JP2001264040A - 工作機プローブおよびそのスイッチオン方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光妨害によってプローブが誤動作する問題を
解消する。 【解決手段】 プローブ用の光信号伝送回路は、所定の
長さを有するパルスのバーストを含む光スイッチオン信
号によってスイッチオンされる。これは、スイッチオン
信号の持続時間に基づいて、入力信号が真正なスイッチ
オン信号であるか妨害バーストであるかを弁別する回路
によって検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械のような
位置決め機械での測定で用いられる工作機械プローブと
そのスイッチオン方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械にプローブを設けることが知ら
れている。例えば、工作機械の工具把持スピンドルにプ
ローブを取り付け、工作機械のベッドまたはテーブル上
に配置されたワークピースを測定することができる。こ
のようなプローブは切削工具と互換できるので、機械の
コントローラに、プローブの信号を伝送するために、恒
久的な配線を設けることは不可能である。そこで、一般
的には、無線信号伝送システム、特に光伝送システム
（例えば、赤外線伝送システム）が設けられる。１つ以
上のＬＥＤ（light emitting diode）のような光トラン
スミッタがプローブハウジング上に設けられ、機械の固
定構造上の好都合な場所に位置させた光レシーバに、信
号が送られる。

【０００３】このようなプローブは電池駆動する必要が
ある。電池の寿命を延ばすため、プローブ使用時にのみ
電源を入れるのが望ましい。スイッチオン光信号または
スタート光信号を供給する例としては、ＥＰ特許３３７
６６９号に記載のものが知られている。Renishaw plcか
ら市販されている製品では、機械の固定構造上に設けた
光レシーバと同じモジュールに、光トランスミッタが設
けられている。このようなプローブがオンされると、プ
ローブのハウジング上に取り付けられた光レシーバに、
この光トランスミッタから光パルスのバーストが伝送さ
れる。このプローブは検出器を含んでおり、この検出器
は非常に小さいゼロ入力電流を引き込み、パルスのバー
ストを検出し、プローブ回路の他の部分をオンにする。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようなスイッチオ
ン信号システムまたはスタート信号システムは、光学的
な妨害により誤動作するおそれがある。このような妨害
の例としては、例えば、隣の工作機械に照射されたキセ
ノンビーコンによる例や、モード切り換え力率補正バラ
ストを使用する蛍光照射システムによる例がある。近
年、これらのシステムの使用がますます多くなって、妨
害の問題が大きくなってきている。プローブが誤ってス
イッチオンされると、プローブに用いられている電池寿
命は短くなる。さらには、誤ってスイッチオンされたプ
ローブからの信号を受信した機械のコントローラが、所
望の動作とは異なる動作を行なってしまうという大きな
問題も起こっている。

【０００５】上述した市販のプローブには、妨害を排除
するために、スイッチオン信号のパルスと同じ周波数の
帯域フィルタが含まれている。しかし、依然としていく
つかの妨害に関する問題が残っている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、妨害の性質を
分析するために、本発明者によって行われたリサーチの
結果得られたものである。本発明者は、キセノンビーコ
ンや、電力補正された蛍光照明のような妨害源が、帯域
フィルタでは完全に除去できない広帯域の妨害であるこ
とを見い出した。

【０００７】本発明者は、このような妨害が、スタート
信号として使用されるパルスのバーストとは異なる特性
を有することも見い出し、本発明は、このような異なる
特性を用いて、妨害と真正なスタート信号とを弁別す
る。

【０００８】そこで、本発明の目的は、上記のような問
題点を解決し、入力信号がスイッチオン信号であるか妨
害であるかを弁別可能な工作機械プローブおよびそのス
イッチオン方法を提供することにある。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。

【００１０】図１は工作機械を概略的に示す。この工作
機械はテーブル１２に対して、３つの次元Ｘ、Ｙ、Ｚに
移動可能なスピンドル１０を備えている。スピンドル１
０はバイトを把持するのが普通である。このようなバイ
トはRenishaw plc製のプローブのようなプローブ１４と
交換可能である。テーブル１２はワークピース１６を保
持するものである。プローブ１４は、測定のためにワー
クピース１６と接触させるスタイラス１８を有する。

