JP5981029B2 - 工作機械の回転するスピンドルに装着された工具の回転速度を評価するための方法及びそのような工作機械 - Google Patents

工作機械の回転するスピンドルに装着された工具の回転速度を評価するための方法及びそのような工作機械 Download PDF

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Description

本発明は、工作機械の回転するスピンドルに装着された工具の回転速度を評価するための方法に関する。
特に、本発明は、有利に、しかし排他的でなく、影付け(shadow casting)視覚システムによって実行される工具の自動計測の工程に適用され得て、一般性を失うことなく、以下の説明で明確に言及される。
周知であるが、数値制御工作機械は、物品を加工するための工具を保持してそれを回転させるスピンドルを有する機械的構造と、3以上の移動軸に沿ってのスピンドルの移動及び工具の回転速度を、正確に制御する電子制御ユニットと、を有している。
工作機械の工具は、ひとたびそれがスピンドルに装着されるならば、その実効的な寸法を決定するために、または、ある程度の作動時間の後にその摩耗量を決定するために、それがその軸周りに高速回転している時にも、計測されなければならない。この目的のために、工作機械には、それ(工具)がそれ自身の軸周りに回転している間にその寸法を含む工具の幾何学的特徴を計測することを可能にする自動計測システムが、装備されている。
自動計測システムは既知であり、合焦されていない光の光源と、そこから一定の距離を隔てて当該光源の前方に位置付けられる2次元イメージセンサ、例えばCCDセンサと、を含む影付けの視覚システムを有している。使用時、計測される工具は、当該工具がそれ自身の軸周りに回転している間に、後者(イメージセンサ)の視野内でイメージセンサが工具の影の複数の画像を取得できるような態様で、光源とイメージセンサとの間に位置付けられなければならない。工具の幾何学的特徴は、視覚システムによって取得される画像に基づいて、計測される。
所望の計測を実行するために、視覚システムは、回転軸周りに回転している工具の画像を、一定の角度ステップで相互にあけられた異なる角度位置で、取得しなければならない。計測される工具の回転周期は、通常、イメージセンサのフレーム取得周期よりも大幅に短い。従って、所望される角度ステップで回転する工具の画像を取得するために、視覚システムは、工具が2つの連続的な取得の間で一定の整数の完全な回転と部分的な回転との和が所望の角度ステップであるように振る舞うように、ある取得周期に従って複数の画像を取得する。
所望される角度位置において実際に複数の画像を取得するために、工具の回転速度は、高精度で知られなければならない。実際、名目上または既知の速度と実際の速度との間の10000分の1の差分でさえ、大きな取得エラー、すなわち、所望される角度位置からかけ離れた角度位置での画像の取得をもたらす。
今までのところ、名目上の速度値からの実際の速度値の起こり得る逸脱を解決するために、2つの方法が本質的に知られている。第1の既知の方法は、最小数の取得と比較してはるかに余剰の多数の取得を行うことである。この第1の方法は、計測サイクルを実行するために許容されるそれ(実行時間)と比較して、余りに多くの実行時間が必要とされるため、しばしば、実行可能ではない。第2の既知の方法は、常に更新されて信頼できる速度のリアルタイムデータが利用可能であるような態様で、例えば、スピンドルに配置された速度センサまたは位置センサを使用することである。この第2の方法は、それがあまりに侵襲的であると考えられているため、多くの場合で好まれない。
本発明の目的は、工作機械の回転するスピンドルに装着された工具の回転速度を正確に決定するための方法であって、前述の不都合が無く、同時に、容易かつ安価に実行される方法を、提供することである。
本発明の、工作機械の回転するスピンドルに装着された工具の回転速度を評価するための方法によれば、添付の特許請求の範囲において請求される事項に従って、工作機械の回転するスピンドルに装着された工具の複数の画像を取得するための方法及び工作機械が、提供される。
本発明は、今、非限定的な例によって与えられる添付の数枚の図面を参照して、説明される。
本発明により提供される方法である、工作機械のスピンドルに装着された工具の回転速度を評価するための方法、を実行する視覚システムを有する数値制御工作機械を示している。 図1の工具の非常に概略的な拡大断面図であり、本発明の方法によって評価される回転速度の関数として算出される時間的リズムに従って工具の画像を取得することが所望される角度位置の一例を、示している。
