WO2011058618A1

WO2011058618A1 - ワーク計測装置、衝突防止装置および工作機械

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Publication number: WO2011058618A1
Application number: PCT/JP2009/069088
Authority: WO
Inventors: 直人川内; 祐一佐々野; 伸浅野; 賢二久良; 裕一松下; 昭彦松村; 優樋口
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-19
Also published as: KR101327571B1; US8805570B2; CN102472617A; US20120089247A1; EP2500688A1; CN102472617B; KR20120025512A

Abstract

　ワークと工作機械の一部との衝突を防止する際に用いるワーク形状の３次元データを容易に取得することができるワーク計測装置、衝突防止装置および工作機械を提供する。加工対象であるワークを加工する工具が取り付けられる主軸に取り付けられ、非接触で前記ワークまでの距離を走査して測定する測定部（１５）と、空間を多面体状に分割して形成された３次元メッシュ構造を生成し、測定された前記ワークまでの距離情報に基づいて、ワークの測定点座標を算出し、３次元メッシュ構造の一単位と対応するワークの位置を走査した回数に対する、算出した測定点が一単位に含まれる回数の比率が所定の閾値以上のときに、一単位は前記ワークの形状であるとして測定形状マップを作成する形状認識部（２３）と、が設けられている。

Description

ワーク計測装置、衝突防止装置および工作機械

　本発明は、ワーク計測装置、衝突防止装置および工作機械、特にワークに対して３次元加工を行う際に用いて好適なワーク計測装置、衝突防止装置および工作機械に関する。

　一般に数値制御装置（以下、「ＮＣ」と表記する。）により工作機械を制御して加工を行うときには、工作機械の工具の移動を記述したＮＣプログラム（加工用ＮＣデータ）のデバッグが行われている。つまり、事前に加工対象であるワークを、工作機械のテーブルに設置し、操作者がＮＣプログラムをステップごとに流して、ＮＣプログラムの検証を行っている。

　この際、ＮＣプログラムの不良や、操作者による誤操作など、といった人為的ミスにより、工具やラムなどの工作機械の一部がワークと接触して破損してしまう恐れがあった（例えば、特許文献１参照。）。

　特に、ワークの切削加工をしない工具の位置決め作業などでは、作業効率を上げるために動作速度を速く設定することが行われている。このような状態でＮＣプログラムのデバッグを行う場合、工作機械の一部がワークに接触しそうな時に、操作者の判断で瞬時に工作機械の主軸動作を停止することは困難であった。

　上述のようなワークとの接触による工作機械の破損を防止するため、様々な技術が提案されている。
　例えば、ワークと工具との接触を検出するセンサが知られており、このセンサを利用して工具と、ワークとの接触の有無を確認することが行われている。

　一方、ワークと工具等との衝突を回避するために、ワークとの衝突前に工具等を停止させる制御方法等も知られている。この制御方法を実施する場合には、事前にワークのサイズ・寸法・形状と、テーブル上でのワークの位置などのワーク形状の３次元データ（３Ｄ－ＣＡＤデータ）を把握する必要があった。
　しかしながら、加工前のワーク形状の３次元データは、事前に把握できていないことが多く、ワークを計測するなどの方法により把握する必要があった。

　ワーク形状の３次元データを把握する方法として、非接触で計測する方法が知られている。例えば、立体物をデジタルデータ化するデジタイザが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

　非接触変位計を利用して加工条痕（切削痕）のような微細な表面形状を計測する技術も知られている（例えば、特許文献２および３参照。）。この変位計を工具の代わりにラムに取り付け、ワークを走査することにより、ワークの形状を高い精度で検出することができる。

　このようにして得られた３次元データの表現方法としては、３次元ビットマップ手法が知られている（例えば、特許文献４参照。）。
　さらに、上述のようにワークの検出装置を工具と同様に自動交換する技術も知られている（例えば、特許文献５参照。）。

特開２００７－０４８２１０号公報特開２００４－０１２４３０号公報特開２００４－０１２４３１号公報国際公開第０２／０２３４０８号パンフレット特開平４－０８９５１３号公報

"３－Ｄデジタイザ「Ｄａｎａｅシリーズ」の製品強化について"、１５行目から１６行目まで、［ｏｎｌｉｎｅ］、２００５年６月２０日、［平成２０年３月７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｅｃ－ｅｎｇ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｅｓｓ／０５０６２０ｐｒｅｓｓ．ｈｔｍｌ＞

　上述のワークと工具との接触を検出するセンサを用いる方法では、接触を伴うため工具などの動作速度を上げられず効率が悪いという問題があった。さらに、ラムがワークに接触した場合など、ワークと接触する部位によっては、ワークとの接触が検出できないという問題があった。

　上述の非特許文献１に記載の技術では、ワークを設置する際に座標系を合わせる必要があり、計測に手間がかかるという問題があった。さらに、センサによってワークの形状が計測できない領域、つまり死角が発生するという問題があった。その他にも、価格が高いという問題があった。

　上述の特許文献２および３に記載の技術では、ワークと工具等との衝突回避に用いるには、得られる３次元形状のデータが詳細すぎるという問題があった。工作機械の動作軸を利用して、センサをワークの全ての面に対して走査させるため、３次元データを取得する効率が悪くなるという問題があった。ワークの形状に合わせてセンサを走査させる必要があるため、３次元データを取得する際に、ワークと工作機械の一部や、センサのケーブル等と、の干渉が発生するという問題があった。

