JPH028858B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、機械加工された加工物各部の寸法や
形状、位置等を計測する系において、測定用の検
出ヘツドを回転自在に構成し、その回転部と固定
部との間で、検出ヘツドへの測定に関する指令信
号および同ヘツドからの測定データ信号の授受を
非接触で行う信号伝達装置に係り、特に前記指令
信号として検出ヘツドの測定ゲインを指定でき、
かつ、その指定されたゲインによる測定データを
前記検出ヘツドを含む回転部側から連続的に固定
部側へ送出可能な検出ヘツドを備えた信号伝達装
置に関する。

従来、機械加工の施された工作物（以下、加工
物品と称する）、各部の寸法、位置等をオン・
ザ・マシン計測するための検出ヘツドの検出素子
としてタツチセンサーが用いられている。このセ
ンサーは加工物品表面との接触の瞬間を正確に捉
え、同センサーからの接触信号に基づいて加工物
品と検出ヘツドとの相対位置を測定しようとする
ものである。しかし、このタツチセンサー方式で
は、接触の瞬間を位置座標データとして判別する
ものであり形状精度を測定する場合にはこの位置
データから算出しなければならず精度のよい測定
は不可能であつた。

また、加工物品の加工された穴の形状、例えば
真円度を測定しようとする場合、電気マイクロメ
ータを検出素子とした検出ヘツドを用いた測定の
際、その検出ヘツドの回転中心を予め測定対象の
穴の中心に正確に一致させることは困難であり、
通常は作業者が一旦精度の粗い電気マイクロメー
タを穴の内周面に回転接触させて、両者の回転中
心のずれ（△ｘ、△ｙ）を図り、そのずれを補正
するように検出ヘツドの中心を（−△ｘ、−△ｙ）
だけ穴に対して移動したあと、分解能（精度）の
高い電気マイクロメータに取り替えてその穴の真
円度の測定を行うという手順を経なければならな
い。また、加工物品の加工精度に合せて、精度の
要求される（加工物品の）真円度には高いゲイン
で、精度を必要としない真円度には低いゲインで
測定する必要がある。（精度の高くない加工物品
を高ゲインで測定するとオーバーレンジする） しかし、このような測定プロセスをオン・ザ・
マシン計測として自動的に行うことは、本発明者
らの知見ではこれまでなされていないし、そのよ
うな測定手段も存在しなかつた。

本発明は、上記従来の問題点を解決せんとする
もので、その目的とするところは、オン・ザ・マ
シン計測用に利用でき、かつ、形状等のアナログ
量の測定に際し、その測定精度を外部からの指令
で測定目的に合わせて指定できるようにし、更に
回転しつつ測定されたデータを非接触で外部に取
り出せるようにした検出ヘツドを有する機械加工
物品の計測における信号伝達装置を提供すること
にある。

そのため、本発明では、主軸筒に主軸を回転自
在に収納し、その主軸の先端に測定用のアナログ
検出素子を備えた検出ヘツドを取付け、この検出
ヘツドに対して主軸筒外部の制御部から与えられ
る測定ゲインに関する指令信号と同検出ヘツドか
ら制御部に対して与えられる測定データ信号と
を、主軸筒および検出ヘツドの間で非接触に伝達
する信号授受手段を設け、更に、前記検出ヘツド
には、前記アナログ検出素子の測定ゲインが前記
指令信号に応じて可変となる増幅器と、同増幅器
出力をアナログデジタル変換するA/D変換器と、
同A/D変換器出力を時間に関しシリアルデータ
値に変換するP/S変換器とを含むようにして上記
目的を達成せんとするものである。

まず、本発明の対象とする計測ユニツト装置の
概要を第１図について説明する。

同図において、１１は計測ユニツト装置の本
体、１２はそのベツドである。ベツド１２には、
案内１２Ａ，１２Ｂを介してサドル１３が図中左
右方向（Ｘ方向）へ、このサドル１３に設けられ
た案内１３Ａ，１３Ｂを介してコラム１４が図中
前後方向（Ｚ方向）へ、更にコラム１４に設けら
れた図示しない案内を介して主軸頭１５が図の紙
面と垂直方向（Ｙ方向）へそれぞれ移動自在に設
けられている。主軸頭１５には、先端に検出素子
１５Ｃを含む検出ヘツド１５Ｂを着脱自在に装着
した主軸１５Ａが回転自在に収納、支持されてい
る。

