JP6752092B2

JP6752092B2 - 真円度測定機

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Publication number: JP6752092B2
Application number: JP2016178459A
Authority: JP
Inventors: 樹中山; 義幸大森
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2036-09-13
Also published as: CN107816929A; US10514244B2; DE102017216142A1; US20180073852A1; JP2018044813A; CN107816929B

Description

本発明は、ワークの外周形状を測定する真円度測定機に関する。

ワークの外周形状を測定するために、真円度測定機が用いられている。
真円度測定機では、ワークを回転式のテーブルに載置し、テーブルでワークを回転させつつ、ワークの周面にプローブを接触させることで、ワークの外周形状を測定している（特許文献１参照）。
真円度測定機において、精度よく測定を行うために、ワークの周面にプローブを接触させて測定を行う際には、ワークおよびテーブルの回転速度が所定の範囲内となるように動作制御される。

特開２０１６−０６５７５１号公報

前述のような真円度測定機において、ワークの周面を測定する際には、測定に適した所定速度でワークを回転させる必要がある。このために、テーブルに駆動力を与え、ワークを停止状態から所期の回転速度まで加速する。
ここで、ワークは、それぞれ固有の慣性モーメントを有する。このため、テーブルの駆動力が同じでも、ワークの回転速度が所期の範囲に到達するまでの時間（加速時間）が個々に相違する。すなわち、慣性モーメントが大きなワークでは、加速時間が長くなり、慣性モーメントが小さなワークでは、加速時間が短くなる。
このような加速時間は、なるべく短いほうが、直ちに測定動作に入ることができ、作業効率の観点から望ましい。しかし、加速時間が短過ぎると、ワークの加速が不十分になり、所期の回転速度での適切な測定が行えなくなる可能性がある。

なお、テーブルの駆動力を強化することで、慣性モーメントが大きなワークでも、短時間に十分な加速が可能である。しかし、強力な駆動機構は、定速回転する測定状態において不必要な過剰設備となること、測定機全体として機構的に過剰な負担を生じかねず、高精度化にそぐわない。このようなことから、テーブルの駆動機構を必要以上に強化することは行われない。

また、テーブルの加速度を制御する構成においても、できるだけ加速時間が短い方が望ましいが、テーブルに載置されたワークの慣性モーメントに適する加速時間は自動で判別されない。仮に、ワークの慣性モーメントに適した加速時間よりも短い加速時間が設定されると、大きな慣性モーメントが加わっているテーブルが急激に加速制御されるため、テーブルを駆動するモータの動作に支障が生じる。

前述した加速時間の問題に対して、従来の真円度測定機では、最大のワーク（測定可能なワークのうち最大重量または最大径のもの）の慣性モーメントに合わせて、加速時間を十分に長く設定することで対応していた。
すなわち、従来の真円度測定器では、加速時間を長く設定することで、慣性モーメントが大きなワークであっても、モータの動作に支障なく、測定に必要な所期の回転速度まで到達できる十分な加速時間を確保していた。つまり、作業効率よりも、確実な測定が行えることを優先していた。

一方、ワークが回転している状態でテーブルを制動し、ワークを停止状態まで減速する時間（減速時間）についても、同様の問題が生じることがある。
すなわち、慣性モーメントの大きなワークを短時間で制動すると、機構部分に負担が増大するという問題がある。また、テーブルの角度位置決めを行う場合、慣性モーメントの大きなワークを短時間で制動すると、正確な位置決めが行われない。そこで、減速時間についても十分に長く設定していた。
このように、従来の真円度測定機においては、テーブルの加減速時間（加速時間および減速時間）を十分に長く設定し、慣性モーメントが大きなワークでも無理なく高精度に加速および減速できるようにしていた。

しかしながら、前述のように加減速時間を十分に長く設定していると、様々なワークを測定するほとんどの場合において、加減速時間は、本来必要となる時間よりも長い時間に設定される。このため、ワークを測定するためにかかる全体の時間が長くなり、真円度測定機による単位時間当たりの処理効率が低下する問題がある。

