JP2001082952A

JP2001082952A - ねじ形状測定方法

Info

Publication number: JP2001082952A
Application number: JP26049099A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Nakayama; 力中山; Keiji Ishikawa; 啓治石川; Masakazu Matsumoto; 正和松本; Takashi Noda; 孝野田; Tetsuo Kimura; 哲郎木村
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2001-03-30
Anticipated expiration: 2019-09-14
Also published as: JP4208357B2

Abstract

(57)【要約】【課題】一般的な三次元測定機を利用してねじ形状の
各種特性値の測定を行うことができるねじ形状測定方法
を提供すること。【解決手段】測定すべきねじ形状を有するワークが装
着される三次元測定機と、この三次元測定機に装着され
る倣いプローブと、この倣いプローブに装着されかつワ
ークに接触される接触部を有するスタイラスとを用い、
前記倣いプローブの倣い測定軸線と前記ねじ形状の中心
軸線とを合わせる軸合わせ工程（処理ST4）と、前記ス
タイラスを前記ねじ形状に接触させつつ前記倣いプロー
ブを前記倣い測定軸線に沿って移動させる倣い測定工程
（処理ST5、ST8）と、前記倣い測定で得られた測定デー
タから前記ねじ形状の各種特性値を演算する演算工程
（処理ST7、ST9）と、を実行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ねじ形状測定方法
に関し、特に一般的な三次元測定機を利用して、ねじ形
状の特性値を測定できるようにしたねじ形状測定方法に
関する。

【０００２】

【背景技術】従来、物品等の表面の形状測定には三次元
測定機が多用されている。三次元測定機では、形状測定
を行う物品等（ワーク）をテーブル上に載置しておき、
このテーブルに対して三次元的に相対移動するプローブ
先端のスタイラスをワーク表面に接触させる。そして、
接触した点の三次元座標位置を読出すことを順次繰返す
ことで、ワーク表面の立体形状を精密に捉えることが可
能である。

【０００３】このような三次元測定機においては、従
来、一般的なワーク表面の形状測定の他、ワーク表面に
形成された穴の内径や中心軸位置の測定なども行われて
いる。また、ワーク表面に形成されたねじ穴について、
各々の中心軸位置の測定あるいは複数のねじ穴の軸間距
離の測定も行われている（特開平6-341826号公報な
ど）。

【０００４】ねじ形状（ねじ穴＝雌ねじ、ねじ軸＝雄ね
じ）については、中心軸位置の他に、ねじ形状の特性を
規定する多様なパラメータ（特性値）が存在する。例え
ば、ねじピッチ、ねじ有効径、ねじ山角度、ねじ切り長
さ等である。これらのねじ形状の特性値を測定する技術
としては、従来様々な測定方法が知られている。

【０００５】例えば、光学式の変位センサをねじ形状に
対して軸方向に移動させ、ねじ山の輪郭を非接触で倣い
測定することで、ねじピッチ、ねじ山高さ、ねじ径、ね
じテーパー等を測定するものがある（特開昭62-27607号
公報、特開平9-264719号公報など）。また、非接触でな
くねじ形状の軸線方向の輪郭を接触計測し、更にねじ溝
に沿った形状測定により、ねじ形状の精密測定を行う技
術も知られている（特開昭55-113907号公報など）。

【０００６】なお、ねじ軸の有効径を測定する技術とし
ては、従来より三針測定法が知られている。これは、ね
じ軸の片側に２本、反対側に１本の針を、それぞれねじ
溝に収るように配置し、各側の針を押えるようにマイク
ロメータスピンドルで挟み、既知の針径に基づいて既定
の演算式からねじ有効径を算出するものである。このた
めに、専用の三針ゲージ、三針用アダプター、三針測定
台が開発されている。これら三針式の測定については、
JIS B 0271に規定がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、ねじ形
状の特性値に対する測定技術は種々あるものの、一般的
な三次元測定機を用いた形状測定の一環としてのねじ形
状の測定は行われていなかった。これは、三次元測定機
を利用してねじ形状の各種測定を行うためには、既存の
プローブ、スタイラスといったハードウェアが適してい
ないとともに、動作プログラムにおいてもねじ形状の各
種測定を行うための測定コマンドや測定アルゴリズムが
準備されていなかったことによる。しかし、製品製造工
程におけるインライン測定に三次元測定機の導入が進ん
でいることもあり、ねじ形状の各種測定も三次元測定機
で自動的に行えるようにすることが要望されていた。

