JP6608726B2 - 位置決め測定システム - Google Patents

Description

本発明は、加工対象物であるワークの位置決めの基準となる面の位置を測定し、その面の位置が目的の位置に到達したかどうかを検出する位置決め測定システムに関する。

従来、被測定物の形状や寸法等の測定を行う測定機として３次元座標測定機等の測定機が知られている。このような測定機には、座標検出や位置検出を行うために、特許文献１に記載のような被測定物との接触を検出するタッチプローブが備えられている。

また、マシニングセンタ（工作機械）において、機械加工の終了後にタッチセンサを主軸に装着し、ワーク及びタッチセンサ（タッチプローブ）を相対移動させ、ワークの表面にタッチセンサを接触させることによって、ワークの表面形状を測定することが行われ、例えば、特許文献２に記載されている。

このような工作機械では、タッチセンサがワークに接触した位置（及び／又はワークから離れた位置）を検出することによってワークの表面形状を測定する。さらに、工具を移動させてテーブルに設けられたタッチセンサに接触させ、工具がタッチセンサに接触した位置に応じて、工具に折損が生じているか否かを検知することも知られている。

また、従来タッチプローブによってワークの測定を行う場合は、プローブの被測定物への接触を電気的導通により検知する方法や、被測定物に対するプローブの接触によって接点が離れる構造として検知するトリガー方式である接点センサ式、あるいは接触によるプローブの変位量を用いる変位センサ式が用いられていた。

特開２０１５−１２７７１３号公報 特開２０１３−６２５７号公報

上記従来技術において、接点センサ式は機械的な接点スイッチを用いるので、チャタリングが発生し、接点の劣化が発生し、接点には寿命がある。また、チャタリング対策やフィルタ処理等の高度の処理が難しく、外部からの電気的ストレス（サージやスパークノイズなど）に対して、保護することが難しい。さらに、工作機械において、工具に折損が生じているか否かを検知するには、Ｘ、Ｙ方向のみならず、Ｘ、Ｙ、Ｚの全方向に対して高い感度を有することが必要とされる。

一方、変位センサ式は、機械的な接点スイッチを用いないので、チャタリングや接点劣化、接点寿命の問題が発生せず、連続的な位置検出ができるので、フィルタ処理等の高度の処理により、高精度化が可能である。ただし、センサから出力される信号を、工作機械で有効に使える形式の情報へ置き換える必要があり、必ずその処理を行う電気回路等が必要となり、コストアップやサイズが大きくなる要因となる。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、機械的な接点スイッチに起因するチャタリングや接点の劣化、接点寿命、外部からの電気的なストレスに影響されず、ワークの高速移動に十分対応し、演算処理が極めてシンプルで信頼性の高い位置決め測定システムとすることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、ワークの基準面の位置を測定し、前記基準面の位置が目的の位置に到達したかどうかを検出する位置決め測定システムにおいて、前記基準面と接触するスタイラスと前記位置を数値データとして検出する変位式センサとを有したタッチプローブと、前記タッチプローブを用いて過去の位置情報としてＮ点の前記数値データをサンプリングして検出し、前記数値データより最小自乗法による直線近似により次のサンプリングタイミングの位置を予測値として演算処理して求める直線近似計算回路と、前記直線近似計算回路により求められた予測値が前記目的の位置に到達したかどうかの情報を出力する比較回路と、を備えたものである。

また、上記において、前記Ｎ点の前記数値データを検出するサンプリング間隔は等間隔であり、時刻を予測しようとする時点を基準（ｔ＝０）として前記演算処理を行うことが望ましい。

