JPH0525626B2 - - Google Patents

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【発明の詳細な説明】 関連出願との関係 この出願は米国特許出願番号第645280号（1984
年８月29日、日本特許出願公開昭61−61746）と
関連を有する。

発明の分野 この発明は全般的に閉ループ数値制御加工装
置、更に具体的に云えば、接触プローブ装置及び
その計測方法に関する。

従来技術の説明 自動精密加工に関する技術は非常に急速に発展
している。手作業に全体的に頼る装置は、製造部
品が汎用数値制御加工装置で作られる方法に大き
く道を譲つている。こういう装置では、切削又は
その他の材料の除去が自動的に行われるが、主に
加工した寸法の測定と、普通の数値制御カツタの
オフセツトを用いたカツタの調節を行う為に、依
然として数々の手作業が必要である。こういう手
作業の測定及び切削工具の調節は、切削工具の摩
耗、切削工具の位置変更並びに／又は交換、並び
に加熱、荷重による撓み等の原因による切削工具
や、工作物や、加工装置自体の寸法変化の様な非
常に数多くの変数を考慮に入れる為に必要であ
る。

例として云うと、数値制御（NC）の旋盤の様
な工作機械を用いて実施される典型的な作業で
は、特定の工作物又は部品を加工する様に機械を
設定した後、或る調節、例えば工具のオフセツト
をオペレータが手作業で定めなければならない。
加工を開始する前、オペレータが切削工具を工具
設定面に進め、工具と基準面の間の間隔を手作業
で測定することによつて、工具の位置を決定す
る。これは１個のシム材料を用いて行われるのが
普通であり、この測定値が手作業で工具のオフセ
ツトを定める時の根拠になる。旋盤が多重工具タ
レツトの様な保持手段を持つ場合、各々の工具に
対し、並びに機械の各々の運動軸線に対し、この
作業を別々に実行しなければならない。工作物の
特定の面の最終的な又は仕上げ切削を行う前に、
途中まで仕上げられた工作物の面の種々の寸法を
手持ちのゲージを用いて測定する。これによつて
オペレータは、仕上げ切削に使う切削工具の所要
のオフセツトを決定することが出来る。仕上げ切
削を行つた後、工作物を手持ちゲージで再び検査
して、仕上げられた面の実際の寸法が所望の寸法
と合つているかどうかを測定する。

上に述べた手作業は個別に時間がかかると共
に、特定の工作物を所望の寸法に加工するのに要
する合計時間のかなりの割合を占める。これが工
作機械の製造能力を制限するものとなる。旋盤又
はフライス盤（マシーニング・センター）の今日
のコストを考えると、工作機械の能力を幾らかで
も低下させることは、経済的に重要なことであ
る。更に、この様に全ての手作業は製造過程に人
間による誤差が入り込み易くなる。

一般的に認められている様に、上に述べた問題
に対する解決策は、例えば計算機によつて作動さ
れる数値制御装置を使うことにより、手作業の測
定及び切削工具の手作業の調節を自動化すること
である。この様な装置では、計算機は数値制御装
置から離れた場所にあつてもよいし、或いは例え
ばマイクロコンピユータの形で、数値制御装置の
中に取入れてもよい。この代りに、計算能力を数
値制御装置から離れた場所に設けると共に、数値
制御装置の中に取入れることも出来る。普通の
NC装置で行われる様に、テープ等に記憶された
データの相次ぐブロツクを読込み代りに、計算機
数値制御（CNC）装置はプログラム全体を記憶
して、それらを所望の順序で呼出し、例えばブロ
ツクの追加又は削除により、プログラムを編集
し、オフセツト等の計算を実行することが出来
る。

精密加工の分野の現在の発展段階では、完全自
動装置は広く採用されていないが、かなりの開発
研究がこれまでになされており、その多くは１種
類の加工作業を反復的に実行する特別の場合に限
られている。接触トリガ・プローブの形をしたセ
ンサを加工装置のベツドか、或いは希望する時に
その場所から外へ旋回させることの出来る旋回ア
ームに取付けることも知られている。プローブと
接触した時の工具の位置に注目することにより、
切削工具の位置をこういうプローブに対して較正
することが出来る。プログラムされた位置と実際
の位置の間の観測された偏差から、補償用のオフ
セツトを決定して、計数機数値制御手段に付設さ
れたメモリに記憶することが出来る。このオフセ
ツトが、プログラムされた接触位置と実際の接触
位置の間の差に対する補償をする。

