JP3647464B2 - 測定ヘッドとリモート受信機との間で信号を無線伝送するための装置および方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は測定プローブとリモート受信機との間に無線信号を伝送するための装置に係り、この装置は測定プローブに設けられ、測定プローブの状態の変化を検出し、かつ関連する測定信号を与える検出手段と、この検出手段と連結され、測定プローブの状態についての情報を含む信号を発生するように適応させる信号発生器と、この信号発生器と接続されるタイミング発生器とを備えている。
さらに、本発明は測定プローブとリモート受信機との間で信号を無線伝送するための方法に係り、この方法は測定プローブの状態の変化を検出する検出手段を有する測定プローブと、送信機部とを備え、送信機部を用いて、測定プローブの状態に関係する情報を含む信号を発生し、かつ送信し、測定プローブの状態の変化を検出し、測定プローブの状態についての情報を変えるために信号を修正するステップを有する。
背景技術
たとえば、数値制御機械に取り付けた接触式検出プローブを用いてその機械上にあるワークの位置および／または寸法を測定するために使用する測定装置は知られている。ここで、検出プローブは信号を複数個のリモート受信機ユニットに無線伝送し、測定サイクル中、ワークに対して変位し、スタイラスによって測定される表面と接触し、しかもこの接触の結果として、無線伝送される信号のいくつかの特徴を修正することになる。各受信機はインターフェースユニットを介して関係した数値制御ユニットと接続されている。この数値制御ユニットは検出プローブの空間上の位置に関する他の信号を処理することによりワークの位置についての情報を獲得する。
検出回路と伝送装置とに電気を供給するためにプローブは蓄電池を備えることが可能である。この無線伝送は、たとえば光学的あるいは無線周波数の電磁気信号を送る方法により実現する。
無線赤外線伝送装置を有する接触式検出プローブは米国特許第4509266号に開示されている。これによれば、検出プローブのスタイラスとワークとの接触についての情報は伝送される光学信号の周波数の偏移によって示されている。
精度を適正な値と一致させるために接触が生じた瞬間の検出プローブの状態を受信機に伝送する間に必ず生じる遅れについては十分に短くし、しかもその状態を反復可能にする必要がある。
デジタル式装置では良好な反復性を達成する方法は非同期方式の直列伝送を用いるもので、この場合、有限のビット列からなるメッセージは検出プローブが状態の変化を検出した瞬間、直ちに直列信号のビット列と同期せずに伝送される。検出プローブにおいて状態の変化が生じた瞬間を正確に示す情報はメッセージの終端によって無条件に与えられる。
しかしながら、非同期伝送の場合、受信信号と同期した状態にある敏感な受信機を使用しなければならないので、このような方法はどちらかといえば、ノイズに感じる度合いも高い。特に、無線周波数伝送の場合、同期伝送は疑いなく望ましい方法である。というのは同期伝送は際立って安定性のある同期信号を受信機において抽出することができ、主要なノイズを免れることが確実なためである。
同期方式の電磁気信号の伝送はすべての場合、ビット周期が生む時間を消滅させる要求を指定することから、必然的に遅れ時間に等しく存在するある誤差を生じる。
発明の開示
本発明の目的は伝送時間を短く保持し、かつ反復可能であって、プローブの状態が変化するいかなる伝送も確実に果たす、簡素で、しかも安価な接触式検出プローブとリモート受信機との間で電磁気信号の無線伝送を実行するための装置および方法を提供することにある。この目的は請求の範囲の第１項および第７項に従う装置および関連する方法によって達成することができる。
本発明により与えられる利点は検出プローブから受信機に伝送される情報に遅れに関するいかなるデータも追加することなく、伝送遅れの反復性を保証することであり、この方法においてはメッセージ伝送の全体時間は少しも増加せず、かつ遅れも十分に抑えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
