接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械
【課題】ワークの中心座標を基準位置として設定することができるワークの基準位置設定機能を有する工作機械を得る。
【解決手段】可動軸が流体軸受により支持された工作機械に、加工面が直交する２つの線に対して線対称なワークを、機械座標系の軸と前記２つの線が平行となるように配置する。前記２つの線と平行な第１の線に沿ってワークの両側から機上計測装置のプローブのスタイラス先端を接触させる。接触は位置偏差の増大で検出する。接触時の座標を記憶する（Ｓ２〜Ｓ１１）。前記２つの線と平行な第２の線に沿って、同様にプローブを移動させて接触時の座標を記憶する（Ｓ１２〜Ｓ２１）。第１、第２の線上でそれぞれ測定した中間点の座標はワーク中心座標である。このワーク中心座標をワーク基準位置として設定する（Ｓ２２）。簡単にワークの基準位置を設定できる。
【解決手段】可動軸が流体軸受により支持された工作機械に、加工面が直交する２つの線に対して線対称なワークを、機械座標系の軸と前記２つの線が平行となるように配置する。前記２つの線と平行な第１の線に沿ってワークの両側から機上計測装置のプローブのスタイラス先端を接触させる。接触は位置偏差の増大で検出する。接触時の座標を記憶する（Ｓ２〜Ｓ１１）。前記２つの線と平行な第２の線に沿って、同様にプローブを移動させて接触時の座標を記憶する（Ｓ１２〜Ｓ２１）。第１、第２の線上でそれぞれ測定した中間点の座標はワーク中心座標である。このワーク中心座標をワーク基準位置として設定する（Ｓ２２）。簡単にワークの基準位置を設定できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機上にワークの形状測定および形状解析のために機上計測装置を備えた工作機械に関し、ワークの形状測定のために基準位置設定機能を備える工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
超精密加工において、ナノ単位の形状精度を実現するためには、加工を終了したワークを工作機械から取り外すことなく、工作機械上で加工形状を計測し、計測結果に基づいて補正加工を行うことが必要不可欠である。
そのような機上計測では、工具の刃先と機上計測装置に備えたプローブのスタイラス先端の位置関係を確立することにより、正確な補正加工が可能になる。そのために、ワークを加工するときの座標と、機上計測するときの計測座標の関係が確立していなければならない。このワークを加工するときの座標と、機上計測するときの計測座標の関係をとるためにワークの基準位置を設定する必要がある。
【０００３】
このワークの基準位置の設定方法として、従来、次のような方法が知られている。
ワークの基準位置をワークの取り付けられる回転軸の中心とする。そして、芯出し球を回転軸の面盤に取り付ける。変位検出器を利用して、芯出し球の中心を回転軸の中心に合わせた後、機上計測装置のプローブを用いて芯出し球の頂点出しを行い、回転軸の中心座標を確定する。次に、芯出し球を取り外し、ワークを取り付ける。ワークまたはワークの治具の中心座標を、変位検出器を利用して回転軸の中心に合わせて、求めておいた回転軸の中心座標をワーク、またはワークの治具の基準位置とするという方法が知られている。
【０００４】
また、ワークの端面位置をワークの原点として設定する方法として、主軸にタッチセンサを取り付けておき、ワークの端面に向けて主軸を早い速度で移動させてタッチセンサがＯＮとなると停止させて、逆方向に遅い速度で移動させ、タッチセンサがＯＦＦとなった時点の位置を記憶し、この位置をワークの原点として設定するようにした発明が知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特公平８−３５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の芯出し球を回転軸の面盤に取り付けてワークの基準位置を設定する方法は、基準位置設定までの手順が複雑で、時間がかかる。また、オペレータの熟練度によってはかなりの誤差が生じる可能性があり問題である。
又、特許文献１に記載された方法は、端面を検出し、その端面を原点として設定するものであり、適用が限られたものである。また、タッチセンサを用いて接触を検知することから、超精密加工を行う可動軸の軸受に流体軸受を使用するものにおいては、接触したとき可動軸が移動してしまい、タッチセンサでの接触の検出では、正確に座標を検出することが難しいという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、接触検知により座標を検知しワークの中心座標を基準位置として設定することができるワークの基準位置設定機能を有する工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、可動軸が流体軸受により支持され、ワークの形状測定および形状解析のために機上に配設された機上計測装置を備え、数値制御装置で制御される工作機械において、前記機上計測装置は、先端に微小な球を有するスタイラスを備えたプローブを有し、各可動軸へのそれぞれの位置指令と各可動軸の位置を検出する位置検出器で検出された各位置との位置偏差を各可動軸毎に検出する位置偏差検出手段と、加工面が直交する２つの線に対して線対称なワーク形状で、かつ、前記２つの線が機械座標系の軸と平行に配置されたワークに対して、前記２つの線とそれぞれ平行な線の両側からワーク方向に前記プローブを移動させて前記ワークと前記スタイラス先端とを接触させるよう前記可動軸を駆動する駆動制御手段と、前記ワークと前記スタイラス先端との接触を前記位置偏差検出手段によって検出された位置偏差の増大で検知する接触検知手段と、前記接触検知手段によって接触を検知した瞬間に前記可動軸を停止させる可動軸停止手段と、前記接触検知手段によって接触を検知した瞬間の座標を求める座標検知手段と、求められた座標よりワークの中心座標を求めワークの基準位置として設定する設定手段とを有することを特徴とする接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械である。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記工作機械が有する可動軸を、直動軸と回転軸で構成し、前記直動軸の位置を検出する位置検出器は、分解能１０ｎｍ以下のリニアスケールによって構成したものである。又、請求項３に係る発明は、前記回転軸の位置を検出する位置検出器を、分解能１万分の１度以下のパルスコーダによって構成し、該回転軸はモータに直接連結されダイレクトに駆動されるものとした。
又、請求項４に係る発明は、前記ワークの加工面と前記プローブの中心軸は直交するように配置するものとした。請求項５に係る発明は、前記位置偏差検出手段によって検出された位置偏差の値が予め定められた値以上になった瞬間を前記ワークと前記プローブのスタイラス先端との接触として、前記接触検知手段で検知するものとした。
【００１０】
請求項６に係る発明は、前記ワークはその加工面が垂直となるように工作機械に取り付けられ、前記駆動制御手段は、水平方向の右及び左から前記プローブのスタイラス先端を近づけて接触させ、前記接触検知手段によって接触を検知したときの水平方向のそれぞれの座標を前記座標検知手段で求め、さらに、前記駆動制御手段は、前記ワークの垂直方向の上側および下側から前記プローブのスタイラス先端を前記ワークに接触させ、前記接触検知手段によって接触を検知したときの垂直方向のそれぞれの座標を前記座標検知手段で求め、前記設定手段は、求められた水平の座標より前記ワークの水平方向の中心座標を求め、垂直方向の座標よりワークの垂直方向の中心座標を求めて、各中心座標をワーク基準位置として設定するものとした。
