JPWO2020070884A1 - 工作装置 - Google Patents

Abstract

被加工物（３）の加工面（３ａ）に切削油を供給して、加工面（３ａ）を加工する加工部（１０）を備えたものであって、周波数が周期的に変化する光を出力する周波数掃引光源（３１ａ）から出力された光を、被加工物（３）に照射する照射光と参照光とに分岐して、照射光を被加工物（３）に照射するとともに、被加工物（３）に反射された照射光である反射光と参照光との干渉光のピーク周波数を検出し、ピーク周波数に基づき、工作装置から加工面（３ａ）までの距離を測定する光センサ本体部（２２）と、光センサ本体部（２２）により測定された距離に基づき被加工物（３）の形状を算出する形状算出部（７５）とを備えるように、工作装置を構成した。

Description

この発明は、被加工物の加工面を加工する工作装置に関するものである。

従来から、対象物を加工するとともに、加工後の対象物の加工面の表面形状を測定する工作機械が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の工作機械では、反射光の強度の変化によって、加工面の表面形状を測定するようにしている。

加工時に塗布した切削油が加工面に付着している状態では、光センサが適切な反射光を受光できないため、特許文献１に記載の工作機械においては、形状の測定前にブローを行うことで、加工面に付着している切削油を除去するようにしていた。

特開２０１８−３６０８３号公報

しかしながら、切削油を完全に除去しようとすると、ブローを長時間実施する必要がある。形状の測定時間を短縮するためには、加工面に切削油が残存している状態であっても加工面の表面形状を測定できることが望ましい。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、被加工物の加工面に切削油が残存している場合でも、被加工物の形状を測定することができる工作装置を得ることを目的とする。

この発明に係る工作装置は、被加工物の加工面に切削油を供給して、加工面を加工する加工部を備えたものであって、周波数が周期的に変化する光を出力する周波数掃引光源から出力された光を、被加工物に照射する照射光と参照光とに分岐して、照射光を被加工物に照射するとともに、被加工物に反射された照射光である反射光と参照光との干渉光のピーク周波数を検出し、ピーク周波数に基づき、工作装置から加工面までの距離を測定する光センサ部と、光センサ部により測定された距離に基づき被加工物の形状を算出する形状算出部を備えるようにしたものである。

この発明に係る工作装置は、被加工物の加工面に切削油が残存している場合でも、被加工物の形状を測定することができる。

実施の形態１による工作装置を示す構成図である。 実施の形態１による光センサ部２０を示す構成図である。 周波数掃引光の一例を示す説明図である。 加工面３ａにおける照射光の反射と、切削油における照射光の反射とを示す説明図である。 距離算出部４０がソフトウェア又はファームウェアなどで実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。 実施の形態１による工作装置のコントロール部５０を示す構成図である。 図７Ａは、加工面３ａの加工が行われていない状態において、センサヘッド部２１の先端２１ａから加工面３ａの位置までの距離である初期距離Ｌ_０を示す説明図であり、図７Ｂは、加工面３ａの加工が行われた状態において、センサヘッド部２１の先端２１ａから加工面３ａの位置までの距離Ｌを示す説明図である。 コントロール部５０の一部のハードウェアを示すハードウェア構成図である。 コントロール部５０の一部がソフトウェア又はファームウェアなどで実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。 工作装置が、被加工物３の加工面３ａの形状を測定する際の手順を示すフローチャートである。 センサ本体部２２における距離の算出処理を示すフローチャートである。 周波数領域の信号の一例を示す説明図である。 実施の形態２による工作装置を示す構成図である。 実施の形態２のセンサヘッド部２１ｂを示す構成図である。 実施の形態３による工作装置を示す構成図である。 実施の形態４による工作装置を示す構成図である。 実施の形態４による工作装置を示す部分拡大図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による工作装置を示す構成図である。図１において、テーブル１は、加工対象の被加工物３を載せる台である。バイス２は、被加工物３の加工時に、被加工物３が動かないように固定する固定具である。被加工物３は、加工部１０によって、加工面３ａが加工される金属などが該当する。なお、実施の形態１では、説明の簡単化のため、加工部１０によって加工される前の加工面３ａの形状は、平面であるものとする。

加工部１０は、加工ヘッド１１、加工工具１２、ヘッド駆動部１３及び切削油ノズル１４を備えている。加工部１０は、被加工物３の加工面３ａに切削油を供給して、加工面３ａを加工する。

加工ヘッド１１は、ヘッド本体部１１ａと、工具保持部であるスピンドル１１ｂとを備えている。ヘッド本体部１１ａは、スピンドル１１ｂを支持する金属製の構造体である。スピンドル１１ｂは、加工工具１２を着脱自在に保持する図示しないチャック装置を内蔵しており、加工工具１２を保持した状態で回転駆動する金属製の軸状部品である。また、ヘッド本体部１１ａには、光センサ部２０の一部であるセンサヘッド部２１が取り付けられている。

加工工具１２は、回転動作によって、被加工物３の加工面３ａを切削加工する切削工具であり、フライス、エンドミル、ドリルまたはタップなどの金属加工用の刃物である。

ヘッド駆動部１３は、コントロール部５０から出力される制御信号に従って加工面３ａに対するヘッド本体部１１ａの位置を相対的に変化させる駆動機構である。ヘッド駆動部１３によるヘッド本体部１１ａの位置の変化方向は、図１に示すｘ軸方向、ｙ軸方向又はｚ軸方向である。

切削油ノズル１４は、コントロール部５０から切削油の供給指令を受けたときに、被加工物３の加工面３ａに切削油を塗布するためのノズルである。

光センサ部２０は、センサヘッド部２１、センサ本体部２２及び光伝送部２３を備えている。光センサ部２０は、センサヘッド部２１の先端２１ａから、加工部１０により加工された加工面３ａまでの距離を算出するセンサである。

