JP6385531B1 - 光学式スピンドル多自由度誤差測定装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
静態測定は標準棒にダイヤルゲージを組み合わせて測定を行い、ダイヤルゲージの数値を読み取り、それがスピンドルの回転誤差となる。この測定方法は重大な欠点があり、即ち、測定が実際の回転速度下で行われず、かつ誤差に標準棒の設置誤差が含まれるため、スピンドルの真の回転精度を反映することができない。
動態測定は、静態測定の欠点を回避でき、現在多くがLION TARGA III PCB高速回転スピンドル動態振れ測定器を使用して測定を行っている。この計器は通常5つの非接触式静電容量プローブを使用し、スピンドルの実際の回転速度下における回転誤差、スピンドル振れ、径方向と軸方向の誤差を測定することができ、測定方法は、通常、米国材料試験協会(ASTM)標準番号ASTM B5.54の標準に従って行うが、静電容量式プローブは価格が非常に高いため、購入が容易でない。
しかしながら、前述のように、従来の測定で常用されている方法は、高価なLION TARGA III PCB高速主軸動態振れ測定器で工作機械の主軸に対して動態的誤差測定を行うしかないが、コストが高くつくため、使用者の調達意欲が不足しており、高速回転する工作機械の主軸の誤差に対して解析を行い、加工精度を向上することができずにいる。
前記第1光点変位センサー、第2光点変位センサー、第3光点変位センサー、第4光点変位センサー、反射光点変位センサーはそれぞれ、一次元光電センサー、二次元光電センサー、位置センサー、CCDセンサーまたはCMOSセンサーとすることができる。
測定装置を設置する工程:請求項1の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置を用意して、前記標準棒を動力機械のスピンドルに設置し、前記センサーモジュールを動力機械のプラットフォームに設置するとともに、前記プライマリセンサー群の中心と前記サブセンサー群の中心とのZ軸方向に沿った距離を架設距離Lと定義する工程と、
測定装置をゼロ復帰する工程:前記標準棒を前記センサーモジュールの標準棒測定エリアの中央まで移動し、前記第1レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第1光点変位センサーの中央に集中させ、前記第2レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第2光点変位センサーの中央に集中させ、前記第3レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第3光点変位センサーの中央に集中させ、前記第4レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第4光点変位センサーの中央に集中させ、前記反射面の高さを調整し、前記斜め方向レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記反射面の中心に照射させた後、前記反射光点変位センサーの受光面中央に反射させ、前記標準棒がZ軸方向に沿って移動する距離ΔZと前述の反射したレーザー光が前記受光面中央から傍らに移動した距離ΔXの比をゲイン値Kと定義する工程と、
スピンドルを起動して回転させ、変位データを取得する工程:動力機械のスピンドルを起動して回転させ、前記スピンドルがずれて前記標準棒を移動させたとき、前記第3光点変位センサーが前記円柱形レンズの下側位置のY軸移動変化Y1を測定し、前記第4光点変位センサーが前記円柱形レンズの下側位置のX軸移動変化X1を測定し、前記第1光点変位センサーが前記円柱形レンズの上側位置のY軸移動変化Y2を測定し、前記第2光点変位センサーが前記円柱形レンズの上側位置のX軸移動変化X2を測定し、前記反射光点変位センサーの受光面が反射したレーザー光が受光面の中央から傍らに移動した距離ΔXを測定する工程と、
スピンドルと回転軸の自由度誤差を計算して得る工程:上述の移動変化X1、Y1、X2、Y2のデータとΔXのデータを計算ユニットに伝送し、架設距離Lとゲイン値Kを以下の方程式に代入して演算し、6つの自由度の誤差を得る工程とを含む。
図1から図5に示すように、本発明の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置は、使用時に動力機械のスピンドルとプラットフォームに設置される。
例えば、本実施例の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置は工作機械10の主軸11とプラットフォーム12の間に設置される。工作機械10は、多軸工作機械であり、少なくともX軸、Y軸、Z軸を備え(図9参照)、プラットフォーム12は回転プラットフォームである。
本実施例では、標準棒20を主軸11に結合し、かつセンサーモジュール30をプラットフォーム12に結合した形態で使用される。
