JP2007271601A - 光学式測定器及び光学式測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、側面に凹部を有する測定対象物でも、形状等の測定を可能にすること。
【解決手段】加工機の工具取付部１０に対して着脱可能な形状を有するホルダ部１１と、収容部３４とが一体的に向けられており、収容部３４内には反射ミラー３７が軸３６に回動自在に保持されている。反射ミラー３７を回動させない第１位置では光源から出力される測定用光の進行方向を変えずに測定対象物４に照射して測定対象物の測定を行う。側面に凹部を有する測定対象物の側面形状を測定する場合、反射ミラー３７を所定角度回動させた第２位置に保持して測定用光の進行方向を変えて測定対象物に照射し、測定対象物で反射した測定用光を光検出素子３９によって検出して、測定対象物の測定を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも測定用光を出力する光源と測定対象物で反射した前記測定用光を検出する光検出手段とを有する光学式測定器、前記光学式測定器を使用した光学式測定方法に関する。

従来から、ＮＣ加工機やマシニングセンタをはじめとして加工対象物の加工を自動制御によって行うようにした各種の自動制御型加工機が利用されている。前記自動制御型加工機においては、加工対象物を載置固定する加工用テーブルと、加工用工具を取り付ける軸である工具主軸位置（工具取付部）を有し前記工具取付部に装着された加工用工具を駆動する主軸ヘッドと、選択された加工用工具を前記工具取付部に対して自動で着脱する自動工具交換装置（ＡＴＣ）とを備えている。

ＡＴＣは、複数の加工用工具を収納する工具マガジンと、前記工具マガジンに収納された複数の加工用工具の中から加工に必要な工具を選択して、前記主軸ヘッドの工具取付部に装着すると共に使用が終了した加工用工具を前記工具取付部から取り外して前記工具マガジンに収納するアームとを備えている。

前記自動制御型加工機によって加工対象物を加工する場合、制御手段による自動制御によって、前記加工対象物を固定した加工用テーブルを水平方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に所定量ずつ移動させることによって加工対象物をＸ軸方向及びＹ軸方向に所定量ずつ移動させると共に、前記加工用テーブルの水平方向への移動に同期して前記主軸ヘッドを垂直方向（Ｚ軸方向）に所定量ずつ移動させることにより、前記加工用工具を垂直方向に所定量ずつ移動させ、前記加工用工具によって前記加工対象物の加工を行う。

加工に用いる加工用工具を変更する場合は、ＡＴＣによって、主軸ベッドの工具取付部に取り付けられた加工用工具の取り外し、前記工具取付部から取り外した加工用工具の前記工具マガジンへの収納、前記工具マガジンに収納されている複数の加工用工具の中から加工に使用する加工用工具の選択、選択した加工用工具の前記工具マガジンからの取り出し、取り出した加工用工具の前記工具取付部への装着を行う。これにより、加工機に対する加工用工具の交換が行われる。

尚、前記加工用工具は、ＡＴＣによる装着及び脱着が可能なように、大きさや形状等が所定の規格によって定められたホルダ部に取り付けられており、前記ホルダ部を前記工具取付部に装着することにより、加工用工具は前記工具取付部に取り付けられるように構成されている（特許文献１、２参照）。
ところで、加工対象物をより正確に加工するために、加工対象物の加工途中や一応の加工処理が終了した時点で、加工対象物の形状等が所定値に加工されたか否かを測定することが行われている。

従来、加工対象物（測定する場合は測定対象物となる。）の測定においては、前記加工対象物を加工用テーブルに加工中の状態に固定しておくと共に、前記工具取付部に接触式のタッチセンサを装着し、前記タッチセンサを加工対象物表面に当接させ、その時の前記加工用テーブルの位置座標値（Ｘ座標値、Ｙ座標値）や主軸ヘッドの位置（Ｚ座標値）を読み、測定点の三次元座標を得ることによって測定対象物の形状測定を行うようにしている。

しかしながら、接触式のタッチセンサを用いた測定では、測定対象物表面に対して断続的な走査となるため、凹凸形状を有する測定対象物の詳細な測定が困難である。即ち、走査線上の形状測定は大まかで断続な点群測定となり、より連続的で微細な三次元形状測定を行うことは困難である。
また、測定対象物や切り粉との接触でタッチセンサが損傷する等して耐久性に問題があり、又、測定対象物表面に傷が発生する恐れがある。

また、タッチセンサの構造上、常に同じ方向から測定対象物に接触しなければならないため測定に制約が生じたり、又、高速での接触ができないため高速な測定が困難であるという問題がある。
また、測定対象物が側面に凹部を有する形状、即ち、水平方向に凹部を有する形状の場合、前記凹部の深さの測定や前記凹部を含む側面形状の測定が困難という問題がある。

一方、高精度な加工を行うためには、加工用工具を前記工具取付部に対して正確な位置に取り付ける必要がある（例えば、前記工具取付部の軸と工具の軸が正確に一致するように取り付ける必要がある。）。仮に、加工用工具が工具取付部に対して正しい位置に取り付けられていない場合、前記加工用工具を回転駆動した場合、前記加工用工具の軸がぶれた状態で駆動されるため、正確な加工が行えなくなる。

そのために、軸のぶれ具合を目視で確認しながら、加工用工具を工具取付部の適正な位置に装着するように微調整を行うようにしているが、装着状態の良否判定には作業者の経験と感が大きく作用するため、経験の浅い作業者には、加工用工具が正しい位置に取り付けられているか否かの判定が困難であるという問題がある。
この問題を解決する方法として、専用の測定装置を用いて、加工用工具が適正に工具取付部に装着されているか否かを測定することが考えられる。しかしながら、専用の測定装置を用いることはシステム構成が複雑になるという問題がある。また、高価になるという問題がある。

