JPWO2002032620A1 - 測定方法及び装置、並びにその装置を有した工作機械及びワークの加工方法 - Google Patents
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Abstract
ＮＣ工作機械の主軸１４に装着された工具Ｔの刃先位置の測定方法において、工作機械の機械座標系の基準位置に対する主軸１４の端面の中心のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の関係寸法を測定し、主軸１４の端面の中心に対する主軸１４に装着された工具Ｔの刃先位置のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の関係寸法を測定し、機械座標系の基準位置に対する主軸１４の端面の中心の関係寸法と、主軸１４の基準位置に対する工具Ｔの刃先位置の関係寸法とから、機械座標系の基準位置に対する主軸１４に装着された工具Ｔの刃先位置の関係寸法を演算して求める。
Description
技術分野
本発明は、測定対象物の被測定部位の位置の測定方法及び装置に関し、特にＮＣフライス盤やマシニングセンタ等のＮＣ工作機械で精密加工を行うために主軸に装着された工具の刃先位置等の測定方法及び装置、並びにその測定装置を有した工作機械及び該工作機械によるワークの加工方法に関する。
背景技術
工作機械の分野では加工精度に対する要求は年々高くなっており、近時ではサブミクロンのオーダの加工精度が要求されることも珍しくなくなっている。こうした加工精度の向上を目指して、主軸に装着された工具の主軸に対する位置ずれや、回転主軸の熱伸びを測定するようにしたＮＣ工作機械が提案されている。
第１の従来技術として特開平１１−１３８３９２号公報には、回転中の工具の工具刃先位置、工具径、工具長、工具形状等を測定可能な工具寸法測定機能を備えたＮＣ工作機械が開示されている。このＮＣ工作機械は、工作機械部のワークを固定するテーブルに投光器と受光器との間に一本の糸状の光線を照射する光学式工具測定器を設け、工作機械部の回転主軸に工具を装着してテーブルとの間でＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の相対移動を行わせ工具を光学式工具測定器の光線所定方向から接近させ、工具が光線を遮断したときのＸ、Ｙ、Ｚ座標値に基づきＮＣ工作機械の加工プログラムの工具先端の中心位置、工具径、工具長を補正する。
第２の従来技術として特開平１０−３０９６５３号公報には、高速回転中の工具の刃先位置の変位を正確に測定するようにした工作機械が開示されている。この工作機械は、テーブル上面に基準ブロックを固定して主軸ハウジングに前記基準ブロックとの間の距離を測定する変位計を設けると共に、前記主軸ハウジングに該主軸ハウジングに対する主軸の端面または工具ホルダとの距離を測定する変位計を設け、これにより、主軸ハウジング先端の変位及び主軸ハウジング先端に対する主軸の変位を得て工具刃先位置の変位を補正する。
第１の従来技術では、主軸が回転している間に工具先端の中心位置、工具径、工具長を光線により非接触で測定して、その測定値に基づき加工プログラムを補正するようにしている。然しながら、工具の先端は切刃の形状が複雑であるので、光学式の測定器による測定では、回転中の工具先端のどの位置を測定しているか不明確で測定精度が低下する問題がある。静電容量や渦電流を用いた非接触式距離測定器もまた回転中の工具先端のどの位置を測定しているか不明確で測定精度が低下する問題は解決できない。
第２の従来技術では、主軸の中心軸線に沿った方向、つまりＺ軸方向の工具長の変化しか測定できず、工具の主軸に対する傾斜やオフセットに基づく見かけ上の工具径の増大や、工具の切刃の摩耗による工具径の減少を測定することができない問題がある。
発明の開示
本発明は、こうした従来技術の問題点を解決することを技術課題としており、ＮＣ工作機械の主軸先端に装着された工具の刃先位置を高精度に測定する測定方法及び装置を提供することを目的としている。
また、本発明は、機械における測定対象物の被測定部位の座標位置を高精度に測定可能な測定方法及び装置を提供することを目的としている。
更に、本発明は、主軸先端に装着された工具の刃先位置を高精度に測定可能にした工作機械を提供すること目的としている。
更に、本発明は、主軸先端に装着された工具の刃先位置を高精度に測定してワークを高精度に加工する加工方法を提供することを目的としている。
更に、本発明は、工具長及び工具径を高精度に測定可能なツールプリセッタを提供することを目的としている。
本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定方法において、
工作機械の基準座標位置に対する前記主軸の基準部位のＸ、Ｙ、Ｚ軸の少なくとも１軸の軸方向の関係寸法を前記主軸を回転中又は回転後停止させて測定する工程と、
前記主軸の基準部位に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置の前記軸方向の関係寸法を前記主軸を回転中又は停止中に測定する工程と、
前記２つの工程で測定した関係寸法から、前記基準座標位置に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置の関係寸法を演算して求める工程とを含んで成る工具の刃先位置の測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定方法において、
前記主軸の基準部位が所定位置にあるときの工作機械の座標系における座標位置を前記主軸の回転中又は回転後停止させて測定する工程と、
前記主軸の基準部位に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置を前記主軸の回転中又は停止中に測定する工程と、
前記２つの工程で測定した値から、前記座標系における前記主軸に装着された工具の刃先の座標位置を演算して求める工程とを含んで成る工具の刃先位置の測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定方法において、
前記主軸の基準部位が所定位置にあるときの工作機械の座標系における座標位置を前記主軸の回転中又は回転後停止させて測定する工程と、
前記主軸の基準部位に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置を前記主軸の回転中又は停止中に測定する工程と、
工作機械の主軸ハウジングに対する回転中の前記主軸の基準部位の位置の変化を測定する工程と、
前記３つの工程で測定した値から、前記座標系における前記主軸に装着された工具の刃先の座標位置を演算して求める工程とを含んで成る工具の刃先位置の測定方法が提供される。
更に本発明によれば、接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて機械の座標系における測定対象物の被測定部位の座標位置を測定する測定方法において、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記変位測定手段と測定対象物との相対移動によって前記測定対象物の被測定部位を前記変位測定手段の測定範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記機械の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記機械の座標系の座標位置とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記測定対象物の被測定部位の前記機械の座標系における座標位置を演算して求めることを特徴とした測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に対して相対移動する構成部材に設けられた接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて主軸の基準部位又は主軸に装着した寸法が既知のマスタピースの基準部位の座標位置を測定する測定方法において、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記主軸の基準部位又は主軸に装着したマスタピースの基準部位を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記主軸の基準部位又は主軸に装着したマスタピースの基準部位の前記座標系における座標位置を演算して求めることを特徴とした測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に対して相対移動する構成部材に設けられた接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて前記主軸に装着した工具の被測定切刃部の座標位置を測定する測定方法において、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記工具の被測定切刃部を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記工具の被測定切刃部の前記座標系における座標位置を演算して求めることを特徴とした測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸又は主軸頭に設けられた接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて前記主軸側に対して相対移動するワークの被測定部位又はワーク取付け具の基準部位の座標位置を測定する測定方法において、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記ワークの被測定部位又はワーク取付け具の基準部位を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記ワークの被測定部位又はワーク取付具の基準部位の前記座標系における座標位置を演算して求めることを特徴とした測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に対してＺ軸方向に相対移動する構成部材に設けられたＺ軸方向変位を測定可能な接触式又は非接触式の変位測定手段を用い、前記主軸に装着された工具の工具長を測定する測定方法において、
前記相対移動によって前記変位測定手段の測定可能範囲内に前記主軸の基準部位又は主軸に装着された長さが既知のマスタピースの基準部位を移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＺ軸の座標位置とを予め検出し、検出した値と前記マスタピースの長さ値とを校正データとしてそのまま記憶するか又は検出した値と前記マスタピースの長さ値とから校正データを演算で求めて記憶し、
前記相対移動によって前記変位測定手段の測定可能範囲内に前記主軸に装着した測定すべき工具の刃先を移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＺ軸の座標位置とを検出し、
前記記憶した校正データ、及び前記測定すべき工具について検出した前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＺ軸の座標位置に基づいて前記工具の前記主軸の基準部位又は主軸に装着したマスタピースの基準部位に対する工具長を演算して求める測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に対して相対移動する構成部材に設けられたＸまたはＹ軸方向変位を測定可能な接触式又は非接触式の変位測定手段を用い、前記主軸に装着された工具の径を測定する測定方法において、
前記相対移動によって前記主軸に装着した径が既知のマスタピースの側面を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＸ又はＹ軸の座標位置とを予め検出し、検出した値と前記マスタピースの径の値とを校正データとしてそのまま記憶するか又は検出した値と前記マスタピースの径の値とから校正データを演算で求めて記憶し、
前記相対移動によって前記変位測定手段の測定可能範囲内に前記主軸に装着した測定すべき工具の切刃の被測定部位を移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＸ又はＹ軸の座標位置とを検出し、
前記記憶した校正データ、及び前記測定すべき工具について検出した前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＸ又はＹ軸の座標位置に基づいて前記工具の切刃径を演算して求める測定方法が提供される。
前記請求項８若しくは請求項９の測定方法によって求めた加工進行の前と後とにおける工具長若しくは切刃径の値の差から、前記工具の長さ方向若しくは径方向の摩耗量を演算して求めるようにすることができる。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸又は主軸頭に設けられた接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて前記主軸又は主軸頭に対して相対移動するワークの２被測定面間の段差を測定する測定方法において、
前記測定すべき段差方向の変位が測定可能に前記変位測定手段を設け、
前記相対移動によって前記それぞれの被測定面を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系の座標位置とをそれぞれ検出し、
検出した前記２被測定面における前記変位測定手段の出力値と前記座標位置とから前記ワークの２被測定面間の段差を演算して求めることを特徴とした測定方法が提供される。
前記所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置との検出は、前記変位測定手段の測定範囲内で前記相対移動を停止させ、停止後の前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とを検出することにより行うことができる。
前記所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置との検出は、前記変位測定手段の測定範囲内で前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とを前記相対移動の動作中に検出してもよい。
前記所定の測定タイミングにおいて検出する前記座標系の座標位置は、送り軸に設けた送り軸位置読取り手段の読み、送り軸のＮＣ指令値、又は送り軸のＮＣ指令値にサーボ制御部から取り出した送り軸の位置偏差を加味した位置のいずれかの値を採用することができる。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定装置において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置を測定する第１主軸基準位置測定手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記主軸の基準面に対する工具の刃先位置を測定する工具刃先位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段、第１主軸基準位置測定手段及び工具刃先位置測定手段の出力値から前記座標系における工具の刃先の座標位置を演算する演算手段とを具備した工具の刃先位置の測定装置が提供される。
前記工具刃先位置測定手段は、接触式又は非接触式の変位測定器を具備することができる。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定装置において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置及び前記主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段及び位置測定手段の出力値から前記座標系における工具の刃先の座標位置を演算する演算手段とを具備した工具の刃先位置の測定装置が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定装置において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置を測定する第１主軸基準位置測定手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する工具刃先位置測定手段と、
前記ＮＣ工作機械の主軸ハウジングに設けられ、前記主軸ハウジングに対する回転中の前記主軸の基準部位の位置の変化を測定する第２主軸基準位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段、第１主軸基準位置測定手段、工具刃先位置測定手段及び第２主軸基準位置測定手段の出力値から前記座標系における工具の刃先の座標位置を演算する演算手段とを具備した工具の刃先位置の測定装置が提供される。
更に本発明によれば、変位測定手段を用いて測定対象物の被測定面の座標位置を測定する測定装置において、
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の少なくとも１軸の軸方向の変位量を測定可能な接触式又は非接触式の変位測定手段と、
前記測定対象物と前記変位測定手段との相対移動の座標系の座標位置を検出する座標位置検出手段と、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記測定対象物の被測定部位を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させた後、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記座標位置検出手段の出力値とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記測定対象物の被測定部位の前記座標系における座標位置を演算して求める演算手段とを具備することを特徴とした測定装置が提供される。