センサヘッド部２１は、ヘッド本体部１１ａが有する複数の外周面のうち、テーブル１と相対している外周面１１ｃに取り付けられている。センサヘッド部２１は、センサ本体部２２から出力された照射光を加工面３ａに向けて照射し、加工面３ａに反射された照射光である反射光と、切削油に反射された照射光である反射光とを含む反射光を受光する。センサヘッド部２１は、受光した反射光をセンサ本体部２２に出力する。

センサ本体部２２は、センサヘッド部２１の先端２１ａから加工面３ａまでの距離を算出し、算出した距離を示す距離情報をコントロール部５０に出力する。

光伝送部２３は、センサ本体部２２からセンサヘッド部２１へ向かう光、及び、センサヘッド部２１からセンサ本体部２２へ向かう光の伝送路であり、光ファイバによって構成されている。なお、実施の形態１の工作装置では、光伝送部２３を設けるようにしているが、必ずしも光伝送部２３を設ける必要はない。光伝送部２３を設けない場合、空間を介して光を伝送することができる。

コントロール部５０は、ヘッド本体部１１ａの移動位置を示す制御信号をヘッド駆動部１３に出力するとともに、切削油の供給指令を切削油ノズル１４に出力する。コントロール部５０は、ヘッド駆動部１３により変化されたヘッド本体部１１ａの位置と、センサ本体部２２から出力された距離情報が示す距離とから、加工面３ａの形状を算出する。

次に図２を用いて光センサ部２０の構成を説明する。図２は、実施の形態１による光センサ部２０を示す構成図である。光センサ部２０は、図２に示すように、周波数掃引光出力部３１、光分岐部３２、光干渉部３６、アナログデジタル変換器（以下、「Ａ／Ｄ変換器」と称する）３９及び距離算出部４０を備えている。

図２において、周波数掃引光出力部３１は、時間の経過に伴って周波数が変化する周波数掃引光を出力する周波数掃引光源３１ａを備えている。周波数掃引光出力部３１は、周波数掃引光を光分岐部３２に出力する。図３は、周波数掃引光の一例を示す説明図である。周波数掃引光は、時間の経過に伴って周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎから最高周波数ｆ_ｍａｘまで変化する信号である。周波数掃引光は、周波数が最高周波数ｆ_ｍａｘに到達すると、一旦、周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎに戻ってから、再度、周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎから最高周波数_ｆｍａｘまで変化する。なお、周波数掃引光をチャープ信号光と称することもある。

光分岐部３２は、光カプラ３３及びサーキュレータ３４を備えている。光カプラ３３は、周波数掃引光出力部３１から出力された周波数掃引光を参照光と照射光とに分岐する光分岐素子である。光カプラ３３は、参照光を光干渉計３７に出力し、照射光をサーキュレータ３４に出力する。

サーキュレータ３４は、光カプラ３３から出力された照射光を光伝送部２３を介してセンサヘッド部２１の集光光学素子３５に出力する。また、サーキュレータ３４は、集光光学素子３５から出力された反射光を光干渉計３７に出力する。

センサヘッド部２１は、集光光学素子３５を有している。集光光学素子３５は、サーキュレータ３４から出力された照射光を加工面３ａに集光させる。具体的には、集光光学素子３５は、２枚の非球面レンズを備え、サーキュレータ３４から出力された光を前段の非球面レンズで平行光とした後、後段の非球面レンズで集光して、加工面３ａに照射している。

図４は、加工面３ａにおける照射光の反射と、切削油における照射光の反射とを示す説明図である。集光光学素子３５から出力された照射光は、図４に示すように、加工面３ａに反射されるほか、切削油にも反射される。

図２に戻って、集光光学素子３５は、加工面３ａからの反射光と、切削油からの反射光とを含む反射光を受光する。集光光学素子３５は、受光した反射光を光伝送部２３を介してサーキュレータ３４に出力する。サーキュレータ３４は、集光光学素子３５から出力された反射光を光干渉計３７に出力する。

光干渉部３６は、光干渉計３７及び光検出器３８を備えている。光干渉部３６は、センサヘッド部２１により受光された反射光と参照光との干渉光を生成し、干渉光を電気信号に変換してＡ／Ｄ変換器３９に出力する。

光干渉計３７には、サーキュレータ３４から出力された反射光と、光カプラ３３から出力された参照光とが入射される。光干渉計３７は、当該反射光と参照光との干渉光を生成する。上述の通り、被加工物からの反射光は、加工面３ａからの反射光と切削油からの反射光とを含むので、光干渉計３７により生成される干渉光も、加工面３ａからの反射光と参照光との干渉光である加工面干渉光（第１の干渉光）と、切削油からの反射光と参照光との干渉光である切削油干渉光（第２の干渉光）とを含んでいる。

光検出器３８は、加工面干渉光と切削油干渉光とを含む干渉光を検出し、当該干渉光を電気信号に変換する。光検出器３８は、電気信号をＡ／Ｄ変換器３９に出力する。

Ａ／Ｄ変換器３９は、光検出器３８から出力された電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号を距離算出部４０に出力する。

距離算出部４０は、Ａ／Ｄ変換器３９から出力されたデジタル信号を周波数領域の信号に変換することで、光干渉部３６により生成された干渉光の周波数を解析し、周波数の解析結果に基づいて、センサヘッド部２１の先端２１ａから加工面３ａまでの距離Ｌを算出する。具体的には、距離算出部４０は、加工面干渉光の周波数と、切削油干渉光の周波数とを区別し、加工面干渉光の周波数に基づいて、センサヘッド部２１の先端２１ａから加工面３ａまでの距離Ｌを算出する。距離算出部４０は、算出した距離Ｌを示す距離情報をコントロール部５０の形状算出部７５に出力する。

