JPH0780757A - 工作機械における位置変位測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 工作機械の運転中に、工具叉はワークの主軸
方向位置変位を高精度で測定し、精密な位置制御を実現
すること。 【構成】 フライカッティング方式による切削加工を行
なう工作機械１の主軸部分に適用された位置変位測定装
置は、移動テーブル機構４０上に機械本体部と共に載置
れた干渉計２０、レーザ光源装置３０、主軸３のコア部
２７に透明材料で形成されたレーザビーム光路及び工具
装着部４の背面に取付けられた反射ミラー２６を包含
し、反射ミラー２６上の測定光ビーム３２の入射点Ｑを
測定点として、加工点Ｐの位置変位が計測される。干渉
計２０の光検出部２３で検出された信号は、ケーブル２
４を介してＦＢ信号演算部に送られ、加工点ＰのＺ軸方
向の位置変位を表わす信号が生成される。この信号は、
移動テーブル機構４０の主軸方向位置の位置制御系の位
置ループの入力を補正する信号として利用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、工作機械における変
位測定方法及び変位測定装置に関し、更に詳しく言え
ば、精密加工、特に、超精密加工を行なう為の工作機械
における工具あるいはワークの位置変位を、加工点の近
傍を測定点として精密測定する方法及び該方法を実施す
る為の変位測定装置に関する。本願発明の変位測定方法
及び装置は、工作機械における工具あるいはワーク位置
のフィードバック制御の精度を向上させる為に活用され
得るものである。

【０００２】

【従来の技術】精密な加工精度が要求される工作機械、
特に超精密加工機においては、加工中の加工誤差を連続
的に計測し、工具あるいはワークが常に正しい位置をと
るように機械の自動補正制御を行なう必要がある。加工
中に位置の誤差を測定する方法として、いわゆるインプ
ロセス法が従来より知られているが、従来のインプロセ
ス法は、加工部近傍の測定点に測定素子を取り付けるも
ので、加工中に発生する切削屑、切削油、機械的な振
動、熱等の悪条件下で測定を行なわなければならない為
に、例えばナノメータ単位に及ぶような超精密な測定
を、高い信頼性を以て実行することは事実上困難であっ
た。また、測定素子の寿命を長く保つことも出来なかっ
た。

【０００３】測定点に測定素子を取り付けずに加工中の
工具ワーク間相対位置を測定することが出来る方法とし
て、加工面基準制御加工法と呼ばれる方法があるが、こ
の方法では、被計測対象物の測定点と測定スケールが同
一線上に無い場合に発生するアッベの誤差の問題を回避
することが出来ず、高精度の計測に基づいた精密な位置
制御を行なうのに適した方法であるとは言い難かった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、本願発明の１
つの目的は、実際に加工が行なわれている点（加工点）
の近傍を測定点として、被計測対象物（工具叉はワー
ク）の位置変位を測定点と測定スケールを同一線上に乗
せた状態で高精度で計測し得る、工作機械における変位
測定方法及び変位測定装置を提供することにあり、もう
１つの目的は、切削屑、切削油、機械的な振動、熱等の
悪条件の影響を受けない形でインプロセス法による測定
を実行し得る前記方法及び装置を提供することにある。

【０００５】また、本願発明の更にもう１つの目的は、
ＮＣ装置（数値制御装置）によって制御される工作機械
における位置制御精度を向上させることが出来る、前記
方法及び装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願発明は、「工作機械
の工具装着手段またはワーク装着手段の背面に光反射手
段を配置し、前記工作機械の主軸を貫通して形成された
光路を用いて干渉計手段の測定光ビームを往復伝播させ
ることによって、前記工具またはワークの前記主軸方向
に沿った位置変位を測定することを特徴とする工作機械
における位置変位測定方法」によって、上記技術課題を
解決する為の基本的な方法を提供したものであり（請求
項１に記載の構成）、特に、ＮＣ装置によって制御され
る工作機械における位置制御精度を向上させる為の構成
として、上記方法において更に、「前記位置変位の測定
が前記工作機械の運転中に連続的に行なわれると共に、
前記位置変位の測定結果が、加工点の前記主軸方向に沿
った位置が補正されるように前記工作機械の前記主軸方
向可動部分の位置補正制御を行なう為に利用される」と
いう要件を課したものである（請求項２に記載の構
成）。

