JP2006021277A - 工具芯出し方法および工具測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 機上に設置している形状測定器を利用し、自由曲面形状のワークの中心に対して工具の中心を一致させる芯出しを簡易にしかも正確にできるようにする。
【解決手段】 ダミーワーク５０にあらかじめ仮加工原点を設定し、ダミーワーク５０に測定用加工面６０を工具の円弧補間送りにより加工し、形状測定器のプローブ３４で走査し測定用加工面６０の曲面の頂点Ａを検出し、加工対象のワークＷの形状を形状測定器のプローブ３４で走査し、その加工曲面の頂点Ｂを検出し、測定用加工面の頂点Ａとワークの加工曲面の頂点Ｂとのオフセット量を算出し、仮加工原点に工具がある位置から前記オフセット量分だけ工具を移動する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、工具測定方法および工具芯出しに係り、特に、機上形状測定器を備えた工作機械での工具芯出し方法および工具測定方法に関する。

精密加工機では、加工に先だって工具長や工具半径、加工点を測定し、また工具の芯出しをしてワーク座標を確立しておく必要がある。これらは、工具の加工点を正確に把握して高精度の加工を行うために必要不可欠であるからである。

工具芯出しについては、従来、ワークを試加工し、機上にある形状測定機での測定結果から工具の加工点を把握し、熟練した作業者が経験と勘に基づいて芯出し作業を行っている。このため、芯出し作業は手間閑のかかる格別難しい作業とされてきた。この種の工具芯出しの従来技術としては、例えば、精密非球面加工機において、工具の中心と回転テーブルの中心を一致させるための工具芯出し方法として、特許文献１に記載されているものがある。また、工具測定については、従来は工具を工具計測機で直接測定することが行われている。
特開平５−２００６４９号公報

自由曲面形状ワークを加工する場合、段取りを崩して再度ワークに対して工具の芯出しをすることがしばしば行われる。これは、自由曲面の加工では、１パスの加工時間が数時間から数十時間とかかるので、加工時間の短縮および工具の節約を図るために、別の加工機によって粗加工をすることの必要性が高く、また、仕上げ加工後に検査を行い、不合格のワークに修正加工を行う場合も多いからである。

この点、引用文献１のように、軸対称ワークの場合は、ワーク外径が基準となっている場合が多く、芯出しは比較的容易である。
ところが、粗加工を経た自由曲面形状のワークや、検査で不合格ワークを再度段取りをして、工具の中心をワークの中心に一致させることは基準が定まらず至難の業である。段取りによっては、加工時間に数十時間のロス時間が発生し、加工効率を大きく低下させることがある。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、機上に設置している形状測定器を利用し、自由曲面形状のワークの中心に対して工具の中心を一致させる芯出しを簡易にしかも正確にできるようにする工具測定方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、工具半径、工具先端半径などの測定を実際に直接測定することなく、工具芯出しの過程の中で容易に測定できるようにした工具測定方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、形状測定器を機上に備えた工作機械において、工具の中心を自由曲面のワークの中心に一致させワーク座標を確立するための工具芯出し方法であって、ダミーワークにあらかじめ仮加工原点を設定し、前記ダミーワークに測定用加工面を工具の円弧補間送りにより加工する工程と、前記形状測定器のプローブで走査し前記測定用加工面の曲面の頂点を検出する工程と、加工対象のワークの形状を前記形状測定器のプローブで走査し、その加工曲面の頂点を検出する工程と、前記測定用加工面の頂点と前記ワークの加工曲面の頂点とのオフセット量を算出する工程と、前記仮加工原点に工具がある位置から前記オフセット量分だけ工具を移動する工程と、からなることをを特徴とするものである。

