JP5453020B2

JP5453020B2 - 切削工具の加工位置補正装置およびその加工位置補正方法

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Publication number: JP5453020B2
Application number: JP2009198604A
Authority: JP
Inventors: 東輔河田
Original assignee: Fuji Machine Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Fuji Corp
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2029-08-28
Also published as: JP2011045988A

Description

本発明は、被写体たとえば切削工具を画像認識しその変位（磨耗または熱変位などを含む概念）に基づき加工位置を補正する切削工具の加工位置補正装置およびその加工位置補正方法に関するものである。

例えば、特許文献１には、加工熱や環境の温度変化によっても計測誤差が生じなく、しかも工具の刃先形状や磨耗量、加工物の寸法などをも計測することができる刃先位置計測装置が開示されている。具体的には、数値制御の基準となる加工基準点に対して位置決めされた計測基準面が基準ピースに形成され、計測基準面と工具の刃先との輪郭がカメラによって捕らえられる。捕らえられた輪郭は電気的な画像情報として画像メモリに記憶され、相対位置演算回路は画像情報に基づいて加工基準点および刃先間の相対距離を演算する。即ち、特許文献１では、熱などによる部位の変位の影響を受けずに相対位置を計測できる。

そして、特許文献１の一実施例において、数値制御装置には加工基準点と工具の刃先との間でそれらの相対距離を計測する刃先位置計測装置が設けられている。この刃先位置計測装置は、加工基準点に対する相対位置が予め決められている計測基準面を持つ基準ピースと、計測基準面および刃先の輪郭を画像として捕らえるカメラと、メインプロセッサとを備える。基準ピースは、主軸のチャックに保持される（段落番号「００１５」および図１参照）。

特開平９−２５３９７９号公報

特許文献１では、切削工具の刃先すなわちＮＣテーブルの移動量を測定（即ち、切削工具のベクトル測定）する際の基準は、変動する。即ち、上記基準となる例えばチャックは環境温度などによって熱変位するが、この特許文献１では熱変位に対する解決策が無い。また、切削工具は、その切削中において、背分力を受ける（図２０参照）。この時、切削工具は、背分力および切削工具の支持系（例えば、切削工具自体，支軸，刃物台およびＮＣテーブルなど）のコンプライアンス（しなやかさを表し、単位はｍｍ／ｋｇｆ）に比例して、背分力の方向に撓む。

更に、切削工具は、図２０（Ａ）に示すように、主分力の方向（切削時に受ける分力であり、切削方向に対し受け流す方向）及び送り分力の方向（送り方向と逆方向）にも、撓む。しかし、主分力および送り分力の方向への撓みは、背分力に比べてわずかであるが、背分力と同様に加工精度に影響を与える。なお、主分力および送り分力の方向への撓みは、背分力と同様な関係を有するので、詳細説明は省略する。

図２０（Ａ）に示すように、切削工具が新品の場合、切削工具がしなやか（即ち、切削工具の切味が良好）であるので、切削背分力が小さくなり、背分力による撓み量は小さい。図２０（Ｂ）に示すように、切削工具の逃げ面が磨耗した場合、一般に逃げ角が小さくなるので、切削背分力が大きくなり、背分力による撓み量は大きくなる。図２０（Ｃ）に示すように、切削工具の先端が磨耗によって丸くなる（所謂ノーズ角が大きくなる）場合、切削工具の切味が悪くなるので、切削背分力が大きくなり、背分力による撓み量は大きくなる。

ここで、磨耗状態の切削工具（以下、刃具またはバイトともいう）が形状変化を起こす場合に、背分力が変化する刃具磨耗を「刃具変形磨耗」という。なお、図２０（Ａ）乃至（Ｃ）には弾力があることをバネ（コイルスプリング）で模式的に図示しているが、実際にはバネが配置されていない。また、図示しないが、すくい面が磨耗する場合であっても、すくい角度が大きくなり、切削背分力が小さくなることもある。即ち、すくい角度が大きくなると、切削工具のチップ等がワークに食い込み易くなるので、しなやかさが戻り、背分力による撓み量は小さくなる。

本発明は、切削工具の変位（変形磨耗をも含む概念）に対して切削工具の加工位置を精度良く補正し得る切削工具の加工位置補正装置およびその加工位置補正方法を提供するものである。

本発明に係る切削工具の加工位置補正装置は、被写体を撮像する撮像手段と、上記撮像手段は被写体として切削工具を撮像し、この画像データに基づき上記切削工具自体の磨耗量および上記切削工具の変位量を演算すると共に、上記切削工具の撓みをも含む変形磨耗量および上記切削工具の熱変位をも含む変位量に対する総合切削追込み追加量を比例関係にある変形摩耗係数または比例関係のない変形摩耗関数を用いて演算する演算手段と、上記演算手段の演算結果に基づき上記切削工具の加工位置を補正する制御手段と、を備える。

また、本発明に係る切削工具の加工位置補正装置は、被写体を撮像する撮像手段と、上記撮像手段は被写体として切削工具を撮像し、この画像データに基づく基準画像データおよびキャリブレーションサイクル時の画像データを照合する照合手段と、上記照合手段の照合結果に基づく上記切削工具の撓みをも含む変形磨耗量および上記切削工具の熱変位をも含む変位量に対する総合切削追込み追加量を比例関係にある変形摩耗係数または比例関係のない変形摩耗関数を用いて演算する演算手段と、上記演算手段の演算結果に基づき上記切削工具の加工位置を補正する制御手段と、を備える。

更に、本発明に係る切削工具の加工位置補正方法は、被写体として切削工具を撮像し、この画像データに基づき上記切削工具自体の磨耗量および上記切削工具の変位量を演算すると共に、上記切削工具の撓みをも含む変形磨耗量および上記切削工具の熱変位をも含む変位量に対する総合切削追込み追加量を比例関係にある変形摩耗係数または比例関係のない変形摩耗関数を用いて演算し、この演算結果に基づき上記切削工具の加工位置を補正する。

