JPH1199448A - 精密加工方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動工具交換と工具先端位置検出を含む加工
を連続して行う場合、主軸停止による主軸熱変位の変化
や、加工回転速度の違いによる主軸発熱量の差による刃
先位置の変動があるので、再起動後に短時間で刃先位置
の安定化を図り、精密加工を行えるようにする。 【解決手段】 工具交換、工具先端位置検出、主軸回転
速度の変更、主軸回転停止時間の長短に基づく主軸変位
が速やかに安定するよう、変更後の工具先端位置の光学
式検出と接触式検出の間に主軸冷却手段を含むウォーミ
ングアップ期間を設け、主軸変位の安定した状態の下で
効率的且つ正確な工具先端位置検出を行い、それを基に
連続して精度の良い正確な加工を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械における
工具先端位置を精密に検出し、その位置を基にして加工
を行う精密加工方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械は、主軸の熱変形を制御するた
め、主軸または主軸周辺部に温度管理された冷却液を循
環させる主軸冷却手段を有している。工作機械において
ワークを加工する場合、通常は主軸の起動と主軸冷却手
段の冷却液供給開始とを同時に行い、主軸の熱変形がほ
ぼ安定してから加工を開始する方法をとっている。する
とどうしても時間がかかってしまう。

【０００３】また、特開平8-267342号公報には、工具長
測定時の主軸の熱変位が当該工具による加工開始時の主
軸の熱変位とほぼ等しくなるように潤滑液温度調節装置
を制御する技術が開示されている。主軸の熱変位が問題
となるのは、工具交換、工具長測定、作業者によるワー
クの加工結果の確認等で主軸を一旦停止し、その後、主
軸を起動して加工を再開することはしばしばあり、主軸
の熱変位が等しくなるよう制御するのは容易ではない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、主軸の熱変
形が安定するまで待ってから工具長を測定し、且つ、加
工を開始するようにしようとするものであるが、この時
装置を安定状態に戻すためのウオーミングアップ時間を
短縮し、且つ加工精度を向上させることを目的とする。

【０００５】さらに説明するに、自動工具交換や工具先
端位置検出を含む加工を継続して行う場合、主軸停止時
間の長短による主軸熱変位の変化、及び主軸回転速度の
違いによる主軸熱変位量の差により、刃先位置が変動し
加工誤差となる。本発明は、その主軸の停止時間、主軸
回転の変化に対し主軸冷却装置の起動タイミングを最適
制御することにより、加工回転速度における刃先位置を
より短時間に安定化させ、高い加工精度を確保すること
を目的としたものである。

【０００６】本発明は、図６に示すように、主軸各回転
速度に対応して、それぞれ主軸熱変形が安定する領域が
あり、一旦この領域に入れば主軸はそれ以上熱変形せず
安定する。この現象はそれぞれの装置において再現性が
あることに着目してなされたものである。

【０００７】主軸が各回転速度で起動してからこの安定
領域に入るまでのウオーミングアップ時間を如何に短縮
させるかの一手法として、低速度から高回転速度に変速
する場合と、高回転速度から低回転速度に変速する場合
とがある。

【０００８】これは、図５に示すような主軸変位量δを
まず求め、このδを媒介量にして主軸起動から冷却液供
給開始までの起動タイミングの時間差であるディレータ
イム（主軸回転速度低→高の場合）、主軸停止時間（主
軸回転速度高→低の場合）、主軸起動から接触式工具先
端位置検出開始までのウオーミングアップ時間（本発明
手法を用いた場合の）、および主軸起動から加工開始ま
でのウォーミングアップ時間（本発明手法を用いた場合
の）を求めることができる。

【０００９】例えば、工具交換を含む連続加工におい
て、数ミクロンオーダの加工精度（種々の工具による加
工面の段差）を管理する場合、加工回転速度の違いによ
る刃先位置の変化は勿論、同一回転速度にて全て加工で
きる場合でも、工具交換中の主軸停止の影響による刃先
位置の変動を無視できない。

【００１０】即ち、従来の加工方法においては、 １本の工具で全ての仕上面を再度加工し直す。しか
しこれでは、工具摩耗、加工形状が必要とする工具種類
（ボール、フラット）や、工具サイズ（最小工具でを使
用）の制約、及び加工時間の問題から実用的でない。 工具交換を含む連続加工においては、工具種類やサ
イズに拘らず加工回転速度を極力同一にして、主軸熱変
位の回転速度の違いによる刃先位置の変化量を抑える。
ここでは、同一回転速度でも、工具交換中に主軸を停止
させた影響で刃先位置が安定するまで数分のランニング
運転が必要とされる。 工具交換を含む連続加工で工具交換の前後で加工回
転速度が異なる場合は、工具交換後直ぐ加工せず、予備
ランニングをさせ、主軸熱変位が安定してから再度工具
長を求め直し、加工を開始する。この予備ランニング時
間は例えば約10分を要する。 特に高速・高精度加工機では、機械自体の加工精度が良
くなり、且つ加工時間も短くなっているので、上述のよ
うな障害を解決して工具交換に伴う刃先位置の変動をよ
り短時間に安定化させることが重要となっている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、下記のように構成されている。 （１） 主軸に装着された工具とテーブルに載置された
ワークとの間で数値制御部からの指令により送り軸を相
対移動させて前記ワークを加工する工作機械による精密
加工方法において、光学式の工具先端位置検出手段及び
これより主軸送り方向離間位置に設けた接触式の工具先
端位置検出手段を前記主軸と相対移動可能な部分に取り
付け、前記工具を第１の送り速度で前記光学式の工具先
端位置検出手段の測定領域へ向けて移動させ、前記光学
式の工具先端位置検出手段が遮光を検出したときの前記
工具の先端位置を検出し、前記光学式の工具先端位置検
出手段が前記工具の先端位置を検出したら、主軸送り方
向離間位置にある前記接触式の工具先端位置検出手段の
所定距離手前から前記工具を前記第１の送り速度より小
さい第２の送り速度で前記接触式の工具先端位置検出手
段の測定子へ向けて移動させ、前記接触式の工具先端位
置検出手段が接触を検出したときの前記工具の先端位置
を検出し、前記接触式の工具先端位置検出手段で検出し
た前記工具の先端位置を基にしてワークを加工を行うよ
うにした精密加工方法。

