JPH10138097A - 工具の刃先位置変位測定機能を備えたｎｃ工作機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転中の工具の刃先位置変位を自動的に迅速
に測定可能で、かつ構造が簡単でコンパクトな測定装置
を用いた工具の刃先位置変位測定機能を備えたＮＣ工作
機械を提供する。 【解決手段】 テーブル５に設けた９０度の割り出しが
可能な旋回台９上に、レーザ光線式の測定手段１５を載
置する。工具Ｔを使用回転速度で回転させながらレーザ
光線Ｌにアプローチさせ、遮断したときのＸ，Ｙ，Ｚの
座標値を位置検出手段２３で検出する。予め測定し基準
値記憶手段２５に記憶しておいたマスタ工具の工具長、
工具径の値と検出した座標値とから演算手段２７におい
て工具Ｔの刃先位置変位を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＮＣフライス盤や
マシニングセンタ等のＮＣ工作機械に関し、特に回転主
軸にボールエンドミル等の工具を装着して回転中の工具
の刃先位置変位を測定可能にした工具の刃先位置変位測
定機能を備えたＮＣ工作機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＮＣ工作機械の回転主軸に装着し
た工具の工具長、工具径は、非回転時に測定していた
が、回転主軸の振れ、工具の回転主軸への装着精度等の
影響で回転中の工具長、工具径とは異なることがわかっ
てきた。また最近は、ＮＣ工作機械の回転主軸の回転速
度が高速化し、主軸頭からの発熱による機械の熱変形、
主軸の工具装着穴の遠心力による膨張のため工具が主軸
内に引き込まれる、いわゆるサックイン現象、工具およ
び回転主軸を含めた回転系のアンバランス等に起因して
回転中の工具の刃先位置が変化することがわかってき
た。

【０００３】そこで回転中の工具の工具長、工具径、工
具中心位置のずれ、工具先端形状等を測定し、工具刃先
位置変位を求める提案がなされている。本出願人による
特開平８−２２９７７６号公報に開示の技術は、球形の
測定電極を先端に有した静電容量式変位測定器を用い、
使用回転速度で回転中の工具に接近させて、回転中の工
具の刃先位置変位を測定可能にしたＮＣ工作機械に関す
るものである。一方、特開昭６２−８８５５５号公報に
開示の技術は、テーブル上に３本のレーザ光線を張設
し、回転工具を所定の方向からアプローチさせ、光線を
遮断したときのＸ，Ｙ，Ｚの各軸の座標位置から回転中
工具の工具長、工具径を測定可能にした工具寸法の測定
方法に関するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の特開平８−２２
９７７６号公報の従来技術は、球状の測定電極を先端に
有した静電容量式変位測定器を用いているので、被測定
物である回転中の工具と測定電極との距離の調整が難し
く、測定の自動化にはなお改善の余地がある。特開昭６
２−８８５５５号公報の従来技術は、３本のレーザ光線
を張設する、つまり３個の受光器や検出回路を必要と
し、構造がどうしても大形で複雑となる問題点がある。
そこで本発明の目的は、回転中の工具の刃先位置変位を
自動的に迅速に測定可能で、かつ構造が簡単でコンパク
トな測定装置を用いた、工具の刃先位置測定機能を備え
たＮＣ工作機械を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による工具の刃先
位置変位測定機能を備えたＮＣ工作機械は、工具を装着
する回転主軸とワークを固定するテーブルとの間でＸ，
Ｙ，Ｚの３軸方向の相対移動を行わせ前記ワークを加工
するＮＣ工作機械において、前記テーブルに設けられ、
ＸＹ平面内で９０度の割り出しが可能な旋回台と、前記
旋回台上に設けられ、投光器と受光器との間に１本の糸
状の光線が投射されて該光線を遮断するとスキップ信号
を送出する測定手段と、前記測定手段から送出されたス
キップ信号を受けたときのＸ，Ｙ，Ｚの各軸の座標値を
検出する位置検出手段と、長さおよび径が既知のマスタ
を前記回転主軸に装着し、前記回転主軸を非回転状態に
して前記マスタを前記測定手段の光線に所定の方向から
アプローチさせ、前記光線を遮断して前記位置検出手段
がスキップ信号を受けたときのＸ，Ｙ，Ｚの各軸の座標
値を基準座標値として記憶する基準値記憶手段と、実加
工に使用する工具を前記回転主軸に装着し、使用回転速
度で回転させた状態にして前記測定手段の光線に所定の
方向からアプローチさせ、前記光線を遮断して前記位置
検出手段がスキップ信号を受けたときのＸ，Ｙ，Ｚの各
軸の座標値と前記基準値記憶手段に記憶されている基準
座標値とから前記使用回転速度で回転中の工具の刃先位
置変位を算出する演算手段とを具備したものである。ま
た、前記演算手段で算出した回転中の工具の刃先位置変
位からＮＣ補正データを求めてＮＣ装置の補正部へ送出
する補正手段を更に具備したものである。

