JP7285595B2

JP7285595B2 - 接触検出方法および加工装置

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Publication number: JP7285595B2
Application number: JP2021555512A
Authority: JP
Inventors: 英二社本; 健宏早坂
Original assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2041-02-01
Also published as: JPWO2022162927A1; CN113840688A; US20220241924A1; WO2022162927A1

Description

本開示は、加工装置による切削を高精度に実現するための技術に関する。

従来、加工装置における原点設定の手法として、切削工具の刃先位置を測定器で測定し、刃先位置を調整することが行われている。また別の手法として、切削工具で一度被削材を加工し、加工後の被削材の形状を測定器で測定して、測定結果から刃先位置を補正することも行われている。これらは、いずれも測定器を利用した原点設定手法である。

特許文献１は、接触前に取得された駆動モータに関する検出値の第１時系列データと、接触後に取得された駆動モータに関する検出値の第２時系列データから、切削工具と被削材との接触位置を特定する技術を開示する。切削工具と被削材との接触は、第２時系列データを回帰分析して求めた回帰式により特定される。

国際公開第２０２０／１７４５８５号

加工装置において高精度な加工を実現するためには、加工開始前に、回転主軸の軸心または軸端と、たとえば被削材を固定するテーブルないしはテーブル上に設けられた対象物との相対的な位置関係を正確に測定しておく必要がある。また位置関係を正確に測定するためには、回転主軸に取り付けられた道具と、テーブルないしはテーブル上に設けられた対象物との接触を高精度に検出する機能を実現する必要がある。

本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところの１つは、加工装置による切削を高精度に実現するための技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本開示のある態様の位置関係測定方法は、主軸の軸心と物体との相対的な位置関係を測定する方法であって、物体に対して、主軸に取り付けられた道具を相対的に移動させて、物体と道具を接触させる移動ステップと、物体と道具とが接触したときの基準点の座標値を取得する座標値取得ステップと、取得した座標値から、軸心と物体との相対的な位置関係を導出する測定ステップと、を含む。移動ステップは、主軸の異なる角度位置で物体と道具を接触させ、座標値取得ステップは、主軸の異なる角度位置で物体と道具とが接触したときの基準点の座標値を取得し、測定ステップは、取得した複数の座標値から、軸心と物体との相対的な位置関係を導出する。

本開示の別の態様の加工装置は、道具が取り付けられた主軸を回転させる回転機構と、物体に対して道具を相対的に移動させる送り機構と、回転機構による主軸の回転および送り機構による道具の相対移動を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、主軸の異なる角度位置で物体と道具を接触させて、物体と道具とが接触したときの基準点の座標値を取得し、取得した複数の座標値から、軸心と物体との相対的な位置関係を導出する。

本開示のさらに別の態様の接触検出方法は、主軸に取り付けられた道具と、物体との接触を検出する方法であって、物体と道具とが接触しないように、物体または道具の一方を第１経路に沿って移動させて、第１経路における複数の位置で、送り機構に含まれるモータの制御に関する第１検出値を取得する第１取得ステップと、物体または道具の一方を、第１経路に平行な第２経路に沿って移動させて物体と道具とを接触させ、第２経路における複数の位置で、送り機構に含まれるモータの制御に関する第２検出値を取得する第２取得ステップと、第１経路および第２経路において互いに対応する各位置で取得された第１検出値と第２検出値の差分値を導出するステップと、複数の位置に関して導出された差分値の変化にもとづいて、道具と物体との接触を検出するステップと、を有する。

本開示のさらに別の態様の加工装置は、物体に対して道具を相対的に移動させる送り機構と、送り機構による道具の相対移動を制御する制御装置と、を備えた加工装置であって、制御装置は、物体と道具とが接触しないように、物体または道具の一方を第１経路に沿って移動させて、第１経路における複数の位置で、送り機構に含まれるモータの制御に関する第１検出値を取得し、物体または道具の一方を、第１経路に平行な第２経路に沿って移動させて物体と道具とを接触させ、第２経路における複数の位置で、送り機構に含まれるモータの制御に関する第２検出値を取得し、第１経路および第２経路において互いに対応する各位置で取得された第１検出値と第２検出値の差分値を導出し、複数の位置に関して導出された差分値の変化にもとづいて、道具と物体との接触を検出する。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。

加工装置の概略構成を示す図である。ダミー工具の先端形状を示す図である。制御装置の機能ブロックを示す図である。ダミー工具と基準ブロックの接触を検出するフローチャートの例を示す図である。Ｓ１０のステップを説明するための図である。Ｓ１２のステップを説明するための図である。第２トルク波形から第１トルク波形を減算した差分波形を示す図である。ダミー工具をホルダに取り付けた状態を示す図である。主軸の軸心と基準ブロックとの相対的な位置関係を測定するフローチャートの例を示す図である。（ａ）は第１接触工程の様子を示す図であり、（ｂ）は第２接触工程の様子を示す図である。（ａ）は第１接触工程の様子を示す図であり、（ｂ）は第２接触工程の様子を示す図である。回転工具の根元部を基準面に接触させている様子を示す図である。

図１は、実施形態の加工装置１の概略構成を示す。加工装置１は、工作機械装置１０および制御装置１００を備える。制御装置１００は、ＮＣ（numerical control）プログラムにしたがって工作機械装置１０を制御するＮＣ制御装置であってよく、工作機械装置１０は、ＮＣ制御装置によって制御されるＮＣ工作機械であってよい。加工装置１において、工作機械装置１０および制御装置１００は別体として構成され、ケーブル等により接続されているが、一体として構成されてもよい。

