JP6847650B2

JP6847650B2 - 工作機械および工具先端位置の補正方法

Info

Publication number: JP6847650B2
Application number: JP2016242627A
Authority: JP
Inventors: 井雄介石; 田敦司多
Original assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2036-12-14
Also published as: JP2017124485A

Description

本発明は、載置台上に載置されたワークに対して工具を相対移動させることによって加工を施す、工作機械に関する。あるいは、本発明は、そのような工作機械における工具先端位置の補正方法に関する。

従来より、例えばボールエンドミルを使用して、ワークの表面に曲面を形成する加工が行われている。この加工においては、寿命に達した工具を同径の同じ工具に交換する他、目標とする曲面の曲率半径や加工位置に応じて、工具を刃先の直径が異なる他の工具に交換する場合がある。この場合、交換前の工具によって形成された曲面と交換後の工具によって形成される曲面とが、滑らかに連続することが望ましい。このためには、交換前の工具先端部の位置と交換後の工具先端部の位置とを、その時点の工作機械の姿勢変化（姿勢誤差）も加味して正確に一致させる必要がある。

工具先端部の位置については、例えば特開平１０−１３８０９７号公報（特許文献１）及び特開２０１２−１８０９３号公報（特許文献２）に記載されているように、工具の延伸方向（姿勢）及び当該工具の長さに基づいて評価されることが一般的である。具体的には、工作機械に、レーザ光の光路を提供すると共に当該レーザ光の遮光状態を検知可能な遮光検知装置を設け、工具先端部を所定位置からレーザ光の光路へと移動させ、当該先端部でレーザ光を遮光させる。遮光検知装置は、この遮光が開始した時に、工作機械の制御装置に対してスキップ信号を出力する。前記制御装置がスキップ信号を受信すると、工具の移動が停止させられると共に、前記所定位置からの移動量に基づいて工具の長さが評価されるようになっている。

そして、例えば工具の交換が行われた場合には、ワークの加工が再開される前に、交換前の工具の長さと交換後の工具の長さとの差に基づき、交換前の工具先端部位置と交換後の工具先端部の位置とが一致するように、当該交換後の工具が位置決めされるようになっている。本測定は、工作機械に空間上の姿勢誤差がないと仮定された状態のものであり、工具の長さは、工作機械の基準点のシフト量を示すものに過ぎないため、工作機械上で測定しなくても構わない。例えば、ツールプリセッタ等を使用して、予め工具の長さを測定してもよい。

しかしながら、工具の長さを正確に評価して当該工具の位置決めを行った場合であっても、交換前の工具先端部の位置と交換後の工具先端部の位置との間にわずかなズレが生じ、交換前の工具先端部によって形成されていた曲面と交換後の工具先端部によって形成される曲面とが、滑らかに連続しない（段差が生じる）場合があった。このようなズレは、主として、ワークが載置される載置台から主軸に至るまでの一連の構成部品において、作業環境の温度変化等に起因する熱変形等によって生じた誤差による工作機械の姿勢変化（姿勢誤差）が、工具の交換に伴い、加工面に段差として顕在化したものであり、特に、直交３軸のみの座標系よりも直交３軸に回転を含む座標系で顕著である。

特開平１０−１３８０９７号公報特開２０１２−１８０９３号公報

本件発明者は、工具先端部の位置を直接的に評価することにより、ワークが載置される載置台から工具に至るまでの一連の構成部品に生じた誤差により工作機械に姿勢変化（姿勢誤差）が生じている場合であっても、姿勢変化後あるいは交換後の工具先端部の位置を再現性良く位置決めできることを知見した。

本発明は、以上の知見に基づいて創案されたものである。本発明の目的は、以上のような工作機械の姿勢誤差を含んだ状態で工具先端部の位置が直接的に評価されることにより、前記姿勢誤差を含んだ状態で、姿勢変化前あるいは交換前の工具先端部の位置と姿勢変化後あるいは交換後の工具先端部の位置とを正確に一致させることができ、前記姿勢誤差を意識することなく、形成される曲面を滑らかに連続させることが可能な工作機械及び工具先端部の位置の補正方法を提供することである。

本発明は、ワークを載置する載置台と、
前記載置台に載置された前記ワークに加工を施すと共に、工具先端部を有する工具と、
前記載置台に固定され、レーザ光の光路を提供すると共に、当該レーザ光の遮光状態を検知する遮光検知装置と、
前記載置台に支持構造体を介して連結され、前記工具の姿勢及び位置を制御する工具制御装置と、を備え、
前記工具制御装置には、前記工具に対応付けられた基準点が設けられ、
前記工具制御装置は、前記工具の加工時の工具姿勢である第１工具姿勢及び前記工具の工具長に基づいて、当該第１工具姿勢を維持したまま前記工具先端部を前記レーザ光の計測位置に実際に一致させた時の前記基準点の位置である第１工具位置を特定することを特徴とする工作機械である。

本発明によれば、工作機械の姿勢誤差を含んだ状態で、姿勢変化前あるいは交換前の工具の工具先端部の位置を正確に特定することができるため、当該位置に姿勢変化後あるいは交換後の工具の工具先端部を正確に一致させることができる。このことにより、前記姿勢誤差を意識することなく、形成される曲面を滑らかに連続させることが可能な工作機械を提供することができる。

前記第１工具位置は、前記工具制御装置によって前記工具が前記第１工具姿勢を維持したまま一軸方向に移動される際に、前記レーザ光の前記計測位置が前記工具の第１部分で遮光される時の前記基準点の位置と、前記工具を一軸方向に移動したときに当該工具の第２部分で遮光される時の前記基準点の位置と、の２つの位置に基づいて求められて良い。

前記工具制御装置は、前記工具を前記第１工具姿勢に維持したまま前記基準点が前記レーザ光の前記計測位置と前記２つの位置の中点とを結ぶ直線上に存在するように前記工具の位置を制御し、前記工具を前記第１工具姿勢に維持したまま前記基準点が当該直線に沿うように前記工具を移動させ、
前記第１工具位置は、前記工具が前記直線に沿って移動される際に、前記計測位置が前記工具先端部によって遮光される時の前記基準点の位置に基づいて求められて良い。