請求項７に係る発明は、前記座標検知手段で求めた水平方向両端でのそれぞれの座標値の差を求め、この差の半分の値を小さいほうの座標値に加算した座標値をワークの水平方向の中心座標とし、前記座標検知手段で求めた前記垂直方向両端でのそれぞれの座標値の差を求め、この差の半分の値を小さいほうの座標値に加算した座標値をワークの垂直方向の中心座標として、前記ワークの中心座標を求めワーク基準位置として設定するようにした。そして、請求項８に係る発明は、前記ワークの中心座標を基準として、ワーク面にプローブのスタイラス先端を接触させ、機上計測装置によるワークの工作機械上での計測を行うものとした。
【発明の効果】
【００１１】
可動軸が流体軸受で支持され、摩擦がほとんどない可動軸を有する超精密加工用の工作機械においても、簡単に、機上計測装置でワーク形状を計測するための基準位置を設定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明の一実施形態の超精密加工を行う機上に機上計測装置が配設された工作機械の概略図である。この実施形態では、可動軸は３つの直動軸と１つの回動軸を備えている。工作機械のベース１上には、水平方向のＸ軸方向（図１において紙面垂直方向）に駆動される直動軸のＸ軸部材２が取り付けられ、該Ｘ軸部材２上に回転テーブル５が取り付けられている。該回転テーブル５はＸ軸と直交する軸のＢ軸回りに回転する。この回転テーブル５には治具６を介して機上計測装置１０が取り付けられている。又、ベース１には、Ｘ軸方向と直交する水平方向に駆動される直動軸のＺ軸部材４が取り付けられている。さらに、Ｘ軸、Ｚ軸と直交し、回転軸のＢ軸と平行なＹ軸方向に移動する直動軸のＹ軸部材３がＺ軸部材４に取り付けられている。さらに、Ｙ軸部材３にはワーク７が取り付けられている。
機上計測装置１０は、先端に微小な球１３を持ったスタイラス１２を有するプローブ１１を備え、ワーク７の加工面に対してプローブ１１の中心軸が直交するように配置されている。
【００１３】
なお、この実施形態では、直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を駆動するモータは、リニアモータで構成され、回動軸のＢ軸を駆動するモータは、回転サーボモータで構成され、回転テーブル５と回転サーボモータはダイレクトに接続され、ダイレクトドライブを構成している。
又、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸の各軸は、流体軸受（空気軸受）で支持され、摩擦のほとんどない可動軸とされている。
【００１４】
図２は、この工作機械を制御する制御装置である数値制御装置の要部ブロック図である。数値制御部２１では、加工プログラムを読み出して実行し、各軸への移動指令を各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂに出力する。Ｘ軸のモータ２４ｘを制御するＸ軸サーボ制御手段２２ｘに記載されているように、各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂは、位置制御部２２１、速度制御部２２２、電流制御部２２３等で構成されており、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸のサーボ制御手段２２ｙ、２２ｚ、２２ｂもこのＸ軸サーボ制御手段２２ｘの構成と同一である。
【００１５】
各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂの位置制御部２２１では、エラーレジスタ２２１ａとポジションゲインＫの項２２１ｂで構成され、数値制御部２１から各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂにそれぞれ指令された移動位置と、位置、速度を検出する位置・速度検出器２５ｘ〜２５ｂからフィードバックされる位置との差である位置偏差εをエラーレジスタ２２１ａで求め、該位置偏差εにポジションゲインＫを乗じて、指令速度を求め出力する。速度制御部２２２では、位置制御部２２１から出力される指令速度より位置・速度検出器２５ｘ〜２５ｂからフィードバックされる速度を減じて速度偏差を求め、比例・積分処理等の速度のフィードバック制御を行い電流指令（トルク指令）を求める。そして、電流制御部２２３では、この電流指令とアンプ２３ｘ〜２３ｂからフィードバックされる電流とに基づいて電流フィードバック制御を行いアンプ２３ｘ〜２３ｂを介して各軸モータ２４ｘ〜２４ｂを駆動する。
【００１６】
この実施形態では、直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のモータ２４ｘ、２４ｙ、２４ｚはリニアモータで構成されている。また、回転軸のＢ軸を駆動するモータ２４ｂは、回転サーボモータで構成され、上述したように回転テーブル５をダイレクトドライブするように構成されている。又、リニアモータで構成された直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のモータ２４ｘ、２４ｙ、２４ｚで駆動される各可動部材の位置は、リニアスケールで構成された位置・速度検出器２５ｘ、２５ｙ、２５ｚで検出している。
【００１７】
本実施形態の工作機械は、超精密加工を実施するものであることから、このリニアスケールで構成される位置・速度検出器２５ｘ、２５ｙ、２５ｚは１０ｎｍ（ナノメータ）以下の検出分解能の高精度な検出器で構成されている。また、回転軸のＢ軸のモータ２４ｂに取り付けられる、パルスコーダ等の位置・速度検出器２５ｂも、１万分の１度以下の分解能を有する高精度の分解能の位置・速度検出器２５ｂで構成されている。
【００１８】
上述した工作機械の構成、及び該工作機械を制御する制御部の構成は、従来の超精密加工用の工作機械及びその制御装置とほぼ同じであるが、本発明は、機上計測装置を備え、接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する点において、従来の工作機械と相違するものである。
【００１９】
本実施形態は、機上計測装置１０のプローブ１１が備えるスタイラス先端の微小な球１３をワーク７に当接して、この当接したときの座標よりワークの中心座標を求めて基準位置とするものである。
【００２０】
本実施形態の工作機械は、前述したように各直動軸のＸ軸部材２、Ｙ軸部材３、Ｚ軸部材４及び回転軸のＢ軸回りに回転する回転テーブル５は、流体軸受で支持されており、摩擦がほとんどない。そのため、プローブ１１が備えるスタイラス１２の先端の球１３とワーク７が接触し、プローブ１１又はワーク７に負荷がかかると、この負荷によりいずれかの可動軸が移動する。この移動により指令位置と検出位置との位置偏差εが増大するから、この位置偏差εの増大を検出することによって、プローブ１１とワーク７の接触を検出できる。
【００２１】
図３は、可動軸の軸受として流体軸受を用い、可動部を移動させたときの位置偏差を測定したものである。可動軸の移動で摩擦力がほとんど発生しないことから、位置偏差の変動は格段と小さいものとなっている。図３において、符号Ｐで示す点は、スタイラス１２の先端の球１３とワーク７が接触した点である。
【００２２】
この図３に示すように、流体軸受で支持された可動軸は位置偏差がほとんど現れず、これらの軸に僅かな負荷がかかったときに発生する位置偏差が、負荷がかからないときと比較し大きなものとなっている。そのため、可動軸に負荷がかかったか否かを位置偏差で検出するための比較基準値の設定が容易で、スタイラス１２の先端の球１３とワーク７との接触を精度よく検出することができる。
【００２３】
本実施形態は、ワーク７の加工面と平行な断面が、加工面と同一形状を有するワークであり、かつ、加工面が２つの直交する線に対してそれぞれ線対称の形状を有するワーク７を対象とするものである。そして、このワーク７の線対称となる線の２つの直交する線は機械座標系の軸と平行になるように、ワーク７は工作機械に取り付けられるものである。図１に示す例では、ワーク７の対称線がＸ軸、Ｙ軸と平行となるように取り付けられている。