前記座標位置検出手段は、送り軸に設けた送り軸位置読取り手段の読み、送り軸のＮＣ指令値、又は送り軸のＮＣ指令値にサーボ制御部から取り出した送り軸の位置偏差を加味した位置のいずれかの値を前記相対移動の座標系の座標位置とすることができる。
更に本発明によれば、数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間で相対移動を行わせワークを加工する工作機械において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置を測定する第１主軸基準位置測定手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する工具刃先位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段、第１主軸基準位置測定手段及び工具刃先位置測定手段の出力値から前記座標系における工具の刃先の座標位置を演算する演算手段と、
前記演算手段で求めた前記座標系における工具の刃先の座標位置に基づき数値制御指令を補正する補正手段とを具備した工作機械が提供される。
更に本発明によれば、数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間で相対移動を行わせワークを加工する工作機械において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置を測定する第１主軸基準位置測定手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する工具刃先位置測定手段と、
前記座標系におけるワークの基準部位の座標位置を測定するワーク基準位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段、第１主軸基準位置測定手段、工具刃先位置測定手段及びワーク基準位置測定手段の出力値からワークの基準部位に対する工具の刃先位置を演算する演算手段と、
前記演算手段で求めたワークの基準部位に対する工具の刃先位置に基づき数値制御指令を補正する補正手段とを具備した工作機械が提供される。
更に本発明によれば、数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間でＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の相対移動を行わせワークを加工する工作機械において、
前記主軸、工具又はワークの被測定部位のＸ、Ｙ、Ｚ軸の少なくとも１つの方向の変位量を測定可能な接触式又は非接触式の変位測定手段と、
前記被測定部位と前記変位測定手段との相対移動の座標系の座標位置を検出する座標位置検出手段と、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記被測定部位を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させた後、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記座標位置検出手段の出力値を検出し、検出した両出力値から前記変位検出手段の基準位置に対する前記被測定部位の前記座標系における座標位置を演算して求める演算手段とを具備しワークの加工を行う工作機械が提供される。
更に本発明によれば、数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間で相対移動を行わせワークを所望形状に加工するＮＣ工作機械によるワークの加工方法において、
前記主軸の基準部位が所定位置にあるときの工作機械の座標系における座標位置を前記主軸の回転中又は回転後停止させて測定する工程と、
前記主軸の基準部位に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置を前記主軸の回転中又は停止中に測定する工程と、
前記２つの工程で測定した値から前記座標系における前記主軸に装着された工具の刃先の座標位置を演算して求める工程と、
前記座標系における前記主軸に装着された工具の刃先の座標位置からワークを加工する数値制御指令の補正値を求める工程とを含んで成るワークの加工方法が提供される。
更に本発明によれば、数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間でＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の相対移動を行わせワークを所望形状に加工するＮＣ工作機械によるワークの加工方法において、
接触式又は非接触式の変位測定手段を用い、前記主軸、工具又はワークの被測定部位を前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記変位測定手段の測定範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記相対移動の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とから前記変位検出手段の基準位置に対する前記被測定部位の前記座標系における座標位置を演算して求め、ワークの加工を行う加工方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着する工具の工具長又は切刃径を予め測定しその値を登録するツールプリセッタにおいて、
工具装着部に対して相対移動し、Ｚ軸及びＸ軸又はＹ軸方向の変位を測定可能な変位測定手段と、
前記相対移動の座標系の座標位置を検出する送り軸位置読取り手段と、
前記工具装着部に装着した寸法が既知のマスタピースの基準部位、前記工具装着部に装着した工具の刃先、又は前記工具の切刃の最外側面を前記相対移動によって前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させた後、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記送り軸位置読取り手段の出力値を検出し、検出した両出力値及び前記マスタピースの寸法値から前記座標系における前記マスタピースの基準部位、前記工具の刃先、又は前記工具の切刃の最外側面の位置を求め、前記工具の工具長又は工具径を演算する演算手段とを具備することを特徴としたツールプリセッタが提供される。
発明を実施する最良の態様
以下、添付図面を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。
図１において、第１の実施形態によるＮＣ工作機械の工作機械部１０は、主軸１４を主軸ハウジング内に回転自在に支持、内蔵する主軸装置１２が、Ｘ軸送りモータＭＸ、Ｙ軸送りモータＭＹ、Ｚ軸送りモータＭＺにより、ワークＷを固定するテーブル１６に対して相対的にＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸方向に移動自在に設けられている。主軸１４の先端には工具Ｔが装着され、工具Ｔを回転させながらワークＷに切り込み、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の相対移動をさせてワークＷを所望形状に加工する。
工作機械部１０における主軸装置１２とテーブル１６との間のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の相対移動を制御するＮＣ装置２０は、加工プログラム及び工具刃先位置測定プログラム等を格納するプログラム格納部２０ａ、プログラム格納部２０ａに格納されているプログラムを解析するプログラム解析部２０ｂ、解析されたプログラムに従って逐次移動指令を生成する動作指令部２０ｃ、この移動指令に従ってＸ軸送りモータＭＸ、Ｙ軸送りモータＭＹ、Ｚ軸送りモータＭＺを駆動する、例えばサーボ増幅器から成る軸移動指令部２０ｄを主要な構成要素として含んでいる。また、主軸装置１２のテーブル１６に対する相対位置は工作機械部１０の各軸に設けられているデジタルスケール等のＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８により測定され、時々刻々軸移動指令部２０ｄへフィードバックされる。表示装置２６は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８の読取り値、演算装置２４による各種演算値等を表示する。
第１の実施形態では、主軸１４の先端に装着された工具Ｔの刃先位置を測定するために、第１主軸基準位置測定装置２８及び工具刃先位置測定装置３０が設けられている。
図２、３を参照すると、第１主軸基準位置測定装置２８は台枠３６に固定された複数の距離センサ３８ａ、３８ｂ、４０、４２ａ、４２ｂ（図３参照）を具備している。距離センサ３８ａ、３８ｂ、４０、４２ａ、４２ｂは、例えば渦電流式または静電容量式の非接触式距離センサにより構成することができる。台枠３６は、熱膨張率の小さな材料、例えばインバーから成る中空の円筒または角柱状の部材であり、その内面には所定の高さに配置された底壁３６ａが形成されており、底壁３６ａは中心開口部３６ｂを有している。測定に際しては図２に示すように、中心開口部３６ｂに工具Ｔが挿入されるので、底壁３６ａは、底壁３６ａの下側に少なくとも測定に際して工具Ｔの先端を受容できる空間が形成される高さに配置される。第１主軸基準位置測定装置２８は、予め工作機械部１０において主軸１４に対してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対移動する構成部材、一例として図１に示す実施形態ではテーブル１６の上面に正確に位置決め、固定されている。
台枠３６の上端開口部に隣接する内面には静止した又は回転している主軸１４の側面に対するＸ軸方向の距離を測定する一対のＸ軸方向距離センサ３８ａ、３８ｂ、及びＹ軸方向の距離を測定する一対のＹ軸方向距離センサ４２ａ、４２ｂが、各々Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対向配置されている。このとき、第１主軸基準位置測定装置２８の中心座標Ｏ（Ｘｃ，Ｙｃ）は、Ｘ軸方向距離センサ３８ａ、３８ｂの各々の測定面の中心を結ぶ線分と、Ｙ軸方向距離センサ４２ａ、４２ｂの各々の測定面の中心を結ぶ線分との交点で示され（図３参照）、以下の式にて求められる。
Ｘｃ＝１／２（Ｘ１＋Ｘ２）
Ｙｃ＝１／２（Ｙ１＋Ｙ２）
ここで、
Ｘ１：測定面がＸ軸に沿って正の方向に向けられたＸ軸方向距離センサ３８ａの測定面のＸ座標
Ｘ２：測定面がＸ軸に沿って負の方向に向けられたＸ軸方向距離センサ３８ｂの測定面のＸ座標
Ｙ１：測定面がＹ軸に沿って正の方向に向けられたＹ軸方向距離センサ４２ａの測定面のＹ座標
Ｙ２：測定面がＹ軸に沿って負の方向に向けられたＹ軸方向距離センサ４２ｂの測定面のＹ座標
である。
更に、台枠３６の底壁３６ａの上面には静止した又は回転している主軸１４の端面に対するＺ軸方向の距離を測定するＺ軸方向距離センサ４０が配置されている。より詳細には、Ｚ軸方向距離センサ４０は、その測定面が所定の高さ位置、本実施形態では、テーブル１６の上面からの距離がＨとなるように配置されている。
図４、５を参照すると、工具刃先位置測定装置３０は接触式の変位センサであって、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向に配向された測定プローブを具備している。この変位センサは、具体的には光学式スケール、磁気式スケール、差動トランスなどの距離測定器を具備することができる。なお、図４、５において工具刃先位置測定装置３０は、Ｚ軸方向及びＸ軸方向に配向されたＺ軸測定プローブ３０ａ及びＸ軸測定プローブ３０ｂのみが図示されているが、実際上はＹ軸方向に配向されたＹ軸測定プローブも設けられている。また、図１では、工具刃先位置測定装置３０は、１つの測定器にて構成されているように図示されているが、図４、５に示すように、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向に別個の測定器を配置するようにできる。更に、図５では、工具刃先位置測定装置３０は、Ｘ軸に沿って一方の方向（図５において右方向）にＸ軸測定プローブ３０ｂが向けられているが、好ましくは、工具Ｔに対してＸ軸に沿って両方向から測定可能にする。これは、一対の変位センサをＸ軸に沿って対向配置したり、１つの変位センサをＺ軸方向の回転中心周りに１８０°回転できるように構成することにより達成できる。この点は、Ｙ軸方向の変位センサについても同様である。また、工具刃先位置測定装置３０は、レーザ式、静電容量式、渦電流式などの非接触式の変位測定センサであってもよい。
以下、第１の実施形態の作用を説明する。
先ず、主軸１４の停止時、好ましくは主軸１４が停止して所定温度にあるときに、または主軸１４が加工時の回転速度で回転しているときに、主軸１４の基準位置として主軸１４の端面における中心Ｏｃｓの位置を第１主軸基準位置測定装置２８により測定する。プログラム格納部２０ａ内に格納されている工具刃先位置測定プログラムに従って、Ｘ軸送りモータＭＸ、Ｙ軸送りモータＭＹ、Ｚ軸送りモータＭＺにより、主軸装置１２を機械座標系に従ってＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させ、機械座標系における主軸１４の中心軸線が、第１主軸基準位置測定装置２８の中心Ｏに一致するように、主軸１４を第１主軸基準位置測定装置２８に対して図２に示すように配置する。
但し、機械環境の温度変化、主軸１４の高速回転による機械各部の発熱による熱的影響などの要因により主軸装置１２を精密に製作しても、主軸１４の主軸ハウジングに対する傾きやオフセットは一般的に完全には除去できないために、実際の主軸端面の中心座標Ｏｃｓは、機械座標系に定められた主軸端面の中心には一致していない。このとき、主軸１４の側面と、Ｘ及びＹ軸方向距離センサ３８ａ、３８ｂ；４２ａ、４２ｂとの距離を測定することにより、主軸１４の中心軸線のＸ、Ｙ座標Ｏｓ（Ｘｃｓ，Ｙｃｓ）は以下の式から求めることができる。
Ｘｃｓ＝１／２（（Ｘ１＋ｘ１）＋（Ｘ２−ｘ２））
Ｙｃｓ＝１／２（（Ｙ１＋ｘ１）＋（Ｙ２−ｘ２））
ここで、
ｘ１：Ｘ軸方向距離センサ３８ａの測定値であり、Ｘ軸方向距離センサ３８ａの測定面と主軸１４の側面との間の距離
ｘ２：Ｘ軸方向距離センサ３８ｂの測定値であり、Ｘ軸方向距離センサ３８ｂの測定面と主軸１４の側面との間の距離
ｙ１：Ｙ軸方向距離センサ４２ａの測定値であり、Ｙ軸方向距離センサ４２ａの測定面と主軸１４の側面との間の距離
ｙ２：Ｙ軸方向距離センサ４２ｂの測定値であり、Ｙ軸方向距離センサ４２ｂの測定面と主軸１４の側面との間の距離
である。
一方、主軸１４の端面のＺ軸方向の座標ＺＥＳは、Ｚ軸方向距離センサ４０の測定値がｚＥＳであるとき、ＺＥＳ＝Ｈ＋ｚＥＳで示される。第１主軸基準位置測定装置２８が機械座標系に対して所望の精度内で正確に位置決めされているとすると、主軸１４の端面における中心Ｏｃｓの機械座標系からの偏差Δは以下の式にて示される。
Δ（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）＝ＯＣＳ（ＸＣＳ，ＹＣＳ，ＺＥＳ）−Ｏ（ＸＣ，ＹＣ，ＺＣ）
ΔＸ＝ＸＣＳ−ＸＣ＝１／２（ｘ１−ｘ２）
ΔＹ＝ＹＣＳ−ＹＣ＝１／２（ｙ１−ｙ２）
ΔＺ＝ＺＥＳ−Ｚｃ
ここで、
ΔＸ：Ｘ軸方向の偏差
ΔＹ：Ｙ軸方向の偏差
ΔＺ：Ｚ軸方向の偏差
Ｚｃ：機械座標系における主軸１４の端面のＺ座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８におけるＺ軸方向のスケールの読み）である。
こうして演算装置２４において演算された偏差ΔＸ、ΔＹ、ΔＺが補正部２２へ出力される。補正部２２は、この値を工作機械の機械座標系の基準位置と主軸の基準位置との関係寸法として記憶する。
工具交換時、あるいは工具摩耗が想定されるとき、好ましくは工具温度が加工状態に近いときに、主軸停止状態で工具回転角度位置を必要に応じて割出しながら、工具刃先位置測定装置３０により工具Ｔの刃先位置が以下に説明するように測定される。
図４を参照して、工具Ｔの中心軸線に沿う長さ（工具長）ＬＴの測定方法を説明する。ここで、工具長ＬＴは主軸１４の端面から工具Ｔの先端までの距離と定義する。
工具刃先位置測定装置３０は、既述したように接触式の変位測定器であって、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に配向された測定プローブを有しているが、そのうち工具長ＬＴを測定するためにＺ軸方向に配向されたＺ軸測定プローブ３０ａが用いられる。先ず、主軸装置１２をテーブル１６に対してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させ、主軸１４の端面を工具刃先位置測定装置３０の上方に配置する。この状態から主軸装置１２をＺ軸方向に下動させ、図４の右側に示すように、主軸１４の端面をＺ軸方向に配向されたＺ軸測定プローブ３０ａに当接させる。これにより、Ｚ軸測定プローブ３０ａはＺ軸に沿って下動し、その変位に相当する電気信号が動作指令部２０ｃ及び演算装置２４に時々刻々送出される。動作指令部２０ｃへ送出された信号はスキップ信号として作用し、スキップ信号を受信すると、動作指令部２０ｃは軸移動指令部２０ｄにＺ軸モータ停止指令を送出し、これにより、主軸装置１２のＺ軸に沿った軸移動が停止する。演算装置２４は、このときのＺ軸測定プローブ３０ａのＺ軸に沿った変位ＺＳ０及び機械座標系に従ったＺ座標Ｍ０（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８のうちＺ軸方向のスケールの読み）を記憶する。