【０００６】

【作用】まずマスタを回転主軸に装着し、非回転状態で
Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向から測定手段の光線にアプローチさ
せ、遮断したときのＸ，Ｙ，Ｚの各軸の座標値を基準座
標値として基準値記憶手段に記憶させる。次に使用工具
を回転主軸に装着し、使用回転速度の回転状態でマスタ
のときと同様に測定手段の光線にアプローチさせ、遮断
したときのＸ，Ｙ，Ｚの各軸の座標値を読み取る。そし
て演算手段はこの読み取った座標値と、前記基準値記憶
手段の基準座標値とから使用工具の使用回転速度におけ
る工具長、工具径、工具先端形状、工具摩耗量等の工具
の刃先位置変位を算出する。算出結果を必要に応じて表
示したり、ＮＣ補正データとしてＮＣ装置の補正部へ送
出したりする。光線が１本だけ投射された測定手段を用
いてＸＹ平面におけるＸ，Ｙの２軸方向の変位を測定す
るために、９０度の割り出しが可能な旋回台上に測定手
段が設けられている。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づき詳細に説明する。図１は、本発明の工具の刃先位
置変位測定機能を備えたＮＣ工作機械の一実施形態の構
成を示すブロック図、図２は、図１の実施形態において
工具長を測定するときの動作説明図、図３は、図１の実
施形態において工具径を測定するときの動作説明図、図
４は、図１の実施形態において工具の刃先位置変位を測
定するときの動作説明図であり、（ａ）はＸ軸方向の測
定、（ｂ）はＹ軸方向の測定を示す。図５は、図１の実
施形態においてボールエンドミルの先端形状を測定する
ときの説明図である。

【０００８】まず図１を参照して、本発明の一実施形態
を説明する。ＮＣ工作機械は、回転主軸１を内蔵する主
軸頭３と、ワーク（図示せず）を固定するテーブル５と
がＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向にＮＣ装置７の指令に基づいて
相対移動するように構成されている。回転主軸１の先端
には工具Ｔが装着され、工具Ｔを回転させながらワーク
に切り込み、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対移動をさせてワー
クに所望の加工を施す。

【０００９】テーブル５上の加工の障害にならない場所
に旋回台９を設ける。旋回台９はベース１１と回転テー
ブル１３とから成り、回転テーブル１３はＸＹ平面内に
おいて少なくとも９０度の割り出しが可能に構成されて
いる。旋回台９上にはレーザ光線式測定手段１５が固定
されている。この測定手段１５は、回転テーブル１３上
に固定されたＵ字形のフレーム１７と、フレーム１７の
一方側に内蔵され、糸状のレーザ光線Ｌを投射する投光
器１９と、フレーム１７の他方側に内蔵され、レーザ光
線Ｌを受光する受光器２１と、更に図示はしないが、フ
レーム１７に内蔵され、レーザ光線Ｌが遮断されたとき
スキップ信号を発生するスキップ信号発生回路とから構
成されている。レーザ光線Ｌは旋回台９を９０度割り出
すことによって、Ｘ軸方向とＹ軸方向に投射されるよう
になっている。

【００１０】工具Ｔと測定手段１５との位置関係はＸ，
Ｙ，Ｚ軸を移動することによって図１のようになり、工
具Ｔがレーザ光線Ｌに対してＸ，Ｙ，Ｚの各方向からア
プローチし、レーザ光線Ｌを遮断するようになってい
る。また回転主軸１には、自動工具交換装置（図示せ
ず）によって長さ、直径が既知のマスタ工具ＭＴを装着
することができる。レーザ光線Ｌが工具Ｔによって遮断
されたとき、スキップ信号発生回路から発生したスキッ
プ信号を受けて位置検出手段２３の検出値が読み取られ
る。位置検出手段２３は、Ｘ，Ｙ，Ｚの各送り軸の座標
値を読み取るデジタルスケールやエンコーダを含んでい
る。

