JP5359651B2

JP5359651B2 - 形状測定装置

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Publication number: JP5359651B2
Application number: JP2009176117A
Authority: JP
Inventors: 尚大谷; 浩之中野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: JP2011027674A

Description

本発明は、ワークと工具とを相対的に移動可能な駆動軸として、少なくとも直進軸と回転軸とを有するＮＣ工作機械を使用して、ワークの形状を測定する形状測定装置に関する。

ＮＣ工作機械であるマシニングセンターによりワークを加工し、加工したワークの形状をマシニングセンターの主軸に取り付けられたプローブ（接触式の測定子）により測定し、測定結果によりワークに再加工を施す工作機械に関する従来技術があった（例えば、特許文献１参照）。

通常、回転軸を含んだＮＣ工作機械により加工されたワークは、その外周面形状が複雑になりやすく、形状測定のためには３次元形状測定装置が使用されていた。そのため工作機械にセットされていたワークを一旦取り外し、形状測定を行ってから、再加工を行う場合には、再度、工作機械にセットし直すことが必要であった。

このように、ワークの工作機械に対する脱着を繰り返すことは作業性が悪く、ワークの生産効率を著しく悪化させていた。
それに対して、上述した従来技術に開示されたＮＣ工作機械のように、ワークを工作機械に取り付けたまま、プローブにより形状測定を行い、再加工を行えるものはワークの脱着、運搬といった無駄な作業を必要とせず、その生産性を向上させることが可能であった。

特開平５−１４６９４９号公報

しかしながら既に述べたように、回転軸を含んだＮＣ工作機械により加工されたワークは、その形状が複雑であって、ＮＣ工作機械の主軸に取り付けられたプローブの移動動作を制御することはかなり困難であった。
まず、プローブのワークとの干渉を避けなければならないことは言うまでもないが、それに加えて、特にプローブは工具と異なり、ワークに対して当接する時の姿勢により、その測定精度が左右されるという特性を有している。このような理由のため、プローブの移動動作の制御をおこなう測定用ＮＣデータの作成は困難であり、ＮＣ工作機械によるワークの形状測定の普及の妨げとなっていた。上述した従来技術においては、プローブの移動動作を制御する測定用ＮＣデータの形成方法については、具体的には記載されていない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、容易にワークの形状測定を行うことのできる形状測定装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１に係る形状測定装置の発明の構成上の特徴は、ワークと工具とを相対的に移動可能な駆動軸として、少なくとも直進軸と回転軸とを有するＮＣ工作機械を使用して、前記ワークの外周面形状を測定するための形状測定装置において、一定の軸方向に延在し、前記駆動軸により前記ワークに対して相対移動され、前記ワークの外周面に対して先端を当接させる測定用プローブと、前記ワークの形状を特定するＣＡＤ／ＣＡＭデータを記憶するＣＡＤ／ＣＡＭデータ記憶手段と、前記ＣＡＤ／ＣＡＭデータに基づいて、ワークの測定時における前記測定用プローブの前記ワークに対する位置および姿勢に関するデータである測定用ＮＣデータを形成する測定用ＮＣデータ形成手段と、形成された前記測定用ＮＣデータに基づき、前記駆動軸を作動させる駆動制御手段と、を備え、前記測定用ＮＣデータ形成手段は、前記ワークに対し該プローブの先端部が当接する際に、前記ブローブの軸方向に対して該ブローブの先端部が前記ワークに接触する方向によって、形状測定精度が変化する前記プローブの複数の姿勢に、形状測定精度による順位を設け、前記ワークの外周面上の各点において、前記順位が高いものから優先的に前記ワークに対する前記プローブの姿勢を設定するよう前記測定用ＮＣデータを形成することである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１の形状測定装置において、
前記測定用ＮＣデータ形成手段は、
前記ＣＡＤ／ＣＡＭデータに基づいて形成された、加工時における前記工具の前記ワークに対する位置および姿勢に関する加工情報を使用して、前記測定用ＮＣデータを形成することである。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２の形状測定装置において、
前記測定用ＮＣデータ形成手段は、
前記加工情報中の前記ワーク上の点における前記工具の姿勢ベクトルの方向が、前記ＣＡＤ／ＣＡＭデータ中の前記ワークの外周面上の当該点における法線ベクトルの方向と一致した場合、前記加工情報中の前記工具の前記ワークに対する姿勢を、前記プローブの前記ワークに対する姿勢として前記測定用ＮＣデータを形成することである。