本発明に係る切削工具の加工位置補正装置およびその加工位置補正方法では、切削工具を撮像した画像データに基づき、切削工具自体の磨耗量および切削工具の変位量を演算し、更に切削工具の撓みをも含む変形磨耗量および切削工具の熱変位をも含む変位量に対する総合切削追込み追加量を変形摩耗係数または変形摩耗関数を用いて演算する。そして、この演算結果に基づき、制御手段は切削工具の加工位置を補正する。なお、演算手段で演算する前に、上述した画像データに基づく基準画像データおよびキャリブレーションサイクル時の画像データを照合するようにしても良い。

ここで、変形摩耗係数（切削工具の撓み量をも含む係数）とは、切削工具自体の摩耗量に対する切削追い込み追加量を経験によって得る係数のことである。変形摩耗関数（切削工具の撓み量をも含む）とは、切削工具自体の摩耗量に対する切削追い込み追加量を求める経験値すなわち関数である。総合切削追い込み追加量とは、切削時（切削工具の撓み及び切削工具の変位をも含む）における変形摩耗係数または変形摩耗関数を考慮した総ての追込み追加量である。また、基準画像データとは、切削工具における刃先の輪郭部分を位置認識する基準となる画像データである。更に、キャリブレーションサイクルとは、切削の精度を所定水準に維持する補償値を得るため、切削機械の稼動時に強制的に所定間隔を設けて検査を行うことである。

本発明に係る切削工具の加工位置補正装置およびその加工位置補正方法において、切削工具の変位（変形磨耗をも含む概念）を起こした場合の補正を、変形摩耗係数または変形摩耗関数を用い且つ「総合切削追込み追加量」で行うので、切削工具の摩耗具合に拘らず、加工精度を維持して使用し得る。即ち、本発明に係る切削工具の加工位置補正装置およびその加工位置補正方法によれば、切削工具における変位に対して切削工具の加工位置を精度良く補正し得る。従って、本発明に係る切削工具の加工位置補正装置およびその加工位置補正方法によれば、長期間の切削工具変形摩耗に対応できるので、切削工具の交換タイミングを伸ばしても、より長く使用し得る。

本発明に係る実施例１の単軸タイプのターレット旋盤を示す正面図である。図１に示すターレット旋盤の主要部を示す側面図である。図２に示す撮像装置に関する図であり、（Ａ）はその撮像装置の端面図、（Ｂ）はそのシャッターの平面図である。図３（Ａ）に示す撮像装置が隔壁に配置されている状態を示す端面図である。図３に示すカメラでバイトまたは基準ゲージとインバー体とをカメラ視野に収めて撮像する時の位置関係を説明する図である。図１に示すターレット旋盤のブロック図である。図１に示すターレット旋盤に係るバイト画像処理モードに関するフローチャート図である。オリジナルテンプレートを示す図である。切削工具の切削線を示す図である。切削工具の検査様子を示す図である。切削工具のＸ方向が磨耗した様子を示す図である。切削工具のＺ方向が磨耗した様子を示す図である。実験で求めたデータをプロットし、切削工具の磨耗量およびその補正量の関係を示す図である。切削工具の検査様子を示す図である。切削工具の検査様子を示す図である。切削工具の検査様子を示す図である。切削工具の検査様子を示す図である。切削工具の検査様子を示す図である。切削工具の検査様子を示す図であり、（Ａ）はそのチップのエッジを求める様子を示す図、（Ｂ）〜（Ｄ）はチップのノーズを求める様子を示す図である。切削工具に対する背分力を説明する図であり、（Ａ）は背分力が小さい状態を示す図、（Ｂ）または（Ｃ）は背分力が大きい状態を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、具体化した一実施例を説明する。

以下、図１乃至図６に基づいて、本発明の一実施形態である切削工具の加工位置補正装置およびその加工位置補正方法について説明する。なお、実施例１の切削機械であるＮＣ旋盤は、単軸タイプのターレット旋盤（以下、単に旋盤という）Ｓとして説明する。

（旋盤Ｓの概略構成）
図１に示すように、旋盤Ｓ内には、軸線がＺ軸方向（水平方向）と平行になるように固定された主軸台１０と、Ｚ軸方向に平行な方向及びＺ軸方向と直交し垂直方向に対し６０度後方に傾斜したＸ軸方向に平行な方向に移動可能なターレット装置２０とが対向するように配置されている。主軸台１０には、主軸１１がＺ軸方向と平行な軸線の回りに回転可能に支持されている。主軸１１は、図示しない主軸駆動モータによって回転駆動されるようになっている。主軸１１のターレット装置２０側の先端部には、被加工物であるワークＷを把持するチャック１２が取り付けられている。このような構成の主軸台１０及び主軸駆動モータは、ベッド１３上に配置されている。

ターレット装置２０には、取付台であるターレット刃物台（以下、単に刃物台という）２１がＺ軸方向と平行な軸線の回りに回転割出し可能に設けられている。刃物台２１上には、複数の切削工具２５，２６（図５参照）が円周上等角度間隔に取り付けられている。このような構成のターレット装置２０は、Ｘ軸方向およびＺ軸方向へスライド可能に配置されている。なお、ターレット装置２０は、図６に示すＮＣテーブル５０のＮＣモータ５２によってボールねじ機構（図示省略）を介して移動する。即ち、ターレット装置２０は、固定配置された主軸台１０に対して移動する。一方、刃物台２１は、図６に示すターレットモータ５４によって回転駆動する。

