特許 6694701 インライン検査装置及び検査方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6694701

(24)【登録日】2020年4月22日

(45)【発行日】2020年5月20日

(54)【発明の名称】インライン検査装置及び検査方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/07 20060101AFI20200511BHJP

   G01B 17/00 20060101ALI20200511BHJP

   G01B 17/06 20060101ALI20200511BHJP

   G01N 29/44 20060101ALI20200511BHJP

【ＦＩ】

   G01N29/07

   G01B17/00 A

   G01B17/06

   G01N29/44

【請求項の数】9

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-221752(P2015-221752)

(22)【出願日】2015年11月12日

(65)【公開番号】特開2017-90289(P2017-90289A)

(43)【公開日】2017年5月25日

【審査請求日】2018年8月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100163533

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 義信

(72)【発明者】

【氏名】大野 祥希

【審査官】 小澤 瞬

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−０３９７４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−００５５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２５２２５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２１２０５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５４−１６２５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２７７９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３２８０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３３８０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２２５１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０８５３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０２２８２２０１（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００ − Ｇ０１Ｂ １１／３０

Ｇ０１Ｂ １７／００ − Ｇ０１Ｂ ２１／３２

Ｇ０１Ｎ ２９／００ − Ｇ０１Ｎ ２９／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加工ライン上のワークを非破壊で検査するインライン検査装置において、
前記ワークの所定位置に設けられた基準面あるいは測定面へ向けて超音波を送信し反射波を受信し、送信から受信までの時間を測定するマスタセンサと、
前記マスタセンサが前記基準面へ向けて超音波を送信する場合、前記測定面へ向けて超音波を送信して反射波を受信し、送信から受信までの時間を測定し、前記マスタセンサが前記測定面へ向けて超音波を送信する場合、前記基準面へ向けて超音波を送信して反射波を受信し、送信から受信までの時間を測定するスレーブセンサと、
基準となる前記基準面及び測定面を有したマスターワークを用いて前記マスタセンサとスレーブセンサにより前記基準面及び測定面を測定した差分値を登録した判別用データテーブルと、を備え、前記加工ライン上で前記マスタセンサとスレーブセンサにより前記基準面及び測定面を測定した差分値と前記判別用データテーブルの値とを比較することにより、加工の良否を判別することを特徴とするインライン検査装置。

【請求項2】

加工ライン上のワークを非破壊で検査するインライン検査装置において、
前記ワークの所定位置に設けられた基準面あるいは測定面へ向けて超音波を送信するマスタ送信部と、その反射波を受信するマスタ受信部と、送信から受信までの時間を測定するマスタ時間測定部とを有するマスタセンサと、
前記測定面あるいは前記基準面へ向けて超音波を送信するスレーブ送信部と、その反射波を受信するスレーブ受信部と、送信から受信までの時間を測定するスレーブ時間測定部とを有し、前記マスタセンサが前記基準面へ向けて超音波を送信する場合、前記測定面へ前記超音波を送信し、前記マスタセンサが前記測定面へ向けて超音波を送信する場合、前記基準面へ向けて超音波を送信するスレーブセンサと、
基準となる前記基準面及び測定面を有したマスターワークを用いて前記マスタセンサとスレーブセンサにより前記基準面及び測定面を測定した差分値を登録した判別用データテーブルと、を備え、前記加工ライン上で前記マスタセンサとスレーブセンサにより前記基準面及び測定面を測定した差分値と前記判別用データテーブルの値とを比較することにより、加工の良否を判別することを特徴とするインライン検査装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のインライン検査装置において、前記超音波の送信は、前記マスタセンサと前記スレーブセンサとで交互に行われることを特徴とするインライン検査装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載のインライン検査装置において、前記マスタセンサで超音波を送信する基準時間となるクロック信号を生成し、前記クロック信号に同期して前記スレーブセンサで超音波を送信することを特徴とするインライン検査装置。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載のインライン検査装置において、前記マスターワークは前記測定面として所定形状の穴が設けられていることを特徴とするインライン検査装置。

【請求項6】

請求項１〜４のいずれか１項に記載のインライン検査装置において、前記マスターワークは前記測定面として正常とされる表面状態を有していることを特徴とするインライン検査装置。

【請求項7】

加工ライン上のワークを非破壊で検査するインライン検査方法であって、
マスタセンサは前記ワークの所定位置に設けられた基準面に向け、スレーブセンサは前記ワークに設けられた測定面に向けて超音波を送信して反射波を受信し、または、前記マスタセンサは前記測定面に向け、前記スレーブセンサは前記基準面に向けて超音波を送信して反射波を受信し、送信から受信までの時間をそれぞれ測定して前記マスタセンサと前記スレーブセンサにより前記基準面及び測定面を測定した第１の差分値を求め、
基準となる基準面及び測定面を有したマスターワークと、前記マスターワークを用いて前記マスタセンサとスレーブセンサにより前記基準面及び測定面を測定し、差分値を登録した判別用データテーブルを用いて、前記判別用データテーブルの差分値と前記第１の差分値とを比較することにより、加工の良否を判別することを特徴とするインライン検査方法。

