WO2019167242A1

WO2019167242A1 - 回転工具のバランス及び振れ調整システム、バランス及び振れ計測装置、バランス及び振れ調整方法、及び、工具ホルダ

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Publication number: WO2019167242A1
Application number: PCT/JP2018/007941
Authority: WO
Inventors: 矢内正隆; 上村孝一; 辻田幸生; 大橋麗奈; 隈崎俊介; 船職彰人
Original assignee: ＢｉｇＤａｉｓｈｏｗａ株式会社; 大昭和精機株式会社
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2019-09-06
Also published as: EP3760372A4; CN111836697A; KR20230035687A; EP3760372A1; US20240219886A1; US12032351B2; EP4116783A1; KR20200123153A; CN111836697B; US20240264578A1; JP7113462B2; JPWO2019167242A1; EP4116785A1; US20210046600A1; KR102633349B1

Abstract

回転工具のバランス及び振れ調整システム１００は、回転主軸２に取付けられる工具ホルダ１０によって構成される回転工具１１と、回転工具１１の回転時において、回転工具１１の外周位置データを取得し、当該外周位置データから回転工具１１の質量バランスを計測するバランス計測装置２０と、回転工具１１の回転時において、回転工具１１の形状データを取得し、当該形状データから回転工具１１の振れ量を計測する振れ計測装置２０と、を備え、回転工具１１が、バランス計測装置２０の計測結果に基づく質量バランスの調整が可能であるとともに、振れ計測装置２０の計測結果に基づく振れ量の調整が可能に構成されている。

Description

回転工具のバランス及び振れ調整システム、バランス及び振れ計測装置、バランス及び振れ調整方法、及び、工具ホルダ

　本発明は、回転工具のバランス及び振れ調整システム、バランス及び振れ計測装置、バランス及び振れ調整方法、及び、工具ホルダに関する。

　例えば、被加工物に対する切削加工は、工作機械の回転主軸に取付けられた工具ホルダに切削工具を装着させて行われる。この場合、切削工具を含む工具ホルダ（回転工具）に振動が発生することで被加工物の加工精度が低下する。回転工具に発生する振動の要因としては、回転工具の質量のアンバランスや切削工具が有する刃部の振れ等が考えられる。

　特許文献１には、質量バランスの調整が可能な工具ホルダ（回転工具）の構成が開示されている。特許文献１では、回転工具が鍔状部を有し、当該鍔状部の工具側の端面に、複数のねじ孔が軸線を中心とした同一円周上に設けられており、各ねじ孔に異なる質量の分銅が組付可能に構成されている。本構成により、回転工具は、バランシングマシンを用いて行われるバランステストの結果に基づいて、ねじ孔に組付ける分銅を重さの異なるものに交換することで、質量バランスの調整を行うことができる。

　また、特許文献２には、装着される工具の振れ量の調整が可能な工具ホルダ（回転工具）の構成が開示されている。特許文献２の工具ホルダでは、工具ホルダが鍔状部を有し、鍔状部の工具側の端面において、３つのねじ孔が軸線を中心とした同一円周上に分散配置されている。各ねじ孔にはねじ部材が組付けられており、ねじ孔に対するねじ部材の締付け量を変更することで工具ホルダに装着される工具の振れを調整することができる。

実開平３－８７５３９号公報米国特許第５２８６０４２号明細書

　近年、例えば光学レンズ等を製造するための精密金型に対する加工では、加工面に対して鏡面仕上げを行うことがある。こうした鏡面仕上げは、精密金型に対して切削加工後に研削加工によって行われる。精密金型では、僅かな寸法変化が製品上において問題になることがある。そのため、回転工具で加工する場合は、質量バランス及び振れ量を精度よく調整する必要がある。

　特許文献１の工具ホルダでは、工具ホルダに装着される工具の振れ量を調整することができず、特許文献２の工具ホルダでは、質量バランスを調整することができない。鏡面仕上げを行う際には、回転工具を高速で回転させる必要があるが、高速回転する回転工具の質量バランス及び振れ量を精度よく調整することは困難である。そのため、回転工具の質量バランス及び振れ量の両方を調整する上で改善の余地があった。

　上記実情に鑑み、回転工具において質量バランス及び振れ量を容易且つ精度よく調整することができる回転工具のバランス及び振れ調整システムが求められている。

　本発明に係るバランス及び振れ調整システムの特徴構成は、回転主軸に取付けられる工具ホルダに工具が装着されて構成される回転工具と、
　前記回転工具の回転時において、前記回転工具の外周位置データを取得し、当該外周位置データから前記回転工具の質量バランスを計測するバランス計測装置と、
　前記回転工具の回転時において、前記回転工具の形状データを取得し、当該形状データから前記回転工具の振れ量を計測する振れ計測装置と、を備え、
　前記回転工具が、前記バランス計測装置の計測結果に基づく前記回転工具の質量バランスの調整が可能であるとともに、前記振れ計測装置の計測結果に基づく前記振れ量の調整が可能に構成されている点にある。

　本構成によれば、回転工具の回転時において、バランス計測装置を用いて回転工具の質量バランスを計測するとともに、振れ計測装置を用いて回転工具の振れ量を計測することができる。これにより、回転工具の質量バランス及び振れ量を容易に計測することができる。また、回転工具の質量バランスの調整並びに振れ量の調整は、バランス計測装置及び振れ計測装置の夫々の計測結果に基づいて行われるため、質量バランス及び振れ量の調整を精度よく行うことができる。その結果、回転工具による被加工物の加工精度を向上させることができる。

　他の特徴構成は、前記振れ計測装置が、
　前記回転工具を撮像する撮像素子と、
　前記撮像素子による撮像を所定時間毎に実行する制御部と、を備え、
　前記制御部は、前記所定時間を前記回転工具の回転周期の半分未満の時間又は／及び回転周期よりも長い時間に設定可能である点にある。

