JP5916486B2 - ワークの位置測定方法および位置測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークの位置測定方法および位置測定装置工作機械の工具交換装置に関し、特に小型化対策に係るものである。

スピンドルを回転させてワークを加工する工作機械では、ワークの位置を検出（測定）する方法として、例えば特許文献１に開示されるような方法が知られている。この特許文献１では、スピンドルにＡＥセンサが内蔵されており、工具が装着されたスピンドルをワークへ近付けてゆき、工具がワークに接触すると、ＡＥセンサがその接触を検知する。ＡＥセンサは、これにより、ワークの位置が検出される。

特開２００９−２４８２５３号公報

ところで、上述した方法では、スピンドルを回転させた状態で工具をワークに接触させるようにしている。これは、実際の加工時ではスピンドは回転による発熱で熱膨張し幾分か伸びることから、その伸びた分の誤差が生じないように、ワークの位置測定時にも加工時と同じ条件でスピンドルを回転させる必要があるからである。しかしながら、このような方法ではワークに傷が付いてしまうという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ワークを傷つけることなく、高精度にワークの位置を測定することが可能な方法および装置を提供することにある。

第１の発明に係るワークの位置測定方法は、電気的に絶縁性を有する軸受によって回転可能に支持されたスピンドルが、載置されたワークまで移動して該ワークを加工する工作機械におけるワークの位置測定方法を対象としている。そして、本発明に係る位置測定方法は、前記スピンドルの先端に導電性のタッチプローブを装着すると共に、前記スピンドルと前記ワークとに抵抗測定器を電気的に接続した状態で、前記スピンドルを回転させずに基準位置から前記ワークまで移動させ、前記抵抗測定器によって電気抵抗が測定されたときの前記タッチプローブの先端位置Ｚ１を測定するステップと、無回転状態の前記スピンドルが前記基準位置に位置する状態で、前記スピンドルにおける前記タッチプローブの先端位置Ｚ２を測定するステップと、前記タッチプローブに代えて加工時に使用する工具を前記スピンドルの先端に装着した後、前記工具の先端が前記タッチプローブの先端位置Ｚ２に到達するまで、前記スピンドルを回転させた状態で前記基準位置から移動させてその移動距離Ｌ２を測定するステップと、前記タッチプローブの先端位置Ｚ１および先端位置Ｚ２の差Ｌ１と、前記移動距離Ｌ２とを加算して、前記基準位置から前記ワークまでの前記スピンドルの移動距離Ｌを算出するステップとを備えているものである。

第２の発明に係るワークの位置測定装置は、電気的に絶縁性を有する軸受によって回転可能に支持されたスピンドルが、載置されたワークまで移動して該ワークを加工する工作機械におけるワークの位置測定装置を対象としている。そして、本発明に係る位置測定装置は、前記スピンドルの先端に装着する導電性のタッチプローブと、前記スピンドルと前記ワークとに電気的に接続され、無回転状態の前記スピンドルが基準位置から前記ワークまで移動して前記タッチプローブの先端が前記ワークに接触したことを検知して前記タッチプローブの先端位置Ｚ１を測定する抵抗測定器と、無回転状態の前記スピンドルが前記基準位置に位置する状態で前記スピンドルにおける前記タッチプローブの先端位置Ｚ２を測定すると共に、前記タッチプローブに代えて加工時に使用する工具を前記スピンドルの先端に装着して該スピンドルを回転させた状態で、前記工具の先端が前記タッチプローブの先端位置Ｚ２に到達するまで前記スピンドルが前記基準位置から移動する移動距離Ｌ２を測定する測定部と、前記タッチプローブの先端位置Ｚ１および先端位置Ｚ２の差Ｌ１と、前記移動距離Ｌ２とを加算して、前記基準位置から前記ワークまでの前記スピンドルの移動距離Ｌを算出する算出部とを備えているものである。

