JPH09253979A

JPH09253979A - 刃先位置計測装置

Info

Publication number: JPH09253979A
Application number: JP8067634A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Nashiki; 政行梨木; Hidetaka Shibata; 英孝柴田
Original assignee: Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1996-03-25
Publication date: 1997-09-30
Anticipated expiration: 2016-03-25
Also published as: JP3333681B2

Abstract

(57)【要約】【課題】加工熱や環境の温度変化によっても計測誤差
が生じなく、しかも、工具の刃先形状や摩耗量、加工物
の寸法等をも計測することができる刃先位置計測装置を
提供する。【解決手段】主軸の軸線上に設けられて数値制御の基
準となる加工基準点に対して位置決めされた計測基準面
が基準ピース２５に形成される。計測基準面と工具１１
の刃先との輪郭は、カメラ２６によって捕らえられる。
捕らえられた輪郭は、電気的な画像情報として画像メモ
リ２８に記憶される。相対位置演算回路３０は、画像情
報に基づいて加工基準点および刃先間の相対距離を演算
する。熱などによる部材の変位の影響を受けずに相対位
置を計測することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＮＣ（数値制御）
旋盤等の工作機械に使用される計測装置に関し、特に、
主軸の軸線上に設けられて数値制御の基準となる加工基
準点と、前記軸線を含む平面内で移動し、前記主軸に保
持される素材を加工する工具の刃先との間で、加工基準
点と刃先との相対位置を計測する刃先位置計測装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の刃先位置計測装置では、
主軸が設置される主軸台にＬ字型の旋回アームが軸支さ
れ、この旋回アームの先端にタッチセンサが取り付けら
れる。刃先位置計測装置の作動時には、主軸の軸線を含
む平面内にタッチセンサを回動させ、工具の刃先がこの
タッチセンサに接触するまで工具が軸移動される。工具
が接触した時点での座標値と、予め測定されているタッ
チセンサの機械原点からの座標値とが比較され、それら
座標値のずれが求められる。その結果を利用して主軸軸
線上の加工基準点と工具刃先との相対距離が算出され、
算出された相対距離によって数値制御時の工具位置補正
量が得られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の刃先位
置計測装置では、切削加工熱や機械周囲環境の温度変化
に基づく主軸台や旋回アームの熱変位に起因して、予め
記憶されたタッチセンサの機械原点からの座標値と熱変
位後の実際の座標値との間にずれが生じ、その結果、計
測された工具位置補正量に誤差が生じてしまうことがあ
る。

【０００４】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
で、加工熱や環境の温度変化によっても計測誤差が生じ
なく、しかも、工具の刃先形状や摩耗量、加工物の寸法
等をも計測することができる刃先位置計測装置を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１発明によれば、主軸の軸線上に設けられて数値
制御の基準となる加工基準点と、前記軸線を含む平面内
で移動し、前記主軸に保持される素材を加工する工具の
刃先との間で、加工基準点と刃先との相対位置を計測す
る刃先位置計測装置において、前記加工基準面に対して
相対位置が決められた計測基準面と、計測基準面および
前記刃先の輪郭を捕らえるイメージセンサと、捕らえら
れた輪郭を電気的な画像情報として記憶する画像メモリ
と、画像情報に基づいて加工基準点および刃先間の相対
距離を演算する相対距離演算回路とを備えることを特徴
とする刃先位置計測装置が提供される。

【０００６】また、第２発明によれば、第１発明に係る
刃先位置計測装置において、前記計測基準面は、前記主
軸に保持された基準ピース、前記素材、前記主軸に設け
られて素材を挟持するチャックおよび前記主軸のいずれ
かによって画成されることを特徴とする。

【０００７】さらに、第３発明によれば、第１または第
２発明に係る刃先位置計測装置において、前記画像情報
に基づいて刃先の形状を検出する刃先形状演算回路をさ
らに備えることを特徴とする。

