JP2020082280A

JP2020082280A - ツールプリセッタにおけるツール形状の測定装置及び測定方法

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Publication number: JP2020082280A
Application number: JP2018221130A
Authority: JP
Inventors: 裕之名渕; Hiroyuki Nabuchi
Original assignee: Kyoritsu Seiki Corp
Current assignee: Kyoritsu Seiki Corp
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: JP7159021B2

Abstract

【課題】ツールの外径に応じてスピンドルの回転速度を制御することにより、ツール形状を高精度に測定することを可能にしたツールプリセッタにおけるツール形状の測定装置及び測定方法を提供する。【解決手段】ツールを着脱可能に保持する一方で回転可能に構成されたスピンドル３と、Ｘ軸方向に沿って進退可能に構成されたコラム４と、コラム４上でＺ軸方向に沿って昇降可能に構成されたガイド部材５と、ガイド部材５に搭載されていてツールをＹ軸方向に沿って撮影するカメラ８と、カメラ８の画像に基づいてツールの形状データを算出する画像処理手段と、カメラ８がツールの外径部分を映した際のカメラ８のＸ軸方向の位置及び予め設定されたツールの周速度に基づいてスピンドル３の回転速度を算出する演算手段と、この算出された回転速度になるようにスピンドル３を制御する制御手段とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ツールプリセッタにおけるツール形状の測定装置及び測定方法に関し、更に詳しくは、ツールの外径に応じてスピンドルの回転速度を制御することにより、ツール形状を高精度に測定することを可能にしたツールプリセッタにおけるツール形状の測定装置及び測定方法に関する。

従来、工作機械用のツールの刃先の形状や寸法を予め調整する際に用いられるツールプリセッタにおいて、ツールの刃先の形状や寸法を測定するために、水平方向に移動可能なコラムに対して水平投影装置が搭載されている（例えば、特許文献１参照）。このようなツールプリセッタでは、水平投影装置の視野内にツールの測定点が収まるように、コラムの移動方向であるＸ軸方向やＸ軸方向に垂直なＺ軸方向に水平投影装置を移動させ、ツール形状の測定を行うように構成されている。

また、ツールの外径を測定する際、ツールを装着したスピンドルを回転させながら、カメラにてツールを撮影して測定を行う。その際、スピンドルの回転速度が一定であると、大径のツールと小径のツールではそれぞれの周速度が異なるため、大径のツールほど外径のピークの位置がカメラの撮影間隔から外れ易くなり、ツールを正確に測定することができないという問題がある。これに対して、例えば、フレームレートの高い高性能なカメラを使用し、外径のピークの位置がカメラの撮影間隔から外れることを抑制することが可能であるが、そのような高性能なカメラは高額であり、コストの観点から不利である。また、高性能なカメラを使用したとしてもスピンドルの回転速度によっては外径のピークの位置がカメラの撮影間隔から外れることがある。

