JP6013139B2 - 工具長測定方法および工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工具長測定方法および工作機械に関する。詳しくは、工具の工具長をワークを基準に測定できるようにした工具長測定方法および工作機械に関する。

従来、刃物を有する工具を主軸に装着して回転させることでワークの切削加工を行う工作機械が用いられている。
このような工作機械では、加工精度を向上するために、支持構造の剛性向上が図られているほか、主軸を移動させるＸ，Ｙ，Ｚ各軸移動機構における動作精度の向上が図られている。

前述した工作機械において、各軸移動機構などの動作精度は、工作機械の座標系における主軸の位置精度に影響を与える。
しかし、ワークの加工精度に直接的に影響するのは、加工部分である工具先端の刃先である。例えば、主軸に対する工具の装着状態が不安定であったり、刃先が摩耗等して工具先端までの距離（工具長）が変化していると、これらが誤差要因となって主軸の位置精度を向上しても工具先端での位置精度が十分に向上しない。

このような工具長の変動に起因する誤差を解消する方法として、加工に先立って主軸に装着された工具の工具長を測定し、工具先端の実測値と基準値との差を求め、加工動作時に前述した差分を補正することが行われている。
このような工具長の測定を行う方法として、例えば特許文献１に記載の技術が知られている。

特許文献１では、ワークをテーブル上に載置し、主軸に装着された工具により切削加工を行う際に、加工に先立って測定用のタッチセンサをテーブル上のワークとは別の場所に置く。そして、加工に用いる工具を装着した主軸を移動させ、工具の先端をタッチセンサに接触させる。タッチセンサで工具の接触が検知されたら、その時点での工作機械の主軸座標から、現在の主軸の工具長を取得することができる。

特開２００１−３００８３６号公報

ところで、前述した特許文献１の工具長測定では、テーブル上のワークとは別の位置に置かれたタッチセンサに工具を接触させており、取得される工具先端の座標位置はテーブル表面を基準としたものである。
しかし、ワークに対する切削加工では、加工対象であるワークの表面のうち主軸に向けられたワーク上面（加工面）を基準に切込深さが指定されるため、基準がテーブル表面であるかワーク上面であるかによって誤差が生じる可能性がある。
とくに、テーブル表面にワークを載置する際に、ワークをテーブルに固定する構造や設定状態によって、テーブル表面からワーク上面までの距離が変化することもあり、テーブル基準の工具長測定では十分な精度が得られない可能性がある。

本発明の目的は、ワークのテーブルに対する固定状態が変動しても、ワークを高精度に加工することができる工具長測定方法および工作機械を提供することにある。

本発明では、工具長測定器具をテーブル表面ではなくワーク表面に設置する。工具長測定器具をワーク上面の任意位置に設置すると、工作機械の制御装置は工具長測定器具の位置（ワーク上面に沿った座標位置）が不明な状態となってしまう。
そこで、本発明では、工具長測定器具のワーク上面における座標位置を別途の位置検出装置で測定して工作機械に取り込むようにする。

具体的には、本発明の工具長測定方法は、工作機械の主軸に装着されて、前記工作機械のテーブルに載置されたワークを加工する工具の工具長を測定する工具長測定方法であって、前記テーブルにワークを設置するワーク設置工程と、前記工具の先端が接触可能かつ前記工具の先端接触を検知可能なタッチセンサを前記ワークの上面に設置するタッチセンサ設置工程と、前記ワークの上面に設置された前記タッチセンサの座標位置を位置検出装置によって検出するタッチセンサ座標位置検出工程と、前記検出された座標位置に前記工具が位置するように、前記テーブルと前記主軸とを相対移動させたのち、前記工具の先端を前記タッチセンサに接触させて前記工具の工具長を測定する工具長測定工程と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、テーブルにワークを設置し、このワークの上面にタッチセンサを設置したのち、このタッチセンサに工具の先端を接触させて工具長を測定するようにしたので、ワークの上面、つまり、ワークの加工面を基準に工具の工具長を測定することができる。従って、ワークのテーブルに対する固定状態が変動しても、ワークの加工面を基準に工具長を測定しているので、ワークを高精度に加工することができる。
特に、本発明では、作業者がワークの上面の任意の位置にタッチセンサを置けば、タッチセンサの座標位置を位置検出装置によって検出し、この検出した座標位置に工具が位置するように、テーブルと主軸とが相対移動されたのち、工具長測定工程が実行されるから、作業者に負担を掛けることなく、工具長の測定を能率的に実行することができる。

