DE102018002838B4

DE102018002838B4 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102018002838B4
Application number: DE102018002838.1A
Authority: DE
Inventors: Shunpei Tanaka; Kazunori Iijima
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2038-04-10
Also published as: JP6480979B2; US10502563B2; CN108871245A; DE102018002838A1; JP2018189582A; CN108871245B; US20180328726A1

Abstract

Messvorrichtung (1), die ein von einer Werkzeugmaschine zu bearbeitendes Ziel (51) als Messobjekt (51) misst und umfasst:einen Ultraschallvibrator (20), der eine Ultraschallwelle auf das Messobjekt (51) emittiert;eine akustische Linse (32), die die von dem Ultraschallvibrator (20) emittierte und auf dem Messobjekt (51) reflektierte und gebeugte Ultraschallwelle fokussiert;eine Einheit (41) schallaufnehmender Elemente, die die von der akustischen Linse (32) fokussierte Ultraschallwelle in ein analoges elektrisches Signal umwandelt;eine A/D-Wandlereinheit (42), die das analoge Signal von der Einheit (41) schallaufnehmender Elemente in ein digitales Signal umwandelt;ein Rechenwerk (43), das mit der A/D-Wandlereinheit (42) verbunden ist; undeine numerische Steuereinheit (60), die einen Befehl zu einer Bearbeitungsform ausgibt; undeinen Antriebsmechanismus (53), der den Ultraschallvibrator (20), die akustische Linse (32), und die Einheit (41) schallaufnehmender Elemente als Reaktion auf die von der numerischen Steuereinheit (60) abgerufene Bearbeitungsform in Bezug auf das Messobjekt beweglich oder neigbar macht, wobeieine Ultraschall-Bestrahlungsabtastung durch den Ultraschallvibrator (20) erfolgt durchWiederholen eines Vorgangs der Bestrahlung eines gegebenen Punkts in einem vorab bestimmten Bestrahlungsbereich auf dem Messobjekt (51) mit der Ultraschallwelle,des anschließenden Bewegens der Ultraschallwelle zu einem nächsten Punkt, unddes Bestrahlens des nächsten Punkts,wobei, wenn die Ultraschall-Bestrahlungsabtastung erfolgt, Positionen und die Winkel der Einheit (41) schallaufnehmender Elemente, des Ultraschallvibrators (20), und des Messobjekts (51) von dem Antriebsmechanismus (53) bestimmt werden, unddas Rechenwerk (43) von der Einheit (41) schallaufnehmender Elemente durch Abtastbestrahlung mit der Ultraschallwelle ermittelte Informationen in chronologischer Reihenfolge speichert, die in chronologischer Reihenfolge gespeicherten Informationen in Koordinaten für die Ultraschall-Bestrahlungsabtastung umwandelt, Schallintensitäten über jeden Punkt auf einer Oberfläche des Messobjekts legt, und eine Verteilung der Schallintensität an jedem Punkt ermittelt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, die ein von einer Werkzeugmaschine zu bearbeitendes Ziel als Messobjekt misst.
Verwandte Technik
Die DE 42 24 209 A1 offenbart eine Ultraschall-Meßvorrichtung, die eine Hochfrequenz-Burst- oder -stoßwelle von einem Standardsignalgenerator mittels eines Übertragers in eine Ultraschallwelle wandelt, konvergiert die Ultraschallwelle mittels einer akustischen Linse in einen kleinen Punkt, richtet diesen auf eine Probe, multipliziert ein von der Probe empfangenes Signal mit Referenzsignalen, die unterschiedliche Phasen haben mittels Multiplizierern, entfernt eine festgelegte Frequenz aus dem detektierten Ausgang mittels Tiefpaßfiltern, wandelt deren Ausgänge in digigale Signale und ermittelt dann Stärke und Phase des empfangenen Signals mittels eines Rechners und führt die Quadraturdetektion durch zur Detektion von In-Phase- und Quadraturphase-Komponenten der von der Probe reflektierten Welle.
