(57)【要約】【課題】放電現象を検出して、工具と測定子との相対位置から工具の寸法を測定する工具寸法の測定方法において、より簡素な工程を採用して、より短時間で精密に測定することができる工具寸法の測定方法を提供する。【解決手段】工作機械の主軸とテーブルとの間に電位差を与えておき、主軸に取り付けた工具とテーブルに固定した測定子とを接近させて、工具と測定子との間に形成された微細な隙間における非接触状態で発生する放電現象を検出し、この位置における工具と測定子との相対位置から工具の寸法を測定する工具寸法の測定方法において、測定子は鉛直方向及び水平方向に沿って配置された測定面を有し、測定面に対して垂直な方向から工具と測定面とを相対的に接近させて、放電現象を検出した時点の工具と測定子との相対位置に基づいて工具の寸法を演算して求めることを特徴とする工具寸法の測定方法によって達成される。【選択図】      図２
2004243426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の主軸とテーブルとの間に電位差を与えておき、前記主軸に取り付けた工具と前記テーブルに固定した測定子とを接近させて、前記工具と前記測定子との間に形成された微細な隙間における非接触状態で発生する放電現象を検出し、この位置における前記工具と前記測定子との相対位置から前記工具の寸法を測定する工具寸法の測定方法において、
前記測定子は鉛直方向及び水平方向に沿って配置された測定面を有し、該測定面に対して垂直な方向から前記工具と前記測定面とを相対的に接近させて、前記放電現象を検出した時点の前記工具と前記測定子との相対位置に基づいて工具の寸法を演算して求めることを特徴とする工具寸法の測定方法。
【請求項２】
前記工具の工具長は、前記工具を前記測定子の上方から前記測定子の上面の水平方向に沿って配置された測定面に対して相対的に接近させ、前記工具の工具径は、前記工具を前記測定子の側方から前記測定子の側面の鉛直方向に沿って配置された測定面に対して相対的に接近させて測定することを特徴とする請求項１記載の工具寸法の測定方法。
【請求項３】
前記測定子の鉛直方向及び水平方向に沿って配置された測定面の稜線に曲面が形成されており、前記工具がテーパ工具のときには、該曲面を測定面として工具寸法を測定することを特徴とする請求項１記載の工具寸法の測定方法。
【請求項４】
前記工具と前記測定子との相対的な接近は、前記主軸に取り付けた前記工具を回転させながら接近させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の工具寸法の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マシニングセンタ等の工作機械に用いられるエンドミル等の加工工具（以下、単に工具と略称する）の工具寸法（工具長及び工具径等）を測定する工具寸法の測定方法に関するものであり、特に、主軸に取り付けた工具とテーブル上に配置された測定子とを相対的に接近させて、工具と測定子との間の放電現象を検出し、この位置における工具と測定子との相対位置から工具寸法を非接触で精密に測定する工具寸法の測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マシニングセンタ等の数値制御（以下、ＮＣと記載する）工作機械において、エンドミル等の工具を使用して精密な加工を行う場合には、エンドミル等の工具をＮＣ工作機械の主軸に取り付ける際に、小径の工具では、一旦工具をシャンクに把持して固定し、このシャンクに固定された工具を１個の工具として自動工具交換装置（以下、ＡＴＣと記載する）に保持して、ＡＴＣから、このシャンクに把持された工具を含む各種の工具をＮＣ工作機械に供給して、主軸に取り付けて切削加工をすることが通例である。
【０００３】
工具をシャンクに固定する際には、取付誤差が生じないように慎重に取付作業が行われるが、それでも僅かな振れや突出量の誤差が生じることは避けられず、実際に主軸に取り付けて切削加工を行う際には、工具の単体の寸法や図面上の突出量と加工された被加工物の寸法との間に誤差が生じることは避けられない。また、工具は、切削加工に使用することによって磨耗が生じ、繰り返して使用する工具では、工具の初期寸法と実際の寸法との間には磨耗等による誤差が生じる。このため、ＮＣ工作機械は工具補正の機能を有しており、工具の呼び寸法と実際の寸法との差を補正することが可能となっている。
【０００４】
本発明は、この工具補正の機能に入力する補正値を自動的に測定するための工具寸法の測定方法を提供するものであって、主軸に取り付けられた工具の寸法を実測して実際の加工に使用される工具寸法（工具長及び工具径等）を測定するものである。ここで、「工具長」の語は主軸の先端から工具の先端までの距離（図５におけるＬ）を意味し、「工具径」の語は被加工物を切削する工具の直径（図６におけるＤ）を意味する。しかし、本発明の工具寸法の測定方法は、前述したように、工具寸法の補正を行うために測定するものなので、この厳密な意味での工具長や工具径とは異なった意味に使用することもあるが、当業者には自明な用法なので格別の説明は行わない。
【０００５】
従来技術におけるエンドミル等の工具の工具寸法（工具長及び工具径等）を測定する測定方法としては、工具が取り付けられた工作機械の主軸の回転を停止した状態で、或いは逆回転させながら、テーブル上の一隅の所定の位置に固定された感圧式タッチセンサに工具を接触させて、接触した位置における主軸と測定子との距離から演算して工具寸法を測定する方法が知られている。しかしながら、この従来技術の測定方法では、図９に示すように、主軸３０が加工のために回転すると、回転によって生じる熱変位や軸受の油膜の厚さの変化等によって、主軸３０に僅かな伸びや縮みが生じ、或いは工具３１の振れによって外形が想像線で描く工具３２（極端に表現してある）のように変化して、回転する工具の工具寸法は、主軸の停止時（又は逆回転時）に測定した工具寸法に比較すると数μｍ程度の誤差を生じることがある。