【００２４】
図４は、本実施形態において、ワーク７が直方体でその加工面７ａの中心座標を求め該中心座標をワークの基準位置として設定する場合の説明図である。この直方体のワーク７は、図４（ａ）に示すように、加工面７ａは垂直面であり、該加工面７ａは垂直方向（Ｙ軸方向）と水平方向（Ｘ軸方向）の２つの直交する直線に対して線対称の形状である。このようなワーク７に対して、該ワークの中心座標を検出しワークの基準位置として設定する場合、線対称の線と平行な線に沿って、機上計測装置１０におけるプローブ１１のスタイラス１２の球１３がワーク７の両側よりワーク７に接触するように移動させて、位置偏差が増大したとき、そのときの座標を接触位置の座標として記憶するようにする。
【００２５】
図４（ｂ）は、水平方向（Ｘ軸方向）にワーク７とプローブ１１を相対移動させて示すスタイラス１２の球１３とワーク７の接触点の座標を求めるときの動作説明図である。図４（ｂ）はワーク７の上面７ｂをみる方向からみた図であり、図１における上方からみた図である。Ｘ軸部材２、Ｙ軸部材３、Ｚ軸部材４を移動させてワーク７の側面７ｃに対して、プローブ１１が有するスタイラス１２の球１３が当接可能の状態に位置決めし、Ｘ軸部材２を駆動し、図４（ｂ）に破線の矢印で示すように、プローブ１１を水平方向にワーク７に向かって移動させ、スタイラス１２の球１３とワーク７の側面７ｃが接触したときの位置偏差（Ｘ軸部材を駆動するサーボ制御手段２２ｘのエラーレジスタ２２１ａで求められる位置偏差、もしくは回転テーブル５を駆動するサーボ制御手段２２ｂのエラーレジスタ２２１ａで求められる位置偏差）が増大する点を接触点として、移動軸の座標（Ｘ軸の座標）を求める。次に、プローブ１１をワーク７の反対側面側に移動させて、同様に、Ｘ軸部材２を駆動し、プローブ１１を水平方向にワーク７に向かって移動させ、スタイラス１２の球１３とワーク７の側面７ｃが接触し位置偏差が増大するときのＸ軸の座標を求める。こうして求められた２つのＸ座標値を加算し２で割れば、加工面の水平方向（Ｘ軸方向）の中間座標が求められる。この座標は加工面７ａの水平方向の中心座標、すなわちＸ軸中心座標を表すものとなる。
【００２６】
図４（ｃ）は、垂直方向にワーク７とプローブ１１を相対移動させて示すスタイラス１２の球１３とワーク７の接触座標を求めるときの動作説明図であり、図１において、Ｙ軸部材３を駆動し、スタイラス１２の球１３をワーク７の上面７ｂと下面に接触させて、ワークの加工面７ａの中心Ｙ軸座標を求めるときの説明図である。Ｘ軸部材２、Ｙ軸部材３、Ｚ軸部材４を移動させてワーク７の上面７ｂにプローブ１１のスタイラス１２の球１３が当接可能の状態に位置決めし、Ｙ軸部材３を駆動し、図４（ｃ）に破線の矢印で示すように、プローブ１１を垂直方向にワーク７に向かって移動させ、スタイラス１２の球１３とワーク７の上面７ｂが接触し、Ｙ軸の位置偏差が増大する点を接触点として、そのＹ軸座標を求める。
【００２７】
次に、同様に、スタイラス１２の球１３とワーク７の下面が接触するようにＹ軸部材３を移動させてＹ軸の位置偏差が増大するときのＹ軸座標を求める。こうして求められた２つのＹ座標値を加算し２で割れば、加工面７ａの垂直方向（Ｙ軸方向）の中心座標、すなわちＹ軸中心座標を求めることができる。
こうして、加工面（ＸＹ平面）の中心座標が求まる。
【００２８】
図５は、円柱形状でその端面が加工面であるワーク７の例である。この例も図１に示すように、加工面が垂直面となるように取り付けられるものであり、加工面は水平軸のＸ軸と垂直軸のＹ軸に対して線対称である。このワーク７の例も、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように水平方向（Ｘ軸方向）、垂直方向（Ｙ軸方向）のワーク両側より、プローブ１１のスタイラス１２の球１３がワーク７に接近し接触するように相対移動させ、その接触点の座標の中間座標を求めることによって、加工面７ａの円の中心を求めることができる。図５（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向の両側よりスタイラス１２の球１３をワークに接近させて接触させ、接触時に得られた２つの座標の中間点を求めれば、加工面７ａの中心のＸ座標が求まり、同様に、図５（ｃ）に示すように、Ｙ軸方向の両側よりスタイラス１２の球１３をワークに接近させて接触させ、接触時に得られた２つの座標の中間点を求めれば、加工面７ａの中心のＹ座標が求まる。
【００２９】
こうして求めたワークの中心座標を基準位置として設定すれば、機上計測装置のプローブのスタイラス先端位置と工具刃先位置の対応を確立することができる。例えば、加工プログラムの座標系の原点をワーク中心位置とすれば、設定した座標を原点とすることによって、スタイラス先端位置と工具刃先位置は同じ位置を示すものとなり、正確な補正加工ができる。
【００３０】
図６は、数値制御装置が実行するワークの基準位置設定処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。
工作機械に、機械の座標系の軸とワークの対称線が平行となるようにワーク７を取り付け、機上計測装置のプローブ１１の中心軸がワークの加工面に対して垂直となるように配置し、かつ、実行する加工プログラムを数値制御装置に入力した後、ワークの基準位置設定指令を数値制御装置に入力すると、数値制御部２１のプロセッサは、図６に示す処理を開始する。
【００３１】
まず、入力された加工プログラムより、ワーク７の加工面における２つの対称線と平行な線をアプローチ線とし、該アプローチ線上で、ワーク７とプローブ１１が干渉せず、該アプローチ線に沿ってプローブ１１をワーク７に向かって移動させたとき、プローブ１１が有するスタイラス１２の先端の球１３がワーク７と接触する４つの測定アプローチ位置を求める（ステップＳ１）。
【００３２】
第１のアプローチ線上（この実施形態では第１のアプローチ線は水平線のＸ軸と平行な線である）の一方の測定アプローチ位置にプローブを位置決めする（ステップＳ２）。次に、ワーク７の方向へプローブ１１を移動させる。すなわち、Ｘ軸モータ２４ｘを駆動し、Ｘ軸部材２を移動させてプローブ１１をワーク７方向に移動させる（ステップＳ３）。そして、各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂの位置制御部２２１のエラーレジスタ２２１ａで求められる位置偏差εが基準値を超えていないか判断する（ステップＳ４）。プローブ１１が有するスタイラス１２の先端の球１３がワーク７と接触すると、Ｘ軸の位置偏差もしくは、Ｂ軸の位置偏差が増大し、基準値を超え、これを検出すると、プローブ１１の移動を停止させ（Ｘ軸モータ２４ｘの駆動を停止させ）、このときの移動軸の座標、すなわち、Ｘ軸座標をレジスタＲ１に格納する（ステップＳ５、Ｓ６）。なお、プローブ１１の移動（Ｘ軸モータ２４ｘの駆動）を停止させる方法としては、数値制御装置が備えるスキップ機能を利用し、位置偏差εが基準値を超えたことをスキップ信号として、該スキップ信号が入力されると、ステップＳ３で指令していた移動指令の残りを停止し、次の処理に移行させるようにする。
【００３３】
次に、プローブ１１を測定アプローチ位置に戻すと共にプローブ１１がワーク７と干渉しないように退避させて、第１のアプローチ線上（Ｘ軸と平行な線上）の他方の測定アプローチ位置にプローブ１１を位置決めする（ステップＳ７）。この実施形態では、Ｂ軸モータ２４ｂを駆動して回転テーブル５を所定量回転させるか、Ｚ軸モータ２４ｚを駆動しＺ軸部材４を所定量移動させて、プローブ１１とワーク７が干渉しない状態として、Ｘ軸部材２を駆動して、プローブ１１を移動させて、回転テーブル５又はＺ軸部材４をもとの位置に戻すことによって、プローブ１１を第１のアプローチ線上における他方の測定アプローチ位置に位置決めすることができる。
【００３４】
