서로 이루어진다. 그리고, 프로브 (1b) (기상 계측 장치 (1) 의 가동축) 의 변위를 검출함으로써 워크 표면의 형상을 기상 계측한다. 이 기상 계측시에, 프로브 (1b) 의 중심축과 워크면이 항상 수직이 되도록 공작 기계의 각 가동축을 동시 제어한다. 이 때문에, 이상적으로는 프로브 (1b) 의 중심축과 구형 측정자 (1f) 의 선단이 교차하는 점만이 워크 (W) 의 표면에 접촉하기 때문에, 종래에는 불가능하였던 90 도 이상의 각도에 대해서도 계측이 가능하다. 또, 항상 구형 측정자 (1f) 상의 동일한 점 (즉, 프로브 (1b) 의 중심축과 구형 측정자 (1f) 의 선단이 교차하는 점) 에서만 계측을 실시하기 때문에, 구형 측정자 (1f) 의 형상 오차의 영향을 최소화할 수 있다.
다음으로, 도 5 와 도 6 을 사용하여, 기상 계측 장치 (1) 와 가공 공구가 동일한 회전축에 탑재된 경우의 가공 및 계측의 모습을 설명한다.
도 5 는 기상 계측 장치 (1) 와 스핀들과 같은 가공 장치 (20) 를 1 개의 회전축 (30) 에 장착한 경우의, 그 가공 장치 (20) 가 구비하는 가공 공구 (21) 에 의한 가공을 설명하는 도면이다. 이 회전축 (30) 에 장착된 가공 장치 (20) 는, 가공 및 계측 대상물 (Wm) (이하, 워크라고 한다) 의 구면과 가공 공구 (21) 의 중심축이 수직이 되도록 공작 기계의 각 가동축이 동시 제어되면서, 고정된 워크 (Wm) 에 대해, 도 5 의 (1) → (2) → (3) 과 같이 자세를 바꾸면서 가공을 실시한다. 가공 공구 (21) 의 중심축이 워크 (Wm) 의 가공면에 대해 항상 수직이 되도록 공작 기계에 지령하여 가공시키는 것은 종래부터 행해졌으며, 이 가공을 실행하는 가공 프로그램 그 자체도 종래부터 알려져 있다.
그리고, 이 기상 계측 장치 (1) (상세하게는 이 기상 계측 장치 (1) 와 가공 장치 (20) 를 장착하고 있는 회전축 (30)) 을 공작 기계에 탑재함으로써, 가공용 NC 프로그램을 이용하여 기상 계측 장치 (1) 를 공구의 하나로서 취급하여 각 가동축을 동시 제어함으로써, 기상 계측 장치 (1) 가 갖는 프로브 (1b) 의 중심축의 방향 및 구형 측정자 (1f) 의 위치를 제어하여, 구형 측정자 (1f) 를 워크 표면에 접촉시켜 모방하여 동작시킬 수 있다.
도 6 은 기상 계측 장치 (1) 와 가공 장치 (20) 를 1 개의 회전축 (30) 에 장착한 경우의, 그 기상 계측 장치 (1) 에 의한 계측을 설명하는 도면이다. 워크 (Wm) 를 이 회전축 (30) 에 기상 계측 장치 (1) 와 함께 장착된 가공 장치 (20) 에 의해 도 5 에 나타내는 바와 같은 양태로 가공한 후, 계측 프로그램에 의해, 워크 (Wm) 의 구면과 프로브 (1b) 의 중심축이 수직이 되도록 공작 기계의 각 가동축 (도 1 참조) 을 동시 제어하면서, 고정된 워크 (Wm) 에 대해, 도 6 의 (1) → (2) → (3) 과 같이 자세를 바꾸면서 계측을 실시한다. 또한, 이 기상 계측 장치 (1) 에 의한 기상 계측을 실시하기 위한 계측 프로그램은, 가공 프로그램을 이용하여 작성할 수 있다. 이 경우, 가공 공구 (21) 의 선단 (날끝) 부터 프로브 (1b) 의 중심축이 구형 측정자 (1f) 와 교차하는 점까지의 방향 및 거리 (즉, 변위) 를 고려하여 가공 프로그램을 수정하여 계측 프로그램을 작성한다. 이와 같이 가공 프로그램을 이용하여 계측 프로그램을 작성할 수 있기 때문에, 계측 프로그램을 처음부터 작성하는 수고를 줄일 수 있다.
