(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の主軸に装着された切削工具の刃先位置を、前記工作機械に設置された接触式変位センサのプローブに接触させて、前記工作機械の機械座標系における位置と、前記変位センサのプローブの変位量とから、前記切削工具の刃先位置を測定する装置において、
前記プローブの自重と、該プローブを付勢するばね力とがほぼ釣合う前記プローブの位置を前記プローブの初期位置とした変位センサと、
前記変位センサのプローブの変位量を記憶する記憶手段と、
前記工具が前記プローブに接触していないときの前記プローブの変位量を前回測定時と、今回測定開始前とで比較し、両者の差分が所定値よりも大きい場合に、今回測定開始前のプローブの変位量を前記変位センサの原点に設定する原点位置リセット手段とを具備した工具測定装置。
【請求項２】
前記変位センサのプローブを押込んだときの、前記変位センサのプローブ変位量と、前記工作機械の機械座標系の位置変化量とを比較し、その差分から、前記変位センサの取付誤差に基づく前記変位センサのプローブの変位量の誤差を補正する補正手段を更に具備した請求項１に記載の工具測定装置。
【請求項３】
前記プローブを所定の押込み量を以て押し込んだときの誤差を演算するようにした請求項２に記載の工具測定装置。
【請求項４】
前記プローブを所定の押込み量を以て押し込む間、複数の離散的位置で誤差を演算するようにした請求項３に記載の工具測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具の測定方法及び装置に関し、特に工具径が０．１ｍｍ以下のドリル、ボールエンドミル、フラットエンドミル等の微細加工用の工具の測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の分野では加工精度に対する要求は年々高くなっており、近時ではサブミクロンのオーダの加工精度が要求されることも珍しくなくなっている。こうした加工精度の向上を目指して、主軸に装着された工具の主軸に対する位置ずれや、回転主軸の熱伸びを測定するようにしたＮＣ工作機械が提案されている。
【０００３】
第１の従来技術として特許文献１には、回転中の工具の工具刃先位置、工具径、工具長、工具形状等を測定可能な工具寸法測定機能を備えたＮＣ工作機械が開示されている。このＮＣ工作機械は、工作機械部のワークを固定するテーブルに、投光器と受光器との間に一本の糸状の光線を照射する光学式工具測定器を設け、工作機械部の回転主軸に工具を装着してテーブルとの間でＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の相対移動を行わせ、工具を光学式工具測定器の光線に所定方向から接近させ、工具が光線を遮断したときのＸ、Ｙ、Ｚ座標値に基づきＮＣ工作機械の加工プログラムの工具先端の中心位置、工具径、工具長を補正する。
【０００４】
第２の従来技術として特許文献２には、高速回転中の工具の刃先位置の変位を正確に測定するようにした工作機械が開示されている。この工作機械は、テーブル上面に基準ブロックを固定して、主軸ハウジングに前記基準ブロックとの間の距離を測定する変位計を設けると共に、前記主軸ハウジングに該主軸ハウジングに対する主軸の端面または工具ホルダとの距離を測定する変位計を設け、これにより、主軸ハウジング先端の変位及び主軸ハウジング先端に対する主軸の変位を得て工具刃先位置の変位を補正する。
【０００５】
第３の従来技術として特許文献３には、ＮＣフライス盤やマシニングセンタ等のＮＣ工作機械で精密加工を行うために主軸に装着された工具の刃先位置の測定方法及び装置が開示されている。この測定方法及び装置では、工作機械の主軸端面の位置を非接触式に測定し、工具の刃先位置を接触式の測定装置によって測定するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１３８３９２号公報
【特許文献２】特開平１０−３０９６５３号公報
【特許文献３】特許第４２２９６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
第１の従来技術では、主軸が回転している間に工具先端の中心位置、工具径、工具長を光線により非接触で測定して、その測定値に基づき加工プログラムを補正するようにしている。然しながら、工具の先端は切刃の形状が複雑であるので、光学式の測定器による測定では、回転中の工具先端のどの位置を測定しているか不明確で測定精度が低下する問題がある。静電容量や渦電流を用いた非接触式距離測定器もまた回転中の工具先端のどの位置を測定しているか不明確で測定精度が低下する問題は解決できない。また、光線の太さより細い工具の寸法を測定しようとすると、工具が完全に光線を遮らないため、測定誤差が大きくなる問題もある。
