JPH10109253A - 工作機械の移動誤差測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 工作機械の移動誤差測定作業が簡単に行える
工作機械の移動誤差測定システムの実現。 【解決手段】 工作機械９１の各移動軸の移動誤差を、
レーザ測長器を使用して測定する工作機械の移動誤差測
定システムであって、移動部分に固定された測定用コー
ナーキューブ１７０、１７１、１７２に向かって測定用
レーザビームを出射するレーザ測長器の干渉光学ユニッ
ト１４を、外部信号に応じて回転させる回転機構を備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＳＯ２３０−２
やＪＩＳ−Ｂ−６２０１-1990 あるいはＡＮＳＩ／ＡＳ
ＭＥ Ｂ５，５４等に規定されている工作機械の移動誤
差をレーザ測長器を使用して測定する測定システムに関
する。

【０００２】

【従来の技術】ＮＣ工作機械の精度については、ＩＳＯ
２３０−２やＪＩＳ−Ｂ−６２０１-1990 あるいはＡＮ
ＳＩ／ＡＳＭＥ Ｂ５，５４等の規格に試験項目や試験
方法が規定されている。ここで規定されている項目は、
各移動軸方向あるいは対角線方向（ダイアゴナル）の移
動量誤差、バックラッシュ、ヨーイング等である。例え
ば各移動軸方向の移動量誤差の試験方法では、各移動軸
方向毎に所定量ずつ移動する動作を行った後、逆方向に
同じように戻る動作を所定量繰り返し、それぞれの移動
点での誤差の最大値や２乗平均値を算出する方法が規定
されている。

【０００３】上記のような試験項目の測定には、通常の
接触型のゲージや磁気スケール等も使用されるが、もっ
とも一般的にはレーザ測長器が使用される。図１は、レ
ーザ測長器を使用してＮＣ工作機械（マシニングセン
タ）の精度を測定するための従来の配置例を示す図であ
る。図１に示すように、工作機械９１は、加工ツールを
保持し駆動する加工ツール部９２と、被加工物を載せる
載物台９３と、それらの制御を行うＮＣコントローラ９
７を備える。加工ツール部９２は上下方向（Ｚ軸方向）
に移動可能であり、載物台９３はＺ軸方向に垂直な平面
内の相互に垂直な２方向に移動可能であり、ＮＣコント
ローラ９７により移動が制御される。上記のＩＳＯ２３
０−２やＪＩＳ−Ｂ−６２０１-1990 の移動量誤差とバ
ックラッシュの測定に関する規定では、これらのＮＣコ
ントローラ９７から各軸方向に所定の移動量だけ移動す
るように指示した時に実際にどれだけ移動したかを測定
する。図示しているのは、矢印で示した方向（Ｘ軸方
向）の移動量誤差とバックラッシュを測定する場合であ
り、まずレーザ光源１１から出射されるレーザ光の光軸
がＸ軸方向に一致するように光軸合わせしたレーザ光源
１１を配置する。次に加工ツール部９２の先端にレーザ
干渉測長器の干渉光学ユニット１３をレーザ光が入射す
るように取り付け、載物台９３の端に反射鏡（コーナー
キューブ）を配置する。

【０００４】図２は、干渉光学ユニット１３の構成を示
す図である。レーザ光源１１は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の
可干渉性の良好な（干渉距離の長い）レーザ光を出力す
るレーザ光源であり、そこから出力されたレーザ光は、
偏光ビームスプリッタ１３１で２つのレーザビームに分
けられる。この時、偏光ビームスプリッタ１３１の光軸
は入射するレーザ光の偏光面に対して４５°になるよう
に調整されている。この場合、偏光ビームスプリッタ１
３１を透過するレーザ光はＰ偏光、偏光ビームスプリッ
タ１３１で反射するレーザ光はＳ偏光と呼ばれ、互いに
偏光方向が直交している。一方のレーザビーム（Ｐ偏
光）は載物台９３の端に配置されたコーナーキューブ１
７に入射し、そこで逆方向に反射されて再び偏光ビーム
スプリッタ１３１に入射する。他方のレーザビーム（Ｓ
偏光）は干渉光学ユニット１３に設けられた参照用コー
ナーキューブ１３２に入射し、そこで逆方向に反射され
て再び偏光ビームスプリッタ１３１に入射する。コーナ
ーキューブ１７から偏光ビームスプリッタ１３１に入射
したレーザビームと参照用コーナーキューブ１３２から
偏光ビームスプリッタ１３１に入射したレーザビーム
は、偏光ビームスプリッタ１３１で重なり合い、偏光板
１３８を通過した後光検出器１３３に入射する。これら
の２つのレーザビームは相互に干渉し干渉縞を生じる
が、干渉縞の強度は２つのレーザビームの光路差がレー
ザビームの波長の整数倍の時にもっとも大きくなり、光
路差が波長の整数倍と１／２異なる時にもっとも小さく
なる。そのため、載物台９３が移動し、その端に配置さ
れたコーナーキューブ１７が移動すると光検出器１３３
の出力強度が周期的に変化する。具体的にはコーナーキ
ューブ１７が１／２波長分移動すると、往復で波長分の
光路差が生じるため、光検出器１３３の出力強度が変化
するサイクル数に１／２波長を乗じた値がコーナーキュ
ーブ１７、すなわち載物台９３の移動距離である。

