JP2013174549A - Tool position measuring device and measuring method - Google Patents
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Abstract
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回転軸方向の位置を非接触で検出する工具位置測定装置及び測定方法に関する。 The present invention relates to a tool position measuring apparatus and a measuring method for detecting a position in a rotation axis direction of a minute rotating tool such as a so-called micro end mill in a non-contact manner.
従来、特許文献１に開示されているように、切削加工機に装着され、互いに直行するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸を回転軸として、Ｚ軸方向に移動する回転工具の位置（刃先の位置）を測定する工具位置測定方法がある。この工具位置測定方法は、回転が停止した回転工具の刃先にＺ軸方向の光を照射し、回転工具が移動するＺ軸方向の位置ごとに、刃先からの反射光によりＺ軸方向の停止刃先画像を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、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、刃先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る。この方法は、回転工具の刃先の研削条痕により、Ｚ軸方向に移動する刃先に焦点が合ったときの停止刃先画像のコントラストが際立つ特性を利用している。研削条痕とは、回転工具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縞状の痕跡のことをいう。従って、刃先画像に研削条痕の像が現れるようにするため、回転工具の回転が停止した状態で測定を行う。 Conventionally, as disclosed in Patent Document 1, the position of the rotary tool (the position of the cutting edge) that is mounted on a cutting machine and moves in the Z-axis direction with the Z-axis of the XYZ three-dimensional coordinate system orthogonal to each other as the rotation axis ) Is a tool position measurement method. This tool position measuring method irradiates the cutting edge of a rotating tool whose rotation has stopped with light in the Z-axis direction, and stops the cutting edge in the Z-axis direction by the reflected light from the cutting edge for each position in the Z-axis direction where the rotating tool moves. For each stop blade edge image capturing step that captures an image and for each captured stop blade edge image, a contrast based on the luminance distribution on a predetermined axis in the XY plane passing through the tip position of the blade edge is calculated, and the Z axis direction in which the contrast is maximized is calculated. A Z reference position recognition step of recognizing a Z contrast maximum position as a position as a reference position of the blade edge. This method uses the characteristic that the contrast of the stop blade edge image is conspicuous when the cutting edge moving in the Z-axis direction is focused by the grinding striations of the cutting edge of the rotary tool. The grinding mark refers to a large number of striped traces generated on the blade surface by grinding the blade surface during the production of the rotary tool. Accordingly, measurement is performed in a state where the rotation of the rotary tool is stopped so that an image of the grinding striation appears in the blade edge image.
特許文献１の工具位置測定方法は、例えば、図７に示す工具位置測定装置１０を用いて行うことができる。工具位置測定装置１０は、回転軸がＺ軸上にある回転工具１２の刃先１２ａ側に配置された光学系装置１４と、光学系装置１４を通じて刃先画像を撮像する撮像装置１６と、撮像装置１４が撮像した画像データを分析するデータ分析装置１８とで構成されている。光学系装置１４は、光源２０、ハーフミラー２２、対物レンズ２４、及び図示しない各種ミラーで構成され、光源２０から光を放射し、その光をハーフミラー２２によってＺ軸方向に偏向し、対物レンズ２４を通して刃先１２ａに照射する。そして、刃先１２ａからの反射光を、対物レンズ２４、ハーフミラー２２を通して撮像装置１６に送る。撮像装置１６は、刃先１２ａの反射光をＣＣＤ等の撮像素子で受光し、画像データをデータ分析装置１８に向けて出力する。データ分析装置１８は、撮像装置１６の画像データを記憶手段に記憶し、所定の分析処理を行うコンピュータである。 The tool position measuring method of Patent Document 1 can be performed using, for example, a tool position measuring apparatus 10 shown in FIG. The tool position measuring device 10 includes an optical system device 14 disposed on the cutting edge 12a side of the rotary tool 12 whose rotation axis is on the Z axis, an imaging device 16 that captures a blade edge image through the optical system device 14, and an imaging device 14. And a data analysis device 18 for analyzing the image data captured. The optical system device 14 includes a light source 20, a half mirror 22, an objective lens 24, and various mirrors (not shown). The optical system device 14 emits light from the light source 20, deflects the light in the Z-axis direction by the half mirror 22, and the objective lens. 24 irradiates the blade edge 12a. Then, the reflected light from the blade edge 12 a is sent to the imaging device 16 through the objective lens 24 and the half mirror 22. The imaging device 16 receives the reflected light of the blade edge 12 a with an imaging device such as a CCD, and outputs the image data to the data analysis device 18. The data analysis device 18 is a computer that stores image data of the imaging device 16 in a storage unit and performs a predetermined analysis process.
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等であり、図７では、側方から見て略平坦な刃先１２ａを有するスクエアエンドミルを例示してある。 The rotating tool 12 to be measured is a micro end mill or the like having a minute cutting edge, and FIG. 7 illustrates a square end mill having a substantially flat cutting edge 12a when viewed from the side.
