機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム
【課題】機上計測を、直動軸と回転軸を含む同時多軸計測を行うようにし、機上計測装置の測定子の同一先端点で測定対象物の表面と接触して計測を行うことが可能な工作機械システムを提供すること。
【解決手段】一端に接触子を取り付けたプローブを有する機上計測装置１を用いて計測対象物の表面形状を計測する工作機械システムにおいて、前記計測対象物の表面に対して機上計測装置１のプローブ１ｂの中心軸が垂直になるようにプログラムされた計測プログラムに基づいて、球型接触子１ｆが前記計測対象物の表面に接触して倣うように前記各軸が数値制御装置により駆動制御されることを特徴とする機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【解決手段】一端に接触子を取り付けたプローブを有する機上計測装置１を用いて計測対象物の表面形状を計測する工作機械システムにおいて、前記計測対象物の表面に対して機上計測装置１のプローブ１ｂの中心軸が垂直になるようにプログラムされた計測プログラムに基づいて、球型接触子１ｆが前記計測対象物の表面に接触して倣うように前記各軸が数値制御装置により駆動制御されることを特徴とする機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機上計測装置を用いて３次元の自由形状を有する計測対象物の形状を計測する工作機械システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加工されたワークの表面形状を高精度に測定する計測装置として、接触式プローブを有する計測装置が知られている。この計測装置を工作機械に取り付け、接触式プローブの接触子を前記ワークの表面に接触させ、工作機械の直動軸を動かすことにより、ワーク表面の形状計測を行う。
【０００３】
例えば、特許文献１には、回転軸対称曲面加工技術に用いられる計測技術が開示されている。特許文献１に開示される技術は、直動軸に機上計測装置と加工工具とを配置し、Ｘ、Ｚ、Ｃ軸の各軸を駆動し機上計測装置によってＸ軸上を走査して回転軸対称曲面を有する対象物表面の形状を計測するものである。
【０００４】
一方、加工ワークに対してタッチプローブを最適な方向より接触させるような計測指令に基づいて姿勢制御する３次元測定用のタッチプローブ装置も知られている。特許文献２には、タッチプローブをワークの表面を各測定点に対して法線方向から測定するために、旋回角度と傾斜角度を変更可能とするプローブ本体の旋回及び傾斜首振り機構に関する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１１８１００号公報
【特許文献２】特開平６−１８６０２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
背景技術で説明した特許文献１に開示される技術では、機上計測装置は直線的な移動をするため、曲率半径が小さなワーク表面に対しては形状計測が困難である。また、特許文献２に開示される技術は、タッチプローブによる形状計測を行うものであり、ワーク表面の多点位置での位置計測を行うことにより形状計測を行うものの、ワーク表面に接触したまま連続的に表面を走査するものではない。また、タッチプローブの構成から、計測範囲が−９０度から＋９０度の範囲の対象物の表面形状は測定できるものの、球体状の形状計測は不可能である。
【０００７】
接触式プローブを用いる計測装置は、計測対象物の表面の傾きに拘わらず同じ方向から形状計測を行うと、計測中に計測対象物の表面と接触する計測子の面積が、計測対象物の形状が複雑になるほど増加する。このことを図１４と図１５を用いて説明する。
【０００８】
図１４は、従来の機上計測の一例として、機上計測装置（図示省略）の取り付けられた軸が直動軸のみで、曲面を有するワークＷ表面の計測のため、球型測定子１ｆであるルビー球をワークＷ表面である曲面に接触させ、直動軸のみにより機上計測装置を走査して、機上計測装置の可動軸であるプローブ１ｂの変位を検出することにより、機上計測を行うものである。図１４で、測定子として球型測定子１ｆのルビー球を備えたプローブ１ｂが計測方向に移動すると、ルビー球は（１）〜（５）のようにワークの表面を接触したまま倣いながら移動する。
【０００９】
図１５は、図１４の（１）〜（５）の地点で計測する際の、ワークＷの表面と球型測定子１ｆであるルビー球との接触の様子を説明している。ワークＷ表面と接触する球型測定子１ｆであるルビー球の表面の位置（接触点ＴＰ）は、図１５（Ａ）に示される（１）〜（５）のように移動していく。そうすると、図１５（Ｂ）の実線に示されるように、球型測定子１ｆがワークＷ面と接触する面積は広くなる。
【００１０】
図１５（Ｂ）の実線で示される領域は、球型測定子１ｆの表面が図１５（Ａ）の（１）〜（５）に対応してワーク表面と接触する領域である。破線で示される領域は図１５（Ａ）の（１）〜（５）の移動で球型測定子１ｆがワークの表面と接触しなかった領域である。このように、ワークの表面の形状が複雑になり、プローブ１ｂの中心軸とワーク表面の法線方向とのなす角度が大きくなればなるほど、球型測定子がワーク表面と接触する領域は拡大していくことを意味する。
【００１１】
通常、接触式の機上計測装置に使用される測定子は前述のルビー球のように球形状をしている。この球状の測定子の形状誤差を補正するために、基準球などの校正原器を用いて校正する。しかし、校正原器の曲率半径と計測可能な接触角により、基準球の表面と接触できる球型測定子の面積は決まる。校正原器の計測時に計測されなかった球型測定子の表面の形状誤差は校正できない。そのため、校正原器と違う形状や接触角が大きい測定対象物の形状を計測するときは、球型測定子の校正されていない表面が測定対象物の表面と接触することになり、球型測定子の形状誤差を補正できない場合が多く、計測精度の低下につながる。
【００１２】
また、測定対象物の曲面の計測を計測するときに曲面と接触する球型測定子の表面部分が、機上計測装置のプローブの中心軸と球型測定子の表面と交わる点から遠くなればなるほど、可動軸に応力が作用し計測精度の低下につながる。このことを図１２と図１３を用いて説明する。
【００１３】
図１２は一般的な機上計測装置の概略断面図である。図１２に示されるように、プローブ１ｂと軸受との間には微少な間隙が存在する。今、計測方向に機上計測装置が直動軸によって移動すると、球型測定子１ｆにはプローブ１ｂの中心軸に対して横方向の力が働く。そうすると、図１３に示されるように、測定子の細い棒の部分が曲がる。
【００１４】
また、軸受隙間が存在することから、プローブ１ｂ内の所定の位置を回転中心としてプローブ１ｂ自体も斜めになる。さらに、測定子の棒と球型の測定子との接合部、または測定子の棒とプローブの接合部にせん断応力が作用し、これらの接合部が破損する可能性がある。
【００１５】
超精密加工において、ナノオーダの形状計測を実現するためには機上計測による補正加工が必要不可欠である。最近、機上計測による補正加工を必要とする加工形状はしだいに複雑化を増している。６０度以上の急な傾斜角度をもつ形状に対しても、正確なナノオーダの形状精度を実現しなければならない。さらに、同時５軸加工の需要が増大することにより、５軸加工による３次元立体形状の機上計測も必要性が高まっている。
【００１６】