本発明の目的は、測定の精度を確保しつつ測定効率を向上できる真円度測定機を提供することにある。

本発明の真円度測定機は、ベースと、前記ベースに対して回転可能なテーブルと、前記テーブルに載置されたワークの表面を検出するプローブと、前記テーブルを回転駆動するモータと、前記モータの回転を制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記モータの起動電流を検出可能な起動電流検出部と、前記モータの起動電流に応じて前記モータの加速時間および減速時間の少なくともいずれかを設定する加減速時間設定部と、を有することを特徴とする。

本発明では、起動電流検出部により、モータの起動電流が検出される。
テーブルの起動初期に、モータには定常運転時の電流よりも大きな起動電流が流れる。起動電流は、モータの負荷トルクに比例し、モータの負荷トルクは、テーブルに載置されたワークの慣性モーメントに比例する。すなわち、起動電流検出部で検出される起動電流の大きさは、テーブルに載置されたワークの慣性モーメントに応じた値になる。

本発明では、加減速時間設定部により、モータの起動電流に応じて、モータの加速時間および減速時間の少なくともいずれかが設定される。
すなわち、加減速時間設定部は、起動電流検出部によって検出された起動電流が大きければ、加速時間または減速時間を長く設定する。一方、起動電流が小さければ、加速時間または減速時間を短く設定する。起動電流に対する加速時間および減速時間の設定は、演算式により算出してもよいし、データテーブルを参照する等してもよく、連続的な比例関係であってもよく、区間毎の段階的な設定などであってもよい。
これにより、ワークの慣性モーメントが大きいほど、加速時間または減速時間が長く設定される。あるいは、ワークの慣性モーメントが小さいほど、加速時間または減速時間が短く設定される。

よって、本発明の真円度測定機では、加速時間または減速時間を、テーブルに載置されたワークの慣性モーメントに応じた適切な長さに設定することができる。つまり、加速時間または減速時間を、慣性モーメントが大きなワークに対応する長い時間に固定する必要がない。このため、プローブによるワークの検出動作の前後に要するモータの加減速のための時間を短縮することができる。なお、モータが一定速度で回転する時間を変える必要はないため、精度よく測定するための測定時間は確保される。
従って、本発明によれば、測定の精度を確保しつつ測定効率を向上できる真円度測定機を提供することができる。

また、本発明の真円度測定機において、前記加減速時間設定部は、前記加速時間および前記減速時間の少なくともいずれかについて、測定可能な前記ワークのうち最大重量または最大径の前記ワークの慣性モーメントに基づく初期値を予め設定しておき、検出された前記起動電流が小さいほど、短くなるように再設定してもよい。
これにより、モータの加速時間の初期値は慣性モーメントが大きなワークに合わせて余裕をもって設定されるため、モータの起動動作を安定させることができる。同様に、モータの減速時間が余裕をもって設定されるため、モータの減速動作を安定させることができる。

本発明に基づく真円度測定機の一実施形態を示す斜視図。本実施形態の真円度測定機を示すブロック図。本実施形態のモータの起動電流を示す模式的なグラフ。本実施形態の加減速時間設定部による加減速時間の設定例を示すグラフ。本実施形態の加減速時間設定部による加減速時間の設定例を示すテーブル。本実施形態のモータの回転速度と時間との関係を示す模式的なグラフ。本実施形態のテーブルおよび大きなワークを示す斜視図。本実施形態のテーブルおよび小さなワークを示す斜視図。本実施形態のモータの回転速度と時間との関係を示す模式的なグラフ。

〔真円度測定機〕
図１において、真円度測定機１は、ベース１０と、ベース１０に対して回転可能なテーブル２０と、テーブル２０に載置されたワークＷの表面を検出するプローブ３０と、プローブ３０を移動するプローブ移動機構４０と、プローブ移動機構４０の動作制御、プローブ３０の検出出力の処理を行うための制御装置５０と、を備えている。
ベース１０には、テーブル２０を回転駆動するモータ２３が設置されている。モータ２３は、制御装置５０により動作制御される。

テーブル２０は、鉛直方向に配置される回転軸線Ｌを中心としてベース１０に対して回転可能に設置されている。テーブル２０の上面には、ワークＷが載置される。ワークＷの中心軸線Ｃはテーブル２０の回転軸線Ｌの延長上に配置される。

