TWI389764B - 具有工作件之量測基準點設定功能的工具機 - Google Patents

Description

具有工作件之量測基準點設定功能的工具機

本發明係關於為在工具機上進行被加工物(工作件)之形狀測定及形狀分析而包含機上量測裝置之工具機，特別係關於具有用以量測工作件形狀之基準位置設定功能之工具機。

進行超精密加工時，為實現奈米單位之形狀精度，不自工具機上卸下加工結束之工作件，而在工具機上量測加工形狀(機載量測)，根據量測結果進行修正加工係不可缺少者。

在進行如此之機載量測時，藉由確立工具之刀尖與包含於機上量測裝置之探針觸針(stylus)尖端之位置關係，可正確進行修正加工。為此，需確立加工工作件時之座標與進行機載量測時之量測座標之關係。為確立此加工工作件時之座標與進行機載量測時之量測座標之關係，需設定工作件之量測基準位置。

作為工作件之量測基準位置之設定方法，自以往即已知下列方法。

(a)以工作件之量測基準位置為安裝工作件之旋轉軸之中心。為此，一開始先放置定心球於安裝工作件之旋轉軸之面盤。然後，使用位移檢測器使定心球之中心與旋轉軸之中心重合，然後使用機上量測裝置之探針找到定心球之頂點，確定上述旋轉軸之中心座標。然後拆下定心球並安裝工作件。使用位移檢測器使工作件或工作件夾具之中心座標與旋轉軸之中心重合，以求得之旋轉軸之中心座標為工作件或工作件夾具之基準位置。

以此放置定心球於安裝工作件之旋轉軸面盤設定工作件基準位置之習知技術，至設定基準位置止步驟複雜，需花費進行設定之作業時間。此外，無法避免在拆下定心球以安裝工作件時產生誤差。並且，只要工作件非圓筒形，就難以使工作件之圓筒形夾具之中心與工作件之中心一致。此外，還有可能由於操作者之熟練度而產生相當大之設定誤差，此亦係一問題。

(b)在日本專利文獻特開2006-21277號公報中公開了以下技術：不必使工作件之中心與安裝工作件之旋轉軸重合，藉由十字機載量測確定必定存在於軸對稱形狀之頂點，以推定為工作件之中心之所述頂點為量測基準點。在該技術中，為對象之工作件形狀僅限於軸對稱形狀。此外，因為係對正式加工前經粗加工之工作件形狀進行機載量測，所以很難說藉由量測求出之頂點係工作件中心。因此，為對付工作件中心與藉由機載量測求出之頂點不一致之問題，在工作件上除加工面以外設置了多餘之空間，即使中心不一致，亦已加工多餘之空間。

此外，最近除對工作件全面進行加工之超精密加工外，業界亦要求最終精密修整工作件本身之形狀及尺寸以提供工作件，高精度進行如此之工作件中加工面之定位。然而，以上述專利文獻公開之技術，無法因應如此最近工作件之全面加工或工作件形狀或尺寸之高精度化之課題。

(c)在日本之專利文獻特開2000-298014號公報中公開了藉由推定工作件之端面座標，求出工作件之中心座標之技術。該技術藉由以接觸式探針進行工作件之形狀測定，檢測於工作件端面探針位移之劇烈變化，以求出測定原點。

在上述專利文獻公開之技術中，因為接觸式探針之接觸頭為球形，無法正確地檢測出工作件端面之邊緣，所以藉由對測定資料進行處理來推定工作件端面之邊緣。因此，測定資料之採樣數若過少，即無法進行正確之推定。由於測定裝置之振動、被測定物端面或球型接觸頭表面之損傷或污物之附著，工作件端面形狀資料與實際之端面形狀有可能不同。

(d)在日本專利文獻特開2008-200798號公報中公開了具有藉由接觸檢測來設定工作件基準位置之功能之工具機之技術。該技術將具有加工面與直交之兩條線呈線對稱的工作件，配置在包含藉由流體軸承支持的可動軸之工具機中，俾機械座標系之軸與該兩條線平行，且沿著與所述兩條線平行之第1線，自工作件兩側接觸探針之觸針尖端之測定球，測定由於接觸而增大之位置偏差，檢測所述測定球與工作件之接觸。

在上述專利文獻中公開之技術中，藉由數值控制裝置中之控制程式進行位置偏差之增大。根據加工作業之安排，需每次變更位置偏差值之設定與移動軸之選擇、移動軸之進給速度等，因此，需在數值控制裝置中對此等者重新進行設定。在該重新設定作業中，若存在有設定錯誤(特別係符號等)即無法進行正確之檢測。在最壞之情況下，探針或可動軸持續移動，探針與工作件以較強之力碰撞，有可能導致探針及工作件損傷。此外，在該技術中，為量測微小位置偏差之變化，係以工具機之驅動軸係使用流體軸承而無摩擦之機構為前提。並且，即便係流體軸承，當係螺紋式之流體軸承時，有由於接觸誤檢測導致流體軸承嚙合之危險，因此需限定為直線式。

(e)在日本專利文獻特開2008-62351號公報中公開了加工原點設定方法及用於執行該方法之工具機之技術。該技術係用於以不花費成本之方式，容易並且正確地設定旋轉工具與被切削材料之加工原點之技術，對主軸施加不使旋轉工具旋轉程度之負載轉矩，在對主軸施加負載轉矩之狀態下，微動進給主軸或工作件平台其中之一，俾切削刃尖端沿遠離外表面之方向移動，並設定檢測到主軸旋轉時之座標為加工原點。

在上述專利文獻公開之技術中，檢測之面係工作件單側之面，其相反一側之面安裝在夾具等上。當要檢測安裝在該夾具等上之面時，需使主軸或工作件旋轉180度，但在工具機中使其為如此之姿態非常困難，即便使主軸旋轉180度，只要沒有進行主軸之正確之定位，與檢測到的兩個座標之間之線段與移動軸保持水平亦非常困難。因此，無法正確確定工作件之中心。