そこで本発明の目的は、機上計測を、直動軸と回転軸を含む同時多軸計測で行い、機上計測装置の測定子の同一先端点で測定対象物の表面と接触して計測を行うことが可能な、機上計測にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本願の請求項１に係る発明は、測定子を備えたプローブを有する機上計測装置を用いて計測対象物の表面形状を計測する工作機械システムにおいて、該工作機械システムは、１軸以上の直線軸と１軸以上の回転軸から構成される工作機械と、前記各軸を駆動制御する数値制御装置と、前記各軸の位置を検出する位置検出装置と、計測対象物の形状を計測する前記機上計測装置と、前記位置検出装置により検出された各軸の位置検出信号および前記機上計測装置により検出された計測信号に基づいて前記計測対象物の形状を計測演算する計測演算装置と、を備え、前記計測対象物の表面形状を計測するときに、前記計測対象物の表面に対して前記機上計測装置のプローブの中心軸が垂直になるようにプログラムされた計測プログラムに基づいて、前記測定子が前記計測対象物の表面に接触して倣うように前記各軸が前記数値制御装置により駆動制御されることを特徴とする機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムである。
【００１８】
請求項２に係る発明は、前記計測対象物の加工プログラムを元に前記計測プログラムが作成されることを特徴とする請求項１に記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムである。
【００１９】
請求項３に係る発明は、前記加工プログラムは、工具軸が前記計測対象物の加工面に垂直になるようにプログラムされることを特徴とする請求項２に記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムである。
【００２０】
請求項４に係る発明は、前記計測対象物または前記機上計測装置のうち少なくとも一方が回転軸上に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムである。
【００２１】
請求項５に係る発明は、前記機上計測装置と前記計測対象物を加工する工具は、同じ軸上に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムである。
【００２２】
請求項６に係る発明は、前記位置検出装置および前記機上計測装置は、リニアスケール、パルスコーダ、またはレーザ干渉計のうちいずれか１つを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、機上計測を、直動軸と回転軸を含む同時多軸計測で行い、機上計測装置の測定子の同一先端点で測定対象物の表面と接触して計測を行うことが可能な、機上計測にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を用いながら本発明の実施形態を説明する。
図１は、数値制御装置によって制御され、各軸が直動軸、または回転軸で構成されている工作機械の一例として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直動軸を有し、Ｘ軸上に回転軸であるＢ軸と、Ｙ軸上に回転軸であるＣ軸を有し、５軸同時制御が可能な工作機械の要部を示している。
【００２５】
図２は、本発明の工作機械システムで用いられる機上計測装置１の要部断面を示している。この機上計測装置１は、可動部であるプローブ１ｂをケース１ａに内蔵して備えている。プローブ１ｂは図示省略した軸受けによりプローブの中心軸方向に移動可能である。軸受けとしては例えば空気軸受けなどが用いられる。プローブ１ｂの一端には、球型測定子１ｆを備えた測定子の棒１ｅが取り付けられている。測定子の棒１ｅは細い棒状の部材である。そして、測定子の棒１ｅの一端はプローブ１ｂに固定され、他端には球型測定子１ｆが取り付けられている。球型測定子１ｆは、計測対象物１００の計測対象面１００ａに接触し、形状計測を行う。
【００２６】
機上計測装置１は、ケース１ａ内に移動変位検出の手段として、リニアスケール１ｄとレーザヘッド１ｃを備える。図２に示されるように、機上計測装置１を計測対象物１００の計測対象面１００ａに沿って移動させ、プローブ１ｂの変位を前記移動変位検出手段により検出する。前記移動変位検出手段はプローブ１ｂの変位を示す移動変位検出信号を出力する。この移動変位検出信号は、機上計測装置１からの計測信号ｉｐｆとして、後述するパソコン１１に入力し、機上計測装置１からのプローブ１ｂの位置情報として格納される。
【００２７】
図３は、機上計測装置からの計測信号をパソコンに入力する例を示している。この例では、工作機械と異なるインタフェースを持つ機上計測装置１が工作機械の回転軸であるＢ軸上に取り付けられる。
【００２８】
工作機械の位置座標情報と機上計測装置のプローブの変位を表す計測情報を同期して取得するため、工作機械の各軸の位置検出信号ｉｐｘ〜ｉｐｃは位置検出信号分岐装置１３により分岐され、位置検出信号用ボードと計測装置用ボードを有する外部記憶装置であるパソコン１１に同時に入力する。
【００２９】
入力した各軸の位置情報と機上計測装置から入力したプローブの変位情報である計測情報の格納に計測用ソフトが利用され、計測が行われることを示している。また、パソコン１１には、計測用ＮＣプログラム、加工用ＮＣプログラム、加工用補正ＮＣプログラムが格納されている。
【００３０】
上述のとおり、機上計測装置１からの信号と工作機械の可動軸からの信号を同期して取得するには、図３に示されるように、工作機械において可動軸の位置検出装置の信号を別途の信号分岐装置１３を用いて分岐しパソコン１１に入力する必要がある。そして、位置検出信号分岐装置１３は、機上計測に必要な可動軸の数と同数必要である。
【００３１】
なお、工作機械の可動軸の信号は、位置検出装置の取り付け誤差などによるピッチ誤差を含んでおり、通常は数値制御装置（ＮＣ）でピッチ誤差補正を行い、誤差を最小化するが、位置検出信号分岐装置１３から分岐された信号は、ピッチ誤差が補正されていない生の信号であるために、パソコン１１に保存されたデータは別途のピッチ誤差補正を行う必要がある。
【００３２】
図４は、機上計測装置からの計測信号を数値制御装置を介してパソコン入力する例を示している。この例では、工作機械の各軸と、回転軸であるＢ軸に取り付けられた機上計測装置１が同じインタフェースを持つことにより、各軸の位置検出信号と機上計測装置１の計測信号が数値制御装置８の送り軸駆動制御部であるサーボ制御部８ｂに簡単に同期しながら入力する。
【００３３】
機上計測装置１については図２を用いてその一例を説明した。数値制御装置８のサーボ制御部８ｂには、工作機械の各軸（Ｘ軸３、Ｙ軸４、Ｚ軸５、Ｂ軸６、Ｃ軸７）を駆動するサーボモータに内蔵される位置検出装置（図示を省略）から出力される位置検出信号ｉｐｘ，ｉｐｙ，ｉｐｚ，ｉｐｂ，ｉｐｃがフィードバックされて入力する。同様に、サーボ制御部８ｂには、被加工物Ｗの表面形状を測定する機上計測装置１からプローブ１ｂの移動変位に関する計測信号である位置検出信号ｉｐｆがインタフェース２を介して入力する。
【００３４】
工作機械の各可動軸の位置検出装置から出力される位置検出信号も図示を省略したインタフェースを介してサーボ制御部８ｂに入力する。このインタフェースは、サーボモータ９５に内蔵される位置検出装置９６（図５参照）から出力される位置検出信号と機上計測装置１から出力される計測信号とが、数値制御装置８のサーボ制御部８ｂに同期して入力するように構成される。インタフェースについては、図５を用いて後述する。