請求項４に係る発明の特徴は、請求項１乃至３のいずれか１項の形状測定装置において、前記駆動軸は、水平方向に延在するＸ軸、鉛直方向に延在するＹ軸、及び前記Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸の３つの直進する軸心を有し、前記プローブは、前記Ｚ軸方向に延在し、先端に形成されたコンタクト部により全方向測定可能なプローブであり、前記測定用ＮＣデータ形成手段は、前記ワークに対する前記プローブの姿勢に、第１順位として前記プローブを前記ワークに対して前記Ｚ軸と平行な方向に相対移動させて当接させる第１姿勢、第２順位として前記プローブを前記ワークに対して前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸の何れか一方向に平行な方向に相対移動させて当接させる第２姿勢、及び第３順位として前記プローブを前記ワークに対して前記Ｘ軸、前記Ｙ軸および前記Ｚ軸のうちの２軸に対して４５°の角度をなし、かつ残りの１軸に対して直交した方向に相対移動させて当接させる第３姿勢を、少なくとも含むことである。

請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項４の形状測定装置において、
前記ワークの外周面上の各点における、前記ワークに対する前記プローブの姿勢について、前記プローブの前記ワークに対する干渉の有無を判定する干渉判定手段を備え、
前記測定用ＮＣデータ形成手段は、
前記順位が同等である前記ワークに対する前記プローブの複数の姿勢について、前記プローブの前記ワークに対する干渉が無い場合、前記姿勢に到達するまでに必要とする前記駆動軸の移動量が少ないものを、前記ワークに対する前記プローブの姿勢として設定することである。

請求項１に係る形状測定装置によれば、測定用ＮＣデータ形成手段が、ＣＡＤ／ＣＡＭデータに基づいて、測定用ＮＣデータを形成することにより、ワークの形状を基準として、ワークに対するプローブの相対移動動作を制御することができるため、精度の高い形状測定を行なうことができる。
ＣＡＤ／ＣＡＭデータ中のワークの外周面上の各点において、精度の順位が高いものから優先的にワークに対するプローブの姿勢を設定することにより、プローブによる測定精度をよりいっそう向上させることができる。

請求項２に係る形状測定装置によれば、測定用ＮＣデータ形成手段が、ワークに対する干渉を避けることについて実績のある、加工時における工具のワークに対する位置および姿勢に関する加工情報を使用して測定用ＮＣデータを形成することにより、測定用ＮＣデータを形成するための演算工程を大幅に低減することができる。

請求項３に係る形状測定装置によれば、加工情報中のワーク上の点における工具の姿勢ベクトルの方向が、ＣＡＤ／ＣＡＭデータ中のワークの外周面上の当該点における法線ベクトルの方向と一致した場合、加工情報中の工具のワークに対する姿勢を、プローブのワークに対する姿勢として測定用ＮＣデータを形成することにより、プローブの軸方向とワークの外周面に対する法線方向とが一致するように、プローブがワークに当接する測定用ＮＣデータを容易に形成でき、その測定精度を向上させることができる。

請求項４に係る形状測定装置によれば、プローブの測定姿勢を、精度順位の高い順に、第１姿勢、第２姿勢、及び第３姿勢と設定することで、容易にプローブによる測定精度を向上させることができる。

請求項５に係る形状測定装置によれば、精度の順位が同等であるワークに対するプローブの複数の姿勢について、プローブのワークに対する干渉が無い場合、姿勢に到達するまでに必要とするＮＣ工作機械の駆動軸の移動量が少ないものを、プローブの姿勢データとして設定することにより、プローブの移動にともなう測定精度の低下を低減し、測定精度をさらに向上させることができる。

本発明の実施形態１によるＮＣ加工装置の構成を示した斜視図図１に示したＮＣ加工装置の主に電気的構成を示したブロック図実施形態１によるＮＣ加工装置の加工、形状測定および補正加工の方法を表した工程図ワークの形状とプローブの測定姿勢との関係を説明するための簡略図各測定姿勢を表すためにプローブの先端をＹ軸に平行な方向に見た簡略図各測定姿勢を表すためにプローブの先端をＺ軸に平行な方向に見た簡略図プローブの測定姿勢と測定精度との関係を示したテーブルを表す図実施形態２によるＮＣ加工装置の測定用ＮＣデータの形成方法を表したフローチャート加工ツールの姿勢ベクトルと、ワークの外周面上の法線ベクトルとを表した簡略図実施形態３によるＮＣ加工装置の構成を示した斜視図図１０に示したＮＣ加工装置の主に電気的構成を示したブロック図図１０に示したワークトレース装置を表した部分拡大図

＜実施形態１＞
図１乃至図３に基づき、本発明の実施形態１によるＮＣ加工装置１（本発明の形状測定装置に該当する）について説明する。本実施形態によるＮＣ加工装置１は、ワークと工具とを相対的に移動可能な駆動軸として、直進軸がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸、回転軸がＡ軸（Ｘ軸回りの回転軸）およびＢ軸（Ｙ軸回りの回転軸）の２軸である５軸同時加工を可能とするマシニングセンター２（本発明のＮＣ工作機械に該当する）および制御ボックス５を備えている（図２示）。

