JP2005342802A - 工具刃先測定装置および工具刃先測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定精度の良い工具測定方法を提供すること。
【解決手段】 ボールエンドミルＢを把持するエンドミルチャック１８と、ボールエンドミルＢをその軸周りに回転させる工具回転モータ１４と、前後方向に移動させる工具前後移動手段（ボールネジ、ボールスプライン、前後移動モータ２２）と、刃先に光線を照射し受光するＬＳ（照射器１１，受光器１２）と、工具回転手段（工具回転モータ１４，プーリ、タイミングベルト）、工具前後移動手段及びＬＳを操作することにより工具の刃先形状を決定する刃先形状決定手段（先端位置算出プログラム３３１，半径算出プログラム３３２，測定プログラム３３３）とを有し、ＬＳがボールエンドミルＢの軸心に直角な平面を側面視で傾斜させた平面に沿って複数の平行光線を照射するものであり、ボールエンドミルＢを前後方向に移動させて工具の刃先と平行光線が交差する位置を順次読み取ることにより、刃先形状を決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金型等の成形面を切削する工具の刃先を研削するために、該工具刃先の形状を測定する工具刃先測定装置および工具刃先測定方法に関し、特に、工具刃先測定装置への工具のセット時の誤差を補正して測定する工具刃先測定装置および工具刃先測定方法に関する。

プレス型等の金型の成形面を切削するための工具として、一端部が複数の刃先を備え半球形状のボールエンドミルが使われる。ボールエンドミルを長時間使用するとその刃先が摩耗し、切削精度に悪影響を与え、金型の精度を劣化させる。
そこで、一定時間経過毎にボールエンドミルの刃先を研磨することが行われていた。切削する金属の性質によっては、ボールエンドミルの摩耗が少なく、研磨する必要のない場合もある。しかし従来は、摩耗が許容限度内でも一律に研磨していたため、ボールエンドミルの寿命が不必要に短いものとなる問題があった。また、不必要な研磨が行われる問題があった。
その対策として近年は、工具の刃先を定期的に測定して摩耗量を把握し、摩耗量が許容限度を越えたもののみを研磨するようになってきた。手動測定装置は、特許文献１に記載されている。

上記測定に用いられる従来の自動測定装置は、特許文献は無いが、図９に示すように、ボールエンドミル１０１を、その軸を水平方向にして把持する工具把持チャック１０２を有し、工具把持チャック１０２を介して回転パルスモータ１０３によりボールエンドミル１０１を軸心を中心として回転させる。回転パルスモータ１０３、工具把持チャック１０２を含めた装置全体は、前後移動させる前後パルスモータ１０４とボールネジ１０５からなる工具前後移動手段により測定器に対して前後移動される。測定器は、ボールエンドミル１０１の軸と直交する方向にレーザ光線１０６を照射する。レーザ光線１０６を発生させる発生器１０７は、軸１０８を中心としてボールエンドミル１０１を中心として回転可能である。図示しないレーザ光回転モータが発生器１０７を軸１０８を中心として回転させる。

次に、上記構成を有する測定器の作用を説明する。
ボールエンドミル１０１のボール中心にレーザ光１０６を位置合わせする。次に、発生器１０１が回転され、ボールエンドミル１０１の外径の２点を検出し、位置を記憶する。次に、前後パルスモータ１０４で前後位置を移動し、上記と同じ検出を行う。これを繰り返すことにより、現在把持されている位置におけるボールエンドミル１０１の鉛直断面の形状を測定できる。
次に、ボールエンドミル１０１を回転パルスモータ１０３により、所定角度回転させ、上記の検出を繰り返す。
これにより、ボールエンドミル１０１の全体の外形の位置データを取得することができる。
実開平５−８８８５２号公報

ところが、従来の測定器は、３軸を制御することにより測定を行っているため、３軸の各々における累積誤差が大きくなり、測定精度が悪い問題があった。
また、工具把持チャックへボールエンドミルを取り付ける際に、ボールエンドミルの軸心の振れを補正する機能がないため、振れが発生しないように慎重に取り付けるために時間が掛かる問題があり、取り付け時の誤差、作業者の違いによる誤差が測定精度に大きく影響するという問題が生じていた。

