JP6719906B2 - Eddy current sensor and tool holder mounting state detection device including the same - Google Patents
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Description
本発明は、渦電流センサおよび渦電流センサを備えたツールホルダ装着状態検出装置に係り、特に出力を直線近似した渦電流センサおよびその渦電流センサを備えたツールホルダ装着状態検出装置に関する。
The present invention relates to a tool holder attachment state detection equipment equipped with the eddy current sensor and the eddy current sensor, in particular relates to a tool holder mounting state detection equipment equipped with the eddy current sensor and the eddy current sensor has linear approximation output ..
工作機械において、工具を、ツールホルダを介して主軸に保持する際、回転軸に対して正確に工具が保持されたか否かを、工具またはツールホルダとの距離で検出する渦電流センサが広く用いられている。渦電流センサは、構成が簡単で検出感度が高い利点を有している。このような渦電流センサの例が、特許文献1に記載されている。 In machine tools, when holding a tool on a spindle via a tool holder, an eddy current sensor is widely used to detect whether or not the tool is correctly held with respect to the rotation axis, based on the distance between the tool and the tool holder. Has been. The eddy current sensor has the advantages of simple structure and high detection sensitivity. An example of such an eddy current sensor is described in Patent Document 1.
特許文献1に記載のものでは、センサヘッドを大型化することなしに、ケーブルを長くしてもセンサ感度を低下させず測定可能な渦電流センサを提供するために、インダクタンス素子を有するセンサヘッドと、センサヘッドのインダクタンス素子の両側に接続されるケーブルと、ケーブルの2つの端子間に接続されるアンプ回路を、渦電流センサが備える。さらに、アンプ回路は発振回路とアンプ容量素子を、センサヘッドはヘッド容量素子をそれぞれ有し、インダクタンス素子とヘッド容量素子とケーブルとアンプが、共振回路を形成している。 In order to provide an eddy current sensor which can be measured without increasing the size of the sensor head and without lowering the sensor sensitivity even if the cable is lengthened, the sensor head having an inductance element is disclosed in Patent Document 1. The eddy current sensor includes a cable connected to both sides of the inductance element of the sensor head and an amplifier circuit connected between two terminals of the cable. Further, the amplifier circuit has an oscillation circuit and an amplifier capacitance element, and the sensor head has a head capacitance element, and the inductance element, the head capacitance element, the cable, and the amplifier form a resonance circuit.
ところで、渦電流センサは測定対象である軸等との距離に応じて、その出力が変化するが、この出力は距離の関数であり、測定対象が平面であれば距離に反比例するものと考えられている。しかしながら現実には測定対象の形状によって必ずしも距離に反比例するものとはならず、まして直線性を有するものでなく、個々に校正曲線を作成する。そして、校正曲線を使いやすくするため、測定対象との距離を複数区間に区分し、その区間ごとに校正曲線を直線近似して測定精度を向上させる方法を用いている。このようなセンサ出力の校正曲線を直線近似する例が、特許文献2に記載されている。 By the way, the output of the eddy current sensor changes depending on the distance to the axis or the like that is the measurement target, but this output is a function of the distance, and if the measurement target is a plane, it is considered to be inversely proportional to the distance. ing. However, in reality, it is not necessarily inversely proportional to the distance depending on the shape of the measurement object, and much less linearity is obtained, and calibration curves are individually created. In order to make the calibration curve easy to use, a method is used in which the distance from the measurement target is divided into a plurality of sections, and the calibration curve is linearly approximated for each section to improve the measurement accuracy. An example of linearly approximating the calibration curve of such a sensor output is described in Patent Document 2.
特許文献2に記載のセンサ出力のリニアライズ回路では、簡単な回路を付加するだけでリニアな変化範囲を拡大することを目的として、測定値に反比例する検出信号の逆数を算出する除算回路を設け、検出信号を測定値に比例する信号に変換している。そして、検出信号が所定値以上の時には、検出信号に応じて第1補正信号を生成し、検出信号が所定値以下の時には、検出信号に応じて第2補正信号を生成する。第1、第2補正信号に応じて検出信号を変化させて、検出信号が測定値に比例する範囲を拡大している。 The sensor output linearization circuit described in Patent Document 2 is provided with a division circuit for calculating the reciprocal of the detection signal inversely proportional to the measured value, for the purpose of expanding the linear change range by simply adding a simple circuit. , The detection signal is converted into a signal proportional to the measured value. When the detection signal is greater than or equal to the predetermined value, the first correction signal is generated according to the detection signal, and when the detection signal is less than or equal to the predetermined value, the second correction signal is generated according to the detection signal. The detection signal is changed according to the first and second correction signals to expand the range in which the detection signal is proportional to the measured value.
渦電流センサを、マシニングセンタやNC工作機械等の自動加工機の工具取り付け部(ツールホルダ装置)の近傍に取り付け、振れ等の工具取り付けの不具合を監視することが従来からなされており、例えば特許文献3には、ツールホルダ装着状態検出装置の例が、開示されている。この公報に記載の装置では、ツールホルダの工作機械の主軸への装着ミスを精度よく検出するために、切り欠きを有する円筒形状のツールホルダの外周面の位置を渦電流センサで検出し、検出データから切り欠き部のデータを取り除き、取り除いた部分の補間した補正検出データを作成し、補正された検出データをフーリエ変換演算してツールの装着状態を判断している。 It has been conventionally performed to mount an eddy current sensor in the vicinity of a tool mounting portion (tool holder device) of an automatic processing machine such as a machining center or an NC machine tool, and monitor a defect in tool mounting such as runout. 3 discloses an example of a tool holder mounting state detection device. In the device described in this publication, in order to accurately detect a mounting error of the tool holder on the spindle of the machine tool, the position of the outer peripheral surface of the cylindrical tool holder having a notch is detected by an eddy current sensor and detected. Data on the cutout portion is removed from the data, corrected detection data is created by interpolating the removed portion, and the corrected detection data is Fourier-transformed to determine the mounting state of the tool.
渦電流センサでは、導電体である測定対象物に高周波電流による交流磁束を加え、ファラデーの電磁誘導法則により、測定対象物の内部に磁束変化を起こさせ、起電力を発生させている。そして起電力により、測定対象物表面に渦電流が流れ擬似的に二次コイルが作られ、渦電流センサのセンサコイルでは、測定対象物との距離に応じてインダクタンスや抵抗が変化する。このセンサコイルのインピーダンスの変化を検出して、距離を算出している。 In the eddy current sensor, an AC magnetic flux due to a high-frequency current is applied to a measurement object, which is a conductor, and a magnetic flux change is caused inside the measurement object by Faraday's law of electromagnetic induction to generate an electromotive force. The electromotive force causes an eddy current to flow on the surface of the object to be measured to create a pseudo secondary coil, and the inductance and resistance of the sensor coil of the eddy current sensor change according to the distance from the object to be measured. The distance is calculated by detecting the change in the impedance of the sensor coil.
このように、渦電流センサでは、接触位置または非接触での距離検出も可能であるから、工作機械のツールホルダ部に用いると、工具の装着状況を非接触で容易に検出できる。しかしながら、センサ出力は測定対象物との距離が近いほど小さく、離れるに従って大きくなり、その関係はリニアではないので、センサ出力値をそのままで距離として使用することはできない。 As described above, since the eddy current sensor can detect the distance at the contact position or in the non-contact state, when the eddy current sensor is used in the tool holder portion of the machine tool, the mounting state of the tool can be easily detected in the non-contact state. However, the sensor output is smaller as the distance to the object to be measured is smaller and increases as the distance from the object is increased. Since the relationship is not linear, the sensor output value cannot be used as it is as the distance.