　本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ワークと工作機械の一部との衝突を防止する際に用いるワーク形状の３次元データを容易に取得することができるワーク計測装置、衝突防止装置および工作機械を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
　本発明の第１の態様に係るワーク計測装置は、加工対象であるワークを加工する工具が取り付けられる主軸に取り付けられ、非接触で前記ワークまでの距離を走査して測定する測定部と、空間を多面体状に分割して形成された３次元メッシュ構造を生成し、測定された前記ワークまでの距離情報に基づいて、前記ワークの測定点座標を算出し、前記３次元メッシュ構造の一単位と対応する前記ワークの位置を走査した回数に対する、前記算出した測定点が前記一単位に含まれる回数の比率が所定の閾値以上のときに、前記一単位は前記ワークの形状であるとして測定形状マップを作成する形状認識部と、が設けられている。

　上記第１の態様によれば、走査回数に対する一単位に測定点が含まれる回数の比率に基づいてワークの測定形状マップを作成するため、ワークの３次元データである測定形状マップの精度を確保することができる。
　つまり、走査回数に対する一単位に測定点が含まれる回数の比率に基づいてワークの測定形状マップを作成することにより、１回の走査で得られた距離情報などで測定形状マップを作成する場合と比較して、測定部の測定精度や、測定部からワークまでの距離などの影響を受けにくく、測定形状マップの精度が確保しやすい。

　さらに、測定精度の異なる測定部に交換する方法などと比較して、変更が容易なワークまでの距離を測定する走査の回数や閾値の値などを調整することにより、測定形状マップの精度を容易に調整することができる。

　一方、測定部を主軸に取り付けるため、他の部分に測定部を取り付ける場合と比較して、測定形状マップの精度確保が容易となる。
　つまり、測定部を、ワークの加工に用いられるため高い位置精度で制御される主軸に取り付けるため、測定部の配置位置が高い精度で把握される。その結果、上記主軸を備える工作機械などに対するワークの配置位置も高い精度で把握され、工作機械などに対する測定形状マップの位置精度の確保が容易となる。

　言い換えると、測定形状マップの作成と、工作機械などに対する測定形状マップの配置位置測定と、を同時に行うため、ワークの３次元設計データを測定形状マップとして使用する方法と比較して、工作機械などに対する測定形状マップの配置位置測定つまりキャリブレーションを別途行う必要がなく、測定形状マップの作成が容易となる。

　測定部がワークまでの距離を測定する地点を複数設定することができるため、ワークにおける未測定領域、つまり、測定部から見たワークにおける死角の発生を防止できる。
　上述のように測定部を主軸に取り付けるため、測定する地点を複数設定して、複数の地点の間で測定部を移動させても測定形状マップの精度は確保される。その上で、複数の地点において測定部からワークまでの距離を測定することで、ワークにおける未測定領域の発生が防止され、ワーク全体について測定することができる。

　さらに、主軸に取り付けた測定部からワークまでの距離を測定するため、例えば、ワークを載せるテーブルや、ワークをテーブルに固定する固定治具なども含めて、測定部からの距離が同時に測定される。そのため、テーブルや固定治具なども含まれた測定形状マップが作成される。この測定形状マップは、ワークの３次元設計データを測定形状マップとして使用する場合と比較して、テーブルや固定治具なども含まれているため、例えば、ワークと工作機械の一部との衝突の防止に適した測定形状マップとなる。

　上記第１の態様においては、前記一単位における一辺の寸法は、前記工具および前記主軸が前記ワークに接近して、前記ワークの加工に移行する地点と、前記ワークとの間の距離に基づいて設定されることが望ましい。

　上記第１の態様によれば、３次元メッシュ構造の一単位における一辺の寸法を、ワークに接近してきた工具がワークの加工に移行する地点と、ワークとの間の距離に基づいて設定するため、工具および主軸が高速で移動している期間におけるワークと工具等との接触が防止される。

　つまり、測定形状マップに基づいて工具および主軸の移動を制御することにより、上述の加工移行地点と測定形状マップとの間隔が確保される。
　さらに、測定形状マップにおける一単位における一辺の寸法を、上述の加工移行地点とワークとの距離に基づいて設定しているため、測定形状マップとワークとの間には、上述の距離未満の隙間が存在する。そのため、実際の加工移行地点とワークとの距離は、上述の間隔および上述の隙間の和となり、工具および主軸が高速で移動している期間におけるワークと工具等との接触が防止される。

　上記第１の態様においては、前記測定部には、前記ワークまでの距離を走査して測定するセンサヘッドと、該センサヘッドにより測定された距離情報を送信する送信部と、前記センサヘッドおよび前記送信部に電力を供給するバッテリと、が設けられ、さらに、前記送信部から送信された前記距離情報を受信し、前記形状認識部に受信した前記距離情報を出力する受信部と、が設けられていることが望ましい。

　上記第１の態様によれば、測定部は、電力の供給や距離情報の送信などを行う配線などを用いることなくワークまでの距離の測定を行い、測定した距離情報を形状認識部に出力することができる。つまり、センサヘッドは、バッテリから供給される電力を用いてワークまでの距離を測定し、送信部は、受信部を介して測定により得られた距離情報を形状認識部に送信するため、電力の供給や距離情報の送信などを行う配線などを用いる必要がない。

　そのため、主軸への測定部の取り付けや取り外しが容易となり、例えば、オートツールチェンジャなどの自動交換装置により測定部の交換を行うことができる。
　さらに、測定部と形状認識部との間を接続する配線等が不要なため、配線等とワークとの干渉を防止できる。

