(57)【要約】【課題】微小径工具の刃先位置を高精度に測定する。【解決手段】工作機械の回転主軸に装着した工具３の刃先位置を光学式センサを用いて測定する方法である。光学式センサのセンシング面４を前記回転主軸に対して平行となす。このセンシング面４に前記工具３の刃先部分を重ならせて遮光することにより、より具体的には、このセンシング面４を前記工具３の刃先部分が横断するように前記工具３を移動させることにより、工具３の刃先位置を測定する。その際、前記光学式センサのセンシング面４におけるセンサ光４ａの厚みを、前記工具３の外径以下とする。【効果】外径が１００μｍ以下の微小径工具の刃先位置を高精度に測定できるようになり、このような工具を使用したＮＣ加工が高精度に行える。【選択図】　　　　図１
2004098213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の回転主軸に装着した工具の刃先位置を光学式センサを用いて測定する方法であって、
前記光学式センサのセンシング面を前記回転主軸に対して平行となし、このセンシング面に前記工具の刃先部分を重ならせて遮光することにより工具の刃先位置を測定することを特徴とする工具位置測定方法。
【請求項２】
工作機械の回転主軸に装着した工具の刃先位置を光学式センサを用いて測定する方法であって、
前記光学式センサのセンシング面を前記回転主軸に対して平行となし、このセンシング面を前記工具の刃先部分が横断するように前記工具を移動させることにより工具の刃先位置を測定することを特徴とする請求項１記載の工具位置測定方法。
【請求項３】
前記光学式センサのセンシング面におけるセンサ光の厚みを、前記工具の外径以下とすることを特徴とする請求項１又は２記載の工具位置測定方法。
【請求項４】
数値制御部からの制御信号に基づき、回転主軸に装着した工具によりテーブルに載置した被加工物を加工する方法において、
請求項１〜３の何れか記載の工具位置測定方法により工具の刃先位置を測定した後、この測定した刃先位置から基準刃先位置に対する工具のオフセット量を算出し、前記数値制御部にフィードバックすることを特徴とするＮＣ加工方法。
【請求項５】
数値制御部からの制御信号に基づき、回転主軸に装着した工具によりテーブルに載置した被加工物を加工するＮＣ工作機械において、
請求項１〜３の何れか記載の工具位置測定方法により工具の刃先位置を測定する光学式刃先位置測定手段と、
この刃先位置測定手段により測定した前記刃先位置から基準刃先位置に対する工具のオフセット量を算出するオフセット量算出手段を備え、
このオフセット量算出手段において算出した前記オフセット量を前記数値制御部にフィードバックするように構成したことを特徴とするＮＣ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、例えば外径が１００μｍ以下の微小径工具を使用して快削性セラミックス、金属などに微細穴等の微細加工を施す際に必要な工具の刃先位置を測定する方法及びこの測定方法を用いたＮＣ加工方法並びに前記測定方法を実施する機能を備えたＮＣ工作機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＣフライス盤やマシニングセンタ等のＮＣ工作機械において、工具の刃先位置を正確に測定することは、加工時間のロスを防ぐため、及び、工具の刃先を被加工物との接触による破損から防ぐ意味でも重要である。
【０００３】
そこで、従来のＮＣ工作機械においては、接触式の刃先測定器を使用して工具の刃先位置を測定していた。この接触式の刃先測定器を用いた計測は、図２に示すように、機械テーブル１や被加工物の上面に予め高さ調整した刃先測定器２を置き、工具３の刃先を測定子２ａに接触させた後も工具３を送り、ＬＳＤが点灯しブザーが鳴った後は前記高さ調整した０位置まで微小送りして機械テーブル１や被加工物の上面からの位置を計測するものである。
【０００４】
この接触式の刃先測定器を使用した測定は、良好な測定精度を有するものの、どうしても工具の刃先に応力が作用することになって、外径が１００μｍ以下の微小径工具では、接触測定により工具の刃先が破損するリスクがある。特に半導体検査装置用の治具などに使用するためには、外径が５０μｍ以下の超微小径の工具を用いて穴あけ加工を行う必要があるが、このような工具の場合、その刃先破損は大きな問題であった。