また、標準棒20には円柱形レンズ21が設置される。円柱形レンズ21は、透光性の円柱体であり、標準棒20上の一区間としても、または円柱形レンズ21で標準棒20全体を構成してもよい。本実施例では、円柱形レンズ21で標準棒20全体を構成しており、円柱形レンズ21の自由端、すなわち標準棒20の下端面にコーティング方式で反射面22が形成される。前記反射面22は水平面である。
センサーフレーム33は、4つの組を成して支持座部32に結合された取付板331を含む。各取付板331は直立した板体であり、支持座部32のX軸方向両側と、Y軸方向両側に立設され、4つの取付板331の内側の間に標準棒測定エリア50が形成される(図7参照)。
また、標準棒20は標準棒測定エリア50の中央に下方向に向けて挿入される。
そのうち、第1レーザーヘッド341と第1光点変位センサー343がセンサーフレーム33のX軸方向両側の2つの取付板331に結合され、第1レーザーヘッド341の中心と第1光点変位センサー343の中心が左右で対向している。
また、第2レーザーヘッド342と第2光点変位センサー344がセンサーフレーム33のY軸方向両側の2つの取付板331に結合され、第2レーザーヘッド342の中心と第2光点変位センサー344の中心が前後で対向している。
そのうち、第3レーザーヘッド351と第3光点変位センサー353がセンサーフレーム33のX軸方向両側の2つの取付板331に結合され、第3レーザーヘッド351の中心と第3光点変位センサー353の中心が左右で対向している。
また、第4レーザーヘッド352と第4光点変位センサー354がセンサーフレーム33のY軸方向両側の2つの取付板331に結合され、第4レーザーヘッド352の中心と第4光点変位センサー354の中心が前後で対向している。
プライマリセンサー群34とサブセンサー群35の設置位置は上下に揃っており、プライマリセンサー群34の中心とサブセンサー群35の中心のZ軸方向に沿った長さの距離を架設距離Lと定義する。
斜め方向レーザーヘッド36は斜め方向に設けられた柱形部材で、自由端が内側上方に向かって延伸される。反射光点変位センサー37は斜め方向に設けられた柱形部材で、自由端が同様に内側上方に向かって延伸される。反射光点変位センサー37の自由端の端面に受光面371が形成され、斜め方向レーザーヘッド36の軸心線と水平面の挟角が45度であり、反射光点変位センサー37の受光面371と水平面の挟角が45度である。
工作機械10が未作動で、標準棒20とセンサーモジュール30がゼロ復帰の位置にあるとき、上述の第1レーザーヘッド341と第2レーザーヘッド342がそれぞれ射出するレーザー光は正十字で円柱形レンズ21の上側位置の中心で交差し、第3レーザーヘッド351と第4レーザーヘッド352がそれぞれ射出するレーザー光線が正十字で円柱形レンズ21下側位置の中心で交差する。
図6に示すように、斜め方向レーザーヘッド36が射出するレーザー光は反射面22の中心に照射された後、反射光点変位センサー37の受光面371中央に反射される。
続いて、図7に示すように、Z軸方向に沿って標準棒20を移動させ、器具で校正する方式で、標準棒20のZ軸方向に沿って移動した距離ΔZと反射的レーザー光が受光面371の中央から傍らに移動した距離ΔXの比を取得し、この比をゲイン値Kとする。
図4に示すように、第3レーザーヘッド351が射出したレーザー光が円柱形レンズ21の下側の位置を通過した後、第3光点変位センサー353の中央に集中され、第4レーザーヘッド352が射出するレーザー光が円柱形レンズ21の下側の位置を通過した後、第4光点変位センサー354の中央に集中される。
図5、図6に示すように、斜め方向レーザーヘッド36が射出するレーザー光が反射面22の中心に照射された後、90度の挟角で反射され、反射光点変位センサー37自由端の中央に集中される。
主軸11の位置ずれに伴って標準棒測定エリア50内における標準棒20の位置が移動すると、図7に示すように、標準棒20のZ軸方向に沿った位置の移動距離ΔZが反射面22の上下移動を生じ、反射面22で反射されたレーザー光が受光面371に照射される位置に変化が生じる。このとき、反射光点変位センサー37の受光面371は反射されたレーザー光が受光面371の中央から傍らに移動した距離ΔXを測定することができる。
測定装置のゲイン値を取得する工程:器具で前記光学式スピンドル多自由度誤差測定装置の標準棒20をセンサーモジュール30の標準棒測定エリア50の中央に配置し、続いて反射面22の高低位置を調整して、センサーモジュール30の斜め方向レーザーヘッド36が射出するレーザー光を反射面22の中心に照射させた後、反射光点変位センサー37の受光面371の中央に反射させ、続いて、器具でZ軸方向に沿って標準棒20を移動させ、器具で校正する方式で標準棒20のZ軸方向に沿って移動した距離ΔZと、反射したレーザー光が受光面371の中央から傍らに移動した距離ΔXとの比を取得し、この比をゲイン値Kとする。
