JP7472079B2 - 工作機械の回転軸中心位置計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の回転軸中心位置計測方法に関する。

工作機械においては、主軸に装着された工具により、テーブルに載置されたワークを加工する。加工時には、工具とワークとをＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向へ三次元移動させることで、ワークに任意の立体形状が加工できる。
工作機械のうち一部は、加工自由度を高めるために、ＸＹＺ方向の並進軸に加えて、並進軸回りに工具を回転させる回転軸を備えている。追加される回転軸としては、例えばＸ軸回りの回転であるＡ軸、Ｙ軸回りの回転であるＢ軸、Ｚ軸回りの回転であるＣ軸などがある。このような多軸制御工作機械としては、例えば、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３つにＡ軸，Ｃ軸の２つを追加した５軸制御の工作機械が利用されている。

前述した多軸制御工作機械においては、加工精度の向上のために、並進軸の位置誤差を最小限とするとともに、回転軸の角度誤差および回転中心の位置精度を最小限とすることが必要である。このうち、回転軸中心位置の誤差による加工精度の低下を抑止するために、回転軸の中心位置を計測しておき、加工時にパラメータとして補正制御を行うことがなされている（特許文献１参照）。

特許文献１では、回転軸の中心位置を計測する方法として、ワークに代えて基準マスタとなるターゲット球をテーブル上に固定するとともに、工具に代えてタッチプローブを主軸に装着しておき、計測すべき回転軸を複数の角度に割り出し、各角度位置でタッチプローブをターゲット球に接触させてターゲット球の中心位置を計測し、複数の角度位置での計測値から当該回転軸の中心位置を算出している。
とくに、特許文献１では、並進軸の動作範囲が構造的に制限される工作機械の場合でも回転軸の中心位置が高精度に計測できるように、回転軸の複数の角度位置でのタッチプローブとターゲット球との接触動作を、並進軸の動作可能範囲内だけで行い、移動が制限される範囲では接触動作を行うことなく、計算により回転軸中心位置を計測している。

一方、測定対象の工具と測定装置が干渉して旋回軸（第４軸，第５軸）の割出範囲が大きく制限される場合でも、１個の測定装置だけでＸ，Ｙ，Ｚ方向すべての誤差量を測定することができる刃先位置検出方法が開発されている（特許文献２）。
特許文献２では、旋回テーブルの回転軸上にある工具の最下点と、旋回テーブルの回転軸と直交する面内にある工具外周の２箇所以上とを測定して求まる工具中心点の２方向の誤差量より、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の刃先位置決め誤差量を求めている。

特開２０１９－１５２５７４号公報 特開２０２０－２８９２２号公報

前述した特許文献１の計測方法により、並進軸の動作範囲が制限されている工作機械の場合でも、回転軸の中心位置を高精度に計測できるようになった。
しかし、特許文献１の計測方法では、ターゲット球の位置を検出するために、刃物に代えてタッチプローブを主軸に装着する。
このため、計測時の工作機械は、主軸に工具が装着された実際の加工時の状態ではなく、計測した回転軸の中心位置は加工時の中心位置とは異なり、計測精度に限界があるという問題があった。
さらに、主軸にタッチプローブが装着できない工作機械では、そもそも特許文献１の計測方法を利用できないという問題があった。
一方、特許文献２では、工具中心点の２方向の誤差量を求めるために、幾つかの方法が提示されているが、工具種類がボールエンドミルに限定され、工具先端を「真円」として扱うことが前提となっており、異なる先端形状の工具には適用ができず、中心位置の高精度な計測は困難であった。このため、多様な先端形状の工具に対しても、単純な計算で回転軸の中心位置を高精度に計測できるようにすることが求められていた。

本発明の目的は、タッチプローブを用いずに単純な計算で回転軸の中心位置を高精度に計測できる工作機械の回転軸中心位置計測方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、多様な先端形状の工具に対しても、単純な計算で回転軸の中心位置を高精度に計測できる工作機械の回転軸中心位置計測方法を提供することにある。

本発明の工作機械の回転軸中心位置計測方法は、主軸に工具を装着し、前記工具の位置を非接触で検出可能な検出ユニットをテーブルに設置しておき、計測対象の回転軸について前記工具と前記テーブルとを所定の角度位置に割り出し、各角度位置で前記検出ユニットを用いて前記テーブルに対する前記工具の位置を検出する検出動作を繰り返し、複数回の前記検出動作で検出された各角度位置での前記工具の位置から前記回転軸の中心位置を計算することを特徴とする。

このような本発明では、非接触式の検出ユニットを用いた検出動作を複数回繰り返し、各角度位置での工具の位置から幾何学的な計算を行うことで、回転軸の中心位置を高精度に計測することができる。
計測にあたって、工作機械の主軸には加工用の工具を装着でき、計測の直前に主軸を回転させて昇温させ、加工時と同様な状態で計測することができる。また、主軸にタッチプローブが装着できない工作機械にも、幅広く適用できる。
従って、本発明によれば、タッチプローブを用いずに単純な計算で回転軸の中心位置を高精度に計測できる工作機械の回転軸中心位置計測方法を提供することができる。

なお、本発明では、テーブルに対する検出ユニットの位置および向きが高精度に把握できていれば、より少ない回数で回転軸の回転中心を計算できるが、テーブルに対する検出ユニットの位置および向きが高精度に把握できていなくても、複数回の検出動作により各角度位置での工具の位置を検出することで、幾何学的演算により工具の先端位置を絞り込んで高精度に確定することができる。

本発明の工作機械の回転軸中心位置計測方法において、前記検出ユニットは、前記工具の先端が前記検出ユニットにおける特定位置にあることを非接触で検出可能であり、前記検出動作では、前記主軸と前記テーブルとを相対移動させて前記工具と前記テーブルとを所定の角度位置に割り出し、前記各角度位置で前記工具が前記検出ユニットの前記特定位置にくるように前記主軸と前記テーブルとの相対位置を調節し、この状態で前記主軸と前記テーブルとの相対位置から前記各角度位置での前記テーブルに対する前記工具の位置を検出することが好ましい。

本発明において、検出動作として検出ユニットを用いてテーブルに対する工具の位置を検出する際には、検出ユニットにおいて工具の位置を検出してもよく、検出ユニットを工具の位置決め治具として用い、工作機械の制御装置から制御用の位置データを取得してもよい。すなわち、工作機械を制御装置の制御下で動作させ、主軸を移動させて工具を検出ユニットの特定位置に配置し、この状態で工作機械の制御装置における主軸の位置データを参照することで、工具の位置を取得することができる。特定位置としては、検出ユニットにおける工具検出領域の中心位置などが利用できる。

本発明の工作機械の回転軸中心位置計測方法において、前記工具の前記テーブルの径方向の位置を検出可能な前記検出ユニットを用い、前記工具と前記テーブルとを、前記回転軸を挟んで第１方向に対向する２つの角度位置、および前記回転軸を挟んで前記第１方向と交差する第２方向に対向する２つの角度位置の４つの角度位置に割り出し、各角度位置で前記検出動作を行って前記工具の前記テーブルの径方向の位置を検出し、前記第１方向に対向する２つの角度位置で検出された前記工具の位置を結ぶ線分の中点を通りかつ前記第１方向に交差する第１直線と、前記第２方向に対向する２つの角度位置で検出された前記工具の位置を結ぶ線分の中点を通りかつ前記第２方向に交差する第２直線とを計算し、前記第１直線と前記第２直線との交点を前記回転軸の中心位置として計測してもよい。

本発明において、テーブルの径方向の工具の位置を検出可能な検出ユニットとしては、
工具の側面からの画像を検出して画像上の工具の位置を検出する画像センサを、テーブルの周方向に向けて設置したものが利用できる。
回転軸を挟んで対向する４つの角度位置としては、例えばテーブルの０度位置と１８０度位置を第１方向に対向する２つの角度位置とし、９０度位置および２７０度位置を第２方向に対向する２つの角度位置とすることができる。
このような本発明によれば、０度と１８０度の角度位置での検出動作では確定できない中心位置の推定範囲を、９０度と２７０度の角度位置での検出動作による工具の位置により絞り込み、正確な回転軸の中心を確定することができ、計４つの角度位置での検出動作で、回転軸の中心位置を高精度に計測できる。

本発明の工作機械の回転軸中心位置計測方法において、前記工具の前記テーブルの表面に沿った位置を検出可能な前記検出ユニットを用い、前記工具と前記テーブルとを、前記回転軸を挟んで対向する２つの角度位置に割り出し、各角度位置で前記検出動作を行って前記工具の前記テーブルの表面に沿った位置を検出し、２回の前記検出動作での前記工具の位置を結ぶ線分の中点を計算し、前記中点を前記回転軸の中心位置として計測してもよい。

本発明において、テーブルの表面に沿った工具の位置を検出可能な検出ユニットとしては、工具のテーブルの径方向の位置および周方向の位置を検出可能な検出ユニットが利用でき、より具体的には、オートフォーカス機能を有する画像センサシステムをテーブルの周方向に向けてテーブルに設置し、工具の側面からの画像上の工具の位置を径方向の位置とし、オートフォーカス機能で検出される画像の奥行き方向の工具の位置を周方向の位置として検出することができる。
回転軸を挟んで対向する２つの角度位置としては、例えばテーブルの０度位置と１８０度位置などとすることができる。
このような本発明によれば、２つの角度位置での検出動作という簡単な操作で、回転軸の中心位置を高精度に計測できる。