【００１１】プローブ１４の電源には電池が用いられ、
プローブ１４は光（例えば、赤外線）トランスミッタ２
０を有する。光トランスミッタ２０はプローブからの測
定信号を、工作機械の固定構造上に取り付けたモジュー
ル２４内の光レシーバ２２に送信する。モジュール２４
は受信した信号を工作機械のコンピュータ数値コントロ
ーラに送信する。

【００１２】モジュール２４には光（例えば、赤外線）
トランスミッタ２６も含まれている。モジュール２４は
工作機械のコントローラから命令を受けたときに、プロ
ーブ１４のレシーバ２８に光パルスのバーストを送信す
る。このバーストはプローブ１４のためのスイッチオン
信号またはスタート信号を構成する。

【００１３】スタート光信号は７．８ｋＨｚのパルスの
２５０ｍｓバーストを含むことができる。

【００１４】図２は本発明の第１の実施形態に係るプロ
ーブ１４内の回路を示す。レシーバ２８によって受信さ
れたスタート信号は、まず、７．８ｋＨｚ帯域フィルタ
３０によってフィルタリングされ、ついで、増幅器３２
で増幅される。増幅された信号は検出器に送信される。
この検出器は７．８ｋＨｚ信号が検出されたとき、プロ
ーブの他の回路をスイッチオンする。

【００１５】しかし、本実施形態では、この信号は増幅
器３２からアナログ電子スイッチ３４を介してこの検出
器に送られる。図２の回路の他の部分の選択においても
同様であるが、スイッチ３４はプローブがオフ状態であ
って、しかもスタート信号のウェイト状態にあるとき
に、電力消費量が小さいかどうかで選択される。これ
は、電池の寿命を延ばすためにも重要である。

【００１６】図２の実施形態では、スイッチ３４がクリ
ッピング増幅器３６と２つのパルスエクステンダ３８、
４０とによって制御される。つぎに、回路３６、３８、
４０の動作について、図３の信号タイミング図を参照し
て説明する。

【００１７】図３（ａ）は７．８ｋＨｚ帯域フィルタ３
８と増幅器３２を通過した後にプローブレシーバ２８に
よって受信された入力信号を示す。正常なスタート信号
によるパルスのバーストは、図３（ａ）に４２で示し、
他方で、妨害によって生じたより短いパルスのバースト
は、図３（ａ）に４４で示す。

【００１８】クリッピング増幅器３６は信号ゲインが小
さくて−５であり、信号を両方の電源レールに振って方
形波にする。その例を図３（ｂ）に示す。

【００１９】パルスエクステンダ３８は閾値検出器とし
て用いられるものであり、抵抗とキャパシタとで７００
μｓの時定数を与える簡単なＦＥＴスイッチである。入
力が閾値を超えているとき、出力はロー（Ｌ）である。
入力が閾値（すなわち、後縁（tailing edge））未満に
なると、出力は時定数に相当する時間間隔の間、Ｌのま
まで、その後、ハイ（Ｈ）になる。それ以外では、入力
が閾値未満のときには、出力は、通常、Ｈである。入力
波形中の連続する後縁により、７００μｓの時定数が再
トリガされる。したがって、７．８ｋＨｚのパルスのバ
ースト４２、４４の間、パルスエクステンダ３８の出力
はＬに保持される。実際、７００μｓの時定数は７．８
ｋＨｚ波形の周期よりも数倍長いので、入力の数周期が
妨害によって打ち消され失われても、パルスエクステン
ダ３８は影響を受けない。これによって、このような打
消し妨害に対する保護措置が与えられる。