【０００８】
第２の従来技術では、主軸の中心軸線に沿った方向、つまりＺ軸方向の工具長の変化しか測定できず、工具の主軸に対する傾斜やオフセットに基づく見かけ上の工具径の増大や、工具の切刃の摩耗による工具径の減少を測定することができない問題がある。
【０００９】
第３の従来技術は、測定対象である工具が微細加工用の極細工具である場合に、接触式の測定装置のばね力が工具径に対して過大となって工具が損傷することがあり得る。また、測定装置のプローブの移動方向が工作機械の機械座標系に完全に一致していない、つまり、工作機械の送り軸に完全に平行となっていない場合に、測定値に無視し得ない誤差を含む問題がある。
【００１０】
本発明は、こうした従来技術の問題点を解決することを技術課題としており、ＮＣ工作機械の主軸先端に装着された工具の刃先位置を一層高精度に測定すると共に、測定中の工具の破損を防止した工具測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明によれば、工作機械の主軸に装着された切削工具の刃先位置を、前記工作機械に設置された接触式変位センサのプローブに接触させて、前記工作機械の機械座標系における位置と、前記変位センサのプローブの変位量とから、前記切削工具の刃先位置を測定する装置において、前記プローブの自重と、該プローブを付勢するばね力とがほぼ釣合う前記プローブの位置を前記プローブの初期位置とした変位センサと、前記変位センサのプローブの変位量を記憶する記憶手段と、前記工具が前記プローブに接触していないときの前記プローブの変位量を前回測定時と、今回測定開始前とで比較し、両者の差分が所定値よりも大きい場合に、今回測定開始前のプローブの変位量を前記変位センサの原点に設定する原点位置リセット手段とを具備した工具測定装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、前記プローブの自重と該プローブを付勢するばね力とがほぼ釣合う前記プローブの位置を初期位置としたので、工具の測定中に工具に作用するばね力を低減することができ、測定中に工具が破損することが防止される。本発明は、特に、微細加工用の極細工具の測定に有効である。
【００１３】
また、変位センサの変位量を記憶する記憶手段を設け、該記憶手段に記憶された、工具がプローブに接触していないときのプローブの変位量を前回測定時と、今回測定開始前とで比較し、両者の差分が所定値よりも大きい場合に、今回測定開始前のプローブの変位量を変位センサの原点に設定する原点リセット手段を更に設けたので、従来の変位センサの原点が予め決められた１つの位置であった場合と比べ、測定精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の好ましい実施形態による工具測定装置の略示ブロック図である。
【図２Ａ】接触式変位センサから成る測定装置の略示断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａによる測定装置によって測定中に工具に作用するばね力を示すグラフである。
【図３Ａ】本発明の好ましい実施形態による接触式変位センサから成る測定装置の略示断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの測定装置によって測定中に工具に作用するばね力を示すグラフである。
【図４】測定装置の取付誤差に基づく測定誤差を説明するための略図である。
【図５】誤差の変化を示すグラフである。
【図６】錘をプローブに取付けたときの原点の変動を示す略図である。
【図７】原点位置のリセットを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
先ず、図１を参照すると、本発明の一例としての工具測定装置１００および該工具測定装置１００を適用するＮＣ工作機械１０が図示されている。工作機械１０は、工場等の床面に固定されるベッド１２、該ベッド１２に立設されるコラム１４、該コラム１４の前面に鉛直方向のＺ軸方向に移動可能に取付けられる主軸頭１６、該主軸頭１６にＺ軸を中心として回転自在に支持される主軸１８、該主軸１８に対面させてベッド１２上面においてＺ軸に垂直な２方向であるＸ軸およびＹ軸方向に主軸１８に対して相対的に移動可能に取付けられたテーブル２０とを具備している。また、工作機械１０のＸ、Ｙ、Ｚの送り軸の位置はＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のデジタルスケール等の位置読取装置２２によって計測される。こうして、テーブル２０の上面に固定されたワーク（図示せず）と、回転する主軸１８の先端部に装着された工具ＴとをＸ、Ｙ、Ｚ軸の直交三軸方向に相対移動させて、ワークを所望形状に切削加工するようになっている。ここで、工具Ｔは、特に微細加工用の工具、例えば工具径が０．１ｍｍ以下のドリル、ボールエンドミル、フラットエンドミル等とすることができる。
