機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法
【課題】回転軸を用いた機上計測において、各種演算により算出された機上計測装置の取り付けられた回転軸の回転中心軸とプローブの先端との距離を基準球計測の結果を基に補正を行う機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法を提供する。
【解決手段】基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）の精度を向上させる準備段階において、（Ｘ0，Ｚ0）のＸ，Ｚ値を各々―１ｎｍずつずらし、ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1，θ2での座標を求め所定の条件内であるか否か判断し、条件を満たす場合には、（Ｘ0，Ｚ0）に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了し、条件を満たさない場合には、ずらす度に一定角θ1，θ2での座標から離れるか否か判断し、離れない場合には準備段階の最初へ移行し、離れる場合には異なる方向へずらす第２の準備段階へ移行する。
【解決手段】基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）の精度を向上させる準備段階において、（Ｘ0，Ｚ0）のＸ，Ｚ値を各々―１ｎｍずつずらし、ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1，θ2での座標を求め所定の条件内であるか否か判断し、条件を満たす場合には、（Ｘ0，Ｚ0）に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了し、条件を満たさない場合には、ずらす度に一定角θ1，θ2での座標から離れるか否か判断し、離れない場合には準備段階の最初へ移行し、離れる場合には異なる方向へずらす第２の準備段階へ移行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械に取り付けられた機上計測装置を用いてワークの形状測定を行う際の機上計測における該機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超精密加工において、ナノメートルオーダーの形状精度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。また、最近の機上計測による補正加工を必要とする加工形状は次第に複雑になっており、６０度以上の急な傾斜角をもつ形状に対しても、正確にナノ単位の形状精度を実現しなければならない。さらに、同時５軸加工の需要が増えることにより、５軸加工による３次元立体形状の機上計測もこれから必要になると予想される。
【０００３】
特許文献１には、従来の直動軸のみによる機上計測に、回転軸を追加して同時５軸加工計測を行うことにより、６０度以上の急な傾斜角を持つ形状はもちろん、同時５軸加工による３次元立体形状の機上計測を実現することを特徴とした機上計測装置にて計測対象物の形状を計測するシステムが開示されている。
【０００４】
従来は、機上計測装置のプローブが回転軸上に取り付けられ、プローブ先端部が回転軸に直交する平面上で極力回転軸の回転中心に一致するように取り付けて、ノギス、マイクロメータ等の寸法測定装置で再度調整を行う。その後、基準となる対象物（球など）を測定し、プローブ先端部を回転軸の回転中心に近づけるように、ステージ、送りねじ、ハンマー等で微調整を行う。また、回転中心からオフセットしてプローブを取り付ける場合にも同様に調整あるいは微調整を行う。
【０００５】
回転軸を追加した機上計測において最も重要であることは、機上計測装置が取り付けられた回転軸の回転中心軸とプローブの先端位置との位置関係を正確に算出することである。その算出のために平面板を用いたプローブ位置取り付け位置算出方法（特願２００９−２９５５０１号）などの方法が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−３２３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
プローブの取り付け位置の位置関係に誤りがあると、回転計測時のプローブの位置決めができなくなり、ナノメートルオーダーの正確な計測を行うことができない。
しかしながら、従来はプローブの正確な取り付け位置を把握するために、手動で繰り返し調整を行う必要があることから、調整の手間と時間が非常にかかってしまうとともに、調整作業を行なう作業者の調整作業の熟練度に大きく依存する。
【０００８】
また、機上計測装置のプローブ取り付け位置の算出方法は演算式により求めることで、計測時のノイズ、誤差などが増幅される恐れがあり、それにより、算出精度が悪化する可能性がある。従って、より高精度の超精密計測のためにはその算出精度を補正する必要がある。
【０００９】
そこで本発明の目的は、回転軸を用いた機上計測において、各種演算により算出された機上計測装置の取り付けられた回転軸の回転中心軸とプローブの先端との距離を基準球計測の結果を基に補正を行う機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願の請求項１に係る発明は、少なくとも３軸の直動軸と１軸の回転軸を有する工作機械の前記回転軸上に取り付けられた機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法であって、前記３軸の直動軸はそれぞれ直交し、前記直動軸の１つの軸を前記回転軸の方向に合わせ、前記プローブは、前記プローブの移動変位を検出するプローブ位置検出器を有し、前記回転軸の方向と直交する方向に動き、前記プローブの先端に取付けられた測定子の先端を、前記工作機械に設置された基準球にあてて、前記回転軸の回転中心と前記測定子の先端との距離を算出する前記プローブ取り付け位置算出方法において、前記直動軸のうち前記回転軸と直交する方向に動く前記直動軸をそれぞれ第１、第２の直動軸とし、前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置を前記第１および第２の直動軸の座標として予め定義しておく第１のステップと、所定の異なる２つの前記回転軸の角度に対して、基準球の表面に対してプローブの中心軸が垂直になるように前記第１および第２の直動軸を動かして計測する計測プログラムを作成する第２のステップと、作成した前記計測プログラムに従って前記２つの角度にて測定した前記プローブの移動変位データと前記プローブの本来の移動変位データとの誤差を前記２つの角度に対する各々の測定誤差として求める第３のステップと、前記測定誤差が各々０となるような前記第１および第２の直動軸の変位量を前記２つの角度に対する各々の第１の補正量として求める第４のステップと、前記第１の補正量で補正した前記計測プログラムの前記２つの角度に対する前記第１および第２の直動軸の座標を基準座標として、前記直動軸の位置検出分解能を最小単位として所定の範囲内でそれぞれ独立して増減したときの増減量を第２の補正量として前記第１のステップで定義した前記位置を補正した位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５のステップと、前記第５のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が最小となる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第６のステップと、からなる機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法である。
【００１１】
請求項２に係る発明は、前記第５のステップは、前記第１の補正量で補正した前記計測プログラムの前記２つの角度に対する前記第１および第２の直動軸の座標を基準座標として、前記直動軸の位置検出分解能に所定の範囲内の正の整数をかけた値を第２の補正量として前記第１のステップで定義した前記位置から前記第２の補正量を引いた位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５１のステップと、前記第５１のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５２のステップと、からなり、さらに、第５１および第５２のステップにおいて前記誤差が前記所定の誤差以下になることがなかったとき、前記第１のステップで定義した前記位置の前記第１の直動軸の座標から前記第２の補正量を引いて前記第１のステップで定義した前記位置の前記第２の直動軸の座標に前記第２の補正量を足した位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５３のステップと、前記５３のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５４のステップと、からなり、さらに、第５１から第５４のステップにおいて前記誤差が前記所定の誤差以下になることがなかったとき、前記第１のステップで定義した前記位置の前記第１の直動軸の座標に前記第２の補正量を足して前記第１のステップで定義した前記位置の前記第２の直動軸の座標から前記第２の補正量を引いた位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５５のステップと、前記５５のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５６のステップと、からなり、さらに、第５１から第５６のステップにおいて前記測定誤差が前記所定の測定誤差以下になることがなかったとき、前記第１のステップで定義した前記位置の前記第１の直動軸の座標に前記第２の補正量を足した位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５７のステップと、前記５７のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５８のステップと、からなる請求項１に記載の機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法である。
【００１２】
請求項３に係る発明は、前記基準球は、100nm以下の形状精度を有する球であることを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載の機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、回転軸を用いた機上計測において、各種演算により算出された機上計測装置の取り付けられた回転軸の回転中心軸とプローブの先端との距離を基準球計測の結果を基に補正を行う機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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軸を配置した工作機械の要部を説明する図である。
【図２】機上計測装置の可動部であるプローブの移動変位検出の手段として、リニアスケールとレーザヘッドを有し、プローブを計測対象面に沿って相対的に移動させ、プローブの変位により計測対象物の形状計測を行うことを示す図である。
【図３】機上計測装置を備えた工作機械と該工作機械を制御する数値制御装置を有するシステムを説明する図である。
【図４】機上計測装置が回転軸に取付けられ、曲面を有するワーク面の計測のため、球型測定子であるルビー球を曲面に接触させ、各軸の同時制御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の変位により、機上計測を行うことを説明する図である。
