JP2006300537A - 光学式測定装置及び光学式測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】 自動制御型加工機とともに使用する光学式測定装置において、構成を簡単にすること。
【解決手段】 ＮＣ加工機１は、測定対象物４の加工時に、加工用テーブル２をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動制御すると共に主軸ヘッド６をＺ軸方向に移動制御し、測定対象物４の測定時に、加工用テーブル２を加工時と同一の制御によって移動させると共に主軸ヘッド６を所定のＺ軸座標値に保持する。測定時に、レーザ変位計１５は、光路変更用のプリズム１６及び主軸ヘッド６に装着された平行プリズム１２を介して、測定対象物４に測定用光を照射し、測定対象物４からの測定用光を逆経路で検出する。レーザ変位計１５は、ＮＣ加工機１の加工用テーブル２のＸ座標値及びＹ座標値に同期して検出した前記測定用光に基づいて測定対象物４の形状を算出する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、測定用光を出力する光源と測定対象物で反射してきた前記測定用光を検出する光検出手段とを有し、前記光検出手段で検出した前記測定用光に基づいて前記測定対象物の形状等を測定する光学式測定装置及び前記光学式測定装置を用いた光学式測定システムに関し、特に、ＮＣ（数値制御）加工機やマシニングセンターをはじめとするワーク（加工対象物、測定対象物）の加工を自動制御によって行う自動制御型加工機とともに使用する光学式測定装置、及び、前記自動制御型加工機と前記光学式測定装置とを備えた光学式測定システムに関する。

従来から、ＮＣ加工機やマシニングセンターをはじめとして加工対象物の加工を自動制御によって行うようにした各種の自動制御型加工機が利用されている。前記自動制御型加工機においては、加工対象物を載置固定する加工用テーブルと、工具を取り付ける工具主軸を通る工具主軸位置に装着された加工用の工具を駆動する主軸ヘッドと、前記主軸ヘッドに装着される加工用工具を適宜選択して着脱する自動工具交換装置（ＡＴＣ）とを備えている。
ＡＴＣは、複数の加工用の工具を収納する工具マガジンと、前記工具マガジンに収納された複数の加工用工具の中から加工に必要な工具を選択して、前記主軸ヘッドの工具主軸位置に着脱するアームとを備えている。

前記自動制御型加工機によって加工対象物を加工する場合、制御手段による自動制御によって、前記加工対象物を固定した加工用テーブルを水平方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に所定量ずつ移動させることによって加工対象物をＸ軸方向及びＹ軸方向に所定量ずつ移動させると共に、前記加工用テーブルの水平方向への移動に同期して前記主軸ヘッドを垂直方向（Ｚ軸方向）に所定量ずつ移動させることにより、前記加工用工具を垂直方向に所定量ずつ移動させ、前記工具によって前記加工対象物の加工を行う。

加工に用いる加工用工具を変更する場合は、ＡＴＣによって、主軸ベッドの工具主軸位置に取り付けられた加工用工具の脱着、前記取り外した加工用工具の前記工具マガジンへの収納、前記工具マガジンに収納されている複数の加工用工具の中から加工に使用する加工用工具の選択、選択した加工用工具の前記工具マガジンからの取り出し、取り出した加工用工具の前記工具主軸位置への装着を行う。これにより、加工機に対する加工用工具の交換が行われる。尚、前記加工用工具は、ＡＴＣによる装着及び脱着が可能なように、大きさや形状等が所定の規格によって定められたホルダに取り付けられている（特許文献１、２参照）。

加工対象物の加工途中や一応の加工処理が終了した時点で、加工対象物の形状等が所定値に加工されたか否かを測定する。
従来、加工対象物（測定する場合は測定対象物となる。）の測定においては、前記加工対象物を加工用テーブルに加工中の状態に固定しておくと共に、前記工具主軸位置に接触式のタッチセンサを装着し、前記タッチセンサを加工対象物表面に当接させ、その時の前記加工用テーブルの位置座標値（Ｘ座標値、Ｙ座標値）や主軸ヘッドの位置（Ｚ座標値）を読み、測定点の三次元座標を得ることによって測定対象物の形状測定を行うようにしている。

この場合、前記タッチセンサへ電気系統を接続したり、タッチセンサと加工対象物との当接を知らせるための点灯用レーザへ電気系統を接続する必要があるため、構成が複雑になるという問題がある。
また、接触式のタッチセンサを用いて測定するため、詳細な測定が困難であり、又、耐久性に問題があったり、測定対象物に傷を付ける恐れがある等の問題がある。
また、タッチセンサの構造上、常に同じ方向から測定対象物に接触しなければならないため測定に制約が生じたり、又、高速での接触ができないため高速な測定が困難であるという問題がある。

また、耐振性、構造の複雑さ、ユーティリティ（電気系統、エアーなど）に関する電気的接続や機械的接続の制約から、ＡＴＣは使用できないため、タッチセンサの主軸ヘッドへの装着と脱着は手動で行なわざるを得なわざるをえず、測定作業が煩雑になるいという問題がある。

