JP2005052910A

JP2005052910A - 工具測定装置および方法

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Publication number: JP2005052910A
Application number: JP2003206569A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Aoyama; 藤詞郎青山; Shigeru Inoue; 茂井上; Mitsuyoshi Terao; 光義寺尾; Nobuyuki Iwata; 信行岩田
Original assignee: MAKINO FRAES SEIKI KK
Current assignee: MAKINO FRAES SEIKI KK
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: JP3748866B2

Abstract

【課題】回転切削工具の最大外径を与える切刃先端の位相角度を正確に測定可能にした工具測定装置および工具測定方法を提供すること。
【解決手段】工具測定装置が、回転切削工具Ｔを回転自在に支持する主軸頭１２と、回転切削工具Ｔを回転させるサーボモータと、回転切削工具Ｔの中心軸線回りの位相角度を検知するロータリーエンコーダ１８と、回転切削工具Ｔの各々の外径に対応した信号を出力する光学センサ２４、２５とを具備し、回転切削工具Ｔを中心軸線Ａ回りに複数の位相角度位置に位置決めし、光学センサ２４、２５によって測定された工具外径と複数の位相角度位置の各々の位置とを対応付けて、最小二乗法により回転切削工具Ｔの最大外径を与える位相角度位置を演算するようにした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を測定するための工具測定装置および工具測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンドミルなどの回転切削工具を自動で再研削する場合、ＮＣ工具研削盤上での自動位置決めが必要となる。回転切削工具を位置決めするために、一般的にはタッチプローブを利用したセンサが用いられている。然しながら、測定対象となる回転切削工具が、例えばφ０．１〜φ０．３ｍｍといった直径１ｍｍ以下の小径工具の場合、工具自体の剛性がきわめて低いために、センサのタッチプローブが作動する前に、回転切削工具が撓んだり折れたりして測定できないことが多い。
【０００３】
一方、光学センサを用いて非接触に測定する場合、回転切削工具の直径が小さくなるほど光の回折現象が顕著になり、ねじれている切刃を有した回転切削工具の研削開始点、つまり、回転切削工具の中心軸線回りの回転角の原点（位相角度位置の原点）を正確に求めることが難しくなる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０６−１０９４４０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、回転切削工具の最大外径を与える切刃先端の位相角度を正確に測定可能にした工具測定装置および工具測定方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を測定するための工具測定装置において、回転切削工具をその中心軸線回りに回転自在に支持する工具支持手段と、前記回転切削工具をその中心軸線回りに回転させる回転手段と、前記回転切削工具の前記中心軸線回りの位相角度を検知する位相角検知手段と、前記位相角検知手段からの信号に基づいて、前記回転切削工具を前記中心軸線回りに複数の位相角度位置に位置決めする工具回転位置決め手段と、前記複数の位相角度位置に位置決めされた回転切削工具の各々の外径に対応した信号を出力する工具外径測定手段と、前記位相角検知手段からの信号と前記工具外径測定手段からの信号とを対応付けて、最小二乗法により前記回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を演算する最大外径位相角度位置演算手段とを具備する工具測定装置を要旨とする。
【０００７】
また、本発明の他の特徴によれば、回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を測定するための工具測定方法において、
（ａ）回転切削工具をその中心軸線回りに回転自在に支持する段階と、
（ｂ）前記回転切削工具を前記中心軸線回りの位相角度位置に位置決めする段階と、
（ｃ）前記複数の位相角度位置に位置決めされた回転切削工具の外径を測定する段階と、
（ｄ）前記段階（ｂ）および（ｃ）を所定回数繰り返す段階と、
（ｅ）前記位相角度位置の各々と、前記位相角度位置の各々における前記回転切削工具の外径とを対応付けて、最小二乗法により前記回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を演算する段階とを具備する工具測定方法が提供される。
【０００８】
前記方法は、段階（ａ）（ｂ）の間に実行する、（ｆ）前記回転切削工具を前記中心軸線に沿った１点に位置決めする段階と、
（ｇ）前記段階（ｂ）〜（ｅ）を実行する段階と、
（ｈ）前記回転切削工具を前記中心軸線に沿った他の１点に位置決めする段階と、
（ｉ）前記段階（ｂ）〜（ｅ）を実行する段階と、
（ｊ）前記中心軸線に沿った２点において、前記回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を演算し、両者の差分である位相角度差と、前記２点間の距離とに基づいて前記回転切削工具の切刃のねじれ角を演算する段階とを更に具備することができる。
【０００９】
また、前記方法は、段階（ｄ）（ｅ）の間に実行する、（ｋ）前記位相角度位置の各々と、前記位相角度位置の各々における前記回転切削工具の外径とを対応付けて最大外径を与える位相角度位置を求める段階と、
（ｌ）前記最大外径を与える位相角度位置を中心として所定の位相角度範囲内で段階（ｂ）（ｃ）を所定回数繰り返す段階を更に含むことができ、