図８（ａ）は、上記の停止刃先撮像工程で撮像装置１６が撮像した停止刃先画像のうち、刃先１２ａに焦点が合ったときのもの（ここでは、刃先φ0.1mmのスクエアエンドミル）であり、縦縞状の研削条痕が鮮明に現れている。図８（ｂ）は、データ分析装置１８が図８（ａ）の停止刃先画像より算出したＸ軸方向の所定の軸線上の輝度分布である。この輝度分布から分かるように、軸線上を横切る研削条痕の影響で輝度の起伏が激しくなり、全体のコントラストが大きくなる。それに対して、焦点が合っていないときの停止画像刃先画像（ここでは図示していない）は、コントラストが小さくなる。 FIG. 8A shows a stop blade edge image captured by the imaging device 16 in the stop blade edge imaging step when the blade edge 12a is in focus (here, a square end mill with a blade edge of φ0.1 mm). The vertical stripe-shaped grinding streaks appear clearly. FIG. 8B is a luminance distribution on a predetermined axis in the X-axis direction calculated by the data analysis device 18 from the stop blade edge image of FIG. As can be seen from this luminance distribution, the undulation of the luminance becomes intense due to the influence of the grinding striation crossing the axis, and the overall contrast increases. On the other hand, the contrast of the stop image edge image (not shown here) when it is out of focus is small.
データ分析装置１８は、コントラストが最大になる停止刃先画像が得られた刃先１２ａの位置を抽出し、その位置を回転工具の基準位置と認識する。従って、刃先位置ごとに停止刃先画像のコントラストが急峻に変化し、コントラストピークが大きいほど、刃先位置の測定精度が高くなる。 The data analyzer 18 extracts the position of the blade edge 12a from which the stop blade edge image with the maximum contrast is obtained, and recognizes the position as the reference position of the rotary tool. Therefore, the contrast of the stop blade edge image changes sharply for each blade edge position, and the measurement accuracy of the blade edge position increases as the contrast peak increases.
また、特許文献２に、被測定物の測定面の材質等に制約されることなく焦点合わせを行えるようにしたオートフォーカス装置が開示されている。このオートフォーカス装置は、鏡面やガラス面などの元来コントラストが小さくフォーカスを合わせにくい測定面に対して対物レンズを通じて光源の光を照射すると共に、その光源の光路に配置したパターン投影板により三角形のパターンを投影し、その反射光により測定面の画像を撮像する観察光学系を備え、その画像のコントラスト情報に基づいて対物レンズを光軸方向に変位させ、焦点合わせを行う。この観察光学系で撮像した画像は、測定面に投影されたパターンによってコントラストピークを大きくすることができるので、焦点合わせを精度よく行うことができる。 Patent Document 2 discloses an autofocus device that can perform focusing without being restricted by the material of the measurement surface of the object to be measured. This autofocus device irradiates light from a light source through an objective lens onto a measurement surface such as a mirror surface or a glass surface that has a low contrast and is difficult to focus, and uses a pattern projection plate arranged in the light path of the light source to form a triangular shape. An observation optical system that projects a pattern and captures an image of the measurement surface by the reflected light is provided, and the objective lens is displaced in the optical axis direction based on the contrast information of the image to perform focusing. Since the image picked up by this observation optical system can increase the contrast peak by the pattern projected on the measurement surface, focusing can be performed with high accuracy.
上記の工具位置測定装置１０を用いて行う特許文献１の工具位置測定方法の場合、刃先にコーティング等が施され切削条痕が目立たない回転工具を測定対象にすると、刃先位置の測定精度が低下するという問題があった。これは、刃先１２ａのＺ軸方向に移動させたとき、図９（ａ）に示すように、焦点を合わせたときでも撮像した停止刃先画像（ここでは、刃先φ0.05mmのスクエアエンドミル）に縦縞状の研削条痕が鮮明に現れないので、図９（ｂ）のように輝度の起伏が少なく、全体のコントラストがさほど大きくならないからである。従って、切削条痕が目立たない回転工具の場合、焦点が合ったときの刃先１２ａの位置を正確に特定できず、結果として位置測定の精度が低下する。また、刃先にコーティング等が施されていない場合でも、回転工具ごとに切削条痕の形状（長さ、深さなど）が異なるので、測定精度にばらつきが発生しやすく、常に高い精度で測定するのが難しいものであった。 In the case of the tool position measuring method of Patent Document 1 performed using the tool position measuring apparatus 10 described above, if a rotating tool with coating or the like applied to the cutting edge and inconspicuous cutting marks is used as a measurement target, the measurement accuracy of the cutting edge position is reduced. There was a problem to do. This is because when the blade edge 12a is moved in the Z-axis direction, as shown in FIG. 9A, vertical stripes are formed on the stop blade edge image (here, a square end mill with a blade edge φ of 0.05 mm) that is captured even when the focus is adjusted. This is because the shape of the grinding streak does not appear clearly, so that the brightness does not undulate as shown in FIG. 9B, and the overall contrast does not increase so much. Therefore, in the case of a rotary tool in which the cutting streak is not conspicuous, the position of the blade edge 12a when focused can not be accurately specified, and as a result, the accuracy of position measurement is lowered. Even when the cutting edge is not coated, the cutting streak shape (length, depth, etc.) varies from one rotary tool to another, so variations in measurement accuracy are likely to occur and measurements are always made with high accuracy. It was difficult.
