JPS59120804A - 自動計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は工作機械に加工物を取付けたまま加工直後の寸
法を自動計測して機械加工の良否判断に必要なデータを
得るようにした自動計測装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

一般に加工物の寸法精度を計測する装置として三次元測
定機がある。この三次元測定機は測定精度を１ミクロン
〜数ミクロンという高精度に維持すべく、工作機械とは
独立した機械として温度調節された別の部屋に設置して
いる。このため加工が済んだ製品の寸法を計測するには
製品を工作機械から計測装置まで搬送して計測を行なっ
ている。

〔背景技術の問題点〕

従来は上述したように機械加工の済んだ製品を工作機械
から計測装置まで搬送して計測を行なっており、一方工
作機械はこの計測をしている間に次の加工を行なってい
る。このため機械加工の直後にその製品の寸法計測を行
なうことができず、次の加工時に寸法計測の結果を生か
すことができない。したがって一旦加工寸法が狂うと、
多数の不良品が発生した後に寸法が狂っていることを発
見することとなり、またこのようなシステムをとる場合
には、加工物の取付け、製品の取外し及び搬送などに人
手がかかり省力化を図ることができない。

また、三次元測定機は高精度の計測を行なうためプロー
ブが鋭敏で工作機械と一緒に使用するには振動の点で問
題がある。ところが実際の機械加工にあっては、三次元
測定機程の高精度は必要とせず、これよりも先ず、自機
或いは周辺からの振動に強く且つ安価であることが要求
される。

〔発明の目的〕

本発明は上述した従来の問題点に鑑み成したものであっ
て、加工物の近くで且つ工具台の移動の邪魔にならない
位置に寸法系測系を配設し、加工直後の製品の寸法を精
度良く計測して、加工の良否判定を行ない得るようにし
た自動計測装置を提供することをその目的とする。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため本発明に係る自動計測装置は、
工具台系、加工物保持系及び寸法計測系のそれぞれを共
通フレームに設け、工具台系はフレーム上を移動可能と
し、加工物保持系には加工物及び計測モデルを取付固定
する取付台を設け、また寸法計測系は該取付台に固定さ
れた加工物の長さ方向と平行なＸ軸に沿って移動するテ
ーブルと、Ｘ軸と直交するＹ軸に沿って移動するテーブ
ルと、Ｘ軸及びＹ軸の双方に直交するＺ軸に沿って移動
するアームと、このアームに取付けたタッチセンサとを
備えている。

〔発明の実施例〕

以下に本発明の実施の一例を添付図面に従って説明する
。

第１図は本発明に係る自動計測装置の平面図、第２図は
第１図のＡ−Ａ矢視図であり、基台としての共通フレー
ム１には寸法計測系２、加工物保持系３、及び工具台系
４が取付けられている。

寸法計測系２は互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のそ
れぞれにテーブル５、６、７を移動可能に設け、各テー
ブル５、６、７をパルスモータ８、９、１０で軸方向に
移動せしめるようにしている。

そして、テーブル６、７にはリニヤエンコーダ、差動変
圧器、ポテンショメータ或いは光学式、磁気式又は電磁
誘導式のデジタル型スケール類などの位置センサ１１、
１２を取付け、テーブル７には先端部にタッチセンサ１
３を設けたアーム１４の基部を取付け、テーブル６には
反射型光電スイッチ又は近接スイッチなどの加工物位置
検出センサ１５を取付けている。

また加工物保持系３は加工物取付台１６の上に加工物１
７と寸法計測時の基準とする計測モデル１８を載せ、こ
れらを固定装置１９で取付台１６上に固定し、更に加工
物１７と計測モデル１８に温度センサ２０ａ、２０ｂを
密着して取付けている。そして加工物１７及び計測モデ
ル１８は固定された状態でその長さ方向が前記Ｘ軸と平
行となるようにしている。

また、工具台系４はコラム２１の上部に主軸ヘッド２２
を取付けてなり、このコラム２１は駆動モータ２３によ
りフレーム１上をＸ軸と平行に移動可能とされている。

更に共通フレーム１にはケーブル２４によって制御盤２
５を接続し、この制御盤２５にはマイクロコンピュータ
からなる演算制御装置２６と前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸のモータ
ドライバ２７、２８、２９などが含まれている。

次に上記タッチセンサ１３の構造を第３図に基いて説明
すれば、導電性プローブ３０の支点３１近傍の基部に絶
縁物３２を挿着し、この絶縁物３２の両側に永久磁石３
３ａ、３３ｂを設け、左側の永久磁石３３ａの電磁石３
４との対向面はＮ極に、また右側の永久磁石３３ｂの電
磁石３４の対向面もＮ極に着磁している。尚電磁石３４
は両端部が対向するように湾曲している。

