(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサと円筒形状の工作物表面間の距離が所定距離で、前記センサから出力された超音波が前記工作物表面から反射して前記センサで受信されるまでの時間である第１反射時間ｔ１１を測定する第１測定工程と、
前記第１測定工程に対して前記センサと前記工作物表面の距離を所定の増減距離ΔＬだけ増加または減少して、前記センサから出力された超音波が前記工作物表面から反射して前記センサで受信されるまでの時間である第２反射時間ｔ１２を測定する第２測定工程と、
前記増減距離ΔＬと前記第１反射時間ｔ１１と前記第２反射時間ｔ１２を用い、超音波伝達媒体の音速ｖ１を式ｖ１＝ΔＬ／｜ｔ１１−ｔ１２｜を用いて算出する音速演算工程と、
前記超音波伝達媒体の音速ｖ１と、前記センサから出力された超音波が前記工作物の表面から反射して前記センサに到達するまでの時間ｔ３を用い、前記工作物の表面と前記センサ間の距離Ｌ２を式Ｌ２＝ｖ１・ｔ３／２を用いて算出する距離Ｌ２演算工程と、
前記センサと前記工作物の円筒中心との距離Ｌ１と、距離Ｌ２を用い、前記工作物の直径Ｄ０を式Ｄ０＝２・（Ｌ１−Ｌ２）を用いて算出する前記工作物の直径Ｄ０演算工程と、
前記工作物の直径Ｄ０と、前記センサから出力された超音波の前記工作物表面からの反射波と前記工作物裏面からの反射波の到達時間差Δｔ１と、を用いて前記工作物内を伝播する音速である工作物音速ｖ２を式ｖ２＝２・Ｄ０／Δｔ１を用いて算出する工作物音速ｖ２演算工程と、
前記工作物音速ｖ２と、前記センサから出力された超音波の前記工作物の表面からの反射波と前記工作物の裏面からの反射波の到達時間差Δｔ２と、を用いて前記工作物の直径Ｄを式Ｄ＝ｖ２・Δｔ２／２を用いて算出する工作物直径Ｄ演算工程と、を備える超音波計測方法。
【請求項２】
円筒形状の工作物を回転保持する主軸と、
超音波を出力・受信するセンサと、
前記工作物の半径方向の前記主軸回転中心と前記センサの距離を増減させる距離増減手段と、
前記センサと前記主軸に保持された前記工作物の間に超音波伝達媒体を供給する媒体供給手段と、
前記センサと前記工作物の距離が所定距離のときのセンサから出力された超音波が前記工作物表面から反射して前記センサで受信されるまでの時間である第１反射時間ｔ１１と、
前記センサと前記工作物の距離を前記所定距離から所定の増減距離ΔＬだけ増加または減少して、センサから出力された超音波が前記工作物表面から反射して前記センサで受信されるまでの時間である第２反射時間ｔ１２と、前記増減距離ΔＬを用い、超音波伝達媒体の音速ｖ１を式ｖ１＝ΔＬ／｜ｔ１１−ｔ１２｜を用いて算出し、
前記超音波伝達媒体の音速ｖ１と、前記センサから出力された超音波が前記工作物の表面から反射して前記センサに到達するまでの時間ｔ３を用い、前記工作物の表面と前記センサ間の距離Ｌ２を式Ｌ２＝ｖ１・ｔ３／２を用いて算出し、
前記センサと前記主軸回転中心の間の距離Ｌ１と、距離Ｌ２を用い、前記工作物の直径Ｄ０を式Ｄ０＝２・（Ｌ１−Ｌ２）を用いて算出し、
前記工作物の直径Ｄ０と、前記センサから出力された超音波の前記基準工作物の表面からの反射波と前記工作物の裏面からの反射波の到達時間差Δｔ１と、を用いて前記工作物内を伝播する音速である工作物音速ｖ２を式ｖ２＝２・Ｄ０／Δｔ１を用いて算出し、
前記工作物音速ｖ２と、前記センサから出力された超音波の前記工作物の表面からの反射波と前記工作物の裏面からの反射波の到達時間差Δｔ２と、を用いて前記工作物の直径Ｄを式Ｄ＝ｖ２・Δｔ２／２を用いて算出する工作物径演算装置と、