また、特許文献２のオートフォーカス装置は、被測定物が固定され、対物レンズの部分が光軸方向に変位して焦点を合わせるものである。しかも、測定面に対する光の照射及びパターンの投影が、光軸方向に変位する対物レンズを通じて行われるので、光の照射とパターンの投影を正確に行うための複数の調整機構を備えた複雑な観察光学系が必要となる。従って、このオートフォーカス装置の構成を、特許文献１の工具位置測定方法（すなわち、変位する被測定物である工具の位置を測定する方法）に、そのまま適用できるものではなかった。 In the autofocus device of Patent Document 2, the object to be measured is fixed, and the portion of the objective lens is displaced in the optical axis direction to focus. Moreover, since light irradiation and pattern projection onto the measurement surface are performed through an objective lens that is displaced in the optical axis direction, complex observation with multiple adjustment mechanisms for accurately performing light irradiation and pattern projection An optical system is required. Therefore, the configuration of the autofocus device cannot be applied as it is to the tool position measuring method of Patent Document 1 (that is, the method of measuring the position of the tool that is the object to be displaced).
この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、回転工具の刃先表面の材質や形によらず、回転軸方向の刃先の位置を精度よく測定できる工具位置測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described background art, and provides a tool position measuring device and a measuring method that can accurately measure the position of the cutting edge in the rotation axis direction regardless of the material and shape of the surface of the cutting edge of the rotating tool. The purpose is to provide.
この発明は、互いに直行するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸を回転軸とし、Ｚ軸上を移動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、少なくとも光源とパターン板とが設けられ、前記光源の光を前記回転工具の刃先に対してＺ軸方向に照射すると共に、前記パターン板に形成された所定のパターンを前記刃先表面に投影する光学系装置と、前記回転工具のＺ軸方向の移動を制御する制御ユニットと、前記制御ユニットに制御されて前記回転工具が移動する位置ごとに、前記刃先からの反射光によりＺ軸方向の刃先画像を撮像する撮像装置と、撮像した前記刃先画像ごとに、Ｘ軸方向の所定の軸線上の輝度分布に基づいてコントラストを算出し、コントラストが最も大きい刃先画像が撮像された前記刃先の位置を抽出し、前記刃先のＺ軸方向の位置とするデータ分析装置とを備える工具位置測定装置である。 The present invention relates to a tool position measuring apparatus for measuring the position of a rotary tool for cutting that moves on the Z axis in a non-contact manner using the Z axis of an XYZ three-dimensional coordinate system orthogonal to each other as a rotation axis, and at least a light source And an optical system device that irradiates light of the light source in the Z-axis direction with respect to the cutting edge of the rotary tool and projects a predetermined pattern formed on the pattern board onto the surface of the cutting edge. A control unit that controls movement of the rotary tool in the Z-axis direction, and a blade edge image in the Z-axis direction is captured by reflected light from the blade edge at each position where the rotary tool moves under the control of the control unit. For each imaging device and the captured blade edge image, the contrast is calculated based on the luminance distribution on a predetermined axis in the X-axis direction, and the position of the blade edge where the blade edge image with the highest contrast is captured Extracted, a tool position measuring device and a data analysis device for the Z-axis direction position of the cutting edge.
前記パターンは、複数の線が等間隔に並んだ縞模様を成し、前記複数の線が前記Ｘ軸方向の軸線を横切る向きに設定されていることが好ましい。 It is preferable that the pattern has a striped pattern in which a plurality of lines are arranged at equal intervals, and the plurality of lines are set in a direction crossing the axis in the X-axis direction.
また、この発明は、互いに直行するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸を回転軸とし、Ｚ軸上を移動する切削加工用の回転工具の位置を測定する工具位置測定方法であって、前記回転工具をＺ軸方向に移動させる工具移動工程と、前記回転工具の刃先にＺ軸方向の光を照射すると共に所定のパターンを前記刃先表面に投影し、前記回転工具が移動する位置ごとに、前記刃先からの反射光によりＺ軸方向の刃先画像を撮像する刃先撮像工程と、撮像した前記刃先画像ごとに、Ｘ軸方向の所定の軸線上の輝度分布に基づいてコントラストを算出し、コントラストが最も大きい刃先画像が撮像された前記刃先の位置を抽出し、前記刃先のＺ軸方向の位置とするデータ分析工程とを備る工具位置測定方法である。 The present invention also relates to a tool position measuring method for measuring the position of a rotary tool for cutting that moves on the Z axis with the Z axis of an XYZ three-dimensional coordinate system orthogonal to each other as a rotational axis. A tool moving step of moving the tool in the Z-axis direction, irradiating the tool tip of the rotary tool with light in the Z-axis direction, projecting a predetermined pattern onto the surface of the tool tip, and for each position where the rotary tool moves, the tool tip A blade edge imaging step of capturing a blade edge image in the Z-axis direction by reflected light from the light source, and for each captured blade edge image, the contrast is calculated based on the luminance distribution on a predetermined axis in the X-axis direction, and the contrast is the largest A tool position measuring method comprising: a data analysis step of extracting a position of the cutting edge from which a cutting edge image is captured and setting the position of the cutting edge in the Z-axis direction.