【０００５】
このような問題を解決するために、工具の刃先位置を非接触で測定する機能を備えたＮＣ工作機械が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このＮＣ工作機械は、工具を加工時の回転速度で回転させながらテーブル上に設置した光学式ラインセンサの測定領域に移動させ、受光部が遮光を検出したときに検出された送り軸の位置及びラインセンサの出力パターンから求めた実測工具データと、予め記憶された工具データとから当該工具の刃先位置変位量を演算し、この演算結果を工具のオフセット量として数値制御部へ送出するようにしたものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３００１７８号公報（第１頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１で提案された技術によれば、工具の刃先位置を非接触で測定することができるので、上記の接触式刃先測定器を使用した場合のような問題は発生しないが、以下に説明するように測定精度に問題がある。
【０００８】
▲１▼　図３に特許文献１で提案された技術におけるセンシング面４と工具３の位置関係を示すが、工具３の回転軸が、投光部５と受光部６間のセンシング面４に対して垂直に設定され、この工具の刃先先端部がセンシング面を横切った瞬間を検知するので、例えば外径が１００μｍ以下の微小径工具では、センサ光の回り込みにより先端位置の測定誤差が生じ易く、精度の高い工具のオフセット量の算定が困難となる。特に外径が５０μｍ以下の工具を使用する上述の半導体検査装置用の治具等の穴あけ加工の場合は、２〜３μｍの精度で位置を制御する必要があり、特許文献１で提案された技術を採用することはできない。
【０００９】
▲２▼　工作機械のテーブル面（被加工物の設置面）とセンシング面の間の平行度を高い精度に維持し難く、かつ、両面間の距離は、工作精度・機械の設置環境（温度・湿度等）に依存して変化し易いため、ミクロンオーダーの高精度な測定精度を必要とする微小径工具の刃先位置測定は困難であった。
【００１０】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、外径が１００μｍ以下の微小径工具であっても、その刃先位置を高精度に測定する方法及びこの測定方法を用いたＮＣ加工方法並びに前記測定方法を実施する機能を備えたＮＣ工作機械を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る工具位置測定方法は、光学式センサのセンシング面を工作機械の回転主軸に対して平行となし、このセンシング面に前記回転主軸に装着した工具の刃先部分を重ならせて遮光することにより、より具体的には、このセンシング面を前記工具の刃先部分が横断するように前記工具を移動させることにより、工具の刃先位置を測定することとしている。そして、このようにすることで、外径が１００μｍ以下の微小径工具であっても、その刃先位置を高精度に測定できるようになる。
【００１２】
上記の本発明に係る工具位置測定方法において、「センシング面と工作機械の回転主軸が平行」とは、例えば図１（ａ）に示したセンシング面４における帯状のセンサ光４ａの高さ（Ｚ方向）をｈ、幅（Ｘ方向）をｂ、厚み（Ｙ方向）をａとした場合、ｈｂ面に対して前記回転主軸に装着した工具３の回転軸が平行になることをいう。
【００１３】
また、「センシング面に工具の刃先部分が重なる」とは、例えば図１（ｂ）に示したように、センシング面４に工具３の刃先部分が干渉し、センシング面４におけるセンサ光４ａを遮光することをいう。
【００１４】
また、「センシング面を工具の刃先部分が横断する」とは、前記センシング面４に工具３の刃先部分が重なるように、図１（ｂ）に白抜き矢印或いは黒塗り矢印で示したように、工具３がセンシング面４におけるセンサ光４ａを、Ｙ方向或いはＺ方向に横切るように移動することをいう。
【００１５】
上記の本発明に係る工具位置測定方法においては、図１（ａ）に示したように、センシング面４のａｂ面に対して前記工具３の回転軸が直角の場合のみならず、ある角度を持って傾斜している場合も含む。