【００１２】（２） 主軸に装着された工具とテーブル
に載置されたワークとの間で数値制御部からの指令によ
り送り軸を相対移動させるとともに工具交換を行い前記
ワークを加工する工作機械による精密加工方法におい
て、光学式の工具先端位置検出手段及びこれより主軸送
り方向離間位置に設けた接触式の工具先端位置検出手段
を前記主軸と相対移動可能な部分に取り付け、前記工具
を第１の送り速度で前記光学式の工具先端位置検出手段
の測定領域へ向けて移動させ、前記光学式の工具先端位
置検出手段が遮光を検出したときの前記工具の先端位置
を検出し、前記光学式の工具先端位置検出手段が前記工
具の先端位置を検出したら、これより主軸送り方向離間
位置に設けた前記接触式の工具先端位置検出手段の所定
距離手前から前記工具を前記第１の送り速度より小さい
第２の送り速度で前記接触式の工具先端位置検出手段の
測定子へ向けて移動させ、前記接触式の工具先端位置検
出手段が接触を検出したときの前記工具の先端位置を検
出し、前記接触式の工具先端位置検出手段で検出した工
具交換前後の新旧工具先端位置が一致するように補正デ
ータを演算して前記数値制御部に送出するようにした精
密加工方法。

【００１３】（３） 主軸に装着された工具とテーブル
に載置されたワークとの間で数値制御部からの指令によ
り送り軸を相対移動させるとともに工具交換を行い前記
ワークを加工する工作機械による精密加工方法におい
て、光学式の工具先端位置検出手段及びこれより主軸送
り方向離間位置に設けた接触式の工具先端位置検出手段
を前記主軸と相対移動可能な部分に取り付け、工具交換
後、光学式の工具先端位置検出を経て接触式の工具先端
位置検出までに主軸装置のウオーミングアップを行い、
ほぼ主軸の熱変形が安定した時点で一旦主軸を停止して
前記接触式の工具先端位置検出手段で工具先端位置を検
出し、工具交換前後の新旧工具の先端位置が一致するよ
うに補正データを演算して数値制御部へ送出するととも
に主軸を起動してワークの加工を開始することを特徴と
した精密加工方法。

【００１４】（４） 主軸に装着された工具とテーブル
に載置されたワークとの間で数値制御部からの指令によ
り送り軸を相対移動させるとともに工具交換を行い前記
ワークを加工する工作機械による精密加工方法におい
て、光学式の工具先端位置検出手段及びこれより主軸送
り方向離間位置に設けた接触式の工具先端位置検出手段
を前記主軸と相対移動可能な部分に取り付け、冷却液循
環による主軸装置の冷却手段を設け、主軸の各回転速度
に対して主軸の熱変形がほぼ安定するまでの主軸変位量
を予め求めて記憶し、主軸を起動してから主軸の熱変形
が速やかに安定するまでの前記主軸変位量に対する冷却
液供給開始タイミング、主軸起動タイミング、および加
工開始タイミングの各データを予め求めて記憶し、実際
の加工に当たり、前主軸回転速度および次主軸回転速度
に応じて冷却液供給開始タイミング、主軸起動タイミン
グ、および接触式工具先端位置検出開始タイミングを前
記記憶した各データに基づいて演算し、工具交換に際
し、光学式の工具先端位置検出を経て接触式の工具先端
位置検出までに前記演算した各タイミングに基き主軸装
置のウオーミングアップを行い、ほぼ主軸の熱変形が安
定した時点で一旦主軸を停止して前記接触式の工具先端
位置検出手段で工具先端位置を検出し、工具交換前後の
新旧工具の先端位置が一致するように補正データを演算
して数値制御部へ送出するとともに主軸を起動してワー
クの加工を開始するようにした精密加工方法。

【００１５】（５） 主軸に装着された工具とテーブル
に載置されたワークとの間で数値制御部からの指令によ
り送り軸を相対移動させるとともに工具交換を行い前記
ワークを加工する工作機械による精密加工方法におい
て、光学式の工具先端位置検出手段及びこれより主軸送
り方向離間位置に設けた接触式の工具先端位置検出手段
を前記主軸と相対移動可能な部分に取り付け、冷却液循
環による主軸装置の冷却手段を設け、主軸の各回転速度
に対して主軸の熱変形がほぼ安定するまでの主軸変位量
を予め求めて記憶し、主軸を起動してから主軸の熱変形
が速やかに安定するまでの前記主軸変位量に対する冷却
液供給開始タイミング、主軸起動タイミング、および加
工開始タイミングの各データを予め求めて記憶し、実際
の加工に当たり、前主軸回転速度および次主軸回転速度
に応じて冷却液供給開始タイミング、主軸起動タイミン
グ、および接触式工具先端位置検出開始タイミングを前
記記憶した各データに基づいて演算し、工具交換に際
し、工具交換より光学式の工具先端位置検出を経て接触
式の工具先端位置検出までに前記演算した各タイミング
に基づき主軸装置のウォーミングアップを行い、ほぼ主
軸の熱変形が安定した時点で一旦主軸および冷却液の供
給を停止して前記接触式の工具先端位置検出手段で工具
先端位置を検出し、工具交換前後の新旧工具の先端位置
が一致するように補正データを演算して数値制御部へ送
出するとともに主軸を起動し、前記接触式の工具先端位
置検出のために主軸を停止していた間の主軸熱変形を前
記記憶した各データの冷却液供給タイミングおよび加工
開始タイミングに基づいて主軸装置をウォーミングアッ
プして安定化した後、加工を開始することを特徴とした
精密加工方法。