【０００６】
また、このような工具寸法の測定装置では、感圧式タッチセンサによる測定圧が３００〜５００ｇと大きいために、微小径（例えばφ０．１〜０．２ｍｍ）の工具では、測定圧によって容易に工具の撓みが生じるので高精度の測定ができなかったり、更には、感圧式タッチセンサの測定子と工具との接触によって測定子の損耗が生じたり、測定に使用する工具の刃先の部分的な磨耗やチッピング等の損傷がそのまま測定値に影響を与えることがあり、或いは、工具が測定子に接触することによってチッピングを起こしたり、極端な場合には折れてしまう等の問題点があった。
【０００７】
これらの問題点を解決する手段として、工作機械の主軸とテーブルとの間に電位差を与えておき、主軸に取り付けた工具とテーブルに固定した測定子とを接触させて、工具と測定子との接触によって生じる電流を検出し、この位置における工具と測定子との相対位置から工具の寸法を測定する工具寸法の測定方法がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００８】
また、工作機械の主軸とテーブルとの間に電位差を与えておき、主軸に取り付けた工具とテーブルに固定した測定子とを接近させて、工具と測定子との間に形成された微細な隙間における非接触状態で発生する放電現象を検出し、この位置における工具と測定子との相対位置から工具の寸法を測定する工具寸法の測定方法がある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開昭６４−１６３５３号公報（第２−３頁、第４図）
【特許文献２】
特開平６４−１６３５４号公報（第２−４頁、第４図）
【特許文献３】
特開平１１−２０７５７３号公報（第３−４頁、第５図）
【００１０】
しかしながら、特許文献１や特許文献２の工具寸法の測定方法では、感圧式タッチセンサに比較すると測定圧は低くなるものの、確実に検出できる程度に電流が流れるためには接触圧を必要とし、依然として工具が測定子に接触するので、微小径の工具では測定圧によって工具に撓みが生じて高精度の測定ができなかったり、更には、測定子と工具との接触によって測定子の損耗が生じたり、使用する工具の刃先の部分的な磨耗やチッピング等の損傷がそのまま測定値に影響を与えることがあり、或いは、工具が測定子に接触することによってチッピングを起こしたりする等の問題点を完全に解消することはできなかった。
【００１１】
また、特許文献３の工具寸法の測定方法では、測定子をステップ送りして測定面に接近させ、工具を測定面に平行に移動して放電現象を発生させるものであって、測定のための工程には無駄な工程があり、測定に時間を要していた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消して、工作機械の主軸とテーブルとの間に電位差を与えておき、主軸に取り付けた工具とテーブルに固定した測定子とを接近させて、工具と測定子との間に形成された微細な隙間における非接触状態で発生する放電現象を検出し、この位置における工具と測定子との相対位置から工具の寸法を測定する工具寸法の測定方法において、より簡素な工程を採用することによって、より短時間で精密に測定することができる工具寸法の測定方法を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、これらの従来技術の問題点を解決するために、工作機械の主軸とテーブルとの間に電位差を与えておき、前記主軸に取り付けた前記工具とテーブルに固定した測定子とを接近させて、前記工具と前記測定子との間に形成された微細な隙間における非接触状態で発生する放電現象を検出し、この位置における前記工具と前記測定子との相対位置から前記工具の寸法を測定する工具寸法の測定方法において、前記測定子は鉛直方向及び水平方向に沿って配置された測定面を有し、該測定面に対して垂直な方向から前記工具と前記測定面とを相対的に接近させて、前記放電現象を検出した時点の前記工具と前記測定子との相対位置に基づいて工具の寸法を演算して求めることを特徴とする工具寸法の測定方法を提供するものである。
【００１４】
ここで、前記工具の工具長は、前記工具を前記測定子の上方から前記測定子の上面の水平方向に沿って配置された測定面に対して相対的に接近させ、前記工具の工具径は、前記工具を前記測定子の側方から前記測定子の側面の鉛直方向に沿って配置された測定面に対して相対的に接近させて測定することが望ましく、或いは、前記測定子の鉛直方向及び水平方向に沿って配置された測定面の稜線に曲面が形成されており、前記工具がテーパ工具のときには、該曲面を測定面として工具寸法を測定することが望ましい。そして、前記工具と前記測定子との相対的な接近は、前記主軸に取り付けた前記工具を回転させながら接近させることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の工具寸法の測定方法の実施の形態について、図面に基づいて説明する。最初に、本発明を実施するための装置の例について説明する。図１は本発明に係わる工作機械（例えばマシニングセンタ）の１例を示す概略斜視図であり、図２は本発明に係わる導通センサの原理の説明図、図３は導通センサの測定子の斜視図であって、図３（ａ）は測定子の稜線が単一の曲率半径からなる曲面で形成されている例を示し、図３（ｂ）は測定子の稜線が２種類の曲率半径からなる曲面で形成されている例を示すものである。
【００１６】
図１において、本発明に係わるＮＣ工作機械の１例であるマシニングセンタ１は、従来例である特許文献３に開示されたマシニングセンタと同様の構成を有するものであって、全体の構成は、ベッド２上にＹ軸方向（矢印Ｙ）に移動可能なテーブル３が配置され、ベッド２の両側面に立設されたコラム４の上部にビーム５が配置されており、このビーム５にＸ軸方向（矢印Ｘ）に移動可能なサドル６が配置されている。そして、このサドル６に設けられたＺ軸方向（矢印Ｚ）に移動可能な主軸台７に、Ｚ軸方向に沿って伸びる主軸８が配置された構成となっている。