なお、距離算出部４０は、例えば、図示せぬ距離算出回路によって実現される。距離算出回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。

また、ここでは距離算出部４０が、専用のハードウェアである距離算出回路によって実現されるものを示したが、これに限るものではなく、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現されるものであってもよい。ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいは、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）が該当する。図５は、距離算出部４０がソフトウェア又はファームウェアなどで実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。距離算出部４０が、ソフトウェア又はファームウェアなどで実現される場合、距離算出部４０の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムがメモリ６１に格納される。そして、コンピュータのプロセッサ６２がメモリ６１に格納されているプログラムを実行する。

次に図６を用いてコントロール部５０の構成を説明する。図６は、実施の形態１による工作装置のコントロール部５０を示す構成図である。

入力部７１は、ユーザからの切削油の供給指示、ユーザからの被加工物３の加工指示、または、ユーザからの被加工物３の形状測定指示などを受け付ける。なお、入力部７１は、操作ボタンなどのマンマシンインタフェースによって実現される。

記憶装置７２は、加工面３ａの目標形状を示す形状データを記憶している。形状データは、加工面３ａにおける複数の点の（ｘ，ｙ）座標を示すデータと、複数の点の奥行情報ｄを示すデータとを含んでいる。奥行情報ｄは、未だ加工が行われていない状態の加工面３ａである平面からの切削深さを示す情報である。目標形状は、加工面３ａの加工後の形状として、例えば、ユーザによって設計された形状である。なお、記憶装置７２は、例えば、ハードディスクによって実現される。

座標設定部７３は、入力部７１により被加工物３の加工指示又は被加工物３の形状測定指示が受け付けられた場合、記憶装置７２により記憶されている形状データを取得する。座標設定部７３は、取得した形状データに基づいてヘッド本体部１１ａの移動位置を示す制御信号を生成する。ヘッド本体部１１ａの移動位置は、（ｘ，ｙ）座標で表される。

入力部７１により被加工物３の加工指示が受け付けられた場合、座標設定部７３により生成される制御信号は、（ｘ，ｙ）座標で表される点の奥行情報ｄを含んでいる。ヘッド駆動部１３は、座標設定部７３により生成された制御信号が示す移動位置までヘッド本体部１１ａを移動させたのち、奥行情報ｄに基づいてヘッド本体部１１ａをｚ軸方向に移動させる。

一方、入力部７１により被加工物３の形状測定指示が受け付けられた場合、座標設定部７３により生成される制御信号は、例えば、ヘッド本体部１１ａのｚ軸方向の位置を基準位置に移動させる情報を含んでいる。基準位置は、加工面３ａの形状を測定する際のヘッド本体部１１ａのｚ軸方向の位置であり、座標設定部７３において、既知である。ヘッド本体部１１ａが基準位置に存在しているときに、センサヘッド部２１の先端２１ａから加工面３ａの位置までの距離は、図７Ａに示すように、Ｌ_０であり、以下、Ｌ_０を初期距離と称する。初期距離Ｌ_０についても、座標設定部７３において、既知である。図７Ａは、加工面３ａの加工が行われていない状態において、センサヘッド部２１の先端２１ａから加工面３ａの位置までの距離である初期距離Ｌ_０を示す説明図である。図７Ｂは、加工面３ａの加工が行われた状態において、センサヘッド部２１の先端２１ａから加工面３ａの位置までの距離Ｌを示す説明図である。

図６に戻って、制御信号を受けたヘッド駆動部１３は、座標設定部７３により生成された制御信号が示す移動位置までヘッド本体部１１ａを移動させたのち、ヘッド本体部１１ａのｚ軸方向の位置が基準位置となるように、ヘッド本体部１１ａをｚ軸方向に移動させる。

また、座標設定部７３は、入力部７１により被加工物３の形状測定指示が受け付けられた場合であって、ヘッド駆動部１３に制御信号を送信した場合、周波数掃引光源３１ａから周波数掃引光を送出させるためのトリガーである同期信号をセンサ本体部２２に送信する。さらに、座標設定部７３は、入力部７１により被加工物３の形状測定指示が受け付けられたときは、形状データ及び初期距離Ｌ_０を、形状算出部７５及び誤差算出部７６のそれぞれに出力する。

切削油供給部７４は、入力部７１により切削油の供給指示が受け付けられたとき、加工面３ａに切削油を塗布する旨を示す切削油の供給指令を切削油ノズル１４に出力する。

形状算出部７５は、座標設定部７３から出力された初期距離Ｌ_０と、距離算出部４０から出力された距離情報が示す距離Ｌとの差分を、加工面３ａの切削深さΔＬ（＝Ｌ−Ｌ_０）として算出する。形状算出部７５は、形状データが含んでいる複数の点の（ｘ，ｙ）座標を示すデータと、切削深さΔＬとを含むデータを、加工面３ａの形状を示すデータ（ｘ，ｙ，ΔＬ）として、誤差算出部７６及び３次元データ変換部７８のそれぞれに出力する。

誤差算出部７６は、形状算出部７５により算出された形状と、加工面３ａの目標形状との誤差Δｄを算出する。誤差算出部７６は、例えば、座標設定部７３から出力された形状データ（ｘ，ｙ，ｄ）と、形状算出部７５から出力された形状を示すデータ（ｘ，ｙ，ΔＬ）とを比較して、加工面３ａにおける複数の点のｚ軸方向の誤差Δｄ（＝ｄ−ΔＬ）を算出する。誤差算出部７６は、複数の点のｚ軸方向の誤差Δｄを示す誤差情報を表示器７９に出力する。