이상, 본 발명을 적용할 수 있는 기상 계측 장치를 구비한 5 축 가공기의 일례를 설명하였다. 다음으로, 본 발명에 관련된 기상 계측에 있어서의 프로브 장착 위치 산출 방법을 설명한다.
도 7 은 회전축 중심과 기상 계측 장치의 프로브의 선단과의 거리에 관한 정의를 설명하는 도면이다. 상세하게는, 회전축인 B 축의 면반 상에 기상 계측 장치 (1) 가 장착되어 있고, B 축 회전 중심과 기상 계측 장치 (1) 의 프로브 (1b) 선단의 구형 측정자 (1f) 사이의 거리에 관한 정의를 설명하고 있다.
본 발명에 의한, 공작 기계의 회전축을 사용한 기상 계측에 의하면, 기상 계측 장치 (1) 가 장착된 회전축의 회전 중심축부터 기상 계측 장치 (1) 의 프로브 (1b) 선단에 장착되어 있는 구형 측정자 (1f) 까지의 각 직동축 방향 (X 축 방향 및 Z 축 방향) 의 거리 (X0, Z0) 를 간단하고 또한 정확하게 산출함으로써, 기상 계측 장치 (1) 의 장착 및 분리를 반복해도 나노미터 오더의 초정밀 계측을 실현시킬 수 있다. 각 직동축의 거리 (X0, Z0) 를 기초로, 산출한 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 를 얻는다.
도 8a 및 도 8b 는 평면판 계측 (도 15 를 참조하여 후술한다) 등에 의해 산출한 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 에 의해, 회전축을 추가한 기상 계측을 실시했을 때의 정상 궤적과 이상 궤적을 각각 나타낸다. 평면판 계측 등에 의해 구한 프로브의 장착 위치 (X0, Z0) 를 기초로, 소정의 반경 (r0) 을 갖는 기준구 (300) 에 대해 회전축을 추가한 기상 계측을 실시하면, 정상적인 궤적이라면 도 8a 에 나타내는 바와 같이 된다.
그러나, 평면판을 계측하거나 할 때의 노이즈, 온도 드리프트의 발생을 피하기 어렵고, 이들의 영향에 의해 측정 오차는, 산출한 프로브의 장착 위치 (X0, Z0) 를 구하는 연산 중에서 증폭된다. 이로써, 산출한 프로브의 장착 위치 (X0, Z0) 는 진정한 프로브 장착 위치와는 상이해진다. 이 진정한 프로브 장착 위치와는 상이한, 산출한 프로브 장착 위치를 기초로, 기준구 (300) 에 대해 회전축을 추가한 기상 계측을 실시하면, 도 8b 의 화살표가 달린 실선으로 나타내는 바와 같이 이상 궤적을 그리게 된다.
도 9a 및 도 9b 는 도 8b 에 나타내는 이상 궤적을 정상 궤적으로 하기 위한 이론식과, 그 식을 사용하여 진정한 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 를 구하는 것을 설명하고 있다. 도 9a 는 도 8b 의 1 점 쇄선으로 둘러싸이는 영역을 확대한 도면으로서, 프로브 (1b) 의 중심축이, 기준으로 하는 위치에서부터 각도 θ 만큼 회전한 상태를 나타내고 있다. 도 8b 에 나타내는 이상 궤적의 측정 오차 (ΔZP) 는, 기상 계측 장치가 장착되어 있는 회전축의 회전각 (θ) 에 따라 X 축 방향의 오차 성분 (ΔX) (= ΔZP × sinθ) 과 Z 축 방향의 오차 성분 (ΔZ) (= ZP × cosθ) 으로 나눌 수 있다.
이 오차 성분 (ΔX, ΔZ) 을 계측 좌표에 반영하여 오차를 상쇄하면, 정상적인 궤적의 위치를 얻을 수 있다. 바꾸어 말하면, 일정한 회전각 (θ) 에 있어서, 기준구 (300) 의 측정 오차분을 상쇄한, 프로브 (1b) 의 선단에 장착된 구형 측정자 (1f) 선단의 공간 좌표 (X, Z, θ) 를 산출하고, 그 공간 좌표 (X, Z, θ) 가 얻어지는, 산출한 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 를 구하면, 그것이 즉 진정한 프로브 장착 위치가 된다. 또한, 기준구 (300) 의 정밀도가 측정 오차 (ΔZP) 의 산출에 절대적인 영향을 미치기 때문에, 100 나노미터 이하의 절대 정밀도를 위해, 기준구 (300) 의 진원도는 100 나노미터 이하인 것으로 하면 된다.
