JP2011131297A - 工具位置測定方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転工具の刃先の三次元位置を非接触で測定することができ、繰り返し精度が高く、工具刃先形状の違いによる測定誤差が小さい工具位置測定方法及び装置を提供する。
【解決手段】回転する回転工具１２の刃先１２ａを、Ｚ軸方向から見た回転刃先画像を撮像する回転刃先撮像工程Ｓ１１を有する。回転刃先画像から、回転軸αの概略位置の仮回転軸位置を原点として、Ｘ軸上及びＹ軸上の輝度分布を求める。原点及びその近傍のＸ軸方向の複数の位置であるＸ反転位置から、Ｘ軸方向に同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分を所定範囲でＸ軸方向に積分したＸ積分値を、Ｘ反転位置ごと算出する。同様にＹ軸方向に、同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分を積分したＹ積分値を、Ｙ反転位置ごと算出する。Ｘ積分値及びＹ積分値が最も小さくなるＸ積分値差最小位置及びＹ積分値差最小位置とで定まる座標を回転軸位置とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、いわゆるマイクロエンドミル等の微小な回転工具の位置を非接触で検出する工具位置測定方法と装置に関する。

従来、マイクロレンズアレイなどの光学部品の金型や、マイクロ流体機械の切削加工には、直径φ＝０．０１ｍｍ〜０．２mm程度のマイクロエンドミル等の微小な回転工具を用いることが多い。このような回転工具を使用する際、高精度な加工を行うために、回転工具の位置を正確に測定又は認識しなければならない。

切削加工用工具の位置の検出には種々の方法があり、例えば、特許文献１に開示されているように、工具に接触する摺動体を設けて、工具への接触を電気的に検知して工具位置の検出を行う工具位置検出装置がある。また、特許文献２に開示されているように透過型レーザ測定装置と電気マイクロメータ、及び顕微鏡等を用いて工具の測定を行う装置がある。その他、特許文献３に開示されているように、ＣＣＤカメラにより工具先端を撮像して、工具の位置合わせを行う方法もある。

特開２００６−７５９０８号公報 特開平６−１０９４４０号公報 特開２００６−１４２４１２号公報

特許文献１に開示されている接触式の工具位置検出装置の場合、現実的には被削材に対して０．３Ｎ程度の測定力が加わり、極小径の回転工具の場合、切れ刃を破損することがしばしばある。また、特許文献２に開示されたような非接触式の工具位置測定装置の場合、回転工具の刃先形状の違いによる測定誤差が生じやすいという問題があった。また、上述した光学部品の金型などの微細加工では、回転工具の刃先位置を、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の３方向について高精度に検出することが不可欠であるが、特許文献１〜３の何れの装置も、３方向の位置を精度良く測定する、というものではなかった。

この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたもので、微小な回転工具の刃先の位置を非接触で測定することができ、繰り返し精度が高く、工具刃先形状の違いによる測定誤差が小さい工具位置測定方法及び装置を提供することを目的とする。

この発明は、互いに直交するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸と平行な回転軸を有する切削加工用の回転工具の位置を非接触で測定する工具位置測定方法であって、回転する前記回転工具の刃先にＺ軸方向の光を照射し、その反射光により前記刃先をＺ軸方向から見た回転刃先画像を撮像する回転刃先撮像工程と、前記回転刃先画像から、前記回転軸が位置すると推定される仮回転軸位置を原点とするＸ軸上及びＹ軸上の各輝度分布を求め、前記原点及びその近傍のＸ軸方向の複数の位置であるＸ反転位置から、Ｘ軸方向に同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分を所定範囲でＸ軸方向に積分したＸ積分値を、前記Ｘ反転位置ごとに算出すると共に、前記原点及びその近傍のＹ軸方向の複数の位置であるＹ反転位置から、Ｙ軸方向に同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分を所定範囲でＹ軸方向に積分したＹ積分値を、前記Ｙ反転位置ごとに算出する輝度差積分値算出工程と、前記Ｘ反転位置ごとに算出した前記Ｘ積分値を比較して、前記Ｘ積分値が最も小さくなる前記Ｘ反転位置であるＸ積分値差最小位置を抽出すると共に、前記Ｙ反転位置ごとに算出した前記Ｙ積分値を比較して、前記Ｙ積分値が最も小さくなる前記Ｙ反転位置であるＹ積分値差最小位置を抽出し、抽出した前記Ｘ積分値差最小位置及び前記Ｙ積分値差最小位置で定まるＸＹ座標を、前記回転工具の回転軸位置として認識する回転軸位置認識工程とを備えた工具位置測定方法である。

前記輝度差積分値算出工程は、前記Ｘ反転位置を設定し、Ｘ反転位置ごとに、当該Ｘ軸上の輝度分布と、その輝度分布を前記Ｘ反転位置で反転させた反転輝度分布とを比較し、当該Ｘ反転位置から同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分をＸ軸方向に所定距離だけ積分したＸ積分値を算出すると共に、前記Ｙ反転位置を設定し、Ｙ反転位置ごとに、当該Ｙ軸上の輝度分布と、その輝度分布を前記Ｙ反転位置で反転させた反転輝度分布とを比較し、当該Ｙ反転位置から同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分をＹ軸方向に所定距離だけ積分したＹ積分値を算出するものである。