次に、Ｘ軸モータ２４ｘを駆動し、ワーク７方向にプローブ１１を移動させ（ステップＳ８）、プローブ１１がワーク７と接触し、Ｘ軸の位置偏差又Ｂ軸の位置偏差が基準値を超えると（ステップＳ９）、Ｘ軸モータ２４ｘの駆動を停止し（ステップＳ１０）、そのときのＸ軸座標をレジスタＲ２に格納する（ステップＳ１１）。
【００３５】
さらに、回転テーブル５やＺ軸部材４を移動させて、プローブ１１がワーク７と干渉しないように退避させて、第２のアプローチ線上（Ｙ軸と平行な線上）の一方の測定アプローチ位置にプローブ１１を位置決めする（ステップＳ１２）。この場合、Ｙ軸部材を移動させることによって、プローブ１１を相対的にワーク７に対して位置決めすることになる。そして、Ｙ軸モータ２４ｙを駆動しプローブ１１を相対的にワーク７方向に移動させる（ステップＳ１３）。ワーク７とプローブ１１が有するスタイラス１２の先端の球１３が接触し、Ｙ軸の位置偏差εが基準値を超えると（ステップＳ１４）、プローブ１１のワーク７に対する相対移動を停止させる（ステップＳ１５）。すなわち、Ｙ軸モータ２４ｙの駆動を停止し、Ｙ軸部材３の移動を停止させる。そしてこのときのＹ軸座標をレジスタＲ３に格納する（ステップＳ１６）。
【００３６】
さらに、同様に、プローブ１１がワーク７と干渉しないように退避させて、第２のアプローチ線上（Ｙ軸と平行な線上）の他方の測定アプローチ位置にワーク７をプローブ１１に対して相対的に位置決めする（ステップＳ１７）。そして、Ｙ軸モータ２４ｙを駆動しワーク７をプローブ１１の方向に駆動し（ステップＳ１８）、ワーク７がプローブ１１におけるスタイラス１２の先端の球１３と接触し、Ｙ軸の位置偏差εが基準値を超えると（ステップＳ１９）、プローブ１１に対するワーク７の相対移動を停止する（ステップＳ２０）させる。すなわち、Ｙ軸モータ２４ｙの駆動を停止し、Ｙ軸部材３の移動を停止させる。そしてこのときのＹ軸座標をレジスタＲ４に格納する（ステップＳ２１）。
【００３７】
こうして求めたレジスタＲ１、Ｒ２に記憶するＸ軸の座標を加算し２で割ることによって、２つのＸ座標の中間座標を求め、レジスタＲ３、Ｒ４に記憶するＹ軸の座標を加算し２で割ることによって、２つのＹ座標の中間座標を求める。このＸ、Ｙ座標の中間座標は、ワーク７の中心座標を表すものであるから、このワーク中心座標をワークの基準位置として設定し（ステップＳ２２）、このワークの基準位置設定処理を終了する。
なお、水平方向両端の座標値の差を求め、この差の半分の値を小さいほうの座標値に加算した座標値をワークの水平方向の中心座標とし、垂直方向両端の座標値の差を求め、この差の半分の値を小さいほうの座標値に加算した座標値をワークの垂直方向の中心座標として、前記ワークの中心座標を求めワーク基準位置として設定してもよい。
【００３８】
こうして設定されたワークの基準位置に基づいて、プローブのスタイラス先端をワーク面に接触させ、機上計測装置によりワークを工作機械上で計測する。このワークの基準位置を介して、スタイラス先端と刃物の刃先が関係づけられるから、計測した形状に基づいて補正加工が明確となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態の工作機械の概略図である。
【図２】同実施形態における数値制御装置の要部ブロック図である。
【図３】可動軸の軸受として流体軸受を用いたときの、位置偏差の変動を示す図である。
【図４】本発明の実施形態において、直方体のワークにおける加工面の中心座標を求めワークの基準位置として設定する場合の説明図である。
【図５】本発明の実施形態において、円柱のワークにおける端面を加工面としたときのワーク中心座標を求めワークの基準位置として設定する場合の説明図である。
【図６】同実施形態におけるワークの基準位置設定処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１ 工作機械のベース
２ Ｘ軸部材
３ Ｙ軸部材
４ Ｚ軸部材
５ 回転テーブル
６ 治具
７ ワーク
１０ 機上計測装置
１１ プローブ
１２ スタイラス
１３ 球
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機上にワークの形状測定および形状解析のために機上計測装置を備えた工作機械に関し、ワークの形状測定のために基準位置設定機能を備える工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
超精密加工において、ナノ単位の形状精度を実現するためには、加工を終了したワークを工作機械から取り外すことなく、工作機械上で加工形状を計測し、計測結果に基づいて補正加工を行うことが必要不可欠である。
そのような機上計測では、工具の刃先と機上計測装置に備えたプローブのスタイラス先端の位置関係を確立することにより、正確な補正加工が可能になる。そのために、ワークを加工するときの座標と、機上計測するときの計測座標の関係が確立していなければならない。このワークを加工するときの座標と、機上計測するときの計測座標の関係をとるためにワークの基準位置を設定する必要がある。
【０００３】
このワークの基準位置の設定方法として、従来、次のような方法が知られている。
ワークの基準位置をワークの取り付けられる回転軸の中心とする。そして、芯出し球を回転軸の面盤に取り付ける。変位検出器を利用して、芯出し球の中心を回転軸の中心に合わせた後、機上計測装置のプローブを用いて芯出し球の頂点出しを行い、回転軸の中心座標を確定する。次に、芯出し球を取り外し、ワークを取り付ける。ワークまたはワークの治具の中心座標を、変位検出器を利用して回転軸の中心に合わせて、求めておいた回転軸の中心座標をワーク、またはワークの治具の基準位置とするという方法が知られている。
【０００４】
また、ワークの端面位置をワークの原点として設定する方法として、主軸にタッチセンサを取り付けておき、ワークの端面に向けて主軸を早い速度で移動させてタッチセンサがＯＮとなると停止させて、逆方向に遅い速度で移動させ、タッチセンサがＯＦＦとなった時点の位置を記憶し、この位置をワークの原点として設定するようにした発明が知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特公平８−３５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の芯出し球を回転軸の面盤に取り付けてワークの基準位置を設定する方法は、基準位置設定までの手順が複雑で、時間がかかる。また、オペレータの熟練度によってはかなりの誤差が生じる可能性があり問題である。
又、特許文献１に記載された方法は、端面を検出し、その端面を原点として設定するものであり、適用が限られたものである。また、タッチセンサを用いて接触を検知することから、超精密加工を行う可動軸の軸受に流体軸受を使用するものにおいては、接触したとき可動軸が移動してしまい、タッチセンサでの接触の検出では、正確に座標を検出することが難しいという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、接触検知により座標を検知しワークの中心座標を基準位置として設定することができるワークの基準位置設定機能を有する工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、可動軸が流体軸受により支持され、ワークの形状測定および形状解析のために機上に配設された機上計測装置を備え、数値制御装置で制御される工作機械において、前記機上計測装置は、先端に微小な球を有するスタイラスを備えたプローブを有し、各可動軸へのそれぞれの位置指令と各可動軸の位置を検出する位置検出器で検出された各位置との位置偏差を各可動軸毎に検出する位置偏差検出手段と、加工面が直交する２つの線に対して線対称なワーク形状で、かつ、前記２つの線が機械座標系の軸と平行に配置されたワークに対して、前記２つの線とそれぞれ平行な線の両側からワーク方向に前記プローブを移動させて前記ワークと前記スタイラス先端とを接触させるよう前記可動軸を駆動する駆動制御手段と、前記ワークと前記スタイラス先端との接触を前記位置偏差検出手段によって検出された位置偏差の増大で検知する接触検知手段と、前記接触検知手段によって接触を検知した瞬間に前記可動軸を停止させる可動軸停止手段と、前記接触検知手段によって接触を検知した瞬間の座標を求める座標検知手段と、求められた座標よりワークの中心座標を求めワークの基準位置として設定する設定手段とを有することを特徴とする接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械である。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記工作機械が有する可動軸を、直動軸と回転軸で構成し、前記直動軸の位置を検出する位置検出器は、分解能１０ｎｍ以下のリニアスケールによって構成したものである。又、請求項３に係る発明は、前記回転軸の位置を検出する位置検出器を、分解能１万分の１度以下のパルスコーダによって構成し、該回転軸はモータに直接連結されダイレクトに駆動されるものとした。
