JP6783533B2

JP6783533B2 - 測定装置および測定装置を備えた加工ライン

Info

Publication number: JP6783533B2
Application number: JP2016053784A
Authority: JP
Inventors: 洋司柳田; 貴之松尾; 進村岡
Original assignee: Komatsu NTC Ltd
Current assignee: Komatsu NTC Ltd
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2020-11-11
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: JP2017167033A

Description

本発明は、レーザ変位計によって対象物の穴の内径や深さなどを測定する測定装置およびこの測定装置を備えた加工ラインに関する。

レーザ変位計によって対象物の穴の内径を測定するための装置として、たとえば特許文献１の発明が提案されている。これは、管体の内径を測定するためのものであって、管軸方向にレーザビームを発射するレーザ変位計と、レーザビームを半径方向に反射させ管体の内面に照射させるようにした反射器を備えている。

特開平７−４３１１９号公報

従来、このような装置により、管体の内径を測定できたが、一方で、閉じた穴について、内径とともに深さも測定したい場合があった。しかしながら、特許文献１の発明は、レーザ変位計から発射されたレーザビームが９０度反射される構造であるから、穴の深さを測定することはできなかった。よって、深さを測定するためには別個のレーザ変位計が必要となるが、複数のレーザ変位計を設けることで費用が高くなることや、装置が大型化することが問題であった。

本発明は、上記事情を鑑みたものであり、一つのレーザ変位計によって、対象物の穴の内径と深さを両方測定可能な測定装置およびこの測定装置を備えた加工ラインを提供することを目的とする。

本発明のうち請求項１の発明は、レーザ変位計と、光路変更器を備え、光路変更器が、レーザ変位計から発射されるレーザビームの光路を変更するものであって、光路変更器の位置を、レーザ変位計の発射口から発射されたレーザビームの光軸上の変更位置と、レーザ変位計の発射口から発射されたレーザビームの光軸から外れた待避位置とに切替可能であることを特徴とする。

本発明のうち請求項２の発明は、レーザ変位計と、変更位置の光路変更器との間の距離が可変であることを特徴とする。

本発明のうち請求項３の発明は、レーザ変位計と光路変更器が一体となって、レーザ変位計の光軸を一軸とする直交三軸方向に移動可能であることを特徴とする。

本発明のうち請求項４の発明は、前記レーザ変位計の発射口の直下には、中心軸が前記レーザ変位計の光軸と一致した上下に伸びる筒状のシャフトが設けてあって、前記シャフトの内部の下端部分には、前記光路変更器が備えてあって、前記光路変更器には、前記シャフトの中心軸に対して４５度の角度で傾斜した鏡面を有しており、前記鏡面が臨む前記シャフトの側面に、通過孔を形成してあることを特徴とする。

本発明のうち請求項５の発明は、前記シャフトは、回転機構によってその中心軸回りに回転自在となっていることを特徴とする。

本発明のうち請求項６の発明は、複数の加工機と、ワークを一の加工機から他の加工機へ移送するワークローダを備え、ワークローダに、請求項１、２または３記載の測定装置を取り付けてあることを特徴とする。

本発明のうち請求項１の発明によれば、光路変更器の位置を切り替えることで、一つのレーザ変位計によって穴の内径と深さを両方測定できる。すなわち、レーザ変位計を対象物の穴に向け、光路変更器を変更位置にすることで、レーザビームを曲げて穴の内周面に照射して、内径を測定することができ、光路変更器を待避位置にすることで、レーザビームを直進させて穴の底面に照射して、深さを測定することができる。そして、レーザ変位計が一つで済むので、費用を抑え、装置を小型化できる。

本発明のうち請求項２の発明によれば、レーザ変位計は、測定が可能な対象面との距離の範囲が決まっているので、レーザ変位計と光路変更器の間の距離を変えれば、光路変更器と対象面の間の測定可能な距離範囲も変わる。よって、測定可能な穴の内径の範囲も変えることができる。

