(57)【要約】【課題】  工作機械のテーブルからワークを取り外すことなく、加工後のワークの表面形状を計測するとともに、そのまま再加工を行なって加工精度の向上を図る。【解決手段】  ワーク１０６の表面計測用のレーザユニットを工具ホルダ内に収納した計測ヘッド２００を、工作機械１００の主軸１０２に取り付け、ワーク１０６を工作機械１００のテーブル１０４から取り外すことなく、その表面の加工状況を計測する。そして、ワーク１０６の目標となる加工形状と比較し、両者の誤差を求める。そして、可能であれば、ワーク１０６の再加工を行ない、形状の誤差を修正する。【選択図】図１
2006255826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の主軸に対して着脱可能なホルダ内に、
工作機械のテーブル上にセットされたワークに対してレーザ光を出力するレーザ出力手段，
前記レーザ光によって得たワーク表面形状のデータを出力する無線手段，
前記各手段に駆動用の電力を供給する電源手段，
を設けたことを特徴とする計測ヘッド。
【請求項２】
前記レーザ出力手段を、前記ホルダ内で微動するための微動手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の計測ヘッド。
【請求項３】
前記レーザ出力手段の他に、ワークの表面を撮像する撮像手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の計測ヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の計測ヘッドを、工具に代えて主軸に取り付け可能であることを特徴とする工作機械。
【請求項５】
前記計測ヘッドが工具マガジンに収納されており、工具交換手段によって主軸の工具と交換されることを特徴とする請求項４記載の工作機械。
【請求項６】
前記工具マガジンにおける計測ヘッドの収納部位に、該計測ヘッドの電源手段に対する充電手段を設けたことを特徴とする請求項５記載の工作機械。
【請求項７】
前記計測ヘッドと通信を行なって、ワークの表面形状に関するデータを得るための計測処理手段を備えたことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワーク（被加工物）の表面形状を計測する計測ヘッド及びマシニングセンタなどの工作機械に関し、更に具体的には、ワークを工作機械のテーブルから取り外すことなく計測を行うようにした工作機械及びその計測ヘッドの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ワークを工作機械のテーブルから取り外すことなく測定を行なうようにした背景技術としては、例えば下記特許文献１に開示された「測定方法及び測定装置」がある。これは、被加工物の撮影画像を拡大表示して測定点の位置を求める場合に、複雑な表示制御を行なうことなく、撮像装置の専用の取り付け機構や画像伝送用ケーブルを不要とするとともに、作業性を向上し、撮像装置の着脱を容易化することを目的とする。これによれば、バッテリを含む撮像装置２１が、工作機械１の回転主軸１２における加工用工具１４の取り付け部１２ａに取り付けられる。被加工物Ｗは、工作機械１の支持部４から取り外すことなく、撮像装置２１によって撮影される。得られた画像データは、無線通信装置２２を介してモニタに送信され、被加工物Ｗの撮影画像が拡大表示される。回転主軸１２を被加工物Ｗに対して相対移動させることで、モニタにより拡大表示された被加工物Ｗの測定点を、そのモニタの画面に一体化された定点指示マーク３０に対応する位置に配置させる。次に、その回転主軸１２の被加工物Ｗに対する設定した基準位置からの相対移動方向と相対移動量とに基づき、該測定点の位置が求められる。
【特許文献１】特開２００１−５９７０５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、最近は、加工対象であるワークも微細化しており、極めて高い加工精度が要求されている。このため、工具の磨耗などが加工精度に影響するようになっており、一般的に行なわれている数値制御に基づく加工のみでは十分な精度が得られないという状況となっている。
【０００４】