다음으로, 기준구 (300) 를 계측함으로써 프로브 장착 위치의 정밀도를 향상시키는 처리의 알고리즘을 도 10 ～ 도 14 를 사용하여 설명한다.
도 10 은 프로브에 의해 기준구를 계측함으로써, 평면판 계측에 의해 산출된 프로브 장착 위치 (B 축 회전 중심과 기상 계측 장치의 프로브의 측정자 사이의 거리) 의 정밀도를 향상시키는 계측의 준비 단계 (제 0 단계) 에서의 처리의 플로우차트이다. 이하, 각 단계에 따라 설명한다.
[단계 SA100] 산출한 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 에서 기준구 계측 프로그램을 작성한다.
[단계 SA101] 프로브 (1b) 에 의해 기준구 (300) 의 계측을 실시한다.
[단계 SA102] 일정 각도 (θ1, θ2) (θ1 ≠ θ2) 에서의 측정 오차 (ΔZP1, ΔZP2) 를 실측한다.
[단계 SA103] 실측한 측정 오차 (ΔZP1, ΔZP2) 로부터 '오차 보정을 위한 이동 거리' (ΔX1, ΔZ1), (ΔX2, ΔZ2) 를 구한다.
[단계 SA104] 기준구 계측 프로그램의 일정각 (θ1, θ2) 에서의 좌표 (X1, Z1, θ1), (X2, Z2, θ2) 를, 단계 SA102 에서 실측한 측정 오차 (ΔZP1, ΔZP2) 가 제로가 되도록, 단계 SA103 에서 구한 '오차 보정을 위한 이동 거리' (ΔX1, ΔZ1), (ΔX2, ΔZ2) 를 가지고 보정한다. 그리고, 이와 같이 보정한 후의 좌표를 (X1', Z1', θ1), (X2', Z2', θ2) 로 하여 이 처리를 종료한다.
도 11 은 프로브 (1b) 에 의해 기준구 (300) 를 계측함으로써, 산출한 프로브 장착 위치 (X0, Z0) (B 축 회전 중심과 기상 계측 장치의 프로브 (1b) 의 측정자 사이의 거리) 의 정밀도를 향상시킬 준비 단계 (제 1 단계) 를 설명하는 플로우차트이다. 이하, 각 단계에 따라 설명한다.
[단계 SB100] 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 의 X, Z 값을 각각 마이너스 1 나노미터, 마이너스 1 나노미터씩 어긋나게 한다.
[단계 SB101] 어긋나게 한 좌표를 기초로 기준구 계측 프로그램을 작성하여 일정각 (θ1, θ2) 에서의 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 를 구한다.
[단계 SB102] 단계 SB101 에서 구한 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 가, 도 10 의 단계 SA104 에서 구한 '보정한 후의 좌표' (X1', Z1', θ1), (X2', Z2', θ2) 와 일치하는지 여부 (또는 양자의 차가 미리 설정한 허용 범위 이내에 들어가는지 여부) 를 판단하여, 일치하는 경우 (판단 결과가 예 인 경우) 에는 단계 SB103 으로 이행하고, 일치하지 않는 경우 (판단 결과가 아니오 인 경우) 에는 단계 SB104 로 이행한다.
[단계 SB103] 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 에 '총 어긋남량' 을 더한 것을 '진정한 프로브 장착 위치' 로 하고, 이 처리를 종료한다. 여기에서, '총 어긋남량' 이란 이 제 1 단계의 처리에서 단계 SB100 의 처리를 몇 회 반복했는지로 정해진다.
[단계 SB104] 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 의 X, Z 값을 각각 마이너스 1 나노미터, 마이너스 1 나노미터씩 어긋나게 하는 단계 SB100 의 처리를 반복하면 반복할수록 단계 SB101 에서 구한 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 가, 도 10 의 단계 SA104 에서 구한 '보정한 후의 좌표' (X1', Z1', θ1), (X2', Z2', θ2) 로부터 점점 멀어져 가는지 여부를 판단하여, 점점 멀어져 가는 경우 (판단 결과가 예 인 경우) 에는 단계 SB105 (도 12 참조) 로 이행하고, 한편 점점 가까워져 가는 경우 (판단 결과가 아니오 인 경우) 에는 단계 SB100 으로 되돌아간다.
도 12 는 프로브에 의해 기준구를 계측함으로써, 산출한 프로브 장착 위치 (B 축 회전 중심과 기상 계측 장치의 프로브의 측정자 사이의 거리) 의 정밀도를 향상시킬 준비 단계 (제 2 단계) 를 설명하는 플로우차트이다.