因此，本發明之目的在於提供一種可解決習知技術之課題，具有將工作件之中心位置設定為機上量測裝置之量測基準位置之量測基準點設定功能之工具機。

為達成上述目的，本發明之具有工作件之基準點設定功能之工具機包含用以進行工作件之加工面與直交之兩條直線呈線對稱之工作件之形狀測定及形狀分析之機上量測裝置，且包含可藉由輸入有來自該機上量測裝置之位置檢測信號之數值控制裝置加以控制之複數可動軸。又，該機上量測裝置包含：接觸式探針，於機上量測裝置內部因流體軸承受到支持；及位置檢測機構，檢測該接觸式探針軸向之移動位移並輸出位置檢測信號。且該工具機包含可動軸位置檢測機構，以檢測該工具機各可動軸之位置並輸出軸位置檢測信號。且該數值控制裝置包含：可動軸驅動控制機構，驅動該可動軸，俾在該接觸式探針之測定頭以一定之接觸壓接觸配置成該兩條線平行於機械座標系軸之該工作件之該加工面之狀態下，沿分別平行於該兩條線之方向，自工作件之加工面內分別朝各端面移動該接觸式探針，直到該接觸式探針之測定頭完全離開該工作件之端面為止；探針移動速度計算機構，根據由該位置檢測機構所輸出之位置檢測信號計算該接觸式探針之軸向移動速度；判斷機構，判斷由該探針移動速度計算機構計所計算之該移動速度是否已達到預先決定之速度；儲存機構，將由該判斷機構判斷該移動速度已達到預先決定之速度時，以該各可動軸位置檢測機構所檢測出的各可動軸之位置資料加以儲存；及設定機構，根據由該儲存機構所儲存之各可動軸之位置計算該工作件之中心座標，並設定其為工作件之量測基準點。

可經由驅動馬達之馬達驅動裝置所具有之介面將來自該可動軸位置檢測機構之軸位置檢測信號輸入該數值控制裝置；經由未連接該馬達之馬達驅動裝置所具有之介面將來自該機上量測裝置之該位置檢測機構之位置檢測信號輸入該數值控制裝置。

自該可動軸位置檢測機構所輸出之軸位置檢測信號與自該機上量測裝置之該位置檢測機構所輸出之位置檢測信號可分別由位相大致相差90度之2相之正弦波類比信號所構成，該介面包含：A/D轉換裝置，將該正弦波類比信號轉換為數位信號；及內插分割裝置，將自該A/D轉換裝置所輸出之數位信號以該正弦波類比信號之1周期分經分割之數位信號加以輸出。

該可動軸位置檢測機構或該機上量測裝置中所具有之該位置檢測機構可係直尺、編碼器或雷射干涉儀其中任一種檢測裝置。

該儲存機構可將由該判斷機構判斷該移動速度已達到預先決定之速度時，以該各可動軸位置檢測機構所檢測出的各可動軸之位置資料自動加以儲存。

該設定機構可求取該加工面之水平方向左右兩端中由該儲存機構所儲存之該可動軸之位置資料差，以在較小一方之座標中加上該差一半之數值而得到的座標作為工作件之水平方向之中心座標，求取該加工面之垂直方向上下兩端中由該儲存機構所儲存之該可動軸之位置資料差，以在較小一方之座標中加上該差一半之數值而得到的座標作為工作件之垂直方向之中心座標，求取該工作件之中心座標，以設定其為工作件之量測基準點。

本發明藉由具備以上之結構，可提供一種具有量測基準點設定功能的工具機，其可使用接觸式探針由流體軸承支持之結構之機上量測裝置設定工作件之量測基準點。

首先說明依本發明之工具機所具備之機載量測器之一例。圖1顯示該機上量測裝置1之重要部位剖面。該機上量測裝置1中包含係可動部之探針本體1b，其內建在殼體1a中。探針本體1b由省略圖示之軸承支持，可沿探針本體1b之中心軸方向移動。作為該軸承，可使用空氣軸承等流體軸承。

在探針本體1b上安裝有直尺1d。自雷射頭1c朝該直尺1d照射雷射，藉由省略圖示之受光元件接收來自直尺1d之反射光，檢測探針本體1b之軸向之移動位移。

在探針本體1b之一端安裝有包含球型測定頭1f之觸針1e。觸針1e係細長之棒狀構件。並且，觸針1e之一端固定在探針本體1b上，在另一端安裝有球型測定頭1f。為簡化說明，以後將探針本體1b、觸針1e及球型測定頭1f合稱為探針Pr。

探針Pr之球型測定頭1f以接觸壓T按壓接觸工作件W之加工面Wa，順著加工面Wa同時進行形狀量測。使用內建在機上量測裝置1中之磁鐵、彈簧等彈性體或流體壓力等推壓機構(省略圖示)，可將接觸壓T調整為適當大小之值。探針Pr可沿圖1所示之“Pr之移動方向”之箭頭方向移動。此外，藉由機上量測裝置1內之限制機構(未圖示)限制探針Pr之可移動位移之範圍。因此，即使探針Pr之球型測定頭1f離開工作件W之加工面Wa，也不需擔心探針Pr之探針本體1b離開機上量測裝置1。

圖2顯示在本發明中，探針Pr之球型測定頭1f在與工作件W之加工面Wa接觸之狀態下，分別朝工作件W之加工面Wa之兩端(右端RE及左端LE)相對移動，離開工作件W(路徑RR與路徑RL)。在此，工作件W之加工面Wa係經粗加工之加工面或修正加工前之加工面。符號AP係為檢測工作件W之端面位置，使探針Pr接觸工作件W之加工面Wa之位置(以後稱為“靠近位置AP”)。藉由圖2所示之探針Pr相對於工作件W之加工面Wa之動作，說明本發明之機上量測裝置中之探針Pr原理上之動作。

