JP4237051B2 - プローブトリガリング - Google Patents

Description

本発明は、座標測定マシン（coordinate measuring machine; ＣＭＭ）とマシンツールのような位置測定装置とに用いられるタイプのトリガプローブに関する。

このようなプローブは、ワークピースに接触させるための可撓性のあるスタイラスを有する。このスタイラスがワークピースに接触すると、トリガ信号が位置測定装置に送出され、この位置測定装置によりプローブの位置が読み取られる。このプローブは、例えば、このスタイラスがワークピースに接触すると、状態が変わる動的な電気的な接触状態を有することができる。特許文献１は、ノーマリクローズの、直列接続された３つのコタクトセットを有するプローブの例を開示している。このスタイラスがワークピースと接触すると、１つ以上のコンタクトセットがオープンし、トリガ信号を生成する。

図１はこのようなプローブ１０の概略を示す。通常の使用においては、プローブ１０はインタフェース回路２に接続されている。このようなインタフェース２は、慣用的には、プローブ１０のコンタクトセットに直列に接続してある抵抗Ｒ１が、正の電源レール（＋Ｖ）とグランドレール（０Ｖ）の間に設けられている。抵抗Ｒ１とプローブ１０の間には入力端子４があり、この入力端子４に接続されているライン６は、コンパレータ回路７に接続されている。プローブ１０のコンタクトセットがクローズされる（すなわちノーマル状態になる）と、ライン６はグランドレールに接続される。プローブ１０のスタイラスがワークピースに接触すると、そのコンタクトセットはオープンし始め、当該コンタクトセット間の抵抗値が増大する。ついで、この接触抵抗が、抵抗Ｒ１よりなる分圧回路により検出され、この接触抵抗が所定の閾値を超えたとき、コンパレータ７はトリガ信号を生成する。

仮にプローブ１０が取り付けられている位置測定装置が振動を受けた場合には、問題が生じる。この問題はマシンツールではよくある問題である。プローブ１０のスタイラスに振動が作用すると、コンタクトセットがわずかに動くことになり、このため、この接触抵抗が瞬間的に増大する（チャタリング（contact bounce）という）。仮にこの接触抵抗が閾値を瞬間的に超えて、これがコンパレータ７により検出された場合には、偽のトリガ信号が生成される。

特許文献２及び３はプローブを開示しているが、このプローブには、このチャタリングに起因して偽のトリガ信号が生成されるのを防止するため、回路の一部として、プローブコンタクトに並列にコンデンサが設けられている。このコンデンサと抵抗Ｒ１とを組み合わせて、ＲＣフィルタ回路が形成されているが、このＲＣフィルタ回路により、コンタクト間の電圧が上昇するまでに、時間遅延がある。この遅延があるため、偽のトリガ信号が軽減される。

上記ＲＣフィルタ回路を有するこれらスイッチ型プローブは、瞬間的に生じたチャタリングを除去するように、構成することができる。しかし、上記特許文献３に記載のディスチャージ回路を用いても、プローブの一部、例えばワークピースと接触しているプローブのスタイラスが、共振することがあり、この場合に、このコンデンサのチャージがディスチャージよりも速く行われることがある。また、チャタリング直後に正規の接触があったときも、このコンデンサがセミチャージ（semi-charged）されることになる。このような場合には、仮にコンデンサがチャージされなかったときにトリガ信号が生成されるよりも早く、トリガ信号が生成されることになる。このため、測定の再現性が低下する可能性がある。

アナログ出力（通常は変化する電圧）を有する、プローブからの出力を、フィルタリングする他の方法が、特許文献４及び５において提案されている。特許文献４にあっては、第１および第２の電圧値は、トリガ信号が送出される前に、予め定めた値を超えなければならない。第２の電圧値は、第１の電圧値の後の所定の時間間隔、例えば１００ｍｓにおいて、取得される。第１の電圧値は、プローブが取り付けられるマシンの座標をラッチ（latch）するために使用され、第２の電圧値は接触があったことを確認するために使用されており、これにより、チャタリングに起因する偽の信号が禁止される。第１の電圧値と第２の電圧値の間では、電圧のモニタは行われない。