　上記第１の態様においては、前記測定部には、前記主軸を介して電力の供給を受けるとともに、前記主軸を介して前記測定情報を前記形状認識部に出力する取付部が設けられていることが望ましい。

　上記第１の態様によれば、測定部は、電力の供給や距離情報の送信などを行う配線などを用いることなくワークまでの距離の測定を行い、測定した距離情報を形状認識部に出力することができる。つまり、測定部は、主軸および取付部を介して電力の供給を受けてワークまでの距離を測定し、測定により得られた距離情報は主軸および取付部を介して形状認識部に送信されるため、電力の供給や距離情報の送信などを行う配線などを別途設ける必要がない。
　そのため、測定部と形状認識部との間を接続する配線等が不要なため、配線等とワークとの干渉を防止できる。

　本発明の第２の態様に係る衝突防止装置は、上記本発明のワーク計測装置と、少なくとも前記主軸または前記工具と前記測定形状マップとの間の干渉を判断する判断部と、該判断部の判断結果に基づいて、前記主軸の移動を制御する制御部と、が設けられている。

　本発明の第２の態様によれば、上記本発明のワーク計測装置により作成された測定形状マップに基づいて、少なくとも主軸または工具とワークとの間の衝突を防止できる。
　つまり、ワークよりも大きな測定形状マップと、主軸等との間の干渉を判断することにより、測定形状マップよりも小さなワークと主軸等との衝突が確実に防止される。

　本発明の第３の態様に係る工作機械は、加工対象であるワークが設置されるテーブルと、前記ワークを加工する工具が取り付けられる主軸と、上記本発明の衝突防止装置と、が設けられている。

　上記第３の態様によれば、上記本発明のワーク計測装置により作成された測定形状マップに基づいて、少なくとも主軸または工具と、ワークやテーブル等との間の衝突を防止できる。
　つまり、ワークおよびテーブル等よりも大きな測定形状マップと、主軸等との間の干渉を判断することにより、測定形状マップよりも小さなワークおよびテーブル等と主軸等との衝突が確実に防止される。

　本発明のワーク計測装置、衝突防止装置および工作機械によれば、走査回数に対する一単位に測定点が含まれる回数の比率に基づいてワークの測定形状マップを作成するため、ワークと工作機械の一部との衝突を防止する際に用いるワーク形状の３次元データを容易に取得することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る工作機械の全体構成を説明する模式図である。図１の工作機械における制御部を説明するブロック図である。図１の測定部およびラムの構成を説明する部分拡大図である。測定形状マップの作成方法を説明するフローチャートである。測定部からワークまでの距離測定を説明する模式図である。形状認識部により定義された測定形状マップの形状を説明する図である。本発明の第２の実施形態の工作機械の構成を説明する全体図である。図７の測定部の構成を説明するブロック図である。図８の工作機械制御部の構成を説明するブロック図である。本発明の第３の実施形態の工作機械の構成を説明する全体図である。

〔第１の実施形態〕
　以下、本発明の第１の実施形態に係る工作機械ついて図１から図５を参照して説明する。
　図１は、本実施形態に係る工作機械の全体構成を説明する模式図である。図２は、図１の工作機械における制御部を説明するブロック図である。

　本実施形態の工作機械１は、ワークＷ等に基づいて測定形状マップＭＰを作成するワーク計測装置２、および、工作機械１のラム１３や工具等とワークＷ等との衝突を防止する衝突防止装置３を備えるとともに、加工対象であるワークＷを５方向から加工する五面加工機であって、ＮＣによって動作が制御されるものである。
　工作機械１には、図１および図２に示すように、Ｘ軸方向に移動するテーブル１１と、Ｙ軸方向に移動するサドル１２と、Ｚ軸方向に移動するラム（主軸）１３と、ラム１３に取り付けられワークＷまでの距離を測定する測定部１５と、テーブル１１，サドル１２およびラム１３の移動をＮＣ制御する工作機械制御部１６と、が設けられている。

　テーブル１１はワークＷが固定される台であって、図１に示すように、Ｘ軸方向に沿って移動可能に配置されたものである。テーブル１１は、図２に示すように、工作機械制御部１６の移動制御部２６によりＸ軸方向への移動が制御されている。

　サドル１２は、図１に示すように、ラム１３が配置されるものであって、門型に形成されテーブル１１を跨いで配置された支持部１４のＹ軸方向に沿って延びる梁部１４Ａに配置され、Ｙ軸方向に沿って移動可能とされたものである。サドル１２は、図２に示すように、移動制御部２６によりＹ軸方向への移動が制御されている。

　ラム１３は、ワークＷの形状測定時には、図１に示すように、テーブル１１側の端部に測定部１５が取り付けられ、ワークＷの切削加工時には工具が取り付けられるものである。さらに、ラム１３はサドル１２に配置され、Ｚ軸方向に沿って移動可能とされたものである。ラム１３は、図２に示すように、移動制御部２６によりＺ軸方向への移動が制御されている。

