JP3215193B2 - 回転工具の刃部形状測定方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はボールエンドミルやドリ
ル等のねじれ刃を有する回転工具の形状、寸法を精度よ
く測定する方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】成型金型などの表面を三次元的に機械加
工する場合、その工具としてボールエンドミルが使用さ
れている。そして近年は数値制御の機械によりワークの
三次元的形状を直接削り出すことが多くなり、倣い加工
に比べて誤差要因が大幅に減少するため、加工精度を向
上させるうえで工具の切れ刃形状、とくに先端球状部の
真円度と半径値を高精度に保つことがきわめて重要な要
件となっている。とくに、工具を再研摩して使用する場
合には、工具の先端部が適正な形状・寸法になっている
かを測定し把握することは、ワークの仕上がり精度を維
持する上でたいへん重要である。従来、このような工具
形状の測定には、拡大投影器によって間接的に測定する
方法や、工具を一定角度ずつ回転させながら三次元測定
器を用いて測定する方法があったが、ボールエンドミル
等が通常ねじれ刃を有し先端球状部の頂部にまで切れ刃
リードがあるため、この部分の測定が難しく、測定に長
時間を要するうえ、かなりの労力と技能を必要とする問
題があった。

【０００３】これらの問題点を改善した測定方法が特開
昭６３−１８２５０５号公報に開示されている。これは
工具の軸線と直交する方向に配置されたラインセンサの
測定エリアの一端を工具先端部の内側の先端Ｒのほぼ中
心に位置させ、次いで測定ヘッド駆動手段によってライ
ンセンサを上記測定エリアの一端を中心として工具と直
交する方向の横軸回りに所定の角度ずつ回動させなが
ら、その各角度ごとに工具軸を中心として工具を一回転
させることにより、ラインセンサに得られた工具の端面
の位置に関する測定データ、及びタッチセンサによって
得られた工具の軸方向の測定データを、制御・演算部で
円の最小二乗法等によって計算し、工具の先端球状部の
半径や形状精度を算出する方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この特開昭６
３−１８２５０５号の方法にも次のような問題があり、
十分に信頼すべきものとはいえなかった。すなわち、図
６に示すようにラインセンサはビームの幅ｂを有してい
るため、ビーム幅ｂに比較して工具先端部のＤが小さい
ときは、ラインセンサによる刃部境界位置の判別が困難
となり、工具先端部の切れ刃の座標の表示が不正確とな
った。また、工具を回転させながらラインセンサの指示
値が最大となる点を切れ刃と判断しているため、切れ刃
以外の部分をとらえてしまう不具合があった。さらに、
Ｒ−θ座標で工具の先端部形状を測定するため、制御・
演算部でデータ処理の際、Ｘ−Ｙ座標に置換えるための
演算誤差が発生する不利があった。本発明は、これら従
来技術の欠点を解消したもので、ボールエンドミルなど
ねじれ刃を有する回転工具の刃部輪郭形状を、精度良く
かつ簡単な操作で測定できる測定方法及びそれに使用さ
れる測定装置を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の構成を図１及び
実施例に対応する図２，図３を参照して説明する。本発
明の方法は、画像を電気信号に変換するＴＶカメラ１９
を有する工具顕微鏡ユニット１の光軸Ｐと直角方向に回
転工具３の軸線Ａを配置し、まず工具顕微鏡ユニット１
の焦点位置を回転工具３の軸線Ａの高さｈに合致させて
固定し、次いで工具顕微鏡ユニット１の光軸Ｐを回転工
具３の刃部輪郭線上の複数の測定点（１）…（ｎ）に順
次位置させるとともに、ＴＶカメラ１９に接続された画
像処理装置３０により各測定点（１）…（ｎ）における
回転工具３の切れ刃部分ε１…εｎを検出して、工具顕
微鏡ユニット１の焦点位置に合致するように回転工具３
をその軸線Ａ回りに角度位置決めし、ここで各測定点に
おける切れ刃部分のＸ軸及びＹ軸方向の座標を測定し
て、これらの測定値に基づいて工具先端部の寸法或いは
形状精度を算出する方法である。

