JP2012002715A - 産業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】使用する環境の温度変化や、経時変化などの影響があっても適切に空間精度補正をすることができる産業機械の提供。
【解決手段】産業機械としての三次元測定機１は、ガイド部２１２と、コラム２２１とで構成され、Ｙ軸方向に沿って移動する移動機構と、コラム２２１の角度を検出する２軸角度計３２と、移動機構を制御する制御装置４とを備える。制御装置４は、角度誤差取得部４２と、パラメータ生成部４３と、補正部４４とを備える。角度誤差取得部４２は、コラム２２１を移動させたときに２軸角度計３２にて検出される角度に基づいて、コラム２２１の位置に対するコラム２２１の角度誤差を取得する。パラメータ生成部４３は、角度誤差取得部４２にて取得されるコラム２２１の角度誤差をコラム２２１の位置で積分することで真直度補正パラメータを生成する。補正部４４は、パラメータ生成部４３にて生成される真直度補正パラメータに基づいて、移動機構の運動誤差を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業機械に関する。

従来、所定の軸方向に沿って移動する移動機構と、移動機構を制御する制御装置とを備える測定機、工作機械、及びロボットなどの産業機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の位置測定装置（産業機械）は、基準面を有する基礎と、基準面と平行な所定の軸方向に沿って移動する移動手段（移動機構）と、位置座標算出手段（制御装置）とを備えている。

また、特許文献１に記載の位置測定装置では、位置測定装置のキネマティックモデルを用いることによって、位置測定装置の運動誤差を幾何学的な要因に基づく誤差（以下、幾何学誤差とする）ごとに分類し、位置測定装置の製造時に各幾何学誤差を予め測定して各幾何学誤差の補正パラメータを算出している。そして、位置測定装置は、各幾何学誤差の補正パラメータと、位置測定装置のキネマティックモデルとに基づいて、運動誤差を補正（以下、空間精度補正とする）することで測定精度を向上させている。
しかしながら、位置測定装置を使用する環境の温度変化や、位置測定装置の経時変化などの影響で各幾何学誤差は変化してしまうので、位置測定装置の製造時に各幾何学誤差を予め測定して各幾何学誤差の補正パラメータを算出しても適切に空間精度補正をすることができない場合がある。これは、各幾何学誤差の変化を考慮していないためである。

そこで、特許文献１に記載の位置測定装置では、基準面、及び移動手段に２軸角度水準器をそれぞれ取り付けることによって、各幾何学誤差のうち、ローリング誤差、及びピッチング誤差を再測定している。そして、再度、空間精度補正をすることによって、ローリング誤差、及びピッチング誤差の変化を考慮した適切な空間精度補正をすることができる。なお、ローリング誤差は、移動手段の運動方向に沿う軸回りにおける移動手段の角度誤差である。また、ピッチング誤差は、移動手段の運動方向に沿う軸と直交するとともに、基準面と平行な軸回りにおける移動手段の角度誤差である。

特開２００２−２５７５３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の位置測定装置では、各幾何学誤差のうち、真直度誤差を再測定していないので、真直度誤差に起因する運動誤差を適切に補正することができないという問題がある。すなわち、真直度誤差の変化を考慮した適切な空間精度補正をすることができないという問題がある。
これに対して、例えば、位置測定装置を使用する環境に高価な空調設備を導入したり、移動手段の剛性を高くしたりすることによって、位置測定装置を使用する環境の温度変化や、位置測定装置の経時変化などの影響による真直度誤差の変化を抑制することが考えられるが、製造コストや、ランニングコストが増加するという問題がある。

また、例えば、石材などからなるベースに移動機構を取り付ける場合には、ベースを厚くすることによって、真直度誤差の変化を抑制することが考えられる。しかしながら、コンクリートからなる床面などの基礎に移動機構を取り付ける場合には、真直度誤差の変化を抑制することができないという問題がある。
さらに、例えば、直定規や、レーザ測長機などを用いることで真直度誤差を再測定して真直度誤差の補正パラメータ（以下、真直度補正パラメータとする）を新たに算出することも考えられる。しかしながら、直定規や、レーザ測長機などを用いなければならないので、空間精度補正にかかるコストや作業時間が増加するという問題がある。