Hinsichtlich einer Messvorrichtung, die die Oberflächenform eines von einer Werkzeugmaschine zu bearbeitenden Objekts misst, ist herkömmlicherweise die Verwendung einer berührungslosen Messvorrichtung bekannt, bei der die Wahrscheinlichkeit einer Beeinträchtigung durch eine Schneidflüssigkeit, etc. gering ist. In Patentschrift 1 und der kein Patent betreffenden Druckschrift 1 sind Techniken zum Messen einer Oberflächenrauigkeit unter Verwendung einer Ultraschallwelle beschrieben.
4 ist ein Graph, der die Profilkurve einer Oberfläche einer in der kein Patent betreffenden Druckschrift 1 beschriebenen Messprobe zeigt. Dieser Graph zeigt einen mittels des Tasterverfahrens (eines Kontaktmessverfahrens) gemessenen Bezugswert. 5 ist ein Graph, der eine in der kein Patent betreffenden Druckschrift 1 beschriebene Beziehung zwischen einer Reflexionsintensität (einer kohärenten Komponente) und einer Oberflächenrauigkeit Rq zeigt. Ein Ergebnis dieses Graphen zeigt, dass die Reflexionsintensität bei einer Zunahme der Oberflächenrauigkeit Rq abnimmt. Wie diesem Graphen zu entnehmen ist, erhöht sich eine Streuwellenintensität, wenn eine Oberfläche rau ist, wodurch die Reflexionsintensität abnimmt. Die in Patentschrift 1 und der kein Patent betreffenden Druckschrift 1 beschriebenen Verfahren nutzen diese Tendenz zur Messung der Oberflächenrauigkeit unter Verwendung einer kohärenten Komponente und einer nicht-kohärenten Komponente.
In Patentschrift 2 ist eine Technik zum Messen einer Oberflächenrauigkeit unter Verwendung einer Ultraschallwelle für eine Werkzeugmaschine beschrieben. Die in Patentschrift 2 beschriebene Technik dient der Bestimmung einer Oberflächenrauigkeit beim Abtragen durch Veranlassen des diagonalen Eintritts einer Ultraschallwelle in einen Abtragbereich durch ein flüssiges Medium während des Abtragens und der anschließenden Erfassung eines von einer Oberfläche des Abtragbereichs reflektierten Strahls und der Ermittlung eines resultierenden Erfassungswerts.
Es existiert auch eine Technik zum Messen der Form eines Messobjekts durch Vornahme einer Abtastbestrahlung mit einer Ultraschallwelle. In Patentschrift 3 und Patentschrift 4 sind verwandte Techniken offenbart. In Patentschrift 3 ist eine Vorrichtung zur Messung der Ebenheit beschrieben, die umfasst: einen Feststellmechanismus, der ein plattenartiges Subjekt anbringbar und abnehmbar in einer vertikalen Position fixiert; eine Ultraschallsonde, die zumindest einer der gegenüberliegenden Hauptflächen des zu messenden Subjekts zugewandt ist; ein Flüssigkeitsbad, in dem der Feststellmechanismus und die Ultraschallsonde untergebracht sind; einen Ultraschallentfernungsmesser, der einen Abstand zwischen der Sonde und der zu messenden Oberfläche des Subjekts misst; einen XY-Antriebsmechanismus, der die Sonde zur Abtastung einer parallelen Ebene veranlasst, die einer Bezugsmessebene zugewandt ist, die beliebige drei Punkte umfasst, die in einem Randbereich der zu messenden Oberfläche des Subjekts definiert sind; einen Rechenmechanismus, der eine Differenz zwischen einem Abstand zwischen einer Abtastebene der Sonde und der zu messenden Oberfläche des Subjekts, die der Abtastebene zugewandt ist, und einem von dem Entfernungsmesser gemessenen Abstand zwischen der Abtastebene und der Bezugsmessebene bestimmt und die Ebenheit der zu messenden Oberfläche des Subjekts durch Synchronisieren der bestimmten Differenz mit Informationen zu der Abtastposition an dem XY-Antriebsmechanismus berechnet; und einen Mechanismus zur Anzeige des Ergebnisses der Berechnung. In Patentschrift 4 ist eine Vorrichtung zur Erfassung einer Unebenheit einer Oberfläche eines Ultraschallmikroskops beschrieben, die einen Mechanismus zum Durchführen einer Abtastung in einer X-Z-Ebene zusätzlich zu einer Abtastung in einer X-Y-Ebene und eine Berechnungsschaltung umfasst, die den Z-Wert der maximalen Helligkeit an jeder X-Position anhand von durch die Abtastung in der X-Z-Ebene erzeugten Helligkeitsdaten bestimmt.

