JP2005131786A - Ｎｃ工作機械マシニングセンタによるｘｙ軸平面の寸法計測図面照合測定方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 中小企業では、ＮＣ工作機械マシニングセンタと同程度に高額な三次元測定機を導入することは難しく、加工現場での計測ができずに不良になるケ−スが多発している。そこで加工部品の加工不良を低減するため、各穴、端面寸法をマシニングセンタを用いて加工工作図面と照合できる測定方法を提供する。
【解決手段】 マシニングセンタのワ−クタッチセンサ−３５を用いてマクロプログラムで各穴、端面に移動し接触させマシニングセンタのＮＣ内部に記憶して演算処理し、加工工作図面と照合できるデ−タ計測結果を求め、マシニングセンタのモニタ−に表示する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、ＮＣ工作機械マシニングセンタのワ−クタッチセンサ−を用いて、製品や加工部品などの寸法を工作機械上で計測する方法であり、その手段として一般に市販されているＮＣ工作機械マシニングセンタにオプションとして、ワ−クタッチセンサ−、スキップ機能Ｇ３１、カスタムマクロを用いるものである。

金属加工業では、計測において三次元測定機を用いるのが一般的である。その三次元測定機とはＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなりワ−クタッチセンサ−を接触させて位置情報を得て後出の加工工作図面と照合できる測定機のことである。そこで加工工作図面との照合方法を説明する。図５、図６、図７、図８は各図共に同一マシニングセンタのテ−ブル４上に置いた同一加工部品５である。一般的に三次元測定機でも加工部品５に穿孔加工された幾つかの穴中心と他の穴中心の距離を計測すると図５に表わすように、Ｘ軸２４、Ｙ軸２５からなる加工部品５は、三次元測定機テ−ブル上でも図５の穴６の中心５３と図６の穴７の中心２３は６図に示すＸ軸値３２、Ｙ軸値３３のように寸法が出現する。

そこで作業者が一番確認したい加工部品寸法は加工工作図面寸法で示すと図９のＸ軸値４８なので三次元測定機の中ではプログラムにより図７のＸ軸値３２、Ｙ軸値３３から計算して図８のＸ軸値４０を求めるのである。これによって作業者が加工部品寸法と加工工作図面寸法とを照合しているのである。

ところが中小企業では、マシニングセンタと同程度に高額な三次元測定機を導入することは難しい為、加工現場での計測ができずに不良になるケ−スが多発している。そこで、ＮＣ工作機械マシニングセンタの有効的活用が求められているのが現状である。ここで現状について説明しよう。
マシニングセンタとは工具を自動的に交換してフライス加工、ドリル加工、中ぐり加工や、これから加工する加工部品の位置計測ができる数値制御工作機械のことである。それにはマシニングセンタにおける計測の付加オプション（特別仕様）があり、これが必要になる。

その代表的オプションについて説明する。先ずワ−クタッチセンサ−はワ−クタッチセンサ−を表わした図４の３５であり、マシニングセンタの主軸４１に取付けＮＣプログラムの命令により接触してスキップ信号を出力する工具である。尚ワ−クタッチセンサ−３５の先端にはタッチプロ−ブ（測定子）３有している。この時、マシニングセンタの主軸４１に取り付けられた、ワ−クタッチセンサ−３５のタッチプロ−ブ３の先端球中心３４と図１、図２、図４主軸回転中心５７との間にいくらかの芯ずれ量、Ｘ軸値量３０、Ｙ軸値量３１がありデ−タミング（下記 実施例１にて説明する。）作業が必ず必要となる。

スキップ機能Ｇ３１：スキップ機能Ｇ３１とは、マシニングセンタのＮＣプログラムの命令の一つでＧ３１の指令の途中にタッチセンサ−３５よりスキップ信号（ＮＣに用いる用語で、ワ−クタッチセンサ−３５のタッチプロ−ブ３が加工部品５と接触して得られる電気信号）が入力されるとＧ３１の指令の残りを中止して次のブロックを実行するＮＣ機能のことである。

更にカスタムマクロ：カスタムマクロとは、マシニングセンタのＮＣ機能で位置情報，演算処理、変数の引用、定義分、命令文、変数の表示、インタ−フェ−ス信号の入出力などを行なうシステムのことである。

