(57)【要約】【課題】  高速回転する回転工具の振れが，加工形状精度の劣化を来すため，回転工具の切れ刃稜の振れを高精度に測定可能にし，この振れを補正できるようにする．【解決手段】  光源モジュールと，回転工具の切れ刃稜の中心と，共焦点をもつ２個のレンズと，撮像素子を，共通する一つの光軸上にこの順に並べ，該レンズの他の２つの焦点のうち，光源モジュール側の焦点には切れ刃稜のボール中心を，もう一方の焦点には撮像素子を，また共焦点にはアンチピンホールフィルタを配置し，撮像素子から得られた電気信号をパソコンに導入して，切れ刃稜のエッジ像の鮮明度を向上させている．【選択図】        図６
2006242605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行光を発する光源モジュールと、該平行光の光軸と軸心を共通にするレンズ鏡筒および撮像素子と、演算処理機能を有するマイコンから構成され、該平行光を遮る位置に置かれた回転工具の振れを測定する測定系において、該レンズ鏡筒が、共焦点を有する少なくとも２個のレンズと、該共焦点近傍に配置された入射光のうちの０次光の光量を遮光するアンチピンホールフィルタからなり、これら２個のレンズの残り２つの焦点のうちの光源モジュール側の焦点には回転工具の切れ刃稜を配置し、もう一方の焦点には光軸に直交するように撮像素子を配置したこと、および該マイコンにより、撮像素子上に投影された該切れ刃稜のエッジ像の電気信号を取り込み、互いに１８０°異なる回転角度位置にある最大の振れを示す二つのエッジ像の差から、回転工具の切れ刃稜の振れを計算できるようにしたことを特徴とする回転工具の振れ測定法および測定装置
【請求項２】
請求項１に記載の測定系において、角度検出器ないしは原点角度検出器を有し、回転工具の回転角度を検知できるようにしたことを特徴とする回転工具の振れ測定法および測定装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転工具を用いた精密機械加工において、回転工具の振れの精密な測定に関するもので、この振れの測定結果に基づいて、振れを抑制することを目的としている．
【背景技術】
【０００２】
回転工具を用いた精密機械加工が一般的に行われているが、回転工具の偏心誤差やチャッキング誤差に起因した振れがあると、加工形状精度の劣化や工具寿命の低下を来すなど、加工する上で障害となっている。
この課題に対して、例えば特開平１０−１４１９３４号では、ボールエンドミルの切れ刃稜の形状精度や振れを、加工機の運動精度を基準としてレーザ光を用いた非接触測定により求めている。しかしこの方法では、逐次測定のため、測定に時間がかかるとともに、測定精度が加工機精度に依存するなどの課題がある。
【０００３】
また特開２００２−２０５２４６号では、ボールエンドミルの切れ刃稜線上の点を測定しアール精度を検出しており、この測定法を本発明で目的とした振れ測定に適用することも可能である。しかしこの測定方法においても、特開平１０−１４１９３４号と同様に、逐次測定のため、高精度に測定するには時間がかかるという課題がある。上記のほかにも、レーザ光を回転工具に照射して、回転に伴う回転工具の位置の変動を逐一測定して、振れを求める多くの方法が提案されている。
【０００４】
しかし、レーザ光を用いたこれら従来の振れ測定法では、いずれもレーザ光のコヒーレンスが非常に良いため、回転工具の切れ刃稜で発生する回折光と透過光との相互干渉により、切れ刃稜の境界が不鮮明で識別精度が低下するという問題がある。
また、このように切れ刃稜の境界の識別精度が低いと、ミクロンあるいはサブミクロンといった厳しい加工形状精度が要求される場合には、１回転工具の振れを測定し補正すること、および２補正した回転工具を用いて試し切削し、加工形状精度を測定評価することを、何度も繰り返し行わなければ、所要の加工形状精度が確保できない。
【０００５】