数値制御(「NC」)工作機械は、図1において、参照1で総称的に示されており、工具3が装着されるスピンドル2と、当該工作機械1の数値制御を具現化する第1電子制御ユニット4と、を有している。第1電子制御ユニット4は、スピンドル2の回転速度を制御すること、及び、少なくとも1つの移動軸に沿って、典型的には、それ自体既知であり、今後図示されない専用のアクチュエータを通じて、3つのデカルト軸X、Y、及びZに沿って、スピンドル2の移動を制御し得る。
移動軸に沿ってのスピンドル2の移動の開始及び停止は、通常、第1制御ユニット4によって、制御される。しかしながら、移動軸に沿ってのスピンドル2の移動の停止は、代替的手続きに従って、一般に「スキップインプット」と呼ばれる第1制御ユニット4の特定のインプット5を通じて、外部ユニットによっても制御され得る。第1制御ユニット4は、移動軸に沿ったスピンドル2の位置を、例えば、インプット5における信号の関数として記録するようにも、セットアップされている。第1制御ユニット4は、通信インターフェース6、例えばイーサネット(登録商標)のネットワークのポート、を更に有している。
工作機械1は、当該工作機械1がスピンドル2をそれ自身の回転軸2a周りに回転させ続けている間に、工具3の幾何学的特徴、例えば寸法、を計測するようになっている視覚システム7を、有している。より具体的には、視覚システム7は、光源8とイメージセンサ9とを有しており、後者は、光源8の前方に、一定の距離を隔てて位置付けられている。イメージセンサ9は、移動軸に沿ってのスピンドル2の移動によって、後者(工具3)が光源8とイメージセンサ9との間に位置付けられている時に、工具3の複数の画像、より具体的には、工具3の影の複数の画像、を取得するようになっている。光源8及びイメージセンサ9は、共通の支持枠7a上に装着されている。光源8は、合焦されていない光のビームを生成し、イメージセンサ9は、例えば、CCDデジタルセンサを有している。
イメージセンサ9の視野は、工具3のための計測領域を、規定している。実際、工具3は、イメージセンサ9の視野内に回転する当該工具3を位置付け、当該視野の複数の画像を取得し、取得された複数の画像から、例えば、当該工具3の寸法を算出することによって、計測される。
本発明によれば、視覚システム7は、第1制御ユニット4に制御内容(controls)を送信するために、及び、データを交換するために、当該第1制御ユニット4に接続された第2電子制御ユニット10を、有している。より具体的には、第2制御ユニット10は、第1制御ユニット4のインプット5に接続可能なアウトプット11と、第1制御ユニット4の通信インターフェース6に接続可能な通信ポート12と、を含んでいる。図1では、第2制御ユニット10は、支持枠7a内に物理的に一体化されて示されているが、代わりに、支持枠7aから物理的に別個であり得る。
第1及び第2制御ユニット4及び10は、回転するスピンドルに装着された工具の回転速度を評価するための方法を実行するようにプログラムされており、当該方法は、本発明により提供され、以後において説明される。
スピンドル2の回転速度の名目上の値VN、すなわち名目上の速度値VNに中心合わせされた、回転速度の複数の予め選択される値VC、すなわち複数の予め選択される速度値VC、のインターバルが、実質的に規定される。複数の予め選択される値VCのそれぞれに対して、予め選択される値VCについて算出される時に、スピンドル2の1回転の周期TRの倍数に等しいように、及び、視覚システム7と調和するように、すなわち、イメージセンサ9の最大画像レート(つまり「フレームレート」)と調和するように、それぞれの画像取得周期TAが、決定される。名目上の値VNは、第1制御ユニット4で選択可能な速度である。簡易化のために、名目上の速度値VN上に中心合わせされた複数の予め選択される速度値のインターバルは、今後、時に、単に値の第1インターバルICNと呼ばれる。10000rpmの名目上の値の場合、第1インターバルICNは、例えば、9900rpm乃至10100rpmの全ての速度値を、1rpmステップで含んでいる。
