JP6297283B2 - 工作機械の工具オフセット値の自動設定装置及び自動設定方法 - Google Patents

Description

この発明は、ＮＣ工作機械の刃物台と当該刃物台に装着された工具刃先との相対位置関係を自動設定する方法及び装置に関するもので、特に複数のタレット刃物台や自動工具交換装置を備えたＣＮＣ旋盤に好適な上記方法及び装置に関するものである。

ＮＣ工作機械は、ＮＣ装置に登録された加工プログラムの指令に基づいて刃物台の位置を制御することによりワークの加工を行っている。実際にワークを加工するのは刃物台に装着された工具の刃先であるから、ＮＣ装置が制御している刃物台の位置と刃先位置との相対位置関係が分からなければ正しい形状に加工することができない。

そこで、刃物台に工具を装着した後、刃物台の基準位置（ＮＣ装置が認識する刃物台の座標）と工具刃先の位置（座標）との偏差を示す工具オフセット値を刃物台に装着された各工具について計測してＮＣ装置に登録し、ワークを加工するときは刃物台の位置をそのときどきに使用されている工具の工具オフセット値に対応する量だけシフト（オフセット）した位置にして加工を行う。工具オフセット値の計測は、工具の刃先の移動領域内の所定位置にツールセッタを設置し、刃物台を移動してツールセッタの接触センサに工具の刃先が接触したときの刃物台の位置を読み取ることによって行っている。

ツールセッタの設置や当該ツールセッタへ工具の刃先を接触させる操作は、一般には手動で行われている。しかし、複数のタレット刃物台を備えた旋盤や自動工具交換装置を備えた複合旋盤などでは、多数の工具が使用されるため、工具オフセット値の設定作業は大変な作業になる。そこで、工作機械の機内にツールセッタを進退可能に設け、このツールセッタを加工領域内に自動で進出させ、進出したツールセッタに各工具の刃先を自動で接触させて工具オフセット値を自動で設定する試みも為されている。

一方、加工プログラムの検査やワーク加工中の工具とワークや他の刃物台などとの干渉（衝突）を回避するために、加工ブログラム、干渉チェックプログラム、機械やワークの形状データ、各工具の形状データ等をＮＣ装置に接続したＰＣ（パソコン）に登録し、実際のワークの加工前に加工プログラムで指令された動作をＰＣ内で仮想的に行って、ワークの仕上がり形状の確認や加工中の工具や刃物台の干渉をチェックすることが行われている。

従来の工具オフセット値の自動設定において、ツールセッタを自動で工作機械の加工領域内に進出させることは容易に実現できる。しかし、ツールセッタの接触センサは１ｍｍ四方ほどしか無く、かつ接触の検出は工具を直ちに停止できる低速で接触センサに接近させねばならないから、接触手前の１ｍｍ程度の位置に工具刃先を移動してから接触動作に入らないと刃先の検出に多大な時間を要することになる。

従って、各工具の刃先をツールセッタに接触させる際には、ＮＣ装置に刃物台と工具刃先の位置関係を１ｍｍ程度の誤差の範囲で予め登録しておかねばならない。工具は多種多様であり、工具を刃物台に装着する際に用いる工具ホルダにも種類があるので、これらを人手で間違いなくＮＣ装置に登録する作業にはやはり多大な時間を要すると共に、入力ミスをすると、自動計測ができなかったり、工具をツールセッタや他の機器に衝突させて機械の破損を招く。

そのため、ツールセッタによる工具刃先の検出は、自動化が困難で、自動検出手段が用意されている工作機械でも手動で行われることが多く、工具本数が多くなると大変に手間と時間がかかる作業になり、オペレータの作業負担も大きかった。

また、干渉チェックプログラムで工具の干渉チェックを行う場合には、刃物台に装着した工具及び工具ホルダの形状データを予めＰＣに登録しておかなければならない。自動工具交換装置や複数のタレット刃物台を備えた旋盤では、多数の工具が使用されるので、それらの工具についての形状データを登録するのに大変手数がかかり、入力ミスがあると適切な干渉チェックが行われず、チェックしたにもかかわらず干渉が起こったり、干渉するという警告が形状データの入力ミスに起因するもので実際には干渉が起こらないなどと言うことが起こる。そのため、干渉チェックプログラムが搭載されているにもかかわらず、あまり使用されていないという実情もある。

