(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸を有する回転体の回転軸心の運動の軌跡を計測する方法であって、
所定の回転速度で回転可能に設けられた主軸に、前記回転体を取り付けることと、
前記回転体の前記回転軸心に垂直な垂直面内に、前記回転体の一部を挟んで対向する３組の発光部及び受光部の組を配置することと、
前記回転体を、前記主軸と一体的に前記所定の回転速度で回転させつつ、前記各発光部から前記各受光部に向けて光を照射して、前記光のうち、前記回転体に遮られることなく前記各受光部で受光されるエッジ光の光量を測定することと、
前記エッジ光により前記回転体の前記垂直面の断面形状と比べて凹部の深さが浅くなだらかな形状となった仮想断面形状を、前記各受光部で測定された前記エッジ光の光量に基づいて求めることと、
前記エッジ光の光量及び前記仮想断面形状に基づいて、前記回転体の前記回転軸心の前記垂直面内における運動の軌跡を求めることとを備える方法。
【請求項２】
前記回転体は、回転軸心の周りの表面に切れ刃部が形成された切削工具である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記発光部はレーザ光を照射するレーザ照射装置であり、前記受光部はフォトダイオードである請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記回転体の、前記垂直面の前記断面形状は、前記回転軸心からの距離が最も長い第１凸部を有し、
前記仮想断面形状は、前記第１凸部に対応する第２凸部を有し、
前記回転軸心と第１凸部との間の距離は、前記回転軸心と前記第２凸部との間の距離と同じである請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記回転体の、前記垂直面の前記断面形状は、前記回転軸心からの距離が最も短い第１凹部を有し、
前記仮想断面形状は、前記第１凹部に対応する第２凹部を有し、
前記回転軸心と第２凹部との間の距離は、前記回転軸心と前記第１凹部との間の距離よりも長い請求項４に記載の方法。
【請求項６】
凹凸を有する回転体の回転軸心の運動の軌跡を計測する計測システムであって、
所定の軸方向に延在し、一端に前記回転体を固定する固定部が設けられた主軸、及び、前記主軸の他端に連結され、前記主軸を前記軸を中心として回転させるモータを有する主軸頭と、
前記回転体の前記回転軸心に垂直な垂直面内に、前記回転体の一部を挟んで対向するように配置された３組の発光部及び受光部の組と、
前記回転体を、前記主軸と一体的に前記所定の回転速度で回転させつつ、前記各発光部から前記各受光部に向けて光を照射させて、前記光のうち、前記回転体に遮られることなく前記各受光部で受光されるエッジ光の光量を測定させ、前記エッジ光により前記回転体の前記垂直面の断面形状と比べて凹部の深さが浅くなだらかな形状となった仮想断面形状を、前記各受光部で測定された前記エッジ光の光量に基づいて求めるとともに、前記エッジ光の光量及び前記仮想断面形状に基づいて、前記回転体の前記回転軸心の前記垂直面内における運動の軌跡を求める制御部と、を備える計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の回転軸心の運動の軌跡を計測する方法、及び、回転体の回転軸心の運動の軌跡を計測する計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工作物（ワーク）を切削加工するフライス盤などの工作機械は、工作物を固定するテーブルと、テーブルに固定されたワークに相対して移動しつつワークを切削するフライスなどの刃具と、刃具を把持するチャックと、先端に取り付けられたチャック及び刃具を高速回転（例えば数千〜数万ｒｐｍ）させる主軸とを主に備えている。
【０００３】
ワークの加工面を切削加工する際には、主軸の回転に伴って高速回転する刃具の刃の先端（以下、単に「刃具の先端」という）がワークの加工面に当接される。このとき、回転する刃具の軸心に軸振れが生じていた場合、刃具の先端は、真円からずれた軌跡を描きつつ回転することになる。例えば、刃具が軸心に垂直な平面内においてランダムな方向に微小振動しつつ回転している場合、回転する刃具の先端は、真円に微小振動を重ね合わせた軌跡を描く。このとき、ワークの加工面には、刃具の先端の描く軌跡が転写される、即ち、ワークの加工面には刃具の先端の描く軌跡を反映した凹凸が形成される。このように、回転する刃具の軸心の運動の軌跡と、ワークの加工面の加工精度（例えば表面粗さ）との間には明かな相関があるため、ワークの加工精度を評価するためには、刃具の軸心の運動の軌跡を精度良く計測することが求められている。
【０００４】
後に詳述するように、刃具の軸振れは、主に、主軸の回転精度と、刃具をチャックに取り付ける際のチャッキング精度と、チャックを主軸に取り付ける際の取り付け精度とに起因して生じることが知られている。ここで、特許文献１には、主軸の軸振れをリアルタイムで計測するとともに、計測した軸振れのデータを基にして主軸の軸心の姿勢についてフィードバック制御を行うことにより主軸の軸振れを小さく抑える軸振れ補正制御装置が開示されている。具体的には、特許文献１の軸振れ補正制御装置は、空気軸受により軸支された主軸と、主軸と一体に回転するように取り付けられた、高い真円度を有する基準リングと、基準リングの外側に同心円状に配置された３つの非接触変位センサと、主軸の軸心の姿勢についてのフィードバック制御を行うコントローラとを主に備えている。