特許文献５にあっては、３つのアナログ信号が所定の時間間隔において比較され、仮に値が大きくなったことが検出された場合には、真のトリガが行われたものと仮定している。

米国特許第４１５３９９８号明細書 欧州特許第４２０３０５号明細書 欧州特許第６９５９２６号明細書 米国特許第４１７７５６８号明細書 欧州特許第６０５１４０号明細書 米国特許第４７６９９１９号明細書

アナログ信号を処理するには時間がかかるので、全てのマシン（例えば、マシンツール）が、一連のこのような値のうちの最初にラッチされた座標値を記憶できるわけではない。したがって、このようなアナログ信号を解析するのに時間がかかって、ラッチされた値を記憶できない場合には、測定装置により記録された位置は正確でない。

この周知の簡単なＲＣ回路は、使用の際の変動のおそれのある条件に適合させるように、容易に調整することができず、「ファクトリセット（factory set）」を容易に変更することができない。

本発明は、ワークピース接触信号を送出するワークピース接触センサと、前記ワークピース接触信号が存在する時間をモニタするモニタ装置とを備えたタッチトリガプローブであって、予め定めた継続期間においてワークピース接触信号が存在する場合のみ、前記モニタ装置がトリガ信号を生成するタッチトリガプローブを提供する。

モニタ装置は、プログラマブルプロセッサの形態であるのが好ましく、ＰＩＣ装置であるのがさらに好ましい。

ワークピース接触センサは、動的スイッチとワークピース接触スタイラスであるのが好ましい。

ワークピース接触信号は電圧閾値であり、モニタ装置はワークピース接触信号をデジタル形態に変換するのが好ましい。

単一デザイのプローブを全てのアプリケーションに使用するものとする。そのアプリケーションとしては、一方で、例えば、振動が比較的ない環境が存在し、測定精度が重要であるＣＭＭがあり、他方で、極度に大きい振動があり、マシンの滑りレールにおけるエンコーダの精度程度の精度がある、マシンツールで使用するプローブがある。ＣＭＭプローブの特徴は、ワークピースとの接触があってからトリガ信号が送出されるまでの期間が極端に短い点にあり、振動がほとんどないので、応答速度の精度が高く、偽トリガが少ない。マシンツール用プローブは、振動の影響をなくすため、ワークピースと接触してからトリガ信号が送出されるまでの期間を長くする必要があるが、他方で、再現性はあるが、精度は低下することになる。

本発明の実施形態においては、予め定めた時間を、例えばユーザセットアップ時に変更することができる。

本発明の実施形態によれば、低コストで電力消費の少ないプローブを提供でき、プローブをトリガする期間を容易に変更することができるが、ワークピースとの接触がある直前にチャタリングが現れる可能性があるにもかかわらず、この期間の再現は可能である。

特許文献６においては、（動的な）電気的なコンタクトセットが離座（unseating）する前に、プローブのスタイラスがワークピースに接触したほぼその時点で、初期衝撃波がプローブのスタイラスを伝播する現象が認められている。この特許文献６に係る発明によれば、衝撃波は、ピエゾセンサで検知され、この検知の少し後で検知された不着座信号を有効にするために使用される。この構成においては、過大な振動があると、ピエゾ信号と接触信号をともに取得することができるから、ピエゾセンサの大きな振動と、ワークピースとの接触による大きな振動とにより、偽トリガが送出される。

他の態様によれば、本発明により、次のようなタッチトリガプローブ、すなわち、ワークピース接触信号を送出するワークピース接触センサと、前記ワークピース接触信号が存在する時間をモニタするモニタ装置とを備え、前記モニタ装置は、モニタした予め定めた継続期間だけ前記ワークピース接触信号が存在する場合のみ、トリガ信号を生成し、前記モニタの開始はワークピース接触信号に続く予め定めた時間間隔だけ遅延されるタッチトリガプローブが提供される。