２１はパレツト導入部で、図にはその一部が示
されている。同パレツト導入部２１には、パレツ
トPLTに固定された加工物品Ｗを図示しない機
械加工領域から前記検出ヘツド１５Ｂの近傍に位
置させ、同加工物品Ｗに対する各種の計測作業を
遂行させるべく、そのパレツトPLTの搬入・搬
出路２１Ａが設けられている。

３１は検出ヘツド収納部である。同収納部３１
は、計測作業において必要とされる種々の測定項
目に対応して前記主軸１５Ａに選択的に装着され
る種々の検出ヘツド１５Ｂの一群を収納した検出
ヘツド収納棚３１Ａと、各検出ヘツド１５Ｂの較
正を行う較正スタンド３１Ｂと、較正済みの検出
ヘツド１５Ｂを測定に用いるために前記主軸１５
に装着または主軸１５Ａ上の使用済み検出ヘツド
１５Ｂを離脱させるべく動作する検出ヘツド自動
交換装置３１Ｃと、これらの駆動を制御する制御
部３１Ｄとから構成されている。前記較正スタン
ド３１Ｂでは、前記検出ヘツド自動交換装置３１
Ｃによつて前記主軸１５Ａに新たな検出ヘツド１
５Ｂが装着されると、その検出ヘツド１５Ｂにつ
いての較正が行われる。

３４は図に示した計測ユニツト装置各部を制御
する計測ユニツト装置の制御部である。同制御部
３４には、前記本体１１部分に対するコントロー
ラ３２、前記パレツト導入部２１におけるパレツ
トPLTの位置決め、回転割出し（図の位置でパ
レツトPLTを所定角度だけ回転指令例えば90度
だけ時計方向へ回転させる。）を指令するための
コントローラ３３および前記収納部３１の制御部
３１Ｄがそれぞれ接続され、更に破線で示された
加工ユニツト側制御部３５からの情報INF（Ｗ）
が与えられている。この情報INF（Ｗ）は、加工
物品Ｗが加工ユニツト装置（図示せず）領域から
計測ユニツト装置側へ導入される際に測定対象と
しての加工物品Ｗを特定する情報で、例えば測定
作業に関して必要な指令群が予め制御部３４にス
トアされている場合には、単に加工物品Ｗを指定
するだけの内容であつてもよい。

一方、前記コントローラ３２は、前記計測本体
１１のサドル１３、コラム１４、主軸頭１５の
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動指令群を測定内容に応じ
て与え、かつ、それによつて測定された測定デー
タ信号とともに前記較正スタンド３１Ｂにおける
較正によつて得られたデータDACがラインL₁，
L₂を介して与えられるようになつている。その
結果、コントローラ３２において、測定データ信
号と較正によるデータDACとが組合され、加工
物品Ｗについてのある測定項目に対する真の測定
値が得られるようになつている。

本発明の具体的な課題は、上述したようなな計
測システムにおいて、前記コントローラ３２と検
出ヘツド１５Ｂとの間で測定動作の遂行に伴う各
種信号群（指令信号、測定データ信号）の経路と
なる信号伝達装置を提供することにある。