第1制御ユニット4の制御の際に、スピンドル2は、名目上の速度値VNで回転されて、視覚システム7の視野内において位置付けられている。そのような回転の間に、視覚システム7によって、工具3の画像の複数の代表組(representative couples)が取得される。当該画像は、代表組の各々の中では、複数の予め選択される速度値VCのうちの1つに対応する画像取得周期TAで、画像が相互に時間的にあけられている。全ての複数の予め選択される速度値VCの中から選択されるように、名目上の速度値VNに関連付けられるべき評価速度値VSが、類似則に基づいて相互に最も類似する画像の代表組が対応するような、予め選択される速度値VCとして、決定される。すなわち、画像の各代表組について、2つの画像間の類似の程度を示す類似指数のそれぞれの値が算出され、類似則に基づいて互いに最も類似する画像の代表組が対応するその予め選択される速度値によって、評価速度値VSが表わされる。
類似則は、例えば、次の処理を含んでいる。画像の各代表組に対して、実数の代表マトリクスA、Bが規定される。当該実数の各々は、当該画像の各画素の輝度を代表している。画像の各代表組に対して、当該画像の代表組の2つの画像に関する2つのマトリクスA及びBの要素ごとの差分としての差分マトリックスCが取得され、当該差分マトリクスCのノルムNの値が、算出される。評価速度値VSは、全ての予め選択される速度値VCの中から選択され、ノルムNの最小値を与える画像の代表組に対応するその予め選択される速度値によって、表される。類似指数は、その後、ノルムNによって表される。
画像取得周期TAの、差分マトリクスCの計算及びノルムNの計算、並びに、評価速度値VSの評価は、例えば、第2制御ユニット10によって実行される。
本発明の更なる特徴によれば、第1及び第2制御ユニット4及び10は、工具の回転速度を評価するための本方法に基づいて、以下に説明される方法で、回転するスピンドルに装着された工具の複数の画像を取得するための方法を実行するように、セットアップされている。
スピンドル2が、名目上の速度値VNで回転されて、当該スピンドル2の実際の回転速度値VEが決定される。工具3の複数の画像が、時間的リズムTMにおいて、視覚システム7を通じて取得される。当該時間的リズムTMは、実際の速度値VEの関数として算出され、及び、2つの連続する取得の間で、工具3が整数の完全な回転と回転の部分との和が所望の角度ステップβであるように振る舞うようなものである。従って、取得された複数の画像は、工具3が軸2a周りに回転している間に、角度ステップβで相互にあけられている異なる角度位置で、当該工具3を示している。そのような方法で取得された画像は、その後、例えば、工具3の幾何学的特徴を計測するために、使用され得る。
図2において、工具3の軸2aに垂直な非常に概略的な断面図の例を用いて、参照13は、軸2aによって規定される平面の束に属する、いくつかの平面を示している。当該いくつかの平面は、角度ステップβ(図2によれば45°、非限定的な例と考えられる)で、相互に角度的にあけられている。それゆえ、取得された複数の画像は、複数の長手方向平面13によって規定される複数の角度位置において、常に工具3を示している。すなわち、複数の長手方向平面13は、工具3の複数の画像を取得するための複数のフレーム平面を、規定している。
本発明によれば、工具3の複数の画像を取得するための方法は、名目上の速度値VNに関連する第1評価速度値VS1を前述の回転速度を評価するための方法によって提供するために、較正段階、すなわち、回転速度値を較正する予備的段階、を含んでいる。実際の速度値VEは、第1評価速度値VS1の関数として、決定される。
例えば、実際の速度値VEは、第1評価速度値VS1に一致するか、あるいは、本発明の好ましい実施の形態によれば、第2評価速度値に一致する。当該第2評価速度値は、値の第1インターバルの代わりに、今後、値の第2インターバルICSと呼ばれる、第1評価速度値VS1に実質的に中心合わせられた複数の予め選択される速度値VCの第2インターバルに対して、回転速度を評価するための方法を適用することによって、得られる。換言すれば、前述の評価方法は、名目上の速度値VNが第1評価速度値VS1に置換され、値の第1インターバルICNが、値の第2インターバルICSに置換される、というような方法で変形されて、適用される。
典型的には、値の第2インターバルICSは、値の第1インターバルICNよりも狭く、有利なことに、第2インターバルICSの複数の予め選択される値VCは、第1インターバルICNのそれよりも少ない量で、相互にあけられ得る。例示的な実施の形態によれば、前述の第1インターバルICNは、1rpmで相互にあけられた約200の予め選択される速度値VCを含んでおり、第2インターバルICSは、0.5rpmで相互にあけられた約40の予め選択される速度値を、含んでいる。
