JP5479298B2 - 刃先位置補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、マシニングセンタなどの工作機械に装着されるアタッチメントや工具などの刃先位置を測定して補正する刃先位置補正方法に関する。

例えば、マシニングセンタにおいて、ベッドにはテーブルがその長手方向に沿って移動自在に支持されており、このベッドにはテーブルを跨ぐように門形のコラムが設置され、このコラムには水平なクロスレールが固定され、このクロスレールにサドルがテーブルの移動方向にほぼ直交する方向に移動自在に支持されている。そして、このサドルにラムが上下方向に沿って移動自在に支持され、このラムの下端部に主軸ヘッドが装着されている。従って、主軸ヘッドに所定のアタッチメントを取付ける一方、テーブル上に被加工物を保持し、この状態でテーブルを送り移動しながら、サドル及びラムを上下左右に移動することで、アタッチメントによって被加工物に対して所定の加工を行うことができる。

ところで、マシニングセンタでは、主軸ヘッドに対してアタッチメントが着脱自在となっており、装着するアタッチメントに応じてフライス加工、ドリル加工、ボーリング加工、エンドミル加工などの各種加工が可能となっている。例えば、ユニバーサルアタッチメントでフライス加工を行う場合、主軸ヘッドに装着したユニバーサルアタッチメントを垂直軸回りに回動して角度位置設定を行うと共に、水平軸回りに回動して傾斜位置を設定行うことで、その加工姿勢を決定している。そして、このアタッチメントの加工姿勢でテーブル上の被加工物に対してフライス加工を施す。

このようなユニバーサルアタッチメントによるフライス加工時に、被加工物の加工面の角度が変わったり、加工方向が変わったときには、アタッチメントによる加工効率や精度を考慮してアタッチメントの加工姿勢を修正する必要がある。即ち、ユニバーサルアタッチメントによって被加工物の水平面をフライス加工して傾斜面への変更位置にくると、アタッチメントを上昇してこの加工姿勢を修正した後、下降して再び連続して傾斜面をフライス加工していく。

このようなフライス加工作業では、水平面から傾斜面にその加工面が変化する位置では、両者の間に大きな段差ができないように滑らかに連続されなければならない。ところが、マシニングセンタなどの工作機械には各構成部材の組付ガタや歯車のバックラッシなどがあり、各部材の寸法から算出した設計上の刃先位置と実際の刃先位置との間には若干のずれがあり、ユニバーサルアタッチメントの刃先位置を高精度に位置決めすることは困難である。そこで、従来は、ユニバーサルアタッチメントにおける複数の加工姿勢に応じた刃先位置を予め記憶しておき、刃先位置を高精度に位置決めするようにしている。

図７(ａ)に一般的なマシニングセンタの主軸ヘッドに装着されたユニバーサルアタッチメントの概略、図７(ｂ)にユニバーサルアタッチメントにおける加工姿勢に応じた刃先位置の記憶マップを表す概略を示す。

図７(ａ)に示すように、マシニングセンタのラム101の下部には主軸ヘッド102が垂直なＣ軸回りに回転自在に装着され、この主軸ヘッド102にはユニバーサルアタッチメント103が装着されている。このユニバーサルアタッチメント103は水平なＡ軸回りに回転自在な傾斜アーム104を有しており、この傾斜アーム104の先端部に工具105が取付けられている。そして、図７(ｂ)に示すように、作業前に使用頻度の高い特定の角度ごとに工具105の刃先位置を実際に測定してメモリしておき、工具105の姿勢変更時には、このメモリされた刃先位置データを使用していた。

ところが、メモリには使用頻度の高い特定の角度ごとにおける工具105の刃先位置を記憶しているため、工具105を記憶されていない角度で使用する場合には、刃先位置データが記憶されていない。そのため、例えば、図７(ｂ)に示すように、Ｃ軸が６０°でＡ軸が３０°となる姿勢の刃先位置で工具105を使用したい場合、前後の角度における刃先位置データに基づいて補間による必要な刃先位置データを算出していた。しかし、補間による刃先位置データの算出値は、構成部材の組付ガタや歯車のバックラッシなどを考慮しておらず、微妙なずれが生じてしまい、刃先位置を高精度に位置決めすることができない。

また、工具105の刃先位置を記憶する特定の角度を小さくすれば補間の演算精度は高まるが、刃先位置データの取得に多大な手間と時間を要し、また、大容量のメモリが必要となり、コスト高となってしまう。