また、プローブ３０、支点３１、電磁石３４は枠体３５
に収納されている。そしてプローブ３０は一端を枠体３
５に固定され他端をプローブ３０に固定された２つのバ
ネ３６ａ、３６ｂによって支持されている。プローブ３
０はワイヤ３７によって通電検出器３８及び図示されな
い電源に接続されている。更に枠体３５には工作機械の
振動に対して微動しないように剛性の高いバネ３９が外
箱４０との間に設けられ、外箱４０に対する枠体３５の
変位量を計測する変位センサ４１を取付けている。この
変位センサ４１としては差動変圧器ポテンショメータな
どがあり、図示例としては差動変圧器を用いている。

第４図は演算制御装置２６を中心に単線結線図で制御部
の構成を示すブロック図であり、演算制御装置部２６に
は前記した各部材が電気的に接続され、またこれら各部
材の他に演算制御装置２６に指示を与えるキーボード４
２が接続され、電磁石３４のドライバ４３と、電磁石の
励磁コイル４４が中間に電流計４５をはさんで接続され
ている。また演算制御装置２６は記憶装置（ＲＡＭ）４
７を内蔵し、Ｙ軸Ｚ軸の位置センサ１１、１２との間に
ラッチ回路４８ａ、４８ｂを置いている。

以上の如き構成からなる自動計測装置の作用を述べる。

先ず主軸ヘッド２２による切削加工が一段落するか、或
いは切削加工が終了した時点で工具台系４をフレーム１
の片隅に移動する。次に所定の場所に固定装置１９で固
定された加工物１７があることを加工物検出センサ１５
で検出した上で、加工物１７の断面の計測を行なう。こ
の計測に先立って材質と線膨張率が明らかで且つ加工物
１７と同じ角度の面で作られた稜をもつ計測モデル１８
の基準温度例えば２０℃における各部を別の精密計測機
で一度計測しておく。以後は毎日の加工物１７の加工と
計測に先立って少くとも１回モデル１８の主要点の座標
と温度を計測する。この計測方法は、取付台１６の所定
位置に固定装置１９で設置された計測モデル１８のＸ座
標位置が分っていないため、Ｘ軸パルスモータ８をＸ軸
モータドライバ２７で駆動し、Ｘ軸テーブル５を移動さ
せながら加工物検出センサ１５で計測モデル１８の存在
を調べる。この場合すでに判明している固定装置１９と
温度センサ２０ｂの位置を避けて検出センサ１５で調査
し、モデル１８の存在が確認された始点と終点の座標を
基準点からのパルス数によって演算制御装置２６によっ
て演算した後、演算制御装置２６中の読出し書込み可能
な記憶装置４７にストアする。

この後、存在範囲が確認された計測モデル１８の任意の
座標位置において、計測モデル１８の断面の主な座標の
計測を行なう。例えば、工具台系４に面して側を上面の
半分も含めて計測する場合には、第２図、第３図のよう
に、プローブ３０の先端を左側に傾けるため、左側の端
面がＳ極、右側の端面がＮ極となるように電磁石３４を
励磁して、永久磁石３３ａを吸引し、電磁石３３ｂを反
発して、プローブ３０を左側に回動せしめ、電磁石３４
の左側の端面が永久磁石３３ａのＮ極を吸着すると、電
磁石３４を励磁するコイル４４の電流が減少し、この変
化を電磁石ドライバ４３と励磁コイル４４との中間に設
けた電流計４５によって検出し、演算制御装置２６に伝
達すれば、プローブ３０が左側に傾いて設置されたこと
が分かる。

次いで、上面と右側面とが交叉する稜１８ａの座標（Ｙ
１８ａ、Ｚ１８ａ）を知るには、Ｙ、Ｚ軸パルスモータ
９、１０をそれぞれのモータドライバ２８、２９で駆動
し、Ｙ軸及びＺ軸の移動テーブル６、７を稜１８ａの位
置まで移動せしめる。そしてＺ座標を決定するためプロ
ーブ３０を下方向に移動せしめる。

即ち最後の１パルス分、Ｚ軸移動テーブル７を全送り量
駆動した時、プローブ３０の先端の直径１〜３ｍｍ前後
のボール４６が丁度測定モデル１８の上面の右端近くで
接触すると、計測モデル１８、加工物１７は共に鉄或い
はアルミニウムなどを構成材料としているため、これら
の底面接触部に設けた電流路を通して電流が流れること
となり、この電流が直ちに通電検出器３８によって検出
され、ラッチ回路４８ｂに伝達された瞬間のＺ軸位置セ
ンサ１２のＺ座標値がラッチされ、引続きラッチ回路４
８ｂから演算制御装置２６へ転送されてＺ座標（Ｚ１８
ａ）が決定され、記憶装置４７にストアされる。