さらに、前記直線近似計算回路及び前記比較回路は、遅延素子、加算器、定数倍の乗算器を構成要素としたデジタル回路で演算処理されることが望ましい。

さらに、前記目的の位置で前記数値データが０となるように調整されることが望ましい。

さらに、前記直線近似計算回路で絶対値が省略されて演算処理されることが望ましい。

さらに、前記直線近似計算回路及び前記比較回路は、一つにまとめられたデジタル回路で演算処理されることが望ましい。

さらに、前記直線近似計算回路及び前記比較回路において、最初のサンプリングが行われる前に構成要素の出力値を０に初期化する構成とされたことが望ましい。

前記Ｎは２のべき乗、N=２λ（λは自然数）であり、乗算の演算処理をビットシフトに置き換えたことが望ましい。

前記タッチプローブは、カバーの中にＬＶＤＴセンサを格納した変位式センサであり、スタイラスの上端でありカバーに軸支された半球形状の半球部と、前記カバー内で鉛直方向にスライド可能とされた可動リングと、前記可動リングに固定され、前記半球部の傾き及び鉛直方向の移動によって鉛直方向に移動する磁気コアと、前記カバーに固定され前記磁気コアとの相対位置に応じて変位信号を出力するコイル部と、を備えたことが望ましい。

前記直線近似計算回路及び前記比較回路は、ＣＰＵによるプログラムで演算処理されることが望ましい。

本発明によれば、過去の位置情報としてＮ点の数値データをサンプリングして検出し、数値データより最小自乗法による直線近似に基づき、次のサンプリングタイミングの位置でワークが目的の位置に到達したかどうかの情報を出力するので、ワークの高速移動に十分対応し、演算処理が極めてシンプルで信頼性の高い位置決め測定システムを得ることができる。

本発明の一実施形態に係わる目的位置までの時間対変位情報の関係を示すグラフ 本発明による一実施形態に係わる演算処理を示す概略ブロック図 本発明による一実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 本発明による他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 さらに、他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 さらに、他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 さらに、他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 さらに、他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 さらに、他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 さらに、他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 さらに、他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 さらに、他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 さらに、他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 さらに、他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 さらに、他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 さらに、他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 さらに、他の実施形態に係わるデジタル回路を示すブロック図 本発明による他の実施形態に係わるフローチャート 本発明の一実施形態に係わるタッチプローブを示す断面図

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
位置決め測定は、ワークがある特定の位置に来たかどうかのみを検出する。つまり、ワークを移動させ、その基準面をタッチプローブのスタイラスで検出し、その位置が目的の位置に到達前であるか、到達後であるかの測定を行う。タッチセンサの方式としては、通常、接点センサ式と変位センサ式が用いられている。

接点センサ式は、タッチプローブの内部に接点スイッチが１つ組み込まれ、ワークが到達前の場合にはその接点スイッチがＯＦＦ（ＯＮ）し、ワークが到達した時点でＯＮ（ＯＦＦ）するようにし、例えば、その信号を利用してワークの移動を停止する。

変位センサ式は、タッチプローブ内部に、位置を連続的に検出するセンサを組み込み、ワークが目的の位置に到達する前にワークの位置を測定し、測定した位置が目的の位置に到達したかどうかを数値で判断する。そして、到達したことを信号として利用してワークの移動を停止する。
ワークは移動しているので、位置決め測定による応答が遅いと、その応答時間だけ遅延となり、正確な位置を求めることができない。また、変位センサ式では、所定のサンプリング間隔で数値を求めていくので、サンプリング間隔がワークの移動時間に対して大きいと、実際はワークが目的の位置に到達しているのに、到達したことの信号が遅延してワークを移動させる、例えば工作機械へ伝達されることになる。

位置決め測定システムには、機械的な接点スイッチに起因するチャタリングや接点の劣化、接点寿命、外部からの電気的なストレスに影響されないこと、ワークの高速の移動に耐えて応答可能なこと、が必要とされ、変位センサ式を用いて高速にサンプリングを行うことが良い。

また、センサが有する固有の誤差（特にホワイトノイズ的なバラツキ）を低減するため、ワークの位置とスタイラスの検出位置に誤差が生じないような無遅延なフィルタを設け、等速直線運動するワークの位置決め測定に適したものとする。

