JP6240488B2 - 工作物測定装置および工作機械 - Google Patents

Description

この発明は、工作機械によって加工される工作物の形状を測定可能な工作物測定装置に関し、特に、回転機構を有する工作機械において回転軸に垂直な断面での工作物の輪郭を測定可能な工作物測定装置に関する。さらに、この発明は上記の工作物測定装置を備えた工作機械に関する。

旋盤などのように工作物を回転させる回転機構を有する工作機械では、回転機構の回転軸と工作物の中心軸とにずれが生じる場合がある。このような場合には、工作物の中心軸と回転軸とのずれの大きさ（振れ量）と、ずれの方向（振れ角）とを検出することによって、工作物の振れを補正する必要がある。

工作物の振れの検出は、ダイヤルゲージなどの変位計を用いて行なわれる。たとえば、ダイヤルゲージを用いて工作物の振れを検出するには、ダイヤルゲージの針を工作物の外周面に当てた状態で被工作部を回転させる。工作物の中心軸と回転軸とが一致すると、工作物を回転させてもダイヤルゲージの針が触れなくなる（たとえば、特開２００５−１４１６７号公報（特許文献１）を参照）。

上記のような工作物の振れの検出においては、工作物の真円度の影響を考慮することが重要である。外周面の真円からの変位に応じてダイヤルゲージの針が振れることになるからである。

特開２０００−２０５８５４号公報（特許文献２）は、真円度誤差の影響を受けることなく、円板状の機械部品の平均径を測定する方法を開示する。具体的には、断面が略円形状に形成された機械部品の外周上の所定位置における径寸法を径寸法測定機で計測するとともに、真円度測定機を使用して上記の所定位置における真円からの径変動量を計測し、計測した径寸法と径変動量との差分に基づき機械部品の平均径が算出される。

特開２００５−１４１６７号公報 特開２０００−２０５８５４号公報

上記の特開２００５−１４１６７号公報（特許文献１）では、真円度誤差については特に考慮されていない。特開２０００−２０５８５４号公報（特許文献２）は、工作物の振れに関するものではないが、真円度誤差の影響が考慮されている。しかしながら、この文献の方法では、径寸法測定機を用いた工作物の外径寸法の測定の他に、真円度測定機を用いた振れ量の平均値の測定が必要であり、平均径を検出するのに２度の測定が必要である。

この発明は、上記の問題点を考慮してなされたものであり、その主な目的は、真円度誤差の影響を受けることなく、従来よりも簡単に工作物の振れ量および振れ角を検出することが可能な工作物測定装置を提供することである。

この発明は一局面において、工作機械によって加工される工作物を測定する工作物測定装置である。工作機械は、工作物を回転させる回転機構を有する。工作物測定装置は、変位センサとデータ処理部とを備える。変位センサは、工作物の外部の基準点から工作物までの距離を計測することによって、回転機構の回転軸に垂直な方向の工作物の表面の変位を検出する。データ処理部は、回転軸に垂直な断面での工作物の輪郭形状データに対してデータ処理を行う。上記の輪郭形状データは、回転機構が工作物を回転させたときに検出される、工作物の回転角度に対応付けられた工作物の表面の変位の情報である。データ処理部は、輪郭形状データから周期２πよりも短い周期の高周波成分を取り除くことによって基本周波数成分データを抽出するフィルタ処理部と、基本周波数成分データに基づいて回転軸に対する工作物の振れ量および振れ角を算出する振れ算出部とを含む。

上記の構成によれば、輪郭形状データから抽出した基本周波数成分データを用いて振れ量および振れ角の算出することによって、真円度誤差の影響を容易に取り除くことができる。

好ましくは、データ処理部は、さらに、輪郭形状データから基本周波数成分データを減算することによって得られる高周波成分データに基づいて工作物の輪郭形状の真円度を算出する真円度算出部を含む。

上記の構成によれば、１回の測定で得られた輪郭形状データを用いて、工作物の振れ量および振れ角ならびに真円度が検出可能になる。

好ましくは、振れ算出部は、基本周波数成分データの最大値および最小値ならびに最大値および最小値を与える回転角度を特定し、特定された最大値、最小値、および回転角度から工作物の振れ量および振れ角を決定する。

好ましい一実施の形態において、フィルタ処理部は、輪郭形状データに対して所定の角度幅での移動平均を行うとともに所定の角度幅に応じた補正値を乗算することによって、基本周波数成分データを抽出する。

好ましい他の実施の形態において、フィルタ処理部は、周期２πを有する正弦波曲線を輪郭形状データにフィッティングすることによって基本周波数成分データを抽出する。

好ましいさらに他の実施の形態において、フィルタ処理部は、輪郭形状データに対して所定の角度幅での移動平均を行うとともに所定の角度幅に応じた補正値を乗算することによって平均化データを求め、さらに平均化データに対して周期２πを有する正弦波曲線をフィッティングすることによって基本周波数成分データを抽出する。

