JP2010058239A

JP2010058239A - 加工方法

Info

Publication number: JP2010058239A
Application number: JP2008227903A
Authority: JP
Inventors: Shizuo Nishikawa; 静雄西川; Keizo Kashihara; 圭蔵樫原; Hisayoshi Morita; 尚義森田; Makoto Fujishima; 誠藤嶋
Original assignee: Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】ワークの取付状態に関係なく、ワークを高精度に加工することができる加工方法を提供する。
【解決手段】加工方法は、ワークＷをテーブル６６上に取り付ける取付工程と、主軸に装着したレーザ測定ヘッド１０を用いてレーザ測定ヘッド１０とテーブル６６上のワークＷの表面との間の距離を測定し、このワークＷの３次元空間内における位置及び姿勢を検出する検出工程と、検出したワークＷの位置及び姿勢と、ワークＷの基準位置及び基準姿勢とをそれぞれ比較し、検出位置及び検出姿勢と基準位置及び基準姿勢との間のずれ量を算出する算出工程と、算出したずれ量を打ち消すように、数値制御装置６８により制御される主軸及びテーブル６６の目標移動位置を補正しつつ工具及びワークＷを相対移動させる加工工程とを順次実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工具が装着される主軸と、ワークが載置されるテーブルと、前記主軸とテーブルとを相対移動させる送り機構部とを備えた工作機械により前記ワークを加工する加工方法に関する。

前記工作機械は、例えば、特開２００３−８０４２６号公報に開示されているように、ベッドと、ベッド上に配設されるコラムと、コラムに支持された主軸頭と、主軸頭によって水平な軸線中心に回転自在に支持され、先端部に工具が装着される主軸と、ベッド上に配設され、ワークが取り付けられるテーブルなどから構成される。

前記コラムは、水平面内で主軸軸線と直交する方向に、前記主軸頭は、上下方向に、前記テーブルは、主軸軸線方向に、それぞれ移動可能となっており、これらコラム，主軸頭及びテーブルは、送り機構部によって各移動方向にそれぞれ移動せしめられる。また、テーブルの上面には、パレットが載置，固定されるようになっており、このパレット上には、ワークが載置，取り付けられるようになっている。尚、ワークは、治具によりパレット上に固定される。

そして、このような工作機械では、送り機構部によりコラム，主軸頭及びテーブルをそれぞれ移動させることで、工具及びワークが相対移動してワークが加工される。尚、パレットに対するワークの着脱は、作業者によって行われることが多い。

特開２００３−８０４２６号公報

ところで、上記のように、ワークは、作業者などによりパレットに取り付けられるが、その際に、作業者の取付ミスや、治具又はパレットとワークとの間に切りくずが噛み込むことによって、ワークが所定の取付状態からずれた状態で取り付けられるなど、ワークが正しく取り付けられていない場合がある。そして、このような状態では、高精度にワークを加工することができない。

しかしながら、上記従来の工作機械では、このような不都合を防止することができず、ワークがパレットに正しく取り付けられていないときには、精度の良い加工を行うことができなかった。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、ワークの取付状態に関係なく、ワークを高精度に加工することができる加工方法の提供をその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、
工具が装着される主軸と、ワークが載置されるテーブルと、前記主軸とテーブルとを前記主軸の軸線方向を含む直交３軸方向に沿って相対移動させる送り機構部と、前記送り機構部を制御して、予め設定された移動位置に前記主軸及びテーブルを移動させる数値制御手段とを備えた工作機械により前記ワークを加工する方法であって、
前記ワークを前記テーブル上に取り付ける取付工程と、
前記主軸に装着したレーザ測定ヘッドを用いてこのレーザ測定ヘッドと前記テーブル上のワーク表面との間の距離を測定し、このワークの３次元空間内における位置及び姿勢を検出する検出工程と、
前記検出したワークの位置及び姿勢と、前記ワークの基準位置及び基準姿勢とをそれぞれ比較し、前記検出位置及び検出姿勢と基準位置及び基準姿勢との間のずれ量を算出する算出工程と、
前記算出したずれ量を打ち消すように前記主軸及びテーブルの目標移動位置を補正しつつ前記工具及びワークを相対移動させる加工工程とを順次実行するようにしたことを特徴とする加工方法に係る。

この発明によれば、まず、取付工程が行われる。この取付工程では、テーブル上にワークを取り付ける。このワークの取り付けは、作業者自身が行うようにしても良いが、取付装置などを用いて行っても良い。