特開２０１６−０８３７２３号公報

本発明の目的は、ツールの外径に応じてスピンドルの回転速度を制御することにより、ツール形状を高精度に測定することを可能にしたツールプリセッタにおけるツール形状の測定装置及び測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明のツールプリセッタにおけるツール形状の測定装置は、ツールを着脱可能に保持する一方で回転可能に構成されたスピンドルと、該スピンドルの回転軸に対して垂直となるＸ軸方向に沿って進退可能に構成されたコラムと、該コラム上で前記スピンドルの回転軸に対して平行となるＺ軸方向に沿って昇降可能に構成されたガイド部材と、該ガイド部材に搭載されていて前記ツールを前記Ｘ軸方向及び前記Ｚ軸方向に対して直交するＹ軸方向に沿って撮影するカメラと、該カメラの画像に基づいて前記ツールの形状データを算出する画像処理手段と、前記カメラが前記ツールの外径部分を映した際の該カメラの前記Ｘ軸方向の位置及び予め設定された前記ツールの周速度に基づいて前記スピンドルの回転速度を算出する演算手段と、この算出された回転速度になるように前記スピンドルを制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明のツールプリセッタにおけるツール形状の測定方法は、ツールを着脱可能に保持する一方で回転可能に構成されたスピンドルと、該スピンドルの回転軸に対して垂直となるＸ軸方向に沿って進退可能に構成されたコラムと、該コラム上で前記スピンドルの回転軸に対して平行となるＺ軸方向に沿って昇降可能に構成されたガイド部材と、該ガイド部材に搭載されていて前記ツールを前記Ｘ軸方向及び前記Ｚ軸方向に対して直交するＹ軸方向に沿って撮影するカメラと、該カメラの画像に基づいて前記ツールの形状データを算出する画像処理手段と、前記カメラが前記ツールの外径部分を映した際の該カメラの前記Ｘ軸方向の位置及び予め設定された前記ツールの周速度に基づいて前記スピンドルの回転速度を算出する演算手段と、この算出された回転速度になるように前記スピンドルを制御する制御手段とを備えた測定装置を使用し、前記スピンドルの回転速度を前記制御手段により制御した条件下で前記カメラの画像に基づいて前記ツールの形状データを測定することを特徴とするものである。

本発明では、ツールを着脱可能に保持する一方で回転可能に構成されたスピンドルと、このスピンドルの回転軸に対して垂直となるＸ軸方向に沿って進退可能に構成されたコラムと、このコラム上でスピンドルの回転軸に対して平行となるＺ軸方向に沿って昇降可能に構成されたガイド部材と、このガイド部材に搭載されていてツールをＸ軸方向及びＺ軸方向に対して直交するＹ軸方向に沿って撮影するカメラと、このカメラの画像に基づいてツールの形状データを算出する画像処理手段と、カメラがツールの外径部分を映した際のカメラのＸ軸方向の位置及び予め設定されたツールの周速度に基づいてスピンドルの回転速度を算出する演算手段と、この算出された回転速度になるようにスピンドルを制御する制御手段とを備えているので、ツールの外径の大小に関わらず、ツールの周速度を一定に保つことができるため、正確な測定を行うことが可能になる。これにより、ツールの高精度な測定を実現することができ、繰り返し測定の精度を向上させることができる。また、フレームレートの高いカメラを使用しなくとも高精度な測定を実現することができるため、コストの観点でも有利である。

本発明では、ツールの周速度は２５π〜１２５π（ｍｍ／ｍｉｎ）の範囲であることが好ましい。これにより、ツールの測定精度を向上させることができる。

本発明の実施形態からなるツール形状の測定装置を備えたツールプリセッタを示す斜視図である。本発明の実施形態からなるツール形状の測定装置を備え、スピンドルに大径のツールを装着したツールプリセッタを示す正面図である。本発明の実施形態からなるツール形状の測定装置を備え、スピンドルに小径のツールを装着したツールプリセッタを示す正面図である。本発明に係るツール形状の測定装置に装着されたツールの測定点の軌跡を示す概略図である。従来のツール形状の測定装置に装着されたツールの測定点の軌跡を示す概略図である。

以下、本発明の構成について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図１〜図３は本発明の実施形態からなるツール形状の測定装置を備えたツールプリセッタを示すものである。図２は大径のツールＴをスピンドル３に装着した例を示し、図３は小径のツールＴをスピンドル３に装着した例を示す。なお、図１〜図３において、スピンドル３の回転軸Ｅに対して垂直となる方向をＸ軸方向とし、スピンドル３の回転軸Ｅに対して平行となる方向をＺ軸方向とし、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対して直交する方向をＹ軸方向とする。

本実施形態のツールプリセッタは、ツール形状を測定する機能を有し、ドリルやエンドミル、サイドカッタ等の標準的な切削ツールを含め、刃先の先端部が階段状に形成された段付刃物や被加工物に対して内径旋削するボーリングバー、先端が球状に形成されたボールエンドミル、多数刃を有するフライスカッタ等の特殊な切削ツールについてもその刃先の形状や寸法を測定することが可能である。

