JP7053302B2

JP7053302B2 - タッチプローブ・ａｅセンサの接触方向分解機能を有する工作機械

Info

Publication number: JP7053302B2
Application number: JP2018026540A
Authority: JP
Inventors: 岳見浅井; 良明永峯
Original assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2018-02-17
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2038-02-17
Also published as: JP2019042914A

Description

本発明は、機上測定のためのタッチプローブを備える工作機械、もしくは該タッチプローブを搭載可能な工作機械に関する。

工作機械の制御系には一般に機上測定などの用途にＣＮＣ制御中にある外部装置から信号がＯＮまたはＯＦＦになった瞬間に駆動軸を一旦停止させるスキップと呼ぶ機能が設けられている。このとき外部装置から送られる信号をスキップ信号と称している。スキップ信号の生成に利用する外部装置としては、タッチプローブ・ツールセッタ・ＡＥセンサなどがある（タッチプローブに関して、例えば、特許文献１参照））。ＡＥセンサ（音響センサ）では、例えば、工具となる砥石がワークに衝突した時に発生する弾性波をセンサで捕らえ、そのセンサ出力が一定以上に達したところで信号が送出される。装置によっては単にＯＮ／ＯＦＦの２つの信号レベルのみでなく、信号の強弱まで出力できるものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７－００７８２２号公報特開２００３－３１１５３５号公報

タッチプローブを例にとるが、ＡＥセンサで接触検知を行う場合も同様である。一般にタッチプローブを備えた工作機械では、プローブの側ではどの方向に接触したのかの判断は出来ず、工作機械の制御系がプローブを送った方向をもとにその接触方向を判断する。この方法でも、ある基準からの差を検査するための用途では十分有用である。しかしながら、面の法線が未知の部分を測る場合には、どの方向に接触したかを検出したい場合もあるが、上記方法では、このような用途には対応できないという問題があった。

本発明は、以上のような事情から為されたものであり、その目的は、タッチプローブ・ＡＥセンサの接触方向分解機能を有するプロービング装置及びその装置乃至は機能を備えた工作機械を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明者は、種々検討を重ねた結果、工作機械において通常Ｇコード等と言われるＮＣプログラムを用いて位置指令を与えることが出来るが、それとは別にプログラマブルコントローラやＣＮＣに内蔵させた制御ソフトから位置指令のパルスを重畳させる機能を有する機械があるが、例えば、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸を備えた工作機械において、Ｘ－Ｙ－Ｚの３方向を分解するため、それぞれ異なる周波数でｆｘ，ｆｙ，ｆｚで微小振動させておき、そしてタッチプローブのタッチ信号を同期検波ないし周波数分析を行い、ｆｘ，ｆｙ，ｆｚのどの周波数成分が変化したか、もしくは変化の割合をもとに接触の方向を分解することを見出した。

即ち、本発明の第１の様相に係るプロービング装置は、タッチプローブやＡＥセンサ等による機上測定・加工原点設定のプロービングの際に、各軸方向に微小振動の指令を重畳させ、その振動周期にあわせた同期検波もしくは周波数分析を行い、同じ周期成分の振幅ないし位相情報を確認することにより接触方向の判別を行うプロービング装置において、各軸方向に複数の周波数成分を足し合わせた信号もしくは位相変調により周波数方向に幅を持たせた信号を重畳させ、ある周波数がノイズなどにより失われることを防ぐ対策を施したことを特徴とする。

更に、本発明の第２の様相に係る工作機械は、上記プロービング装置乃至はその機能を備えることを特徴とする。

尚、上記プロービング装置ないし工作機械において、既知の形状を有する物体を用いて、想定される方向に事前に接触動作をさせておき、その接触による各周波数成分の振幅ないし位相の変化割合を記録し、接触方向推定の性能の向上を図る調整方法を得ることもできる。