またマクロプログラムとは通常の加工プログラムがコ−ドや移動量を直接入力するのに対してマクロプログラムはコ−ドや移動量を直接入力するほかに変数の番号を指定しておき、変数の引用、定義分、命令文、変数の表示など前記のカスタムマクロをもとに用いる汎用プログラムである。一般に工具交換、計測など工作機械メ−カ−が作成して幅広く用いられている。

そこで、マシニングセンタの有効的活用の実例を求めて加工工作図面と照合できるＮＣプログラムとその測定方法がないかと数社のマシニングセンタを調べたが、加工部品を加工する為の位置計測ＮＣプログラムしか見つからなかった。
しかし、これに近いもとして図８の工作機械Ｘ軸２４と加工部品Ｘ′軸４５との傾き２２を求め、マシニングセンタのＸ軸２４を加工部品Ｘ′軸４５に座標を回転させて加工する方法やプラスチック成型品を製造に用いる金型の一部分の形状計測に用いる特殊計測方法があるが、これは広く一般的に用いられている。
また加工部品の一部分の微細複雑形状計測に用いる特殊なものもある。これはこれで非常に有効であるが加工部品全体の把握ができないのが欠点である。（例えば、特許文献１参照。）。その他にワ−クの形状寸法の測定を工作機械の主軸の装着した偏心、偏差を包含した測定ヘッドの測定子を用いて高精度に行なえるようにしたものをあるが、いずれも加工部品全体の寸法の把握ができないのが欠点である。（例えば、特許文献２参照。）。
特開平９−９７１６５（第５−１４項 第８図） 特開平９−２５２２４３（第６−１４項 第８図）

このマクロプログラムの製作には、高校程度の数学の理解と実際に必要とする数式を導けるかなりの知識を要し又、パソコンの基本ソフトＢＡＳＩＣに極めて近く、おそらく推測であるがＮＣ工作機械用に開発されたＢＡＳＩＣ（現在のパソコンではＷｉｎｄｏｗｓ２０００，ＸＰ等一般的には目に触れなくなった。）の理解が必要になり一般作業者の製作は極めて難しい。

中小企業では、マシニングセンタと同額程度で高額の三次元測定機を購入することが難しい為、加工現場での計測ができなく不良になるケ−スが多発している。これにより不良金額もかなりのものとなり、中小企業経営を圧迫する要因のひとつとなっている。また親企業に頼むと待たされたり、加工部品の移動や往復の道程など時間の無駄が多い。受注企業は発注企業に計測デ−タを要求されても添付できないので、営業努力の末せっかくの受注に漕ぎ着けながら断念しなければならない等、悔しい思いもあり是非これらのことを解決したい。

課題を解決する為の手段

マシニングセンタのＸＹＺ機械軸を移動させるプログラムとマシニングセンタのワ−クタッチセンサ−３５を用いる。図１０のＳ１をシステム１とし、プログラムによってワ−クタッチセンサ−３５のタッチプロ−ブ３を計測する箇所に接触させ、ＮＣ装置（工作機械に用いられるコンピュ−タ−）のマクロプログラム（マクロプログラムもすべてＮＣプログラムであり、ＮＣ言語によって作成されたプログラム）によりタッチプロ−ブ３を加工部品へ向け移動させスキップ信号を出力させる。
図１０のシステム２（Ｓ２）その各点デ−タをＮＣ機能のカスタムマクロ変数に記憶させる。接触させて得たスキップ信号は位置デ−タとしてカスタムマクロにて読み取り、マクロ変数に記憶させる。

図１０のシステム３（Ｓ３）、ここで一番重要なことは機械Ｘ軸２４と加工部品Ｘ′軸４５又は機械Ｙ軸２５と加工部品Ｙ′軸５９の傾きを求めることである。記憶されたカスタムマクロ変数から、図６のＸ軸値３２、Ｙ軸値３３を次の式

数１

［ＡＴＡＮ［Ｙ３３／Ｘ３２］］
にて計算させ、これによりマシニングセンタのＸ軸２４と加工部品Ｘ′軸４５との傾きを求める。これがマクロプログラムの中で頻繁に使用されるのである。
図１０のシステム４（Ｓ４）の後、寸法計測マクロプログラムに演算処理させ三次元測定機と同程度の加工図面と照合できるデ−タ計測結果を求める。図１０のシステム５（Ｓ５）、プログラムにより図６のＸ軸値３２、Ｙ軸値３３から計算して求めた加工部品寸法４０をＮＣマクロ変数表示モニタ−に表示する。

