JP2010125558A - 工作機械の工具長計測装置及び工具径計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械の慣性力の影響を受けることなく、また、切削工具の形状に関係なく、高い精度で工具長を迅速に計測可能にする。
【解決手段】工作機械１の主軸に取り付けられた工具５の工具長計測装置において、識別線１０を付けた変位可能な接触式センサ９と、工具５を移動して刃先と接触式センサ９の先端との接触により工具を停止させる工具移動機構と、接触式センサを撮影して得られた画像から工具停止時の識別線１０の位置変化を検出する画像認識装置４と、予め入力した主軸端面Ａから接触式センサ９までの距離Ｌ_０、工具５を移動して接触式センサと９の接触で停止するまでの距離を工具移動機構により検出した移動距離Ｌ_Ｓ、及び検出した識別線１０の位置変化ΔＬから、工具長ＬをＬ＝Ｌ_０−Ｌ_Ｓ＋ΔＬにより演算する演算装置６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＣ工作機械のような工作機械の切削工具の刃先合わせに用いられ、先端位置を工作機械上で計測する工具長計測装置及び工具径計測装置に関する。

複数種類の切削工具を交代で工作機械の工具把持装置に取り付けてワークを加工するに当たり、工具把持装置によって取り付けられた切削工具の先端位置を工作機械上で計測する装置により、刃先合わせを実施している。

このような計測装置として、従来技術として、工具を移動させ接触センサに接触させるとともに、接触時に工作機械のサーボモータを停止させ、工具の移動距離から工具位置を求め、工具位置により工具長を演算する装置がある（特許文献１）。また、カメラを用いて工作機械上にある切削工具を撮影し、画像処理にて工具位置を検出する装置（特許文献２）、あるいは工具の先端にレーザービームのような光線束を照射して受光強度から先端位置を測定する光学的測定装置（特許文献３）などがある。
特開平３−４３１３４号公報 特開平９−２５３９７９号公報 特開２００１−２５９９６６号公報

上記の工具を移動させ接触センサに接触させる装置の場合、機械の可動部重量が大きく慣性力が大きいため接触する時に十分減速しなければならず、工具が接触センサと接触して停止するまでの時間が多くかかっていた。

一般的に切削工具はホーニング処理などにより刃先に丸みを帯びており、また、切れ刃稜線は３次元形状をしているものが多い。このため、カメラを用いて工作機械上にある切削工具を撮影し、画像処理にて工具位置を検出する装置では、工具刃先のエッジが識別できない。

光線束を照射する光学的測定装置は、例えば切削工具に切削油剤が付着した場合などに誤差が発生するため、計測前に油剤のふき取りを行わなくてはならず、作業効率が低い。

本発明は、上記した課題を解決するものであり、機械の慣性力の影響を受けることなく、また、切削工具の形状に関係なく、高い精度で工具長又は工具径を迅速に計測可能にすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の工作機械の工具長計測装置は、工作機械の主軸に取り付けられた工具の工具長計測装置において、
識別線を付けた変位可能な接触式センサと、
工具を移動して刃先と前記接触式センサの先端との接触により工具を停止させる工具移動機構と、
前記接触式センサを撮影して得られた画像から工具停止時の前記識別線の位置変化を検出する画像認識装置と、
予め入力した主軸端面から前記接触式センサまでの距離Ｌ_０、工具を移動して前記接触式センサとの接触で停止するまでの距離を前記工具移動機構により検出した移動距離Ｌ_Ｓ、及び検出した前記識別線の位置変化ΔＬから、工具長ＬをＬ＝Ｌ_０−Ｌ_Ｓ＋ΔＬにより演算する演算装置と、
を備えたことを特徴とする。

また、本発明の工作機械の工具径計測装置は、工作機械の主軸に取り付けられた工具の工具径計測装置において、
識別線を付けた変位可能な接触式センサと、
工具を移動して刃先と前記接触式センサの先端との接触により工具を停止させる工具移動機構と、
前記接触式センサを撮影して得られた画像から工具停止時の前記識別線の位置変化を検出する画像認識装置と、
予め入力した主軸中心から前記接触式センサまでの距離Ｒ_０、工具を移動して前記接触式センサとの接触で停止するまでの距離を前記工具移動機構により検出した移動距離Ｒ_Ｓ、及び検出した前記識別線の位置変化ΔＲから、工具径ＲをＲ＝Ｒ_０−Ｒ_Ｓ＋ΔＲにより演算する演算装置と、
を備えたことを特徴とする。

