JP2018189582A

JP2018189582A - 計測装置

Info

Publication number: JP2018189582A
Application number: JP2017093942A
Authority: JP
Inventors: 俊平田中; Shunpei Tanaka; 一憲飯島; Kazunori Iijima
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2037-05-10
Also published as: CN108871245B; DE102018002838B4; JP6480979B2; CN108871245A; US10502563B2; DE102018002838A1; US20180328726A1

Abstract

【課題】工作機械に用いられる計測装置において、加工される対象物が金型のような複雑な形状を有するものであっても超音波照射によって表面形状を正確に測定できる構成を提供すること。【解決手段】計測装置１は、超音波を被削材（計測対象）５１に照射する超音波振動子２０と、音響レンズ３２と、受光素子配列（受音素子部）４１と、Ａ／Ｄコンバータアレイ４２と、Ａ／Ｄコンバータアレイ４２に接続される計算機４３と、超音波振動子２０に対して被削材５１を相対的に移動又は傾斜可能な駆動機構５３と、を備える。計算機４３は、超音波の走査照射によって受音素子配列４１で得られる情報を時系列で記憶し、時系列で記憶した情報を空間情報に変換して音響強度分布を取得する。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械で加工される対象物を計測対象として計測する計測装置に関する。

従来、工作機械で加工される対象物の表面形状を計測する計測装置において、切削液の影響等を受け難い非接触式の計測装置が用いられることが知られている。超音波を利用して表面粗さを計測する技術を記載したものとして特許文献１や非特許文献１がある。

図４は、非特許文献１で示される試験片表面の断面曲線を示すグラフであり、触針法（接触式の計測方法）により測定した参照値が示される。図５は、非特許文献１で反射強度（コヒーレント成分）と表面粗さＲｑとの関係を示すグラフであり、反射強度は表面粗さＲｑの増加とともに減少する結果が示されており、表面が粗い場合は散乱波が強まることから反射強度が弱くなることがわかる。そして、特許文献１及び非特許文献１には、この傾向を利用してコヒーレント成分と非コヒーレント成分を用いて表面粗さを計測する方法について記載されている。

また、工作機械で超音波を利用して表面粗さを測定する技術を記載したものとして特許文献２がある。特許文献２では、切削加工中に液体媒質を介して切削部に超音波を斜めに入射させ、ついでこの切削部表面からの反射波を検出してその検出値を得る切削中の表面粗さ判定する技術について記載されている。

また、超音波を走査照射して計測対象の形状を測定するものもある。この種の技術を開示するものとして特許文献３や特許文献４がある。特許文献３では、板状被検体を脱着可能かつ垂直に固定する固定機構、上記被検体の両主要面の測定されるべき少なくとも一面に対向する超音波探触子、上記固定機構及び超音波探触子を収容する液漕、上記探触子と上記被検体測定面間の距離を測定する超音波距離計、上記探触子を上記被検体測定面の周辺部に設定した任意の３点を含む測定基準平面に対向する平行平面に走査させるＸＹ駆動機構、上記距離計により測定した探触子走査平面からこの走査平面に対向する被検体測定面と上記測定基準平面までの距離の差を上記ＸＹ駆動機構の走査位置情報と同期させて被検体測定面の平面度として演算する演算機構及び演算結果表示機構を備えたことを特徴とする平面度測定装置について記載されている。特許文献４では、Ｘ−Ｙ平面の走査のほかにＹ−Ｚ平面での走査を行う機構と、前記Ｘ−Ｚ平面での走査により作成された輝度データから各Ｘ位置の最大輝度のＺ値を求める演算回路とからなる超音波顕微鏡の表面凹凸検出装置について記載されている。

特開２００８−８２８５６号公報特開平５−１７７５１２号公報特開平５−７９８２８号公報特開昭６０−１６９７０８号公報

井原郁夫，デデンディアンスクマナ精密工学会誌，Ｖｏｌ．７４，Ｎｏ．７（２００８），ｐ．６９１−６９５

ところで、工作機械では、金型等のように複雑な形状を有するもの加工対象となる場合がある。この点、特許文献１〜４では板状や円柱状等、単純な形状のものが計測対象となっており、金型等のような複雑な形状を有するものを超音波による走査を行って計測することが難しかった。例えば、特許文献４では、Ｘ−Ｙ平面の走査だけでなくＸ−Ｚ平面の走査を行っているが、計測対象の形状が複雑であれば、超音波の照射角度が部位によって異なって凹凸の測定が正確に行えないおそれがある。

