WO2020196063A1 - Ｃｎｃ加工装置のキャリブレーション方法 - Google Patents

Ｃｎｃ加工装置のキャリブレーション方法 Download PDF

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WO2020196063A1
WO2020196063A1 PCT/JP2020/011564 JP2020011564W WO2020196063A1 WO 2020196063 A1 WO2020196063 A1 WO 2020196063A1 JP 2020011564 W JP2020011564 W JP 2020011564W WO 2020196063 A1 WO2020196063 A1 WO 2020196063A1
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contact
spindle
axis
contact sensor
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雅大 鈴木
鈴木　敏
アンドレアス フィーベル
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ヘキサゴン・メトロジー株式会社
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    • G05B2219/50252—Replace, change tool with tracer head, probe, feeler

Definitions

  • the present invention relates to a method for calibrating a CNC processing apparatus capable of performing three-dimensional shape measurement.
  • a CNC processing device capable of processing a work (object) by computer numerical control
  • a CNC processing apparatus capable of measuring a three-dimensional shape (surface shape) of a work after processing the work.
  • a CNC processing apparatus for example, the apparatus disclosed in Patent Documents 1 and 2 is known.
  • Patent Document 1 replaces the tool used for machining with a contact sensor such as a touch probe after the cutting process by the CNC machining device is completed. Next, the distance to the surface of the work is measured by bringing the stylus of the touch probe into contact with the surface of the work. The surface shape of the work can be measured based on the numerical data acquired by the touch probe.
  • Patent Document 2 replaces the tool used for machining with a non-contact sensor capable of measuring the distance to the surface by laser light after the cutting process by the CNC machining device is completed.
  • the surface shape of the work can be measured based on the numerical data acquired by the non-contact sensor.
  • the tool used for machining can be replaced with a sensor.
  • the surface shape of the workpiece can be continuously measured.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to significantly reduce the working time of sensor calibration in a CNC processing apparatus capable of performing three-dimensional shape measurement.
  • a CNC machining device capable of processing an object with a tool, replacing the tool mounted on a spindle with a non-contact sensor, and measuring the surface shape of the object with the non-contact sensor.
  • Process and A method including a third step of calculating the amount of deviation required to match the non-contact sensor coordinates obtained in the second step with the mechanical coordinates obtained by the contact probe obtained in the first step.
  • the working time of sensor calibration can be significantly shortened.
  • FIG. 2A is a front view of the sensor head.
  • FIG. 2B is a side view of the sensor head.
  • FIG. 2C is a perspective view showing the appearance of the sensor head.
  • FIG. 4A shows an example of a flying laser spot type non-contact sensor.
  • FIG. 4B shows an example of a fixed line laser type non-contact sensor.
  • It is a more detailed perspective view of a holder. It is a perspective view of the holder mounted on a spindle. It is a front view of the holder mounted on a spindle. It is a schematic diagram for demonstrating the first calibration performed before measuring the shape of a work. It is a schematic diagram for demonstrating the second and subsequent calibrations.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of the CNC processing apparatus of this embodiment.
  • the CNC processing apparatus 1 includes a tool magazine 20, an intermediate arm 22, an ATC (auto tool changer) arm 24, a spindle 26, a pallet 28, a table 30, a CNC controller 32, and a cutting oil tank 34.
  • ATC auto tool changer
  • a plurality of types of tools are housed in the tool magazine 20.
  • the tool magazine 20 can rotate these tools in the direction of arrow A in the drawing.
  • the tool magazine 20 can move the tool used for machining to the fixed position FP.
  • the intermediate arm 22 takes out the tool that has moved to the fixed position FP from the tool magazine 20 and delivers it to the ATC arm 24.
  • the ATC arm 24 rotates about the shaft 24a and attaches the tool received from the intermediate arm 22 to the spindle 26. If the tool is already mounted on the spindle 26, the ATC arm 24 mounts the tool received from the intermediate arm 22 on the spindle 26 after removing the tool from the spindle 26. The tool removed from the spindle 26 is returned to the fixed position FP of the tool magazine 20 by the intermediate arm 22.
  • the object to be processed (hereinafter referred to as "work") is placed and fixed on the pallet 28.
  • the pallet 28 rotates in the direction of arrow B in FIG. 1 and rises to make the work face the tool mounted on the spindle 26.
  • the table 30 moves the pallet 28 in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions in FIG. 1 according to the control signal output from the CNC controller 32. Further, the CNC controller 32 outputs a control signal for tilting the spindle 26 with respect to the work W to the table 30.
  • the spindle 26 can be tilted in the biaxial direction with respect to the work W.
  • the CNC machining apparatus 1 can rotate the tool by the spindle 26 and control the relative position and orientation of the spindle 26 with respect to the work by the CNC controller 32.
  • the CNC processing device 1 can process the work W.
  • the sensor head 10 housed in the tool magazine 20 is moved to the fixed position FP.
  • the intermediate arm 22 and the ATC arm 24 replace the tool attached to the spindle 26 with the sensor head 10 in the fixed position FP.
  • the CNC controller 32 then changes the relative position and orientation of the spindle 26 with respect to the work according to a preset pattern.
  • the pallet 28 is moved only in the x, y, and z-axis directions during measurement.
  • the sensor head 10 outputs measurement data including information on the distance to the work at predetermined time intervals (for example, every 10 milliseconds).
  • the personal computer 40 generates three-dimensional shape data indicating the shape of the work based on the measurement data output from the sensor head 10 and the data indicating the position and orientation of the spindle 26 with respect to the work.
  • FIG. 2A is a front view of the sensor head 10.
  • FIG. 2B is a side view of the sensor head 10.
  • FIG. 2C is a perspective view showing the appearance of the sensor head 10.
  • the sensor head 10 includes a main body portion 12 and a holder 18 for mounting the main body portion 12 on the spindle 26.
  • the main body 12 has a built-in non-contact sensor for measuring the distance to the work.
  • the holder 18 is removable from the spindle 26.
  • a light emitting window 14 and a light receiving window 16 are provided at the tip of the main body 12 (the left end in FIG. 2B).