表示処理部７７は、３次元データ変換部７８及び表示器７９を備えている。

３次元データ変換部７８は、形状算出部７５から出力されたデータ（ｘ，ｙ，ΔＬ）を３次元データに変換し、３次元データに従って加工面３ａを表示器７９に３次元表示させる。３次元データは、３次元描画用のデータである。

表示器７９は、例えば、液晶ディスプレイによって実現される。表示器７９は、加工面３ａを３次元表示するとともに、誤差算出部７６から出力された誤差情報が示す誤差Δｄを表示する。

図８は、コントロール部５０の一部のハードウェアを示すハードウェア構成図である。図８に示すように、座標設定部７３は座標設定回路８１、切削油供給部７４は切削油供給回路８２、形状算出部７５は形状算出回路８３、誤差算出部７６は誤差算出回路８４、３次元データ変換部７８は３次元データ変換回路８５によってそれぞれ実現される。

なお、ここでは、コントロール部５０の一部の構成要素である座標設定部７３、切削油供給部７４、形状算出部７５、誤差算出部７６及び３次元データ変換部７８のそれぞれが、図８に示すような専用のハードウェアで実現されるものを想定している。即ち、コントロール部５０の一部が、座標設定回路８１、切削油供給回路８２、形状算出回路８３、誤差算出回路８４及び３次元データ変換回路８５によって実現されるものを示している。しかし、これに限るものではなく、コントロール部５０の一部が、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現されるものであってもよい。

図９は、コントロール部５０の一部がソフトウェア又はファームウェアなどで実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。コントロール部５０の一部が、ソフトウェア又はファームウェアなどで実現される場合、座標設定部７３、切削油供給部７４、形状算出部７５、誤差算出部７６及び３次元データ変換部７８の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムがメモリ９１に格納される。そして、コンピュータのプロセッサ９２がメモリ９１に格納されているプログラムを実行する。

次に、実施の形態１に係る工作装置の動作について説明する。まず、工作装置が、被加工物３の加工面３ａを切削加工する際の動作を説明する。加工面３ａを切削加工する動作自体は、公知の動作であるため、ここでは、加工面３ａを切削加工する動作を簡単に説明する。

入力部７１は、ユーザからの切削油の供給指示を受け付ける。切削油供給部７４は、入力部７１が切削油の供給指示を受け付けると、加工面３ａに切削油を塗布する旨を示す切削油の供給指令を切削油ノズル１４に出力する。切削油ノズル１４は、切削油供給部７４から切削油の供給指令を受けると、切削油を加工面３ａに塗布する。

入力部７１は、ユーザからの被加工物３の加工指示を受け付ける。座標設定部７３は、入力部７１が加工指示を受け付けると、記憶装置７２により記憶されている形状データを取得する。

座標設定部７３は、形状データに基づいてヘッド本体部１１ａの移動位置を示す制御信号を生成し、制御信号をヘッド駆動部１３に出力する。具体的には、座標設定部７３は、加工面３ａにおける複数の点の中から、いずれか１つの点を選択し、選択した１つの点の（ｘ，ｙ）座標にヘッド本体部１１ａを移動させる制御信号を生成して、制御信号をヘッド駆動部１３に出力する。そして、座標設定部７３は、選択した１つの点の切削加工が完了すると、切削加工が未完了の１つの点を選択し、選択した１つの点の（ｘ，ｙ）座標にヘッド本体部１１ａを移動させる制御信号を生成して、制御信号をヘッド駆動部１３に出力する。座標設定部７３は、加工面３ａにおける全ての点の切削加工が完了するまで、ヘッド本体部１１ａを移動させる制御信号を繰り返し生成する。

ヘッド駆動部１３は、座標設定部７３から制御信号を受ける毎に、制御信号が示す移動位置までヘッド本体部１１ａを移動させたのち、制御信号に含まれている奥行情報ｄに基づいてヘッド本体部１１ａをｚ軸方向に移動させる。ヘッド本体部１１ａに保持されている加工工具１２は、例えば、スピンドル１１ｂの回転動作によって加工面３ａの切削加工を行う。

なお、ここでは、入力部７１が、ユーザからの被加工物３の加工指示を受け付けたときに、切削油供給部７４が切削油の供給指令を切削油ノズル１４に出力している。しかし、これは一例に過ぎず、例えば、切削油供給部７４が、一定の時間間隔で、切削油の供給指令を切削油ノズル１４に出力するようにしてもよい。また、加工面３ａにおける切削油の有無を検知するセンサを備え、センサによって、切削油が無いことが検知されたときに、切削油供給部７４が切削油の供給指令を切削油ノズル１４に出力するようにしてもよい。

また、ここでは、入力部７１が、ユーザからの被加工物３の加工指示を受け付けたときに、座標設定部７３が、制御信号をヘッド駆動部１３に出力している。しかし、これは一例に過ぎず、例えば、外部から被加工物３の加工指示を受け付けたときに、座標設定部７３が、制御信号をヘッド駆動部１３に出力するようにしてもよい。また、座標設定部７３が、内部メモリに格納されているプログラムに従って制御信号をヘッド駆動部１３に出力するようにしてもよい。

次に、工作装置が、被加工物３の加工面３ａの形状を測定する際の動作を説明する。図１０は、工作装置が、被加工物３の加工面３ａの形状を測定する際の手順を示すフローチャートである。

入力部７１は、ユーザからの被加工物３の形状測定指示を受け付ける。座標設定部７３は、入力部７１が形状測定指示を受け付けると、記憶装置７２により記憶されている形状データを取得する。座標設定部７３は、形状データに基づいてヘッド本体部１１ａの移動位置を示す制御信号を生成し、制御信号をヘッド駆動部１３及びセンサ本体部２２のそれぞれに出力する（ステップＳＴ１）。具体的には、座標設定部７３は、加工面３ａにおける複数の点の中から、いずれか１つの点を選択し、選択した１つの点の（ｘ，ｙ）座標にヘッド本体部１１ａを移動させる制御信号を生成して、制御信号をヘッド駆動部１３に出力する。また、座標設定部７３は、同期信号をセンサ本体部２２に出力する（ステップＳＴ１）。

