JP2001269843A - 回転工具の中心位置測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 主軸回転中の振れを自動計測して、工具径を
補正するための回転工具の中心位置の測定方法の提供。 【解決手段】 工具径Ｄが既知で真円形状の基準工具を
非接触式センサーを使用して切削時の回転数で回転させ
ながら基準工具回転時の最も外側の外周面位置と最も内
側の外周面位置を検出してその座標位置Ａ１，Ａ２を読
み取り、このＡ１とＡ２に基づいて、外周振れの中心座
標値（Ａ１＋Ａ２）／２を求め、この中心座標値から基
準工具の半径分を減じて求めた位置（Ａ１＋Ａ２）／２
−（Ｄ／２）を回転工具の回転中心として演算して求め
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は数値制御工作機械の
主軸に装着した回転工具の中心位置を決定するための計
測方法に関するものである。詳しくは基準工具を装着し
た主軸の回転中の振れを非接触的センサーで振れの最も
外側の面と最も内側の面を計測して回転中心を求める。

【０００２】

【従来の技術】数値制御工作機械主軸に回転工具を装着
し、工具計測データに基づき工具に関する諸データとワ
ークの形状データ等を入力して加工が行われる。主軸の
振れが従来の指示計器例えばダイヤルゲージ等を用いて
既知であればこれを加味して入力データの補正が行われ
る。しかしながら、主軸の振れは、テーパ部の当たり方
によって異なり、一個所のＺ位置で測定しても正しく把
握できない。また、振れのない基準工具をテーパ部に入
れたとしても、テーパ部の当たり方によっては、基準工
具の先端部位置が偏位するので主軸の振れは正しく把握
できない。

【０００３】一方、回転工具の刃先振れは工具研磨時に
おいて刃先高さのばらつきは最小限に押さえられている
がスロアウエイチップ使用の際は、取り付け方や異なる
ロットのチップを用いる場合には誤差が生じる。精密加
工時は、主軸の振れは既知として、これらの値に基づい
て入力データを補正して加工が開始される。しかしなが
らワークの加工は、回転する主軸に装着した工具により
行われるので、主軸や回転工具の切削中の振れや、回転
数の変化による振れの変化は、切削状態における振れで
あり、従来のダイヤルゲージによる計測で把握すること
は困難である。

【０００４】エンドミル加工やボーリング加工において
は、予め正寸より少なめの取り代で加工を行い、人手で
穴径又は端面間の寸法を測定して、最後の仕上げ加工で
正寸に仕上がるように取り代を予定し仕上げ加工を行っ
ていた。このため、機上で人手による計測に起因する測
定ミスの発生、エンドミル加工時の工具径補正のセット
ミスの発生、ボーリング加工時の工具刃先の繰り出しミ
スの発生等の危険性が潜んでおり、更に工具交換ごとに
これらの確認が必要なため、無人化が阻害されるという
問題を有していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術で述べたよう
にダイヤルゲージで予め個別に計測した主軸及び回転工
具の振れは、主軸回転中の振れを計測するものではな
い。主軸の回転中の振れは主軸構造が関係する。更に主
軸回転数の上昇に伴い主軸部の剛性にもとづく振動も付
加される場合もある。従って動的な状態における回転工
具の振れは従来の計測方法によっては把握できない。本
発明は従来技術が有するこのような問題点に鑑みなされ
たものであり、その目的とするところは予め直径と真円
度が既知である工具を基準工具とし、これを未知の主軸
に装着して回転させ、その時の外径の振れを回転中に非
接触式センサーを用いて計測して、これらの数値を演算
して自動的に回転工具の中心位置とすることができる回
転工具の中心位置測定方法を提供して正確な寸法加工に
利用するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の回転工具の中心位置測定方法は、数値制御工
作機械において、回転工具を主軸に装着し該回転工具の
回転中心を求める方法であって、直径Ｄが既知で形状が
真円の基準工具を前記主軸に装着し、前記基準工具を回
転させながら移動位置決めしてこの基準工具の外周振れ
の最も外側と最も内側の位置を非接触式センサーが検出
し、前記検出した前記最も外側と最も内側の位置の座標
値Ａ１，Ａ２を読み取り、前記座標値Ａ１，Ａ２に基づ
いて前記外周振れの中心座標値（Ａ１＋Ａ２）／２を求
め、つづいて前記中心座標値から前記基準工具の半径
（Ｄ／２）を減ずる演算をして切削時の回転工具の中心
位置を求めて、前記回転工具の中心位置を切削時の工具
中心とするものである。