[단계 SB105] 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 의 X, Z 값을 각각 마이너스 1 나노미터, 플러스 1 나노미터씩 어긋나게 한다.
[단계 SB106] 어긋나게 한 좌표를 기초로 기준구 계측 프로그램을 작성하여 일정각 (θ1, θ2) 에서의 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 를 구한다.
[단계 SB107] 단계 SB106 에서 구한 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 가 도 10 의 단계 SA104 에서 구한 '보정한 후의 좌표' (X1', Z1', θ1), (X2', Z2', θ2) 와 일치하는지 여부 (또는 양자의 차가 미리 설정한 허용 범위 이내에 들어가는지 여부) 를 판단하여, 일치한 경우 (판단 결과가 예 인 경우) 에는 단계 SB108 로 이행하고, 일치하지 않는 경우 (판단 결과가 아니오 인 경우) 에는 단계 SB109 로 이행한다.
[단계 SB108] 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 에 '총 어긋남량' 을 더한 것을 '진정한 프로브 장착 위치' 로 하고, 이 처리를 종료한다. 여기에서, '총 어긋남량' 이란 이 제 2 단계의 처리에서 단계 SB105 의 처리를 몇 회 반복했는지로 정해진다.
[단계 SB109] 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 의 X, Z 값을 각각 마이너스 1 나노미터, 플러스 1 나노미터씩 어긋나게 하는 단계 SB105 의 처리를 반복하면 반복할수록 단계 SB106 에서 구한 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 가, 도 10 의 단계 SA104 에서 구한 '보정한 후의 좌표' (X1', Z1', θ1), (X2', Z2', θ2) 에서 점점 멀어져 가는지 여부를 판단하여, 점점 멀어져 가는 경우 (판단 결과가 예 인 경우) 에는 단계 SB110 (도 13 참조) 으로 이행하고, 한편 점점 가까워져 가는 경우 (판단 결과가 아니오 인 경우) 에는 단계 SB105 로 되돌아간다.
도 13 은 프로브에 의해 기준구를 계측함으로써, 산출한 프로브 장착 위치 (B 축 회전 중심과 기상 계측 장치의 프로브의 측정자 사이의 거리) 의 정밀도를 향상시킬 준비 단계 (제 3 단계) 를 설명하는 플로우차트이다.
[단계 SB110] 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 의 X, Z 값을 각각 플러스 1 나노미터, 마이너스 1 나노미터씩 어긋나게 한다.
[단계 SB111] 어긋나게 한 좌표를 기초로 기준구 계측 프로그램을 작성하여 일정각 (θ1, θ2) 에서의 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 를 구한다.
[단계 SB112] 단계 SB111 에서 구한 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 가, 도 10 의 단계 SA104 에서 구한 '보정한 후의 좌표' (X1', Z1', θ1), (X2', Z2', θ2) 와 일치하는지 여부 (또는 양자의 차가 미리 설정한 허용 범위 이내에 들어가는지 여부) 를 판단하여, 일치하는 경우 (판단 결과가 예 인 경우) 에는 단계 SB113 으로 이행하고, 일치하지 않는 경우 (판단 결과가 아니오 인 경우) 에는 단계 SB114 로 이행한다.
[단계 SB113] 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 에 '총 어긋남량' 을 더한 것을 '진정한 프로브 장착 위치' 로 하고, 이 처리를 종료한다. 여기에서, '총 어긋남량' 이란 이 제 3 단계의 처리에서 단계 SB110 의 처리를 몇 회 반복했는지로 정해진다.
[단계 SB114] 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 의 X, Z 값을 각각 플러스 1 나노미터, 마이너스 1 나노미터씩 어긋나게 하는 단계 SB110 의 처리를 반복하면 반복할수록 단계 SB111 에서 구한 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 가, 도 10 의 단계 SA104 에서 구한 '보정한 후의 좌표' (X1', Z1', θ1), (X2', Z2', θ2) 에서 점점 멀어져 가는지 여부를 판단하여, 점점 멀어져 가는 경우 (판단 결과가 예 인 경우) 에는 단계 SB115 (도 14 참조) 로 이행하고, 한편 점점 가까워져 가는 경우 (판단 결과가 아니오 인 경우) 에는 단계 SB110 으로 되돌아간다.
도 14 는 프로브에 의해 기준구를 계측함으로써, 산출한 프로브 장착 위치 (B 축 회전 중심과 기상 계측 장치의 프로브의 측정자 사이의 거리) 의 정밀도를 향상시킬 준비 단계 (제 4 단계) 를 설명하는 플로우차트이다.