マシニングセンター２のベース２１上には、コラム２２が水平方向であるＺ軸方向に移動可能に取り付けられている。また、コラム２２の一側面には、主軸ヘッド２３が鉛直方向であるＹ軸方向（Ｚ軸に対し直交している）に移動可能に取り付けられ、主軸ヘッド２３には回転可能な主軸２４が、Ｚ軸方向に突出するように取り付けられている。主軸２４には、種々の加工ツール２５（本発明の工具に該当する）が付け替え可能とされている。また、主軸２４には、加工ツール２５に代えて、後述するタッチセンサ４が脱着可能とされている（図１および図２示）。

一方、ベース２１上には、ワークテーブル２６がコラム２２と対向するように載置されている。ワークテーブル２６はチルトテーブル２６ａと回転テーブル２６ｂとを備えており、ワークＷ（本発明のワークに該当する）が取り付け可能とされている。チルトテーブル２６ａは、Ｙ軸およびＺ軸の双方に対して直交した水平軸であるＸ軸方向に移動可能であり、かつＸ軸回り（Ａ軸）について回動可能とされている。また、回転テーブル２６ｂはチルトテーブル２６ａ上に設けられ、Ｙ軸回り（Ｂ軸）について回動可能とされている（図１示）。

コラム２２および主軸ヘッド２３は、それぞれ駆動用のサーボモーターを含んだ駆動軸２７と接続されている。また、ワークテーブル２６は、同じく駆動用のサーボモーターを含んだ駆動軸２８と接続されている。駆動軸２７、２８（本発明の駆動軸に該当する）のサーボモーターは、ともにＮＣ駆動制御部２９（本発明の駆動制御手段に該当する）によりその駆動量および駆動速度が制御される。

ＮＣ駆動制御部２９にはデータファイル３０が接続されており、ＮＣ駆動制御部２９はデータファイル３０中の種々のデータに基づき、各駆動軸２７、２８の作動を制御する。データファイル３０に含まれる加工用ＮＣデータファイル３１は、ワークＷの加工時における加工ツール２５のワークＷに対する位置および姿勢に関するデータである加工用ＮＣデータ（基準ＮＣデータ）が保存されている。

測定用ＮＣデータファイル３２は、タッチセンサ４による加工後のワークＷの形状測定時における、プローブ４２のワークＷに対する位置および姿勢に関するデータである測定用ＮＣデータが保存されている。また、補正加工用ＮＣデータファイル３３は、ワークＷの形状の修正加工時における、加工ツール２５のワークＷに対する位置および姿勢に関するデータである補正加工用ＮＣデータが保存されている。

制御ボックス５は、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１（本発明のＣＡＤ／ＣＡＭデータ記憶手段および測定用ＮＣデータ形成手段に該当する）およびメイン制御部５２を備えている。ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１は、設計者の操作に応じてワークＷの製品形状を特定するＣＡＤ／ＣＡＭデータを形成し記憶している。

また、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１は、ＣＡＤ／ＣＡＭデータに基づいて加工用ＮＣデータを作成し、作成した加工用ＮＣデータを加工用ＮＣデータファイル３１へと送信する。また、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１は、ＣＡＤ／ＣＡＭデータに基づいて形成され、ワークＷの加工時における加工ツール２５のワークＷに対する位置および姿勢に関するデータを含んだ加工情報を保持している。ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１は、加工情報を使用して測定用ＮＣデータを作成し、作成した測定用ＮＣデータを測定用ＮＣデータファイル３２へと送信する。さらに、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１は、測定用ＮＣデータにしたがって行ったタッチセンサ４によるワークＷの形状測定結果に基づき、補正加工用ＮＣデータを作成して補正加工用ＮＣデータファイル３３へと送信する。

メイン制御部５２は、制御ボックス５に設けられた起動スイッチが操作されることにより、マシニングセンター２およびＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１を起動する。
タッチセンサ４は、ワークテーブル２６に固定されたワークＷとＺ軸方向に対向するように、主軸２４に取り付けられる（図１示）。タッチセンサ４の円錐状の本体部４１からは、水平方向（Ｚ軸方向）にプローブ４２（本発明の測定用プローブに該当する）が延びており、その先端部には球状のコンタクト部４３が形成されている。

タッチセンサ４は、主軸２４とともにＹ軸方向およびＺ軸方向に移動される。プローブ４２は、常時は水平姿勢を保っているが、コンタクト部４３がワークＷの外周面に触れることにより傾動し、その変位量が検出される。コンタクト部４３の当該変位量はＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１へと送信され、コンタクト部４３によるワークＷへの当接位置の座標が算出される。