そこで、信号伝達装置を具体化した本発明の一
実施例を第２図および第３図について説明する。

第２図は前記第１図における主軸頭１５の内部
構造を示している。同図中４１は同主軸頭１５の
内部に収納された主軸筒である。主軸筒４１の内
部には、その両開口端側に位置する静圧軸受筒４
２，４３を介して主軸１５Ａが回転自在に設けら
れている。静圧軸受筒４２，４３には、前記主軸
筒４１に取付けられた圧縮エア供給口４４，４５
から供給される圧縮エアを前記主軸１５Ａの外周
摺接面へ供給するエア供給溝４２Ａ，４３Ａがそ
れぞれ形成されている。また、前記主軸１５Ａの
中心軸方向には、その前端面から後端へ向うに従
つて徐々に縮径したテーパー状の第１の穴部４６
Ａ、その後端から僅か拡径した逃げ溝４６Ｂを介
して略同径で後端へ向つて連続する第２の穴部４
６Ｃ、その後端から更に段状に拡径した第３の穴
部４６Ｄ、その後端から更に段状に拡径した後端
面へ開口する第４の穴部４６Ｅが順に形成されて
いる。

前記第１の穴部４６Ａには、前記検出ヘツド１
５Ｂの後端に形成された係止部４７Ａを有するテ
ーパーシヤンク４７が密着された状態で挿入され
ている。また、検出ヘツド１５Ｂの後部外周と主
軸筒４１の前端との間には回転トランス４８が設
けられている。回転トランス４８は、その外周に
位置する１次側４８Ａが前記主軸筒４１の外部前
端に、内周に位置する２次側４８Ｂが前記検出ヘ
ツド１５Ｂの後部外周にそれぞれ固定され、か
つ、１次側４８Ａに対して２次側４８Ｂが取外せ
るようになつている。１次側４８Ａから引き出さ
れた端子４８Ｃには第１図で示したコントローラ
３２および図示しない交流電源が、２次側４８Ｂ
から引き出された端子４８Ｄには検出ヘツド１５
Ｂの内部に設けられる計測制御回路８０がそれぞ
れ接続されている。

また、前記第２の穴部４６Ｃには、摺動軸４９
が軸方向へ移動自在に設けられている。同摺動軸
４９の前端には、その摺動軸４９が図中右方へ移
動したとき、前記検出ヘツド１５Ｂの係止部４７
Ａを挾持しそれを右方へ引き込むコレツトチヤツ
ク部材５０が一体に設けられている。また、摺動
軸４９の前部外周には、前記主軸１５Ａにその軸
と直角に突設されたストツパー５１に対する案内
溝５２が軸方向に所定長さ形成されている。更
に、摺動軸４９の後部外周には、前記第４の穴部
４６Ｅ内に摺動自在に設けられたピストン５３が
ナツト５４により固定されている。ピストン５３
には、前記第３の穴部４６Ｄに挿入されたスプリ
ング５５により図中右方への力が付与されてい
る。従つて、常時は、スプリング５５により摺動
軸４９が図中右方へ移動された状態となるため、
検出ヘツド１５Ｂのテーパーシヤンク４７が前記
第１の穴部４６Ａに密着された状態で保持されて
いる。

また、前記主軸筒４１の後端には、モータ取付
部材５６がボルト５７により固定されているとと
もに、その内側にスペーサ５８および軸受保持部
材５９がボルト６０により固定されている。軸受
保持部材５９には、前記静圧軸受筒４３の後端に
形成されたスラスト受部４３Ｃと間隔をおいて対
向するスラスト軸受筒６１が保持されている。ス
ラスト軸受筒６１には、前記軸受保持部材５９に
取付けられた圧縮エア供給口６２から供給される
圧縮エアを前面へ向けて噴出するエア供給溝６１
Ａが形成されている。一方、前記主軸１５Ａの後
端には前記スラスト受部４３Ｃとスラスト軸受筒
６１との間に摺動自在に挾持されるフランジ４６
Ｆが一体に形成されている。フランジ４６Ｆに
は、前記手軸１５Ａの後端開口部を閉塞する蓋板
６３がボルト６４により固定されている。蓋板６
３には、中心に前記摺動軸４９の後部が摺動自在
に嵌合する貫通孔６３Ａが形成されているととも
に、固定部材６５に取付けられた圧縮エア供給口
６６から供給される圧縮エアを前記ピストン５３
と蓋板６３とで仕切られたチヤンバ６７へ供給す
るエア供給溝６８が形成されている。貫通孔６３
Ａの後部には、前記モータ取付部材５６に固定さ
れたモータ６９の出力軸７０がキー７１を介して
係合されている。