首先，自工作件W之加工面Wa之靠近位置AP朝圖2中右側使探針Pr相對移動(路徑RR)，離開工作件W之右端面位置RE後，再次返回工作件W之所述靠近位置AP，然後，自工作件W之加工面之靠近位置AP朝圖2中左側使探針Pr相對移動(路徑RL)，使其移動直到離開工作件W之左端面位置LE。如此，藉由使探針Pr相對於工作件W之加工面Wa相對移動，來檢測工作件W之兩端面(RE及LE)之位置。

然後，使用圖3更詳細地說明圖2中所說明之檢測工作件W端面位置之本發明之原理。首先說明圖3中之符號。T係探針Pr之球型測定頭1f按壓工作件W之加工面Wa之力，亦即接觸壓。V₀ 係探針Pr離開工作件W之加工面Wa時探針Pr軸向之初速度。V係探針Pr自工作件W之加工面Wa離開後探針Pr軸向之移動速度。M係探針Pr之質量。α係探針Pr自工作件W之加工面Wa離開後探針Pr軸向之加速度。t係探針Pr之球型測定頭1f自工作件W之加工面Wa之端面脫離之時刻起之經過時間。v表示探針Pr沿著工作件W之加工面Wa之進給速度。

在機上量測裝置1中所具備之探針Pr之探針本體1b，由空氣軸承等流體軸承支持。並且，藉由球型測定頭1f以接觸壓T順著工作件W之加工面Wa按壓之。接觸壓係自上述之磁力等推壓機構對探針本體1b作用之外力。

又，在此鉛直方向之向下方向係與圖之紙面垂直之方向，為自紙面之表面一側朝背面一側之方向，在探針Pr之運動中沒有重力之影響。此外，接觸壓T係不變恒定之力。

在狀態A下，因為球型測定頭1f呈順著工作件W之加工面之狀態，所以球型測定頭1f自工作件W之加工面受到接觸壓T之反作用力-T。此外，在工作件W之加工面係與探針Pr之軸垂直之平面時，探針本體1b之軸向移動速度大體為0。

然後，在狀態B下，探針Pr之球型測定頭1f完全離開工作件W之加工面，球型測定頭1f不自工作件W之加工面Wa受到接觸壓T之反作用力-T。

因此，探針Pr藉由與接觸壓T相等之外力(大小為T)進行等加速度運動。在此，當以M表示探針Pr之質量，以α表示探針Pr之加速度運動之加速度時，探針Pr之運動方程式可藉由T=M×α來表示。並且，探針Pr可在探針本體1b之可動範圍內運動。又，在機上量測裝置1中，即使探針Pr之球型測定頭1f離開工作件W之加工面Wa，自推壓機構對探針Pr作用之力也不會在瞬間即成為零。

如此，如果探針Pr之進給速度v相同，球型測定頭1f自工作件W之加工面端面離開時接觸壓T相同，此外，球型測定頭1f自工作件W之加工面端面離開時探針Pr之軸向初速度相同，則在球型測定頭1f離開工作件W之加工面後，探針Pr之速度變化無論在工作件W之加工面Wa之任一端面之位置皆相同，此外，探針Pr之運動軌跡無論在工作件W之加工面Wa之任一端面之位置皆為相同之軌跡。

然後，使用圖4A-圖4C說明關於探針Pr之運動軌跡與速度之變化。在圖4A-圖4C中僅顯示探針Pr之球型測定頭1f來說明探針Pr之運動軌跡。圖4A及圖4B詳細說明探針Pr之球型測定頭1f離開工作件W之加工面Wa(量測面)時之情形。又，參照圖3來觀察圖4A及圖4B較容易理解。

‧於位置P1，探針Pr雖位於工作件W之端面位置，但由於球型測定頭1f為球型，因此在該時刻球型測定頭1f多半未離開端面。

‧至位置P2止，量測勉強及於工作件W之端面。通常，因為探針Pr之球型測定頭1f順著加工面(量測面)移動，所以至位置P2止探針Pr之探針軸向速度接近0(零)，微小之速度變化係起因於粗加工之加工面或修正加工前之加工面上之形狀誤差及探針Pr進行移動之路徑RR與工作件W之加工面實際形狀之偏差。

‧自位置P2到位置P3，探針Pr之中心軸雖離開工作件端面，但因為球型測定頭1f為球型，所以球型測定頭1f與工作件W還會接觸。因為該區間非所設想之加工面(測定面)，所以無法沿著形狀進行移動，速度變化增大。惟因該部分之測定面係非加工面之部分，因此速度變化不規則。

‧於位置P3球型測定頭1f完全離開工作件W。自該時刻起，不會受到與工作件W之加工面Wa(量測面)之摩擦引起之影響，或來自工作件表面之反作用力。因為探針Pr之探針本體1b如上所述由流體軸承支持，所以摩擦力不作用於探針本體1b。因此，自該時刻起，探針Pr之軸向速度基於接觸壓T(頂出力)其速度變化呈線性(惟接觸力T恒定)。藉由Va表示球型測定頭1f自工作件W離開時之速度(參照圖4B)。關於探針Pr之軸向速度變化如使用圖3已說明者。又，在藉由探針Pr之傾斜調整接觸壓T時，探針Pr之速度變化取決於重力加速度與傾斜角度。

‧位置P4係達到為進行檢測預先決定之速度Vb時之座標(以下稱為“檢測座標”)。當探針Pr之姿態、探針Pr之順應方向之移動速度、接觸壓T相同時，因為工作件W之端面位置(位置P1)與檢測座標(位置P4)之差無論在任一端面皆恒定，所以可求出正確之端面位置。以此為基礎，可求出正確之工作件W之中心位置。