【請求項8】

請求項７に記載のインライン検査方法において、前記超音波の送信は、前記マスタセンサと前記スレーブセンサとで交互に行われることを特徴とするインライン検査方法。

【請求項9】

請求項７又は８に記載のインライン検査方法において、前記マスタセンサで超音波を送信する基準時間となるクロック信号を生成し、前記クロック信号に同期して前記スレーブセンサで超音波を送信することを特徴とするインライン検査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加工ライン上のワークを非破壊で検査するインライン検査装置及び検査方法に関する。より詳細には、ワークの加工ラインにおいて、加工の前に凹凸形状のみならず、その表面状態をより正確に判別したり、加工後に加工が正確に行われたかどうかの判別、例えば基準位置から穴深さを求めたりするためのインライン検査装置及び検査方法に好適である。

【背景技術】

【0002】

自動車のエンジンの製造工場には鋳物等であるシリンダブロックの加工ラインがあり、シリンダブロックの製造工程では、加工ライン、つまりインラインにおいて、凹凸形状のみならず、その表面状態の判別、加工が適切に行われたことの判別などより精密な検査が要求されている。

【0003】

シリンダブロックには、必ず機械加工による穴やねじ加工が施され、加工穴やねじに対して、切粉や異物の残留、加工後や材料の問題による欠陥(表面のキズ・鋳物の巣)、穴の寸法及び形状、などの検査が必要となる。特に、穴の寸法及び形状としては、真っ直ぐに穴あけが行えており、偏芯が生じていないか、未加工部分が無いか、残留物としてドリルの先端が欠けて穴に残っていないか、などがインラインにおいて、全数自動で検査することが望まれている。

【0004】

シリンダブロックの加工穴の検査を自動化するため、穴を加工するためにＮＣ装置に装着した工具に代えて、探傷プローブをセットして、ＮＣ装置により、この探傷プローブを駆動するように、探傷プローブを回転させながら、軸線方向に変位させることが知られ、例えば特許文献１に記載されている。

【0005】

また、シリンダブロックの鋳造に伴って生じる水穴の目詰まり有無をライン上で確実に全数検査するため、挿入体を水穴内に挿入して前進等させ、挿入体の変位から水穴の目詰まりの有無を検査する。即ち、水穴に目詰まりがあると、挿入体と目詰まり部分とが接触した際に、挿入体が装置全体の移動方向と反対方向に相対的に変位するので、この変位を近接スイッチ等の検知手段で検知して目詰まりの存在を確認することが知られ、例えば、特許文献２に記載されている。

【0006】

さらに、加工穴を有するワークを検査する加工穴検査装置および加工穴検査方法において、加工穴に対して先端部がテーパ状となった検査ピンを進退させ、検査ピンの加工穴への進入量を基に、加工穴の良否を判断することが知られ、例えば、特許文献３に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１１−７５２８１号公報

【特許文献2】特開平８−１４５８５２号公報

【特許文献3】特開２００９−２６２２３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、上記従来技術において、組立あるいは加工の搬送ライン中に接触式でワークの測定を行うものは、ワークの位置ずれ等で高精度な検出が困難であるばかりでなく、衝撃による故障、破壊の恐れがある。

【0009】

また、光学式のＴＶカメラ、変位式レーザーセンサを用いるものでは、搬送ラインの置かれている環境の影響を受ける。例えば、自動工具交換機能をもち、目的に合わせてフライス削り、中ぐり、穴あけ、ねじ立てなどの異種の加工を行うマシニングセンタ等の工作機械では加工直前に機種の判別を行う必要があるが、光学式では微粒子であるオイルミスト、粉塵の環境下で光、レーザが拡散して正確な測定が困難であった。

【0010】

さらに、ほこり、水、油などに強いとされる高周波磁界を利用した渦電流式変位センサを用いた場合は、精度や応答速度が速いが、測定可能距離が数ｍｍ程度と短く、マシニングセンタ等の搬送ラインに用いることは適していない。

【0011】

さらに、超音波を媒体とした超音波式変位センサを用いたものは、測定距離が長いので搬送ラインに用いるには適している。しかし、単に用いただけでは精度が他方式に比較して低く、測定面の大きさも大きくならざるを得なく、ワークの表面状態として傷や亀裂、あるいは基準位置からの穴深さを求めるには困難であった。

