JP5274775B2 - 工作機械用被加工物検査システム - Google Patents

Description

本発明は、被加工物またはその他の加工品の検査のためのシステムに関する。特に、本発明は、工作機械に用いるシステム及び測定用プローブのような測定装置による工作機械に用いられる検査に関する。

従来、測定用プローブは、加工品に接触するようにプローブを動かし、接触誘因信号（a touch trigger signal）を利用する、いわゆる接触誘因モード（a touch trigger mode）で工作機械に使用されている。信号は、通常、スキップ・ライン（the skip line）として知られている工作機械の制御器（ＮＣ）の入力を通して送られる。このスキップ信号は、スキップ信号が発せられた瞬間に、ＮＣを遮断し、機械の位置（ｘ、ｙ及びｚの測定値）を記録させ得る単純なオン・オフ信号である。このように、プローブの位置を示すデータが取得され得る。このシステムは、ほとんどの目的に適しているけれども、このシステムは、非常に反復可能なプローブ・システムの作動及び機械速度制御に依存している。また、ＮＣは、記録された位置データの有効な処理をすることができないことが多い。

例えば、輪郭の正確さを判断するために、たくさんのデータ・ポイントが必要とされる場合、上述した接触誘因処理は、時間がかかる。

特許文献１には、プローブは、工作機械の加工品の周囲を触って調べるために用いられる。走査プローブからの信号は、別の位置に移動させるべく工作機械のＮＣに指示するＰＣに入力される。プローブが移動し、プローブからの別の組のデータが取得されるたびに、ＰＣは、プローブ・データがログ記録される前に工作機械が停止されるまで、待機しなければならない。このようにして、想定される工作機械の移動と関連し得る組のプローブ測定データが生成される。機械の位置を確認するための、ＰＣへのフィードバックはない。工作機械の実際の位置は、ＰＣによりＮＣへ発せられる位置指示に追従することを正しいと想定されている。機械が移動を終了する時間を与えるべく待機時間がある。

米国特許第５、４２８、５４８号明細書

レモイネ・マルチナショナル・テクノロジーズ社の既知の商業システムにおいては、機械の位置に関連する部品形状データを提供する軌道走査システムが設けられている。この既知のシステムは、いわゆるサーボ制御ループを利用することにより、その機械位置データを獲得するように見える。該サーボ制御ループは、制御用ソフトウエアが機械位置データを獲得することを許容する。この位置データは、プローブ・データと組み合わされ得るが、２つの組のデータがまさに同じ時間に本当に取得されたことを確認する方法がない。

本発明は、被加工物製造プロセスおよび被加工物検査プロセスを実行するのに動作可能な制御器を有する工作機械を備える被加工物検査システムを提供する。検査プロセスは、測定装置からの被加工物の測定に関する変動データを工作機械からの機械位置に関する変動データと同期させる方法を含んでいる。該方法は、適切な順序で、工作機械に測定装置を搭載するステップ、測定装置に対する被加工物の位置を変えるステップ、被加工物の測定を測定装置により取得させるステップ、複数の時点を画定する同期信号を発生させるスッテプ、少なくともいくつかの時点における、機械の位置に関する第１の組の変動データを記録するステップ、及び少なくともいくつかの時点における、被加工物の測定に関する測定装置からの第２の組の変動データを記録するステップを備えている。

同期信号は、工作機械の制御器へ送出しまたは該制御器から発することが好ましい。同期信号は、位置データ及び測定データが同じ実時間で組み合わされるように、工作機械及び測定装置の第１及び第２の組のデータの要素各々が記録された実時間を識別するのに使用されてもよい。

かくして、本発明は、２つの組の各要素が同じ実時間または同期信号と関連するように、第１のデータ組を第２のデータ組に組み合わせるステップをさらに提供する。

方法は、定期的に測定装置を監視するステップを提供することが好ましい。これは、複数の同期信号の発生より頻繁に実行される。このようにして、選択されたデータのみが第２の組に記録され得る。及び／または、データは、その記録より前に、処理され得る。

同期信号は、位置データまたは測定データが生成される時間に関連する時間に発せられる。同期信号は、同期信号が発せられると同時に生成された測定データ及び位置データの両方を分類するのに使用され得る。あるいは、データは、同期信号の瞬間ではない持間に収集され得る。必要ならば、データはそのとき処理され得る。

