工作機械の位置測定方法とその装置
【課題】簡素な構成のレーザ光線を有する測定装置で、ＮＣ工作機械の３軸方向の位置座標値を同時に検出し、変位値を演算処理して、熱変位等の補正値とする。
【解決手段】回転主軸４とテーブル６との間でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向の相対移動を行いワークを加工する工作機械に適用する。テーブル６上にレーザ光線１１を照射する発光器１２と受光器１３を配置する。回転主軸４に端部を円錐形状部とした測定工具８を装着する。ワークの加工前と加工後に、テーブル６と測定工具８との相対移動でレーザ光線１１を測定工具８の円錐形状部１５に遮断させる。この遮断時にスキップ信号を送出し、位置を検出し演算処理し、Ｘ、Ｙ，Ｚの各軸の加工前と加工後の差を算出し補正値を求める。
【解決手段】回転主軸４とテーブル６との間でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向の相対移動を行いワークを加工する工作機械に適用する。テーブル６上にレーザ光線１１を照射する発光器１２と受光器１３を配置する。回転主軸４に端部を円錐形状部とした測定工具８を装着する。ワークの加工前と加工後に、テーブル６と測定工具８との相対移動でレーザ光線１１を測定工具８の円錐形状部１５に遮断させる。この遮断時にスキップ信号を送出し、位置を検出し演算処理し、Ｘ、Ｙ，Ｚの各軸の加工前と加工後の差を算出し補正値を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マシニングセンタ、旋盤等の工作機械の位置測定方法とその装置に関する。更に詳しくは、マシニングセンタ等の主軸と、テーブル等に設けられ、レーザ光線を利用して主軸の測定工具とテーブルとの相対位置ずれを測定し位置補正する位置測定方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からＮＣ工作機械、例えばマシニングセンタの主軸の動作位置、或いはテーブル等の送り系の動作位置を検出する技術と、それに関わる測定装置は知られている。これらの位置測定の必要性は、例えば、工作機械が加工に伴って発生する熱変形等の補正のためである。又形状等の確認、磨耗の確認等のための寸法測定等も行われている。これらの測定対象は、主軸の工具位置、工具長さ、工具形状、或いはテーブル等の送り系である。
【０００３】
稼動中の工作機械で行われる測定は、主に工作機械が加工動作を行うことから生じる熱変形、摩耗、折損の有無等の測定である。中でも熱変形は工具と加工物との相対位置関係に直接影響を及ぼしずれが生じることから、その加工精度にからむ事項である。特に主軸においては、近年高速化に伴ない熱変形することが多い。又、送り系もボールスクリューの熱影響で、主軸との間で相対的位置ずれが生じている。更に、工具取り付けに伴う変形、工具の摩耗等種々の要因が重なって、加工中に主軸とテーブルとの相対位置関係はずれてくる。
【０００４】
このため、従来から関係部位の測定は行われていて、又その測定結果に応じて工具等の位置の補正を行っている。これら位置測定において代表的な方法は、接触式のタッチセンサによるものである。これは例えばタッチプローブ装置を主軸に取り付け、主軸と加工物との相対動作でプローブを加工物に接触させ位置を計測し、ＮＣ制御により最終的に位置合わせを行う。これの適用例は多く、例えば熱変位補正の例として、温度測定値から熱変位補正を行う他に主軸のタッチセンサで、座標変化量を零補正する自動芯出しとを組み合わせ、定時的に補完し合う補正の技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
又、工作機械の送りねじと加工ワーク双方の熱変位を、包括的に補正する技術、即ち、ボールネジの熱変位を、殆ど熱膨張しないインバー材の絶対基準との比較し、この比較による補正を行うためにタッチセンサを使用することによって、加工ワークの熱変位を基準温度に基づく管理により行う技術が知られている（例えば特許文献２参照）。これらに関連する３次元測定用のタッチプローブの構成、及び検出信号の取り出し技術も知られている（例えば特許文献３参照）。
【０００６】
又、最近は非接触形の測定装置の使用も知られるようになった。この例としてレーザ光線に測定手段をアプローチさせ、レーザ光線を遮断するときの位置を測定し、位置検出を行う技術が知られている。例えば、工作機械のテーブル上の９０度の割り出し可能な旋回台に、レーザ光線による測定装置を搭載し、工具をこのレーザ光線にアプローチさせて、軸線位置を９０度変えた軸線の位置も検出する技術が知られている（例えば特許文献４参照）。
【０００７】
この方法は、予め測定しておいた基準値との差を演算し位置を算出する測定技術である。又、工作機械の回転中の工具の工具先端位置、工具径、工具長等を迅速に測定可能とする技術で、テーブル上の加工の障害にならない位置に、一本のレーザ光線を発生する光学式の測定手段を配置して行う測定技術も知られている（例えば特許文献５参照）。更に、熱変位補正に限定した技術においては、温度センサを用いてその温度から変化分を求め、補正係数を求め補正を行う技術も知られている（例えば特許文献６参照）。これは工作機械の機体上に測定装置を設け物理的に数値を求める技術ではないが、温度の測定で位置を推定していく技術の例である。
【０００８】
【特許文献１】特開平６−３０４８４６号公報
【特許文献２】特開２００６−２１２７６５号公報
【特許文献３】特開平６−１８５９１１号公報
【特許文献４】特開平１０−１３８０９７号公報
【特許文献５】特開平１１−１３８３９２号公報
【特許文献６】特開平５−１１６０５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上説明したように、特にレーザ光線を利用して位置を測定する技術は、前述のとおりレーザ光線に直角方向にアプローチさせて行う技術は既に知られている。しかしながら、現状は軸方向に移動する１つの軸に対応する測定技術であって、同一レーザ光線に他の軸の移動で遮断させ測定する方法は、前述のように例えば９０度テーブルを反転させてレーザ光線の向きを変えるか、或いは他軸用に他のレーザ光線を準備する等で対処していた。
【００１０】
このように個々の測定作業は非能率的で、加工能率を低下させる要因にもなっていた。又タッチセンサを使用する場合は、付着物の影響も無視できず、測定を可能とする測定環境の確保も求められていた。特に、主軸の熱変位とボールスクリューによる送り系の熱変位は、無視できない要素ともなっている。本発明は、以上のような従来技術の問題点を解決するために創案されたもので、次の目的を達成する。
【００１１】
本発明の目的は、簡素な構成で１つのレーザ光線を有する位置測定装置で、３軸方向の位置座標を変位の形で同時に検出し、効率よく迅速に演算処理し補正値とする工作機械の位置測定技術とその装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１の工作機械の位置測定方法は、
主軸（４）とテーブル（６）との間でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向に相対移動を行い、前記テーブル（６）上に搭載されたワークを加工する工作機械において、
前記テーブル（６）上に設けられる発光器（１２）と受光器（１３）との間にレーザ光線（１１）を照射する工程と、
前記主軸（４）に取り付けられた測定工具（８）を、前記テーブル（６）との相対移動で前記レーザ光線（１１）に対し略直角な方向から前記レーザ光線（１１）に向かって移動させ、前記レーザ光線（１１）を遮断する工程と、
前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を遮断したときにスキップ信号を送出する工程と、
前記スキップ信号により前記３軸の各軸の座標値を測定する工程と、
前記測定された前記３軸の各座標値と過去に同様に測定された前記３軸の各座標値との差異を演算処理して、前記主軸（４）と前記テーブル（６）との間の変位を求め、求められた前記変位を基に前記主軸（４）及び／又は前記テーブル（６）の位置の補正値を更新する工程とからなる。
【００１３】
本発明２の工作機械の位置測定方法は、本発明１の工作機械の位置測定方法において、前記発光器と前記受光器が少なくとも２対あり、前記レーザ光線はそれぞれが前記テーブル（６）上面に平行でかつ、テーブルを平面視した場合にテーブルの略中央で交差するように照射されていることを特徴とする。
本発明３の工作機械の位置測定方法は、本発明１の工作機械の位置測定方法において、前記発光器と前記受光器は一体的に設けられ、前記発光器及び前記受光器がテーブル上面に複数設けられていることを特徴とする。
【００１４】
本発明４の工作機械の位置測定方法は、本発明１の工作機械の位置測定方法において、前記測定工具（８）は、前記レーザ光線（１１）を遮断する部分が円錐形状（１５）を構成していることを特徴とする。
本発明５の工作機械の位置測定方法は、本発明１ないし４の工作機械の位置測定方法において、前記レーザ光線（１１）を遮断する工程は、1つのレーザ光線につき前記Ｘ軸方向又は前記Ｙ軸方向又はＸ軸とＹ軸を合成した方向に相対移動動作を行い、前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を片側から遮断し、その遮断した位置を測定し、さらに前記測定工具（８）が、前記レーザ光線（１１）に対し、その遮断した方向とは反対の方向から前記レーザ光線を遮断し、その遮断した位置を測定する工程であることを特徴とする。
