JP2019069486A - 加工装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】対象物の側面の表面形状を測定することのできる加工装置を提供する。【解決手段】加工装置１は、複数種類の工具を収容する工具マガジン２０と、工具マガジン２０から工具を取り出し、スピンドル２６に装着されている工具と交換する自動工具交換装置と、対象物の表面形状を測定するための非接触式センサ１１０と、を備える。工具マガジン２０には、非接触式センサ１１０が収容されている。自動工具交換装置は、工具マガジン２０から非接触式センサ１１０を取り出し、スピンドル２６に装着されている工具と非接触式センサ１１０を交換する。非接触式センサ１１０は、対象物にライン光を照射する光照射部５０と、対象物によって反射されたライン光の像を撮像する撮像部５４と、を備える。光照射部５０は、対象物に対して斜め方向にライン光を照射する。また、センサと計測部の間の不感帯部は、他検出器により監視できる。【選択図】図１

Description

本発明は、加工装置に関する。
従来、スピンドルに装着された工具に対象物を対向させ、コンピュータ数値制御によって当該対象物を３軸方向に移動させることで加工するＣＮＣ加工装置が知られている。
例えば、特許文献１に開示されたＣＮＣ加工装置は、対象物の表面形状を測定するためのタッチプローブを有している。このＣＮＣ加工装置は、対象物をスピンドルに装着された工具によって加工した後、加工に使用した工具をタッチプローブと交換し、スピンドルに装着されたタッチプローブによって対象物の表面形状を測定することができる。
また、複数種類の工具を収容する工具マガジンを備え、自動工具交換装置によって加工内容に合わせて工具を交換することのできるマシニングセンタと呼ばれる加工装置が知られている。マシニングセンタによれば、１台の装置によって、様々な種類の加工を行うことができる。工具マガジンには、工具だけでなく、対象物の表面形状を測定するための非接触式センサを収容しておくことができる。自動工具交換装置によって、加工に使用した工具を、非接触式センサと交換することができる。マシニングセンタによれば、対象物をCNC外部に移動して外部の計測機を使用しなくても、対象物を加工した後、対象物の表面形状をより短時間で測定することができる。また加工前に対象物の全体を計測することにより、対象物の全体の形状を確認して、工具歯を対象物にぶつける事なく、効率よく加工を始める事ができる。
特開２０１３−０８８３４１号公報
従来のＣＮＣ加工装置によれば、３軸方向（ＸＹＺ方向）にしか対象物を移動させることができない場合に、対象物の側面の表面形状を測定することが困難であった。すなわち、対象物を３軸方向にしか移動できない場合、対象物の側面にレーザ光を照射することができないため、対象物の表面形状を測定することが困難であった。ＣＮＣ加工装置が対象物を５軸方向に移動させることができる場合には、対象物の側面にレーザ光を照射することが可能である。しかし、対象物を５軸方向に移動させることのできるＣＮＣ加工装置は、大型でコストが高い装置でありあまり多く普及していない。
本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、対象物の側面の表面形状を測定することのできる加工装置を提供することを目的とする。
本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）スピンドルに装着された工具に対象物を対向させ、コンピュータ数値制御によって前記対象物を３軸方向に移動させることで加工する加工装置であって、
複数種類の工具を収容する収容部と、
前記収容部から工具を取り出し、前記スピンドルに装着されている工具と交換する自動工具交換装置と、
前記対象物の表面形状を測定するための非接触式センサと、を備え、
前記収容部には、前記非接触式センサが収容されており、
前記自動工具交換装置は、前記収容部から前記非接触式センサを取り出し、前記スピンドルに装着されている工具と前記非接触式センサを交換することが可能であり、
前記非接触式センサは、前記対象物にライン光を照射する光照射部と、前記対象物によって反射された前記ライン光の像を撮像する撮像部と、を備え、
前記光照射部は、前記対象物に対して斜め方向に前記ライン光を照射する、加工装置。