  • the laser beam L emitted from the non-contact sensor built in the main body 12 passes through the light emitting window 14 and irradiates the work W.
  • the laser beam R (reflected light) reflected on the surface of the work W passes through the light receiving window 16.
  • a holder 18 is attached to the rear end of the main body 12 (the right end in FIG. 2B).
  • the holder 18 has the same shape as the tool housed in the tool magazine 20.
  • the holder 18 allows the sensor head 10 to be mounted on the spindle 26 like any other tool.
  • the oil resistance / waterproof function of the sensor head 10 is preferably IP64 or higher in IP notation. That is, the protection class against human body and solid matter (first symbol) is "6" (dust resistant type) or higher, and the protection class against water ingress (second symbol) is "4" (protection against droplets) or higher. Is desirable.
  • a measurement control unit 100 acquires the data output from the non-contact sensor 110, for example, every 10 milliseconds. Each time the measurement control unit 100 acquires the data output from the non-contact sensor 110, the measurement control unit 100 generates measurement data including information on the distance to the work W. The measurement control unit 100 transmits the generated measurement data to the personal computer 40 via the wireless LAN unit 102.
  • the measurement data transmitted from the wireless LAN unit 102 is received by the wireless LAN unit 42 connected to the personal computer 40.
  • the received measurement data is stored in a hard disk or the like in the personal computer 40.
  • the power supply 44 converts AC power into DC power and supplies power to the personal computer 40 and the wireless LAN unit 42.
  • the non-contact sensor 110 is fixed in the main body 12 via the cushioning material 120.
  • the sensor head 10 When the sensor head 10 is removed from the spindle 26, the sensor head 10 may vibrate. Further, when the sensor head 10 is moved between the spindle 26 and the tool magazine 20, the sensor head 10 may vibrate.
  • the cushioning material 120 can protect the non-contact sensor 110 from such vibrations applied to the sensor head 10.
  • the monitor 108 is composed of a plurality of LEDs. Each LED is turned on / off according to the on / off of various signals in the measurement control unit 100. The operating state of the measurement control unit 100 can be confirmed by the lighting state of each LED. Further, the connection state of the measurement control unit 100 with the wireless LAN unit 102, the power supply control unit 104, and the non-contact sensor 110 can be confirmed by the lighting state of each LED.
  • FIG. 4A shows an example of a flying laser spot type non-contact sensor.
  • FIG. 4B shows an example of a fixed line laser type non-contact sensor.
  • the flying laser spot type non-contact sensor is composed of a laser diode 111, a galvanometer mirror 112, 113, a lens 114, a CCD 115, and a scanning motor 116.
  • the laser beam L emitted from the laser diode 111 is reflected by the galvanometer mirror 112 toward the work W, passes through the light emitting window 14 (see FIG. 2), and is reflected at the measurement point P on the surface of the work W.
  • the reflected light R reflected at the measurement point P passes through the light receiving window 16 shown in FIG. 2 and is reflected by the galvano mirror 113 toward the lens 114.
  • the reflected light R is imaged as spot light (light spot) sp by the lens 114 on a predetermined axis CA of the light receiving portion of the CCD 115 composed of a plurality of light receiving elements.
  • the imaging data of the spot light sp is output to the measurement control unit 100.
  • the position of the spot light sp on the axis CA differs depending on the distance between the sensor head 10 and the measurement point P.
  • the measurement control unit 100 (see FIG. 3) generates data including distance information between the sensor head 10 and the measurement point P based on the imaging data output from the CCD 115.
  • the galvanometers 112 and 113 described above are fixed to the drive shaft of the scanning motor 116.
  • the drive shaft of the scanning motor 116 can rotate in the direction of arrow C in FIG. 4 (a).
  • the laser beam L is periodically scanned.
  • the measurement control unit 100 transmits the measurement data to the personal computer 40.
  • the measurement data includes information (Z) regarding the distance between the sensor head 10 and the measurement point P.
  • the measurement data further includes information (X) regarding the position of the laser beam L on the x-axis. Therefore, the measurement data wirelessly transmitted from the sensor head 10 to the personal computer 40 can be represented as (X, Z).
  • the intensity of the laser beam can be adjusted according to the surface condition of the work W (for example, the surface color and reflectance). Therefore, when the flying laser spot type non-contact type sensor is used, the distance to the work W can be measured with high accuracy.
  • the flying laser spot type non-contact type sensor is expensive because its structure is complicated.
  • the fixed-line laser type non-contact sensor includes a laser diode 111, a cylindrical lens (or Powell lens) 117, a lens 114, and a CMOS image sensor (hereinafter, simply referred to as “CMOS”). It is composed of 115.
  • the laser beam emitted from the laser diode 111 is spread in the x-axis direction in FIG. 4 (b) by the cylindrical lens (or Powell lens) 117. Therefore, the laser light emitted from the laser diode 111 becomes line light (one linear light) LL.
  • Line light LL passes through the light emitting window 14 (see FIG. 2), it is irradiated in a line on extending from the measuring point P A on the surface of the workpiece W to the measurement point P B.
  • the reflected light RL of the line light LL is collected by the lens 114 through the light receiving window 16 (see FIG. 2) and is imaged on the light receiving portion of the CMOS 115.
  • the imaged image is line light and is imaged by CMOS 115.
  • the imaging data is output to the measurement control unit 100.
  • Line light captured by CMOS115 draws a curve c in response from the measurement point P A on the workpiece W in the shape of the measurement point P B.
  • the measurement control unit 100 calculates the distance between the sensor head 10 and an arbitrary position on the line from the measurement points P A to P B based on the curve c. Then, the measurement control unit 100 transmits the measurement data including the calculated distance information to the personal computer 40 by the wireless LAN unit 102.
  • Non-contact sensor fixed line laser system as the flying laser spot method shown in FIG. 4 (a), it is impossible to finely adjust the intensity of the laser beam between the measuring points P A -P B.
  • the fixed line type non-contact type sensor since the fixed line type non-contact type sensor has a simple structure, the cost can be kept low.
  • the CNC processing apparatus 1 includes not only a sensor head 10 having a non-contact sensor, but also a contact sensor.
  • the contact sensor comprises, for example, a contact touch probe.