前記刃先撮像工程で、複数の線が等間隔に並んだ縞模様から成るパターンを前記回転工具の刃先に投影し、前記複数の線が前記Ｘ軸方向の軸線を横切る向きに設定することが好ましい。また、前記刃先撮像工程を、回転中の前記回転工具に対して行ってもよい。 In the cutting edge imaging step, it is preferable that a pattern composed of a striped pattern in which a plurality of lines are arranged at equal intervals is projected onto the cutting edge of the rotary tool, and the plurality of lines are set in a direction crossing the axis in the X-axis direction. . Moreover, you may perform the said blade edge imaging process with respect to the said rotating tool in rotation.
この発明の工具位置測定装置と測定方法は、マイクロエンドミル等の微小な回転工具の回転軸方向の位置を、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、装置の構成をシンプルにすることができる。特に、パターン板により刃先表面に所定のパターンを投影し、そのパターンを含む刃先画像のコントラストを分析するので、常に尖鋭なコントラストピークが得られ、刃先の材質や形状、及び切削条痕の形状の違いによらず、位置測定を高精度に行うことができる。 The tool position measuring apparatus and measuring method according to the present invention can detect the position in the rotational axis direction of a minute rotary tool such as a micro end mill by analyzing only the blade edge image data imaged from one direction, thus simplifying the configuration of the apparatus. Can be. In particular, since a predetermined pattern is projected on the surface of the cutting edge by the pattern plate and the contrast of the cutting edge image including the pattern is analyzed, a sharp contrast peak is always obtained, and the material and shape of the cutting edge and the shape of the cutting streak Regardless of the difference, position measurement can be performed with high accuracy.
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。ここで、上記の工具位置測定装置１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a tool position measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Here, the same configuration as the above-described tool position measuring apparatus 10 will be described with the same reference numerals.
この実施形態の工具位置測定装置２６は、図示しない切削加工機に装着され、回転軸上を移動する回転工具１２の軸方向の基準位置を測定する装置である。以下、回転工具１２の回転軸が垂直方向であり、この回転軸を互いに直交するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸とし、回転軸（Ｚ軸）に対して垂直な水平な面をＸＹ平面として説明する。 The tool position measurement device 26 of this embodiment is a device that is mounted on a cutting machine (not shown) and measures the axial reference position of the rotary tool 12 that moves on the rotary shaft. Hereinafter, the rotation axis of the rotary tool 12 is in the vertical direction, the rotation axis is described as the Z axis of the XYZ three-dimensional coordinate system orthogonal to each other, and the horizontal plane perpendicular to the rotation axis (Z axis) is described as the XY plane. To do.
工具位置測定装置２６は、回転工具１２の刃先１２ａ側に配置された光学系装置２８と、光学系装置２８を通じて刃先画像を撮像する撮像装置１６と、撮像装置１６が撮像した画像データを分析するデータ分析装置１８と、工具位置測定時の切削加工機の動作を制御する制御ユニット３０とで構成されている。 The tool position measuring device 26 analyzes the optical system device 28 arranged on the blade edge 12 a side of the rotary tool 12, the imaging device 16 that captures a blade edge image through the optical system device 28, and the image data captured by the imaging device 16. The data analysis device 18 and a control unit 30 that controls the operation of the cutting machine at the time of tool position measurement are configured.
光学系装置２８の詳細な構成を説明すると、図２に示すように、光源２０、第一レンズ３２、パターン板３４、第二レンズ３６、ハーフミラー２２、対物レンズ２４及び結像レンズ３８を備えている。パターン板３４は、回転工具１２の刃先１２ａに所定の線で白黒等の明暗部が区画されたパターンを投影するための投影板であり、ここでは、複数の線が等間隔に並んだ縞模様のパターン３４ａが形成されている。 The detailed configuration of the optical system device 28 will be described. As shown in FIG. 2, the optical system device 28 includes a light source 20, a first lens 32, a pattern plate 34, a second lens 36, a half mirror 22, an objective lens 24, and an imaging lens 38. ing. The pattern plate 34 is a projection plate for projecting a pattern in which bright and dark parts such as black and white are defined by predetermined lines on the cutting edge 12a of the rotary tool 12, and here, a striped pattern in which a plurality of lines are arranged at equal intervals. Pattern 34a is formed.
