JP4959028B1 - 誤差測定装置及び誤差測定方法 - Google Patents

Abstract

回転軸に固定された工作物表面の点の位置を測定することにより、回転軸中心線の位置および傾きを測定する回転軸幾何偏差測定ステップ（Ｓ２）と、測定した回転軸中心線の位置および傾きの補正量を数値制御装置に設定する幾何偏差パラメータ設定ステップ（Ｓ３）と、回転軸中心線の位置を基準にした工作物の設置位置と傾きを測定する工作物設置誤差測定ステップ（Ｓ４）と、測定した工作物の設置位置と傾きとを数値制御装置に設定する工作物設置誤差パラメータ設定ステップ（Ｓ５）とを有しているので、回転軸に工作物を固定した状態で、工作物表面の点の位置を測定することにより、回転軸中心の位置及び傾きを測定することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば５軸制御マシニングセンタのような多軸工作機械において、回転軸中心線の位置および傾きや工作物の設置位置及び傾きといった誤差を測定する誤差測定装置及び誤差測定方法に関する。

例えば、５軸制御マシニングセンタに代表される多軸工作機械の数値制御装置には、ワークテーブル上に設置された工作物の設置位置及び傾きによる影響を補正する機能や、回転軸中心線の位置および傾きによる影響を補正するための機能が具備されている。それらの機能を有効に活用するためには、工作物や回転軸中心線の位置および傾きを正確に測定して制御装置の補正値設定領域にパラメータとして適切に設定する必要がある。

特許文献１には、ワークテーブル上に設置された直方体の工作物の互いに直交する３つの面上のそれぞれ３点の位置をタッチプローブで検出し、同一平面上の３点より３点を通る平面の式を３つ求め、３つの平面が交差する点Ｏ’の位置を求めるとともに、３つの平面が交わる点Ｏ’から長さＬの点を求め、Ｏ’の座標と長さＬにより回転マトリクスを求めて工作物の傾きを得る方法が開示されている。この提案によれば、工作物の設置位置及び傾きを測定できる。

また、特許文献２には、ワークテーブル上の所定の位置に基準球（マスター球）を設置し、回転軸を任意の角度回転させた状態で基準球の中心座標を求め、さらに所定の角度回転させた状態（所定の角度の割り出した状態）での基準球の中心座標を求め、２つの中心座標と割り出し角度とから演算によりワークテーブルの回転中心座標を求める方法が開示されている。

さらに、非特許文献１には、ワークテーブル上に設置された基準球の中心座標を所定の角度に回転軸を割り出しながらタッチプローブで自動計測し、回転軸中心線の位置および傾きに加えて、２つの直進軸間の直角度についても同定するための方法が開示されている。

特開２００６−２８９５２４号公報 特開２００７−４４８０２号公報

松下哲也、沖忠洋：タッチプローブを用いた５軸制御工作機械の幾何誤差同定、２０１０年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集（２０１０）ｐｐ．１１０５−１１０６． （社）日本工作機械工業会：５軸制御マシニングセンタ精度検査規格標準化説明会資料（２００８）．

ワークテーブル上に設置された工作物の設置位置及び傾きによる影響を数値制御装置により補正しようとすると、たとえＮＣプログラム上は回転軸を動かさないことになっていたとしても、工作物の傾きによる影響を補正するために回転軸が動作する。この場合、回転軸中心線の位置や傾きによる影響もあわせて補正しないと、加工精度の悪化を招くことになる。しかし、特許文献１に記載の方法では、工作物の設置位置や傾きは測定できても回転軸中心線の位置や傾きは測定できないという問題があった。

また、テーブル側に回転軸を有するタイプの多軸工作機械で工作物の設置位置や傾きによる影響を補正する場合、工作物の設置位置は回転軸中心線の位置を基準とした相対位置として表現して数値制御装置に入力されることが多い。その際、回転軸中心線の位置がオペレータまたは数値制御装置内で正しく認識されていないと、工作物の設置位置を数値制御装置に正しく設定できない。特許文献１に記載の方法では、回転軸中心線の位置は測定できないため、工作物の設置位置は予め設定された回転軸中心位置を基準とした値として設定するしかなく、結果的に工作物の設置位置による影響を正しく補正できないという問題があった。

さらに、多軸工作機械の回転軸中心線の位置や傾きは、例えば工作物の質量や温度等によって変化するため、ワークテーブル上に工作物を設置した状態で加工直線に測定できることが望ましい。しかし、特許文献２および非特許文献１に開示された方法では、ワークテーブル上に基準球を設置する必要があるため、工作物を設置したままの状態では回転軸中心線の位置や傾きを測定できず、結果的に実加工中の中心線位置および傾きを正しく補正できないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、工作物の質量や温度変化によって回転中心位置および傾きが変化した場合にも回転中心線の位置と傾きとを高精度に測定でき、回転軸中心位置からの相対変位としての工作物の設置位置も高精度に測定できる誤差測定装置及び誤差測定方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる他の誤差測定装置は、直進軸と回転軸とを有する数値制御工作機械において、回転軸中心線の位置及び傾きと工作物の設置位置及び傾きとを測定する装置であって、工作物表面の点の位置を測定することにより、回転軸中心線の位置及び傾きを測定する回転軸幾何偏差測定手段と、測定した回転軸中心線の位置及び傾きを数値制御装置に設定する幾何偏差パラメータ設定手段と、回転軸中心線の位置を基準にした工作物の設置位置と傾きを測定する工作物設置誤差測定手段と、測定した工作物の設置位置と傾きとを数値制御装置に設定する工作物設置誤差パラメータ設定手段とを有することを特徴とする。

本発明にかかる他の誤差測定装置は、直進軸と回転軸とを有する数値制御工作機械において、回転軸の回転軸中心線の位置と工作物の設置位置及び傾きとを測定する装置であって、工作物表面の点の位置を測定することにより、回転軸中心線の位置を測定する回転中心位置測定手段と、測定した回転軸中心線の位置を数値制御装置に設定する回転中心パラメータ設定手段と、回転軸中心線の位置を基準にした工作物の設置位置と傾きを測定する工作物設置誤差測定手段と、測定した工作物の設置位置と傾きとを数値制御装置に設定する工作物設置誤差パラメータ設定手段とを有することを特徴とする。

本発明にかかるさらに他の誤差測定装置は、直進軸と回転軸とを有する数値制御工作機械において、工作物が設置される回転軸の回転軸中心線の位置及び傾きとを測定する装置であって、回転軸を所定の角度割り出しながら少なくとも２つの割り出し角度において、工作物の形状とともに定義された工作物の１点である基準点を、基準点の３次元座標を特定するために必要な点として決定された工作物上の複数の測定点測から基準点の３次元座標を求め、割り出し角度と複数の基準点の３次元座標との関係から、回転軸の回転中心線の位置及び傾きを計算することを特徴とする。

本発明にかかるさらに他の誤差測定装置は、直進軸と回転軸とを有する数値制御工作機械において、工作物が設置される回転軸の回転軸中心線の位置を測定する装置であって、回転軸を所定の角度割り出しながら少なくとも２つの割り出し角度において、工作物の形状とともに定義された工作物を回転軸と直交する２次元平面に投影した１点である基準点を、基準点の２次元座標を特定するために必要な点として決定された工作物上の複数の測定点測から基準点の２次元座標を求め、割り出し角度と複数の基準点の２次元座標との関係から、回転軸の回転中心線の位置を計算することを特徴とする。

また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる他の誤差測定方法は、直進軸と回転軸とを有する数値制御工作機械において、工作物が設置される回転軸の回転軸中心線の位置及び傾きと工作物の設置位置及び傾きとを測定する方法であって、回転軸に固定された工作物表面の点の位置を測定することにより、回転軸中心線の位置及び傾きを測定する回転軸幾何偏差測定ステップと、測定した回転軸中心線の位置及び傾きの補正量を数値制御装置に設定する幾何偏差パラメータ設定ステップと、回転軸中心線の位置を基準にした工作物の設置位置と傾きを測定する工作物設置誤差測定ステップと、測定した工作物の設置位置と傾きとを数値制御装置に設定する工作物設置誤差パラメータ設定ステップとを有することを特徴とする。

本発明にかかる他の誤差測定方法は、直進軸と回転軸とを有する数値制御工作機械において、工作物が設置される回転軸の回転軸中心線の位置と工作物の設置位置及び傾きとを測定する方法であって、回転軸に固定された工作物表面の点の位置を測定することにより、回転軸中心線の位置を測定する回転中心位置測定ステップと、測定した回転軸中心線の位置の補正量を数値制御装置に設定する回転中心パラメータ設定ステップと、回転軸中心線の位置を基準にした工作物の設置位置と傾きを測定する工作物設置誤差測定ステップと、測定した工作物の設置位置と傾きとを数値制御装置に設定する工作物設置誤差パラメータ設定ステップとを有することを特徴とする。

