JP2018185319A - 工具形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の刃部を有する工具の形状異常を簡便な構成で検出できる工具形状測定装置を提供する。
【解決手段】工具４が回転する状態において工具４の輪郭を撮影する撮像部８と、撮像部による検知信号、及び、工具４の回転軸芯Ｚ方向における基準位置に基づいて工具４の輪郭位置を演算する演算部２１と、を備え、基準位置は、工具４において加工対象と接触しない部分に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、工具の刃部形状を測定する工具形状測定装置に関する。

特許文献１には、工具等の撮像対象を撮像し、得られた画像に画像処理を施すことで撮像対象の形状を検出する撮像装置が示されている。この撮像装置では、投光部から工具に向けて光が照射され、レンズを通過した光が、受光部に設けられたエリアセンサによって検出される。エリアセンサはセンサ素子を矩形の面状に配置して構成されている。これにより、工具を全体的に撮像して工具の形状を測定することができる。

特許文献２には、エリアセンサとラインセンサとを併用する工具測定装置が記載されている。工具の形状はエリアセンサによって測定される。これに対し、ラインセンサは、測定領域であるエリアセンサの視野の適正な位置に工具が進入したかを検出するために用いられる。ラインセンサの検出信号がマシニングセンタに出力されると、マシニングセンタによって工具の進入動作が停止されて工具が測定領域に保持される。

特開２００７−４９４８９号公報 特開２０１２−８６３５０号公報

特許文献１及び２の撮像装置を用いることで、複数の刃部を有する工具の全体的な形状を測定することができる。ただし、工具は通常回転状態にして形状が測定されるため、複数の刃部の一つが欠損した場合に、その欠損を検出できないことがある。これは、回転状態の工具では、刃部の一つが欠損しても工具の輪郭に変化が生じないためである。

上記実情に鑑み、複数の刃部を有する工具の形状異常を簡便な構成で検出できる工具形状測定装置が望まれる。

本発明に係る工具形状測定装置の特徴構成は、外周に複数の刃部を有する工具の形状を測定する工具形状測定装置であって、前記工具が回転する状態において当該工具の輪郭を撮影する撮像部と、前記撮像部による検知信号、及び、前記工具の回転軸芯方向における基準位置に基づいて前記工具の輪郭位置を演算する演算部と、を備え、前記基準位置は、前記工具において加工対象と接触しない部分に設定される点にある。

本構成のように、演算部によって工具の輪郭位置を演算する上で、工具の基準位置を加工対象と接触しない部分に設定することで、測定値の精度が安定する。

他の特徴構成は、前記基準位置は、前記工具のシャンク径が細くなり始める中間部に設定されている点にある。

他の特徴構成は、前記基準位置は、前記工具の基端部に設定されている点にある。

マシニングセンタに備えられた工具形状測定装置の概略図である。 Ｔ字状のラインセンサを示す図である。 ラインセンサに被測定物を重ねた図である。 ラインセンサの出力状態を示す概略図である。 各刃の振れ判定を行うフローチャートである。 使用前後の各刃の振れ判定値を比較したグラフである。 刃部の軸方向の振れを測定する例を示す図である。 刃部に複数の測定箇所を設ける例を示す図である。 各刃の複数個所を測定して振れ判定を行うフローチャートである。 ねじれた刃部に測定箇所を設ける例を示す図である。 回転軸芯（Ｚ軸）方向の基準位置の説明図である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔全体構成〕
工具形状測定装置１００は、例えば外周に複数の刃部を有する穿孔用ドリル、フライス加工用のカッタ等の精密加工用の工具の形状測定に用いられる。図１に示すように、工具形状測定装置１００は、撮像部１とコントローラ２とによって構成されている。撮像部１は工具４が装着されたコンピュータ数値制御（CNC：Computerized Numerical Control）式の工作機械３に設置される。

撮像部１は、工具４に向けて照射光Ｌを発する投光部５と、工具４を挟んで投光部５と反対の側に配置される受光部６と、投光部５から照射した光を工具４の側に集光させる投光レンズ５ａを有する。投光部５は発光ダイオード（ＬＥＤ）等によって構成される。工具４を挟んで投光レンズ５ａと反対側には、工具４の輪郭を撮影する受光レンズ６ａが設けられている。受光レンズ６ａによって集められた光は、ミラー７によって曲げられ、ラインセンサ８を備えた受光部６に結像する。ラインセンサ８は、複数のセンサ素子８１が一方向に配列されて形成されている。また、ミラー７は、ラインセンサ８に対して受光レンズ６ａの光軸がずれている場合に光軸の調節が可能である。