  • the touch signal acquired by the contact sensor is transmitted to the CNC controller 32 by, for example, wireless communication.
  • the touch signal received by the CNC controller 32 may be stored in, for example, a hard disk as point data (x, y, z, x ⁇ , y ⁇ , z ⁇ ) of the contact method at that time.
  • FIG. 5 is a more detailed perspective view of the holder 18 described above.
  • FIG. 6 is a perspective view of the holder 18 mounted on the spindle 26.
  • FIG. 7 is a front view of the holder 18 mounted on the spindle 26.
  • the main body 12 is omitted for simplification.
  • the holder 18 has a substantially truncated cone-shaped tapered portion 18a and a substantially disk-shaped flange portion 18b.
  • Two recesses 18c are formed in the collar portion 18b.
  • the two recesses 18c are formed at positions separated from each other by approximately 180 degrees in the circumferential direction.
  • the spindle 26 on which the holder 18 is mounted has two convex portions 26a formed at positions corresponding to the two concave portions 18c.
  • the holder 18 can be mounted on the spindle 26 by inserting the tapered portion 18a of the holder 18 into the mounting hole 26b of the spindle 26.
  • FIG. 7 in a state where the holder 18 is mounted on the spindle 26, the two convex portions 26a are fitted into the two concave portions 18c.
  • a certain level of clearance (circumferential clearance) is secured between the convex portion 26a and the concave portion 18c so that the holder 18 can be smoothly attached to and detached from the spindle 26. Therefore, when the holder 18 is mounted on the spindle 26, the holder 18 can rotate slightly (by the amount of clearance) about the Z axis. That is, the holder 18 is slightly rotatable in the direction of arrow E in FIG.
  • the Z axis is an axis parallel to the rotation axis RA of the spindle 26.
  • the X-axis and the Y-axis are axes in two directions perpendicular to the Z-axis (see FIG. 6).
  • the sensor head 10 Since the sensor head 10 is integrated with the holder 18, when the holder 18 rotates about the Z axis, the sensor head 10 also rotates about the Z axis. When the sensor head 10 rotates about the Z axis, the position of the non-contact type sensor built in the sensor head 10 changes, so that the measured value of the non-contact type sensor is deviated. Therefore, in order to accurately measure the surface shape of the work by the non-contact sensor, it is necessary to recalibrate the non-contact sensor after mounting the holder 18 (sensor head 10) on the spindle 26.
  • the present inventors can rotate the holder slightly about the Z axis, while moving in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and X.
  • the present invention was completed by paying attention to the fact that rotation around the axis and the Y axis is restricted.
  • Calibration means adjusting the deviation of the center coordinates measured by the non-contact sensor based on the center coordinates obtained by measuring the reference device (for example, the reference sphere) with the contact probe. .. It also refers to calculating the angles (X ⁇ 0, Y ⁇ 0, Z ⁇ 0) and offsets (X0, Y0, Z0) required for such adjustment. Calibration is sometimes called qualification.
  • FIG. 8 is a schematic view for explaining the first calibration performed before measuring the shape of the work W by the CNC processing apparatus 1.
  • the center coordinates (TX, TY, TZ) of the reference sphere in the mechanical coordinate system are measured by using the contact type sensor (contact type probe) mounted on the spindle 26.
  • the center coordinates (SX1, SY1, SZ1) of the reference sphere in the non-contact sensor coordinate system are measured using the sensor head 10 (non-contact sensor 110) mounted on the spindle 26. Then, the position of the non-contact sensor is changed for each measurement, and such measurement is repeated three or more times. Note that FIG. 8 shows an example in which such a measurement is performed four times.
  • the center coordinates (SX2, SY2, SZ2) are obtained.
  • the center coordinates (SX3, SY3, SZ3) are obtained.
  • the center coordinates (SX4, SY4, SZ4) are obtained.
  • angles (X ⁇ 0, Y ⁇ 0, Z ⁇ 0) and offsets (X0, Y0, Z0) required to match the center coordinates of the non-contact sensor coordinate system with the center coordinates of the mechanical coordinate system by the contact probe are calculated.
  • X ⁇ 0 can be calculated as the amount of rotation of the sensor head 10 in the X ⁇ direction required to match SY3 and SY4 with TY.
  • Y ⁇ 0 can be calculated as the amount of rotation of the sensor head 10 in the Y ⁇ direction required to match SZ1 and SZ2 with TZ.
  • Z ⁇ 0 can be calculated as the amount of rotation of the sensor head 10 in the Z ⁇ direction required to match SY1 and SY2 with TY.
  • X0 can be calculated as the amount of deviation in the X-axis direction required to match the average value of SX1 to SX4 with TX.
  • Y0 can be calculated as the amount of deviation in the Y-axis direction required to match the average value of SY1 to SY4 with TY.
  • Z0 can be calculated as the amount of deviation in the Z-axis direction required to match the average value of SZ1 to SZ4 with TZ.
  • X ⁇ means the direction of rotation around the X-axis.
  • Y ⁇ means the direction of rotation around the Y axis.
  • Z ⁇ means the direction of rotation around the Z axis.
  • the surface shape of the work W is measured by the CNC processing device 1. Coordinates in the non-contact sensor coordinate system measured by the non-contact sensor 110 built into the sensor head 10 using the angles (X ⁇ 0, Y ⁇ 0, Z ⁇ 0) and offsets (X0, Y0, Z0) calculated above. Can be converted into a mechanical coordinate system with a contact probe.
  • the work W can be machined by replacing the sensor head 10 mounted on the spindle 26 with a tool.
  • the surface shape of the work W can be measured by replacing the tool mounted on the spindle 26 with the sensor head 10. As described above, when the sensor head 10 mounted on the spindle 26 is replaced, it is necessary to calibrate the non-contact sensor 110 built in the sensor head 10 again.
  • FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the second and subsequent calibrations.
  • the holder 18 for mounting the sensor head 10 on the spindle 26 is slightly rotatable about the Z axis, but moves in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and moves the X-axis and the Y-axis.