【図５】加工装置が回転軸に取付けられ、球面と工具軸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する図である。
【図６】加工装置と同じ回転軸上に取付けられた機上計測装置において、図５による加工の後、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球面とプローブの中心軸が垂直となるように工作機械の各軸が同時制御されながら計測を行うことを説明する図である。
【図７】回転軸であるＢ軸の面盤上に機上計測装置が取り付けられていて、請求項１においての距離の一例として、Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの先端との距離に関する定義を説明する図である。
【図８】平面板などの計測により算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）により回転軸を追加した機上計測を行った際の正常軌跡と異常軌跡とを示している。
【図９】図８に示される異常軌跡を正常軌跡にするための理論式とそれにより真のプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を求めることを示している。
【図１０】基準球を計測することにより、平面板計測により算出されたプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる計測の準備段階（第０段階）を説明するアルゴリズムのフローチャートである。
【図１１】基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第１段階）を説明する図である。
【図１２】基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第２段階）を説明する図である。
【図１３】基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第３段階）を説明する図である。
【図１４】基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第４段階）を説明する図である。
【図１５】図７で説明された回転軸中心と機上計測装置のプローブの先端との距離および各種パラメータを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
まず、本発明の概略を説明する。本発明は、回転軸を用いた機上計測において、各種演算により算出された機上計測装置の取り付けられた回転軸の回転中心軸とプローブ先端との距離を基準球計測結果を基に補正し、ナノ単位の超精密回転計測を実現することを特徴とする。
【００１６】
具体的には、予めプローブの取り付けられた回転軸の中心に対するプローブの先端の位置をＸ軸，Ｚ軸の座標として予め定義し、基準球の表面に対してプローブの中心軸が垂直となるようにＸ軸，Ｚ軸を動かして計測する中心輪郭（基準球）計測プログラムを作成し、作成した中心輪郭（基準球）計測プログラムに従って異なる２つの回転軸の角度θ1、θ2にて測定して得られた基準球計測結果であるプローブの位置データと本来のプローブ位置データとの誤差を測定誤差として求め、前記測定誤差が０（ゼロ）となるように、異なる２つの回転軸の角度θ1、θ2においての前記プローブの先端の各々の位置座標を補正し、次に直線軸の検出分解能の単位でＸ軸，Ｚ軸の座標をプラスまたはマイナス（図１１のステップＳＢ１０３、図１２のステップＳＢ１０８、図１３のステップＳＢ１１３、または図１４のステップＳＢ１１８の総ずらし量を参照）で補正し、計算により測定誤差を求めて、求めた測定誤差が所望の測定誤差精度以下の内最小の測定誤差となる補正量（総ずらし量）で補正したＸ軸，Ｚ軸の座標を実際のプローブ先端位置とする。
【００１７】
図１は、数値制御装置により制御され、３軸以上の直動軸と１軸以上の回転軸で構成されている工作機械を説明する図である。この工作機械は、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軸同時制御が可能である。各可動軸をナノメートルオーダーで制御することで、ワークの加工をナノメートルオーダーの精度で行うことができる。
【００１８】
図２は、機上計測装置の一例を説明する要部断面図である。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。プローブ１ｂを計測対象面１００ａに沿って移動させ、プローブ１ｂの変位を計測することによって、計測対象物１００の計測対象面１００ａの表面形状を測定する。
【００１９】
機上計測装置１は、ケース１ａ内にプローブ１ｂの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。なお、レーザヘッド１ｃとリニアスケール１ｄを用いる変位検出手段は周知である。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（図３参照）。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、後述するパーソナルコンピュータ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。
【００２０】
図３は、機上計測装置と工作機械とを連結した一例を説明する図である。工作機械のＸ，Ｙ，Ｚ，Ｂ，Ｃ軸の各軸と、回転軸であるＢ軸に取り付けられた機上計測装置が同じインタフェースを有する。つまり、Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｂ，Ｃ軸はそれぞれ各軸を制御するためのインタフェースを備えている。機上計測装置１は工作機械の可動軸を構成するものではないものの、機上計測装置１を工作機械の可動軸とみなすことによって、工作機械の各可動軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｂ，Ｃと同様に機上計測装置１から得られる信号が数値制御装置８のサーボ制御部８ｂを介してパーソナルコンピュータ１１に格納される。
【００２１】
同じインタフェースを有することによって、各軸からの位置検出信号と機上計測装置からの位置検出信号が、数値制御装置の送り軸駆動制御部に簡単に同期しながら入力され、数値制御装置８とパーソナルコンピュータ１１がイーサネット（登録商標）１２経由でＬＡＮ通信を行ない、外部記憶装置であるパーソナルコンピュータ１１に各軸の位置情報と機上計測装置１のプローブの変位が同時に入力され、入力された各軸の位置情報とプローブの変位の保存に計測用ソフトが利用され、計測が行われることについて示している。
【００２２】
図３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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、サーボモータに内蔵される位置検出装置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。
【００２５】
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（図示せず）と、この記憶手段に格納された位置情報を外部装置のパーソナルコンピュータ１１に送り出すインタフェースを備えている。数値制御装置８が有する記憶手段に格納された計測情報（位置情報）をもとに本発明にかかる機上計測におけるプローブ取り付け位置算出を行える。
【００２６】
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。
【００２７】
また、数値制御装置８は、外部装置である例えばパーソナルコンピュータ１１に、イーサネット（登録商標）１２経由でＬＡＮ通信を行い、パーソナルコンピュータ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ーソナルコンピュータ１１に送る。パーソナルコンピュータ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。
【００２８】
パーソナルコンピュータ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、パーソナルコンピュータ１１には、計測用ソフトウェアが格納されている。
【００２９】
図４は、曲面を有するワーク面の計測を説明する図である。機上計測装置１が回転軸に取り付けられ、曲面を有するワーク面の計測のため、球型測定子１ｆを先端側に備えたプローブ１ｂの変位により、機上計測を行うことについて示している。なお、測定子の棒１ｅは記載を省略している。曲面を有するワーク表面の計測のため、球型測定子１ｆであるルビー球をワーク表面である曲面に接触させ倣いながら移動するように（計測方向：（１）→（２）→（３）→（４）→（５））、各軸の同時制御により機上計測装置１を走査する。そして、機上計測装置１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、ワーク表面の形状を機上計測する。この場合は、プローブ１ｂの中心軸とワーク面が常に垂直になるように工作機械の各軸が同時制御されるため、理想的にはプローブ１ｂの中心軸と球型測定子１ｆの先端とが交わる点のみがワークＷの表面に接触するため、従来では不可能であった９０度以上の角度に対しても計測が可能である。また、常に一点で計測を行うため、球型測定子１ｆの形状誤差の影響を最小化することができる。
【００３０】
次に、図５と図６を用いて、機上計測装置１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５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５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（（１）→（２）→（３））加工を行うことを説明している。ワークの加工面に対して工具軸が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。
【００３１】
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１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１ｂ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。
【００３２】
図６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６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１において、図５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１ｂ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（（１）→（２）→（３））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１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１ｂ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。
【００３３】
