JP2004276212A

JP2004276212A - 計測不良検出装置

Info

Publication number: JP2004276212A
Application number: JP2003073961A
Authority: JP
Inventors: Masatane Mori; 雅胤森
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】加工量を補正する前段階として、タッチセンサ７によるワークの位置の計測に計測不良があったか否かを検出することができる計測不良判定装置を提供する。
【解決手段】本発明の計測不良判定装置は、ワークを保持する治具３の位置が加工時に変位する量を算出する変位量算出手段と、算出した変位量に基づいて、予め求められているワークの理論位置を補正するワーク理論位置補正手段と、補正されたワークの理論位置を基準として、ワークが変位する最大範囲として第１範囲を設定する第１範囲設定手段と、ワークの実際の位置を計測するタッチセンサ７と、計測された前記ワークの位置が前記第１範囲外である場合に、ワーク位置計測手段の計測が不良であると判断する計測不良判定手段とを有する。上記変位位置算出手段、ワーク理論位置補正手段、第１範囲設定手段、計測不良判定手段は、制御部４により実現される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工途中におけるワークの位置の計測について計測不良を判定する計測不良判定装置およびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワークは、加工時に、工具の摩擦等の要因により加熱され、熱膨張する。熱膨張によるワークの変位を無視して加工しては、ワークの精度が低下してしまう。
【０００３】
そこで、たとえば、マシニングセンタにより加工する場合では、仕上げ加工を行う前に、主軸にタッチセンサを装着して、ワークの被加工面を計測している。この計測結果に基づいて、加工量を熱膨張が勘案されたものに補正して高精度な加工を可能としている。（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２２９７７４号公報（「発明の詳細な説明」の段落「００２７」〜「００２９」、「００３４」等参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記技術では、タッチセンサが計測不良を起こした場合、たとえば、ワーク表面の切屑を噛み込んで計測したり、タッチセンサ自体が故障したりして計測不良を起こした場合でも、この計測結果に基づいて加工量の補正を行うこととなり、逆に精度を悪化してしまう。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、加工量を補正する前段階として、タッチセンサによるワークの位置の計測に計測不良があったか否かを検出することができる計測不良判定装置およびその方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００８】
本発明の計測不良判定装置は、ワークを保持する治具の位置が加工時に変位する量を算出する変位量算出手段と、算出した変位量に基づいて、予め求められている前記ワークの理論位置を補正するワーク理論位置補正手段と、補正された前記ワークの理論位置を基準として、前記ワークが変位する最大範囲として第１範囲を設定する第１範囲設定手段と、前記ワークの実際の位置を計測するワーク位置計測手段と、計測された前記ワークの位置が前記第１範囲外である場合に、前記ワーク位置計測手段の計測が不良であると判断する計測不良判定手段と、を有する。
【０００９】