本発明の工作機械の回転軸中心位置計測方法において、前記工具の前記テーブルの径方向の位置を検出可能な前記検出ユニットを用い、前記工具と前記テーブルとを、前記回転軸を中心とした所定角度範囲内の複数の角度位置に割り出し、各角度位置で前記検出動作を行って前記工具の前記テーブルの径方向の位置を検出し、複数回の前記検出動作で得られた前記工具の位置をプロットし、近似計算により前記回転軸の中心位置を計算してもよい。

このような本発明では、工作機械の構造的な制約で、回転軸まわりの一部の角度範囲での検出動作ができない場合でも、同角度範囲を除く限定された角度範囲で複数回の検出動作を繰り返すことで、回転軸中心位置の候補位置を例えば円弧状にプロットすることができ、最小二乗法などの近似計算により中心位置を確定することができる。

本発明の工作機械の回転軸中心位置計測方法において、前記検出ユニットは、前記テーブルに対する固定手段を有することが好ましい。
本発明において、テーブルに設置される検出ユニットは、各角度位置での検出動作の間に、テーブルに対する設置位置が変動しないことが必要である。テーブルが上向きの場合、単に載置つまりテーブル表面に対して摩擦力で移動規制されるものであればよい。テーブルが上向き以外になる場合、検出ユニットがテーブルから落下しないように、テーブルに対して他の固定手段を用いることが好ましい。
固定手段としては、着脱が容易なものが好ましく、例えばマグネットによる吸着、粘着シートや接着剤などによる粘着、クランプなどの機械的な固定であってもよい。検出ユニットは非接触式であるため、工具との接触による移動は基本的になく、検出ユニットをテーブルに対して強固に固定する必要はない。

本発明の工作機械の回転軸中心位置計測方法において、前記検出ユニットは、平行光束を照射する照明部と、前記平行光束を検出する撮像部と、を有し、前記撮像部で検出された画像から前記平行光束中に配置された前記工具の先端位置を検出することが好ましい。

本発明において、照射部としては、点光源とテレセントリックレンズを用いて平行光束を形成するもの、直線状に配列された光源により平行光束を形成するもの、光ビームを平行に振って擬似的に平行光束を形成するもの、などが適宜利用できる。
本発明において、撮像部としては、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）式のカメラなど、撮影した画像をデータ出力して画像処理可能な画像検出器を用いることが好ましい。
本発明において、撮像部で検出された画像から平行光束中に配置された工具の先端位置を検出する際には、撮像部で検出された画像に対して既存の画像処理を行うことにより、平行光束中に配置された工具の影を検出し、エッジ検出により工具先端の輪郭からその中心位置を演算することで工具の先端位置を計算するソフトウェアを用いることができる。
このような本発明では、光学式の検出を行うことで、工具の先端位置を非接触で高精度に検出することができる。
また、位置検出にあたっては、照明部と撮像部との間の平行光束の中に工具の先端を配置するだけでよく、検出操作が容易である。

本発明の工作機械の回転軸中心位置計測方法において、前記工具を前記撮像部に対して回転した状態で、前記撮像部で前記画像を検出し、前記画像から前記工具の輪郭を検出し、前記輪郭の対称性から前記工具の中心軸線を検出し、前記中心軸線と前記輪郭との交点を前記工具の先端位置として検出することが好ましい。
このような本発明では、回転する工具の輪郭が線対称になることを利用して、工具の中心軸線を検出できるとともに、検出した中心軸線と工具の輪郭との交点をとることで、工具の先端位置を確定することができる。この際、工具の先端形状について制約はなく、多様な先端形状の工具に対して先端位置を確定できる。さらに、先端位置の確定は、工具の画像上の幾何学的演算処理だけでよく、単純な計算で工具の先端位置ないし回転軸の中心位置を高精度に計測できる。

本発明の工作機械の回転軸中心位置計測方法において、前記中心軸線と前記輪郭との交点を前記工具の先端位置として検出する際に、前記中心軸線の両側に所定距離をおいて一対の平行線を設定し、一対の前記平行線と前記輪郭との交点を通りかつ前記中心軸線と直交する補助輪郭線を設定し、前記中心軸線と前記補助輪郭線との交点を前記工具の先端位置として検出することが好ましい。
このような本発明では、例えば、先端に複数の突起をもつ工具や、偏った先端をもつ工具など、回転した状態では先端部の輪郭の形状が不明瞭になる工具についても、補助輪郭線を設定することで、中心から工具の先端位置を確定できる。これにより、多様な先端形状の工具に対しても、単純な計算で工具の先端位置ないし回転軸の中心位置を高精度に計測できる。

本発明の工作機械の回転軸中心位置計測方法において、前記工具の延伸方向に前記輪郭を横断する複数の横断線を設定し、各々の前記横断線について前記輪郭との２つの交点および２つの前記交点の中点を検出し、各々の前記横断線の前記中点を通る直線を前記工具の中心軸線とすることができる。
このような本発明では、工具の延伸方向（工具の向き、概略的な軸線方向）を利用して、工具の正確な中心軸線（回転対称軸）を検出することができる。この際、複数の横断線を用いる幾何学的な演算処理により、簡単に工具の先端位置ないし回転軸の中心位置を高精度に計測できる。

本発明の工作機械の回転軸中心位置計測方法において、前記工具の延伸方向に対して前記輪郭の片側の形状を基準パターンとして検出し、前記基準パターンを反転した形状に合致する対称パターンを前記輪郭から検出し、前記基準パターンと前記対称パターンとの中間を通る直線を前記工具の中心軸線とすることができる。
このような本発明では、工具の延伸方向（工具の向き、概略的な軸線方向）を利用して、工具の正確な中心軸線（回転対称軸）を検出することができる。この際、画像上のパターン認識により、簡単に工具の先端位置ないし回転軸の中心位置を高精度に計測できる。

本発明によれば、タッチプローブを用いずに単純な計算で回転軸の中心位置を高精度に計測できる工作機械の回転軸中心位置計測方法を提供することができる。また、多様な先端形状の工具に対しても、単純な計算で回転軸の中心位置を高精度に計測できる工作機械の回転軸中心位置計測方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態の工作機械を示す斜視図。 前記第１実施形態の検出ユニットを示す斜視図。 前記第１実施形態の検出ユニットを示す模式図。 前記第１実施形態の検出動作を示す斜視図。 前記第１実施形態の検出動作での工具先端を示す模式図。 前記第１実施形態の検出動作を示す模式図。 前記第１実施形態のＣ軸位置計測動作を示す模式図。 前記第１実施形態のＣ軸位置計測動作を示す模式図。 前記第１実施形態のＣ軸位置計測動作を示す模式図。 本発明の第２実施形態のＣ軸位置計測動作を示す模式図。 本発明の第３実施形態のＣ軸位置計測動作を示す模式図。 前記第３実施形態のＣ軸位置計測動作を示す模式図。 前記第１～第３実施形態の変形例を示す模式図。 本発明の第４実施形態のＡ軸位置計測動作を示す模式図。 前記第４実施形態のＡ軸位置計測動作を示す模式図。 前記第４実施形態のＡ軸位置計測動作を示す模式図。 本発明の第５実施形態のＡ軸位置計測動作を示す模式図。 前記第５実施形態のＡ軸位置計測動作を示す模式図。 前記第５実施形態のＡ軸位置計測動作を示す模式図。 前記第５実施形態のＡ軸位置計測動作を示す模式図。 本発明の第６実施形態のＡ軸位置計測動作を示す模式図。 前記第６実施形態のＡ軸位置計測動作の変形例を示す模式図。 前記第６実施形態のＡ軸位置計測動作の変形例を示す模式図。 前記第７実施形態の工具先端位置検出処理を示す模式図。 前記第７実施形態の異なる向きの工具先端位置検出処理を示す模式図。 前記第８実施形態の工具先端位置検出処理を示す模式図。 前記第９実施形態の工具先端形状とその画像を示す模式図。 前記第９実施形態の工具先端位置検出処理を示す模式図。

〔第１実施形態〕
図１において、工作機械１は、ベッド１１の上面に移動テーブル１２および回転テーブル１３を有する。
移動テーブル１２は、ベッド１１の上面に沿って移動自在に支持され、ベッド１１に形成されたＸ軸移動機構（図示省略）により移動され、Ｘ軸方向の所定位置に位置決め可能である。
回転テーブル１３は、移動テーブル１２の上面に回転自在に設置され、移動テーブル１２に形成されたＣ軸回転機構（図示省略）により回転され、Ｃ軸まわりの所定角度位置に位置決め可能である。
回転テーブル１３の上面には、加工対象であるワーク２が固定される。

工作機械１は、ベッド１１の上面に門型のコラム１４を有する。
コラム１４は、移動テーブル１２のＸ軸方向の移動経路を跨ぐように門型に形成されている。コラム１４には、サドル１５およびスライダ１６を介して主軸ヘッド１７が支持されている。
サドル１５は、コラム１４の水平バーに沿って移動自在に支持され、コラム１４に設置されたＹ軸移動機構（図示省略）により移動され、Ｙ軸方向の所定位置に位置決め可能である。
スライダ１６は、サドル１５の垂直な表面に沿って昇降自在に支持され、サドル１５に設置されたＺ軸移動機構（図示省略）により移動され、Ｚ軸方向の所定位置に位置決め可能である。