回転速度値の較正段階は、第1制御ユニットによってスピンドル2に割り当てられた名目上の速度値VNと工具3が実際に回転する時の速度との間の誤差を、ほとんど修正することができる。実際の速度値VEを決定する段階は、本発明の好ましい実施の形態においては、回転速度を評価するための方法を値の第2インターバルICSに適用することによって、異なる角度位置における工具の複数の画像を取得する段階の開始時において実行され、可能性のある速度変化を短時間で修正することを、可能にする。
有利なことに、本発明の可能な選択の1つによれば、第2評価速度値VS2は、計算時間を削減するために、第2インターバルICSの全ての予め選択される速度値VCを解析することなく、取得され得る。より具体的には、画像取得周期TAの決定、画像のそれぞれの代表組の取得、及び、類似則の処理、を含む本手順は、相互に隣接し、2つの末端の数値を含む、少なくとも3つの予め選択される速度値VCのグループに対して、実行される。当該手順は、あるグループが、ある複数の予め選択される速度値VCc、すなわち、グループ内で互いに最も類似する画像の代表組に対応し、当該グループの2つの末端の数値とは異なる、予め評価された速度値VC、を含むということが見出された時に、停止される。グループの中央の値であり得て、いずれの場合にも、当該グループの最低及び最高の予め選択される速度値のいずれでもない、ある複数の予め選択される速度値VCcは、所望の第2評価速度値VS2を、規定する。より具体的には、時間ごとに3つの値VCの複数のグループに対して行われる第2インターバルICSの解析は、その3つの値の中央がノルムNの最小値を特徴付けるような3つの値VCのグループが見出された時に、停止される。
例えば、第2インターバルICSが2n+1の速度値を含む場合には、第2インターバルICSの速度値は、全ての自然数の列
{−n、・・・、−2、−1、0、1、2、・・・、n}
を想定する指数と共に、提供される。ここで、指数i=0は、第1評価速度値VS1に等しい中央の速度値を特定し、当該中央の値(i=0)から解析が開始する。その後、予め選択される速度値の第1のグループが、指数[−1、0、1]によって特定される。ノルムNは、指数i=[−1、0、1]によって規定される画像の3つの代表組に対して、算出される:指数i=0に関するノルムNの値が、他の2つの指数(グループの両端の値に対応する)についてのノルムNの値よりも小さい場合には、指数i=0についてのノルムNの値が最小であり、中央の速度値が所望される第2評価速度値である。そうでない場合には、指数i=[−2、−1、0]によって特定される予め選択される速度値の第2のグループに対して、解析が行われる。予め選択される速度値の第2のグループについてもなお、ノルムNの最小値が中央の値(指数i=−1)に一致しない場合には、指数i=[0、1、2]等によって特定される予め選択される速度値の第3のグループに対して、解析が行われ、最悪の場合、第2インターバルICSの全ての値の解析まで、行われる。
有利なことに、回転速度の値の較正段階は、対応する複数の評価速度値VSjを得るために、複数の名目上の速度値VNjに対して行われる。前述の評価方法によって取得される対応する評価速度値VSjを各名目上の速度値VNjに関連付けることによって、名目上の速度値VNj及び評価速度値VSjの組の表が埋められ、第2制御ユニット10の内部の情報記憶装置内に記録され得る。当該テーブルは、−実際の速度値VEを決定する段階の間−入力としての名目上の速度値VNを用いることによって、第1評価速度値VS1を決定するために、用いられる。
例えば、工具3の画像の複数の代表組を取得する操作に関して、単純で非限定的な例によってこれまで説明及び描写された事項の変形が、可能である。スピンドル2の回転中に、工具3の無効(null)または非常に小さな割合を示し得る画像に起因する、可能性のある問題を相殺するために、工具3の画像の複数の試験的な組のセット、より具体的には、複数の予め選択される速度値VCのうちの1つに対応する各画像取得周期TAの複数の試験的な組のセットが、視覚システム7によって取得される。各セット内においては、異なる試験的な組は、関連する画像取得周期TAの一部で、相互に時間的にあけられており、各試験的な組の画像は、当該画像取得周期TAで、相互に時間的にあけられている。その後、例えば、関連する画像の試験的な組において実際に視認可能な工具3の割合に応じた信頼指数が、各試験的な組に割り当てられ得る。本発明のこの異なる実施の形態によれば、例えば、信頼指数に基づいて複数の試験的な組のうちの1つを選択することによって、あるいは、好ましくは相対的な信頼指数を考慮していわゆる累積画像の代表組を規定することによって、あるセットの複数の試験的な組の1つから、工具3の画像の複数の代表組の各々が、得られる。前記累積画像は、1セットの画像の複数の試験的な組の関数―各試験的な組からの1つの画像―、例えば加重平均、として算出され得る。