本発明はこのような問題点を解決するものであって、工具の刃先位置を高精度に位置決め可能とした刃先位置補正方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するための本発明に係る刃先位置補正方法は、
主軸に装着された加工具の刃先を、水平面となる第１加工面を加工するための工作機械における各構成部材の寸法から算出した設計上の初期姿勢位置に設定し、
刃先が前記初期姿勢位置に設定された前記加工具を、基準座標位置に移動して、測定センサによって、三次元座標における実際の刃先位置となる測定姿勢位置を測定し、
前記初期姿勢位置と前記測定姿勢位置とを比較して、両者のずれ量を算出し、
前記加工具の刃先位置を、前記ずれ量に基づいて補正するようにし、
前記刃先位置を補正する際には、５方向のそれぞれの前記基準座標位置となる前記測定センサの各測定面を、予め測定しておき、
加工面が前記第１加工面から当該第１加工面に対して傾斜した傾斜面となる第２加工面に変化して、前記加工具の刃先を、前記第２加工面を加工するための前記工作機械における前記各構成部材の寸法から算出した設計上の初期姿勢位置に変更した後には、
前記測定センサにおける５方向の前記測定面のうち、測定可能な３方向の前記測定面を用いて、前記第２加工面を加工するときの測定姿勢位置を測定し、
刃先が前記第２加工面を加工するための前記初期姿勢位置に変更された前記加工具の刃先位置を、前記第２加工面用の前記初期姿勢位置と前記第２加工面用の前記測定姿勢位置とのずれ量に基づいて補正する
ことを特徴とする。

また、本発明に係る刃先位置補正方法は、
前記測定センサとしての非接触式の光センサは、５方向の前記基準座標位置を用いて補正を行う
ことを特徴とする。

本発明に係る刃先位置補正方法によれば、主軸に装着された加工具を所定の加工姿勢に設定した後、該加工具を基準位置に移動してキューブセンサにより三次元座標における実際の刃先位置を測定し、該測定された刃先位置と設計上の刃先位置とを比較して両者のずれ量を算出し、該ずれ量に基づいて刃先位置を補正するようにしたので、どのような加工具の刃先位置姿勢であっても、実際の刃先位置に基づいて補正し、構成部材の組付ガタや歯車のバックラッシなどを考慮して刃先位置を高精度に位置決めすることができる。

本発明に係る刃先位置補正方法によれば、刃先位置を補正する際、５方向のそれぞれの基準となる測定センサの検知位置を予め測定しておき、加工具の姿勢変更後に測定センサの測定可能な３方向で測定した検知位置を用いて補正を行うようにしたので、どのような加工具位置姿勢であっても確実に且つ高精度に加工具の刃先位置を測定することができる。

本発明に係る刃先位置補正方法によれば、測定センサとしての非接触式の光センサは、三次元座標位置をプラス方向とマイナス方向のそれぞれの方向からセンサ検知位置を用いて補正を行うようにしたので、加工具位置姿勢に応じて高精度に刃先位置を測定することができる。

本発明の一実施形態に係る刃先位置測定装置の縦断面図である。 図１のII−II断面図である。 刃先位置測定装置におけるカバー開放状態を表す縦断面図である。 本実施形態の刃先位置測定装置が適用されたマシニングセンタの概略図である。 刃先位置補正方法を表す概略図である。 刃先位置補正方法を表す概略図である。 一般的なマシニングセンタの主軸ヘッドに装着されたユニバーサルアタッチメントの概略及び刃先位置の記憶マップである。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１に本発明の一実施形態に係る刃先位置測定装置の縦断面、図２に図１のII−II断面、図３に刃先位置測定装置におけるカバー開放状態を表す縦断面、図４に本実施形態の刃先位置測定装置が適用されたマシニングセンタの概略、図５及び図６に刃先位置補正方法を表す概略を示す。

本実施形態のマシニングセンタにおいて、図４に示すように、ベッド１１上には一対のガイド１２を介してテーブル１３がベッド１１の長手方向に沿って移動自在に支持されており、このテーブル１３上に図示しない被加工物を固定することができる。このベッド１１にはテーブル１３を跨ぐように門形をなすコラム１４が設置されており、このコラム１４には水平なクロスレール１５が固定され、このクロスレール１５の前面には一対のガイド１６を介してサドル１７がテーブル１３の移動方向にほぼ直交する水平方向に沿って移動自在に支持されている。そして、このサドル１７にラム１８が上下方向に沿って移動自在に支持されており、このラム１８の下端部に主軸ヘッド１９が装着され、この主軸ヘッド１９にユニバーサルアタッチメント２０が装着されている。