従つて、以上の構造において、モータ６９を駆
動すると、その回転は蓋板６３を介して主軸１５
Ａに伝達される。これにより、その主軸１５Ａに
取付けられた検出ヘツド１５Ｂが回転することに
なる。また、検出ヘツド１５Ｂを主軸１５Ａから
取外す場合には、圧縮エア供給口６６からチヤン
バ６７へ圧縮エアを供給すると、ピストン５３が
スプリング５５を圧縮しながら図中左方へ移動
し、それに伴い摺動軸４９も同方向へ移動する結
果、その先端のコレツトチヤツク部材５０が検出
ヘツド１５Ｂの係止部４７Ａから外れて逃げ溝４
６Ｂに位置することによつて、検出ヘツド１５Ｂ
が主軸１５Ａから取外せる状態となる。逆に、検
出ヘツド１５Ｂを主軸１５Ａに装着する場合に
は、検出ヘツド１５Ｂのテーパーシヤンク４７を
主軸１５Ａの第１の穴部４６Ａに挿入した後、チ
ヤンバ６７の圧力を零にすると、スプリング５５
の圧縮力によりピストン５３が図中右方へ移動
し、それに伴い摺動軸４９も同方向へ移動する結
果、コレツトチヤツク部材５０が検出ヘツド１５
Ｂの係止部４７Ａを挾持してそれを引き込むた
め、検出ヘツド１５Ｂは主軸１５Ａに保持され
る。

第３図は前記検出ヘツド１５Ｂ内に設けられた
計測制御回路８０と前記第１図に示すコントロー
ラ３２との信号の授受を行う回路を示している。

コントローラ３２からの指令信号は、送信部３
２Ａを介して、交流電源３２Ｃから前記回転トラ
ンス４８の１次側４８Ａに供給される電圧に重畳
され、その２次側４８Ｂを介して計測制御回路８
０へ与えられる。また、同計測制御回路８０から
の測定データ信号は、回転トランス４８の２次側
４８Ｂから１次側４８Ａへ伝達された後コンデン
サ８１Ａ，８１Ｂで分離された受信部３２Ｂを介
してコントローラ３２へ取込まれる。

計測制御回路８０は、前記回転トランス４８の
２次側４８Ｂの電源用電圧に重畳された指令信号
がコンデンサ８０Ａ，８０Ｂによつて分離された
後与えられる測定指令部８０Ｃ、前記検出素子１
５Ｃから与えられる検知出力（アナログ信号）を
前記測定指令部８０Ｃからの指示に基づき増幅す
る増幅回路（増幅器）８０Ｄ、この増幅回路８０
Ｄからのアナログ信号を並列なデジタル信号に変
換するA/D変換回路（A/D変換器）８０Ｅ、こ
のA/D変換回路８０Ｅからのデジタル信号を直
列（シリアルデータ）に変換する並直列変換回路
（P/S回路）８０Ｆ、この並直列変換回路８０Ｆ
からの信号を回転トランス４８の電源電圧より高
い周波数のアナログ信号に変調し前記回転トラン
ス４８の２次側４８Ｂに重畳させる周波数変調回
路（FM回路）８０Ｇ、および前記回転トランス
４８の２次側に発生した出力を整流し上述した各
回路へ供給する電池等の直流電源部８０Ｈから構
成されている。ここで、前記測定指令部８０Ｃ
は、コントローラ３２から与えられる指令信号が
例えば増幅器８０Ｄのゲインを指定するものであ
れば、その指令に基づくゲインを選択し、それに
よつて増幅器８０Ｄを作動させる。つまり、一種
のゲイン調整手段として機能する。また、図に示
す検出素子１５Ｃは、真円度測定用の検出素子の
場合であつて、３つの電気マイクロメータを円周
上を３等分した位置を占めるように配置した例を
示している。

