JP4855327B2

JP4855327B2 - 工具及び工具の補正方法

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Publication number: JP4855327B2
Application number: JP2007112886A
Authority: JP
Inventors: 耕山岸
Original assignee: 耕山岸
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2027-04-23
Also published as: JP2008264954A; US20100111630A1; WO2008133239A1

Description

本発明は、マシニングセンタやＮＣフライス盤等の工作機械の主軸に微小径の工具を取り付けた際の刃先等の位置を適切に検出できるようにした工具及び工具の補正方法に関するものである。

穴あけや切削等の加工は、図７に示すようにエンドミル等の工具１をツーリング２に取り付け、このツーリング２を更にマシニングセンタや旋盤等の加工機械の主軸３に取り付けて行われ、その加工機械も数値制御によるＮＣ工作機が主流となっている。

この種の工作機においては、通常、加工原点Ｏは機械座標系における機械原点Ｍからのオフセット量α２に基づいて認識され、加工原点Ｏを基準として作成された加工プログラムにおいて指令される工具の移動経路は、オフセット量α２を用いて機械座標系に変換され、この機械座標系の下で工具１の移動が数値制御される。その際、ワークＷに対して加工を施す加工部位である工具１側の刃先１１を加工原点Ｏに位置づけるための加工開始距離Ｌは、機械原点Ｍから加工原点Ｏまでのオフセット量α２と、機械原点Ｍから刃先１１までの相対距離α１との関係、すなわち（α２−α１）で規定される。

ところで、ツーリング２と主軸３の間は通常テーパ嵌合されるため、取付誤差は殆ど問題とならないが、ツーリング２には図８に示すように穴あけや切削を始め、その目的・用途に応じて種々の工具１が取り付けられ、工具１が同種であっても固体誤差等が存在するため、図７に示すツーリング２に工具１を取り付けた状態で機械原点Ｍから刃先１１までの相対距離α１はまちまちである。

したがって、これを予め工具１の種類ごとに一律の値を規定して扱うと、刃先１１を正確に加工原点Ｏに移動させることができなくなり、意図しない場所で接触したり、加工深さに誤差が出たり、穴などを加工する際に軌道からのオフセット量が狂ったりして、正確な加工が困難となる。

そこで、機械加工を開始する前に、工具１をツーリング２に取り付け、更にこれをＮＣ加工機の主軸３に取り付けた状態（あるいは擬似機械であるツールプリセッター等にセットした状態）で、図９に示すように計測手段１００から刃先１１に対して計測媒体Ｚを作用させ、これにより機械原点Ｍ等の基準点から刃先１１等の加工部位までの相対距離α１を実測することが行われている。

計測媒体Ｚを作用させて計測する手法としては、図１０（ａ）に示すように刃先１１に計測媒体Ｚであるプローブや電極等の測定子１０１を接触させその際の触圧や通電を利用して刃先位置を検知する方式（接触式）や、同図（ｂ）に示すように刃先１１に計測媒体Ｚであるレーザー等の光１０２を作用させその光学的な影によって刃先位置を検出する方式（干渉式）、あるいは、同図（ｃ）に示すように刃先１１に計測媒体Ｚである音波や電磁波等の波動１０３を作用させその反射及び回帰反射を変位計により測定して刃先位置を検知する方式（反射式）などが知られている。さらに、図１１（ｄ）は光学倍率式実体視による場合を示し、同図（ｅ）はＣＣＤカメラ等を用いた光学的撮像による場合を示し、何れも光を計測媒体とする手法の一つである。特許文献１には上述した光学式手法の一部が例示されている。そして、以上は、工具１の径方向に対する測定においても同様である。
特開平０９−３００１７８号公報

ところで、特に近時の工作機械においては、工具１に極めて極細径のものが使用されるケースが増えている。しかしながら、工具１の刃先１１部分が小さくなれば、刃先強度もそれに伴い低下するため、計測媒体Ｚにプローブ等の測定子１０１を用いる接触式では測定子１０１の触圧により被測定物を折損する可能性が高くなり、その測定子１０１が電極等である場合には僅かな空隙によって絶縁破壊による放電を生じて正確な計測が困難になるという問題がある。また、計測媒体Ｚに光１０２を用いる光学式では被測定物の境界屈折による収差が生じるため計測結果に誤差が出易くなり、さらに計測媒体Ｚに音波や電磁波等の波動１０３を用いる反射式では、被測定物がある一定の質量を満たしていないと作用しないため、極細径の工具に対しては測定自体が困難になるという問題がある。光学倍率式実体視や光学的撮像による場合にも解像度が上らないため測定が困難となる点で同様の問題がある。