とくに、回転工具が小径になるほど、また加工形状精度が厳しくなるにつれ、該回転工具の切れ刃稜の振れの測定精度および補正精度を高める必要があり、加工形状精度の測定と振れの補正に多大な時間を費やさざるを得なくなる。また、回転工具が小径になるほど、工具の回転数を高くとる必要があるが、高回転になるほど、切れ刃稜の形状測定が難しくなるという問題もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が対象としている加工形状を、図１、図２および図３に示す。図１は、中心軸３周りに回転対称形状をした、曲率半径Ｒの凹球面２である。また、図２に示す断面が円６の一部からなる凹円筒面５、図３では楕円８の一部からなる凹楕円筒面７を、加工対象としている。これら凹球面２や、凹円筒面５あるいは凹楕円筒面７を加工するとき、回転工具としてボールエンドミルが用いられる。
【０００７】
図１におけるＡ−Ａ断面を、図４に示す。ここで、ボール半径Ｒをもつボールエンドミルのボール中心Ｑ’は、ボールエンドミルの切れ刃稜の偏心やチャッキング誤差により、厳密には工具の回転軸心４上には存在せず、わずかに誤差をもっている。ここで、工具の回転軸心４からボール中心Ｑ’までの距離、すなわち工具の振れεが存在すると、ボールエンドミルは回転軸心４の周りを振れ回ることになる。その結果、曲率半径が設計値Ｒとは異なるＲ’、および形状誤差Δｅをもった凹球面の加工形状になる。なお、図４では、説明のためにこれらの関係を誇張して描いている。同様に、図２に示した凹円筒面５ないし図３に示した凹楕円筒面７においても、工具に振れがあると、類似した曲率半径誤差や形状誤差をもたらすという問題がある。
【０００８】
このように、凹球面や凹円筒面あるいは凹楕円筒面を精密に加工するには、工具の振れεを精度良く測定し、振れεを限りなく０に補正して加工することが不可欠である。
上記の課題に対処するために、本発明の目的は、ごく低速から毎分数１０万回転といった広い回転速度範囲において、回転工具の切れ刃稜の振れを、ミクロンないしサブミクロンレベルの高い精度で測定できる測定法を提供し、回転工具の切れ刃稜の振れの補正を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
透過光学系を用いて、高精度に切れ刃稜の形状を測定できるようにした。
【発明の効果】
【００１０】
図９は、本発明の効果についての説明図である。
図７に示した門型治具中ぐり盤３５の傾斜加工ユニット３９の自転する工具の回転軸心１８に、単結晶ダイヤモンドの１枚刃のボールエンドミル１７をチャッキングし、該ボールエンドミルを自転させながら、最初にダウンフィードを与えて切削し、次いで主軸周りに１８０°まで公転して切削し、そのあとリトラクトしたときの工作物１の加工面の顕微鏡写真を、図９に示す。図９（ａ）は、振れの補正を行わないで切削した結果で、振れが大きいため、
１）横方向に大径となっていること、また
２）最初の０°位置と１８０°の切削終了位置では、下半分に半径方向の顕著な境界が存在する、
ことが確認される。
【００１１】
ちなみにこのときの工具の振れを、本発明の振れ測定装置により測定したところ、  ７０。５μｍとなっていた。一方、図９（ａ）の凹球面形状を三次元形状測定器により測定し、その測定データをもとに該凹球面の幾何学的な加工形状誤差を計算したところ、工具の振れが約７０μｍと求まり、本発明の振れ測定装置による測定結果と良い対応を示していた。
【００１２】
この振れの測定結果をもとに、特開２００２−３６１５１０に記載された自公転ユニットにより、工具の振れを１μｍ以下に補正した。この状態で切削した加工結果を、図９（ｂ）に示す。凹球面には、振れに起因した境界も確認されず、工具の振れの僅少なることが明らかである。前述と同様に、該凹球面の三次元形状の測定データをもとに、幾何学的な加工形状誤差から工具の振れを計算したところ、振れが１μｍ以下に抑制されていることが確認された。
【００１３】
図１０は、本発明の振れ測定装置を用いて測定したボールエンドミルの振れと、該ボールエンドミルにより切削された凹球面の三次元形状の測定データから求めた回転振れとの関係を示している。両者は、非常によい線形関係を示しており、該振れ測定装置を用いることにより、１μｍ以下まで精度良く工具の振れを測定でき、また測定された振れの補正を行うことで、良好な凹球面を加工できることが明らかである。
【００１４】
なお、  １００、０００／ｍｉｎで回転するボール半径０。５ｍｍの１枚刃ボールエンドミルにおいても、該振れ測定装置を用いることによって、振れ測定が可能なことを確認している。