【０００５】光検出器１３３の出力信号は、増幅器１３
４で増幅された後、比較器１３５で出力信号の中間レベ
ルと比較されて２値信号に変換され、それをカウンタ１
３６で計数する。測長値算出部１３７は、カウンタ１３
６の値から移動距離を算出する。図１及び図２に示した
従来の配置で、各軸方向の移動量を測定する手順につい
て説明する。

【０００６】作業者は、図１のようなＸ軸方向の移動量
誤差を測定する配置を完了した後、ＮＣコントローラ９
７を操作して、ＩＳＯ２３０−２やＪＩＳ−Ｂ−６２０
１-1990 等に規定された試験方法に対応する移動量分だ
け載物台９３をＸ軸方向に移動させるように指示する。
そしてこの移動に対応するレーザ測長器の測定値を記録
する。このような測定を、規定された個数の目標位置へ
規定された回数分移動させて行う。具体的には、ＩＳＯ
２３０−２とＪＩＳ−Ｂ−６２０１-1990 では、２ｍま
での移動距離ではメートル当たり５つの目標位置をとる
必要があり、更に各目標位置に５回以上各向きで移動さ
せる必要があり、測定を行う回数は膨大である。しか
も、各目標位置をどのような順番に測定するかで、直線
サイクルと折り返しサイクル等の複数のサイクルが規定
されており、対象となる工作機械毎にいずれかを選択し
て測定を行う必要がある。各目標位置のＮＣコントロー
ラ９７への入力は、測定毎に行われる場合も、最初にま
とめて入力し、ボタン操作により順に移動させる場合も
ある。いずれにしろ、各目標位置を入力する必要があ
る。そのため、作業に時間がかかる上、作業が非常に煩
雑で誤り易いという問題があった。また、測定値には規
定された演算処理を施して、評価値を算出することも必
要である。

【０００７】更に、マシニングセンタやフライス盤等の
ＮＣ工作機械では移動軸は通常３軸あり、これらのすべ
ての移動軸方向について移動量誤差を測定する必要があ
る。そのため、Ｘ軸方向の測定が終了すると、レーザ光
源１１、干渉光学ユニット１３及びコーナーキューブ１
７の配置をＹ軸方向の移動量誤差を測定する配置に変更
した上で、Ｙ軸方向の測定を行い、その後更にＺ軸方向
の測定を行う必要がある。そのため、図１に示したレー
ザ光源１１からのレーザービームがＸ軸方向に出力され
る配置からＹ軸方向及びＺ軸方向に出力される配置に変
える必要があるが、レーザービームをＺ軸方向に、しか
も加工ツール部９２を通過するように配置するのは容易
でない。そのため反射鏡（ミラー）等を組み合わせてレ
ーザービームの方向を変えるようにしているが、配置を
調整する要素が増加するために調整作業は更に煩雑にな
る。

【０００８】このような問題を解決するため、実願昭６
２−５２８６９号にはレーザ光源から干渉光学ユニット
へのレーザビームの伝達を光ファイバで行うことにより
配置の自由度を大幅に向上させた分離型レーザ干渉計が
提案されている。この分離型ーザ干渉計を使用すれば各
軸へのセッティングは容易に行えるものの、このような
分離型レーザ干渉計を使用しても、方向の切り換えは自
動的に行えず、作業者が各軸にセッティングする必要が
あるのが現状である。