さらに、前記輝度差積分値算出工程は、Ｘ積分値を算出するためのＸの積分範囲、及びＹ積分値を算出するためのＹの積分範囲を、前記回転工具の刃先の形状に応じて適宜調節することにより、前記回転軸位置の測定精度を調整することができるものである。

また、前記回転刃先撮像工程の後、前記輝度差積分値算出工程の前に設けられる工程であって、前記回転刃先画像の最も輝度の高い位置を第一の仮回転軸位置として認識する第一の仮回転軸位置認識工程と、前記回転刃先画像から、前記第一の仮回転軸位置を原点とするＸ軸上及びＹ軸上の輝度分布を求め、当該Ｘ軸上の輝度分布を二分割するＸ位置であって、二分割された一方の側の輝度分布の平均値と他方の側の輝度の平均値とが等しくなるＸ均等分割位置を抽出すると共に、当該Ｙ軸上の輝度分布を二分割するＹ位置であって、二分割された一方の側の輝度分布の平均値と他方の側の輝度の平均値とが等しくなるＹ均等分割位置を抽出し、抽出した前記Ｘ均等分割位置及び前記Ｙ均等分割位置で定まる座標を第二の仮回転軸位置として認識する第二の仮回転軸位置認識工程とを備え、前記第二の仮回転軸位置認識工程で認識した前記第二の仮回転軸位置は、前記輝度差積分値算出工程における前記仮回転軸位置としても良い。

さらに、回転が停止した前記回転工具の刃先にＺ軸方向の光を照射し、その反射光によりＺ軸方向から見た停止刃先画像を、前記回転工具が前記回転軸上を移動するＺ位置ごとに撮像する停止刃先撮像工程と、撮像した停止刃先画像ごとに、前記刃先の突端位置を通るＸＹ平面内の所定軸線上の輝度分布に基づくコントラストを算出し、コントラストが最も大きくなるＺ位置であるＺコントラスト最大位置を前記刃先のＺ方向の基準位置として認識するＺ基準位置認識工程とを設けることができる。

また、前記コントラスト算出工程では、輝度分布を求めるＸＹ平面内の前記所定の軸線が、前記回転工具の刃表面に表れた研削条痕を横切る向きに設定されるものである。

またこの発明は、互いに直交するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸と平行な回転軸を有する切削加工用の回転工具の位置を非接触で測定する工具位置測定装置であって、前記回転工具の刃先にＺ軸方向の光を照射する光源を有し、その反射光により前記刃先をＺ軸方向から見た刃先画像を撮像する撮像装置と、前記刃先画像をデータ分析する分析処理装置とを備え、前記分析処理装置は、前記回転刃先画像から、前記回転軸が位置すると推定される仮回転軸位置を原点とするＸ軸上及びＹ軸上の輝度分布を求め、前記原点及びその近傍のＸ軸方向の複数の位置であるＸ反転位置から、Ｘ軸方向に同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分を所定範囲でＸ軸方向に積分したＸ積分値を、前記Ｘ反転位置ごとに算出し、前記原点及びその近傍のＹ軸方向の複数の位置であるＹ反転位置から、Ｙ軸方向に同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分を所定範囲でＹ軸方向に積分したＹ積分値を、前記Ｙ反転位置ごとに算出し、
前記Ｘ反転位置ごとに算出した前記Ｘ積分値を比較して、前記Ｘ積分値が最も小さくなる前記Ｘ反転位置であるＸ積分値差最小位置を抽出すると共に、前記Ｙ反転位置ごとに算出した前記Ｙ積分値を比較して、前記Ｙ積分値が最も小さくなる前記Ｙ反転位置であるＹ積分値差最小位置を抽出し、抽出した前記Ｘ積分値差最小位置及び前記Ｙ積分値差最小位置で定まるＸＹ座標を、前記回転工具の回転軸位置とする工具位置測定装置である。

この発明の工具位置測定方法と装置は、マイクロエンドミル等の微小な回転工具の位置を、一方向から撮像した刃先画像データのみを分析して検出するので、測定装置の構成をシンプルにすることができる。また、非接触で、測定の繰り返し精度が高く、回転工具の刃先形状の違いによる測定誤差が生じにくいので、刃先の位置測定を高精度に行うことができ、これまで困難であったマイクロエンドミル等による微細加工が容易になる。

また、回転軸のＸＹ方向の位置を検出するとき、まず、回転刃先画像から大まかな精度で第一の仮回転軸位置を認識し、その後、分析エリアを絞り込みながら、徐々に分析を厳密化して、第二の仮回転軸位置、回転軸位置を認識するという分析手順のため、回転軸位置の測定を高速に効率よく行うことができ、測定の全自動化も容易である。