又、請求項４に係る発明は、前記ワークの加工面と前記プローブの中心軸は直交するように配置するものとした。請求項５に係る発明は、前記位置偏差検出手段によって検出された位置偏差の値が予め定められた値以上になった瞬間を前記ワークと前記プローブのスタイラス先端との接触として、前記接触検知手段で検知するものとした。
【００１０】
請求項６に係る発明は、前記ワークはその加工面が垂直となるように工作機械に取り付けられ、前記駆動制御手段は、水平方向の右及び左から前記プローブのスタイラス先端を近づけて接触させ、前記接触検知手段によって接触を検知したときの水平方向のそれぞれの座標を前記座標検知手段で求め、さらに、前記駆動制御手段は、前記ワークの垂直方向の上側および下側から前記プローブのスタイラス先端を前記ワークに接触させ、前記接触検知手段によって接触を検知したときの垂直方向のそれぞれの座標を前記座標検知手段で求め、前記設定手段は、求められた水平の座標より前記ワークの水平方向の中心座標を求め、垂直方向の座標よりワークの垂直方向の中心座標を求めて、各中心座標をワーク基準位置として設定するものとした。
請求項７に係る発明は、前記座標検知手段で求めた水平方向両端でのそれぞれの座標値の差を求め、この差の半分の値を小さいほうの座標値に加算した座標値をワークの水平方向の中心座標とし、前記座標検知手段で求めた前記垂直方向両端でのそれぞれの座標値の差を求め、この差の半分の値を小さいほうの座標値に加算した座標値をワークの垂直方向の中心座標として、前記ワークの中心座標を求めワーク基準位置として設定するようにした。そして、請求項８に係る発明は、前記ワークの中心座標を基準として、ワーク面にプローブのスタイラス先端を接触させ、機上計測装置によるワークの工作機械上での計測を行うものとした。
【発明の効果】
【００１１】
可動軸が流体軸受で支持され、摩擦がほとんどない可動軸を有する超精密加工用の工作機械においても、簡単に、機上計測装置でワーク形状を計測するための基準位置を設定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明の一実施形態の超精密加工を行う機上に機上計測装置が配設された工作機械の概略図である。この実施形態では、可動軸は３つの直動軸と１つの回動軸を備えている。工作機械のベース１上には、水平方向のＸ軸方向（図１において紙面垂直方向）に駆動される直動軸のＸ軸部材２が取り付けられ、該Ｘ軸部材２上に回転テーブル５が取り付けられている。該回転テーブル５はＸ軸と直交する軸のＢ軸回りに回転する。この回転テーブル５には治具６を介して機上計測装置１０が取り付けられている。又、ベース１には、Ｘ軸方向と直交する水平方向に駆動される直動軸のＺ軸部材４が取り付けられている。さらに、Ｘ軸、Ｚ軸と直交し、回転軸のＢ軸と平行なＹ軸方向に移動する直動軸のＹ軸部材３がＺ軸部材４に取り付けられている。さらに、Ｙ軸部材３にはワーク７が取り付けられている。
機上計測装置１０は、先端に微小な球１３を持ったスタイラス１２を有するプローブ１１を備え、ワーク７の加工面に対してプローブ１１の中心軸が直交するように配置されている。
【００１３】
なお、この実施形態では、直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を駆動するモータは、リニアモータで構成され、回動軸のＢ軸を駆動するモータは、回転サーボモータで構成され、回転テーブル５と回転サーボモータはダイレクトに接続され、ダイレクトドライブを構成している。
又、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸の各軸は、流体軸受（空気軸受）で支持され、摩擦のほとんどない可動軸とされている。
【００１４】
図２は、この工作機械を制御する制御装置である数値制御装置の要部ブロック図である。数値制御部２１では、加工プログラムを読み出して実行し、各軸への移動指令を各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂに出力する。Ｘ軸のモータ２４ｘを制御するＸ軸サーボ制御手段２２ｘに記載されているように、各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂは、位置制御部２２１、速度制御部２２２、電流制御部２２３等で構成されており、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸のサーボ制御手段２２ｙ、２２ｚ、２２ｂもこのＸ軸サーボ制御手段２２ｘの構成と同一である。
【００１５】
各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂの位置制御部２２１では、エラーレジスタ２２１ａとポジションゲインＫの項２２１ｂで構成され、数値制御部２１から各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂにそれぞれ指令された移動位置と、位置、速度を検出する位置・速度検出器２５ｘ〜２５ｂからフィードバックされる位置との差である位置偏差εをエラーレジスタ２２１ａで求め、該位置偏差εにポジションゲインＫを乗じて、指令速度を求め出力する。速度制御部２２２では、位置制御部２２１から出力される指令速度より位置・速度検出器２５ｘ〜２５ｂからフィードバックされる速度を減じて速度偏差を求め、比例・積分処理等の速度のフィードバック制御を行い電流指令（トルク指令）を求める。そして、電流制御部２２３では、この電流指令とアンプ２３ｘ〜２３ｂからフィードバックされる電流とに基づいて電流フィードバック制御を行いアンプ２３ｘ〜２３ｂを介して各軸モータ２４ｘ〜２４ｂを駆動する。
【００１６】
この実施形態では、直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のモータ２４ｘ、２４ｙ、２４ｚはリニアモータで構成されている。また、回転軸のＢ軸を駆動するモータ２４ｂは、回転サーボモータで構成され、上述したように回転テーブル５をダイレクトドライブするように構成されている。又、リニアモータで構成された直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のモータ２４ｘ、２４ｙ、２４ｚで駆動される各可動部材の位置は、リニアスケールで構成された位置・速度検出器２５ｘ、２５ｙ、２５ｚで検出している。
【００１７】
本実施形態の工作機械は、超精密加工を実施するものであることから、このリニアスケールで構成される位置・速度検出器２５ｘ、２５ｙ、２５ｚは１０ｎｍ（ナノメータ）以下の検出分解能の高精度な検出器で構成されている。また、回転軸のＢ軸のモータ２４ｂに取り付けられる、パルスコーダ等の位置・速度検出器２５ｂも、１万分の１度以下の分解能を有する高精度の分解能の位置・速度検出器２５ｂで構成されている。