Patentschrift 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. JP 2008 - 82 856 A
Patentschrift 2: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. JP H05- 177 512 A
Patentschrift 3: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. JP H05- 79 828 A
Patentschrift 4: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. JP S60- 169 708 A

Kein Patent betreffende Druckschrift 1: Journal of the Japan Society of Precision Engineering, Bd. 74, Nr. 7 (2008), S. 691-695 von Ikuo Ihara und Deden Dian Sukmana
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der Bearbeitung durch eine Werkzeugmaschine kann wie eine Gussform eine komplizierte Form aufweisen. In dieser Hinsicht wird gemäß jeder der Patentschriften 1 bis 4 eine Messung eines Ziels mit einer einfachen Form wie einer plattenartigen Form oder einer säulenartigen Form vorgenommen, und so treten bei der Messung eines Ziels mit einer komplizierten Form wie einer Gussform durch eine Abtastung mit einer Ultraschallwelle Schwierigkeiten auf. Gemäß Patentschrift 4 erfolgt beispielsweise nicht nur eine Abtastung in der X-Y-Ebene, sondern auch in der X-Z Ebene. Gleichzeitig kann sich der Winkel einer Bestrahlung mit einer Ultraschallwelle als Reaktion auf eine Position der Bestrahlung verändern, wenn ein Messobjekt eine komplizierte Form aufweist, wodurch die Gefahr besteht, dass keine korrekte Messung der Unebenheit gelingt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messvorrichtung für eine Werkzeugmaschine bereitzustellen, die eine Struktur aufweist, die selbst dann eine korrekte Messung einer Oberflächenform durch Bestrahlung mit Ultraschall ermöglicht, wenn ein Bearbeitungsziel wie eine Gussform eine komplizierte Form aufweist. Die Aufgabe wird gelöst mittels der Messvorrichtung gemäß dem Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.

(1) Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (beispielsweise die später beschriebene Messvorrichtung 1), die ein von einer Werkzeugmaschine zu bearbeitendes Ziel (beispielsweise ein später beschriebenes Abtragziel 51) als Messobjekt misst. Die Messvorrichtung umfasst: einen Ultraschallvibrator (beispielsweise einen später beschriebenen Ultraschallvibrator 20), der eine Ultraschallwelle auf das Messobjekt emittiert; eine akustische Linse (beispielsweise eine später beschriebene akustische Linse 32), die die von dem Ultraschallvibrator emittierte und auf dem Messobjekt reflektierte und gebeugte Ultraschallwelle fokussiert; eine Einheit schallaufnehmender Elemente (beispielsweise eine später beschriebene Anordnung 41 schallaufnehmender Elemente), die die von der akustischen Linse fokussierte Ultraschallwelle in ein analoges elektrisches Signal umwandelt; eine A/D-Wandlereinheit (beispielsweise eine später beschriebene A/D-Wandleranordnung 42), die das analoge Signal von der Einheit schallaufnehmender Elemente in ein digitales Signal umwandelt; ein Rechenwerk (beispielsweise ein später beschriebenes Rechenwerk 43), das mit der A/D-Wandlereinheit verbunden ist; und eine numerische Steuereinheit, die einen Befehl zu einer Bearbeitungsform ausgibt; und einen Antriebsmechanismus (beispielsweise einen später beschriebenen Antriebsmechanismus 53), der den Ultraschallvibrator, die akustische Linse, und die Einheit schallaufnehmender Elemente als Reaktion auf die von der numerischen Steuereinheit abgerufene Bearbeitungsform in Bezug auf das Messobjekt beweglich oder neigbar macht. Eine Ultraschall-Bestrahlungsabtastung durch den Ultraschallvibrator erfolgt durch Wiederholen eines Vorgangs der Bestrahlung eines gegebenen Punkts in einem vorab bestimmten Bestrahlungsbereich auf dem Messobjekt mit der Ultraschallwelle, des anschließenden Bewegens der Ultraschallwelle zu einem nächsten Punkt, und des Bestrahlens des nächsten Punkts. Wenn die Ultraschall-Bestrahlungsabtastung erfolgt, werden Positionen und die Winkel der Einheit schallaufnehmender Elemente, des Ultraschallvibrators, und des Messobjekts von dem Antriebsmechanismus bestimmt. Das Rechenwerk speichert von der Einheit schallaufnehmender Elemente durch Abtastbestrahlung mit der Ultraschallwelle ermittelte Informationen in chronologischer Reihenfolge, wandelt die in chronologischer Reihenfolge gespeicherten Informationen in Koordinaten für die Ultraschall-Bestrahlungsabtastung um, legt Schallintensitäten über jeden Punkt auf einer Oberfläche des Messobjekts, und ermittelt eine Verteilung der Schallintensität an jedem Punkt.