本発明の好ましい実施例はこれに限定されない代表例の方法により示される、添付の図面を参照してより詳細に説明される。図面において、
図１は接触式検出プローブと接続された送信機部を示すブロック線図であり、
図２はインターフェースユニットの受信機部を示すブロック線図であり、
図３はコード化された直列信号を示す図であり、
図４は直列信号によるメッセージの伝送を示す図である。
発明を実施する最良の状態
図１および図２は制御信号を与えるための検出手段を備えた検査プローブ、特に工作機械（たとえば、旋盤ないしマシニングセンタ）に取り付けた接触式検出プローブ１を有する装置を簡略化して示している。この装置は数値制御ユニット10とインターフェースユニット11とを備えている。このインターフェースユニット11は検出プローブ１からある距離を保って配置され、受信機部（図２参照）、すなわち、たとえば検出プローブ１によって伝送される、無線周波数信号のような無線信号を受信するためのリモート受信機を有する。
図１に示されるブロック線図を参照すると、検出プローブ１はワークと接触するためのフィーラおよびアーム２の変位を検出し、かつその検出プローブの状態の変化を示す検知信号を与える、たとえばスイッチデバイスのような検出手段３を有する。たとえば、蓄電池４のような電源はそれと接続されるスイッチデバイス３および送信機部の双方への電気を供給するために検出プローブに装着されている。
送信機部はスイッチデバイス３と接続される伝送ロジック回路13を備えた信号発生器、コーダユニット５およびアンテナ19を備えたFM無線周波数送信機18と接続される並列−直列コンバータ15を有する。このコンバータ15は“開始”発生器６と接続された入力端を有し、後記のような、前もって決めた周期のビット列からなるメッセージを含むコード化された直列信号を発生する。コーダユニット５の入力端は検出プローブの状態と関係する信号、蓄電池４からの電気出力および他の検出プローブに関係する情報を受け取る。
また、スイッチデバイス３は計数器14を備えた通知手段と接続されている。タイミング発生器は“刻時”発生器（クロック発生器）17およびプログラム可能な分周器16を備えている。この刻時発生器17は1MHzの周波数のパルスをプログラム可能な分周器16に送信している。プログラム可能な分周器16はコード化された直列信号のビット周期を決めるパルスをコンバータ15に発信する発生器ユニットを形成している。また、プログラム可能な分周器16は計数器14と接続され、後記のように計数器14と協動する。
図２はアンテナ20を有するインターフェースユニット11の受信機部、無線周波数FM受信機21および直列−並列コンバータ24を示している。FM受信機21およびコンバータ24は同期抽出用デジタル部と接続されている。このデジタル部は“刻時”発生器27、プログラム可能な分周器26およびロジック修正ユニット25を備えている。検出ユニット22およびラッチ回路23はコンバータ24と接続されている。また、検出ユニット22から制御のための信号を受信するラッチ回路23は数値制御ユニット10と接続されている。
上記の装置は以下の方法により運転する。
工作機械上の検出プローブ１によって行う検査サイクルにおいて、コンバータ15は前もって決めた周期のビット列からなるメッセージを含むコード化された直列信号をFM発振器18およびアンテナ19を通して連続して送信する。一般に、これらのメッセージは値が一定した不変の部分、すなわち、メッセージの開始を識別する、発生器６で生じた“開始”の列と、コーダユニット５が発生する、たとえば検出プローブの状態、蓄電池の状態および可能な限り識別コードおよび制御情報のような他の情報を示す変動する値を持つ部分とを含んでいる。この可変値はコーダユニット５において、たとえばロジック値“0"および“1"が２つの信号レベル（例は図３に示される）の間で一方向および他方向の変化としてコード化される、いわゆる“マンチェスタコード”に従う知られた方法によりコード化される。このコードはナル平均値に応じて余剰信号を発生するという、特別な利点があり、さらに検出プローブの状態に変化が生じたときはいつでも、メッセージのコード化された直列のビット列を容易に、かつ安全に中断するために他のコード化された可変値と容易に区別できる、“開始”の一定した列を得ることが可能である（たとえば、図３の列ST参照）。