図１〜図３に示すように、機台１上には、工作機械において使用するツールＴを着脱可能に保持すると共に、回転可能に構成されたスピンドル３と、このスピンドル３に対してＸ軸方向に沿って進退可能に構成されたコラム４とが設置されている。ツールＴは、スピンドル３に対して直接装着されていても良いが、図２又は図３に示すようにテーパーアダプタ２を介してスピンドル３に装着されていても良い。テーパーアダプタ２を使用することで、多種のツールＴのシャンクサイズに素早く対応することができるため有利である。

コラム４には、ガイド部材５がＺ軸方向に沿って昇降可能に設置され、このガイド部材５には、水平方向に延びる一対の支持部材６，７が配設されている。支持部材６には、ツールＴを前方から撮影するためのカメラ８（第一カメラ）が搭載されている。このカメラ８は、ツールＴをＹ軸方向に向かって撮影し、ツールＴの高さや外径を測定可能に構成されている。一方、支持部材７には、Ｙ軸方向と平行な回転軸を有する回転駆動装置９と、回転駆動装置９により回転駆動される旋回アーム１０が配設され、旋回アーム１０にはツールＴを側方又は上方から撮影するためのカメラ１１（第二カメラ）が搭載されている。このカメラ１１は、ツールＴをＸ軸方向又はＺ軸方向から撮影可能に構成されている。

上述したツールプリセッタにおいて、機台１には、スピンドル３の回転やコラム４又はガイド部材５の移動を操作するための操作ボックス１２が配設されている。また、機台１には、その側面側に設けられた載置台１６に、カメラ８又はカメラ１１により撮影された画像や操作画面等を表示するためのタッチパネルモニター１３と、入力操作を行うためのキーボード１４と、測定結果等を印刷する印刷機１５とが設置されている。

また、機台１の内部にはコンピュータ１７が内蔵されている。コンピュータ１７は、操作ボックス１２、タッチパネルモニター１３又はキーボード１４により与えられた指示に基づいて、コラム４のＸ軸方向の移動量、ガイド部材５のＺ軸方向の移動量、スピンドル３の回転量、回転駆動装置９の回転量を制御する制御装置として機能すると共に、カメラ８の画像に基づいてツールＴの形状データを算出する画像処理装置、及び、カメラ８，１１から得られた画像により各種の寸法を演算する演算装置として機能するように構成されている。特に、ツールＴの外径を測定する場合、カメラ８がツールＴの外径部分を映した際のカメラ８のＸ軸方向の位置及び予め設定されたツールＴの周速度Ｖに基づいてスピンドル３の回転速度Ｎ（ｒｐｍ）を算出すると共に、この算出された回転速度Ｎになるようにスピンドル３を制御する。このようなコンピュータ１７は、例えば、上述した処理を実行可能なプログラムとして構成することができる。

上述したツール形状の測定装置を備えたツールプリセッタを用いて、ツールＴの形状や寸法を測定するにあたって、スピンドル３に取り付けたテーパーアダプタ２にツールＴを装着する。予め、ツールＴの周速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）を設定しておく。この周速度Ｖは、ツールＴの測定精度を向上させるために２５π〜１２５π（ｍｍ／ｍｉｎ）の範囲に設定することが好ましく、５０π〜１００π（ｍｍ／ｍｉｎ）の範囲に設定することがより好ましい。

ツールＴの形状や寸法を測定する際にはカメラ８（第一カメラ）を用いる。例えば、ボールエンドミルのように刃先が捩れた形状を有するツールＴの場合、スピンドル３を回転させながらカメラ８によりツールＴを撮影すると共に、コンピュータ１７によりツールＴの回転時の残像を重ね合わせる画像処理を行うことで、ツールＴの実際の回転形状を測定することができる。また、ツールＴの外径Ｄ（ｍｍ）を算出するには、カメラ８の視野内にツールＴの外径部分が映るようにカメラ８のＸ軸方向の位置を調整して、そのＸ軸の座標値を登録し、その登録したＸ軸の座標値からツールＴの暫定的な外径Ｄを算出する、或いは、スピンドル３を回転させながらツールＴの外径部分を実際に撮影し、その際のカメラ８のＸ軸方向の位置からツールＴの暫定的な外径Ｄを算出する。いずれの場合においても、スピンドル３の回転軸ＥのＸ軸方向の位置とカメラ８のＸ軸方向の位置との間の距離がツールＴの半径に相当し、その２倍がツールＴの外径Ｄである。その他、カメラ８を用いずにツールＴの呼び径を入力し、ツールＴの外径Ｄとして用いることもできる。次に、予め設定したツールＴの周速度ＶとツールＴの外径Ｄと円周率πに基づいて、下記の数式１により、スピンドル３の回転速度Ｎ（ｒｐｍ）を算出する。

