JP6545597B2 - Displacement measuring device - Google Patents

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義夫 榎本
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裕 河野
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Description

本発明は、変位センサと被測定対象物(金属製)までの変位を測定する変位測定装置に関するものである。特に、マシニングセンタ(以下、「MC」と略す)のような自動工具交換装置を備えた工作機械にあっては、ロボットアーム等により、主軸に対してツールホルダを自動的に交換する際に、ツールホルダが主軸の回転中心にセットされたかを確認するため、ツールホルダのフランジ外周の変位を測定する変位測定装置に関する。   The present invention relates to a displacement measuring device that measures displacement to a displacement sensor and an object to be measured (made of metal). In particular, in a machine tool equipped with an automatic tool changer such as a machining center (hereinafter abbreviated as "MC"), a tool for automatically changing the tool holder with respect to the spindle by a robot arm or the like. The present invention relates to a displacement measuring device that measures displacement of a flange periphery of a tool holder in order to confirm whether the holder is set at the rotation center of the spindle.

渦電流式変位センサは、各種産業分野で多くの回転機械に使われており、その中でも重要なものに関しては機械の状態、特に振動の定期的な監視や常時監視が行われ、効率的なメンテナンスや異常解析、診断などに利用されている。   Eddy current type displacement sensors are used in many rotating machines in various industrial fields, and important ones among them are regularly monitored and constantly monitored the condition of the machine, especially vibration, and efficient maintenance And are used for analysis and diagnosis.

新川電機株式会社、“Webマガジン、SHINKAWA Times”、“Vol.2 No.1 2010年01月13日号”、“Column”、“回転機械の状態監視 vol.2渦電流式変位センサの原理”のページ、[online]、平成22年1月13日、[平成27年5月11日検索]、イ ン タ ー ネ ッ ト < U R L:http://www.shinkawa.co.jp/magazine/vol.2_column_sst.html> (非特許文献1)には、図1に示すような、渦電流式変位センサの原理が示されている。基本的に渦電流式変位センサはセンサとターゲットとの変位(ギャップ)を測定する変位計である。この変位計で振動計測ができる理由は、渦電流式変位センサの周波数応答はDC〜10kHz程度までと広く、通常の回転する軸振動計測で対象となる数十Hzから数百Hzの範囲ではギャップ(センサ入力)の変化に対する変換器の出力は一対一で追従するからである。渦電流式変位計の静特性は図2(A)に示すように使用するレンジ内で変位に比例した電圧を出力する。ターゲットがx2を中心にx1からx3の範囲で振動している場合、時間に対する変位は図2(B)のように示される。また、変換器の出力電圧は図2(C)のような時間に対する出力電圧の波形となって現れる。この時、出力電圧 y1、y2、y3に対する変位(ギャップ)x1、x2、x3は既知の値でほぼ比例関係にある。このため、振動モニタなどを用いてy3とy1の偏差(y3−y1)を演算処理することにより振動振幅を算出することができる。さらに、変位計の出力波形は振動波形を示しているため、波形を観測したり、振動を解析したりすることができる。   Shinkawa Electric Co., Ltd., "Web Magazine, SHINKAWA Times", "Vol.2 No. 1 Jan. 13, 2010", "Column", "Principle of state monitoring of rotating machinery vol.2 principle of eddy current displacement sensor" Page, [online], January 13, 2010 [search May 11, 2015], Internet <U R L: http://www.shinkawa.co.jp/ magazine / vol. 2_column_sst. html> (Non-patent Document 1) shows the principle of an eddy current displacement sensor as shown in FIG. Basically, the eddy current displacement sensor is a displacement sensor that measures the displacement (gap) between the sensor and the target. The reason that vibration measurement can be performed with this displacement gauge is that the frequency response of the eddy current displacement sensor is as wide as DC to 10 kHz, and gaps in the range of several tens Hz to several hundreds Hz, which are targets in normal rotating shaft vibration measurement This is because the output of the converter with respect to the change of (sensor input) follows one to one. The static characteristic of the eddy current displacement meter outputs a voltage proportional to the displacement within the range used as shown in FIG. 2 (A). When the target oscillates in the range of x1 to x3 around x2, the displacement with respect to time is shown as shown in FIG. 2 (B). Also, the output voltage of the converter appears as a waveform of the output voltage with respect to time as shown in FIG. 2 (C). At this time, displacements (gaps) x1, x2, x3 with respect to the output voltages y1, y2, y3 are approximately proportional to known values. Therefore, the vibration amplitude can be calculated by arithmetically processing the deviation (y3-y1) of y3 and y1 using a vibration monitor or the like. Furthermore, since the output waveform of the displacement gauge shows a vibration waveform, it is possible to observe the waveform or analyze the vibration.

特開2006−317387号公報(特許文献1)には、図3に示すように、工作機械において、測定対象物(金属)との間の変位にしたがってインダクタンスが変化するような渦電流式変位センサを使用して、回転軸を有する工作機械におけるツールホルダ302の装着状態異常を判定することが記載されている。その際、渦電流式変位センサの等価回路をインダクタンスL、キャパシタンスC、抵抗Rの直列回路と仮定することが記載されている。図3に示すように、ツールフランジ303と渦電流式変位センサ312との変位を測定するため、渦電流式変位センサ312と、様々な周波数(f1〜fi)の交流電流を渦電流式変位センサ312に供給する発振回路321と、渦電流式変位センサ312に現れる交流電圧を整流する整流回路322と、該整流された電圧波形の直流成分を取り出すフィルタ回路323と、該直流成分をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器324(以下、「ADC」と記す)と、当該デジタル信号に基づいてインダクタンスLを算出するためのマイクロコンピュータ326およびメモリ325からなる機能モジュール330とで構成されている。図4に示すように、マイクロコンピュータ326には、発振周波数を指示する周波数変換部400と、検波回路320からの信号に基づいてインダクタンスを算出するインダクタンス算出部410と、算出されたインダクタンスに基づいて、変位を算出する変位算出部420と、算出された変位に基づいて、異常を判定する異常判定部430が備えられている。当該機能モジュール330には、検波回路320から渦電流式変位センサ312に現れる交流電圧の振幅(V1〜Vi)を示すデジタル信号がインダクタンス算出部410に供給される。i=1〜nとして、数1に示すようなn個の連立方程式を解いて算出したインダクタンスLに基いて、ツールフランジ303と渦電流式変位センサ312の変位(ギャップ)を測定して、ツールホルダの主軸への装着状態の異常を判定することが記載されている。
(数1)
i=|jωiL+1/(jωiC)+R|×Ei (i=1〜n)
また、渦電流式変位センサ312に印加する交流信号の周波数の変化ステップを細かくして、ほぼ無段階に交流信号の周波数を掃引しながら、渦電流式変位センサ312に現れる信号の振幅Vを検出する。そして、掃引範囲(fs〜fe)の全てにおいて掃引を完了すると、インダクタンス算出410は、交流信号の周波数の変化に対する、渦電流式変位センサ312に現れる信号レベルVの変化、すなわち微分値dV/dω(ω=2πf)を算出する。続いて、上記数1のような、渦電流式変位センサ312に現れる信号を求める数式を、角周波数ωについて微分することによって導出した算出式に、微分値dV/dωを代入することによって、渦電流式変位センサ312のインダクタンス成分Lを算出することができる。最後に、変位算出部420は、インダクタンス成分Lに対応する渦電流式変位センサ312からツールフランジ303の外周面との変位(ギャップ)を決定することが記載されている。
As shown in FIG. 3, an eddy current displacement sensor in which the inductance changes in accordance with the displacement with respect to the measurement object (metal) as shown in FIG. 3 is disclosed in JP 2006-317387 A (patent document 1). It has been described that the mounting condition abnormality of the tool holder 302 in a machine tool having a rotation axis is determined. At that time, it is described that the equivalent circuit of the eddy current displacement sensor is assumed to be a series circuit of an inductance L, a capacitance C, and a resistance R. As shown in FIG. 3, in order to measure the displacement of the tool flange 303 and the eddy current displacement sensor 312, the eddy current displacement sensor 312 and the alternating current of various frequencies (f 1 to f i ) are eddy current equations The oscillating circuit 321 which supplies the displacement sensor 312, the rectifying circuit 322 which rectifies the alternating current voltage which appears in the eddy current displacement sensor 312, the filter circuit 323 which takes out the direct current component of the rectified voltage waveform, and the digital current component It comprises an analog-to-digital converter 324 (hereinafter referred to as “ADC”) for converting into a signal, and a functional module 330 consisting of a microcomputer 326 and a memory 325 for calculating the inductance L based on the digital signal. There is. As shown in FIG. 4, in the microcomputer 326, based on the calculated inductance, a frequency conversion unit 400 for instructing the oscillation frequency, an inductance calculation unit 410 for calculating an inductance based on the signal from the detection circuit 320, and A displacement calculating unit 420 that calculates displacement, and an abnormality determining unit 430 that determines abnormality based on the calculated displacement. In the function module 330, a digital signal indicating the amplitude (V 1 to V i ) of the AC voltage appearing from the detection circuit 320 to the eddy current displacement sensor 312 is supplied to the inductance calculation unit 410. The displacement (gap) of the tool flange 303 and the eddy current displacement sensor 312 is measured based on the inductance L calculated by solving n simultaneous equations as shown in Equation 1 with i = 1 to n, It is described that the abnormality of the mounting state of the holder to the spindle is determined.
(1)
V i = | jω i L + 1 / (jω i C) + R | × E i (i = 1 to n)
In addition, while changing the step of changing the frequency of the alternating current signal applied to the eddy current displacement sensor 312 finely and sweeping the frequency of the alternating current signal almost steplessly, the amplitude V of the signal appearing in the eddy current displacement sensor 312 is detected Do. Then, when the sweep is completed in all of the sweep range (f s to f e ), the inductance calculation 410 changes the signal level V appearing in the eddy current displacement sensor 312 with respect to the change of the frequency of the AC signal, that is, the differential value dV. Calculate / dω (ω = 2πf). Subsequently, a vortex is obtained by substituting the differential value dV / dω into a calculation equation derived by differentiating the signal appearing in the eddy current displacement sensor 312 as shown in the above equation with respect to the angular frequency ω. The inductance component L of the current displacement sensor 312 can be calculated. Finally, it is described that the displacement calculation unit 420 determines the displacement (gap) with the outer peripheral surface of the tool flange 303 from the eddy current displacement sensor 312 corresponding to the inductance component L.

特開2004−276145号公報(特許文献2)には、工作機械に組み込まれたチャックエラー装置において、主軸に装着されたツールホルダのフランジ部の外周面までの変位を電気信号として検出する渦電流式変位センサと、渦電流式変位センサで測定された変位をメモリに記憶し、変位に基づいて、ツールホルダの偏心量を算出するデータ処理装置を備えることが記載されている。そして、データ処理装置におけるCPUは、ツールホルダの各1周分の変位について、FFT(Fast Fourier Transform)解析を行い、各周波数の成分に分解して基本波周波数成分の振幅値を2倍の偏心量として取得すること、そして、最初の1回転目の偏心量T1と2回転目の偏心量T2との差が所定の閾値以上である場合、チャックエラー(装着状態異常)と判定し、差が所定未満である場合は正常と判定することが記載されている。   In JP-A-2004-276145 (Patent Document 2), in a chuck error device incorporated in a machine tool, an eddy current is used to detect displacement to the outer peripheral surface of a flange portion of a tool holder mounted on a spindle as an electric signal. It is described that a data processing apparatus is provided which stores the displacement measured by the equation displacement sensor and the eddy current displacement sensor in a memory and calculates the amount of eccentricity of the tool holder based on the displacement. Then, the CPU in the data processing apparatus performs Fast Fourier Transform (FFT) analysis on the displacement of each one turn of the tool holder, decomposes it into components of each frequency, and decenters the amplitude value of the fundamental frequency component by twice. If it is acquired as an amount and if the difference between the first eccentricity T1 for the first rotation and the eccentricity T2 for the second rotation is greater than or equal to a predetermined threshold, it is determined as a chuck error (abnormal mounting state) and the difference is It is described that it is determined to be normal if it is less than a predetermined value.