【０００５】
特許文献１の軸振れ補正制御装置においては、３つの非接触変位センサを用いて基準リングの外表面と各非接触変位センサとの間の距離をリアルタイムで測定している。そして、３つの非接触変位センサから得られた測定データから、後述する三点法を用いて、基準リングの実形状を忠実に再現する実形状成分と、基準リングが取り付けられている主軸の半径方向（主軸の軸心と垂直な面の面方向）における振動成分とを抽出している。ここで、主軸の軸心の、半径方向における振動成分に基づいて、主軸の軸心の姿勢を調整するフィードバック制御を行うことにより、主軸の軸心の軸振れを抑えている。なお、３点法を用いることにより、基準リングの実形状成分と振動成分とをそれぞれ独立に抽出することができる。言い換えると、基準リングの形状誤差及び取り付け誤差とは無関係に、主軸の軸心の、半径方向における振動成分のみを抽出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２３５４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、刃具の軸振れは、主に、主軸の回転精度と、刃具をチャックに取り付ける際のチャッキング精度と、チャックを主軸に取り付ける際の取り付け精度とに起因して生じることが知られているところ、特許文献１の軸振れ補正制御装置においては、主軸の回転精度のみを測定対象としている。そのため、さらにチャッキング精度及びホルダへの取り付け精度を測定しない限り、ワークの加工精度を評価することができない。
【０００８】
ここで、上述のように、刃具の軸心の軸振れの大きさは、主軸の回転精度と、刃具をチャックに取り付ける際のチャッキング精度と、チャックを主軸に取り付ける際の取り付け精度とに起因して生じるため、刃具の軸心の軸振れを測定することができれば、ワークの加工精度を精確に評価することができる。しかしながら、特許文献１の軸振れ補正制御装置は、以下に示すように、基準リングのような高い真円度を有する基準部材に限って、これに生じる軸振れを測定できるだけであり、例えばエンドミルのような大きな凹凸を有する複雑な形状を有する刃具の軸心の軸振れ（又は刃具の軸心の運動の軌跡）を測定することはできない。
【０００９】
特許文献１の軸振れ補正制御装置においては、上述のように非接触変位センサを用いることによって、主軸の軸心に同軸に取り付けられた基準リングの外表面と近接センサとの間の距離を測定している。ここで、基準リングは高い真円度を有しており、その外表面は鏡面仕上げされている。つまり、基準リングの外表面には、外表面の加工精度に起因する表面粗さに相当する凹凸（例えば数μｍ程度）を超える高さの凹凸は形成されていない。そのため、非接触変位センサを基準リングの外表面に近接して配置することができ、非接触変位センサと基準リングの外表面との間の距離を精度良く測定することができた。
【００１０】
ここで、非接触変位センサの検出範囲は、一般に０ｍｍ〜数ｍｍ程度であるため、非接触変位センサを用いて刃具の軸心の軸振れを測定する場合には、刃具の外側を取り囲み、且つ、刃具から数ｍｍ以内に近接するように少なくとも３つの非接触変位センサを配置しなければならない。しかしながら、ワークを切削加工する際にワークと干渉しないように、刃具の外側に近接して、このような測定対象に近接して配置しなければならない非接触変位センサを配置することは実質上不可能である。また、例えばエンドミルなどの刃具の断面は、真円から大きくずれた複雑な形状をしており、数ｍｍ以上の凹凸が形成されていることもある。このように、刃具の断面形状が非接触変位センサの検出範囲を超える凹凸を有している場合には、たとえ非接触変位センサを刃具の外側において刃具と近接するように配置できたとしても、刃具の断面形状を精確に計測することは不可能であり、刃具の軸心の軸振れ（又は刃具の軸心の運動の軌跡）を測定することはできない。
【００１１】
本発明の目的は、工作機械に取り付けられた刃具のような回転体に関して、回転体の形状に関わらず、回転体の回転軸心の運動の軌跡を測定するための方法、及び、回転体の回転軸心の運動の軌跡を測定する測定システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様に従えば、凹凸を有する回転体の回転軸心の運動の軌跡を計測する方法であって、所定の回転速度で回転可能に設けられた主軸に、前記回転体を取り付けることと、前記回転体の前記回転軸心に垂直な垂直面内に、前記回転体の一部を挟んで対向する３組の発光部及び受光部の組を配置することと、前記回転体を、前記主軸と一体的に前記所定の回転速度で回転させつつ、前記各発光部から前記各受光部に向けて光を照射して、前記光のうち、前記回転体に遮られることなく前記各受光部で受光されるエッジ光の光量を測定することと、前記エッジ光により前記回転体の前記垂直面の断面形状と比べて凹部の深さが浅くなだらかな形状となった仮想断面形状を、前記各受光部で測定された前記エッジ光の光量に基づいて求めることと、前記エッジ光の光量及び前記仮想断面形状に基づいて、前記回転体の前記回転軸心の前記垂直面内における運動の軌跡を求めることとを備える方法が提供される。
【００１３】