【０００６】これに使用される本発明の装置は、光源
２、レンズ系１８，２０及び画像を電気信号に変換する
ＴＶカメラ１９を有し、その光軸Ｐと直交する平面上で
Ｘ軸及びＹ軸方向に移動可能なＸＹテーブル４を備えた
工具顕微鏡ユニット１であって、ＸＹテーブル４に回転
工具３の軸線Ａを光軸Ｐと直角方向に保ってその軸線Ａ
回りに任意角度回転可能な角度割出し台２４が設けられ
ており、ＴＶカメラ１９の画像信号を処理して回転工具
３の切れ刃部分εｍを画像のコントラストの極大点とし
て検出する画像処理装置３０と、画像処理装置３０から
の信号を受けて回転工具３の刃部形状数値を算出すると
ともに、所定プログラムに従ってＸ，Ｙ及びＡの各軸の
制御指令を発するコンピュータ３３と、コンピュータ３
３からの制御指令によってＸＹテーブル４のＸ軸，Ｙ軸
方向の移動及び角度割出し台２４の回転角度を制御する
３軸コントローラ３７とを具備する測定装置である。

【０００７】

【作用】本発明の作用を図１を参照して説明する。図１
の（イ) のような形状の回転工具３を測定する場合、図
１の（ロ）のように回転工具３の刃部輪郭線上に測定点
（１），（２），（３）…（ｎ）が設定されている。焦
点位置を回転工具３の軸線Ａの高さｈと合致させた工具
顕微鏡ユニットの光軸Ｐを測定点（１）に位置させ、工
具顕微鏡ユニットのＴＶカメラに接続された画像処理装
置によって回転工具３の切れ刃部分ε１を検出する。切
れ刃部分ε１の画像は初めはボケているが、回転工具３
をその軸線Ａ回りに回転させて、図１の（ハ）のように
切れ刃部分ε１の角度位置が顕微鏡の焦点位置に合致す
ると、画像処理装置は画像のコントラスト極大点として
それを検知し、回転工具３の回転を停止させ角度位置決
めがなされる。

【０００８】このように角度位置決めされた測定点
（１）の切れ刃部分ε１は、回転工具３の軸線と同じ高
さｈに位置するので、ここで測定点（１）について測定
することにより、そのＸ軸，Ｙ軸の座標は正確に工具顕
微鏡ユニットに捕捉される。同様に測定点（２）につい
て測定する場合は、工具顕微鏡ユニット１の光軸Ｐと回
転工具３の切れ刃部分ε２の角度位置との関係は図１の
（ニ）のように示され、さらに測定点（３）について測
定する場合には図１の（ホ）のように示される。何れも
その測定点における切れ刃部分の高さｈは顕微鏡の焦点
位置に合致し、回転工具の軸心と同じ高さとなるためＸ
軸，Ｙ軸の座標は正確に捉えられる。

【０００９】

【実施例】本発明の一実施例装置を図２及び図３に基づ
いて説明する。図２はこの装置の測定部を示す図であっ
て、工具顕微鏡１の台座部分２には透過光源２ａを有し
ており、直立の光軸Ｐに沿って透過光を上方に向け投射
するようになっている。台座部分２には光軸Ｐに垂直な
面内で左右（Ｘ軸）方向及び前後（Ｙ軸）方向に移動可
能なＸＹテーブル４が敷設されている。このＸＹテーブ
ル４は中央に透明部５を有し、左右方向ガイド６及び前
後方向ガイド７に案内され、それぞれ精密送りねじ８，
９を介してＸ軸はパルスモータ１０により、Ｙ軸はパル
スモータ１１によって駆動されるようにしている。また
ＸＹテーブル４にはそのＸ軸方向とＹ軸方向の各位置
を、電気的に検出する位置センサ１２，１３が設けられ
ている。台座部分の奥側には支柱１４があり、垂直ガイ
ド１５に沿って上下するブラケット１６には顕微鏡の鏡
筒１７が垂直に取付けられ、その下部にリボルバ付の対
物レンズ１８、上端部にＴＶカメラであるＣＣＤカメラ
１９を有している。また中間部には斜下向きに接眼レン
ズ２０が設けられている。なお、２１はブラケット１６
を上下させる回転つまみ、２２は反射光を使用する場合
の光源である。