加工精度を上げるには、加工後のワークの加工状況（形状，寸法，面粗度等）を計測し、可能であれば再加工を行なうようにする。しかし、この場合に、ワークをテーブルからはずして加工状況を計測し、再びテーブルに取り付けて再加工を行なうと、テーブルに対するワークの位置がずれる恐れがあり、加工精度が必ず向上するとは限らない。上述した背景技術は、ワークをテーブルから取り外すことなく測定点の位置は求められるが、ワークの再加工による精度向上に直接寄与するものではない。
【０００５】
本発明は、以上の点に着目したもので、ワークを、工作機械のテーブルから取り外すことなく、加工後のワークの加工状況を計測するとともに、そのまま再加工を行なって精度の向上を図ることができる計測ヘッド及び工作機械を提供することを、その目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明の計測ヘッドは、工作機械の主軸に対して着脱可能なホルダ内に、工作機械のテーブル上にセットされたワークに対してレーザ光を出力するレーザ出力手段，前記レーザ光によって得たワーク表面形状のデータを出力する無線手段，前記各手段に駆動用の電力を供給する電源手段，を設けたことを特徴とする。主要な形態の一つは、前記レーザ出力手段を、前記ホルダ内で微動するための微動手段を設けたことを特徴とする。他の形態は、前記レーザ出力手段の他に、ワークの表面を撮像する撮像手段を設けたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の工作機械は、前記いずれかの計測ヘッドを、工具に代えて主軸に取り付け可能であることを特徴とする。主要な形態の一つは、前記計測ヘッドが工具マガジンに収納されており、工具交換手段によって主軸の工具と交換されることを特徴とする。他の形態は、前記工具マガジンにおける計測ヘッドの収納部位に、該計測ヘッドの電源手段に対する充電手段を設けたことを特徴とする。更に他の形態は、前記計測ヘッドと通信を行なって、ワークの表面形状に関するデータを得るための計測処理手段を備えたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ワークを工作機械のテーブルから取り外すことなく、加工後のワークの表面形状を計測することができ、必要があればそのまま再加工を行なって、加工精度の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１には、本実施例にかかる工作機械の一例が示されている。同図において、工作機械１００の中央には、主軸１０２が設けられており、その先端に取り付けられた工具によって、テーブル１０４上にセットされたワーク１０６に対する加工が行なわれるようになっている。主軸１０２の左側には、工具マガジン１１０が設けられており、多数の工具が収納されている。工具マガジン１１０内に収納されている工具は、工具交換装置１１２によって主軸１０２に取り付けられている工具と適宜交換される。また、主軸１０２の右側には、ＮＣ装置１１４が設けられており、これによる工具交換，テーブル移動，主軸回転などの制御が行なわれてワーク１０６に対する所望の加工が施されるようになっている。テーブル１０４の周囲には、油や加工時に生ずる切粉や切屑などが飛散しないように、ガード１１６やドア１１８が設けられている。以上の構成は、一般的なマシニングセンタと同様である。
【００１１】
ところで、本実施例では、主軸１０２の先端に工具に代わって取り付けられる計測ヘッド２００が用意されるとともに、パーソナルコンピュータなどによって構成された計測処理装置３００が設置される。これらのうち、計測ヘッド２００は、図２に示すように、前記主軸１０２に取り付けることができるホルダ２０２内に、計測用の機器を内臓した構成となっている。詳述すると、ホルダ２０２の先端側には、レーザユニット２０４とＣＣＤカメラ２０６が前記テーブル１０４を望むように、微動ステージ２０８上に配置されている。微動ステージ２０８は、モータ２１０によって微動可能となっており、モータ２１０はパルスジェネレータ２１２から供給されるパルス信号に基づいて駆動されるようになっている。これらのレーザユニット２０４，ＣＣＤカメラ２０６，パルスジェネレータ２１２は、プロセッサユニット２１４に接続されている。プロセッサユニット２１４には、通信ユニット２１６が接続されており、アンテナ２１８を介して外部と通信できる構成となっている。以上の各部には、バッテリ２２０から駆動用の電力が供給されている。
【００１２】