さらに、規模の小さいデジタル回路、もしくは、演算能力の低い小型のマイコンを使用し、変位センサからの位置情報の取得から工作機械への出力を行う。したがって、デジタルフィルタ処理としては、サンプリング間隔以上の遅延が発生しないこと、等速直線運動するワークの位置決めに適し、演算処理が極めてシンプルなこと、が要求される。そのためには、過去のサンプリングデータを用いて最小自乗法近似によりもっともらしい直線を求め、その直線から現在の位置を予測する方法を用いる。

図１は、ワークの移動に伴う目的位置までの時間対変位情報の関係を示したもので、ワークは等速直線運動する。ワークの位置は、所定のサンプリング間隔で検出され、過去のＮ点のデータv1、v2、・・・、vN（添え字が大きい方が古い測定データとする）の変位情報として得られる。そして、一定の時間間隔ごとに時系列に得られた変位情報であるＮ個のデータをメモリに記憶し、この変位情報を用いてv1のサンプリングタイミングで次のサンプリングタイミングの変位情報データvを現在の値の予測値として求め、目的の位置に到達しているかを判断する。あるいは、次のサンプリングタイミングのデータvを求めなくても目的の位置に到達したか、まだ到達しないかの情報のみが得られれば良い。

変位式センサとしては、コイルを用いたトランス方式であり、コイルに電流を通すことで生じる磁界でのコイルの動きを、検出可能な電気信号に変換するＬＶＤＴセンサを使用することが良い。

ＬＶＤＴセンサは、一次側と二次側コイル内をスタイラスに設けられた磁気コアが移動することにより相互インダクタンス変化を電圧として出力する。磁気コアは、円筒状のコイルの空洞内部を移動する構造となり、一次コイルが交流の励磁電源に接続され、二次コイルに電圧を発生し、磁気コアの位置によって電圧差が起こることを利用する。

現在の値の予測値vは、時刻ｔ1、ｔ2、・・・、ｔNにおけるサンプリングされた測定データv1、v2、・・・、vNである場合に、これを最小自乗法によりｖ（ｔ）＝ａ（ｔ）＋ｂとして直線近似して求める。測定データとの差の二乗誤差を最小とするような係数ａおよびｂを決定する。差の二乗和をＩとすると、
であり、Ｉを最小値にする条件は、
となる変数ａおよびｂでそれぞれ偏微分して得られる（式２）の正規方程式を解くことにより、求めることができる。行列を用いて表すと、
となり、ａ、ｂが求められ、その結果、時刻t1，t2，・・・，tN においてサンプリングされた測定データがv1，v2，・・・，vN である場合、そのデータ群に対する最小自乗直線は、下式で表される。

ここで、サンプリングを等間隔Ｔとして、時刻を予測しようとする時点を基準（ｔ＝０）とすれば、
となる。また、サンプリング間隔はｔ1＝−Ｔ、ｔ2＝−２Ｔ、・・・、ｔN＝−ＮＴとすると、
として、現在の値の予測値vを求めることができる。

演算量あるいはデジタル回路を簡単にするため、Ｎは２以上、サンプリングは、常に等間隔で、目的の位置における変位センサの出力値が０となるようにする、目的の位置に到達したか、まだ到達しないかの情報のみが得られれば良い、とする。

図２は、概要を示すブロック図である。符号１２で示されるものはスタイラスであり、符号２はワークを示している。変位センサ１からの出力は、センサが有する固有の誤差を低減する無遅延なフィルタとしての検波回路３を介してＡＤ変換器４で数値データに変換され、処理回路５で演算されて、目的の位置に到達したか、まだ到達しないかの情報を出力する。処理回路５は、現在の値の予測値ｖを求める直線近似計算回路５-１、目的値と比較するゼロとの比較回路５-２で構成される。ただし、処理回路５は、現在の値の予測値ｖを直接的に求めることなく、目的の位置に到達したか、まだ到達しないかの情報のみが得られるようにすれば良く、その方が演算量の大幅な低減を図ることができる。