本発明にかかるさらに他の誤差測定方法は、直進軸と回転軸とを有する数値制御工作機械において、工作物が設置される回転軸の回転軸中心線の位置及び傾きとを測定する方法であって、回転軸を所定の角度割り出しながら少なくとも２つの割り出し角度において、工作物の形状とともに定義された工作物の１点である基準点を、基準点の３次元座標を特定するために必要な点として決定された工作物上の複数の測定点測から基準点の３次元座標を求め、割り出し角度と複数の基準点の３次元座標との関係から、回転軸の回転中心線の位置及び傾きを計算することを特徴とする。

本発明にかかるさらに他の誤差測定方法は、直進軸と回転軸とを有する数値制御工作機械において、工作物が設置される回転軸の回転軸中心線の位置を測定する方法であって、回転軸を所定の角度割り出しながら少なくとも２つの割り出し角度において、工作物の形状とともに定義された工作物を回転軸と直交する２次元平面に投影した１点である基準点を、基準点の２次元座標を特定するために必要な点として決定された工作物上の複数の測定点測から基準点の２次元座標を求め、割り出し角度と複数の基準点の２次元座標との関係から、回転軸の回転中心線の位置を計算することを特徴とする。

この本発明によれば、回転軸中心線の位置および傾きによる影響と、工作物の設置位置及び傾きによる影響とを補正可能な数値制御装置を備える数値制御工作機械において、工作物の質量や温度変化によって回転中心位置および傾きが変化した場合にも回転中心線の位置と傾きとを高精度に測定でき、回転軸中心位置からの相対変位としての工作物の設置位置も高精度に測定できる。その結果、補正よる高精度な加工が可能となる。さらに、回転軸中心線の位置および傾きと、工作物の設置位置及び傾きとを別々に測定するよりも、より少ない測定点数で全ての誤差を測定できるという効果を奏する。

また、回転軸中心線の位置による影響と、工作物の設置位置及び傾きによる影響とを補正可能な数値制御装置を備える数値制御工作機械において、工作物の質量や温度変化によって回転中心位置が変化した場合にも回転中心線の位置を高精度に測定でき、回転軸中心位置からの相対変位としての工作物の設置位置も高精度に測定できる。その結果、補正よる高精度な加工が可能となるという効果を奏する。

さらに、工作物を使って回転軸回転中心線の位置および傾きを測定できるため、加工直前に測定を実施できる。その結果、工作物の質量や温度変化によって回転中心位置および傾きが変化した場合にも回転中心線の位置と傾きとを高精度に測定できるため、補正による高精度な加工が可能となるという効果を奏する。

図１は、本発明の第１の実施の形態の誤差測定装置の動作の手順を示すフローチャートである。 図２は、本発明の第２の実施の形態の誤差測定装置の動作の手順を示すフローチャートである。 図３は、図１に示す処理手順の回転軸幾何偏差測定ステップＳ２における処理手順を示すフローチャートである。 図４は、図２に示す処理手順の回転中心位置測定ステップＳ６における処理手順を示すフローチャートである。 図５は、おおよその工作物設置位置を検出し、回転軸を回転させるための処理手順を示すフローチャートである。 図６は、回転中心線の位置と傾きを測定するための回転軸の姿勢と工作物上の基準位置との関係を説明する図である。 図７は、回転中心線の位置と傾きを測定する場合の測定経路を説明する図である。 図８は、Ｃ軸の回転中心位置を測定するための方法を説明する図である。 図９は、Ｃ軸の回転中心位置を測定する場合の測定経路を説明する図である。 図１０は、Ａ軸の回転中心位置を測定するための方法を説明する図である。 図１１は、Ａ軸の回転中心位置を測定する場合の測定経路を説明する図である。 図１２は、本発明で測定対象とする工作物設置位置及び傾きを説明する図である。 図１３は、工作物上面の左下角の位置を測定する測定点とその測定経路を説明する斜視図である。 図１４は、工作物上面の左上角の位置を測定する測定点とその測定経路を説明する斜視図である。

ワークテーブル側にＡ軸（傾斜軸）とＣ軸（回転軸）とを有する多軸工作機械を例に挙げ、本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態で対象とした軸構成以外の多軸工作機械においても、本実施の形態と同一の効果をもって実施可能である。

実施の形態１．
本発明にかかる第１の実施の形態を図１に沿って説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の誤差測定装置の動作の手順を示すフローチャートである。誤差測定装置は、図１に示す手順が記載された動作プログラムとこれを実行させるＣＰＵを含んで構成されており、誤差測定装置は、図１に示す手順に沿って動作する。動作プログラムの各手順が記載された部分とこれを実行するＣＰＵは、各手順の動作を行う手段を構成している。そして、本実施の形態の誤差測定装置は、工作物設定ステップ（工作物設定手段）Ｓ１、回転軸幾何偏差測定ステップ（回転軸幾何偏差測定手段）Ｓ２、幾何偏差パラメータ設定ステップ（幾何偏差パラメータ設定手段）Ｓ３、工作物設置誤差測定ステップ（工作物設置誤差測定手段）Ｓ４、及び、工作物設置誤差パラメータ設定ステップ（工作物設置誤差パラメータ設定手段）Ｓ５を有している。

本実施の形態の誤差測定装置おいては、まず、工作物設定ステップＳ１において、ワークテーブルの所定の位置に固定された工作物の大きさおよび形状を設定する。大きさと形状を設定する場合には、例えば３次元ＣＡＤまたは２次元ＣＡＤデータとして入力してもよいし、予め用意された形状パターンからあてはまるものを選択してその大きさを入力するようにしてもよい。

工作物設定ステップＳ１で設定された工作物の大きさ及び形状と、工作物が固定されているワークテーブルの大きさを示す情報と、数値制御装置に設定されている工作機械の軸構成タイプおよび各軸の可動範囲といった機械情報と、工作物上任意の点の座標を測定可能な測定器に関する情報とから、回転軸幾何偏差測定ステップＳ２において回転軸中心線の位置や傾きを測定する。ここで、回転軸中心線の位置や傾きといった幾何学的な誤差を、回転軸幾何偏差とよんでいる。回転軸幾何偏差についての説明は、例えば上記非特許文献２に詳細に説明されている。

工作物上任意の点の座標を測定可能な測定器としては、タッチプローブと呼ばれるものが一般的に知られている。この場合の測定器に関する情報としては、タッチプローブの先端測定子径、スタイラス長さ、および工具長がある。ただし、本実施の形態は測定方法をタッチプローブに限定するものではなく、タッチプローブ以外の測定方法、例えばレーザ変位計や画像センサによっても同様の効果が期待できる。

図１の回転軸幾何偏差測定ステップＳ２で測定された回転軸幾何偏差は、幾何偏差パラメータ設定ステップＳ３において数値制御装置に設定される。幾何偏差パラメータ設定ステップＳ３は、例えば画面上に表示された幾何偏差のパラメータをオペレータ入力する形態としてもよいし、測定された値を直接的に数値制御装置のパラメータに反映させる形態としてもよい。

工作物設置誤差測定ステップＳ４では、所定の位置に固定された工作物の設置位置及び傾きを測定し、設置位置は回転軸幾何偏差測定ステップＳ２で測定された回転軸中心位置に対する相対位置として算出する。工作物設置誤差パラメータ設定ステップＳ５では、工作物設置誤差測定ステップＳ４で測定された工作物設置位置及び傾きを数値制御装置に設定する。工作物設置誤差パラメータ設定ステップＳ５は、例えば画面上に表示された値緒オペレータが入力する形態としてもよいし、測定された値を直接的に数値制御装置のパラメータに反映させる形態としてもよい。ここで、回転中心位置を基準とした工作物の設置位置、および工作物の傾きを、工作物設置誤差とよんでいる。

以下、回転軸幾何偏差測定ステップＳ２において回転軸の幾何偏差を測定するための詳細な方法を、直方体の工作物がワークテーブル上に固定されている場合に、タッチプローブを使って幾何偏差を測定する具体的な事例を使って説明する。

図３は、図１に示す処理手順の回転軸幾何偏差測定ステップＳ２における処理手順を示すフローチャートである。回転軸幾何偏差測定ステップＳ２は、図３に示す手順が記載された動作プログラムとこれを実行させるＣＰＵを備えており、回転軸幾何偏差測定ステップＳ２は、図３に示す手順に沿って動作する。動作プログラムの各手順が記載された部分とこれを実行するＣＰＵは、各手順の動作を行う手段を構成している。本実施の形態の誤差測定装置は、回転軸幾何偏差測定ステップ（回転軸幾何偏差測定手段）Ｓ２として、基準点設定ステップ（基準点設定手段）Ｓ８、測定点決定ステップ（測定点決定手段）Ｓ９、座標測定ステップ（座標測定手段）Ｓ１０、基準点座標計算ステップ（基準点座標計算手段）Ｓ１１、回転軸回転ステップ（回転軸回転手段）Ｓ１２、回転後測定点計算ステップ（回転後測定点計算手段）Ｓ１３、及び、回転軸幾何偏差計算ステップ（回転軸幾何偏差計算手段）Ｓ１４を有している。