【００１６】（６） 主軸に装着された工具とテーブル
に載置されたワークとの間で数値制御部からの指令によ
り送り軸を相対移動させて前記ワークを加工する工作機
械における精密加工装置において、前記主軸と相対移動
可能な部分に取り付けられた光学式の工具先端位置検出
手段及びこれより主軸送り方向離間位置に設けた接触式
の工具先端位置検出手段、前記工具を第１の送り速度で
前記光学式の工具先端位置検出手段の測定領域へ向けて
移動させ、前記光学式の工具先端位置検出手段が遮光を
検出したときの前記工具の先端位置を検出し、その後前
記接触式の工具先端位置検出手段の所定距離手前から前
記工具を前記第１の送り速度より小さい第２の送り速度
で前記接触式の工具先端位置検出手段の測定子へ向けて
移動させる測定制御手段、を備え、前記接触式の工具先
端位置検出手段が接触を検出したときの前記工具の先端
位置を検出し、前記接触式の工具先端位置検出手段で検
出した前記工具の先端位置を基にしてワークを加工する
ようにした精密加工装置。

【００１７】（７） 主軸に装着された工具とテーブル
に載置されたワークとの間で数値制御部からの指令によ
り送り軸を相対移動させるとともに工具交換を行い前記
ワークを加工する工作機械における精密加工装置におい
て、前記主軸と相対移動可能な部分に取り付けられた光
学式の工具先端位置検出手段及びその主軸送り方向離間
位置に設けた接触式の工具先端位置検出手段、工具交換
後、光学式の工具先端位置検出を経て接触式の工具先端
位置検出までの間に主軸のウオーミングアップを行い、
ほぼ主軸の熱変形が安定した時点で一旦主軸を停止して
前記接触式の工具先端位置検出手段で工具先端位置を検
出するようにした測定制御手段、を備え、工具交換前後
の新旧工具の先端位置が一致するように補正データを演
算して数値制御部へ送出するとともに主軸を起動してワ
ークの加工を開始するようにした精密加工装置。

【００１８】

【作用】本発明による工作機械の主軸に取り付けた工具
の工具先端位置の測定では、工具先端位置の検出を光学
式検出手段で行い、次に正確な検出ができる接触式検出
手段に対してその近くまで速い速度で送り、その接触直
前位置より低速度送りとすることにより接触式検出手段
への適用時間を短縮できる。

【００１９】また、工具交換、工具先端位置検出、主軸
回転速度の変更、回転停止時間の長短に基づく熱変位に
対しては、主軸装置のウォーミングアップ後、主軸軸熱
変形が安定したところで接触式工具先端検出手段を適用
することにより、工具先端位置の測定精度の向上が図れ
る。

【００２０】さらに、主軸変位が早く安定するよう主軸
装置に設けた冷却手段の制御により主軸変位の安定化を
早めることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明方法を実施する工
作機械の工具長測定装置の一実施形態の要部側面及び構
成ブロック図、図２は本発明による工作機械の主軸頭に
おける冷却液供給機構を示す説明断面図、図３は図１及
び図２における動作フロー図、図４は主軸回転速度に対
応して冷却液供給を制御する場合の説明図、図５は主軸
回転速度の変化により生ずる主軸変位量と冷却液の供給
タイミングについての説明図、図６は主軸回転速度の変
化と時間、主軸変位量の関係を示す図、である。

【００２２】まず、図１を参照して、工具長測定手段を
備えたＮＣ工作機械の要部を説明する。図中、ＮＣ工作
機械の本体（図示せず）には、工具１を装着した主軸３
が主軸頭５に回転自在に軸支され、ＮＣ装置41の数値制
御部47からの指令に基づき、Ｘ軸送りモータ７、Ｙ軸送
りモータ９、Ｚ軸送りモータ11及び主軸回転用ビルトイ
ンモータ57(図２参照)を駆動することにより、主軸頭５
とワーク（図示せず）を載置するテーブル13との間で、
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の直交３軸方向に相対移動させ、また、主
軸３を主軸頭５内で回転させる。主軸３内に設けたドロ
ーバー（図示せず）下部には工具１を把持するコレット
チャック15が螺着され、主軸３内でドローバーがコレッ
トチャック15と共に上下方向に移動可能なように組付け
てある。

【００２３】テーブル13の左方にガイド21を設け、前記
ガイド21によりＸ軸方向へ往復移動可能に案内されるキ
ャリア23上にマガジンベース25を立設し、工具１を収納
する工具マガジン17がマガジンベース25上に固定されて
いる。工具マガジン17は、樹脂などの弾性材料からなる
板材で、板厚の中間部に溝部17b が形成された上下二層
よりなり、Ｘ軸方向に沿って工具１を収納する８個の工
具ポット17a が形成されている。各工具１には弾性リン
グ27が嵌着されており、前記弾性リング27が、工具１を
工具マガジン17の工具ポット17a への収納時に前記溝部
17b に嵌合して、その上下が挟まれて軸線方向のおよそ
の基準となり、工具ポット17a に把持される。