これらの場合、工作機械に生じている姿勢誤差を含んだ状態で、工具先端部の位置を正確に特定することができる。

本発明において、前記工具制御装置は、
加工時の工具姿勢が第１工具姿勢から第２工具姿勢に変化された時に、当該第２工具姿勢及び前記工具長に基づいて、当該第２工具姿勢を維持したまま前記工具先端部を前記レーザ光の前記計測位置に実際に一致させた時の前記基準点の位置である第２工具位置を特定し、
前記第１工具位置と前記第２工具位置との差に基づいて、前記工具の前記第２工具姿勢における前記工具先端部の位置を補正して良い。

この場合、姿勢誤差を含んだ状態で、姿勢変化前の工具の工具先端部の位置と、姿勢変化後の工具の工具先端部の位置とを共に正確に特定することができるため、両者の位置を正確に一致させることが容易である。

あるいは、本発明において、前記工具制御装置は、
前記工具が他の工具に交換された時に、前記第１工具姿勢及び前記他の工具の工具長に基づいて、当該第１工具姿勢を維持したまま当該他の工具の工具先端部を前記レーザ光の前記計測位置に実際に一致させた時の前記基準点の位置である第３工具位置を特定し、
前記第１工具位置と前記第３工具位置との差に基づいて、前記他の工具の前記第１工具姿勢における前記工具先端部の位置を補正して良い。

この場合、姿勢誤差を含んだ状態で、交換前の工具の工具先端部の位置と、交換後の工具の工具先端部の位置とを共に正確に特定することができるため、両者の位置を正確に一致させることが容易である。

前記工具制御装置は、前記工具の５軸制御が可能であって良い。この場合、工具の姿勢及び工具先端部の位置を自在に制御することができる。

このような工作機械に採用される工具の一例としては、ボールエンドミルが挙げられる。

なお、以上のような工作機械における工具先端部の位置の補正方法も、本願の保護対象である。すなわち、本発明は、工作機械の工具先端部の位置の補正方法であって、
前記工作機械は、ワークを載置する載置台と、前記載置台に載置された前記ワークに加工を施すと共に、工具先端部を有する工具と、前記載置台に固定され、レーザ光の光路を提供すると共に、当該レーザ光の遮光状態を検知する遮光検知装置と、前記載置台に支持構造体を介して連結され、前記工具の姿勢及び位置を制御する工具制御装置と、を有し、
前記工具制御装置には、前記工具に対応付けられた基準点が設けられ、
前記工具制御装置が、前記工具の加工時の工具姿勢である第１工具姿勢及び前記工具の工具長に基づいて、当該第１工具姿勢を維持したまま前記工具の前記工具先端部を前記レーザ光の計測位置に実際に一致させる一致工程と、
前記工具先端部を前記レーザ光の前記計測位置に実際に一致させた時の前記基準点の位置である第１工具位置を特定する、第１工具位置特定工程と、を備えた
ことを特徴とする補正方法である。

本発明によれば、工作機械の姿勢誤差を含んだ状態で、姿勢変化前あるいは交換前の工具の工具先端部の位置を正確に特定することができるため、当該位置に姿勢変化後あるいは交換後の工具の工具先端部を正確に一致させることができる。このことにより、前記姿勢誤差を意識することなく、形成される曲面を滑らかに連続させることが可能な工具先端部の位置の補正方法を提供することができる。

前記一致工程は、
前記工具制御装置が、前記工具を、前記第１工具姿勢を維持したまま一軸方向に移動させる第１移動工程と、
前記第１移動工程において、前記工具制御装置が、前記レーザ光の前記計測位置が前記工具の第１部分で遮光される時の前記基準点の位置と、前記工具を一軸方向に移動したときに当該工具の第２部分で遮光される時の前記基準点の位置と、の２つの位置を特定する特定工程と、を含んで良い。

更に、前記特定工程は、
前記工具を前記第１工具姿勢に維持したまま前記基準点が前記レーザ光の前記計測位置と前記２つの位置の中点とを結ぶ直線上に存在するように前記工具の位置を制御し、前記工具を前記第１工具姿勢に維持したまま前記基準点が当該直線に沿うように前記工具を移動させる工程と、
前記工具が前記直線に沿って移動される際に、前記計測位置が前記工具先端部によって遮光される時の前記基準点の位置を特定する工程と、を含んで良い。

これらの場合、工作機械に生じている姿勢誤差を含んだ状態で工具先端部の位置を正確に特定できるため、工具先端部の位置を正確に補正することができる。

以上の補正方法は、加工時の工具姿勢が第１工具姿勢から第２工具姿勢に変化された時に、当該第２工具姿勢及び前記工具長に基づいて、当該第２工具姿勢を維持したまま前記工具の前記工具先端部を前記レーザ光の前記計測位置に実際に一致させた時の前記基準点の位置である第２工具位置を特定する、第２工具位置特定工程と、
前記第１工具位置と前記第２工具位置との差に基づいて、前記工具の前記第２工具姿勢における前記工具先端部の位置を補正する、第２工具位置補正工程と、を更に備えて良い。

あるいは、以上の補正方法は、前記工具が他の工具に交換された時に、前記第１工具姿勢及び前記他の工具の工具長に基づいて、当該第１工具姿勢を維持したまま当該他の工具の工具先端部を前記レーザ光の前記計測位置に実際に一致させた時の前記基準点の位置である第３工具位置を特定する、第３工具位置特定工程と、
前記第１工具位置と前記第３工具位置との差に基づいて、前記他の工具の前記第１工具姿勢における前記工具先端部の位置を補正する、第３工具位置補正工程と、を更に備えて良い。