【００２０】図３（ｃ）から分かるように、パルスエク
ステンダ３８の出力は、バースト４２または４４中の最
後のパルスから７００μｓが経過した後にＨになる。

【００２１】パルスエクステンダ４０は時定数が４７ｍ
ｓであることを除いて、パルスエクステンダ３８と同様
に構成してある。妨害によって生じるパルス４４のバー
ストは、この４７ｍｓ時定数よりも短く、したがって、
パルスエクステンダ４０の出力は、このような妨害バー
ストの間とその後もＬのままである。しかし、所望のス
タート信号の場合、バースト４２の持続時間は４７ｍｓ
よりも長い。バースト４２が開始してから４７ｍｓ後
に、パルスエクステンダ４０の出力はＨになる。その例
を図３（ｄ）に示す。

【００２２】パルスエクステンダ４０のＨ出力はアナロ
グスイッチ３４を閉じるために使用される。これによっ
て、図３（ｅ）に示すように、スタート信号のパルスの
バースト４２の残りの部分が伝送される。この部分は検
出器に送られ、それを検出した検出器はトランスミッタ
２０（図１）を含むプローブの残りの回路をスイッチオ
ンする。

【００２３】したがって、図２の回路は既存の回路構成
に適合できるので特に有用である。

【００２４】図２の回路は真正なスタート信号によって
生じたパルスのバースト４２と、妨害によって生じたよ
り短いバースト４４とを、時間ベースで弁別する。本発
明者のリサーチによれば、妨害バーストの約９０％が真
正なスタート信号よりも短く、このように弁別できるこ
とがわかた。パルスエクステンダ４０の時定数として
は、真正なスタート信号の持続時間よりも短いが、大部
分の妨害バーストよりも長くなるような時間が選択され
る。上述したように、初段のパルスエクステンダ３８の
時定数としては、着信パルス波形の数周期に相当し、妨
害によるいくつかの着信パルスの打消しの影響を受けな
くなるような時間が選択される。

【００２５】しかし、図２の回路は、真正なスタート信
号４２よりも長いか、あるいは連続的なバックグラウン
ドノイズによって生じる妨害信号に対して、保護ができ
ない。図４と図５に示す第２の実施形態によれば、この
ような問題は解消される。

【００２６】図４の回路は図２の増幅器３２から入力４
６を得ている。この回路はダイオード４８、５０を備え
るデュアルの整流回路である。各整流回路の時定数は抵
抗とキャパシタの組合せ５２、５４によって決まる。整
流回路４８、５２の時定数は（スタート信号を含むパル
スのバーストの長さと比べて）小さく、これに対して、
整流回路５０、５４の時定数はこのバーストの長さに比
べて大きい。高速の整流回路５０、５４の出力は、抵抗
５６によって、低速の整流回路４８、５２よりも高い電
圧にバイアスされている。

【００２７】デュアルの整流回路の目的は入力信号を平
均化することである。高速の整流回路４８、５２が短い
信号バーストに応答するのに対して、低速の整流回路５
０、５４は良好な平均信号電圧を与える。整流された２
つの電圧は比較器５８で比較され、単一の出力信号が生
成される。比較器５８の出力は低速の整流回路の電圧が
高速の整流回路の電圧よりも高いときにはＨであり、そ
の逆では、Ｌである。

【００２８】入力４６で真正なスタート信号が受信され
ると、高速の整流回路４８、５２はその出力電圧を上昇
させて応答する。このため、この間、低速の整流回路の
電圧はそれほど変化せず、比較器５８の出力はＬにな
る。スタート信号が終了すると、出力はＨに戻る。

【００２９】この図４の回路が蛍光灯のような妨害源か
ら妨害を受けると、高速の整流回路が前述のように高速
応答し、比較器の出力をＬにする。しかし、ノイズが数
秒連続した後、低速の整流回路が充電されて定常状態に
なり、前述のようにバイアスされ、電圧が高速の整流回
路よりも高くなり、これによって出力がＨになる。入力
信号のない比較器５８の正常な状態では、整流回路５
０、５４の出力が整流回路４８、５２の出力よりも高く
なるようにバイアスされ、したがって、比較器の出力は
Ｈである。しかし、連続的なノイズに加えて７．８ｋＨ
ｚパルスのバーストが受信された場合、前述のように、
高速の整流回路４８、５２の出力が増加し、比較器の出
力はＬになる。