あるいは、同期信号は、工作機械以外の供給源から発せられ得る。

本発明は、また、クレームに画定されるその他の特徴を提供する。

以下、図面を参照して本発明を説明する。図は、本発明に係る測定システムの１つの実施態様を示す。

図は、制御装置ＮＣ２０を有する工作機械１０を示している。ＮＣは、工作機械の全ての機能を制御するのに使用される。図において、サーボ制御及び位置フィードバック線３０が示されている。これらの線は、機械のｘ、ｙ及びｚ移動を制御するのに使用される。スピンドルＳ（この場合、所定位置に固定されている）は、測定プローブＰを受け入れ得る。プローブは、被加工物がｘ、ｙまたはｚ方向に移動するとき、工作機械に搭載された被加工物Ｗの寸法を検査するのに使用される。プローブＰは、その針の撓みをｘ、ｙまたはｚで表す変動データを生成し得、１秒あたりの多くの結果を生成し得るタイプである。針の撓みデータは、受信機／送信機Ｒｘ／Ｔｘ４０へワイヤレスで伝送される。ＮＣ２０は、１秒当たり何度も機械のｘ、ｙ及びｚ位置に関し変動データを受信することもできる位置フィードバック線を有する。

インターフェース回路６０、例えば、ＰＣＩ、ＰＣＭＣＩＡ、イーサネット（登録商標）またはＵＳＢタイプ、を有するＰＣ５０が提供される。該インターフェースは、プローブの針の撓みに関し、Ｒｘ／Ｔｘから線６２に沿うデータを受信し、バッファに格納することができる。本実施例において、線６２は、また、プローブへの命令を送り出すために設けられている。ＰＣは、工作機械の位置移動に関し、線３２を介してデータを受け入れる。本実施態様において、工作機械の移動は、ＰＣに直接向けられるが、該移動は、インターフェース６０を介して送られてもよい。

該インターフェースは、プローブから（及び適切な場合、ＮＣから）受信されるデータをバッファに格納するのに使用され得る。バッファは、データを格納し、後にＰＣへ送ることができる。インターフェースは、また、プローブから来るデータをすぐに使用し、行動を必要とする状態、例えば、過剰撓み（over-deflection）、を監視し得る。そのような過剰撓みの場合、インターフェースは、直ちに信号を発し、機械の移動を停止または逆方向に動かし得る。停止直前に集められた機械の位置データは、そのような行動を容易にするために使用され得る。

インターフェースが実時間の過剰撓みなどを監視する制御している場合、ＰＣがインターフェースに指示し、プローブの振動または急激な移動による正しくないトリガのような望ましくない効果が考慮に入れられるように、過剰撓みなどが起こってしまったように看做される状態を変え得ることが可能である。

これらの２組のデータは、ＰＣにより使用され、被加工物Ｗの正確な輪郭を生成し得る。しかしながら、有効な演算は、２組のデータが組合され得る場合にのみ実行され得る。このことが起こるために、２組のデータが獲得される相対的時間が知られなければならない。作動中、ＮＣは、工作機械の移動に関するデータを収集し、内部時計２２からの規則的な同期信号に従って順にそのデータを表にする。

内部時計２２は、同期信号２４を生成し、インターフェースはこの信号を受け取る。プローブからのデータの要求は、インターフェース６０で受け取られた同期信号に対応してパス６２に沿ってプローブに送られる。インターフェースも、プローブの針の撓みに関するデータを収集し、ＰＣは、内部時計２２からの同期信号に従って、順にそのデータを表にする。実際に、ＰＣは、ＮＣデータの要素をプローブのデータの要素と組み合わせ得る。なぜならば、両要素は、同じ順序（ the same order）にあり、それぞれの表に関して同じまたは関連した領域（the same or related field）にあるからである。

かくして、ＰＣは、ＮＣ及びプローブからの表化された各データの同じまたは関連する領域からのデータを使って計算を実行する。

ＮＣ及びインターフェースからＰＣへのデータの転送の速度は、このシステムの測定の速さにとって重要ではない。ＮＣ及びインターフェースからＰＣへのデータの転送の速度は、データ転送率やＮＣ及びインターフェースのメモリ・バッファの大きさに依存するであろう。

