JPH04299209A - 回転軸の回転中心位置の検出方法及びその検出装置 - Google Patents
回転軸の回転中心位置の検出方法及びその検出装置Info
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- JPH04299209A JPH04299209A JP8959991A JP8959991A JPH04299209A JP H04299209 A JPH04299209 A JP H04299209A JP 8959991 A JP8959991 A JP 8959991A JP 8959991 A JP8959991 A JP 8959991A JP H04299209 A JPH04299209 A JP H04299209A
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- rotation
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は回転軸の回転中心位置
を検出するための技術に関するものである。
を検出するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】回転軸の回転中心位置は、軸及び軸受の
構造、回転数、軸に作用する外力等により変動する。中
でも、工作機械主軸は様々な形状と重量を持つ工具或い
は工作物を保持して回転させながら加工を行うため、こ
うした変動は加工結果（寸法形状、加工面形状等）に対
して直接的な影響を及ぼすことになる。従って、必要と
される加工精度に対して許容し得る軸心変動となるよう
な主軸系の設計を行うことが要求される。例えば、０．
０１μｍの加工精度が要求される超精密加工機では、回
転中心位置の変動は同じ０．０１μｍオ―ダ以下におさ
えることが必要となる。また精密旋削加工においては工
具刃先の高さを回転中心位置に高精度に一致させること
も重要な技術的課題となっているが、これらの課題に対
応するためには、まず、無負荷回転中及び加工回転中に
おける主軸の回転中心位置を、サブミクロン或いはナノ
メ―タのオ―ダで高精度に検出する方法を確立すること
が必要である。
構造、回転数、軸に作用する外力等により変動する。中
でも、工作機械主軸は様々な形状と重量を持つ工具或い
は工作物を保持して回転させながら加工を行うため、こ
うした変動は加工結果（寸法形状、加工面形状等）に対
して直接的な影響を及ぼすことになる。従って、必要と
される加工精度に対して許容し得る軸心変動となるよう
な主軸系の設計を行うことが要求される。例えば、０．
０１μｍの加工精度が要求される超精密加工機では、回
転中心位置の変動は同じ０．０１μｍオ―ダ以下におさ
えることが必要となる。また精密旋削加工においては工
具刃先の高さを回転中心位置に高精度に一致させること
も重要な技術的課題となっているが、これらの課題に対
応するためには、まず、無負荷回転中及び加工回転中に
おける主軸の回転中心位置を、サブミクロン或いはナノ
メ―タのオ―ダで高精度に検出する方法を確立すること
が必要である。
【０００３】回転軸の回転中心を検出する技術としては
従来レーザドップラ法を応用した技術が開発されている
（昭和５７年特許出願第５１５８１号参照）。
従来レーザドップラ法を応用した技術が開発されている
（昭和５７年特許出願第５１５８１号参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このレーザードップラ
法による速度検出法を応用した回転軸の回転中心検出方
法は、回転体の回転中心位置では接線速度が０になるこ
とに注目して、接線速度が０になる位置を計測すること
で、回転中心を検出するものであるが、測定精度がミク
ロンオーダの範囲にあり、これ以上の高精度な回転中心
の検出が必要な場合には、別の測定技術の開発が必要で
ある。
法による速度検出法を応用した回転軸の回転中心検出方
法は、回転体の回転中心位置では接線速度が０になるこ
とに注目して、接線速度が０になる位置を計測すること
で、回転中心を検出するものであるが、測定精度がミク
ロンオーダの範囲にあり、これ以上の高精度な回転中心
の検出が必要な場合には、別の測定技術の開発が必要で
ある。
【０００５】この発明は上記のごとき事情に鑑みてなさ
れたものであって、超精密加工機の主軸の測定に使用で
きるように、より高精度で、かつ測定の容易な主軸回転
中心位置測定技術を提供することを目的とするものであ
る。
れたものであって、超精密加工機の主軸の測定に使用で
きるように、より高精度で、かつ測定の容易な主軸回転
中心位置測定技術を提供することを目的とするものであ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この目的に対応して、第