【００１７】
以上に説明したマシニングセンタ１の構成は、最も一般的な構成のマシニングセンタを例にして説明したものであって、本発明の工具寸法の測定方法を適用することができるＮＣ工作機械は、以上に説明したマシニングセンタに限定されるものではなく、例えば、小型のマシニングセンタに多く見られる構成のものであって、テーブルがＸ、Ｙ軸方向に移動して主軸台がＺ軸方向に移動する型式のものや、ＮＣフライス盤とも称されるべき構成のものであって、主軸台が固定されており、テーブルがＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動する型式のものなど、任意の構成のマシニングセンタに、全く同様に適用することができる。更に、マシニングセンタに限定されるものでもなく、ＮＣボール盤等のＮＣ工作機械にも同様に適用することができる。
【００１８】
このマシニングセンタ１の主軸８の下端には、加工する内容に応じて任意の工具、例えばエンドミルやドリル等の工具９が装着される。このエンドミル等の工具９は、ＮＣ装置１０の指令によってＡＴＣ１１から加工内容に応じて選択されて主軸８に装着されものであって、主軸８に装着された工具９が回転し、ＮＣ装置１０によってテーブル３がＹ軸方向に、サドル６がＸ軸方向に、主軸台７がＺ軸方向にそれぞれ制御されて移動することによって、被加工物（図示しない）に所要の加工が行われる。更に、この実施形態では、テーブル３の右奥の隅部に、本発明に係わる導通センサ１２が配置されている。この導通センサ１２は、基台１３の上部に、詳細は後述する測定子１４が固定されている構造となっており、防塵のためのカバー（図示しない）や測定子１４の表面を清掃する任意の清掃手段１５（図示はエアブロー装置）を有していることが望ましい。
【００１９】
本発明の工具寸法の測定方法に係わるマシニングセンタ１は、工具寸法の測定モードが選択されたときに、図２に示すように、主軸８とテーブル３との間に、主軸８を正極に、テーブル３を負極にして電位差Ｖを印加する電位差印加手段を有している。この電位差Ｖは、切削加工中の電蝕等を防止するために、工具寸法の測定モードが選択されることによって、ＮＣ装置１０からの指令によって印加され、工具寸法の測定モードが解除されると共に解除されることが望ましい。また、以上の説明では、この電位差印加手段は、主軸８を正極に、テーブル３を負極にする旨説明したが、逆に、主軸８を負極に、テーブル３を正極にしても格別の支障はない。
【００２０】
この電位差Ｖは、工具９と導通センサ１２の測定子１４とが接触し、或いは接触する直前の非常に接近した微細な隙間を有する非接触状態で放電することによって、工具９と導通センサ１２との間に電流が流れ、或いは放電して急激に電位差が低下する。ここで、前者の電流が流れることを検出して工具９と導通センサ１２とが接触したことを検出するのが特許文献１及び２の検出方法であり、後者の放電して急激に電位差が低下することを検出するのが本発明及び特許文献３の検出方法である。本発明では、放電して急激に電位差が低下したことを検出する検出手段として、図２に示すように、主軸台７の下端部に配置された励起コイル１６ａと検出コイル１６ｂとを有する放電検出センサ１６を採用している。この励起コイル１６ａと検出コイル１６ｂとを有する放電検出センサ１６は公知の技術なので、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【００２１】
工具９と導通センサ１２の測定子１４とが非常に接近して、工具９と導通センサ１２との間で放電現象が発生すると、マシニングセンタ１を導体とする閉ループ回路１７が形成されて、瞬間的にスパイク電流が流れて放電する。この瞬間的に流れる高周波電流による逆起電力を放電検出センサ１６で検出してコントロールアンプ１８に伝送し、コントロールアンプ１８で増幅してＮＣ装置１０に放電信号として伝達する。そして、ＮＣ装置１０では、この放電信号を受けることによって、放電した時点の工具９の座標位置を読み取り、この座標位置と導通センサ１２の座標位置及び測定子１４の正確な寸法（測定面の座標）から演算して工具の寸法を測定し、記憶装置に記憶すると同時に所定の表示装置に表示する等の処理を行う。
【００２２】
導通センサ１２の測定子１４は、図３（ａ）及び図３（ｂ）にその１例を示すように、ほぼ直方体をした形状であって、上面１４ａはＺ軸に垂直な水平方向に沿って配置され、一方の側面１４ｂはＸ軸に垂直な鉛直方向に沿って、他方の側面１４ｃはＹ軸に垂直な鉛直方向に沿って配置されており、上面１４ａと一方の側面１４ｂとの稜線は、所定の曲率半径Ｒの曲面１４ｄに形成されている。そして、この所定の曲率半径Ｒで形成された曲面１４ｄを含むそれぞれの面は、高い精度で加工されており、それぞれ鏡面となるように平滑に仕上げられている。
【００２３】
ここで、曲面１４ｄは、後述するように、テーパ工具の工具寸法を測定する際に使用されるものであって、図３（ａ）の実施例では稜線が単一の曲率半径Ｒの曲面１４ｄが形成されているが、図３（ｂ）の実施例ではこの稜線に２種類の曲率半径Ｒ１とＲ２とからなる曲面１４ｄ及び１４ｅが形成されている。通常は、図３（ａ）に示すような単一の曲率半径Ｒを有する曲面１４ｄのみで十分であるが、詳細は後述するように、特殊な形状の工具を使用する際には曲率半径の小さな曲面を使用する必要が生じるので、この場合には、図３（ｂ）に示すように、通常使用する曲率半径Ｒ１の曲面１４ｄと小さな曲率半径Ｒ２の曲面１４ｅとの２種類の曲面が形成された測定子１４を使用する。
【００２４】