本発明の第１の態様によれば、回転体の回転軸心に垂直な断面における断面形状を精確に計測しなくとも、回転体の回転軸心の運動の軌跡を計測することができる。そのため、回転体との間の距離を計測するための測定装置を、回転体の回転軸心の周りに配置する必要がない。それに代えて、回転体の一部に光を照射し、回転体に遮られずに通過した光（エッジ光）の光量を測定することにより、回転体の回転軸心の運動の軌跡を計測することができるため、発光部及び受光部の配置の自由度が増し、大きな凹凸を有する回転体についても容易に回転軸心の運動の軌跡を測定することができる。
【００１４】
本発明の回転体の回転軸心の運動の軌跡を計測する方法において、前記回転体は、回転軸心の周りの表面に切れ刃部が形成された切削工具であってもよい。この場合には、例えば、エンドミル、ドリル、リーマ、正面フライスのような複雑な形状を有する切削工具においても、その回転軸心の運動の軌跡を測定できる。
【００１５】
本発明の回転体の回転軸心の運動の軌跡を計測する方法において、前記発光部はレーザ光を照射するレーザ照射装置であってもよく、前記受光部はフォトダイオードであってもよい。この場合には、レーザ光を用いているので、光の指向性が非常に高いため、発光部及び受光部の組を切削工具等の回転体から離して配置することが容易であり、これらの配置の自由度が高くなる。
【００１６】
本発明の回転体の回転軸心の運動の軌跡を計測する方法において、前記回転体の、前記垂直面の前記断面形状は、前記回転軸心からの距離が最も長い第１凸部を有してもよく、前記仮想断面形状は、前記第１凸部に対応する第２凸部を有してもよく、前記回転軸心と第１凸部との間の距離は、前記回転軸心と前記第２凸部との間の距離と同じであってもよい。この場合において、エッジ光の光量の測定に基づいて抽出される仮想断面形状は、実際の断面形状（実断面形状）と異なるものであるが、実断面形状のうち、最も半径方向に長い部分については、仮想断面形状においても精度良く再現することができる。そのため、例えば切削工具の形状を測定する場合において、刃の先端部分の長さ（半径方向の長さ）を、仮想断面形状から精確に求めることができ、刃の先端の摩耗の程度を求めることができる。
【００１７】
さらに、前記回転体の、前記垂直面の前記断面形状は、前記回転軸心からの距離が最も短い第１凹部を有してもよく、前記仮想断面形状は、前記第１凹部に対応する第２凹部を有してもよく、前記回転軸心と第２凹部との間の距離は、前記回転軸心と前記第１凹部との間の距離よりも長くてもよい。この場合には、仮想断面形状は、実断面形状と比べて、凹凸の浅い形状となる。つまり、仮想断面形状は、実断面形状と比べて、フーリエ展開したときの高周波成分が少ない。そのため、仮想断面形状をフーリエ展開する場合に、山数をあまり多く取らなくても、仮想断面形状を精度よく抽出することができる。
【００１８】
本発明の第２の態様に従えば、凹凸を有する回転体の回転軸心の運動の軌跡を計測する計測システムであって、所定の軸方向に延在し、一端に前記回転体を固定する固定部が設けられた主軸、及び、前記主軸の他端に連結され、前記主軸を前記軸を中心として回転させるモータを有する主軸頭と、前記回転体の前記回転軸心に垂直な垂直面内に、前記回転体の一部を挟んで対向するように配置された３組の発光部及び受光部の組と、前記回転体を、前記主軸と一体的に前記所定の回転速度で回転させつつ、前記各発光部から前記各受光部に向けて光を照射させて、前記光のうち、前記回転体に遮られることなく前記各受光部で受光されるエッジ光の光量を測定させ、前記エッジ光により前記回転体の前記垂直面の断面形状と比べて凹部の深さが浅くなだらかな形状となった仮想断面形状を、前記各受光部で測定された前記エッジ光の光量に基づいて求めるとともに、前記エッジ光の光量及び前記仮想断面形状に基づいて、前記回転体の前記回転軸心の前記垂直面内における運動の軌跡を求める制御部と、を備える計測システムが提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の計測システムを利用することにより、例えばフライス盤のような切削工具における、高速で回転する複雑な形状の切削工具の回転軸心の運動の軌跡を高精度（例えば１μｍ以下の精度）に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る軸振れ計測システムの概略図である。
【図２】図２（ａ）はエンドミル３０の側面図であり、図２（ｂ）はエンドミル３０の上面図である。
【図３】図３は、エンドミル３０と光学計測系１２０との配置を示す概略図である。
【図４】図４は校正用基準工具３００の位置とレーザ光１２１ａの光量との相関を調べるためのキャリブレーション測定を行う際の配置図である。
【図５】第１の実施形態に係る軸振れの計測方法を示すフローチャートである。
【図６】実断面形状と仮想断面形状との関係を示す図である。
【図７】図７（ａ）はシミュレーションにより得られたエンドミル３０の軸心の運動軌跡であり、図７（ｂ）は仮想断面形状を示す。
【図８】図８はエンドミル３０の先端の摩耗を示す図である。
【図９】図９はシミュレーションにより得られたエンドミル３０の摩耗と、実際のエンドミル３０の摩耗との相関を示すグラフである。
【図１０】図１０は、エンドミル３０の、実断面形状と仮想断面形状のフーリエ級数の係数を示したグラフである。
【図１１】図１１（ａ）は、４枚刃エンドミルに関する図７（ｂ）相当図であり、図１１（ｂ）は、４枚刃エンドミルに関する図７（ａ）相当図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜第１実施形態＞