【００１８】
上述した工作機械の構成、及び該工作機械を制御する制御部の構成は、従来の超精密加工用の工作機械及びその制御装置とほぼ同じであるが、本発明は、機上計測装置を備え、接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する点において、従来の工作機械と相違するものである。
【００１９】
本実施形態は、機上計測装置１０のプローブ１１が備えるスタイラス先端の微小な球１３をワーク７に当接して、この当接したときの座標よりワークの中心座標を求めて基準位置とするものである。
【００２０】
本実施形態の工作機械は、前述したように各直動軸のＸ軸部材２、Ｙ軸部材３、Ｚ軸部材４及び回転軸のＢ軸回りに回転する回転テーブル５は、流体軸受で支持されており、摩擦がほとんどない。そのため、プローブ１１が備えるスタイラス１２の先端の球１３とワーク７が接触し、プローブ１１又はワーク７に負荷がかかると、この負荷によりいずれかの可動軸が移動する。この移動により指令位置と検出位置との位置偏差εが増大するから、この位置偏差εの増大を検出することによって、プローブ１１とワーク７の接触を検出できる。
【００２１】
図３は、可動軸の軸受として流体軸受を用い、可動部を移動させたときの位置偏差を測定したものである。可動軸の移動で摩擦力がほとんど発生しないことから、位置偏差の変動は格段と小さいものとなっている。図３において、符号Ｐで示す点は、スタイラス１２の先端の球１３とワーク７が接触した点である。
【００２２】
この図３に示すように、流体軸受で支持された可動軸は位置偏差がほとんど現れず、これらの軸に僅かな負荷がかかったときに発生する位置偏差が、負荷がかからないときと比較し大きなものとなっている。そのため、可動軸に負荷がかかったか否かを位置偏差で検出するための比較基準値の設定が容易で、スタイラス１２の先端の球１３とワーク７との接触を精度よく検出することができる。
【００２３】
本実施形態は、ワーク７の加工面と平行な断面が、加工面と同一形状を有するワークであり、かつ、加工面が２つの直交する線に対してそれぞれ線対称の形状を有するワーク７を対象とするものである。そして、このワーク７の線対称となる線の２つの直交する線は機械座標系の軸と平行になるように、ワーク７は工作機械に取り付けられるものである。図１に示す例では、ワーク７の対称線がＸ軸、Ｙ軸と平行となるように取り付けられている。
【００２４】
図４は、本実施形態において、ワーク７が直方体でその加工面７ａの中心座標を求め該中心座標をワークの基準位置として設定する場合の説明図である。この直方体のワーク７は、図４（ａ）に示すように、加工面７ａは垂直面であり、該加工面７ａは垂直方向（Ｙ軸方向）と水平方向（Ｘ軸方向）の２つの直交する直線に対して線対称の形状である。このようなワーク７に対して、該ワークの中心座標を検出しワークの基準位置として設定する場合、線対称の線と平行な線に沿って、機上計測装置１０におけるプローブ１１のスタイラス１２の球１３がワーク７の両側よりワーク７に接触するように移動させて、位置偏差が増大したとき、そのときの座標を接触位置の座標として記憶するようにする。
【００２５】
図４（ｂ）は、水平方向（Ｘ軸方向）にワーク７とプローブ１１を相対移動させて示すスタイラス１２の球１３とワーク７の接触点の座標を求めるときの動作説明図である。図４（ｂ）はワーク７の上面７ｂをみる方向からみた図であり、図１における上方からみた図である。Ｘ軸部材２、Ｙ軸部材３、Ｚ軸部材４を移動させてワーク７の側面７ｃに対して、プローブ１１が有するスタイラス１２の球１３が当接可能の状態に位置決めし、Ｘ軸部材２を駆動し、図４（ｂ）に破線の矢印で示すように、プローブ１１を水平方向にワーク７に向かって移動させ、スタイラス１２の球１３とワーク７の側面７ｃが接触したときの位置偏差（Ｘ軸部材を駆動するサーボ制御手段２２ｘのエラーレジスタ２２１ａで求められる位置偏差、もしくは回転テーブル５を駆動するサーボ制御手段２２ｂのエラーレジスタ２２１ａで求められる位置偏差）が増大する点を接触点として、移動軸の座標（Ｘ軸の座標）を求める。次に、プローブ１１をワーク７の反対側面側に移動させて、同様に、Ｘ軸部材２を駆動し、プローブ１１を水平方向にワーク７に向かって移動させ、スタイラス１２の球１３とワーク７の側面７ｃが接触し位置偏差が増大するときのＸ軸の座標を求める。こうして求められた２つのＸ座標値を加算し２で割れば、加工面の水平方向（Ｘ軸方向）の中間座標が求められる。この座標は加工面７ａの水平方向の中心座標、すなわちＸ軸中心座標を表すものとなる。
【００２６】
図４（ｃ）は、垂直方向にワーク７とプローブ１１を相対移動させて示すスタイラス１２の球１３とワーク７の接触座標を求めるときの動作説明図であり、図１において、Ｙ軸部材３を駆動し、スタイラス１２の球１３をワーク７の上面７ｂと下面に接触させて、ワークの加工面７ａの中心Ｙ軸座標を求めるときの説明図である。Ｘ軸部材２、Ｙ軸部材３、Ｚ軸部材４を移動させてワーク７の上面７ｂにプローブ１１のスタイラス１２の球１３が当接可能の状態に位置決めし、Ｙ軸部材３を駆動し、図４（ｃ）に破線の矢印で示すように、プローブ１１を垂直方向にワーク７に向かって移動させ、スタイラス１２の球１３とワーク７の上面７ｂが接触し、Ｙ軸の位置偏差が増大する点を接触点として、そのＹ軸座標を求める。
【００２７】
次に、同様に、スタイラス１２の球１３とワーク７の下面が接触するようにＹ軸部材３を移動させてＹ軸の位置偏差が増大するときのＹ軸座標を求める。こうして求められた２つのＹ座標値を加算し２で割れば、加工面７ａの垂直方向（Ｙ軸方向）の中心座標、すなわちＹ軸中心座標を求めることができる。
こうして、加工面（ＸＹ平面）の中心座標が求まる。
【００２８】
図５は、円柱形状でその端面が加工面であるワーク７の例である。この例も図１に示すように、加工面が垂直面となるように取り付けられるものであり、加工面は水平軸のＸ軸と垂直軸のＹ軸に対して線対称である。このワーク７の例も、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように水平方向（Ｘ軸方向）、垂直方向（Ｙ軸方向）のワーク両側より、プローブ１１のスタイラス１２の球１３がワーク７に接近し接触するように相対移動させ、その接触点の座標の中間座標を求めることによって、加工面７ａの円の中心を求めることができる。図５（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向の両側よりスタイラス１２の球１３をワークに接近させて接触させ、接触時に得られた２つの座標の中間点を求めれば、加工面７ａの中心のＸ座標が求まり、同様に、図５（ｃ）に示すように、Ｙ軸方向の両側よりスタイラス１２の球１３をワークに接近させて接触させ、接触時に得られた２つの座標の中間点を求めれば、加工面７ａの中心のＹ座標が求まる。
【００２９】
こうして求めたワークの中心座標を基準位置として設定すれば、機上計測装置のプローブのスタイラス先端位置と工具刃先位置の対応を確立することができる。例えば、加工プログラムの座標系の原点をワーク中心位置とすれば、設定した座標を原点とすることによって、スタイラス先端位置と工具刃先位置は同じ位置を示すものとなり、正確な補正加工ができる。
【００３０】
図６は、数値制御装置が実行するワークの基準位置設定処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。
工作機械に、機械の座標系の軸とワークの対称線が平行となるようにワーク７を取り付け、機上計測装置のプローブ１１の中心軸がワークの加工面に対して垂直となるように配置し、かつ、実行する加工プログラムを数値制御装置に入力した後、ワークの基準位置設定指令を数値制御装置に入力すると、数値制御部２１のプロセッサは、図６に示す処理を開始する。
【００３１】