以上のように、本発明によれば、抵抗測定器を用いてタッチプローブとワークとの接触を検知し、且つ、タッチプローブを回転させずにワークと接触させるようにした。さらに、実際の加工時に使用する工具を回転させた状態でのスピンドルの移動距離を測定するようにした。これらにより、ワークを傷つけることなく、スピンドルの回転による伸びを考慮した高精度なワークの位置測定を行うことが可能となる。

実施形態の位置測定装置を備える工作機械の構成を示す正面図である。 実施形態の位置測定装置を備える工作機械の構成を示す平面図である。 実施形態の位置測定装置の構成を概略的に示す模式図である。 実施形態の位置測定方法を示すフローチャートである。 位置測定方法を説明するための模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１および図２に示すように、本実施形態は、本発明に係るワークＷの位置測定装置６０を備えた工作機械１である。この工作機械１は、例えばＮＣ工作機械である。なお、以下の説明において、「前」および「後」はそれぞれ図２における「下側」および「上側」を意味する。

〈工作機械の全体構成〉
工作機械１は、ベッド１１と、このベッド１１の後方側で立設するコラム１２とを備えている。

コラム１２の前面には、一対のＺ軸リニアガイド２２が取り付けられている。Ｚ軸リニアガイド２２は、Ｚ軸テーブル２３の後面側に係合して、このＺ軸テーブル２３をＺ軸方向（鉛直方向、上下方向）に往復移動可能に案内する部材である。一対のＺ軸リニアガイド２２は、それぞれＺ軸方向に延びると共に、Ｘ軸方向に間隔を空けて並設されている。一対のＺ軸リニアガイド２２の間には、サーボモータ２１の駆動軸２０がＺ軸方向に延びるように配設されており、Ｚ軸テーブル２３の後面側において駆動軸２０とＺ軸テーブル２３とは互いに係合している。これによって、サーボモータ２１が正転、逆転駆動することに伴い、Ｚ軸テーブル２３はＺ軸方向に往復移動するようになっている。

Ｚ軸テーブル２３の前面には、一対のＸ軸リニアガイド２６が取り付けられている。Ｘ軸リニアガイド２６は、Ｘ軸テーブル２７の後面側に係合して、このＸ軸テーブル２７をＸ軸方向（水平方向）に往復移動可能に案内する部材である。一対のＸ軸リニアガイド２６は、それぞれＸ軸方向に延びると共に、Ｚ軸方向に間隔を空けて並設されている。一対のＸ軸リニアガイド２６の間には、サーボモータ２５の駆動軸２４がＸ軸方向に延びるように配設されており、Ｘ軸テーブル２７の後面側において駆動軸２４とＸ軸テーブル２７とは互いに係合している。これによって、サーボモータ２５が正転、逆転駆動することに伴い、Ｘ軸テーブル２７はＸ軸方向に往復移動するようになっている。

Ｘ軸テーブル２７の前面には、クランプ装置４０が固定されている。クランプ装置４０のスピンドル４２（主軸）はＺ軸方向に延びるように配設されており、その下端にはドリル等の工具Ｔが着脱可能に取り付けられている。上述したように、Ｚ軸テーブル２３がＺ軸方向に往復移動可能であると共に、Ｘ軸テーブル２７がＸ軸方向に往復移動可能であることから、クランプ装置４０は、サーボモータ２１，２５の正転駆動および逆転駆動に伴い、Ｘ軸方向およびＺ軸方向のそれぞれの方向について往復移動をすることが可能である。

ベッド１１の上面には、一対のＹ軸リニアガイド３２が取り付けられている。Ｙ軸リニアガイド３２は、Ｙ軸テーブル３１の下面側に係合して、このＹ軸テーブル３１をＹ軸方向（奥行き方向）に往復移動可能に案内する部材である。一対のＹ軸リニアガイド３２は、それぞれＹ軸方向に延びると共に、Ｘ軸方向に間隔を空けて並設されている。一対のＹ軸リニアガイド３２の間には、図示しないが、サーボモータの駆動軸が、Ｙ軸方向に延びるように配設されており、Ｙ軸テーブル３１の下面側と係合している。これによって、サーボモータが正転、逆転駆動することに伴い、Ｙ軸テーブル３１はＹ軸方向に往復移動するようになっている。Ｙ軸テーブル３１は、その上面にワークＷが載置されるワーク用テーブルである。