ついで、検出工程が行われる。この検出工程では、主軸に装着したレーザ測定ヘッドを用いてこのレーザ測定ヘッドとテーブル上のワーク表面との間の距離を測定し、このワークの３次元空間内における位置及び姿勢を検出する。尚、ワーク表面とは、例えば、ワーク上面やワーク側面などのことであり、また、レーザ測定ヘッドとワーク表面との間の距離を測定するに当たっては、必ずしもワーク上面やワーク側面の全面を測定する必要はなく、測定時間の短縮を図ったり、測定作業の容易化を図るために、一部の領域だけ測定するようにしても良い。

次に、算出工程が行われる。この算出工程では、前記検出したワークの位置及び姿勢と、ワークの基準位置及び基準姿勢とをそれぞれ比較し、検出位置及び検出姿勢と基準位置及び基準姿勢との間のずれ量を算出する。尚、ワークの基準位置及び基準姿勢とは、ワークがテーブル上に正しく取り付けられているときに前記レーザ測定ヘッドを用いてこのレーザ測定ヘッドとワーク表面との間の距離を測定したとすれば検出されると想定される、ワークの３次元空間内における位置及び姿勢のことである。また、前記ずれ量の算出は、検出位置及び検出姿勢が平行移動方向及び回転移動方向に基準位置及び基準姿勢からどの程度ずれているのかを算出することで実施することができる。

そして、最後に、加工工程が行われる。この加工工程では、前記算出したずれ量を打ち消すように主軸及びテーブルの目標移動位置を補正しつつ工具及びワークを相対移動させる。これにより、ワークの取付状態に関係なく、ワークに所定の加工が精度良く施される。

このように、本発明に係る加工方法によれば、レーザ測定ヘッドを用いてレーザ測定ヘッドとテーブル上のワーク表面との間の距離を測定し、このワークの３次元空間内における位置及び姿勢を検出して基準位置及び基準姿勢と比較し、これらの間のずれ量を算出して主軸及びテーブルの移動位置を補正するようにしたので、ワークを取り付ける際に、作業者の取付ミスや、治具又はテーブルとワークとの間に切りくずが噛み込むことによって、ワークがテーブルに正しく取り付けられていない場合であっても高精度にワークを加工することができる。また、ワークの取り付け直し作業を不要にすることもできる。

また、レーザ測定ヘッドを用いて測定しており、接触式測定装置に比べ、測定間隔を非常に小さく設定することができるので、高精度に測定することができる。更に、接触式測定装置に比べ、大幅に短時間で当該測定を行うことができる。

以下、本発明の具体的な実施形態に係る加工方法について添付図面に基づき説明する。尚、図１は、本実施形態に係る加工方法を実施するための加工システムの概略構成を一部ブロック図で示した斜視図であり、図２は、加工システムを構成するレーザ式測定装置の測定ヘッドの概略構成を示した断面図である。また、図３は、加工システムを構成するレーザ式測定装置のデータ処理装置の概略構成を示したブロック図であり、図４は、データ処理装置の距離データ記憶部に格納されるデータのデータ構成を示した説明図である。

まず、図１に示した加工システム１について説明する。この加工システム１は、工作機械６０と、ワークＷの表面との間の距離を算出し、算出した距離に係るデータ（距離データ）を無線通信で送信する測定ヘッド１０、及び測定ヘッド１０から送信された距離データを無線通信により受信して、受信した距離データなどを基にワークＷの３次元空間内における位置及び姿勢を検出するデータ処理装置４０を有するレーザ式測定装置５とを備える。

前記工作機械６０は、ベッド６１と、ベッド６１上に配設され、水平面内で前後方向（Ｙ軸方向）に移動自在となった第１サドル６２と、第１サドル６２上に配設され、水平面内で左右方向（Ｘ軸方向）に移動自在となった第２サドル６３と、第２サドル６３に支持され、鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動自在となった主軸頭６４と、軸線がＺ軸と平行且つ軸線中心に回転自在に主軸頭６４によって支持され、先端部に工具が装着される主軸（図示せず）と、Ｙ軸と平行な軸中心（Ｂ軸方向）に回転（旋回）自在にベッド６１に配設されるとともに、Ｚ軸と平行な軸中心（Ｃ軸方向）に回転自在に構成され、上面にワークＷが載置されるテーブル６６と、第１サドル６２，第２サドル６３及び主軸頭６４をＹ軸方向，Ｘ軸方向及びＺ軸方向にそれぞれ直線移動させるＹ軸送り機構部（図示せず），Ｘ軸送り機構部（図示せず）及びＺ軸送り機構部（図示せず）と、テーブル６６をＢ軸方向及びＣ軸方向に回転移動させて所定の角度位置に割り出すＢ軸送り機構部（図示せず）及びＣ軸送り機構部（図示せず）と、主軸に装着された工具を新たな工具と交換する工具交換装置６７と、ＮＣプログラムなどに基づき各送り機構部を制御して主軸及びテーブル６６を所定の移動位置に移動させるとともに工具交換装置６７の作動を制御する数値制御装置６８などから構成される。