図１に示すように、旋盤Ｓ内には、主軸台１０とターレット装置２０を覆うカバー１４が設けられ、カバー１４内には、主軸台１０側とターレット装置２０側と仕切る隔壁１５が設けられている。この隔壁１５は、刃物台２１上の図５に示す切削工具２５，２６によってチャック１２に把持されたワークＷの外周または端面などを切削加工する際に、飛散する切削粉や切削液などが主軸台１０などに付着しないようにするために設けられている。即ち、この隔壁１５で仕切られた主軸台１０側が隔離ゾーンＳ１となっており、ターレット装置２０側が加工ゾーンＳ２となっている。

主軸１１は隔壁１５に設けられた孔から加工ゾーンＳ２側に突き出され、その主軸１１の先端にチャック１２が取り付けられている。図２及び図５に示すように、チャック１２の外周から若干突出するように配置される基準ゲージ１８は、後述する撮像装置２７の位置誤差を測定するものであり、内径加工バイト２５と外径加工バイト２６の両方に共通して使用する。この基準ゲージ１８は、切粉などによる磨耗を防止するため、熱処理済みの鋼で成形される。なお、基準ゲージ１８はチャック１２の外周面からの突出量が小さいので、チャック１２が回転する際の基準ゲージ１８の回転範囲が少ない。また、基準ゲージ１８をチャック１２に固定しているので、撮像する際の位置合わせが容易となる。

（撮像装置２７に関する構成）
図１及び図２に示すように、旋盤Ｓ内には、撮像装置２７が隔離ゾーンＳ１と加工ゾーンＳ２との間をスライド可能に配置されている（図４参照）。この撮像装置２７は、被写体となる切削工具（以下、バイトともいう）２５，２６の例えば図５に示すチップ２５Ａ，２６Ａ（バイト等のチップでない切削工具のときは刃先）などを撮像する。即ち、撮像装置２７は、チップ２５Ａ，２６Ａなどを撮像する際には加工ゾーンＳ２側へスライドし、撮像が終了すると隔離ゾーンＳ１側へスライドする。なお、撮像装置２７で撮像した画像データは、図６に示すＣＰＵ６０へ出力するように構成されている。そして、ＣＰＵ６０は、チップ２５Ａ，２６Ａの変位などを照合・演算し、それらの結果に基づいて切削工具の加工位置を補正する。

図３（Ａ）に示すように、撮像装置２７の筐体２７Ａは撮像スペース（レンズ室ともいう）２８Ａ及び防塵スペース（シャッタ室ともいう）２８Ｂに区画されている。具体的には、角筒状の筐体２７Ａのレンズ室２８Ａには、例えば５００万画素のカメラ（撮像素子であるＣＣＤ３０Ａを含む）３０と，撮像レンズ体２９と，フルミラー３１Ａと，ハーフミラー３１Ｂとが収納されている。
このハーフミラー３１Ｂは、撮像レンズ体２９及びフルミラー３１Ａの間に配置されており、入射する被写体光を一部反射し一部投下するミラーである。

上述したフルミラー３１Ａとハーフミラー３１Ｂは、それぞれの撮像光学系の視野が同一サイズとなるように配設している。即ち、それぞれの被写体を交互に撮像できるように、フルミラー３１Ａ及びハーフミラー３１Ｂは配設されている。例えばフルミラー３１Ａで図３（Ａ）の２点鎖線に示す被写体（チップ）２３Ａを撮像する際にはハーフミラー３１Ｂの光路を遮断し、ハーフミラー３１Ｂで被写体（チップ）２４Ａを撮像する際にはフルミラー３１Ａの光路を遮断するように構成している。

従って、カメラ３０の撮像レンズ体２９と２つの被写体（例えばバイト２３，２４など）との間の光路を一対のミラー３１Ａ及び３１Ｂでそれぞれ直角に屈曲させ、１つの視野領域（撮像領域と同義）の範囲で被写体を撮像する。そして、図３に示すように、１つの視野領域で例えばバイト２３のチップ２３Ａを先ず撮像し、且つ上記撮像後に１つの視野領域でバイト２４のチップ２４Ａを引続き撮像する。なお、視野領域は、５００万画素のカメラを用いた場合において、短辺は１７ｍｍ（２０００画素）、長辺は２１．５ｍｍ（２５００画素）となっている。

レンズ室２８Ａ及びシャッター室２８Ｂの間には、焦点合わせレンズ３３がフルミラー３１Ａに対応する光路上に、透明の防護ガラス３４がハーフミラー３１Ｂに対応する光路上にそれぞれ配置されている。ここで、焦点合わせレンズ３３は、２系列の焦点距離ＬＡ（例えば１００ｍｍ）を合わせるものである。なお、撮像スペースは、常時所定気圧たとえば＋０．５気圧に保持されている。

また、レンズ室２８Ａ及びシャッター室２８Ｂの間には孔２７Ｂが形成されており、この孔２７Ｂからシャッター室２８Ｂへ圧縮空気（以下、エアーともいう）が送られる。即ち、常時シャッター室２８Ｂは、レンズ室２８Ａよりも低い加圧状態たとえば＋０．１１ＭＰａに加圧されている。従って、シャッター室２８Ｂが加圧されているので、クーラント液または切粉などが、シャッター室２８Ｂへ流入するのを防止する。なお、レンズ室２８Ａには図示しないエアー接続口が配置されており、このエアー接続口およびコンプレッサ（図示省略）の間はコンプレッサで生成されるエアーを供給するエアー通路となっている。そして、後述するシャッター３８又は３９を開放する前から閉鎖完了までの間、エアーをレンズ室２８Ａへ噴出し続ける。

