JP7414848B2 - 工具外形検出ユニットを備えた機械加工モジュール及び工作機械、並びに工具外形検出方法 - Google Patents
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Description
特許文献9(EP2426555)には、加工対象物からの切削工具の変位を検出する装置が記載されている。この装置は、マンドレルに搭載されている加工対象物及び工具保持部も備える工作機械の一部に固定されたカメラを備える。
別の例は、特許文献10(JPH07246547)であり、これは、工具の座標を検出する検出機構を使用し、工具取り付け軸に装備された反射器と、工具の座標を検出するレーザ干渉計を備えたタイプの計測装置とを備える。
機械加工対象の部品の受け入れを意図された部品支持部と、
機械加工モジュール内の部品支持部の位置を制御及び修正するのに適合された部品支持部の制御ユニットと、
部品支持部上に取り付けられた部品を機械加工するのに使用される先端部を持つ工具を受け入れる工具保持部と、
機械加工モジュールにおける工具保持部の位置を制御及び修正するのに適合された工具保持部の制御ユニットと、
工具保持部に取り付けられた工具の外形を検出するユニットであって、工具保持部に取り付けられた工具の先端部の外形を求める光学機構を備え、光学機構は部品支持部に取り付けられている、前記ユニットと
を備える。
工具の位置を検出する方法と、
工具の形状を検出する方法と、
部品保持部及び工具保持部を備える機械加工モジュール内の、工具保持部に取り付けられている工具の摩耗を検出する方法と
にも関連している。
場合によって、計測操作位置において、工具312の先端部313と工具保持部のZ軸との間の最小距離は、50cm未満、又は30cm未満、場合によっては15cm未満である。例えば、計測操作位置において、工具312の先端部313と部品支持部のZ軸との間の最小距離は、5cmと50cmとの間、時に5cmと30cmとの間、又は20cmと30cmとの間、又は5cmと15cmとの間である。
場合によって、前記計測操作位置は、工具312の工具保持部310への装填位置に相当する。外形は、したがって、工具312が取り付けられるとすぐ計測できる。
また、前記計測操作位置において、工具保持部310のX軸は、光学機構100の光軸Oとは異なる方向を有してもよい。
場合によっては、工具保持部310のX軸は、図1に示すように、光学機構100のO軸の方向に直交しているので、光学機構100は、工具312の先端部及び末端の1側面を見ている。
場合によっては、工具保持部310のX軸は、光学機構100のO軸の方向と同軸であるか、又は平行であるため(図示せず)、光学機構100は、工具312の末端だけを見ている。
その他の場合には、工具保持部310のX軸は、光学機構100の光軸Oに対して傾斜している(ゼロ以外の角度であり、X軸と軸線Oとの間で90°と異なる場合は示されていない)。
本発明に係る機械加工モジュール300を搭載した工作機械によって、実のところ、工具保持部310の向き及びそのX軸を変更してよく、特に工具保持部310の動きの軸が5軸又は6軸の工作機械の場合に変更してよい。
他のタイプの光源、又は追加的光源が、個々独立に、あるいは相互に補完するようにして、設けられてよい。
1実施形態(図1、図7、図16参照)では、光学装置10はまた、光学機構100のO軸に平行で工具保持部310に向かって配向された前方光源104を備える。この光源104は、光学機構100の近くに配置されてよい。この光源104は、工具312に向かって配向され、計測操作位置で工具312の先端部313の前方照明を提供する。特に、図1、図7及び図16に示されるように、この前方光源104は、光学機構100の入力面102を囲む環状の光源である。この場合、前方光源104は、光学機構100の光軸Oと同軸であり、この前方光源104は、光学機構100によって見られる工具の端部313の表面の照明を可能にする。
