(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸台前端に旋回可能に枢支され収納位置と計測位置の両者に位置決めされるアームと、このアーム上に設けられた刃先センサとを含み、前記刃先センサによって工具刃先位置を計測する工具刃先位置計測装置において、
前記主軸台側と刃先センサ側のいずれか一方に変位センサがそして他方に基準面が、前記刃先センサの収納位置において互いに近接するよう設けられ、前記刃先センサが収納位置にあるときの前記変位センサと基準面との相対位置情報から、前記刃先センサが計測位置にあるときの前記刃先センサと主軸中心との相対位置変位を刃先センサ位置補正値として推定演算することを特徴とする工具刃先位置計測装置。
【請求項２】
主軸台前端に旋回可能に枢支され収納位置と計測位置の両者に位置決めされるアームと、このアーム上に設けられた刃先センサとを含み、前記刃先センサによって工具刃先位置を計測する工具刃先位置計測装置において、
前記主軸台には基準面が設けられ、前記刃先センサは、収納位置において主軸台の基準面に近接し、この基準面との相対位置を測定できる間隙測定用変位センサから成り、前記刃先センサが収納位置にあるときの刃先センサと前記基準面との相対位置情報から、前記刃先センサが計測位置にあるときの前記刃先センサと主軸中心との相対位置変位を刃先センサ位置補正値として推定演算することを特徴とする工具刃先位置計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の装置において、
変位センサは、アーム旋回軸の傾きを測定できることを特徴とする工具刃先位置計測装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置において、
前記刃先センサ及び変位センサは単一のイメージセンサからなり、
アームが計測位置に位置決めされた状態で刃先位置を計測し、またアームが収納位置に位置決めされた状態で基準面との相対位置を測定することを特徴とする工具刃先位置計測装置。
【請求項５】
請求項４記載の装置において、
工具刃先の形状を検出する工具刃先形状演算回路を備えることを特徴とする工具刃先位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は数値制御旋盤の工具刃先位置計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来の数値制御旋盤の工具刃先位置計測装置の概略構成を示したものである。従来の数値制御旋盤における工具刃先位置の補正は、主軸台１０１の前端面１０１ａに９０°旋回可能に枢支され収納位置から主軸の前面に向って旋回した計測位置に位置決めされるアーム１０２及びこのアーム１０２上に設けられた刃先センサ１０３を用いて行われる。すなわち、計測位置にある刃先センサ１０３に工具刃先１０４を移動させて接触させ、工具刃先１０４の位置を計測し、予め設定した正規位置との差異を求め、補正するという方法が採られていた。この構成では、主軸台の熱変位によって主軸中心１０５とアームの取付部との相対位置が変化すると共にアーム自身も熱変位によって伸縮し、その双方により主軸中心１０５と刃先センサ１０３との相対位置が変化し、刃先位置計測の計測精度が低下するという問題があった。そのため、この従来構成による工具刃先位置計測装置の場合、機械の加工基準位置に対する刃先センサ１０３の位置補正を頻繁に行う必要があった。その位置補正方法は、基準とする工具刃先によって加工物を試験切削し、その加工径をマイクロメータなどにより計測した値と、基準とする工具刃先を刃先センサ１０３で位置計測した値との差を求めるという方法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、主軸中心に対する刃先センサの相対位置変位の計測・補正を、加工物を試験切削することなく行う機能を有する工具刃先位置計測装置を提供しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る工具刃先位置計測装置は、以下の特徴を有する。