本発明に係る、回転体の回転軸心の運動の軌跡を計測する計測システムの一例として、工作機械の一種であるフライス盤に取り付けられたエンドミルの軸心の軸振れを計測する軸振れ計測システム１について説明する。図１に示すように、軸振れ計測システム１は、ワークをエンドミル３０により切削加工するフライス盤１０と、エンドミル３０の軸心３０ａの運動の軌跡及び軸振れを計測する制御部１１０とを主に備える。
【００２２】
フライス盤１０は、ワークを載置するテーブル１１と、ワークをテーブル１１上に固定するバイス１２と、主軸１３ａ及び主軸１３ａをその軸心（回転軸）の周りに回転させるモーター１３ｂを有する主軸頭１３と、不図示のボールネジ機構により、主軸頭１３をテーブル１１に相対して主軸１３ａの軸心方向（Ｚ方向）及び／又はテーブル１１の側面方向（Ｘ、Ｙ方向）に移動させる移動機構１４と、エンドミル３０を把持するチャック部４０（本発明の固定部に相当する）とを備え、主軸１３ａの先端に、チャック部４０が取り付けられる。主軸頭１３の主軸１３ａの周りには、不図示のロータリエンコーダが設けられており、主軸１３ａの回転角度のデータが後述する測定制御部１３０に送られる。また、主軸頭１３のモータ１３ｂは、後述する制御部１１０により制御されている。なお、チャック部４０として、例えば、不図示のコレットに挿入されたエンドミル３０を把持して固定する公知のコレットチャックを用いることができる。あるいは、他の種類のチャック機構を用いることもできる。
【００２３】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、エンドミル３０は円柱形状の切削工具であって、円柱形状のシャンク部３１と、シャンク部３１の一端側に形成された切れ刃部３２とを有する。なお、シャンク部３１の中心軸をエンドミル３０の軸心３０ａと呼ぶ。ここで切れ刃部３２は、いわゆる２枚刃として、シャンク部３１の側面及びシャンク部３１の一端側の端面３１ａに形成されている。具体的には、切れ刃部３２は端面３１ａにおいて軸心側から外周側に向かって延在する２つの端面刃３３ａ、３３ｂと、シャンク部３１の側面に螺旋状に延びる外周刃３４ａ、３４ｂとを有する。
【００２４】
図１に示すように、制御部１１０は、３組の光学測定系１２０（図１には１組の光学測定系１２０のみが図示されている）と、光学測定系１２０の測定結果を基にして後述する３点法によりエンドミル３０の軸心３０ａの軸振れの大きさを抽出する測定制御部１３０とを備える。ここで、３組の光学測定系１２０は同一平面内に配置されており、これら３組の光学測定系１２０により画成される平面を測定基準面Ｓと呼ぶ。図１に示されるように、測定基準面Ｓは、エンドミル３０の軸心３０ａに垂直な面であって、エンドミル３０の切れ刃部３２が形成された領域と垂直に交差する平面である。各光学測定系１２０は、レーザ光１２１ａ（図３参照）を照射するレーザ発光部１２１と、受光したレーザ光１２１ａの光量に応じた出力信号を出力するフォトダイオード１２２とを備える。レーザ発光部１２１は、制御部１１０により制御される。測定制御部１３０は、フォトダイオード１２２の出力信号（電流信号又は電圧信号）が入力されるとともに、入力されたフォトダイオード１２２の出力信号についてＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄコンバータ１３１と、Ａ／Ｄコンバータ１３１からのデータ及び主軸１３ａの回転角度に関するデータをもとに、後述する３点法に基づく解析処理を行うコンピュータ（解析部）１３２とを備える。
【００２５】
次に、軸振れ計測システム１を用いて、エンドミル３０の軸心３０ａの軸振れを計測する方法について図５を参照しつつ説明する。先ず、チャック部４０を主軸１３ａの先端に固定する。さらに、エンドミル３０のシャンク部３１をチャック部４０に固定する（エンドミル固定工程ＳＳ１）。このとき、エンドミル３０の軸心３０ａと、チャック部４０の中心と、主軸１３ａの軸心とは、取り付け誤差の範囲内でほぼ一直線上に重なっている。
【００２６】
次に、図３に示すように、各光学計測系１２０のレーザ発光部１２１及びフォトダイオード１２２を、測定基準面Ｓ（図１参照）内において、エンドミル３０の接線方向にエンドミル３０を挟んで対向するように配置する（光学測定系配置工程ＳＳ２）。ここで、エンドミル３０を回転させた場合に、常にレーザ発光部１２１から発せられたレーザ光１２１ａの一部がエンドミル３０に遮られずにフォトダイオード１２２に入射されるとともに、レーザ光１２１ａの一部はエンドミル３０に遮られてフォトダイオード１２２に入射されないように、レーザ発光部１２１及びフォトダイオード１２２の位置を調整する。言い換えると、レーザー発光部１２１から発せられたレーザ光１２１ａのうち、エンドミル３０のエッジに遮られずに直進するエッジ光がフォトダイオード１２２に入射されるように、レーザ発光部１２１及びフォトダイオード１２２の位置を調整する。ここで、レーザ発光部１２１の１つから発せられたレーザ光１２１ａの一部がエンドミル３０により散乱されて、他の組のフォトダイオード１２２に入射することが考えられる。このような場合にエッジ光の光量測定に影響を及ぼさないために、３つのレーザ発光部１２１から発せられるレーザ光１２１ａの波長をそれぞれ別波長とすることが好ましい。このように、３つのレーザ発光部が互いに異なる波長のレーザ光を照射する場合には、各レーザ発光部と各フォトダイオードとの間に、当該レーザ発光部から照射されたレーザ光を透過させ、他のレーザ発光部から照射されたレーザ光をカットする波長フィルタを配置することが好ましい。
【００２７】