工作機械装置１０は、本体部であるベッド部１２およびコラム部１４を備える。ベッド部１２上には、第１テーブル１６および第２テーブル１８が移動可能に支持される。第１テーブル１６は、ベッド部１２に形成されたレール部によりＹ軸方向に移動可能に支持され、第２テーブル１８は、第１テーブル１６に形成されたレール部によりＸ軸方向に移動可能に支持される。第２テーブル１８の上面にはワークピース設置面が設けられ、加工対象である被削材６２が、ワークピース設置面に固定される。

Ｙ軸モータ２２はボールねじ機構を回転することで、第１テーブル１６をＹ軸方向に移動し、Ｘ軸モータ２０はボールねじ機構を回転することで、第２テーブル１８をＸ軸方向に移動する。Ｙ軸センサ３２は、第１テーブル１６のＹ軸方向の位置を検出し、Ｘ軸センサ３０は、第２テーブル１８のＸ軸方向の位置を検出する。

第２テーブル１８の上方には、切削工具５０が取り付けられる主軸４６が設けられる。主軸モータ４０は主軸４６を回転させる回転機構を構成し、主軸センサ４２は主軸４６の角度位置を検出する。主軸４６の角度位置は、主軸４６が回転する方向の角度位置であり、所定の原点からの回転角度位置として検出される。なお回転機構は、複数のギアから構成される減速機構を含んでよい。主軸４６および主軸モータ４０は主軸支持部４４に固定される。実施形態において、主軸４６にはホルダ４８が固定され、ホルダ４８には、切削工具５０であるエンドミル工具が取り付けられる。工作機械装置１０において、ホルダ４８は自動工具交換装置に対応して、加工内容に合わせて切削工具５０を自動交換できることが好ましい。

主軸支持部４４は、その背面側でコラム部１４に形成されたレール部によりＺ軸方向に移動可能に支持される。Ｚ軸モータ２４はボールねじ機構を回転することで、主軸４６をＺ軸方向に移動する。Ｚ軸センサ３４は、主軸４６のＺ方向の位置を検出する。

第１傾斜モータ５２はギヤ機構を回転することで、主軸支持部４４を主軸４６の軸心およびＹ軸に垂直な軸線回りに傾斜させる。傾斜センサ５６は、第１傾斜モータ５２による主軸４６の傾斜角度を検出する。第２傾斜モータ５４はギヤ機構を回転することで、主軸支持部４４をＹ軸に平行な軸線回りに傾斜させる。傾斜センサ５６とは別の傾斜センサ（図示せず）が、第２傾斜モータ５４による主軸４６の傾斜角度を検出する。

制御装置１００は、ＮＣプログラムにしたがってＸ軸モータ２０、Ｙ軸モータ２２、Ｚ軸モータ２４、第１傾斜モータ５２、第２傾斜モータ５４および主軸モータ４０を駆動制御する。制御装置１００は、Ｘ軸センサ３０、Ｙ軸センサ３２、Ｚ軸センサ３４、傾斜センサおよび主軸センサ４２から、それぞれで検出された検出値を取得し、各モータの駆動制御に反映する。

図１に示す工作機械装置１０では、被削材６２がＸ軸モータ２０およびＹ軸モータ２２によってそれぞれＸ軸方向およびＹ軸方向に動かされ、切削工具５０がＺ軸モータ２４によってＺ軸方向に動かされるが、これらの移動は、切削工具５０と被削材６２との間で相対的であればよい。つまり工作機械装置１０において、切削工具５０がＸ軸方向およびＹ軸方向に動かされ、被削材６２がＺ軸方向に動かされてもよい。また工作機械装置１０では、切削工具５０が第１傾斜モータ５２および第２傾斜モータ５４によって被削材６２に対して傾斜させられるが、これらの傾斜モータは、ベッド部１２側に設けられてもよい。

このように切削工具５０と被削材６２は、いずれが動かされるかは重要ではなく、各移動方向および各回転方向において相対的に動作できればよく、以下、切削工具５０と被削材６２の相対的な移動を実現するための機構を総称して「送り機構」と呼ぶ。制御装置１００は、回転機構による主軸４６の回転および送り機構による切削工具５０の相対移動を制御する。

実施形態の制御装置１００は、位置決め用に高精度に加工された既知形状をもつ物体を利用して、主軸４６の軸心または軸端と当該物体との相対的な位置関係を測定する機能をもつ。実施形態において既知形状をもつ物体はワーク設置面に設けられ、以後、当該物体を「基準ブロック６０」と呼ぶ。制御装置１００は、基準ブロック６０に、ホルダ４８に取り付けた既知形状をもつ道具を接触させて、回転軸心と基準ブロック６０との相対的な位置関係を測定する。そのため制御装置１００は、基準ブロック６０が配置されている位置および基準ブロック６０の形状を把握していることが好ましい。なお既知形状をもつ物体は基準ブロック６０に限らず、たとえば第１テーブル１６または第２テーブル１８の側面または上面であってよく、また第１テーブル１６または第２テーブル１８に設置されている治具であってもよい。

実施形態では、基準ブロック６０に接触させる道具として、切削能力をもたない工具、すなわち切れ刃をもたないダミー工具を使用する。制御装置１００は、ホルダ４８に取り付けられたダミー工具を基準ブロック６０の基準面に接触させて、主軸４６の軸心または軸端と基準ブロック６０との相対的な位置関係を測定する。