（２）前記光照射部に近接する物体によって反射された光を検出するための光検出部を備える、上記（１）に記載の加工装置。
本発明によれば、対象物の側面の表面形状を測定することのできる加工装置を提供することができる。
加工装置の斜視図である。 センサヘッドの斜視図である。 センサヘッドの正面図である。 センサヘッドの側面図である。 センサヘッドの内部構成を示すブロック図である。 非接触式センサの斜視図である。 センサヘッドに内蔵された非接触式センサの側面図である。 センサヘッドの上面図である。 対象物にレーザ光を斜め方向に照射することによって得られる効果についての説明図である。 対象物にレーザ光を斜め方向に照射することによって得られる別の効果についての説明図である。 光検出部によって得られる効果についての説明図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係る加工装置について説明する。図１は、本実施形態の加工装置の外観を示す斜視図である。図１に示す加工装置１は、一般に、３軸横型マシニングセンタと呼ばれる装置である。加工装置１は、工具マガジン２０、中間アーム２２、ＡＴＣ（auto tool changer）アーム２４、スピンドル２６、パレット２８、テーブル３０、ＮＣ（numerical control）装置３２および切削油タンク３４を備えている。
工具マガジン２０には、複数種類の工具が収容されている。工具マガジン２０は、収容されている複数種類の工具を、図１の矢印Ａの方向に回転させることができる。工具マガジン２０は、加工に使用する工具を、定位置Ｐまで移動させることができる。
中間アーム２２は、定位置Ｐに移動した工具を、工具マガジン２０から取り出して、ＡＴＣアーム２４へ受け渡す。ＡＴＣアーム２４は、軸２４ａを中心に回転して、中間アーム２２から受け取った工具を、スピンドル２６に装着する。スピンドル２６に既に工具が装着されている場合、ＡＴＣアーム２４は、装着されている工具をスピンドル２６から取り外した後、中間アーム２２から受け取った工具を、スピンドル２６に装着することができる。スピンドル２６から取り外された工具は、中間アーム２２によって、工具マガジン２０の定位置Ｐに戻される。このように、中間アーム２２およびＡＴＣアーム２４は、対象物の種類や加工の内容に応じて、スピンドル２６に装着されている工具を交換することができる。
工具マガジン２０は、本発明の「収容部」に対応する。中間アーム２２およびＡＴＣアーム２４は、本発明の「自動工具交換装置」に対応する。
加工装置１によって加工される対象物は、パレット２８に載置されて固定される。パレット２８は、図１中の矢印Ｂの方向に回動して起き上がることで、対象物をスピンドル２６に装着された工具に対向させることができる。テーブル３０は、ＮＣ装置３２から出力される制御信号に従って、パレット２８を、図１中のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の方向に移動させることができる。スピンドル２６によって工具を回転させるとともに、ＮＣ装置３２及びテーブル３０によって対象物を３軸方向に移動させることによって、対象物を加工することができる。
対象物を加工した後、工具マガジン２０に収容されているセンサヘッド１０を、定位置Ｐへ移動させる。次に、中間アーム２２およびＡＴＣアーム２４によって、スピンドル２６に装着されている工具と、定位置Ｐのセンサヘッド１０を交換する。次に、ＮＣ装置３２は、パレット２８に載置された対象物を、予め設定されたパターンに従って移動させる。すなわち、ＮＣ装置３２は、センサヘッド１０に内蔵された非接触式センサによって対象物の表面形状を測定するために、対象物を３軸方向（ＸＹＺ軸方向）に移動させる。対象物を移動させている間、センサヘッド１０は、所定時間毎（例えば５０マイクロ秒毎）に、対象物との距離ｄに対応するデータを出力する。パソコン４０は、センサヘッド１０から出力された距離データ（ｄ）と、対象物の位置を示すデータ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）とに基づいて、対象物の三次元形状を示すデータを生成する。
ＡＴＣアーム２４の可動範囲内には、センサヘッド１０に内蔵された二次電池（後述する）を充電するための充電ポスト３６が設けられている。ＡＴＣアーム２４は、センサヘッド１０を、充電ポスト３６に移動させることができる。充電ポスト３６は、センサヘッド１０の表面に設けられた図示しない充電コネクタに嵌合することのできる給電コネクタを有している。充電コネクタと給電コネクタとを嵌合させることによって、センサヘッド１０に内蔵された二次電池の充電を行うことができる。