このユニバーサルアタッチメント２０は主軸ヘッド１９に着脱自在であり、Ｃ軸回りに回転自在であると共に、傾斜アーム２１が水平なＡ軸回りに回転自在となっており、この傾斜アーム２１の先端部に工具２２が取付けられている。

従って、このマシニングセンタを用いて、主軸ヘッド１９に装着されたユニバーサルアタッチメント２０によりフライス加工を行うには、テーブル１３上に被加工物を固定する一方、ユニバーサルアタッチメント２０をＣ軸回りに回転して切削方向を設定すると共に、傾斜アーム２１をＡ軸回りに回転して工具２２の傾斜角度を設定することで、刃先姿勢を設定する。そして、この状態で、テーブル１３を送り移動しながら、サドル１７及びラム１８を上下左右に移動することで、工具２２に切り込みを与え、被加工物をフライス加工することができる。

このように構成されたマシニングセンタでは、フライス加工途中で工具２２の姿勢を変更したとき、あるいはアタッチメントを交換したときに、主軸ヘッド１９に取付けられたアタッチメントにおける工具の刃先位置を測定する刃先位置測定装置２３がテーブル１３に隣接して設置されている。

本実施形態の刃先位置測定装置２３において、図１及び図２に示すように、テーブル１３の側部に固定された架台２４には測定装置本体２５が立設されており、この測定装置本体２５の上部には工具２２の刃先位置を測定する測定センサとしてのキューブセンサ２６が固定されている。このキューブセンサ２６は５つの測定面及び下部取付面を有した立方体形状をなし、工具２２の刃先を各測定面に接触させることでその三次元座標位置を測定することができる。

架台２４には測定装置本体２５の下部を包囲する四角筒形状をなす固定カバー２７が固定されている。また、測定装置本体２５の一側部には昇降ガイド２８により昇降部材２９が上下移動自在に支持され、この昇降部材２９には固定カバー２７よりも若干大きい四角筒形状をなす側部カバー３０が連結されている。そして、測定装置本体２５の他側部にはエアシリンダ３１が装着されており、駆動ロッド３２の先端部がブラケット３３を介して側部カバー３０に連結されている。従って、エアシリンダ３１により駆動ロッド３２を伸縮することで、側部カバー３０を上昇して測定装置本体２５の上部及びキューブセンサ２６の周囲を覆う被覆位置に移動させることができると共に、下降してキューブセンサ２６の周囲を開放する開放位置に移動させることができる。

また、側部カバー３０の上端部には上部カバー（先端カバー）３４がヒンジ３５により回動自在に支持され、測定装置本体２５とこの上部カバー３４との間にはヘ字形状をなす連結リンク３６が架設され回動可能となっている。そして、測定装置本体２５の上部には連結リンク３６が起立したときにこの連結リンク３６を拘束する拘束ガイド３７が装着されている。従って、側部カバー３０の上昇時に、上部カバー３４をキューブセンサ２６の上方を覆う被覆位置に回動させることができると共に、側部カバー３０の下降時に、上部カバー３４をキューブセンサ２６の上方を開放する開放位置に回動させることができる。

このようにエアシリンダ３１の伸長駆動により、側部カバー３０及び上部カバー３４を被覆位置に移動してキューブセンサ２６を被覆することができる一方、エアシリンダ３１の収縮駆動により、側部カバー３０及び上部カバー３４を連動させて開放位置に移動してキューブセンサ２６の周囲を開放することができ、エアシリンダ３１及び連結リンク３６により、側部カバー３０及び上部カバー３４の開閉動作を同期駆動させる駆動手段が構成されている。

この場合、図３に示すように、エアシリンダ３１の収縮駆動によって側部カバー３０及び上部カバー３４を連動させ、被覆位置から開放位置に移動することで、この側部カバー３０及び上部カバー３４がキューブセンサ２６の位置よりも下方に位置して周囲を開放することとなり、ユニバーサルアタッチメント２０の位置や工具２２の姿勢に影響なく、キューブセンサ２６の水平方向において３６０度の任意の位置で工具２２の刃先位置を測定することができる。