好ましくは、所定の角度幅をΔθとしたとき上記の補正値Ｖｃは、
Ｖｃ＝Δθ／（２×ｓｉｎ（Δθ／２）） …(A1)
で与えられる。好ましくは、上記の所定の角度幅はπである。

好ましくは、工作物測定装置は、さらに、回転機構の回転角度に対応付けられた回転軸自体の振れ量を補正データとして記憶する記憶部を備える。上記のデータ処理部は、さらに、上記の補正データに基づいて、輪郭形状データから回転軸自体の振れ量を減算することによって輪郭形状データを補正するデータ補正部を含む。この場合、フィルタ処理部は、補正後の輪郭形状データを用いて基本周波数成分データを抽出する。

上記の構成によれば、回転機構の回転軸自体に振れがある場合、すなわち、軸ぶれが生じている場合においてもその影響を取り除いて、回転軸に対する工作物の振れ量および振れ角を正確に検出することができる。

この発明は他の局面によれば工作機械であって、工作物を回転させる回転機構と、工作物を加工する加工装置と、工作物を測定する工作物測定装置とを備える。工作物測定装置は、変位センサとデータ処理部とを含む。変位センサは、工作物の外部の基準点から工作物までの距離を計測することによって、回転機構の回転軸に垂直な方向の工作物の表面の変位を検出する。データ処理部は、回転軸に垂直な断面での工作物の輪郭形状データに対してデータ処理を行う。上記の輪郭形状データは、回転機構が工作物を回転させたときに検出される、工作物の回転角度に対応付けられた工作物の表面の変位の情報である。データ処理部は、輪郭形状データから周期２πよりも短い周期の高周波成分を取り除くことによって基本周波数成分データを抽出するフィルタ処理部と、基本周波数成分データに基づいて回転軸に対する工作物の振れ量および振れ角を算出する振れ算出部とを含む。

この発明によれば、真円度誤差の影響を受けることなく、従来よりも簡単に工作物の振れ量および振れ角を検出できる。

第１の実施の形態による工作物測定装置６０が設けられた工作機械１の構成を模式的に示す斜視図である。 図１の工作物測定装置６０の機能的構成を示すブロック図である。 工作物２の振れについて説明するための図である。 図３の場合において、測定ヘッド６２によって検出された輪郭形状データの一例を模式的に示す図である。 工作物２の真円度について説明するための図である。 図５の場合において、測定ヘッド６２によって検出された輪郭形状データの一例を模式的に示す図である。 図５でさらに工作物２に振れがある場合において、輪郭形状データの一例を模式的に示す図である。 データ処理部７２によるデータ処理の手順を示すフローチャートである。 図８のステップＳ１１０の具体的手順を示すフローチャートである。 移動平均区間をπ［ｒａｄ］とした場合の移動平均処理後の振幅補正について説明するための図である。 移動平均区間をΔθ［ｒａｄ］とした場合の移動平均処理後の振幅補正について説明するための図である。 測定ヘッド６２によって検出された輪郭形状データの一例を示す図である。 図１０のステップＳ２００に示される移動平均処理およびステップＳ２０５の振幅補正処理を行なった後の平均化データを示す図である。 図１３の平均化データにフィッティングされた正弦波曲線を示す図である。 図１０の輪郭形状データから図１４の基本周波数成分データを差し引くことによって得られる高周波成分データを示す図である。 第２の実施の形態による工作物測定装置６０Ａの機能的構成を示すブロック図である。 データ処理部７２Ａによるデータ処理の手順を示すフローチャートである。 測定ヘッド６２によって検出された輪郭形状データの一例を示す図である（回転軸自体に振れがある場合）。 軸振れ補正データの一例を示す図である。 図１９の軸振れ補正データによる補正後の輪郭形状データを示す図である。

以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。以下の各実施の形態では、工作機械が複合加工機である場合について説明しているが、工作物を回転させるための回転機構を有するものであれば他の種類の工作機械であっても構わない。たとえば、旋盤であってもよいし、立形マシンニングセンタまたは横形マシニングセンタにおいて工作物を支持するテーブルが回転可能なものでもよい。なお、以下の説明において、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない場合がある。

＜第１の実施の形態＞
［工作機械の概略構成］
図１は、第１の実施の形態による工作物測定装置６０が設けられた工作機械１の構成を模式的に示す斜視図である。図１の工作機械１には、加工装置１０および工作物測定装置６０に加えて、ＮＣ（Numerical Control）装置４０およびＡＴＣ（自動工具交換装置：Automatic Tool Changer）４４が設けられている。

図２は、図１の工作物測定装置６０の機能的構成を示すブロック図である。図２には、加工装置１０、ＮＣ装置４０、ＡＴＣ４４、ならびに加工装置１０に備えられているＸ軸用駆動機構３４、Ｙ軸用駆動機構３６、Ｚ軸用駆動機構３８、チャック２８（爪３０Ａ，３０Ｂを含む）、および主軸台２０の回転駆動機構３２も示されている。