前記ベッド６１は、その左右両側及び奥側に側壁が立設された構造を備え、左右両側の側壁上部に前記第１サドル６２が設けられている。前記テーブル６６は、ベッド６１の奥側の側壁にＢ軸方向に回転自在に設けられるテーブル本体６６ａと、テーブル本体６６ａによってＣ軸方向に回転自在に支持され、パレットＰが載置，固定されるパレット取付部６６ｂとを備えており、パレットＰの上面にワークＷが載置，取り付けられるようになっている。尚、ワークＷは、治具（図示せず）によりパレットＰ上に固定される。また、前記Ｂ軸送り機構部は、テーブル本体６６ａをＢ軸方向に回転させ、前記Ｃ軸送り機構部は、パレット取付部６６ｂをＣ軸方向に回転させるようになっている。

前記工具交換装置６７は、特に図示はしないが、複数の工具が格納される工具マガジンと、工具マガジンに格納された工具と主軸に装着された工具とを交換する交換機構とを備えており、この交換機構は、まず、主軸に装着されている工具を引き抜いた後、新たな工具を主軸に装着する。

前記測定ヘッド１０は、ワークＷの表面にレーザ光を照射するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１から照射されワークＷの表面で反射したレーザ光を受光して２次元画像データを生成するＣＣＤカメラ１２と、レーザ発振器１１からのレーザ光をワークＷの表面に導くプリズム１３及び反射鏡１４と、ワークＷの表面で反射したレーザ光をＣＣＤカメラ１２の撮像面１２ａ上に結像させる（具体的には、環状像として収束させる）２つの凸レンズ１５，１６と、ＣＣＤカメラ１２と凸レンズ１６との間に配置された絞り１７と、ＣＣＤカメラ１２によって生成された２次元画像データを基にワークＷの表面と測定ヘッド１０との間のＺ軸方向における距離（ワークＷの表面におけるレーザ光の照射点ＰとＣＣＤカメラ１２の撮像面１２ａとの間の距離）を算出する距離算出部１８と、距離算出部１８によって算出された距離データをデータ処理装置４０に無線通信で送信する送信装置（図示せず）と、レーザ発振器１１、ＣＣＤカメラ１２、プリズム１３、反射鏡１４、凸レンズ１５，１６、絞り１７、距離算出部１８及び送信装置などが収容される円筒状の筐体１９と、筐体１９の上端に固設され、工具の主軸装着部と同形状をした装着部材２０とを備える。

前記装着部材２０には、この装着部材２０が主軸に装着されたときに把持されるプルスタッド２０ａが形成されている。前記距離算出部は、ＣＣＤカメラ１２によって生成された２次元画像データを基に反射レーザ光の環状像を抽出して、前記環状像の直径を認識し、この認識した直径から照射点Ｐと撮像面１２ａとの間の距離を算出する。

尚、この測定ヘッド１０は、工作機械６０の主軸に対して着脱自在に構成されており、通常、工具交換装置６７の工具マガジン内に格納され、ワークＷの測定を行う際にのみ、交換機構により主軸に装着されるようになっている。

前記データ処理装置４０は、測定ヘッド１０から送信された距離データを無線通信で受信する受信装置（図示せず）と、数値制御装置６８から、主軸及びテーブル６６のＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸方向における相対移動位置データを取得する位置データ取得部４１と、測定ヘッド１０から受信された距離データと位置データ取得部４１により取得された相対移動位置データとを記憶する距離データ記憶部４２と、距離データ記憶部４２に格納されたデータを基にワークＷの３次元空間内における位置及び姿勢を検出するデータ処理部４３と、データ処理部４３により検出されたワークＷの位置及び姿勢とワークＷの基準位置及び基準姿勢とを比較し、前記検出位置及び検出姿勢と基準位置及び基準姿勢との間のずれ量を算出するずれ量算出部４４と、ずれ量算出部４４により算出されたずれ量を基に補正量を設定する補正量設定部４５とを備える。

前記位置データ取得部４１は、ワークＷの表面とＣＣＤカメラ１２との間の距離が計測されたとき（例えば、レーザ発振器１１からレーザ光が照射されたときや、ＣＣＤカメラ１２のシャッタが切られたときなど）の主軸及びテーブル６６の相対移動位置データを取得し、前記距離データ記憶部４２には、図４に示すように、測定ヘッド１０から得られた距離データと数値制御部６８から得られた相対移動位置データとが関連付けられて格納される。