[단계 SB115] 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 의 X, Z 값을 각각 플러스 1 나노미터, 플러스 1 나노미터씩 어긋나게 한다.
[단계 SB116] 어긋나게 한 좌표를 기초로 기준구 계측 프로그램을 작성하여 일정각 (θ1, θ2) 에서의 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 를 구한다.
[단계 SB117] 단계 SB116 에서 구한 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 가, 도 10 의 단계 SA104 에서 구한 '보정한 후의 좌표' (X1', Z1', θ1), (X2', Z2', θ2) 와 일치하는지 여부 (또는 양자의 차가 미리 설정한 허용 범위 이내에 들어가는지 여부) 를 판단하여, 일치하는 경우 (판단 결과가 예 인 경우) 에는 단계 SB118 로 이행하고, 일치하지 않는 경우 (판단 결과가 아니오 인 경우) 에는 단계 SB119 로 이행한다.
[단계 SB118] 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 에 '총 어긋남량' 을 더한 것을 '진정한 프로브 장착 위치' 로 하고, 이 처리를 종료한다. 여기에서, '총 어긋남량' 이란 이 제 4 단계의 처리에서 단계 SB115 의 처리를 몇 회 반복했는지로 정해진다.
[단계 SB119] 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 의 X, Z 값을 각각 플러스 1 나노미터, 플러스 1 나노미터씩 어긋나게 하는 단계 SB115 의 처리를 반복하면 반복할수록 단계 SB116 에서 구한 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 가, 도 10 의 단계 SA104 에서 구한 '보정한 후의 좌표' (X1', Z1', θ1), (X2', Z2', θ2) 에서 점점 멀어져 가는지 여부를 판단하여, 점점 멀어져 가는 경우 (판단 결과가 예 인 경우) 에는 단계 SB120 으로 이행하고, 한편 점점 가까워져 가는 경우 (판단 결과가 아니오 인 경우) 에는 단계 SB115 로 되돌아간다.
[단계 SB120] '이상 처리' 를 실시하여 이 처리를 종료한다. 이 '이상 처리' 로는, 프로브의 장착 위치 특정 불능 등의 표시를 퍼스널 컴퓨터의 표시 화면 등에 표시한다. 이 경우, 오퍼레이터는 제 0 단계의 처리부터 다시 실시하여, 다시 제 1 ～ 제 4 처리를 실행한다.
상기 서술한 도 10 ～ 도 14 에 나타낸 플로우차트를 보충하여 설명한다. 준비 단계 (제 0 단계) 에서 실시하는 측정을 매회 실시하여, 매회 측정 오차를 구하면 방대한 시간이 걸린다. 그래서, 본 발명에서는 실제 오차의 측정은 제 0 단계의 준비 단계에서 실시한다. 비교를 하는 것은 계측 프로그램의 각도 θ1 과 θ2 일 때의 직동축의 좌표이다. 제 1 단계 ～ 제 4 단계에 있어서의 '총 어긋남량' 은, 각 단계에서 X 축 방향 및 Z 축 방향의 어긋남량의 합계이다. 그리고, '총 어긋남량' 은 다른 단계로 이동할 때 (예를 들어, 제 1 단계에서 제 2 단계의 처리로 이동할 때) 에 제로로 리셋된다.
도 11 의 단계 SB100, 도 12 의 단계 SB105, 도 13 의 단계 SB110 또는 도 14 의 단계 SB115 의 '어긋남량' 은 초정밀 계측을 상정하고 있기 때문에, 기상 계측 장치 (1) 의 분해능과 동일한 값으로 하고 있다. 또는 분해능의 정수배로 해도 된다. 또한, '어긋남량' 을 더하는 것은, 회전축의 중심축에 대한 측정자 선단 위치 (도 7 참조) 이고, 또 비교를 하는 것은 계측 프로그램의 2 개의 각도 (θ1, θ2) 에 대한 X 축, Y 축의 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 이다.
도 11 의 단계 SB102, 도 12 의 단계 SB107, 도 13 의 단계 B112 또는 도 14 의 단계 SB117 에서의 판단에서는, 단계 SB101 에서 구한 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 가, 도 10 의 단계 SA104 에서 구한 '보정한 후의 좌표' (X1', Z1', θ1), (X2', Z2', θ2) 와 완전히 일치하는지 여부가 아니라, 미리 허용값 (예를 들어, 10 나노미터) 을 설정해 두어, 양자의 차가 그 허용값 이내인지 여부를 판단하여 허용값 이내이면 '일치한' 것으로 간주하도록 해도 된다.
