JP2019132848A - 工具測定装置およびワーク測定装置の標準器 - Google Patents

Abstract

【課題】工具測定装置の校正とワーク測定装置の校正を行うことをできるようにした共通の標準器を提供すること。【解決手段】工作機械の工具測定装置およびワーク測定装置を校正するときに共通に用いる標準器３０が、ＮＣ装置によって制御される工作機械１０のテーブル２０に固定されるベースプレート３２と、ベースプレートに取り付けられ、工作機械の主軸１４に取り付けられた基準工具またはワーク測定エレメントと接触し、接触の基準となる基準要素３４ａと、基準工具またはワーク測定エレメント１８と基準要素とが接触したとき、ベースプレートに対する基準要素の変形が要求する測定精度以下の変形量で両者の接触を検出し、接触信号を工作機械の送り軸の座標を読み取る座標読取部４８に出力する接触センサ３６とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の機上で工具寸法を測定する工具測定装置およびワーク寸法を測定するワーク測定装置を校正する校正方法と、その校正方法の一連のステップを自動的に実行する校正装置、ならびにその校正に用いる標準器に関する。

ＮＣ装置によって制御される工作機械では、加工に先立って、或いは加工中、更には加工後に、主軸に装着されている工具の寸法や刃先位置等の測定並びにテーブルに取り付けられているワークの原点位置や寸法等の測定が行われる。工具の測定には種々の方法が用いられる。特許文献１には、レーザ光線を照射する工具測定エレメントを用いた工具の測定方法が記載されている。工具測定エレメントは、製造者による校正に加えて、主軸の先端に取り付けられた基準工具を用いて測定前にユーザによっても校正される。

ワークの測定は主軸の先端にワーク測定プローブ等のワーク測定エレメントを取り付けて、該ワーク測定エレメントをワークの所定の位置に接触させる等して行われる。ワーク測定装置は、製造者による校正に加えて、標準器を用いてワーク測定に先立ってユーザによっても行われる。特許文献２には、切削工具を設定するために使用される工具設定プローブに予め較正された寸法を有しスタイラス円板を取り付け、該スタイラス円板を用いて、主軸に取り付けられたワーク検知プローブを較正するようにしたワーク検知プローブの較正方法が記載されている。

特開平１１−１３８３９２号公報 特表２０１７−５１８４８７号公報

従来、ユーザによる工具測定装置の校正と、ワーク測定装置の校正とは相互に関連しない方法で行われている。そのため、１つのワークを加工するときに、加工に用いる工具の寸法や刃先位置と、ワークの寸法や原点位置とが、異なる２つの基準に基づいて測定、決定されることになる。２つの基準の間には不可避的に寸法誤差があるために、従来技術で加工された製品には、この２つの基準間の寸法誤差に基づく加工誤差が含まれることとなる。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、工具測定装置の校正と、ワーク測定装置の校正とで共通して使用できる標準器を提供することを目的としている。更に、本発明は、該標準器を用いた工具測定装置およびワーク測定装置のための校正方法と校正装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、ＮＣ装置によって制御される工作機械のテーブルに取り付けられ、工具の寸法を測定するための工具測定エレメントと、工作機械の主軸に取り付けられ、テーブルに取り付けられたワークの寸法を測定するためのワーク測定エレメントとを有した工作機械の工具測定装置およびワーク測定装置を校正するときに共通に用いる標準器において、テーブルに固定されるベースプレートと、該ベースプレートに取り付けられ、工作機械の主軸に取り付けられた基準工具またはワーク測定エレメントと接触し、接触の基準となる基準要素と、前記基準工具または前記ワーク測定エレメントと前記基準要素とが接触したとき、前記ベースプレートに対する前記基準要素の変形が要求する測定精度以下の変形量で両者の接触を検出し、接触信号を工作機械の送り軸の座標を読み取る座標読取部に出力する接触センサとを具備する標準器が提供される。

本発明によれば、主軸に自動で着脱可能な基準工具またはワーク測定プローブを取り付けることができる自動工具交換装置などの要素と、テーブル上に設置した標準器と主軸に取り付けた基準工具などを相対的に自動運転させることができる送り軸や回転軸のような要素と、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の何れの方向にも基準となり得る高精度な球や円筒などの要素を持つ標準器と、標準器や工具測定装置およびワーク測定装置が測定時に信号を発生し、工作機械が信号を受け取ることができる要素を持つ工作機械を用いることで、自動で校正作業を完了することができる。