在圖4A-圖4C中，如圖4C所示，在探針之軸向移動速度為Vb時，進行端面檢測。

在上述之說明中，係以接觸壓T恒定，無重力影響為前提。然而，在自重力作用於探針Pr之方向，使探針Pr接觸圖2所示之工作件W之加工面Wa，檢測工作件W之右端面位置RE與左端面位置LE時，重力之影響同樣及於探針Pr。此時也與上述無重力影響之情況相同，工作件W之端面位置與檢測座標之差無論在任一端面皆恒定。此外，在進行右端面位置RE與左端面位置LE之檢測時，包含接觸壓T隨時間之變化相同之情況，接觸壓T亦未必限定為恒定。亦即，無論在工作件W之任一端面位置，只要湊齊相同之物理條件即可。

然後，說明具有使用上述測定原理之工作件量測基準點設定功能之工具機之本發明之實施方式。圖5係由數值控制裝置控制，由直動軸或旋轉軸各軸驅動之工具機之一例。在圖5中顯示具有X軸、Y軸、Z軸之直動軸，並且在X軸上具有係旋轉軸之B軸，在Y軸上具有係旋轉軸之C軸，能夠同時控制5軸之工具機之重要部位。

在本發明中，係以依機上量測裝置之接觸式探針脫離之方向檢測工作件端面為基本原理，所以本發明中工具機之可動軸並不限定於流體軸承，可適用於各種形式之可動軸。

圖6係將來自機上量測裝置之位置檢測信號與來自工具機之各驅動軸之位置檢測信號輸入數值控制裝置之工具機實施方式之概要結構圖。在該實施方式中，自測定工作件W表面形狀，安裝在B軸上之機上量測裝置1，經由介面2(參照圖8B)朝數值控制裝置8之伺服控制部8b輸入係關於探針本體1b之移動位移之量測信號之位置檢測信號ipf。自設置在工具機之各可動軸上之位置檢測裝置所輸出之位置檢測信號也經由介面(未圖示)簡單地同步輸入伺服控制部8b。該介面使自伺服馬達95中所內建之位置檢測裝置96(參照圖7)輸出之位置檢測信號與自機上量測裝置1所輸出之量測信號同步並輸入數值控制裝置8之伺服控制部8b。

在本發明之實施方式中，檢測機上量測裝置1之探針本體1b之移動位移之位置檢測裝置或檢測工具機直動軸位置之位置檢測裝置內可使用例如直尺、雷射干涉儀等高精度檢測裝置。此外，在檢測工具機旋轉軸位置之位置檢測裝置中可使用編碼器。

此外，數值控制裝置8包含：儲存機構，儲存工具機各可動軸之位置資訊及來自機上量測裝置1之量測資訊(位置資訊)；及介面，將在該儲存機構中所儲存之位置資訊送出到係外部儲存裝置之個人電腦11。可根據在數值控制裝置8中所儲存之位置資訊計算出探針Pr之軸向移動速度。例如，可根據每個控制週期位置資訊之差分求出速度。

因為數值控制裝置8之伺服控制部8b可經由相同電路結構之介面(參照圖8)取得係來自工具機各可動軸之回饋信號之位置檢測信號與來自機上量測裝置1之位置檢測信號，所以可使來自各軸之位置檢測裝置與機上量測裝置之量測信號(亦即，各軸之軸位置檢測信號與機上量測裝置之位置檢測信號)同步並輸入數值控制裝置8。然後，在數值控制裝置之每個控制週期，將讀入之軸位置檢測信號與位置檢測信號作為位置資訊，儲存在係數值控制裝置8之暫存器之儲存機構(省略圖示)中。

在本發明中，為檢測出工作件W之端面位置，並作為檢測座標儲存該檢測位置，可藉由梯形圖程式進行以下方法：如果探針Pr之軸向移動速度為既定以上，即令在每個控制週期改寫可動軸之位置資料之暫存器切斷該改寫(使用梯形圖之常閉觸點)，或是將該改寫傳送給另一保存暫存器(使用信號上升檢測命令DIFU或資料傳送命令MOV等)等。

此外，數值控制裝置8經由乙太網路(注冊商標)12對係外部裝置之個人電腦11進行LAN通信，針對與個人電腦11連接或內建在個人電腦11中之儲存裝置11a，朝個人電腦11發送來自各軸之位置資訊與來自機上量測裝置1之量測信號。個人電腦11在每個採樣週期使來自各軸之位置資訊與來自機上量測裝置1之位置資訊同步並將其儲存在儲存裝置11a中。

在個人電腦11內儲存有量測用軟體，根據經由數值控制裝置8讀入之所述位置資訊，執行被加工物之形狀量測等所需之運算處理。該形狀量測等所需之運算處理與習知技術相同。此外，個人電腦11儲存有量測用NC程式、加工用NC程式與加工用修正NC程式。

圖7說明在圖6所示之工具機中，藉由數值控制裝置同時回饋控制來自工具機各可動軸與機上量測裝置之信號，詳細地說，顯示藉由數值控制裝置8之伺服控制部8bX、8bY、8bZ、8bB、8bC對圖6所示之工具機之可動軸X、Y、Z、B、C進行位置、速度、電流之回饋控制。該回饋控制通常係以控制工具機之數值控制裝置進行。以X軸伺服控制部8bX為例進行說明。在圖7中，對於具有與圖6相同之功能之要素賦予與圖6相同之符號。X軸伺服控制部8bX由位置控制部91、速度控制部92及進行電流環路控制之電流控制部93構成。

位置控制部91包含誤差暫存器91a與位置環路增益K之放大器91b。位置控制部91接收來自數值控制部8a之移動指令，對自該移動指令中減去位置回饋量(位置FB)而得到的位置偏差量進行處理以產生速度指令，將該速度指令輸出給速度控制部92。如圖7所示，藉由誤差暫存器91a計算該位置偏差量。將藉由誤差暫存器91a計算出之位置偏差量也輸出給數值控制部8a。