　本構成では、回転工具の振れ量を計測する振れ計測装置が、回転工具を撮像する撮像素子と、撮像素子による撮像を所定時間毎に実行する制御部と、を備えて構成されている。このような振れ計測装置では、回転工具の回転速度が低速であれば、撮像素子による撮像を行う所定時間を回転工具の回転周期の半分未満の時間に設定することで、回転工具が一回転する間に工具を複数回撮像することが可能になる。しかし、精密金型等の被加工物を切削加工して鏡面仕上げ等を行う場合には、回転工具を高速回転させる必要がある。

　例えば、回転工具が高速に回転されて、回転工具の回転周期が撮像素子（カメラ）の最小撮像間隔時間（最大フレームレートの逆数）の２倍未満になる場合には、回転工具が一回転する間に撮像素子は複数回の撮像を行うことができない。そこで、本構成では、撮像素子による撮像を所定時間毎に実行する制御部は、当該所定時間（撮像周期）を回転工具の回転周期よりも長い時間に設定することができる。これにより、回転毎に回転工具の異なる複数の回転角度における工具を撮像することができる。その結果、回転工具が低速回転だけでなく高速回転によって用いられる場合においても、回転工具の振れ量を適正に計測することができる。

　他の特徴構成は、前記工具ホルダは、前記回転主軸に取付けられた状態で前記質量バランス及び前記振れ量の調整が可能に構成される点にある。

　本構成では、工具ホルダは、回転主軸に取付けられた状態で質量バランス及び振れ量の調整が可能に構成されるので、質量バランス及び振れ量の調整を１つの装置によって行うことができる。これにより、回転工具のバランス及び振れ調整システムにおいて、質量バランス及び振れ量を調整する上での操作性が向上するとともに、装置の占有スペースを小さくすることができる。また、いったん装着された機械主軸、工具ホルダ、回転工具の位置関係を保ったままで測定及び調整作業が可能であるため、実際の加工環境に極めて近い状態で回転工具の質量バランス及び振れ量の調整を行うことができる。

　本発明に係る工具ホルダの特徴構成は、回転軸方向において一端側に設けられ回転主軸に取付けられるシャンク部と、
　前記回転軸方向において他端側に設けられ工具を装着可能なチャック部と、
　前記シャンク部と前記チャック部との間に設けられる中間部において回転軸芯周りに形成される複数の挿入孔と、
　前記挿入孔に収容され、前記挿入孔に締付け可能な挿入部材と、を備え、
　複数の前記挿入孔の各々に対し、異なる質量を有する複数の前記挿入部材が組付け可能であるとともに、前記挿入孔に対して前記挿入部材の締付け量を変更することで前記チャック部の先端側を前記回転軸に直交する方向に変形可能に構成される点にある。

　本構成によれば、工具ホルダは、中間部に形成される複数の挿入孔の各々に対し、異なる質量を有する複数の挿入部材が組付け可能であるので、複数の挿入孔に組付ける挿入部材の質量を調整することで、質量バランスを調整することができる。また、工具ホルダは、挿入孔に対して挿入部材の締付け量を変更することで先端側を回転軸に直交する方向に変形可能に構成されているので、先端側の振れ量を調整することができる。このように、本構成の工具ホルダは、複数の挿入孔と、挿入孔に組付けられる挿入部材とによって、質量バランス及び振れ量を調整することができる。したがって、工具ホルダは、簡素な構成によって質量バランス及び振れ量を調整することができる。

　本発明に係るバランス及び振れ計測装置の特徴構成は、回転主軸に取付けられる工具ホルダに工具が装着されて構成される回転工具のバランス及び振れ計測装置であって、
　前記回転工具を撮像する撮像素子と、前記撮像素子によって撮像された撮像画像に基づいて前記回転工具の質量バランス及び振れ量を計測する演算部と、を備え、
　前記回転工具の回転時において、前記演算部は、前記撮像画像に基づいて前記回転工具の外周位置データを取得し、当該外周位置データから前記回転工具の質量バランスを計測し、
　前記回転工具の回転時において、前記演算部は、前記撮像画像に基づいて前記回転工具の形状データを取得し、当該形状データから前記回転工具の振れ量を計測する点にある。

　本構成の回転工具のバランス及び振れ計測装置によれば、回転工具の回転時において、撮像素子及び演算部を用いて、回転工具の質量バランス及び振れ量を計測することができる。すなわち、質量バランスの計測及び振れ量の計測を１つの装置を用いて行うことができる。これにより、回転工具の質量バランスと振れ量との両方を計測する際の操作性が向上する。また、回転工具のバランス及び振れ調整システムを構成する上で、バランス計測装置と振れ計測装置とを個別に備える必要がないため、バランス及び振れ調整システムの占有スペースを小さくすることができる。

　本発明に係る回転工具のバランス及び振れ調整方法の特徴構成は、回転主軸に取付けられる工具ホルダに工具が装着されて構成される回転工具のバランス及び振れ調整方法であって、
　前記回転工具の回転時において、前記回転工具の外周位置データを取得し、当該外周位置データから前記回転工具の質量バランスを計測するバランス計測工程と、
　前記工具ホルダが前記回転主軸に取付けられた状態で、前記バランス計測工程の計測結果に基づいて前記工具ホルダの質量を増減して前記回転工具の質量バランスを調整するバランス調整工程と、
　前記回転工具の回転時において、前記回転工具の形状データを取得し、当該形状データから前記回転工具の振れ量を計測する振れ計測工程と、
　前記工具ホルダが前記回転主軸に取付けられた状態で、前記振れ計測工程の計測結果に基づいて前記工具ホルダの先端側を前記回転工具の回転軸に直交する方向に変形させて前記回転工具の振れ量を調整する振れ調整工程と、を有する点にある。

　本構成の回転工具のバランス及び振れ調整方法によれば、回転工具の回転時において、バランス計測工程において回転工具の質量バランスを計測するとともに、振れ計測工程において回転工具の振れ量を計測することができる。これにより、回転工具の質量バランス及び振れを容易に計測することができる。また、回転工具の質量バランス及び振れ量の調整は、いずれも、回転主軸に取付けられた状態の工具ホルダにおいて行われる。その結果、計測結果に基づく回転工具の質量バランス及び振れ量の調整を、容易且つ精度よく行うことができる。