【００１６】
また、本発明に係るＮＣ加工方法は、上記の本発明に係る工具位置測定方法により測定した刃先位置から基準刃先位置に対する回転主軸に装着した工具のオフセット量を算出し、前記工具に制御信号を出す数値制御部にフィードバックするものである。そして、このようにすることで、外径が１００μｍ以下の微小径工具を使用したＮＣ加工が高精度に行えるようになる。
【００１７】
上記の本発明に係るＮＣ加工方法は、上記の本発明に係る工具位置測定方法により回転主軸に装着した工具の刃先位置を測定する光学式刃先位置測定手段と、この刃先位置測定手段により測定した前記刃先位置から基準刃先位置に対する工具のオフセット量を算出するオフセット量算出手段を備え、このオフセット量算出手段において算出した前記オフセット量を前記工具に制御信号を出す数値制御部にフィードバックするように構成した本発明に係るＮＣ工作機械により実施可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る工具位置測定方法は、工作機械の回転主軸に装着した工具の刃先位置を光学式センサを用いて測定する方法であって、前記光学式センサのセンシング面を前記回転主軸に対して平行となし、このセンシング面に前記工具の刃先部分を重ならせて遮光することにより、より具体的には、このセンシング面を前記工具の刃先部分が横断するように前記工具を移動させることにより、工具の刃先位置を測定するものであり、その際、前記光学式センサのセンシング面におけるセンサ光の厚みを、前記工具の外径以下とすることが望ましい。
【００１９】
本発明に係る工具位置測定方法によれば、センシング面を回転主軸に対して平行となしているので、工具がセンシング面を横切った瞬間の刃先位置を確実にセンシングすることが可能になり、外径が１００μｍ以下の微小径工具であっても、その刃先位置を高精度に測定できるようになる。
【００２０】
この場合、工具の刃先部分がセンシング面を横切った瞬間には完全にセンサ光が遮断されていることが望ましく、前記センサ光の厚みが工具の外径より大きい場合には、センサ光の回り込みにより十分な位置精度が得られにくくなることから、センシング面における前記センサ光の厚みを、工具の外径以下とすることが望ましい。
【００２１】
また、本発明に係るＮＣ加工方法は、数値制御部からの制御信号に基づき、回転主軸に装着した工具によりテーブルに載置した被加工物を加工する方法において、上記の本発明に係る工具位置測定方法により工具の刃先位置を測定した後、この測定した刃先位置から基準刃先位置に対する工具のオフセット量を算出し、前記数値制御部にフィードバックするものである。
【００２２】
本発明に係るＮＣ加工方法によれば、外径が１００μｍ以下の微小径工具の刃先位置を高精度に測定できるので、このような工具を使用したＮＣ加工が高精度に行えるようになる。
【００２３】
また、本発明に係るＮＣ工作機械は、数値制御部からの制御信号に基づき、回転主軸に装着した工具によりテーブルに載置した被加工物を加工するＮＣ工作機械において、上記の本発明に係る工具位置測定方法により工具の刃先位置を測定する光学式刃先位置測定手段と、この刃先位置測定手段により測定した前記刃先位置から基準刃先位置に対する工具のオフセット量を算出するオフセット量算出手段を備え、このオフセット量算出手段において算出した前記オフセット量を前記数値制御部にフィードバックするように構成したものである。
【００２４】
このような構成の本発明に係るＮＣ工作機械を使用すれば、光学式刃先位置測定手段により上記の本発明に係る工具位置測定方法で工具の刃先位置を測定した後、オフセット量算出手段では前記測定した刃先位置から基準刃先位置に対する工具のオフセット量を算出し、この算出した前記オフセット量を数値制御部にフィードバックすることで、本発明に係るＮＣ加工方法が実施でき、ＮＣ加工が高精度に行えるようになる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認するために行った実施結果について説明する。