この発明は、多数の工具が装着される工作機械における工具オフセット値の設定を全自動で行うことを可能にする技術手段を得ることを課題として為されたもので、ワークの加工に多数の工具が使用されるタレット旋盤や自動工具交換装置を備えた旋盤における工具オフセット値の設定作業負担と設定ミスを無くすることが可能な工具オフセット値の自動設定方法及び装置を提供するものである。

この発明は、刃物台１５に装着されている工具２をカメラ４１やレーザー測長器４（４ａ〜４ｄ）で１ｍｍ以下の精度で計測して当該工具の形状データと、当該工具の形状に対応する刃先位置を登録したデータテーブル６と、加工プログラム５１に指定されている工具の刃先方向を示すデータ（刃先補正番号）とを用いて仮の工具オフセット値を設定し、この仮の工具オフセット値を用いてツールセッタ２１に工具の刃先を自動で接触させることにより正確な工具オフセット値を取得してＮＣ装置５に設定することにより、多数の工具２の工具オフセット値を全自動で設定可能にしたものである。

更に、カメラ４１やレーザー測長器４で取得した工具の形状データを用いて干渉チェックプログラム６２で干渉チェックを行うことにより、工具形状データの入力作業の繁雑さや入力ミスを解消して、干渉チェックをより簡単に行うことができるようにしたものである。

この発明の工作機械の工具オフセット値の自動設定装置は、工作機械の刃物台１５に装着した工具２の刃物台１５の移動平面と直交する方向から見た形状データを取得するカメラ４１やレーザー測長器４などの工具形状取得手段と、仮の工具オフセット値を演算するオフセット値演算手段６５と、ツールセッタ２１及び当該ツールセッタを退避位置と工具刃先の検出位置とに進退させる進退装置２２と、オフセット値演算手段６５が演算した仮の工具オフセット値を用いて各工具の刃先を検出位置にあるツールセッタ２１に接触させる刃先検出手段５３と、刃先が検出されたときの刃物台１５の位置から工具オフセット値を求めてＮＣ装置５に設定するオフセット値設定手段５４とを備えている。

オフセット値演算手段６５は、取得した工具の形状データと、加工プログラム５１で用いられている工具の刃先補正番号と、工具の形状に対応する刃先位置を登録したデータテーブル６６とから、仮の工具オフセット値を演算する。

加工プログラムに基づくワークの加工を仮想的に実行するシミュレーション手段６１を備えた工作機械では、オフセット値演算手段６５が演算した仮の工具オフセット値を用いて加工動作をシミュレーションした後で、ツールセッタ２１による工具刃先の検出とオフセット値設定手段５４によるＮＣ装置５への工具オフセット値の登録を行う。

また、加工中における工具２と加工領域内のワークないし工作機械の機械部分１１〜１６との干渉を検出する干渉チェック手段６２を備えた工作機械では、当該干渉チェック手段による干渉チェックを行った後で、ツールセッタ２１による工具刃先の検出とオフセット値設定手段５４によるＮＣ装置５への工具オフセット値の登録を行う。

この発明の装置を用いて行う工具オフセット値の自動設定方法は、機内に設置したカメラ４１の画像又はレーザー測長器４の測定値に基づいて加工に使用する全ての工具２についての形状データを取得し、当該形状データと加工プログラムで用いられた各工具の刃先の方向を示すデータ、及び、工具の形状に対応する刃先位置を登録したデータテーブル６６とに基づいて各工具についての仮の工具オフセット値を求め、ツールセッタ２１を所定位置に進出し、当該仮の工具オフセット値を用いてＮＣ装置５で刃物台１５を制御することにより各工具２の刃先をツールセッタ２１に接触させて工具オフセット値を取得してＮＣ装置５に登録するというものである。