主軸台前端に旋回可能に枢支され収納位置と計測位置の両者に位置決めされるアームと、このアーム上に設けられた刃先センサとを含み、前記刃先センサによって工具刃先位置を計測する工具刃先位置計測装置において、前記主軸台側と刃先センサ側のいずれか一方に変位センサがそして他方に基準面が、前記刃先センサの収納位置において互いに近接するよう設けられ、前記刃先センサが収納位置にあるときの前記変位センサと基準面との相対位置情報から、前記刃先センサが計測位置にあるときの前記刃先センサと主軸中心との相対位置変位を刃先センサ位置補正値として推定演算することを特徴とする。
また、刃先センサは、収納位置において主軸台の基準面に近接し、この基準面との相対位置を測定できる間隙測定用変位センサから成り、前記刃先センサが収納位置にあるときの刃先センサと前記基準面との相対位置情報から、前記刃先センサが計測位置にあるときの前記刃先センサと主軸中心との相対位置変位を刃先センサ位置補正値として推定演算することを特徴とする。
更に、変位センサは、アームの旋回軸の傾きを測定できることを特徴とする。
さらに、本発明において、前記刃先センサ及び変位センサはアーム上に設けられた単一のセンサで構成され、このイメージセンサが計測位置においては工具刃先の位置を計測し、また収納位置においては基準面との相対位置変位を計測することを特徴とする。
さらに、本発明においては、工具刃先の形状を検出する工具刃先形状演算装置を備えて、イメージセンサによって工具刃先形状を検出するとともに、これをもとに工具刃先の形状を演算することができることを特徴とする。
【０００５】
以上のように構成された本発明に係る工具刃先位置計測装置によれば、アームを収納した状態で、変位センサにより刃先センサの位置変位を計測することにより、アームを主軸の前面近傍に位置決めした状態での刃先センサと主軸中心との相対位置変位を演算し刃先センサの位置補正を行うことができる。
そして、本発明によれば、前記刃先センサと変位センサを単一のイメージセンサとすることにより、構成を簡単にすることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１には、本発明の実施形態１に係る工具刃先位置計測装置の概略構成が示されている。
ＮＣ旋盤の主軸台１の前端面１ａに、Ｌ形のアーム２が９０°旋回可能に枢支されている。
アーム２の先端部には接触型センサから成る刃先センサ４が取り付けられ、刃先センサ４上には工具刃先当接面４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが形成されている。前記刃先センサ４は、工具６の刃先６ａがいずれかの工具刃先当接面４ａあるいは４ｂと接触したときに電気的な接触検知信号を後述する工具刃先位置演算部１２へ出力するセンサからなり、このようなセンサとしては３次元測定機などに用いられる接触プローブが好適である。図示した工具刃先当接面４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは工具６の取付位置によって任意に選択され、図１に示した実施形態においては刃先６ａのＸ軸及びＺ軸の位置を検出するために、当接面４ａと４ｂが用いられる。また、アーム２が収納された位置において刃先センサ４の近傍に位置するように、刃先センサの位置変位を計測する変位センサ５が主軸台１の前端面１ａに取り付けられている。この変位センサ５は、後述する位置計測方法から明らかなように、静電型間隙測定器からなり、その測定面に被測定部が近接したときの両者の間隙量によって両者間の静電容量が変化することにより間隙量を計測することができる。
【０００７】
次に、本実施形態に係る工具刃先位置計測装置の計測制御部について説明する。
基準とする工具６の刃先６ａを刃先センサ４の工具刃先当接面４ａ（Ｘ軸用）、４ｂ（Ｚ軸用）に当接すべく前記工具６が取り付けられた刃物台７をＺ軸方向およびＸ軸方向に位置決めするサーボモータ８および９と、サーボモータ８および９を制御し駆動するサーボプロセッサ１０およびアンプ１１と、アーム２が収納された位置において変位センサ５から出力される刃先センサ４の位置変位計測信号からアーム２を計測位置に位置決めした状態での刃先センサ４と主軸中心１４との相対位置変位を推定演算し位置補正を行う刃先センサ位置補正値演算部１３と、前記工具６の刃先６ａが刃先センサ４上の工具刃先当接面４ａ、４ｂに接触した計測信号とそのときのサーボプロセッサ１０からのＸ軸方向およびＺ軸方向の現在位置情報と刃先センサ位置補正値演算部１３から得られる刃先センサ位置補正値から工具刃先位置を演算する工具刃先位置演算部１２とにより構成される。