【００１０】ＸＹテーブル４には取付座２３を介して、
回転工具３を回転させる角度割出し台２４が、その回転
軸ＡをＸ軸と平行にして取付けられている。角度割出し
台２４は、前面側にコレットチャック２５を備えて回転
工具３を把持するようにされており、後面側ではプーリ
とベルト２７を介してパルスモータ２８により任意角度
回転し角度位置決めが可能なようにされている。

【００１１】図３はこの装置の制御・演算部まで含めた
全体構成を示すむブロック図である。ＴＶカメラとして
使用されているＣＣＤカメラ１９は、カメラアンプ２９
を介して画像処理装置３０に接続され、画像処理装置３
０には各種データ入力用のキーボード３１、及び顕微鏡
画面表示用のモノクロモニタ３２が接続されている。画
像処理装置３０に接続されているコンピュータ３３に
は、各種データを入力するキーボード３４、出力される
刃部輪郭の形状及び数値の各情報を表示するＲＧＢモニ
タ３５、及びプリンタ３６が接続されている。このコン
ピュータ３３にはＸＹテーブル４のＸ軸，Ｙ軸の移動及
び角度割出し台２４のＡ軸の回転を制御する３軸コント
ローラ３７が接続されており、この３軸コントローラ３
７には、Ｘ軸，Ｙ軸及びＡ軸を駆動する各パルスモータ
３８，３９，４０がそれぞれのドライバーアンプ４１，
４２，４３を介して接続されている。またＸＹテーブル
４のＸ軸及びＹ軸方向の位置センサ１２，１３は、その
位置情報を数値表示する表示ユニット４４に接続されて
おり、さらにコンピュータ３３に接続されている。

【００１２】本発明の実施例装置による測定手順のフロ
ーチャートを図４に示す。例えばボールエンドミルを測
定するときは、まず測定装置をボールエンドミルの測定
モードとし、測定すべき基本データの、ロット番号、直
径、刃部Ｒの径、ねじれ角度、刃の枚数及びその番号な
どをコンピュータ３３に入力する。次いで基準センタ
（図示省略）をコレットチャック２５により角度割出し
台２４に取付け、さらにＸＹテーブル４をＸ軸及びＹ軸
方向に移動させて、基準センタ先端の軸線高さに一致す
る面の周縁（工具の切れ刃に相当する部分）を工具顕微
鏡１の光軸Ｐに合わせる。ここで工具顕微鏡１を調節し
てその焦点位置を基準センタの軸線に合致させ、画像処
理装置３０により最も鮮明な画像がモノクロモニタ３２
に表示される個所で焦点位置を決め固定する。この焦点
位置を合せる操作には、基準センタを用いるほかＸＹテ
ーブル４に基準ブロックを装着して用いてもよく、ま
た、２枚刃のボールエンドミルなどで、その先端部に軸
線と一致する刃面を有している場合は、ボールエンドミ
ル自身の先端部を軸線基準として用いることができる。

【００１３】次に、測定すべき図１の（イ) に示すよう
なボールエンドミル３をコレットチャック２５により角
度割出し台２４に取付ける。ここで自動測定に切換える
ボタンを押すと、コンピュータ３３からのボールエンド
ミルの測定プログラム指令によって３軸コントローラ３
７が作動し、ＸＹテーブル４のＸ軸，Ｙ軸方向の移動が
なされ、図１の（ロ）〜（ヘ) に示すように、ボールエ
ンドミル３の刃部Ｒの輪郭線上に設定された（１），
（２）…（ｍ）…（ｎ）の各測定点を順次工具顕微鏡１
の光軸Ｐの位置に合せ、それらの各測定点においてボー
ルエンドミル３の切れ刃部分ε１，ε２…εｍ…εｎを
自動的に測定して行く操作が行われる。測定点（ｍ）に
おいては画像処理装置３０からの信号により、コンピュ
ータ３３は３軸コントローラ３７を作動させ、角度割出
し台２４を回転させながら画像処理装置３０に画像信号
データを連続的に取り込み、その測定点（ｍ）における
ボールエンドミル３の切れ刃部分εｍの画像のコントラ
ストが最大となる角度位置を画像処理装置３０により判
定し、図１の（ハ）〜（ヘ）に示すように、その角度位
置に角度割出し台２４のＡ軸の回転角度を合致させるこ
とによって、工具顕微鏡１の自動焦点合せがなされる。
同時にその測定点（ｍ）における切れ刃部分εｍはボー
ルエンドミル３の軸線Ａの高さｈと同じ高さに角度位置
決めされ、その切れ刃部分εｍのＸ軸及びＹ軸方向の位
置は工具顕微鏡１の視野内に正確に現示される。