シャッター室２８Ｂの焦点合わせレンズ３３及び防護ガラス３４に対向する部位には、開口２７Ｃ及び２７Ｄがそれぞれ形成されている。切換手段であるシャッター３８及び３９は、筐体２７Ａとその支持片２７Ｅ間にスライド可能に配置されており、開口２７Ｃまたは２７Ｄを開閉する。即ち、上述した光路を遮断するシャッター３８または３９は、上述したエアー通路のエアーを用いて、スライドするように構成されている。また、支持片２７Ｅには、開口２７Ｆ及び２７Ｇが、開口２７Ｃ及び２７Ｄに対向するように形成されている。

図３（Ｂ）に示すように、シャッター３８はその平面形状が帯状となっており、シャッター３９はその平面形状が略Ｌ字状となっている。そして、シャッター３８及び３９は、開口２７Ｇ及び２７Ｆに対向するように移動し、開口２７Ｃ及び２７Ｄを開閉する。即ち、シャッター３８及び３９は、それぞれの光路を開放し、図３に示す被写体となる切削工具２４のチップ２４Ａ（図面では２点鎖線で示す）をカメラ３０で撮像する。

シャッター３８及び３９は、クーラント液または切粉などがシャッター室２８Ｂへ流入するのを防止するために、閉止している。また、シャッター３８及び３９は、常には閉止しており、且つ同時に光路を開放しない。図１及び図２に示すように、撮像装置２７の各ミラー３１Ａ及び３１Ｂ（図３参照）に対向する光路上の位置には、照明用の光源４３及び４４がそれぞれ配置されている。これらの光源４３及び４４は、例えば発光ＬＥＤなどで構成されている。

（撮像装置２７のスライド機構に関する概略構成）
図１及び図４に示すように、撮像装置２７は、隔壁１５の所定箇所に配置されており、図示しないスライド機構（例えばエアー通路のエアーで作動するシリンダ等）が連結されている。そのため、上述したように撮像装置２７は、隔離ゾーンＳ１と加工ゾーンＳ２との間をスライドし、切削加工直前には加工ゾーンＳ２から隔離ゾーンＳ１へ後退する。撮像装置２７を後退させる理由は、切削加工のターレット装置２０に搭載するバイト等との干渉を防止すると共に、撮像装置２７が切削作業中における作業者の視覚障害を回避し作業性を向上させるためである。

また、図４に示すように、撮像装置２７と隔壁１５との間には、合成樹脂製（例えばウレタンゴム製）のシールカバー４０が配置されている。即ち、撮像装置２７は、シールカバー４０に嵌め込まれる状態で保持されている。このシールカバー４０には、スライド時の撮像装置２７が加工ゾーン内の切粉を挟んだりするのを防止すると共に、クーラント液が隔離ゾーンＳ１内へ滲み込むのを防止するものである。更に、撮像装置２７の回りを囲うような導口４０Ａが開口されている。そして、エアーは図示しないエアー通路から導口４０Ａへ送出し（図４の矢印参照）、撮像装置２７とシールカバー４０との隙間からエアーが吹き出るようになっている（図４の太線矢印参照）。

（チャックに関する概略構成）
図５に示すように、チャック１２の外周側には、基準体であるインバー体４７が、上述した基準ゲージ１８に対向するように配置されている。即ち、インバー体４７の先端４７Ａと基準ゲージ１８とバイト２６のチップ２６Ａとが、撮像装置２７の視野領域に収めて撮像（一望視と同義）できるように、インバー体４７及び基準ゲージ１８並びにバイト２６が配置される。なお、バイト２６は、チップ検出時に撮像装置２７の一望視Ａエリア（図中では「Ａ枠」という）または一望視Ｂエリア（図中では「Ｂ枠」という）内の所定位置に移動するように予め設定されている。

インバー体４７は、旋盤Ｓ（図１参照）を構成する熱処理済み鋼と比較して熱膨張率が小さい材料（例えば不変鋼であるインバー又は熱膨張率が鉄の２倍であるアルミニウム等）を用いて、例えば角柱状に形成している。そして、インバー体４７は、その一端を図示しない締結部材（ボルトなど）で固定している。そのため、飛び出し防止用のストッパ（図示省略）は、インバー体４７の自由端側にインバー体４７と若干離間した状態で配置されている。なお、振動防止用のカウンタウエイト７２は、インバー体４７の配置場所の反対側に配置している。

（旋盤Ｓの制御系に関する構成）
旋盤Ｓ（図１参照）は、図６に示すように、ＣＰＵ６０と、不揮発性メモリであるＲＯＭ６２，ＲＡＭ６４と、ＮＣテーブル５０に配置されるモータドライバ５１，ＮＣモータ５２と、ターレット装置２０に配置されるモータドライバ５３，ターレットモータ５４と、操作部５６と、表示部５７と、ブザー５８と、を備える。制御手段および補正手段であるＣＰＵ６０は、旋盤Ｓの全体的な動作を司り、たとえば操作部５６に配置される操作キーが操作された場合に、その操作に基づく処理を行う。また、ＣＰＵ６０には位置検出手段および撮像手段の一部を構成する一対のカメラ３０がそれぞれ接続されており、カメラ３０で撮像された画像データがＣＰＵ６０へそれぞれ入力される。

ＲＯＭ６２は旋盤Ｓに各種の処理を制御するプログラムを記録し、そのプログラムによって旋盤Ｓが制御される。記録手段であるＲＡＭ６４は各種データの読み書き用の記録域たとえば画像データ領域６５を有し、この画像データ領域６５に画像データ等が記録される。モータ５２または５４は、ＣＰＵ６０の駆動信号に基づき、モータドライバ５１または５３を介して回転する。表示手段である表示部１２は、カメラ３０で撮像される画像データなどを表示する。警告手段であるブザーは、警告音を出力する。

