JP2017067753A - ワーク識別装置及び識別方法 - Google Patents

Abstract

【課題】仕様の異なる複数種類のワークが混在する搬送ライン、特に、自動車のエンジンの製造工場におけるシリンダブロックの搬送ラインにおいて、複数の機種を判別する作業をより正確にし、信頼性を向上する。
【解決手段】搬送ライン上のワーク６の機種を識別するワーク識別装置において、ワーク６の所定位置に設けられた識別部と、識別部へ向けて超音波を送信し反射波を受信し、送信から受信までの時間を測定するマスタセンサ１及びスレーブセンサ２と、を備え、マスタセンサ１とスレーブセンサ２により測定された値の差分を用いて機種の判別を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、搬送ライン上のワークを識別する識別装置及び識別方法に関する。より詳細には、仕様の異なる複数種類のワークが搬送ライン上に混合して搬送される際に、仕様（或いは種類）毎にワークを識別するための識別装置及び識別方法に関し、特に非接触で行うものに好適である。

近年、顧客の製品の仕様に対する要望が多角化され、多角化された要望に応えるべく、製品の仕向け地毎に製品の仕様が異なる事例が増加している。それと共に、ユーザーの希望に応えるために、新たな機種が追加され、製品の種類数が益々増加している。

そのため、少品種、多量生産を行ってきた従来の設備を改造して、稼働率を下げることなく、少量、多品種の機種を製造する（多品種少量製造の）必要に迫られている。

多品種の製品を従来の設備（ライン）と混合して製造を行うに際しては、種々の問題が存在するが、その最たる問題は、ライン（例えば組立ライン）を流れる複数種類のワークを誤りなく判定して、製品の種類毎に異なる組立あるいは加工作業を間違いなく実行することである。

例えば、自動車のエンジンの製造工場には鋳物等であるシリンダブロックの搬送ラインがあり、この搬送ラインにはワークとして複数種類のシリンダブロックが混在して流れる場合が多い。このため、かかる搬送ラインの入口若しくは出口においては、シリンダブロックの種類を判別し、その種類毎に仕分ける作業が必要になる。そして、一般に用いられるのは、接触式の変位センサに代えて、搬送ラインを流れる鋳物等に凸部からなるバーコードを形成し、このバーコードに発光源から斜めに光を照射することによりこのバーコードの影を形成すると共に、この影をＴＶカメラで撮影し所定の情報処理を行うことによって前記鋳物等の種類を判別することが知られている。

また、判別対象の鋳物であるシリンダブロックの外周面に凸部からなるバーコードを基準バーにより一体的に鋳込み、凸部の数及び相互間の間隔により機種番号及び金型番号等を表現し、それをＴＶカメラで検出することが行われている。

さらに、一体的に鋳込んだ凸部、つまり基準バーの数を少なくするため、バーの幅と高さとを求めて鋳物等を判別し、バーの高さ又は幅を鋳物等の種類ごとに変えることにより複数種類の鋳物等を判別することが知られ、例えば、特許文献１に記載されている。

また、コンベアに投入される多品種のワークを誤りなく識別するためワーク表面までの距離を光学式計測装置である変位式レーザーセンサにより、ワーク表面の盲孔の有無とその位置を求めることが知られ、例えば、特許文献２に記載されている。

さらに、接触式の変位センサに代えて、外形を非接触で光学的に検査することにより、ワークの位置ずれなどの悪影響を受けることなく高精度に検出することが知られ、例えば、特許文献３に記載されている。
さらに、超音波センサにおいて、超音波の反射量や透過量が対象物の材質によって異なることに起因する誤検出を回避し、安定した検出を可能にするため、超音波を照射したタイミングから、反射波を検出したタイミングまでの時間により距離演算部で対象物までの距離を演算し、演算された距離と超音波送受信部で受信された受信量と、に基づいて、対象物の種別を検出することが知られ、例えば、特許文献４に記載されている。

特開平８−２８７１７５号公報 特開２００８−１１９７８６号公報 特開２００４−２９４０９５号公報 特開２００６−２９２６３４号公報

上記従来技術において、組立あるいは加工の搬送ライン中に接触式でワークの判別を行うものは、ワークの位置ずれ等で高精度な検出が困難であるばかりでなく、衝撃による故障、破壊の恐れがあり、現実的でない。

また、光学式のＴＶカメラ、変位式レーザーセンサを用いるものでは、搬送ラインの置かれている環境の影響を受ける。例えば、自動工具交換機能をもち、目的に合わせてフライス削り、中ぐり、穴あけ、ねじ立てなどの異種の加工を行うマシニングセンタ等の工作機械では加工直前に機種の判別を行う必要があるが、光学式では、微粒子であるオイルミストや粉塵の環境下の場合、その影響により光、レーザが拡散して正確な判別が困難で多機種を判別することが極めて困難であった。