まず、入力された加工プログラムより、ワーク７の加工面における２つの対称線と平行な線をアプローチ線とし、該アプローチ線上で、ワーク７とプローブ１１が干渉せず、該アプローチ線に沿ってプローブ１１をワーク７に向かって移動させたとき、プローブ１１が有するスタイラス１２の先端の球１３がワーク７と接触する４つの測定アプローチ位置を求める（ステップＳ１）。
【００３２】
第１のアプローチ線上（この実施形態では第１のアプローチ線は水平線のＸ軸と平行な線である）の一方の測定アプローチ位置にプローブを位置決めする（ステップＳ２）。次に、ワーク７の方向へプローブ１１を移動させる。すなわち、Ｘ軸モータ２４ｘを駆動し、Ｘ軸部材２を移動させてプローブ１１をワーク７方向に移動させる（ステップＳ３）。そして、各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂの位置制御部２２１のエラーレジスタ２２１ａで求められる位置偏差εが基準値を超えていないか判断する（ステップＳ４）。プローブ１１が有するスタイラス１２の先端の球１３がワーク７と接触すると、Ｘ軸の位置偏差もしくは、Ｂ軸の位置偏差が増大し、基準値を超え、これを検出すると、プローブ１１の移動を停止させ（Ｘ軸モータ２４ｘの駆動を停止させ）、このときの移動軸の座標、すなわち、Ｘ軸座標をレジスタＲ１に格納する（ステップＳ５、Ｓ６）。なお、プローブ１１の移動（Ｘ軸モータ２４ｘの駆動）を停止させる方法としては、数値制御装置が備えるスキップ機能を利用し、位置偏差εが基準値を超えたことをスキップ信号として、該スキップ信号が入力されると、ステップＳ３で指令していた移動指令の残りを停止し、次の処理に移行させるようにする。
【００３３】
次に、プローブ１１を測定アプローチ位置に戻すと共にプローブ１１がワーク７と干渉しないように退避させて、第１のアプローチ線上（Ｘ軸と平行な線上）の他方の測定アプローチ位置にプローブ１１を位置決めする（ステップＳ７）。この実施形態では、Ｂ軸モータ２４ｂを駆動して回転テーブル５を所定量回転させるか、Ｚ軸モータ２４ｚを駆動しＺ軸部材４を所定量移動させて、プローブ１１とワーク７が干渉しない状態として、Ｘ軸部材２を駆動して、プローブ１１を移動させて、回転テーブル５又はＺ軸部材４をもとの位置に戻すことによって、プローブ１１を第１のアプローチ線上における他方の測定アプローチ位置に位置決めすることができる。
【００３４】
次に、Ｘ軸モータ２４ｘを駆動し、ワーク７方向にプローブ１１を移動させ（ステップＳ８）、プローブ１１がワーク７と接触し、Ｘ軸の位置偏差又Ｂ軸の位置偏差が基準値を超えると（ステップＳ９）、Ｘ軸モータ２４ｘの駆動を停止し（ステップＳ１０）、そのときのＸ軸座標をレジスタＲ２に格納する（ステップＳ１１）。
【００３５】
さらに、回転テーブル５やＺ軸部材４を移動させて、プローブ１１がワーク７と干渉しないように退避させて、第２のアプローチ線上（Ｙ軸と平行な線上）の一方の測定アプローチ位置にプローブ１１を位置決めする（ステップＳ１２）。この場合、Ｙ軸部材を移動させることによって、プローブ１１を相対的にワーク７に対して位置決めすることになる。そして、Ｙ軸モータ２４ｙを駆動しプローブ１１を相対的にワーク７方向に移動させる（ステップＳ１３）。ワーク７とプローブ１１が有するスタイラス１２の先端の球１３が接触し、Ｙ軸の位置偏差εが基準値を超えると（ステップＳ１４）、プローブ１１のワーク７に対する相対移動を停止させる（ステップＳ１５）。すなわち、Ｙ軸モータ２４ｙの駆動を停止し、Ｙ軸部材３の移動を停止させる。そしてこのときのＹ軸座標をレジスタＲ３に格納する（ステップＳ１６）。
【００３６】
さらに、同様に、プローブ１１がワーク７と干渉しないように退避させて、第２のアプローチ線上（Ｙ軸と平行な線上）の他方の測定アプローチ位置にワーク７をプローブ１１に対して相対的に位置決めする（ステップＳ１７）。そして、Ｙ軸モータ２４ｙを駆動しワーク７をプローブ１１の方向に駆動し（ステップＳ１８）、ワーク７がプローブ１１におけるスタイラス１２の先端の球１３と接触し、Ｙ軸の位置偏差εが基準値を超えると（ステップＳ１９）、プローブ１１に対するワーク７の相対移動を停止する（ステップＳ２０）させる。すなわち、Ｙ軸モータ２４ｙの駆動を停止し、Ｙ軸部材３の移動を停止させる。そしてこのときのＹ軸座標をレジスタＲ４に格納する（ステップＳ２１）。
【００３７】
こうして求めたレジスタＲ１、Ｒ２に記憶するＸ軸の座標を加算し２で割ることによって、２つのＸ座標の中間座標を求め、レジスタＲ３、Ｒ４に記憶するＹ軸の座標を加算し２で割ることによって、２つのＹ座標の中間座標を求める。このＸ、Ｙ座標の中間座標は、ワーク７の中心座標を表すものであるから、このワーク中心座標をワークの基準位置として設定し（ステップＳ２２）、このワークの基準位置設定処理を終了する。
なお、水平方向両端の座標値の差を求め、この差の半分の値を小さいほうの座標値に加算した座標値をワークの水平方向の中心座標とし、垂直方向両端の座標値の差を求め、この差の半分の値を小さいほうの座標値に加算した座標値をワークの垂直方向の中心座標として、前記ワークの中心座標を求めワーク基準位置として設定してもよい。
【００３８】
こうして設定されたワークの基準位置に基づいて、プローブのスタイラス先端をワーク面に接触させ、機上計測装置によりワークを工作機械上で計測する。このワークの基準位置を介して、スタイラス先端と刃物の刃先が関係づけられるから、計測した形状に基づいて補正加工が明確となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態の工作機械の概略図である。
【図２】同実施形態における数値制御装置の要部ブロック図である。
【図３】可動軸の軸受として流体軸受を用いたときの、位置偏差の変動を示す図である。
【図４】本発明の実施形態において、直方体のワークにおける加工面の中心座標を求めワークの基準位置として設定する場合の説明図である。
【図５】本発明の実施形態において、円柱のワークにおける端面を加工面としたときのワーク中心座標を求めワークの基準位置として設定する場合の説明図である。
【図６】同実施形態におけるワークの基準位置設定処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１ 工作機械のベース
２ Ｘ軸部材
３ Ｙ軸部材
４ Ｚ軸部材
５ 回転テーブル
６ 治具
７ ワーク
１０ 機上計測装置
１１ プローブ
１２ スタイラス
１３ 球
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動軸が流体軸受により支持され、ワークの形状測定および形状解析のために機上に配設された機上計測装置を備え、数値制御装置で制御される工作機械において、
前記機上計測装置は、先端に微小な球を有するスタイラスを備えたプローブを有し、
各可動軸へのそれぞれの位置指令と各可動軸の位置を検出する位置検出器で検出された各位置との位置偏差を各可動軸毎に検出する位置偏差検出手段と、
加工面が直交する２つの線に対して線対称なワーク形状で、かつ、前記２つの線が機械座標系の軸と平行に配置されたワークに対して、前記２つの線とそれぞれ平行な線の両側からワーク方向に前記プローブを移動させて前記ワークと前記スタイラス先端とを接触させるよう前記可動軸を駆動する駆動制御手段と、
前記ワークと前記スタイラス先端との接触を前記位置偏差検出手段によって検出された位置偏差の増大で検知する接触検知手段と、
前記接触検知手段によって接触を検知した瞬間に前記可動軸を停止させる可動軸停止手段と、
前記接触検知手段によって接触を検知した瞬間の座標を求める座標検知手段と、
求められた座標よりワークの中心座標を求めワークの基準位置として設定する設定手段と、
を有することを特徴とする接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項２】