上に述べた特徴を取入れた装置及び方法が、米
国特許第4382215号に記載されている。この米国
特許に記載されている様に、「レニシヨー３次元
接触トリガ・プローブ」と呼ばれる接触トリガ・
プローブが工具保持手段に取付けられる。このプ
ローブは最初に基準面に対して較正し、その後で
工具センサ・プローブを較正するのに使われる。
そうした時にだけ、選ばれた工具の刃先を工具セ
ンサ・プローブとの接触によつて較正することが
出来る。この作業の結果から決定された工具の初
期オフセツトが数値制御手段に記憶される。加工
が行われた後、部品センサ・プローブを再び較正
し、工作物の加工面の探査に使う。こうして得ら
れた情報が、仕上げ切削に必要な最終オフセツト
を決定する。この後、仕上げられた面を探査し
て、所望の寸法に合つているかどうかを判定する
ことが出来る。接触トリガ・プローブは、簡単な
構造であるが、探査する１群の特徴に対して特別
の形にしなければならない。プローブ自体は、特
定の販売業者から商品として購入するのが普通で
あるが、高価であるばかりでなく、脆い傾向があ
り、更に全ての切削部に届かない。

接触プローブ探査の別の例が米国特許第
4195250号に記載されている。この米国特許では、
数値制御によつて移動する針を交互に工作物と接
触させる。デイジタル形測定装置を利用して、針
の移動量を測定する為のパルス列を発生する。針
が工作物と接触した時に電圧レベルが変化する
時、パルスの発生を開始する。こうして、針と工
作物との接触に応答して、パルス列が開始並びに
停止し、パルス・カウントを生じ、それを所望の
寸法の測定値に変換する。米国特許第4195250号
に記載された装置では、使う装置の為に、全体的
なシステムが複雑になり、従つて、システムの信
頼性が低下し、それに伴う悪影響があることがあ
る。その実施に要するコストも主な因子である。

従つて、この発明の目的は、加工部品の計測を
改良することである。

この発明の別の目的は、閉ループ数値制御加工
装置に用いられる接触プローブ装置を改良するこ
とである。

この発明の別の目的は、比較的簡単で経済的な
構造の装置を用いた、工作物を自動的に精密加工
する新規で改良された装置を提供することであ
る。

発明の概要 簡単に云うと、上記並びにその他の目的が、旋
盤の様な数値制御加工装置のタレツトに取付けた
非切削工具又は針を使うことによつて達成され
る。好ましい形式では、針は、工具ホルダと同様
な部材に固定した棒の端にある超硬合金の精密級
ボールで構成される。タレツトに取付けられた加
速度計が、針のボールが回転している工作物と擦
れ合う時に発生される「擦れ合い」振動を拾う。
加速度計の出力信号が回転カツプラを介して信号
調節回路に結合され、その後数値制御装置に送ら
れ、例えば、工作機械の中心線の両側にある向い
合つた２つの接触点と針を接触させ、その後周知
の様に２つの測定値を減算して所望の測定値を得
ることにより、工作物の直径を測定するのに使わ
れる。針が誤つて溝の側面に接触する惧れのある
様な或る１群の切削に対しては、特別な形の針を
使うことが出来る。

この発明は特許請求の範囲に限定して記載して
あるが、この発明は以下図面について説明する所
から更によく理解されよう。

好ましい実施例の説明 図面、特に第１図及び第２図には、横形ターレ
ツト旋盤の形をした加工装置が略図で示されてい
る。典型的には、ターレツト旋盤は互いに直交す
る２軸、即ち、Ｘ軸及びＺ軸に沿つて作用し、Ｘ
軸は機械のベツドを横切る軸線を表わし、Ｚ軸は
ベツドの長さに沿つた軸線である。図示の様に、
旋盤のベツドが枠１０を持ち、この枠がＺ軸に沿
つて伸びる１対の案内１２，１３を有する。Ｚ軸
と平行に、旋盤の主軸１６が中心線又は回転軸線
１４がある。サドル又は横スライド１８が案内１
２，１３の上に摺動自在に配置されていて、Ｚ軸
に沿つて前向き（工作物に向う方向、−Ｚ）又は
逆向き（工作物から遠ざかる向き、＋Ｚ）に両方
向に位置ぎめすることが出来る。Ｚ軸に沿つたサ
ドル１８の位置ぎめが、図面に示してない親ねじ
装置によつて実行されるが、この親ねじ装置は普
通の位置ぎめ直流モータ装置によつて駆動するこ
とが出来る。