【００１５】
本発明６の工作機械の位置測定方法は、
主軸（４）とテーブル（６）との間でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向に相対移動を行い、前記テーブル（６）上に搭載されたワークを加工する工作機械において、
前記テーブル（６）上に設けられ発光器（１２）と受光器（１３）との間にレーザ光線（１１）を照射する測定手段と、
前記主軸（４）に取り付け、前記テーブル（６）との相対移動で前記レーザ光線（１１）に対し略直角な方向から前記レーザ光線（１１）に向かって移動させ、前記レーザ光線（１１）を遮断することができる測定工具（８）と、
前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を遮断したときのスキップ信号を送出する送出手段（１７）と、
前記送出手段からのスキップ信号を受けて前記３軸の各軸の座標値を検出する位置検出手段（１８）と、
前記測定された前記３軸の各座標値と過去に同様に測定された前記３軸の各座標値との差異を演算処理して、前記主軸（４）と前記テーブル（６）との間の変位を求め、求められた前記変位を基に前記主軸（４）及び／又は前記テーブル（６）の位置の補正値を求める演算手段（１９、２０，２１）とからなる。
【００１６】
本発明７の工作機械の位置測定装置は、本発明６において、前記発光器と前記受光器は少なくとも２対あり、前記レーザ光線はそれぞれが前記テーブル（６）上面に平行でかつ、テーブルを平面視した場合にテーブルの略中央で交差するように照射されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明８の工作機械の位置測定装置は、本発明６の工作機械の位置測定装置において、前記発光器と前記受光器は一体的に設けられ、それらがテーブル上面に複数設けられていることを特徴とする。
本発明９の工作機械の位置測定装置は、本発明６の工作機械の位置測定装置において、前記測定工具（８）は、前記レーザ光線（１１）の遮断部が円錐形状（１５）を構成していることを特徴とする。
【００１８】
本発明１０の工作機械の位置測定装置は、本発明６ないし９の工作機械の位置測定装置において、前記レーザ光線（１１）を遮断する工程は、前記レーザ光線（１１）を遮断する工程は、1つのレーザ光線につき前記Ｘ軸方向又は前記Ｙ軸方向又はＸ軸とＹ軸を合成した方向に相対移動動作を行い、前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を片側から遮断し、その遮断した位置を測定し、さらに前記測定工具（８）が、前記レーザ光線（１１）に対し、その遮断した方向とは反対の方向から前記レーザ光線を遮断し、その遮断した位置を測定する工程であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明の工作機械の位置測定方法とその装置は、測定装置を簡素で１つのレーザ光線を、円錐形状等の測定工具に照射遮断して位置を検出できる構成とした。このため、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の３軸方向の位置座標を、個別に又は同時に検出でき、その座標値から演算処理して容易に迅速に位置補正値が得られるようになった。この結果、この補正値が駆動系にフィードバックされ高精度の工作機械を実現した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に関わる実施の形態を図面に基づき説明する。図１は、本発明の位置測定装置を備えたＮＣ工作機械の構成を示すブロック図である。図１において、ＮＣ工作機械１の機体である本体には、ベース２上に立設するコラム３上をＺ軸方向に案内し、かつ回転主軸４を有する主軸ヘッド５が配置されている。更に、本体には、この主軸ヘッド５に対向して配置され、ワークを固定するテーブル６と、このテーブル６をＸ軸方向に案内するサドル７とからなり、このサドル７はＹ軸方向にベース２上で案内されている。従って、テーブル６は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動可能である。
【００２１】
主軸ヘッド５、テーブル６、及びサドル７は、各々３軸方向にＮＣ装置１６の指令にもとづき、サーボモータの駆動によりＮＣ制御されて移動する。ＮＣ装置１６は、各種プログラムを有し、記憶手段、演算手段等により工作機械を数値制御するものである。サーボモータには回転位置検出手段１８が設けられ、軸変位の検出を行う。この３軸を有するＮＣ工作機械本体の構造は、ここに示すものはその一例であって、本発明はこの実施の形態の構成に限定されることはない。例えば、コラム形のマシニングセンタへの適用も可能である。この場合は、テーブル６が固定され、主軸ヘッド５側がＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向に駆動されることになる。
【００２２】
主軸ヘッド５には、回転主軸４が回転自在に内蔵されており、この回転主軸４の下端部には、テーブル６上に固定されているワークを機械加工するための加工用工具（図示せず）が装着されている。加工用工具を装着するための回転主軸４には、本発明に関わる測定工具８も装着される。この測定工具８は、図示していないが、主軸ヘッド５の側部に配置された自動工具交換装置（ＡＴＣ）により工具交換され、加工用工具との置き換えが可能である。加工用工具がこの回転主軸４に装着されたときは、加工用工具がテーブル６上に固定されるワークとの間で相対移動しワークの加工を行う。なお、この測定工具８は、回転主軸４ではなくベッド等の工作機械の機体のように移動しない固定台に固定しても良い。
【００２３】
テーブル６上には、図２に示すようにワークの加工領域９外に、ワーク加工領域９を挟んで、この両側にレーザ光線１１による測定装置１０が配置されている。この測定装置１０は図２に示すように、レーザ光線１１の光線軸が略矩形のテーブル６上の水平方向対角線位置に照射されるように配置されている。本実施の形態においては、光線軸がＸ軸方向に対し４５度の対角線方向になるように配置されている。レーザ光線１１は、一方のテーブル６の端部に配置された発光器１２と、これと対向する他方のテーブル６の端部に配置された受光器１３によって照射されていて、光線軸はＸ軸とＹ軸方向から４５度に傾いて投射されている。
【００２４】
従って、この測定装置１０は、テーブル６と共にＸ軸、Ｙ軸方向に移動可能である。このテーブル６の移動可能な軸は、図示されている通りＸ軸とＹ軸方向である。又、図は測定工具８が、一方向からのアプローチによるＸ軸、Ｙ軸のレーザ光線１１による遮断時の位置を示している。テーブル６は移動体であるので、このため、図示していないが、テーブル６がＸ軸、Ｙ軸方向への移動に伴ない相対移動が可能なように、ベース２等の固定部との間に、発光器１２及び受光器１３のための配線用のケーブルが設けられている。
【００２５】
又、この測定装置１０には、レーザ光線１１を遮断したときにスキップ信号を送出する電子回路１４が組み込まれている（図１参照）。一方、回転主軸４には、前述のように測定位置を測定するための測定工具８が装着されている。この測定工具８は測定の必要があるときにのみ、自動工具交換装置の工具マガジンから呼び出され回転主軸４に装着される。この測定工具８の先端部は円錐形状部１５をなしていて、測定時にレーザ光線１１をこの測定工具８で遮断する際は、この円錐形状部１５で行う。
【００２６】
この測定工具８がレーザ光線１１を遮断したとき、スキップ信号送出手段１７を介してスキップ信号が送出される。このスキップ信号はＮＣ装置１６に送出されるが、後述するように位置検出手段１８の座標値により、座標値演算手段１９と変位量演算手段２０により演算処理され、演算結果が表示手段２２に表示され、補正位置設定座標手段２１により、補正値として送り系にフィードバックされる。これらの検出結果及び演算結果は表示手段２２に表示される。
【００２７】
ＮＣ装置１６は、これら測定結果の処理を含め、測定された座標値を基に演算処理し変位量を求め、この値を補正値として軸駆動制御手段２３に送り、補正指令に応じて前記各軸を位置制御する。位置を測定するための装置は以上のように構成されているが、次にその位置の測定方法について説明する。前述のようにレーザ光線１１による測定装置１０は、テーブル６上に固定されている。このテーブル６面にはワークが取り付けられ、ワーク加工範囲９内において加工がなされる。
【００２８】
このテーブル６面にはワークと測定装置１０が同居しているが、レーザ光線１１による測定はワーク取り付け前、即ちワーク加工前と、加工中（加工の中断中）又はワーク加工後に行われる。ワーク加工時には当然のことながら、レーザ光線１１による測定装置１０は機能していない。この場合、加工時に切り屑、クーラント等の発生があるので、測定装置１０にはカバー等の保護がなされる。ワーク加工後の測定は、基本的にワークを外した後に行うが、板状部品のようにワークの高さがレーザ光線の照射位置より低い場合は、ワークを取り付けたままでも測定工具８はワークに干渉しないので測定は可能である。