図１および図２を参照して、加工装置１０は、刃物台２４と、工作物２を支持する主軸台２０と、工作物２の先端部を支持する補助主軸台（または、心押し台）２２と、タレット２６と、機械本体１２とを含む。なお、加工装置１０を正面から見て、上下方向，前後方向，左右方向をそれぞれＸ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向とする。互いに直交するＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸により、直交３軸が構成される。

主軸台２０は、チャック２８によって工作物２を把持し、把持した工作物２を回転駆動機構３２によって矢印Ｃ₁に示す方向に回転駆動する。補助主軸台２２は、主軸台２０に対して対向配置されており、Ｚ軸方向と平行なＺ₁軸方向に移動可能である。補助主軸台２２のチャックは、矢印Ｃ₂に示すように、工作物２を把持して回転可能である。

タレット２６には、主軸台２０のチャック２８に把持されている工作物２を旋削加工するための複数の工具が取付けられている。タレット２６は、Ｘ軸方向と平行なＸ₁軸方向と、Ｚ軸方向と平行なＺ₂軸方向にそれぞれ移動可能である。

刃物台２４に設けられた主軸２５には、主軸台２０のチャック２８に把持されている工作物２を旋削加工または切削加工するための工具が着脱可能に装着される。主軸２５の工具は、ＡＴＣ（自動工具交換装置）４４によって交換される。

加工装置１０の機械本体１２に設けられたＺ軸用移動部１８は、Ｚ軸用駆動機構３８に駆動されてＺ軸方向に移動する。Ｚ軸用移動部１８に設けられたＸ軸用移動部１４は、Ｘ軸用駆動機構３４に駆動されてＸ軸方向に移動する。Ｘ軸用移動部１４に設けられたＹ軸用移動部１６は、Ｙ軸用駆動機構３６に駆動されてＹ軸方向に移動する。

刃物台２４は、Ｙ軸用移動部１６の前方に取付けられている。刃物台２４は、Ｚ軸用移動部１８，Ｘ軸用移動部１４およびＹ軸用移動部１６にそれぞれ駆動されて、Ｚ軸方向，Ｘ軸方向，Ｙ軸方向にそれぞれ移動する。Ｙ軸用移動部１６の中心軸すなわちＢ軸は、Ｙ軸と平行になっている。矢印Ｂ₁に示すように、刃物台２４はＢ軸まわりに旋回可能である。

工作機械１は、刃物台２４の工具およびタレット２６の工具で工作物２を旋削加工する旋盤の機能と、刃物台２４の工具で工作物２を切削加工するマシニングセンタの機能とを有している。工作機械１を旋盤として使用するときには、主軸２５に装着された工具は回転せず、工作物２を回転させて工具で旋削加工を行う。または、タレット２６に取付けられた工具を使用し、工作物２を回転させてこの工具で旋削加工を行う。工作機械１をマシニングセンタとして使用するときには、主軸２５で工具を回転させて、非回転の工作物２を切削加工する。このときの刃物台２４は、マシニングセンタの主軸頭としての機能を発揮することになる。

ＮＣ装置４０は、工作機械１の全体の動作を制御するＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ：Programmable Logic Controller）４２を含む。たとえば、ＰＬＣ４２は、図２のＸ軸用駆動機構３４、Ｙ軸用駆動機構３６、Ｚ軸用駆動機構３８、および主軸台２０の回転駆動機構３２を制御する。ＰＬＣ４２は、さらに、補助主軸台２２の移動機構、タレット２６の移動機構、およびＡＴＣ４４を制御する。

［工作物測定装置の構成］
工作物測定装置６０の基本的な機能は、ＮＣ装置４０のＰＬＣ４２と連携することによって工作物２の表面形状を測定するものである。本実施の形態では、この機能を応用することによって、工作物測定装置６０は、回転駆動機構３２の回転軸９０に垂直な断面での工作物２の輪郭形状を測定する。工作物測定装置６０は、さらに、得られた輪郭形状データに基づいて工作物２の振れ量および振れ角を算出する。以下、図１、図２を参照して具体的に説明する。

図２に示すように、工作物測定装置６０は、測定ヘッド６２と、測定制御部６４とを含む。本実施の形態の場合、測定ヘッド６２は、無線通信によって測定制御部６４と通信する無線式のものであり、刃物台２４の主軸２５にＡＴＣ４４によって装着される着脱可能なものである。これに代えて、刃物台２４に固定的に取り付けられ、信号線を介して測定制御部６４と通信する有線式の測定ヘッドを用いることもできる。

測定ヘッド６２は、工作物２の外部の基準点（測定ヘッド６２の取付け位置）から工作物２の表面までの距離Ｄ、すなわち、工作物２の表面の高さ方向の変位を測定するための変位センサを含む。測定ヘッド６２に設けられる変位センサは、測定対象物に接触して測定対象物の表面の変位を測定する接触式のものでもよいし、レーザ光、超音波、または電磁波などを利用して非接触で測定対象物の表面の変位を測定する非接触式のものでもよい。