このようにして、本発明の別の実施形態においては、トリガ信号送出処理は、コンタクトセットが着座しないときではなく、上述した初期衝撃波が生じた時点で、開始することができる。上記の時間間隔（遅延）は、初期衝撃波の時点で開始することが可能であり、また、仮に上記予め定めた期間において、コンタクトセットが再着座しなかった場合に、トリガ信号が送出される。この別の実施形態では、コンタクトセットの再着座が衝撃波があった直後にあって、その期間において、カウンティングが行われないことが判明しているので、カウンティングが遅延される。この衝撃波は、コンタクトセットの不着座よりも繰り返し起こることが認められている。典型的には、不着座は各イベントで２μｍ範囲で起こり、衝撃波はワークピースとの接触があった各時間で０．１μｍ範囲で起こる。したがって、この実施形態では、その開始点（衝撃波）の再現性がよいから、トリガ信号の再現性がはるかによくなる。

本発明の好ましい実施形態を説明する。

図２ａおよび図２ｂは、本発明を適用したトリガプローブの簡略図である。この例では、このトリガプローブは、慣用の動座（kinematic seating）１０、例えば特許文献１に記載のタイプの動座を有する。この図のワークピース接触センサ１５は、３つのボール１４を剛性連結して一体としてスタイラス１２に取り付けてなるものである。これら３つのボール１４は、それぞれ、各ボール対１６に着座することができ、着座すると、これらが電気的に接触することになる。これらボール対１６は互いに他のボール対と電気的に接続してあり、動的な電気スイッチが形成されている。ボール１４と、ボール対１６とは、このスタイラスが例えばワークピースと接触してこのスタイラスに応力がかかり、このノーマリクローズのスイッチがオープンしたとき、これにより、ワークピース接触信号が送出されるように、わずかに付勢して係合させてある。スイッチ間の電圧は、プロセッサ形態のプログラマブルモニタ装置によってモニタされる。本実施形態においては、このプロセッサはマイクロコントローラμＰである。マイクロコントローラμＰ（実際、製造業者Microchip（登録商標）の提供するProgrammable Interface Controller PIC16F628を適正にプログラムしたものは、満足できるもの、と実証されている）は、電圧Ｖをモニタし、閾値を超える電圧をデジタル値「１」に変換し、閾値未満の電圧を「０」に変換している。本実施の形態においては、時間、例えば信号が「１」の連続したものに変換される期間Ｃｔを、決定するため、マイクロコントローラμＰの内部クロック／カウンタカウンタ回路を利用している。この例では、閾値未満の電圧がセンサ１５間に現れても、信号が「１」であれば、当該信号が存在しているという。

プロセッサのサンプリングレートがＭＨｚのオーダであり、この適用例では、スイッチ間の電圧を規則的であって仮想的に連続してモニタする。

着座したボールに対して付勢されているにも関わらず、スイッチにおいてチャタリングが生じる可能性がある。チャタリングが生じると、スイッチ間の電圧が上昇し、これにより、プローブがトリガ信号を生成し、出力Ｔを介して出力する。 しかし、マイクロコントローラμＰは、チャタリングを無視することができる。すなわち、マイクロコントローラμＰは、瞬間的に予め定めた閾値電圧Ｖｔを超えた電圧を無視することができる。これは、本実施の形態においては次のようにして行われる。これを図３を参照して説明する。電圧が閾値電圧を超え、これにより「１」信号に変換されると、マイクロコントローラμＰは期間Ｃにおいて内部カウンタを開始する。このカウンタは、「１」信号をカウントし、信号が終了すると、すなわち電圧Ｖが閾値Ｖｔ未満になると、ゼロリセットされる。