本発明のうち請求項３の発明によれば、対象物に対してレーザ変位計および光路変更器を自在に動かせるので、対象物の任意の位置の測定が可能である。

本発明のうち請求項４の発明によれば、レーザ変位計からレーザビームを発射すると、レーザビームはシャフトの下端部分に設けた光路変更器によって９０度曲げられて測定する穴の内周面に照射することができる。

本発明のうち請求項５の発明によれば、回転機構によりシャフトを回転させ測定する穴の内周面を全周にわたって照射することができる。

本発明のうち請求項６の発明によれば、ワークローダによるワークの移送中に、ワークについて測定することができるので、加工のサイクルタイムを短縮することができ、また、加工ライン全体を小型化できる。

本発明の測定装置の主要部分の側面図であり、光路変更器が変更位置にある場合を示す。本発明の測定装置の主要部分の側面図であり、光路変更器が待避位置にある場合を示す。本発明の測定装置の主要部分の正面図である。本発明の測定装置の全体図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。光路変更器部分の拡大図（シャフトの縦断面図）である。距離調節機構の動作の説明図であり、（ａ）はガイド部材を上げた状態、（ｂ）はガイド部材を下げた状態を示す。（ａ）は、レーザ変位計の測定可能範囲の説明図であり、（ｂ）、（ｃ）は、レーザ変位計と光路変更器の間の距離を変えた場合の説明図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の測定装置による測定の手順を示す説明図である。（ａ）〜（ｇ）は、本発明の測定装置により測定可能な加工形状の例を示す模式図である。本発明の測定装置を備えた加工ラインの模式図である。

本発明の測定装置の具体的な構成について、各図面に基づいて説明する。なお、以下において前後とは、装置を正面視した際（図３、図４（ｂ））の手前側および奥側を示し、左右とは、装置を正面視した際の左右を示す。図１〜図４に示すように、この測定装置は、レーザ変位計１と、レーザ変位計１から発射されるレーザビームの光路を変更する光路変更器２を備え、さらに、光路変更器２を取り付けるシャフト３、シャフト３を回転させる回転機構４、光路変更器２を変更位置と待避位置とに切り替える切替機構５、レーザ変位計１と光路変更器２の距離を変える距離調節機構６ならびにレーザ変位計１、光路変更器２およびその他の機構の全体を移動させる移動機構７を備える。以下、各構成要素について詳述する。ただし、光路変更器２が変更位置にある状態を基準とする。

移動機構７は、装置全体を直交三軸方向に移動させるものであり、左右方向に延びるＸ軸レール７１、前後方向に延びるＹ軸レール７２、上下方向に延びるＺ軸レール７３を有し、各レールに対して、Ｘ軸スライダ７４、Ｙ軸スライダ７５およびＺ軸スライダ７６が摺動自在となっている。そして、Ｙ軸スライダ７５の上側にＸ軸レール７１を固定してあり、Ｘ軸スライダ７４の前側にＺ軸レール７３を固定してあり、Ｚ軸スライダ７６の前側に、平板状の基盤１３を垂直向きに固定してある。

そして、基盤１３の前側面に、レーザ変位計１を取り付けてある。レーザ変位計１は、既存のユニットであって、対象面にレーザビームを照射することで、対象面までの距離を測定するものであり、略直方体形の本体１１と、本体１１の一面に設けた発射口１２を有していて、発射口１２を下側に向けてある。よって、レーザ変位計１の光軸は、Ｚ軸に一致する。

また、レーザ変位計１の発射口１２の直下に、シャフト３を設けてある。シャフト３は、上下に延びる筒状のものであって、その中心軸がレーザ変位計１の光軸と一致しており、シャフト３の外径は、測定対象となるワークの穴の内径よりも小さなものとなっている。そして、図５に示すように、シャフト３の内部の下端部分には、光路変更器２を設けてある。光路変更器２は、シャフト３の中心軸に対して４５度の角度で傾斜した鏡面２１を有しており、鏡面２１が臨むシャフト３の側面に、通過孔３１を形成してある。レーザ変位計１の発射口１２から発射されたレーザビームは、シャフト３の内部の中心軸に沿って進み、光路変更器２の鏡面２１で反射して光路が９０度曲げられ、シャフト３の通過孔３１を通過して、シャフト３の外部に照射される。