なお、エンドミル３０の軸心３０ａの軸振れの計測（回転軸心の運動軌跡の計測）とは別に、図４に示すように、レーザ発光部１２１とフォトダイオード１２２との間に、レーザ光１２１ａを遮る校正用基準工具３００をレーザ光１２１ａの光軸と直交する挿入方向に挿入し、校正用基準工具３００の先端３００ａの挿入方向における位置と、校正用基準工具３００に遮られずにフォトダイオード１２２により受光されたレーザ光１２１ａの光量との間の相関を調べておく。このような測定（キャリブレーション測定）を行うことにより、フォトダイオード１２２により受光されたレーザ光１２１ａの光量から、レーザ光１２１ａを遮る校正用基準工具の、挿入方向における位置を特定することができる。
【００２８】
次に、主軸頭１３のモータ１３ｂを駆動して主軸１３ａを回転させた状態で、エンドミル３０の側面の、切れ刃部３２が形成された領域に各光学計測系１２０のレーザ発光部１２１からレーザ光１２１ａを照射し、エンドミル３０に遮られることなく通過したレーザ光１２１ａ（エッジ光）をフォトダイオード１２２で受光する（エッジ光測定工程ＳＳ３）。
【００２９】
３つのフォトダイオード１２２からの出力信号を測定制御部１３０のＡ／Ｄコンバータ１３１にそれぞれ入力するとともに、主軸１３ａの回転角度に関する信号もあわせて測定制御部１３０に入力する。このような、３つのフォトダイオード１２２からの信号及び主軸１３ａの回転角度に関する信号に基づいて、後述する解析処理を行うことにより、測定データからエンドミル３０の測定基準面Ｓにおける断面の、実断面形状とは異なる後述の仮想断面形状を抽出し（仮想断面形状抽出工程ＳＳ４）、さらにエンドミル３０の軸心３０ａの運動の軌跡及び軸振れの大きさを抽出する（軸振れ情報抽出工程ＳＳ５）。
【００３０】
ここで、従来、測定されたデータから、後述する３点法によりエンドミル３０の測定基準面Ｓにおける断面形状に起因する成分を取り除くためには、エンドミル３０の測定基準面Ｓにおける断面の実形状（実断面形状）を精確に抽出し、この実断面形状による寄与を取り除かなければならないと信じられてきた。言い換えると、測定されたデータから、３点法によりエンドミル３０の測定基準面Ｓにおける断面形状に起因する成分を取り除くためには、回転するエンドミル３０の、測定基準面Ｓにおける実断面形状を測定しなければならないため、それにあわせて、実断面形状を測定しうるように測定装置を配置しなければならないと信じられてきた。
【００３１】
具体的には、被測定物の、測定基準面における実断面形状を測定するためには、例えば特許文献１に示されるように、回転する被測定物の外側に、被測定物との間の距離を測定する非接触変位センサのような変位測定装置を配置しなければならないと信じられてきた。しかしながら、エンドミル３０のような複雑な断面形状を有する被測定物に関して、数千ｒｐｍ以上の回転速度で高速回転する被測定物との間の距離を測定するのは困難である。そのため、これまでは、回転する被測定物の軸振れの測定（回転軸心の運動軌跡）の測定に関して、３点法を用いて被測定物の実断面形状を測定しつつ、これをもとに軸振れの大きさを抽出しうるのは、もっぱら基準リングのようなほぼ真円の実断面形状を有する基準測定物を被測定物とした場合に限られていた。そのため、エンドミル３０のような実際に用いられる複雑な形状の切削工具を対象とした軸振れの測定（回転軸心の運動軌跡の測定）は全くなされていなかった。
【００３２】
しかしながら、本願発明者は鋭意検討の結果、高速に回転する被測定物との間の距離を測定することにより高速で回転する被測定物の実断面形状を抽出することに代えて、上述のようにエッジ光の光量を測定し、実断面形状とは異なる後述の仮想断面形状を抽出することによって、被測定物の回転軸心の運動の軌跡を求め、軸振れの大きさを求めることができることを見出した。以下、本願発明者が見出したこの知見について詳しく説明する。
【００３３】
先ず、そもそもエッジ光の光量が、エンドミル３０のような被測定物の回転軸心の軸振れ（回転軸心の運動の軌跡）を反映した測定量であるかどうかについて検討する。ここで、エンドミル３０のエッジ光の光量は、エンドミル３０をその接線方向（レーザ光１２１ａの光軸方向）から見た場合における、エンドミル３０の先端の位置（エッジ位置）により変化する。エンドミル３０の側面には切れ刃部３２が形成されているため、エンドミル３０の測定基準面Ｓにおける断面は真円ではなく、大きな凹凸のある形状を有している。そのため、エンドミル３０をその接線方向から見た場合における、エンドミル３０のエッジ位置は、エンドミル３０の回転（回転角度）により変化する。言い換えると、エンドミル３０のエッジ位置は、エンドミル３０の測定基準面Ｓにおける断面形状に起因して変化する。
【００３４】
なお、エンドミル３０の軸心３０ａと、主軸１３ａの軸心とは完全に一致しているとは限らず、エンドミル３０をチャック部４０に取り付ける際のチャッキング精度と、チャック部４０を主軸１３ａに取り付ける際の取り付け精度とに起因して偏心していると考えられる。このように、エンドミル３０の軸心３０ａと、主軸１３ａの軸心とがずれて配置されている場合には、エンドミル３０は偏心しつつ回転することになり、これに起因してエンドミル３０の軸心３０ａは軸振れする。さらに、エンドミル３０の軸心３０ａは、主軸１３ａの回転精度に起因して軸振れしていると考えられる。主軸１３ａは、不図示の軸受により軸支されているところから、軸受及び主軸１３ａの工作精度等に起因して主軸１３ａの回転軸心は微小に振動していると考えられる。また、エンドミル３０をチャック部４０に取り付ける際のチャッキング精度によっては、エンドミル３０が回転する際にエンドミル３０とチャック部４０との間でブレ（振動）が生じ、これによってエンドミル３０の軸心３０ａの軸振れが生じる可能性もある。チャック部４０と主軸１３ａとの結合部についても同様のことが言える。このような様々な原因により、エンドミル３０が回転している間、エンドミル３０の軸心３０ａは軸心３０ａに垂直な平面内において絶えず振動している。このようなエンドミル３０の軸心３０ａの軸振れ（運動の軌跡）によっても、エンドミル３０のエッジ位置は変化する。
