JP5587393B2 - 工具を設定または分析する装置 - Google Patents

Description

本発明は、工具、特に機械工具に使用するための切削工具を分析する装置に関する。それは、例えば、工具を設定する際のように切削工具の位置を決めるために、または、その状態、例えば、それが破損もしくは摩耗しているかどうかを判定するために使用可能である。

特許文献１には、いわゆる「ブレークビーム（break beam）」システムを使用するこのような工具の設定装置が説明されている。光ビームは、光送信器（light transmitter）と光受信器（light receiver）との間を進む。歯付き切削工具は、それがこのビームに進入するときに回転させられる。光受信器からの複合信号は、この光受信器信号の数値表現（numerical representation）を作成するために、アナログ／デジタル変換器でデジタル化される。次いでこの数値表現は、その信号の固有な特徴から工具を検出するために、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、あるいはフィールドプログラマブルゲートアレイ、特定用途向け集積回路もしくは汎用マイクロプロセッサ（例えば、プログラム可能な集積回路（ＰＩＣ））、または個人用コンピュータシステムでデジタル処理される。

工具が認識されるとき、プロセッサは、機械工具のコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）のいわゆる「スキップ（skip）」入力に導かれるトリガ信号を生成する。これは、コントローラに機械工具の位置エンコーダーの即時値（instantaneous values）を読み込ませ、この即時値から、切削工具を切削動作のために位置決めするときに使用するオフセット値が生成される。

このようなシステムは、迅速な動作を実現するように、工具をビームの中へ移動させるための遅い送り速度を必要とすることなく,反復可能な測定結果を与える。それはまた、特に、機械工具の冷媒の滴がビームを通過するときに、工具がビームを中断した結果ではない不要信号の除外を可能にする。

国際公開第２００４／０５６５２８号パンフレット 米国特許第７３１５０１８号明細書

本出願人は、幾つかの希な状況において、既知の装置の主分析回路が、回転する工具によって引き起こされる複合信号を認識することができず、よってトリガ信号を生成できないおそれを理解している。

他の問題は、以下のように、上述の先行技術の装置を実際に使用する際に判明した。ＣＮＣ機械工具制御装置の幾つかの種類のスキップ入力は、制御装置が有効なトリガ信号に対して反応しない時間間隔を有する。これは、ブラインドウィンドウ（blind window）と呼ばれる。このブラインドウィンドウの間、制御装置は切削工具の移動を停止させることがなく、それは破壊を引き起こすおそれがある。

本発明は、
光ビームを生成するための光源と、
前記光ビームを受けて、前記ビームから受光量を示す信号を生成するための光受信器と、
前記光受信器からの前記信号を分析して、前記ビームが少なくとも部分的に遮断されるときにトリガ信号を生成するための主分析回路と、
前記受信器からの前記信号を受ける副トリガ信号生成回路であって、前記ビームが工具によって少なくとも部分的に遮断されたときに前記主分析回路がトリガ信号を生成しなければバックアップトリガ信号を生成する副トリガ信号生成回路と、
を備える工具設定または工具分析装置を提供するものである。

本発明は、
光ビームを生成するための光源と、
前記光ビームを受けて、前記光ビームから受光量を示す信号を生成するための光受信器と、
前記光受信器からの前記信号を分析して、前記光ビームが工具によって少なくとも部分的に遮断されるときにトリガ信号を生成するための主分析回路と、
前記光受信器からの前記信号を受ける副トリガ信号生成回路であって、前記光ビームが前記工具によって少なくとも部分的に遮断されたときに前記主分析回路がトリガ信号を生成しなければバックアップトリガ信号を生成する副トリガ信号生成回路と、
を備えることを特徴とする工具設定または工具分析装置を提供するものである。
。

好ましくは、この副回路は、受信器からの信号が所定の時間間隔よりも長い間所与の状態のままであれば、トリガ信号を生成する。好ましくは、副回路の出力は、主回路の出力と並列に接続される。