【００２９】
本発明、又は本実施の形態でいう加工前と加工後とは、例えば、あるワーク１個を加工する前と加工後に測定する場合、１個の加工時間が長いワークのときに加工前後、及び加工中に測定する場合、複数個のワークを加工する場合に加工前、加工後に測定する場合、更には工作機械の起動時から実際の加工直前の測定等がいろいろのパターンがある。従って、本発明、又は本実施の形態でいう加工前、加工後の測定とは、時間間隔を置いて測定する意味であり、実際に加工するしないという意味ではない。
【００３０】
測定状態になった場合には、回転主軸４に工具交換により測定工具８を呼び出して装着する。測定装置１０は発光器１２と受光器１３が動作し、レーザ光線１１が照射している状態とする。この状態で先ず加工前の基準値となる座標値を測定する。測定は、測定工具１０を所定位置に保持してテーブル６を移動させ、レーザ光線１１にアプローチし、光線を測定工具８の円錐形状部１５が遮断することにより行われる。このときスキップ信号が送出される。この測定方法について理解を容易にするため、Ｘ軸に適用した例で説明する。回転主軸４の測定工具１０を、レーザ光線１１による横切り遮断可能なＺ軸位置に主軸ヘッド５を移動させる。
【００３１】
次に、サドル７のＹ軸座標値を所定位置にして、テーブル６を図２に示す矢印方向に移動させる。このテーブル６の移動で測定工具８がレーザ光線１１を遮断した時のスキップ信号位置を、測定工具８の中心位置の加工前の基準座標値Ｘ１としてＮＣ装置１６に記憶させる。次に、加工後、同様にＹ軸、Ｚ軸を加工前と同じ条件にしてテーブル６を移動させ、レーザ光線１１を遮断した時のスキップ信号位置を、測定工具８の中心位置の加工後の検出した測定座標値Ｘ２として、検出、演算処理装置に送出し、加工前の基準座標値との比較演算処理を行ない変位値ΔＸ１＝Ｘ２−Ｘ１を求める。図２において、レーザ光線１１の実線は、加工前の検出位置を示し、二点鎖線は加工後の検出位置を示している。
【００３２】
これが加工前と加工後のＸ軸のずれとなる。このずれはＸ軸の補正値としてサーボモータに送出され、ＮＣ制御によりＸ軸の位置補正がなされる。このような測定をＹ軸においても同様に行い、図３に示すようにＹ軸移動を矢印のように進め、その変位値、ΔＹ１＝Ｙ２−Ｙ１を求める。次に、Ｚ軸方向の変位値を求める方法を説明する。このＺ軸方向のずれはＸ軸、又はＹ軸の測定値で求めることができる。
【００３３】
Ｘ軸の場合で説明すると、図４に示すように、まず加工前の測定工具８がレーザ光線１１を遮断した座標位置の円錐円径を演算する。これは図４に示すように、テーブル６のＡ方向からのアプローチによるレーザ光線１１が遮断された位置のＸ座標値Ｘ１と、テーブル６のＡ１方向からのレーザ光線１１が遮断された位置のＸ座標値Ｘ３の差から、測定工具８の円錐円径を次式により求める。レーザ光線１１の光線軸が４５度になっていることを考慮すると、レーザ光線１１が遮断された座標位置の円錐円径は、Ｄ１＝（Ｘ３−Ｘ１）／√２となる。
【００３４】
同様に、図５に示すように、加工後のＡ方向の座標値Ｘ２と、Ａ１方向の座標値Ｘ４から、円錐円径は、Ｄ２＝（Ｘ４−Ｘ２）／√２となる。この結果から図６に示すように、測定工具８の円錐形状部１５の傾斜角度が４５度であるので、加工後のＺ軸方向の変位値は、ΔＺ１＝（Ｄ２−Ｄ１）／２となる。図６において、符号Ａ、符号Ｂ、符号Ｃ、及び符号Ｄの位置が、それぞれレーザ光線１１の遮断位置である。即ち、符号Ａ、及び符号Ｂは加工前の遮断位置を示し、符号Ａは、レーザ光線１１を図４及び５の図示上でいうと、図に向かって左から右方向へ移動（Ａ１）させ、測定工具８により遮断された位置である。
【００３５】
符号Ｂは、同様に図に向かって右から左に移動（Ａ）し、測定工具８により遮断された位置を仮想図として示したものである。符号Ｃ、及び符号Ｄは、加工後の遮断位置を示しており、前述と同じ図５に示すように仮想図として示したものである。このＺ方向の変位は、Ｙ軸方向の座標値によっても同様に求めることができる。これまでの説明は、Ｘ軸、Ｙ軸ともにこの軸方向に平行に移動させた場合での座標値を測定し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を含めた３軸のずれかを求める方法であった。これは本発明の理解を容易にするため、比較的簡素な実施の形態として説明したものである。
【００３６】
次に、Ｘ軸とＹ軸を同時に制御し、レーザ光線１１の光線軸に対し直角方向に遮断するように移動させた場合の測定方法の説明をする。図７に示すように、Ｘ軸とＹ軸の送り量を同じにした同時制御で、レーザ光線１１の光線軸に対して、直角方向にアプローチするようにテーブル６を相対動作させ、測定工具８で遮断させる。このアプローチは、テーブル６が測定工具８に対して移動する方向として、Ｂ方向とＢ１方向とで行う。レーザ光線１１の実線は加工前の検出位置を示し、二点鎖線は加工後の検出位置を示している。
【００３７】
先ず加工前において、遮断位置での測定工具８の中心の座標値を求めると、Ａ１方向においての座標値は（Ｘ５、Ｙ５）、Ｂ１方向においての座標値は（Ｘ６、Ｙ６）となる。次に、同様に加工後におけるＢ方向においての座標値は（Ｘ７、Ｙ７）、Ｂ１方向においての座標値は（Ｘ８、Ｙ８）となる。この結果から、測定工具の円錐角度がαであると、図７、図８、図９に示す構成から次の式が導かれる。
【００３８】
加工前と加工後のＸ軸の変位量は、Ｂ方向からはΔＸ２＝（Ｘ７−Ｘ５）、Ｂ１方向からはΔＸ３＝（Ｘ８−Ｘ６）である。又、Ｙ軸の変位量は、Ｂ方向からはΔＹ２＝（Ｙ７−Ｙ５）、Ｂ１方向からはΔＹ３＝（Ｙ８−Ｙ６）となる。次に、この座標値からＺ軸の変位量を求めると次のようになる。図９は、加工前と加工後について、レーザ光線１１の位置を基点に相対的に移動する測定工具８の中心位置を求めるための仮想図である。先ず加工前の円錐円径は、
【数１】
であり、加工後の円錐円径は、
【数２】
となる。従って、Ｚ軸方向の変位量は、
【数３】
となる。
【００３９】
このようにして、測定工具の円錐角度αが特定されていれば、テーブル動作のみでＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の変位量が演算処理により同時に求めることができ、補正値として駆動系に即座にそのデータを送出できる。これらの測定動作は自動的に行うことができる。以上の説明は、加工前と加工後の座標値の差を同条件で求めるとした。基本的には位置のずれを求めることを主としている。従って、本実施の形態においてはレーザ光線の太さは考慮していない。
【００４０】
以上、測定工具の測定位置を特定の位置に限定して、その補正値を算出することで説明したが、測定位置を変え複数位置で行うと、Ｘ軸平面、Ｙ軸平面の変位傾向を確認することもできるので、次にその説明をする。例えば、図１０は他の実施の形態を示す図であるが、レーザ光線１１の光線軸の位置を、平面上でクロスする方向に配置し、ａ位置、ｂ位置、ｃ位置、及びｄ位置で、前述した同様の方法で測定すると、それぞれの位置での変位量を求めることができる。
【００４１】
レーザ光線１１の及ばない位置については、例えばｅ位置の場合は、ａ位置、ｂ位置の座標値からその差を演算し、比例的に座標値を算定しｅ位置の変位量とする。他の位置も同様にして任意の位置の変位量を求めることができる。これらの変位量に変化がなければ、測定工具８に対しテーブル６面は平坦で水平を保持していることになるが、変位量が異なるようであれば、テーブル６面は平坦でなく傾斜していることになる。この場合は軸移動全体を補正の形で修正はできないので、加工形状に沿いテーブル面の変化に応じて、加工プログラムの中で寸法修正しながら補正を行うことができる。
【００４２】
図１１は、レーザ光線装置の更に他の実施の形態を示す図である。レーザ光線の発光器と受光器を有するレーザ光線装置３０を、複数個セットでテーブル６上周縁に光線軸３１を移動方向に沿った向きになるように配置したものである。本実施の形態においては、テーブル６上のＸ軸方向に対向してワーク加工領域９を挟んで両縁部に２セットのレーザ光線装置３０を、又、同様にＹ軸方向にも２セットのレーザ光線装置３０を配置している。
【００４３】
前述の例は、レーザ光線軸の光束が測定可能な一定条件を満たす前提で説明したが、本例の場合は、レーザ光線軸の長さが短いのでレーザ光線軸の光束においては安定した条件を確保できる。本例の場合は、測定箇所を特定できるので、光線軸３１の短いレーザ光線装置３０を設置することができる。このため、レーザ光線装置３０は小型で安価な装置とすることが可能である。
【００４４】
対向して２セットのレーザ光線装置３０を設置したことは、テーブル６の傾斜状態を確認できる。位置座標値そのものの求め方は、前述の実施の形態例と同様である。しかし、複数のレーザ光線装置３０を配置しているので、複数セット間の条件を同じにしなければならない。従って、その基準値を求めるための高さ方向等の初期設定を合わせることが必要となる。
【００４５】