測定対象物が微視的にも巨視的にも平板であり、センサ端面が平面であれば、センサ出力は上記ファラデーの法則を用いて理論的に求めることも可能であるが、一般的な測定対象物は丸棒であったり、切り欠きのある円筒面であったりするので、磁束の流れが軸対称ではなかったり、いわゆる磁束の逃げが生じたりして、理論的に出力特性を求めることが困難である。そのため、通常測定対象物に対して事前にセンサの校正をする。センサ出力の校正曲線は、センサと測定対象物の距離が増加するにつれて出力が増加する単調増加関数となる。この単調増加関数は、実際の運用においては、測定対象物の形状等に依存しており、そのままでは簡単に使える曲線とはならない。そのため、センサと測定対象物間の距離を複数区間に区分し、各区間ごとにセンサの校正曲線を直線近似しているのが実状である。その場合、数値データをルックアップテーブル化して、中間点を補間して求めることも採用されている。または、直線近似した回路を設けてリニアライザとし、センサ出力自体を各区間ごとに直線化して補正出力する。 If the measurement object is a flat plate microscopically and macroscopically, and the sensor end face is a flat surface, the sensor output can be theoretically obtained using Faraday's law, but general measurement Since the object is a round bar or a cylindrical surface with a notch, the flow of magnetic flux is not axisymmetric, or so-called magnetic flux escape occurs, so it is possible to theoretically determine the output characteristics. Have difficulty. Therefore, the sensor is usually calibrated in advance for the object to be measured. The calibration curve of the sensor output is a monotonically increasing function whose output increases as the distance between the sensor and the measurement object increases. In the actual operation, this monotonically increasing function depends on the shape or the like of the measuring object, and cannot be easily used as it is. Therefore, the distance between the sensor and the measuring object is divided into a plurality of sections, and the calibration curve of the sensor is linearly approximated for each section. In that case, it is also adopted to convert the numerical data into a look-up table and interpolate the intermediate points. Alternatively, a linearly approximated circuit is provided as a linearizer, and the sensor output itself is linearized for each section and corrected and output.
このような従来の渦電流センサを用いた測定においては、校正曲線を複数の区間に分割するため、複数の区間のためのデータを、センサが接続される回路装置またはセンサヘッドに格納する必要があり、アナログ回路で実現しようとすると多数の回路を必要とし、小型化が望まれる場合には障害となる。特に、渦電流センサの出力を近似する校正曲線の精度を高めるために区間数を増大させると、この不都合が顕著になる。 In the measurement using such a conventional eddy current sensor, since the calibration curve is divided into a plurality of sections, it is necessary to store data for the plurality of sections in a circuit device or a sensor head to which the sensor is connected. However, an analog circuit requires a large number of circuits, which becomes an obstacle when miniaturization is desired. In particular, when the number of sections is increased in order to improve the accuracy of the calibration curve that approximates the output of the eddy current sensor, this inconvenience becomes remarkable.
上記特許文献1は、本願発明の発明者の先願になるものであるが、渦電流センサにおいて、検出感度を劣化させずに小型化できるという利点は有する。しかしながら、検出データをいかに簡単にかつ高精度に距離データに変換するかについては、十分には考慮されていない。 Although Patent Document 1 is a prior application of the inventor of the present invention, it has an advantage that the eddy current sensor can be downsized without deteriorating the detection sensitivity. However, how to convert the detection data into the distance data easily and with high accuracy is not sufficiently considered.
また、上記特許文献2では、静電容量センサや渦電流センサの出力を直線に変換するために、出力に反比例する除算回路を設けている。しかしながら、この公報に記載のリニアライズ回路では、「検出信号がセンサの先端表面から物体の表面位置までの距離に反比例する」ことが前提であり、一般的な測定対象物ではかなりの誤差を生ずる恐れがある。 Further, in Patent Document 2 described above, in order to convert the output of the capacitance sensor or the eddy current sensor into a straight line, a division circuit that is inversely proportional to the output is provided. However, in the linearization circuit described in this publication, it is premised that "the detection signal is inversely proportional to the distance from the tip surface of the sensor to the surface position of the object", and a general measurement object causes a considerable error. There is a fear.
さらに、上記特許文献3では、渦電流センサを用いて、切り欠きのあるツールホルダのデータを高精度に補間することが開示されている。しかしながら、この特許文献3においても、得られたセンサの校正曲線をいかに簡単にかつ高精度に利用するかについては、十分には考慮されていない。 Further, in the above-mentioned Patent Document 3, it is disclosed that data of a tool holder having a notch is interpolated with high accuracy by using an eddy current sensor. However, even in Patent Document 3, how to easily and highly accurately use the obtained calibration curve of the sensor is not sufficiently taken into consideration.
本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、渦電流センサを用いる計測において、渦電流センサの校正に要する時間を低減し、かつ渦電流センサの出力の直線化変換を効率的かつ簡素化することにある。本発明の他の目的は、上記目的に加え、渦電流センサの出力変換を容易および迅速化するとともに、渦電流センサの大型化を防ぐことにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the conventional technology, and an object thereof is to reduce the time required for calibration of an eddy current sensor in measurement using an eddy current sensor and to linearize the output of the eddy current sensor. It is to make the conversion efficient and simple. Another object of the present invention is, in addition to the above object, to facilitate and speed up the output conversion of the eddy current sensor and prevent the eddy current sensor from becoming large.
上記目的を達成するための本発明の特徴は、センサコイルを有し測定端部が平面で形成されたセンサ本体と、このセンサ本体に電気的に接続される回路装置(制御装置)とを有する渦電流センサにおいて、前記回路装置は、1つないし複数の測定対象物に対する前記センサ本体の使用において、前記測定対象物に対する前記センサコイルの出力を、単一の指数関数で近似した校正曲線を用いて変換することにある。 A feature of the present invention for achieving the above object is to have a sensor main body having a sensor coil and having a flat measurement end, and a circuit device (control device) electrically connected to the sensor main body. In the eddy current sensor, the circuit device uses a calibration curve obtained by approximating an output of the sensor coil with respect to the measurement object by a single exponential function in the use of the sensor body with respect to one or a plurality of measurement objects. To convert it.
そしてこの特徴において、前記単一の指数関数で近似した校正曲線を用いて変換する代わりに、前記単一の指数関数に対応するリニアライズ回路を前記回路装置が備えてもよく、前記リニアライズ回路が、対数アンプを有してもよい。また、前記単一の指数関数は、βeαx+γで表され、ここで、α、β、γは定数であり、xはセンサ本体端面(測定端面)と対象物との間の距離(後述のgに相当)、であることが望ましい。さらに、前記センサ本体はメモリ手段を有し、前記単一の指数関数の定数α、β、γを、メモリ手段が予め記憶していてもよい。 Further, in this feature, the circuit device may include a linearization circuit corresponding to the single exponential function instead of converting using the calibration curve approximated by the single exponential function. However, it may have a logarithmic amplifier. The single exponential function is represented by βe αx +γ, where α, β, and γ are constants, and x is the distance between the sensor body end face (measurement end face) and the object (described later). (corresponding to g)). Further, the sensor body may have a memory means, and the memory means may store the constants α, β, γ of the single exponential function in advance.