次いで、主軸１４に工具Ｔが装着された状態で、工具刃先位置測定装置３０の上方において、主軸１４の中心軸線が工具刃先位置測定装置３０のＺ軸測定プローブ３０ａの中心軸線に合致するように、主軸装置１２がテーブル１６に対してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対移動させられる。この状態から主軸装置１２をＺ軸方向に下動させ、図４の左側に示すように、工具Ｔの先端をＺ軸方向に配向されたＺ軸測定プローブ３０ａに当接させる。これにより、Ｚ軸測定プローブ３０ａはＺ軸に沿って下動する。その変位に相当する電気信号は、既述しように、動作指令部２０ｃ及び演算装置２４に時々刻々送出され、動作指令部２０ｃが軸移動指令部２０ｄにＺ軸モータ停止指令を送出して主軸装置１２を停止する。このとき、演算装置２４はＺ軸測定プローブ３０ａのＺ軸に沿った変位ＺＳＴ及びＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８により、機械座標系に従ったＺ座標ＺＭＴを記憶する。こうして、図４において工具長ＬＴは以下の式にて示される。
ＬＴ＝ＬＴ１＋ＬＴ２＝（ＺＭＴ−ＺＭ０）＋（ＺＳ０−ＺＳＴ）
上述の工具Ｔの先端をＺ軸測定プローブ３０ａに当接させて軸移動を停止したとき、演算装置２４がＺ軸測定プローブ３０ａのＺ軸に沿った変位ＺＳＴ及びＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８により機械座標系のＺ座標ＺＭＴを記憶するといことは、とりも直さず機械座標系における工具の刃先位置が定義できた（求まった）ことである。
同様に主軸端面をＺ軸測定プローブ３０ａに当接させて軸移動を停止したとき、演算装置２４で機械座標系における主軸端面位置が定義できた（求まった）ことである。そして演算装置２４は、この機械座標系における工具の刃先位置と主軸端面位置とに基づき、主軸端面位置から工具の刃先位置までの距離、すなわち工具長ＬＴを上式で演算して求めるのである。
このように変位測定手段に工具刃先や主軸端面を当接させて軸送りを停止させ、停止した状態における変位測定手段の読みとＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取手段の読みを検出するので検出精度は非常に高い。従来のタッチプローブに当接した瞬間のスキップ信号によってＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取手段の読みを検出する方法は、当接する時の速度が速くなる程測定精度が悪くなるので遅い速度で当接させなければならなかった。これはタッチプローブの支持構造及び検出信号の取り出し方の構造に避け難い問題があるからである。しかし本発明の変位測定手段を用いる方法は、停止状態での変位測定手段及びＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取手段の読みを検出すれば良いので、測定精度は当接する速度に依存しない。よってできるだけ加工のための稼働率を上げなくてはならない工作機械にとって、測定という非加工時間を短縮でき、かつ高精度に測定できる効果は大きい。
次に、図５を参照して、工具Ｔの刃先における工具径の測定方法を説明する。工具Ｔの刃先における工具径は、Ｘ軸及びＹ軸方向に配向されたＸ軸測定プローブ３０ｂ及びＹ軸測定プローブ（図示せず）が用いられる。但し、以下の説明ではＸ軸方向の工具刃先位置を測定する場合についてのみ説明する。
先ず、主軸１４の先端部の側面がＸ軸測定プローブ３０ｂに当接可能となるように、主軸装置１２をテーブル１６に対してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対的に移動する。この状態から主軸装置１２をＸ軸に沿ってＸ軸測定プローブ３０ｂに接近させて、主軸１４の側面をＸ軸測定プローブ３０ｂの先端に当接させる。これにより、Ｘ軸測定プローブ３０ｂはＸ軸に沿って後退し、その変位に相当する電気信号が動作指令部２０ｃ及び演算装置２４に時々刻々送出される。動作指令部２０ｃがこの信号をスキップ信号として受信すると、動作指令部２０ｃは軸移動指令部２０ｄにＸ軸モータ停止指令を送出し、これにより、主軸装置１２のＸ軸に沿った軸移動が停止する。演算装置２４はこのときのＸ軸測定プローブ３０ｂのＸ軸に沿った変位ＸＳ０及びそのときの機械座標系のＸ座標ＸＭ０を記憶する。
次いで、主軸１４に装着された工具Ｔの測定すべき刃先がＸ軸測定プローブ３０ｂに当接可能となるように、主軸装置１２がテーブル１６に対してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対移動させられる。この状態から主軸装置１２をＸ軸方向に工具刃先位置測定装置３０に接近させ、図５の左側に示すように、工具Ｔの刃先をＸ軸測定プローブ３０ｂに当接させる。これにより、Ｘ軸測定プローブ３０ｂはＸ軸に沿って後退する。このときのＸ軸測定プローブ３０ｂの変位に相当する電気信号が動作指令部２０ｃ及び演算装置２４に時々刻々送出される。動作指令部２０ｃは、この信号をスキップ信号として受信すると、軸移動指令部２０ｄにＸ軸モータ停止指令を送出して主軸装置１２を停止する。このとき、演算装置２４はＸ軸測定プローブ３０ｂのＸ軸に沿った変位ＸＳＴ及びそのときの機械座標系のＸ座標ＸＭＴを記憶する。こうして、図５において工具Ｔの刃先を右側から測定した半径Ｘｐは以下の式にて示される。
Ｘｐ＝ＲＳ−（（ＸＳ０−ＸＭ０）−（ＸＳＴ−ＸＭＴ））
＝ＲＳ−（（ＸＭＴ−ＸＭ０）＋（ＸＳ０−ＸＳＴ））
ＸＭ０＝ＸＭＴの場合は次式を得る。
Ｘｐ＝ＲＳ−（ＸＳ０−ＸＳＴ）
但し、ＲＳは主軸１４の半径であり、所望の加工精度を得るために必要となる精度内で既知の値である。
同様に、図５において工具Ｔの刃先をＸ軸に沿って左側から測定した半径Ｘｎが測定、演算される。更に、同様の測定がＹ軸方向について行われて、図６に示すように、工具Ｔの刃先をＹ軸に沿って測定、演算したＹｐ、Ｙｎが求められる。なお、図６において、ＸＳ、ＹＳは主軸１４の座標系を示している。
主軸１４の先端に装着された工具Ｔの中心軸線は主軸１４の中心軸線とは一般的に合致していないために、工具Ｔは主軸１４の中心軸線まわりに旋回する。こときの見かけ上の工具Ｔの刃先の直径Ｄｓは以下の式にて近似することができる。
Ｄｓ＝２Ｒ＝２（（Ｍａｘ（Ｘｎ，Ｘｐ）２＋（Ｍａｘ（Ｙｎ，Ｙｐ）２）１／２
演算装置２４は、この見かけ上の工具Ｔの刃先の直径Ｄｓを演算して補正部２２へ出力する。補正部２２は、この刃先の直径Ｄｓ及び既に説明した工具長ＬＴを主軸の基準位置と工具の刃先位置との関係寸法として記憶する。
このように主軸１４が停止している間に測定することにより、工具Ｔの刃先位置を正確に測定することが可能となる。
こうして機械座標系の基準位置に対する静止している工具の刃先位置が正確に求められると、次いで、主軸１４の回転により発生した熱による主軸１４の熱伸びによる工具の刃先位置の変位が以下のようにして測定される。
主軸装置１２が内蔵しているスピンドルモータ（図示せず）を回転駆動することにより主軸１４を高速回転させると、主軸装置１２内部の摩擦熱やスピンドルモータからの発熱により主軸１４の温度が上昇する。主軸１４の温度上昇は、主軸１４を一定時間回転させると平坦化して主軸１４は概ね一定温度となり主軸１４の熱伸びが収束または静定する。この主軸１４の熱伸びの収束または静定は、主軸１４の起動後一定時間毎に主軸１４を停止して、その端面の中心座標Ｏｃｓの変化を第１主軸基準位置測定装置２８を用いて測定し、主軸１４の冷間時の中心座標Ｏｃｓまたは前回の測定値と比較することにより検知することができる。主軸１４の熱伸びが収束または静定したことが検知されると、工具Ｔの刃先位置が既述した方法にて測定される。補正部２２は、このようにして求められた機械座標系の基準位置に関する主軸１４に装着された工具Ｔの刃先位置の関係寸法を基に補正値を生成し動作指令部２０ｃに送出する。
工具Ｔの刃先位置が測定され補正値が生成されると、プログラム格納部２０ａに格納された加工プログラムに従って加工プロセスが開始される。加工プロセス開始後、所定のタイミング、例えば、所定時間が経過したとき、ワークＷまたは工具Ｔの交換が行われたときに、もしくは、１つの加工プロセス中の幾つかの加工工程が実行されたときに、主軸１４を停止させ又は回転させたまま主軸１４の端面の中心座標Ｏｃｓが、そして工具Ｔの回転を停止してその刃先位置が既述した方法にて測定され補正値が更新される。
このように、本実施形態では工作機械の機械座標系の基準位置と、停止している又は回転している主軸の基準位置との関係寸法、及び主軸の基準位置と停止している工具の刃先位置との関係寸法を測定することにより、機械座標系の基準位置に関する工具の刃先位置を正確に求めることが可能となる。
第１の実施形態では、第１主軸基準位置測定装置２８を用いて機械座標系の基準位置と主軸１４の端面における中心位置との関係寸法を測定し、工具刃先位置測定装置３０を用いて主軸１４の端面における中心位置と工具Ｔの刃先位置との関係寸法を測定してＮＣ装置２０への補正値を求めるようにしている。この方法では間欠的に工具Ｔの刃先位置が測定されている。然しながら、主軸１４の端面は比較的単純な形状をしているために、主軸１４の中心位置はワーク加工中でも連続的に測定することができる。
以下に説明する第２の実施形態では、ワーク加工中に主軸１４の中心位置の変位を測定して、時々刻々補正値を更新するようになっている。
図１、７を参照すると、第２の実施形態では、工作機械部１０は、第１主軸基準位置測定装置２８及び工具刃先位置測定装置３０に加えて更に第２主軸基準位置測定装置３２を具備している。第２主軸基準位置測定装置３２は、主軸１４の先端部に隣接させて主軸装置１２のハウジングの端面に取り付けられた枠体４４と、枠体４４の内側に取着された複数の距離センサ４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄ、５０とを具備している。枠体４４は、その先端（図７では下端）に主軸１４の半径方向内方へ延設された支持部４６を具備している。また、枠体４４は、第１主軸基準位置測定装置２８による主軸１４の端面の中心位置Ｏｃｓの測定を阻害しない形状となっている。枠体４４の内面には、回転中の主軸１４の側面に対するＸ軸方向の距離を測定する二対のＸ軸方向距離センサ４８ａ〜４８ｄ、及びＹ軸方向の距離を測定する二対のＹ軸方向距離センサ（図示せず）が、各々Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対向配置されている。更に、支持部４６の上面には回転中の主軸１４の端面に対するＺ軸方向の距離を測定するＺ軸方向距離センサ５０が配置されている。
第２主軸基準位置測定装置３２により既述した第１主軸基準位置測定装置２８と同様の方法にて、但し主軸１４が回転し加工プロセスを実行する間に、距離センサ４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄ、５０と主軸１４の側面及び端面との間の距離を測定し、その測定値が演算装置２４へ出力される。演算装置２４は、この測定値に基づいて主軸１４の端面の中心位置の変位を演算し補正部２２へ出力する。補正部２２は、主軸ハウジングに対する主軸１４の端面の中心位置の変位に基づいて補正値を生成する。
第２の実施形態では、加工プロセス中に工具Ｔの刃先位置の変位は測定されないが、主軸１４の熱伸びは工具Ｔの熱伸びに比較してその絶対量が大きいために、加工プロセスが実行されている間に主軸１４の熱伸びを測定し、補正値を更新することによっても加工精度を向上することが可能となる。また、第２の実施形態では、回転中の主軸１４の側面に対するＸ軸方向の距離を測定する二対のＸ軸方向距離センサ４８ａ〜４８ｄ、及びＹ軸方向の距離を測定する二対のＹ軸方向距離センサが配設されているが、各距離センサは一対であってもよく、図１に示すように、回転中の主軸１４の側面に対する距離を測定するための距離センサを主軸１４の一側のみに配設するようにしてもよく、更には１つの距離センサを設けてもよい。二対のＸ軸方向距離センサ４８ａ〜４８ｄ及び二対のＹ軸方向距離センサの各対をＺ軸方向に配置することにより、主軸１４の主軸ハウジングに対する傾斜やオフセットの変化を測定することが可能となる。
第１及び第２の実施形態において、工具刃先位置測定装置３０をなくし、工具の回転を停止した状態で工具刃先位置を第１主軸基準位置測定装置２８の各センサで測定することもできる。この場合の第１主軸基準位置測定装置が請求項１７にいう位置測定手段である。
既述の実施形態では、ワークＷは、テーブル１６上で機械座標系に対して正確に位置決めされていることを前提としている。以下に説明する本発明の第３の実施形態では、機械座標系に対するワークＷの配置をも考慮するようになっている。
第３の実施形態では、主軸１４に対するワークＷの基準位置を測定するためのワーク基準位置測定装置３４（図１参照）が設けられている。ワーク基準位置測定装置３４は、長手方向に延びる軸部３４ａと、軸部３４ａの先端に配設された測定プローブ３４ｂとを有している。ワーク基準位置測定装置３４は、軸部３４ａが主軸１４の工具装着孔（図示せず）に装着されるようになっており、図１において二点鎖線で示すように、主軸１４の工具装着孔に自動工具交換と同様の手順にて前記工具装着孔に装着されて、主軸装置１２をテーブル１６に固定されたワークＷに対して相対的にＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させ、ワークＷの所定の基準位置に測定プローブ３４ｂを接触させることにより、ワークＷと主軸１４との相対的な位置関係寸法を測定する。前記ワークＷの基準位置は、ワークＷの特定の一点に限らず、例えば、主軸装置１２をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させたときのＸ、Ｙ、Ｚ軸の各々に垂直な所定の三平面とすることができる。また、ワークＷをテーブル１６上の所定位置に正確に位置決めされた位置決め手段、所謂ロケータに当接させることによりテーブル１６に対して位置決めするときは、ロケータの所定の基準位置、例えばＸ、Ｙ、Ｚ軸の各々に垂直な三平面とすることができる。
ワーク基準位置測定装置３４は、工具刃先位置測定装置３０と同様の接触式の変位測定器であって、測定プローブ３４ｂが軸部３４ａに対して変位可能に設けられており、測定プローブ３４ｂがワークＷの基準位置に接触すると、測定プローブ３４ｂは、主軸装置１２の移動方向に対して反対方向に変位し、その変位に相当する電気信号が動作指令部２０ｃ及び演算装置２４に時々刻々送出される。動作指令部２０ｃへ送出された信号はスキップ信号として作用し、動作指令部２０ｃは軸移動指令部２０ｄにＸ、Ｙ、Ｚの送り軸モータ停止指令を送出して、主軸装置１２の軸移動を停止する。演算装置２４は、測定プローブ３４ｂの変位及びＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８による機械座標系に従った測定プローブ３４ｂの座標、及び既述の実施形態で説明した主軸１４の端面の中心座標Ｏｃｓから機械座標系の基準位置に対するワークの基準位置の関係寸法を演算すると共に、この機械座標系の基準位置に対するワークの基準位置の関係寸法、既述した機械座標系の基準位置に対する主軸の基準位置の関係寸法、及び前記主軸の基準位置に対する前記工具の刃先位置の関係寸法から、ワークの基準位置に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置の関係寸法を求め、これを補正部２２に送出する。補正部２２は、これを基に補正値を生成し動作指令部２０ｃに送出する。
次に図８、９、１０を用いて更に他の実施形態による工具刃先位置測定装置３０を用いた工具Ｔの刃先の座標位置の測定方法及び装置について詳述する。
図８は工具ＴのＺ軸方向の刃先位置を工具刃先位置測定装置３０を用いて測定する構成ブロック図、図９Ａ、９Ｂは工具ＴのＺ軸方向の刃先位置及び工具長の測定の動作フロー図である。
図８に示す工作機械１０においてワークＷを固定するテーブル１６は、ベッド５６の上面において、Ｘ軸、Ｙ軸送りモータ（図示せず）により水平なＸＹ平面内で移動可能に設けられている。主軸装置１２は、工具Ｔを装着した主軸１４を主軸ハウジング内に回転自在に支持し、Ｚ軸送りモータＭＺにより、ＸＹ平面に対して垂直なＺ軸方向に移動可能にベッド５６に立設されたコラム５８の前面に取り付けられている。主軸１４のＺ座標は、デジタルスケール７０により読み取られる。テーブル１６の上面には、主軸１４に対向するように工具刃先位置測定装置３０が固定されている。工具刃先位置測定装置３０は接触式又は非接触式の変位量を測定可能な変位センサであり、接触式の例としては、光学式又は磁気式のデジタルスケール、差動トランスなどがあり、非接触式の例としては、レーザ式、静電容量式、渦電流式などがある。ここでは接触式の変位センサを例にして説明している。
まず工具ＴのＺ軸方向の刃先位置を測定するための測定マクロプログラム６０をＮＣ装置の読取解釈部６２で解読し、主軸１４に装着した工具Ｔが工具刃先位置測定装置３０の真上のＸ、Ｙ座標位置へ位置決め動作される（ステップＳ１）。次いでＺ軸送りモータＭＺが駆動され主軸装置１２がＺ軸方向に所定速度で下降し始める（ステップＳ２）。これらの動作は、周知の通り、読取解釈部６２から送出される位置指令がＮＣ装置の補間演算部６４、位置制御部６６、サーボ制御部６８を流れることによって行われる。そしてデジタルスケール７０で検出されたＺ軸の現在位置ＳＺが位置制御部６６にフィードバックされる。
一方、読取解釈部６２からマクロ演算指令が工具刃先位置演算部７２及び工具長演算部７８に送出される。このマクロ演算指令にはＺ軸動作を停止してから工具刃先位置測定装置３０の変位出力値及びＺ軸の座標位置を読み取るのか、Ｚ軸動作中に読み取り、読み取り後Ｚ軸を停止するのかを識別する信号を含んでいる。ステップＳ３で工具刃先位置測定装置３０が変位を検出開始すると、変位量ＤＺは工具刃先位置演算部７２に送出され、Ｚ軸停止後に変位出力値とＺ軸座標位置を読み取る場合（ステップＳ４でＹＥＳ）は、工具刃先位置測定装置３０から予め決められた出力値になると発生するスキップ信号によって停止指令発生部７４を介して位置制御部６６にＺ軸の停止指令が発せられる（ステップＳ５）。そしてＺ軸が停止しているときの工具刃先位置測定装置３０から検出した変位量ＤＺ、及び位置制御部６６からの指令現在位置ＰＺ又はデジタルスケール７０からの現在位置ＳＺを工具刃先位置演算部７２が読取る（ステップＳ６）。