1実施形態(図1及び図16を参照)では、光学装置10はまた、光学機構100に向けて配向された後方光源106を備え、この光源106は、計測操作位置において光学機構100に対する工具312の先端部313の背面照明を提供するように配置される。特に、図1及び図16に示されるように、この後方光源106は、光学機構100の光軸Oと同軸、好ましくは整列している。計測操作位置(図16を参照)において、工具の端部313は、光学機構100の入力面102と後方光源106との間にあり、そのため、工具の先端部313は、後方から照らされ、光学機構100によって見られている工具の先端部313の輪郭の領域で捕捉された画像のコントラストを増加させる。
光路126のこの内部部分は、鏡129などの反射屈折光学系を含む専用の光学モジュール128によって整列された第1画像捕捉機構110の光路116に接続されるか、より正確には結合する。このようにして、偏心している画像捕捉機構(ここでは第2画像捕捉機構120)の入光が、整列された画像捕捉機構(ここでは第1画像捕捉機構110)の経路又は光路に接続される。
このように、光学機構100は、第1画像捕捉機構110と第2画像捕捉機構120との間に配置され、第1及び第2画像捕捉機構の少なくとも一部からの光の一部を、第1及び第2画像捕捉機構のうちの他方に向けるように構成された(例えば、鏡129のような反射光学素子を備える)光学モジュール128を備える。光学機構100は、光学機構100による観察物体(図4及び図16の工具312の先端部313及び図6及び図8の目標200)からの光路が、第1画像捕捉機構110及び第2画像捕捉機構120のうちの一方の少なくとも一部(図4、図6、図8、及び図16の第1画像捕捉機構110)を通過してから、第1画像捕捉機構110及び第2画像捕捉機構120のうちの他方の画像捕捉機構(図4、図6、図8及び図16の第2画像捕捉機構120)に到達するようなものである。
また、代表的構成では、第1画像捕捉機構110と第2画像捕捉機構120とが平行して配置されている。また、代表的構成では、第1画像捕捉機構110は、部品支持部320に直接取り付けられ、第2画像捕捉機構120は、第1画像捕捉機構110の光軸から偏心しているが、これは逆であってもよく、すなわち、第2画像捕捉機構110が部品支持部320に直接取り付けられ、画像捕捉機構120が、画像捕捉機構110の光軸から偏心した構成もあり得る。
(i)機械加工モジュール300内に検出ユニット304を提供する工程であって、前記検出ユニット304は、工具保持部310に取り付けられた工具312の先端部313の形状を決定する光学機構100を備え、光学機構100は部品支持部320に取り付けられている、工程。
(ii)工具312を工具保持部310に装填する工程。この工程は、工具312と工具保持部310との間の相対位置を決定する。
(iii)(例えば、図4の構成による)計測動作位置における部品支持部320に対する工具保持部310の位置決めする工程。この工程は、工具312を、工具312の特に先端部313又は工具312の別の端部を、光学機構100によって見られる配置を可能にする。
(iv)前記検出ユニット304を起動する工程。そして
(v)光学機構100を介して、機械加工モジュール300内の工具312の位置を決定する工程。
(例えば、図4の配置から得られる)この画像、特にこの画像の焦点が合わせられた領域のX方向の位置と、第1画像捕捉機構110によって見られた工具の縁部に対する位置との分析は、工具312の光学機構100からの距離、したがって工具313のZ位置を、決定可能にする。この画像はまた、第1画像捕捉機構110によって見られる(投影における)最先端(単数又は複数)の位置を識別可能にする。この識別は、特に縁部(刃)と、幾何形状(最先端に対応する単数又は複数線の画像での形状)との両方の位置に関するものである。
(i)機械加工モジュール300内に検出ユニット304を提供する工程。前記検出ユニット304は、工具保持部310に取り付けられた工具312の前記端部313の外形を決定する光学機構100を備え、前記光学機構100は、部品支持部320に取り付ける。
(ii)工具312を工具保持部310に装填する工程。この工程は、工具312と工具保持部310との間の相対位置の識別を可能にする。
(iii)(例えば、図4の構成による)計測動作位置における部品支持部320に対する工具保持部310の位置決め工程。この工程は、工具312を、工具312の特に先端部313又は工具312の別の端部を、光学機構100によって見える配置を可能にする。
