JP6757391B2

JP6757391B2 - 測定方法

Info

Publication number: JP6757391B2
Application number: JP2018216261A
Authority: JP
Inventors: 山田　智明; 智明山田; 建太神藤
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2020-09-16
Anticipated expiration: 2038-11-19
Also published as: WO2020105218A1; JP2020082231A

Description

本発明は、工作機械の機械精度についての測定方法に関する。

工作機械の機械精度を把握して適切にキャリブレーションを行うことが、高い寸法精度を伴う機械加工を行うために重要である。これに対応するため、精度が補償された四直角マスタのような基準器を用いて、工作機械の精度測定を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１０３５９９号

特許文献１に記載の測定方法では、機内に設置した基準器を、工具主軸に取り付けたセンサで測定することにより、真直度や直角度の測定を行うことができる。しかし、基準器を別途所有する必要がある上、測定の度にセンサを機内に設置する必要があり、コストや工数の面で課題を有する。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、基準器を用いずに、少ない工数かつ低コストで実施可能な工作機械の機械精度に関す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、本開示の１つの実施態様に係る測定方法は、
ワークを工作機械にセットして加工を行う工程と、
センサを前記工作機械にセットする工程と、
前記ワークの加工面の同一点を、前記センサの視野内における少なくとも２つの測定点で測定する工程と、
前記少なくとも２つの測定点における測定結果に基づいて、前記工作機械の精度を検出する工程と、
を含む。

上記の実施態様によれば、基準器を用いずに、少ない工数かつ低コストで実施可能な工作機械の機械精度に関する測定方法を提供することができる。

主軸に取り付けられたセンサを移動させて、テーブルに載置されたワークの加工面の同一点をセンサの視野内における２つの測定点で測定する工程を模式的に示す側面図であって、特に、主軸の移動方向がテーブルの載置面の基準方向に対して平行な場合を示す図である。主軸に取り付けられたセンサを移動させて、テーブルに載置されたワークの加工面の同一点をセンサの視野内における２つの測定点で測定する工程を模式的に示す側面図であって、特に、主軸の移動方向がテーブルの載置面の基準方向に対して傾斜角を有する場合を示す図である。主軸に取り付けられたセンサを回転及び移動させて、テーブルに載置されたワークの加工面の同一点をセンサの視野内における２つの測定点で測定する工程を模式的に示す側面図である。センサの視野内における３つの測定点を模式的に示した図である。工作機械のＸ、Ｙ、Ｚ軸ごとに存在する機械精度を模式的に示した図である。同一の測定点が同一視野に入るようにしながら、主軸に取り付けられたセンサを順次移動させて、Ｘ軸方向における傾斜角を求める工程を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための実施形態や実施例を説明する。なお、以下に説明する測定方法は、本開示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、本開示を以下のものに限定しない。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態や実施例に分けて示す場合があるが、異なる実施形態や実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。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、実施形態や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。

（本開示の第１の実施形態に係る測定方法）
はじめに、図１及び図２を参照しながら、工作機械の機械精度に関する本開示の第１の実施形態に係る測定方法の説明を行う。まず、図１を参照しながら、測定方法の基本的な説明を行う。図１は、主軸（工具主軸）に取り付けられたセンサを移動させて、テーブルに載置されたワークの加工面の同一点をセンサの視野内における２つの測定点で測定する工程を模式的に示す側面図である。特に、図１では、主軸がテーブルの載置面の基準方向（例えばＸ軸方向だがこれには限られない）に対して平行な方向へ移動した場合を示す。

本実施形態では、ワークＷを工作機械２のテーブル１０の載置面１０ａにセットして加工を行った後、ワークＷをテーブル１０から取り外すことなく、センサ３０を工作機械の主軸２０にセットする。ここで用いるセンサ３０としては、縞投影エリアセンサのような、三次元のプロファイルが得られる三次元センサを例示することができる。また、光学切断式センサを用いて、ライン光の長手方向に対して垂直な方向に走査することにより、三次元のプロファイルを得ることもできる。また、検出する方向によっては、画像センサのような二次元センサを用いることもできる。