図３において、電圧がＶｔを超える最初の２つのイベントは、チャタリングによって生じるもので、その時間は比較的短いものである。第３および第４のイベントは、ワークピースとの接触により生じる（第３のイベントにおける電圧の上昇は上述した初期衝撃波に起因するものである）。このワークピースとの接触により、長期で一定の信号が生成される。仮に「１」が期間Ｃｔにおいて終了しない場合には、マイクロコントローラμＰによりトリガ信号Ｔが送出される。実際には、この時間間隔Ｃｔは３ｍｓと１５ｍｓの間に設定される。この電圧が閾値電圧Ｖｔ未満にならずに、この時間間隔Ｃｔが経過すると、スタイラスがワークピースに接触したものとみなされ、ついで、トリガ信号によってプローブの動きが止められ、通常通り、位置記録ステップを開始し、これにより測定が行われる。

この例におけるマイクロコントローラμＰは、期間を変更できるように再プログラムすることができる。この機能により、期間を最小に設定することができる。そこで、チャタリングが殆どない安定なＣＭＭ上では、期間を短く設定し、大きいチャタリングのあるマシン、例えばマシンツールでは、期間をより長く設定できる。実際には、殆どの用途で約７ｍｓの期間が好適であることが実証されている。

ひとたびトリガ信号が送出されると、次の電圧上昇に備えて、マイクロコントローラμＰの内部カウンタがゼロリセットされる。

マイクロコントローラμＰは、この例の他の機能、例えばベースステーションに対するオプティカルリンクの操作を制御するためにも用いられる。マイクロコントローラμＰには、ユーザセットアップモードがあり、このモードにおいて、ユーザは、予め定めた期間例えばＣｔと、時間間隔例えばＣｉ（次の記述を参照）とを、調整することができる。

マイクロコントローラμＰは、プローブ本体に収容することができ、このプローブをバッテリ駆動でき、ベースステーションとワイヤレスリンク（例えばオプティカルリンク）することができ、リモートマイクロコントローラとすることもできる。

図４は上述したプローブオペレーションの他の例を示す。この実施の形態では、プログラムされたモニタ期間Ｃｔは、遅延され、間隔Ｃｉを経過した時点でのみ開始される。この時間間隔Ｃｉは、（チャタリングがあるか、初期衝撃波があるか、ワークピースとの接触があったか、のいずれかの原因で）電圧Ｖが閾値電圧Ｖｔを超えたときの時間間隔である。電圧が、期間Ｃｉの最終時点で、閾値電圧Ｖｔを超えていない場合には、期間Ｃｔにおいてカウントは行われない。図４においては、チャタリングは最初のイベントで起こっており、そこでは、電圧がＶｔを超えているが、その後で、ワークピースとの接触はなく、したがって時間間隔Ｃｉを経過した後の期間Ｃｔにおいては、電圧は継続してＶｔを超えていない。これに対して、衝撃波ＳＷに続いて、時間間隔Ｃｉにおいてカウントが行われ、ついでワークピースとの接触があって電圧が上昇し、予め定めた期間Ｃｔにおいて、電圧が電圧Ｖｔを継続する。ここで、仮に期間Ｃｔにおいて、この電圧が閾値未満にならない場合には、この期間Ｃｔの最終時点で、トリガ信号が送出される。時間間隔Ｃｉにおける電圧は重要でない。したがって、このモードにおいては、期間Ｃｔは、図３に図示したようにワークピースとの接触により着座がなかった後に開始されるのではなく、初期衝撃波ＳＷが生じた後から開始される。そうであるから、このようにして開始される上述の測定にあっては、その再現性がはるかに向上する。実際には、時間間隔Ｃｉは約１０から５００μｓｅｃにプリセットされており、また、マイクロコントローラμＰを再プログラムしてこの時間間隔を変更することにより、プローブの使用用途に適合させることができる。