センサヘッド１０に内蔵された二次電池の充電は、例えば、センサヘッド１０による測定が終了する毎に行うことができる。あるいは、センサヘッド１０に内蔵された二次電池の充電は、二次電池の蓄電量が所定値以下となったときに行うことができる。
上述したように、二次電池の充電は、充電ポスト３６の給電コネクタと、センサヘッド１０の充電コネクタとを嵌合させて行うことができる。あるいは、二次電池の充電は、電磁誘導等を用いた非接触充電によって行ってもよい。
次に、図２〜図４を参照しながら、センサヘッド１０について説明する。
図２は、センサヘッド１０の斜視図である。図３は、センサヘッド１０の正面図である。図４は、センサヘッド１０の側面図である。
図２〜図４に示すように、センサヘッド１０は、略円筒形状の本体部１２と、略円錐台形状のコレットチャック１８とを備える。コレットチャック１８は、スピンドル２６に対して着脱可能に結合することができる。
本体部１２の先端には、ライン状のレーザ光Ｌを対象物Ｗに照射するための光照射窓１４と、対象物Ｗの表面で反射した光（反射光Ｒ１）を受光するための第１の受光窓１６ａと、後述する光照射部５０に近接する物体Ｍの表面で反射した光（反射光Ｒ２）を受光するための第２の受光窓１６ｂが設けられている。
本体部１２の後端には、工具マガジン２０に収容されている各工具が備えるコレットチャックと同じ形状を有するコレットチャック１８が取り付けられている。コレットチャック１８によって、センサヘッド１０を、工具マガジン２０に収容されている他の工具と同様に、スピンドル２６に装着することができる。
なお、センサヘッド１０の耐油・防水性能は、ＩＰ表記で、ＩＰ６７以上であることが望ましい。すなわち、人体および固形物に対する保護等級（第１記号）が「６」（耐塵形）以上であり、水の浸入に対する保護等級（第２記号）が「７」（水中に対する保護）以上であることが望ましい。
図５は、センサヘッド１０の内部構成を示すブロック図である。
図５に示すように、センサヘッド１０の本体部１２の内部には、測定制御部１００、無線ＬＡＮユニット１０２、電源制御部１０４、二次電池１０６、モニタ１０８、非接触式センサ１１０および緩衝材１２０が設けられている。
測定制御部１００は、非接触式センサ１１０から出力されるデータを、例えば５０マイクロ秒毎に受信する。測定制御部１００は、非接触式センサ１１０から受信したデータに基づいて、対象物Ｗとの距離に関する情報を含む測定データを生成する。測定制御部１００は、対象物Ｗとの距離に関する情報を含む測定データを、無線ＬＡＮユニット１０２を介して、パソコン４０へ送信する。
無線ＬＡＮユニット１０２から送信された測定データは、パソコン４０に接続された無線ＬＡＮユニット４２によって受信される。この受信された測定データに基づいて、パソコン４０は、対象物Ｗの三次元形状を示すデータを生成する。電源４４は、交流電力を直流電力に変換して、パソコン４０および無線ＬＡＮユニット４２に電力を供給する。
非接触式センサ１１０は、緩衝材１２０を介して本体部１２に固定される。センサヘッド１０をスピンドル２６から取り外す際、センサヘッド１０は振動する。センサヘッド１０をスピンドル２６と工具マガジン２０との間で移動させる際にも、センサヘッド１０は振動する。非接触式センサ１１０が緩衝材１２０を介してセンサヘッド１０に固定されることによって、センサヘッド１０の振動から非接触式センサ１１０を保護することができる。
電源制御部１０４は、スイッチＳＷがオンになると、二次電池１０６の電力を測定制御部１００へ供給する。電源制御部１０４の内部には、加速度センサが設けられている。例えば、加速度センサによって振動が検出されない場合、電源制御部１０４は、二次電池１０６の電力を測定制御部１００へ供給しない（スリープ状態）。一方、加速度センサによって所定パターンの加速度が検出された場合、電源制御部１０４は、二次電池１０６の電力を測定制御部１００へ供給する。「所定パターンの加速度」の例は、所定時間以上継続する所定値以上の加速度、及び、所定時間内に検出される所定回数以上の所定値以上の加速度、等である。