図２は、ダミー工具の先端形状を示す。ダミー工具７０は、中心ｃを有する球部７２と、球部７２に連結する円柱部７４を有する。球部７２は、球形状を有する球状部品であり、下端側を構成する半球状のボール部と、ボール部に接続する小径部を有する。球部７２の中心ｃは、ダミー工具７０の中心軸上に位置する。小径部は、工具軸線に垂直な方向に円形断面を有し、円形断面の半径は、ボール部の半径ｒよりも小さい。図２に示す球部７２の小径部は、半径ｒの半球の頂部側を、軸線に垂直な面で除去した形状をもち、切り欠いた頂部側の面に円柱部７４が連結している。

図３は、制御装置１００の機能ブロックを示す。制御装置１００は、主軸制御部１１０、移動制御部１１２、接触検出部１１４および位置関係測定部１１６を備える。主軸制御部１１０は、回転機構による主軸４６の回転を制御し、移動制御部１１２は、送り機構によるダミー工具７０と基準ブロック６０との相対移動を制御する。

図３において、さまざまな処理を行う機能ブロックとして記載される各要素は、ハードウェア的には、回路ブロック、メモリ、その他のＬＳＩで構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。

接触検出部１１４は、ダミー工具７０と基準ブロック６０との接触を検出する。接触検出部１１４は、ダミー工具７０が基準ブロック６０に接触したことを検出する接触センサを有してよい。接触センサは、たとえば接触時に加わる力を検知する力センサや、ダミー工具７０と基準ブロック６０とが接触したときの導通を検出するセンサであってよい。

なお実施形態の加工装置１は、ダミー工具７０が基準ブロック６０に接触したときに変化する加工装置１の内部情報を分析して、ダミー工具７０と基準ブロック６０との接触を検出する機能を搭載してよい。たとえば内部情報として、送り機構に含まれるモータの制御に関する検出値（たとえば電流測定値、電流指令値、位置偏差、トルク指令値、トルク推定値など）を利用することで、接触検出のための新たな部品を追加せずに済む。加工装置１が内部情報を利用した接触検出機能を搭載した場合、接触を検出するためのセンサは不要となるが、検出精度を高める目的でセンサが設けられてもよい。

以下、制御装置１００が、加工装置１の内部情報を分析して、ダミー工具７０と基準ブロック６０との接触を検出する手法を示す。実施形態の制御装置１００は、送り機構のモータを駆動制御して、ダミー工具７０と基準ブロック６０との相対的な移動を実現する。加工装置１がトルク推定機能を搭載している場合、ダミー工具７０と基準ブロック６０とが接触すると、接触により発生する負荷のために、モータトルクの推定値が急激に上昇する。そこで制御装置１００は、ダミー工具７０と基準ブロック６０とが互いに接近して接触したときのモータトルク波形にもとづいて、ダミー工具７０と基準ブロック６０との接触を検出してよい。

なお送り機構は、ボールねじ機構などの機械要素から構成されるため、必然的に機械的抵抗を有する。このため送り機構のモータのトルク波形は、機械的抵抗の影響を受けて、小振幅の変動成分を含むことになる。この変動成分は、ねじ軸やベアリングの角度位置（回転角度位置）、リニアガイドの並進位置、さらにボールねじ、ベアリング、リニアガイド内の転動体の公転位置、自転位置に依存する周期的成分および非周期的成分を含む。これらの要素の機械的抵抗による変動は、基本的に、各ガイド面と各転動体の形状誤差に起因し、したがって送り機構の位置に依存する。そこで、トルク検出値の変化を用いてダミー工具７０と基準ブロック６０との接触を検出する際には、取得したモータトルク波形から、各送り位置において、機械的抵抗にもとづくトルク変動成分を取り除くことが好ましい。

図４は、ダミー工具７０と基準ブロック６０の接触を検出するフローチャートの例を示す。まず移動制御部１１２が、基準ブロック６０とダミー工具７０とが接触しないように、基準ブロック６０またはダミー工具７０の一方を第１経路に沿って移動させ、接触検出部１１４が、第１経路における複数の送り位置で、送り機構に含まれるモータの第１トルク検出値を取得する（Ｓ１０）。

図５は、Ｓ１０のステップを説明するための図である。以下の例で、基準ブロック６０は、既知の直方体形状を有し、立設される基準面と、頂部を構成する上面を少なくとも有する。説明の便宜上、図５には、基準ブロック６０が固定されて、ダミー工具７０が基準ブロック６０に接近する様子が示されるが、ダミー工具７０が固定されて、基準ブロック６０がダミー工具７０に接近する方向に移動してもよい。なお図１に示す加工装置１の概略構成では、Ｘ軸モータ２０が第２テーブル１８をＸ軸方向に移動し、Ｘ軸センサ３０が第２テーブル１８のＸ軸方向の位置を検出しているが、以下の実施例では、Ｘ軸モータ２０が主軸４６をＸ軸方向に移動し、Ｘ軸センサ３０が主軸４６のＸ軸方向の位置を検出するものとして説明する。

移動制御部１１２は、ダミー工具７０をＸ軸方向に動かすことを前提として、第１経路における球部７２の中心ｃの初期位置（ｘ_０、ｙ_０、ｚ_０）を、以下のように設定する。
ｘ_０：基準面が配置されている座標値ｘ_１からＸ軸負方向に離れた座標値
ｙ_０：ｙ軸上の基準面の幅位置に重なる座標値
ｚ_０：基準ブロック上面から球部７２の半径ｒ高い位置よりも上の座標値
つまりｚ_０は、
ｚ_０＞（基準ブロック上面の高さ）＋（球部７２の半径ｒ）
と表現される。

移動制御部１１２は、第１経路の終了位置（ｘ_２、ｙ_０、ｚ_０）を、ｚ軸方向から見て、球部７２の一部または全部が基準ブロック６０の上面に重なる位置に設定する。この例では、
ｘ_２＞ｘ_１－（球部７２の半径ｒ）
であればよい。