好ましい実施形態において、本発明による装置は、発振トリガ信号を供給するために接続された発振器または発振発生器を含む。好ましくは、これは、遅延期間の終了後に反復トリガ出力を発生させるために、副回路と関連する。上記の問題を有するコントローラのブラインドウィンドウ内において、工具がビームを中断することがあれば、このような反復トリガ信号は、ブラインドウィンドウの終了後まで継続して、コントローラが反応することを保証する。

ここで、添付の図面を参照しつつ、例を挙げて本発明の好ましい実施形態を説明する。

工具の分析および設定装置を示す模式図である。 本装置における信号波形を示す図である。 別法による工具の分析および設定装置の回路を示す模式図である。

図１は、ブレークビーム式の工具設定装置を示す。それは、光ビーム２０を光受信器３４に向かって誘導する光送信器１２を備える。使用に際して、本装置は、歯付き切削工具５０が内部に搭載されうる可動スピンドル（図示せず）を有する機械工具に取り付けられる。切削工具５０の存在を検出するため、および工具設定を実行するために、このスピンドルは、工具５０がビーム２０に中へ進入して、このビームの少なくとも一部を遮断するように、工具を移動させることができる。光送信器１２は半導体レーザダイオードでもよく、受信器３４は光ダイオードでもよい。本例では赤外光が使用される。

受信器３４からの信号は、増幅器３１によって増幅される。主分析回路において、その信号は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３３によってサンプルされる。サンプル速度は、他のサンプル速度が使用されてもよいが約４５ｋＨｚである。サンプルは、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）３５によって要求される。このプロセッサは、複合信号を分析して、その信号が回転する切削工具の信号と一致するときにトリガ出力信号を生成する。このトリガ信号は、配線６０上で機械工具のＣＮＣコントローラ６２の「スキップ」入力６１に導かれる。コントローラ６２は、トリガ信号を受け取ると、切削工具５０を保持するスピンドルの座標位置を求めるために、機械工具の位置エンコーダーに問い合わせる。この時点から、工具検出が行われることが可能であり、工具設定オフセット値が生成されうる。

これまで説明したように、本装置は、ＤＳＰ３５で実行されるアルゴリズムを含めて、さらに詳細に参照されるべき文献（例えば、本出願人の特許文献１およびそれに対応する特許文献２参照）に示されている通りである。これは、工具設定動作の精確かつ迅速な実行が可能であるように、切削工具５０が速い送り速度でビーム２０の中へ移動させられるときであっても、トリガ信号の生成が高度に反復可能であることを保証する。これらの文献（特許文献１および２参照）は、参照により本明細書に組み込まれる。

本装置は、Ａ／Ｄ変換器３３およびＤＳＰ３５と並列に、副次的、余剰的つまり補助的な工具検出回路をさらに具備し、以下、これについて説明する。この目的は、工具５０が、希な状況でＤＳＰアルゴリズムによって検出されない場合であっても、または機械コントローラがＤＳＰ３５からのトリガ信号に応答しない場合であっても、トリガ信号が常に生成されかつコントローラ６２によって常に検出されることを保証することである。

副次的、余剰的つまり補助的な工具検出回路は、増幅器３１から工具信号出力を受け取る信号比較器６４を備える。この比較器６４は閾値検出器として働き、信号入力がある一定の閾値を越えるときに出力信号を生成する。本例において、増幅器からの工具信号は、回転する切削工具５０の歯が光ビーム２０に進入するときの光スループット（light throughput）の減少に対応する負方向のパルス（negative-going pulses）である。したがって、比較器６４は、増幅器３１からの信号が２．０Ｖの閾値を下回るときに出力を生成する。

比較器６４の出力は遅延タイマ６６に導かれ、この遅延タイマは、閾値が越えられるきに、（例えば）１５０ミリ秒の遅延期間の間、クロックパルスを計数する。タイマ６６は、この遅延期間の終了時に出力配線６８上でバックアップトリガ信号を出力する。工具信号が、この遅延期間の終了前に比較器の閾値を越えることがあれば、タイマはリセットされる。図２は、これを例示する。すなわち、タイマは、信号が２．０Ｖ閾値を下回る時点Ａでセットされるが、次いで信号が閾値を再び上回る時点Ｂでリセットされる。引き続いて、タイマは時点Ｃでもう一度セットされ、今度は信号が閾値を再び上回ることはない。トリガ信号は、時点Ｃから１５０ミリ秒後の時点Ｄで生成される。