このモードでは、チャタリングに起因して送出される偽トリガに対する耐性が向上する。何らかの理由で（例えば、ワークピースとの接触が非常にゆっくりと行われたため）衝撃波が生じなかった場合も、やはりトリガ信号が送出されるが、これは、ボールが着座せず、電圧が、時間間隔（Ｃｉ＋Ｃｔ）において、閾値を超えたままであるから、である。トリガ信号はその時間間隔の最終時点で送出されることになる。

本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることは、当然のことである。例えば、例示したスイッチを別の接触センサに置き換えることができ、アナログデバイスとすることもできるが、このデバイスにあっては、閾値が閾値Ｖｔであって、この閾値Ｖｔにおいて、マイクロコントローラμＰがカウントを開始することを要する。図示したスイッチは簡単なオン／オフスイッチで置き換えることができ、あるいは、他の接触感知回路、例えば歪み感知回路もしくはピエゾセンサと置き換えることができる。上述した実施の形態に係る動的スイッチ１５は、３次元でのオペレートが可能なものであり、リピータブルトリガ位置（repeatable triggering position）でオペレートすることができる。マイクロコントローラμＰに内蔵のカウンタついて説明した。このように構成したので、空間とコストが節約された。しかし、慣用のカウンタ、すなわち、発振器と分圧回路とを有し、タッチセンサからの一定信号が予め定めた期間継続した後、タイミングを開始し、トリガ信号を送出するカウンタを、使用することも可能である。

さらに、モニタ装置としてＰＩＣの例を説明したが、同一の機能を有する他のプロセッサまたは回路、例えばフィールドプログラマブルゲートアレイまたはＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）であれば、使用することができる。

公知のプローブトリガ回路を示す図である。 本発明に係るプローブ回路の概略構成図である。 図２の２ｂ−２ｂ線図である。 本発明の１つの動作モードを説明するための図である。 本発明の別の動作モードを説明するための図である。

Claims (9)

1. 応力が加えられたときに生成されるワークピース接触信号を送出するワークピース接触センサと、
   ワークピースと接触したことを示すトリガ信号を供給し、前記ワークピース接触信号が特定の閾値を越えている時間を測定するモニタ装置であって、前記モニタ装置は、予め定めた連続する期間の間、測定された前記ワークピース接触信号が前記特定の閾値を越えたとき、前記トリガ信号を供給し、前記測定は、前記ワークピース接触信号が最初に前記特定の閾値を越えたときの後の予め定めた時間間隔後に開始されることと
   を備えたことを特徴とするタッチトリガプローブ。
2. 請求項１において、前記モニタ装置は、プロセッサであることを特徴とするタッチトリガプローブ。
3. 請求項２において、前記プロセッサは、プログラマブルＰＩＣマイクロコントローラであることを特徴とするタッチトリガプローブ。
4. 請求項１において、前記ワークピース接触センサは、ワークピースに接触させるためのスタイラスを有する動的スイッチであることを特徴とするタッチトリガプローブ。
5. 請求項１において、前記ワークピース接触信号は、該ワークピース接触信号の電圧が閾値を超えている場合に存在し、前記モニタ装置は、前記ワークピース接触信号の電圧が前記電圧閾値を超えている場合に、前記ワークピース接触信号を１つの整数値を有する数値に変換し、前記電圧閾値未満である場合に、前記ワークピース接触信号を別の整数値に変換することを特徴とするタッチトリガプローブ。
6. 請求項１において、前記予め定めた連続する期間と、前記予め定めた時間間隔は、それぞれ変更可能であることを特徴とするタッチトリガプローブ。
7. 請求項６において、前記変更は、ユーザのセットアップ時に可能であることを特徴とするタッチトリガプローブ。
8. 前記予め定めた連続する期間は、３から１５ｍｓｅｃの範囲であることを特徴とする請求項１に記載のタッチトリガプローブ。
9. 前記予め定めた時間間隔は、１０から５００μｓｅｃの範囲であることを特徴とする請求項１に記載のタッチトリガプローブ。

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