【００３５】
また、数値制御装置８は、工作機械の各可動軸の位置情報と機上計測装置１からの計測情報（位置情報）を格納する記憶手段と、この記憶手段に格納された位置情報を外部装置のパソコン１１に送り出すインタフェースを備えている。
【００３６】
工作機械の各可動軸からのフィードバック信号である位置検出信号と機上計測装置からの計測信号とが同じ回路構成のインタフェース２を介して数値制御装置８のサーボ制御部８ｂに取得されることから、各軸の位置検出装置と機上計測装置とからの計測信号（つまり、各軸の軸位置検出信号と機上計測装置の位置検出信号）が、数値制御装置８に簡単に同期して入力される。そして、読み込まれた計測信号は、位置情報として数値制御装置８の記憶手段（図示省略）に格納される。
【００３７】
また、数値制御装置８は、外部装置である例えばパソコン１１に、イーサネット（登録商標）１２経由でＬＡＮ通信を行い、パソコン１１に接続あるいは内蔵される記憶装置１１ａに、各軸からの位置情報と機上計測装置１からの計測情報とをパソコン１１に送る。パソコン１１は、サンプリング周期毎に各軸からの位置情報と機上計測装置１からの位置情報を記憶装置１１ａに同期して格納する。
【００３８】
パソコン１１内には計測用ソフトウェアが格納されており、数値制御装置８を介して読み込まれた前記位置情報に基づき、被加工物の形状計測など所用の演算処理を実行する。この形状計測などの所要の演算処理は従来技術と同様である。また、パソコン１１には、計測用ＮＣプログラム、加工用ＮＣプログラム、加工用補正ＮＣプログラムが格納されている。
【００３９】
図５は、図４に示される工作機械の可動軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｂ，Ｃが、数値制御装置８のサーボ制御部８ｂＸ，８ｂＹ，８ｂＺ，８ｂＢ，８ｂＣにより、位置・速度・電流のフィードバック制御されていることを示す図である。このフィードバック制御は、工作機械を制御する数値制御装置で通常行われている制御である。Ｘ軸サーボ制御部８ｂＸを例として説明する。図４では、同様な機能を有する部分は同じ符号を付与して説明している。Ｘ軸サーボ制御部８ｂＸは、位置ループ制御する位置制御部９１、速度ループ制御する速度制御部９２、電流ループ制御する電流制御部９３から構成される。
【００４０】
位置制御部９１はエラーレジスタ９１ａと位置ループゲインＫの増幅器９１ｂを有する。位置制御部９１は数値制御部８ａからの移動指令を受取り、位置フィードバック量（位置ＦＢ）を差し引いて得た位置偏差量を処理して速度指令を速度制御部９２に出力する。この位置偏差量は図５に示されるように、エラーレジスタ９１ａで算出される。エラーレジスタ９１ａで算出される位置偏差量は、数値制御部８ａにも出力される。
【００４１】
速度制御部９２は、この速度指令から速度フィードバック量（速度ＦＢ）を差し引いて得た速度偏差量に基づいて、速度制御部９２で速度ループ制御を行い、電流指令を電流制御部９３に出力する。
【００４２】
電流制御部９３は、この電流指令から、サーボモータ９５を駆動するアンプ９４に内蔵される、サーボモータ９５を流れる電流を検出する電流センサ（図示省略）からの電流フィードバック（電流ＦＢ）を差し引いて得た電流偏差量に基づいて電流ループ制御を行う。サーボモータ９５はＸ軸を駆動する駆動手段であり、サーボモータ９５にはその位置・速度を検出する検出器（以下、「位置検出装置」という）９６が取り付けられている。位置検出装置９６からの位置フィードバック量（位置ＦＢ）は位置制御部９１にフィードバックされ、速度フィードバック量（速度ＦＢ）は速度制御部９２にフィードバックされる。
【００４３】
以上がＸ軸サーボ制御部８ｂＸの構成の説明であるが、他の可動軸サーボ制御部８ｂＹ，８ｂＺ，８ｂＢ，８ｂＣに関しても、Ｘ軸サーボ制御部８ｂＸと同様の構成であることから、説明を省略する。なお、Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸は直動軸であり、Ｂ軸及びＣ軸は回転軸である。
【００４４】
そして、本実施形態では更に、工作機械の可動軸を駆動するモータおよびその位置・速度検出手段を接続しないサーボ制御部８ｂＦを設ける。なお、符号８ｂＦの「Ｆ」は、工作機械の可動軸を制御しないという意味での「自由」（ｆｒｅｅ）を意味しており、工作機械のいずれかの可動軸を示すものではない。
【００４５】
数値制御装置８は、サーボ制御部８ｂＦを単に制御軸が１つ増加したと認識する。そしてこの増加したサーボ制御部８ｂＦには、工作機械の可動軸を制御する他のサーボ制御部８ｂＸ〜８ｂＣと同様にアンプ９４が設けられている。このサーボ制御部８ｂＦにはサーボモータが接続されていないことから、数値制御装置８は、サーボ制御部８ｂＦをサーボオフにしつつ、フォローアップ機能を用いて位置検出信号のカウントは通常通り行われるように、パラメータおよび制御ソフトが変更される。
【００４６】
そして、サーボ制御部８ｂＦにはサーボモータの代わりに機上計測装置１が接続される。本実施形態では、サーボ制御部８ｂＦには、サーボ制御部８ｂＦに接続されるアンプ９４が有する制御用のデータ送受信用の伝送手段（図示省略）を介して、サーボモータ９５に内蔵される位置検出装置９６からの位置検出信号に換えて、機上計測装置１からの計測信号ｉｐｆが入力する。データ送受信用の伝送手段はアンプに備えられるものであり、従来技術と相違するものではない。
【００４７】
図６は、機上計測装置からの計測信号を数値制御装置に入力しパソコンに出力しない例を示している。この第３の例は、前述の第２の例においてパーソナルコンピュータが備えた計測用ソフトを数値制御装置が有することにより、数値制御装置自身で各軸の位置情報と機上計測装置のプローブの位置情報とを格納することができる。
【００４８】
図４の本発明の実施形態では、パソコン１１に位置情報を転送している。これに対し、図６に示す実施形態では数値制御装置８内に、内部記憶装置の容量を十分に大きく内蔵し、そして、ＣＡＤ／ＣＡＭソフトも格納すれば、後述する加工、形状計測、形状解析の処理が一元化して、全て数値制御装置８内で実行できる。
【００４９】
図７は、本発明におけるプローブを計測対象物の表面の垂直方向として計測することを説明する図である。本発明の実施形態として、機上計測装置が回転軸に取り付けられ、曲面を有するワーク表面の計測のため、球型測定子であるルビー球をワーク表面である曲面に接触させ倣いながら移動するように、各軸の同時制御により機上計測装置を走査する。そして、機上計測装置の可動軸であるプローブの変位を検出することにより、ワーク表面の形状を機上計測する。
【００５０】
図８は、図７の（１）〜（５）の地点を機上計測する際のワークＷ面と球型測定子１ｆであるルビー球との接触の様子を示している。この場合には、図示されるようにプローブの中心軸とワーク表面の計測する地点の表面が常に垂直となるように、工作機械の各軸が同時制御される。
【００５１】
図８に示されるように、プローブの中心軸が球型測定子１ｆと交わる点のみがワークＷ面に接触するため（図８（Ｂ）参照）、従来計測が不可能であった９０度以上の角度に対して計測が可能である。また、常に球型測定子１ｆの一点で計測を行うことができるため、球型測定子のこの一点の校正を行うことで済み、球型測定子１ｆの形状誤差の影響を最小化することが可能である。
【００５２】
次に、図９と図１０を用いて、機上計測装置と加工工具とが同じ回転軸に搭載された場合の加工および計測の様子を説明する。
