JP7797309B2

JP7797309B2 - 基準器設置用治具、工作機械における基準器の測定方法

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Publication number: JP7797309B2
Application number: JP2022086271A
Authority: JP
Inventors: 拓也小島; 哲也松下; 康功近藤
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2022-05-26
Filing date: 2022-05-26
Publication date: 2026-01-13
Anticipated expiration: 2042-05-26
Also published as: DE102023204836A1; JP2023173786A; US20230384076A1; CN117124134A

Description

本開示は、工作機械の運動誤差の計測に用いる基準器を、テーブル上の所定の方向に設置するための基準器設置用治具と、工作機械において基準器を測定する方法とに関するものである。

図１は、３つの並進軸を有する工作機械Ｍの模式図である。
主軸頭２は、並進軸であり互いに直交するＸ・Ｙ軸によって並進２自由度の運動が可能である。また、主軸頭２は、Ｘ・Ｙ軸に直交するＺ軸により並進１自由度の運動が可能である。したがって、ベッド１上のテーブル３に対して主軸頭２は並進３自由度を有する。各軸は、数値制御装置により制御されるサーボモータにより駆動され、被工作物Ｗをテーブル３に固定し、主軸頭２の主軸に工具を装着して回転させ、被工作物Ｗを任意の形状に加工する。
工作機械には、位置決め誤差・真直度・直角度といった運動誤差がある。これらの運動誤差は、被工作物の加工精度や計測精度に影響を及ぼす。工作機械の運動誤差を測定するために、図２のように精度の基準となる基準器１２をテーブル３上に所定の方向に向けて設置し、主軸頭２に取り付けたタッチプローブ１１や変位センサを用いて、基準器１２に設けられたターゲット球（Ｐ１～Ｐ５）の相対位置を測定する方法などが用いられる。その際、タッチプローブ１１を用いて基準器１２の設置方向を測定し、その結果をもとに基準器１２のターゲット球の理想的な位置を計算し、その理想的な位置と測定されたターゲット球の位置とを比較することで、工作機械の運動誤差を測定することができる。

特許文献１には、工作機械の運動誤差の測定において、複数の球を固定したゲージ（基準器）を用いて、ゲージの球間距離を測定して誤差を評価する方法が開示されている。このゲージは、土台と、土台に取り付けられて複数の球体を有するアームとを備え、アームが水平方向及び／又は垂直方向へ任意の角度回転できるようになっている。
また、非特許文献１には、被工作物をテーブル上の所定の方向に設置するマシンバイスが開示されている。このマシンバイスの底面には、ガイドブロックが設けられており、ガイドブロックをテーブルの溝に嵌合させることで、マシンバイスを所定の方向に設置可能となっている。よって、基準器の底面にガイドブロックを設けて、同様にテーブルの溝を利用して基準器を設置することが考えられる。

特許第６９６０８９３号公報

「マシンバイス」株式会社ナベヤ、［令和４年４月２８日検索］、インターネット＜URL:https://www.nabeya.co.jp/search.php?grp=J＞

特許文献１のゲージは複雑な機構を有しており、製造コストが高くなってしまうだけでなく、重量があるためテーブルへの設置や持ち運びの際に不便である。
一方、非特許文献１に開示のガイドブロックを用いる場合、基準器の底面にガイドブロックを所定の方向に取り付けるためのタップ穴およびガイド溝が必要となり、既製品に対して追加加工が必要になってしまう。しかし、追加加工をすると基準器の精度が変化してしまう可能性がある。また、テーブルに溝がない場合には用いることができない。