  • the rotation around the center is regulated. Therefore, in the second and subsequent calibrations, it is sufficient to consider the rotation of the sensor head 10 around the Z axis, the movement in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and the center of the X-axis and Y-axis. There is no need to consider the rotation. That is, in the second and subsequent calibrations, it is sufficient to measure the center coordinates of the reference sphere once with the non-contact sensor, and it is not necessary to measure the center coordinates three times or more.
  • the contact sensor (contact probe) mounted on the spindle 26 is used to determine the center coordinates (TX2, TY2, TZ2) in the mechanical coordinate system by the contact probe of the reference sphere. Measure (first step).
  • the sensor head 10 (non-contact sensor 110) is used to set the center coordinates (SX2, SY2, SZ2) of the reference sphere in the non-contact sensor coordinate system by 1. Measure only once (second step). These are summarized in Table 2 below. When the position of the reference sphere has not been changed from the first step, the previously measured center coordinates are replaced with (SX2, SY2, SZ2) for use.
  • the angle (Z ⁇ 1) and offset (X1, Y1, Z1) required to match the coordinates of the non-contact sensor coordinate system with the coordinates of the mechanical coordinate system by the contact probe are calculated. (Third step). In the second and subsequent calibrations, it is sufficient to consider the rotation of the sensor head 10 around the Z axis, so it is not necessary to calculate X ⁇ 1 and Y ⁇ 1.
  • Z ⁇ 1 can be calculated as the amount of rotation of the sensor head 10 in the Z ⁇ direction required to match SY2 with TY2.
  • X1 can be calculated as the amount of deviation in the X-axis direction required to match SX2 with TX2.
  • Y1 can be calculated as the amount of deviation in the Y-axis direction required to match SY2 with TY2.
  • Z1 can be calculated as the amount of deviation in the Z-axis direction required to match SZ2 with TZ2.
  • Angles (X ⁇ 0, Y ⁇ 0, Z ⁇ 0 + Z ⁇ 1) and offsets (X0 + X1, Y0 + Y1, Z0 + Z1) are obtained.
  • Highly accurate measurement data by converting the coordinates measured by the non-contact sensor 110 built in the sensor head 10 using the following angles (X ⁇ 0, Y ⁇ 0, Z ⁇ 0 + Z ⁇ 1) and offsets (X0 + X1, Y0 + Y1, Z0 + Z1). Can be treated as.
  • the center coordinates of the reference sphere need to be measured only once by the non-contact sensor, so that the time required for one calibration is significantly shortened. It becomes possible.
  • the reference device is spherical
  • a reference device having another shape may be used.
  • a cubic reference device may be used, or a regular triangular pyramid reference device may be used.

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Abstract

