JP6589018B1 - 測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械上での被測定物の測定において、温度ならしを省略して、加工後速やかに被測定物の測定を開始でき、作業効率の低下を効果的に抑制できる測定方法を提供する。【解決手段】工作機に取り付けられたセンサ３０を用いて工作機上の被測定物Ｗを測定する方法であって、取り付けられたセンサのオフセット量を取得する工程を所定の時機に複数回行い、複数回の工程で取得されたオフセット量に基づいて測定結果を補正する。【選択図】図２

Description

本発明は、被測定物を測定する方法、特に、工作機上の被測定物を測定する方法に関する。

工作機械により加工された工作物を測定するには、工作物を工作機械から取り外して、別の測定装置に取り付けて測定を行うのが一般的である。その場合、工作物の取り外し、取り付けのために多くの時間と工数がかかり、また測定装置への取り付け時において、取り付け誤差が生じる可能性もある。このような問題に対処するため、工作物が工作機械に取り付けられた状態で、工作機械内で工作物の測定を行う測定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２５７３０２号

特許文献１に記載の測定方法では、工作機械の主軸にセンサを取り付けて、工作機械に取り付けられたままの被測定物（工作物）を測定することができる。この場合、測定を開始する前に、基準球等を用いて、主軸に取り付けられたセンサの３次元のオフセット量を取得し、取得されたオフセット量を用いて工作物の測定を行う。

しかし、加工後の工作機械は高温であり、取り付けられたセンサの３次元オフセットを十分な精度で計測するには、温度的に平衡させる、所謂温度ならしのための時間を要する。この温度ならしには長時間を要するため、作業効率が低下する。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、工作機械上での被測定物の測定において、温度ならしを省略して、加工後速やかに被測定物の測定を開始でき、作業効率の低下を効果的に抑制できる測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の１つの実施態様に係る測定方法では、
工作機に取り付けられたセンサを用いて前記工作機上の被測定物を測定する方法であって、
取り付けられた前記センサのオフセット量を取得する工程を所定の時機に複数回行い、該複数回の工程で取得された前記オフセット量に基づいて測定結果を補正する。

上記の実施態様によれば、温度ならしを省略して、加工後速やかに被測定物の測定を開始でき、作業効率の低下を効果的に抑制できる測定方法を提供することができる。

本発明の１つの実施形態に係る測定方法を示すフローチャートである。 センサのオフセット量を取得する方法の一例を模式的に示す斜視図である。 本発明のその他の実施形態に係る測定方法を示すタイムチャートである。 本発明のその他の実施形態に係る測定方法を示すタイムチャートである。 図４Ａに示すタイミングで取得されたオフセット量を補間することにより、計測時点での予想オフセット量を算出する例を示すグラフである。 取得されたオフセット量を補間して、時間及び予想オフセット量の相関を定めるその他の例を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。

後述の実施形態や実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、各実施形態、実施例ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。

（１つの実施形態に係る測定方法）
始めに、図１を参照しながら、本発明に係る測定方法の概要を説明する。図１は、本発明の１つの実施形態に係る測定方法を示すフローチャートである。
本実施形態に係る測定方法は、工作機に取り付けられたセンサを用いて、工作機上の被測定物を測定する方法である。工作機で加工された工作物（被測定物）を、工作機械から取り外して、他の測定装置に取り付けることなく、そのまま、工作機械に被測定物を取り付けたまま、工作機に取り付けられたセンサを用いて測定することができる。

被測定物の測定には、センサにより取得したローカル座標をワールド座標に変換する必要がある。ローカル座標とは、センサを基準とした相対的な座標である。ワールド座標は、センサが取り付けられた工作機械が存在する空間の絶対的な座標である。センサを工作機械の所定の部材、例えば主軸に取り付けるごとに、センサの主軸に対する相対的な位置、姿勢は一定ではない。

よって、通常、測定開始前に、センサの取り付けの基準位置からのオフセット量を測定して、センサが測定したローカル座標の測定値をワールド座標に変換するとき、オフセット分を補正する必要がある。このことを、キャリブレーションとも称する。
一方、加工後の工作機械は高温であり、工作機械に取り付けられたセンサのオフセット量を十分な精度で計測するには、温度ならしのための時間を要する。この温度ならしには長時間を要するため、測定開始まで長いアイドル期間が生じて作業効率が低下する。

そこで、本実施形態においては、取り付けられたセンサのオフセット量を取得する工程を所定の時機に複数回行い、複数回の工程で取得されたオフセット量に基づいて測定結果を補正するようになっている。ここでいうセンサのオフセット量とは、３次元のオフセット量、つまりセンサの位置及び傾き（角度）に関するオフセット量を意味する。具体的には、図２に示すような、６つの自由度：Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向、並びに各軸周りの回転方向であるＡ方向、Ｂ方向及びＣ方向に関するオフセット量である。
また、ここでいう測定結果とは、最終的な測定結果のみではなく、最終測定結果に影響を及ぼすデータの変形または操作を含んでいる。