次に、以上のように構成された加工システム１を用いてワークＷを加工する方法について説明する。尚、以下の説明では、矩形状のワークＷを加工するものとして説明する。

まず、治具を介してテーブル６６のパレットＰ上にワークＷを取り付ける取付工程を行う。この取付作業は、作業者自身が行っても良いし、取付装置などにより行っても良い。尚、このワークＷは、その上面及び側面などが一旦加工されたものであっても良いし、未加工のものであっても良い。

次に、レーザ式測定装置５により測定ヘッド１０とパレットＰ上のワークＷの表面との間の距離を測定し、この測定結果からワークＷの３次元空間内における位置及び姿勢を検出する検出工程を行う。具体的には、まず、例えば、パレットＰの上面が水平となるような角度位置に送り機構部によりテーブル６６（テーブル本体６６ａ）をＢ軸方向に回転させて割り出した後、レーザ光を連続的に照射しながら測定ヘッド１０及びワークＷを送り機構部により相対移動させ、測定ヘッド１０及びワークＷの相対移動方向に一定間隔で前記距離データ及び相対移動位置データを取得する（図５参照）。これにより、ワークＷの上面と測定ヘッド１０との間の距離が測定される。ついで、この測定結果を基にワークＷの上面の位置及び向きを検出する。この後、パレットＰの上面が垂直となるような角度位置に送り機構部によりテーブル６６（テーブル本体６６ａ）をＢ軸方向に回転させて割り出した後、上記と同様にして、ワークＷの４側面の内、１つの側面と測定ヘッド１０との間の距離を測定し、測定した距離を基にワークＷの当該側面の位置及び向きを検出する（図６参照）。

尚、この後、更に、残りの３側面についても位置及び向きを検出すべく、ワークＷの他の側面が上側にくるような角度位置に送り機構部によりテーブル６６（パレット取付部６６ｂ）をＣ軸方向に回転させて割り出し、当該側面と測定ヘッド１０との間の距離を測定するようにしても良い（図７参照）。また、ワークＷの上面や側面の位置及び向きは、例えば、測定された距離から上面や側面の輪郭線（稜線）を特定し、特定した輪郭線の端点又は交点の座標値からワークＷの上面や側面の位置を、特定した輪郭線の方向からワークＷの上面や側面の向きを求めることで検出することができる。また、ワークＷの上面や側面の向きによりワークＷの姿勢を特定することができる。

また、上記の他、例えば、図８に示すように、ワークＷの上面の輪郭線を構成する４本の直線の内、少なくとも交差する２つの直線の端部近傍の合計４ヶ所で当該直線と交差するようにレーザ光を走査することによりワークＷの上面と測定ヘッド１０との間の距離を測定して当該直線上の点を４つ（Ｑ，Ｒ，Ｓ，Ｕ）特定し、特定した４つの点Ｑ，Ｒ，Ｓ，Ｕの座標値からワークＷの位置を検出したり、特定した４つの点Ｑ，Ｒ，Ｓ，Ｕを含む平面を求めてその向き、即ち、ワークＷの姿勢を検出することもできる。また、ワークＷの位置は、各２点を通る直線（Ｑ及びＲを通る直線とＳ及びＵを通る直線）の交点Ｖの座標値から求めることもできる。尚、この場合において、前記輪郭線を構成する他の２本の直線の端部近傍でもレーザ光を走査して輪郭線上の点を合計８つ特定するようにしても良い。このように、合計４ヶ所又は８ヶ所で距離を測定するようにすれば、全面を測定する場合に比べ、測定時間の短縮を図ったり、測定作業の容易化を図ることができる。

この後、ずれ量算出部４４により、前記検出したワークＷの位置及び姿勢と、ワークＷの基準位置及び基準姿勢とをそれぞれ比較し、検出位置及び検出姿勢と基準位置及び基準姿勢との間のずれ量を算出する算出工程を行う。尚、ワークＷの基準位置及び基準姿勢とは、ワークＷがパレットＰ上に正しく取り付けられているときにレーザ式測定装置５により測定ヘッド１０とワークＷの表面との間の距離を測定したとすれば検出されると想定される、ワークＷの３次元空間内における位置及び姿勢のことである。また、前記ずれ量の算出は、検出位置及び検出姿勢が平行移動方向及び回転移動方向に基準位置及び基準姿勢からどの程度ずれているのかを算出することで求められる。