【００３０】したがって、構成要素５２、５４の時定数
としては、高速の整流回路の周期が正常なスタート信号
の周期、例えば１０ｍｓよりも短くなるような値が選択
される。他方、低速の整流回路５０、５４の時定数は、
連続的なノイズの場合に出力がＨに保持されるよりも大
きく、例えば１secである。したがって、図４の回路は
このような連続的なノイズの影響を受けない。

【００３１】しかし、依然として、真正なスタート信号
と（真正なスタート信号のパルスバーストよりも短いか
長いパルスバーストを含む可能性のある）妨害信号とを
弁別する問題が残る。このような弁別をするため、比較
器５８の出力は、図５に示すプログラムを実行するマイ
クロプロセッサ回路６０に送られる。

【００３２】ゼロ入力状態か、スリープ（sleeping）状
態では、プログラムはステップ６２とステップ６４の間
でループするだけであり、入力信号（比較器５８からの
Ｌ出力）のウェイト状態になる。このような入力信号が
入力されると、ソフトウェアタイマがリセットされる
（ステップ６６）。ついで、タイマがインクリメントす
るにつれてスタート信号がまだ存在するかどうかをプロ
グラムが連続的に監視するループ（プログラムステップ
６８、７０、７２）が実行される。スタート信号が３０
０ｍｓよりも長い間存在している場合、ステップ７０で
このことが検出され、プログラムはスリープ状態６２に
戻る。したがって、３００ｍｓよりも長い妨害は無視さ
れる。

【００３３】他方、スタート信号が３００ｍ期間の終了
時よりも前に終了した場合、プログラムはステップ７４
に進み、時間が検査され、スタート信号が１５０ｍｓよ
りも長い間持続したかどうかを確認する。スタート信号
が１５０ｍｓ未満である場合、これは（図３のバースト
４４のような）短い妨害バーストとみなされ、この場合
も回路はスリープ状態６２に戻る。したがって、プログ
ラムステップから肯定出力があった場合、このことは、
１５０ｍｓよりも長く３００ｍｓ未満のスタート信号が
あったことを示す。

【００３４】このプログラムの簡単バージョンでは、ス
テップ７４の後で終了し、ライン７６（図４）上に出力
を供給し、プローブ回路の残りの部分をターンオンする
ことができる。

【００３５】しかし、オプションでは、図５のプログラ
ムには次のような他のステップが含まれる。プログラム
ステップ７４から肯定応答が受信されると、ソフトウェ
アタイマがリセットされる（ステップ７８）。ステップ
８０、８２、８４からなる別のプログラムループが実行
され、５００ｍｓ持続するタイマ窓内に別のスタート信
号が存在するかどうかが判定される。別のスタート信号
が存在する場合、第１のスタート信号が真正である可能
性はなく、すなわち、ある種の蛍光灯によって起こる可
能性のある再帰的な妨害によって生成された可能性があ
る。この場合、プログラムはそのスリープ状態６２に戻
る。５００ｍｓ窓内に他のスタート信号が受信されない
場合にのみ、プローブがターンオンされる（ステップ８
６）。これも、ライン７６上に出力を供給することによ
って行われる。

【００３６】ライン７６上の出力は、残りのプローブ回
路をオンにするためのレベルの変化に過ぎない。しか
し、これを既存の回路構成に適合させるのは困難である
場合がある。図２と同様に単にこの信号をスイッチ３４
に送って、スタート信号パルスを既存の回路内の検出器
に渡すことは不可能である。これは、３００ｍｓまたは
５００ｍｓの時間遅延の後では、このようなスタート信
号パルスがもはや存在しなくなるからである。したがっ
て、この回路を既存の構成に適合させる場合、プログラ
ムステップ８６では、真正なスタート信号のパルスバー
ストと同様のパルスバーストが再生され、検出器に送信
されるべきである。このバーストは、ソフトウェアによ
って再生することもでき、あるいはハードウェアによっ
て再生することもできる。