本発明の工作機械の工具測定装置およびワーク測定装置の校正方法を実施する工作機械を模式的に示すブロック図である。 本発明の工作機械の工具測定装置を模式的に示すブロック図である。 本発明の工作機械のワーク測定装置を模式的に示すブロック図である。 本発明の好ましい実施形態による標準器の側面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１において、工作機械１０は、工場の床面に固定される基台としてのベッド２１、ベッド２１の上面に左右方向またはＸ軸方向（図１では左右方向）に往復動可能に設けられたコラム（図示せず）、該コラムの前面に鉛直方向またはＺ軸方向（図１では上下方向）に往復動可能に設けられた主軸頭１２、鉛直方向に延びる回転軸線Ｏを中心に回転可能に主軸頭１２に支持された主軸１４、ベッド２１の上面に前後方向またはＹ軸方向に往復動可能に設けられ主軸１４に対面するテーブル２０を具備している。

主軸１４の先端部には、ワーク測定エレメントとしてのタッチプローブ１８が工具ホルダ１６を介して取り付けられる。タッチプローブ１８は、また工具ホルダ１６に装着された基準工具（図示せず）と交換することができる。基準工具は、工具長や工具径等の寸法が既知の、測定の基準とする工具である。タッチプローブ１８と基準工具との交換は、工作機械１０のオペレータが手動で行うこともできるが、好ましくは、ＮＣプログラム４２として校正プログラムを入力し、該校正プログラムに工具交換指令を記載することによって、工作機械１０の自動工具交換装置（図示せず）を用いて行うようにする。テーブル２０の上面には、工具測定エレメント２８が取り付けられている。工具測定装置５６およびワーク測定装置６６の校正に際して、校正用の標準器３０をテーブル２０の上面に取り付けることができる。標準器３０は、工具測定エレメント２８と同様にテーブル２０の上面に常に取り付けておいてもよい。

工具測定エレメント２８は、一本のレーザ光線２８ａを発生する光学式の測定装置であり、図１、２において工具測定エレメント２８は、レーザ光線２８ａをＸ軸に平行な方向に照射するようにテーブル２０の上面に取り付けられている。工具測定エレメント２８は上方に延びる一対の腕部を有して概ねＵ字形またはコの字形に形成されたフレームの間に細いレーザ光線２８ａを照射する投光器（図示せず）と、該レーザ光線２８ａを受信する受光器（図示せず）が、Ｕ字形のフレームの腕部に対設されている。また、工具測定エレメント２８は、レーザ光線２８ａが遮断されたときに受信機４４から座標読取部４８にスキップ信号を出力する。

図１、２にはＸ軸方向にレーザ光線２８ａを照射する工具測定エレメント２８のみが図示されているが、工具測定エレメント２８と対をなすＹ軸方向にレーザ光線を照射する工具測定エレメント（図示せず）もテーブル２０の上面に取り付けられていてもよい。

工作機械１０は、また、主軸１４とテーブル２０とを相対移動させるためにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の直線送り装置（図示せず）を具備している。該直線送り装置は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）、コラム、テーブル２０、主軸頭１２に取り付けられ前記ボールねじと係合するナット（図示せず）、および、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各ボールねじの一端に結合され、ＮＣ装置４０に入力されるＮＣプログラム４２に基づき制御されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のサーボモータ（図示せず）を含むことができる。

工作機械１０は、更に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各送り装置の座標を読み取るためのＸスケール２２、Ｙスケール２４、Ｚスケール２６を具備している。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各スケール２２、２４、２６の読みは、座標読取部４８を介してＮＣ装置４０にフィードバックされ、これに基づいて、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各サーボモータが制御される。

タッチプローブ１８は、先端部に例えば球状の接触子１８ａを備えたスタイラスと、無線送信機（図示せず）とを具備し、接触子１８ａがワークに接触したのち、スタイラスが所定の距離押し込まれたときに、無線送信機からタッチ信号が受信機４６に出力されると共に、受信機４６から座標読取部４８にスキップ信号が出力されるようになっている。

図４を参照すると、標準器３０は、テーブル２０の上面に載置、固定されるベースプレート３２、ベースプレート３２の上面に立設され上端に基準面を提供する球体３４ａを有した支柱３４、ベースプレート３２の上面と支柱３４の下端面との間に挟持された接触センサ３６とを具備している。本実施形態では、この接触センサとして、力センサである例えば圧電素子を用いている。