そこで、本発明は、かかる課題を解決して、ボールエンドミルをチャックさせることが容易で、測定精度の良い工具測定装置及び工具測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の工具刃先測定装置及び工具刃先測定方法は、次のような構成を有している。
（１）工具刃先の形状を測定する測定装置であって、工具を把持する工具把持手段と、把持された工具をその軸周りに回転させる工具回転手段と、把持された工具を前後方向に移動させる工具前後移動手段と、把持された工具の刃先に光線を照射し受光する光線照射受光手段と、工具回転手段、工具前後移動手段及び光線照射受光手段を操作することにより工具の刃先形状を決定する刃先形状決定手段とを有する工具刃先測定装置において、光線照射受光手段が工具の軸心に直角な平面を側面視で傾斜させた平面に沿って複数の平行光線を照射するものであり、工具を前後方向に移動させて工具の刃先と前記平行光線が交差する位置を順次読み取ることにより、刃先形状を決定する。

（２）（１）に記載する工具刃先測定装置において、前記光線照射受光手段は、前記工具の軸心に対して側面視で角度３５度乃至４５度に固定されているとともに、前記平行光線は、高輝度ＬＥＤ光線またはレーザ光線であることを特徴とする。
（３）（１）に記載する工具刃先測定装置において、前記工具回転手段と前記工具前後移動手段をそれぞれ駆動する駆動源はザーボモータであり、前記工具前後移動手段による工具の移動量はマグネットスケールで測定することを特徴とする。

（４）工具刃先の形状を測定する測定方法であって、工具を把持する工具把持手段と、把持された工具をその軸周りに回転させる工具回転手段と、把持された工具を前後方向に移動させる工具前後移動手段と、把持された工具の刃先に光線を照射し受光する光線照射受光手段と、工具回転手段、工具前後移動手段及び光線照射受光手段を操作することにより工具の刃先形状を決定する刃先形状決定手段とを有する工具刃先測定装置を用いて工具刃先の形状を測定する測定方法において、光線照射受光手段が工具の軸心に垂直な平面を側面視で傾斜させた平面に沿って複数の平行光線を照射するものであり、工具を平行光線に向かって移動させる移動工程と、工具の刃先が平行光線を遮ったときの工具の移動量から工具の座標を仮に設定する座標設定工程と、前記座標に対して把持機構により把持された工具の傾きを割り出す座標変換工程と、刃先先端位置から工具を一定角度毎に回転させて刃先のピーク値を算出し表示する工程を有する。
（５）（４）に記載する工具刃先測定方法において、前記刃先のピーク値を算出し、表示する工程は、前記工具の刃の数だけ行うことを特徴とする。

上記構成を有する工具刃先測定装置の作用及び効果を説明する。
工具であるボールエンドミルを工具把持手段に把持させる。このとき、ボールエンドミルの軸心が工具把持手段に対して平行に取り付けられているか否かを時間をかけて神経質に調整する必要はない。ボールエンドミルを把持させた後、スタートスイッチを入れる。
光線照射受光手段が、工具の軸心に直角な平面を側面視で３５度〜４５度傾斜させた平面に沿って、複数のレーザ平行光線を照射している。工具前後移動装置が、ボールエンドミルを把持している工具把持手段を、照射されているレーザ平行光線の中にボールエンドミルの先端刃先部が入り切る位置まで、前後方向に低速で移動させる。
レーザ平行光線に相対する位置に設けられた光センサにより、ボールエンドミルの刃先とレーザ平行光線が交差する位置が順次検出され、座標データとして記憶される。次に、記憶した交差位置より、ボールエンドミルの外形形状の先端位置を算出する。次に、ボールエンドミルの直線部より、ボールエンドミルの傾きを算出する。次に、記憶している座標データを、算出した傾きにより座標変換して座標変換データとして記憶する。
次に、ボールエンドミルの中心位置を決定し、中心から中心角で１０度ずつずれた位置における座標データを順次算出する。次に、中心角が１０度ずつ変化したときの座標データから、ボールエンドミルの半径を算出する。これらの測定を複数ある刃毎に行う。
算出した半径をプリントアウトする。