主軸ヘッド１７は、スライダ１６の下部表面に回転自在に支持され、スライダ１６に形成されたＡ軸回転機構（図示省略）により回転され、Ａ軸まわりの所定角度位置に位置決め可能である。
主軸ヘッド１７には、主軸１８が回転自在に支持され、主軸１８の先端には工具３が装着される。
主軸１８は、主軸ヘッド１７に設置されたモータにより回転され、ワーク２の切削加工に必要な所定の回転数およびトルクで工具３を回転させることができる。

工作機械１は、前述した移動テーブル１２のＸ軸移動、サドル１５のＹ軸移動、スライダ１６のＺ軸移動の３つに、回転テーブル１３のＣ軸回転、主軸ヘッド１７のＡ軸回転の２つを追加した５軸制御により、ワーク２に対して多様な切削加工が可能である。これらの動作制御を行うために、工作機械１にはＣＮＣ（コンピュータ数値制御）式の制御装置９が接続されている。
このような工作機械１において、回転テーブル１３のＣ軸の回転軸中心位置を以下の手順で計測する。

図２において、本実施形態では、工作機械１のＣ軸中心位置の計測を行うために、回転テーブル１３に検出ユニット２０を設置する。
図３において、検出ユニット２０はケース２１を有し、ケース２１の両端の脚部２２で回転テーブル１３の表面に着脱可能である。脚部２２は、粘着あるいはマグネットや吸盤などの固定手段を有し、回転テーブル１３の表面にずれないように固定される。

ケース２１は中間部上面側に開く開口部２３を有する。ケース２１の内部には、開口部２３を挟んで一方の側に照明部２４が設置され、反対側にテレセントリックレンズ２５、撮像部であるＣＣＤカメラ２６および演算部２７が設置されている。
照明部２４は、開口部２３を通してテレセントリックレンズ２５に向けて平行光束２８を照射可能である。
平行光束２８は、テレセントリックレンズ２５により集束され、ＣＣＤカメラ２６で撮影される。

撮像部であるＣＣＤカメラ２６は、入射された集束光から平行光束２８の横断画像を検出する。ここで、開口部２３に検出対象物２９が配置されると、平行光束２８の一部が遮断され、影２８１が形成される。
演算部２７は、ＣＣＤカメラ２６の検出画像を処理し、検出画像に表れる影２８１における幅および高さを測定することで、検出対象物２９の幅および高さを非接触で検出可能である。

図４において、前述した検出ユニット２０の開口部２３に工具３の先端を導入することで、工具３の先端が検出対象物２９として平行光束２８中に配置され、工具３の先端位置を検出することができる。
検出ユニット２０は、平行光束２８が回転テーブル１３の周方向（回転テーブル１３の半径方向と直交する方向）となるように、つまり照明部２４とＣＣＤカメラ２６とが回転テーブル１３の周方向に沿って向き合う姿勢としておく。
検出ユニット２０の位置は、回転テーブル１３の中心から離れた位置であればよく、正確な位置を計測しておく必要はない。また、検出ユニット２０の向きも、平行光束２８が回転テーブル１３の周方向に正確に沿う方向である必要はない。これは、正確でない成分があっても、後述する対向位置（角度位置Ａ０と角度位置Ａ１８０、角度位置Ａ９０と角度位置Ａ２７０）での演算時に、正確でない成分が相殺されるからである。
工具３を検出ユニット２０に導入する際には、工具３の先端位置がＣＣＤカメラ２６の検出画像（図５の検出画像２６１）の中央にくるように位置を調整する。

図５において、ＣＣＤカメラ２６の検出画像２６１には、工具３の先端の影２８１が表れる。
検出画像２６１においては、影２８１の輪郭２８２から、工具３の先端位置２８３の座標（Ｔｖ，Ｔｈ）を正確に割り出すことができる。
検出画像２６１で検出される座標（Ｔｖ，Ｔｈ）のうち、垂直方向の座標Ｔｖは工作機械１のＺ軸座標に相当する。一方、水平方向の座標Ｔｈは、回転テーブル１３の中心に対する工具３の径方向位置Ｒｃ（半径方向の距離）であり、回転テーブル１３の角度位置に応じて工作機械１のＸ軸座標およびＹ軸座標に投影される。例えば、回転テーブル１３が図７（Ａ）の角度位置Ａ０にあるとき、検出画像２６１は工作機械１のＸ軸に交差し、座標Ｔｈは工作機械１のＹ軸の座標Ｔｙとなる。回転テーブル１３が図８（Ａ）の角度位置Ａ９０にあるとき、検出画像２６１は工作機械１のＹ軸に交差し、座標Ｔｈは工作機械１のＸ軸の座標Ｔｘとなる。

工具３の先端位置２８３の座標（Ｔｖ，Ｔｈ）の割り出しにあたっては、演算部２７において検出画像２６１の画像処理による工具３の先端位置検出を行ってもよく、検出ユニット２０を工具３の位置決め治具として用い、工作機械１の位置データを取得して工具３の先端位置としてもよい。この際の工具３の先端位置の検出処理は、検出ユニット２０に設置された演算部２７で行うことができるほか、検出ユニット２０ではＣＣＤカメラ２６による画像検出までを行い、検出画像２６１の処理ないし工具３の先端位置の検出は工作機械１の制御装置９で行ってもよい。

図６において、工作機械１の制御装置９は、前述した各軸移動などを制御するための動作制御部９１を有するとともに、検出ユニット２０から取得した検出画像２６１を画像処理して工具３の先端位置を検出する工具位置検出部９２を有する。
検出動作においては、動作制御部９１の制御のもとで工作機械１を動作させ、主軸１８を移動させて工具３を検出ユニット２０の開口部２３内に導入し、工具３の先端が検出ユニット２０の特定位置にくるように主軸１８と回転テーブル１３との相対位置を調節する。この状態で、工具位置検出部９２は動作制御部９１から主軸１８の位置データ（工作機械１のＺ軸座標、Ｘ軸座標およびＹ軸座標）を取得し、検出画像２６１における座標Ｔｖ，Ｔｈを計算し、これを工具３の先端位置とすることができる。

特定位置としては、検出ユニット２０における工具検出領域である開口部２３の中心位置などが利用できる。工具３の先端を特定位置に配置するために、ＣＣＤカメラ２６の検出画像２６１に特定位置を示すマーカなどを表示することができる。一方、ＣＣＤカメラ２６の検出画像２６１の中央位置を特定位置とし、目視確認のみで特定位置と判定してもよい。これは、特定位置が正確でなくても、後述する対向位置（角度位置Ａ０と角度位置Ａ１８０、角度位置Ａ９０と角度位置Ａ２７０）での演算時に、正確でない成分が相殺されるからである。

本実施形態では、上述した検出ユニット２０を用いて、工作機械１のＣ軸中心位置を以下の手順で計測する。
図７（Ａ）において、先ず回転テーブル１３を角度位置Ａ０とし、回転テーブル１３の中心から離れた位置に検出ユニット２０を置く。
回転テーブル１３の角度位置Ａ０は、ＣＣＤカメラ２６の光軸が工作機械１のＸ軸に沿った状態とする。ただし角度位置Ａ０は任意の角度でよい。

検出ユニット２０を設置したら、回転テーブル１３の上方から主軸１８（図１参照）を下降させ、工具３を検出ユニット２０の開口部２３に導入する。そして、検出ユニット２０により角度位置Ａ０における工具３の位置Ｐ０（Ｔｘ０，Ｔｙ０）を記録しておく。

次に、工具３を上昇させて検出ユニット２０から抜き出したうえ、検出ユニット２０を載せたまま回転テーブル１３を角度位置Ａ０から１８０度回転させ、角度位置Ａ０に対してＣ軸を挟んで第１方向Ｄ１に対向する角度位置Ａ１８０とする。
図７（Ｂ）において、回転テーブル１３が角度位置Ａ１８０にある状態で、再び工具３を検出ユニット２０に導入する。そして、検出ユニット２０により角度位置Ａ１８０における工具３の先端位置Ｐ１８０（Ｔｘ１８０，Ｔｙ１８０）を記録しておく。

図７（Ｃ）において、角度位置Ａ０位置および角度位置Ａ１８０での工具３の位置Ｐ０，Ｐ１８０が得られたら、演算部２７により、Ｃ軸中心位置を通りかつ第１方向Ｄ１と交差する第１直線Ｌ１を計算する。具体的には、角度位置Ａ０での工具３の位置Ｐ０と角度位置Ａ１８０での工具３の先端位置Ｐ１８０とを線分Ｌ０１で結び、その中点を通りかつ第１方向Ｄ１と交差する直線を第１直線Ｌ１とする。