【００２４】通常、工具マガジン17はワークの加工領域
外である退避位置にあるが、ＮＣ装置41から工具交換の
指令が送出されたときには交換位置に出て工具交換を行
う。主軸３に装着された工具１をアンクランプ状態にし
て工具マガジン17の工具ポット17a に収納するときは、
ドローバーを下方に押し出すことによりコレットチャッ
ク15を主軸３先端部から突出させ、コレットチャック15
を主軸先端部のテーパ穴から開放するようにする。ま
た、工具マガジン17の工具ポット17a に収納した工具１
を主軸３に装着するときは、ドローバーを引き上げてコ
レットチャック15のテーパ部と主軸３先端部のテーパ穴
とを嵌合させることによりコレットチャック15に把持力
を与え、工具１をクランプする。

【００２５】加工の妨げとならないテーブル13上の所定
位置には、工具１の刃先位置を検出するラインセンサ
（光学式工具先端位置検出手段）29を設けている。ライ
ンセンサ29は、テーブル13上に取り付けられたセンサベ
ース29a 内に、発光ダイオードなどの光源からの光を平
行光線31へ変換するレンズを内蔵する投光部29b と、投
光部29b から投光された光線31を受光する複数個の電荷
結合型素子（ＣＣＤ）等の受光素子が所定間隔で配列さ
れた受光部29c とが設けられ、投光部29b と受光部29c
とは互いに対向するように配置されている。工具寸法測
定時に工具１がラインセンサ29の投光部29b と受光部29
c との間の測定領域に達し、投光部29b から照射される
光線31を遮光したことを受光部29c の受光素子で検出
し、電気信号に変換している。なお、ラインセンサ29の
代わりに１本の糸状のレーザ光線を有したレーザセンサ
を用いてもよい。

【００２６】ラインセンサ29を取り囲むように設けたセ
ンサカバー33は、加工中に飛散する切屑や切削液がライ
ンセンサ29周辺部に付着するのを防止するものであり、
工具寸法測定時には、開閉用シリンダ（図示せず）に加
圧空気が供給されて開き、ラインセンサ29の測定領域
を、工具１に対して開放する。また、図１に示すよう
に、前記ラインセンサ29の測定領域に対し主軸３の縦送
り（Ｚ軸）方向に沿って、より下方位置に測定領域を有
し、かつ、加工の妨げとならないテーブル13上の所定位
置に工具刃先位置検出のための接触式センサ35を設けて
いる。

【００２７】さきに述べたとおり、従来、機械加工の高
速化、測定時間の短縮化を目的として、工具長測定用の
接触式センサに対する測定進入速度を高速化し、それに
応じ測定子の触圧を100 〜150 ｇ程度に高くして、軸送
りに基づき発生する振動が測定値に影響しないようにす
るのが一般であるが、本実施形態の接触式センサ35で
は、この測定子37の触圧を20〜25ｇ程度に小さくして、
工具刃先の接触時に、刃先の欠損、折損が生じないよう
設計している。さらに、測定領域に進入する主軸３の送
り速度を遅くして、測定時には刃先が緩やかに測定子に
当るように配慮されている。

【００２８】なお、接触式センサ35にも、同センサ35を
取り囲むようにセンサカバー39が設けてあり、加工中に
飛散する切屑や切削液が接触式センサ35周辺部に付着す
るのを防止している。このセンサカバー39も、工具寸法
測定時には、開閉用シリンダ（図示せず）にエアが供給
されて開き、接触式センサ35の測定領域を開放する。

【００２９】工作機械の制御手段は、ＮＣ装置41（数値
制御部42を含む）と機械制御装置（ＭＴＣ）43とにより
構成される。ＮＣ装置41は、ＮＣプログラムを読み取
り、解読して直線補間や円弧補間の演算を行い、移動指
令をサーボ部を通してＸ軸送りモータ７、Ｙ軸送りモー
タ９、Ｚ軸送りモータ11に送出して各軸送りモータを駆
動制御し、主軸頭５の位置制御を行うと共に、主軸回転
用ビルトインモータ57に主軸３の回転指令を送出する。
また、加工プログラムには工具交換指令などが含まれ、
加工工程において工具交換指令が送出されたときには、
加工の一時中止、工具マガジン17の移動、主軸３、主軸
頭５の移動操作による工具１の交換、選択及びコレット
チャック15の開閉等の指令を順次、プログラムに従って
送出する。

【００３０】機械制御装置43は、測定制御部45、工具長
演算部47、データ記憶部49及び送り軸位置検出部51を含
んで構成されている。測定制御部45には、工具長測定プ
ログラムが記憶されており、光学式の非接触形工具刃先
位置検出器（ラインまたはレーザセンサ）の測定領域へ
の軸送りにおける主軸の回転速度指令、光学式の非接触
形検出器に対する工具の（第一）送り速度指令、接触式
センサ35の測定子37への工具の（第二）送り速度指令、
接触式センサ35の測定子37から所定距離離れた個所（工
具の縦送り速度を変速、低減する送り軸の位置）への誘
導指令、主軸３の送り速度の変速指令等が含まれる。

【００３１】工具長演算部47は、工具寸法測定時に、接
触式センサ35の測定子37に工具１の刃先が接触したこと
を接触式センサ35が検出したときの送り軸の位置データ
とデータ記憶部49から送出された工具データとから、工
具１の刃先位置変位量である工具オフセット量を演算し
て、測定制御部45、数値制御部42へ送出している。