１の発明の回転軸の回転中心位置の検出方法は、回転軸
の先端にターゲットを取り付けて前記回転軸の回転中に
おける前記ターゲットの軸方向の変位を測定し、前記変
位の信号のうち前記回転と同期した成分が最小となる位
置を回転軸の回転中心として判定することを特徴として
いる。また、第２の発明の回転軸の回転中心位置の検出
装置は、回転軸の先端に取り付けられるターゲットと、
前記ターゲットに対向して位置し前記ターゲットの軸方
向の変位を測定する非接触型変位計と、前記変位計を支
持し回転軸に直交する平面内等を変位可能な微動台と、
前記変位計の出力信号から回転同期成分を取り出すフィ
ルタリング装置とを備えることを特徴としている。
１の発明の回転軸の回転中心位置の検出方法は、回転軸
の先端にターゲットを取り付けて前記回転軸の回転中に
おける前記ターゲットの軸方向の変位を測定し、前記変
位の信号のうち前記回転と同期した成分が最小となる位
置を回転軸の回転中心として判定することを特徴として
いる。また、第２の発明の回転軸の回転中心位置の検出
装置は、回転軸の先端に取り付けられるターゲットと、
前記ターゲットに対向して位置し前記ターゲットの軸方
向の変位を測定する非接触型変位計と、前記変位計を支
持し回転軸に直交する平面内等を変位可能な微動台と、
前記変位計の出力信号から回転同期成分を取り出すフィ
ルタリング装置とを備えることを特徴としている。
【０００７】
【作用】回転軸の先端に高精度の鋼球や平面板（オプチ
カルフラット）等のターゲットを取り付け、変位計によ
り回転軸の回転中におけるターゲットの軸方向の変位を
測定する。変位計の出力信号にはターゲットの形状成分
と回転精度成分を含むが、変位計の出力信号から回転同
期成分だけを取り出し、回転同期成分が最小となる位置
を回転軸の回転中心として判定する。
カルフラット）等のターゲットを取り付け、変位計によ
り回転軸の回転中におけるターゲットの軸方向の変位を
測定する。変位計の出力信号にはターゲットの形状成分
と回転精度成分を含むが、変位計の出力信号から回転同
期成分だけを取り出し、回転同期成分が最小となる位置
を回転軸の回転中心として判定する。
【０００８】
【実施例】以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面
について説明する。図１及び図２において、１は回転中
心位置測定装置であり、回転中心位置測定装置１は工作
機械の主軸２の先端にターゲット３をとりつけている。 ターゲット３は後述する変位計７における計測の対象と
なるもので、このようなターゲット３としては鋼球や平
面板（オプチカルフラット）を使用することができる。 図１で示す実施例ではターゲット３として鋼球４を使用
し、鋼球４が取付具５によって主軸２の先端にとりつけ
られている。
について説明する。図１及び図２において、１は回転中
心位置測定装置であり、回転中心位置測定装置１は工作
機械の主軸２の先端にターゲット３をとりつけている。 ターゲット３は後述する変位計７における計測の対象と
なるもので、このようなターゲット３としては鋼球や平
面板（オプチカルフラット）を使用することができる。 図１で示す実施例ではターゲット３として鋼球４を使用
し、鋼球４が取付具５によって主軸２の先端にとりつけ
られている。
【０００９】鋼球４の軸方向の変位は変位計７によって
計測される。変位計７は、鋼球４に対向してかつ鋼球４
とは非接触で位置している。変位計７は３次元微動台８
に支持されている。３次元微動台８はＹＺ方向での自己
の移動量を検出する移動量検出器１１を備えている。変
位計７の出力は増幅器１２に入力されて増幅され、さら
にフィルタ１３でフィルタリングされた後、電圧計１４
で計測される。
計測される。変位計７は、鋼球４に対向してかつ鋼球４
とは非接触で位置している。変位計７は３次元微動台８
に支持されている。３次元微動台８はＹＺ方向での自己
の移動量を検出する移動量検出器１１を備えている。変
位計７の出力は増幅器１２に入力されて増幅され、さら
にフィルタ１３でフィルタリングされた後、電圧計１４
で計測される。
【００１０】図３にはこの発明の他の実施例が示されて
いる。この図３に示す実施例ではターゲット３として、
オプチカルフラット１５が使用されており、オプチカル
フラット１５はゴニオステージ１６によって主軸１の先
端に取付られている。
いる。この図３に示す実施例ではターゲット３として、
オプチカルフラット１５が使用されており、オプチカル
フラット１５はゴニオステージ１６によって主軸１の先
端に取付られている。
【００１１】次にこのように構成された回転中心位置検
出装置における回転中心位置検出操作について説明する
。
出装置における回転中心位置検出操作について説明する
。
【００１２】（鋼球を使った主軸回転中心位置測定法）