また、本発明の計測不良判定方法は、ワークを保持する治具の位置が加工時に変位する量を算出する工程と、算出した変位量に基づいて、予め求められている前記ワークの理論位置を補正する工程と、補正された前記ワークの理論位置を基準として、前記ワークが変位する最大範囲として第１範囲を設定する工程と、前記ワークの実際の位置を計測する工程と、計測された前記ワークの位置が前記第１範囲外である場合に、前記ワークの位置の計測が不良であると判断する工程と、を有する。
【００１０】
【発明の効果】
上記本発明の計測不良判定装置および計測不良判定方法は、ワークの理論位置を基準として第１範囲を設定し、この第１範囲からワークの計測位置が外れている場合に計測不良と判定する。したがって、不良な計測結果に基づく加工の進行を防止し、ワークの高精度を保つことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、図中では、説明の明確のために、熱による治具やワークの変位等を誇張して表現している。
【００１２】
図１は、本発明が適用されるマシニングセンタ１の概略構成図である。
【００１３】
以下では、マシニングセンタ１により、自動車のエンジンに使用されるシリンダヘッドのジョイント面をフィニッシュミル加工する場合についての本発明の適用を例示する。しかし、本発明の適用は、該加工に限定されないことは言うまでもない。
【００１４】
マシニングセンタ１は、フライス削り、中ぐり、穴あけ、研削などの加工を１回のワークの取り付けで行える工作機械である。マシニングセンタ１は、工具７を保持する工具保持部２と、加工対象たるワークとしてシリンダヘッドＷを保持する治具３と、工具保持部２および治具３の動作を制御する制御部４と、治具３の理論位置や、前回の加工時のシリンダヘッドＷの計測位置などの情報を記憶する記憶部５と、シリンダヘッドＷの位置の計測結果等を表示する表示部６とを有する。
【００１５】
工具保持部２は、各種工具７を着脱自在に保持する工具ホルダ２１と、該工具ホルダ２１を上下方向（図中、Ｚ方向）に移動自在に保持する保持部本体２２と、該保持部本体２２を載置した状態で左右方向（図中、Ｙ方向）に移動自在な保持部台座２３とからなる。
【００１６】
工具ホルダ２１は、シリンダヘッドＷを加工等するために、装着された工具をシリンダヘッドＷに対して近づけたり、遠ざけたりできる。すなわち、工具ホルダ２１は、工具を前後（図中、Ｘ方向）に移動可能である。工具ホルダ２１、保持部本体２２、保持部台座２３の作用は、それぞれモータ等の駆動機器により達成される。
【００１７】
治具３は、シリンダヘッドＷを保持する治具本体３１と、該治具本体３１を載置した状態で左右方向に移動自在な第１台座３２と、該治具本体３１台座を載置した状態で前後方向に移動自在な第２台座３３とからなる。第１台座３２および第２台座３３により、治具３は、ＸＹ平面を自由に移動することができる。
【００１８】
治具本体３１は、シリンダヘッドＷを位置決めして保持するために、表面に複数の位置決めピンが突出されている。位置決めピンは、シリンダヘッドＷであるシリンダヘッドＷに形成された穴の数だけ設けられている。位置決めピン同士の位置関係は、シリンダヘッドＷの穴の位置関係に対応している。シリンダヘッドの穴に、位置決めピンを差し込むことにより、治具３に対するシリンダヘッドの位置が一義的に決定される。加えて、位置決めピンによりシリンダヘッドが支持されるので、落下しない。
【００１９】
制御部４は、上記各構成と接続されており、各種演算を行い、各構成の動作を制御する。制御部４は、特許請求の範囲でいう変位位置算出手段、ワーク理論位置補正手段、第１範囲設定手段、計測不良判定手段、第２範囲設定手段および第３範囲設定手段の役割を果たす。制御部４には、さらに、記憶部５および表示部６（表示手段）が接続されている。
【００２０】
記憶部５は、後述する計測不良の判定のために必要な情報を記憶している。制御部４は、該記憶部５の記憶を適宜受信して、各句構成を制御する。また、表示部６は、計測不良の判定結果等を表示する。
【００２１】
なお、上記マシニングセンタ１は、工具に代えて、工具ホルダ２１にタッチセンサ等の計測装置を装着することもできる。工具ホルダ２１に装着する工具７や、計測装置は、工具保持部２近傍に配置されており、加工工程の進行に従って適宜取り換えられる。