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、マシニングセンタやNC工作機械の主軸にツールを取り付けるために設けられ、前記主軸の先端部に着脱自在に配置されるツールホルダと、このツールホルダの近傍に前記ツールホルダと離間して配置された渦電流センサとを備えたツールホルダ装着状態検出装置において、前記ツールホルダは外周がほぼ円筒の円筒状表面を有し、前記渦電流センサは前記円筒状表面に対向して配置されており、前記渦電流センサは、センサコイルを有し測定端部が平面のセンサ本体と、このセンサ本体に電気的に接続される回路装置とを有し、前記回路装置は、複数の前記ツールホルダについては前記センサ本体の使用において、前記ツールホルダに対する前記センサコイルの出力を、単一の指数関数で近似した校正曲線を用いて変換することにある。 Another feature of the present invention that achieves the above object is to provide a tool holder for attaching a tool to a spindle of a machining center or an NC machine tool, and a tool holder that is detachably arranged at the tip of the spindle, and the vicinity of the tool holder. In the tool holder mounting state detecting device including the tool holder and an eddy current sensor arranged apart from each other, the tool holder has a cylindrical surface whose outer periphery is substantially cylindrical, and the eddy current sensor has the cylindrical shape. The eddy current sensor is arranged so as to face the surface, and the eddy current sensor includes a sensor body having a sensor coil and a flat measurement end portion, and a circuit device electrically connected to the sensor body. The device consists in transforming the output of the sensor coil with respect to the tool holder in the use of the sensor body for a plurality of tool holders by means of a calibration curve approximating with a single exponential function.
そしてこの特徴において、前記ツールホルダと前記センサ本体の端面との距離は、前記センサ本体の測定端面の外径よりも短いことが好ましく、前記単一の指数関数で近似した校正曲線を用いて変換する代わりに、前記単一の指数関数に対応する対数アンプを有するリニアライズ回路を前記回路装置が備えてもよい。また、前記単一の指数関数は、βeαx+γで表され、ここで、α、β、γは定数であり、xはセンサ本体端面(測定端面)と対象物との間の距離、であるのが望ましい。 And in this feature, the distance between the tool holder and the end surface of the sensor body is preferably shorter than the outer diameter of the measurement end surface of the sensor body, and is converted using the calibration curve approximated by the single exponential function. Alternatively, the circuit device may include a linearization circuit having a logarithmic amplifier corresponding to the single exponential function. The single exponential function is represented by βe αx +γ, where α, β and γ are constants, and x is the distance between the sensor body end face (measurement end face) and the object. Is desirable.
上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、渦電流センサを用いたツールホルダ装着状態検出方法において、前記ツールホルダは実質的に円筒形の外周面を有する鋼製であり、異なる少なくとも3点の距離で検出した前記渦電流センサの校正データから、単一の対数曲線(βeαx+γ:ここで、α、β、γは定数、xはセンサ本体端面(測定端面)と対象物との間の距離)からなる校正曲線を得、得られた校正曲線を用いて実際に前記ツールホルダを装着した時の前記渦電流センサと前記ツールホルダ間の距離を求め、求めた距離が所定範囲を超えていれば不適と回路装置が判断することにある。 Still another feature of the present invention that achieves the above object is, in a tool holder mounting state detection method using an eddy current sensor, the tool holder is made of steel having a substantially cylindrical outer peripheral surface, and at least 3 From the calibration data of the eddy current sensor detected at the point distance, a single logarithmic curve (βe αx +γ: where α, β, γ are constants, x is the sensor body end face (measurement end face) and the object The distance between the eddy current sensor and the tool holder when the tool holder is actually attached is obtained using the obtained calibration curve, and the calculated distance is within a predetermined range. If it exceeds, the circuit device will judge that it is not suitable.
本発明によれば、渦電流センサを用いた測定において、渦電流センサ端面から測定対象物の表面までの距離を、単調増加する指数関数で表すことにより、指数関数のパラメータのみを回路装置に記憶させればよく、渦電流センサの校正に要する時間を低減し、かつ渦電流センサの出力の直線化変換を効率的かつ簡素化できる。さらに、渦電流センサの出力変換を容易および迅速化し、渦電流センサの大型化を防止できる。 According to the present invention, in the measurement using the eddy current sensor, the distance from the end surface of the eddy current sensor to the surface of the measurement target is represented by a monotonically increasing exponential function, so that only the exponential function parameter is stored in the circuit device. By doing so, the time required for the calibration of the eddy current sensor can be reduced, and the linear conversion of the output of the eddy current sensor can be efficiently and simplified. Further, the output conversion of the eddy current sensor can be facilitated and speeded up, and the size increase of the eddy current sensor can be prevented.
本発明者は、これまでに蓄積された種々の測定対象物に対する校正曲線を検討した結果、測定対象物が曲率の小さい平面状であっても曲率の大きな円筒面状であっても、実用的な使用範囲では、校正曲線が指数関数的に単調増加することを見出した。そこで、測定対象物に応じた校正曲線を近似する指数関数のパラメータを求め、このパラメータを回路装置(本発明においては制御装置とも称する)に記憶させるだけで、渦電流センサ端面から測定対象物の表面までの距離を、容易にかつ迅速に求めることを可能にした。この知見に基づく、本発明の実施例を以下に説明する。 The present inventor has examined calibration curves for various measurement objects accumulated so far, and as a result, whether the measurement object has a flat surface with a small curvature or a cylindrical surface with a large curvature, it is practical. It was found that the calibration curve increases exponentially in a wide range of use. Then, the parameter of the exponential function that approximates the calibration curve corresponding to the measurement object is obtained, and the parameter is stored in the circuit device (also referred to as a control device in the present invention). The distance to the surface can be easily and quickly obtained. An example of the present invention based on this finding will be described below.
以下の記載においては、ツールホルダ装着状態検出装置10を備える装置の一例として、マシニングセンタMCを取り上げ説明する。しかしながら、本発明はマシニングセンタMCに限るものではなく、NC工作機械等、自動でまたは手動で加工具を交換する機械一般に適用可能である。 In the following description, a machining center MC will be taken up and described as an example of a device including the tool holder mounting state detection device 10. However, the present invention is not limited to the machining center MC, and is applicable to general machines such as NC machine tools that automatically or manually exchange processing tools.
以下、図面を用いて本発明に係るマシニングセンタMCの一実施例を説明する。図1(a)は、マシニングセンタMCのツールホルダ装着状態検出装置10を部分的に示した模式図であり、正面図である。図1(b)は、ツールホルダ装着状態検出装置10を下方から見た図である。 An embodiment of a machining center MC according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1A is a schematic view partially showing the tool holder mounting state detection device 10 of the machining center MC, and is a front view. FIG. 1B is a view of the tool holder mounting state detection device 10 as viewed from below.
マシニングセンタMCは、加工工程に従って各種工具を自動的に選択し、主軸に自動で装着して多種類の加工を行う。マシニングセンタMCにおいては、工具1は、図示しない自動工具交換(ATC:オートツールチェンジ)装置を用いて自動交換される。ATC装置は、工具1が取り付けられたツールホルダ2を工具マガジン(図示せず)から自動で取り出し、垂直に形成されたヘッド5に保持された主軸3に自動で装着する。 The machining center MC automatically selects various tools according to the machining process and automatically mounts them on the spindle to perform various kinds of machining. In the machining center MC, the tool 1 is automatically replaced by using an automatic tool change (ATC: automatic tool change) device (not shown). The ATC device automatically takes out the tool holder 2 to which the tool 1 is attached from a tool magazine (not shown) and automatically attaches it to the spindle 3 held by a vertically formed head 5.
工具1が取り付けられたツールホルダ2は、円錐状の嵌合部2Aを有しており、この嵌合部2Aを主軸3に形成された円錐状の被嵌合部3Aに嵌合させて装着される。その際、ツールホルダ2および主軸3のそれぞれの嵌合部2A、被嵌合部3A間に切り屑などが付着すると、矯正手段を有していなければ、工具1の軸が曲がって装着される。この状態で加工を開始すると、工具1に振れが発生し、ワークの加工精度が著しく低下する。 The tool holder 2 to which the tool 1 is attached has a conical fitting portion 2A, and the fitting portion 2A is fitted into a conical fitting portion 3A formed on the spindle 3 to be mounted. To be done. At that time, if chips or the like adhere between the fitting portion 2A and the fitted portion 3A of the tool holder 2 and the main shaft 3, respectively, the shaft of the tool 1 is bent and installed unless the correction means is provided. .. When the machining is started in this state, the tool 1 is shaken and the machining accuracy of the work is significantly reduced.