何れのセンサを用いる場合も、センサ単体でのキャリブレーション（センサの測定範囲内でのキャリブレーション）が完了し、二次元の視野内の座標が校正された状態で計測を行う。
また、工作機械の基準位置（例えばテーブルの回転中心）付近でセンサの主軸に対する取り付けが校正されている状態で測定を行う。この取り付けに関する校正は基準を作るためのもので、例えばテーブル回転中心付近で視野上の２点Ｓ１、Ｓ２で同一点を測定して見かけ上の傾きを出しても良い。なお、本測定の性質上、一定の面内（測定範囲内）で精度を保証できるセンサである必要がある。

本実施形態では、工作機械２の機械精度に関する測定の一例として、主軸２０の移動方向のテーブルの載置面の基準方向に対する傾斜角度を検出する場合を例にとって説明する。本実施形態では、ワークＷをテーブル１０上に固定し、主軸２０の移動によりセンサ３０を移動させて測定を行う。図１では、主軸２０がＸ軸方向に移動する場合を示す。
ただし、これに限られるものではなく、センサ側を固定して、ワーク側を移動させることもできる。例えば、センサが取り付けられた部材は動かさずに、ワークが載置されたテーブルを移動させることもできる。更に、センサ及びワークの両方を移動させることもできる。センサ及びワークを相対的に並進移動させることができれば、任意の態様を採用することができる。

＜主軸の移動方向がテーブルの載置面の基準方向に対して平行な場合＞
図１では、センサ３０の光軸（主軸２０の軸）がテーブル１０の載置面１０ａに対して直交し、主軸２０の移動方向がテーブル１０の載置面１０ａの基準方向に対して平行になっている場合を示す。つまり、所定の機械精度が得られている場合を示す。

センサ３０を主軸２０にセットした後、測定用マークであるワークＷの加工面に設けられた点Ａを、センサ３０の視野３２内における２つの測定点Ｓ１、Ｓ２で測定する。具体的には、図１の実線で示す位置で点Ａを測定して、視野３２内に測定点Ｓ１を得た後、センサ３０が取り付けられた主軸２０を距離Ｌだけ移動させて（太矢印参照）、図１の破線で示す位置で再び点Ａを測定する。これにより、視野内に測定点Ｓ２を得る。

測定用マークとなるワークＷ上の点Ａとしては、ワークにポンチやマーキングが付けられていれば、これを用いることができる。また、機械加工でワークＷに形成された凸部、凹部、エッジ部、コーナー部等を測定用マークとして用いることもできる。

センサ３０により三次元のプロファイルが得られる場合において、測定点Ｓ１のＺ軸方向の座標Ｚ１及び測定点Ｓ２のＺ軸方向の座標Ｚ２を計測し、その偏差ΔＺ（＝Ｚ２−Ｚ１）に基づいて、主軸２０の移動方向のテーブル１０の載置面１０ａの基準方向に対する傾斜角度θを求めることができる。図１に示す場合には、偏差ΔＺ＝０となるので、主軸２０の移動方向がテーブル１０の載置面１０ａの基準方向に対して平行である（傾斜していない）と判断することができる。

＜主軸の移動方向がテーブルの載置面の基準方向に対して傾斜を有する場合＞
次に、図２を参照しながら、センサ３０の光軸はテーブル１０の載置面１０ａに対して直交し、主軸２０の移動方向がテーブル１０の載置面１００ａの基準方向に対して、角度θだけ傾斜している場合について説明する。図２は、主軸に取り付けられたセンサを移動させて、テーブルに載置されたワークの加工面の同一点をセンサの視野内における２つの測定点で測定する場合を模式的に示す側面図であって、特に、主軸の移動方向がテーブルの載置面の基準方向に対して傾斜角を有する場合を示す図である。