特開平１０−８０８３４号公報 特開平１０−８０８３４号公報

本発明は、簡単な構成で、側面に凹部を有する測定対象物でも、形状等の測定を可能にすることを課題としている。
また、本発明は、簡単な構成で、側面に凹部を有する測定対象物の形状等の測定を可能にすると共に、加工用工具の取付状態を測定できるようにすることを課題としている。

本発明によれば、加工機の工具取付部に対して着脱が可能な形状を有するホルダ部と、前記ホルダ部と一体的に設けられ、測定用光を出力する光源及び測定用光の検出を行う光検出手段と、前記光源から出力される測定用光の光軸と交差しない第１位置と交差する第２位置をとることが可能で、前記第１位置では前記光源からの測定用光の進行方向は変えず、前記第２位置では前記光源からの測定用光の進行方向を所定方向に変える方向制御部とを備えて成ることを特徴とする光学式測定器が提供される。
光源は測定用光を出力する。方向制御部は、第１位置に設定された場合は前記測定用光の進行方向は変えず、第２位置に設定された場合は前記測定用光の進行方向を所定方向に変える。光検出手段は、測定対象物で反射してきた前記測定用光を検出する。

ここで、前記方向制御部は、前記ホルダ部に対して一体的に設けられると共に、前記ホルダに対して一体的に設けられた支持部材と、可動な状態で前記支持部材に保持された光反射部材とを有し、前記光反射部材は、前記第１位置から所定量動くことによって前記第２位置に移るように構成してもよい。
また、前記光反射部材は、回動可能なように前記支持部材によって支持されて成り、前記第１位置から所定量回動することによって前記第２位置に移るように構成してもよい。

また、前記方向制御部は、前記ホルダ部に対して着脱自在に設けられると共に、光反射部材を有し、前記方向制御部が前記ホルダに装着されない状態が前記第１位置、前記方向制御部が前記ホルダに装着された状態が前記第２位置であり、前記光反射部材は、前記第１位置では前記光源からの測定用光の進行方向は変えず、前記第２位置では前記光源からの測定用光の進行方向を所定方向に変えるように構成してもよい。

また、前記方向制御部は、前記光源側から前記工具取付部とは反対方向に前記光軸に沿って配設された所定長の反射部材保持部材を備え、前記反射部材保持部材における前記工具取付部の反対側の端部に前記光反射部材が取り付けられて成るように構成してもよい。
また、前記光反射部材は、その光反射面が、前記光軸と直交する方向に所定の長さを有する反射ミラー又は反射プリズムであるように構成してもよい。
また、前記方向制御部は、磁石によって前記ホルダ部に対して着脱されるように構成してもよい。

また、前記方向制御部は、ネジによって前記ホルダ部に対して着脱されるように構成してもよい。
また、前記ホルダ部と一体的に設けられ、前記加工機とともに使用される自動工具交換装置のアームに係合可能な係合部を有し、前記アームと係合部を係合した状態で前記アームを動かすことにより、加工用工具を収納する工具収納部に対して格納、取出し及び搬送が可能に構成されると共に、前記加工機の工具取付部に対して着脱されるように構成されて成るように構成してもよい。

また、本発明によれば、前記いずれか一に記載の光学式測定器を用いて、前記光学式測定器のホルダ部を加工機の工具取付部に装着した状態で、前記方向制御部を前記第１位置又は第２位置にして、前記光源から測定対象物に測定用光を照射し、前記測定対象物で反射した前記測定用光を前記光検出手段によって検出し、前記光検出手段によって検出した測定用光に基づいて、前記測定対象物の形状又は所定位置から測定対象物の測定対象位置までの距離を測定することを特徴とする光学式測定方法が提供される。

前記いずれか一に記載の光学式測定器を用いて、前記光学式測定器のホルダ部を加工機の工具取付部に装着した状態で、前記方向制御部を前記第１位置又は第２位置にして、前記光源から測定対象物に測定用光を照射し、前記測定対象物で反射した前記測定用光を前記光検出手段によって検出し、前記光検出手段によって検出した測定用光に基づいて、前記測定対象物の形状又は所定位置から測定対象物の測定対象位置までの距離を測定する。

ここで、前記光反射部と前記測定対象物を相対的に前記光軸方向に沿って直線的に移動させると共に前記光反射部と前記測定対象物を相対的に前記光軸を中心として回転させながら、前記光源から測定対象物に測定用光を照射し、前記測定対象物で反射した前記測定用光を前記光検出手段によって検出し、前記光検出手段によって検出した測定用光に基づいて、前記測定対象物の形状又は所定位置から測定対象物の測定対象位置までの距離を測定するように構成してもよい。

また、本発明によれば、前記いずれか一に記載の光学式測定器を用いて、前記光学式測定器のホルダ部を所定の保持台に保持すると共に、前記方向制御部を前記第２位置にして前記方向制御部によって前記光源からの測定用光の進行方向を変えて、加工機の工具取付部に取り付けられて回転している加工用工具に対して前記加工用工具の回転軸と交差するように前記測定用光を照射し、前記加工用工具で反射した前記測定用光を前記光検出手段によって検出し、前記光検出手段によって検出した測定用光に基づいて、前記加工用工具が前記加工機の工具取付部に取り付けられている状態を測定することを特徴とする光学式測定方法が提供される。

前記いずれか一に記載の光学式測定器を用いて、前記光学式測定器のホルダ部を所定の保持台に保持すると共に、前記方向制御部を前記第２位置にして前記方向制御部によって前記光源からの測定用光の進行方向を変えて、加工機の工具取付部に取り付けられて回転している加工用工具に対して前記加工用工具の回転軸と交差するように前記測定用光を照射し、前記加工用工具で反射した前記測定用光を前記光検出手段によって検出し、前記光検出手段によって検出した測定用光に基づいて、前記加工用工具が前記加工機の工具取付部に取り付けられている状態を測定する。