あるいは、本発明によれば、工作機械の姿勢誤差を含んだ状態で、姿勢変化前あるいは交換前の工具の工具先端部の位置を正確に特定することができるため、当該位置に姿勢変化後あるいは交換後の工具の工具先端部を正確に一致させることができる。このことにより、前記姿勢誤差を意識することなく、形成される曲面を滑らかに連続させることが可能な工具先端部の位置の補正方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態の工作機械の概略斜視図である。図１の工作機械の一連の構成部品を模式的に示す図である。図１の工作機械の、工具が取り付けられたインデックスヘッドの概略正面図である。図１の工作機械に採用されている遮光検知装置の概略斜視図である。図１の工作機械の制御装置、遮光検知装置及び駆動部の接続関係を示すブロック図である。基準工具を用いて図１の工作機械の基準点を特定する工程を説明するための概略斜視図である。基準工具を用いて図１の工作機械の基準点を特定する工程を説明するための概略側面図である。基準工具を用いて図１の工作機械の基準点を特定する工程を説明するための概略正面図である。加工時の工具姿勢を維持したまま工具先端部の実際の位置を求める工程を説明するための図であり、当該工程の開始直前の工具を示す概略斜視図である。加工時の工具姿勢を維持したまま工具先端部の実際の位置を求める工程を説明するための図であり、遮光検知装置を工具に対して回転させる工程を示す概略斜視図である。図９Ａの概略側面図である。加工時の工具姿勢を維持したまま工具先端部の実際の位置を求める工程を説明するための図であり、加工時の工具姿勢及び予め記憶された工具長に基づいて工具先端部を遮光検知装置の計測位置に一致させる工程を示す概略斜視図である。図１０Ａの概略側面図である。加工時の工具姿勢を維持したまま工具先端部の実際の位置を求める工程を説明するための図であり、工具の同径円筒状部を測定するための位置決めを行う工程を示す概略斜視図である。図１１Ａの概略側面図である。加工時の工具姿勢を維持したまま工具先端部の実際の位置を求める工程を説明するための図であり、工具をレーザ光に向けて一軸方向に移動させ同径円筒状部の片側を測定する工程を示す概略斜視図である。図１２Ａの概略側面図である。加工時の工具姿勢を維持したまま工具先端部の実際の位置を求める工程を説明するための図であり、工具の同径円筒状部の反対側を測定するために位置決めを行う工程を示す概略斜視図である。図１３Ａの概略側面図である。加工時の工具姿勢を維持したまま工具先端部の実際の位置を求める工程を説明するための図であり、同径円筒状部の反対側を測定する工程を示す概略斜視図である。図１４Ａの概略側面図である。加工時の工具姿勢を維持したまま工具先端部の実際の位置を求める工程を説明するための図であり、工具の軸線を特定する工程を説明するための図である。加工時の工具姿勢を維持したまま工具先端部の実際の位置を求める工程を説明するための図であり、工具の軸線上に遮光検知装置の計測位置が位置するように当該工具を移動させる工程を示す概略斜視図である。図１６Ａの概略側面図である。加工時の工具姿勢を維持したまま工具先端部の実際の位置を求める工程を説明するための図であり、工具の軸線に沿って当該工具を計測位置に向けて直線状に移動させる工程を示す概略斜視図である。図１７Ａの概略側面図である。

以下に、添付の図面を参照して本発明の一実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態の工作機械１００の概略斜視図であり、図２は、図１の工作機械１００の一連の構成部品を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施の形態の工作機械１００は、門形加工機である。この門形加工機は、図１及び図２に示すように、ワークＷが載置されるテーブル１１と、テーブル１１を支持するベッド１２と、ベッド１２を支持する基礎１３と、基礎１３上に固定され、ベッド１２を挟み込む位置において互いに平行に鉛直上方に延びている一対のコラム１４と、当該一対のコラム１４に支持され、後述される工具把持部の姿勢及び工具把持部の先端部に設けられた基準点の位置を制御する、工具制御装置としての駆動部６０（図２参照）と、を備えている。

本実施の形態の駆動部６０は、後述される制御装置５０（図５参照）によって制御されるようになっており、一対のコラム１４間に上下動可能に架け渡されたクロスレール１５と、クロスレール１５に水平方向（図１におけるＹ軸方向）に移動可能に支持され、鉛直方向に延びる貫通孔が形成されたサドル１６と、サドル１６の貫通孔内に支持され、当該貫通孔内を鉛直方向に摺動可能なラム１７と、ラム１７の下端領域に係合され、後述される工具３０を旋回可能に把持する工具把持部２１を有するインデックスヘッド２０と、を有している。本実施の形態の駆動部６０には、モータ等の公知の駆動機構が設けられており、クロスレール１５、ラム１７及びインデックスヘッド２０が当該駆動機構によって駆動されるようになっている。

図２に示すように、本実施の形態のインデックスヘッド２０は、テーブル１１に対面するようにラム１７によって支持されており、予め設定された装置座標系（図１参照）と加工プログラムとに基づいて、工具３０ないし工具把持部２１の姿勢（向き）を制御するようになっている。この制御は、工具把持部２１の先端に予め設定された基準点２２（図３参照）の装置座標系における座標値に基づいて行われるようになっている。本実施の形態の基準点２２は、工具把持部２１に装着される工具３０の軸線上に存在している。

図３は、図１の工作機械１００のインデックスヘッド２０の概略正面図であり、工具把持部２１に工具３０が装着された状態を示している。図３に示すように、本実施の形態のインデックスヘッド２０は、５軸制御（図３におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸及びＣ軸に関する制御）が可能である。鉛直面内の旋回制御（図３におけるＢ軸に関する制御）については、旋回中心点２３を中心として、工具把持部２１を鉛直下向きの仮想軸線に対して時計回りに０°〜９５°の角度範囲において旋回させ得るようになっており、この旋回において、１°毎の角度の割り出しが可能となっている。

また、図３に示すように、本実施の形態の工具３０は、ボールエンドミルであり、工具把持部２１に把持される被把持部３１と、ワークＷを加工するための刃が形成された半球状の工具先端領域と、被把持部３１と工具先端領域との間に設けられた同径円筒状部３３と、を有している。図３に示すように、前記半球状の工具先端領域には、当該工具先端領域と同径円筒状部３３の軸線Ａとが交わる位置に、工具先端部３２が存在している。工具３０は、工作機械１００に装着される前に、ツールプリセッタ等でその工具長が予め測定され、その測定結果（工具長）が後述される制御装置５０の制御部５１に記憶されている。