図９は、機上計測装置１とスピンドルのような加工装置２０とを回転軸に備えた場合の、加工工具による加工を説明する図である。図９は、加工装置２０が回転軸に取り付けられ、ワークの球面と工具軸とが垂直になるように工作機械の各軸が同時制御されながら加工を行うことを説明している。
【００５３】
ワークの加工面に対して工具軸を垂直となるように指令して工作機械に加工させることは従来から行われており、この加工を実行する加工プログラムそれ自体も従来から用いられている加工プログラムである。よって、図３、図４、及び図６に示される加工用ＮＣプログラムとして、ワークＷの表面に対して垂直方向から加工する加工用プログラムを用いることができる。
【００５４】
そして、機上計測装置１を工作機械に搭載することにより、加工用ＮＣプログラムを利用して機上計測装置を工具の１つとして扱い各軸を同時制御することにより、機上測定装置１が有するプローブの中心軸の方向および球型測定子の位置を制御し、球型測定子１ｆをワーク表面に接触させて倣い動作させることができる。
【００５５】
図１０は、機上計測装置１と加工装置２０とを回転軸に備えた場合の、機上計測装置１による計測を説明する図である。図１０は、加工装置２０と同じ回転軸上に取り付けられた機上計測装置において、図９に示された加工後、加工プログラムを元に作成された計測プログラムにより、ワークの球面とプローブの中心軸とが垂直になるように工作機械の各軸（図１参照）が同時制御されながら計測を行うことを説明している。なお、加工プログラムを利用して、機上計測装置による機上計測を行う際には、工具刃先に対するプローブの中心軸が球型測定子１ｆと交わる点のオフセット量を加工プログラムに反映して、計測プログラムを作成する。加工プログラムを活用できることから、計測プログラムを最初から作成する手間がなくなる。
【００５６】
図９と図１０に示される加工と計測とを図１１に示されるアルゴリズムに従って行うことにより、高精度な機械加工を実現できる。図１１に示されるアルゴリズムのフローチャートを各ステップに従って説明する。加工装置２０を用いて被加工物の加工を行い（ステップＳＴ１）、次に、機上計測装置１を用いて被加工物の表面形状を計測し（ステップＳＴ２）、ステップＳＴ２で得られた計測データを解析し被加工物の形状解析を行い（ステップＳＴ３）、形状解析の結果、ステップＳＴ１における加工での形状誤差が目標値以下か否か判断し、目標値以下でなければステップＳＴ１に戻り、ワークの加工を継続し、目標値以下であれば、加工と計測の処理を終了する（ステップＳＴ４）。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態で用いられる５軸の可動部を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態で用いられる機上計測装置の要部断面図である。
【図３】機上計測装置からの計測信号をパソコンに入力する例を示す図である。
【図４】機上計測装置からの計測信号を数値制御装置を介してパソコンに入力する例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態で用いられる数値制御装置の概略ブロック図である。
【図６】機上計測装置からの計測信号を数値制御装置に入力しパソコンに出力しない例である。
【図７】本発明における計測子を計測対象物の表面の垂直方向として計測することを説明する図である。
【図８】計測対象物の表面の垂直方向としたときの計測子と計測対象物の表面との接触位置の状態を説明する図である。
【図９】機上計測装置と加工工具とを回転軸に備えた場合の、加工工具による加工を説明する図である。
【図１０】機上計測装置と加工工具とを回転軸に備えた場合の、機上計測装置による計測を説明する図である。
【図１１】加工と計測とを行うアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１２】一般的な機上計測装置の概略断面図である。
【図１３】プローブの中心軸と垂直な方向に移動したときのプローブ、測定子の棒、および測定子の球の状況を説明する図である。
【図１４】従来技術の計測方法を説明する図である。
【図１５】従来技術の計測方法での球型測定子とワーク表面との接触位置の変化を説明する図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 機上計測装置
１ａ ケース
１ｂ プローブ
１ｃ レーザヘッド
１ｄ リニアスケール
１ｅ 測定子の棒
１ｆ 球型測定子
２ インタフェース
３ Ｘ軸
４ Ｙ軸
５ Ｚ軸
６ Ｂ軸
７ Ｃ軸
８ 数値制御装置
８ａ 数値制御部
８ｂ サーボ制御部
８ｂＸ，８ｂＹ，８ｂＺ，８ｂＢ，８ｂＣ サーボ制御部
８ｂＦ サーボ制御部（計測信号用）
９ アンプユニット
１０ 基台
１１ パーソナルコンピュータ（パソコン）
１１ａ 記憶装置
１２ イーサネット（登録商標）
１３ 位置検出信号分岐装置
２０ 加工装置（スピンドル）
９１ 位置制御部
９２ 速度制御部
９３ 電流制御部
９４ アンプ
９５ サーボモータ
９６ 位置検出装置
１００ 計測対象物
１００ａ 計測対象面
Ｗ 被加工物（ワーク）
ＣＴ プローブの中心軸と球型測定子の先端と交わる点（先端点）
ＴＰ 被加工物（ワーク）Ｗと接する球型測定子の接触する点（接触点）
ｉｐｘ，ｉｐｙ，ｉｐｚ，ｉｐｂ，ｉｐｃ 位置検出信号
ｉｐｆ 計測信号（位置検出信号）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機上計測装置を用いて３次元の自由形状を有する計測対象物の形状を計測する工作機械システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加工されたワークの表面形状を高精度に測定する計測装置として、接触式プローブを有する計測装置が知られている。この計測装置を工作機械に取り付け、接触式プローブの接触子を前記ワークの表面に接触させ、工作機械の直動軸を動かすことにより、ワーク表面の形状計測を行う。
【０００３】
例えば、特許文献１には、回転軸対称曲面加工技術に用いられる計測技術が開示されている。特許文献１に開示される技術は、直動軸に機上計測装置と加工工具とを配置し、Ｘ、Ｚ、Ｃ軸の各軸を駆動し機上計測装置によってＸ軸上を走査して回転軸対称曲面を有する対象物表面の形状を計測するものである。
【０００４】
一方、加工ワークに対してタッチプローブを最適な方向より接触させるような計測指令に基づいて姿勢制御する３次元測定用のタッチプローブ装置も知られている。特許文献２には、タッチプローブをワークの表面を各測定点に対して法線方向から測定するために、旋回角度と傾斜角度を変更可能とするプローブ本体の旋回及び傾斜首振り機構に関する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１１８１００号公報
【特許文献２】特開平６−１８６０２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
背景技術で説明した特許文献１に開示される技術では、機上計測装置は直線的な移動をするため、曲率半径が小さなワーク表面に対しては形状計測が困難である。また、特許文献２に開示される技術は、タッチプローブによる形状計測を行うものであり、ワーク表面の多点位置での位置計測を行うことにより形状計測を行うものの、ワーク表面に接触したまま連続的に表面を走査するものではない。また、タッチプローブの構成から、計測範囲が−９０度から＋９０度の範囲の対象物の表面形状は測定できるものの、球体状の形状計測は不可能である。