【００１１】回転主軸１にマスタ工具ＭＴを装着して所
定のレーザ光線の遮断動作を行わせ、そのときに位置検
出手段２３で読み取ったＸ，Ｙ，Ｚの各軸の座標値を基
準座標値として基準値記憶手段２５に記憶する。回転主
軸１に使用工具Ｔを装着して使用回転速度で回転主軸１
を回転させ、所定のレーザ光線の遮断動作を行わせてそ
のときに位置検出手段２３で読み取ったＸ，Ｙ，Ｚの各
軸の座標値を読み込み、更に基準値記憶手段２５からの
基準座標値も読み込み、その両座標値から回転中の工具
の工具長、工具径、工具先端形状、工具の刃先位置変位
を演算する演算手段２７が設けられている。演算手段２
７の演算結果や基準値記憶手段２５の記憶値を表示する
のが表示手段２９である。演算手段２７で算出した回転
中の工具の工具長、工具径を工具長オフセット値、工具
径オフセット値としてＮＣ装置７に送出したり、工具の
刃先位置変位量をワーク座標系シフト値としてＮＣ装置
７に送出したりする補正手段３１が設けられている。Ｎ
Ｃ装置７は外部から入力されるＮＣプログラムに基づい
てＸ，Ｙ，Ｚの各軸の移動指令を機械に送出しワークの
加工を行うのである。

【００１２】次に工具長、工具径、工具の刃先位置変位
等の求め方について説明する。レーザ光線Ｌはある太さ
を有しており、この太さが測定精度に与える影響を取り
除くことができる方法を採用している。説明のためレー
ザ光線Ｌの太さを誇張してある。まず図２を参照して、
工具長は、マスタ工具ＭＴを回転主軸１に装着し、非回
転状態にしてＺ軸方向から所定の送り速度で測定手段１
５のレーザ光線Ｌにアプローチさせ、マスタ工具ＭＴの
先端面がレーザ光線Ｌを遮断したときのＺ軸の座標値を
読み取り基準値記憶手段２５に記憶する。続いて使用工
具Ｔを回転主軸１に装着し、使用回転速度で回転させた
状態で同様にレーザ光線Ｌにアプローチさせ、遮断した
ときの座標値を読み込む、演算手段２７は、マスタ工具
ＭＴの既知の工具長が記憶されている基準座標値と使用
工具Ｔの検出座標値とから使用工具Ｔの工具長Ｈを算出
できる。

【００１３】図３を参照して、工具径は、Ｙ方向にレー
ザ光線Ｌを投射しておき、レーザ光線Ｌの左右からＸ方
向にマスタ工具ＭＴおよび使用回転速度で回転中の工具
をそれぞれ所定の送り速度でアプローチさせそのときの
各々のＸ軸の座標値を読み取る。左からアプローチした
ときのマスタ工具ＭＴと使用工具Ｔの座標値はそれぞれ
Ｘ1 ，Ｘ3 であり、右からアプローチしたときの座標値
はそれぞれＸ2 ，Ｘ4である。Ｘ1 とＸ2 と既知の工具
径Ｄｍを基準値記憶手段２５へ記憶させ、使用工具Ｔの
座標値Ｘ3 ，Ｘ4 は演算手段２７へ送出する。工具径の
検出特性は図３に示す通りΔＤだけ左右両円が重なる。
すなわち Ｄｍ−ΔＤ＝Ｘ2 −Ｘ1 なる関係が成り立つ。つまり、 ΔＤ＝Ｄｍ−（Ｘ2 −Ｘ1 ） である。従って使用工具の求めるべき工具径Ｄは、 Ｄ−ΔＤ＝Ｘ4 −Ｘ3 なる関係が成り立つので、 Ｄ＝Ｘ4 −Ｘ3 ＋ΔＤ ＝Ｘ4 −Ｘ3 ＋Ｄｍ−（Ｘ2 −Ｘ1 ） となり、この式を演算手段２７内で計算することによ
り、使用回転速度で回転している状態の工具Ｔの工具径
が求められる。本説明ではレーザ光線をＹ軸方向に投射
して行う場合について述べたが、Ｘ軸方向（左右方向）
に投射してマスタ工具ＭＴおよび使用工具Ｔをレーザ光
線Ｌの上下からＹ方向にそれぞれアプローチする方法で
行う場合でも同様に工具径を算出することができる。