【０００７】また、上記各方法を実施する為の位置変位
測定装置の構成として、「工作機械の主軸上で加工点か
ら相対的に離隔した位置に配置された干渉計手段と、前
記工作機械の工具装着手段またはワーク装着手段の背面
に配置された光反射手段と、前記工作機械の主軸を貫通
して形成された測定光ビーム往復伝播光路手段と、前記
干渉計手段に可干渉性光ビームを入射させる光源手段と
を備えていることを特徴とする工作機械における位置変
位測定装置」（請求項３に記載の構成）、並びに、該装
置に「前記工作機械の主軸方向可動部分の位置制御を行
なう制御手段に対して加工点の前記主軸方向に沿った位
置を補正する補正信号を供給する為の手段」を具備させ
た構成を開示したものである（請求項４に記載の構
成）。

【０００８】

【作用】本願発明の位置変位測定方法及び装置において
は、工作機械の主軸上で加工点から相対的に離隔した位
置に干渉計が配置され、可干渉性の光源（レーザ）から
の光ビームが入射される。干渉計内で生成された測定光
ビームは、工作機械の主軸を貫通して形成された光路を
通って、工具装着手段またはワーク装着手段の背面に配
置された光反射手段で反射され、同光路を逆進して干渉
計に再入射する。干渉計内では、使用される干渉計の型
式に応じた光学系によって参照光ビームとの波面重畳が
行なわれ、光検出部で干渉による明暗が観測される。光
検出部で得られた検出出力は、使用された干渉計に即し
た信号処理を経て前記光反射手段の主軸方向位置変位量
を表わす信号に変換される（例えば、位相補償型干渉計
を使用した場合には、位相補償量を表わす信号が、位置
変位量を表わす信号として取り扱われる）。

【０００９】更に、光反射手段の主軸方向位置変位量を
表わす信号は、適当な評価法によって定められる関係を
介して、加工点の主軸方向位置変位量を表わす信号に変
換され、加工点位置の精密制御に利用される。即ち、加
工中の加工点位置変位を連続的に監視し、工作機械の移
動要素の位置制御系に対して位置補正信号をリアルタイ
ムに供給し、機械の運動精度の限界、切削中に発生する
熱等による温度変化による各部分の熱変位、切削抵抗に
よる変位など種々の要因によって生じる加工点位置ドリ
フトの影響を補償する為の位置補正制御が実行される。
これにより、これらドリフト要因の影響を抑えた極めて
高精度の位置制御が実現される。

【００１０】本願発明によれば、工作機械の主軸を貫通
した測定光ビーム光路を有する干渉計手段を利用して、
主軸上に測定点を設定した工具叉はワークの位置変位測
定が行なわれるので、アッベの誤差を含まない高精度の
測定信号が主軸の回転運動に阻害されることなく獲得さ
れる。また、測定点を加工点から遠ざけることなく、切
削屑や切削油が飛散して来る恐れの無い位置に設定し得
るので、従来のインプロセス法に比べてはるかに良好な
条件下でインプロセス測定を行なうことが可能になる。

【００１１】更に、熱や機械的な振動によって誤差を生
じ易い測定機器本体部（干渉計本体部）を加工点から離
隔した位置に設置出来るから、測定精度に対する信頼性
をより高く保ち、測定装置の寿命を延ばすと共に、清掃
等の保守作業の負担を軽減させる上でも極めて有利であ
る。

【００１２】

【実施例】図１は、本願発明に従った変位測定方法乃至
装置をフライカッティング方式による切削加工を行なう
精密工作機械の主軸部分に適用した場合の概略構成例を
説明する模式図である。図１において、符号１で総括的
に指示されている精密工作機械は、ベッド７０上に機械
本体移動載置部及びワーク載置部を備えている。ワーク
載置部は、高さ調節可能な基台６０上に設置されたワー
ク取り付けコラム６１を有し、該コラム６１に被加工ワ
ーク６２が取り付けられている。

