JP2020001136A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 工作機械から出力されたワールド座標取得パルスに載ったジッタが無視できない場合であっても、精度の高い被測定物の測定値をリアルタイムで取得することができる測定装置を提供する。【解決手段】 工作機に取り付けられたセンサを用いて工作機上の被測定物を測定する方法であって、取り付けられたセンサのオフセット量を取得する工程を所定の時機に複数回行い、複数回の工程で取得されたオフセット量に基づいて測定結果を補正する測定方法を提供する。【選択図】 図１

Description

本発明は、被測定物を測定する装置、特に、工作機上の被測定物を測定する測定装置に関する。

工作機上の被測定物を測定する測定装置では、工作機械の移動部（例えば、主軸）にセンサを取り付けて、被測定物を測定することができる。この場合、センサにより取得された測定値であるローカル座標を、ワールド座標に変換する必要がある。特に、被測定物をリアルタイムで測定するには、センサがローカル座標を取得するタイミングにおける移動部のワールド座標をリアルタイムで取得する必要がある。
これに対処するため、センサがローカル座標を取得するタイミングを、移動部のワールド座標を取得するタイミングに一致させるように制御する測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１９４６６０号

特許文献１に記載の測定装置では、遅延回路を用いて、センサにローカル座標取得を指示する信号の出力時期をずらして、移動部のワールド座標取得タイミングに一致させるように制御する。更に詳細に述べれば、移動部の移動の制御を行うＮＣ装置が、一定のインターバルで移動部のワールド座標を取得し、このワールド座標取得に対応して、測定装置にワールド座標取得パルスを出力する。測定装置では、センサによるローカル座標取得のタイミングを、ＮＣ装置から受信したワールド座標取得パルスに同期させるように制御する。

しかし、ＮＣ装置から出力されるワールド座標取得パルスには、ジッタが載る可能性があるので、ワールド座標取得パルスの出力タイミングは、実際のワールド座標取得タイミングに対してばらつきが生じる。このため、無視できない程度のジッタが載る場合には、精度の高い被測定物の測定値をリアルタイムで取得することは困難になる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、工作機械から出力されたワールド座標取得パルスに載ったジッタが無視できない場合であっても、精度の高い被測定物の測定値をリアルタイムで取得することができる測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の１つの実施態様に係る測定装置は、
工作機械の移動部に取り付けられたセンサを用いて前記工作機上の被測定物の測定を行う測定装置であって、
測定開始前の所定期間において前記工作機械から得たワールド座標取得パルスに基づいて、仮想ワールド座標取得タイミングを定め、
測定開始後、前記センサによる測定値を、該測定値の取得タイミングと前記仮想ワールド座標取得タイミングとの間の補間計算により補正して、前記被測定物のワールド座標を取得する。

上記の実施態様によれば、工作機械から出力されたワールド座標取得パルスに載ったジッタが無視できない場合であっても、精度の高い被測定物の測定値をリアルタイムで取得することができる測定装置を提供することができる。

本発明の１つの実施形態に係る測定装置の構成を模式的に示す図である。 ＮＣ装置から出力されるワールド座標取得パルスに基づいて仮想ワールド座標を形成する一例を示すタイムチャートである。 センサによる測定値の取得タイミングと仮想ワールド座標取得タイミングとの間の補間計算の一例を示すタイムチャートである。 センサによる測定値の取得タイミングと仮想ワールド座標取得タイミングとの間の補間計算の一例を示す測定装置の模式図である。 センサによる測定値の取得タイミングと仮想ワールド座標取得タイミングとの間の補間計算の一例を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。

後述の実施形態や実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、各実施形態、実施例ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。

（１つの実施形態に係る測定装置）
始めに、図１を参照しながら、本発明に係る測定装置の概要を説明する。図１は、本発明の１つの実施形態に係る測定装置の構成を模式的に示す図である。図１では、工作機械の所定の水平な方向をＸ軸で示し、垂直な方向をＺ軸で示す。