　図３は、図１の測定部およびラムの構成を説明する部分拡大図である。
　測定部１５は、ワークＷの測定形状マップＭＰを作成する際に使用されるレーザ距離センサであって、図１および図３に示すように、ラム１３におけるテーブル１１側の端部に取り付けられるものである。
　測定部１５は、図３に示すように、距離測定に用いるレーザ光の出射角θを変更して２次元スキャン（走査）を行うものである。さらに、上述のラム１３を中心軸線Ｌまわりに回転させることにより、測定部１５により３次元スキャンが行われる。
　測定部１５により計測されたワークＷやテーブル１１等から測定部１５までの距離情報は、図２に示すように、形状認識部２３に入力されている。

　工作機械制御部１６は、ワークＷの切削加工前にワークＷの測定形状マップＭＰを作成し、ワークＷを切削する工具の移動を記述したＮＣプログラムのデバッグ時には、作成した測定形状マップＭＰに基づいてラム１３や工具とワークＷとの衝突を防止し、ワークＷの切削加工時には、テーブル１１、サドル１２およびラム１３の移動を制御するものである。

　工作機械制御部１６には、図２に示すように、ワークＷの加工を行う際の工具の移動を制御する信号を生成するプログラム記憶部２１およびプログラム解釈部２２と、ワークＷの測定形状マップＭＰを作成する形状認識部２３と、主軸に取り付けられた工具の形状を記憶する形状記憶部２４と、干渉判断部（判断部）２５と、テーブル１１，サドル１２およびラム１３の移動を制御する移動制御部（制御部）２６と、が設けられている。

　ここで、ワーク計測装置２は測定部１５および形状認識部２３から構成され、衝突防止装置３はワーク計測装置２、干渉判断部２５および移動制御部２６から構成されている。

　プログラム記憶部２１は、ワークＷの切削加工を行う工具の移動経路を記述したＮＣプログラムを記憶するものである。
　プログラム記憶部２１は、図２に示すように、プログラム解釈部２２と接続され、プログラム記憶部２１に記憶されたＮＣプログラムはプログラム解釈部２２に出力されている。

　プログラム解釈部２２は、ＮＣプログラムに基づいて工具の移動量および移動速度に関する情報を作成するものである。
　プログラム解釈部２２は、図２に示すように、干渉判断部２５および移動制御部２６と接続され、プログラム解釈部２２により作成された工具等の移動量等に関する情報は干渉判断部２５および移動制御部２６に出力されている。

　形状認識部２３は、ＮＣプログラムのデバッグを行う際に、ラム１３や工具等と、ワークＷとの衝突防止に用いられる測定形状マップＭＰを作成するものである。
　形状認識部２３は、図２に示すように、測定部１５および干渉判断部２５と接続されている。形状認識部２３には、測定部１５により測定された距離情報が入力され、形状認識部２３から干渉判断部２５に測定形状マップＭＰの情報が出力されている。
　なお、形状認識部２３における測定形状マップＭＰの作成方法については後述する。

　形状記憶部２４は、ワークＷに接近した際に衝突する可能性のあるラム１３や、ラム１３に取り付けられる工具の形状等を記憶するものである。
　形状記憶部２４は、図２に示すように、干渉判断部２５と接続されている。形状記憶部２４に記憶されたラム１３等の形状は干渉判断部２５に出力されている。

　干渉判断部２５は、ＮＣプログラムのデバッグ時に、測定形状マップＭＰとラム１３等との干渉を判断することにより、ラム１３や工具等とワークＷとの衝突を防止するものである。
　干渉判断部２５は、図２に示すように、形状認識部２３、形状記憶部２４、プログラム解釈部２２および移動制御部２６と接続されている。干渉判断部２５には、形状認識部２３から測定形状マップＭＰが入力され、形状記憶部２４からラム１３等の形状が入力され、プログラム解釈部２２から工具等の移動量等に関する情報が入力されている。一方、干渉判断部２５における干渉の有無の判断結果は、移動制御部２６に出力されている。

　移動制御部２６は、テーブル１１、サドル１２およびラム１３の移動を制御することによりラム１３の端部に取り付けられた工具等の移動量や移動速度を制御するものである。さらに、ＮＣプログラムのデバッグ時に、測定形状マップＭＰとラム１３等とが干渉すると判断された場合には、テーブル１１、サドル１２およびラム１３の移動を停止させるものである。
　移動制御部２６は、図２に示すように、プログラム解釈部２２および干渉判断部２５と接続されている。移動制御部２６には、プログラム解釈部２２から工具等の移動量等の情報が入力され、干渉判断部２５から測定形状マップＭＰとラム１３等との干渉の有無の判断結果が入力されている。一方、移動制御部２６において作成されたテーブル１１、サドル１２およびラム１３の移動を制御する制御信号は、それぞれテーブル１１、サドル１２およびラム１３に出力されている。

　次に、上記の構成からなる工作機械１におけるワークＷの加工方法について説明する。
　工作機械１によりワークＷを加工する場合には、まず、テーブル１１の上に固定治具Ｊを用いてワークＷが固定される（図５参照。）。
　その後、図２に示すように、プログラム記憶部２１からＮＣプログラムが１ブロック（１つの移動単位、例えば１線分）単位でプログラム解釈部２２に出力される。

　プログラム解釈部２２は、ＮＣプログラムから工具等の移動量および移動速度に関する情報を作成し、移動制御部２６に出力する。移動制御部２６は、入力された情報をテーブル１１、サドル１２およびラム１３の移動量および移動速度に分解し、それぞれテーブル１１、サドル１２およびラム１３の移動量および移動速度を制御する制御信号を出力する。

　移動制御部２６から制御信号が入力されたテーブル１１、サドル１２およびラム１３は、それぞれが備えるモータにより入力された制御信号に基づいて駆動され、ワークＷの加工が行われる。