特開平１０−８０８３４号公報 特開平１０−８０８３４号公報

本発明は、構成を簡単にすることを課題としている。
また、本発明は、構成を簡単にすると共に耐久性を向上することを課題としている。
また、本発明は、測定作業を容易に行えるようにすることを課題としている。

本発明によれば、自動制御型加工機の工具主軸方向に移動可能なように前記自動制御型加工機の工具主軸位置に配設された導光手段と、固定系に配設され、測定用光を出力する光源及び測定用光の検出を行う光検出手段を有する光測定部とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置が提供される。
光測定部の光源から、自動制御型加工機の工具主軸方向に移動可能なように前記自動制御型加工機の工具主軸位置に配設された導光手段側へ測定用光を出力し、光検出手段は、固定系に配設され、前記導光手段からの測定用光を検出する。

ここで、前記導光手段は、前記自動制御型加工機の主軸ヘッドにおける前記工具主軸位置、例えば工具取付部に装着されるホルダと、前記ホルダに一体的に設けられ、前記光測定部からの測定用光を測定対象物側に導光すると共に前記測定対象物からの測定用光を前記光測定部側に導光する導光部とを有して成り、前記導光手段は、前記自動制御型加工機の自動工具交換装置のアームによって、前記自動工具交換装置の工具マガジンへの格納と前記工具マガジンからの取出し、及び、前記工具取付部への装着と脱着が行われるように構成してもよい。

また、前記導光手段は、前記工具主軸と前記測定用光の光軸を一致させるように配設された平行プリズムまたは反射面が平行をなすように配設された一対の反射ミラーを備え、前記工具主軸方向に移動した場合でも、前記光測定部から前記測定対象物表面上の照射点までの全光路長が一定になるように配設されて成るように構成してもよい。
また、前記光測定部と前記導光手段は、前記光源からの測定用光が前記導光手段に直接入射するように配設されて成るように構成してもよい。

また、前記光測定部と前記導光手段の間に配設され前記測定用光の光路を変更するための光路変更手段を有し、前記光路変更手段は、前記光源からの測定用光が前記光路変更手段を介して前記導光手段に入射するように配設されると共に、前記測定対象物側からの測定用光が前記光路変更手段を介して前記光検出手段によって検出されるように配設されて成るように構成してもよい。

また、更に、前記自動制御型加工機の加工用テーブルのＸ座標値及びＹ座標値に同期する前記光検出手段で検出した測定用光に基づいて前記測定対象物の形状を算出する算出手段を備えて成るように構成してもよい。
また、更に、前記自動制御型加工機の加工用テーブルのＸ座標値及びＹ座標値に同期する加工時と同一の前記主軸ヘッドの移動量及び前記光検出手段で検出した測定用光に基づいて前記測定対象物の加工誤差を算出する算出手段を備えて成るように構成してもよい。

また、本発明によれば、測定対象物の加工時に、加工用テーブルをＸ軸方向及びＹ軸方向に移動制御すると共に主軸ヘッドをＺ軸方向に移動制御し、前記測定対象物の測定時に、前記加工用テーブルを加工時と同一の制御によって移動させる制御手段を有する自動制御型加工機と、請求項６記載の光学式測定装置とを備え、前記光学式測定装置の算出手段は、前記制御手段の移動制御によって変化する前記加工用テーブルのＸ座標値及びＹ座標値に同期する前記光検出手段で検出した測定用光に基づいて前記測定対象物の形状を算出することを特徴とする光学式測定システムが提供される。
光学式測定装置の算出手段は、自動制御型加工機の制御手段の移動制御によって変化する加工用テーブルのＸ座標値及びＹ座標値に同期する光検出手段で検出した測定用光に基づいて測定対象物の形状を算出する。

また、本発明によれば、測定対象物の加工時に、加工用テーブルをＸ軸方向及びＹ軸方向に移動制御すると共に主軸ヘッドをＺ軸方向に移動制御し、前記測定対象物の測定時に、前記加工用テーブル及び主軸ヘッドを加工時と同一の制御によって移動させる制御手段を有する自動制御型加工機と、請求項７記載の光学式測定装置とを備え、前記光学式測定装置の算出手段は、前記制御手段の移動制御によって変化する前記加工用テーブルのＸ座標値及びＹ座標値に同期する加工時と同一の前記主軸ヘッドの移動量及び前記光検出手段で検出した測定用光に基づいて前記測定対象物の加工誤差を算出することを特徴とする光学式測定システムが提供される。
光学式測定装置の算出手段は、自動制御型加工機の制御手段の移動制御によって変化する加工用テーブルのＸ座標値及びＹ座標値に同期する、加工時と同一の主軸ヘッドの移動量及び光検出手段で検出した測定用光に基づいて測定対象物の加工誤差を算出する。
ここで、前記制御手段は、測定対象物の加工時に、前記加工誤差が少なくなるように、前記加工用テーブル及び主軸ヘッドの移動量を補正するように構成してもよい。