特開2005−333426号公報(特許文献3)には、インダクタンスとコンデンサの容量の積に基づいて発振周波数が決定される自己発振型の変位検出センサ570を用いて、発振しているインダクタ560から出力される磁束を対象物に当てて、対象物に発生する渦電流に起因する発振強度、または発振周波数の変化から対象物との変位(ギャップ)の変化を検出する変位検知システム(変位検知装置)が記載されている。図5は変位検知システム(変位検知装置)の構成例を模式的に示す説明図である。この変位検知装置は、可変発振器520および検出部580と接続されている制御回路500内に記憶部510を備え、共振回路570について検知された共振周波数を記憶部510に記憶させる。制御回路500は、記憶された共振周波数を駆動周波数として用いることによって、変位検知対象物Tの変位を検知する。この検知方法によって、変化後の共振周波数に合うように駆動周波数を見積もり、共振周波数の変化に起因した発振強度の低下を抑える技術が記載されている。   Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2005-333426 (Patent Document 3) uses an inductor 560 oscillating by using a self-oscillation type displacement detection sensor 570 whose oscillation frequency is determined based on the product of an inductance and a capacitance of a capacitor. A displacement detection system (displacement detection device for detecting a change in displacement (gap) with an object from an oscillation intensity caused by an eddy current generated in the object or a change in oscillation frequency by applying an output magnetic flux to the object ) Is described. FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a configuration example of a displacement detection system (displacement detection device). The displacement detection device includes a storage unit 510 in the control circuit 500 connected to the variable oscillator 520 and the detection unit 580, and causes the storage unit 510 to store the resonant frequency detected for the resonant circuit 570. The control circuit 500 detects the displacement of the displacement detection target T by using the stored resonance frequency as the drive frequency. A technique is described in which the drive frequency is estimated to match the changed resonant frequency by this detection method, and the decrease in oscillation intensity caused by the change in resonant frequency is suppressed.

特開2006−317387号公報JP, 2006-317387, A 特開2004−276145号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-276145 特開2005−333426号公報JP 2005-333426 A

新川電機株式会社、“Webマガジン、SHINKAWA Times”、“Vol.2 No.1 2010年01月13日号”、“Column”、“回転機械の状態監視 vol.2渦電流式変位センサの原理”のページ、[online]、平成22年1月13日、[平成27年5月11日検索]、インターネット < U R L:http://www.shinkawa.co.jp/magazine/vol.2_column_sst.html>Shinkawa Electric Co., Ltd., "Web Magazine, SHINKAWA Times", "Vol.2 No. 1 Jan. 13, 2010", "Column", "Principle of state monitoring of rotating machinery vol.2 principle of eddy current displacement sensor" Page, [online], January 13, 2010, [search May 11, 2015], Internet <URL: http://www.shinkawa.co.jp/magazine/vol.2_column_sst. html>

非特許文献1には一般的な渦電流式変位センサの原理が示されているが、共振周波数とセンサとターゲット間の変位の関係、および共振周波数の測定方法および構成については開示されていない。   Although the principle of a general eddy current displacement sensor is shown in Non-Patent Document 1, the relationship between the resonance frequency and the displacement between the sensor and the target, and the method and configuration for measuring the resonance frequency are not disclosed.

特許文献1には、測定対象との間の変位にしたがってインダクタンスが変化する渦電流式変位センサを利用して、回転軸を有する工作機械におけるツールホルダの装着状態異常を判定する工作機械が記載されているが、渦電流式変位センサのインダクタンスを求める際、回路方程式に基づく連立方程式を解く処理が複雑であること、その処理のためのマイクロコンピュータが必要であることという問題がある。   Patent Document 1 describes a machine tool that uses an eddy current displacement sensor whose inductance changes in accordance with a displacement from a measurement object, and determines a mounting abnormality of a tool holder in a machine tool having a rotation axis. However, when determining the inductance of the eddy current displacement sensor, there is a problem that the process of solving simultaneous equations based on the circuit equations is complicated, and a microcomputer for the process is required.

特許文献2には、工作機械に組み込まれたチャックエラー装置において、主軸に装着されたツールホルダのフランジ部の外周面までの変位dを渦電流式変位センサで測定して、変位に基づいて、ツールホルダの偏心量を算出するデータ処理装置を備えることが記載されているが、渦電流式変位センサのどのような応答に着目し、どのような応答と関連付けて変位を算出するのかについての具体的な開示には乏しい。   In Patent Document 2, in a chuck error device incorporated in a machine tool, displacement d up to the outer peripheral surface of a flange portion of a tool holder mounted on a spindle is measured by an eddy current displacement sensor, and based on the displacement Although it is described that a data processor is provided to calculate the amount of eccentricity of the tool holder, it is noted that what kind of response of the eddy current displacement sensor is focused on, and what kind of response is correlated to calculate the displacement. Disclosure is lacking.

特許文献3には、自己発振型の変位検出センサにおいて、対象物に発生する渦電流に起因する発振強度、発振周波数の変化から対象物との変位(ギャップ)の変化を検出する変位検知装置が記載されているところ、図6に示すように、変位検知部として機能するインダクタ(コイル)と対象物とのギャップが小さくなると、共振周波数は高くなり、共振電圧は低下することが記載されているが、発振周波数の測定精度または感度を高くするようなことについて開示されていない。 Patent Document 3 discloses a displacement detection device for detecting a change in displacement (gap) with an object from changes in oscillation intensity and oscillation frequency caused by eddy currents generated in the object in a self-oscillation type displacement detection sensor. It is described that, as shown in FIG. 6, when the gap between an inductor (coil) functioning as a displacement detection unit and an object decreases, the resonance frequency increases and the resonance voltage decreases. However, there is no disclosure about increasing the measurement accuracy or sensitivity of the oscillation frequency.

本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、本発明の目的は、渦電流式変位センサと被測定対象物との間の変位を測定する場合、単純かつ小規模であっても良好な精度・感度を有する変位測定装置を提供すること、特に、渦電流式変位センサが供給する電圧波形の発振周波数についての測定精度または感度を改善することによって、渦電流式変位センサと被測定対象物(例えば、ツールフランジ)との間の変位についての測定精度または測定感度を向上させる変位測定装置を提供することにある。   The present invention has been made based on the above circumstances, and the object of the present invention is to measure the displacement between an eddy current displacement sensor and an object to be measured. An eddy current displacement sensor and an object to be measured by providing a displacement measuring device having accuracy and sensitivity, in particular, by improving measurement accuracy or sensitivity of oscillation frequency of a voltage waveform supplied by the eddy current displacement sensor. It is an object of the present invention to provide a displacement measurement device that improves measurement accuracy or measurement sensitivity for displacement with (for example, a tool flange).

本発明の上記目的は、制御電圧の電圧値および被測定対象物との変位に応じて、発振周波数が変化する第1電圧波形を供給する渦電流式変位センサと、前記第1電圧波形と前記第1電圧波形とは周波数が異なる第1基準電圧波形とを用いて変調された第2電圧波形を生成し、前記第2電圧波形の低周波側成分である第3電圧波形を供給する周波数変換部とを備え、前記第3電圧波形の周波数に基づいて、前記渦電流式変位センサと前記被測定対象物との変位を算出することにより達成される。   The object of the present invention is to provide an eddy current displacement sensor for supplying a first voltage waveform whose oscillation frequency changes in accordance with a voltage value of a control voltage and a displacement of an object to be measured; A frequency conversion that generates a second voltage waveform modulated using a first reference voltage waveform having a frequency different from that of the first voltage waveform, and supplies a third voltage waveform that is a low-frequency component of the second voltage waveform. A portion, which is achieved by calculating the displacement between the eddy current displacement sensor and the object to be measured based on the frequency of the third voltage waveform.

本発明の上記目的は、前記周波数変換部は、第1モジュレータと第1バンドパスフィルタから成る第1変換回路を備え、前記第1モジュレータは、所定周波数の第1クロック波形をもとに生成された第1基準電圧波形と前記第1電圧波形との周波数の差に相当する周波数成分を含む電圧波形である前記第2電圧波形を生成し、前記第1バンドパスフィルタは、前記第2電圧波形に基づいて前記第3電圧波形を供給することにより、
或いは、前記周波数変換部は、第2モジュレータと第2バンドパスフィルタから成る第2変換回路を備え、前記第2モジュレータは、前記第1クロック波形の周波数より周波数が低い第2クロック波形をもとに、前記第1基準電圧波形の周波数より周波数が低く生成された第2基準電圧波形と、前記第3電圧波形との周波数の差に相当する周波数成分を含む電圧波形である第4電圧波形を生成し、前記第2バンドパスフィルタは、前記第4電圧波形に基づいて第5電圧波形を供給することにより、
或いは、前記周波数変換部は、第3モジュレータと第3バンドパスフィルタから成る第3変換回路を備え、前記第3モジュレータは、前記第2クロック波形の周波数より周波数が低い第3クロック波形をもとに、前記第2基準電圧波形の周波数より周波数が低く生成された第3基準電圧波形と、前記第5電圧波形との周波数の差に相当する周波数成分を含む電圧波形である第6電圧波形を生成し、前記第3バンドパスフィルタは、前記第6電圧波形に基づいて第7電圧波形を供給することにより、
或いは、前記周波数変換回路は、前記第1クロック波形をもとに前記第1基準電圧波形を生成する第1ローパスフィルタと、前記第2クロック波形をもとに前記第2基準電圧波形を生成する第2ローパスフィルタと、前記第3クロック波形をもとに前記第3基準電圧波形を生成する第3ローパスフィルタとを備えることにより、
或いは、計数部基準クロック発振器によって生成される所定周波数の第2基準クロック波形にてカウントすることによって、前記周波数変換部により前記第1電圧波形の周波数に応じた周波数に変換された電圧波形の周期に対応するカウント数を計数する周期時間計数部と、前記カウント数に対応した、前記変位を算出する変位算出部と、を備えることにより、
或いは、変位測定装置と、回転駆動する主軸と、切削工具が取り付けられるツールホルダとを備え、前記ツールホルダが装着される前記主軸を回転駆動させてワークを加工する工作機械であって、前記変位測定装置によって、前記主軸に装着した前記ツールホルダのフランジ外周面までの変位を測定して、前記ツールホルダの前記主軸への装着状態の正常または異常を判定することにより、
或いは、変位測定装置と、平行移動する被測定対象物を備える加工装置であって、前記変位測定装置によって、前記変位測定装置と前記被測定対象物までの変位を測定して、前記被測定対象物の空間的な設置の状態を判定することより効果的に達成される。
The above object of the present invention is that the frequency conversion unit includes a first conversion circuit including a first modulator and a first band pass filter, and the first modulator is generated based on a first clock waveform of a predetermined frequency. Generating a second voltage waveform that is a voltage waveform including a frequency component corresponding to a frequency difference between the first reference voltage waveform and the first voltage waveform, and the first band pass filter generates the second voltage waveform By supplying the third voltage waveform based on
Alternatively, the frequency conversion unit includes a second conversion circuit including a second modulator and a second band pass filter, and the second modulator generates a second clock waveform having a frequency lower than that of the first clock waveform. And a fourth voltage waveform which is a voltage waveform including a frequency component corresponding to a difference between the second reference voltage waveform generated at a frequency lower than the frequency of the first reference voltage waveform and the third voltage waveform. Generating a second voltage pass filter by supplying a fifth voltage waveform based on the fourth voltage waveform;
Alternatively, the frequency conversion unit includes a third conversion circuit including a third modulator and a third band pass filter, and the third modulator generates a third clock waveform having a frequency lower than that of the second clock waveform. And a sixth voltage waveform which is a voltage waveform including a frequency component corresponding to a difference between the third reference voltage waveform generated at a frequency lower than the frequency of the second reference voltage waveform and the fifth voltage waveform. Generating a third voltage pass filter by supplying a seventh voltage waveform based on the sixth voltage waveform;
Alternatively, the frequency conversion circuit generates a second low-pass filter that generates the first reference voltage waveform based on the first clock waveform, and generates the second reference voltage waveform based on the second clock waveform. By providing a second low pass filter and a third low pass filter that generates the third reference voltage waveform based on the third clock waveform,
Alternatively, the period of the voltage waveform converted to the frequency according to the frequency of the first voltage waveform by the frequency conversion unit by counting with the second reference clock waveform of the predetermined frequency generated by the counting unit reference clock oscillator By providing a periodic time counting unit that counts a count number corresponding to the number, and a displacement calculation unit that calculates the displacement that corresponds to the count number,
Alternatively, it is a machine tool comprising a displacement measuring device, a rotationally driven spindle, and a tool holder to which a cutting tool is attached, and rotationally driving the spindle on which the tool holder is mounted to process a workpiece, the displacement By measuring the displacement of the tool holder mounted on the spindle to the flange outer peripheral surface by a measuring device to determine whether the mounting state of the tool holder on the spindle is normal or abnormal
Alternatively, the processing apparatus includes a displacement measuring device and an object to be measured which moves in parallel, and the displacement measuring device measures the displacement to the displacement measuring device and the object to be measured to thereby measure the object to be measured. It is more effectively achieved by determining the state of spatial installation of objects.