座標設定部７３は、選択した１つの点についての距離の測定が完了すると、測定が未完了の１つの点を選択し、選択した１つの点の（ｘ，ｙ）座標にヘッド本体部１１ａを移動させる制御信号を生成して、制御信号をヘッド駆動部１３及びセンサ本体部２２のそれぞれに出力する。なお、座標設定部７３は、加工面３ａにおける全ての点についての距離の測定が完了するまで、ヘッド本体部１１ａを移動させる制御信号を繰り返し生成する。

座標設定部７３により生成される制御信号は、ヘッド本体部１１ａのｚ軸方向の位置を基準位置に移動させる情報を含んでいる。ヘッド駆動部１３は、座標設定部７３から制御信号を受けると、制御信号が示す移動位置までヘッド本体部１１ａを移動させたのち、ヘッド本体部１１ａのｚ軸方向の位置を基準位置に移動させる（ステップＳＴ２）。

センサ本体部２２は、座標設定部７３から同期信号を受信した後、ヘッド駆動部１３から移動が完了した旨の通知を受けると、距離の測定処理を開始し、センサヘッド部２１の先端２１ａから加工面３ａまでの距離Ｌを算出する（ステップＳＴ３）。

以下、図１１を用いてセンサ本体部２２における距離の算出処理を具体的に説明する。図１１は、センサ本体部２２における距離の算出処理を示すフローチャートである。

周波数掃引光出力部３１は、座標設定部７３から同期信号を受信した後、ヘッド駆動部１３から移動が完了した旨の通知を受けると、時間の経過に伴って周波数が変化する周波数掃引光を光カプラ３３に出力する（ステップＳＴ３１）。

周波数掃引光は、光カプラ３３によって参照光と照射光とに分岐され、照射光はサーキュレータ３４に出力され、参照光は光干渉計３７に出力される。照射光は、サーキュレータ３４及び光伝送部２３を介して集光光学素子３５に入射され、集光光学素子３５によって加工面３ａに集光される。

反射光は、集光光学素子３５、光伝送部２３及びサーキュレータ３４を介して光干渉計３７に入射される。サーキュレータ３４から出力された反射光と、光カプラ３３から出力された参照光とは、光干渉計３７で干渉し、当該干渉光は、光検出器３８に出力される。

光検出器３８は、光干渉計３７から出力された干渉光を検出する（ステップＳＴ３２）。また、光検出器３８は、干渉光を電気信号に変換し、当該電気信号をＡ／Ｄ変換器３９に出力する。

Ａ／Ｄ変換器３９は、光検出器３８から電気信号を受けると、電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し（ステップＳＴ３３）、デジタル信号を距離算出部４０に出力する。

距離算出部４０は、Ａ／Ｄ変換器３９からデジタル信号を受けると、例えば、デジタル信号をＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）によって、図１２に示すように、デジタル信号を周波数領域の信号に変換する。図１２は、周波数領域の信号の一例を示す説明図である。

距離算出部４０は、周波数領域の信号の振幅と閾値Ｔｈとを比較し、周波数領域の信号の中で、振幅が閾値Ｔｈよりも大きい周波数をピーク周波数として検出する。上述の通り、光検出器３８が検出する干渉光は、加工面干渉光と、切削油干渉光とを含んでいるため、加工面干渉光に対応するピーク周波数ｆ_１と、切削油干渉光に対応するピーク周波数ｆ_２とが検出される。なお、閾値Ｔｈは、距離算出部４０の内部メモリに格納されている。閾値Ｔｈは、外部から距離算出部４０に与えられるものであってもよい。

ここで、センサヘッド部２１の先端２１ａから切削油までの距離は、センサヘッド部２１の先端２１ａから加工面３ａまでの距離よりも短いため、ピーク周波数ｆ_２は、ピーク周波数ｆ_１よりも小さい。ｆ_１＞ｆ_２である。

距離算出部４０は、ピーク周波数ｆ_１とピーク周波数ｆ_２とを検出すると、ピーク周波数ｆ_１及びピーク周波数ｆ_２のうち、大きい方のピーク周波数が、加工面干渉光の周波数であり、小さい方のピーク周波数が、切削油干渉光の周波数であると識別する。

距離算出部４０は、加工面干渉光の周波数であるピーク周波数ｆ_１および切削油干渉光の周波数ｆ_２に基づいて、センサヘッド部２１の先端２１ａから加工面３ａまでの距離Ｌ（＝Ｌ_Oil＋Ｌ_Depth）を算出する（ステップＳＴ３４）。

ピーク周波数ｆ_２を用いてセンサヘッド部２１から切削油までの距離Ｌ_ｏｉｌを算出する処理は、式（１）で表される。式（１）において、光速をｃ、周波数掃引光源３１ａの掃引時間をΔτ、掃引帯域をΔｖとし、センサヘッド部２１からの距離が既知Ｌ_０であるときの周波数を基準周波数ｆ_０としている。

なお、切削油の厚さＬ_{Ｄｅｐｔｈ}を算出する処理は、ピーク周波数ｆ_１とピーク周波数ｆ_２との差分、切削油の屈折率ｎ、光速ｃ、周波数掃引光源３１ａの掃引時間Δτおよび掃引帯域Δｖから式（２）のように表される。