ホルダ２０２は、通常の工具用のホルダと同様の形状となっており、シャンク２０２Ａ，工具交換装置１１２のアームが係合する溝２０２Ｂを備えている。本例では、シャンク２０２Ａ内にバッテリ２２０が収容されており、頭部２０２Ｃの側面適宜位置に、バッテリ２２０の充電用端子２２２が設けられている。また、通常であれば工具を把持するチャックに相当する頭部２０２Ｃ内に、上述したレーザユニット２０４などが収納されている。
【００１３】
次に、計測処理装置３００について、図３を参照しながら説明する。同図に示すように、計測処理装置３００は、ＣＰＵ３０２を中心に構成されており、モニタ３０４，入力装置３０６，通信ユニット３０８，プログラムメモリ３２０，データメモリ３４０がそれぞれ接続されている。以上の各部のうち、モニタ３０４は液晶ディスプレイなどによって構成されており、入力装置３０６はキーボードなどによって構成されている。また、通信ユニット３０８は、前記計測ヘッド２００と通信を行なうためのもので、アンテナ３１０が接続されている。プログラムメモリ３２０は、ハードディスクなどによって構成されており、レーザ計測プログラム３２２，形状解析プログラム３２４，データ修正プログラム３２６，誤差表示プログラム３２８，撮像プログラム３２９がそれぞれ格納されている。データメモリ３４０は、ハードディスクなどによって構成されており、レーザ計測プログラム３２２による計測結果である計測データ３４２，ワーク１０６の加工データであるＮＣデータ３４４，形状解析プログラム３２４による解析結果である形状解析データ３４５，データ修正プログラム３２６によって生成される修正ＣＡＭデータ３４６，誤差表示プログラム３２８によって生成され、加工前後のワーク形状の誤差を示す誤差データ３４８，撮像プログラムによりワーク１０６を撮像して得られた撮像データ３４９がそれぞれ格納されるようになっている。
【００１４】
次に、図４の及び図５も参照しながら、本実施例の動作を説明する。図４には計測の手順がフローチャートとして示されており、図５にはワークの加工例が示されている。加工対象のワーク１０６は、テーブル１０４上にセットされ、ＮＣ装置１１４による制御に基づいて加工が行なわれる。すなわち、工具マガジン１１０から該当する工具が取り出されて主軸１０２に取り付けられ、テーブル１０４が移動して加工が行なわれる。
【００１５】
加工が終了すると、図４に示す手順で計測が行なわれる。オペレータが計測処理装置３００の入力装置３０６を操作して、計測の開始を指示すると、ＣＰＵ３０２によってその旨がＮＣ装置１１４に伝えられる。ＮＣ装置１１４は、主軸１０２に取り付けられている工具と、工具マガジン１１０にある計測ヘッド２００を、工具交換装置１１２によって交換し、主軸１０２に計測ヘッド２００を取り付ける（図４，ステップＳＡ）。
【００１６】
次に、ＣＰＵ３０２でレーザ計測プログラム３２２を実行し、通信ユニット３０８，アンテナ３１０を介して、計測ヘッド２００にレーザ計測の開始が指示される。計測ヘッド２００では、アンテナ２１８，通信ユニット２１６を介して前記指示が受信され、プロセッサユニット２１４によってレーザユニット２０４が駆動される。一方、ＣＰＵ３０２からＮＣ装置１１４に対してテーブル１０４の移動が指示され、テーブル１０４がワーク１０６を載せたまま移動する。これにより、レーザユニット２０４から出力されたレーザビームが、ワーク１０６の表面上を走査するようになり、公知のレーザ反射三角測量法や光干渉法によってワーク１０６の表面形状が計測される（ステップＳＢ）。計測結果は、通信ユニット２１６，アンテナ２１８，を介して計測処理装置３００に送信される。計測処理装置３００では、計測データをアンテナ３１０，通信ユニット３０８を介して受信し、更にはデータメモリ３４０に計測データ３４２として格納する。
【００１７】
次に、ＣＰＵ３０２は、形状解析プログラム３２４を実行する。まず、ワーク１０６のＮＣデータをＮＣ装置１１４から読み込み、データメモリ３４０にＮＣデータ３４４として格納する。なお、この作業は、計測を行なう前に行うようにしてもよい。次に、ＣＰＵ３０２は、計測データ３４２からワーク１０６の表面形状を解析し（ステップＳＣ）、解析結果を、形状解析データ３４５としてデータメモリ３４０に格納する。更にＣＰＵ３０２は、ＮＣデータ３４４に基づく目標となる形状と、形状解析データ３４５に基づく現在の加工形状を比較する（ステップＳＤ）。その結果、所望の形状，すなわち、加工後のワーク１０６の形状が所望の目標となる形状に沿ったものであるときは、計測動作を終了する（ステップＳＥのYes，ステップＳＪ）。
