JP4614337B2 - 工具の先端位置検出方法、ワークの加工方法および摩耗状態検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物（ワーク）と工具の間の精確な離間距離の検出技術に係り、詳しくは、加工されるワーク上において工具の高精度な位置決めをする工具の先端位置検出方法およびワークの加工方法に関する。

従来から、金属材料等から成るワークの加工では、フライス、エンドミルあるいはドリル等の工具のワークに対する相対的な直線運動、あるいは回転運動により、加工を行う工作機械が広く利用されている。
この加工においては、工具のワーク表面からの離間距離を精確に把握することが重要になる。特に、例えばサーボモータを用いた工作機械の各種の動きを数値制御するＮＣ工作機械では、上記距離を高い精度で検出することが必須になってくる。また、工具の刃先がスローアウェイチップとして交換される場合には、その磨耗したチップを新しいチップに交換する時に、新しく取り付けたチップの工具先端での正確な位置調整を行うことが必要になる。

上記ワーク表面からの工具先端の離間距離は、例えば、工作機械のテーブル上にチャックを介してワークが水平に載置される場合には、デジタル式のハイトゲージにより簡便に計測することができる。これは、接触式の計測方法であり、上記工具を支承し垂直上下に直線運動する加工ヘッドのヘッド保持部に取り付けられたデジタル式のハイトゲージを用い、ワーク表面に上記刃先が接触したときの高さを基準点にして、上記ハイトゲージから読み取るものである。
また、その他に上記相対位置あるいは変位を非接触式に計測する方法として、レーザビームを用いる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−３００５８１号公報

しかしながら、上記接触式にハイトゲージを用いる方法では、工具とワークの離間距離の測定精度は、ダイヤル式のハイトゲージ等によりその精度を向上させても高々１μｍ程度である。このために、一般に加工の精度を例えば０．１μｍ以下に制御することは非常に難しくなるという問題があった。
また、上記レーザビームの光干渉を用いる方法は、短波長で単一波長のレーザ光を使用すれば、その計測精度は向上する。そして、上記離間距離は、レーザ波長程度まで精確に計測でき０．１μｍ以下の精度は充分に得られる。しかし、この場合には、レーザ発振器、センサ等の光学系機器が高価になり、しかも、工具の先端の計測システムが複雑化し実用化が難しいという問題があった。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであって、ワークと工具との相対的な離間距離を高精度に検出することのできる工具の先端位置検出方法およびワークの加工方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の工具の先端位置検出方法は、ワークの加工において、互いに対向する第１の平面と第２の平面とを有し前記第１の平面が前記第２の平面に対して一定の傾斜角度θをもつ基準ブロックを用い、前記一定の傾斜角度θは、ｔａｎθ＝０．１〜０．２を満たし、第１の平面又は第１の平面及び第２の平面の表面粗さが、１０ｎｍ以下であり、前記第1の平面は、導電体材又は前記第1の平面の表面がニッケルメッキされたものであり、前記加工に使用する工具を前記第１の平面上に配置し、前記工具の先端が前記第１の平面に非接触の状態から少なくとも接触するまで、前記工具を前記第２の平面に対して水平方向に一定速度で走査する工程と、前記走査と共に、前記工具と前記基準ブロック間の電気特性の変化を計測する工程と、を有し、前記電気特性の変化から前記工具の先端位置を検出する、という構成になっている。

上記発明では、前記工具を前記第２の平面に水平方向に走査する工程において、前記第１の平面上の配置位置が互いに異なる複数の走査を同じ一定速度の下に行い、それぞれの走査において計測される前記電気特性の変化の違いから、前記複数の走査における前記工具の先端位置の相対差を検出する。

そして、上記発明の好適な一態様では、前記電気特性は、前記工具と導電体材で成る前記基準ブロック間の静電容量、電気抵抗あるいはインピーダンスである。

上記発明により、工具の絶対的あるいは相対的な先端位置検出が高精度にしかも簡便にできるようになる。そして、工具の刃先をスローアウェイチップとして交換する場合に、新しく取り付けたチップの工具先端での正確な位置調整が簡便にできるようになる。

また、本発明のワークの加工方法は、前記工具の先端位置検出方法により工具の先端位置を検出した後、前記検出値を工作機械の数値制御装置にフィードバックし、前記工具と前記ワークとの間の距離に補正を加えて、前記ワーク表面を加工する、という構成になっている。