図１１のレーザ光線装置の配置は、Ｘ軸又はＹ軸方向に個別にテーブル６が移動したとき、測定工具８はレーザ光線３１を直角方向に横切り遮断することで位置検出ができる。図１２の配置は、レーザ光線装置３０をテーブル６上にワークの加工領域９を挟んで対向方向の縁部に２セット配置した例である。この例は、テーブルをＸ軸とＹ軸とで同時制御移動したときに測定工具８が、レーザ光線３１を直角方向に横切り遮断することで位置検出ができる。図１１、図１２の場合も測定工具８は、前述した形状のものを使用するので、位置検出、演算、補正処理は、加工前と加工後に前述した通り行えばよい。
【００４６】
以上説明したように、レーザ光線を利用する測定により、加工前と加工後の座標値の差をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸を同時に容易に求めることができる。このことから、加工の流れの途中で位置補正を行うことができる。特に熱変位補正においては、実際のデータを直接補正に反映できることとなり、加工物を高精度に維持させることが可能である。
【００４７】
以上、実施の形態を説明したが、本発明は実施の形態で説明した内容に限定されないことはいうまでもない。例えば、前述したＮＣ工作機械１の主軸は、１軸方向のみの移動と説明したが、固定、又は１軸以上移動するものであれば良い。また、テーブルも２軸方向に移動可能なものとしたが、固定、又は１軸以上移動するものであれば良い。要するに、ＮＣ工作機械の主軸とテーブルとの間で、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向に相対移動を行うＮＣ工作機械であれば良い。
【００４８】
また、レーザ光線の光線軸の配置方向を４５度の例で説明したが、これに限定されないことはいうまでもない。前述した測定具８の先端は、円錐形状であったが、三角錐、四角錐等の多角錐であっても良い。何故ならば、この角錐の軸線方向の座標位置が計算できるからである。その意味において、角錐の軸線方向の座標位置が計算できるからである。その意味において、測定具８の先端形状は、レーザー光線を遮断するときの投影される軸線方向の座標位置が計算できるものであればいかなる形状であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、位置測定装置を備えたＮＣ工作機械の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、テーブル上のレーザ光線をＸ軸方向において測定工具に相対移動させ遮断させた状態を示す説明図である。
【図３】図３は、テーブル上のレーザ光線をＹ軸方向において測定工具に相対移動させ遮断させた状態を示す説明図である。
【図４】図４は、加工前にテーブル上のレーザ光線をＸ軸のＡ方向とＡ１方向から測定工具に相対移動させ遮断させた状態を示す説明図である。
【図５】図５は、加工後にテーブル上のレーザ光線をＸ軸のＡ方向とＡ１方向から測定工具に相対移動させ遮断させた状態を示す説明図である。
【図６】図６は、Ｚ軸方向の変位量ΔＺ１を求めるための構成を加工前と加工後において図解で示す説明図である。
【図７】図７は、テーブル上のレーザ光線をＸ軸、Ｙ軸の同時制御でレーザ光線に直交するＢ方向とＢ１方向から測定工具に相対移動させ遮断させた状態を示す説明図である。
【図８】図８は、Ｘ軸、Ｙ軸の同時制御の場合で、加工前と加工後の測定工具のレーザ光線遮断位置の円錐円径を求めるための説明図である。
【図９】図９は、Ｘ軸、Ｙ軸の同時制御の場合で、Ｚ方向の変位量ΔＺ２を求めるための構成を加工前と加工後において図解で示す説明図である。
【図１０】図１０は、テーブル上にレーザ光線をクロスする方向に配置した他の実施の形態例を示す説明図である。
【図１１】図１１は、テーブル上に複数のレーザ光線装置を配置した他の実施の形態の説明図で、光線軸がＸ軸又はＹ軸に平行になるような対向位置に配置した例を示す。
【図１２】図１２は、テーブル上に複数のレーザ光線装置を配置した他の実施の形態の説明図で、Ｘ軸とＹ軸の同時制御で光線軸を横切り遮断する方向に対向して配置した例を示す。
【符号の説明】
【００５０】
１…ＮＣ工作機械
４…回転主軸
５…主軸ヘッド
６…テーブル
７…サドル
８…測定工具
９…ワークの加工範囲
１０…測定装置
１１…レーザ光線
１２…発光器
１３…受光器
１５…円錐形状部
１６…ＮＣ装置
３０…レーザ光線装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マシニングセンタ、旋盤等の工作機械の位置測定方法とその装置に関する。更に詳しくは、マシニングセンタ等の主軸と、テーブル等に設けられ、レーザ光線を利用して主軸の測定工具とテーブルとの相対位置ずれを測定し位置補正する位置測定方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からＮＣ工作機械、例えばマシニングセンタの主軸の動作位置、或いはテーブル等の送り系の動作位置を検出する技術と、それに関わる測定装置は知られている。これらの位置測定の必要性は、例えば、工作機械が加工に伴って発生する熱変形等の補正のためである。又形状等の確認、磨耗の確認等のための寸法測定等も行われている。これらの測定対象は、主軸の工具位置、工具長さ、工具形状、或いはテーブル等の送り系である。
【０００３】
稼動中の工作機械で行われる測定は、主に工作機械が加工動作を行うことから生じる熱変形、摩耗、折損の有無等の測定である。中でも熱変形は工具と加工物との相対位置関係に直接影響を及ぼしずれが生じることから、その加工精度にからむ事項である。特に主軸においては、近年高速化に伴ない熱変形することが多い。又、送り系もボールスクリューの熱影響で、主軸との間で相対的位置ずれが生じている。更に、工具取り付けに伴う変形、工具の摩耗等種々の要因が重なって、加工中に主軸とテーブルとの相対位置関係はずれてくる。
【０００４】
このため、従来から関係部位の測定は行われていて、又その測定結果に応じて工具等の位置の補正を行っている。これら位置測定において代表的な方法は、接触式のタッチセンサによるものである。これは例えばタッチプローブ装置を主軸に取り付け、主軸と加工物との相対動作でプローブを加工物に接触させ位置を計測し、ＮＣ制御により最終的に位置合わせを行う。これの適用例は多く、例えば熱変位補正の例として、温度測定値から熱変位補正を行う他に主軸のタッチセンサで、座標変化量を零補正する自動芯出しとを組み合わせ、定時的に補完し合う補正の技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
又、工作機械の送りねじと加工ワーク双方の熱変位を、包括的に補正する技術、即ち、ボールネジの熱変位を、殆ど熱膨張しないインバー材の絶対基準との比較し、この比較による補正を行うためにタッチセンサを使用することによって、加工ワークの熱変位を基準温度に基づく管理により行う技術が知られている（例えば特許文献２参照）。これらに関連する３次元測定用のタッチプローブの構成、及び検出信号の取り出し技術も知られている（例えば特許文献３参照）。
【０００６】
又、最近は非接触形の測定装置の使用も知られるようになった。この例としてレーザ光線に測定手段をアプローチさせ、レーザ光線を遮断するときの位置を測定し、位置検出を行う技術が知られている。例えば、工作機械のテーブル上の９０度の割り出し可能な旋回台に、レーザ光線による測定装置を搭載し、工具をこのレーザ光線にアプローチさせて、軸線位置を９０度変えた軸線の位置も検出する技術が知られている（例えば特許文献４参照）。
【０００７】
この方法は、予め測定しておいた基準値との差を演算し位置を算出する測定技術である。又、工作機械の回転中の工具の工具先端位置、工具径、工具長等を迅速に測定可能とする技術で、テーブル上の加工の障害にならない位置に、一本のレーザ光線を発生する光学式の測定手段を配置して行う測定技術も知られている（例えば特許文献５参照）。更に、熱変位補正に限定した技術においては、温度センサを用いてその温度から変化分を求め、補正係数を求め補正を行う技術も知られている（例えば特許文献６参照）。これは工作機械の機体上に測定装置を設け物理的に数値を求める技術ではないが、温度の測定で位置を推定していく技術の例である。
【０００８】
【特許文献１】特開平６−３０４８４６号公報
【特許文献２】特開２００６−２１２７６５号公報
【特許文献３】特開平６−１８５９１１号公報
【特許文献４】特開平１０−１３８０９７号公報
【特許文献５】特開平１１−１３８３９２号公報
【特許文献６】特開平５−１１６０５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上説明したように、特にレーザ光線を利用して位置を測定する技術は、前述のとおりレーザ光線に直角方向にアプローチさせて行う技術は既に知られている。しかしながら、現状は軸方向に移動する１つの軸に対応する測定技術であって、同一レーザ光線に他の軸の移動で遮断させ測定する方法は、前述のように例えば９０度テーブルを反転させてレーザ光線の向きを変えるか、或いは他軸用に他のレーザ光線を準備する等で対処していた。
【００１０】
このように個々の測定作業は非能率的で、加工能率を低下させる要因にもなっていた。又タッチセンサを使用する場合は、付着物の影響も無視できず、測定を可能とする測定環境の確保も求められていた。特に、主軸の熱変位とボールスクリューによる送り系の熱変位は、無視できない要素ともなっている。本発明は、以上のような従来技術の問題点を解決するために創案されたもので、次の目的を達成する。
