JP2013174549A - 工具位置測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転工具の刃先表面の材質や形によらず、回転軸方向の刃先の位置を精度よく測定できる工具位置測定装置及び測定方法を提供する。
【解決手段】少なくとも光源２０とパターン板３４とが設けられ、光源２０の光を刃先１２ａに対してＺ軸方向に照射すると共に、パターン板３４に形成されたパターン３４ａを刃先１２ａ表面に投影する光学系装置２８を備える。回転工具１２のＺ軸方向の移動を制御する制御ユニット３０を備える。制御ユニット３０に制御されて回転工具１２が移動する位置ごとに、刃先１２ａからの反射光によりＺ軸方向の刃先画像を撮像する撮像装置１６を備える。撮像した刃先画像ごとに、Ｘ軸方向の所定の軸線上の輝度分布に基づいてコントラストを算出し、コントラストが最も大きい刃先画像が撮像された刃先位置Ｚ２を抽出し、刃先１２ａのＺ軸方向の基準位置とするデータ分析装置１８を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、いわゆるマイクロエンドミル等の微小な回転工具の回転軸方向の位置を非接触で検出する工具位置測定装置及び測定方法に関する。

従来、特許文献１に開示されているように、切削加工機に装着され、互いに直行するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸を回転軸として、Ｚ軸方向に移動する回転工具の位置（刃先の位置）を測定する工具位置測定方法がある。この工具位置測定方法は、回転が停止した回転工具の刃先にＺ軸方向の光を照射し、回転工具が移動するＺ軸方向の位置ごとに、刃先からの反射光によりＺ軸方向の停止刃先画像を撮像する停止刃先撮像工程と、撮像した停止刃先画像ごとに、刃先の突端位置を通るＸＹ平面内の所定軸線上の輝度分布に基づくコントラストを算出し、コントラストが最も大きくなるＺ軸方向の位置であるＺコントラスト最大位置を、刃先の基準位置として認識するＺ基準位置認識工程とを備える。この方法は、回転工具の刃先の研削条痕により、Ｚ軸方向に移動する刃先に焦点が合ったときの停止刃先画像のコントラストが際立つ特性を利用している。研削条痕とは、回転工具の製造時に刃面を研削することによって刃表面に生じた多数の縞状の痕跡のことをいう。従って、刃先画像に研削条痕の像が現れるようにするため、回転工具の回転が停止した状態で測定を行う。

特許文献１の工具位置測定方法は、例えば、図７に示す工具位置測定装置１０を用いて行うことができる。工具位置測定装置１０は、回転軸がＺ軸上にある回転工具１２の刃先１２ａ側に配置された光学系装置１４と、光学系装置１４を通じて刃先画像を撮像する撮像装置１６と、撮像装置１４が撮像した画像データを分析するデータ分析装置１８とで構成されている。光学系装置１４は、光源２０、ハーフミラー２２、対物レンズ２４、及び図示しない各種ミラーで構成され、光源２０から光を放射し、その光をハーフミラー２２によってＺ軸方向に偏向し、対物レンズ２４を通して刃先１２ａに照射する。そして、刃先１２ａからの反射光を、対物レンズ２４、ハーフミラー２２を通して撮像装置１６に送る。撮像装置１６は、刃先１２ａの反射光をＣＣＤ等の撮像素子で受光し、画像データをデータ分析装置１８に向けて出力する。データ分析装置１８は、撮像装置１６の画像データを記憶手段に記憶し、所定の分析処理を行うコンピュータである。