本発明によれば、タッチプローブ・ＡＥセンサの接触方向分解機能を有するプロービング装置及びその装置乃至は機能を備えた工作機械を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る工作機械の制御系の概略を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る工作機械において、タッチプローブで接触検知を行う場合を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る工作機械において、Ｘ－Ｙ－Ｚの３方向を分解するため、それぞれ異なる周波数でｆｘ，ｆｙ，ｆｚで微小振動させ、タッチプローブのタッチ信号を同期検波ないし周波数分析を行い、ｆｘ，ｆｙ，ｆｚのどの周波数成分が変化したか、もしくは変化の割合をもとに接触の方向を分解する方法を説明するための図であり、（Ａ）はタッチプローブ接触前のｆｘ，ｆｙ，ｆｚの周波数成分、（Ｂ）はタッチプローブ接触中のｆｘ，ｆｙ，ｆｚの周波数成分であり、特に、Ｚ方向に接触した例を示す。本発明の第２の実施形態に係るプロービング装置の概略構成を示す図であり、（Ａ）はハードウエア構成、（Ｂ）は、ソフトウエア構成とフロー図を示す。本発明の第２の実施形態の変形例に係るプロービング装置の概略構成を示す図であり、（Ａ）はハードウエア構成、（Ｂ）は、ソフトウエア構成とフロー図を示す。本発明の第３の実施形態に係る調整方法を説明するための図であり、校正用球を用いて調整する場合を示す。本発明の第３の実施形態に係る調整方法を説明するための図であり、校正用平面から成る試料を用いて調整する場合を示す。本発明の第１の実施形態に係る周波数成分の振幅情報だけを使用した場合に方向が一意に決まらない例を示す。本発明の第４の実施形態に係る工作機械において、振幅変調の手段に、ノイズに埋もれやすい信号に周波数方向に幅を持たせるため位相変調の手段を加え同期検波で信号処理する方法を説明するための図であり、（Ａ）は、もとの信号例における振幅と時間の関係のグラフ、（Ｂ）は、もとの信号例における振幅と周波数の関係のグラフ、（Ｃ）は位相変調後の信号例における振幅と時間の関係のグラフ、（Ｄ）は位相変調後の信号例における振幅と周波数の関係のグラフ、をそれぞれ示す。本発明の第４の実施形態の作用効果を説明するための図で、基準信号５０Ｈｚの正弦波に対して１０Ｈｚの正弦波で位相をずらした波形を作成した例であり、（Ａ）は、その例における振幅と時間の関係のグラフ、（Ｂ）は、その例における振幅と周波数の関係のグラフ、をそれぞれ示す。本発明の第４の実施形態に係るプロービング装置の概略構成を示す図であり、（Ａ）はハードウエア構成、（Ｂ）は、ソフトウエア構成とフロー図を示す。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る工作機械の制御系の概略を示すブロック図である。本実施形態に係る工作機械は、制御系として、制御装置３００と、入出力装置３１０と、各軸モータ３２０及びそれぞれのモータドライバ３３０、工具モータ１０２Ａと工具軸モータドライバ１０２ｄｒｉを有している。制御装置３００は、コンピュータ数値制御部（ＣＮＣ）３０２と、プログラマブルコントローラ３０４と、Ｉ／Ｏ（入出力）モジュール３０６を有している。本実施形態に係る工作機械の制御系には、入出力装置３１０として、キーボード、各種スイッチ、温度センサ等と、本発明のポイントであるスキップ信号に関わるツールセッタ、ＡＥセンサ等も有している。図１に示す工作機械では、通常ＧコードなどといわれるＮＣプログラムを用いて位置指令を与えることが出来るが、それとは別にプログラマブルコントローラ３０４やＣＮＣ３０２に内蔵させた制御ソフトから位置指令のパルスを重畳させる機能を有する。