この場合には、段階（ｅ）では、段階（ｌ）で求められた前記位相角度位置の各々と、前記位相角度位置の各々における前記回転切削工具の外径とを対応付けて最小二乗法を行うようにする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
本実施形態による工具測定装置１０は、工具支持手段としての主軸頭１２を具備している。主軸頭１２は、先端に工具ホルダ１６を介してボールエンドミル等の回転切削工具Ｔを装着する主軸１４と、主軸１４を水平なＡ軸回りに回転自在に支持するハウジングとを具備している。主軸１４は、該主軸１４および回転切削工具Ｔを、該回転切削工具Ｔの中心軸線としてのＡ軸回りに回転する回転手段としてのサーボモータ（図示せず）に連結されている。該サーボモータは主軸頭１２のハウジング内に配置したビルトインモータとすることができる。
【００１１】
主軸１４の後端には、主軸１４のＡ軸回りの回転位置を検知するための位相角検知手段としてロータリーエンコーダ１８が取付けられている。ロータリーエンコーダ１８は、該工具測定装置１０の動作を制御する数値制御装置２６に接続されている。数値制御装置２６には、また、前記回転手段としてのサーボモータが接続されており、該サーボモータの動作もまた数値制御装置２６により制御される。一方、数値制御装置２６は、最大外径位相角度位置演算手段およびねじれ角演算手段を形成するパーソナルコンピュータ２８にバス結合等の通信手段を介して接続されている。
【００１２】
主軸頭１２は、鉛直なＷ軸回りに回転自在に設けられた旋回台２０の上面に取付けられている。より詳細には、旋回台２０の上面には、Ａ軸に平行に延設されたＵ軸案内レール２２が配設されており、主軸頭１２はスライダ２３によりＵ軸案内レール２２に沿って水平な直線方向であるＵ軸方向に往復自在となっている。また、旋回台２０には、主軸頭１２をＵ軸方向に直線往復移動させるための、Ｕ軸送り装置（図示せず）が配設されている。Ｕ軸送り装置は、例えば、Ｕ軸方向に延設された送りねじ（図示せず）、主軸頭１２に固定され前記送りねじに係合するナット（図示せず）、および、前記送りねじの一端に連結されれ数値制御装置２６により制御されるサーボモータ（図示せず）を具備することができる。更に主軸頭１２のＵ軸に沿った位置を検知する軸位置検知手段として数値制御装置２６に接続されたＵ軸スケール（図示せず）が設けられている。
【００１３】
旋回台２０には、工具外径測定手段として投光部２４と受光部２５から成る光学センサが配設されている。光学センサ２４、２５は、好ましくは、Ａ軸に垂直な方向に横断させて光を照射するように配設されている。光学センサ２４、２５は、投光部２４内に配設された発光ダイオード２４ａから光を照射し、この光を光拡散ユニット２４ｂ、コリメータレンズ２４ｃを通して、均一な平行光として受光部２５に照射するようになっている。受光部２５は、受光した光の平行光のみをＣＣＤ（電荷結合素子）２５ａに結び、その明暗のエッジ位置Ｅｄを検出することで、回転切削工具Ｔの外径を測定するようになっている。測定結果は、受光部２５内に配設されているＡ／Ｄ変換器（図示せず）によりデジタル化され、シリアル結合等の通信手段を介してパーソナルコンピュータ２８に送信される。なお、工学センサ２４、２５はレーザー光を用いてもよい。
【００１４】
なお、既述した工具測定装置１０は、独立した工具測定装置として構成することもできるが、工具測定装置１０をＮＣ研削盤の一部として組み込むことにより、工具研削プロセスの一部として後述する工具測定プロセスを実行することが可能となり非常に有利である。
【００１５】
以下、本実施形態の作用を説明する。
先ず、回転切削工具Ｔを主軸１４の先端に装着する。上述したように、工具測定装置１０がＮＣ研削盤の一部として組み込まれている場合には、回転切削工具Ｔは、その切刃研削プロセスの一部として既に主軸１４の先端に装着されていることとなる。次いで、投光部２４から光を照射する。
【００１６】
次いで、前記Ｕ軸送り装置により、回転切削工具Ｔを主軸１４に装着した状態で主軸頭１２をＵ軸案内レール２２に沿って移動させる。移動中の主軸頭１２のＵ軸に沿った軸位置をＵ軸スケールにより測定し数値制御装置２６に読み込む。こうして、回転切削工具Ｔの中心軸線（Ａ軸）に沿った所望位置が投光部２４からの光を横断するように、主軸頭１２を回転切削工具ＴをＵ軸に沿って位置決めする。このプロセスは、例えば、投光部２４から照射される光を回転切削工具Ｔが横切らない位置から主軸頭１２を前進させ、回転切削工具Ｔの先端が、投光部２４からの光を横切った遮断した瞬間に、受光部２５から数値制御装置２６へスキップ信号を送出するようにして、そのときのＵ軸スケールの読みＵ軸の原点として、該原点から所望の距離を以て主軸頭１２を更に前進させることにより行うことができる。
【００１７】
次いて、投光部２４から光を照射して回転切削工具Ｔの外径を測定しながら、主軸１４をＡ軸回りに所定角度を以て回転させ、最大外径を与える位相角度位置を記憶する。このとき、回転切削工具Ｔの外径として、回転切削工具Ｔの回転中心であるＡ軸の高さ（Ｗ軸に沿った座標位置）を参照することにより、回転切削工具Ｔの半径を求めることが好ましい。これにより、回転切削工具Ｔが奇数個の切刃を有している場合や、偶数個の切刃を有している場合でも、直径を挟んだ位置にある２つの切刃が、正確に１８０°の位相差を以て配置されていない場合でも回転切削工具Ｔの最大外径を与える位相角度位置を測定することが可能となる。
【００１８】
次に、この最大外径を与える位相角度位置を中心として、所定の位相角度範囲、例えば±５°の位相角度範囲内で、所定角度、例えば１°毎に回転切削工具Ｔの外径を測定し、最大外径を与える位相角度位置を求める。次に、この最大外径を与える位相角度位置を中心として所定の位相角度範囲、例えば±１°の位相角度範囲内で、所定角度、例えば０．１°毎に回転切削工具Ｔの外径を測定する。
【００１９】
本発明によれば、測定結果から最小二乗法を用いて位相角度と外径との関係を表し、最大外径を与える位相角度位置が求められる。ここで、図３を参照すると、位相角度位置ｘに対する外径ｙの関係を示すグラフが示されている。回転切削工具Ｔの切刃先端はＡ軸回りに円軌道を周回するので、理論的にはｙ＝αｃｏｓβｘ（α、βは定数）となる。然しながら、測定する位相角度範囲Δｘが十分に小さければ以下の式（１）で示す二次曲線で近似することができる。
【数１】