【００１３】一方、機械本体移動載置部は、各々内部構
造を省略して一括描示されたガイド機構５０、該ガイド
機構５０上で図示しない各軸モータによって、Ｘ方向
（紙面垂直方向）、Ｙ方向（紙面上下方向）、Ｚ方向
（紙面左右方向）に駆動される移動テーブル機構４０、
並びに、該移動テーブル機構４０上に載置された機械本
体部及び変位測定装置から構成されている。

【００１４】機械本体部は、移動テーブル機構４０上に
固定載置された主軸ハウジング２（図中、上半部は破断
表示。）及び該主軸ハウジング２に取り付けられた軸受
部９に軸受け支持された状態で主軸モータ１０によって
回転駆動される主軸３を有している。軸受部９は空気軸
受け機構（詳細構造省略。）を包含し、主軸３との間の
ギャップ７にはスラスト軸受機能を果たすエア噴流が供
給される一方、主軸３に対してキー結合（図示省略）さ
れた回転部材１２との間のギャップ８には、ラジアル方
向の軸受機能を果すエア噴気流が供給される。

【００１５】主軸３の先端部には、工具装着部４を介し
て切削工具５が装着される。工具５の刃先部６と主軸３
の回転軸との間には、微小オフセット距離がとられてい
る。従って、ワーク６２に刃先部６が押し付けられた状
態で主軸３が回転すると、刃先部６は主軸３の回転軸と
ワーク加工面の交点Ｐ（以下、加工点と呼ぶ。）を中心
としオフセット距離を半径とする公転運動を行い、切り
込み量（Ｚ軸上位置）に応じた切削加工が実行されるこ
とになる。

【００１６】移動テーブル機構４０のＸ軸位置及びＹ軸
位置は、予め加工プログラムに従って、ＮＣ装置、エン
コーダ等を含む制御装置によって従来と同様のセミクロ
ーズド方式によって制御されるが、Ｚ軸位置（主軸方向
位置）については、本願発明に従った変位測定装置の検
出出力に基づいた位置制御が行なわれる。本願発明を主
軸部分に適用する為に組み込まれている変位測定装置
は、移動テーブル機構４０上に機械本体部と並んで載置
された干渉計２０、レーザ光源装置３０、主軸３のコア
部２７として形成されたレーザビーム光路手段及び工具
装着部４の背面に取り付けられた反射ミラー２６を包含
し、該反射ミラー２６上の測定光ビーム３２の入射点
（反射点）Ｑを測定点として、加工点Ｐの位置変位を計
測する。

【００１７】レーザ光源装置３０は、出射光ビーム３１
を正確に干渉計２０に入射させる為の光軸調整が可能な
態様で、基台３３上に設置される。光軸調整を簡単にす
る為にレーザ光源装置３０と干渉計２０の光入射部の間
をコヒーレンシー保存性の光伝送体（例えば、シングル
モード光ファイバ）で接続することも考えられる。使用
するレーザ発振器の種類（気体レーザ、半導体レーザ
等）に特に制約は無いが、発振周波数が変動すると計測
精度低下の原因となるので、発振周波数（波長）の安定
化手段を備えたレーザ装置を用いることが好ましい。

【００１８】加工中には、反射ミラー２６が主軸と共に
回転するので、測定光ビーム３２の入射点（反射点）Ｑ
を主軸３の回転中心と一致させるか、あるいは、反射面
を主軸とを正確に直交させる必要がある。その為に、反
射ミラー２６の反射面の向きを微調整する機構を反射ミ
ラー取り付け箇所に付設することも考えられる。

【００１９】干渉計２０と反射ミラー２６の間の測定光
ビーム往復光路となる主軸コア部２７は、空洞（空気）
としても良いが、温度上昇に伴う媒質の屈折率のゆらぎ
を抑制し、測定誤差の原因となる光路長変動を発生させ
ない為に、レーザビームに対して透明な材料（例えば、
アクリル樹脂）で構成することが好ましい。より高精度
の測定を企図する場合には、高真空とすることも考えら
れる。

