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JPH0780757A - Position displacement measuring method and device in machine tool - Google Patents

Position displacement measuring method and device in machine tool

Info

Publication number
JPH0780757A
JPH0780757A JP25098493A JP25098493A JPH0780757A JP H0780757 A JPH0780757 A JP H0780757A JP 25098493 A JP25098493 A JP 25098493A JP 25098493 A JP25098493 A JP 25098493A JP H0780757 A JPH0780757 A JP H0780757A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
machine tool
tool
point
interferometer
displacement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP25098493A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshimi Takeuchi
芳美 竹内
Kiyoshi Sawada
潔 沢田
Tomohiko Kawai
知彦 河合
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fanuc Corp
Original Assignee
Fanuc Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fanuc Corp filed Critical Fanuc Corp
Priority to JP25098493A priority Critical patent/JPH0780757A/en
Publication of JPH0780757A publication Critical patent/JPH0780757A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

PURPOSE:To realize a precise position control by measuring the position displacement of a tool or a work in the main axial direction at a high accuracy, during the operation of a machine tool. CONSTITUTION:A position displacement measuring device applied to the main shaft part of a machine tool 1 to carry out a cutting process in a fly cutting method includes an interferometer 20 loaded on a movable table mechnism 40 together with a machine main body, a laser beam source device 30, a laser beam passage formed of a transparent material formed to the core 27 of the main shaft 3, and a reflecting mirror 26 installed to the rear surface of a tool installing part 4, and the position displacement of a processing point P is measured by making the incident point Q of the measuring beam 32 on the reflecting mirror 26 as the measuring point. A signal detected by the beam detector 23 of the interferometer 20 is delivered to an FB signal operation member through a cable 24, and a signal to indicate the position displacement of the processing point P in the Z axial direction is produced. This signal is utilized as a signal to correct the input of the position loop of a position control system of the position in the axial direction of the movable table mechanism 40.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本願発明は、工作機械における変
位測定方法及び変位測定装置に関し、更に詳しく言え
ば、精密加工、特に、超精密加工を行なう為の工作機械
における工具あるいはワークの位置変位を、加工点の近
傍を測定点として精密測定する方法及び該方法を実施す
る為の変位測定装置に関する。本願発明の変位測定方法
及び装置は、工作機械における工具あるいはワーク位置
のフィードバック制御の精度を向上させる為に活用され
得るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a displacement measuring method and a displacement measuring apparatus in a machine tool, and more specifically, to a positional displacement of a tool or a work in a machine tool for performing precision machining, particularly ultra precision machining. The present invention relates to a method for precisely measuring the vicinity of a processing point as a measurement point and a displacement measuring device for carrying out the method. INDUSTRIAL APPLICABILITY The displacement measuring method and device of the present invention can be utilized to improve the accuracy of feedback control of the tool or work position in a machine tool.

【0002】[0002]

【従来の技術】精密な加工精度が要求される工作機械、
特に超精密加工機においては、加工中の加工誤差を連続
的に計測し、工具あるいはワークが常に正しい位置をと
るように機械の自動補正制御を行なう必要がある。加工
中に位置の誤差を測定する方法として、いわゆるインプ
ロセス法が従来より知られているが、従来のインプロセ
ス法は、加工部近傍の測定点に測定素子を取り付けるも
ので、加工中に発生する切削屑、切削油、機械的な振
動、熱等の悪条件下で測定を行なわなければならない為
に、例えばナノメータ単位に及ぶような超精密な測定
を、高い信頼性を以て実行することは事実上困難であっ
た。また、測定素子の寿命を長く保つことも出来なかっ
た。
2. Description of the Related Art Machine tools that require precise machining accuracy,
Particularly in the ultra-precision machine, it is necessary to continuously measure a machining error during machining and perform automatic correction control of the machine so that the tool or the work always takes a correct position. The so-called in-process method has been conventionally known as a method for measuring the position error during processing, but the conventional in-process method attaches a measuring element to the measurement point near the processing part and occurs during processing. Since it is necessary to perform measurement under adverse conditions such as cutting chips, cutting oil, mechanical vibration, heat, etc., it is true that ultra-precision measurement, for example, in the nanometer unit, is performed with high reliability. It was difficult. In addition, the life of the measuring element could not be kept long.

【0003】測定点に測定素子を取り付けずに加工中の
工具ワーク間相対位置を測定することが出来る方法とし
て、加工面基準制御加工法と呼ばれる方法があるが、こ
の方法では、被計測対象物の測定点と測定スケールが同
一線上に無い場合に発生するアッベの誤差の問題を回避
することが出来ず、高精度の計測に基づいた精密な位置
制御を行なうのに適した方法であるとは言い難かった。
As a method of measuring the relative position between tool workpieces during machining without attaching a measuring element to the measuring point, there is a method called a machining surface reference control machining method. In this method, an object to be measured is measured. It is not possible to avoid the problem of Abbe error that occurs when the measurement point and the measurement scale are not on the same line, and it is a method suitable for performing precise position control based on highly accurate measurement. It was hard to say.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】従って、本願発明の1
つの目的は、実際に加工が行なわれている点(加工点)
の近傍を測定点として、被計測対象物(工具叉はワー
ク)の位置変位を測定点と測定スケールを同一線上に乗
せた状態で高精度で計測し得る、工作機械における変位
測定方法及び変位測定装置を提供することにあり、もう
1つの目的は、切削屑、切削油、機械的な振動、熱等の
悪条件の影響を受けない形でインプロセス法による測定
を実行し得る前記方法及び装置を提供することにある。
Therefore, the first aspect of the present invention is to be solved.
One purpose is the point where processing is actually performed (processing point)
Displacement measurement method and displacement measurement for machine tools that can measure the positional displacement of the object to be measured (tool or work) with the measurement point near the It is another object of the present invention to provide an apparatus, and a method and an apparatus capable of performing in-process measurement without being affected by adverse conditions such as cutting chips, cutting oil, mechanical vibration, and heat. To provide.