以下、上述した刃先位置測定装置２３により刃先位置測定方法並びに工具２２の刃先位置補正方法について説明する。なお、作業を行う前に、マシニングセンタの主軸ヘッド１９に基準アタッチメントを装着し、刃先の精度の良い基準工具を用い、主軸の振れを考慮するためにこの基準工具をＣ軸回りに回転しながら、Ｙ，Ｚ方向に移動すると共にキューブセンサ２６をＸ方向に移動し、工具２２の刃先をキューブセンサ２６の各測定面に接触し、マシニングセンタにおける各測定面のＸ，Ｙ，Ｚ基準座標位置を記憶させる。

ここでは、図５(ａ)に示すように、マシニングセンタの主軸ヘッド１９に、ユニバーサルアタッチメント２０を装着し、工具２２により被加工部Ｗの２つの加工面Ｗ１，Ｗ２をフライス加工する場合について説明する。まず、加工面Ｗ１を加工するために、ユニバーサルアタッチメント２０をＣ軸回りに回転して切削方向を設定すると共に、傾斜アーム２１をＡ軸回りに回転して工具２２の傾斜角度を設定することで、刃先姿勢を設定する。この場合、工具２２の刃先位置の位置制御は各構成部材の設計上の数値に基づいて行われてＸ，Ｙ，Ｚ初期姿勢位置が記憶される。

工具２２の加工姿勢によるＸ，Ｙ，Ｚ初期姿勢位置が記憶され、刃先位置が位置決めされると、次に、サドル１７及びラム１８を上下左右方向（Ｙ，Ｚ方向）に移動すると共にテーブル１３を前後方向（Ｘ方向）に移動することで、図５(ｂ)に示すように、Ｘ，Ｙ，Ｚ基準座標位置にて工具２２の刃先をキューブセンサ２６の各測定面に接触し、両者の各接触位置をＸ，Ｙ，Ｚ測定姿勢位置として記憶する。そして、この測定された実際の刃先位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ測定姿勢位置）と設計上の刃先位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ初期姿勢位置）とを比較して両者のずれ量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを算出し、このずれ量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺに基づいて刃先位置を補正する。即ち、ずれ量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺだけ、サドル１７及びラム１８を移動すると共にテーブル１３を移動することで、工具２２の加工姿勢を修正する。

このキューブセンサ２６による工具２２の刃先位置の測定時、図３に示すように、エアシリンダ３１を収縮駆動して側部カバー３０を下降させると共に、連結リンク３６の回動により上部カバー３４を回動させることで、この側部カバー３０及び上部カバー３４を開放位置に移動する。すると、測定装置本体２５の上部に位置するキューブセンサ２６は周囲が開放された状態となり、工具２２の刃先を容易に接触させることができる。

このように工具２２の加工姿勢を修正されると、図４及び図５(ｃ)に示すように、テーブル１３を送り移動しながら、サドル１７及びラム１８を上下左右に移動することで、工具２１に切り込みを与え、被加工物Ｗの加工面Ｗ１に対してフライス加工を実行する。

そして、工具２２により所定の領域まで加工面Ｗ１を加工したら、図６(ａ)に示すように、工具２２を上昇し、今度は加工面Ｗ２を加工するために、ユニバーサルアタッチメント２０をＣ軸回りに回転すると共に、傾斜アーム２１をＡ軸回りに回転することで刃先姿勢を設定し、この加工面Ｗ２に対するＸ，Ｙ，Ｚ初期姿勢位置を記憶する。そして、前述と同様に、サドル１７及びラム１８、テーブル１３を移動することで、図６(ｂ)に示すように、Ｘ，Ｙ，Ｚ基準座標位置にて工具２２の刃先をキューブセンサ２６の各測定面に接触し、両者の各接触位置をＸ，Ｙ，Ｚ測定姿勢位置として記憶する。そして、この測定された実際の刃先位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ測定姿勢位置）と設計上の刃先位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ初期姿勢位置）とを比較して両者のずれ量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを算出し、このずれ量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺに基づいて刃先位置を補正する。

このように工具２２の加工姿勢を修正されると、図４及び図６(ｃ)に示すように、テーブル１３を送り移動しながら、サドル１７及びラム１８を上下左右に移動することで、工具２１に切り込みを与え、被加工物Ｗの加工面Ｗ２に対してフライス加工を実行する。