本発明の光学式測定装置によれば、導光部の絶縁は不要であり又、導光部と光測定部等とを電気的に接続する必要がないため、構成を簡略化することが可能になる。また、耐久性を向上させることが可能になる。また、汚れに強いという効果を奏する。また、自動測定が可能になるため、測定作業を容易に行うことが可能になる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置及び光学式測定システムについて説明する。尚、以下の各図において、同一部分には同一符号を付している。
図１、図２は、各々、本発明の実施の形態に係る光学式測定システムの外観を示す正面図、側面図であり、自動制御型加工機の一種であるＮＣ（数値）制御加工機とともに光学式測定装置を使用する例を挙げている。また、図３は、図２の部分拡大図である。尚、図１〜図３において、同一部分には同一符号を付している。

図１〜図３において、ＮＣ加工機１は、設置部としてのベッドフレーム１４に設置されている。ベッドフレーム１４は移動しない固定系である。尚、ベッドフレームは所定の基準位置である。
測定対象物（ワーク：加工時には加工対象物となり、測定時には測定対象物となる。）４は、ＮＣ加工機１の測定用可動テーブル２の上面に載置した状態で固定具３によって固定される。測定用テーブル２と隔てられた位置に、測定対象物４の加工を行うための加工用工具（例えば切削工具）５が装着される主軸ヘッド６が配設されている。

主軸ヘッド６は、工具を取り付ける軸である工具主軸１９を通る所定位置（工具主軸位置）に工具５を装着する工具取付部を有しており、工具主軸１９方向（Ｚ軸方向）に移動制御され、これにより、前記工具取付部に装着された工具５を工具主軸方向に直線的に移動させる。尚、詳細は図示していないが、主軸ヘッド６は、加工用工具５をＺ軸方向（垂直方向）に直線的に送る機構と工具５に水平面（Ｘ軸とＹ軸を通る面）内で回転動作を与える機構を備えている。工具主軸１９は加工用工具５が回転する回転軸となる。

工具５は手動による主軸ヘッド６への装着及び主軸ヘッド６からの脱着が可能である。また、自動工具交換装置（ＡＴＣ）７は、ＮＣ制御装置９の制御の下で、アーム１７を用いて、加工用工具５を収納するための工具収納部である工具マガジン８からの工具５の取り出し、主軸ヘッド６への工具５の装着、主軸ヘッド６からの工具５の脱着、工具マガジン８への工具５の収納を行う機構を備えており、これにより、工具マガジン８に収納されている工具５の主軸ヘッド６への着脱を行う。

測定用テーブル２のＸ軸及びＹ軸方向への移動制御、主軸ヘッド６のＺ軸方向への移動制御、工具５の交換等、切削等の加工に係わるこれらの一連の制御は、ＮＣ制御装置９がその内部に記憶している加工用プログラムを実行することによって行われる。また、ＮＣ制御装置９は、測定対象物４の形状や加工誤差の測定を行う際に、測定用テーブル２の水平面内での移動制御、主軸ヘッド６のＺ軸方向への移動制御等の制御も、その内部に記憶したプログラムを実行することによって行う。ＮＣ制御装置９は制御手段を構成している。

工具マガジン８に格納可能に構成された導光手段としての光学部材１８は、工具５と同様に、ＮＣ制御装置９がプログラムを実行することによって、ＡＴＣ７により自動で主軸ヘッド６に着脱できるように構成されている。
光学部材１８は、加工用工具５の規格に準じた形状や寸法を有する装着部（ホルダ）１１と、ホルダ１１に一体的に装着され、光反射面が相互に対向するように平行に配設された１対のプリズム（第１プリズム１２ａ、第２プリズム１２ｂ）を有する平行プリズム１２とを備えている。

ホルダ１１は、テーパ状（円錐台形状）のシャンク２２、円周状に形成された溝３１を有する連結部１０、Ｌ字状の位置決め用ピン１３を備えており、これらが一体的に取り付けられた構成となっている。連結部１０に取り付けられた平行プリズム１２は、反射面が対向するように平行に配設された１対のプリズム１２ａ、１２ｂと、両プリズム１２ａ、１２ｂを連結する連結部２６を備えている。

尚、プリズム１２ａ、１２ｂのうち少なくとも一方を反射ミラーで構成してもよい、即ち、光学部材１８は、平行プリズムの代わりに、反射面が対向して平行に配設された１対の反射ミラーによって構成してもよい。また、前記プリズムや反射ミラーにチルト角制御機構を連結し、プリズムやミラーのチルト角を制御するように構成してもよい。
シャンク２２及び連結部１０は、工具５の規格に準じて用いられている公知の構成を採用することが可能である。

光学部材１８は、位置決め用ピン１３を主軸ヘッド６の位置決め用穴２５に挿入すると共に、ホルダ１１のシャンク２２を主軸ヘッド６の工具取付部である工具装着用穴２０に挿入して固定することにより、主軸ヘッド６に装着される。第１係合部材としての位置決め用ピン１３及び前記第１係合部材に係合する第２係合部材としての位置決め用穴２５によって構成される位置決め手段を備えることにより、光学部材１８を主軸ヘッド６に装着した際に、平行プリズム１２の位置が一義的に定まるという効果がある。
また、光学部材１８の取付部（シャンク２２及び連結部１０によって構成される。）の構成を工具５の規格にあうように構成しているため、工具と同じ様に取り扱って、工具と同じ装着位置である工具装着用穴２０２に自動や手動で取り付けることが可能になる。