【００１１】
本発明の目的は、簡素な構成で１つのレーザ光線を有する位置測定装置で、３軸方向の位置座標を変位の形で同時に検出し、効率よく迅速に演算処理し補正値とする工作機械の位置測定技術とその装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１の工作機械の位置測定方法は、
主軸（４）とテーブル（６）との間でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向に相対移動を行い、前記テーブル（６）上に搭載されたワークを加工する工作機械において、
前記テーブル（６）上に設けられる発光器（１２）と受光器（１３）との間にレーザ光線（１１）を照射する工程と、
前記主軸（４）に取り付けられた測定工具（８）を、前記テーブル（６）との相対移動で前記レーザ光線（１１）に対し略直角な方向から前記レーザ光線（１１）に向かって移動させ、前記レーザ光線（１１）を遮断する工程と、
前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を遮断したときにスキップ信号を送出する工程と、
前記スキップ信号により前記３軸の各軸の座標値を測定する工程と、
前記測定された前記３軸の各座標値と過去に同様に測定された前記３軸の各座標値との差異を演算処理して、前記主軸（４）と前記テーブル（６）との間の変位を求め、求められた前記変位を基に前記主軸（４）及び／又は前記テーブル（６）の位置の補正値を更新する工程とからなる。
【００１３】
本発明２の工作機械の位置測定方法は、本発明１の工作機械の位置測定方法において、前記発光器と前記受光器が少なくとも２対あり、前記レーザ光線はそれぞれが前記テーブル（６）上面に平行でかつ、テーブルを平面視した場合にテーブルの略中央で交差するように照射されていることを特徴とする。
本発明３の工作機械の位置測定方法は、本発明１の工作機械の位置測定方法において、前記発光器と前記受光器は一体的に設けられ、前記発光器及び前記受光器がテーブル上面に複数設けられていることを特徴とする。
【００１４】
本発明４の工作機械の位置測定方法は、本発明１の工作機械の位置測定方法において、前記測定工具（８）は、前記レーザ光線（１１）を遮断する部分が円錐形状（１５）を構成していることを特徴とする。
本発明５の工作機械の位置測定方法は、本発明１ないし４の工作機械の位置測定方法において、前記レーザ光線（１１）を遮断する工程は、1つのレーザ光線につき前記Ｘ軸方向又は前記Ｙ軸方向又はＸ軸とＹ軸を合成した方向に相対移動動作を行い、前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を片側から遮断し、その遮断した位置を測定し、さらに前記測定工具（８）が、前記レーザ光線（１１）に対し、その遮断した方向とは反対の方向から前記レーザ光線を遮断し、その遮断した位置を測定する工程であることを特徴とする。
【００１５】
本発明６の工作機械の位置測定方法は、
主軸（４）とテーブル（６）との間でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向に相対移動を行い、前記テーブル（６）上に搭載されたワークを加工する工作機械において、
前記テーブル（６）上に設けられ発光器（１２）と受光器（１３）との間にレーザ光線（１１）を照射する測定手段と、
前記主軸（４）に取り付け、前記テーブル（６）との相対移動で前記レーザ光線（１１）に対し略直角な方向から前記レーザ光線（１１）に向かって移動させ、前記レーザ光線（１１）を遮断することができる測定工具（８）と、
前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を遮断したときのスキップ信号を送出する送出手段（１７）と、
前記送出手段からのスキップ信号を受けて前記３軸の各軸の座標値を検出する位置検出手段（１８）と、
前記測定された前記３軸の各座標値と過去に同様に測定された前記３軸の各座標値との差異を演算処理して、前記主軸（４）と前記テーブル（６）との間の変位を求め、求められた前記変位を基に前記主軸（４）及び／又は前記テーブル（６）の位置の補正値を求める演算手段（１９、２０，２１）とからなる。
【００１６】
本発明７の工作機械の位置測定装置は、本発明６において、前記発光器と前記受光器は少なくとも２対あり、前記レーザ光線はそれぞれが前記テーブル（６）上面に平行でかつ、テーブルを平面視した場合にテーブルの略中央で交差するように照射されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明８の工作機械の位置測定装置は、本発明６の工作機械の位置測定装置において、前記発光器と前記受光器は一体的に設けられ、それらがテーブル上面に複数設けられていることを特徴とする。
本発明９の工作機械の位置測定装置は、本発明６の工作機械の位置測定装置において、前記測定工具（８）は、前記レーザ光線（１１）の遮断部が円錐形状（１５）を構成していることを特徴とする。
【００１８】
本発明１０の工作機械の位置測定装置は、本発明６ないし９の工作機械の位置測定装置において、前記レーザ光線（１１）を遮断する工程は、前記レーザ光線（１１）を遮断する工程は、1つのレーザ光線につき前記Ｘ軸方向又は前記Ｙ軸方向又はＸ軸とＹ軸を合成した方向に相対移動動作を行い、前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を片側から遮断し、その遮断した位置を測定し、さらに前記測定工具（８）が、前記レーザ光線（１１）に対し、その遮断した方向とは反対の方向から前記レーザ光線を遮断し、その遮断した位置を測定する工程であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明の工作機械の位置測定方法とその装置は、測定装置を簡素で１つのレーザ光線を、円錐形状等の測定工具に照射遮断して位置を検出できる構成とした。このため、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の３軸方向の位置座標を、個別に又は同時に検出でき、その座標値から演算処理して容易に迅速に位置補正値が得られるようになった。この結果、この補正値が駆動系にフィードバックされ高精度の工作機械を実現した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に関わる実施の形態を図面に基づき説明する。図１は、本発明の位置測定装置を備えたＮＣ工作機械の構成を示すブロック図である。図１において、ＮＣ工作機械１の機体である本体には、ベース２上に立設するコラム３上をＺ軸方向に案内し、かつ回転主軸４を有する主軸ヘッド５が配置されている。更に、本体には、この主軸ヘッド５に対向して配置され、ワークを固定するテーブル６と、このテーブル６をＸ軸方向に案内するサドル７とからなり、このサドル７はＹ軸方向にベース２上で案内されている。従って、テーブル６は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動可能である。
【００２１】
主軸ヘッド５、テーブル６、及びサドル７は、各々３軸方向にＮＣ装置１６の指令にもとづき、サーボモータの駆動によりＮＣ制御されて移動する。ＮＣ装置１６は、各種プログラムを有し、記憶手段、演算手段等により工作機械を数値制御するものである。サーボモータには回転位置検出手段１８が設けられ、軸変位の検出を行う。この３軸を有するＮＣ工作機械本体の構造は、ここに示すものはその一例であって、本発明はこの実施の形態の構成に限定されることはない。例えば、コラム形のマシニングセンタへの適用も可能である。この場合は、テーブル６が固定され、主軸ヘッド５側がＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向に駆動されることになる。
【００２２】
主軸ヘッド５には、回転主軸４が回転自在に内蔵されており、この回転主軸４の下端部には、テーブル６上に固定されているワークを機械加工するための加工用工具（図示せず）が装着されている。加工用工具を装着するための回転主軸４には、本発明に関わる測定工具８も装着される。この測定工具８は、図示していないが、主軸ヘッド５の側部に配置された自動工具交換装置（ＡＴＣ）により工具交換され、加工用工具との置き換えが可能である。加工用工具がこの回転主軸４に装着されたときは、加工用工具がテーブル６上に固定されるワークとの間で相対移動しワークの加工を行う。なお、この測定工具８は、回転主軸４ではなくベッド等の工作機械の機体のように移動しない固定台に固定しても良い。
【００２３】
テーブル６上には、図２に示すようにワークの加工領域９外に、ワーク加工領域９を挟んで、この両側にレーザ光線１１による測定装置１０が配置されている。この測定装置１０は図２に示すように、レーザ光線１１の光線軸が略矩形のテーブル６上の水平方向対角線位置に照射されるように配置されている。本実施の形態においては、光線軸がＸ軸方向に対し４５度の対角線方向になるように配置されている。レーザ光線１１は、一方のテーブル６の端部に配置された発光器１２と、これと対向する他方のテーブル６の端部に配置された受光器１３によって照射されていて、光線軸はＸ軸とＹ軸方向から４５度に傾いて投射されている。