【００２０】図中には、干渉計２０として、ハーフミラ
ー２１、参照ミラー２２、光検出部２３からなるマイケ
ルソン型の基本配置を有するものが例示されているが、
測定光ビーム光路として主軸３を貫通・往復するものを
設定する配置が可能である限り任意の型のものを使用す
ることが出来る。例えば、公知の位相補償型の干渉計を
用いることによって極めて高精度（数ｎｍ程度の分解
能）の位置変位測定を行なうことが可能となる。

【００２１】干渉計２０の光検出部２３で検出された信
号は、ケーブル２４を介してＦＢ信号演算部（後述、図
２、３を参照）に送られ、移動テーブル機構４０の主軸
方向位置（Ｚ軸上位置）の位置補正に利用される。ＦＢ
信号演算部では、採用された干渉計に即した信号処理が
行なわれ反射ミラー２７の位置変位を表わす信号を媒介
として、加工点ＰのＺ軸方向の位置変位を表わす信号が
生成される。位相補償型干渉計を使用した場合には、位
相補償量を表わす信号が、反射ミラー位置変位量を表わ
す信号として処理される。

【００２２】干渉計２０によって測定される量は測定光
ビーム３２の往復光路長の変化であるから、直接的に
は、干渉計２０の位置を基準とし、測定光ビーム３２の
反射点Ｑを測定点とする位置変位測定が実行されること
になる。この場合、測定点Ｑ及び測定スケールに相当す
る測定光ビーム３２の双方が主軸上に乗ることは明らか
であるから、前述したアッベの誤差が生じる可能性が原
理的に回避される。

【００２３】そして、測定点Ｑは加工点Ｐから遠くない
工具装着部４の背面に設定されているから、干渉計２０
による測定結果に基づいて加工点Ｐの主軸方向位置変位
を評価することが十分可能である。例えば、Ｑ点の主軸
方向位置変位Δq とＰ点の主軸方向位置変位Δp の関係
を、Ｑ点の位置変位量測定データと切込み量の実測デー
タを照合する等の方法を用いて、Δq ＝αΔp （αは換
算係数）等の形式で予め求めておくことが考えられる。
換算係数αが、温度Ｔ等の他の条件で変化すると考えら
れる場合には、適当な位置に配置された温度センサの出
力を利用して、αを温度等の条件を表わす変数の関数と
して評価すれば良い。また、光路２７を構成する材料の
温度変化による屈折率変化に応じた干渉計の温度補正が
必要な場合にも、該温度センサ出力を利用してこれを加
味した演算を行なうことが考えられる。なお、最も単純
な評価法は、常にα＝１（反射ミラーの変位Δq ＝加工
点の変位Δp ）とみなすことである。

【００２４】このような評価法によって定められた関係
（Δp ＝αΔq ）を用い、加工点位置変位を加工中にリ
アルタイムに測定することにより、より望ましい加工点
位置を実現する為の位置補正を実行することが出来る。
以下、これを説明する。

【００２５】ＮＣ装置によって制御されるのは、通常、
位置検出器としてモータの回転軸等に取り付けられたエ
ンコーダを介して検出される位置（エンコーダ取り付け
軸の回転位置）であるから（セミクローズド方式）、仮
にＮＣ制御装置による主軸方向の位置制御が理想的なも
のであったとしても、ワーク６２の切込み量を定める加
工点Ｐの位置が所望通りに推移するとは限らない。

【００２６】加工点Ｐの位置を変動させる原因として
は、機械の運動精度の限界、切削中に発生する熱等によ
る温度変化による各部分の熱変位、切削抵抗による変位
など種々の要因が考えられるが、本願発明の測定方法乃
至想定装置によれば、これら加工点位置誤差を生む諸要
因の殆どを取り込んだ測定がなされるから、その測定結
果を位置制御系に位置補正量としてリアルタイムに取り
入れることにより、上記諸要因の影響を抑止した位置制
御を実現することが可能になる。

【００２７】図２は、その為に使用される工作機械制御
システムの構成を要部ブロック図で例示したものであ
る。また、図３は、図２に示したシステムにより実行さ
れるＺ軸制御の制御ループを簡潔に記したものである。