1つ目の方法はセンサーモジュール30を工作機械10の主軸11下端に設置し、標準棒20を工作機械10のプラットフォーム12に設置する。この方法は動力機械のスピンドルの4つの自由度誤差、それぞれδx(θ)、δy(θ)、ΔZと角度振れ誤差(wobble,α)を測定することができる。
2つ目の方法は、標準棒20を工作機械10の主軸11下端に設置し、センサーモジュール30を工作機械10のプラットフォーム12に設置する。この方法は動力機械のスピンドルの6つの自由度誤差、それぞれδx(θ)、δy(θ)、ΔZ、εx(θ)、εy(θ)と角度振れ誤差(wobble,α)を測定することができる。
また、各種動力機械のスピンドルと回転軸の精度測定に用い、業界において高速回転する動力機械のスピンドル誤差に対して解析を行うことの普遍性を向上し、動力機械の精度または工作機械の加工精度を高めることができる。
さらに、スピンドルと回転軸の角度の誤差変化を測定でき、単純にX軸、Y軸、Z軸の移動変化のみを測定できる従来技術とは大きく異なり、動力機械の主軸と回転軸に応用する利便性が向上されておいるため、動力機械のライン上測定に広く応用でき、測定時本発明は最多で6つの自由度誤差を測定することができる。
11 主軸
12 プラットフォーム
20 標準棒
21 円柱形レンズ
22 反射面
30 センサーモジュール
31 磁性座体
32 支持座部
33 センサーフレーム
331 取付板
34 プライマリセンサー群
341 第1レーザーヘッド
342 第2レーザーヘッド
343 第1光点変位センサー
344 第2光点変位センサー
35 サブセンサー群
351 第3レーザーヘッド
352 第4レーザーヘッド
353 第3光点変位センサー
354 第4光点変位センサー
36 斜め方向レーザーヘッド
37 反射光点変位センサー
371 受光面
40 計算ユニット
50 標準棒測定エリア
A 誤差源
L 架設距離
ΔZ 距離
ΔX 距離
K ゲイン値
X1、X2 移動変化
Y1、Y2 移動変化
Claims (7)
- X軸、Y軸、Z軸を備えた動力機械に使用する光学式スピンドル多自由度誤差測定装置であって、標準棒と、前記標準棒に組み合わせるセンサーモジュールを含み、
前記標準棒が直立した棒体であり、円柱形レンズが設置され、下端に反射面が形成され、
前記センサーモジュールが磁性座体を備え、前記磁性座体上に支持座部が結合され、前記支持座部の周囲を囲む形態でセンサーフレームが結合され、前記センサーフレームの内側に標準棒測定エリアが形成され、前記標準棒測定エリアに前記標準棒が進入し、前記センサーフレームにプライマリセンサー群とサブセンサー群がZ軸方向に沿って間隔をあけて設置され、
前記プライマリセンサー群は、前記標準棒測定エリアを囲む形態で前記センサーフレームに結合され、第1レーザーヘッドと、第2レーザーヘッドと、第1光点変位センサーと、第2光点変位センサーを含み、そのうち、前記第1レーザーヘッドと前記第1光点変位センサーが前記センサーフレームのX軸方向両側に結合され、前記第2レーザーヘッドと前記第2光点変位センサーが前記センサーフレームのY軸方向両側に結合され、
前記サブセンサー群は、前記標準棒測定エリアを囲む形態で前記センサーフレームに結合され、第3レーザーヘッドと、第4レーザーヘッドと、第3光点変位センサーと、第4光点変位センサーを含み、そのうち、前記第3レーザーヘッドと前記第3光点変位センサーが前記センサーフレームのX軸方向両側に結合され、前記第4レーザーヘッドと前記第4光点変位センサーが前記センサーフレームのY軸方向両側に結合され、
前記支持座部上面の相反する両側に斜め方向レーザーヘッドと反射光点変位センサーが結合され、前記斜め方向レーザーヘッドの自由端が内側の上方に向かって延伸され、前記反射光点変位センサーの前記標準棒測定エリアに向かう一側に受光面が形成され、
前記標準棒は、前記円柱形レンズが、前記第1レーザーヘッドと前記第1光点変位センサーの間、前記第2レーザーヘッドと前記第2光点変位センサーの間、前記第3レーザーヘッドと前記第3光点変位センサーの間、及び、前記第4レーザーヘッドと前記第4光点変位センサーの間に位置し、前記反射面が、前記斜め方向レーザーヘッドの自由端から照射されたレーザー光を前記受光面に向けて反射する位置へ設置可能であることを特徴とする、光学式スピンドル多自由度誤差測定装置。 - 前記センサーフレームが、前記支持座部のX軸方向に沿った相反する両側及びY軸方向に沿った相反する両側に対を成して結合された4つの取付板を含み、前記標準棒測定エリアが4つの取付板で囲まれた内側に形成され、前記プライマリセンサー群の第1レーザーヘッド、第2レーザーヘッド、第1光点変位センサー、第2光点変位センサーは4つの取付板にそれぞれ結合され、前記サブセンサー群の第3レーザーヘッド、第4レーザーヘッド、第3光点変位センサー、第4光点変位センサーが4つの取付板にそれぞれ結合されることを特徴とする、請求項1に記載の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置。