以上、本発明を適用できる機上計測装置を備えた５軸加工機の一例を説明した。次に、本発明に係る機上計測におけるプローブ取り付け位置算出方法を説明する。
図７は、回転軸中心と機上計測装置のプローブの先端との距離に関する定義を説明する図である。図７では、回転軸であるＢ軸の面盤上に機上計測装置１が取り付けられていて、Ｂ軸回転中心と機上計測装置１のプローブ１ｂの先端の球型測定子１ｆとの距離に関する定義を示している。
本発明の回転軸を用いた機上計測は、機上計測装置１が取り付けられた回転軸の回転中心軸と機上計測装置１のプローブ１ｂの先端に取り付けられている球型測定子１ｆの各直動軸の距離Ｘ0，Ｚ0を簡単にかつ正確に算出することで、機上計測装置１の取り付けおよび取り外しを繰り返してもナノメートルオーダーの超精密計測を実現できる。各直動軸の距離Ｘ0，Ｚ0を基に、算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を得る。
【００３４】
図８は、平面板計測などにより算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）により回転軸を追加した機上計測を行った際の正常軌跡と異常軌跡とを示している。平面板計測などにより求めたプローブの取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を基に、所定の半径を有する基準球３００に対して回転軸を追加した機上計測を行うと、正常な軌跡の場合図８（ａ）のようになる。
【００３５】
しかし、平面板計測などの時のノイズ、温度ドリフトの発生を避けることが難しく０（ゼロ）にはならず、それらの影響によって測定誤差は算出したプローブの取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を求める演算の中で増幅する。これによって、真のプローブ取り付け位置とは異なる算出結果になる。この真のプローブ取り付け位置と異なる算出したプローブ取り付け位置を基に、基準球３００に対して回転軸を追加した機上計測を行うと、図８（ｂ）のように異常な軌跡を描くことになる。
【００３６】
図９は、図８に示される異常軌跡を正常軌跡にするための理論式とそれにより真のプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を求めることを示している。図９（ａ）は、図８（ｂ）の一点鎖線で示される箇所を拡大した図であり、プローブ１ｆの中心軸が基準とする位置からθ回転した時の図である。図８（ｂ）に示される異常軌跡の測定誤差ΔＺＰは、機上計測装置が取り付けられた回転軸の回転角に応じてＸ，Ｚ軸方向の誤差成分に分離することができる。測定誤差のＸ成分はΔＺＰ＊ｓｉｎθで表され、測定誤差のＺ成分はΔＺＰ＊ｃｏｓθで表される。
【００３７】
この誤差成分を計測座標に反映して誤差を相殺すると、正常な軌跡の位置にすることができる。換言すれば、一定回転角において、基準球３００の測定誤差分を相殺したプローブ１ｂの先端に取り付けられた球型測定子１ｆの先端の空間座標（Ｘ，Ｚ，θ）を算出して、その空間座標（Ｘ，Ｚ，θ）が得られる算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を求めれば、それがすなわち真のプローブ取り付け位置になる。なお、基準球３００の精度がΔＺＰの算出に絶対的な影響を及ぼすから、１００ｎｍ以下の絶対精度のため、基準球３００の真円度は１００ｎｍ以下であるとするとよい。
【００３８】
次に、図１０〜図１４を用いて、基準球３００を計測することにより、プローブ取り付け位置の精度を向上させるアルゴリズムを説明する。
図１０は、基準球を計測することにより、平面板計測により算出されたプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる計測の準備段階（第０段階）を説明するアルゴリズムのフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＡ１００］算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）で基準球回転計測プログラムを作成する。
●［ステップＳＡ１０１］基準球の計測を行う。
●［ステップＳＡ１０２］一定角度θ1，θ2での測定誤差、ΔＺＰ1，ΔＺＰ2を実測する。
●［ステップＳＡ１０３］誤差補正のための移動距離（ΔＸ1，ΔＺ1），（ΔＸ2，ΔＺ2）を求める。
●［ステップＳＡ１０４］基準球回転計測プログラムの一定角θ1，θ2での座標（Ｘ1，Ｚ1，θ1），（Ｘ2，Ｚ2，θ2）をΔＺＰ1，ΔＺＰ2が０になるように、誤差補正のための移動距離で補正する。補正後の座標を（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1），（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）とし、終了する。
【００３９】
図１１は、基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｚ0，Ｚ0）（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第１段階）を説明する図である。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＢ１００］（Ｘ0，Ｚ0）のＸ，Ｚ値を各々―１ｎｍずつずらす。
●［ステップＳＢ１０１］ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1，θ2での座標（ＸS1，ＺS1，θ1），（ＸS2，ＺS2，θ2）を求める。
●［ステップＳＢ１０２］（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）＝（ＸS1，ＺS1，θ1）かつ（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）＝（ＸS2，ＺS2，θ2）であるか否か判断し、条件を満たす場合（ＹＥＳ）にはステップＳＢ１０３に移行し、条件を満たさない場合（ＮＯ）にはステップＳＢ１０４へ移行する。
●［ステップＳＢ１０３］（Ｘ0，Ｚ0）に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了する。
●［ステップＳＢ１０４］ずらす度に、（ＸS1，ＺS1，θ1）は（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）から離れ、かつ、（ＸS2，ＺS2，θ2）は（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）から離れるか否か判断し、離れない場合にはステップＳＢ１００へ移行し、離れる場合にはステップＳＢ１０５へ移行する（図１２参照）。
【００４０】
図１２は、基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第２段階）を説明する図である。
●［ステップＳＢ１０５］（Ｘ0，Ｚ0）のＸ，Ｚ値を各々―１ｎｍ，＋１ｎｍずつずらす。
●［ステップＳＢ１０６］ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1，θ2での座標（ＸS1，ＺS1，θ1），（ＸS2，ＺS2，θ2）を求める。
●［ステップＳＢ１０７］（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）＝（ＸS1，ＺS1，θ1）かつ（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）＝（ＸS2，ＺS2，θ2）であるか否か判断し、条件を満たす場合（ＹＥＳ）にはステップＳＢ１０８に移行し、条件を満たさない場合（ＮＯ）にはステップＳＢ１０９へ移行する。
●［ステップＳＢ１０８］（Ｘ0，Ｚ0）に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了する。
●［ステップＳＢ１０９］ずらす度に、（ＸS1，ＺS1，θ1）は（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）から離れ、かつ、（ＸS2，ＺS2，θ2）は（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）から離れるか否か判断し、離れない場合にはステップＳＢ１０５へ移行し、離れる場合にはステップＳＢ１１０へ移行する（図１３参照）。ここで離れるか離れないかの判断は、（ＸS1，ＺS1，θ1）と（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）との距離、および、（ＸS2，ＺS2，θ2）と（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）の距離が、ずらし量を変化させた場合に増加するか減少するかで判断できる。
【００４１】
図１３は、基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第３段階）を説明する図である。
●［ステップＳＢ１１０］（Ｘ0，Ｚ0）のＸ，Ｚ値を各々＋１ｎｍ，―１ｎｍずつずらす。
●［ステップＳＢ１１１］ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1，θ2での座標（ＸS1，ＺS1，θ1），（ＸS2，ＺS2，θ2）を求める。
●［ステップＳＢ１１２］（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）＝（ＸS1，ＺS1，θ1）かつ（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）＝（ＸS2，ＺS2，θ2）であるか否か判断し、条件を満たす場合（ＹＥＳ）にはステップＳＢ１１３に移行し、条件を満たさない場合（ＮＯ）にはステップＳＢ１１４へ移行する。
●［ステップＳＢ１１３］（Ｘ0，Ｚ0）に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了する。
●［ステップＳＢ１１４］ずらす度に、（ＸS1，ＺS1，θ1）は（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）から離れ、かつ、（ＸS2，ＺS2，θ2）は（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）から離れるか否か判断し、離れない場合にはステップＳＢ１１０へ移行し、離れる場合にはステップＳＢ１１５へ移行する（図１４参照）。
【００４２】
図１４は、基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第４段階）を説明する図である。
●［ステップＳＢ１１５］（Ｘ0，Ｚ0）のＸ，Ｚ値を各々＋１ｎｍ，＋１ｎｍずつずらす。
●［ステップＳＢ１１６］ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1，θ2での座標（ＸS1，ＺS1，θ1），（ＸS2，ＺS2，θ2）を求める。
●［ステップＳＢ１１７］（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）＝（Ｘs1，ＺS1，θ1）かつ（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）＝（ＸS2，ＺS2，θ2）であるか否か判断し、条件を満たす場合（ＹＥＳ）にはステップＳＢ１１８に移行し、条件を満たさない場合（ＮＯ）にはステップＳＢ１１９へ移行する。