【００２８】図２中、符号１００で表わされたＣＮＣに
内蔵されたＣＰＵは、ＣＮＣ１００内のメモリに格納さ
れたプログラムデータを順次読み込み、ＸＹＺ各軸デー
タに対して必要な補間計算を行ない、所定周期毎に各軸
の移動指令信号を共有ＲＡＭ１０１に送り出す。

【００２９】一方、各軸モータ１０３を駆動するデジタ
ルサーボ回路１０２のＣＰＵは、この移動指令を共有メ
モリ１０１から所定周期で読み出し、ＸＹＺ各軸につい
ての位置指令信号を生成する。Ｘ軸及びＹ軸に関して
は、従来通り、位置指令値と各軸のエンコーダによって
検出される現在位置との偏差が位置ループ入力とされる
が、Ｚ軸に関しては、各図に示したように、干渉計２０
の出力に基づいてＦＢ信号演算器２５で生成されるＦＢ
信号（加工点Ｐの位置変位量または要補正量を表わす信
号）を加味した形で位置ループ入力が決定される。

【００３０】即ち、デジタルサーボ回路１０２内のＣＰ
Ｕにより、Ｚ軸位置パルスの位置指令Ｐz とＺ軸のエン
コーダ１０４で検出される現在位置Ｐf の偏差をＦＢ信
号で補正したものに相当する計算が所定周期で行われ、
Ｚ軸の位置ループの入力とされる。例えば、ＦＢ信号が
要補正量をそのまま表わす場合には、Ｐz とＦＢ信号を
加算項とし、Ｐf を減算項とする偏差計算が行なわれ
る。ＦＢ信号が誤差量を表わしている場合には、Ｐz を
加算項とし、Ｐf とＦＢ信号を減算項とする偏差計算が
行なわれることになる。

【００３１】このようにして定められた入力に基づく位
置ループ処理ＰＬによって生成された速度指令信号Ｖz
は、エンコーダ１０４の位置検出出力の微分値に相当す
る現在速度Ｖf との偏差を計算されて速度ループ処理Ｖ
Ｌの入力とされる。速度ループ処理ＶＬではトルク指令
Ｔz が生成され、サーボアンプを介してモータＭにトル
ク指令Ｔz に対応した駆動電流が流されてモータが回転
し、所期の位置補正制御が実現されることになる。

【００３２】以上説明した実施例においては、ワークを
固定し、回転主軸上に工具を担持した本体部がＸＹＺ移
動する型の工作機械について、工具装着部の背面側に反
射ミラーを取り付けて測定点Ｑを設定した例を説明した
が、本願発明の変位測定方法乃至装置が適用される工作
機械は上記実施例のものに限られることは無く、また、
測定点の位置（ミラー取り付け位置）も工具側に限らず
ワーク支持側主軸上に設定することも考えられる。

【００３３】例えば、直交座標系上でプログラムされた
移動指令に基づき、ワーク回転Ｃ軸上の回転移動とＸ軸
上の移動を組み合わせることにより、仮想Ｙ軸方向の移
動を含むフライカッティング方式の加工プロセスを実行
する型の精密工作機械（例えば、本出願人に係る特願平
５−１５８０９３号の添付明細書参照）であれば、本実
施例と同様に、工具装着部の背面の回転主軸上に測定点
Ｑを設定して、主軸方向の位置補正を行なって切込み量
の精密な制御を実現することが出来る。

【００３４】また、旋盤のワーク装着部の背面に反射ミ
ラーを取り付け、主軸上に測定点Ｑを設定し、加工中の
ワーク位置変位をリアルタイムに計測し、その結果を工
具移動テーブルやワーク移動テーブルの主軸方向の位置
補正制御に利用することも可能である。

【００３５】

【発明の効果】本願発明の位置変位測定方法及び装置に
よれば、工作機械の主軸を貫通した測定光ビーム光路を
有する干渉計手段を利用することにより、主軸上に測定
点を設定した工具叉はワークの位置変位が測定されるの
で、アッベの誤差を含まない高精度の測定信号を主軸の
回転運動に阻害されることなく獲得することが出来る。
また、測定点を加工点から遠ざけることなく切削屑や切
削油が飛散して来る恐れの無い位置に設定し得るので、
従来のインプロセス法に比べてはるかに良好な条件下で
インプロセス測定を行なうことが可能となった。

