(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具回転に伴って工具軸心に直角な光を刃先径分遮る状態と刃先径の一部を遮る状態とを繰り返す形状の刃先を有する回転工具の工具刃先位置検出装置において、
光源と、
該光源からの光を受ける受光器と、
回転工具の刃先が前記光を遮ったことによる前記受光器の受光量の周期的変動を検出する周期変動検出手段と、からなり、
前記周期変動検出手段が、受光器側からの入力信号と、前記回転工具の回転と相関関係を有する基準信号とを乗算し、高周波成分を除去することにより、受光量の周期的変動を検出することを特徴とする工具刃先位置検出装置。
【請求項２】
工具回転に伴って工具軸心に直角な光を刃先径分遮る状態と刃先径の一部を遮る状態とを繰り返す形状の刃先を有する回転工具を備えた数値制御工作機械であって、
該数値制御工作機械に設置された光源及び該光源からの光を受ける受光器と、
前記受光器の受光量の周期変動を検出する周期変動検出手段と、
前記回転工具の刃先を前記光源と受光器との間に移動させる移動手段と、
前記周期変動検出手段により前記受光器の受光量の周期変動が検出された際に、該回転工具の位置に基づき回転工具の位置データを補正するデータ補正手段と、
を備えることを特徴とする工具刃先位置検出装置を備え、
前記周期変動検出手段が、受光器側からの入力信号と、前記回転工具の回転と相関関係を有する基準信号とを乗算し、高周波成分を除去することにより、受光量の周期的変動を検出することを特徴とする工具刃先位置検出装置を備えた数値制御工作機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転中の工具の刃先位置を検出する工具刃先位置検出装置及び工具刃先位置検出装置を備えた数値制御工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加工効率を向上させるために、現在の工作機械では、主軸回転速度が非常に高められている。ここで、主軸を高速（数万回転）で回転させると、遠心力による遠心膨張が発生すると共に、発熱による熱膨張によって、主軸の先端に設けられた工具の刃先位置が変位する。このため、回転中の工具の刃先位置を正確に把握することが望まれている。この回転中の工具の刃先位置を求める方法の一つとして、特開平７−２６６１９２号公報が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平７−２６６１９２号公報の装置では、工具を主軸に固定するためのドローバーの後端面と対向するように測定器を設け、主軸の回転前のドローバーの後端面の位置を測定し、主軸が所定の回転速度に達した後に、再びドローバーの後端面の位置を測定し、測定位置に基づき工具の位置を算出している。この装置では、ドローバーの後端位置を測定しているため、上記遠心力のよる遠心膨張を測定することはできても、ドローバーの熱変位による変動分を正確に検出することができなかった。更に、工具の磨耗による刃先位置の変位を検出することもできなかった。
【０００４】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、回転中の工具の刃先位置を正確に検出できる工具刃先位置検出装置及び工具刃先位置検出装置を備えた数値制御工作機械を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１の工具刃先位置検出装置では、
工具回転に伴って工具軸心に直角な光を刃先径分遮る状態と刃先径の一部を遮る状態とを繰り返す形状の刃先を有する回転工具の工具刃先位置検出装置において、
光源と、
該光源からの光を受ける受光器と、
回転工具の刃先が前記光を遮ったことによる前記受光器の受光量の周期的変動を検出する周期変動検出手段と、からなり、
前記周期変動検出手段が、受光器側からの入力信号と、前記回転工具の回転と相関関係を有する基準信号とを乗算し、高周波成分を除去することにより、受光量の周期的変動を検出することを技術的特徴とする。
【０００７】
上記の目的を達成するため、請求項２の工具回転に伴って工具軸心に直角な光を刃先径分遮る状態と刃先径の一部を遮る状態とを繰り返す形状の刃先を有する工具刃先位置検出装置を備えた数値制御工作機械では、