センサ３０を主軸２０にセットした後、図２の実線で示す位置で点Ａを測定して、視野内に測定点Ｓ１を得た後、センサ３０が取り付けられた主軸を距離Ｌだけ移動させて（太矢印参照）、図２の破線で示す位置で再び点Ａを測定する。これにより、視野内に測定点Ｓ２を得る。

センサ３０により三次元のプロファイルが得られる場合において、測定点Ｓ１のＺ軸方向の座標Ｚ１及び測定点Ｓ２のＺ軸方向の座標Ｚ２を計測し、その偏差ΔＺ（＝Ｚ２−Ｚ１）に基づいて、主軸２０の移動方向のテーブル１０の載置面１０ａの基準方向に対する傾斜角度θを求めることができる。図２に示す場合には、偏差ΔＺがゼロ以外の所定の値となるので、主軸２０の移動方向がテーブル１０の載置面１０ａの基準方向に対して平行ではない（傾斜している）と判断することができる。そして、偏差ΔＺの値に基づいて、主軸２０の移動方向のテーブル１０の載置面１０ａの基準方向に対する傾斜角度θを求めることができる。具体的には、角度θ＝ＡＲＣＳＩＮ（ΔＺ／Ｌ)で傾斜角度θを算出することができる。

以上のように、第１の実施形態においては、センサ３０及びワークＷを相対的に並進移動させることにより、ワークＷの加工面の同一点を、センサ３０の視野内における２つの測定点Ｓ１、Ｓ２で測定し、この測定結果に基づいて、工作機械２の精度として、主軸２０の移動方向のテーブル１０の載置面１０ａの基準方向に対する傾斜角度θを検出することができる。

（本開示の第２の実施形態に係る測定方法）
次に、図３を参照しながら、本開示の第２の実施形態に係る測定方法の説明を行う。図３は、主軸に取り付けられたセンサを回転及び移動させて、テーブルに載置されたワークの加工面の同一点をセンサの視野内における２つの測定点で測定する場合を模式的に示す側面図である。

上記の第１の実施形態では、センサ３０及びワークＷを相対的に並進移動させることにより、
センサ３０の視野３２内に測定点Ｓ１及び測定点Ｓ２を得て、工作機械２の精度を検出している。本実施形態では、センサ３０及びワークＷを相対的に回転移動及び並進移動させることにより、センサ３０の視野３２内に測定点Ｓ１及び測定点Ｓ１’を得て、工作機械２の精度を検出する。

センサ３０の視野３２内において、測定点Ｓ１は、センサ３０（主軸２０）の回転中心ＣＬと結ぶ線が主軸２０の移動方向に一致するように配置されている。また、測定点Ｓ１は、センサ３０の回転中心ＣＬから距離Ｍだけ離間して配置されている。
この状態において、図３の実線で示す位置で点Ａを測定して、視野内に測定点Ｓ１を得た後、センサ３０が取り付けられた主軸３２を１８０度回転させるとともに、主軸３２を距離２×Ｍだけ移動させて（太矢印参照）、図３の破線で示す位置で再び点Ａを測定する。これにより、視野内に測定点Ｓ１’を得る。

センサ３０により三次元のプロファイルが得られる場合において、測定点Ｓ１のＺ軸方向の座標Ｚ１及び測定点Ｓ１’のＺ軸方向の座標Ｚ１’を計測し、その偏差ΔＺ（＝Ｚ１’−Ｚ１）に基づいて、主軸２０の移動方向のテーブル１０の載置面１０ａの基準方向に対する傾斜角度θを求めることができる。具体的には、角度θ＝ＡＲＣＳＩＮ（ΔＺ／Ｌ)で傾斜角度θを算出することができる。
その他の点については、第１の実施形態と同様なので、更なる説明は省略する。