(iv)前記検出ユニット304の起動工程。そして
(v)光学機構100を介して、工具保持部310に取り付けられた工具312の前記先端部313(又は別の端部)の外形を決定する工程。
この画像を分析することで、第1画像捕捉機構110で見た工具の縁部を検出できる。これは、光学機構の光軸Oに平行なZ方向に直交する平面(X、Y)に投影して見た縁部、すなわち工具312の先端部313の輪郭である。よって、工具312のこの端部の形状(この場合は輪郭の線)は、画像化のときに工具保持部31に取り付けられた工具312の先端部313の幾何形状に関する情報を提供する。
この画像でも、第1画像捕捉機構110により見られる(射影における)単数又は複数の切削刃(最先端部)の識別も可能である。この識別は、特に切削刃の位置と幾何形状((単数又は複数の)切削刃に相当する線の画像での形状)と両方に相対する位置に関するものである。
第2構造体222の傾斜面222の表面は、例えば次の要素、エッチングされた配列、又は構造化格子のいずれかによって覆われている。エッチングされた配列、又は構造化格子の、格子又は配列のパターン間のピッチは、5μmから50μmの間、特に8μmから15μmの間、例えば10μmの規模である。
図12に示された、取り得る1実施形態により、目標200は、次の積み重ねる要素を備えるものである。底壁231は、中央が空いている板が載せられていて、筐体219の有効面202側にて、開口218が端にある。板232は、筐体219を閉じる保護板230が載せられている。全体は、目標200全体を保持する円筒壁234によって囲まれている。保護板230は、例えば、筐体219内に収容されているシリコン板であり、有効面202に面する(レリーフの要素224又は鏡面要素225を支持している)傾斜面222を有する。有効面202に面する板232の表面は、第1部分214(乱反射による反射面)及び第2部分216(鏡面反射、特に局在素子217による反射面)に関して前述した2つの領域になっている反射層233を備える。
この目的のために、計測操作位置において、第1画像捕捉機構210は、目標200の有効面202の方向を向き、目標200と整列された画像捕捉機構をなしている。そして第2画像捕捉機構120は光路126を持っていて、光路126は、目標200と整列されている画像捕捉機構110の光路116に結合し、目標200に対して、光学系100の光軸Oに対して、そして光路116及び光路126の共通部分(目標と整列している共通部分)に対して偏心(軸をずら)している画像捕捉機構をなしている。言い換えると、目標200に整列している画像捕捉機構の光路は、基準面212に対して実質的に垂直である。
この基準位置において、目標200は、光学機構100の画像焦点面が目標の有効面202と一致するように配置される。特に、しかしこれに限定されるものではないが、この基準位置において、目標200は、光学機構100の第1画像捕捉機構110の画像焦点面F1が目標の有効面202と一致して(図12参照)、それにより第2画像捕捉機構の画像焦点面F2が目標200の傾斜面222と交差することがあるように、配置される(第2画像捕捉機構120の焦点距離は、第2画像捕捉機構120の画像焦点面F2を目標200の第2構造220上に配置可能である)。
工具保持部310及び部品支持部320が配置されると、3次元の目標200の有効面202が光学機構100の光路O内にある。特に、第3画像捕捉機構130を使用して、目標200の工具保持部310の回転する部分に対する、それゆえX軸に対する、角度方向を識別するようにしてよい。ここでは、必要に応じて、工具保持部310の回転する部分の角度方向を変更可能にして(図6の矢印Rを参照)、それによって、目標200の有効面202が光学機構100に向くように、目標200を配置する。図6及び図8で上述したように、目標200が光学機構100に配向されているところでの相対計測位置が得られる。この場合、Z方向が、目標200と光学機構100との間に延在している。
この第1画像は、ここでは正方形(図10参照)の境界を持つ局所化領域217の画像を備えて、第1画像の処理は、正方形の対角線C1及び対角線C2を生成し、正方形の中心C3の識別を可能にする。