タレット刃物台に装着した工具や工具マガジンから刃物台に装着された工具の形状及び刃先位置が自動で検出されて当該工具に対する工具オフセット値の設定が人手を介することなく自動で行われるので、オペレータは、必要な工具をタレット刃物台や工具マガジンに装着するだけで良く、工具寸法の計測や工具形状データの入力などという作業を行わなくても多数の工具についての工具オフセット値の設定が自動的に行われるので、オペレータの作業負担が解消され、操作ミスや入力ミスも防止できるという効果がある。

レーザー測長器を用いる実施例の模式図 刃先円と刃先補正番号の説明図 刃先検出動作の第１例を示す図 刃先検出動作の第２例を示す図 刃先検出動作の第３例を示す図 刃先検出動作の第４例を示す図 カメラを用いる実施例の模式図

以下、２個のタレット刃物台を備えた２主軸対向ＣＮＣ旋盤を例にして、この発明の実施形態を説明する。ＣＮＣ旋盤は、機械本体１と、ＮＣ装置５と、ＰＣ（パソコン）６とを備えている。機械本体１は、同一の主軸軸線ａ上で対向する左主軸と右主軸とを備えており、左主軸は、ベッドに固定の左主軸台１１に軸支され、その対向端に左チャック１３が装着されている。右主軸は、主軸軸線ａと平行な方向（Ｚ軸方向）に移動位置決め自在な右主軸台１２に軸支され、その対向端に右チャック１４が装着されている。

主軸軸線ａを挟んでオペレータから見て奥上方と手前下方に上刃物台１５ｕと下刃物台１５ｄが配置されている。これらの刃物台１５は、タレット１６ｕ、１６ｄを備えたタレット刃物台で、これらのタレット１６にはそれぞれ複数の工具２がホルダ３を介して装着されている。刃物台１５は、ＮＣ装置５からの指令により、Ｚ軸方向と、これと直交して主軸軸線ａに近接離隔する方向であるＸ軸方向とに移動位置決め自在である。

左主軸台１１には、ツールセッタ２１と、その進退装置２２とが設けられている。ツールセッタ２１は、図３に示すように、進出位置でのＺ軸方向とＸ軸方向との両側に接触センサ２３ｚ、２３ｘを備えている。これらの接触センサ２３は、進出時に主軸軸線ａ上の定位置に正確に位置決めされる。

工具オフセット値を設定しようとする工具を主軸軸線方向に割り出し、刃物台１５を移動して当該工具の刃先がツールセッタのＺ軸方向又はＸ軸方向の接触センサで検出されたときの刃物台１５の位置（座標）と接触した接触センサ２３の位置（座標）の差が当該工具についてのＺ軸方向又はＸ軸方向の工具オフセット値となる。

接触センサ２３で工具２の刃先を検出するときは、接触センサの検出領域である１ｍｍ四方程度の領域内に工具の刃先を位置決めしなければならない。また、工具の刃先が接触センサに接触したときには、直ちに刃物台を停止しなければ接触センサが破損する。そのため、工具刃先を接触センサに接触させる際には、接触センサの直近（１ｍｍ程度手前）ｓ（図３〜６参照）まで工具刃先を高速で移動し、そのあと直ちに停止できる程度の低速で刃物台をＺ軸方向又はＸ軸方向に移動するという操作が必要である。

ＮＣ装置５には、加工プログラム５１が登録されている。工具の刃先は、小さな円弧（刃先円）となっているので、その円弧のどの位置を基準として加工プログラムを作るかによってプログラムの内容が異なってくる。例えばある種のＮＣ装置では、図２に示すように、刃先円２５を４５度刻みの方向に分けて番号を付し、各工具についてこの番号を定めて加工プログラムを作成する。従って、工具オフセット値を設定するときは、加工プログラムを作成したときに使用した番号（刃先補正番号）の方向に対応する方向で刃先の検出を行う必要がある。例えば、図２の３番の方向を基準にして加工プログラムを作成したのであれば、工具オフセット値の設定時には、図３に軌跡ｔの矢印で示した方向のＺ軸方向とＸ軸方向とから工具刃先を接触センサに接触して工具オフセット値を設定する必要がある。

