JP4658046B2 - 機械部品の位置を検査するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、機械部品の位置、更に詳細には長尺工具の自由端部の位置を検査するための装置に関し、当該装置は、検査すべき機械部品に対して位置固定されているフレームと、機械支持部を載置する載置台であって、載置台およびフレームは長手送り方向に沿って相対的に移動可能であるような載置台と、長手送り方向に対して横方向の軌道に沿った光線を生成するための発光部および光線の軌道に沿って配置されたセンサであって、発光部およびセンサは相対的に規定された位置において機械支持部に連結されるとともに、センサは光線の受光を示す信号を送信するように構成されているような発光部およびセンサと、載置台とフレームとの間の相対位置を検査するための送受波装置と、センサおよび送受波装置に接続されるとともに、センサの前記信号を処理し、且つ光線が遮光されたときの載置台とフレームとの間の相対位置を認識する処理／表示／制御装置と、を備えている。

更に、本発明は、長手方向に沿って配置されるとともに自由端部を有する長尺工具を検査する方法であって、光線を横方向軌道に沿って生成する発光部および光線の遮光を検出するセンサと、検査すべき工具に対して長手方向に沿って移動可能であるとともに連結機構により前記発光部および前記センサを載置する載置台と、載置台と検査すべき工具との間の相対位置を検査する送受波装置と、を備えた装置を使用し、移動可能な載置台と検査すべき工具とを長手方向に沿って相対的に送り移動させて、光線を工具の自由端部に向かって近接させる工程と、この移動の過程における光線の遮光を検出する工程と、を備えた方法に関する。

工具の位置あるいは完全性（無傷状態）を自動的に検査する装置は、様々な種類の工作機械において多くの場合設けられている。

例えば、数値制御マシニングセンタとしての工作機械において、工具の状態は、工具がスピンドルに連結されて実際の機械加工過程にある間に検査することも可能であるし、あるいは工具の保管ケース領域において検査することも可能である。後者の場合は時間的観点からより有利である。なぜならば、機械の別の領域に配置されている次に利用すべき工具に対して、機械加工と同時に検査作業が行われるため、機械加工速度が低下することがないからである。

装置の保管ケース内で平行な軸方向に沿って実質的に整列されているドリル、センタ、あるいは穿孔具等の長尺工具の完全性を検査するための既知の現行システムは、接触検出機構を備えている。更に詳細には、実施形態において、可動スライド部の作用によって検査すべき工具に軸方向に当接する平らな面を有する機械的感触器が使用される。感触器と工具とが接触すると、スライド部の位置検出を制御する信号が生成されることにより、工具の長さおよび完全性を検査することができる。感触器はスライド部の送り方向を横切るように配置されており、その平らな面は、工具がその軸方向に沿って完全な状態で整列されていない場合であっても工具の端部との接触を確実に行うよう、十分な延長部分（例えば数十ミリメートル）を通常有している。工具が完全に整列していない状態とは、機械加工過程において工具がスピンドルに連結されるときではなく、むしろ、各工具（より具体的には工具に対応する工具ホルダ）が保管ケースの台座にそれほど正確に連結されていないときにおいて工具がスピンドルに緩く連結されているときに生じやすい。

検査を目的とする接触検出機構の使用は、この機構が感触器と接触することにより生じ得る工具の損傷、特に工具に非常に繊細なコーティングが施されている場合に生じ得る当該工具の損傷を考慮すると重大な問題がある。

また、光線を利用して工具の寸法や存在、配置および破損の有無を検査する装置や方法が知られている。

例えば、米国特許第３，９１２，９２５号にはドリル装置が開示されており、このドリル装置において、工具の完全性を検査するための装置は、限定された厚さを有する横方向の光線を利用している。この光線は工具の送り方向と略同一平面上にある。工具のある所定の位置における非遮光状態が検出されて、工具の異常が通知される。

米国特許第３，２９１，９２５号に開示された装置は、工具保管ケースに配置された工具を検査するには不向きである。なぜならば、前述のように、工具および対応する台座が不正確に連結されていることにより、軸に対して工具が傾斜している場合があるからである。

日本国特許公開公報第９−３００１７８号およびその英文要約書には、工作機械のスピンドルに連結された回転する長尺工具を検査する発明が開示されている。この発明においては、ラインセンサにより略平面光線あるいは光束の部分的な遮光を検出することにより工具の端部の位置が検査される。ラインセンサを設けることにより、遮光量を示す信号を処理して工具の他の特性（工具の直径、長さ、種類）に関する情報を得ることもできる。