センサのキャリブレーションの作業時間を大幅に短縮することのできるＣＮＣ加工装置のキャリブレーション方法を提供する。　本発明のＣＮＣ加工装置１における非接触式センサのキャリブレーション方法は、第１工程、第２工程、及び第３工程を含む。第１工程では、基準器の中心座標を接触式プローブで測定することにより、基準器の中心の機械座標を測定する。第２工程では、スピンドル２６に非接触式センサ１１０を装着した後、基準器の中心座標を非接触式センサ１１０で１回だけ測定することにより、基準器の中心の非接触式センサ座標を測定する。第３工程では、第２工程で得られた非接触式センサ座標を、第１工程で得られた接触式プローブによる機械座標に一致させるために必要なズレ量を計算する。

Description

ＣＮＣ加工装置のキャリブレーション方法
　本発明は、三次元形状測定を行うことのできるＣＮＣ加工装置のキャリブレーション方法に関する。
　従来、コンピュータ数値制御によってワーク（対象物）を加工することのできるＣＮＣ加工装置が知られている。また、ワークを加工した後、ワークの三次元形状（表面形状）を測定することのできるＣＮＣ加工装置が知られている。このようなＣＮＣ加工装置として、例えば、特許文献１、２に開示された装置が知られている。
　特許文献１に開示された装置は、ＣＮＣ加工装置による切削加工の終了後に、加工に使用した工具を、タッチプローブなどの接触式センサに付け替える。次に、タッチプローブの測定子をワークの表面に接触させることによって、ワークの表面との距離を測定する。タッチプローブによって取得された数値データに基づいて、ワークの表面形状を測定することができる。
　特許文献２に開示された装置は、ＣＮＣ加工装置による切削加工の終了後に、加工に使用した工具を、レーザ光によって表面との距離を測定することのできる非接触式センサに付け替える。非接触式センサによって取得された数値データに基づいて、ワークの表面形状を測定することができる。
　特許文献１、２に開示された装置によれば、ＣＮＣ加工装置によってワークを加工した後、加工に使用した工具をセンサと交換することができる。このような装置によれば、ワークをＣＮＣ加工装置によって加工した後、そのワークの表面形状を引き続き測定することができる。
　ＣＮＣ加工装置によってワークの表面形状を正確に測定するためには、センサのキャリブレーション（校正）が必要となる。従来、三次元形状測定装置のキャリブレーション方法として、特許文献３に開示された方法が知られている。
特開２０１３－０８８３４１号公報 特開２０１８－８７７４９号公報 特開２００６－１６２５３７号公報
　特許文献１、２に開示された従来の装置では、加工に使用した工具をセンサに交換する際に、センサを装着するためのホルダとスピンドルの装着孔との間に若干のクリアランスが存在するため、センサの位置がわずかに移動してしまうことがあった。そのため、ワークの表面形状を正確に測定するためには、工具とセンサを交換する度に、センサのキャリブレーションをやり直す必要があった。
　特許文献３に開示された三次元形状測定装置のキャリブレーション方法では、１回のキャリブレーションを行う際には、センサエリア内にて最低３箇所の球の中心座標をそれぞれ測定する必要があった。そのため、１回のキャリブレーションに多くの時間を費やしてしまうという問題があった。
　本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、三次元形状測定を行うことのできるＣＮＣ加工装置において、センサのキャリブレーションの作業時間を大幅に短縮することを目的とする。
　上記課題を解決するための手段は、以下の発明である。
（１）工具によって対象物を加工した後、スピンドルに装着されている前記工具を非接触式センサに交換し、前記非接触式センサによって前記対象物の表面形状を測定することのできるＣＮＣ加工装置において、前記非接触式センサのキャリブレーションを行うための方法であって、
　基準器の中心座標を接触式プローブで測定することにより、前記基準器の中心の機械座標を測定する第１工程と、
　前記スピンドルに前記非接触式センサを装着した後、前記基準器の中心座標を前記非接触式センサで１回だけ測定することにより、前記基準器の中心の非接触式センサ座標を測定する第２工程と、
　前記第２工程で得られた非接触式センサ座標を、前記第１工程で得られた接触式プローブによる機械座標に一致させるために必要なズレ量を計算する第３工程と、を含む方法。
（２）前記基準器が球状である、上記（１）に記載の方法。
　本発明によれば、三次元形状測定を行うことのできるＣＮＣ加工装置において、センサのキャリブレーションの作業時間を大幅に短縮することができる。
ＣＮＣ加工装置の外観を示す斜視図である。 図２（ａ）は、センサヘッドの正面図である。図２（ｂ）は、センサヘッドの側面図である。図２（ｃ）は、センサヘッドの外観を示す斜視図である。 センサヘッドの内部を示すブロック図である。 図４（ａ）は、フライングレーザスポット方式の非接触式センサの例を示す。図４（ｂ）は、フィックスラインレーザ方式の非接触式センサの例を示す。 ホルダのより詳細な斜視図である。 スピンドルに装着されるホルダの斜視図である。 スピンドルに装着されたホルダの正面図である。 ワークの形状を測定する前に行われる１回目のキャリブレーションを説明するための模式図である。 ２回目以降のキャリブレーションを説明するための模式図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係るＣＮＣ加工装置について説明する。
　図１は、本実施形態のＣＮＣ加工装置の外観を示す斜視図である。ＣＮＣ加工装置１は、工具マガジン２０、中間アーム２２、ＡＴＣ（auto tool changer）アーム２４、スピンドル２６、パレット２８、テーブル３０、ＣＮＣコントローラ３２および切削油タンク３４を備えている。
　工具マガジン２０には、複数種類の工具が収容されている。工具マガジン２０は、これらの工具を図中の矢印Ａの方向に回転させることができる。工具マガジン２０は、加工に使用する工具を、定位置ＦＰまで移動させることができる。
　中間アーム２２は、定位置ＦＰに移動した工具を、工具マガジン２０から取り出して、ＡＴＣアーム２４へ受け渡す。ＡＴＣアーム２４は、軸２４ａを中心に回転して、中間アーム２２から受け取った工具を、スピンドル２６に装着する。スピンドル２６に既に工具が装着されている場合、ＡＴＣアーム２４は、工具をスピンドル２６から取り外した後に、中間アーム２２から受け取った工具を、スピンドル２６に装着する。スピンドル２６から取り外された工具は、中間アーム２２によって、工具マガジン２０の定位置ＦＰに戻される。
　加工される対象物（以下、「ワーク」という。）は、パレット２８に載置及び固定される。パレット２８は、図１中の矢印Ｂの方向に回動して起き上がることで、ワークをスピンドル２６に装着された工具に対向させる。テーブル３０は、ＣＮＣコントローラ３２から出力される制御信号に従って、パレット２８を、図１中のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の方向に移動させる。さらに、ＣＮＣコントローラ３２は、ワークＷに対してスピンドル２６を傾けるための制御信号を、テーブル３０へ出力する。これにより、例えば５軸制御のＣＮＣ装置の場合、ワークＷに対してスピンドル２６を２軸方向に傾けることができる。このように、ＣＮＣ加工装置１は、スピンドル２６によって工具を回転させるとともに、ワークに対するスピンドル２６の相対的な位置および向きをＣＮＣコントローラ３２によって制御することができる。これにより、ＣＮＣ加工装置１は、ワークＷを加工することができる。