回転工具のバランス及び振れ調整システムの概略図である。主軸に取付けられた回転工具を示す図である。回転工具の工具部分を示す図である。回転工具の工具先端側から視た図である。工具ホルダの斜視図である。工具ホルダの側断面図である。回転工具の回転角度毎の振れ量を示すグラフである。回転工具の回転角度毎の振れ量をＸＹ座標上に付した図である。図８に示される振れ量の最小値を原点に移行した図である。工具ホルダに試し錘を追加した状態を示す側断面図である。工具ホルダに試し錘を追加したことで変位した回転中心の位置を示す図である。工具ホルダに試し錘を追加したことで作用するベクトルを示す図である。試し錘による偏荷重点と修正錘の位置とを示す図である。振れ計測工程を示すフローチャートである。工具の刃部と位相検出部との位置関係を示す図である。工具の刃部と位相検出部との位置関係を示す図である。工具の刃部と位相検出部との位置関係を示す図である。工具の刃部と位相検出部との位置関係を示す図である。工具の刃部と位相検出部との位置関係を示す図である。工具の刃部と位相検出部との位置関係を示す図である。測定周期を示すグラフである。第２実施形態の振れ計測工程を示すフローチャートである。第２実施形態の測定周期を示すグラフである。

　本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

〔第１実施形態〕
　バランス及び振れ調整システムは、例えば精密金型等の鏡面仕上げ等に用いられる切削工具を有する回転工具において、質量バランス及び振れ量を調整する際に用いられる。図１に示すように、バランス及び振れ調整システム１００は、工具５を有する回転工具１１と、撮像装置２０と、を備えて構成される。本実施形態では、撮像装置２０を用いて回転工具１１の質量バランス及び振れ量を計測する。撮像装置２０は、撮像部２１と、コントローラ２２とによって構成されている。撮像部２１は回転工具１１が取付けられたコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）式の工作機械１に設置される。

　図１～図４に示すように、回転工具１１は、工作機械１の回転主軸２に取付けられる工具ホルダ１０に工具５が装着されて構成される。回転主軸２には、回転位相の基準点となる第１マーク３が上部に設けられ、工具ホルダ１０に隣接する部分に第２マーク４が設けられている。工具ホルダ１０には、回転主軸２に隣接する部分に第３マーク１３が設けられ、工具５に隣接する部分に第４マーク１４が設けられている。回転主軸２において、第１マーク３及び第２マーク４は、周方向の同位置に設けられる。また、工具ホルダ１０において、第３マーク１３及び第４マーク１４は、周方向の同位置に設けられる。こうして、第１マーク３及び第２マーク４と第３マーク１３及び第４マーク１４とは、回転主軸２の回転軸Ｚに沿うように配置される。

　図２に示すように、工具ホルダ１０は、回転主軸２に対して、第２マーク４に第３マーク１３の位置を合わせて装着される。

〔工具ホルダ〕
　図４～図６に示すように、工具ホルダ１０は、回転軸Ｚ方向（図２参照）において一端側に設けられ工作機械１の回転主軸２に取付けられるシャンク部１５と、回転軸Ｚ方向において他端側に設けられ工具５を装着可能なチャック部１７と、を備え、シャンク部１５とチャック部１７との間に鍔状部１９（中間部の一例）が設けられている。シャンク部１５及びチャック部１７は先端に向かうにつれて小径となるテーパ状に形成されている。工具ホルダ１０のチャック部１７に対し、工具５は例えば焼ばめやコレットチャック等によって装着される。工具５は工具ホルダ１０にインサートチップとして装着されてもよい。

　鍔状部１９には、チャック部１７側の端面１９ａに、工具ホルダ１０の軸心を中心とする同一円周上に、３０度間隔でねじ孔１８（挿入孔の一例）が１２個設けられている。ねじ孔１８はシャンク部１５側に向かうにつれて軸心に近づくように傾斜している。１２個のねじ孔１８の径及び深さは全て同一である。ねじ孔１８は、ねじ部材４１が挿入されて組付けられる円柱状の第１孔部１８ａと、第１孔部１８ａの奥側に連続して形成されるテーパ状の第２孔部１８ｂとを有する。ねじ孔１８には、第２孔部１８ｂにボール体４０が挿入され、ボール体４０に当接する状態で第１孔部１８ａにねじ部材４１（挿入部材の一例）が組付けられている。ねじ部材４１が端面１９ａから突出しないように、ボール体４０とねじ部材４１の軸方向長さの和は、ねじ孔１８の深さよりも短く設定されている。また、第１孔部１８ａの雌ねじ部は、ねじ部材４１とボール体４０が当接した後もねじ部材４１の締付けが可能となるよう十分な長さで設けられている。

　ねじ部材４１は、第６図に示すように、セットボルト状で、わずかだけ質量の異なるすなわち長さの異なるものが、多種類準備されている。複数のねじ部材４１は、密度の異なる複数種類の材料で同じ長さに形成することにより、夫々の質量を異ならせるように構成してもよい。

　工具ホルダ１０の複数のねじ孔１８には、所定質量のねじ部材４１ａがあらかじめ螺入されている。この状態で回転工具１１に対しバランシングマシンによりテストを行ない、その結果に基づいて、回転工具１１の回転時における動的な質量バランスを調整することができる。

　回転工具１１をバランシングマシンによりテストした結果、回転工具１１の質量にアンバランスがある場合、回転工具１１の径方向の振れとなって表出する。その結果、バランシングマシンにはアンバランスとなっている箇所の回転位相の基準点からの角度及び回転軸Ｚに対する調整径の質量が表示される。そこで、回転工具１１において最大の振れ量をゼロに近づけるように、所定質量のねじ部材４１ａに代えて当該質量が異なるねじ部材４１をねじ孔１８に螺着する。こうして、回転工具１１の回転時における動的な質量バランスを調整する。