また、請求項２に係る発明は、形状測定器を機上に備えた工作機械において、工具の回転半径を測定するための工具測定方法であって、ダミーワークに測定用加工面を、工具を円弧補間送りしながら加工する工程と、前記形状測定器のプローブで走査し前記測定用加工面の曲率半径を測定する工程と、前記測定用加工面の曲率半径と、前記円弧補間指令半径から工具回転半径を求める工程と、からなることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に係る発明は、形状測定器を機上に備えた工作機械において、工具の先端半径を測定するための工具測定方法であって、ダミーワークに仮加工点を測定するための測定用加工面を、工具を円弧補間送りにより加工する工程と、前記形状測定器のプローブで走査し前記測定用加工面の曲率半径を測定する工程と、前記測定用加工面の曲率半径と、前記円弧補間半径から工具先端半径を求める工程と、からなることを特徴とするものである。

本発明に係る工具芯出し方法によれば、機上に設置している形状測定器を利用し、自由曲面形状のワークの中心に対して工具の加工点を一致させる芯出しを簡易に行い、ワーク座標の確立を正確に行うことができる。

また、本発明に係る工具測定方法によれば、工具半径、工具先端半径などの測定を実際に直接測定することなく、工具芯出しの過程の中で容易に測定することができる。

以下、本発明による工具芯出し方法および工具測定方法の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態による工具芯出し方法および工具測定方法が適用される工作機械を示す。この精密加工機は、レンズ部品などを研削、旋削する超精密加工を行うための加工機である。

図１において、参照番号２０は、精密加工機の基台であるベッドを示す。このベッド２０の上面には、水平案内面として超精密高剛性のころがり案内が直交するＸ軸方向とＺ軸方向に設けられており、Ｘ軸を移動する第１テーブル２１、Ｚ軸を移動する第２テーブル２２がそれぞれころがり案内に沿って移動可能に設置されている。第１テーブル２１に搭載されているのがコラム２３で、このコラム２３の側面の垂直案内面に沿ってサドル２４が昇降可能に設けられている。このサドル２４には空気静圧スピンドルからなる研削主軸２５が取り付けられている。第２テーブル２２には、同じく空気静圧スピンドルからなるワーク主軸２６が搭載されている。

この精密加工機では、研削主軸２５を前後に送るために第１テーブル２１を移動させる軸がＸ軸、研削主軸２５を上下に送る軸がＹ軸、ワーク主軸２６を左右に送るために第２テーブル２２を移動する軸がＺ軸である。ワーク主軸２６の回転軸がＣ軸である。参照番号２７はワーク主軸２６の送り機構を駆動するＺ軸サーボモータ、２８はサドル２４のＹ軸サーボモータ、２９は、ワーク主軸２６を駆動するＣ軸サーボモータである。

次に、図２は、精密加工機の制御系の構成を示すブロック図である。
図２において、参照番号３０はＮＣ制御装置を示す。このＮＣ制御装置３０は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸同時制御を行い、位置指令を各サーボモータに出力する。このうちＺ軸については、図２に示すように、位置指令はＺ軸サーボモータ２７に指令され、このときワーク主軸２６のＺ軸上の位置は、光学スケールを用いた位置検出器３２によって検出され、Ｚ軸位置信号がＮＣ制御装置３０にフィードバックされる。同じように、Ｘ軸、Ｙ軸についても図示しない位置制御ループが構成されている。

図２において、参照番号３４は、精密加工機に搭載されている機上測定器のプローブを示し。このプローブ３４は、ワークＷに接触する接触子３５と、この接触子３５の微少変位をレーザ信号に変換するレーザ干渉計を内蔵している。プローブ３４が出力するレーザ信号は、レーザアンプ３６を介してＴＴＬ信号に変換されて、測定に必要な演算を行うパーソナルコンピュータ３８に導入される。このパーソナルコンピュータ３８とＮＣ制御装置３０とは、光ケーブル３９で接続されており、パーソナルコンピュータ３８は、ＮＣ制御装置３０から位置情報をリアルタイムで取得できるようになっている。