次に、このように構成されたマシニングセンタ１による本発明の工具寸法の測定方法について説明する。図４は工具寸法の測定方法の基本的な手順を示すフローチャートであって、図５は工具寸法、特に工具長の測定方法の測定原理を示す正面図、図６は工具寸法、特に工具径の測定方法の測定原理を示す正面図、図７はテーパ工具を使用するときの工具長及び工具径の測定方法の測定原理を示す正面図、図８はテーパ工具の工具寸法の測定方法において測定子の稜線に小さな曲率半径の曲面を使用する必要性を示す正面図であって、図８（ａ）は通常の曲率半径Ｒ１では測定できない工具の例を示し、図８（ｂ）はこの工具が小さな曲率半径Ｒ２で測定できることを示す正面図である。
【００２５】
まず、本発明の工具寸法の測定方法によって工具長を測定するときには、図４及び図５に示すように、主軸８を起動して、装着された工具長Ｌの工具９を切削加工時とほぼ同じ回転数で回転させ（図４のステップＳ１）、導通センサ１２と干渉しない任意の待機位置（図５の上方に描かれた主軸の位置）へ移動（ステップＳ２）して待機させる。
【００２６】
ここで、主軸８を切削加工時とほぼ同じ回転数で回転させることは、軸受の油膜の切れなどによる主軸８のＺ軸方向の変位を解消して、主軸８を切削加工時と同じ位置に配置させるためのものであり、待機位置は、下降したときに工具９の先端（刃先）が導通センサ１２の測定子１４の上面１４ａに接近できる位置であって、工具９の径が導通センサ１２の測定子１４より十分に小さいときには測定子１４の中心の上方とすることが望ましく、これよりも大きいときには工具９の一方の刃先が測定子１４の中心のほぼ真上となる位置とすることが望ましい。
【００２７】
次に、この工具９を測定基準位置（図５の中央の実線で描いた主軸の位置）へ接近（ステップＳ３）させる。この測定基準位置は、工具９の先端（刃先）を導通センサ１２の測定子１４の上面１４ａに十分に接近させ、且つ工具９の先端が測定子１４に接触するおそれのない距離ｔだけ離れた位置であって、そのＺ方向の座標は、主軸８に装着する工具９の長さによって異なり、工具９の長さを予備測定した測定値Ｌ’（図示しない）によって、あらかじめ工具９毎にパラメータとして記憶しておく座標値である。
【００２８】
測定基準位置における工具９の先端と測定子１４の上面１４ａとの距離ｔは、工具９の長さを予備測定する際の測定方法によっても異なるが、５ｍｍ以下とすることが望ましく、本発明の工具長Ｌの測定をより短時間で効率的に行うためには、０．５ｍｍ以下とすることが望ましい。そして、前に本発明の工具寸法の測定方法で工具長Ｌを測定した工具を再び使用するときには、１０〜１５μｍとすることが望ましい。
【００２９】
そして、この測定基準位置から、工具９を導通センサ１２の測定子１４の上面１４ａに対して垂直な方向（Ｚ軸方向）から微小ステップ送り又はゆっくりと移動する連続送りで下降して、工具９の先端を測定子１４の上面１４ａに接近（ステップＳ４）させる。この微小ステップ送りにおけるステップ毎の送り量は、要求される工具長の測定精度によっても異なるが、０．５〜１μｍとすることが望ましく、電位差印加手段で印加する電位差Ｖを２４Ｖとするときには、後述する放電現象を安定して発生させるためには、微小ステップ送りにおけるステップ毎の送り量を０．５μｍとすることが最も望ましい。或いは、工具９の先端の測定子１４の上面１４ａへの接近を連続移動とするときには、１ｍｍ／分程度の微速度で接近することが望ましい。
【００３０】
このようにして、工具９の先端を導通センサ１２へ接近させる工程では、１ステップ毎に（連続して移動するときには、例えば０．５μｍ程度移動する毎に）工具９の先端と導通センサ１２の測定子１４との間に放電現象が発生して、放電検出センサ１６（図２参照）で放電現象が検出されたか否かを確認（ステップＳ５）する。そして、放電検出センサ１６が放電現象を検出していないときには、更に１ステップ（連続移動のときは０．５μｍ程度）だけ移動して、再び放電現象の検出を確認し、これを放電現象が検出されるまで繰り返す。
【００３１】
工具９の先端と測定子１４の上面１４ａとの隙間が放電隙間ｓとなって、放電現象が発生したとき（図５の中央の想像線で描いた主軸の位置）には、放電現象を検出した時点で工具９の下降（Ｚ軸方向への移動）を停止すると同時に、放電現象を検出した時点のＺ軸の座標（Ｚ２）を読み出して測定結果として記憶（ステップＳ６）し、導通センサ１２の測定子１４の上面１４ａの高さＨと比較して工具９の工具長Ｌを演算して求め、演算結果を工具長の測定値として記憶（ステップＳ７）すると共に、補正値に変換してＮＣ装置１０に入力し、ＮＣ装置１０のディスプレイ等の任意の表示手段（図示しない）に表示する。
【００３２】
以上の説明では、工具９を待機位置へ移動させ、或いは工具９を下降させると記載しているが、この説明は、本発明の工具寸法の測定方法を図１に示すマシニングセンタ１に採用して測定することを前提として記載したものであって、他の型式の工作機械に採用する場合には、工具９と導通センサ１２（主軸８とテーブル３）とのいずれか一方（又は双方）が相対的に移動して、工具９と導通センサ１２とが相対的に接近すれば良いことは明らかである。そして、このことは、後述の工具径やテーパ工具の工具寸法の測定についての記載に関しても全く同様である。
【００３３】
放電現象を検出した時点での工具９のＺ軸の座標から工具長を演算して求める演算式は、次のようにして求めることができる。即ち、図５において、主軸８に実際の工具長Ｌの工具９を装着した場合、主軸８の先端がテーブル３の上面に達したとき（即ち、主軸８の最下降位置）のＺ軸の座標をＺ１、工具９の先端と導通センサ１２の測定子１４との間に放電現象が発生して、この放電現象を放電検出センサ１６（図２参照）で検出したとき（図５の中央の想像線で描いた主軸の位置）のＺ軸の座標をＺ２とし、放電現象が発生したときの工具９の先端と測定子１４の上面１４ａとの距離（放電隙間）をｓ、テーブル３の上面から導通センサ１２の測定子１４の上面１４ａまでの高さをＨとすると、Ｚ軸の座標が上向きに設定されているので、図から明らかなように、