更にサドル１８が１対の横案内２０，２１を持
ち、この上に横送り台２４が摺動自在に配置され
ていて、Ｘ軸に沿つて位置ぎめすることが出来
る。Ｘ軸方向の横送り台２４の位置ぎめも位置ぎ
め直流モータによつて駆動し得る親ねじ装置によ
つて同じ様に実行することが出来る。各々の電気
モータ又は親ねじには、対応する部品の回転位置
を表わす帰還信号を発生するレゾルバ又はエンコ
ーダを結合することが出来る。こういう帰還信号
が夫々の軸線に沿つたサドル１８及び横送り台２
４の直線位置を表わす。この代りに、適当な電子
回路又は光学電子符号化装置を用いて、サドル１
８及び横送り台２４の直線位置を表わす為の信号
を発生することが出来る。

タレツト２６が横送り台２４に支持されてい
て、複数個の工具位置２８を持つている。各々の
位置は工具ホルダ又は針形接触プローブ・ホルダ
を取付けることが出来る。図示の構成では、タレ
ツト２６は典型的には８個の別々の切削工具又は
接触プローブを工具位置２８に取付けることが出
来る。適当に割出すことにより、即ちタレツト２
６を回転することにより、各々の工具又はプロー
ブを図面に示す動作位置に持つて来ることが出来
る。第１図及び第２図に示す実施例では、見易く
する為に、タレツトが、切削工具２９を持つ１個
の工具ホルダ３０と、後で説明する２つの針プロ
ーブ３２をそれぞれ異なる向きで保持する２つの
針ホルダ３１とを保持するものとして第２図に示
されている。

更に、第１図に示す旋盤のベツドが、その１端
に配置された主軸駆動及び歯車箱３４を持つてい
る。回転自在の主軸１６が駆動及び歯車箱集成体
３４から突出していてチヤツク３６を担持してい
る。このチヤツクが工作物４１を保持する為の一
組のジヨー３８を持つている。更に主軸１６がチ
ヤツク３６に接する主軸ノーズ又は面４０を有す
る。面４０の平面と主軸軸線又は中心線１４との
交点が、「０」位置又は原点を定め、特定の工作
機械の製造業者は、装置のプログラミングに使う
為の、機械要素及び切削工具の位置ぎめの仕様を
この原点を基準にして設定する。全てのプログラ
ム位置は原点を基準とするが、工作機械自体の測
定装置は常に定位置に対して計数又は測定する。
定位置は、サドル１８及び横送り台２４が移動し
得るだけ主軸ノーズ及び中心線から離れた所に設
けるのが普通である。

従来公知の場合、チヤツク３６は、夫々Ｘ軸及
びＺ軸に対して垂直な少なくとも１対の位置基準
面又は基準面を持つ基準リングを持つ様な形にな
つている。この各々の面が、原点又は「０」位置
から既知の較正距離の所に位置ぎめされる。図示
の様に、チヤツク３６の円筒形外面４２が一方の
基準面を構成し、チヤツクの面４４が他方の基準
面となる。望ましい場合、例えば前掲米国特許出
願番号第645280号に記載された特別の基準柱２２
を用いることが出来る。

第１図では、数値制御（NC）装置４６が、位
置ぎめ直流モータ、レゾルバ、音響変換器等の様
なシステム内の多数の相異なる部品に電気的に結
合されている。数値制御装置４６がテープ駆動装
置４８を持ち、これが工作物を加工する為の部品
及び機械制御プログラムを記憶する様になつてい
る。このプログラムは、例えば、タレツトの割出
し、加工に必要な冷却剤のオン転化、選ばれた方
向の選ばれた速度での主軸の回転、較正、測定及
び切削の為に、サドル１８及び横送り台２４を位
置ぎめすることによる特定の順序の歩進に分けた
プローブ又は工具の移動、並びにその他の関連し
た目的の為に使うことが出来る。テープは、加工
すべき特定の面の所望の寸法、各々の寸法に対し
て許容し得る加工の許容公差、並びに加工すべき
部品並びに使うべき特定の（１つ又は複数の）工
具に応じて考慮しなければならない或るパラメー
タの様な種々のデータをも持つていてよい。

