内部モニタリングを特徴とする熱変形補償型高精密三次元測定機の試作研究

1995 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07555357
• 研究種目: 試験研究(B)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 長尾 高明 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (80010685)
• 研究分担者: 福井 豊治 (株)東京精密, 生産本部・汎用計測機器グループ, 研究員 ; 中尾 政之 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (90242007) ; 畑村 洋太郎 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (40010863) ; 光石 衛 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (90183110)
• キーワード: 三次元測定機 / 熱変形 / 内部モニタリング / 変形センサ / ニューラル・ネットワーク / 遺伝的アルゴリズム

研究概要

本年度はまず、三次元測定機の構造体の計10箇所に変形センサを装備し、構造体各部の熱変形を測定した。変形センサは被測定物の変形を測定する歪ゲージ式検出ブロック部と測定点間を結ぶ連結棒とからなる。検出ブロックの中央部に位置する薄肉部に上下の取付部間の変形量を集中させ、拡大された歪を歪ゲージで検出することにより、長い標点間距離の変化を安定的に高い精度で検出することができる。連結棒は熱膨張率の小さいニッケル計低熱膨張性合金でできているので、周囲や構造体の温度の影響を受けずに、被測定物の変形量そのものを検出することが可能である。また、位置の読みの基となる光学スケールの熱変形は、直接的に測定精度に影響すると考えられるため、光学スケールの表面温度を測定した。さらに、室温をZ軸キャリッジ上部、テーブル面、本体下部の3箇所で測定した。
実験では例えば、室温を16℃から32℃の間で変動させ、その時の構造体の変形量、光学スケールの温度、室温を測定すると同時に、3時間毎に直角ゲージの外周を三次元測定機で測定した。また、実験では直角ゲージをXY平面内に設置した。
実験により次のことが判った:(i)テーブル部以外の構造板はほとんど時間遅れなく室温の変動に伴って伸縮している。(ii)測定値に関しては、真直度はほとんど変動しないが、直角度と辺の長さは温度の変動に伴って変動する。直角度の変動は構造体の変形により、辺の長さの変動は光学スケールの伸縮によるものであると考えられる。
上記のように本システムで用いた三次元測定機は構造体、光学スケールの熱変形により、測定座標軸の回転/伸縮が起こっているので、測定空間に対して単純な線形写像を施すことにより熱変形による測定誤差を補償した。具体的には、3層のニューラルネットワークを構築し、XY平面における測定空間補正行列と、対応する時点の変形センサ、温度センサ情報との関係を学習させた。ニューラルネットワークによる補正を行なうことにより直角度、辺の長さの変動幅が1/2〜1/3に減少した。

研究成果

• [文献書誌] Mitsuishi, M., Nagao, T., Hatamura, Y., et al.: "Active Thermal Deformation Compensation Based on Internal Monitoring Using a Neural Network with the Genetic Algorithm Method" Proceedings of the 10th Annual Meeting of the American Society for Precision Engineering. 436-439 (1995)
• [文献書誌] 光石衛,奥村努,杉田直彦,長尾高明,畑村洋太郎: "ニューラル・ネットワークと遺伝的アルゴリズムとを用いた高精密マシニングセンタの開発" 日本機械学会論文集,. Vol.61 No.591-C. 4517-4522 (1995)
• [文献書誌] 光石衛,杉田直彦,奥村努,長尾高明,畑村洋太郎: "遺伝的アルゴリズムとニューラル・ネットワークとを用いたマシニング・センタの熱変形能動補償制御の試み" 日本機械学会第72期通常総会講演会予稿集. 421-422 (1995)
• [文献書誌] 光石衛,中尾政之,畑村洋太郎,長尾高明: "生産システムにおける測定の知能化" 1995年度精密工学会春季大会学術講演会論文集. 1105-1106 (1995)
• [文献書誌] 奥村努,光石衛,長尾高明,中尾政之,福井豊治,吉岡裕樹: "変温環境における三次元測定機の高精度化" 1995年度精密工学会秋季大会学術講演会論文集. 559-560 (1995)