本発明の工具長測定方法において、前記タッチセンサ座標位置検出工程では、非接触式の位置検出装置を用いて、前記タッチセンサの座標位置を検出する、ことが好ましい。
このような構成によれば、タッチセンサの座標位置を、非接触式の位置検出装置で検出するようにしたので、例えば、カメラを用いて撮像したタッチセンサの画像からタッチセンサの座標位置を求める方式、あるいは、レーザを用いてタッチセンサの座標位置を算出する方式としたので、タッチセンサの座標位置を短時間にかつ高精度に求めることができる。

本発明の工具長測定方法において、前記タッチセンサは、前記ワークの加工終了までの間、前記ワークの上面に設置され、前記ワークの加工前および加工中の任意に時点において、前記工具長測定工程を実行する、ことが好ましい。
このような構成によれば、タッチセンサは、ワークの加工終了までの間、ワークの上面に設置されているので、ワークの加工前および加工中の任意に時点において、工具長測定工程を実行することができる。従って、重加工など加工条件に応じて、例えば、加工中の複数時点において工具長測定工程を実行することにより、高精度な加工を行うことができる。

本発明の工作機械は、ワークを載置するテーブルと、前記ワークを加工する工具が装着される主軸と、前記テーブルと前記主軸とを相対移動させる相対移動機構とを備えた工作機械において、前記ワークの上面に設置され、前記工具の先端で接触可能かつ前記工具の先端接触を検知可能なタッチセンサと、前記タッチセンサの座標位置を検出する位置検出装置と、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記位置検出装置によって検出された座標位置に前記工具が位置するように、前記相対移動機構の駆動により前記テーブルと前記主軸とを相対移動させたのち、前記工具の先端を前記タッチセンサに接触させる相対移動指令手段と、前記タッチセンサからの接触検知信号を基に前記工具の工具長を測定する工具長測定手段とを含んで構成されている、ことを特徴とする。
このような構成によれば、上述した工具長測定方法と同様な効果が期待できる。

本発明の一実施形態を示す工作機械の正面図。 同上実施形態で用いる工具ホルダを示す図。 同上実施形態において、主軸にカメラを装着した状態の工作機械の正面図。 同上実施形態の制御システムを示すブロック図。 同上実施形態において、カメラで撮像した画像を示す図。 同上実施形態において、工具長測定工程を示す図。 本発明の他の実施形態で用いる非接触位置検出装置の概要を示す図。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜工作機械本体の説明＞
図１は、本発明の工作機械の実施形態を示す正面図である。
同工作機械は、工作機械本体１０と、この工作機械本体１０を加工プログラムに従って駆動制御する制御装置としてのＮＣ装置３０とを備える。

工作機械本体１０は、ベース１１と、このベース１１上に前後方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に設けられ上面にワークＷを載置するテーブル１２と、ベース１１の両側に立設された一対のコラム１３Ａ，１３Ｂと、この両コラム１３Ａ，１３Ｂの上部間に掛け渡されたクロスレール１４と、このクロスレール１４に沿って左右方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に設けられたサドル１６と、このサドル１６に上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に設けられたラム１７と、このラム１７内に回転可能に収納された主軸１８と、この主軸１８を回転駆動させる駆動モータ１９とを備える。なお、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交している。

ベース１１には、テーブル１２をＸ軸方向に移動させるＸ軸移動機構２１が設けられ、クロスレール１４には、サドル１６をＹ軸方向に移動させるＹ軸移動機構２２が設けられ、サドル１６には、ラム１７をＺ軸方向に移動させるＺ軸移動機構２３が設けられている。これらのＸ軸移動機構２１、Ｙ軸移動機構２２およびＺ軸移動機構２３は、制御軸を構成するもので、これら３つの制御軸から、テーブル１２（ワークＷ）と主軸１８とを三次元方向へ相対移動させる三次元相対移動機構が構成されている。

一対のコラム１３Ａ，１３Ｂのうち一方のコラム１３Ａ側には、工具収納装置２５およびＡＴＣ（自動工具交換装置）２６が設けられている。
工具収納装置２５には、異なる複数種の工具ホルダ（工具を装着した工具ホルダ１）が収納されている。
ＡＴＣ（自動工具交換装置）２６は、工具収納装置２５と主軸１８との間で工具交換を行う。例えば、Ｙ軸移動機構２２の駆動により、主軸１８が図１中左端に接近移動された状態において、主軸１８に装着されている使用中の工具ホルダ１と工具収納装置２５内の工具ホルダ１とを自動交換する。