本発明に係る光学式測定器によれば、簡単な構成で、側面に凹部を有する測定対象物でも、形状等を測定することが可能になる。また、簡単な構成で、側面に凹部を有する測定対象物の形状等の測定が可能になると共に、加工用工具の取付状態を測定することが可能になる。
また、本発明に係る光学式測定方法によれば、簡単にして、側面に凹部を有する測定対象物でも、形状等を測定することが可能になる。また、簡単にして、側面に凹部を有する測定対象物の形状等の測定が可能になると共に、加工用工具の取付状態を測定することが可能になる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る光学式測定器及び光学式測定方法について説明する。
図１、図２は、各々、本発明の実施の形態に係る光学式測定器を使用する光学式測定システムの外観を示す正面図、側面図であり、自動制御型加工機の一種であるＮＣ（数値）制御型加工機（ＮＣ加工機）とともに光学式測定器を使用する例を挙げている。後述する各実施の形態に係る光学式測定器に共通して使用可能なシステムである。

図１及び図２において、ＮＣ加工機１は、設置部としてのベッドフレーム１４に設置されている。ベッドフレーム１４は移動しない固定系であり又、所定の基準位置でもある。
測定対象物（ワーク：加工時には加工対象物となり、測定時には測定対象物となる。）４は、ＮＣ加工機１の測定用可動テーブル２の上面に載置した状態で固定具３によって固定される。測定用テーブル２と隔てられた位置に、測定対象物４の加工を行うための加工用工具（例えば切削工具）５を装着する主軸ヘッド６が配設されている。

主軸ヘッド６は、加工用工具５を取り付ける軸である工具主軸１９を通る所定位置（工具主軸位置）に加工用工具５を装着する工具取付部１０を有しており、工具主軸１９方向（Ｚ軸方向）に沿って移動制御され、これにより、工具取付部１０に装着された加工用工具５を工具主軸１９方向に直線的に移動させる。
尚、詳細は図示していないが、主軸ヘッド６は、加工用工具５をＺ軸方向（垂直方向）に直線的に送る機構と、工具主軸１９を中心として加工用工具５に水平面（Ｘ軸とＹ軸を通る面）内で回転動作を与える機構を備えている。工具主軸１９は加工用工具５が回転する回転軸となる。測定用光の光軸は工具主軸１９に沿って通るように構成されている。

加工用工具５は手動によって、主軸ヘッド６に対する着脱、即ち、主軸ヘッド６への装着及び主軸ヘッド６からの脱着が可能である。また、自動工具交換装置（ＡＴＣ）７は、ＮＣ制御装置９の制御の下で、アーム１７を用いて、加工用工具５を収納する工具収納部である工具マガジン８からの加工用工具５の取り出し、主軸ヘッド６への加工用工具５の装着、主軸ヘッド６からの加工用工具５の脱着、工具マガジン８への加工用工具５の収納を行う機構を備えており、これにより、工具マガジン８に収納されている加工用工具５の主軸ヘッド６に対する着脱を自動で行う。

測定用テーブル２のＸ軸及びＹ軸方向への移動制御、主軸ヘッド６のＺ軸方向への移動制御、工具５の交換制御等、切削等の加工に係わるこれらの一連の制御は、ＮＣ制御装置９がその内部に記憶している加工用プログラムを実行することによって行われる。
また、ＮＣ制御装置９は、測定対象物４の形状や所定位置からの測定対象物の測定対象位置までの距離等の測定を行う際に、測定用テーブル２の水平面内での移動制御、主軸ヘッド６のＺ軸方向への移動制御等の制御も、その内部に記憶したプログラムを実行することによって行う。ＮＣ制御装置９は制御手段を構成している。
工具マガジン８に格納可能に構成された光学式測定器１８は、加工用工具５と同様に、ＮＣ制御装置９がプログラムを実行することによって、ＡＴＣ７により自動で主軸ヘッド６に対して着脱できるように構成されている。

図３及び図４は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定器１８を示す図で、各々、主軸ヘッド６に装着した状態の光学式測定器１８を示す正面図、左側面図である。尚、図３及び図４においては、収容部３４は不透明な部材によって構成されているため、その内部構成は外部から見えないが、見やすいように収容部３４内部の構成を実線で描いている。後述する図５及び図８においても同様である。

光学式測定器１８は、光学式測定器１８を主軸ヘッド６に装着する部分であるホルダ部１１及びホルダ部１１と一体的に構成された収容部３４を有している。ここで、一体的に構成するとは、一の部材によって一体に構成する場合や、複数の部材を接着やネジ止め等によって一体に連結構成する場合を含んでいる。
ホルダ部１１は、加工用工具５の規格に準じた形状や寸法を有している。ホルダ部１１は、テーパ状（円錐台形状）のシャンク３０、プルスタッド３１、ホルダ部１１と収容部３４との連結部であるストレートスピンドル３２、円周状に設けられた溝部３３を有しており、これらが一体的に構成されている。尚、溝部３３は、ＡＴＣ７のアーム１７に係合可能な係合部を構成している。

シャンク３０は主軸ヘッド６に設けられ所定形状の有底穴によって構成された工具取付部１０に係合する形状を有しており、シャンク３０と工具取付部１０との係合により、ホルダ部１１は主軸ヘッド６に装着される。このように、ホルダ部１１は、加工用工具５の規格に準じて用いられている公知の構成を採用することが可能である。
ＡＴＣ７のアーム１７はその両端に係合部としての１対のコ字形状部を有しており、溝部３３とアーム１７の前記コ字状部を係合させることによってＡＴＣ７で光学式測定器１８を保持した状態でアーム１７を動かす。これにより、光学式測定器１８は、加工用工具５を収納する工具マガジン８に対して格納、取出し及び搬送が可能に構成されると共に、主軸ヘッド６の工具取付部１０に対して着脱されるように構成されている。