電球又はＬＥＤ等の光源２０から放射された光は、第一レンズ３２により平行光となってパターン板３４を通過し、第二レンズ３６によりハーフミラー２２を介して対物レンズ２４の瞳位置に焦点を結び、再び対物レンズ２４により平行光となって刃先１２ａを一様な光量で照射する。パターン板３４は、第一レンズ３２及び第二レンズ３６の間の光源２０からの光が一様に集まる位置に配置され、パターン３４ａの情報を持つ光が第二レンズ３６により平行光となり、対物レンズ２４によってその焦点位置Ｚ１にパターンを結ぶ。そして、刃先１２ａからの反射光を、対物レンズ２４、ハーフミラー２２を通して撮像装置１６に送る。光学系装置２８を構成するこれらの部品は、測定開始前に所定の位置に固定され、少なくとも測定中は位置関係が一定に保持される。 Light emitted from the light source 20 such as a light bulb or LED is converted into parallel light by the first lens 32, passes through the pattern plate 34, and is focused on the pupil position of the objective lens 24 via the half mirror 22 by the second lens 36. Then, the object lens 24 again becomes parallel light and irradiates the blade edge 12a with a uniform light amount. The pattern plate 34 is disposed at a position where the light from the light source 20 is uniformly gathered between the first lens 32 and the second lens 36, and the light having the information of the pattern 34 a becomes parallel light by the second lens 36, A pattern is formed by the lens 24 at the focal position Z1. Then, the reflected light from the blade edge 12 a is sent to the imaging device 16 through the objective lens 24 and the half mirror 22. These components constituting the optical system device 28 are fixed at predetermined positions before the start of measurement, and the positional relationship is kept constant at least during the measurement.
撮像装置１６は、刃先１２ａの反射光をＣＣＤ等の撮像素子１６ａで受光し、画像データをデータ分析装置１８に向けて出力する。図１に示すデータ分析装置１８は、撮像装置１６の画像データを記憶手段に記憶し、所定の分析処理を行う装置である。制御ユニット３０は、切削加工機の制御部に対して指令を出し、測定中の撮像装置１６及びデータ分析装置１８の動作に合わせて回転工具１２のＺ軸方向の移動を制御するユニットである。ここでは、データ分析装置１８及び制御ユニット３０が、コンピュータ内に一体に構成されている。 The imaging device 16 receives the reflected light of the blade edge 12 a with an imaging device 16 a such as a CCD, and outputs image data to the data analysis device 18. A data analysis device 18 shown in FIG. 1 is a device that stores image data of the imaging device 16 in a storage unit and performs a predetermined analysis process. The control unit 30 is a unit that issues a command to the control unit of the cutting machine and controls the movement of the rotary tool 12 in the Z-axis direction in accordance with the operations of the imaging device 16 and the data analysis device 18 being measured. Here, the data analysis device 18 and the control unit 30 are integrally configured in the computer.
測定対象の回転工具１２は、図１に示すように、微小な刃先を有した各種マイクロエンドミルであり、図８と同様に、側方から見て略平坦な刃先１２ａを有するスクエアエンドミルである。 As shown in FIG. 1, the rotating tool 12 to be measured is a variety of micro end mills having a minute cutting edge, and is a square end mill having a substantially flat cutting edge 12a as viewed from the side, as in FIG.
次に、工具位置測定装置２６を用いて行われるこの発明の工具位置測定方法の一実施形態について、図３に基づいて説明する。この実施形態の工具位置測定方法は、切削加工機に装着した回転工具１２の刃先１２ａのＺ軸方向の基準位置を測定するものであり、刃先撮像工程Ｓ１１、工具移動工程Ｓ１２及びデータ分析工程Ｓ１３を備えている。 Next, an embodiment of the tool position measuring method of the present invention performed using the tool position measuring device 26 will be described with reference to FIG. The tool position measuring method of this embodiment measures the reference position of the cutting edge 12a of the rotary tool 12 mounted on the cutting machine in the Z-axis direction, and the cutting edge imaging step S11, the tool movement step S12, and the data analysis step S13. It has.