ＰＣ６には、ＮＣ装置に登録された加工プログラムをシミュレーションプログラム６１に変換する変換プログラム６３が登録されている。シミュレーションプログラム６１で加工プログラム５１によるワークの加工を仮想的に実行するためには、加工に使用される工具の工具オフセット値が必要である。

また、ＰＣ６には、干渉チェックプログラム６２と、その実行の際に必要なチャック１３、１４、刃物台１５ｕ、１５ｄ、タレット１６ｕ、１６ｄ等の形状データが登録されている。シミュレーションプログラム６１を実行する際に干渉チェックプログラム６２を同時に実行することにより、実際にワークを加工したときに生ずる危険のある工具とワークやチャックその他の機器との衝突を回避することができるが、このチェックを行うためには、加工で使用する工具の形状データをＰＣ６に設定する必要がある。

以上に説明した技術は従来技術である。以下、この発明を特徴づけている技術について説明する。

左主軸台１１及び右主軸台１２には、上刃物台１５ｕ側と下刃物台１５ｄ側とに主軸軸線ａと平行なレーザ光ｒ（ｒａ〜ｒｄ）を相手側に向けて投射する２対４個のレーザー測長器４（４ａ〜４ｄ）が装着されている。各レーザー測長器４は、図の紙面直角方向の幅が数ｍｍ（例えば３ｍｍ）のレーザ光を投射している。対向するレーザー測長器からのレーザ光ｒａ、ｒｂ及びｒｃ、ｒｄは、必ずしも同一軸線上に位置する必要はないが、その幅中心が主軸軸線ａを通る刃物台１５の移動平面と平行な平面上に位置するように設置されている。

ＮＣ装置５は、加工に使用される全ての工具の工具オフセット値を記憶するオフセット値メモリ５２と、仮の工具オフセット値を用いて工具２の刃先を進出位置にあるツールセッタ２１に接触させる刃先検出手段５３と、当該刃先検出手段が刃先を検出したときの刃物台１５の位置から工具オフセット値を求めてオフセット値メモリ５２に設定するオフセット値設定手段５４とを備えている。ＰＣ６のオフセット値演算手段６５が演算した仮の工具オフセット値は、オフセット値メモリ５２に一時記憶される。

ＰＣ６は、レーザー測長器４で取得した工具２の形状データを記憶する形状データメモリ６４と、オフセット値演算手段６５と、加工プログラム５１に基づくワークの加工を仮想的に実行するシミュレーション手段６１と、加工中における工具と加工領域内のワークないし工作機械の機械部分との干渉を検出する干渉チェック手段６２とを備えている。オフセット値演算手段６５は、形状データメモリ６４に記憶した工具の形状データと加工プログラム５１で用いられている当該工具の刃先補正番号から仮の工具オフセット値を演算する。

ＰＣ６には、タレット１６に装着されることのある工具２について、当該工具が加工位置に割り出されたときの図１の紙面直角方向から見た形状データと、当該工具の刃先をツールセッタで検出するときの動作とを登録したデータテーブル６６を登録しておくことができる。このデータテーブル６６に工具の形状に対応する刃先位置を登録したときは、オフセット値演算手段６５は、形状データメモリ６４に記憶した工具の形状データとデータテーブル６６に登録されている当該形状に対応する刃先位置とから仮の工具オフセット値を演算する構成とすることもできる。

次に上記装置による工具オフセット値の自動設定動作について説明する。工具オフセット値を設定しようとする工具を主軸軸線方向に割り出し、当該工具が装着されている刃物台側の左右のレーザー測長器４からレーザ光ｒを投射しながら、当該工具を装着した刃物台のＺ方向の位置を固定してＸ軸方向に、例えば０．５ｍｍずつ間欠移動して、各移動位置におけるレーザー測長器４の計測値をプロットすることで、工具２及び工具ホルダ３をレーザ光の前記幅厚さで切り出した工具２及びホルダ３の形状及び寸法を取得する。この動作を繰り返すことにより、タレット１６に装着された全ての工具（既に工具オフセット値が設定されている工具は除いても良い）の形状データを取得して、ＰＣの形状データメモリ６４に記憶する。