本発明の工具刃先測定装置によれば、工具刃先の形状を測定する測定装置であって、前記工具を把持する工具把持手段と、把持された前記工具をその軸周りに回転させる工具回転手段と、把持された前記工具を前後方向に移動させる工具前後移動手段と、把持された前記工具の刃先に光線を照射し光線を光センサで受光する光線照射受光手段と、前記工具回転手段、前記工具前後移動手段及び前記光線照射受光手段を操作することにより前記工具の刃先形状を決定する刃先形状決定手段とを有する工具刃先測定装置において、前記光線照射受光手段が、前記工具の軸心に直角な平面を側面視で傾斜させた平面に沿って複数の平行光線を照射するものであり、前記工具を前後方向に移動させて、前記工具の刃先と前記平行光線が交差する位置を順次読み取ることにより、前記刃先形状を決定するので、１軸のみの制御で測定を行えるため、累積誤差が小さくなり、測定精度が良くなる。
また、工具把持チャックへボールエンドミルを取り付ける際に、ボールエンドミルの軸心の振れを補正する機能があるので、慎重に取り付ける必要が無く、時間がかからないという利点がある。

次に、本発明に係る工具刃先測定装置の一実施の形態について図面を参照して説明する。 図１は、工具刃先測定装置の側面図であり、図２は、図１の平面図である。
基盤１９には、一対のガイドレール２０が固設されている。ガイドレール２０に沿って移動可能に、移動台２１が取り付けられている。基盤１９には、図示しないボールネジが回転可能に保持され、ボールネジの端部には、図３に示す前後移動モータ２２が接続している。ボールネジには、移動台２２に付設されたボールスプラインが螺合しており、前後移動モータ２２によるボールネジの回転により移動台２１がボールスプラインを介して力を受けて、ガイドレール２０に沿って前後（図中は、左右）方向に移動する。移動台２１の前後方向の位置は、ガイドレール２０と平行に配設された図示しないマグネスケールにより、計測される。
移動台２１には、工具把持手段であるエンドミルチャック１８が付設されている。エンドミルチャック１８は、ボールエンドミルＢを把持する。移動台２１には、把持しているボールエンドミルＢを回転させるための工具回転モータ１４が付設されている。工具回転モータ１４には、プーリ１５が取り付けられており、エンドミルチャック１８と接続するプーリ１６と図示しないタイミングベルトにより連結されており、動力が伝達される。

基盤１９のガイドレール２０の左側には、把持されたボールエンドミルＢの刃先に光線を照射し光線を光センサで受光する光線照射受光手段である照射器１１、受光器１２とが固設されている。照射器１１及び受光器１２は、図１に示すように、ボールエンドミルＢの軸心に直角な平面を４５度傾斜させた測定平面に平行に直線上に配置され取り付けられており、その測定平面に沿って複数の平行光線を照射し、受光する
ボールエンドミルＢは、移動台２１がガイドレール２０に沿って移動されることにより、照射器１１及び受光器１２の測定部に進入する。

次に、本発明に係る工具刃先測定装置の制御装置について説明する。図３に本発明に係る工具刃先測定装置の制御装置の構成を示す。
制御装置３０には、ＣＰＵ３１、ＲＡＭ３２、ＲＯＭ３３が内蔵されている。ＲＯＭ３３には、エンドミルの先端位置を算出し、仮想中心を決定するための先端位置算出プログラム３３１、仮想中心に基づいてエンドミルの半径を算出するための半径算出プログラム３３２、測定を行うために、工具回転手段、工具前後移動手段を制御するための測定プログラム３３３が記憶されている。
次に、測定プログラム３３３、先端位置検出プログラム３３１、及び半径算出プログラム３３２の具体的な手順について説明する。

１． ツールを高速で光軸内へ進入させる。エンドミル先端の半球形状を確認する。
２． 大体の先端位置をつかむ。
１及び２の作業は、概略の位置を測定しておいて、その位置近傍において精密に測定することにより、全体の測定時間を短縮するためである。
３． いったん戻してから、先端位置の近傍を低速で通過させる。このときのＬＳ（照射器１１及び受光器１２を組み合わせた光線照射受光測定器を「ＬＳ」と呼ぶ。）のデータはピーク値ではなく、生データをデータ点数を多くして取り込む。
４． 次に、直線位置まで高速で移動し、直線部分のデータを中速で取る。このときのＬＳのデータはピーク値ではなく、生データをデータ点数を多くして取り込む。