本発明の渦電流式変位センサを利用した変位測定装置によれば、渦電流式変位センサが供給する電圧波形と渦電流式変位センサが供給する電圧波形とは周波数が異なる電圧波形とを用いて変調された電圧波形の低周波側成分を抽出するような周波数変換部を備えることにより、渦電流式変位センサと被測定対象物との間の変位に対して、応答する電圧波形の周波数の変化比が増大して、該変位についての測定精度または感度を向上させることができる。   According to the displacement measuring apparatus using the eddy current displacement sensor of the present invention, the voltage waveform supplied by the eddy current displacement sensor and the voltage waveform supplied by the eddy current displacement sensor use voltage waveforms different in frequency. A change in frequency of the voltage waveform that responds to displacement between the eddy current displacement sensor and the object to be measured by providing a frequency conversion unit that extracts the low frequency side component of the modulated voltage waveform The ratio can be increased to improve the measurement accuracy or sensitivity for the displacement.

従来の高周波発振形近接センサの概略的構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional high frequency oscillation type proximity sensor. (A)は従来の高周波発振形近接センサにおける、センサとターゲットとの変位と出力波形との関係を示す。(B)は、センサとターゲットとの変位が時間変化する様子を示す。(C)はセンサとターゲットとの変位に対応して、出力電圧が時間変化する様子を示す。(A) shows the relationship between the displacement of the sensor and the target and the output waveform in the conventional high frequency oscillation type proximity sensor. (B) shows how the displacement of the sensor and target changes with time. (C) shows how the output voltage changes with time corresponding to the displacement between the sensor and the target. 従来例の渦電流式変位センサを用いたツール振れ(異常検出)変位測定器を備えた工作機械の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the machine tool provided with the tool shake (abnormality detection) displacement measuring device using the eddy current type displacement sensor of a prior art example. 図3に示すマイコン内部に備えられ、センサ(コイル)のインダクタンスから算出した変位に基づいて、ツールホルダの主軸への装着状態を判定する機能モジュールのブロック図を示す。FIG. 4 is a block diagram of a functional module provided inside the microcomputer shown in FIG. 3 and determining the mounting state of the tool holder on the main spindle based on the displacement calculated from the inductance of the sensor (coil). 従来の変位検知システム(変位検知装置)の構成例を模式的に示す説明図であるIt is an explanatory view showing typically the example of composition of the conventional displacement detection system (displacement detection device) 従来の変位検知装置を用いて、共振周波数の変化に基づいて、変位検知対象物の変位の検出手法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the detection method of the displacement of a displacement detection target object based on the change of resonant frequency using the conventional displacement detection apparatus. (A)は本発明の第1実施形態における、ツールホルダの偏心量を検出するための渦電流式変位センサを用いた変位測定器を備えた工作機械の主軸ヘッド近傍の構成を示す説明図、(B)は(A)の下面図である。(A) is an explanatory view showing a configuration in the vicinity of a spindle head of a machine tool provided with a displacement measuring instrument using an eddy current displacement sensor for detecting an amount of eccentricity of a tool holder in the first embodiment of the present invention. (B) is a bottom view of (A). 本発明の第1実施形態における、渦電流式変位センサを用いた変位測定器を備えた工作機械の概略構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic block diagram of the machine tool provided with the displacement measuring device which used the eddy current type displacement sensor in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態における、渦電流式変位センサを用いた変位測定器の周波数変換部までのブロック図である。It is a block diagram to a frequency conversion part of a displacement measuring instrument using an eddy current type displacement sensor in a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態における、カウンタを用いた周期時間計数部のブロック図である。It is a block diagram of a period time counting part using a counter in a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態における、渦電流式変位センサからの基本周波数fviに対する基本出力周波数fvoの変化率のグラフである。In the first embodiment of the present invention, it is a graph of the rate of change of the fundamental output frequency f vo with respect to the fundamental frequency f vi from eddy current displacement sensor. 本発明の第1実施形態における、変換テーブル上の点A(nk,dk)と点B(nk+1,dk+1)を用いたA−B間の直線補間を行いて、測定されたカウント値nmに対応する変位dmを算出する方法である。In the first embodiment of the present invention, linear interpolation is performed between A and B using point A (n k , d k ) and point B (n k + 1 , d k + 1 ) on the conversion table, it is a method of calculating a displacement d m corresponding to the measured count value n m. 本発明の第1実施形態における、ツールホルダの偏心量を測定して、ツールホルダのチャックエラーを判定する処理の例を示すフローチャートである。It is a flow chart which shows an example of processing which measures an amount of eccentricity of a tool holder in a 1st embodiment of the present invention, and judges a zipper error of a tool holder. 本発明の第1実施形態における、センサ部のセンサヘッドとツールホルダの外周面との変位dを測定するサブルーチン処理の例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the example of the subroutine process which measures the displacement d of the sensor head of a sensor part, and the outer peripheral surface of a tool holder in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態における、ツールホルダの第1回転目〜第N回転目の各偏心量を算出する処理の例を示すフローチャートである。It is a flow chart which shows an example of processing which computes each amount of eccentricity of the 1st rotation eye of a tool holder-the N-th rotation eye in a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態における、チャックエラーの有無を判定する処理の例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the example of the process which determines the presence or absence of a chuck | zipper error in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態における、(A)は微分回路と積分回路を直列接続したバンドパスフィルタの構成例である。(B)はオペアンプAの入力側インピーダンスをCR直列の微分回路、帰還側インピーダンスにCR並列の積分回路を割り当てたバンドパスフィルタの構成例である。In the second embodiment of the present invention, (A) is a configuration example of a band pass filter in which a differentiating circuit and an integrating circuit are connected in series. (B) is a configuration example of a band pass filter in which the input side impedance of the operational amplifier A is a CR series differential circuit and the CR side integral circuit is assigned to the feedback side impedance. 本発明の第2実施形態における、ローパスフィルタの構成例である。It is a structural example of the low pass filter in 2nd Embodiment of this invention. (A)は本発明におけるMODについて、オペアンプの入力側に電圧制御の抵抗素子を配し、帰還ループに帰還抵抗Rfを配して構成される乗算器によって実現した例である。(B)は電圧制御の抵抗素子として、n型電界効果トランジスタを配した乗算器の構成例である。(A) is an example realized by a multiplier configured by arranging a voltage control resistance element on the input side of an operational amplifier and arranging a feedback resistor Rf in a feedback loop for MOD in the present invention. (B) is a configuration example of a multiplier in which an n-type field effect transistor is disposed as a voltage control resistance element. (A)はVCO回路における、制御電圧Vcontに対する出力周波数foutの関係を示す図である。(B)はバリキャップを含むLCの共振回路を利用したVCO回路の構成例である。(A) is in the VCO circuit is a diagram showing the relationship between the output frequency f out with respect to the control voltage V cont. (B) is a configuration example of a VCO circuit using an LC resonance circuit including a varicap. 本発明において主軸台の底面にセンサ部を設置した例である。It is an example which installed the sensor part in the bottom of a headstock in the present invention. 本発明において平行移動する被測定対象物の変位測定に応用した例である。It is an example applied to the displacement measurement of the to-be-measured object which translates in this invention. (A)は本発明において渦電流式変位センサに対して左右方向に平行移動するターゲットの変位測定に応用した例である。(B)は本発明において渦電流式変位センサに対して前後方向に接近したり離れたりするように動くターゲットの変位測定に応用した例である。(A) is an example applied to measurement of displacement of a target that moves in parallel in the lateral direction with respect to the eddy current displacement sensor in the present invention. (B) is an example applied to the displacement measurement of a target moving so as to approach or separate from the eddy current displacement sensor in the longitudinal direction in the present invention.

本発明の渦電流式変位センサを利用した変位測定装置においては、渦電流式変位センサが供給する電圧波形と渦電流式変位センサが供給する電圧波形とは周波数が異なる電圧波形とを用いて変調された電圧波形における低周波側成分を抽出するような周波数変換部を備え、渦電流式変位センサと被測定対象物との間の変位に対する電圧波形における周波数変化比を増幅させることによって、上記変位についての測定精度または測定感度を向上させる変位測定装置を提供することができる。特に、MCのような自動工具交換装置を備えた工作機械においては、主軸とツールホルダとの間の異物付着等による偏心の検出に有効である。   In the displacement measuring device using the eddy current displacement sensor according to the present invention, the voltage waveform supplied by the eddy current displacement sensor and the voltage waveform supplied by the eddy current displacement sensor are modulated using voltage waveforms different in frequency. The displacement by amplifying the frequency change ratio in the voltage waveform with respect to the displacement between the eddy current displacement sensor and the object to be measured It is possible to provide a displacement measurement device that improves the measurement accuracy or measurement sensitivity of In particular, in a machine tool equipped with an automatic tool changer such as MC, it is effective in detecting eccentricity due to foreign matter adhesion between the spindle and the tool holder.

以下、図面に基づいて本発明に係る変位測定装置の第1実施形態について説明する。   Hereinafter, a first embodiment of a displacement measuring device according to the present invention will be described based on the drawings.

図7(A)は、第1実施形態において、本発明に係る変位測定装置の測定対象となる工作機械の主軸ヘッド近傍の概略構成図と当該工作機械における渦電流式変位センサ(全体を符号720で示す)の取り付け位置を示す図である。また、図7(B)は図7(A)の下面図である。   FIG. 7A is a schematic configuration diagram of the vicinity of a spindle head of a machine tool to be measured by the displacement measuring apparatus according to the present invention and an eddy current displacement sensor (generally indicated by 720 in FIG. 7A). It is a figure which shows the attachment position of. FIG. 7B is a bottom view of FIG. 7A.

工作機械の主軸台704は、適宜のサドル等に取り付けられ、図示しないテーブルに対して相対移動する。主軸台704に支持される主軸703は、先端にシャンク穴を有し、2本のツメによりツールホルダ701に係合される。ツールホルダ701は適宜の外径のものが使用され、図示しない自動工具交換装置により、主軸704に対して交換される。ツールホルダ701は切削工具700を有し、テーブル上のワークに対して必要な加工を施す。   The headstock 704 of the machine tool is attached to an appropriate saddle or the like, and moves relative to a table (not shown). The spindle 703 supported by the spindle stock 704 has a shank hole at its tip and is engaged with the tool holder 701 by two claws. The tool holder 701 has an appropriate outer diameter, and is replaced with the main shaft 704 by an automatic tool changer (not shown). The tool holder 701 has a cutting tool 700 and performs the necessary processing on the work on the table.

渦電流式変位センサ720は、本体721に挿入されたセンサヘッド722を有する。本体721は、ナット726a、726bによりホルダアーム723により支持され、ホルダアーム723は、支持構体724に取り付けられる。センサヘッド722が検出する信号は、信号線725を介して後述する周波数変換部812へ送られる。   The eddy current displacement sensor 720 has a sensor head 722 inserted into the main body 721. The main body 721 is supported by the holder arm 723 by nuts 726 a and 726 b, and the holder arm 723 is attached to the support structure 724. A signal detected by the sensor head 722 is sent to a frequency converter 812 described later via a signal line 725.

ツールホルダ701は、最大径を有するフランジ部705を備える。自動工具交換位置にあっては、このツールホルダ701のフランジ部705に対向する位置に、渦電流式変位センサ720のセンサヘッド722を配置する。このときに、センサヘッド722の先端とツールホルダのフランジ部705が形成する変位d(ギャップ)は、例えば3mmとしてもよい。なおフランジ705は取り外しが可能な構造になっている切削工具等の取付用具のことであり、その材質については、磁気反応が強い金属材料が用いられる。   The tool holder 701 comprises a flange portion 705 having a largest diameter. In the automatic tool change position, the sensor head 722 of the eddy current displacement sensor 720 is disposed at a position facing the flange portion 705 of the tool holder 701. At this time, the displacement d (gap) formed by the tip of the sensor head 722 and the flange portion 705 of the tool holder may be, for example, 3 mm. The flange 705 is a mounting tool such as a cutting tool having a removable structure, and a metal material having a strong magnetic response is used as the material.