典型的には、システムは、以下のように動作するであろう。

ＮＣは、プログラム、例えば、被加工物Ｗを切削するためのプログラム、を実行する。

ＮＣは、測定プローブＰの選択及び検査ルーチンにより確定された公称パスに沿いプローブのそばを通り過ぎる被加工物の移動を含む検査ルーチンを実行する。

ルーチンの間、工作機械の位置及びプローブの針の撓みの両者が、上述の様なやり方で記録される。

ＰＣは、被加工物の大きさまたは形状、被加工物の表面仕上げ、及びスクラップ被加工物（scrap workpieces）の評価などの事柄を計算し得る。そのようなデータを使って、ＰＣは、また、修正されたバイトの軌道や新しい供給率及び速度率を計算し得る。システムの使用において、２組のデータは、ＰＣで組み合わされ、例えば、プローブ・データを機械の位置データに加えまたは該位置データから引くことにより、被加工物の物理的寸法を決定するのに使用される。この組み合わされたデータは、次に、被加工物のさらなる製造または後に製造される被加工物に影響を与えるのに使用され得る。これは、ＮＣのプログラムまたは被加工物を製造するのに使用された機械の設定を変更することにより実行される。

必要に応じて、該インターフェース６０は、例えば、工作機械からの位置データ３２を一致させることが、遅れたり、進んだりするように、プローブＰからのデータを処理し得る。このような方法で、ＮＣまたは測定装置からの再現可能な遅延が吸収され得る。その他の装置からのデータより多く測定装置またはＮＣからデータを収集することが、また、可能である。一例として、同期信号は、インターフェース６０で増大され、プローブからのデータに対する多くの要求がパス６２に沿ってプローブに送られる。データに対する該要求は、高速で発生する。したがって、プローブからのデータは、ＮＣからのデータより多くなる。測定装置のデータは、測定装置のデータの選別がＰＣで起こり、結果として、測定のより良い正確さをもたらし得るように、ＮＣの位置データのおよそ１０倍の速度で収集され得る。

プローブの破損を避けるために、１またはそれ以上の事象信号（event signals）がインターフェース回路に取り込まれる場合がある。例えば、状況が閾値より大きい針の撓みを発生している場合、事象信号が線２６に沿ってＮＣへ送られる。そのような信号は、予想外の問題を乗り越えるように、通常のスキップ信号を介して機械を停止させる。

測定装置及びインターフェースは、多数の動作モードを有し得る。これらのモードは、ＰＣまたはＮＣからインターフェースへ送られる信号を介して選択され得る。例えば、許可信号（the enable signal）２８が測定用プローブからデータ収集を開始する。実際に、同期信号２４は連続的に走るが、プローブ及び／またはＮＣからのデータは、許可信号２８が作動するときのみ記録される。該許可信号は、ＮＣプログラム内の命令により作動する。

多くの改良形が当業者にとって明白である。本明細書に例示される別々のＮＣとＰＣは、一体化されていてもよい。例示される測定装置は、測定プローブであるが、その他の測定装置、例えば、カメラや温度計、が使用されてもよい。測定装置は、無線通信を有する必要はない。配線で接続された装置が実行可能である。使用されるプローブは、絶え間なく続く撓みデータを発生することが可能である。プローブは、また、接触誘因モードで使用されてもよい。すなわち、所定の針の撓みが、たった一つの信号を引き起こす。そのような動作モードは、例えば、被加工物を最初に準備するとき、部品の寸法が正確に知られていないとき、有効であり得る。（上記した事象信号のような）スキップ信号は、接触誘因信号として利用され得る。示されるｘ、ｙ、ｚの位置データ３２は、非デカルト・データ（non Cartesian data）で置き換えられてもよいし、補足されてもよい。該データ３２は、また、例示されるようにＰＣに供給されるよりはむしろインターフェースに供給されてもよい。

あるいは、接触誘因モードにおいて、プローブ及びＮＣから収集されるデータは、増大され、例えば、概念的なゼロ点に戻ってデータを推定し、より一層の再現性を可能とするアルゴリズムを採用することにより、明白な接触誘因動作を与える。

同期信号２４は、ＮＣにおいて生じるように例示されている。しかしながら、該信号は、別の送信源、例えば、インターフェース、プログラマブル論理制御、スケール読み取りシステム（a scale reading system）、または駆動システム、によってもたらされてもよい。かくして、ＮＣが同期信号を待ち受け、信号が発生する時間に関連する位置データを生成することが可能である。インターフェースは、同じことを行い、あるいは、インターフェースが測定装置のデータを記録するとき、例えば、データの１０番目の記録毎に、同期信号を発し得る。