さらに、ほこり、水、油などに強いとされる高周波磁界を利用した渦電流式変位センサを用いた場合は、精度や応答速度が速いが、測定可能距離が数ｍｍ程度と短く、マシニングセンタ等の搬送ラインに用いることは適していない。

さらに、音波を媒体とした超音波式変位センサを用いたものは、測定距離が長いので搬送ラインに用いるには適しているが、単に用いただけでは精度が他方式に比較して低く、測定面の大きさも大きくならざるを得なく、多機種を判別するには、それに連れてワークの測定面を大きくしなければならなかった。
特に、超音波式変位センサにより多機種を判別する場合、ワーク表面で反射した超音波の到達時間を用いて判別するため、機種毎に閾値を定め、到達時間との大小を比較してランクを判別している。

また、特許文献４に記載のものは、閾値として受信量の閾値と距離の閾値を単に、予め設定部で設定して識別するものであり、測定環境によって到達時間にバラツキが生じることを考慮していない。したがって、各閾値を一定値で指定するほか、範囲で設定したとしても、特に温度などの測定環境によっては多機種を判別することが困難である。特に、閾値として、単にバラツキを許容するように範囲で値を設定すると、必要以上にマージンを取った閾値になる。そして、その場合、複数機種の判別の際に判別可能な機種数を少なくしなければならない。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、組み立てあるいは加工の搬送ラインにワークとして複数種類が混在して流れる場合においても、また、オイルミストや粉塵が存在する環境下においても、搬送ラインの入口若しくは出口においてその種類を確実に判別することにある。特に、自動車のエンジンの製造工場におけるシリンダブロックの搬送ラインにおいて、多くの機種を判別し、機種毎に加工を変えて行ったり、機種毎に仕分けたりする作業をより正確にし、信頼性を向上することにある。

上記目的を達成するため、本発明のワーク識別装置は、所定位置に識別部が設けられたワークの機種を識別するワーク識別装置において、前記識別部へ向けて超音波を送信し反射波を受信し、送信から受信までの時間を測定するマスタセンサ及びスレーブセンサ、を備え、前記マスタセンサとスレーブセンサにより測定された値の差分を用いて前記機種の判別を行うことを特徴とする。

マスタセンサ及びスレーブセンサにてそれぞれ測定された値の差分を用いて機種判別を行うので、センサからワークの識別部までの距離の測定における気温、オイルミスト、粉塵などの影響を相殺することができる。したがって、シリンダブロックの製造ラインのような環境でも、加工の障害にならない十分な動作距離とした上で、多くの機種を正確に判別できる。

また、上記のものにおいて、前記マスタセンサ及び前記スレーブセンサは、前記識別部に対向する位置に配置され、前記マスタセンサに対向する識別部の面と前記スレーブセンサに対向する識別部の面との段差を検出することにより前記機種の判別を行うことが望ましい。

これにより、識別部を段差とすることにより、測定範囲を明確にすることができ、より多くの機種判別が可能となる。
さらに、上記のものにおいて、前記超音波の送信は、前記マスタセンサと前記スレーブセンサとで交互に行われることが望ましい。
マスタセンサとスレーブセンサとで互いに超音波が干渉することを避けることができる。

さらに、上記のものにおいて、前記超音波の発振周波数を２００〜４００ｋＨｚとしたことが望ましい。
これにより、超音波のビームサイズを小さくし、識別部の面積を低減できる。

さらに、上記のものにおいて、前記マスタセンサで超音波を送信する基準時間となるクロック信号を生成し、前記クロック信号に同期して前記スレーブセンサで超音波を送信することが望ましい。
測定を多数回繰り返しても、超音波の送信タイミングがずれることなく、長時間にわたって干渉を避けることができる。

さらに、上記のものにおいて、前記マスタセンサ及び前記スレーブセンサから前記識別部までの距離を１５０〜２００ｍｍとしたことが望ましい。
シリンダブロックの製造ラインにおいて、センサを近接する必要がないので、ワークを停止させる位置制御も容易となり、センサ位置も加工の障害にならない。

さらに、上記のものにおいて、前記ワークはシリンダブロックであり、前記搬送ラインは前記シリンダブロックの加工に用いられることが望ましい。
シリンダブロックの製造工程において、環境、精度、測定面積などの点で適したものとすることができる。