そして、シャフト３は、回転機構４によって、その中心軸周りに回転自在となっている。回転機構４は、シャフト３を回転自在に支持するスリーブ４１、モータ４２ならびにシャフト３とモータ４２を接続する歯車４３，４４およびベルト４５を備える。より具体的には、レーザ変位計１の発射口１２の下側に、左右に延びる水平向きの支持板５１を設けてあり、支持板５１の、発射口１２の直下の位置に丸孔を形成してあって、丸孔に下側から略円筒形状のスリーブ４１を挿入してある。スリーブ４１は、上部に外周側に突出する鍔部４６を有していて、鍔部４６が支持板５１の下面に当接している。そして、スリーブ４１の内部の上端部と下端部に、軸受４７を取り付けてあり、上下の軸受４７により、シャフト３が回転自在に支持されている。シャフト３は、スリーブ４１の上下に突出しており、上側の突出部分に、歯車４３を外挿してある。また、下側の突出長さは、測定対象となるワークの穴の深さに対応したものとなっている。さらに、支持板５１の左側部には、シャフト３の中心軸と平行な回転軸を有するモータ４２を設けてあり、モータ４２の回転軸に、歯車４４を外挿してある。シャフト３の歯車４３とモータ４２の歯車４４は高さ位置が揃っており、両歯車４３，４４にベルト４５を掛けてあって、モータ４２によりシャフト３が任意に回転可能となっている。これにより、レーザ変位計１から発射されたレーザビームを、水平向きの任意の方向に照射できる。なお、支持板５１の、両歯車４３，４４の間の位置には、ベルト４５に張力を与えるためのテンションプーリ４８を設けてある。

また、光路変更器２を備えるシャフト３および回転機構４は、切替機構５によって、位置が切り替えられる。切替機構５は、上記のシャフト３と回転機構４を支持する支持板５１、支持板５１を回転させる回転アーム５２、回転アーム５２と一体の支持軸５３、支持軸５３を軸支する支持アーム５４およびエアシリンダ５５ならびに支持軸５３とエアシリンダ５５を接続する歯車５６およびラック５７を備える。より具体的には、基盤１３の右側に、基盤１３と同様に垂直向きの補助基盤６１を設けてあり、補助基盤６１に、前側に向けて突出する支持アーム５４を取り付けてある。支持アーム５４の先端部分には、左右方向に貫通する丸孔を形成してあって、丸孔に支持軸５３を挿入してあり、支持軸５３は左右方向軸周りに回転自在となっている。そして、支持軸５３の左端部（支持アーム５４とレーザ変位計１の間部分）には、下方に向けて延びる回転アーム５２を固定してある。回転アーム５２は、下端部が後側に向けて屈曲した略Ｌ字形のものであって、下側面に、支持板５１の右端部を固定してある。また、支持軸５３の右端部には、歯車５６を外挿してある。さらに、補助基盤６１の上側部には、上下方向に動作するピストンを有するエアシリンダ５５を設けてあり、エアシリンダ５５のピストンに、ラック５７を取り付けてあり、ラック５７がエアシリンダ５５により上下動自在となっている。支持軸５３の歯車５６とラック５７は左右位置が揃っており、歯車５６とラック５７が噛み合っていて、いわゆるラック・アンド・ピニオン方式により、支持軸５３が任意に回転可能となっている。そして、支持軸５３の回転に伴って、回転アーム５２も回転し、さらに、回転アーム５２の先端に取り付けた支持板５１ならびに支持板５１に取り付けたシャフト３および回転機構４も一体となって移動する。支持軸５３の回転範囲は、図１に示すように、シャフト３が下向き（垂直向き）となる状態から、図２に示すように、シャフト３が前向き（水平向き）となる状態までの９０度の範囲となっている。シャフト３が下向きの図１の状態であれば、光路変更器２はレーザ変位計１の光軸上に位置し、レーザ変位計１から発射されたレーザビームは、光路変更器２によって９０度曲げられる。この際の光路変更器２の位置を、変更位置とよぶ。一方、シャフト３が前向きの図２の状態であれば、光路変更器２はレーザ変位計１の光軸から外れ、レーザビームは直進する。この際の光路変更器２の位置を、待避位置とよぶ。

