JP4727689B2 - ワーク計測装置、衝突防止装置および工作機械 - Google Patents
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例えば、ワークと工具との接触を検出するセンサが知られており、このセンサを利用して工具と、ワークとの接触の有無を確認することが行われている。
しかしながら、加工前のワーク形状の3次元データは、事前に把握できていないことが多く、ワークを計測するなどの方法により把握する必要があった。
さらに、上述のようにワークの検出装置を工具と同様に自動交換する技術も知られている(例えば、特許文献5参照。)。
本発明のワーク計測装置は、加工対象であるワークを加工する工具が取り付けられる主軸に取り付けられ、非接触で前記ワークまでの距離を走査して測定する測定部と、空間を多面体状に分割して形成された3次元メッシュ構造を生成し、測定された前記ワークまでの距離情報に基づいて、前記ワークの測定点座標を算出し、前記3次元メッシュ構造の一単位と対応する前記ワークの位置を走査した回数に対する、前記算出した測定点が前記一単位に含まれる回数の比率が所定の閾値以上のときに、前記一単位は前記ワークの形状であるとして測定形状マップを作成する形状認識部と、が設けられていることを特徴とする。
つまり、走査回数に対する一単位に測定点が含まれる回数の比率に基づいてワークの測定形状マップを作成することにより、1回の走査で得られた距離情報などで測定形状マップを作成する場合と比較して、測定部の測定精度や、測定部からワークまでの距離などの影響を受けにくく、測定形状マップの精度が確保しやすい。
つまり、測定部を、ワークの加工に用いられるため高い位置精度で制御される主軸に取り付けるため、測定部の配置位置が高い精度で把握される。その結果、上記主軸を備える工作機械などに対するワークの配置位置も高い精度で把握され、工作機械などに対する測定形状マップの位置精度の確保が容易となる。
上述のように測定部を主軸に取り付けるため、測定する地点を複数設定して、複数の地点の間で測定部を移動させても測定形状マップの精度は確保される。その上で、複数の地点において測定部からワークまでの距離を測定することで、ワークにおける未測定領域の発生が防止され、ワーク全体について測定することができる。
さらに、測定形状マップにおける一単位における一辺の寸法を、上述の加工移行地点とワークとの距離に基づいて設定しているため、測定形状マップとワークとの間には、上述の距離未満の隙間が存在する。そのため、実際の加工移行地点とワークとの距離は、上述の間隔および上述の隙間の和となり、工具および主軸が高速で移動している期間におけるワークと工具等との接触が防止される。
さらに、測定部と形状認識部との間を接続する配線等が不要なため、配線等とワークとの干渉を防止できる。
そのため、測定部と形状認識部との間を接続する配線等が不要なため、配線等とワークとの干渉を防止できる。
つまり、ワークよりも大きな測定形状マップと、主軸等との間の干渉を判断することにより、測定形状マップよりも小さなワークと主軸等との衝突が確実に防止される。
つまり、ワークおよびテーブル等よりも大きな測定形状マップと、主軸等との間の干渉を判断することにより、測定形状マップよりも小さなワークおよびテーブル等と主軸等との衝突が確実に防止される。
以下、本発明の第1の実施形態に係る工作機械ついて図1から図5を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る工作機械の全体構成を説明する模式図である。図2は、図1の工作機械における制御部を説明するブロック図である。
工作機械1には、図1および図2に示すように、X軸方向に移動するテーブル11と、Y軸方向に移動するサドル12と、Z軸方向に移動するラム(主軸)13と、ラム13に取り付けられワークWまでの距離を測定する測定部15と、テーブル11,サドル12およびラム13の移動をNC制御する工作機械制御部16と、が設けられている。
測定部15は、ワークWの測定形状マップMPを作成する際に使用されるレーザ距離センサであって、図1および図3に示すように、ラム13におけるテーブル11側の端部に取り付けられるものである。
測定部15は、図3に示すように、距離測定に用いるレーザ光の出射角θを変更して2次元スキャン(走査)を行うものである。さらに、上述のラム13を中心軸線Lまわりに回転させることにより、測定部15により3次元スキャンが行われる。
測定部15により計測されたワークWやテーブル11等から測定部15までの距離情報は、図2に示すように、形状認識部23に入力されている。
プログラム記憶部21は、図2に示すように、プログラム解釈部22と接続され、プログラム記憶部21に記憶されたNCプログラムはプログラム解釈部22に出力されている。
プログラム解釈部22は、図2に示すように、干渉判断部25および移動制御部26と接続され、プログラム解釈部22により作成された工具等の移動量等に関する情報は干渉判断部25および移動制御部26に出力されている。
形状認識部23は、図2に示すように、測定部15および干渉判断部25と接続されている。形状認識部23には、測定部15により測定された距離情報が入力され、形状認識部23から干渉判断部25に測定形状マップMPの情報が出力されている。
なお、形状認識部23における測定形状マップMPの作成方法については後述する。
形状記憶部24は、図2に示すように、干渉判断部25と接続されている。形状記憶部24に記憶されたラム13等の形状は干渉判断部25に出力されている。