　次に、本実施形態の特長であるワークＷの測定形状マップＭＰの作成方法、および、作成された測定形状マップＭＰを用いたワークＷと、工作機械１の一部との衝突の防止方法について説明する。
　ここで説明するワークＷの測定形状マップＭＰの作成、および、衝突防止制御は、例えば、上述のワークＷの加工を行う前段階におけるＮＣプログラムのデバッグ、つまり、ワークＷとラム１３や工具との干渉の有無のチェックの際に行われている。

　図４は、測定形状マップの作成方法を説明するフローチャートである。図５は、測定部からワークまでの距離測定を説明する模式図である。
　まず、図５に示すように、テーブル１１の上にワークＷが設置される（ステップＳ１）。このとき、ワークＷは固定治具Ｊによりテーブル１１に固定される。

　その後、図３に示すように、ラム１３の端部に測定部１５が取り付けられる（ステップＳ２）。測定部１５と工作機制御部１６の形状認識部２３とは、例えばケーブルなどにより、測定部１５への電力の供給や、測定部１５により測定された距離情報を形状認識部２３へ入力可能に接続されている（図２参照。）。

　測定部１５がラム１３に取り付けられると、図５に示すように、測定部１５は第１の測定位置Ｐ１に移動し、測定部１５からワークＷまでの距離が測定される（ステップＳ３）。
　測定部１５は、図３に示すように、スキャン角度θを変えながらレーザ光を出射し、測定部１５からワークＷまでの距離ｒを測定する。言い換えると２次元スキャンを行う。このとき同時に、測定部１５からテーブル１１までの距離、および、測定部１５から固定治具Ｊまでの距離も測定される。さらに、ラム１３を中心軸線Ｌ周りに回転させて、測定部１５によるレーザ光のスキャン方向を変えて再び２次元スキャンを行う。これにより、ワークＷの３次元スキャンが行われる。

　第１の測定位置Ｐ１における３次元スキャンが終了すると、次に、測定部１５を第２の測定位置Ｐ２に移動させて、再びワークＷの３次元スキャンを行う。この第２の測定位置Ｐ２は、測定部１５が第１の測定位置Ｐ１からワークＷを３次元スキャンした際に発生した死角ＢＡ、言い換えると未計測領域を測定できる位置である。

　これらの測定位置としては、例えば、ワークＷの上方（Ｚ軸正方向）、前方（Ｘ軸正方向）、後方（Ｘ軸負方向）、両側方（Ｙ軸正方向および負方向）の５箇所を挙げることができる。なお、測定位置の数および場所は、ワークＷの配置位置や形状、測定部１５から出射されるレーザ光の反射率などにより変わるものであるため、特に限定するものではない。

　測定部１５により測定された距離ｒ、および、スキャン角度θは、図２に示すように、形状認識部２３に入力される。さらに、距離ｒを測定した時点でのラム１３の位置（Ｘｒ，Ｙｒ，Ｚｒ）、および、ラム１３の回転角度φも形状認識部２３に入力される。
　形状認識部２３では、これら入力された情報に基づき、距離ｒが測定されたワークＷの測定点の座標（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）が以下の計算式に基づいて算出される（ステップＳ４）。
　　Ｘｍ＝Ｘｒ＋ｒ・ｓｉｎθ
　　Ｙｍ＝Ｙｒ＋ｒ・ｓｉｎφ
　　Ｚｍ＝Ｚｒ－ｒ・ｃｏｓφ・ｃｏｓθ

　図６は、形状認識部により定義された測定形状マップの形状を説明する図である。
　形状認識部２３は計測空間を六面体状の３次元メッシュ領域に分割し、つまり、３次元メッシュ構造を生成し、上述の測定点の座標（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）が含まれる３次元メッシュ構造の一単位（以下、「ボクセル」と表記する。）に投票し、計測形状マップＭＰを定義する（ステップＳ５）。

　具体的には、測定部１５による２次元スキャンが行われるごとに、測定点の座標が含まれるボクセルに投票、例えば「１」が登録される。この処理を全ての２次スキャンについて行う。
　その結果、各ボクセルには、最も多くて２次元スキャンを行った回数だけ投票され、最も少ない場合には１回も投票されない。

　形状認識部２３は、２次スキャンを行った総数に対する投票回数に応じて、各ボクセル内にワークＷが含まれるか否かを判断する。つまり、２次スキャンを行った総数に対する投票回数の比率が所定の閾値よりも高い場合には、そのボクセル内にワークＷが含まれ、所定の閾値よりも低い場合には、そのボクセル内にワークＷが含まれていないと判断する。

　なお、所定の閾値の値は、測定部１５の測定精度や、ワークＷの反射率などに応じて変化するものであり、特に限定するものではない。

　一方、上述のボクセルの一辺の寸法は、工作機械１の加工時に、工具をワークＷに接近させる接近モードから、工具によるワークＷの切削加工を行う加工モードに切り替わるときの工具やラム１３など工作機械１の部位と、ワークＷとの距離に基づいて設定される。
　この距離は、工作機械１の性能や用途や、ワークの仕様や、操作者の作業性や、計測の処理速度等の項目を総合的に勘案して設定される。このため、ボクセルの一辺の寸法としては、１ｍｍ程度から４０ｍｍ程度の値を例示することができるが、上記項目を考慮することにより変動する値であるため、特に限定するものではない。