数値制御装置４６は、テープに記憶された符号
ワードに応答するマイクロコンピユータの様な計
算機を持つていてよい。この時、マイクロコンピ
ユータが例えば位置ぎめ直流モータに対して、適
当な制御信号を出し、それがテープの指令を実行
する。マイクロコンピユータは、種々の探査動作
を通じて収集されたデータを処理し、加工プログ
ラムによつて実行された切削作業を修正し得るよ
うにするオフセツトを計算する様にも応答する。
これらの全ての機能は、望ましい場合、分散型の
数値制御装置から離れた場所にある中央計算機で
実行することが出来、この場合、処理されたデー
タが数値制御装置４６に送られ、次に数値制御装
置４６が適当な制御信号を発生する。この構成で
は、数値制御装置４６内に計算能力を持たせてお
くのが普通である。

探査動作から受取つたデータ、レゾルバからの
帰還データ及びプログラム自体を介して読込まれ
たデータがマイクロコンピユータによつて処理さ
れ、前述のオフセツトを計算する。処理されたデ
ータから取出されたモータ制御信号が、夫々のモ
ータ・レゾルバ又はその他の位置帰還手段から受
取つた位置帰還データに対して比較される。２つ
の信号を比較することによつて決定された差が工
具の刃先の位置又は測定プローブの位置を制御す
る様な閉ループ装置が出来る。数値制御装置４６
は、工作物の物理的な寸法の計算、表示及び印刷
と、プログラムされた値からの偏差を計算して、
許容し得る適当な加工の許容公差を表示する為に
も使うことが出来る。好ましい実施例では、数値
制御装置４６はゼネラル・エレクトリツク・カン
パニからマーク・センチユリー2000コンピユー
タ・ニユメリカル・コントロールの名称で入手し
得る装置である。第１図に示した加工装置の全体
的な動作並びに使うソフトウエアについて更に詳
しいことは、米国特許第4382215号を参照された
い。

前掲米国特許出願番号第645280号では、切削工
具自体が接触プローブとして用いられ、この為加
速度計で振動をピツクアツプする方式により、回
転する工作物との接触を感知することによつて計
測を行う為に使われる。この装置が所期の通り動
作することが判つたが、工具を計測の為に使う場
合、依然として工作物をきずつける惧れがある
為、NC装置利用者の中には、工具接触プローブ
方式を使うことに気が進まない者がいる。

これに対して、この発明はタレツト上の切削工
具が普通ある場所にある非切削工具を用いること
により、上に述べた工具接触プローブ方式を補う
為に使うことが出来る計測方法を提供する。この
非切削工具は、工作物を切削したり或いは彫り込
むのではなく、回転する時の工作物に単に擦れ合
う様になつている。２種類の接触の違いは、第３
図に示す特性曲線から判る様に、振幅とスペクト
ル特性の差から検出することが出来る。第３図に
ついて簡単に説明すると、振幅が比較的小さい雑
音レベルが不規則な背景雑音として存在し、これ
に対して、針が擦れ合う結果として工作物から出
て来る振動が、雑音レベルより高い比較的一定の
振幅の信号となる。これに対して工作物の切削又
は彫り込みによつて、振幅が変化する一層大きい
信号が生ずる。従つて、好ましくは第４図に示す
針の形をした非切削工具を保持要素３０′に取付
ける。この非切削工具は、直径0.125吋の金属棒
５２の端に例えば直径3/16吋の超硬合金の精密級
ボール５０を固定することによつて構成される。
保持要素３０′が第１図に示した１つの工具位置
２８にはめ込まれる様になつている。更に第４図
に示す様に、棒５２が保持要素３０′の側面の孔
５４から突出し、端面６０に形成されたねじ孔５
８に入れた金属ねじ５６によつて所定位置に保持
される。この構成は、第５図に示す様に、工作物
４１の面又は中心線１４に対して横方向の向きに
することにより、工作物４１と「擦れ合い」接触
をすることが出来る。第４図に示すプローブを用
いて第２図のＺ軸で測定する場合、たとえば工作
物４１の右端面の位置を測定する場合、プローブ
の棒５２の可撓性により棒５２が片持ちばり式に
たわむので工作物の面の仕上げした面を傷つける
ことがない。これに対し、棒５２が保持要素３
０′と平行に延びている場合、棒５２の先端のボ
ール５０が工作物の面に接触すると工作物の面を
傷つけることがある。

