JP2004255495A

JP2004255495A - 工作機械の運動精度測定装置

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Publication number: JP2004255495A
Application number: JP2003047456A
Authority: JP
Inventors: Kimiyuki Mitsui; 公之三井; Koichiro Iwazawa; 光一郎岩澤
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: JP3867246B2

Abstract

【課題】多軸工作機械へも適用でき、任意の運動軌跡評価が可能で、構造が簡単な工作機械の運動精度測定装置を提供する。
【解決手段】工作機械のテーブル２０へ取り付けたとき、該テーブル面から垂直なＺ軸周りに回転する第１の回転軸１を有する。第１の回転軸１に取り付けられ、Ｚ軸に直交するＹ軸周りに回転する第２の回転軸２を有する第１のリンク８を備える。第１のリンク８に取り付けられＹ軸周りに回転する第３の回転軸３を有する第２のリンク９を備える。第２のリンク９に鋼球１０を備える。工作機械の主軸１３に取り付けられる磁石式球面座１２で鋼球１０を吸着して主軸１３を移動させる。各リンク８，９は移動し、第１〜第３の回転軸１〜３は回転する。各回転軸１〜３の回転角度をロータリーエンコーダ４〜６で検出し、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動量を求める。任意の主軸の３次元移動軌跡を測定できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の運動軌跡の精度を評価するための運動精度測定装置に関し、特に、５軸、６軸等の多軸工作機械の運動精度の評価に適した運動精度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＣ（数値制御装置）工作機械の動的特性を評価する方法として、ＮＣ工作機械で実際に加工された加工物の形状寸法を測定することによって、該ＮＣ工作機械の運動精度を評価する方法、レーザ干渉計を用いて運動軌跡を測定する方法、直交する３軸方向の変位を測定できるならい測定プローブを測定面に沿って移動させ、該プローブからの信号に基づいて工作機械の運動を評価する方法等が知られている。一般的には、主軸側球面座を主軸に取り付け、テーブル側球面座をテーブルに取り付け、工作機械に円運動を行わせることにより、理想的な円運動に対する運動誤差を測定して工作機械の運動誤差を評価するダブル・ボールバー法（ＤＢＢ法）が広く用いられている。
【０００３】
さらに、変位計測センサとしてレーザ干渉測長機を３台組み込んだレーザ・ボールバー装置による任意の運動軌跡を測定可能にしたものも知られている（非特許文献１参照）。
【０００４】
又、上部プレートと下部プレート間に３本のスライダを取り付けたパラレルメカニズムを構成し、上部プレートを主軸に、下部プレートをテーブルに取り付けて工作機械の運動に伴うスライダの変位を該スライダに組み込んだ変位計で測定することにより工作機械の運動経路測定する方法も提案されている（非特許文献２参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
ＴｏｎｙＳｃｈｍｉｔｚ，ＪｏｈｎＺｉｅｇｅｒｔ，「ＤｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｐａｔｉａｌＣＮＣｃｏｎｔｏｕｒｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙ」，「ＰＲＥＣＩＳＩＯＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ」，２４（２０００），Ｐ９９−１１８
【非特許文献２】