このように、演算制御装置２６に伝達されると、次のパ
ルス発生が停止してＺ軸モータドライバ２９からはパル
ス状の駆動電流が出なくなり、Ｚ軸パルスモータ１０が
停止するわけである。しかし、最後の１パルス分の送り
量の何分の１かを駆動しただけで、ボール４６が計測モ
デル１８の上面に接触してしまうことがある。例えば最
小送り量が１０μ／パルスの場合に、２μの駆動でボー
ル４６が計測モデル１８にタッチすると、通電検出器３
８で検出され、ラッチ回路４８ｂがその瞬間のＺ軸位置
センサ１２のＺ座標値をラッチし、演算制御装置２６へ
伝達して次のパルス発生を停止せしめる。ところが残り
の８μ分を外箱４０が移動を続け、ボール４６、プロー
ブ３０、電磁石３４及び枠体３５は固定されることとな
るので、タッチセンサ１３の外箱４０との間の相対位置
の変化が生じ、これが枠体３５のバネ３９の変位として
現われ、この変位は枠体３５の変位センサ４１によって
計測され、ラッチされたＺ座標値と共に演算制御装置２
６に伝達され記憶装置４７にストアされる。次いで、外
箱４０にプローブ３０が取付けられたと仮定した場合の
Ｚ座標（以下に外箱４０のＺ座標とする）が、Ｚ軸位置
センサ１２によって読取られ、記憶装置４７にストアさ
れると同時に、外箱４０のＺ座標に前記変位量８μを加
えた値でラッチ回路４８ｂのＺ座標値をチェックし、誤
差の範囲内であることを確認したら上面のＺ座標（Ｚ１
８ａ）として決定し、これを記憶装置４７にストアする
。尚、誤差が大きい場合は、１パルス分上に戻して接触
を繰り返す。

このようにしてＺ座標（Ｚ１８ａ）を測定したら今度は
右側面のＹ座標（Ｙ１８ａ）を決定するため、プローブ
３０を左方向に移動する。そして、最後の１パルス分Ｙ
軸移動テーブル６を全送り量駆動した時プローブ３０の
ボール４６が丁度計測モデル１８の上面より若干下方の
右側面で接触したならば、計測モデル１８を通して電流
が流れ、この電流が直ちに通電検出器３８によって検出
され、ラッチ回路４８ａに伝達された瞬間のＹ軸位置セ
ンサ１１のＹ座標値がラッチされ、演算制御装置２６へ
転送されてＹ座標（Ｙ１８ａ）が決定され、記憶装置４
７にストアされる。

そして、この接触通電の信号が演算制御装置２６に伝達
されると、次のパルス発生が停止せしめられＹ軸モータ
ドライバ２８からパルス状駆動電流が出力されなくなり
、Ｙ軸パルスモータ３９は停止する。

次いで稜１８ｂの座標（Ｙ１８ｂ、Ｚ１８ｂ）を決める
ため引続きＺ軸の下向き方向にプローブ３０を移動する
。そして、プローブ３０が稜１８ｂを形成する傾向に接
触すると、その瞬間のＺ座標値がラッチ回路４８ｂにラ
ッチされ、前記同様そのパルスの駆動後の外箱４０のＺ
座標と枠体３５の変位センサ４１で検出した変位量の和
でラッチされたＺ座標値をチェックし、Ｚ座標（Ｚ１８
ｂ）を決める。これと同時に通電検出器３８の信号で次
のＺ軸パルスの発生を停止させてＺ軸パルスモータ１０
を停止せしめる。しかし、Ｙ座標決定のための最後の１
パルス分の最小送り量１０μのうち、例えば５μを駆動
しただけでボール４６が計測モデル１８の右側面に接触
することがある。この場合、電磁石３４、枠体３５及び
外箱４０などはそのまま更に５μ右方へ移動するがボー
ル４６は計測モデル１８の右側面に固定されているため
、プローブ３０は電磁石３４の左端面から若干離れるこ
ととなる。一方、ボール４６が計測モデル１８の右側面
に接触した瞬間に流れる電流を通電検出器３８で検出す
ると同時に、Ｙ軸位置センサ１１と演算制御装置２６と
の間に設けたラッチ回路４８ａがその時点のＹ座標値を
ラッチし、演算制御装置２６に伝達されて左方向に進む
次のパルス発生が停止される。