次に、図３に基づき、本実施形態におけるＮＣ加工装置１を用いた測定用ＮＣデータの作成から形状測定を経て補正加工を行うまでの方法について説明する。最初に、メイン制御部５２がマシニングセンター２およびＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１を起動すると、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１は測定用ＮＣデータを作成するために、ワークＷの外周面における測定点を決定する（ステップＳ３０１）。

そして、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１は、上述した加工情報に基づいて測定用ＮＣデータを作成し、測定用ＮＣデータファイル３２に記憶させる（ステップＳ３０２）。測定用ＮＣデータは、ワークＷに対するプローブ４２の姿勢に関するデータと、各測定点を測定する際のワークＷに対するプローブ４２の位置に関するデータを含んでいる。

測定に際しては、各回転軸を所定の角度に割り出した状態（角度を固定した状態）で行う。つまり、姿勢に関するデータは、各測定点に１つとしている。本実施形態においては、各測定点における姿勢に関するデータは、加工情報中の当該測定点における加工ツール２５のワークＷに対する位置および姿勢をそのまま使用して作成している。すなわち、決定した各測定点に該当する加工情報中の点における、加工ツール２５のワークＷに対する姿勢を、それぞれ測定用ＮＣデータにおけるプローブ４２のワークＷに対する姿勢としている。

また、各測定点を測定する際のワークＷに対するプローブ４２の位置に関するデータは、現在位置から測定点の近傍位置まで移動させるデータ、当該近傍位置から測定点まで接近させるデータ、測定点から当該近傍位置まで退避させるデータ、および、当該近傍位置から次の位置まで移動させるデータを含む。

ここで、各測定点におけるコンタクト部４３のワークＷへの当接方向は、ワークＷおよびワークテーブル２６との干渉を避けるため、プローブ４２の軸方向に一致するように設定しておく。つまり、上記の近傍位置から測定点まで接近させるデータ、および、測定点から当該近傍位置まで退避させるデータは、コンタクト部４３がプローブ４２の軸方向に移動するデータとなる。
なお、測定点におけるコンタクト部４３の当接方向をワークＷの測定点の法線方向に一致させる場合が、最も高精度に測定ができるため、測定精度によっては、測定点におけるコンタクト部４３の当接方向をワークＷの測定点の法線方向に一致させてもよい。

測定用ＮＣデータの作成が終了すると、マシニングセンター２がワークテーブル２６に固定されたワークＷの加工を開始する（ステップＳ３０３）。ワークＷの加工は、マシニングセンター２のＮＣ駆動制御部２９が、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１により作成された加工用ＮＣデータに基づき、主軸２４および駆動軸２７、２８を作動させ、加工ツール２５のワークＷに対する位置および姿勢を制御して行う。

マシニングセンター２によるワークＷの加工が終了すると、主軸２４に取り付けられた加工ツール２５がタッチセンサ４に付け換えられる。その後、ＮＣ駆動制御部２９は、測定用ＮＣデータファイル３２に記憶されている測定用ＮＣデータに基づいて、駆動軸２７、２８を作動させ、ワークＷおよび主軸２４を移動させ、ワークＷに対するプローブ４２の相対位置および姿勢を設定する（ステップＳ３０４）。プローブ４２は所定の姿勢により、ワークＷの外周面に当接してワークＷの外周面形状を測定する（ステップＳ３０５）。

上述したように、測定用ＮＣデータの姿勢に関するデータは加工情報中の加工ツール２５のワークＷに対する位置および姿勢をそのまま使用して作成されているため、ワークＷの形状測定時において、ワークＷの外周面に対するプローブ４２の姿勢は、ワークＷの加工時におけるワークＷの外周面に対する加工ツール２５の姿勢と同一の関係となる。

ワークＷの形状測定が終了すると、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１がワークＷの形状誤差の算出を開始する（ステップＳ３０６）。ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１は、タッチセンサ４によるワークＷの形状測定の結果をＣＡＤ／ＣＡＭデータと比較して、ワークＷの形状誤差を算出する。ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１は、算出された形状誤差が所定値以上であるワークＷの部分を抽出する（ステップＳ３０７）。

その後、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１は、形状誤差が発生しているワークＷの部分につき、補正加工を行うための駆動軸２８のうちＡ、Ｂ軸に関する角度を決定する。本実施形態では、補正加工は、Ａ、Ｂ軸を固定した状態で行う。つまり、補正加工を行う際のＡ、Ｂ軸の割り出し角度を決定する。ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１は、駆動軸２８のうちＡ、Ｂ軸に関する角度を決定すると、ワークＷの形状誤差とＡ、Ｂ軸に関する角度に基づき補正加工用ＮＣデータを作成し、補正加工用ＮＣデータファイル３３に記憶させる（ステップＳ３０８）。