【０００９】更に、上記のレーザ光源１１、干渉光学ユ
ニット１３及びコーナーキューブ１７の配置において
は、レーザビームが測定しようとする移動軸の方向に平
行に出力されることが必要であり、もし平行でないと測
定した値は、平行との角度差の余弦（ｃｏｓ）値になり
誤差を生じる。角度差が小さければ誤差は小さいが、レ
ーザ測長器を使用して測定する測定値は非常な高精度を
要求されるため、角度差が十分に小さくなるように、レ
ーザビームと移動軸の平行度を十分に合わせる必要があ
り、熟練した作業者が行う必要がある上、熟練した作業
者が行うにしても煩雑な作業であるという問題があっ
た。

【００１０】また、図６はＡＮＳＩ／ＡＳＭＥ Ｂ５，
５４に規定された対角線方向の移動量誤差を測定する従
来の配置例を示す図である。図示のように、載物台９３
２の端に干渉光学ユニット１３を配置し、加工ツール部
の先端にコーナーキューブ１７を取り付け、干渉光学ユ
ニット１３から出射されたレーザ光がコーナーキューブ
１７に入射するようにする。その上で、載物体９３１と
９３２及び加工ツール部を移動させて、干渉光学ユニッ
ト１３がコーナーキューブ１７に対して相対的に図の破
線上を移動するように制御し、干渉光学ユニット１３と
コーナーキューブ１７間の距離の変化を検出する。図６
に示したような対角線方向の移動量誤差を測定するため
のセッティングが更に煩雑であることは容易に理解でき
ることである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本出願人は、このよう
な問題点を解決するため、特願平８−５６０８２号で、
干渉光学ユニットから出力される測定用レーザビームの
出射方向を、３軸方向に切り換え可能なレーザ測長器を
開示している。これを使用することにより、測定用レー
ザビームの出射方向を自動的に切り換えられるようにな
る。しかし、測定用レーザビームの出射方向が切り換え
られない従来のレーザ測長器が広く使用されており、こ
のような従来のレーザ測長器を使用して工作機械の移動
誤差の測定が容易に行える測定システムが要望されてい
る。

【００１２】また、レーザビームの出射方向を３軸方向
に切り換えられるだけでは、図６に示した対角線方向の
測定のためのセッティングは容易にならず、あいかわら
ず煩雑な作業が必要であるという問題があった。本発明
は、このような要望を実現するためのものであり、工作
機械の移動誤差を容易に測定できる、測定作業の自動化
にも適用できる工作機械の移動誤差測定システムの実現
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を実現するた
め、本発明の工作機械の移動誤差測定システムは、レー
ザ測長器の干渉光学ユニットを外部信号に応じて回転さ
せる回転機構を備え、測定用レーザビームの出射方向が
切り換えられない従来のレーザ測長器を使用しても、測
定用レーザビームの出射方向が切り換えられるようにす
る。

【００１４】すなわち、本発明の工作機械の移動誤差測
定システムは、工作機械の各移動軸の移動誤差を、レー
ザ測長器を使用して測定する工作機械の移動誤差測定シ
ステムであって、移動部分に固定された測定用コーナー
キューブに向かって測定用レーザビームを出射するレー
ザ測長器の干渉光学ユニットを、外部信号に応じて回転
させる回転機構を備えることを特徴とする。

【００１５】３軸方向の移動誤差を測定するため、回転
機構は直角な２軸の回りを独立に回転可能な２軸回転機
構であることが望ましい。また、安定したレーザビーム
を出射するレーザ光源はかなりの大きさと重量を有する
ため、レーザ光源を干渉光学ユニットと一緒に回転させ
ることは難しい。そこで、レーザ光源と干渉光から干渉
縞に応じた電気信号を生成して干渉縞の変化数をカウン
トする受光処理ユニットは、干渉光学ユニットと分離し
て設け、それらの間を光ファイバで接続した分離型レー
ザ測長器を使用することが望ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】図３は、本発明の第１実施例の縦
型のマシニングセンタの全自動測定システムの構成を示
す図である。図３に示すように、ＮＣ工作機械は従来の
ものと同じであり、加工ツール部９２、載物台９３、Ｎ
Ｃコントローラ９７等を備える。従来のＮＣ工作機械の
ＮＣコントローラ９７は、一般にＲＳ−２３２Ｃ用ター
ミナル等のデータ入出力ポートを備えている。本発明が
適用されるＮＣ工作機械のＮＣコントローラ９７もこの
ようなデータ入出力ポートを備えていることが要求され
る。