モータ２３は、減速器などを介してテーブル２０を回転駆動する。モータ２３が所定回転速度Ｎ１で回転する間、テーブル２０は一定の速度で回転する。テーブル２０には、テーブル２０の回転角度を読み取る角度センサ２７が設けられている。

プローブ３０は、ワークＷに接するスタイラス３１と、スタイラス３１の変位を信号として出力する本体部３２とを有する。
プローブ移動機構４０は、上下方向、および、ワークＷに接近または離間する方向にプローブ３０を移動させる。これにより、スタイラス３１は、テーブル２０に設置されたワークＷの周面の任意高さ位置に接触する。

制御装置５０は、例えばパーソナルコンピュータで構成されており、ワークＷの真円度測定を含む各部の動作制御を行う。制御装置５０は、入力端末５１およびディスプレイ５２を有し、これらを介して作業者Ｐは、真円度測定機１の操作および情報読み取りが可能である。
なお、本実施形態では、制御装置５０が装置本体であるベース１０と別体とされているが、制御装置５０は装置本体に組み込まれていてもよい。

図２において、制御装置５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを備えており、内部に格納されたプログラムを実行することによって、測定制御部５３として機能する。
具体的には、測定制御部５３は、モータ制御部５４と、移動制御部５５と、変位検出部５６と、角度検出部５７とを含んでいる。メモリは、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などであり、記憶部５８として機能する。

測定制御部５３は、真円度測定機１の各部を制御し、輪郭形状ないし真円度に関する所期の測定動作を実行させる。
具体的には、モータ制御部５４によりモータ２３の回転を制御してテーブル２０を所定回転速度Ｎ１で回転させるとともに、移動制御部５５によりプローブ移動機構４０を制御してプローブ３０をワークＷの周面に接触させる。そして、テーブル２０が所定回転速度Ｎ１で回転している間、角度検出部５７で角度センサ２７の信号に基づいてテーブル２０の角度を検出するとともに、変位検出部５６でプローブ３０の信号に基づいてスタイラス３１の変位を検出する。その結果、ワークＷの全周つまり角度θ＝０〜３６０度の変位が測定され、そのデータ処理によりワークＷの周面の輪郭形状ないし真円度が求められる。

モータ制御部５４がモータ２３の回転を制御するために、モータ制御部５４とモータ２３との間には、速度制御部６１と、駆動部６２と、電流センサ６３と、回転速度検出部６４が設置されている。
これらの速度制御部６１ないし回転速度検出部６４は、例えば電気回路で構成され、それぞれベース１０に設けられてもよいし、制御装置５０に設けられてもよい。

速度制御部６１には、モータ制御部５４から各種指令値が入力されるとともに、回転速度検出部６４からモータ２３の回転速度が入力される。速度制御部６１は、モータ２３の回転速度が、モータ制御部５４に指令された回転速度となるように制御信号を生成し、駆動部６２に出力する。

駆動部６２は、速度制御部６１から入力された制御信号に基づいてモータ２３に電力を供給し、モータ２３を駆動する。駆動部６２は、例えば複数のスイッチング素子を有するモータドライバから構成される。
電流センサ６３は、モータ２３に流れる電流値を検出し、モータ制御部５４に出力する。
回転速度検出部６４は、例えば角度センサ２７の信号等に基づいて、モータ２３の回転速度を検出し、速度制御部６１に出力する。

モータ制御部５４は、起動電流検出部５４１および加減速時間設定部５４２を含んで構成されている。
起動電流検出部５４１は、電流センサ６３から入力されたモータ２３の電流値に基づいて、モータ２３の起動電流Ｉｍを検出する。
加減速時間設定部５４２は、起動電流検出部５４１が検出したモータ２３の起動電流Ｉｍの大きさに応じて、モータ２３の加速動作または減速動作を制御するための加速時間Ｔｓおよび減速時間Ｔｂを設定する。