工具ホルダ１は、図２に示すように、主軸１８に装着されるテーパーシャンク部２と、このテーパーシャンク部２に対して中間フランジ部３を介して形成された工具保持部４とを有する。
テーパーシャンク部２には、工具ホルダ１が主軸１８に装着された際、主軸１８内に設けられたクランプ爪（図示省略）によって引き上げられるプルスタッド５が設けられている。工具保持部４には、ドリルなどの工具Ｔが取り付けられている。ここで、加工前あるいは加工途中に、工具Ｔの工具長、つまり、工具保持部４の先端から工具Ｔの先端までの長さが工具長ＴＬとして登録されている。

また、図３に示すように、工具ホルダ１に代わって、主軸１８には、ＣＣＤカメラＣが取り付けられるようになっている。
ＣＣＤカメラＣは、テーブル１２の真上において、ワークＷの加工面である上面に設置されたタッチセンサ６を撮像する。タッチセンサ６は、工具Ｔの先端が接触する接触部６Ａと、接触部６Ａに工具Ｔの先端が接触したことを検知し、接触検知信号を無線で発する接触検知部６Ｂを有する構造である。
ＣＣＤカメラＣによって撮像されたタッチセンサ６の画像は、ＮＣ装置３０に取り込まれ、そこで画像処理されてタッチセンサ６の座標位置が演算される。

＜ＮＣ装置およびその周辺装置の説明＞
ＮＣ装置３０には、図４に示すように、Ｘ軸移動機構２１、Ｙ軸移動機構２２、Ｚ軸移動機構２３、Ｘ軸変位検出器２７、Ｙ軸変位検出器２８、Ｚ軸変位検出器２９、駆動モータ１９、ＡＴＣ２６、タッチセンサ６、工具ホルダ１に代わって主軸１８に取り付けられるＣＣＤカメラＣのほか、入力装置３１、ディスプレイ３２、プリンタ３３、メモリ３４などが接続されている。メモリ３４には、Ｘ軸移動機構２１、Ｙ軸移動機構２２、Ｚ軸移動機構２３、駆動モータ１９、ＡＴＣ２６などを駆動させる加工プログラムのほかに、各種演算用の記憶エリアが設けられている。

ＮＣ装置３０は、加工プログラムに従って、Ｘ軸移動機構２１、Ｙ軸移動機構２２、Ｚ軸移動機構２３、駆動モータ１９、ＡＴＣ２６等を駆動させる機能のほかに、ＣＣＤカメラＣによって撮像されたタッチセンサ６の画像を処理してタッチセンサ６の座標位置を演算する座標位置演算手段と、この座標位置算出手段によって算出されたタッチセンサ６の座標位置に工具Ｔが位置するように、テーブル１２と主軸１８とを相対移動させたのち、工具Ｔの先端をタッチセンサ６に接触させる相対移動指令手段と、タッチセンサ６からの接触検知信号を基に工具Ｔの工具長を測定する工具長測定手段とを含んで構成されている。ここに、ＣＣＤカメラＣおよび座標位置演算手段により、タッチセンサ６の座標位置を非接触で検出する非接触式位置検出装置が構成されている。

＜工具長測定＞
まず、ワークＷの加工前に、使用する工具Ｔの工具長ＴＬを測定し、この工具長ＴＬを登録しておく。
これには、図３に示すように、作業者が、テーブル１２の上面にワークＷを設置したのち（ワーク設置工程）、そのワークＷの加工面である上面の任意の位置にタッチセンサ６を設置する（タッチセンサ設置工程）。このとき、タッチセンサ６を設置するワークＷの上面とは、加工する面と同じ面が望ましく、かつ、タッチセンサ６を設置できる広さを有する水平面である。

また、主軸１８の先端にＣＣＤカメラＣを装着したのち、このＣＣＤカメラＣによってワークＷの上面に設置されたタッチセンサ６を撮像する。すると、撮像されたタッチセンサ６の画像がＮＣ装置３０に送られる。ＮＣ装置３０では、図５に示すように、タッチセンサ６の画像を処理して、機械原点Ｏからのタッチセンサ６の座標位置（ｘ’，ｙ’）を求める。例えば、予めタッチセンサ６の平面画像を登録しておき、ＣＣＤカメラＣで撮像した画像の中から、登録してあるタッチセンサ６の画像をあてはめ、該当する位置の画像の中心座標を演算することにより、タッチセンサ６の座標位置（ｘ’，ｙ’）を求める。