【００２２】
本実施形態では、加工精度の向上のために、途中で工具をタッチセンサ７（ワーク位置計測手段、治具位置計測手段）に持ち替えて、シリンダヘッドＷおよび治具３の位置を計測している。本実施形態のマシニングセンタ１の動作を説明する前に、タッチセンサ７により計測する治具３およびシリンダヘッドＷ上のポイントについて説明する。
【００２３】
図２はタッチセンサにより計測する位置を治具側方から示す図、図３はタッチセンサにより計測する位置を治具前方から示す図である。
【００２４】
図２および図３に示すように、タッチセンサ７は、治具３上のポイントＡを計測する。ポイントＡは、治具３上であればどこでも良いが、タッチセンサ７による計測のし易さを考えると、シリンダヘッドＷ上方で治具３の中心線上であることが好ましい。
【００２５】
また、タッチセンサ７は、シリンダヘッドＷ上の２点のポイントＢ、Ｃをそれぞれ計測する。シリンダヘッドＷは図３に示すジョイント面が平滑に形成されているので、このジョイント面上のどこを計測してもよい。ただし、後述するように、２点を計測することにより、ジョイント面の平滑度を判定するので、ポイントＢ、Ｃは近接しない方が好ましい。
【００２６】
なお、タッチセンサ７により計測する計測対象物（治具３、シリンダヘッド）の位置とは、タッチセンサ７が、規定の基本位置から計測対象物に接触するまでに、Ｘ方向（図１参照）に送られた送り量で表されるものである。送り量は、タッチセンサ７が進行した距離や、タッチセンサ７を駆動するモータの回転数に基づく量である。
【００２７】
（治具の理論位置補正）
次に、本発明の計測不良判定装置の動作について説明する。本発明の計測不良判定装置は、上記マシニングセンタ１に含まれ、すなわち、マシニングセンタ１の上記構成を組み合わせたものである。計測不良判定装置の主構成は、制御部４、表示部６、記憶部５およびタッチセンサ７である。
【００２８】
本発明では、シリンダヘッドＷの位置に関する計測結果が計測不良であるかどうかを判定するために、治具３の位置の理論位置および計測値を用いる。ここで、治具３の位置の理論位置が正確である必要があるので、最初に、加工開始前の治具３の理論位置を正確な値に補正する。計測不良判定装置により、治具３の理論位置を補正する動作について説明する。各部の動作は、制御部４により制御されている。
【００２９】
図４は治具３の理論位置を補正する動作の流れを示すフローチャート、図５は治具３の理論位置を補正する際の概念を示す概念図である。マシニングセンタ１の工具保持部２にはタッチセンサ７が装着されている。
【００３０】
タッチセンサ７は、加工開始前の常温の状態における治具３の位置を計測する（ステップＳ１）。すなわち、図５に示すように、タッチセンサ７を基本位置から治具３の方に進めていき、ポイントＡに接触するまでの送り量を治具位置実測位置Ｚ_０’として計測する。
【００３１】
次に、制御部４は、計測して得られた治具位置実測位置Ｚ_０’を、記憶部５に記憶されている治具理論位置Ｚ_０と比較して、誤差を算出する（ステップＳ２）。治具理論位置Ｚ_０は、理論的な治具３の位置として予め求められている。概念的には、図５に示す通りである。
【００３２】
最後に、算出した誤差に基づいて、治具理論位置Ｚ_０−治具位置実測位置Ｚ_０’＝０となるように治具理論位置Ｚ_０を補正する（ステップＳ３）。
【００３３】
以上のようにして、基準となる治具理論位置Ｚ_０が最初に設定される。
【００３４】
（計測不良の判定）
設定した治具理論位置Ｚ_０を用いて、シリンダヘッドＷの位置の計測不良を計測不良判定装置が判定する動作について説明する。この計測不良の判定は、上記「治具の理論位置補正」とは異なり、加工サイクルの開始後に、その途中で実行される。したがって、シリンダヘッドＷは、加工時に発生する熱により、熱膨張した状態である。
【００３５】