●［ステップＳＢ１１８］（Ｘ0，Ｚ0）に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了する。
●［ステップＳＢ１１９］ずらす度に、（Ｘs1，ＺS1，θ1）は（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）から離れ、かつ、（ＸS2，ＺS2，θ2）は（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）から離れるか否か判断し、離れない場合にはステップＳＢ１１５へ移行し、離れる場合にはステップＳＢ１２０へ移行する。
●［ステップＳＢ１２０］異常処理を行い、処理を終了する。異常処理としては、プローブの取り付け位置特定不能などの表示をパーソナルコンピュータの表示画面などに表示する。この場合、オペレターは、第０段階の処理から再度行ない、再度、第１〜第４の処理を実行する。
【００４３】
上述したフローチャートを補足して説明する。準備段階（第０段階）で行う測定を毎回行ない、毎回、測定誤差を求めると膨大な時間がかかってしまう。そこで、本発明では、実際の誤差の測定は第０段階の準備段階で行う。比較を行うのは計測プログラムの角度θ１とθ２の時の直動軸の座標である。第１段階〜第４段階のおける総ずらし量は、各段階において、各軸方向のずらし量の和である。そして、総ずらし量は、他の段階に移る時に０（ゼロ）にリセットされる。
【００４４】
図１１のステップＳＢ１００、図１２のステップＳＢ１０５、図１３のステップＳＢ１１０、または、図１４のステップＳＢ１１５のずらし量は、超精密計測を想定していることから、機上計測装置１の分解能とした。または、分解能＊整数分をずらし量としてもよい。なお、分解能＊整数を足すのは、前記回転軸の中心軸に対する測定子の先端の位置（図７参照）、比較を行うのは、２つの角度θ１，θ２に対するＸ，Ｙの座標になる。
【００４５】
図１１のステップＳＢ１０２、図１２のステップＳＢ１０７、図１３のステップＳＢ１１２、または、図１４のステップＳＢ１１７の判断では、実際には完全に同じにならなくてもよく、許容値（例えば１０ｎｍ）を設定して、その値以内であれば同じと見なすようにしてもよい。
【００４６】
２つの角度θ１，θ２に対するＸ，Ｚの座標（Ｘs1，ＺS1，θ1）、（ＸS2，ＺS2，θ2）は、算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）に分解能＊整数を足したプローブ取り付け位置を新たな算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）とし、この位置を基に基準球計測プログラムを作成してから求める。基準球計測プログラムは要求されるトレランスを満足するピッチ（角度に関する）間隔で作られた点群計測プログラムである。ここで、θ１，θ２の場合のＸ，Ｚ座標を各々抽出する。
また、第１段階から第４段階は、どのような順番で行ってもよく、上述した順番に限定されるものではない。
【００４７】
ここで、平面板を用いたＸ0，Ｚ0の求め方を補足して説明する。
図１５は、図７で説明された回転軸中心と機上計測装置のプローブの先端との各直動軸方向の距離（Ｘ0，Ｚ0）および各種パラメータを説明する図である。プローブ１ｂの先端に取り付けられた球型測定子１ｆの半径Ｒは無視し、プローブ１ｂの先端の球型測定子１ｆを半径Ｒを有しない点として仮定する。Ｂ面盤上の回転角が０（プローブ１ｂがＺ軸に平行な場合）のＸ−Ｚ平面上（図１を参照）でのプローブ１ｂの先端点である球型測定子１ｆの位置を推定する。なお、図１５では、図２に示される測定子の棒１ｅや球型測定子１ｆを省略して全体をプローブ１ｂとして記載している。
【００４８】
なお、球型測定子１ｆの半径Ｒを無視する理由を説明すると、球型測定子１ｆの半径Ｒがあると回転軸の回転中心からの距離を推定する時に数学的に複雑になるからである。ここで求められる各直動軸方向の距離Ｘ0，Ｚ0は球型測定子１ｆの半径Ｒを無視することにより、球形状である球型測定子１ｆの中心とＢ軸回転中心との距離になる。
次に、Ｂ軸回転中心Ｏと機上計測装置１のプローブ１ｂの球型測定子１ｆとの各直動軸方向の距離を求める算出式を説明する。ここでは上述したように、球型測定子１ｆの半径Ｒを無視する。Ｂ軸の回転角０度（プローブ１ｂがＺ軸に平行な場合）のＸ−Ｚ平面上でのプローブ１ｂの先端点の位置を推定する。この時のプローブ１ｂの先端点のＢ軸回転中心ＯからのＸ軸方向とＺ軸方向の距離およびＺ軸方向とプローブ１ｂの先端点のなす角度をＸ0，Ｚ0，θ0とする。角度θ0から角度θRだけさらに回転すると、θ1とθRとθ0との関係は数１式により表される。また、θ1は数２式により算出できる。なお、数１式から数１０式は図１５を参照すると理解し易い。
【００４９】
【数１】
【００５０】
【数２】
【００５１】
θ0は数１式と数２式を用いて数３式により表される。
【００５２】
【数３】
【００５３】
また、数４式と数５式が成り立つ。
【００５４】
【数４】
【００５５】
【数５】
【００５６】
数４式と数５式により数６式が成り立つ。
【００５７】
【数６】
【００５８】
また、θ0は数７式と数８式の関係が成り立つ。
【００５９】
【数７】
【００６０】
【数８】
【００６１】
数３式〜数８式から数９式および数１０式が成り立つ。数９式および数１０式から、前記各直動軸方向の距離（Ｘ0，Ｚ0）は、Ｘ1，Ｚ1，θ0，θRの関数であることがわかる。つまり、Ｘ1，Ｚ1，θ0，θRを求めることにより、機上計測におけるプローブ取り付け位置を算出できる。
【００６２】
【数９】
【００６３】
【数１０】
【００６４】
そして、プローブの先端に取り付けられた測定子を当てる平面板を前記３軸の直動軸から前記回転軸の方向に合わせた前記直動軸の１つの軸を除いた軸と少なくも交叉するように配置し、直動軸、回転軸を制御することによって、Ｘ1，Ｚ1，θ0，θRを求めることができ、数１式〜数１０式によって算出されたプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を求めることができる。
【００６５】
なお、Ｘ0，Ｚ0は平面板を用いる以外にも、３次元測定装置を用いてプローブの先端位置を測定することによっても求めてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
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
８ｂ サーボ制御部
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）
１００ 計測対象物
１００ａ 計測対象面
３００ 基準球
Ｗ 被加工物（ワーク）
ｉｐｘ，ｉｐｙ，ｉｐｚ，ｉｐｂ，ｉｐｃ 位置検出信号
ｉｐｆ 計測信号（位置検出信号）
ΔＺＰ 測定誤差
ΔＸ 測定誤差のＸ成分
ΔＺ 測定誤差のＺ成分
（Ｘ0，Ｚ0） 算出したプローブ取り付け位置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械に取り付けられた機上計測装置を用いてワークの形状測定を行う際の機上計測における該機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超精密加工において、ナノメートルオーダーの形状精度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。また、最近の機上計測による補正加工を必要とする加工形状は次第に複雑になっており、６０度以上の急な傾斜角をもつ形状に対しても、正確にナノ単位の形状精度を実現しなければならない。さらに、同時５軸加工の需要が増えることにより、５軸加工による３次元立体形状の機上計測もこれから必要になると予想される。
【０００３】
特許文献１には、従来の直動軸のみによる機上計測に、回転軸を追加して同時５軸加工計測を行うことにより、６０度以上の急な傾斜角を持つ形状はもちろん、同時５軸加工による３次元立体形状の機上計測を実現することを特徴とした機上計測装置にて計測対象物の形状を計測するシステムが開示されている。
【０００４】
従来は、機上計測装置のプローブが回転軸上に取り付けられ、プローブ先端部が回転軸に直交する平面上で極力回転軸の回転中心に一致するように取り付けて、ノギス、マイクロメータ等の寸法測定装置で再度調整を行う。その後、基準となる対象物（球など）を測定し、プローブ先端部を回転軸の回転中心に近づけるように、ステージ、送りねじ、ハンマー等で微調整を行う。また、回転中心からオフセットしてプローブを取り付ける場合にも同様に調整あるいは微調整を行う。
【０００５】
回転軸を追加した機上計測において最も重要であることは、機上計測装置が取り付けられた回転軸の回転中心軸とプローブの先端位置との位置関係を正確に算出することである。その算出のために平面板を用いたプローブ位置取り付け位置算出方法（特願２００９−２９５５０１号）などの方法が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−３２３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
プローブの取り付け位置の位置関係に誤りがあると、回転計測時のプローブの位置決めができなくなり、ナノメートルオーダーの正確な計測を行うことができない。
しかしながら、従来はプローブの正確な取り付け位置を把握するために、手動で繰り返し調整を行う必要があることから、調整の手間と時間が非常にかかってしまうとともに、調整作業を行なう作業者の調整作業の熟練度に大きく依存する。
【０００８】
また、機上計測装置のプローブ取り付け位置の算出方法は演算式により求めることで、計測時のノイズ、誤差などが増幅される恐れがあり、それにより、算出精度が悪化する可能性がある。従って、より高精度の超精密計測のためにはその算出精度を補正する必要がある。
【０００９】
そこで本発明の目的は、回転軸を用いた機上計測において、各種演算により算出された機上計測装置の取り付けられた回転軸の回転中心軸とプローブの先端との距離を基準球計測の結果を基に補正を行う機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願の請求項１に係る発明は、少なくとも３軸の直動軸と１軸の回転軸を有する工作機械の前記回転軸上に取り付けられた機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法であって、前記３軸の直動軸はそれぞれ直交し、前記直動軸の１つの軸を前記回転軸の方向に合わせ、前記プローブは、前記プローブの移動変位を検出するプローブ位置検出器を有し、前記回転軸の方向と直交する方向に動き、前記プローブの先端に取付けられた測定子の先端を、前記工作機械に設置された基準球にあてて、前記回転軸の回転中心と前記測定子の先端との距離を算出する前記プローブ取り付け位置算出方法において、前記直動軸のうち前記回転軸と直交する方向に動く前記直動軸をそれぞれ第１、第２の直動軸とし、前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置を前記第１および第２の直動軸の座標として予め定義しておく第１のステップと、所定の異なる２つの前記回転軸の角度に対して、基準球の表面に対してプローブの中心軸が垂直になるように前記第１および第２の直動軸を動かして計測する計測プログラムを作成する第２のステップと、作成した前記計測プログラムに従って前記２つの角度にて測定した前記プローブの移動変位データと前記プローブの本来の移動変位データとの誤差を前記２つの角度に対する各々の測定誤差として求める第３のステップと、前記測定誤差が各々０となるような前記第１および第２の直動軸の変位量を前記２つの角度に対する各々の第１の補正量として求める第４のステップと、前記第１の補正量で補正した前記計測プログラムの前記２つの角度に対する前記第１および第２の直動軸の座標を基準座標として、前記直動軸の位置検出分解能を最小単位として所定の範囲内でそれぞれ独立して増減したときの増減量を第２の補正量として前記第１のステップで定義した前記位置を補正した位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５のステップと、前記第５のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が最小となる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第６のステップと、からなる機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法である。