【００１４】次に工具の刃先位置がマスタ工具測定時と
使用回転速度で回転中の工具測定時とでどれだけ変位し
たか、その刃先位置変位量の求め方について図４を用い
て説明する。まず図４（ａ）を参照するに、工具径を求
める場合と同様に、Ｙ軸方向に投射しているレーザ光線
Ｌの左右からＸ軸方向にマスタ工具ＭＴをそれぞれアプ
ローチさせ、検出した工具中心位置（Ｘ1 ，Ｙ）と（Ｘ
2 ，Ｙ）との中点のＸ座標（Ｘ2 −Ｘ1 ）／２を求め
る。同様に使用回転速度で回転中の工具Ｔの中心位置
（Ｘ3 ，Ｙ）と（Ｘ3 ，Ｙ）との中点のＸ座標（Ｘ4 −
Ｘ3 ）／２を求める。両中点のＸ座標の差 （Ｘ4 −Ｘ3 ）／２−（Ｘ2 −Ｘ1 ）／２ が求める刃先位置変位のＸ成分ΔＸである。

【００１５】図４（ｂ）を参照するに、旋回台９を９０
度旋回してレーザ光線ＬをＸ軸方向に投射し、その上下
方向（Ｙ方向）からマスタ工具ＭＴをアプローチしてレ
ーザ光線Ｌを遮断したときの工具中心位置（Ｘ，Ｙ1 ）
と（Ｘ，Ｙ2 ）との中点のＹ座標（Ｙ2 −Ｙ1 ）／２を
求める。同様に使用回転速度で回転中の工具Ｔの中心位
置（Ｘ，Ｙ3 ）と（Ｘ，Ｙ4 ）との中点のＹ座標（Ｙ4
−Ｙ3 ）／２を求める。両中点のＹ座標の差 （Ｙ4 −Ｙ3 ）／２−（Ｙ2 −Ｙ1 ）／２ が求める刃先位置変位のＹ成分ΔＹである。ここでは、
マスタ工具ＭＴと次加工に使用する工具との間のＸ，Ｙ
軸方向の刃先位置変位について述べたが、更に次々加工
に使用する工具の使用回転速度で回転中の工具中心位置
を測定して次工具の工具中心位置との間の刃先位置変位
を求めることもできる。このＸ，Ｙ軸方向の工具の刃先
位置変位は、主に機械の熱変形によって生じる。

【００１６】Ｚ軸方向の工具の刃先位置変位ΔＺは、主
に主軸の熱膨張と高速回転による工具のサックイン現象
によって生じる。このΔＺの値は、マスタ工具ＭＴを非
回転時、および実際の何種類かの使用回転速度での回転
時において工具長を実測し、その結果を基準値記憶手段
２５に記憶しておき、実際の加工に際して次工具回転速
度における基準工具長と現工具回転速度における基準工
具長との差から求めることができる。通常はこのΔＺの
絶対値を求めなくても良い。加工の直前に測定する使用
工具の工具長の値を求めさえすればその中にすでにＺ軸
方向の工具刃先位置変位は含まれているからである。

【００１７】工具の長さ方向および径方向の摩耗量を測
定する場合は、同一工具の使用前と使用後において、前
述の方法によって工具長、工具径を求め、使用前と使用
後における差から知ることができる。この演算も演算手
段２７によって行う。

【００１８】図５を参照してボールエンドミルＢＥの工
具先端形状を求める方法を説明する。ボールエンドミル
ＢＥの縦断面において先端球部の中心０から等角度で１
／４円弧を分割する。本例では便宜的に６分割し円周上
の分割点合計７個（図中における小丸印）におけるＸ，
Ｙ，Ｚの各座標を測定する。レーザ光線Ｌを紙面の直角
方向に投射し、法線方向からボールエンドミルＢＥをレ
ーザ光線Ｌにアプローチさせ、遮断したときのＸ，Ｙ，
Ｚの各軸の座標値を測定し、各座標値をつないで近似的
に回転中のボールエンドミルＢＥの先端形状を求めるこ
とができる。工具先端形状の測定は、ボールエンドミル
に限らず、ストレートエンドミル、テーパエンドミル、
正面フライス、あり溝フライス等各種の工具に応用でき
る。使用前と使用後における先端形状の変化から工具の
偏摩耗の状態を知ることもできる。これらの工具先端形
状も演算手段２７によって演算する。