【００３２】データ記憶部49には、加工を行う前にあら
かじめ、主軸３の先端部が光学式の工具先端位置検出手
段によって遮光を検出されたときの送り軸の位置、主軸
３の先端面が接触式の工具先端位置センサによって接触
を検出されたときの送り軸の位置（送り軸の基準位置）
を、それぞれ求めておき記憶しておく。次に、送り軸位
置検出部51では、ＮＣ装置41の数値制御部42から各軸送
りモータに送出される移動指令に基づきリニアスケール
（図示せず）またはロータリエンコーダ８，10，12等を
介して、また、各センサ29，35から工具先端位置の接触
信号を受けて、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各送り軸の位置を刻々読
み込んでいる。

【００３３】以上、述べた工作機械の工具長測定装置に
基づいて、本実施形態の工具長測定方法を説明する。 （１）所望形状の加工に使用する刃先形状の異なった複
数種の微小径工具を含む工具１に対し弾性リング27を嵌
着して、工具マガジン17の工具ポット17a に収納する。
主軸３に別の工具１が装着されている場合には、前記工
具１を返却、交換するための空の工具ポット17a を、工
具マガジン17に設けておく必要がある（図１参照）。 （２）ＮＣ装置41から工具交換指令が送出されると、工
具マガジン17とＮＣ工作機械の主軸頭５との間で、Ｘ，
Ｙ，Ｚ軸方向の相対移動により自動工具交換が行われ
る。その都度、上述したとおり、主軸３のコレットチャ
ック15を開閉して工具１の開放、装着が行われる。

【００３４】（３）工具交換が完了すると、再び工具マ
ガジン17を旧位置まで後退させる。 （４）工具交換後に、機械制御装置43の測定制御部45の
測定プログラムからの指令に基づき、工具１（主軸頭
５）が、ラインセンサ29の測定領域の真上に位置決めさ
れる。 （５）測定制御部45からの指令により、ラインセンサ29
及び接触式センサ35のセンサカバー33，39を開放状態と
すると共に、ラインセンサ29の投光部29b から受光部29
c に向けて、光線31を照射する。 このときは、まだ、接触式センサ35は、起動していな
い。

【００３５】（６）主軸頭５（工具刃先）をラインセン
サ29の測定領域に向け、例えば、2000mm ／min 程度の
送り速度（第一送り速度）でＺ軸方向に移動させる。 （７）工具１の刃先によりラインセンサ29の受光部29c
に向けた光線31を遮光した瞬間の出力（スキップ信号）
が機械制御装置43の送り軸位置検出部49及び数値制御部
42で検出されたら、その位置でＺ軸送りモータ11の作動
を一時停止または後退させると共に、その間に、Ｘ，Ｙ
軸送りモータ７，９に指令して、主軸頭５（工具１）を
接触式センサ35の測定子37の真上に移動させる。

【００３６】（８）その位置で再度、Ｚ軸送りモータ11
を作動させ、さきの工具刃先の検出位置を基準にして同
刃先が接触式センサ35の測定子37の上方、例えば、50μ
m の位置に達するまで主軸頭５を第一送り速度で軸送り
すると共に、同位置において主軸頭５の軸送り速度を、
例えば、0.3mm ／min 程度の遅いスピード（第二送り速
度）に変速させる。主軸頭５の軸送りが前記第二速度に
変速されると同時に、測定子37の触圧が20〜25ｇ程度の
接触式センサ35を起動させる（接触式センサの検出信号
を有効にする）ようにして、高速の軸送り、主軸回転に
より生じる振動が前記接触式センサ35の検出値に影響し
ないよう図られている。

【００３７】（９）工具１の刃先は、遅い第二速度で軸
送りされ、触圧が極めて小さな測定子37に接触するの
で、接触に当って、微小径工具の刃先が欠損または折損
するおそれがない。すなわち、触圧の低い測定子を利用
しても送り軸の移動に基づく振動の影響を受けないよう
に、かつ、触圧による工具刃先の欠損、折損を防止する
ため、接触式センサ35の測定子37への工具の近接送り速
度を極めて緩やかにしている。主軸頭５の軸送り速度が
変速してから、工具１の刃先が測定子37に接触するまで
に、約10sec の時間がある。接触式センサ35の測定子37
が工具刃先の接触を検知した信号（スキップ信号）は、
送り軸位置検出部49及び数値制御部42に出力され、その
刃先位置は、Ｚ軸エンコーダ12から送り軸位置検出部51
に入力され、求めることができる。また、Ｚ軸送りは停
止される。 （10）求めた工具刃先のＺ軸位置と、データ記憶部49に
記憶された送り軸の基準位置とに基づき工具長演算部47
で、工具交換後の新工具の工具長を機上において演算・
測定する。また、工具交換前後の新旧工具の先端位置が
一致するように補正データを算出し数値制御部41に送出
している。

【００３８】ところで、主軸３は温度変化により伸縮す
るため、上記した測定時における工具長測定に誤差を生
ずるので、これに対する考慮が必要となる。図２に示す
ように、主軸頭５にはグリース潤滑軸受53，55により主
軸３が回転自在に支承され、ビルトインモータ57により
駆動されるよう構成されている。そして、主軸頭５内に
おいて温度変化を生ずる部分である軸受53，55及びビル
トインモータ57の外周部分に、それぞれ冷却液ジャケッ
ト59，61，63が主軸頭５にビルトインされて設けられて
いる。

【００３９】そして、各冷却液ジャケット59，61，63に
は、外部に設けた冷却液供給手段65より開閉弁67を介し
て冷却液供給路69より冷却液が供給され、冷却液還流路
71を経て冷却液供給手段65に還流される。なお、冷却液
供給手段65は、前記ジャケット部に冷却液の供給をする
必要がない場合は、開閉弁67を介して冷却液循環路73に
冷却液の流れを切り換え、冷却液を冷却液供給手段65に
戻すように構成されている。これは、冷却液供給手段65
を常時ＯＮさせておくためで、冷却レスポンスをできる
だけ良くする効果と、冷却液供給手段65のコンプレッサ
のON／OFF 頻度を下げてコンプレッサの寿命を延ばす効
果を得ることができる。