【０００７】本発明によれば、振れが未知の主軸に、外
径寸法と真円度が既知の基準工具を装着し、主軸の回転
時の動的振れを非接触センサーで検出しその時の座標値
を求めて、主軸回転時の回転中心とする。つづいて基準
工具を回転工具に装着換えして、その最も外側の刃先位
置を前記非接触式センサーで検出し回転中の最外径の位
置を読み取って、回転工具の直径を求めることができる
ので、主軸の回転中心と回転工具径の補正が可能であ
る。人手によるワークの寸法計測をして仕上げ加工前の
取り代調整をする必要がなく、工程の自動化が可能とな
る。ここで基準工具とは基準となるべき寸法精度を有す
る工具又はテストバーをいうものとする。また、真円と
は真円精度の高いものを含む円形状のものを指すものと
する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の回転工具の中心位置測定
方法において引用する非接触式センサーとして特開平１
１−１８８５７７号にレーザビーム方式センサーが開示
されている。引用発明においては、フライス工具Ｔの最
も高い切刃と最も低い切刃の検出を、レーザ測定器のレ
ーザビームの光軸の遮断と通過とを検出して行ってい
る。本発明では、レーザビームの光軸が回転中の基準工
具の振れの最も外側の面で遮断される場合と、振れの最
も内側の面を通過する場合とを検出して基準工具の振れ
を計測することにより主軸の振れを求めている。前記引
用発明のレーザビームによる刃面検出の方法を、振れが
未知の主軸に基準工具を装着して主軸の振れを計測して
主軸中心を求め、この基準工具に替えて装着した回転工
具の最外径の位置を検出して、これから工具径を求めて
入力する加工データを補正するものである。本発明の実
施の形態を図面にもとづき説明する。

【０００９】図１は加工機である門形マシニングセンタ
のクロスレールに取着されたレーザ測定器と、主軸頭と
を示す斜視図である。図において、図示しないベッドの
横脇に立設されたコラムにＺ軸と平行なＷ軸方向に位置
決め可能にクロスレール１が設置されていて、クロスレ
ール１は前面にＹ軸方向の案内面を有し、このＹ軸案内
に沿って移動位置決め可能に主軸頭２が載架されてい
る。主軸頭２には主軸ラム３がＺ軸方向に移動位置決め
可能に設けられていて、主軸ラム３の内部に主軸４が複
数個の軸受により回転可能に軸承されている。主軸４の
先端テーパ穴に工具交換用のＶ字状の溝を有する基準工
具Ｔｏが着脱可能に装着されている。

【００１０】クロスレール１下面のＹ軸移動端部近くに
レーザ測定器６が取付台７を介してレーザ光軸がＸ軸方
向を向くように固着されている。レーザ測定器６はレー
ザ発光部６ａから出るレーザ光ａが受光部６ｂの小窓を
通って内部のダイオードに到達するのを監視し、工具が
レーザ光ａを直角に横切って通過する際の遮断された影
が小窓の９０％となったとき、センサー信号を出力する
もので、ケーブル８は電源電圧の供給及びセンサー信号
を図示しないＮＣ装置に送る電線で、９は保護カバーで
ある。

【００１１】レーザ測定器６は、例えばＢＬＵＭ社製の
マシニングセンタ用Ｌａｓｅｒ『ＭＩＣＲＯ』等市販の
ものを使用することができる。またマシニングセンタの
図示しないＮＣ装置はレーザ測定器６からのセンサー信
号を受信すると、受信時の現在位置を読み取り、その場
で軸移動を停止するようになっている。

【００１２】図２（ａ）は被測定物がレーザビームの光
軸を遮断していない状態でセンサー信号が出力されてい
ない状態で被測定物は検出されない。図２（ｂ）は被測
定物がレーザビーム光軸を遮断している状態でセンサー
信号が出力されている状態であるが被測定物は検出され
ない。図２（ｃ）は被測定物の刃先にレーザビームの光
軸が遮断若しくは通過時の状態でいずれの場合もセンサ
ー信号が出力を開始して基準工具の外周面を検出するこ
とを示している。基準工具の外周振れの両端位置とは、
基準工具の軸を含む一断面上で、回転する基準工具の外
周面が位置する最も外側と最も内側の二位置をいう。