図２に戻って、本実施の形態の工作機械１００は、回転テーブル４７上に固定された遮光検知装置４０を更に有している。この遮光検知装置４０の概略斜視図が、図４に示されている。図４に示すように、本実施の形態の遮光検知装置４０は、直方体状の基部４１と基部４１の上面に所定の間隔を空けて設けられた一対の対向壁４２、４３とを有し、全体として凹型の形状を有している。一方の壁（図４における左方の壁）４２には、他方の壁（図４における右方の壁）に向かってレーザ光４４を発する発光部４５が設けられており、他方の壁４３には、レーザ光４４を受光する受光部４６が設けられている。そして、受光部４６がレーザ光４４を受光している状態からレーザ光４４の一定割合以上が遮光された状態へと変化した際に、制御装置５０に向けてスキップ信号を発信するようになっている。

図４に示すように、回転テーブル４７は、その回転中心軸Ｌとレーザ光４４の光路とが互いに直交するような態様で回転されるようになっている。換言すれば、遮光検知装置４０の回転中心軸Ｌもまた、レーザ光４４の光路と直交している。そして、回転テーブル４７の回転中心軸、すなわち遮光検知装置４０の回転中心軸Ｌが、レーザ光４４と交わる交点が、当該遮光検知装置４０による計測が行われる計測位置Ｐとなっている。

図５は、図１の工作機械１００の制御装置５０、遮光検知装置４０及び駆動部６０の接続関係を示すブロック図である。図５に示すように、本実施の形態の制御装置５０は、予め記憶された加工プログラムに基づいて工具３０ないし工具把持部２１の姿勢状態及び基準点２２の位置を制御するための制御信号を生成し、駆動部６０に向けて送信する制御部５１と、制御部５１に接続され、駆動部６０によって工具３０ないし工具把持部２１が移動されて当該工具３０がレーザ光４４の一定割合を遮光する時の、基準点２２の装置座標系における座標値を取得する演算部５２と、を有している。

図５に示すように、本実施の形態の制御部５１は、駆動部６０に接続されており、制御部５１からの指示に基づいてクロスレール１５、ラム１７、インデックスヘッド２０が駆動され、ワークＷに対する工具３０の位置決めが行われるようになっている。また、図５に示すように、制御部５１には、前述の遮光検知装置４０が接続されており、演算部５２は、当該制御部５１がスキップ信号を受信した際の基準点２２の座標値を当該制御部５１から取得するようになっている。工具３０の測定が行われる際には、制御部５１によって回転テーブル４７が回転され、工具３０に対する遮光検知装置４０の位置決めが行われるようになっている。また、本実施の形態の工作機械１００においては、制御部５１内にレーザ光４４の光路の座標値が予め格納されており、工具把持部２１の基準点２２とレーザ光４４の光路との相対位置関係が制御装置５０によって認識され得るようになっている。

更に、駆動部６０は、工具３０が所定の姿勢状態を維持したまま同径円筒状部３３がレーザ光４４を遮るように、予め取得されたレーザ光４４の光路の座標値及び工具把持部２１の基準点２２と同径円筒状部３３との相対位置関係に基づいて、工具３０を装置座標系の一軸方向（例えば、図３におけるＺ軸方向）に移動させるようになっている。本明細書において、レーザ光４４の光路の座標値とは、前述した計測位置Ｐの装置座標系における座標値を意味している。制御装置５０の制御部５１は、この計測位置Ｐの装置座標系における座標値を取得し管理するようになっている。

また、本実施の形態の演算部５２は、工具３０の移動の際に、レーザ光４４が、同径円筒状部３３の第１位置Ｘ１で接する時の基準点２２の装置座標系における第１座標値Ｑ１と、当該同径円筒状部３３の第２位置Ｘ２で接する時の基準点２２の装置座標系における第２座標値Ｑ２と、の中点Ｍを特定するようになっている（図１５参照）。本実施の形態において、第１位置Ｘ１及び第２位置Ｘ２は、レーザ光４４の光路の方向及び鉛直方向によって規定される平面と同径円筒状部３３との共有部分（楕円状の断面）の下端部及び上端部にそれぞれ対応している。

本実施の形態の制御装置５０は、前記所定の姿勢状態を維持したまま基準点２２が遮光検知装置の計測位置Ｐと前記中点Ｍとを結ぶ直線上に存在するように駆動部６０を介して基準点２２の位置を制御し、当該所定の姿勢状態を維持しながら更に基準点２２、すなわち工具３０を、当該直線に沿って移動させるようになっている。この移動時に、演算部５２は、工具３０の工具先端部３２がレーザ光４４に到達し当該レーザ光４４の一定割合を遮光する際の基準点２２の装置座標系における座標値を取得するようになっている。

次に、本実施の形態の工作機械１００の作用について説明する。

まず、工具３０の測定手順の説明に先立ち、図６〜図７Ｂを参照して、本実施の形態の工作機械１００の校正工程である、基準点２２の装置座標系における座標値を設定する工程について説明する。図６〜図７Ｂは、基準工具３０’を用いて図１の工作機械１００の基準点２２を特定する工程を説明するための図である。図６はその概略斜視図であり、図７Ａはその概略側面図であり、図７Ｂはその概略正面図である。

図示される例においては、図６のＢ軸／Ｃ軸の角度が全て０°となる基準姿勢において、工具把持部２１により基準工具３０’が把持される。ここで、基準工具３０’とは、工具長（基準点２２から工具先端部３２’までの距離）を正確に特定可能な工具を意味している。基準工具３０’の工具長は、予め制御装置５０の制御部５１に入力されて当該制御部５１により把握されている。

そして、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、駆動部６０によってインデックスヘッド２０が一軸方向（例えば鉛直下方）に平行移動され、基準工具３０’の工具先端部３２’によってレーザ光４４の計測位置Ｐが遮光される。本実施の形態において、制御装置５０は、基準点２２の装置座標系における座標値を取得および管理している。そして、インデックスヘッド２０の平行移動は、基準点２２の装置座標系における座標値と制御装置５０に格納されているレーザ光４４の計測位置Ｐとに基づいて制御される。基準工具３０’の工具先端部３２’がレーザ光４４の一定割合を遮光すると、遮光検知装置４０は、制御装置５０の制御部５１にスキップ信号を送信する。このスキップ信号を受信した制御部５１は、演算部５２に、スキップ信号を受信した時の基準点２２の座標値を取得させる。この座標値は、演算部５２から制御部５１に送信され、工具先端部３２’が計測位置Ｐに位置しているときの基準点２２の基準座標値（装置座標系の原点）として当該制御部５１に記憶される。