この状態で主軸703を回転させると、ツールホルダのフランジ部705は、センサヘッド722に対して回転移動を行う。この回転運動に応じて、変位dが変化すると、ツールホルダのフランジ部705とセンサヘッド722との間で形成されるインピーダンス(インダクタンス)が変化し、後述する作用により、フランジ部705の偏心量を検知することができる。そして、偏心量が所定の値を越えたときには、ツールホルダ701と主軸703の間に切粉の噛み込み等の原因により、クランプ異常が発生したものと判断することができる。さらに、主軸703の回転を停止して、必要な処理を行ってもよい。   When the main shaft 703 is rotated in this state, the flange portion 705 of the tool holder rotationally moves with respect to the sensor head 722. When the displacement d changes according to this rotational movement, the impedance (inductance) formed between the flange portion 705 of the tool holder and the sensor head 722 changes, and the amount of eccentricity of the flange portion 705 is changed by the operation described later. It can be detected. Then, when the amount of eccentricity exceeds a predetermined value, it can be determined that a clamp abnormality has occurred due to biting of chips or the like between the tool holder 701 and the spindle 703. Furthermore, the rotation of the main shaft 703 may be stopped to perform necessary processing.

図8は、本発明に使用する変位測定装置800の概略構成図である。本発明に係る変位測定装置800は、渦電流式変位センサ720に制御電圧Vcontのデジタルデータを供給する制御電圧データ送信部810と、該制御電圧Vcontに基づいて発振して、金属製の被測定対象物(この場合、フランジ部705)の渦電流発生によるインピーダンス(インダクタンス)変化に応じた共振周波数を基本周波数fviとする電圧波形を周波数変換部812に供給する渦電流式変位センサ720と、該基本周波数fviを有する電圧波形をフィルタ処理、および低周波変換処理が施された基本出力周波数fvoを有する電圧波形を周期時間計数部813に供給する周波数変換部812と、測定された基本出力周波数fvoに基づいて、フランジ部705と渦電流式変位センサ720との変位dを算出する変位算出部814を備える。 FIG. 8 is a schematic block diagram of a displacement measuring device 800 used in the present invention. The displacement measuring device 800 according to the present invention comprises a control voltage data transmission unit 810 for supplying digital data of the control voltage V cont to the eddy current displacement sensor 720, and oscillation based on the control voltage V cont . An eddy current displacement sensor 720 that supplies a frequency waveform having a resonance frequency corresponding to a change in impedance (inductance) due to eddy current generation of an object to be measured (in this case, the flange portion 705) as the fundamental frequency f vi And a frequency converter 812 which supplies a voltage waveform having a basic output frequency f vo to which the voltage waveform having the basic frequency f vi has been subjected to filter processing and low frequency conversion processing to a period time counting unit 813; The displacement calculation unit 814 is provided to calculate the displacement d of the flange unit 705 and the eddy current displacement sensor 720 based on the determined basic output frequency f vo. .

さらに制御電圧データ送信部810、渦電流式変位センサ720および周波数変換部812についてのブロック図を図9に示す。制御電圧データ送信部810は、コンピュータ815の指令に従って、制御電圧Vcontに対応したデジタルの制御数値の並列データを直列データに変換するデジタル回路911によって変換し、インターフェース912を介して、渦電流式変位センサ720のインターフェース913に供給する。DAC914は該制御数値の保持と数値に基づいてD/A変換された制御電圧Vcontを出力する。制御電圧Vcontは、電圧/周波数変換回路915(以下、「VCO回路」とする)に供給される。なお、VCO回路には、後述するように渦電流発生によるインピーダンス変化を検出するためのセンサコイルが備えられている。 Furthermore, a block diagram of the control voltage data transmission unit 810, the eddy current displacement sensor 720, and the frequency conversion unit 812 is shown in FIG. The control voltage data transmission unit 810 converts digital data of parallel control values corresponding to the control voltage V cont according to a command from the computer 815 by the digital circuit 911 which converts the parallel data into serial data. It is supplied to the interface 913 of the displacement sensor 720. The DAC 914 outputs a D / A converted control voltage V cont based on the holding of the control value and the value. The control voltage V cont is supplied to a voltage / frequency conversion circuit 915 (hereinafter referred to as “VCO circuit”). The VCO circuit is provided with a sensor coil for detecting a change in impedance due to the generation of an eddy current as described later.

センサヘッド722と金属製の被測定対象物であるフランジ部705との間の変位dに応じた渦電流が発生して、渦電流式変位センサ720のインピーダンス(インダクタンス)を変化させるため、VCO回路915の共振周波数が変化する。この共振周波数は、本発明において基本周波数fviと呼ぶが、変化する幅は、例えば、11415.2〜11416.3[kHz]であり、11415.2[kHz]を基準とした変化比率においては、0.01%程度の幅に止まり、測定される物理量は変化に乏しく、十分な測定感度または精度が確保することは困難である。 An eddy current is generated in accordance with the displacement d between the sensor head 722 and the flange portion 705 which is the object to be measured made of metal, and the impedance (inductance) of the eddy current displacement sensor 720 is changed. The resonant frequency of 915 changes. This resonance frequency is called the fundamental frequency f vi in the present invention, but the changing width is, for example, 11415.2 to 11416.3 [kHz], and the change ratio based on 11415.2 [kHz] is about 0.01% The physical quantities to be measured change little and it is difficult to ensure sufficient measurement sensitivity or accuracy.

そこで、本発明では、基本周波数fviを低周波側に周波数変換を行う周波数変換部812を設けることによって、基本周波数fviの変化比率に対して、変換後の周波数、すなわち基本出力周波数fvoの変化比率を拡大することを図る。 Therefore, in the present invention, by providing the frequency converter 812 for frequency converting a fundamental frequency f vi to a lower frequency, with respect to the change ratio of the fundamental frequency f vi, the frequency after conversion, i.e. the fundamental output frequency f vo To increase the change ratio of

周波数変換部812の概略を示すブロック図を図9に示す。図9に示すように、この基本周波数fviを有する電圧波形viが入力され、バンドパスフィルタ0917、バッファ918、モジュレータ1919、バンドパスフィルタ1920、バッファ921、モジュレータ2922、バンドパスフィルタ2923、バッファ924、モジュレータ3925、バンドパスフィルタ3926、バッファ927、およびゼロクロス回路(ZERO CROSS)928を通して、電圧波形vzcを出力するように構成されている。この実施形態においては、バッファ(以下、「BF」とする)、モジュレータ(以下、「MOD」とする)およびバンドパスフィルタ(以下、「BPF」とする)により構成されたブロックを1つの変換回路とし、3つの変換回路で周波数変換を行う構成となっている。最初の変換回路に基本周波数fviを有する電圧波形viを入力する前の処理として、BPFを介することでノイズ除去を行う。そして、BPFを通過した電圧波形をBFがインピーダンス変換を行う。そして、LPF1を通過した基準信号であるA0sin(ω1)tと、最初のBFを通過した電圧波形であるA1sin(ω2)tとを最初のMOD1に入力すると、MOD1によってsin(ω1+ω2)t成分とsin(ω1−ω2)t成分を有する合成波形が生成される。このような変換処理回路として、例えば乗算回路を用いても良い。そして、合成波形は変換処理回路の次段のBPF1を通過すると、高周波成分は遮断されて低周波成分vo1のみが通過するようなフィルタ処理が行われる。このようにして順次に、第1段階で基本周波数fviの電圧波形は第1低周波変換周波数fvo1の電圧波形に変換され、第2段階で第1低周波変換周波数fvo1の電圧波形は第2低周波変換周波数fvo2の電圧波形に変換され、第3段階で第2低周波変換周波数fvo2の電圧波形は第3低周波変換周波数fvo3の電圧波形に変換される。なお、電圧波形voの周波数fvo3は、本発明において基本出力周波数fvoと同一である。実施形態において、BF、MOD、およびBPFにより構成された変換回路を用いたが、上記変換回路の特性および性能によりBPFに代えて、LPFを用いてもよい。また、BF、MOD、およびBPFにより構成された変換回路を3段に接続したが、例えば、1段、2段でも良く、4段以上に接続して周波数変換部を構成しても良く、接続段数は限定されるものではない。 A block diagram schematically showing the frequency converter 812 is shown in FIG. As shown in FIG. 9, a voltage waveform v i having this fundamental frequency f vi is input, and band pass filter 0 917, buffer 918, modulator 1 919, band pass filter 1 920, buffer 921, modulator 2 922, band pass The voltage waveform v zc is configured to be output through the filter 2 923, the buffer 924, the modulator 3 925, the band pass filter 3 926, the buffer 927, and the zero cross circuit (ZERO CROSS) 928. In this embodiment, a block formed by a buffer (hereinafter referred to as "BF"), a modulator (hereinafter referred to as "MOD") and a band pass filter (hereinafter referred to as "BPF") is one conversion circuit. The frequency conversion is performed by three conversion circuits. As processing before the voltage waveform v i having the fundamental frequency f vi is input to the first conversion circuit, noise removal is performed via the BPF. And BF performs impedance conversion of the voltage waveform which passed BPF. Then, if A 0 sin (ω 1 ) t, which is the reference signal that has passed LPF 1, and A 1 sin (ω 2 ) t, which is the voltage waveform that has passed the first BF, are input to the first MOD 1, sin A composite waveform having a (ω 1 + ω 2 ) t component and a sin (ω 1 −ω 2 ) t component is generated. For example, a multiplier circuit may be used as such a conversion processing circuit. Then, when the composite waveform passes through the BPF 1 of the next stage of the conversion processing circuit, the high frequency component is cut off and filtering processing is performed so that only the low frequency component vo1 passes. Thus, sequentially, in the first step, the voltage waveform of the fundamental frequency f vi is converted to the voltage waveform of the first low frequency conversion frequency f vo1 , and in the second step, the voltage waveform of the first low frequency conversion frequency f vo1 is It is converted into a voltage waveform of the second low frequency conversion frequency f vo2, in the third step the voltage waveform of the second low frequency converted frequency f vo2 is converted to a voltage waveform of the third low-frequency converting the frequency f vo3. The frequency f vo3 voltage waveform v o is the same as the fundamental output frequency f vo in the present invention. In the embodiment, although the conversion circuit configured by BF, MOD, and BPF is used, an LPF may be used instead of BPF according to the characteristics and performance of the conversion circuit. In addition, although the conversion circuit composed of BF, MOD, and BPF is connected in three stages, for example, one stage or two stages may be connected, or four or more stages may be connected to form a frequency conversion unit. The number of stages is not limited.

なお、各MODにおいて、周波数変調に用いられる周波数の固定された電圧波形(例えば、図9中のf1: 12MHz 、f2: 750kHz、およびf3: 187.5kHzが対応する)は、クロック発生器934が発生する高周波の基準クロックを分周して、さらに各ローパスフィルタ(図9中のLPF1、LPF2、およびLPF3が対応する)を通して、基本のsin波成分を抽出して生成され、対応する各MODに供給される。   In each MOD, the clock generator 934 generates a fixed voltage waveform (for example, f1: 12 MHz, f2: 750 kHz, and f3: 187.5 kHz in FIG. 9) corresponding to the frequency used for frequency modulation. Is generated by extracting the fundamental sin wave component through each low-pass filter (corresponding to LPF1, LPF2 and LPF3 in FIG. 9) and supplied to each corresponding MOD. Be done.