以上のように、上記の第１及び第２の実施形態に係る測定方法では、
センサ３０が主軸２０に取り付けられ、
ワークＷがテーブル１０に載置され、
センサ３０の視野内における２つの測定点Ｓ１、Ｓ２（Ｓ１、Ｓ１’）における測定結果の差分に基づいて、主軸２０の移動方向及びテーブル１０の載置面１０ａの基準方向に対する傾斜角θを検出することができる。

これにより、基準器等を工作機械２の機内に設置することなく、加工したワークＷを用いて、少ない工数で確実に傾斜に関する精度を測定することができる。

特に、センサ３０及びワークＷを相対的に並進移動させることにより、ワークＷの加工面の同一点Ｐを、センサ３０の視野３２内における少なくとも２つの測定点Ｓ１、Ｓ２で測定して、工作機械２の精度を検出することができる（第１の実施形態）。更に、センサ３０及びワークＷを相対的に回転及び並進移動させることにより、ワークＷの加工面の同一点Ｐを、センサ３０の視野３２内における少なくとも２つの測定点Ｓ１、Ｓ１’で測定して、工作機械２の精度を検出することができる（第２の実施形態）。何れにおいても、工作機械２の機能を有効利用して、工作機械２の精度を効率的に検出することができる。

また、センサ３０及びワークＷを相対的に回転移動及び並進移動させることにより、ワークＷの加工面の同一点を、センサ３０の視野内における少なくとも２つの測定点で測定することにより、工作機械２の精度を検出することができる。この場合においても、工作機械２の機能を有効利用して、工作機械２の精度を効率的に検出することができる。
特に、２つの測定点の偏差に基づいて並進移動における誤差を検出し、２つの測定点の和に基づいて回転移動における誤差を検出することができるので、回転移動誤差及び並進移動誤差の分離推定が容易になる。
なお、ここではセンサ３０を取り付けた主軸２０を回転させているが、これに限られるものではなく、テーブル１０側を回転させることもできる。このとき、研削により平面に加工されたワークＷの表面は、テーブル１０ではなく、主軸２０の移動方向に沿って加工されている。このため、テーブル１０の１８０°回転により、ワークＷの表面は逆方向に傾斜することとなり、基準器を使った場合より高感度でＸ軸の傾斜を検出することができる。

上記においては、主軸２０の移動方向の傾斜角度θの検出を例にとって説明したが、検出する機械精度はこれに限られるものではない。例えば、ワークＷの加工面の同一点Ｐを、センサ３０の視野３２内における少なくとも２つの測定点Ｓ１、Ｓ２で測定して、センサ３０の光軸（主軸２０の軸）のテーブル１０の載置面１０ａに対する傾斜角度を検出することもできる。具体的には、測定点２の座標と、センサ３０の光軸（主軸２０の軸）がテーブル１０の載置面１０ａに対して直交している場合の座標との偏差に基づいて、センサ３０の光軸（主軸２０の軸）の傾斜角度を求めることができる。

（本開示の第３の実施形態に係る測定方法）
次に、図４を参照しながら、本開示の第３の実施形態に係る測定方法の説明を行う。図４は、
センサの視野内における３つの測定点を模式的に示した図である。
上記の第１または第２の実施形態に係る測定方法を、Ｘ軸方向だけでなく、Ｙ軸方向にも行うことにより、図４に示すようなセンサの視野内における３つの測定点Ｔ１〜Ｔ３を得ることができる。これにより、センサ３０の視野３２内における２つの測定点における測定結果の差分に基づいて、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における主軸２０の移動方向のテーブル１０の載置面１０ａの基準方向に対する傾斜角θを検出することができる。同様に、センサ３０の光軸（主軸２０の軸）のテーブル１０の載置面１０ａに対する傾斜角度を検出することもできる。

（本開示の第４の実施形態に係る測定方法）
本開示の第４の実施形態に係る測定方法では、センサ３０及びワークＷを相対的に回転移動させて、ワークＷの加工面の同一点を、センサの視野内における少なくとも２つの測定点で測定する。この測定方法を用いて、機械精度として、例えば、センサ３０の光軸（主軸２０の軸）のテーブル１０の載置面１０ａに対する傾斜角度を検出することができる。