移動制御部１１２は、Ｘ軸センサ３０、Ｙ軸センサ３２、Ｚ軸センサ３４の検出値にもとづいて、球部７２の中心ｃを初期位置（ｘ_０、ｙ_０、ｚ_０）に配置し、所定の速度でダミー工具７０を第１経路の終了位置（ｘ_２、ｙ_０、ｚ_０）まで移動させる。第１経路を移動中、球部中心ｃの高さがｚ_０に維持されるため、球部７２は基準面に接触することなく、上面の上方を通過する。

接触検出部１１４は、第１経路における複数の送り位置で、送り機構に含まれるＸ軸モータ２０の第１トルク検出値を取得する。図５において、第１トルク波形８０は、ダミー工具７０が第１経路を移動中に、所定のサンプリング周期で、ｘ座標値に対応付けて取得したＸ軸モータ２０の第１トルク検出値を示す。ｘ座標値は、Ｘ軸センサ３０の検出値から導出される。上記したように、送り機構に含まれるボールねじ、それを支持するベアリング、リニアガイド機構、カップリング等は機械的抵抗を有しているため、第１トルク波形８０は、機械的抵抗にもとづく小振幅の変動成分を含む。接触検出部１１４は、球部中心ｃの座標値と第１トルク検出値とを対応付けて記録部（図示せず）に記録する。

次に、図４を参照して、移動制御部１１２が、基準ブロック６０とダミー工具７０とが接触するように、基準ブロック６０またはダミー工具７０の一方を、第１経路に平行な第２経路に沿って移動させ、接触検出部１１４が、第２経路における複数の送り位置で、送り機構に含まれるモータの第２トルク検出値を取得する（Ｓ１２）。

図６は、Ｓ１２のステップを説明するための図である。Ｓ１０のステップ終了後、移動制御部１１２は、Ｓ１２のステップを開始するために、ダミー工具７０の球部７２の中心ｃを、第２経路の初期位置（ｘ_０、ｙ_０、ｚ_１）まで移動する。ここでＳ１０のステップにおける第１経路の初期位置（ｘ_０、ｙ_０、ｚ_０）と比べると、第２経路の初期位置は、ｚ座標値が変位している。第２経路の初期位置において、ｚ_１は、以下のように設定される。
ｚ_１：基準ブロック上面から球部７２の半径ｒ低い位置よりも下の座標値
つまりｚ_１は、
ｚ_１＜（基準ブロック上面の高さ）－（球部７２の半径ｒ）
と表現される。

移動制御部１１２は、第２経路の終了位置を、第１経路の終了位置（ｘ_２、ｙ_０、ｚ_０）からＺ軸方向に変位した位置（ｘ_２、ｙ_０、ｚ_１）に設定してよい。なおＳ１０のステップと異なり、Ｓ１２のステップでは、基準ブロック６０とダミー工具７０とが接触するため、接触後に移動を継続するようトルク制御を行うことは好ましくないこともある。そこで移動制御部１１２は、第２経路の終了位置を、座標値（ｘ_３、ｙ_０、ｚ_１）に設定してもよい。ここで、
ｘ_３＞ｘ_１－（球部７２の半径ｒ）
であり、
ｘ_２＞ｘ_３
である。

移動制御部１１２は、Ｘ軸センサ３０、Ｙ軸センサ３２、Ｚ軸センサ３４の検出値にもとづいて、球部７２の中心ｃを初期位置（ｘ_０、ｙ_０、ｚ_１）に配置し、Ｓ１０のステップにおける移動速度と同一の速度でダミー工具７０を第２経路の終了位置まで移動させる。第２経路においては、球部中心ｃの高さがｚ_１に維持されるため、球部７２が基準面に接触する。

なお移動制御部１１２は、第２経路の終了位置の手前で、ダミー工具７０の移動を強制的に終了してもよい。たとえばモータトルク値に移動終了のための閾値を設定し、移動制御部１１２は、モータトルク値が閾値を超えた瞬間に送り機構を強制停止して、第２経路における相対移動を終了してもよい。

接触検出部１１４は、第２経路における複数の送り位置で、送り機構に含まれるＸ軸モータ２０の第２トルク検出値を取得する。図６において、第２トルク波形８２は、ダミー工具７０が第２経路を移動中に、所定のサンプリング周期で、ｘ座標値に対応付けて取得したＸ軸モータ２０の第２トルク検出値を示す。ｘ座標値は、Ｘ軸センサ３０の検出値から導出される。接触検出部１１４は、球部中心ｃの座標値と第２トルク検出値とを対応付けて記録部（図示せず）に記録する。

図６に示すように、ダミー工具７０は、基準ブロック６０に接触した後、それ以上移動できないが、ダミー工具７０などの弾性変形により、Ｘ軸センサ３０は、球部中心ｃが移動していることを示す検出値を出力する。このとき接触点の負荷が増大することで、モータトルクは急激に上昇する。そのため、モータトルクが急激に上昇し始めるｘ座標値を特定することで、接触したときの球部中心ｃのｘ座標値を導出できるが、図６に示すように第２トルク波形８２には、機械的抵抗にもとづく変動成分が含まれているため、第２トルク波形８２から正確な接触タイミングおよび正確な接触位置を特定することは難しい。

そこで接触検出部１１４は、Ｓ１０のステップで取得した第１トルク波形８０を利用して、Ｓ１２のステップで取得した第２トルク波形８２から、機械的抵抗による変動成分を取り除く処理を行う。