あるいは、プローブは、時計を有し、該時計から発するデータは、同期信号として作用し、機械の位置のデータの記録を開始し得る。プローブとインターフェースかまたは工作機械の制御器のどちらかとの２つが時計を有する場合、該時計は、時々連結する信号によりロック状態に保持され得る。主送信源からのデータは、正しい実時間を与えられ得る。

プローブのデータ組と工作機械からの位置データのデータ組の実時間認識が実行される場合、２つのデータ組が収集される実時間は、同じである必要はない。一方または両方の組のデータが処理され、２つのデータ組が同じ時間に記録される場合に期待されるデータの近似値に到達するように、一方の組のデータを他方のデータ組に対して補間することが可能である。

本発明の改良において、位置データとの組み合わせの前に、プローブのデータを選別することが可能である。これは、必要とされるより多くのプローブ・データが収集されるときになされ得る。該データは、平均化され、振動誤差を排除し得る。インターフェース６０における同期信号を増大させ、同期信号の発生より多くデータを呼び出すことにより、より多くのプローブ・データが生成され得る。

別の装置においては、同期信号は、プローブからのデータを呼び出すのに使用されないが、インターフェース６０に到達する絶え間のないデータからデータを抽出するのに使用される。

一定の時間遅延が一方の組のデータに利用され、加えられる場合、遅延を処理する補正が考慮され得る。

実際に、第２組に格納されたデータは、例えば、熱成長による機械誤差を有し、ＮＣまたはその他の機械部品に使用される独立したソフトウエアにより収集されたデータであり得る。

上記したシステムは、その後者の組み合わせを許す方法での、プローブからのデータ及び機械位置データの収集を可能とする。現在のＮＣ制御器は、実時間機械位置データへの外からのアクセスを許さない。本システムは、この問題を克服している。

本発明に係る測定システムの１つの実施態様を示す。

Claims (13)