このように本実施形態の刃先位置測定装置にあっては、テーブル１３に立設された測定装置本体２５の上部にキューブセンサ２６を装着する一方、この測定装置本体２５に側部カバー３０を移動自在に支持すると共に、この側部カバー３０の上端部に上部カバー３４を回動自在に支持し、エアシリンダ３１を収縮駆動することで側部カバー３０を下降させると共に、連結リンク３６が連動して回動することで上部カバー３４を回動させ、この側部カバー３０及び上部カバー３４を開放位置に移動するようにしている。

従って、キューブセンサ２６を移動させることなく測定装置本体２５の上部に位置するキューブセンサ２６の周囲を開放することができ、工具２２の刃先を容易にこのキューブセンサ２６に接触させることができる。

また、本実施形態の刃先位置補正方法にあっては、アタッチメント３０をＹ，Ｚ方向に移動すると共にキューブセンサ２６をＸ方向に移動することで、工具２２の刃先をキューブセンサ２６の各測定面に接触し、両者の各接触位置をＸ，Ｙ，Ｚ測定姿勢位置とし、この測定された実際の刃先位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ測定姿勢位置）と設計上の刃先位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ初期姿勢位置）とを比較して両者のずれ量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを算出し、このずれ量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺに基づいて刃先位置を補正するようにしている。

従って、どのような工具２２の刃先位置姿勢であっても、実際の刃先位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ測定姿勢位置）に基づいて補正し、構成部材の組付ガタや歯車のバックラッシなどを考慮して刃先位置を高精度に位置決めすることができ、また、刃先位置データの取得のための手間や時間を不要とし、更に、大容量のメモリを不要として低コスト化が図れる。

なお、上述の実施形態にて、測定装置本体２５の上部にキューブセンサ２６を設け、側部カバー３０を上下移動自在とし、この側部カバー３０の上部に上部カバー３４を設けたが、測定装置本体の側部にキューブセンサを設け、側部カバーを水平移動自在とし、この側部カバーの側部に先端カバーを設けてもよい。

また、上述の実施形態では、刃先位置測定装置２３をマシニングセンタのテーブル１３に配設したが、この配設位置は工具２２とキューブセンサ２６とを接触できる位置であればどこでもよい。更に、測定センサとしてキューブセンサ２６を用いたが、非接触式の光センサとして加工具の刃先を少なくとも５方向から測定するようにしてもよい。

１１ ベッド
１３ テーブル
１７ サドル
１８ ラム
１９ 主軸ヘッド
２０ ユニバーサルアタッチメント
２２ 工具
２３ 刃先位置測定装置
２５ 測定装置本体
２６ キューブセンサ（測定センサ）
２７ 固定カバー
３０ 側部カバー
３１ エアシリンダ（駆動手段）
３４ 上部カバー（先端カバー）
３６ 連結リンク（駆動手段）

Claims (2)

1. 主軸に装着された加工具の刃先を、水平面となる第１加工面を加工するための工作機械における各構成部材の寸法から算出した設計上の初期姿勢位置に設定し、
   刃先が前記初期姿勢位置に設定された前記加工具を、基準座標位置に移動して、測定センサによって、三次元座標における実際の刃先位置となる測定姿勢位置を測定し、
   前記初期姿勢位置と前記測定姿勢位置とを比較して、両者のずれ量を算出し、
   前記加工具の刃先位置を、前記ずれ量に基づいて補正するようにし、
   前記刃先位置を補正する際には、５方向のそれぞれの前記基準座標位置となる前記測定センサの各測定面を、予め測定しておき、
   加工面が前記第１加工面から当該第１加工面に対して傾斜した傾斜面となる第２加工面に変化して、前記加工具の刃先を、前記第２加工面を加工するための前記工作機械における前記各構成部材の寸法から算出した設計上の初期姿勢位置に変更した後には、
   前記測定センサにおける５方向の前記測定面のうち、測定可能な３方向の前記測定面を用いて、前記第２加工面を加工するときの測定姿勢位置を測定し、
   刃先が前記第２加工面を加工するための前記初期姿勢位置に変更された前記加工具の刃先位置を、前記第２加工面用の前記初期姿勢位置と前記第２加工面用の前記測定姿勢位置とのずれ量に基づいて補正する
   ことを特徴とする刃先位置補正方法。
2. 請求項１に記載の刃先位置補正方法において、
   前記測定センサとしての非接触式の光センサは、５方向の前記基準座標位置を用いて補正を行う
   ことを特徴とする刃先位置補正方法。

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