【００１４】画像処理装置３０により、ボールエンドミ
ル３の測定点（ｍ) の画像は図５の（イ) のようにな
り、その切れ刃部分εｍは長方形に設定された測定エリ
ア内で、ボールエンドミルの影（暗) 部分と透過光によ
り明るい（明) 部分の境界として認識される。この境界
認識の手段には、図５の（ロ) のように測定エリア内の
照度レベル信号をしきい値より高いか低いかで判別する
ものや、図５の（ハ) のように照度レベル信号を微分処
理してその中心値を捉えるものなどがある。ここで、コ
ンピュータ３３によって位置決めされた測定点（ｍ) の
座標（ｘ，ｙ) は、Ｘ軸及びＹ軸の位置センサ１２，１
３によって捉えられ、それは画面上の測定エリアの中心
の座標と一致する。これと切れ刃部分εｍの位置とのず
れ量δは、測定エリアの中心位置から明部と暗部の境界
位置までの距離として計算され修正量とされる。その結
果、測定点（ｍ）における切れ刃部分εｍの実際の座標
が修正された座標（ｘ＋δ，ｙ）としてボールエンドミ
ル３の測定データとなる。この画像処理による測定の際
の長方形の測定エリアは、測定点（ｍ）の計算上の座標
に対して、測定される切れ刃部分εｍの実際の座標のず
れ量が明瞭となるように、測定点（ｍ）の工具軸線に対
する角度位置が４５度以下ではＸ軸方向を長辺とし、４
５度以上ではＹ軸方向を長辺とするように設定される。

【００１５】ボールエンドミルの場合、各測定点（１）
…（ｎ）は１枚の刃につき工具軸線に対して０度から９
０度の間に等間隔に設定され、例えば１０度ごとの測定
であれば０度，１０度…９０度まで１０個所が測定され
る。この実施例に示したように２枚刃のボールエンドミ
ルであれば、−９０度から＋９０度の間に１０度刻みで
２１個所が測定される。多数枚の刃を持つ場合はその１
枚の刃ごとに測定が反復される。

【００１６】このようにして、すべての測定点について
切れ刃部分の測定が終了すると測定装置は原点復帰する
から、ここでボールエンドミル３を取り外す。以上のよ
うにして得られたボールエンドミル３の各測定点におけ
る切れ刃部分の測定データは座標の点群となっている。
この座標の点群を予めコンピュータ３３に入力されてい
る演算処理プログラムに従って計算し、円の最小二乗法
等により、まずボールエンドミル３の先端刃部Ｒの中心
座標を算出し、さらに各測定点における切れ刃部分のＲ
半径その他ボールエンドミルの形状精度に関する各種数
値を算出する。こうして算出された各種の演算結果はＲ
ＧＢモニタ３５に表示されるとともに、必要に応じてプ
リンタ３６でプリントアウトされる。

【００１７】以上の実施例においては、ボールエンドミ
ルを測定する場合について述べたが、本発明は制御・演
算部に予め所定の測定手順及び演算処理プログラムを入
力しておくことにより、テーパボールエンドミル、特殊
刃形ドリル等の刃先形状を測定することも可能である。
また、この実施例では工具顕微鏡の焦点位置を回転工具
の軸線に合致させる操作を手動で行う場合について述べ
たが、測定手順プログラムによっては、この操作も自動
で行わせることもできる。基準ブロックを使用する場合
はＸＹテーブルを移動させるだけで工具顕微鏡の測定範
囲外とすることが可能であり、基準センタの場合のよう
に取付け替えする必要はない。本発明装置の測定部分で
ある工具顕微鏡ユニットを工作機械に組込み、さらに制
御・演算部分を工作機械制御用コンピュータに接続する
ことにより、加工途中で逐次工具刃部形状を測定して工
具の磨耗を補償する加工システムとすることができ、高
精度の成形加工が実現される。