【0005】また、本願発明の更にもう1つの目的は、
NC装置(数値制御装置)によって制御される工作機械
における位置制御精度を向上させることが出来る、前記
方法及び装置を提供することにある。
Still another object of the present invention is to
An object of the present invention is to provide the above method and device capable of improving the position control accuracy in a machine tool controlled by an NC device (numerical control device).

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本願発明は、「工作機械
の工具装着手段またはワーク装着手段の背面に光反射手
段を配置し、前記工作機械の主軸を貫通して形成された
光路を用いて干渉計手段の測定光ビームを往復伝播させ
ることによって、前記工具またはワークの前記主軸方向
に沿った位置変位を測定することを特徴とする工作機械
における位置変位測定方法」によって、上記技術課題を
解決する為の基本的な方法を提供したものであり(請求
項1に記載の構成)、特に、NC装置によって制御され
る工作機械における位置制御精度を向上させる為の構成
として、上記方法において更に、「前記位置変位の測定
が前記工作機械の運転中に連続的に行なわれると共に、
前記位置変位の測定結果が、加工点の前記主軸方向に沿
った位置が補正されるように前記工作機械の前記主軸方
向可動部分の位置補正制御を行なう為に利用される」と
いう要件を課したものである(請求項2に記載の構
成)。
According to the present invention, "a light reflecting means is arranged on the back surface of a tool mounting means or a work mounting means of a machine tool, and an optical path formed by penetrating a spindle of the machine tool is used. The above technical problem is solved by "a position displacement measuring method in a machine tool, characterized in that the position displacement along the main axis direction of the tool or the work is measured by reciprocally propagating a measurement light beam of an interferometer means". In order to improve the position control accuracy in the machine tool controlled by the NC device, the above method further provides a basic method for achieving the above (configuration according to claim 1). "While the measurement of the positional displacement is continuously performed while the machine tool is operating,
The measurement result of the position displacement is used to perform position correction control of the movable portion in the spindle direction of the machine tool so that the position of the machining point along the spindle direction is corrected. " (The structure according to claim 2).

【0007】また、上記各方法を実施する為の位置変位
測定装置の構成として、「工作機械の主軸上で加工点か
ら相対的に離隔した位置に配置された干渉計手段と、前
記工作機械の工具装着手段またはワーク装着手段の背面
に配置された光反射手段と、前記工作機械の主軸を貫通
して形成された測定光ビーム往復伝播光路手段と、前記
干渉計手段に可干渉性光ビームを入射させる光源手段と
を備えていることを特徴とする工作機械における位置変
位測定装置」(請求項3に記載の構成)、並びに、該装
置に「前記工作機械の主軸方向可動部分の位置制御を行
なう制御手段に対して加工点の前記主軸方向に沿った位
置を補正する補正信号を供給する為の手段」を具備させ
た構成を開示したものである(請求項4に記載の構
成)。
Further, as a constitution of a position displacement measuring apparatus for carrying out each of the above-mentioned methods, "an interferometer means arranged at a position relatively distant from a machining point on a spindle of a machine tool, and the machine tool A light reflecting means arranged on the back surface of the tool mounting means or the work mounting means, a measurement light beam reciprocating propagation optical path means formed penetrating the main axis of the machine tool, and a coherent light beam to the interferometer means. A position displacement measuring device in a machine tool, characterized in that it is provided with a light source means for making the light incident (the structure according to claim 3), and in the device, "position control of a movable portion in the main axis direction of the machine tool. And a means for supplying a correction signal for correcting the position of the machining point along the main axis direction to the control means to be executed "(structure according to claim 4).

【0008】[0008]

【作用】本願発明の位置変位測定方法及び装置において
は、工作機械の主軸上で加工点から相対的に離隔した位
置に干渉計が配置され、可干渉性の光源(レーザ)から
の光ビームが入射される。干渉計内で生成された測定光
ビームは、工作機械の主軸を貫通して形成された光路を
通って、工具装着手段またはワーク装着手段の背面に配
置された光反射手段で反射され、同光路を逆進して干渉
計に再入射する。干渉計内では、使用される干渉計の型
式に応じた光学系によって参照光ビームとの波面重畳が
行なわれ、光検出部で干渉による明暗が観測される。光
検出部で得られた検出出力は、使用された干渉計に即し
た信号処理を経て前記光反射手段の主軸方向位置変位量
を表わす信号に変換される(例えば、位相補償型干渉計
を使用した場合には、位相補償量を表わす信号が、位置
変位量を表わす信号として取り扱われる)。
In the position displacement measuring method and apparatus of the present invention, the interferometer is arranged on the main axis of the machine tool at a position relatively distant from the machining point, and the light beam from the coherent light source (laser) is emitted. It is incident. The measurement light beam generated in the interferometer passes through the optical path formed through the main axis of the machine tool, is reflected by the light reflecting means arranged on the back surface of the tool mounting means or the work mounting means, and the optical path is formed. In the reverse direction to re-enter the interferometer. In the interferometer, wavefront superposition with the reference light beam is performed by an optical system according to the type of interferometer used, and light and darkness due to interference is observed at the photodetector. The detection output obtained by the photodetector is converted into a signal indicating the displacement amount of the light reflecting means in the main axis direction through signal processing suitable for the interferometer used (for example, a phase compensation interferometer is used. In that case, the signal representing the amount of phase compensation is treated as a signal representing the amount of position displacement).