ＰＣ６は、記憶した各工具についてＮＣ装置５から加工プログラム５１で使用されている各工具の刃先補正番号を取得し、形状データを解析することによって得られる当該工具の刃先位置と刃先補正番号を用いて仮の工具オフセット値を演算して記憶する。また、ＰＣ６は、記憶した各工具の形状データとテーブル６６に登録されている工具形状とを対比して、当該工具に対応する工具刃先の位置情報を取得し、形状データの寸法から仮の工具オフセット値を演算して記憶する。

上記で仮の工具オフセット値が演算されてオフセット値メモリ５２に記憶されたら、その値を用いてシミュレーションプログラム６１を実行することにより、仮想空間でのワークの加工を実行する。そして、ワークの加工形状がＣＡＤで作成されたワークの形状と一致していれば、仮の工具オフセット値が概ね正しいことが確認できる。もし、一致していなければ、工具の形状データの取得や加工プログラムに瑕疵があると考えられるので、アラームを発して処理を終了する。

このシミュレーションプログラムの実行と並行して干渉チェックプログラムを動作させ、取得した各工具の形状データを用いて干渉チェックを行う。干渉が発見されたら、取得した形状データや加工プログラムに瑕疵があると考えられるので、アラームを発して処理を中止する。

仮想加工で正しい加工が行われ、干渉も起こらなければ、仮の工具オフセット値をＮＣ装置に転送して、当該仮の工具オフセット値を用いて各工具について工具刃先検出手段５３を実行する。刃先検出手段５３は、工具形状に対応して、例えば図３〜６に示す軌跡ｔのように刃物台１５を移動する。図３は、図２の刃先補正番号が３の工具に対する軌跡、図４は、刃先補正番号が２の工具に対する軌跡、図５は、刃先補正番号が５の工具に対する軌跡、図６は、刃先補正番号が７の工具に対する軌跡の例である。

軌跡ｔに沿う刃物台１５の移動中に接触センサ２３の検出信号を受けたら、そのときの刃物台１５の位置から工具オフセット値を取得して次の移動動作ないし退避動作に移る。取得した工具オフセット値は、仮の工具オフセット値に替えてオフセット値メモリ５２に登録する。全ての工具について工具オフセット値が設定されたら、自動設定手順を終了する。

仮の工具オフセット値は、０．５ｍｍ程度の誤差で設定されるので、安全にかつ自動でツールセッタ２１に工具２の刃先を接触させることが可能で、工具形状の取得から工具オフセット値の設定までの処理が全て自動で行われるため、オペレータの作業負担を大幅に軽減できると共に、オペレータの熟練も必要とせず、入力ミスによって機械を損傷するおそれもない。

上記の実施例では、レーザー測長器を用いて工具形状を取得したが、図７に示すように、刃物台１５の移動平面と直交する方向から工具の形状を取得するカメラ４１を設けて、当該カメラの画像をデータテーブル６６に登録されている画像と対比して工具刃先の位置を決定し、この画像の解析によって仮の工具オフセット値を取得することが可能である。

しかし、タレット１６に多数の工具が装着されている工作機械では、隣接する工具が邪魔になって、対象とする工具の正確な画像を取得することが困難であることや、工具に切削液が付着しているときに、正しい画像解析が困難になるなどの問題があるので、タレット旋盤に対しては、レーザー測長器で工具の形状データを取得するのが実用的である。しかし、自動工具交換装置で刃物台に装着される工具や、４〜６本などの少ない数の工具しか装着しないタレットの工具については、上記のように設けたカメラで工具の形状データを取得して上記の実施形態と同様な手順で工具オフセット値の自動設定を行うことが可能である。