収容部３４には、収容部３４内に配設されることによってホルダ部１１と一体的に構成され、測定に使用する光である測定用光を出力する光源３８及び測定用光の検出を行う光検出素子３９が配設されている。光源３８は赤外線発光ダイオードや半導体レーザ等の所定波長の光を出力する発光素子が使用可能である。光検出素子３９は、例えば、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）によって構成することが可能であり又、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサ等も使用可能である。光検出素子３９は、光検出手段を構成している。

また、収容部３４内には、収容部３４に固定して一体的に設けられた棒状の軸（支持部材）３６と、軸３６を中心として可動な状態で軸３６に保持された反射ミラー３７、反射ミラー３７を回動前後の所定位置に保持するための保持部材３５とが配設されている。軸３６、反射ミラー３７及び保持部材３５は、光源３８から出力された測定用光の進行方向を所定方向に（例えば９０度）変えるための方向制御部を構成している。また、軸３６は支持部材を構成し又、反射ミラー３７は光反射部材を構成している。

保持部材３５は、反射ミラー３７が軸３６を中心として回動する前は、光源３８からの測定用光を反射しない位置である第１位置に反射ミラー３７を保持する。また、保持部材３５は、反射ミラー３７が軸３６を中心として所定角度（例えば４５度）回転して光源３８からの測定用光の進行方向を所定方向（９０度）に変える位置である第２位置まで動いた後は、反射ミラー３７を前記第２位置に保持するように機能する。

これにより、反射ミラー３７は、前記第１位置では光源３８からの測定用光の進行方向は変えず、前記第２位置では光源３８からの測定用光の進行方向を所定方向に変えるように動作する。反射ミラー３７の回動は、手動によって行うように構成してもよく又、自動制御によって行うように構成してもよい。
また、保持部材３５には、光源３８及び光検出素子３９への電源供給、光源３８及び光検出素子３９の制御及び光検出素子で検出した信号の取り出し等を行うための電気ケーブル４０が配設されている。

本第１の実施の形態では、反射ミラー３７を回動することによって、光源３８から出力される測定用光の進行方向を制御するように構成しているが、反射ミラーが摺動するように構成して、光源３８からの測定用光の進行方向を変えない第１位置と進行方向を所定方向に変える第２位置とに前記反射ミラーを摺動させることによって、光源３８からの測定用光の進行方向を制御するように構成してもよい。また、反射ミラーでなく、屈折プリズムを使用する等の変更が可能である。

このように構成された光学式測定器１８は、三角測量方式によって測定対象物４の形状や処置位置から測定対象物４の測定対象位置までの距離等を測定する。
尚、本実施の形態では、光源３８及び光検出素子３９は光学式測定器１８に搭載し、これらの制御や光検出素子３９からの信号に基づく測定対象物４の形状等の算出処理は電気ケーブル４０を介して接続した演算制御装置（図示せず）によって行うように構成している。しかしながら、前記演算制御装置の一部を光学式測定器１８に配設するように構成するようにしてもよい、即ち、光学式測定器１８は、少なくとも光源３８及び光検出素子３９を有するように構成すればよい。前記演算制御装置は中央処理装置等によって構成される。

光学式測定器１８は、ホルダ部１１のシャンク３０を主軸ヘッド６の工具取付部１０に挿入して保持することにより、主軸ヘッド６に装着される。
光学式測定器１８のホルダ部１１の構成を加工用工具５の規格にあうように構成しているため、加工用工具５と同じ様に取り扱って、加工用工具５と同じ装着位置である主軸ヘッド６の工具取付部１０に自動や手動で容易に取り付けることが可能になる。

光学式測定器１８に位置決め用の突起を設けると共に、主軸ヘッド６に対する光学式測定器１８の装着時に前記突起が挿入される位置決め用の穴を主軸ヘッド６に設けるようにすることにより、光学式測定器１８を位置ずれが生じないように、取付部１０に対して、より正確に装着することが可能になる。
光学式測定器１８の主軸ヘッド６への装着、脱着は手動でも可能であるが、自動で行う場合には、ＡＴＣ７によって工具５の着脱を行うのと同じようにして行う。即ち、ＡＴＣ７により、両端に１対のコ字形状部を有するアーム１７を水平面内で回転制御すると共に垂直方向に上下動制御することにより、工具マガジン８からの光学式測定器１８の取り出し、工具取付部１０への光学式測定器１８の装着（例えば、主軸ヘッド６の工具取付部１０への装着）、光学式測定器１８の主軸ヘッド６からの脱着、工具マガジン８への収納を行う。

以上のように構成された光学式測定器及び光学式測定方法について詳細に説明する。尚、加工用工具５を用いて測定対象物４の加工処理を行う動作は公知のため加工処理の動作説明は省略し、専ら光学式測定器１８を用いて、所定の加工処理を施した状態の測定対象物４の形状等を測定する際の動作について説明する。
測定対象物４の測定を行う場合、測定対象物４は加工作業時の状態のまま、テーブル２に固定しておく。この状態で、ＮＣ制御装置９の制御の下、ＡＴＣ７により、アーム１７を用いて、工具マガジン８に収納されている光学式測定器１８を取り出して、主軸ヘッド６の工具取付部１０に取り付けることにより、加工用工具５に代えて光学式測定器１８を工具取付部１０に装着する。

次に、ＮＣ加工機１の主軸ヘッド６を所定のＺ軸方向位置に固定した状態（換言すれば、光学式測定器１８の光源３８及び検出素子３９を工具主軸１９上における所定のＺ軸座標位置に保持した状態）で、反射ミラー３７を、光源３８から出力される測定用光を反射しない第１位置に保持する。この状態で、加工時の制御プログラムと同一の制御プログラムによって加工用テーブル２を加工時と同一の方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動制御することにより、測定時に測定対象物４を加工時と同一に移動させながら測定する。