上述したように、本発明の振れ測定装置を用いることにより、高速に回転する回転工具であっても、回転工具の振れ測定が可能となる。また、図１１に示すような可視化されたエッジ像を見ながら、振れεが減少する方向に補正することで、回転工具の振れ補正を行うことができる。
なお回折像により振れを測定する場合に比べて、上述したようなアンチピンホールを用いて振れを測定する場合には、
１）前者の回折像による場合には、図１２に示すように、複数の明暗の縞が現れ、求めるエッジ像がどれかが判別できない乱れた像であるのに対し、後者のアンチピンホールによる場合には、図１３に示すように、内側に回りこんだ縞が観測されず、エッジ像が１本の線として得られること、回折像による場合には、回折像を構成する干渉縞が縞幅方向に正弦波状の輝度分布を示すため、２値化や２値化後の円弧フィットをする際に、形状誤差を来し易い。一方、アンチピンホールによる場合には、図１１のような鮮明な１本のエッジ像が得られるため、測定誤差を生じにくいこと、回折像による場合には、図１２に示すように複数の明暗縞が現れるため、可視化された工具の像を見ながら工具のズレを調整しようすると工具とともに複数の明暗縞が移動し、図１４に示すように縞が工具エッジに吸い込まれる、あるいは湧き出すように見えてしまい、微調整には熟練と感が必要になる。一方、アンチピンホールによる場合には、図１３に示すような鮮明な１本のエッジ像が得られるため、工具のズレを微調整することが容易になること、振れを求める計算量が少ないこと、などの有利な点がある。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
入射光学系の中に０次光の光量を遮光するアンチピンホールフィルタを挿入して、光源から発した透過光が直かに撮像素子に到達しないように制限し、回転工具の切れ刃稜のフラウンフォファ像が得られるようにしている。これにより、回転工具の切れ刃稜の境界の判別精度が著しく向上でき、回転工具の切れ刃稜の振れを高精度に求めることができる
【実施例１】
【００１６】
本発明の一実施例を、図５〜図７を用いて説明する。図５には本発明の振れ測定装置の一実施例を、図６にはその原理を説明するための図、図７には図５に示した振れ測定装置を搭載した門型治具中ぐり盤３５を示す。
【００１７】
振れ測定装置は、振れ測定ユニット９、光源モジュール１１、およびパソコン２０より構成されている。振れ測定ユニット９では、ベース１０の上に、光源モジュール１１、レンズ鏡筒モジュール１３および検出モジュール１４が、この順に、共通な光軸１６をもって配置されており、これら全体がカバー１５にて覆われている。該カバーの上面の一部には窓が開いており、被測定対象であるボールエンドミル１７がその窓を貫いており、該ボールエンドミルのボール中心がほぼ光軸１６上に一致するように、組み立てられている。また原点角度検出器１９の検出端は、ボールエンドミル１７の外周に接近して配置され、他端はベース１０に立てられたスタンドに固定されており、ボールエンドミル１７  の回転角度方向の原点を検出可能にしている。
【００１８】
光源用電源１２は、光源モジュール１１に電気的に接続され、該光源モジュールにパワーを供給している。また検出モジュール１４からの画像信号および原点角度検出器１９からの原点信号は、パソコン２０に電気的に接続されている。
なお図７は、該振れ測定装置の光軸１６を、門型治具中ぐり盤３５のＸ軸方向に平行に採った場合を示しており、上述のボールエンドミル１７のボール中心を、該振れ測定装置の所定位置には、門型治具中ぐり盤３５のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向のＮＣ制御指令を用いて一致させる。
【００１９】
次に、本発明の測定原理について説明する。
図６は、本発明の測定原理を説明するために、図５に示した振れ測定ユニット９のキーパーツを平面上に配置した光学系である。光源モジュール１１に内蔵されたレーザ発振器２１とレンズ群Ａ、レンズ鏡筒モジュール１３に内蔵されたレンズＢ、アンチピンホールフィルタ２５およびレンズＣ、検出モジュール１４の一端に内蔵された撮像素子２６がこの順序に、該レーザ発振器２１から出射されたレーザ光と共通な光軸１６上に、配置されている。ここで、レンズＢの後側焦点２８は、レンズＣの前側焦点２８’と一致しており、これをここでは共焦点と呼んでいる。この共焦点位置には、レンズＢを通って後側焦点２８に集光された透過光３０を遮光するフィルタ機能をもったアンチピンホールフィルタ２５が配置されている。またレンズＣの後側焦点２６’は、撮像素子２６の検出面と一致している。また、レンズＢの前側焦点２７’に、被測定対象であるボールエンドミル１７の切れ刃稜２７を一致させている。