【０００８】さらにまた、第４発明によれば、第１〜第
３発明のいずれかに係る刃先位置計測装置において、加
工前の前記形状と加工後の前記形状とを比較することに
よって、刃先の摩耗量を算出する摩耗量演算回路をさら
に備えることを特徴とする。さらにまた、第５発明によ
れば、第１〜第４発明のいずれかに係る刃先位置計測装
置において、前記画像情報に基づいて、加工基準点およ
び刃先間の前記相対距離と前記素材および刃先間の相対
距離とから素材の寸法を算出する寸法演算回路をさらに
備えることを特徴とする。

【０００９】さらにまた、第６発明によれば、第１〜第
５発明のいずれかに係る刃先位置計測装置において、前
記画像情報に基づいて、前記刃先および主軸を駆動する
機械の異常を検出する異常検出回路をさらに備えること
を特徴とする。

【００１０】さらにまた、第７発明によれば、第１〜第
６発明のいずれかに係る刃先位置計測装置において、前
記イメージセンサには、高分解能で狭視野な画像を送り
込む高倍率な精密光学系と、精密光学系に比べ広視野な
画像を送り込む低倍率な広角光学系とが接続されること
を特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ本発
明の好適な実施形態を説明する。

【００１２】図１は、本発明に係る刃先位置計測装置が
適用されたＮＣ旋盤の構成を示す。このＮＣ旋盤は、旋
盤加工を施したい素材を保持する主軸１０と、この主軸
１０が保持する素材に接触して主軸１０の回転に応じて
素材に加工を施す工具１１とを備える。主軸１０は、そ
の軸線回りで回転すべく主軸台１２に支持される。主軸
１０の先端には、素材を挟持するチャック１３が装着さ
れている。

【００１３】工具１１は、タレット刃物台１４に着脱自
在に取り付けられ、主軸１０の軸線を含む平面内で移動
する。すなわち、第１ボールネジ１５を回転させれば、
主軸１０の軸線に対して近接／離隔する方向すなわちＺ
軸方向に、サドル１６に対してタレット刃物台５を相対
移動させることができる。第２ボールネジ１７を回転さ
せれば、主軸１０の軸線に平行な方向すなわちＸ軸方向
に、ベッド１８に対してサドル１６を相対移動させるこ
とができる。第１および第２ボールネジ１５、１７の回
転は、第１および第２サーボモータ１９、２０によって
駆動されることとなる。

【００１４】数値制御装置２１は、第１および第２サー
ボモータ１９、２０に駆動電力を供給するパワー増幅器
２２と、パワー増幅器２２の作動を管理して、第１およ
び第２サーボモータ１９、２０をサーボ制御するサーボ
プロセッサ２３とを備える。したがって、数値制御装置
２１は、第１および第２サーボモータ１９、２０の作動
を制御することによって、主軸１０の軸線上に設けられ
て数値制御の基準となる加工基準点２４に対する工具１
１の相対位置を決定する。加工基準点２４として、例え
ば、チャック１３によって挟持された素材の最後尾が位
置する点が設定される。

【００１５】数値制御装置２１には、加工基準点２４と
工具１１の刃先との間でそれらの相対距離を計測する刃
先位置計測装置が設けられる。この刃先位置計測装置
は、加工基準点２４に対する相対位置が予め決められて
いる計測基準面を持つ基準ピース２５と、計測基準面お
よび刃先１１の輪郭を画像として捕らえるイメージセン
サとしての例えばＣＣＤ（電荷結合素子）が組み込まれ
たカメラ２６と、数値制御装置２１内に設けられて加工
基準点２４と工具１１の刃先との相対距離を算出し、算
出された相対距離をサーボプロセッサ２３に供給するメ
インプロセッサ２７とを備える。基準ピース２５は主軸
１０のチャック１３に保持される。

