JP5357541B2 - 方向変化検出手段を有する接触プローブ - Google Patents

Description

本発明は、寸法測定用プローブの作動に関する。

通常、測定用プローブは、変位または力センサを格納した本体と、センサと協働し、その寸法を決定するためにワークピースを「感知」する拡大先端部を有する細長い触針とを有する。そのようなプローブは、座標決定システムを有する機械、たとえば座標測定機、工作機械、またはロボット式装置と共に使用される。

そのようなプローブの１つのタイプでは、触針がワークピースに接触し、センサの出力が閾値を超えたときにトリガ信号を発生するように構成されている。トリガ信号は、接触点の位置を求めるために座標決定システムの出力を凍結するのに使用される。

プローブを精密にするために、センサは極めて高感度にされる。しかし、このことが、振動が生じるときに問題を起こす。振動は、いわゆる「誤トリガ」として感知され、それにより、実際には接触していないのにワークピースへ接触していることになる。そのような誤トリガはセンサの出力をフィルタリングすることによって克服される。しかし、フィルタリングは、センサの周波数応答を低下させる。

さらに、本発明者らは、以下のように、さらに問題を発見した。そのような高感度のプローブが使用中に、たとえば垂直方向から水平方向へ向きを変えられた場合、触針およびセンサは、重力によって生じる横荷重を受けることになる。これにより、プローブが持続的に誤トリガ状態のままになることがあり、または、それにより、プローブの方向変化中もしくはその後に振動が存在する場合、定常的誤トリガを生じることがある。

国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ第２００６／００１０９５号明細書 国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ第２００６／００１６５４号明細書

本発明は、寸法測定用プローブを提供し、そのプローブは、その方向を少なくとも１つの軸周りに変化させる機械に搭載可能であり、
対象物に接触する触針と、
触針に連結され、触針が対象物に接触すると信号を生成する触針接触センサと、
センサからの信号を処理し、そのような接触の結果としての対象物の測定に関する出力を生成するプロセッサと
を備え、
その信号は、軸周りにプローブが方向変化することによって変化し、
プローブはさらに、
そのような方向変化が起こったときを判定する手段
を備える。

好ましくは、方向変化を判定する手段は前記プロセッサ備え、そのプロセッサは、
方向変化によって生じる信号の前記変化をモニタするように作動し、それにより、そのような方向変化が起こったときを判定する。ただし、方向変化を判定する手段は、上記の代わりに、別個の方向センサを備えてもよい。

信号は、触針の振動によって生じる変動を含むことがあり、好ましい実施形態では、プロセッサは、方向変化を判定するためにその変動の変化をモニタする。

より好ましくは、前記モニタすることは、変動の周波数、および／または変動のレベルの変化をモニタすることを含む。

次に、本発明の実施形態を、例として、添付図面を参照して記載する。

図１ａに、工作機械４８のスピンドル４４に装着された本体１２を有する測定用プローブ１０が示されている。スピンドル４４は、使用中、工作機械４８の軸Ａ周りに枢動することができるヘッド４６に装着されている。

プローブは触針２０を有し、触針２０は心棒２２を有する。心棒２２は、対象物、ここでは工作機械４８のベッド４７に取り付けられたワークピース５０に接触する触針先端２４によって先端部が形成されている。心棒は軸４０に沿って延び、歪センサ３０を介して本体１２に連結されている。心棒は、好ましくは、一組の着座要素（図示せず）を介してセンサ３０に連結されている。一組の着座要素は、反復可能な停止位置にあるとき動的に係合すると共に、触針がワークピースに接触したときには、係合を解除し、触針を偏向させ損傷を防止する。これら動的着座要素、およびプローブの残部の全詳細についてはすでに説明がなされている（たとえば、特許文献１および特許文献２参照。その両方とも参照により本発明に組み込まれる。）。動的着座要素は、本発明に必須ではなく、省略し、または非動的着座要素に置き換えることができる。

センサ３０は、適切な剛性を有するスポーク３２を備え、スポーク３２それぞれには、各スポークの歪を検知する歪ゲージ３４が取り付けられている。そのような歪は、たとえばワークピース５０と触針先端２４とが接触したとき作用する力によって生じる。この実施形態では、互いに１２０°間隔で半径方向外向きに触針から本体まで延在するように配置された３本のスポークおよび歪ゲージが在る。

使用中、プローブ１０は、ワークピース５０に対してＸ、ＹおよびＺ方向に移動する。ワークピース５０の寸法を求めるために、触針先端２４とワークピース５０とが様々に接触させられる。接触させると、センサ３０に歪が発生する。歪ゲージ３４の出力（抵抗変化によって生じる電圧の変化の形をとる）が、プロセッサ１６によって処理される。歪ゲージが出力を出すと、ワークピース５０の寸法を求めるために工作機械の位置を記録するのに使用されるトリガ信号が、プロセッサ１６から送り出される。