さらに、上記のものにおいて、前記ワークの機種ごとに所定量変えられた前記段差を測定することによりワークの機種を識別することが望ましい。
これにより、機種判別の数を多くすることができる。

本発明によれば、マスタセンサ及びスレーブセンサにてワークの所定位置に設けられた識別部へ向けて超音波を送信して、送信から反射波を受信するまでの時間を測定し、測定された値の差分を用いて前記機種の判別を行うので、気温、オイルミスト、粉塵などの影響を受けずに、ワークの種類を確実に判別することができる。特に、自動車のエンジンの製造工場におけるシリンダブロックの搬送ラインにおいて、複数の機種を正確に判別し、信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係わるワーク識別装置を工作機械等に適用した場合を示す構成図 一実施形態における判別処理を示すブロック図 一実施形態におけるワークの識別形状と処理を示す説明図 一実施形態におけるワーク番号の割当て（マスタリング）を示す説明図 一実施形態におけるワーク番号の判別を示す説明図 超音波式変位センサのビームスポット径と発振周波数及び距離の関係を示すグラフ 超音波式変位センサのエネルギ密度と発振周波数及び距離の関係を示すグラフ 一実施形態における超音波式変位センサのビームスポット径と発振周波数及び距離の関係を示すグラフ 従来の超音波式変位センサにおける出力値対時間を示すグラフ 一実施形態における超音波式変位センサにおける出力値対時間を示すグラフ 一実施形態における超音波式変位センサにおける気温変化に対する判別効果の説明図 一実施形態における超音波式変位センサにおける測定間隔を示す説明図 一実施形態における閾値の設定方法を示すフローチャート 一実施形態における各ワーク番号に対する閾値の割当て状態を示すグラフ

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

自動車の生産には、自動車に対する消費者のニーズの多様化に応えるため、多機種少量生産が望まれている。このような多機種少量生産の下では、生産効率、ラインの全長、付帯設備にかかるコスト、およびラインの稼働率などの観点から、機種ごとの専用ラインで製品を組み立てるよりも、多機種に対応できる多機種混合ラインで製品を組み立てる方が好ましい。しかしながら、製品の組み立てに要求される作業の種類、製品を完成させるまでに要求される作業の工数、並びに各作業に要する時間などは、機種により大きく異なる。

図１は、本発明の一実施形態に係るワーク識別装置を工作機械であるマシニングセンタに適用した構成図を示す。６はワークであり、複数のピストンが収まり、下部のクランクケース部分にはクランクシャフトが取り付けられるシリンダブロックである。

シリンダブロックは一般的には鋳鉄、あるいはアルミニウム合金の鋳造品が用いられ、搬送ラインには、多品種のワーク６が混在して投入される。自動車のエンジンの製造工場にはシリンダブロックの搬送ラインがあり、この搬送ラインにはワークとして複数種類のシリンダブロックが混在して流れる場合が多い。このため、かかる搬送ラインの入口若しくは出口においては、シリンダブロックの種類となる機種を判別する必要がある。

また、マシニングセンタは、工作物（ワーク）の取り付けを変えずに、フライス・穴あけ・中ぐり・ねじ立てなど種々の加工を行う数値制御工作機械であり、図１で例えば、５は穴あけ加工を行う工作機械である。さらに、工具マガジンには多数の切削工具を格納し、コンピュータ数値制御の指令によって自動的に加工を行い、工具自動交換装置を有している。さらに、工作テーブルを高速で回転させ、主軸にバイトを取り付けて旋削ができるものや、フライス工具の代わりに研削砥石を使えたり、寸法計測用のプローブを搭載したりしたものが知られている。加工を主目的としているため、したがって、マシニングセンタの設置された環境は、微粒子であるオイルミスト、粉塵が存在し、その中でシリンダブロックのような鋳物を判別するには超音波式変位センサを用いることが望ましい。

ワーク６であるシリンダブロックは、搬送ラインに載置され、矢印Ａ方向に送られて停止する。１及び２は超音波式変位センサであり、１がマスタセンサ、２がスレーブセンサであり、ワーク６が停止した位置でワーク６の所定位置に設けられた識別部へ向けて超音波を送信し反射波を受信して機種の判別を行う。

３は、マスタセンサ１、スレーブセンサ２による測定や判別を行うセンサユニットであり、工作機械コントローラ４から測定開始の指示を受信し、判別結果を送信する。工作機械コントローラ４は、判別結果を受信した後、ワーク６を破線で示す加工可能な位置への移動を指示する。そして、センサユニット３から受信した判別結果、つまり機種に依存する加工の指示を工作機械５へ行う。加工の指示は、例えば、穴あけ加工における仕様としては穴の大きさ、位置などであり、加工条件としては回転速度などである。