【００１６】メインプロセッサ２７には、ＣＣＤで捕ら
えられた輪郭を電気的な画像情報として画像メモリ２８
に記憶させる画像情報記憶回路２９と、記憶された画像
情報に基づいて加工基準点２４と工具１１の刃先との相
対距離を演算する相対距離演算回路としての相対位置演
算回路３０とが設けられる。画像情報記憶回路２９は、
ＣＣＤの画像を格子状に細分化して、細分化された格子
ごとにデータを画像メモリ２８に記憶する。この細分化
にあたっては、１個のＣＣＤドットを格子に対応させて
もよく、複数個のドットで格子を構成してもよい。

【００１７】次に本実施形態の作用を説明する。まず、
素材の加工にあたっては、加工基準点２４と工具１１の
刃先との相対位置が刃先位置計測装置によって計測され
る。相対位置が計測されると、工具１１の移動平面内
で、加工基準点２４を基準として所望の加工に必要とさ
れる工具１１のＸ軸方向およびＺ軸方向の移動量が算出
される。実際の素材の加工にあたっては、第１および第
２サーボモータ１９、２０の作動を通じて、算出された
移動量に従って工具１１が移動させられる。その結果、
精度の高い加工完成品を得ることができる。

【００１８】図２に示すフローチャートを参照して刃先
位置計測装置の作動を説明する。第１ステップＳ１で、
主軸１０のチャック１３に基準ピース２５を挟持させ
る。基準ピース２５は、例えば先端にフランジを有する
円筒状に形成される。しかも、その円筒の中心線（回転
軸）は主軸１０の軸線と重なり合っている（図１参
照）。第２ステップＳ２では、図３に示すように、基準
ピース２５の計測基準面３１を含んでいる画像３２に工
具１１の刃先１１ａを進入させる。刃先１１ａの進入
は、第１および第２サーボモータ１９、２０の駆動を通
じた工具１１の移動によって達成される。第３ステップ
Ｓ３では、ＣＣＤの働きを通じて画像３２を画像メモリ
２８に取り込む。このとき、ＣＣＤは、画像３２の色や
明暗を通じて計測基準面３１の輪郭および刃先１１ａの
輪郭を特定することができる画像情報を作成する。画像
３２は、画像情報記憶回路２９によって、複数個の格子
に細分化された後、格子ごとに画像メモリ２８に記憶さ
れる。連続する複数の格子によって輪郭線は画成され
る。

【００１９】相対位置演算回路３０は、第４ステップＳ
４で、基準ピース２５の既知の寸法に基づいて、画像３
２上での１格子が表す距離を算出する。例えば、フラン
ジのの軸方向長さＢやフランジの直径Ｄ１、円筒の直径
Ｄ２、フランジの段差の高さＡの寸法が分かっていれ
ば、容易に格子当たりの距離を知ることができる。この
場合、画像を工具１１の移動平面に直交する方向から撮
像すれば、相対位置演算回路３０での計算が単純化され
る。

【００２０】続いて、第５ステップＳ５で、相対位置演
算回路３０は、求められた格子当たりの距離に基づい
て、基準ピース２５と工具１１の刃先１１ａとの相対位
置ｄＸおよびｄＺを演算する。したがって、加工基準点
２４から基準ピース２５の基準面３１までの距離が予め
分かっていれば、加工基準点２４に対する工具１１の刃
先１１ａの相対位置を簡単に割り出すことができる。し
かも、刃先１１ａの相対位置を非接触で特定するので、
従来の刃先位置計測装置に比べ、熱による影響やその他
の外部影響をできる限り排除することができる。この刃
先位置の計測は、加工に先立って行うだけでなく、加工
が一区切り終了した段階で随時行うことができる。

【００２１】なお、場合により、チャック１３に把持さ
れた基準ピース２５が把持姿勢不良によって振れ回りを
することが考えられるが、その場合には、主軸１０回転
により基準ピース２５を回転させ、その振れ幅を画像情
報にて演算することによって主軸１０の軸線を求めるこ
とができる。