〔モータ２３の制御動作〕
次に、モータ２３を制御する動作について、図２から図６を参照して説明する。
モータ２３の起動前、モータ制御部５４には、加速時間Ｔｓおよび減速時間Ｔｂの初期値が設定されている。加速時間Ｔｓおよび減速時間Ｔｂの各初期値としては、例えば、測定可能なワークＷのうち最大重量または最大径のワークＷの慣性モーメントに基づく許容最短時間が用いられる。ここで、許容最短時間とは、ワークＷの慣性モーメントが加わった状態で、モータ２３の動作に支障なく、静止状態から所定回転速度Ｎ１に加速可能な最短時間または所定回転速度Ｎ１から静止状態に減速可能な最短時間である。

作業者Ｐからの指示を受けて、モータ制御部５４は、加速時間Ｔｓの初期値に基づいて、モータ２３を起動する各種指令値を速度制御部６１に出力する。速度制御部６１は、入力された各種指令値に基づいて制御信号を生成し、駆動部６２に出力する。駆動部６２は、入力された制御信号に基づいてモータ２３を起動する。

モータ２３の起動時、モータ２３には定常運転時の電流よりも大きな起動電流Ｉｍが流れる。起動電流Ｉｍは、モータ２３の負荷トルクに比例し、モータ２３の負荷トルクは、テーブル２０に載置されたワークＷの慣性モーメントに比例する。すなわち、起動電流Ｉｍの大きさは、テーブル２０に載置されたワークＷの慣性モーメントの大きさに応じる（図３参照）。

モータ２３の起動直後、起動電流検出部５４１は、電流センサ６３から入力された電流値に基づいて、そのピーク電流を起動電流Ｉｍとして検出する。すると、加減速時間設定部５４２は、起動電流検出部５４１によって検出された起動電流Ｉｍに応じて、加速時間Ｔｓおよび減速時間Ｔｂ（加減速時間Ｔｓ，Ｔｂ）を設定する。

ここで、加減速時間設定部５４２は、起動電流Ｉｍが小さいほど、加減速時間Ｔｓ，Ｔｂを短く設定する。起動電流Ｉｍに対する加減速時間Ｔｓ，Ｔｂの設定は、演算式により算出してもよいし、データテーブルを参照する等してもよい。また、加減速時間Ｔｓ，Ｔｂは、起動電流Ｉｍに対して連続的な比例関係を有するように設定されてもよいし、起動電流Ｉｍを複数の区間に分けて、各区分に応じて加減速時間Ｔｓ，Ｔｂが段階的に設定されてもよい。

例えば、図４では、起動電流Ｉｍと演算式を用いて設定される加減速時間Ｔｓ，Ｔｂとの関係を示している。加減速時間Ｔｓ，Ｔｂは、起動電流Ｉｍに対して、連続的な比例関係を有する。ただし、起動電流Ｉｍが所定の低電流値ＩｍＬ以下である場合、急激な挙動によりテーブル２０の駆動系が破損することを防ぐために、必要最短時間ＴｓＬ，ＴｂＬが一律に設定される。

また、図５では、起動電流Ｉｍの区間毎に対応付けられた加減速時間Ｔｓ，Ｔｂのデータテーブルを示している。加減速時間Ｔｓ，Ｔｂは、起動電流Ｉｍの各区間に応じて段階的に設定される。
なお、図５に示すテーブルにおいて、起動電流Ｉｍは、所定の低電流値ＩｍＬ以上から所定の高電流値ＩｍＨ未満までの範囲をｎ個の区間に分けられている。この範囲では、加速時間ＴｓはＴｓ（１）からＴｓ（ｎ）まで段階的に増加し、また、減速時間ＴｂはＴｂ（１）からＴｂ（ｎ）まで段階的に増加している。
また、所定の低電流値ＩｍＬより小さい区間には、急激な挙動によりテーブル２０の駆動系が破損することを防ぐための必要最短時間ＴｓＬ，ＴｂＬが対応付けられている。
また、図５に示すテーブルにおいて、所定の高電流値ＩｍＨ以上の区間には、測定可能なワークＷのうち最大重量または最大径のワークＷの慣性モーメントに基づく許容最短時間ＴｓＨ，ＴｂＨが対応付けられている。ここで、許容最短時間ＴｓＨは、ワークＷの慣性モーメントが加わった状態で、モータ２３の起動初期から所定回転速度Ｎ１に加速可能な最短時間である。許容最短時間ＴｂＨは、ワークＷの慣性モーメントが加わった状態で、所定回転速度Ｎ１から静止状態に減速可能な最短時間である。