2 개의 각도 (θ1, θ2) 에 대한 X, Z 의 좌표 (XS1, ZS1, θ1), (XS2, ZS2, θ2) 는, 산출한 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 에 [분해능 × 정수 (= 총 어긋남량)] 을 더한 프로브 장착 위치를 '새로 산출한 프로브 장착 위치' (X0, Z0) 로 하고, 이 위치를 기초로 기준구 계측 프로그램을 작성하고 나서 구한다. 기준구 계측 프로그램은, 요구되는 톨러런스를 만족하는 피치 (각도에 관한) 간격으로 만들어진 점군 계측 프로그램이다. 여기에서, 각도 θ1, θ2 인 경우의 X, Z 좌표를 각각 추출한다.
또, 제 1 단계부터 제 4 단계까지의 처리는 어떠한 순서로 실시해도 되어, 상기 서술한 순서 (제 1 단계 → 제 2 단계 → 제 3 단계 → 제 4 단계) 에 한정되는 것은 아니다.
여기에서, 평면판을 사용한, 회전축 (B 축) 의 중심과 기상 계측 장치의 프로브 (1b) 의 선단에 장착되어 있는 구형 측정자 (1f) 사이의 X 축, Y 축의 거리 (X0, Z0) 를 구하는 법을 보충해서 설명한다.
도 15 는 도 7 에서 설명된 회전축 중심과 기상 계측 장치의 프로브의 선단의 각 직동축 방향의 거리 (X0, Z0) 및 각종 파라미터를 설명하는 도면이다. 프로브 (1b) 의 선단에 장착된 구형 측정자 (1f) 의 반경 (R) 은 무시하고, 프로브 (1b) 선단의 구형 측정자 (1f) 를 반경 (R) 을 갖지 않는 점으로서 가정한다. B 면반 상의 회전각이 0 (프로브 (1b) 가 Z 축과 평행한 경우) 인 X-Z 평면 상 (도 1 을 참조) 에서의 프로브 (1b) 의 선단점인 구형 측정자 (1f) 의 위치를 추정한다. 또한, 도 15 에서는, 도 2 에 나타내는 측정자의 봉 (1e) 이나 구형 측정자 (1f) 를 생략하여 전체를 프로브 (1b) 로서 기재하고 있다.
또한, 구형 측정자 (1f) 의 반경 (R) 을 무시하는 이유를 설명하면, 구형 측정자 (1f) 의 반경 (R) 이 있으면, 회전축의 회전 중심으로부터의 거리를 추정할 때에 수학적으로 복잡해지기 때문이다. 여기에서 구해지는 각 직동축 방향의 거리 (X0, Z0) 는, 구형 측정자 (1f) 의 반경 (R) 을 무시함으로써, 구 형상인 구형 측정자 (1f) 의 중심과 B 축 회전 중심과의 거리가 된다.
다음으로, B 축 회전 중심 (O) 과 기상 계측 장치 (1) 의 프로브 (1b) 의 구형 측정자 (1f) 의 각 직동축 방향의 거리를 구하는 산출식을 설명한다. 여기에서는 상기 서술한 바와 같이, 구형 측정자 (1f) 의 반경 (R) 을 무시한다. B 축의 회전각 0 도 (프로브 (1b) 가 Z 축과 평행한 경우) 의 X-Z 평면 상에서의 프로브 (1b) 의 선단점의 위치를 추정한다. 이 때의 프로브 (1b) 의 선단점의 B 축 회전 중심 (O) 으로부터의 X 축 방향과 Z 축 방향의 거리 및 Z 축 방향과 프로브 (1b) 의 선단점이 이루는 각도를 X0, Z0, θ0 으로 한다. 각도 θ0 에서부터 각도 θR 만큼 더 회전하면, θ1 과 θR 과 θ0 의 관계는, 하기 (1) 식에 의해 표시된다. 또, θ1 은 하기 (2) 식에 의해 산출할 수 있다. 또한, (1) 식부터 (10) 식까지는, 도 15 를 참조하면 이해하기 쉽다.
Figure 112011014104343-pat00001
θ0 은 상기 (1) 식과 (2) 식을 사용하여 하기 (3) 식에 의해 표시된다.
Figure 112011014104343-pat00002
또, 하기의 (4) 식과 (5) 식이 성립된다.
Figure 112011014104343-pat00003
상기의 (4) 식과 (5) 식에 의해 하기 (6) 식이 성립된다.