このようなツールホルダ2の装着ミスは、例えば主軸3に装着されたツールホルダ2の工具1の先端にレーザ光を照射して判定することも可能である。しかしながら、工具1の先端には加工のための冷却液(クーラント)が大量に供給されるので、クーラントによりレーザ光が遮られて検出精度が低下する。 Such a mounting error of the tool holder 2 can be determined by, for example, irradiating the tip of the tool 1 of the tool holder 2 mounted on the spindle 3 with laser light. However, since a large amount of cooling liquid (coolant) is supplied to the tip of the tool 1, the laser light is blocked by the coolant and the detection accuracy decreases.
そこで本発明では、ツールホルダ2のフランジ2Bの外周面が円筒状に形成されているのを利用して、この外周面の変位を検出する渦電流センサ本体12を、ブラケット6を介して設けている。そして、検出したフランジ2Bの外周面の変位データを解析して、ツールホルダ2の装着異常(チャックミス)を検出する。 Therefore, in the present invention, the outer peripheral surface of the flange 2B of the tool holder 2 is formed in a cylindrical shape, and the eddy current sensor body 12 for detecting the displacement of the outer peripheral surface is provided via the bracket 6. There is. Then, the detected displacement data of the outer peripheral surface of the flange 2B is analyzed to detect the mounting abnormality (chuck error) of the tool holder 2.
図1(a)に示すように、ツールホルダ装着状態検出装置10は、ATC装置において主軸3に装着されたツールホルダ2のチャックミスを自動で検出する。ツールホルダ装着状態検出装置10は、主として渦電流センサ本体12と制御装置(回路装置)14とで構成される。工具1が取り付けられたツールホルダ2は、円錐状の嵌合部2Aを有しており、この嵌合部2Aを主軸3に形成された円錐状の被嵌合部3Aに嵌合させて、工具1をツールホルダ2に装着する。 As shown in FIG. 1A, the tool holder mounting state detection device 10 automatically detects a chuck error of the tool holder 2 mounted on the spindle 3 in the ATC device. The tool holder mounting state detection device 10 mainly includes an eddy current sensor body 12 and a control device (circuit device) 14. The tool holder 2 to which the tool 1 is attached has a conical fitting portion 2A, and the fitting portion 2A is fitted to a conical fitting portion 3A formed on the main shaft 3, The tool 1 is attached to the tool holder 2.
渦電流センサ100は、渦電流センサ本体12と制御装置14とを含んで構成された近接した区間の距離(隙間)の微小変動を高精度で測定可能なセンサであり、主軸3に装着されたツールホルダ2のフランジ2Bの外周面までの距離gを電気信号として検出する。制御装置14は、渦電流センサ本体12で検出した検出データに基づきツールホルダ2のチャックミスを検出する。制御装置14は、信号検出回路15、A/Dコンバータ16、CPU18、メモリ20、入出力回路22などを備える。 The eddy current sensor 100 is a sensor that is configured to include the eddy current sensor main body 12 and the control device 14, and is capable of highly accurately measuring a minute variation in the distance (gap) in the adjacent section, and is attached to the spindle 3. The distance g to the outer peripheral surface of the flange 2B of the tool holder 2 is detected as an electric signal. The controller 14 detects a chuck error of the tool holder 2 based on the detection data detected by the eddy current sensor body 12. The control device 14 includes a signal detection circuit 15, an A/D converter 16, a CPU 18, a memory 20, an input/output circuit 22, and the like.
詳細を後述するように、A/Dコンバータ16は、渦電流センサ本体12から出力された距離gを示す電気信号をデジタル信号に変換してCPU18に出力する。CPU18は、このデジタル信号に変換された渦電流センサ本体12の検出データに基づいて、ツールホルダ2の偏心量を算出する。算出した偏心量と予めメモリ20に記憶された許容値を比較し、偏心量が許容値を超えていたら、チャックミスと判定する。そして、入出力回路22を介してマシニングセンタMCを制御するマシニングセンタ制御装置24に、判定結果を出力する。ここで、渦電流センサ100は、距離gのデータのみをMC制御装置に送信する構成とし、上述した、そして後述もするツールホルダ2の偏心量を算出及び、チャックミスか否かの判定等以降の処理は渦電流センサ100の制御装置14ではなく、MC制御装置24で行う構成としても良い。 As will be described later in detail, the A/D converter 16 converts the electric signal indicating the distance g output from the eddy current sensor body 12 into a digital signal and outputs the digital signal to the CPU 18. The CPU 18 calculates the amount of eccentricity of the tool holder 2 based on the detection data of the eddy current sensor body 12 converted into this digital signal. The calculated eccentricity amount is compared with the allowable value stored in advance in the memory 20, and if the eccentricity amount exceeds the allowable value, it is determined that the chuck is missed. Then, the determination result is output to the machining center control device 24 which controls the machining center MC via the input/output circuit 22. Here, the eddy current sensor 100 is configured to transmit only the data of the distance g to the MC control device, calculates the eccentricity amount of the tool holder 2 described above and also later, and determines whether or not there is a chuck error. The processing may be performed by the MC controller 24 instead of the controller 14 of the eddy current sensor 100.
CPU18は、渦電流センサ100から出力された距離gの検出データを、ツールホルダ2の回転角度θに対応させて1周分メモリ20に記憶し、その検出データをフーリエ解析などで周波数解析し、各周波数成分の強度を算出する。ここで、各周波数成分のうち基本波周波数成分(1山成分)の振幅値がツールホルダ2の偏心量の2倍とみなせるので、それを許容値と比較してチャックミスであるか否かを判定する。 The CPU 18 stores the detection data of the distance g output from the eddy current sensor 100 in the memory 20 for one rotation corresponding to the rotation angle θ of the tool holder 2, and frequency-analyzes the detection data by Fourier analysis or the like. The intensity of each frequency component is calculated. Here, since the amplitude value of the fundamental wave frequency component (single peak component) of each frequency component can be regarded as twice the eccentric amount of the tool holder 2, it is compared with an allowable value to determine whether or not there is a chuck error. judge.
図1(b)は、ツールホルダ2の底面視図である。ツールホルダ2のフランジ2Bの外周面に近接して、渦電流センサ本体12が配置されている。渦電流センサ100は、検出に磁界を使用するので、埃、水、オイルなどの非導電性の汚染物質の影響を受けないという利点を有し、切削液等による汚染があるツールホルダ2の位置計測には好適である。また、渦電流センサ本体12は、ツールホルダ2の外周面から離れれば離れるほど、出力が大となる単調増加傾向にあり、所定距離以上離れると、ほぼ一定の出力となる性質を有している。渦電流センサ本体12は、軸方向端部であってツールホルダ2のフランジ2Bに対向する面の直径がφdの丸棒状の形状をしており、相手材の測定範囲は、この直径φdの3倍(正確には内部のコイル径の3倍)もの範囲となる。 FIG. 1B is a bottom view of the tool holder 2. The eddy current sensor body 12 is arranged near the outer peripheral surface of the flange 2B of the tool holder 2. Since the eddy current sensor 100 uses a magnetic field for detection, it has an advantage that it is not affected by non-conductive contaminants such as dust, water, and oil, and the position of the tool holder 2 that is contaminated by cutting fluid or the like. It is suitable for measurement. Further, the eddy current sensor body 12 tends to increase in output as the distance from the outer peripheral surface of the tool holder 2 increases, and has a characteristic that the output becomes substantially constant when the distance exceeds a predetermined distance. .. The eddy current sensor body 12 is in the shape of a round bar having a diameter of φd on the surface facing the flange 2B of the tool holder 2 at the axial end, and the measurement range of the mating material is 3 mm of this diameter φd. The range is twice (more precisely, three times the inner coil diameter).