図２は、例示目的のために簡素化されている。実際には、先ほどの文献（例えば、特許文献１参照）に例示されているように、工具信号の中にはもっと数多くのパルスが存在し、タイマ６６は、それらのパルスの１つが２．０Ｖ閾値を再び上回らなくなる後でのみ、そのトリガ信号を出力することになる。

当然ながら、増幅器出力信号が正方向パルス（positive-going pulses）を有すれば、比較器６４は、工具信号が閾値を下回るときではなく、それが閾値を上回るときに、その出力を生成するように準備される。

回路７０において、遅延タイマ６６の出力６８は、ＤＳＰ３５からの出力６０でゲート制御される。回路７０は、コントローラ６２のスキップ入力６１を駆動するためのドライバ論理および固体素子リレーを備える。

タイマ６６の遅延期間は、それが、工具の認識にＤＳＰ３５が要する時間の長さを超えるように選択される。また比較器６４の２．０Ｖの閾値は、それが、ＤＳＰ３５における対応する信号閾値の後でのみ上回るように選択される。（すなわち、比較器の閾値は、負方向の信号の場合にはＤＳＰ閾値よりも低いく、あるいは正方向の信号の場合にはＤＳＰ閾値よりも高い。本例では、図２に示されるように、ＤＳＰ閾値を２．５Ｖとしてもよい。）
その結果として、通常動作では、配線６８上の補助的な回路トリガ出力の前に、ＤＳＰ３５がトリガ出力を配線６０の上で生成し、これが機械コントローラ６２のスキップ入力６１に導かれる。よって、機械コントローラ６２は、正確な工具設定のために、ＤＳＰ３５からの反復可能なトリガ信号に反応する。

しかし、ＤＳＰ３５が工具を認識しなければ、比較器６４と遅延タイマ６６との組合せは、簡素でかつ信頼性があって、フェールセーフ様態で、１５０ミリ秒の遅延後にそのバックアップトリガ信号をコントローラに供給する。これは、コントローラが、光ビーム２０を通る工具５０の移動を停止させて、その工具が機械工具の他の構造体内に突っ込むことの防止を保証する。

随意的に、回路７０は、配線７２上で別の固体素子リレーを経由して、機械コントローラに対する第２の出力を生成してよい。この出力は、ＤＳＰ３５およびタイマ６６の出力ばかりでなく、発振器７４の出力も一緒にゲート制御することによって生成される。その結果として、トリガ信号がＤＳＰ３５またはタイマ６６から配線７２上で生成された後に、発振器によって引き起こされた反復信号エッジ（repeated signal edges）がこの配線上に出現する。これらの反復信号エッジは、さらなるトリガ信号として働く。機械コントローラ６２がブラインドウィンドウ（blind window）の中にあって、ＤＳＰ３５またはタイマ６６からの第１のトリガ信号に反応しなければ、このコントローラは、ブラインドウィンドウの終了後に、これらのさらなる反復トリガ信号の１つに反応する。これは、フェールセーフ動作をもたらして、押し潰れが発生する前に工具の移動が停止されることを保証する。

コントローラ６２は、配線６１、７２の両方に接続される必要がないことが理解されよう。しかし、配線７２が使用される場合に（コントローラは、ブラインドウィンドウの弊害を受けるので）、配線６１は、有利なことに、コントローラが本装置の現時点の状態（トリガされているか、またはトリガされていないか）を判定するために問い合わせできる非発振入力（non-oscillating input）を供給する。

図３は、図１のブレークビーム装置（break beam device）１２、３４に使用するための他の回路を示す。本図において、主分析回路は、ＤＳＰ３５ではなく、プログラム可能な集積回路（ＰＩＣ）８０を備える。それは、図１におけるような同様の増幅器３１と、比較器６４と、を経由して、受信器３４から信号を受け取る。これは、アナログ／デジタル変換ではなくて、ＰＩＣにパルス入力信号を供給する。ＰＩＣは、回転する工具が光ビームを中断するときに、この工具によって引き起こされる信号パターンを認識するようにプログラムされる。