以下、処理回路の例を実施例として示し、直線近似計算回路５-１は、ＣＰＵにより計算するのみならず、デジタル回路（デジタルフィルタまたはＤＳＰ（Digital Signal Processer））により実現しても良い。
＜実施例１＞
図３は、（式６）をそのままデジタル回路に置き換えたもので、同じ結果を出力する。図中Ｚ^−１は、１クロックの遅延素子を示し、現時点である値vNが出力されている場合、この値は、１サンプリング前に入力されたvN-1を出力する。○は加算器、三角は添え字分の定数倍を示す演算処理を示している。

図３に対して掛け算回路の係数を調整しても、目的の位置に到達したか、到達しないかの情報は変わりがなく、図３と同じ結果を出力する回路が構成できる。

＜実施例２＞
図３における『直線近似計算回路』の後段回路となる『ゼロとの比較回路』は、『直線近似計算回路』の出力値がゼロと等しいか、ゼロより大きいか、ゼロより小さいかの判別のみを行えば、目的の位置に到達したか到達しないかの情報となる。すなわち、『直線近似計算回路』の出力値は符号関係（正の数か、負の数か、０か）のみが意味を持ち、その絶対値は意味を持たない。したがって、図３における最後の掛け算係数は省略でき、図４の回路を用いても、結果として図３と同様の作用を実現することができる。

＜実施例３＞
デジタル回路の任意の位置に、絶対値が等しく符号が逆となる値を出力する回路を挿入し、それぞれの結果を足したものを、任意の位置の数値に加算しても同じ結果を出力する。したがって、図４において、任意の位置に、絶対値が等しく符号が逆となる値を出力する回路を挿入し、それぞれの結果を加算した図５の回路により構成しても良い。

＜実施例４＞
加減算の順番は結果に影響を与えないので、図５において、その中の、加減算の順番を変更し、図６のようにしても良い。また、分配法則により全く同じ結果を得られる別の回路を用いて、構成しても良い。

ある回路部位から複数に分岐が行われる場合、全く同じ回路を冗長的に構成しても同じ結果を出力する。したがって図６と同じ結果を出力する回路が構成できる。

１サンプリング遅延させる回路をＮ個直列につなげた回路と、Ｎサンプリング遅延させる回路は同じ結果を出力する。したがって、１サンプリング遅延させる回路をＮ個直列につなげている部分を、Ｎサンプリング遅延させる回路に置き換えて図６と同じ結果を出力する回路が構成できる。

＜実施例５＞
１サンプリング遅延させる回路と、任意の回路は、順番を入れ替えても同じ結果を出力する。したがって、１サンプリング遅延させる回路と、その直前もしくは直後に直列に接続される任意の回路を入れ替えて図７のように構成しても良い。

同じ回路を冗長的に構成しても同じ結果を出力するので、図７と同じ結果を出力する回路が構成できる。さらに、Ｎ-１段と１サンプリング遅延させる回路と、順番を入れ替えて構成しても良い。

＜実施例６＞
また、複数の回路の出力がそれぞれ１サンプリング遅延された後に、足しあわされたものは、足し合わせた後に１サンプリング遅延されたものに変えても、同じ結果を出力する。したがって、図８のように構成しても良い。

＜実施例７＞
図８にＳＷ-Ａを付加した図９において、起動時からずっとＳＷ-Ａを上側に倒しておけば、図８と同じ結果を出力する。また、図９においてＳＷ-Ａが下側であったとしても、それまでの状態に関わらず、ある時点でＱがＱ'と一致すれば、その後はずっとＱとＱ'は一致する。したがって、図９において、起動時はＳＷ-Ａを上側にしておき、回路の全ての要素の値が確定した後、次のサンプリングが行われる前までにＳＷ-Ａを下側に切り替えるように動作させるように構成しても良い。