本発明は、工作機械に用いられる計測装置において、加工される対象物が金型のような複雑な形状を有するものであっても超音波照射によって表面形状を正確に測定できる構成を提供することを目的とする。

（１）本発明は、工作機械で加工される対象物（例えば、後述の被削材５１）を計測対象として計測する計測装置であって、超音波を前記計測対象に照射する超音波振動子（例えば、後述の超音波振動子２０）と、前記超音波振動子から照射され、前記計測対象で反射、回折した超音波を集束する音響レンズ（例えば、後述の音響レンズ３２）と、前記音響レンズで集束された超音波を電気信号に変換する受音素子部（例えば、後述の受音素子配列４１）と、前記受音素子部からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部（例えば、後述のＡ／Ｄコンバータアレイ４２）と、Ａ／Ｄ変換部に接続される計算機（例えば、後述の計算機４３）と、前記超音波振動子に対して前記計測対象を相対的に移動又は傾斜可能な（例えば、後述の駆動機構５３）と、を備え、前記計算機は、超音波の走査照射によって前記受音素子部で得られる情報を時系列で記憶し、時系列で記憶した情報を空間情報に変換して音響強度分布を取得する計測装置（例えば、後述の計測装置１）に関する。

（２）（１）に記載の計測装置において、加工形状を指令する数値制御装置（例えば、後述の数値制御装置６０）を更に備え、前記駆動機構は、前記数値制御装置から取得した前記加工形状に応じて前記超音波振動子、前記音響レンズ及び前記受音素子部を移動又は傾斜させてもよい。

（３）（１）又は（２）に記載の計測装置において、前記計算機は、取得した音響強度分布から微細構造の幾何寸法及び表面粗さを算出可能であってもよい。

（４）（２）に記載の計測装置において、前記計算機は、取得した空間的な音響強度分布を、前記加工形状に重ね合わせて表示可能としてもよい。

本発明の計測装置によれば、加工される対象物が金型のような複雑な形状を有するものであっても超音波照射によって表面形状を正確に測定できる。

本発明の一実施形態に係る計測装置を模式的に示す図である。第１実施形態の計測装置における測定処理の流れを示すフローチャートである。第２実施形態の計測装置における測定処理の流れを示すフローチャートである。非特許文献１で試験片表面の断面曲線を示すグラフである。非特許文献１で反射強度（コヒーレント成分）と表面粗さＲｑとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る計測装置１を模式的に示す図である。図１に示す計測装置１は、サーボモータ等の電動機で駆動されるＮＣ（数値制御）工作機械に配置されるものであり、切削工具や研削砥石で仕上げられた金属加工表面の微細構造の寸法を計測する機上計測装置である。

図１に示すように、本実施形態の計測装置１は、ワーク載置台５２と、超音波振動子２０と、集束部３１と、音響レンズ３２と、駆動機構５３と、受音素子配列４１と、Ａ／Ｄコンバータアレイ４２と、計算機４３と、数値制御装置６０と、表示器７０と、を備える。

ワーク載置台５２は、計測装置１の計測対象となるワークが設置されるものである。本実施形態では、ＮＣ工作機械の加工対象物である被削材５１がワーク載置台５２にセットされる。

超音波振動子２０は、測定用の超音波を照射するためのものである。超音波振動子２０は、駆動機構５３が備える支持部３０によって支持されており、計測対象である被削材５１に近接可能に構成される。

集束部３１は、超音波を集束する。なお、集束部３１は送信側の超音波振動子２０にあってもよいし、受信側のワーク載置台５２側にあってもよいし、又は送信側及び受信側の両方にあってもよい。

音響レンズ３２は、被削材５１で散乱、回折、反射された超音波を集音するフーリエ変換レンズである。音響レンズ３２で集光された光は投影面３３に投影される。

受音素子配列４１は、投影面３３の光信号を電気信号に変換し、Ａ／Ｄコンバータアレイ４２に送信する受音素子部である

Ａ／Ｄコンバータアレイ４２は、受音素子配列４１のアナログ信号出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部である。Ａ／Ｄコンバータアレイ４２のデジタル信号は計算機４３に送信される。