【００１８】

【発明の効果】本発明は、回転工具の刃部形状の測定に
際し、まず工具顕微鏡の焦点位置を回転工具の軸心に合
致させて固定し、次に各測定点における切れ刃の高さを
その回転工具の軸線回りに角度位置決めすることによ
り、顕微鏡の焦点位置に一致させているので、各測定点
における切れ刃の位置座標を正確に捕捉することができ
る。また、画像のボケがないので測定を容易に速く行う
ことができる。本発明では、回転工具の切れ刃の検出を
ＴＶカメラとそれに接続された画像処理装置により画像
のコントラストの極大点として検出しているので、回転
工具が小径の場合でも正確な測定値が得られる。また本
発明では、回転工具の刃部輪郭線上の各測定点について
Ｘ−Ｙ座標により測定しているので、Ｒ−θ座標による
測定と比較して演算処理の際に置換誤差が発生すること
がなく、また演算処理に要する時間も短縮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法によりボールエンドミルを測定す
る場合の説明図。

【図２】本発明の一実施例装置の測定部を示す斜視図。

【図３】本発明の一実施例装置のブロック図。

【図４】図２及び図３の装置により測定を行う場合の測
定手順のフローチャート。

【図５】測定時に画像処理装置により認識される画像。

【図６】従来技術の問題点を示す説明図。

【符号の説明】

１ 工具顕微鏡ユニット ２ａ 光源 ３ 回転工具（ボールエンドミル) ４ ＸＹテーブル １９ ＴＶカメラ（ＣＣＤカメラ) ２４ 角度割出し台 ３０ 画像処理装置 ３３ コンピュータ ３７ ３軸コントローラ Ｐ 光軸 ｈ Ａ軸の高さ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像を電気信号に変換するＴＶカメラを
   有する工具顕微鏡ユニットの光軸と直角方向に回転工具
   の軸線を配置し、まず工具顕微鏡ユニットの焦点位置を
   回転工具の軸線の位置に合致させて固定し、次いで工具
   顕微鏡ユニットの光軸を回転工具の刃部輪郭線上の複数
   の測定点に順次位置させるとともに、前記ＴＶカメラに
   接続された画像処理装置により各測定点における回転工
   具の切れ刃を検出して工具顕微鏡ユニットの焦点位置に
   合致するように回転工具をその軸線Ａ回りに角度位置決
   めし、ここで各測定点における切れ刃のＸ軸及びＹ軸方
   向の座標を測定して、これらの測定値に基づいて工具先
   端部の寸法或いは形状精度を算出することを特徴とする
   回転工具の刃部形状測定方法。
2. 【請求項２】 光源、レンズ系及び画像を電気信号に変
   換するＴＶカメラを有し、その光軸と直交する平面上で
   Ｘ軸及びＹ軸方向に移動可能なＸＹテーブルを備えた工
   具顕微鏡ユニットであって、前記ＸＹテーブルに回転工
   具の軸線を光軸と直角方向に保ってその軸線Ａ回りに任
   意角度回転可能な角度割出し台が設けられており、前記
   ＴＶカメラの画像信号を処理して回転工具の切れ刃を画
   像のコントラストの極大点として検出する画像処理装置
   と、画像処理装置からの信号を受けて回転工具の刃部形
   状数値を算出するとともに所定プログラムに従ってＸ，
   Ｙ及びＡ軸の制御指令を発するコンピュータと、コンピ
   ュータからの制御指令によって前記ＸＹテーブルのＸ
   軸，Ｙ軸方向の移動及び前記角度割出し台の回転角度を
   制御する３軸コントローラを具備することを特徴とする
   回転工具の刃部形状測定装置。