本実施の形態では、一例としてレーザ変位センサによって工作物２の表面の変位を測定する例を示す。レーザ変位センサは、工作物２の表面にレーザ光Ｌを照射し、レーザ光Ｌの反射光に基づいてレーザ変位センサからレーザ光Ｌの照射位置までの距離Ｄ、すなわちレーザ光Ｌの照射位置における工作物２の高さ方向の変位を測定する。

測定制御部６４は、コンピュータをベースに構成され、プロセッサ６６、メモリ６８、ＮＣ装置４０との間の入出力インターフェース（図示せず）、および測定ヘッド６２との間で無線通信を行う通信装置７０等を含む。プロセッサ６６は、測定制御プログラムを実行することによって工作物２の表面形状または輪郭形状を取得する。取得したデータ（輪郭形状データ８０など）は、メモリ６８に格納される。

具体的に、工作物２の表面形状を測定する場合には、測定制御部６４のプロセッサ６６は、ＮＣ装置４０のＰＬＣ４２と連携することによって、Ｘ軸用駆動機構３４、Ｙ軸用駆動機構３６、およびＺ軸用駆動機構３８のうち少なくとも１つを駆動させる。こうして、測定ヘッド６２と工作物２との相対的位置関係を連続的に変化させながら、プロセッサ６６は、測定ヘッド６２によって工作物２までの距離Ｄを測定する。

一方、回転駆動機構３２の回転軸９０に垂直な断面での工作物２の輪郭形状を測定する場合には、プロセッサ６６は、ＮＣ装置４０のＰＬＣ４２と連携することによって、回転駆動機構３２を駆動させる。こうして、工作物２を回転させながら、プロセッサ６６は、測定ヘッド６２によって工作物２までの距離Ｄを測定する。より詳細な手順は次のとおりである。

まず、ＰＬＣ４２は、測定制御部６４のプロセッサ６６からの制御に基づいて、Ｘ軸用駆動機構３４、Ｙ軸用駆動機構３６、およびＺ軸用駆動機構３８を駆動することによって、測定ヘッド６２を基準位置に移動させる。基準位置は、回転軸９０と直交する直線上（より好ましくは、回転軸９０の真上）に位置するのが望ましい。ＰＬＣ４２は、基準位置の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を測定制御部６４のプロセッサ６６に送信する。

次に、ＰＬＣ４２は、測定制御部６４のプロセッサ６６からの制御に基づいて、回転駆動機構３２を駆動することによって回転軸９０を中心として工作物２をゆっくりと回転させる。ＰＬＣ４２は、上記の回転駆動機構３２の駆動とともに、所定周期でトリガ信号を通信装置７０に出力する。

通信装置７０はトリガ信号を受信すると測定指令ｆを測定ヘッド６２に送信し、測定ヘッド６２は測定指令ｆに従って測定ヘッド６２から工作物２までの距離Ｄ（すなわち、工作物２の表面の変位）を測定する。測定された距離ＤのデータＦは、測定ヘッド６２から通信装置７０を介して測定制御部６４のプロセッサ６６に送信される。

ＰＬＣ４２は、さらに、上記の測定ヘッド６２による距離測定のタイミングに合わせて、回転駆動機構３２から回転角度θの情報を取得し、取得した回転角度θの情報を測定制御部６４のプロセッサ６６に送信する。

プロセッサ６６は、ＰＬＣ４２から取得した回転角度θの情報と、測定ヘッド６２から取得した距離ＤのデータＦとに基づいて、回転角度θに対応した工作物２の外周面の変位データを輪郭形状データ８０として、メモリ６８に記憶させる。

測定制御部６４は、さらに、上記の輪郭形状データ８０に対してデータ処理を行うデータ処理部７２として機能する。データ処理部７２の機能は、データ処理プログラムがプロセッサ６６で実行されることによって実現される。図２に示すように、データ処理部７２は、フィルタ処理部７４と、振れ算出部７６と、真円度算出部７８とを含む。これらの各要素については、後で図８〜図１５を参照して詳しく説明する。

［触れ量および振れ角について］
図３は、工作物２の振れについて説明するための図である。図３では、工作物２（２Ａ，２Ｂ）の形状が厳密に円柱形状である場合を例として、図２の回転駆動機構３２の回転軸９０に対して工作物２の中心軸９２（９２Ａ，９２Ｂ）が偏心している様子が示されている（回転軸９０と中心軸９２との偏差をδとする）。工作物２が測定ヘッド６２に最も近づいている場合を実線２Ａで表わし、工作物２が測定ヘッド６２から最も離れている場合を破線２Ｂで表わしている。実線２Ａの位置に工作物２が位置する場合の回転角θを０とする。

図４は、図３の場合において、測定ヘッド６２によって検出された輪郭形状データの一例を模式的に示す図である。図４では、回転角θを横軸とし、測定ヘッド６２によって測定される変位（任意単位ＡＵ）を縦軸として、輪郭形状データが示されている。