そこで、本開示は、工作機械の運動誤差の測定に用いる基準器がテーブル上の所定の方向へ簡単に設置可能となる基準器設置用治具と、工作機械における基準器の測定方法とを提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、本開示の第１の構成は、２軸以上の並進軸と、複数の溝又はタップ穴が施されたテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記並進軸により、前記テーブル上に設置された被工作物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械において、前記テーブル上の所定の方向に設置した基準器を前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて測定する際に、前記基準器を前記テーブル上の所定の方向に設置するための基準器設置用治具であって、
３つ以上の穴を設けたプレートと、
前記穴に挿入可能な複数の棒材と、を含み、
任意の２つの前記穴を結ぶ第１の直線と、前記所定の方向の基準となる前記プレートの側面とがなす角度、又は、前記第１の直線と、前記２つの穴の何れか一方或いは両方と異なる２つの前記穴を結ぶ第２の直線とがなす角度が、前記テーブルの前記溝が延びる方向の直線又は２つの前記タップ穴を結ぶ直線と、前記所定の方向とがなす角度に等しくなるように、複数の前記穴にそれぞれ挿入した複数の前記棒材を、任意の１本の前記溝又は任意の前記タップ穴に挿入することで、前記テーブル上で前記プレートの前記基準となる側面又は前記複数の棒材を結ぶ直線が前記所定の方向と平行となるように前記プレートを位置決めでき、
前記基準器を、前記テーブル上に位置決めした前記プレートの前記基準となる側面又は前記複数の棒材に直接当接、或いは他の補助治具を介して間接的に当接させることで、前記所定の方向に設置することが可能となることを特徴とする。
上記目的を達成するために、本開示の第２の構成は、２軸以上の並進軸と、複数の溝又はタップ穴が施されたテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記並進軸により、前記テーブル上に設置された被工作物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械において、前記テーブル上で所定の方向に基準器を設置し、前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて前記基準器を測定する方法であって、
前記テーブル上に、第１の構成に記載の基準器設置用治具を、前記プレートの前記基準となる側面又は前記複数の棒材を結ぶ直線が前記所定の方向となるように位置決めし、
前記基準器を、前記基準となる側面又は前記複数の棒材に直接当接、或いは他の補助治具を介して間接的に当接させて前記所定の方向に設置して、
前記センサを用いて前記基準器を測定することを特徴とする。

本開示によれば、工作機械の運動誤差の測定において、基準器を所定の方向へ簡単に設置可能となる基準器設置用治具を、軽量かつ安価に提供することができる。また、基準器に部品を取り付ける必要がないため、既製品の基準器に対しても用いることができる。さらに、テーブルに溝が無くても、タップ穴を用いて基準器を所定の方向に設置して測定することができる。

Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の並進軸を有する工作機械の模式図である。タッチプローブとテーブル上に設置された基準器の模式図である。形態１の基準器設置用治具の一例である。形態１の基準器設置用治具の他の一例である。形態１の基準器設置用治具を用いてテーブルの溝に沿った方向に基準器を設置した模式図である。形態１の基準器設置用治具を用いてテーブルの溝に対して垂直な方向に基準器を設置した模式図である。形態１の基準器設置用治具を用いてテーブルの溝に対して４５°方向に基準器を設置した模式図である。形態２の基準器設置用治具の他の一例である。形態２の基準器設置用治具及び補助治具を用いてテーブルの溝に対して垂直な方向に基準器を設置した模式図である。

以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［形態１］
まず、第１の構成に係る基準器設置用治具の一例を説明する。図３に示すように、基準器設置用治具（以下単に「治具」という。）２０は、各角部に４つの穴２２，２２・・が貫通形成された平面視正方形状のプレート２１と、２本の棒材２３，２３から構成される。治具２０では、プレート２１の各側面と、４つの穴２２のうちの２つの穴２２，２２を結んだ直線とがなす角度が、０°、４５°、９０°の何れかとなっている。棒材２３は穴２２に挿入することができる。なお、穴２２は貫通穴に限らず、止め穴やタップ穴でもよく、棒材を挿入できればよい。さらに、プレート２１は四角に限らず、図４のように三角形や５つ以上の角をもつ多角形でもよい。