次にラッチ回路４８ａでラッチされているＹ座標値が演
算制御装置２６にとり込まれてＹ座標（Ｙ１８ｂ）が決
定され記憶装置にストアされてから、引続き右方向へ戻
る１パルスを発生せしめ、右へ１０μ戻り、再びプロー
ブ３０が電磁石３４の左端面に吸着されて左側に傾いた
姿勢をとって第５図のＹ座標（Ｙ′１８ｂ０）にて計測
モデル１８に接触する直前の状態が再現される。それか
ら、Ｚ軸の下向き方向にプローブ３０を移動し、稜１８
ｂを形成する斜面に点Ｐ１で接触すると、通電検出器３
８がラッチ回路４８ｂに伝達した瞬間のＺ座標値がラッ
チされ、このＺ座標値を外箱４０のＺ座標（Ｚ′１８ｂ
１）と変位センサ４１で検出した枠体３５との変位量と
の和でチェックしてＺ座標（Ｚ′１８ｂ）を決め、記憶
装置４７にストアする。

同時に通電検出器３８の信号が演算制御装置２６に送ら
れ、次のＺ軸パルスの発生が停止せしめられる。

次に、１パルス分上に戻した第５図の点Ｐ０（Ｙ′１８
ｂ０、Ｚ′１８ｂ０）から左へ１パルス分移動させて、
稜１８ａのＹ座標を決めた時と同じ方法で計測モデル１
８と接触するＹ座標がＹ１８ａであることを確めてから
、点Ｐ０より１パルス分右の点Ｑ０（Ｙ′１８ｂ１、Ｚ
′１８ｂ０）から斜面に接触するまでプローブ３０を降
下させて点Ｑ２（Ｙ′１８ｂＩ、Ｚ″１８ｂ）を得れば
、稜１８ｂのＺ座標（１８ｂ）は点Ｐ１、Ｑ２の座標か
ら、Ｚ１８ｂ＝Ｚ′１８ｂ＋（Ｚ″１８ｂ−Ｚ′１８ｂ
）（Ｙ１８ａ−Ｙ′１８ｂ０）／（Ｙ′１８ｂ１−Ｙ′
１８ｂＩ）を演算制御装置２６で計算して決定できる。

また、上記方法の他に、点Ｑ０から１パルス分下の点Ｑ
１（Ｙ′１８ｂ１、Ｚ′１８ｂ１）から１パルス分左へ
駆動して、斜面と接触する位置を測定し、斜面の傾斜角
ｔａｎ−１（Ｚ″１８ｂ−Ｚ′１８ｂ）／（Ｙ′１８ｂ
１−Ｙ′１８ｂ０）分だけボール４６が手前で接触して
いることを補正すれば、点Ｒの座標（Ｙ″１８ｂ、Ｚ′
１８ｂ１）が求まるから、Ｚ１８ｂ＝Ｚ′１８ｂ＋（Ｙ
１８ａ−Ｙ′１８ｂ０）（Ｚ′１８ｂ０−Ｚ′１８ｂ）
／（Ｙ″１８ｂ−Ｙ′１８ｂ１）により決定できる。ま
た稜１８ｃの座標（Ｙ１８Ｃ、Ｚ１８Ｃ）も同様にして
決定できる。

次に電磁石３４のドライバ４３に演算制御装置２６から
指令を出して励磁コイル４４に今までとは逆方向の電流
を流すと、電磁石別３４の右端面がＮ極に、左端面がＳ
極になり、永久磁石３３ａを反発し、永久磁石３３ｂを
吸引してプローブ３０を右側に回動する。

そして永久磁石３３ｂのＮ極が電磁石３４の右端面に吸
着されると、励磁コイル４４の電流が減少し、これを電
流計４５によって検出し、演算制御装置２６へ伝達すれ
ばグローブ３０が右側に傾いて設定されたことが分かる
。そこで右側面の稜１８ａ、１８ｂ、１８ｃの測定と同
様に、今度は左側面の稜１８ｄ、１８ｅ、１８ｆの座標
（Ｙ１８ｄ、Ｚ１８ａ）（Ｙ１８ｅ、Ｚ１８ｅ）（Ｙ１
８ｆ、Ｚ１８ｆ）を測定し決定する。