距離算出部４０は、距離Ｌを示す距離情報をコントロール部５０の形状算出部７５に出力する（ステップＳＴ３５）。

図１０に戻って、形状算出部７５は、以下の式（３）に示すように、座標設定部７３から出力された初期距離Ｌ_０と、距離算出部４０から出力された距離情報が示す距離Ｌとの差分を、加工面３ａの切削深さΔＬ（図７Ｂを参照）として算出する（ステップＳＴ４）。
ΔＬ＝Ｌ−Ｌ_０ （３）

形状算出部７５は、座標設定部７３から出力された目標形状を示す形状データ（ｘ，ｙ，ｄ）から、加工面３ａにおける複数の点の（ｘ，ｙ）座標を示すデータを抽出する。

形状算出部７５は、抽出した複数の点の（ｘ，ｙ）座標を示すデータと、切削深さΔＬとを含むデータを、加工面３ａの形状を示すデータ（ｘ，ｙ，ΔＬ）として、誤差算出部７６及び３次元データ変換部７８のそれぞれに出力する。

誤差算出部７６は、座標設定部７３から出力された目標形状を示す形状データ（ｘ，ｙ，ｄ）と、形状算出部７５から出力された形状を示すデータ（ｘ，ｙ，ΔＬ）とを取得する。誤差算出部７６は、目標形状を示す形状データ（ｘ，ｙ，ｄ）と、データ（ｘ，ｙ，ΔＬ）とを比較し、以下の式（４）に示すように、加工面３ａにおける複数の点のｚ軸方向の誤差Δｄを算出する（ステップＳＴ５）。誤差Δｄは、目標形状における加工面３ａの切削深さと、加工後の加工面３ａの切削深さとの誤差である。
Δｄ＝ｄ−ΔＬ （４）

誤差算出部７６は、複数の点のｚ軸方向の誤差Δｄを示す誤差情報を表示器７９に出力する。

３次元データ変換部７８は、形状算出部７５から形状を示すデータ（ｘ，ｙ，ΔＬ）を受けると、データ（ｘ，ｙ，ΔＬ）を蓄積する。３次元データ変換部７８は、加工面３ａにおける全ての点のデータ（ｘ，ｙ，ΔＬ）を蓄積する。

３次元データ変換部７８は、加工面３ａにおける全ての点のデータ（ｘ，ｙ，ΔＬ）を３次元データに変換し、３次元データに従って加工面３ａを表示器７９に３次元表示させる。３次元データは、３次元描画用のデータである。

表示器７９は、加工面３ａを３次元表示するとともに、誤差算出部７６から出力された誤差情報が示す誤差Δｄを表示する（ステップＳＴ６）。表示器７９が誤差Δｄを表示することで、ユーザは、例えば、工作装置による被加工物３の加工が適正に行われたか否かを確認することができる。

なお、ここでは、入力部７１が、ユーザからの被加工物３の形状測定指示を受け付けたときに、座標設定部７３が、制御信号をヘッド駆動部１３及びセンサ本体部２２のそれぞれに出力している。しかし、これは一例に過ぎず、例えば、外部から被加工物３の形状測定指示を受け付けたときに、座標設定部７３が、制御信号をヘッド駆動部１３及びセンサ本体部２２のそれぞれに出力するようにしてもよい。また、座標設定部７３が、内部メモリに格納されているプログラムに従って制御信号をヘッド駆動部１３及びセンサ本体部２２のそれぞれに出力するようにしてもよい。

以上の実施の形態１は、被加工物３の加工面３ａに切削油を供給して、加工面３ａを加工する加工部１０を備えたものであって、周波数が周期的に変化する光を出力する周波数掃引光源３１ａから出力された光を、被加工物３に照射する照射光と参照光とに分岐して、照射光を被加工物３に照射するとともに、被加工物３に反射された照射光である反射光と参照光との干渉光のピーク周波数を検出し、ピーク周波数に基づき、工作装置から加工面３ａまでの距離を測定する光センサ部２０と、光センサ部２０により測定された距離に基づき被加工物３の形状を算出する形状算出部７５とを備えるように、工作装置を構成した。したがって、工作装置は、被加工物３の加工面３ａに切削油が残存している場合でも、被加工物３の形状を測定することができる。

実施の形態２．
実施の形態１の工作装置では、ヘッド本体部１１ａに光センサ部２０のセンサヘッド部２１を取り付けるように構成した。これに対して、実施の形態２では、スピンドル１１ｂにセンサヘッド部２１ｂを取り付けるように、工作装置を構成している。図１３は、実施の形態２による工作装置を示す構成図である。図１３において、図１と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

図１３において、加工ヘッド１１のスピンドル１１ｂは、加工工具１２又はセンサヘッド部２１ｂを着脱自在に保持する。具体的には、被加工物３を加工する場合は、スピンドル１１ｂには加工工具１２が保持されるが、被加工物３の形状を測定する場合は、図１３に示すように、スピンドル１１ｂにはセンサヘッド部２１ｂが保持される。

図１４は、実施の形態２のセンサヘッド部２１ｂを示す構成図である。図１４において、センサヘッド部２１ｂは、円筒筒状の筐体１１０を備えている。センサヘッド部２１ｂは、集光光学素子３５としての２枚の非球面レンズ１１１，１１２と、前段の非球面レンズ１１１から出射された光の角度を、後段の非球面レンズ１１２に向けて変更するためのミラー１１３とを備えている。また、筐体１１０の側面には、光伝送部２３である光ファイバを取り付けるための取り付け部１１４が設けられている。

上記のように筐体１１０の側面に取り付け部１１４が設けられているので、センサヘッド部２１ｂをスピンドル１１ｂに固定した状態でも、集光光学素子である非球面レンズ１１１，１１２に照射光を導くことができる。また、ミラー１１３を設けるようにしたので、側面から入射した照射光をヘッド本体部１１ａの中心軸と平行な方向にして被加工物３に照射することができる。