どのような場合にも、一般に、ナル平均値に応じてコード化が可能であれば、別の知られた方法を利用することができる。
検出プローブ１のアーム２が動作したとき、ワークを接触するためにスイッチデバイス３の状態が変化し、検知信号が発生する。コーダユニット５でコード化されたこの信号はコンバータ５の動作を変化させる。伝送ロジック回路13は新たなメッセージを送らねばならないとき、パルスを発生する。新たなメッセージは検出プローブ１の状態の変化が生じたときはいつでも、以前のメッセージの終端に、つまり伝送中のメッセージの終端を待つことなく伝送される。伝送ロジック回路13からパルスが入力されたときはいつでも、並列−直列コンバータ15が装荷され、このためプログラム可能な分周器16から到達するそれに続くパルスが始まるとき、コンバータ15はそれの動作を直列フォームに変える。このようにして発生した直列メッセージはFM送信器18の入力端に達し、アンテナ19によって発信される。
さらに、図１を参照すると、３個のブロック14、16、17はコード化された直列信号のビット周期を決めるパルスを発生するために協働する。刻時発生器17によって与えられる刻時周波数に基づいてプログラム可能な分周器16は公称ビット周期TN（たとえば、50μsec）を指定するパルスを発生する。この公称ビット周期TNは、一般に、検出プローブ１の状態の変化を示す検知信号がないときに生じる公称伝送周波数に相当する。プログラム可能な分周器16は（その分周器16で生じたパルスを受信する）計数器14によって与えられている情報に基づくビット周期を指定し、公称ビット周期TNによって決まる時間の周期内において検出プローブ１の状態の変化が生じた瞬間を知らせる。
メッセージのうち、少なくとも何個分かのビット周期は状態の変化とメッセージの終端とにわたる時間遅れをほぼ一定に保つために遅れがスイッチデバイス３によって検知されたならば、僅かに変更し、増加し、減少させる。この方法では検出プローブ１の状態の変化に関係するメッセージが状態の変化に続く（プログラム可能な分周器16によって発生し、コンバータ15に送られる）最初のパルスの後、したがって変化する遅れの後にしか送ることができないとはいえ、先に述べた個々の遅れが変化するときも、状態の変化と関連する伝送メッセージの終端とにわたって時間を経ている遅れにつてはその値を変えることがない。
このため、インターフェースユニット11によって受信され、複合されるメッセージは一定の遅れ時間に基づき、しかも特別な追加の処理を行うことなく、検出プローブ１の状態の変化が生じた時点の瞬間に直ちに戻すことができる。
このための実施可能な実施例は模式的に図４に示されている。
もし、公称ビット周期TN内の理論上の瞬間C0の、たとえばその瞬間に伝送されるビットの中間で検出プローブ１の状態の変化が生じた場合、ビット周期は公称値TNのまま変えないでおく（図のＡ）。
もし、時間C0という瞬間に対して進んだ中で、、たとえばビットの第１半周期（C1）で検出プローブ１の状態の変化が生じた場合、後に続けて伝送されるビット（新しいメッセージの最初のビットを表わす）はその進みを完全に取り除くまで、公称値TNよりも僅かに短いビット周期T1を保って伝送される（図のＢ）。
最後に、もし、理論上の瞬間C0に対して遅れがある、たとえばビットの第２半周期（C2）で状態の変化が生じた場合、ビット周期はその遅れを完全に取り戻すまで増加したままにする（図のＣ）。
どの場合でも、理論上の瞬間C0と状態の変化との間に時間遅れがあるときはいつでも、検出プローブが状態を変えた瞬間と、メッセージの終端（F0、F1ないしF2）とにわたる経過時間τは一定に保たれている。