ラインセンサ８の位置は、工具４の表面形状のうちラインセンサ８から工具４の回転軸芯Ｚと等距離にある部位の撮像が受光レンズ６ａによって焦点を結ぶように設定されている。受光レンズ６ａの焦点深度は例えば約０．１ｍｍである。工具４の刃先４ｂの像は受光レンズ６ａによって受光部６に拡大投影される。これにより、例えば光軸に対して垂直方向に約１μm程度の精度で工具４の輪郭位置を判別することができる。

ラインセンサ８が受光すると、光の明暗に応じて起電力が発生する。この起電力に基づいて検知信号が生成され、検知信号はコントローラ２に設けられた演算部２１に送られる。演算部２１では、工具４の輪郭位置の特定が行われる。測定された輪郭位置を示す値は撮像部１の側面位設けられた表示部１０に表示される。

図２に示すように、受光部６には受光レンズ６ａの光軸に垂直な受光面９が設けられている。受光面９には二本のラインセンサ８が互いに垂直となる姿勢で配置されている。例えば、工具４の先端部４ａの輪郭を測定する場合を想定する。仮に、ラインセンサ８が一方向の一本のみであれば、工具４の先端部４ａの何れかの部位に対してラインセンサ８の姿勢が接線方向になる場合が生じる。このような位置ではラインセンサ８を構成する複数のセンサ素子８１（図４参照）において受光量の差が出難くなり、先端部４ａの輪郭位置を正確に検出することができない。そこで、受光部６には、工具４の表面に対して垂直に近い交差角を有する状態でラインセンサ８の方向を設定するよう、異なる二つの方向に複数のラインセンサ８ａ、８ｂが設けられている。

本実施形態では、ラインセンサ８は、工具４の回転軸芯Ｚと平行に設置された第１ラインセンサ８ａと、第１ラインセンサ８ａに対して直角に設置された第２ラインセンサ８ｂとを備えている。第２ラインセンサ８ｂは第１ラインセンサ８ａの両端部のうち工具４の基端部に近い側の端部に近接して設置されている。

図２に示すように、第１・第２ラインセンサ８ａ，８ｂは、受光面９に設けられたＴ字状の凹溝９ａに配置される。こうすることで、撮像部１の内部で乱反射した光が第１・第２ラインセンサ８ａ，８ｂに入射するのを遮ることができ、第１・第２ラインセンサ８ａ，８ｂの検出精度を高めることができる。また、第１・第２ラインセンサ８ａ，８ｂには工具４の輪郭画像が拡大して投影されるから、第１・第２ラインセンサ８ａ，８ｂは高い解像度を有する。したがって、第１・第２ラインセンサ８ａ，８ｂの取付面となる受光面９は金属研磨面等によって正確な平面に形成されている。

図３には、第１ラインセンサ８ａ及び第２ラインセンサ８ｂに対して工具４の撮像画像が重なった様子が示されている。図３では、工具４の先端部４ａが第１ラインセンサ８ａの中程に位置している。第１ラインセンサ８ａの中程に示した黒丸は、あらかじめ設定された仮想の基準位置である。測定に際しては、工具４の先端部４ａがこの基準位置から通過した距離を測定する。一方の第２ラインセンサ８ｂは工具４に対して回転軸芯Ｚと垂直な方向に交差している。この状態では、第１ラインセンサ８ａは一箇所の輪郭位置を測定可能であり、第２ラインセンサ８ｂは二箇所の輪郭位置を測定可能である。

第２ラインセンサ８ｂによる受光の様子を図４に示す。図４の（ａ）〜（ｃ）の順に、工具４が時計方向に回転し、夫々の刃先４ｂの輪郭が第２ラインセンサ８ｂに結像する様子を示している。中央の図４（ｂ）が受光レンズ６ａによって刃先４ｂの像が第２ラインセンサ８ｂ上に合焦した状態である。受光レンズ６ａの焦点深度は例えば約０．１ｍｍであり、刃先４ｂがこの位置から前後に０．１ｍｍ以内の位置にある場合にはピントが合うこととなる。

図４（ａ）では、受光レンズ６ａから刃先４ｂまでの距離が遠く、刃先４ｂの位置は、受光レンズ６ａの光軸６ｂに対して図中左側にオフセットしている。この場合、焦点は、第２ラインセンサ８ｂの手前かつ光軸６ｂの右側となって所謂ピンボケ状態となる。逆に、図４（ｃ）では、受光レンズ６ａから刃先４ｂまでの距離が近い。刃先４ｂの位置は、光軸６ｂに対して左側である。この場合、焦点は、第２ラインセンサ８ｂの奥側かつ光軸６ｂに対して右側となって、やはりピンボケ状態となる。