プロセッサ１６は、図示のように、好ましくはプローブ本体内に設けられるが、その代わりに外部のインターフェースに設けてもよい。前述の先行国際特許出願に記載されているように、プロセッサ１６は、たとえば特定用途集積回路（application-specific integrated circuit (ASIC)）に含まれるアナログまたはデジタル電子回路を備えることができる。あるいは、プロセッサ１６は、必要な機能を発揮するように適切にプログラムされたデジタル計算ユニットまたは他のプログラム可能なデバイスを備えてもよい。

ワークピースを調べている間、たとえば穴５２など、そうしないとアクセスできない形体に到達するために、図１ａに示す位置から図１ｂに示す位置までプローブの向きを変えることが望ましいことがある。

向きの変更が行われるとき、たとえば、触針の速度、モータの作動、または他の補助的機能の変化による衝撃の結果、工作機械のヘッドに振動が生じる。その振動が、センサ３０にほぼ一定の周波数の振動を発生させることが本発明者等によって見出された。この実施形態では、これが、歪ゲージ３４からの一定周波数の信号として表れる。

図２ａは、１つの歪ゲージ３４の出力を示す。他の２つの歪ケージからの信号も同様である。この信号を公称電圧レベルＶｔについて整流することが可能である。そのように整流された信号が図２ｂに示されている。

プローブが加速または減速するとき、触針に横方向力が作用する。さらに、たとえば、触針が図１ａに示される位置（０°）から図１ｂに示される位置（９０°）に方向を変えるとき、重力が触針に作用する。

図３ａは、プローブが０°（図１ａに示される）から９０°（図１ｂに示される）へ動くとき、歪ゲージから得られる信号を示す。周波数は変化しないが、信号の平均位置は、領域Ｒに示されているように、方向を変えている間移動する。

図３ｂは、レベルＶｔについて整流された図３ａの信号を示す。低い方のレベルＶｆと交わる点での信号の周期が、プローブが０から９０°へ方向を変えるとき領域ＲでＰから２Ｐへ変化していることが分かる。したがって、歪ゲージの信号のＶｆでの周期をモニタしていれば、この周期が、方向の変化が生じたときに２倍になる、すなわち周波数が明らかに半分になることは明らかであろう。

したがって、図５に示されるように、プロセッサ１６は、先ず、信号をＶｔについて整流し、次いで、Ｖｆで振動の周期をモニタするようにプログラム（または別様に構成）されている。周期が、たとえば２倍に変化した場合、方向変化の指標が生成される。そのような方向変化は、方向変化の荷重は長く続くので、並進移動、たとえばヘッドのＸおよびＹ方向の加速または減速による横荷重とは区別することができる。したがって、プロセッサは、これを区別するためにタイミングルーチンまたは回路を有する。それにより、短時間の変動は、方向変化を伴わないプローブの並進として無視することができる。

プロセッサ１６によって方向変化が検出されると、周知の自動ゼロ調整技法を使用して、触針の新しい公称位置を、ワークピースとの接触に当たっての中央点に設定することができる。プロセッサのトリガ出力を抑えて、方向変化によって生じる誤トリガ信号を防止することができる。

真正のプローブトリガ事象（すなわちワークピースとの接触）も、ある種の振動を伴う荷重を歪ゲージに生じる。しかし、触針がワークピースに接触することによって生じる荷重の変化は、並進加速もしくは減速または方向変化によって生じる変化よりはるかに瞬間的に起こる。したがって、ワークピースとの接触信号は、変化がはるかに急速に生じるので、プロセッサ１６が、他の信号と混同することはない。

ワークピース接触信号は、さらに、以下のようにしてプローブの方向変化から区別することができ、それはやはり図５に示されている。

図４ａは、方向変化が生じた（図３ａに示した生じ方と同様）ときの歪ゲージからの出力を示す。さらに、次々とＶｔを異なる方向に横切るのに要する時間である時間Ｓをモニタする。この時間は、出力の周波数が分かっていれば予測することができる。ある事象が生じたとき、この場合は方向変化であるが、信号の頂点がＶｔより降下するので、時間Ｓはゼロになる。この時間は減少することも増加することもある。そのような変化は触針に何かが起こったことを示す。時間Ｓが消失するか、または十分に変化する場合には、新しい閾値（この場合はＶｆｆ）を用いることができる。新しい閾値によって時間Ｓが回復する場合は、その事象はワークピースとの接触ではない。したがって、ワークピースとの接触を、触針の方向変化または速度の変化から区別することができる。

図４ｂは、ワークピースとの接触が起こったときの状況を示す。時間Ｓはゼロまで減少し、閾値をＶｆｆに変更してもその時間は回復しない。したがって、ワークピースに接触したことがプロセッサ１６によって報告される。