本発明において、識別線を付けた変位可能な接触式センサを備え、工具停止時の前記識別線の位置変化を検出することにより、機械の慣性力の影響を受けることなく、また、切削工具の形状に関係なく、高い精度で工具長又は工具径を迅速に計測することができる。

以下、本発明に係る刃先合わせに用いる工具長又は工具径の計測装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１の装置の全体構成を示す図である。
図２は、工具の初期位置と移動後の停止位置を比較した図である。
本実施形態では、工作機械の主軸端から切削工具先端までの距離（工具長）Ｌを計測するためのものである。工作機械１は、サーボモータ２を有する工具移動機構により図１の上下、左右および紙面の垂直方向に移動できる。また、主軸端面Ａより下にある切削工具（以下、「工具」）５を手動又は自動的に交換できる機能を有している。制御装置３はサーボモータ２を駆動する。工具５の下方には、識別線１０を付けた接触センサ（以下、「スイッチ」）９を設置する。スイッチ９は弾性体により支持された上下方向に変位可能な機構を持っている。カメラ８は、制御装置３より送られた起動信号により起動・撮影し、スイッチ９を撮影した画像データを、画像認識装置４に送信する。画像認識装置４は、識別線１０の基準位置に対するズレを計測する。演算装置６は、以下に説明するように画像認識装置４より送信された信号に基づき工具長を算出し、メモリ７内に格納する。また、メモリ７から工具長の値を取出し、加工軌跡を演算し制御装置３に信号を送信する。メモリ７は、工具長の値が記憶されており、演算装置６にて加工軌跡を演算する場合など、必要に応じて演算装置６に参照される。

以下、画像データから工具長を計測する点について説明する。
スイッチ９において、識別線１０は、カメラ８に撮影させるため塗料やケガキのように加工された線である。１０ａはスイッチ９が押されていない状態の識別線１０の位置、１０ｂは工具５によりスイッチ９が押された状態での識別線１０の位置を示す。工具５は、サーボモータ２の駆動により下方に移動され、スイッチ９に接して停止するが、その際、刃先位置は非接触時のスイッチ９の先端よりも下方にズレた位置で停止する。本実施形態では、このズレ量を識別線１０の位置変化により計測する。

画像認識装置４では、カメラ８より送られた画像データより識別線１０を認識し、１０ａと１０ｂ間の位置変化（ズレ量）ΔＬを計測する。スイッチ９は、工具５に接触したときに、サーボモータ２の停止信号を制御装置３に送信する。初期位置の主軸端面Ａからスイッチ９が押されていない状態のスイッチ９の先端までの基準距離Ｌ_０は、予め決められており、メモリ７に格納されている。また、工具移動機構による工具５の移動距離Ｌ_Ｓは、常時監視され、メモリ７に格納されている。
演算装置６は、メモリ７に格納されている基準距離Ｌ_０、工具５が停止するまでの移動距離Ｌ_Ｓ、ズレ量ΔＬから、Ｌ＝Ｌ_０−Ｌ_Ｓ＋ΔＬにより工具長Ｌを算出する。

次に、本実施形態の装置による計測手順を説明する。
図３は、本実施形態の装置による計測手順を示すフローチャートである。
Ｓ（ステップ）１０１では、工具５を機械に装着させる。Ｓ１０２では、工具５をサーボモータ２の駆動により下方に移動させ、刃先をスイッチ９の先端に接触させる。Ｓ１０３では、工具５との接触時にスイッチ９より停止信号を、制御装置３に発信する。Ｓ１０４では、停止信号を受信した制御装置３がサーボモータ２を停止させる。Ｓ１０５では、サーボモータ２の停止後、制御装置３がカメラ８に起動信号を送信する。Ｓ１０６では、カメラ８にて画像を撮影し、画像データを画像認識装置４に送信する。Ｓ１０７では、画像認識装置４にて画像データから識別線１０のズレ量ΔＬを計測する。

Ｓ１０８では、Ｓ１０７で測定したズレ量ΔＬの値を演算装置６に送信する。Ｓ１０９では、演算装置６が、メモリ７に格納されている基準距離Ｌ_０、初期位置から工具５が停止するまでの移動距離Ｌ_Ｓ、ズレ量ΔＬから、Ｌ＝Ｌ_０−Ｌ_Ｓ＋ΔＬにより工具長Ｌを算出する。Ｓ１１０では、算出した工具長Ｌの値をメモリ７に格納する。

本実施形態では、刃先を直接観測することなく工具停止時の刃先のズレ量を計測することにより、工具長を精度よく測定することができる。工具をスイッチに接触して停止させる際、速度の制御において十分に減速する必要がなく計測時間を短縮できる。このように機械の慣性力の影響を受けることなく、また、工具の形状に関係なく、高い精度で工具長を迅速に計測することができる。