光学部材１８の主軸ヘッド６への装着、脱着は手動でも可能であるが、自動で行う場合には、ＡＴＣ７によって工具５の着脱を行うのと同じようにして行う。即ち、ＡＴＣ７により、両端に１対のコ字形状部を有するアーム１７を水平面内で回転制御すると共に垂直方向に上下動制御することにより、工具マガジン８からの光学部材１８の取り出し、主軸ヘッド６における工具主軸１９位置への光学部材１８の装着（例えば、主軸ヘッド６の前記工具取付部への装着）、主軸ヘッド６からの脱着、工具マガジン８への収納を行う。

光測定部としてのレーザ式変位計１５は、ＮＣ加工機１の可動テーブル２に対する固定側のベッドフレーム１４と固定系をともにするように所定の固定系２３に固定されている。
レーザ変位計１５は、レーザ変位計１５から出力される測定用光が、工具５の主軸の取付方向であると共に主軸ヘッド６の移動方向である工具主軸１９と所定角度（本実施の形態では９０度であり、後述する他の実施の形態では平行）をなすように配置される。

レーザ変位計１５から出射された測定用レーザ光が、プリズム１２ｂで反射された後、主軸１９直下のプリズム１２ａでレーザ光軸（測定用光軸）が主軸ヘッド６の主軸１９と同軸となるように平行プリズム１２は配置される。尚、ＮＣ加工機１と変位計１５の位置関係に応じて、測定用光の進行方向を変更するための光路変更手段としての第３プリズム１６（反射ミラーでもよい）を、平行プリズム１２とレーザ変位計１５との間に配設する。プリズム１６は連結部２１によってレーザ変位計１５に固定される。ここで、レーザ変位計１５及び光学部材１８は光学式測定装置を構成している。

また、図３に示すように、平行プリズム１２が工具主軸１９方向（Ｚ軸方向）に移動した場合でも、即ち、主軸ヘッド６が工具主軸１９方向に移動した場合でも、レーザ変位計１５（例えば後述するようなレーザ変位計１５の光源４１）から測定対象物４表面上の測定用光の照射点（換言すれば測定点）までの全光路長が一定になるように配設されている。また、平行プリズム１２が工具主軸１９方向（Ｚ軸方向）に移動した場合でも、レーザ変位計１５（例えば後述するようなレーザ変位計１５の光源４１）から所定の基準位置（本実施の形態では固定系であるベッドフレーム１４）までの全光路長が一定になるように配設されている。

図３において、レーザ変位計１５の光源とプリズム１６間の光路長をＡ、プリズム１６とプリズム１２ｂ間の光路長をＸ１、プリズム１２ｂとプリズム１２ａ間の光路長をＢ、プリズム１２ａと測定対象物４表面の測定点（測定対象物４表面における工具主軸１９上の点）間の光路長をＸ２、プリズム１６とベッドフレーム１４間の光路長をＸ０、測定対象物４表面の測定点とベッドフレーム１４間の光路長をＨ（ベッドフレーム１４を基準とする測定対象物４表面の測定点の高さに相当する。）とすると、レーザ変位計１５から所定の基準位置であるベッドフレーム１４までの全光路長（光路長Ａ＋光路長Ｂ＋光路長Ｘ０）は所定の一定値Ｈ０（測定範囲）になる。

レーザ変位計１５の読み（測定によって直接得られる距離値であり、レーザ変位計１５と測定対象物４間の距離値）をＬとすると次式が成立する。
Ｌ＝Ａ＋Ｂ＋Ｘ１＋Ｘ２
＝Ａ＋Ｂ＋Ｘ１＋Ｘ０−Ｘ１−Ｈ
＝Ａ＋Ｂ＋Ｘ０−Ｈ
＝Ｈ０−Ｈ
但し、Ｈ０＝Ａ＋Ｂ＋Ｘ０である。したがって、測定対象物４における測定点の高さＨは、
Ｈ＝Ｈ０−Ｌ
となる。尚、平行プリズム１２が工具主軸１９方向に移動した場合でも、その影響を受けることなく、レーザ変位計１５（例えば後述するようなレーザ変位計１５の光源４１）から測定対象物４表面上の照射点までの全光路長Ｌ（＝Ａ＋Ｂ＋Ｘ１＋Ｘ２）は一定になる。

このように、レーザ変位計１５は、一定値Ｈ０から読みＬを差し引くことによって、所定基準位置１４を基準とする測定対象物４の測定点の高さＨを算出する。測定対象物４の測定点を変えながら前記測定処理を繰り返すことにより、測定対象物４の形状等を測定することができる。尚、後述するように、レーザ変位計１５には制御部４３が設けられており、制御部４３が算出手段として機能して、前記算出処理を行う。

図４は、レーザ変位計１５の構成を示すブロック図であり、図１〜図３と同一部分には同一符号を付している。
図４において、レーザ変位計１５として、三角測量方式によって測定対象物までの距離や形状等を測定するレーザ変位計の例を示している。レーザによって構成され測定用光を出力する光源４１、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）によって構成された光検出手段としての光検出素子４２、光源４１の発光制御及び光検出素子４２の検出制御を行うと共に制御装置９に接続された制御部４３を備えている。
光源４１としては、赤外線発光ダイオード等の他の発光素子が使用可能であり、又、光検出素子として、ＰＳＤの代わりにＣＣＤ（Charge Coupled Device）等も使用可能である。