本発明の目的は、使用する環境の温度変化や、経時変化などの影響があっても適切に空間精度補正をすることができる産業機械を提供することにある。

本発明の産業機械は、所定の軸方向に沿って移動する移動機構と、前記移動機構を制御する制御装置とを備える産業機械であって、前記所定の軸方向と直交する軸回りにおける前記移動機構の角度を検出する角度検出手段を備え、前記制御装置は、前記移動機構を移動させたときに前記角度検出手段にて検出される角度に基づいて、前記移動機構の位置に対する前記移動機構の角度誤差を取得する角度誤差取得部と、前記角度誤差取得部にて取得される前記移動機構の角度誤差を前記移動機構の位置で積分することで前記所定の軸方向における前記移動機構の真直度誤差を補正するための真直度補正パラメータを生成するパラメータ生成部と、前記真直度補正パラメータに基づいて、前記移動機構の運動誤差を補正する補正部を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、産業機械は、所定の軸方向と直交する軸回りにおける移動機構の角度、例えば、移動機構のピッチング誤差を検出する角度検出手段を備えている。そして、パラメータ生成部は、角度誤差取得部にて取得されるピッチング誤差を移動機構の位置で積分することで真直度補正パラメータを生成し、補正部は、パラメータ生成部にて生成される真直度補正パラメータに基づいて、移動機構の運動誤差を補正する。したがって、産業機械は、使用する環境の温度変化や、経時変化などの影響があっても真直度誤差の変化を考慮した適切な空間精度補正をすることができる。

本発明では、前記制御装置は、前記移動機構の角度誤差と、前記移動機構の真直度誤差とを記憶する記憶部を備え、前記パラメータ生成部は、前記記憶部に予め記憶された前記移動機構の角度誤差と、前記角度誤差取得部にて取得される前記移動機構の角度誤差との差を前記移動機構の位置で積分することで前記真直度誤差の変化量を算出し、前記真直度誤差の変化量と、前記記憶部に予め記憶された前記移動機構の真直度誤差とを加算することで前記真直度補正パラメータを生成することが好ましい。

所定の軸方向に沿って移動する移動機構としては、直線状のガイド部を備えるものが代表的であり、ガイド部は、例えば、ベース等に複数の箇所を固定されることによって取り付けられている。
したがって、このような移動機構では、例えば、産業機械を使用する環境の温度が変化すると、ベース等と、ガイド部との熱膨張率の違いによって、ガイド部にたわみ（うねり）が生じ、移動機構の真直度誤差は変化することになる。また、熱膨張率の違いによるガイド部のうねりは、加工などで生じるガイド部のうねりと比較して大きくなる。

ここで、産業機械の製造時には、各幾何学誤差を予め測定して各幾何学誤差の補正パラメータを算出しているので、産業機械の製造時における移動機構の真直度誤差から生成される真直度補正パラメータに基づいて、移動機構の運動誤差を補正することによって、加工などで生じるガイド部の小さなうねりに起因する運動誤差を適切に補正することができる。
また、真直度誤差の変化量から生成される真直度補正パラメータに基づいて、移動機構の運動誤差を補正することによって、熱膨張率の違いによるガイド部の大きなうねりに起因する運動誤差を適切に補正することができる。

本発明によれば、産業機械の製造時における移動機構の角度誤差と、移動機構の真直度誤差とを記憶部に予め記憶しておくことによって、パラメータ生成部は、産業機械の製造時における移動機構の真直度誤差と、真直度誤差の変化量とを加算して真直度補正パラメータを生成することができる。したがって、産業機械は、加工などで生じるガイド部の小さなうねりに起因する運動誤差と、熱膨張率の違いによるガイド部の大きなうねりに起因する運動誤差とを適切に補正することができる。

本発明では、前記産業機械は、前記移動機構と、前記制御装置とを備える測定機であることが好ましい。

このような測定機では、一般的に、ベース等に被測定物を載置することで被測定物を測定するので、移動機構の真直度誤差は、測定機を使用する環境の温度変化や、測定機の経時変化の他、ベース等に載置される被測定物の重量などによっても変化する。
これに対して、例えば、ベース等の剛性を高くしたりすることによって、真直度誤差の変化を抑制することが考えられるが、製造コストが増加するという問題がある。
本発明によれば、測定機は、ベース等に載置される被測定物の重量などの影響があっても真直度誤差の変化を考慮した適切な空間精度補正をすることができる。