５． 先端位置を算出する。
以下に示すａからｌの工程により、ボールエンドミルＢの先端位置を算出する。図４に、ａ〜ｄの作業を図面として示す。
ａ．ＬＳ、マグネスケールのゼロ点を仮想座標系の原点座標（ｘ，ｙ）＝（０，０）と
する。
ｂ．ＬＳの読み値をａ（ｎ）とする。ｎは、データ点数である。
ｃ．上記３の工程で取り込んだデータを処理する。１回の送りをｄ（ｎ）とする。１デ
ータを読み込んだときの移動量であり、マグネスケールで測定された値である。
ｄ．このとき、ボールエンドミルＢの刃先外径線のｘ，ｙ座標は、
（ｘ，ｙ）＝
（（ー１）＊ａ（ｎ）ｃｏｓθ＋（−１）＊Σｄ（ｎ−１），（−１）＊ａ（ｎ）ｓｉｎθ）
で表される。θは、ＬＳの取付角度であり、本実施例では４５度である。
なお、Σｄ（ｎ−１）は、計測点におけるマグネスケールの値でも構わない。（−１）
を乗算しているのは、ＬＳ及びマグネスケールのデータが負のため、全て反転させて
いるからである。

図５に、ｅ〜ｌの作業を図面として示す。
ｅ．直線部分もｄと同様に座標変換する。
ｆ．直線部分で１次近似をさせる。ｙ＝αｘ＋β
ｇ．Θ＝ａｔａｎα でボールエンドミルＢのエンドミルチャック１８中心に対する傾
きを求める。
ｈ．ボールエンドミルＢの傾きに合わせて座標変換する。新座標をＸ，Ｙと表すと、
Ｘ＝ｘｃｏｓΘ＋ｙｓｉｎΘ Ｙ＝ｙｃｏｓΘ−ｘｓｉｎΘ
ｉ．この結果から先端座標Ｘ０を割り出す。すなわち、先端座標は、Ｘ＝０に最も近い
Ｘの値を求め、先端座標とする。

ｊ．先端座標のＹは、以下のように算出する。
先ず、ｈ．で座標変換した値を平均化して、Ｙａｖｅとする。
次に、ボールエンドミルＢの直線部分を構成しているシャンクの半径Ｒ（設計値）を
引き、先端座標Ｙとする。これは、ボールエンドミルＢの中心座標ＲＹと同じになる。
ｋ．マグネスケールの先端座標を求めるときは、旧座標系に返還する必要がある。ここ
では、座標変換 ｘ＝ＸｃｏｓΘ−ＹｓｉｎΘを行う。その後、ＬＳの取付角度分の
補正を行う。
これは、先端座標のマグネスケール位置＝ｘ−ＲＹｔａｎ（９０−θ） となる。
ｌ． 先端座標（新座標系）からシャンクの半径Ｒだけ奥に入ったところがボールエン
ドミルＢの中心（ＲＸ，ＲＹ）になる。
新座標系で考えると、
ＲＸ＝先端座標Ｘ＋シャンク半径Ｒ ＲＹ＝Ｙａｖｅ−シャンク半径Ｒ
上記５のａ〜ｌが先端位値算出プログラム３３２を構成している。

６． ＬＳのモードをピークホールドモードに変換する。このとき２３２Ｃにてデータを収 集する。
７． ツール先端から角度で１０度毎の刃の頂点を出す。
ａ．先端位置（旧座標系）から１０度（刃の角度１０度のマグネスケール座標位置）入
ったところで直動サーボを停める。
ｂ．１番目の刃のある２度ほど手前で回転サーボを停める。ＬＳにリセット（ホールド
解除）信号を入れる。その後回転サーボをー１０度・＋３５度回転させ、ピーク値を
取る。（ＬＳにデータを要求し、返信をもらう。このとき、ピークホールドモードにな
っているため、刃のピーク値が返ってくる。）