【００３７】図４および図５の実施形態によれば、当然
に、真正なスタート信号が、それよりも短いかあるいは
長い妨害か、連続的な妨害か、再帰的な妨害と弁別され
る。

【００３８】真正なスタート信号が２５０ｍｓ（真正な
スタート信号の最大長）を超えた場合に、この信号を無
視する特別な回路を設けることにより、必要に応じて、
図２の回路を改良することができる。図５のプログラム
ステップ８６の場合と同様に、出力は残りのプログラム
回路をスイッチオンするための簡単なレベルの変化でよ
いか、真正なスタート信号を模倣したパルスのバースト
を再生し、既存の回路の検出器に供給することができ
る。

【００３９】前述の回路は、同じ工作機械または隣接す
る工作機械上に複数のプローブを有する装置に使用する
ことができる。ＥＰ第３３７６６９号と同様に、所望の
プローブがスイッチオンされるように、各プローブごと
のコード化されたスタート信号を設けることができる。
これは、上述の７．８ｋＨｚではなく、他のプローブに
いくつかの異なる変調信号（と対応する帯域フィルタ３
０）を使用して、ＥＰ第３３７６６９号と同様に実現す
ることができる。しかし、スタート信号を含むパルスの
バーストにいくつかの異なる長さを与えることが好まし
い。

【００４０】例えば、いくつかの異なるプローブが、長
さが１５０ｍｓと、２００ｍｓと、１５０ｍｓと、３０
０ｍｓのスタート信号を有することができる。その場
合、図５のプログラム内のタイマ７０、７４は、これら
のスタート信号を弁別するのに適切な値に設定され、例
えば、２００ｍｓスタート信号を他の信号と弁別するた
めに２２５ｍｓと１７５ｍｓに設定される。このこと
は、各プローブで同じ回路が使用され、かつプログラム
のみが異なるという利点を有する。

【００４１】パルスエクステンダ４０の時定数と、信号
が真正なスタート信号の最大長を超えた場合に、この信
号を無視する前述の特別な回路の時定数を適切な値に選
択することによって、図２の回路で同様な効果を実現す
ることができる。

【００４２】他のオプションとして、所定の最小長より
も長いスタート信号が受信された場合に（トランジスタ
２０を含む）残りのプローブ回路をスイッチオンする回
路（または、図５のようなプログラム）が設けられる。
この場合、この回路は、スタート信号が真正なスタート
信号に予期されるよりも長い間持続した場合に、残りの
プローブ回路を再びスイッチオフする。例えば、プロー
ブ回路は、（図３（ｄ）と図３（ｅ）と同様に）信号が
最短時間の４７ｍｓの間持続した後でスイッチオンする
ことができるが、スタート信号が２５０ｍｓ経過後に依
然として存在する場合に再びスイッチオフすることがで
きる。このオプションは、図５の３００ｍｓまたは５０
０ｍｓの遅延によってタイミングの問題が起こる可能性
があるいくつかの工作機械コントローラに対して有利で
ある。わずかな欠点として、プローブは短い期間の間タ
ーンオンされているが、この場合、電池の寿命はそれほ
ど短くならない。

【００４３】図１のプローブの正常な動作ではプローブ
を使用後にターンオフする必要がある。これは、プロー
ブがスタイラス１８とワークピースとの間に接触してい
るためにトリガされていないときに、ある所定の非使用
期間の後でタイムアウトするようにプローブを構成する
ことによって行うことができる。あるいは、図２ないし
図５に関して説明した方法のいずれかで検出される別の
信号をトランスミッタ２６から送り、プローブを「オ
フ」状態にトグルするように、工作機械コントローラに
よってモジュール２４に命令することができる。