接触検出部１１４は、第１経路および第２経路において互いに対応する各送り位置で取得された第１検出値と第２検出値の差分値を導出する（Ｓ１４）。ここで互いに対応する送り位置とは、送り機構の作動状態が同期する位置であり、具体的には、ｘ座標値が同じ位置である。そこで接触検出部１１４は、記録部（図示せず）において同じｘ座標値に対応付けられている第２トルク検出値と第１トルク検出値とを読み出し、差分値を導出する。

図７は、第２トルク波形８２から第１トルク波形８０を減算した差分波形８４を示す。差分波形８４は、複数のｘ座標値に関して導出された差分値をつないで構成される。接触前、第１経路および第２経路において送り機構の作動状態は同じであるため、機械的抵抗による変動成分を含んだトルク波形は一致し、差分波形８４は実質的に０の値を示す。一方、第２経路において基準ブロック６０とダミー工具７０とが接触した後のｘ位置では、接触負荷の発生により、差分値が０から変化する。このため接触検出部１１４は、差分波形８４における差分値の変化にもとづいて、ダミー工具７０と基準ブロック６０の接触を検出できる（Ｓ１６）。

たとえば接触検出部１１４は、差分値が所定の閾値を超えたタイミングで、ダミー工具７０と基準ブロック６０の接触を検出してよい。差分波形８４においては、機械的抵抗に起因する振幅成分が除去されているため、接触によるモータトルクの上昇が高精度に再現されている、したがって接触検出部１１４は、ダミー工具７０と基準ブロック６０とが接触したときの球部中心ｃのｘ座標値を正確に導出することが可能となる。

なお接触検出部１１４は、特許文献１に開示された手法を利用して、ダミー工具７０と基準ブロック６０の接触を検出することも可能である。具体的に接触検出部１１４は、接触前の複数の差分値の平均値と、接触後の複数の差分値を回帰分析して求めた回帰式をもとに、接触を検出するとともに、接触位置を特定してよい。

上記の例では、Ｓ１０のステップを、Ｓ１２のステップの前に実施したが、実施順は入れ替えてもよい。またＳ１０のステップを複数回実施して、平均処理した第１トルク波形８０を利用してもよい。また実施形態では、加工装置１に搭載されたトルク推定機能により推定されたトルク検出値を、送り機構に含まれるモータの制御に関する検出値として利用したが、トルク推定機能を有しない加工装置１においては、モータの電流測定値等のモータの制御に関する検出値を用いて、接触検出を行ってよい。

上記の例では、ダミー工具７０と基準ブロック６０を主軸４６の回転軸心に垂直な方向に相対移動させて接触を検知することで、回転軸心と基準ブロック６０との相対的位置関係を同定した。別の例では、ダミー工具７０と基準ブロック６０を主軸４６の回転軸心に平行な方向に相対移動させて、基準ブロック６０の上面とダミー工具７０（突出し長さが既知とする）の接触を検知することで、主軸４６の軸端と基準ブロック６０との相対的位置関係を同定してもよい。

以上のように接触検出部１１４は、ダミー工具７０と基準ブロック６０の接触を検出して、接触位置を特定することができる。なお接触検出部１１４は、接触センサを有し、接触センサによるセンシングデータから接触を検出して、接触したときの座標値を取得してもよい。以下、接触検出部１１４が高精度な接触検出機能を有することを前提に、位置関係測定部１１６が、主軸４６の軸心と、基準ブロック６０との相対的な位置関係を測定する手法を説明する。この手法では、ダミー工具７０が主軸４６に偏心して取り付けられている場合に、当該偏心の影響を取り除いて相対的な位置関係を同定する。

図８は、ダミー工具７０をホルダ４８に取り付けた状態を示す。理想的な取付状態では、主軸４６の軸心とダミー工具７０の中心軸線とが一致するが、実際の取付状態では、各部品の形状誤差や固定位置、変形等により、主軸４６の軸心とダミー工具７０の中心軸線は一致しないことが多い。図８に示す取付状態では、球部７２の中心ｃが、主軸４６の軸心から偏心している。以下、球部中心ｃが主軸４６の軸心から偏心している場合であっても、主軸４６の軸心と基準ブロック６０との相対的な位置関係を正確に測定する手法を示す。

図９は、主軸４６の軸心と基準ブロック６０との相対的な位置関係を測定するフローチャートの例を示す。この測定手法の例では、主軸４６の角度位置を変えて、２回の接触工程が実施される。主軸４６の角度位置は、主軸センサ４２により所定の原点からの回転角度位置として検出されてよい。
＜第１接触工程＞
まず移動制御部１１２が、基準ブロック６０に対してダミー工具７０を相対的に移動させて、基準ブロック６０とダミー工具７０を接触させる（Ｓ２０）。接触検出部１１４は、基準ブロック６０とダミー工具７０とが接触したときの基準点の第１座標値を取得する（Ｓ２２）。実施形態において基準点は球部７２の中心ｃであるが、ダミー工具７０における別の位置を基準点としてもよい。

＜第２接触工程＞
続いて主軸制御部１１０が、第１接触工程における主軸４６の角度位置から、主軸４６を軸心回りに１８０度回転する（Ｓ２４）。それから移動制御部１１２が、基準ブロック６０に対してダミー工具７０を相対的に移動させて、基準ブロック６０とダミー工具７０を接触させる（Ｓ２６）。接触検出部１１４は、基準ブロック６０とダミー工具７０とが接触したときの基準点の第２座標値を取得する（Ｓ２８）。

第１接触工程および第２接触工程の終了後、位置関係測定部１１６は、第１座標値および第２座標値から、主軸４６の軸心と基準ブロック６０との相対的な位置関係を導出する（Ｓ３０）。以下、具体例をもとに、実施形態の測定手法を説明する。