図３および図４に示すように、この明細書において、触れ量は、測定ヘッド６２によって測定される変位の最大値ＭＡＸと最小値ＭＩＮとの差によって定義される。図３に示すように振れ量は、回転軸９０と中心軸９２との偏差δの２倍に等しい。振れ角は、変位の最大値および最小値が得られたときの回転角θとして定義される。

［真円度について］
図５は、工作物２の真円度について説明するための図である。図５では、略円柱形状の工作物２の中心軸９２と図２の回転駆動機構３２の回転軸９０とが同心であり偏心していない場合を示している。

図６は、図５の場合において、測定ヘッド６２によって検出された輪郭形状データの一例を模式的に示す図である。図６では、回転角θを横軸とし、測定ヘッド６２によって測定される変位（任意単位ＡＵ）を縦軸として、輪郭形状データが示されている。

図５、図６を参照して、真円度は、円形形体（図５の場合、工作物２の断面の輪郭）の幾何学的に正しい円からの狂いの大きさとして定義される。具体的には、円形形体を２つの同心の幾何学的に正しい円９４Ａ，９４Ｂで挟んだとき、同心二円の間隔が最小となるときの２つ円９４Ａ，９４Ｂの半径差を真円度という。図６に示すグラフでは、測定ヘッド６２によって測定される変位の最大値ｍａｘと最小値ｍｉｎとの差が真円度に等しい。

図７は、図５でさらに工作物２に振れがある場合において、輪郭形状データの一例を模式的に示す図である。図７の場合には、工作物２の中心軸９２が回転軸９０に対して偏心しており、工作物２の真円度も０でない。この場合、図７の実線で示されるように、輪郭形状データは、図４に示す曲線と図６に示す曲線とを合成した曲線になる。図２に示すデータ処理部７２は、図７の実線で示される輪郭形状データから工作物２の振れ量、振れ角、および真円度を算出するものである。

［触れ量、振れ角、および真円度の検出手順］
図８は、データ処理部７２によるデータ処理の手順を示すフローチャートである。図９は、図８のステップＳ１１０の具体的手順を示すフローチャートである。以下、図２、図８および図９を主として参照して、工作物２の触れ量、振れ角、および真円度を検出する手順について説明する。

図８を参照して、データ処理部７２は、まず、メモリ６８に格納されている輪郭形状データ８０を読み出す（ステップＳ１００）。ここで、輪郭形状データ８０は、回転駆動機構３２によって工作物２を回転させたときに検出される、工作物２の回転角度に対応付けられた工作物２の外周面の変位の情報である。

次に、データ処理部７２のフィルタ処理部７４は、輪郭形状データ８０から、周期２π［ｒａｄ：ラジアン］（＝３６０°）よりも短い周期の高周波成分を取り除くことによって、基本周波数成分データを抽出するフィルタ処理を行う（ステップＳ１１０）。フィルタ処理の具体的手順の一例は図９に示されている。

図９を参照して、フィルタ処理部７４は、高調波成分を除去するために、輪郭形状データ８０に対して所定の角度幅Δθ（移動平均区間）で移動平均処理を行う（ステップＳ２００）。たとえば、移動平均区間Δθはπ［ｒａｄ］に設定される。

ただし、周期的な波形に対して移動平均処理を行う場合には、移動平均後の波形の振幅が元の波形の振幅よりも小さくなることに注意する必要がある。そこで、フィルタ処理部７４は、移動平均処理後の波形データの振幅を移動平均区間Δθに応じて補正する（ステップＳ２０５）。

図１０は、移動平均区間をπ［ｒａｄ］とした場合の移動平均処理後の振幅補正について説明するための図である。図１０では、振幅が１の正弦波ｓｉｎ（θ）を移動平均区間π［ｒａｄ］で移動平均する場合について説明している。

図１０を参照して、θ＝π／２における移動平均値は、正弦波ｓｉｎ（θ）を０からπの区間で積分した値を移動平均区間πで除算することによって、２／πで与えられる。したがって、この移動平均値２／πを、θ＝π／２における元の正弦波ｓｉｎ（θ）の振幅である１に戻すためには、振幅補正値としてπ／２を乗算しなければならない。他の回転角おける移動平均値についても同じであり、振幅補正値としてπ／２を乗算する必要がある。

図１１は、移動平均区間をΔθ［ｒａｄ］とした場合の移動平均処理後の振幅補正について説明するための図である。図１１では、振幅が１の正弦波ｓｉｎ（θ）を移動平均区間Δθ［ｒａｄ］で移動平均する場合について説明している。

図１０を参照して、θ＝π／２における移動平均値Ｖａは、正弦波ｓｉｎ（θ）をπ／２−Δθ／２からπ／２＋Δθ／２の区間で積分した値を移動平均区間Δθで除算することによって、
Ｖａ＝（２／Δθ）×ｓｉｎ（Δθ／２） …(1)
で与えられる。したがって、上記の移動平均値Ｖａを、θ＝π／２における元の正弦波ｓｉｎ（θ）の振幅である１に戻すためには、
Ｖｃ＝Δθ／（２×ｓｉｎ（Δθ／２）） …(2)
で表わされる振幅補正値Ｖｃを乗算しなければならない。他の回転角おける移動平均値についても同じであり、振幅補正値として上式（２）のＶｃを乗算する必要がある。なお、上記の振幅補正値Ｖｃを乗算する場合には、輪郭形状データの１周期での平均値が０になるように予め輪郭形状データから直流成分を取り除いておく必要がある。