ステップＳ４でＮＯの場合は、ステップＳ７で工具刃先位置測定装置３０から検出した変位量ＤＺ、及び位置制御部６６からの指令現在位置ＰＺ又はデジタルスケール７０からの現在位置ＳＺを工具刃先位置演算部７２が同時に読取る（ステップＳ７）。そしてその後停止指令部７４から位置制御部６６へ停止指令が発せられてＺ軸動作が停止する（ステップＳ８）。ここでは位置制御部６６からの指令現在位置ＰＺを機械の座標系の座標位置として採用することにする。工具刃先位置演算部７２は、予め測定して記憶してあるキャリブレーション値ＣＺをデータ記憶部７６から読み取り（ステップＳ９）、先に読み取った変位量ＤＺ及び指令現在位置ＰＺを用いて、工具刃先の座標位置ＴＺを
ＴＺ＝ＰＺ＋ＤＺ＋ＣＺ
の演算式によって演算する（ステップＳ１０）。
マクロ演算指令に工具長の演算までは行うよう要求されていない場合は（ステップＳ１１のＮＯ）、工具刃先の座標位置ＴＺの値をデータ記憶部７６へ登録する（ステップＳ１２）。マクロ演算指令に工具長の演算まで行うよう要求されている場合は（ステップＳ１１のＹＥＳ）、工具長演算部７８はデータ記憶部７６から予め測定し記憶してある基準位置ＳＰを読み込み（ステップＳ１３）、工具刃先位置演算部７２から先に演算した工具刃先の座標位置ＴＺを読み込んで工具長ＴＬを
ＴＬ＝ＴＺ−ＳＰ
の演算式によって演算する（ステップＳ１４）。そしてこの工具長ＴＬを記憶部７６へ登録する（ステップＳ１５）。ここで基準位置情報ＳＰは、主軸１４の端面又は主軸１４に装着した長さが既知のマスタピースの先端面を工具刃先位置測定装置３０に当接し、前述の工具刃先の座標位置を演算で求めたのと同様の方法で予め求め、データ記憶部７６に記憶しておくのである。
その後Ｚ軸は工具刃先位置測定装置３０から逃げる動作をし（ステップＳ１６）、工具刃先の座標位置及び工具長測定の一連の動作を終了する。
データ記憶部７６に登録された工具刃先位置ＴＺ及び工具長ＴＬは、この工具Ｔによるワークの加工時のＮＣプログラムの補正値又は工具長オフセット値として採用され、図１の補正部２２を介して動作指令部２０ｃに送出される。
ステップＳ６３で工具刃先の座標位置として指令現在位置ＰＺを採用したが、更にサーボ制御部６８から位置偏差を受け取り、工具刃先の座標位置として指令現在位置ＰＺと位置偏差とを加えた値を採用すると、より精度の高い結果を得ることができる。
ワークの加工の進行の前と後に上記の方法で工具刃先位置を測定し、両者の差を演算することによって工具の長さ方向の摩耗量を求めることができる。
テーブル１６上に工具刃先位置測定装置３０のような変位センサを設け、テーブルと相対移動する主軸１４側に設けた工具刃先や主軸端面やマスタピースの基準面のＺ軸方向の位置を測定する方法について説明したが、Ｘ、Ｙ軸方向の位置についても同様に測定できる。Ｘ、Ｙ軸方向の位置の測定の応用例として、工具Ｔの切刃径の測定がある。これは、Ｘ軸又はＹ軸方向に変位可能な変位センサによって、工具の直径上の２位置の測定をし、その差を演算すれば切刃径が求まる。その時、予め径が既知のマスタピースで校正データ（キャリブレーション値）を求めておくことは周知の通りである。ワークの加工の進行の前と後に切刃径を測定し、両者の差を演算することによって工具の径方向の摩耗量を求めることもできる。
主軸１４側に変位センサを設け、テーブル１６側のワークの基準面、ワーク取付具の基準面、テーブル１６の基準面に当接して、同様の方法でこれら基準面のＸ、Ｙ又はＺ軸方向の位置測定を行うこともできる。これの応用例としてワークに設けられた２面間の段差は測定した各面の位置の差を演算することによって求められる。
更に、工作機械上での測定に限らず、三次元測定機、ロボット、ツールプリセッタのような構成部材が互いに相対移動する機械において、測定対象物の被測定部位の座標位置を変位センサ（変位検出手段）の出力値と機械の座標系の座標位置とから演算によって求められることが容易にわかる。特にツールプリセッタは、ＮＣ工作機械で用いる工具の長さや径を予め測定し、その結果をＮＣ装置に登録するための装置であり、上述した工作機械上で工具長や切刃径を測定した方法をそのままツールプリセッタに置き換えることができるので、ここではツールプリセッタでの工具長、工具径の測定方法の説明は省略する。
また工具の刃先位置、工具長、切刃径、工具摩耗量、ワークの被測定部位の座標位置、ワークの段差測定等の機能を有した工作機械や、この工作機械を用いたワークの加工方法も実現できる。
なお図１と図８のＮＣ装置の関係は、プログラム格納部２０ａが測定マクロプログラムを含む加工プログラム６０に、プログラム解析部２０ｂが読取解釈部６２に、動作指令部２０ｃが補間演算部６４に、軸移動指令部２０ｄが位置制御部６６及びサーボ制御部６８にそれぞれ対応し、ほぼ同様の作用をする。
以上説明したように本発明では、工作機械の基準位置に対する主軸の基準部位を測定する第１の工程と、主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する第２の工程の２工程を経て基準座標位置に対する工具の刃先位置を求めている。第１の工程の主軸の基準部位の測定は、主軸やマスターピースの端面及び円筒側面という比較的単純形状部位の位置測定なので、主軸を実際の加工プロセスと同じ回転速度で回転させながら測定できるメリットがある。ヒステリシスを持って変位する主軸の基準位置を定期的に高精度に測れる。
そして第２の工程は、複雑な形状を持つ工具の刃先の位置を測定するのに主軸を停止して測定することによって精度よく測定できる。これら精度よく測定した２工程における測定結果から、基準座標位置に対する工具の刃先位置を演算によって求めれば、その演算結果も精度の高い値である。
また、第１の工程によって主軸の熱変位量を測定でき、第２の工程によって工具の主軸への取付誤差や工具摩耗量を測定することができる。工具の刃先位置を直接測りに行く従来の方法では、主軸の熱変位量と工具の取付誤差や工具摩耗量とを別々に知ることができなかったが、本発明ではこれらの量を別々に知ることができる。よってこれらの変位量、誤差量を極小化する対策がとれ易い。
実際の加工では、テーブル上面の基準位置から工具の刃先位置までの関係寸法又はワークの基準位置から工具の刃先位置までの関係寸法を知ることが大事であるが、請求項に書いた基準座標位置から工具の刃先位置までの関係寸法とはこれらの関係寸法を包含する。何故ならテーブル上面の基準位置やワークの基準位置をまず基準座標位置についてキャリブレーションする、つまり基準座標位置との位置関係を明確にする必要があるからである。
更に、加工プロセス中に主軸ハウジングに対する主軸の基準部位を連続的に測定することによって、刻々の工具の刃先位置の変化を補正することができ、ワークの加工精度の向上に役立つ。
接触式又は非接触式の変位測定手段の出力値と、その出力値を得たときの機械の座標系の座標位置とを検出し、両者の値から測定対象物の被測定部位の座標位置を演算して求めるので、従来のタッチプローブ式の当接した瞬間の座標位置を検出するのではなく、測定精度が高く、かつ当接するときの送り速度によって測定精度がばらつくことがない。よって可能な限り速い速度で変位測定手段を被測定部位へアプローチでき、測定時間が短縮できる。
この基本的な測定方法を主軸側の基準部位、テーブル側の基準部位、工具の刃先等に適用できる。またこの応用例で工具長、切刃径、工具の摩耗量、ワークの段差等を測定可能である。そしてこの測定方法、測定装置を有した工作機械や加工方法、更にはツールプリセッタが実現し、ワークの加工精度の向上に効果を上げている。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態によるＮＣ工作機械の構成を示すブロック図である。
図２は、第１主軸基準位置測定手段の略示断面図である。
図３は、図２に示した第１主軸基準位置測定手段を上方から見た略図であり、主軸端面の中心座標を求める方法を説明するための説明図である。
図４は、工具先端の刃先のＺ軸方向の長さ（工具長）の測定方法を説明するための動作説明図である。
図５は、工具先端の刃先の工具径の測定方法を説明するための動作説明図である。
図６は、工具先端の刃先の工具径の測定方法を説明するための説明図である。
図７は、第２主軸基準位置測定手段の断面図である。
図８は、本発明の実施形態による工具のＺ軸方向の刃先位置及び工具長を測定する測定装置の構成ブロック図である。
図９Ａは、本発明の実施形態による工具のＺ軸方向の刃先位置及び工具長の測定動作のフロー図である。
図９Ｂは、本発明の実施形態による工具のＺ軸方向の刃先位置及び工具長の測定動作のフロー図である。
本発明は、測定対象物の被測定部位の位置の測定方法及び装置に関し、特にＮＣフライス盤やマシニングセンタ等のＮＣ工作機械で精密加工を行うために主軸に装着された工具の刃先位置等の測定方法及び装置、並びにその測定装置を有した工作機械及び該工作機械によるワークの加工方法に関する。
背景技術
工作機械の分野では加工精度に対する要求は年々高くなっており、近時ではサブミクロンのオーダの加工精度が要求されることも珍しくなくなっている。こうした加工精度の向上を目指して、主軸に装着された工具の主軸に対する位置ずれや、回転主軸の熱伸びを測定するようにしたＮＣ工作機械が提案されている。
第１の従来技術として特開平１１−１３８３９２号公報には、回転中の工具の工具刃先位置、工具径、工具長、工具形状等を測定可能な工具寸法測定機能を備えたＮＣ工作機械が開示されている。このＮＣ工作機械は、工作機械部のワークを固定するテーブルに投光器と受光器との間に一本の糸状の光線を照射する光学式工具測定器を設け、工作機械部の回転主軸に工具を装着してテーブルとの間でＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の相対移動を行わせ工具を光学式工具測定器の光線所定方向から接近させ、工具が光線を遮断したときのＸ、Ｙ、Ｚ座標値に基づきＮＣ工作機械の加工プログラムの工具先端の中心位置、工具径、工具長を補正する。
第２の従来技術として特開平１０−３０９６５３号公報には、高速回転中の工具の刃先位置の変位を正確に測定するようにした工作機械が開示されている。この工作機械は、テーブル上面に基準ブロックを固定して主軸ハウジングに前記基準ブロックとの間の距離を測定する変位計を設けると共に、前記主軸ハウジングに該主軸ハウジングに対する主軸の端面または工具ホルダとの距離を測定する変位計を設け、これにより、主軸ハウジング先端の変位及び主軸ハウジング先端に対する主軸の変位を得て工具刃先位置の変位を補正する。
第１の従来技術では、主軸が回転している間に工具先端の中心位置、工具径、工具長を光線により非接触で測定して、その測定値に基づき加工プログラムを補正するようにしている。然しながら、工具の先端は切刃の形状が複雑であるので、光学式の測定器による測定では、回転中の工具先端のどの位置を測定しているか不明確で測定精度が低下する問題がある。静電容量や渦電流を用いた非接触式距離測定器もまた回転中の工具先端のどの位置を測定しているか不明確で測定精度が低下する問題は解決できない。
第２の従来技術では、主軸の中心軸線に沿った方向、つまりＺ軸方向の工具長の変化しか測定できず、工具の主軸に対する傾斜やオフセットに基づく見かけ上の工具径の増大や、工具の切刃の摩耗による工具径の減少を測定することができない問題がある。
発明の開示
本発明は、こうした従来技術の問題点を解決することを技術課題としており、ＮＣ工作機械の主軸先端に装着された工具の刃先位置を高精度に測定する測定方法及び装置を提供することを目的としている。
また、本発明は、機械における測定対象物の被測定部位の座標位置を高精度に測定可能な測定方法及び装置を提供することを目的としている。
更に、本発明は、主軸先端に装着された工具の刃先位置を高精度に測定可能にした工作機械を提供すること目的としている。
更に、本発明は、主軸先端に装着された工具の刃先位置を高精度に測定してワークを高精度に加工する加工方法を提供することを目的としている。
更に、本発明は、工具長及び工具径を高精度に測定可能なツールプリセッタを提供することを目的としている。
本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定方法において、
工作機械の基準座標位置に対する前記主軸の基準部位のＸ、Ｙ、Ｚ軸の少なくとも１軸の軸方向の関係寸法を前記主軸を回転中又は回転後停止させて測定する工程と、
前記主軸の基準部位に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置の前記軸方向の関係寸法を前記主軸を回転中又は停止中に測定する工程と、
前記２つの工程で測定した関係寸法から、前記基準座標位置に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置の関係寸法を演算して求める工程とを含んで成る工具の刃先位置の測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定方法において、
前記主軸の基準部位が所定位置にあるときの工作機械の座標系における座標位置を前記主軸の回転中又は回転後停止させて測定する工程と、
前記主軸の基準部位に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置を前記主軸の回転中又は停止中に測定する工程と、
前記２つの工程で測定した値から、前記座標系における前記主軸に装着された工具の刃先の座標位置を演算して求める工程とを含んで成る工具の刃先位置の測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定方法において、
前記主軸の基準部位が所定位置にあるときの工作機械の座標系における座標位置を前記主軸の回転中又は回転後停止させて測定する工程と、
前記主軸の基準部位に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置を前記主軸の回転中又は停止中に測定する工程と、
工作機械の主軸ハウジングに対する回転中の前記主軸の基準部位の位置の変化を測定する工程と、
前記３つの工程で測定した値から、前記座標系における前記主軸に装着された工具の刃先の座標位置を演算して求める工程とを含んで成る工具の刃先位置の測定方法が提供される。
更に本発明によれば、接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて機械の座標系における測定対象物の被測定部位の座標位置を測定する測定方法において、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記変位測定手段と測定対象物との相対移動によって前記測定対象物の被測定部位を前記変位測定手段の測定範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記機械の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記機械の座標系の座標位置とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記測定対象物の被測定部位の前記機械の座標系における座標位置を演算して求めることを特徴とした測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に対して相対移動する構成部材に設けられた接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて主軸の基準部位又は主軸に装着した寸法が既知のマスタピースの基準部位の座標位置を測定する測定方法において、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記主軸の基準部位又は主軸に装着したマスタピースの基準部位を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記主軸の基準部位又は主軸に装着したマスタピースの基準部位の前記座標系における座標位置を演算して求めることを特徴とした測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に対して相対移動する構成部材に設けられた接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて前記主軸に装着した工具の被測定切刃部の座標位置を測定する測定方法において、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記工具の被測定切刃部を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記工具の被測定切刃部の前記座標系における座標位置を演算して求めることを特徴とした測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸又は主軸頭に設けられた接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて前記主軸側に対して相対移動するワークの被測定部位又はワーク取付け具の基準部位の座標位置を測定する測定方法において、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記ワークの被測定部位又はワーク取付け具の基準部位を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記ワークの被測定部位又はワーク取付具の基準部位の前記座標系における座標位置を演算して求めることを特徴とした測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に対してＺ軸方向に相対移動する構成部材に設けられたＺ軸方向変位を測定可能な接触式又は非接触式の変位測定手段を用い、前記主軸に装着された工具の工具長を測定する測定方法において、