1. 被加工物製造プロセス及び被加工物検査プロセスを実行するのに動作可能な制御器（２０、５０、６０）を有する工作機械（１０）を備える被加工物検査システムであって、
   前記検査プロセスは、接触式の寸法測定プローブとしてのアナログ走査プローブ（Ｐ）からの前記被加工物（Ｗ）の測定に関連する変動データを前記工作機械からの機械の位置に関連する変動データと同期させる方法を含み、
   前記工作機械に前記アナログ走査プローブを搭載するステップと、
   前記アナログ走査プローブに対して前記被加工物の位置を変化させるステップと、
   複数の時点を画定する、時間をベースとする同期信号（２２、２４）を発するステップと、
   前記アナログ走査プローブに対して前記被加工物の位置が変化している間、前記被加工物の測定を記録させるステップであって、
   第１のシステムが前記機械の位置に関連する変動データを含む第１のデータの組を記録するステップ、
   前記第１のシステムとは別個の第２のシステムが、前記アナログ走査プローブに対して前記被加工物の位置が変化している間取得される前記被加工物の測定に関連する前記アナログ走査プローブからの変動データを含む第２のデータの組を記録するステップ、を含むステップと、
   を備え、
   機械の位置データとアナログ走査プローブからのデータとの同時に存在するデータが決定され、続いて組み合わされるように、前記第１及び第２のシステムを使って、前記時間をベースとする同期信号が、前記第１及び第２のデータの組の記録に使用され、
   前記同期信号は、一方または両方のデータの組が処理され、２つのデータの組が同時に記録された場合に期待されるデータの近似値に到達するように、一方のデータの組を他方のデータの組に対して補間するために、
   前記アナログ走査プローブからのデータが、前記機械の位置に関連するデータに一致すべく、遅れ、進むように、前記アナログ走査プローブからのデータの処理を支援し、または、
   前記機械の位置に関連するデータが、前記アナログ走査プローブからのデータに一致すべく、遅れ、進むように、前記機械の位置に関連するデータの処理を支援することを特徴とする被加工物検査システム。
2. 前記同期信号は、前記制御器から発することを特徴とする請求項１に記載の被加工物検査システム。
3. 機械の位置とアナログ走査プローブからのデータとの同時に存在するデータが決定され、続いて組み合わされるように、前記同期信号は、前記第１及び第２のデータの組の少なくともいくつかの記録された機械の位置データ及び／またはアナログ走査プローブからのデータを分類するために使用されることを特徴とする請求項１に記載の被加工物検査システム。
4. 前記同期信号は、前記機械の位置データ及び前記アナログ走査プローブからのデータが、関連する実時間と組み合わされ得るように、工作機械及びアナログ走査プローブからの第１及び第２のデータの組の少なくともいくつかのメンバーが記録される実時間を認識するのに使用されることを特徴とする請求項１に記載の被加工物検査システム。
5. 前記アナログ走査プローブは、前記時点の発生より短い間隔で監視され、選択されたデータのみが第２のデータの組に記録され、及び／または該データがその記録の前に処理されることを特徴とする請求項１に記載の被加工物検査システム。
6. 前記システムは、前記第１及び第２のデータの組を組み合わせるソフトウエアをさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の被加工物検査システム。
7. 前記システムは、組み合わされたデータに基づいて、前記工作機械の前記制御器で実行される前記被加工物製造プロセスに影響を与えるソフトウエアをさらに含んでいることを特徴とする請求項６に記載の被加工物検査システム。
8. 前記システムは、前記同期信号及び前記アナログ走査プローブからの変動データを受け入れるインターフェース回路をさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の被加工物検査システム。
9. 前記システムは、前記アナログ走査プローブから前記制御器への停止信号パスを含み、前記制御器は、停止信号が前記制御器により受け取られる場合、前記機械を停止させることを特徴とする請求項１に記載の被加工物検査システム。
10. 前記アナログ走査プローブは、接触式の寸法測定プローブであり、前記変動データは、プローブに接続された被加工物接触針の撓みの変化に関連することを特徴とする請求項１に記載の被加工物検査システム。
11. 前記第１及び／または第２のデータの組は、処理されたデータが２つのデータの組の要素が同時に記録された場合に取得されるデータに近似したデータを示すように処理されることを特徴とする請求項１に記載の被加工物検査システム。
12. 請求項１に記載されたステップに従って前記被加工物検査システムを制御するソフトウエア。
13. 被加工物（Ｗ）を支持するテーブル、該テーブルに対して相対的に移動可能なスピンドル（Ｓ）、及び被加工物製造プロセスと被加工物検査プロセスの両方を実行し、前記テーブル及び前記スピンドルの相対的位置に関連する変動データを生成するために動作可能な制御器（２０、５０、６０）を有する工作機械（１０）を備える被加工物検査システムであって、
    前記システムは、また、被加工物の測定に関連する変動データを生成するために、前記スピンドルに取り付けられたアナログ走査プローブ（Ｐ）、及び同期信号生成器（２２）を備え、
    以下の被加工物検査ステップ、
    前記工作機械のスピンドルに前記アナログ走査プローブを搭載するステップと、
    前記アナログ走査プローブに対して被加工物の位置を変化させるステップと、
    複数の時点を画定する、時間をベースとする同期信号を発するステップと、
    前記アナログ走査プローブに対して前記被加工物の位置が変化している間、前記被加工物の測定を記録させるステップであって、
    第１のシステムが前記テーブル及び前記スピンドルの相対的位置に関連する変動データを含む第１のデータの組を記録するステップ、
    第１のシステムとは別個の第２のシステムが、前記アナログ走査プローブに対して被加工物の位置が変化している間取得される前記被加工物の測定に関連する前記アナログ走査プローブからの変動データを含む第２のデータの組を記録するステップ、を含むステップと、
    が実行されるように動作可能であり、
    機械の位置データと前記アナログ走査プローブからの同時に存在するデータが決定され、続いて組み合わされるように、前記第１及び第２のシステムを使って、前記時間をベースとする同期信号が前記第１及び第２のデータの組の記録に使用され、
    前記同期信号は、一方または両方のデータの組が処理され、２つのデータの組が同時に記録された場合に期待されるデータの近似値に到達するように、一方のデータの組を他方のデータの組に対して補間するために、
    前記アナログ走査プローブからのデータが、前記機械の位置に関連するデータに一致すべく、遅れ、進むように、前記アナログ走査プローブからのデータの処理を支援し、または、
    前記機械の位置に関連するデータが、前記アナログ走査プローブからのデータに一致すべく、遅れ、進むように、前記機械の位置に関連するデータの処理を支援することを特徴とする被加工物検査システム。

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