(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを生成する光源と、
前記光ビームが入射し、前記光ビームの所定の遮断が発生すると出力信号を発する検出器と、
信号プロセッサと
を備え、前記信号プロセッサは、規則的間隔における前記検出器からの信号の状態を示すサンプルをストアし、前記ストアされたサンプルにおいて繰り返しパターンをテストし、前記ストアされたサンプルが繰り返しパターンを示しているときはトリガ信号を発生することを特徴とする機械上の回転する対象物の計測を行なう装置。
【請求項２】
前記信号プロセッサは、前記サンプルをストアするバッファを含み、前記繰り返しパターンは、前記対象物の少なくとも１回転と等しい間隔で発生する前記バッファの２つのセルにストアされたのと同じ値であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記バッファは、新しいコンテンツにより古いコンテンツが上書きされるレジスタを含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
検出器に入射する光ビームを生成する光源を備えた装置を用い、機械上で計測を行なう方法であって、
ビームが遮断される毎に検出信号を検出器内に発生させるステップと、
規則的間隔における前記検出器からの信号の状態を示すサンプルをストアするステップと、
前記ストアされたサンプルにおいて繰り返しパターンをテストし、前記ストアされたサンプルが繰り返しパターンを示しているときはトリガ信号を発生するステップと
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項５】
前記信号装置は、バッファを備え、前記繰り返しパターンは、対象物の少なくとも１回転と等しい間隔を有するバッファ内で発生するもう１つのストアされたサンプルと同じ値を有するストアされたサンプルであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記バッファは、新しいコンテンツにより古いコンテンツが上書きされるレジスタを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
光ビームを生成する光源と、該光ビームを入射する検出器とを含む光学測定装置を用いて、対象物の計測を行なう方法であって、
前記対象物を回転させるステップと、
前記光源から前記光ビームを射出させるステップと、
前記光源からの光ビームが遮断されると前記検出器内で第１の検出信号を発生するステップと、
前記第１の検出信号が発生する場合の第１の時間間隔を提供するステップと、
前記第１の時間間隔より短く、前記第１の時間間隔の終了から開始される第２の時間間隔を提供するステップと、
前記第２の時間間隔おいて、前記検出器内で検出信号がさらにあるときに、前記検出器から出力信号を発するステップと
を備え、
前記第１の時間間隔は、前記対象物が回転するとき該対象物の端部が回転して再度戻るのに要する時間に実質的に等しいことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記対象物は、刃を有する工具であり、および前記第１の時間間隔は、およそ前記対象物の刃が次に再度前記光ビームを遮断するのに必要な時間であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記光学測定装置は、クロックをさらに含み、
前記クロックに、各々存続期間が前記第２の時間間隔と同じであり、前記工具の回転速度に同期するパルス列であって、第１のパルスは検出器に発生されている検出信号と同時に発されるパルス列の発生を開始させるステップと、
前記クロックパルスの存続中にも、前記検出器内で検出信号があるときのみ、前記検出器から出力信号を発するステップと、
前記検出器内で検出信号がないときには、前記クロックを停止するステップと
をさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記工具の回転ごとにクロックパルスが生成され、および前記第１のパルスに続いて前記クロックにより発生された次のパルスの間に、前記検出器内で検出信号があるときのみ、前記検出器から出力信号が発することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記光学測定装置は２つのクロックを含み、