【００１８】
しかし、目標となる形状と異なるときは、誤差表示プログラム３２８がＣＰＵ３０２で実行される（ステップＳＥのNo，ステップＳＦ）。すなわち、ＣＰＵ３０２は、加工誤差を表す誤差データ３４８を抽出し、形状差分をモニタ３０４に表示する（ステップＳＦ）。図５には、その一例が示されている。同図(A)は斜視図で形状差分を示したものであり、同図(B)は平面図で形状差分を示したものである。もちろん、両者を同時にモニタ３０４に表示してもよい。これらの図において、実線で示す形状１０６Ａが現在の形状であり、点線及びハッチングで示す１０６Ｂ，１０６Ｃが加工誤差である。これらのうち、加工誤差１０６Ｂは削りすぎの誤差であり、加工誤差１０６Ｃは加工不足の誤差である。オペレータは、このようなモニタ表示を参照し、再加工可能かどうかを判断する（ステップＳＧ）。その結果、加工誤差１０６Ｂのように削りすぎてしまったような場合は、不良品であり、修復不可能であることから、計測動作を終了する（ステップＳＧのNo，ステップＳＪ）。
【００１９】
しかし、加工誤差１０６Ｃのように加工不足のみの場合は、再加工することで所望の形状とすることができるので、入力装置３０６によってその旨を指示する（ステップＳＧのYes）。すると、ＣＰＵ３０２は、データ修正プログラム３２６を実行する。これにより、ＣＰＵ３０２は、加工誤差１０６Ｃを加工するための修正ＣＡＭデータ３４６が生成され（ステップＳＨ）、データメモリ３４０に格納されるとともに、ＮＣ装置１１４に対して再加工が指示される（ステップＳＩ）。すなわち、修正ＣＡＭデータ３４６に基づいて当初のＮＣデータ３４４が修正され、これがＮＣ装置１１４に出力される。ＮＣ装置１１４では、修正後のＮＣデータに基づいて、加工誤差１０６Ｃを削るように制御が行なわれ、ワーク１０６の加工誤差１０６Ｃが削られる。その後、必要があれば、再度、上述した計測動作が繰り返し行なわれる。
【００２０】
また、オペレータが、ワーク１０６の平面の様子を観察したいときは、入力装置３０６によってその旨を指示する。すると、ＣＰＵ３０２によって撮像プログラム３２９が実行され、通信ユニット３０８，アンテナ３１０によってその旨が計測ヘッド２００に送信される。計測ヘッド２００では、アンテナ２１８，通信ユニット２１６によって撮像の実行指示を受信し、プロセッサユニット２１４によってＣＣＤカメラ２０６が駆動される。ＣＣＤカメラ２０６によって得られた撮像データは、通信ユニット２１６，アンテナ２１８を介して計測処理装置３００に送信される。計測処理装置３００のＣＰＵ３０２は、アンテナ３１０,通信ユニット３０８によって受信した撮像データを、データメモリ３４０に撮像データ３４９として格納するとともに、モニタ３０４に表示する。これにより、オペレータは、ワーク１０６の表面粗さなどを知ることができる。
【００２１】
この場合において、ＣＣＤカメラ２０６をワーク１０６に対して移動させたい場合には、もちろんＮＣ装置１１４に対してテーブル１０４を移動するように指示してもよいが、計測ヘッド２００に対して指示し、微動ステージ２０８を微動することで、ワーク１０６に対するＣＣＤカメラ２０６の相対位置を変化させることもできる。
【００２２】
以上のように、本実施例によれば、ワーク１０６を、工作機械１００のテーブル１０４から取り外すことなく、計測ヘッド２００及び計測処理装置３００によって加工後のワーク１０６の加工状況を計測し、再加工が行なわれる。このため、ワーク１０６の加工精度の向上を図ることができる。また、テーブル１０４から取り外すことなくワーク１０６の表面を観察することができるので、表面の面粗さなどを簡便に知ることができ、適切に対処することができる。また、計測ヘッド２００と計測処理装置３００を追加することで従来のマシニングセンタにも適用でき、汎用性が高い。
【００２３】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例において、計測ヘッド２００のバッテリ切れについては、計測ヘッド２００を２本用意し、一方がバッテリ切れになったときは充電するとともに、他方の計測ヘッド２００を使用するようにすると好都合である。また、図２に示したバッテリ２２０の充電用端子２２２に電気的に接触する充電用接点を、図１の工具マガジン１１０側に設け、計測ヘッド２００を工具マガジン１１０に収容している間にバッテリ２２０を充電するようにしてもよい。