さらに、光路変更器２を備えるシャフト３、回転機構４および切替機構５は、距離調節機構６によって、上下動する。距離調節機構６は、上記の切替機構５を取り付けた補助基盤６１、補助基盤６１を取り付けたガイド部材６２およびガイド部材６２を上下動させるリニアアクチュエータ６３を備える。より具体的には、Ｚ軸スライダ７６の右側部分に、上下動する駆動軸を有するリニアアクチュエータ６３を取り付けてあり、リニアアクチュエータ６３の前側面に、上下に摺動自在なガイド部材６２を設けてある。ガイド部材６２は、上端部が後側に向けて屈曲しており、屈曲部分にリニアアクチュエータ６３の駆動軸が接続されていて、リニアアクチュエータ６３によって任意に上下動させることができる。そして、ガイド部材６２の前側面に、補助基盤６１を取り付けてある。Ｚ軸スライダ７６に固定された、基盤１３、レーザ変位計１およびリニアアクチュエータ６３は、一体であり、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、リニアアクチュエータ６３がガイド部材６２を上下動させることで、レーザ変位計１に対して、シャフト３、回転機構４および切替機構５が上下動する。これにより、レーザ変位計１と、変更位置の光路変更器２との間の距離を変えることができるものであり、図６（ａ）に示すように、ガイド部材６２を上げれば、レーザ変位計１と光路変更器２の間の距離Ｌ１は短くなり、図６（ｂ）に示すように、ガイド部材６２を下げれば、レーザ変位計１と光路変更器２の間の距離Ｌ２は長くなる。図７（ａ）に示すように、レーザ変位計１は、測定が可能な対象面との距離について、最小測定距離Ｒ_ｍｉｎと最大測定距離Ｒ_ｍａｘが決まっており、その間が測定可能範囲ΔＲとなっているので、このようにしてレーザ変位計１と光路変更器２の間の距離を変えれば、光路変更器２と対象面の間の測定可能な距離範囲も変わる。すなわち、図７（ｂ）に示すように、レーザ変位計１と光路変更器２の間の距離Ｒ１を短くすれば、測定可能範囲ΔＲは光路変更器２（レーザ変位計１の光軸）から遠ざかる。一方、図７（ｃ）に示すように、レーザ変位計１と光路変更器２の間の距離Ｒ２を長くすれば、測定可能範囲ΔＲは光路変更器２（レーザ変位計１の光軸）に近づく。よって、測定可能な穴の内径の範囲も変えることができる。