上記発明により、ワーク表面に微細で高精度の加工面を簡便に形成することが可能になる。

また、本発明の工具の摩耗状態検出方法は、互いに対向する第１の平面と第２の平面とを有し前記第１の平面が前記第２の平面に対して一定の傾斜角度θをもつ基準ブロックを用い、
前記一定の傾斜角度θは、ｔａｎθ＝０．１〜０．２を満たし、
第１の平面又は第１の平面及び第２の平面の表面粗さが、１０ｎｍ以下であり、
前記第1の平面は、導電体材又は前記第1の平面の表面がニッケルメッキされたものであり、
前記加工に使用する工具を前記第１の平面上に配置し、前記工具の先端が前記第１の平面に非接触の状態から少なくとも接触するまで、前記工具を前記第２の平面に対して水平方向に一定速度で走査する工程と、
前記走査と共に、前記工具と前記基準ブロック間の電気特性の変化を計測する工程と、により前記電気特性の変化から前記工具の先端位置を検出する第１のステップと、
前記工具を用いて被加工体の機械加工を行う第２のステップと、
前記第１のステップで使用した前記基準ブロックを用い、前記工具を前記基準ブロックの第１の平面上の前記第１のステップにおける位置と隔離した位置に配置し、前記工具の先端が前記第１の平面に非接触の状態から少なくとも接触するまで、前記工具を前記第２の平面に対して水平方向に前記第1のステップにおける一定速度と等しい速度の一定速度で走査し、前記走査と共に、前記工具と前記基準ブロック間の電気特性の変化を計測する工程と、により前記電気特性の変化から前記工具の先端位置を検出し、前記第１のステップで計測された前記工具の先端位置と比較して前記工具の摩耗状態を検査する第３のステップと、からなることを特徴とする。
すなわち、基準ブロックを用いて、新しい工具について、先端位置を検出しておき、その工具を実使用した後、再度同じ基準ブロックを用いて異なる領域で工具の先端位置を測定し、双方の先端位置を比較することにより当該工具の摩耗状態を検知することができる。

本発明の構成によれば、ワークの加工において、ワークに対する工具の高精度な先端位置検出が可能になり、高精度なワークの加工が簡便に行えるようになる。

以下、本発明の好適な実施形態のいくつかを図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
（実施の形態１）
本発明にかかる工具の先端位置検出方法は、以下に図１乃至５を参照して説明する。図１は、本発明の特徴であるハイト計測用の基準ブロック１の断面図と、工具の走査を示した図である。ここで、工具は特に限定されるものではないが、例えば、バイト型の工具、フライス型の工具、砥石型の工具などを挙げることができる。以下の実施形態では、工具としてバイト型の工具を使用する例を挙げる。

図１に示すように、上記基準ブロック１の上面１ａは、基準ブロックの底面を基準面１ｂとすると、その基準面１ｂに対して一定の傾斜角度θを有する平面形状の傾斜面となっている。ここで、傾斜角度θは、例えばｔａｎθ＝０．２程度あるいはそれ以下の微小角に形成されている。また、この基準ブロック１は、後述するように導電体材により構成されると好適である。

この基準ブロック１は、通常の工作機械のテーブル上にチャック２を介して取り付ける。そして、上記基準ブロック１上においてバイト３を降下させ、その刃先４が基準ブロック１の傾斜面１ａに対して非接触となる所定の高さ位置にセットする。ここで、刃先４は超硬合金、ダイアモンドあるいはセラミックス等により構成される。
次に、このように所定の高さ位置にバイトをセットした後に、上記バイト３を、基準面１ｂに対して平行にしかも一定速度ｖになるように走査する。この走査により、図１に示すように、バイト３の刃先４の先端は、傾斜面１ａのある所において当接し、それ以後は、基準ブロック１の端部まで傾斜面１ａを切削し、その上部を切削除去することになる。

そして、バイト３の上記走査と共に、バイト３と基準ブロック１間の電気特性の時間変化を計測する。この電気特性は、上記バイト３と基準ブロック１との間の結合容量（静電容量）が好適である。あるいは、バイト３と基準ブロック１との間の電気抵抗、インピーダンスであってもよい。

次に、上記電気特性の計測における等価回路について図２を参照して説明する。ここで、図２（ａ）は上記静電容量の時間変化を計測する場合の等価回路図であり、図２（ｂ）は上記電気抵抗あるいはインピーダンスの時間変化を計測する場合の等価回路図である。静電容量の時間変化を計測する場合には、上記バイト３と基準ブロック１との間の静電容量５に対して直列に固定容量６を結線するとよい。そして、その直列容量に例えば１０ｋＨｚの交流電源７を接続し、上記静電容量５と固定容量が直列接続した容量値を計測部８によりモニタリングする。
あるいは、図２（ｂ）に示したように、上記バイト３と基準ブロック１との間の抵抗９に対して直列に固定抵抗１０を結線する。そして、その間に例えば１０ｋＨｚの交流電源７を接続して、上記抵抗９と固定抵抗１０が直列接続した抵抗値あるいはインピーダンスを計測部８ａによりモニタリングする。