　ワークの加工が終了した後、工具マガジン２０に収容されているセンサヘッド１０を、定位置ＦＰへ移動させる。次に、中間アーム２２およびＡＴＣアーム２４によって、スピンドル２６に取り付けられている工具と、定位置ＦＰにあるセンサヘッド１０を交換する。次に、ＣＮＣコントローラ３２は、ワークに対するスピンドル２６の相対的な位置および向きを、予め設定されたパターンに従って変化させる。なお、測定時におけるパレット２８の移動は、ｘ、ｙ、及びｚ軸方向のみで行う。その間、センサヘッド１０は、所定時間毎（例えば１０ミリ秒毎）に、ワークとの距離に関する情報を含む測定データを出力する。パソコン４０は、センサヘッド１０から出力された測定データと、ワークに対するスピンドル２６の位置および向きを示すデータとに基づいて、ワークの形状を示す三次元形状データを生成する。
　図２を参照して、センサヘッド１０についてより詳しく説明する。図２（ａ）は、センサヘッド１０の正面図である。図２（ｂ）は、センサヘッド１０の側面図である。図２（ｃ）は、センサヘッド１０の外観を示す斜視図である。これらの図に示すように、センサヘッド１０は、本体部１２と、本体部１２をスピンドル２６に装着するためのホルダ１８を備える。本体部１２は、ワークとの距離を測定するための非接触式センサを内蔵する。ホルダ１８は、スピンドル２６に着脱可能となっている。
　本体部１２の先端（図２（ｂ）における左端）には、発光窓１４と、受光窓１６が設けられている。本体部１２に内蔵されている非接触式センサから出射したレーザ光Ｌは、発光窓１４を通過してワークＷに照射される。ワークＷの表面で反射したレーザ光Ｒ（反射光）は、受光窓１６を通過する。
　本体部１２の後端（図２（ｂ）における右端）には、ホルダ１８が取り付けられている。ホルダ１８は、工具マガジン２０に収容されている工具と同じ形状を有する。ホルダ１８によって、センサヘッド１０を、他の工具と同様に、スピンドル２６に装着することができる。
　センサヘッド１０の耐油・防水機能は、ＩＰ表記で、ＩＰ６４以上であることが望ましい。すなわち、人体および固形物に対する保護等級（第１記号）が「６」（耐塵形）以上であり、水の浸入に対する保護等級（第２記号）が「４」（飛沫に対する保護）以上であることが望ましい。
　図３を参照して、センサヘッド１０の本体部１２内に設けられた各部の構成について説明する。本体部１２の内部には、測定制御部１００、無線ＬＡＮユニット１０２、電源制御部１０４、二次電池１０６、モニタ１０８、非接触式センサ１１０および緩衝材１２０が設けられている。測定制御部１００は、非接触式センサ１１０から出力されるデータを、例えば１０ミリ秒毎に取得する。測定制御部１００は、非接触式センサ１１０から出力されるデータを取得する毎に、ワークＷとの距離に関する情報を含む測定データを生成する。測定制御部１００は、生成した測定データを、無線ＬＡＮユニット１０２を介してパソコン４０へ送信する。
　無線ＬＡＮユニット１０２から送信された測定データは、パソコン４０に接続された無線ＬＡＮユニット４２によって受信される。この受信された測定データは、パソコン４０内のハードディスク等に蓄積される。電源４４は、交流電力を直流電力に変換して、パソコン４０および無線ＬＡＮユニット４２に電力を供給する。
　非接触式センサ１１０は、緩衝材１２０を介して本体部１２内に固定される。センサヘッド１０をスピンドル２６から取り外すとき、センサヘッド１０が振動することがある。また、センサヘッド１０をスピンドル２６と工具マガジン２０との間で移動させるときにも、センサヘッド１０が振動することがある。緩衝材１２０によって、センサヘッド１０に加えられるこのような振動から非接触式センサ１１０を保護することができる。
　モニタ１０８は、複数のＬＥＤからなる。各ＬＥＤは、測定制御部１００内の各種信号のオン／オフに応じて、点灯／消灯する。各ＬＥＤの点灯状態によって、測定制御部１００の作動状態を確認することができる。また、各ＬＥＤの点灯状態によって、測定制御部１００と、無線ＬＡＮユニット１０２、電源制御部１０４および非接触式センサ１１０との接続状態を確認することができる。
　図４を参照して、上述した非接触式センサ１１０の例について説明する。図４（ａ）は、フライングレーザスポット方式の非接触式センサの例を示す。図４（ｂ）は、フィックスラインレーザ方式の非接触式センサの例を示す。
　フライングレーザスポット方式の非接触式センサは、図４（ａ）に示すように、レーザダイオード１１１、ガルバノミラー１１２，１１３、レンズ１１４、ＣＣＤ１１５および走査用モータ１１６で構成されている。レーザダイオード１１１から出射されたレーザ光Ｌは、ガルバノミラー１１２でワークＷに向けて反射され、発光窓１４（図２参照）を通って、ワークＷの表面上の測定点Ｐで反射する。測定点Ｐで反射した反射光Ｒは、図２に示した受光窓１６を通って、ガルバノミラー１１３でレンズ１１４に向けて反射される。
　反射光Ｒは、レンズ１１４によって、複数の受光素子からなるＣＣＤ１１５の受光部の所定の軸ＣＡ上に、スポット光（光の点）ｓｐとして結像する。スポット光ｓｐの撮像データは、測定制御部１００へ出力される。スポット光ｓｐの軸ＣＡ上の位置は、センサヘッド１０と測定点Ｐとの間の距離に応じて異なる。測定制御部１００（図３参照）は、ＣＣＤ１１５から出力された撮像データに基づき、センサヘッド１０と測定点Ｐとの間の距離情報を含むデータを生成する。
　上述したガルバノミラー１１２および１１３は、走査用モータ１１６の駆動軸に固定されている。走査用モータ１１６の駆動軸は、図４（ａ）中の矢印Ｃの方向に回転することができる。矢印Ｄで示すように、ｘ軸上の所定範囲内（例えば、ワークＷの表面上の測定点ＰＡとＰＢの間）を往復するように、レーザ光Ｌが周期的に走査される。測定制御部１００は、測定データを、パソコン４０へ送信する。測定データは、センサヘッド１０と測定点Ｐとの間の距離に関する情報（Ｚ）を含む。測定データは、さらに、レーザ光Ｌのｘ軸上の位置に関する情報（Ｘ）を含む。したがって、センサヘッド１０からパソコン４０へ無線によって送信される測定データは、（Ｘ、Ｚ）と表すことができる。
　フライングレーザスポット方式の非接触式センサを用いた場合、ワークＷの表面の状態（例えば、表面の色や反射率など）に応じて、レーザ光の強度を調整することができる。そのため、フライングレーザスポット方式の非接触式センサを用いた場合、ワークＷとの距離を精度良く測定することができる。一方、フライングレーザスポット方式の非接触式センサは、その構造が複雑であるため、コストが高い。