以下、図２及び図３を参照して、本実施形態に係るタッチプローブ・ＡＥセンサの接触方向分解機能の詳細を説明する。図２は、本実施形態に係る工作機械において、タッチプローブで接触検知を行う場合を示す図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る工作機械において、Ｘ－Ｙ－Ｚの３方向を分解するため、それぞれ異なる周波数でｆｘ，ｆｙ，ｆｚで微小振動させ、タッチプローブのタッチ信号を同期検波ないし周波数分析を行い、ｆｘ，ｆｙ，ｆｚのどの周波数成分が変化したか、もしくは変化の割合をもとに接触の方向を分解する方法を説明するための図であり、（Ａ）はタッチプローブ接触前のｆｘ，ｆｙ，ｆｚの周波数成分、（Ｂ）はタッチプローブ接触中のｆｘ，ｆｙ，ｆｚの周波数成分であり、特に、Ｚ方向に接触した例を示す。本発明の特徴は、図１に示すＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸を備えた工作機械においてＸ－Ｙ－Ｚの３方向を分解するため、それぞれ異なる周波数でｆｘ，ｆｙ，ｆｚで微小振動させておき、タッチプローブタッチ信号を同期検波ないし周波数分析を行いｆｘ，ｆｙ，ｆｚのどの周波数成分が変化したか、もしくは変化の割合をもとに接触の方向を分解することにある。
即ち、図２に示すように、未知の形状のワークＷにタッチプローブＰの先端部Ｐａを接触させることで方向の検知を行う場合には、図２に示すように、タッチプローブＰをＸ－Ｙ－Ｚの３方向にそれぞれ異なる周波数ｆｘ，ｆｙ，ｆｚと振幅で微小振動させておき、タッチプローブＰの先端部ＰａがワークＷに接触した時に生じるタッチ信号を同期検波ないし周波数分析を行い、ｆｘ，ｆｙ，ｆｚのどの周波数成分が変化したか、をもとに接触の方向を分解する。図２に示すタッチプローブＰをＸ－Ｙ－Ｚの３方向に、図３（Ａ）に示すように、それぞれ異なる周波数と振幅の成分ｆｘ，ｆｙ，ｆｚで微小変動させていたのが、接触中に生じるタッチ信号を同期検波ないし周波数分析を行い図３（Ａ）に示した周波数と振幅の成分ｆｘ，ｆｙ，ｆｚと比較したところ、図３（Ｂ）に示すように、ｆｘ，ｆｙは変化せず、ｆｚの周波数が、図３（Ｂ）に点線で示す周波数からやや高周波側にずれ、振幅もより小さくなった。これにより、Ｚ方向に接触したことが分かる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係るプロービング装置の概略構成を示す図であり、（Ａ）はハードウエア構成、（Ｂ）は、ソフトウエア構成とフロー図を示す。図４（Ａ）に示すように、本実施形態に係るプロービング装置のハードウエア構成は、図１に示した工作機械の送り軸に取り付けられ、送り軸と共に移動可能なプローブＰと、そのトランスミッタＴからの検知信号を受信するコントローラＣ中のレシーバＲと、コントローラＣからの信号を受けて方向を判定する方向判定部（ボックス）ＤＪとから構成されている。この方向判定部（ボックス）ＤＪ及びコントローラＣは、機械側のＩ／ＯモジュールＭＪに信号を送出するようになっている。また、図４（Ｂ）に示すように、本実施形態に係るプロービング装置のソフトウエア（機能）構成は、タッチプローブやＡＥセンサなどによる機上測定・加工原点設定のプロービングの際に各軸方向に微小振動の指令を重畳させ、重畳信号を生成する（Ｓ４０１）。この重畳信号はＣＮＣへ転送され（Ｓ４０２）、一方、この重畳信号が入力されると共に、プロービング装置Ｐからの入力も受けて（Ｓ４０３）、その振動周期にあわせた同期検波（もしくは周波数分析）を行い（Ｓ４０４）、同じ周期成分の振幅ないし位相情報を確認することにより接触方向の判定を行う（Ｓ４０５）。この方向判定結果は、制御装置３００（図１及び図４参照）に出力される。即ち、図４（Ａ）に示す方向判定部（ボックス）ＤＪは、その機能として、（１）一つの軸につき一つの周波数にて正弦波を発生させる。（２）Ｉ／Ｏモジュール等を通してＣＮＣに出力する。（３）プロービング装置Ｐからの信号が入力される。（４）ＣＮＣへの出力と、プローブコントローラからの入力の同期検波を行う。（５）方向判定結果をＩ／Ｏモジュール等を通して制御装置３００側に伝達する。