第６図について説明すると、工具タレツトの頂
部に取付けられた加速度計６２により、擦れ合い
信号が接触信号としてピツクアツプされ、回転結
合器６４、信号調節回路６６及び信号処理回路６
８を介して数値制御装置４６に結合される。加速
度計６２は市場で入手し得る多数の装置の内のど
れであつてもよい。例えば、ビブラ・メトリツク
ス社から入手し得る1018型加速度計がこの発明で
満足に作用することが判つた。信号調節回路６６
は、増幅及び帯域フイルタ手段と擬似信号を除く
為の弁別手段とを含んでいる。信号処理回路６８
が、数値制御装置４６に対する適当なインターフ
エイスになる。加速度計６２は針３２に対して何
等格別の結合部を持つことがないことに注意され
たい。加速度計６２は単にタレツト２６の上に取
付けて、回転する工作物又は基準面との接触によ
り、針３２に誘起された擦れ合い振動をタレツト
２６を介してピツクアツプする様になつている。
更に或る用途では、特に旋盤以外のマシーニン
グ・センターを用いる場合、針３２は工作物が不
動である間回転してもよい。その場合、針３２の
回転は、周知の「ライン・ツール」を使う場合と
同様である。重要なことは、「擦れ合い振動」が
発生される様に、針３２と接触面の間で相対運動
があることである。

工具タレツトに擦れ合い形の針プローブを取付
けた装置は、半径の測定に制約されるのとは対照
的に、部品の直径を直接的に測定する手段にな
る。基準面と接触プローブとして普通の切削工具
とを使う公知の接触プローブ方法の１つの重大な
欠点は、直径を直接的に測定出来ないことであつ
た。

針形プローブを用いて直径を測定する場合、第
５図に示す様に、ボールを中心線１４の両側で工
作物４１と擦れ合い接触させる。工作物の各々の
側で接触が起ると、各々の接点（即ち工作物の
面）の位置が工作機械の座標系の中で定まる。次
に、２つのプローブ位置に対する周知の減算方法
により、直径の測定値が得られる。この計算は数
値制御装置４６で行われる。これは温度による基
準面の変動の補償を必要としないので、半径を２
倍にする測定よりも更に正確な方法である。更に
この方法は、切削工具のオフセツトの計測をする
必要がなく、或いは基準面の様な他の手段を設け
る必要がない。それでも、この発明は希望する場
合、半径の測定が出来る工作機械計測装置にな
る。例えば、工作物の半径（又は他の寸法）を測
定するには、最初に針を１つの基準面（例えば半
径に対しては基準面４２、長さに対しては基準面
４４）と最初に接触させて、針の面の第１の位置
を設定する。これは針の位置の較正に相当する。
基準面の位置が機械の座標基準系の中で精密に判
つているからである。一旦較正したら、針を回転
する工作物の、その場所の半径を測定しようとす
る点と接触する様に位置を変える。接触点に於け
る針の位置に注目する。２つの位置の差を求める
ことにより、半径が決定される。加速度計６２
（音響センサ）が、針を介して伝達される擦れ合
い振動を通じて、プローブの両方の位置に於ける
擦れ合い接触を検出する。