これは、エンドミルやドリル、ヘールバイトを始めとする種々の回転刃や非回転刃等の工具について共通する問題であり、更には刃以外にも放電加工の電極等に対しても同様である。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、刃先が細径である場合にも機械原点等の基準点から刃先までの距離を正確に測定することを可能にし、これにより刃先を加工開始点である加工原点まで精度良く移動させることができるようにした工具及び工具の補正方法を実現することを目的としている。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明の工具は、主軸に取付けられてワークに加工を施すための工具が、刃先部分と主軸への取付け部分となるより太い付け根部分との間にテーパ部分を有するものであり、このテーパ部分に、接触式計測用のプローブまたは電極、光学式計測用の光、或いは変位式計測用の音波の何れかの計測媒体を作用させるためのターゲットとなるスラスト面とラジアル面を断面Ｖノッチ状に設けたことを特徴とする。

ＮＣ工作機等の機上に工具をセットした状態で、上記のような既存の計測器を用いて刃先などの加工部位の位置を検出しようとすると、特に刃先等が細径である場合に既述した計測器では的確な検出をすることが難しい。一方、投影機等を用いれば刃先等の加工部位の検出を的確に行うことができるが、投影機は工具に光を照射して反対側に投影された影から工具の各部位の寸法を実測するものであるため、これをＮＣ工作機等に持ち込むことは困難である。

そこで、既存の計測手段で対応可能なターゲットを設けた工具を使用し、予めターゲットから刃先などの加工部位までの距離を投影機等で計測しておけば、ＮＣ工作機等の機上で加工部位を検出せずともターゲット位置の検出を通じて間接的に基準位置から加工部位までの距離を測定することができる。このため、刃先等のように加工部位が細径であっても、加工部位から加工原点までの正確な加工開始距離を与えることが可能となる。このような事情は、ツールプリセッタ等のようなダミーの工作機上で加工部位を基点とする計測を行う場合にも同様である。

上記の工具を用いた長方向の補正方法としては、主軸に取付けられてワークに加工を施すための工具として、加工部位からより太い付け根側へ変位した部位に、接触式計測用のプローブまたは電極、光学式計測用の光、或いは変位式計測用の音波の何れかの計測媒体を作用させるためのターゲットとなるスラスト面を有するものを用い、この工具に対して予め加工部位からターゲットまでの工具上における長方向の距離を計測する第１の工程と、工具を把持具に取り付けた状態で把持具上の基準位置からターゲットまでの長方向の距離を計測し、又は工具を把持具に取り付け更に把持具を主軸に取り付けた状態で把持具上の基準位置からターゲットまでの長方向の距離又は工作機上の基準位置からターゲットまでの長方向の距離を計測する第２の工程とを実施し、これにより工具上の加工部位からワーク上の加工原点までの長方向の加工開始距離を直接又は間接に補正するようにすればよい。上記第１工程は、工具をツーリング等の把持具に取り付けた状態で行っても構わない。

或いは、上記の工具を用いた径方向の補正方法としては、主軸に取付けられてワークに加工を施すための工具として、加工部位からより太い付け根側へ変位した部位に、接触式計測用のプローブまたは電極、光学式計測用の光、或いは変位式計測用の音波の何れかの計測媒体を作用させるためのターゲットとなるスラスト面を有するものを用い、この工具に対して予め加工部位からターゲットまでの工具上における径方向の距離を計測する第１の工程と、工具を把持具に取り付けた状態で把持具上の基準位置からターゲットまでの径方向の距離を計測し、又は工具を把持具に取り付け更に把持具を主軸に取り付けた状態で把持具上の基準位置からターゲットまでの径方向の距離又は工作機上の基準位置からターゲットまでの径方向の距離を計測する第２の工程とを実施し、これにより工具上の加工部位からワーク上の加工原点までの径方向の加工開始距離を直接又は間接に補正するようにすればよい。第１工程を、工具をツーリング等の把持具に取り付けた状態で行ってもよい点は上記と同様である。

本発明は、以上説明した構成であるから、刃先が細径である場合にも機械原点等の基準点から刃先までの距離を正確に測定することを可能にし、これにより刃先を加工開始点である加工原点まで精度良く移動させることができるようにした工具及び工具の補正方法を提供することができる。仮に、工具の極小の先端を捉えることができる直接的な測定手法を開発し得たとしても、これによる場合は機械の振動の影響を受け易いので、安定した測定が可能な点で本発明は優れた効果を奏するものである。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