(2) Bei der unter (1) beschriebenen Messvorrichtung kann das Rechenwerk zur Berechnung der geometrischen Abmessungen und der Oberflächenrauigkeit einer feinen Struktur anhand der ermittelten Verteilung der Schallintensität geeignet sein.
(3) Bei der unter (1) beschriebenen Messvorrichtung kann das Rechenwerk zur Anzeige der ermittelten räumlichen Verteilung der Schallintensität geeignet sein, wobei es die räumliche Verteilung der Schallintensität und die Bearbeitungsform übereinanderlegt.

Selbst wenn ein Bearbeitungsziel wie eine Gussform eine komplizierte Form aufweist, ermöglicht die erfindungsgemäße Messvorrichtung nach wie vor eine korrekte Messung einer Oberflächenform durch Bestrahlung mit Ultraschall.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Ablauf einer Messverarbeitung durch eine Messvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
3 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Ablauf einer Messverarbeitung durch eine Messvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
4 ist ein Graph, der die in der kein Patent betreffenden Druckschrift 1 beschriebene Profilkurve einer Oberfläche einer Messprobe zeigt; und
5 ist ein Graph, der eine in der kein Patent betreffenden Druckschrift 1 beschriebene Beziehung zwischen einer Reflexionsintensität (einer kohärenten Komponente) und einer Oberflächenrauigkeit Rq zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 zeigt schematisch eine Messvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 1 gezeigte Messvorrichtung 1 ist eine maschineninterne Messvorrichtung zur Anordnung in einer von einem Motor wie eine Servomotor anzutreibenden numerisch gesteuerten (NC-) Werkzeugmaschine. Die Messvorrichtung 1 dient der Messung der Abmessungen einer feinen Struktur auf einer mit einem spanenden Werkzeug oder einem Trennschleifer fertig bearbeiteten Bearbeitungsfläche aus Metall.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die Messvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform einen Aufspanntisch 52, einen Ultraschallvibrator 20, ein Fokussierelement 31, eine akustische Linse 32, einen Antriebsmechanismus 53, eine Anordnung 41 schallaufnehmender Elemente, eine A/D-Wandleranordnung 42, ein Rechenwerk 43, eine numerische Steuereinheit 60 und eine Anzeige 70.
Der Aufspanntisch 52 ist ein Tisch, auf dem ein Werkstück als Ziel einer Messung durch die Messvorrichtung 1 anzuordnen ist. Bei dieser Ausführungsform wird ein Abtragziel 51 als Ziel einer Bearbeitung durch die NC-Werkzeugmaschine auf dem Aufspanntisch 52 angeordnet.
Der Ultraschallvibrator 20 dient der Emission einer Ultraschallwelle für eine Messung. Der Ultraschallvibrator 20 wird von einer Halterung 30 des Antriebsmechanismus 53 gehalten und ist so konfiguriert, dass er zu einer Annäherung an das Abtragziel 51 als Messobjekt geeignet ist.
Das Fokussierelement 31 fokussiert eine Ultraschallwelle. Das Fokussierelement 31 kann so vorgesehen sein, dass es zu dem Ultraschallvibrator 20 als sendende Seite, zu dem Aufspanntisch 52 als empfangende Seite oder sowohl zu der sendenden Seite als auch zu der empfangenden Seite gehört.
Die akustische Linse 32 ist eine Fourier-Transformationslinse, die eine auf dem Abtragziel 51 gestreute, gebeugte und reflektierte Ultraschallwelle fokussiert. Die von der akustischen Linse 32 fokussierte Ultraschallwelle wird auf eine Projektionsebene 33 projiziert.