現在この発明の好ましい実施例と考えられるも
のを図示し且つ説明したが、当業者にはいろいろ
な変更が容易に考えられよう。例えば、或る溝の
切込みの場合、特別な形にした針形の擦れ合いプ
ローブが必要になることがある。従つて、この発
明を図示し且つ説明した特定の実施例に制約する
つもりはなく、特許請求の範囲は、この発明の範
囲内で可能なこれらの全ての変更を包括するもの
であることを承知されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の特徴を取入れた横形タレツ
ト旋盤の簡略側面図、第２図は第１図に示したタ
レツト旋盤の簡略平面図、第３図はこの発明の作
用を説明する為の特性曲線を示すグラフ、第４図
は第２図に示したタレツトに使われる１種類の針
の部分的な側面図、第５図はこの発明に従つて直
径を測定する様子を示す略図、第６図は第１図及
び第２図に示したタレツトに取付けられた加速度
計と第１図に示した数値制御手段の間の電気信号
通路を示すブロツク図である。 主な符号の説明、１４：主軸の中心軸線、３
２：非切削工具、４１：工作物、４２，４４：基
準面、４６：数値制御手段、６２：加速度計、６
６：信号調節回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 工作機械で加工する様に取付けられた工作物
   の寸法を計測する装置に於て、 工作機械の工具保持機構に取付けられていて、
   工作機械の座標基準系内にある他の面と接触する
   面を持ち、保持要素と該保持要素に直角に配置さ
   れた細長い棒を有する非切削針プローブと、 前記座標基準系内の前記工具保持機構の位置を
   制御し、この位置を表わす信号を発生する手段
   と、 前記針プローブの面と前記座標基準系内の他の
   面の間で相対運動が行われ、前記細長い棒が、前
   記針プローブの面と前記他の面との擦れ合い接触
   がある面に略平行であつて、該針プローブの面と
   他の面の間で擦れ合い接触させる様に前記機構が
   位置ぎめされた時、何時でも、前記針に誘起され
   た振動を感知して接触表示信号を発生する様に装
   着されたセンサと、 前記位置を表わす信号及び前記接触表示信号を
   受取つて前記座標基準系内の前記他の面の相対位
   置を決定する手段とを有し、工作物に対する面の
   相対位置が工作物の寸法を表わす様にした装置。 ２ 特許請求の範囲１に記載した装置に於て、前
   記センサが加速度計で構成される装置。 ３ 特許請求の範囲２に記載した装置に於て、前
   記針プローブが有する前記細長い棒が、１端で前
   記工具保持機構に取付けられる様になつていて、
   その他端に球形ボールを持つ、該ボールの外面が
   前記座標基準系内にある他の面と接触する為の面
   となる装置。 ４ 工作機械に加工する為に取付けられた工作物
   の寸法を決定する方法に於て、 (イ) 保持要素と該保持要素に直角に配置された細
   長い棒を有する非切削針プローブを工作機械の
   工具保持位置に取付け、 (ロ) 前記取付けた針プローブを移動して、該針を
   工作機械の座標基準系内にある第１の面上の点
   と擦れ合い接触させて該基準系内に於ける針の
   第１の位置を設定し、前記針を介して伝達され
   る擦れ合い振動によつて前記接触が検出される
   様に前記針及び前記第１の面の間で相対運動を
   行い、かつ前記細長い棒が、前記針プローブと
   前記第１の面との擦れ合い接触がある面と略平
   行であり、 (ハ) 前記取付けた針プローブを移動して、該針を
   工作物の面上の、その点に於ける工作物の寸法
   を決定しようとする点と擦れ合い接触させて前
   記座標基準系内に於ける針の第２の位置を設定
   し、この接触が前記工程(ロ)と同じ様に検出され
   る様に針と工作物の間で相対運動を行い、かつ
   前記細長い棒が、前記針と前記工作物の面上の
   点との擦れ合い接触がある面と略平行であり、 (ニ) 前記針の第１及び第２の位置を比較して工作
   物の前記点に於ける工作物の寸法を設定する工
   程から成る方法。 ５ 特許請求の範囲４に記載した方法に於て、前
   記第１の面が前記座標基準系内で既知の一定位置
   を持つ基準面である方法。 ６ 特許請求の範囲５に記載した方法に於て、前
   記第１の面が、前記工程(ハ)の点以外の工作物上の
   点であり、前記第１及び第２の位置の間の比較に
   より、前記点の間の工作物の寸法が設定される様
   にした方法。 ７ 特許請求の範囲６に記載した方法に於て、前
   記工程(ロ)及び(ハ)の相対運動が、軸線の周りの工作
   物の回転の結果として行われる方法。 ８ 特許請求の範囲６に記載した方法に於て、前
   記工作物が前記座標基準系内で不動のままであつ
   て、針プローブが回転させられる方法。