Figure 112011014104343-pat00004
또, θ0 은 하기 (7) 식과 (8) 식의 관계가 성립된다.
Figure 112011014104343-pat00005
상기의 (3) 식 ～ (8) 식으로부터 하기 (9) 식 및 (10) 식이 성립된다. (9) 식 및 (10) 식으로부터, 상기 각 직동축 방향의 거리 (X0, Z0) 는, X1, Z1, θ0, θR 의 함수인 것을 알 수 있다. 요컨대, X1, Z1, θ0, θR 을 구함으로써, 기상 계측에 있어서의 프로브 장착 위치를 산출할 수 있다.
Figure 112011014104343-pat00006
그리고, 프로브의 선단에 장착된 측정자를 대는 평면판을 상기 3 개의 직동축으로부터 상기 회전축의 방향에 맞춘 상기 직동축의 1 개의 축을 제외한 축과 적어도 교차하도록 배치하고, 직동축, 회전축을 제어함으로써 X1, Z1, θ0, θR 을 구할 수 있고, (1) 식 ～ (10) 식에 의해 산출된 프로브 장착 위치 (X0, Z0) 를 구할 수 있다.
또한, X0, Z0 은 평면판을 사용하는 것 이외에도, 3 차원 측정 장치를 사용하여 프로브의 선단 위치를 측정하는 것에 의해서도 구해도 된다.

Claims (3)

  1. 3 개 이상의 직동축과 1 개 이상의 회전축을 갖는 공작 기계의 상기 회전축 상에 장착된 기상 (機上) 계측 장치의 프로브 장착 위치 산출 방법으로서, 상기 3 개 이상의 직동축 중 3 개는 각각 직교하고, 상기 직동축 중 1 개의 축을 상기 회전축의 방향에 맞추고, 상기 프로브는, 상기 프로브의 이동 변위를 검출하는 프로브 위치 검출기를 갖고, 상기 회전축의 방향과 직교하는 방향으로 움직여, 상기 프로브의 선단에 장착된 측정자 선단을, 상기 공작 기계에 설치된 기준구에 대어, 상기 회전축의 회전 중심과 상기 측정자 선단과의 거리를 산출하는 상기 프로브 장착 위치 산출 방법에 있어서,
    상기 직동축 중 상기 회전축과 직교하는 방향으로 움직이는 상기 직동축을 각각 제 1, 제 2 직동축으로 하고, 상기 회전축의 중심에 대한 상기 측정자 선단의 위치를 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표로서 미리 정의해 두는 제 1 단계와,
    소정의 상이한 2 개의 상기 회전축의 각도에 대해, 상기 기준구의 표면에 대해 상기 프로브의 중심축이 수직이 되도록 상기 제 1 및 제 2 직동축을 움직여 계측하는 계측 프로그램을 작성하는 제 2 단계와,
    작성한 상기 계측 프로그램에 따라 상기 2 개의 각도에서 측정한 상기 프로브의 이동 변위 데이터와 상기 프로브의 본래의 이동 변위 데이터의 오차를 상기 2 개의 각도에 대한 각각의 측정 오차로서 구하는 제 3 단계와,
    상기 측정 오차가 각각 0 이 되는 상기 제 1 및 제 2 직동축의 변위량을 상기 2 개의 각도에 대한 각각의 제 1 보정량으로서 구하는 제 4 단계와,
    상기 제 1 보정량에 의해 보정한 상기 계측 프로그램의 상기 2 개의 각도에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 기준 좌표로 하고, 상기 직동축의 위치 검출 분해능을 최소 단위로 하여 소정의 범위 내에서 각각 독립적으로 증감시켰을 때의 증감량을 제 2 보정량으로 하여 상기 제 1 단계에서 정의한 상기 위치를 보정한 위치에 대해 상기 제 2 단계로부터 구해지는 계측 프로그램으로부터 상기 2 개의 각도에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정 좌표로서 구하는 제 5 단계와,
    상기 제 5 단계에서 구한 상기 기준 좌표와 상기 보정 좌표의 차가 최소가 되는 상기 제 2 보정량에 의해, 상기 제 1 단계에서 정의한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정한 것을 최종적인 상기 회전축의 중심에 대한 상기 측정자 선단 위치의 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표로 하는 제 6 단계로 이루어지는, 기상 계측 장치의 프로브 장착 위치 산출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 5 단계는,
    상기 제 1 보정량에 의해 보정한 상기 계측 프로그램의 상기 2 개의 각도에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 기준 좌표로 하고, 상기 직동축의 위치 검출 분해능에 소정의 범위 내의 정 (正) 의 정수를 곱한 값을 제 2 보정량으로 하여 상기 제 1 단계에서 정의한 상기 위치의 상기 제 1 직동축의 좌표에서 상기 제 2 보정량을 빼고 상기 제 1 단계에서 정의한 상기 위치의 상기 제 2 직동축의 좌표에서 상기 제 2 보정량을 뺀 위치에 대해 상기 제 2 단계로부터 구해지는 계측 프로그램으로부터 상기 2 개의 각도에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정 좌표로서 구하는 제 51 단계와,