【０００７】
接触式プローブを用いる計測装置は、計測対象物の表面の傾きに拘わらず同じ方向から形状計測を行うと、計測中に計測対象物の表面と接触する計測子の面積が、計測対象物の形状が複雑になるほど増加する。このことを図１４と図１５を用いて説明する。
【０００８】
図１４は、従来の機上計測の一例として、機上計測装置（図示省略）の取り付けられた軸が直動軸のみで、曲面を有するワークＷ表面の計測のため、球型測定子１ｆであるルビー球をワークＷ表面である曲面に接触させ、直動軸のみにより機上計測装置を走査して、機上計測装置の可動軸であるプローブ１ｂの変位を検出することにより、機上計測を行うものである。図１４で、測定子として球型測定子１ｆのルビー球を備えたプローブ１ｂが計測方向に移動すると、ルビー球は（１）〜（５）のようにワークの表面を接触したまま倣いながら移動する。
【０００９】
図１５は、図１４の（１）〜（５）の地点で計測する際の、ワークＷの表面と球型測定子１ｆであるルビー球との接触の様子を説明している。ワークＷ表面と接触する球型測定子１ｆであるルビー球の表面の位置（接触点ＴＰ）は、図１５（Ａ）に示される（１）〜（５）のように移動していく。そうすると、図１５（Ｂ）の実線に示されるように、球型測定子１ｆがワークＷ面と接触する面積は広くなる。
【００１０】
図１５（Ｂ）の実線で示される領域は、球型測定子１ｆの表面が図１５（Ａ）の（１）〜（５）に対応してワーク表面と接触する領域である。破線で示される領域は図１５（Ａ）の（１）〜（５）の移動で球型測定子１ｆがワークの表面と接触しなかった領域である。このように、ワークの表面の形状が複雑になり、プローブ１ｂの中心軸とワーク表面の法線方向とのなす角度が大きくなればなるほど、球型測定子がワーク表面と接触する領域は拡大していくことを意味する。
【００１１】
通常、接触式の機上計測装置に使用される測定子は前述のルビー球のように球形状をしている。この球状の測定子の形状誤差を補正するために、基準球などの校正原器を用いて校正する。しかし、校正原器の曲率半径と計測可能な接触角により、基準球の表面と接触できる球型測定子の面積は決まる。校正原器の計測時に計測されなかった球型測定子の表面の形状誤差は校正できない。そのため、校正原器と違う形状や接触角が大きい測定対象物の形状を計測するときは、球型測定子の校正されていない表面が測定対象物の表面と接触することになり、球型測定子の形状誤差を補正できない場合が多く、計測精度の低下につながる。
【００１２】
また、測定対象物の曲面の計測を計測するときに曲面と接触する球型測定子の表面部分が、機上計測装置のプローブの中心軸と球型測定子の表面と交わる点から遠くなればなるほど、可動軸に応力が作用し計測精度の低下につながる。このことを図１２と図１３を用いて説明する。
【００１３】
図１２は一般的な機上計測装置の概略断面図である。図１２に示されるように、プローブ１ｂと軸受との間には微少な間隙が存在する。今、計測方向に機上計測装置が直動軸によって移動すると、球型測定子１ｆにはプローブ１ｂの中心軸に対して横方向の力が働く。そうすると、図１３に示されるように、測定子の細い棒の部分が曲がる。
【００１４】
また、軸受隙間が存在することから、プローブ１ｂ内の所定の位置を回転中心としてプローブ１ｂ自体も斜めになる。さらに、測定子の棒と球型の測定子との接合部、または測定子の棒とプローブの接合部にせん断応力が作用し、これらの接合部が破損する可能性がある。
【００１５】
超精密加工において、ナノオーダの形状計測を実現するためには機上計測による補正加工が必要不可欠である。最近、機上計測による補正加工を必要とする加工形状はしだいに複雑化を増している。６０度以上の急な傾斜角度をもつ形状に対しても、正確なナノオーダの形状精度を実現しなければならない。さらに、同時５軸加工の需要が増大することにより、５軸加工による３次元立体形状の機上計測も必要性が高まっている。
【００１６】
そこで本発明の目的は、機上計測を、直動軸と回転軸を含む同時多軸計測で行い、機上計測装置の測定子の同一先端点で測定対象物の表面と接触して計測を行うことが可能な、機上計測にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本願の請求項１に係る発明は、測定子を備えたプローブを有する機上計測装置を用いて計測対象物の表面形状を計測する工作機械システムにおいて、該工作機械システムは、１軸以上の直線軸と１軸以上の回転軸から構成される工作機械と、前記各軸を駆動制御する数値制御装置と、前記各軸の位置を検出する位置検出装置と、計測対象物の形状を計測する前記機上計測装置と、前記位置検出装置により検出された各軸の位置検出信号および前記機上計測装置により検出された計測信号に基づいて前記計測対象物の形状を計測演算する計測演算装置と、を備え、前記計測対象物の表面形状を計測するときに、前記計測対象物の表面に対して前記機上計測装置のプローブの中心軸が垂直になるようにプログラムされた計測プログラムに基づいて、前記測定子が前記計測対象物の表面に接触して倣うように前記各軸が前記数値制御装置により駆動制御されることを特徴とする機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムである。
【００１８】
請求項２に係る発明は、前記計測対象物の加工プログラムを元に前記計測プログラムが作成されることを特徴とする請求項１に記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムである。
【００１９】
請求項３に係る発明は、前記加工プログラムは、工具軸が前記計測対象物の加工面に垂直になるようにプログラムされることを特徴とする請求項２に記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムである。
【００２０】
請求項４に係る発明は、前記計測対象物または前記機上計測装置のうち少なくとも一方が回転軸上に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムである。
【００２１】
請求項５に係る発明は、前記機上計測装置と前記計測対象物を加工する工具は、同じ軸上に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムである。
【００２２】
請求項６に係る発明は、前記位置検出装置および前記機上計測装置は、リニアスケール、パルスコーダ、またはレーザ干渉計のうちいずれか１つを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、機上計測を、直動軸と回転軸を含む同時多軸計測で行い、機上計測装置の測定子の同一先端点で測定対象物の表面と接触して計測を行うことが可能な、機上計測にて計測対象物の形状を計測する工作機械システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を用いながら本発明の実施形態を説明する。
図１は、数値制御装置によって制御され、各軸が直動軸、または回転軸で構成されている工作機械の一例として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直動軸を有し、Ｘ軸上に回転軸であるＢ軸と、Ｙ軸上に回転軸であるＣ軸を有し、５軸同時制御が可能な工作機械の要部を示している。
【００２５】