〔撮像装置〕
　図１に示すように、撮像装置２０は、撮像部２１と、コントローラ２２（演算部の一例）とによって構成されている。撮像部２１は、工具５に向けて照射光を発する投光部２３と、照射光を受光して工具５を撮像する撮像素子２４と、撮像対象である工具５の像を撮像素子２４の受光面に結像させる対物レンズ２５及び撮像レンズ２６と、を備える。投光部２３は発光ダイオード（ＬＥＤ）等で構成される。撮像素子２４は、ミラー２７を介して照射光を受光するよう構成されている。撮像部２１は、撮像素子２４による撮像を所定時間毎に実行する制御部２８として制御基板を有する。制御部２８には、撮像を実行するトリガ回路２９が設けられている。

　コントローラ２２は、工作機械１及び撮像装置２０の撮像画像等のデータ処理や、工具５が有する刃部５Ａの数（刃数）や、後述する撮像のための回転数等の各種データ入力が行えるように構成されている。位相検出部３１は、回転主軸２に設けられた第１マーク３を検出する光電センサを備え、回転主軸２の回転位相の基準点（回転角度が０度となる箇所）を検出するために用いられる。位相検出部３１において第１マーク３が検出されると、位相検出部３１から制御部２８に向けて検出信号が送信されるよう構成されている。

　バランス及び振れ調整システム１００において、回転工具１１は以下の工程によってバランス及び振れ量が調整される。

　工作機械１に撮像装置２０の撮像部２１を配置する。
　複数の刃部５Ａを有する工具５を装着した工具ホルダ１０（回転工具１１）を工作機械１の回転主軸２に取付ける。このとき、工作機械１の回転主軸２の基準点（第１マーク３、第２マーク４）の位置と工具ホルダ１０のツール基準点（第３マーク１３）の位置とを合わせる。

　続いて、バランス計測装置（本実施形態では撮像装置２０）を用いて回転時の回転工具１１の質量バランスを計測する（バランス計測工程）。その後、バランス計測装置において計測された回転工具１１の質量バランスに基づいて、工具ホルダ１０が工作機械１の回転主軸２に取付けられた状態で、工具ホルダ１０（回転工具１１）に対してバランス調整を行う（バランス調整工程）。

　続いて、振れ計測装置（本実施形態では撮像装置２０）を用いて回転時の工具５（回転工具１１）の振れ量を計測する（振れ計測工程）。その後、振れ計測装置において計測された振れ量に基づいて、工具ホルダ１０が工作機械１の回転主軸２に取付けられた状態で、工具ホルダ１０（回転工具１１）に対して振れ調整を行う（振れ調整工程）。

　本構成によれば、回転工具１１の回転時において、撮像装置２０を用いて、回転工具１１の質量バランスを計測するとともに、回転工具１１が有する工具５（刃部５Ａ）の振れ量を計測することができる。これにより、回転工具１１の質量バランス及び振れ量を容易に計測することができる。また、回転工具１１の質量バランス及び振れ量の調整は、工作機械１の回転主軸２に取付けられた状態の工具ホルダ１０によって行うので、計測結果に基づく回転工具１１の質量バランス及び振れ量の調整を容易且つ精度よく行うことができる。

　以下に、バランス計測工程、バランス調整工程、振れ計測工程、及び、振れ調整工程の具体的な内容を説明する。

（バランス計測工程及びバランス調整工程）
　本実施形態では、バランス計測工程は撮像装置２０を用いて行われる。具体的には、撮像素子２４が回転工具１１を撮像し、得られた回転工具１１の撮像画像に基づいて回転工具１１の外周位置データ（径方向の振れ量）を取得し、コントローラ２２（演算部）を用いて当該外周位置データから回転工具１１の質量バランスを計測する。図１の状態から、撮像装置２０を上昇させるか、位相検出部３１を含んで回転主軸２を下降させるかして、投光部２３からの照射光が回転工具１１に照射されるようにする。

　具体的には、回転時の工具ホルダ１０の円筒部分（例えばチャック部１７）に投光部２３からの照射光を照射して、当該円筒部分の振れに基づいて回転工具１１の質量バランスを計測する。撮像装置２０による回転工具１１の振れの計測は、分割撮影及び遅延撮影のいずれかの撮影方法によって行われる。分割撮影は低速回転時の撮影方法であり、遅延撮影は高速回転時の撮影方法である。分割撮影及び遅延撮影については、以下の振れ計測工程において詳述する。

　撮像装置２０を用い、回転工具１１の円筒部分（チャック部１７）における１周分の所定回転角度毎の振れ量を計測する。図７に計測結果の一例を示す。これより、回転角度が１６０度のときに振れ量が最大の１６μｍ、回転角度が３４０度のときに振れ量が最小の４μｍになることが分かる。図８は、図７の結果をＸＹ座標上に展開した。具体的には、図７に示される、振れ量の最小値（３４０度、４．０μｍ）をＸＹ座標の原点からＸ軸上における正方向の所定位置とし、この位置を基準にして全ての角度の振れ量をＸＹ座標上に展開した。ＸＹ座標の原点から各点までの距離が振れ量を表している。図８では、ＸＹ座標上のＸ軸の正方向を回転工具１１の回転位相の基準点（０度）に設定した。図８において回転工具１１の円筒部分の振れの中心位置をＺ１とする。

　次に、図７における振れ量の最小値（３４０度、４．０μｍ）をＸＹ座標の原点に合わせて回転角度毎の振れ量を再計算した。具体的には、図８の円を構成する各点をＸ軸の負方向に４．０μｍだけシフトした。再計算した回転角度毎の振れ量は図９のグラフに展開することができ、図９に示すように、回転工具１１の振れの中心位置がＺ１からＺ２に移動する。Ｚ２の座標は、回転位相が１８０度異なる角度の振れ量におけるＸ値とＹ値の夫々を平均することで算定することができる。図９に示す例では、位置Ｚ２は、ＸＹ座標の原点から延びるＸ軸の正部分をＸＹ座標の原点に対する角度が０度の基準線（以下、基準線Ｓと称する）と仮定した場合に、ＸＹ座標の原点を中心に反時計回りの角度θ１が１６０度となる位置にある。また、ＸＹ座標の原点から位置Ｚ２までのベクトルの大きさは１０μｍである。このベクトルの方向を示す角度θ１は、図７に示す振れ量が最大、最小となる回転角度であって、大きさはその角度における振れ量の最大値と最小値の平均である。以後、このベクトルをベクトルＶ１と称する。