上記の日本国特許公開公報第９−３００１７８号による実施形態は、とりわけ単に工具の完全性を検査するだけの場合には、非常に高価なものとなってしまうという問題がある。

本発明の目的は、機械部品の存在を検出するための装置、より具体的には、長尺工具の完全性を検査するための装置を提供することであり、この装置は検査すべき部品が正確に配置されていない場合にも使用可能であるとともに、機械部品の損傷を生じさせることのない、精度が高く信頼性のある安価な装置を提供することにある。

本発明の更なる目的は、上記装置に対応する簡易且つ安全な検査方法を提供することである。

これらの目的および利点は、請求項１に記載される装置、および請求項１１に記載される方法により達成される。

本発明を、添付図面を参照しながら以下に詳述するが、これらの図面は非限定的な例として挙げられるものである。

図１は、機械部品、特に、それ自体公知であって図示されていないような例えばマシニングセンタ等の工作機械の保管ケース２に連結された長尺工具３の検査を実施している検査装置１を示している。

共通の基台４により、保管ケース２および装置１が支持されている。さらに具体的には、図１において参照符号５により単純化された形態で示されている装置のフレームは、基台４に堅固に連結されるとともに、スライド部６を支持している。スライド部６は、フレーム５、従って工具３に対して長手送り方向Ｘに沿って移動可能であり、以下に開示される光電子検査機構７を載置する載置台となっている。

載置台６とフレーム５との間における相対位置を制御および検査する移動機構は、例えば、スライド部６をフレーム５に対して移動させるモータ８と、例えばライン送受波器等の位置検査送受波装置と、を備えている。図１において矢印部材９および目盛板１０（各々、スライド部６およびフレーム５と一体化されている）で概略的に示されるライン送受波器は、フレーム５上の載置台６の位置を表示する信号を、同じくモータ８に電気的に接続された処理／表示／制御装置１２に送信する。移動機構は、図２に単純化された形態で示される態様とは別の態様で構成することも可能である。すなわち、可動部材同士間の相対位置は、別の種類の機器、例えば回転送受波器（あるいは「エンコーダ」）を用いて制御することも可能であり、あるいはモータ８用のステップモータを使用して長手方向Ｘに沿って移動を制御することも可能である。

検査機構７を収容するケーシング１５は、図示されない態様で載置台６に連結されている。図１において、検査機構７の構成要素を明示するよう、ケーシング１５は長手方向平面における断面として示されている。より具体的には、検査機構７は以下の要素からなる。
発光部２０、すなわち、横方向軌道に沿って光線２１、特にレーザビームを発生させる装置。
受光部２２、すなわち前記軌道に沿って設けられ、光線２１の遮光によって光線２１が正しく受光されたか否かを検出するセンサ。
発光部２０および受光部２２が既知の相互に規定された位置に連結された機械支持部２５。ならびに、支持部２５を載置台６に連結する連結機構、とりわけ一対の交差する薄層体を有する一対の変形可能な支柱具２４。これらの支柱具２４は位置合わせされており、長手送り方向Ｘに対して略平行な振動軸を形成している。
図１において参照符号２７により単純化された形態で示された、柱部により載置台６に機械的に連結された作動装置、より詳細には電気モータ２６であって、回転スピンドル２８と、このスピンドルと一体に回転するプレート２９と、機械支持部２５およびプレート２９の偏心領域にそれぞれ回転自在に連結された接続ロッド３０とを有する電気モータ２６。

図１に単純化された形態として示されるように、発光部２０、受光部２２、および電気モータ２６は、処理／表示／制御装置１２に電気的に接続されている。

電気モータ２６のスピンドル２８の回転により、プレート２９および接続ロッド３０を含む伝動要素を介して、支柱具２４により形成された軸を中心として機械支持部２５が振動し、これにより前記軸を中心とした光線２２が振動する。図２の点線は、上記振動中に機械支持部２５および光線２１がとる位置を示している。図２に示すように、光線２１の振動は、実質的に図面の平面に沿って、すなわち基準面を横断する面に沿って、更に具体的には送り方向に対して直交して発生するものである。

光線２１の振動は、装置の種々の製造パラメータ（伝動要素２９および３０のレイアウト寸法、接続ロッド３０の機械支持部２５への連結部と光線２１との距離、該連結部と支柱具２４との距離）により規定される角度の範囲内であって、図２において参照符号３３により示される領域を画定する範囲内で行われる。