次に、この測定装置によって測定を行う方法について図８に基づき説明する。ここでは、ワークＷに複数の穴Ｈ１，Ｈ２を形成してあり、各穴Ｈ１，Ｈ２の内径および深さが設計図面どおりであるかを測定により確認する場合を想定する。なお、初期状態において、光路変更器２は変更位置にある。まず、ワークＷを、穴Ｈ１，Ｈ２が上向きになるようにして、測定装置の可動範囲内の所定位置に固定する。この際、ワークＷにシャフト３の下端部が当たることのないように、それよりも低い位置とする。続いて、移動機構７が作動し、測定装置を左右方向（Ｘ軸方向）および前後方向（Ｙ軸方向）に移動させて、レーザ変位計１の光軸（シャフト３の中心軸）を、一つ目の穴Ｈ１の位置に一致させる（図８（ａ））。そして、まず穴Ｈ１の内径を測定するため、測定装置を下方（Ｚ軸方向）に移動させ、ワークＷの一つ目の穴Ｈ１に、シャフト３を挿入する（図８（ｂ））。この際、穴Ｈ１の想定される内径は設計図面より既知であるから、距離調節機構６が作動して、内径が測定可能範囲に納まるように、レーザ変位計１と光路変更器２の間の距離を調節する。そして、レーザ変位計１からレーザビームを発射すると、レーザビームはシャフト３の下端部分に設けた光路変更器２によって９０度曲げられて穴Ｈ１の内周面に照射され、回転機構４によりシャフト３を回転させ内周面の全周にわたって照射することで、穴Ｈ１の内径が測定される。次に、穴Ｈ１の深さを測定するため、移動機構７が作動し、測定装置を上方（Ｚ軸方向）に移動させ、ワークＷの穴Ｈ１からシャフト３を引き抜く。この際、穴Ｈ１の想定される深さは設計図面より既知であるから、深さが測定可能範囲に納まるように、測定装置の高さ位置を調節する。続いて、切替機構５が動作して、光路変更器２の位置を、変更位置から待避位置へ切り替える（図８（ｃ））。そして、レーザ変位計１からレーザビームを発射すると、レーザビームは下向きに直進し、穴Ｈ１の底面に照射されて、穴Ｈ１の深さが測定される。次に、測定装置の位置が下がっている場合には、移動機構７が作動して初期の高さ位置まで上昇させ、その後、切替機構５が動作して、光路変更器２の位置を、待避位置から変更位置へ切り替える。そして、移動機構７が作動し、測定装置を左右方向（Ｘ軸方向）および前後方向（Ｙ軸方向）に移動させて、レーザ変位計１の光軸（シャフト３の中心軸）を、二つ目の穴Ｈ２の位置に一致させ、一つ目の穴Ｈ１と同様に測定を行う（図８（ｄ））。このようにして、すべての穴Ｈ１，Ｈ２についての内径および深さの測定が完了する。なお、以上の測定装置の各部の動作は、制御装置（図示省略）にプログラミングされており、自動で行われる。

また、この測定装置によれば、図９（ａ）、（ｂ）に示すような、内径に対して深さが深い穴の内径および深さの測定のほか、図９（ｃ）、（ｄ）に示すような、内径に対して深さが浅いザグリ穴の内径および深さの測定を行うこともできる。上記のように、距離調節機構６によってレーザ変位計１と光路変更器２の間の距離を変えることで、測定可能な内径の範囲が変化し、移動機構７によってレーザ変位計の高さ位置を変えることで、測定可能な深さの範囲が変化するので、内径や深さが大きく異なる穴にも対応できる。さらに、図９（ｅ）に示すような段付穴について、内径を測定しつつ移動機構７により測定装置を上下動させることで、その内部形状を測定することができる。また、図９（ｆ）に示すようなＯリング溝を有する孔について、移動機構７によってシャフト３の通過孔３１の高さ位置をＯリング溝に合わせることで、Ｏリング溝の内径を測定することができる。さらに、図９（ｇ）に示すようなタップ穴について、内径を測定しつつ移動機構７により測定装置を上下動させることで、タップの山数やピッチを測定することができる。

このように構成した測定装置によれば、上記のように、光路変更器２の位置を変更位置と待避位置とに切り替えることで、一つのレーザ変位計１によって穴の内径と深さを両方測定できる。これにより、レーザ変位計１が一つで済むので、費用を抑え、装置を小型化できる。また、距離調節機構６によってレーザ変位計１と光路変更器２の間の距離を変えることで、測定可能な穴の内径の範囲を変えることができ、移動機構７によってレーザ変位計１の高さ位置を変えることで、測定可能な穴の深さの範囲を変えることができる。さらに、移動機構７によって、対象物に対してレーザ変位計１および光路変更器２を自在に動かせるので、対象物の任意の位置の測定が可能である。

次に、この測定装置を備えた加工ラインについて説明する。この加工ラインは、図１０に示すように、前後に並ぶ複数の加工機１０１ａ，１０１ｂと、並んだ加工機１０１ａ，１０１ｂの左側で前後方向に延びるガイドレール１０３と、ガイドレール１０３上を走行するワークローダ１０２を備える。各加工機１０１ａ，１０１ｂは、ワークＷに対して、工具による切削加工や、レーザ加工、放電加工など、種々の加工を行うものである。また、ワークローダ１０２は、ワークＷを一の加工機１０１ａから他の加工機１０１ｂへ移送するものであり、加工機１０１ａ，１０１ｂからワークＷを搬入出する搬入出アーム１２１を備える。搬入出アーム１２１は、先端部でワークＷを保持するものであり、垂直軸周りに回転して、ワークＷをガイドレール１０３の右側（加工機１０１ａ，１０１ｂ側）からガイドレール１０３の左側（加工機１０１ａ，１０１ｂの反対側）に、またはその反対向きに移動させるものである。そして、ワークローダ１０２の左側部（加工機１０１ａ，１０１ｂの反対側）に、上記の測定装置１００を取り付けてある。測定装置１００は、Ｙ軸方向がガイドレール１０３の延びる方向に一致する向きで取り付けてあり、搬入出アーム１２１により左側に移動されたワークＷが、測定装置１００の測定可能範囲内に納まるものである。