ここで、超音波は集束性、指向性に優れ、空気の疎密波であるため、光学式に比べ空気中にある微粒子による散乱の影響が小さく、工作機械５が設置されたオイルミスト、粉塵の環境下でも安定した測定が可能となる。また、超音波を用いれば、測定対象物（ワーク６）として、金属、木材、ガラス、ゴムなどをはじめ、粉体、液体まであらゆる材質の測定を非接触で、しかもワーク６から数百ｍｍもの長距離離れて行うことができる。

超音波式変位センサは、送波器により超音波を対象物に向け発信し、その反射波を受波器で受信することにより、対象物の有無や対象物までの距離を検出する。超音波の発信・受信には超音波素子が用いられ、超音波素子は電気エネルギを印加して超音波を発生、または超音波振動エネルギを電気信号に変換する素子で、通常超音波センサには圧電現象を利用したチタン酸バリウム振動子を用いることができる。

圧電素子は交流電圧を加えると素子が振動し、固有の振動数を持ち、その周波数と同じ周波数の交流電圧を加える事で効率良く振動する。一般的に４０ｋＨｚのものが多く使用され、長い距離を測定するには低い周波数、短い距離を正確に測るには高い周波数のものが使われている。

また、超音波式変位センサは、金属、木材、ガラス、ゴムなどをはじめ、粉体、液体まであらゆる材質の測定ができ、非接触なので粘度の影響や腐食の問題もない。長距離検出が可能で搬送ラインにおける移動物の妨げにならない、悪環境下のレベル測定が安定してできる、等の特徴を持っている。

さらに、超音波式変位センサは測長を音波の送信から受信までの時間を測定することで行う。したがって、超音波式変位センサは被測定物の表面粗さが大きくても強度が変化しても到達時間に変化がないので、光学式のように表面粗さの影響を受けることが無く、安定した測定が可能となる。特に、ワーク６を鋳物であるシリンダブロックとした場合、この長所を生かすことができ、さらにはシリンダブロックが熱を持った状態でも影響を受けることがない。

また、空気中の音速は気温によって変化し、超音波式変位センサの測定結果は大気変化の影響を受ける。そこで、マスタセンサ１、スレーブセンサ２のそれぞれを送信から受信までの時間を測定する超音波式変位センサとし、センサユニット３は一組のマスタセンサ１、スレーブセンサ２による測定値の差分を用いた判別を行う。

マスタセンサ１及びスレーブセンサ２にてそれぞれ測定された値の差分を用いて機種判別を行うので、マスタセンサ１及びスレーブセンサ２からワーク６の識別部までの距離における気温、オイルミスト、粉塵などの影響を相殺することができる。したがって、シリンダブロックの製造ラインのような環境でも、加工の障害にならない十分な動作距離とした上で、多くの機種を正確に判別できる。

図２は、判別処理を示すブロック図であり、マスタセンサ１、スレーブセンサ２は、それぞれワーク６までの距離を測定できる構成となっている。図３は、ワーク６の測定面となる識別部の形状を示している。識別部の形状はワーク６と一体となっており、マスタセンサ１に対向する面とスレーブセンサ２に対向する面とで段差が設けられ、その凹凸は数ｍｍである。

測定においては、ワーク６の停止位置で測定面が図３のようにマスタセンサ１及びスレーブセンサ２に対向する必要があり、測定面の大きさは、停止位置精度、超音波式変位センサとしてのビームサイズにより決定される。ただし、シリンダブロックは鋳物であり、より小さな測定面積にすることが要求される。識別部を段差とすることにより、測定範囲を明確にしてより多くの機種判別が可能となる。

また、マスタセンサ１、スレーブセンサ２の測定値の差分を採ることでセンサとワーク６間の測長の行程を打ち消し、凹凸のみの測定に限定する。また、単に超音波センサを二つ並べて使用すると、互いに音波が干渉し合い、測定誤差となるが、マスタセンサ１、スレーブセンサ２は干渉を避けるように交互に超音波の発振を行う。したがって、マスタセンサ１とスレーブセンサ２とで互いに超音波が干渉することを避けることができる。

図２に示すように、マスタセンサ１、スレーブセンサ２は同様の構成であり、それぞれ超音波素子３１、３２を有しており、ＣＰＵ３３、３４により切り替えられて送信、受信を行う。メモリ３５、３６は、測定データの一時的な保存を行い、ＣＰＵ３３、３４により保存、読み出しがコントロールされる。マスタセンサ１、スレーブセンサ２は互いに結線され、マスタセンサ１の生成するクロック信号に同期してスレーブセンサ２の超音波素子３２の発振が行われる。スレーブセンサ２の測定データはマスタセンサ１のＣＰＵ３３に伝達される。これにより、測定を多数回繰り返しても、超音波の送信タイミングがずれることなく、長時間にわたって干渉を避けることができる。