【0009】更に、光反射手段の主軸方向位置変位量を
表わす信号は、適当な評価法によって定められる関係を
介して、加工点の主軸方向位置変位量を表わす信号に変
換され、加工点位置の精密制御に利用される。即ち、加
工中の加工点位置変位を連続的に監視し、工作機械の移
動要素の位置制御系に対して位置補正信号をリアルタイ
ムに供給し、機械の運動精度の限界、切削中に発生する
熱等による温度変化による各部分の熱変位、切削抵抗に
よる変位など種々の要因によって生じる加工点位置ドリ
フトの影響を補償する為の位置補正制御が実行される。
これにより、これらドリフト要因の影響を抑えた極めて
高精度の位置制御が実現される。
Further, the signal representing the displacement amount of the light reflecting means in the main axis direction is converted into a signal representing the displacement amount of the machining point in the main axis direction through a relationship determined by an appropriate evaluation method, and the signal of the machining point position is converted. Used for precision control. That is, the position displacement of the machining point during machining is continuously monitored, the position correction signal is supplied to the position control system of the moving element of the machine tool in real time, the limit of the motion accuracy of the machine and the heat generated during cutting. Position correction control for compensating the influence of machining point position drift caused by various factors such as thermal displacement of each part due to temperature change due to the like, displacement due to cutting resistance, etc. is executed.
As a result, extremely high-precision position control that suppresses the influence of these drift factors is realized.

【0010】本願発明によれば、工作機械の主軸を貫通
した測定光ビーム光路を有する干渉計手段を利用して、
主軸上に測定点を設定した工具叉はワークの位置変位測
定が行なわれるので、アッベの誤差を含まない高精度の
測定信号が主軸の回転運動に阻害されることなく獲得さ
れる。また、測定点を加工点から遠ざけることなく、切
削屑や切削油が飛散して来る恐れの無い位置に設定し得
るので、従来のインプロセス法に比べてはるかに良好な
条件下でインプロセス測定を行なうことが可能になる。
According to the present invention, the interferometer means having the measuring light beam optical path penetrating the main axis of the machine tool is utilized,
Since the position displacement of the tool or the workpiece in which the measurement point is set on the spindle is measured, a highly accurate measurement signal that does not include the Abbe error can be obtained without being hindered by the rotational movement of the spindle. Also, since the measurement point can be set at a position where there is no risk of cutting chips and cutting oil scattering without moving away from the processing point, in-process measurement under much better conditions than the conventional in-process method can be performed. Will be possible.

【0011】更に、熱や機械的な振動によって誤差を生
じ易い測定機器本体部(干渉計本体部)を加工点から離
隔した位置に設置出来るから、測定精度に対する信頼性
をより高く保ち、測定装置の寿命を延ばすと共に、清掃
等の保守作業の負担を軽減させる上でも極めて有利であ
る。
Further, since the measuring device main body (interferometer main body) which is likely to cause an error due to heat or mechanical vibration can be installed at a position separated from the processing point, the reliability of the measuring accuracy can be kept higher and the measuring device can be improved. It is extremely advantageous in extending the life of the device and reducing the burden of maintenance work such as cleaning.

【0012】[0012]

【実施例】図1は、本願発明に従った変位測定方法乃至
装置をフライカッティング方式による切削加工を行なう
精密工作機械の主軸部分に適用した場合の概略構成例を
説明する模式図である。図1において、符号1で総括的
に指示されている精密工作機械は、ベッド70上に機械
本体移動載置部及びワーク載置部を備えている。ワーク
載置部は、高さ調節可能な基台60上に設置されたワー
ク取り付けコラム61を有し、該コラム61に被加工ワ
ーク62が取り付けられている。
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a schematic configuration example in the case where the displacement measuring method or device according to the present invention is applied to a spindle portion of a precision machine tool for cutting by a fly cutting method. In FIG. 1, a precision machine tool generally designated by reference numeral 1 is provided with a machine body moving and mounting section and a work mounting section on a bed 70. The work placement part has a work attachment column 61 installed on a base 60 whose height is adjustable, and a work 62 to be processed is attached to the column 61.

【0013】一方、機械本体移動載置部は、各々内部構
造を省略して一括描示されたガイド機構50、該ガイド
機構50上で図示しない各軸モータによって、X方向
(紙面垂直方向)、Y方向(紙面上下方向)、Z方向
(紙面左右方向)に駆動される移動テーブル機構40、
並びに、該移動テーブル機構40上に載置された機械本
体部及び変位測定装置から構成されている。
On the other hand, the machine main body moving / placing section is provided with a guide mechanism 50, whose internal structure is omitted, and is illustrated in a lump. A moving table mechanism 40 driven in the Y direction (vertical direction on the paper surface) and the Z direction (horizontal direction on the paper surface),
In addition, it is composed of a machine body and a displacement measuring device placed on the moving table mechanism 40.

【0014】機械本体部は、移動テーブル機構40上に
固定載置された主軸ハウジング2(図中、上半部は破断
表示。)及び該主軸ハウジング2に取り付けられた軸受
部9に軸受け支持された状態で主軸モータ10によって
回転駆動される主軸3を有している。軸受部9は空気軸
受け機構(詳細構造省略。)を包含し、主軸3との間の
ギャップ7にはスラスト軸受機能を果たすエア噴流が供
給される一方、主軸3に対してキー結合(図示省略)さ
れた回転部材12との間のギャップ8には、ラジアル方
向の軸受機能を果すエア噴気流が供給される。
The machine body is supported by a spindle housing 2 fixedly mounted on the moving table mechanism 40 (in the figure, the upper half portion is shown broken) and a bearing portion 9 attached to the spindle housing 2. In this state, the main shaft 3 is rotated and driven by the main shaft motor 10. The bearing portion 9 includes an air bearing mechanism (detailed structure is omitted), and an air jet that fulfills a thrust bearing function is supplied to the gap 7 between the main shaft 3 and the main shaft 3, while a key coupling (not shown in the drawings) is made to the main shaft 3. The air jet that fulfills the radial bearing function is supplied to the gap 8 between the rotary member 12 and the rotary member 12.