このとき、ＮＣ制御装置９は、テーブル２の現在のＸ座標値及びＹ座標値を前記演算制御装置に供給する。前記演算制御装置は、ＮＣ制御装置９によるテーブル２の移動制御に同期して、光源３８から測定用レーザ光を出力すると共に、測定対象物４で反射してきた測定用光を光検出素子３９で検出するように制御し、光検出素子３９によって検出した測定用光に基づいて測定対象物４の形状を算出する。これにより、測定対象物４の三次元形状が測定できる。

このときの動作を更に詳細に説明すると、光学式測定器１５はＡＴＣ７によってＮＣ加工機１の主軸ヘッド６の主軸１９位置に装着されており、光源３８から出力される測定用光の光軸はＮＣ加工機１の主軸１９と一致している。したがって、光学式測定器１８から出射され測定用光は、その光軸がＮＣ加工機１の主軸１９と一致するようにして進行し、加工対象物（ワーク）でもある測定対象物４に照射される。測定対象物４で反射された測定用光は光学式測定器１８の光検出素子３９によって検出される。

前記演算制御装置は、ＮＣ制御装置９の移動制御によって随時変化する加工用テーブル２のＸ座標値及びＹ座標値に同期して得られる光検出素子３９で検出した測定用光に基づいて、測定対象物４の形状を算出する。即ち、前記演算制御装置は、測定を行った測定対象物４上の測定対象位置（測定点）のＸ座標値、Ｙ座標値（ＮＣ制御装置９から供給される座標値）、所定のＺ座標（本実施の形態ではベッドフレーム１４）を基準とする前記測定点のＺ座標値に基づいて、測定対象物４の形状を算出する。また、必要に応じて、所定位置を基準として測定対象物４の測定点までの距離等を算出し、該算出した結果を前記演算制御装置の表示部に表示する等して利用する。

図５は、本第１の実施の形態に係る光学式測定器１８を用いて、側面に凹部を有する測定対象物を測定する例を示す部分正面図であり、図１〜図４と同一部分には同一符号を付している。
図５において、測定対象物５１は側面に凹部５２を有しており、測定用可動働テーブル２の上に固定されている。

測定対象物５１の側面形状や凹部５２の深さ等を測定する場合、軸３６を中心として反射ミラー３７を所定角度（図５では４５度）回動させて、反射ミラー３７を、光源３８から出力される測定用光の進行方向を所定方向に変える第２位置に移動させる。保持部材３５は反射ミラー３７を前記第２位置の状態で保持する。反射ミラー３７の前記回動動作は、手動又は自動制御によって行うように構成する。

この状態で、光源３８から測定用光を出力すると、反射ミラーの反射面４１によって前記測定用光の進行方向が変えられて、測定対象物５１の側面を照射する。測定対象物５１によって反射された前記測定用光は、反射ミラー３７で進行方向が変えられた後、光検出素子３９によって検出される。
光学式測定器１８をＺ軸方向に移動させると共に、テーブル２を移動制御することによって測定対象物５１を水平面内（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）で移動させながら、測定対象物５１で反射した測定用光を、光検出素子３９によって所定タイミングで順次検出する。
前記演算制御装置は、光検出素子３９によって検出した測定用光に基づいて、測定対象物４の形状や、所定位置を基準とする測定対象物４の測定対象位置の位置を算出する。

以上のように、反射ミラー３７を、光源３８から出力される測定用光の進行方向を変えない第１位置と、前記測定用光の進行方向を所定方向に変える第２位置とに移動させることにより、簡単な構成にして、側面に凹部を有する測定対象物等の多様な形状を測定することが可能になる。尚、反射ミラー３７の第２位置として複数の位置を設けて、反射ミラー３７の回動角度を所定量ずつ回動させることによって、各第２位置に順次保持しながら前記測定を行うことにより、更に多様な測定を行うことが可能になる。

図６及び図７は、本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定器を示す図で、各々、主軸ヘッド６に装着した状態の光学式測定器１８を示す正面図、左側面図である。尚、図６及び図７において、図１〜図５と同一部分には同一符号を付している。また、図６及び図７においては、収容部３４及び反射ミラー保持部６１は不透明な部材によって構成されているため、その内部構成は外部から見えないが、見やすいように収容部３４及び反射ミラー保持部６１内部の構成を実線で描いている。

前記第１の実施の形態では反射ミラー３７を回動可能に配設することにより、前記反射ミラー３７を第１位置と第２位置に移動させて保持するように構成したが、本第２の実施の形態では、反射ミラー６２を収容部３４（ひいてはホルダ部１１）に対して着脱自在に構成し、反射ミラー６２を収容部３４（ひいてはホルダ部１１）から取り外した状態を第１位置、反射ミラーを収容部３４（ひいてはホルダ部１１）に対して装着した状態を第２位置とするように構成している。

即ち、図６及び図７において、光学式測定器１８は、光源３８及び光検出素子３９を有しホルダ部１１と一体的に構成された収容部３４と、光反射面６３を有する反射ミラー６２を内蔵した反射ミラー保持部６１とを別体として備えた構成となっている。
また、収容部３４は磁石が吸着可能な金属によって構成され、反射ミラー保持部６１は少なくとも一部が磁石によって構成されている。これにより、反射ミラー保持部６１は、前記磁石の吸着力によって、収容部３４に対して着脱自在に構成されている。ここで、反射ミラー６２は光反射部材を構成しており、又、反射ミラー保持部６１及び反射ミラー６２は方向制御部を構成している。

図６及び図７は、反射ミラー保持部６１を磁石の力によって収容部３４に装着した状態、即ち、反射ミラー６２を第２位置にした状態を示している。この状態では、光源３８から出力された測定用光は反射ミラー６２の反射面６３によって所定方向に変えられ、測定対象物（図示せず）に照射される。前記測定対象物で反射した測定用光は反射ミラー６２で反射された後、光検出素子３９によって検出される。
反射ミラー保持部６１を磁石の力に抗して収容部３４から取り外すと、反射ミラー６２を第１位置に配設した状態になる。この状態では、光源３８から出力された測定用光は、進行方向を変えられることなく直接、前記測定対象物に照射される。前記測定対象物で反射した測定用光は光検出素子３９によって検出される。