　形状認識部２３により測定形状マップＭＰが作成されると、次に、ＮＣプログラムのデバッグ作業が行われる。
　まず、ラム１３の端部にワークＷの加工に用いられるエンドミルなどの工具が取り付けられる。

　そして、図２に示すように、操作者の指示によりプログラム記憶部２１から１ブロックずつＮＣプログラムがプログラム解釈部２２に出力され、プログラム解釈部２２から工具等の移動量等に情報が干渉判断部２５に出力される。

　干渉判断部２５では、入力された工具等の移動量等に関する情報と、形状認識部２３から入力された測定形状マップＭＰと、形状記憶部２４から入力された工具およびラム１３の形状に基づいて、干渉の有無が判断される。
　干渉判断部２５に入力される工具およびラム１３の形状は、予め形状記憶部２４に記憶されたものであって、デバッグ作業等を行う際に工作機械１に取り付けられている工具およびラム１３の形状である。

　干渉判断部２５は、工具等の移動量等に関する情報に基づいて工具およびラム１３を移動させた際に、工具またはラム１３が測定形状マップＭＰと干渉するか否かを判断し、判断結果を移動制御部２６に出力する。

　干渉判断部２５において干渉が発生すると判断された場合には、移動制御部２６は、干渉が発生するＮＣプログラムの実行を中止し、工具またはラム１３とワークＷとの衝突が防止される。

　一方、干渉判断部２５において干渉が発生しないと判断された場合には、移動制御部２６は、入力された工具等の移動量等に関する情報に基づいてテーブル１１、サドル１２およびラム１３に制御信号を出力する。

　上記の構成によれば、２次元スキャン回数に対するボクセルに測定点が含まれる回数の比率に基づいてワークＷの測定形状マップＭＰを作成するため、ワークＷの３次元データである測定形状マップＭＰの精度を確保することができる。そのため、ワークＷと工作機械１のラム１３等との衝突を防止する際に用いるワークＷ形状の３次元データを容易に取得することができる。

　つまり、２次元スキャン回数に対するボクセルに測定点が含まれる回数の比率に基づいてワークＷの測定形状マップＭＰを作成することにより、１回の走査で得られた距離情報などで測定形状マップＭＰを作成する場合と比較して、測定部１５の測定精度や、測定部１５からワークＷまでの距離ｒなどの影響を受けにくく、測定形状マップＭＰの精度を確保できる。

　さらに、測定精度の異なる測定部１５に交換する方法などと比較して、変更が容易な２次元スキャンの回数や閾値の値などを調整することにより、測定形状マップＭＰの精度を容易に調整できる。

　一方、測定部１５をラム１３に取り付けるため、他の部分に測定部１５を取り付ける場合と比較して、測定形状マップＭＰの精度を容易に確保できる。
　つまり、測定部１５を、ワークＷの加工に用いられるため高い位置精度で制御されるラム１３に取り付けるため、測定部１５の配置位置が高い精度で把握される。その結果、ラム１３を備える工作機械１に対するワークＷの配置位置も高い精度で把握され、工作機械１に対する測定形状マップＭＰの位置精度を容易に確保できる。

　言い換えると、測定形状マップＭＰの作成と、工作機械１に対する測定形状マップＭＰの配置位置測定と、を同時に行うため、ワークＷの３次元設計データを測定形状マップＭＰとして使用する方法と比較して、工作機械１に対する測定形状マップＭＰの配置位置測定つまりキャリブレーションを別途行う必要がなく、測定形状マップＭＰを容易に作成できる。

　測定部１５がワークＷまでの距離ｒを測定する地点を複数設定することにより、ワークＷにおける未測定領域、つまり、測定部から見たワークＷにおける死角ＢＡの発生を防止できる。
　測定部１５をラム１３に取り付けるため、測定する地点を複数設定して、複数の地点の間で測定部１５を移動させても測定形状マップＭＰの精度は確保される。その上で、複数の地点Ｐ１，Ｐ２において測定部１５からワークＷまでの距離ｒを測定することで、ワークＷにおける死角ＢＡの発生が防止され、ワークＷの全体について測定することができる。

　さらに、ラム１３に取り付けた測定部１５からワークＷまでの距離ｒを測定するため、ワークＷを載せるテーブル１１や、ワークＷをテーブルに固定する固定治具Ｊなども含めて、測定部１５からの距離が同時に測定される。そのため、テーブル１１や固定治具Ｊなども含まれた測定形状マップＭＰが作成される。この測定形状マップＭＰは、ワークＷの３次元設計データを測定形状マップＭＰとして使用する場合と比較して、テーブル１１や固定治具Ｊなども含まれているため、ワークＷと工作機械１のラム１３等との衝突の防止に適した測定形状マップＭＰとなる。

　ボクセルにおける一辺の寸法を、ワークＷに接近してきた工具がワークＷの加工に移行する地点と、ワークＷとの間の距離に基づいて設定するため、工具およびラム１３が高速で移動している期間におけるワークＷと工具等との接触を防止できる。

　つまり、測定形状マップＭＰに基づいて工具およびラム１３の移動を制御することにより、上述の加工移行地点と測定形状マップＭＰとの間隔が確保される。
　さらに、測定形状マップＭＰのボクセルにおける一辺の寸法を、上述の加工移行地点とワークＷとの距離に基づいて設定しているため、測定形状マップＭＰとワークＷとの間には、上述の距離未満の隙間が存在する。そのため、実際の加工移行地点とワークＷとの距離は、上述の間隔および上述の隙間の和となり、工具およびラム１３が高速で移動している期間におけるワークＷと工具等との接触を防止できる。