図２に示した構成は、一例で有り、同様の機能を発揮する構成であれば、どのような構成を採用することもできる。例えば、ＣＰＵ３３，３４の２つのＣＰＵを用いている構成ではなく、一つのＣＰＵでマスタセンサ１とマスタセンサ２を制御する構成を採用することもできるし、一つのメモリでマスタセンサ１とマスタセンサ２を動作させる構成を採用しても良い。

マスタセンサ１のＣＰＵ３３は、工作機械コントローラ４へ接続され、工作機械コントローラ４によって測定の開始が指示され、判別結果はＣＰＵ３３から工作機械コントローラ４へ伝達される。工作機械コントローラ４は、判別結果を受信した後、ワーク６の移動、停止を行い、判別結果に従った加工の指示を工作機械５へ行う。

マスタセンサ１、スレーブセンサ２は干渉を避けるため、マスタセンサ１で超音波を送信する基準時間となるクロック信号を生成し、生成されたマスタセンサ１側のクロック信号に同期してスレーブセンサ２で超音波を送信するように、マスタセンサ１とスレーブセンサ２とで交互に発振を行い、発振・送信間隔はワーク６からの反射波による残響が無くなるのに十分な時間に設定する。反射波による残響はマスタセンサ１、スレーブセンサ２とワーク６間の動作距離に依存するため、発信（送信）間隔の設定により動作距離を決定する。

測定の開始は、まずマスタセンサ１の超音波素子３１から超音波が発信され、次いでスレーブセンサ２の超音波素子３２から超音波が発信されることで行われる。これを１セットとして、所定のセット数を繰り返した後、発信を停止する。ワーク６の測定面となる識別形状は、図３に示すように表面に設けられた凹凸のパターン形状となっている。図３の例ではマスタセンサ１からワーク６までの距離が動作距離として２００ｍｍ、スレーブセンサ２からワーク６までの距離が１９７ｍｍとなり、スレーブセンサ２側が３ｍｍ超音波変位センサ側に向かって凸の段差となっている。

段差の値は、動作距離の１/４０から１/２００程度が測定誤差等の点から望ましい。これにより、判別すべき機種の数が多い場合でも、センサの分解能を確保することができる。マスタセンサ１の超音波素子３１から超音波を発信させ、ワーク６の凹部からの反射波がマスタセンサ１へ到達するまでの時間を測定データとしてカウントし、メモリ３５に記憶する。次に、相互干渉しないようにタイミングをずらしてスレーブセンサ２の超音波素子３２から超音波を発信させて、反射波がスレーブセンサ２へ戻るまでの時間をカウントし、メモリ３６に記憶する。

発信停止後、スレーブセンサ２は、マスタセンサ１に対して記憶された測定データを出力する。マスタセンサ１は、メモリ３５に記憶された自らの測定データとスレーブセンサ２から出力された測定データとの差分を計算する。そして、測定面のパターンとしてスレーブセンサ２側が３ｍｍ凸であることがマスタセンサ１のＣＰＵ３３で判別される。

図４は、ワーク番号の割当てや、判別の基準となる閾値をメモリ３５に記憶させるモード（マスタリングモード）を説明する説明図である。実際に測定対象となる搬送ラインに載置されたシリンダブロックに対して、別途、基準となるマスターワーク１１を必要とされる種類だけ用意し、マスタセンサ１及びスレーブセンサ２にセットする。測定部は、ワーク番号１に対応するマスターワーク１１を実際に測定対象となるワークの搬送ラインに載置してマスターワーク１１に対して測定を行う。読み取ったマスタセンサ１とスレーブセンサ２との差分値を記憶し、ワーク番号１と対応させて判別の基準となる判別用データテーブル１２へ図示のようにワーク番号１として登録する。判別用データテーブル１２は、マスタセンサ１のメモリ３５にテーブル構造として保存しておく。

また、測定環境によって到達時間にバラツキが生じるので、測定部は各ワーク番号に対応するマスターワーク１１に対して複数回の測定を行う。得られたデータ群の統計量から閾値に所定の範囲を持たせて設定することが判別機種数を多くする上で望ましい。