（Ｚ２−Ｚ１）＝Ｌ＋ｓ＋Ｈ
Ｌ＝（Ｚ２−Ｚ１）−（ｓ＋Ｈ）
となり、実際の工具長Ｌを求めることができる。
【００３４】
ここで、座標Ｚ１となる位置は、主軸８の先端がテーブル３の上面に達したときの位置（即ち、主軸８の最下降位置）であって、ＮＣ工作機械の座標系として設定された数値（通常、原点０として設定している）であり、製作誤差があるときには製作時点で補正されているので信頼できる数値である。従って、テーブル３の上面から測定子１４の上面１４ａまでの高さＨを精密に測定し、放電隙間ｓを例えば０．５μｍと設定すると、実際の工具長Ｌは、放電現象を放電検出センサ１６で検出したときのＺ軸の座標Ｚ２から、容易に求めることができる。
【００３５】
磨耗などで座標Ｚ１に誤差が生じている可能性があり、被加工物を高い精度で加工するために工具長Ｌを高い精度で測定する必要があるときには、工具長Ｌを精密に測定したテストピースを使用して予備測定を行って座標Ｚ１（主軸８の最下降位置）を較正し、或いは、実際の工具長Ｌを測定した工具９で予備切削を行い、加工されたテストピースの高さを精密に測定して座標Ｚ１（主軸８の最下降位置）を較正することができる。このようにして主軸８の最下降位置の座標Ｚ１を補正すれば、以後の工具寸法の測定においては、座標Ｚ１は既知のものとして取り扱うことができる。
【００３６】
本発明の工具寸法の測定方法によって工具径を測定するときには、図４及び図６に示すように、主軸８を起動して装着された工具９を切削加工時とほぼ同じ回転数で回転させ（図４のステップＳ１）、導通センサ１２と干渉しない任意の待機位置（図示しない）へ移動（ステップＳ２）して待機させる。ここで、この待機位置は、下降したときに工具９の外周（刃先）が導通センサ１２の測定子１４の側面１４ｂに接近できる位置であって、工具９の外周が導通センサ１２の測定子１４の側面１４ｂからわずかに離れた位置とすることが望ましい。
【００３７】
次に、この工具９を測定基準位置（図６の実線で描かれた工具９の位置で、中心の座標がＸ２へ接近（ステップＳ３）させる。測定基準位置は、工具９の外周を導通センサ１２の測定子１４の一方の側面１４ｂに十分接近させ、且つ工具９の外周が測定子１４の側面１４ｂに接触するおそれのない位置であって、そのＸ方向の座標は主軸８に装着する工具９の直径（工具径）Ｄによって異なり、工具９の工具径を予備測定することによって、あらかじめ工具９毎にパラメータとして記憶しておく座標値である。ここで、この測定基準位置は、工具９の外周と導通センサ１２の測定子１４の側面１４ｂとの距離が０．５ｍｍ以下とすることが望ましい。そして、前に本発明の工具寸法の測定方法で工具径を測定した工具を再び使用するときには、１０〜１５μｍとすることが望ましい。
【００３８】
そして、この測定基準位置から、工具９を導通センサ１２の測定子１４の側面１４ｂに対して垂直な方向（水平なＸ軸方向）から微小ステップ送り又はゆっくりと移動する連続送りで移動して、工具９の外周を導通センサ１２に接近（ステップＳ４）させる。この微小ステップ送りにおけるステップ毎の送り量は、要求される工具径の測定精度によっても異なるが、０．５〜１μｍとすることが望ましく、電位差印加手段で印加する電位差Ｖを２４Ｖとするときには、後述する放電現象を安定して発生させるためには、微小ステップ送りにおけるステップ毎の送り量を０．５μｍとすることが最も望ましい。或いは、工具９の外周の測定子１４の側面１４ｂへの接近を連続移動とするときには、１ｍｍ／分程度の微速度で接近することが望ましい。
【００３９】
このようにして、工具９の外周を導通センサ１２へ接近させる工程では、１ステップ毎に（連続して移動するときには、例えば０．５μｍ程度移動する毎に）工具９の外周と導通センサ１２の測定子１４との間に放電現象が発生して、放電検出センサ１６（図２参照）で放電現象が検出されたか否かを確認（ステップＳ５）する。そして、放電検出センサ１６が放電現象を検出していないときには、更に１ステップ（連続移動のときは０．５μｍ程度）だけ移動して、再び放電現象の検出を確認し、これを放電現象が検出されるまで繰り返す。
【００４０】
工具９の外周と測定子１４の側面１４ｂとの隙間が放電隙間ｓとなって、放電現象が発生したとき（図６の想像線で描いた主軸の位置で、中心の座標がＸ３）には、放電現象を検出した時点で工具９のＸ軸方向の移動を停止すると同時に、放電現象を検出した時点のＸ軸の座標（Ｘ３）を読み出して測定結果として記憶（ステップＳ６）し、測定子１４の側面１４ｂ（導通センサ１２の中心位置Ｘ１からｂ／２だけ離れた位置で、座標がＸ４＝Ｘ１−ｂ／２）の座標と比較して工具９の工具径を演算して求め、演算結果を工具径の測定値として記憶（ステップＳ７）すると共に、補正値に変換してＮＣ装置１０に入力し、ＮＣ装置１０のディスプレイ等の任意の表示手段（図示しない）に表示する。
【００４１】
以上の説明で明らかなように、工具径を測定するときの手順を工具長を測定するときの手順と比較すると、工具の移動方向が上下方向から水平方向に変わるのみの違いであって、手順としては、工具長を測定するときの手順と全く同じになる。このため、工具径を測定するときの手順を説明するフローチャートは、工具長を測定するときの工程を示す図４をそのまま準用する。また、工具９の移動についての説明も、図１に示すマシニングセンタ１に採用して測定することを前提として記載したものであって、他の型式の工作機械に採用する場合には、工具９と導通センサ１２（主軸８とテーブル３）とのいずれか一方（又は双方）が相対的に移動して、工具９と導通センサ１２とが接近すれば良いことは明らかであることも全く同様である。
【００４２】