まず、基準点設定ステップＳ８では、工作物設定ステップＳ１において設定された情報に基づいて、工作物上の１点を基準点として設定する。図６は、回転中心線の位置と傾きを測定するための回転軸の姿勢と工作物上の基準位置との関係を説明する図である。工作物１を所定の位置に載置するワークテーブル部２は、傾斜軸部３上で傾斜軸部３の中心軸線回り（Ｃ軸）に回転する。図６（ａ）はＡ軸０度Ｃ軸０度の場合、（ｂ）はＡ軸０度Ｃ軸１８０度の場合、（ｃ）はＡ軸９０度Ｃ軸０の場合をそれぞれ示す。図６にはＡ軸とＣ軸の幾何偏差を測定するための基準点５と、回転軸の回転による基準点５の位置を模式的に示す。工作物が直方体の場合、基準点５は、回転中心４からできる限り離れたコーナに設定する。これは、例えば直方体の中心等に基準点５を設定する場合と比べて、より少ない測定点でより高精度に基準点の座標を特定するためである。

ただし、タッチプローブ以外の測定器を使う場合にはこの限りではなく、使用するセンサの特性に応じて都合のよい基準点を設定すればよい。また、工作物が直方体以外の形状である場合にも、形状に応じて都合のよい基準点を選べばよい。それは、例えば円筒形状であれば円筒端面での中心であり、球体であれば球中心とするのがよい。

一般に、傾斜軸Ａ軸と回転軸Ｃ軸を有する機械では、３６０度の回転が可能なＣ軸に対してＡ軸の可動範囲は小さく、例えば右ねじの方向を正とすると−３０度から１２０度のように非対称に制限される。図６のように工作物１が設置されていれば、Ａ軸を９０度回転させた状態でもタッチプローブにより基準点５の座標を特定することが可能であるが、例えば、工作物がＡ軸中心線よりも−Ｙ側に設置されていた場合には、Ａ軸を９０度回転させた状態ではタッチプローブによる測定が不可能になってしまう。

このような問題を解決するため、本発明の誤差測定装置では、工作物のおおよその設置位置を検出する手段と、回転軸を所定の角度回転させた場合の基準点を特定するために必要な工作物上の測定点を計算する手段と、測定点を数値制御工作機械が備える位置測定機能により測定可能であるかを判別する手段とを有し、測定不可能と判別された場合には、前記基準点を変更するか、前記回転軸の所定の角度を変更するか、前記工作物が固定されている回転軸を回転させるか、もしくは工作物の固定位置を変更する。

本実施の形態で対象としている多軸工作機械での具体例を図５を使って説明する。図５は、おおよその工作物設置位置を検出し、回転軸を回転させるための処理手順を示すフローチャートである。図５に示すように、誤差測定装置は、工作物概略中心位置取得ステップ（工作物概略中心位置取得手段）Ｓ１６、ワークテーブル回転ステップ（ワークテーブル回転手段）Ｓ１７、及び、工作物追従ステップ（工作物追従手段）Ｓ１８を有している。

まず、工作物概略中心位置取得ステップＳ１６では、工作物上のおおよその中心位置まで例えば手動パルスハンドルにより主軸を移動させ、そのときの座標値を取得する。本実施の形態で対象としている多軸工作機械の場合、工作物がＡ軸中心線より−Ｙ側にあると測定ができないので、工作物概略中心位置取得ステップＳ１６で取得されたＹ座標の符号が負である場合には、Ｃ軸を１８０度回転させることで工作物の位置を変化させる。これにより、工作物は＋Ｙ側に移動するので、Ａ軸を９０度回転させた状態でも基準点５の座標を特定することが可能となる。

なお、図５の処理は本実施の形態における具体例を示すものであり、本発明は図５の処理に限定されるものではない。例えば、工作物概略中心位置取得ステップは画像センサ等により構成されてもよいし、ワークテーブル回転ステップＳ１７に代えて、工作物の設置位置を変更するようにしてもよい。

測定点決定ステップＳ９では、基準点設定ステップＳ８で設定された基準点５の座標を特定するために必要な測定点を決定する。図７の（ａ）（ｂ）（ｃ）は、工作物１の測定点の位置とその測定経路（測定順序）を示す斜視図であり、図７の（ｄ）は、工作物１を載置したワークテーブル部２がＡ軸回りに回転する様子を示したものである。

図７には、測定点決定ステップＳ９で決定された測定点と測定経路を示す。各測定点座標Ｐｎ＝（Ｐｎｘ，Ｐｎｙ，Ｐｎｚ）とコーナ座標Ｃｎ＝（Ｃｎｘ，Ｃｎｙ，Ｃｎｚ）は、以下のように計算される。ここで、ｎは測定点およびコーナの番号であり、図５の処理における工作物追従ステップＳ１８または工作物上のほぼ中央に設定された測定開始点をスタートして−Ｚ方向に移動させ、最初の測定点の座標を測定した後、番号順に各コーナと測定点をたどる。なお、各測定点およびコーナの座標は設計上の回転中心座標を基準とした座標値である。

座標測定ステップＳ１０では各測定点でその点での３次元座標値を取得し、取得された座標値をもとに次のコーナ座標および測定点座標を順次決定していく。１つの回転軸姿勢（割り出し角度）につき９点の測定が完了したら、回転軸回転ステップＳ１２により回転軸を回転させ、回転軸回転後の測定点の座標も回転後測定点計算ステップＳ１３により順次計算し、測定点の座標を測定していく。

ここで、Ｗは工作物の幅（Ｘ方向）、Ｄは工作物の奥行き（Ｙ方向）、Ｈは工作物の高さ（Ｚ方向）、ＺｏはＺ軸機械原点、Ｌｓはタッチプローブのスタイラス長さであり、Ｄｏは移動時の工作物表面からのオフセット距離である。なお、以下の座標計算式はＡ軸を９０度回転させて測定する場合の事例である。

Ｃ１＝（Ｐ１ｘ， Ｐ１ｙ， Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ２＝（Ｐ１ｘ−Ｗ／４， Ｐ１ｙ， Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ３＝（Ｐ２ｘ−Ｗ／４−Ｄｏ， Ｐ２ｙ， Ｐ２ｚ＋Ｄｏ）

ｉｆ Ｌｓ＞Ｈ
Ｃ４＝（Ｐ２ｘ−Ｗ／４−Ｄｏ，Ｐ２ｙ，Ｐ２ｚ−（Ｈ−Ｄｏ）／２）
ｅｌｓｅ
Ｃ４＝（Ｐ２ｘ−Ｗ／４−Ｄｏ，Ｐ２ｙ，Ｐ２ｚ−（Ｌｓ−Ｄｏ）／２）
ｅｎｄ

Ｃ５＝（Ｐ３ｘ−Ｄｏ， Ｐ３ｙ， ２Ｐ３ｚ−Ｐ２ｚ）
Ｃ６＝（Ｐ４ｘ−Ｄｏ， Ｐ４ｙ＋Ｄ／４， Ｐ４ｚ）
Ｃ７＝（Ｐ５ｘ−Ｄｏ， Ｐ５ｙ＋Ｄ／４＋Ｄｏ， Ｐ５ｚ）
Ｃ８＝（Ｐ５ｘ＋Ｗ／４， Ｐ５ｙ＋Ｄ／４＋Ｄｏ， Ｐ５ｚ）
Ｃ９＝（Ｐ６ｘ＋Ｗ／４， Ｐ６ｙ＋Ｄｏ， Ｐ６ｚ）
Ｃ１０＝（Ｐ７ｘ， Ｐ７ｙ＋Ｄｏ， Ｐ３ｚ）
Ｃ１１＝（Ｐ８ｘ， Ｐ８ｙ＋Ｄｏ， Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ１２＝（Ｐ１ｘ， Ｐ１ｙ＋Ｄ／４， Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）

Ｃ１３＝（−Ｐ１ｘ， −Ｐ１ｙ， Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）

Ｃ１４＝（Ｐ１０ｘ＋Ｗ／４， Ｐ１０ｙ， Ｐ１０ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ１５＝（Ｐ１１ｘ＋Ｗ／４＋Ｄｏ， Ｐ１１ｙ， Ｐ１１ｚ＋Ｄｏ）

ｉｆ Ｌｓ＞Ｈ
Ｃ１６＝（Ｐ１１ｘ＋Ｗ／４＋Ｄｏ，Ｐ１１ｙ，Ｐ１１ｚ−（Ｈ−Ｄｏ）／２）
ｅｌｓｅ
Ｃ１６＝（Ｐ１１ｘ＋Ｗ／４＋Ｄｏ，Ｐ１１ｙ，Ｐ１１ｚ−（Ｌｓ−Ｄｏ）／２）
ｅｎｄ