前記工作物の直径Ｄを出力・表示する出力表示装置と、を備える超音波工作物径測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波測定装置に関するものであり、詳しくは音速測定手段を備えた距離を測定する超音波計測方法および工作物の外径を計測する超音波工作物径測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いて工作物や工具の位置を測定する場合に超音波伝達媒体の音速変化を補償するため、音速校正用の超音波センサを備えた従来技術１（例えば、特許文献１参照）や、超音波反射用の基準物を備え基準物からの反射時間を測定して補正をする従来技術２（例えば、特許文献２参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−５５４１４号公報
【特許文献２】特開平８−１４５７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術１では、測定用の超音波センサと校正用の超音波センサの２個が必要であり高価となる、さらに２個のセンサの個体差による誤差を生じる可能性がある。
従来技術２では、基準物と超音波センサ間の距離を正確に知る必要があり、環境温度にかかわらず距離を一定にするか、補正のたびに距離を測定する必要がある。前者は低熱膨張材を用いることで実現可能であり、後者も専用の測定手段を備えることで可能であるがいずれも高価である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡便に音速補正が可能な超音波計測方法および超音波工作物径測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、  センサと円筒形状の工作物表面間の距離が所定距離で、前記センサから出力された超音波が前記工作物表面から反射して前記センサで受信されるまでの時間である第１反射時間ｔ１１を測定する第１測定工程と、
前記第１測定工程に対して前記センサと前記工作物表面の距離を所定の増減距離ΔＬだけ増加または減少して、前記センサから出力された超音波が前記工作物表面から反射して前記センサで受信されるまでの時間である第２反射時間ｔ１２を測定する第２測定工程と、
前記増減距離ΔＬと前記第１反射時間ｔ１１と前記第２反射時間ｔ１２を用い、超音波伝達媒体の音速ｖ１を式ｖ１＝ΔＬ／｜ｔ１１−ｔ１２｜を用いて算出する音速演算工程と、
前記超音波伝達媒体の音速ｖ１と、前記センサから出力された超音波が前記工作物の表面から反射して前記センサに到達するまでの時間ｔ３を用い、前記工作物の表面と前記センサ間の距離Ｌ２を式Ｌ２＝ｖ１・ｔ３／２を用いて算出する距離Ｌ２演算工程と、
前記センサと前記工作物の円筒中心との距離Ｌ１と、距離Ｌ２を用い、前記工作物の直径Ｄ０を式Ｄ０＝２・（Ｌ１−Ｌ２）を用いて算出する前記工作物の直径Ｄ０演算工程と、
前記工作物の直径Ｄ０と、前記センサから出力された超音波の前記工作物表面からの反射波と前記工作物裏面からの反射波の到達時間差Δｔ１と、を用いて前記工作物内を伝播する音速である工作物音速ｖ２を式ｖ２＝２・Ｄ０／Δｔ１を用いて算出する工作物音速ｖ２演算工程と、
前記工作物音速ｖ２と、前記センサから出力された超音波の前記工作物の表面からの反射波と前記工作物の裏面からの反射波の到達時間差Δｔ２と、を用いて前記工作物の直径Ｄを式Ｄ＝ｖ２・Δｔ２／２を用いて算出する工作物直径Ｄ演算工程と、を備えることである。
【０００６】