例えば、図４（ａ）の場合、第２ラインセンサ８ｂには、工具４によって照射光Ｌが遮られない完全に遮られる第１領域Ａと、第１領域Ａに隣接して照射光Ｌの一部が遮られる第２領域Ｂと、第２領域Ｂに隣接して照射光Ｌが全く遮られない第３領域Ｃとが形成される。工具４の輪郭位置の検知は、焦点近傍にあるセンサ素子８１によって行われる。

図４から明らかなように、図４（ｂ）では、第２ラインセンサ８ｂの表面位置でピントが合うため、センサ素子８１は、第１領域Ａあるいは第３領域Ｃに属するものとなる。ここでは第２領域Ｂに分類されるセンサ素子８１の数はゼロ或いは極めて少ない数となる。

一方、図４（ａ）及び図４（ｃ）の場合、刃先４ｂの撮像焦点が第２ラインセンサ８ｂの表面位置に合わず、所謂ピンボケ状態となる。このため、幾つかのセンサ素子８１では光量が減じられた受光となり、第２領域Ｂに分類されるセンサ素子８１の数が増えることとなる。

演算部２１では、図４の夫々の場合において、第２領域Ｂに分類されるセンサ素子８１の中央位置、或いは、第１領域Ａ及び第３領域Ｃの境界位置をその瞬間における工具４の輪郭位置として特定する。

輪郭位置は、工具４の回転に伴い、受光レンズ６ａの光軸６ｂに垂直な方向に沿って移動する。図４から明らかな如く、刃先４ｂの撮像画像のピントが合った状態（図４（ｂ））で、輪郭位置は、第２ラインセンサ８ｂの長手方向に沿って回転軸芯Ｚに最も近い位置となる。刃先４ｂがそれ以外の位置にある場合には、撮像画像のピントが合わず、演算された輪郭位置は回転軸芯Ｚから遠ざかることとなる。よって、本実施形態において演算部２１は、輪郭位置が工具４の回転軸芯Ｚに最も近付いた位置を確定輪郭位置として特定する。

〔各刃先の形状測定〕
刃先４ｂの検査は適宜のタイミングで行うことができる。例えば、工具４を仕上げ加工に用いる前に行うと、より精密な加工が可能となる。また、所定の加工ワークにつき予め設定した加工個数毎に行ってもよいし、加工時間毎に行ってもよい。さらには、加工線長毎に行ってもよい。

複数の刃先４ｂを備える工具４においては、例えば図７に示すように、特定の刃先４ｂが欠損する場合がある。特に、工具４の径が小さいと刃先４ｂの摩耗や欠損を目視では確認することができない。本実施形態の工具形状測定装置１００では、以下の手順により各刃先４ｂの形状異常を特定する。例えば、複数の刃部（刃先４ｂ）の夫々の輪郭位置を加工前後の異なる時間に測定した結果に基づいて算出される双方の輪郭位置の差を振れ幅とし、当該振れ幅が予め設定した閾値を超えているとき、刃部の形状が異常であると特定する。

図１に示すように、工作機械３には、工具４の回転位相を認識する位相検出部３１が備えられている。位相検出部３１は、機械主軸に備えたサーボエンコーダや、工具４に取り付けた反射シールや切溝等の目印により、工具４の回転位相を認識する。工具４の形状測定に際しては、工具４に対して上記目印などによって測定開始の基点を設定する。その後、位相検出部３１により工具４の回転位相を把握しつつ、各刃先４ｂについて形状を測定する。なお、コントローラ２または工作機械３には、工具４の刃数を入力する入力部が備えられている。

以下、測定態様の詳細を図５のフローチャートに示す。複数の刃先４ｂに対し、決定された基点に基づいて刃先４ｂに順に識別番号（例えば１，２，・・・ｎ）を付与し、工具４を連続的に回転させて、一定周期で刃先４ｂの形状測定を行う。

ステップ♯１で測定周期を計算する。一例として、測定対象の工具４が１００回／分で回転し刃先４ｂが４枚である場合を想定する。この場合、一回転の周期は０．６秒であり、１つの刃先４ｂの測定周期０．１５秒となる。