最後に、マシニングセンター２のＮＣ駆動制御部２９が、形成された補正加工用ＮＣデータに基づき、駆動軸２８を作動させ、加工ツール２５のワークＷに対する姿勢を割り出す（ステップＳ３０９）。その後、ＮＣ駆動制御部２９は、主軸２４および駆動軸２７、２８を作動させ、加工ツール２５のワークＷに対する位置を制御し、形状誤差が発生しているワークＷの部分の補正加工を行う（ステップＳ３１０）。
上述したワークＷの加工から補正加工までの工程は、終始、ワークＷをマシニングセンター２のワークテーブル２６に固定したまま実行される。

本実施形態によれば、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１が、ＣＡＤ／ＣＡＭデータに基づいて加工情報を形成し、さらに加工情報に基づき測定用ＮＣデータを形成することにより、ワークＷの形状を基準として、ワークＷに対するプローブ４２の相対移動動作を制御することができるため、精度の高い形状測定を行うことができる。

また、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１が、ワークＷおよびワークテーブル２６に対する干渉を避けることについて実績のある、加工情報中の加工ツール２５のワークＷに対する位置および姿勢をそのまま使用して測定用ＮＣデータを形成することにより、測定用ＮＣデータを形成するための演算工程を大幅に低減することができる。

＜実施形態２＞
図４乃至図９に基づき、本発明の実施形態２によるＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１における測定用ＮＣデータの形成方法について、実施形態１との相違点を中心に説明する。尚、本実施形態においても、ワークＷの形状測定は図１および図２に示したＮＣ加工装置１により行い、ワークＷの加工から補正加工までの工程は、図３にしたがって実行されるものとする。

まず、加工後のワークＷの形状測定をする時の、プローブ４２のワークＷへの当接姿勢について説明する。以下の説明において、プローブ４２の軸方向においてコンタクト部４３側を前方と言い、本体部４１側を後方と言う。図７に示すように、プローブ４２のコンタクト部４３をワークＷの外周面へ当接させる時の、ワークＷの測定点上の法線方向に対するプローブ４２の測定姿勢を、第１姿勢〜第５姿勢に区分してみた。

図７に示す第１姿勢〜第５姿勢は、ワークＷの外周面の法線方向に対して、図５および図６において、矢印で示したプローブ４２のそれぞれの姿勢方向を一致させた状態で、プローブ４２をワークＷに対して法線方向に接近させることを意味している。すなわち、たとえば第２姿勢が選択された場合であれば、ワークＷの外周面の法線方向と、図５および図６において（２）で示した矢印方向の一つを一致させ、プローブ４２をワークＷに対して当該矢印方向に接近させて当接させる。

図７において、「測定方向」の欄は、各測定姿勢についてコンタクト部４３のワークＷに対する当接方向に含まれる軸方向成分を表しており、「測定精度順位」の欄は、各測定姿勢についてその測定精度を順位づけしたもの（精度順位）を表しており、「図示」の欄に記載された数字は、図５および図６に示されたコンタクト部４３のワークＷに対する当接方向と一致している。

図７において、第１姿勢はプローブ４２をワークＷに対しＺ軸と平行な方向、かつ前方に進行（相対移動）させて、コンタクト部４３をワークＷに当接させた場合である。第２姿勢はプローブ４２をＸ軸と平行な方向およびＹ軸と平行な方向のいずれか一方向に進行（相対移動）させて、コンタクト部４３をワークＷに当接させた場合である。第３姿勢はプローブ４２をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの２軸に対して４５°の角度を成し、かつ残りの１軸に対して直交した方向に進行（相対移動）させて、コンタクト部４３をワークＷに当接させた場合である。

第４姿勢はプローブ４２をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸に対して４５°の角度を成し、かつ前方に進行（相対移動）させて、コンタクト部４３をワークＷに当接させた場合である。第５姿勢はプローブ４２をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸に対して４５°の角度を成し、かつ後方に進行（相対移動）させて、コンタクト部４３をワークＷに当接させた場合である。図７から分かるように、プローブ４２のワークＷに対する姿勢を、第１姿勢にした状態で形状測定を行った場合がその測定精度が最も高い。

図４に示すように、形状測定のためにＮＣ加工装置１のワークテーブル２６上に異形のワークＷＫが載置されている状態を考える。この場合、上述したように、ワークＷＫの外周面のすべての測定点において、測定精度の高い姿勢でプローブ４２をワークＷＫに当接させることが望ましい。

しかしながら、ワークＷＫにプローブ４２を接近させる場合、当然のことながらプローブ４２とワークＷＫまたはワークテーブル２６との間に干渉が発生すれば測定はできない。したがって、ワークＷＫの外周面上の各測定点において、第１姿勢から順にプローブ４２とワークＷＫまたはワークテーブル２６との干渉の有無を考慮することになる。
すなわち、図４に示したワークＷＫの外周面において、○にて表した測定点において形状測定を行う場合、双方の間に干渉が発生しないため、プローブ４２を第１姿勢にした状態で、プローブ４２のコンタクト部４３をワークＷＫに当接させる。