再び図９を参照して、フィルタ処理部７４は、上記の移動平均処理（ステップＳ２００）および振幅補正処理（ステップＳ２０５）を行なった後の平均化データに対して、周期２πを有する正弦波曲線をフィッティングする（ステップＳ２１０）。この結果、最終的な基本周波数成分データが得られる。

通常、高周波成分を除去するためには、移動平均処理（ステップＳ２００）および振幅補正処理（ステップＳ２０５）だけでは不十分であり、上記のフィッティング処理（ステップＳ２１０）が必要になる。この理由は次のとおりである。

一般に、周期的な波形Ｗ（θ）は、フーリエ級数で表わされる。簡単のために、直流成分を０とし、基本周波数成分を振幅および位相がそれぞれＡ１、α１である正弦波とし、ｎ次の高調波成分を振幅および位相がそれぞれＡｎ、αｎである正弦波とすると、波形Ｗ（θ）は、
W(θ)=A1×sin(θ+α1)+A2×sin(2×θ+α2)+A3×sin(3×θ+α3)＋・・・ …(3)
と表わされる。上記の波形Ｗ（θ）に対して角度幅πで移動平均処理（すなわち、積分区間πで積分し、積分値を積分区間πで除算する）を行なうと、偶数次の高調波は除去されるが、奇数次の高調波は除去されない。したがって、この奇数次の高調波成分を取り除くために上記のフィッティング処理（ステップＳ２１０）が必要になる。

ただし、角度幅πでの移動平均処理（ステップＳ２００）と振幅補正処理（ステップＳ２０５）を行なった後では、ｎ次（ｎは奇数）の高調波成分の振幅は１／ｎ倍に縮小される。したがって、元々の輪郭形状データに含まれる高調波成分の振幅が比較的小さい場合、または、比較的高次の高調波成分に限られる場合には、図９のステップＳ２１０のフィッティング処理を省略しても構わない。

あるいは、図９のステップＳ２００の移動平均処理およびステップＳ２０５の振幅補正処理を行わずに、ステップＳ２１０のフィッティング処理のみを行うようにしてもよい。

再び図８を参照して、次にデータ処理部７２の振れ算出部７６は、ステップＳ１１０のフィルタ処理によって抽出された基本周波数成分データに基づいて、振れ量および振れ角を算出する（ステップＳ１１５）。振れ量は、図３および図４で説明したように、基本周波数成分データの最大値と最小値の差として求められる。振れ角は、最大値および最小値が得られたときの回転角θの値として求められる。

次に、データ処理部７２の真円度算出部７８は、輪郭形状データ８０からステップＳ１１０で抽出された基本周波数成分データを減算することによって高周波成分データを抽出する（ステップＳ１２０）。さらに、真円度算出部７８は、ステップＳ１２０で抽出された高周波成分データに基づいて真円度を算出する（ステップＳ１２５）。真円度は、図５および図６で説明したように、高周波成分データの最大値と最小値との差として求められる。

［具体例］
以下、具体的な波形に対してデータ処理を施した例について説明する。

図１２は、測定ヘッド６２によって検出された輪郭形状データの一例を示す図である。図１２に示す輪郭形状データは、回転軸に対する工作物の中心軸の振れに起因する正弦波曲線に真円度誤差が重畳され、さらにレーザ変位計のノイズ成分が重畳されたものである。なお、輪郭形状データに含まれる直流成分は予め取り除かれている。

図１３は、図１０のステップＳ２００に示される移動平均処理およびステップＳ２０５の振幅補正処理を行なった後の平均化データを示す図である。移動平均区間をπとしている。図１３に示すように、上記の処理だけでは高周波成分は完全に除去されない。

図１４は、図１３の平均化データにフィッティングされた正弦波曲線を示す図である。図１４に示すように図１３の平均化データに正弦波曲線をフィッティングすることによって基本周波数成分データが得られる。この基本周波数成分データに基づいて、振れ量および振れ角が算出される。

図１５は、図１０の輪郭形状データから図１４の基本周波数成分データを差し引くことによって得られる高周波成分データを示す図である。図１５の高周波成分データに基づいて、真円度が算出される。

［第１の実施の形態の効果］
上記のとおり、第１の実施の形態の工作物測定装置６０によれば、工作物２を回転軸９０の回りに１回転させる間に変位センサによって取得された輪郭形状データ８０を用いて、振れ量および振れ角が算出される。このとき、輪郭形状データ８０から高周波成分を除去することによって周期２πの基本周波数成分データを抽出し、この基本周波数成分データを用いて振れ量および振れ角を算出するので、真円度誤差の影響を受けることなく従来よりも簡単に触れ量および振れ角を検出することができる。