計算機４３は、ＣＰＵ、記憶装置等からなるコンピュータであり、Ａ／Ｄコンバータアレイ４２から受信するデジタル信号に基づいて被削材５１の表面の微細構造寸法及び面粗さを計算するための測定処理を行う。

数値制御装置６０は、被削材５１に対して設定される加工形状を工作機械に指令する。加工形状は、例えば、ＣＡＭデータ、ＮＣプログラムであり、加工される対象物の目標形状である。

駆動機構５３は、超音波振動子２０、被削材５１、音響レンズ３２及び受音素子配列４１の位置関係を変位させるための機構である。本実施形態では、駆動機構５３は、被削材５１がセットされるワーク載置台５２をＸ軸方向及びＹ軸方向で移動させる送り軸と、被削材５１をＸ軸方向又はＺ軸方向を回転軸として傾斜させる傾斜軸と、を有する。即ち、超音波振動子２０に対して被削材５１が移動又は傾斜可能な構成となっている。

次に、計測装置１によって被削材５１の表面の微細構造寸法及び面粗さを算出する処理について説明する。図２は、第１実施形態の計測装置１における測定処理の流れを示すフローチャートである。

測定処理が開始されると被削材５１の表面に超音波照射を行う。そして、被削材５１表面への超音波照射走査中が否かを判定する（ステップＳ１０１）。超音波振動子２０による照射走査は、被削材５１の所定のポイントに予め設定された照射範囲で照射を行った後、次の地点に移動して照射を行う動作が繰り返される。

ステップＳ１０１の処理で、超音波照射走査中の場合は、駆動機構５３によって受音素子配列４１、超音波振動子２０、被削材５１の位置及び角度決めを行う（ステップＳ１０２）。

ステップＳ１０２で位置及び角度決めが行われた後、超音波振動子２０から照射された超音波が集束部３１で集束され、被削材５１に照射される。音響レンズ３２が超音波振動子２０から照射された超音波、被削材５１で散乱された超音波を集束する（ステップＳ１０３）。音響レンズ３２によって集束された超音波を受音した受音素子配列４１が音響信号を電気信号に変換する（ステップＳ１０４）。

Ａ／Ｄコンバータアレイ４２は、受音素子配列４１の音響強度を示すアナログ出力の電気信号をデジタル値に変換する（ステップＳ１０５）。計算機４３は、Ａ／Ｄコンバータアレイ４２から転送される音響強度値を記憶する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６の処理の後、ＳステップＳ１０１に戻って超音波照射走査中か否かを判定し、走査中の場合はステップＳ１０２からステップＳ１０６の処理が再び行われる。音響強度値が時系列で記憶される。ステップＳ１０１の判定処理で超音波照射走査中ではない場合は、ステップＳ２０１以降の処理に移行する。

ステップＳ２０１では、計算機４３は、蓄積した音響強度値の時系列データを超音波照射走査の座標に変換する。計算機４３は、被削材５１の表面の各点での音響強度の重ね合わせを行う（ステップＳ２０２）。重ね合わせ処理では、その時点における超音波の照射範囲の中心から外れた領域の音響強度がノイズキャンセル等によって各点(時系列)で考慮されて各点の音響強度が算出される。次に、計算機４３は、被削材５１の表面全域で各点の音響強度を算出して各点の音響強度分布を得る（ステップＳ２０３）。

ステップＳ２０３の処理の後、計算機４３は、被削材５１表面の各点の音響強度分布を各点の微細構造寸法に変換する処理を行う（ステップＳ２０４）。ステップＳ２０４の処理で、計算機４３は、被削材５１表面の各点の微細構造寸法を取得した後、取得した微細構造寸法から面粗さを計算する（ステップＳ２０５）。音響強度分布からの微細構造寸法や面粗さの算出は、例えば、非特許文献１に記載されるような反射強度と表面粗さの関係に基づいて予め設定される数式を用いることもできる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
計測装置１は、超音波を被削材（計測対象）５１に照射する超音波振動子２０と、超音波振動子２０から照射され、被削材５１で反射、回折した超音波を集束する音響レンズ３２と、音響レンズ３２で集束された超音波を電気信号に変換する受光素子配列（受音素子部）４１と、受音素子配列４１からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータアレイ４２と、Ａ／Ｄコンバータアレイ４２に接続される計算機４３と、超音波振動子２０に対して被削材５１を相対的に移動又は傾斜可能な駆動機構５３と、を備える。計算機４３は、超音波の走査照射によって受音素子配列４１で得られる情報を時系列で記憶し、時系列で記憶した情報を空間情報に変換して音響強度分布を取得する。