なお、ツールホルダ2のフランジ2Bの外周面には、チャッキングのために、2つ以上の切り欠きを設ける場合もある。その場合には、渦電流センサ本体12から出力される距離gの検出データを、切り欠き部で補間する必要がある。この補間に関しては、例えば、上記特許文献3に記載の方法を用いることができる。 In addition, two or more notches may be provided on the outer peripheral surface of the flange 2B of the tool holder 2 for chucking. In that case, it is necessary to interpolate the detection data of the distance g output from the eddy current sensor body 12 at the notch. For this interpolation, for example, the method described in Patent Document 3 can be used.
ツールホルダ2を主軸3に装着した後のツールホルダ2の状態を、上記ツールホルダ装着状態検出装置10を用いて判定する手順を、図2を用いて説明する。図2は、渦電流センサ100を有するツールホルダ装着状態検出装置10の処理内容を説明するフローチャートである。 A procedure for determining the state of the tool holder 2 after mounting the tool holder 2 on the spindle 3 using the tool holder mounting state detection device 10 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart illustrating the processing contents of the tool holder mounting state detection device 10 having the eddy current sensor 100.
マシニングセンタMCでは、多数の工具1を加工内容に応じて使用する。そのため、工具1の品数に応じてツールホルダ2も増加し、渦電流センサ100は、それら多数のツールホルダ2に対応できることが求められる。渦電流センサ100は、測定対象の材質に依存し、特に測定対象の磁性/非磁性の区分によりその性能が大きく変化する。すなわち、渦電流センサ本体12の磁界は、測定対象に侵入して渦電流を誘引し、渦電流センサ本体12の磁界とは反対の磁界を生成する。そして、発生する渦電流の強さ、その結果として得られる磁界の強さは、測定対象物の透磁率と導電率に依存する。 In the machining center MC, many tools 1 are used according to the processing content. Therefore, the number of tool holders 2 is increased according to the number of tools 1, and the eddy current sensor 100 is required to be able to handle the large number of tool holders 2. The eddy current sensor 100 depends on the material of the measurement target, and the performance thereof changes greatly depending on the magnetic/nonmagnetic classification of the measurement target. That is, the magnetic field of the eddy current sensor body 12 invades the object to be measured and attracts the eddy current, and generates a magnetic field opposite to the magnetic field of the eddy current sensor body 12. The strength of the eddy current generated and the strength of the resulting magnetic field depend on the magnetic permeability and the conductivity of the measurement target.
これらの物性値は、同一材料であっても、微視的には組成のばらつき、クラック、ボイド等の存在により、変化する。ところで、材料全体では、上記のような物性値の均一性を妨げる要因は数多くあるが、材料の表面近傍だけであれば、熱処理や表面仕上げ加工等の機械加工により、材料の均一性がかなりの程度保持される。 Even if the same material is used, these physical property values microscopically change due to compositional variations, cracks, voids, and the like. By the way, there are many factors that hinder the uniformity of the physical property values as described above in the whole material, but if only in the vicinity of the surface of the material, the uniformity of the material is considerably increased by the mechanical processing such as heat treatment or surface finishing. To be retained.
そこで、磁界の侵入深さを浅くして、測定範囲ではほぼ均一な物性を有する材料とみなせるようにし、多くのツールホルダ2で渦電流センサ100の出力が同じ大きさになるようにする。一般にツールホルダ2は、主軸3との嵌合や工具1との衝撃力による嵌合、工具1を安定して保持する強度等の要求から、鋼製である。測定対象材料が鋼や鉄系材料等の強磁性金属であれば、磁界の侵入深さは測定対象のごく表面であり、たとえば渦電流センサ本体12のコイルに400kHz程度の高周波電流が印加された場合、測定対象物の表面から3〜4μm程度までしか磁界は侵入しない。 Therefore, the penetration depth of the magnetic field is made shallow so that the material can be regarded as a material having substantially uniform physical properties in the measurement range, and the output of the eddy current sensor 100 is made to be the same in many tool holders 2. Generally, the tool holder 2 is made of steel from the requirements of fitting with the spindle 3, fitting with the tool 1 by an impact force, strength for stably holding the tool 1, and the like. If the material to be measured is a ferromagnetic metal such as steel or iron-based material, the penetration depth of the magnetic field is the very surface of the object to be measured, and for example, a high frequency current of about 400 kHz was applied to the coil of the eddy current sensor body 12. In this case, the magnetic field penetrates only up to about 3 to 4 μm from the surface of the measuring object.
この特徴を生かして、渦電流センサ100による計測の予備段階として、強磁性金属製(ツールホルダの材質は、鋼製や鉄系材料であっても良い)のツールホルダ2の全てに共通で用いられる近似校正曲線を、校正対象を円筒面にして、マシニングセンタMC用として予め求める(ステップS10)。すなわち、個々のツールホルダ2に対する校正曲線を不要とする。この校正は、マシニングセンタMCの製作元で一括して行うこともできるし、マシニングセンタMCの購入者が最初の使用時に一度実行するようにしてもよいし、出荷時に既に行ってもよい。なお、渦電流センサ本体12が変われば校正曲線は変わるので、渦電流センサ本体12の交換時には、ステップS10で示した最初の校正が必要である。このステップS10の校正では、詳細を後述する指数関数の3つの係数を求め、これらの値を制御装置14が有するメモリ20に記憶するか、またはA/Dコンバータ16内の処理に対数アンプを設けて、求めた指数に対応した値に対数アンプのゲインを調整する。 Taking advantage of this feature, as a preliminary step of measurement by the eddy current sensor 100, it is commonly used for all tool holders 2 made of ferromagnetic metal (the material of the tool holder may be steel or iron-based material). The approximate calibration curve to be obtained is obtained in advance for the machining center MC with the cylindrical surface as the calibration target (step S10). That is, a calibration curve for each tool holder 2 is unnecessary. This calibration can be performed collectively by the manufacturer of the machining center MC, can be performed once by the purchaser of the machining center MC, or can be already performed at the time of shipment. Since the calibration curve changes if the eddy current sensor body 12 changes, the first calibration shown in step S10 is necessary when the eddy current sensor body 12 is replaced. In the calibration of step S10, three coefficients of an exponential function, which will be described in detail later, are obtained, and these values are stored in the memory 20 included in the control device 14, or a logarithmic amplifier is provided for the processing in the A/D converter 16. Then, the gain of the logarithmic amplifier is adjusted to a value corresponding to the obtained exponent.
また図示を省略するが、図1(a)において、渦電流センサ本体12に、制御装置14のメモリ20とは異なる小容量のメモリ手段を設け、そのメモリ手段に指数関数の3つの係数を記憶させてもよい。その場合、制御装置14のメモリ20が、渦電流センサ本体12のメモリ手段に記憶された指数関数の定数α、β、γを読み込む。これにより、渦電流センサ100の出荷前に、渦電流センサ本体12内に、指数関数の3個の定数α、β、γを設定できるので、出荷後に使用元での校正が不要となり、渦電流センサ100の使用がより容易になる。さらに、渦電流センサ本体12がメモリ手段を有し、このメモリ手段に指数関数の定数α、β、γを記憶しているので、渦電流センサ本体12の交換が容易になるとともに、渦電流センサ本体12の交換後に、一般的には使用元で実行する校正が不要となる。 Although not shown, in FIG. 1A, the eddy current sensor body 12 is provided with a memory means of a small capacity different from the memory 20 of the control device 14, and the memory means stores three coefficients of an exponential function. You may let me. In that case, the memory 20 of the controller 14 reads the exponential constants α, β, γ stored in the memory means of the eddy current sensor body 12. As a result, the three constants α, β, γ of the exponential function can be set in the eddy current sensor body 12 before the eddy current sensor 100 is shipped, so that it is not necessary to calibrate the eddy current sensor after shipment from the user. The sensor 100 is easier to use. Further, since the eddy current sensor main body 12 has a memory means and exponential constants α, β, γ are stored in this memory means, the eddy current sensor main body 12 can be easily replaced and the eddy current sensor After replacement of the body 12, calibration, which is typically performed at the source, is no longer required.