請求項２に係る発明の特徴は、  円筒形状の工作物を回転保持する主軸と、
超音波を出力・受信するセンサと、
前記工作物の半径方向の前記主軸回転中心と前記センサの距離を増減させる距離増減手段と、
前記センサと前記主軸に保持された前記工作物の間に超音波伝達媒体を供給する媒体供給手段と、
前記センサと前記工作物の距離が所定距離のときのセンサから出力された超音波が前記工作物表面から反射して前記センサで受信されるまでの時間である第１反射時間ｔ１１と、
前記センサと前記工作物の距離を前記所定距離から所定の増減距離ΔＬだけ増加または減少して、センサから出力された超音波が前記工作物表面から反射して前記センサで受信されるまでの時間である第２反射時間ｔ１２と、前記増減距離ΔＬを用い、超音波伝達媒体の音速ｖ１を式ｖ１＝ΔＬ／｜ｔ１１−ｔ１２｜を用いて算出し、
前記超音波伝達媒体の音速ｖ１と、前記センサから出力された超音波が前記工作物の表面から反射して前記センサに到達するまでの時間ｔ３を用い、前記工作物の表面と前記センサ間の距離Ｌ２を式Ｌ２＝ｖ１・ｔ３／２を用いて算出し、
前記センサと前記主軸回転中心の間の距離Ｌ１と、距離Ｌ２を用い、前記工作物の直径Ｄ０を式Ｄ０＝２・（Ｌ１−Ｌ２）を用いて算出し、
前記工作物の直径Ｄ０と、前記センサから出力された超音波の前記基準工作物の表面からの反射波と前記工作物の裏面からの反射波の到達時間差Δｔ１と、を用いて前記工作物内を伝播する音速である工作物音速ｖ２を式ｖ２＝２・Ｄ０／Δｔ１を用いて算出し、
前記工作物音速ｖ２と、前記センサから出力された超音波の前記工作物の表面からの反射波と前記工作物の裏面からの反射波の到達時間差Δｔ２と、を用いて前記工作物の直径Ｄを式Ｄ＝ｖ２・Δｔ２／２を用いて算出する工作物径演算装置と、
前記工作物の直径Ｄを出力・表示する出力表示装置と、を備えることである。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、センサと工作物表面間距離の増減距離ΔＬと第１反射時間ｔ１１と第２反射時間ｔ１２を用い、超音波伝達媒体の音速ｖ１を算出するので、増減距離ΔＬと反射時間ｔ１１、ｔ１２以外の誤差を含まない。増減距離ΔＬの設定装置と反射時間の測定装置は容易に高精度化できるので高精度な超音波伝達媒体の音速測定が可能である。さらに、工作物内を伝播する音速である工作物音速ｖ２を正確に測定可能となる。工作物音速ｖ２と、センサから出力された超音波の工作物表面からの反射波と工作物裏面からの反射波の到達時間差を用いて工作物径の測定ができる。このため、温度変化による音速変化の影響を受けない高精度の工作物径の測定を短時間で実現できる。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、高精度に超音波伝達媒体音速と工作物音速の測定が可能となる。これらの音速と、センサから出力された超音波の工作物表面からの反射波と工作物裏面からの反射波の到達時間差を用いて工作物径の測定ができる。このため、温度変化による音速変化の影響を受けない高精度の超音波工作物径測定装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の超音波工作物径測定装置を研削盤に設置した例を示す図である。
【図２】本実施形態の超音波工作物径測定装置の全体構成を示す概略図である。
【図３】測定原理を示す概念図である。
【図４】本実施形態の工作物径測定工程を用いた研削工程を示すフローチャート図である。
【図５】本実施形態の冷却媒体の音速測定工程を示すフローチャート図である。
