JP6583139B2

JP6583139B2 - プローブ位置検出方法

Info

Publication number: JP6583139B2
Application number: JP2016101590A
Authority: JP
Inventors: 哲也松川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2036-05-20
Also published as: JP2017207442A

Description

本発明は工作機械で用いられるタッチプローブの位置検出方法に関する。

工作機械において、加工精度を検査することや機械加工品（ワーク）の品質をチェックすることは、高品質のワークを得るのに重要であり、そのために、工作機械から工作後のワークを取り出して、ワークの所要の部位を測定することが行われている。この作業は、工作機械の稼働率低下を招くとともに、品質チェックに要する作業負担も大きくなる。

それを解消するために、工作機械内に検査用のタッチプローブを配置し、タッチプローブの位置を検出することで、加工精度やワークの品質のチェックを自動的に行うことが提案されている。特許文献１にはその一例が記載されており、そこでは、工作機械に配置したタッチプローブが工作機械上で計測対象物（ワーク）の形状に沿って移動するときのタッチプローブの変位を計測するとともに、予め設定した基準値（プローブ取り付け位置（Ｘ０、Ｚ０））に対し、ずらした値を計測し、その値が所定範囲に入るとき、そのずらし量を基準値に加えたものを真のタッチプローブ位置とすることでタッチプローブの位置補正を行うようにし、それにより、高い精度でのタッチプローブの位置検出を可能としている。

特開２０１１−２１４９３１号公報

特許文献１に記載の機上計測装置のタッチプローブ取り付け位置算出方法は、固有の方法でタッチプローブの位置補正を行うことで、高い精度でのタッチプローブの位置検出が可能となることが期待できる。しかし、タッチプローブの位置補正は、基本的に、当該工作機械自体の位置スケールである、工作機械の刃物をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に動かすための移動軸と距離スケールを、そのまま測定用のタッチプローブの移動と位置（寸法）測定に使用しており、工作機械の振動や熱等で工作機械の位置スケールの基準がずれた場合に、補正を行っても真に正しい位置検出が行われないおそれがあり、タッチプローブの位置を正しく検出できないことが起こりうる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、工作機械自身が持つ位置スケールとは独立した位置検出手段を用いることで、工作機械の位置スケールの基準にずれが生じた場合でも、タッチプローブの位置を正しく検出できるようにした、工作機械でのプローブ位置検出方法を提供することを課題とする。

本発明によるプローブ位置検出方法は、工作機械に設けられたタッチプローブの位置を求めるプローブ位置検出方法であって、前記工作機械は測定対象物を載置するベースと前記ベースに設けられた少なくとも３つの測定波受信器または測定波発信器を備え、前記タッチプローブは測定波発信器または測定波受信器を備え、測定波の到達時間から前記タッチプローブの測定波発信器または測定波受信と前記少なくとも３つの測定波受信器または測定波発信器との距離を演算し、その演算値と前記少なくとも３つの測定波受信器または測定波発信器同士の距離に基づき、前記タッチプローブの位置を演算することを特徴とする。

本発明によれば、工作機械自体の位置スケール以外の位置検出手段を用いてタッチプローブの位置を検出できるため、工作機械自身の位置スケール基準に依存することのない正しいプローブ位置を検出することが可能となる。

本発明によるプローブ位置検出方法の一例を説明するための模式的図。

以下、本発明によるプローブ位置検出方法の一実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１において、１は適宜の工作機械におけるワークを載置するベースを示す。ベース１の上には、測定対象物であるワーク２が固定されている。ワーク２の上方には、タッチプローブ３が位置しており、該タッチプローブ３は、図示しない当該工作機械の適宜の軸に多軸方向に移動可能に装着されている。タッチプローブ３は、スタイラスＳとスタイラスＳの移動を検出するリニアスケール（不図示）等を備えるとともに、この例では、超音波発信器Ｐを備えている。超音波発信器Ｐを備えることを除き、タッチプローブ３自体は周知のものである。

ベース１におけるワーク２の周囲には、直交するＹ軸とＸ軸におけるＹ軸上に第１の超音波受信器ａ、Ｙ軸とＸ軸の交点に第２の超音波受信器ｂ、Ｘ軸上に第３の超音波受信器ｃが配置されている。そして、タッチプローブ３に備えられた超音波発信器Ｐが発信する超音波は、３つの超音波受信器ａ、ｂ、ｃによって受信される。

図示しない演算手段は、超音波が発信されてから各超音波受信器ａ、ｂ、ｃに到達するまでの時間を測定して、超音波の発信源から受信源までの距離を算出する。それにより、タッチプローブ３の超音波発信器Ｐの位置から３つの超音波受信器ａ、ｂ、ｃまでの距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が求まる。一方、前記第１の超音波受信器ａと前記第２の超音波受信器ｂとの間の距離をＭ１、前記第２の超音波受信器ｂと前記第３の超音波受信器ｃとの間の距離をＭ２、前記第３の超音波受信器ｃと前記第１の超音波受信器ａとの間の距離をＭ３、とすると、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は、ベース１に超音波受信器ａ、ｂ、ｃを備えたときの値であり、既知である。

それらの値から、次式により、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３からなる三角錐の頂点、すなわち、タッチプローブ３に備えられた超音波発信器Ｐの絶対位置が一義的に決定される。また、タッチプローブ３に備えられた超音波発信器ＰからスタイラスＳの先端Ｓ１までの距離（ＰＳ１）も既知であり、スタイラスＳの先端Ｓ１の絶対位置も検出可能である。この位置が、ワーク２における所期の検出位置となる。