（本実施例の作用）
先ず、チップ検出時においては、図５に示すように、基準ゲージ１８及びインバー体４７並びにバイト２６のチップ２６Ａを、撮像装置２７のカメラ３０（図３Ａ参照）の一望視Ａエリアに収めて撮像する場合は、基準ゲージ１８とバイト２６の刃先２６Ａの上面の高さを同一高さとして行なう。また、チップ検出時には、図４に示すように、撮像装置２７を隔離ゾーンＳ１から加工ゾーンＳ２へスライドさせると共に、図１に示す光源４３を発光させる。

そして、図５に示すバイト２６のチップ２６Ａを検出する場合、撮像位置（図４の破線で示す状態）の撮像装置２７は、図３に示すように、シャッター３８をスライドさせハーフミラー３１Ｂ側の光路を開放する。なお、シャッター３９側の光路を遮断しているので、ハーフミラー３１Ｂは一望視Ａエリアの被写体光をカメラ３０へ反射させる。

カメラ３０は、図５に示すように一望視Ａエリア内に位置する被写体であるインバー体４７の先端４７Ａと基準ゲージ１８とバイト２６のチップ２６Ａを撮像する。その後の照合処理および補正処理などは、特願２００９−３８１８５号の明細書に記載する処理と同様である。以下、バイト画像処理モードについて、図７のフローチャートで説明する。

（バイト画像処理モード）
図６に示すＣＰＵ６０は、ステップ１６２において、刃先が折損か否かを判断する。ステップ１６２が否定の場合はステップ１６４で刃先が膨張（構成刃先または切粉の付着など）か否かを判断し、ステップ１６４が否定の場合はステップ１６７で刃先が磨耗か否かを判断する。なお、これらの判断手法は、後述するシークラインなどを用いる。ここで、構成刃先とは、切粉等が例えば切削工具のすくい面に溶着し膨張する状態をいう。また、ステップ１６２が肯定の場合すなわち折損している場合には、ステップ１６３において、折損データをＲＡＭ６４に記録する（即ち、メンテナンス等の際のデータとする）。

ステップ１６４が肯定の場合すなわち刃先が膨張している場合には、ステップ１６５において、膨張が設定値以上か否かを判断する。ステップ１６５が肯定の場合すなわち設定値以上の場合には、ステップ１６６において、膨張データをＲＡＭ６４に記録する。また、ステップ１６７が肯定の場合すなわち磨耗と判断される場合、ステップ１６８で磨耗が設定値（例えば２０μｍ）以上か否かを判断する。ステップ１６８が肯定の場合すなわち設定値以上の場合、ステップ１７０において、摩擦データをＲＡＭ６４に記録する。

ステップ１６７が否定の場合すなわち刃先が磨耗でないと判断した場合、ステップ１７６において、ＣＰＵ６０は刃先の変位が設定値（例えば１００μｍ）以上か否かを判断する。刃先の変位は、例えば図９または図１０に示す切削線の総合位置を検出することによって判断され、熱変位の他に刃先の磨耗も含まれる場合がある。

ステップ１７６が肯定の場合すなわち設定値以上の場合、ステップ１７７において、変位データをＲＡＭ６４に記録する。ステップ１７６が否定の場合すなわち設定値以下の場合、ステップ１７８において、測定時の変位データに基づき補間データをＲＡＭ６４に記録する（即ち、メンテナンス等の際のデータとする）。そして、ステップ１６５が否定の場合またはステップ１６８が否定の場合またはステップ１７８の処理後、ステップ１７９において、フィードバックして補償処理を行なう。なお、このフィードバック補正は、後述するチップ２６Ａにおける切削線の位置（図９および図１０参照）などに基づいて、行うことになる（特願２００９−１１９７３号の明細書参照）。

そして、ステップ１６３またはステップ１６６またはステップ１７０またはステップ１７７の各処理が終了した後に、ステップ１７２で旋盤Ｓの運転を強制的に停止（例えばバイトが交換されるまで切削加工運転禁止等のフェールセーフ処置の実施を含む）させ、ステップ１７４で警告する。具体的には、表示部（図６参照）に警告表示またはブザー５８を作動させて警告音または図示しないスピーカから警告音声を出力させる。作業者は、上記警告によりバイト交換が促される。なお、撮像した視野部分に切粉などの異物が付着した場合、ＣＰＵ６０は画像認識機能としてエラー設定できるので、フェールセーフ処置の実施ができる。以下、図８乃至図１０に基づき、シークライン及び切削線の設定方法について説明する。

（シークラインの設定方法）
図８に示すように、複数本のシークライン（刃先部分輪郭の位置を求める手段）ＣＬをチップ２６Ａの輪郭に沿って例えは１０μｍ毎の等間隔で予め設定される。この際、シークラインＣＬの長さは輪郭線を中心として基準長すなわち半長たとえば５０μｍ（全長は１００μｍ）で、シークラインＣＬはチップ２６Ａの輪郭線に対し直角になるよう予め設定される。ここで、図８に示すシークラインＣＬ群（刃先の輪郭部分を位置認識する手段）より構成されるテンプレート（刃先の位置を求める手段）を、基準画像となるオリジナルテンプレートという。オリジナルテンプレートデータ（基準画像データを含む概念）は、チップ２６Ａの輪郭部分を位置認識する基準となる画像データとなる。

基準長を例えば５０μｍに設定したのは、チップ２６Ａの欠損または切粉等の付着の大きさ（即ち、最大長さ）などを、５０μｍ以上あるいは以下として認識させるためである。即ち、被写体であるチップ２６Ａに切粉等が付着して外形が変化する時、被写体の位置（所謂オブジェクトベクトル）が移動するのを回避するためである。

従って、シークラインＣＬのエッジ位置（チップ２６Ａの輪郭線などにおける交点位置と同義）が、シークラインＣＬの半長以上または以下にズレる場合は、対象となるシークラインＣＬをエラー処理（無効と同義）してオブジェクトベクトルの演算に算入させないためである。ここで、パターンマッチング（照合と同義）による被写体の位置決めは、ズレがシークラインＣＬ内に収まるものでのみオブジェクトベクトルを演算し、シークラインＣＬ数の内ある割合の本数までのエラーは許容している。