上記の実施の形態では、略円柱状の形状を有する工作物を例に挙げて説明したが、多角柱状の工作物あるいは、径方向に突出した凸部を含む工作物に対しても、同様の方法で振れ量および振れ角を検出することができる。なぜなら、多角柱の側稜あるいは径方向に突出した凸部による輪郭形状データの変化は、図８のステップＳ１１０のフィルタ処理において高周波成分として除去されるので、振れ量および振れ角の検出には影響を与えないからである。

＜第２の実施の形態＞
［概要］
第２の実施の形態では、図２の回転駆動機構３２の回転軸自体に振れがある場合（軸ぶれが生じている場合）について説明する。この場合、図１、図２の測定ヘッド６２によって検出される輪郭形状データには、回転軸９０に対する工作物２の中心軸の振れに起因した変位に加えて、回転軸自体の振れに起因した変位も含まれる。したがって、回転軸９０に対する工作物２の振れを正確に求めるためには、回転軸自体の振れの影響を取り除く必要がある。

具体的には、真円度がほぼ０の基準となる円柱形状の工作物を準備する。そして、この基準工作物を工作機械１の主軸台２０にチャックして輪郭形状データを測定することを繰り返し行う。この結果得られた多数の輪郭形状データの中から、回転軸に対する基準工作物の中心軸の振れ量がほぼ０とみなすことができるデータ（すなわち、回転軸自体の振れに起因した変位のみを含むデータ）を選び出す。

回転軸９０に対する基準工作物の中心軸の振れの大きさは、チャックの仕方に応じて測定毎に変化するのに対して、回転軸自体の振れの大きさはチャックの仕方に応じて測定毎に変化することはない。したがって、測定した多数の輪郭形状データのうちで回転角度に応じた変位の大きさが最小となるデータを、回転軸に対する工作物の中心軸の振れ量がほぼ０となるデータとみなすことができる。

上記の方法で選択した輪郭形状データを軸振れ補正データとして予めメモリに格納しておく。その後、新たに輪郭形状データを測定した場合には、上記の軸振れ補正データを利用して、測定した輪郭形状データから回転軸自体の振れ量を減算することによって、回転軸自体の振れの影響を取り除くことができる。以下、図面を参照してさらに詳しく説明する。

［工作物測定装置の構成および機能］
図１６は、第２の実施の形態による工作物測定装置６０Ａの機能的構成を示すブロック図である。図１６の工作物測定装置６０Ａにおいて、データ処理部７２Ａはデータ補正部８２をさらに含む点で図２のデータ処理部７２と異なる。図１６の工作物測定装置６０Ａはまた、メモリ６８に上記の軸振れ補正データ８４がさらに格納されている点で図２の工作物測定装置６０と異なる。図１６のその他の点は図２と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

図１７は、データ処理部７２Ａによるデータ処理の手順を示すフローチャートである。図１７のフローチャートは、ステップＳ１００とステップＳ１１０との間にステップＳ１０５をさらに含む点で図８のフローチャートと異なる。

図１６および図１７を参照して、ステップＳ１０５において、データ補正部８２は、回転軸自体の振れを表わす軸振れ補正データを輪郭形状データから減算することによって輪郭形状データを補正する。次のステップＳ１１０において、データ処理部７２Ａのフィルタ処理部７４は、データ補正部８２による補正処理後の輪郭形状データを用いて、フィルタ処理を実行することによって基本周波数成分データを抽出する。

上記の手順によって、ステップＳ１１５で算出される振れ量および振れ角から、回転軸自体の振れの影響を取り除くことができる。図１７のその他の点は図８の場合と同じであるので、同一または相当するステップには同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

［具体例］
図１８は、測定ヘッド６２によって検出された輪郭形状データの一例を示す図である（回転軸自体に振れがある場合）。図１８の輪郭形状データは、回転軸に対する工作物の振れに起因した正弦波曲線に真円度誤差が重畳され、さらに回転軸自体の振れに起因する変位が重畳されたものである。なお、輪郭形状データに含まれる直流成分は取り除かれている。

図１９は、軸振れ補正データの一例を示す図である。図１８と同様に直流成分は取り除かれている。

図２０は、図１９の軸振れ補正データによる補正後の輪郭形状データを示す図である。図１７のステップＳ１０５において、データ補正部８２は、図１８に示す輪郭形状データから図１９に示す軸振れ補正データを対応する回転角ごとに減算することによって、図２０に示される補正後の輪郭形状データを算出する。