【0015】主軸3の先端部には、工具装着部4を介し
て切削工具5が装着される。工具5の刃先部6と主軸3
の回転軸との間には、微小オフセット距離がとられてい
る。従って、ワーク62に刃先部6が押し付けられた状
態で主軸3が回転すると、刃先部6は主軸3の回転軸と
ワーク加工面の交点P(以下、加工点と呼ぶ。)を中心
としオフセット距離を半径とする公転運動を行い、切り
込み量(Z軸上位置)に応じた切削加工が実行されるこ
とになる。
A cutting tool 5 is mounted on the tip of the spindle 3 via a tool mounting portion 4. Cutting edge 6 of tool 5 and spindle 3
A small offset distance is provided between the axis of rotation and the axis of rotation. Therefore, when the spindle 3 rotates in a state in which the cutting edge portion 6 is pressed against the work 62, the cutting edge portion 6 has an offset distance centered on the intersection point P (hereinafter, referred to as a processing point) between the rotation axis of the spindle 3 and the workpiece machining surface. Then, the orbiting motion is performed with the radius as the radius, and the cutting process is executed according to the depth of cut (position on the Z axis).

【0016】移動テーブル機構40のX軸位置及びY軸
位置は、予め加工プログラムに従って、NC装置、エン
コーダ等を含む制御装置によって従来と同様のセミクロ
ーズド方式によって制御されるが、Z軸位置(主軸方向
位置)については、本願発明に従った変位測定装置の検
出出力に基づいた位置制御が行なわれる。本願発明を主
軸部分に適用する為に組み込まれている変位測定装置
は、移動テーブル機構40上に機械本体部と並んで載置
された干渉計20、レーザ光源装置30、主軸3のコア
部27として形成されたレーザビーム光路手段及び工具
装着部4の背面に取り付けられた反射ミラー26を包含
し、該反射ミラー26上の測定光ビーム32の入射点
(反射点)Qを測定点として、加工点Pの位置変位を計
測する。
The X-axis position and the Y-axis position of the moving table mechanism 40 are controlled by a control unit including an NC device, an encoder and the like in accordance with a machining program in a semi-closed system similar to the conventional one. For the directional position), position control is performed based on the detection output of the displacement measuring device according to the present invention. The displacement measuring device incorporated to apply the invention of the present application to the main spindle portion includes an interferometer 20, a laser light source device 30, and a core portion 27 of the main spindle 3, which are placed on the moving table mechanism 40 along with the machine body. And a reflection mirror 26 attached to the back surface of the tool mounting portion 4, and the processing is performed with an incident point (reflection point) Q of the measurement light beam 32 on the reflection mirror 26 as a measurement point. The position displacement of the point P is measured.

【0017】レーザ光源装置30は、出射光ビーム31
を正確に干渉計20に入射させる為の光軸調整が可能な
態様で、基台33上に設置される。光軸調整を簡単にす
る為にレーザ光源装置30と干渉計20の光入射部の間
をコヒーレンシー保存性の光伝送体(例えば、シングル
モード光ファイバ)で接続することも考えられる。使用
するレーザ発振器の種類(気体レーザ、半導体レーザ
等)に特に制約は無いが、発振周波数が変動すると計測
精度低下の原因となるので、発振周波数(波長)の安定
化手段を備えたレーザ装置を用いることが好ましい。
The laser light source device 30 includes an emitted light beam 31.
Is installed on the base 33 in such a manner that the optical axis can be adjusted so as to make the light incident on the interferometer 20 accurately. In order to simplify the optical axis adjustment, it may be possible to connect the laser light source device 30 and the light incident part of the interferometer 20 with a coherency-preserving optical transmission medium (for example, a single mode optical fiber). There are no particular restrictions on the type of laser oscillator used (gas laser, semiconductor laser, etc.), but if the oscillation frequency fluctuates, it may cause a decrease in measurement accuracy. Therefore, a laser device equipped with means for stabilizing the oscillation frequency (wavelength) should be used. It is preferable to use.

【0018】加工中には、反射ミラー26が主軸と共に
回転するので、測定光ビーム32の入射点(反射点)Q
を主軸3の回転中心と一致させるか、あるいは、反射面
を主軸とを正確に直交させる必要がある。その為に、反
射ミラー26の反射面の向きを微調整する機構を反射ミ
ラー取り付け箇所に付設することも考えられる。
During the processing, the reflecting mirror 26 rotates together with the main axis, so that the incident point (reflecting point) Q of the measuring light beam 32 is changed.
Should be coincident with the center of rotation of the main shaft 3, or the reflecting surface should be made to be exactly orthogonal to the main shaft. Therefore, it may be considered that a mechanism for finely adjusting the direction of the reflecting surface of the reflecting mirror 26 is additionally provided at the place where the reflecting mirror is attached.

【0019】干渉計20と反射ミラー26の間の測定光
ビーム往復光路となる主軸コア部27は、空洞(空気)
としても良いが、温度上昇に伴う媒質の屈折率のゆらぎ
を抑制し、測定誤差の原因となる光路長変動を発生させ
ない為に、レーザビームに対して透明な材料(例えば、
アクリル樹脂)で構成することが好ましい。より高精度
の測定を企図する場合には、高真空とすることも考えら
れる。
The main-axis core portion 27, which serves as a round-trip optical path for the measurement light beam between the interferometer 20 and the reflection mirror 26, is a cavity (air).
However, in order to suppress fluctuations in the refractive index of the medium due to temperature rise and to prevent optical path length fluctuations that cause measurement errors, a material transparent to the laser beam (for example,
Acrylic resin) is preferable. If a more accurate measurement is intended, a high vacuum may be considered.