干渉判断部25は、図2に示すように、形状認識部23、形状記憶部24、プログラム解釈部22および移動制御部26と接続されている。干渉判断部25には、形状認識部23から測定形状マップMPが入力され、形状記憶部24からラム13等の形状が入力され、プログラム解釈部22から工具等の移動量等に関する情報が入力されている。一方、干渉判断部25における干渉の有無の判断結果は、移動制御部26に出力されている。
移動制御部26は、図2に示すように、プログラム解釈部22および干渉判断部25と接続されている。移動制御部26には、プログラム解釈部22から工具等の移動量等の情報が入力され、干渉判断部25から測定形状マップMPとラム13等との干渉の有無の判断結果が入力されている。一方、移動制御部26において作成されたテーブル11、サドル12およびラム13の移動を制御する制御信号は、それぞれテーブル11、サドル12およびラム13に出力されている。
工作機械1によりワークWを加工する場合には、まず、テーブル11の上に固定治具Jを用いてワークWが固定される(図5参照。)。
その後、図2に示すように、プログラム記憶部21からNCプログラムが1ブロック(1つの移動単位、例えば1線分)単位でプログラム解釈部22に出力される。
ここで説明するワークWの測定形状マップMPの作成、および、衝突防止制御は、例えば、上述のワークWの加工を行う前段階におけるNCプログラムのデバッグ、つまり、ワークWとラム13や工具との干渉の有無のチェックの際に行われている。
まず、図5に示すように、テーブル11の上にワークWが設置される(ステップS1)。このとき、ワークWは固定治具Jによりテーブル11に固定される。
測定部15は、図3に示すように、スキャン角度θを変えながらレーザ光を出射し、測定部15からワークWまでの距離rを測定する。言い換えると2次元スキャンを行う。このとき同時に、測定部15からテーブル11までの距離、および、測定部15から固定治具Jまでの距離も測定される。さらに、ラム13を中心軸線L周りに回転させて、測定部15によるレーザ光のスキャン方向を変えて再び2次元スキャンを行う。これにより、ワークWの3次元スキャンが行われる。
形状認識部23では、これら入力された情報に基づき、距離rが測定されたワークWの測定点の座標(Xm,Ym,Zm)が以下の計算式に基づいて算出される(ステップS4)。
Xm=Xr+r・sinθ
Ym=Yr+r・sinφ
Zm=Zr−r・cosφ・cosθ
形状認識部23は計測空間を六面体状の3次元メッシュ領域に分割し、つまり、3次元メッシュ構造を生成し、上述の測定点の座標(Xm,Ym,Zm)が含まれる3次元メッシュ構造の一単位(以下、「ボクセル」と表記する。)に投票し、計測形状マップMPを定義する(ステップS5)。
その結果、各ボクセルには、最も多くて2次元スキャンを行った回数だけ投票され、最も少ない場合には1回も投票されない。
この距離は、工作機械1の性能や用途や、ワークの仕様や、操作者の作業性や、計測の処理速度等の項目を総合的に勘案して設定される。このため、ボクセルの一辺の寸法としては、1mm程度から40mm程度の値を例示することができるが、上記項目を考慮することにより変動する値であるため、特に限定するものではない。
まず、ラム13の端部にワークWの加工に用いられるエンドミルなどの工具が取り付けられる。
干渉判断部25に入力される工具およびラム13の形状は、予め形状記憶部24に記憶されたものであって、デバッグ作業等を行う際に工作機械1に取り付けられている工具およびラム13の形状である。
つまり、測定部15を、ワークWの加工に用いられるため高い位置精度で制御されるラム13に取り付けるため、測定部15の配置位置が高い精度で把握される。その結果、ラム13を備える工作機械1に対するワークWの配置位置も高い精度で把握され、工作機械1に対する測定形状マップMPの位置精度を容易に確保できる。
測定部15をラム13に取り付けるため、測定する地点を複数設定して、複数の地点の間で測定部15を移動させても測定形状マップMPの精度は確保される。その上で、複数の地点P1,P2において測定部15からワークWまでの距離rを測定することで、ワークWにおける死角BAの発生が防止され、ワークWの全体について測定することができる。
さらに、測定形状マップMPのボクセルにおける一辺の寸法を、上述の加工移行地点とワークWとの距離に基づいて設定しているため、測定形状マップMPとワークWとの間には、上述の距離未満の隙間が存在する。そのため、実際の加工移行地点とワークWとの距離は、上述の間隔および上述の隙間の和となり、工具およびラム13が高速で移動している期間におけるワークWと工具等との接触を防止できる。
次に、本発明の第2の実施形態について図7から図9を参照して説明する。
本実施形態の工作機械の基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、測定部および工作機械制御部の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図7から図9を用いて測定部および工作機械制御部の周辺のみを説明し、同一の構成要素等の説明を省略する。
図7は、本実施形態の工作機械の構成を説明する全体図である。図8は、図7の測定部の構成を説明するブロック図である。
なお、第1の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
さらに、測定部115は、ワークWを加工する工具等と同様に、工作機械101のオートツールチェンジャによりラム13の端部に着脱されるものである。
測定部115には、図8に示すように、センサヘッド121と、センサ制御部122と、送信部123と、バッテリ124と、が設けられている。
センサヘッド121は、図8に示すように、センサ制御部122およびバッテリ124と接続されている。センサヘッド121には、センサ制御部122から制御信号が入力されているとともに、バッテリ124から電力が供給されている。一方、センサヘッド121により計測された距離情報は、センサ制御部122に出力されている。
