CN108871245A - 测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测量装置。一种在机床中使用的测量装置，即使要被加工的对象物是如模具那样的具有复杂的形状的物品也能够利用超声波照射准确地测定表面形状的结构。测量装置具备：超声波振子，其对被削件、即测量对象照射超声波；声透镜；光接收元件阵列、即声音接收元件部；A/D转换器阵列；与A/D转换器阵列连接的计算机；以及驱动机构，其使被削件能够相对于超声波振子相对地移动或倾斜。计算机以时间序列存储通过超声波的扫描照射并由声音接收元件阵列获得的信息，并且将以时间序列存储的信息转换为空间信息来获取声强度分布。

Description

测量装置
技术领域
本发明涉及一种以由机床进行加工的对象物作为测量对象来进行测量的测量装置。
背景技术
以往，已知在对由机床进行加工的对象物的表面形状进行测量的测量装置中使用不易受切削液的影响等的非接触式的测量装置。作为记载有利用超声波来测量表面粗糙度的技术的文献有专利文献1、非专利文献1。
图4为表示非专利文献1所示的试验片表面的截面曲线的曲线图，示出利用触针法(接触式的测量方法)测定出的参照值。图5是表示非专利文献1中的反射强度(相干成分)与表面粗糙度Rq之间的关系的曲线图，示出随着表面粗糙度Rq的增加而反射强度减少的结果，由此可知在表面粗糙的情况下由于散射波增强而使得反射强度变弱。而且，在专利文献1和非专利文献1中，记载了利用该倾向来使用相干成分和非相干成分测量表面粗糙度的方法。
另外，作为记载有在机床中利用超声波来测定表面粗糙度的技术的文献有专利文献2。在专利文献2中记载了如下一种判定切削中的表面粗糙度的技术：在切削加工中经由液体介质使超声波倾斜入射到切削部，然后检测来自该切削部表面的反射波来获得该检测值。
另外，具有一种扫描照射超声波来测定测量对象的形状的技术。作为公开了该种技术的文献有专利文献3、专利文献4。在专利文献3中记载一种平面度测定装置，该平面度测定装置的特征在于其具备：固定机构，其以可装卸且垂直的方式固定板状被检体；超声波探头，其与上述被检体的两主要面中的要测定的至少一面相对；液槽，其容纳上述固定机构和超声波探头；超声波距离仪，其测定上述探头与上述被检体测定面之间的距离；XY驱动机构，其使上述探头在与包括设定于上述被检体测定面的周边部的任意的3点的测定基准平面相向的平行平面上进行扫描；运算机构，其与上述XY驱动机构的扫描位置信息同步地运算由上述距离仪测定出的从探头扫描平面到与该扫描平面相向的被检体测定面的距离与从该探头扫描平面到上述测定基准平面的距离之差来作为被检体测定面的平面度；以及运算结果显示机构。在专利文献4中记载了一种超声波显微镜的表面凹凸检测装置，其包括除了X-Y平面的扫描之外还进行Y-Z平面上的扫描的机构、以及根据通过所述X-Z平面上的扫描而生成的亮度数据来求出各X位置的最大亮度的Z值的运算电路。
专利文献1：日本特开2008-82856号公报
专利文献2：日本特开平5-177512号公报
专利文献3：日本特开平5-79828号公报
专利文献4：日本特开昭60-169708号公报
非专利文献1：井原郁夫，デデンディアンスクマナ精密工学会志，Vo1.74，No.7(2008)，p.691-695
发明内容
发明要解决的问题
然而，在机床中，有时以如模具等这样具有复杂的形状的物品作为加工对象。关于该点，在专利了文献1～4中以板状、圆柱状等单纯的形状的物品作为测量对象，难以进行基于超声波的扫描来测量如模具等这样的具有复杂的形状的物品。例如，在专利文献4中，不仅进行X-Y平面的扫描，还进行X-Z平面的扫描，但如果测量对象的形状复杂，就会存在超声波的照射角度根据部位而不同使得不能够准确地进行凹凸的测定的风险。
本发明的目的在于提供如下一种结构：在用于机床的测量装置中，即使被加工的对象物为如模具那样的具有复杂的形状的物品，也能够利用超声波照射来准确地测定表面形状。