【0020】図中には、干渉計20として、ハーフミラ
ー21、参照ミラー22、光検出部23からなるマイケ
ルソン型の基本配置を有するものが例示されているが、
測定光ビーム光路として主軸3を貫通・往復するものを
設定する配置が可能である限り任意の型のものを使用す
ることが出来る。例えば、公知の位相補償型の干渉計を
用いることによって極めて高精度(数nm程度の分解
能)の位置変位測定を行なうことが可能となる。
In the figure, an interferometer 20 having a Michelson-type basic arrangement consisting of a half mirror 21, a reference mirror 22, and a photodetector 23 is illustrated.
Any type can be used as long as it can be arranged to set a measuring light beam optical path that passes through and reciprocates the main shaft 3. For example, by using a known phase compensation type interferometer, it is possible to perform position displacement measurement with extremely high accuracy (resolution of about several nm).

【0021】干渉計20の光検出部23で検出された信
号は、ケーブル24を介してFB信号演算部(後述、図
2、3を参照)に送られ、移動テーブル機構40の主軸
方向位置(Z軸上位置)の位置補正に利用される。FB
信号演算部では、採用された干渉計に即した信号処理が
行なわれ反射ミラー27の位置変位を表わす信号を媒介
として、加工点PのZ軸方向の位置変位を表わす信号が
生成される。位相補償型干渉計を使用した場合には、位
相補償量を表わす信号が、反射ミラー位置変位量を表わ
す信号として処理される。
The signal detected by the light detecting section 23 of the interferometer 20 is sent to the FB signal calculating section (see FIGS. 2 and 3 to be described later) via the cable 24, and the position of the moving table mechanism 40 in the main axis direction ( It is used for position correction (position on Z axis). FB
In the signal calculation unit, signal processing suitable for the adopted interferometer is performed, and a signal representing the positional displacement of the processing point P in the Z-axis direction is generated through the signal representing the positional displacement of the reflecting mirror 27. When the phase compensation type interferometer is used, the signal representing the phase compensation amount is processed as the signal representing the reflection mirror position displacement amount.

【0022】干渉計20によって測定される量は測定光
ビーム32の往復光路長の変化であるから、直接的に
は、干渉計20の位置を基準とし、測定光ビーム32の
反射点Qを測定点とする位置変位測定が実行されること
になる。この場合、測定点Q及び測定スケールに相当す
る測定光ビーム32の双方が主軸上に乗ることは明らか
であるから、前述したアッベの誤差が生じる可能性が原
理的に回避される。
Since the quantity measured by the interferometer 20 is a change in the round-trip optical path length of the measurement light beam 32, the reflection point Q of the measurement light beam 32 is directly measured with the position of the interferometer 20 as a reference. Positional displacement measurement with points will be performed. In this case, it is clear that both the measurement point Q and the measurement light beam 32 corresponding to the measurement scale are on the main axis, and thus the possibility of the above-mentioned Abbe error occurring is avoided in principle.

【0023】そして、測定点Qは加工点Pから遠くない
工具装着部4の背面に設定されているから、干渉計20
による測定結果に基づいて加工点Pの主軸方向位置変位
を評価することが十分可能である。例えば、Q点の主軸
方向位置変位Δq とP点の主軸方向位置変位Δp の関係
を、Q点の位置変位量測定データと切込み量の実測デー
タを照合する等の方法を用いて、Δq =αΔp (αは換
算係数)等の形式で予め求めておくことが考えられる。
換算係数αが、温度T等の他の条件で変化すると考えら
れる場合には、適当な位置に配置された温度センサの出
力を利用して、αを温度等の条件を表わす変数の関数と
して評価すれば良い。また、光路27を構成する材料の
温度変化による屈折率変化に応じた干渉計の温度補正が
必要な場合にも、該温度センサ出力を利用してこれを加
味した演算を行なうことが考えられる。なお、最も単純
な評価法は、常にα=1(反射ミラーの変位Δq =加工
点の変位Δp )とみなすことである。
Since the measuring point Q is set on the back surface of the tool mounting portion 4 not far from the machining point P, the interferometer 20
It is sufficiently possible to evaluate the position displacement of the processing point P in the main axis direction based on the measurement result of. For example, the relationship between the position displacement Δq in the main axis direction at the point Q and the position displacement Δp in the main axis direction at the point P can be calculated using a method such as comparing the position displacement amount measurement data at the point Q with the actual measurement data of the cut amount, and Δq = αΔp It may be possible to obtain it in advance in a format such as (α is a conversion coefficient).
When the conversion coefficient α is considered to change under other conditions such as the temperature T, the output of the temperature sensor arranged at an appropriate position is used to evaluate α as a function of a variable indicating the conditions such as the temperature. Just do it. Further, even when it is necessary to correct the temperature of the interferometer according to the change in the refractive index due to the change in the temperature of the material forming the optical path 27, it is conceivable to use the output of the temperature sensor to perform the calculation in consideration of this. The simplest evaluation method is to always consider α = 1 (displacement Δq of reflecting mirror = displacement Δp of processing point).

【0024】このような評価法によって定められた関係
(Δp =αΔq )を用い、加工点位置変位を加工中にリ
アルタイムに測定することにより、より望ましい加工点
位置を実現する為の位置補正を実行することが出来る。
以下、これを説明する。
By using the relationship (Δp = αΔq) determined by such an evaluation method and measuring the machining point position displacement in real time during machining, position correction for realizing a more desirable machining point position is executed. You can do it.
This will be described below.