図３は、図２（ａ）の等価回路を用いて、図１で示したバイト３の走査と同時に、上記静電容量の時間変化を計測したときの一例である。図３において、横軸に走査時間をとり、縦軸に計測部８における出力値（容量値）をとっている。ここで、バイト３の走査速度（送り速度）を３００ｍｍ／ｍｉｎとしている。
図３に示すように、上記出力値は略矩形状に時間変化する信号となる。すなわち、ある時点で略ステップ状に立ち上がり、そして、ある時間間隔Ｔの経過後に再びステップ状に降下するような信号となる。この容量値の時間変化する信号は次のようにして生じる。
上述したように、バイト３の刃先４が基準ブロック１の傾斜面１ａに非接触の状態では、図１に示す一定速度ｖの走査において徐々にその静電容量値が高くなる。そして、刃先４の先端が傾斜面１ａのある所においてライトタッチに当接すると、上記先端と傾斜面１ａは電気接続する。そして、刃先４が導電体材であると上記静電容量値は無限大近くにまで急増する。ここで、図２（ａ）で説明したように、上記可変な静電容量５は固定容量６と直列接続しているために、計測部８の容量値は、上記無限大近くへの急増に応じて固定容量６の容量値までステップ状に立ち上がる。そして、図１において、刃先４が傾斜面１ａを切削している間は上記電気接続が続くために、上記静電容量値は無限大近くのままであり、上記矩形形状の容量値になる。そして、刃先４が基準ブロック１の端部を通過すると、再び、バイト３の刃先４は基準ブロック１と非接触になり、上記静電容量値は急減するようになる。

以上のことから、図３に示した時間間隔Ｔは、バイト３の刃先４が基準ブロック１の傾斜面１ａに当接しその上部を切削している時間間隔を示すことが判る。ここで、バイト３は、常時、基準面１ｂに対して水平に走査される。また、刃先４がセラミックスのような絶縁体材で構成されたり、絶縁体材によりコーティングされている場合でも、図３と同様に時間変化する容量の信号が得られる。
そして、図１に示すように、上記刃先４の先端が傾斜面１ａの当接した所から基準ブロック１の端部までの距離をＸとし、基準ブロック１の上記端部における基準面１ｂからの高さをＨ_０とし、刃先４の先端の高さ位置をＹとする。このようにすると、Ｘ＝ｖＴとなる。そして、図１より、Ｈ_０−Ｙ＝Ｘｔａｎθとなることから、次の（１）式が得られる。

Ｙ＝Ｈ_０−ｖＴｔａｎθ （１）

このようにして、上記基準面１ｂからのバイト先端の絶対的な位置検出ができることになる。例えば、上述したように、ｔａｎθ＝０．２、ｖ＝３００ｍｍ／ｍｉｎの場合、Ｔ＝０．１ｍｓｅｃであると、ｖＴｔａｎθ＝０．１μｍとなる。そして、（１）式より、バイト３の刃先４の先端の高さは、基準面１ｂから（Ｈ_０−０．１μｍ）の位置にあることが検出される。

図３に示した測定結果は、図２（ａ）に示した等価回路で静電容量を計測した場合のものであるが、図２（ｂ）の等価回路のように電気抵抗を計測する場合でも同様な結果が得られることは確認されている。但し、この電気抵抗を計測する場合では、図３に示した出力値の時間変化する信号は、刃先４の先端が傾斜面１ａのある所に当接する時点で略ステップ状に立ち下がり、そして、ある時間間隔Ｔの経過後にステップ状に立ち上がるような信号となる。

いずれにしても、このような基準ブロック１を用いたバイトの先端位置検出方法においては、その精度は、図３に示したような信号の時間間隔Ｔの分解能による。すなわち、上記電気特性の時間変化を計測する時の時間分解能に大きく依存する。また、基準ブロック１の傾斜角度θおよび後述する傾斜面１ａの表面粗さにも依存する。通常、θあるいは表面粗さが小さくなると共に、上記精度は向上する。
これまでの検討では、バイトの先端位置検出の精度は、０．０１μｍ（１０ｎｍ）程度までは可能になることが確かめられている。