例えば、ツールＴの周速度Ｖを７５πｍｍ／ｍｉｎに設定した場合、外径Ｄが１００ｍｍのツールＴでは回転速度Ｎが０．７５ｒｐｍである。また、十分な測定精度を確保するため回転速度Ｎの上限及び下限を設け、例えば、外径Ｄが３００ｍｍ以上のツールＴでは回転速度Ｎを０．２５ｒｐｍとし、外径Ｄが３６ｍｍ以下のツールＴでは２．０８ｒｐｍとすると良い。このようにツールＴの周速度Ｖを７５πｍｍ／ｍｉｎに設定した場合、回転速度ＮがツールＴの外径Ｄに応じて０．２５ｒｐｍ〜２．０８ｒｐｍの間で可変する。本発明では、ツールＴの周速度Ｖを一定に保つようにして、コンピュータ１７により、ツールＴの外径Ｄが大きいほど回転速度Ｎを下げ、ツールＴの外径Ｄが小さいほど回転速度Ｎを上げてスピンドル３を制御する。このようにスピンドル３の回転速度Ｎを制御すると共に、カメラ８の画像に基づいてツールＴの形状データを測定することで、ツールＴの形状や寸法を正確に測定することができる。

一方、ツールＴの刃先の形状や表面状態を測定する際にはカメラ１１（第二カメラ）を用いる。カメラ１１によりツールＴを撮影し、コンピュータ１７により撮影した画像を処理することでツールＴの刃先の形状や表面状態を正確に測定することができる。

図４は本発明に係るツール形状の測定装置に装着されたツールの測定点の軌跡を示すものである。図４において、外径の異なる３種類（大径、中径、小径）のツールＴ１〜Ｔ３を用い、これらツールＴ１〜Ｔ３の測定点におけるカメラ８の撮影間隔毎の軌跡を示す。これらツールＴ１〜Ｔ３の測定点において、いずれも周上の少なくとも１箇所がカメラ８の測定可能範囲Ｓ（焦点深度）内に収まる。本発明では、上述のようにツールＴの外径に応じてスピンドル３の回転速度Ｎが可変するため、ツールＴの外径の大小に関わらず、ツールＴの周速度Ｖが一定である。言い換えれば、カメラ８の撮影間隔時間内における移動量が一定に保たれる。

これに対して、図５は従来のツール形状の測定装置に装着されたツールの測定点の軌跡を示すものである。図５において、大径のツールＴ１の測定点及び中径のツールＴ２の測定点は、カメラの測定可能範囲Ｓ（焦点深度）内に収まっていない。従来のツール形状の測定装置では、スピンドルの回転速度が一定であるため、ツールＴ１〜Ｔ３のそれぞれの周速度が異なり、大径のツールＴ１ほどカメラの撮影間隔時間内における移動量が大きくなる。その結果、大径のツールＴ１及び中径のツールＴ２ではカメラの測定可能範囲Ｓから外れてしまい、ツールＴを正確に測定することができない。