図６はシリンダヘッドの位置の計測不良を判定する流れを示すフローチャート、図７はタッチセンサ７による計測および理論位置の補正の様子を示す概念図、図８は計測不良の判定範囲を示す図である。
【００３６】
図７では、タッチセンサ７の基本位置に基づく、治具３およびシリンダヘッドの理論位置および実測位置を概念的に示している。また、図８では、タッチセンサ７の基本位置に基づく、ワークの理論位置、前回のワークの実測位置等に加えて、これらに基づいて設定される範囲を概念的に示している。
【００３７】
タッチセンサ７により治具３上のポイントＡの位置を計測し（ステップＳ１１）、制御部４が治具３の位置Ｚ_１（図７参照）を算出する（ステップＳ１２）。次に、制御部４は、上記「治具の理論位置補正」において求めた治具理論位置Ｚ_０の値から治具位置Ｚ_１の値を差し引いて、誤差を求める（ステップＳ１３）。通常、加工開始後には、治具３は加熱により膨張しているので、膨張の分、タッチセンサ７の基本位置に近づいている。したがって、治具理論位置Ｚ_０の値よりも治具位置Ｚ_１の値の方が小さい。熱膨張前の理論位置であるＺ_０から膨張後の実測位置Ｚ_１を差し引いているので、これが熱膨張による治具３の熱変位量αとなる。
【００３８】
制御部４は、ワーク理論位置Ｚ_２に上記熱変位量αを加えて、ワーク理論位置Ｚ_２を補正する（ステップＳ１４）。ここで、ワーク理論位置Ｚ_２は、シリンダヘッドＷの理論位置として予め設定されている。ワーク理論位置Ｚ_２を補正するのは、治具３の熱変位量に従って、シリンダヘッドＷの位置も変位しており、この変位分補正する必要があるからである。補正されたワーク理論位置Ｚ_２は、ワーク理論位置Ｚ_２’として、記憶部５に記憶される。
【００３９】
このワーク理論位置Ｚ_２’に基づいて、制御部４は、最大熱変位範囲を設定する（ステップＳ１５）。この最大熱変位範囲は、シリンダヘッドＷ自体が熱膨張することも勘案して設定するものである。つまり、熱変位量αに基づく補正だけでは、治具３の熱膨張しか勘案していないので、これに、シリンダヘッドＷが熱膨張により変位しうる範囲を加えて、シリンダヘッドＷが存在すべき位置の範囲を設定する。最大熱変位範囲は、シリンダヘッドＷが熱膨張により変位する範囲を擬制するために設ける範囲である。たとえば、最大熱変位範囲は、図８に示すように、シリンダヘッドＷを基準として、その前後に均等な距離に設定する。基本的に、シリンダヘッドＷは膨張するので、ワークの理論位置Ｚ_２に対してタッチセンサ７側の範囲を大きく設定してもよい。
【００４０】
続いて、制御部４は、前回加工を行った他のシリンダヘッドの実測位置Ｗ１’、Ｗ２’を参照し（ステップＳ１６）、これらに基づいてＯＫ範囲を設定する（ステップＳ１７）。前回加工を行った他のシリンダヘッドの実測位置Ｗ_１’、Ｗ_２’は、前回の加工時に記憶部５に記憶されている。実測位置Ｗ_１’、Ｗ_２’として２つあるのは、シリンダヘッドＷのポイントＢおよびＣが計測されているからである。ＯＫ範囲は、シリンダヘッドの実測位置Ｗ_１’、Ｗ_２’を基準として、それぞれ設定される。設定される範囲の大きさは、前回のシリンダヘッドの実測位置に対して、今回のシリンダヘッドＷの実測位置が変わる範囲内である。
【００４１】
そして、今回の加工対象たるシリンダヘッドＷ上のポイントＢ、Ｃの位置をタッチセンサ７により計測し（ステップＳ１８）、この計測結果に基づいて、制御部４がシリンダヘッドＷの実測位置Ｗ_１、Ｗ_２を算出する（ステップＳ１９）。
【００４２】
制御部４は、計測して算出した実測位置Ｗ_１、Ｗ_２がタッチセンサ７の計測可能範囲内かどうか判定する（ステップＳ２０）。計測可能範囲内でない場合（ステップＳ２０：ＮＯ）、すなわち、タッチセンサ７が図８に示すＮＧパターン１の範囲内でシリンダヘッドＷの位置を検出したときには、ＮＧパターン１に該当する旨の表示をする（ステップＳ２１）。たとえば、タッチセンサ７の検出が計測可能範囲外で得られており、タッチセンサ７の故障である可能性が高い旨を表示する。この計測可能範囲は、予め記憶部５に記憶されている。