【００１１】
請求項２に係る発明は、前記第５のステップは、前記第１の補正量で補正した前記計測プログラムの前記２つの角度に対する前記第１および第２の直動軸の座標を基準座標として、前記直動軸の位置検出分解能に所定の範囲内の正の整数をかけた値を第２の補正量として前記第１のステップで定義した前記位置から前記第２の補正量を引いた位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５１のステップと、前記第５１のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５２のステップと、からなり、さらに、第５１および第５２のステップにおいて前記誤差が前記所定の誤差以下になることがなかったとき、前記第１のステップで定義した前記位置の前記第１の直動軸の座標から前記第２の補正量を引いて前記第１のステップで定義した前記位置の前記第２の直動軸の座標に前記第２の補正量を足した位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５３のステップと、前記５３のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５４のステップと、からなり、さらに、第５１から第５４のステップにおいて前記誤差が前記所定の誤差以下になることがなかったとき、前記第１のステップで定義した前記位置の前記第１の直動軸の座標に前記第２の補正量を足して前記第１のステップで定義した前記位置の前記第２の直動軸の座標から前記第２の補正量を引いた位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５５のステップと、前記５５のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５６のステップと、からなり、さらに、第５１から第５６のステップにおいて前記測定誤差が前記所定の測定誤差以下になることがなかったとき、前記第１のステップで定義した前記位置の前記第１の直動軸の座標に前記第２の補正量を足した位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５７のステップと、前記５７のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５８のステップと、からなる請求項１に記載の機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法である。
【００１２】
請求項３に係る発明は、前記基準球は、100nm以下の形状精度を有する球であることを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載の機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、回転軸を用いた機上計測において、各種演算により算出された機上計測装置の取り付けられた回転軸の回転中心軸とプローブの先端との距離を基準球計測の結果を基に補正を行う機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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軸を配置した工作機械の要部を説明する図である。
【図２】機上計測装置の可動部であるプローブの移動変位検出の手段として、リニアスケールとレーザヘッドを有し、プローブを計測対象面に沿って相対的に移動させ、プローブの変位により計測対象物の形状計測を行うことを示す図である。
【図３】機上計測装置を備えた工作機械と該工作機械を制御する数値制御装置を有するシステムを説明する図である。
【図４】機上計測装置が回転軸に取付けられ、曲面を有するワーク面の計測のため、球型測定子であるルビー球を曲面に接触させ、各軸の同時制御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の変位により、機上計測を行うことを説明する図である。
【図５】加工装置が回転軸に取付けられ、球面と工具軸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する図である。
【図６】加工装置と同じ回転軸上に取付けられた機上計測装置において、図５による加工の後、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球面とプローブの中心軸が垂直となるように工作機械の各軸が同時制御されながら計測を行うことを説明する図である。
【図７】回転軸であるＢ軸の面盤上に機上計測装置が取り付けられていて、請求項１においての距離の一例として、Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの先端との距離に関する定義を説明する図である。
【図８】平面板などの計測により算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）により回転軸を追加した機上計測を行った際の正常軌跡と異常軌跡とを示している。
【図９】図８に示される異常軌跡を正常軌跡にするための理論式とそれにより真のプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を求めることを示している。
【図１０】基準球を計測することにより、平面板計測により算出されたプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる計測の準備段階（第０段階）を説明するアルゴリズムのフローチャートである。
【図１１】基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第１段階）を説明する図である。
【図１２】基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第２段階）を説明する図である。
【図１３】基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第３段階）を説明する図である。
【図１４】基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第４段階）を説明する図である。
【図１５】図７で説明された回転軸中心と機上計測装置のプローブの先端との距離および各種パラメータを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
まず、本発明の概略を説明する。本発明は、回転軸を用いた機上計測において、各種演算により算出された機上計測装置の取り付けられた回転軸の回転中心軸とプローブ先端との距離を基準球計測結果を基に補正し、ナノ単位の超精密回転計測を実現することを特徴とする。
【００１６】
具体的には、予めプローブの取り付けられた回転軸の中心に対するプローブの先端の位置をＸ軸，Ｚ軸の座標として予め定義し、基準球の表面に対してプローブの中心軸が垂直となるようにＸ軸，Ｚ軸を動かして計測する中心輪郭（基準球）計測プログラムを作成し、作成した中心輪郭（基準球）計測プログラムに従って異なる２つの回転軸の角度θ1、θ2にて測定して得られた基準球計測結果であるプローブの位置データと本来のプローブ位置データとの誤差を測定誤差として求め、前記測定誤差が０（ゼロ）となるように、異なる２つの回転軸の角度θ1、θ2においての前記プローブの先端の各々の位置座標を補正し、次に直線軸の検出分解能の単位でＸ軸，Ｚ軸の座標をプラスまたはマイナス（図１１のステップＳＢ１０３、図１２のステップＳＢ１０８、図１３のステップＳＢ１１３、または図１４のステップＳＢ１１８の総ずらし量を参照）で補正し、計算により測定誤差を求めて、求めた測定誤差が所望の測定誤差精度以下の内最小の測定誤差となる補正量（総ずらし量）で補正したＸ軸，Ｚ軸の座標を実際のプローブ先端位置とする。
【００１７】
図１は、数値制御装置により制御され、３軸以上の直動軸と１軸以上の回転軸で構成されている工作機械を説明する図である。この工作機械は、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軸同時制御が可能である。各可動軸をナノメートルオーダーで制御することで、ワークの加工をナノメートルオーダーの精度で行うことができる。
【００１８】
図２は、機上計測装置の一例を説明する要部断面図である。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。プローブ１ｂを計測対象面１００ａに沿って移動させ、プローブ１ｂの変位を計測することによって、計測対象物１００の計測対象面１００ａの表面形状を測定する。
【００１９】
機上計測装置１は、ケース１ａ内にプローブ１ｂの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。なお、レーザヘッド１ｃとリニアスケール１ｄを用いる変位検出手段は周知である。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（図３参照）。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、後述するパーソナルコンピュータ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。
【００２０】
図３は、機上計測装置と工作機械とを連結した一例を説明する図である。工作機械のＸ，Ｙ，Ｚ，Ｂ，Ｃ軸の各軸と、回転軸であるＢ軸に取り付けられた機上計測装置が同じインタフェースを有する。つまり、Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｂ，Ｃ軸はそれぞれ各軸を制御するためのインタフェースを備えている。機上計測装置１は工作機械の可動軸を構成するものではないものの、機上計測装置１を工作機械の可動軸とみなすことによって、工作機械の各可動軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｂ，Ｃと同様に機上計測装置１から得られる信号が数値制御装置８のサーボ制御部８ｂを介してパーソナルコンピュータ１１に格納される。
【００２１】
同じインタフェースを有することによって、各軸からの位置検出信号と機上計測装置からの位置検出信号が、数値制御装置の送り軸駆動制御部に簡単に同期しながら入力され、数値制御装置８とパーソナルコンピュータ１１がイーサネット（登録商標）１２経由でＬＡＮ通信を行ない、外部記憶装置であるパーソナルコンピュータ１１に各軸の位置情報と機上計測装置１のプローブの変位が同時に入力され、入力された各軸の位置情報とプローブの変位の保存に計測用ソフトが利用され、計測が行われることについて示している。