工具交換装置５０は、Ｚ軸テーブル２３よりも前方側の右側（正面から視て右側）の位置であって所定の高さに配置されている。なお、図示しないが、工具交換装置５０は架台を介してベッド１１やコラム１２等に固定支持されている。

工具交換装置５０は、モータ５１と工具マガジン５２を備えている。工具マガジン５２は、マガジン本体５３を有している。マガジン本体５３は、円板状に形成され、その中心軸がＺ軸方向（鉛直方向）に延びるように配設されている。マガジン本体５３には、モータ５１の駆動軸が連結されている。そして、マガジン本体５３の外周部には、その周方向に多数（例えば、本実施形態では図２に示すように８個）のチャック５４が等間隔で配列されている（取り付けられている）。各チャック５４は、略Ｕ字状に形成されており、その開口側がマガジン本体５３の径方向外方へ向くように取り付けられている。各チャック５４は、クランプ装置４０のスピンドル４２に装着する工具Ｔを着脱可能に把持（保持）する工具保持部を構成している。

工具マガジン５２は、モータ５１の駆動によって、図２に示すように上方から視て左回りに回転するように構成されている。具体的に、モータ５１は、多数のチャック５４のうち所定のチャック５４が工具の交換位置（図２参照）へ移動するように工具マガジン５２を回転させる、工具の割り出し用モータである。この交換位置までクランプ装置４０が移動して（図２に二点鎖線で示す状態）、クランプ装置４０のスピンドル４２と工具マガジン５２のチャック５４との間で、工具Ｔの受け渡し（工具Ｔの交換）が行われる。具体的に、クランプ装置４０は、チャック５４から工具Ｔを受けて把持し（クランプ状態）、工具Ｔをチャック５４に渡すために解放する（アンクランプ状態）。

〈位置測定装置の構成〉
工作機械１には、ワークＷの位置測定装置６０が設けられている。図３に示すように、上述したクランプ装置４０では、スピンドル４２が軸受４６によって回転可能に支持されている。そして、この軸受４６は、電気的に絶縁性を有するものであり、例えばセラミックベアリングにより構成されている。

位置測定装置６０は、空気圧ポンプ６１と、切換弁６２と、通電器６３と、抵抗測定器６６と、レーザ測定器６８（図１および図２も参照。）と、タッチプローブＴａと、コントローラ７０とを備えている。

抵抗測定器６６は、一方の端子側が電気配線６７によってワークＷと電気的に接続されており、他方の端子側が電気配線６７によって通電器６３と電気的に接続されている。通電器６３は、電気配線６７を介して抵抗測定器６６と電気的に接続された電極棒６４を有している。また、通電器６３には、空気配管６５を介して空気圧ポンプ６１が接続されている。空気配管６５の途中には、切換弁６２が接続されている。切換弁６２は、電磁式開閉弁である。通電器６３は、電極棒６４が進退動作するように構成されている。具体的に、通電器６３では、電極棒６４がバネ部材によって後退方向に付勢されており、空気圧ポンプ６１から空気が供給されることによって電極棒６４が前進する。電極棒６４は、前進するとスピンドル４２と接触して、該スピンドル４２と抵抗測定器６６とが電気的に接続された状態となる。タッチプローブＴａは、ワークＷの位置測定時にスピンドル４２の先端に装着されるものであり、導電性を有する部材である。なお、スピンドル４２が導電性を有する部材で構成されていることは勿論である。