Ｃ１７＝（Ｐ１２ｘ＋Ｄｏ， Ｐ１２ｙ， ２Ｐ１２ｚ−Ｐ１１ｚ）
Ｃ１８＝（Ｐ１３ｘ＋Ｄｏ， Ｐ１３ｙ−Ｄ／４， Ｐ１３ｚ）
Ｃ１９＝（Ｐ１４ｘ＋Ｄｏ， Ｐ１４ｙ−Ｄ／４−Ｄｏ， Ｐ１４ｚ）
Ｃ２０＝（Ｐ１４ｘ−Ｄ／４， Ｐ１４ｙ−Ｄ／４−Ｄｏ， Ｐ１４ｚ）
Ｃ２１＝（Ｐ１５ｘ−Ｗ／４， Ｐ１５ｙ−Ｄｏ， Ｐ１５ｚ）
Ｃ２２＝（Ｐ１６ｘ， Ｐ１６ｙ−Ｄｏ， Ｐ１２ｚ）
Ｃ２３＝（Ｐ１７ｘ， Ｐ１７ｙ−Ｄｏ， Ｐ１０ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ２４＝（Ｐ１０ｘ， Ｐ１０ｙ−Ｄ／４， Ｐ１０ｚ＋Ｄｏ）

Ｃ２５＝（Ｐ１８ｘ， Ｐ１８ｙ， Ｚｏ）
Ｃ２６＝（Ｐ７ｘ， −Ｐ７ｚ， Ｚｏ）
Ｃ２７＝（Ｐ７ｘ， −Ｐ７ｚ， Ｐ７ｙ＋Ｄｏ）

Ｃ２８＝（Ｐ１９ｘ， −Ｐ８ｚ， Ｐ１９ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ２９＝（Ｐ２０ｘ， −Ｐ９ｚ−Ｄｏ， Ｐ１９ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ３０＝（Ｐ２０ｘ， −Ｐ９ｚ−Ｄｏ， Ｐ２０ｚ−（Ｌｓ−Ｄｏ）／２）
Ｃ３１＝（Ｐ２１ｘ， Ｐ２１ｙ−Ｄｏ， ２Ｐ２１ｚ−Ｐ２０ｚ）
Ｃ３２＝（Ｐ２２ｘ−Ｗ／４， Ｐ２２ｙ−Ｄｏ， Ｐ２２ｚ）
Ｃ３３＝（Ｐ２３ｘ−Ｗ／４−Ｄｏ， Ｐ２３ｙ−Ｄｏ， Ｐ２３ｚ）
Ｃ３４＝（Ｐ２３ｘ−Ｗ／４−Ｄｏ， Ｐ２０ｙ， Ｐ２３ｚ）
Ｃ３５＝（Ｐ２４ｘ−Ｄｏ， Ｐ１９ｙ， Ｐ２４ｚ）
Ｃ３６＝（Ｐ２５ｘ−Ｄｏ， Ｐ２５ｙ， Ｐ２１ｚ）
Ｃ３７＝（Ｐ２６ｘ−Ｄｏ， Ｐ２６ｙ， Ｐ１９ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ３８＝（Ｐ１９ｘ−Ｗ／４， Ｐ１９ｙ， Ｐ１９ｚ＋Ｄｏ）

本実施の形態では、各平面３点ずつで１つの回転軸姿勢に対して９点、かつ３通りの回転軸姿勢で合計２７点の座標を測定しているが、工作物の各平面が直交していると仮定すれば、最小１つの回転軸姿勢に対して６点、合計１８点の測定により全ての基準点座標を求めることができる。

基準点座標計算ステップＳ１１では、同一平面上の３点の測定結果から平面の方程式を求め、３つの平面の方程式から３平面の交点の座標を計算して基準点座標とする。平面の方程式および平面の交点の計算方法については、広く公知の方法により可能であるほか、工作物設置誤差測定ステップＳ４の説明としても詳細に説明するので、その方法をそのまま適用できる。回転軸１軸につき２通りの角度での基準点座標を用いて、回転軸幾何偏差計算ステップＳ１４では回転軸中心線の位置と傾きを計算する。

Ａ軸を０度、Ｃ軸を０度としたときの基準点座標をＰ_Ａ０Ｃ０、Ａ軸を０度、Ｃ軸を１８０度としたときの基準点座標をＰ_{Ａ０Ｃ１８０}とすると、Ｃ軸回転中心線の位置Ｐ_Ｃおよび傾きθ_Ｃは、それぞれ数式１と数式２のようになる。ここでの回転中心位置Ｐ_Ｃは、高さｚ_ｃにおける中心位置である。

Ｃ軸ベクトル［０ ０ １］^Ｔを数式２の結果を使って各軸周りに回転させると、Ｃ軸ベクトルＣは以下の数式３となる。

よって、Ｃ軸の回転中心線を表す直線の方程式として、数式４を得る。

さらに、Ａ軸を９０度、Ｃ軸を０度とした場合の基準点座標をＰ_{Ａ９０Ｃ０}とすると、Ｃ軸回転中心線の位置Ｐ_Ａおよび傾きθ_Ａは、それぞれ数式５と数式６のようになる。

なお、Ａ軸中心線のｙ方向位置ｙ_ａとｚ方向位置ｚ_ａは、基準点Ｐ_Ａ０Ｃ０と基準点Ｐ_{Ａ９０Ｃ０}とを結ぶ線分を基準点Ｐ_Ａ０Ｃ０周りに４５度回転させた線分と、基準点Ｐ_{Ａ９０Ｃ０}周りに−４５度回転させた線分との交点として計算される。

Ａ軸ベクトル［１ ０ ０］^Ｔを数式６の結果を使って各軸周りに回転させると、Ａ軸ベクトルＡは以下の数式７となる。

よって、Ａ軸の回転中心線を表す直線の方程式として、数式８を得る。

つぎに、Ａ軸中心線とＹ軸を含む平面とＣ軸中心線との交点を計算する。Ａ軸中心線とＹ軸を含む平面の法線ベクトルは、Ａ軸ベクトル（数式７）とＹ軸ベクトル［０ １ ０］^Ｔとの外積であるから、以下のように計算できる。

よって、Ａ軸中心線とＹ軸を含む平面の方程式は数式１０となる。

数式１０で表現される平面と、Ｃ軸の回転中心線との交点が、Ａ軸回転中心高さにおけるＣ軸回転中心位置Ｐ_Ｃとなる。Ａ軸中心線とＹ軸を含む平面とＣ軸回転中心線との交点は、数式４と数式１０とから以下のように求められる。

さらに、Ｃ軸中心線とＹ軸を含む平面とＡ軸中心線との交点を計算する。Ｃ軸中心線とＹ軸を含む平面の法線ベクトルは、Ｃ軸ベクトル（数式３）とＹ軸ベクトル［０ １ ０］^Ｔとの外積であるから、以下のように計算できる。

よって、Ｃ軸中心線とＹ軸を含む平面の方程式は数式１３となる。

数式１３で表現される平面と、Ａ軸の回転中心線との交点が、Ｃ軸回転中心のＸ方向位置におけるＡ軸回転中心位置Ｐ_Ａとなる。Ｃ軸中心線とＹ軸を含む平面とＡ軸中心線との交点は、数式８と数式１３とから以下のように求められる。

以上の結果から、テーブル側にＡ軸とＣ軸とを有する多軸工作機械の回転軸に存在する８つの幾何偏差は、数式１５のように計算できる。ここで、δ_ｘＡＸはＡ軸原点のＸ軸方向偏差、δ_ｙＡＸはＡ軸原点のＹ軸方向偏差、δ_ｚＡＸはＡ軸原点のＺ軸方向偏差、δ_ｙＣＡはＡ軸中心線位置とＣ軸中心線位置とのＹ方向オフセットであり、α_ＡＸはＹＺ平面上でのＣ軸中心線とＺ軸との角度偏差、γ_ＡＸはＸＺ平面上でのＡ軸中心線とＸ軸との角度偏差、β_ＡＸはＸＹ平面上でのＡ軸中心線とＸ軸との角度偏差、β_ＣＡはＸＺ平面上でのＡ軸中心線とＣ軸中心線との角度偏差である。

以上、工作物側にＡ軸とＣ軸を有する多軸工作機械について、直方体の工作物がワークテーブル上に固定されている場合に、タッチプローブを使って幾何偏差を測定する方法を説明したが、ほかの軸構成をもつ多軸工作機械についても、当業者であれば十分に適用が可能である。また、テーブル上に固定された工作物が直方体以外の場合であっても、基準点の測定方法を変更するだけで同じ方法が適用できる。