【００２２】
図３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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、サーボモータに内蔵される位置検出装置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。
【００２５】
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（図示せず）と、この記憶手段に格納された位置情報を外部装置のパーソナルコンピュータ１１に送り出すインタフェースを備えている。数値制御装置８が有する記憶手段に格納された計測情報（位置情報）をもとに本発明にかかる機上計測におけるプローブ取り付け位置算出を行える。
【００２６】
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。
【００２７】
また、数値制御装置８は、外部装置である例えばパーソナルコンピュータ１１に、イーサネット（登録商標）１２経由でＬＡＮ通信を行い、パーソナルコンピュータ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ーソナルコンピュータ１１に送る。パーソナルコンピュータ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。
【００２８】
パーソナルコンピュータ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、パーソナルコンピュータ１１には、計測用ソフトウェアが格納されている。
【００２９】
図４は、曲面を有するワーク面の計測を説明する図である。機上計測装置１が回転軸に取り付けられ、曲面を有するワーク面の計測のため、球型測定子１ｆを先端側に備えたプローブ１ｂの変位により、機上計測を行うことについて示している。なお、測定子の棒１ｅは記載を省略している。曲面を有するワーク表面の計測のため、球型測定子１ｆであるルビー球をワーク表面である曲面に接触させ倣いながら移動するように（計測方向：（１）→（２）→（３）→（４）→（５））、各軸の同時制御により機上計測装置１を走査する。そして、機上計測装置１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、ワーク表面の形状を機上計測する。この場合は、プローブ１ｂの中心軸とワーク面が常に垂直になるように工作機械の各軸が同時制御されるため、理想的にはプローブ１ｂの中心軸と球型測定子１ｆの先端とが交わる点のみがワークＷの表面に接触するため、従来では不可能であった９０度以上の角度に対しても計測が可能である。また、常に一点で計測を行うため、球型測定子１ｆの形状誤差の影響を最小化することができる。
【００３０】
次に、図５と図６を用いて、機上計測装置１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５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５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（（１）→（２）→（３））加工を行うことを説明している。ワークの加工面に対して工具軸が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。
【００３１】
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１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１ｂ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。
【００３２】
図６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６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１において、図５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１ｂ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（（１）→（２）→（３））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１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１ｂ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。
【００３３】
以上、本発明を適用できる機上計測装置を備えた５軸加工機の一例を説明した。次に、本発明に係る機上計測におけるプローブ取り付け位置算出方法を説明する。
図７は、回転軸中心と機上計測装置のプローブの先端との距離に関する定義を説明する図である。図７では、回転軸であるＢ軸の面盤上に機上計測装置１が取り付けられていて、Ｂ軸回転中心と機上計測装置１のプローブ１ｂの先端の球型測定子１ｆとの距離に関する定義を示している。
本発明の回転軸を用いた機上計測は、機上計測装置１が取り付けられた回転軸の回転中心軸と機上計測装置１のプローブ１ｂの先端に取り付けられている球型測定子１ｆの各直動軸の距離Ｘ0，Ｚ0を簡単にかつ正確に算出することで、機上計測装置１の取り付けおよび取り外しを繰り返してもナノメートルオーダーの超精密計測を実現できる。各直動軸の距離Ｘ0，Ｚ0を基に、算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を得る。
【００３４】
図８は、平面板計測などにより算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）により回転軸を追加した機上計測を行った際の正常軌跡と異常軌跡とを示している。平面板計測などにより求めたプローブの取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を基に、所定の半径を有する基準球３００に対して回転軸を追加した機上計測を行うと、正常な軌跡の場合図８（ａ）のようになる。
【００３５】
しかし、平面板計測などの時のノイズ、温度ドリフトの発生を避けることが難しく０（ゼロ）にはならず、それらの影響によって測定誤差は算出したプローブの取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を求める演算の中で増幅する。これによって、真のプローブ取り付け位置とは異なる算出結果になる。この真のプローブ取り付け位置と異なる算出したプローブ取り付け位置を基に、基準球３００に対して回転軸を追加した機上計測を行うと、図８（ｂ）のように異常な軌跡を描くことになる。
【００３６】
図９は、図８に示される異常軌跡を正常軌跡にするための理論式とそれにより真のプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を求めることを示している。図９（ａ）は、図８（ｂ）の一点鎖線で示される箇所を拡大した図であり、プローブ１ｆの中心軸が基準とする位置からθ回転した時の図である。図８（ｂ）に示される異常軌跡の測定誤差ΔＺＰは、機上計測装置が取り付けられた回転軸の回転角に応じてＸ，Ｚ軸方向の誤差成分に分離することができる。測定誤差のＸ成分はΔＺＰ＊ｓｉｎθで表され、測定誤差のＺ成分はΔＺＰ＊ｃｏｓθで表される。
【００３７】
この誤差成分を計測座標に反映して誤差を相殺すると、正常な軌跡の位置にすることができる。換言すれば、一定回転角において、基準球３００の測定誤差分を相殺したプローブ１ｂの先端に取り付けられた球型測定子１ｆの先端の空間座標（Ｘ，Ｚ，θ）を算出して、その空間座標（Ｘ，Ｚ，θ）が得られる算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を求めれば、それがすなわち真のプローブ取り付け位置になる。なお、基準球３００の精度がΔＺＰの算出に絶対的な影響を及ぼすから、１００ｎｍ以下の絶対精度のため、基準球３００の真円度は１００ｎｍ以下であるとするとよい。
【００３８】
次に、図１０〜図１４を用いて、基準球３００を計測することにより、プローブ取り付け位置の精度を向上させるアルゴリズムを説明する。
図１０は、基準球を計測することにより、平面板計測により算出されたプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる計測の準備段階（第０段階）を説明するアルゴリズムのフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＡ１００］算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）で基準球回転計測プログラムを作成する。
●［ステップＳＡ１０１］基準球の計測を行う。
●［ステップＳＡ１０２］一定角度θ1，θ2での測定誤差、ΔＺＰ1，ΔＺＰ2を実測する。
●［ステップＳＡ１０３］誤差補正のための移動距離（ΔＸ1，ΔＺ1），（ΔＸ2，ΔＺ2）を求める。
●［ステップＳＡ１０４］基準球回転計測プログラムの一定角θ1，θ2での座標（Ｘ1，Ｚ1，θ1），（Ｘ2，Ｚ2，θ2）をΔＺＰ1，ΔＺＰ2が０になるように、誤差補正のための移動距離で補正する。補正後の座標を（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1），（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）とし、終了する。
【００３９】
図１１は、基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｚ0，Ｚ0）（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第１段階）を説明する図である。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＢ１００］（Ｘ0，Ｚ0）のＸ，Ｚ値を各々―１ｎｍずつずらす。
●［ステップＳＢ１０１］ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1，θ2での座標（ＸS1，ＺS1，θ1），（ＸS2，ＺS2，θ2）を求める。
●［ステップＳＢ１０２］（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）＝（ＸS1，ＺS1，θ1）かつ（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）＝（ＸS2，ＺS2，θ2）であるか否か判断し、条件を満たす場合（ＹＥＳ）にはステップＳＢ１０３に移行し、条件を満たさない場合（ＮＯ）にはステップＳＢ１０４へ移行する。
●［ステップＳＢ１０３］（Ｘ0，Ｚ0）に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了する。
●［ステップＳＢ１０４］ずらす度に、（ＸS1，ＺS1，θ1）は（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）から離れ、かつ、（ＸS2，ＺS2，θ2）は（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）から離れるか否か判断し、離れない場合にはステップＳＢ１００へ移行し、離れる場合にはステップＳＢ１０５へ移行する（図１２参照）。