装置は以下の方法により動作する。

例えば図１に示す非動作位置から、装置１２により特定の制御が行われるモータ８により、フレーム５に対する載置台６の長手方向移動が開始される。これにより、検査すべき工具３を格納する保管ケース２に向かって検査機構７が移動し、この移動と同時に、装置１２からの制御により発光部２０およびモータ２６が作動して、レーザ光線２１が生成されるとともに、伝動要素２９および３０により、支柱具２４により規定される軸を中心とする所定の周波数（例えば１０ヘルツ程度）の振動が生じる。光線２１を受光したことを示す信号がセンサ２２から装置１２に送られる。

載置台６の送り移動中に工具３の自由端部が、光線２１の振動が生じるような基準面（より具体的には基準面の画定領域３３）を遮光したときは常に、高い周波数の振動により光線２１は少なくとも一時的に中断され、この現象は直ちにセンサ２２により検出される。センサ２２およびライン送受波器９、１０からの信号に基づいて、装置１２は光線２１が遮断されたときの載置台６の位置を特定する。この位置は、工具３の自由端部の位置、すなわち工具３の長さを示すものである。検出された位置の値と、工具３の名目上の長さ（あるいは事前の検査により検出された長さ）を示す既知の値とに基づいて、工具の状態に関する情報（例えば、工具が破損したり変形したりしていないか、あるいはセンタが磨耗していないかどうか）を得ることができる。

実際には、光線２１は、支柱具２４の軸を中心とする振動により、長尺工具３の干渉を感知する領域（３３）を画成する。

本発明の解決法による簡素な構成および抑制されたコストという有利な特徴は、例えば、上述した特にラインセンサを必要とする日本国公開公報９−３００１７８号の解決法と比較することにより明確となる。

本発明の方法は、本発明による高性能の装置を更に改良することを意図して、上記記載事項に対して他の、および／または、追加の工程を有することができる。例えば、長手方向Ｘに沿って載置台６を、機械支持部２５の振動周波数に対して比較的大きな所定の速度Ｖ_１で、前述のようにまず送り移動させ、次に、光線２１の遮光がセンサ２２により検出されたら直ちにモータ８を停止し、光線２１が再度受光部２２により受光されるまでわずかに載置台６が後退するよう追加的な相対移動を行わせ、その後、速度Ｖ_１より確実に遅い速度Ｖ_２（例えば、Ｖ_１＝１００ｍｍ／秒、Ｖ_２＝２ｍｍ／秒）で、載置台６の第２回目の送り移動を行うようにモータ８を制御する。工具３の端部の位置は、この第２回目の送り移動の間に光線２１の新たな遮光を検出するセンサ２２により送信される信号に基づいて検出される。このように、比較的速い速度Ｖ_１による迅速な検査動作を確保しつつ、限定された送り移動速度Ｖ_２によって、最も高い精度で工具３の自由端部と基準面の画定領域３３との干渉、すなわち干渉が生じた直後の光線２１の遮光を検出することができる。センサ２２からの信号に基づいて、あるいは別の態様によって（所定時間の経過、モータ８の所定回転数等）、追加の後退移動は停止可能であるようにされなければならない。

他の実施の形態においては、速度Ｖ_１による送り動作の停止後に、より遅い速度（例えば速度Ｖ_２）で後退移動させ、この後退の途中で光線２１の受光がリセットされた瞬間を検出するセンサ２２の信号に基づいて、工具３の端部の位置が検査される。

勿論、本発明の装置は、他の検査手順あるいは方法によって工具３（あるいは他の機械部品）の固有の状態を検査するように使用され得る。例えば、発光部２０を作動させる前に、検査すべき工具３によって光線２１が遮光されるべき位置まで載置台６を移動させて停止させてもよい。次いで、載置台６は移動させずに、発光部２０を作動させて支持部２５の振動を開始させる。この場合、光線２１と工具３とが干渉しなければ、工具３が不適切な状態にあることが示される。

本発明の検査装置は種々の変更が可能である。例えば、発光部２０および受光部２２の配置を図示されたものと置き換えたり、支柱具２４の設計を変えてもよい。

本発明の他の実施の形態においては、機械支持部２５、発光部２０および受光部２２は、基台４と略平行である方向に光線２１が沿って延びるような形状及び構成を有している。この場合、例えば光線２１の振動により規定される角度が、同じく基台４と略平行である軸を中心となるように、機械支持部２５は、支柱具２４あるいは他の種類の連結機構によって異なる態様で載置台６に連結されている。長手方向Ｘに沿った光線２１に対して平行且つ離間した軸を中心とした光線２１の回転を可能とする連結機構の他の構成も可能である（図示のように配置されるか、あるいは基台４と略平行な方向に沿って配置される）。この場合、横方向基準面は、平面ではなく円筒形のものとなる。しかし、長尺工具３の干渉を感知する領域３３の拡張はその限界が定められていることを考慮すると、本装置の高い性能を得るという観点からは、上記の点は実質的に重要ではない。