センサ制御部122は、図8に示すように、センサヘッド121,送信部123およびバッテリ124と接続されている。センサ制御部122には、センサヘッド121から測定された距離情報が入力され、バッテリ124から電力が供給されている。一方、センサ制御部122からセンサヘッド121に制御信号が出力され、送信部123に距離情報が出力されている。
送信部123は、図8に示すように、センサ制御部122およびバッテリ124と接続されている。送信部123には、センサ制御部122から距離情報が入力され、バッテリ124から電力が供給されている。送信部123に入力された距離情報は、無線により受信部131に送信されている。
工作機械制御部16には、図9に示すように、測定部115から送信された距離情報を受信する受信部131と、プログラム記憶部21およびプログラム解釈部22と、形状認識部23と、形状記憶部24と、干渉判断部25と、移動制御部26と、が設けられている。
受信部131は、図9に示すように、形状認識部23と接続され、受信した距離情報を形状認識部23に出力するものである。
本実施形態に係る測定部115は、ワークWを加工する工具と同様にオートツールチェンジャによりラム13に自動的に着脱される。
以後の作用は第1の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
さらに、測定部115と形状認識部23との間を接続する配線等が不要なため、配線等とワークWとの干渉を防止できる。
次に、本発明の第3の実施形態について図10を参照して説明する。
本実施形態の加工機械の基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、ラムと測定部と取り付け方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図10を用いてラムおよび測定部周辺のみを説明し、同一の構成要素等の説明を省略する。
図10は、本実施形態の工作機械の構成を説明する全体図である。
なお、第1の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
測定ユニット215は、ワークWまでの距離を測定する測定部15と、ラム13に取り付けられる取付部216と、が設けられている。
取付部216には、ラム13との間で電力の供給や、制御信号や距離情報などの信号が伝送されるインターフェイス(図示せず)が設けられている。
取り付け作業は、ワークWの加工に用いられるアタッチメントの交換作業に用いられる交換装置(図示せず)を用いて、加工用アタッチメントと同様に自動的に行われる。ワークWの加工時などのように、測定ユニット215が使用されない場合には、加工用アタッチメントと同様に、工作機械201に設けられた自動交換用収納箱(図示せず)に収納されている。
そのため、測定部15と形状認識部23との間を接続する配線等が不要なため、配線等とワークWとの干渉を防止できる。
2,102 ワーク計測装置
3,103 衝突防止装置
13 ラム(主軸)
15,115 測定部
23 形状認識部
25 干渉判断部(判断部)
26 移動制御部(制御部)
121 センサヘッド
123 送信部
124 バッテリ
216 取付部
W ワーク
MP 測定形状マップ
Claims (6)
- 加工対象であるワークを加工する工具が取り付けられる主軸に取り付けられ、非接触で前記ワークまでの距離を走査して測定する測定部と、
空間を多面体状に分割して形成された3次元メッシュ構造を生成し、
測定された前記ワークまでの距離情報に基づいて、前記ワークの測定点座標を算出し、
前記3次元メッシュ構造の一単位と対応する前記ワークの位置を走査した回数に対する、前記算出した測定点が前記一単位に含まれる回数の比率が所定の閾値以上のときに、前記一単位は前記ワークの形状であるとして測定形状マップを作成する形状認識部と、
が設けられていることを特徴とするワーク計測装置。 - 前記一単位における一辺の寸法は、前記工具および前記主軸が前記ワークに接近して、前記ワークの加工に移行する地点と、前記ワークとの間の距離に基づいて設定されることを特徴とする請求項1記載のワーク計測装置。
- 前記測定部には、前記ワークまでの距離を走査して測定するセンサヘッドと、該センサヘッドにより測定された距離情報を送信する送信部と、前記センサヘッドおよび前記送信部に電力を供給するバッテリと、が設けられ、
さらに、前記送信部から送信された前記距離情報を受信し、前記形状認識部に受信した前記距離情報を出力する受信部と、が設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載のワーク計測装置。 - 前記測定部には、前記主軸を介して電力の供給を受けるとともに、前記主軸を介して前記測定情報を前記形状認識部に出力する取付部が設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載のワーク計測装置。
- 請求項1から請求項4に記載のワーク計測装置と、
少なくとも前記主軸または前記工具と前記測定形状マップとの間の干渉を判断する判断部と、
該判断部の判断結果に基づいて、前記主軸の移動を制御する制御部と、
が設けられていることを特徴とする衝突防止装置。 - 加工対象であるワークが設置されるテーブルと、
前記ワークを加工する工具が取り付けられる主軸と、
請求項5に記載の衝突防止装置と、
が設けられたことを特徴とする工作機械。
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