このように、第1画像上の光軸Oの位置は既知であるので、正方形の中心C3の位置を決定することにより、光軸Oに対する目標200のX及びYの位置だけでなく、工具保持部310上のX方向の計測部314に対する位置、及び工具保持部310上のY方向の計測部316に対する位置も可能になる。図6及び図9に示すように、工具保持部310の1面は、X軸に直交するX基準として使用され、例えば、工具保持部310の断面に沿う再入光の肩部の結果、第1画像上に線として見え、X方向の計測部314を形成する(図9参照)。さらに、図6及び図9に示されるように、工具保持部310の寸法は、X軸に直交する目標200近傍のY基準として使用され、工具保持部310の目標200近傍の幅(Y方向に平行)として示される場合、例えば、工具保持部310のこの部分が円形断面の円筒形である場合の直径として使用される。この寸法は、Y方向の計測部316を形成する(図9参照)。
(vi)前記工具312を用いる機械加工工程(複数)の実施工程。この工程により、変形した外形(第2状態又は新しい外形)を持つ先端部313の工具312が得られる。
(vii)(例えば、図4の構成に従った)前記作動計測位置における、部品支持部310に対する工具保持部310の位置決め工程。
(viii)前記検出ユニット304の起動工程。
(ix)光学機構100を介して、工具保持部310に取り付けられている工具312の先端部313の変形した外形を決定する工程。(例えば、最先端の位置と方向との少なくとも一方の検証のため、又は切削工具の品質の検証、それにより、将来の加工操作に必要な切削工具の種類分類の検証のため)そして
(x)前記工具の前記先端部313の外形及び変形した外形に基づいて、工具の摩耗状態を確定する工程。
Y 水平横方向(第2横軸)
Z 主水平方向(主軸)
C1 対角線
C2 対角線
C3 中心
α 傾斜面の角度
R 工具保持部と目標の回転を表す矢印
10 光学装置
100 光学機構
O 光軸
102 光学機構入口面
104 環状の前方光源
106 後方光源
110 第1画像捕捉機構
DOF1 第1画像捕捉機構の被写界深度
F1 第1画像捕捉機構の画像の焦点面
112 第1画像取得機構
116 第1画像取得機構の光路
120 第2画像捕捉機構
DOF2 第2画像捕捉機構の被写界深度
122 第2画像取得機構
126 第2画像捕捉機構の光路
128 反射光学機構を持つ光学モジュール
129 鏡
130 第3画像捕捉機構
140 光源(横方向照明)
200 3次元目標
202 有効面
210 第1構造
212 基準面
214 第1部分(乱反射の反射面)
216 第2部分(鏡面反射の反射面)
217 局所化領域
218 開口部
219 筐体
210 第2構造
222 傾斜面
224 レリーフの要素
225 鏡面要素
230 透明保護板
231 底壁
232 板部
233 反射層
234 円筒状壁
300 機械加工モジュール
302 工具保持部の制御ユニット
304 工具外形検出ユニット
306 工具摩耗追跡ユニット
308 部品支持部の制御装置
310 工具保持部
310’ 工具保持部のマルチスピンドル
312 工具
312’ 工具
312’’ 工具
312’’’ 工具
313 工具の先端部
313A 摩耗領域
314 工具保持部のX方向の計測部
316 工具保持部のY方向の計測部
320 部品支持部又は素材スピンドル
322 加工対象部品(素材)
Claims (17)
- 工作機械用の、材料を除去する機械加工モジュール(300)であって、
機械加工対象の部品(322)の受け入れが意図された部品支持部(320)と、
機械加工モジュール(300)内の部品支持部(320)の位置を制御及び修正するのに適合された部品支持部の制御ユニット(308)と、
部品支持部上に取り付けられた部品を機械加工するのに使用される先端部(313)を持つ工具(312)を受け入れる工具保持部(310)と、
機械加工モジュール(300)における工具保持部(310)の位置を制御及び修正するのに適合された工具保持部の制御ユニット(302)と、