【０００８】本発明の目的は、三次元測定機を利用して
ねじ形状の各種特性値の測定を行えるねじ形状測定方法
を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】（基本構成）本発明は、
三次元測定機を利用してねじ形状の測定を行うねじ形状
測定方法であって、測定すべきねじ形状を有するワーク
が装着される三次元測定機と、この三次元測定機に装着
される倣いプローブと、この倣いプローブに装着されか
つワークに接触される接触部を有するスタイラスとを用
い、前記倣いプローブの倣い測定軸線と前記ねじ形状の
中心軸線とを合わせる軸合わせ工程と、前記スタイラス
を前記ねじ形状に接触させつつ前記倣いプローブを前記
倣い測定軸線に沿って移動させる倣い測定工程と、前記
倣い測定で得られた測定データから前記ねじ形状の各種
特性値を演算する演算工程と、を含むことを特徴とす
る。

【００１０】（基本構成の要素）測定対象のねじ形状と
しては、ねじ穴（雌ねじ）およびねじ軸（雄ねじ）の何
れであってもよい。また、通常のねじ穴やねじ軸の他、
半周分の部分ねじ等を対象としてもよい。軸合わせ工程
でのねじ形状の中心軸線は、ワークの設計データを参照
してもよく、他の測定動作により仮測定を行ってもよ
い。各特性値の演算にあたっては、倣い測定工程と並行
する形で演算工程を行ってもよく、あるいはある特性値
について倣い測定工程を行った後その特性値の演算工程
を行い、次に別の特性値について倣い測定工程を行った
後その特性値の演算工程を行う等としてもよい。

【００１１】倣いプローブとしては、装着したスタイラ
スを測定対象表面に当接させつつ滑らせてこの表面の輪
郭形状を測定する、いわゆる倣い測定を行うために用い
られている既存の倣い測定用のプローブを用いればよ
い。スタイラスとしては、先端に球状の接触部を有する
既存のものを用いればよい。この際、一つの接触部を有
するものに限らず、先端が枝状に分岐して複数の接触部
を有するもの、例えば十字型スタイラスなどを用いても
よい。

【００１２】三次元測定機としては、ワークを載置する
テーブルとプローブ装着部分とが三次元で相対移動する
既存のものが利用できる。三次元測定機に各工程を実行
させるために、制御手段として、三次元測定機の動作制
御およびデータ処理を行うために用いられているホスト
コンピュータ、ホストコンピュータと三次元測定機の間
に介在してホストコンピュータからの動作指令に基づい
て三次元測定機を作動させるコントローラ等、三次元測
定機の制御に用いられている既存の装置を用いればよ
い。各工程を実行させるための動作プログラムは、外部
で作成して磁気テープ、ディスク等の既存の情報記録媒
体によって、またはオンライン通信で制御手段にロード
されるようにすればよい。

【００１３】（基本構成の作用効果）このような本発明
においては、三次元測定機ないしスタイラスにより通常
のワーク表面の形状測定を行うことができる。つまり、
倣いプローブ、スタイラスに至るプローブ群は既存の構
成であり、通常のワーク表面の形状測定動作を妨げるも
のではない。一方、ワークに形成されたねじ形状につい
ても、同じ装置のままねじ形状の各種特性値の測定を行
うことができる。

【００１４】すなわち、軸合わせ工程により、倣いプロ
ーブがワーク表面のねじ形状に対して、その軸線方向に
倣い方向が合わせられた所定の姿勢でセットされる。そ
して、倣い測定工程により、ねじ形状が倣い測定され
る。さらに、演算工程により、倣い測定によるデータか
ら、ねじ形状のねじピッチ、ねじ山角度、ねじ切り深さ
等の特性を演算することができる。

【００１５】従って、三次元測定機を用いて、通常のワ
ーク表面の形状測定から、従来は別途作業が必要だった
ねじ形状の測定までをシームレスに実行することがで
き、製造ライン等でのインライン測定を行うことも可能
となる。

【００１６】（軸合わせ工程に関して）本発明におい
て、前記軸合わせ工程の前に、前記三次元測定機に設定
される機械座標系と前記ワークに設定されるワーク座標
系と前記倣いプローブおよびスタイラスに設定されるプ
ローブ座標系との各々の間の相対関係を合わせる座標合
わせ工程を行うことが望ましい。

【００１７】機械座標系とは、三次元測定機のテーブル
等の上に設定される座標系であり、三次元測定機はこの
座標系に基づいて動作する。適宜交換されるプローブ等
の座標系をこの機械座標系に校正するために、テーブル
上には例えば球状の校正ポイント等が設置される。この
ような校正ポイントに複数方向から接触することで、座
標系の校正を行うことができる。