Die Anordnung 41 schallaufnehmender Elemente ist eine Einheit schallaufnehmender Elemente, die ein akustisches Signal auf der Projektionsebene 33 in ein elektrisches Signal umwandelt und das elektrische Signal an die A/D-Wandleranordnung 42 sendet.
Die A/D-Wandleranordnung 42 ist eine A/D-Wandlereinheit, die ein von der Anordnung 41 schallaufnehmender Elemente ausgegebenes analoges Signal in ein digitales Signal umwandelt. Das digitale Signal von der A/D-Wandleranordnung 42 wird an das Rechenwerk 43 gesendet.
Das Rechenwerk 43 ist ein Computer, der eine CPU, einen Speicher, etc. umfasst. Das Rechenwerk 43 führt anhand des von der A/D-Wandleranordnung 42 empfangenen digitalen Signals eine Messverarbeitung zur Berechnung der Abmessungen und der Oberflächenrauigkeit einer feinen Struktur auf einer Oberfläche des Abtragziels 51 aus.
Die numerische Steuereinheit 60 gibt einen Befehl zu einer für das Abtragziel 51 zu bestimmenden Bearbeitungsform an die Werkzeugmaschine aus. Die Bearbeitungsform ist eine beabsichtigte Form zu einem Bearbeitungsziel und liegt beispielsweise als CAM-Daten oder NC-Programm vor.
Der Antriebsmechanismus 53 ist ein Mechanismus zur Verschiebung der jeweiligen Positionen des Ultraschallvibrators 20, des Abtragziels 51, der akustischen Linse 32 und der Anordnung 41 schallaufnehmender Elemente in Bezug aufeinander. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Antriebsmechanismus 53 eine Vorschubachse zum Bewegen des Aufspanntischs 52, auf dem das Abtragziel 51 angeordnet ist, in einer Richtung der X-Achse und einer Richtung der Y-Achse und eine Neigungsachse zum Neigen des Abtragziels 51 um die Richtung der X-Achse oder eine Richtung der Z-Achse als Drehachse. Auf diese Weise ist das Abtragziel 51 so konfiguriert, dass es in Bezug auf den Ultraschallvibrator 20 beweglich oder neigbar ist.
Die Verarbeitung zur Berechnung der Abmessungen und der Oberflächenrauigkeit einer feinen Struktur auf einer Oberfläche des Abtragziels 51, der die Messvorrichtung 1 folgt, wird als nächstes beschrieben. 2 ist ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf der Messverarbeitung durch die Messvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
Wenn die Messverarbeitung eingeleitet wird, wird die Oberfläche des Abtragziels 51 mit einer Ultraschallwelle bestrahlt. Anschließend wird bestimmt, ob die Oberfläche des Abtragziels 51 mit einer Ultraschallwelle bestrahlt und abgetastet wird oder nicht (Schritt S101). Die Bestrahlungsabtastung durch den Ultraschallvibrator 20 erfolgt durch Wiederholen des Vorgangs der Bestrahlung eines gegebenen Punkts in einem vorab bestimmten Bestrahlungsbereich auf dem Abtragziel 51 mit einer Ultraschallwelle, des anschließenden Bewegens der Ultraschallwelle zu einem nächsten Punkt und des Bestrahlens des nächsten Punkts mit der Ultraschallwelle.
Wenn als Ergebnis des Prozesses in Schritt S101 bestimmt wird, dass die Bestrahlung mit der Ultraschallabtastung erfolgt, werden von dem Antriebsmechanismus 53 die jeweiligen Positionen und die jeweiligen Winkel der Anordnung 41 schallaufnehmender Elemente, des Ultraschallvibrators 20 und des Abtragziels 51 bestimmt (Schritt S102).
Nach der Bestimmung der Positionen und der Winkel in Schritt S102 wird die von dem Ultraschallvibrator 20 emittierte Ultraschallwelle auf das Fokussierelement 31 fokussiert und auf das Abtragziel 51 gerichtet. Die akustische Linse 32 fokussiert die von dem Ultraschallvibrator 20 emittierte und auf dem Abtragziel 51 gestreute Ultraschallwelle (Schritt S103). Nachdem die Anordnung 41 schallaufnehmender Elemente die von der akustischen Linse 32 fokussierte Ultraschallwelle aufgenommen hat, wandelt die Anordnung 41 schallaufnehmender Elemente ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal um (Schritt S104).