制御部４３は、算出手段として機能する場合には、制御装置９から現在の加工用テーブル２のＸ座標及びＹ座標を表すＸ座標値及びＹ座標値を受信し、受信した加工用テーブル２のＸ座標値及びＹ座標値に同期して得られる光検出素子４２で検出した測定用光（レーザ光）に基づいて測定対象物４の形状等を算出する。即ち、制御部４３は、光検出素子４２で検出した測定用光に基づいて対象物４における測定点の高さＨを算出し、該測定点のＸ座標値及びＹ座標値は、前記同期して制御装置９から受信した加工用テーブル２のＸ座標値及びＹ座標値とする。制御部４３は、前記動作を繰り返すことによって測定対象物４の形状等を算出する。

また、制御部４３は、他の算出手段として機能する場合には、加工用テーブル２のＸ座標値及びＹ座標値に同期する加工時と同一の主軸ヘッド６の工具主軸１９方向の移動量（即ち、所定の基準位置からの主軸ヘッド６の工具主軸１９方向の移動量、あるいは、所定の基準位置からの光学部材１８の工具主軸１９方向の移動量）及び光検出素子４２で検出した測定用光に基づいて測定対象物４の加工誤差を算出する。

即ち、制御部４３は、光検出素子４２で検出した測定用光に基づいて対象物４における測定点の高さＨを算出すると共に、該算出した測定点の高さＨから主軸ヘッド６の工具軸方向への移動量を差し引くことにより、この測定点における測定対象物４の加工誤差を算出する。加工誤差がない場合には、前記差は零となる。前記測定点のＸ座標値及びＹ座標値は、前記同期して制御装置９から受信した加工用テーブル２のＸ座標値及びＹ座標値である。制御部４３は、前記動作を繰り返すことによって測定対象物４の加工誤差を算出する。

以上のように構成された光学式測定装置及び光学式測定システムの動作を詳細に説明する。尚、加工用工具５を用いて測定対象物４の加工処理を行う動作は公知のため加工処理の動作説明は省略し、レーザ変位計１５を用いて、所定の加工処理を施した状態の測定対象物４の形状や加工誤差を測定する際の動作について説明する。
測定対象物４の測定を行う場合、測定対象物４は加工作業時の状態のまま、テーブル２に固定しておく。この状態で、ＮＣ制御装置９の制御の下、ＡＴＣ７により、アーム１７を用いて、工具マガジン８に収納されている光学部材１８を取り出して、主軸ヘッド６の工具装着用穴２０に取り付けることにより、加工工具５に代えて、光学部材１８を工具主軸１９位置の所定位置（本実施の形態では主軸ヘッド６の工具取付部）に装着する。

次に、ＮＣ加工機１の主軸ヘッド６を所定のＺ軸方向位置に固定した状態（換言すれば、平行プリズム１２のプリズム１２ａを工具主軸１９上における所定のＺ軸座標位置に保持した状態）で、加工時の制御プログラムと同一の制御プログラムによって加工用テーブル２を加工時と同一の方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動制御して、測定時に測定対象物４を加工時と同一に移動させながら測定することにより、測定対象物４の三次元形状が測定できる。

この場合、テーブル２の現在のＸ座標値及びＹ座標値は制御装置９からレーザ変位計１５に供給される。レーザ変位計１５は、制御装置９によるテーブル２の移動制御に同期して、測定用レーザ光を出力すると共に、測定対象物４で反射してきた測定用光を検出し、測定対象物４の形状を算出する。
このときの動作をさらに詳細に説明すると、レーザ変位計１５の光源４１から水平方向に出射した測定用光はプリズム１６で主軸１９と平行な方向に反射し、プリズム１２ｂで反射された後、プリズム１２ｂと対をなすプリズム１２ａに到達する。

平行プリズム１２はＡＴＣ７によってＮＣ加工機１の主軸ヘッド６の主軸１９位置に装着されており、プリズム１２ａの一方の光軸はＮＣ加工機１の主軸１９と一致し、プリズム１２ａの他方の光軸はプリズム１２ｂの一方の光軸と同一である。したがって、レーザ変位計１５から出射され測定用光は、その光軸がＮＣ加工機１の主軸１９と一致するように平行プリズム１２によって光路が変わり、加工対象物（ワーク）でもある測定対象物４に照射される。測定対象物４から戻る測定用光は前記各構成要素を逆に進み、レーザ変位計１５の光検出素子４２で検出される。

レーザ変位計１５の制御部４３は、制御装置９の移動制御によって随時変化する加工用テーブル２のＸ座標値及びＹ座標値に同期して得られる光検出素子４２で検出した測定用光に基づいて、測定対象物４の形状を算出する。即ち、レーザ変位計１５が測定を行った測定点のＸ座標値、Ｙ座標値（制御装置９から供給される座標値）、所定のＺ座標（ベッドフレーム１４）を基準とするレーザ変位計１５が測定した測定対象物４表面のＺ座標値に基づいて、測定対象物４の形状を算出し、算出した結果は図示しない表示装置に表示する等して利用される。