まず、刃先撮像工程Ｓ１１において、回転工具１２の回転が停止した状態で、特定の位置Ｚ２にある刃先１２ａの刃先画像を撮像装置１６で撮像し、画像データをデータ分析装置１８に送る。撮像された刃先画像は、刃先１２ａの像にパターン３４ａが投影された画像となる。次に、工具移動工程Ｓ１２において、制御ユニット３０の指令により刃先１２ａの位置を次の刃先位置Ｚ２に移動させ、刃先撮像工程Ｓ１１に戻って刃先画像を撮像する。例えば、図４（ａ）は、刃先φ0.05mmのスクエアエンドミルの刃先画像であり、刃先位置Ｚ２が焦点位置Ｚ１と近いとき、すなわち、ほぼ焦点が合ったときの刃先画像である。図４（ａ）から分かるように、パターン３４ａの縞模様が、このＸ軸方向の軸線を横切る向きに鮮明に投影されている。 First, in the blade edge imaging step S <b> 11, with the rotation of the rotary tool 12 stopped, a blade edge image of the blade edge 12 a at the specific position Z <b> 2 is captured by the imaging device 16 and image data is sent to the data analysis device 18. The captured blade edge image is an image obtained by projecting the pattern 34a onto the image of the blade edge 12a. Next, in the tool moving step S12, the position of the blade edge 12a is moved to the next blade edge position Z2 according to a command from the control unit 30, and the process returns to the blade edge imaging step S11 to capture a blade edge image. For example, FIG. 4A is a cutting edge image of a square end mill having a cutting edge diameter of 0.05 mm, and is a cutting edge image when the cutting edge position Z2 is close to the focal position Z1, that is, when substantially in focus. As can be seen from FIG. 4A, the stripe pattern of the pattern 34a is projected clearly in a direction crossing the axis line in the X-axis direction.
この刃先撮像工程Ｓ１１と工具移動工程Ｓ１２を繰り返すことによって、刃先１２ａの位置ごとの刃先画像のデータがデータ分析装置１８に蓄積され、所定の刃先位置Ｚ２における撮像を終えると、次のデータ分析工程Ｓ１３に進む。 By repeating the cutting edge imaging step S11 and the tool moving step S12, the data of the cutting edge image for each position of the cutting edge 12a is accumulated in the data analysis device 18, and when the imaging at the predetermined cutting edge position Z2 is finished, the next data analysis step Proceed to S13.
次に、データ分析工程Ｓ１３において、データ分析装置１８が、各刃先画像のＸ軸方向の軸線上の輝度分布より、コントラストを算出する。図４（ｂ）の輝度分布に示すように、パターン３４ａの焦点位置Ｚ１と刃先位置Ｚ２とが近いと、軸線を横切るパターン３４ａにより輝度分布の起伏が激しくなり、全体のコントラストが非常に大きくなる。一方、刃先位置Ｚ２が焦点位置Ｚ１から離れると、パターン３４ａの像が不鮮明になって輝度分布の起伏が少なくなり、全体のコントラストが小さくなる。刃先位置Ｚ２とコントラスト測定値の関係をグラフにすると、例えば図５に示すように、刃先位置Ｚ２が焦点位置Ｚ１から0.2μm以上離れるとコントラストが急激に低下し、1.0μmも離れるとほとんどコントラストがなくなることが分かる。このように、焦点が合ったときと合わないときとでコントラストの差が大きくなるので、コントラストが最大になる刃先位置Ｚ２、すなわち焦点位置Ｚ１に最も近い刃先位置Ｚ２を抽出することにより、基準位置Ｚ２（≒Ｚ１）を精度よく特定することができる。 Next, in the data analysis step S13, the data analysis device 18 calculates a contrast from the luminance distribution on the axis in the X-axis direction of each blade edge image. As shown in the luminance distribution of FIG. 4B, when the focal position Z1 and the cutting edge position Z2 of the pattern 34a are close, the unevenness of the luminance distribution becomes severe due to the pattern 34a crossing the axis, and the overall contrast becomes very large. . On the other hand, when the blade edge position Z2 is separated from the focal position Z1, the image of the pattern 34a becomes unclear, the undulation of the luminance distribution is reduced, and the overall contrast is reduced. When the relationship between the cutting edge position Z2 and the measured contrast value is graphed, for example, as shown in FIG. 5, the contrast sharply decreases when the cutting edge position Z2 is 0.2 μm or more away from the focal position Z1, and the contrast is almost lost when the cutting edge position is as far as 1.0 μm. I understand that it will disappear. Thus, since the difference in contrast between when the focus is achieved and when it is out of focus increases, the blade edge position Z2 at which the contrast is maximized, that is, the blade edge position Z2 that is closest to the focal position Z1 is extracted. Z2 (≈Z1) can be specified with high accuracy.