発明の効果

現場ですみやかに測定が可能となり加工部品と加工工作図面との照合が容易にできるため、より良い製品ができ不良が激減する。信頼性の高い加工部品を製作できることで、受注拡大に寄与することができる。

マシニングセンタと同程度に高額の三次元測定機等の多額の設備投資の必要がなくなり中小企業経営を圧迫しない。受注企業は発注企業が求める計測デ−タを添付できる。

本発明の特徴としてマシニングセンタが加工工作機械である為、衝突によるマシニングセンタの破壊を防ぐ為ワ−ク座標系の設定、変更、手動入力はいっさい行なわない。本計測マクロプログラムは、一般の作業者はマクロプログラム製作や理解が極めて難しい現状を考慮し、極限までマクロプログラムの設定作業を減らし最低限にしている。

発明を実施する為の最良の形態

以下、図面により本発明の最良の形態を詳述する。図４はマシニングセンタの主軸４１にワ−クタッチセンサ−３５を装着したときタッチプロ−ブ３を側面から見た側面図である。図１は図４に示した本発明の実施の形態であるマシニングセンタの主軸４１にワ−クタッチセンサ−３５を装着したときタッチプロ−ブ３を主軸４１側上面から見た平面図である。これらの図の中のタッチプロ−ブ３の主軸回転中心５７に対する芯ずれのＸ軸値量３０、Ｙ軸値量３１は極端に過大に表現してある。

この時、主軸回転中心５７とタッチプロ−ブ３の振れＸ軸値量３０、Ｙ軸値量３１をできる限り調整してゼロに近づけておく。調整しきれない振れ量をデ−タミング（下記 実施例１にて説明する。）して測定し補正値としてＮＣ制御装置の中のカスタムマクロに記憶させる。尚このときタッチプロ−ブ３は鉄球製品であると磁気を帯びる為、鉄製品等の計測の接触のとき吸いつかれやすく正確な計測に向かない為、磁気を帯びないルビ−製等が望ましい。又デ−タミング作業を行なう場合 図１、図２のマシニングセンタのテ−ブルをよく掃除した上にリングゲ−ジ１を置きずれ防止の為、必ず固定することが必要である。

図５、図６、図７、図８は各図共に同一マシニングセンタのテ−ブル４上に置いた加工部品５を表わす。これも説明の為傾きを極端に過大に表現してありマシニングセンタ主軸中心４１側、上面から見た平面図である。この時、図５、図６、図７に穿孔加工させた穴６、穴７、穴８の計測は計測時のとき計測誤差をできる限り少なくする為目見当でよいがタッチプロ−ブ３をなるべく中心に手動にて移動させマクロプログラムをスタ−トさせる。

それは、接触を穴中心から平均値化することにより計測誤差をできる限り少なくするためである。尚、精密計測においては１度目の計測後タッチプロ−ブ３はマクロプログラムにより計測値の加工部品穴中心に移動させる為、２度行なうことが望ましい。又、計測作業を行なう場合同様に図５、図６、図７、図８のマシニングセンタのテ−ブル４をよく掃除した上に加工部品５を置きずれ防止の為、重量加工部品はよいが軽量加工部品は必ず固定することが望ましい。

図７では端面の計測について説明する。タッチプロ−ブ３が端面に接触するとき、なるべく直角に接触することが望ましい。これは直角に接触するとどちらか左右への逃げが少ないのに比べ、直角に接触しない場合どちらか左右へ大きく逃げたがる為正確な計測ができない。傾きがすでに計測されている場合はマクロプログラムにて直角に接触するようになるが、そうでない場合もあり加工部品５は目見当でよいがマシニングセンタＸ軸２４又はＹ軸２５に平行になるように置くことが望ましい。

以下に、この発明の実施例１を図面に基づいて説明する。図１、図２は、マシニングセンタのテ−ブル４上に置いたリングゲ−ジ１（硬質金属でできた真円に近く内径が正確に把握されている基準工具）を示す。本発明を行なうにはデ−タミングという作業が必ず必要になるから、その作業に用いるものである。

ここで、デ−タミングについて説明する。この時まず、ダイヤルゲ−ジを用いて主軸回転中心５７とリングゲ−ジ１中心２９とを一致させる。図４のマシニングセンタの主軸４１にワ−クタッチセンサ−３５を装着したとき、図４では主軸回転中心５７とタッチプロ−ブ３先端球中心３４とではＸ軸値３０、Ｙ軸値３１のようにいくらかのずれを生ずる。これらの誤差量を求めるのがデ−タミングである。これは、以後の計測デ−タ誤差補正に使用するので、図１、図に示したリングゲ−ジ１を用いて慎重に行うことが肝要である。