接触センサ３６は接触検出処理部３８に接続されている。接触検出処理部３８は、接触センサ３６からの信号をフィルタ（図示せず）を通してノイズを除去したり、受信した信号をしきい値と比較する等の処理をして、受信した信号が球体３４ａに基準工具が接触したことを示しているか否かを判定する。接触検出処理部３８で接触が検出されると、接触検出処理部３８は、スキップ信号を座標読取部４８に出力する。ここで、接触センサ３６が力センサであり、接触検出部３８からスキップ信号を発する際のしきい値（接触信号を出力する接触力の大きさを）を、測定精度に応じて変更可能にするのが望ましい。

なお、接触センサ３６は、基準工具が球体３４ａに接触したことを検知できるセンサであれば、圧電素子に限定されない。接触センサ３６は、要求測定精度以下の標準器３０の変形量で基準工具と球体３４ａとの接触を検知できるセンサであればよい。接触センサ３６は、例えば基準工具と球体３４ａとの接触によって生じる振動を検知する音響センサや振動センサであってもよい。また、接触センサ３６は、タッチプローブ１８のスタイラスを浮動支持するばね（図示せず）のばね力よりも十分に大きな剛性を有し、タッチプローブ１８との接触によって支柱３４が変位しないようになっている。

なお、標準器３０に取り付けられた球体３４ａの寸法や、基準工具の工具長、工具径や、ワーク測定プローブの先端球の直径など、基準として使用する要素の寸法は、精密な座標測定機等を用いて予め測定された既知の値である。その測定に用いた座標測定機その他の機器は、校正経路が明らかなトレーサビリティのある基準に基づいて校正されたものであることが望ましい。外部の校正事業者の校正サービスを利用して校正しておくこともできる。校正事業者は、NITEのような審査機関の審査を受け、国際標準化機構および国際電気標準会議が定めた校正機関に関する基準(ISO/IEC 17025)の要求事項に適合していることが認定された校正事業者であることが望ましい。球体３４ａに代えて、円筒や直方体など他の形状の基準を用いてもよい。

座標読取部４８は、工作機械１０の機械制御装置の１つの機能であり、ＮＣ装置４０のみならず、工具測定校正装置５０およびワーク測定校正装置５２に接続されており、後述するように、工具測定校正プロセスおよびワーク測定校正プロセスでＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各スケール２２、２４、２６から読み込んだ座標値が座標読取部４８から工具測定校正装置５０およびワーク測定校正装置５２にそれぞれ出力される。

工具測定校正装置５０およびワーク測定校正装置５２は、差分器とメモリから形成することができる。工具測定校正装置５０には、主軸１４に取り付けられた基準工具やタッチプローブ１８の工具長や工具径が入力装置５４から正しい値として入力され、上記メモリに格納される。この基準工具またはタッチプローブ１８を校正対象となる工具測定エレメント２８で測定し、測定した際の測定値と正しい値との差分を校正値とする。ワーク測定校正装置５２には、標準器３０に取り付けられた球体３４ａの直径が、入力装置５４から正しい値として入力され上記メモリに格納される。球体３４ａのＸ軸、Ｙ軸方向の位置はタッチプローブ１８により測定され、Ｚ軸方向の位置は標準器３０の接触検出により測定され、同様に上記メモリに格納される。球体３４ａの直径と位置を正しい値とすると、球体３４ａの表面の座標を正確に求めることができる。球体３４ａの表面を校正対象となるタッチプローブ１８で測定し、測定値と先に定めた正しい値との差分を校正値としてワーク測定校正装置５２に格納する。

入力装置５４は、工作機械１０の制御パネル（図示せず）に取り付けられているキーボード（図示せず）やタッチパネル（図示せず）から形成することができる。工具測定校正装置５０およびワーク測定校正装置５２における校正結果は、それぞれ工具測定装置５６およびワーク測定装置６６に出力される。

図２を参照すると、工具測定装置５６は、工具測定校正装置５０における校正結果を記憶する記憶部５８を具備している。工具測定装置５６は、工作機械１０の主軸１４の先端部に工具ホルダ１６を介して装着されている工具Ｔを、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送り装置によってテーブル２０に対して相対移動させる。工具Ｔが工具測定エレメント２８のレーザ光線２８ａを横切ると、工具測定エレメント２８から光線遮断信号が受信機４４に出力される。