第１のクロックに、検出器内に検出信号が発生すると、前記パルスの第１の列の発生を開始させるステップと、
第２のクロックに、第１のクロックの２つの連続するパルスの間隔中に、検出器内でのさらなる検出信号の発生とともに前記パルスの第２の列の発生を開始させるステップと、
第２の列における次のパルスの存在中に、検出器内に検出信号があり、検出器がパルスの第１の列に基づく出力信号を発していないときに、検出器から出力信号を発させるステップと
をさらに備えたことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記光学測定装置は追加のクロックを含み、
検出器内に検出信号が発生され、かつ、前に開始されたクロックの全てが作動中であるときに、前記パルスのそれぞれの列の発生を連続して開始させるステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光学測定装置は追加のクロックを含み、
工具の異なる回転速度に一致して設定された異なる周波数のパルスのそれぞれの列を生成するようにクロックを設定するステップと、
前記パルスの列の発生の開始を工具の回転速度に適合させるステップと
をさらに備えたことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
光ビームを生成する光源と、
前記光ビームを受け取り、前記光ビームが遮断されると信号を送信する検出器と
を備え、前記検出器は、
前記光源からの光ビームが遮断されると前記検出器内で第１の検出信号を発生し、
前記第１の検出信号が発生する場合の第１の時間間隔を提供し、
前記第１の時間間隔より短く、前記第１の時間間隔の終了から開始される第２の時間間隔を提供し、
前記第２の時間間隔おいて、前記検出器内で検出信号がさらにあるときに、前記検出器から出力信号を発し、
前記第１の時間間隔は、前記対象物が回転するとき該対象物の端部が回転して再度戻るのに要する時間に実質的に等しいことを特徴とする対象物の計測を行なう装置。
【請求項１５】
前記対象物は、切断工具であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
光ビームを生成する光源と、
前記光ビームを受信し、および前記光ビームの所定の遮断が発生すると信号を送信するか、前記受信した光の範囲を示す信号を送信する検出器と、
前記検出器からの信号を処理し、出力を生成する信号プロセッサと
を備え、前記信号プロセッサは、前記信号の生成に続いて、前記対象物の少なくとも１回転に要する時間にほぼ同じだけの遅延の後、かつ前記信号が前記遅延の終了において存在する場合、前記検出器からの信号を処理し、出力を生成するか、または
前記検出器によって生成された信号が所定の範囲または程度に達するたびに、前記対象物の少なくとも１回転にほぼ同じ存続期間を有するクロックパルスを開始し、および前記クロックパルスの存続期間の最後でのみ出力を生成することを特徴とする回転する対象物の位置を判定する装置。
【請求項１７】
前記信号プロセッサは、前記信号をモニタすることができるように各信号の生成を記憶するストアを含むことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記ストアは、２つの半部を有するバッファを含み、および前記バッファの各半部の同じ位置に信号が生じたときに出力が生成されることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記出力は、前記検出器からの第２の信号が第１のクロックパルスの存続期間の最後に受信するときのみ生成され、および前記信号プロセッサは、前記信号および第２の信号との間に発せられた、前記検出器からのいずれの信号も無視することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
光ビームを生成する光源と、前記光ビームを受信する検出器とを備えた光学測定装置を用いて、回転する対象物の位置を判定し、出力を生成する方法であって、
前記対象物を回転させるステップと、
前記光源から光ビームを照射させるステップと、