【００１６】
工作機械１０には、また、該工作機械の機械座標系における工具Ｔの刃先のＺ軸方向の位置を特定するために測定装置３０が取付けられている。図１において、測定装置３０はテーブル２０に取付けられているように図示されているが、コラム１４がベッド１２に対して移動可能に設けられている場合には、測定装置３０は、ベッド１２に取付けるようにしてもよい。
【００１７】
図２Ａを参照すると、測定装置３０は、既述した特許文献３（特許第４２２９６９８号）における工具刃先位置測定装置と同様の接触式の変位センサであって、中空のハウジング３２と、該ハウジング３２内に配設されたコイルばね３４と、該コイルばね３４の一方の端部に取付けられハウジング３２から突出するプローブ３６と、ハウジング３２内においてコイルばね３４のプローブ３６に隣接する部分に取付けられたストッパ３８と、コイルばね３４の軸方向の変位量を示す電気信号を出力する変位計４０とを具備している。工具Ｔの先端を測定装置３０のプローブ３６に接触させ、主軸１８をＺ軸方向に送り押込んだときの、変位計４０の出力から工作機械の機械座標系（Ｚ軸）における工具Ｔの刃先位置が特定される。
【００１８】
なお、特許文献３にも記載されているように、測定装置３０に加えて、工作機械１０に非接触式の測定装置（図示せず）を配設し、該工作機械１０の機械座標系における主軸１８の端面位置を測定するようにできる。
【００１９】
図２Ａに示すように、接触式の測定装置の場合、コイルばね３４にはハウジング３２の上壁内面に当接するストッパ３８が取付けられており、変位計４０の０点においてコイルばね３４は圧縮された状態となっている。そのために、工具Ｔがプローブ３６に接触した当初、コイルばね３４には予荷重Ｆｐが印加されているので、プローブ３６をＺ軸方向に変位させるためには、工具Ｔには、図２Ｂに示すように、少なくともＦｐの力が軸方向に作用する。工具Ｔが通常サイズの工具である場合には特に問題はないが、工具Ｔが微細加工用の工具、例えば工具径１０μｍ程度の極細の工具である場合、コイルばね３４による工具Ｔに作用するばね力が高すぎて工具Ｔが破損することが生じうる。
【００２０】
そこで、工具Ｔに作用するばね力を低減することが望ましい。本発明の好ましい実施の形態では、図３Ａに示すように、プローブ３６にＺ軸方向に所定の錘４２を取付けて、図３Ｂに示すように工具Ｔに作用する力を低減している。その場合、錘４２の重さはプローブ３６が動作の範囲で如何なる重さでもよいが、ストッパ３８がハウジング３２の上壁内面から僅かに離反するかしない重さであることが望ましい。
【００２１】
例えば、図２Ａの測定装置の場合、予荷重が４０ｇあったが、図３Ａの測定装置の場合は、予荷重がほぼ０ｇである。工具Ｔを１０μｍ押込んで測定するときのばね力が１０ｇとすると、図２Ａの測定装置では、計５０ｇの触圧となり、例えば、工具径１０μｍの工具では刃先が破損する恐れがある。然しながら、図３Ａの測定装置では、測定に１０ｇの触圧しか作用せず、破損する恐れはない。
【００２２】
本実施形態では、プローブ３６の自重とコイルばね３４のばね力とを釣合わせるのに錘４２を用いたが、錘４２を用いず、コイルばね３４が伸び切った位置でストッパ３８がハウジング３２の上壁内面に接触するかしないかのばね定数のコイルばねを選定するようにしてもよい。
【００２３】
また、図４に示すように、主軸１８にピンゲージを装着してプローブ３６に接触させたとき、プローブ３６の移動方向がＺ軸と完全に平行となっていないと、プローブ３６の変位量δｓと、機械座標系におけるＺ軸の位置の変化量δｍが一致せずに、測定値は、Ｚ軸とプローブ３６の移動方向との間の角度をθとして、誤差ε＝δｍ（１／cosθ−１）を含むこととなる。実際の工具測定場面において、工具Ｔが微細加工用の工具である場合、角度θが小さくとも無視し得ないことがある。
【００２４】
そこで、本実施形態による工具測定装置は、こうした誤差を補正するようになっている。
再び図１を参照すると、本実施形態では、工具測定装置１００は、例えば、工作機械１０の機械制御装置（図示せず）に組込まれるプログラムの一部としてソフトウェア的に、或いは、機械制御装置の電気回路の一部としてハードウェア的に構成することができ、測定制御部１０２、変位量記憶部１０４、リセット制御部１０６、変位量平均部１０８、変位量補正部１１０、比較判定部１１２、補正制御部１１４、加算部１１６、刃先位置演算部１１８を主要な構成要素として含んでいる。
【００２５】