但し、ａ、ｂ、ｃは定数である。
【００２０】
このとき、残差の二乗和ｕは以下の式（２）にて表される。
【数２】

但し、ｉは複数の位相角度位置の各々における測定を表す整数である。
【００２１】
残差の二乗和ｕが最小になるように各係数ａ、ｂ、ｃを求めるために、ｕをａ、ｂ、ｃで偏微分した式を＝０とした連立方程式（３）〜（５）を解く。
【数３】

【００２２】
このとき、最大外径を与える位相角度位置ｘは以下の式（６）で表される。
【数４】

【００２３】
また、図４に示すように、Ｕ軸方向に所定距離Δｕを置いた２点ｕ_１、ｕ_２において同様に最大外径を与える位相角度位置ｘ_１、ｘ_２を求めることにより、ねじれ角θは以下の式（７）にて求めることができる。
【数５】

【００２４】
本発明は直径１ｍｍ以下の小径の回転切削工具を測定するのに特に適しているが、直径１ｍｍ以上の回転切削工具を測定するために用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【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図である。
【図２】回転切削工具と光学センサの位置関係を示す略示図である。
【図３】最大外径を与える位相角度位置を求めるための方法を説明するためのグラフである。
【図４】回転切削工具のねじれ角を測定する方法を示す略示図である。
【符号の説明】
１０…工具測定装置
１２…主軸頭１２
１４…主軸
１６…工具ホルダ
１８…ロータリーエンコーダ
２０…旋回台
２２…Ｕ軸案内レール
２３…スライダ
２４…投光部（光学センサ）
２５…受光部（光学センサ）
２６…数値制御装置
２８…パーソナルコンピュータ
Ｔ…回転切削工具