そして、本発明の第1実施形態において、基本周波数fviに基づいて周波数変換部812の各MOD919、922、925は、電圧波形の周波数および基本出力周波数fvoに変換されるが、渦電流式変位センサからの基本周波数fviに基づいて、周波数変換部が順次変換した電圧波形の周波数、および基本出力周波数fvoの対応関係を表1に示す。基本周波数fviの変化比率については、11415.2[kHz]を基準として、0.001%、0.005%、および0.01%であるのに対して、基本出力周波数fvoの変化比率については、22.3[kHz]を基準として、0.515%、2.627%および5.395%が対応する。そして、対応する変化比率を比較すると、それぞれ、515倍(0.515%:0.001%)、525倍(2.627%:0.005%)、539倍(5.395%:0.01%)に変化比率を著しく増大している。さらに、基本周波数fviの変化比率に対する、基本出力周波数fvoの変化比率は、図示するとほぼ比例関係にある(図11を参照)。
Then, in the first embodiment of the present invention, each MOD 919, 922, 925 of the frequency conversion unit 812 is converted to the frequency of the voltage waveform and the basic output frequency f vo based on the fundamental frequency f vi. Table 1 shows the correspondence relationship between the frequency of the voltage waveform sequentially converted by the frequency conversion unit based on the fundamental frequency f vi from the displacement sensor and the fundamental output frequency f vo . The change ratio of the fundamental frequency f vi is 0.001%, 0.005%, and 0.01% with respect to 11415.2 [kHz], while the change ratio of the fundamental output frequency f vo , Corresponding to 0.523%, 2.627% and 5.395% based on 22.3 [kHz]. And when the corresponding change rates are compared, 515 times (0.515%: 0.001%), 525 times (2.627%: 0.005%) and 539 times (5.395%: 0. 5 respectively). The change rate is significantly increased to 01%. Furthermore, the change ratio of the basic output frequency fvo to the change ratio of the basic frequency fvi is approximately proportional to one another in the drawing (see FIG. 11).


このように、周波数変換部812における、基本周波数fviの変化に対して、基本出力周波数fvoの変化比率の変化は大幅に増加して、測定感度が拡大されるように、基本周波数fviを低周波側に周波数変換することができる。この結果、基本出力周波数fvoの検出感度の向上にともない、センサヘッド722と金属製の被測定対象物であるフランジ部705との間の変位dを検出する感度を向上させることができる。

Thus, in the frequency conversion section 812, with respect to the change of the fundamental frequency f vi, such that the change in the change ratio of the fundamental output frequency f vo is increased significantly, the measurement sensitivity is increased, a fundamental frequency f vi Can be frequency converted to the low frequency side. As a result, the sensitivity for detecting the displacement d between the sensor head 722 and the flange portion 705 which is the object to be measured made of metal can be improved along with the improvement of the detection sensitivity of the basic output frequency fvo .

図8に示すように、コンピュータ815または変位算出部814と周波数変換部812との間に、周期時間計数部813を配置する。周期時間計数部813は、図10に示すように、150MHzのクロックパルスφおよび周波数変換部812が出力する基本出力周波数fvoを有する矩形波の信号vzcが供給される。そして、周期時間計数部813は、信号vzcの1周期分に相当する期間に、クロックパルスφをカウンタ944で計数したカウント数を、変位算出部814に供給する。 As shown in FIG. 8, the periodic time counting unit 813 is disposed between the computer 815 or the displacement calculating unit 814 and the frequency converting unit 812. As shown in FIG. 10, the periodic time counting unit 813 is supplied with a rectangular wave signal v zc having a clock pulse φ of 150 MHz and a basic output frequency f vo output from the frequency conversion unit 812. The period time counting unit 813 supplies the count number obtained by counting the clock pulse φ by the counter 944 to the displacement calculating unit 814 in a period corresponding to one cycle of the signal vzc .

そして、本発明の第1実施形態において、基本周波数fviに基づいて周波数変換部812が変換した基本出力周波数fvoを有する電圧波形の周期を周期時間計数部813でカウント値をカウントする。表2に渦電流式変位センサからの基本周波数fviに基づいた周期およびカウンタ数および基本出力周波数fvoの対応表を示す。ここで、11415.2[kHz]を基準とした場合の基本周波数fviの変化と基本出力周波数fvoを有する電圧波形の周期に対応するカウント数の増加分を比較すると、0.01%、0.05%、および0.1%に対して363カウント、2314カウントおよび7054カウントがそれぞれに対応し、いずれも大幅に変化すなわち感度が拡大している。 Then, in the first embodiment of the present invention, the period time counting unit 813 counts the count value of the period of the voltage waveform having the basic output frequency f vo converted by the frequency conversion unit 812 based on the basic frequency f vi . Table 2 shows a correspondence table of the period and the number of counters and the basic output frequency f vo based on the basic frequency f vi from the eddy current displacement sensor. Here, the change in the fundamental frequency f vi with reference to 11415.2 [kHz] and the increase in the count number corresponding to the period of the voltage waveform having the fundamental output frequency f vo are 0.01%, The values of 363 counts, 2314 counts and 7054 counts correspond to 0.05% and 0.1%, respectively, and all have significantly changed or expanded the sensitivity.


該カウント数は、基本出力周波数fvoとは反比例し、該カウント数を検出することで、変位dを算出することができる。本発明の第1実施形態において、その算出をする際、該カウント数と変位dとの対応関係を記憶する変換テーブルを設け、該変換テーブルにしたがって変換することにより、最終的な測定量である変位dが得られる。表3に、基本出力周波数fvoに基づいたカウンタ数nと変位dとの対応関係を示す変換テーブルを示す。

The count number is inversely proportional to the basic output frequency fvo, and the displacement d can be calculated by detecting the count number. In the first embodiment of the present invention, when performing the calculation, a conversion table for storing the correspondence between the count number and the displacement d is provided, and conversion is performed according to the conversion table to obtain a final measured quantity. The displacement d is obtained. Table 3 shows a conversion table showing the correspondence between the counter number n and the displacement d based on the basic output frequency fvo .

該変換テーブルの利用については、測定されるカウント値は、該変換テーブルで予め用意されているカウント値と通常は一致するわけではないから、図12に示すように、測定された該カウント数を挟むような、該変換テーブルで予め記憶されている2つのカウント値nkおよびnk+1を選択し、区間[nk,nk+1]について、それぞれ2つカウント数nと変位d、すなわち点A(nk,dk)と点B(nk+1,dk+1)を用いた、A−B間の直線補間を行い、測定されたカウント数nmに対応する変位dmを算出することができるが、直線補間以外の補間法を用いてもよい。 As for the use of the conversion table, since the measured count value does not usually coincide with the count value prepared in advance in the conversion table, as shown in FIG. Two count values n k and n k + 1 stored in advance in the conversion table are selected, and two counts n and displacement d, respectively, for the section [n k , n k + 1 ]. That is, linear interpolation between A and B is performed using point A (n k , d k ) and point B (n k + 1 , d k + 1 ), and displacement d corresponding to the measured count number n m Although m can be calculated, an interpolation method other than linear interpolation may be used.

次に、ツールホルダ701の偏心量Tを測定によって、ツールホルダ701のチャックエラーを判定する処理を図13のフローチャートを参照して説明する。   Next, processing for determining a chuck error of the tool holder 701 by measuring the eccentricity T of the tool holder 701 will be described with reference to the flowchart of FIG.

まず、オートマチックツールチェンジ(AUTOMATIC TOOL CHANGE)を行うことから始める(S100)。そして、ツールホルダ701の回転数、ツールホルダ1回転分の測定を何回行うか、すなわち測定回数Nを設定する(S200)。設定された回転数でツールホルダ701を回転するようコンピュータ815が指示する(S300)。偏心量を測定する処理の途中において、ツールホルダ701の回転した回数kを記憶する変数kを1に初期設定する(S400)。その次に渦電流式変位センサ720のセンサヘッド722とツールホルダ701の外周面、すなわちフランジ部との変位dを測定するサブルーチンに飛び、一回転分の変位d(後述するL個の変位dについてのデータ)を測定した後リターンし、ステップ600に進み(S500)、該変数kをカウントアップする(S600)。測定終了を判定するため、該変数kが設定した測定回数Nを超えたか判定して超えない場合、ステップ500に戻り、該変数kが設定した測定回数Nを超えたか判定して超えた場合、ステップ800に進む(S700)。ツールホルダ701の第1回転目〜第N回転目の対応する各偏心量Tkを算出するサブルーチンに飛び、算出後リターンし、ステップ900に進む(S800)。第1回転目〜第N回転目についての偏心量Tkの最大値、平均値、および最小値に基づいて、ツールホルダ701のチャックエラーを判定するため、サブルーチン(後述するS800〜S810)に飛び、判定後リターンし、ステップ1000に進む(S900)。コンピュータ815の表示部に判定結果を表示する(S1000)。 First, it starts by performing automatic tool change (AUTOMATIC TOOL CHANGE) (S100). Then, the number of rotations of the tool holder 701, how many times the measurement for one rotation of the tool holder is to be performed, that is, the number of times of measurement N is set (S200). The computer 815 instructs the tool holder 701 to rotate at the set rotation speed (S300). During the process of measuring the amount of eccentricity, a variable k storing the number k of times the tool holder 701 has been rotated is initialized to 1 (S400). Next, the subroutine jumps to a subroutine for measuring the displacement d of the sensor head 722 of the eddy current displacement sensor 720 and the outer peripheral surface of the tool holder 701, that is, the flange portion. After the measurement, the process returns to step 600, and the process proceeds to step 600 (S500), and the variable k is counted up (S600). If it is determined that the variable k has exceeded the set number of measurements N to determine the end of measurement, the process returns to step 500, and if it is determined whether the variable k has exceeded the set number of measurements N and exceeded, The process proceeds to step 800 (S700). The process jumps to a subroutine for calculating eccentricity amounts T k corresponding to the first rotation to the Nth rotation of the tool holder 701, returns after calculation, and returns to step 900 (S800). Since the chuck error of the tool holder 701 is determined based on the maximum value, the average value, and the minimum value of the eccentricity amounts T k for the first rotation to the Nth rotation, the process jumps to a subroutine (S800 to S810 described later) After the determination, the process returns and proceeds to step 1000 (S900). The determination result is displayed on the display unit of the computer 815 (S1000).