タッチセンサ６の座標位置が算出されると、ＮＣ装置３０は、検出された座標位置に工具Ｔが位置するように、相対移動機構を駆動してテーブル１２と主軸１８とを相対移動させながら、工具Ｔの先端をタッチセンサ６に接触させる。つまり、Ｘ軸移動機構２１、Ｙ軸移動機構２２、Ｚ軸移動機構２３を駆動させて、テーブル１２と主軸１８とを相対移動させたのち、図６に示すように、工具Ｔの先端をタッチセンサ６に接触させる。

工具Ｔの先端がタッチセンサ６に接触されると、タッチセンサ６から接触検知信号がＮＣ装置３０に与えられる。すると、ＮＣ装置３０において、Ｚ軸変位検出器２９の検出値を取り込み、この検出値から工具Ｔの工具長ＴＬを求める。つまり、ワークＷの上面を基準とした工具長ＴＬが測定される。こののち、工具長ＴＬはメモリ３４の所定のエリアに登録され、加工時に利用される。

＜ワークの加工＞
ワークＷの加工にあたっては、加工プログラムに従って、Ｘ軸移動機構２１、Ｙ軸移動機構２２、Ｚ軸移動機構２３が駆動される。これにより、テーブル１２と主軸１８とが相対移動されながら、工具ＴによってワークＷが加工される。
このとき、登録された工具長ＴＬを基に、主軸１８のＺ軸方向の移動が制御される結果、孔の深さを高精度に加工することができる。つまり、ワークＷの上面を基準に工具長ＴＬが測定・登録されているから、ワークＷの上面に工具Ｔの先端が位置したときを高精度に制御することができるから、ワークＷを高精度に加工することができる。

＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、テーブル１２にワークＷを設置し、このワークＷの上面にタッチセンサ６を設置したのち、このタッチセンサ６に工具Ｔの先端を接触させて工具長ＴＬを測定するようにしたので、ワークＷの上面、つまり、ワークＷの加工面を基準に工具Ｔの工具長ＴＬを測定することができる。従って、ワークＷのテーブル１２に対する固定状態が変動しても、ワークＷを高精度に加工することができる。

また、作業者がワークＷの上面の任意の位置にタッチセンサ６を置けば、このタッチセンサ６の画像をＣＣＤカメラＣで撮像し、この画像を処理してタッチセンサ６の座標位置を検出し、この検出した座標位置に工具Ｔが位置するように、テーブル１２と主軸１８とが相対移動されたのち、工具長測定工程が実行されるから、作業者に負担を掛けることなく、工具長の測定を能率的に実行することができる。
とくに、ＣＣＤカメラＣを用いた非接触式の位置検出装置を用いて、タッチセンサ６の座標位置を検出するようにしたので、タッチセンサ６の座標位置を短時間にかつ高精度に求めることができる。

また、タッチセンサ６は、ワークＷの加工終了までの間、ワークＷの上面に設置されているので、ワークＷの加工前および加工中の任意に時点において、工具長測定工程を実行することができる。
従って、重加工など加工条件に応じて、例えば、加工中の複数時点において工具長測定工程を実行することにより、高精度な加工を行うことができる。

なお、上記実施形態では、ＣＣＤカメラＣを主軸１８の先端に取り付けるようにしたが、ＣＣＤカメラＣの取り付け位置は主軸１８に限られない。例えば、図３の鎖線で示したように、サドル１６の下面に固定してもよく、あるいは、クロスレール１４の下面に固定してもよい。要は、テーブル１２の載置されるワークＷの上面全体が撮像できる位置であれば、どこでもよい。

＜変形例＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。

上記実施形態では、ＣＣＤカメラＣを利用して、タッチセンサ６の画像を撮像し、このタッチセンサ６の画像からタッチセンサ６の座標位置を算出するようにしたが、非接触式位置検出装置としては、レーザを利用して、タッチセンサ６の座標位置を算出するようにしたものでもよい。

レーザを利用した非接触式位置検出装置としては、例えば、特開２０１１−１４１０７号に開示された座標位置検出を利用することができる。
これは、図７に示すように、タッチセンサ６に設けられ入射光に平行な反射光を返す再帰反射体４０と、タッチセンサ６とは異なる少なくとも２つの位置（テーブル１２上の２つの位置）に設置された２つの光学ユニット４１Ａ，４１Ｂとを備える。
各光学ユニット４１Ａ，４１Ｂには、照射光をワークＷの上面に水平にかつ所定の走査角度で走査させる照射光走査部４２と、再帰反射体４０で反射された反射光を受光する受光センサ部４３とが設けられている。