【００２０】
このような光学系の構成とすることにより、レーザ発振器２１から出射されたレーザ光３１が、レンズ群Ａを通ってコリメートされ、ボールエンドミル１７の切れ刃稜２７に照射されると、切れ刃稜２７からはいろんな次数の回折光２９が発生する。また、レーザ光３１のうち切れ刃稜２７から離れた箇所を通過する０次光成分の透過光３０は、平行光としてレンズＢに入射する。切れ刃稜２７は、該レンズＢの前側焦点２７’に一致しているので、切れ刃稜２７の周辺を通る透過光３０や回折光２９は、レンズＢのフーリエ変換作用により、該レンズＢの後側焦点２８で、空間周波数に分解される。すなわち透過光３０を集光するが、回折光２９を集光しない。このレンズＢの後側焦点２８の位置に、０次光成分のみを遮るフィルタ機能をするアンチピンホール２５が設置されているので、集光された透過光３０は完全に遮断される。
【００２１】
一方、アンチピンホール２５を透過した高周波成分の回折光２９は、レンズＣの逆フーリエ変換作用によって、該レンズＣの後側焦点２６’に配置された撮像素子２６上に結像する。このとき、切れ刃稜２７により生じた同心円状の干渉像のうち、アンチピンホールにより、干渉像の１次回折光すなわち該切れ刃稜２７の形状を与えるエッジ像３２のみが抽出される。このような光学系の構成としたことにより、ボールエンドミル１７の切れ刃稜２７の境界がシャープなエッジ像３２を、干渉像の影響を受けることがなく高精度に識別できる。
【００２２】
次に、回転する切れ刃稜２７の振れの最大値と、振れが最大値をとる回転角度の求め方について、１〜３の手順により説明する。
１一定の時間間隔で検出されるエッジ像の３２’、およびこれに対して回転角度１８０°の位置にあるエッジ像３２”を抽出する。
２二つのエッジ像の円弧部に対して、それぞれ最小二乗法により最もフィットした基礎円４１’、４１”を求める。
３これら２つボール中心間の距離を求める。
このように１から３の手順で、一定の回転角度ごとのボール中心間の距離を順次求めていき、該ボール中心間の距離が最大となる値すなわち振れと、振れが最大となるときの回転角度を求める。  
【００２３】
なお、ボールエンドミルの回転方向の原点が、原点角度検出器１９により検出されているので、振れが最大値をとるエッジ像３２’および３２”までの回転角度は、原点から振れが最大値に達するまでの回転工具の回転時間により算出できる。
【００２４】
ここで、撮像素子２６から得られるエッジ像を、サンプリングレート１μｓ以下の高速の電子シャッターで取り込んでおり、デジタル化に伴う振れの測定誤差は無視できる。
なおサンプリングレートが遅い場合であっても、間欠的なエッジ像のデジタルデータをもとに、サンプリング間隔で得られた振れを正弦波近似し、振れのデータを補間することで、振れの最大値を演算できる。
【００２５】
図５に示した振れ測定装置を、門型治具中ぐり盤３５に搭載した例を、図７に示す。振れ測定ユニット９は、Ｘ軸テーブル３６に、光軸１６がＸ軸方向に平行になるように固定されている。
一方、門型治具中ぐり盤３５の主軸３７には、特開２００２−３６１５１０に記載と同様の１μｍ以内の精度でアライメント補正が可能な傾斜加工ユニット３９が結合されており、該主軸軸心３８周りの公転を可能にしている。また該傾斜加工ユニットには、主軸軸心３８に対して傾斜した工具の回転軸心１８をもち自転可能な工具回転軸１８’を内蔵しており、該工具回転軸の一端に、１枚刃単結晶ダイヤモンド製の切れ刃稜２７をもつボールエンドミル１７がチャッキングされており、該工具回転軸１８’に直角方向に微小なアライメント補正が可能である。
【００２６】
ここで、振れを測定し補正する手順を、図８に示す。