パターンマッチング後は、各シークラインＣＬについて、その中点（半長５０μｍの点）とエッジ位置とのシークラインＣＬ上の差分を演算する。この差分は、被写体（例えば、バイト等）の初期画像データ設定時を基準に、被写体外形の変形度合いを示す。この基準は、オリジナルテンプレートに対する切削線のベクトル値（以下、相対値という）の場合にも適用する。

なお、上記基準は、バイト自体の位置がボールネジ（図示省略）の熱膨張などによって変位しても、これらのシークラインＣＬ上の差分は変動しない。また、バイトの変形箇所たとえばチップの欠損箇所あるいは切粉等の付着箇所は、シークラインＣＬ全数の割合からすると、非常に低いので、被写体全体の変位に与える影響は少ない。

所謂マルチステップパターンマッチング（以下、「ＭＳ」という）パターンマッチングの技法は、被写体の位置認識に適用しているが、これ以外に正規化相関によるパターンマッチング等を用いるようにしても良い。また、この場合、各エッジ認識にＭＳパターンマッチングのテンプレートを構成するシークラインＣＬを用いているが、これ以外にエッジ検出用のキャリパスライン（シークラインＣＬを変形したもの）などを適用しても良い。

更に、図９及び図１０に示すシークラインＣＬは、求める切削線（Ｘ方向切削線およびＺ方向切削線）に対し直角方向で、チップ２６Ａの内側から外側へ向かいように生成する。そして、シークラインＣＬは、中央から両端の方向へ向かって例えば１０μピッチの等間隔で生成する。

（切削線データの設定方法）
図９に示すように、Ｘ方向切削線は、シークラインＣＬ群の中でエッジ位置が最下端のものを演算し、その最下端エッジ位置から水平方向へ描いた直線である。即ち、Ｘ方向切削線は、チップ２６Ａの輪郭に対する水平接線である。図１０に示すように、Ｚ方向切削線に係るシークラインＣＬも、上述したＸ方向切削線の場合と同様に生成する。即ち、Ｚ方向切削線は、チップ２６Ａの輪郭に対する垂直接線である。そして、Ｘ方向切削線およびＺ方向切削線の位置を、図８に示すオリジナルテンプレートに対する差分量として、図６に示すＲＡＭ６４にそれぞれ記録する。ここで、切削線の位置（ベクトル）は相対ベクトルおよび絶対ベクトルの意義があり、絶対ベクトルは刃具の磨耗と機械全体の熱歪の合計である。そして、絶対ベクトルをＮＣテーブル５０（図６参照）で補償し、刃具の磨耗と機械の熱変位をフィードバック補償する。即ち、ＮＣテーブル５０の補正データは、切削線の絶対位置に基づいて処理する。

一方、切削線の相対ベクトルは、オリジナルテンプレートでパターンマッチングした位置に対する切削線の位置に基づき、刃具の磨耗量限界値の演算（内側への移動）および切粉の付着と構成刃先の検出（外側への移動）の処理に用いる。なお、図６に示すＣＰＵ６０は、刃具の磨耗量＝切削線／刃具全体位置（切削線の相対位置）で演算する。

なお、５００万画素のカメラ３０（図３Ａ参照）では、図１３に示すチップ２６Ａのエッジ等の位置決めの認識精度が±０．２５μｍ（＝１／３４ピクセル）の精度で画像認識される。即ち、５００万画素（１画素当りの実寸法は８．６μｍ）の光学系のカメラでも、最近の画像処理技術の上記認識精度が向上したことによって十分にチップ等の折損・磨耗などを画像認識できると共に、チャック１２（図１参照）などの温度を１℃単位で測定できる。ここで、図８の四角枠は、チップ２６Ａの先端（即ち、すくい面）を検出するときに用いる刃先検出エリアである。

そして、本実施形態では、図１１に示すように、画像取込方向がすくい面を見る方向であるので、逃げ面の角度の変化またはノーズ角の量は検出できず、刃具変形磨耗の度合いを画像認識できない。また、本実施形態では、刃具の画像取込を非切削時のみに行う構成となっているので、上述した撓み量を画像処理で認識できない。即ち、この場合、切削変形磨耗の度合いにより、切削背分力が変化するので、ワークの仕上がり加工寸法が異なる。従って、本実施形態では、以下の方法で補正データを取得する。

（補正データの取得方法）
この補正データは、刃具変形磨耗量および刃具の変位量に対する「総合切削追込み追加量」のデータに基づくものである。この総合切削追込み追加量は、以下のように演算する。ここで、一般に、刃具でワーク（材料）を切削する場合、以下の関係があるとする。即ち、刃具自体の摩耗量＝Ｃａｂ（刃具が新品の時をゼロ値とし、刃具全体が変位している量は考慮しない），変形摩耗係数＝Ｋｃｂ（刃具自体の摩耗量に対する切削追い込み追加量を経験によって得る係数），Ｆｕｎｃ(Ｃａｂ）＝変形磨耗関数（刃具自体の摩耗量に対する切削追い込み追加量を求める経験値すなわち関数），刃具変位量＝Ｃｏｆｆｓｅｔ（刃具全体の変位量たとえばＮＣテーブルなどの熱膨張で生じる変位），総合切削追込み追加量＝Ｍｔｏｔａｌ（総合的な切削追い込み追加量）とする。