図７（Ａ）～図７（Ｃ）の検出動作により第１直線Ｌ１が得られたら、同様の手順で第２直線Ｌ２を計算する。
図８（Ａ）において、検出ユニット２０および回転テーブル１３を角度位置Ａ９０（角度位置Ａ０から９０度回転した角度位置）とし、工具３を検出ユニット２０の開口部２３に導入する。そして、検出ユニット２０により角度位置Ａ９０における工具３の先端位置Ｐ９０（Ｔｘ９０，Ｔｙ９０）を記録しておく。
図８（Ｂ）において、同様の操作により、検出ユニット２０および回転テーブル１３を、角度位置Ａ９０に対してＣ軸を挟んで第２方向Ｄ２（第１方向Ｄ１と交差する）に対向する角度位置Ａ２７０とし、検出ユニット２０により角度位置Ａ２７０における工具３の先端位置Ｐ２７０（Ｔｘ２７０，Ｔｙ２７０）を記録しておく。

図８（Ｃ）において、角度位置Ａ９０および角度位置Ａ２７０での工具３の先端位置Ｐ９０，Ｐ２７０が得られたら、演算部２７により、Ｃ軸中心位置を通りかつ第２方向Ｄ２と交差する第２直線Ｌ２を計算する。具体的には、角度位置Ａ９０での工具３の先端位置Ｐ９０と角度位置Ａ２７０での工具３の先端位置Ｐ２７０とを線分Ｌ０２で結び、その中点を通りかつ第２方向Ｄ２と交差する直線を第２直線Ｌ２とする。
図９において、第１直線Ｌ１および第２直線Ｌ２が得られたら、演算部２７により第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２との交点Ｐｃを計算する。これにより、Ｃ軸中心位置の存在可能範囲が交点Ｐｃの１点に限定され、工作機械１の正確なＣ軸中心位置を計測することができる。

このような本実施形態によれば、次のような効果がある。
本実施形態では、主軸１８に工具３を装着し、工具３の位置を非接触で検出可能な検出ユニット２０を回転テーブル１３に設置しておき、計測対象のＣ軸について工具３と回転テーブル１３とを所定の角度位置（Ａ０，Ａ９０，Ａ１８０，Ａ２７０）に割り出し、各角度位置で検出ユニット２０により回転テーブル１３に対する工具３の位置（Ｐ０，Ｐ９０，Ｐ１８０，Ｐ２７０）を検出する検出動作を繰り返し、４回の検出動作で検出された各角度位置での工具３の位置からＣ軸の中心位置（Ｐｃ）を計算した。

このような本実施形態では、非接触式の検出ユニット２０を用いた検出動作を４回繰り返し、各角度位置での工具３の位置から幾何学的な計算を行うことで、Ｃ軸の中心位置（Ｐｃ）を高精度に計測することができる。
計測にあたって、工作機械１の主軸１８には加工用の工具３を装着でき、計測の直前に主軸１８を回転させて昇温させ、加工時と同様な状態で計測することができる。また、主軸１８にタッチプローブが装着できない工作機械１にも、幅広く適用できる。
従って、本実施形態によれば、タッチプローブを用いずに単純な計算でＣ軸の中心位置を高精度に計測できる。

本実施形態では、とくに工具３の回転テーブル１３の径方向の位置を検出可能な検出ユニット２０を用い、工具３と回転テーブル１３とを、Ｃ軸を挟んで第１方向Ｄ１に対向する２つの角度位置Ａ０，Ａ１８０、およびＣ軸を挟んで第１方向Ｄ１と交差する第２方向Ｄ２に対向する２つの角度位置Ａ９０，Ａ２７０の４つの角度位置に割り出し、各角度位置で検出動作を行って工具３の回転テーブル１３の径方向の位置（Ｐ０，Ｐ９０，Ｐ１８０，Ｐ２７０）を検出し、第１方向Ｄ１に対向する２つの角度位置Ａ０，Ａ１８０で検出された工具３の位置Ｐ０，Ｐ１８０を結ぶ線分Ｌ０１の中点を通りかつ第１方向Ｄ１に交差する第１直線Ｌ１と、第２方向Ｄ２に対向する２つの角度位置Ａ９０，Ａ２７０で検出された工具３の位置Ｐ９０，Ｐ２７０を結ぶ線分Ｌ０２の中点を通りかつ第２方向Ｄ２に交差する第２直線Ｌ２とを計算し、第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２との交点ＰｃをＣ軸の中心位置として計測した。

このため、本実施形態の検出ユニット２０としては、回転テーブル１３の径方向の工具３の位置を検出可能であればよく、工具３の側面からの検出画像２６１（図５参照）を検出して画像上の工具３の位置を検出する画像センサ（照明部２４ないしＣＣＤカメラ２６、図３参照）を、回転テーブル１３の周方向に向けて設置したものが利用できる。
このような本実施形態によれば、０度と１８０度の角度位置Ａ０、Ａ１８０での検出動作では確定できないＣ軸中心位置の推定範囲（直線Ｌ１）を、９０度と２７０度の角度位置Ａ９０，Ａ２７０での検出動作による工具３の位置（直線Ｌ２）により絞り込み、正確なＣ軸の中心を確定することができ、計４つの角度位置（Ａ０，Ａ９０，Ａ１８０，Ａ２７０）での検出動作で、Ｃ軸の中心位置を高精度に計測できる。

本実施形態では、検出ユニット２０は、平行光束２８を照射する照明部２４と、平行光束２８を検出する撮像部（テレセントリックレンズ２５およびＣＣＤカメラ２６）と、検出画像２６１から平行光束２８中に配置された工具３の先端位置を検出する演算部２７と、を有するものとし、検出画像２６１に対して既存の画像処理を行うことにより、平行光束２８中に配置された工具３の影２８１を検出し、エッジ検出により工具３の先端の輪郭２８２からその中心位置を演算することで、工具３の先端位置２８３を計算することができる。
その結果、検出ユニット２０により、光学式の検出を行うことで、工具３の先端位置を非接触で高精度に検出することができる。
また、位置検出にあたっては、照明部２４と撮像部（テレセントリックレンズ２５およびＣＣＤカメラ２６）との間の平行光束２８の中に工具３の先端を配置するだけでよく、検出操作が容易である。
本実施形態では、検出ユニット２０は、回転テーブル１３に対する固定手段を有するとしたため、検出ユニット２０の回転テーブル１３に対する設置位置が、各角度位置での検出動作の間に変動しないようにできる。

〔第２実施形態〕
図１０には、本発明の第２実施形態が示されている。
前述した第１実施形態では、工作機械１（図１参照）のＣ軸中心位置の計測を行うために、回転テーブル１３に検出ユニット２０を設置し（図２および図３参照）、角度位置Ａ０，Ａ１８０での工具３の径方向位置の検出動作により第１直線Ｌ１を検出し、角度位置Ａ９０，Ａ２７０での同検出動作により第２直線Ｌ２を検出し、その交点Ｐｃを工作機械１の正確なＣ軸中心位置として計測していた。
これに対し、本実施形態では、角度位置Ａ０，Ａ１８０での検出動作において工具３の径方向位置とともに周方向位置、つまり回転テーブル１３の表面に沿った平面位置を検出することで、工作機械１の正確なＣ軸中心位置を計測する。

図１０（Ａ）において、角度位置Ａ０にある回転テーブル１３には検出ユニット２０Ａが置かれている。
検出ユニット２０Ａは、基本構成が第１実施形態の検出ユニット２０と同様であり、さらに、オートフォーカス機能を利用した画像の奥行き方向の座標検出が可能である。オートフォーカス機能を用いた座標検出としては、例えば図５の検出画像２６１において、工具３の影２８１の輪郭２８２に対してエッジ検出を行い、コントラスト最大となる焦点位置を検出することで、画像の奥行き方向の座標を正確に検出できる。
従って、回転テーブル１３に置かれた検出ユニット２０Ａに工具３を導入することにより、回転テーブル１３に対する工具３の径方向位置Ｒｃおよび周方向位置Ｃｃを検出することができる。このような、角度位置Ａ０における検出動作により、工具３の回転テーブル１３に対する平面位置ＰＡ０が計測される。

図１０（Ｂ）において、角度位置Ａ０での検出動作が済んだら、回転テーブル１３を角度位置Ａ１８０へ移動させ、角度位置Ａ１８０で同様の検出動作を行うことで、工具３の回転テーブル１３に対する平面位置ＰＡ１８０が計測される。
図１０（Ｃ）において、平面位置ＰＡ０および平面位置ＰＡ１８０が得られたら、演算部２７により平面位置ＰＡ０と平面位置ＰＡ１８０とを結ぶ線分ＬＡの中点ＰＡｃを計算する。この中点ＰＡｃにより、工作機械１の正確なＣ軸中心位置を計測できる。

このような本実施形態によれば、前述した第１実施形態と同様な効果が得られるとともに、工具３の先端の検出動作が角度位置Ａ０，Ａ１８０の２箇所で済み、作業効率を向上することができる。
さらに、本実施形態では、第１実施形態における角度位置Ａ９０，Ａ２７０など、他の角度位置での検出動作が必要ないため、例えば角度位置Ａ９０，Ａ２７０が並進軸（ＸＹＺ軸）の構造的な制約により検出動作の範囲外となる工作機械１であっても、角度位置Ａ０，Ａ１８０での検出動作により正確なＣ軸中心位置を計測できる。