速度控制部92根據自該速度指令中減去速度回饋量(速度FB)得到的速度偏差量進行速度環路控制，產生電流指令，將該電流指令輸出給電流控制部93。

電流控制部93根據自該電流指令中減去來自驅動伺服馬達95之放大器94中所內建，檢測流經伺服馬達95之電流之電流感測器(省略圖示)之電流回饋(電流FB)而得到的電流偏差量，進行電流環路控制。伺服馬達95係驅動X軸之驅動機構，在伺服馬達95上安裝有檢測其位置及速度之檢測裝置96(以下稱“位置檢測裝置”)。將來自位置檢測裝置96之位置回饋量(位置FB)回饋給位置控制部91，將速度回饋量(速度FB)回饋給速度控制部92。

以上係X軸伺服控制部8bX結構之說明，關於其他可動軸伺服控制部8bY、8bZ、8bB、8bC，因為亦與X軸伺服控制部8bX結構相同，所以省略說明。又，如上所述，X軸、Y軸及Z軸係直動軸，B軸及C軸為旋轉軸。

然後，在本實施方式中，進一步設置不連接驅動工具機可動軸之馬達及其位置/速度檢測機構(“位置檢測裝置”)之伺服控制部8bF。又，符號8bF之“F”來自於可使工具機之可動軸自控制下獲得自由(free)之意，並非意指工具機之任一可動軸。

當數值控制裝置8連接伺服控制部8bF時，僅認知為增加了一個控制軸。並且，該增加之伺服控制部8bF與除此以外之伺服控制部8bX~8bC(控制工具機可動軸之伺服控制部)同樣地連接放大器94。因為該伺服控制部8bF未連接伺服馬達，所以數值控制裝置8變更參數及控制軟體，俾伺服控制部8bF伺服關閉，並同時使用追蹤(follow-up)功能，像通常般進行位置檢測信號之計數。

然後，伺服控制部8bF不連接伺服馬達而代之以機上量測裝置1。並且，經由與伺服控制部8bF連接之放大器具有之介面，將來自機上量測裝置1之量測信號ipf(取代來自內建在伺服馬達95中之位置檢測裝置96之位置檢測信號)輸入該伺服控制部8bF。所述介面包含於放大器中，與習知技術無不同。

圖8A及圖8B係顯示在本發明之實施方式中所使用之介面一例之方塊圖。如圖8A所示，在放大器單元中設置有係馬達驅動機構之放大器94、A/D轉換裝置97及內插分割裝置98。將自內建在伺服馬達95中之位置檢測裝置96輸出之原信號(正弦波、余弦波)輸入A/D轉換裝置97。

A/D轉換裝置97將係來自位置檢測裝置之原信號之類比信號轉換為數位信號，將經轉換之數位信號輸出給內插分割裝置98。該內插分割裝置98進行分割原信號1週期(正弦波1週期)分之數位信號之處理。在有人要求較通常之類比信號之解析度更細小之解析度時，進行細小地分割原信號1週期分之處理。該經分割之週期為解析度。

圖8B顯示圖6之介面2之一例。該圖8B之介面也與圖8A之介面相同。如此，藉由在機上量測裝置1中也使用伺服馬達之驅動控制用介面，可容易地使信號同步並導入數值控制裝置8，並且不需準備用於機上量測裝置1之特別之介面，可避免成本升高。又，自機上量測裝置1朝數值控制裝置8之位置檢測信號之輸入並不限於圖8B所示之介面。

圖9A-圖9E係在本發明之實施方式中，工作件W為立方體，求出其加工面Wa之中心座標，將其設定為工作件之基準位置時之說明圖。在此，如圖6所示，將工作件W安裝在工具機上。該立方體之工作件W如圖9A所示，加工面Wa為垂直面，加工面Wa相對於垂直方向(Y軸方向)與水平方向(X軸方向)之兩條直交之直線為線對稱之形狀。又，加工面Wa並不限於平面，例如投影在XY平面上之加工面Wa之圖形係相對於直交之兩條直線為線對稱之形狀即可。

在檢測出如此之工作件W之中心座標並設定為工作件之量測基準點時，使設置在機上量測裝置1中探針Pr之觸針1e上之球型測定頭1f自工作件W之加工面Wa之靠近位置AP起沿著與線對稱之線平行之線順著加工面Wa移動，使球型測定頭1f移動到完全離開加工面Wa之端部為止。然後，作為檢測座標，儲存探針Pr之軸向移動速度為既定值時之座標。

圖9B及圖9C係使探針Pr相對於工作件W沿水平方向(X軸方向)相對移動，求出球型測定頭1f完全離開工作件W之加工面Wa時之檢測座標之動作說明圖。圖9B係自上方觀察工作件W之上表面Wb時之圖，係在圖6中自上方俯視之圖。此外，圖9C係沿著與X軸與Y軸雙方垂直之方向觀察工作件W之加工面Wa時之圖，係在圖6中自機上量測裝置1之方向(沿Z軸方向)觀察工作件W之加工面Wa之圖。

首先，使X軸、Y軸、Z軸移動，使探針Pr之球型測定頭1f以接觸壓T接觸工作件W之加工面Wa之靠近位置AP(參照圖9C)。然後，驅動X軸之馬達95x，使球型測定頭1f自靠近位置AP起如圖9B所述沿水平方向(X軸方向)移動。在此，球型測定頭1f一開始先朝圖9B右側，順著加工面Wa沿相對於加工面Wa之水平方向相對移動。然後，當球型測定頭1f完全離開加工面Wa時，如上所述，探針Pr沿其軸向因接觸壓T開始加速度運動。然後，將探針Pr達到預先設定之軸向速度時刻之座標，作為其中之一之檢測座標(X座標)加以儲存。又，關於“檢測座標”，係使用圖4已說明之用語。