図５は、本発明の第２の実施形態の変形例に係るプロービング装置の概略構成を示す図であり、（Ａ）はハードウエア構成、（Ｂ）は、ソフトウエア構成とフロー図を示す。この変形例に係るプロービング装置は、各軸方向に複数の周波数成分を足し合わせた信号を重畳させ、ある周波数がノイズなどにより失われることを防ぐ対策を施したものである。図５（Ａ）に示すように、本実施形態に係るプロービング装置のハードウエア構成は、図４に示した実施形態のものと略同様であるが、方向判定部（ボックス）（図４参照）は有していない。また、図５（Ａ）に示すように、この変形例に係るプロービング装置は、プログラマブルコントローラ３０４を搭載しており、このプログラマブルコントローラ３０４は、その機能として、（１）一つの軸につき一つの周波数にて正弦波を発生させる。（２）ＣＮＣの制御への重畳管理ソフトを有する。（３）入力信号管理ソフトを有する。（４）プローブコントローラからの入力に対する同期検波ソフトを有する。（５）方向判定ソフトを有する。

また、以上の実施形態では、上記のプロービング装置を備えた工作機械（図１等参照）について述べたが、上記のプロービング装置を搭載可能な工作機械を構成しても良い。

図６及び図７は、本発明の第３の実施形態に係る調整方法を説明するための図であり、図６は、校正用球を用いて調整する場合、図７は、校正用平面から成る試料を用いて調整する場合を示す。即ち、図２に示したような未知の形状のワークＷを対象としてタッチプローブで接触検知を行う場合、接触箇所の局所形状によっては、その接触による各周波数成分の振幅ないし位相の変化割合が変化してしまう場合もあり、安定した方向判定が困難になる場合も考えられる。そこで、上述した工作機械において、既知の形状を有する物体（図６及び図７参照）を用いて、想定される方向に事前に接触動作をさせておき、その接触による各周波数成分の振幅ないし位相の変化割合を記録し、接触方向推定の性能の向上を図る調整方法も考えられる。例として、図６は、校正用球Ｋを用いて調整する場合である。球Ｋに対して接触する方向を変えつつそのときの信号変化を記録していく。また、図７は、校正用平面Ｈから成る試料を使用する場合である。５軸の工作機械であれば校正用のものが平面であっても、それがテーブルに載っていれば、方向は自由に変化させることができる。ある方向に向けて接触、またある方向に向けなおして接触と繰り返して作業する。

以上の実施形態において、方向判定については、たとえば、既知の接触方向を戻り値、信号変化の組み合わせを引数とする多項式の関数を作成し、正しい角度を出力するような各項の係数の組み合わせを数値最適化にて推定する処理を施す。戻り値と引数を組としてその組の量が多ければ深層学習と称される方法をとっても良いことは言うまでもない。また図８の斜面１と斜面２はX軸と成す角は同じとする。この場合、両斜面上にPaを接触させた場合の接触点１と接触点２の組み合わせは、振幅変化情報だけでは同じような変化を示し判別が困難になる。この場合にも周波数成分の位相情報も組み合わせて判別に使用することで判別が可能になる。

以上に述べたように、本発明の諸実施形態として、ＯＮ／ＯＦＦしか出力できない装置においては一旦プローブを移動して接触させ、逆方向に少しずつ引いていくときに現れる信号の周波数成分を確認することでPaと面の接触方向を確認することができる。プロービング装置によっては，タッチ信号にヒステリシスが設定できる場合があるが、無効にしておくことは言うまでもない。なお、ＯＮ／ＯＦＦしか出力しないのに周波数成分の振幅が変化すると言うのは複数方向に異なる周波数でプローブを動かすために接触と非接触の境界付近では状態が間欠的になるためである。万一、振動させた周期の成分で判別がつきくい場合には、基本周期の整数分の一の周期成分（整数倍周波数成分）を判別に使用する。