〔第３実施形態〕
図１１ないし図１２には、本発明の第３実施形態が示されている。
前述した第１実施形態では角度位置Ａ０，Ａ１８０および角度位置Ａ９０，Ａ２７０での検出動作を行い、第２実施形態では角度位置Ａ０，Ａ１８０での検出動作を行っており、それぞれ回転テーブル１３の中心を挟んで対向する角度位置Ａ０，Ａ１８０での検出動作が必要であった。
これに対し、本実施形態では、角度位置Ａ０から１８０度未満の複数の角度位置Ａｎでそれぞれ第１実施形態と同様に、工具３の先端位置の検出動作を行い、検出結果の演算により工作機械１の正確なＣ軸中心位置を計測する。
本実施形態において、工作機械１、回転テーブル１３および検出ユニット２０については前述した第１実施形態と同様であり、これらの構成に関する重複する説明は省略する。

図１１（Ａ）において、先ず、検出ユニット２０が設置された回転テーブル１３を角度位置Ａ０に配置し、検出ユニット２０の開口部２３に工具３の先端を導入し、その位置を検出ユニット２０で検出して工具３の位置Ｐ０とする。
図１１（Ｂ）において、次に、回転テーブル１３を３０度回転させて次の角度位置Ａ３０まで回転させ、角度位置Ａ０と同様な操作により工具３の位置Ｐ３０を検出する。
図１１（Ｃ）において、さらに回転テーブル１３を３０度回転させて次の角度位置Ａ６０まで回転させ、角度位置Ａ０と同様な操作により工具３の位置Ｐ６０を検出する。
図１２（Ａ）において、回転テーブル１３を次の角度位置Ａ１２０まで回転させ、角度位置Ａ０と同様な操作により工具３の位置Ｐ１２０を検出する。
図１２（Ｂ）において、回転テーブル１３を次の角度位置Ａ１５０まで回転させ、角度位置Ａ０と同様な操作により工具３の位置Ｐ１５０を検出する。

図１２（Ｃ）において、前述した角度位置Ａ０～Ａ１５０で検出された工具３の位置Ｐ０～Ｐ１５０は画面上にプロットした際に円弧状に並ぶことになる。円弧状に並んだ位置Ｐ０～Ｐ１５０の点列に対して、例えば最小二乗法などにより、円弧状の中心点ＰＢｃの位置を高精度に計算することができ、ここで得られた中心点ＰＢｃを工作機械１の正確なＣ軸中心位置として計測することができる。

このような本実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様な効果が得られるとともに、工作機械１における並進軸（ＸＹＺ軸）の構造的な制約により検出動作の可能範囲が１８０度未満であっても、複数位置での検出動作により正確なＣ軸中心位置を計測できる。

〔第１～第３実施形態の変形〕
前述した第１～第３実施形態においては、角度位置Ａｎでの検出動作の際に、検出ユニット２０で工具３の先端の画像を撮影したが、工具３の検出画像上の位置は角度位置Ａｎごとにずれていてもよい。
図１３において、検出ユニット２０の検出画像２６１において、工具３の影２８１の輪郭２８２の検出画像２６１上の位置は、角度位置Ａ０と他の角度位置Ａｎで常に同じ位置にならないことがある。しかし、検出画像２６１の画像処理によって、角度位置Ａ０（２点鎖線）の位置からのずれ量ｄｃ０が算出できれば、その分の補正により工具３の座標を確定することができ、工具３の検出画像２６１上の位置は角度位置Ａｎごとにずれていてもよい。

〔第４実施形態〕
図１４ないし図１６には、本発明の第４実施形態が示されている。
本実施形態は、工作機械１におけるＡ軸中心位置から工具３の先端までのずれの距離（オフセット量）を計測するものである。
本実施形態における工作機械１、および計測に用いる検出ユニット２０については、前述した第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。

本実施形態では、回転テーブル１３に検出ユニット２０を設置する。
検出ユニット２０は開口部２３が回転テーブル１３の中央（Ｃ軸回転中心位置）にくるように配置する。そして、平行光束２８の向きが工作機械１のＸ軸方向となるように検出ユニット２０の向きを調整しておく。検出ユニット２０の向きは、回転テーブル１３のＣ軸回転によって調整してもよい。
検出ユニット２０が設置できたら、工作機械１の各軸動作により主軸ヘッド１７を検出ユニット２０に接近させ、主軸１８に装着された工具３の先端を開口部２３に導入して検出動作を行う。

図１５（Ａ）において、先ず、工作機械１のＡ軸回転により、工具３がＹ軸「＋」方向に向いた状態（Ａ軸まわりの角度位置Ａ０）とし、この状態で工作機械１の各軸移動により工具３の先端を開口部２３に導入する。さらに、工作機械１のＹ軸およびＺ軸の移動により、検出ユニット２０で得られる検出画像２６２において工具３の影２８１の先端位置２８３が検出画像２６２の中央にくるように調整し、この時の工作機械１のＹ軸位置およびＺ軸位置（図１６のＹ１，Ｚ１）を記録しておく。

図１５（Ｂ）において、次に、工作機械１のＡ軸回転により、工具３がＹ軸「－」方向に向いた状態（Ａ軸を挟んで角度位置Ａ０と対向する角度位置Ａ１８０）とし、この状態で工作機械１の各軸移動により工具３の先端を開口部２３に導入する。さらに、工作機械１のＹ軸およびＺ軸の移動により、検出ユニット２０で得られる検出画像２６２において工具３の影２８１の先端位置２８３が検出画像２６２の中央にくるように調整し、この時の工作機械１のＹ軸位置およびＺ軸位置（図１６のＹ２，Ｚ２）を記録しておく。

図１６において、角度位置Ａ０での工作機械１のＹ軸位置Ｙ１およびＺ軸位置Ｚ１と、角度位置Ａ１８０での工作機械１のＹ軸位置Ｙ２およびＺ軸位置Ｚ２との差は、それぞれ工具３の先端を同じ位置に配置した結果、Ａ軸（主軸ヘッド１７の回転軸１７１）における回転中心の振れに基づいている。
従って、角度位置Ａ０および角度位置Ａ１８０での各軸位置の差分の１／２から、工作機械１のＡ軸中心位置から工具３の先端までのずれの距離（オフセット量）（Ｙ＝（Ｙ１－Ｙ２）／２，Ｚ＝（Ｚ１－Ｚ２）／２）が計測できる。
このような本実施形態によっても、Ａ軸中心位置から工具３の先端までのずれの距離（オフセット量）の計測にあたって、前述した第１実施形態と同様な効果が得られる。

〔第５実施形態〕
図１７ないし図２０には、本発明の第５実施形態が示されている。
本実施形態は、いわゆる揺りかご式の工作機械１ＡにおけるＡ軸中心位置と工具３の先端が一致する座標を計測するものである。
図１７において、回転テーブル１３はクレードル１３１を介して移動テーブル１２（図１参照）に支持され、クレードル１３１に対してＣ軸まわりに回転可能である。クレードル１３１は一対のトラニオン１３２により移動テーブル１２に対してＡ軸まわりに回転可能である。
なお、工作機械１Ａにおいては、主軸ヘッド１７はスライダ１６（図１参照）に対して固定され、Ａ軸回転は行わず、常にＺ軸下向きに保持されている。

本実施形態では、回転テーブル１３に検出ユニット２０を設置する。検出ユニット２０については、前述した第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。
検出ユニット２０は開口部２３が回転テーブル１３の中央（Ｃ軸回転中心位置）にくるように配置する。そして、平行光束２８の向きが工作機械１ＡのＸ軸方向となるように検出ユニット２０の向きを調整しておく。検出ユニット２０の向きは、回転テーブル１３のＣ軸回転によって調整してもよい。
検出ユニット２０が設置できたら、工作機械１Ａの各軸動作により主軸ヘッド１７を検出ユニット２０に接近させ、主軸１８に装着された工具３の先端を開口部２３に導入して検出動作を行う。

図１８（Ａ）において、先ず、クレードル１３１のＡ軸回転により、回転テーブル１３がＹ軸「＋」方向に向いた状態（Ａ軸まわりの角度位置Ａ０）とし、この状態で工作機械１Ａの各軸移動により工具３の先端を開口部２３に導入する。
図１９（Ａ）において、クレードル１３１を角度位置Ａ０とした状態で、工作機械１ＡのＹ軸およびＺ軸の移動により、検出ユニット２０で得られる検出画像２６３において工具３の影２８１の先端位置２８３が検出画像２６３の中央にくるように調整し、この時の工作機械１ＡのＹ軸位置およびＺ軸位置（図２０のＹ１，Ｚ１）を記録しておく。

図１８（Ｂ）において、続いて、クレードル１３１のＡ軸回転により、回転テーブル１３がＹ軸「－」方向に向いた状態（Ａ軸を挟んで角度位置Ａ０と対向する角度位置Ａ１８０）とし、この状態で工作機械１Ａの各軸移動により工具３の先端を開口部２３に導入する。
図１９（Ｂ）において、クレードル１３１を角度位置Ａ１８０とした状態で、工作機械１ＡのＹ軸およびＺ軸の移動により、検出ユニット２０で得られる検出画像２６３において工具３の影２８１の先端位置２８３が検出画像２６３の中央にくるように調整し、この時の工作機械１ＡのＹ軸位置およびＺ軸位置（図２０のＹ２，Ｚ２）を記録しておく。