工具保持部に取り付けられた工具(312)の外形を検出するユニット(304)であって、工具保持部(310)に取り付けられた工具(312)の先端部(313)の外形を求める光学機構(100)を備え、光学機構(100)は部品支持部(320)に取り付けられている、前記ユニット(304)と
を備え、
前記機械加工モジュール(300)が、さらに3次元の目標(200)を備え、前記目標(200)が、前記工具保持部(310)に取り付けられていて、
前記目標(200)が、
前記工具保持部(310)が軸線(X)を中心とする所定の角度位置にあり、かつ前記軸(X)に沿った所定の軸位置にあるときに、光学機構(100)の光軸(O)上で動くように適合されている位置決め基準を形成して、前記工具保持部(310)の前記部品支持部(320)に対する基準位置を形成する有効面(202)と、
前記有効面(202)上に
平面基準面(212)を画定する第1構造(210)と、
前記平面基準面(212)に対して傾斜している傾斜面(222)を備える第2構造(220)と、を備え、
前記光学機構(100)が、第1画像捕捉機構(110)と第2画像捕捉機構(120)とを備え、ここでは、前記第2画像捕捉機構(120)の焦点距離が前記第1画像捕捉機構(110)の焦点距離に重ならない区間が、前記光軸(O)に沿って前記平面基準面(212)と前記傾斜面(222)の間の最小距離と最大距離との間に存在している、機械加工モジュール(300)。 - 前記光学機構(100)が、前記工具保持部(310)が計測操作位置にあるときに前記外形を検出可能にするように構成されている、請求項1に記載の機械加工モジュール(300)。
- 前記光学機構(100)は、その画像焦点面が前記計測操作位置において前記工具(312)の先端部に交差できるように構成された第1画像捕捉機構(110)を備える、請求項2に記載の機械加工モジュール(300)。
- 前記光学機構(100)が、工具保持部(310)のX軸方向に直交する光軸(O)を有する、請求項1から3のいずれか一項に記載の機械加工モジュール(300)。
- 前記光学機構(100)が、目標の画像化の単一の工程によって、前記部品の部品支持部(320)と前記工具保持部(310)との間の3次元相対位置を前記光学機構(100)により決定可能に構成されている、計測光学装置(10)の一部である、請求項1から4のいずれか一項に記載の機械加工モジュール(300)。
- 前記計測光学装置(10)が、前記工具保持部(310)に取り付けられた前記工具(312)の先端部の画像化の単一の工程によって、前記工具保持部(310)に取り付けられた前記工具(312)の先端部の外形を前記光学機構(100)により決定可能にも構成されている、請求項5に記載の機械加工モジュール(300)。
- 前記計測光学装置(10)が、光学機構(100)の光軸(O)に平行に、かつ工具保持部(310)に向かって配向された前方光源(104)をさらに備える、請求項5又は6に記載の機械加工モジュール(300)。
- 前記計測光学装置(10)は、光学機構(100)に向けて配向された後方光源(106)をさらに備える、請求項5から7のいずれか一項に記載の機械加工モジュール(300)。
- 前記計測光学装置(10)は、前記工具保持部(310)に向けて配向された光源(140)をさらに備え、前記光源(140)は、前記3次元の目標(200)の横方向照明を提供するように配置されている、請求項5に記載の機械加工モジュール(300)。
- 前記第1画像捕捉機構(110)の被写界深度が、前記第2画像捕捉機構(120)の被写界深度の少なくとも10倍であり、
前記光学機構(100)は、前記第1画像捕捉機構(110)の光路と前記第2画像捕捉機構(120)の光路とが、前記光学機構(100)の前記光軸(O)上に位置し、前記第1画像捕捉機構(110)の画像焦点面と前記第2画像捕捉機構(120)の画像焦点面とからなる共通部分を備えるように配置されている、請求項1から8のいずれか一項に記載の機械加工モジュール(300)。 - 請求項1又は10に記載の機械加工モジュール(300)において、
前記第1画像捕捉機構(110)は、その画像焦点面が前記第1構造(210)の前記平面基準面(212)に一致できるように構成されていて、