なお、図には示してないが、主軸１５Ａの回転
駆動系つまりモータ６９の回転、計測ユニツト本
体１１のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動は、コントロー
ラ３２からの指令により制御される。

従つて、以上説明した実施例では、コントロー
ラ３２から検出ヘツド１５Ｂに与えられる指令信
号および同検出ヘツド１５Ｂからのコントローラ
３２に対して与えられる測定データ信号は、回転
トランス４８を介し非接触で授受されるようにな
つているので、主軸頭１５の構造も単純であり、
メンテナンスも有利である。

単に、測定指定部８０Ｃ、増幅器８０Ｄを設け
ることにより、増幅器８０Ｄのゲインを選択指定
できるので、加工物品の形状等をアナログ量とし
て測定目的に合つた分解能で測定することが可能
となる。

上記実施例では、検出ヘツド１５Ｂとコントロ
ーラ３２との信号の授受を、同検出ヘツド１５Ｂ
内に設けられる計測制御回路８０に対して電力を
供給する回転トランス４８を利用して行つたもの
であるが、例えば検出ヘツド１５Ｂ内に計測制御
回路８０に対する電力供給用の電池を内蔵したも
のについては、回転トランス４８が不要になるた
め、発光素子と受光素子とからなる非接触型信号
授受手段を用いる。

この場合、コントローラ３２から検出ヘツド１
５Ｂに与えられる指令信号の伝達に関しては、検
出ヘツド１５Ｂの外周面に対向する主軸筒４１に
１個の発光素子を配置し、この発光素子に対向す
る検出ヘツド１５Ｂの円周上に複数個の受光素子
を全周に配置し、コントローラ３２からの指令信
号を発光素子を介して複数個の受光素子のいずれ
かに検知させるように構成する。一方、検出ヘツ
ド１５Ｂからコントローラ３２へ与えられる測定
データ信号の伝達に関しては、上記とは逆に、検
出ヘツド１５Ｂ側に１個の発光素子を、主軸筒４
１の全周に複数の発光素子を配置すればよく、こ
れらの発光および受光素子は、指令信号用とは軸
方向位置を異ならせて設けられる。

このほか、発光素子と受光素子との配置態様と
しては、第４図から第６図に示すような場合でも
よい。これは、コントローラ３２からの指令信号
を受信する複数個の受光素子からなる受光素子群
９１Ａ，９１Ｂを180度の間隔で検出ヘツド１５
Ｂ側に配置するとともに、その各受光素子群９１
Ａ，９１Ｂが占める角度毎に複数の発光素子９２
Ａ〜９２Ｆを主軸筒４１側に配置する。一方、検
出ヘツド１５Ｂからの測定データ信号を受信する
受光素子群９３Ａ，９３Ｂを180度の間隔で主軸
筒４１側に配置するとともに、その各受光素子９
３Ａ，９３Ｂが占める角度毎に複数の発光素子９
４Ａ〜９４Ｆを検出ヘツド１５Ｂ側に配置する。
このようにすると、全周に受光素子を配置するの
に較べ、受光素子の数を少なくすることができる
効果がある。この場合の信号の授受は適当なタイ
ミングで行われる。

更に、第７図および第８図に示す如く、例えば
検出ヘツド１５Ｂ側に１個の発光素子９５を、主
軸筒４１側に受光素子群９６を１組配置し、その
発光素子９５が受光素子群９６に対向しているタ
イミングを検知する手段（例ばロータリーエンコ
ーダ等）を設ければ、上記と同様な作用をもたせ
ることが可能である。なお、ここでは、検出ヘツ
ド１５Ｂからの測定データ信号の授受に関して説
明してあるが、コントローラ３２からの指令信号
に関しては逆の配置態様として構成される。

また、前述のように発光素子と受光素子とを非
接触の信号伝達手段として用いる場合は、デジタ
ル信号として伝達されるので、第３図のFM回路
８０Ｇは不要となる。そして、第４図乃至第８図
に説明した方式は回転トランス方式に比べ、直流
電源の検出ヘツド内への設置という点を除けば、
回路構成も単純化され、かつ光によるデジタル信
号のみの授受により行なえるので、装置としての
信頼性も向上する。