【００４４】以上説明したように、本発明の好ましい実
施形態は、工作機械上での測定で使用されるプローブに
関するものである。しかし、本発明は座標測定機や測定
ロボットなど他の位置決め機上でも有用である。光伝送
システムについて説明したが、本発明は、他の無線伝送
システム、例えば電波による伝送システムのために使用
することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光信号伝送システムを含む工作機械上のプロー
ブの概略図である。

【図２】第１の実施形態の概略回路図である。

【図３】図２の回路の各部の信号波形を示す図である。

【図４】第２の実施形態の概略回路図である。

【図５】図４の回路内のマイクロプロセッサによって実
行されるプログラムのフローチャートである。

【符号の説明】 １０ スピンドル １２ テーブル １４ プローブ １６ ワークピース ２２ レシーバ ２４ モジュール ２６ トランスミッタ ２８ レシーバ ３０ 帯域フィルタ ３２ 増幅器 ３４ スイッチ ３６ 増幅器 ３８、４０ パルスエクステンダ ４８、５０ ダイオード ５２、５４ 抵抗とキャパシタの組み合せ ５８ 比較器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デービッド コリングウッド イギリス ジーエル５ ５ピーピー グロ ースターシャ ストラウド ノース ウッ ドチェスター ローンズ パーク １

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無線信号伝送回路と、光スイッチオン信
   号を検出しスイッチオン信号が受信されたときに信号伝
   送回路をスイッチオンする検出回路とを有する工作機械
   プローブであって、 前記検出回路は、スイッチオン信号の持続時間に基づい
   て、入力信号がスイッチオン信号であるか妨害であるか
   を弁別する時間弁別回路を含むことを特徴とする工作機
   械プローブ。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記時間弁別回路
   は、入力信号の持続時間が第１の所定期間よりも長い場
   合に、その入力信号が妨害ではなくスイッチオン信号で
   あると判定することを特徴とする工作機械プローブ。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記時間弁別回路
   は、入力信号の持続時間が、前記第１の所定期間よりも
   長い第２の所定期間よりも短い場合に、その入力信号が
   妨害ではなくスイッチオン信号であると判定することを
   特徴とする工作機械プローブ。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記時間弁別回路
   は、入力信号の持続時間が第１の所定の期間よりも短い
   場合に、その入力信号が妨害ではなくスイッチオン信号
   であると判定することを特徴とする工作機械プローブ。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記時間弁別回路は、 小さい時定数を有する第１の回路構成要素と、 該第１の回路構成要素より大きい時定数を有する第２の
   回路構成要素であって、前記第１の回路構成要素がより
   短い入力信号に応じた出力を生成する間に、入力信号を
   平均化して得られたものに応じた出力を生成する第２の
   回路構成要素と、 前記第１の構成要素の出力と前記第２の構成要素の出力
   とに結合した比較器であって、スイッチオン信号を連続
   的な妨害と区別する比較器とを含むことを特徴とする工
   作機械プローブ。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   前記時間弁別回路は、入力信号の持続時間がスイッチオ
   ン信号と一致すると判定した場合に、さらに所定期間が
   経過した後に入力信号が存在するかどうかを検査し、検
   査結果に基づき、スイッチオン信号と再帰的な妨害とを
   弁別することを特徴とする工作機械プローブ。
7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれかにおいて、
   前記時間弁別回路は、スイッチオン信号の持続時間に関
   して予め定めた少なくとも１つの期間がプログラムされ
   たプログラム可能な装置を備えることを特徴とする工作
   機械プローブ。
8. 【請求項８】 無線信号伝送回路を有する工作機械プロ
   ーブをスイッチオンする方法において、 所定の持続時間の無線スイッチオン信号を工作機械プロ
   ーブに送るステップと、 前記無線スイッチオン信号の持続時間に基づいて前記無
   線スイッチオン信号と妨害とを弁別するステップと、 前記無線スイッチオン信号が検出された場合に、前記工
   作機械プローブをスイッチオンするステップとを備えた
   ことを特徴とする工作機械プローブのスイッチオン方
   法。