その後、モータ制御部５４は、再設定された加速時間Ｔｓをかけて所定回転速度Ｎ１に到達できる加速度を演算し、この加速度を実現するための回転速度を含む指令値を速度制御部６１に出力する。
なお、加減速時間設定部５４２によって設定された減速時間Ｔｂについては、例えば記憶部５８に一時記憶されてもよい。

速度制御部６１は、速度制御部６１からの指令値を受けると、回転速度検出部６４から入力された回転速度と、指令された回転速度との差異に基づいた制御信号を生成する。駆動部６２は、この制御信号に基づいてモータ２３を駆動する。
これにより、モータ２３は、加減速時間設定部５４２に設定された加速時間Ｔｓをかけて静止状態から所定回転速度Ｎ１にまで加速する。

その後、モータ２３は、予め設定された測定時間Ｔｒが経過するまで、所定回転速度Ｎ１で回転するように制御される。
なお、測定時間Ｔｒとしては、モータ２３が所定回転速度Ｎ１に達した時点を測定可能時点とし、測定可能時点から少なくともテーブル２０が１回転するための時間が確保されている。測定時間Ｔｒの間、プローブ３０がテーブル２０に載置されたワークＷの表面を検出する。

測定時間Ｔｒが経過したとき、モータ制御部５４は、記憶部５８に記憶された減速時間Ｔｂを参照し、この減速時間Ｔｂをかけて静止状態に到達できる減速度を演算し、この減速度を実現するための回転速度を含む指令値を速度制御部６１に出力する。

速度制御部６１は、速度制御部６１からの指令値を受けると、回転速度検出部６４から入力された回転速度と指令された回転速度との差異に基づいた制御信号を生成する。駆動部６２は、この制御信号に基づいてモータ２３を駆動する。
これにより、モータ２３は、加減速時間設定部５４２に設定された減速時間Ｔｂをかけて所定回転速度Ｎ１から静止状態に減速する。

以上の制御方法によれば、モータ２３は、設定された加速時間Ｔｓをかけて静止状態から所定回転速度Ｎ１に加速した後、測定時間Ｔｒが経過するまで所定回転速度Ｎ１で一定に回転するように制御される。測定時間Ｔｒの経過後、モータ２３は、設定された減速時間Ｔｂをかけて所定回転速度Ｎ１から静止状態に減速するように制御される（図６参照）。
なお、モータ２３の起動時点から加速時間Ｔｓが再設定される時点までの時間は、加速時間Ｔｓに比べて極短い時間であるため、図６では記載を省略している。

〔本実施形態の効果〕
本実施形態では、起動電流検出部５４１がモータ２３の起動電流Ｉｍを検出し、加減速時間設定部５４２が、検出された起動電流Ｉｍに応じてモータ２３の加減速時間Ｔｓ，Ｔｂを設定する。これにより、ワークＷの慣性モーメントが大きいほど、加減速時間Ｔｓ，Ｔｂを長く設定することができ、ワークＷの慣性モーメントが小さいほど、加減速時間Ｔｓ，Ｔｂを短く設定することができる。

例えば、図７および図８にそれぞれ示すような大小２つのワークＷ１、Ｗ２を仮定する。ワークＷ１は、ワークＷ２よりも重量および径が大きく、その慣性モーメントが大きい。このため、ワークＷ１を測定するときの起動電流Ｉｍ１よりも、ワークＷ２を測定するときの起動電流Ｉｍ２の方が小さい（図３参照）。
すると、慣性モーメントが大きいワークＷ１では、加減速時間Ｔｓ１，Ｔｂ１が長く設定され、慣性モーメントが小さいワークＷ２では、加減速時間Ｔｓ２，Ｔｂ２が短く設定される（図９参照）。