ここでは、基準器１２を、所定の方向であるＸ軸方向と、Ｙ軸方向と、Ｘ軸に対する４５°方向とにそれぞれ設置して計測を行う。以下、図５～図７を用いて、治具２０を用いて基準器１２を所定の方向に設置して測定する第２の構成に係る方法を説明する。
図５は、治具２０を用いて、上面に複数のターゲット球Ｐ１，Ｐ２・・を等間隔で備えてなる基準器１２をＸ軸方向に設置した状態を示している。工作機械Ｍのテーブル３の上面には、複数の溝４（図５では１つのみ示す）がＸ軸方向に設けられている。
本例では、まず、プレート２１に設けられた２つの穴２２，２２に２本の棒材２３，２３を挿入する。図５では穴２２が貫通穴となっているが、穴２２が止め穴やタップ穴の場合は、プレート２１の下側から棒材２３を差し込むようにする。この時使用する穴２２，２２は、プレート２１の一対の平行な側面２１ａ，２１ａと平行な方向に並んでいる２つとする。
次に、プレート２１から下方へ突出する棒材２３，２３を溝４に差し込む。すると、当該側面２１ａが溝４に対して平行となるようにプレート２１が位置決めされる。よって、設置したプレート２１の何れか一方の側面２１ａに基準器１２の長手側面を押し当てることで、基準器１２をＸ軸方向に設置することができる。

治具２０では、２つの穴２２，２２を結ぶ第１の直線Ｌ１と、プレート２１の側面２１ａとがなす角度（ここでは０°）が、テーブル３の溝４方向の直線Ｌと、所定の方向であるＸ軸方向とがなす角度（ここでは０°）と等しくなっている。
よって、穴２２，２２に挿入された棒材２３，２３を溝４に挿入すると、これと平行な側面２１ａはＸ軸方向と平行となる。従って、側面２１ａに押し当てた基準器１２もＸ軸方向に設置されることになる。

続けて、設置した基準器１２上の２つのターゲット球Ｐ１，Ｐ２の位置をタッチプローブ１１で測定する方法について説明する。タッチプローブ１１は、本開示のセンサの一例である。
基準器１２は、およそＸ軸方向に設置されており、ターゲット球Ｐ１，Ｐ２の相対的なＸ，Ｙ，Ｚ軸位置が既知である。このため、タッチプローブ１１を用いて自動でターゲット球Ｐ１，Ｐ２を測定可能である。なお、ターゲット球Ｐ１，Ｐ２の位置はタッチプローブ１１で測定できる範囲に収まっていればよく、治具２０を設置する位置や傾き、および治具２０の寸法や幾何精度は、高精度である必要はない。
タッチプローブ１１を用いてターゲット球Ｐ１，Ｐ２の位置を測定することで、ターゲット球Ｐ１，Ｐ２の相対位置の測定値Ｘm2，Ｙm2，Ｚm2が得られる。基準器１２をＸ軸方向に設置した際のターゲット球Ｐ１とＰ２とのＸ，Ｙ，Ｚ方向の相対位置をＸc2，Ｙc2，Ｚc2とすると、誤差値δx2，δy2，δz2は、以下の式で求められる。
δx2＝Ｘm2－Ｘc2
δy2＝Ｙm2－Ｙc2
δz2＝Ｚm2－Ｚc2

設置方向のＹ，Ｚ方向への傾き誤差ａy，ａzは、以下のようにして求められる。
ａy＝δy2／Ｘc2
ａz＝δz2／Ｘc2

基準器１２の傾き誤差ａy，ａzを考慮することで、ターゲット球Ｐｉ（ｉ＝３～５）のＰ１との相対位置Ｘci’，Ｙci’，Ｚci’は、以下のように計算される。
Ｘci’＝Ｘci
Ｙci’＝Ｙci＋ａy＊Ｘci
Ｚci’＝Ｚci＋ａz＊Ｘci
ここで、Ｘci，Ｙci，Ｚciは、傾き誤差分を修正する前のターゲット球Ｐｉ（ｉ＝３～５）のＰ１との相対位置である。
求められた傾き誤差分を修正した相対位置Ｘci’，Ｙci’，Ｚci’をもとに各軸の指令値を決定することで各ターゲット球Ｐｉを測定することができる。また、各軸の指令値と測定値とを比較することで運動誤差を計測することができる。