図１の例では、機械加工終了後、下記のように、オフセット量を取得する工程と、被測定物の測定を交互に行っている。つまり、１回目のオフセット量取得工程１、1回目の測定１、２回目のオフセット量取得工程２、２回目の測定２、３回目のオフセット量取得工程３、及び３回目の測定３を順に行う。

このとき、1回目の測定１では、少なくとも1回目のオフセット量取得工程１で取得したオフセット量を用いた補正を行って、ワールド座標に変換する。同様に、２回目の測定２では、少なくとも２回目のオフセット量取得工程２で取得したオフセット量を用いた補正を行って、ワールド座標に変換する。３回目の測定３では、少なくとも３回目のオフセット量取得工程３で取得したオフセット量を用いた補正を行って、ワールド座標に変換する。
更に、２回目の測定２では、１回目及び２回目のオフセット量取得工程１、２で取得したオフセット量を用いた補正を行って、ワールド座標に変換することもできるし、３回目の測定では、１回から３回目までのオフセット量取得工程１〜３で取得したオフセット量を用いた補正を行って、ワールド座標に変換することもできる。

以上のように、本実施形態では、センサのオフセット量を取得する工程を複数回行い、複数回の工程で取得されたオフセット量に基づいて測定結果を補正するので、温度ならしを省略して、加工後速やかに被測定物の測定を開始でき、作業効率の低下を効果的に抑制できる。

センサのオフセット量を取得する工程を行う時機については、例えば、工作機に備えられた温度センサの測定値に基づいて定めることが好ましい。加工で高温になった工作機械が定常温度に戻るまでの温度変化に応じて、センサのシフト量も変化する可能性がある。
よって、温度センサの測定値に基づいてセンサのオフセット量を取得する工程を行う時機を定めることにより、工作機械の温度変化に応じた最適な時機におけるオフセット量の取得が実現できる。

（オフセット量を取得する方法）
次に、図２を参照しながら、センサのオフセット量を取得する方法の一例を説明する。図２は、センサのオフセット量を取得する方法の一例を模式的に示す斜視図である。なお、図２に、物体が移動する６つの自由度：Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向、並びに各軸周りの回転方向であるＡ方向、Ｂ方向及びＣ方向を矢印で示す。

図２に示す例では、工作機の工具主軸１０に取り付けられたセンサ３０を用いて、工作機の加工テーブル２０上に取り付けられた被測定物Ｗを測定する場合を示す。つまり、工具主軸１０に工具を取り付けて工作物を加工後、工具主軸１０から工具を取り外して、代わりに、工具ホルダを介してセンサ３０を取り付けた場合に該当する。ここでは、非接触式のセンサ３０を取り付けた場合を示すが、これに限られるものではなく、接触式のセンサを用いた場合もあり得る。

上記のように、加工後、高温になった工作機械が温度的に平衡になるのを待たず、速やかに被測定物Ｗの測定を開始する。このとき、取り付けられたセンサ３０のオフセット量を取得する工程を所定の時機に複数回行い、この複数回の工程で取得されたオフセット量に基づいて測定結果を補正する。

センサ３０が取り付けられた工具主軸１０は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の任意の方向に移動可能であり、工具主軸１０の軸周りを回転可能になっている。例えば、軸がＺ軸方向に延びている場合、センサ３０は、Ｚ軸周りのＣ軸方向に回転可能である。被測定物Ｗが取り付けられた加工テーブル２０は、Ｚ軸周りのＣ軸方向に回転可能になっている。

図２では、形状及び寸法が既知の基準球４０Ａまたは４０Ｂを用いて、オフセット量を取得する工程を示す。基準球４０Ａ、４０Ｂは、ベース部４２から所定の長さの軸部４４が伸び、その先端に球部４６が取り付けられた構造を有する。基準球４０Ａが被測定物Ｗに上に取り付けられ、基準球４０Ｂが加工テーブル２０の上に取り付けられている。

実際には、基準球４０Ａまたは４０Ｂのどちらか一方のみが取り付けられている場合もあり得るし、両方が取り付けられている場合もあり得る。本測定方法では、取り付けられたセンサ３０のオフセット量を取得する工程を所定の時機に複数回行うが、基準球４０Ａ、４０Ｂの２つの基準球のうち、時機に応じて用いる基準球を異ならせることもあり得る。なお、これに関する詳細な説明は後述する。