次に、マシニングセンタMCを実際に稼働させる。マシニングセンタMCの起動とともに、ツールホルダ装着状態検出装置10が起動される(ステップS12)。工具自動交換装置において、工具が自動交換されると(ステップS14)、マシニングセンタ制御装置24は、主軸3を予め設定した回転速度で回転させる(ステップS16)。 Next, the machining center MC is actually operated. When the machining center MC is activated, the tool holder mounting state detection device 10 is activated (step S12). When the tool is automatically changed in the automatic tool changer (step S14), the machining center controller 24 rotates the spindle 3 at a preset rotation speed (step S16).
渦電流センサ本体12は、回転するツールホルダ2のフランジ2Bの外周面までの距離gに対応した信号を検出し(ステップS18)、渦電流センサ本体12が接続された制御装置14に検出信号を送信する。制御装置14は、渦電流センサ本体12が検出した信号を、対数アンプ41があれば(ステップS20)、対数アンプ41で処理(ステップS22)したのちCPU18に送る。または、渦電流センサ本体12が検出した信号をデジタル化したのち、CPU18においてメモリ20に記憶した校正曲線の係数を用いて距離に変換する(ステップS24)。 The eddy current sensor body 12 detects a signal corresponding to the distance g to the outer peripheral surface of the flange 2B of the rotating tool holder 2 (step S18), and sends the detection signal to the control device 14 to which the eddy current sensor body 12 is connected. Send. If the logarithmic amplifier 41 is present (step S20), the control device 14 processes the signal detected by the eddy current sensor main body 12 by the logarithmic amplifier 41 (step S22), and then sends it to the CPU 18. Alternatively, after digitizing the signal detected by the eddy current sensor body 12, the CPU 18 converts the signal into a distance using the coefficient of the calibration curve stored in the memory 20 (step S24).
渦電流センサ100による距離検出を、ツールホルダ2の全周にわたって一周分だけ実行し(ステップS26)、ツールホルダ2の全周分の検出データを得る。ツールホルダ2のフランジ2Bにツールホルダ2の取り付け具用の切り欠き等が形成されていて(ステップS28)、データに急変部がある場合には、その部分を補間・修正し(ステップS30)、修正データを生成してメモリ20に記憶する。 The distance detection by the eddy current sensor 100 is executed for one round over the entire circumference of the tool holder 2 (step S26), and the detection data for the entire circumference of the tool holder 2 is obtained. If a notch or the like for the attachment of the tool holder 2 is formed on the flange 2B of the tool holder 2 (step S28) and there is a sudden change in the data, that part is interpolated/corrected (step S30), The correction data is generated and stored in the memory 20.
CPU18は、メモリ20に記載された修正データをフーリエ変換し、基本周波数(周期がツールホルダ2の一周分の時間)を抽出して、その振幅値を算出する。この基本周波数の振幅値は、ツールホルダ2の偏心量の2倍に等しいので、これによりツールホルダ2の偏心量が求められる(ステップS32)。CPU18は、得られた偏心量と許容値とを比較し、装着ミスの有無を判定する(ステップS34)。 The CPU 18 Fourier-transforms the correction data stored in the memory 20, extracts the basic frequency (the cycle is the time for one round of the tool holder 2), and calculates the amplitude value thereof. Since the amplitude value of the fundamental frequency is equal to twice the eccentricity amount of the tool holder 2, the eccentricity amount of the tool holder 2 is obtained (step S32). The CPU 18 compares the obtained amount of eccentricity with the allowable value and determines whether or not there is a mounting error (step S34).
なお、フーリエ変換は測定と同時に実行するようにしてもよい。また、許容値は、マシニングセンタの運転開始に先立ち、操作者が入力装置から入力しておく。入力された許容値はメモリ20に記載される。また、許容値は、ユーザが必要とする加工精度に基づいて設定し、ツールホルダ2の偏心に基づく振れの許容範囲内で適宜最適なものを選択して設定する。 The Fourier transform may be executed simultaneously with the measurement. The allowable value is input by the operator from the input device before the operation of the machining center is started. The input allowable value is written in the memory 20. In addition, the allowable value is set based on the machining accuracy required by the user, and the optimum value is appropriately selected and set within the allowable range of the shake based on the eccentricity of the tool holder 2.
判定結果はマシニングセンタ制御装置24に出力され、マシニングセンタ制御装置24は、偏心量が許容値より小さく正常に装着されたと判定したら(ステップS40)、その状態で加工を開始する(ステップS42)。一方、偏心量が許容値より大きく装着ミスと判定したら(ステップS36)、自動ツールホルダ交換をやり直す指令を出し(ステップS38)、ステップS14に戻る。以後、上記手順を繰り返す。なお、装着ミスの場合には、ツールホルダ2と主軸3との嵌合部分に異物を挟み込んだ可能性があるので、この嵌合部分にエアーブローなどをして異物を除去する。 The determination result is output to the machining center control device 24, and when the machining center control device 24 determines that the eccentricity amount is smaller than the allowable value and is normally mounted (step S40), the machining is started in that state (step S42). On the other hand, if the amount of eccentricity is larger than the allowable value and it is determined that there is a mounting error (step S36), a command to redo the automatic tool holder replacement is issued (step S38), and the process returns to step S14. After that, the above procedure is repeated. In the case of a mounting error, foreign matter may have been caught in the fitting portion between the tool holder 2 and the spindle 3, so the foreign matter is removed by air blowing or the like at this fitting portion.
次に、上記マシニングセンタMCが備える渦電流センサ100について、図3から図9を用いて説明する。図3は、渦電流センサ100の一実施例の概略図であり、図4は、渦電流センサ100の等価回路図である。図5は、渦電流センサ100を用いた距離計測の手法を説明するフローチャートであり、図6は、測定対象形状による渦電流センサ100の出力変化を説明する図である。さらに、図7は、本発明による渦電流センサ本体12の出力特性(校正曲線)とその近似曲線との関係の一例を示すグラフであり、図8は本発明を実現する回路構成の一例を示す図である。図9は、図8に示した回路構成中の対数アンプの一例を示す回路図である。 Next, the eddy current sensor 100 included in the machining center MC will be described with reference to FIGS. 3 to 9. FIG. 3 is a schematic diagram of an embodiment of the eddy current sensor 100, and FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the eddy current sensor 100. FIG. 5 is a flow chart for explaining a distance measurement method using the eddy current sensor 100, and FIG. 6 is a diagram for explaining output changes of the eddy current sensor 100 depending on the shape of the measurement target. Further, FIG. 7 is a graph showing an example of the relationship between the output characteristic (calibration curve) of the eddy current sensor body 12 according to the present invention and its approximate curve, and FIG. 8 shows an example of the circuit configuration for realizing the present invention. It is a figure. FIG. 9 is a circuit diagram showing an example of a logarithmic amplifier in the circuit configuration shown in FIG.