＜軸心と基準面との相対的位置関係＞
図１０（ａ）は、第１接触工程の様子を示す。第１接触工程において、移動制御部１１２は、基準ブロック６０の基準面に対してダミー工具７０を相対的にＸ軸方向に移動させて、ダミー工具７０の球部７２を基準ブロック６０の基準面に接触させる。接触検出部１１４は、球部中心ｃの第１座標値（ｘ_４、ｙ_４、ｚ_４）を取得する。ここで球部中心ｃのｘ座標値として取得される位置ｘ_４は、Ｘ軸センサ３０により検出された主軸４６のｘ位置であり、接触検出部１１４は、主軸４６のｘ位置と球部中心ｃのｘ位置とが等しいこと（偏心がないこと）を前提として、球部中心ｃのｘ位置を求める。そのため球部中心ｃが主軸軸心からＸ軸方向に偏心していると、球部中心ｃの取得された位置ｘ_４は、実際のｘ位置から偏心量だけずれている。

図１０（ｂ）は、第２接触工程の様子を示す。第２接触工程において、主軸制御部１１０が、第１接触工程における主軸４６の角度位置から、主軸４６を軸心回りに１８０度回転した後、移動制御部１１２は、基準ブロック６０の基準面に対してダミー工具７０を相対的にＸ軸方向に移動させて、ダミー工具７０の球部７２を基準ブロック６０の基準面に接触させる。第２接触工程における球部中心ｃの移動経路は、第１接触工程における球部中心ｃの移動経路と同じである。接触検出部１１４は、球部中心ｃの第２座標値（ｘ_５、ｙ_４、ｚ_４）を取得する。上記したように球部中心ｃのｘ座標値として取得される位置ｘ_５は、実際には、Ｘ軸センサ３０により検出された主軸４６のｘ位置である。

位置関係測定部１１６は、第１座標値と第２座標値の間の座標値と、基準面との相対的な位置関係を導出する。具体的に位置関係測定部１１６は、第１座標値と第２座標値の中点の座標値と、基準面との相対的な位置関係を導出する。中点の座標値は、以下のように求められる。
中点の座標値（（ｘ_４＋ｘ_５）／２、ｙ_４、ｚ_４）
位置関係測定部１１６は、ｘ座標値（ｘ_４＋ｘ_５）／２を、基準面に対する主軸４６の軸心のｘ位置として同定してよい。このように第２接触工程において、主軸４６を１８０度回転させることで、球部７２の偏心の影響を取り除いて、主軸４６の軸心と基準ブロック６０との相対的な位置関係を正確に同定できる。なお上記例では、中点の座標値を求めたが、位置関係測定部１１６は、少なくとも移動方向（Ｘ軸方向）における２つの座標値の中央位置を導出すればよい。

以上の例では、移動制御部１１２が２回の接触工程を実施し、位置関係測定部１１６が、２回の接触時における球部中心ｃの座標値から、軸心と基準ブロック６０との相対的な位置関係を導出した。別の例では、移動制御部１１２が、３回以上の接触工程を実施して、位置関係測定部１１６が、３つ以上の座標値から軸心と基準ブロック６０との相対的な位置関係を導出してもよい。接触回数を増やすことで、相対的な位置関係を高精度に導出できるようになる。

具体的には移動制御部１１２が、主軸４６の複数の異なる角度位置で、基準ブロック６０の基準面に対してダミー工具７０を相対的にＸ軸方向に移動させて、ダミー工具７０の球部７２を基準ブロック６０の基準面に接触させる。移動制御部１１２が、球部７２を基準ブロック６０に接触させた後、球部７２を基準ブロック６０から離し、主軸制御部１１０は、そのときの主軸４６の角度位置から、主軸４６を軸心回りにＮ度回転して、それから移動制御部１１２が、再び球部７２を基準ブロック６０に接触させる。このように今回の接触工程の前に、主軸制御部１１０が、前回の接触工程における主軸４６の角度位置から、主軸４６を軸心回りにＮ度回転することで、移動制御部１１２が、主軸４６の複数の異なる角度位置で、球部７２を基準ブロック６０に接触させる。移動制御部１１２は、主軸４６の角度位置を変えながら、少なくとも（３６０／Ｎ）回、基準ブロック６０と球部７２を接触させてよい。ここでは（３６０／Ｎ）が整数となるように、回転角度Ｎが設定される。

接触検出部１１４は、主軸４６の異なる角度位置で球部７２と基準ブロック６０の基準面とが接触したときの球部中心ｃの座標値を取得する。位置関係測定部１１６は、接触検出部１１４が取得した複数の座標値から、回転軸心と基準ブロック６０との相対的な位置関係を導出する。なお位置関係測定部１１６は、複数の座標値の平均値と、基準面との相対的な位置関係を導出してよい。

＜軸心と、対向する２つの基準面の中心との相対的な位置関係＞
この例では、基準ブロック６０が、第１基準面と、第１基準面に対向する第２基準面とを有する。上記したように基準ブロック６０は、直方体形状を有しており、第１基準面と第２基準面とは、互いに平行である。

図１１（ａ）は、第１接触工程の様子を示す。第１接触工程において、移動制御部１１２は、基準ブロック６０の第１基準面に対してダミー工具７０を相対的にＸ軸正方向に移動させて、ダミー工具７０の球部７２を基準ブロック６０の第１基準面に接触させる。接触検出部１１４は、球部中心ｃの第１座標値（ｘ_６、ｙ_６、ｚ_６）を取得する。ここで球部中心ｃのｘ座標値として取得される位置ｘ_６は、実際には、Ｘ軸センサ３０により検出された主軸４６のｘ位置である。