センサのオフセット量を取得する工程では、以下の手順でオフセット量を取得する。例えば、工具主軸１０を駆動して、センサ３０及び基準球４０Ａ（または４０Ｂ）を相対的に移動させ、移動前後で、センサ３０により基準球４０Ａ（または４０Ｂ）を測定する。このようにして、センサ３０により、異なる方向から基準球４０Ａ（または４０Ｂ）を複数回測定することにより、オフセット量を算出することができる。例えば、基準球４０Ａ（または４０Ｂ）の測定により、球部４６の中心位置の座標を算出し、各測定から算出した座標の差から、オフセット方向及びオフセット量を取得することができる。

センサ３０としては、レーザ式変位センサ、光学切断式センサ、位相シフト式センサ、画像センサ等を例示することができる。センサ３０の種類、及び６つの自由度のうちオフセット量を取得する必要がある方向に基づいて、必要な回数だけ、センサ３０及び基準球４０Ａを相対的に移動させて測定を行う。基準球を用いたオフセット量の取得方法については、既知の任意の方法を採用することができる。

なお、オフセット量の取得に当たり、工具主軸１０ではなく、加工テーブル２０を駆動して、センサ３０及び基準球４０Ａを相対的に移動させることもできるし、工具主軸１０及び加工テーブル２０の両方を駆動して、センサ３０及び基準球４０Ａを相対的に移動させることもできる。

センサ３０が工具主軸１０に取り付けられた場合だけでなく、センサ３０が工作機械のその他の主軸、テーブル等に取り付けられる場合もあり得る。更に、センサ３０を移動しない部材に取り付けることもあり得る。例えば、画像センサを加工テーブル２０の上方の所定位置に固定して、加工テーブル２０に取り付けられた被測定物Ｗを測定する場合もあり得る。この場合、加工テーブル２０を回転させることにより、センサ３０及び基準球４０Ａを相対的に移動させることができる。更に、基準球を用いずに、被測定物Ｗ自体の所定箇所（例えば、突起部や穴部）を用いて、オフセット量を取得することもできる。

（その他の実施形態に係る測定方法）
次に、図３を参照しながら、本発明のその他の実施形態に係る測定方法の説明を行う。図３は、本発明のその他の実施形態に係る測定方法を示すタイムチャートである。
図３に示す測定方法においては、測定開始時、測定期間中、及び測定終了時にオフセット量を取得する工程を行うようになっている。なお、測定期間中に実施するオフセット量を取得する工程の回数については、図３では２回の工程が示されているが、これに限られるものではなく、測定内容や工作機械の状態等に応じて、任意の回数を設定することができる。

以上のように、本実施形態では、オフセット量を取得する工程を、測定開始時、測定期間中及び測定終了時に行うので、より精度の高い予想オフセット量を算出でき、より精度の高い測定結果が期待できる。

更に、測定開始時の工程でオフセット量を取得する項目と、それ以降の工程でオフセット量を取得する項目を異ならせることもできる。
例えば、測定開始時には、工作機械に取り付けられたセンサについて、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、Ｂ軸及びＣ軸方向の６自由度について、オフセット量を取得するが、それ以降の工程においては、主に温度変化によるオフセット量の変化を捉えるため、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の３自由度について、オフセット量を取得することが考えられる。

測定開始時の工程でオフセット量を取得する項目と、それ以降の工程でオフセット量を取得する項目を異ならせるその他の例として、以下が考えられる。
図２に示すように、被測定物W上に取り付けられた基準球４０Ａを用いてオフセット量を取得する場合、任意の方向のオフセット量を確実に取得するには、軸部４４の長さを長く取って、球部４６を高い位置に配置することが好ましい。一方、その場合、被測定物Wを測定するために、工具主軸１０及びセンサ３０を移動させたとき、基準球４０Ａと干渉する可能性がある。

これに対処するため、例えば、以下の手順が考えられる。測定開始時には、被測定物Ｗ上に取り付けられた基準球４０Ａを用いて、センサ３０の任意の方向のオフセット量を取得する。それ以降の工程では、工具主軸１０やセンサ３０との干渉の可能性が低い場所に設置された基準球、例えば、加工テーブル２０上に取り付けられた基準球４０Ｂを用いて、センサ３０の限定された方向のオフセット量を取得する。更に、２回目降の工程では、基準球を用いずに、センサ３０で被測定物Ｗの突起部や穴部等を測定することにより、オフセット量を取得することも考えられる。このことは、測定開始時の工程及びそれ以降の工程で、オフセット量を取得する項目を異ならせるとともに、測定開始時の工程及びそれ以降の工程で、測定のやり方を異ならせると言うこともできる。

以上のように、測定開始時の工程でオフセット量を取得する項目と、それ以降の工程でオフセット量を取得する項目とを異ならせることにより、必要な測定精度に応じた効率的な測定を実現できる。