ここでステップ500のサブルーチン処理、すなわちセンサ部のセンサヘッド722とツールホルダの外周面すなわちフランジ部705との一回転分の変位dを測定する処理について、図14のフローチャートを参照して説明する。ツールホルダ1回転分(1周分)における変位dのデータの個数を管理するため変数Lを用い、測定前に変数L=0に初期化する(S501)。そして、ツールホルダ701の回転角度(方位角)の基準を検出してから測定を開始するため、測定の第1回転目である場合(S502)、ツールホルダ701の回転角度の基準を検出するまで、変位dを変位算出部814から読み込まずステップ503のループで待つ(S503)。なお、当該基準については、フランジ部705に凹部または凸部を施し、凹部または凸部における変位dの増減から検出してもよいし、光学的センサを設けて上記基準を検出してもよく、検出手法について限定されるものではない。また、当該基準の検出に関して、例えば回転速度が一定になるまで検出を続け、一定と判断した時から検出を省略するようにしても良い。検出順序において、変位算出部814から回転角度に対応した変位dを読み込む(S504)後に検出するようにフローチャートを変形して、ツールホルダ701の一回転分の区切り(開始または終了)のタイミングを検出するようにしても良い。また後述する
次にツールホルダ701の回転角度の基準を検出して(S503)、変位算出部814から回転角度に対応した変位dを順次読み込む(S504)。第k回転目の回転中の変数L番目に測定された変位dとして、配列変数D(k、L)に変位dを記憶する(S505)。次の回転角度に変わるまで所定の時間待ち、変数Lをカウントアップする(S506)。未だツールホルダの回転角度の基準を検出しない場合、ステップ504に戻る(S507)。再度ツールホルダ701の回転角度の基準を検出した場合、ツールホルダ1周分における変位dのデータの測定を終了し(S507)ステップ508に進み、第k回転目の変位データの個数に対応する配列変数L(k)=L−1を記憶し、サブルーチン処理を終了してリターンする (S508)。なお、ステップ所定時間待つ処理であるが、回転速度に応じて該所定時間を変化させるようにして、1回転当たりの変位dのデータ数がほぼ同数に調整され規格化しやすいように該所定時間を制御するような構成を加えても良く、また変位測定開始からの一定期間は該所定時間を短縮し、一定期間経過後に該所定時間を伸張し、1回転当たりの変位dのデータ数の格差を設けるように制御することができる構成を追加しても良く、フローチャートにおいて該構成を制御するステップを配置するように対応する変形を加えても良い。
Here, the subroutine processing of step 500, that is, processing of measuring the displacement d of one rotation of the sensor head 722 of the sensor unit and the outer peripheral surface of the tool holder, that is, the flange portion 705 will be described with reference to the flowchart of FIG. The variable L is used to manage the number of data of the displacement d in one rotation of the tool holder (one rotation), and the variable L is initialized to 0 before measurement (S501). Then, in order to start measurement after detecting the reference of the rotation angle (azimuth angle) of the tool holder 701, when it is the first rotation of measurement (S502), until the reference of the rotation angle of the tool holder 701 is detected The process waits for the loop of step 503 without reading the displacement d from the displacement calculation unit 814 (S 503). In addition, about the said reference | standard, a recessed part or a convex part may be given to the flange part 705, and it may detect from the increase / decrease in the displacement d in a recessed part or a convex part, an optical sensor may be provided and the said reference may be detected. The detection method is not limited. Further, with regard to the detection of the reference, for example, the detection may be continued until the rotational speed becomes constant, and the detection may be omitted from the time when it is determined to be constant. In the detection order, the flowchart is modified so that the displacement d corresponding to the rotation angle is read from the displacement calculation unit 814 (S 504), and the timing of division (start or end) of one rotation of the tool holder 701 is detected. You may do it. Next, the reference of the rotation angle of the tool holder 701 is detected (S503), and displacement d corresponding to the rotation angle is sequentially read from the displacement calculation unit 814 (S504). The displacement d is stored in the array variable D (k, L) as the variable L measured during the rotation of the k-th rotation (S 505). A predetermined time is waited until the rotation angle changes to the next rotation angle, and the variable L is counted up (S506). If the reference of the rotation angle of the tool holder is not detected yet, the process returns to step 504 (S507). If the reference of the rotation angle of the tool holder 701 is detected again, the measurement of the data of the displacement d in one rotation of the tool holder is ended (S507), and the process proceeds to step 508 and an array corresponding to the number of displacement data of the kth rotation The variable L (k) = L−1 is stored, and the subroutine processing is ended and the process returns (S508). The step is to wait for a predetermined time, but by changing the predetermined time according to the rotational speed, the predetermined time is adjusted so that the number of data of displacement d per one rotation is adjusted to approximately the same number and it is easy to standardize. A configuration for controlling may be added, and the predetermined time is shortened from the start of the displacement measurement, and the predetermined time is extended after the predetermined time elapses, and the difference in the number of data of displacement d per one rotation is A configuration that can be controlled to be provided may be added, and a corresponding modification may be added to arrange the step of controlling the configuration in the flowchart.

ステップ800のサブルーチン処理、すなわちツールホルダ701の第1回転目〜第N回転目の各偏心量Tを算出する処理について、図15のフローチャートを参照して説明する。この処理の概略については、センサ部から出力される変位dの測定データをツールホルダ701の回転角度θに対応させて配列変数D(k、L)に記憶しているから、ツールホルダ701の1回転分の変位dにおける(最大値−最小値)、すなわち振幅値がツールホルダ701の偏心量Tの2倍と見なせるので、コンピュータ815は、第1回転目〜第N回転目の各k回転目の各振幅値を算出して、ツールホルダ701の第1回転目〜第N回転目の各k回転目の偏心量T(k)を取得する。   The subroutine processing of step 800, that is, the processing of calculating each eccentricity T of the first rotation to the Nth rotation of the tool holder 701 will be described with reference to the flowchart of FIG. As for the outline of this process, the measurement data of the displacement d output from the sensor unit is stored in the array variable D (k, L) in correspondence with the rotation angle θ of the tool holder 701. Since the (maximum value-minimum value) in the displacement d corresponding to the rotation, that is, the amplitude value can be regarded as twice the amount of eccentricity T of the tool holder 701, the computer 815 performs the first to Nth rotations The respective eccentricity values T (k) of the first to Nth rotations of the tool holder 701 are calculated.

この処理手続きとして、第k回転目について配列変数D(k、L)と隣接する配列変数D(k、L+1)とを順次比較して最大値、最小値を抽出しながら、配列変数D(k、L)の総和を算出して、最後に第k回転目の変位データ個数である配列変数L(k)で割って、平均値を求める。   As this processing procedure, while the array variable D (k, L) and the adjacent array variable D (k, L + 1) are sequentially compared for the kth rotation to extract the maximum value and the minimum value, the array variable D (k , L) and finally dividing by the array variable L (k), which is the number of displacement data of the k-th rotation, to obtain an average value.

変数Lを初期化(L=0)し、変数Max=変数Min=配列変数D(k、L)とする(S801)。配列変数(k、L)<配列変数(k、L+1)の関係の場合はステップ803に進み(S802)、変数Max=配列変数(k、L+1)としステップ804に進む(S803)。配列変数(k、L)<配列変数(k、L+1)の関係ではない場合はステップ804に進む(S802)。   The variable L is initialized (L = 0), and the variable Max = variable Min = array variable D (k, L) (S801). If the relation of array variable (k, L) <array variable (k, L + 1), the process proceeds to step 803 (S802), variable Max = array variable (k, L + 1), and the process proceeds to step 804 (S803). If the relationship of array variable (k, L) <array variable (k, L + 1) does not hold, the process proceeds to step 804 (S802).

配列変数(k、L)<配列変数(k、L+1)の関係の場合、ステップ805(S804)、変数Min=配列変数(k、L+1)とし、ステップ806に進む(S805)。配列変数(k、L)<配列変数(k、L+1)の関係ではない場合、ステップ806に進む(S804)。   If the relation of array variable (k, L) <array variable (k, L + 1), step 805 (S804), variable Min = array variable (k, L + 1), and the process proceeds to step 806 (S805). If the relationship of array variable (k, L) <array variable (k, L + 1) does not hold, the process proceeds to step 806 (S804).

L>配列変数L(k)でない場合(S807)、ステップ802に戻る。L>配列変数L(k)の場合(S807)、すなわち第k回転目の全ての変位dのデータ間の比較が終了した場合、配列変数Min(k)=Min、配列変数Max(k)=変数Maxとし、第k回転目の偏心量に対応する配列変数T(k)=(変数Max−変数Min)/2を算出し、記憶する(S808)。次の第(k+1)回転目の偏心量を記憶するため、変数kをカウントアップする(S809)。k>Nでない場合すなわち変数kが測定回数Nを超えず測定を続行する場合(S810)、ステップ802に戻る。k>Nの場合すなわち測定終了の場合、S901〜S912からなるサブルーチン処理を終了してステップ900にリターンする。   If L> array variable L (k) is not satisfied (S 807), the process returns to step 802. In the case of L> array variable L (k) (S 807), that is, when comparison of data of all displacements d of the kth rotation is completed, array variable Min (k) = Min, array variable Max (k) = An array variable T (k) = (variable Max−variable Min) / 2 corresponding to the eccentricity of the k-th rotation is calculated as the variable Max, and stored (S808). In order to store the eccentricity of the next (k + 1) th rotation, the variable k is counted up (S809). If k> N is not satisfied, that is, if the variable k does not exceed the number of measurements N and the measurement is continued (S 810), the process returns to step 802. If k> N, that is, if measurement is completed, the subroutine processing of S901 to S912 is ended, and the process returns to step 900.

次のステップ900のサブルーチン処理、すなわちチャックエラーの有無を判定する処理について、図16のフローチャートを参照して説明する。この処理における判定方法については、例として、ツールホルダの第1回転目〜第N回転目の各偏心量についての平均値がしきい値以上のものが存在する場合、チャックエラーと判定する。また、ツールホルダの第1回転目〜第N回転目の各偏心量における最大値(変数Tmax)と最小値(変数Tmin)=の差がしきい値以上である場合、同様にチャックエラーと判定するものを挙げることができるが、この判定方法に限定されない。例えば、該各偏心量をそれぞれ所定のしきい値と比較し、しきい値を超えた偏心量の個数を基準としてチャックエラーを判定するように変形しても良く、さらに各偏心量について統計処理を行った統計データに基づいてチャックエラーを判定するような方法を採用しても良い。 The subroutine processing of the next step 900, that is, the processing of determining the presence or absence of a chuck error will be described with reference to the flowchart of FIG. As a determination method in this processing, as one example, when there is an average value of each of the first to Nth rotation eccentricities of the tool holder that is equal to or larger than the threshold value, it is determined as a chuck error. In addition, if the difference between the maximum value (variable T max ) and the minimum value (variable T min ) in each eccentricity of the first rotation to the Nth rotation of the tool holder is equal to or larger than the threshold, the chuck error is also performed similarly. Although what can be judged can be mentioned, it is not limited to this judgment method. For example, each eccentricity may be compared with a predetermined threshold value, and the chucking error may be determined based on the number of eccentricity values exceeding the threshold, and statistical processing is performed for each eccentricity. A method may be employed in which a chuck error is determined on the basis of the statistical data obtained.

サブルーチン900における最初のステップとして、変数の初期化および初期値設定として、k=1なる初期値を行い、変数Tmax=変数Tmin=配列変数T(1)(第1回転目の偏心量に対応する変数)と設定する(S901)。各偏心量同士を順次比較して、T(k)<T(k+1)の関係でない場合(S902)、ステップ904に進む。T(k)<T(k+1)の関係である場合(S902)、変数Tmax=配列変数T(k+1)と更新して、ステップ904に進む(S903)。次にT(k)>T(k+1)の関係でない場合、ステップ906に進む(S904)。T(k)>T(k+1)の関係である場合(S904)、Tmin=配列変数T(k+1)と更新して、ステップ906に進む(S905)。偏心量の平均値を算出するため、変数Tsum=変数Tsum+配列変数T(k+1)の演算をして、配列変数T(k)を順次加算をする(S906)。が終えて、1つ隣に隣接する偏心量同士の比較と偏心量合計処理を進めるため変数kをカウントアップする(S7)。 As an initial step in the subroutine 900, an initial value k = 1 is performed as initialization of variables and setting of initial values, and variable T max = variable T min = array variable T (1) The corresponding variable) is set (S901). The eccentric amounts are sequentially compared, and if the relation of T (k) <T (k + 1) is not satisfied (S 902), the process proceeds to step 904. If T (k) <T (k + 1) (S902), the variable T max is updated to the array variable T (k + 1), and the process proceeds to step 904 (S903). Next, when it is not the relationship of T (k)> T (k + 1), it progresses to step 906 (S904). If T (k)> T (k + 1) (S904), T min is updated to array variable T (k + 1), and the process proceeds to step 906 (S905). In order to calculate the average value of eccentricity amounts, the variable T sum = variable T sum + array variable T (k + 1) is calculated, and the array variable T (k) is sequentially added (S906). After that, the variable k is counted up to advance comparison between eccentricity amounts adjacent to each other and eccentricity amount totaling processing (S7).

次に変数kが設定した測定回数Nを超えない場合、すなわち偏心量の最大値、最小値および合計を算出する処理が終わらない場合、ステップ902に戻りカウントアップしたkを用いて処理を継続する。k>Nの場合、すなわちこの処理を終了する場合は、集計として、偏心量の平均値Tave(=Sum/N)を算出する(S909)。最後にチャックエラーを判定するためTaveおよび(Tmax-Tmin)とそれぞれ対応するしきい値とを比較する。具体的には、Tave < 第1しきい値でない場合(S910)、またはTmax−Tmin < 第2しきい値でない場合(S911)、チャックエラーと判定し、サブルーチン処理を終了してリターンする(S913)。一方、Tave < 第1しきい値の関係である場合(S910)、かつTmax−Tmin < 第2しきい値の関係である場合(S911)、チャックエラーではないと判定し、サブルーチン処理を終了して、ステップ900にリターンする(S912)。サブルーチン900では、第1しきい値および第2しきい値を固定値として設定したが、可変にしても良い。例えば、切削工具700の種類、材質、使用年数等さらに個体の属性に基づいて可変としても良いし、ワークについての寸法、または材質に基づいて設定し、最適化しても良いものであり、限定されるものではない。また、実施形態において示された判定方法の例に限定されず、他の判定方法を採用しても良い。 Next, when the variable k does not exceed the set number of times of measurement N, that is, when the processing for calculating the maximum value, the minimum value, and the total of the eccentricity amount is not completed, the process returns to step 902 and the processing is continued using k counted up. . In the case of k> N, that is, when this process is ended, an average value T ave (= Sum / N) of eccentricity amounts is calculated as a total (S909). Finally, T ave and (T max -T min ) are compared with the corresponding threshold values to determine chuck errors. Specifically, if T ave <first threshold (S910), or if T max −T min <second threshold (S911), it is determined that a chuck error has occurred, and the subroutine processing is terminated and returned. (S913). On the other hand, if T ave <first threshold (S910), and if T max −T min <second threshold (S911), it is determined that the chuck error is not detected, and the subroutine processing is performed. And return to step 900 (S912). In the subroutine 900, the first threshold and the second threshold are set as fixed values, but may be variable. For example, it may be variable based on the type, material, age, etc. of the cutting tool 700 based on the attributes of the individual, or may be set and optimized based on the dimensions of the workpiece or the material, and is limited It is not a thing. Moreover, it is not limited to the example of the determination method shown in embodiment, You may employ | adopt another determination method.