次に、図８Ａ〜図１６Ｂを参照して、工作機械１００の姿勢誤差を含んだ状態で工具３０の工具先端部３２の位置（座標値）を補正するための手順について説明する。

図８〜図１６Ｂは、加工時の工具姿勢を維持したまま工具先端部３２の実際の位置を求める工程を説明するための図である。具体的には、図８は、当該工程の開始直前の工具３０を示す概略斜視図であり、図９Ａは、遮光検知装置４０を工具３０に対して回転させる工程を示す概略斜視図であり、図９Ｂは、図９Ａの概略側面図であり、図１０Ａは、加工時の工具姿勢及び予め記憶された工具長に基づいて工具先端部３２を遮光検知装置４０の計測位置Ｐに一致させたとした時の基準点２２の位置を取得する工程を示す概略斜視図であり、図１０Ｂは、図１０Ａの概略側面図であり、図１１Ａは、工具３０の同径円筒状部３３を測定するための位置決めを行う工程を示す概略斜視図であり、図１１Ｂは、図１１Ａの概略側面図であり、図１２Ａは、工具３０をレーザ光４４に向けて一軸方向に移動させ同径円筒状部３３の片側を測定する工程を示す概略斜視図であり、図１２Ｂは、図１２Ａの概略側面図であり、図１３Ａは、工具３０の同径円筒状部３３の反対側を測定するための位置決めを行う工程を示す概略斜視図であり、図１３Ｂは、図１３Ａの概略側面図であり、図１４Ａは、同径円筒状部３３の反対側を測定する工程を示す概略斜視図であり、図１４Ｂは、図１４Ａの概略斜視図であり、図１５は、工具３０の軸線Ａを特定する工程を説明するための図であり、図１６Ａは、工具３０の軸線Ａ上に遮光検知装置４０の計測位置Ｐが位置するように当該工具３０を移動させる工程を示す概略斜視図であり、図１６Ｂは、図１６Ａの概略側面図であり、図１７Ａは、工具３０の軸線Ａに沿って当該工具３０を計測位置Ｐに向けて直線状に移動させる工程を示す概略斜視図であり、図１７Ｂは、図１７Ａの概略側面図である。

まず、図８に示すように、加工を終えた工具３０の回転が停止され、加工が終了する直前における当該工具３０の姿勢、すなわちＢ軸及びＣ軸（図８参照）の値、が維持される。そして、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、遮光検知装置４０のレーザ光４４の光路が当該工具３０の軸線方向に垂直になるように位置決めされる。この間、工具３０は、加工が終了する直前の姿勢に維持される（Ｂ軸及びＣ軸の値が維持される）。なお、本工程の理解を容易にするため、図９Ｂでは遮光検知装置４０を断面図で示してある。このことは、図１０Ｂ、図１１Ｂ、図１２Ｂ、図１３Ｂ、図１４Ｂ、図１６Ｂ及び図１７Ｂにおいても同様である。また、図９Ａ以降の各図においては、回転テーブル４７の図示も省略してある。

そして、演算部５２は、加工時の工具姿勢及び工具長に基づいて、工具先端部３２を遮光検知装置４０の計測位置Ｐに一致させたとした場合の基準点２２の位置を計算により求める。そして、工具把持部２１の基準点２２の座標値が当該計算により求められた基準点２２の位置（座標値）に一致するように、工具３０が移動される。そして、レーザ光４４の光路と工具３０の軸線Ａとが互いに直交するように、回転テーブル４７が回転中心軸Ｌ周りに回転される。これにより、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、工具３０の工具先端部３２は、工具３０の軸線Ａとレーザ光４４の光路とが互いに直交した状態でレーザ光４４の計測位置Ｐに略一致する。図８乃至図１６Ｂにおいては、加工が終了する直前の工具３０の姿勢の一例として、基準点２２と旋回中心点２３とを結ぶ直線（工具の軸線Ａ）が、旋回中心点２３から鉛直下方に延びる仮想軸線に対して時計回りに４５°よりも大きい角α（図９Ｂ参照）をなす姿勢が図示されている。

そして、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、工具３０は、前記姿勢（Ｂ軸及びＣ軸の値）が維持された状態で、駆動部６０によって上方に移動される。具体的には、この移動は、工具３０が、工具３０の刃先の直径Ｄの２倍（２Ｄ）に等しい距離だけ鉛直上方（図６Ｂにおける上方）に移動されると共に、水平面内においてレーザ光４４に直交する方向に（図６Ｂにおける左方に）工具３０の刃先の直径Ｄの２倍（２Ｄ）に等しい距離だけ移動される。この移動は、後述する工程において工具３０が移動された際に、レーザ光４４が工具先端部３２ではなく同径円筒状部３３によって確実に遮光されるように、当該工具３０を予め位置決めするためのものである。この移動により、工具３０の同径円筒状部３３が、レーザ光４４の鉛直上方に位置決めされる。図６Ｂにおいて、位置決め後の工具３０は、実線で示されている。なお、他の実施の形態では、例えば、レーザ光４４の遮光状態が解消されてから工具先端領域（刃先）の直径Ｄだけ移動された後にその移動が停止されても良い。また、工具３０は、駆動部６０によって上方に移動される際に当該工具３０の刃先の直径Ｄの２倍ではなく、一定距離（例えば２０ｍｍ）だけ移動されても良い。

そして、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、工具３０は、前記姿勢が維持された状態で、駆動部６０によって鉛直下方（図１２Ａ及び図１２Ｂの下方）に移動される。この移動を継続すると、レーザ光４４の光路及び回転テーブル４７の回転中心軸Ｌを含む平面によって規定される平面と同径円筒状部３３との共有部分（楕円状の断面）の下端部である第１部分Ｘ１が遮光検知装置４０の計測位置Ｐに到達し、同径円筒状部３３がレーザ光４４の一定割合を遮光する。図１２Ｂにおいて、移動前の工具３０は破線で示されており、同径円筒状部３３がレーザ光４４の一定割合を遮光する時の工具３０は実線で示されている。同径円筒状部３３によってレーザ光４４の一定割合が遮光されると、遮光検知装置４０は、制御装置５０の制御部５１にスキップ信号を発信する。このスキップ信号を受信した制御部５１は、演算部５２にその時の基準点２２の座標値を取得させる。この座標値は、演算部５２から制御部５１に送信され、第１座標値Ｑ１として当該制御部５１に記憶される。