用于解决问题的方案
(1)、本发明涉及一种测量装置(例如后述的测量装置1)，以由机床进行加工的对象物(例如后述的被削件51)作为测量对象来进行测量，所述测量装置具备：超声波振子(例如后述的超声波振子20)，其向所述测量对象照射超声波；声透镜(例如后述的声透镜32)，其将从所述超声波振子照射并且被所述测量对象反射、衍射的超声波汇聚；声音接收元件部(例如后述的声音接收元件阵列41)，其将由所述声透镜汇聚后的超声波转换为电信号；A/D转换部(例如后述的A/D转换器阵列42)，其将来自所述声音接收元件部的模拟信号转换为数字信号；计算机(例如后述的计算机43)，其与A/D转换部连接；以及驱动机构(例如后述的驱动机构53)，其使所述测量对象能够相对于所述超声波振子相对地移动或倾斜，其中，所述计算机以时间序列存储通过超声波的扫描照射并由所述声音接收元件部获得的信息，并且将以时间序列存储的信息转换为空间信息来获取声强度分布。
(2)、根据(1)所述的测量装置，可以是还具备用于指示加工形状的数值控制装置(例如后述的数值控制装置60)，所述驱动机构根据从所述数值控制装置获取到的所述加工形状来使所述超声波振子、所述声透镜和所述声音接收元件部移动或倾斜。
(3)、根据(1)或(2)所述的测量装置，可以是所述计算机能够根据获取到的声强度分布来计算微细结构的几何尺寸和表面粗糙度。
(4)、根据(2)所述的测量装置，可以是所述计算机能够将获取到的空间的声强度分布与所述加工形状叠加地进行显示。
发明的效果
根据本发明的测量装置，即使要被加工的对象物如模具那样具有复杂的形状，也能够利用超声波照射来准确地测定表面形状。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的一个实施方式所涉及的测量装置的图。
图2是表示第一实施方式的测量装置中的测定处理的流程的流程图。
图3是表示第二实施方式的测量装置中的测定处理的流程的流程图。
图4是表示非专利文献1中的试验片表面的截面曲线的曲线图。
图5是表示非专利文献1中的反射强度(相干成分)与表面粗糙度Rq之间的关系的曲线图。
附图标记说明
1：测量装置；20：超声波振子；32：声透镜；41：光接收元件阵列(声音接收元件部)；42：A/D转换器阵列(A/D转换部)；43：计算机；51：被削件(被加工的对象物、测量对象)；53：驱动机构；60：数值控制装置；70：显示器。
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的优选的实施方式。
图1是示意性地表示本发明的一个实施方式所涉及的测量装置1的图。图1所示的测量装置1为配置于由伺服电动机等电动机驱动的NC(数值控制)机床，并且对由切削工具、砂轮加工后的金属加工表面的微细结构的尺寸进行测量的机中测量装置。
如图1所示，本实施方式的测量装置1具备工件载置台52、超声波振子20、汇聚部31、声透镜32、驱动机构53、声音接收元件阵列41、A/D转换器阵列42、计算机43、数值控制装置60和显示器70。
工件载置台52用于设置测量装置1的测量对象即工件。在本实施方式中，作为NC机床的加工对象物的被削件51安装于工件载置台52。
超声波振子20用于照射测定用的超声波。超声波振子20构成为被驱动机构53具备的支承部30支承，并且能够与作为测量对象的被削件51接近。
汇聚部31汇聚超声波。此外，汇聚部31既可以处于发送侧的超声波振子20，也可以处于接收侧的工件载置台52侧，或者可以处于发送侧和接收侧这两方。
声透镜32为对由被削件51散射、衍射、反射的超声波进行声音收集的傅里叶变换透镜。被声透镜32汇聚后的超声波投射到投射面33。
声音接收元件阵列41为将投射面33的光信号转换为电信号，并且发送向A/D转换器阵列42的声音接收元件部。