中尾陽一，五嶋裕之，山下千明，「パラレルメカニズムを用いたマシニングセンタの運動経路測定法」，日本機械学会論文集（Ｃ編）６８巻６７６号（２００２−１２）、Ｐ．２７７−２８３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したＤＢＢ法は、機構が簡単でＮＣ工作機械の円弧補間精度を評価することが可能であることから広く用いられている。しかし、この方法は、変位測定範囲の制約が大きく、任意の工具軌跡に対する工作機械の動的特性を評価することは不可能である。
【０００７】
一方、近年、複雑で任意の曲面を有する金型加工に対応するために、数値制御の制御軸数が５軸又は６軸の多軸工作機械（特にマシニングセンタ）が増加している。この多軸工作機械は、テーブル又は主軸ユニットを相対的にＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させる直線移動軸以外にテーブル又は主軸ユニットに回転軸を備え、テーブルや主軸ユニットを旋回動作させることによって、任意曲面の加工等を行うことができるようにしたものである。
【０００８】
多軸工作機械ではテーブル又は主軸ユニットの旋回動作が直線運動に加わることにより加工精度が低下することから、多軸工作機械の運動精度を評価できる運動精度測定装置が望まれている。上述した従来から広く用いられているＤＢＢ法では、任意の工具軌跡における工作機械の動的特性を評価することができないので、多軸工作機械の運動精度の評価にこのＤＢＢ法の適用は難しい。又、上述した非特許文献１，２に記載されたレーザ・ボールバー装置やパラレルメカニズムを用いる運動精度測定装置では、レーザ干渉測長機が高価になるという欠点があり、又運動精度測定装置が複雑化することから、可動部の重量が増加して慣性が増加し、速い送り速度に対応が難しく、最近の工作機械の高速化に対応できないという難点がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、多軸工作機械への適用に適し、任意の運動軌跡評価が可能で、構造が簡単で測定の高速化にも対応できる工作機械の運動精度測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、工作機械のテーブルと主軸間に連結され工作機械の運動精度を測定する運動精度測定装置であって、取り付け面に垂直な軸周りに回転する第１の回転軸と、該第１の回転軸に取り付けられ、前記第１の回転軸に直交する軸周りに回転する第２の回転軸に取り付けられた第１のリンクと、該第１のリンクに取り付けられ前記第１の回転軸に直交する軸周りに回転する第２の回転軸に取り付けられた第２のリンクと、該第２のリンクに取り付けられ、工作機械の主軸と少なくとも異なった方向の２軸の周りに回転可能に連結する連結手段と、前記各回転軸の回転を検出するロータリーエンコーダと、該３つのロータリーエンコーダから信号に基づいて工作機械の３次元移動量を算出する演算手段とを備え、工作機械の運動精度測定を測定できるようにしたものである。又、前記第２、第３の回転軸の回転中心軸方向は同一方向でも、又は、直交する方向でもよい。さらに、前記連結手段は、球ジョイントで構成してもよく、とくに、球面座と該球面座と係合する球で構成し、前記球面座か球の少なくともいずれか一方を磁化し、互いに吸着可能に構成し、前記球面座か球の一方を前記第２のリンクに取り付け、他方を工作機械の主軸に取り付ける構成とすることにより、この連結手段に大きな負荷がかかったとき、連結手段が分離するようにした。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態の斜視図である。円筒状のベース１１内には回転自在に軸支された第１の回転軸１が保持され、該第１の回転軸１にはこの第１の回転軸１の回転角度を検出するロータリーエンコーダ４が取り付けられている。この円筒状のベース１１は工作機械のテーブル２０に取り付けられるもので、この円筒状のベース１１をテーブル２０に取り付けた際には、この第１の回転軸１は該テーブル面に対して垂直軸周りに回転するものである。この第１の回転軸方向をＺ軸方向とし、第１の回転軸１はＺ軸周りに回転するものとする。
【００１２】
第１の回転軸１の先端には、リンク固定部材７が取り付けられ該リンク固定部材７に第２の回転軸２が回転自在に軸支され、該第２の回転軸２に第１のリンク８が固定されている。この第２の回転軸２は第１の回転軸１に対して直交する方向に設けられ、かつ、この第２の回転軸２の回転角度を検出するロータリーエンコーダ５が取り付けられている。この第２の回転軸２はＺ軸に直交するＹ軸周りに回転するものである。