そして、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、スキップ信号を受信した制御部５１は、駆動部６０を介して、同径円筒状部３３がレーザ光４４を完全に横断した位置で工具３０の移動を停止させる。本実施の形態では、同径円筒状部３３によるレーザ光４４の遮光状態が終了してから、すなわち同径円筒状部３３がレーザ光４４を完全に横切ってから、更に当該同径円筒状部３３の直径Ｄだけ下方に移動させた位置で、工具３０の移動が停止される。図１３Ｂにおいて、同径円筒状部３３によりレーザ光４４の一定割合が遮光されている時の工具３０が破線で示されており、移動後（停止時）の工具３０が実線で示されている。

そして、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、駆動部６０は、今度は工具３０を前記姿勢に維持した状態で鉛直上方（図１４Ａ及び図１４Ｂの上方）に移動させる。この移動を継続させると、レーザ光４４の光路及び回転テーブル４７の回転中心軸Ｌによって規定される平面と同径円筒状部３３との共有部分（楕円状の断面）の上端部である第２位置Ｘ２が遮光検知装置４０の計測位置Ｐに到達し、再び同径円筒状部３３がレーザ光４４の一定割合を遮光する。図１４Ｂにおいて、移動前の工具３０が破線で示されており、同径円筒状部３３がレーザ光４４の一定割合を遮光している時の工具３０が実線で示されている。

同径円筒状部３３によりレーザ光４４の一定割合が遮光されると、遮光検知装置４０は、制御装置５０の制御部５１にスキップ信号を発信する。このスキップ信号を受信した制御部５１は、演算部５２にその時の基準点２２の座標値を取得させる。この座標値は、演算部５２から制御部５１に送信され、第２座標値Ｑ２として当該制御部５１に記憶される。また、制御部５１がスキップ信号を受信すると、当該制御部５１は、駆動部６０を介して、工具３０の移動を停止させる。

そして、図１５に示すように、演算部５２は、第１部分Ｘ１の第１座標値Ｑ１と第２部分Ｘ２の第２座標値Ｑ２との中点Ｍを取得し、次いで、遮光検知装置４０の計測位置Ｐと前記中点とを結ぶ直線を求める。求められた直線は、制御部５１内に記憶される。この直線は、同径円筒状部３３でレーザ光４４を遮光させる工程から明らかなように、前記姿勢における工具３０の同径円筒状部３３の軸線Ａとみなすことができる。

そして、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように、工具３０が前記姿勢を維持した状態で、基準点２２が遮光検知装置４０の計測位置Ｐと中点Ｍとを結ぶ直線Ａｍ上に位置するように、駆動部６０によって移動される。この移動は、図示されるように、工具３０の軸線Ａとレーザ光４４の光路とが工具３０の外部で交わる位置で終了する。この時、前記直線Ａｍは、工具３０の軸線Ａに一致する。図１６Ｂにおいて、移動前の工具３０が破線で示されており、移動後の工具３０が実線で示されている。

そして、図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、駆動部６０は、工具３０がレーザ光４４を遮光するように、当該工具３０をその軸線Ａに沿って遮光検知装置４０の計測位置Ｐに向かって移動させる。工具先端部３２によりレーザ光４４の一定割合が遮光されると、遮光検知装置４０は、制御装置５０の制御部５１にスキップ信号を発信する。このスキップ信号を受信した制御部５１は、演算部５２にその時の基準点２２の座標値を取得させる。この座標値は、演算部５２から制御部５１に送信され、工具先端部３２が計測位置Ｐにある時の当該工具先端部３２の位置に対応する座標値として当該制御部５１に記憶される。このことにより、工具３０が所定の姿勢状態（加工時の姿勢状態）を維持したまま、工作機械１００の姿勢誤差を含んだ状態における交換前の工具先端部３２の実際の位置（座標値）が正確に特定される。

そして、工具３０が工具把持部２１から取り外され、次の加工を行うための新たな工具３０Ａが当該工具把持部２１に把持され、以上の図８〜図１７Ｂに対応する工程が、この交換後の工具３０Ａに対しても実行される。このことにより、加工時の工具姿勢において、すなわち工作機械１００の姿勢誤差を含んだ状態において、交換後における工具３０Ａの工具先端部３２Ａの実際の位置（座標値）が正確に特定される。

そして、交換後の工具３０Ａの工具先端部３２Ａの実際の位置と交換前の工具３０の工具先端部３２の実際の位置との差に基づいて、交換後の工具３０Ａの工具先端部３２Ａの位置が補正される。すなわち、交換後の工具３０Ａの工具先端部３２Ａの位置が交換前の工具３０の工具先端部３２の位置に一致するように、交換後の工具３０Ａが移動される。なお、交換後の工具３０Ａについても、交換前の工具３０と同様に、工作機械１００に装着される前に、ツールプリセッタ等でその工具長が予め測定され、その測定結果（工具長）が制御装置５０の制御部５１に記憶されている。

あるいは、本方法は、工具３０の姿勢を変化させた場合に生じる誤差を補正する場面でも効果的である。工具３０の姿勢を変化させた場合に生じる誤差とは、当該姿勢変化によって工作機械１００の重量バランスが変化することによって、工具先端部３２に生じる誤差を意味する。具体的な補正方法は、工具を交換する場合について述べた前述の説明と同様である。すなわち、以上の図８〜図１７Ｂに対応する工程が、姿勢変化後の工具３０に対しても実行される。このことにより、加工時の工具姿勢において、すなわち工作機械１００の姿勢誤差を含んだ状態において、姿勢変化後における工具３０の工具先端部３２の実際の位置（座標値）が正確に特定される。

そして、姿勢変化後の工具３０の工具先端部３２の実際の位置と姿勢変化前の工具３０の工具先端部３２の実際の位置との差に基づいて、姿勢変化後の工具３０の工具先端部３２の位置が補正される。すなわち、姿勢変化後の工具３０の工具先端部３２の位置が姿勢変化前の工具３０の工具先端部３２の位置に一致するように、姿勢変化後の工具３０が移動される。