前記光ビームと相対的に前記対象物を移動するステップと、
前記検出器において、光ビームの範囲を検出するステップと、
前記検出器において所定の範囲の光が存在するときは、前記検出器から信号を生成するステップと、
前記信号の生成に続いて、前記対象物の少なくとも１回転だけ前記出力を遅延するステップと、
前記所定の範囲の光が前記遅延の終了において存在するときのみ、前記光学測定装置からの信号を生成させるか、前記検出器によって生成された信号が生成されるたびに、前記対象物の少なくとも１回転にほぼ同じ存続期間を有するクロックパルスを開始し、および前記クロックパルスの最後まで前記出力を遅延するか、または２つのモニタされた出力が、前記対象物がそれぞれのモニタ中に、少なくとも１回転を満了するのに必要となるのとほぼ同じ間隔をもって発生するときのみ前記光学測定装置からの信号を生成させるステップと、
を備えたことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、（工作機械のような）座標位置決め機械が、対象物の基準点に対する位置を決定するのを可能とする光学測定装置に関する。
【０００２】
従来から知られる工作機械の工具設定装置は、検出器に入射する細い光ビームを発生させる光源を含んでいる。工具の設定作業の際には、機械が操作され、工具の一部が光ビームの光路を遮断するまで、工具を光ビームの伝播方向と垂直の方向に移動させる。この遮断の検出は、検出ユニットにおけるトリガ信号の生成に用いられ、このトリガ信号は、工具の寸法を決定するために、その移動部分の相対位置を確定すべく、機械により用いられる。かかる装置は、例えば、独国特許ＤＥ４２３８５０４やＤＥ４２４４８６９、仏国特許２３４３５５５、欧州特許９８９３０、及び米国特許４５１８２５７などに開示されている。さらに、このような装置は、工具の破損や磨耗状態を監視するために、工具の長さや直径を計測することに用いられてもよい。
【０００３】
上述の特許明細書中に開示された装置は、工具が入り又は通過される細い光ビームを用いている。工具がビーム内に進入すると、検出ユニットは、それに入射する光量の、結果としての低下から検知するのである。工具がビームに入ったとき、検出器に入射する光量が所定の光量まで低下する結果としてトリガ信号が生成され得る。
【０００４】
かかる光学測定装置により生じる問題は、測定中に、機械に用いられているクーラントが、ビームを通って滴下したり、或いは、回転している工具によりビーム内に入り、擬似トリガ信号を形成してしまうということである。
【０００５】
この問題を解決し、現在用いられている方法の一つは、所与の許容範囲内に入る、予め選定された数の測定値が得られるまで測定を数回行なうべく、機械の制御器のソフトウェアをプログラムすることである。そして、工具の位置は、これらの測定値の平均として推定される。この方法は、かなりな数の繰り返し測定の数が必要とされるのであれば、測定のサイクルタイムに、許容できないほどの長時間を要してしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、真の工具検出信号と、クーラントの滴により生成された信号との区別を可能とする測定方法を提供することにより、この問題を軽減せんとするものである。
【０００７】
本発明の一形態によれば、検出器に入射する光ビームを射出する光源を含む光学測定装置を用いて、機械上の対象物の計測を行なう方法であって、ビームが遮断される毎に検出信号を検出器内に発生させ、前記検出信号の発生頻度及び／又は期間を評価し、以前の検出信号の発生から特定の時間間隔の間に、検出器内にさらなる検出信号が存在する場合にのみ、検出器から出力信号を送信するステップを備えることを特徴とする方法が提供される。
【０００８】
この検出信号のタイミングは、色々な方法により達成可能である。
【０００９】
本発明の一実施形態においては、工具は、好ましくは、既知の特定の速度で回転される。これは、工具の切刃（又は複数）がビームを遮断するとき、検出器内に前記信号の規則的な連続を生ぜしめる。前記信号のうち第１の信号の発生は、工具が１回転するのに要する時間に実質的に等しい時間間隔（ｔ1）を設定するタイミング列を検出器内で開始するのに用いられ、（ｔ1）よりも実質的に短い時間間隔（ｔ2）がこれに続く。もし、検出器で信号を発生させたのが工具であれば、時間間隔ｔ2の間に工具の切刃が再度回ってきたとき、第２の信号が発生される。そして、この事象が起こると、検出器が出力信号を発する。