本発明の一実施形態に係る三次元測定機の概略構成を示す図。 本発明の一実施形態に係る移動機構のたわみ角と、たわみ量との関係を示す図。 本発明の一実施形態に係る補正部にて空間精度補正をする前後の真直度誤差を示すグラフ。 本発明の一実施形態に係る空間精度補正の方法を示すフローチャート。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
〔三次元測定機の概略構成〕
図１は、本発明の一実施形態に係る三次元測定機１の概略構成を示す図である。なお、図１では、上方向を＋Ｚ軸方向とし、このＺ軸に直交する２軸をそれぞれＸ軸、及びＹ軸として説明する。
産業機械としての三次元測定機１は、図１に示すように、本体２と、本体２に取り付けられる２つの２軸角度計３１，３２と、本体２、及び２軸角度計３１，３２を制御する制御装置４とを備える。

本体２は、ベース２１と、ベース２１に設けられるスライド機構２２とを備える。
ベース２１は、被測定物（図示略）を載置させる平面２１１を有する矩形板状に形成されている。また、ベース２１の−Ｘ軸方向側には、＋Ｚ軸方向側に向かって突出するとともに、Ｙ軸方向に沿って直線状に形成され、スライド機構２２をＹ軸方向に沿ってガイドするガイド部２１２が形成されている。

スライド機構２２は、ガイド部２１２に取り付けられ、ガイド部２１２上をＹ軸方向に沿って移動可能に設けられるコラム２２１と、コラム２２１にて支持され、Ｘ軸方向に沿って延出するビーム２２２と、Ｚ軸方向に沿って延出する筒状に形成され、ビーム２２２上をＸ軸方向に沿って移動可能に設けられるスライダ２２３と、スライダ２２３の内部に挿入され、スライダ２２３内をＺ軸方向に沿って移動可能に設けられるラム２２４とを備える。

なお、ビーム２２２における＋Ｘ軸方向側の端部には、Ｚ軸方向に沿って延出する支柱２２５が形成されている。また、ラム２２４における−Ｚ軸方向側の端部には、被測定物を測定するための測定子（図示略）が取り付けられている。
そして、スライド機構２２は、コラム２２１、スライダ２２３、及びラム２２４を駆動する駆動部（図示略）を備え、制御装置４による制御の下で測定子をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に沿って移動させる。
以下、本実施形態では、移動機構は、ガイド部２１２と、コラム２２１とで構成され、所定の軸方向（Ｙ軸方向）に沿って移動するものとして説明する。

２軸角度計３１は、平面２１１に取り付けられ、初期角度を基準とする平面２１１のＸ，Ｙ軸回りの角度を検出する。
また、２軸角度計３２は、コラム２２１に取り付けられ、初期角度を基準とするコラム２２１のＸ，Ｙ軸回りの角度を検出する。すなわち、２軸角度計３２は、所定の軸方向（Ｙ軸方向）と直交し、２軸角度計３１が取り付けられた平面２１１と平行な軸回り（Ｘ軸回り）における移動機構の角度を検出する角度検出手段として機能し、２軸角度計３２にて検出される角度と、２軸角度計３１にて検出される角度との差を求めることでＸ，Ｙ軸回りにおけるコラム２２１の角度誤差を算出することができる。
なお、本実施形態では、コラム２２１を−Ｙ軸方向側の一端に移動させた状態で２軸角度計３１，３２にて検出される角度を初期角度とする。

制御装置４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や、メモリなどを備えて構成され、記憶部４１と、角度誤差取得部４２と、Ｙ軸方向における移動機構の真直度誤差（以下、単に真直度誤差とする）を補正するための真直度補正パラメータを生成するパラメータ生成部４３と、パラメータ生成部４３にて生成される真直度補正パラメータに基づいて、移動機構の運動誤差を補正する、すなわち空間精度補正をする補正部４４とを備える。