この実施形態の工具は、マシニングセンタ等のＮＣ工作機に取り付けて使用されるもので、長方向について例示的に既述したように、この種の機械においては、図１に示すようにワークＷ上の加工原点Ｏが機械座標系における機械原点Ｍからの長方向のオフセット量α２及び径方向のオフセット量β２に基づいて認識され、加工原点Ｏを基準として作成された加工プログラムにおいて指令される工具１の移動経路は、オフセット量α２、β２を用いて機械座標系に変換され、この機械座標系の下で工具１の移動が数値制御される。

その際、工具１の刃先１１を加工原点Ｏに位置づけて加工を開始するまでの加工開始距離Ｌｘ、Ｌｙは、機械原点Ｍから加工原点Ｏまでのオフセット量α２、β２と、機械原点Ｍから刃先１１までの相対距離α１、β１とを用いて、長方向は
Ｌｙ＝α２−α１ …（１）
と、また径方向は
Ｌｘ＝β２―β１ …（２）
と表わすことができる。

この場合、α１、β１には工具１の固体誤差や工具１をツーリング２に取り付ける際の取付誤差等を含むため刃先１１の位置を捉えて実測することが望ましいが、既述したように刃が一定以上に細径になると、α１、β１を機上に設置した図９の計測手段１００で実測することは困難となる。

そこで、本実施形態は、ワークＷに加工を施すための上記工具１側において、図２に示すように、当該工具１上の加工部位である刃先１１からより太い付け根側へ変位した部位、本実施形態では細径な刃先部分から取付け用の付け根部分の間に存するテーパ部分１０に、図１０に示したプローブや電極等の測定子１０１、光１０２、或いは波動１０３、更には図１１における光等を長方向の計測媒体Ｚｙや径方向の計測媒体Ｚｘとして作用させるための凹凸形状によるターゲット１２、ターゲット１３を設けている。

ターゲット１２は、工作部位である刃先１１よりもより太い付け根側の部位に形成した長方向に垂直なスラスト面であって、これに長方向測定用の計測媒体Ｚｙを作用させ得るようにしたものであり、ターゲット１３は工作部位である刃先１１よりもより太い付け根側の部位に所定領域に亘って形成した一定径からなるラジアル面であり、これに径方向測定用の計測媒体Ｚｘを作用させ得るようにしたものである。

計測方法について説明すると、先ず工作機に工具１を取り付ける前段階において、図３に示すように、工具１に対して加工部位である刃先１１からターゲット１２までの長方向の距離ｙ、及び、刃先１１からターゲット１３までの径方向の距離ｘを計測する。この計測は、図１０に示した計測手段１００では測定できないが、工作機の外部において投影機２００等を用いれば適切に実測することができる。基準となる刃先１１の位置は、工具の種類や加工目的（孔を開けるのか中ぐりをするのかなど）によって種々に異なるため、図示例に限定されないのは言うまでもない。この計測は、工具１をツーリング等の把持具２に取り付ける前に行ってもよいし、把持具２に取り付けた状態で行ってもよい。

次に工具１を、図４に示すように把持具２を介してＮＣ工作機の主軸３に取り付け、その状態で計測媒体Ｚｙを用いて工作機上の基準位置（例えば機械原点Ｍ）からターゲット１２までの長方向の距離Ｙを測定するとともに、図５に示すように計測媒体Ｚｘを用いて工作機上の基準位置（例えば機械原点Ｍ）からターゲット１３までの径方向の距離Ｘを測定する。この測定には図９に示した既存の計測手段１００をそのまま用いることができる。すなわち、刃先１１が細径で脆弱なものであっても、ターゲット１２，１３は質量及び大きさが十分あるため、測定子１０１を接触させた際に触圧による欠損や接触前の放電を生じにくく、光１０２を用いる場合に境界屈折を小さく抑えることができ、波動１０３を用いる場合にも被測定物が十分大きいために本来の作用を的確に奏させることができる。

そして、機械原点Ｍからターゲット１２までの長方向の距離Ｙ及び機械原点Ｍからターゲット１３までの径方向の距離Ｘが判明すると、先に測定しておいたターゲット１２、１３から加工部位である刃先１１までの長方向の距離ｙ及び径方向の距離ｘとにより、機械原点Ｍから刃先１１位までの長方向の距離α１は、
α１＝Ｙ＋ｙ …（３）
と、また機械原点Ｍから刃先１１までの径方向の距離β１は、
β１＝Ｘ−ｘ …（４）
と求まるため、この値が図１の機上における式（１）、（２）式において使用されることにより、加工部位である刃先１１からワークＷ上の加工原点Ｏまでの長方向の加工開始距離Ｌｙ及び径方向の加工開始距離Ｌｘを正確に割り出すことができる。