(2)前記実施例では、汎用性を高めるため、工作機械１００のＮＣ装置１１４と計測処理装置３００を別個の構成としたが、もちろん両者を一体の構成としてよい。また、計測処理装置３００で実行したプログラムを、計測ヘッド２００のプロセッサユニット２１４で実行するようにしてもよい。
(3)前記実施例では、一つの計測ヘッド２００にレーザユニット２０４とＣＣＤカメラ２０６の両方を搭載したが、レーザユニット２０４のみとすることを妨げるものではない。また、レーザユニット２０４を複数搭載し、複数のレーザビームでワーク１０６の走査を行なうことで、計測時間の短縮を図るようにしてもよい。
(4)前記実施例では、レーザユニット２０４及びＣＣＤカメラ２０６を微動ステージ２０８上に配置したが、この微動ステージ２０８の移動方向は適宜設定してよい。また、微動ステージ２０８を省略してもよい。更に、ＣＣＤカメラ２０６に拡大用の光学レンズ機構を付加し、顕微鏡的にワーク１０６を観察するようにしてもよい。
(5)前記実施例では、ワーク形状の加工誤差の差分を点線で示したが、色彩を付加してもよい。例えば、削りすぎてしまった誤差は赤色，削り足りない誤差は緑色という具合である。また、前記実施例では、再加工を行なうか否かをオペレータが判断したが、所望の形状になるように自動的に再加工を行なうようにしてもよい。
(6)加工を終了したワークの最終的な形状データを、当該ワークとともに納品するようにしてもよい。このようにすると、当該ワークを使用する側にとって好都合である。
(7)前記実施例では、ワーク１０６のＮＣデータをＮＣ装置１１４から読み込み、これに基づいて目標となるワーク形状の情報を得たが、各種の方法でワーク形状の情報を取得してよい。例えば、他の装置から無線手段を利用して取得する，ネットワークを通じて取得する，記憶媒体を介して取得する，オペレータが入力手段によって入力するなどである。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明によれば、ワークの表面計測用のレーザ出力手段を工具ホルダ内に収納し、ワークを工作機械のテーブルから取り外すことなく、その表面形状を計測し、再加工を行なうことができるので、例えば、マシニングセンタによるワークの精密加工の用途に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例１における工作機械の全体を示す斜視図である。
【図２】前記実施例の計測ヘッドの内部構成を示す図である。
【図３】前記実施例の計測処理装置の構成を示すブロック図である。
【図４】前記実施例における計測動作の手順を示すフローチャートである。
【図５】前記実施例におけるワークの加工誤差の表示例を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１００：工作機械
１０２：主軸
１０４：テーブル
１０６：ワーク
１０６Ａ：形状
１０６Ｂ：加工誤差
１０６Ｃ：加工誤差
１１０：工具マガジン
１１２：工具交換装置
１１４：ＮＣ装置
１１６：ガード
１１８：ドア
２００：計測ヘッド
２０２：ホルダ
２０２Ａ：シャンク
２０２Ｂ：溝
２０２Ｃ：頭部
２０４：レーザユニット
２０６：ＣＣＤカメラ
２０８：微動ステージ
２１０：モータ
２１２：パルスジェネレータ
２１４：プロセッサユニット
２１６：通信ユニット
２１８：アンテナ
２２０：バッテリ
２２２：充電用端子
３００：計測処理装置
３０２：ＣＰＵ
３０４：モニタ
３０６：入力装置
３０８：通信ユニット
３１０：アンテナ
３２０：プログラムメモリ
３２２：レーザ計測プログラム
３２４：形状解析プログラム
３２６：データ修正プログラム
３２８：誤差表示プログラム
３２９：撮像プログラム
３４０：データメモリ
３４２：計測データ
３４４：ＮＣデータ
３４５：形状解析データ
３４６：修正ＣＡＭデータ
３４８：誤差データ
３４９：撮像データ
【図１】
2006255826.tif 000003
【図２】
2006255826.tif 000004
【図３】
2006255826.tif 000005
【図４】
2006255826.tif 000006
【図５】
2006255826.tif 000007