また、図９において、起動時よりＳＷ-Ａを下側にしておき、回路の全ての要素の値が確定した後、次のサンプリングが行われる前までに全ての要素の出力値を０に初期化すれば、当然ＱとＱ'は同じ値（ゼロ）となる。したがって、図９において、起動時はＳＷ-Ａを下側にしておき、回路の全ての要素の値が確定した後、次のサンプリングが行われる前までに全ての要素の出力値を０に初期化するように構成しても良い。この出力値の初期化は、最初のサンプリングが行われる前に行っても良い。

＜実施例８＞
図１０は、図９において、起動時はＳＷ-Ａを下側にしておき、回路構成要素の出力値を０に初期化した場合を示す。以下の実施例では、起動時（最初のサンプリングが行われる前）には必ず全ての回路構成要素の出力値を０に初期化するものとする。また、加減算の順番を入れ替えて構成しても良く、冗長的に構成しても良い。

＜実施例９＞
１サンプリング遅延させる回路をＮ個直列につなげた回路と、Ｎサンプリング遅延させる回路は同じ結果を出力するので、図１１のように構成しても良い。

＜実施例１０＞
図１２は、図１１の加減算の順番を入れ替えたもので、図１１と同じ結果を出力するので、図１２のように構成しても良い。また、図９の説明と同様に、起動時には必ず全ての回路構成要素が０を出力するように構成しても良い。

＜実施例１１＞
起動時に全ての回路構成要素の出力値を０に初期化されるのであるから図１３にように構成しても良い。同じ結果を出力する二つの構成要素Ｚ^-Ｎが存在するので、それを1つに集約しても回路全体として同じ結果を出力するので、図１４のようにしても良い。また、定数倍は、分けても同じなので、図１５のように構成しても良い。

＜実施例１２＞
Nを２のべき乗、すなわちN=２λ（λは自然数）に限定すれば、図１５は図１６のように構成できる。また、2k（kは自然数）倍することと、左へkビットシフトをすることは同じ結果となるので、図１６は図１７のように構成でき、乗算の演算処理は、ビットシフトに置き換えられ、より簡単で、高速の処理が実現できる。

＜実施例１３＞
図１８は、図１７と同じ結果を出力するプログラムのフローチャートであり、図１７のデジタル回路をプログラムしてＣＰＵにより実行しても良い。なお、図１８で使用している変数の値と同じ値となる部分を符号ｖ、ｗ、Ｐ，Ｑとして図１７にも記している。また、プログラム式における、ｖ、ｗ、≪の記号は、ｖが直近（すなわち１つ前）にサンプリングされた測定値、ｗが2λ（＝Ｎ）回前にサンプリングされた測定値、≪が左ビットシフト演算記号である。

図１９は、位置決め測定システムに用いられるタッチプローブの構造を示す断面図であり、カバー１０の中に、ＬＶＤＴセンサを格納した変位式センサである。図１９において、ＬＶＤＴセンサは、一次側と二次側コイルが設けられたコイル部１１内をスタイラス１２によって磁気コア１５が鉛直方向移動することにより相互インダクタンス変化を電圧として出力する。スタイラス１２の下端はワークと接触する。

スタイラス１２の上端は、半球形状の半球部１３がカバー１０に軸支され、カバー１０内で鉛直方向にスライド可能とされた可動リング１６からバネ１４で下方へ押圧されている。磁気コア１５は可動リング１６に固定され、紙面に垂直となるＸ及びＹ方向に傾くと、半球部１３が傾く。したがって、磁気コア１５は、傾いた半球部１３の鉛直成分だけ移動する。一方、コイル部１１はカバー１０に固定されているので、磁気コア１５との相対位置に応じた電圧差が起きて変位信号に変換される。