A/D转换器阵列42为将声音接收元件阵列41的模拟信号输出转换为数字信号的A/D转换部。A/D转换器阵列42的数字信号发送向计算机43。
计算机43为包括CPU、存储装置等的计算机，基于从A/D转换器阵列42接收的数字信号进行用于计算被削件51的表面的微细结构尺寸和面粗糙度的测定处理。
数值控制装置60向机床指示针对被削件51设定的加工形状。加工形状例如为CAM数据、NC程序，是要被加工的对象物的目标形状。
驱动机构53为用于使超声波振子20、被削件51、声透镜32和声音接收元件阵列41的位置关系位移的机构。在本实施方式中，驱动机构53具有使安装被削件51的工件载置台52在X轴方向和Y轴方向移动的输送轴、以及使被削件51以X轴方向或Z轴方向为旋转轴倾斜的倾斜轴。即，构成为被削件51能够相对于超声波振子20移动或倾斜的结构。
接着，对利用测量装置1计算被削件51的表面的微细结构尺寸和面粗糙度的处理进行说明。图2是表示第一实施方式的测量装置1中的测定处理的流程的流程图。
当开始测定处理时，对被削件51的表面进行超声波照射。然后，判定是否在对被削件51表面进行超声波照射扫描(步骤S101)。超声波振子20的照射扫描为重复以下动作：在以预先设定的照射范围对被削件51的规定的点进行了照射后移动到下一个地点进行照射。
在经由步骤S101的处理判定为在进行超声波照射扫描的情况下，利用驱动机构53进行声音接收元件阵列41、超声波振子20、被削件51的位置和角度确定(步骤S102)。
在经由步骤S102进行了位置和角度确定之后，从超声波振子20照射的超声波被汇聚部31汇聚，并且照射到被削件51。声透镜32汇聚从超声波振子20照射的超声波、由被削件51散射的超声波(步骤S103)。接收到被声透镜32汇聚后的超声波的声音接收元件阵列41将声音信号转换为电信号(步骤S104)。
A/D转换器阵列42将表示声音接收元件阵列41的声强度的模拟输出的电信号转换为数字值(步骤S105)。计算机43存储从A/D转换器阵列42传送的声强度值(步骤S106)。在步骤S106的处理之后，返回步骤S101来判定是否在进行超声波照射扫描，在判定为在进行扫描的情况下，再次进行从步骤S102到步骤S106的处理。以时间序列存储声强度值。在经由步骤S101的判定处理判定为没有在进行超声波照射扫描的情况下，转移到步骤S201以后的处理。
在步骤S201中，计算机43将蓄积的声强度值的时间序列数据转换为超声波照射扫描的坐标。计算机43进行被削件51的表面的各点处的声强度的叠加(步骤S202)。在叠加处理中，通过噪声消除等在各点(时间序列)考虑该时点偏离超声波的照射范围的中心的区域的声强度来计算各点的声强度。接着，计算机43在被削件51的整个表面区域计算各点的声强度来获得各点的声强度分布(步骤S203)。
在步骤S203的处理之后，计算机43进行将被削件51表面的各点的声强度分布转换为各点的微细结构尺寸的处理(步骤S204)。在步骤S204的处理中，计算机43在获取到被削件51表面的各点的微细结构尺寸之后根据获取到的微细结构尺寸来计算面粗糙度(步骤S205)。根据声强度分布的微细结构尺寸、面粗糙度的计算也能够使用例如非专利文献1所记载的那样的基于反射强度与表面粗糙度之间的关系而预先设定的数式。
根据上述实施方式，起到如下的效果。
测量装置1具备：超声波振子20，其对被削件(测量对象)51照射超声波；声透镜32，其将从超声波振子20照射并由被削件51反射、衍射的超声波汇聚；光接收元件阵列(声音接收元件部)41，其将由声透镜32汇聚的超声波转换为电信号；A/D转换器阵列42，其将来自声音接收元件阵列41的模拟信号转换为数字信号；计算机43，其与A/D转换器阵列42连接；以及驱动机构53，其使被削件51能够相对于超声波振子20相对地移动或倾斜。计算机43以时间序列存储通过超声波的扫描照射并由声音接收元件阵列41获得的信息，并且将以时间序列存储的信息转换为空间信息来获取声强度分布。