【００３６】更に、熱や機械的な振動によって誤差を生
じ易い測定機器本体部（干渉計本体部）を加工点から離
隔した位置に設置出来るから、測定精度に対する信頼性
をより高く保ち、測定装置の寿命を延ばすと共に、清掃
等の保守作業の負担を軽減させることが出来るようにな
った。

【００３７】そして、測定点Ｑは加工点から遠くない工
具叉はワークの装着部の背面に設定される故、測定結果
に基づいて加工点の位置変位を適正に評価することが十
分可能であり、この評価に基づき、加工中の加工点位置
変位を連続的に監視し、工作機械の移動要素の位置制御
系に対して位置補正信号をリアルタイムに供給すること
が可能となった。これにより、機械の運動精度の限界、
切削中に発生する熱等による温度変化による各部分の熱
変位、切削抵抗による変位など種々の要因によって生じ
る加工点位置ドリフトの影響を補償する位置補正制御を
行なうことが可能となり、精密工作機械による工作精度
向上を阻害する大きな要因が取り除かれた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明に従った変位測定方法乃至装置をフラ
イカッティング方式による切削加工を行なう工作機械の
主軸部分に適用した場合の概略構成例を説明する模式図
である。

【図２】図１に示した実施例で使用されている位置変位
測定装置により得られた測定結果を加工点のＺ軸上位置
の補正制御に利用する場合に使用される工作機械制御シ
ステムの構成を要部ブロック図で例示したものである。

【図３】図２に示したシステムにより実行されるＺ軸制
御の制御ループを表わした簡略ブロック図である。

【符号の説明】

１ 精密工作機械 ２ 主軸ハウジング ３ 主軸 ４ 工具装着部 ５ 工具 ６ 刃先部 ７，８ ギャップ ９ 軸受部 １０ 主軸モータ １１ エンコーダ（主軸） ２０ 干渉計 ２１ ビームスプリッタ ２２ 参照ミラー ２３ 光検出部 ２４ ケーブル ２５ ＦＢ信号演算部 ２６ 反射ミラー ２７ 主軸コア部 ３０ レーザ光源装置 ３１ レーザビーム ３２ 測定光ビーム ４０ 移動テーブル機構４０ ５０ ガイド機構 ６０ 基台 ６１ ワーク取り付けコラム ６２ ワーク ７０ ベッド １００ ＣＮＣ １０１ 共有メモリ １０２ デジタルサーボ回路 １０３ 各軸駆動モータ １０４ エンコーダ（Ｚ軸） Ｐ 加工点 Ｑ 測定点（測定光ビーム入射点）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工作機械の工具装着手段またはワーク装
   着手段の背面に光反射手段を配置し、前記工作機械の主
   軸を貫通して形成された光路を用いて干渉計手段の測定
   光ビームを往復伝播させることによって、前記工具また
   はワークの前記主軸方向に沿った位置変位を測定するこ
   とを特徴とする工作機械における位置変位測定方法。
2. 【請求項２】 前記位置変位の測定が前記工作機械の運
   転中に連続的に行なわれると共に、前記位置変位の測定
   結果が、加工点の前記主軸方向に沿った位置が補正され
   るように前記工作機械の前記主軸方向可動部分の位置補
   正制御を行なう為に利用されることを特徴とする請求項
   １に記載の工作機械における位置変位測定方法。
3. 【請求項３】 工作機械の主軸上で加工点から相対的に
   離隔した位置に配置された干渉計手段と、前記工作機械
   の工具装着手段またはワーク装着手段の背面に配置され
   た光反射手段と、前記工作機械の主軸を貫通して形成さ
   れた測定光ビーム往復伝播光路手段と、前記干渉計手段
   に可干渉性光ビームを入射させる光源手段とを備えてい
   ることを特徴とする工作機械における位置変位測定装
   置。
4. 【請求項４】 前記工作機械の主軸方向可動部分の位置
   制御を行なう制御手段に対して加工点の前記主軸方向に
   沿った位置を補正する補正信号を供給する為の手段を備
   えていることを特徴とする請求項３に記載の工作機械に
   おける位置変位測定装置。