【0012】

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、組み立てあるいは加工の搬送ラインにワークとして複数種類が混在して流れる場合においても、インラインでワークの凹凸形状、表面状態として傷や亀裂などの異常、あるいは加工後において、加工が正確に行われたかどうかの判別を行うことにある。特に、自動車のエンジンの製造工場におけるシリンダブロックの搬送ラインにおいて、基準位置から穴深さ、穴の曲がり、その他の異常を検査して、信頼性を向上することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成するため、本発明は、加工ライン上のワークを非破壊で検査するインライン検査装置において、前記ワークの所定位置に設けられた基準面あるいは測定面へ向けて超音波を送信して反射波を受信し、送信から受信までの時間を測定するマスタセンサと、前記マスタセンサが前記基準面へ向けて超音波を送信する場合、前記測定面へ向けて超音波を送信して反射波を受信し、送信から受信までの時間を測定し、前記マスタセンサが前記測定面へ向けて超音波を送信する場合、前記基準面へ向けて超音波を送信し反射波を受信し、送信から受信までの時間を測定するスレーブセンサと、を備え、前記マスタセンサと前記スレーブセンサにより測定された値の差分を用いて前記測定面の状態を判別するものである。

【0014】

マスタセンサ及びスレーブセンサにてそれぞれ測定された値の差分を用いて測定面の状態を判別するので、マスタセンサ及びスレーブセンサからワークの測定面までの距離の測定における気温、オイルミスト、粉塵などの影響を相殺することができる。したがって、シリンダブロックの製造ラインのような環境でも、加工の障害にならない十分な動作距離とした上で正確に良否判別をすることできる。

【0015】

また、本発明は、加工ライン上のワークを非破壊で検査するインライン検査装置において、前記ワークの所定位置に設けられた基準面あるいは測定面へ向けて超音波を送信するマスタ送信部と、その反射波を受信するマスタ受信部と、送信から受信までの時間を測定するマスタ時間測定部とを有するマスタセンサと、前記測定面あるいは前記基準面へ向けて超音波を送信するスレーブ送信部と、その反射波を受信するスレーブ受信部と、送信から受信までの時間を測定するスレーブ時間測定部とを有し、前記マスタセンサが前記基準面へ向けて超音波を送信する場合、前記測定面へ前記超音波を送信し、前記マスタセンサが前記測定面へ向けて超音波を送信する場合、前記基準面へ向けて超音波を送信するスレーブセンサと、前記マスタ時間測定部と前記スレーブ時間測定部とで測定された値の差分を用いて前記測定面の状態を判別する判別部と、を備えたものである。

【0016】

さらに、上記のものにおいて、前記超音波の送信は、前記マスタセンサと前記スレーブセンサとで交互に行われることが望ましい。

【0017】

これにより、マスタセンサとスレーブセンサとで互いに超音波が干渉することを避けることができる。

【0018】

さらに、上記のものにおいて、前記マスタセンサで超音波を送信する基準時間となるクロック信号を生成し、前記クロック信号に同期して前記スレーブセンサで超音波を送信することが望ましい。
測定を多数回繰り返しても、超音波の送信タイミングがずれることなく、長時間にわたって干渉を避けることができる。

【0019】

さらに、上記のものにおいて、基準となる前記基準面及び測定面を有したマスターワークと、前記マスターワークを用いて前記マスタセンサとスレーブセンサにより前記基準面及び測定面を測定した差分値を登録した判別用データテーブルと、を備え、前記加工ライン上で前記マスタセンサとスレーブセンサにより前記基準面及び測定面を測定した差分値と比較することにより、加工の良否を判別することが望ましい。

【0020】

これにより、実際に多い加工不良として、加工穴やねじに対する切粉や異物の残留、加工後や材料の問題による欠陥(表面のキズ・鋳物の巣)、穴の寸法及び形状、などの検査をより正確に行うことができる。

【0021】

さらに、上記のものにおいて、前記マスターワークは前記測定面として所定形状の穴が設けられていることが望ましい。
加工後の穴深さの良否をより正確に判別できる。

【0022】

さらに、上記のものにおいて、前記マスターワークは前記測定面として正常とされる表面状態を有していることが望ましい。
加工の前後に係わらず、表面のキズ、鋳物の巣などの欠陥を判別することができる。

【0023】

さらに、上記のものにおいて、前記超音波の発振周波数を２００〜４００ｋＨｚとしたことが望ましい。
これにより、超音波のビームサイズを小さくし、小さな面積の測定面も判別可能とすることができる。

【0024】

さらに、上記のものにおいて、送信される超音波の前記識別部でのビームサイズを１５〜２０ｍｍとしたことが望ましい。
これにより、シリンダブロックのように、鋳物で複雑な形状をしたものでも測定が障害とならない。

【0025】

さらに、上記のものにおいて、前記マスタセンサ及び前記スレーブセンサから前記識別部までの距離を１５０〜２００ｍｍとしたことが望ましい。
シリンダブロックの製造ラインにおいて、センサを近接する必要がないので、ワークを停止させる位置制御も容易となり、センサ位置も加工の障害にならない。