　ここで、位置Ｚ２が回転中心である回転工具１１に対し、工具ホルダ１０に試し錘を付加して試し錘による質量バランスの影響を求める。具体的には、図１０に示すように、工具ホルダ１０において周方向に分散配置された１２カ所のねじ孔１８のうち、１カ所（例えば０番、０度）のねじ孔１８から標準のねじ部材４１ａを抜き、代わりにねじ部材４１ａの質量に試し錘（例えば２００ｍｇ）が付加されたねじ部材４１ｂを組付ける。その後、同じ回転数で回転工具１１を回転させて回転工具１１の振れの変化を計測する。

　試し錘を付加することで工具ホルダ１０の振れの中心位置はＺ２からＺ３に移動したとする（図１１参照）。位置Ｚ３は、基準線Ｓから反時計回りの角度θ２が２００度となる位置になる。また、ＸＹ座標の原点から位置Ｚ３までのベクトルの大きさは６．５μｍであり、原点から位置Ｚ２までのベクトルの大きさ１０μｍに比べて減少したとする。以後、このベクトルをベクトルＶ２と称する。

　回転工具１１の振れの中心位置を移動させる上での試し錘の影響を、図１２に示す、試し錘により発生する振れは、ベクトルＶ１とベクトルＶ２とに基づくベクトル計算によってベクトルＶ３として求めることができる。ベクトルＶ１とベクトルＶ３の和がベクトルＶ２であるので、ベクトルＶ３はベクトルＶ２からベクトルＶ１を減じることにより求めることができる。

　試し錘の影響を示すベクトルＶ３において、Ｘ成分Ｖ３ｘは、以下の数１式よって表すことができる。

　また、Ｙ成分Ｖ３ｙは、以下の数２式によって表すことができる。

　これにより、基準線ＳからベクトルＶ３までの時計回りの角度θ３と、ベクトルＶ３の大きさとは、以下の数３式及び数４式によって算出される。

　図１２に示す例では、角度θ３は－５９．８度であり、ベクトルＶ３の大きさは６．５μｍである。

　図１３に、試し錘Ｃの位置、偏荷重Ｄの位置、偏荷重Ｄを付加して回転工具１１の偏荷重を修正する位置（修正点）Ｅを示す。試し錘Ｃによる影響を示すベクトルＶ３と、試し錘Ｃの位置（０番、０度）との関係から、回転工具１１の偏荷重Ｄは、以下の数５式によって算出される。ここで、偏荷重Ｄとは、回転時の回転工具１１においてアンバランスを発生させる荷重の大きさと定義する。

　回転工具１１の周方向において偏荷重Ｄの位置は基準線Ｓから角度θ４の位置であり、角度θ４は、以下の数６式によって算出される。

　図１３に示される偏荷重Ｄは、回転工具１１において偏荷重Ｄが存在する位置であるので、例えば工具ホルダ１０から偏荷重Ｄを除去することで、回転工具１１の振れ量が最も小さくなる。これに代えて、工具ホルダ１０にバランス修正用の錘を付加して偏荷重Ｄを相殺する場合には、図１３に示す位置Ｅに錘を付加することとなる。位置Ｅは原点に対して角度θ４と対称位置となる基準線Ｓから角度θ５の位置であり、角度θ５は以下の数７式によって算出される。

　図７～図１２に示す実施例では、図１３において、偏荷重Ｄが３０８ｍｇ、基準線Ｓから偏荷重Ｄの位置までの角度θ４は２１９．８度となるので、基準線Ｓから位置Ｅまでの角度θ５は３９．８度となる。ねじ孔１８は工具ホルダ１０の周方向において３０度間隔で設けられているので、例えば番号１のねじ孔１８と番号２のねじ孔１８に偏荷重Ｄを相殺する荷重（３０８ｍｇ）になるように分けて付加することで、回転工具１１の質量バランスを適正に調整することができる。これにより、回転工具１１のバランス調整が完了する。

（振れ計測工程）
　撮像装置２０において、回転工具１１の振れ量が計測される。
　具体的には、回転工具１１の回転時において、撮像装置２０の撮像素子２４が回転工具１１を撮像し、得られた回転工具１１の撮像画像に基づいて工具５の刃部５Ａ（回転工具１１）の形状データを取得し、コントローラ２２（演算部）を用いて当該形状データから刃部５Ａ（回転工具１１）の振れ量を計測する。

　撮像装置２０は、回転工具１１の複数の刃部５Ａの振れ量の計測を、前述の分割撮像及び遅延撮像のいずれかを用いて行う。分割撮像は、回転体が一回転する間に複数回撮像する撮像方法である。一方、遅延撮像は、回転体の回転周期（一回転周期または複数回転周期）よりも少し長い時間を撮像周期にすることでストロボ効果を発揮させて回転体を撮像する撮像方法である。

　回転工具１１が低速回転で使用されて回転工具１１の回転周期が撮像素子２４（カメラ）の最高撮像周期の２倍以上の場合には、回転工具１１が一回転する間に撮像素子２４は複数回の撮像が可能である。そのため、この場合は、撮像装置２０は分割撮像を用いて回転工具１１の複数の刃部５Ａの振れ量の計測を行うことができる。

　一方、回転工具１１が高速回転されて、回転工具１１の回転周期が撮像素子２４（カメラ）の最高撮像周期の２倍未満の場合には、回転工具１１が一回転する間に撮像素子２４は複数回の撮像を行うことができない。そのため、この場合は、撮像装置２０は分割撮像に代えて遅延撮像を用いて回転工具１１の複数の刃部５Ａの振れ量の計測を行う。このように、２つの撮影方法を使い分けることで、回転工具１１の複数の刃部５Ａの振れ量を効果的に計測することができる。

　回転工具１１によって精密金型等に対して鏡面加工等の精度の高い加工を施すためには、刃部５Ａを有する回転工具１１を高速回転させる必要がある。そこで、以下では、図１４に示すフローチャートに基づいて、遅延撮像を用いた回転工具１１の振れ計測工程を説明する。遅延撮像による振れ計測工程では、複数の刃部５Ａに対し、決定された起点に基づいて複数の刃部５Ａに順に識別番号（例えば５Ａ１，５Ａ２，・・・ｎ）を付与し、工具５（回転工具１１）を連続的に回転させて、一定周期で複数の刃部５Ａの振れの計測を行う。図１５～図２０は、振れ計測工程における位相検出部３１に対する工具５（回転工具１１）の回転位相の推移を示す。