【００４３】
計測した実測位置Ｗ_１、Ｗ_２がタッチセンサ７の計測可能範囲内の場合（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、さらに、制御部４は、最大熱範囲内かどうか判定する（ステップＳ２２）。最大熱範囲内でない場合（ステップＳ２２：ＮＯ）、すなわち、計測可能範囲内であり、最大熱範囲外である場合には、タッチセンサ７は図８に示すＮＧパターン２の範囲内でシリンダヘッドＷの位置を検出している。したがって、ＮＧパターン２に該当する旨の表示をする（ステップＳ２３）。たとえば、タッチセンサ７自体の故障である可能性は低く、シリンダヘッドＷの前加工に不備があるか、タッチセンサ７がシリンダヘッドＷとの間に切屑等を挟み込んでいる可能性がある旨を表示する。
【００４４】
最大熱範囲内である場合（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、さらに、制御部４は、ＯＫ範囲内かどうかを判定する（ステップＳ２４）。ＯＫ範囲内でない場合（ステップＳ２４：ＮＯ）、すなわち、最大熱範囲内であり、ＯＫ範囲外である場合には、タッチセンサ７は、図８に示すＮＧパターン３の範囲内でシリンダヘッドＷの位置を検出している。したがって、ＮＧパターン３に該当する旨の表示をする（ステップＳ２５）。たとえば、前回加工を行った他のシリンダヘッドの実測位置Ｗ１’、Ｗ_２’と今回計測したシリンダヘッドＷの実測位置Ｗ１、Ｗ_２とが大幅に異なるので、計測不良の虞がある旨を表示する。
【００４５】
ＯＫ範囲内である場合（ステップＳ２４：ＹＥＳ）、今回のシリンダヘッドＷの実測が良好である旨を表示して（ステップＳ２６）、良好である実測位置Ｗ_１、Ｗ_２を記憶部５に記憶して、計測不良の判定を終了する。次のシリンダヘッドの実測位置の良否判定に用いるためである。
【００４６】
この後、ステップＳ２１、２３、２５で、計測不良と判定されている場合には、計測不良の要因が追究される。また、ステップＳ２６で、計測良好と判定されている場合には、計測結果に基づいて、次工程のミル加工の加工量が算出され、後続の加工が予定通り実行される。
【００４７】
以上説明してきたように、本実施形態では、まず、シリンダヘッドＷの理論位置Ｚ_２を基準として最大熱変位範囲（第１範囲）を設定し、この最大熱変位範囲からシリンダヘッドＷの実測位置Ｗ_１、Ｗ_２が外れている場合に計測不良と判定する。したがって、不良な計測結果に基づく加工の進行を防止し、ワークの高精度を保つことができる。
【００４８】
また、最大熱変位範囲は、治具３の実測位置Ｚ_１に基づいて求められたシリンダヘッドＷの理論位置Ｚ_２を基準に設定されている。治具３には加工時の切屑等が付着しにくく、切屑の挟み込み等によるタッチセンサ７の計測不良は起こりにくい。したがって、治具３の実測位置Ｚ_１の精度は高く、シリンダヘッドＷの実測位置Ｗ_１、Ｗ_２の判定基準に適している。
【００４９】
また、最大熱変位範囲に加えて、ＯＫ範囲（第２範囲）も設定している。したがって、最大熱変位範囲とは異なる基準により計測不良を判定でき、より確実に計測不良を判定できる。
【００５０】
加えて、ＯＫ範囲に加えて、計測可能範囲（第３範囲）も設定している。したがって、さらに異なる基準により計測不良を判定できる。
【００５１】
このように、計測可能範囲、最大熱変位範囲およびＯＫ範囲を設定し、どの範囲から外れたかをＮＧパターン１〜３として表示する。したがって、どのＮＧパターンに該当するかを確認することにより、計測不良の要因特定に役立てられ、不良の改善が容易となる。また、計測不良の要因と考えられるものを、ＮＧパターンと共に表示することにより、よりユーザが計測不良の要因を特定しやすくなる。
【００５２】