図４のブロックにおいては１個のメッセージを形成しているビット数が簡素化と明瞭化のために６個に限られているが、実際上の数は、一般に、これよりも大きい数（たとえば、26個）である。したがって、何個かのビットでビット周期が僅かずつ変化するのであれば、検出プローブ１の状態の変化と、メッセージの伝送の終端とにわたり経過する時間τを一定にすることはコンバータ15によって十分に保証することが可能である。実際は、図１に示されるブロック図に従ってプログラム可能な分周器16によって決められるビット周期が計数器14から受け取る値によって僅かに変化する（たとえば±１μsec）。
後者においては検出プローブ１の状態の変化が生じたときはいつでも、ある値がプログラム可能な分周器16から取り込まれる。取り込まれる値の基本単位はメッセージのビット数を示しており、メッセージのビット周期は遅れを一定に保持するために変える必要があり、こうした兆候はビット周期を増加ないし減少しなければならないかを表わす。
特に、もし状態の変化がその瞬間に伝送されているビットの中間の瞬間（C0）と一致する時間に生じる場合、計数器14では値０を取り込み、もし、状態の変化がビットの第１半周期（C1）中で生じた場合、ビットの中間の瞬間（C0）からの状態変化の時間の差を表わす負の値を取り込み、第２半周期（C2）の場合、ビットの中間の瞬間（C0）からの状態変化の時間の差を表わす正の値を取り込む（上述した場合の実際に計数器14において、取り込む値は−25から＋25まで変化する可能性がある）。
したがって、もし、計数器14の値が０であれば、プログラム可能な分周器16によって決まるビット周期は公称値TN（たとえば、50μsec）を保証し、もし、計数器14の値が負であれば、ビット周期は最小値（たとえば、49μsec）を保証し、もし、計数器14の値14が正であれば、ビット周期は最大値（たとえば、51μsec）を保証する。
プログラム可能な分周器16が新たなメッセージのビットを伝送するために新規のパルスをコンバータ15に送るたびに計数器14はその値が０になるまで、負の値を含むときは値を増し、あるいは正の値を含むときは値を減少させる。アンテナ19を介して送信機18から伝送される無線信号は受信機のアンテナ20に受信され、インターフェースユニット11のFM受信機21に達する。刻時発生器27はプログラム可能な分周器26の入力を与える基準周波数（たとえば、1MHz）を発生する。
このプログラム可能な分周器26はロジックユニット25から入力される修正値に従って変えることのできる公称分割値（たとえば、50）を有する。実際の分割値を得るためにこの公称分割値に上述した値を代数学的に加算する。プログラム可能な分周器26が公称分割数の中間値（たとえば、25）に“達する”たびにプログラム可能な分周器26は同期パルスを発生し、直列−並列コンバータ24に送信する。
ロジックユニット25はFM受信機21からの信号出力の状態に変化が生じるたびにプログラム可能な分周器26が同時刻を保証する値に基づいて修正値を再決定し、この結果、後に続く分割数を決定することができる。受信状態の同期抽出は直列メッセージを発生するために選択されたマンチェスタコードの余剰部分によって簡便に行える。
ロジックユニット25の目的は伝送に合わせて各局面での受信における周期を保持することであるので、ロジックユニット25によって指定された修正値は受け取ったあらゆるビットの基本的な瞬間として決定される、先に説明された例の理論上の瞬間に対して受信機における同期パルスの進みないし遅れを修正する。ロジックユニット25によって行われる、簡素なアルゴリズムは刻時発生器27の周期をもってFM受信機26からの信号出力の状態のあらゆる変化と、プログラム可能な分周器26が再装荷された瞬間、すなわち、分周器26が公称分割数の中間値に“達する”瞬間との差を測定する。
この修正値は一定の値（たとえば、８）を基準として上記の差を割ることによって決定される。プログラム可能な分周器26によって発生した同期パルスは直列−並列コンバータ24における直列メッセージを装荷するために用いられる。