図１１（ｂ）は、第２接触工程の様子を示す。第２接触工程において、主軸制御部１１０が、主軸４６を軸心回りに１８０度回転した後、移動制御部１１２は、基準ブロック６０の第２基準面に対してダミー工具７０を相対的にＸ軸負方向に移動させて、ダミー工具７０の球部７２を基準ブロック６０に第２基準面に接触させる。第２接触工程における球部中心ｃの移動方向は、第１接触工程における球部中心ｃの移動方向とは逆向きとなる。接触検出部１１４は、球部中心ｃの第２座標値（ｘ_７、ｙ_６、ｚ_６）を取得する。

位置関係測定部１１６は、主軸４６の軸心と、第１基準面と第２基準面の間の位置との相対的な位置関係を導出する。具体的に位置関係測定部１１６は、主軸４６の軸心と、第１基準面と第２基準面の中心位置との相対的な位置関係を導出する。中心位置のｘ座標値は、以下のように求められる。
中心位置のｘ座標値（ｘ_６＋ｘ_７）／２
制御装置１００は、ｘ座標値（ｘ_６＋ｘ_７）／２を、基準ブロック６０のＸ軸方向の中心位置として同定してよい。このように第２接触工程において、主軸４６を１８０度回転させることで、球部７２の偏心の影響を取り除いて、主軸４６の軸心と基準ブロック６０との相対的な位置関係を正確に同定できる。

以上、本開示を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。実施形態では、ダミー工具７０を、既知形状をもつ基準ブロック６０に接触させたが、被削材６２に接触させてもよい。

実施形態では、基準ブロック６０に接触させる道具として、切削能力をもたないダミー工具７０を利用したが、回転工具を利用してもよい。回転工具は、たとえば半球状のボール部を有するボールエンドミルであってよく、ボールエンドミルを使用する場合、図１１に関して説明した相対的な位置関係の測定手法を実現できる。

回転工具の切れ刃部を接触させる場合、接触したときの角度位置（回転角度位置）を特定することが難しいことから、相対移動する速度に比べて十分に高速に回転または逆回転させながら接触させることが望ましい。正回転する切れ刃部は切削能力を有し、逆回転する切れ刃部は擦過痕を生じさせるため、回転工具が接触する物体は基準ブロック６０ではなく、切削してもよい（擦過痕を生じてもよい）対象物、たとえば被削材６２であることが好ましい。

なお回転工具は、切れ刃を形成されていない円筒面または円錐面をもつ根元部を有しており、この根元部を基準ブロック６０または被削材６２に接触させてもよい。
図１２は、回転工具の根元部を基準ブロック６０の基準面に接触させている様子を示す。回転工具の根元部を基準面に接触させる場合、根元部は切れ刃部と違って、円筒面または円錐面を有するため、主軸４６を回転しなくてよい。このように工具側の接触面が円筒面または円錐面である場合、接触点が鋭利な角部になることを避けるため、基準ブロック６０または被削材６２側の接触面は、工具が相対移動する方向に緩やかな凸の曲率を有していることが望ましい。

またボールエンドミルを回転軸方向と平行に移動して軸方向と垂直な上面（基準面）に接触させる場合にも、ボールエンドミルの頂部（頂点位置またはその近傍）が必ず接触することになるため、主軸４６を回転させる必要はない。

本開示の態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様の位置関係測定方法は、主軸の軸心と物体との相対的な位置関係を測定する方法であって、物体に対して、主軸に取り付けられた道具を相対的に移動させて、物体と道具を接触させる移動ステップと、物体と道具とが接触したときの基準点の座標値を取得する座標値取得ステップと、取得した座標値から、軸心と物体との相対的な位置関係を導出する測定ステップと、を含む。移動ステップは、主軸の異なる角度位置で物体と道具を接触させ、座標値取得ステップは、主軸の異なる角度位置で物体と道具とが接触したときの基準点の座標値を取得し、測定ステップは、取得した複数の座標値から、軸心と物体との相対的な位置関係を導出する。

この態様によると、道具が主軸に偏心して取り付けられていても、偏心の影響を除外して、主軸の軸心と物体との相対的な位置関係を測定することが可能となる。

移動ステップは、物体に対して、前記主軸に取り付けられた道具を相対的に移動させて、物体と道具を接触させる第１移動ステップと、第１移動ステップにおける主軸の角度位置から、主軸を軸心回りにＮ度回転した後、物体に対して道具を相対的に移動させて、物体と道具を接触させる第２移動ステップと、を少なくとも含んでよい。移動ステップは、少なくとも（３６０／Ｎ）回、物体と道具を接触させてよい。回転角度Ｎは、（３６０／Ｎ）が整数となるように設定される。

物体は、１つの基準面を有し、移動ステップは、道具を物体の基準面に接触させ、測定ステップは、複数の座標値の平均値と、基準面との相対的な位置関係を導出してよい。物体は、第１基準面と、第１基準面に対向する第２基準面とを有するものであって、第１移動ステップは、道具を物体の第１基準面に接触させ、第２移動ステップは、道具を物体の第２基準面に接触させ、測定ステップは、軸心と、第１基準面と第２基準面の間の位置との相対的な位置関係を導出してよい。対向する２つの基準面に道具を接触させて、基準点の座標値をそれぞれ取得することで、軸心と、第１基準面と第２基準面の間の位置との相対的な位置関係を導出できる。測定ステップは、軸心と、第１基準面と第２基準面の中心位置との相対的な位置関係を導出してよい。