測定対象の回転工具１２は、微小な刃先を有したマイクロエンドミル等であり、図７では、側方から見て略平坦な刃先１２ａを有するスクエアエンドミルを例示してある。

図８（ａ）は、上記の停止刃先撮像工程で撮像装置１６が撮像した停止刃先画像のうち、刃先１２ａに焦点が合ったときのもの（ここでは、刃先φ0.1mmのスクエアエンドミル）であり、縦縞状の研削条痕が鮮明に現れている。図８（ｂ）は、データ分析装置１８が図８（ａ）の停止刃先画像より算出したＸ軸方向の所定の軸線上の輝度分布である。この輝度分布から分かるように、軸線上を横切る研削条痕の影響で輝度の起伏が激しくなり、全体のコントラストが大きくなる。それに対して、焦点が合っていないときの停止画像刃先画像（ここでは図示していない）は、コントラストが小さくなる。

データ分析装置１８は、コントラストが最大になる停止刃先画像が得られた刃先１２ａの位置を抽出し、その位置を回転工具の基準位置と認識する。従って、刃先位置ごとに停止刃先画像のコントラストが急峻に変化し、コントラストピークが大きいほど、刃先位置の測定精度が高くなる。

また、特許文献２に、被測定物の測定面の材質等に制約されることなく焦点合わせを行えるようにしたオートフォーカス装置が開示されている。このオートフォーカス装置は、鏡面やガラス面などの元来コントラストが小さくフォーカスを合わせにくい測定面に対して対物レンズを通じて光源の光を照射すると共に、その光源の光路に配置したパターン投影板により三角形のパターンを投影し、その反射光により測定面の画像を撮像する観察光学系を備え、その画像のコントラスト情報に基づいて対物レンズを光軸方向に変位させ、焦点合わせを行う。この観察光学系で撮像した画像は、測定面に投影されたパターンによってコントラストピークを大きくすることができるので、焦点合わせを精度よく行うことができる。

特開２０１１−１３１２９７号公報 特開平９−３０４６８５号公報

上記の工具位置測定装置１０を用いて行う特許文献１の工具位置測定方法の場合、刃先にコーティング等が施され切削条痕が目立たない回転工具を測定対象にすると、刃先位置の測定精度が低下するという問題があった。これは、刃先１２ａのＺ軸方向に移動させたとき、図９（ａ）に示すように、焦点を合わせたときでも撮像した停止刃先画像（ここでは、刃先φ0.05mmのスクエアエンドミル）に縦縞状の研削条痕が鮮明に現れないので、図９（ｂ）のように輝度の起伏が少なく、全体のコントラストがさほど大きくならないからである。従って、切削条痕が目立たない回転工具の場合、焦点が合ったときの刃先１２ａの位置を正確に特定できず、結果として位置測定の精度が低下する。また、刃先にコーティング等が施されていない場合でも、回転工具ごとに切削条痕の形状（長さ、深さなど）が異なるので、測定精度にばらつきが発生しやすく、常に高い精度で測定するのが難しいものであった。

また、特許文献２のオートフォーカス装置は、被測定物が固定され、対物レンズの部分が光軸方向に変位して焦点を合わせるものである。しかも、測定面に対する光の照射及びパターンの投影が、光軸方向に変位する対物レンズを通じて行われるので、光の照射とパターンの投影を正確に行うための複数の調整機構を備えた複雑な観察光学系が必要となる。従って、このオートフォーカス装置の構成を、特許文献１の工具位置測定方法（すなわち、変位する被測定物である工具の位置を測定する方法）に、そのまま適用できるものではなかった。

この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、回転工具の刃先表面の材質や形によらず、回転軸方向の刃先の位置を精度よく測定できる工具位置測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。

この発明は、互いに直行するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸を回転軸とし、Ｚ軸上を移動する切削加工用の回転工具の位置を非接触で測定する工具位置測定装置であって、少なくとも光源とパターン板とが設けられ、前記光源の光を前記回転工具の刃先に対してＺ軸方向に照射すると共に、前記パターン板に形成された所定のパターンを前記刃先表面に投影する光学系装置と、前記回転工具のＺ軸方向の移動を制御する制御ユニットと、前記制御ユニットに制御されて前記回転工具が移動する位置ごとに、前記刃先からの反射光によりＺ軸方向の刃先画像を撮像する撮像装置と、撮像した前記刃先画像ごとに、Ｘ軸方向の所定の軸線上の輝度分布に基づいてコントラストを算出し、コントラストが最も大きい刃先画像が撮像された前記刃先の位置を抽出し、前記刃先のＺ軸方向の位置とするデータ分析装置とを備える工具位置測定装置である。