【００１０】
替わりに、検出器による検出信号の発生は、工具の回転速度と同期する短い時間間隔のパルスを発生させるクロックをスタートさせるのに用いられ得る。この場合にも、かかるパルスの発生中に、検出器内に第２の検出信号が発生されると、検出器は出力信号を発信する。検出器がその検出信号を発生したときに続いて動作を開始する多数のクロックが用いられてもよく、その各々のクロックは、そのパルスの次のものとの間に、検出器内で第２の検出信号が発生されない場合には、動作を停止する。
【００１１】
本発明は、また、上述の方法を実行するための光学測定装置を含み、該装置は、光ビームを発生する光源と、前記ビームを受け、ビームが遮断されると信号を発生させる検出器とを備え、該検出器は、ビームが遮断される毎に信号を発生させる検出回路と、前記信号の発生の頻度及び／又は期間を評価し、前記信号の発生後の特定時間間隔内に、前記検出回路により第２の信号が発生された場合にのみ、出力信号を発する信号処理手段とを含む。
【００１２】
図１を参照するに、本発明の光学測定装置を、例えば工作機械上で用いるのに適した工具設定装置として作動するように構成した組立の一部分として示す。この装置は、光ビーム１２を放出する光放出ユニット１０と光ビーム１２を検出する光検出ユニット１４とを有する。光放出ユニット１０および検出ユニット１４への、電源ケーブルおよび信号制御ケーブルを、入口ポート１６を介して取りまわす。ユニット１０および１４の双方を、柱１８を介して機械の基台に取り付けるが、ここで、これらユニットの双方を取り付ける基台２０を介して、あるいは、これらユニットを用いる機械の基台に直接取り付けるのが有効である。作動にあたっては、光ビーム１２が伝播する方向を横切る方向に工具を動かすようにこの装置を取り付けた機械を作動させることにより、この装置を用いて工具の設定を行なう。光ビームが、予め定められたレベルの遮断を示すと、検出ユニット１４はトリガ信号を発生し、このトリガ信号を、機械によって用いて、その相対的に移動可能な部分の相対位置を決定し、それにより、工具の寸法を決定することができる。このような装置の一例の機械的および光学的な、それ以上の詳細は、本特許出願人による欧州特許出願００３０３７４９．６号に記載されており（この出願を参照することにより本明細書の一部分とする）、従ってここではその詳細を再掲しない。
【００１３】
図２は、種々の状態における検出器からの出力を示す。光ビームが予め定めた範囲に遮断されると、電圧パルスで示されるように、検出器の出力が高レベルとなる（すなわち、検出信号を発生する）。図の左側における第１パルスＳ１からわかるように、クーラントの滴が光ビームを通過すると、このパルスが生じる。しかし、この第１の場合には、クーラントの滴は１回発生するのみであって、単一の短い持続時間のパルスが発生する。
【００１４】
回転切断工具の刃が光路を遮断すると、上記と同様に、短い持続時間のパルスＳ２が発生するが、この場合には、同じ切断工具の刃が再び光路を遮断することに起因するパルスＳ３が発生する。なお、回転切刃がビーム中に到来するか、あるいは多数の刃をもつ工具の他の切刃がビームを順次に遮断するのにつれて、このパルスＳ２の後に他のパルスＳ３（１つしか図示していない）が続く。
【００１５】
滴によるビームの遮断と、切断工具の刃が第１回目としてビームを遮断すること（これは切刃の位置を測定するために検出が必要となる事象である）との差異を区別できるようにするために、本発明の光学測定装置においては、検出器におけるタイマーによって、検出器がその検出信号を発生するのと同時に、第１の時間間隔ｔ1を設定する。特定の実施例においては、時間間隔ｔ1は、工具が１回転するのに要する時間に等しく設定される。時間間隔ｔ1の終了時に、タイマーはｔ1よりも短い時間間隔ｔ2を設定する。
【００１６】
検出器は、時間間隔ｔ2において第２の検出信号が得られるか否かをモニタする。第１の検出信号が滴であれば、この第２検出信号は生じることはない。これは、信号出力の高レベル状態、若しくは立上り端によって検出される。第２の検出信号が存在すると、検出器は、時間間隔ｔ2の終了時に、「スキップ」信号若しくはトリガ信号を形成する。