【0026】

さらに、上記のものにおいて、前記ワークはシリンダブロックであり、前記加工ラインは前記シリンダブロックの加工に用いられることが望ましい。
シリンダブロックの製造工程において、環境、精度、測定面積などの点で適したものとすることができる。

【発明の効果】

【0027】

本発明によれば、マスタセンサ及びスレーブセンサにてそれぞれ測定された値の差分を用いて測定面の状態を判別するので、マスタセンサ及びスレーブセンサからワークの測定面までの距離の測定における気温、オイルミスト、粉塵などの影響を相殺することができる。したがって、シリンダブロックの製造ラインのような環境でも、加工の障害にならない十分な動作距離とした上で正確に判別できる。特に、自動車のエンジンの製造工場におけるシリンダブロックの加工ラインにおいて、信頼性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明の実施形態に係わるワーク識別装置を工作機械等に適用した場合を示す構成図

【図2】一実施形態における判別処理を示すブロック図

【図3】一実施形態におけるワークの測定面形状（穴加工）と処理を示す説明図

【図4】一実施形態における測定面形状とワーク番号の割当て（マスタリング）を示す説明図

【図5】一実施形態における加工の良否判別を示す説明図

【図6】超音波式変位センサのビームスポット径と発振周波数及び距離の関係を示すグラフ

【図7】超音波式変位センサのエネルギ密度と発振周波数及び距離の関係を示すグラフ

【図8】一実施の形態における超音波式変位センサのビームスポット径と発振周波数及び距離の関係を示すグラフ

【図9】従来の超音波式変位センサにおける出力値対時間を示すグラフ

【図10】一実施の形態における超音波式変位センサにおける出力値対時間を示すグラフ

【図11】一実施の形態における超音波式変位センサにおける気温変化に対する判別効果の説明図

【図12】一実施の形態における超音波式変位センサにおける測定間隔を示す説明図

【図13】一実施の形態における穴が傾いて加工された場合の処理を示す説明図

【図14】一実施の形態における穴に残留物が残された場合の処理を示す説明図

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

【0030】

自動車の生産には、自動車に対する消費者のニーズの多様化に応えるため、多機種少量生産が望まれている。このような多機種少量生産の下では、生産効率、ラインの全長、付帯設備にかかるコスト、およびラインの稼働率などの観点から、機種ごとの専用ラインで製品を組み立てるよりも、多機種に対応できる多機種混合ラインで製品を組み立てる方が好ましい。また、自動車のエンジンの製造工場には鋳物等であるシリンダブロックの加工ラインがあり、シリンダブロックの製造工程では、加工ライン、つまりインラインにおいて、凹凸形状のみならず、その表面状態の判別、加工が適切に行われたことの判別などより精密な検査が要求されている。シリンダブロックは、シリンダーはもちろん、シリンダーヘッドやクランクシャフト、その他パーツを組み込むための基礎（土台）となる。

【0031】

また、シリンダブロックはエンジンの心臓部に当たる部品であり、強固なボルト結合によってシリンダーヘッドやエンジンマウント、各種補機類が取り付けられる。さらに、シリンダーの中にはピストンが入り、ブロックの下側にはクランクシャフトが装着され、シリンダーの上には、シリンダーヘッドが乗せられ、吸排気系統やバルブ駆動系が装着される。さらに、シリンダブロックには冷却水が循環する冷却水通路やオイルを各部に行き渡らせるためのオイル通路がある。オイル通路において、冷却水やオイルの管理が悪いと汚れが堆積して、オーバーヒートや焼き付きなどを引き起こす。

【0032】

したがって、シリンダブロックには、必ず機械加工による穴やねじ加工が施され、加工穴やねじに対して、切粉や異物の残留、加工後や材料の問題による欠陥(表面のキズ・鋳物の巣)、穴の寸法及び形状、などの検査をインラインにおいて、全数自動で検査する。特に、穴の寸法及び形状としては、真っ直ぐに穴あけが行えており、偏芯が生じていないか、未加工部分が無いか、ドリルの先端が欠けて穴に残っていないか、などを確認する。

【0033】

図１は、本発明の実施形態に係わるワーク識別装置を工作機械であるマシニングセンタに適用した構成図を示す。６はワークであり、複数のピストンが収まり、下部のクランクケース部分にはクランクシャフトが取り付けられるシリンダブロックである。

【0034】

シリンダブロックは一般的には鋳鉄、あるいはアルミニウム合金の鋳造品が用いられ、搬送ラインには、多品種のワーク６が混在して投入される。自動車のエンジンの製造工場にはシリンダブロックの搬送ラインがあり、この搬送ラインにはワークとして複数種類のシリンダブロックが混在して流れる場合が多い。

【0035】

そして、加工穴としては、穴の寸法及び傾き、偏芯などの形状、表面のキズ・バリ、鋳物部品の巣穴、切粉や残留物などが完成品の品質に直結しており、インラインで全数自動検査を行う。シリンダブロックの加工は、通常、マシニングセンタで行われる。