【００２４】
従って、この測定装置１０は、テーブル６と共にＸ軸、Ｙ軸方向に移動可能である。このテーブル６の移動可能な軸は、図示されている通りＸ軸とＹ軸方向である。又、図は測定工具８が、一方向からのアプローチによるＸ軸、Ｙ軸のレーザ光線１１による遮断時の位置を示している。テーブル６は移動体であるので、このため、図示していないが、テーブル６がＸ軸、Ｙ軸方向への移動に伴ない相対移動が可能なように、ベース２等の固定部との間に、発光器１２及び受光器１３のための配線用のケーブルが設けられている。
【００２５】
又、この測定装置１０には、レーザ光線１１を遮断したときにスキップ信号を送出する電子回路１４が組み込まれている（図１参照）。一方、回転主軸４には、前述のように測定位置を測定するための測定工具８が装着されている。この測定工具８は測定の必要があるときにのみ、自動工具交換装置の工具マガジンから呼び出され回転主軸４に装着される。この測定工具８の先端部は円錐形状部１５をなしていて、測定時にレーザ光線１１をこの測定工具８で遮断する際は、この円錐形状部１５で行う。
【００２６】
この測定工具８がレーザ光線１１を遮断したとき、スキップ信号送出手段１７を介してスキップ信号が送出される。このスキップ信号はＮＣ装置１６に送出されるが、後述するように位置検出手段１８の座標値により、座標値演算手段１９と変位量演算手段２０により演算処理され、演算結果が表示手段２２に表示され、補正位置設定座標手段２１により、補正値として送り系にフィードバックされる。これらの検出結果及び演算結果は表示手段２２に表示される。
【００２７】
ＮＣ装置１６は、これら測定結果の処理を含め、測定された座標値を基に演算処理し変位量を求め、この値を補正値として軸駆動制御手段２３に送り、補正指令に応じて前記各軸を位置制御する。位置を測定するための装置は以上のように構成されているが、次にその位置の測定方法について説明する。前述のようにレーザ光線１１による測定装置１０は、テーブル６上に固定されている。このテーブル６面にはワークが取り付けられ、ワーク加工範囲９内において加工がなされる。
【００２８】
このテーブル６面にはワークと測定装置１０が同居しているが、レーザ光線１１による測定はワーク取り付け前、即ちワーク加工前と、加工中（加工の中断中）又はワーク加工後に行われる。ワーク加工時には当然のことながら、レーザ光線１１による測定装置１０は機能していない。この場合、加工時に切り屑、クーラント等の発生があるので、測定装置１０にはカバー等の保護がなされる。ワーク加工後の測定は、基本的にワークを外した後に行うが、板状部品のようにワークの高さがレーザ光線の照射位置より低い場合は、ワークを取り付けたままでも測定工具８はワークに干渉しないので測定は可能である。
【００２９】
本発明、又は本実施の形態でいう加工前と加工後とは、例えば、あるワーク１個を加工する前と加工後に測定する場合、１個の加工時間が長いワークのときに加工前後、及び加工中に測定する場合、複数個のワークを加工する場合に加工前、加工後に測定する場合、更には工作機械の起動時から実際の加工直前の測定等がいろいろのパターンがある。従って、本発明、又は本実施の形態でいう加工前、加工後の測定とは、時間間隔を置いて測定する意味であり、実際に加工するしないという意味ではない。
【００３０】
測定状態になった場合には、回転主軸４に工具交換により測定工具８を呼び出して装着する。測定装置１０は発光器１２と受光器１３が動作し、レーザ光線１１が照射している状態とする。この状態で先ず加工前の基準値となる座標値を測定する。測定は、測定工具１０を所定位置に保持してテーブル６を移動させ、レーザ光線１１にアプローチし、光線を測定工具８の円錐形状部１５が遮断することにより行われる。このときスキップ信号が送出される。この測定方法について理解を容易にするため、Ｘ軸に適用した例で説明する。回転主軸４の測定工具１０を、レーザ光線１１による横切り遮断可能なＺ軸位置に主軸ヘッド５を移動させる。
【００３１】
次に、サドル７のＹ軸座標値を所定位置にして、テーブル６を図２に示す矢印方向に移動させる。このテーブル６の移動で測定工具８がレーザ光線１１を遮断した時のスキップ信号位置を、測定工具８の中心位置の加工前の基準座標値Ｘ１としてＮＣ装置１６に記憶させる。次に、加工後、同様にＹ軸、Ｚ軸を加工前と同じ条件にしてテーブル６を移動させ、レーザ光線１１を遮断した時のスキップ信号位置を、測定工具８の中心位置の加工後の検出した測定座標値Ｘ２として、検出、演算処理装置に送出し、加工前の基準座標値との比較演算処理を行ない変位値ΔＸ１＝Ｘ２−Ｘ１を求める。図２において、レーザ光線１１の実線は、加工前の検出位置を示し、二点鎖線は加工後の検出位置を示している。
【００３２】
これが加工前と加工後のＸ軸のずれとなる。このずれはＸ軸の補正値としてサーボモータに送出され、ＮＣ制御によりＸ軸の位置補正がなされる。このような測定をＹ軸においても同様に行い、図３に示すようにＹ軸移動を矢印のように進め、その変位値、ΔＹ１＝Ｙ２−Ｙ１を求める。次に、Ｚ軸方向の変位値を求める方法を説明する。このＺ軸方向のずれはＸ軸、又はＹ軸の測定値で求めることができる。
【００３３】
Ｘ軸の場合で説明すると、図４に示すように、まず加工前の測定工具８がレーザ光線１１を遮断した座標位置の円錐円径を演算する。これは図４に示すように、テーブル６のＡ方向からのアプローチによるレーザ光線１１が遮断された位置のＸ座標値Ｘ１と、テーブル６のＡ１方向からのレーザ光線１１が遮断された位置のＸ座標値Ｘ３の差から、測定工具８の円錐円径を次式により求める。レーザ光線１１の光線軸が４５度になっていることを考慮すると、レーザ光線１１が遮断された座標位置の円錐円径は、Ｄ１＝（Ｘ３−Ｘ１）／√２となる。
【００３４】
同様に、図５に示すように、加工後のＡ方向の座標値Ｘ２と、Ａ１方向の座標値Ｘ４から、円錐円径は、Ｄ２＝（Ｘ４−Ｘ２）／√２となる。この結果から図６に示すように、測定工具８の円錐形状部１５の傾斜角度が４５度であるので、加工後のＺ軸方向の変位値は、ΔＺ１＝（Ｄ２−Ｄ１）／２となる。図６において、符号Ａ、符号Ｂ、符号Ｃ、及び符号Ｄの位置が、それぞれレーザ光線１１の遮断位置である。即ち、符号Ａ、及び符号Ｂは加工前の遮断位置を示し、符号Ａは、レーザ光線１１を図４及び５の図示上でいうと、図に向かって左から右方向へ移動（Ａ１）させ、測定工具８により遮断された位置である。
【００３５】
符号Ｂは、同様に図に向かって右から左に移動（Ａ）し、測定工具８により遮断された位置を仮想図として示したものである。符号Ｃ、及び符号Ｄは、加工後の遮断位置を示しており、前述と同じ図５に示すように仮想図として示したものである。このＺ方向の変位は、Ｙ軸方向の座標値によっても同様に求めることができる。これまでの説明は、Ｘ軸、Ｙ軸ともにこの軸方向に平行に移動させた場合での座標値を測定し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を含めた３軸のずれかを求める方法であった。これは本発明の理解を容易にするため、比較的簡素な実施の形態として説明したものである。
【００３６】
次に、Ｘ軸とＹ軸を同時に制御し、レーザ光線１１の光線軸に対し直角方向に遮断するように移動させた場合の測定方法の説明をする。図７に示すように、Ｘ軸とＹ軸の送り量を同じにした同時制御で、レーザ光線１１の光線軸に対して、直角方向にアプローチするようにテーブル６を相対動作させ、測定工具８で遮断させる。このアプローチは、テーブル６が測定工具８に対して移動する方向として、Ｂ方向とＢ１方向とで行う。レーザ光線１１の実線は加工前の検出位置を示し、二点鎖線は加工後の検出位置を示している。
【００３７】
先ず加工前において、遮断位置での測定工具８の中心の座標値を求めると、Ａ１方向においての座標値は（Ｘ５、Ｙ５）、Ｂ１方向においての座標値は（Ｘ６、Ｙ６）となる。次に、同様に加工後におけるＢ方向においての座標値は（Ｘ７、Ｙ７）、Ｂ１方向においての座標値は（Ｘ８、Ｙ８）となる。この結果から、測定工具の円錐角度がαであると、図７、図８、図９に示す構成から次の式が導かれる。
【００３８】
加工前と加工後のＸ軸の変位量は、Ｂ方向からはΔＸ２＝（Ｘ７−Ｘ５）、Ｂ１方向からはΔＸ３＝（Ｘ８−Ｘ６）である。又、Ｙ軸の変位量は、Ｂ方向からはΔＹ２＝（Ｙ７−Ｙ５）、Ｂ１方向からはΔＹ３＝（Ｙ８−Ｙ６）となる。次に、この座標値からＺ軸の変位量を求めると次のようになる。図９は、加工前と加工後について、レーザ光線１１の位置を基点に相対的に移動する測定工具８の中心位置を求めるための仮想図である。先ず加工前の円錐円径は、
【数１】
であり、加工後の円錐円径は、
【数２】
となる。従って、Ｚ軸方向の変位量は、
【数３】
となる。
【００３９】
このようにして、測定工具の円錐角度αが特定されていれば、テーブル動作のみでＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の変位量が演算処理により同時に求めることができ、補正値として駆動系に即座にそのデータを送出できる。これらの測定動作は自動的に行うことができる。以上の説明は、加工前と加工後の座標値の差を同条件で求めるとした。基本的には位置のずれを求めることを主としている。従って、本実施の形態においてはレーザ光線の太さは考慮していない。