【００１３】
さらに、第１のリンク８の先端には、第３の回転軸３が回転自在に軸支され、該第３の回転軸３に第２のリンク９が固定されている。この第３の回転軸３も第１の回転軸１に対して直交する方向に設けられ、かつ、この第３の回転軸３の回転角度を検出するロータリーエンコーダ６が取り付けられている。この実施形態では、第２、第３の回転軸２，３は、共にその回転軸方向が同一として、Ｙ軸周りに回転するものとしている。上述したＺ軸、Ｙ軸、及び該Ｚ，Ｙ軸に直交する軸をＸ軸とし、このＸ，Ｙ，Ｚ軸で構成される座標系を運動精度測定装置座標系とする。
【００１４】
第２のリンク９の先端、すなわち第１、第２のリンク８，９で形成されたリンク機構の先端には、磁性体からなる球が取り付けられている。この実施形態では鋼球１０が取り付けられている。さらに、該鋼球１０と係合する磁化された磁石式球面座１２を備える。この鋼球１０と磁石式球面座１２とで連結部材を構成している。
【００１５】
図２は、この実施形態における電気回路計のブロック図である。各回転軸に取り付けられたロータリーエンコーダ４，５，６からのパルス出力はそれぞれカウンタ１４，１５，１６に入力され計数される。該各カウンタ１４，１５，１６の値を演算装置１７は所定サンプリング周期毎読み出し、後述するＸ，Ｙ，Ｚの各軸の移動量を算出する。この実施形態では、この演算装置１７をパーソナルコンピュータで構成している。
【００１６】
そこで、該運動精度測定装置のベース１１を工作機械のテーブル２０に取り付ける。この際、工作機械の機械座標系のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向と装置座標系のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向が合致するようにテーブル２０に取り付ける。多軸工作機械等においては通常テーブル面に垂直方向がＺ軸とされ、該Ｚ軸と直交し互いに直交する方向をＸ，Ｙ軸とされているから、運動精度測定装置のベース１１をテーブル２０に取り付けたとき、工作機械の機械座標系Ｚ軸方向と装置座標系のＺ軸方向は一致するので、残りのＸ，Ｙ方向が一致するように調整してテーブル２０に取り付ければよい。
【００１７】
次に、磁石式球面座１２の軸を工作機械の主軸１３にコレットチャック等によって取り付け、該磁石式球面座１２によっての運動精度測定装置の鋼球１０を吸着保持させる。そして、第１のリンクをＸ軸方向と一致するように、又、第２のリンクがＺ軸方向と一致するように、主軸１３のＸ，Ｙ軸位置を調整しこの姿勢を初期姿勢とする。この調整に際し、各ロータリーエンコーダから１回転に１回出力されるＺ相出力（１回転パルス信号）からの回転量を測定しておき、各軸のこの初期姿勢の回転位置を運動精度測定装置の座標系の各軸原点とし、カウンタ１４，１５，１６をリセットし、この原点からの移動量を測定するようにする。
【００１８】
工作機械を稼働させて主軸１３をテーブル２０に対して相対移動させて各ロータリーエンコーダ４，５，６で検出される各回転軸の回転角度と第１，第２のリンク長により主軸１３のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動量を求める。
【００１９】
第１のリンク８のリンク長をＬ_１、第２のリンク９のリンク長をＬ_２、ロータリーエンコーダ５で検出される第１の回転軸１（Ｚ軸周り）の回転角度をθ_１、第２の回転軸２（第１のリンク８）の回転角度をθ_２、第３の回転軸３（第１のリンク８と第２のリンク９間）の回転角度をθ_３とすると、主軸１３のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動量は次の１式の演算を行うことによって求められる。
【００２０】
【数１】

【００２１】