【0036】

マシニングセンタは、工作物（ワーク）の取り付けを変えずに、フライス・穴あけ・中ぐり・ねじ立てなど種々の加工を行う数値制御工作機械であり、図１で例えば、５は穴あけ加工を行う工作機械である。さらに、工具マガジンには多数の切削工具を格納し、コンピュータ数値制御の指令によって自動的に加工を行い、工具自動交換装置を有している。さらに、工作テーブルを高速で回転させ、主軸にバイトを取り付けて旋削ができるものや、フライス工具の代わりに研削砥石を使えたり、寸法計測用のプローブを搭載したりしたものが知られている。加工を主目的としているため、したがって、マシニングセンタの設置された環境は、微粒子であるオイルミスト、粉塵が存在し、その中でシリンダブロックのような鋳物を検査するには超音波式変位センサを用いることが望ましい。

【0037】

ワーク６であるシリンダブロックは、搬送ラインに載置され、工作機械コントローラ４は、ワーク６が破線で示す加工可能な位置に移動を指示した場合、ワーク６の機種に依存する加工の指示を工作機械５へ行う。加工の指示は、例えば、穴あけ加工における仕様としては穴の大きさ、位置などであり、加工条件としては回転速度などである。

【0038】

ワーク６の加工が終了すると、工作機械コントローラ４によってワーク６が矢印Ａ方向に送られて所定位置で停止される。マスタセンサ１及びスレーブセンサ２は超音波式変位センサであり、ワーク６が停止した位置で、マスタセンサ１は、ワーク６の所定位置に設けられた基準面７（図３参照）へ、スレーブセンサ２は測定面８（図３参照）、例えば穴の開口部へ向けて超音波をそれぞれ送信して反射波を受信し、それぞれ距離を測定する。

【0039】

マスタセンサ１は、ワーク６の所定位置に設けられた基準面７あるいは測定面８へ向けて超音波を送信するマスタ送信部と、その反射波を受信するマスタ受信部と、送信から受信までの時間を測定するマスタ時間測定部とを有している。

【0040】

スレーブセンサ２は、測定面８あるいは基準面７へ向けて超音波を送信するスレーブ送信部と、その反射波を受信するスレーブ受信部と、送信から受信までの時間を測定するスレーブ時間測定部とを有している。

【0041】

３は、マスタセンサ１、スレーブセンサ２による測定や測定結果の判別を行うセンサユニットであり、工作機械コントローラ４から測定開始の指示を受信し、測定結果を送信する。

【0042】

ここで、超音波は集束性、指向性に優れ、空気の疎密波であるため、光学式に比べ空気中にある微粒子による散乱の影響が小さく、工作機械５が設置されたオイルミスト、粉塵の環境下でも安定した測定が可能となる。また、超音波を用いれば、測定対象物（ワーク６）として、金属、木材、ガラス、ゴムなどをはじめ、粉体、液体まであらゆる材質の測定が非接触、ワーク６から長距離、数百ｍｍ離れて行うことができる。

【0043】

超音波式変位センサは、送波器により超音波を対象物に向け送信し、その反射波を受波器で受信することにより、対象物の有無や対象物までの距離を検出する。超音波の送信・受信には超音波素子が用いられ、超音波素子は電気エネルギを印加して超音波を発生、または超音波振動エネルギを電気信号に変換する素子であり、通常、圧電現象を利用したチタン酸バリウム振動子を用いる。

【0044】

圧電素子は交流電圧を加えると素子が振動し、固有の振動数を持ち、その周波数と同じ周波数の交流電圧を加える事で効率良く振動する。一般的に４０ｋＨｚのものが多く使用され、長い距離を測定するには低い周波数、短い距離を正確に測るには高い周波数のものが使われている。

【0045】

また、超音波式変位センサは、金属、木材、ガラス、ゴムなどをはじめ、粉体、液体まであらゆる材質の測定ができ、非接触なので粘度の影響や腐食の問題もない。長距離検出が可能で搬送ラインにおける移動物の妨げにならない、悪環境下のレベル測定が安定してできる、等の特徴を持っている。

【0046】

さらに、超音波式変位センサは測長を超音波の送信から受信までの時間を測定することで行う。したがって、超音波式変位センサは被測定物の表面粗さが大きくても強度が変化しても到達時間に変化がないので、安定した測定が可能となる。特に、ワーク６を鋳物であるシリンダブロックとした場合、この長所を生かすことができ、さらにはシリンダブロックが熱を持った状態でも影響を受けることがない。

【0047】

また、空気中の音速は気温によって変化し、超音波式変位センサの測定結果は大気変化の影響を受ける。そこで、マスタセンサ１、スレーブセンサ２のそれぞれを送信から受信までの時間を測定する超音波式変位センサとし、センサユニット３は一組のマスタセンサ１、スレーブセンサ２による測定値の差分を用いた判別を行う。