〔第２の実施形態〕
　次に、本発明の第２の実施形態について図７から図９を参照して説明する。
　本実施形態の工作機械の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、測定部および工作機械制御部の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図７から図９を用いて測定部および工作機械制御部の周辺のみを説明し、同一の構成要素等の説明を省略する。
　図７は、本実施形態の工作機械の構成を説明する全体図である。図８は、図７の測定部の構成を説明するブロック図である。
　なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

　工作機械１０１には、図７および図８に示すように、Ｘ軸方向に移動するテーブル１１と、Ｙ軸方向に移動するサドル１２と、Ｚ軸方向に移動するラム１３と、ラム１３に取り付けられワークＷまでの距離を測定する測定部１１５と、テーブル１１，サドル１２およびラム１３の移動をＮＣ制御する工作機械制御部１１６と、が設けられている。

　測定部１１５は、ワークＷの測定形状マップＭＰを作成する際に使用されるレーザ距離センサであって、図７に示すように、ラム１３におけるテーブル１１側の端部に取り付けられるものである。
　さらに、測定部１１５は、ワークＷを加工する工具等と同様に、工作機械１０１のオートツールチェンジャによりラム１３の端部に着脱されるものである。
　測定部１１５には、図８に示すように、センサヘッド１２１と、センサ制御部１２２と、送信部１２３と、バッテリ１２４と、が設けられている。

　センサヘッド１２１は、距離測定に用いるレーザ光の出射角θを変更して２次元スキャン（走査）を行うものである。
　センサヘッド１２１は、図８に示すように、センサ制御部１２２およびバッテリ１２４と接続されている。センサヘッド１２１には、センサ制御部１２２から制御信号が入力されているとともに、バッテリ１２４から電力が供給されている。一方、センサヘッド１２１により計測された距離情報は、センサ制御部１２２に出力されている。

　センサ制御部１２２は、センサヘッド１２１からレーザ光の出射およびスキャン角度θを制御するものである。
　センサ制御部１２２は、図８に示すように、センサヘッド１２１，送信部１２３およびバッテリ１２４と接続されている。センサ制御部１２２には、センサヘッド１２１から測定された距離情報が入力され、バッテリ１２４から電力が供給されている。一方、センサ制御部１２２からセンサヘッド１２１に制御信号が出力され、送信部１２３に距離情報が出力されている。

　送信部１２３は、センサヘッド１２１により測定された距離情報を工作機械制御部１１６の受信部１３１に無線送信するものである。
　送信部１２３は、図８に示すように、センサ制御部１２２およびバッテリ１２４と接続されている。送信部１２３には、センサ制御部１２２から距離情報が入力され、バッテリ１２４から電力が供給されている。送信部１２３に入力された距離情報は、無線により受信部１３１に送信されている。

　バッテリ１２４は、センサヘッド１２１、センサ制御部１２２および送信部１２３に電力を供給するものである。バッテリ１２４は、図８に示すように、センサヘッド１２１、センサ制御部１２２および送信部１２３と電力が供給可能に接続されている。

　工作機械制御部１１６は、ワークＷの切削加工前にワークＷの測定形状マップＭＰを作成し、ワークＷを切削する工具の移動を記述したＮＣプログラムのデバッグ時には、作成した測定形状マップＭＰに基づいてラム１３や工具とワークＷとの衝突を防止し、ワークＷの切削加工時には、テーブル１１、サドル１２およびラム１３の移動を制御するものである。

　図９は、図８の工作機械制御部の構成を説明するブロック図である。
　工作機械制御部１１６には、図９に示すように、測定部１１５から送信された距離情報を受信する受信部１３１と、プログラム記憶部２１およびプログラム解釈部２２と、形状認識部２３と、形状記憶部２４と、干渉判断部２５と、移動制御部２６と、が設けられている。

　受信部１３１は、測定部１１５の送信部１２３から無線送信された距離情報を受信するものである。
　受信部１３１は、図９に示すように、形状認識部２３と接続され、受信した距離情報を形状認識部２３に出力するものである。

　次に、本実施形態の送信部１２３および工作機械制御部１１６の作用について説明する。
　本実施形態に係る測定部１１５は、ワークＷを加工する工具と同様にオートツールチェンジャによりラム１３に自動的に着脱される。

　測定部１１５からワークＷまでの距離を測定する際には、センサ制御部１２２からセンサヘッド１２１に制御信号が出力され、センサヘッド１２１から測定用レーザが出力される。センサヘッド１２１により測定された距離情報は、センサヘッド１２１からセンサ制御部１２２に出力され、センサ制御部１２２から送信部１２３に出力される。

　送信部１２３は、図８および図９に示すように、入力された距離情報を無線により工作機械制御部１１６に送信する。無線で送信された距離情報は受信部１３１に受信され、受信部１３１から形状認識部２３に出力される。
　以後の作用は第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

　上記の構成によれば、測定部１１５は、電力の供給や距離情報の送信などを行う配線などを用いることなくワークＷまでの距離の測定を行い、測定した距離情報を形状認識部２３に出力することができる。つまり、センサヘッド１２１は、バッテリ１２４から供給される電力を用いてワークＷまでの距離を測定し、送信部１２３は、受信部１３１を介して測定により得られた距離情報を形状認識部に送信するため、電力の供給や距離情報の送信などを行う配線などを用いる必要がない。