【００４０】主軸３の駆動は、ＮＣ装置41によりビルト
インモータ57を回転制御させるようにしてある。制御手
段75は、ＮＣ装置41と関連して冷却液供給手段65よりの
冷却液の流れを制御する開閉弁67をも制御するよう構成
されている。なお、制御手段75には別に設けた記憶手段
77よりの情報をも加味して行われる。また、制御手段75
と記憶手段77は、機械制御装置43内に設けられている。

【００４１】図３は、本発明による工具交換に際しての
制御動作フローチャートで、工具交換に際し、主軸停
止、冷却液供給停止、次いで、工具交換装置により主軸
に前工具の取外し、次工具の装着が行われ、まず、光学
式の工具先端位置検出がなされる。そして、前主軸回転
速度を記憶し、また、次主軸回転速度を記憶し、主軸回
転速度の変化により生ずる主軸変位量と冷却液の供給タ
イミングについての説明図である図５（ａ）に示すよう
に、主軸変位量−主軸回転速度曲線から次主軸回転速度
と前主軸回転速度に対応した主軸変位量δを算出する。

【００４２】そして、次主軸回転速度が前主軸回転速度
より大きいか同じならば、主軸を次主軸回転速度で起動
し、主軸停止時間を計測し、図５（ｂ）に示すような冷
却液供給ディレータイム−主軸変位量曲線によって主軸
起動から冷却液供給開始までの前記δに対応するディレ
ータイムを演算し、そのディレータイム経過後冷却液供
給を開始する。

【００４３】さらに、図５（ｄ）に示すようなウォーミ
ングアップ時間−主軸変位量曲線から前記δに対応する
ウォーミングアップ時間を演算し、そのウォーミングア
ップ時間経過後、主軸回転を停止し、接触式工具先端位
置検出を行う。図５（ｄ）は本来、主軸起動から加工開
始までのウォーミングアップ時間を示しているが、この
加工開始と同じ主軸の熱変形状態にて工具先端位置検出
を行うのが一番正確な検出となるので、ここではこのウ
ォーミングアップ時間を主軸起動から接触式工具先端位
置検出を行うまでのウォーミングアップ時間とみなすこ
ととする。

【００４４】また、次主軸回転速度が前主軸回転速度よ
り小さいならば、主軸回転停止が５分未満かどうかをチ
ェックし、５分未満でない（５分以上）ならば、前記次
主軸回転速度が前主軸回転速度より大きいか同じ場合と
同様に、主軸を起動して同様に処理する。５分未満なら
ば、冷却液を供給開始し、図５（ｃ）に示すような主軸
停止時間−主軸変位量曲線から前記δに対応する主軸停
止時間を演算し、その主軸停止時間経過後、次主軸回転
速度で主軸を起動し、前記次主軸回転速度が前主軸回転
速度より大きいか同じ場合と同様に、ウォーミングアッ
プ時間−主軸変位量曲線からウォーミングアップ時間を
演算し、そのウォーミングアップ時間経過後、主軸回転
と冷却液供給を停止し、接触式工具先端位置検出を行
う。

【００４５】接触式工具先端位置検出を行った後、主軸
を次主軸回転速度で起動し、前記主軸停止時間を計測
し、再び冷却液供給のディレータイム−主軸変位量曲線
からδ＝０のときのディレータイムを演算し、そのディ
レータイム経過後、冷却液供給を開始し、ウォーミング
アップ時間−主軸変位量曲線からδ＝０のときのウォー
ミングアップ時間を演算する。次いで接触式の工具先端
位置検出の結果に基づき前工具と次工具の先端位置を一
致させる補正を行うとともに前記ウォーミングアップ時
間経過後、ワークの加工を開始する。

【００４６】上記図５についてさらに説明するに、 （ａ）に示すように、主軸を20000 から30000/min に変
速すると、主軸の熱変形がそれぞれ安定したときおける
両者間の主軸変位量はδμm である。なお、主軸を3000
0 から20000/min に変速する場合も同じである。 （ｂ）に示すように、主軸の変位量δを媒介にしてディ
レータイム（主軸が起動してから冷却液供給開始までの
時間）が求まる。 （ｃ）に示すように、主軸停止時間−主軸変位量曲線よ
り主軸変位量δを媒介にして主軸停止時間が求まる。 （ｄ）に示すように、ウォーミングアップ時間−主軸変
位量曲線より主軸変位量δを媒介にしてウォーミングア
ップ時間を知ることができ、加工開始タイミングがわか
る。

【００４７】本発明によれば、主軸を低回転速度から高
回転速度に変速した場合を示す図４（ａ）における経過
時間と主軸変位との関係を示す図と、高回転速度から低
回転速度に変速した場合を示す図４（ｂ）における主軸
変位を示す図中に一点鎖線で記載されている従来の場合
の主軸変位曲線に比較して、本願発明により主軸変位の
安定する時間が短縮されることが明確に示されている。
それ故、その主軸変位の安定したときに接触式工具先端
位置検出を行い、これを基に前工具と次工具の先端位置
一致補正を行うようにする。なお、接触式工具先端位置
検出を行う際は、主軸回転と冷却液供給は停止させて行
うため、この停止時間を考慮したウォーミングアップ時
間経過後、ワークの加工を開始する。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、 光学式非接触形センサと接触式センサとを併設する
ことにより、光学式非接触形センサにより交換工具刃先
の概略位置を検出し、これを素速く接触式センサの測定
子近接個所まで誘導し、以後、極めて緩やかな工具の軸
送りをさせることにより、工具刃先の欠損、折損事故な
く、短時間で正確な工具先端位置の測定が可能となり、
精密、連続加工が容易に行えるようになる。