図3に示す渦電流センサ本体12は、測定対象物(ツールホルダ2)に対向する面32(本発明においては測定端面とも称する)の側に、渦巻き状に形成された円板状のコイル31を有している。コイル31は、同軸ケーブル33に接続されている。コイル31は保持される容器のほぼ外径まで扁平に形成されて、薄型化が図られている。コイル31はエポキシ等のプラスティックで形状を保持されたのち、樹脂製のキャップ形状の円筒容器内に保持されている。本実施例に用いる渦電流センサ本体12は、典型的には、測定対象物に対向する面32の外径がφ5であり、軸方向長さは約16mmである。そして、コイル31の厚さ(軸方向長さ)は、1.2mmである。 The eddy current sensor body 12 shown in FIG. 3 has a disk-shaped coil 31 formed in a spiral shape on the side of a surface 32 (also referred to as a measurement end surface in the present invention) facing the object to be measured (tool holder 2). have. The coil 31 is connected to the coaxial cable 33. The coil 31 is flattened up to almost the outer diameter of the container to be held, and is made thin. The coil 31 is held in the shape of a plastic cap such as epoxy, and then held in a resin-made cap-shaped cylindrical container. In the eddy current sensor main body 12 used in this embodiment, typically, the outer diameter of the surface 32 facing the object to be measured is φ5 and the axial length is about 16 mm. The coil 31 has a thickness (axial length) of 1.2 mm.
この渦電流センサ100の等価回路を図4に、その動作のフローチャートを図5に示す。渦電流センサ100では、制御装置14に設けた高周波発振器から、励磁角周波数ωで励磁電圧viの高周波信号が、同軸ケーブル33を経由してコイル31に供給される(ステップS60)。本実施例では、励磁周波数は約400kHzである。 An equivalent circuit of the eddy current sensor 100 is shown in FIG. 4, and a flowchart of its operation is shown in FIG. In the eddy current sensor 100, the high frequency oscillator of the control device 14 supplies the high frequency signal of the excitation voltage v i at the excitation angular frequency ω to the coil 31 via the coaxial cable 33 (step S60). In this embodiment, the excitation frequency is about 400 kHz.
高周波発振器からの高周波信号を受けて、コイル31は高周波磁束を発生する(ステップS62)。高周波磁束により磁界が形成され、測定対象物の表面に磁界は侵入する。その際、測定対象物が鉄系材料であればその侵入深さは3〜4μm程度であり、アルミニウム系材料であれば100μm以上となる。磁界が侵入した測定対象物の表面では、渦電流が発生する(ステップS64)。発生する渦電流の大きさは、コイル31と測定対象物との距離や形状により変化する(ステップS66)。 Upon receiving the high frequency signal from the high frequency oscillator, the coil 31 generates a high frequency magnetic flux (step S62). A magnetic field is formed by the high frequency magnetic flux, and the magnetic field penetrates into the surface of the measuring object. At that time, if the measurement target is an iron-based material, the penetration depth is about 3 to 4 μm, and if it is an aluminum-based material, the penetration depth is 100 μm or more. Eddy current is generated on the surface of the measurement object into which the magnetic field has entered (step S64). The magnitude of the generated eddy current changes depending on the distance and shape between the coil 31 and the measurement object (step S66).
図6に、測定対象物50、51の形状の違いによる磁力線54の発生の違いと、距離の変化による磁力線54の測定対象物50への到達の違いを、模式的に示す。測定対象物51が平面と模擬できる(d)図の場合には、渦電流センサ本体12が測定対象物51に近づくと、測定対象物51の表面近くに渦電流が発生し(図示せず)、磁力線54が測定対象物51の内部まで入り込む鎖交56が生ずる。測定対象物51が鉄系材料であれば、磁界の侵入深さが浅いので、この鎖交56も無視できる程度である。 FIG. 6 schematically shows the difference in the generation of the magnetic force lines 54 due to the difference in the shapes of the measuring objects 50 and 51 and the difference in the arrival of the magnetic force lines 54 at the measuring object 50 due to the change in the distance. In the case of the diagram (d) in which the measurement object 51 can be simulated as a flat surface, when the eddy current sensor body 12 approaches the measurement object 51, an eddy current is generated near the surface of the measurement object 51 (not shown). The interlinkage 56 in which the magnetic force line 54 penetrates into the measurement object 51 occurs. If the measurement object 51 is an iron-based material, since the penetration depth of the magnetic field is shallow, this interlinkage 56 is also negligible.
一方、測定対象物50が円筒表面で近似できる(a)〜(c)図の場合には、渦電流センサ本体12が測定対象物50から遠ざかるにつれて、磁力線54のいわゆる逃げが大きくなり、渦電流センサ本体12の出力が低下する。渦電流センサ本体12と測定対象物50、51間の距離の増大による渦電流センサ本体12の出力の低下の割合は、(d)図に示した平面の場合には、ほぼ距離に反比例するが、(a)〜(c)図の場合には、磁力線54の逃げにより、距離の複雑な関数となる。なお、(a)〜(c)図における55は、測定対象物50の表面に発生する渦電流を模式的に示したものである。 On the other hand, in the cases (a) to (c) in which the measurement object 50 can be approximated by a cylindrical surface, as the eddy current sensor main body 12 moves away from the measurement object 50, the so-called escape of the magnetic force lines 54 increases and the eddy current is increased. The output of the sensor body 12 decreases. The rate of decrease in the output of the eddy current sensor body 12 due to the increase in the distance between the eddy current sensor body 12 and the measurement objects 50 and 51 is almost inversely proportional to the distance in the case of the plane shown in FIG. , (A) to (c), the magnetic field lines 54 escape to give a complicated function of distance. In addition, 55 in the (a)-(c) figure shows typically the eddy current generated in the surface of the measuring object 50.
図5に戻り、測定対象物の表面に発生する渦電流の大きさが変化すると、測定対象物を含むコイル31のインピーダンスZ(Lc、Rc)が変化する(ステップS68)。インピーダンスZ(Lc、Rc)の変化を、図4に示した等価回路中の電圧Vcとして検出する(ステップS70)。最後に、検出した電圧Vcを検波回路で調整したのち、リニアライズ回路により距離に比例した電圧を出力する(ステップS72)。 Returning to FIG. 5, when the magnitude of the eddy current generated on the surface of the measurement target changes, the impedance Z(Lc, Rc) of the coil 31 including the measurement target changes (step S68). The change in the impedance Z (Lc, Rc) is detected as the voltage Vc in the equivalent circuit shown in FIG. 4 (step S70). Finally, the detected voltage Vc is adjusted by the detection circuit, and then a voltage proportional to the distance is output by the linearization circuit (step S72).
上述したように、測定対象物が平面でない本実施例の場合には、出力のリニアライズ化には解析的な方法を用いることが困難である。そこで本発明では、測定対象物が円筒面である場合に、個別に構成曲線を近似した複雑な構成を用いることなく、単一の近似校正曲線を用いて、高精度に測定対象物までの距離を求めている。この詳細を図7から図9を用いて説明する。 As described above, in the case of the present embodiment in which the measurement object is not a plane, it is difficult to use an analytical method for linearizing the output. Therefore, in the present invention, when the measurement object is a cylindrical surface, the distance to the measurement object with high accuracy is obtained by using a single approximate calibration curve without using a complicated configuration in which the configuration curves are individually approximated. Are seeking. The details will be described with reference to FIGS. 7 to 9.