センサ３０及びワークＷを相対的に３６０度回転移動させた場合、仮に、センサ３０（主軸２０）の回転軸がテーブル１０の載置面１０ａに対して垂直であれば、視野３２上の点のワークＷへの投影像は真円を描くことになる。一方、仮に、センサ３０（主軸２０）の回転軸がテーブル１０の載置面１０ａに対して傾斜している場合には、上記の真円の投影像に対して偏差が生じる。よって、この偏差に基づいて、センサ３０（主軸２０）の回転軸、つまりセンサ３０の光軸（主軸２０の軸）のテーブル１０の載置面１０ａに対する傾斜角度を求めることができる。少なくとも、ワーク上の３点で測定を行えば、センサ３０（主軸２０）の回転軸のテーブル１０の載置面１０ａに対する傾斜角度を求めることができる。

また、センサ３０でワーク上の点Ａを測定して、視野３２内に測定点Ｓ１を得た後、センサ３０を所定の角度だけ回転させる。そして、センサ３０（主軸２０）の回転軸ＣＬがテーブル１０の載置面１０ａに対して垂直な場合に、回転後の測定点Ｓ１’が点Ａの位置に戻るような移動量でセンサ３０移動させる。このとき、得られた測定点Ｓ１及びＳ１’の間の座標の偏差に基づいて、センサ３０の光軸の傾斜角度を求めることができる。ワークＷの加工面の同一点Ａを、センサ３０の視野内における少なくとも３つの測定点（３つの回転角度）で測定することにより、センサ３０の光軸のテーブル１０の載置面１０ａに対する傾斜角度を求めることができる。

テーブル１０
（本開示の第５の実施形態に係る測定方法）
次に、図５及び図６を参照しながら、本開示の第５の実施形態に係る測定方法の説明を行う。図５は、工作機械のＸ、Ｙ、Ｚ軸ごとに存在する機械精度を模式的に示した図である。図６は、同一の測定点が同一視野に入るようにしながら、主軸に取り付けられたセンサを順次移動させて、Ｘ軸方向における傾斜角を求める工程を示す図である。

図５に示すように、工作機械２の機械精度として、各軸ごとに、軸方向における位置、水平方向の真直度、垂直方向の真直度、軸周りのローリング、ヨーイング及びピッチングがある。更に、各軸間の直角度（ＸＹ軸、ＸＺ軸及びＹＺ軸間の直角度）がある。よって、工作機械２の機械精度として、６要素×３軸＋３要素（軸間）＝２１個の要素がある。
これらの機械精度の各要素は、ワークＷ上の所定の箇所を基準にすることにより、上記の実施形態で説明した測定方法を用いて算出することができる。

上記の要素を求めるため、図６に示すように、同一の測定点が同一視野に入るようにしながら、主軸２０に取り付けられたセンサ３０を順次移動させて、Ｘ軸方向における傾斜角を求めるステップを繰り返す。つまり、視野内の精度を頼りに、全体の測定を尺取り虫状につないでいく所謂逐次三点法を採用することができる。図６では、視野内の測定点のうち、少なくとも２点を視野内の同一の位置で測定するように、ステップ１からステップ２を行ったところを示す。

例えば、視野の２／３（以下２／３ＦＯＶ)の距離だけ離間した測定マークＴ１、Ｔ２がある場合（ステップ１参照）に、ステージを２／３ＦＯＶずつ動かして、ステップ２では、測定マークＴ２がステップ１における測定マークＴ１の位置に来るようにして測定する。このように、予めキャリブレーションされた視野内で同じ点を２か所で測ることによって、センサ３０の精度を尺取虫状につないでいき、ワークＷ全体の測定を行うことができる。