放電現象を検出した時点での工具９のＸ軸の座標から工具径を演算して求める演算式は、次のようにして求めることができる。即ち、図６において、主軸８に工具径Ｄの工具９を装着した場合、導通センサ１２の測定子１４の幅をｂとし、導通センサ１２の中心の座標をＸ１、測定基準位置における工具９の中心座標をＸ２、工具９の外周と導通センサ１２の測定子１４の側面１４ｂとの間に放電現象が発生して放電検出センサ１６（図２参照）で検出される位置のＸ軸の座標をＸ３とし、このときの工具９の外周と測定子１４の側面１４ｂとの距離をｓとすると、図から明らかなように、測定基準位置における工具９の中心座標Ｘ２には関係なく、
Ｘ１−Ｘ３＝Ｄ／２＋ｓ＋ｂ／２
従って、
Ｄ＝２（Ｘ１−Ｘ３）−（２ｓ＋ｂ）
となって、工具９の工具径Ｄを求めることができる。
【００４３】
また、図に示す導通センサ１２の測定子１４の左側の側面１４ｂ（測定子１４の放電される面）のＸ軸の座標をＸ４とすると、
Ｘ４−Ｘ３＝Ｄ／２＋ｓ
となるので、
Ｄ＝２（Ｘ４−Ｘ３）−２ｓ
となり、座標Ｘ４が既知の場合には、上式より工具９の工具径Ｄを求めることができる。
【００４４】
或いは、より高精度に工具径を測定するために、測定子１４の両側から測定するようにしたときには、導通センサ１２の測定子１４の左側の側面１４ｂから工具９が接近する場合と同様にして測定子１４の右側から工具９が接近して、測定子１４の右側の位置で放電現象が発生したとき座標をＸ３’とすると、導通センサ１２の中心の座標Ｘ１は関係がなくなり、図から明らかなように、
Ｘ３’−Ｘ３＝Ｄ＋２ｓ＋ｂ
となり、
Ｄ＝（Ｘ３’−Ｘ３）−（２ｓ＋ｂ）
によって、工具９の工具径Ｄを求めることができる。そして、これら演算によって算出された工具９の工具径Ｄと、工具の呼び径とを比較することによって、工具径の補正値を算出することができる。
【００４５】
次に、本発明の工具寸法の測定方法によってテーパ工具の工具寸法を測定するときには、導通センサ１２の測定子１４の曲面１４ｄを使用して測定する。前述したように、導通センサ１２の測定子１４には、図３（ａ）に示すように、導通センサ１２の測定子１４の上面１４ａと側面１４ｂとの稜線に曲率半径Ｒの曲面１４ｄが形成されている。そして、図４及び図７に示すように、この曲面１４ｄとテーパ状の工具９’の外周との間で放電させて、放電した位置の座標でテーパ工具９’の工具寸法を測定する。
【００４６】
テーパ工具９’の工具寸法を測定する際には、最初に、テーパ工具９’の底面からの高さｈ１の位置における外周の径Ｄ１を測定する。このテーパ工具９’の測定方法は、工具径の測定方法と同様に、主軸８を起動して装着された工具９’を切削加工時とほぼ同じ回転数で回転させ（図４のステップＳ１）、導通センサ１２と干渉しない任意の待機位置（図示しない）へ移動（ステップＳ２）して待機させる。ここで、この待機位置は、所定の高さまで下降したときに工具９’の外周（刃先）が導通センサ１２の測定子１４の曲面１４ｄに接近できる位置であって、工具９’の外周が導通センサ１２の測定子１４の曲面１４ｄからわずかに離れた位置とすることが望ましい。
【００４７】
次に、工具９’を測定基準位置（図７の実線で描かれた工具９’の位置で、中心の座標がＸ５）へ接近（ステップＳ３）させる。測定基準位置は、工具９’の外周を導通センサ１２の測定子１４の曲面１４ｄに十分接近させ、且つ工具９’の外周が測定子１４の曲面１４ｄに接触するおそれのない位置であって、そのＸ方向の座標は主軸８に装着する工具９’の寸法と測定する高さｈ１とによって異なり、あらかじめ、工具９’の底面から所定の高さｈ１の位置における直径、或いは先端の直径とテーパ角等の工具寸法を予備測定し、測定する高さｈ１とその位置における外周の径Ｄ１を設定することによって、工具９’毎にパラメータとして記憶しておく設定値である。ここで、この測定基準位置は、工具９’の外周と導通センサ１２の測定子１４の曲面１４ｄとの距離が０．５ｍｍ以下とすることが望ましく、前に本発明の工具寸法の測定方法で工具径を測定した工具を再び使用するときには、１０〜１５μｍとすることが望ましい。
【００４８】
そして、この測定基準位置から、工具９’を導通センサ１２の測定子１４の側面１４ｂに対して垂直な方向（水平なＸ軸方向）から微小ステップ送り又はゆっくりとした連続送りで移動して、工具９’の外周を導通センサ１２に接近（ステップＳ４）させる。この微小ステップ送りにおけるステップ毎の送り量は、要求される工具径の測定精度と工具のテーパ角によっても異なるが、隙間の変化量が０．５〜１μｍとなるように設定することが望ましく、電位差印加手段で印加する電位差Ｖを２４Ｖとするときは、後述する放電現象を安定して発生させるためには、微小ステップ送りにおけるステップ毎の送り量を０．５μｍとすることが最も望ましい。或いは、工具９’の外周の測定子１４の曲面１４ｄへの接近を連続移動とするときには、放電隙間ｓの変化量が１ｍｍ／分程度となる微速で接近することが望ましい。
【００４９】
このようにして、工具９’の外周を測定子１４へ接近させる工程では、１ステップ毎（連続して移動するときには、例えば０．５μｍ程度移動する毎）に工具９’の外周と導通センサ１２の測定子１４との間に放電現象が発生して、放電検出センサ１６（図２参照）で放電現象を検出したか否かを確認（ステップＳ５）する。そして、放電検出センサ１６が放電現象を検出していないときには、更に１ステップ（連続移動のときは０．５μｍ程度）だけ移動して、再び放電現象の検出を確認し、これを放電現象が検出されるまで繰り返す。
【００５０】
工具９’の外周と導通センサ１２の測定子１４の曲面１４ｄとの隙間が放電隙間ｓとなって、放電現象が発生したとき（図７の想像線で描いた主軸の位置で、中心の座標がＸ６）には、放電現象を検出した時点で工具９’のＸ軸方向の移動を停止すると同時に、放電現象を検出した時点のＸ軸の座標を読み出して測定結果として記憶（ステップＳ６）する。次に、図４には図示されていないが、同様の手順で、テーパ工具９’の底面からの高さｈ２の位置において、放電現象を検出した時点のＸ軸の座標を読み出して測定結果として記憶する。この測定は、前述の底面からの高さｈ１の位置における外周の径Ｄ１の測定と全く同様にして測定することができるので、ここでは、詳細な説明は省略する。