検出ユニット22は開始列、（たとえば、マンチェスターコードに従う）余剰コードおよび制御ビットの全メッセージを修正する分析を行い、最終的にラッチ回路23を検出プローブ１の状態、蓄電池４の状態およびメッセージ上の他の変化する現在のいずれかの状態を識別する値を最新のものにすることができる。その後、これらの値は検査サイクルに関係する情報を得るために用いられる数値制御ユニット10に与えられる。
本発明による装置ではFM送信機18および対応する受信機21は他の方式（たとえば、振幅変調方法、または“スペクトル拡散”変調方式）、あるいは無線周波数を使用しないもの（たとえば、赤外線光学システム）による送信機および受信機によって置換して構成してもよい。
さらに、上述した伝送装置は工作機械および／またはスタイラスの変位量を測定する、伝送される値が単に接触式検出プローブの検知状態にあるときだけでなく、別の検出手段を用いて測定ヘッドから与えられる値が数値である測定機械のための用途に利用することができる。しかし、これらは伝送遅れが決定的に重要と推定される用途である。
本発明による別の装置および方法の実施例への改良が図示され、かつ詳述された装置に加えることができる。たとえば、検出プローブ１の状態の変化による遅れに従い、プログラム可能な分周器16によって与えられる公称周波数を実質的に連続した方法、別の言葉でメッセージを形成している各ビットのビット周期を均一に保つ方法で変えることができる。ここに述べた方法の一部分の実施例は正にこの装置が達成しようとした反復性のレベルに従い明らかに実行可能なものである。
他の可能な変形例によれば、検出プローブ１の状態の変化がない場合に伝送ロジック回路13がある時間間隔でパルスを送信すること、２つを順々に行う伝送の合間についてFM送信機を切ることで、主要な電力消費の要素での蓄電池４の電力消費を制限することが可能である。
この場合、インターフェースユニット11で同期抽出を保証するのに十分な値を交互に用いるビット列からなる“前文”を使用し、これを開始列の前に挿入して直列に伝送されるメッセージの不変の部分を適当に拡張するのが好ましい。
２点にわたる伝送経過時間は検出プローブが検査サイクルを行う機械の可動部品での制動時間よりも小さくなる方法により決定し、伝送装置に予想外の故障が生じるようないかなる場合でも検出プローブ１と、たとえば工作機械の部品との間で衝撃が加わるのを防ぐようにする。

Claims (13)

1. 測定プローブ（１）とリモート受信機（11）との間で信号を無線伝送するための装置であって、
   前記測定プローブ（１）に設けられ、前記測定プローブ（１）の状態の変化を検出しかつ関連する測定信号を与える検出手段（３）と、
   前記検出手段（３）と接続され、前記測定プローブの状態についての情報を含む信号を発生するように適応させた信号発生器（５、６、13、15）と、
   前記信号発生器と接続されるタイミング発生器（16、17）と、
   を備え、
   前記信号発生器（５、６、13、15）は、前記測定プローブの状態についての前記情報を含むためにコード化されたビット列を有する、直列信号を発生するように適応されており、
   前記タイミング発生器（16、17）は、前記ビット列のビットに対する公称ビット周期（TN）を決めるように適応されており、
   前記装置は、通知手段（14）をさらに備え、
   前記通知手段（14）は、
   前記測定プローブ（１）の状態の変化が生じた前記公称ビット周期内における瞬間（C1、C2）を、前記測定信号に基づいて知らせるために前記検出手段（13）に接続されているとともに、
   前記瞬間（C1、C2）と前記ビット列の終端（F1、F2）とにわたる経過時間がほぼ一定した値（τ）になるのを保証するような方法で、前記ビット列のうち少なくとも１ビットのビット周期（T1、T2）を、前記瞬間（C1、C2）に応じて、変化させるために前記タイミング発生器（16、17）に接続されている、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記測定プローブが接触式検出プローブ（１）であり、前記検出手段が前記測定プローブ（１）の状態の変化による検知信号を与えるスイッチデバイス（３）を備え、前記スイッチデバイス（３）が前記通知手段（14）と接続されてなる請求の範囲第１項記載の伝送装置。