前記相対移動によって前記変位測定手段の測定可能範囲内に前記主軸の基準部位又は主軸に装着された長さが既知のマスタピースの基準部位を移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＺ軸の座標位置とを予め検出し、検出した値と前記マスタピースの長さ値とを校正データとしてそのまま記憶するか又は検出した値と前記マスタピースの長さ値とから校正データを演算で求めて記憶し、
前記相対移動によって前記変位測定手段の測定可能範囲内に前記主軸に装着した測定すべき工具の刃先を移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＺ軸の座標位置とを検出し、
前記記憶した校正データ、及び前記測定すべき工具について検出した前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＺ軸の座標位置に基づいて前記工具の前記主軸の基準部位又は主軸に装着したマスタピースの基準部位に対する工具長を演算して求める測定方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に対して相対移動する構成部材に設けられたＸまたはＹ軸方向変位を測定可能な接触式又は非接触式の変位測定手段を用い、前記主軸に装着された工具の径を測定する測定方法において、
前記相対移動によって前記主軸に装着した径が既知のマスタピースの側面を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＸ又はＹ軸の座標位置とを予め検出し、検出した値と前記マスタピースの径の値とを校正データとしてそのまま記憶するか又は検出した値と前記マスタピースの径の値とから校正データを演算で求めて記憶し、
前記相対移動によって前記変位測定手段の測定可能範囲内に前記主軸に装着した測定すべき工具の切刃の被測定部位を移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＸ又はＹ軸の座標位置とを検出し、
前記記憶した校正データ、及び前記測定すべき工具について検出した前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＸ又はＹ軸の座標位置に基づいて前記工具の切刃径を演算して求める測定方法が提供される。
前記請求項８若しくは請求項９の測定方法によって求めた加工進行の前と後とにおける工具長若しくは切刃径の値の差から、前記工具の長さ方向若しくは径方向の摩耗量を演算して求めるようにすることができる。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸又は主軸頭に設けられた接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて前記主軸又は主軸頭に対して相対移動するワークの２被測定面間の段差を測定する測定方法において、
前記測定すべき段差方向の変位が測定可能に前記変位測定手段を設け、
前記相対移動によって前記それぞれの被測定面を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系の座標位置とをそれぞれ検出し、
検出した前記２被測定面における前記変位測定手段の出力値と前記座標位置とから前記ワークの２被測定面間の段差を演算して求めることを特徴とした測定方法が提供される。
前記所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置との検出は、前記変位測定手段の測定範囲内で前記相対移動を停止させ、停止後の前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とを検出することにより行うことができる。
前記所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置との検出は、前記変位測定手段の測定範囲内で前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とを前記相対移動の動作中に検出してもよい。
前記所定の測定タイミングにおいて検出する前記座標系の座標位置は、送り軸に設けた送り軸位置読取り手段の読み、送り軸のＮＣ指令値、又は送り軸のＮＣ指令値にサーボ制御部から取り出した送り軸の位置偏差を加味した位置のいずれかの値を採用することができる。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定装置において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置を測定する第１主軸基準位置測定手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記主軸の基準面に対する工具の刃先位置を測定する工具刃先位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段、第１主軸基準位置測定手段及び工具刃先位置測定手段の出力値から前記座標系における工具の刃先の座標位置を演算する演算手段とを具備した工具の刃先位置の測定装置が提供される。
前記工具刃先位置測定手段は、接触式又は非接触式の変位測定器を具備することができる。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定装置において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置及び前記主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段及び位置測定手段の出力値から前記座標系における工具の刃先の座標位置を演算する演算手段とを具備した工具の刃先位置の測定装置が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定装置において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置を測定する第１主軸基準位置測定手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する工具刃先位置測定手段と、
前記ＮＣ工作機械の主軸ハウジングに設けられ、前記主軸ハウジングに対する回転中の前記主軸の基準部位の位置の変化を測定する第２主軸基準位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段、第１主軸基準位置測定手段、工具刃先位置測定手段及び第２主軸基準位置測定手段の出力値から前記座標系における工具の刃先の座標位置を演算する演算手段とを具備した工具の刃先位置の測定装置が提供される。
更に本発明によれば、変位測定手段を用いて測定対象物の被測定面の座標位置を測定する測定装置において、
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の少なくとも１軸の軸方向の変位量を測定可能な接触式又は非接触式の変位測定手段と、
前記測定対象物と前記変位測定手段との相対移動の座標系の座標位置を検出する座標位置検出手段と、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記測定対象物の被測定部位を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させた後、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記座標位置検出手段の出力値とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記測定対象物の被測定部位の前記座標系における座標位置を演算して求める演算手段とを具備することを特徴とした測定装置が提供される。
前記座標位置検出手段は、送り軸に設けた送り軸位置読取り手段の読み、送り軸のＮＣ指令値、又は送り軸のＮＣ指令値にサーボ制御部から取り出した送り軸の位置偏差を加味した位置のいずれかの値を前記相対移動の座標系の座標位置とすることができる。
更に本発明によれば、数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間で相対移動を行わせワークを加工する工作機械において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置を測定する第１主軸基準位置測定手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する工具刃先位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段、第１主軸基準位置測定手段及び工具刃先位置測定手段の出力値から前記座標系における工具の刃先の座標位置を演算する演算手段と、
前記演算手段で求めた前記座標系における工具の刃先の座標位置に基づき数値制御指令を補正する補正手段とを具備した工作機械が提供される。
更に本発明によれば、数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間で相対移動を行わせワークを加工する工作機械において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置を測定する第１主軸基準位置測定手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する工具刃先位置測定手段と、
前記座標系におけるワークの基準部位の座標位置を測定するワーク基準位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段、第１主軸基準位置測定手段、工具刃先位置測定手段及びワーク基準位置測定手段の出力値からワークの基準部位に対する工具の刃先位置を演算する演算手段と、
前記演算手段で求めたワークの基準部位に対する工具の刃先位置に基づき数値制御指令を補正する補正手段とを具備した工作機械が提供される。
更に本発明によれば、数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間でＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の相対移動を行わせワークを加工する工作機械において、
前記主軸、工具又はワークの被測定部位のＸ、Ｙ、Ｚ軸の少なくとも１つの方向の変位量を測定可能な接触式又は非接触式の変位測定手段と、
前記被測定部位と前記変位測定手段との相対移動の座標系の座標位置を検出する座標位置検出手段と、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記被測定部位を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させた後、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記座標位置検出手段の出力値を検出し、検出した両出力値から前記変位検出手段の基準位置に対する前記被測定部位の前記座標系における座標位置を演算して求める演算手段とを具備しワークの加工を行う工作機械が提供される。
更に本発明によれば、数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間で相対移動を行わせワークを所望形状に加工するＮＣ工作機械によるワークの加工方法において、
前記主軸の基準部位が所定位置にあるときの工作機械の座標系における座標位置を前記主軸の回転中又は回転後停止させて測定する工程と、
前記主軸の基準部位に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置を前記主軸の回転中又は停止中に測定する工程と、
前記２つの工程で測定した値から前記座標系における前記主軸に装着された工具の刃先の座標位置を演算して求める工程と、
前記座標系における前記主軸に装着された工具の刃先の座標位置からワークを加工する数値制御指令の補正値を求める工程とを含んで成るワークの加工方法が提供される。
更に本発明によれば、数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間でＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の相対移動を行わせワークを所望形状に加工するＮＣ工作機械によるワークの加工方法において、
接触式又は非接触式の変位測定手段を用い、前記主軸、工具又はワークの被測定部位を前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記変位測定手段の測定範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記相対移動の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とから前記変位検出手段の基準位置に対する前記被測定部位の前記座標系における座標位置を演算して求め、ワークの加工を行う加工方法が提供される。
更に本発明によれば、ＮＣ工作機械の主軸に装着する工具の工具長又は切刃径を予め測定しその値を登録するツールプリセッタにおいて、
工具装着部に対して相対移動し、Ｚ軸及びＸ軸又はＹ軸方向の変位を測定可能な変位測定手段と、
前記相対移動の座標系の座標位置を検出する送り軸位置読取り手段と、
前記工具装着部に装着した寸法が既知のマスタピースの基準部位、前記工具装着部に装着した工具の刃先、又は前記工具の切刃の最外側面を前記相対移動によって前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させた後、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記送り軸位置読取り手段の出力値を検出し、検出した両出力値及び前記マスタピースの寸法値から前記座標系における前記マスタピースの基準部位、前記工具の刃先、又は前記工具の切刃の最外側面の位置を求め、前記工具の工具長又は工具径を演算する演算手段とを具備することを特徴としたツールプリセッタが提供される。
発明を実施する最良の態様
以下、添付図面を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。
図１において、第１の実施形態によるＮＣ工作機械の工作機械部１０は、主軸１４を主軸ハウジング内に回転自在に支持、内蔵する主軸装置１２が、Ｘ軸送りモータＭＸ、Ｙ軸送りモータＭＹ、Ｚ軸送りモータＭＺにより、ワークＷを固定するテーブル１６に対して相対的にＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸方向に移動自在に設けられている。主軸１４の先端には工具Ｔが装着され、工具Ｔを回転させながらワークＷに切り込み、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の相対移動をさせてワークＷを所望形状に加工する。
工作機械部１０における主軸装置１２とテーブル１６との間のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の相対移動を制御するＮＣ装置２０は、加工プログラム及び工具刃先位置測定プログラム等を格納するプログラム格納部２０ａ、プログラム格納部２０ａに格納されているプログラムを解析するプログラム解析部２０ｂ、解析されたプログラムに従って逐次移動指令を生成する動作指令部２０ｃ、この移動指令に従ってＸ軸送りモータＭＸ、Ｙ軸送りモータＭＹ、Ｚ軸送りモータＭＺを駆動する、例えばサーボ増幅器から成る軸移動指令部２０ｄを主要な構成要素として含んでいる。また、主軸装置１２のテーブル１６に対する相対位置は工作機械部１０の各軸に設けられているデジタルスケール等のＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８により測定され、時々刻々軸移動指令部２０ｄへフィードバックされる。表示装置２６は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８の読取り値、演算装置２４による各種演算値等を表示する。
第１の実施形態では、主軸１４の先端に装着された工具Ｔの刃先位置を測定するために、第１主軸基準位置測定装置２８及び工具刃先位置測定装置３０が設けられている。
図２、３を参照すると、第１主軸基準位置測定装置２８は台枠３６に固定された複数の距離センサ３８ａ、３８ｂ、４０、４２ａ、４２ｂ（図３参照）を具備している。距離センサ３８ａ、３８ｂ、４０、４２ａ、４２ｂは、例えば渦電流式または静電容量式の非接触式距離センサにより構成することができる。台枠３６は、熱膨張率の小さな材料、例えばインバーから成る中空の円筒または角柱状の部材であり、その内面には所定の高さに配置された底壁３６ａが形成されており、底壁３６ａは中心開口部３６ｂを有している。測定に際しては図２に示すように、中心開口部３６ｂに工具Ｔが挿入されるので、底壁３６ａは、底壁３６ａの下側に少なくとも測定に際して工具Ｔの先端を受容できる空間が形成される高さに配置される。第１主軸基準位置測定装置２８は、予め工作機械部１０において主軸１４に対してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対移動する構成部材、一例として図１に示す実施形態ではテーブル１６の上面に正確に位置決め、固定されている。