【0025】NC装置によって制御されるのは、通常、
位置検出器としてモータの回転軸等に取り付けられたエ
ンコーダを介して検出される位置(エンコーダ取り付け
軸の回転位置)であるから(セミクローズド方式)、仮
にNC制御装置による主軸方向の位置制御が理想的なも
のであったとしても、ワーク62の切込み量を定める加
工点Pの位置が所望通りに推移するとは限らない。
What is controlled by the NC device is usually
Since it is the position (semi-closed system) detected by the encoder mounted on the rotary shaft of the motor as a position detector (rotary position of the encoder mounting shaft), the position control in the spindle direction by the NC controller is ideal. However, the position of the processing point P that determines the depth of cut of the workpiece 62 does not always change as desired.

【0026】加工点Pの位置を変動させる原因として
は、機械の運動精度の限界、切削中に発生する熱等によ
る温度変化による各部分の熱変位、切削抵抗による変位
など種々の要因が考えられるが、本願発明の測定方法乃
至想定装置によれば、これら加工点位置誤差を生む諸要
因の殆どを取り込んだ測定がなされるから、その測定結
果を位置制御系に位置補正量としてリアルタイムに取り
入れることにより、上記諸要因の影響を抑止した位置制
御を実現することが可能になる。
Various factors such as the limit of the motion accuracy of the machine, thermal displacement of each part due to temperature change due to heat generated during cutting, displacement due to cutting resistance, and the like can be considered as causes for changing the position of the processing point P. However, according to the measuring method or the assumed device of the present invention, most of the various factors that cause the processing point position error are measured, and therefore the measurement result is incorporated in the position control system as a position correction amount in real time. As a result, it becomes possible to realize position control in which the effects of the above factors are suppressed.

【0027】図2は、その為に使用される工作機械制御
システムの構成を要部ブロック図で例示したものであ
る。また、図3は、図2に示したシステムにより実行さ
れるZ軸制御の制御ループを簡潔に記したものである。
FIG. 2 is a block diagram showing an essential part of a machine tool control system used for this purpose. Further, FIG. 3 is a simplified description of a control loop of Z-axis control executed by the system shown in FIG.

【0028】図2中、符号100で表わされたCNCに
内蔵されたCPUは、CNC100内のメモリに格納さ
れたプログラムデータを順次読み込み、XYZ各軸デー
タに対して必要な補間計算を行ない、所定周期毎に各軸
の移動指令信号を共有RAM101に送り出す。
2, the CPU incorporated in the CNC denoted by reference numeral 100 sequentially reads the program data stored in the memory in the CNC 100 and performs the necessary interpolation calculation on the XYZ axis data. A movement command signal for each axis is sent to the shared RAM 101 every predetermined period.

【0029】一方、各軸モータ103を駆動するデジタ
ルサーボ回路102のCPUは、この移動指令を共有メ
モリ101から所定周期で読み出し、XYZ各軸につい
ての位置指令信号を生成する。X軸及びY軸に関して
は、従来通り、位置指令値と各軸のエンコーダによって
検出される現在位置との偏差が位置ループ入力とされる
が、Z軸に関しては、各図に示したように、干渉計20
の出力に基づいてFB信号演算器25で生成されるFB
信号(加工点Pの位置変位量または要補正量を表わす信
号)を加味した形で位置ループ入力が決定される。
On the other hand, the CPU of the digital servo circuit 102 which drives each axis motor 103 reads out this movement command from the shared memory 101 in a predetermined cycle and generates a position command signal for each of the XYZ axes. Regarding the X-axis and the Y-axis, the deviation between the position command value and the current position detected by the encoder of each axis is used as the position loop input as in the past, but regarding the Z-axis, as shown in each figure, Interferometer 20
FB generated by the FB signal calculator 25 based on the output of
The position loop input is determined in consideration of the signal (a signal indicating the amount of positional displacement of the machining point P or the amount of correction required).

【0030】即ち、デジタルサーボ回路102内のCP
Uにより、Z軸位置パルスの位置指令Pz とZ軸のエン
コーダ104で検出される現在位置Pf の偏差をFB信
号で補正したものに相当する計算が所定周期で行われ、
Z軸の位置ループの入力とされる。例えば、FB信号が
要補正量をそのまま表わす場合には、Pz とFB信号を
加算項とし、Pf を減算項とする偏差計算が行なわれ
る。FB信号が誤差量を表わしている場合には、Pz を
加算項とし、Pf とFB信号を減算項とする偏差計算が
行なわれることになる。
That is, the CP in the digital servo circuit 102
By U, the calculation corresponding to the deviation of the position command Pz of the Z-axis position pulse and the current position Pf detected by the Z-axis encoder 104 corrected by the FB signal is performed in a predetermined cycle,
It is input to the Z-axis position loop. For example, when the FB signal represents the required correction amount as it is, a deviation calculation is performed using Pz and the FB signal as an addition term and Pf as a subtraction term. When the FB signal represents an error amount, deviation calculation is performed using Pz as the addition term and Pf and the FB signal as the subtraction term.

【0031】このようにして定められた入力に基づく位
置ループ処理PLによって生成された速度指令信号Vz
は、エンコーダ104の位置検出出力の微分値に相当す
る現在速度Vf との偏差を計算されて速度ループ処理V
Lの入力とされる。速度ループ処理VLではトルク指令
Tz が生成され、サーボアンプを介してモータMにトル
ク指令Tz に対応した駆動電流が流されてモータが回転
し、所期の位置補正制御が実現されることになる。
The velocity command signal Vz generated by the position loop processing PL based on the input thus determined
Is calculated as a deviation from the current speed Vf corresponding to the differential value of the position detection output of the encoder 104, and the speed loop processing V
It is input as L. In the speed loop processing VL, the torque command Tz is generated, the drive current corresponding to the torque command Tz is supplied to the motor M through the servo amplifier, and the motor rotates, whereby the desired position correction control is realized. .