前記パターンは、複数の線が等間隔に並んだ縞模様を成し、前記複数の線が前記Ｘ軸方向の軸線を横切る向きに設定されていることが好ましい。

また、この発明は、互いに直行するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸を回転軸とし、Ｚ軸上を移動する切削加工用の回転工具の位置を測定する工具位置測定方法であって、前記回転工具をＺ軸方向に移動させる工具移動工程と、前記回転工具の刃先にＺ軸方向の光を照射すると共に所定のパターンを前記刃先表面に投影し、前記回転工具が移動する位置ごとに、前記刃先からの反射光によりＺ軸方向の刃先画像を撮像する刃先撮像工程と、撮像した前記刃先画像ごとに、Ｘ軸方向の所定の軸線上の輝度分布に基づいてコントラストを算出し、コントラストが最も大きい刃先画像が撮像された前記刃先の位置を抽出し、前記刃先のＺ軸方向の位置とするデータ分析工程とを備る工具位置測定方法である。

前記刃先撮像工程で、複数の線が等間隔に並んだ縞模様から成るパターンを前記回転工具の刃先に投影し、前記複数の線が前記Ｘ軸方向の軸線を横切る向きに設定することが好ましい。また、前記刃先撮像工程を、回転中の前記回転工具に対して行ってもよい。

この発明の工具位置測定装置と測定方法は、マイクロエンドミル等の微小な回転工具の回転軸方向の位置を、一方向から撮像した刃先画像データのみを分析して検出するので、装置の構成をシンプルにすることができる。特に、パターン板により刃先表面に所定のパターンを投影し、そのパターンを含む刃先画像のコントラストを分析するので、常に尖鋭なコントラストピークが得られ、刃先の材質や形状、及び切削条痕の形状の違いによらず、位置測定を高精度に行うことができる。

この発明の工具位置測定装置の一実施形態を示す全体構成図である。 この実施形態の光学系装置の詳細な構成を示す模式図である。 図１の工具位置測定装置を用いて行う工具位置測定方法の一実施形態を示すフローチャートである。 この実施形態の工具位置測定方法において、回転工具の回転停止状態で撮像した刃先画像（ａ）、Ｘ軸方向の軸線上の輝度分布のグラフ（ｂ）である。 この実施形態の工具位置測定方法における、回転工具のＺ軸方向の位置ごとの刃先画像のコントラストの変化を示すグラフである。 この実施形態の工具位置測定方法において、回転工具の回転状態で撮像した刃先画像（ａ）、Ｘ軸方向の軸線上の輝度分布のグラフ（ｂ）である。 従来の工具位置測定装置を示す全体構成図である。 従来の工具位置測定方法において、刃先の研削条痕が鮮明な回転工具を回転停止状態で撮像した刃先画像（ａ）、Ｘ軸方向の軸線上の輝度分布のグラフ（ｂ）である。 従来の工具位置測定方法において、刃先の研削条痕が目立たない回転工具を回転停止状態で撮像した刃先画像（ａ）、Ｘ軸方向の軸線上の輝度分布のグラフ（ｂ）である。

以下、この発明の工具位置測定装置の一実施形態について、図１、図２を用いて説明する。ここで、上記の工具位置測定装置１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明する。

この実施形態の工具位置測定装置２６は、図示しない切削加工機に装着され、回転軸上を移動する回転工具１２の軸方向の基準位置を測定する装置である。以下、回転工具１２の回転軸が垂直方向であり、この回転軸を互いに直交するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸とし、回転軸（Ｚ軸）に対して垂直な水平な面をＸＹ平面として説明する。