台枠３６の上端開口部に隣接する内面には静止した又は回転している主軸１４の側面に対するＸ軸方向の距離を測定する一対のＸ軸方向距離センサ３８ａ、３８ｂ、及びＹ軸方向の距離を測定する一対のＹ軸方向距離センサ４２ａ、４２ｂが、各々Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対向配置されている。このとき、第１主軸基準位置測定装置２８の中心座標Ｏ（Ｘｃ，Ｙｃ）は、Ｘ軸方向距離センサ３８ａ、３８ｂの各々の測定面の中心を結ぶ線分と、Ｙ軸方向距離センサ４２ａ、４２ｂの各々の測定面の中心を結ぶ線分との交点で示され（図３参照）、以下の式にて求められる。
Ｘｃ＝１／２（Ｘ１＋Ｘ２）
Ｙｃ＝１／２（Ｙ１＋Ｙ２）
ここで、
Ｘ１：測定面がＸ軸に沿って正の方向に向けられたＸ軸方向距離センサ３８ａの測定面のＸ座標
Ｘ２：測定面がＸ軸に沿って負の方向に向けられたＸ軸方向距離センサ３８ｂの測定面のＸ座標
Ｙ１：測定面がＹ軸に沿って正の方向に向けられたＹ軸方向距離センサ４２ａの測定面のＹ座標
Ｙ２：測定面がＹ軸に沿って負の方向に向けられたＹ軸方向距離センサ４２ｂの測定面のＹ座標
である。
更に、台枠３６の底壁３６ａの上面には静止した又は回転している主軸１４の端面に対するＺ軸方向の距離を測定するＺ軸方向距離センサ４０が配置されている。より詳細には、Ｚ軸方向距離センサ４０は、その測定面が所定の高さ位置、本実施形態では、テーブル１６の上面からの距離がＨとなるように配置されている。
図４、５を参照すると、工具刃先位置測定装置３０は接触式の変位センサであって、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向に配向された測定プローブを具備している。この変位センサは、具体的には光学式スケール、磁気式スケール、差動トランスなどの距離測定器を具備することができる。なお、図４、５において工具刃先位置測定装置３０は、Ｚ軸方向及びＸ軸方向に配向されたＺ軸測定プローブ３０ａ及びＸ軸測定プローブ３０ｂのみが図示されているが、実際上はＹ軸方向に配向されたＹ軸測定プローブも設けられている。また、図１では、工具刃先位置測定装置３０は、１つの測定器にて構成されているように図示されているが、図４、５に示すように、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向に別個の測定器を配置するようにできる。更に、図５では、工具刃先位置測定装置３０は、Ｘ軸に沿って一方の方向（図５において右方向）にＸ軸測定プローブ３０ｂが向けられているが、好ましくは、工具Ｔに対してＸ軸に沿って両方向から測定可能にする。これは、一対の変位センサをＸ軸に沿って対向配置したり、１つの変位センサをＺ軸方向の回転中心周りに１８０°回転できるように構成することにより達成できる。この点は、Ｙ軸方向の変位センサについても同様である。また、工具刃先位置測定装置３０は、レーザ式、静電容量式、渦電流式などの非接触式の変位測定センサであってもよい。
以下、第１の実施形態の作用を説明する。
先ず、主軸１４の停止時、好ましくは主軸１４が停止して所定温度にあるときに、または主軸１４が加工時の回転速度で回転しているときに、主軸１４の基準位置として主軸１４の端面における中心Ｏｃｓの位置を第１主軸基準位置測定装置２８により測定する。プログラム格納部２０ａ内に格納されている工具刃先位置測定プログラムに従って、Ｘ軸送りモータＭＸ、Ｙ軸送りモータＭＹ、Ｚ軸送りモータＭＺにより、主軸装置１２を機械座標系に従ってＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させ、機械座標系における主軸１４の中心軸線が、第１主軸基準位置測定装置２８の中心Ｏに一致するように、主軸１４を第１主軸基準位置測定装置２８に対して図２に示すように配置する。
但し、機械環境の温度変化、主軸１４の高速回転による機械各部の発熱による熱的影響などの要因により主軸装置１２を精密に製作しても、主軸１４の主軸ハウジングに対する傾きやオフセットは一般的に完全には除去できないために、実際の主軸端面の中心座標Ｏｃｓは、機械座標系に定められた主軸端面の中心には一致していない。このとき、主軸１４の側面と、Ｘ及びＹ軸方向距離センサ３８ａ、３８ｂ；４２ａ、４２ｂとの距離を測定することにより、主軸１４の中心軸線のＸ、Ｙ座標Ｏｓ（Ｘｃｓ，Ｙｃｓ）は以下の式から求めることができる。
Ｘｃｓ＝１／２（（Ｘ１＋ｘ１）＋（Ｘ２−ｘ２））
Ｙｃｓ＝１／２（（Ｙ１＋ｘ１）＋（Ｙ２−ｘ２））
ここで、
ｘ１：Ｘ軸方向距離センサ３８ａの測定値であり、Ｘ軸方向距離センサ３８ａの測定面と主軸１４の側面との間の距離
ｘ２：Ｘ軸方向距離センサ３８ｂの測定値であり、Ｘ軸方向距離センサ３８ｂの測定面と主軸１４の側面との間の距離
ｙ１：Ｙ軸方向距離センサ４２ａの測定値であり、Ｙ軸方向距離センサ４２ａの測定面と主軸１４の側面との間の距離
ｙ２：Ｙ軸方向距離センサ４２ｂの測定値であり、Ｙ軸方向距離センサ４２ｂの測定面と主軸１４の側面との間の距離
である。
一方、主軸１４の端面のＺ軸方向の座標ＺＥＳは、Ｚ軸方向距離センサ４０の測定値がｚＥＳであるとき、ＺＥＳ＝Ｈ＋ｚＥＳで示される。第１主軸基準位置測定装置２８が機械座標系に対して所望の精度内で正確に位置決めされているとすると、主軸１４の端面における中心Ｏｃｓの機械座標系からの偏差Δは以下の式にて示される。
Δ（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）＝ＯＣＳ（ＸＣＳ，ＹＣＳ，ＺＥＳ）−Ｏ（ＸＣ，ＹＣ，ＺＣ）
ΔＸ＝ＸＣＳ−ＸＣ＝１／２（ｘ１−ｘ２）
ΔＹ＝ＹＣＳ−ＹＣ＝１／２（ｙ１−ｙ２）
ΔＺ＝ＺＥＳ−Ｚｃ
ここで、
ΔＸ：Ｘ軸方向の偏差
ΔＹ：Ｙ軸方向の偏差
ΔＺ：Ｚ軸方向の偏差
Ｚｃ：機械座標系における主軸１４の端面のＺ座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８におけるＺ軸方向のスケールの読み）である。
こうして演算装置２４において演算された偏差ΔＸ、ΔＹ、ΔＺが補正部２２へ出力される。補正部２２は、この値を工作機械の機械座標系の基準位置と主軸の基準位置との関係寸法として記憶する。
工具交換時、あるいは工具摩耗が想定されるとき、好ましくは工具温度が加工状態に近いときに、主軸停止状態で工具回転角度位置を必要に応じて割出しながら、工具刃先位置測定装置３０により工具Ｔの刃先位置が以下に説明するように測定される。
図４を参照して、工具Ｔの中心軸線に沿う長さ（工具長）ＬＴの測定方法を説明する。ここで、工具長ＬＴは主軸１４の端面から工具Ｔの先端までの距離と定義する。
工具刃先位置測定装置３０は、既述したように接触式の変位測定器であって、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に配向された測定プローブを有しているが、そのうち工具長ＬＴを測定するためにＺ軸方向に配向されたＺ軸測定プローブ３０ａが用いられる。先ず、主軸装置１２をテーブル１６に対してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させ、主軸１４の端面を工具刃先位置測定装置３０の上方に配置する。この状態から主軸装置１２をＺ軸方向に下動させ、図４の右側に示すように、主軸１４の端面をＺ軸方向に配向されたＺ軸測定プローブ３０ａに当接させる。これにより、Ｚ軸測定プローブ３０ａはＺ軸に沿って下動し、その変位に相当する電気信号が動作指令部２０ｃ及び演算装置２４に時々刻々送出される。動作指令部２０ｃへ送出された信号はスキップ信号として作用し、スキップ信号を受信すると、動作指令部２０ｃは軸移動指令部２０ｄにＺ軸モータ停止指令を送出し、これにより、主軸装置１２のＺ軸に沿った軸移動が停止する。演算装置２４は、このときのＺ軸測定プローブ３０ａのＺ軸に沿った変位ＺＳ０及び機械座標系に従ったＺ座標Ｍ０（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８のうちＺ軸方向のスケールの読み）を記憶する。
次いで、主軸１４に工具Ｔが装着された状態で、工具刃先位置測定装置３０の上方において、主軸１４の中心軸線が工具刃先位置測定装置３０のＺ軸測定プローブ３０ａの中心軸線に合致するように、主軸装置１２がテーブル１６に対してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対移動させられる。この状態から主軸装置１２をＺ軸方向に下動させ、図４の左側に示すように、工具Ｔの先端をＺ軸方向に配向されたＺ軸測定プローブ３０ａに当接させる。これにより、Ｚ軸測定プローブ３０ａはＺ軸に沿って下動する。その変位に相当する電気信号は、既述しように、動作指令部２０ｃ及び演算装置２４に時々刻々送出され、動作指令部２０ｃが軸移動指令部２０ｄにＺ軸モータ停止指令を送出して主軸装置１２を停止する。このとき、演算装置２４はＺ軸測定プローブ３０ａのＺ軸に沿った変位ＺＳＴ及びＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８により、機械座標系に従ったＺ座標ＺＭＴを記憶する。こうして、図４において工具長ＬＴは以下の式にて示される。
ＬＴ＝ＬＴ１＋ＬＴ２＝（ＺＭＴ−ＺＭ０）＋（ＺＳ０−ＺＳＴ）
上述の工具Ｔの先端をＺ軸測定プローブ３０ａに当接させて軸移動を停止したとき、演算装置２４がＺ軸測定プローブ３０ａのＺ軸に沿った変位ＺＳＴ及びＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８により機械座標系のＺ座標ＺＭＴを記憶するといことは、とりも直さず機械座標系における工具の刃先位置が定義できた（求まった）ことである。
同様に主軸端面をＺ軸測定プローブ３０ａに当接させて軸移動を停止したとき、演算装置２４で機械座標系における主軸端面位置が定義できた（求まった）ことである。そして演算装置２４は、この機械座標系における工具の刃先位置と主軸端面位置とに基づき、主軸端面位置から工具の刃先位置までの距離、すなわち工具長ＬＴを上式で演算して求めるのである。
このように変位測定手段に工具刃先や主軸端面を当接させて軸送りを停止させ、停止した状態における変位測定手段の読みとＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取手段の読みを検出するので検出精度は非常に高い。従来のタッチプローブに当接した瞬間のスキップ信号によってＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取手段の読みを検出する方法は、当接する時の速度が速くなる程測定精度が悪くなるので遅い速度で当接させなければならなかった。これはタッチプローブの支持構造及び検出信号の取り出し方の構造に避け難い問題があるからである。しかし本発明の変位測定手段を用いる方法は、停止状態での変位測定手段及びＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取手段の読みを検出すれば良いので、測定精度は当接する速度に依存しない。よってできるだけ加工のための稼働率を上げなくてはならない工作機械にとって、測定という非加工時間を短縮でき、かつ高精度に測定できる効果は大きい。
次に、図５を参照して、工具Ｔの刃先における工具径の測定方法を説明する。工具Ｔの刃先における工具径は、Ｘ軸及びＹ軸方向に配向されたＸ軸測定プローブ３０ｂ及びＹ軸測定プローブ（図示せず）が用いられる。但し、以下の説明ではＸ軸方向の工具刃先位置を測定する場合についてのみ説明する。
先ず、主軸１４の先端部の側面がＸ軸測定プローブ３０ｂに当接可能となるように、主軸装置１２をテーブル１６に対してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対的に移動する。この状態から主軸装置１２をＸ軸に沿ってＸ軸測定プローブ３０ｂに接近させて、主軸１４の側面をＸ軸測定プローブ３０ｂの先端に当接させる。これにより、Ｘ軸測定プローブ３０ｂはＸ軸に沿って後退し、その変位に相当する電気信号が動作指令部２０ｃ及び演算装置２４に時々刻々送出される。動作指令部２０ｃがこの信号をスキップ信号として受信すると、動作指令部２０ｃは軸移動指令部２０ｄにＸ軸モータ停止指令を送出し、これにより、主軸装置１２のＸ軸に沿った軸移動が停止する。演算装置２４はこのときのＸ軸測定プローブ３０ｂのＸ軸に沿った変位ＸＳ０及びそのときの機械座標系のＸ座標ＸＭ０を記憶する。
次いで、主軸１４に装着された工具Ｔの測定すべき刃先がＸ軸測定プローブ３０ｂに当接可能となるように、主軸装置１２がテーブル１６に対してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対移動させられる。この状態から主軸装置１２をＸ軸方向に工具刃先位置測定装置３０に接近させ、図５の左側に示すように、工具Ｔの刃先をＸ軸測定プローブ３０ｂに当接させる。これにより、Ｘ軸測定プローブ３０ｂはＸ軸に沿って後退する。このときのＸ軸測定プローブ３０ｂの変位に相当する電気信号が動作指令部２０ｃ及び演算装置２４に時々刻々送出される。動作指令部２０ｃは、この信号をスキップ信号として受信すると、軸移動指令部２０ｄにＸ軸モータ停止指令を送出して主軸装置１２を停止する。このとき、演算装置２４はＸ軸測定プローブ３０ｂのＸ軸に沿った変位ＸＳＴ及びそのときの機械座標系のＸ座標ＸＭＴを記憶する。こうして、図５において工具Ｔの刃先を右側から測定した半径Ｘｐは以下の式にて示される。
Ｘｐ＝ＲＳ−（（ＸＳ０−ＸＭ０）−（ＸＳＴ−ＸＭＴ））
＝ＲＳ−（（ＸＭＴ−ＸＭ０）＋（ＸＳ０−ＸＳＴ））
ＸＭ０＝ＸＭＴの場合は次式を得る。
Ｘｐ＝ＲＳ−（ＸＳ０−ＸＳＴ）
但し、ＲＳは主軸１４の半径であり、所望の加工精度を得るために必要となる精度内で既知の値である。
同様に、図５において工具Ｔの刃先をＸ軸に沿って左側から測定した半径Ｘｎが測定、演算される。更に、同様の測定がＹ軸方向について行われて、図６に示すように、工具Ｔの刃先をＹ軸に沿って測定、演算したＹｐ、Ｙｎが求められる。なお、図６において、ＸＳ、ＹＳは主軸１４の座標系を示している。
主軸１４の先端に装着された工具Ｔの中心軸線は主軸１４の中心軸線とは一般的に合致していないために、工具Ｔは主軸１４の中心軸線まわりに旋回する。こときの見かけ上の工具Ｔの刃先の直径Ｄｓは以下の式にて近似することができる。
Ｄｓ＝２Ｒ＝２（（Ｍａｘ（Ｘｎ，Ｘｐ）２＋（Ｍａｘ（Ｙｎ，Ｙｐ）２）１／２
演算装置２４は、この見かけ上の工具Ｔの刃先の直径Ｄｓを演算して補正部２２へ出力する。補正部２２は、この刃先の直径Ｄｓ及び既に説明した工具長ＬＴを主軸の基準位置と工具の刃先位置との関係寸法として記憶する。
このように主軸１４が停止している間に測定することにより、工具Ｔの刃先位置を正確に測定することが可能となる。
こうして機械座標系の基準位置に対する静止している工具の刃先位置が正確に求められると、次いで、主軸１４の回転により発生した熱による主軸１４の熱伸びによる工具の刃先位置の変位が以下のようにして測定される。
主軸装置１２が内蔵しているスピンドルモータ（図示せず）を回転駆動することにより主軸１４を高速回転させると、主軸装置１２内部の摩擦熱やスピンドルモータからの発熱により主軸１４の温度が上昇する。主軸１４の温度上昇は、主軸１４を一定時間回転させると平坦化して主軸１４は概ね一定温度となり主軸１４の熱伸びが収束または静定する。この主軸１４の熱伸びの収束または静定は、主軸１４の起動後一定時間毎に主軸１４を停止して、その端面の中心座標Ｏｃｓの変化を第１主軸基準位置測定装置２８を用いて測定し、主軸１４の冷間時の中心座標Ｏｃｓまたは前回の測定値と比較することにより検知することができる。主軸１４の熱伸びが収束または静定したことが検知されると、工具Ｔの刃先位置が既述した方法にて測定される。補正部２２は、このようにして求められた機械座標系の基準位置に関する主軸１４に装着された工具Ｔの刃先位置の関係寸法を基に補正値を生成し動作指令部２０ｃに送出する。
工具Ｔの刃先位置が測定され補正値が生成されると、プログラム格納部２０ａに格納された加工プログラムに従って加工プロセスが開始される。加工プロセス開始後、所定のタイミング、例えば、所定時間が経過したとき、ワークＷまたは工具Ｔの交換が行われたときに、もしくは、１つの加工プロセス中の幾つかの加工工程が実行されたときに、主軸１４を停止させ又は回転させたまま主軸１４の端面の中心座標Ｏｃｓが、そして工具Ｔの回転を停止してその刃先位置が既述した方法にて測定され補正値が更新される。
このように、本実施形態では工作機械の機械座標系の基準位置と、停止している又は回転している主軸の基準位置との関係寸法、及び主軸の基準位置と停止している工具の刃先位置との関係寸法を測定することにより、機械座標系の基準位置に関する工具の刃先位置を正確に求めることが可能となる。
第１の実施形態では、第１主軸基準位置測定装置２８を用いて機械座標系の基準位置と主軸１４の端面における中心位置との関係寸法を測定し、工具刃先位置測定装置３０を用いて主軸１４の端面における中心位置と工具Ｔの刃先位置との関係寸法を測定してＮＣ装置２０への補正値を求めるようにしている。この方法では間欠的に工具Ｔの刃先位置が測定されている。然しながら、主軸１４の端面は比較的単純な形状をしているために、主軸１４の中心位置はワーク加工中でも連続的に測定することができる。
以下に説明する第２の実施形態では、ワーク加工中に主軸１４の中心位置の変位を測定して、時々刻々補正値を更新するようになっている。
図１、７を参照すると、第２の実施形態では、工作機械部１０は、第１主軸基準位置測定装置２８及び工具刃先位置測定装置３０に加えて更に第２主軸基準位置測定装置３２を具備している。第２主軸基準位置測定装置３２は、主軸１４の先端部に隣接させて主軸装置１２のハウジングの端面に取り付けられた枠体４４と、枠体４４の内側に取着された複数の距離センサ４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄ、５０とを具備している。枠体４４は、その先端（図７では下端）に主軸１４の半径方向内方へ延設された支持部４６を具備している。また、枠体４４は、第１主軸基準位置測定装置２８による主軸１４の端面の中心位置Ｏｃｓの測定を阻害しない形状となっている。枠体４４の内面には、回転中の主軸１４の側面に対するＸ軸方向の距離を測定する二対のＸ軸方向距離センサ４８ａ〜４８ｄ、及びＹ軸方向の距離を測定する二対のＹ軸方向距離センサ（図示せず）が、各々Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対向配置されている。更に、支持部４６の上面には回転中の主軸１４の端面に対するＺ軸方向の距離を測定するＺ軸方向距離センサ５０が配置されている。