【００４９】 工具交換、主軸回転速度の変更、主軸
回転停止時間の長短に基づく主軸変位が速やかに安定す
るよう、変更後の工具先端位置の光学式検出と接触式検
出の間にウォーミングアップ期間を設けたので、効率的
且つ正確な工具先端位置検出ができ、従って高い加工精
度を確保できる。

【００５０】 さらに、主軸装置に設けた冷却手段の
前記主軸駆動変更要件に基づく制御により、刃先位置が
短時間に安定するようにその主軸起動時の指令回転速度
に応じ主軸冷却装置の起動タイミングを最適制御するこ
とができる。等々、従来方法、装置には、期待すること
ができない、作用、効果を奏することがてきる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施する工作機械の工具長測定装
置の一実施形態の要部側面及び構成ブロック図である。

【図２】本発明による工作機械の主軸頭における冷却液
供給機構を示す説明断面図である。

【図３】図１及び図２における動作フロー図である。

【図４】主軸回転速度に対応して冷却液供給を制御する
場合の説明図である。

【図５】主軸回転速度の変化により生ずる主軸変位量と
冷却液の供給タイミングについての説明図である。

【図６】主軸回転速度の変化と時間、主軸変位量の関係
を示す図である。

【符号の説明】

１ 工具 ３ 主軸 ５ 主軸頭 ７ Ｘ軸送りモータ ９ Ｙ軸送りモータ 11 Ｚ軸送りモータ 13 テーブル 17 工具マガジン 29 ラインセンサ（光学式センサ） 31 光線 33，39 センサカバー 35 接触式センサ 37 測定子 41 ＮＣ装置 42 数値制御部 43 機械制御装置 45 測定制御部 47 工具長演算部 49 データ記憶部 51 送り軸位置検出部 53，55 軸受 57 ビルトインモータ 59，61，63 冷却液ジャケット 65 冷却液供給手段 67 開閉弁 69 冷却液供給路 71 冷却液還流路 73 循環路 75 制御手段 77 記憶手段