この発明の一実施形態の工具位置測定装置を示す全体構成図である。 回転工具として用いられるボールエンドミル及びスクエアエンドミルの刃先を示す側面図（ａ），（ｂ）である。 図１の工具位置測定装置を用いて行う工具位置測定方法の実施形態を示すフローチャートである。 この実施形態の工具位置測定方法で撮像したボールエンドミルの回転刃先画像（ａ）と、第一の仮回転軸位置を示す模式図（ｂ）である。 この実施形態の工具位置測定方法の第二の仮回転軸位置認識工程の内容を示すフロ−チャートである。 この実施形態の工具位置測定方法における、第一の仮回転軸位置を原点とするＸ軸及びＹ軸上の輝度分布を示す図である。 この実施形態の工具位置測定方法における、Ｘ均等分割位置を説明する図（ａ）と、Ｙ均等分割位置を説明する図（ｂ）である。 この実施形態の工具位置測定方法の輝度差積分値算出工程の内容を示すフローチャートである。 この実施形態の工具位置測定方法における、第二の仮回転軸位置を原点とするＸ軸上の輝度分布を示す図（ａ）と反転輝度分布を示す図（ｂ）である。 この実施形態の工具位置測定方法における、Ｘ反転位置（Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３）ごとのＸ積分値について説明する図（ａ），（ｂ），（ｃ）である。 図１の工具位置測定装置を用いて行う他の工具位置測定方法の実施形態を示すフローチャートである。 この実施形態の工具位置測定方法における、スクエアエンドミル及びスクエアエンドミルの停止刃先画像（ａ），（ｂ）である。 この実施形態の工具位置測定方法における、ボールエンドミルの刃先のＺ位置とコントラストの変化を示すグラフである。 この発明の工具位置測定方法の実施例１における、測定の繰り返し精度を示すグラフである。 この発明の工具位置測定方法の実施例２における、Ｚ位置とコントラストの変化を示すグラフ（ａ），（ｂ）である。 実施例２における、測定の繰り返し精度を示す表である。

以下、この発明の工具位置測定装置の一実施形態について、図１、図２を用いて説明する。この実施形態の工具位置測定装置１０は、加工機のチャック部に装着した回転工具１２の回転中心である回転軸αの位置を測定する機能と、刃先１２ａの突端１２ｂの回転軸α方向の基準位置を測定する機能を備えている。ここで、回転工具１２の回転軸αは、互いに直交するＸＹＺ三次元座標系の任意の方向であるＺ軸と平行であり、Ｚ軸と直交する例えば水平なＸＹ平面に対して垂直に配置されているものとする。

工具位置測定装置１０は、図１に示すように、回転工具１２の刃先１２ａ側に配置された撮像装置１４と、撮像装置１４が撮像した画像データを分析する図示しない分析処理装置とを有している。撮像装置１４は、光源、各種ミラー、各種レンズ及びカメラで構成され、光源１６から光を放射し、その光をコリメートレンズ１８を通して平行な光線にした後、ハーフミラー２２によってＺ軸方向に偏向し、対物レンズ２０を通して回転工具１２の刃先１２ａに照射する。そして、刃先１２ａからの反射光を、対物レンズ２０、ハーフミラー２２、結像レンズ２４を通してミラー２６によって偏向し、カメラ２８で受光する。カメラ２８は、刃先１２ａの反射光を受光して撮像するＣＣＤ等の撮像素子を内蔵しており、撮像した画像データを分析処理装置に向けて出力する。分析処理装置は、カメラ２８の画像データを記憶手段に記憶し、カメラ２８の画像データの分析を行うコンピュータである。

測定対象の回転工具１２は、微小な刃先を有したマイクロエンドミルで、例えば、ボールエンドミル３０やスクエアエンドミル３２等ある。ボールエンドミル３０は、図２（ａ）に示すように、側方から見て例えば半球状（Ｒ＝０．０５ｍｍ）の刃先３０ａを有し、突端３０ｂが、刃先３０ａのほぼ中央にある。一方、スクエアエンドミル３２は、図２（ｂ）に示すように、例えば側方から見て僅かに円弧状に凹んだ刃先３２ａ（φ＝０．０４ｍｍ）を有し、突端３２ｂが、刃先３２ａの外周端にある。

次に、工具位置測定装置１０によって行われる工具位置測定方法のうちＸＹ平面上の位置測定について、図３〜図１０を用いて説明する。この実施形態の工具位置測定方法は、加工機のチャック部に装着した回転工具１２の回転中心である回転軸αの位置を測定する方法であり、５つの工程（Ｓ１１〜Ｓ１５）で構成されている。以下、図３のフローチャートに沿って各工程を説明する。

回転刃先撮像工程Ｓ１１では、上述した撮像装置１４を用いて、回転する回転工具１２の刃先１２ａにＺ軸方向の光を照明し、その反射光を受けて、刃先１２ａをＺ方向から見た回転刃先画像を撮像する。このとき、回転工具１２が回転している状態で撮像するため、回転刃先画像は、ほぼ回転対称な画像となる。例えば、回転工具１２がボールエンドミル３０の場合、回転刃先画像は、図４（ａ）のようになり、回転する刃先３０ａの様子が多重の円のように捉えられる。