【００５１】
このテーパ工具の底面からの高さｈ１とｈ２の位置における放電現象を検出した時点のＸ軸の座標から、後述する演算式によって工具９’のテーパ角θと工具径Ｄ１（Ｄ２）を演算して求め、演算結果を測定値として記憶（ステップＳ７）すると共に、補正値に変換してＮＣ装置１０に入力し、ＮＣ装置１０のディスプレイ等の任意の表示手段（図示しない）に表示する。
【００５２】
以上の説明で明らかなように、テーパ工具のテーパ角及び工具径を測定するときの工程も、手順としては、工具長又は工具径を測定するときの手順と全く同じとなるので、テーパ工具のテーパ角及び工具径を測定するときの工程を説明するフローチャートも、工具長を測定するときの工程を示す図４を準用する。また、工具９’の移動についての説明も、工具９’と導通センサ１２とのいずれか一方（又は双方）が相対的に移動することによって、工具９’と導通センサ１２とが相対的に接近するものであることも全く同様である。
【００５３】
放電現象を検出した時点での工具９’のＸ軸の座標から工具径Ｄ１を演算して求める演算式は、次のようにして求めることができる。即ち、図７において、テーパ工具９’の中心線に対する傾斜角をθとし、図示の測定基準位置における工具９’の中心座標をＸ５、工具９’の外周と導通センサ１２の測定子１４の曲面１４ｄとの間に放電現象が発生して放電検出センサ１６（図示しない）で検出される位置のＸ軸の座標をＸ６として、このときの工具９’の外周と測定子１４の曲面１４ｄとの距離をｓ、導通センサ１２の測定子１４の側面１４ｂのＸ軸の座標をＸ７とすると、図から明らかなように、工具９’の底面からの高さがｈ１となる位置の外径の直径Ｄ１は、
（Ｘ７−Ｘ６）＝Ｄ１／２＋ｕ
となり、
Ｄ１＝２（Ｘ７−Ｘ６−ｕ）
となる。
【００５４】
そして、工具９’の底面からの高さがｈ２となる位置の外径の直径Ｄ２は、同様にして、
Ｄ２＝２（Ｘ７−Ｘ６’−ｕ）
となる。ここで、Ｘ６’は、工具９’の底面からの高さがｈ２となる位置において、放電現象を放電検出センサ１６で検出した位置における工具９’の中心座標である。従って、テーパ工具９’の傾斜角θは、
2004243426.tif 000003
として求めることができる。ここで、（ｈ２−ｈ１）は、直径Ｄ２を測定したときのＺ軸方向の座標値と、直径Ｄ１を測定したときのＺ軸方向の座標値との差である。
【００５５】
工具９’の切刃と導通センサ１２（図示しない）の測定子１４の側面１４ｂとの隙間ｕは、図から明らかなように、
ｕ＝（Ｒ＋ｓ）ｃｏｓθ−Ｒ
となるので、測定子１４の曲面１４ｄの曲率半径Ｒと、放電するときの放電隙間ｓとによって演算して求めることができるので、座標Ｘ７、Ｘ６（Ｘ６’）及びＲを用いて、テーパ工具９’の底面（下端）からｈ１及びｈ２の距離の位置における直径Ｄ１、Ｄ２及び傾斜角θを演算により求めることができる。
【００５６】
また、工具長の測定と同様にしてして測定し、テーパ工具９’の先端（底面）と測定子１４の上面１４ａとの間で放電距離ｓで放電現象が生じたときのＺ軸方向の座標をＺ２とすると、直径Ｄ１を測定したときのテーパ工具９’のＺ軸方向の座標Ｚ５（先端の位置）は、図から明らかなように、
ｖ＝Ｒ−（Ｒ＋ｓ）ｓｉｎθ
となるので、
（Ｚ２−Ｚ５）＝ｖ＋ｈ１＝Ｒ−（Ｒ＋ｓ）ｓｉｎθ＋ｈ１
となり、
ｈ１＝（Ｚ２−Ｚ５）＋（Ｒ＋ｓ）ｓｉｎθ−Ｒ
となって、直径Ｄ１を測定したときのテーパ工具９’のＺ軸方向の座標Ｚ５とテーパ工具９’の先端（底面）と測定子１４の上面１４ａとの間で放電現象が生じたときのＺ軸方向の座標をＺ２とによって、テーパ工具９’の先端からの距離がｈ１のときの直径Ｄ１を演算することができる。
【００５７】
このようにして、テーパ工具９’の底面からｈ１の位置の直径Ｄ１と、この位置から（ｈ２−ｈ１）だけ高い位置の直径Ｄ２及びテーパ角θを演算して求めることができるので、テーパ工具９’の底面の直径Ｄ０を求めることができて、テーパ工具９’全体の形状を正確に求めることができる。
【００５８】
テーパ工具９’を測定する場合には、前述したように、底面からの距離がｈ１及びｈ２となる十分に離れた２個所で測定するので、図８（ａ）に示すように、刃部の長さが短く且つ肩部を有する小径のテーパ工具９’の場合には、導通センサ１２の測定子１４における曲面１４ｄの曲率半径Ｒを十分に小さくしないと工具の肩部と測定子１４の上面１４ａとが干渉して、テーパ工具９’の外周を放電現象が生じるまで測定子１４の曲面１４ｄに接近させることができず、測定不能となることが生じる。
【００５９】
即ち、測定子１４の曲面１４ｄの曲率半径を大きな曲率半径Ｒ１とすると、図８（ａ）に実線で示すように、底面からの距離がｈ１となる位置の直径Ｄ１は測定することができるが、底面からの距離がｈ２となる位置の直径Ｄ２を測定するために工具９’を下降させると、想像線で示すように、底面からの距離がｈ２となる位置に達する前に工具９’の肩部９’ａと測定子１４の上面１４ａとが干渉して、工具９’を底面からの距離がｈ２となる位置まで下げて測定することができない。
【００６０】
この問題は、測定子１４の曲面１４ｄの曲率半径をＲ２のように小さくすることで解消することができる。即ち、図８（ｂ）に示すように、曲面１４ｄの曲率半径を小径のＲ２（例えばＲ２＝１〜０．５ｍｍ）とした場合には、底面からの距離を所要の距離ｈ１及びｈ２としても、工具９’の肩部９’ａと測定子１４の上面１４ａとが干渉することなく測定することができる。しかし、曲率半径を小さくすると、放電による電蝕や不測の事態による工具等の接触によって傷や磨耗が生じやすくなる。
【００６１】