記憶部４１は、制御装置４で用いられる情報を記憶するものであり、三次元測定機１の製造時に予め測定した三次元測定機１の各幾何学誤差（例えば、ピッチング誤差や、真直度誤差など）や、各幾何学誤差に基づいて算出される各幾何学誤差の補正パラメータを記憶している。なお、各幾何学誤差の測定方法や、各幾何学誤差の補正パラメータの算出方法は、特許文献１に記載の位置測定装置と同様である。
また、記憶部４１には、制御装置４にて真直度補正パラメータを生成して空間精度補正をするための補正プログラムが記憶されている。

角度誤差取得部４２は、コラム２２１を−Ｙ軸方向側の一端から＋Ｙ軸方向側の他端に移動させたときに２軸角度計３２にて検出されるＸ軸回りの角度と、２軸角度計３１にて検出されるＸ軸回りの角度との差に基づいて、コラム２２１の位置に対するコラム２２１の角度誤差（ピッチング誤差）を取得する。
パラメータ生成部４３は、角度誤差取得部４２にて取得されるピッチング誤差をコラム２２１の位置で積分することで真直度補正パラメータを生成する。

図２は、移動機構のたわみ角θと、たわみ量ｙとの関係を示す図である。
ここで、説明を簡略化するために、移動機構は単純梁であると考えると、コラム２２１の位置をＸとしたときの移動機構のたわみ角θと、たわみ量ｙとの関係は、図２に示すような関係となり、以下の式（１）で表される。なお、Ｃは、積分定数である。

したがって、位置Ｘに対するたわみ角θを位置Ｘで積分することで、たわみ量ｙを算出することができる。すなわち、コラム２２１の位置（位置Ｘ）に対するコラム２２１のピッチング誤差（たわみ角θ）をコラム２２１の位置で積分することで、コラム２２１の位置に対する真直度誤差（たわみ量ｙ）を算出することができる。

具体的に、パラメータ生成部４３は、記憶部４１に予め記憶されたピッチング誤差と、角度誤差取得部４２にて取得されるピッチング誤差との差をコラム２２１の位置で積分することで真直度誤差の変化量を算出する。なお、２軸角度計３１，３２は、初期角度を基準としているので、コラム２２１の位置が０のときに、真直度誤差は０となる。したがって、前述の式（１）における積分定数Ｃは０となる。
さらに、パラメータ生成部４３は、記憶部４１に記憶されている真直度誤差と、真直度誤差の変化量とを加算することで真直度補正パラメータを生成する。

補正部４４は、パラメータ生成部４３にて生成される真直度補正パラメータに基づいて、空間精度補正をする。

図３は、補正部４４にて空間精度補正をする前後の真直度誤差を示すグラフである。なお、図３では、縦軸を真直度誤差とし、横軸をコラム２２１の位置としている。
補正部４４にて空間精度補正をした後の真直度誤差（図３の三角のマーカー）は、補正部４４にて空間精度補正をする前の真直度誤差（図３の四角のマーカー）と比較して低減されている。

〔空間精度補正の方法〕
次に、空間精度補正の方法について説明する。
図４は、空間精度補正の方法を示すフローチャートである。
制御装置４は、記憶部４１に記憶された補正プログラムが実行されると、図４に示すように、以下のステップＳ１〜Ｓ３を実行する。

補正プログラムが実行されると、角度誤差取得部４２は、移動機構を制御してコラム２２１を移動させてピッチング誤差を取得する（Ｓ１：角度誤差取得ステップ）。
角度誤差取得ステップＳ１にてピッチング誤差が取得されると、パラメータ生成部４３は、真直度補正パラメータを生成する（Ｓ２：パラメータ生成ステップ）。
パラメータ生成ステップＳ２にて真直度補正パラメータが生成されると、補正部４４は、空間精度補正をする（Ｓ３：補正ステップ）。
以上のステップＳ１〜Ｓ３を実行することによって、制御装置４は、真直度補正パラメータを生成して空間精度補正をする。

このような本実施形態によれば以下の効果がある。
（１）三次元測定機１は、２軸角度計３１，３２を備えている。そして、パラメータ生成部４３は、角度誤差取得部４２にて取得されるピッチング誤差を移動機構の位置で積分することで真直度補正パラメータを生成し、補正部４４は、パラメータ生成部４３にて生成される真直度補正パラメータに基づいて、空間精度補正をする。したがって、三次元測定機１は、使用する環境の温度変化や、経時変化などの影響があっても真直度誤差の変化を考慮した適切な空間精度補正をすることができる。