第一の仮回転軸位置認識工程Ｓ１２では、回転刃先撮像工程Ｓ１１で得られた回転刃先画像を分析し、回転軸αの概略位置を認識する。具体的には、回転刃先画像全体の輝度分布を求め、最も輝度の高い位置を抽出し、第一の仮回転軸位置Ｐ１として認識する。例えば図４（ａ）の回転刃先画像の場合、図４（ｂ）のように第一の仮回転軸位置Ｐ１が認識される。図４（ｂ）の例から分かるように、第一の仮回転軸位置Ｐ１は、回転軸αの位置からずれている場合が多いが、位置認識が簡単であるので高速に分析を行うことができる。

第二の仮回転軸位置認識工程Ｓ１３では、回転刃先撮像工程Ｓ１１で得られた回転刃先画像を、第一の仮回転軸位置Ｐ１の近傍領域に絞ってさらに詳しく分析し、比較的高い精度で回転軸αの概略位置を認識する。以下、第二の仮回転軸位置認識工程Ｓ１３の内容について、図５のフローチャートに沿って詳しく説明する。

まず、第一の仮回転軸位置Ｐ１を原点とするＸ軸及びＹ軸上の輝度分布を求める（ステップＳ１３１）。例えば、図４のボールエンドミル３０の回転刃先画像の場合、図６に示すような２つの輝度分布が求まる。

次に、Ｘ軸上の輝度分布を二分割するＸ軸方向の位置であって、二分割された双方の輝度平均値（以下、二分割した中心軸に対して+側をＡＶＥ（＋）−側をＡＶＥ（−）とする。）が互いに等しくなるＸ均等分割位置を抽出する（ステップＳ１３２）。ボールエンドミル３０の場合、図７（ａ）に示すように、第一の仮回転位置Ｐ１のＸ位置とは異なるＸ均等分割位置のＸ１が抽出される。

同様に、Ｙ軸上の輝度分布を二分割するＹ位置であって、二分割された双方の輝度平均値ＡＶＥ（＋）とＡＶＥ（−）とが互いに等しくなるＹ均等分割位置を抽出する（ステップＳ１３３）。ボールエンドミル３０の場合、図７（ｂ）に示すように、第一の仮回転位置Ｐ１のＹ位置とは異なるＹ均等分割位置のＹ１が抽出される。

次に、抽出したＸ均等分割位置Ｘ１とＹ均等分割位置Ｙ１とで定まる座標を、第二の仮回転軸位置Ｐ２（Ｘ１，Ｙ１）として認識する（ステップ１３４）。ボールエンドミル３０の場合、Ｘ１とＹ１で定まる座標が第二の仮回転軸位置Ｐ２として認識される。

第二の仮回転軸位置認識工程Ｓ１３（ステップＳ１３１〜Ｓ１３４）で抽出した第二の仮回転軸位置Ｐ２は、回転軸αの位置が、第一の仮回転軸位置Ｐ１よりも高い精度で認識される。図４に示す回転刃先画像が完全な回転対象であれば、第二の仮回転軸位置Ｐ２は回転軸αの位置と一致するが、現実には完全な回転対象にならないので、その分が測定の誤差となり、マイクロエンドミル等を用いた微細加工の用途に要求される高い精度は得られない。そこで、より高い精度で回転軸αの位置を認識するため、図３に示すように、輝度差積分値算出工程Ｓ１４と回転軸位置認識工程Ｓ１５が設けられている。以下、２つの工程Ｓ１４，Ｓ１５の内容について、図８のフローチャートに沿って詳しく説明する。

まず、第二の仮回転軸位置Ｐ２を原点とするＸ軸及びＹ軸上の輝度分布を求める（ステップＳ１４１）。ボールエンドミル３０の場合、第一の仮回転軸位置Ｐ１を原点とした輝度分布（図６）と同様に、第二の仮回転軸位置Ｐ２を原点とするＸ軸上の輝度分布とＹ軸上の輝度分布が求まる。図９（ａ）は、Ｘ軸上の輝度分布である。

次に、第二の仮回転軸位置Ｐ２（Ｘ１，Ｙ１）を境に輝度分布を分割し、分割した片方を仮想回転軸位置Ｐ２で反転させて、仮想回転軸を中心とした輝度の差分を計算する。先ず、Ｘ軸上の輝度分布に特定のＸ反転位置を定義し、Ｘ反転位置を中心に輝度分布のＸ軸上の目盛りの昇降を逆にした反転輝度分布を求める（ステップＳ１４２）。図９（ａ）に示すボールエンドミル３０の輝度分布の場合、図９（ｂ）のように、Ｘ軸を左右反対にしたような反転輝度分布が求まる。Ｘ反転位置は、第二の仮回転軸位置Ｐ２（Ｘ１，Ｙ１）を基にして、その近傍にある所定のＸ範囲を細かく刻んで複数の位置が定義され、図９では、代表して３つのＸ反転位置のＸ１１，Ｘ１２，Ｘ１３が示してある。