    상기 제 51 단계에서 구한 상기 기준 좌표와 상기 보정 좌표의 차가 소정의 오차 이하가 되는 상기 제 2 보정량 중에서 최소의 오차가 되는 상기 제 2 보정량에 의해, 상기 제 1 단계에서 정의한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정한 것을 최종적인 상기 회전축의 중심에 대한 상기 측정자 선단 위치의 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표로 하는 제 52 단계로 이루어지고,
    또한, 제 51 및 제 52 단계에서 상기 오차가 상기 소정의 오차 이하가 되지 않았을 때,
    상기 제 1 단계에서 정의한 상기 위치의 상기 제 1 직동축의 좌표에서 상기 제 2 보정량을 빼고 상기 제 1 단계에서 정의한 상기 위치의 상기 제 2 직동축의 좌표에 상기 제 2 보정량을 더한 위치에 대해 상기 제 2 단계로부터 구해지는 계측 프로그램으로부터 상기 2 개의 각도에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정 좌표로서 구하는 제 53 단계와,
    상기 제 53 단계에서 구한 상기 기준 좌표와 상기 보정 좌표의 차가 소정의 오차 이하가 되는 상기 제 2 보정량 중에서 최소의 오차가 되는 상기 제 2 보정량에 의해, 상기 제 1 단계에서 정의한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정한 것을 최종적인 상기 회전축의 중심에 대한 상기 측정자 선단 위치의 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표로 하는 제 54 단계로 이루어지고,
    또한, 제 51 단계 내지 제 54 단계에서 상기 오차가 상기 소정의 오차 이하가 되지 않았을 때,
    상기 제 1 단계에서 정의한 상기 위치의 상기 제 1 직동축의 좌표에 상기 제 2 보정량을 더하고 상기 제 1 단계에서 정의한 상기 위치의 상기 제 2 직동축의 좌표에서 상기 제 2 보정량을 뺀 위치에 대해 상기 제 2 단계로부터 구해지는 계측 프로그램으로부터 상기 2 개의 각도에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정 좌표로서 구하는 제 55 단계와,
    상기 제 55 단계에서 구한 상기 기준 좌표와 상기 보정 좌표의 차가 소정의 오차 이하가 되는 상기 제 2 보정량 중에서 최소의 오차가 되는 상기 제 2 보정량에 의해, 상기 제 1 단계에서 정의한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정한 것을 최종적인 상기 회전축의 중심에 대한 상기 측정자 선단 위치의 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표로 하는 제 56 단계로 이루어지고,
    또한, 제 51 단계 내지 제 56 단계에서 상기 측정 오차가 상기 소정의 측정 오차 이하가 되지 않았을 때,
    상기 제 1 단계에서 정의한 상기 위치의 상기 제 1 직동축의 좌표에 상기 제 2 보정량을 더하고 상기 제 1 단계에서 정의한 상기 위치의 상기 제 2 직동축의 좌표에 상기 제 2 보정량을 더한 위치에 대해 상기 제 2 단계로부터 구해지는 계측 프로그램으로부터 상기 2 개의 각도에 대한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정 좌표로서 구하는 제 57 단계와,
    상기 제 57 단계에서 구한 상기 기준 좌표와 상기 보정 좌표의 차가 소정의 오차 이하가 되는 상기 제 2 보정량 중에서 최소의 오차가 되는 상기 제 2 보정량에 의해, 상기 제 1 단계에서 정의한 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표를 보정한 것을 최종적인 상기 회전축의 중심에 대한 상기 측정자 선단 위치의 상기 제 1 및 제 2 직동축의 좌표로 하는 제 58 단계로 이루어지는, 기상 계측 장치의 프로브 장착 위치 산출 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기준구는, 100 ㎚ 이하의 형상 정밀도를 갖는 구인 것을 특징으로 하는 기상 계측 장치의 프로브 장착 위치 산출 방법.
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