図２は、本発明の実施形態１に係る工具刃先位置計測装置を側面から見た概略構成図である。
図２において、刃先センサ４の基台には導電体からなる近接片４ｅが設けられており、その一方の面４ｆが変位センサ５の測定面と近接する基準面を構成している。従って、アーム２が図２の実線のように収納位置に位置決めされた状態で、前記近接片４ｅの基準面４ｆは変位センサ５の測定面に近接し、両者間の間隙が静電容量値に変換され、変位センサ５によって測定される。この結果、刃先センサ４と主軸中心との相対位置変化が測定されることとなる。
【０００８】
次に、本実施形態１における工具刃先位置計測装置で工具６の刃先６ａの位置計測をおこなうときの計測方法について説明する。
図３は、本実施形態１における工具刃先位置計測装置で工具６の刃先６ａの位置計測をおこなうときの流れを示すフローチャートである。
まず、アームが収納された位置で、変位センサ５により刃先センサ４の位置変位を計測する（Ｓ１）。次に、変位センサ５の刃先センサ４の位置変位情報から、刃先センサ４の位置補正値を刃先センサ位置補正値演算部１３により演算する（Ｓ２）。次に、アーム２を工具刃先位置の計測を行う計測位置に位置決めする（Ｓ３）。次に、工具６の刃先６ａを刃先センサ４の工具刃先当接面４ａ及び４ｂに当接させる（Ｓ４）。次に、刃先が工具刃先当接面４ａ、４ｂに当接したときのサーボプロセッサ１０のそれぞれのＸ軸方向およびＺ軸方向の指令値と、刃先センサ４の位置補正値から、工具刃先位置演算部１２が工具刃先位置を演算することにより工具刃先計測を終了する（Ｓ５）。
【０００９】
図４は、本発明の実施形態２を説明した図である。実施形態１（図１及び図２）は、刃先センサ４の位置変位を変位センサ５で計測するものであるが、図４の実施形態２では、アーム２が収納された位置において、主軸台１の前端１ａに取り付けられた基準面４０の位置変位を、刃先センサ４で計測することにより、刃先センサ４と主軸中心１４との相対位置変位を計測しようとするものである。
実施形態２における刃先センサ４は実施形態１のセンサと異なり、刃先センサと変位センサの両機能を兼用するセンサから構成されることを特徴とする。すなわち、この刃先センサ４はそれ自体実施形態１で説明した変位センサ５と同様の静電型間隙測定器からなり、計測位置において、それぞれの近接面４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに工具６の刃先６ａが近接したときの位置を正確に測定して工具刃先位置演算部１２に出力することができ、また収納位置においては、近接面４ａと基準面４０との間隙を刃先センサ位置補正値演算部１３に出力することができる。
従って、この実施形態２によれば、単一の刃先センサ４によって工具刃先計測値及びセンサ位置補正値の両者を得ることができる。
【００１０】
図５は、本発明の実施形態３を説明した図である。実施形態１（図１及び図２）は、刃先センサ４の位置変位を変位センサ５で計測するものであるが、図５の実施形態３では、アーム２が収納された位置において、刃先センサ４近傍に設けた基準面５０の位置変位を、主軸台１の前端１ａに取り付けられた変位センサ５１で計測することにより、刃先センサ４と主軸中心１４との相対位置変位を計測しようとするものである。
従って、本発明においては、刃先センサ位置補正を行うための基準面は主軸台側あるいは刃先センサ側のいずれに設けられてもよく、また刃先センサ側においても基準面は刃先センサ４自体あるいはこれを保持しているアーム２に設けることも可能であることが理解される。
【００１１】
また、図６は、本発明の実施形態４を説明した図で、図５における基準面５０と変位センサ５１の位置関係を入れ替えた構成例である。アーム２が収納された位置において、主軸台１の前端１ａに取り付けられた基準面６１の位置変位を、工具刃先位置計測センサ４近傍に設けた変位センサ６０で計測することにより、工具刃先位置計測センサ４と主軸中心１４との相対位置変位を計測しようとするものである。
【００１２】