具体的には、次式によって、位置検出が可能となる。図１における点Ｐの座標を（ｘ、ｙ、ｚ）とすると、下記の３式が成立する。

式１ｘ^２＋ｙ^２＋ｚ^２＝（Ｌ２）^２
式２（Ｍ２−ｘ）^２＋ｙ^２＋ｚ^２＝（Ｌ３）^２
式３ｘ^２＋（Ｍ１−ｙ）^２＋ｚ^２＝（Ｌ１）^２
そして、前記式１および式２より、
ｘ＝（（Ｍ２）^２＋（Ｌ２）^２−（Ｌ３）^２）／（２・Ｍ２）、
また、前記式３および式１より、
ｙ＝（（Ｍ１）^２＋（Ｌ２）^２−（Ｌ１）^２）／（２・Ｍ１）、
また、式１より、
ｚ＝ＳＱＲＴ（（Ｌ２）^２−ｘ^２−ｙ^２）、
が求められる。

次に、Ｌ＝ＰＳ１とすると、Ｌは既知であり、スタイラスＳの先端Ｓ１のｚ座標ｚ１はｚ１＝ｚ−Ｌで求まる。

以上から、スタイラスＳの先端Ｓ１、すなわちワーク２の位置座標は、座標（ｘ、ｙ、ｚ１）として求めることができる。以下、タッチプローブ３をワーク２の表面に倣って移動させることで、多数点でのワーク２の表面の位置座標を求めることができる。この位置座標は、当該工作機械自体の位置スケールとは独立した位置検出手段、すなわち超音波受発信器同士間の距離に基づき演算されるものであり、工作機械の位置スケール基準に依存することのない、正しいプローブ位置を検出することが可能となる。

なお、上記の実施の形態では、タッチプローブ３に超音波発信器Ｐを備え、ベース１側に３つの超音波受信器ａ、ｂ、ｃを備えるようにしたが、発信源と受信源とを逆に配置しても、同じ結果を得ることができる。ただし、３か所から超音波を発信する場合には、発信タイミングをずらすか周波数を変えることで、受信機側で発信源からの超音波を区別できるようにすることが必要となる。

また、測定波として超音波を用いたが、レーザー波を用いることもできる。ただし、レーザー波を用いる場合には、受信できる方向が超音波と比較して狭いことから、受発信器に高い方向精度が求められる。そのために、測定波としては、超音波を用いることがより実際的である。

さらに、図１に示した装置において、超音波受信器ａ、ｂ、ｃを超音波受発信器ａ１，ｂ１，ｃ１とすることもできる。この場合には、検出時に、第１の超音波受発信器ａ１と第２の超音波受発信器ｂ１との間の距離Ｍ１１、第２の超音波受発信器ｂ１と第３の超音波受発信器ｃ１との間の距離Ｍ２１、第３の超音波受信器ｃと第１の超音波受信器ａとの間の距離Ｍ３１を実際に測定することで、その時点での冶具（ベース１）等の変化（熱膨張など）を検知することができる。それにより、上記の説明では既知（固定値）としていたＭ１、Ｍ２、Ｍ３の正確な距離（Ｍ１１、Ｍ２１、Ｍ３１）が求められるので、その値を採用することで、タッチプローブ３の常に正しい位置検知が可能となる。

また、上記ではベース１に配置した３つの超音波受信器ａ、ｂ、ｃが直角三角形をなす場合について演算式等を説明したが、これは一例であって、公知の演算手法により、点Ｐの座標（ｘ、ｙ、ｚ）が求められることを条件に、超音波受信器ａ、ｂ、ｃの配置位置はこれに限らない。また、やはり公知の演算手法により点Ｐの座標（ｘ、ｙ、ｚ）が求められることを条件に、超音波受信器ａ、ｂ、ｃは４個以上であってもよい。

超音波受信器の数を４個以上に増やす場合、その中の任意の３組を選定して、前記と同様の演算式を用いて点Ｐの座標を算出する。この組み合わせを増やすことができるで、複数組の座標算出結果を統計処理し、測定時の外乱等による誤差を極力排除して真値に近づくことができ、より演算結果の信頼性を上げることが可能となる。例えば、５個の超音波受信器を用いる場合には１０組の座標が得られるので、それを平均して点Ｐの座標とすることもできる。

１…工作機械におけるワークを載置するベース、
２…測定対象物であるワーク、
３…タッチプローブ、
Ｐタッチプローブに備えられた超音波発信器、
Ｓ…タッチプローブのスタイラス、
ａ…第１の超音波受信器、
ｂ…第２の超音波受信器、
ｃ…第３の超音波受信器、
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３…タッチプローブに備えられた超音波発信器から超音波受信器までの距離、
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３…各超音波受信器間の距離。

Claims

工作機械に設けられたタッチプローブの位置を求めるプローブ位置検出方法であって、前記工作機械は測定対象物を載置するベースと前記ベースに設けられた少なくとも３つの測定波受信器または測定波発信器を備え、
前記タッチプローブは測定波発信器または測定波受信器を備え、
測定波の到達時間から前記タッチプローブの測定波発信器または測定波受信器と前記少なくとも３つの測定波受信器または測定波発信器との第１の距離を演算し、その演算値と前記少なくとも３つの測定波受信器または測定波発信器同士の第２の距離に基づき、前記タッチプローブの位置を演算し、
前記少なくとも３つの測定波受信器または測定波発信器の各々は、超音波受発信器からなり、
前記第２の距離は、前記タッチプローブの位置の検出時に前記超音波受発信器で前記超音波受発信器同士の距離を測定して得られた値であることを特徴とするプローブ位置検出方法。