【図６】本実施形態の基準工作物径測定工程を示すフローチャート図である。
【図７】本実施形態の基準工作物音速測定工程を示すフローチャート図である。
【図８】本実施形態の工作物径測定工程を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の超音波計測方法を円筒研削盤１に適用した事例により図１〜図７を参照しつつ説明する。
図１に示すように、円筒研削盤１は、ベッド２を備え、ベッド２上にＸ軸方向に往復可能な砥石台３と、Ｘ軸に直交するＺ軸方向に往復可能なテーブル４を備えている。砥石台３は砥石車７を回転自在に支持し、砥石車７を回転させる砥石回転モータ（図示省略する）を備えている。テーブル４上には、工作物Ｗの一端を把持して回転自在に支持し主軸モータ（図示省略する）により回転駆動される主軸５と、工作物Ｗの他端を回転自在に支持する心押し台６を備えており、工作物Ｗは主軸５と心押し台６により支持されて、研削加工時に回転駆動される。超音波工作物径測定装置８が工作物Ｗの研削位置のテーブル４上に固定されている。
【００１５】
この円筒研削盤１は、所定のプログラムを実行することで研削加工を実行する制御装置３０を備えている。制御装置３０の機能的構成として、砥石台３の送りを制御するＸ軸制御手段３１、テーブル４の送りを制御するＺ軸制御手段３２、超音波工作物径測定装置８を制御する測定装置制御手段３３、砥石車７の回転を制御する砥石車制御手段３４、主軸５の回転を制御する主軸制御手段３５などを具備している。
また、研削熱を除去するために冷却液供給装置９を備え、研削点、超音波工作物径測定装置８などの必要部へ冷却液を供給する配管を備えている。
【００１６】
図２に基づき、超音波工作物径測定装置８の詳細について説明する。
超音波工作物径測定装置８はテーブル４に固定されたベース８０の上部にベース８０に一端を固定された圧電素子８１を備え、圧電素子８１の他端には超音波を送受信するセンサ８２が固定されている。また、ベース８０上部の工作物Ｗに対抗する側には内部に空孔８３ａを備えた冷却液供給部材８３が固定されている。センサ８２の超音波送受信部８２ａは空孔８３ａ内に非接触で挿入されており、工作物Ｗと冷却液供給部材８３を接近させることで、超音波送受信部８２ａと工作物Ｗの間に密閉性のある液密空間を構成できる。冷却液供給部材８３は空孔８３ａに導通する管路８３ｂを備え、冷却液供給装置９から冷却液を空孔８３ａに供給できる。
また、測定装置制御手段３３の機能的構成として、超音波を送受信する信号送受信装置３３１、圧電素子の伸縮を制御する圧電素子制御装置３３２、各種の演算を行う演算装置３３３、デジタルデータまたは所定直径に到達した場合に接点信号として工作物径を出力または表示を行う出力表示装置３３４を備えている。
上記の構成により、センサ８２と工作物Ｗ間の距離は圧電素子８１により増減可能となり、冷却液を空孔８３ａに供給することで超音波は冷却液を伝達媒体としてセンサ８２と工作物Ｗ間を往復する。
【００１７】
図３に基づき、超音波工作物径測定装置８による工作物Ｗの径測定の原理について説明する。超音波を用いた距離測定は、超音波が測定区間を通過する時間と超音波の音速の積として算出する。音速は超音波伝達媒体の温度、密度等により変動する、このため正確な音速の把握が重要である。
図３で、センサ８２から工作物Ｗの中心方向に出力された超音波は工作物Ｗの表面までは冷却液を超音波伝達媒体として伝達し、その一部は工作物Ｗの表面で反射し、残りの超音波は工作物Ｗの内部を伝達し工作物Ｗの裏面で反射され、夫々の反射波はセンサ８２で受信される。
【００１８】