（２）パラメータ生成部４３は、三次元測定機１の製造時における移動機構の真直度誤差と、真直度誤差の変化量とを加算して真直度補正パラメータを生成することができる。したがって、三次元測定機１は、加工などで生じるガイド部２１２の小さなうねりに起因する運動誤差と、熱膨張率の違いによるガイド部２１２の大きなうねりに起因する運動誤差とを適切に補正することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、移動機構は、ガイド部２１２と、コラム２２１とで構成され、所定の軸方向（Ｙ軸方向）に沿って移動するものとしていた。これに対して、例えば、移動機構は、ビーム２２２と、スライダ２２３とで構成され、Ｘ軸方向に沿って移動するものとしてもよい。なお、この場合には、ベース２１の平面２１１と、スライダ２２３とに２軸角度計を取り付ければよい。要するに、移動機構は、所定の軸方向に沿って移動するものであればよい。

前記実施形態では、三次元測定機１は、２つの２軸角度計３１，３２を備え、２軸角度計３２にて検出される角度と、２軸角度計３１にて検出される角度との差を求めることでＸ，Ｙ軸回りにおけるコラム２２１の角度誤差を算出していた。これに対して、例えば、２軸角度計３１にて検出される角度が既知の場合には、三次元測定機１は、２軸角度計３２のみを備えていてもよい。要するに、角度検出手段は、所定の軸方向と直交する軸回りにおける移動機構の角度を検出するものであればよく、角度誤差取得部にて移動機構の角度誤差を取得することができるように構成されていればよい。

前記実施形態では、パラメータ生成部４３は、記憶部４１に記憶されている真直度誤差と、真直度誤差の変化量とを加算することで真直度補正パラメータを生成していた。これに対して、パラメータ生成部は、角度誤差取得部にて取得される移動機構の角度誤差を移動機構の位置で積分することで真直度誤差を算出し、この真直度誤差に基づいて、真直度補正パラメータを生成してもよい。
前記実施形態では、産業機械として三次元測定機１を例示したが、形状測定機などの他の測定機であってもよく、工作機械や、ロボットなどの他の産業機械であってもよい。要するに、本発明は、ベースと、移動機構と、制御装置とを備える産業機械に適用することができる。

本発明は、産業機械に好適に利用することができる。

１…三次元測定機（産業機械）
４…制御装置
３２…２軸角度計（角度検出手段）
４１…記憶部
４２…角度誤差取得部
４３…パラメータ生成部
４４…補正部

Claims (3)

1. 所定の軸方向に沿って移動する移動機構と、前記移動機構を制御する制御装置とを備える産業機械であって、
   前記所定の軸方向と直交する軸回りにおける前記移動機構の角度を検出する角度検出手段を備え、
   前記制御装置は、
   前記移動機構を移動させたときに前記角度検出手段にて検出される角度に基づいて、前記移動機構の位置に対する前記移動機構の角度誤差を取得する角度誤差取得部と、
   前記角度誤差取得部にて取得される前記移動機構の角度誤差を前記移動機構の位置で積分することで前記所定の軸方向における前記移動機構の真直度誤差を補正するための真直度補正パラメータを生成するパラメータ生成部と、
   前記真直度補正パラメータに基づいて、前記移動機構の運動誤差を補正する補正部を備えることを特徴とする産業機械。
2. 請求項１に記載の産業機械において、
   前記制御装置は、
   前記移動機構の角度誤差と、前記移動機構の真直度誤差とを記憶する記憶部を備え、
   前記パラメータ生成部は、前記記憶部に予め記憶された前記移動機構の角度誤差と、前記角度誤差取得部にて取得される前記移動機構の角度誤差との差を前記移動機構の位置で積分することで前記真直度誤差の変化量を算出し、前記真直度誤差の変化量と、前記記憶部に予め記憶された前記移動機構の真直度誤差とを加算することで前記真直度補正パラメータを生成することを特徴とする産業機械。
3. 請求項１または請求項２に記載の産業機械において、
   前記産業機械は、前記移動機構と、前記制御装置とを備える測定機であることを特徴とする産業機械。

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