　ステップ♯１において測定周期Ｍを計算する。一例として、測定対象の回転工具１１が５０００回／分で回転し刃部５Ａが２枚である場合を想定する。この場合、回転工具１１の回転周期は１２．００ミリ秒となる。ここで、撮像素子２４を有するカメラの最小撮像間隔時間（最大フレームレートの逆数）は１２．６７ミリ秒とする。この場合、回転工具１１の回転周期がカメラの最小撮像間隔時間の２倍未満であるので、遅延撮像を行って回転工具１１の刃部５Ａの振れ量を計測する。

　遅延撮像において、撮像素子２４の撮像タイミングを回転工具１１の回転周期よりも遅らせるための回転数（遅延撮像用回転数と称する）をコントローラ２２によって設定する。これにより、初期撮像用回転数は、以下の数８式を用いて算出される。

　例えば、遅延撮像用回転数を５回／分とすると、初期撮像用回転数は、４９９５回／分となる。

　ここで、初期撮像用回転数として算出された、４９９５回／分は、撮像間隔時間に換算すると、１２．０１ミリ秒となり、撮像素子２４の最小撮像間隔時間１２．６７ミリ秒よりも小さい。このため、撮像素子２４の撮像間隔時間を、遅延撮像用の周期（１２．０１ミリ秒）にすることができない。そこで、初期撮像用回転数を撮像周期に換算した、１２．０１ミリ秒を撮像素子２４の最小撮像間隔時間（１２．６７ミリ秒）以上になる整数（本実施例では「２」）で乗算する。これにより、撮像素子２４の撮像間隔時間は、回転工具１１の二回転周期よりも少し長い時間（２４．０２ミリ秒）に設定されて、刃部５Ａの振れ量を適正に計測することができる。撮像素子２４による撮像は、制御部２８に設けられたトリガ回路２９のトリガ信号が、撮像素子２４を含むカメラにトリガ信号が出力されることで実行される。

　次に、ステップ＃２において、起点となる第１マーク３の位置を基準とした撮像開始位相を設定し、初回撮像開始までの遅延時間Ｗを算出する。本実施例では、撮像開始位相は０．７５周、遅延時間Ｗは９ミリ秒に設定される。

　ステップ＃３～ステップ＃１３によって、工具５の刃部５Ａの振れ量が計測される。
　ステップ＃３において、起点となる第１マーク３（第４マーク１４）が位相検出部３１に検出される（図１５参照）。ステップ＃４において、刃部５Ａ１が初期計測刃（Ｎ＝１）として設定される。続いて、遅延時間Ｗの経過後に撮像が開始され、刃部５Ａ１の位置（回転工具１１の回転軸Ｚから刃部５Ａの外面までの距離）の最大値の検出が開始される（ステップ＃５、ステップ＃６、図１６参照）。図１６は、刃部５Ａ１の撮像が開始された工具５（回転工具１１）の回転位相を示す。

　測定周期Ｍによる撮像が継続されて、刃部５Ａ１の位置の最大値が随時更新される（ステップ＃７，ステップ＃８）。図１７は、刃部５Ａ１の撮像範囲（撮像領域）の半分が終了した工具５の回転位相を示す。ステップ＃９において、Ｎ枚目（例えば１枚目）の刃（刃部５Ａ１）の撮像範囲（撮像領域）の撮像が終了したか否かが確認され、撮像範囲の撮像が終了していなければステップ＃７に戻り、刃部５Ａ１の撮像が継続され、刃部５Ａ１の撮像範囲の撮像が終了すると、刃部５Ａ１の位置の最大値を記録する（ステップ＃１０）。刃部５Ａ１の位置の最大値は、撮像部２１の制御部２８又はコントローラ２２に設けられる不図示の演算部等に記憶される。ステップ＃１０では、刃部５Ａの刃数分（Ｎ個）の最大値が記憶される。図１８は、刃部５Ａ２の撮像が開始された工具５の回転位相を示す。図１９は、刃部５Ａ２の撮像領域の撮像が半分終了した工具５の回転位相を示す。図２０は、刃部５Ａ２の撮像領域の撮像が全て終了した工具５の回転位相を示す。

　ステップ＃１１において、目標刃数Ｎの達成が確認される。目標刃数Ｎが未達成であれば、刃部５Ａ１の位置の最大値がリセットされて、次の刃（本実施形態では刃部５Ａ２）の計測が実行される（ステップ＃１２、ステップ＃６）。ステップ＃１１において、目標刃数Ｎの達成が確認されると、ステップ＃１３において回転工具１１の複数の刃部５Ａによる振れ量が計算される。

　図２１に、回転工具１１の回転波形（サイン波形）と、回転工具１１の刃部５Ａの位置の測定周期Ｍ（撮像素子２４の撮像間隔時間）との関係を示す。位相検出部３１の光電センサが第１マーク３を検出して遅延時間Ｗが経過すると、トリガ回路２９からの外部トリガを起動し撮像素子２４を備えるカメラのシャッター（不図示）が開閉する。これにより、撮像素子２４によって回転工具１１の工具５の最初の撮像が行われる。その後、測定周期Ｍが経過する度に撮像素子２４による撮像が繰り返される。

〔振れ調整工程〕
　振れ計測工程の計測結果に基づいて、回転工具１１の複数の刃部５Ａの振れ量を調整する。具体的には、工具ホルダ１０において、一部のねじ孔１８に組付けられたねじ部材４１の締込み量を調整する。具体的には、ねじ部材４１をねじ孔１８の底面に向けて締め込んでいく。これにより、ねじ部材４１の先端面に当接するボール体４０がねじ孔１８の底部（第２孔部１８ｂの内面）を押圧する。ねじ孔１８は、工具ホルダ１０の基端側に向かうにつれて工具ホルダ１０の軸心に近づくよう傾斜して設けられている。したがって、チャック部１７の先端は、ねじ部材４１が締め込まれることで、工具ホルダ１０の基端部に作用するねじ部材４１の反力を受ける。