また、上記の実施形態では、自動で取得した工具の形状データが正しいかどうかを確認するために、仮の工具オフセット値を用いてＰＣでの仮想加工や干渉チェックを行っている。しかし、仮の工具オフセット値を用いてシミュレーションを行うことや、取得した工具データを用いて干渉チェックを行うことは、この発明の必須の特徴ではなく、シミュレーションプログラムや干渉チェックプログラムを備えていない工作機械においても、この発明により工具補正値の自動設定を行うことが可能である。

２ 工具
４（４ａ〜４ｄ） レーザー測長器
５ ＮＣ装置
１１ 左主軸台
１２ 右主軸台
１３ 左チャック
１４ 右チャック
１５ 刃物台
１６ タレット
２１ ツールセッタ
２２ 進退装置
４１ カメラ
５１ 加工プログラム
５３ 刃先検出手段
５４ オフセット値設定手段
６１ シミュレーションプログラム
６２ 干渉チェックプログラム
６５ オフセット値演算手段
６６ データテーブル

Claims (6)

1. 刃物台に装着した工具の当該刃物台の移動平面と直交する方向から見た形状データを取得する工具形状取得手段と、予め使用されることのある各工具の形状に対応する刃先位置を登録したデータテーブルと、当該データテーブルと取得した工具の形状データから仮の工具オフセット値を演算するオフセット値演算手段と、ツールセッタ及び当該ツールセッタを退避位置と前記工具刃先の移動領域内の進出位置とに進退させる進退装置と、前記オフセット値演算手段が演算した仮の工具オフセット値を用いて各工具の刃先を進出位置にあるツールセッタに接触させる刃先検出手段と、当該刃先が検出されたときの刃物台の位置から工具オフセット値を求めてＮＣ装置に設定するオフセット値設定手段とを備えている、工作機械の工具オフセット値の自動設定装置。
2. 前記工具形状取得手段が、刃物台の移動平面と平行でかつ工具の切り込み送り方向と直交する方向にレーザー光を投射するレーザー測長器を含んで構成され、前記刃物台を工具の切り込み送り方向に移動させながら取得した前記レーザー測長器の複数の測定値に基づいて工具の形状データを取得する請求項１記載の工具オフセット値の自動設定装置。
3. 加工プログラムに基づくワークの加工を仮想的に実行するシミュレーション手段を備え、前記仮の工具オフセット値を用いて加工動作をシミュレーションする、請求項１記載の工具オフセット値の自動設定装置。
4. 加工中における工具と加工領域内のワークないし工作機械の機械部分との干渉を検出する干渉チェック手段を備え、前記工具形状取得手段が取得した工具の形状データを用いて当該干渉チェック手段で加工中の工具の干渉チェックを行う、請求項３記載の工具オフセット値の自動設定装置。
5. 機内に設置したカメラの画像又はレーザー測長器の測定値に基づいて加工に使用する工具の形状データを取得し、当該形状データと加工プログラムで用いられた当該工具の刃先の方向を示すデータとに基づいて当該工具についての仮の工具オフセット値を求め、ツールセッタを所定位置に進出させ、当該仮の工具オフセット値を用いてＮＣ装置で刃物台を制御することにより当該工具の刃先を進出したツールセッタに接触させて工具オフセット値を取得してＮＣ装置に登録する、工作機械の工具オフセット値の自動設定方法。
6. 加工に使用する工具の形状に対応する刃先位置を登録したデータテーブルを登録し、機内に設置したカメラの画像又はレーザー測長器の測定値に基づいて加工に使用する工具の形状データを取得し、当該形状データと当該形状データに基づいて前記データテーブルを検索して得た刃先位置から当該工具についての仮の工具オフセット値を求め、ツールセッタを所定位置に進出させ、当該仮の工具オフセット値を用いてＮＣ装置で刃物台を制御することにより当該工具の刃先を進出したツールセッタに接触させて工具オフセット値を取得してＮＣ装置に登録する、工作機械の工具オフセット値の自動設定方法。

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