【００４０】
図１２は、基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第２段階）を説明する図である。
●［ステップＳＢ１０５］（Ｘ0，Ｚ0）のＸ，Ｚ値を各々―１ｎｍ，＋１ｎｍずつずらす。
●［ステップＳＢ１０６］ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1，θ2での座標（ＸS1，ＺS1，θ1），（ＸS2，ＺS2，θ2）を求める。
●［ステップＳＢ１０７］（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）＝（ＸS1，ＺS1，θ1）かつ（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）＝（ＸS2，ＺS2，θ2）であるか否か判断し、条件を満たす場合（ＹＥＳ）にはステップＳＢ１０８に移行し、条件を満たさない場合（ＮＯ）にはステップＳＢ１０９へ移行する。
●［ステップＳＢ１０８］（Ｘ0，Ｚ0）に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了する。
●［ステップＳＢ１０９］ずらす度に、（ＸS1，ＺS1，θ1）は（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）から離れ、かつ、（ＸS2，ＺS2，θ2）は（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）から離れるか否か判断し、離れない場合にはステップＳＢ１０５へ移行し、離れる場合にはステップＳＢ１１０へ移行する（図１３参照）。ここで離れるか離れないかの判断は、（ＸS1，ＺS1，θ1）と（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）との距離、および、（ＸS2，ＺS2，θ2）と（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）の距離が、ずらし量を変化させた場合に増加するか減少するかで判断できる。
【００４１】
図１３は、基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第３段階）を説明する図である。
●［ステップＳＢ１１０］（Ｘ0，Ｚ0）のＸ，Ｚ値を各々＋１ｎｍ，―１ｎｍずつずらす。
●［ステップＳＢ１１１］ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1，θ2での座標（ＸS1，ＺS1，θ1），（ＸS2，ＺS2，θ2）を求める。
●［ステップＳＢ１１２］（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）＝（ＸS1，ＺS1，θ1）かつ（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）＝（ＸS2，ＺS2，θ2）であるか否か判断し、条件を満たす場合（ＹＥＳ）にはステップＳＢ１１３に移行し、条件を満たさない場合（ＮＯ）にはステップＳＢ１１４へ移行する。
●［ステップＳＢ１１３］（Ｘ0，Ｚ0）に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了する。
●［ステップＳＢ１１４］ずらす度に、（ＸS1，ＺS1，θ1）は（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）から離れ、かつ、（ＸS2，ＺS2，θ2）は（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）から離れるか否か判断し、離れない場合にはステップＳＢ１１０へ移行し、離れる場合にはステップＳＢ１１５へ移行する（図１４参照）。
【００４２】
図１４は、基準球を計測することにより、算出したプローブ取り付け位置（Ｂ軸回転中心と機上計測装置のプローブの測定子との距離）の精度を向上させる準備段階（第４段階）を説明する図である。
●［ステップＳＢ１１５］（Ｘ0，Ｚ0）のＸ，Ｚ値を各々＋１ｎｍ，＋１ｎｍずつずらす。
●［ステップＳＢ１１６］ずらした座標を基に基準球計測プログラムを作成して一定角θ1，θ2での座標（ＸS1，ＺS1，θ1），（ＸS2，ＺS2，θ2）を求める。
●［ステップＳＢ１１７］（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）＝（Ｘs1，ＺS1，θ1）かつ（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）＝（ＸS2，ＺS2，θ2）であるか否か判断し、条件を満たす場合（ＹＥＳ）にはステップＳＢ１１８に移行し、条件を満たさない場合（ＮＯ）にはステップＳＢ１１９へ移行する。
●［ステップＳＢ１１８］（Ｘ0，Ｚ0）に総ずらし量を加えたものを真のプローブ取り付け位置とし、処理を終了する。
●［ステップＳＢ１１９］ずらす度に、（Ｘs1，ＺS1，θ1）は（Ｘ1’，Ｚ1’，θ1）から離れ、かつ、（ＸS2，ＺS2，θ2）は（Ｘ2’，Ｚ2’，θ2）から離れるか否か判断し、離れない場合にはステップＳＢ１１５へ移行し、離れる場合にはステップＳＢ１２０へ移行する。
●［ステップＳＢ１２０］異常処理を行い、処理を終了する。異常処理としては、プローブの取り付け位置特定不能などの表示をパーソナルコンピュータの表示画面などに表示する。この場合、オペレターは、第０段階の処理から再度行ない、再度、第１〜第４の処理を実行する。
【００４３】
上述したフローチャートを補足して説明する。準備段階（第０段階）で行う測定を毎回行ない、毎回、測定誤差を求めると膨大な時間がかかってしまう。そこで、本発明では、実際の誤差の測定は第０段階の準備段階で行う。比較を行うのは計測プログラムの角度θ１とθ２の時の直動軸の座標である。第１段階〜第４段階のおける総ずらし量は、各段階において、各軸方向のずらし量の和である。そして、総ずらし量は、他の段階に移る時に０（ゼロ）にリセットされる。
【００４４】
図１１のステップＳＢ１００、図１２のステップＳＢ１０５、図１３のステップＳＢ１１０、または、図１４のステップＳＢ１１５のずらし量は、超精密計測を想定していることから、機上計測装置１の分解能とした。または、分解能＊整数分をずらし量としてもよい。なお、分解能＊整数を足すのは、前記回転軸の中心軸に対する測定子の先端の位置（図７参照）、比較を行うのは、２つの角度θ１，θ２に対するＸ，Ｙの座標になる。
【００４５】
図１１のステップＳＢ１０２、図１２のステップＳＢ１０７、図１３のステップＳＢ１１２、または、図１４のステップＳＢ１１７の判断では、実際には完全に同じにならなくてもよく、許容値（例えば１０ｎｍ）を設定して、その値以内であれば同じと見なすようにしてもよい。
【００４６】
２つの角度θ１，θ２に対するＸ，Ｚの座標（Ｘs1，ＺS1，θ1）、（ＸS2，ＺS2，θ2）は、算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）に分解能＊整数を足したプローブ取り付け位置を新たな算出したプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）とし、この位置を基に基準球計測プログラムを作成してから求める。基準球計測プログラムは要求されるトレランスを満足するピッチ（角度に関する）間隔で作られた点群計測プログラムである。ここで、θ１，θ２の場合のＸ，Ｚ座標を各々抽出する。
また、第１段階から第４段階は、どのような順番で行ってもよく、上述した順番に限定されるものではない。
【００４７】
ここで、平面板を用いたＸ0，Ｚ0の求め方を補足して説明する。
図１５は、図７で説明された回転軸中心と機上計測装置のプローブの先端との各直動軸方向の距離（Ｘ0，Ｚ0）および各種パラメータを説明する図である。プローブ１ｂの先端に取り付けられた球型測定子１ｆの半径Ｒは無視し、プローブ１ｂの先端の球型測定子１ｆを半径Ｒを有しない点として仮定する。Ｂ面盤上の回転角が０（プローブ１ｂがＺ軸に平行な場合）のＸ−Ｚ平面上（図１を参照）でのプローブ１ｂの先端点である球型測定子１ｆの位置を推定する。なお、図１５では、図２に示される測定子の棒１ｅや球型測定子１ｆを省略して全体をプローブ１ｂとして記載している。
【００４８】
なお、球型測定子１ｆの半径Ｒを無視する理由を説明すると、球型測定子１ｆの半径Ｒがあると回転軸の回転中心からの距離を推定する時に数学的に複雑になるからである。ここで求められる各直動軸方向の距離Ｘ0，Ｚ0は球型測定子１ｆの半径Ｒを無視することにより、球形状である球型測定子１ｆの中心とＢ軸回転中心との距離になる。
次に、Ｂ軸回転中心Ｏと機上計測装置１のプローブ１ｂの球型測定子１ｆとの各直動軸方向の距離を求める算出式を説明する。ここでは上述したように、球型測定子１ｆの半径Ｒを無視する。Ｂ軸の回転角０度（プローブ１ｂがＺ軸に平行な場合）のＸ−Ｚ平面上でのプローブ１ｂの先端点の位置を推定する。この時のプローブ１ｂの先端点のＢ軸回転中心ＯからのＸ軸方向とＺ軸方向の距離およびＺ軸方向とプローブ１ｂの先端点のなす角度をＸ0，Ｚ0，θ0とする。角度θ0から角度θRだけさらに回転すると、θ1とθRとθ0との関係は数１式により表される。また、θ1は数２式により算出できる。なお、数１式から数１０式は図１５を参照すると理解し易い。
【００４９】
【数１】
【００５０】
【数２】
【００５１】
θ0は数１式と数２式を用いて数３式により表される。
【００５２】
【数３】
【００５３】
また、数４式と数５式が成り立つ。
【００５４】
【数４】
【００５５】
【数５】
【００５６】
数４式と数５式により数６式が成り立つ。
【００５７】
【数６】
【００５８】
また、θ0は数７式と数８式の関係が成り立つ。
【００５９】
【数７】
【００６０】
【数８】
【００６１】
数３式〜数８式から数９式および数１０式が成り立つ。数９式および数１０式から、前記各直動軸方向の距離（Ｘ0，Ｚ0）は、Ｘ1，Ｚ1，θ0，θRの関数であることがわかる。つまり、Ｘ1，Ｚ1，θ0，θRを求めることにより、機上計測におけるプローブ取り付け位置を算出できる。
【００６２】
【数９】
【００６３】
【数１０】
【００６４】
そして、プローブの先端に取り付けられた測定子を当てる平面板を前記３軸の直動軸から前記回転軸の方向に合わせた前記直動軸の１つの軸を除いた軸と少なくも交叉するように配置し、直動軸、回転軸を制御することによって、Ｘ1，Ｚ1，θ0，θRを求めることができ、数１式〜数１０式によって算出されたプローブ取り付け位置（Ｘ0，Ｚ0）を求めることができる。
【００６５】
なお、Ｘ0，Ｚ0は平面板を用いる以外にも、３次元測定装置を用いてプローブの先端位置を測定することによっても求めてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
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
８ｂ サーボ制御部
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）
１００ 計測対象物
１００ａ 計測対象面
３００ 基準球
Ｗ 被加工物（ワーク）
ｉｐｘ，ｉｐｙ，ｉｐｚ，ｉｐｂ，ｉｐｃ 位置検出信号
ｉｐｆ 計測信号（位置検出信号）
ΔＺＰ 測定誤差
ΔＸ 測定誤差のＸ成分
ΔＺ 測定誤差のＺ成分