由此，能够调节被削件51相对于超声波振子20的位置和倾斜角度，因此即使将如模具这样的具有复杂的形状的金属加工物作为被削件51，也能够利用超声波进行扫描测量，从而能够精密地评价被削件51表面的平滑性。另外，也能够应用于不能够基于目视、照相机等进行直接测量的、切削液的着色表面，并且能够在不受一般的切削液的物理化学性质对测量的影响的情况下评价表面状态。
另外，在本实施方式中，驱动机构53根据从数值控制装置60获取到的加工形状来使超声波振子20、汇聚部31、声透镜32和声音接收元件阵列41移动或倾斜。
由此，能够利用由数值控制装置60指示的加工形状来更精密地测定被削件51的表面的面粗糙度。
另外，在本实施方式中，计算机43根据获取到的声强度分布来计算微细结构的几何尺寸和表面粗糙度。
由此，通过利用与表面粗糙度有关的声强度，能够获取被削件51整个区域的几何尺寸和表面粗糙度信息。
接着，对利用第二实施方式的测量装置1计算被削件51的表面的微细结构尺寸和面粗糙度的处理进行说明。图3是表示第二实施方式的测量装置中的测定处理的流程的流程图。
如图3所示，步骤S301～S306的处理与图2的步骤S101～S106的处理相同，步骤S401～S403的处理与图2的S201～S203的处理相同。关于图3所示的第二实施方式的处理，为了推测面粗糙度而进行的步骤S404和步骤S405的处理与第一实施方式不同。
在步骤S404中，从数值控制装置60获取被削件51的加工形状。在步骤S405中，通过使获取到的被削件51的形状信息与空间的声强度分布叠加来推测面粗糙度(S405)。
在以上所说明的第二实施方式中也起到与第一实施方式相同的效果。另外，在第二实施方式中，计算机43构成为使获取到的空间的声强度分布与从数值控制装置60获取到的加工形状叠加地进行表示。
由此，能够将作为测量对象的被削件51的表面的微细结构的面质量准确地可视化。例如，也能够设定规定的区域，以按区域掌握面粗糙度的方式在显示器70中视觉化地进行显示。
以上对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明不限制为上述的实施方式，能够恰当地进行变更。例如，也能够利用机器人来构成驱动机构53。例如，可以为在臂型的机器人的加工机上配置超声波振子20，利用机器人来使超声波振子20三维地移动的结构。

Claims (4)

1.一种测量装置，以由机床进行加工的对象物作为测量对象来进行测量，所述测量装置具备：
超声波振子，其向所述测量对象照射超声波；
声透镜，其将从所述超声波振子照射并且被所述测量对象反射、衍射的超声波汇聚；
声音接收元件部，其将由所述声透镜汇聚后的超声波转换为电信号；
A/D转换部，其将来自所述声音接收元件部的模拟信号转换为数字信号；
计算机，其与A/D转换部连接；以及
驱动机构，其使所述测量对象能够相对于所述超声波振子相对地移动或倾斜，
其中，所述计算机以时间序列存储通过超声波的扫描照射并由所述声音接收元件部获得的信息，并且将以时间序列存储的信息转换为空间信息来获取声强度分布。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，
还具备指示加工形状的数值控制装置，
所述驱动机构根据从所述数值控制装置获取到的所述加工形状来使所述超声波振子、所述声透镜和所述声音接收元件部移动或倾斜。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，
所述计算机能够根据获取到的声强度分布来计算微细结构的几何尺寸和表面粗糙度。
4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，
所述计算机能够使获取到的空间的声强度分布与所述加工形状叠加地进行显示。
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