このデ−タはＮＣマクロ変数に記憶される。このデ−タミング作業はＮＣ工作機械メ−カ−のマクロプログラムでも本発明を使用する為に製作したマクロプログラムでも構わない。本発明ではＮＣ工作機械メ−カ−が、一般的に図１のデ−タミングが多いなか図３の加工部品４９のような半分しかない加工部品４９もある為タッチプロ−ブ３を図２の２のような方向で、デ−タミングをすることも可能である。

実施例２として図５、図６、図７は、マシニングセンタのテ−ブル４上に置いた、加工部品５を示す。先ず「Ａ」として図５、手動にてワ−クタッチセンサ−のタッチプロ−ブ３を、加工部品５の穴６のほぼ中心位置、加工部品上面約１０ｍｍに移動する。次に「Ｂ」として加工部品５の穴６の内周面上５にタッチプロ−ブ３を、マクロプログラムにて内周面上の均等間隔位置である３箇所に接触させる（Ｓ１）。

３箇所の接触デ−タはマクロプログラムによりＮＣ機能のカスタムマクロ変数に記憶させる（Ｓ２）。マクロ変数に記憶されたデ−タをもとにマクロプログラムにより、図５のマシニングセンタの機械原点９から穴６の中心位置５３間の距離Ｘ軸値１０、Ｙ軸値１１の寸法と直径５０をマクロプログラムにより計算して求め、ＮＣ機能のマクロ変数に記憶させ（Ｓ２）ＮＣマクロ変数モニタ−に表示する。

図６では穴７に「Ａ」動作、「Ｂ」動作を同じように行なう。マクロプログラムによってマシニングセンタの機械原点９から穴７の中心位置２３の距離Ｘ軸値１２、Ｙ軸値１３と直径５１を求める。この時、読み取られたデ−タは全てがマシニングセンタの機械原点９からの距離になりマクロプログラムにより穴６の中心５３、穴７の中心２３、Ｘ軸値３２、Ｙ軸値３３を計算して寸法を求める。

これにより、マシニングセンタのＸ軸２４と加工部品Ｘ′軸４５との傾き２２を、数１の式により計算し求め、ＮＣマクロ機能のカスタムマクロ変数に記憶させ（Ｓ２）モニタ−に表示する。マクロプログラムの設定により加工部品原点を、図５穴６の中心５３と図６穴７の中心２３との中間点５８に設定するか図５穴６の中心５３か図６穴７の中心２３かに設定する。本例では図６穴７の中心２３に加工部品原点２３を設定する。この後、マクロプログラムにより図６のＸ軸値３２、Ｙ軸値３３から図８のＸ軸値４０を求める。これによって作業者が加工工作図面である図９のＸ軸値４８と加工部品である図８のＸ軸値４０とが照合できるのである。尚この時、図８のＸ軸値４０と穴６の中心５３と穴７の中心２３の寸法６０は同じ寸法になる。

図７では穴８を「Ａ動作」，「Ｂ動作」を同じように行なう。この時、読み取られたデ−タは全てがマシニングセンタの機械原点９からの距離になりマシニングセンタの機械原点９から穴８の中心位置の距離Ｘ軸値１４、Ｙ軸値１５と直径５２を求め（Ｓ１）ＮＣマクロ機能のカスタムマクロ変数に記憶され（Ｓ２）ＮＣマクロ変数表示モニタ−に表示する。

図８では穴８を加工工作図面との照合ができるようにする為、まず加工部品原点２３から穴８中心５６のＸ軸値１６、Ｙ軸値１７を求める。求められた穴８中心５６のＸ軸値１６、Ｙ軸値１７にマクロプログラムにより傾いた加工部品Ｘ′軸４５をマシニングセンタのＸ軸２４に平行になるよう回転させ図８（２８はあくまでも想像図である。加工部品を実際に回転させているわけではない。）の穴２１のＸ軸値１９、Ｙ軸値２０寸法を求め（Ｓ４）ＮＣマクロ機能のカスタムマクロ変数に記憶され加工工作図面、図９との照合ができるように、穴２１中心１８のＸ軸値１９、Ｙ軸値２０寸法と直径５２を求めＮＣマクロ変数モニタ−に表示する（Ｓ５）。
これによって作業者が加工部品と加工工作図面、図９のＸ軸値４１、Ｙ軸値４２と図８のＸ軸値１９、Ｙ軸値２０とが照合できるのである。図５、図６、図７の加工した穴の内径５０、５１、５２は傾きによる影響を受けない為再度の計算は行なわなず加工工作図面、図９の各穴の寸法６１、４６、４７と照合する。