工具位置測定装置２６は、回転工具１２の刃先１２ａ側に配置された光学系装置２８と、光学系装置２８を通じて刃先画像を撮像する撮像装置１６と、撮像装置１６が撮像した画像データを分析するデータ分析装置１８と、工具位置測定時の切削加工機の動作を制御する制御ユニット３０とで構成されている。

光学系装置２８の詳細な構成を説明すると、図２に示すように、光源２０、第一レンズ３２、パターン板３４、第二レンズ３６、ハーフミラー２２、対物レンズ２４及び結像レンズ３８を備えている。パターン板３４は、回転工具１２の刃先１２ａに所定の線で白黒等の明暗部が区画されたパターンを投影するための投影板であり、ここでは、複数の線が等間隔に並んだ縞模様のパターン３４ａが形成されている。

電球又はＬＥＤ等の光源２０から放射された光は、第一レンズ３２により平行光となってパターン板３４を通過し、第二レンズ３６によりハーフミラー２２を介して対物レンズ２４の瞳位置に焦点を結び、再び対物レンズ２４により平行光となって刃先１２ａを一様な光量で照射する。パターン板３４は、第一レンズ３２及び第二レンズ３６の間の光源２０からの光が一様に集まる位置に配置され、パターン３４ａの情報を持つ光が第二レンズ３６により平行光となり、対物レンズ２４によってその焦点位置Ｚ１にパターンを結ぶ。そして、刃先１２ａからの反射光を、対物レンズ２４、ハーフミラー２２を通して撮像装置１６に送る。光学系装置２８を構成するこれらの部品は、測定開始前に所定の位置に固定され、少なくとも測定中は位置関係が一定に保持される。

撮像装置１６は、刃先１２ａの反射光をＣＣＤ等の撮像素子１６ａで受光し、画像データをデータ分析装置１８に向けて出力する。図１に示すデータ分析装置１８は、撮像装置１６の画像データを記憶手段に記憶し、所定の分析処理を行う装置である。制御ユニット３０は、切削加工機の制御部に対して指令を出し、測定中の撮像装置１６及びデータ分析装置１８の動作に合わせて回転工具１２のＺ軸方向の移動を制御するユニットである。ここでは、データ分析装置１８及び制御ユニット３０が、コンピュータ内に一体に構成されている。

測定対象の回転工具１２は、図１に示すように、微小な刃先を有した各種マイクロエンドミルであり、図８と同様に、側方から見て略平坦な刃先１２ａを有するスクエアエンドミルである。

次に、工具位置測定装置２６を用いて行われるこの発明の工具位置測定方法の一実施形態について、図３に基づいて説明する。この実施形態の工具位置測定方法は、切削加工機に装着した回転工具１２の刃先１２ａのＺ軸方向の基準位置を測定するものであり、刃先撮像工程Ｓ１１、工具移動工程Ｓ１２及びデータ分析工程Ｓ１３を備えている。

まず、刃先撮像工程Ｓ１１において、回転工具１２の回転が停止した状態で、特定の位置Ｚ２にある刃先１２ａの刃先画像を撮像装置１６で撮像し、画像データをデータ分析装置１８に送る。撮像された刃先画像は、刃先１２ａの像にパターン３４ａが投影された画像となる。次に、工具移動工程Ｓ１２において、制御ユニット３０の指令により刃先１２ａの位置を次の刃先位置Ｚ２に移動させ、刃先撮像工程Ｓ１１に戻って刃先画像を撮像する。例えば、図４（ａ）は、刃先φ0.05mmのスクエアエンドミルの刃先画像であり、刃先位置Ｚ２が焦点位置Ｚ１と近いとき、すなわち、ほぼ焦点が合ったときの刃先画像である。図４（ａ）から分かるように、パターン３４ａの縞模様が、このＸ軸方向の軸線を横切る向きに鮮明に投影されている。