図７は、本発明の実施形態５を説明した図であり、アームの熱変位がなく、アームの取付部のみが主軸台の熱変位によりＸ、Ｚ軸と直行方向の軸回りにΔθだけ傾いた場合を示している。すなわち、図７において、アーム２の旋回軸２ａが熱変位によって図示した如くΔθだけ傾くと、アーム２及び刃先センサ４が同様にＸＺ平面上でΔθだけ傾いた状態を示している。そして、アーム２が収納された位置においては、前述した旋回軸２ａの傾きによって、刃先センサ４の上面すなわち基準面７１が鎖線で示すように正常な位置からＬ３だけ離れることとなる。したがって、アーム２が収納された位置において、主軸台１の前端１ａに取り付けられた変位センサ７０で、基準面７１の位置変位Ｌ３を計測することにより、図中のＸ、Ｚ軸と直行方向の軸回りのアーム２の傾き量Δθを演算し、刃先センサ４と主軸中心１４との相対位置変位Ｌ４を演算により求め、補正しようとするものである。
また、本発明の各実施形態で変位センサを取り付けた位置は、主軸台の前端面でＸ軸方向に熱変位しない位置として説明したが、この位置以外の複数の点に変位センサを取り付け、それぞれの点での変位から刃先センサと主軸中心との相対位置変位を求めることも可能である。
【００１３】
また、本願の実施形態１〜４では、主軸台の熱変位による主軸中心とアームの取付部との相対距離変化とアームの熱変位による刃先センサと主軸中心との相対距離変化との双方による、主軸中心と刃先センサ４との相対位置変化を計測し補正するものについて説明したが、アームが熱変位しない材質であれば、主軸台の熱変位による主軸中心とアームの取付部との相対距離変化のみを計測し補正すればよい。そのような場合は、主軸中心をとおりＸ軸に直角な平面上に取付けた変位センサと、熱変位しない材質で一方がアーム取付部に固定されもう一方が前述の変位センサ近傍に位置するようなバーとで計測し補正する方法も考えられる。また、本発明の実施形態では、静電型間隙測定器からなる変位センサを用いているが、渦電流型間隙測定器や、レーザ距離測定器等、他の方式による変位センサを用いる方法も考えられる。もちろん、差動トランス等、接触式の変位センサを用いることも可能である。
また、本願においては、Ｘ軸方向の変位を測定する様に変位センサを取り付けたが、他軸方向の変位も測定する様に変位センサを取り付けることで、他軸方向の刃先センサと主軸中心との相対位置変位を求めることが可能となり、より正確な補正を行うことが出来る。
【００１４】
以上の実施形態においては、刃先センサと変位センサはそれぞれ別個のセンサとして構成されているが、本発明において、刃先センサと変位センサを単一のイメージセンサで構成することも可能であり、以下の図８から図１１においてこのような本発明の更に他の実施形態を説明する。
以下本発明の第６実施形態について図面を参照して説明する。
図８には、本発明の実施形態６に係る工具刃先位置計測装置の概略構成が示されている。
ＮＣ旋盤の主軸台１前端面に、Ｌ形のアーム２が旋回可能に枢支されている。アーム２の先端部には工具刃先位置を計測するイメージセンサ３が取り付けられている。また、アーム２が収納された状態においてイメージセンサ３の計測領域に位置するように、基準面３０が主軸台１前端面に設けられている。
【００１５】
次に、本実施形態６に係る工具刃先位置計測装置の制御について説明する。
基準とする工具６の刃先６ａをイメージセンサ３の工具刃先計測位置に位置決めすべく、前記工具６が取り付けられた刃物台７はＸ軸方向およびＺ軸方向に位置決めするサーボモータ８および９と、サーボモータ８および９を制御し駆動するサーボプロセッサ１０およびアンプ１１、アーム２が収納された状態において、イメージセンサ３から出力されるイメージセンサ３の位置変位計測信号から、イメージセンサ位置補正値演算部１５によりアーム２を主軸台１の前面近傍に位置決めした状態でのイメージセンサ３と主軸中心１４との相対位置変位が推定演算され位置補正が行われる。そして、前記工具６の刃先６ａがイメージセンサ３の工具刃先計測位置に位置決めされたときサーボプロセッサ１０からのＸ軸方向およびＺ軸方向の現在位置情報とイメージセンサ位置補正値演算部１５から得られるイメージセンサ位置補正値とから工具刃先位置演算部１２により工具刃先位置が演算される。
図９は、本発明の実施形態６に係る工具刃先位置計測装置を側面から見た概略構成図である。
次に、本実施形態における工具刃先位置計測装置で工具６の刃先６ａの位置計測をおこなうときの計測方法について説明する。
図１０は、本実施形態６における工具刃先位置計測装置で工具６の刃先６ａの位置計測をおこなうときの流れを示すフローチャートである。