以上説明した本発明によれば、外部からの指令
によつて測定用の検出素子のゲインを切換えるこ
とが可能であるので、種々の測定の態様に対して
汎用性の高い測定系として対応することができ
る。例えば、真円度測定において検出ヘツドの回
転中心と被測定穴中心とのズレが大なるときに
は、設定されているその検出素子の測定範囲をオ
ーバーする場合がある。このような検出素子に対
応する増幅器のゲインを外部から切換えられるよ
うにしておき、最初は粗い分解能で測定範囲を広
くして偏心量を測定したあと、分解能を上げて測
定を行うことにより高精度の測定が可能となる。
また、加工表面の予測されるアラサや形状精度に
よつて検出器のゲインを自動で変えることによ
り、汎用性の高い測定系を構成することができ
る。

また、検出素子に対する増幅器のゲインを最大
に選択しておき、検出素子が加工物品の表面に接
触した瞬間の増幅器出力の変化をコントローラ側
で捉えるようにすれば、タツチセンサーとしての
機能を果たすこともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対象とする計測ユニツト装置
の全体の概要を示すブロツク図、第２図は本発明
の信号伝達装置の一実施例を示す主軸の断面図、
第３図はそのブロツク図、第４図は本発明の信号
伝達装置の他の実施例を示す主軸要部の断面図、
第５図は第４図の−線断面図、第６図は第４
図の−線断面図、第７図は本発明の信号伝達
装置の更に他の実施例を示す主軸要部の断面図、
第８図はそのタイムチヤートである。 １５Ａ…主軸、１５Ｂ…検出ヘツド、１５Ｃ…
検出素子、３２…コントローラ、４１…主軸筒、
４８…回転トランス、４８Ａ…回転トランスの１
次側、４８Ｂ…回転トランスの２次側、９１Ａ，
９１Ｂ，９３Ａ，９３Ｂ，９６…受光素子、９２
Ａ〜９２Ｆ，９４Ａ〜９４Ｆ，９５…発光素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 主軸筒と、この主軸筒内に回転自在に収納さ
   れ先端に測定用のアナログ検出素子を含む検出ヘ
   ツドを着脱可能に支持した主軸と、この主軸に装
   着された検出ヘツドに対し測定ゲインの指令信号
   を与えるとともに同検出ヘツドからの測定データ
   信号を受取る制御部と、前記主軸筒と検出ヘツド
   との間に設けられ前記制御部と検出ヘツドとの間
   における信号の授受を行う非接触型信号授受手段
   とを備え、前記検出ヘツド内には、前記測定ゲイ
   ンの指令信号を受取り保持する測定指令部と、前
   記アナログ検出素子からのアナログ測定信号を増
   幅するとともにそのゲインが前記測定指令部から
   の指令値によつて可変とされる増幅器と、同増幅
   器出力をデジタル値に変換するA/D変換器と、
   同A/D変換器出力値を時間に関しシリアルデー
   タに変換するP/S回路とを含むようにした機械加
   工物品の計測における信号伝達装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記非接触
   型信号授受手段には、１次側が前記主軸筒の外部
   に、２次側が前記検出ヘツドにそれぞれ対向して
   取付けられ、その１次側および２次側を介して前
   記検出ヘツドに供給される電源電圧に前記制御部
   と検出ヘツドとの間における信号が重畳されるよ
   うに構成された回転トランスを備えたことを特徴
   とする機械加工物品の計測における信号伝達装
   置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記非接触
   型信号授受手段には、前記主軸筒および検出ヘツ
   ドのいずれか一方に設けられた発光素子と、前記
   主軸筒および検出ヘツドのいずれか他方に前記発
   光素子に対向して設けられた受光素子とを備え、
   更に前記検出ヘツド内には、前記測定指令部およ
   び増幅器への電源として電池を具備したことを特
   徴とする機械加工物品の計測における信号伝達装
   置。