【００１７】
時間間隔ｔ1およびｔ2は正確に知られているので、工具の切刃がビームを遮断することに起因する検出器出力の、第１の立上り端の生起瞬時を算出することができる。
【００１８】
これらのタイミングを計算するためには、機械のスピンドル、従って切断工具の回転速度を設定する必要がある。測定動作に要する時間を妥当な水準に抑えるために、実験中は、スピンドルの回転速度を１０００ｒｐｍとし、時間間隔ｔ1を見かけ上６０ｍｓとした。しかし、時間間隔ｔ2は、スピンドルの回転速度の僅かな変化、例えば、最大５％（この場合には、時間間隔ｔ1の変動は３ｍｓとなる）にも対応可能となるように充分大きく設定する必要がある。
【００１９】
時間間隔ｔ2におけるトリガ信号を、その中心に位置させるためには、ｔ2を、ｔ1＋１／２・ｔにおいて設定し、これが６０ｍｓに等しくなるようにする必要がある。従って、ｔ1は実際には５８．５ｍｓに設定される。
【００２０】
工具の回転速度は、測定に先立って既知である必要はない。その理由は、検出器によって発生させられた連続するパルスの列から、最初の２つの連続するパルスの立上り端間の距離にタイミングを合わせることによって回転速度を測定することができるからである。時間間隔（ｔ1）は、第２および第３の立上り端の間に設定することができ、およびｔ2は、第３の立上り端から計時される。
【００２１】
本発明装置の基本的な構成要素をブロック図の形態で図３に示す。送出器１０からの光ビーム１２は検出器１４に入射し、検出回路７２中の光検出素子に入射し、ビームが遮断されたときに信号を発生する。検出回路７２において発生した信号は、信号分析のための必要なタイミングデバイスを含む信号プロセッサ７４に供給される。検出器の出力信号は、機械コントローラ８０に直接に供給される。このコントローラは、機械を停止させ、そして機械のスケールの読み取りを評価して、機械の位置を決定する。
【００２２】
図４は、他の実施例を示し、ここでは、検出器において１つまたは２つ以上のクロックを用い、各クロックによって、検出器により開始させられたパルス列を発生させ、ビームが遮断されたことを示す信号を発する。
【００２３】
図４ａは、ビームを遮断する歯および滴の混合により生成された事象の列の例を示す。
【００２４】
図４ｂは、これらの事象により生成された信号を、検出器の信号プロセッサにおけるコンパレータの出力端においてパルスに変換したものを示す。
【００２５】
図４ｃは、単一クロックを用いるときに検出器に生じる状態を示す。
【００２６】
図４ｄは、第２のクロックを用いるときに検出器に生じる状態を示す。
【００２７】
図４ｅおよびｆは、コンパレータの出力を、第１および第２クロック出力と組み合わせた結果をそれぞれ示す。
【００２８】
図４ａからわかるように、滴は不規則な時間間隔で生起してビームを遮断するのに対して、工具の刃によるビームの遮断は規則的な時間間隔で起こる。各ビームの遮断を、番号付けられた事象Ｅと呼ぶ。
【００２９】
図４ｂは、それらの事象に対応する、コンパレータの出力パルスを示す。
【００３０】
図４ｃは、第１クロックは、事象Ｅ１が生起するときに開始するが、第２のクロックパルスが信号プロセッサに供給されるときに何らの事象も生じていないので、クロックは停止することを示している。同じく滴による事象Ｅ３の生起時に、第１クロックは、再度、開始するが、その第２パルスは、再び事象Ｅ４と事象Ｅ５との間に生起するので、そのクロックは事象Ｅ４を認識せず、停止する。事象Ｅ５において再び第１クロックが開始するときも上記と同様である。事象Ｅ７において、再度、第１クロックが開始するときにのみ、そのパルスは工具の切刃が事象Ｅ９においてビームを遮断するのと同期し、事象Ｅ７についてのトリガ信号が発生する。この信号は、事象Ｅ６において切刃が最初にビームを遮断したことを見逃しており、誤った読み取りを生じてしまう。
【００３１】
しかし、図４ｄに示すように、２つのクロックを用いる実施例では、事象Ｅ６において第２クロックが開始する。その理由は、そのときに第１クロックが走っているからである。事象Ｅ６は切断工具の刃によるビーム遮断であるので、クロックパルスが発生しているときに、次の事象Ｅ７が生じる。信号プロセッサは、これらのクロックパルスと事象とが今や同期したことを認識し、そして、パルスの立上り端においてトリガ信号を発生させる。クロックパルスの発生とビーム遮断とは同期しているので、最初のビーム遮断が生じた時刻を容易に決定することができる。