このとき、ワークＷには、センサ３０の視野内に複数入る間隔で多数の測定用マークを作り込む必要がある。例えば、ワークＷがラックアンドピニオンのラックであれば、ラックの長手方向に沿って、多数の測定用マークを得ることができる。この共通のマークを仲介として、長ストロークの相対座標変化を検出することができる。
これをＸ軸だけでなく、Ｙ軸方向に行うことにより、上記の機械精度の各要素を検出することができ、適正なキャリブレーションを行うことができる。なお、測定に用いるワークＷの形状としては、測定用マークとしての点が特定できる形状が望ましいので、多面錐体、円錐、凸球、凹球の一部が好ましいといえる。

上記の実施形態においては、センサ３０を工作機械２の主軸２０に取り付ける場合を例にして説明したが、これに限られるものではない。センサ３０をワークＷに対して相対的に移動可能であれば、センサ３０を工作機械２のその他の任意の部材に取り付けることができる。

以上のように、上記の実施形態に係る測定方法では、
ワークＷを工作機械２にセットして加工を行う工程と、
センサ３０を工作機械２にセットする工程と、
ワークＷの加工面の同一点を、センサ３０の視野内における少なくとも２つの測定点で測定する工程と、
少なくとも２つの測定点における測定結果に基づいて、工作機械２の精度を検出する工程と、
を含む。

これにより、基準器等を工作機械２の機内に設置することなく、加工したワークＷを用いて、工作機械２の精度を測定するので、少ない工数かつ低コストで工作機械の精度の測定を行うことができる。特に、ワークの加工面の同一点を、センサの視野内における少なくとも２つの測定点で測定することにより、効率的に確実に工作機械の精度を測定することができる。
基準器は、毎年検定が必要であり、１回の検定に多額の費用がかかる。また、何かの事故で変形してしまうと、使用不能な状態に陥る。また、基準器が基準として使えるのは、温度条件が一定（例えば、２０℃±０．５℃）である必要があり、工作機上で使用するのが困難な場合もある。よって、基準器を用いないことにより、大きな利点がもたらされる。

センサ３０が光学切断式センサであっても、ライン光の長手方向に対して垂直な方向に走査することにより、三次元のプロファイルを得ることもできる。
また、センサ３０として、縞投影エリアセンサのような三次元センサを用いる場合には、より短かい時間で測定を完了することが期待できる。

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。

２工作機械
１０テーブル
１０ａ載置面
３０センサ
３２視野
Ｗワーク

Claims

ワークを工作機械にセットして加工を行う工程と、
センサを前記工作機械の加工に用いる機械構成体にセットする工程と、
前記加工を行う工程で形成された前記ワークの加工面の同一点を、前記センサの視野内における少なくとも２つの測定点で測定する工程と、
前記少なくとも２つの測定点における測定結果に基づいて、前記工作機械の精度を検出する工程と、
を含むことを特徴とする工作機械の精度の測定方法。
前記センサ及び前記ワークを相対的に並進移動させることにより、前記ワークの加工面の同一点を、前記センサの視野内における少なくとも２つの測定点で測定することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の精度の測定方法。
前記センサ及び前記ワークを相対的に回転移動及び並進移動させることにより、前記ワークの加工面の同一点を、前記センサの視野内における少なくとも２つの測定点で測定することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の精度の測定方法。
前記センサが光学切断式センサであることを特徴とする請求項１から３の何れか1項に記載の工作機械の精度の測定方法。
前記センサが縞投影エリアセンサであることを特徴とする請求項１から３の何れか1項に記載の工作機械の精度の測定方法。
前記センサが主軸に取り付けられ、
前記ワークがテーブルに載置され、
前記センサの視野内における２つの測定点における測定結果の差分に基づいて、前記主軸の移動方向及び前記テーブルの載置面の基準方向に対する傾斜角を検出することを特徴とする請求項４または５に記載の工作機械の精度の測定方法。
予めキャリブレーションされた前記センサを用いて、少なくとも２点を視野内の同一の位置で測定する工程を繰り返して、前記ワークの全体を測定することを特徴とする請求項１から６の何れか1項に記載の工作機械の精度の測定方法。