なお、上記実施形態において、基準ブロック１に対してバイト３を走査するように説明したが、逆にバイト３を固定して、可動テーブルを運動させその上の基準ブロック１を走査するようにしても同様になる。

次に、上記基準ブロック１について図４を参照して説明する。図４は基準ブロック１の斜視図である。基準ブロック１は、例えば無酸素銅のような比較的に切削し易い導電体材で形成される。あるいは、表面にニッケルメッキを施したものでも好適である。そして、その大きさは、底面である基準面１ｂが例えば正方形でその寸法が２０ｍｍ角であり、その高さが１０ｍｍ程度になるものである。そして、傾斜面１ａの基準面に対する傾斜角度θは、ｔａｎθ＝０．１〜０．２となるような角度であればよい。

このような基準ブロック１において、上述したように傾斜面１ａの平滑性が重要になる。そこで、傾斜面１ａは、その表面の粗さが１０ｎｍ以下になるように鏡面研磨される。また、基準面１ｂも同様にして鏡面研磨されると好適である。このように底面も研磨することにより、傾斜角度θを高精度に形成することができる。

次に、図５を参照して本実施形態の別の例について説明する。この例は、バイトの相対的な先端位置を高精度に検出する場合を示す。図５（ａ）は、図１と同様な断面図であり、バイト３の刃先４が傾斜面１ａ上を走査する様子を示す。ここで、基準面１ｂに水平な第１の走査位置１１、第２の走査位置１２および第３の走査位置１３が示されている。そして、上記走査位置（１１，１２，１３）におけるバイト３の走査速度（送り速度）ｖは同一である。図５（ｂ）は、図３で説明したように、バイト３と基準ブロック１の間の静電容量の計測において生じる矩形信号の立ち上がり領域を示している。

上記立ち上がりの時間差から、以下のようにして、バイトの相対的な先端位置が高精度に検出される。すなわち、立ち上がりの時間差をｔとすると、ｖ×ｔ（ｔａｎθ）により、上記走査間の高さ位置の相対差が検出できることになる。
図５（ｂ）に示すように、第３の走査位置１３における上記静電容量の立ち上がり時間に対し、第２の走査位置１２における上記静電容量の立ち上がり時間がｔ１遅れ、第１の走査位置１１における上記静電容量の立ち上がり時間がｔ２遅れるとする。この場合には、第２の走査位置１２の高さは、第３の走査位置１３よりもｖ×ｔ１（ｔａｎθ）だけ相対的に上側に位置するものとして検出される。同様に、第１の走査位置１１の高さは、第３の走査位置１３よりもｖ×ｔ２（ｔａｎθ）だけ相対的に上側に位置するものとして検出される。

ここで、第３の走査位置１３の高さ位置は検出されなくても、上記走査間の相対的な位置検出が高精度にできるようになる。この場合も、相対的な位置検出の精度は、上述したような絶対的な位置検出の場合と同様である。そして、その精度は、１０ｎｍ程度にできることが確認されている。

上述したように、一定角度の傾斜面１ａを有する基準ブロック１を使用し、工具として例えばバイト３の先端である刃先４が少なくとも上記傾斜面１ａに接触するまで上記バイトを水平方向に一定速度で走査する。そして、上記走査と共に、上記バイトと基準ブロック１との間の電気特性の時間変化を計測することにより、バイトの絶対的あるいは相対的な先端位置検出が高精度にしかも簡便にできるようになる。

ここで、上記電気特性の時間変化を計測する場合に、電磁結合による共振回路を用いそのインピーダンスの時間変化を計測する方法を用いることもできる。この場合には、工作機械における外来ノイズに対する耐性が非常に高くなる。これに関しては、実施の形態２の具体例において後述する。

また、上記実施形態では、上記バイト以外の工具である、フライス型の工具、砥石型の工具あるいはドリル等の場合であっても、同様にしてその先端位置検出をすることができる。そして、上記工具を使用して、例えば旋削加工、フライス加工、研削加工、穴あけ加工等の加工を高精度にすることが可能になる。

例えば、図６（ａ）に示すように、回転チャック１４が固定保持したワーク１５を回転させる。そして、上述した方法により先端位置を高精度に検出したバイト３の刃先４を、回転するワーク１５に当接させ、その表面を切削していく。
あるいは、図６（ｂ）に示すように、多刃の工具であるフライス１６について、上述したバイト３の場合と同様な方法により先端位置を高精度に検出し、その後に回転するフライス１６をワーク１５に当接させ、その表面を加工していく。
あるいは、図６（ｃ）に示すように、例えば工具として砥石１７を使用し、上述したバイト３の場合と同様な方法により先端位置を高精度に検出し、その後に回転する砥石１７をワーク１５に当接させ、その表面を研削していく。ここで、ワーク１５は、直線運動を行ってもよい。