抵抗測定器６６は、図３に示すように、電極棒６４とスピンドル４２とタッチプローブＴａとワークＷとが一つの電気的な閉回路が構成されると、抵抗値を検出してタッチプローブＴａの先端位置を測定するものである。レーザ測定器６８は、ワークＷの位置測定時において、スピンドル４２の先端に装着されたタッチプローブＴａおよび工具Ｔの先端位置を測定するためのものであり、本発明に係る測定部を構成している。コントローラ７０は、抵抗測定器６６およびレーザ測定器６８のそれぞれから測定値が入力され、加工時に必要なスピンドル４２の移動距離（言い換えると、ワークＷの位置）を算出するものであり、本発明に係る算出部を構成している。コントローラ７０の算出動作について後で詳細に説明する。

なお、レーザ測定器６８は、図１および図２に示すように、ワークＷと同様にＹ軸テーブル３１の上面に固定されている。

〈ワークＷの位置測定方法〉
上述した位置測定装置６０では、図４にしめすフローチャートに基づいてワークＷの位置が測定される。

先ず、ステップＳＴ１では、基準位置に位置するスピンドル４２の先端にタッチプローブＴａが装着される。ここで言う基準位置とは、例えばクランプ装置４０がスタンバイ位置に位置するときのスピンドル４２の位置である。そして、空気圧ポンプ６１が駆動されると共に切換弁６２が開かれる。つまり、切換弁６２はワークＷの位置を測定する以外の通常運転では常に閉じられている。空気圧ポンプ６１に駆動によって空気が通電器６３へ供給されると、電極棒６４が先進してスピンドル４２と接触する。これにより、スピンドル４２およびタッチプローブＴａが抵抗測定器６６と電気的に接続された状態となる。ここで、軸受４６は電気的な絶縁性を有しているため、スピンドル４２から位置測定装置６０以外の部材へ電気が流れてしまうことはない。

この状態で、図５（Ａ）に示すように、スピンドル４２がスタンバイ位置（基準位置）からワークＷへ向かって移動する。なお、このときスピンドル４２は回転していない（無回転状態である。）。そして、タッチプローブＴａの先端がワークＷに接触すると、抵抗測定器６６とスピンドル４２とタッチプローブＴａとワークＷとが一つの電気的な閉回路が構成される。そうすると、抵抗測定器６６において電気抵抗が検知される。つまり、本実施形態では、抵抗測定器６６が電気抵抗を検知すると、タッチプローブＴａがワークＷに接触したと判定している。これによって、ワークＷの接触検知が行われる。

続いて、ステップＳＴ２において、抵抗測定器６６によって電気抵抗が検知されたときのタッチプローブＴａの先端位置Ｚ１が測定され、その測定値がコントローラ７０へ入力される。

続いて、ステップＳＴ３では、図５（Ｂ）に示すように、スピンドル４２が移動してスタンバイ位置（基準位置）まで戻る。なお、このとき、スピンドル４２はＸ軸方向においてレーザ測定器６８に対応する位置に移動する。また、スピンドル４２は回転していない（無回転状態である。）。そして、この状態で、スピンドル４２におけるタッチプローブＴａの先端位置Ｚ２がレーザ測定器６８によって測定され、その測定値がコントローラ７０へ入力される。

続いて、ステップＳＴ４では、コントローラ７０において、入力された測定値Ｚ１とＺ２の差Ｌ１が算出される。

続いて、ステップＳＴ５では、スピンドル４２がスタンバイ位置に位置する状態で、タッチプローブＴａに代えて加工時に使用する工具Ｔをスピンドル４２の先端に装着して回転させる。

続いて、ステップＳＴ６では、図５（Ｃ）に示すように、工具Ｔの先端がタッチプローブＴａの先端位置Ｚ２に到達するまで、スピンドル４２を回転させた状態でスタンバイ位置から移動させる。そして、このときのスピンドル４２の移動距離Ｌ２が測定され、その測定値がコントローラ７０へ入力される。

続いて、ステップＳＴ７では、コントローラ７０において、上述した差Ｌ１と移動距離Ｌ２とを加算して、スタンバイ位置からワークＷまでのスピンドル４２の移動距離Ｌが算出される。これにより、加工時に必要なスピンドル４２（クランプ装置４０）の移動距離、即ちワークＷの位置（Ｚ軸方向の位置）が測定される。