［第２の実施の形態の効果］
上記のとおり、第２の実施の形態による工作物測定装置によれば、回転駆動機構３２の回転軸自体に振れがある場合（軸ぶれが生じている場合）においてもその影響を取り除いて、回転軸に対する工作物の振れ量および振れ角を正確に検出することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 工作機械、２ 工作物、１０ 加工装置、２０ 主軸台、２２ 補助主軸台、２４ 刃物台、２５ 主軸、２６ タレット、２８ チャック、３０Ａ，３０Ｂ 爪、３２ 回転駆動機構、３４ Ｘ軸用駆動機構、３６ Ｙ軸用駆動機構、３８ Ｚ軸用駆動機構、４０ ＮＣ装置、４４ ＡＴＣ、６０，６０Ａ 工作物測定装置、６２ 測定ヘッド、６４ 測定制御部、６６ プロセッサ、６８ メモリ、７０ 通信装置、７２，７２Ａ データ処理部、７４ フィルタ処理部、７６ 振れ算出部、７８ 真円度算出部、８０ 輪郭形状データ、８２ データ補正部、８４ 補正データ、９０ 回転軸、９２ 中心軸。

Claims (10)

1. 工作機械によって加工される工作物を測定する工作物測定装置であって、
   前記工作機械は、前記工作物を回転させる回転機構を有し、
   前記工作物測定装置は、
   前記工作物の外部の基準点から前記工作物までの距離を計測することによって、前記回転機構の回転軸に垂直な方向の前記工作物の表面の変位を検出する変位センサと、
   前記回転軸に垂直な断面での前記工作物の輪郭形状データに対してデータ処理を行うデータ処理部とを備え、
   前記輪郭形状データは、前記回転機構が前記工作物を回転させたときに検出される、前記工作物の回転角度に対応付けられた前記工作物の表面の変位の情報であり、
   前記データ処理部は、
   前記輪郭形状データから周期２πよりも短い周期の高周波成分を取り除くことによって基本周波数成分データを抽出するフィルタ処理部と、
   前記基本周波数成分データに基づいて前記回転軸に対する前記工作物の振れ量および振れ角を算出する振れ算出部とを含む、工作物測定装置。
2. 前記データ処理部は、さらに、前記輪郭形状データから前記基本周波数成分データを減算することによって得られる高周波成分データに基づいて前記工作物の輪郭形状の真円度を算出する真円度算出部を含む、請求項１に記載の工作物測定装置。
3. 前記振れ算出部は、前記基本周波数成分データの最大値および最小値ならびに前記最大値および前記最小値を与える回転角度を特定し、特定された前記最大値、前記最小値、および前記回転角度から前記工作物の振れ量および振れ角を決定する、請求項１または２に記載の工作物測定装置。
4. 前記フィルタ処理部は、前記輪郭形状データに対して所定の角度幅での移動平均を行うとともに前記所定の角度幅に応じた補正値を乗算することによって、前記基本周波数成分データを抽出する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作物測定装置。
5. 前記フィルタ処理部は、周期２πを有する正弦波曲線を前記輪郭形状データにフィッティングすることによって前記基本周波数成分データを抽出する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作物測定装置。
6. 前記フィルタ処理部は、前記輪郭形状データに対して所定の角度幅での移動平均を行うとともに前記所定の角度幅に応じた補正値を乗算することによって平均化データを求め、さらに前記平均化データに対して周期２πを有する正弦波曲線をフィッティングすることによって前記基本周波数成分データを抽出する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作物測定装置。
7. 前記所定の角度幅をΔθとしたとき前記補正値Ｖｃは、
   Ｖｃ＝Δθ／（２×ｓｉｎ（Δθ／２）） …(A1)
   で与えられる、請求項４または６に記載の工作物測定装置。
8. 前記所定の角度幅はπである、請求項４、６および７のいずれか１項に記載の工作物測定装置。
9. 前記工作物測定装置は、さらに、前記回転機構の回転角度に対応付けられた前記回転軸自体の振れ量を補正データとして記憶する記憶部を備え、
   前記データ処理部は、さらに、前記補正データに基づいて、前記輪郭形状データから前記回転軸自体の振れ量を減算することによって前記輪郭形状データを補正するデータ補正部を含み、
   前記フィルタ処理部は、前記補正後の輪郭形状データを用いて前記基本周波数成分データを抽出する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の工作物測定装置。
10. 工作物を回転させる回転機構と、
    前記工作物を加工する加工装置と、
    前記工作物を測定する工作物測定装置とを備え、
    前記工作物測定装置は、
    前記工作物の外部の基準点から前記工作物までの距離を計測することによって、前記回転機構の回転軸に垂直な方向の前記工作物の表面の変位を検出する変位センサと、
    前記回転軸に垂直な断面での前記工作物の輪郭形状データに対してデータ処理を行うデータ処理部とを含み、
    前記輪郭形状データは、前記回転機構が前記工作物を回転させたときに検出される、前記工作物の回転角度に対応付けられた前記工作物の表面の変位の情報であり、
    前記データ処理部は、
    前記輪郭形状データから周期２πよりも短い周期の高周波成分を取り除くことによって基本周波数成分データを抽出するフィルタ処理部と、
    前記基本周波数成分データに基づいて前記回転軸に対する前記工作物の振れ量および振れ角を算出する振れ算出部とを含む、工作機械。

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