以下、工作物設置誤差測定ステップＳ４における処理について、工作物が直方体である場合を例にあげて詳細に説明する。本実施の形態は工作物が直方体である場合について説明するが、これにより本発明が限定されるものではなく、工作物が円筒形状やそれ以外の形状である場合についても、形状に応じた測定方法を実施することで本発明を適用できる。

図１２は直方体形状の工作物１をワークテーブル２上に設置した場合に存在する工作物設置誤差を説明する模式図である。図１２の（ａ）はＺ軸方向から見た正面図、（ｂ）はＸ軸方向から見た側面図、（ｃ）はＹ軸方向から見た側面図である。ここでの工作物１の設置位置は、ワークテーブルの回転中心４に対する基準点５の変位（Δｘ，Δｙ，Δｚ）として定義される。また、工作物１の傾きは、それぞれＸ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転角度（Δａ，Δｂ，Δｃ）として定義される。

ＸＹ平面上における左下角を基準点５とした場合の測定点と測定経路を図１３に示す。各測定点座標Ｐｎ＝（Ｐｎｘ，Ｐｎｙ，Ｐｎｚ）とコーナ座標Ｃｎ＝（Ｃｎｘ，Ｃｎｙ，Ｃｎｚ）は、以下のように計算される。ここで、ｎは測定点およびコーナの番号であり、工作物１上のほぼ中央に設定された測定開始点をスタートして−Ｚ方向に移動させ、最初の測定点の座標を測定した後、番号順に各コーナと測定点をたどる。なお、各測定点およびコーナの座標は回転軸幾何偏差測定ステップＳ２により測定された回転中心座標を基準とした座標値である。

Ｃ１＝（Ｐ１ｘ，Ｐ１ｙ，Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ２＝（Ｐ１ｘ，Ｐ１ｙ−Ｄ／４，Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ３＝（Ｐ２ｘ，Ｐ２ｙ−Ｄ／４−Ｄｏ，Ｐ２ｚ＋Ｄｏ）

ｉｆ Ｌｓ＞Ｈ
Ｃ４＝（Ｐ２ｘ，Ｐ２ｙ−Ｄ／４−Ｄｏ，Ｐ２ｚ−（Ｈ−Ｄｏ）／２）
ｅｌｓｅ
Ｃ４＝（Ｐ２ｘ，Ｐ２ｙ−Ｄ／４−Ｄｏ，Ｐ２ｚ−（Ｌｓ−Ｄｏ）／２）
ｅｎｄ

Ｃ５＝（Ｐ３ｘ，Ｐ３ｙ−Ｄｏ，２Ｐ３ｚ−Ｐ２ｚ）
Ｃ６＝（Ｐ４ｘ−Ｗ／４，Ｐ４ｙ−Ｄｏ，Ｐ４ｚ）
Ｃ７＝（Ｐ５ｘ−Ｗ／４−Ｄｏ，Ｐ５ｙ−Ｄｏ，Ｐ５ｚ）
Ｃ８＝（Ｐ５ｘ−Ｗ／４−Ｄｏ，Ｐ５ｙ＋Ｄ／４，Ｐ５ｚ）
Ｃ９＝（Ｐ６ｘ−Ｄｏ，Ｐ６ｙ＋Ｄ／４，Ｐ６ｚ）
Ｃ１０＝（Ｐ７ｘ−Ｄｏ，Ｐ７ｙ，Ｐ３ｚ）
Ｃ１１＝（Ｐ８ｘ−Ｄｏ，Ｐ８ｙ，Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ１２＝（Ｐ１ｘ−Ｗ／４，Ｐ１ｙ，Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）

ここで、Ｗは工作物の幅（Ｘ方向）、Ｄは工作物の奥行き（Ｙ方向）、Ｈは工作物の高さ（Ｚ方向）、ＺｏはＺ軸機械原点、Ｌｓはタッチプローブのスタイラス長さであり、Ｄｏは移動時の工作物表面からのオフセット距離である。

ＸＹ平面上における左上角を基準点５とした場合の測定点と測定経路を図１４に示す。この場合の測定経路は、回転軸幾何偏差測定ステップＳ２においてＡ軸とＣ軸を両方とも０度としたときの基準点を測定するための測定経路と同じであるから、この場合には、工作物設置誤差測定ステップＳ４で改めて測定動作は行わない。

なお、図１３および図１４に示した測定経路は工作物の各平面あたり３点、合計９点の座標を測定しているが、各平面がお互いに直交していると仮定すれば、合計６点の測定で基準点の座標を特定できる。また、工作物上のほかの１点、例えば右上角や右下角、上面中央などを基準点とした場合も、同様に測定経路を作成して測定を実施できる。

タッチプローブで測定された３点の座標を、それぞれ点Ｐ_０（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０），点Ｐ_１（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１），及び点Ｐ_２（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）とすると、平面の法線ベクトルｎは数式１６と数式１７により計算できる。

数式１７により計算される法線ベクトルｎを使い、測定された３点の座標をタッチプローブの測定子の半径分オフセットする。オフセットされた３点の座標から再度数式１６と１７により法線ベクトルを計算し、平面の方程式の一般形を得る。

上記の計算を３つの平面についてそれぞれ行い、３つの平面の方程式を連立させて解くことで、数式１９として交点の基準点の座標（Δｘ，Δｙ，Δｚ）を計算する。

工作物の傾き（Δａ，Δｂ，Δｃ）はそれぞれロール・ピッチ・ヨー角であり、その座標回転行列は数式２０のように計算される。

直方体形状の工作物において、左側面の法線ベクトル（Ｘ方向が主成分）をｎ_１＝（ａ_１，ｂ_１，ｃ_１），正面の法線ベクトル（Ｙ方向が主成分）をｎ_２＝（ａ_２，ｂ_２，ｃ_２），上面の法線ベクトル（Ｚ方向が主成分）をｎ_３＝（ａ_３，ｂ_３，ｃ_３）とすると、工作物の傾きを表す座標変換行列は以下の数式２１としても表される。

よって、数式２０と数式２１とを等置することにより、以下の数式２２を導くことができ、工作物の傾き（Δａ，Δｂ，Δｃ）を計算できる。

ただし、数式２１と数式２２とは直方体の各面が完全に直交している理想的な状態において成立する式であるため、実際の工作物を測定した場合にはそのままでは適用できない。そこで、直方体の一つの面を主基準面とし、主基準面に直交するもう一つの面を副基準面として、各面の法線ベクトルを計算する。主基準面と副基準面の選び方には、主基準面として５通り、それに対する副基準面として３通りの合計１５通りあるが、本実施の形態では、そのうち、左側面を主基準面として正面を副基準面とする方法を説明する。

まず、主基準面である左側面の法線ベクトルｎ_１と、副基準面である正面の法線ベクトルｎ_２との外積を計算してこれを上面の法線ベクトルｎ_３とする。さらに、求めた上面の法線ベクトルｎ_３と左側面の法線ベクトルｎ_１との外積を計算して、これを正面の法線ベクトルｎ_２と置き換える。全ての法線ベクトルを正規化して数式２１により工作物の傾きを表す座標変換行列を求め、数式２２により工作物の傾き（Δａ，Δｂ，Δｃ）を計算する。以上の方法により、実際の工作物で各平面が直交していない場合でも、工作物の傾きを適切に計算できる。

なお、当業者であれば、上記の方法を参考にして、異なる主基準面と副基準面を選択した場合についても工作物の傾きを計算することは容易に可能である。

実施の形態２．
本発明の第２実施の形態では、直進軸と回転軸とを有し、回転軸中心線の位置による影響と、工作物の設置位置及び傾きによる影響とを補正可能な数値制御装置を備える数値制御工作機械において、回転中心線の位置と、工作物の設置位置及び傾きとを測定する方法を説明する。

図２は、第２の実施の形態の誤差測定装置の動作の手順を示すフローチャートである。誤差測定装置は、図２に示す手順が記載された動作プログラムとこれを実行させるＣＰＵを備えており、誤差測定装置は、図２に示す手順に沿って動作する。動作プログラムの各手順が記載された部分とこれを実行するＣＰＵは、各手順の動作を行う手段を構成している。本実施の形態の誤差測定装置は、第１の実施の形態の回転軸幾何偏差測定ステップ（回転軸幾何偏差測定手段）Ｓ２、幾何偏差パラメータ設定ステップ（幾何偏差パラメータ設定手段）Ｓ３に替えて、回転中心位置測定ステップ（回転中心位置測定手段）Ｓ６と、回転中心パラメータ設定ステップ（回転中心パラメータ設定手段）Ｓ７とを有している。

本実施の形態においては、まず、工作物設定ステップＳ１において、所定の位置に固定された工作物の大きさおよび形状を設定する。大きさと形状を設定する場合には、例えば３次元ＣＡＤまたは２次元ＣＡＤデータとして入力してもよいし、予め用意された形状パターンからあてはまるものを選択してその大きさを入力するようにしてもよい。