然後，使X軸、Y軸、Z軸移動，使探針Pr之球型測定頭1f再次定位於靠近位置AP，驅動X軸，俾球型測定頭1f沿與所述方向相反之方向相對於加工面Wa相對移動。然後，同樣地將探針Pr達到預先設定之軸向速度時之座標，作為另一檢測座標(X座標)加以儲存。又，加工面Wa之靠近位置AP亦可不限於係同一地點。亦即，在使探針Pr沿相反方向相對移動來檢測工作件W之端面時，在使探針Pr沿一方向移動時之移動之直線上，並且在工作件W之加工面Wa以內即可。

將如此求出之兩個X座標值相加然後除以2，求出工作件W之加工面Wa之水平方向(X軸方向)之中間座標。該座標表示加工面Wa水平方向之中心位置，即X軸中心座標。又，係所述兩個檢測座標之兩個X座標值係藉由反向驅動X軸而得到的值，因此，藉由將兩個X座標值相加之處理，可抵消X軸之驅動系具有之齒隙等機械誤差。由此，可高精度地求出X軸中心座標。

圖9D及圖9E係使探針Pr相對於工作件W沿垂直方向(Y軸方向)相對移動，求出球型測定頭1f完全離開工作件W之加工面Wa時檢測座標之動作說明圖。

首先，使X軸、Y軸、Z軸移動，使探針Pr之球型測定頭1f以接觸壓T接觸工作件W之加工面Wa之靠近位置AP’(參照圖9E)。然後，驅動Y軸之馬達95y，俾球型測定頭1f自靠近位置AP’如圖9D所示沿垂直方向(Y軸方向)移動。在此，球型測定頭1f一開始朝上側，順著加工面Wa相對於加工面Wa沿垂直方向相對移動，當球型測定頭1f完全離開加工面Wa時，如上所述，探針Pr沿其軸向開始因接觸壓T加速度運動。然後，將探針Pr達到預先設定之軸向速度時刻之座標，作為其中之一之檢測座標(Y座標)加以儲存。

然後，使X軸、Y軸、Z軸移動，使探針Pr之球型測定頭1f再次定位於靠近位置AP’，驅動Y軸，俾球型測定頭1f沿與所述方向相反之方向與加工面Wa相對移動。然後，同樣地將探針Pr達到預先設定之軸向速度時之座標，作為另一檢測座標(Y座標)加以儲存。又，加工面Wa之靠近位置AP’亦可不限於係同一地點。亦即，在使探針Pr沿相反方向相對移動，以檢測工作件W之端面時，係在使探針Pr沿一方向移動時移動之直線上，並且在工作件W之加工面Wa以內即可。

將如此求出之兩個Y座標值相加然後除以2，求出工作件W之加工面Wa之垂直方向(Y軸方向)之中間座標。該座標表示加工面Wa之垂直方向之中心位置，即Y軸中心座標。又，係所述兩個檢測座標之兩個Y座標值，係藉由反向驅動Y軸而得到的值，因此，藉由將兩個Y座標值相加之處理，可抵消Y軸之驅動系具有之齒隙等機械誤差。由此，可高精度地求出Y軸中心座標。

如圖9B~圖9E所示，本發明之工作件之端面檢測方法係探針Pr沿相對遠離工作件W之方向之動作，所以無探針Pr與工作件W碰撞之危險，可防止昂貴的機上量測裝置1或工作件W之損壞。

圖10A-圖10C係在本發明之實施方式中，工作件W為圓柱形，求出其加工面Wa之中心座標以設定為工作件W之基準位置時之說明圖。該例亦如圖6所述，以加工面Wa為垂直面之方式進行安裝。加工面Wa相對於水平軸之X軸與垂直軸之Y軸為線對稱。又，使用圖9，與工作件W為立方體之情況相同，進行工作件W之加工面Wa之端面之檢測動作。並且，如果檢測水平方向(X軸方向)之檢測座標與垂直方向(Y軸方向)之檢測座標，分別求出沿水平方向與垂直方向得到的檢測座標各自之中間點，即可求出圓柱形之工作件W之加工面Wa之X座標與Y座標之中心座標。

此外，在圓柱形之工作件W中，亦與立方體之工作件W相同，X軸、Y軸之驅動系具有之齒隙等機械誤差相互抵消，係探針Pr沿相對遠離工作件W方向之動作，所以無探針Pr與工作件W碰撞之危險，可防止昂貴的機上量測裝置1或工作件W之損壞。

如果將如此求出之工作件W之中心座標設定為基準位置，即可確立機上量測裝置1之探針Pr之球型測定頭1f尖端位置與工具刀尖位置之對應。例如，如果使加工程式之座標系原點為工作件中心位置，則藉由將設定之座標作為原點，球型測定頭1f之尖端位置與工具刀尖位置顯示相同之位置，可執行正確之修正加工。

圖11係顯示本發明之實施方式中工作件之基準位置設定處理之演算法之流程圖。

在工具機上以機械之座標系之軸與工作件W之對稱線平行之方式安裝工作件W，配置成機上量測裝置1之探針Pr之中心軸垂直於工作件W之加工面，並且，在朝數值控制裝置8輸入要執行的加工程式後，當使用省略圖示之手動輸入裝置等朝數值控制裝置輸入工作件W之基準位置設定指令時，數值控制裝置8之數值控制部8a(參照圖7)之處理器開始圖11所示之處理。

‧步驟S1：首先，藉由已輸入之加工程式，將工作件W之加工面中與兩個對稱線平行之線分別設為第1靠近線(在此實施方式中第1靠近線係與水平線之X軸平行之線)、第2靠近線(在此實施方式中第2靠近線係與垂直線之Y軸平行之線)，在第1靠近線與第2靠近線上，求出工作件W之加工面Wa水平方向之兩個靠近位置，與工作件W之加工面Wa垂直方向之兩個靠近位置，然後朝步驟S2轉移。

‧步驟S2：使探針Pr移動到在步驟S1中求出之水平方向之第1靠近線其中之一之靠近位置，使球型測定頭1f以接觸壓T接觸並定位。

‧步驟S3：使探針Pr沿水平方向朝工作件W之一端面移動。亦即，驅動X軸之馬達95x，使X軸之平台移動，使探針Pr之球型測定頭1f順著工作件W之加工面Wa朝工作件W之一端相對移動。