ｃ．先端位置検出で使った式に代入し、新座標系に変換する。（Ｘ１，Ｙ１）とする。
ｄ．この際、各回転角毎に直線部分での補正が必要になる。これは、ツール中心と回転
中心が一致していないためであり、メカ的な誤差を補正する意味を持つ。
ｅ．ｒ２＝（ＲＸ−Ｘ１）２＋（ＲＹーＹ１）２ からｒを求める。
ｒは工具中心からの距離になる。
ｆ．２枚刃の場合、１８０度回転させて、以上と同様に７ｂからを繰り返し測定する。
ｇ．２０度の位置に直動サーボを動かし、７ａから繰り返す。続いて１０度毎に値を取
る。
上記７のａ〜ｇが半径算出プログラム３３２を構成している。
８． エンドミル中心からの距離をプロットし、プリントアウトする。
上記１〜４、６、８が測定プログラム３３３を構成している。

図６に、２枚刃の測定結果を示す。図７に、３枚刃の測定結果を示す。図８に、４枚刃の測定結果を示す。
図６において、（ａ）は、第１刃及び第２刃の各々について、１０度毎の半径を測定した値を示している。誤差は、設計値であるシャンク半径Ｒに対する測定値の誤差を示している。（ｂ）は、測定値を図示したものである。上側９０度が第１刃のデータであり、下側９０度が第２刃のデータを図示したものである。
図７において、（ａ）は、第１刃、第２刃、及び第３刃の各々について、１０度毎の半径を測定した値を示している。誤差は、設計値であるシャンク半径Ｒに対する測定値の誤差を示している。（ｂ）は、測定値を図示したものである。各々の図が、第１刃のデータ、第２刃のデータ、第３刃のデータを図示したものである。
図８において、（ａ）は、第１刃、第２刃、第３刃、及び第４刃の各々について、１０度毎の半径を測定した値を示している。誤差は、設計値であるシャンク半径Ｒに対する測定値の誤差を示している。（ｂ）は、測定値を図示したものである。上の図の上側９０度が第１刃のデータであり、下側９０度が第２刃のデータを図示したものである。下の図の上側９０度が第３刃のデータであり、下側９０度が第４刃のデータを図示したものである。

以上詳細に説明したように、本実施例の工具刃先測定装置によれば、工具刃先の形状を測定する測定装置であって、ボールエンドミルＢを把持するエンドミルチャック１８と、把持されたボールエンドミルＢをその軸周りに回転させる工具回転手段（工具回転モータ１４）と、把持されたボールエンドミルを前後方向に移動させる工具前後移動手段（ボールネジ、ボールスプライン、前後移動モータ２２）と、把持されたボールエンドミルＢの刃先に光線を照射し受光するＬＳ（照射器１１，受光器１２）と、工具回転手段（工具回転モータ１４，プーリ、タイミングベルト）、工具前後移動手段及びＬＳを操作することにより工具の刃先形状を決定する刃先形状決定手段（先端位置算出プログラム３３１，半径算出プログラム３３２，測定プログラム３３３）とを有する工具刃先測定装置であって、ＬＳがボールエンドミルＢの軸心に直角な平面を側面視で傾斜させた平面に沿って複数の平行光線を照射するものであり、ボールエンドミルＢを前後方向に移動させて工具の刃先と前記平行光線が交差する位置を順次読み取ることにより、刃先形状を決定するので、従来の測定装置と比較して、レーザ照射器・受光器を回転させる必要がないため、測定精度を向上させることができる。そして、測定精度を向上させることにより、不必要な研削を行う必要が無くなるため、ボールエンドミルＢの寿命を向上させることができる。
また、ボールエンドミルＢをエンドミルチャック１８に傾けて取り付けた場合でも、その傾きが補正されるため、作業者は、時間をかけてボールエンドミルＢを取り付ける必要がないため、作業効率が向上する。

また、ＬＳは、ボールエンドミルＢの軸心に対して側面視で角度３５度乃至４５度に固定されているとともに、平行光線は、高輝度ＬＥＤ光線またはレーザ光線であるので、外部光源による外乱の影響を受けることが少なく、測定精度を向上させることができる。
また、工具回転手段と工具前後移動手段をそれぞれ駆動する駆動源はザーボモータであり、工具前後移動手段による工具の移動量はマグネットスケールで測定しているので、測定精度をより向上させることができる。