【００２２】また、この実施形態では、基準ピース２５
を用いて計測基準面３１を画成したが、その他、主軸１
０に保持される加工素材の一部に計測基準面を設けた
り、主軸１０自体の一部に計測基準面を設けたり、主軸
１０先端に取り付けられるチャック１３の一部に計測基
準面を設けたりすることもできる（図４参照）。

【００２３】さらに、前述の実施形態に係る刃先位置計
測装置に、画像メモリ２８に記憶された画像情報を用い
て刃先の形状を検出する刃先形状演算回路（図示せず）
を付加することもできる。この刃先形状演算回路での計
算処理は、前述の相対位置演算回路３０に負担させても
よい。すなわち、刃先形状演算回路は、画像３２上で表
現される工具１１の輪郭を得ることによって刃先１１ａ
の形状を知ることができる。この刃先１１ａの形状を知
ることによって、工具１１の種類を識別したり、工具１
１の破損を知ったりすることができる。

【００２４】さらにまた、前述の実施形態に係る刃先位
置計測装置に、画像メモリ２８に記憶された画像情報を
用いて刃先１１ａの摩耗量を算出する摩耗量演算回路
（図示せず）を付加することもできる。この刃先形状演
算回路での計算処理は、前述の相対位置演算回路３０に
負担させてもよい。すなわち、摩耗量演算回路は、画像
３２上で表現される加工前および加工後の工具１１の輪
郭を比較することによって、形状の変化から刃先１１ａ
の摩耗量を検出することができる。加工前の輪郭は画像
情報として画像メモリ２８に記憶される。この場合、前
述した１格子当たりの距離に基づいて正確な摩耗量を知
ることができるだけでなく、形状変化による摩耗状況、
摩耗の領域別分布等を知ることもできよう。

【００２５】さらにまた、前述の実施形態に係る刃先位
置計測装置に、画像メモリ２８に記憶された画像情報を
用いて素材の寸法を算出する寸法演算回路（図示せず）
を付加することもできる。この刃先形状演算回路での計
算処理は、前述の相対位置演算回路３０に負担させても
よい。

【００２６】この素材寸法の検出には、前述した加工基
準点２４および刃先間の相対距離が利用される。図５に
示すように、再度、工具１１の刃先１１ａを画像３２内
に進入させ、刃先１１ａと素材３５との相対位置ｄＸお
よびｄＺを前述と同様の方法によって求める。前述のよ
うに、刃先１１ａと加工基準点２４との相対位置は既知
であるため、素材３５の中心からの素材３５の寸法Ｄｗ
が求められる。

【００２７】さらにまた、前述の実施形態では、イメー
ジセンサとしてのＣＣＤに、高い分解能で狭視野な画像
３２を送り込む高倍率な精密光学系が組み込まれたカメ
ラ２６が用いられている。この場合、作業者が工具１１
の刃先１１ａをカメラ２６の画像３２内に進入させるこ
とが困難な場合が考えられる。したがって、図６に示す
ように、精密光学系カメラ２６ａに並列に、広視野な画
像３７を送り込む低倍率な広角光学系を用いた位置決め
用カメラ３６を設けることができる。この位置決め用カ
メラ３６を用いれば、刃先１１ａを簡単に画像３２内に
誘導することができるだけでなく、工具１１の移動を自
動制御することも可能である。図６に示すように２つの
カメラ２６ａ、３６を用いる他、１つカメラ２６で２つ
の光学系を切り替えるようにしてもよい。

【００２８】さらにまた、前述の実施形態に係る刃先位
置計測装置に、画像メモリ２８に記憶された画像情報を
用いてＮＣ旋盤の異常を検出する異常検出回路（図示せ
ず）を付加することもできる。すなわち、異常検出回路
の採用によって、前述した広い視野の位置決め用カメラ
３６からの画像情報を用いて、チャック把持時の姿勢不
良による素材の振れ回りや、素材や工具等への切粉の絡
み付き、切削液の吐出不良等、視覚的に判別できる異常
を画像情報から検出することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように第１発明によれば、熱やそ
の他の環境の温度変化等に対して影響を受けない正確な
相対位置を計測することができる刃先位置計測装置を提
供することができる。