図５は、ワーク番号の判別を示し、搬送ラインに載置されたシリンダブロック（ワーク６）を測定し識別する判別モードを説明する説明図である。ワーク６を既に説明したように測定し、測定されたマスタセンサ１とスレーブセンサ２との差分値と判別用データテーブル１２とを比較して一致したワーク番号を求める。ワーク番号１と一致した場合、工作機械コントローラ４へワーク番号が１であることを出力する。工作機械コントローラ４は、ワーク番号１に応じた加工指示等を実行する。

ワーク６の測定面となる識別形状はスレーブセンサ２側がマスタセンサ１側に対して３ｍｍ超音波変位センサ側に向かって凸となっているが、この段差３ｍｍを所定量毎に、例えば、ワーク番号ごとに１ｍｍずつ４段階としてそれぞれワーク番号を割り当てる。

シリンダブロックは、鋳型というものに金属を流し込んで作られる鋳物なので、金属の切削加工品で求められるような０．１ｍｍや０．０１ｍｍといった精度を出すことはできないこと、型から取り出された金属はざらざらしていて凹凸があることより、段差を段階付ける所定量は、０．７〜１．４ｍｍ、望ましくは１ｍｍ程度が良い。これにより、機種判別の数が多くなってもシリンダブロックの製造が容易となる。

段差３ｍｍをワーク番号１、４ｍｍをワーク番号２、２ｍｍをワーク番号３、１ｍｍをワーク番号４のようにスレーブセンサ２側が凸のパターンに対して４種類の識別が可能となる。このとき、段差の大きさの順にワーク番号を割り当てるのでなく、数の多い機種のワーク番号を設定した段差の中心値に近くすることが望ましい。つまり、ワーク番号１の機種が多い場合、それを段差の中心値に近い（５段階とした場合は中心値である）３ｍｍに割り当てるのが良い。
その理由は、小さな段差を区別するよりもおおきな段差を区別する方が信頼性が高いからである。例えば、段差として５ｍｍと４ｍｍを識別するよりも３ｍｍと５ｍｍを識別する方が信頼性が高くなる。よって、数の多い機種を段差の中心値、例えば３ｍｍに割り当て、例外的な機種を５ｍｍに割り当てることで例外判定を容易に行うことができる。

また、別のパターンとして、マスターワーク１１に凹凸を逆、マスタセンサ１側がスレーブセンサ２側に対して凸として、段差を同様に変えたものを用意する。これにより、４×４＝１６種類の機種判別を行うことができる。これにより、マスタセンサ１と工作機械コントローラ４との入出力系統を４ビット（４ビットで２^４＝１６種類対応可能）と少なくすることができる。もちろん、機種判別の数を多くするため、段差の分割数をより多くしても良いし、段差の無いパターンを設けても良い。

図１３は、閾値の設定方法を示すフローチャートであり、測定部は各ワーク番号に対応するマスターワーク１１に対して複数回の測定を行う。演算部は、機種の識別を行うための閾値を求める。閾値は範囲を持って設定される。まず、判別の基準となるマスターワーク１１を機種判別の実行環境下で、例えば、シリンダブロックの搬送ラインの稼働開始時に設置する（Ｓ１）。次に、ワーク番号１に対応する一つのマスターワーク１１に対して時間Ｄの測定を所定時間毎に複数回、例えば３２回繰り返し（Ｓ２）、時間Ｄ１〜Ｄ３２のデータ群としてメモリ３５へ保存する（Ｓ３）。

演算部は得られたデータ群の時間Ｄ１〜Ｄ３２から平均値Ｄａと標準偏差σを求める（Ｓ４）。ワーク番号１に対する閾値は、平均値Ｄａを中心として±３σ、つまりＤａ±３σとして判別用データテーブル１２に設定する（Ｓ５）。搬送ラインに載置されたワーク６に対して、マスタセンサ１、スレーブセンサ２により識別部へ向けて超音波を送信し反射波を受信し、識別判定部は、それぞれの測定値の差分が判別用データテーブル１２に設定された閾値の範囲に入れば、そのワーク６はワーク番号１であると判定する。ワーク６がワーク番号１と分かれば、工作機械コントローラ４へワーク番号が１であることを出力する。工作機械コントローラ４は、ワーク番号１に応じた加工指示等を実行する。

図１４は、各ワーク番号に対する閾値の割当て状態を示すグラフであり、例としてワーク番号１からワーク番号６までを段差１ｍｍとして割り当てている。各ワーク番号に対して段差の異なるマスターワーク１１を６個用意し、図１３に従って、それぞれデータ群、平均値Ｄａ、標準偏差σを求め、閾値が各ワーク番号の黒丸で示した平均値を中心として、縦線で示した範囲に設定される。シリンダブロックのような鋳物であれば、段差を０．７〜１．４ｍｍ、望ましくは１ｍｍ程度とすれば、各設定値は重ならないように決めることが十分できることを示している。