- 前記プライマリセンサー群が前記センサーフレームの4つの取付板の上部に結合され、前記サブセンサー群が前記センサーフレームの4つの取付板の下部に結合され、前記標準棒が前記標準棒測定エリアの中央に進入したとき、前記円柱形レンズの上側部分が前記プライマリセンサーの間に位置し、前記円柱形レンズの下側部分が前記サブセンサー群の間に位置し、前記反射面の高さが前記斜め方向レーザーヘッドと前記反射光点変位センサーの高さより高く、前記斜め方向レーザーヘッドが射出するレーザー光が前記反射面の中心により反射された後、前記受光面の中央に集中されることを特徴とする、請求項2に記載の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置。
- 前記斜め方向レーザーヘッドと前記反射光点変位センサーが、対称の形態で前記標準棒測定エリアの範囲内に設置され、前記斜め方向レーザーヘッドは斜め方向に設けられた柱形部材で、前記斜め方向レーザーヘッドの軸心線と水平面の挟角が45度であり、前記反射光点変位センサーは斜め方向に設置された柱形部材で、前記受光面が前記反射光点変位センサーの自由端の端面に形成され、前記受光面と水平面の挟角が45度であることを特徴とする、請求項3に記載の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置。
- 前記第1光点変位センサー、第2光点変位センサー、第3光点変位センサー、第4光点変位センサー、反射光点変位センサーがそれぞれ、一次元光電センサー、二次元光電センサー、位置センサー、CCDセンサーまたはCMOSセンサーであることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれかに記載の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置。
- 光学式スピンドル多自由度誤差測定方法であって、
測定装置を設置する工程:請求項1の光学式スピンドル多自由度誤差測定装置を用意して、前記標準棒を動力機械のスピンドルに設置し、前記センサーモジュールを動力機械のプラットフォームに設置するとともに、前記プライマリセンサー群の中心と前記サブセンサー群の中心とのZ軸方向に沿った距離を架設距離Lと定義する工程と、
測定装置をゼロ復帰する工程:前記標準棒を前記センサーモジュールの標準棒測定エリアの中央まで移動し、前記第1レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第1光点変位センサーの中央に集中させ、前記第2レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第2光点変位センサーの中央に集中させ、前記第3レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第3光点変位センサーの中央に集中させ、前記第4レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記円柱形レンズに通過させた後、前記第4光点変位センサーの中央に集中させ、前記反射面の高さを調整し、前記斜め方向レーザーヘッドが射出するレーザー光を前記反射面の中心に照射させた後、前記反射光点変位センサーの受光面中央に反射させ、前記標準棒がZ軸方向に沿って移動する距離ΔZと前述の反射したレーザー光が前記受光面中央から傍らに移動した距離ΔXの比をゲイン値Kと定義する工程と、
スピンドルを起動して回転させ、変位データを取得する工程:動力機械のスピンドルを起動して回転させ、前記スピンドルがずれて前記標準棒を移動させたとき、前記第3光点変位センサーが前記円柱形レンズの下側位置のY軸移動変化Y1を測定し、前記第4光点変位センサーが前記円柱形レンズの下側位置のX軸移動変化X1を測定し、前記第1光点変位センサーが前記円柱形レンズの上側位置のY軸移動変化Y2を測定し、前記第2光点変位センサーが前記円柱形レンズの上側位置のX軸移動変化X2を測定し、前記反射光点変位センサーの受光面が反射したレーザー光が受光面の中央から傍らに移動した距離ΔXを測定する工程と、
スピンドルと回転軸の自由度誤差を計算して得る工程:上述の移動変化X1、Y1、X2、Y2のデータとΔXのデータを計算ユニットに伝送し、架設距離Lとゲイン値Kを以下の方程式に代入して演算し、6つの自由度の誤差を得る工程と、を含む:
- 前記測定装置を設置する工程の前に、測定装置のゲイン値を取得する工程:器具で前記標準棒を前記センサーモジュールの標準棒測定エリア中央に配置し、続いて前記反射面の高低位置を調整し、前記センサーモジュールの斜め方向レーザーヘッドが射出するレーザー光を反射面の中心に照射させた後、前記反射光点変位センサーの受光面中央に反射させ、続いて器具でZ軸方向に沿って前記標準棒を移動させ、器具による校正で前記ゲイン値Kを取得する工程を含むことを特徴とする、請求項6に記載の光学式スピンドル多自由度誤差測定方法。
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