【００３０】また、第２発明によれば、簡単な構成によ
って計測基準面を構成することができる。

【００３１】さらに、第３発明によれば、第１発明の効
果に加え、刃先形状を求めることによって、工具の種類
を特定したり、工具の破損状態を観察したりすることが
できる。

【００３２】さらにまた、第４発明によれば、第１発明
の効果に加え、工具の摩耗量を求めることができる。

【００３３】さらにまた、第５発明によれば、第１発明
に効果に加え、素材の寸法を測定することができる。

【００３４】さらにまた、第６発明によれば、第１発明
の効果に加え、刃先位置計測装置が適用される機械の異
常をも知ることができる。

【００３５】さらにまた、第７発明によれば、精密光学
系の画像に対する刃先の位置決めを簡単に行うことが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る刃先位置計測装置が適用された
ＮＣ旋盤の概略構成図である。

【図２】刃先および加工基準点間の相対距離を測定す
る手順を示すフローチャートである。

【図３】相対位置に関する画像情報を説明する画像の
拡大図である。

【図４】基準ピースの代わりにチャックの一部を用い
た刃先位置計測装置を示す図である。

【図５】素材寸法に関する画像情報を説明する画像の
拡大図である。

【図６】位置決め用カメラ追加された刃先位置計測装
置を示す図である。

【符号の説明】

１０主軸、１１工具、１１ａ刃先、１３チャッ
ク、２４加工基準点、２５基準ピース、２６イメ
ージセンサおよび精密光学系が組み込まれたカメラ、２
８画像メモリ、３０相対距離演算回路としての相対
位置演算回路、３２画像、３５素材、３６広角光
学系が組み込まれたカメラ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主軸の軸線上に設けられて数値制御の基
準となる加工基準点と、前記軸線を含む平面内で移動
し、前記主軸に保持される素材を加工する工具の刃先と
の間で、加工基準点と刃先との相対位置を計測する刃先
位置計測装置において、前記加工基準面に対して相対位置が決められた計測基準
面と、計測基準面および前記刃先の輪郭を捕らえるイメ
ージセンサと、捕らえられた輪郭を電気的な画像情報と
して記憶する画像メモリと、画像情報に基づいて加工基
準点および刃先間の相対距離を演算する相対距離演算回
路とを備えることを特徴とする刃先位置計測装置。
【請求項２】請求項１に記載の刃先位置計測装置にお
いて、前記計測基準面は、前記主軸に保持された基準ピ
ース、前記素材、前記主軸に設けられて素材を挟持する
チャックおよび前記主軸のいずれかによって画成される
ことを特徴とする刃先位置計測装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の刃先位置計測
装置において、前記画像情報に基づいて刃先の形状を検
出する刃先形状演算回路をさらに備えることを特徴とす
る刃先位置計測装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の刃先位
置計測装置において、加工前の前記形状と加工後の前記
形状とを比較することによって、刃先の摩耗量を算出す
る摩耗量演算回路をさらに備えることを特徴とする刃先
位置計測装置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の刃先位
置計測装置において、前記画像情報に基づいて、加工基
準点および刃先間の前記相対距離と前記素材および刃先
間の相対距離とから素材の寸法を算出する寸法演算回路
をさらに備えることを特徴とする刃先位置計測装置。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の刃先位
置計測装置において、前記画像情報に基づいて、前記刃
先および主軸を駆動する機械の異常を検出する異常検出
回路をさらに備えることを特徴とする刃先位置計測装
置。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載の刃先位
置計測装置において、前記イメージセンサには、高分解
能で狭視野な画像を送り込む高倍率な精密光学系と、精
密光学系に比べ広視野な画像を送り込む低倍率な広角光
学系とが接続されることを特徴とする刃先位置計測装
置。