工具として外径が２０μｍと５０μｍの穴開け用ドリルをＮＣマシニングセンタに取付けると共に、このマシニングセンタのテーブル上に、セラミックス製の被加工物（３０ｍｍ×３０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ）と、センシング面が前記ドリル軸と平行となるように光学式センサ（光学式刃先位置測定手段）を取り付けた。
【００２６】
前記ドリルの刃先先端位置の基準値（基準刃先位置）を求めるため、長さが既知である基準ゲージを工具チャッキング部に取付け、センサ光の幅を１５μｍに設定してある前記光学式センサにおけるラインセンサ領域内の任意の位置で、センシング面を図１におけるＹ方向に横断させて基準高さと定義した後、被加工物上面に基準ゲージ端部を接触させて、高さ補正量を測定した。
【００２７】
次に、前記基準ゲージを任意の長さで工具チャッキング部に取付けた前記ドリルと交換した後、前記ラインセンサ領域を前記した基準ゲージと同様に横断させて高さ位置を測定し、基準高さとの差をオフセット量として演算し、マシニングセンタの数値制御部に加工プログラムとして入力した。
【００２８】
外径が５０μｍの前記ドリルを取付けた場合に、本発明の工具位置測定方法を用いて測定したドリルの刃先先端位置を使用したオフセット量の演算値Ａと、図２を用いて説明した接触式工具刃先測定装置により測定したドリルの刃先先端位置を使用したオフセット量の演算値Ｂの比較を行って、測定精度の再現性を８本のドリルについて確認したところ、下記表１に示したように、本発明の工具位置測定方法は、接触式工具刃先測定装置を用いた場合と同程度の精度でドリルの刃先先端位置の測定が行えた。
【００２９】
【表１】
2004098213.tif 000003
【００３０】
以上の設定後、所定の運転条件で穴開け加工を実施したところ、本発明の工具位置測定方法により測定した値を使用して求めたオフセット量をフィードバックした本発明のＮＣ工作機械を使用した本発明のＮＣ加工方法では、工具の破損もなく、２０００穴以上の多数穴の加工を行うことができた。この一連の工程で、所定の工具摩耗量に到達した後、工具交換（計１０回）を実施したが、上記と同様の手順で交換後の工具の高さのオフセット量を測定するだけで、毎回取付け高さの異なるドリル刃先の高さ位置設定が迅速にかつ同一精度で実施できた。
【００３１】
比較として、接触式の工具刃先位置測定装置を備えたＮＣマシニングセンタで、同様な加工試験を実施したところ、ドリルの刃先位置の測定に際し、測定子に工具先端を接触させると、外径が２０μｍのドリルの場合には１０本全て、外径が５０μｍのドリルの場合には１０本中２本のドリルの刃先先端が破損した。
【００３２】
また、特許文献１で提案されたように、光学式センサのセンシング面を工具回転軸に対して垂直になるようにテーブル上に設置し、本発明例と同様の方法で外径が５０μｍのドリルの刃先先端位置を測定し、この測定値を使用したオフセット量の演算値Ｃと、前記接触式工具刃先測定装置により測定したドリルの刃先先端位置を使用したオフセット量の演算値Ｄの比較を行って、測定精度の再現性を５本のドリルについて確認したところ、下記表２に示したように、何れも測定誤差は３０μｍを超え、信頼性の高いオフセット量の演算が不可能であった。
【００３３】
【表２】
2004098213.tif 000004
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、工具がセンシング面を横切った瞬間の刃先位置を確実にセンシングすることが可能になるので、外径が１００μｍ以下の微小径工具であっても、その刃先位置を高精度に測定できるようになり、このような工具を使用したＮＣ加工が高精度に行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を説明する図面であり、（ａ）はセンシング面と工具の関係を説明する斜視図、（ｂ）はＸ方向から見た図である。
【図２】接触式の刃先測定器を用いた計測方法の説明図である。
【図３】特許文献１（特開平９−３００１７８号）で提案された計測方法の説明図である。
【符号の説明】
３　　工具
４　　センシング面
５　　投光部
６　　受光部
【図１】
2004098213.tif 000005
【図２】
2004098213.tif 000006
【図３】
2004098213.tif 000007