工作物設定ステップＳ１で設定された工作物の大きさおよび形状と、工作物が固定されているワークテーブルの大きさを示す情報と、数値制御装置に設定されている工作機械の軸構成タイプおよび各軸の可動範囲といった機械情報と、工作物上任意の点の座標を測定可能な測定器に関する情報とから、回転中心位置測定ステップＳ６において回転軸中心線の位置を測定する。

工作物上任意の点の座標を測定可能な測定器としては、タッチプローブと呼ばれるものが一般的であり、この場合の測定器に関する情報としては、タッチプローブの先端測定子径、スタイラス長さ、および工具長である。ただし、本実施の形態は測定方法をタッチプローブに限定するものではなく、タッチプローブ以外の測定方法、例えばレーザ変位計や画像センサによっても同様の効果が期待できる。

回転中心位置測定ステップＳ６で測定された回転軸中心位置は、回転中心パラメータ設定ステップＳ７において数値制御装置に設定される。回転軸中心パラメータ設定ステップＳ７は、例えば画面上に表示された幾何偏差のパラメータをオペレータ入力する形態としてもよいし、測定された値を直接的に数値制御装置のパラメータに反映させる形態としてもよい。

工作物設置誤差測定ステップＳ４では、所定の位置に固定された工作物の設置位置及び傾きを測定し、設置位置は回転中心位置測定ステップＳ６で測定された回転軸中心位置に対する相対位置として算出する。工作物設置誤差パラメータ設定ステップＳ５では、工作物設置誤差測定ステップＳ４で測定された工作物設置位置及び傾きを数値制御装置に設定する。工作物設置誤差パラメータ設定ステップＳ５は、例えば画面上に表示された値緒オペレータが入力する形態としてもよいし、測定された値を直接的に数値制御装置のパラメータに反映させる形態としてもよい。ここで、回転中心位置を基準とした工作物の設置位置、および工作物の傾きを、工作物設置誤差とよんでいる。

以下、回転中心位置測定ステップＳ６において回転軸中心線の中心位置を測定するための詳細な方法を、直方体の工作物がワークテーブル上に固定されている場合に、タッチプローブを使って幾何偏差を測定する具体的な事例を使って説明する。

図４は、図２に示す処理手順の回転中心位置測定ステップＳ６における処理手順を示すフローチャートである。本実施の形態の誤差測定装置は、第１の実施の回転軸幾何偏差計算ステップ（回転軸幾何偏差計算手段）Ｓ１４に替えて、回転中心位置計算ステップ（回転中心位置計算手段）Ｓ１５を有している。

まず、基準点設定ステップＳ８では、工作物設定ステップＳ１において設定された情報に基づいて、測定対象とする回転軸に直交する平面に工作物１を投影した状態での工作物上の１点を基準点として設定する。図８にはＣ軸の幾何偏差を測定するための基準点５と、回転軸の回転による基準点５の位置を模式的に示す。図８の（ａ）はＡ軸０度とＣ軸０度の場合を示し、（ｂ）はＡ軸０度とＣ軸１８０度の場合を示す。工作物が直方体の場合、基準点５は、回転中心４からできる限り離れたコーナに設定する。これは、例えば直方体の中心等に基準点５を設定する場合と比べて、より少ない測定点でより高精度に基準点の座標を特定するためである。

ただし、タッチプローブ以外の測定器を使う場合にはこの限りではなく、使用するセンサの特性に応じて都合のよい基準点を設定すればよい。また、工作物が直方体以外の形状である場合にも、形状に応じて都合のよい基準点を選べばよい。それは、例えば円筒形状であれば円筒端面での中心であり、球体であれば球中心とするのがよい。

測定点決定ステップＳ９では、基準点設定ステップＳ８で設定された基準点５の座標を特定するために必要な測定点を決定する。図９の（ａ）と（ｂ）は、工作物１の測定点の位置とその測定経路（測定順序）を示す斜視図である。各測定点座標Ｐｎ＝（Ｐｎｘ，Ｐｎｙ，Ｐｎｚ）とコーナ座標Ｃｎ＝（Ｃｎｘ，Ｃｎｙ，Ｃｎｚ）は、以下のように計算される。ここで、ｎは測定点およびコーナの番号であり、工作物上のほぼ中央に設定された測定開始点をスタートして−Ｚ方向に移動させ、最初の測定点の座標を測定した後、番号順に各コーナと測定点をたどる。なお、各測定点およびコーナの座標は設計上の回転中心座標を基準とした座標値である。

座標測定ステップＳ１０では各測定点でその点での３次元座標値を取得し、以下に示す座標件算式に基づいて、取得された座標値をもとに次のコーナ座標および測定点座標を順次決定していく。１つの回転軸姿勢につき４点の測定が完了したら、回転軸回転ステップＳ１２により回転軸を回転させ、再度測定点の座標を測定して基準点５の座標を計算する。ここで、Ｗは工作物の幅（Ｘ方向）、Ｄは工作物の奥行き（Ｙ方向）、Ｈは工作物の高さ（Ｚ方向）、ｄｓはタッチプローブのスタイラス径、Ｌｓはタッチプローブのスタイラス長さであり、Ｄｏは移動時の工作物表面からのオフセット距離である。

Ｃ１＝（Ｐ１ｘ， Ｐ１ｙ， Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ２＝（Ｐ１ｘ−Ｗ／２−Ｄｏ， Ｐ１ｙ， Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ３＝（Ｐ１ｘ−Ｗ／２−Ｄｏ， Ｐ１ｙ， Ｐ１ｚ−ｄｓ）
Ｃ４＝（Ｐ２ｘ−Ｄｏ， Ｐ２ｙ＋Ｄ／４， Ｐ２ｚ）
Ｃ５＝（Ｐ３ｘ−Ｄｏ， Ｐ３ｙ＋Ｄ／４＋Ｄｏ， Ｐ３ｚ）
Ｃ６＝（Ｐ３ｘ＋Ｗ／４， Ｐ３ｙ＋Ｄ／４＋Ｄｏ， Ｐ３ｚ）
Ｃ７＝（Ｐ４ｘ＋Ｗ／４， Ｐ４ｙ＋Ｄｏ， Ｐ４ｚ）
Ｃ８＝（Ｐ１ｘ， Ｐ５ｙ＋Ｄｏ， Ｐ１ｚ）
Ｃ９＝（−Ｐ１ｘ， −Ｐ１ｙ， Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ１０＝（Ｐ６ｘ＋Ｗ／２＋Ｄｏ， Ｐ６ｙ， Ｐ６ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ１１＝（Ｐ６ｘ＋Ｗ／２＋Ｄｏ， Ｐ６ｙ， Ｐ６ｚ−ｄｓ）
Ｃ１２＝（Ｐ７ｘ＋Ｄｏ， Ｐ７ｙ−Ｄ／４， Ｐ７ｚ）
Ｃ１３＝（Ｐ８ｘ＋Ｄｏ， Ｐ８ｙ−Ｄ／４−Ｄｏ， Ｐ８ｚ）
Ｃ１４＝（Ｐ８ｘ−Ｗ／４， Ｐ８ｙ−Ｄ／４−Ｄｏ， Ｐ８ｚ）
Ｃ１５＝（Ｐ９ｘ−Ｗ／４， Ｐ９ｙ−Ｄｏ， Ｐ９ｚ）
Ｃ１６＝（Ｐ６ｘ， Ｐ１０ｙ−Ｄｏ， Ｐ６ｚ）

本実施の形態では、各平面２点ずつで１つの回転軸姿勢に対して４点、かつ２通りの回転軸姿勢で合計８点の座標を測定しているが、工作物の各平面が直交していると仮定すれば、最小１つの回転軸姿勢に対して３点、合計６点の測定により回転中心線の位置を計算できる。回転軸が２軸あれば、そのときの測定点数は最小１２点である。

基準点座標計算ステップＳ１１では、同一平面上の２点の測定結果から直線野の方程式を求め、２つの直線の方程式から交点の座標を計算して基準点座標とする。２点から直線の方程式を求める計算および、２つの直線の方程式の交点を求める計算は、広く公知の方法により可能である。回転軸１軸につき２通りの角度での基準点座標を用いて、回転中心位置計算ステップＳ１５では回転軸中心線の位置を計算する。本実施の形態におけるＣ軸の回転中心位置は、Ｃ軸を０度としたときの基準点５の座標をＰ_Ａ０Ｃ０、Ｃ軸を１８０度としたときの基準点５の座標をＰ_{Ａ０Ｃ１８０}とすれば、２つの座標値の平均値として計算される。

本実施の形態ではＣ軸の中心位置に加えてＡ軸の中心位置も計算するので、基準点設定ステップＳ８に戻ってＡ軸中心位置を測定するための基準点５を設定する。基準点設定ステップＳ８では、工作物設定ステップＳ１において設定された情報に基づいて、測定対象とする回転軸に直交する平面に工作物を投影した状態での工作物上の１点を基準点として設定する。