測定対象物４の断面形状を測定する場合には、ＮＣ加工機１の主軸ヘッド６を所定のＺ軸座標位置に固定した状態で、制御装置９が加工用テーブル２をＸ軸方向やＹ軸方向等の一方向に移動制御しながら、これに同期してレーザ変位系１５が測定用光によって測定対象物４を走査する。これにより、一方向への走査線で切断した被測定物４の断面形状が計測される。

また、測定対象物４の加工誤差を測定する場合には、制御装置９が加工テーブル２及び主軸ヘッド６の移動制御を加工時と同一に行い、これに同期して、レーザ変位計１５は、加工用テーブル２のＸ座標値及びＹ座標値に同期する加工時と同一の主軸ヘッド６の移動量及び光検出素子４２で検出した測定用光に基づいて、測定対象物４の加工誤差を算出する。

即ち、制御装置９は、加工用テーブル２を加工時と同一方向に随時移動制御すると共に、これにあわせて主軸ヘッド６を加工時と同一のＺ軸方向位置に随時移動制御する。レーザ変位計１５の制御部４３は、制御装置９の移動制御によって変化する加工用テーブル２のＸ座標値及びＹ座標値に同期して得られる光検出素子４２で検出した測定用光に基づいて測定対象物４の各測定点までの距離を測定し、該距離と主軸ヘッド６の主軸１９方向への移動量とに基づいて加工誤差を算出する。

このようにして、テーブル２及び主軸ヘッド６は、測定時に、加工時と同一の動きをするため、直接、各測定点における加工誤差量を算出することが可能になる。尚、測定時に、加工用テーブル２及び主軸ヘッド６を加工時と同一に移動制御する一方で、レーザ変位計１５の制御部４３が、制御装置９の移動制御によって随時変化する加工用テーブル２のＸ座標値及びＹ座標値に同期して得られる光検出素子４２で検出した測定用光に基づいて、測定対象物４の形状を算出するようにしてもよい。これにより、制御装置９による一連の移動制御動作で、測定対象物４の形状や加工誤差を測定することが可能になる。
制御装置９は、この誤差量を、制御装置９が加工時に実行する加工プログラムに是正量として反映させて、該プログラムを修正して実行する。これにより、制御装置９は、測定対象物４の加工時に、加工誤差が少なくなるように、加工用テーブル２及び主軸ヘッド６の移動量を補正するようにして加工制御を行う。

以上述べたように、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置は、自動制御型加工機の工具主軸方向に移動可能なように前記自動制御型加工機の工具主軸位置に配設された導光手段としての平行プリズム１２と、固定系に配設され、測定用光を出力する光源４１及び測定用光の検出を行う光検出手段としての光検出素子４２を有する光測定部とを備えている。

また、本発明の実施の形態に係る光学式測定システムは、測定対象物４の加工時に、加工用テーブル２をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動制御すると共に主軸ヘッド６をＺ軸方向に移動制御し、測定対象物４の測定時に、加工用テーブル４を加工時と同一の制御によって移動させると共に主軸ヘッド６を所定のＺ軸方向位置に保持する制御装置９を有するＮＣ加工機１等の自動制御型加工機と、前記制御手段の移動制御によって変化する前記加工用テーブルのＸ座標値及びＹ座標値に同期する前記光検出手段で検出した測定用光に基づいて前記測定対象物の形状を算出する算出手段を有する光学式測定装置とを備えている。ここで、制御装置９は、主軸ヘッド６を所定のＺ軸方向位置に保持するのではなく、加工時と同一の制御によって移動させるようにしてもよい。

また、本発明の実施の形態に係る光学式測定システムは、測定対象物の加工時に、加工用テーブルをＸ軸方向及びＹ軸方向に移動制御すると共に主軸ヘッドをＺ軸方向に移動制御し、前記測定対象物の測定時に、前記加工用テーブル及び主軸ヘッドを加工時と同一の制御によって移動させる制御手段を有する自動制御型加工機と、前記制御手段の移動制御によって変化する前記加工用テーブルのＸ座標値及びＹ座標値に同期する、加工時と同一の前記主軸ヘッドの移動量及び前記光検出手段で検出した測定用光に基づいて前記測定対象物の加工誤差を算出する算出手段を有する光学式測定装置とを備えている。

ＡＴＣ７対応の計測用ツールである光学部材１８は、主軸１９直下に配設したプリズム１２ａ、１２ｂまで測定用レーザ光が空間伝送するように構成されるため、計測用電気系統の主軸ヘッド６への供給が不要であり、コネクタ等を使用する必要がないため、構造が簡素化され、これにより、耐振性と保守サービス性が向上する。
また、電気的、機械的なインターフェースやコネクタが不要であり、平行プリズム１２の自動装着時や自動取り出し時の接続に係わる不安定な問題が解決できるほかクリーニングが容易になる。レーザ変位計１５が切削時の悪環境に直接さらされなくなり、レーザ光源４１等に計測用電源が常時安定供給されるため、エージング状態が確保され測定精度の安定化が図れる。