　これにより、チャック部１７において、ねじ部材４１が締め込まれたねじ孔１８の部位から先端に向かう部分が径方向外方に向けて変形可能になる。複数のねじ孔１８に組付けられたねじ部材４１を選択してねじ部材４１の締付け量を適宜に変更することで、回転工具１１において複数の刃部５Ａの振れ量が小さくなるよう調整することができる。

　ここで、ねじ部材４１の軸心方向において、ねじ部材４１とボール体４０との接触面積が小さい方が好ましい。ねじ部材４１とボール体４０との軸心方向における接触面積を小さくことで、両者の接触抵抗が小さくなる。すなわち、ねじ部材４１を締付けてねじ部材４１によってボール体４０を押圧する際の押圧効率が向上する。これにより、ボール体４０によるねじ孔１８の底部への押圧力を高めることができるため、チャック部１７の変形量を増加させ易くなる。ねじ部材４１とボール体４０との接触面積を小さくするために、例えば、ねじ部材４１の先端側軸心部分にねじ部材４１の本体部よりも小径の凸部を設けてもよい。

　〔第２実施形態〕
　本実施形態では、振れ計測工程における遅延撮像方法が第１実施形態とは異なる。他の構成は、第１実施形態と同じである。

　本実施形態における、遅延撮像による回転工具１１の振れ計測は、図２２に示すフローチャートに基づいて行われる。具体的には以下の手順で行われる。複数の刃部５Ａに対し、決定された起点に基づいて刃部５Ａに順に識別番号（例えば５Ａ１，５Ａ２，・・・ｎ）を付与し、工具５（回転工具１１）を連続的に回転させて、測定周期Ｍ（撮像間隔時間）を回転周期（基準周期Ｍ１）より長くして刃部５Ａの位置の計測を行う。

　ステップ♯２１において、基準周期Ｍ１と、起点となる第１マーク３が位相検出部３１に検出されてから基準周期Ｍ１が経過する毎に加算される位相待ち時間αとを計算する。第１実施形態に示す例と同じく、測定対象の回転工具１１が５０００回／分で回転し刃部５Ａが２枚である場合には、基準周期Ｍ１は、回転工具１１が二回転周期（２４ミリ秒）となる。位相待ち時間αは、以下の数９式によって算出することができる。

　例えば、回転工具１１を回転角度において１度毎に撮像する場合には、上記の数９式に、一回転周期１２ミリ秒と、撮像回数３６０回とを代入する。これにより、位相待ち時間αは、０．０３３ミリ秒となる。

　ステップ＃２２～ステップ＃３０によって、工具５の複数の刃部５Ａの位置（回転工具１１の回転軸Ｚから刃部５Ａの外面までの距離）が計測される。ステップ＃２２において、起点となる第１マーク３が位相検出部３１に検出されると、撮像素子２４による撮像が開始され、刃部５Ａ１の位置の最大値の検出が開始される。

　ステップ＃２４において、基準周期Ｍ１の経過後に、起点となる第１マーク３が位相検出部３１に検出されると、位相待ち時間αが積算される（ステップ＃２５）。たとえば、２回目の撮像であれば位相待ち時間はαであり、３回目の撮像であれば位相待ち時間は２αとなる（図２３参照）。ステップ＃２６において、刃部５Ａ１の位置の最大値が随時更新される。具体的には、計測された刃部５Ａ１の位置（位置ｎ）の値がその直前に計測された位置（位置ｎ－１）の値より大きい場合に最大値が更新される。刃部５Ａ１の位置の計測において、位置（位置ｎ）の値が直前の計測された位置（位置ｎ－１）の値より小さくなると（ステップ＃２７：Ｙｅｓ）、現在の最大値をピーク値の刃先位置と認識して記録する（ステップ＃２８）。ステップ＃２８では、刃部５Ａの刃数分（Ｎ個）の最大値が記憶される。ステップ＃２８において、位置ｎ＜（位置ｎ－１）でない場合には（ステップ＃２７：Ｎｏ）、ステップ＃２４に戻って撮像が継続される。

　ステップ＃２９において、目標刃数Ｎの達成が確認され、未達成であれば、次の刃部５Ａ（本実施例では刃部５Ａ２）の計測が実行される（ステップ＃３０、ステップ＃２３）。ステップ＃２９において、目標刃数Ｎの達成が確認されると（又は、位相待ち時間αの積算値が回転工具１１の一回転分になると）、ステップ＃３１において回転工具１１の複数の刃部５Ａにおける振れ量が計算される。

　図２３に、回転工具１１の回転波形（サイン波形）と、回転工具１１の刃部５Ａの位置の測定周期Ｍ（撮像素子２４の撮像間隔時間）との関係を示す。図２３では、起点となる第１マーク３の位置が撮像開始位相である例を示す。すなわち、位相検出部３１が第１マーク３を検出してから初回撮像開始までの遅延時間Ｗはゼロ（位相待ちなし）である。

　図２３に示すように、撮像素子２４による工具５の初回撮像においては、位相検出部３１の光電センサが第１マーク３を検出すると、トリガ回路２９からの外部トリガが即座に起動して、撮像素子２４を備えるカメラのシャッター（不図示）を開閉させる。２回目の撮像は、基準周期Ｍ１（２回転周期）に位相待ち時間αが加算された後に行われる。その後、位相検出部３１の光電センサが第１マーク３を基準周期Ｍ１（２回転周期）間隔で検出する毎に、位相待ち時間αが積算される。こうして、測定周期Ｍ（撮像間隔時間）を回転周期（基準周期Ｍ１）より長くして工具５の位置の計測を行う。もしくは、第１マーク３を検出する毎に位相待ち時間αを加算せずに、回転周期（基準周期Ｍ１）より長い所定の測定周期Ｍだけを検出して計測を行うこともできる。

〔他の実施形態〕
（１）バランス及び振れ調整システム１００は、バランス計測装置として例えばフィールドバランサを用いて回転工具１１の質量バランスを計測する構成でもよい。