また、ワークＷＫの外周面において、△にて表した測定点において形状測定を行う場合、プローブ４２を第１姿勢にした状態では、ワークＷＫまたはワークテーブル２６との間に干渉が発生するが、プローブ４２を第２姿勢にした状態では、双方の間に干渉が発生しないため、プローブ４２を第２姿勢にした状態で、プローブ４２のコンタクト部４３をワークＷＫに当接させる。

さらに、ワークＷＫの外周面において、×にて表した測定点において形状測定を行う場合、プローブ４２を第１姿勢あるいは第２姿勢にした状態では、ワークＷＫまたはワークテーブル２６との間に干渉が発生するが、プローブ４２を第３姿勢にした状態では、双方の間に干渉が発生しないため、プローブ４２を第３姿勢にした状態で、プローブ４２のコンタクト部４３をワークＷＫに当接させる。

以下、図８および図９に基づき、本実施形態における測定用ＮＣデータの形成方法について、具体的に説明する。最初に、ワークＷの外周面上における測定点を決定する（ステップＳ８０１）。次に、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１のメモリ内のＮを１とし（ステップＳ８０２）、1番目の測定点（測定点１）上において、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１に形成された加工情報中の、加工ツール２５の姿勢ベクトル（工具軸ベクトル）と、ＣＡＤ／ＣＡＭデータ中のワークＷの外周面上の法線ベクトルとを比較する（ステップＳ８０３）。

ここで、図９に示すように、それぞれ1番目の測定点上における、加工情報中の加工ツール２５の姿勢ベクトルＴと、ＣＡＤ／ＣＡＭデータ中のワークＷの外周面上の法線ベクトルＲとの方向が一致しているか否かが判定される。

次に、メモリ内のＮが１つだけインクリメントされた後（ステップＳ８０４）、ＮがＭを超えたか否かが判定される（ステップＳ８０５）。ＭはワークＷの外周面上に設定された測定点の数である。ＮがＭを超えていない場合、上述したように、各測定点における加工ツール２５の姿勢ベクトルＴとワークＷの外周面上の法線ベクトルＲとの比較が継続される。

各測定点における姿勢ベクトルＴと法線ベクトルＲとの比較が終了すると、すべての測定点上において、加工ツール２５の姿勢ベクトルＴとワークＷの外周面上の法線ベクトルＲとの方向が一致しているか否かが判定される（ステップＳ８０６）。すべての測定点上において、姿勢ベクトルＴと法線ベクトルＲとの方向が一致していると判定された場合、加工情報中の加工ツール２５のワークＷに対する姿勢に関するデータを、そのまま流用して測定用ＮＣデータの姿勢に関するデータを形成する（ステップＳ８０７）。これにより、加工情報中の加工ツール２５のワークＷに対する姿勢に関するデータを、プローブ４２のワークＷに対する姿勢として測定用ＮＣデータが形成される。

これは、加工情報がこれに基づいてワークＷの加工を行った実績があり、そのまま測定用ＮＣデータに適用しても、プローブ４２とワークＷまたはワークテーブル２６との干渉が発生せず、かつプローブ４２が常に上述した第１姿勢を保った状態でワークＷの形状測定を行えるため、精度の高い形状測定が行えるからである。尚、この場合は、プローブ４２がワークＷに対して第１姿勢を保った状態で、ワークＷに対してプローブ４２をその軸方向に当接させて測定することは言うまでもない。

一方、いずれかの測定点上において、姿勢ベクトルＴと法線ベクトルＲとの方向が一致していないと判定された場合、再びＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１のメモリ内のＮを１とした後（ステップＳ８０８）、1番目の測定点上において、ワークＷの外周面上の法線を算出する（ステップＳ８０９）。

次に、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１のメモリ内のＰを１とし（ステップＳ８１０）、1番目の測定点上において、プローブ４２を、測定の精度順位が最も高い第１姿勢にした場合の駆動軸２８の回転角度を算出する（ステップＳ８１１）。その後、1番目の測定点上において、プローブ４２を第１姿勢にして、その軸方向にワークＷに接近させた場合に、ワークＷまたはワークテーブル２６との間に干渉が発生するか否かが判定される（ステップＳ８１３：本発明の干渉判定手段に該当する）。

第１姿勢にした場合のプローブ４２と、ワークＷまたはワークテーブル２６との間に干渉が発生すると判定された場合、メモリ内のＰを２として（ステップＳ８１２）、プローブ４２を、測定の精度順位が２番目に高い第２姿勢にした場合の各駆動軸２８の回転角度を算出した後（ステップＳ８１１）、1番目の測定点上において、プローブ４２を第２姿勢にした場合に、ワークＷまたはワークテーブル２６との間に干渉が発生するか否かが判定される（ステップＳ８１３）。以降、プローブ４２とワークＷまたはワークテーブル２６との間に干渉が発生しないと判定される姿勢が見つかるまで、測定姿勢を第５姿勢に向けて順に変更していく。
このように、1番目の測定点上において、プローブ４２の測定姿勢を精度順位の高い第１姿勢から優先的に設定し、プローブ４２とワークＷまたはワークテーブル２６との間に干渉が発生しないと判定される測定姿勢が決定される。