次に、図面に基づいて本発明に係る変位測定装置の第2実施形態について説明する。第2実施形態においては、周波数変換器812におけるBPF、BF、MODおよびLPFについて、オペアンプを用いた構成例を示すとともに、BPF、各LPFのカットオフ周波数に対応した抵抗Rおよび容量Cの回路定数の例を示す。また、渦電流式変位センサ720のVCO回路915には、可変容量ダイオード(バリキャップ)を用いて構成した例を示す。   Next, a second embodiment of the displacement measuring device according to the present invention will be described based on the drawings. In the second embodiment, a configuration example using an operational amplifier for BPF, BF, MOD and LPF in the frequency converter 812 is shown, and the circuit constants of the resistor R and the capacitor C corresponding to the cutoff frequency of the BPF and each LPF An example of Further, an example in which a variable capacitance diode (varicap) is used for the VCO circuit 915 of the eddy current displacement sensor 720 is shown.

まず、BPFの構成例を図17に示し、図17(A)では、微分回路と積分回路を直列接続したもので、図17(B)では、1段のオペアンプAの入力側インピーダンスをCR直列の微分回路、帰還側インピーダンスにCR並列の積分回路を割り当て構成したものである。カットオフ周波数fc1とfc2とはfc1<fc2の関係であり、fc1=(2πR11-1、fc2=(2πR22-1によって算出される。すなわち、BPF1は、fc1以上、fc2以下の周波数帯の電圧波形を通過させる。同様に、ローパスフィルタの構成例は、図18に示すように、オペアンプAの帰還ループに積分回路を設けて構成され、カットオフ周波数はfc=(2πRC)-1で決定される。表4に、本発明の第2実施形態における、図9に示されたBPF0〜BPF3、LPF1〜LPF3についてのカットオフ周波数に対応した抵抗Rおよび容量Cの例を示す。
First, a configuration example of the BPF is shown in FIG. 17, and in FIG. 17A, the differentiating circuit and the integrating circuit are connected in series. In FIG. 17B, the input side impedance of the operational amplifier A in one stage is CR series. , And an integrating circuit of CR parallel is assigned to the feedback side impedance. The cut-off frequencies f c1 and f c2 have a relationship of f c1 <f c2 , and are calculated by f c1 = (2πR 1 C 1 ) −1 and f c2 = (2πR 2 C 2 ) −1 . That is, the BPF 1 passes a voltage waveform in a frequency band of f c1 or more and f c2 or less. Similarly, as shown in FIG. 18, the configuration example of the low pass filter is configured by providing an integration circuit in the feedback loop of the operational amplifier A, and the cutoff frequency is determined by f c = (2πRC) −1 . Table 4 shows an example of the resistance R and the capacitance C corresponding to the cut-off frequency for BPF0 to BPF3 and LPF1 to LPF3 shown in FIG. 9 in the second embodiment of the present invention.


次に、MOD919,922,925において、前述のようにオペアンプAを利用した乗算器を用いることができるが、例えば、乗算器960の構成例は、図19(A)に示すように、オペアンプAの入力側には、電圧制御の抵抗素子を配し、帰還ループに帰還抵抗Rfを配して構成されるものが挙げられる。図19(B)に示すように、電圧制御の抵抗素子Rvとして、例えばn型電界効果トランジスタまたはMOS型トランジスタを配してもよい。乗算器961においては、n型電界効果トランジスタQのドレイン側に入力された電圧波形v1は、ゲート側に入力された電圧波形v2の電圧レベルによって、振幅変調を受けて、V0〜V1*V2のような乗算結果が出力される。

Next, although the multiplier using the operational amplifier A can be used in the MOD 919, 922, 925 as described above, for example, the configuration example of the multiplier 960 is the operational amplifier A as shown in FIG. On the input side of the circuit, a voltage control resistance element is disposed, and a feedback loop is disposed with a feedback resistor Rf. As shown in FIG. 19B, for example, an n-type field effect transistor or a MOS transistor may be disposed as the voltage control resistance element Rv. In the multiplier 961, n-type field effect transistor voltage waveform v 1 which is input to the drain side of Q is a voltage waveform v 2 of the voltage level input to the gate side, receiving the amplitude modulation, V 0 ~V 1 * multiplication result such as V 2 is output.

次に、渦電流式変位センサ720におけるVCO回路915は、可変容量ダイオード(バリキャップ)を用いて構成することができる。なお、バリキャップ(可変容量ダイオード)は、ダイオードに印加される逆バイアス電圧の大きさを制御して、PN接合の逆バイアス空乏容量を変化させて、バリキャップ両端の静電容量VCを変化させることができる素子である。逆バイアス電圧に対する容量VCの関係は、バリキャップの両端に印加する逆バイアス電圧が小さいと容量VCは大きくなり、逆バイアス電圧が大きいと容量VCは小さくなるような特性を示す。   Next, the VCO circuit 915 in the eddy current displacement sensor 720 can be configured using a variable capacitance diode (varicap). The varicap (variable capacity diode) controls the magnitude of the reverse bias voltage applied to the diode to change the reverse bias depletion capacity of the PN junction, thereby changing the capacitance VC at both ends of the varicap. An element that can The relationship of the capacitance VC to the reverse bias voltage is such that the capacitance VC increases as the reverse bias voltage applied across the varicap is small, and the capacitance VC decreases as the reverse bias voltage is large.

電圧/周波数変換回路915は、可変容量ダイオード(バリキャップ)に印加される電圧(制御電圧Vcontに等しい)が変わると、ダイオードの静電容量が変化するため、共振周波数が変化して発振周波数が変化する。通常の電圧/周波数変換回路の場合、電圧が高くなると発振周波数も高くなる特性を有する。 In the voltage / frequency conversion circuit 915, when the voltage (equal to the control voltage V cont ) applied to the variable capacitance diode (varicap) changes, the capacitance of the diode changes, so the resonance frequency changes and the oscillation frequency changes. Changes. In the case of a normal voltage / frequency conversion circuit, the oscillation frequency also increases as the voltage increases.

渦電流式変位センサ720のVCO回路915は、センサコイルLVCOを有し、センサコイルLVCOが発生する交流磁力線による高周波磁界は、金属製でつくられるターゲット(被測定対象物としてフランジ部)に渦電流を発生させ、センサコイルLVCOの持つインピ−ダンス特性(特に、インダクタンス特性)を変化させる。 The VCO circuit 915 of the eddy current displacement sensor 720 has a sensor coil L VCO , and a high frequency magnetic field generated by the AC magnetic field lines generated by the sensor coil L VCO is made of a metal target (flanged portion as an object to be measured) to generate eddy currents, Inpi possessed sensor coil L VCO - Dance properties (especially, inductance characteristics) alter.

VCO回路915の内部のセンサコイルLVCOの持つ特性Lと可変容量ダイオード(バリキャップ)VCおよび各コンデンサの特性C2〜C5は、LC共振回路を形成し、このLC共振回路は、制御電圧VcontとセンサコイルLVCOのインピーダンスに基づいた共振周波数を有する交流信号を供給する。 The characteristic L possessed by the sensor coil L VCO inside the VCO circuit 915, the variable capacitance diode (varicap) VC and the characteristics C 2 to C 5 of the respective capacitors form an LC resonant circuit, and this LC resonant circuit has a control voltage An AC signal having a resonant frequency based on V cont and the impedance of the sensor coil L VCO is provided.

VCO回路915は、図20(A)に示すように、制御電圧Vcontで発振出力周波数foutを制御する回路である。制御電圧Vcontに対する発振出力周波数foutの特性が単調な、すなわち直線に近い入出力特性のVCO回路が望ましい。VCO回路915の回路構成例として、図20(B)に示すような可変容量ダイオード(バリキャップ)を含むようなVCO回路970を挙げることができる。VCO回路970は、上述のようなLCの共振回路を利用しており、インダクタンスLは、本発明におけるセンサコイルに対応し、共振回路の容量Cには可変容量ダイオード(バリキャップ)の容量CVRの項が含まれ、上述のように制御電圧Vcontに基づいて容量CVRを変えることができるから、制御電圧VcontおよびセンサコイルLVCOのインダクタンスに基づき、基本周波数fviは決定される。なお、VCO回路(電圧制御発振器)は入力された制御電圧Vcontによって発振周波数を制御して、センサコイルを組み込めるようなものなら回路構成は限定されなくても良く、バリキャップを備えている必要はない。さらに、高性能なVCO回路ほどノイズのない静かな制御電圧が求められるため、デジタル制御の制御電圧Vcontで発振出力周波数foutを制御することが好ましい。また、図20(B)に示すVCO回路970は、発振周波数を特定するものではない。 The VCO circuit 915 is a circuit that controls the oscillation output frequency f out with the control voltage V cont as shown in FIG. It is desirable to use a VCO circuit having an input / output characteristic in which the characteristic of the oscillation output frequency f out with respect to the control voltage V cont is monotonous, that is, almost linear. As a circuit configuration example of the VCO circuit 915, a VCO circuit 970 including a variable capacitance diode (varicap) as shown in FIG. 20B can be mentioned. VCO circuit 970 utilizes the resonance circuit LC as described above, the inductance L corresponds to the sensor coil of the present invention, the capacitance C VR of the variable capacitance diodes the capacitance C of the resonant circuit (varicap) The basic frequency f vi is determined on the basis of the control voltage V cont and the inductance of the sensor coil L VCO since the capacitance C VR can be varied on the basis of the control voltage V cont as described above. The VCO circuit (voltage control oscillator) may control the oscillation frequency according to the input control voltage V cont so that the circuit configuration is not limited as long as the sensor coil can be incorporated, and it is necessary to have a varicap There is no. Furthermore, since a quiet control voltage without noise is required as much as a high-performance VCO circuit, it is preferable to control the oscillation output frequency f out with the control voltage V cont of digital control. Further, the VCO circuit 970 shown in FIG. 20B does not specify the oscillation frequency.

渦電流式変位センサ部720に位置について、図21に示すように主軸台704の底面に設置してもよいし、側面(図示しない)に設置してもよく、設置位置は特に制限されない。   The position of the eddy current displacement sensor unit 720 may be installed on the bottom of the headstock 704 as shown in FIG. 21 or on the side (not shown), and the installation position is not particularly limited.

また、本発明の変位測定装置は、図22の概略図に示すように、平行移動する被測定対象物の変位測定等にも応用することができる。図22に示すステージの水平度が加工品質に影響を与えるような装置980、例えば、印刷機、基板に薬液を塗布する塗布装置、基板の表面を研磨する、または擦る装置において、渦電流式変位センサ981、および金属製のx−yステージ982を備えていれば、渦電流式変位センサ981とx−yステージ982との距離dをx−yステージ982をx−y平面上を平行移動させながら、渦電流式変位センサ981を用いて測定することによって、x−y面内の上述の距離dの分布を評価して、x−yステージ982の水平度を調整するようなことにも使用することができる。   Further, as shown in a schematic view of FIG. 22, the displacement measuring device of the present invention can also be applied to the displacement measurement of an object to be measured which is moved in parallel. In an apparatus 980 in which the levelness of the stage shown in FIG. 22 affects the processing quality, for example, in a printing machine, a coating apparatus for applying a chemical solution to a substrate, or an apparatus for polishing or rubbing the surface of a substrate, eddy current displacement If the sensor 981 and metal xy stage 982 are provided, the distance d between the eddy current displacement sensor 981 and the xy stage 982 translates the xy stage 982 on the xy plane. However, it is also used to evaluate the distribution of the above-mentioned distance d in the xy plane by measuring with the eddy current displacement sensor 981 and to adjust the levelness of the xy stage 982 can do.