本実施形態に係る測定装置２は、工作機械の移動部１０に取り付けられたセンサ４を用いて工作機上の被測定物Ｗの測定を行う。測定装置２は、センサ４と、センサ４と電気的に接続された測定のための制御を行う制御部６とを備える。制御部６は独立した測定装置２の制御装置として存在する場合も、工作機械の制御装置を用いる場合もあり得る。

工作機械の移動部１０は、ＮＣ装置２０により制御されて移動を行う。更に詳細に述べれば、ＮＣ装置２０は、移動部１０を備える工作機械の制御装置に接続された制御装置であるが、ここでは簡単のため、移動部１０の制御を行う工作機械の制御装置として記載摺する。

図１では、工作機械のテーブル３０の上に、被測定物Ｗが載置されている場合を示す。被測定物Ｗの上方（Ｚ軸方向）に、Ｘ軸方向に移動可能な（白抜き矢印参照）移動部１０が配置され、移動部１０の下部に被測定物Ｗを測定するセンサ４が取り付けられている。センサ４が取り付けられた移動部１０をＸ軸方向に移動させることにより、被測定物Ｗの表面の測定が行われる。

例えば、移動部１０が工作機械の工具主軸であれば、工具ホルダを介してセンサ４を移動部（工具主軸）１０に取り付けることができる。センサ４として、例えば、レーザ光を被測定物Ｗに向けてＺ軸方向に出射し、被測定物Ｗからの反射光を受光部で受けるようなセンサが考えられる。これにより、センサ４の受光部及び被測定物Ｗの表面（反射面）の間の距離を測定することができる。センサ４としては、レーザ式の距離センサに限られるものではなく、光学切断式センサ、位相シフト式センサ、画像センサをはじめとするその他の任意のセンサを用いることができる。

（被測定物のワールド座標を取得方法）
センサ４による測定値は、センサを基準とした相対的な座標であるローカル座標である。よって、取得した被測定物Ｗのローカル座標を、センサ４が取り付けられた工作機械が存在する空間の絶対的な座標であるワールド座標に変換する必要がある。特に、被測定物をリアルタイムで測定するには、測定装置２において、センサ４がローカル座標を取得するタイミングにおける移動部１０のワールド座標をリアルタイムで取得する必要がある。

ＮＣ装置２０は、移動部１０の移動を制御するため、一定のインターバルで移動部１０のワールド座標を取得する。そして、移動部１０のワールド座標取得に対応して、ＮＣ装置２０から測定装置２の制御部６へワールド座標取得パルスを出力するようになっている。しかし、NC装置２０が出力するワールド座標取得パルスには、ジッタ（Jitter）が載る可能性がある。ここでジッタとは、信号波形の時間軸方向に発生する非常に時間的に短い変動（揺らぎ）成分のことを意味する。
ジッタにより、実際のワールド座標取得タイミングに対して、ワールド座標取得パルスの出力タイミングはばらついた不正確なものになる。よって、工作機械（詳細にはＮＣ装置２０）からワールド座標取得パルスを受信したタイミングを、移動部１０のワールド座標を取得したタイミングと仮定した場合には、ばらつきのある不正確なものとなる。

そこで、本実施形態に係る測定装置２では、測定開始前の所定期間において工作機械（詳細にはＮＣ装置２０）から得たワールド座標取得パルスに基づいて、仮想ワールド座標取得タイミングを定める。そして、測定開始後、センサ４による測定値を、測定値の取得タイミングと仮想ワールド座標取得タイミングとの間の補間計算により補正して、被測定物Ｗのワールド座標を取得する制御を行う。以下の、図面を参照しながら、そのことを詳細に説明する。

＜仮想ワールド座標取得タイミング＞
始めに図２を参照しながら、工作機械（詳細にはＮＣ装置２０）から出力されるワールド座標取得パルスに基づいて仮想ワールド座標を形成するやり方の一例について説明する。図２は、ＮＣ装置２０から出力されるワールド座標取得パルスに基づいて仮想ワールド取得タイミングを形成する一例を示すタイムチャートである。