道具は球状部品を有し、球状部品が前記物体と接触してよい。また道具はエンドミル等の回転工具であって、円筒面または円錐面をもつ根元部または回転する切れ刃部と物体とが接触してもよい。根元部と物体が接触するとき、根元部は回転していなくてよい。

本開示のさらに別の態様の接触検出方法は、主軸に取り付けられた道具と、物体との接触を検出する方法であって、物体と道具とが接触しないように、物体または道具の一方を第１経路に沿って移動させて、第１経路における複数の位置で、送り機構に含まれるモータの制御に関する第１検出値を取得する第１取得ステップと、物体または道具の一方を、第１経路に平行な第２経路に沿って移動させて物体と道具とを接触させ、第２経路における複数の位置で、送り機構に含まれるモータの制御に関する第２検出値を取得する第２取得ステップと、第１経路および第２経路において互いに対応する各位置で取得された第１検出値と第２検出値の差分値を導出するステップと、複数の位置に関して導出された差分値の変化にもとづいて、道具と物体との接触を検出するステップと、を有する。この態様によると、道具と物体との接触を高精度に検出することができる。

本開示のさらに別の態様の加工装置は、物体に対して道具を相対的に移動させる送り機構と、送り機構による道具の相対移動を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、物体と道具とが接触しないように、物体または道具の一方を第１経路に沿って移動させて、第１経路における複数の位置で、送り機構に含まれるモータの制御に関する第１検出値を取得し、物体または道具の一方を、第１経路に平行な第２経路に沿って移動させて物体と道具とを接触させ、第２経路における複数の位置で、送り機構に含まれるモータの制御に関する第２検出値を取得し、第１経路および第２経路において互いに対応する各位置で取得された第１検出値と第２検出値の差分値を導出し、複数の位置に関して導出された差分値の変化にもとづいて、道具と物体との接触を検出する。この態様によると、道具と物体との接触を高精度に検出することができる。

１・・・加工装置、２０・・・Ｘ軸モータ、３０・・・Ｘ軸センサ、４６・・・主軸、４８・・・ホルダ、６０・・・基準ブロック、７０・・・ダミー工具、７２・・・球部、７４・・・円柱部、８０・・・第１トルク波形、８２・・・第２トルク波形、８４・・・差分波形、１００・・・制御装置、１１０・・・主軸制御部、１１２・・・移動制御部、１１４・・・接触検出部、１１６・・・位置関係測定部。

本開示は、加工技術の分野に利用できる。

Claims

主軸に取り付けられた道具と、工作機械装置に設けられた既知形状をもつ物体との接触を検出する方法であって、前記道具は切れ刃をもたない球状部品を有しており、
前記物体と前記道具とが接触しないように、前記物体または前記道具の一方を第１経路に沿って移動させて、第１経路における複数の位置で、送り機構に含まれるモータの制御に関する第１検出値を取得する第１取得ステップと、
前記物体または前記道具の前記一方を、第１経路に平行であって第１経路とは異なる第２経路に沿って移動させて前記物体と前記道具の前記球状部品とを接触させ、第２経路における複数の位置で、前記送り機構に含まれるモータの制御に関する第２検出値を取得する第２取得ステップと、
第１経路および第２経路において互いに対応する各位置で取得された第１検出値と第２検出値の差分値を導出するステップと、
複数の位置に関して導出された差分値の変化にもとづいて、前記道具の前記球状部品と前記物体との接触を検出するステップと、を有し、
第２経路の終了位置は設定されており、前記第２取得ステップにおいて、第２検出値が移動終了のための閾値を超えると、第２経路の終了位置の手前で、第２経路における移動を終了する、
ことを特徴とする接触検出方法。
前記第１検出値および前記第２検出値は、前記送り機構における機械的抵抗にもとづく変動成分を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の接触検出方法。
前記第１取得ステップにおける移動速度と、前記第２取得ステップにおける移動速度は、同一である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の接触検出方法。
第２取得ステップにおける移動が終了する位置は、第１取得ステップにおける移動が終了する位置に対応する位置よりも手前である、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の接触検出方法。
第２経路の初期位置は、第１経路の初期位置を前記主軸の回転軸心方向に変位した位置に設定され、第２経路の終了位置は、第１経路の終了位置を前記主軸の回転軸心方向に変位した位置またはその手前の位置に設定される、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の接触検出方法。
工作機械装置に設けられた既知形状をもつ物体に対して、主軸に取り付けられた道具を相対的に移動させる送り機構と、
前記送り機構による前記道具の相対移動を制御する制御装置と、を備えた加工装置であって、前記道具は切れ刃をもたない球状部品を有しており、
前記制御装置は、
前記物体と前記道具とが接触しないように、前記物体または前記道具の一方を第１経路に沿って移動させて、第１経路における複数の位置で、前記送り機構に含まれるモータの制御に関する第１検出値を取得し、
前記物体または前記道具の前記一方を、第１経路に平行であって第１経路とは異なる第２経路に沿って移動させて前記物体と前記道具の前記球状部品とを接触させ、第２経路における複数の位置で、前記送り機構に含まれるモータの制御に関する第２検出値を取得し、
第１経路および第２経路において互いに対応する各位置で取得された第１検出値と第２検出値の差分値を導出し、
複数の位置に関して導出された差分値の変化にもとづいて、前記道具の前記球状部品と前記物体との接触を検出するものであって、
第２経路の終了位置は設定されており、前記制御装置は、第２検出値が移動終了のための閾値を超えると、第２経路の終了位置の手前で、第２経路における移動を終了する、
ことを特徴とする加工装置。