【００１８】ワーク座標系とは、ワークに設定される座
標系であり、一般に設計データはこのワーク固有の座標
系をとることになる。ワークを三次元測定機のテーブル
に載置して測定を行う場合、ワーク各部の位置が機械座
標系で表現される必要がある。ここで、ワークのＸＹＺ
各軸が三次元測定機の機械座標系の各軸方向と一致して
いるなら、ワーク座標原点の機械座標値を単純オフセッ
トとして加減算すればよい。一方、ワークのＸＹＺ各軸
が機械座標系の方向に対して傾いているなら、回転成分
を含めた変換が必要になるが、何れにせよ既存の演算処
理で統合することができる。

【００１９】プローブ座標系は、三次元測定機のプロー
ブ取付け部の基準位置等から相対指定される接触部の位
置等を表すものであり、機械座標系における現在のプロ
ーブ座標系の原点位置とプローブ座標系の接触部座標値
とから、機械座標系における接触部の座標値が得られ
る。なお、ワーク座標系の場合と同様、各軸方向が一致
している場合は単純な加減算で済むが、傾いている場合
や軸周りに回転している場合には角度を含めた演算が必
要になる。

【００２０】更に、軸合わせ工程については以下のこと
が言える。まず、前記倣いプローブの倣い測定軸線と
は、倣いプローブが倣い測定を行う際の倣い移動方向で
ある。この倣い測定軸線は、回転プローブヘッドの回転
角度と傾き角度、および三次元測定機の移動位置に基づ
いて特定することができる。すなわち、三次元測定機の
機械座標系に対して、プローブ座標系の初期状態が確認
できていれば、その後のスタイラスの位置および向きは
一意に決定できる。

【００２１】一方、前記ねじ形状の中心軸線は、ワーク
の設計データに対応するワーク座標系と三次元測定機の
機械座標系とから特定することができる。すなわち、三
次元測定機の機械座標系におけるワークの固定状態によ
りワーク座標系と機械座標系のオフセット（３軸の変位
および傾き）が決定されるが、このオフセットとワーク
の設計データ上のねじ形状の中心軸線（位置および方
向）とを合わせれば、機械座標系でのねじ形状の中心軸
線が算出できる。これらにより、各々の軸線を機械座標
系に変換すれば、各々を合わせる操作は既存の技術によ
り適宜行うことができる。

【００２２】なお、ねじ形状の中心軸線の深さ０の位置
に、ねじ形状の基準面を想定することができる。この
際、ねじ形状の中心軸線はねじ形状の基準面法線とな
る。通常、ねじ形状はワークの表面に垂直に彫込まれる
ので、ねじ形状の基準面はワークの表面に平行となり、
ねじ形状の深さ０となる開口面つまりワーク表面が基準
面となる。従って、ワークのねじ形状形成部位の表面に
垂直な法線方向がねじ形状の軸線となっていることが一
般的であり、ワーク表面の形状からねじ形状の軸線方向
を決定することもできる。但し、ワーク表面から傾いた
ねじ形状については、基準面はワーク表面に一致せず、
設計データ等から軸線方向を割出すことが望ましい。

【００２３】（倣い測定工程に関して）本発明におい
て、前記倣い測定工程は、前記ねじ形状の周方向の複数
箇所について各々軸線に沿って倣い動作を行うことが望
ましい。倣い動作としては、次のような形態が選択でき
る。

【００２４】ねじ穴を対象にする場合、開口側から奥へ
進む方式と、先に先端（底部）まで進み開口まで戻る方
式とが採用できる。具体的に、前者としては、先ずワー
クのねじ穴開口周辺にスタイラスを当接させ、この状態
でねじ穴内側に移動させ、ねじ穴内へ入る。そして、内
周面のねじ形状を倣いながらねじ穴の先端まで倣い移動
させる。後者としては、先ずワークのねじ穴の先端（底
面）へ中心軸線に沿ってスタイラスを挿入し、外側に寄
って内周面のねじ形状に接触させる。そして、中心軸線
に沿って開口まで倣い移動させる。

【００２５】ねじ軸を対象にする場合、根元側から先端
に向けて進む方式と、先に先端まで進み根元まで戻る方
式とが採用できる。具体的に、前者としては、先ずねじ
軸の根元周辺のワーク表面にスタイラスを当接させ、内
側に寄ってねじ形状に接触させる。そして、ねじ軸に沿
って先端まで倣い移動させる。