【0048】

つまり、スレーブセンサ２は、マスタセンサ１が基準面７へ向けて超音波を送信する場合、測定部８へ超音波を送信し、マスタセンサ１が測定面８へ向けて超音波を送信する場合、基準面７へ向けて超音波を送信する。そして、マスタ時間測定部とスレーブ時間測定部とで測定された値の差分を用いて測定面８の状態を判別する判別部を有している。

【0049】

マスタセンサ１及びスレーブセンサ２にてそれぞれ測定された値の差分を用いて測定を行うので、マスタセンサ１及びスレーブセンサ２からワーク６の基準位置までの距離における気温、オイルミスト、粉塵などの影響を相殺することができる。したがって、シリンダブロックの製造ラインのような環境でも、加工の障害にならない十分な動作距離とした上で、測定を正確に行うことができる。

【0050】

図２は、判別処理を示すブロック図であり、マスタセンサ１、スレーブセンサ２は、それぞれワーク６までの距離を測定する構成となっている。図３は、ワーク６の測定面を示し、７が基準面、８が測定面である。そして、図に示すように、基準面７がマスタセンサ１と対向する面となり、測定面８がスレーブセンサ２と対向して穴９の深さを測定する。測定においては、ワーク６の停止位置で測定面が図３のように対向する必要があり、測定面の大きさは、停止位置精度、超音波式変位センサとしてのビームサイズにより決定される。ただし、シリンダブロックは鋳物であり、より小さな測定面積にすることが要求される。

【0051】

また、マスタセンサ１、スレーブセンサ２の測定値の差分を採ることでセンサとワーク６間の測長の行程を打ち消し、基準面７から穴９の測定面８までの距離測定に限定する。単に超音波式変位センサを二つ並べて使用すると、互いに超音波が干渉し合い、測定誤差となるが、マスタセンサ１、スレーブセンサ２は干渉を避けるように交互に超音波の発振を行う。したがって、マスタセンサ１とスレーブセンサ２とで互いに超音波が干渉することを避けることができる。

【0052】

マスタセンサ１、スレーブセンサ２は同様の構成であり、それぞれ超音波素子３１、３２を有しており、ＣＰＵ３３、３４により切り替えられて送信、受信を行う。メモリ３５、３６は、測定データの一時的な保存を行い、ＣＰＵ３３、３４により保存、読み出しがコントロールされる。マスタセンサ１、スレーブセンサ２は互いに結線され、マスタセンサ１の生成するクロック信号に同期してスレーブセンサ２の超音波素子３２の発振が行われる。スレーブセンサ２の測定データはマスタセンサ１のＣＰＵ３３に伝達される。これにより、測定を多数回繰り返しても、超音波の送信タイミングがずれることなく、長時間にわたって干渉を避けることができる。

【0053】

マスタセンサ１のＣＰＵ３３は、工作機械コントローラ４へ接続され、工作機械コントローラ４によって測定の開始が指示され、加工の良否を示す判別結果はＣＰＵ３３から工作機械コントローラ４へ伝達される。工作機械コントローラ４は、判別結果を受信した後、判別結果に従って、次のワーク６の移動、停止を行う。

【0054】

マスタセンサ１、スレーブセンサ２は干渉を避けるため、マスタセンサ１で超音波を送信する基準時間となるクロック信号を生成し、生成されたマスタセンサ１側のクロック信号に同期してスレーブセンサ２で超音波を送信するように、マスタセンサ１とスレーブセンサ２とで交互に送信を行い、送信間隔はワークからの反射波による残響が無くなるのに十分な時間に設定する。反射波による残響はマスタセンサ１、スレーブセンサ２とワーク６間の動作距離に依存するため、送信間隔の設定により動作距離を決定する。

【0055】

測定の開始は、まずマスタセンサ１の超音波素子３１を送信し、次いでスレーブセンサ２の超音波素子３２が送信されることで行われる。これを１セットとして、所定のセット数を繰り返した後、送信を停止する。ワーク６の測定面は、図３に示すように測定面８に隣接して基準面７が設けられている。図３の例ではマスタセンサ１からワーク６までの距離が動作距離として２００ｍｍ、スレーブセンサ２から測定面８までの距離が例えば、２０３ｍｍとなり、穴９の深さが３ｍｍであり、マスタセンサ１側がスレーブセンサ２側に比べて３ｍｍ超音波式変位センサ側に向かって凸となっている。

【0056】

マスタセンサ１の超音波素子３１を送信し、ワーク６の凹部からの反射波がマスタセンサ１へ到達するまでの時間を測定データとしてカウントし、メモリ３５に記憶する。次に、相互干渉しないようにタイミングをずらしてスレーブセンサ２の超音波素子３２を送信し、反射波がスレーブセンサ２へ戻るまでの時間をカウントし、メモリ３６に記憶する。