Die A/D-Wandleranordnung 42 wandelt das als analoges Signal, das eine Schallintensität an der Anordnung 41 schallaufnehmender Elemente angibt, ausgegebene elektrische Signal in einen digitalen Wert um (Schritt S105). Das Rechenwerk 43 speichert die von der A/D-Wandleranordnung 42 gesendete Schallintensität (Schritt S106). Nachdem der Prozess in Schritt S106 abgeschlossen ist, kehrt der Ablauf zu Schritt S101 zurück und es wird bestimmt, ob eine Bestrahlung mit einer Ultraschallabtastung erfolgt oder nicht. Wenn die Abtastung ausgeführt wird, wird der Ablauf von Schritt S102 bis Schritt S106 wiederholt. Die Schallintensitäten werden in chronologischer Reihenfolge gespeichert. Wenn als Ergebnis des Bestimmungsprozesses in Schritt S101 bestimmt wird, dass keine Bestrahlung mit Ultraschallabtastung erfolgt, wird der Ablauf mit Schritt S201 und den nachfolgenden Schritten fortgesetzt.
In Schritt S201 wandelt das Rechenwerk 43 chronologische Daten zu gesammelten Schallintensitäten in Koordinaten für die Bestrahlung mit der Ultraschallabtastung um. Das Rechenwerk 43 legt die Schallintensitäten über jeden Punkt auf der Oberfläche des Abtragziels 51 (Schritt S202). Bei dem Überlagerungsprozess wird eine Schallintensität an jedem Punkt berechnet, wobei Schallintensitäten auf einer zum Zeitpunkt des Überlagerungsprozesses gegenüber der Mitte eines Bereichs einer Bestrahlung mit Ultraschall verschobenen Fläche an jedem Punkt (in chronologischer Reihenfolge) beispielsweise durch Störschallunterdrückung berücksichtigt werden. Als nächstes berechnet das Rechenwerk 43 zur Ermittlung einer Verteilung der Schallintensität an jedem Punkt eine Schallintensität an jedem Punkt auf der gesamten Fläche der Oberfläche des Abtragziels 51 (Schritt S203).
Nach Abschluss des Prozesses in Schritt S203 führt das Rechenwerk 43 einen Prozess der Umwandlung der Verteilung der Schallintensität an jedem Punkt auf der Oberfläche des Abtragziels 51 in die Abmessungen einer feinen Struktur an jedem Punkt aus (Schritt S204). Nach der Ermittlung der Abmessungen der feinen Struktur an jedem Punkt auf der Oberfläche des Abtragziels 51 als Ergebnis des Prozesses in Schritt S204 berechnet das Rechenwerk 43 anhand der ermittelten Abmessungen der feinen Struktur die Oberflächenrauigkeit (Schritt S205). So kann beispielsweise eine vorab anhand einer Beziehung zwischen einer Reflexionsintensität und einer Oberflächenrauigkeit wie der in der kein Patent betreffenden Druckschrift 1 beschriebenen definierte Formel zur Berechnung der Abmessungen und der Oberflächenrauigkeit der feinen Struktur anhand der Verteilung der Schallintensität verwendet werden.
Durch die vorstehend beschriebene Ausführungsform werden die folgenden Ergebnisse erzielt. Die Messvorrichtung 1 umfasst: den Ultraschallvibrator 20, der eine Ultraschallwelle auf das Abtragziel (Messobjekt) 51 emittiert; die akustische Linse 32, die die von dem Ultraschallvibrator 20 emittierte und auf dem Abtragziel 51 reflektierte und gebeugte Ultraschallwelle fokussiert; die Anordnung 41 schallaufnehmender Elemente (die Einheit schallaufnehmender Elemente), die die von der akustischen Linse 32 fokussierte Ultraschallwelle in ein analoges elektrisches Signal umwandelt; die A/D-Wandleranordnung 42, die das analoge Signal von der Anordnung 41 schallaufnehmender Elemente in ein digitales Signal umwandelt; das mit der A/D-Wandleranordnung 42 verbundene Rechenwerk 43 und den Antriebsmechanismus 53, der das Abtragziel 51 in Bezug auf den Ultraschallvibrator 20 beweglich oder neigbar macht. Das Rechenwerk 43 speichert von der Anordnung 41 schallaufnehmender Elemente durch Abtastbestrahlung mit der Ultraschallwelle ermittelte Informationen in chronologischer Reihenfolge, wandelt die in chronologischer Reihenfolge gespeicherten Informationen in räumliche Informationen um und ermittelt eine Verteilung der Schallintensität.