【００３２】
第１の事象が工具の切刃により生じる場合には、この状況はさほど複雑ではない。その理由は、第１クロックが開始し、その最初のパルスの間に同期した事象を認識し、その時刻にトリガ信号が発生するからである。
【００３３】
第１事象と第２事象との間に滴が生じると、これは第１クロックによって無視される。その理由は、この滴が最初のパルスの間に生じないからである。従って、これらの状況下では、滴はトリガ信号の生成に影響を及ぼさない。
【００３４】
これまでは、１または２のクロックを用いるものとして本発明を説明してきたが、異なる周波数のさらに多くのクロックを用いると、他の利点を達成することもできる。
【００３５】
例えば、スピンドルの回転を種々の速度としたときにも、既存のクロックのタイミングを再設定する必要なく装置を用いることができ、しかも、追加のクロックによって、この装置が多数の滴が予想される雰囲気に対処できる。クロックの個数は、得られる利点と追加の信号処理に要する費用との兼ね合いにより決定される。
【００３６】
本発明は、工具が回転しないで、その工具の長さや直径を工具の設定中に測定したり、あるいは、工具の破損の検知にも用いることができる。このような実施例においては、工具をビームに対して適当な角度となるように移動させ、工具の先端や側面によりビームを遮断するようにする。検出器により発生された信号を用いて、信号プロセッサにおけるクロックを開始させて、時間ｔ経過後に検出器の出力を評価する。時間ｔ経過後に検出器の出力が依然として高レベルであり、信号が依然として存在すると認識された場合には、信号プロセッサによりトリガ信号が発生される。
【００３７】
また、別の実施態様においては、信号プロセッサに、同期事象を識別するデバイスを組み込んでもよい。かかるデバイスへの入力は、規則的間隔におけるサンプルであり、それらサンプルは固定長のバッファにストアされ、新たな内容によって、既にストアされている過去のサンプルをいつも置き換える。バッファは、検出器の出力を監視し、サンプリングがなされる度毎に検出器出力の現在の状態をストアするシフトレジスタを用いて実施することが可能である。このバッファが２バイトにわたって分割されているときには、半部を比較することにより、繰り返しパターンに対するテストを行うことができる。例えば、仮に繰返しパターンのサンプル速度が工具の回転速度の８倍であり、しかも各サンプルの結果が、２つの８ビットレジスタを介してシフトされるとすると、最初の信号が生じるときに、これはレジスタの第１セル中に高レベル（１）として現れる。そのサンプルはレジスタ中を移動して、第２半部の第１セルへと送られる。もし、同期する事象がない場合には、サンプルはレジスタを最後まで素通りすることになる。しかしながら、第１のサンプルが、レジスタの第２半部の第１セルに移動するときに、丁度別の高レベルのサンプルが、レジスタの第１半部の第１セルに受信されると、２つの半部は、再度一致することとなり、トリガ信号が発生する。
【００３８】
本発明を、工作機械の光学的測定装置における擬似トリガ信号の除去の場合について説明してきたが、本発明の要旨は、他の形式の機械における他の形態の光学的測定装置を用いる広範な用途をもつものである。従って、本発明の範囲は、添付の請求の範囲によって規定されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
本発明の例を、添付図面を参照して説明するが、これらの例はあくまでも例のみである。
【図１】  本発明を組み込んだ光学測定装置の斜視図である。
【図２】  図１の検出器の出力の表示である。
【図３】  装置の基本構成要素を示すブロック図である。
【図４】  ４ａから４ｆの直線に、検出器の信号処理回路の種々の部分で発生される信号を示している。
【符号の説明】
１０  送出器
１２  光路
１４  検出器
７２  検出回路
７４  信号処理
８０  機械コントローラ
【図１】
0004695808.tif 000002
【図２】
0004695808.tif 000003
【図３】
0004695808.tif 000004
【図４】
0004695808.tif 000005