【００１３】次に上述のように構成されている計測装置
を用いて基準工具Ｔｏの最も外側の面と最も内側の面の
位置を測定して基準工具の振れを検出する方法を説明す
る。

【００１４】図３（ａ）は最も外側の面を検出する場合
の基準工具の送り方向とビーム軸との位置関係を示して
いる。図３（ｂ）の状態から基準工具が移動して外周面
がビーム軸を遮断〔図３（ｃ）〕することにより回転中
の基準工具の最も外側の面が検出可能である。遮断した
ときに受光部のセンサーが例えば０．１秒間のパルスを
出力しスキップ信号として数値制御装置へ送られてその
時の外周面の位置を記憶し、次の計測プロセスへ移行を
指令する。

【００１５】図４（ａ）は最も内側の面を検出する場合
の基準工具の送り方向とビーム軸との位置関係を示して
いる。この場合ビーム軸は基準工具の切刃によって遮断
されている位置から基準工具をビーム軸から離れる方向
に移動させ〔図４（ｂ）〕回転中の基準工具の最も外径
の小さい位置即ち最も内側の面がきたときにビーム軸が
外周面の外へ出ることとなり光線が受光部６ｂに達する
こととなる〔図４（ｃ）〕。受光部に光が達したときに
受光部から一定のパルスを出力（例えばパルス巾０．１
秒）しスキップ信号が数値制御装置へ送られる。この場
合はここではＢ接点方式（ノーマルクローズド）の信号
処理といい、前記光を遮断したときに例えば０．１秒の
センサー信号を出力してスキップ信号を出力する場合を
Ａ接点方式（ノーマルオープン）の信号処理と定めるこ
ととする。

【００１６】次に基準工具回転中に、最も外側の面と最
も内側の面の位置を検出した場合の振れを定める検出精
度Ｐ、基準工具の回転数Ｓ，工具の送り速度Ｆの関係に
ついて説明する。

【００１７】先ず最も外側の面の位置を検出する場合
は、外周面の振れ１個につき例えばセンサー出力信号の
０．１秒パルスが出力する。仮にＮＣ側のスキップ信号
採取間隔を０．００１秒とすると、検出と同時に出され
る０．１秒パルス出力はスキップ信号検出に充分な値で
ある。即ち、基準工具を回転し振れの検出精度をＰμ
ｍ、主軸回転数をＳｍｉｎ^-1とするとき工具の送り速度
Ｆは、Ｆ＝Ｐ×Ｓ×１０^-3（ｍｍ・ｍｉｎ^-1）とすれば
良い。例えば最終検出精度を１μｍとするとき主軸回転
数２０００ｍｉｎでは送りは２ｍｍ ｍｉｎ^-1、Ｓ＝６
０００ｍｉｎ^-1ではＦ＝６ｍｍ ｍｉｎ^-1となる。

【００１８】精度の良い加工面を要求する場合には振れ
の少ない主軸を選択しなければならない。そのため加工
前に主軸に基準工具を装着しダイヤルゲージで振れを計
測し、この結果にもとづいて入力データの補正を行って
から加工を開始する。しかし極めて精度の高い加工面が
必要な場合には、切削時に近い回転数で主軸の振れを把
握し主軸の回転中心を求める必要がある。

【００１９】図５において、Ｏｏはダイヤルゲージで計
った主軸の静的中心、Ｏは非接触式センサーのレーザビ
ームで回転時の振れを計測した結果から求めた主軸の回
転中心で基準工具の回転中心でもある。回転中心Ｏは次
のようにして求められる。振れが未知の主軸に基準工具
Ｔｏを装着する。該基準工具はＡＴＣ装着可能にＶ溝が
刻設されている。基準工具Ｔｏは円筒度・真円度が良
く、外径Ｄが既に測定されている基準工具Ｔｏを主軸４
に装着して回転させ、レーザビームにより最も外側の面
と最も内側の面を計測する。回転中の基準工具の中心は
Ｏ’ＯＯ”を通り回転している。

【００２０】計測は、レーザビームを定位置とし、回転
する基準工具側を移動させて基準工具表面がレーザビー
ムＢ１に接近して遮断する方向（図３参照）若しくは基
準工具で遮断されている位置からレーザビームＢ２が通
過する方向（図４参照）へ移動させることにより、基準
工具Ｔｏの回転中心から最も外側の面の座標値Ａ１と最
も内側の面の座標値Ａ２をそれぞれ読み取る。振れの中
心座標値は（Ａ１＋Ａ２）／２であり、主軸の中心座標
値は（Ａ１＋Ａ２）／２−（Ｄ／２）である。このよう
にして求めた主軸の中心座標値は、回転工具の中心位置
となる。