すなわち、本実施形態によれば、加減速時間Ｔｓ，Ｔｂを、テーブル２０に載置されたワークＷの慣性モーメントに応じた適切な長さに設定することができる。これにより、加減速時間Ｔｓ，Ｔｂを、慣性モーメントが大きなワークＷに対応する長い時間に固定する必要がない。このため、プローブ３０によるワークＷの検出動作の前後に要するモータ２３の加減速のための時間を短縮することができる。
なお、プローブ３０が精度よく測定するための測定時間Ｔｒ（例えば図９のＴｒ１およびＴｒ２）は、ワークＷの大きさに違いがあっても同様に確保される。
従って、本実施形態の真円度測定機１は、測定の精度を確保しつつ測定効率を向上することができる。

また、本実施形態では、加速時間Ｔｓおよび減速時間Ｔｂについて、測定可能なワークＷのうち最大重量または最大径のワークＷの慣性モーメントに基づく初期値を予め設定しておき、検出された起動電流Ｉｍが小さいほど、短くなるように再設定する。これにより、モータ２３の加速時間Ｔｓの初期値は慣性モーメントが大きなワークＷに合わせて余裕をもって設定されるため、モータ２３の起動動作を安定させることができる。同様に、モータ２３の減速時間Ｔｂが余裕をもって設定されるため、モータ２３の減速動作を安定させることができる。

〔変形例〕
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲で以下に示される変形をも含むものである。
前記実施形態では、加速時間Ｔｓについて、測定可能なワークＷのうち最大重量または最大径のワークの慣性モーメントに基づく初期値を用いることで、予め余裕をもって長い時間が設定されている。そして、検出された起動電流Ｉｍが小さいほど加速時間Ｔｓを短く再設定している。
しかし、本発明はこれに限られず、加速時間Ｔｓについて、例えば測定実施が最も予想されるワークＷの慣性モーメントに基づく初期値を用い、検出された起動電流Ｉｍが大きければ加速時間Ｔｓを長く設定し、検出された起動電流Ｉｍが小さければ加速時間Ｔｓを短く設定してもよい。

前記実施形態では、加減速時間設定部５４２は、加速時間Ｔｓおよび減速時間Ｔｂを起動電流Ｉｍに応じて設定しているが、加速時間Ｔｓおよび減速時間Ｔｂのいずれか一方を設定し、他方を固定値としてもよい。
前記実施形態では、制御装置５０は、ベース１０と別体としたが、ベース１０に組み込まれたものとしてもよい。この場合、ベース１０の表面に入力端末５１およびディスプレイ５２が設置されていてもよい。

前記実施形態では、モータ２３のフィードバック制御を行っているが、本発明はこれに限られない。すなわち、真円度測定機１が回転速度検出部６４を有さず、速度制御部６１は、モータ制御部５４からの指令値のみに基づいて駆動部６２を制御してもよい。
また、真円度測定機１がワークＷの回転角度を位置決めする場合、ワークＷの慣性モーメントに応じた長さの減速時間Ｔｂを確保することが望ましい。この場合、位置決め用の減速時間Ｔｂの設定方法について、前述した減速時間Ｔｂの設定方法を適用することが可能である。

本発明は、ワークの外周形状を測定する真円度測定機として利用できる。

１…真円度測定機、１０…ベース、２０…テーブル、２３…モータ、３０…プローブ、５０…制御装置、５４…モータ制御部、５４１…起動電流検出部、５４２…加減速時間設定部、Ｉｍ…起動電流、Ｎ１…所定回転速度、Ｔｂ…減速時間、Ｔｒ…測定時間、Ｔｓ…加速時間、Ｗ…ワーク。

Claims

ベースと、前記ベースに対して回転可能なテーブルと、前記テーブルに載置されたワークの表面を検出するプローブと、前記テーブルを回転駆動するモータと、前記モータの回転を制御する制御装置と、を有し、
前記制御装置は、
前記モータの起動電流を検出可能な起動電流検出部と、
前記モータの起動電流に応じて前記モータの加速時間および減速時間の少なくともいずれかを設定する加減速時間設定部と、を有することを特徴とする真円度測定機。
請求項１に記載の真円度測定機において、
前記加減速時間設定部は、前記加速時間および前記減速時間の少なくともいずれかについて、測定可能な前記ワークのうち最大重量または最大径の前記ワークの慣性モーメントに基づく初期値を予め設定しておき、検出された前記起動電流が小さいほど、短くなるように再設定することを特徴とする真円度測定機。