　そのため、ラム１３への測定部１１５の取り付けや取り外しが容易となり、例えば、オートツールチェンジャなどの自動交換装置により測定部１１５の交換を行うことができる。
　さらに、測定部１１５と形状認識部２３との間を接続する配線等が不要なため、配線等とワークＷとの干渉を防止できる。

〔第３の実施形態〕
　次に、本発明の第３の実施形態について図１０を参照して説明する。
　本実施形態の加工機械の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、ラムと測定部と取り付け方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図１０を用いてラムおよび測定部周辺のみを説明し、同一の構成要素等の説明を省略する。
　図１０は、本実施形態の工作機械の構成を説明する全体図である。
　なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

　工作機械２０１には、図１０に示すように、Ｘ軸方向に移動するテーブル１１と、Ｙ軸方向に移動するサドル１２と、Ｚ軸方向に移動するラム１３と、ラム１３に取り付けられる測定ユニット２１５と、が設けられている。
　測定ユニット２１５は、ワークＷまでの距離を測定する測定部１５と、ラム１３に取り付けられる取付部２１６と、が設けられている。

　取付部２１６は測定部１５が設けられ、ラム１３に着脱可能に構成されたアタッチメントである。
　取付部２１６には、ラム１３との間で電力の供給や、制御信号や距離情報などの信号が伝送されるインターフェイス（図示せず）が設けられている。

　本実施形態では、ラム１３の端部からＺ軸方向に延びるとともに、中心軸線がＺ軸に沿う方向に測定部１５を支持する構成の取付部２１６に適用し説明するが、この構成に限られることなく、例えば、中心軸線がＸ－Ｙ平面と平行となるように測定部１５を支持する構成や、測定部１５の中心軸線の方向を任意に制御できる構成であってもよく、特に限定するものではない。

　測定ユニット２１５は、第１および第２の実施形態と同様に、ＮＣプログラムのデバッグなどを行う際に、ラム１３に取り付けられる。
　取り付け作業は、ワークＷの加工に用いられるアタッチメントの交換作業に用いられる交換装置（図示せず）を用いて、加工用アタッチメントと同様に自動的に行われる。ワークＷの加工時などのように、測定ユニット２１５が使用されない場合には、加工用アタッチメントと同様に、工作機械２０１に設けられた自動交換用収納箱（図示せず）に収納されている。

　上記の構成によれば、測定部１５は、電力の供給や距離情報の送信などを行う配線などを用いることなくワークＷまでの距離の測定を行い、測定した距離情報を形状認識部２３に出力することができる。つまり、測定部１５は、ラム１３および取付部２１６を介して電力の供給を受けてワークＷまでの距離を測定し、測定により得られた距離情報はラム１３および取付部２１６を介して形状認識部２３に送信されるため、電力の供給や距離情報の送信などを行う配線などを別途設ける必要がない。
　そのため、測定部１５と形状認識部２３との間を接続する配線等が不要なため、配線等とワークＷとの干渉を防止できる。

　１，１０１　工作機械
　２，１０２　ワーク計測装置
　３，１０３　衝突防止装置
　１３　ラム（主軸）
　１５，１１５　測定部
　２３　形状認識部
　２５　干渉判断部（判断部）
　２６　移動制御部（制御部）
　１２１　センサヘッド
　１２３　送信部
　１２４　バッテリ
　２１６　取付部
　Ｗ　ワーク
　ＭＰ　測定形状マップ

Claims

　加工対象であるワークを加工する工具が取り付けられる主軸に取り付けられ、非接触で前記ワークまでの距離を走査して測定する測定部と、
　空間を多面体状に分割して形成された３次元メッシュ構造を生成し、
　測定された前記ワークまでの距離情報に基づいて、前記ワークの測定点座標を算出し、
　前記３次元メッシュ構造の一単位と対応する前記ワークの位置を走査した回数に対する、前記算出した測定点が前記一単位に含まれる回数の比率が所定の閾値以上のときに、前記一単位は前記ワークの形状であるとして測定形状マップを作成する形状認識部と、
が設けられているワーク計測装置。
　前記一単位における一辺の寸法は、前記工具および前記主軸が前記ワークに接近して、前記ワークの加工に移行する地点と、前記ワークとの間の距離に基づいて設定される請求項１記載のワーク計測装置。
　前記測定部には、前記ワークまでの距離を走査して測定するセンサヘッドと、該センサヘッドにより測定された距離情報を送信する送信部と、前記センサヘッドおよび前記送信部に電力を供給するバッテリと、が設けられ、
　さらに、前記送信部から送信された前記距離情報を受信し、前記形状認識部に受信した前記距離情報を出力する受信部と、が設けられている請求項１または２に記載のワーク計測装置。
　前記測定部には、前記主軸を介して電力の供給を受けるとともに、前記主軸を介して前記測定情報を前記形状認識部に出力する取付部が設けられている請求項１または２に記載のワーク計測装置。
　請求項１から請求項４に記載のワーク計測装置と、
　少なくとも前記主軸または前記工具と前記測定形状マップとの間の干渉を判断する判断部と、
　該判断部の判断結果に基づいて、前記主軸の移動を制御する制御部と、
が設けられている衝突防止装置。
　加工対象であるワークが設置されるテーブルと、
　前記ワークを加工する工具が取り付けられる主軸と、
　請求項５に記載の衝突防止装置と、
が設けられている工作機械。