【0032】以上説明した実施例においては、ワークを
固定し、回転主軸上に工具を担持した本体部がXYZ移
動する型の工作機械について、工具装着部の背面側に反
射ミラーを取り付けて測定点Qを設定した例を説明した
が、本願発明の変位測定方法乃至装置が適用される工作
機械は上記実施例のものに限られることは無く、また、
測定点の位置(ミラー取り付け位置)も工具側に限らず
ワーク支持側主軸上に設定することも考えられる。
In the embodiment described above, in the machine tool of the type in which the work is fixed and the main body part carrying the tool on the rotating main spindle moves XYZ, the reflection mirror is attached to the back side of the tool mounting part and the measuring point. Although the example in which Q is set has been described, the machine tool to which the displacement measuring method or device of the present invention is applied is not limited to that of the above embodiment, and
The position of the measurement point (mirror mounting position) is not limited to the tool side, but may be set on the work support side spindle.

【0033】例えば、直交座標系上でプログラムされた
移動指令に基づき、ワーク回転C軸上の回転移動とX軸
上の移動を組み合わせることにより、仮想Y軸方向の移
動を含むフライカッティング方式の加工プロセスを実行
する型の精密工作機械(例えば、本出願人に係る特願平
5−158093号の添付明細書参照)であれば、本実
施例と同様に、工具装着部の背面の回転主軸上に測定点
Qを設定して、主軸方向の位置補正を行なって切込み量
の精密な制御を実現することが出来る。
For example, based on a movement command programmed on the Cartesian coordinate system, by combining the rotational movement on the workpiece rotation C-axis and the movement on the X-axis, the fly-cutting type machining including the movement in the virtual Y-axis direction is performed. If a precision machine tool of a type that executes a process (for example, see the attached specification of Japanese Patent Application No. 5-158093 of the present applicant), on the rotary spindle on the back surface of the tool mounting portion, as in the present embodiment. It is possible to set the measurement point Q at and correct the position in the direction of the main axis to realize precise control of the depth of cut.

【0034】また、旋盤のワーク装着部の背面に反射ミ
ラーを取り付け、主軸上に測定点Qを設定し、加工中の
ワーク位置変位をリアルタイムに計測し、その結果を工
具移動テーブルやワーク移動テーブルの主軸方向の位置
補正制御に利用することも可能である。
Further, a reflection mirror is attached to the back surface of the work mounting portion of the lathe, a measurement point Q is set on the spindle, the work position displacement during machining is measured in real time, and the result is a tool moving table or a work moving table. It can also be used for position correction control in the direction of the main axis.

【0035】[0035]

【発明の効果】本願発明の位置変位測定方法及び装置に
よれば、工作機械の主軸を貫通した測定光ビーム光路を
有する干渉計手段を利用することにより、主軸上に測定
点を設定した工具叉はワークの位置変位が測定されるの
で、アッベの誤差を含まない高精度の測定信号を主軸の
回転運動に阻害されることなく獲得することが出来る。
また、測定点を加工点から遠ざけることなく切削屑や切
削油が飛散して来る恐れの無い位置に設定し得るので、
従来のインプロセス法に比べてはるかに良好な条件下で
インプロセス測定を行なうことが可能となった。
According to the position displacement measuring method and apparatus of the present invention, by using the interferometer means having the measuring light beam optical path penetrating the main shaft of the machine tool, a tool or tool having a measuring point set on the main shaft is used. Since the position displacement of the workpiece is measured, it is possible to obtain a highly accurate measurement signal that does not include an Abbe error, without being hindered by the rotational movement of the spindle.
Also, since it is possible to set the measurement point at a position where there is no risk of cutting chips and cutting oil scattering without moving away from the processing point,
It has become possible to perform in-process measurements under much better conditions than conventional in-process methods.

【0036】更に、熱や機械的な振動によって誤差を生
じ易い測定機器本体部(干渉計本体部)を加工点から離
隔した位置に設置出来るから、測定精度に対する信頼性
をより高く保ち、測定装置の寿命を延ばすと共に、清掃
等の保守作業の負担を軽減させることが出来るようにな
った。
Furthermore, since the measuring device main body (interferometer main body) which is likely to cause an error due to heat or mechanical vibration can be installed at a position separated from the processing point, the reliability of the measurement accuracy can be kept higher and the measuring device can be improved. It has become possible to extend the service life and reduce the burden of maintenance work such as cleaning.

【0037】そして、測定点Qは加工点から遠くない工
具叉はワークの装着部の背面に設定される故、測定結果
に基づいて加工点の位置変位を適正に評価することが十
分可能であり、この評価に基づき、加工中の加工点位置
変位を連続的に監視し、工作機械の移動要素の位置制御
系に対して位置補正信号をリアルタイムに供給すること
が可能となった。これにより、機械の運動精度の限界、
切削中に発生する熱等による温度変化による各部分の熱
変位、切削抵抗による変位など種々の要因によって生じ
る加工点位置ドリフトの影響を補償する位置補正制御を
行なうことが可能となり、精密工作機械による工作精度
向上を阻害する大きな要因が取り除かれた。
Since the measurement point Q is set on the back surface of the tool or the mounting portion of the work which is not far from the machining point, it is sufficiently possible to properly evaluate the positional displacement of the machining point based on the measurement result. Based on this evaluation, it became possible to continuously monitor the position displacement of the machining point during machining and to supply the position correction signal to the position control system of the moving element of the machine tool in real time. This limits the machine's motion accuracy,
It is possible to perform position correction control that compensates for the influence of machining point position drift caused by various factors such as thermal displacement of each part due to temperature change due to heat generated during cutting, displacement due to cutting resistance, etc. A major factor that hinders the improvement of machining accuracy has been removed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本願発明に従った変位測定方法乃至装置をフラ
イカッティング方式による切削加工を行なう工作機械の
主軸部分に適用した場合の概略構成例を説明する模式図
である。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a schematic configuration when a displacement measuring method or device according to the present invention is applied to a spindle portion of a machine tool that performs cutting by a fly cutting method.