図１及び図２に示すような主軸２の端面に鋼球４を取付
け、これと対向させて非接触変位計７を３次元微動台８
上にセットする。３次元微動台８のＹ，Ｚ方向の移動量
は精密な検出器１１で測定する。
図１及び図２に示すような主軸２の端面に鋼球４を取付
け、これと対向させて非接触変位計７を３次元微動台８
上にセットする。３次元微動台８のＹ，Ｚ方向の移動量
は精密な検出器１１で測定する。
【００１３】いま、図４に示すように主軸２の回転中心
がＸ軸上にありり、半径ｒの鋼球４がＸ軸からｅだけ偏
心して同図の実線で示すように主軸端に取付けられてい
るとする。この主軸２の軸方向の回転誤差（アキシアル
モ―ション）が０であれば、主軸２が半回転すると鋼球
は破線で示す位置に来る。回転中心位置Ｏからｙだけず
れた位置Ｂにおける鋼球４の半弦の長さを実線の場合に
ＢＣ、半回転後に破線の場合をＢＥとすれば、両者の差
ｘ（ＣＥ）は主軸の回転にともなって正弦波状に変動し
、その周期は主軸の回転の周期と一致する。そして、回
転中心位置、すなわちｙ＝０の位置ではｘ＝０となるこ
とがわかる。そして鋼球４が幾何学的に理想的な球であ
る場合には、ｘとｙは次の数式１のように表すことが出
来る。
がＸ軸上にありり、半径ｒの鋼球４がＸ軸からｅだけ偏
心して同図の実線で示すように主軸端に取付けられてい
るとする。この主軸２の軸方向の回転誤差（アキシアル
モ―ション）が０であれば、主軸２が半回転すると鋼球
は破線で示す位置に来る。回転中心位置Ｏからｙだけず
れた位置Ｂにおける鋼球４の半弦の長さを実線の場合に
ＢＣ、半回転後に破線の場合をＢＥとすれば、両者の差
ｘ（ＣＥ）は主軸の回転にともなって正弦波状に変動し
、その周期は主軸の回転の周期と一致する。そして、回
転中心位置、すなわちｙ＝０の位置ではｘ＝０となるこ
とがわかる。そして鋼球４が幾何学的に理想的な球であ
る場合には、ｘとｙは次の数式１のように表すことが出
来る。
【００１４】
【数１】
【００１５】ここでｘがｙに比べて極めて小さい場合に
は、ｘ２ の項を無視して次の数式２とすることができ
る。
は、ｘ２ の項を無視して次の数式２とすることができ
る。
【００１６】
【数２】
【００１７】更にｙ及びｅが鋼球４の半径に比べて極め
て小さい場合には次の数式３と近似することができる。
て小さい場合には次の数式３と近似することができる。
【数３】
【００１８】いま、直径１／２インチ（半径６．３５ｍ
ｍ）の鋼球４が、回転中心位置から１０μｍ偏心して取
付けられている場合のｘとｙの関係を図５に示す。この
図の実線は数式２を当てはめた場合であり、破線のグラ
フは数式３を当てはめた場合である。これよりｙが±２
ｍｍ以内では両者の差は５％以下となる。
ｍ）の鋼球４が、回転中心位置から１０μｍ偏心して取
付けられている場合のｘとｙの関係を図５に示す。この
図の実線は数式２を当てはめた場合であり、破線のグラ
フは数式３を当てはめた場合である。これよりｙが±２
ｍｍ以内では両者の差は５％以下となる。
【００１９】こうしたことから、主軸２の回転に同期し
た鋼球４のＸ軸方向の動きｘを高感度非接触変位計７に
よって計測しながら、変位計７をＹ（またはＺ）方向に
スライドさせてｘが最小になる位置を検出し、次にその
位置で直交するＺ（またはＹ）方向にスライドさせてｘ
が０になる位置を検出することにより、回転中心位置を
測定できることがわかる。
た鋼球４のＸ軸方向の動きｘを高感度非接触変位計７に
よって計測しながら、変位計７をＹ（またはＺ）方向に
スライドさせてｘが最小になる位置を検出し、次にその
位置で直交するＺ（またはＹ）方向にスライドさせてｘ
が０になる位置を検出することにより、回転中心位置を
測定できることがわかる。
【００２０】（実験結果）図６は、高精密加工機主軸の
先端に真円度０．０２５μｍ、直径１／２インチの鋼球
を取付けて毎分１１６０回転の回転速度で回転させ、そ
の際のｘを静電容量型変位計（測定分解能０．００５μ
ｍ以下）で測定した結果である。この時の変位計の移動
量はやはり別の静電容量変位計（測定分解能１μｍ以下
）で測定している。
先端に真円度０．０２５μｍ、直径１／２インチの鋼球
を取付けて毎分１１６０回転の回転速度で回転させ、そ
の際のｘを静電容量型変位計（測定分解能０．００５μ
ｍ以下）で測定した結果である。この時の変位計の移動
量はやはり別の静電容量変位計（測定分解能１μｍ以下
）で測定している。
【００２１】回転同期成分は４ｎｍで最小値となってい
て０とはならない。これは実際の主軸では軸芯方向の回
転誤差成分（アキシアルモ―ション）が存在すること、
鋼球の形状が理想的な球ではないこと等によるものと考
えられる。
て０とはならない。これは実際の主軸では軸芯方向の回
転誤差成分（アキシアルモ―ション）が存在すること、
鋼球の形状が理想的な球ではないこと等によるものと考
えられる。
【００２２】更に、この結果を数式３に当てはめること