冷却液の音速ｖ１を把握するためには、センサ８２と基準工作物表面の距離Ｌ２が既知であれば、超音波がセンサ８２から出力されてから基準工作物Ｗの表面からの反射波がセンサ８２で受信されるまでの時間ｔ１を測定し、式ｖ１＝２・Ｌ２／ｔ１により算出できる。しかしながら、Ｌ２の正確な測定をするのは所定の計測機器が必要でかつ手間がかかる。そこで、計測の容易なセンサ８２と基準工作物Ｗの表面間の距離の増減量ΔＬと、距離の増減の前後における反射波がセンサ８２で受信されるまでの時間ｔ１の差を用いて算出する。実施例では初めに距離Ｌ２で反射時間ｔ１１を測定し、その後センサ８２を圧電素子８１によりΔＬだけ前進させて距離Ｌ２−ΔＬで反射時間ｔ１２を測定する。冷却液の音速をｖ１とすると、式ｖ１・ｔ１１＝２・Ｌ２と式ｖ１・ｔ１２＝２・（Ｌ２−ΔＬ）の２式が成り立ち、両式の差をとると、ｖ１・(ｔ１１−ｔ１２）＝２・Ｌ２−２・（Ｌ２−ΔＬ）となり、ｖ１は式ｖ１＝２・ΔＬ／（ｔ１１−ｔ１２）と表される。
【００１９】
基準工作物Ｗの音速ｖ２は、基準工作物Ｗの表面から裏面までの距離である基準工作物Ｗの直径Ｄ０と、超音波の基準工作物内の通過時間である裏面からの反射時間ｔ２から表面からの反射時間ｔ１を引いたｔ２−ｔ１を用い、式ｖ２＝２・Ｄ０／（ｔ２−ｔ１）により算出できる。
【００２０】
図３において、基準工作物の回転中心とセンサ間の距離Ｌ１はＬ１＝Ｌ２＋Ｄ０／２であるから基準工作物Ｗの直径Ｄ０は式Ｄ０＝２・（Ｌ１−Ｌ２）で表される。Ｌ２は冷却液音速の測定値ｖ１を用いた超音波計測により正確に測定でき、Ｌ１は所定の値としてあらかじめ設定することが可能である。このため、基準工作物Ｗの音速ｖ２はｖ２＝２・Ｄ／（ｔ２−ｔ１）＝４・（Ｌ１−Ｌ２）／（ｔ２−ｔ１）となり、本式を用いて基準工作物Ｗの音速ｖ２を算出できる。
【００２１】
基準工作物Ｗの音速ｖ２が既知であれば、工作物Ｗの直径Ｄは超音波の工作物内の通過時間である裏面からの反射時間ｔ２から表面からの反射時間ｔ１を引いたｔ２−ｔ１を測定し、式Ｄ＝ｖ２・（ｔ２−ｔ１）／２により算出できる。
通常の円筒状の工作物の研削加工において、初めに工作物Ｗの音速を算出し、音速の変化が所定値以下の期間はこの音速と、測定した反射時間差を用いて算出することで工作物径Ｄの測定を行う。
【００２２】
円筒研削盤１による研削工程に本発明の超音波工作物径測定方法を適用した工程を図４〜図８のメイン工程とサブ工程のフローチャートに基づき説明する。
はじめに、研削のメイン工程を図４に基づき説明する。
円筒研削盤１の主軸５と心押台６の間に工作物Ｗを搬入する（Ｓ１）。砥石車７を回転させ、冷却液を研削点に供給しながら、砥石車７を所定の速度で所定の量だけ工作物Ｗに切込む粗研削工程を実行する（Ｓ２）。研削本数Ｎが所定の本数Ｋに到達した否かを判定する、Ｎ≧ＫならばＳ４へ移動、そうでないならＳ９へ移動する（Ｓ３）。冷却液音速測定工程を実行する（Ｓ４）。基準工作物径測定工程を実行する（Ｓ５）。基準工作物音速測定工程を実行する（Ｓ６）。定寸研削工程を実行する（Ｓ７）。研削本数Ｎの値を１とする（Ｓ８）。定寸研削工程を実行する（Ｓ９）。研削本数Ｎの値に１を加算する（Ｓ１０）。
【００２３】
以下に、サブ工程の詳細を説明する。
冷却液の音速を測定する冷却液音速測定工程について図５のフローチャートに基づき説明する。
基準工作物Ｗを主軸５と心押台６の間に装着した状態で、冷却液供給部材８３に冷却液を供給する（Ｓ１）。センサ８２を所定位置に位置決めする（Ｓ２）。超音波を出力する（Ｓ３）。基準工作物表面からの反射波の到達時間ｔ１１を測定する（Ｓ４）。センサ８２を所定距離ΔＬだけ前進させる（Ｓ５）。超音波を出力する（Ｓ６）。基準工作物表面からの反射波の到達時間ｔ１２を測定する（Ｓ７）。冷却液音速ｖ１を式ｖ１＝２・ΔＬ／（ｔ１１−ｔ１２）により演算する（Ｓ８）。