このように構成した加工ラインによれば、まず、一つ目の加工機１０１ａでワークＷの加工が行われた後、搬入出アーム１２１によってワークＷが加工機１０１ａから搬出され、さらに搬入出アーム１２１が旋回してワークＷがワークローダ１０２の左側に移動する。そして、ワークローダ１０２が一つ目の加工機１０１ａから二つ目の加工機１０１ｂへ移動する間に、測定装置１００が作動し、上記の要領で、ワークＷの一つ目の加工機１０１ａによる加工部を測定する。そして、ワークローダ１０２が二つ目の加工機１０１ｂに到着すると、搬入出アーム１２１が旋回してワークＷがワークローダ１０２の右側に移動し、さらに搬入出アーム１２１によってワークＷが加工機１０１ｂに搬入される。その後、二つ目の加工機１０１ｂでワークＷの加工が行われる。そしてこの後、一つ目の加工機１０１ａによる加工後と同様に、ワークローダ１０２によるワークＷの移送中に、測定装置１００によりワークＷの二つ目の加工機１０１ｂによる加工部を測定する。このように、ワークローダ１０２によるワークＷの移送中に、ワークＷの加工部について測定することができるので、加工のサイクルタイムを短縮することができ、また、別途測定装置を設ける必要がないので、加工ライン全体を小型化できる。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。たとえば、光路変更器は、上記のようにレーザビームを反射させて光路を曲げるもののほか、屈折により光路を曲げるプリズムからなるものであってもよい。また、光路変更器（シャフト）を回転させる回転機構、光路変更器の位置を切り替える切替機構およびレーザ変位計と光路変更器の間の距離を変える距離調節機構の構成については、一例を示したものであり、同等の動作をするものであれば、どのような構成であってもよい。さらに、加工ラインは、三台以上の加工機を備えるものであってもよい。

１レーザ変位計
２光路変更器
１００測定装置
１０１ａ，１０１ｂ加工機
１０２ワークローダ
Ｗワーク

Claims

レーザ変位計と、光路変更器を備え、
光路変更器が、レーザ変位計から発射されるレーザビームの光路を変更するものであって、光路変更器の位置を、レーザ変位計の発射口から発射されたレーザビームの光軸上の変更位置と、レーザ変位計の発射口から発射されたレーザビームの光軸から外れた待避位置とに切替可能であることを特徴とする測定装置。
レーザ変位計と、変更位置の光路変更器との間の距離が可変であることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
レーザ変位計と光路変更器が一体となって、レーザ変位計の光軸を一軸とする直交三軸方向に移動可能であることを特徴とする請求項１または２記載の測定装置。
前記レーザ変位計の発射口の直下には、中心軸が前記レーザ変位計の光軸と一致した上下に伸びる筒状のシャフトが設けてあって、
前記シャフトの内部の下端部分には、前記光路変更器が備えてあって、
前記光路変更器には、前記シャフトの中心軸に対して４５度の角度で傾斜した鏡面を有しており、前記鏡面が臨む前記シャフトの側面に、通過孔を形成してあることを特徴とする請求項１乃至３記載の測定装置。
前記シャフトは、回転機構によってその中心軸回りに回転自在となっていることを特徴とする請求項４記載の測定装置。
複数の加工機と、ワークを一の加工機から他の加工機へ移送するワークローダを備え、
ワークローダに、請求項１乃至５記載の測定装置を取り付けてあることを特徴とする加工ライン。