回転工具を備え、
該数値制御工作機械に設置された光源及び該光源からの光を受ける受光器と、
前記受光器の受光量の周期変動を検出する周期変動検出手段と、
前記回転工具の刃先を前記光源と受光器との間に移動させる移動手段と、
前記周期変動検出手段により前記受光器の受光量の周期変動が検出された際に、該回転工具の位置に基づき回転工具の位置データを補正するデータ補正手段と、
を備え、
前記周期変動検出手段が、受光器側からの入力信号と、前記回転工具の回転と相関関係を有する基準信号とを乗算し、高周波成分を除去することにより、受光量の周期的変動を検出することを技術的特徴とする。
【０００９】
【作用】
請求項１の構成では、周期変動検出手段が、回転工具の刃先が光源と受光器との間の光を遮った際の受光量の周期的変動を検出する。即ち、光を用いて刃先を測定するため、回転中の工具の刃先位置を測定することができ、特に、高速回転中の工具の測定が可能となる。また、工具の種類に関わらず測定することができる。
【００１０】
請求項１の構成では、周期変動検出手段は、受光器側からの入力信号と、回転工具の回転と相関関係を有する基準信号とを乗算し、高周波成分を除去することにより、受光量の周期的変動を検出する。高周波成分を除くことによりノイズが除去できるので、外乱光の影響を受けず、刃先を高精度で検出することが可能となる。
【００１１】
請求項２の構成では、移動手段が回転工具の刃先を光源と受光器との間に移動させる。そして、周期変動検出手段が回転工具の刃先が光源と受光器との間の光を遮った際の受光量の周期的変動を検出した際に、データ補正手段が回転工具の位置に基づき回転工具の位置データを補正する。即ち、回転中の工具の位置を検出し、これに基づいて回転工具の位置データを補正するため、高精度な加工が可能となる。
【００１２】
請求項２の構成では、周期変動検出手段は、受光器側からの入力信号と、回転工具の回転と相関関係を有する基準信号とを乗算し、高周波成分を除くことによりノイズが除去できるので、外乱光の影響を受けず、刃先を高精度で検出することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施態様について図を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る工具刃先位置検出装置を備えた数値制御工作機械１０の構成を示している。数値制御工作機械１０は、ベッド１４と、ワークＷを載置すると共に、工具２０の刃先を検出する検出器３０が取り付けられＸ方向に移動可能なテーブル１２と、工具２０を把持し高速で回転（数万回転）するスピンドル２２と、該スピンドル２２の取り付けられたサドル１８と、該サドル１８をＹ方向（上下方向）へ移動可能に支持するコラム１６とから成る。該コラム１６は、ベッド１４上にてＺ方向へ移動可能に支持されている。
【００１４】
該検出器３０はテーブル１２上でワークＷと干渉しない既知の位置に配置されている。該検出器３０は、図１中に示すように凹字状に形成され、該凹字状の内壁にレーザ発振器３２と該レーザ発振器３２からの光を受けるフォトダイオード（図示せず）とが配設されている。この検出器３０の構成について、図２を参照して更に詳細に説明する。図２は、図１に示す検出器３０のＡ矢視図、即ち、上側から見た平面図である。凹字状の検出器３０の一方の内壁３０ａには、レーザ発振器３２が取り付けられ、他方の内壁３０ｂには、該レーザ発振器３２に対向するようにフォトダイオード３４が配設され、該レーザ発振器３２からの光がフォトダイオードにて受けられ、この光が工具２０にて遮られることで、工具の刃先が後述するように検出される。
【００１５】
図３は、該数値制御工作機械１０を制御する制御装置５０、及び、上記レーザ発振器３２からの光を受けて工具の刃先を検出する受光器８０の構成を示すブロック図である。制御装置５０は、装置全体を管理する中央制御装置（ＣＰＵ）５６と、種々の制御、プログラム及び工具の刃先位置に関するデータ等を保持するメモリ５２と、インターフェィス５４、５８、５９とから成る。この制御装置５０は、入力装置７０を介して種々のデータが入力され、また、出力装置７２を介して種々のデータを出力し得る様に構成されている。該入力装置７０には、データの入力を行うためのキーボードが備えられ、また、該出力装置７２側には、データの表示を行うＣＲＴ等の表示装置が備えられている。