なお、本発明は前記実施の形態のものに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施の形態では、ボールエンドミルＢの下側部分を測定しているが、ＬＳの取付を変更して、ボールエンドミルＢの上側部分を測定しても良い。

本発明に係る工具刃先測定装置によれば、工具の刃先を精度良く測定できるため、工具寿命を向上させ、コストダウンを実現することが可能となった。

本発明の一実施例に係る工具刃先測定装置の構成を示す正面図である。 図１の平面図である。 工具刃先測定装置の制御装置の構成を示すブロック図である。 測定の工程を示す第１説明図である。 測定の工程を示す第２説明図である。 ２枚刃のボールエンドミルの刃先半径の測定結果を示す図である。 ３枚刃のボールエンドミルの刃先半径の測定結果を示す図である。 ４枚刃のボールエンドミルの刃先半径の測定結果を示す図である。 従来の工具刃先測定装置の構成を示す正面図である。

符号の説明

Ｂ ボールエンドミル
１１ 照射器
１２ 受光器
１４ 工具回転モータ
２２ 前後移動モータ
３３１ 先端位置算出プログラム
３３２ 半径算出プログラム
３３３ 測定プログラム

Claims (5)

1. 工具刃先の形状を測定する測定装置であって、前記工具を把持する工具把持手段と、把持された前記工具をその軸周りに回転させる工具回転手段と、把持された前記工具を前後方向に移動させる工具前後移動手段と、把持された前記工具の刃先に光線を照射し光線を光センサで受光する光線照射受光手段と、前記工具回転手段、前記工具前後移動手段及び前記光線照射受光手段を操作することにより前記工具の刃先形状を決定する刃先形状決定手段とを有する工具刃先測定装置において、
   前記光線照射受光手段が、前記工具の軸心に垂直な平面を側面視で傾斜させた平面に沿って複数の平行光線を照射するものであり、
   前記工具を前後方向に移動させて、前記工具の刃先と前記平行光線が交差する位置を順次読み取ることにより、前記刃先形状を決定することを特徴とする工具刃先測定装置。
2. 請求項１に記載する工具刃先測定装置において、
   前記光線照射受光手段は、前記工具の軸心に対して側面視で角度３５度乃至４５度に固定されているとともに、
   前記平行光線は、高輝度ＬＥＤ光線またはレーザ光線であることを特徴とする工具刃先測定装置。
3. 請求項１に記載する工具刃先測定装置において、
   前記工具回転手段と前記工具前後移動手段をそれぞれ駆動する駆動源はサーボモータであり、前記工具前後移動手段による工具の移動量はマグネットスケールで測定することを特徴とする工具刃先測定装置。
4. 工具刃先の形状を測定する測定方法であって、前記工具を把持する工具把持手段と、把持された前記工具をその軸周りに回転させる工具回転手段と、把持された前記工具を前後方向に移動させる工具前後移動手段と、把持された前記工具の刃先に光線を照射し光線を受光する光線照射受光手段と、前記工具回転手段、前記工具前後移動手段及び前記光線照射受光手段を操作することにより前記工具の刃先形状を決定する刃先形状決定手段とを有する工具刃先測定装置を用いて工具刃先の形状を測定する測定方法において、
   前記光線照射受光手段が、前記工具の軸心に垂直な平面を側面視で傾斜させた平面に沿って複数の平行光線を照射するものであり、
   前記工具を前記平行光線に向かって移動させる移動工程と、
   前記工具の刃先が前記平行光線を遮ったときの前記工具の移動量から、前記工具の座標を仮に設定する座標設定工程と、
   前記座標に対して、把持機構により把持された前記工具の傾きを割り出す座標変換工程と、
   前記刃先先端位置から、前記工具を一定角度毎に回転させて前記刃先のピーク値を算出し、表示する工程を設けた工具刃先測定方法。
5. 請求項４に記載する工具刃先測定方法において、
   前記刃先のピーク値を算出し、表示する工程は、前記工具の刃の数だけ行うことを特徴とする工具刃先測定方法。

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