次に、以上のように構成される工作機械において、工具測定方法並びに工具芯出し方法について説明する。

次に、図３は、本発明による工具芯出し方法並びに工具測定方法を実施するのに用いられるダミーワーク５０と、加工対象となるワークＷの位置関係を示す側面図で、図４は平面図である。ダミーワーク５０においては、仮の加工原点Ｐ0があらかじめ設定されている。プローブ３４は、サドル２４の下部に取り付けられている。

ここで、図５は、工具芯出し方法の工程の順序を示す図である。最初に、ダミーワーク５０に測定用溝６０の加工を行う。図５（ａ）に示すように、工具７０をＹ−Ｚ平面内で仮の加工原点Ｐ0を円弧補間の曲率中心として円弧補間送りをしながらダミーワーク５０の表面に幅１mm以上の測定加工溝６０を形成する。

次いで、図５（ｂ）に示すように、プローブ３４で測定加工溝６０を走査し、その曲面の頂点Ａを検出する。プローブ３４の出力信号は、パーソナルコンピュータ３８に導入され、頂点検出プログラムの実行により、頂点Ａの座標が検出される。

引き続いて、プローブ３４によるワークＷの形状測定を行う。図５（ｃ）に示すように、プローブ３４でワークＷを走査すると、パーソナルコンピュータ３８では頂点Ｂの座標が演算される。

このようにして、ダミーワーク５０の測定用溝の頂点Ａと、ワークＷの頂点Ｂのそれぞれの座標がわかったので、ダミーワーク５０からのワークＷのオフセット量は、次のようになる。

図３、図４において、ダミーワーク５０の頂点Ａ、ワークＷの頂点Ｂの座標をそれぞれ
Ａ（mesＸ1，mesＹ1，mesＺ1）、Ｂ（mesＸ2，mesＹ2，mesＺ2）とすると、
オフセットSHIFT_Ｘ、SHIFT_Ｙ、SHIFT_Ｚは、
SHIFT_Ｘ＝mesＸ2−mesＸ1、
SHIFT_Ｙ＝mesＹ2−mesＹ1、
SHIFT_Ｚ＝mesＺ2−mesＺ1、
である。

したがって、ダミーワーク上の仮原点Ｐ0の位置に工具７０がある位置からオフセット量分だけ移動させれば、工具７０の加工点は、ワークの頂点Ｂ上に一致することになり、ワーク座標を確立する芯出しが完了したことになる。

次に、工具測定方法について説明する。
この工具測定方法は、上述した工具芯出しの過程で行うことができる。この工具測定方法では、図６に示すように、工具回転半径Ｒ0と、工具先端半径ｒの測定を行う。工具回転半径Ｒ0は、文字通り工具７０の半径で、工具７０の軸心から加工点までの距離に相当している。工具先端半径ｒは、工具７０の外周面の曲率半径に相当している。

そこで、工具７０をＸ−Ｚ平面内およびＹ−Ｚ平面内で円弧補間送りをしながら、ダミーワーク５０の表面に幅１mm以上の測定加工溝６０を加工する。そして、プローブ３４で測定加工溝６０を走査し、その曲面の曲率半径を求める。この際、工具回転半径Ｒ0を次のようにして求めることができる。

図６（ａ）において、破線がＸ−Ｚ平面上の円弧補間送りの経路である。Ｒ’をＸ−Ｚ平面内の円弧補間指令半径とし、Ｒを測定加工溝６０のＸ−Ｚ平面内の曲率半径とする。

工具回転半径Ｒ0、円弧補間指令半径Ｒ’、測定加工溝６０の曲率半径Ｒとの間には、図６（ａ）から明らかなように、
Ｒ0＝Ｒ−Ｒ’ …（１）
が成り立っている。
したがって、ダミーワーク５０の測定加工溝６０をＸ−Ｚ平面内でプローブ３４により走査するときに、少なくとも３点の曲面上の座標を測定すれば、曲率半径Ｒを求めることができる。円弧補間指令半径Ｒ’は、円弧補間送りのためにあらかじめ決まっているので、（１）式から工具回転半径Ｒ0を簡単に求められる。
工具先端半径ｒについても、同じようにして求められる。
図６（ｂ）において、破線がＹ−Ｚ平面内の円弧補間送りの経路である。Ｒ’をＹ−Ｚ平面内の円弧補間指令半径とし、Ｒをダミーワークに加工した測定加工溝６０のＹ−Ｚ平面内の曲率半径とする。