【００２４】
基準工作物Ｗの直径Ｄ０を測定する基準工作物径測定工程について図６のフローチャートに基づき説明する。
基準工作物Ｗを主軸５と心押台６の間に装着した状態で、冷却液供給部材８３に冷却液を供給する（Ｓ１）。センサ８２と主軸回転中心間の距離Ｌ１と冷却液の音速ｖ１の値を読み込む（Ｓ２）。超音波を出力する（Ｓ３）。基準工作物表面からの反射波の到達時間ｔ１を測定する（Ｓ４）。基準工作物Ｗの直径Ｄ０を式Ｄ０＝２・Ｌ１−ｖ１・ｔ１により演算する（Ｓ５）。
【００２５】
基準工作物Ｗの音速ｖ２を測定する基準工作物音速測定工程について図７のフローチャートに基づき説明する。
基準工作物Ｗを主軸５と心押台６の間に装着した状態で、冷却液供給部材８３に冷却液を供給する（Ｓ１）。基準工作物Ｗの直径Ｄ０の値を読み込む（Ｓ２）。超音波を出力する（Ｓ３）。基準工作物表面からの反射波の到達時間ｔ１を測定する（Ｓ４）。基準工作物裏面からの反射波の到達時間ｔ２を測定する（Ｓ５）。基準工作物音速ｖ２を式ｖ２＝２・Ｄ／（ｔ２−ｔ１）により演算する（Ｓ６）。
【００２６】
工作物径を測定しながら工作物を研削し所定の工作物径になれば研削を終了する定寸研削工程について、図８に示すフローチャートに基づき説明する。
はじめに、砥石車７を回転させ冷却液を吐出した状態で、砥石車７を速度ｖｔでｆだけ工作物Ｗに切込む（Ｓ１）。基準工作物音速ｖ２を読み込む（Ｓ２）。超音波を出力する（Ｓ３）。工作物表面からの反射波の到達時間ｔ１を測定する（Ｓ４）。工作物裏面からの反射波の到達時間ｔ２を測定する（Ｓ５）。工作物Ｗの直径Ｄを式Ｄ＝ｖ２・（ｔ２−ｔ１）／２により演算する（Ｓ６）。工作物Ｗの直径Ｄが所定の直径Ｄｋ以下になったか判定する。Ｄｋ≧Ｄなら終了し、Ｄｋ＜ＤならＳ１へ移動する（Ｓ７）。
【００２７】
以上のように、本発明によれば、超音波距離計測で重要な超音波伝達媒体の音速の測定を容易にかつ正確にできる。
また、円筒形状の工作物を回転させながら加工する場合に、上記の超音波測定方法を用いることで、工作物に非接触で加工中の工作物径を測定することができる。
同一種類の工作物の加工中に所望の工作物を基準工作物として選定し、その加工中に超音波伝達媒体である冷却液と工作物の音速を実測することで、温度変化による音速の変化に起因する誤差の少ない工作物径測定が可能となる。
【００２８】
上記の事例では、センサ８２をテーブル４上に固定した圧電素子８１により移動させたが、センサ８２を砥石台３の工作物Ｗと対抗する側に固定し、砥石台３の送りによりセンサ８２と工作物間Ｗの距離を増減させてもよい。この場合、研削後の工作物径を測定するポストプロセス計測として使用できる。
超音波伝達媒体として冷却液を用いたが、温度制御を行うことで音速が不変で既知の伝達媒体を使用することで、伝達媒体の音速測定を省略してもよい。
【符号の説明】
【００２９】
Ｗ：工作物  ８：超音波工作物径測定装置  ９：冷却液供給装置  ８０：ベース  ８１：圧電素子  ８２：センサ  ８３：冷却液供給部材  ３３：測定装置制御手段  ３３１：信号受信装置  ３３２：圧電素子制御装置  ３３３：距離演算装置    ３３４：出力表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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