このように、電源制御部１０４は、センサヘッド１０が使用されていない可能性が高い場合に、スリープ状態に移行し、二次電池１０６の電力の消費を抑制する。一方、電源制御部１０４は、加速度センサによって所定パターンの加速度が検出されると、アクティブ状態に移行し、二次電池１０６の電力を測定制御部１００へ供給する。
モニタ１０８は、複数のＬＥＤを備える。各ＬＥＤは、測定制御部１００内の各種信号のオン／オフに応じて、点灯又は消灯する。例えば、各ＬＥＤの点灯状態によって、測定制御部１００の作動状態や、測定制御部１００と他の機器との接続状態を確認することができる。例えば、測定制御部１００と無線ＬＡＮユニット１０２、測定制御部１００と電源制御部１０４、および、測定制御部１００と非接触式センサ１１０との接続状態をそれぞれ確認することができる。
図６、７を参照しながら、センサヘッド１０に内蔵された非接触式センサ１１０について説明する。
図６は、非接触式センサ１１０の斜視図である。図７は、センサヘッド１０に内蔵された非接触式センサ１１０の側面図である。
非接触式センサ１１０は、対象物Ｗの表面に線状のレーザ光（ライン光）を照射し、そのレーザ光の像を撮像することによって、対象物の表面の３次元形状を測定することができる。測定データから３次元形状を算出するためには、例えば三角測量法や光切断法などの公知の手法を用いることができる。
図６、７に示すように、非接触式センサ１１０は、対象物Ｗにレーザ光Ｌを照射する光照射部５０と、対象物Ｗの表面で反射した光の像を撮像する撮像部５４と、対象物Ｗの表面で反射した光（反射光Ｒ１）を撮像部５４に結像させる結像レンズ５２と、を備えている。
光照射部５０から照射されるレーザ光Ｌはライン光となっており、対象物Ｗの表面に線状に照射される。光照射部５０としては、例えば半導体レーザ光源を用いることができる。対象物Ｗの表面で反射した光（反射光Ｒ１）の像は、撮像部５４によって撮像される。撮像部５４は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどの固体撮像素子によって構成されている。撮像部５４によって撮像された画像のデータに基づいて、対象物の三次元形状データが、測定制御部１００内で計算される。そのデータは、無線ＬＡＮユニット１０２を介して、パソコン４０に送信される。パソコン４０は、計算された結果を用いて、対象物Ｗの３次元形状をモニタに表示してもよい。
図６、７に示すように、非接触式センサ１１０は、光照射部５０に近接する物体の表面で反射した光（反射光Ｒ２）を集光するための集光レンズ５６と、集光レンズ５６によって集光された光を検出するための光検出部５８とを備えている。光検出部５８としては、例えば、フォトダイオードを用いることができる。光検出部５８は、撮像部５４によって反射光を検出することのできない領域Ｓに物体が存在する場合に、その物体で反射した光を検出することができる。光検出部５８については、後でより詳しく説明する。
図８は、センサヘッド１０の上面図である。図８に示すように、センサヘッド１０の内部には、非接触式センサ１１０が内蔵されている。非接触式センサ１１０に設けられた光照射部５０から出射するレーザ光Ｌは、対象物Ｗに対して斜め方向に照射される。ここでいう「斜め方向」とは、レーザ光Ｌの中心線Ｐ１が、センサヘッド１０の中心線Ｐ２に対して傾斜していることを意味する。例えば、レーザ光Ｌの中心線Ｐ１と、センサヘッド１０の中心線Ｐ２とがなす角度θは、１度以上４５度以下であり、好ましくは５度以上３０度以下であり、より好ましくは１０度以上２０度以下である。なお、センサヘッド１０の中心線Ｐ２は、好ましくは、センサヘッド１０の回転軸と一致する。
図９は、対象物Ｗにレーザ光Ｌを斜め方向に照射することによって得られる効果についての説明図である。
図９に示すように、センサヘッド１０に内蔵された光照射部５０から照射されるレーザ光Ｌはライン光であり、対象物Ｗの表面に線状に照射される。光照射部５０はセンサヘッド１０に内蔵されているため、スピンドル２６に装着されたセンサヘッド１０が回転すると、レーザ光Ｌも回転する。レーザ光Ｌは斜め方向に照射されるため、レーザ光Ｌが回転すると、レーザ光Ｌは対象物Ｗの上面だけでなく、対象物Ｗの側面にも照射される。したがって、ＮＣ装置３２によって対象物Ｗを３軸方向にしか移動できない場合であっても、対象物Ｗの側面にレーザ光Ｌを照射することが可能であり、対象物Ｗの側面の表面形状を測定することができる。
図１０は、対象物Ｗにレーザ光Ｌを斜め方向に照射することによって得られる別の効果についての説明図である。