図２は、本発明の工作機械システムで用いられる機上計測装置１の要部断面を示している。この機上計測装置１は、可動部であるプローブ１ｂをケース１ａに内蔵して備えている。プローブ１ｂは図示省略した軸受けによりプローブの中心軸方向に移動可能である。軸受けとしては例えば空気軸受けなどが用いられる。プローブ１ｂの一端には、球型測定子１ｆを備えた測定子の棒１ｅが取り付けられている。測定子の棒１ｅは細い棒状の部材である。そして、測定子の棒１ｅの一端はプローブ１ｂに固定され、他端には球型測定子１ｆが取り付けられている。球型測定子１ｆは、計測対象物１００の計測対象面１００ａに接触し、形状計測を行う。
【００２６】
機上計測装置１は、ケース１ａ内に移動変位検出の手段として、リニアスケール１ｄとレーザヘッド１ｃを備える。図２に示されるように、機上計測装置１を計測対象物１００の計測対象面１００ａに沿って移動させ、プローブ１ｂの変位を前記移動変位検出手段により検出する。前記移動変位検出手段はプローブ１ｂの変位を示す移動変位検出信号を出力する。この移動変位検出信号は、機上計測装置１からの計測信号ｉｐｆとして、後述するパソコン１１に入力し、機上計測装置１からのプローブ１ｂの位置情報として格納される。
【００２７】
図３は、機上計測装置からの計測信号をパソコンに入力する例を示している。この例では、工作機械と異なるインタフェースを持つ機上計測装置１が工作機械の回転軸であるＢ軸上に取り付けられる。
【００２８】
工作機械の位置座標情報と機上計測装置のプローブの変位を表す計測情報を同期して取得するため、工作機械の各軸の位置検出信号ｉｐｘ〜ｉｐｃは位置検出信号分岐装置１３により分岐され、位置検出信号用ボードと計測装置用ボードを有する外部記憶装置であるパソコン１１に同時に入力する。
【００２９】
入力した各軸の位置情報と機上計測装置から入力したプローブの変位情報である計測情報の格納に計測用ソフトが利用され、計測が行われることを示している。また、パソコン１１には、計測用ＮＣプログラム、加工用ＮＣプログラム、加工用補正ＮＣプログラムが格納されている。
【００３０】
上述のとおり、機上計測装置１からの信号と工作機械の可動軸からの信号を同期して取得するには、図３に示されるように、工作機械において可動軸の位置検出装置の信号を別途の信号分岐装置１３を用いて分岐しパソコン１１に入力する必要がある。そして、位置検出信号分岐装置１３は、機上計測に必要な可動軸の数と同数必要である。
【００３１】
なお、工作機械の可動軸の信号は、位置検出装置の取り付け誤差などによるピッチ誤差を含んでおり、通常は数値制御装置（ＮＣ）でピッチ誤差補正を行い、誤差を最小化するが、位置検出信号分岐装置１３から分岐された信号は、ピッチ誤差が補正されていない生の信号であるために、パソコン１１に保存されたデータは別途のピッチ誤差補正を行う必要がある。
【００３２】
図４は、機上計測装置からの計測信号を数値制御装置を介してパソコン入力する例を示している。この例では、工作機械の各軸と、回転軸であるＢ軸に取り付けられた機上計測装置１が同じインタフェースを持つことにより、各軸の位置検出信号と機上計測装置１の計測信号が数値制御装置８の送り軸駆動制御部であるサーボ制御部８ｂに簡単に同期しながら入力する。
【００３３】
機上計測装置１については図２を用いてその一例を説明した。数値制御装置８のサーボ制御部８ｂには、工作機械の各軸（Ｘ軸３、Ｙ軸４、Ｚ軸５、Ｂ軸６、Ｃ軸７）を駆動するサーボモータに内蔵される位置検出装置（図示を省略）から出力される位置検出信号ｉｐｘ，ｉｐｙ，ｉｐｚ，ｉｐｂ，ｉｐｃがフィードバックされて入力する。同様に、サーボ制御部８ｂには、被加工物Ｗの表面形状を測定する機上計測装置１からプローブ１ｂの移動変位に関する計測信号である位置検出信号ｉｐｆがインタフェース２を介して入力する。
【００３４】
工作機械の各可動軸の位置検出装置から出力される位置検出信号も図示を省略したインタフェースを介してサーボ制御部８ｂに入力する。このインタフェースは、サーボモータ９５に内蔵される位置検出装置９６（図５参照）から出力される位置検出信号と機上計測装置１から出力される計測信号とが、数値制御装置８のサーボ制御部８ｂに同期して入力するように構成される。インタフェースについては、図５を用いて後述する。
【００３５】
また、数値制御装置８は、工作機械の各可動軸の位置情報と機上計測装置１からの計測情報（位置情報）を格納する記憶手段と、この記憶手段に格納された位置情報を外部装置のパソコン１１に送り出すインタフェースを備えている。
【００３６】
工作機械の各可動軸からのフィードバック信号である位置検出信号と機上計測装置からの計測信号とが同じ回路構成のインタフェース２を介して数値制御装置８のサーボ制御部８ｂに取得されることから、各軸の位置検出装置と機上計測装置とからの計測信号（つまり、各軸の軸位置検出信号と機上計測装置の位置検出信号）が、数値制御装置８に簡単に同期して入力される。そして、読み込まれた計測信号は、位置情報として数値制御装置８の記憶手段（図示省略）に格納される。
【００３７】
また、数値制御装置８は、外部装置である例えばパソコン１１に、イーサネット（登録商標）１２経由でＬＡＮ通信を行い、パソコン１１に接続あるいは内蔵される記憶装置１１ａに、各軸からの位置情報と機上計測装置１からの計測情報とをパソコン１１に送る。パソコン１１は、サンプリング周期毎に各軸からの位置情報と機上計測装置１からの位置情報を記憶装置１１ａに同期して格納する。
【００３８】
パソコン１１内には計測用ソフトウェアが格納されており、数値制御装置８を介して読み込まれた前記位置情報に基づき、被加工物の形状計測など所用の演算処理を実行する。この形状計測などの所要の演算処理は従来技術と同様である。また、パソコン１１には、計測用ＮＣプログラム、加工用ＮＣプログラム、加工用補正ＮＣプログラムが格納されている。
【００３９】
図５は、図４に示される工作機械の可動軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｂ，Ｃが、数値制御装置８のサーボ制御部８ｂＸ，８ｂＹ，８ｂＺ，８ｂＢ，８ｂＣにより、位置・速度・電流のフィードバック制御されていることを示す図である。このフィードバック制御は、工作機械を制御する数値制御装置で通常行われている制御である。Ｘ軸サーボ制御部８ｂＸを例として説明する。図４では、同様な機能を有する部分は同じ符号を付与して説明している。Ｘ軸サーボ制御部８ｂＸは、位置ループ制御する位置制御部９１、速度ループ制御する速度制御部９２、電流ループ制御する電流制御部９３から構成される。
【００４０】
位置制御部９１はエラーレジスタ９１ａと位置ループゲインＫの増幅器９１ｂを有する。位置制御部９１は数値制御部８ａからの移動指令を受取り、位置フィードバック量（位置ＦＢ）を差し引いて得た位置偏差量を処理して速度指令を速度制御部９２に出力する。この位置偏差量は図５に示されるように、エラーレジスタ９１ａで算出される。エラーレジスタ９１ａで算出される位置偏差量は、数値制御部８ａにも出力される。
【００４１】
速度制御部９２は、この速度指令から速度フィードバック量（速度ＦＢ）を差し引いて得た速度偏差量に基づいて、速度制御部９２で速度ループ制御を行い、電流指令を電流制御部９３に出力する。
【００４２】
電流制御部９３は、この電流指令から、サーボモータ９５を駆動するアンプ９４に内蔵される、サーボモータ９５を流れる電流を検出する電流センサ（図示省略）からの電流フィードバック（電流ＦＢ）を差し引いて得た電流偏差量に基づいて電流ループ制御を行う。サーボモータ９５はＸ軸を駆動する駆動手段であり、サーボモータ９５にはその位置・速度を検出する検出器（以下、「位置検出装置」という）９６が取り付けられている。位置検出装置９６からの位置フィードバック量（位置ＦＢ）は位置制御部９１にフィードバックされ、速度フィードバック量（速度ＦＢ）は速度制御部９２にフィードバックされる。