なお、上記実施形態では、前回計測したシリンダヘッドの計測位置Ｗ_１’、Ｗ_２’を基準にして、それぞれＯＫ範囲を設定していた。しかし、計測位置Ｗ_１’、Ｗ_２’の平均をとって、これを基準にしてＯＫ範囲を設定してもよい。この場合、今回計測したシリンダヘッドＷ上のポイントＢ、Ｃの実測位置も平均をとって、ＯＫ範囲と比較することができる。
【００５３】
また、シリンダヘッドＷ上の計測するポイントは、ポイントＢ、Ｃの２点だけではなく、１点や３点以上であってよい。
【００５４】
また、上記実施形態では、治具３およびシリンダヘッドが熱により変位する場合について説明したが、これに限定されない。治具３およびシリンダヘッドが荷重等により変位した場合にも、適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるマシニングセンタの概略構成図である。
【図２】タッチセンサにより計測する位置を治具側方から示す図である。
【図３】タッチセンサにより計測する位置を治具前方から示す図である。
【図４】治具の理論位置を補正する動作の流れを示すフローチャートである。
【図５】治具の理論位置を補正する際の概念を示す概念図である。
【図６】シリンダヘッドの位置の計測不良を判定する流れを示すフローチャートである。
【図７】タッチセンサによる計測および理論位置の補正の様子を示す概念図である。
【図８】計測不良の判定範囲を示す図である。
【符号の説明】
１…マシニングセンタ、
２…工具保持部、
３…治具、
４…制御部、
５…記憶部、
６…表示部、
７…タッチセンサ、工具、
Ｗ…シリンダヘッド。

Claims

ワークを保持する治具の位置が加工時に変位する量を算出する変位量算出手段と、
算出した変位量に基づいて、予め求められている前記ワークの理論位置を補正するワーク理論位置補正手段と、
補正された前記ワークの理論位置を基準として、前記ワークが変位する最大範囲として第１範囲を設定する第１範囲設定手段と、
前記ワークの実際の位置を計測するワーク位置計測手段と、
計測された前記ワークの位置が前記第１範囲外である場合に、前記ワーク位置計測手段の計測が不良であると判断する計測不良判定手段と、
を有する計測不良判定装置。
過去に他のワークを加工した際の該他のワークの位置を基準として、現在加工されている前記ワークの位置の計測不良を判定する範囲として第２範囲を設定する第２範囲設定手段をさらに有し、
前記計測不良判定手段は、前記ワーク位置計測手段により計測された前記ワークの位置が前記第２範囲外である場合に、該ワーク位置計測手段の計測が不良であると判断する請求項１に記載の計測不良判定装置。
前記計測不良判定手段は、前記ワーク位置計測手段が計測可能な範囲として予め定められている第３範囲に基づいて、前記ワーク位置計測手段により計測された前記ワークの位置が前記第２範囲外である場合に、該ワーク位置計測手段の計測が不良であると判断する請求項２に記載の計測不良判定装置。
前記計測不良手段により計測不良と判断された場合、前記第１範囲、前記第２範囲および前記第３範囲のどれから前記ワークの位置が外れたかを表示する表示手段をさらに有する請求項３に記載の計測不良判定装置。
前記変位量算出手段は、
前記治具の位置を計測する治具位置計測手段により計測した治具の位置と、予め求めている治具の理論的な位置との誤差を求める誤差算出手段をさらに含み、該誤差を変位量とする請求項１〜４に記載の計測不良判定装置。
前記ワーク位置計測手段は、タッチセンサである請求項１〜５のいずれか一項に記載の計測不良判定装置。
前記治具は、加工時に加工熱により変位することを特徴とする請求項１〜６に記載の計測不良判定装置。
ワークを保持する治具の位置が加工時に変位する量を算出する工程と、
算出した変位量に基づいて、予め求められている前記ワークの理論位置を補正する工程と、
補正された前記ワークの理論位置を基準として、前記ワークが変位する最大範囲として第１範囲を設定する工程と、
前記ワークの実際の位置を計測する工程と、
計測された前記ワークの位置が前記第１範囲外である場合に、前記ワークの位置の計測が不良であると判断する工程と、
を有する計測不良判定方法。