まず、アームが収納された状態で、イメージセンサにより基準面とイメージセンサとの相対位置変位を計測する（Ｓ１）。次に、相対位置変位計測情報から、イメージセンサの位置補正値を演算する（Ｓ２）。次に、アームを工具刃先位置の計測を行う位置に位置決めする（Ｓ３）。次に、工具の刃先をイメージセンサの工具刃先計測位置に位置決めする（Ｓ４）。次に、刃先を工具刃先計測位置に位置決めしたときのＸ軸方向およびＺ軸方向の指令値と、イメージセンサの位置補正値から、工具刃先位置を演算することにより工具刃先計測を終了する（Ｓ５）。
図１１は、本発明における実施形態７を説明した図である。実施形態６（図８及び図９）は、イメージセンサ３を用いて工具刃先位置を計測するものであるが、図１１では、実施形態６に加えて、工具刃先の形状を検出する工具刃先形状演算部１６をさらに備え、工具刃先の形状をも計測しようとするものである。
【００１６】
【発明の効果】
図２に示されるように、主軸台の熱変位によって主軸中心１４とアーム２の取付部との相対距離Ｌ１が変化すると共にアームの熱変位によって刃先センサ４と主軸中心１４との相対距離Ｌ２が変化すると、その双方により主軸中心１４と刃先センサ４との相対位置が変化する。しかしながら本発明によれば、主軸中心１４と刃先センサ４との相対位置変化を計測し、補正するという機能を有する工具刃先位置計測装置が提供できる。その結果、本発明によれば、主軸中心１４に対する刃先センサ４の位置変位の計測・補正を、加工物を試験切削することなく行うことが可能である。
また、図９に示されるように、主軸台の熱変位によって主軸中心１４とアーム２の取付部との相対距離Ｌ１が変化すると共にアーム２の熱変位によってイメージセンサ３と主軸中心１４との相対距離Ｌ２が変化すると、その双方により主軸中心１４とイメージセンサ３との相対位置が変化する。しかしながら本発明によれば、基準面３０とイメージセンサ３との相対位置変化を計測し、その計測値から主軸中心１４とイメージセンサ３との相対位置変化を演算・補正するという機能を有する工具刃先位置計測装置が提供できる。その結果、本発明によれば、主軸中心１４に対するイメージセンサ３の位置変位の計測・補正を、加工物を試験切削することなく行うことが可能である。
更に本発明の工具刃先位置計測装置では、工具刃先形状の計測によって、工具摩耗や欠損、構成刃先、切粉の巻付き等を監視することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の工具刃先位置計測装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１の工具刃先位置計測装置を側面から見た概略構成図である。
【図３】本発明の実施形態１の作用の流れを示すフローチャート図である。
【図４】本発明の実施形態２による工具刃先位置計測装置の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態３による工具刃先位置計測装置の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の実施形態４による工具刃先位置計測装置の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の実施形態５による工具刃先位置計測装置の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の実施形態６による工具刃先位置計測装置の概略構成を示す図である。
【図９】本発明の実施形態６による工具刃先位置計測装置を側面から見た概略構成図である。
【図１０】本発明の実施形態６の作用の流れを示すフローチャート図である。
【図１１】本発明の実施形態７による工具刃先位置計測装置の概略構成を示す図である。
【図１２】従来の工具刃先位置計測装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１  主軸台、２  アーム、３  イメージセンサ、４  刃先センサ、５  変位センサ、６  工具、７  刃物台、１２  工具刃先位置演算部、１３  刃先センサ位置補正値演算部、１４  工具刃先形状演算部、１５  イメージセンサ位置補正値演算部、１６  工具刃先形状演算部、３０、４０、６１  基準面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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