次に、ステップ＃２において、工具４の回転位相の基点を決定する。ステップ＃３において輪郭位置の最大値を取得し、刃先４ｂの測定タイミングを演算する。この測定タイミングに対し、測定周期を１／２だけ進める（ステップ＃４）。即ち、ラインセンサ８ｂによって輪郭位置の移動を測定し、輪郭位置が、ラインセンサ８ｂの長手方向に沿った一方に向けて移動し、次に逆方向に反転した時点で、当該反転位置を確定輪郭位置とし、当該確定輪郭位置を得た状態での工具４の回転位相を基準にして、測定周期を半周期ずらせた位相を測定開始及び測定終了の切替位相とするように測定タイミングを設定する。これにより、測定周期の測定領域に、刃先４ｂにおいて受光レンズ６ａの焦点が合う最大外周位置とその前後の領域が含められる。その後、タイマを作動しつつ（ステップ＃５）、番号１の刃先４ｂの測定を開始する。

ラインセンサ８に含まれるセンサ素子８１が最少となり刃先４ｂの輪郭位置が特定されると、ステップ＃６において刃先４ｂの輪郭位置の最大値、即ち確定輪郭位置の値が更新される。ステップ＃７において番号１の刃先４ｂの測定が終了すると、ステップ＃８において刃先４ｂの番号値と確定輪郭位置の値が記憶される。ステップ♯９においてＮ値を１だけ増加し、以降、番号２〜４の刃先４ｂについて同様の測定を行う（ステップ＃５〜１０）。

ステップ＃１０において４枚の刃先４ｂに対して所定回数の測定が終了すると、ステップ＃１１において使用前の測定データと比較し夫々の刃先４ｂの振れ幅を計算する。

刃先４ｂの輪郭は、例えば工具４の径方向においては工具４の回転軸芯Ｚの位置を基準に増減を繰り返す。このため、径方向の一端側において刃先４ｂの輪郭を測定することで、夫々の刃先４ｂの軸心から刃先４ｂの輪郭までの距離である「振れ」を測定することができる。

図６には、６ｍｍφのエンドミルにつき、径方向の一端側の刃先４ｂの振れを測定した結果を示す。図６中、点線が加工前の測定結果であり、実線が加工後の測定結果である。

加工前の測定結果によれば、２番の刃先４ｂの測定値が最も大きく1.020ｍｍであった。これに対して最小の測定値は４番の刃先４ｂで0.960ｍｍであった。よって、これらの差から加工前の「振れ」は0.060ｍｍであったことがわかる。

一方、加工後の測定結果によれば、最大の測定値は１番の刃先４ｂで0.980ｍｍ、最小の測定値は４番の刃先４ｂで0.950ｍｍであった。よって、加工後の「振れ」は0.030ｍｍであり、加工前の半分に落ち着いたことになる。

ただし、２番の刃先４ｂに注目すると、加工前の測定値が1.020ｍｍであったものが加工後には0.969ｍｍとなり、0.051ｍｍ減少していた。１番、３番、４番の刃先４ｂについては、加工後は加工前に比べて何れも0.010ｍｍ短く測定された。この結果から、本実施形態では、１番、３番、４番については加工による摩耗が原因で測定値が小さくなったと判断した。一方、２番の刃先４ｂについては、測定値の減り方が急激であり、摩耗ではなく刃先４ｂの欠損と判断した。因みに、欠損であるか否かは工具４のサイズによってある程度の閾値の設定が可能である。６ｍｍφのエンドミルの場合には欠損であることの閾値として例えば0.020ｍｍを設定することができる。尚、欠損が存在する場合には、刃先４ｂの輪郭がラインセンサ８の検知範囲に収まらず、定期的に検出されるべきピークが現れない場合もある。このような閾値は、例えば、加工個数や加工線長など測定のインターバルによって適宜設定することができる。

図６では、工具４の径方向（Ｘ軸方向）において一端位置を測定した例を示した。ただし、本実施形態では、工具４の軸芯方向（Ｚ軸方向）の第１ラインセンサ８ａを備えているため、径方向に加えて刃先４ｂの軸方向の先端部４ａの振れ幅を測定することができる。こうすると、図７に示すように、軸芯方向（Ｚ軸方向）での刃先４ｂの欠損を特定することができる。

〔第２実施形態〕
工具４の測定部位は、複数の刃先４ｂの夫々につき、刃先４ｂの延出方向に沿った二箇所を設けてもよい。図８に、刃先４ｂの回転軸芯Ｚの方向に二箇所の測定部位４１，４２を設けた例を示す。例えば、第１測定部位４１は加工に用いられる部位から離れて加工による摩耗が生じない健全位置に設け、第２測定部位４２は加工に使用された先端部４ａの近傍に設ける。
測定した双方の輪郭位置の差を振れ幅とし、当該振れ幅が予め設定した閾値を超えているとき、刃先４ｂの形状が異常であると特定する。