以上のような本実施の形態の工作機械１００によれば、ワークＷが載置されるテーブル１１からインデックスヘッド２０までの一連の構成部品に生じている誤差に起因する工作機械の姿勢誤差を含んだ状態で、工具３０の工具先端部３２の位置（座標値）が直接的に評価される。すなわち、前記姿勢誤差を含んだ状態で、姿勢変化前あるいは交換前の工具３０の工具先端部３２の位置を正確に特定することができる。このため、当該位置に姿勢変化後あるいは交換後の工具３０、３０Ａの工具先端部３２、３２Ａを正確に一致させることができる。このことにより、前記姿勢誤差を意識することなく、形成される曲面を滑らかに連続させることが可能な工作機械を提供することができる。

あるいは、以上のような本実施の形態の方法によれば、工作機械の前記姿勢誤差を含んだ状態で工具３０の工具先端部３２の位置（座標値）が直接的に評価される。すなわち、姿勢変化前あるいは交換前の工具３０の工具先端部３２の位置を正確に特定することができる。このため、当該位置に姿勢変化後あるいは交換後の工具３０、３０Ａの工具先端部３２、３２Ａを正確に一致させることができる。このことにより、前記姿勢誤差を意識することなく、形成される曲面を滑らかに連続させることが可能な、工具先端部３２、３２Ａの位置の補正方法を提供することができる。

また、本実施の形態の駆動部６０は、工具３０の５軸制御（図３におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸及びＣ軸に関する制御）が可能であるため、工具３０の姿勢及び工具先端部３２の位置を自在に制御することができる。

また、制御装置５０は、加工時の工具姿勢が変化された時に、姿勢変化後の工具３０の工具姿勢及び工具長に基づいて、変化後の工具姿勢を維持したまま工具先端部３２をレーザ光４４の計測位置Ｐに実際に一致させた時の基準点２２の位置（座標値）を特定し、姿勢変化前の工具３０の工具先端部３２の位置と姿勢変化後の工具３０の工具先端部３２の位置との差に基づいて、姿勢変化後の工具３０の工具先端部３２の位置を補正する。このため、姿勢変化前の工具３０の工具先端部３２の位置に、姿勢変化後の工具３０の工具先端部３２の位置を正確に一致させることが容易である。

あるいは、制御装置５０は、工具が新たな工具３０Ａに交換された時に、新たな工具３０Ａの工具姿勢及び工具長に基づいて、加工時の工具姿勢を維持したまま新たな工具３０Ａの工具先端部３２Ａをレーザ光４４の計測位置Ｐに実際に一致させた時の基準点２２の位置を特定し、交換前の工具３０の工具先端部３２の位置と新たな工具３０Ａの工具先端部３２Ａの位置との差に基づいて、加工時の工具姿勢における新たな工具３０Ａの工具先端部３２Ａの位置を補正する。このため、交換前の工具３０の工具先端部３２の位置に、新たな工具３０Ａの工具先端部３２Ａの位置を正確に一致させることが容易である。

なお、本実施の形態では、工具３０が交換された際の工具先端部３２の座標値を補正する場合について説明されているが、この他、例えば、工具を交換することなく、時間が経過した際に発生した姿勢誤差に対応する際において、工具先端部３２の座標値を補正することも有効である。すなわち、工具３０を交換することなく時間が経過すると、室温の変化等に起因して工作機械１００に姿勢誤差が発生することがあるため、この姿勢誤差を打ち消すために工具先端部３２の座標値を補正することが有効である。具体的には、工具３０を保持した状態で長時間が経過し、室温の変化等に起因して工作機械１００に姿勢誤差が発生した場合、工具３０の工具先端部３２の位置に誤差が生じることがある。このような場合であっても、本実施の形態の工作機械によれば、工具３０の工具先端部３２の位置を正確に特定することが可能である。このことにより、姿勢変化前に工具３０によって形成された曲面と姿勢変化後の当該工具３０によって形成される曲面とを、滑らかに連続させることができる。

なお、基準点２２と旋回中心点２３とを結ぶ直線（工具の軸線Ａ）が、旋回中心点２３から鉛直下方に延びる仮想軸線に対して時計回りに４５°より大きく以上９５°以下の角度である場合には、すなわちＢ軸が４５°より大きく９５°以下の角度である場合には、上述した通り、工具３０は、図１２Ａ〜図１４Ｂを参照して説明した通り、駆動部６０によって鉛直下方（図１２Ａ〜図１４Ｂにおける下方）に移動される。一方、Ｂ軸の角度が、０°以上４５°以下の角度である場合には、工具３０が駆動部６０によって水平方向（図１２Ａ〜図１４Ｂの左右方向）に移動されればよい。このことにより、工具３０の移動方向と当該工具の軸線方向との成す角が小さくなり過ぎることが防止され、工具３０の移動距離をそれほど大きくすることなく効率的に工具３０の計測を行うことができる。

なお、Ｂ軸の角度が、０°以上４５°以下の角度であり、工具３０が駆動部６０によって水平方向に移動される際には、図１１Ａに対応する工具３０の同径円筒状部３３を測定するための位置決めを行う工程において、工具３０が水平方向に２Ｄだけ移動され、且つ、鉛直下方（負のＺ軸方向）に２Ｄだけ移動されればよい。この場合、遮光検知装置４０の計測位置Ｐを含む水平面と同径円筒状部３３との共有部分（楕円状の断面）の、図１１Ａにおける左端部が第１部分となり、当該共有部分（楕円状の断面）の、図１１Ａにおける右端部が第２部分となる。これ以降の工程については、前述した工程と実質的に同じであるため、その詳細な説明は省略する。

また、上述の実施の形態は、５軸制御が可能な工作機械として説明しているが、直交３軸の制御が可能な工作機械に適用することも可能である。この場合、Ｂ軸及びＣ軸の移動に連動する動作が省かれる。その際には、主軸の向きが鉛直方向であるか水平方向であるかに拘わらず、当該主軸に把持された工具に対して直交するように遮光検知装置４０のレーザ光４４の光路が提供されればよい。