【００３５】
このように、エンドミル３０のエッジ位置は、エンドミル３０の軸心３０ａの軸振れ（運動の軌跡）に起因して変化することがわかった。しかしながら、上述のように、エンドミル３０のエッジ位置は、測定基準面Ｓにおける断面形状にも起因して変化するため、測定されたエッジ光の光量から、エンドミル３０の軸心３０ａの軸振れ（運動の軌跡）の情報だけを抽出するためには、エンドミル３０の測定基準面Ｓにおける断面形状に起因する成分を抽出し、これを取り除く必要がある。ここで、エッジ光の光量の測定において抽出される断面形状は、実断面形状とは異なる形状であり、本願においてはこれを仮想断面形状と呼ぶ。
【００３６】
次に、仮想断面形状と実断面形状との関係について、図６に示すような実断面形状を有する２つの被測定物４０１、４０２を例に挙げて説明する。被測定物４０１は略星形の実断面形状を有しており、周方向に均等に配置された５つの凸部４０１ａ及び凸部の間にそれぞれ配置された５つの凹部４０１ｂとを有する。被測定物４０２は、凸部４０１ａと同じ高さに形成された５つの凸部４０２ａ及び凹部４０１ｂよりも深く形成された５つの凹部４０２ｂを有する。
【００３７】
ここで、被測定物４０１、４０２は、互いに全く異なる実断面形状を有しているが、被測定物４０１、４０２についてエッジ光の光量の測定を行ない、後述の３点法により被測定物４０１、４０２の断面形状を抽出すると、いずれの場合にも、５つの凸部４０３ａ及び凸部４０３ａの間に配置された５つの凹部４０３ｂを有する仮想断面形状４０３のようになる。つまり、ここで、被測定物４０１、４０２の実断面形状と、仮想断面形状４０３を比較すると、仮想断面形状４０３の凸部４０３ａの高さは実断面形状の凸部４０１ａ、４０２ａの高さと同じであるが、仮想断面形状４０３の凹部４０３ｂの深さは実断面形状の凹部４０１ｂ、４０２ｂよりも浅くなっている。言い換えると、仮想断面形状４０３は、実断面形状の凸部の高さは再現しているものの、凹部の深さは再現していない。このことから、被測定物に半径方向に長い凸部と、凸部に比べて半径方向に短い凹部とがある場合、被測定物のエッジ位置は、凸部の影響を受けやすいが凹部の影響は受けにくいことがわかる。
【００３８】
次に、エッジ光の光量の測定によって得られたデータから、仮想断面形状を抽出する際に用いる３点法について説明する。図３に示すように、３つのレーザ発光部１２１の発するレーザ光１２１ａについて、全ての光軸からの距離が等しくなるように原点Ｏを設定する。さらに、３つのフォトダイオード１２２のうちの１つのフォトダイオード１２２について、エッジ光の変位方向がゼロとなるように、ｘ軸、ｙ軸を設定する。そして、残り２つのフォトダイオード１２２をそれぞれφ［ｒａｄ］、ψ［ｒａｄ］の角度に配置したとする。このとき、被測定物の仮想断面形状、被測定物のｘ軸方向の振動成分、及び、ｙ軸方向の振動成分を、それぞれ、ｘ軸からの角度θとしてＲ（θ）、ｘ（θ）、ｙ（θ）と表すとき、３つのフォトダイオード１２２の出力Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃは数式１のように表される。
【００３９】
【数１】
0004806093.tif 000002
【００４０】
ここで、Φ＝φ＋π／２、Ψ＝ψ＋π／２と変数変換し、関数Ｓ（θ）を数式２のように定義する。このとき数式３を満たすように定数ａ、b、Φ、Ψを選ぶと、関数Ｓ（θ）は数式４のように表される。
【００４１】
【数２】
0004806093.tif 000003
【数３】
0004806093.tif 000004
【数４】
0004806093.tif 000005
【００４２】
さらに、仮想断面形状Ｒ（θ）を数式５のように山数をｋとしてフーリエ級数展開し、数式６のように定数αｋ、βｋを定義する。これらを数式４に代入すると、関数Ｓ（θ）は数式７のように表すことができる。
【数５】
0004806093.tif 000006
【数６】
0004806093.tif 000007
【数７】
0004806093.tif 000008
【００４３】
数式２に示されるように、３つのフォトダイオード１２２の出力から、Ｓ（θ）を導出できる。これをフーリエ変換して各次数の係数を数式７と比較することにより、仮想断面形状Ｒ（θ）のフーリエ係数Ａｋ，Ｂｋをそれぞれ決定することができ、数式５により仮想断面形状Ｒ（θ）を求めることができる。仮想断面形状Ｒ（θ）が決定されれば、数式１により、ｘ方向の振動成分ｘ（θ）、ｙ方向の振動成分ｙ（θ）も求めることができる。このようにして、測定された３つのフォトダイオード１２２からの出力から、仮想断面形状Ｒ（θ）、ｘ方向の振動成分ｘ（θ）及びｙ方向の振動成分ｙ（θ）をそれぞれ抽出することができる。
【００４４】