図7は、測定対象物50が円筒面である場合の、渦電流センサ本体12の校正曲線(実線)とその近似曲線(破線)を合わせて示した図である。この図7では渦電流センサ本体12の出力を±10Vに正規化している。すなわち、最接近点で−10V、無限遠点で+10Vである。校正曲線は、複数の距離xにおける渦電流センサ本体12の出力結果に基づいて、最小二乗法を用いて求めている。校正曲線は、渦電流センサ本体12と測定対象物50の距離xが増加するにつれて単調に増加する曲線であり、この校正曲線を指数関数で近似したのが近似校正曲線である。図7では、ほとんどの位置で校正曲線と近似校正曲線があっているので、2つの曲線は重なり実線のみが現れている。 FIG. 7 is a diagram showing the calibration curve (solid line) of the eddy current sensor body 12 and its approximate curve (broken line) when the measurement object 50 is a cylindrical surface. In FIG. 7, the output of the eddy current sensor body 12 is normalized to ±10V. That is, it is −10V at the closest point and +10V at the point at infinity. The calibration curve is obtained by using the least square method based on the output result of the eddy current sensor body 12 at a plurality of distances x. The calibration curve is a curve that monotonically increases as the distance x between the eddy current sensor body 12 and the measurement object 50 increases, and an approximate calibration curve is an approximation of this calibration curve with an exponential function. In FIG. 7, since the calibration curve and the approximate calibration curve are present at most positions, the two curves overlap and only the solid line appears.
近似する指数関数は、
Vout=βeαx+γ ここで、α、β、γは定数
で表される。図7の例では、α=−0.0013、β=−44.08、γ=7.596である。校正曲線と近似曲線は、距離xがx≦0.1となる接触点近傍では、わずかに乖離しているが、距離が0.1〜3mmの範囲ではほぼ一致する。したがって、この近似曲線を回路で構成することで、または演算式としてメモリに記憶することで、リニアライズ化処理が実行可能となる。
The approximate exponential function is
Vout=βe αx +γ Here, α, β, and γ are represented by constants. In the example of FIG. 7, α=−0.0013, β=−44.08, and γ=7.596. The calibration curve and the approximation curve deviate slightly in the vicinity of the contact point where the distance x is x≦0.1, but almost match in the range of 0.1 to 3 mm. Therefore, the linearization process can be executed by configuring this approximate curve with a circuit or storing it in the memory as an arithmetic expression.
図8及び図9は、回路上でリニアライズ化する場合の例である。図8に示すように、渦電流センサ100の従来の制御回路に、リニアライズ処理用に対数アンプ41が付加されている。すなわち、複数段のアンプA1〜A3と、FETやトランジスタTr、D/Aコンバータ42を含む回路に、入力信号Vin(図4のVcに対応)が入力されると、リニアライズ化された出力信号Voutが出力される。これは、図7に対応する。対数アンプ41の例としては、図9に示すような回路を用いてもよいし、市販の対数アンプICを用いてもよい。 FIG. 8 and FIG. 9 are examples of linearization on a circuit. As shown in FIG. 8, a logarithmic amplifier 41 for linearization processing is added to the conventional control circuit of the eddy current sensor 100. That is, when the input signal V in (corresponding to Vc in FIG. 4) is input to the circuit including the plurality of stages of amplifiers A 1 to A 3 , the FET, the transistor Tr, and the D/A converter 42, it is linearized. The output signal V out is output. This corresponds to FIG. 7. As an example of the logarithmic amplifier 41, a circuit as shown in FIG. 9 may be used, or a commercially available logarithmic amplifier IC may be used.
対数アンプ41のゲインは、実際の測定対象物を模擬した円筒面での計測で得られた値を使用して調整される。ここで上述したように、測定対象物が鉄系材料であれば磁界の侵入が3〜4μm程度であるので、測定対象物が鉄系材料である限り、測定対象物の表面の個別差は生じにくく、発生する渦電流もほぼ同一の挙動を示すことが想定できる。 The gain of the logarithmic amplifier 41 is adjusted using a value obtained by measurement on a cylindrical surface simulating an actual measurement object. As described above, if the measurement target is an iron-based material, the penetration of the magnetic field is about 3 to 4 μm. Therefore, as long as the measurement target is an iron-based material, individual differences in the surface of the measurement target occur. It is difficult to assume that the generated eddy currents exhibit almost the same behavior.
つまり、測定対象物は、微視的には均一ではなく、内部には組成のばらつきや、クラック、ボイド等がある恐れがあるが、表面から3〜4μmの範囲であればこれらの発生する恐れはほぼ皆無である。従って、マシニングセンタのツールホルダの場合のように、1台の機械に対し多数個備えられる場合であっても、渦電流センサが同じである限り、ツールホルダを交換しても、同一の近似校正曲線を使用することができる。 That is, the object to be measured is not microscopically uniform, and there may be compositional variations, cracks, voids, etc. inside, but these may occur within the range of 3 to 4 μm from the surface. Is almost none. Therefore, even if a large number of tools are provided for one machine, as in the case of a tool holder of a machining center, as long as the eddy current sensor is the same, the same approximate calibration curve can be obtained even if the tool holder is replaced. Can be used.
上記対数アンプ41を用いてリニアライズ化した本実施例の渦電流センサ100では、図3に示したようにコイル31を薄型化しているので、測定対象物から従来よりも遠ざかる位置まで計測可能になる。しかし、測定対象物から渦電流センサ本体12が離れると感度も低下し、例えばその距離が0.5mm広がると、感度は1/2になる。この不具合を解消するために、測定回数を増やし、ACでゲインを増大させている。これらは、近似校正曲線が単一の関数で表されるという利点に基づいており、多数回の測定により測定精度を向上できる。この結果、従来ツールホルダと渦電流センサ本体12間の距離が0.9〜1.1mm内に設定せざるを得なかったものが、近似校正曲線が有効な最短距離0.1mmから、感度低下を測定頻度等で補償できる限界の2mmまで、測距範囲を広げることができる。そのため、渦電流センサ本体12の設置裕度が向上する。 In the eddy current sensor 100 of this embodiment, which is linearized by using the logarithmic amplifier 41, the coil 31 is thinned as shown in FIG. 3, so that it is possible to measure to a position farther from the object to be measured than before. Become. However, when the eddy current sensor main body 12 is separated from the object to be measured, the sensitivity is also lowered, and when the distance is increased by 0.5 mm, the sensitivity is halved. In order to solve this problem, the number of measurements is increased and the gain is increased by AC. These are based on the advantage that the approximate calibration curve is represented by a single function, and the measurement accuracy can be improved by multiple measurements. As a result, although the distance between the tool holder and the eddy current sensor body 12 had to be set within the range of 0.9 to 1.1 mm in the related art, the sensitivity decreases from the shortest distance of 0.1 mm where the approximate calibration curve is effective. The distance measuring range can be expanded up to the limit of 2 mm, which can be compensated by the measurement frequency. Therefore, the installation margin of the eddy current sensor body 12 is improved.
1…工具、2…ツールホルダ、2A…嵌合部、2B…フランジ、3…主軸、3A…被嵌合部、5…ヘッド、6…ブラケット、10…ツールホルダ装着状態検出装置、12…渦電流センサ本体、14…制御装置、15…信号検出回路、16…A/Dコンバータ、18…CPU、20…メモリ、22…入出力回路、24…マシニングセンタ制御装置、31…コイル、32…対向面、33…同軸ケーブル、41…対数アンプ、42…D/Aコンバータ、50、51…測定対象物、54…磁力線、55…渦電流、56…鎖交、100…渦電流センサ、MC…マシニングセンタ、g…センサとツールホルダ間の距離、d…センサ面のセンサ外径 1... Tool, 2... Tool holder, 2A... Fitting part, 2B... Flange, 3... Spindle, 3A... Fitted part, 5... Head, 6... Bracket, 10... Tool holder mounting state detection device, 12... Vortex Current sensor body, 14... Control device, 15... Signal detection circuit, 16... A/D converter, 18... CPU, 20... Memory, 22... Input/output circuit, 24... Machining center control device, 31... Coil, 32... Opposing surface , 33... Coaxial cable, 41... Logarithmic amplifier, 42... D/A converter, 50, 51... Measurement object, 54... Magnetic field line, 55... Eddy current, 56... Interlinking, 100... Eddy current sensor, MC... Machining center, g... Distance between sensor and tool holder, d... Sensor outer diameter of sensor surface
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