上述した実施形態による工具の先端位置検出方法であると、その検出の精度は、従来のそれぞれの工具の位置検出において、それぞれ１０倍以上になり大幅に向上するようになる。また、工具の刃先をスローアウェイチップとして交換する場合には、新しく取り付けたチップのバイト先端での正確な位置調整を行うことが簡便にできるようになる。

（実施の形態２）
次に、本発明の第２の実施形態について図７，８を参照して説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態で説明した工具の先端位置検出方法に関して、数値制御（ＮＣ）装置により稼動する工作機械の具体例に基づき、ワークの加工方法と共に説明する。ここで、図７および図８は、それぞれ異なる工作機械の略構成図である。図中、第１の実施形態で説明したものは同一符号で示され、工作機械の動作に合わせて具体的に説明される。ここで、その説明をしないところは図１乃至５での説明と同じである。

初めに、工作機械２１の概略構成について説明する。図７に示すように、工作機械２１は、本体２２の下部に設けられたベース２３、本体２２の上部に固定したヘッド保持部２４を、双方が対向する構造になるように有している。そして、ベース２３上には例えばリニアガイドによりエアスライドするテーブル２５が備えられ、このテーブル２５上にチャック２を介して上記基準ブロック１が固定保持される。同様に、チャック２を介してワーク１５が載置される。
また、ヘッド保持部２４には、バイト支持部２６、バイト３および刃先４を備えた加工ヘッド２７が取り付けられている。ここで、加工ヘッド７８は垂直上下に直線運動できる構造になっている。

そして、バイト３と基準ブロック１間における上記電気特性を計測するための電気特性計測部２８、演算処理部２９、ＮＣ装置３０が備えられている。ここで、電気特性計測部２８は、図２で説明したような回路構成を有しており、上述したようにバイト３と基準ブロック１間の静電容量、電気抵抗あるいはインピーダンスの時間変化を計測する。そして、演算処理部２９は、上記電気特性を電気特性計測部２８から受け取り、例えばテーブル２５の送り速度ｖをＮＣ装置から受け取り、第１の実施形態で説明したような演算を行い、上述したような絶対的あるいは相対的なバイト先端の高さ位置を算定する。図７では、図示を略したが、上記基準ブロック１の傾斜角度θ、その端部の高さＨ_０等のデータは演算処理部２９に接続した入力部よりできるようになっている。

次に、上記工作機械２１の動作について説明する。ワーク１５表面を加工する前に、バイト３の刃先４の基準面１ｂからの高さ位置を、図１乃至３において説明した方法により検出し、その位置を高さ方向の零点とする。そして、このバイトの先端位置検出後に、所定の肉厚を有するワーク１５表面の加工をする。ここで、ワークの肉厚は予め計測されＮＣ装置３０あるいは演算処理部２９に入力されている。そして、この肉厚および上記Ｈ_０値から、ＮＣ装置３０が加工ヘッド２７のバイト支持部２６の高さを調整し、ワーク１５表面に適度な深さの加工を施す。

あるいは、ワーク１５表面を加工する前に、バイト３の刃先４の基準面１ｂからの高さ位置を、図５において説明した方法により検出する。この場合には、複数のバイト走査の高さが相対的に検出される。ここで、上記バイトの高さは、ヘッド保持部２４に取り付けられたデジタル式のハイトゲージにより設定される。そこで、上記検出した相対的な高さに基づき上記ハイトゲージを補正することができる。このようにして補正した値に基づきＮＣ装置３０が本体２２を駆動し、ワーク１５表面を加工する。
あるいは、上記相対的な高さの差をそのまま、ワーク１５表面に加工転写し、上記高さの差を有する加工面を形成する。

次に、工作機械３１の概略構成について説明する。この例は、工具が回転運動してワークを加工する場合の別の具体例である。図８に示すように、工作機械３１は、本体３２の下部に設けられたベース２３、本体３２の上部に設けられたモータ部３３により回転する主軸３４、そして軸受け３５を有している。ここで、主軸３４はエアベアリングにより超精密に回転駆動するようになっている。そして、主軸３４には工具である例えばエンドミル３６が取り付けられ回転運動するようになっている。また、上記ベース２３上にはエアスライドするテーブル２５が備えられ、このテーブル２５上にチャック２を介して上記基準ブロック１が固定保持される。同様に、チャック２を介してワーク１５が載置される。