このように、本願発明者は、エッジ光の光量を測定し、実断面形状とは異なる仮想断面形状Ｒ（θ）を抽出することによって、被測定物の軸心の運動の軌跡（ｘ（θ）、ｙ（θ））を求めることができることを見出した。次に、この知見に基づいて、実際にエンドミル３０の軸心の運動の軌跡及び軸振れの大きさを求めることができることを確かめるために、上述のエンドミル３０の軸心３０ａの軸振れの計測についてのシミュレーションを行った。
【００４５】
このシミュレーションにおいて、データのサンプリングレートは１回転当たり５１２回とした。また、３つのフォトダイオード１２２は、φ＝１４９．８°、ψ＝２１０．２３°の角度に配置した。
【００４６】
図７（ａ）、（ｂ）にシミュレーションの結果を示す。ここで、図７（ａ）に示すように、シミュレーションより得られたエンドミル３０の軸心３０ａの運動の軌跡２３３と、このシミュレーションにおいてエンドミル３０に与えられた運動の軌跡２３４とは非常に良く一致しており、標準偏差は０．００５８μｍであることがわかった。このことから、上述の方法に基づく、エンドミル３０の軸心３０ａの軸振れの計測方法（軸心の運動の軌跡の計測方法）が有効であることがわかった。
【００４７】
なお、図７（ｂ）に示されるように、本シミュレーションにおいて抽出されたエンドミル３０の仮想断面形状２３２は、実断面形状２３１と異なっている。特に、実断面形状２３１は、エンドミル３０の外周刃３４ａ、３４ｂの先端にそれぞれ対応する、仮想断面形状２３２の凸部の先端２３２ａ、２３２ｂとは重なっているが、実断面形状２３１の窪んだ部分では仮想断面形状２３２とは重なっていない。また、実断面形状に凸部の先端付近のような鋭角的な形状があったとしても、仮想断面形状２３２においてはなだらかな形状として反映されることもわかる。
【００４８】
実断面形状２３１が、仮想断面形状２３２の凸部の先端２３２ａ、２３２ｂとは重なっているが、実断面形状２３１の窪んだ部分とは重なっていないことは、前述のように、エッジ光の光量の測定によって抽出される仮想断面形状が、被測定物の凸部の影響を受けやすいが凹部の影響は受けにくいことに対応している。逆に言えば、エッジ光の光量の測定により抽出される仮想断面形状２３２は、エンドミル３０の外周刃３４ａ、３４ｂの先端の高さを忠実に再現していることから、仮想断面形状２３２の、外周刃３４ａ、３４ｂの先端に対応する箇所の高さを精確に求めることにより、エンドミル３０の外周刃３４ａ、３４ｂの摩耗量を求めることができる。
【００４９】
ここで、図８に示すようにエンドミル３０の外周刃３４ａ、３４ｂの先端の高さを少しずつ低くした場合において、それぞれ上述と同様のシミュレーションを行ない、エンドミル３０の外周刃３４ａ、３４ｂの先端の高さと、シミュレーションの結果得られた仮想断面形状から求められた外周刃３４ａ、３４ｂの先端の高さとの間の相関を求めた。図９に示されるように、仮想断面形状から求められた外周刃３４ａ、３４ｂの先端の高さは、実形状のエンドミル３０の外周刃３４ａ、３４ｂの先端の高さとほぼ一致していることが分かった。これにより、仮想断面形状２３２の、外周刃３４ａ、３４ｂの先端に対応する箇所の高さから、エンドミル３０の外周刃３４ａ、３４ｂの摩耗量を求めることができることが分かった。
【００５０】
なお、前述のような、図７（ｂ）において、実断面形状に凸部の先端付近のような鋭角的な形状があったとしても、仮想断面形状２３２においてはなだらかな形状として反映されることは、仮想断面形状２３２（Ｒ（θ））が高周波成分を多く含んでいないことに対応していると考えられる。これを確かめるために、図１０のように、実断面形状２３１をフーリエ展開した場合の各山数における係数Ａｋ、Ｂｋの大きさと、仮想断面形状２３２をフーリエ展開した場合の、各山数における係数Ａｋ、Ｂｋの大きさとを比較した。これをみても、実断面形状２３１に比べて、仮想断面形状２３２（Ｒ（θ））は高周波成分が少ないことが分かる。このことから、仮想断面形状２３２を抽出する場合には、山数をあまり大きくとる必要がなく、１回転当たり２５６回のサンプリング程度で十分であることが分かった。
【００５１】
＜第２実施形態＞
つぎに、本発明の第２実施形態について説明する。ここで、本実施形態は、第１実施形態における２枚刃のエンドミル３０に代えて、４枚刃のエンドミル４３０を測定対象としたこと以外は、第１実施形態と同様であるため、以下の説明においては、第１実施形態との相違点についてのみ説明することとする。
【００５２】
図１１（ａ）に示すように、４枚刃のエンドミルの、測定基準面Ｓにおける実断面形状４３１は、４枚刃のエンドミルの４つの外周刃に対応する４つの凸部４３１ａ〜４３１ｄを有する。このような４枚刃のエンドミルを測定対象として、上述と同様のシミュレーションを行い、仮想断面形状４３２を抽出した。仮想断面形状４３２と実断面形状４３１とを比較すると、４つの凸部４３１ａ〜４３１ｄに対応する部分は非常に良く一致していることが分かる。また、第１実施形態の場合と同様に、仮想断面形状４３２は、実断面形状４３１と比較して凹凸の少ない（凹部の深さが浅い）なだらかな形状であることがわかる。
【００５３】
また、図１１（ｂ）に示すように、シミュレーションより得られた４枚刃のエンドミルの軸心の運動の軌跡４３３と、このシミュレーションにおいてエンドミルに与えられた運動の軌跡４３４とは非常に良く一致しており、標準偏差は０．００７１μｍであることがわかった。このことから、４枚刃エンドミルのような複雑な形状の被測定物に対しても、上述の方法に基づく、軸振れの計測方法（軸心の運動の軌跡の計測方法）が有効であることがわかった。
【００５４】