（取得したオフセット量の補間）
次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照しながら、取得されたオフセット量を補間することにより、計測時点での予想オフセット量を算出する例を説明する。図４Ａは、本発明のその他の実施形態に係る測定方法を示すタイムチャートである。図４Ｂは、図４Ａに示すタイミングで取得されたオフセット量を補間することにより、計測時点での予想オフセット量を算出する例を示すグラフである。

図４Ａのタイムチャートでは、1回目のオフセット量取得工程１及び２回目のオフセット量取得工程２の間に、被測定物Ｗを２回測定した場合を示す。２回の測定のうち、１回目の測定１ａは、1回目のオフセット量取得工程１から時間ｔが経過した時点で行われる。２回目の測定１ｂは、１回目の測定１ａから時間ｔが経過した時点で行われる。そして、２回目のオフセット量取得工程２は、２回目の測定１ｂから時間ｔが経過した時点で行われる。

図４Ｂのグラフは、1回目のオフセット量取得工程１及び２回目のオフセット量取得工程２の間を線形に補間した場合の時間及び予想オフセット量の相関を示す。1回目のオフセット量取得工程１で取得したオフセット量をＡ１、２回目のオフセット量取得工程２取得したオフセット量をＡ２とすれば、１回目の測定１ａ及び２回目の測定１ｂのタイミングにおける予想オフセット量は、以下のように算出できる。
− １回目の測定１ａのオフセット量＝２／３×Ａ１＋１／３×Ａ２
− ２回目の測定１ｂのオフセット量＝１／３×Ａ１＋２／３×Ａ２

以上のように、複数のオフセット量を補間することにより、効率的に適確に予想オフセット量を算出することができる。特に、図４Ｂに示す例のように、測定前及び測定後に取得したオフセット量を補間することにより、より正確な予想オフセット量を得ることが期待できる。

（時間及び予想オフセット量の相関）
次に、図５を参照しながら、取得された複数のオフセット量に基づいて、時間及び予想オフセット量の相関を定め、この相関に基づいて測定結果を補正するその他の例を説明する。図５は、取得されたオフセット量を補間して、時間及び予想オフセット量の相関を定めるその他の例を示すグラフである。

図５では、取得された４つのオフセット量に基づいて、時間及び予想オフセット量の相関を示す近似曲線を形成した場合を示す。近似曲線を形成するには、最小二乗法をはじめとする、既知の任意の手法を用いることができる。近似曲線として、放物線、ベジエ曲線をはじめとするｎ次曲線、円、楕円、双曲線、三角関数による曲線等の任意の曲線を用いることができる。

以上のように、取得された複数のオフセット量に基づいて、時間及び予想オフセット量の相関を定め、この相関に基づいて測定結果を補正する場合、以下のようなやり方で測定値を補正することができる。
例えば、測定終了後に、取得した全てのオフセット量を用いて相関を定めて、まとめて各測定値を補正することができる。一方、各測定時におけるオフセット量を算出して、その都度測定値を補正することもできる。

各測定時におけるオフセット量の推定は、直近に取得したオフセット量を用いて推定をすることもできるし、測定時にそれまでに取得した全てオフセット量、またはそれまでに取得したオフセット量の一部を用いて推定をすることもできる。
更に、ある時点までに取得したオフセット量を用いて相関を定め、その相関（近似直線または近似曲線）を時間的に延長させて、予想オフセット量を算出することもできる。

以上のように、取得された複数のオフセット量に基づいて、時間及び予想オフセット量の相関を定め、この相関に基づいて測定結果を補正することにより、効率的に適確に予想オフセット量を算出して、正確な被測定物の測定が期待できる。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

１０ 工具主軸
２０ 加工テーブル
３０ センサ
４０Ａ、Ｂ 基準球
Ｗ 被測定物

Claims (4)

1. 工作機に取り付けられたセンサを用いて前記工作機上の被測定物を測定する方法であって、
   取り付けられた前記センサのオフセット量を取得する工程を所定の時機に複数回行い、該複数回の工程で取得された前記オフセット量に基づいて測定結果を補正し、
   前記オフセット量を取得する工程を、少なくとも測定開始時及び測定期間中に行い、
   測定開始時の前記工程で前記オフセット量を取得する項目と、それ以降の前記工程で前記オフセット量を取得する項目とが異なることを特徴とする測定方法。
   
2. 取得された複数の前記オフセット量を補間することにより、計測時点での予想オフセット量を算出して測定結果を補正することを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
   
3. 取得された複数の前記オフセット量に基づいて、時間及び予想オフセット量の相関を定め、該相関に基づいて測定結果を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の測定方法。
   
4. 前記工作機に備えられた温度センサの測定値に基づいて、前記工程を実施する時機を定めることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の測定方法。

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