そこで、演算装置１７を構成するパーソナルコンピュータに上記１式の演算を行うプログラムを格納しておき、工作機械を駆動して、主軸１３で運動精度測定装置の鋼球１０を吸引し引っ張りながら移動させる。この移動に伴って第１〜第３の各回転軸１〜３が回転し、ロータリーエンコーダ４〜６からのパルスはカウンタ回路１４〜１６で計数される。この計数された値をパーソナルコンピュータ１７は所定サンプリング周期毎に検出し、各回転軸の回転角度を求め上記１式の演算を行うことによって、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動量を求め記憶し、さらにはディスプレイにその移動軌跡を表示する等の処理を行うようにする。
【００２２】
工作機械にＮＣ加工プログラムを実行させて稼働させると、主軸１３は運動精度測定装置の鋼球１０を引っ張りながら移動し、運動精度測定装置のロータリーエンコーダ４〜６で検出される各回転軸１〜３の回転角度から、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動量が求められる。運動精度測定装置の座標系のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向と工作機械の機械座標系のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向は一致していることから、測定されたＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動量は機械座標系のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動量と一致し、ＮＣ加工プログラムでの指令の移動量と対応することになる。すなわち、測定された移動量に基づく移動軌跡はＮＣ加工プログラムでの主軸１３の移動軌跡と一致し、ＮＣ加工プログラムでの指令形状に対応するものとなる。よって、測定移動量による軌跡とＮＣ加工プログラムでの指令形状を比較すれば、工作機械の運動精度を把握することができる。
【００２３】
図３は、本実施形態において、第１のリンク８のリンク長を９０ｍｍ、第２のリンク９のリンク長を６０ｍｍとしたとき、初期姿勢からの測定範囲を示したものである。Ｘ＋方向は４０ｍｍ、Ｘ−方向は２２０ｍｍ、Ｙ＋方向は１００ｍｍ、Ｙ−方向は１００ｍｍ、Ｚ＋方向は６０ｍｍとなっている。このように広い範囲の３次元領域を測定できるものである。
【００２４】
本発明の効果を見るために、本実施形態の運動精度測定装置を用いて立型マシニングセンタの運動精度測定を行った実験結果を図４に示す。この実験はＸ軸＋方向に１０ｍｍ移動し、次にＹ軸＋方向に１０ｍｍ移動し、その後Ｚ軸＋方向に１０ｍｍ移動した後、原点０に復帰する運動を、送り速度Ｆ＝１ｍ／ｍｉｎ，２ｍ／ｍｉｎ，４ｍ／ｍｉｎの３種類と各頂点でシングルブロック指令による一旦停止（位置決め指令）させる運動の４種類の運動を行わせて測定したものである。符号ａで示す実線はシングルブロック指令による一旦停止させたときの運動軌跡であり、符号ｂの破線で示す曲線は送り速度Ｆ＝１ｍ／ｍｉｎ、符号ｃで示す１点鎖線で示す曲線は送り速度Ｆ＝２ｍ／ｍｉｎ、符号ｄで示す２点鎖線で示す曲線は送り速度Ｆ＝４ｍ／ｍｉｎで運動させたものである。
【００２５】
シングルブロック指令による一旦停止（位置決め指令）の運動の測定値より、位置決めの精度が分かる。又、速度が増加するにつれて各コーナ部では主軸が近回りをして進んで行く様子が測定され、特にＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に同時に移動する場合においても、正確に測定されており、任意の運動軌跡が測定できることを示している。
【００２６】
本実施形態では、工作機械の主軸１３と本運動精度測定装置とを連結手段を鋼球１０と該鋼球１０を吸着して接続する磁石式球面座１２で構成した。これは、ＮＣプログラムミスにより、主軸１３とテーブル２０の位置関係が測定範囲を逸脱したとき、この磁石式球面座１２が鋼球１０から外れ運動精度測定装置の各リンク等に過度の負荷がかかることがないようにしたものである。なお、鋼球１０を磁石で構成して球面座１２と該磁石の鋼球１０が吸着するようにしてもよい。さらには、球面座１２を運動精度測定装置に設け鋼球１０を工作機械の主軸１３に取り付けるようにしてもよい。
【００２７】