【００１６】
また、該制御装置５０は、工具２０をテーブル１２の移動方向と直交する水平方向（Ｚ方向）へ送るために、コラム１６を移動させるホールネジ（図示せず）を駆動する第１サーボモータ６８へ、第１モータ駆動回路（ＤＵＺ）６６を介して駆動信号を送る。この第１サーボモータ６８に取り付けられた第１エンコーダ６７は、第１サーボモータ６８の回転位置、即ち、工具２０の刃先位置を制御装置５０へ送出するように構成されている。更に、該制御装置５０は、ボールネジ（図示せず）によりテーブル１２を水平方向（Ｘ方向）へ送るための第２サーボモータ６２へ、第２モータ駆動回路（ＤＵＸ）６０を介して駆動信号を送る。この第２サーボモータ６２に取り付けられた第２エンコーダ６１は、第２サーボモータ６２の回転位置、即ち、テーブル１２の位置を制御装置５０へ送出する。同様に、該制御装置５０は、ボールネジ（図示せず）によりサドル１８を垂直方向（Ｙ方向）へ送るための第３サーボモータ６５へ、第３モータ駆動回路（ＤＵＹ）６３を介して駆動信号を送る。この第３サーボモータ６５に取り付けられた第３エンコーダ６４は、サドル１８の位置を制御装置５０へ送出するように構成されている。
【００１７】
一方、受光器８０は、図２を参照して上述したフォトダイオード３４と、フォトダイオード３４の出力から刃先がレーザを遮ったことを検出するアンプ９０と、該アンプ９０の出力を制御装置５０へ送出するコンパレータ８２とから成る。アンプ９０は、フォトダイオード３４の出力を増幅する増幅器９２と、該増幅器９２からの信号と工具の回転に同期した余弦波信号を出力する基準信号源９９からの信号とを乗算する乗算器９４と、該乗算器９４の出力の中の高周波成分を取り除くローパスフィルター９６と、該フォトダイオード３４の出力信号へ基準信号源９９の出力信号の位相を整合させる移送器９８とから構成されている。
【００１８】
該アンプ９０は、刃先がレーザに達したことを、フォトダイオード３４の出力が周期的に変動することに基づき検出する。ここでは、フォトダイオード３４の出力が周期的に変動する理由について、図４を参照して説明する。
図４は、図２中のＢ矢視図、即ち、工具２０を水平方向から見た図である。工具２０の刃先２０ａがレーザ光に達した際に、工具２０の回転位置に応じて該レーザ光が断続されている状態を図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示している。
【００１９】
即ち、図４（Ａ）に示すように刃先２０ａがレーザ光に対して直角位置にあるとき、及び、図４（Ｂ）に示すように刃先２０ａがレーザ光に対して所定角度にあるとき、図中左側のレーザ発振器３２（図２参照）から照射されたレーザ光は、遮られて図中右側のフォトダイオード３４（図２参照）へは照射されない。他方、図４（Ｃ）に示すように、刃先２０ａがレーザ光に対して水平位置にあるとき、図中左側のレーザ発振器３２から照射されたレーザ光が図中右側のフォトダイオード３４へ照射される。このため、刃先がレーザに達した時点でフォトダイオード３４の出力が周期的（工具の回転に同期）に変動する。なお、図２中に示すように、刃先がレーザに達した際にレーザ光の一部が遮られている点、即ち、レーザ光の全部が断続されているのでは無い点に注意されたい。
【００２０】
ここで、図３に示すアンプ９０による、上記フォトダイオード出力の周期変動の検出について更に詳細に説明する。
該アンプ９０は、一種のロックインアンプを構成している。レーザを受光したフォトダイオードからの出力（増幅器９２の出力）、即ち、乗算器９４へ入力される入力信号は次の数１で表すことができる。
【数１】
入力信号＝ｅi cos ｗ0 t ＋ｎ（ｔ）＝Ｅi
ここで、ｅi cos ｗ0 t の項は、回転に同期した成分であり、他方、ｎ（ｔ）は、外乱光等の影響分を含む雑音成分である。
【００２１】
一方、工具２０の回転に同期した余弦信号を発生する基準信号源９９からの基準信号は、次の数２で表される。
【数２】
基準信号＝ｅrcos( ｗ0 t ＋φ）＝Ｅr
【００２２】
そして、上述したように乗算器９４にて、入力信号と基準信号との乗算が次の数３に示すように行われる。