【００２１】基準工具Ｔｏを工具半径Ｒｏの回転工具に
替えて装着し回転中心Ｏを原点として、回転工具の最も
外側の刃先の位置を主軸回転中に非接触センサーのレー
ザービームで測定する。切削に関与するのは切刃のうち
最も外側の切刃であり、こうして求めた回転中の工具刃
先の半径Ｒが実際の工具半径となる。先に求めた回転中
心Ｏを工具中心として工具径を補正する。回転工具の装
着ごとに回転工具半径を計測により補正する。これらの
補正後に、入力された加工データと加工プログラムに従
って加工することにより予め定めた正寸にワークを仕上
げることが可能となる。従って経験的な判断を入れて、
正寸に対し若干の取り代を残して加工し最後の仕上げ加
工の前にワーク側の寸法を人手で計測してから正寸に仕
上がるよう加工するという自動化に逆行する作業を行わ
なくてもよいこととなった。

【００２２】本発明による回転工具の中心位置測定方法
を用いることにより、基準工具と回転工具の主軸への装
着を自動工具交換装置で行い、非接触式センサーにより
基準工具の外周位置検出と回転工具の刃先位置検出を行
って、工具の回転中心と回転工具の最外側の刃先半径を
求め、制御装置に入力されているそれぞれのデータを自
動補正することにより、加工段階で人手を介さない加工
の自動化と高精度化を達成することが可能である。

【００２３】

【発明の効果】本発明では、主軸回転時の振れが未知で
あっても回転中の基準工具の振れを計測して主軸の回転
中心を正確に求めている。本発明では、回転時の主軸中
心位置が計測された主軸に加工時の回転工具を装着し
て、前記回転中心から回転工具の最も外側の刃先位置を
検出して回転工具の半径を決定する。これらのプロセス
はすべて自動工具交換、自動計測、自動データ補正が可
能であり加工作業の自動化と高精度加工を可能とするも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】マシニングセンタのクロスレールに取着された
レーザ測定器と工具交換用のＶ字状の溝を有する基準工
具Ｔｏａ 主軸に装着した主軸頭部分の斜視図である。

【図２】（ａ）はレーザビームが基準工具刃先を通過し
ている状態を示す説明図、（ｂ）はレーザビームが基準
工具で遮断されている状態を示す説明図、（ｃ）はレー
ザビームが基準工具で遮断もしくは通過した時の検出時
の説明図である。

【図３】（ａ）は工具が回転しながらレーザビーム軸方
向に接近する状態の説明図、（ｂ）は基準工具の外径が
測定開始前はレーザビームとは離れた位置にあることを
示す説明図、（ｃ）は基準工具が移動して最も外側の面
がレーザービームを遮断した状態を示す説明図である。

【図４】（ａ）は工具が回転しながらレーザビーム軸か
ら離れる方向に移動する状態を示す図、（ｂ）は基準工
具によって測定開始前はレーザビームが遮断されている
状態を示す図、（ｃ）は工具が移動して最も内側の面を
レーザビームが通過する時点の状態を示す図である。

【図５】振れが未知の主軸に装着した基準工具の外径面
で回転時の振れをレーザビームで検出する状態の説明
図、求めた振れから主軸の回転中心を定め、装着する回
転工具の中心位置である。

【符号の説明】

１ クロスレール ２ 主軸頭 ３ 主軸ラム ４ 主軸 ６ レーザ測定器 ６ａ レーザ発光部 ６ｂ レーザ受光部 ７ 取付台 ８ ケーブル ９ 保護カバー Ｔｏ 基準工具 ａ レーザビーム Ｄ 基準工具の直径

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 数値制御工作機械において、回転工具を
   主軸に装着し該回転工具の回転中心を求める方法であっ
   て、直径Ｄが既知で形状が真円の基準工具を前記主軸に
   装着し、前記基準工具を回転させながら移動位置決めし
   てこの基準工具の外周振れの最も外側と最も内側の位置
   を非接触式センサーが検出し、前記検出した前記最も外
   側と最も内側の位置の座標値Ａ１，Ａ２を読み取り、前
   記座標値Ａ１，Ａ２に基づいて前記外周振れの中心座標
   値（Ａ１＋Ａ２）／２を求め、つづいて前記中心座標値
   から前記基準工具の半径（Ｄ／２）を減ずる演算をして
   切削時の回転工具の中心位置を求めて、前記回転工具の
   中心位置を切削時の工具中心とすることを特徴とする回
   転工具の中心位置測定方法。