によって鋼球のの取付偏心量を推定することも可能であ
り、この場合には８．５μｍと推定できることがわかる
。
によって鋼球のの取付偏心量を推定することも可能であ
り、この場合には８．５μｍと推定できることがわかる
。
【００２３】（オプチカルフラットを使った回転中心位
置測定法）図３に示すごとく、鋼球の替わりに高精度な
平面を持ったオプチカルフラット１５をゴニオステ―ジ
１６と共に軸端面にＹ或いはＺ軸からθだけ傾けて取付
ける。この場合には、主軸２の回転によって回転中心位
置Ｏからｙの位置で生ずるオプチカルフラットの振れの
回転同期成分ｘは次の数式４のようになる。
置測定法）図３に示すごとく、鋼球の替わりに高精度な
平面を持ったオプチカルフラット１５をゴニオステ―ジ
１６と共に軸端面にＹ或いはＺ軸からθだけ傾けて取付
ける。この場合には、主軸２の回転によって回転中心位
置Ｏからｙの位置で生ずるオプチカルフラットの振れの
回転同期成分ｘは次の数式４のようになる。
【００２４】
【数４】
【００２５】この場合にはゴニオステ―ジ１６を用いて
オプチカルフラット１５の傾き角θを変えれば、振れｘ
の大きさを変えることができ、式から明らかなように、
傾きθがわかっていればｘを測定することによって回転
中心位置からのズレｙの大きさを求めることができる。 鋼球のの場合と異なって、ｘとｙの関係は１次関数で極
めてシンプルな関係となる。
オプチカルフラット１５の傾き角θを変えれば、振れｘ
の大きさを変えることができ、式から明らかなように、
傾きθがわかっていればｘを測定することによって回転
中心位置からのズレｙの大きさを求めることができる。 鋼球のの場合と異なって、ｘとｙの関係は１次関数で極
めてシンプルな関係となる。
【００２６】回転中心の位置は、変位計Ｙ（またはＺ）
方向にスライドさせてｘが最小になる位置を検出し、次
にその位置で直交するＺ（またはＹ）方向にスライドさ
せた場合に、ｘが０になる位置であることがわかる（図
３参照）。
方向にスライドさせてｘが最小になる位置を検出し、次
にその位置で直交するＺ（またはＹ）方向にスライドさ
せた場合に、ｘが０になる位置であることがわかる（図
３参照）。
【００２７】
【発明の効果】このようにこの発明によれば、超精密加
工機の主軸の測定に使用できるような、より高精度で、
かつ測定の容易な主軸回転中心位置測定技術を得ること
ができる。その結果、工作機械等における切削力による
主軸の弾性変形を直接求めることができ、主軸の設計に
際して有益な資料を得ることができる。この発明の回転
中心検出技術では、ターゲットである鋼球または平面板
と軸心との心合わせは厳密に行う必要がないので、操作
がきわめて簡単である。
工機の主軸の測定に使用できるような、より高精度で、
かつ測定の容易な主軸回転中心位置測定技術を得ること
ができる。その結果、工作機械等における切削力による
主軸の弾性変形を直接求めることができ、主軸の設計に
際して有益な資料を得ることができる。この発明の回転
中心検出技術では、ターゲットである鋼球または平面板
と軸心との心合わせは厳密に行う必要がないので、操作
がきわめて簡単である。
【００２８】この方法では測定精度に影響を及ぼすもの
としては、以下のような要因が考えられる。 ■鋼球の真円度
現状 ０．０２５μｍ／１２．７φ ■オ
プチカルフラットの平面度 現状 ０．０
０６μｍ／１０ φ ■微動台の真直度
現状 ０．１
μｍ／１ｍｍ ■微動台のスケ―ルの分解能
現状 ０．１ μｍ ■測定系の
ノイズレベル ０
．００５μｍ ■軸のアキシアルモ―ション これより現状では、測定精度は微動台とスケ―ルの精度
により制約されており、０．１μｍであることがわかる
。従って、微動台とスケ―ルの精度を向上させれば一層
高精度な検出が可能となる。
としては、以下のような要因が考えられる。 ■鋼球の真円度
現状 ０．０２５μｍ／１２．７φ ■オ
プチカルフラットの平面度 現状 ０．０
０６μｍ／１０ φ ■微動台の真直度
現状 ０．１
μｍ／１ｍｍ ■微動台のスケ―ルの分解能
現状 ０．１ μｍ ■測定系の
ノイズレベル ０
．００５μｍ ■軸のアキシアルモ―ション これより現状では、測定精度は微動台とスケ―ルの精度
により制約されており、０．１μｍであることがわかる
。従って、微動台とスケ―ルの精度を向上させれば一層
高精度な検出が可能となる。
【図１】回転中心位置検出装置の構成斜視説明図である
。
。
【図２】回転中心位置検出装置のターゲット部の構成正
面説明図である。
面説明図である。
【図３】他の回転中心位置検出装置のターゲット部の構
成正面説明図である。
成正面説明図である。
【図４】鋼球を使用した回転中心位置測定法を示す説明
図である。
図である。
【図５】鋼球による測定法における回転同期成分の大き
さを示すグラフである。
さを示すグラフである。