例えば、実際にパレットＰ上に取り付けられたワークＷが二点鎖線で示す基準取付状態Ｋから回転移動方向にずれた状態である場合には（図９（ａ）参照）、回転角度量Δθがずれ量として求められ、直線移動方向にずれた状態である場合には（図９（ｂ）参照）、平行移動量ΔＸ及びΔＹがずれ量として求められ、浮き上がる方向にずれた状態である（図９（ｃ）参照）場合には、回転角度量Δθがずれ量として求められる。

そして、工具交換装置６７により、主軸に装着された測定ヘッド１０と工具マガジンに格納された所定の工具Ｔとを交換した後、前記算出したずれ量を打ち消すように主軸及びテーブル６６の目標移動位置を補正しつつ工具及びワークＷを相対移動させる加工工程を行う。尚、この補正は、例えば、ずれ量算出部４４により算出されたずれ量を基に、補正量設定部４５により前記算出ずれ量を打ち消すような補正量を設定し、設定した補正量を基に前記目標移動位置を補正することで実施することができる。これにより、ワークＷの取付状態に関係なく、所定形状にワークＷが高精度に加工される。

斯くして、本例の加工方法によれば、レーザ式測定装置５により測定ヘッド１０とテーブル６６上のワークＷの表面との間の距離を測定し、このワークＷの３次元空間内における位置及び姿勢を検出して基準位置及び基準姿勢と比較し、これらの間のずれ量を算出して主軸及びテーブル６６の移動位置を補正するようにしたので、ワークＷを取り付ける際に、作業者の取付ミスや、治具又はテーブル６６とワークＷとの間に切りくずが噛み込むことによって、ワークＷがテーブルに正しく取り付けられていない場合であっても高精度にワークＷを加工することができる。また、ワークＷの取り付け直し作業を不要にすることもできる。

また、レーザ式測定装置５でワークＷの表面を測定しており、接触式測定装置に比べ、測定間隔を非常に小さく設定することができるので、高精度に測定することができる。更に、接触式測定装置に比べ、大幅に短時間で当該測定を行うことができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。

上例では、工作機械の一例として５軸制御工作機械６０を示したが、ワークＷを加工するための工作機械の構造は、何ら限定されるものではない。また、加工対象となるワークＷも矩形状に限定されるものではない。

本実施形態に係る加工方法を実施するための加工システムの概略構成を一部ブロック図で示した斜視図である。加工システムを構成するレーザ式測定装置の測定ヘッドの概略構成を示した断面図である。加工システムを構成するレーザ式測定装置のデータ処理装置の概略構成を示したブロック図である。データ処理装置の距離データ記憶部に格納されるデータのデータ構成を示した説明図である。ワーク表面と測定ヘッドとの間の距離測定を説明するための説明図である。ワーク表面と測定ヘッドとの間の距離測定を説明するための説明図である。ワーク表面と測定ヘッドとの間の距離測定を説明するための説明図である。ワーク表面と測定ヘッドとの間の距離測定を説明するための説明図である。テーブルに対するワークの取付状態などを示した説明図である。

符号の説明

１加工システム
５レーザ式測定装置
１０測定ヘッド
１１レーザ発振器
１２ＣＣＤカメラ
１８距離算出部
４０データ処理装置
４１位置データ取得部
４２距離データ記憶部
４３データ処理部
４４ずれ量算出部
４５補正量設定部
６０工作機械
６６テーブル
Ｗワーク
Ｐパレット

Claims

工具が装着される主軸と、ワークが載置されるテーブルと、前記主軸とテーブルとを前記主軸の軸線方向を含む直交３軸方向に沿って相対移動させる送り機構部と、前記送り機構部を制御して、予め設定された移動位置に前記主軸及びテーブルを移動させる数値制御手段とを備えた工作機械により前記ワークを加工する方法であって、
前記ワークを前記テーブル上に取り付ける取付工程と、
前記主軸に装着したレーザ測定ヘッドを用いてこのレーザ測定ヘッドと前記テーブル上のワーク表面との間の距離を測定し、このワークの３次元空間内における位置及び姿勢を検出する検出工程と、
前記検出したワークの位置及び姿勢と、前記ワークの基準位置及び基準姿勢とをそれぞれ比較し、前記検出位置及び検出姿勢と基準位置及び基準姿勢との間のずれ量を算出する算出工程と、
前記算出したずれ量を打ち消すように前記主軸及びテーブルの目標移動位置を補正しつつ前記工具及びワークを相対移動させる加工工程とを順次実行するようにしたことを特徴とする加工方法。