本発明による、回転するスピンドルに装着された工具の回転速度を評価するための方法の主な利点は、極めて迅速な処理を通じて非常に低いエラー率で、工作機械の変形または補助装置の追加の必要なく、速度値を得ることである。当該利点は、工具の幾何学的特徴を計測するために、その間にある角度ステップで相互にあけられている異なる角度位置で当該工具の複数の画像が取得されるという、回転するスピンドルに装着された工具の画像を取得するための方法において、特に有用である。

Claims (13)

  1. 工具(3)が回転している間に当該工具(3)の複数の画像を取得する視覚システム(7)を用いることによって、工作機械の回転するスピンドルに装着された当該工具の回転速度を評価するための方法であって、
    −前記スピンドル(2)の回転速度の名目上の速度値(VN)に実質的に中心合わせされた、回転速度の複数の予め選択される速度値(VC)の第1インターバル(ICN)を規定する工程と、
    −前記複数の予め選択される速度値の各々に対して、当該予め選択される速度値(VC)について算出される時に、前記スピンドル(2)の1回転の周期(TR)の倍数に等しいように、及び、前記視覚システムと調和する(compatible)ように、それぞれの画像取得周期(TA)を決定する工程と、
    −前記名目上の速度値(VN)で前記スピンドル(2)を回転させ、前記視覚システム(7)の視野内において前記工具(3)を位置決めする工程と、
    −前記視覚システム(7)によって、前記工具(3)の画像の複数の代表組(representative couple)であって、代表組の各々の中では前記複数の予め選択される速度値(VC)の1つに対応する前記画像取得周期(TA)で画像が相互に時間的にあけられている、という画像の複数の代表組を取得する工程と、
    −全ての前記複数の予め選択される速度値の中から選択されるように、前記名目上の速度値(VN)に関連付けられるべき評価速度値(VS)を、類似則に基づいて互いに最も類似する画像の代表組が対応するような予め選択される速度値として、決定する工程と、
    を備えた方法。
  2. 前記類似則は、
    −画像の各代表組の各画像に対して、実数のマトリクス(A、B)であって、当該実数の各々が前記画像のそれぞれの画素の輝度の代表である、というマトリクス(A、B)を規定する工程と、
    −画像の各代表組に対して、当該画像の代表組の2つの画像に関する前記2つのマトリクス(A、B)の差分(difference)として、差分マトリクス(C)を得る工程と、
    −前記差分マトリクス(C)のノルム(N)のそれぞれの値を算出する工程と、
    −前記ノルム(N)の最小値が対応する予め選択される速度値(VC)を、評価速度値(VS)として選択する工程と、
    を有している
    ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記視覚システム(7)によって、前記工具(3)の画像の複数の代表組を取得する工程は、
    −前記視覚システム(7)によって、前記工具(3)の画像の複数の試験的な組のセットを取得する工程であって、当該セットのそれぞれにおいて、
    ・前記複数の試験的な組の各々の画像は、前記関連する予め選択される速度値(VC)の1つに対応する前記画像取得周期(TA)で、相互に時間的にあけられており、
    ・前記複数の試験的な組同士は、同一の画像取得周期(TA)の分数相当(fraction)で、相互に時間的にあけられている
    という工程と、
    −前記複数の試験的な組のセットのうちの1つから、前記工具(3)の画像の複数の代表組の各々を得る工程と、
    を有している
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  4. 各試験的な組に、信頼指数(reliability index)が割り当てられており、
    前記信頼指数は、前記試験的な組の各画像において実際に視認可能な前記工具(3)の割合(percentage)に依存している
    ことを特徴とする請求項3に記載の方法。
  5. 前記工具(3)の画像の前記複数の代表組の各々は、前記信頼指数に基づいて、1セットの複数の試験的な組から、1組を選択することによって、取得される