測定装置３０の変位計４０からの出力は、変位量平均部１０８を介して変位量補正部１１０に読み込まれる。工具Ｔをμｍオーダーで測定するためには、測定装置３０の変位計４０は０．１μｍのオーダーで出力可能であることが望ましい。そうした場合、変位計４０からの出力は不安定となり、サブミクロンオーダーの微小変動を含むこととなる。変位量平均部１０８は、測定装置３０の変位計４０からの出力を所定時間幅で平均化してこうした微小変動を除去するフィルターとして作用する。
【００２６】
比較判定部１１２は、変位量補正部１１０からの出力と、工作機械１０のデジタルスケール等の位置読取装置２２からの出力とを比較する。本来、変位量補正部１１０からの出力値と位置読取装置２２からの出力値は図５において実線で示すように一致する。然しながら、プローブ３６の移動方向とＺ軸とが一致していない場合には、一点鎖線で示すように誤差εを含むこととなる。比較判定部１１２は、上記比較結果を補正制御部１１４に出力し、補正制御部１１４は変位量補正部１１０へ誤差εを補正すべき旨の指令を出力する。図５では、誤差εは所定の押込み量、例えば１０μｍを以てプローブ３６を押込んだときの１点だけで求めるように図示されているが、所定の押込み量を以てプローブ３６を押込む間、離散的な複数の位置で求めるようにしてもよい。更に、補正制御部１１４は、誤差εが所定値よりも大きな場合には、例えば、上述した式から角度θを求めて、操作者に測定装置３０の取付けを調節すべき旨の警告を出力するようにしてもよい。測定装置３０の取付けの調節は、例えば、調節ねじ等の機械的手段によって、プローブ３６を案内するガイドをＺ軸と平行になるように微小量移動させることによって行うことができる。
【００２７】
更に、上述したように、プローブ３６に錘４２を取付け、ストッパ３８がハウジング３２の上壁内面から離反させた状態で測定装置３０を使用すると、プローブ３６に工具Ｔが接触していないときの初期位置（原点位置）が、図６に示すように測定毎に必ずしも一致しないことが生じうる。工具測定装置１００は、また、前回測定時における原点位置と、現在の原点位置との差が大きくなった場合に、原点位置をリセットする原点位置リセット手段を備えることができる。従来の測定装置では、図２Ａ、２Ｂに示すように初期状態でばね力がある大きさに設定されていたので、原点位置を予め定めた１つの位置に決めておいても支障なかった。
【００２８】
工具測定の開始に際して、操作者が、例えば前記機械制御装置上の工具測定スイッチを入れたり、或いは、工具交換に際して自動的に、もしくは、所定回数の加工プロセスの終了時に、測定制御部１０２から測定開始指令がリセット制御部１０６に送出されると（ステップＳ１０）、リセット制御部１０６は、変位量補正部１１０から工具Ｔがプローブ３６に接触する前の現在の変位量を受け取る（ステップＳ１２）と共に、変位量記憶部１０４から前回の工具測定終了時の変位量を受け取る（ステップＳ１４）。次いで、リセット制御部１０６は、両者を比較し（ステップＳ１６）、両者の差分が所定値よりも大きな場合（ステップＳ１６でYes）には、現在の変位量、従って、工具Ｔの先端部又は刃先が測定装置３０のプローブ３６に接触していない状態の現在の変位計４０の読みを０点とすべく、リセット制御部１０６は変位量補正部１１０へリセット信号を送出する（ステップＳ１８）。両者の差分が所定値よりも小さい場合（ステップＳ１６でNo）には、原点位置をリセットすることなく刃先位置の測定が開始される（ステップＳ２０）。
【００２９】
こうして変位量補正部１１０からの出力と、位置読取装置２２からの出力とを加算部１１６において合計することによって、工作機械１０の機械座標系における工具Ｔの刃先位置が特定される（１１８）。この工具Ｔの刃先位置から、工具長を演算することができる。
【００３０】
なお、工作機械１０が横形主軸を有する場合、主軸に装着された横向きの工具を半径方向からプローブ３６に接触させ、工具の半径方向の刃先位置を測定することができる。この測定した半径方向の刃先位置から工具径を演算することもできる。
【符号の説明】
【００３１】
１０    工作機械
１２    ベッド
１４    コラム
１６    主軸頭
１８    主軸
２０    ベッド
２２    位置読取装置
３０    測定装置
３２    ハウジング
３４    コイルばね
３６    プローブ
３８    ストッパ
４０    変位計
４２    錘
１００    工具測定装置
１０２    測定制御部
１０４    変位量記憶部
１０６    リセット制御部
１０８    平均部
１１０    変位量補正部
１１２    比較判定部
１１４    補正制御部
１１６    加算部
１１８    刃先位置特定部
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
0005197788.tif 000008
【図６】
0005197788.tif 000009
【図７】
0005197788.tif 000010