図２０において、角度位置Ａ０での工作機械１ＡのＹ軸位置Ｙ１およびＺ軸位置Ｚ１と、角度位置Ａ１８０での工作機械１ＡのＹ軸位置Ｙ２およびＺ軸位置Ｚ２との差は、それぞれ工具３の先端を同じ位置に配置した結果、クレードル１３１のＡ軸回転中心の振れに基づいている。
従って、角度位置Ａ０および角度位置Ａ１８０での各軸位置から、式（Ｙ＝（Ｙ１＋Ｙ２）／２，Ｚ＝（Ｚ１＋Ｚ２）／２）により、工作機械１ＡのＡ軸中心位置と工具３の先端が一致する座標が計測できる。
このような本実施形態によっても、Ａ軸中心位置と工具３の先端が一致する座標の計測にあたって、前述した第１実施形態と同様な効果が得られる。

〔第６実施形態〕
図２１ないし図２３には、本発明の第６実施形態が示されている。
本実施形態は、前述した第４実施形態と同様の構成を用いて、工作機械１におけるＡ軸中心位置から工具３の先端までのずれの距離（オフセット量）を計測するものである。
ただし、第４実施形態が角度位置Ａ０と、Ａ軸を挟んで角度位置Ａ０と対向する（つまり１８０度間隔となる）角度位置Ａ１８０との、２箇所で工作機械１のＹ軸位置Ｙ１，Ｙ２およびＺ軸位置Ｚ１，Ｚ２を検出したのに対し、本実施形態では、角度位置Ａ０から１８０度の範囲内の複数の角度位置ＡｎでＹ軸位置およびＺ軸位置の検出動作を行う。

図２１（Ａ）において、先ず、工作機械１のＡ軸回転（主軸ヘッド１７の回転軸１７１の回転）により、工具３がＹ軸「＋」方向に向いた状態（Ａ軸まわりの角度位置Ａ０）とし、この状態で工作機械１の各軸移動により工具３の先端を開口部２３に導入する。
図２１（Ｂ）において、工具３が角度位置Ａ０に配置されたのち、工作機械１のＹ軸およびＺ軸の移動により、検出ユニット２０で得られる検出画像２６４において工具３の影２８１の先端位置２８３が検出画像２６４の中央にくるように調整し、この時の工作機械１のＹ軸位置およびＺ軸位置を記録しておく。記録されるＹ軸位置およびＺ軸位置は、各角度位置ＡｎにおけるＡ軸中心位置Ｑ０となる。

続いて、工作機械１のＡ軸回転により、工具３を角度位置Ａ３０（角度位置Ａ０から３０度回転した状態）とし、この状態で角度位置Ａ０と同様に、工作機械１の各軸移動により工具３の先端を開口部２３に導入し、検出ユニット２０で得られる検出画像２６４において工具３の影２８１の先端位置２８３が検出画像２６４の中央にくるように調整し、その時の工作機械１のＹ軸位置およびＺ軸位置（Ａ軸中心位置Ｑ３０）を記録する。
さらに、工作機械１のＡ軸回転により、工具３を角度位置Ａ６０（角度位置Ａ０から６０度回転した状態）とし、角度位置Ａ０，Ａ３０と同様な手順で工作機械１のＹ軸位置およびＺ軸位置（Ａ軸中心位置Ｑ６０）を記録する。
同様にして、角度位置Ａ９０，Ａ１２０，Ａ１５０，Ａ１８０における工作機械１のＹ軸位置およびＺ軸位置（Ａ軸中心位置Ｑ９０，Ｑ１２０，Ｑ１５０，Ｑ１８０）を記録してゆく。

図２１（Ｃ）において、上述の検出動作を繰り返して得られた角度位置Ａｎ（Ａ０～Ａ１８０）におけるＡ軸中心位置Ｑｎ（Ｑ０～Ｑ１８０）を画面上にプロットすると、これらは円弧状に並んだ点列ＱＣとなる。これらの点列ＱＣに対して、例えば最小二乗法などにより、円弧状の点列ＱＣの中心点ＱＣｃの位置（各角度位置Ａｎに共通の工具３の先端位置）を高精度に計算することができる。ここで得られた中心点ＱＣｃにより、工作機械１のＡ軸中心位置Ｑｎから工具３の先端までのずれの距離（オフセット量）を正確に計測することができる。

このような本実施形態によっても、前述した第１実施形態および第４実施形態と同様な効果が得られるとともに、工作機械１における並進軸（ＸＹＺ軸）の構造的な制約により検出動作の可能範囲が１８０度未満であっても、複数の角度位置Ａｎでの検出動作によりＡ軸中心位置Ｑｎから工具３の先端までのずれの距離（オフセット量）を正確に計測できる。

〔第６実施形態の変形例〕
図２２において、前述した第６実施形態で計測されたＡ軸中心位置Ｑｎから工具３の先端までのずれの距離（オフセット量）は、工作機械１のＮＣ装置に登録され、工作機械１の動作時の補正値として参照される。
工作機械１のＮＣ装置に登録する際には、工具３の先端位置である中心点ＱＣｃから実際のＡ軸中心位置Ｑｎまでの距離Ｄ（オフセット量）が必要になる。Ａ軸中心位置Ｑｎによる円弧状の点列ＱＣの最小二乗法演算により、中心点ＱＣｃの位置とともに中心点ＱＣｃからＡ軸中心位置Ｑｎまでの距離Ｄ（近似値）を示す近似円弧半径が得られるので、この半径を中心点ＱＣｃとＡ軸中心位置Ｑｎとの実際の距離Ｄとすることができる。

工作機械１のＮＣ装置に登録する場合、距離Ｄを工具３に平行なＺ軸方向の成分Ｄｚと工具３と直交するＹ軸方向の成分Ｄｙに分離しなければならない。このために、Ａ軸中心位置Ｑｎと工具３の先端（中心点ＱＣｃ）とを結ぶ線分の角度θが必要となる。しかし、中心点ＱＣｃの計算に用いた最小二乗法では、近似円弧半径（距離Ｄ）を与える線分の角度θは得られない。
図２３（Ａ）において、前述した角度θが得られないことに加えて、前述した複数の角度位置Ａｎ（Ａ０～Ａ１８０）で円弧状の点列ＱＣとして検出されるＡ軸中心位置Ｑｎ（サンプリング点）は、点列ＱＣの近似円弧に対してばらつき（径方向の変位）がある。また、Ａ軸中心位置Ｑｎを検出する角度位置Ａｎとされる角度（０度～１８０度）で中心点ＱＣｃから延びる基準線Ｌｎを引くと、各角度でのＡ軸中心位置Ｑｎはこれらの基準線Ｌｎに対してもばらつき（周方向の変位）をもっている。
このような誤差分布の下で、先の角度θの最適値を決定するために、以下のような操作を採用することができる。

図２３（Ｂ）において、第１の操作として、工具３がＺ軸に沿った向き（角度位置Ａ９０）でのＡ軸中心位置Ｑ９０を採用してしまうことである。具体的には、中心点ＱＣｃからＡ軸中心位置Ｑ９０に伸ばした線分を求め、この線分とＺ軸とのなす角度をθとする。
このような操作によれば、全体最適にはならないが、基準としては最もふさわしい。

図２３（Ｃ）において、第２の操作として、工具３がＺ軸に対して所定角度（例えば４０度）となる向き（角度位置Ａ０から１３０度の角度位置Ａ１３０）において、中心点ＱＣｃからＡ軸中心位置Ｑ１３０に伸ばした線分を求め、この線分とＺ軸から４０度をなす基準線Ｌ１３０とのなす角度をθとしてもよい。

さらに、複数の角度位置ＡｎにあるＡ軸中心位置Ｑｎにおいて、基準線Ｌｎとの角度θｎを求め、その平均値を求めてもよい。
このような操作によれば、操作が煩雑であるが、全体最適となる角度θを得ることができる。
前述した複数の角度位置ＡｎにあるＡ軸中心位置Ｑｎにおいては、全範囲を均等割りして角度θを求めてもよいが、一部の角度範囲のサンプリング密度を高めたりあるいは低くしたりしてもよい。
以上の操作により、角度θが得られたら、前述したＺ軸方向の成分Ｄｚと工具３と直交するＹ軸方向の成分Ｄｙ（図２２参照）は、それぞれＤｚ＝Ｄｃｏｓθ、Ｄｙ＝Ｄｓｉｎθとして計算することができる。

〔第１～第６実施形態の変形〕
前述した第１ないし第６の各実施形態においては、それぞれ検出ユニット２０，２０Ａにより工具３の先端位置を検出した。
例えば、第１実施形態では、図５に示すように、ＣＣＤカメラ２６の検出画像２６１の中央に工具３の先端位置を捉え、検出画像２６１に表れる工具３の先端の影２８１の輪郭２８２から、工具３の先端位置２８３の座標（Ｔｖ，Ｔｈ）を割り出していた。
この際、工具３の先端の凹凸形状が複雑であるなど、工具３の先端形状によっては、座標が正確に検出できないことがある。
これに対し、工具３の先端位置（Ｔｖ，Ｔｈ）を簡単かつ正確に検出するために、以下に示す手順が利用できる。