Als Ergebnis werden die Position und der Neigungswinkel des Abtragziels 51 in Bezug auf den Ultraschallvibrator 20 einstellbar. Dadurch kann eine Messung durch eine Abtastung mit einer Ultraschallwelle auf dem Abtragziel 51 selbst dann erfolgen, wenn das Abtragziel 51 ein Werkstück aus Metall mit einer komplizierten Form wie eine Gussform ist. Dadurch kann die Glätte der Oberfläche des Abtragziels 51 präzise bewertet werden. Diese Messung ist selbst auf eine beispielsweise durch visuelle Inspektion oder mittels einer Kamera nicht direkt messbare Oberfläche anwendbar, die durch eine Schneidflüssigkeit gefärbt ist, so dass ein Oberflächenzustand bewertet werden kann, ohne dass die allgemeinen physikochemischen Eigenschaften einer Schneidflüssigkeit einen Einfluss auf die Messung haben.
Bei dieser Ausführungsform bewegt oder neigt der Antriebsmechanismus 53 den Ultraschallvibrator 20, das Fokussierelement 31, die akustische Linse 32 und die Anordnung 41 schallaufnehmender Elemente als Reaktion auf eine von der numerischen Steuereinheit 60 abgerufene Bearbeitungsform.
Dadurch wird eine präzisere Messung der Oberflächenrauigkeit der Oberfläche des Abtragziels 51 unter Verwendung der von der numerischen Steuereinheit 60 vorgegebenen Bearbeitungsform erzielt.
Bei dieser Ausführungsform berechnet das Rechenwerk 43 die geometrischen Abmessungen und die Oberflächenrauigkeit einer feinen Struktur anhand der ermittelten Verteilung der Schallintensität.
Die Verwendung der mit der Oberflächenrauigkeit in Wechselbeziehung stehenden Schallintensität ermöglicht die Ermittlung von Informationen zu den geometrischen Abmessungen und der Oberflächenrauigkeit der gesamten Fläche des Abtragziels 51.
Im Folgenden wird die Verarbeitung zur Berechnung der Abmessungen und der Oberflächenrauigkeit einer feinen Struktur auf einer Oberfläche des Abtragziels 51 beschrieben, der eine Messvorrichtung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform folgt. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf der Messverarbeitung durch die Messvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
Wie in 3 gezeigt, stimmen die Prozesse von Schritt S301 bis S306 jeweils mit den Prozessen von Schritt S101 bis S106 gemäß 2 überein, und die Prozesse von Schritt S401 bis S403 stimmen jeweils mit den Prozessen von Schritt S201 bis S203 gemäß 2 überein. Die in 3 gezeigte Verarbeitung gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Verarbeitung gemäß der ersten Ausführungsform hinsichtlich der in den Schritten S404 und S405 zur Schätzung der Oberflächenrauigkeit ausgeführten Prozesse.
In Schritt S404 wird von der numerischen Steuereinheit 60 eine Bearbeitungsform zu dem Abtragziel 51 abgerufen. In Schritt S405 wird zur Schätzung der Oberflächenrauigkeit eine räumliche Verteilung der Schallintensität über die abgerufenen Informationen zur Form des Abtragziels 51 gelegt (S405).
Durch die vorstehende zweite Ausführungsform werden Ergebnisse erzielt, die mit den durch die erste Ausführungsform erzielten vergleichbar sind. Bei der zweiten Ausführungsform ist das Rechenwerk 43 so konfiguriert, dass es zur Anzeige der ermittelten räumlichen Verteilung der Schallintensität geeignet ist, wobei es die räumliche Verteilung der Schallintensität und die von der numerischen Steuereinheit 60 abgerufene Bearbeitungsform übereinanderlegt.