図１０にはＡ軸の幾何偏差を測定するための基準点５と、回転軸の回転による基準点５の位置を模式的に示す。図１０の（ａ）はＡ軸０度とＣ軸０度の場合を示し、（ｂ）はＡ軸９０度とＣ軸０度の場合を示す。ここで、図１０のように工作物が設置されていれば、Ａ軸を９０度回転させた状態でもタッチプローブにより基準点の座標を特定することが可能であるが、例えば、工作物１がＡ軸中心線よりも−Ｙ側に設置されていた場合には、Ａ軸を９０度回転させた状態ではタッチプローブによる測定が不可能になってしまう。

このような問題を解決するため、本発明の誤差測定装置では、工作物のおおよその設置位置を検出する手段と、回転軸を所定の角度回転させた場合の基準点を特定するために必要な工作物上の測定点を計算する手段と、測定点を数値制御工作機械が備える位置測定機能により測定可能であるかを判別する手段とを有し、測定不可能と判別された場合には、前記基準点を変更するか、前記回転軸の所定の角度を変更するか、前記工作物が固定されている回転軸を回転させるか、もしくは工作物の固定位置を変更する。

本実施の形態で対象としている多軸工作機械での具体例を、図５を使って説明する。まず、工作物概略中心位置取得ステップＳ１６では、工作物上のおおよその中心位置まで例えば手動パルスハンドルにより主軸を移動させ、そのときの座標値を取得する。本実施の形態で対象としている多軸工作機械の場合、工作物１がＡ軸中心線より−Ｙ側にあると測定ができないので、工作物概略中心位置取得ステップＳ１６で取得されたＹ座標の符号が負である場合には、Ｃ軸を１８０度回転させることで工作物の位置を変化させる。これにより、工作物１は＋Ｙ側に移動するので、Ａ軸を９０度回転させた状態でも基準点５の座標を特定することが可能となる。

なお、図５の処理は本実施の形態における具体例を示すものであり、本発明は図５の処理に限定されるものではない。例えば、工作物概略中心位置取得ステップＳ１６は画像センサ等により構成されてもよいし、ワークテーブル回転ステップＳ１７に代えて、工作物の設置位置を変更するようにしてもよい。

測定点決定ステップＳ９では、基準点設定ステップＳ８で設定された基準点５の座標を特定するために必要な測定点を決定する。図１１には、測定点決定ステップＳ９で決定された測定点と測定経路を示す。図１１の（ａ）（ｂ）は、工作物１の測定点の位置とその測定経路（測定順序）を示す斜視図であり、図１１の（ｃ）は、工作物１を載置したワークテーブル部２がＡ軸回りに回転する様子を示したものである。各測定点座標Ｐｎ＝（Ｐｎｘ，Ｐｎｙ，Ｐｎｚ）とコーナ座標Ｃｎ＝（Ｃｎｘ，Ｃｎｙ，Ｃｎｚ）は、以下のように計算される。ここで、ｎは測定点およびコーナの番号であり、図５の処理における工作物追従ステップＳ１８または工作物上のほぼ中央に設定された測定開始点をスタートして−Ｚ方向に移動させ、最初の測定点の座標を測定した後、番号順に各コーナと測定点をたどる。なお、各測定点およびコーナの座標は設計上の回転中心座標を基準とした座標値である。

座標測定ステップＳ１０では各測定点でその点での３次元座標値を取得し、以下に示す座標件算式に基づいて、取得された座標値をもとに次のコーナ座標および測定点座標を順次決定していく。１つの回転軸姿勢につき４点の測定が完了したら、回転軸回転ステップＳ１２により回転軸を回転させ、再度測定点の座標を測定して基準点５の座標を計算する。ここで、Ｗは工作物の幅（Ｘ方向）、Ｄは工作物の奥行き（Ｙ方向）、Ｈは工作物の高さ（Ｚ方向）、ＺｏはＺ軸機械原点、Ｌｓはタッチプローブのスタイラス長さであり、Ｄｏは移動時の工作物表面からのオフセット距離である。なお、以下の座標計算式はＡ軸を９０度回転させて測定する場合の事例である。

Ｃ１＝（Ｐ１ｘ， Ｐ１ｙ， Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ２＝（Ｐ１ｘ， Ｐ１ｙ＋Ｄ／４， Ｐ１ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ３＝（Ｐ２ｘ， Ｐ２ｙ＋Ｄ／４＋Ｄｏ， Ｐ２ｚ＋Ｄｏ）

ｉｆ Ｌｓ＞Ｈ
Ｃ４＝（Ｐ２ｘ， Ｐ２ｙ＋Ｄ／４＋Ｄｏ， Ｐ２ｚ−（Ｈ−Ｄｏ）／２）
ｅｌｓｅ
Ｃ４＝（Ｐ２ｘ， Ｐ２ｙ＋Ｄ／４＋Ｄｏ， Ｐ２ｚ−（Ｌｓ−Ｄｏ）／２）
ｅｎｄ

Ｃ５＝（Ｐ３ｘ， Ｐ３ｙ＋Ｄｏ， ２Ｐ３ｚ−Ｐ２ｚ）
Ｃ６＝（Ｐ１ｘ， Ｐ１ｙ， Ｚｏ）
Ｃ７＝（Ｐ１ｘ， −Ｐ４ｚ，Ｚｏ）
Ｃ８＝（Ｐ１ｘ， −Ｐ４ｚ， Ｐ４ｙ＋Ｄｏ）
Ｃ９＝（Ｐ５ｘ， −Ｐ３ｚ， Ｐ５ｙ＋Ｄｏ）
Ｃ１０＝（Ｐ５ｘ， −Ｐ２ｚ−Ｄｏ， Ｐ６ｚ＋Ｄｏ）
Ｃ１１＝（Ｐ６ｘ， −Ｐ２ｚ−Ｄｏ， Ｐ６ｚ−（Ｌｓ−Ｄｏ）／２）
Ｃ１２＝（Ｐ７ｘ， Ｐ７ｙ−Ｄｏ， ２Ｐ７ｚ−Ｐ６ｚ）

基準点座標計算ステップＳ１１では、同一平面上の２点の測定結果から直線野の方程式を求め、２つの直線の方程式から交点の座標を計算して基準点座標とする。２点から直線の方程式を求める計算および、２つの直線の方程式の交点を求める計算は、広く公知の方法により可能である。回転軸１軸につき２通りの角度での基準点座標を用いて、回転中心位置計算ステップＳ１５では回転軸中心線の位置を計算する。本実施の形態におけるＡ軸の回転中心位置は、Ａ軸を０度としたときの基準点Ｐ_Ａ０Ｃ０とＡ軸を９０度としたときの基準点Ｐ_{Ａ９０Ｃ０}とを結ぶ線分を、基準点Ｐ_Ａ０Ｃ０周りに４５度回転させた線分と、基準点Ｐ_{Ａ９０Ｃ０}周りに−４５度回転させた線分との交点として計算される。

以上、工作物側にＡ軸とＣ軸を有する多軸工作機械について、直方体の工作物がワークテーブル上に固定されている場合に、タッチプローブを使って回転中心位置を測定する方法を説明したが、ほかの軸構成をもつ多軸工作機械についても、当業者であれば十分に適用が可能である。また、テーブル上に固定された工作物が直方体以外の場合であっても、基準点の測定方法を変更するだけで同じ方法が適用できる。

工作物設置誤差測定ステップＳ４、および工作物設置誤差パラメータ設定ステップＳ５における処理については、実勢の形態１に記載した方法と同一の方法を適用する。実施の形態１では工作物が直方体である場合について説明されているが、これにより本発明が限定されるものではなく、工作物が円筒形状やそれ以外の形状である場合についても、形状に応じた測定方法を実施することで本発明を適用できる。

この発明の誤差測定装置及び誤差測定方法は、直進軸と回転軸とを有する数値制御工作機械に適用されて有用なものであり、特に５軸制御マシニングセンタのような多軸工作機械において、回転軸中心線の位置および傾きや工作物の設置位置および傾きといった誤差を測定するために使用されて好適なものである。

１ 工作物
２ ワークテーブル部
３ 傾斜軸部
４ 回転中心
５ 工作物上の基準点
Ｓ１ 工作物設定ステップ（工作物設定手段）
Ｓ２ 回転軸幾何偏差測定ステップ（回転軸幾何偏差測定手段）
Ｓ３ 幾何偏差パラメータ設定ステップ（幾何偏差パラメータ設定手段）
Ｓ４ 工作物設置誤差測定ステップ（工作物設置誤差測定手段）
Ｓ５ 工作物設置誤差パラメータ設定ステップ（工作物設置誤差パラメータ設定手段） Ｓ６ 回転中心位置測定ステップ（回転中心位置測定手段）
Ｓ７ 回転中心パラメータ設定ステップ（回転中心パラメータ設定手段）
Ｓ８ 基準点設定ステップ（基準点設定手段）
Ｓ９ 測定点決定ステップ（測定点決定手段）
Ｓ１０ 座標測定ステップ（座標測定手段）
Ｓ１１ 基準点座標計算ステップ（基準点座標計算手段）
Ｓ１２ 回転軸回転ステップ（回転軸回転手段）
Ｓ１３ 回転後測定点計算ステップ（回転後測定点計算手段）
Ｓ１４ 回転軸幾何偏差計算ステップ（回転軸幾何偏差計算手段）
Ｓ１５ 回転中心位置計算ステップ（回転中心位置計算手段）
Ｓ１６ 工作物概略中心位置取得ステップ（工作物概略中心位置取得手段）
Ｓ１７ ワークテーブル回転ステップ（ワークテーブル回転手段）
Ｓ１８ 工作物追従ステップ（工作物追従手段）