受信機４４は光線遮断信号を受信すると、座標読取部４８にスキップ信号を出力する。座標読取部４８は、受信機４４からのスキップ信号を受信したときのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各スケール２２、２４、２６からＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の座標値を読み取る。読み取ったＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の座標値は、加算器６０において記憶部５８に格納されている工具測定校正装置５０における校正結果を加えることによって補正される。補正されたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の座標値が演算部６２に出力され、演算部６２において工具Ｔの工具長および工具径が演算される。演算部６２における演算結果はＮＣ装置４０に出力され、測定された工具Ｔの工具長および工具径に基づいてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送り装置が補正制御される。

図３を参照すると、ワーク測定装置６６は、ワーク測定校正装置５２における校正結果を記憶する記憶部６８を具備している。ワーク測定装置６６は、工作機械１０のテーブル２０に固定されている主軸１４の先端部に工具ホルダ１６を介して装着されているタッチプローブ１８を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送り装置によって、テーブル２０に対して相対移動させる。タッチプローブ１８の接触子１８ａがテーブル２０に固定されているワークＷに接触すると、タッチプローブ１８からタッチ信号が出力される。

受信機４６はタッチ信号を受信すると、座標読取部４８にスキップ信号を出力する。座標読取部４８は、受信機４６からのスキップ信号を受信したときのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各スケール２２、２４、２６からＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の座標値を読み取る。読み取ったＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の座標値は、加算器７０において記憶部６８に格納されているワーク測定校正装置５２における校正結果を加えることによって補正される。補正されたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の座標値が演算部７２に出力され、演算部７２においてワークＷの原点位置、Ｘ軸および／またはＹ軸に対するワークＷの傾斜、Ｚ軸方向のワークＷの高さ等が演算される。演算部７２における演算結果（ワークＷの原点位置、傾斜、高さ等）はＮＣ装置４０に出力され、該演算結果に基づいてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送り装置が補正制御される。ワーク測定エレメントは、タッチプローブ１８に代えて、光学式や超音波式の非接触検出装置を用いてもよい。

以下、本発明の工具測定装置およびワーク測定装置の校正方法を一層詳細に説明する。
まず、主軸１４の先端部に工具ホルダ１６を介して基準工具を装着する。基準工具の工具長と工具径は既知であり、値が工具測定校正装置５０に入力されている。基準工具先端の位置は、主軸１４が持つ基準の位置であるゲージラインに対して既知の工具長の値を加味することによって定めることができる。また、工具長と工具径が既知であり、測定による変形が問題にならないならば、ワーク測定エレメントのタッチプローブ１８を基準工具として用いてもよい。こうすることによって、主軸１４に基準工具を取り付ける手間が省け、校正時間が短縮できる。

次に、基準工具もしくはタッチプローブ１８の測定対象のＺ軸方向先端の位置と、工具径を工具測定エレメント２８を用いて測定する。工具径について詳細には、Ｘ軸方向に照射されるレーザ光線２８ａに対してＹ軸に沿って、例えば正方向から測定対象を接近させ、測定対象がレーザ光線２８ａを遮ったときのＹ軸の座標値が座標読取部４８によって読み取られる。更に、測定対象を負の方向から接近させ、測定対象がレーザ光線２８ａを遮ったときのＹ軸の座標値を座標読取部４８によって読み取り、２つの座標値の差分を工具径とすることができる。工具径の測定値を入力された既知の工具径と比較し、その差分を工具径の校正値として工具測定校正装置５０に記憶する。この作業は、Ｙ軸方向に照射されるレーザ光線２８ａに対してＸ軸方向から行うこともできる。

測定対象のＺ軸方向の位置について詳細には、レーザ光線２８ａに対して、Ｚ軸方向から測定対象を接近させ、測定対象がレーザ光線２８ａを遮ったときの位置の座標を座標読取部４８により読み取ることで実施できる。測定した先端位置と工具径を既知である工具の位置や工具径と比較し、その差分を校正値として記憶部５８に格納する。

次に、テーブル２０の上に設置されている標準器３０の球体３４ａの正確な径をワーク測定校正装置５２に入力する。また、ワーク測定用のタッチプローブ１８を主軸１４に取り付ける。タッチプローブ１８の既知の工具長と工具径とを工具測定装置の校正に用いていない場合、タッチプローブ１８を工具測定エレメント２８により測定し、工具長と工具径とをワーク測定校正装置５２に入力する。タッチプローブ１８の既知の工具長と工具径とを工具測定装置の校正に用いている場合は、その工具長と工具径をワーク測定校正装置５２に入力する。