【図2】図1に示した実施例で使用されている位置変位
測定装置により得られた測定結果を加工点のZ軸上位置
の補正制御に利用する場合に使用される工作機械制御シ
ステムの構成を要部ブロック図で例示したものである。
FIG. 2 shows a machine tool control system used when the measurement result obtained by the position displacement measuring apparatus used in the embodiment shown in FIG. 1 is used for correction control of the Z-axis position of a machining point. It is the thing which illustrated the structure with the principal part block diagram.

【図3】図2に示したシステムにより実行されるZ軸制
御の制御ループを表わした簡略ブロック図である。
FIG. 3 is a simplified block diagram showing a control loop of Z-axis control executed by the system shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 精密工作機械 2 主軸ハウジング 3 主軸 4 工具装着部 5 工具 6 刃先部 7,8 ギャップ 9 軸受部 10 主軸モータ 11 エンコーダ(主軸) 20 干渉計 21 ビームスプリッタ 22 参照ミラー 23 光検出部 24 ケーブル 25 FB信号演算部 26 反射ミラー 27 主軸コア部 30 レーザ光源装置 31 レーザビーム 32 測定光ビーム 40 移動テーブル機構40 50 ガイド機構 60 基台 61 ワーク取り付けコラム 62 ワーク 70 ベッド 100 CNC 101 共有メモリ 102 デジタルサーボ回路 103 各軸駆動モータ 104 エンコーダ(Z軸) P 加工点 Q 測定点(測定光ビーム入射点) 1 Precision Machine Tool 2 Spindle Housing 3 Spindle 4 Tool Mounting Part 5 Tool 6 Blade Edge 7, 8 Gap 9 Bearing Part 10 Spindle Motor 11 Encoder (Spindle) 20 Interferometer 21 Beam Splitter 22 Reference Mirror 23 Photo Detector 24 Cable 25 FB Signal calculation unit 26 Reflection mirror 27 Spindle core unit 30 Laser light source device 31 Laser beam 32 Measuring light beam 40 Moving table mechanism 40 50 Guide mechanism 60 Base 61 Work mounting column 62 Work 70 bed 100 CNC 101 Shared memory 102 Digital servo circuit 103 Each axis drive motor 104 Encoder (Z axis) P Machining point Q Measurement point (measurement light beam incident point)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 工作機械の工具装着手段またはワーク装
着手段の背面に光反射手段を配置し、前記工作機械の主
軸を貫通して形成された光路を用いて干渉計手段の測定
光ビームを往復伝播させることによって、前記工具また
はワークの前記主軸方向に沿った位置変位を測定するこ
とを特徴とする工作機械における位置変位測定方法。
1. A light reflecting means is arranged on the back surface of a tool mounting means or a work mounting means of a machine tool, and a measuring light beam of an interferometer means is reciprocated by using an optical path formed through a main shaft of the machine tool. A positional displacement measuring method in a machine tool, characterized in that the positional displacement of the tool or the work along the main axis direction is measured by propagating.
【請求項2】 前記位置変位の測定が前記工作機械の運
転中に連続的に行なわれると共に、前記位置変位の測定
結果が、加工点の前記主軸方向に沿った位置が補正され
るように前記工作機械の前記主軸方向可動部分の位置補
正制御を行なう為に利用されることを特徴とする請求項
1に記載の工作機械における位置変位測定方法。
2. The position displacement measurement is continuously performed while the machine tool is operating, and the position displacement measurement result is corrected such that the position of the machining point along the spindle direction is corrected. 2. The position displacement measuring method in a machine tool according to claim 1, wherein the method is used to perform position correction control of the movable portion of the machine tool in the spindle direction.
【請求項3】 工作機械の主軸上で加工点から相対的に
離隔した位置に配置された干渉計手段と、前記工作機械
の工具装着手段またはワーク装着手段の背面に配置され
た光反射手段と、前記工作機械の主軸を貫通して形成さ
れた測定光ビーム往復伝播光路手段と、前記干渉計手段
に可干渉性光ビームを入射させる光源手段とを備えてい
ることを特徴とする工作機械における位置変位測定装
置。
3. An interferometer means arranged at a position relatively distant from a machining point on a spindle of a machine tool, and a light reflecting means arranged on a back surface of a tool mounting means or a work mounting means of the machine tool. A machine tool comprising: a measurement light beam reciprocating propagation optical path means formed penetrating a main axis of the machine tool; and a light source means for making a coherent light beam incident on the interferometer means. Position displacement measuring device.
【請求項4】 前記工作機械の主軸方向可動部分の位置
制御を行なう制御手段に対して加工点の前記主軸方向に
沿った位置を補正する補正信号を供給する為の手段を備
えていることを特徴とする請求項3に記載の工作機械に
おける位置変位測定装置。
4. A means for supplying a correction signal for correcting the position of a machining point along the main axis direction to a control means for controlling the position of a movable portion of the machine tool in the main axis direction. The position displacement measuring device in a machine tool according to claim 3, which is characterized in that.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011158376A (en) * 2010-02-02 2011-08-18 Canon Inc Rotator position measurement method
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JP2023030668A (en) * 2021-08-23 2023-03-08 芝浦機械株式会社 Air spindle device

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