図２において、一番上のＡに示すチャートは、ＮＣ装置２０により、一定の時間間隔ｔ_Ａで実施される移動部１０のワールド座標取得タイミングをパルス状に示したものである。時間間隔ｔ_Ａの一例として、４ミリ秒を例示することができる。ただし、これに限定されるものではく、用途に応じてその他の任意の時間間隔を設定することができる。

図２の上から２番目のＢに示すチャートは、ワールド座標取得タイミングに基づいて、ＮＣ装置２０が出力するワールド座標取得パルスを示す。このワールド座標取得パルスは、測定装置２の制御部６へ送信される。このワールド座標取得パルスには、大きなジッタが載る可能性がある。よって、実際のワールド座標取得タイミングに対して、ワールド座標取得パルスの出力タイミングはばらついた不正確なものになる。特に、ＮＣ装置２０が、ソフトウエアによるタイマを用いて、ワールド座標取得パルスを出力する場合には、パルスに載るジッタが大きくなる傾向にある。

そこで、本実施形態では、測定開始前に、ワールド座標取得パルスを所定期間、継続して取得する。そして、例えば、取得したばらつきのあるワールド座標取得パルスの出力時間間隔の平均値を求めることにより、仮想ワールド取得タイミングにおける一定の時間間隔ｔ_Ｃを定める。ワールド座標取得パルスを取得する所定の期間として、十分な期間を取ることにより、時間間隔ｔ_Ｃは、実際の移動部１０のワールド座標取得タイミングの時間間隔ｔ_Ａに近いものとなる。

例えば、所定の期間として、１００個以上のワールド座標取得パルスを取得するだけの期間を取れば、実用上、実際の移動部１０のワールド座標取得タイミングの時間間隔ｔ_Ａに十分に近似した時間間隔ｔ_Ｃが得られる。

そのようにして得られた仮想ワールド座標取得タイミングを、図２の上から３番目のＣのチャートに示す。ばらつきのあるワールド座標取得パルスの出力タイミングに対して、ばらつきの平均となるタイミングを仮想ワールド座標取得タイミングとすることにより、実際の移動部１０のワールド座標取得タイミングに近似したタイミングが得られる。

図２のＣに示す仮想ワールド座標取得タイミングが形成された後、測定が開始される。図２の一番下のＤには、一定の時間間隔ｔ_Ｄで実施されるセンサ４による測定値（ローカル座標）の取得タイミングをパルス状に示す。時間間隔ｔ_Ｄの一例として、８ミリ秒を例示することができる。つまり、移動部１０のワールド座標を２回取得するたびに、センサ４による測定値（ローカル座標）の取得が1回行われる。ただし、センサ４による測定値（ローカル座標）の取得の時間間隔ｔ_Ｄは、これに限定されるものではく、用途に応じてその他の任意の時間間隔を設定することができる。

以上のように、ワールド座標取得パルスの出力間隔の平均値を算出して、仮想ワールド座標取得タイミングを定めることにより、実際のワールド座標取得タイミングに近似したタイミングで、確実に被測定物のワールド座標を取得することができる。特に、測定開始前にワールド座標取得パルスを取得する所定の期間が、取得するワールド座標取得パルスの回数に基づいて定められるので、ワールド座標を取得したタイミングにより近似した精度の高い仮想ワールド座標取得タイミングを定めることができる。

上記では、取得したワールド座標取得パルスの出力間隔の平均値を求めることにより、仮想ワールド取得タイミングにおける一定の時間間隔ｔ_Ｃを定めているが、これに限られるものではない。例えば、ワールド座標取得パルスの出力間隔に時間的な傾向がある場合には、その傾向にあわせた一定でない仮想ワールド座標取得タイミングの時間間隔ｔ_Ｃを定めることもできる。

＜測定値の取得タイミングと仮想ワールド座標取得タイミングとの間の補間計算＞
次に、図３から図５を参照しながら、測定開始後、センサ４により取得した測定値（ローカル座標）を、測定値の取得タイミングと仮想ワールド座標取得タイミングとの間の補間計算により補正して、被測定物Ｗのワールド座標を取得する方法を説明する。
図３は、センサ４による測定値の取得タイミングと仮想ワールド座標取得タイミングとの間の補間計算の一例を示すタイムチャートである。図４は、センサ４による測定値の取得タイミングと仮想ワールド座標取得タイミングとの間の補間計算の一例を示す測定装置の模式図である。図５は、センサ４による測定値の取得タイミングと仮想ワールド座標取得タイミングとの間の補間計算の一例を示すグラフである。ここでは、ワールド座標の一例として、Ｘ軸方向の一次元の座標を例に取って説明する。