　フィックスラインレーザ方式の非接触式センサは、図４（ｂ）に示すように、レーザダイオード１１１、シリンドリカルレンズ（またはパウエルレンズ）１１７、レンズ１１４およびＣＭＯＳイメージセンサ（以下、単に「ＣＭＯＳ」という。）１１５で構成されている。レーザダイオード１１１から出射されたレーザ光は、シリンドリカルレンズ（またはパウエルレンズ）１１７によって、図４（ｂ）中のｘ軸方向に広がる。したがって、レーザダイオード１１１から出射されたレーザ光は、ライン光（一本の線状の光）ＬＬとなる。ライン光ＬＬは、発光窓１４（図２参照）を通って、ワークＷの表面上の測定点ＰＡから測定点ＰＢへ至るライン上に照射される。
　ライン光ＬＬの反射光ＲＬは、受光窓１６（図２参照）を通って、レンズ１１４によって集光され、ＣＭＯＳ１１５の受光部に結像する。結像した像はライン光となっており、ＣＭＯＳ１１５によって撮像される。その撮像データは、測定制御部１００へ出力される。ＣＭＯＳ１１５によって撮像されたライン光は、ワークＷ上の測定点ＰＡから測定点ＰＢの形状に応じて曲線ｃを描く。測定制御部１００は、曲線ｃに基づいて、センサヘッド１０と、測定点ＰＡからＰＢ至るライン上の任意の位置との間の距離を算出する。そして、測定制御部１００は、算出した距離の情報を含む測定データを、無線ＬＡＮユニット１０２によりパソコン４０へ送信する。
　フィックスラインレーザ方式の非接触式センサは、図４（ａ）に示したフライングレーザスポット方式のように、測定点ＰＡ－ＰＢ間におけるレーザ光の強度を細かく調整することはできない。しかし、フィックスライン方式の非接触式センサは、その構造がシンプルであるため、コストを低く抑えることができる。
　図１には示されていないが、ＣＮＣ加工装置１は、非接触式センサを有するセンサヘッド１０だけでなく、さらに接触式センサを備えている。接触式センサは、例えば、接触式タッチプローブからなる。接触式センサによって取得されたタッチ信号は、例えば無線通信によってＣＮＣコントローラ３２へ送信される。ＣＮＣコントローラ３２が受信したタッチ信号は、その時点の接触方式のポイントデータ（ｘ、ｙ、ｚ、ｘθ、ｙθ、ｚθ）として、例えばハードディスクに蓄積されてもよい。
　図５は、上記で説明したホルダ１８のより詳細な斜視図である。図６は、スピンドル２６に装着されるホルダ１８の斜視図である。図７は、スピンドル２６に装着されたホルダ１８の正面図である。なお、図５～図７では、簡略化のために本体部１２を省略している。
　図５に示すように、ホルダ１８は、略円錐台形状のテーパー部１８ａと、略円板状の鍔部１８ｂを有する。鍔部１８ｂには、２つの凹部１８ｃが形成されている。２つの凹部１８ｃは、円周方向に互いに略１８０度離れた位置に形成されている。
　一方、図６に示すように、ホルダ１８が装着されるスピンドル２６には、２つの凹部１８ｃに対応する位置に２つの凸部２６ａが形成されている。ホルダ１８のテーパー部１８ａをスピンドル２６の装着孔２６ｂに挿入することによって、ホルダ１８をスピンドル２６に装着することができる。図７に示すように、ホルダ１８がスピンドル２６に装着された状態において、２つの凸部２６ａが２つの凹部１８ｃに嵌合している。
　スピンドル２６に対するホルダ１８の着脱が円滑となるように、凸部２６ａと凹部１８ｃとの間には一定以上のクリアランス（円周方向のクリアランス）が確保されている。このため、スピンドル２６にホルダ１８が装着された状態において、ホルダ１８はＺ軸を中心としてわずかに（クリアランスの分だけ）回転可能となっている。つまり、ホルダ１８は、図６の矢印Ｅの方向にわずかに回転可能である。
　一方、スピンドル２６にホルダ１８が装着された状態において、ホルダ１８のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向への移動は規制されている。ここで、Ｚ軸は、スピンドル２６の回転軸ＲＡと平行な軸である。Ｘ軸及びＹ軸は、Ｚ軸に対して垂直な２方向の軸である（図６参照）。
　センサヘッド１０はホルダ１８と一体であるため、ホルダ１８がＺ軸を中心として回転した場合、センサヘッド１０もＺ軸を中心として回転する。センサヘッド１０がＺ軸を中心として回転した場合、センサヘッド１０に内蔵されている非接触式センサの位置が変化するため、非接触式センサの測定値にズレが発生してしまう。したがって、非接触式センサによってワークの表面形状を正確に測定するためには、スピンドル２６にホルダ１８（センサヘッド１０）を装着した後、非接触式センサのキャリブレーションをやり直す必要がある。
　本発明者らは、一般的に用いられているＣＮＣ加工装置において、ホルダはＺ軸を中心としてわずかに回転可能である一方、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向への移動、及び、Ｘ軸及びＹ軸を中心とする回転が規制されている点に着目し、本発明を完成させた。
　以下、本実施形態に係るＣＮＣ加工装置における非接触式センサのキャリブレーション方法について説明する。ここでいうキャリブレーションとは、接触式プローブにて基準器（例えば基準球）を測定して得られる中心座標に基づき、非接触式センサによって測定される中心座標のズレを調整することを意味する。また、そのような調整に必要な角度（Ｘθ０、Ｙθ０、Ｚθ０）とオフセット（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）を計算することをいう。なお、キャリブレーションは、クオリフィケーションと呼ばれることもある。
　図８は、ＣＮＣ加工装置１によってワークＷの形状を測定する前に行われる１回目のキャリブレーションを説明するための模式図である。
　１回目のキャリブレーションでは、まず、スピンドル２６に装着された接触式センサ（接触式プローブ）を使用して、基準球の機械座標系における中心座標（ＴＸ、ＴＹ、ＴＺ）を測定する。
　次に、スピンドル２６に装着されたセンサヘッド１０（非接触式センサ１１０）を使用して、基準球の非接触式センサ座標系における中心座標（ＳＸ１、ＳＹ１、ＳＺ１）を測定する。そして、測定毎に非接触式センサの位置を変化させてこのような測定を３回以上繰り返す。なお、図８では、このような測定を４回行った例を示している。２回目の測定で、中心座標（ＳＸ２、ＳＹ２、ＳＺ２）が得られる。３回目の測定で、中心座標（ＳＸ３、ＳＹ３、ＳＺ３）が得られる。４回目の測定で、中心座標（ＳＸ４、ＳＹ４、ＳＺ４）が得られる。これらを整理すると、以下の表１の通りとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　次に、非接触式センサ座標系の中心座標を、接触式プローブによる機械座標系の中心座標に一致させるために必要な角度（Ｘθ０、Ｙθ０、Ｚθ０）とオフセット（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）を計算する。