また、本発明の変位測定装置は、図23(A)の概略図に示すように渦電流式変位センサ993に対して、左右方向に平行移動するターゲット991の変位を測定することに使用することができ、図23(B)の概略図に示すように、渦電流式変位センサ994に対して、前後方向に接近したり離れたりするように動くターゲット992の変位を測定することにも使用するができる。

In addition, the displacement measuring device of the present invention is used to measure the displacement of a target 991 which moves in parallel in the left-right direction with respect to the eddy current displacement sensor 993 as shown in a schematic view of FIG. Can also be used to measure the displacement of the target 992 moving toward and away from the eddy current displacement sensor 994 as shown in the schematic diagram of FIG. 23B. Can.

100 ターゲット(金属)
101 センサ(コイル)
102 発振回路
103 共振回路
104 検波回路
105 増幅回路
106 リニアライザ回路
200 ターゲット
201 センサ
301 工具
302 ツールホルダ
303 ツールフランジ
304 被嵌合部
306 ヘッド
310 主軸
311 ブラケット
312 渦電流式変位センサ
320 検波回路
321 発振回路
322 整流回路
323 フィルタ回路
324 ADC
325 メモリ
326 マイクロコンピュータ
327 工作機械のNC
330 機能モジュール
400 周波数変換部
410 インダクタンス算出部
420 変位算出部
430 異常判定部
500 制御回路
510 記憶部
520 可変発振回路
530 駆動回路
540 抵抗
550 コンデンサ
560 コイル
570 共振回路
580 検出部
700 切削工具
701 ツールホルダ
702 2本ツメ
703 主軸
704 主軸台
705 フランジ部
720 渦電流式変位センサ
721 本体
722 センサヘッド
723 ホルダアーム
724 支持体
725 信号線
726a、726b ナット
800 変位測定装置
810 制御電圧データ送信部
812 周波数変換部
813 周期時間計測部
814 変位算出部
815 コンピュータ
816 メモリ
817 工作機械NC
911 デジタル回路(並列データを直列データに変換)
912 インターフェース
913 インターフェース
914 D/Aコンバータ(データ保持機能有り)
915 VCO回路
916 バッファ
917 バンドパスフィルタ0
918 バッファ
919 モジュレータ1
920 バンドパスフィルタ1
921 バッファ
922 モジュレータ2
923 バンドパスフィルタ2
924 バッファ
925 モジュレータ3
926 バンドパスフィルタ3
927 バッファ
928 ゼロクロス回路(パルス波形を出力)
930 分周器
931 ローパスフィルタ1
932 ローパスフィルタ2
933 ローパスフィルタ3
934 クロック発生器
940 計数部
941 クロック発生器
942 フリップフロップ(1/2分周器)
943 エッジ検出
944 カウンタ
945 ラッチ回路
950 バンドパスフィルタ
951 バンドパスフィルタ
952 ローパスフィルタ
960 乗算器
961 乗算器
970 VCO回路
980 装置
981 渦電流式変位センサ
982 x−yステージ
991、992 ターゲット
993、994 渦電流式変位センサ
100 target (metal)
101 sensor (coil)
102 oscillation circuit 103 resonance circuit 104 detection circuit 105 amplification circuit 106 linearizer circuit 200 target 201 sensor 302 tool holder 303 tool flange 304 fitting portion 306 head 310 main shaft 311 bracket 312 eddy current displacement sensor 320 detection circuit 321 oscillation circuit 322 rectifier circuit 323 filter circuit 324 ADC
325 Memory 326 Microcomputer 327 Machine tool NC
330 function module 400 frequency conversion unit 410 inductance calculation unit 420 displacement calculation unit 430 abnormality determination unit 500 control circuit 510 storage unit 520 variable oscillation circuit 530 drive circuit 540 resistance 550 capacitor 560 coil 570 resonance circuit 580 detection unit 700 cutting tool 701 tool holder 702 Two jaws 703 Spindle 704 Headstock 705 Flange 720 Eddy current type displacement sensor 721 Body 722 Sensor head 723 Holder arm 724 Support 725 Signal wire 726a, 726b Nut 800 Displacement measuring device 810 Control voltage data transmitter 812 Frequency converter 813 period time measurement unit 814 displacement calculation unit 815 computer 816 memory 817 machine tool NC
911 Digital circuit (convert parallel data to serial data)
912 interface 913 interface 914 D / A converter (with data holding function)
915 VCO circuit 916 buffer 917 band pass filter 0
918 Buffer 919 Modulator 1
920 band pass filter 1
921 Buffer 922 Modulator 2
923 band pass filter 2
924 Buffer 925 Modulator 3
926 Bandpass filter 3
927 Buffer 928 zero crossing circuit (pulse waveform output)
930 divider 931 low pass filter 1
932 low pass filter 2
933 low pass filter 3
934 Clock generator 940 Counting unit 941 Clock generator 942 Flip-flop (1/2 frequency divider)
943 edge detection 944 counter 945 latch circuit 950 band pass filter 951 band pass filter 952 low pass filter 960 multiplier 961 multiplier 970 VCO circuit 980 device 981 eddy current displacement sensor 982 x-y stage
991, 992 Target 993, 994 Eddy current displacement sensor

Claims (8)

制御電圧の電圧値および被測定対象物との変位に応じて、発振周波数が変化する第1電圧波形を供給する渦電流式変位センサと、
前記第1電圧波形と前記第1電圧波形とは周波数が異なる第1基準電圧波形とを用いて変調された第2電圧波形を生成し、前記第2電圧波形の低周波側成分である第3電圧波形を供給する周波数変換部とを備え、
前記第3電圧波形の周波数に基づいて、前記渦電流式変位センサと前記被測定対象物との変位を算出することを特徴とする変位測定装置。
An eddy current displacement sensor that supplies a first voltage waveform whose oscillation frequency changes according to the voltage value of the control voltage and the displacement of the object to be measured;
The first voltage waveform and the first voltage waveform generate a second voltage waveform modulated using a first reference voltage waveform having a different frequency, and the third voltage component is a low frequency side component of the second voltage waveform. And a frequency converter for supplying a voltage waveform,
A displacement measuring device, which calculates displacements of the eddy current displacement sensor and the object to be measured based on the frequency of the third voltage waveform.
前記周波数変換部は、第1モジュレータと第1バンドパスフィルタから成る第1変換回路を備え、
前記第1モジュレータは、所定周波数の第1クロック波形をもとに生成された第1基準電圧波形と前記第1電圧波形との周波数の差に相当する周波数成分を含む電圧波形である前記第2電圧波形を生成し、
前記第1バンドパスフィルタは、前記第2電圧波形に基づいて前記第3電圧波形を供給する請求項1に記載の変位測定装置。
The frequency conversion unit includes a first conversion circuit including a first modulator and a first band pass filter,
The first modulator is a voltage waveform including a frequency component corresponding to a difference in frequency between a first reference voltage waveform generated based on a first clock waveform of a predetermined frequency and the first voltage waveform. Generate a voltage waveform,
The displacement measurement device according to claim 1, wherein the first band pass filter supplies the third voltage waveform based on the second voltage waveform.
前記周波数変換部は、第2モジュレータと第2バンドパスフィルタから成る第2変換回路を備え、
前記第2モジュレータは、前記第1クロック波形の周波数より周波数が低い第2クロック波形をもとに、前記第1基準電圧波形の周波数より周波数が低く生成された第2基準電圧波形と、前記第3電圧波形との周波数の差に相当する周波数成分を含む電圧波形である第4電圧波形を生成し、
前記第2バンドパスフィルタは、前記第4電圧波形に基づいて第5電圧波形を供給する請求項2に記載の変位測定装置。
The frequency conversion unit includes a second conversion circuit including a second modulator and a second band pass filter,
A second reference voltage waveform that is generated based on a second clock waveform whose frequency is lower than that of the first clock waveform, and whose frequency is lower than that of the first reference voltage waveform; Generating a fourth voltage waveform that is a voltage waveform including a frequency component corresponding to a difference in frequency from the three voltage waveforms,
The displacement measurement device according to claim 2, wherein the second band pass filter supplies a fifth voltage waveform based on the fourth voltage waveform.
前記周波数変換部は、第3モジュレータと第3バンドパスフィルタから成る第3変換回路を備え、
前記第3モジュレータは、前記第2クロック波形の周波数より周波数が低い第3クロック波形をもとに、前記第2基準電圧波形の周波数より周波数が低く生成された第3基準電圧波形と、前記第5電圧波形との周波数の差に相当する周波数成分を含む電圧波形である第6電圧波形を生成し、
前記第3バンドパスフィルタは、前記第6電圧波形に基づいて第7電圧波形を供給する請求項3に記載の変位測定装置。
The frequency conversion unit includes a third conversion circuit including a third modulator and a third band pass filter,
A third reference voltage waveform that is generated based on a third clock waveform whose frequency is lower than that of the second clock waveform, and whose frequency is lower than that of the second reference voltage waveform; Generating a sixth voltage waveform that is a voltage waveform including a frequency component corresponding to the frequency difference from the five voltage waveforms,
The displacement measuring device according to claim 3, wherein the third band pass filter supplies a seventh voltage waveform based on the sixth voltage waveform.
前記周波数変換回路は、前記第1クロック波形をもとに前記第1基準電圧波形を生成する第1ローパスフィルタと、前記第2クロック波形をもとに前記第2基準電圧波形を生成する第2ローパスフィルタと、前記第3クロック波形をもとに前記第3基準電圧波形を生成する第3ローパスフィルタとを備える請求項4に記載の変位測定装置。   The frequency conversion circuit is configured to generate a first low-pass filter that generates the first reference voltage waveform based on the first clock waveform, and a second low-pass filter that generates the second reference voltage waveform based on the second clock waveform. The displacement measuring device according to claim 4, further comprising: a low pass filter; and a third low pass filter that generates the third reference voltage waveform based on the third clock waveform. 計数部基準クロック発振器によって生成される所定周波数の第2基準クロック波形にてカウントすることによって、前記周波数変換部により前記第1電圧波形の周波数に応じた周波数に変換された電圧波形の周期に対応するカウント数を計数する周期時間計数部と、
前記カウント数に対応した、前記変位を算出する変位算出部と、
を備える請求項2ないし5のいずれか1項に記載の変位測定装置。
It corresponds to the period of the voltage waveform converted into the frequency according to the frequency of the first voltage waveform by the frequency conversion unit by counting with the second reference clock waveform of the predetermined frequency generated by the counting unit reference clock oscillator. A periodic time counting unit that counts the number of counts
A displacement calculation unit that calculates the displacement corresponding to the count number;
The displacement measurement device according to any one of claims 2 to 5, comprising:
請求項1ないし6のいずれか1項に記載の変位測定装置と、回転駆動する主軸と、切削工具が取り付けられるツールホルダとを備え、前記ツールホルダが装着される前記主軸を回転駆動させてワークを加工する工作機械であって、
前記変位測定装置によって、前記主軸に装着した前記ツールホルダのフランジ外周面までの変位を測定して、前記ツールホルダの前記主軸への装着状態の正常または異常を判定する工作機械。
A displacement measuring device according to any one of claims 1 to 6, a main shaft for rotational driving, and a tool holder to which a cutting tool is attached, the main shaft on which the tool holder is mounted is rotationally driven to work Machine tools that process
A machine tool which measures the displacement to the flange outer peripheral surface of the tool holder mounted on the spindle by the displacement measuring device, and determines normality or abnormality of the mounting state of the tool holder on the spindle.
請求項1ないし6のいずれか1項に記載の変位測定装置と、平行移動する被測定対象物を備える加工装置であって、
前記変位測定装置によって、前記変位測定装置と前記被測定対象物までの変位を測定して、前記被測定対象物の空間的な設置の状態を判定する加工装置。
A processing apparatus comprising: the displacement measuring device according to any one of claims 1 to 6; and an object to be measured which translates in parallel,
A processing apparatus which measures displacement of the displacement measuring device and the object to be measured by the displacement measuring device to determine a state of spatial installation of the object to be measured.
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