前記測定動作を、光学式測定器１８をＺ軸方向に移動させたり、軸１９を中心として矢印Ａのように回転させることにより、また、測定対象物を載置しているテーブルを水平面内で移動させることにより行う。図示しない演算制御装置は、光検出素子３９によって検出した測定用光に基づいて、前記測定対象物の形状等を算出する。
本第２の実施の形態においても、簡単な構成で、側面に凹部を有する測定対象物の側面形状等の多様な測定が可能になる。
尚、収容部３４に対する反射ミラー６２の装着は磁力を用いたが、ねじ等によって行うように構成してもよい。

図８は、本発明の実施の形態に係る光学式測定方法を説明するための図で、前記第１の実施の形態に係る光学式測定器１８を用いて測定を行う例である。尚、図１〜図７と同一部分には同一符号を付している。
工作機械の主軸ヘッド６の工具取付部１０には、前述したような所定規格に適合するように構成された加工用工具（例えば穴開け用工具）８３が取り付けられている。

主軸ヘッド６の近傍には、固定系である設置部８１上に固定された保持台８２が配設されている。保持台８２には、ホルダ部１１に嵌合する穴によって構成された取付部８３が設けられている。取付部８３の形状は取付部１０と同一の形状であり、ホルダ部１１を保持することにより、光学式測定器１８を保持台８２上の所定位置に保持する構成となっている。
加工用工具８３を主軸ヘッド６の工具取付部１０に取付け、矢印Ａに示すように、加工用工具８３を軸１９を中心として所定速度で回転させる。

一方、反射ミラー３７を所定角度回動させて第２位置にした状態で、光学式測定器１８の光源３８から測定用光を出力する。前記測定用光は、反射ミラー３７の反射面４１で反射して進行方向が変えられ、加工用工具８３の回転している部分（加工部）８４を照射する。加工用工具８３の河口部８４で反射した前記測定用光は、反射ミラー３７の反射面４１で反射された後、光検出素子３９によって検出される。
光検出素子３９によって前記測定用光が検出されない場合には、主軸ヘッド６をＺ軸方向に移動させたり、光学式測定器１８を矢印Ｂで示すように水平面内で回転させることにより、光検出素子３９が測定用光を検出するように設定する。

図示しない演算制御装置は、光検出素子３９が検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする、加工用工具８３の加工部８４の表面までの距離を算出する。
このとき、加工用工具８３が、主軸ヘッド６の工具取付部１０に対して正しい装着位置に装着されている場合には、加工部８４はぶれずに回転するため、所定位置から加工部８４の表面までの距離の変動は所定値以下となる。しかしながら、加工用工具８３が、主軸ヘッド６の工具取付部１０に対して正しい装着位置からずれて装着されている場合には、加工部８４は大きくぶれながら回転するため、所定位置から加工部８４の表面までの距離の変動は所定値を超えることとなる。

前記演算制御装置は、所定基準位置から加工部８４表面までの距離の変動が所定値を超えたか否かを判断し、加工用工具８３の取付状態の良否を判定する。前記演算制御装置は、前記変動が所定値を超えた場合には、その表示部に、加工用工具８３が装着不良であることを示す表示を行う。前記測定は、前記第２の実施の形態に係る光学式測定器１８を用いて、反射ミラー６２を収容部３４に装着した状態で行うようにしてもよい。

以上のように、光学式測定器１８を用いて、光学式測定器１８のホルダ部１１を所定の保持台８２に保持すると共に、反射ミラー３７、６２を前記第２位置に位置させて反射ミラー３７、６２によって光源３８からの測定用光の進行方向を変えて、加工機１の工具取付部１０に取り付けられて回転している加工用工具８３に対して、加工用工具８３の回転軸１９と交差するように前記測定用光を照射し、加工用工具８３で反射した前記測定用光を光検出素子３９によって検出し、光検出素子３９によって検出した測定用光に基づいて、加工用工具８３が加工機１の工具取付部１０に取り付けられている状態を測定するようにしている。

したがって、光学式測定器１８を測定対象物の測定及び加工用工具８３の取付状態の測定に兼用しているため、専用の測定装置を使用することなく、簡単な構成で、加工用工具８３の取付状態を正確に測定することが可能になる。また、光検出素子３９によって検出した測定用光に基づいて、加工機１の工具取付部１０に取り付けられている状態の加工用工具８３の３次元形状等を測定することが可能になる。

尚、前記各実施の形態では、光源３８及び光検出素子３９を各１個用いて、三角測距方式によって、測定対象物の形状や所定位置から測定対象物の測定対象位置までの距離を測定するように構成したが、相互の位置関係は所定関係にあると共に光源とは無関係な位置に配設された２個の光検出素子を用いて測定するように構成することも可能である。

図９及び図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る光学式測定器に使用する収容部３４の正面図、側面図であり、主軸ヘッド６に取り付けた状態の収容部３４を示している。
また、図１１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態に係る光学式測定器に使用する反射部材保持部材１１１を示す正面図、側面図である。収容部３４及び反射部材保持部材１１１は、磁石あるいはネジによって結合され一体となって光学式測定器を構成する。
図１２及び図１３は、本発明の第３の実施の形態に係る光学式測定器の動作を説明するための説明図であり、図１２（ａ）、図１３（ａ）は各々全体を示す説明図、図１２（ｂ）、図１３（ｂ）は部分的に詳細を示す説明図である。