プローブ４２とワークＷまたはワークテーブル２６との間に干渉が発生しないと判定された場合、干渉が発生しないプローブ４２のワークＷに対する姿勢が複数あるか否かが判定される（ステップＳ８１４）。例えば、第２姿勢のように、プローブ４２をワークＷに対して複数の方向に進行させることができる場合には、それぞれの場合における、プローブ４２が各測定姿勢に到達するまでの駆動軸２８の回転移動量を算出する（ステップＳ８１５）。

算出された駆動軸２８の回転移動量は、互いに比較され（ステップＳ８１６）、移動量が最も少なくなるようなプローブ４２の測定姿勢が選択され、その場合の各駆動軸２８の移動量が決定される（ステップＳ８１７）。干渉が発生しないプローブ４２のワークＷに対する姿勢が１つしかないと判定された場合は（ステップＳ８１４）、その場合の測定姿勢が選択される。

１番目の測定点上におけるプローブ４２の測定姿勢が決定すると、メモリ内のＮを１つだけインクリメントし（ステップＳ８１８）、上述した方法と同様に、２番目以降の測定点上におけるプローブ４２の測定姿勢が決定される。すべての測定点におけるプローブ４２の測定姿勢が決定されると、測定用ＮＣデータを形成するためのフローは終了する（ステップＳ８１９）。
尚、本実施形態における測定用ＮＣデータの形成方法において、駆動軸２８あるいはワークテーブル２６等の組付誤差および加工誤差に起因する移動誤差を低減するためには、日本特許第３９１７１１４号に開示された従来技術が有効である。

本実施形態によれば、加工情報中のワークＷ上の測定点における加工ツール２５の姿勢ベクトルＴの方向が、ＣＡＤ／ＣＡＭデータ中のワークＷの外周面上の当該点における法線ベクトルＲの方向と一致した場合、加工情報中の加工ツール２５のワークＷに対する姿勢に関するデータを、プローブ４２のワークＷに対する姿勢として測定用ＮＣデータを形成している。
これにより、プローブ４２の軸方向とワークＷの外周面に対する法線方向とが一致するように、プローブ４２をワークＷに当接させる測定用ＮＣデータを容易に形成でき、プローブ４２による測定精度を向上させることができる。

また、ＣＡＤ／ＣＡＭデータ中のワークＷの外周面上の各測定点において、精度順位が高いものから優先的に、ワークＷに対するプローブ４２の姿勢を設定することにより、プローブ４２による測定精度をよりいっそう向上させることができる。
また、精度順位が同等であるワークＷに対するプローブ４２の複数の姿勢について、プローブ４２のワークＷまたはワークテーブル２６に対する干渉が無い場合、測定姿勢に到達するまでに必要とする駆動軸２８の回転移動量が少ないものを、プローブ４２の姿勢データとして設定することにより、プローブ４２の移動にともなう測定精度の低下を低減し、測定精度をさらに向上させることができる。

＜実施形態３＞
図１０乃至図１２に基づき、本発明の実施形態３によるＮＣ加工装置１Ａについて説明する。本実施形態によるＮＣ加工装置１Ａは、図１０および図１１に示すように実施形態１のものと同様のマシニングセンター２、制御ボックス５およびワークトレース装置６を備えている。

ワークトレース装置６は、ワークテーブル２６を挟んで主軸２４と対向するように設けられている（図１０示）。図１２に示すように、ワークトレース装置６の基部６１には、支持体６２が鉛直方向（Ｙ軸方向）に移動可能に設けられている。支持体６２からは直進ロッド６３がＺ軸方向に進退可能に突出しており、その先端にはタッチセンサ６４が取り付けられている。タッチセンサ６４の円錐状の本体部６５からは、水平方向（Ｚ軸方向）にプローブ６６（本発明の測定用プローブに該当する）が延びており、その先端部には球状のコンタクト部６７が形成されている。

ワークトレース装置６はメイン制御部５２により起動され、支持体６２および直進ロッド６３は、ＮＣ駆動制御部２９によって制御される図示しない駆動モーターによりそれぞれ移動される。プローブ６６は、常時は水平姿勢を保っているが、コンタクト部６７がワークＷの外周面に触れることにより傾動し、その変位量が検出される。コンタクト部６７の当該変位量はＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１へと送信され、コンタクト部６７によるワークＷへの当接位置の座標が算出される。その他の構成については、実施形態１の場合と同様であるため、説明は省略する。