図６は、治具２０を用いて、基準器１２をＹ軸方向に設置した状態を示している。Ｘ軸方向への設置と同様に、プレート２１に設けられた２つの穴２２，２２に２本の棒材２３，２３を挿入する。ここで使用する穴２２，２２は、プレート２１の側面２１ａと垂直な方向に並んでいる。
次に、挿入した棒材２３，２３を溝４に差し込むことで、側面２１ａが溝４に対して垂直となるようにプレート２１を位置決めできる。よって、位置決めしたプレート２１の何れか一方の側面２１ａに基準器１２の長手側面を押し当てることで、基準器１２をＹ軸方向に設置できる。
治具２０では、２つの穴２２，２２を結ぶ第１の直線Ｌ１と、プレート２１の側面２１ａとがなす角度（ここでは９０°）が、テーブル３の溝４が延びる方向の直線Ｌと、所定の方向であるＹ軸方向とがなす角度（ここでは９０°）と等しくなっている。
よって、第１の直線Ｌ１方向に並ぶ穴２２，２２に挿入された棒材２３，２３を溝４に挿入すると、これと垂直な側面２１ａはＹ軸方向と平行となる。従って、側面２１ａに押し当てた基準器１２もＹ軸方向に設置されることになる。
設置した基準器１２をＸ軸方向への設置時と同様に、ターゲット球の位置を傾き誤差分だけ修正して測定することで、運動誤差を測定することができる。

図７は、治具２０を用いて、基準器１２をＸ軸に対して４５°方向に設置した状態を示している。まず、プレート２１に設けられた２つの穴２２，２２に２本の棒材２３，２３を挿入する。この時使用する穴２２，２２は、プレート２１の側面２１ａに対して４５°の方向（対角線方向）に並んでいる。
次に、挿入した棒材２３，２３を溝４に差し込むことで、側面２１ａが溝４に対して４５°方向となるようにプレート２１を位置決めできる。よって、位置決めしたプレート２１の何れか一方の側面２１ａに基準器１２の長手側面を押し当てることで、基準器１２をＸ軸に対して４５°方向に設置できる。
治具２０では、２つの穴２２，２２を結ぶ第１の直線Ｌ１と、プレート２１の側面２１ａとがなす角度（ここでは４５°）が、テーブル３の溝４方向の直線Ｌと、所定の方向であるＸ軸に対する４５°方向とがなす角度（ここでは４５°）と等しくなっている。
よって、第１の直線Ｌ１方向に並ぶ穴２２，２２に挿入された棒材２３，２３を溝４に挿入すると、側面２１ａはＸ軸に対する４５°方向と平行となる。従って、側面２１ａに押し当てた基準器１２もＸ軸に対する４５°方向に設置されることになる。
設置した基準器１２をＸ軸方向への設置時と同様に、ターゲット球の位置を傾き誤差分だけ修正して測定することで、運動誤差を測定することができる。

上記形態１の治具２０は、複数の穴２２を設けたプレート２１と、穴２２に挿入可能な複数の棒材２３と、を含み、任意の複数の穴２２にそれぞれ挿入した複数の棒材２３を、任意の溝４に挿入することで、テーブル３上でプレート２１の任意の側面２１ａが所定の方向と平行となる。
また、上記形態１の基準器１２の測定方法は、テーブル３上に、治具２０を、プレート２１の任意の側面２１ａが所定の方向となるように位置決めし、基準器１２を、プレート２１の側面２１ａに直接当接させて所定の方向に設置して、タッチプローブ１１を用いて基準器１２を測定する手順となる。
この構成によれば、工作機械の運動誤差の測定に用いる基準器１２がテーブル３上の所定の方向へ簡単に設置可能となる。また、基準器１２に部品を取り付ける必要がないため、軽量且つ安価な構成となり、既製品の基準器１２に対しても用いることができる。