図３のタイムチャートでは、センサ４による測定値（ローカル座標）の取得タイミングが、Ｎ番目及びＮ＋１番目の仮想ワールド座標取得タイミングの間にある場合を示す。具体的には、センサ４による測定値（ローカル座標）の取得タイミングＴｘは、Ｎ番目の仮想ワールド座標取得タイミングＴ１より時間Ｓ１だけ遅く、Ｎ＋１番目の仮想ワールド座標取得タイミングＴ２より時間Ｓ２だけ早い。

図４では、これに対応して、Ｎ番目の仮想ワールド座標取得タイミングＴ１において、センサ４（つまり移動部１０）がＸ軸方向の座標Ｐ１に位置するところを示す。また、Ｎ＋１番目の仮想ワールド座標取得タイミングＴ２において、センサ４（移動部１０）がＸ軸方向の座標Ｐ２に位置するところを示す。更に、センサ４による測定値の取得タイミングＴｘにおいて、センサ４（移動部１０）がＸ軸方向の座標Ｐｘに位置するところを示す。

図５には、横軸に時間を示し、縦軸にＸ軸方向の座標を示す。図５に示すグラフでは、Ｎ番目の仮想ワールド座標取得タイミングＴ１における座標Ｐ１及びＮ＋１番目の仮想ワールド座標取得タイミングＴ２における座標Ｐ２を直線で結んだグラフを示す。このグラフから、センサ４による測定値（ローカル座標）の取得タイミングＴｘにおけるセンサ４（移動部１０）のＸ軸方向の座標Ｐｘは、Ｐ１、Ｐ２及びＳ１、Ｓ２に基づいて、以下のように算出できる。
Ｐｘ＝Ｐ１×Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）＋Ｐ２×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）

これにより、センサ４による測定値（ローカル座標）及び測定時のセンサ４（移動部１０）の座標Ｐｘにより、被測定物のワールド座標を取得することができる。ただし、仮想ワールド座標取得タイミングを直線で結んで補間する場合に限られず、仮想ワールド座標取得タイミングを、その他の任意の関数を用いて結んで補間して、被測定物のワールド座標を取得することもできる。

以上のように、測定開始前の所定期間において工作機械から得たワールド座標取得パルスに基づいて、仮想ワールド座標取得タイミングを定め、測定開始後、センサによる測定値を、測定値の取得タイミングと仮想ワールド座標取得タイミングとの間の補間計算により補正して、被測定物のワールド座標を取得することができる。これにより、工作機械から得たワールド座標取得パルスに載るジッタが無視できない場合であっても、精度の高い被測定物の測定値をリアルタイムで取得することができる。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

２ 測定装置
４ センサ
６ 測定部
１０ 移動部
２０ ＮＣ装置
３０ テーブル
Ｗ 被測定物

Claims (3)

1. 工作機械の移動部に取り付けられたセンサを用いて前記工作機上の被測定物の測定を行う測定装置であって、
   測定開始前の所定期間において前記工作機械から得たワールド座標取得パルスに基づいて、仮想ワールド座標取得タイミングを定め、
   測定開始後、前記センサによる測定値を、該測定値の取得タイミングと前記仮想ワールド座標取得タイミングとの間の補間計算により補正して、前記被測定物のワールド座標を取得することを特徴とする測定装置。
   
2. 前記工作機械から得たワールド座標取得パルスの出力時間間隔の平均値を算出して、前記仮想ワールド座標取得タイミングを定めることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
   
3. 前記測定開始前の所定期間が、前記工作機械から前記ワールド座標取得パルスを取得する回数に基づいて定められることを特徴とする請求項２に記載の測定装置。

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