上述したツール形状の測定装置及び測定方法では、ツールＴを着脱可能に保持する一方で回転可能に構成されたスピンドル３と、Ｘ軸方向に沿って進退可能に構成されたコラム４と、このコラム４上でＺ軸方向に沿って昇降可能に構成されたガイド部材５と、このガイド部材５に搭載されていてツールＴをＹ軸方向に沿って撮影するカメラ８と、このカメラ８の画像に基づいてツールＴの形状データを算出する画像処理手段と、カメラ８がツールＴの外径部分を映した際のカメラ８のＸ軸方向の位置及び予め設定されたツールＴの周速度Ｖに基づいてスピンドル３の回転速度Ｎを算出する演算手段と、この算出された回転速度Ｎになるようにスピンドル３を制御する制御手段とを備えているので、ツールＴの外径の大小に関わらず、ツールＴの周速度Ｖを一定に保つことができるため、正確な測定を行うことが可能になる。これにより、ツールＴの高精度な測定を実現することができ、繰り返し測定の精度を向上させることができる。また、フレームレートの高いカメラを使用しなくとも高精度な測定を実現することができるため、コストの観点でも有利である。更には、カメラ８にフレームレートの高いカメラを使用した場合には、より一層高精度な測定を行うことができる。

上述したツール形状の測定装置を含むツールプリセッタによれば、カメラ８，１１により得られる画像を使用することにより、形状の異なる様々な工作機械用のツールＴに対して、そのツールＴの形状や寸法を高精度に測定することができる。また、カメラ１１は旋回可能に設置されているので、ツールＴの欠陥検出にも利用可能である。

１機台
２テーパーアダプタ
３スピンドル
４コラム
５ガイド部材
６，７支持部材
８カメラ（第一カメラ）
９回転駆動装置
１０旋回アーム
１１カメラ（第二カメラ）
１２操作ボックス
１３タッチパネルモニター
１４キーボード
１５印刷機
１６載置台
１７コンピュータ

Claims

ツールを着脱可能に保持する一方で回転可能に構成されたスピンドルと、該スピンドルの回転軸に対して垂直となるＸ軸方向に沿って進退可能に構成されたコラムと、該コラム上で前記スピンドルの回転軸に対して平行となるＺ軸方向に沿って昇降可能に構成されたガイド部材と、該ガイド部材に搭載されていて前記ツールを前記Ｘ軸方向及び前記Ｚ軸方向に対して直交するＹ軸方向に沿って撮影するカメラと、該カメラの画像に基づいて前記ツールの形状データを算出する画像処理手段と、前記カメラが前記ツールの外径部分を映した際の該カメラの前記Ｘ軸方向の位置及び予め設定された前記ツールの周速度に基づいて前記スピンドルの回転速度を算出する演算手段と、この算出された回転速度になるように前記スピンドルを制御する制御手段とを備えることを特徴とするツールプリセッタにおけるツール形状の測定装置。
前記ツールの周速度が２５π〜１２５π（ｍｍ／ｍｉｎ）の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のツールプリセッタにおけるツール形状の測定装置。
ツールを着脱可能に保持する一方で回転可能に構成されたスピンドルと、該スピンドルの回転軸に対して垂直となるＸ軸方向に沿って進退可能に構成されたコラムと、該コラム上で前記スピンドルの回転軸に対して平行となるＺ軸方向に沿って昇降可能に構成されたガイド部材と、該ガイド部材に搭載されていて前記ツールを前記Ｘ軸方向及び前記Ｚ軸方向に対して直交するＹ軸方向に沿って撮影するカメラと、該カメラの画像に基づいて前記ツールの形状データを算出する画像処理手段と、前記カメラが前記ツールの外径部分を映した際の該カメラの前記Ｘ軸方向の位置及び予め設定された前記ツールの周速度に基づいて前記スピンドルの回転速度を算出する演算手段と、この算出された回転速度になるように前記スピンドルを制御する制御手段とを備えた測定装置を使用し、前記スピンドルの回転速度を前記制御手段により制御した条件下で前記カメラの画像に基づいて前記ツールの形状データを測定することを特徴とするツールプリセッタにおけるツール形状の測定方法。
前記ツールの周速度が２５π〜１２５π（ｍｍ／ｍｉｎ）の範囲であることを特徴とする請求項３に記載のツールプリセッタにおけるツール形状の測定方法。