特願２００９−３８１８５号の刃具認識システムでは、Ｍｔｏｔａｌ＝ＭｔｏｔａｌＯｒｇ＝Ｃａｂ＋Ｃｏｆｆｓｅｔ（式２０）で演算している。まず、この場合、刃具自体の摩耗量(Ｃａｂ)分を補正する。次に、刃具変位量（Ｃｏｆｆｓｅｔ)は、刃具全体がワークに対して相対的に移動した量であるから、追加して補正する必要がある。なお、刃具の切削線（図９及び図１０参照）の位置を求めると、Ｃａｂ＋Ｃｏｆｆｓｅｔをまとめて得ることができる（図１１及び図１２参照）。ここで、図１１及び図１２は視覚にて把握し易いように図示しているが、実際には変位および磨耗は微小である。

（刃具自体の磨耗が比例する場合の演算方法）
刃具自体の磨耗量が比例する場合は、Ｍｔｏｔａｌ＝Ｃａｂ×（１＋Ｋｃｂ）＋Ｃｏｆｆｓｅｔ即ちＭｔｏｔａｌ＝ＭｔｏｔａｌＯｒｇ＋Ｃａｂ×Ｋｃｂ（式２１）で演算する。ここでは、刃具自体の摩耗量を補正するが、係数（Ｋｃｂ）を加えた分さらに追込み補正する。Ｋｃｂは、一般にプラス値である。即ち、刃具が摩耗すると、更に余分に補正する。なお、Ｋｃｂがマイナス値の場合は、減算して補正する。Ｋｃｂは、実験的に求める。また、Ｋｃｂは切削条件（例えば刃具の種類、ワークの材質など）によって異なる。

（刃具自体の磨耗が比例しない場合の演算方法）
刃具自体の磨耗が比例しない場合は、Ｍｔｏｔａｌ＝Ｃａｂ＋Ｆｕｎｃ(Ｃａｂ）＋Ｃｏｆｆｓｅｔ即ちＭｔｏｔａｌ＝ＭｔｏｔａｌＯｒｇ＋Ｆｕｎｃ(Ｃａｂ）の式（２２）で演算する。上述した式２１のアルゴリズムにおいて、刃具自体の磨耗量に対する補正量は、直線的であるとした。しかし、実験的に求めた結果、曲線になる場合があるので、式２２で対応する。即ち、上述した式２１は、式２２の特殊な形である。

本実施形態では、実験で求めたデータをプロットし（図１３参照）、テーブルを作成する。そして、各プロットの間の領域では、補間して用いる。なお、図１３の縦軸は追込み補正量Ｆｕｎｃ(Ｃａｂ）を表し、その横軸はバイトの磨耗量Ｃａｂを表す。これらの単位は、μｍである。別の方法としては、データ値を級数展開（例えば、マクロ展開またはテーラ展開など）して関数を作成し、これを用いるようにしても良い。

（刃具自体の磨耗量Ｃａｂを求める方法）
第１の方法は、図１４に示すように、認識マーク（即ち、基準位置を定めるマーク）９２をチップ２６Ａ自体に設け、このマーク９２を基準に切削線の相対位置を求める方法である。この場合、刃具が新品の時の値（即ち、磨耗量の値）をゼロとする。ここで、認識マーク９２は、例えば特開平２００１−１２７４９７号公報または特開平７−３８５１９号公報などに記載される方法を用い、チップ２６Ａに設ける（図１４参照）。

第２の方法は、チップ２６Ａ全体のテンプレート（図１５参照）の位置に対する切削線（図１６参照）の相対位置を求める方法である。即ち、ＣＰＵ６０は、チップ２６Ａ全体の位置と切削線位置との差分（図１６参照）に基づき、磨耗量を演算する。第２の方法では、チップ２６Ａが磨耗する領域が小さいので、チップ２６Ａ全体に対する影響は少ない（即ち、全体的には変わらない）。なお、第２の方法は、初期設定時の切削線の相対位置に対する変化のみならず、キャリブレーションサイクル時の現検出時における切削線位置に対する変化をも検出（演算）する。ここで、キャリブレーションサイクルは、切削の精度を所定水準に維持する補償値を得るため、図１に示す旋盤Ｓの稼動時に強制的に所定間隔を設けて検査を行うことである。即ち、キャリブレーションサイクルは、旋盤Ｓの運転が開始した後に行う検査である。

第３の方法は、チップ２６Ａの刃先以外のテンプレート（図１７参照）の位置に対する切削線（図１６参照）の相対位置を求める方法である。即ち、刃先以外の部分（磨耗箇所を除く部分と同義）のテンプレート（パターンマッチング用モデル）において、パターンマッチング（位置決めと同義）して求めたバイト全体の位置に対する切削線の相対位置を求める。この場合は、刃先以外の領域を除いてパターンマッチングすることを特徴とする。

（刃具変位量Ｃｏｆｆｓｅｔを求める方法）
第１の方法は、図１８に示すように、認識マーク９２をチップ２６Ａ自体に設け、このマーク９２の位置を求める方法である。この場合、刃具が新品の時の値（即ち、磨耗量の値）をゼロとする。第２の方法は、チップ２６Ａ全体のテンプレート（図１５参照）の位置を求める方法である。即ち、ＣＰＵ６０は、オリジナルテンプレート（図８参照）にキャリブレーションサイクル時の画像データ（図１５参照）をパターンマッチングして比較し、その差分に基づいて磨耗量を演算する。第２の方法では、チップ２６Ａが磨耗する領域が小さいので、チップ２６Ａ全体に対する影響は少ない。第３の方法は、図１７に示すように、チップ２６Ａの刃先以外のテンプレートの位置を求める方法である。

本実施形態において、切削機械を製造した時または新しい切削工具をセットした時などは、よく使用する切削条件でテストカットし、式２１のＫｃｂ又は式２２のＦｕｎｃ（Ｃａｂ）を求める。ここで、切削機械を製造した時は、機械毎にコンプライアンス（支持系の堅さの逆数）が異なる場合があるので、機械毎にテストカットして演算する。そして、同一の切削条件であれば、刃具の摩耗度合い及び摩耗形状について再現性があり、上述した「総合切削追込み追加量」の演算方法を適用し得る。