これを解消するために、本発明の実施形態では、図３（ｂ）に示すように、２種類の曲率半径Ｒ１及びＲ２を有する測定子１４’を採用している。この測定子１４’は、通常の測定においては曲率半径の大きなＲ１を有する曲面１４ｄを使用し、刃部の長さが短く且つ肩部を有する小径の工具の場合にのみ曲率半径の小さなＲ２を有する曲面１４ｅを使用するものである。このように導通センサ１２の測定子１４を形成することによって、電蝕又は工具等の接触によって傷や磨耗が発生する可能性を最小限にして、刃部の長さが短く且つ肩部を有する小径のテーパ工具も測定可能な導通センサ１２を得ることができる。
【００６２】
以上、本発明の工具寸法の測定方法について説明したが、前述したように、本発明の工具寸法の測定方法は、工作機械の主軸とテーブルとの間に電位差を与えておき、主軸に取り付けた工具とテーブルに固定した測定子とを接近させて、工具と測定子との間に形成された微細な隙間における非接触状態で発生する放電現象を検出し、この位置における工具と測定子との相対位置から工具の寸法を測定する工具寸法の測定方法において、測定子は鉛直方向及び水平方向に沿って配置された測定面を有し、測定面に対して垂直な方向から工具と測定面とを相対的に接近させて、放電現象を検出した時点の工具と測定子との相対位置に基づいて工具の寸法を演算して求めることを特徴とする工具寸法の測定方法であって、実施例に述べた実施の形態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において各種の変更や改良を行うことができることは勿論である。
【００６３】
本発明の工具寸法の測定方法は、以上に述べたように構成されているので、本発明の工具寸法の測定方法によれば、放電隙間ｓのみが不確定な数値であり、演算に使用する他の数値は全てＮＣ装置の座標値から読み出すことができるので、この放電隙間ｓとして適切な数値を設定することによって、工具寸法を高い精度で精密に測定することができる。そして、電位差Ｖを２４Ｖとしたときには、放電隙間ｓがほぼ常に０．５μｍとなり、工具の材質や形状に関係なく安定して放電するので、電位差Ｖを２４Ｖとしたときには、０．５μｍ以下の精度で測定することができる。
【００６４】
更に、本発明の工具寸法の測定方法によれば、円筒状の工具の工具長と工具径ばかりでなく、テーパ状の工具の工具形状も、放電隙間ｓ以下の高い精度で精密に測定することができるとともに、主軸を切削加工時とほぼ同じ回転数で回転させることによって、軸受の油膜の切れなどによる主軸の軸方向の変位を解消して切削加工時と同じ位置に配置させるばかりでなく、切刃の最大径となる個所で放電するので部分的な磨耗やチッピングの影響を排除することができる。また、本実施例のように、２４Ｖの低圧で電圧を印加するように構成すれば、放電する際の電流も少なく、放電による電蝕等の影響も小さくなる。更に、特許文献３に開示された発明のように、測定子の測定面に沿って工具を移動して放電現象を発生させる必要はなく、測定のための工程から無駄な工程を省き、より簡素な工程を採用するものであって、より短時間で精密に測定することができる測定方法を提供することができる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明は、従来技術の問題点を解消して、工作機械の主軸とテーブルとの間に電位差を与えておき、主軸に取り付けた工具とテーブルに固定した測定子とを接近させて、工具と測定子との間に形成された微細な隙間における非接触状態で発生する放電現象を検出し、この位置における工具と測定子との相対位置から工具の寸法を測定する工具寸法の測定方法において、より簡素な工程を採用して、より短時間で精密に測定することができる工具寸法の測定方法を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる工作機械（例えばマシニングセンタ）の１例を示す概略斜視図である。
【図２】本発明に係わる導通センサの原理の説明図である。
【図３】導通センサの測定子の斜視図であって、（ａ）は測定子の稜線が単一の曲率半径からなる曲面で形成されている例を示す斜視図、（ｂ）は測定子の稜線が２種類の曲率半径からなる曲面で形成されている例を示す斜視図である。
【図４】工具寸法の測定方法の基本的な手順を示すフローチャートである。
【図５】工具寸法、特に工具長の測定方法の測定原理を示す正面図である。
【図６】工具寸法、特に工具径の測定方法の測定原理を示す正面図である。
【図７】テーパ工具を使用するときの工具長及び工具径の測定方法の測定原理を示す正面図である。
【図８】テーパ工具の工具寸法の測定方法において測定子の稜線に小さな曲率半径の曲面を使用する必要性を示す正面図であって、（ａ）は通常の曲率半径Ｒ１では測定できない工具の例を示し、（ｂ）はこの工具が小さな曲率半径Ｒ２で測定できることを示す正面図である。
【図９】従来技術の工具寸法の測定方法の問題点を示す正面図である。
【符号の説明】
１  マシニングセンタ
２  ベッド
３  テーブル
４  コラム
５  ビーム
６  サドル
７  主軸台
８  主軸
９，９’  工具
１０  ＮＣ装置
１１  ＡＴＣ
１２  導通センサ
１３  基台
１４  測定子
１４ａ  上面
１４ｂ  一方の側面
１４ｃ  他方の側面
１４ｄ  曲面
１４ｅ  曲面
１５  清掃手段
１６  放電検出センサ
１６ａ  励起コイル
１６ｂ  検出コイル
１７  閉ループ回路
１８  コントロールアンプ
【図１】
2004243426.tif 000004
【図２】
2004243426.tif 000005
【図３】
2004243426.tif 000006
【図４】
2004243426.tif 000007
【図５】
2004243426.tif 000008
【図６】
2004243426.tif 000009
【図７】
2004243426.tif 000010
【図８】
2004243426.tif 000011
【図９】
2004243426.tif 000012