最初に、門型治具中ぐり盤３５のＸ軸テーブル３６上に、振れ測定ユニット９を設置する。次に、該振れ測定ユニットの光軸のレンズＢの前焦点に、ボールエンドミル１７のボール中心を合わせる。それに続いて、該回転工具の切れ刃稜の投影像と原点角度をパソコンに取り込む。これら投影像のデータおよび原点角度のデータをもとに、振れが最大値をとる回転角度およびそのときの振れの最大値を解析により求め、得られた回転角度位置で振れが０となるように、振れを補正する。
【００２７】
なお、図２の凹円筒面５は、図１に示した凹球面２の加工と同じ回転工具と門型治具中ぐり盤との段取り状態にして、これに送りを与えることで加工できる。また図３の凹楕円筒面７は、図１に示した凹球面の加工と同様の回転工具と門型治具中ぐり盤との段取り状態のうち、工具の回転軸心４を送り方向に傾斜させて、これに送りを与えることで加工できる。これは、例えば、門型軸中ぐり盤の主軸に取り付けた傾斜加工ユニットを公転方向にある角度回転した位置でこの角度を固定した状態で、自転する回転工具に送りを与えることで可能となる。
【実施例２】
【００２８】
回転工具として、ボールエンドミル１７の代わりに、スクエアエンドミルや、砥石あるいはドリルであっても、本発明が適用でき、同様の振れ測定、振れ補正が可能となる。
【実施例３】
【００２９】
原点角度検出器１９の代わりに、エンコーダを使用しても、振れの最大値をとる回転角度を検出することが可能で、同様の効果を得ることができる。
【実施例４】
【００３０】
本発明の振れ測定装置は、上述した門型治具中ぐり盤３５だけでなく、汎用フライス盤や多軸加工機、治具研削盤などにも搭載可能で、上記と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】加工対象の凹球面の例
【図２】加工対象の凹円筒面の例
【図３】加工対象の凹楕円筒面の例
【図４】回転工具の振れによる形状誤差の説明図
【図５】本発明の振れ測定装置の一実施例を示す図
【図６】本発明の原理を示す説明図
【図７】図５の一実施例を搭載した門型治具中ぐり盤の説明図
【図８】振れの測定・補正の手順を示すフローチャート
【図９】振れの相違による凹球面の比較図
【図１０】本発明の効果を示す説明図
【図１１】可視化されたエッジ像の例
【図１２】回折像により乱れたエッジ像の一例
【図１３】本発明による鮮明なエッジ像の一例
【図１４】明暗縞の移動による工具のズレ調整の難しさの説明図
【符号の説明】
【００３２】
１  工作物
２  凹球面
３  凹球面の中心軸
４  工具の回転軸心
５  凹円筒面
６  円
７  凹楕円筒面
８  楕円
９  振れ測定ユニット
１０  ベース
１１  光源モジュール
１２  光源用電源
１３  レンズ鏡筒
１４  検出モジュール
１５  カバー
１６  光軸
１７  ボールエンドミル
１８  回転工具の軸心
１８’工具回転軸
１９  原点角度検出器
２０、２０’パソコン
２１  レーザ発振器
２２  レンズ群Ａ
２３  レンズＢ
２４  レンズＣ
２５  アンチピンホールフィルタ
２６  撮像素子
２６’レンズＣの後側焦点
２７  切れ刃稜
２７’レンズＢの前側焦点
２８  レンズＢの後側焦点
２８’レンズＣの前側焦点
２９  回折光
３０  透過光
３１  レーザ光
３２、  ３２’、３２”  エッジ像
３５  門型治具中ぐり盤
３６  Ｘ軸テーブル
３７  主軸
３８  主軸軸心
３９  傾斜加工ユニット
４０  ４０’、４０’’干渉縞
４１  ４１’、４１’’工具エッジ
４２  実際の干渉縞の動き
４３  人が錯覚して見える干渉縞の動き
４４  工具の動き
Ｏ  凹球面の投影円の中心
Ｐ    偏心誤差をもつ場合の見かけ上の凹球面の曲率中心  
Ｑ  凹球面の曲率中心
Ｑ’、Ｑ”  工具のボール中心
Ｒ  凹球面の曲率半径
Ｒ’偏心誤差をもつ場合の見かけ上の凹球面の曲率半径
ε  工具の回転軸心に対する工具のボール中心の偏心、すなわち振れ
Δｅ  形状誤差
θ  断面４２内における回転軸心の傾斜角
【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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【図１３】
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【図１４】
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