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸に装着された工具とテーブルに載置
   されたワークとの間で数値制御部からの指令により送り
   軸を相対移動させて前記ワークを加工する工作機械によ
   る精密加工方法において、 光学式の工具先端位置検出手段及びこれより主軸送り方
   向離間位置に設けた接触式の工具先端位置検出手段を前
   記主軸と相対移動可能な部分に取り付け、 前記工具を第１の送り速度で前記光学式の工具先端位置
   検出手段の測定領域へ向けて移動させ、 前記光学式の工具先端位置検出手段が遮光を検出したと
   きの前記工具の先端位置を検出し、 前記光学式の工具先端位置検出手段が前記工具の先端位
   置を検出したら、主軸送り方向離間位置にある前記接触
   式の工具先端位置検出手段の所定距離手前から前記工具
   を前記第１の送り速度より小さい第２の送り速度で前記
   接触式の工具先端位置検出手段の測定子へ向けて移動さ
   せ、 前記接触式の工具先端位置検出手段が接触を検出したと
   きの前記工具の先端位置を検出し、 前記接触式の工具先端位置検出手段で検出した前記工具
   の先端位置を基にしてワークを加工することを特徴とし
   た精密加工方法。
2. 【請求項２】 主軸に装着された工具とテーブルに載置
   されたワークとの間で数値制御部からの指令により送り
   軸を相対移動させるとともに工具交換を行い前記ワーク
   を加工する工作機械による精密加工方法において、 光学式の工具先端位置検出手段及びこれより主軸送り方
   向離間位置に設けた接触式の工具先端位置検出手段を前
   記主軸と相対移動可能な部分に取り付け、 前記工具を第１の送り速度で前記光学式の工具先端位置
   検出手段の測定領域へ向けて移動させ、 前記光学式の工具先端位置検出手段が遮光を検出したと
   きの前記工具の先端位置を検出し、 前記光学式の工具先端位置検出手段が前記工具の先端位
   置を検出したら、これより主軸送り方向離間位置に設け
   た前記接触式の工具先端位置検出手段の所定距離手前か
   ら前記工具を前記第１の送り速度より小さい第２の送り
   速度で前記接触式の工具先端位置検出手段の測定子へ向
   けて移動させ、 前記接触式の工具先端位置検出手段が接触を検出したと
   きの前記工具の先端位置を検出し、 前記接触式の工具先端位置検出手段で検出した工具交換
   前後の新旧工具先端位置が一致するように補正データを
   演算して前記数値制御部に送出することを特徴とした精
   密加工方法。
3. 【請求項３】 主軸に装着された工具とテーブルに載置
   されたワークとの間で数値制御部からの指令により送り
   軸を相対移動させるとともに工具交換を行い前記ワーク
   を加工する工作機械による精密加工方法において、 光学式の工具先端位置検出手段及びこれより主軸送り方
   向離間位置に設けた接触式の工具先端位置検出手段を前
   記主軸と相対移動可能な部分に取り付け、 工具交換後、光学式の工具先端位置検出を経て接触式の
   工具先端位置検出までに主軸装置のウオーミングアップ
   を行い、 ほぼ主軸の熱変形が安定した時点で一旦主軸を停止して
   前記接触式の工具先端位置検出手段で工具先端位置を検
   出し、 工具交換前後の新旧工具の先端位置が一致するように補
   正データを演算して数値制御部へ送出するとともに主軸
   を起動してワークの加工を開始することを特徴とした精
   密加工方法。
4. 【請求項４】 主軸に装着された工具とテーブルに載置
   されたワークとの間で数値制御部からの指令により送り
   軸を相対移動させるとともに工具交換を行い前記ワーク
   を加工する工作機械による精密加工方法において、 光学式の工具先端位置検出手段及びこれより主軸送り方
   向離間位置に設けた接触式の工具先端位置検出手段を前
   記主軸と相対移動可能な部分に取り付け、 冷却液循環による主軸装置の冷却手段を設け、 主軸の各回転速度に対して主軸の熱変形がほぼ安定する
   までの主軸変位量を予め求めて記憶し、 主軸を起動してから主軸の熱変形が速やかに安定するま
   での前記主軸変位量に対する冷却液供給開始タイミン
   グ、主軸起動タイミング、および加工開始タイミングの
   各データを予め求めて記憶し、 実際の加工に当たり、前主軸回転速度および次主軸回転
   速度に応じて冷却液供給開始タイミング、主軸起動タイ
   ミング、および接触式工具先端位置検出開始タイミング
   を前記記憶した各データに基づいて演算し、 工具交換に際し、光学式の工具先端位置検出を経て接触
   式の工具先端位置検出までに前記演算した各タイミング
   に基き主軸装置のウオーミングアップを行い、 ほぼ主軸の熱変形が安定した時点で一旦主軸を停止して
   前記接触式の工具先端位置検出手段で工具先端位置を検
   出し、 工具交換前後の新旧工具の先端位置が一致するように補
   正データを演算して数値制御部へ送出するとともに主軸
   を起動してワークの加工を開始することを特徴とした精
   密加工方法。
5. 【請求項５】 主軸に装着された工具とテーブルに載置
   されたワークとの間で数値制御部からの指令により送り
   軸を相対移動させるとともに工具交換を行い前記ワーク
   を加工する工作機械による精密加工方法において、 光学式の工具先端位置検出手段及びこれより主軸送り方
   向離間位置に設けた接触式の工具先端位置検出手段を前
   記主軸と相対移動可能な部分に取り付け、 冷却液循環による主軸装置の冷却手段を設け、 主軸の各回転速度に対して主軸の熱変形がほぼ安定する
   までの主軸変位量を予め求めて記憶し、 主軸を起動してから主軸の熱変形が速やかに安定するま
   での前記主軸変位量に対する冷却液供給開始タイミン
   グ、主軸起動タイミング、および加工開始タイミングの
   各データを予め求めて記憶し、 実際の加工に当たり、前主軸回転速度および次主軸回転
   速度に応じて冷却液供給開始タイミング、主軸起動タイ
   ミング、および接触式工具先端位置検出開始タイミング
   を前記記憶した各データに基づいて演算し、 工具交換に際し、工具交換より光学式の工具先端位置検
   出を経て接触式の工具先端位置検出までに前記演算した
   各タイミングに基づき主軸装置のウォーミングアップを
   行い、 ほぼ主軸の熱変形が安定した時点で一旦主軸および冷却
   液の供給を停止して前記接触式の工具先端位置検出手段
   で工具先端位置を検出し、 工具交換前後の新旧工具の先端位置が一致するように補
   正データを演算して数値制御部へ送出するとともに主軸
   を起動し、 前記接触式の工具先端位置検出のために主軸を停止して
   いた間の主軸熱変形を前記記憶した各データの冷却液供
   給タイミングおよび加工開始タイミングに基づいて主軸
   装置をウォーミングアップして安定化した後、加工を開
   始することを特徴とした精密加工方法。
6. 【請求項６】 主軸に装着された工具とテーブルに載置
   されたワークとの間で数値制御部からの指令により送り
   軸を相対移動させて前記ワークを加工する工作機械にお
   ける精密加工装置において、 前記主軸と相対移動可能な部分に取り付けられた光学式
   の工具先端位置検出手段及びこれより主軸送り方向離間
   位置に設けた接触式の工具先端位置検出手段、 前記工具を第１の送り速度で前記光学式の工具先端位置
   検出手段の測定領域へ向けて移動させ、前記光学式の工
   具先端位置検出手段が遮光を検出したときの前記工具の
   先端位置を検出し、その後前記接触式の工具先端位置検
   出手段の所定距離手前から前記工具を前記第１の送り速
   度より小さい第２の送り速度で前記接触式の工具先端位
   置検出手段の測定子へ向けて移動させる測定制御手段、 を備え、前記接触式の工具先端位置検出手段が接触を検
   出したときの前記工具の先端位置を検出し、前記接触式
   の工具先端位置検出手段で検出した前記工具の先端位置
   を基にしてワークを加工することを特徴とした精密加工
   装置。
7. 【請求項７】 主軸に装着された工具とテーブルに載置
   されたワークとの間で数値制御部からの指令により送り
   軸を相対移動させるとともに工具交換を行い前記ワーク
   を加工する工作機械における精密加工装置において、 前記主軸と相対移動可能な部分に取り付けられた光学式
   の工具先端位置検出手段及びその主軸送り方向離間位置
   に設けた接触式の工具先端位置検出手段、 工具交換後、光学式の工具先端位置検出を経て接触式の
   工具先端位置検出までの間に主軸のウオーミングアップ
   を行い、ほぼ主軸の熱変形が安定した時点で一旦主軸を
   停止して前記接触式の工具先端位置検出手段で工具先端
   位置を検出するようにした測定制御手段、 を備え、工具交換前後の新旧工具の先端位置が一致する
   ように補正データを演算して数値制御部へ送出するとと
   もに主軸を起動してワークの加工を開始することを特徴
   とした精密加工装置。