このように計測モデル１８の主要点の座標を測定を完了
したならば、加工物１７の測定を行なう。加工物１７の
計測も前記同様に、先ず、加工物検出センサ１５によっ
て、加工物１７のＸ軸上の存在範囲を計測し、次いで適
切に選定した複数の断面について必要な稜のＹ、Ｚ座標
を決定するための測定を行なう。この場合、稜１７ａ、
１７ｄは計測モデル１８の稜１８ａ、１８ｄとそれぞれ
同じ方法で計測し、座標（Ｙ１７ａ、Ｚ１７ａ）、（Ｙ
１７ｄ、Ｚ１７ｄ）を決定する。このように計測するこ
とにより、同じ種類の稜はプローブ３０を同じ向きで同
じ角度に保ち、同一種類の面にはボール４６の同じ点が
接点になるようにしていることとなり、計測モデル１８
と加工物１７との寸法差が正確に求められる。したがっ
て加工物の上面の長さＬ１７ａｄは計測モデル１８の上
面の長さＬ１８ａｄと、長さ（Ｙ１７ａ−Ｙ１８ａ）、
長さ（Ｙ１７ｄ−Ｙ１８ｄ）を夫々の線膨張率α１７、
α１８及び温度センサ２０ａ、２０ｂで計測した温度ｔ
１７、ｔ１８で補正すれば長さＬ１７ａｄを正確に求め
ることができる。

尚、以上は本発明の実施の一例を示したものであり、本
発明は上記に限るものではない。例えば図示例では加工
物１７が１個の場合を示したが、複数個の加工物でも同
様に計測することができる。

また加工物保持系３の取付台１６のうち加工物１７を置
いている左半分を回転式とすれば、計測モデル１８と同
一平面に設定できて、計測の基準点が共通にできれば、
同様に計測できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明に係る自動計測装置は振動に対
して共振したりすることがない高い剛性をもつようにし
ているため、オン・ザ・マシン計測に好適し、しかもす
でに精密測定した計測モデルとの比較測定を採用し、１
パルスの最小送り量より小さい量まで計測するようにし
たので、機械加工の良否判断をするには十分な精度を容
易に確保でき、且つ従来の三次元測定機よりもコストダ
ウンを図ることができる。更に機械加工の良否判断が製
品毎又は主要工程毎にでき、すぐ次の製品加工又は次工
程に活用できるようにフィードバックできるから、機械
加工の信頼度が向上し、不良率が減少するという効果が
得られる。更に、機械加工の途中又は終りで人手を省く
ことができるので、無人加工ラインを構成でき且つ工具
監視の役目も果たすこととなるため省人化にも大きく寄
与することとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る計測装置を組込んだ工作機械の平
面図、第２図は第１図の矢視Ａ−Ａ方向から見た側面図
、第３図はタッチセンサの断面図、第４図は演算制御装
置を主体とする制御部の単線回路図、第５図は計測時に
おけるプローブ先端ボールの軌跡の説明図である。 １・・・共通フレーム、２・・・寸法計測系、３・・・
加工物保持系、４・・・工具台系、５、６、７・・・テ
ーブル、１３・・・タッチセンサ、１４・・・アーム、
１６・・・加工物取付台、１７・・・加工物、１８・・
・計測モデル、３０・・・プローブ、３３ａ、３３ｂ・
・・永久磁石、３４・・・電磁石、３５・・・枠体、３
８・・・通電検出器。 出願人代理人　　猪　　股　　　　　清第１図 第２図 第４図 ６

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）工具台系、加工物保持系及び寸法計測系のそれぞ
   れを共通フレームに設けた自動計測装置において、上記
   工具台系は共通フレーム上を移動可能とされ、また上記
   加工物保持系は、加工物取付台とこの取付台上に加工物
   及び計測モデルを固定する固定装置を備えてなり、更に
   上記寸法計測系は取付台上に固定された加工物の長さ方
   向と平行なＸ軸に沿って移動可能とされたテーブルと、
   上記Ｘ軸と直交するＹ軸に沿って移動可能とされたテー
   ブルと、上記Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸に沿って移動
   可能とされたアームと、このアームに取付けられ計測モ
   デル及び加工物の主要点の座標を計測するためのタッチ
   センサとからなる自動計測装置。
2. （２）前記タッチセンサは、外箱内に上下方向に移動可
   能に取付けられた枠体と、この枠体の外箱に対する変位
   量を計測する変位センサと、該枠体に取付けられるとと
   もに両端部が対向するように湾曲し且つ通電方向を逆転
   し得るドライバに接続された電磁石と、この電磁石の両
   端部間に臨む基部を中心として枠体に対し回動自在に枢
   支されたプローブと、このプローブ先端が被計測物に接
   触した際に流れる電流を検知すべく電源とプローブ間を
   結ぶワイヤの中間に設けられた通電検知器と、プローブ
   基部の両側に絶縁体を介して取付けられ且つ互いの外側
   部が同磁極となるようにされた一対の永久磁石とからな
   る特許請求の範囲第１項に記載の自動計測装置。