上記の技法は多数の利点を有する。上記のもののような高感度の接触センサが使用されるとき、振動があるとトリガ信号を生成する可能性がある。そこで、誤トリガを発生させないためにゲージ出力のフィルタリングが必要になるが、これは、プローブの周波数応答を低下させる。プローブがトリガされると自動ゼロ調整技法が正確に行われなくなる（すなわち、ワークピース接触により置き換えられる）。敏感なプローブでは、方向変化の結果として定常的または持続的なトリガが起こり、自動ゼロ調整が行われなくなり得る。したがって、歪ゲージの信号が上記のように解析されると、方向変化を判定することができ、その結果、トリガ信号を抑えることができ、自動ゼロ調整を行うことができる。

歪ゲージセンサの信号を解析することによってプロセッサ１６内で方向変化を検出する代わりに、別法は、別個の方向センサを使用することである。たとえば、図１ａ、図１ｂおよび図５は、この機能を満たす、プローブ本体内のオプションの加速度計１７を示す。加速度計の出力は、プロセッサ１６に取り入れられ、そこでその出力は直接自動ゼロ調整を制御し、かつ／または誤トリガを抑えるのに使用される。そのときは、図３ａおよび３ｂに関して記述したステップが必要なくなる。

センサ３０は、軸４０から半径方向に延在する歪ゲージの形態の検知要素を有するものとして記述されている。しかし、センサが歪ゲージを用いる必要はなく、検知要素が半径方向に延在する必要はない。たとえば、検知要素は、ＬＶＤＴ、リニヤエンコーダ、容量式センサなどの変位センサでもよい。それらの配置は、触針の接触を検知できるなら軸方向などいかなる配置でもよい。

異なる方向で工作機械に搭載された本発明によるプローブを示す図である。 異なる方向で工作機械に搭載された本発明によるプローブを示す図である。 図１に示されたプローブの力センサからの出力を示す図である。 図１に示されたプローブの力センサからの出力を示す図である。 図１に示されたプローブの力センサからの出力を示す図である。 図１に示されたプローブの力センサからの出力を示す図である。 図１に示されたプローブの力センサからの出力を示す図である。 図１に示されたプローブの力センサからの出力を示す図である。 プローブのプロセッサの作動の概略図である。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの軸周りにその方向を変化させる機械に搭載可能な寸法測定用プローブであって、
   対象物に接触する触針と、
   前記触針に連結され、前記触針が前記対象物に接触すると信号を生成する触針接触センサと、
   前記センサからの前記信号を処理し、そのような接触の結果としての前記対象物の測定に関する出力を生成するプロセッサと
   を備え、
   前記信号は、前記軸周りにプローブが方向変化することによって変化し、
   プローブはさらに、
   そのような方向変化が起こったときを判定し、その方向変化によって生じる前記信号の前記変化の影響に対処する手段
   を備えることを特徴とするプローブ。
2. 方向変化を判定する前記手段は前記プロセッサを備え、前記プロセッサは、方向変化によって生じる前記信号の前記変化をモニタし、それにより、そのような方向変化が起こったときを判定するように作動することを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
3. 方向変化を判定する前記手段は、別個の方向センサを備えることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
4. 前記方向センサは、加速度計であることを特徴とする請求項３に記載のプローブ。
5. 前記信号は、前記触針の振動によって生じる変動を含み、前記プロセッサは、前記方向変化を判定するために前記変動の変化をモニタすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプローブ。
6. 前記モニタすることは、前記変動の周波数の変化をモニタすることを含むことを特徴とする請求項５に記載のプローブ。
7. 前記モニタすることは、前記変動のレベルの変化をモニタすることを含むことを特徴とする請求項５または請求項６に記載のプローブ。
8. 前記信号は、方向変化が起こったと判定されたとき、自動ゼロ調整されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のプローブ。
9. 方向変化が起こったと判定されたとき、トリガ信号が抑制されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のプローブ。
10. 少なくとも１つの軸周りにその方向を変化させる機械に搭載可能な寸法測定用プローブであって、
    対象物に接触する触針と、
    前記触針に連結され、前記触針が前記対象物に接触すると信号を生成する触針接触センサと、
    前記センサからの前記信号を処理し、そのような接触の結果としての前記対象物の測定に関する出力を生成するプロセッサと
    を備え、
    前記信号は、前記軸周りにプローブが方向変化することによって変化し、
    前記プロセッサは、方向変化によって生じる前記信号の前記変化をモニタし、それにより、そのような方向変化が起こったときを判定するように作動することを特徴とするプローブ。
11. 前記信号は、前記触針の振動によって生じる変動を含み、前記プロセッサは、前記方向変化を判定するために前記変動の変化をモニタすることを特徴とする請求項１０に記載のプローブ。
12. 前記モニタするステップは、前記変動の周波数の変化をモニタするステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載のプローブ。
13. 前記モニタするステップは、前記変動のレベルの変化をモニタするステップを含むことを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のプローブ。
14. 前記信号は、方向変化が起こったと判定されたとき、自動ゼロ調整されることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載のプローブ。
15. 方向変化が起こったと判定されたとき、トリガ信号が抑制されることを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載のプローブ。

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