ここで、上述した電気特性の時間変化を計測するための共振回路３８が、主軸３４の外周部に配置された対向電極３７、環状回路用コイル３９、そして、エンドミル３６、基準ブロック１、テーブル２５等から構成される。

上記対向電極３７は、例えばリング状の導電体であり、主軸３４の外径より僅かに大きい内径を有し、主軸３４の外面と対向電極３７の内面とが空気コンデンサを構成し容量結合する。対向電極３７は、その中心が主軸３４の軸心と合致して保持され、上記結合容量は、主軸の静止状態および回転状態に無関係にほぼ一定である。

そして、環状回路用コイル３９に対して弱く電磁結合（疎結合）をする発信コイル４０が配置され、発信回路４１に接続されている。このようにして、相互インダクタンスＭを通じて、共振回路３８に起電力を生じさせる。検出回路４２は、上記共振回路３８あるいは発信回路４１のインピ−ダンスを計測するようになっている。

ここで、共振回路３８の共振周波数が例えば数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの高周波域になるようにする。そして、ベース２５の走査により基準ブロック１の傾斜面１ａに対して、図１で説明したのと同様に、エンドミル３６の先端が非接触の状態から接触の状態になるとき、上記計測するインピーダンスがステップ状に変化するように構成する。そのためには、例えば、エンドミル３６の先端が非接触の状態から接触の状態になるときに、共振回路３８が非共振から共振になるように、上記主軸３４と対向電極３７間の結合容量、環状回路用コイル３９のインダクタンス、発信回路４１の電源の周波数等を設定する。あるいは、その逆に共振から非共振に変化するように設定しておく。このようにして、上記インピーダンスの時間変化を計測する。
上記非共振から共振あるいはその逆の変化は、エンドミル３６の先端と基準ブロック１の傾斜面１ａとの間における非接触の状態から接触状態に移行する時に起こる、その間の結合容量の変化と共に生じるものである。このことから、上記方法も基本的には図２（ａ）と同じ手法であるといえる。
上記方法であると、上記発信回路の電源の周波数として、工作機械の周辺で発生する外来ノイズの固有周波数を避けた周波数を選択することが可能になり、外来ノイズの耐性が大きく向上する。

そして、上記発信回路４１、検出回路４２等から成る電気特性を計測するための電気特性計測部２８ａと共に、演算処理部２９、ＮＣ装置３０が備えられている。ここで、演算処理部２９は、電気特性計測部２８ａからの上記電気特性の変化を受け取り、例えばテーブル２５の送り速度ｖをＮＣ装置から受け取り、第１の実施形態で説明したような演算を行い、上述したような絶対的あるいは相対的なエンドミル先端の高さ位置を算定する。

次に、上記工作機械３１の動作について説明する。ワーク１５表面をエンドミル３６で加工する前に、上述したようにエンドミル３６の基準面１ｂからの高さ位置を検出し、その位置を高さ方向の零点とする。そして、このエンドミル３６の先端位置検出後に、所定の肉厚を有するワーク１５表面の加工をする。ここで、ワークの肉厚は予め計測されＮＣ装置３０あるいは演算処理部２９に入力されている。そして、この肉厚および上記零点から、ＮＣ装置３０がエンドミル３６とワーク１５表面の相対位置を調整し、ワーク１５表面に適度な深さの加工を施す。

あるいは、ワーク１５表面を加工する前に、エンドミル３６の基準面１ｂからの高さ位置を、図５において説明したのと同様な方法により検出する。この場合、複数のエンドミル３６の走査位置の高さが相対的に検出される。ここで、上記エンドミル３６の高さは、主軸３４あるいはテーブル２５により設定される。そこで、上記検出した相対的な高さに基づき、上記主軸３４あるいはテーブル２５を調整し、上記エンドミル３６の高さを補正することができる。このようにして補正した値に基づきＮＣ装置３０が本体３２を駆動し、ワーク１５表面を加工する。
あるいは、上記相対的な高さの差をそのまま、ワーク１５表面に加工転写し、上記高さの差を有する加工面を形成する。

この例では、工具が回転運動するエンドミル３６のような場合であっても、工具の先端位置検出が可能になる。そして、この場合には、上述したように工作機械における外来ノイズに対する耐性が非常に高くなる。