［形態２］
上記形態１では、治具２０に基準器１２を直接当接させて設置しているが、他の治具も用いて治具２０により間接的に基準器１２を設置することもできる。以下、その形態を説明する。なお、形態１と同じ構成部には同じ符号を付して重複する説明は省略する。
治具２０は、図８に示すように、４つの穴２２，２２・・が設けられたプレート２１と、３本の棒材２３，２３・・とから構成される。また、治具２０では、基準となる２つの穴２２，２２を結んだ直線と、同じ穴２２の１つと他の穴２２とを結んだ直線或いは他の２つの穴２２，２２を結んだ直線と、がなす角度は、０°、４５°、９０°の何れかとなっている。各棒材２３は各穴２２に挿入することができる。
図９は、他の治具である補助治具１３を介して、基準器１２をＹ軸方向に設置した状態を示している。まず、プレート２１の側面２１ａと平行に並ぶ２つの穴２２，２２（区別するために「２２Ａ」と表記する。）に２本の棒材２３，２３（区別するために「２３Ａ」と表記する。）を貫通させる。次に、貫通させた棒材２３Ａ，２３Ａを溝４に差し込む。最後に、溝４に対して垂直な方向に並んだ穴２２（区別するために「２２Ｂ」と表記する。）に上方から棒材２３（区別するために「２３Ｂ」と表記する。）を差込み、垂直方向に並ぶ２本の棒材２３Ａ，２３Ｂに補助治具１３を押し当てることで、補助治具１３上へ平行に固定された基準器１２を、溝４と垂直な方向に設置することができる。

補助治具１３は、プレート２１よりも厚みの大きい下段部１３ａと、下段部１３ａよりも幅の大きい上段部１３ｂとを有する帯板状で、上段部１３ｂの上面に基準器１２が平行に位置決め可能となっている。この位置決めは、上段部１３ｂの上面に基準器１２が嵌合する溝を長手方向に形成すれば容易に行える。
こうして基準器１２を位置決めした上段部１３ｂの長手方向の側面を、Ｙ軸方向に並ぶ棒材２３Ａ，２３Ｂに当接させれば、補助治具１３がＹ軸方向に固定される。よって、補助治具１３上の基準器１２もＹ軸方向に設置されることになる。
治具２０は、２つの穴２２Ａ，２２Ａを結ぶ第１の直線Ｌ１と、２つの穴２２Ａ，２２Ａと一方が異なる２つの穴２２Ａ，２２Ｂを結ぶ第２の直線Ｌ２とがなす角度（ここでは９０°）が、テーブル３の溝方向の直線ＬとＹ軸方向とがなす角度（ここでは９０°）と等しくなっている。
よって、第１の直線Ｌ１方向に並ぶ穴２２Ａ，２２Ａに挿入された棒材２３Ａ，２３Ａを溝４に挿入すると、第２の直線Ｌ２方向に並ぶ棒材２３Ａ，２３ＢはＹ軸方向と平行となる。従って、第２の直線Ｌ２方向に並ぶ棒材２３Ａ，２３Ｂに押し当てた補助治具１３もＹ軸方向に設置されることになる。
続けて、形態１と同様の方法で、設置した基準器１２のターゲット球の位置をタッチプローブ１１で測定することで、運動誤差を測定できる。

上記形態２の治具２０も、複数の穴２２Ａ，２２Ｂを設けたプレート２１と、穴２２に挿入可能な複数の棒材２３Ａ，２３Ｂと、を含み、任意の複数の穴２２Ａ，２２Ａにそれぞれ挿入した複数の棒材２３Ａ，２３Ａを、任意の溝４に挿入することで、テーブル３上で棒材２３Ａ，２３Ｂを結ぶ第２の直線Ｌ２が所定の方向と平行となる。
また、上記形態２の基準器１２の測定方法は、テーブル３上に、治具２０を、棒材２３Ａ，２３Ｂを結ぶ第２の直線Ｌ２が所定の方向となるように位置決めし、棒材２３Ａ，２３Ｂに基準器１２を、補助治具１３を介して間接的に当接させて所定の方向に設置して、タッチプローブ１１を用いて基準器１２を測定する手順となる。
この構成によれば、工作機械の運動誤差の測定に用いる基準器１２がテーブル３上の所定の方向へ簡単に設置可能となる。また、基準器１２に部品を取り付ける必要がないため、軽量且つ安価な構成となり、既製品の基準器に対しても用いることができる。
なお、補助治具は、上記形態に限らず、例えば棒材でなくプレートの側面に当接させてもよい。治具との結合構造も適宜変更できる。