以上の実施の形態２では、スピンドル１１ｂにセンサヘッド部２１ｂを取り付けるように工作装置を構成した。したがって、工作装置は、スピンドル１１ｂが有するチャック装置を用いることでセンサヘッド部２１ｂを保持することができる。このため、加工ヘッド１１にセンサヘッド部２１ｂを取り付けるために別途保持機構を設けることなく、低コストに工作装置を製造することができる。

実施の形態３．
実施の形態３では、工作装置が、加工面３ａの加工に用いる複数の加工工具１２を格納している工具格納部１００を備えている。工具格納部１００には、センサヘッド部２１も格納されている。そして、加工時においては、スピンドル１１ｂが、工具格納部１００により格納されている複数の加工工具１２のうち、いずれか１つの加工工具１２を着脱自在に保持する。形状測定時においては、スピンドル１１ｂが、工具格納部１００により格納されているセンサヘッド部２１ｂを保持する。

図１５は、実施の形態３による工作装置を示す構成図である。図１５において、図１３と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。工具格納部１００は、加工面３ａの加工に用いる複数の加工工具１２及びセンサヘッド部２１ｂを格納しているラックである。

工具交換部１０１は、スピンドル１１ｂにより保持されている加工工具１２を交換する機構を有している。加工時において、工具交換部１０１は、工具格納部１００により格納されている複数の加工工具１２のうち、いずれか１つの加工工具１２を選択し、選択した加工工具１２をスピンドル１１ｂに保持させる。一方、形状の測定時において、工具交換部１０１は、工具格納部１００に格納されているセンサヘッド部２１ｂを選択し、選択したセンサヘッド部２１ｂをスピンドル１１ｂに保持させる。なお、加工工具１２及びセンサヘッド部２１ｂを交換する機構自体は、公知の機構であるため詳細な説明を省略する。

以上の実施の形態３では、加工工具１２を格納する工具格納部１００にセンサヘッド部２１ｂを格納するように、工作装置を構成した。したがって、工作装置は、センサヘッド部２１ｂを格納するために別途格納部を設けることなく、低コストに工作装置を製造することができる。

また、工具格納部１００に格納されたセンサヘッド部２１ｂをスピンドル１１ｂに保持するようにしているので、センサヘッド部２１ｂを加工工具１２と同様に取り扱うことができる。したがって、センサヘッド部２１ｂをスピンドル１１ｂに取り付けるために別途保持機構を設けることなく、低コストに工作装置を製造することができる。

実施の形態４．
実施の形態３では、形状を測定する際、スピンドル１１ｂが、センサヘッド部２１ｂを保持するように工作装置を構成した。これに対して、実施の形態４では、形状を測定する際、スピンドル１１ｂが、光センサ部２０を保持するようにしている。

図１６は、実施の形態４による工作装置を示す構成図である。図１６に示すように、光センサ部２０は、センサヘッド部２１及びセンサ本体部２２を有している。光センサ部２０と加工ヘッド１１との電気的接続を、図１７を用いて説明する。図１７は、実施の形態４による工作装置を示す部分拡大図である。図１７に示すように、光センサ部２０及びスピンドル１１ｂは、それぞれ電気接続部１２１，１２２を有している。電気接続部１２１，１２２は、例えば、ＲＳ−２３２（Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｓｔａｎｄａｒｄ ２３２）のインターフェース規格で定められている接続部である。
スピンドル１１ｂが有する電気接続部１２２には、上述した距離情報、制御信号及び同期信号等の情報を送受信するための通信ケーブル２５が接続されている。通信ケーブル２５は、スピンドル１１ｂ及びヘッド本体部１１ａの内部を通って、ヘッド本体部１１ａから導出されて、コントロール部５０に接続されている。したがって、実施の形態４の工作装置は、スピンドル１１ｂの電気接続部１２２と光センサ部２０の電気接続部１２１とが接続されることにより、コントロール部５０と光センサ部２０との間で信号の送受信が可能となる。

図１６に戻って、工具格納部１０２は、加工面３ａの加工に用いる複数の加工工具１２及び光センサ部２０を格納しているラックである。工具交換部１０１は、スピンドル１１ｂにより保持されている加工工具１２を交換する機構を有している。加工時において、工具交換部１０１は、工具格納部１０２により格納されている複数の加工工具１２のうち、いずれか１つの加工工具１２を選択し、選択した加工工具１２をスピンドル１１ｂに保持させる。一方、形状の測定時において、工具交換部１０１は、工具格納部１０２に格納されている光センサ部２０を選択し、選択した光センサ部２０をスピンドル１１ｂに保持させる。

なお、図１６及び図１７において、図１５と同一符号は同一又は相当部分を示している。

以上の実施の形態４では、加工工具１２を格納する工具格納部１０２に光センサ部２０を格納するように、工作装置を構成した。したがって、工作装置は、光センサ部２０を格納するために別途格納部を設けることなく、低コストに工作装置を製造することができる。

また、工具格納部１０２に格納された光センサ部２０をスピンドル１１ｂに保持するようにしているので、光センサ部２０を加工工具１２と同様に取り扱うことができる。したがって、光センサ部２０をスピンドル１１ｂに取り付けるために別途保持機構を設けることなく、低コストに工作装置を製造することができる。

さらに、コントロール部５０と光センサ部２０との通信ケーブル２５をヘッド本体部１１ｂの内部を通すように構成したので、加工ヘッド１１が移動する際に通信ケーブル２５が断線してしまうことを防止することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明は、被加工物の加工面を加工する工作装置に適している。