【００４３】
以上がＸ軸サーボ制御部８ｂＸの構成の説明であるが、他の可動軸サーボ制御部８ｂＹ，８ｂＺ，８ｂＢ，８ｂＣに関しても、Ｘ軸サーボ制御部８ｂＸと同様の構成であることから、説明を省略する。なお、Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸は直動軸であり、Ｂ軸及びＣ軸は回転軸である。
【００４４】
そして、本実施形態では更に、工作機械の可動軸を駆動するモータおよびその位置・速度検出手段を接続しないサーボ制御部８ｂＦを設ける。なお、符号８ｂＦの「Ｆ」は、工作機械の可動軸を制御しないという意味での「自由」（ｆｒｅｅ）を意味しており、工作機械のいずれかの可動軸を示すものではない。
【００４５】
数値制御装置８は、サーボ制御部８ｂＦを単に制御軸が１つ増加したと認識する。そしてこの増加したサーボ制御部８ｂＦには、工作機械の可動軸を制御する他のサーボ制御部８ｂＸ〜８ｂＣと同様にアンプ９４が設けられている。このサーボ制御部８ｂＦにはサーボモータが接続されていないことから、数値制御装置８は、サーボ制御部８ｂＦをサーボオフにしつつ、フォローアップ機能を用いて位置検出信号のカウントは通常通り行われるように、パラメータおよび制御ソフトが変更される。
【００４６】
そして、サーボ制御部８ｂＦにはサーボモータの代わりに機上計測装置１が接続される。本実施形態では、サーボ制御部８ｂＦには、サーボ制御部８ｂＦに接続されるアンプ９４が有する制御用のデータ送受信用の伝送手段（図示省略）を介して、サーボモータ９５に内蔵される位置検出装置９６からの位置検出信号に換えて、機上計測装置１からの計測信号ｉｐｆが入力する。データ送受信用の伝送手段はアンプに備えられるものであり、従来技術と相違するものではない。
【００４７】
図６は、機上計測装置からの計測信号を数値制御装置に入力しパソコンに出力しない例を示している。この第３の例は、前述の第２の例においてパーソナルコンピュータが備えた計測用ソフトを数値制御装置が有することにより、数値制御装置自身で各軸の位置情報と機上計測装置のプローブの位置情報とを格納することができる。
【００４８】
図４の本発明の実施形態では、パソコン１１に位置情報を転送している。これに対し、図６に示す実施形態では数値制御装置８内に、内部記憶装置の容量を十分に大きく内蔵し、そして、ＣＡＤ／ＣＡＭソフトも格納すれば、後述する加工、形状計測、形状解析の処理が一元化して、全て数値制御装置８内で実行できる。
【００４９】
図７は、本発明におけるプローブを計測対象物の表面の垂直方向として計測することを説明する図である。本発明の実施形態として、機上計測装置が回転軸に取り付けられ、曲面を有するワーク表面の計測のため、球型測定子であるルビー球をワーク表面である曲面に接触させ倣いながら移動するように、各軸の同時制御により機上計測装置を走査する。そして、機上計測装置の可動軸であるプローブの変位を検出することにより、ワーク表面の形状を機上計測する。
【００５０】
図８は、図７の（１）〜（５）の地点を機上計測する際のワークＷ面と球型測定子１ｆであるルビー球との接触の様子を示している。この場合には、図示されるようにプローブの中心軸とワーク表面の計測する地点の表面が常に垂直となるように、工作機械の各軸が同時制御される。
【００５１】
図８に示されるように、プローブの中心軸が球型測定子１ｆと交わる点のみがワークＷ面に接触するため（図８（Ｂ）参照）、従来計測が不可能であった９０度以上の角度に対して計測が可能である。また、常に球型測定子１ｆの一点で計測を行うことができるため、球型測定子のこの一点の校正を行うことで済み、球型測定子１ｆの形状誤差の影響を最小化することが可能である。
【００５２】
次に、図９と図１０を用いて、機上計測装置と加工工具とが同じ回転軸に搭載された場合の加工および計測の様子を説明する。
図９は、機上計測装置１とスピンドルのような加工装置２０とを回転軸に備えた場合の、加工工具による加工を説明する図である。図９は、加工装置２０が回転軸に取り付けられ、ワークの球面と工具軸とが垂直になるように工作機械の各軸が同時制御されながら加工を行うことを説明している。
【００５３】
ワークの加工面に対して工具軸を垂直となるように指令して工作機械に加工させることは従来から行われており、この加工を実行する加工プログラムそれ自体も従来から用いられている加工プログラムである。よって、図３、図４、及び図６に示される加工用ＮＣプログラムとして、ワークＷの表面に対して垂直方向から加工する加工用プログラムを用いることができる。
【００５４】
そして、機上計測装置１を工作機械に搭載することにより、加工用ＮＣプログラムを利用して機上計測装置を工具の１つとして扱い各軸を同時制御することにより、機上測定装置１が有するプローブの中心軸の方向および球型測定子の位置を制御し、球型測定子１ｆをワーク表面に接触させて倣い動作させることができる。
【００５５】
図１０は、機上計測装置１と加工装置２０とを回転軸に備えた場合の、機上計測装置１による計測を説明する図である。図１０は、加工装置２０と同じ回転軸上に取り付けられた機上計測装置において、図９に示された加工後、加工プログラムを元に作成された計測プログラムにより、ワークの球面とプローブの中心軸とが垂直になるように工作機械の各軸（図１参照）が同時制御されながら計測を行うことを説明している。なお、加工プログラムを利用して、機上計測装置による機上計測を行う際には、工具刃先に対するプローブの中心軸が球型測定子１ｆと交わる点のオフセット量を加工プログラムに反映して、計測プログラムを作成する。加工プログラムを活用できることから、計測プログラムを最初から作成する手間がなくなる。
【００５６】
図９と図１０に示される加工と計測とを図１１に示されるアルゴリズムに従って行うことにより、高精度な機械加工を実現できる。図１１に示されるアルゴリズムのフローチャートを各ステップに従って説明する。加工装置２０を用いて被加工物の加工を行い（ステップＳＴ１）、次に、機上計測装置１を用いて被加工物の表面形状を計測し（ステップＳＴ２）、ステップＳＴ２で得られた計測データを解析し被加工物の形状解析を行い（ステップＳＴ３）、形状解析の結果、ステップＳＴ１における加工での形状誤差が目標値以下か否か判断し、目標値以下でなければステップＳＴ１に戻り、ワークの加工を継続し、目標値以下であれば、加工と計測の処理を終了する（ステップＳＴ４）。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態で用いられる５軸の可動部を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態で用いられる機上計測装置の要部断面図である。
【図３】機上計測装置からの計測信号をパソコンに入力する例を示す図である。
【図４】機上計測装置からの計測信号を数値制御装置を介してパソコンに入力する例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態で用いられる数値制御装置の概略ブロック図である。
【図６】機上計測装置からの計測信号を数値制御装置に入力しパソコンに出力しない例である。
【図７】本発明における計測子を計測対象物の表面の垂直方向として計測することを説明する図である。