【数３】
0003648886.tif 000002
ここで、１／２・ｅi ｅr cos φの項は、時間ｔの関数ではないため直流分であり、他方、１／２ｅi ｅr  cos( ２ｗ0 ｔ＋φ）ｅr ・ｎ（ｔ）・ cos( ｗ0 t ＋φ）は、角周波数ｗ0 及び２ｗ0 で変動する高周波分である。
【００２３】
ここで、該乗算器９４の出力からローパスフィルタ９６にて直流分（１／２・ｅi ｅr cos φ）のみを取り出す。そして、移送器９８にて、位相φ＝０となるように、ＰＬＬ等によって出力が最大となるように位相を調整すると、次の数４の出力を得ることができる。
【数４】
１／２・ｅi ｅr
基準信号と同期した成分、即ち、工具の刃先２０ａがレーザ光を断続的に遮り、フォトダイオード出力中に周期変動分が含まれるとき、上記数４の出力が発生する。このようにアンプ８０は、工具の刃先２０ａがレーザ光に到達したことを検出する。
【００２４】
上述した実施態様では、受光器側からの入力信号と基準信号とを乗算し、高周波成分を除去することにより、受光量の周期的変動を検出している。即ち、高周波成分を除くことによりノイズが除去できるので、外乱光の影響を受けず、刃先を高精度で検出することが可能となる。
【００２５】
引き続き、制御装置５０による工具先端位置の補正処理について、当該処理のフローチャートである図５を参照して説明する。
この工具先端位置の補正処理は、ワークＷの加工前にあるいは加工サイクル中に必要に応じて実行される。ＣＰＵ５６は、工具２０が所定の回転数であるか、すなわち、所定の測定測定周期に達したかを判断する（Ｓ１２）。測定周期に達すると（Ｓ１２がＹｅｓ）。工具２０をＸ軸方向、Ｙ軸方向に送り、工具先端を図２中に破線で示すような、検出器３０の側方の所定の測定開始位置に位置決めする（Ｓ１４）。その後、工具２０をＺ軸方向へ移動、即ち、図２中のＺ軸に沿ってレーザ光側へ前進させる（Ｓ１６）。そして、工具の刃先２０ａがレーザ光に到達したことを上述したようにアンプ８０が検出したか判断する（Ｓ１８）。ここで、工具の刃先２０ａがレーザ光に到達すると（Ｓ１８がＹｅｓ）、当該刃先位置（Ｚ座標）を、図３に示すＺ軸送り用の第１サーボモータ６８に取り付けられた第１エンコーダ６７からの信号に基づき検出する（Ｓ２０）。検出器３０の位置、即ち、レーザ光のＺ軸方向の位置は既知であるので、このレーザ光の位置と第１エンコーダ６７からの信号に基づいて、メモリ５２に保持されている刃先位置データを補正する（Ｓ２２）。以上の処理を行い、刃先位置検出ルーチンが終了し、上記の補正された刃先位置データに基づき加工が開始、あるいは再開される。
【００２６】
【発明の効果】
このように、本発明では、光を用いて刃先を測定するため、回転中の工具の刃先位置を測定することができ、特に、高速回転中の工具の測定が可能となる。また、工具の種類に関わらず測定することができる。更に、回転中の工具の位置を検出し、これに基づいて工具の位置データを補正するため、高精度な加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様に係る工具刃先位置検出装置を備えた数値制御工作機械の斜視図である。
【図２】図１に示す検出器のＡ矢視図である。
【図３】数値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は、図２に示す工具のＡ矢視図である。
【図５】図３に示す数値制御装置による刃先位置検出ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０  数値制御工作機械
２０  工具
２０ａ  刃先
３０  検出器
３２  レーザ発振器（光源）
３４  フォトダイオード（受光器）
５０  数値制御装置（移動手段、データ補正手段）
８０  アンプ（周期変動検出手段）
９４  乗算器
９６  ローパスフィルタ
９９  基準信号源
【図１】
0003648886.tif 000003
【図２】
0003648886.tif 000004
【図３】
0003648886.tif 000005
【図４】
0003648886.tif 000006
【図５】
0003648886.tif 000007