Claims (11)

1. 直進軸と回転軸とを有する数値制御工作機械において、回転軸中心線の位置及び傾きと工作物の設置位置及び傾きとを測定する装置であって、
   固定された前記工作物表面の点の位置を測定することにより、前記回転軸中心線の位置及び傾きを測定する回転軸幾何偏差測定手段と、
   測定した前記回転軸中心線の位置及び傾きを数値制御装置に設定する幾何偏差パラメータ設定手段と、
   前記回転軸中心線の位置を基準にした前記工作物の設置位置と傾きを測定する工作物設置誤差測定手段と、
   測定した前記工作物の設置位置と傾きとを数値制御装置に設定する工作物設置誤差パラメータ設定手段と、を有し、
   前記回転軸幾何偏差測定手段による前記回転軸中心線の位置及び傾きの測定と前記工作物設置誤差測定手段による前記工作物の設置位置及び傾きの測定とを同一の測定サイクル中で行うことができる
   ことを特徴とする誤差測定装置。
2. 直進軸と回転軸とを有する数値制御工作機械において、回転軸中心線の位置と工作物の設置位置及び傾きとを測定する装置であって、
   前記工作物表面の点の位置を測定することにより、前記回転軸中心線の位置を測定する回転中心位置測定手段と、
   測定した前記回転軸中心線の位置を数値制御装置に設定する回転中心パラメータ設定手段と、
   前記回転軸中心線の位置を基準にした前記工作物の設置位置と傾きを測定する工作物設置誤差測定手段と、
   測定した前記工作物の設置位置と傾きとを数値制御装置に設定する工作物設置誤差パラメータ設定手段と、を有し、
   前記回転中心位置測定手段による前記回転軸中心線の位置の測定と前記工作物設置誤差測定手段による前記工作物の設置位置及び傾きの測定とを同一の測定サイクル中で行うことができる
   ことを特徴とする誤差測定装置。
3. 前記回転軸幾何偏差測定手段は、
   前記工作物の形状と前記工作物の１点を基準点として定義する基準点設定手段と、
   前記基準点の３次元座標を特定するために必要な前記工作物上の測定点を決定する測定点決定手段と、
   前記回転軸を所定の角度割り出しながら少なくとも２つの割り出し角度において、前記工作物上の複数の前記測定点から前記基準点の３次元座標を求める基準点座標計算手段と、
   前記割り出し角度と複数の前記基準点の３次元座標との関係から、前記回転軸の回転中心線の位置及び傾きを計算する回転軸幾何偏差計算手段と、を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の誤差測定装置。
4. 前記回転中心位置測定手段は、前記工作物の形状と前記工作物を前記回転軸と直交する２次元平面に投影した１点を基準点として定義する基準点設定手段と、
   前記基準点の２次元座標を特定するために必要な前記工作物上の測定点を決定する測定点決定手段と、
   前記回転軸を所定の角度割り出しながら少なくとも２つの割り出し角度において、前記工作物上の複数の前記測定点から前記基準点の２次元座標を求める基準点座標計算手段と、
   前記割り出し角度と複数の前記基準点の２次元座標との関係から、前記回転軸の回転中心線の位置を計算する回転中心位置計算手段と、を有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の誤差測定装置。
5. 前記工作物のおおよその設置位置を検出する工作物概略中心位置取得手段と、
   前記回転軸を所定の角度回転させた場合の前記基準点を特定するために必要な工作物上の前記測定点を計算する工作物概略中心位置取得手段を、さらに有し、
   前記測定点を前記数値制御工作機械が備える位置測定機能により測定可能であるかを判別し、
   測定不可能と判別された場合には、前記基準点を変更するか、前記回転軸の所定の傾きを変更するか、前記工作物が固定されている前記回転軸を回転させるか、もしくは前記工作物の固定位置を変更する
   ことを特徴とする請求項１に記載の誤差測定装置。
6. 前記測定点の測定は、タッチプローブにより行われ、前記工作物が直方体のとき、前記基準点は、回転中心からできる限り離れたコーナに設定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の誤差測定装置。
7. 直進軸と回転軸とを有する数値制御工作機械において、工作物が設置される回転軸の回転軸中心線の位置及び傾きと工作物の設置位置及び傾きとを測定する方法であって、
   前記回転軸に固定された前記工作物表面の点の位置を測定することにより、前記回転軸中心線の位置及び傾きを測定する回転軸幾何偏差測定ステップと、
   測定した前記回転軸中心線の位置及び傾きの補正量を数値制御装置に設定する幾何偏差パラメータ設定ステップと、
   前記回転軸中心線の位置を基準にした前記工作物の設置位置と傾きを測定する工作物設置誤差測定ステップと、
   測定した前記工作物の設置位置と傾きとを数値制御装置に設定する工作物設置誤差パラメータ設定ステップと、を有し、
   前記回転軸幾何偏差測定ステップにおける前記回転軸中心線の位置及び傾きの測定と前記工作物設置誤差測定ステップにおける前記工作物の設置位置及び傾きの測定とを同一の測定サイクル中で行うことができる
   ことを特徴とする誤差測定方法。
8. 直進軸と回転軸とを有する数値制御工作機械において、工作物が設置される回転軸の回転軸中心線の位置と工作物の設置位置及び傾きとを測定する方法であって、
   前記回転軸に固定された前記工作物表面の点の位置を測定することにより、前記回転軸中心線の位置を測定する回転中心位置測定ステップと、
   測定した前記回転軸中心線の位置の補正量を数値制御装置に設定する回転中心パラメータ設定ステップと、
   前記回転軸中心線の位置を基準にした前記工作物の設置位置と傾きを測定する工作物設置誤差測定ステップと、
   測定した前記工作物の設置位置と傾きとを数値制御装置に設定する工作物設置誤差パラメータ設定ステップと、を有し、
   前記回転中心位置測定ステップにおける前記回転軸中心線の位置の測定と前記工作物設置誤差測定ステップにおける前記工作物の設置位置及び傾きとを同一の測定サイクル中で行うことができる
   ことを特徴とする誤差測定方法。
9. 前記回転軸幾何偏差測定ステップは、前記工作物の形状と前記工作物の１点を基準点として定義する基準点設定ステップと、
   前記基準点の３次元座標を特定するために必要な前記工作物上の測定点を決定する測定点決定ステップと、
   前記回転軸を所定の角度割り出しながら少なくとも２つの割り出し角度において、前記工作物上の複数の前記測定点から前記基準点の３次元座標を求める基準点座標計算ステップと、
   前記割り出し角度と複数の前記基準点の３次元座標との関係から、前記回転軸の回転中心線の位置及び傾きを計算する回転軸幾何偏差計算ステップと、を有する
   ことを特徴とする請求項７に記載の誤差測定方法。
10. 前記回転中心位置測定ステップは、前記工作物の形状と前記工作物を前記回転軸と直交する２次元平面に投影した１点を基準点として定義する基準点設定ステップと、
    前記基準点の２次元座標を特定するために必要な前記工作物上の測定点を決定する測定点決定ステップと、
    前記回転軸を所定の角度割り出しながら少なくとも２つの割り出し角度において、前記工作物上の複数の前記測定点から前記基準点の２次元座標を求める基準点座標計算ステップと、
    前記割り出し角度と複数の前記基準点の２次元座標との関係から、前記回転軸の回転中心線の位置及び傾きを計算する回転中心位置計算ステップと、を有する
    ことを特徴とする請求項８に記載の誤差測定方法。
11. 前記工作物のおおよその設置位置を検出する工作物の概略中心位置を取得し、前記回転軸を所定の角度回転させた場合の前記基準点を特定するために必要な工作物上の測定点を計算する工作物概略中心位置取得ステップを、さらに有し、
    前記測定点を前記数値制御工作機械が備える位置測定機能により測定可能であるかを判別し、
    測定不可能と判別された場合には、前記基準点を変更するか、前記回転軸の所定の傾きを変更するか、前記工作物が固定されている前記回転軸を回転させるか、もしくは前記工作物の固定位置を変更する
    ことを特徴とする請求項７に記載の誤差測定方法。

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