この刃先撮像工程Ｓ１１と工具移動工程Ｓ１２を繰り返すことによって、刃先１２ａの位置ごとの刃先画像のデータがデータ分析装置１８に蓄積され、所定の刃先位置Ｚ２における撮像を終えると、次のデータ分析工程Ｓ１３に進む。

次に、データ分析工程Ｓ１３において、データ分析装置１８が、各刃先画像のＸ軸方向の軸線上の輝度分布より、コントラストを算出する。図４（ｂ）の輝度分布に示すように、パターン３４ａの焦点位置Ｚ１と刃先位置Ｚ２とが近いと、軸線を横切るパターン３４ａにより輝度分布の起伏が激しくなり、全体のコントラストが非常に大きくなる。一方、刃先位置Ｚ２が焦点位置Ｚ１から離れると、パターン３４ａの像が不鮮明になって輝度分布の起伏が少なくなり、全体のコントラストが小さくなる。刃先位置Ｚ２とコントラスト測定値の関係をグラフにすると、例えば図５に示すように、刃先位置Ｚ２が焦点位置Ｚ１から0.2μm以上離れるとコントラストが急激に低下し、1.0μmも離れるとほとんどコントラストがなくなることが分かる。このように、焦点が合ったときと合わないときとでコントラストの差が大きくなるので、コントラストが最大になる刃先位置Ｚ２、すなわち焦点位置Ｚ１に最も近い刃先位置Ｚ２を抽出することにより、基準位置Ｚ２（≒Ｚ１）を精度よく特定することができる。

また、この実施形態では、基準位置Ｚ２（≒Ｚ１）を特定する際、コントラスト測定値の変化にガウス関数をフィッティングし、得られたガウス関数が最大になる刃先位置Ｚ２を算出して基準位置Ｚ２（≒Ｚ１）としている。これは、刃先撮像工程Ｓ１１において、刃先画像を撮像する複数の刃先位置Ｚ２が、焦点位置Ｚ１とぴったり一致するとは限らないからであり、この方法を使用すれば、刃先画像を撮像していない刃先位置Ｚ２でも基準位置Ｚ２（≒Ｚ１）として抽出することができるので、測定精度をさらに向上させることができる。あるいは、刃先画像を撮像する位置Ｚ２の数を減らすことによって、一定の測定精度を確保しつつ、測定開始から基準位置Ｚ２を特定するまでの時間を短くすることも可能である。なお、刃先がφ0.05mm程度のスクエアエンドミルの分析にはガウス関数が適していることが経験的に分かっているが、他のマイクロエンドミルの場合、ガウス関数以外の好適な関数を選択すればよい。

以上説明したように、この実施形態の工具位置測定装置２６及び測定方法によれば、マイクロエンドミル等の微小な回転工具１２について、刃先１２ａの基準位置Ｚ２（≒Ｚ１）を、一方向から撮像した刃先画像データのみを分析して検出するので、装置の構成をシンプルにすることができる。特に、パターン板３４により刃先１２ａ表面に所定のパターン３４ａを投影し、そのパターン３４ａを含む刃先画像のコントラストを分析するので、常に尖鋭なコントラストピークが得られ、刃先１２ａの材質や形状の違い、及び切削条痕の形状の違いによらず、位置測定を高精度に行うことができる。

また、従来の工具位置測定装置１０及び測定方法は、切削条痕の像により刃先画像のコントラストを大きくするものなので、撮像した刃先画像に切削条痕の像が現れるように、切削工具１２の回転を停止した状態でなければ、正確な測定が困難であった。しかし、この実施形態の工具位置測定装置２６及び測定方法によれば、回転工具１２を回転させた状態（切削条痕が現れない状態）で測定しても、例えば図６に示すように、パターン３４ａの投影により輝度分布の起伏が激しくなり、回転工具１２を停止させて測定した場合と同様の測定を行うことができる。従って、実際に切削加工を行っている状態に近い状態で刃先１２の位置測定を行うので、例えば、切削加工機のチャック部に回転工具１２を装着する際の位置ずれや、切削加工時の熱等に起因する刃先１２ａの位置ずれ等の影響も含め、より実用的な測定をすることができる。