第２主軸基準位置測定装置３２により既述した第１主軸基準位置測定装置２８と同様の方法にて、但し主軸１４が回転し加工プロセスを実行する間に、距離センサ４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄ、５０と主軸１４の側面及び端面との間の距離を測定し、その測定値が演算装置２４へ出力される。演算装置２４は、この測定値に基づいて主軸１４の端面の中心位置の変位を演算し補正部２２へ出力する。補正部２２は、主軸ハウジングに対する主軸１４の端面の中心位置の変位に基づいて補正値を生成する。
第２の実施形態では、加工プロセス中に工具Ｔの刃先位置の変位は測定されないが、主軸１４の熱伸びは工具Ｔの熱伸びに比較してその絶対量が大きいために、加工プロセスが実行されている間に主軸１４の熱伸びを測定し、補正値を更新することによっても加工精度を向上することが可能となる。また、第２の実施形態では、回転中の主軸１４の側面に対するＸ軸方向の距離を測定する二対のＸ軸方向距離センサ４８ａ〜４８ｄ、及びＹ軸方向の距離を測定する二対のＹ軸方向距離センサが配設されているが、各距離センサは一対であってもよく、図１に示すように、回転中の主軸１４の側面に対する距離を測定するための距離センサを主軸１４の一側のみに配設するようにしてもよく、更には１つの距離センサを設けてもよい。二対のＸ軸方向距離センサ４８ａ〜４８ｄ及び二対のＹ軸方向距離センサの各対をＺ軸方向に配置することにより、主軸１４の主軸ハウジングに対する傾斜やオフセットの変化を測定することが可能となる。
第１及び第２の実施形態において、工具刃先位置測定装置３０をなくし、工具の回転を停止した状態で工具刃先位置を第１主軸基準位置測定装置２８の各センサで測定することもできる。この場合の第１主軸基準位置測定装置が請求項１７にいう位置測定手段である。
既述の実施形態では、ワークＷは、テーブル１６上で機械座標系に対して正確に位置決めされていることを前提としている。以下に説明する本発明の第３の実施形態では、機械座標系に対するワークＷの配置をも考慮するようになっている。
第３の実施形態では、主軸１４に対するワークＷの基準位置を測定するためのワーク基準位置測定装置３４（図１参照）が設けられている。ワーク基準位置測定装置３４は、長手方向に延びる軸部３４ａと、軸部３４ａの先端に配設された測定プローブ３４ｂとを有している。ワーク基準位置測定装置３４は、軸部３４ａが主軸１４の工具装着孔（図示せず）に装着されるようになっており、図１において二点鎖線で示すように、主軸１４の工具装着孔に自動工具交換と同様の手順にて前記工具装着孔に装着されて、主軸装置１２をテーブル１６に固定されたワークＷに対して相対的にＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させ、ワークＷの所定の基準位置に測定プローブ３４ｂを接触させることにより、ワークＷと主軸１４との相対的な位置関係寸法を測定する。前記ワークＷの基準位置は、ワークＷの特定の一点に限らず、例えば、主軸装置１２をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させたときのＸ、Ｙ、Ｚ軸の各々に垂直な所定の三平面とすることができる。また、ワークＷをテーブル１６上の所定位置に正確に位置決めされた位置決め手段、所謂ロケータに当接させることによりテーブル１６に対して位置決めするときは、ロケータの所定の基準位置、例えばＸ、Ｙ、Ｚ軸の各々に垂直な三平面とすることができる。
ワーク基準位置測定装置３４は、工具刃先位置測定装置３０と同様の接触式の変位測定器であって、測定プローブ３４ｂが軸部３４ａに対して変位可能に設けられており、測定プローブ３４ｂがワークＷの基準位置に接触すると、測定プローブ３４ｂは、主軸装置１２の移動方向に対して反対方向に変位し、その変位に相当する電気信号が動作指令部２０ｃ及び演算装置２４に時々刻々送出される。動作指令部２０ｃへ送出された信号はスキップ信号として作用し、動作指令部２０ｃは軸移動指令部２０ｄにＸ、Ｙ、Ｚの送り軸モータ停止指令を送出して、主軸装置１２の軸移動を停止する。演算装置２４は、測定プローブ３４ｂの変位及びＸ、Ｙ、Ｚ軸位置読取装置１８による機械座標系に従った測定プローブ３４ｂの座標、及び既述の実施形態で説明した主軸１４の端面の中心座標Ｏｃｓから機械座標系の基準位置に対するワークの基準位置の関係寸法を演算すると共に、この機械座標系の基準位置に対するワークの基準位置の関係寸法、既述した機械座標系の基準位置に対する主軸の基準位置の関係寸法、及び前記主軸の基準位置に対する前記工具の刃先位置の関係寸法から、ワークの基準位置に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置の関係寸法を求め、これを補正部２２に送出する。補正部２２は、これを基に補正値を生成し動作指令部２０ｃに送出する。
次に図８、９、１０を用いて更に他の実施形態による工具刃先位置測定装置３０を用いた工具Ｔの刃先の座標位置の測定方法及び装置について詳述する。
図８は工具ＴのＺ軸方向の刃先位置を工具刃先位置測定装置３０を用いて測定する構成ブロック図、図９Ａ、９Ｂは工具ＴのＺ軸方向の刃先位置及び工具長の測定の動作フロー図である。
図８に示す工作機械１０においてワークＷを固定するテーブル１６は、ベッド５６の上面において、Ｘ軸、Ｙ軸送りモータ（図示せず）により水平なＸＹ平面内で移動可能に設けられている。主軸装置１２は、工具Ｔを装着した主軸１４を主軸ハウジング内に回転自在に支持し、Ｚ軸送りモータＭＺにより、ＸＹ平面に対して垂直なＺ軸方向に移動可能にベッド５６に立設されたコラム５８の前面に取り付けられている。主軸１４のＺ座標は、デジタルスケール７０により読み取られる。テーブル１６の上面には、主軸１４に対向するように工具刃先位置測定装置３０が固定されている。工具刃先位置測定装置３０は接触式又は非接触式の変位量を測定可能な変位センサであり、接触式の例としては、光学式又は磁気式のデジタルスケール、差動トランスなどがあり、非接触式の例としては、レーザ式、静電容量式、渦電流式などがある。ここでは接触式の変位センサを例にして説明している。
まず工具ＴのＺ軸方向の刃先位置を測定するための測定マクロプログラム６０をＮＣ装置の読取解釈部６２で解読し、主軸１４に装着した工具Ｔが工具刃先位置測定装置３０の真上のＸ、Ｙ座標位置へ位置決め動作される（ステップＳ１）。次いでＺ軸送りモータＭＺが駆動され主軸装置１２がＺ軸方向に所定速度で下降し始める（ステップＳ２）。これらの動作は、周知の通り、読取解釈部６２から送出される位置指令がＮＣ装置の補間演算部６４、位置制御部６６、サーボ制御部６８を流れることによって行われる。そしてデジタルスケール７０で検出されたＺ軸の現在位置ＳＺが位置制御部６６にフィードバックされる。
一方、読取解釈部６２からマクロ演算指令が工具刃先位置演算部７２及び工具長演算部７８に送出される。このマクロ演算指令にはＺ軸動作を停止してから工具刃先位置測定装置３０の変位出力値及びＺ軸の座標位置を読み取るのか、Ｚ軸動作中に読み取り、読み取り後Ｚ軸を停止するのかを識別する信号を含んでいる。ステップＳ３で工具刃先位置測定装置３０が変位を検出開始すると、変位量ＤＺは工具刃先位置演算部７２に送出され、Ｚ軸停止後に変位出力値とＺ軸座標位置を読み取る場合（ステップＳ４でＹＥＳ）は、工具刃先位置測定装置３０から予め決められた出力値になると発生するスキップ信号によって停止指令発生部７４を介して位置制御部６６にＺ軸の停止指令が発せられる（ステップＳ５）。そしてＺ軸が停止しているときの工具刃先位置測定装置３０から検出した変位量ＤＺ、及び位置制御部６６からの指令現在位置ＰＺ又はデジタルスケール７０からの現在位置ＳＺを工具刃先位置演算部７２が読取る（ステップＳ６）。
ステップＳ４でＮＯの場合は、ステップＳ７で工具刃先位置測定装置３０から検出した変位量ＤＺ、及び位置制御部６６からの指令現在位置ＰＺ又はデジタルスケール７０からの現在位置ＳＺを工具刃先位置演算部７２が同時に読取る（ステップＳ７）。そしてその後停止指令部７４から位置制御部６６へ停止指令が発せられてＺ軸動作が停止する（ステップＳ８）。ここでは位置制御部６６からの指令現在位置ＰＺを機械の座標系の座標位置として採用することにする。工具刃先位置演算部７２は、予め測定して記憶してあるキャリブレーション値ＣＺをデータ記憶部７６から読み取り（ステップＳ９）、先に読み取った変位量ＤＺ及び指令現在位置ＰＺを用いて、工具刃先の座標位置ＴＺを
ＴＺ＝ＰＺ＋ＤＺ＋ＣＺ
の演算式によって演算する（ステップＳ１０）。
マクロ演算指令に工具長の演算までは行うよう要求されていない場合は（ステップＳ１１のＮＯ）、工具刃先の座標位置ＴＺの値をデータ記憶部７６へ登録する（ステップＳ１２）。マクロ演算指令に工具長の演算まで行うよう要求されている場合は（ステップＳ１１のＹＥＳ）、工具長演算部７８はデータ記憶部７６から予め測定し記憶してある基準位置ＳＰを読み込み（ステップＳ１３）、工具刃先位置演算部７２から先に演算した工具刃先の座標位置ＴＺを読み込んで工具長ＴＬを
ＴＬ＝ＴＺ−ＳＰ
の演算式によって演算する（ステップＳ１４）。そしてこの工具長ＴＬを記憶部７６へ登録する（ステップＳ１５）。ここで基準位置情報ＳＰは、主軸１４の端面又は主軸１４に装着した長さが既知のマスタピースの先端面を工具刃先位置測定装置３０に当接し、前述の工具刃先の座標位置を演算で求めたのと同様の方法で予め求め、データ記憶部７６に記憶しておくのである。
その後Ｚ軸は工具刃先位置測定装置３０から逃げる動作をし（ステップＳ１６）、工具刃先の座標位置及び工具長測定の一連の動作を終了する。
データ記憶部７６に登録された工具刃先位置ＴＺ及び工具長ＴＬは、この工具Ｔによるワークの加工時のＮＣプログラムの補正値又は工具長オフセット値として採用され、図１の補正部２２を介して動作指令部２０ｃに送出される。
ステップＳ６３で工具刃先の座標位置として指令現在位置ＰＺを採用したが、更にサーボ制御部６８から位置偏差を受け取り、工具刃先の座標位置として指令現在位置ＰＺと位置偏差とを加えた値を採用すると、より精度の高い結果を得ることができる。
ワークの加工の進行の前と後に上記の方法で工具刃先位置を測定し、両者の差を演算することによって工具の長さ方向の摩耗量を求めることができる。
テーブル１６上に工具刃先位置測定装置３０のような変位センサを設け、テーブルと相対移動する主軸１４側に設けた工具刃先や主軸端面やマスタピースの基準面のＺ軸方向の位置を測定する方法について説明したが、Ｘ、Ｙ軸方向の位置についても同様に測定できる。Ｘ、Ｙ軸方向の位置の測定の応用例として、工具Ｔの切刃径の測定がある。これは、Ｘ軸又はＹ軸方向に変位可能な変位センサによって、工具の直径上の２位置の測定をし、その差を演算すれば切刃径が求まる。その時、予め径が既知のマスタピースで校正データ（キャリブレーション値）を求めておくことは周知の通りである。ワークの加工の進行の前と後に切刃径を測定し、両者の差を演算することによって工具の径方向の摩耗量を求めることもできる。
主軸１４側に変位センサを設け、テーブル１６側のワークの基準面、ワーク取付具の基準面、テーブル１６の基準面に当接して、同様の方法でこれら基準面のＸ、Ｙ又はＺ軸方向の位置測定を行うこともできる。これの応用例としてワークに設けられた２面間の段差は測定した各面の位置の差を演算することによって求められる。
更に、工作機械上での測定に限らず、三次元測定機、ロボット、ツールプリセッタのような構成部材が互いに相対移動する機械において、測定対象物の被測定部位の座標位置を変位センサ（変位検出手段）の出力値と機械の座標系の座標位置とから演算によって求められることが容易にわかる。特にツールプリセッタは、ＮＣ工作機械で用いる工具の長さや径を予め測定し、その結果をＮＣ装置に登録するための装置であり、上述した工作機械上で工具長や切刃径を測定した方法をそのままツールプリセッタに置き換えることができるので、ここではツールプリセッタでの工具長、工具径の測定方法の説明は省略する。
また工具の刃先位置、工具長、切刃径、工具摩耗量、ワークの被測定部位の座標位置、ワークの段差測定等の機能を有した工作機械や、この工作機械を用いたワークの加工方法も実現できる。
なお図１と図８のＮＣ装置の関係は、プログラム格納部２０ａが測定マクロプログラムを含む加工プログラム６０に、プログラム解析部２０ｂが読取解釈部６２に、動作指令部２０ｃが補間演算部６４に、軸移動指令部２０ｄが位置制御部６６及びサーボ制御部６８にそれぞれ対応し、ほぼ同様の作用をする。
以上説明したように本発明では、工作機械の基準位置に対する主軸の基準部位を測定する第１の工程と、主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する第２の工程の２工程を経て基準座標位置に対する工具の刃先位置を求めている。第１の工程の主軸の基準部位の測定は、主軸やマスターピースの端面及び円筒側面という比較的単純形状部位の位置測定なので、主軸を実際の加工プロセスと同じ回転速度で回転させながら測定できるメリットがある。ヒステリシスを持って変位する主軸の基準位置を定期的に高精度に測れる。
そして第２の工程は、複雑な形状を持つ工具の刃先の位置を測定するのに主軸を停止して測定することによって精度よく測定できる。これら精度よく測定した２工程における測定結果から、基準座標位置に対する工具の刃先位置を演算によって求めれば、その演算結果も精度の高い値である。
また、第１の工程によって主軸の熱変位量を測定でき、第２の工程によって工具の主軸への取付誤差や工具摩耗量を測定することができる。工具の刃先位置を直接測りに行く従来の方法では、主軸の熱変位量と工具の取付誤差や工具摩耗量とを別々に知ることができなかったが、本発明ではこれらの量を別々に知ることができる。よってこれらの変位量、誤差量を極小化する対策がとれ易い。
実際の加工では、テーブル上面の基準位置から工具の刃先位置までの関係寸法又はワークの基準位置から工具の刃先位置までの関係寸法を知ることが大事であるが、請求項に書いた基準座標位置から工具の刃先位置までの関係寸法とはこれらの関係寸法を包含する。何故ならテーブル上面の基準位置やワークの基準位置をまず基準座標位置についてキャリブレーションする、つまり基準座標位置との位置関係を明確にする必要があるからである。
更に、加工プロセス中に主軸ハウジングに対する主軸の基準部位を連続的に測定することによって、刻々の工具の刃先位置の変化を補正することができ、ワークの加工精度の向上に役立つ。
接触式又は非接触式の変位測定手段の出力値と、その出力値を得たときの機械の座標系の座標位置とを検出し、両者の値から測定対象物の被測定部位の座標位置を演算して求めるので、従来のタッチプローブ式の当接した瞬間の座標位置を検出するのではなく、測定精度が高く、かつ当接するときの送り速度によって測定精度がばらつくことがない。よって可能な限り速い速度で変位測定手段を被測定部位へアプローチでき、測定時間が短縮できる。
この基本的な測定方法を主軸側の基準部位、テーブル側の基準部位、工具の刃先等に適用できる。またこの応用例で工具長、切刃径、工具の摩耗量、ワークの段差等を測定可能である。そしてこの測定方法、測定装置を有した工作機械や加工方法、更にはツールプリセッタが実現し、ワークの加工精度の向上に効果を上げている。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態によるＮＣ工作機械の構成を示すブロック図である。
図２は、第１主軸基準位置測定手段の略示断面図である。
図３は、図２に示した第１主軸基準位置測定手段を上方から見た略図であり、主軸端面の中心座標を求める方法を説明するための説明図である。
図４は、工具先端の刃先のＺ軸方向の長さ（工具長）の測定方法を説明するための動作説明図である。
図５は、工具先端の刃先の工具径の測定方法を説明するための動作説明図である。
図６は、工具先端の刃先の工具径の測定方法を説明するための説明図である。
図７は、第２主軸基準位置測定手段の断面図である。
図８は、本発明の実施形態による工具のＺ軸方向の刃先位置及び工具長を測定する測定装置の構成ブロック図である。
図９Ａは、本発明の実施形態による工具のＺ軸方向の刃先位置及び工具長の測定動作のフロー図である。
図９Ｂは、本発明の実施形態による工具のＺ軸方向の刃先位置及び工具長の測定動作のフロー図である。
Claims (26)
- ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定方法において、
工作機械の基準座標位置に対する前記主軸の基準部位のＸ、Ｙ、Ｚ軸の少なくとも１軸の軸方向の関係寸法を前記主軸を回転中又は回転後停止させて測定する工程と、
前記主軸の基準部位に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置の前記軸方向の関係寸法を前記主軸を回転中又は停止中に測定する工程と、
前記２つの工程で測定した関係寸法から、前記基準座標位置に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置の関係寸法を演算して求める工程とを含んで成る工具の刃先位置の測定方法。 - ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定方法において、
前記主軸の基準部位が所定位置にあるときの工作機械の座標系における座標位置を前記主軸の回転中又は回転後停止させて測定する工程と、
前記主軸の基準部位に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置を前記主軸の回転中又は停止中に測定する工程と、