（実施形態２）
図４は、実施形態２の装置の全体構成を示す図である。
図５は、工具の初期位置と移動後の停止位置を比較した図である。
図６は、本発明に係る実施形態２の装置による計測手順を示すフローチャートである。
本実施形態では、工作機械の主軸中心ＣＬから工具外径までの距離（工具径）Ｒを計測するためのものである。実施形態１との相違は、工具長Ｌの代わりに工具径Ｒを計測する点にあり、共通する事項は説明を省略する。

図４において、スイッチ９は、工具５の側方に設置され、工具５は横方向に移動される。
図６において、Ｓ２０１〜Ｓ２０８までは、実施形態１と同様である。Ｓ２０９では、演算装置６が、メモリ７に格納されている基準距離Ｒ_０、工具５の移動距離Ｒ_Ｓ、ズレ量ΔＲから、Ｒ＝Ｒ_０−Ｒ_Ｓ＋ΔＲにより工具径Ｒを算出する。Ｓ２１０では、算出した工具径Ｒの値をメモリ７に格納する。なお、基準距離Ｒ_０は、主軸中心ＣＬからスイッチ９が押されていない状態のスイッチ９の先端までの距離である。
本実施形態では、実施形態１と同様の効果がある。

（実施形態３）
図７は、本発明に係る実施形態３の装置の全体構成を示す図である。
図８は、本発明に係る実施形態３の装置による計測手順を示すフローチャートである。
本実施形態では、実施形態１と同様に工作機械の主軸端Ａから工具先端までの距離（工具長）Ｌを計測するためのものである。実施形態１との相違点を説明し、共通する事項は説明を省略する。

スイッチ９の先端に工具の温度を計測する温度計測装置である表面温度計２１を備えている。
演算装置６は、画像認識装置４より送信された信号により工具長Ｌを算出するが、温度補正回路２２を有しており、表面温度計２１より計測した温度と常温との温度差及び工具材料の線膨張係数から、単位長さあたりの伸び量を計算する。この温度による伸び量で補正した工具長Ｌの値をメモリ７内に格納する。

図８において、Ｓ３０１〜Ｓ３０９までは、実施形態１と同様である。Ｓ３１０では、表面温度計２１より工具の温度を計測する。Ｓ３１１では、計測した温度を温度補正回路２２に送信する。Ｓ３１２では、温度補正回路２２にて、単位長さあたりの伸び量を計算する。Ｓ３１３では、工具長Ｌを温度による伸び量で補正する。Ｓ３１４では、補正した工具長Ｌの値をメモリ７に格納する。

（実施形態４）
図９は、本発明に係る実施形態４の装置の全体構成を示す図である。
図１０は、本発明に係る実施形態４の装置による計測手順を示すフローチャートである。
本実施形態では、実施形態２と同様に工作機械の主軸中心ＣＬから工具外径までの距離（工具径）Ｒを計測するためのものである。実施形態２との相違点を説明し、共通する事項は説明を省略する。

スイッチ９の先端に工具の温度を計測する温度計測装置である表面温度計２１を備えている。
演算装置６は、画像認識装置４より送信された信号により工具径Ｒを算出するが、温度補正回路２２を有しており、表面温度計２１より計測した温度と常温との温度差及び工具材料の線膨張係数から、算出した工具径Ｒを単位長さあたりの拡大量による補正計算を行う。この温度による拡大量を補正した工具径Ｒの値をメモリ７内に格納する。

図１０において、Ｓ４０１〜Ｓ４０９までは、実施形態２と同様である。Ｓ４１０では、表面温度計２１より工具の温度を計測する。Ｓ４１１では、計測した温度を温度補正回路２２に送信する。Ｓ４１２では、温度補正回路２２にて、単位長さあたりの拡大量を計算する。Ｓ４１３では、工具径Ｒを温度による拡大量で補正する。４１４では、補正した工具径Ｒの値をメモリ７に格納する。

（実施形態５）
図１１は、本発明に係る実施形態５の装置の全体構成を示す図である。
図１２は、工具停止時のスイッチの位置変化を示した図である。
本実施形態では、実施形態１と同様に工作機械の主軸端Ａから工具の先端までの距離（工具長）Ｌを計測するためのものである。実施形態１との相違点を説明し、共通する事項は説明を省略する。