他の実施の形態においては、レーザに対しては他の性質を有するが、例えば横方向寸法という特徴については類似するような光線が使用される。

更に他の実施の形態においては、載置台６と工具３、あるいは他の検査すべき機械部品の相対的な移動が基台４に対する工具３の移動によって生じ、適切な機器により工具３と載置台６との相対位置が検査される。

環境および上述の状況（すなわち、マシニング加工を実施するための工作機械において利用される前に、保管ケース２に配置された工具３が検査されること）は、本発明の単なる実用上の例示である。

本発明の装置および方法は、マシニング加工あるいは他の作動状態にある工作機械のスピンドルに設けられた工具の検査を実施すること、あるいは工作機械とは完全に別個の他の機械部品の検査をするための適用例に利用することができる。

本発明の好適な実施の形態による、非常に単純化された形態の検査装置の側面図であって、いくつかの部品はその断面が示されているような図。 図１のII−II線に沿った図１の装置の拡大断面図。

符号の説明

１ 装置
３ 工具
５ フレーム
６ 載置台
９、１０ 送受波装置
２０ 発光部
２１ 光線
２２ センサ
２４ 連結機構
２５ 機械支持部
２６ 作動装置
２９、３０ 伝動要素
Ｘ 長手方向

Claims (10)

1. 機械部品、更に詳細には長尺工具（３）の自由端部の位置を検査するための装置であって、
   検査すべき機械部品に対して位置固定されているフレーム（５）と、
   機械支持部（２５）を載置する載置台（６）であって、載置台（６）およびフレーム（５）は長手送り方向（Ｘ）に沿って相対的に移動可能であるような載置台（６）と、
   長手送り方向（Ｘ）に対して横方向の軌道に沿った光線（２１）を生成するための発光部（２０）および光線（２１）の軌道に沿って配置されたセンサ（２２）であって、発光部（２０）およびセンサ（２２）は相対的に規定された位置において機械支持部（２５）に連結されるとともに、センサ（２２）は光線（２１）の受光を示す信号を送信するように構成されているような発光部（２０）およびセンサ（２２）と、
   載置台（６）とフレーム（５）との間の相対位置を検査するための送受波装置（９、１０）と、
   センサ（２２）および送受波装置（９、１０）に接続されるとともに、センサ（２２）の前記信号を処理し、且つ光線（２１）が遮光されたときの載置台（６）とフレーム（５）との間の相対位置を認識する処理／表示／制御装置（１２）と、
   を備えた装置において、
   前記装置は、前記機械支持部（２５）と前記載置台（６）との間に設けられ、載置台（６）に対して光線（２１）を実質的に横方向基準面に沿って振動させることができる連結機構（２４）を有し、
   当該装置は、載置台（６）に対する光線（２１）の前記振動を制御するように構成された作動装置（２６）および伝動要素（２９、３０）を更に有することを特徴とする装置。
2. 連結機構（２４）および伝動要素（２９、３０）は、前記基準面の画定領域（３３）内において光線（２１）を振動させることができることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 長手送り方向（Ｘ）は、基準面に対して実質的に直交していることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記基準面は略平面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記連結機構は、前記機械支持部（２５）と載置台（６）とに連結された支柱具（２４）を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記支柱具（２４）は、長手送り方向（Ｘ）に対して実質的に平行な振動軸を画成することを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 支柱具（２４）は、前記振動軸が光線（２１）の軌道に対して実質的に直交し且つ前記軌道と実質的に同一平面上にあるような態様で、機械支持部（２５）に連結されていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 作動装置は、長手送り方向（Ｘ）に対して実質的に平行である回転軸を有するスピンドル（２８）を備えたモータ（２６）を有し、前記伝動要素は、一端が機械支持部（２５）に連結されるとともに他端が回転軸に対する偏心位置においてモータ（２６）のスピンドル（２８）に連結された接続ロッド（３０）を有することを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 光線（２１）は、２ｍｍを超えない横方向寸法を有していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置。
10. 光線（２１）はレーザ光線であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置。

Images