以上のような閾値の決定によれば、閾値を単に、数値だけではなく、マスターワーク１１を用い、実際の測定環境下であるワーク６の搬送ラインの稼働開始時に測定した値に基づいて決定している点、測定環境での測定値のバラツキ、統計誤差を考慮している点、などにより、必要以上にマージンを取った閾値とならず、多くの機種数に対応でき、信頼性も高めることができる。

また、データ群の平均値を中心にすることで説明したが、最頻値を閾値の中心としても良い。さらに、標準偏差σを求めて平均値Ｄａ±３σとして判別用データテーブル１２に設定したが、±３σではなく、±σ、±２σとしてもデータ群の数値分布状況によっては可能である。さらに、各マスターワーク１１による複数回の測定値、あるいはワーク６の識別判定時の測定値を数多く学習し、その結果を経験値とし、経験値より閾値及び範囲を決定することも効果的である。

通常、超音波は、測定値が気温により影響を受けるだけでなく、被測定物であるワーク６に対してビームサイズが広がりを持つ傾向がある。これにより、測定面積を大きくせざるを得なく、シリンダブロックの場合は鋳物の表面形状、アラサにより影響が大きく、実用が困難となる。また、超音波を一定方向に集束発射、または受波するための反射器である超音波ホーンを設けてビームサイズを小さくすることができるが、被測定物から直進した音波しか受信ができなくなる。そこで、超音波は振動数の高さに比例して直進性が増し、ビームサイズを小さくできることを利用することが望ましい。

また、周波数が同じで振動子寸法が異なった場合、振動子寸法が大きい場合は指向性が鋭くなり、近距離ではビーム幅が大きいが、遠距離で超音波ビームはあまり広がらない。一方、振動子寸法が小さいと指向性が鈍くなり、近距離でビーム幅が小さいが、遠距離でビームの拡がりが大きくなり距離によるエコー高さの低下が著しくなる。

図６は、超音波式変位センサのビームサイズと発振周波数及び距離の関係を示し、一点鎖線が４０ｋＨｚ、破線が１００ｋＨｚ、実線が３００ｋＨｚである。一方、図７は、超音波式変位センサのエネルギ密度と発振周波数及び距離の関係を示し、出力強度に関連するエネルギ密度は、図に示されるように発振周波数が高いほど減衰する。図６と同様に一点鎖線が４０ｋＨｚ、破線が１００ｋＨｚ、実線が３００ｋＨｚである。

図８は、発振周波数を４０ｋＨｚ、３００ｋＨｚとした場合のビームサイズの実測値を示し、３００ｋＨｚにすればワーク６（シリンダブロック）からマスタセンサ１までの動作距離２００ｍｍで適切な測定面積に対応した２０ｍｍとすることができる。なお、発振周波数を２００〜４００ｋＨｚ、動作距離を１５０〜２５０ｍｍ、ビームサイズをシリンダブロックに対する実用的な値である１５〜２５ｍｍとすることができる。また、マスタセンサ１及びスレーブセンサ２から識別部までの距離を１５０〜２００ｍｍとしたことにより、シリンダブロックの製造ラインにおいて、センサを近接する必要がないので、ワーク６を停止させる位置制御も容易となり、センサ位置もワーク６加工の障害にならない。

また、シリンダブロックは鋳物なので測定面の凹凸は１ｍｍ程度の段差を製作することが限度である。それに対して、従来の超音波変位センサのように発振周波数を４０ｋＨｚ、ビームサイズ６０〜８０ｍｍ程度では分解能として１ｍｍ程度であり、１ｍｍの段差の測定が不可能である。

発振周波数を２００〜４００ｋＨｚ、動作距離を１５０〜２５０ｍｍとすれば分解能を０．１ｍｍ程度まで向上させることができ、鋳物で段差を付けられる限度１ｍｍの識別が鋳物の表面粗さの影響を考慮しても十分可能となる。超音波の発振周波数を２００〜４００ｋＨｚとしたことにより、超音波のビームサイズを小さくし、識別部の面積を低減できる。また、送信される超音波の識別部でのビームサイズを１５〜２０ｍｍとしたことにより、シリンダブロックのように、鋳物で複雑な形状をしたものでも識別部の製作が障害とならない。ただし、超音波素子３１、３２にその共振周波数に近い電気信号をパルス的に印加すると、電気信号がなくなってからも、超音波振動が機械的に短時間持続する現象が生じ、反射形であるのでこの現象が長く続くと検出が困難となる。