    ことを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. 前記工具(3)の画像の前記複数の代表組の各々は、複数の累積画像の代表組を規定することによって取得され、
    前記複数の累積画像は、1セットの複数の試験的な組の画像の関数として、前記複数の累積画像の各々についての各試験的な組からの1つの画像として、算出される
    ことを特徴とする請求項3または4に記載の方法。
  7. 工作機械の回転するスピンドルに装着された工具の複数の画像を取得するための方法であって、
    −名目上の速度値(VN)で前記スピンドル(2)を回転させる工程と、
    −前記スピンドル(2)の回転速度の実際の速度値(VE)を決定する工程と、
    −視覚システム(7)によって、前記実際の速度値(VE)の関数として算出される時間的リズムであって、取得される複数の画像が角度ステップ(β)で相互にあけられている異なる角度位置で当該工具(3)を表すような態様で、2つの連続的な取得の間で、工具(3)が1以上の完全な回転と回転の分数相当との和が所望の当該角度ステップ(β)であるように振る舞うというような時間的リズム(temporal cadence)(TM)で、前記工具(3)の複数の画像を取得する工程と、
    を備え、
    請求項1乃至6のいずれかに記載の方法を用いて、前記名目上の速度値(VN)に関連付けられるべき第1評価速度値(VS1)が取得される、という較正段階を有しており、
    前記実際の速度値(VE)は、前記第1評価速度値(VS1)の関数として決定される
    ことを特徴とする方法。
  8. 前記実際の速度値(VE)は、前記第1評価速度値(VS1)に一致している
    ことを特徴とする請求項7に記載の方法。
  9. 前記実際の速度値(VE)は、請求項1または2に記載の方法によって得られる第2評価速度値(VS2)であって、前記名目上の速度値(VN)が前記第1評価速度値(VS1)に置換され、及び、複数の予め選択される速度値の前記第1インターバル(ICN)が前記第1評価速度値(VS1)に実質的に中心合わせされた予め選択される速度値の第2インターバル(ICS)に置換される、というように修正された第2評価速度値(VS2)に、一致している
    ことを特徴とする請求項7に記載の方法。
  10. 複数の予め選択される速度値の前記第2インターバル(ICS)は、予め選択される速度値の前記第1インターバル(ICN)よりも、狭い
    ことを特徴とする請求項9に記載の方法。
  11. 前記第2評価速度値(VS2)は、
    前記画像取得周期(TA)の決定、前記画像の代表組の取得、及び、前記類似則の処理、を含む手順が、
    −相互に隣接し、2つの末端の数値(end values)を含む、少なくとも3つの予め選択される速度値(VC)、の複数のグループで、実行され、
    −前記複数のグループのうちのあるグループが、当該あるグループ内で相互に最も類似する画像の代表組が対応し、当該あるグループの前記2つの末端の数値とは異なる、ある予め選択される速度値を含んでいる、ということが見出された時に、停止される
    というように修正された請求項1または2に記載の方法で取得され、
    前記ある予め選択される速度値が、前記第2評価速度値(VS2)を規定する
    ことを特徴とする請求項9または10に記載の方法。
  12. 工具(3)が装着されているスピンドル(2)と、
    前記スピンドル(2)の回転速度を制御するようになっている第1電子制御ユニット(4)と、
    前記工具(3)が回転している間に、当該工具(3)の複数の画像を取得するための視覚システム(7)と
    を備え、
    前記視覚システム(7)は、前記第1制御ユニット(4)と通信するように接続されている第2電子制御ユニット(10)を有しており、
    前記第1制御ユニット(4)及び前記第2制御ユニット(10)は、請求項1乃至6のいずれかによる工具の回転速度を評価するための方法を実行するように、構成されている
    ことを特徴とする工作機械(1)。
  13. 前記第1制御ユニット(4)及び前記第2制御ユニット(10)は、請求項7乃至11のいずれかによる工具の複数の画像を取得するための方法を実行するように、構成されている
    ことを特徴とする請求項12に記載の工作機械。
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