3. 前記信号発生器（５、６、13、15）が開始発生器（６）と、前記ビット列を発生するコーダユニット（５）とを備え、前記開始発生器（６）が前記ビット列の開始を識別する不変の信号（ST）を発生するように適応される請求の範囲第２項記載の装置。
4. 前記タイミング発生器が刻時発生器（17）と、この刻時発生器（17）と接続され、前記ビット列の該ビット周期を発生する発生器ユニット（16）とを備えると共に、前記通知手段が前記発生器ユニット（16）と接続され、前記公称ビット周期（TN）に対して、少なくとも前記ビットの前記ビット周期（T1、T2）を変える計数器（14）を備えてなる請求の範囲第３項記載の装置。
5. 前記リモート受信機（11）が前記公称ビット周期（TN）に対する該ビット周期の変化量を検出し、かつ修正するように適応されるロジック修正ユニット（25）を有する周期抽出用デジタル部（25、26、27）を備えてなる上記請求の範囲のいずれか１項記載の装置。
6. 無線周波数送信機（18）と、無線周波数受信機（21）とを備え、前記無線周波数受信機（21）は前記測定プローブ（１）と、前記ビット列を該測定プローブ（１）から前記無線周波数受信機（21）に無線伝送するリモート受信機（11）とにそれぞれ接続されてなる上記請求の範囲のいずれか１項記載の装置。
7. 測定プローブ（１）とリモート受信機（11）との間で信号を無線伝送するための方法であって、
   前記測定プローブ（１）は、前記測定プローブ（１）の状態の変化を検出する検出手段（３）と、送信機部（13−19）とを備え、
   前記方法は、
   前記送信機部（13−19）を用いて、前記測定プローブの状態に関係する情報を含む信号を発生し、かつ送信する工程と、
   前記測定プローブの状態の変化を検出する工程と、
   前記測定プローブの状態についての前記情報を変えるために前記信号を修正する工程と、
   を備え、
   前記信号は公称ビット周期（TN）を有するビット列を含むコード化された直列信号であって、前記ビット列が前記測定プローブの状態に関係する前記情報を含むようにコード化されており、
   前記方法は、
   前記公称ビット周期（TN）内において前記状態の変化が生じた瞬間（C1、C2）を検出する工程と、
   前記瞬間（C1、C2）と前記ビット列の終端（F1、F2）とにわたる経過時間がほぼ一定した値（τ）になるのを保証するような方法で、前記ビット列のうち少なくとも１ビットのビット周期（T1、T2）を、前記瞬間（C1、C2）に応じて、変化させる工程と
   をさらに備える
   ことを特徴とする方法。
8. 前記測定プローブが検知信号を発生するスイッチデバイス（３）を有する接触式検出プローブ（１）である装置において、前記検知信号は前記検出プローブ（１）の状態の変化を検出するようにした請求の範囲第７項記載の方法。
9. 前記直列信号を無線周波数伝送を用いて前記検出プローブ（１）の前記送信機部（13−19）から前記リモート受信機に無線周波数で伝送するようにした請求の範囲第８項記載の方法。
10. 前記公称ビット周期（TN）が前記検出プローブ（１）の状態の変化に対する理論上の瞬間（C0）を定めており、前記状態の変化が生じた瞬間（C1、C2）と前記理論上の瞬間（C0）との間の時間差を検出し、その結果として、前記ビット列のうちの、少なくとも１ビットのビット周期を変えるようにした請求の範囲第９項記載の方法。
11. 前記コード化された直列信号がナル平均値のコードに従いコード化される可変の部分を有する請求の範囲第10項記載の方法。
12. 前記コードがマンチェスタ形式からなるコードである請求の範囲第11項記載の方法。
13. 前記ビット列が該ビット列の開始を識別する不変の部分（ST）を有する請求の範囲第７項ないし第12項のいずれか１項に記載の方法。

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