図９に、この場合の測定態様のフローチャートを示す。この場合の測定では、図５に示したものに加えて工具４の別の位置で刃の輪郭位置を測定する。例えば、最初の測定では、工具４の刃のうち先端部４ａから離れた位置にある未使用部分について測定する。この第１測定部位４１での測定は、図９においては、ステップ＃１〜ステップ＃１１である。特にステップ＃１１は、図５では刃先４ｂの振れ計算を行ったが、ここでは第１測定部位４１での各刃先４ｂの輪郭位置につき夫々の最大値を記憶する。

続くステップ＃１２では、工具４の位置を移動させる。この位置は、図８に示した如く、工具４の先端部４ａに設けた第２測定部位４２である。次に、第２測定部位４２での各刃先４ｂの位相と、先に測定した第１測定部位４１での各刃先４ｂの位相との相対位置関係を確認する。例えば、図８に示す例のように、各刃先４ｂが工具４の回転軸芯Ｚの方向に沿って平行である場合には、第１測定部位４１及び第２測定部位４２での各刃先４ｂの回転位相は等しくなる。よって、この場合には、ステップ＃１３での第１測定部位４１及び第２測定部位４２での刃先４ｂの位相確認は、同じ位相であることを確認すればよく、ステップ＃１４での測定周期をずらす必要もない。

第２測定部位４２での刃先４ｂの位相が把握できれば、ステップ＃１５〜ステップ＃２１まで、第１測定部位４１での測定と同様に各刃先４ｂの輪郭位置を測定し、第２測定部位４２での各刃先４ｂの輪郭位置の最大値を記憶する。

この後、ステップ＃２２で、第１測定部位４１での測定結果と第２測定部位４２での測定結果との差を求め、各刃先４ｂの輪郭位置が加工前後でどのように変化しているかを演算する。例えば、６ｍｍφのエンドミルであれば、前述の如く0.020ｍｍを閾値とし、それ以内であれば通常の摩耗と判断し、閾値を超えていれば欠損と判断する。

このように工具４における複数の測定部位での振れ幅を比較することで、例えば加工部から離れた健全位置での形状と、刃先４ｂの加工に使用された部位との比較ができ、時間を変えて測定することなく工具４の形状異常を簡易に検出することができる。

尚、刃先４ｂが回転方向にねじれている場合は、図１０に示すように、共通の刃先４ｂであっても、第１測定部位４１の位相と第２測定部位４２の位相とは異なる位相となる。そのため、第１測定部位４１と第２測定部位４２との回転方向の位相差を図９のステップ＃１３で確認しておき、第１測定部位４１及び第２測定部位４２における測定値の差を算出する。

〔他の実施形態〕
工具４の回転軸芯Ｚの方向で工具４の形状を測定する場合、図１１に示すように、工具４のうちシャンク径が細くなり始める中間部４３、工具４の基端部４４を基準位置に設定してもよい。本実施形態のように、工具４の中間部４３や基端部４４は加工対象と接触しない部分を加工前後の比較のための基準位置に設定することで、測定値の精度が安定する。

本発明は、各種の工具の形状測定に広く利用することができる。

１ 撮像部
２ コントローラ
４ 工具
４ｂ 刃先
５ 投光部
６ 受光部
６ａ 受光レンズ
８ ラインセンサ
８ａ 第１ラインセンサ
８ｂ 第２ラインセンサ
９ 受光面
２１ 演算部
３１ 位相検出部
１００ 工具形状測定装置
Ａ〜Ｃ 第１〜第３領域
Ｌ 照射光

Claims (3)

1. 外周に複数の刃部を有する工具の形状を測定する工具形状測定装置であって、
   前記工具が回転する状態において当該工具の輪郭を撮影する撮像部と、
   前記撮像部による検知信号、及び、前記工具の回転軸芯方向における基準位置に基づいて前記工具の輪郭位置を演算する演算部と、を備え、
   前記基準位置は、前記工具において加工対象と接触しない部分に設定される工具形状測定装置。
2. 前記基準位置は、前記工具のシャンク径が細くなり始める中間部に設定されている、請求項１に記載の工具形状測定装置。
3. 前記基準位置は、前記工具の基端部に設定されている、請求項１に記載の工具形状測定装置。

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