【0057】

送信停止後、スレーブセンサ２は、マスタセンサ１に対して記憶された測定データを出力する。マスタセンサ１は、メモリ３５に記憶された自らの測定データとスレーブセンサ２から出力された測定データとの差分を計算する。そして、測定面として基準面７から測定面８までの距離、つまり穴９の深さが３ｍｍであることがマスタセンサ１のＣＰＵ３３で判別される。

【0058】

図４は、穴９の深さが機種毎に異なる場合の良否判別の手順を示す。まず、機種毎にワーク番号を与え、機種毎に穴９の深さを割当て、判別の基準をメモリ３５に記憶させる（マスタリングモード）。良否判別は、穴９の深さとして測定された値で直接行っても良いが、次のように別途、良品として加工された場合の基準を用いて較正することが望ましい。

【0059】

実際に測定対象となる搬送ラインに載置されたシリンダブロックに対して、別途、基準となる穴９の深さに対して、マスターワーク１１を必要とされる種類だけ用意し、マスタセンサ１及びスレーブセンサ２にセットする。ワーク番号１に対応するマスターワーク１１に対して測定を行い、読み取ったマスタセンサ１とスレーブセンサ２との差分値をワーク番号１と対応させて良否判別の基準となる判別用データテーブル１２へ図示のようにワーク番号１として登録する。判別用データテーブル１２は、マスタセンサ１のメモリ３５にテーブル構造として保存しておく。

【0060】

図５は、良否判別を示し、搬送ラインに載置されたシリンダブロック（ワーク６）を測定し良否を判別モードである。予め求められたワーク番号のワーク６に対して、既に説明したように測定し、測定されたマスタセンサ１とスレーブセンサ２との差分値と判別用データテーブル１２とを比較して、記憶されたワーク番号における穴９の深さの値と一致しているかを求める。一致した場合、工作機械コントローラ４へ加工が正常に行われたことを出力する。工作機械コントローラ４は、次のワーク６に応じた加工指示等を実行する。

【0061】

通常、超音波は、測定値が気温により影響を受けるだけでなく、被測定物であるワーク６に対してビームサイズが広がりを持つ傾向がある。これにより、測定面積を大きくせざるを得なく、シリンダブロックの場合は鋳物の表面形状、粗さにより影響が大きく、実用が困難となる。また、超音波を一定方向に集束して発射、または受信するための反射器である超音波ホーンを設けてビームサイズを小さくすることができる。しかし、反射器の場合、被測定物から直進した超音波しか受信ができなくなる。そこで、超音波は振動数の高さに比例して直進性が増し、ビームサイズを小さくできることを利用することが望ましい。

【0062】

また、周波数が同じで振動子寸法が異なった場合、振動子寸法が大きい場合は指向性が鋭くなり、近距離ではビーム幅が大きいが、遠距離で超音波ビームはあまり広がらない。一方、振動子寸法が小さいと指向性が鈍くなり，近距離でビーム幅が小さいが，遠距離でビームの拡がりが大きくなり距離によるエコー高さの低下が著しくなる。

【0063】

図６は、超音波式変位センサのビームサイズと発振周波数及び距離の関係を示し、一点鎖線が４０ｋＨｚ、破線が１００ｋＨｚ、実線が３００ｋＨｚである。一方、図７は、超音波式変位センサのエネルギ密度と発振周波数及び距離の関係を示し、出力強度に関連するエネルギ密度は、図に示されるように発振周波数が高いほど減衰する。図６と同様に一点鎖線が４０ｋＨｚ、破線が１００ｋＨｚ、実線が３００ｋＨｚである。

【0064】

図８は、発振周波数を４０ｋＨｚ、３００ｋＨｚとした場合のビームサイズの実測値を示し、３００ｋＨｚにすればワーク６（シリンダブロック）からマスタセンサ１までの動作距離２００ｍｍで適切な測定面積に対応した２０ｍｍとすることができる。なお、発振周波数を２００〜４００ｋＨｚ、動作距離を１５０〜２５０ｍｍ、ビームサイズをシリンダブロックに対する実用的な値である１５〜２５ｍｍとすることができる。また、マスタセンサ１及びスレーブセンサ２から基準面７までの距離を１５０〜２００ｍｍとしたことにより、シリンダブロックの製造ラインにおいて、センサを近接する必要がないので、ワーク６を停止させる位置制御も容易となり、センサ位置もワーク６を加工する障害にならない。