ＰＩＣが工具を認識するとき、それは、論理回路および固体素子リレー８２に対して、したがって先ほどのように機械コントローラ６２に対して、トリガ信号を配線８９上で供給する。このトリガ信号は非常に反復性があり、よって適切な計量精度を実現する。

ＰＩＣ８０と並列に、１５０ミリ秒遅延回路８６も比較器６４の出力を受ける。これは、図１の遅延計数器に関する場合と同様に、フェールセーフトリガ信号を供給する。このフェールセーフ信号は、ＯＲゲート８８においてＰＩＣ８０の出力と組み合わされ、組み合わされたトリガ信号を配線９０上で論理回路およびリレー８２に供給する。よって、配線９０上のこの組合せ信号は、通常ではＰＩＣの出力に対するトリガをもたらすが、ＰＩＣが工具を認識しなければ、それは遅延回路の出力の結果として引き続いてトリガを行う。

配線８９および９０上のトリガ信号は、工具が検出されるときに水準を変更するに過ぎない（高水準から低水準へ、または低水準から高水準へ）。しかし、さらにパルス発生器９２および発振発生器９４が設けられて、それらの入力をＯＲゲート８８の出力から受ける。パルス発生器９２は、パルスの形態で組合せトリガ信号を生成する。発振発生器９４は、反復する方形波発振（repeating square wave oscillation）の形態で組合せトリガ信号を生成する。これらの両方が論理回路８２に導かれ、それらの信号は、この回路から配線７２上で機械コントローラに受け渡すために選択することができる。

論理回路８２は、モード選択回路８４の制御下において、トリガ信号のどれが出力６１または７２を経由して機械に導かれるかを選択する。このモード選択回路は、セットアップスイッチによって、および／または機械コントローラ６２で走るプログラムからのいわゆる「Ｍコード」信号によって設定されてもよい。

本装置が工具設定モードで使用されることになれば、組合せトリガ信号のいずれか（水準変更、パルス、または発振トリガ信号）は、モード選択回路８４によって選択されて機械コントローラ６２に受け渡すことができる。または、配線８９上の組み合わされていないＰＩＣ出力は、コントローラに受け渡されてもよい。発振トリガ信号が選択される場合には、先ほどのように、その反復信号エッジがさらなるトリガ信号として働き、コントローラ６２がブラインドウィンドウの弊害を受ければフェールセーフ動作を実現する。

本装置が、例えば、破損または摩耗した工具を検出するために、非工具設定モード（non-tool-setting mode）で使用されることになれば、ＰＩＣ出力８９は、モード選択回路８４によって選択されて機械コントローラ６２に受け渡される。

発振発生器９４は、配線９０上の組合せトリガ信号と同期化される（図１の自走型（free-running）発振器７４とは異なる）ことが好ましい。これは、得られる発振トリガ信号が、工具による光ビームの中断に対して反復可能に生成されるという利点を有する。したがって、それは、計量上正確なトリガ信号（metrologically accurate trigger signal）として使用することができる。

ＤＳＰ３５またはＰＩＣ８０に代わって、他の分析回路が使用できることが理解されよう。例としては、フィールドプログラマブルゲートアレイ、特定用途向け集積回路、汎用マイクロプロセッサ、または個人用コンピュータシステムが含まれる。

Claims (17)