【００１７】本実施例で使用されるレーザ測長器は実願
昭６２−５２８６９号に記載されている分離型レーザ干
渉計である。この分離型レーザ干渉計は、レーザ光源と
干渉光学ユニットの間を単一モードファイバ又は偏波面
保存ファイバ等の光ファイバで接続することにより、レ
ーザ光源と干渉光学ユニットの間のアラインメント調整
を不要にすると共にその間の配置の自由度を高めたレー
ザ測長器である。更に、信号処理部を干渉光学ユニット
から分離することも可能であり、干渉光学ユニットに光
検出器を設けて干渉縞の信号を電気信号に変換し、電気
信号用ケーブルで信号処理部に送ることも可能である
が、ここでは信号処理部に光検出器を設けて干渉縞の光
信号を光ファイバを介して信号処理部の光検出器に送信
する形式のものを使用する。これにより、干渉光学ユニ
ットをより小型にできる。

【００１８】図３において、参照番号１１はＨｅ−Ｎｅ
レーザ等の可干渉距離の長いレーザ光を出力するレーザ
光源であり、１４は干渉光学ユニットであり、１５は回
転機構であり、１６は信号処理ユニットであり、３２は
回転機構１５の動作を制御する方向切り換えコントロー
ラであり、３１は測定制御部に相当するノート型パーソ
ナルコンピュータ（ＰＣ）である。ノート型ＰＣは通常
のコンピュータであり、構成についての説明は省略す
る。レーザ光源１１１と干渉光学ユニット１４の間は単
一モードファイバ又は偏波面保存ファイバ等の光ファイ
バ１２１で接続され、干渉光学ユニット１４と信号処理
ユニット１６の間は光ファイバ１２２で接続されてい
る。回転機構１５と方向切り換えコントローラ３２の間
は電気ケーブル３５で接続されている。また、ノート型
ＰＣ３１とＮＣコントローラ９７、信号処理ユニット１
６、及び方向切り換えコントローラ３２の間はデータ通
信ケーブルで接続されており、制御信号やデータの送受
信が可能である。信号処理ユニット１６は光検出器とそ
の出力の変化から干渉縞の本数を計数するカウンタを備
えている。

【００１９】図４は、干渉光学ユニット１４と回転機構
１５の部分を示す斜視図である。図４に示すように、Ｎ
Ｃ工作機械の加工ツール部９２からは主軸９２１が伸び
ており、その先端にエンドミル等の刃物を取り付けるツ
ールチャック９２２が設けられている。回転機構１５は
このツールチャック９２２に取り付ける。回転機構１５
は、ツールチャック９２２に取り付けるポール１５１
と、ポール１５１に固定された第１の支持部材１５４
と、第１の支持部材１５４に取り付けられたモータ１５
２と、第１の支持部材１５４によって回転可能に支持さ
れモータ１５２によって回転する第２の支持部材１５５
と、第２の支持部材１５５に取り付けられたモータ１５
３と、第２の支持部材１５５によって回転可能に支持さ
れモータ１５３によって回転する回転軸１５６と、回転
軸１５６に固定された第３の支持部材１５７を有する。
干渉光学ユニット１４は第３の支持部材１５７に固定さ
れる。

【００２０】主軸９２１の方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向に
垂直な平面内の２方向をＸ軸方向とＹ軸方向とし、図４
の状態で干渉光学ユニット１４からＸ軸方向に測定用レ
ーザビームが出射されているとする。モータ１５２を回
転することにより、干渉光学ユニット１４から出射され
る測定用レーザビームはＸＹ平面内で方向が変化する。
従って、図４の状態から９０°回転すればＹ軸方向に測
定用レーザビームが出射される。また、モータ１５３を
回転することにより、干渉光学ユニット１４から出射さ
れる測定用レーザビームはＸＺ平面内で方向が変化す
る。従って、図４の状態から９０°回転すればＺ軸方向
に測定用レーザビームが出射される。モータ１５２と１
５３は、方向切り換えコントローラ３２とケーブル３５
で接続されており、方向切り換えコントローラ３２から
の駆動信号に応じて動作する。また、モータ１５２と１
５３は、回転量を検出するエンコーダを備えたモータで
あり、方向切り換えコントローラ３２はケーブル３５を
介して回転量を検出できるようになっている。従って、
９０°以外の所望の値だけ回転させることも可能であ
る。

【００２１】図５は、干渉光学ユニット１４の内部の構
成を示す図である。すでに説明したように、この干渉光
学ユニット１４は、実願昭６２−５２８６９号に記載さ
れている分離型レーザ干渉計であり、図２に示した従来
の構成と異なるのは、レーザ光源１１から光ファイバ１
２１で伝達されたレーザビームを平行ビームにするコリ
メータレンズ１３９と、偏光板１３８を通過した干渉ビ
ームを光ファイバ１２２の端面に集光するコリメータレ
ンズ１４０とが設けられている点である。従って、詳し
い説明は省略する。