【0065】

発振周波数を２００〜４００ｋＨｚ、動作距離を１５０〜２５０ｍｍとすれば分解能を０．１ｍｍ程度まで向上できる。超音波の発振周波数を２００〜４００ｋＨｚとしたことにより、超音波のビームサイズを小さくし、測定面の面積を低減できる。また、送信される超音波の識別部でのビームサイズを１５〜２０ｍｍとしたことにより、シリンダブロックのように、鋳物で複雑な形状をしたものでも測定面の製作が障害とならない。ただし、超音波素子３１、３２にその共振周波数に近い電気信号をパルス的に印加すると、電気信号がなくなってからも、超音波振動が機械的に短時間持続する現象が生じ、反射形であるのでこの現象が長く続くと検出が困難となる。

【0066】

図９は、従来のように発振周波数を４０ｋＨｚ程度とした場合の発振から受信までの出力電圧の時間変化を示し、超音波を送信してから反射波を受信するが減衰が小さいため多重反射した受信波を誤って検出する恐れがあった。それに対して、発振周波数を２００〜４００ｋＨｚとした場合は、図１０のように減衰が大きく多重反射による影響を小さくすることができ、測定のバラツキを小さくできる。

【0067】

図１１は、マスタセンサ１、スレーブセンサ２を１セットとして用いた場合の気温に対する判別効果を示す。気温が１０℃上昇した場合、音速が上昇するので２００ｍｍの測定値は１９６．５ｍｍとなるが、差分を計算するのでこの影響は無視できる。実際には１ｍｍの段差の気温１０℃上昇の変化は０．０１７ｍｍ程度である。

【0068】

図１２は、マスタセンサ１、スレーブセンサ２を１セットとして用いた場合、それぞれ超音波を発振するタイミングを示す。二つの超音波が干渉しない十分な時間、動作距離２００ｍｍを往復する時間より大きく、同時に送信がされない時間だけマスタセンサ１の発振に対してスレーブセンサ２の発振を遅らせる。また、二つのタイミングが時間経過に伴って、ずれていかないようにＣＰＵ３３、３４を共通クロックで同期させる。

【0069】

また、測定値のバラツキを小さくするため、一度の識別で測定回数を３２〜６４回繰り返すことが望ましい。また、メディアンフィルタのように繰り返した測定値の中央値を算出して突出して異なる値を除外して安定化することが望ましい。

【0070】

図１３は、穴９が基準面７に対して傾いてあるいは偏芯して加工された場合を示す。スレーブセンサ２による測定値は、図３で示したような正しく加工された場合に比べ、図１３の矢印ではやや長くなっている。そこで、加工の良否判別は、穴９の深さとして測定された値で直接行っても良い。ただし、送信される超音波のビームサイズを１５〜２５ｍｍとしているので、穴９の傾斜面の影響等を受ける。したがって、図４、５で説明したように、機種毎にワーク番号を与え、機種毎にワーク６の基準として所定形状の穴を有したマスターワーク１１を測定し、判別用データテーブル１２へ登録し、その値と実際に測定された値とを比較して良否判別を行うことが望ましい。

【0071】

また、マスターワーク１１として、傾いた穴、偏芯した穴、曲がった穴など加工誤差となるモデルを用意し、予めどのような測定値になるかを求めて学習しておけば、良否判別をより詳細に行い、その様相も判別することができる。

【0072】

図１４は、加工穴に残留物１０が残った状態を示し、残留物１０としては切粉、ドリルの欠損、未加工部分などが挙げられる。スレーブセンサ２による測定値は、図３で示したような正しく加工された場合に比べ、図１４の矢印では短くなっている。そこで、加工の良否判別は、穴９の深さとして測定された値で直接行っても良い。ただし、残留物１０の大きさ、形は様々なこと、送信される超音波のビームサイズが１５〜２５ｍｍであること、などの影響等を受ける。したがって、図４、５で説明したように、機種毎にワーク番号を与え、機種毎にワーク６の基準として、亀裂、巣、あるいは許容範囲の表面粗さであり、正常とされる表面状態を有したマスターワーク１１を測定し、判別用データテーブル１２へ登録し、その値と実際に測定された値とを比較して良否判別を行うことが望ましい。

【0073】

また、マスターワーク１１へ残留物１０を実際に入れて、予めどのような測定値になるかを求めて学習しておけば、良否判別をより詳細に行い、その様相あるいは原因を区別することができる。

【0074】

以上、図３以降の説明では、基準位置から穴深さを求めることを例として説明したが、シリンダブロックのような鋳物では、加工の前後に係わらず、表面のキズ、鋳物の巣などの欠陥を判別することも同様にできる。その場合は、基準面７と測定面８を同一の面としてマスタセンサ１、スレーブセンサ２で測定し、予め登録した正常なものと比較すれば良い。

【符号の説明】

【0075】

１ マスタセンサ
２ スレーブセンサ
３ センサユニット
４ 工作機械コントローラ
５ 工作機械
６ ワーク
７ 基準面
８ 測定面
９ 穴
１０ 残留物
１１ マスターワーク
１２ 判別用データテーブル
３１、３２ 超音波素子
３３、３４ ＣＰＵ
３５、３６ メモリ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】