本実施形態においては、上記演算データを機械又は生産システムに入力してＲＡＭ６４（図６参照）などの記録手段に記録する。また、新しいワークを切削する時は、複数データの中から対応するデータを用いて、上記「総合切削追込み追加量」の演算方法を用いる。そして、本実施形態の旋盤Ｓは、演算で得られた補正データに基づき、図６に示すＮＣテーブル５０を移動（補正と同義）させて切削加工する。

更に、新しいワークと切削工具による新たな切削条件であると判断する場合には、切削工具の摩耗と「総合切削追込み追加量」との関係を、テストカットで求める。そして、旋盤Ｓは、演算で得られた補正データに基づき、ＮＣテーブル５０を補正させて切削加工する。即ち、本実施形態によれば、刃具の変位（変形磨耗をも含む概念）を起こした場合の補正を、「変形摩耗係数」又は「変形摩耗関数」を用い且つ「総合切削追込み追加量」で補正するので、刃具の摩耗具合に拘らず、加工精度を維持して使用し得る。また、本実施形態によれば、長期間の刃具変形摩耗に対応できるので、刃具交換を行っているタイミングを伸ばしても、より長く使用し得る。

なお、図１９（Ａ）に示すように、複数のシークラインＬａを設定することによりチップ２６Ａのエッジを求める。使用前後のチップ２６Ａのエッジを求めてパターンマッチングし、各エッジの位置が閾値以下に異なっている場合はチップ２６Ａの折損と判断する。一方、各エッジの位置が閾値以上に異なっている場合はチップ２６Ａに切粉が溶着などした膨張（構成刃先ともいう）と判断する。なお、閾値は例えば２０μｍなどの幅を設け、その幅は任意に変更し得る。

チップのノーズも、シークラインを用いて求めることができる。即ち、図１９（Ｂ）に示すように、下方に向かう複数のシークラインＬｂを所定間隔で設定し、輝度の極大値（暗から明に変化する点）が最下点となるシークラインＬｂｍを求めてＸ方向切削線とする。同様に、図１９（Ｃ）に示すように、左方に向かう複数のシークラインＬｃを所定間隔で設定し、輝度の極大値（暗から明に変化する点）が最左点となるシークラインＬｃｍを求めてＺ方向切削線とする。

次に、図１９（Ｄ）に示すように、Ｘ方向切削線Ｌｂｍと、このＸ方向切削線Ｌｂｍに平行であってＺ方向切削線ＬｃｍのエッジＥｃを通る線Ｌｂｐとの距離Ｒｚを求める。同様に、Ｚ方向切削線Ｌｃｍと、このＺ方向切削線Ｌｃｍに平行であってＸ方向切削線ＬｂｍのエッジＥｂを通る線Ｌｃｐとの距離Ｒｘを求める。そして、距離Ｒｚと距離Ｒｘのうち、大きい方をノーズに設定する。使用後のチップ２６Ａのノーズが使用前のチップ２６Ａのノーズよりも設定値以上になっている場合はチップ２６Ａの摩耗と判断する。

なお、本発明は実施例１で説明した短軸旋盤に限定されず、例えば２軸正面旋盤またはフライス盤など種々の切削機械（切削工具とワークを相対的に移動させて加工する機械）に適用できる。

１２…チャック、１８…基準ゲージ、２１…ターレット刃物台（取付台）、２５…内径加工用のバイト（切削工具）、２５Ａ…刃先、２６…外径加工用のバイト（切削工具）、２６Ａ…刃先、２７，６８…撮像装置（撮像手段）、３０…カメラ、４７…インバー体（基準体）、４７Ａ…インバー体の先端、６０…ＣＰＵ（照合手段，演算手段，補正手段）、６２…ＲＯＭ（記憶手段）、６４…ＲＡＭ（記録手段）、９１…基準マーク、９２…認識マーク、Ｓ…旋盤（切削機械）、Ｗ…ワーク（被加工物）

Claims

被写体を撮像する撮像手段と、
上記撮像手段は被写体として切削工具を撮像し、この画像データに基づき上記切削工具自体の磨耗量および上記切削工具の変位量を演算すると共に、上記切削工具の撓みをも含む変形磨耗量および上記切削工具の熱変位をも含む変位量に対する総合切削追込み追加量を比例関係にある変形摩耗係数または比例関係のない変形摩耗関数を用いて演算する演算手段と、
上記演算手段の演算結果に基づき上記切削工具の加工位置を補正する制御手段と、
を備える切削工具の加工位置補正装置。
被写体を撮像する撮像手段と、
上記撮像手段は被写体として切削工具を撮像し、この画像データに基づく基準画像データおよびキャリブレーションサイクル時の画像データを照合する照合手段と、
上記照合手段の照合結果に基づく上記切削工具の撓みをも含む変形磨耗量および上記切削工具の熱変位をも含む変位量に対する総合切削追込み追加量を比例関係にある変形摩耗係数または比例関係のない変形摩耗関数を用いて演算する演算手段と、
上記演算手段の演算結果に基づき上記切削工具の加工位置を補正する制御手段と、
を備える切削工具の加工位置補正装置。
被写体として切削工具を撮像し、この画像データに基づき上記切削工具自体の磨耗量および上記切削工具の変位量を演算すると共に、上記切削工具の撓みをも含む変形磨耗量および上記切削工具の熱変位をも含む変位量に対する総合切削追込み追加量を比例関係にある変形摩耗係数または比例関係のない変形摩耗関数を用いて演算し、この演算結果に基づき上記切削工具の加工位置を補正する切削工具の加工位置補正方法。