Dadurch kann die Qualität der Ebenheit der feinen Struktur auf der Oberfläche des Abtragziels 51 als Messobjekt korrekt visualisiert werden. Es können beispielsweise vorgegebene Flächen eingestellt werden, und jede Fläche kann auf der Anzeige 70 so angezeigt werden, dass die Oberflächenrauigkeit auf jeder Fläche optisch erkennbar ist.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass die vorliegende Erfindung gegebenenfalls abgeändert werden kann. So kann beispielsweise der Antriebsmechanismus 53 die Konfiguration eines Roboters aufweisen. Gemäß einem Beispiel einer anwendbaren Konfiguration ist der Ultraschallvibrator 20 an einer Maschine wie einem Roboterarm angeordnet, und der Ultraschallvibrator 20 wird von dem Roboter dreidimensional bewegt.
Bezugszeichenliste

1: Messvorrichtung
20: Ultraschallvibrator
32: Akustische Linse
41: Anordnung schallaufnehmender Elemente (Einheit schallaufnehmender Elemente)
42: A/D-Wandleranordnung (A/D-Wandlereinheit)
43: Rechenwerk
51: Abtragziel (Bearbeitungsziel, Messobjekt)
53: Antriebsmechanismus
60: Numerische Steuereinheit
70: Anzeige

Claims

Messvorrichtung (1), die ein von einer Werkzeugmaschine zu bearbeitendes Ziel (51) als Messobjekt (51) misst und umfasst: einen Ultraschallvibrator (20), der eine Ultraschallwelle auf das Messobjekt (51) emittiert; eine akustische Linse (32), die die von dem Ultraschallvibrator (20) emittierte und auf dem Messobjekt (51) reflektierte und gebeugte Ultraschallwelle fokussiert; eine Einheit (41) schallaufnehmender Elemente, die die von der akustischen Linse (32) fokussierte Ultraschallwelle in ein analoges elektrisches Signal umwandelt; eine A/D-Wandlereinheit (42), die das analoge Signal von der Einheit (41) schallaufnehmender Elemente in ein digitales Signal umwandelt; ein Rechenwerk (43), das mit der A/D-Wandlereinheit (42) verbunden ist; und eine numerische Steuereinheit (60), die einen Befehl zu einer Bearbeitungsform ausgibt; und einen Antriebsmechanismus (53), der den Ultraschallvibrator (20), die akustische Linse (32), und die Einheit (41) schallaufnehmender Elemente als Reaktion auf die von der numerischen Steuereinheit (60) abgerufene Bearbeitungsform in Bezug auf das Messobjekt beweglich oder neigbar macht, wobei eine Ultraschall-Bestrahlungsabtastung durch den Ultraschallvibrator (20) erfolgt durch Wiederholen eines Vorgangs der Bestrahlung eines gegebenen Punkts in einem vorab bestimmten Bestrahlungsbereich auf dem Messobjekt (51) mit der Ultraschallwelle, des anschließenden Bewegens der Ultraschallwelle zu einem nächsten Punkt, und des Bestrahlens des nächsten Punkts, wobei, wenn die Ultraschall-Bestrahlungsabtastung erfolgt, Positionen und die Winkel der Einheit (41) schallaufnehmender Elemente, des Ultraschallvibrators (20), und des Messobjekts (51) von dem Antriebsmechanismus (53) bestimmt werden, und das Rechenwerk (43) von der Einheit (41) schallaufnehmender Elemente durch Abtastbestrahlung mit der Ultraschallwelle ermittelte Informationen in chronologischer Reihenfolge speichert, die in chronologischer Reihenfolge gespeicherten Informationen in Koordinaten für die Ultraschall-Bestrahlungsabtastung umwandelt, Schallintensitäten über jeden Punkt auf einer Oberfläche des Messobjekts legt, und eine Verteilung der Schallintensität an jedem Punkt ermittelt.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Rechenwerk (43) zur Berechnung der geometrischen Abmessungen und der Oberflächenrauigkeit einer feinen Struktur anhand der ermittelten Verteilung der Schallintensität geeignet ist.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Rechenwerk (43) zur Anzeige der ermittelten räumlichen Verteilung der Schallintensität geeignet ist, wobei es die räumliche Verteilung der Schallintensität und die Bearbeitungsform übereinanderlegt.