一方、信号レベルを出力できる装置においては、プローブの位置制御に振動を重畳させた状態で周波数成分のレベルを確認しておき接触時の信号の周波数成分のレベルの変化で方向を確認する。また振幅のオーダによってはワークとの接触によって周波数方向のピークの位置がずれているように観察される場合もある。各方向にひとつの周波数で振動していると、状況によってノイズなどで失われる可能性も考えられるのでひとつの方向については複数の周波数たとえばｆｘ１，ｆｘ２，ｆｘ３，…などの和を重畳する構成も可能である。ｆｘ１，ｆｘ２，ｆｙ１，ｆｙ２，ｆｚ１，ｆｚ２をある振幅になるように調整し、しかる後に、事前に既知の形状で接触させておき，どの周波数成分がどの割合で増減したときにはこの方向に接触したとみなすという多項式近似を得ておくことが望ましい。この場合にも周波数成分の位相情報も組み合わせて判別に使用すると、より自由な対象での方向判断が可能になる。

振動を重畳させる方法は機械の位置制御や速度制御に補正パルスを挿入する機能があればそれでも良いし、振動のためだけのアクチュエータ（モータや圧電素子）を備えても良い。重畳用の信号生成や接触方向判定は信号別置き装置としても良いし、ＣＮＣやプログラマブルコントローラなどの制御装置内の装置にソフトウェアとして実装しても良い。

次に、位相情報を重畳させる実施形態について述べる。以上の実施形態では、プローブ等を用いて接触測定する場合に軸制御で各方向に異なる周波数の振動を与えておき接触時に得られる信号を同期検波することで接触方向の推定を図るが、本発明の第４の実施形態では、以上の実施形態の振幅変調の手段に、ノイズに埋もれやすい信号に周波数方向に幅を持たせるため位相変調の手段を加え同期検波で信号処理するという要素を追加するようにした。図９は、本発明の第４の実施形態に係る工作機械において、振幅変調の手段に、ノイズに埋もれやすい信号に周波数方向に幅を持たせるため位相変調の手段を加え同期検波で信号処理する方法を説明するための図であり、（Ａ）は、もとの信号例における振幅と時間の関係のグラフ、（Ｂ）は、もとの信号例における振幅と周波数の関係のグラフ、（Ｃ）は位相変調後の信号例における振幅と時間の関係のグラフ、（Ｄ）は位相変調後の信号例における振幅と周波数の関係のグラフ、をそれぞれ示す。図１０は、本発明の第４の実施形態の作用効果を説明するための図で、基準信号５０Ｈｚの正弦波に対して１０Ｈｚの正弦波で位相をずらした波形を作成した例であり、（Ａ）は、その例における振幅と時間の関係のグラフ、（Ｂ）は、その例における振幅と周波数の関係のグラフ、をそれぞれ示す。図１１は、本発明の第４の実施形態に係るプロービング装置の概略構成を示す図であり、（Ａ）はハードウエア構成、（Ｂ）は、ソフトウエア構成とフロー図を示す。

即ち、もとの信号は、図９（Ａ）に示すように、変調が加わっていない規則的な位相であり、図９（Ｂ）に示すような基準信号５０Ｈｚの正弦波である場合、例えば、この基準信号５０Ｈｚの正弦波に対して、図９（Ｃ）に示すように、１０Ｈｚの正弦波で位相をずらし、その周波数の波形を作成すると、図９（Ｄ）のように５０Ｈｚの最も振幅の大きい波を中心に、その高周波側の６０、７０、８０、９０Ｈｚと低周波側の４０、３０、２０、１０Ｈｚにそれぞれ、振幅が小さくなっていく波が対称的に現れる。従って、この図９（Ｄ）に示すような、いわば山のような形状の周波数波形群が得られるが、ｆｘ，ｆｙ，ｆｚで微小振動させておく場合に、それぞれ異なる位相変調をかけておけば、このような周波数の山の形状が相違しているので、ある周波数のノイズが混入した場合でも、山全体の形状変化で比較するので、方向判定におけるそのノイズの影響を低減することができる。
このように、本実施形態では、ｆｘ，ｆｙ，ｆｚで微小振動させておく場合に、それぞれ異なる位相変調をかけておくことで、周波数領域では一つの周波数でノイズに埋もれることを避けるために、複数の周波数を挿入するのと同じ効果が得られる。図１０に２本の矢印１００a、１００bで示すように、１０Ｈｚ間隔で飛び飛びの周波数をとるが、この間隔は変調している周波数（この信号例では、１０Ｈｚの正弦波）に相当する。従って、ｆｘ，ｆｙ，ｆｚで微小振動させておく場合に、それぞれ異なる周波数の正弦波で位相をずらす（変調をかけておく）ことで、ｆｘ，ｆｙ，ｆｚにおいて、それぞれ間隔の異なる飛び飛びの周波数（の山の形状）が得られるので、この微小振動に対する入力の影響を見ることで、ノイズに強い判定が可能になる。