例えば、この実施形態におけるＮＣ工作機が、機械原点Ｍから加工部位である刃先１１までの距離α１を入力するタイプのものであるとして、現在取付けられている工具１の入力値が（３）式よりα１＝１００ｍｍである場合、機械原点Ｍから刃先１１までのオフセット量をα２を用いて、刃先１１から加工原点Ｏまでの加工開始距離Ｌｙは（１）式より（α２−１００）ｍｍとなる。一方、次に取り替えたい工具１の入力値が（３）式より１０２ｍｍと求まった場合、この１０２ｍｍを数値入力すると、刃先１１から加工原点Ｏまでの加工開始距離は（１）式より（α２−１０２）ｍｍとなり、加工開始距離は２ｍｍほど補正されたことになる。

このような手順は径方向に対しても全く同様である。

以上のように、この実施形態は、ワークＷに加工を施すための工具１上、加工部位である刃先１１からより太い付け根側へ変位した部位に、接触式計測用のプローブや電極、光学式計測用の光、或いは変位式計測用の音波、更には光学倍率式実体視や光学的撮像に必要な光などの計測媒体Ｚｙ、Ｚｘを作用させるための凹凸形状によるターゲット１２，１３を設けたものである。

このようなターゲット１２、１３を有する工具１を使用し、予めターゲット１２、１３から刃先１１などの加工部位までの距離を投影機２００等で計測すれば、ＮＣ工作機上で刃先１１を検出せずともターゲット１２、１３の位置検出を通じて間接的に基準位置（機械原点Ｍ）から刃先１１までの距離を測定することができる。このため、刃先１１が細径であっても、図９の計測手段１００を用いて測定した値に基づき、刃先１１から加工原点Ｏまでの正確な加工開始距離Ｌｙ、Ｌｘを与えることが可能となる。

また、そのターゲット１２、１３も、工具１上の刃先１１から付け根側へ変位した大径若しくは幅広な部位に形成したスラスト面やラジアル面であり、そのような凹凸形状は必要に応じ旋盤加工その他の手法によって簡単に構成することができる上に、質量や大きさがあるがゆえに変位や変形を生じ難く、計測媒体Ｚｙ、Ｚｘを有効な範囲に亘り確実に作用させて計測を行うことができる。

また、全体工程としては、投影機２００等を用いて加工部位である刃先１１からターゲット１２までの長方向の距離を計測する第１の工程と、工具１をツーリング等の把持具２に取り付け更に把持具２を主軸３に取り付けた状態で工作機上の基準位置（機械原点Ｍ）からターゲット１２までの長方向の距離を計測する第２の工程とを実施するものである。このように、ターゲット１２から刃先１１までの距離を予め実測し、機上での実測はターゲット１２を基点として行うことで、測定困難な刃先１１を基点とする機上測定を回避しても、刃先１１から機械原点Ｍまでの距離を正確に把握して、刃先１１からワークＷ上の加工原点Ｏまでの長方向の加工開始距離を直接又は間接に的確に補正することが可能となる。

同様に、投影機等を用いて加工部位である刃先１１からターゲット１３までの径方向の距離を計測する第１の工程と、工具１をツーリング等の把持具２に取り付け更に把持具２を主軸３に取り付けた状態で工作機上の基準位置（機械原点Ｍ）からターゲット１３までの径方向の距離を計測する第２の工程とを実施するものである。このように、ターゲット１３から刃先１１までの距離を予め実測し、機上での実測はターゲット１３を基点として行うことで、測定困難な刃先１１を基点とする機上測定を回避しても、刃先１１から機械原点Ｍまでの距離を正確に把握して、刃先１１からワークＷ上の加工原点Ｏまでの径方向の加工開始距離を直接又は間接に的確に補正することが可能となる。

なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、ターゲットはわざわざ加工せずとも、刃先よりも大径な付け根部分の外周をそのまま利用できれば計測媒体を直接作用させることも可能である。

また、上記実施形態ではターゲットを凹凸形状によって設けたが、図６に示すように、工具上の加工部位から付け根側へ変位した大径若しくは幅広な部位に、円周方向に沿った線状のマーキング１１２を施し、このマーキング１１２を長方向及び径方向のターゲットとして用いたり、或いは前記マーキング１１２と共にこれと直交する軸方向のマーキング１１３を施し、これらのマーキング１１２、１１３の交点を長方向及び径方向のターゲットとして用いること等も可能である。