1. 光ビームを生成するための光源と、
   前記光ビームを受けて、前記光ビームから受光量を示す信号を生成するための光受信器と、
   前記光受信器からの前記信号を分析して、前記光ビームが工具によって少なくとも部分的に遮断されるときにトリガ信号を生成するための主分析回路と、
   前記光受信器からの前記信号を受ける副トリガ信号生成回路であって、前記光ビームが前記工具によって少なくとも部分的に遮断されたときに前記主分析回路がトリガ信号を生成しなければバックアップトリガ信号を生成する副トリガ信号生成回路と、
   を備えることを特徴とする工具設定または工具分析装置。
2. 前記主分析回路は、前記光受信器からの前記信号が、前記光ビームを遮断する回転式の工具によって生じる複合信号と一致するときに前記トリガ信号を生成し、
   前記副トリガ信号生成回路は、前記複合信号を認識できずに、前記光受信器からの前記信号が所定の時間間隔よりも長い間、前記光ビームが前記工具によって遮断されたことを示す状態のままであるときに、前記バックアップトリガ信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の工具設定または工具分析装置。
3. 前記副トリガ信号生成回路の出力は、前記主分析回路の出力と並列に接続されることを特徴とする請求項１に記載の工具設定または工具分析装置。
4. 前記副トリガ信号生成回路の出力は、前記主分析回路の出力と並列に接続されることを特徴とする請求項２に記載の工具設定または工具分析装置。
5. 発振トリガ信号を供給するために接続される発振器または発振発生器を含むことを特徴とする請求項１に記載の工具設定または工具分析装置。
6. 前記所定の時間間隔の終了後に反復トリガ出力を発生させるために、前記副トリガ信号生成回路と関連する発振器または発振発生器を含むことを特徴とする請求項２に記載の工具設定または工具分析装置。
7. 光ビームを生成するための光源と、
   前記光ビームを受けて、前記光ビームから受光量を示す信号を生成するための光受信器と、
   前記光受信器からの前記信号を受ける回路であって、前記光ビームが工具によって少なくとも部分的に遮断されたときに、初期のトリガ信号、および前記初期のトリガ信号の後に更なるトリガ信号を生成し、前記初期のトリガ信号が制御機械のブラインドウィンドウ内で生成されるならば、前記更なるトリガ信号が前記ブラインドウィンドウの後まで継続して、前記制御機械が反応することを保証する回路と、
   を備えることを特徴とする工具設定または工具分析装置。
8. 前記更なるトリガ信号を生成するための発振器または発振発生器を含むことを特徴とする請求項７に記載の工具設定または工具分析装置。
9. 前記初期のトリガ信号を生成するための主分析回路を備え、
   前記更なるトリガ信号は、前記主分析回路および前記発振器または発振発生器からの出力を一緒にゲート制御することによって生成されることを特徴とする請求項８に記載の工具設定または工具分析装置。
10. 初期のトリガ信号が前記主分析回路によって生成されたか否かを判定するために問い合わせできる更なる非発振出力を含むことを特徴とする請求項８または９に記載の工具設定または工具分析装置。
11. パルス状のトリガ信号を生成するためのパルス発生器を含むことを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の工具設定または工具分析装置。
12. 前記トリガ信号のどれを出力するかを選択するためのモード選択回路を備えることを特徴とする請求項７から１１のいずれかに記載の工具設定または工具分析装置。
13. 前記発振器または発振発生器は、前記初期のトリガ信号に同期することを特徴とする請求項７から１２のいずれかに記載の工具設定または工具分析装置。
14. 前記回路は、前記光受信器からの前記信号を分析して、前記光受信器からの前記信号のパターンが回転する切削工具によって引き起こされる信号と一致するときに、前記初期のトリガ信号と前記更なるトリガ信号を生成することを特徴とする請求項７から１３のいずれかに記載の工具設定または工具分析装置。
15. 前記初期のトリガ信号および前記更なるトリガ信号は、ＣＮＣ制御装置のスキップ入力を送って前記ＣＮＣ制御装置を反応させることを特徴とする請求項７から１４のいずれかに記載の工具設定または工具分析装置。
16. 工具が搭載されうる可動スピンドルと、光ビームを生成するための光源と、前記光ビームを受けて、前記光ビームから受光量を示す信号を生成するための光受信器と、を有する工具制御装置用のトリガ信号の生成方法であって、
    前記光ビームが前記工具によって少なくとも部分的に遮断されたときに、初期のトリガ信号を生成する工程と、
    前記初期のトリガ信号の後に更なるトリガ信号を生成し、前記初期のトリガ信号が制御機械のブラインドウィンドウ内で生成されるならば、前記更なるトリガ信号が前記ブラインドウィンドウの後まで継続して、前記制御機械が反応することを保証する工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法を実行するための装置。

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