Claims

回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を測定するための工具測定装置において、
回転切削工具をその中心軸線回りに回転自在に支持する工具支持手段と、
前記回転切削工具をその中心軸線回りに回転させる回転手段と、
前記回転切削工具の前記中心軸線回りの位相角度を検知する位相角検知手段と、
前記位相角検知手段からの信号に基づいて、前記回転切削工具を前記中心軸線回りに複数の位相角度位置に位置決めする工具回転位置決め手段と、
前記複数の位相角度位置に位置決めされた回転切削工具の各々の外径に対応した信号を出力する工具外径測定手段と、
前記位相角検知手段からの信号と前記工具外径測定手段からの信号とを対応付けて、最小二乗法により前記回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を演算する最大外径位相角度位置演算手段とを具備する工具測定装置。
前記工具外径測定手段は、投光部と受光部とを有して前記投光部から前記受光部へ向けて前記回転切削工具の前記中心軸線を横断させて光を照射し、前記受光部が受けた光の明暗に対応した信号を出力する光学センサを具備する請求項１に記載の工具測定装置。
前記工具支持手段は、前記中心軸線に沿って延設された主軸と、前記主軸を回転自在に支持するハウジングとを備えた主軸頭を具備する請求項１または２に記載の工具測定装置。
前記位相角検知手段は、前記主軸の回転角度を検知するロータリーエンコーダを具備する請求項３に記載の工具測定装置。
前記回転手段は前記主軸を回転するサーボモータを具備し、工具回転位置決め手段は、前記サーボモータを制御する数値制御装置を具備する請求項３または４に記載の工具測定装置。
前記主軸頭は、前記中心軸線と平行な軸線方向に直線移動自在に配設されている請求項２から５の何れか１項に記載の工具測定装置。
前記工具測定装置は、
前記主軸頭を前記軸線に沿って移動する軸送り手段と、
前記主軸頭の前記中心軸線に平行な軸線に沿った位置を検知する軸位置検知手段とを具備し、
前記軸線に沿った２点において、前記回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を演算し、両者の差分である位相角度差と、前記２点間の距離とに基づいて前記回転切削工具の切刃のねじれ角を演算するねじれ角演算手段とを更に具備する請求項６に記載の工具測定装置。
回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を測定するための工具測定装置において、
回転切削工具を回転自在に支持する主軸頭と、
前記回転切削工具を回転させるサーボモータと、
前記回転切削工具の中心軸線回りの位相角度を検知するロータリーエンコーダと、
前記回転切削工具の各々の外径に対応した信号を出力する光学センサとを具備し、
前記回転切削工具をその中心軸線回りに複数の位相角度位置に位置決めし、前記光学センサによって測定された工具外径と、前記複数の位相角度位置の各々の位置とを対応付けて、最小二乗法により前記回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を演算するようにした工具測定装置。
回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を測定するための工具測定方法において、
（ａ）回転切削工具をその中心軸線回りに回転自在に支持する段階と、
（ｂ）前記回転切削工具を前記中心軸線回りの位相角度位置に位置決めする段階と、
（ｃ）前記複数の位相角度位置に位置決めされた回転切削工具の外径を測定する段階と、
（ｄ）前記段階（ｂ）および（ｃ）を所定回数繰り返す段階と、
（ｅ）前記位相角度位置の各々と、前記位相角度位置の各々における前記回転切削工具の外径とを対応付けて、最小二乗法により前記回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を演算する段階とを具備する工具測定方法。
（ｆ）前記回転切削工具を前記中心軸線に沿った１点に位置決めする段階と、
（ｇ）前記段階（ｂ）〜（ｅ）を実行する段階と、
（ｈ）前記回転切削工具を前記中心軸線に沿った他の１点に位置決めする段階と、
（ｉ）前記段階（ｂ）〜（ｅ）を実行する段階と、
（ｊ）前記中心軸線に沿った２点において、前記回転切削工具の最大外径を与える位相角度位置を演算し、両者の差分である位相角度差と、前記２点間の距離とに基づいて前記回転切削工具の切刃のねじれ角を演算する段階とを更に具備する請求項８に記載の工具測定方法。