次に、Ｘ軸上の輝度分布と点Ｐ２または点Ｐ２近傍の特定のＸ反転位置に基づく反転輝度分布とを比較し、Ｘ反転位置から同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分を求め、その差分をＸ位置で積分したＸ積分値を算出する（ステップＳ１４３）。ボールエンドミル３０の場合、例えば、Ｘ軸上の輝度分布とＸ１１に基づく反転輝度分布とを比較する。図１０（ａ）に示すように、２つの分布をＸ反転位置のＸ１１を中心に重ね表示すると、２つの分布がさほど一致していない様子が見て取れる。この一致の度合いを数値化するため、Ｘ反転位置から同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分をとる。具体的には、撮像素子の各ピクセル単位で輝度の差を求める。さらに、Ｘ反転位置のＸ１１を挟んで等距離の計算範囲であるＣＲＳ（Calculating Range of Symmetry）の範囲で、点Ｘ１１からＸ軸上で例えばプラス方向に積分範囲を取って、上記差分を積分したＸ積分値を算出する。この実施例のＸ反転位置のＸ１１では、２つの分布がさほど一致しておらず、Ｘ積分値は比較的大きな値になる。

点Ｐ２またはその近傍での特定のＸ積分値についてＸ積分値が算出されると、Ｘ反転位置を移動して、次のＸ反転位置について、同様にＸ積分値を算出する（ステップＳ１４４）。ボールエンドミル３０の場合、Ｘ反転位置のＸ１２では、図１０（ｂ）に示すように、Ｘ軸上の輝度分布と反転輝度分布が広い範囲で一致し、Ｘ積分値が小さな値になる。また、Ｘ反転位置のＸ１３では、図１０（ｃ）に示すように、２つの分布がさほど一致せず、Ｘ積分値が比較的大きな値になる。以上のステップ１４３，Ｓ１４４を繰り返し、定義された複数のＸ反転位置についてのＸ積分値を算出し終えると、ステップＳ１４５に進む。

次に、上記のＸ軸方向の場合と同様に、Ｙ軸上の輝度分布に特定のＹ反転位置を定義し、Ｙ反転位置を中心に輝度分布のＹ軸上の目盛りの昇降を逆にした反転輝度分布を求める（ステップＳ１４５）。そして、Ｙ軸上の輝度分布と特定のＹ反転位置に基づく反転輝度分布とを比較し、Ｙ反転位置から同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分を求め、その差分をＹ位置で積分したＹ積分値を算出する（ステップＳ１４６）。さらに、特定のＹ反転位置のＹ積分値が算出されると、Ｙ反転位置を移動して、次のＹ反転位置について、同様の考え方で次のＹ積分値を算出する（ステップＳ１４７）。Ｙ軸についてのステップＳ１４５〜Ｓ１４７では、上記のＸ軸についてのステップＳ１４２〜Ｓ１４４と同様の処理が行われ、Ｙ軸上の輝度分布と反転輝度分布とがよく一致していれば、Ｙ積分値が小さな値になる。

次に、回転軸位置認識工程Ｓ１５に進み、回転軸αの位置を特定する。まず、最も小さな値が算出されたＸ反転位置を、Ｘ積分値最小位置として抽出する（ステップＳ１５１）。同様に、最も小さな値が算出されたＹ反転位置を、Ｙ積分値最小位置として抽出する（ステップＳ１５２）。そして、Ｘ積分最小位置とＹ積分値最小位置とで定まる座標を回転軸位置として認識し、その位置が回転軸αの位置であると特定する（ステップＳ１５３）。これによって、回転刃先画像の輝度の平均値に着眼して抽出した第二の仮回転位置Ｐ２よりも極めて高い精度で、回転軸αのＸＹ平面上の位置を特定することができる。

以上説明したように、この実施形態の工具位置測定方法は、Ｚ軸方向から撮像したほぼ回転対称な回転刃先画像の輝度を分析するため、非接触で繰り返し精度が高い。従って、回転工具１２の回転軸αの位置測定を非常に高い精度で行うことができ、マイクロエンドミル等による微細加工の用途にも十分に対応することができる。

また、この測定は、回転工具１２が回転している状態で行われ、回転工具１２自体の中心軸ではなく、切削加工時の回転中心である回転軸αの位置を測定するので、例えば、回転工具１２を加工機のチャック部に装着したときのセンタリングの位置ずれや、切削加工時の熱等に起因する回転工具１２の外形の変化等の影響も含めて測定される。従って、実際の切削加工に近い状態で測定が行われるので、実用性が高い。

また、ステップＳ１４３，Ｓ１４６でＸ積分値及びＹ積分値を算出するときの計算範囲ＣＲＳを、測定対象の刃先１２ａの形状に応じて適宜調節することによって、測定精度をより高くすることも可能である。

次に、工具位置測定装置１０によって行われる工具位置測定方法のＺ軸方向の位置測定について、図１１〜図１３を用いて説明する。この工具位置測定方法は、加工機のチャック部に装着した回転工具１２の刃先１２ａの突端１２ｂについてのＺ方向の基準位置を測定する方法で、停止刃先撮像工程Ｓ１６（ステップＳ１６１，ｓ１６２）と、Ｚ基準位置認識工程Ｓ１７（ステップＳ１７１〜Ｓ１７３）で構成されている。以下、図１１のフローチャートに沿って各工程を説明する。