〔第７実施形態〕
図２４（Ａ）に示すように、ＣＣＤカメラ２６（図３参照）の検出画像２６１には、工具３の先端の影２８１が表れる（図５と同様）。影２８１の輪郭２８２の一部には、工具３の先端位置２８３が表れ、その座標（Ｔｖ，Ｔｈ）の計測が求められる。
本実施形態では、工具３をＣＣＤカメラ２６に対して回転させた状態で、ＣＣＤカメラ２６で検出画像２６５を検出し（第１～第６実施形態における検出画像２６１～２６４と同様）、検出画像２６５から工具３の輪郭２８２を検出する。
本実施形態では、工具３が回転していることで、検出画像２６５に表れる輪郭２８２は回転中心に対して対称となり、この輪郭２８２の対称性から工具３の中心軸線２８４を正確に検出し、中心軸線２８４と輪郭２８２との交点を工具３の先端位置２８３として検出することができる。

本実施形態において、輪郭２８２から工具３の中心軸線２８４を検出する際には、次のような演算処理を行う。
図２４（Ｂ）に示すように、検出画像２６５において、工具３を所定の角度位置（例えば図２１（Ｂ）に示す角度位置Ａ９０）に配置し、その際の工具３の延伸方向Ｄ９０とする。次に、延伸方向Ｄ９０に沿って所定間隔で平行に、延伸方向Ｄ９０に直交しつつ輪郭２８２を横断する複数の横断線３０を設定してゆく。
図２４（Ｃ）に示すように、設定した複数の横断線３０に対して、それぞれ輪郭２８２との２つの交点３１，３２を検出し、さらに２つの交点３１，３２の中点３３を検出する。そして、各横断線３０の中点３３を通る直線を検出することで、この直線を工具３の中心軸線２８４とすることができる。

このような本実施形態では、工具３の延伸方向Ｄｎ（各角度位置Ａｎ，工具３の向き、概略的な軸線方向）を利用して、回転対称の軸を検出することで、工具３の正確な中心軸線２８４を検出でき、正確な中心軸線２８４と輪郭２８２との交点から、工具３の先端位置２８３の座標（Ｔｈ，Ｔｖ）を高精度に検出できる。
この際、中心軸線２８４の検出には複数の横断線３０の中点検出を行い、先端位置２８３の検出には輪郭２８２との交点検出を行うことで、それぞれは幾何学的な演算処理で実行でき、これにより工具３の先端位置２８３ないし回転軸（Ａ軸あるいはＣ軸）の中心位置を高精度に、かつ簡単に計測できる。

本実施形態において、工具３の向き（延伸方向Ｄｎ）は任意の角度（角度位置Ａｎ）とすることができる。
図２５（Ａ）において、工具３は角度位置Ａ１５０とされ、延伸方向Ｄ１５０に直交する複数の横断線３０が設定される。
図２５（Ｂ）に示すように、各横断線３０においては２つの交点３１，３２および中点３３が検出され、複数の中点３３を通る中心軸線２８４と輪郭２８２との交点から工具３の先端位置２８３の座標（Ｔｈ，Ｔｖ）を正確に検出できる。

〔第８実施形態〕
前述した第７実施形態では、輪郭２８２から工具３の中心軸線２８４を検出する際に、複数の横断線３０の中点検出を行った。
これに対し、本実施形態では、回転対称図形である輪郭２８２の片側ずつのパターン認識により工具３の中心軸線２８４を検出する。
図２６（Ａ）に示すように、検出画像２６５において、工具３を所定の角度位置（例えば図２１（Ｂ）に示す角度位置Ａ９０）に配置し、その際の工具３の延伸方向Ｄ９０とする。次に、延伸方向Ｄ９０に対して輪郭２８２の片側（延伸方向Ｄ９０に沿った直線で輪郭２８２を２分割した一部）の形状４１を基準パターン４０として検出する。
図２６（Ｂ）に示すように、基準パターン４０が検出できたら、基準パターン４０を反転した形状に合致する対称パターン４２を演算し、この対称パターン４２に一致する形状４３を輪郭２８２から検出する。対称パターン４２が検出できたら、基準パターン４０と対称パターン４２との中間を通る直線（基準パターン４０と対称パターン４２との線対称の軸）を工具３の中心軸線２８４とする。

このような本実施形態では、工具３の延伸方向Ｄｎ（各角度位置Ａｎ，工具３の向き、概略的な軸線方向）を利用し、輪郭２８２の片側ずつのパターン認識により、工具３の正確な中心軸線２８４を検出でき、正確な中心軸線２８４と輪郭２８２との交点から、工具３の先端位置２８３の座標（Ｔｈ，Ｔｖ）を高精度に検出できる。
この際、輪郭２８２の片側ずつのパターン認識として、基準パターン４０および対称パターン４２の検出は、それぞれ幾何学的な演算処理で実行でき、これにより工具３の先端位置２８３ないし回転軸（Ａ軸あるいはＣ軸）の中心位置を高精度に、かつ簡単に計測できる。

〔第９実施形態〕
前述した第７実施形態では、輪郭２８２から工具３の中心軸線２８４を検出したのち、中心軸線２８４と輪郭２８２との交点を検出して工具３の先端位置２８３とした。
これに対し、本実施形態では、工具３の先端部の輪郭２８２に補助輪郭線を設定することで、先端に複数の突起をもつ工具３や、中心から偏った先端をもつ工具３など、回転した状態では先端部の輪郭２８２の形状が不明瞭になる工具３についても、工具３の先端位置を確定できるようにする。

図２７（Ａ）および図２７（Ｂ）に示すように、工具３の先端部には回転中心を挟んで対向する一対の刃先３Ｔが形成されていたとする。図２７（Ｂ）において、実線で示された刃先３Ｔは、工具３が回転することで、２点鎖線で示された位置へ移動する。
前述した各実施形態では、それぞれ工具３の側方（工具３の回転軸線と交差する方向）から、ＣＣＤカメラ２６で工具３の先端部を撮影する。
例えば、ＣＣＤカメラ２６が図２７（Ｂ）の図中下側から工具３を撮影するとして、一対の刃先３ＴがＣＣＤカメラ２６の光軸と直交方向に対向する状態（図２７（Ｂ）で実線の状態）では、一対の刃先３ＴをともにＣＣＤカメラ２６の合焦範囲Ｒｆ０に収めることができる。ところが、工具３が回転し、一対の刃先３ＴがＣＣＤカメラ２６の光軸に沿った状態に近づくにつれ（図２７（Ｂ）で２点鎖線の状態）、ＣＣＤカメラ２６から各々の刃先３Ｔまでの距離の差が拡大し、一方がＣＣＤカメラ２６から遠い焦点深度範囲Ｒｆ１にあり、他方がＣＣＤカメラ２６から近い焦点深度範囲Ｒｆ２にある状態となり、ＣＣＤカメラ２６が一対の刃先３Ｔの双方に合焦することはできない。

このように、工具３を回転させることで、一対の刃先３ＴのＣＣＤカメラ２６からの距離が周期的に変化し、ＣＣＤカメラ２６で撮影される画像には一部にボケが生じる。
図２７（Ｃ）に示すように、工具３の影２８１の輪郭２８２は、先端を除き明瞭であるが、先端については一対の刃先３ＴがＣＣＤカメラ２６の光軸方向に変位するため、ボケが生じた状態となる。その結果、前述した第７～第８実施形態のように、中心軸線２８４と輪郭２８２との交点により工具３の先端位置２８３の座標を確定することができない。
これに対し、本実施形態では、前述した第７または第８実施形態と同様にして中心軸線２８４を検出するとともに、工具３の先端部の輪郭２８２に補助輪郭線を設定し、この輪郭補助線と中心軸線２８４との交点を工具３の先端位置２８３として検出する。具体的には、以下の手順を用いる。

図２８（Ａ）において、工具３の影２８１に対して中心軸線２８４を検出したら、中心軸線２８４の両側に、所定距離Ｏｆｓをおいて、中心軸線２８４と平行な一対の平行線Ｍ，Ｍｂを設定する。ここで、所定距離Ｏｆｓは、一対の平行線Ｍａ，Ｍｂと輪郭２８２との交点Ｃａ，Ｃｂが、輪郭２８２のボケが生じていない部分を通るように設定する。所定距離Ｏｆｓは、輪郭２８２の状態を見て調整してもよいが、工具３の刃先３Ｔの設計寸法に基づいて設定してもよい。
図２８（Ｂ）において、一対の平行線Ｍａ，Ｍｂと輪郭２８２との交点Ｃａ，Ｃｂが得られたら、一対の交点Ｃａ，Ｃｂを通りかつ中心軸線２８４と直交する補助輪郭２８５を設定し、中心軸線２８４と補助輪郭２８５との交点を工具３の先端位置２８３として検出する。

本実施形態では、補助輪郭２８５を設定することで、例えば一対の刃先３Ｔなど、先端に複数の突起をもつ工具３や、偏った先端をもつ工具３など、回転した状態では先端部の輪郭２８２の形状が不明瞭になる工具３についても、中心軸線２８４と補助輪郭２８５との交点により工具３の先端位置２８３を確定できる。これにより、多様な先端形状の工具３に対しても、単純な計算で工具３の先端位置２８３ないし回転軸（Ａ軸あるいはＣ軸）の中心位置を高精度に計測できる。