【図８】計測対象物の表面の垂直方向としたときの計測子と計測対象物の表面との接触位置の状態を説明する図である。
【図９】機上計測装置と加工工具とを回転軸に備えた場合の、加工工具による加工を説明する図である。
【図１０】機上計測装置と加工工具とを回転軸に備えた場合の、機上計測装置による計測を説明する図である。
【図１１】加工と計測とを行うアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１２】一般的な機上計測装置の概略断面図である。
【図１３】プローブの中心軸と垂直な方向に移動したときのプローブ、測定子の棒、および測定子の球の状況を説明する図である。
【図１４】従来技術の計測方法を説明する図である。
【図１５】従来技術の計測方法での球型測定子とワーク表面との接触位置の変化を説明する図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 機上計測装置
１ａ ケース
１ｂ プローブ
１ｃ レーザヘッド
１ｄ リニアスケール
１ｅ 測定子の棒
１ｆ 球型測定子
２ インタフェース
３ Ｘ軸
４ Ｙ軸
５ Ｚ軸
６ Ｂ軸
７ Ｃ軸
８ 数値制御装置
８ａ 数値制御部
８ｂ サーボ制御部
８ｂＸ，８ｂＹ，８ｂＺ，８ｂＢ，８ｂＣ サーボ制御部
８ｂＦ サーボ制御部（計測信号用）
９ アンプユニット
１０ 基台
１１ パーソナルコンピュータ（パソコン）
１１ａ 記憶装置
１２ イーサネット（登録商標）
１３ 位置検出信号分岐装置
２０ 加工装置（スピンドル）
９１ 位置制御部
９２ 速度制御部
９３ 電流制御部
９４ アンプ
９５ サーボモータ
９６ 位置検出装置
１００ 計測対象物
１００ａ 計測対象面
Ｗ 被加工物（ワーク）
ＣＴ プローブの中心軸と球型測定子の先端と交わる点（先端点）
ＴＰ 被加工物（ワーク）Ｗと接する球型測定子の接触する点（接触点）
ｉｐｘ，ｉｐｙ，ｉｐｚ，ｉｐｂ，ｉｐｃ 位置検出信号
ｉｐｆ 計測信号（位置検出信号）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定子を備えたプローブを有する機上計測装置を用いて計測対象物の表面形状を計測する工作機械システムにおいて、
該工作機械システムは、
１軸以上の直線軸と１軸以上の回転軸から構成される工作機械と、
前記各軸を駆動制御する数値制御装置と、
前記各軸の位置を検出する位置検出装置と、
計測対象物の形状を計測する前記機上計測装置と、
前記位置検出装置により検出された各軸の位置検出信号および前記機上計測装置により検出された計測信号に基づいて前記計測対象物の形状を計測演算する計測演算装置と、
を備え、
前記計測対象物の表面形状を計測するときに、前記計測対象物の表面に対して前記機上計測装置のプローブの中心軸が垂直になるようにプログラムされた計測プログラムに基づいて、前記測定子が前記計測対象物の表面に接触して倣うように前記各軸が前記数値制御装置により駆動制御されることを特徴とする機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【請求項２】
前記計測対象物の加工プログラムを元に前記計測プログラムが作成されることを特徴とする請求項１に記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【請求項３】
前記加工プログラムは、工具軸が前記計測対象物の加工面に垂直になるようにプログラムされることを特徴とする請求項２に記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【請求項４】
前記計測対象物または前記機上計測装置のうち少なくとも一方が回転軸上に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【請求項５】
前記機上計測装置と前記計測対象物を加工する工具は、同じ軸上に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【請求項６】
前記位置検出装置および前記機上計測装置は、リニアスケール、パルスコーダ、またはレーザ干渉計のうちいずれか１つを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【請求項１】
測定子を備えたプローブを有する機上計測装置を用いて計測対象物の表面形状を計測する工作機械システムにおいて、
該工作機械システムは、
１軸以上の直線軸と１軸以上の回転軸から構成される工作機械と、
前記各軸を駆動制御する数値制御装置と、
前記各軸の位置を検出する位置検出装置と、
計測対象物の形状を計測する前記機上計測装置と、
前記位置検出装置により検出された各軸の位置検出信号および前記機上計測装置により検出された計測信号に基づいて前記計測対象物の形状を計測演算する計測演算装置と、
を備え、
前記計測対象物の表面形状を計測するときに、前記計測対象物の表面に対して前記機上計測装置のプローブの中心軸が垂直になるようにプログラムされた計測プログラムに基づいて、前記測定子が前記計測対象物の表面に接触して倣うように前記各軸が前記数値制御装置により駆動制御されることを特徴とする機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【請求項２】
前記計測対象物の加工プログラムを元に前記計測プログラムが作成されることを特徴とする請求項１に記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【請求項３】
前記加工プログラムは、工具軸が前記計測対象物の加工面に垂直になるようにプログラムされることを特徴とする請求項２に記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【請求項４】
前記計測対象物または前記機上計測装置のうち少なくとも一方が回転軸上に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【請求項５】
前記機上計測装置と前記計測対象物を加工する工具は、同じ軸上に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【請求項６】
前記位置検出装置および前記機上計測装置は、リニアスケール、パルスコーダ、またはレーザ干渉計のうちいずれか１つを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の機上計測装置にて計測対象物の形状を計測する工作機械システム。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−３２３７３（Ｐ２０１０−３２３７３Ａ）
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９５０４８（Ｐ２００８−１９５０４８）
【出願日】平成２０年７月２９日（２００８．７．２９）
【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２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２９日（２００８．７．２９）
【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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