なお、この発明の工具位置測定方法と装置は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、工具位置測定装置の撮像装置は、回転工具の回転軸の方向から刃先を撮像する構成を備えていればよく、回転軸の方向が水平や斜めの場合、それに合わせて各種ミラーやレンズの構成や配置を適宜変更すればよい。

また、パターン板は、光を通過させることによって回転工具の刃先に所定のパターンを投影可能なものであればよく、基材の種類やパターンの形成方法は問わない。また、測定対象の回転工具の大きさや刃先形状に応じて、縞模様と異なる形状のパターンを設けてもよい。

１０，２６ 工具位置測定装置
１２ 回転工具
１２ａ 刃先
１４，２８ 光学系装置
１６ 撮像装置
１６ａ 受光素子
１８ データ分析装置
２０ 光源
２２ ハーフミラー
２４ 対物レンズ
２８ 光学系装置
３０ 制御ユニット
３２ 第一レンズ
３４ パターン板
３４ａ パターン
３６ 第二レンズ
３８ 結像レンズ
Ｓ１１ 刃先撮像工程
Ｓ１２ 工具移動工程
Ｓ１３ データ分析工程

Claims (5)

1. 互いに直行するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸を回転軸とし、Ｚ軸上を移動する切削加工用の回転工具の位置を非接触で測定する工具位置測定装置において、
   少なくとも光源とパターン板とが設けられ、前記光源の光を前記回転工具の刃先に対してＺ軸方向に照射すると共に、前記パターン板に形成された所定のパターンを前記刃先表面に投影する光学系装置と、
   前記回転工具のＺ軸方向の移動を制御する制御ユニットと、
   前記制御ユニットに制御されて前記回転工具が移動する位置ごとに、前記刃先からの反射光によりＺ軸方向の刃先画像を撮像する撮像装置と、
   撮像した前記刃先画像ごとに、Ｘ軸方向の所定の軸線上の輝度分布に基づいてコントラストを算出し、コントラストが最も大きい刃先画像が撮像された前記刃先の位置を抽出し、前記刃先のＺ軸方向の位置とするデータ分析装置とを備えることを特徴とする工具位置測定装置。
2. 前記パターンは、複数の線が等間隔に並んだ縞模様を成し、前記複数の線が前記Ｘ軸方向の軸線を横切る向きに設定されている請求項１記載の工具位置測定装置。
3. 互いに直行するＸＹＺ三次元座標系のＺ軸を回転軸とし、Ｚ軸上を移動する切削加工用の回転工具の位置を測定する工具位置測定方法において、
   前記回転工具をＺ軸方向に移動させる工具移動工程と、
   前記回転工具の刃先にＺ軸方向の光を照射すると共に所定のパターンを前記刃先表面に投影し、前記回転工具が移動する位置ごとに、前記刃先からの反射光によりＺ軸方向の刃先画像を撮像する刃先撮像工程と、
   撮像した前記刃先画像ごとに、Ｘ軸方向の所定の軸線上の輝度分布に基づいてコントラストを算出し、コントラストが最も大きい刃先画像が撮像された前記刃先の位置を抽出し、前記刃先のＺ軸方向の位置とするデータ分析工程とを備えることを特徴とする工具位置測定方法。
4. 前記刃先撮像工程で、複数の線が等間隔に並んだ縞模様から成るパターンを前記回転工具の刃先に投影し、前記複数の線が前記Ｘ軸方向の軸線を横切る向きに設定する請求項３記載の工具位置測定方法。
5. 前記刃先撮像工程を、回転中の前記回転工具に対して行う請求項３又は４記載の工具位置測定方法。