工作機械１は、サーボモータ２により図の上下、左右および紙面の垂直方向に移動できるものである。また、主軸端面Ａより下の工具５を手動または自動的に交換できる機能を有している。更に工具取付け部は、Ｒ方向に回転する機能を有している。スイッチ９は、球状となっており、表面に十字形状の識別線１０を有している。工具５は、サーボモータ２の駆動により回転後の傾斜方向に沿って下方に移動され、スイッチ９に接して停止するが、その際、刃先位置は非接触時のスイッチ９の先端よりもズレた位置で停止する。このズレ量ΔＬを識別線１０の位置変化により計測する。

１０ａはスイッチが押されていない状態の識別線、１０ｂは工具によりスイッチが押された状態での識別線の位置を示す。画像認識装置４では、ズレ量であるこれら１０ａと１０ｂの距離ΔＬを計測する。

本発明に係る実施形態１の装置の全体構成を示す図。 工具の初期位置と移動後の停止位置を比較した図。 本発明に係る実施形態１の装置による計測手順を示すフローチャート。 本発明に係る実施形態２の装置の全体構成を示す図。 工具の初期位置と移動後の停止位置を比較した図。 本発明に係る実施形態２の装置による計測手順を示すフローチャート。 本発明に係る実施形態３の装置の全体構成を示す図。 本発明に係る実施形態３の装置による計測手順を示すフローチャート。 本発明に係る実施形態４の装置の全体構成を示す図。 本発明に係る実施形態４の装置による計測手順を示すフローチャート。 本発明に係る実施形態５の装置の全体構成を示す図。 工具停止時のスイッチの位置変化を示した図。

符号の説明

１…工作機械、２…サーボモータ、３…制御装置、４…画像認識装置、５…工具、６…演算装置、７…メモリ、８…カメラ、９…スイッチ（接触センサ）、１０…識別線、１０ａ…工具が接触していない状態での識別線の位置、１０ｂ…工具が接触した状態での識別線の位置、２１…表面温度計、２２…温度補正回路、Ａ…主軸端面、Ｌ…工具長、Ｌ_０…基準距離、Ｌ_Ｓ…工具５の移動距離、ΔＬ…識別線１０の位置ズレ、ＣＬ…主軸中心、Ｒ…工具径、Ｒ_０…基準距離、Ｒ_Ｓ…工具５の移動距離、ΔＲ…識別線１０の位置ズレ。

Claims (6)

1. 工作機械の主軸に取り付けられた工具の工具長計測装置において、
   識別線を付けた変位可能な接触式センサと、
   工具を移動して刃先と前記接触式センサの先端との接触により工具を停止させる工具移動機構と、
   前記接触式センサを撮影して得られた画像から工具停止時の前記識別線の位置変化を検出する画像認識装置と、
   予め入力した主軸端面から前記接触式センサまでの距離Ｌ_０、工具を移動して前記接触式センサとの接触で停止するまでの距離を前記工具移動機構により検出した移動距離Ｌ_Ｓ、及び検出した前記識別線の位置変化ΔＬから、工具長ＬをＬ＝Ｌ_０−Ｌ_Ｓ＋ΔＬにより演算する演算装置と、
   を備えたことを特徴とする工作機械の工具長計測装置。
2. 前記接触式センサは球体であり、前記球体の表面に前記識別線を付けたことを特徴とする請求項１に記載の工作機械の工具長計測装置。
3. 前記接触式センサは刃先との接触時に工具温度を計測する温度計測装置を有し、前記演算装置は計測した温度と常温との差から熱膨張による工具長の補正を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の工具長計測装置。
4. 工作機械の主軸に取り付けられた工具の工具径計測装置において、
   識別線を付けた変位可能な接触式センサと、
   工具を移動して刃先と前記接触式センサの先端との接触により工具を停止させる工具移動機構と、
   前記接触式センサを撮影して得られた画像から工具停止時の前記識別線の位置変化を検出する画像認識装置と、
   予め入力した主軸中心から前記接触式センサまでの距離Ｒ_０、工具を移動して前記接触式センサとの接触で停止するまでの距離を前記工具移動機構により検出した移動距離Ｒ_Ｓ、及び検出した前記識別線の位置変化ΔＲから、工具径ＲをＲ＝Ｒ_０−Ｒ_Ｓ＋ΔＲにより演算する演算装置と、
   を備えたことを特徴とする工作機械の工具径計測装置。
5. 前記接触式センサは球体であり、前記球体の表面に前記識別線を付けたことを特徴とする請求項４に記載の工作機械の工具径計測装置。
6. 前記接触式センサは刃先との接触時に工具温度を計測する温度計測装置を有し、前記演算装置は計測した温度と常温との差から熱膨張による工具径の補正をすることを特徴とする請求項４又は５に記載の工作機械の工具径計測装置。

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