以下、各形態に共通する変更例を説明する。
治具の棒材は、テーブルに設けた溝に挿入させているが、テーブル上に溝でなく複数のタップ穴が形成されている場合は、棒材をタップ穴に挿入或いは螺合させることで治具を位置決めしてもよい。このようにタップ穴を利用すれば、テーブルに溝が無くても基準器を所定の方向に設置して測定することができる。
プレートに設ける穴（止め穴やタップ穴も含む）の数や位置は上記各形態に限定せず、適宜変更可能である。穴の形状も円形に限らず、四角形や多角形等の他の形状も採用できる。棒材の形状も穴の形状に合わせて適宜変更可能である。
基準器自体の構造も上記形態に限らない。ターゲット球の数の増減や配置の変更が可能であるのは勿論、ターゲット球以外の被測定部を有する基準器も採用可能である。センサもタッチプローブ以外に変位センサ等が採用できる。

１・・ベッド、２・・主軸頭、３・・テーブル、４・・溝、１１・・タッチプローブ、１２・・基準器、１３・・補助治具、２０・・基準器設置用治具、２１・・プレート、２１ａ・・側面、２２・・穴、２３・・棒材、Ｍ・・工作機械、Ｗ・・被工作物。

Claims

２軸以上の並進軸と、複数の溝又はタップ穴が施されたテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記並進軸により、前記テーブル上に設置された被工作物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械において、前記テーブル上の所定の方向に設置した基準器を前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて測定する際に、前記基準器を前記テーブル上の所定の方向に設置するための基準器設置用治具であって、
３つ以上の穴を設けたプレートと、
前記穴に挿入可能な複数の棒材と、を含み、
任意の２つの前記穴を結ぶ第１の直線と、前記所定の方向の基準となる前記プレートの側面とがなす角度、又は、前記第１の直線と、前記２つの穴の何れか一方或いは両方と異なる２つの前記穴を結ぶ第２の直線とがなす角度が、前記テーブルの前記溝が延びる方向の直線又は２つの前記タップ穴を結ぶ直線と、前記所定の方向とがなす角度に等しくなるように、複数の前記穴にそれぞれ挿入した複数の前記棒材を、任意の１本の前記溝又は任意の前記タップ穴に挿入することで、前記テーブル上で前記プレートの前記基準となる側面又は前記複数の棒材を結ぶ直線が前記所定の方向と平行となるように前記プレートを位置決めでき、
前記基準器を、前記テーブル上に位置決めした前記プレートの前記基準となる側面又は前記複数の棒材に直接当接、或いは他の補助治具を介して間接的に当接させることで、前記所定の方向に設置することが可能となることを特徴とする基準器設置用治具。
２軸以上の並進軸と、複数の溝又はタップ穴が施されたテーブルと、工具を保持可能な主軸頭とを有し、前記主軸頭に保持された工具が、前記並進軸により、前記テーブル上に設置された被工作物に対して並進２自由度以上の相対運動が可能である工作機械において、前記テーブル上で所定の方向に基準器を設置し、前記主軸頭に取り付けたセンサを用いて前記基準器を測定する方法であって、
前記テーブル上に、請求項１に記載の基準器設置用治具を、前記プレートの前記基準となる側面又は前記複数の棒材を結ぶ直線が前記所定の方向となるように位置決めし、
前記基準器を、前記基準となる側面又は前記複数の棒材に直接当接、或いは他の補助治具を介して間接的に当接させて前記所定の方向に設置して、
前記センサを用いて前記基準器を測定することを特徴とする工作機械における基準器の測定方法。