図９は、従来のように発振周波数を４０ｋＨｚ程度とした場合の発振から受信までの出力電圧の時間変化を示す。図９の図面視一番右側のグラフの山は、多重反射した超音波を検出したものである。このように、周波数が低い超音波は、送信後の減衰量が小さいため、多重反射を起こしやすく、従来の超音波距離測定器ではこの多重反射を誤って検出するおそれがあった。それに対して、発振周波数を２００〜４００ｋＨｚとした場合は、超音波の減衰が大きいため、図１０の図面視一番右側のグラフの山（反射波を検出したもの）のように反射波も大きく減衰し、多重反射による影響を小さくすることができ、測定のバラツキを小さくできる。

図１１は、マスタセンサ１、スレーブセンサ２を１セットとして用いた場合の気温に対する判別効果を示す。気温が１０℃上昇した場合、音速が上昇するので気温１０℃上昇の補正を行わない場合は、２００ｍｍの距離は１９６．５ｍｍと測定されるが、差分を測定し、計算するのでこの影響は無視できる位小さくすることができる。実際には１ｍｍの段差の気温１０℃上昇の変化は０．０１７ｍｍ程度である。

図１２は、マスタセンサ１、スレーブセンサ２を１セットとして用いた場合のそれぞれ超音波を発振するタイミングを示す。二つの超音波が干渉しない十分な時間、動作距離２００ｍｍを往復する時間より大きく、同時に発信がされない時間だけマスタセンサ１の発振に対してスレーブセンサ２の発振を遅らせる。また、二つのタイミングがずれていかないように共通クロックで同期させるためＣＰＵ３３、３４で相互にコントロールする。また、測定値のバラツキを小さくするため、一度の識別で測定回数を３２〜６４回繰り返すことが望ましい。また、メディアンフィルタのように繰り返した測定値の中央値を算出して突出して異なる値を除外して安定化することが望ましい。

なお上記実施の形態では、判別対象を鋳物としたが、判別対象は凹凸を形成し得るものであれば特別な制限はない。例えばワーク６にプラスチック成形品を一体に形成することでも可能である。

１ マスタセンサ
２ スレーブセンサ
３ センサユニット
４ 工作機械コントローラ
５ 工作機械
６ ワーク
１１ マスターワーク
１２ 判別用データテーブル
３１、３２ 超音波素子
３３、３４ ＣＰＵ
３５、３６ メモリ

Claims (10)

1. 搬送ライン上にある、所定位置に識別部が設けられたワークの機種を識別するワーク識別装置において、
   前記識別部へ向けて超音波を送信し反射波を受信し、送信から受信までの時間を測定するマスタセンサ及びスレーブセンサ、を備え、
   前記マスタセンサと前記スレーブセンサにより測定された値の差分を用いて前記機種の判別を行うことを特徴とするワーク識別装置。
2. 前記マスタセンサ及び前記スレーブセンサは、前記識別部に対向する位置に配置され、
   前記マスタセンサに対向する識別部の面と前記スレーブセンサに対向する識別部の面との段差を検出することにより前記機種の判別を行うことを特徴とする請求項１に記載のワーク識別装置。
3. 前記超音波の送信は、前記マスタセンサと前記スレーブセンサとで交互に行われることを特徴とする請求項１又は２に記載のワーク識別装置。
4. 前記超音波の発振周波数を２００〜４００ｋＨｚとしたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のワーク識別装置。
5. 前記マスタセンサで超音波を送信する基準時間となるクロック信号を生成し、前記クロック信号に同期して前記スレーブセンサで超音波を送信することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のワーク識別装置。
6. 前記マスタセンサ及び前記スレーブセンサから前記識別部までの距離を１５０〜２００ｍｍとしたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のワーク識別装置。
7. 前記ワークはシリンダブロックであり、前記搬送ラインは前記シリンダブロックの加工に用いられることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のワーク識別装置。
8. 前記ワークの機種ごとに所定量変えられた前記段差を測定することによりワークの機種を識別することを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載のワーク識別装置。
9. 搬送ライン上のワークの機種を識別するワーク識別方法であって、
   前記ワークの所定位置に識別部を設け、マスタセンサ及びスレーブセンサにより、前記識別部へ向けて超音波を送信し反射波を受信して送信から受信までの時間を測定し、前記マスタセンサと前記スレーブセンサにより測定された値の差分を用いて前記機種の判別を行うことを特徴とするワーク識別方法。
10. 前記超音波の送信は、前記マスタセンサと前記スレーブセンサとで交互に行われることを特徴とする請求項９に記載のワーク識別方法。