工具先端半径ｒ、円弧補間半径Ｒ’、測定加工溝６０の曲率半径Ｒとの間には、図６（ｂ）から明らかなように、
ｒ＝Ｒ−Ｒ’ …（２）
が成り立っている。
したがって、ダミーワーク５０の測定加工溝６０をプローブ３４でＹ−Ｚ平面内で走査するときに、少なくとも３点の曲面上の座標を測定すれば、曲率半径Ｒを求めることができる。円弧補間指令半径Ｒ’は、円弧補間送りのためにあらかじめ決まっているので、（２）式から工具先端半径ｒを簡単に求められる。
以上のようにして、工具７０について直接測定する必要なく、工具芯出しの過程で、工具回転半径Ｒ0と工具先端半径ｒを容易に測定することができる。

なお、工具測定については、ダミーワーク５０に測定加工溝６０を加工して、それをプローブで走査し、工具芯出しとは独立に行うようにしてもよい。

本発明による工具芯出し方法および工具測定方法を実施する工作機械を示す側面図。 図１の工作機械の制御系統を示すブロック図。 本発明の一実施形態による工具芯出し方法においてダミーワークとワークの位置関係を示す側面図。 本発明の一実施形態による工具芯出し方法においてダミーワークとワークの位置関係を示す平面図。 本発明の一実施形態による工具芯出し方法において、工程の順序を示す説明図。 本発明の一実施形態による工具測定方法の説明図。

符号の説明

２０ ベッド
２１ 第１テーブル
２２ 第２テーブル
２３ コラム
２４ サドル
２５ 研削主軸
２６ ワーク主軸
３２ 位置検出器
３４ プローブ
３５ 接触子
５０ ダミーワーク
６０ 測定加工溝
７０ 工具

Claims (3)

1. 形状測定器を機上に備えた工作機械において、工具の加工点を自由曲面のワークの中心に一致させワーク座標を確立するための工具芯出し方法であって、
   ダミーワークにあらかじめ仮加工原点を設定し、前記ダミーワークに測定用加工面を工具の円弧補間送りにより加工する工程と、
   前記形状測定器のプローブで走査し前記測定用加工面の曲面の頂点を検出する工程と、
   加工対象のワークの形状を前記形状測定器のプローブで走査し、その加工曲面の頂点を検出する工程と、
   前記測定用加工面の頂点と前記ワークの加工曲面の頂点とのオフセット量を算出する工程と、
   前記仮加工原点に工具がある位置から前記オフセット量分だけ工具を移動する工程と、
   からなることを特徴とする工具測定方法。
2. 形状測定器を機上に備えた工作機械において、工具の回転半径を測定するための工具測定方法であって、
   ダミーワークに測定用加工面を、工具を円弧補間送りしながら加工する工程と、
   前記形状測定器のプローブで走査し前記測定用加工面の曲率半径を測定する工程と、
   前記測定用加工面の曲率半径と、前記円弧補間指令半径から工具回転半径を求める工程と、
   からなることを特徴とする工具測定方法。
3. 形状測定器を機上に備えた工作機械において、工具の先端半径を測定するための工具測定方法であって、
   ダミーワークに仮加工点を測定するための測定用加工面を、工具を円弧補間送りにより加工する工程と、
   前記形状測定器のプローブで走査し前記測定用加工面の曲率半径を測定する工程と、
   前記測定用加工面の曲率半径と、前記円弧補間指令半径から工具先端半径を求める工程と、
   からなることを特徴とする工具測定方法。

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