上記第２の実施形態では、工具を用いたワークの加工において、その先端位置検出を高精度にすることにより、ワーク１５表面の例えば０．１μｍ以下の精度の加工面を簡便に得ることができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
この実施の形態においては、上記先端位置の検出方法によって得られた先端位置と、その工具を用いて被加工体の機械加工を複数回行った後の工具について先端位置の検出を行い、この工具の摩耗状態を検出する方法に関するものである。
ここで、図９が、本実施の形態の方法を説明するための図であり、図において上記第１及び第２の実施の形態において説明したものは同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図９において、領域Ａは、基準ブロック１の第１の切削加工領域であり、領域２は、同じ基準ブロックの第２の切削加工領域である。図に見られるように、領域Ａの底部と領域Ｂの底部との高さの差Ｈｗが工具の摩耗量に当たる。実際には、２回の先端位置検出において、図３に示すグラフが得られるが、これらのグラフにおいて、走査時間Ｔの差によって、摩耗量を見積もることができる。

さらに詳細に本字氏の形態について説明する。
この実施の形態の第１のステップは、互いに対向する第１の平面と第２の平面とを有し前記第１の平面が前記第２の平面に対して一定の傾斜角度をもつ基準ブロックを用い、前記加工に使用する工具を前記第１の平面上に配置し、前記工具の先端が前記第１の平面に非接触の状態から少なくとも接触するまで、前記工具を前記第２の平面に対して水平方向に一定速度で走査する工程と、前記走査と共に、前記工具と前記基準ブロック間の電気特性の変化を計測する工程により前記電気特性の変化から前記工具の先端位置を検出するステップである。

次いで、第２のステップは、前記工具を用いて被加工体の機械加工を行うステップである。このステップにおいては、工具は実使用され、その結果先端部が摩耗する。

続いて第３のステップは、前記第１のステップで使用した前記基準ブロックを用い、前記先端部が摩耗した工具を前記基準ブロックの第１の平面上の前記第１のステップにおける位置とずらした位置に配置し、前記工具の先端が前記第１の平面に非接触の状態から少なくとも接触するまで、前記工具を前記第２の平面に対して水平方向に一定速度で走査し、前記走査と共に、前記工具と前記基準ブロック間の電気特性の変化を計測する工程と、により前記電気特性の変化から前記工具の先端位置を検出する。前記第１のステップで計測された前記工具の先端位置とこのステップで検出した先端位置の情報から、前記工具の摩耗状態を検査するステップである。

これらのステップからなる本実施の形態において、先端位置の検出は、前記第１の実施の形態と同様に行うことができる。

（他の変形例）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

上記実施形態で説明した工具と基準ブロックの間の電気特性の時間変化の計測では、具体的にはその他に種々の構成が考えられる。しかし、その基本的な構成は、工具の先端と基準ブロックの傾斜面との間の誘導電流の変化を使いたインピーダンス変化を計測するところにある。

また、上記実施形態では，工具と基準ブロックの間の電気特性の時間変化を計測する例について説明したが、上記工具と基準ブロック間に超音波を印加し、工具の走査と共に超音波の伝達における時間変化を計測してもよい。あるいは、音声信号を印加しその伝達における時間変化を計測してもよい。

また、本発明で使用する基準ブロックは、図４で説明したものに限定されるものでなく、更に微細な、例えば１ｍｍ以下の寸法から成る構造のものであってもよい。そして、基準ブロックを固定保持するところは、第２の実施形態で説明したところに限定されるものでなく、例えばワーク表面であってもよい。

また、本発明は、その他に仕上げ加工である研磨、ラッピング、ポリシング等の加工においても、同様に適用できることに言及しておく。
このラッピングは、砥粒を用いて、表面を精密研磨する方法であるが、砥粒を除いて工具部分について、上記実施の形態の手法を採用して計測することができる。また、ポリッシングは、バフを工具に付着して研磨を行うものであるが、この手法においては、工具にバフを巻き付けて使用するような場合に、上記実施の形態の手法を適用することが好ましい。

本発明の実施の形態１を説明するための基準ブロックおよびバイトの走査を示す断面図である。 上記バイトの走査と共に基準ブロックとバイト間の電気特性を計測する等価回路図である。 上記電気特性の時間変化の一例を示すグラフである。 上記基準ブロックの一例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１を説明するための基準ブロックの傾斜面上におけるバイトの走査位置、およびその電気特性の違いを示す図である。 本発明の実施の形態における工具とそれを用いたワークの加工例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２を説明するための工作機械の構成図である。 本発明の実施の形態２を説明するための別の工作機械の構成図である。 本発明の実施の形態３を説明するための概略図である。