図１２及び図１３の例は、測定用光を反射することによって加工機の主軸１９方向以外の方向に測定用光を偏向させて、測定対象物４が有する立ち壁（又は横壁）、穴内面の三次元形状測定等の測定を行う例である。また、前記穴内面形状については、ナットのネジ山ような穴の円周方向凹凸や穴内面の軸方向に溝のあるスプライン穴、キー溝などの三次元測定を行うものである。深溝測定の場合、溝が形成されている方向に応じて、図１２、図１３のいずれかの方法を選択して測定する。

尚、図９〜図１３において、同一部分には同一符号を付しており又、図１〜図８と同一部分についてはこれらと同一の符号を付している。
図９〜図１３において、光学式測定器１８は、光学式測定器１８を主軸ヘッド６に装着する部分であるホルダ部１１及びホルダ部１１と一体的に構成された収容部３４を有している。収容部３４内には、測定用光を出力する光源３８と測定対象物４で反射した測定用光を検出する光検出素子３９が設けられている。

反射部材保持部材１１１は、上部側（工具取付部１０側）の取付部１１２にネジ１２１によって反射部材保持部材１１１を収容部３４に取り付けるためのネジ穴１１４を備えている。反射部材保持部材１１１の下部側（工具取付部１０の反対側）の端部には、Ｌ字状の反射部材保持部１１３が設けられている。反射部材保持部１１３には、光反射部材を構成する反射プリズム１１５が一体的に取り付けられている。

反射プリズム１１５は、その光反射面１１６が、光軸１５と直交する方向（図１２におけるＸ軸方向、図１３におけるＹ軸方向）に所定長有するように構成されている。
プリズム１１５は一つの直角をもつ三角柱であり、その他の二つの角度は、例えば、４５度〜６７．５度の値をとるように構成することができる。本第３の実施の形態では、前記角度が４５度の例である。

反射部材保持部材１１１は、使用に際して、光源３８側から工具取付部１０と反対の方向に光軸１５に沿って配設される。反射部材保持部材１１１は、光源３８側から工具取付部１０と反対の方向に光軸１５に沿って所定長の部材によって構成されている。
反射プリズム１１５の代わりに光反射ミラーを用いてもよい。また、反射部材保持部材１１１は、ネジ１２１によって収容部３４に着脱するように構成しているが、磁石によって収容部３４に着脱するように構成してもよい。

次に、以上のように構成された光学式測定器１８を用いた測定方法について説明する。尚、以下の説明では、図１〜図８における構成要素と同一符号を付した構成要素については説明を省略するものとし、主として相違点について説明する。
測定対象物４が内面の円周方向と直交する方向に溝（例えば、スプライン溝やキー溝）を持つ場合、その内面測定には図１２のようにして行う測定方法が好適である。

図１２において、三角測距方式の光学式変位計の測定用光がなす三角形平面（光源３８、光源３８から出力された測定用光、光検出素子３９に戻る測定用光及び光検出素子３９が作る三角形の平面）と光反射面（４５度プリズム面）１１６の長さ方向（図１２におけるＸ軸方向）が直角をなすように投光、反射される。
図１２において、測定対象物４の内面形状の測定を行う場合、反射プリズム１１５で屈折させた測定用光と測定対象物４を相対的に回転させて走査（相対回転走査）すると共に、反射部材保持部材１１１と測定対象物４を主軸１９方向に相対的に直進移動させて走査（相対直進走査）を行う。

例えば、前記相対直進走査は、ＮＣ加工機の主軸ヘッド６を主軸１９方向（Ｚ軸方向）に作動させて、Ｚ軸の値と光検出素子３９による測定データを同時に測定する。
また、前記相対回転走査は、回転テーブルに測定対象物４が固定されている場合は回転駆動と回転角度は測定対象物４が載置されているテーブルの回転テーブル機構の機能を使って行い、ＮＣ加工機主軸１９周りに光学式測定器１８が手動等で回せる場合は外付けの角度検出によって回転位置を測定する。この場合も、光学式測定器１８による測定データと回転位置の同期性を確保しておく。
以上のようにして、測定したデータに基づいて、測定対象物４内面の形状等を算出処理する。これにより、測定対象物４が内面の円周方向に沿う溝を持つ場合でも、簡単な構成で高精度に測定することが可能になる。

一方、測定対象物４が円周方向に沿う内面溝の測定（例えば、ナットの内面ネジ山のような凹凸の内面測定）を行う場合、図１３のようにして行う測定方法が好適である。この場合、図１３に示すように、三角測距離方式の光学式変位計がなす三角形平面（光源３８、光源３８から出力された測定用光、光検出素子３９に戻る測定用光及び光検出素子３９が作る三角形の平面）と光反射面（４５度プリズム面）１１６の長さ方向（図１３におけるＹ軸方向）が平行をなすように投光、反射される。

このとき、反射プリズム１１５で反射させた測定用光と測定対象物４を相対的に回転させて走査（相対回転走査）すると共に、反射部材保持部材１１１と測定対象物４を主軸１９方向に相対的に直進移動させて走査（相対直進走査）を行う。
前記相対直進走査及び相対回転走査は、図１２の例の場合と同様に、光学式測定器１８による測定データとの間の同期性を確保しておく。
以上のようにして、ナットのネジ山、スプライン穴、キー溝等の測定対象物４が有する立ち壁（又は横壁）、穴内面の三次元形状等の測定を行うことが可能になる。

ＮＣフライス盤、マシニングセンタ、ＮＣ旋盤、ＮＣ放電加工機等の各種自動制御型加工機とともに使用する光学式測定器に適用できる。また、前記自動制御型加工機と光学式測定器を用いた光学式測定方法に好適である。

本発明の実施の形態に係る光学式測定システムの外観を示す正面図である。 本発明の実施の形態に係る光学式測定システムの外観を示す側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定器の正面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定器の左側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定器の部分正面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定器の正面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定器の左側面図である。 本発明の実施の形態に係る光学式測定方法の説明である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学式測定器の一部を示す正面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学式測定器の一部を示す側面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学式測定器の一部を示す正面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学式測定器の動作を説明するための説明図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学式測定器の動作を説明するための説明図である。