【図６】鋼球による測定法における実験結果を示すグラ
フである。
フである。
１ 回転中心位置測定装置
２ 主軸
３ タ―ゲット
４ 鋼球
５ 取付具
６ 移動量検出器
７ 変位計
８ ３次元微動台
１１ 移動量検出器
１２ 増幅器
１３ フィルタ
１４ 電圧計
１５ オプチカルフラット
１６ ゴニオステ―ジ
Claims (2)
- 【請求項１】 回転軸の先端にターゲットを取り付け
て前記回転軸の回転中における前記ターゲットの軸方向
の変位を測定し、前記変位の信号のうち前記回転と同期
した成分が最小となる位置を回転軸の回転中心として判
定することを特徴とする回転軸の回転中心位置の検出方
法 - 【請求項２】 回転軸の先端に取り付けられるター
ゲットと、前記ターゲットに対向して位置し前記ターゲ
ットの軸方向の変位を測定する非接触型変位計と、前記
変位計を支持し回転軸に直交する平面内等を変位可能な
微動台と、前記変位計の出力信号から回転同期成分を取
り出すフィルタリング装置とを備えることを特徴とする
回転軸の回転中心位置の検出装置
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8959991A JPH0794978B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-03-28 | 回転軸の回転中心位置の検出方法及びその検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8959991A JPH0794978B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-03-28 | 回転軸の回転中心位置の検出方法及びその検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04299209A true JPH04299209A (ja) | 1992-10-22 |
| JPH0794978B2 JPH0794978B2 (ja) | 1995-10-11 |
Family
ID=13975239
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8959991A Expired - Lifetime JPH0794978B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-03-28 | 回転軸の回転中心位置の検出方法及びその検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0794978B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5390151A (en) * | 1992-03-27 | 1995-02-14 | Agency Of Industrial Science & Technology | Method and device for measuring the center of rotation of a rotating shaft |
| CN102506668A (zh) * | 2011-10-28 | 2012-06-20 | 中国核工业二三建设有限公司 | 无挠度对中装置 |
| CN111288945A (zh) * | 2020-04-01 | 2020-06-16 | 玉溪合创科技有限公司 | 一种检测固定旋转筒体设备位移变化的装置 |
-
1991
- 1991-03-28 JP JP8959991A patent/JPH0794978B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5390151A (en) * | 1992-03-27 | 1995-02-14 | Agency Of Industrial Science & Technology | Method and device for measuring the center of rotation of a rotating shaft |
| CN102506668A (zh) * | 2011-10-28 | 2012-06-20 | 中国核工业二三建设有限公司 | 无挠度对中装置 |
| CN111288945A (zh) * | 2020-04-01 | 2020-06-16 | 玉溪合创科技有限公司 | 一种检测固定旋转筒体设备位移变化的装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0794978B2 (ja) | 1995-10-11 |
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