工作機械が有する可動軸は、直動軸と回転軸で構成され、前記直動軸の位置を検出する位置検出器は、分解能１０ｎｍ以下のリニアスケールによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項３】
前記回転軸の位置を検出する位置検出器は、分解能１万分の１度以下のパルスコーダによって構成され、該回転軸はモータに直接連結されダイレクトに駆動されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項４】
前記ワークの加工面と前記プローブの中心軸は直交していることを特徴とする請求項１乃至３の内いずれか１項に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項５】
前記接触検知手段は、前記位置偏差検出手段によって検出された位置偏差の値が予め定められた値以上になった瞬間を前記ワークと前記プローブのスタイラス先端との接触として検知することを特徴とする請求項１乃至４の内いずれか１項に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項６】
前記ワークはその加工面が垂直となるように工作機械に取り付けられ、前記駆動制御手段は、水平方向の右及び左から前記プローブのスタイラス先端を近づけて接触させ、前記接触検知手段によって接触を検知したときの水平方向のそれぞれの座標を前記座標検知手段で求め、さらに、前記駆動制御手段は、前記ワークの垂直方向の上側および下側から前記プローブのスタイラス先端を前記ワークに接触させ、前記接触検知手段によって接触を検知したときの垂直方向のそれぞれの座標を前記座標検知手段で求め、前記設定手段は、求められた水平の座標より前記ワークの水平方向の中心座標を求め、垂直方向の座標よりワークの垂直方向の中心座標を求めて、各中心座標をワーク基準位置として設定する請求項１乃至５の内のいずれか１項に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項７】
前記座標検知手段で求めた水平方向両端でのそれぞれの座標値の差を求め、この差の半分の値を小さいほうの座標値に加算した座標値をワークの水平方向の中心座標とし、前記座標検知手段で求めた前記垂直方向両端でのそれぞれの座標値の差を求め、この差の半分の値を小さいほうの座標値に加算した座標値をワークの垂直方向の中心座標として、前記ワークの中心座標を求めワーク基準位置として設定するようにした請求項６に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項８】
前記ワークの中心座標を基準として、ワーク面にプローブのスタイラス先端を接触させ、機上計測装置によるワークの工作機械上での計測を行うことを特徴とする請求項１乃至７の内のいずれか１項に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項１】
可動軸が流体軸受により支持され、ワークの形状測定および形状解析のために機上に配設された機上計測装置を備え、数値制御装置で制御される工作機械において、
前記機上計測装置は、先端に微小な球を有するスタイラスを備えたプローブを有し、
各可動軸へのそれぞれの位置指令と各可動軸の位置を検出する位置検出器で検出された各位置との位置偏差を各可動軸毎に検出する位置偏差検出手段と、
加工面が直交する２つの線に対して線対称なワーク形状で、かつ、前記２つの線が機械座標系の軸と平行に配置されたワークに対して、前記２つの線とそれぞれ平行な線の両側からワーク方向に前記プローブを移動させて前記ワークと前記スタイラス先端とを接触させるよう前記可動軸を駆動する駆動制御手段と、
前記ワークと前記スタイラス先端との接触を前記位置偏差検出手段によって検出された位置偏差の増大で検知する接触検知手段と、
前記接触検知手段によって接触を検知した瞬間に前記可動軸を停止させる可動軸停止手段と、
前記接触検知手段によって接触を検知した瞬間の座標を求める座標検知手段と、
求められた座標よりワークの中心座標を求めワークの基準位置として設定する設定手段と、
を有することを特徴とする接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項２】
工作機械が有する可動軸は、直動軸と回転軸で構成され、前記直動軸の位置を検出する位置検出器は、分解能１０ｎｍ以下のリニアスケールによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項３】
前記回転軸の位置を検出する位置検出器は、分解能１万分の１度以下のパルスコーダによって構成され、該回転軸はモータに直接連結されダイレクトに駆動されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項４】
前記ワークの加工面と前記プローブの中心軸は直交していることを特徴とする請求項１乃至３の内いずれか１項に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項５】
前記接触検知手段は、前記位置偏差検出手段によって検出された位置偏差の値が予め定められた値以上になった瞬間を前記ワークと前記プローブのスタイラス先端との接触として検知することを特徴とする請求項１乃至４の内いずれか１項に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項６】
前記ワークはその加工面が垂直となるように工作機械に取り付けられ、前記駆動制御手段は、水平方向の右及び左から前記プローブのスタイラス先端を近づけて接触させ、前記接触検知手段によって接触を検知したときの水平方向のそれぞれの座標を前記座標検知手段で求め、さらに、前記駆動制御手段は、前記ワークの垂直方向の上側および下側から前記プローブのスタイラス先端を前記ワークに接触させ、前記接触検知手段によって接触を検知したときの垂直方向のそれぞれの座標を前記座標検知手段で求め、前記設定手段は、求められた水平の座標より前記ワークの水平方向の中心座標を求め、垂直方向の座標よりワークの垂直方向の中心座標を求めて、各中心座標をワーク基準位置として設定する請求項１乃至５の内のいずれか１項に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項７】
前記座標検知手段で求めた水平方向両端でのそれぞれの座標値の差を求め、この差の半分の値を小さいほうの座標値に加算した座標値をワークの水平方向の中心座標とし、前記座標検知手段で求めた前記垂直方向両端でのそれぞれの座標値の差を求め、この差の半分の値を小さいほうの座標値に加算した座標値をワークの垂直方向の中心座標として、前記ワークの中心座標を求めワーク基準位置として設定するようにした請求項６に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【請求項８】
前記ワークの中心座標を基準として、ワーク面にプローブのスタイラス先端を接触させ、機上計測装置によるワークの工作機械上での計測を行うことを特徴とする請求項１乃至７の内のいずれか１項に記載の接触検知によるワークの基準位置設定機能を有する工作機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２００７９８（Ｐ２００８−２００７９８Ａ）
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３９１９２（Ｐ２００７−３９１９２）
【出願日】平成１９年２月２０日（２００７．２．２０）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２０日（２００７．２．２０）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
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