また、スタイラス１２が鉛直方向であるＺ方向に動くと、同様に可動リング１６が鉛直方向に移動し、つまり、磁気コア１５が移動して変位信号が得られる。したがって、図１９に示したタッチプローブはスタイラス１２のＸ、Ｙ、Ｚ方向変位を鉛直方向の変位信号に変換することができる。

本タッチプローブは、ＬＶＤＴセンサによる連続的に検出する変位センサであり、Ｘ、Ｙ、Ｚの全方向に対して高い感度を有している。また、接点センサ式と異なり、変位信号を速度に変換して検出することができ、異常接近なども検出可能である。したがって、このタッチプローブと上記で説明した位置決めシステムの信号処理とを組み合わせれば、より精度が高く、安定したものとすることができる。さらに、ＬＶＤＴセンサの出力信号をデジタル化し、高速に数値演算することも可能で、温度変化による各デバイスの誤差、電気特性における各デバイスの誤差など累積誤差成分も無くすことができる。

また、Ｘ、Ｙ、Ｚの全方向に対して高い感度を有し、目的位置に到達することを予測し、サンプリングによる遅れも発生しない。したがって、マシニングセンタ（工作機械）等において、工具がワークに接触する前に、工具に折損が生じているか否かを検知するにも適している。

１ 変位センサ
２ ワーク
３ 検波回路
４ ＡＤ変換器
５ 処理回路
５-１ 直線近似計算回路
５-２ 比較回路
１０ カバー
１１ コイル部
１２ スタイラス
１３ 半球部
１４ バネ
１５ 磁気コア
１６ 可動リング

Claims (10)

1. ワークの基準面の位置を測定し、前記基準面の位置が目的の位置に到達したかどうかを検出する位置決め測定システムにおいて、
   前記基準面と接触するスタイラスと前記位置を数値データとして検出する変位式センサとを有したタッチプローブと、
   前記タッチプローブを用いて過去の位置情報としてＮ点の前記数値データをサンプリングして検出し、前記数値データより最小自乗法による直線近似により次のサンプリングタイミングの位置を予測値として演算処理して求める直線近似計算回路と、
   前記直線近似計算回路により求められた予測値が前記目的の位置に到達したかどうかの情報を出力する比較回路と、
   を備えたことを特徴とする位置決め測定システム。
2. 前記Ｎ点の前記数値データを検出するサンプリング間隔は等間隔であり、時刻を予測しようとする時点を基準（ｔ＝０）として前記演算処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の位置決め測定システム。
3. 前記直線近似計算回路及び前記比較回路は、遅延素子、加算器、定数倍の乗算器を構成要素としたデジタル回路で演算処理されることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置決め測定システム。
4. 前記目的の位置で前記数値データが０となるように調整されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の位置決め測定システム。
5. 前記直線近似計算回路で絶対値が省略されて演算処理されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の位置決め測定システム。
6. 前記直線近似計算回路及び前記比較回路は、一つにまとめられたデジタル回路で演算処理されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の位置決め測定システム。
7. 前記直線近似計算回路及び前記比較回路において、最初のサンプリングが行われる前に構成要素の出力値を０に初期化する構成とされたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の位置決め測定システム。
8. 前記Ｎは２のべき乗、N=２λ（λは自然数）であり、乗算の演算処理をビットシフトに置き換えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の位置決め測定システム。
9. 前記タッチプローブは、カバーの中にＬＶＤＴセンサを格納した変位式センサであり、
   スタイラスの上端でありカバーに軸支された半球形状の半球部と、
   前記カバー内で鉛直方向にスライド可能とされた可動リングと、
   前記可動リングに固定され、前記半球部の傾き及び鉛直方向の移動によって鉛直方向に移動する磁気コアと、
   前記カバーに固定され前記磁気コアとの相対位置に応じて変位信号を出力するコイル部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の位置決め測定システム。
10. 前記直線近似計算回路及び前記比較回路は、ＣＰＵによるプログラムで演算処理されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の位置決め測定システム。