１１テーブル
１２ベッド
１３基礎
１４一対のコラム
１５クロスレール
１６サドル
１７ラム
２０インデックスヘッド
２１工具把持部
２２基準点
２３旋回中心点
３０、３０Ａ工具
３０’ 基準工具
３１被把持部
３２、３２Ａ工具先端部
３３、３３Ａ同径円筒状部
４０遮光検知装置
４１基部
４２、４３一対の対向壁
４４レーザ光
４５発光部
４６受光部
４７回転テーブル
５０制御装置
５１制御部
５２演算部
６０駆動部
１００工作機械

Claims

ワークを載置する載置台と、
前記載置台に載置された前記ワークに加工を施すと共に、工具先端部を有する工具と、前記載置台に固定され、レーザ光の光路を提供すると共に、当該レーザ光の遮光状態を検知する遮光検知装置と、
前記載置台に支持構造体を介して連結され、前記工具の姿勢及び位置を制御する工具制御装置と、を備え、
前記工具制御装置には、前記工具に対応付けられた基準点が設けられ、
前記工具制御装置は、前記工具の加工時の工具姿勢である第１工具姿勢及び前記工具の工具長に基づいて、当該第１工具姿勢を維持したまま前記工具先端部を前記レーザ光の計測位置に実際に一致させた時の前記基準点の位置である第１工具位置を特定し、
前記第１工具位置は、前記工具制御装置によって前記工具が前記第１工具姿勢を維持したまま一軸方向に移動される際に、前記レーザ光の前記計測位置が前記工具の第１部分で遮光される時の前記基準点の位置と、前記工具を一軸方向に移動したときに当該工具の第２部分で遮光される時の前記基準点の位置と、の２つの位置に基づいて求められ、
前記工具制御装置は、前記工具を前記第１工具姿勢に維持したまま前記基準点が前記レーザ光の前記計測位置と前記２つの位置の中点とを結ぶ直線上に存在するように前記工具の位置を制御し、前記工具を前記第１工具姿勢に維持したまま前記基準点が当該直線に沿うように前記工具を移動させ、
前記第１工具位置は、前記工具が前記直線に沿って移動される際に、前記計測位置が前記工具先端部によって遮光される時の前記基準点の位置に基づいて求められることを特徴とする工作機械。
前記工具制御装置は、
加工時の工具姿勢が第１工具姿勢から第２工具姿勢に変化された時に、当該第２工具姿勢及び前記工具長に基づいて、当該第２工具姿勢を維持したまま前記工具先端部を前記レーザ光の前記計測位置に実際に一致させた時の前記基準点の位置である第２工具位置を特定し、
前記第１工具位置と前記第２工具位置との差に基づいて、前記工具の前記第２工具姿勢における前記工具先端部の位置を補正する
ことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記工具制御装置は、
前記工具が他の工具に交換された時に、前記第１工具姿勢及び前記他の工具の工具長に基づいて、当該第１工具姿勢を維持したまま当該他の工具の工具先端部を前記レーザ光の前記計測位置に実際に一致させた時の前記基準点の位置である第３工具位置を特定し、
前記第１工具位置と前記第３工具位置との差に基づいて、前記他の工具の前記第１工具姿勢における前記工具先端部の位置を補正する
ことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記工具制御装置は、前記工具の５軸制御が可能である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の工作機械。
前記工具は、ボールエンドミルである
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の工作機械。
工作機械の工具先端部の位置の補正方法であって、
前記工作機械は、ワークを載置する載置台と、前記載置台に載置された前記ワークに加工を施すと共に、工具先端部を有する工具と、前記載置台に固定され、レーザ光の光路を提供すると共に、当該レーザ光の遮光状態を検知する遮光検知装置と、前記載置台に支持構造体を介して連結され、前記工具の姿勢及び位置を制御する工具制御装置と、を有し、前記工具制御装置には、前記工具に対応付けられた基準点が設けられ、
前記工具制御装置が、前記工具の加工時の工具姿勢である第１工具姿勢及び前記工具の工具長に基づいて、当該第１工具姿勢を維持したまま前記工具の前記工具先端部を前記レーザ光の計測位置に実際に一致させる一致工程と、
前記工具先端部を前記レーザ光の前記計測位置に実際に一致させた時の前記基準点の位置である第１工具位置を特定する、第１工具位置特定工程と、を備え、
前記一致工程は、
前記工具制御装置が、前記工具を、前記第１工具姿勢を維持したまま一軸方向に移動させる第１移動工程と、
前記第１移動工程において、前記工具制御装置が、前記レーザ光の前記計測位置が前記工具の第１部分で遮光される時の前記基準点の位置と、前記工具を一軸方向に移動したときに当該工具の第２部分で遮光される時の前記基準点の位置と、の２つの位置を特定する特定工程と、を含み、
前記特定工程は、
前記工具を前記第１工具姿勢に維持したまま前記基準点が前記レーザ光の前記計測位置と前記２つの位置の中点とを結ぶ直線上に存在するように前記工具の位置を制御し、前記工具を前記第１工具姿勢に維持したまま前記基準点が当該直線に沿うように前記工具を移動させる工程と、
前記工具が前記直線に沿って移動される際に、前記計測位置が前記工具先端部によって遮光される時の前記基準点の位置を特定する工程と、を含むことを特徴とする補正方法。
加工時の工具姿勢が第１工具姿勢から第２工具姿勢に変化された時に、当該第２工具姿勢及び前記工具長に基づいて、当該第２工具姿勢を維持したまま前記工具の前記工具先端部を前記レーザ光の前記計測位置に実際に一致させた時の前記基準点の位置である第２工具位置を特定する、第２工具位置特定工程と、
前記第１工具位置と前記第２工具位置との差に基づいて、前記工具の前記第２工具姿勢における前記工具先端部の位置を補正する、第２工具位置補正工程と、を更に備えた
ことを特徴とする請求項６に記載の補正方法。
前記工具が他の工具に交換された時に、前記第１工具姿勢及び前記他の工具の工具長に基づいて、当該第１工具姿勢を維持したまま当該他の工具の工具先端部を前記レーザ光の前記計測位置に実際に一致させた時の前記基準点の位置である第３工具位置を特定する、第３工具位置特定工程と、
前記第１工具位置と前記第３工具位置との差に基づいて、前記他の工具の前記第１工具姿勢における前記工具先端部の位置を補正する、第３工具位置補正工程と、を更に備えたことを特徴とする請求項６に記載の補正方法。