各光学ユニッ４１Ａ，４１Ｂの照射光走査部４２から照射光を走査していくと、その照射光はタッチセンサ６に設けられた再帰反射体４０によって入射光と平行に反射され、受光センサ部４３において受光される。
各光学ユニット４１Ａ，４１Ｂにおいて、受光センサ部４３が受光した反射光のうち、最大受光レベルの反射光の受光タイミングを検出し、この受光タイミングに相当する照射光の走査角度を検出すれば、三角測量の原理から、該照射光の走査角度θ１，θ２と両光学ユニット４１Ａ，４１Ｂの設置間隔Ｌとから、タッチセンサ６の座標位置を算出することができる。
なお、ワークＷの高さ寸法が変わる場合、両光学ユニット４１Ａ，４１Ｂが設置されている設置台４４を高さ調整可能に構成し、ワークＷの高さ応じて設置台４４の高さが自動的に調整できるように構成してもよい。

このほか、レーザを利用した位置検出装置に限らず、他の方式の位置検出装置であってもよい。
例えば、タッチセンサ６内にＧＰＳ（Global Positioning System:全地球測位システム）を搭載して、タッチセンサ６の位置を測定するようにしてもよい。

また、前記実施形態では、タッチセンサ６をワークＷの上面に加工終了まで設置するようにしたが、タッチセンサ６の設置位置は、ワークＷの加工状況によって変えてもよく、その場合、位置検出装置によってタッチセンサ６の座標位置を検出して、工具長測定を実行するようにすればよい。

また、前記実施形態では、テーブル１２がＸ軸方向へ、また、主軸１８がＹ軸方向およびＺ軸方向へ移動可能な工作機械を例に説明したが、これに限らず、テーブル１２と主軸１８とが相対移動する構造の工作機械であれば、どのような構造の工作機械であってもよい。

本発明は、刃物を有する工具を主軸に装着して回転させることでワークの切削加工を行う工作機械に利用できる。

６…タッチセンサ、
１２…テーブル、
１８…主軸、
２１…Ｘ軸移動機構（相対移動機構）、
２２…Ｙ軸移動機構（相対移動機構）、
２３…Ｚ軸移動機構（相対移動機構）、
３０…ＮＣ装置（制御装置）、
Ｔ…工具、
ＴＬ…工具長、
Ｗ…ワーク。

Claims (4)

1. 工作機械の主軸に装着されて、前記工作機械のテーブルに載置されたワークを加工する工具の工具長を測定する工具長測定方法であって、
   前記テーブルにワークを設置するワーク設置工程と、
   前記工具の先端が接触可能かつ前記工具の先端接触を検知可能なタッチセンサを前記ワークの上面に設置するタッチセンサ設置工程と、
   前記ワークの上面に設置された前記タッチセンサの座標位置を位置検出装置によって検出するタッチセンサ座標位置検出工程と、
   前記検出された座標位置に前記工具が位置するように、前記テーブルと前記主軸とを相対移動させたのち、前記工具の先端を前記タッチセンサに接触させて前記工具の工具長を測定する工具長測定工程と、
   を備えることを特徴とする工具長測定方法。
2. 請求項１に記載の工具長測定方法において、
   前記タッチセンサ座標位置検出工程では、非接触式の位置検出装置を用いて、前記センサの座標位置を検出する、ことを特徴とする工具長測定方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の工具長測定方法において、
   前記タッチセンサは、前記ワークの加工終了までの間、前記ワークの上面に設置され、
   前記ワークの加工前および加工中の任意に時点において、前記工具長測定工程を実行する、
   ことを特徴とする工具長測定方法。
4. ワークを載置するテーブルと、前記ワークを加工する工具が装着される主軸と、前記テーブルと前記主軸とを相対移動させる相対移動機構とを備えた工作機械において、
   前記ワークの上面に設置され、前記工具の先端で接触可能かつ前記工具の先端接触を検知可能なタッチセンサと、
   前記タッチセンサの座標位置を検出する位置検出装置と、
   制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記位置検出装置によって検出された座標位置に前記工具が位置するように、前記相対移動機構の駆動により前記テーブルと前記主軸とを相対移動させたのち、前記工具の先端を前記タッチセンサに接触させる相対移動指令手段と、前記タッチセンサからの接触検知信号を基に前記工具の工具長を測定する工具長測定手段とを含んで構成されている、
   ことを特徴とする工作機械。

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