まず、回転が停止している回転工具１２が特定のＺ位置にある状態で、撮像装置１４を用いて刃先１２ａをＺ方向から見た停止刃先画像を撮像する（ステップＳ１６１）。例えば、回転工具１２がボールエンドミル３０とスクエアエンドミル３２の場合、図１２（ａ），（ｂ）の停止刃先画像が得られる。特定のＺ位置の撮像が終わると、Ｚ位置を移動して、次のＺ位置で停止刃先画像を撮像する（ステップＳ１６２）。そして、ステップ１６１，Ｓ１６２を繰り返し、所定範囲の複数のＺ位置での撮像を終えると、次のステップＳ１７１に進む。

次に、回転工具１２のＺ位置ごとの停止刃先画像について、刃先１２ａの突端１２ｂ位置を通るＸＹ平面内を通る軸線であって、刃先１２ａの研削条痕と略直角に交わる向きに設定した軸線Ｘａを定義し、軸線Ｘａ上の輝度分布を求める（ステップＳ１７１）。研削条痕とは、回転工具１２の製造時に刃面を研削することによって刃表面に生じた多数の縦縞状の痕跡をいい、図１２（ａ），（ｂ）の停止刃先画像で見ることができる。これにより、後述するコントラストが出しやすくなる。ここで、研削条痕を略直角に横切る向きの軸線をＸａ、軸線Ｘａと直交する向きの軸線をＹａと定義する。

次に、ステップＳ１７１で求めた輝度分布ごとに、コントラストを算出する（ステップＳ１７２）。そして、コントラストが最大になるＺ位置であるコントラスト最大Ｚ位置を抽出し、回転工具１２のＺ方向の基準位置として認識する（ステップＳ１７３）。回転工具１２のＺ位置が変化すると、図１３に示すように、Ｚ位置の狭い範囲で急峻なピークを示す。そして、ピークの中心のＺ位置であるＺ１が、コントラスト最大Ｚ位置に相当する。

以上説明したように、この工具位置測定方法は、Ｚ軸方向から撮像した停止刃先画像を撮像し、図１３に示すような尖鋭なコントラストピークが、Ｚ軸方向の位置について得られる特性を利用して分析するため、非接触で、測定の繰り返し精度が高く、工具刃先形状の違いによる測定誤差が生じにくい。従って、刃先１２ａのＺ位置の測定を非常に高い精度で行なうことができ、マイクロエンドミル等による微細加工の用途にも十分に対応することができる。

また、工具位置測定方法は、前述したＸＹ平面の工具位置測定方法と同様に、回転工具１２の刃先１２ａをＺ軸方向から撮像するため、３次元的に工具測定を行う工具位置測定装置１０の撮像装置１４の構成を非常にシンプルにすることができる。

なお、この発明の工具位置測定方法と装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、工具位置測定装置の撮像装置は、回転軸の方向から回転工具の刃先を撮像する構成を備えていればよく、例えば、回転軸の方向が水平や斜めのときでも、それに合わせて各種ミラーやレンズの構成や配置を自由に変更することができる。

また、回転軸の位置を検出する工具位置測定方法の輝度差積分値算出工程と回転軸位置認識工程は、必ずしも直列的でなくてもよい。例えば、まず、Ｘ軸に関して上記２つの工程を実施し、その後、Ｙ軸に関して上記２つの工程を実施することも可能である。

また、上記実施形態では、回転軸の位置を求めるとき、第一、第二の仮回転軸位置認識工程を設けることによって、概略の回転軸位置（仮回転軸位置）を容易に自動認識することができるが、あらかじめ概略の回転軸位置が分かっているときや、別の方法で推定できるときは、第一、第二の仮回転軸位置認識工程を省略してもよい。

次に、この発明の工具位置測定方法と装置による工具位置の測定についての実験結果を説明する。実施例１では、上記実施形態の工具位置測定方法に基づき、Ｒ＝０．０５ｍｍの刃先３０ａを有するボールエンドミル３０を加工機に取り付け、回転軸αのＸＹ平面上の位置を測定した。

図１４は、同一取り付け状態のボールエンドミル３０に対して、上記の工具位置測定方法を２０回繰り返し、繰り返し精度σを評価したものである。グラフの縦軸の繰り返し精度σは、測定値（ｎ＝２０）の標準偏差であり、値が小さいほど繰り返し精度が高い。また、グラフの横軸は、輝度差積分値算出工程Ｓ１４でＸ積分値とＹ積分値を算出するときの計算範囲ＣＲＳである。

実施例１のボールエンドミル３０の場合、図１４に示すように、計算範囲ＣＲＳが領域Ｂ（２．３μｍ≦ＣＲＳ≦３，３μｍ）の範囲において、繰り返し精度σが最も小さくなった。従って、ボールエンドミル３０の場合、計算範囲ＣＲＳを領域Ｂ内のいずれかの値に設定することによって、最も良好な測定を行うことができることが分かる。