また、この実施形態では、基準位置Ｚ２（≒Ｚ１）を特定する際、コントラスト測定値の変化にガウス関数をフィッティングし、得られたガウス関数が最大になる刃先位置Ｚ２を算出して基準位置Ｚ２（≒Ｚ１）としている。これは、刃先撮像工程Ｓ１１において、刃先画像を撮像する複数の刃先位置Ｚ２が、焦点位置Ｚ１とぴったり一致するとは限らないからであり、この方法を使用すれば、刃先画像を撮像していない刃先位置Ｚ２でも基準位置Ｚ２（≒Ｚ１）として抽出することができるので、測定精度をさらに向上させることができる。あるいは、刃先画像を撮像する位置Ｚ２の数を減らすことによって、一定の測定精度を確保しつつ、測定開始から基準位置Ｚ２を特定するまでの時間を短くすることも可能である。なお、刃先がφ0.05mm程度のスクエアエンドミルの分析にはガウス関数が適していることが経験的に分かっているが、他のマイクロエンドミルの場合、ガウス関数以外の好適な関数を選択すればよい。 In this embodiment, when the reference position Z2 (≈Z1) is specified, a Gaussian function is fitted to the change in the contrast measurement value, and the cutting edge position Z2 at which the obtained Gaussian function is maximized is calculated to calculate the reference position Z2. (≈Z1). This is because, in the blade edge imaging step S11, the plurality of blade edge positions Z2 for capturing the blade edge image are not necessarily exactly coincident with the focal position Z1, and if this method is used, the blade edge that has not captured the blade edge image. Since the position Z2 can be extracted as the reference position Z2 (≈Z1), the measurement accuracy can be further improved. Alternatively, it is possible to shorten the time from the start of measurement to the reference position Z2 while ensuring a certain measurement accuracy by reducing the number of positions Z2 at which the blade edge images are captured. It is empirically known that a Gaussian function is suitable for analysis of a square end mill with a cutting edge of about φ0.05 mm. However, in the case of other microend mills, a suitable function other than the Gaussian function may be selected. .
以上説明したように、この実施形態の工具位置測定装置２６及び測定方法によれば、マイクロエンドミル等の微小な回転工具１２について、刃先１２ａの基準位置Ｚ２（≒Ｚ１）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、装置の構成をシンプルにすることができる。特に、パターン板３４により刃先１２ａ表面に所定のパターン３４ａを投影し、そのパターン３４ａを含む刃先画像のコントラストを分析するので、常に尖鋭なコントラストピークが得られ、刃先１２ａの材質や形状の違い、及び切削条痕の形状の違いによらず、位置測定を高精度に行うことができる。 As described above, according to the tool position measuring device 26 and the measuring method of this embodiment, the reference position Z2 (≈Z1) of the blade edge 12a is imaged from one direction with respect to the minute rotary tool 12 such as a micro end mill. Since only the blade edge image data is analyzed and detected, the configuration of the apparatus can be simplified. In particular, the pattern plate 34 projects a predetermined pattern 34a on the surface of the blade edge 12a, and analyzes the contrast of the blade edge image including the pattern 34a. And position measurement can be performed with high accuracy irrespective of the difference in the shape of the cutting streak.
また、従来の工具位置測定装置１０及び測定方法は、切削条痕の像により刃先画像のコントラストを大きくするものなので、撮像した刃先画像に切削条痕の像が現れるように、切削工具１２の回転を停止した状態でなければ、正確な測定が困難であった。しかし、この実施形態の工具位置測定装置２６及び測定方法によれば、回転工具１２を回転させた状態（切削条痕が現れない状態）で測定しても、例えば図６に示すように、パターン３４ａの投影により輝度分布の起伏が激しくなり、回転工具１２を停止させて測定した場合と同様の測定を行うことができる。従って、実際に切削加工を行っている状態に近い状態で刃先１２の位置測定を行うので、例えば、切削加工機のチャック部に回転工具１２を装着する際の位置ずれや、切削加工時の熱等に起因する刃先１２ａの位置ずれ等の影響も含め、より実用的な測定をすることができる。 Further, since the conventional tool position measuring device 10 and the measuring method increase the contrast of the blade edge image by the image of the cutting line, the cutting tool 12 is rotated so that the image of the cutting line appears in the captured blade edge image. If the state is not stopped, accurate measurement is difficult. However, according to the tool position measuring device 26 and the measuring method of this embodiment, even if measurement is performed in a state where the rotary tool 12 is rotated (a state in which no cutting streak appears), for example, as shown in FIG. Due to the projection of 34a, the undulation of the luminance distribution becomes intense, and the same measurement as when measurement is performed with the rotary tool 12 stopped can be performed. Therefore, since the position of the blade edge 12 is measured in a state close to the state in which cutting is actually performed, for example, the positional deviation when the rotary tool 12 is mounted on the chuck portion of the cutting machine or the heat during cutting More practical measurement can be performed including the influence of the positional deviation of the blade edge 12a caused by the above.
なお、この発明の工具位置測定方法と装置は、上記の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、回転工具の回転軸の方向から刃先を撮像する構成を備えていればよく、回転軸の方向が水平や斜めの場合、それに合わせて各種ミラーやレンズの構成や配置を適宜変更すればよい。 In addition, the tool position measuring method and apparatus of this invention are not limited to said embodiment. For example, the imaging device of the tool position measuring device only needs to have a configuration for imaging the cutting edge from the direction of the rotation axis of the rotary tool. When the direction of the rotation axis is horizontal or oblique, various mirrors and lenses are arranged accordingly. What is necessary is just to change a structure and arrangement | positioning suitably.