＜他の実施形態＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
本発明による形状測定装置が使用可能な工作機械は、ワークと工具とを相対的に移動可能な駆動軸として、少なくとも、直進軸と回転軸とをそれぞれ１軸以上有しているＮＣ工作機械であればよい。

上述した実施形態において、マシニングセンター内に形成されていた測定用ＮＣデータファイルは、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置に設けられていてもよい。
図３に示したＮＣ加工装置による工程において、マシニングセンターによるワークの加工（ステップＳ３０３）後に、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置による測定用ＮＣデータの作成（ステップＳ３０２）を行ってもよい。

図面中、１，１ＡはＮＣ加工装置（形状測定装置）、２はマシニングセンター（ＮＣ工作機械）、２５は加工ツール（工具）、２７，２８は駆動軸、２９はＮＣ駆動制御部（駆動制御手段）、４２，６６はプローブ（測定用プローブ）、５１はＣＡＤ／ＣＡＭ装置（ＣＡＤ／ＣＡＭデータ記憶手段、測定用ＮＣデータ形成手段）、Ｗはワークを示している。

Claims

ワークと工具とを相対的に移動可能な駆動軸として、少なくとも直進軸と回転軸とを有するＮＣ工作機械を使用して、前記ワークの外周面形状を測定するための形状測定装置において、
一定の軸方向に延在し、前記駆動軸により前記ワークに対して相対移動され、前記ワークの外周面に対して先端を当接させる測定用プローブと、
前記ワークの形状を特定するＣＡＤ／ＣＡＭデータを記憶するＣＡＤ／ＣＡＭデータ記憶手段と、
前記ＣＡＤ／ＣＡＭデータに基づいて、ワークの測定時における前記測定用プローブの前記ワークに対する位置および姿勢に関するデータである測定用ＮＣデータを形成する測定用ＮＣデータ形成手段と、
形成された前記測定用ＮＣデータに基づき、前記駆動軸を作動させる駆動制御手段と、を備え、
前記測定用ＮＣデータ形成手段は、
前記ワークに対し該プローブの先端部が当接する際に、前記ブローブの軸方向に対して該ブローブの先端部が前記ワークに接触する方向によって、形状測定精度が変化する前記プローブの複数の姿勢に、形状測定精度による順位を設け、前記ワークの外周面上の各点において、前記順位が高いものから優先的に前記ワークに対する前記プローブの姿勢を設定するよう前記測定用ＮＣデータを形成することを特徴とする形状測定装置。
前記測定用ＮＣデータ形成手段は、
前記ＣＡＤ／ＣＡＭデータに基づいて形成された、加工時における前記工具の前記ワークに対する位置および姿勢に関する加工情報を使用して、前記測定用ＮＣデータを形成することを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
前記測定用ＮＣデータ形成手段は、
前記加工情報中の前記ワーク上の点における前記工具の姿勢ベクトルの方向が、前記ＣＡＤ／ＣＡＭデータ中の前記ワークの外周面上の当該点における法線ベクトルの方向と一致した場合、前記加工情報中の前記工具の前記ワークに対する姿勢を、前記プローブの前記ワークに対する姿勢として前記測定用ＮＣデータを形成することを特徴とする請求項２記載の形状測定装置。
前記駆動軸は、水平方向に延在するＸ軸、鉛直方向に延在するＹ軸、及び前記Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸の３つの直進する軸心を有し、
前記プローブは、前記Ｚ軸方向に延在し、先端に形成されたコンタクト部により全方向測定可能なプローブであり、
前記測定用ＮＣデータ形成手段は、
前記ワークに対する前記プローブの姿勢に、第１順位として前記プローブを前記ワークに対して前記Ｚ軸と平行な方向に相対移動させて当接させる第１姿勢、第２順位として前記プローブを前記ワークに対して前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸の何れか一方向に平行な方向に相対移動させて当接させる第２姿勢、及び第３順位として前記プローブを前記ワークに対して前記Ｘ軸、前記Ｙ軸および前記Ｚ軸のうちの２軸に対して４５°の角度をなし、かつ残りの１軸に対して直交した方向に相対移動させて当接させる第３姿勢を、少なくとも含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の形状測定装置。
前記ワークの外周面上の各点における、前記ワークに対する前記プローブの姿勢について、前記プローブの前記ワークに対する干渉の有無を判定する干渉判定手段を備え、
前記測定用ＮＣデータ形成手段は、
前記順位が同等である前記ワークに対する前記プローブの複数の姿勢について、前記プローブの前記ワークに対する干渉が無い場合、前記姿勢に到達するまでに必要とする前記駆動軸の移動量が少ないものを、前記ワークに対する前記プローブの姿勢として設定することを特徴とする請求項４記載の形状測定装置。