一方、計算範囲ＣＲＳを領域Ｃ，Ｄの範囲まで大きくしたり、領域Ａの範囲まで小さくすると、繰り返し精度σが大きくなって好ましくない。これは、例えば、撮像装置１４による撮像のピクセル数や回転刃先画像の輝度の不安定さが測定値に表れやすくなることが原因として挙げられる。従って、測定対象の刃先１２ａの形状や撮像装置１４の性能に応じて計算範囲ＣＲＳを調節し、最適な値に設定することによって、極めて良好な繰り返し精度σを得ることができる。

実施例２では、上記実施形態の工具位置測定方法に基づき、Ｒ＝０．０５ｍｍの刃先３０ａを有するボールエンドミル３０、及びφ＝０．０４ｍｍの刃先３２ａを有するスクエアエンドミル３２加工機に取り付け、刃先３０ａ，３２ａの突端３０ｂ，３２ｂについてのＺ方向の基準位置を測定した。

図１５は、ボールエンドミル３０の刃先３０ａのＺ位置を移動させたときのコントラストの変化を示している。図１５（ａ）は、上述の工具位置測定方法の通り、刃先３０ａの研削条痕と略直角に交わる向きに設定した軸線Ｘａ上の輝度分布に基づいてコントラストを算出したもので、コントラスト最大Ｚ位置のＺ１を中心とする急峻なコントラストピークが得られた。なお、このコントラストピークの形状は、ガウス関数で定義されるカーブによく一致することが分かっている。

一方、図１５（ｂ）は、上記と異なり、刃先３０ａの研削条痕とほぼ平行な向きに設定した軸線Ｙａ上の輝度分布に基づいてコントラストを算出したものであり、図１５（ａ）と比較してコントラストピークの先鋭度が低くなり、そのため、ガウス関数のカーブからの乖離量が目立ち、コントラスト最大Ｚ位置であるＺ１の認識がやや不安定になった。

図１６は、同一取り付け状態のボールエンドミル３０とスクエアエンドミル３２に対して、Ｚ軸方向の工具位置測定方法を各２０回繰り返し、繰り返し精度σを評価した結果を示す表である。繰り返し精度σは、測定値（ｎ＝２０）の標準偏差であり、値が小さいほど繰り返し精度が高い。

この実験では、軸線Ｘａ上の輝度分布に基づいて測定したとき、２種類のエンドミル３０，３２共に、繰り返し精度σが０．０５μｍ以下という極めて良好な結果が得られた。また、軸線Ｙａ上の輝度分布に基づいて測定したときも、２種類のエンドミル３０，３２共に、繰り返し精度σが２０〜４０μｍという良好な結果が得られた。

この実験結果から分かるように、数十μｍ程度の繰り返し精度が要求される切削の用途であれば、軸線の向きを自由に設定することができる。また、数十ｎｍ以下の極めて高い繰り返し精度が要求される切削の用途の場合は、刃先の研削条痕と略直角に交わる向きに軸線を設定することによって対応することができる。

１０ 工具位置測定装置
１２ 回転工具
１２ａ 刃先
１２ｂ 突端
１４ 撮像装置
１６ 光源
１８ コリメートレンズ
２０ 対物レンズ
２２ ハーフミラー
２４ 結像レンズ
２６ ミラー
２８ カメラ
３０ ボールエンドミル
３０ａ 刃先
３０ｂ 突端
３２ スクエアエンドミル
３２ａ 刃先
３２ｂ 突端
Ｐ１ 第一の仮回転位置
Ｐ２ 第二の仮回転位置
Ｓ１１ 回転刃先撮像工程
Ｓ１２ 第一の仮回転位置認識工程
Ｓ１３ 第二の仮回転位置認識工程
Ｓ１４ 輝度差積分値算出工程
Ｓ１５ 回転軸位置認識工程
Ｓ１６ 停止刃先撮像工程
Ｓ１７ Ｚ基準位置認識工程
α 回転軸

Claims (7)