これにより、超音波振動子２０に対する被削材５１の位置及び傾斜角度を調節することができるので、金型のような複雑な形状を有する金属加工物が被削材５１であったとしても、超音波を利用した走査計測が可能となり、被削材５１表面の平滑性を精密に評価することができる。また、目視やカメラ等による直接的な計測が不可能な切削液による着色表面に対しても適用でき、一般的な切削液の物理化学的性質による計測への影響を受けずに表面状態を評価できる。

また、本実施形態では、駆動機構５３は、数値制御装置６０から取得した加工形状に応じて超音波振動子２０、集束部３１、音響レンズ３２、及び受音素子配列４１を移動又は傾斜させる。

これにより、数値制御装置６０によって指令される加工形状を利用し、より一層精密に被削材５１の表面の面粗さを測定することができる。

また、本実施形態では、計算機４３は、取得した音響強度分布から微細構造の幾何寸法及び表面粗さを算出する。

これにより、表面粗さと相関のある音響強度を利用することにより、被削材５１全域の幾何寸法及び表面粗さ情報を取得することができる。

次に、第２実施形態の計測装置１によって被削材５１の表面の微細構造寸法及び面粗さを算出する処理について説明する。図３は、第２実施形態の計測装置における測定処理の流れを示すフローチャートである。

図３に示すように、ステップＳ３０１〜Ｓ３０６の処理については図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０６の処理と同様であり、ステップＳ４０１〜Ｓ４０３の処理は図２のＳ２０１〜Ｓ２０３の処理と同様である。図３に示す第２実施形態の処理は、面粗さを推定するために行うステップＳ４０４とステップＳ４０５の処理が第１実施形態と異なっている。

ステップＳ４０４では、数値制御装置６０から被削材５１の加工形状を取得する。ステップＳ４０５では、取得した被削材５１の形状情報に、空間的な音響強度分布を重ね合わせることで面粗さを推定する（Ｓ４０５）。

以上説明した第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏する。また、第２実施形態では、計算機４３は、取得した空間的な音響強度分布を、数値制御装置６０から取得した加工形状に重ね合わせて表示可能に構成される。

これにより、計測対象である被削材５１の表面の微細構造の面品位を正確に可視化することができる。例えば、所定の領域を設定し、領域ごとに面粗さがわかるように視覚的に表示器７０に表示することもできる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、駆動機構５３をロボットによって構成することもできる。例えば、アーム型のロボットの加工機に超音波振動子２０を配置し、ロボットによって超音波振動子２０を３次元的に移動させる構成としてもよい。

１計測装置
２０超音波振動子
３２音響レンズ
４１受光素子配列（受音素子部）
４２Ａ／Ｄコンバータアレイ（Ａ／Ｄ変換部）
４３計算機
５１被削材（加工される対象物、計測対象）
５３駆動機構
６０数値制御装置
７０表示器

Claims

工作機械で加工される対象物を計測対象として計測する計測装置であって、
超音波を前記計測対象に照射する超音波振動子と、
前記超音波振動子から照射され、前記計測対象で反射、回折した超音波を集束する音響レンズと、
前記音響レンズで集束された超音波を電気信号に変換する受音素子部と、
前記受音素子部からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
Ａ／Ｄ変換部に接続される計算機と、
前記超音波振動子に対して前記計測対象を相対的に移動又は傾斜可能な駆動機構と、
を備え、
前記計算機は、
超音波の走査照射によって前記受音素子部で得られる情報を時系列で記憶し、時系列で記憶した情報を空間情報に変換して音響強度分布を取得する計測装置。
加工形状を指令する数値制御装置を更に備え、
前記駆動機構は、
前記数値制御装置から取得した前記加工形状に応じて前記超音波振動子、前記音響レンズ及び前記受音素子部を移動又は傾斜させる請求項１に記載の計測装置。
前記計算機は、取得した音響強度分布から微細構造の幾何寸法及び表面粗さを算出可能な請求項１又は２に記載の計測装置。
前記計算機は、取得した空間的な音響強度分布を、前記加工形状に重ね合わせて表示可能な請求項２に記載の計測装置。