（２）上記の実施形態では、バランス及び振れ調整システム１００は、バランス計測工程及びバランス調整工程を先に行い、続いて振れ計測工程及び振れ調整工程を行う例を示したが、振れ計測工程及び振れ調整工程を先に行い、続いてバランス計測工程及びバランス調整工程を行う構成でもよい。

（３）上記の実施形態では、工具ホルダ１０において、ねじ孔１８（挿入孔）に対し、ボール体４０とねじ部材４１（挿入部材）とを挿入して組付ける例を示したが、ボール体４０に代えて円柱状や角柱状等の他の形状で形成された押圧用部材を用いてねじ孔１８の底部を押圧する構成でもよい。当該押圧部材とねじ部材４１との接触面積を小さくするには、ねじ部材４１の先端側軸心部分をねじ部材４１の本体部より小径にしてもよく、ねじ部材４１と押圧用部材とが当接する両端面のうち少なくとも一方を曲面状の凸部で構成してもよい。また、ねじ孔１８（挿入孔）にねじ部材４１（挿入部材）のみを挿入して組付ける構成でもよい。この場合には、ねじ部材４１の先端側は、ねじ孔１８の底部（第２孔部１８ｂの内面）に当接可能な形状にする必要がある。

（４）工具ホルダ１０は、工作機械１の回転主軸２に取付けられ、工具５を装着する工具ホルダ１０であれば、その形式を問わず実施することができる。

　本発明は、回転工具の質量バランス及び振れ量の調整に広く用いることができる。

１　　　　：工作機械
２　　　　：回転主軸
３　　　　：第１マーク
４　　　　：第２マーク
５　　　　：工具
５Ａ　　　：刃部
１０　　　：工具ホルダ
１１　　　：回転工具
１３　　　：第３マーク
１４　　　：第４マーク
１９　　　：鍔状部（中間部）
１９ａ　　：端面
１８　　　：ねじ孔（挿入孔）
２０　　　：撮像装置（バランス計測装置，振れ計測装置）
２１　　　：撮像部
２２　　　：コントローラ（演算部）
２３　　　：投光部
２４　　　：撮像素子
２８　　　：制御基板（制御部）
２９　　　：トリガ回路
３１　　　：位相検出部
４０　　　：ボール体
４１　　　：ねじ部材（挿入部材）
１００　　：バランス及び振れ調整システム
Ｓ　　　　：基準線
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３　：ベクトル
Ｚ　　　　：回転軸

Claims

　回転主軸に取付けられる工具ホルダに工具が装着されて構成される回転工具と、
　前記回転工具の回転時において、前記回転工具の外周位置データを取得し、当該外周位置データから前記回転工具の質量バランスを計測するバランス計測装置と、
　前記回転工具の回転時において、前記回転工具の形状データを取得し、当該形状データから前記回転工具の振れ量を計測する振れ計測装置と、を備え、
　前記回転工具が、前記バランス計測装置の計測結果に基づく前記質量バランスの調整が可能であるとともに、前記振れ計測装置の計測結果に基づく前記振れ量の調整が可能に構成されている回転工具のバランス及び振れ調整システム。
　前記振れ計測装置が、
　前記回転工具を撮像する撮像素子と、
　前記撮像素子による撮像を所定時間毎に実行する制御部と、を備え、
　前記制御部は、前記所定時間を前記回転工具の回転周期の半分未満の時間又は／及び回転周期よりも長い時間に設定可能である請求項１に記載の回転工具のバランス及び振れ調整システム。
　前記工具ホルダは、前記回転主軸に取付けられた状態で前記質量バランス及び前記振れ量の調整が可能に構成される請求項１又は２に記載の回転工具のバランス及び振れ調整システム。
　回転軸方向において一端側に設けられ回転主軸に取付けられるシャンク部と、
　前記回転軸方向において他端側に設けられ工具を装着可能なチャック部と、
　前記シャンク部と前記チャック部との間に設けられる中間部において回転軸芯周りに形成される複数の挿入孔と、
　前記挿入孔に収容され、前記挿入孔に締付け可能な挿入部材と、を備え、
　複数の前記挿入孔の各々に対し、異なる質量を有する複数の前記挿入部材が組付け可能であるとともに、前記挿入孔に対して前記挿入部材の締付け量を変更することで前記チャック部の先端側を前記回転軸に直交する方向に変形可能に構成される工具ホルダ。
　回転主軸に取付けられる工具ホルダに工具が装着されて構成される回転工具のバランス及び振れ計測装置であって、
　前記回転工具を撮像する撮像素子と、前記撮像素子によって撮像された撮像画像に基づいて前記回転工具の質量バランス及び振れ量を計測する演算部と、を備え、
　前記回転工具の回転時において、前記演算部は、前記撮像画像に基づいて前記回転工具の外周位置データを取得し、当該外周位置データから前記回転工具の質量バランスを計測し、
　前記回転工具の回転時において、前記演算部は、前記撮像画像に基づいて前記回転工具の形状データを取得し、当該形状データから前記回転工具の振れ量を計測する回転工具のバランス及び振れ計測装置。
　回転主軸に取付けられる工具ホルダに工具が装着されて構成される回転工具のバランス及び振れ調整方法であって、
　前記回転工具の回転時において、前記回転工具の外周位置データを取得し、当該外周位置データから前記回転工具の質量バランスを計測するバランス計測工程と、
　前記工具ホルダが前記回転主軸に取付けられた状態で、前記バランス計測工程の計測結果に基づいて前記工具ホルダの質量を増減して前記回転工具の質量バランスを調整するバランス調整工程と、
　前記回転工具の回転時において、前記回転工具の形状データを取得し、当該形状データから前記回転工具の振れ量を計測する振れ計測工程と、
　前記工具ホルダが前記回転主軸に取付けられた状態で、前記振れ計測工程の計測結果に基づいて前記工具ホルダの先端側を前記回転工具の回転軸に直交する方向に変形させて前記回転工具の振れ量を調整する振れ調整工程と、を有する回転工具のバランス及び振れ調整方法。