また、パターン板は、光を通過させることによって回転工具の刃先に所定のパターンを投影可能なものであればよく、基材の種類やパターンの形成方法は問わない。また、測定対象の回転工具の大きさや刃先形状に応じて、縞模様と異なる形状のパターンを設けてもよい。 Moreover, the pattern board should just be a thing which can project a predetermined pattern on the blade edge | tip of a rotary tool by allowing light to pass through, and the kind of base material and the formation method of a pattern are not ask | required. Moreover, you may provide the pattern of a shape different from a striped pattern according to the magnitude | size and cutting-edge shape of the rotary tool of a measuring object.
１０，２６ 工具位置測定装置
１２ 回転工具
１２ａ 刃先
１４，２８ 光学系装置
１６ 撮像装置
１６ａ 受光素子
１８ データ分析装置
２０ 光源
２２ ハーフミラー
２４ 対物レンズ
２８ 光学系装置
３０ 制御ユニット
３２ 第一レンズ
３４ パターン板
３４ａ パターン
３６ 第二レンズ
３８ 結像レンズ
Ｓ１１ 刃先撮像工程
Ｓ１２ 工具移動工程
Ｓ１３ データ分析工程
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 26 Tool position measuring device 12 Rotary tool 12a Cutting edge 14,28 Optical system device 16 Imaging device 16a Light receiving element 18 Data analysis device 20 Light source 22 Half mirror 24 Objective lens 28 Optical system device 30 Control unit 32 First lens 34 Pattern plate 34a Pattern 36 Second lens 38 Imaging lens S11 Cutting edge imaging step S12 Tool moving step S13 Data analysis step
Claims (5)
少なくとも光源とパターン板とが設けられ、前記光源の光を前記回転工具の刃先に対してＺ軸方向に照射すると共に、前記パターン板に形成された所定のパターンを前記刃先表面に投影する光学系装置と、
前記回転工具のＺ軸方向の移動を制御する制御ユニットと、
前記制御ユニットに制御されて前記回転工具が移動する位置ごとに、前記刃先からの反射光によりＺ軸方向の刃先画像を撮像する撮像装置と、
撮像した前記刃先画像ごとに、Ｘ軸方向の所定の軸線上の輝度分布に基づいてコントラストを算出し、コントラストが最も大きい刃先画像が撮像された前記刃先の位置を抽出し、前記刃先のＺ軸方向の位置とするデータ分析装置とを備えることを特徴とする工具位置測定装置。 In a tool position measuring apparatus that measures the position of a rotary tool for cutting that moves on the Z axis in a non-contact manner with the Z axis of an XYZ three-dimensional coordinate system orthogonal to each other as a rotation axis,
An optical system that includes at least a light source and a pattern plate, irradiates light from the light source in the Z-axis direction with respect to the cutting edge of the rotary tool, and projects a predetermined pattern formed on the pattern plate onto the surface of the cutting edge Equipment,
A control unit for controlling the movement of the rotary tool in the Z-axis direction;
An imaging device that captures a blade edge image in the Z-axis direction by reflected light from the blade edge for each position where the rotary tool moves under the control of the control unit;
For each captured blade edge image, the contrast is calculated based on the luminance distribution on a predetermined axis in the X-axis direction, the position of the blade edge where the blade edge image with the highest contrast is captured is extracted, and the Z-axis of the blade edge A tool position measuring device, comprising: a data analyzing device for setting a position in a direction.
前記回転工具をＺ軸方向に移動させる工具移動工程と、
前記回転工具の刃先にＺ軸方向の光を照射すると共に所定のパターンを前記刃先表面に投影し、前記回転工具が移動する位置ごとに、前記刃先からの反射光によりＺ軸方向の刃先画像を撮像する刃先撮像工程と、
撮像した前記刃先画像ごとに、Ｘ軸方向の所定の軸線上の輝度分布に基づいてコントラストを算出し、コントラストが最も大きい刃先画像が撮像された前記刃先の位置を抽出し、前記刃先のＺ軸方向の位置とするデータ分析工程とを備えることを特徴とする工具位置測定方法。 In a tool position measuring method for measuring the position of a rotary tool for cutting that moves on the Z axis, with the Z axis of an XYZ three-dimensional coordinate system orthogonal to each other as a rotation axis,
A tool moving step of moving the rotary tool in the Z-axis direction;
The cutting edge of the rotary tool is irradiated with light in the Z-axis direction, a predetermined pattern is projected onto the surface of the cutting edge, and a cutting edge image in the Z-axis direction is reflected by reflected light from the cutting edge for each position where the rotary tool moves. A blade edge imaging step for imaging;
For each captured blade edge image, the contrast is calculated based on the luminance distribution on a predetermined axis in the X-axis direction, the position of the blade edge where the blade edge image with the highest contrast is captured is extracted, and the Z-axis of the blade edge A tool position measurement method comprising: a data analysis step for setting a position in a direction.
The tool position measuring method according to claim 3 or 4, wherein the cutting edge imaging step is performed on the rotating tool being rotated.
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