‧步驟S4：然後，判斷探針Pr之軸向移動速度是否超過基準值。

‧步驟S5：當在步驟S4中判斷探針Pr之軸向移動速度超過基準值時，停止探針Pr之移動。亦即，停止X軸之馬達95x之驅動，停止X軸平台之移動。在該時刻，探針Pr之球型測定頭1f完全離開工作件W。

‧步驟S6：將在步驟S4中判斷探針Pr之軸向移動速度超過基準值時移動軸之座標，即X座標作為檢測座標，儲存在暫存器R1中。

‧步驟S7：使探針Pr退避以使其不與工作件W接觸，在步驟S1中求出之水平方向之另一測定靠近位置，使探針Pr之球型測定頭1f以接觸壓T接觸定位。

‧步驟S8：使探針Pr沿水平方向朝工作件W之另一端面移動。亦即，驅動X軸之馬達95x，移動X軸之平台(朝與步驟S3中X軸之平台移動相反之方向)，使探針Pr之球型測定頭1f順著工作件W之加工面Wa朝工作件W之另一端相對移動。又，使探針Pr相對於工作件W之加工面Wa相對沿一方向移動之速度與使其沿相反方向移動之速度相同。

‧步驟S9：然後，判斷探針Pr之軸向移動速度是否超過基準值。

‧步驟S10：當在步驟S9中判斷探針Pr之軸向移動速度超過基準值時，停止探針Pr之移動。亦即，停止X軸之馬達95x之驅動，停止X軸平台之移動。在該時刻，探針Pr之球型測定頭1f完全離開工作件W。

‧步驟S11：將在步驟S9中判斷探針Pr之軸向移動速度超過基準值時移動軸之座標，即X座標作為檢測座標，儲存在暫存器R2中。

‧步驟S12：使探針Pr退避，使探針Pr移動到在步驟S1中求出垂直方向之第2靠近線其中之一之靠近位置，使球型測定頭1f以接觸壓T接觸並定位。

‧步驟S13：使探針Pr沿垂直方向朝工作件W之一端面移動。亦即，驅動Y軸之馬達95y，使X軸之平台移動，使探針Pr之球型測定頭1f順著工作件W之加工面Wa朝該工作件W之一端相對移動。

‧步驟S14：然後，判斷探針Pr之軸向移動速度是否超過基準值。

‧步驟S15：當在步驟S14中判斷探針Pr之軸向移動速度超過基準值時，停止探針Pr之移動。亦即，停止Y軸之馬達95y之驅動，停止Y軸平台之移動。在該時刻，探針Pr之球型測定頭1f完全離開工作件W。

‧步驟S16：將在步驟S14中判斷探針Pr之軸向移動速度超過基準值時移動軸之座標，即Y座標作為檢測座標，儲存在暫存器R3中。

‧步驟S17：使探針Pr退避以使其不與工作件W接觸，在步驟S1中求出垂直方向之第2靠近線之另一測定靠近位置，使探針Pr之球型測定頭1f以接觸壓T接觸定位。

‧步驟S18：使探針Pr沿垂直方向朝工作件W之另一端面移動。亦即，驅動Y軸之馬達95y，移動Y軸之平台(朝與步驟S13中Y軸之平台移動相反之方向)，使探針Pr之球型測定頭1f順著工作件W之加工面Wa朝工作件W之另一端相對移動。

‧步驟S19：然後，判斷探針Pr之軸向移動速度是否超過基準值。

‧步驟S20：當在步驟S19中判斷探針Pr之軸向移動速度超過基準值時，停止探針Pr之移動。亦即，停止Y軸之馬達95y之驅動，停止X軸平台之移動。在該時刻，探針Pr之球型測定頭1f完全離開工作件W。

‧步驟S21：將在步驟S19中判斷探針Pr之軸向移動速度超過基準值時移動軸之座標，即Y座標作為檢測座標，儲存在暫存器R4中。

‧步驟S22：根據在暫存器R1~暫存器R4中儲存之檢測座標求出工作件中心座標，將其設定為工作件W之量測基準點。詳細地說，藉由將暫存器R1與暫存器R2中儲存之檢測座標之X座標相加然後除以2，求出兩個X座標之中間座標。此外，將暫存器R3與暫存器R4中儲存之檢測座標之Y座標相加，求出兩個Y座標之中間座標。

該X座標、Y座標之中間座標表示工作件W之中心座標，所以將該工作件W之中心座標設定為工作件之基準位置，結束該基準位置設定處理。此外，亦可求出水平方向兩端之座標值之差，將在較小之一方之座標值上加上該差之一半之值而得到的座標值作為工作件W水平方向之中心座標，求出垂直方向兩端之座標值之差，將在較小之一方之座標值上加上該差之一半之值而得到的座標值作為工作件W垂直方向之中心座標以求出工作件W之中心座標，將其設定為工作件W之基準位置。

根據如此設定之工作件W之基準位置，使安裝在探針Pr之觸針1e尖端上之球型測定頭1f尖端與工作件表面接觸，藉由機上量測裝置在工具機上量測工作件W。藉由該工作件W之基準位置，使球型測定頭1f之尖端與刀具之刀尖相關聯，所以可根據量測到的形狀，修正加工變得明確。

AP、AP’．．．靠近位置

A、B．．．狀態

DIFU．．．信號上升檢測命令

Ipf．．．位置檢測信號(量測信號)

K．．．位置環路增益

LE．．．左端(左端面位置)

MOV．．．資料傳送命令

M．．．質量

P1~P4、FB．．．位置

Pr．．．探針

R1~R4．．．暫存器

RE．．．右端(右端面位置)

RL、RR．．．路徑

S1~S22．．．步驟

t．．．時間

T．．．接觸力(接觸壓)