勿論、マーキングの形状や利用の態様はこれ以外にも種々変形して実施することが可能である。例えば、長方向のターゲットにはマーキングを用い、径方向のターゲットには工具の刃先よりも大径な外周部分をそのまま利用するなど、ターゲットの種類を組み合わせて実施することも可能である。

さらに、上記実施形態におけるＮＣ工作機へのデータ入力は一例に過ぎないものであって、ターゲットから刃先までの距離を入力するようにしたものなど、工作機の種類やプログラム等に応じて種々に対応が可能である。

また、上記実施形態では、工作機上の基準位置からターゲットまでの長方向の距離を計測したが、ツーリング等の把持具上の基準位置（例えばゲージ基準点）からターゲットまでの長方向の距離を計測するようにしても構わない。

さらにまた、工具をツーリング等の把持具に取り付け更に把持具を主軸に取り付けた状態で工作機上の基準位置からターゲットまでの長方向の距離を計測したが、ツールプリセッタ等のようなダミーの工作機上で加工部位を基点とする計測を行う場合には、工具をツーリング等の把持具に取り付けた段階で把持具上の基準位置（上記ゲージ基準点など）からターゲットまでの長方向の距離を計測し、その後に把持具を工作機の主軸に取り付けても構わない。

その他の構成や手順等も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態が適用されるＮＣ工作機の原理図。同実施形態に係る工具を示す図。同工具の補正方法に係る第１工程を説明する図。同工具の補正方法に係る第２工程を説明する図。同工具の補正方法に係る第２工程を説明する図。本発明の変形例を示す図。従来工具を適用したＮＣ工作機の原理図。同工具の補正についての説明図。同工具に対する補正方法を示す図。同工具の補正に用いる計測方法を示す図。同工具の補正に用いる他の計測方法を示す図。

Ｗ…ワーク
１…工具
２…把持具（ツーリング）
３…主軸
１１…加工部位（刃先）
１２…ターゲット（スラスト面）
１３…ターゲット（ラジアル面）
２００…投影機
ｘ…加工部位（刃先）からターゲットまでの径方向の距離
Ｘ…基準点（機械原点）からターゲットまでの径方向の距離
ｙ…加工部位（刃先）からターゲットまでの長方向の距離
Ｙ…基準点（機械原点）からターゲットまでの長方向の距離
Ｚ、Ｚ１、Ｚ２…計測媒体

Claims

主軸に取付けられてワークに加工を施すための工具が、刃先部分と主軸への取付け部分となるより太い付け根部分との間にテーパ部分を有するものであり、このテーパ部分に、接触式計測用のプローブまたは電極、光学式計測用の光、或いは変位式計測用の音波の何れかの計測媒体を作用させるためのターゲットとなるスラスト面とラジアル面を断面Ｖノッチ状に設けたことを特徴とする工具。
主軸に取付けられてワークに加工を施すための工具として、加工部位からより太い付け根側へ変位した部位に、接触式計測用のプローブまたは電極、光学式計測用の光、或いは変位式計測用の音波の何れかの計測媒体を作用させるためのターゲットとなるスラスト面を有するものを用い、この工具に対して予め加工部位からターゲットまでの工具上における長方向の距離を計測する第１の工程と、工具を把持具に取り付けた状態で把持具上の基準位置からターゲットまでの長方向の距離を計測し、又は工具を把持具に取り付け更に把持具を主軸に取り付けた状態で把持具上の基準位置からターゲットまでの長方向の距離又は工作機上の基準位置からターゲットまでの長方向の距離を計測する第２の工程とを実施し、これにより工具上の加工部位からワーク上の加工原点までの長方向の加工開始距離を直接又は間接に補正することを特徴とする工具の補正方法。
主軸に取付けられてワークに加工を施すための工具として、加工部位からより太い付け根側へ変位した部位に、接触式計測用のプローブまたは電極、光学式計測用の光、或いは変位式計測用の音波の何れかの計測媒体を作用させるためのターゲットとなるスラスト面を有するものを用い、この工具に対して予め加工部位からターゲットまでの工具上における径方向の距離を計測する第１の工程と、工具を把持具に取り付けた状態で把持具上の基準位置からターゲットまでの径方向の距離を計測し、又は工具を把持具に取り付け更に把持具を主軸に取り付けた状態で把持具上の基準位置からターゲットまでの径方向の距離又は工作機上の基準位置からターゲットまでの径方向の距離を計測する第２の工程とを実施し、これにより工具上の加工部位からワーク上の加工原点までの径方向の加工開始距離を直接又は間接に補正することを特徴とする工具の補正方法。