次に、標準器３０に取り付けた球体３４ａにタッチプローブ１８をＺ軸方向から接触させ、標準器３０の接触センサ３６により接触を検出する。この接触において、タッチプローブ１８の長さは、工具測定装置の校正を行った際の長さと同一であることが望ましい。また、標準器３０は接触力により変形しないことが望ましい。この両者が成り立つ場合、工具測定エレメント２８が工具を測定するＺ軸方向の位置と、球体３４ａのＺ軸方向の基準点は、タッチプローブ１８の先端という同一点により、その相対位置が工作機械１０のＺ軸方向のスケール２６により特定される。接触を検出した位置の座標を座標読取部４８により読み取って、タッチプローブ１８の工具長を加味してＺ軸方向の基準面の座標値とし、ワーク測定校正装置５２に記憶させる。

接触検出時の力について補足する。標準器３０はレーザ光線のような非接触式の工具測定エレメント２８と同時に用いる場合、工具測定エレメント２８側の接触力が０（零）であるため、可能な限り０に近い接触力で必要とする測定精度より小さい変形量となるように接触を検出する必要がある。また、工具測定エレメント２８が接触式である場合、標準器３０の接触検出は工具測定エレメント２８の接触力に近い接触力で接触を検出させることが望ましい。これは、工具測定エレメント２８の接触力によるタッチプローブ１８の変形を加味した上で、球体３４ａ上のＺ軸方向基準点を定めるためである。これも、接触センサ３６が接触信号を出力する接触力の大きさを変更可能にする望ましい理由である。

次に、球体３４ａにタッチプローブ１８をＸ軸方向の何れか一方向から接触させ、接触を検出し、接触した座標を座標読取部４８により読み取る。この場合の接触の検出は、標準器３０の接触センサ３６を用いてもよく、タッチプローブ１８のセンサを用いてもよい。更に、タッチプローブ１８を主軸１４を用いて１８０°回転させ、停止させる。その後、Ｘ軸方向の先ほどとは反対方向から、球体３４ａにタッチプローブ１８を接触させ、同様に接触点の座標を読み取る。読み取った２つの座標の中心をＸ軸方向の球体３４ａの中心とし、ワーク測定校正装置５２に記憶させる。この作業をＹ軸方向にも行う。こうして、球体３４ａのＸ軸、Ｙ軸方向の中心座標がワーク測定校正装置５２に記憶される。

以上の作業により、ワーク測定校正装置５２には標準器３０の球体３４ａについて、その中心のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の座標と正確な直径が格納されている。これにより、球体３４ａの表面は、その座標を正確に定めることができる。次に、ワークを測定する際に必要とする方向から球体３４ａに対してタッチプローブ１８を接触させ、タッチプローブ１８のセンサにより接触を検出し、接触した際の座標を座標読取部４８で読み取り、測定結果とする。測定結果と先に得られた正しい値とを比較してその差分を校正値とし、ワーク測定校正装置５２に格納する。一般的には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向から測定し、その校正値を得ることが多い。得られた校正値をワーク測定校正装置５２に保存する。以上の一連の作業はＮＣプログラム４２により自動的に実行することができる。

１０ 工作機械
１４ 主軸
１８ タッチプローブ
２０ テーブル
２２ Ｘ軸スケール
２４ Ｙ軸スケール
２６ Ｚ軸スケール
３０ 標準器
３０ａ 球体
３２ ベースプレート
３４ 支柱
３６ 接触センサ
４８ 座標読取部

Claims (2)

1. ＮＣ装置によって制御される工作機械のテーブルに取り付けられ、工具の寸法を測定するための工具測定エレメントと、工作機械の主軸に取り付けられ、テーブルに取り付けられたワークの寸法を測定するためのワーク測定エレメントとを有した工作機械の工具測定装置およびワーク測定装置を校正するときに共通に用いる標準器において、
   テーブルに固定されるベースプレートと、
   該ベースプレートに取り付けられ、工作機械の主軸に取り付けられた基準工具またはワーク測定エレメントと接触し、接触の基準となる基準要素と、
   前記基準工具または前記ワーク測定エレメントと前記基準要素とが接触したとき、前記ベースプレートに対する前記基準要素の変形が要求する測定精度以下の変形量で両者の接触を検出し、接触信号を工作機械の送り軸の座標を読み取る座標読取部に出力する接触センサと、
   を具備することを特徴とした標準器。
2. 前記接触センサは、接触力を検出する力センサであり、前記座標読取部に接触信号を出力する接触力の大きさを変更可能な請求項１に記載の標準器。

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