又、運動精度測定装置としては、主軸１３がこの運動精度測定装置の第２のリンク９の先端に対して３次元に姿勢変化が可能な連結手段であればよいものであり、必ずしも、主軸側と運動精度測定装置が分離可能に構成しなくてもよいもので、この連結手段としては少なくとも方向が相違する２軸の周りに回転可能であればよく、球ジョイント、ユニバーサルジョイント、球面軸受等で構成してもよい。
【００２８】
又、上述した実施形態では、第２、第３の回転軸２，３はＹ軸周りに回転するものとしたが、この第２、第３の回転軸２，３は、Ｚ軸に直交する軸周りに回転するものであればよく、例えば、第２軸の回転軸２はＹ軸周りに回転し、第３軸の回転軸３はＸ軸周りに回転するものでもよい。
【００２９】
又、演算装置１７として上述した実施形態では、パーソナルコンピュータを用いたが、工作機械を制御するＣＮＣ（コンピュータ内蔵数値制御装置）にカウンタの出力を入力し、かつＣＮＣに上記１式の演算プログラムを設定しておき、ＣＮＣのプロセッサによって高速機械の運動を測定するようにしてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、任意の運動軌跡が測定できることから、５軸、６軸の多軸工作機械の運動軌跡の測定が可能となるものである。しかも、構造が簡単であることから、安価に製造することができ、高速化にも対応できる。又、円弧補間精度の評価のみではなく、位置決め精度の測定、運動の（３次元を含む）直進度測定、各運動軸（送り軸）間の直角度の評価など、従来は別の運動精度測定装置を使用する必要があった複数測定項目を１台の運動精度測定装置で測定し評価することを可能とするものである。
【００３１】
又、位置決め精度評価において現在広く使用されているレーザ干渉測長機では、測定が不可能ではないが、ミラーの角度調整等が難しく測定が困難であるＸ，Ｙ，Ｚ軸を同時に使用するダイアゴナル測定を、本発明では可能にし、半径が数μｍといった小さい半径の円運動測定、直角コーナー部での運動特性の測定評価など、ダブル・ボールバー法では測定不可能な項目の評価をも可能にしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の斜視図である。
【図２】同実施形態における電気回路系のブロック図である。
【図３】同実施形態における測定範囲を示す図である。
【図４】本実施形態を立型マシニングセンタに適用し、実件した実験結果を表す図である。
【符号の説明】
１第１の回転軸
２第２の回転軸
３第３の回転軸
４，５，６ロータリーエンコーダ
７リンク固定部材
８第１のリンク
９第２のリンク
１０鋼球
１１円筒状のベース
１２磁石式球面座
１３主軸
１４，１５，１６カウンタ
１７演算装置（パーソナルコンピュータ）
２０テーブル

Claims

工作機械のテーブルと主軸間に連結され工作機械の運動精度を測定する運動精度測定装置であって、
取り付け面に垂直な軸周りに回転する第１の回転軸と、
該第１の回転軸に取り付けられ、前記第１の回転軸に直交する軸周りに回転する第２の回転軸に取り付けられた第１のリンクと、
該第１のリンクに取り付けられ前記第１の回転軸に直交する軸周りに回転する第２の回転軸に取り付けられた第２のリンクと、
該第２のリンクに取り付けられ、工作機械の主軸と少なくとも異なった方向の２軸の周りに回転可能に連結する連結手段と、
前記各回転軸の回転を検出するロータリーエンコーダと、
該３つのロータリーエンコーダから信号に基づいて工作機械の３次元移動量を算出する演算手段と、
を有することを特徴とする工作機械の運動精度測定装置。
前記第２、第３の回転軸の回転中心軸方向は同一方向である請求項１に記載の工作機械の運動精度測定装置。
前記第２、第３の回転軸の回転中心軸方向は直交する請求項１に記載の工作機械の運動精度測定装置。
前記連結手段は、球ジョイントで構成されている請求項１乃至３の内いずれか１項に記載の工作機械の運動精度測定装置。
前記連結手段は、球面座と該球面座と係合する球で構成され、前記球面座か球の少なくともいずれか一方は磁化され、互いに吸着可能に構成され、前記球面座か球の一方を前記第２のリンクに取り付け、他方を工作機械の主軸に取り付ける構成とした請求項１乃至３の内いずれか１項に記載の工作機械の運動精度測定装置。