では次に端面の計測に移る。ワ−クタッチセンサ−を図７の４３の位置にて「Ａ動作」、「Ｂ動作」を同じように行なうがＸ軸方向計測の為マクロプログラムにより１カ所接触させる。移動し接触させた図７Ｘ軸値３６、Ｙ軸値３７の位置デ−タを読み取る。この時、読み取られたデ−タはやはり全てがマシニングセンタの機械原点９からの距離になりマクロプログラムにより加工部品原点２３から端面の距離Ｘ軸値２６、Ｙ軸値２７を求めＮＣマクロ機能のマクロ変数モニタ−に表示する。この後、確認したい寸法デ−タは図８のＸ軸値３８、Ｙ軸値３９なのでマクロプログラムにより寸法計算して求めＮＣマクロ変数モニタ−に表示する。これによって作業者が加工工作図面、図９のＸ軸値４４、Ｙ軸値４５と加工部品、図８のＸ軸値３８、Ｙ軸値３９とが照合できるのである。

マシニングセンタのテ−ブル上にリングゲ−ジを置いた状態でデ−タミング移動の状態を示す平面図である。（実施例１） 図１と同様で図３に示した半分形状の加工部品の場合とした平面図である。（実施例１） マシニングセンタのテ−ブル上に置いた半分形状の加工部品の計測移動の状態を示す平面図である。（実施例１） マシニングセンタのタッチセンサ−を側面から見た説明図である。 マシニングセンタのテ−ブル上に置いた加工部品の計測移動の状態を示す平面図である。（実施例２） マシニングセンタのテ−ブル上に置いた加工部品の計測移動の状態を示す平平面図である。（実施例２） マシニングセンタのテ−ブル上に置いた加工部品の計測移動の状態を示す平平面図である。（実施例２、３、４） 加工部品Ｘ′軸をマシニングセンタＸ軸まで回転させた回転状態を示す想像平面図である。（実施例３、４） 加工工作図面である。 本発明の基本処理を表わすフロ−チャ−ト図である。

符号の説明

２ タッチプロ−ブの移動の状態を示す矢印
３ タッチプロ−ブ
５ 加工され計測する加工部品
９ ＮＣ工作機械マシニングセンタの機械原点
１８ 加工部品Ｘ′軸を機械Ｘ軸まで想像上回転させた穴の中心位置
２１ 加工部品Ｘ′軸を機械Ｘ軸まで想像上回転させた穴
２２ マシニングセンタのＸ軸と加工部品Ｘ′軸との傾き
２４ マシニングセンタの機械Ｘ軸方向
２５ マシニングセンタの機械Ｙ軸方向
２８ 加工部品をマシニングセンタのＸ軸に想像上回転させた図
３５ ワ−クタッチセンサ−
４５ 加工部品のＸ′軸方向
５９ 加工部品のＹ′軸方向

Claims (1)

1. ＮＣ工作機械マシニングセンタのテ−ブル（４）上に置いた加工部品（５）に、上記マシニングセンタの主軸（４１）に取り付けたワ−クタッチセンサ−（３５）のタッチプロ−ブ（３）をマクロプログラムにより、Ｘ軸（２４）方向、Ｙ軸（２５）方向へ又はＸＹ同時２軸で移動させその各検出位置をＮＣ装置のなかのカスタムマクロ変数に一時記憶させ、記憶させたカスタムマクロ変数をマクロプログラムにより加工部品（５）をマシニングセンタ機械Ｘ軸（２４）に加工部品Ｘ′軸（４５）又は マシニングセンタ機械Ｙ軸（２５）に加工部品Ｙ′軸（５９）を想像上一致するように回転させ、ＸＹ軸平面の各寸法を工作加工図面と照合することが出来る寸法を求めマシニングセンタのマクロ変数表示モニタ−に表示することを特徴としたＮＣ工作機械マシニングセンタによるＸＹ軸平面の寸法計測図面照合測定方法。

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