〔他の実施形態〕
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
前記各実施形態では、５軸制御の工作機械１，１ＡのＣ軸あるいはＡ軸の回転中心位置を計測したが、本発明を適用する工作機械および軸は任意に選択できる。
例えば、工作機械としては回転軸としてＡ軸およびＢ軸を有する５軸制御であってもよく、そのＢ軸の回転中心位置を計測してもよい。また、工作機械は４軸制御あるいは６軸制御などであってもよく、少なくとも回転軸中心位置が問題となる回転軸を有するものであればよい。

前記実施形態では、工具３の先端位置を検出するために検出ユニット２０，２０Ａを用いたが、検出ユニット２０，２０Ａとしては平行光束２８を形成するものに限らず、レーザ光ビームを平行に振って対象物を走査するもの（擬似的に平行光束となる）を用いてもよい。さらに、工具３に対して非接触であればよく、他の検出方式であってもよい。

本発明は、工作機械の回転軸中心位置計測方法に利用できる。

１，１Ａ…工作機械、２…ワーク、３…工具、３Ｔ…刃先、９…制御装置、９１…動作制御部、９２…工具位置検出部、１１…ベッド、１２…移動テーブル、１３…回転テーブル、１３１…クレードル、１３２…トラニオン、１４…コラム、１５…サドル、１６…スライダ、１７…主軸ヘッド、１７１…回転軸、１８…主軸、２０，２０Ａ…検出ユニット、２１…ケース、２２…固定手段を含む脚部、２３…開口部、２４…照明部、２５…テレセントリックレンズ、２６…撮像部であるＣＣＤカメラ、２６１～２６５…検出画像、２７…演算部、２８…平行光束、２８１…影、２８２…輪郭、２８３…先端位置、２８４…中心軸線、２８５…補助輪郭線、２９…検出対象物、３１，３２…交点、３３…中点、Ａ０～Ａ２７０，Ａｎ…角度位置、Ｃａ，Ｃｂ…交点、Ｃｃ…周方向位置、Ｄ…距離、Ｄ１…第１方向、Ｄ２…第２方向、ｄｃ０…ずれ量、Ｄｙ…Ｙ軸方向の成分、Ｄｚ…Ｚ軸方向の成分、Ｌ０１，Ｌ０２…線分、Ｌ１…第１直線、Ｌ１３０…基準線、Ｌ２…第２直線、ＬＡ…線分、Ｌｎ…基準線、Ｍａ，Ｍｂ…平行線、Ｏｆｓ…所定間隔、Ｐ０～Ｐ２７０…工具先端位置、ＰＡ０，ＰＡ１８０…平面位置、ＰＡｃ…中点、ＰＢｃ…中心点、Ｐｃ…交点、Ｑ０～Ｑ１８０，Ｑｎ…Ａ軸中心位置、ＱＣ…点列、ＱＣｃ…中心点、Ｒｃ…径方向位置、Ｔｈ，Ｔｖ…先端位置の座標、Ｔｘ０～Ｔｘ２７０…Ｘ軸座標、Ｔｙ０～Ｔｙ２７０…Ｙ軸座標、Ｙ１，Ｙ２…Ｙ軸位置、Ｚ１，Ｚ２…Ｚ軸位置、θ，θｎ…角度。

Claims (10)

1. 主軸に工具を装着し、前記工具の位置を非接触で検出可能な検出ユニットをテーブルに設置しておき、
   計測対象の回転軸について前記工具と前記テーブルとを所定の角度位置に割り出し、各角度位置で前記検出ユニットを用いて前記テーブルに対する前記工具の位置を検出する検出動作を繰り返し、
   複数回の前記検出動作で検出された各角度位置での前記工具の位置から前記回転軸の中心位置を計算することを特徴とする工作機械の回転軸中心位置計測方法であって、
   前記工具の前記テーブルの径方向の位置を検出可能な前記検出ユニットを用い、
   前記工具と前記テーブルとを、前記回転軸を挟んで第１方向に対向する２つの角度位置、および前記回転軸を挟んで前記第１方向と交差する第２方向に対向する２つの角度位置の４つの角度位置に割り出し、各角度位置で前記検出動作を行って前記工具の前記テーブルの径方向の位置を検出し、
   前記第１方向に対向する２つの角度位置で検出された前記工具の位置を結ぶ線分の中点を通りかつ前記第１方向に交差する第１直線と、前記第２方向に対向する２つの角度位置で検出された前記工具の位置を結ぶ線分の中点を通りかつ前記第２方向に交差する第２直線とを計算し、前記第１直線と前記第２直線との交点を前記回転軸の中心位置として計測することを特徴とする工作機械の回転軸中心位置計測方法。
2. 主軸に工具を装着し、前記工具の位置を非接触で検出可能な検出ユニットをテーブルに設置しておき、
   計測対象の回転軸について前記工具と前記テーブルとを所定の角度位置に割り出し、各角度位置で前記検出ユニットを用いて前記テーブルに対する前記工具の位置を検出する検出動作を繰り返し、
   複数回の前記検出動作で検出された各角度位置での前記工具の位置から前記回転軸の中心位置を計算することを特徴とする工作機械の回転軸中心位置計測方法であって、
   前記工具の前記テーブルの表面に沿った位置を検出可能な前記検出ユニットを用い、
   前記工具と前記テーブルとを、前記回転軸を挟んで対向する２つの角度位置に割り出し、各角度位置で前記検出動作を行って前記工具の前記テーブルの表面に沿った位置を検出し、
   ２回の前記検出動作での前記工具の位置を結ぶ線分の中点を計算し、前記中点を前記回転軸の中心位置として計測することを特徴とする工作機械の回転軸中心位置計測方法。
3. 主軸に工具を装着し、前記工具の位置を非接触で検出可能な検出ユニットをテーブルに設置しておき、
   計測対象の回転軸について前記工具と前記テーブルとを所定の角度位置に割り出し、各角度位置で前記検出ユニットを用いて前記テーブルに対する前記工具の位置を検出する検出動作を繰り返し、
   複数回の前記検出動作で検出された各角度位置での前記工具の位置から前記回転軸の中心位置を計算することを特徴とする工作機械の回転軸中心位置計測方法であって、
   前記工具の前記テーブルの径方向の位置を検出可能な前記検出ユニットを用い、
   前記工具と前記テーブルとを、前記回転軸を中心とした所定角度範囲内の複数の角度位置に割り出し、各角度位置で前記検出動作を行って前記工具の前記テーブルの径方向の位置を検出し、
   複数回の前記検出動作で得られた前記工具の位置をプロットし、近似計算により前記回転軸の中心位置を計算することを特徴とする工作機械の回転軸中心位置計測方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載した工作機械の回転軸中心位置計測方法において、
   前記検出ユニットは、前記工具の先端が前記検出ユニットにおける特定位置にあることを非接触で検出可能であり、
   前記検出動作では、前記主軸と前記テーブルとを相対移動させて前記工具と前記テーブルとを所定の角度位置に割り出し、前記各角度位置で前記工具が前記検出ユニットの前記特定位置にくるように前記主軸と前記テーブルとの相対位置を調節し、この状態で前記主軸と前記テーブルとの相対位置から前記各角度位置での前記テーブルに対する前記工具の位置を検出することを特徴とする工作機械の回転軸中心位置計測方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載した工作機械の回転軸中心位置計測方法において、
   前記検出ユニットは、前記テーブルに対する固定手段を有することを特徴とする工作機械の回転軸中心位置計測方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載した工作機械の回転軸中心位置計測方法において、
   前記検出ユニットは、平行光束を照射する照明部と、前記平行光束を検出する撮像部と、を有し、
   前記撮像部で検出された画像から前記平行光束中に配置された前記工具の先端位置を検出することを特徴とする工作機械の回転軸中心位置計測方法。
7. 請求項６に記載した工作機械の回転軸中心位置計測方法において、
   前記工具を前記撮像部に対して回転した状態で、前記撮像部で前記画像を検出し、
   前記画像から前記工具の輪郭を検出し、前記輪郭の対称性から前記工具の中心軸線を検出し、
   前記中心軸線と前記輪郭との交点を前記工具の先端位置として検出することを特徴とする工作機械の回転軸中心位置計測方法。
8. 請求項７に記載した工作機械の回転軸中心位置計測方法において、
   前記中心軸線と前記輪郭との交点を前記工具の先端位置として検出する際に、
   前記中心軸線の両側に所定距離をおいて一対の平行線を設定し、一対の前記平行線と前記輪郭との交点を通りかつ前記中心軸線と直交する補助輪郭線を設定し、
   前記中心軸線と前記補助輪郭線との交点を前記工具の先端位置として検出することを特徴とする工作機械の回転軸中心位置計測方法。
9. 請求項７または請求項８に記載した工作機械の回転軸中心位置計測方法において、
   前記工具の延伸方向に前記輪郭を横断する複数の横断線を設定し、各々の前記横断線について前記輪郭との２つの交点および２つの前記交点の中点を検出し、各々の前記横断線の前記中点を通る直線を前記工具の中心軸線とすることを特徴とする工作機械の回転軸中心位置計測方法。
10. 請求項７または請求項８に記載した工作機械の回転軸中心位置計測方法において、
    前記工具の延伸方向に対して前記輪郭の片側の形状を基準パターンとして検出し、前記基準パターンを反転した形状に合致する対称パターンを前記輪郭から検出し、前記基準パターンと前記対称パターンとの中間を通る直線を前記工具の中心軸線とすることを特徴とする工作機械の回転軸中心位置計測方法。

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