【００２２】図４と図５に示した干渉光学ユニット１４
と回転機構１５とを使用して図３に示したＮＣ工作機械
９１の移動誤差を測定する手順について簡単に説明す
る。まず最初にレーザビームの方向を切り換えた場合に
各軸に平行であることを確認し、各軸の測定に使用され
るコーナーキューブをすべて指定された位置に配置す
る。そして、最初に測定する軸方向に測定用レーザビー
ムが出射されるように設定した上で、ＮＣ工作機械９１
の載物台９３又は加工ツール部９２を移動させ、その時
の移動量をレーザ測長器で測定する。１つの軸方向の測
定が終了したら、干渉光学ユニット１４を回転して次に
測定する軸方向に測定レーザビームが出射されるように
した上で、移動量を測定し、残りの移動軸についても同
様の走査を行う。

【００２３】工作機械では、移動軸方向だけでなく、Ａ
ＮＳＩ／ＡＳＭＥ Ｂ５，５４等に規定されているよう
に移動軸に対してある角度をなす方向に移動させた時の
移動誤差であるダイアゴナル移動誤差を測定する必要が
ある場合がある。このような場合には、回転機構により
干渉光学ユニットを回転させて、ダイアゴナル移動方向
に測定レーザビームが出射されるように設定した上で、
測定を行えばよい。本発明の移動誤差測定システムで
は、各軸方向の移動誤差を測定した後、続けてダイアゴ
ナル移動誤差を測定する場合も、自動的にダイアゴナル
移動に測定レーザビームが出射されるように設定できる
ので、連続して測定することが可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
煩雑な工作機械の移動誤差測定作業が簡単に行えるよう
になり、工数が削減されると共に、測定作業を大幅に自
動化することも可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＮＣ工作機械の移動軸方向の移動誤差を測定す
る従来の配置例を示す図である。

【図２】従来の干渉光学ユニットの構成を示す図であ
る。

【図３】本発明の実施例の縦型マシニングセンタの移動
誤差測定システムの構成を示す図である。

【図４】実施例の干渉光学ユニットと回転機構を示す斜
視図である。

【図５】実施例の干渉光学ユニットの構成を示す図であ
る。

【図６】対角線方向の移動誤差を測定するための従来の
セッティング例を示す図である。

【符号の説明】

１１…レーザ光源 １３、１４…干渉光学ユニット １６…信号処理ユニット １７０、１７１、１７２…コーナーキューブ ３１…測定制御手段（ノート型パーソナルコンピュー
タ） ９１…工作機械 ９２…加工ツール部 ９３…載置台 ９７…ＮＣコントローラ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工作機械（９１）の各移動軸の移動誤差
   を、レーザ測長器を使用して測定する工作機械の移動誤
   差測定システムであって、 移動部分に固定された測定用コーナーキューブ（１７
   ０、１７１、１７２）に向かって測定用レーザビームを
   出射する前記レーザ測長器の干渉光学ユニット（１４）
   を、外部信号に応じて回転させる回転機構（１５）を備
   えることを特徴とする工作機械の移動誤差測定システ
   ム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の工作機械の移動誤差測
   定システムであって、 前記回転機構（１５）は、直角な２軸の回りを独立に回
   転可能な２軸回転機構である工作機械の移動誤差測定シ
   ステム。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の工作機械の移動
   誤差測定システムであって、 前記レーザ測長器は、レーザ光源（１１）が前記干渉光
   学ユニット（１４）と分離して設けられており、前記レ
   ーザ光源（１１）から前記干渉光学ユニット（１４）に
   レーザビームを伝達する光ファイバ（１２１）を備える
   工作機械の移動誤差測定システム。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれか１項に記載の
   工作機械の移動誤差測定システムであって、 前記レーザ測長器は、前記測定用レーザビームと参照用
   レーザビームを合成した干渉光から干渉縞に応じた電気
   信号を生成して干渉縞の変化数をカウントする受光処理
   ユニット（１６）が、前記干渉光学ユニット（１４）と
   分離して設けられており、前記干渉光学ユニット（１
   ４）から前記受光処理ユニット（１６）にレーザビーム
   を伝達する光ファイバ（１２２）を備える工作機械の移
   動誤差測定システム。