符号の説明

１…基準ブロック，１ａ…傾斜面，１ｂ…基準面，２…チャック，３…バイト，４…刃先，５…静電容量，６…固定容量，７…交流電源，８，８ａ…計測部，９…抵抗，１０…固定抵抗，１１…第１の走査位置，１２…第２の走査位置，１３…第３の走査位置，１４…回転チャック，１５…ワーク，１６…フライス，１７…砥石，２１、３１…工作機械，２２、３２…本体，２３…ベース，２４…ヘッド保持部，２５…テーブル，２６…バイト支持部，２７…加工ヘッド，２８、２８ａ…電気特性計測部，２９…演算処理部，３０…ＮＣ装置，３３…モータ部，３４…主軸，３５…軸受け，３６…エンドミル，３７…対向電極，３８…共振回路，３９…環状回路用コイル，４０…発信コイル，４１…発信回路，４２…検出回路

Claims (5)

1. ワークの加工において、
   互いに対向する第１の平面と第２の平面とを有し前記第１の平面が前記第２の平面に対して一定の傾斜角度θをもつ基準ブロックを用い、
   前記一定の傾斜角度θは、ｔａｎθ＝０．１〜０．２を満たし、
   第１の平面又は第１の平面及び第２の平面の表面粗さが、１０ｎｍ以下であり、
   前記第1の平面は、導電体材又は前記第1の平面の表面がニッケルメッキされたものであり、
   前記加工に使用する工具を前記第１の平面上に配置し、前記工具の先端が前記第１の平面に非接触の状態から少なくとも接触するまで、前記工具を前記第２の平面に対して水平方向に一定速度で走査する工程と、
   前記走査と共に、前記工具と前記基準ブロック間の電気特性の変化を計測する工程と、を有し、
   前記電気特性の変化から前記工具の先端位置を検出することを特徴とする工具の先端位置検出方法。
2. 前記工具を前記第２の平面に水平方向に走査する工程において、
   前記第１の平面上の配置位置が互いに異なる複数の走査を同じ一定速度の下に行い、それぞれの走査において計測される前記電気特性の変化の違いから、前記複数の走査における前記工具の先端位置の相対差を検出することを特徴とする請求項１に記載の工具の先端位置検出方法。
3. 前記電気特性は、前記工具と導電体材で成る前記基準ブロック間の静電容量、電気抵抗あるいはインピーダンスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の工具の先端位置検出方法。
4. 請求項１，２又は３に記載の工具の先端位置検出方法により、工具の先端位置を検出した後、
   前記検出値を工作機械の数値制御装置にフィードバックし、前記工具と前記ワークとの間の距離に補正を加えて、前記ワーク表面を加工することを特徴とするワークの加工方法。
5. 互いに対向する第１の平面と第２の平面とを有し前記第１の平面が前記第２の平面に対して一定の傾斜角度θをもつ基準ブロックを用い、
   前記一定の傾斜角度θは、ｔａｎθ＝０．１〜０．２を満たし、
   第１の平面又は第１の平面及び第２の平面の表面粗さが、１０ｎｍ以下であり、
   前記第1の平面は、導電体材又は前記第1の平面の表面がニッケルメッキされたものであり、
   前記加工に使用する工具を前記第１の平面上に配置し、前記工具の先端が前記第１の平面に非接触の状態から少なくとも接触するまで、前記工具を前記第２の平面に対して水平方向に一定速度で走査する工程と、
   前記走査と共に、前記工具と前記基準ブロック間の電気特性の変化を計測する工程と、により前記電気特性の変化から前記工具の先端位置を検出する第１のステップと、
   前記工具を用いて被加工体の機械加工を行う第２のステップと、
   前記第１のステップで使用した前記基準ブロックを用い、前記工具を前記基準ブロックの第１の平面上の前記第１のステップにおける位置と隔離した位置に配置し、前記工具の先端が前記第１の平面に非接触の状態から少なくとも接触するまで、前記工具を前記第２の平面に対して水平方向に前記第1のステップにおける一定速度と等しい速度の一定速度で走査し、前記走査と共に、前記工具と前記基準ブロック間の電気特性の変化を計測する工程と、により前記電気特性の変化から前記工具の先端位置を検出し、前記第１のステップで計測された前記工具の先端位置と比較して前記工具の摩耗状態を検査する第３のステップと、からなることを特徴とする工具の摩耗状態検出方法。

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