図１０に示すように、センサヘッド１０に内蔵された光照射部５０から照射されるレーザ光Ｌはライン光であり、対象物Ｗの表面に線状に照射される。センサヘッド１０が回転すると、レーザ光Ｌも回転する。レーザ光Ｌは対象物Ｗに斜め方向に照射されるため、レーザ光Ｌが回転すると、レーザ光Ｌによって照射される領域の面積が大きくなる。したがって、レーザ光Ｌによって表面形状を測定することのできる領域の面積が従来よりも大きくなる。
本実施形態の加工装置１は、スピンドル２６を回転駆動するエンコーダ付きサーボモータを備えている。エンコーダ付きサーボモータによって、スピンドル２６の回転位置を精密に制御することができる。また、スピンドル２６にセンサヘッド１０を装着した場合、センサヘッド１０の回転位置を精密に制御することができるため、対象物Ｗの側面の表面形状をより精密に測定することができる。
図１１は、光検出部５８によって得られる効果についての説明図である。
図１１に示すように、光照射部５０から照射されるレーザ光Ｌは、対象物Ｗ１〜Ｗ３の表面で反射する。対象物Ｗ１〜Ｗ３の表面で反射した光は、結像レンズ５２に入射した後、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像部５４に到達する。
図１１に示すように、対象物Ｗ１は、光照射部５０の近くに位置している。対象物Ｗ３は、光照射部５０から遠くに位置している。対象物Ｗ２は、対象物Ｗ１と対象物Ｗ３の間に位置している。三角測量法の原理によれば、光照射部５０と対象物Ｗ１〜Ｗ３までの距離を測定することが可能である。しかし、対象物Ｗ１よりも近い位置に物体が存在する場合、その物体と光照射部５０との間の距離を測定することはできない。対象物Ｗ１よりも光照射部５０に近い位置に物体が存在する場合、その物体で反射した光は、撮像部５４に到達しないためである。したがって、従来の非接触式センサによれば、光照射部５０の近くに物体が存在する場合に、その物体を検出することできないため、その物体と光照射部５０（センサヘッド１０）との衝突を回避することが困難であった。
本実施形態の加工装置１によれば、対象物Ｗ１よりも光照射部５０に近い位置に存在する物体で反射した光は、フォトダイオード等の光検出部５８によって検出される。したがって、光照射部５０の近くに物体が存在する場合に、その物体を検出することが可能であり、その物体と光照射部５０（センサヘッド１０）との衝突を回避することが可能である。
また、本実施形態の加工装置１によれば、スピンドル２６を回転させることでレーザ光Ｌを回転させることが可能であるため、レーザ光Ｌの照射範囲を大きくすることができる。したがって、光照射部５０の近くに物体が存在する場合に、その物体を検出できる範囲を大きくすることができる（図１０参照）。
１ 加工装置
１０ センサヘッド
１２ 本体部
１８ コレットチャック
２０ 工具マガジン
２２ 中間アーム
２４ ＡＴＣアーム
２６ スピンドル
２８ パレット
３０ テーブル
３２ ＮＣ装置
３６ 充電ポスト
４０ パソコン
５０ 光照射部
５２ 結像レンズ
５４ 撮像部
５６ 集光レンズ
５８ 光検出部
１１０ 非接触式センサ
Ｌ レーザ光
Ｗ 対象物

Claims (2)

  1. スピンドルに装着された工具に対象物を対向させ、コンピュータ数値制御によって前記対象物を３軸方向に移動させることで加工する加工装置であって、
    複数種類の工具を収容する収容部と、
    前記収容部から工具を取り出し、前記スピンドルに装着されている工具と交換する自動工具交換装置と、
    前記対象物の表面形状を測定するための非接触式センサと、を備え、
    前記収容部には、前記非接触式センサが収容されており、
    前記自動工具交換装置は、前記収容部から前記非接触式センサを取り出し、前記スピンドルに装着されている工具と前記非接触式センサを交換することが可能であり、
    前記非接触式センサは、前記対象物にライン光を照射する光照射部と、前記対象物によって反射された前記ライン光の像を撮像する撮像部と、を備え、
    前記光照射部は、前記対象物に対して斜め方向に前記ライン光を照射する、加工装置。
  2. 前記光照射部に近接する物体によって反射された光を検出するための光検出部を備える、請求項１に記載の加工装置。
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