図１１は、本発明の第４の実施形態に係るプロービング装置の概略構成を示す図であり、（Ａ）はハードウエア構成、（Ｂ）は、ソフトウエア構成とフロー図を示す。この第４の実施形態に係るプロービング装置は、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向にそれぞれ異なる周波数の正弦波で位相をずらす（位相変調をかけておく）ことで、ある周波数がノイズなどにより失われることを防ぐ対策を施したものである。図１１（Ａ）に示すように、本実施形態に係るプロービング装置のハードウエア構成は、図５に示したものと略同様である。また、図１１（Ａ）に示すように、このプロービング装置は、プログラマブルコントローラ３０４を搭載しており、このプログラマブルコントローラ３０４は、その機能として、（１）変調正弦波を発生させるソフトを有する。（２）ＣＮＣの制御への重畳管理ソフトを有する。（３）入力信号管理ソフトを有する。（４）プローブコントローラからの入力に対する同期検波ソフトを有する。（５）方向判定ソフトを有する。但し、これらのうち、（４）と（５）は、複数周波数用のソフトでも代用できるし、周波数分析でも可能である。図１０では便宜上、位相を滑らかに変化させるアナログの位相変調の例を示しているが、微小振動の振幅成分を周波数方向に散らす効果を得ることが目的なのでデジタルの位相変調でも良いことは言うまでもない。

１０２Ａ工具モータ、１０２ｄｒｉ工具軸モータドライバ、３００制御装置、
３０２コンピュータ数値制御部（ＣＮＣ）、３０４プログラマブルコントローラ、
３０６Ｉ／Ｏ（入出力）モジュール、３１０入出力装置、３２０各軸モータ、
３３０モータドライバ、Ｗワーク、Ｐタッチプローブ、Ｐａ先端部、
ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ周波数成分、Ｔトランスミッタ、Ｃコントローラ、
Ｒレシーバ、ＤＪ方向判定部（ボックス）、ＭＪ機械側のＩ／Ｏモジュール、
Ｋ校正用球、Ｈ校正用平面

Claims

タッチプローブやＡＥセンサ等による機上測定・加工原点設定のプロービングの際に、各軸方向に微小振動の指令を重畳させ、その振動周期もしくはその整数分の一倍数周期にあわせた同期検波もしくは周波数分析を行い、検波ないし分析の対象とする周期成分の振幅または位相情報、もしくはその両方を確認することにより接触方向の判別を行うプロービング装置において、各軸方向に複数の周波数成分を足し合わせた信号もしくは位相変調により周波数方向に幅を持たせた信号を重畳させ、ある周波数がノイズなどにより失われることを防ぐ対策を施したことを特徴とするプロービング装置。
請求項１に記載のプロービング装置乃至はその機能を備えたことを特徴とする工作機械。
請求項１に記載のプロービング装置又は請求項２に記載の工作機械において、既知の形状を有する物体を用いて、想定される方向に事前に接触動作をさせておき、その接触による各周波数成分もしくは各々の整数倍周波数成分の振幅または位相、もしくはその両方の変化割合を記録し、接触方向推定の性能の向上を図ることを特徴とする調整方法。