前記第2画像捕捉機構(120)は、その画像焦点面が前記目標(200)の前記傾斜面(222)に交差できるように構成されている、機械加工モジュール(300)。 - 前記計測光学装置(10)が、前記工具保持部(310)上に配置され、前記軸線(X)を中心とした前記工具保持部(310)の角度方向を識別するように構成された第3画像捕捉機構(130)をさらに備える、請求項5から9のいずれか一項に記載の機械加工モジュール(300)。
- 請求項1から12のいずれか一項に記載の機械加工モジュール(300)を備える工作機械であって、前記工作機械は、検出ユニット(304)によって提供される情報から工具の外形の偏差を計算可能な、工具の摩耗を監視するユニット(306)をさらに備える、工作機械。
- 工具の摩耗を追跡する前記ユニット(306)が、工具外形の偏差が所定の偏差を超える場合に、前記検出ユニット(304)によって検出された、前記工具保持部(310)に取り付けられた工具(312)の先端部(312)の変化した外形を、機械加工変数の再計算に使用することを可能にし、
前記機械加工変数は、前記工具保持部(310)の移動に関する情報を含み、工具保持部制御ユニット(302)に送信されるものである、請求項13に記載の工作機械。 - 請求項1から12のいずれか一項に記載の前記機械加工モジュール(300)において、前記工具保持部(310)に取り付けられた前記工具(312)の位置を検出する方法であって、以下の
(i)前記機械加工モジュール(300)内に前記検出ユニット(304)を供給する工程であって、前記検出ユニット(304)は、前記工具保持部(310)に取り付けられ、前記工具保持部(312)の前記先端部(313)の外形を決定するための前記光学機構(100)を備え、前記光学機構(100)は前記部品支持部(320)に取り付けられる、前記供給する工程と、
(ii)前記工具(312)を前記工具保持部(310)に装填する工程と、
(iii)前記工具保持部(310)の計測操作位置における前記部品保持部(320)に対する位置決めをする工程と、
(iv)前記検出ユニット(304)を起動する工程と
(v)前記光学機構(100)を介して、前記機械加工モジュール(300)内の前記工具(312)の位置を決定する工程と
を備える、前記方法。 - 請求項1から12のいずれか一項に記載の前記部品保持部(320)と前記工具保持部(310)とを備える前記機械加工モジュール(300)において、前記工具保持部(310)に装着された前記工具(312)の外形を検出する方法であって、以下の
(i)前記機械加工モジュール(300)内に前記検出ユニット(304)を供給する工程であって、前記検出ユニット(304)は、前記工具保持部(310)に取り付けられ、前記工具保持部(312)の前記先端部(313)の外形を決定するための前記光学機構(100)を備え、前記光学機構(100)は前記部品支持部(320)に取り付けられる、前記供給する工程と、
(ii)前記工具(312)を前記工具保持部(310)に装填する工程と、
(iii)前記工具保持部(310)の計測操作位置における前記部品保持部(320)に対する位置決めをする工程と、
(iv)前記検出ユニット(304)を起動する工程と、
(v)前記光学機構(100)を介して、前記工具保持部(310)に取り付けられた前記工具(312)の前記先端部(313)の外形を決定する工程と
を備える、前記方法。 - 工作機械における工具の摩耗を検出する方法であって、請求項16に記載の工具の外形を検出する方法が実施され、さらに以下の
(vi)前記工具(312)を用いて機械加工工程を実施する工程であって、それら工程により変化した外形を持つ前記先端部(313)を有する前記工具(312)が得られる、前記実施する工程と、
(vii)前記部品保持部(320)に対する前記工具保持部(310)の前記計測操作位置での位置決めをする工程と、
(viii)前記検出ユニット(304)を起動する工程と、
(ix)前記工具保持部(310)に取り付けられた前記工具(312)の前記先端部(313)の変化した外形を決定する工程と、
(x)前記工具の前記先端部(313)の前記外形及び前記変化した外形からの前記工具の摩耗状態を確定する工程と
を備える、前記方法。
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