前記２つの工程で測定した値から、前記座標系における前記主軸に装着された工具の刃先の座標位置を演算して求める工程とを含んで成る工具の刃先位置の測定方法。 - ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定方法において、
前記主軸の基準部位が所定位置にあるときの工作機械の座標系における座標位置を前記主軸の回転中又は回転後停止させて測定する工程と、
前記主軸の基準部位に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置を前記主軸の回転中又は停止中に測定する工程と、
工作機械の主軸ハウジングに対する回転中の前記主軸の基準部位の位置の変化を測定する工程と、
前記３つの工程で測定した値から、前記座標系における前記主軸に装着された工具の刃先の座標位置を演算して求める工程とを含んで成る工具の刃先位置の測定方法。 - 接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて機械の座標系における測定対象物の被測定部位の座標位置を測定する測定方法において、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記変位測定手段と測定対象物との相対移動によって前記測定対象物の被測定部位を前記変位測定手段の測定範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記機械の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記機械の座標系の座標位置とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記測定対象物の被測定部位の前記機械の座標系における座標位置を演算して求めることを特徴とした測定方法。 - ＮＣ工作機械の主軸に対して相対移動する構成部材に設けられた接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて主軸の基準部位又は主軸に装着した寸法が既知のマスタピースの基準部位の座標位置を測定する測定方法において、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記主軸の基準部位又は主軸に装着したマスタピースの基準部位を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記主軸の基準部位又は主軸に装着したマスタピースの基準部位の前記座標系における座標位置を演算して求めることを特徴とした測定方法。 - ＮＣ工作機械の主軸に対して相対移動する構成部材に設けられた接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて前記主軸に装着した工具の被測定切刃部の座標位置を測定する測定方法において、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記工具の被測定切刃部を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記工具の被測定切刃部の前記座標系における座標位置を演算して求めることを特徴とした測定方法。 - ＮＣ工作機械の主軸又は主軸頭に設けられた接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて前記主軸側に対して相対移動するワークの被測定部位又はワーク取付け具の基準部位の座標位置を測定する測定方法において、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記ワークの被測定部位又はワーク取付け具の基準部位を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記ワークの被測定部位又はワーク取付具の基準部位の前記座標系における座標位置を演算して求めることを特徴とした測定方法。 - ＮＣ工作機械の主軸に対してＺ軸方向に相対移動する構成部材に設けられたＺ軸方向変位を測定可能な接触式又は非接触式の変位測定手段を用い、前記主軸に装着された工具の工具長を測定する測定方法において、
前記相対移動によって前記変位測定手段の測定可能範囲内に前記主軸の基準部位又は主軸に装着された長さが既知のマスタピースの基準部位を移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＺ軸の座標位置とを予め検出し、検出した値と前記マスタピースの長さ値とを校正データとしてそのまま記憶するか又は検出した値と前記マスタピースの長さ値とから校正データを演算で求めて記憶し、
前記相対移動によって前記変位測定手段の測定可能範囲内に前記主軸に装着した測定すべき工具の刃先を移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＺ軸の座標位置とを検出し、
前記記憶した校正データ、及び前記測定すべき工具について検出した前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＺ軸の座標位置に基づいて前記工具の前記主軸の基準部位又は主軸に装着したマスタピースの基準部位に対する工具長を演算して求める測定方法。 - ＮＣ工作機械の主軸に対して相対移動する構成部材に設けられたＸまたはＹ軸方向変位を測定可能な接触式又は非接触式の変位測定手段を用い、前記主軸に装着された工具の径を測定する測定方法において、
前記相対移動によって前記主軸に装着した径が既知のマスタピースの側面を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＸ又はＹ軸の座標位置とを予め検出し、検出した値と前記マスタピースの径の値とを校正データとしてそのまま記憶するか又は検出した値と前記マスタピースの径の値とから校正データを演算で求めて記憶し、
前記相対移動によって前記変位測定手段の測定可能範囲内に前記主軸に装着した測定すべき工具の切刃の被測定部位を移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＸ又はＹ軸の座標位置とを検出し、
前記記憶した校正データ、及び前記測定すべき工具について検出した前記変位測定手段の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系のＸ又はＹ軸の座標位置に基づいて前記工具の切刃径を演算して求める測定方法。 - 前記請求項８若しくは請求項９の測定方法によって求めた加工進行の前と後とにおける工具長若しくは切刃径の値の差から、前記工具の長さ方向若しくは径方向の摩耗量を演算して求める測定方法。
- ＮＣ工作機械の主軸又は主軸頭に設けられた接触式又は非接触式の変位測定手段を用いて前記主軸又は主軸頭に対して相対移動するワークの２被測定面間の段差を測定する測定方法において、
前記測定すべき段差方向の変位が測定可能に前記変位測定手段を設け、
前記相対移動によって前記それぞれの被測定面を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させ、所定の測定タイミングにおける前記変位測定の出力値と前記ＮＣ工作機械の座標系の座標位置とをそれぞれ検出し、
検出した前記２被測定面における前記変位測定手段の出力値と前記座標位置とから前記ワークの２被測定面間の段差を演算して求めることを特徴とした測定方法。 - 前記所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置との検出は、前記変位測定手段の測定範囲内で前記相対移動を停止させ、停止後の前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とを検出する請求項４から１１のいずれか１項に記載の測定方法。
- 前記所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置との検出は、前記変位測定手段の測定範囲内で前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とを前記相対移動の動作中に検出する請求項４から１１のいずれか１項に記載の測定方法。
- 前記所定の測定タイミングにおいて検出する前記座標系の座標位置は、送り軸に設けた送り軸位置読取り手段の読み、送り軸のＮＣ指令値、又は送り軸のＮＣ指令値にサーボ制御部から取り出した送り軸の位置偏差を加味した位置のいずれかの値が採用される請求項４から１３のいずれか１項に記載の測定方法。
- ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定装置において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置を測定する第１主軸基準位置測定手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記主軸の基準面に対する工具の刃先位置を測定する工具刃先位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段、第１主軸基準位置測定手段及び工具刃先位置測定手段の出力値から前記座標系における工具の刃先の座標位置を演算する演算手段と、
を具備した工具の刃先位置の測定装置。 - 前記工具刃先位置測定手段は、接触式又は非接触式の変位測定器を具備している請求項１５に記載の工具の刃先位置の測定装置。
- ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定装置において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置及び前記主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段及び位置測定手段の出力値から前記座標系における工具の刃先の座標位置を演算する演算手段と、
を具備した工具の刃先位置の測定装置。 - ＮＣ工作機械の主軸に装着された工具の刃先位置の測定装置において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置を測定する第１主軸基準位置測定手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する工具刃先位置測定手段と、
前記ＮＣ工作機械の主軸ハウジングに設けられ、前記主軸ハウジングに対する回転中の前記主軸の基準部位の位置の変化を測定する第２主軸基準位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段、第１主軸基準位置測定手段、工具刃先位置測定手段及び第２主軸基準位置測定手段の出力値から前記座標系における工具の刃先の座標位置を演算する演算手段と、
を具備した工具の刃先位置の測定装置。 - 変位測定手段を用いて測定対象物の被測定面の座標位置を測定する測定装置において、
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の少なくとも１軸の軸方向の変位量を測定可能な接触式又は非接触式の変位測定手段と、
前記測定対象物と前記変位測定手段との相対移動の座標系の座標位置を検出する座標位置検出手段と、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記測定対象物の被測定部位を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させた後、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記座標位置検出手段の出力値とから前記変位測定手段の基準位置に対する前記測定対象物の被測定部位の前記座標系における座標位置を演算して求める演算手段と、
を具備することを特徴とした測定装置。 - 前記座標位置検出手段は、送り軸に設けた送り軸位置読取り手段の読み、送り軸のＮＣ指令値、又は送り軸のＮＣ指令値にサーボ制御部から取り出した送り軸の位置偏差を加味した位置のいずれかの値を前記相対移動の座標系の座標位置とする請求項１９に記載の測定装置。
- 数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間で相対移動を行わせワークを加工する工作機械において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置を測定する第１主軸基準位置測定手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する工具刃先位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段、第１主軸基準位置測定手段及び工具刃先位置測定手段の出力値から前記座標系における工具の刃先の座標位置を演算する演算手段と、
前記演算手段で求めた前記座標系における工具の刃先の座標位置に基づき数値制御指令を補正する補正手段と、
を具備した工作機械。 - 数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間で相対移動を行わせワークを加工する工作機械において、
工作機械の座標系の座標位置を読み取る送り軸位置読取手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記座標系における前記主軸の基準部位の座標位置を測定する第１主軸基準位置測定手段と、
前記主軸に対して相対移動する構成部材に設けられ、前記主軸の基準部位に対する工具の刃先位置を測定する工具刃先位置測定手段と、
前記座標系におけるワークの基準部位の座標位置を測定するワーク基準位置測定手段と、
前記送り軸位置読取手段、第１主軸基準位置測定手段、工具刃先位置測定手段及びワーク基準位置測定手段の出力値からワークの基準部位に対する工具の刃先位置を演算する演算手段と、
前記演算手段で求めたワークの基準部位に対する工具の刃先位置に基づき数値制御指令を補正する補正手段と、
を具備した工作機械。 - 数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間でＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の相対移動を行わせワークを加工する工作機械において、
前記主軸、工具又はワークの被測定部位のＸ、Ｙ、Ｚ軸の少なくとも１つの方向の変位量を測定可能な接触式又は非接触式の変位測定手段と、
前記被測定部位と前記変位測定手段との相対移動の座標系の座標位置を検出する座標位置検出手段と、
前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記被測定部位を前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させた後、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記座標位置検出手段の出力値を検出し、検出した両出力値から前記変位検出手段の基準位置に対する前記被測定部位の前記座標系における座標位置を演算して求める演算手段と、
を具備しワークの加工を行う工作機械。 - 数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間で相対移動を行わせワークを所望形状に加工するＮＣ工作機械によるワークの加工方法において、
前記主軸の基準部位が所定位置にあるときの工作機械の座標系における座標位置を前記主軸の回転中又は回転後停止させて測定する工程と、
前記主軸の基準部位に対する前記主軸に装着された工具の刃先位置を前記主軸の回転中又は停止中に測定する工程と、
前記２つの工程で測定した値から前記座標系における前記主軸に装着された工具の刃先の座標位置を演算して求める工程と、
前記座標系における前記主軸に装着された工具の刃先の座標位置からワークを加工する数値制御指令の補正値を求める工程とを含んで成るワークの加工方法。 - 数値制御により工具を装着した主軸とワークを固定したテーブルとの間でＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の相対移動を行わせワークを所望形状に加工するＮＣ工作機械によるワークの加工方法において、
接触式又は非接触式の変位測定手段を用い、前記主軸、工具又はワークの被測定部位を前記変位測定手段の測定可能方向と同一方向に沿った前記相対移動によって前記変位測定手段の測定範囲内に移動させ、
所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記相対移動の座標系の座標位置とを検出し、
検出した前記変位測定手段の出力値と前記座標系の座標位置とから前記変位検出手段の基準位置に対する前記被測定部位の前記座標系における座標位置を演算して求め、ワークの加工を行う加工方法。 - ＮＣ工作機械の主軸に装着する工具の工具長又は切刃径を予め測定しその値を登録するツールプリセッタにおいて、
工具装着部に対して相対移動し、Ｚ軸及びＸ軸又はＹ軸方向の変位を測定可能な変位測定手段と、
前記相対移動の座標系の座標位置を検出する送り軸位置読取り手段と、
前記工具装着部に装着した寸法が既知のマスタピースの基準部位、前記工具装着部に装着した工具の刃先、又は前記工具の切刃の最外側面を前記相対移動によって前記変位測定手段の測定可能範囲内に移動させた後、所定の測定タイミングにおける前記変位測定手段の出力値と前記送り軸位置読取り手段の出力値を検出し、検出した両出力値及び前記マスタピースの寸法値から前記座標系における前記マスタピースの基準部位、前記工具の刃先、又は前記工具の切刃の最外側面の位置を求め、前記工具の工具長又は工具径を演算する演算手段と、
を具備することを特徴としたツールプリセッタ。
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