なお、上述の実施形態において、２枚刃、４枚刃のエンドミルを測定対象としてきた。ここで、２枚刃、４枚刃エンドミルの断面形状は、それぞれ１８０°対称、９０°対称の形状であるが、本発明はこれには限らない。本発明の測定対象となる切削工具等の回転体の断面形状は、任意の角度で回転対称な形状であってもよく、あるいは、回転対称でない形状であってもよい。また、本発明において測定対象となる切削工具は、エンドミルには限らず、例えば、ドリル、リーマ、正面フライス等、任意の形状の切削工具に対して適用することができる。
【００５５】
また、上述の実施形態において、エッジ光の光量の測定のための光学測定系として、レーザ光を照射するレーザ発光部とフォトダイオードとを例に挙げて説明してきたが、本発明はこれに限らず、安定した出力で所定の領域に平行光を照射しうる発光装置と、照射された光の光量を測定しうる光量測定装置である限りにおいて、任意の発光装置及び光量測定装置を有する光学測定系を使用しうる。また、例えば、レーザ発光部に代えて、指向性を高くしたＬＥＤ装置等を使用しうる。また、フォトダイオードに代えて、ＣＣＤ等を使用してもよい。また、光学測定系の数は少なくとも３つあればよい。上述の実施形態においては、切削工具の一端にレーザ光を照射し、その端部におけるエッジ光の光量を測定していた。しかしながら、本発明はこれに限らず、例えば、切削工具の幅（レーザ光の光軸に直交する方向の長さ）よりも広いレーザ光を照射するとともに、２分割されたフォトダイオードを用いて切削工具の幅方向両端においてエッジ光の光量の測定を同時に行なってもよい。このとき、切削工具が一方向にずれた場合、２分割されたフォトダイオードの一方の光量が増加し、他方の光量が減少するため、これにより、測定の感度を向上させることができる。
【００５６】
なお、上記実施形態において、回転する切削工具を測定対象としており、測定基準面における断面の直径は約１０ｍｍ〜数十ｍｍ程度であった。しかしながら本発明は切削工具のような細い棒状の回転体のみを測定対象とすることに限らず、任意の大きさ、任意の形状の回転体における軸振れを測定するために適用することができる。例えば、プロペラのような、測定基準面における断面の直径が数十ｃｍ〜数ｍ程度に及ぶ大型の回転体において、その軸振れを測定する場合にも本発明を適用しうる。なお、測定対象が比較的大型の回転体である場合のように、レーザ発光部の１つから発せられたレーザ光の一部が回転体により散乱されて、他の組のフォトダイオード入射するおそれがない場合等には、必ずしも各レーザ発光部から発せられるレーザ光の波長を別波長とする必要はなく、同一の波長のレーザ光を発するレーザ発光部を使用してもよい。あるいは、ワークを把持した状態で高速に回転させ、固定された切削工具に当接させて切削加工を行う旋盤においても、本発明を適用しうる。この場合には、切削工具ではなく、ワークについて上述の方法と同様の方法によりエッジ光の光量の測定を行うことにより、ワークの回転中心の運動の軌跡及び軸振れを抽出することができる。また、測定対象となる回転体の、測定基準面における断面形状は任意の形状であってよく、上述の実施形態において例示してきた２枚刃、４枚刃のエンドミルのように、必ずしも半径方向に鋭い切れ込みが形成されていなくてもよい。例えば、測定対象となる回転体は、測定基準面において円形の断面形状を有してもよい。この場合であっても、測定対象となる回転体の測定基準面における実断面形状は、真円とはならず、工作精度に起因する凹凸を有することになる。このとき、上述のようなエッジ光の測定によって得られる仮想断面形状は、実断面形状とは異なる形状であり、具体的には、実断面形状よりも凹部の深さが浅いなだらかな形状として抽出される。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
複雑な形状を有する任意の回転体について、数千ｒｐｍ以上の高速回転している場合であっても、回転軸心の運動軌跡および軸振れを高精度（例えば１μｍ以下の精度）で測定することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１      軸振れ計測システム
１０    フライス盤
１３ａ  主軸
３０    エンドミル
１１０  制御部
１２０  光学測定系
【要約】
【課題】  回転体の回転軸心の運動の軌跡を計測する方法を提供する。
【解決手段】  主軸に回転体を取り付けることと、前記回転体の前記回転軸心に垂直な垂直面内に、前記回転体の一部を挟んで対向する３組の発光部及び受光部の組を配置することと、回転体を、前記主軸と一体的に回転させつつエッジ光の光量を測定することと、エッジ光の光量に基づいて、回転体の断面形状と異なる仮想断面形状を求めることと、エッジ光の光量及び仮想断面形状に基づいて、回転体の回転軸心の運動の軌跡を求めることとを備える方法が提供される。
【選択図】  図１【図１】
0004806093.tif 000009
【図２】
0004806093.tif 000010
【図３】
0004806093.tif 000011
【図４】
0004806093.tif 000012
【図５】
0004806093.tif 000013
【図６】
0004806093.tif 000014
【図７】
0004806093.tif 000015
【図８】
0004806093.tif 000016
【図９】
0004806093.tif 000017
【図１０】
0004806093.tif 000018
【図１１】
0004806093.tif 000019