また、測定時に、平行プリズム１２を装着した主軸ヘッド６及び加工用テーブル２を、加工時のプログラムによって作動させることで、目標形状と測定対象物４の形状との差異である加工誤差が直接得られるため、この誤差量を是正量として元の加工用プログラムを補正することで、自動的に加工誤差を補正することが可能な自動補正加工システムを構築することが可能になる。
また、測定対象物４をＮＣ加工機１から取り外すことなく、非接触で測定対象物４の三次元形状、任意断面形状が、測定対象物４との干渉の障害なく計測することが可能になる。

図５は、本発明の他の実施の形態に係る光学式測定システムの外観を示す図で、図３に対応する部分拡大図であり、図３と同一部分には同一符号を付している。
図１〜図４に示した前記実施の形態と図５の他の実施の形態との相違点は、図１〜図４の実施の形態においてはレーザ変位計１５から出力される測定用光が平行プリズム１２に直接入射できないような構成であったため、レーザ変位計１５と平行プリズム１２との間に光路変更部材としてのプリズム１６を配設したが、図５の実施の形態では、レーザレーザ変位計１５から出力される測定用光が平行プリズム１２に直接入射するような構成としており、したがって、レーザ変位計１５と平行プリズムとの間には光路変更部材が不要な構成となっている。

図５に示す実施の形態においても、平行プリズム１２が工具主軸１９方向（Ｚ軸方向）に移動した場合でも、即ち、主軸ヘッド６が工具主軸１９方向に移動した場合でも、レーザ変位計１５（例えば後述するようなレーザ変位計１５の光源４１）から測定対象物４表面上の測定用光の照射点（換言すれば測定点）までの全光路長が一定になるように配設されている。また、平行プリズム１２が工具主軸１９方向（Ｚ軸方向）に移動した場合でも、レーザ変位計１５（例えば後述するようなレーザ変位計１５の光源４１）から所定の基準位置（本実施の形態では固定系であるベッドフレーム１４）までの全光路長が一定になるように配設されている。

本他の実施の形態にいては、測定対象物４の加工処理や測定処理等の動作は前記実施の形態と同様であるが、光路長の関係は次のようになる。
図５において、レーザ変位計１５の所定点（例えば光源４１）とプリズム１２ｂ間の光路長をＸ１、プリズム１２ｂとプリズム１２ａ間の光路長をＡ、プリズム１２ａと測定対象物４表面の測定点（測定用光の照射点であり、測定対象物４表面における工具主軸９上の点）間の光路長をＸ２、レーザ変位計１５の前記所定点とベッドフレーム１４間の光路長をＸ０、測定対象物４表面の測定点とベッドフレーム１４間の光路長をＨ（ベッドフレーム１４を基準とする測定対象物４表面の測定点の高さに相当する。）とすると、レーザ変位計１５から所定の基準位置であるベッドフレーム１４までの全光路長（光路長Ａ＋光路長Ｘ０）は所定の一定値Ｈ０（測定範囲）になる。

レーザ変位計１５の読み（測定によって直接得られる距離値であり、レーザ変位計１５と測定対象物４間の距離値）をＬとすると次式が成立する。
Ｌ＝Ａ＋Ｘ１＋Ｘ２
＝Ａ＋Ｘ０−Ｈ
＝Ｈ０−Ｈ
但し、Ｈ０＝Ａ＋Ｘ０である。したがって、測定対象物４における測定点の高さＨは、
Ｈ＝Ｈ０−Ｌ
となる。尚、平行プリズム１２が工具主軸１９方向に移動した場合でも、その影響を受けることなく、レーザ変位計１５（例えばレーザ変位計１５の光源４１）から測定対象物４表面上の前記照射点までの全光路長Ｌ（＝Ｘ１＋Ａ＋Ｘ２）は一定になる。

このように、レーザ変位計１５は、一定値Ｈ０から読みＬを差し引くことによって、所定基準位置（本他の実施の形態ではベッドフレーム１４）を基準とする測定対象物４の測定点の高さＨを算出する。測定対象物４の測定点を変えながら前記測定処理を繰り返すことにより、測定対象物４の形状等を測定することができる。
また、加工誤差の算出についても、前記式を用いて、前記実施の形態と同様にして行うことができる。

本他の実施の形態においては、前記実施の形態と同様の効果を奏するばかりでなく、光路変更部材としてのプリズム１６を省略できるため、構成をより簡単にすることができるという効果を奏する。
尚、前記各実施の形態では、自動制御型加工機として挙げたＮＣ加工機１としては、立型や横型を問わず、ＮＣフライス盤、マシニングセンター、ＮＣ旋盤、ＮＣ放電加工機などの各種ＮＣ加工機が含まれる。

ＮＣフライス盤、マシニングセンタ、ＮＣ旋盤、ＮＣ放電加工機等の各種自動制御型加工機とともに使用する光学式測定装置に適用できる。また、前記自動制御型加工機と光学式測定装置を有する光学式測定システムに適用可能である。