【００４０】
以上、測定工具の測定位置を特定の位置に限定して、その補正値を算出することで説明したが、測定位置を変え複数位置で行うと、Ｘ軸平面、Ｙ軸平面の変位傾向を確認することもできるので、次にその説明をする。例えば、図１０は他の実施の形態を示す図であるが、レーザ光線１１の光線軸の位置を、平面上でクロスする方向に配置し、ａ位置、ｂ位置、ｃ位置、及びｄ位置で、前述した同様の方法で測定すると、それぞれの位置での変位量を求めることができる。
【００４１】
レーザ光線１１の及ばない位置については、例えばｅ位置の場合は、ａ位置、ｂ位置の座標値からその差を演算し、比例的に座標値を算定しｅ位置の変位量とする。他の位置も同様にして任意の位置の変位量を求めることができる。これらの変位量に変化がなければ、測定工具８に対しテーブル６面は平坦で水平を保持していることになるが、変位量が異なるようであれば、テーブル６面は平坦でなく傾斜していることになる。この場合は軸移動全体を補正の形で修正はできないので、加工形状に沿いテーブル面の変化に応じて、加工プログラムの中で寸法修正しながら補正を行うことができる。
【００４２】
図１１は、レーザ光線装置の更に他の実施の形態を示す図である。レーザ光線の発光器と受光器を有するレーザ光線装置３０を、複数個セットでテーブル６上周縁に光線軸３１を移動方向に沿った向きになるように配置したものである。本実施の形態においては、テーブル６上のＸ軸方向に対向してワーク加工領域９を挟んで両縁部に２セットのレーザ光線装置３０を、又、同様にＹ軸方向にも２セットのレーザ光線装置３０を配置している。
【００４３】
前述の例は、レーザ光線軸の光束が測定可能な一定条件を満たす前提で説明したが、本例の場合は、レーザ光線軸の長さが短いのでレーザ光線軸の光束においては安定した条件を確保できる。本例の場合は、測定箇所を特定できるので、光線軸３１の短いレーザ光線装置３０を設置することができる。このため、レーザ光線装置３０は小型で安価な装置とすることが可能である。
【００４４】
対向して２セットのレーザ光線装置３０を設置したことは、テーブル６の傾斜状態を確認できる。位置座標値そのものの求め方は、前述の実施の形態例と同様である。しかし、複数のレーザ光線装置３０を配置しているので、複数セット間の条件を同じにしなければならない。従って、その基準値を求めるための高さ方向等の初期設定を合わせることが必要となる。
【００４５】
図１１のレーザ光線装置の配置は、Ｘ軸又はＹ軸方向に個別にテーブル６が移動したとき、測定工具８はレーザ光線３１を直角方向に横切り遮断することで位置検出ができる。図１２の配置は、レーザ光線装置３０をテーブル６上にワークの加工領域９を挟んで対向方向の縁部に２セット配置した例である。この例は、テーブルをＸ軸とＹ軸とで同時制御移動したときに測定工具８が、レーザ光線３１を直角方向に横切り遮断することで位置検出ができる。図１１、図１２の場合も測定工具８は、前述した形状のものを使用するので、位置検出、演算、補正処理は、加工前と加工後に前述した通り行えばよい。
【００４６】
以上説明したように、レーザ光線を利用する測定により、加工前と加工後の座標値の差をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸を同時に容易に求めることができる。このことから、加工の流れの途中で位置補正を行うことができる。特に熱変位補正においては、実際のデータを直接補正に反映できることとなり、加工物を高精度に維持させることが可能である。
【００４７】
以上、実施の形態を説明したが、本発明は実施の形態で説明した内容に限定されないことはいうまでもない。例えば、前述したＮＣ工作機械１の主軸は、１軸方向のみの移動と説明したが、固定、又は１軸以上移動するものであれば良い。また、テーブルも２軸方向に移動可能なものとしたが、固定、又は１軸以上移動するものであれば良い。要するに、ＮＣ工作機械の主軸とテーブルとの間で、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向に相対移動を行うＮＣ工作機械であれば良い。
【００４８】
また、レーザ光線の光線軸の配置方向を４５度の例で説明したが、これに限定されないことはいうまでもない。前述した測定具８の先端は、円錐形状であったが、三角錐、四角錐等の多角錐であっても良い。何故ならば、この角錐の軸線方向の座標位置が計算できるからである。その意味において、角錐の軸線方向の座標位置が計算できるからである。その意味において、測定具８の先端形状は、レーザー光線を遮断するときの投影される軸線方向の座標位置が計算できるものであればいかなる形状であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、位置測定装置を備えたＮＣ工作機械の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、テーブル上のレーザ光線をＸ軸方向において測定工具に相対移動させ遮断させた状態を示す説明図である。
【図３】図３は、テーブル上のレーザ光線をＹ軸方向において測定工具に相対移動させ遮断させた状態を示す説明図である。
【図４】図４は、加工前にテーブル上のレーザ光線をＸ軸のＡ方向とＡ１方向から測定工具に相対移動させ遮断させた状態を示す説明図である。
【図５】図５は、加工後にテーブル上のレーザ光線をＸ軸のＡ方向とＡ１方向から測定工具に相対移動させ遮断させた状態を示す説明図である。
【図６】図６は、Ｚ軸方向の変位量ΔＺ１を求めるための構成を加工前と加工後において図解で示す説明図である。
【図７】図７は、テーブル上のレーザ光線をＸ軸、Ｙ軸の同時制御でレーザ光線に直交するＢ方向とＢ１方向から測定工具に相対移動させ遮断させた状態を示す説明図である。
【図８】図８は、Ｘ軸、Ｙ軸の同時制御の場合で、加工前と加工後の測定工具のレーザ光線遮断位置の円錐円径を求めるための説明図である。
【図９】図９は、Ｘ軸、Ｙ軸の同時制御の場合で、Ｚ方向の変位量ΔＺ２を求めるための構成を加工前と加工後において図解で示す説明図である。
【図１０】図１０は、テーブル上にレーザ光線をクロスする方向に配置した他の実施の形態例を示す説明図である。
【図１１】図１１は、テーブル上に複数のレーザ光線装置を配置した他の実施の形態の説明図で、光線軸がＸ軸又はＹ軸に平行になるような対向位置に配置した例を示す。
【図１２】図１２は、テーブル上に複数のレーザ光線装置を配置した他の実施の形態の説明図で、Ｘ軸とＹ軸の同時制御で光線軸を横切り遮断する方向に対向して配置した例を示す。
【符号の説明】
【００５０】
１…ＮＣ工作機械
４…回転主軸
５…主軸ヘッド
６…テーブル
７…サドル
８…測定工具
９…ワークの加工範囲
１０…測定装置
１１…レーザ光線
１２…発光器
１３…受光器
１５…円錐形状部
１６…ＮＣ装置
３０…レーザ光線装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸（４）とテーブル（６）との間でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向に相対移動を行い、前記テーブル（６）上に搭載されたワークを加工する工作機械において、
前記テーブル（６）上に設けられる発光器（１２）と受光器（１３）との間にレーザ光線（１１）を照射する工程と、
前記主軸（４）に取り付けられた測定工具（８）を、前記テーブル（６）との相対移動で前記レーザ光線（１１）に対し略直角な方向から前記レーザ光線（１１）に向かって移動させ、前記レーザ光線（１１）を遮断する工程と、
前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を遮断したときにスキップ信号を送出する工程と、
前記スキップ信号により前記３軸の各軸の座標値を測定する工程と、
前記測定された前記３軸の各座標値と過去に同様に測定された前記３軸の各座標値との差異を演算処理して、前記主軸（４）と前記テーブル（６）との間の変位を求め、求められた前記変位を基に前記主軸（４）及び／又は前記テーブル（６）の位置の補正値を更新する工程と
からなる工作機械の位置補正方法。
【請求項２】
請求項１に記載の工作機械の位置補正方法において、
前記発光器と前記受光器が少なくとも２対あり、前記レーザ光線はそれぞれが前記テーブル（６）上面に平行でかつ、テーブルを平面視した場合にテーブルの略中央で交差するように照射されていることを特徴とする工作機械の位置補正方法。
【請求項３】
請求項１に記載の工作機械の位置補正方法において、
前記発光器と前記受光器は一体的に設けられ、それらがテーブル上面に複数設けられていることを特徴とする工作機械の位置補正方法。
【請求項４】
請求項１に記載の工作機械の位置補正方法において、
前記測定工具（８）は、前記レーザ光線（１１）を遮断する部分が円錐形状（１５）を構成していることを特徴とする工作機械の位置補正方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の工作機械の位置補正方法において、