以上のように、本実施形態では、抵抗測定器６６を用いてタッチプローブＴａとワークＷとの接触を検知し、且つ、タッチプローブＴａを回転させずにワークＷと接触させるようにした。さらに、実際の加工時に使用する工具Ｔを回転させた状態でのスピンドル４２の移動距離を測定するようにした。これらにより、ワークＷを傷つけることなく、スピンドル４２の回転による伸びを考慮した高精度なワークＷの位置測定を行うことが可能となる。

また、従来のように、高価なＡＥセンサを用いなくてもよいので、ワークＷの位置測定を安価に行うことができる。

なお、本実施形態では、Ｚ軸方向のワークＷの位置測定について説明したが、図示はしないが、Ｘ軸方向やＹ軸方向についても上記と同様の測定方法を用いることにより、ワークＷを傷つけずにワークＷの位置や加工基準を高精度に測定することができる。

以上説明したように、本発明は、回転するスピンドルによって加工されるワークの位置測定方法および位置測定装置について有用である。

１ 工作機械
４２ スピンドル
４６ 軸受
６０ 位置測定装置
６６ 抵抗測定器
６８ レーザ測定器（測定部）
７０ コントローラ（算出部）
Ｔ 工具
Ｔａ タッチプローブ

Claims (2)

1. 電気的に絶縁性を有する軸受によって回転可能に支持されたスピンドルが、載置されたワークまで移動して該ワークを加工する工作機械におけるワークの位置測定方法であって、
   前記スピンドルの先端に導電性のタッチプローブを装着すると共に、前記スピンドルと前記ワークとに抵抗測定器を電気的に接続した状態で、前記スピンドルを回転させずに基準位置から前記ワークまで移動させ、前記抵抗測定器によって電気抵抗が測定されたときの前記タッチプローブの先端位置Ｚ１を測定するステップと、
   無回転状態の前記スピンドルが前記基準位置に位置する状態で、前記スピンドルにおける前記タッチプローブの先端位置Ｚ２を測定するステップと、
   前記タッチプローブに代えて加工時に使用する工具を前記スピンドルの先端に装着した後、前記工具の先端が前記タッチプローブの先端位置Ｚ２に到達するまで、前記スピンドルを回転させた状態で前記基準位置から移動させてその移動距離Ｌ２を測定するステップと、
   前記タッチプローブの先端位置Ｚ１および先端位置Ｚ２の差Ｌ１と、前記移動距離Ｌ２とを加算して、前記基準位置から前記ワークまでの前記スピンドルの移動距離Ｌを算出するステップとを備えている
   ことを特徴とするワークの位置測定方法。
2. 電気的に絶縁性を有する軸受によって回転可能に支持されたスピンドルが、載置されたワークまで移動して該ワークを加工する工作機械におけるワークの位置測定装置であって、
   前記スピンドルの先端に装着する導電性のタッチプローブと、
   前記スピンドルと前記ワークとに電気的に接続され、無回転状態の前記スピンドルが基準位置から前記ワークまで移動して前記タッチプローブの先端が前記ワークに接触したことを検知して前記タッチプローブの先端位置Ｚ１を測定する抵抗測定器と、
   無回転状態の前記スピンドルが前記基準位置に位置する状態で前記スピンドルにおける前記タッチプローブの先端位置Ｚ２を測定すると共に、前記タッチプローブに代えて加工時に使用する工具を前記スピンドルの先端に装着して該スピンドルを回転させた状態で、前記工具の先端が前記タッチプローブの先端位置Ｚ２に到達するまで前記スピンドルが前記基準位置から移動する移動距離Ｌ２を測定する測定部と、
   前記タッチプローブの先端位置Ｚ１および先端位置Ｚ２の差Ｌ１と、前記移動距離Ｌ２とを加算して、前記基準位置から前記ワークまでの前記スピンドルの移動距離Ｌを算出する算出部とを備えている
   ことを特徴とするワークの位置測定装置。

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