-T．．．接觸壓T之反作用力

V₀ ．．．初速度

Va．．．球型測定頭1f離開工作件時之速度

Vb．．．為進行檢測預先決定之速度

v．．．探針之進給速度

V．．．速度

Wa．．．加工面

Wb．．．上表面

W．．．工作件

X、Y、Z、B、C．．．可動軸

α．．．加速度

1．．．機上量測裝置

1a．．．殼體

1b．．．探針本體

1c．．．雷射頭

1d．．．直尺

1e．．．觸針

1f．．．球型測定頭

2．．．介面

8．．．數值控制裝置

8a．．．數值控制部

8b．．．伺服控制部

8bX、8bY、8bZ、8bB、8bC．．．可動軸伺服控制部

8bF．．．伺服控制部

11．．．個人電腦

11a．．．儲存裝置

12．．．乙太網路

91．．．位置控制部

91a．．．誤差暫存器

91b．．．放大器

92．．．速度控制部

93．．．電流控制部

94．．．放大器

95．．．伺服馬達

95x、95y．．．馬達

96．．．位置檢測裝置

97．．．A/D轉換裝置

98．．．內插分割裝置

圖1係依本發明之工具機所具備之機載量測器之重要部位剖面圖。

圖2說明圖1之探針之球型測定頭在與工作件之加工面接觸之狀態下，通過路徑RR與路徑RL分別朝該加工面之兩端(右端RE及左端LE)相對移動。

圖3更詳細地說明檢測在圖2中所說明之工作件W端面位置之原理。

圖4A-圖4C詳細地說明探針自工作件之端面離開時之情形。

圖5顯示由數值控制裝置所控制，藉由3個直動軸及2個旋轉軸驅動，可同時控制5個軸之依本發明之工具機一例之重要部位。

圖6係將來自機上量測裝置之位置檢測信號與來自工具機之各驅動軸之位置檢測信號輸入數值控制裝置，依本發明之工具機之概要結構圖。

圖7說明在圖6所示之工具機中，藉由數值控制裝置同時回饋控制來自工具機之各可動軸與機上量測裝置之信號。

圖8A及圖8B係顯示在本發明之實施方式中所採用之介面之方塊圖。

圖9A-圖9E係在本發明之實施方式中，工作件係立方體，求出其加工面之中心座標以設定為工作件之基準位置時之說明圖。

圖10A-圖10C係在本發明之實施方式中，工作件為圓柱體，求出其加工面之中心座標以設定為工作件之基準位置時之說明圖。

圖11係顯示本發明實施方式中工作件之基準位置設定處理之演算法之流程圖。

S1~S22．．．步驟

Claims (5)

1. 一種具有工作件之量測基準點設定功能的工具機，包含一機上量測裝置，該機上量測裝置用以施行一工作件的形狀測定及形狀分析，該工作件之加工面係對於直交之兩條直線呈線對稱；且包含可藉由輸入來自該機上量測裝置之位置檢測信號的一數值控制裝置加以控制之複數可動軸；該機上量測裝置包含：接觸式探針，藉由流體軸承受支持於機上量測裝置內部；及位置檢測機構，檢測該接觸式探針的軸向之移動位移並輸出位置檢測信號；且該工具機包含可動軸位置檢測機構，以檢測該工具機的各可動軸之位置並輸出軸位置檢測信號；且該數值控制裝置包含：可動軸驅動控制機構，在該接觸式探針之測定頭以一定之接觸壓接觸於配置成使該兩條線平行於機械座標系軸的該工作件之該加工面之狀態下，驅動該可動軸，俾令該接觸式探針沿著分別平行於該兩條線之方向，自工作件之加工面內分別朝各端面移動，直到該接觸式探針之測定頭完全離開該工作件之端面為止；探針移動速度計算機構，根據由該位置檢測機構所輸出之位置檢測信號，計算該接觸式探針之軸向移動速度；判斷機構，判斷由該探針移動速度計算機構計所計算之該移動速度是否已達到預先決定之速度；儲存機構，將由該判斷機構判斷該移動速度已達到預先決定之速度時，以該各可動軸位置檢測機構所檢測出的各可動軸之位置資料加以儲存；及設定機構，根據由該儲存機構所儲存之各可動軸之位置計算該工作件之中心座標，並將其設定作為工作件之量測基準點。
2. 如申請專利範圍第1項之具有工作件之量測基準點設定功能的工具機，其中，經由驅動馬達用之馬達驅動裝置所具有之介面，將來自該可動軸位置檢測機構之軸位置檢測信號，輸入該數值控制裝置；並經由未連接該馬達之馬達驅動裝置所具有之介面，將來自該機上量測裝置之該位置檢測機構的位置檢測信號，輸入該數值控制裝置。
3. 如申請專利範圍第1或2項之具有工作件之量測基準點設定功能的工具機，其中，該可動軸位置檢測機構或該機上量測裝置中所具有之該位置檢測機構係為直尺、編碼器或雷射干涉儀其中任一種檢測裝置。
4. 如申請專利範圍第1項之具有工作件之量測基準點設定功能的工具機，其中，在由該判斷機構判斷該移動速度已達到預先決定之速度時，以該各可動軸位置檢測機構所檢測出的各可動軸之位置資料，由該儲存機構自動加以儲存。
5. 如申請專利範圍第1項之具有工作件之量測基準點設定功能的工具機，其中，該設定機構求取在該加工面之水平方向左右兩端處的由該儲存機構所儲存之該可動軸之位置資料之差值，將該差值的一半加算到較小一方之座標，以如此獲得的座標作為工作件之水平方向之中心座標；再求取該加工面之垂直方向上下兩端處的由該儲存機構所儲存之該可動軸之位置資料之差值，將該差值的一半加算到較小一方之座標，以如此獲得的座標作為工作件之垂直方向之中心座標，而求取該工作件之中心座標，將其設定作為工作件之量測基準點。