前記レーザ光線（１１）を遮断する工程は、1つのレーザ光線につき前記Ｘ軸方向又は前記Ｙ軸方向又はＸ軸とＹ軸を合成した方向に相対移動動作を行い、前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を片側から遮断し、その遮断した位置を測定し、さらに前記測定工具（８）が、前記レーザ光線（１１）に対し、その遮断した方向とは反対の方向から前記レーザ光線を遮断し、その遮断した位置を測定する工程であることを特徴とする工作機械の位置補正方法。
【請求項６】
主軸（４）とテーブル（６）との間でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向に相対移動を行い、前記テーブル（６）上に搭載されたワークを加工する工作機械において、
前記テーブル（６）上に設けられ発光器（１２）と受光器（１３）との間にレーザ光線（１１）を照射する測定手段と、
前記主軸（４）に取り付け、前記テーブル（６）との相対移動で前記レーザ光線（１１）に対し略直角な方向から前記レーザ光線（１１）に向かって移動させ、前記レーザ光線（１１）を遮断することができる測定工具（８）と、
前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を遮断したときのスキップ信号を送出する送出手段（１７）と、
前記送出手段からのスキップ信号を受けて前記３軸の各軸の座標値を検出する位置検出手段（１８）と、
前記測定された前記３軸の各座標値と過去に同様に測定された前記３軸の各座標値との差異を演算処理して、前記主軸（４）と前記テーブル（６）との間の変位を求め、求められた前記変位を基に前記主軸（４）及び／又は前記テーブル（６）の位置の補正値を求める演算手段（１９、２０，２１）と
からなる工作機械の位置測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の工作機械の位置測定装置において、
前記発光器と前記受光器は少なくとも2対あり、前記レーザ光線はそれぞれが前記テーブル（６）上面に平行でかつ、テーブルを平面視した場合にテーブルの略中央で交差するように照射されていることを特徴とする工作機械の位置測定装置。
【請求項８】
請求項６に記載の工作機械の位置測定装置において、
前記発光器と前記受光器は一体的に設けられ、それらがテーブル上面に複数設けられていることを特徴とする工作機械の位置測定装置。
【請求項９】
請求項６に記載の工作機械の位置測定装置において、
前記測定工具（８）は、前記レーザ光線（１１）の遮断部が円錐形状（１５）を構成していることを特徴とする工作機械の位置測定装置。
【請求項１０】
請求項６から９のいずれかに記載の工作機械の位置測定装置において、
前記レーザ光線（１１）を遮断する工程は、前記レーザ光線（１１）を遮断する工程は、1つのレーザ光線につき前記Ｘ軸方向又は前記Ｙ軸方向又はＸ軸とＹ軸を合成した方向に相対移動動作を行い、前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を片側から遮断し、その遮断した位置を測定し、さらに前記測定工具（８）が、前記レーザ光線（１１）に対し、その遮断した方向とは反対の方向から前記レーザ光線を遮断し、その遮断した位置を測定する工程であることを特徴とする工作機械の位置測定装置。
【請求項１】
主軸（４）とテーブル（６）との間でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向に相対移動を行い、前記テーブル（６）上に搭載されたワークを加工する工作機械において、
前記テーブル（６）上に設けられる発光器（１２）と受光器（１３）との間にレーザ光線（１１）を照射する工程と、
前記主軸（４）に取り付けられた測定工具（８）を、前記テーブル（６）との相対移動で前記レーザ光線（１１）に対し略直角な方向から前記レーザ光線（１１）に向かって移動させ、前記レーザ光線（１１）を遮断する工程と、
前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を遮断したときにスキップ信号を送出する工程と、
前記スキップ信号により前記３軸の各軸の座標値を測定する工程と、
前記測定された前記３軸の各座標値と過去に同様に測定された前記３軸の各座標値との差異を演算処理して、前記主軸（４）と前記テーブル（６）との間の変位を求め、求められた前記変位を基に前記主軸（４）及び／又は前記テーブル（６）の位置の補正値を更新する工程と
からなる工作機械の位置補正方法。
【請求項２】
請求項１に記載の工作機械の位置補正方法において、
前記発光器と前記受光器が少なくとも２対あり、前記レーザ光線はそれぞれが前記テーブル（６）上面に平行でかつ、テーブルを平面視した場合にテーブルの略中央で交差するように照射されていることを特徴とする工作機械の位置補正方法。
【請求項３】
請求項１に記載の工作機械の位置補正方法において、
前記発光器と前記受光器は一体的に設けられ、それらがテーブル上面に複数設けられていることを特徴とする工作機械の位置補正方法。
【請求項４】
請求項１に記載の工作機械の位置補正方法において、
前記測定工具（８）は、前記レーザ光線（１１）を遮断する部分が円錐形状（１５）を構成していることを特徴とする工作機械の位置補正方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の工作機械の位置補正方法において、
前記レーザ光線（１１）を遮断する工程は、1つのレーザ光線につき前記Ｘ軸方向又は前記Ｙ軸方向又はＸ軸とＹ軸を合成した方向に相対移動動作を行い、前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を片側から遮断し、その遮断した位置を測定し、さらに前記測定工具（８）が、前記レーザ光線（１１）に対し、その遮断した方向とは反対の方向から前記レーザ光線を遮断し、その遮断した位置を測定する工程であることを特徴とする工作機械の位置補正方法。
【請求項６】
主軸（４）とテーブル（６）との間でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向に相対移動を行い、前記テーブル（６）上に搭載されたワークを加工する工作機械において、
前記テーブル（６）上に設けられ発光器（１２）と受光器（１３）との間にレーザ光線（１１）を照射する測定手段と、
前記主軸（４）に取り付け、前記テーブル（６）との相対移動で前記レーザ光線（１１）に対し略直角な方向から前記レーザ光線（１１）に向かって移動させ、前記レーザ光線（１１）を遮断することができる測定工具（８）と、
前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を遮断したときのスキップ信号を送出する送出手段（１７）と、
前記送出手段からのスキップ信号を受けて前記３軸の各軸の座標値を検出する位置検出手段（１８）と、
前記測定された前記３軸の各座標値と過去に同様に測定された前記３軸の各座標値との差異を演算処理して、前記主軸（４）と前記テーブル（６）との間の変位を求め、求められた前記変位を基に前記主軸（４）及び／又は前記テーブル（６）の位置の補正値を求める演算手段（１９、２０，２１）と
からなる工作機械の位置測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の工作機械の位置測定装置において、
前記発光器と前記受光器は少なくとも2対あり、前記レーザ光線はそれぞれが前記テーブル（６）上面に平行でかつ、テーブルを平面視した場合にテーブルの略中央で交差するように照射されていることを特徴とする工作機械の位置測定装置。
【請求項８】
請求項６に記載の工作機械の位置測定装置において、
前記発光器と前記受光器は一体的に設けられ、それらがテーブル上面に複数設けられていることを特徴とする工作機械の位置測定装置。
【請求項９】
請求項６に記載の工作機械の位置測定装置において、
前記測定工具（８）は、前記レーザ光線（１１）の遮断部が円錐形状（１５）を構成していることを特徴とする工作機械の位置測定装置。
【請求項１０】
請求項６から９のいずれかに記載の工作機械の位置測定装置において、
前記レーザ光線（１１）を遮断する工程は、前記レーザ光線（１１）を遮断する工程は、1つのレーザ光線につき前記Ｘ軸方向又は前記Ｙ軸方向又はＸ軸とＹ軸を合成した方向に相対移動動作を行い、前記測定工具（８）が前記レーザ光線（１１）を片側から遮断し、その遮断した位置を測定し、さらに前記測定工具（８）が、前記レーザ光線（１１）に対し、その遮断した方向とは反対の方向から前記レーザ光線を遮断し、その遮断した位置を測定する工程であることを特徴とする工作機械の位置測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−２３３７８５（Ｐ２００９−２３３７８５Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８２４９３（Ｐ２００８−８２４９３）
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（０００１４６８４７）株式会社森精機製作所 (204)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（０００１４６８４７）株式会社森精機製作所 (204)
【Ｆターム（参考）】
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