符号の説明

１・・・自動制御型加工機としてのＮＣ加工機
２・・・測定用テーブル
３・・・固定具
４、５１・・・測定対象物
５・・・加工用具
６・・・主軸ヘッド
７・・・ＡＴＣ
８・・・工具マガジン
９・・・ＮＣ制御装置
１０・・・工具取付部
１１・・・ホルダ部
１４・・・ベッドフレーム
１５・・・光軸
１７・・・アーム
１８・・・光学式測定器
１９・・・工具主軸
３０・・・シャンク
３１・・・プルスタッド
３２・・・ストレートスピンドル
３３・・・系合部としての溝部
３４・・・収容部
３５・・・方向制御部を構成する保持部材
３６・・・方向制御部を構成する軸
３７・・・方向制御部及び光反射部材を構成する反射ミラー
３８・・・光源
３９・・・光検出手段を構成する光検出素子
４０・・・電気ケーブル
４１・・・反射面
５２・・・凹部
６１・・・方向制御部を構成する反射ミラー保持部
６２・・・方向制御部及び光反射部材を構成する反射ミラー
６３・・・反射面
８１・・・設置部
８２・・・保持台
８３・・・加工用工具
８４・・・加工部
１１１・・・反射部材保持部材
１１２・・・取付部
１１３・・・反射部材保持部
１１４・・・ネジ穴
１１５・・・反射プリズム
１１６・・・光反射面
１２１・・・ネジ

Claims (12)

1. 加工機の工具取付部に対して着脱が可能な形状を有するホルダ部と、
   前記ホルダ部と一体的に設けられ、測定用光を出力する光源及び測定用光の検出を行う光検出手段と、
   前記光源から出力される測定用光の光軸と交差しない第１位置と交差する第２位置をとることが可能で、前記第１位置では前記光源からの測定用光の進行方向は変えず、前記第２位置では前記光源からの測定用光の進行方向を所定方向に変える方向制御部とを備えて成ることを特徴とする光学式測定器。
2. 前記方向制御部は、前記ホルダ部に対して一体的に設けられると共に、前記ホルダに対して一体的に設けられた支持部材と、可動な状態で前記支持部材に保持された光反射部材とを有し、
   前記光反射部材は、前記第１位置から所定量動くことによって前記第２位置に移ることを特徴とする請求項１記載の光学式測定器。
3. 前記光反射部材は、回動可能なように前記支持部材によって支持されて成り、前記第１位置から所定量回動することによって前記第２位置に移ることを特徴とする請求項２記載の光学式測定器。
4. 前記方向制御部は、前記ホルダ部に対して着脱自在に設けられると共に、光反射部材を有し、
   前記方向制御部が前記ホルダに装着されない状態が前記第１位置、前記方向制御部が前記ホルダに装着された状態が前記第２位置であり、
   前記光反射部材は、前記第１位置では前記光源からの測定用光の進行方向は変えず、前記第２位置では前記光源からの測定用光の進行方向を所定方向に変えることを特徴とする請求項１記載の光学式測定器。
5. 前記方向制御部は、前記光源側から前記工具取付部とは反対方向に前記光軸に沿って配設された所定長の反射部材保持部材を備え、前記反射部材保持部材における前記工具取付部の反対側の端部に前記光反射部材が取り付けられて成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の光学式測定器。
6. 前記光反射部材は、その光反射面が、前記光軸と直交する方向に所定の長さを有する反射ミラー又は反射プリズムであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の光学式測定器。
7. 前記方向制御部は、磁石によって前記ホルダ部に対して着脱されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一に記載の光学式測定器。
8. 前記方向制御部は、ネジによって前記ホルダ部に対して着脱されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一に記載の光学式測定器。
9. 前記ホルダ部と一体的に設けられ、前記加工機とともに使用される自動工具交換装置のアームに係合可能な係合部を有し、
   前記アームと係合部を係合した状態で前記アームを動かすことにより、加工用工具を収納する工具収納部に対して格納、取出し及び搬送が可能に構成されると共に、前記加工機の工具取付部に対して着脱されるように構成されて成ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一に記載の光学式測定器。
10. 請求項１乃至９のいずれか一に記載の光学式測定器を用いて、前記光学式測定器のホルダ部を加工機の工具取付部に装着した状態で、前記方向制御部を前記第１位置又は第２位置にして、前記光源から測定対象物に測定用光を照射し、前記測定対象物で反射した前記測定用光を前記光検出手段によって検出し、前記光検出手段によって検出した測定用光に基づいて、前記測定対象物の形状又は所定位置から測定対象物の測定対象位置までの距離を測定することを特徴とする光学式測定方法。
11. 前記光反射部と前記測定対象物を相対的に前記光軸方向に沿って直線的に移動させると共に前記光反射部と前記測定対象物を相対的に前記光軸を中心として回転させながら、前記光源から測定対象物に測定用光を照射し、前記測定対象物で反射した前記測定用光を前記光検出手段によって検出し、前記光検出手段によって検出した測定用光に基づいて、前記測定対象物の形状又は所定位置から測定対象物の測定対象位置までの距離を測定することを特徴とする請求項１０記載の光学式測定方法。
12. 請求項１乃至９のいずれか一に記載の光学式測定器を用いて、前記光学式測定器のホルダ部を所定の保持台に保持すると共に、前記方向制御部を前記第２位置にして前記方向制御部によって前記光源からの測定用光の進行方向を変えて、加工機の工具取付部に取り付けられて回転している加工用工具に対して前記加工用工具の回転軸と交差するように前記測定用光を照射し、前記加工用工具で反射した前記測定用光を前記光検出手段によって検出し、前記光検出手段によって検出した測定用光に基づいて、前記加工用工具が前記加工機の工具取付部に取り付けられている状態を測定することを特徴とする光学式測定方法。

Images