　例えば、Ｘθ０は、ＳＹ３及びＳＹ４をＴＹに一致させるために必要なＸθ方向のセンサヘッド１０の回転量として計算することができる。Ｙθ０は、ＳＺ１及びＳＺ２をＴＺに一致させるために必要なＹθ方向のセンサヘッド１０の回転量として計算することができる。Ｚθ０は、ＳＹ１及びＳＹ２をＴＹに一致させるために必要なＺθ方向のセンサヘッド１０の回転量として計算することができる。Ｘ０は、ＳＸ１～ＳＸ４の平均値をＴＸに一致させるために必要なＸ軸方向のズレ量として計算することができる。Ｙ０は、ＳＹ１～ＳＹ４の平均値をＴＹに一致させるために必要なＹ軸方向のズレ量として計算することができる。Ｚ０は、ＳＺ１～ＳＺ４の平均値をＴＺに一致させるために必要なＺ軸方向のズレ量として計算することができる。ここで、Ｘθとは、Ｘ軸周りの回転方向を意味する。Ｙθは、Ｙ軸周りの回転方向を意味する。Ｚθは、Ｚ軸周りの回転方向を意味する。
　上記で説明した１回目のキャリブレーションを行った後、ＣＮＣ加工装置１によってワークＷの表面形状を測定する。上記で計算した角度（Ｘθ０、Ｙθ０、Ｚθ０）とオフセット（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）を使用して、センサヘッド１０に内蔵されている非接触式センサ１１０によって測定した非接触式センサ座標系における座標を、接触式プローブによる機械座標系に変換することができる。
　次に、スピンドル２６に装着されているセンサヘッド１０を工具に交換することによって、ワークＷを加工することができる。ワークＷを加工した後、スピンドル２６に装着されている工具をセンサヘッド１０に交換することによって、ワークＷの表面形状を測定することができる。上述した通り、スピンドル２６に装着されているセンサヘッド１０を交換した場合には、センサヘッド１０に内蔵されている非接触式センサ１１０のキャリブレーションをやり直す必要がある。
　図９は、２回目以降のキャリブレーションを説明するための模式図である。
　センサヘッド１０をスピンドル２６に装着するためのホルダ１８は、Ｚ軸を中心としてわずかに回転可能であるが、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向への移動、及び、Ｘ軸及びＹ軸を中心とする回転は規制されている。したがって、２回目以降のキャリブレーションでは、センサヘッド１０のＺ軸周りの回転を考慮すれば十分であり、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向への移動、及び、Ｘ軸及びＹ軸を中心とする回転を考慮する必要がない。すなわち、２回目以降のキャリブレーションでは、基準球の中心座標を非接触式センサによって１回測定すれば十分であり、３回以上測定する必要がない。
　２回目以降のキャリブレーションでは、まず、スピンドル２６に装着された接触式センサ（接触式プローブ）を使用して、基準球の接触式プローブによる機械座標系における中心座標（ＴＸ２、ＴＹ２、ＴＺ２）を測定する（第１工程）。
　次に、スピンドル２６にセンサヘッド１０を装着した後、センサヘッド１０（非接触式センサ１１０）を使用して、基準球の非接触式センサ座標系における中心座標（ＳＸ２、ＳＹ２、ＳＺ２）を１回だけ測定する（第２工程）。これらを整理すると、以下の表２の通りとなる。第１工程から基準球の位置を変更していないときは、前回測定した中心座標を（ＳＸ２、ＳＹ２、ＳＺ２）に置き換えて使用する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　次に、非接触式センサ座標系の座標を、接触式プローブによる機械座標系の座標に一致させるために必要な角度（Ｚθ１）とオフセット（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）を計算する。（第３工程）。
　２回目以降のキャリブレーションでは、センサヘッド１０のＺ軸周りの回転を考慮すれば十分であるため、Ｘθ１及びＹθ１を計算する必要がない。
　例えば、Ｚθ１は、ＳＹ２をＴＹ２に一致させるために必要なＺθ方向のセンサヘッド１０の回転量として計算することができる。Ｘ１は、ＳＸ２をＴＸ２に一致させるために必要なＸ軸方向のズレ量として計算することができる。Ｙ１は、ＳＹ２をＴＹ２に一致させるために必要なＹ軸方向のズレ量として計算することができる。Ｚ１は、ＳＺ２をＴＺ２に一致させるために必要なＺ軸方向のズレ量として計算することができる。
　上記で計算した角度（Ｚθ１）とオフセット（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）を、１回目のキャリブレーションで計算した角度（Ｘθ０、Ｙθ０、Ｚθ０）とオフセット（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）に加えることによって、次の角度（Ｘθ０、Ｙθ０、Ｚθ０＋Ｚθ１）とオフセット（Ｘ０＋Ｘ１、Ｙ０＋Ｙ１、Ｚ０＋Ｚ１）が得られる。次の角度（Ｘθ０、Ｙθ０、Ｚθ０＋Ｚθ１）とオフセット（Ｘ０＋Ｘ１、Ｙ０＋Ｙ１、Ｚ０＋Ｚ１）を使用して、センサヘッド１０に内蔵されている非接触式センサ１１０によって測定した座標を変換して高精度な測定データとして扱うことができる。
　本実施形態のＣＮＣ加工装置１におけるキャリブレーション方法によれば、非接触式センサによって基準球の中心座標を１回だけ測定すればよいため、１回のキャリブレーションに必要な時間を大幅に短縮することが可能となる。
　上記の実施形態では、基準器が球状である例を示したが、その他の形状の基準器を使用してもよい。例えば、立方体の基準器を使用してもよいし、正三角錐の基準器を使用してもよい。
１　　　ＣＮＣ加工装置
１０　　センサヘッド
１２　　本体部
１８　　ホルダ
２０　　工具マガジン
２６　　スピンドル
１１０　非接触式センサ

Claims (2)

  1. 　工具によって対象物を加工した後、スピンドルに装着されている前記工具を非接触式センサに交換し、前記非接触式センサによって前記対象物の表面形状を測定することのできるＣＮＣ加工装置において、前記非接触式センサのキャリブレーションを行うための方法であって、
    　基準器の中心座標を接触式プローブで測定することにより、前記基準器の中心の機械座標を測定する第１工程と、
    　前記スピンドルに前記非接触式センサを装着した後、前記基準器の中心座標を前記非接触式センサで１回だけ測定することにより、前記基準器の中心の非接触式センサ座標を測定する第２工程と、
    　前記第２工程で得られた非接触式センサ座標を、前記第１工程で得られた接触式プローブによる機械座標に一致させるために必要なズレ量を計算する第３工程と、を含む方法。
  2. 　前記基準器が球状である、請求項１に記載の方法。
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