【００１９】演算手段２７によって求めた工具長、工具
径、工具刃先位置変位、工具摩耗量、工具先端形状の値
は、表示手段２９で表示される。また補正手段３１へも
送出され、そこで工具長オフセット量、工具径オフセッ
ト量、ワーク座標系シフト量等の補正データを生成して
その補正データをＮＣ装置７へ送出する。すると使用工
具、使用回転速度に合った補正を施しながらワークの加
工が行える。

【００２０】本実施形態によれば、テーブル５に設けた
旋回台９上に１本だけのレーザ光線Ｌを投射する方式の
測定手段１５を設けるという簡単な構成で、かつマスタ
工具ＭＴおよび使用工具Ｔをそのレーザ光線Ｌにアプロ
ーチさせるという簡単な動作を加工前に行うだけで、使
用状態における工具長、工具径、工具刃先位置変位、工
具摩耗量、工具先端形状等が求められる。そして必要に
応じてそれらの値からＮＣ補正データを生成できるので
ある。

【００２１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば回
転中の工具の工具長、工具径、工具先端形状、工具摩耗
量等を含めた工具刃先位置変位が簡単な構成で、自動的
に迅速に測定できる。測定手段も１本の光線を投射する
形式のものを９０度の割り出し可能な旋回台上に載置す
るだけの構造であり、コンパクトである。この測定した
工具刃先位置変位からＮＣ補正データを求めＸ，Ｙ，Ｚ
の各軸の移動指令を補正することにより、使用工具およ
び使用回転速度に合ったＮＣ加工が行える。特に機械の
熱変形、工具のサックイン現象、回転系のアンバランス
等の要因による加工誤差がほとんどなくなり、加工精度
が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の工具の刃先位置変位測定機能を備えた
ＮＣ工作機械の一実施形態の構成ブロック図である。

【図２】図１の実施形態において、工具長を測定すると
きの動作説明図である。

【図３】図１の実施形態において、工具径を測定すると
きの動作説明図である。

【図４】図１の実施形態において、工具の刃先位置変位
を測定するときの動作説明図であり、（ａ）はＸ軸方向
の測定、（ｂ）はＹ軸方向の測定を示す。

【図５】図１の実施形態において、ボールエンドミルの
先端形状を測定するときの説明図である。

【符号の説明】

１…回転主軸 ３…主軸頭 ５…テーブル ７…ＮＣ装置 ９…旋回台 １５…測定手段 １９…投光器 ２１…受光器 ２３…位置検出手段 ２５…基準値記憶手段 ２７…演算手段 ３１…補正手段 Ｌ…レーザ光線 Ｔ…工具 ＭＴ…マスタ工具

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工具を装着する回転主軸とワークを固定
   するテーブルとの間でＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向の相対移動
   を行わせ前記ワークを加工するＮＣ工作機械において、 前記テーブルに設けられ、ＸＹ平面内で９０度の割り出
   しが可能な旋回台と、 前記旋回台上に設けられ、投光器と受光器との間に１本
   の糸状の光線が投射されて該光線を遮断するとスキップ
   信号を送出する測定手段と、 前記測定手段から送出されたスキップ信号を受けたとき
   のＸ，Ｙ，Ｚの各軸の座標値を検出する位置検出手段
   と、 長さおよび径が既知のマスタを前記回転主軸に装着し、
   前記回転主軸を非回転状態にして前記マスタを前記測定
   手段の光線に所定の方向からアプローチさせ、前記光線
   を遮断して前記位置検出手段がスキップ信号を受けたと
   きのＸ，Ｙ，Ｚの各軸の座標値を基準座標値として記憶
   する基準値記憶手段と、 実加工に使用する工具を前記回転主軸に装着し、使用回
   転速度で回転させた状態にして前記測定手段の光線に所
   定の方向からアプローチさせ、前記光線を遮断して前記
   位置検出手段がスキップ信号を受けたときのＸ，Ｙ，Ｚ
   の各軸の座標値と前記基準値記憶手段に記憶されている
   基準座標値とから前記使用回転速度で回転中の工具の刃
   先位置変位を算出する演算手段と、 を具備することを特徴とした工具の刃先位置変位測定機
   能を備えたＮＣ工作機械。
2. 【請求項２】 前記演算手段で算出した回転中の工具の
   刃先位置変位からＮＣ補正データを求めてＮＣ装置の補
   正部へ送出する補正手段を更に具備した請求項１に記載
   の工具の刃先位置変位測定機能を備えたＮＣ工作機械。