1. 互いに直交するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸と平行な回転軸を有する切削加工用の回転工具の位置を非接触で測定する工具位置測定方法において、
   回転する前記回転工具の刃先にＺ軸方向の光を照射し、その反射光により前記刃先をＺ軸方向から見た回転刃先画像を撮像する回転刃先撮像工程と、
   前記回転刃先画像から、前記回転軸が位置すると推定される仮回転軸位置を原点とするＸ軸上及びＹ軸上の各輝度分布を求め、
   前記原点及びその近傍のＸ軸方向の複数の位置であるＸ反転位置から、Ｘ軸方向に同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分を所定範囲でＸ軸方向に積分したＸ積分値を、前記Ｘ反転位置ごとに算出すると共に、
   前記原点及びその近傍のＹ軸方向の複数の位置であるＹ反転位置から、Ｙ軸方向に同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分を所定範囲でＹ軸方向に積分したＹ積分値を、前記Ｙ反転位置ごとに算出する輝度差積分値算出工程と、
   前記Ｘ反転位置ごとに算出した前記Ｘ積分値を比較して、前記Ｘ積分値が最も小さくなる前記Ｘ反転位置であるＸ積分値差最小位置を抽出すると共に、
   前記Ｙ反転位置ごとに算出した前記Ｙ積分値を比較して、前記Ｙ積分値が最も小さくなる前記Ｙ反転位置であるＹ積分値差最小位置を抽出し、
   抽出した前記Ｘ積分値差最小位置及び前記Ｙ積分値差最小位置で定まるＸＹ座標を、前記回転工具の回転軸位置として認識する回転軸位置認識工程とを備えたことを特徴とする工具位置測定方法。
2. 前記輝度差積分値算出工程は、前記Ｘ反転位置を設定し、Ｘ反転位置ごとに、当該Ｘ軸上の輝度分布と、その輝度分布を前記Ｘ反転位置で反転させた反転輝度分布とを比較し、当該Ｘ反転位置から同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分をＸ軸方向に所定距離だけ積分したＸ積分値を算出すると共に、
   前記Ｙ反転位置を設定し、Ｙ反転位置ごとに、当該Ｙ軸上の輝度分布と、その輝度分布を前記Ｙ反転位置で反転させた反転輝度分布とを比較し、当該Ｙ反転位置から同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分をＹ軸方向に所定距離だけ積分したＹ積分値を算出する請求項１記載の工具位置測定方法。
3. 前記輝度差積分値算出工程は、前記Ｘ積分値を算出するためのＸの積分範囲、及び前記Ｙ積分値を算出するためのＹの積分範囲を、前記回転工具の刃先の形状に応じて適宜調節する請求項１記載の工具位置測定方法。
4. 前記回転刃先撮像工程の後、前記輝度差積分値算出工程の前に設けられる工程であって、
   前記回転刃先画像の最も輝度の高い位置を第一の仮回転軸位置として認識する第一の仮回転軸位置認識工程と、
   前記回転刃先画像から、前記第一の仮回転軸位置を原点とするＸ軸上及びＹ軸上の輝度分布を求め、
   当該Ｘ軸上の輝度分布を二分割するＸ位置であって、二分割された一方の側の輝度分布の平均値と他方の側の輝度の平均値とが等しくなるＸ均等分割位置を抽出すると共に、
   当該Ｙ軸上の輝度分布を二分割するＹ位置であって、二分割された一方の側の輝度分布の平均値と他方の側の輝度の平均値とが等しくなるＹ均等分割位置を抽出し、
   抽出した前記Ｘ均等分割位置及び前記Ｙ均等分割位置で定まる座標を第二の仮回転軸位置として認識する第二の仮回転軸位置認識工程とを備え、
   前記第二の仮回転軸位置認識工程で認識した前記第二の仮回転軸位置は、前記輝度差積分値算出工程における前記仮回転軸位置とされる請求項１記載の工具位置測定方法。
5. 回転が停止した前記回転工具の刃先にＺ軸方向の光を照射し、その反射光によりＺ軸方向から見た停止刃先画像を、前記回転工具が前記回転軸上を移動するＺ軸方向の位置ごとに撮像する停止刃先撮像工程と、
   撮像した停止刃先画像ごとに、前記刃先の突端位置を通るＸＹ平面内の所定軸線上の輝度分布に基づくコントラストを算出し、コントラストが最も大きくなるＺ軸方向の位置であるＺコントラスト最大位置を、前記刃先のＺ軸方向の基準位置として認識するＺ基準位置認識工程とを備えた請求項１乃至４のいずれか記載の工具位置測定方法。
6. 前記コントラスト算出工程では、輝度分布を求めるＸＹ平面内の前記所定の軸線が、刃表面に表れた研削条痕を横切る向きに設定される請求項５記載の工具位置測定方法。
7. 互いに直交するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸と平行な回転軸を有する切削加工用の回転工具の位置を非接触で測定する工具位置測定装置において、
   前記回転工具の刃先にＺ軸方向の光を照射する光源を有し、その反射光により前記刃先をＺ軸方向から見た刃先画像を撮像する撮像装置と、前記刃先画像をデータ分析する分析処理装置とを備え、
   前記分析処理装置は、
   前記回転刃先画像から、前記回転軸が位置すると推定される仮回転軸位置を原点とするＸ軸上及びＹ軸上の輝度分布を求め、
   前記原点及びその近傍のＸ軸方向の複数の位置であるＸ反転位置から、Ｘ軸方向に同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分を所定範囲でＸ軸方向に積分したＸ積分値を、前記Ｘ反転位置ごとに算出し、
   前記原点及びその近傍のＹ軸方向の複数の位置であるＹ反転位置から、Ｙ軸方向に同一距離だけ離れた位置同士の輝度の差分を所定範囲でＹ軸方向に積分したＹ積分値を、前記Ｙ反転位置ごとに算出し、
   前記Ｘ反転位置ごとに算出した前記Ｘ積分値を比較して、前記Ｘ積分値が最も小さくなる前記Ｘ反転位置であるＸ積分値差最小位置を抽出すると共に、
   前記Ｙ反転位置ごとに算出した前記Ｙ積分値を比較して、前記Ｙ積分値が最も小さくなる前記Ｙ反転位置であるＹ積分値差最小位置を抽出し、
   抽出した前記Ｘ積分値差最小位置及び前記Ｙ積分値差最小位置で定まるＸＹ座標を、前記回転工具の回転軸位置とすることを特徴とする工具位置測定装置。