１ テーブル、２ バイス、３ 被加工物、３ａ 加工面、１０ 加工部、１１ 加工ヘッド、１１ａ ヘッド本体部、１１ｂ スピンドル（工具保持部）、１１ｃ 外周面、１２ 加工工具、１３ ヘッド駆動部、１４ 切削油ノズル、２０ 光センサ部、２１，２１ｂ センサヘッド部、２１ａ 先端、２２ センサ本体部、２３ 光伝送部、２５ 通信ケーブル、３１ 周波数掃引光出力部、３１ａ 周波数掃引光源、３２ 光分岐部、３３ 光カプラ、３４ サーキュレータ、３５ 集光光学素子、３６ 光干渉部、３７ 光干渉計、３８ 光検出器、３９ Ａ／Ｄ変換器、４０ 距離算出部、５０ コントロール部、６１ メモリ、６２ プロセッサ、７１ 入力部、７２ 記憶装置、７３ 座標設定部、７４ 切削油供給部、７５ 形状算出部、７６ 誤差算出部、７７ 表示処理部、７８ ３次元データ変換部、７９ 表示器、８１ 座標設定回路、８２ 切削油供給回路、８３ 形状算出回路、８４ 誤差算出回路、８５ ３次元データ変換回路、９１ メモリ、９２ プロセッサ、１００，１０２ 工具格納部、１０１ 工具交換部、１１０ 筐体、１１１，１１２ 非球面レンズ、１１３ ミラー、１１４ 取り付け部、１２１，１２２ 電気接続部。

Claims (15)

1. 被加工物の加工面に切削油を供給して、前記加工面を加工する加工部を備えた工作装置であって、
   周波数が周期的に変化する光を出力する周波数掃引光源から出力された光を、前記被加工物に照射する照射光と参照光とに分岐して、前記照射光を前記被加工物に照射するとともに、前記被加工物に反射された照射光である反射光と前記参照光との干渉光のピーク周波数を検出し、前記ピーク周波数に基づき、前記工作装置から前記加工面までの距離を測定する光センサ部と、
   前記光センサ部により測定された距離に基づき前記被加工物の形状を算出する形状算出部と、を備えたことを特徴とする工作装置。
2. 前記干渉光は、前記被加工物の加工面からの反射光と前記参照光との干渉光である第１の干渉光と、前記切削油からの反射光と前記参照光との干渉光である第２の干渉光とを含み、
   前記光センサ部は、前記第１の干渉光のピーク周波数と前記第２の干渉光のピーク周波数とに基づいて、前記工作装置から前記加工面までの距離を算出することを特徴とする請求項１記載の工作装置。
3. 前記光センサ部は、周波数の大きさに基づいて、前記第１の干渉光のピーク周波数と前記第２の干渉光のピーク周波数とを区別することを特徴とする請求項２記載の工作装置。
4. 前記光センサ部は、前記工作装置から前記切削油までの距離と、前記切削油の厚みとに基づいて、前記工作装置から前記加工面までの距離を測定することを特徴とする請求項３に記載の工作装置。
5. 前記加工部は、
   前記加工面を加工する加工工具を保持する工具保持部と、
   前記工具保持部を保持するヘッド本体部と、
   前記被加工物が載せられているテーブルに対して、前記ヘッド本体部の位置を相対的に変化させるヘッド駆動部とを備え、
   前記形状算出部は、
   前記ヘッド駆動部によって変化された前記ヘッド本体部の位置と、前記光センサ部により測定された距離とに基づき、前記被加工物の形状を算出することを特徴とする請求項１記載の工作装置。
6. 前記加工部は、
   前記加工面を加工する加工工具を保持する工具保持部と、
   前記工具保持部を保持するヘッド本体部とを備え、
   前記光センサ部の一部が、前記ヘッド本体部に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の工作装置。
7. 前記光センサ部の一部として、集光光学素子を有するセンサヘッド部が、前記ヘッド本体部に取り付けられていることを特徴とする請求項６記載の工作装置。
8. 前記被加工物が載せられる面を有するテーブルを備え、
   前記センサヘッド部は、前記ヘッド本体部が有する複数の外周面のうち、前記被加工物が載せられる面と相対している外周面に取り付けられていることを特徴とする請求項７記載の工作装置。
9. 前記加工部は、
   前記加工面を加工する加工工具を保持する工具保持部と、
   前記工具保持部を保持するヘッド本体部とを備え、
   前記光センサ部の一部が、前記工具保持部に保持されていることを特徴とする請求項１記載の工作装置。
10. 前記光センサ部の一部として、集光光学素子を有するセンサヘッド部が、前記工具保持部に保持されていることを特徴とする請求項９記載の工作装置。
11. 前記加工部は、前記加工面の加工に用いる複数の加工工具を格納する工具格納部を備え、
    前記光センサ部の一部が、前記工具格納部に格納されていることを特徴とする請求項１記載の工作装置。
12. 前記加工部は、
    前記加工面を加工する加工工具を保持する工具保持部と、
    前記工具保持部を保持するヘッド本体部とを備え、
    前記光センサ部が、前記工具保持部に保持されていることを特徴とする請求項１記載の工作装置。
13. 前記加工部は、前記加工面の加工に用いる複数の加工工具を格納する工具格納部を備え、
    前記光センサ部が、前記工具格納部に格納されていることを特徴とする請求項１記載の工作装置。
14. 前記加工部は、
    前記加工面を加工する加工工具を保持する工具保持部と、
    前記工具保持部を保持するヘッド本体部とを備え、
    前記光センサ部により測定された距離を含む情報を外部に出力するための通信ケーブルを、前記ヘッド本体部の内部を通して導出させたことを特徴とする請求項１に記載の工作装置。
15. 前記加工部は、前記加工面に前記切削油を供給するための切削油ノズルを備えていることを特徴とする請求項１記載の工作装置。

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