本発明の実施の形態に係る光学式測定システムの外観を示す正面図である。 本発明の実施の形態に係る光学式測定システムの外観を示す側面図である。 図２の部分拡大図である。 レーザ変位計のブロック図である。 本発明の他の実施の形態に係る光学式測定システムの外観を示す部分拡大側面図である。

符号の説明

１・・・ＮＣ加工機
２・・・測定用テーブル
３・・・固定具
４・・・測定対象物
５・・・加工用具
６・・・主軸ヘッド
７・・・ＡＴＣ
８・・・工具マガジン
９・・・制御手段としてのＮＣ制御装置
１０・・・連結部
１１・・・ホルダ
１２・・・導光手段としての平行プリズム
１２ａ、１２ｂ・・・プリズム
１３・・・位置決め用ピン
１４・・・ベッドフレーム
１５・・・光測定部としてのレーザ変位計
１６・・・光路変更手段としてのプリズム
１７・・・アーム
１８・・・導光手段としての光学部材
１９・・・工具主軸
２０・・・工具装着用穴
２２・・・シャンク
２３・・・固定系
２５・・・位置決め用穴
２１、２６・・・連結部
３１・・・溝
４１・・・光源
４２・・・光検出手段としての光検出素子
４３・・・算出手段としての制御部

Claims (10)

1. 自動制御型加工機の工具主軸方向に移動可能なように前記自動制御型加工機の工具主軸位置に配設された導光手段と、固定系に配設され、測定用光を出力する光源及び測定用光の検出を行う光検出手段を有する光測定部とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置。
2. 前記導光手段は、前記自動制御型加工機の主軸ヘッドにおける前記工具主軸位置に装着されるホルダと、前記ホルダに一体的に設けられ、前記光測定部からの測定用光を測定対象物側に導光すると共に前記測定対象物からの測定用光を前記光測定部側に導光する導光部とを有して成り、
   前記導光手段は、前記自動制御型加工機の自動工具交換装置のアームによって、前記自動工具交換装置の工具マガジンへの格納と前記工具マガジンからの取出し、及び、前記工具取付部への装着と脱着が行われることを特徴とする請求項１記載の光学式測定装置。
3. 前記導光手段は、前記工具主軸と前記測定用光の光軸を一致させるように配設された平行プリズムまたは反射面が平行をなすように配設された一対の反射ミラーを備え、前記工具主軸方向に移動した場合でも、前記光測定部から前記測定対象物表面上の照射点までの全光路長が一定になるように配設されて成ることを特徴とする請求項１又は２記載の光学式測定装置。
4. 前記光測定部と前記導光手段は、前記光源からの測定用光が前記導光手段に直接入射するように配設されて成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の光学式測定装置。
5. 前記光測定部と前記導光手段の間に配設され前記測定用光の光路を変更するための光路変更手段を有し、
   前記光路変更手段は、前記光源からの測定用光が前記光路変更手段を介して前記導光手段に入射するように配設されると共に、前記測定対象物側からの測定用光が前記光路変更手段を介して前記光検出手段によって検出されるように配設されて成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の光学式測定装置。
6. 更に、前記自動制御型加工機の加工用テーブルのＸ座標値及びＹ座標値に同期する前記光検出手段で検出した測定用光に基づいて前記測定対象物の形状を算出する算出手段を備えて成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の光学式測定装置。
7. 更に、前記自動制御型加工機の加工用テーブルのＸ座標値及びＹ座標値に同期する加工時と同一の前記主軸ヘッドの移動量及び前記光検出手段で検出した測定用光に基づいて前記測定対象物の加工誤差を算出する算出手段を備えて成ることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一に記載の光学式測定装置。
8. 測定対象物の加工時に、加工用テーブルをＸ軸方向及びＹ軸方向に移動制御すると共に主軸ヘッドをＺ軸方向に移動制御し、前記測定対象物の測定時に、前記加工用テーブルを加工時と同一の制御によって移動させる制御手段を有する自動制御型加工機と、請求項６記載の光学式測定装置とを備え、
   前記光学式測定装置の算出手段は、前記制御手段の移動制御によって変化する前記加工用テーブルのＸ座標値及びＹ座標値に同期する前記光検出手段で検出した測定用光に基づいて前記測定対象物の形状を算出することを特徴とする光学式測定システム。
9. 測定対象物の加工時に、加工用テーブルをＸ軸方向及びＹ軸方向に移動制御すると共に主軸ヘッドをＺ軸方向に移動制御し、前記測定対象物の測定時に、前記加工用テーブル及び主軸ヘッドを加工時と同一の制御によって移動させる制御手段を有する自動制御型加工機と、請求項７記載の光学式測定装置とを備え、
   前記光学式測定装置の算出手段は、前記制御手段の移動制御によって変化する前記加工用テーブルのＸ座標値及びＹ座標値に同期する、加工時と同一の前記主軸ヘッドの移動量及び前記光検出手段で検出した測定用光に基づいて前記測定対象物の加工誤差を算出することを特徴とする光学式測定システム。
10. 前記制御手段は、測定対象物の加工時に、前記加工誤差が少なくなるように、前記加工用テーブル及び主軸ヘッドの移動量を補正することを特徴とする請求項９記載の光学式測定システム。

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