（Ｘ0，Ｚ0） 算出したプローブ取り付け位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも３軸の直動軸と１軸の回転軸を有する工作機械の前記回転軸上に取り付けられた機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法であって、前記３軸の直動軸はそれぞれ直交し、前記直動軸の１つの軸を前記回転軸の方向に合わせ、前記プローブは、前記プローブの移動変位を検出するプローブ位置検出器を有し、前記回転軸の方向と直交する方向に動き、前記プローブの先端に取付けられた測定子の先端を、前記工作機械に設置された基準球にあてて、前記回転軸の回転中心と前記測定子の先端との距離を算出する前記プローブ取り付け位置算出方法において、
前記直動軸のうち前記回転軸と直交する方向に動く前記直動軸をそれぞれ第１、第２の直動軸とし、前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置を前記第１および第２の直動軸の座標として予め定義しておく第１のステップと、
所定の異なる２つの前記回転軸の角度に対して、基準球の表面に対してプローブの中心軸が垂直になるように前記第１および第２の直動軸を動かして計測する計測プログラムを作成する第２のステップと、
作成した前記計測プログラムに従って前記２つの角度にて測定した前記プローブの移動変位データと前記プローブの本来の移動変位データとの誤差を前記２つの角度に対する各々の測定誤差として求める第３のステップと、
前記測定誤差が各々０となるような前記第１および第２の直動軸の変位量を前記２つの角度に対する各々の第１の補正量として求める第４のステップと、
前記第１の補正量で補正した前記計測プログラムの前記２つの角度に対する前記第１および第２の直動軸の座標を基準座標として、前記直動軸の位置検出分解能を最小単位として所定の範囲内でそれぞれ独立して増減したときの増減量を第２の補正量として前記第１のステップで定義した前記位置を補正した位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５のステップと、
前記第５のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が最小となる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第６のステップと、
からなる機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法。
【請求項２】
前記第５のステップは、
前記第１の補正量で補正した前記計測プログラムの前記２つの角度に対する前記第１および第２の直動軸の座標を基準座標として、前記直動軸の位置検出分解能に所定の範囲内の正の整数をかけた値を第２の補正量として前記第１のステップで定義した前記位置から前記第２の補正量を引いた位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５１のステップと、
前記第５１のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５２のステップと、からなり、
さらに、第５１および第５２のステップにおいて前記誤差が前記所定の誤差以下になることがなかったとき、
前記第１のステップで定義した前記位置の前記第１の直動軸の座標から前記第２の補正量を引いて前記第１のステップで定義した前記位置の前記第２の直動軸の座標に前記第２の補正量を足した位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５３のステップと、
前記５３のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５４のステップと、からなり、
さらに、第５１から第５４のステップにおいて前記誤差が前記所定の誤差以下になることがなかったとき、
前記第１のステップで定義した前記位置の前記第１の直動軸の座標に前記第２の補正量を足して前記第１のステップで定義した前記位置の前記第２の直動軸の座標から前記第２の補正量を引いた位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５５のステップと、
前記５５のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５６のステップと、からなり、
さらに、第５１から第５６のステップにおいて前記測定誤差が前記所定の測定誤差以下になることがなかったとき、
前記第１のステップで定義した前記位置の前記第１の直動軸の座標に前記第２の補正量を足した位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５７のステップと、
前記５７のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５８のステップと、
からなる請求項１に記載の機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法。
【請求項３】
前記基準球は、100nm以下の形状精度を有する球であることを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載の機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法。
【請求項１】
少なくとも３軸の直動軸と１軸の回転軸を有する工作機械の前記回転軸上に取り付けられた機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法であって、前記３軸の直動軸はそれぞれ直交し、前記直動軸の１つの軸を前記回転軸の方向に合わせ、前記プローブは、前記プローブの移動変位を検出するプローブ位置検出器を有し、前記回転軸の方向と直交する方向に動き、前記プローブの先端に取付けられた測定子の先端を、前記工作機械に設置された基準球にあてて、前記回転軸の回転中心と前記測定子の先端との距離を算出する前記プローブ取り付け位置算出方法において、
前記直動軸のうち前記回転軸と直交する方向に動く前記直動軸をそれぞれ第１、第２の直動軸とし、前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置を前記第１および第２の直動軸の座標として予め定義しておく第１のステップと、
所定の異なる２つの前記回転軸の角度に対して、基準球の表面に対してプローブの中心軸が垂直になるように前記第１および第２の直動軸を動かして計測する計測プログラムを作成する第２のステップと、
作成した前記計測プログラムに従って前記２つの角度にて測定した前記プローブの移動変位データと前記プローブの本来の移動変位データとの誤差を前記２つの角度に対する各々の測定誤差として求める第３のステップと、
前記測定誤差が各々０となるような前記第１および第２の直動軸の変位量を前記２つの角度に対する各々の第１の補正量として求める第４のステップと、
前記第１の補正量で補正した前記計測プログラムの前記２つの角度に対する前記第１および第２の直動軸の座標を基準座標として、前記直動軸の位置検出分解能を最小単位として所定の範囲内でそれぞれ独立して増減したときの増減量を第２の補正量として前記第１のステップで定義した前記位置を補正した位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５のステップと、
前記第５のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が最小となる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第６のステップと、
からなる機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法。
【請求項２】
前記第５のステップは、
前記第１の補正量で補正した前記計測プログラムの前記２つの角度に対する前記第１および第２の直動軸の座標を基準座標として、前記直動軸の位置検出分解能に所定の範囲内の正の整数をかけた値を第２の補正量として前記第１のステップで定義した前記位置から前記第２の補正量を引いた位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５１のステップと、
前記第５１のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５２のステップと、からなり、
さらに、第５１および第５２のステップにおいて前記誤差が前記所定の誤差以下になることがなかったとき、
前記第１のステップで定義した前記位置の前記第１の直動軸の座標から前記第２の補正量を引いて前記第１のステップで定義した前記位置の前記第２の直動軸の座標に前記第２の補正量を足した位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５３のステップと、
前記５３のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５４のステップと、からなり、
さらに、第５１から第５４のステップにおいて前記誤差が前記所定の誤差以下になることがなかったとき、
前記第１のステップで定義した前記位置の前記第１の直動軸の座標に前記第２の補正量を足して前記第１のステップで定義した前記位置の前記第２の直動軸の座標から前記第２の補正量を引いた位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５５のステップと、
前記５５のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５６のステップと、からなり、
さらに、第５１から第５６のステップにおいて前記測定誤差が前記所定の測定誤差以下になることがなかったとき、
前記第１のステップで定義した前記位置の前記第１の直動軸の座標に前記第２の補正量を足した位置に対して前記第２のステップより求まる計測プログラムから前記２つの角に対する前記第１および第２の直動軸の座標を補正座標として求める第５７のステップと、
前記５７のステップで求めた前記基準座標と前記補正座標の差が所定の誤差以下になる前記第２の補正量の中で最小の誤差になる前記第２の補正量で、前記第１のステップで定義した前記第１および第２の直動軸の座標を補正したものを最終的な前記回転軸の中心に対する前記測定子の先端の位置の前記第１および第２の直動軸の座標とする第５８のステップと、
からなる請求項１に記載の機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法。
【請求項３】
前記基準球は、100nm以下の形状精度を有する球であることを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載の機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法。
【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２０１１−２１４９３１（Ｐ２０１１−２１４９３１Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８２０９５（Ｐ２０１０−８２０９５）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【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２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【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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