【００２６】一方、後者としては、先ずねじ軸の先端の
外周近傍にスタイラスを配置し、外周面に接触させる。
そして、ねじ軸に沿って根元まで倣い移動させる。倣い
動作する複数箇所としては、例えば90度間隔で３〜４カ
所が適当といえる。３カ所より少ないと演算が難しく、
４カ所より多いと工数が増加する。

【００２７】なお、前記倣い動作をねじ穴の底面に向け
て行う場合、ねじ形状の不完全ねじ部が始まる位置で終
了することが望ましい。この際、前記完全ねじ部の終了
は、倣い動作の間に検出されるねじ形状の輪郭データの
変化が一定幅以下になった場合に終了と判定することが
望ましい。

【００２８】ねじ軸の根元に向って倣い動作する場合に
は、ねじ形状の完全ねじ部の長さを予めワークの設計デ
ータを参照して記憶しておき、この長さ分移動した時点
で減速等することが望ましい。このようにすれば、ねじ
穴底面やワーク表面に対するスタイラスの衝突等の障害
を未然に回避できる。

【００２９】前述した演算工程について、以下のことが
言える。前記演算工程は、前記倣い測定による測定デー
タのねじ部のねじ谷深さの変化またはねじピッチの変化
から不完全ねじ部を判定する不完全ねじ部判定処理を含
むことが望ましい。

【００３０】一般に、ねじ形状は、基部（ねじ穴の開口
近傍、ねじ軸の根元）から続く完全ねじ部と、先端近傍
に存在する不完全ねじ部とに区分できる。本発明で測定
するねじ形状の特性値は、本来のねじ形状としてのもの
であるから、完全ねじ部を測定対象とし、不完全ねじ部
の情報は含まれない方が望ましい。また、ねじ長は完全
ねじ部の長さであるから、この値をとるためには不完全
ねじ部の判別は必須となる。

【００３１】不完全ねじ部判定処理は、ねじ形状軸線方
向に対するねじ部のねじ谷深さの変化またはねじピッチ
の変化から、予め求めた関数または数値表に基づいて近
似を行うことで、前記不完全ねじ部の開始点を判定する
ことが望ましい。このようにすれば、連続するねじ形状
に対しても比例計算等で完全ねじ部の境界を規定するこ
とができ、完全ねじ部の区間を確定することでねじ有効
長さを測定することができる。

【００３２】前記演算工程は、前記倣い測定による測定
データからねじ部の測定輪郭形状を取出し、この測定輪
郭形状においてねじ斜面部分を直線で近似することで近
似輪郭形状を取出し、この近似輪郭形状からねじピッ
チ、ねじ山角度、ねじ切り深さを判定する近似輪郭形状
処理を含むことが望ましい。このようにすれば、ねじピ
ッチ、ねじ山角度、ねじ切り深さ等のねじ形状の各種特
性値の測定を容易に行うことができる。

【００３３】前記演算工程は、前記倣い測定による測定
データからねじ部の測定輪郭形状を取出し、この測定輪
郭形状においてねじ斜面部分を直線で近似することで近
似輪郭形状を取出し、この輪郭形状に従来の三針法の針
の代替となる仮想円を接触させ、従来の三針法によりね
じ形状の有効径を算出する有効径算出処理を含むことが
望ましい。このようにすれば、ねじ形状の有効径の測定
を容易に行うことができる。

【００３４】（プローブに関して）本発明において、前
記倣いプローブは回転プローブヘッドを介して前記三次
元測定機に装着され、前記軸合わせ工程では前記スタイ
ラスの軸線が前記倣い軸線に合うように前記回転プロー
ブヘッドを傾けることが望ましい。

【００３５】回転プローブヘッドとしては、基部が三次
元測定機のプローブ装着部分に装着可能で、先端部に他
のプローブが装着可能であるとともに、先端部が基部に
対して任意の方向へ回転または回動できるようになった
既存のものを用いればよい。通常、プローブ装着部分の
装着軸線周りに回転可能であり、かつこの軸線に対して
0度から90度まで傾斜可能な２自由度のものが用いられ
る。

【００３６】本発明において、前記倣い測定工程では側
方に分岐した接触部を有する分岐型スタイラスを用いる
ことが望ましい。分岐型スタイラスとしては、例えば十
字型に分岐した各先端に接触部を有する十字接触子など
が利用できる。

【００３７】このようにすれば、ねじ形状内側の複数箇
所を倣い測定する場合など、各測定個所に最寄の側の接
触部を用いることで、スタイラスを測定個所に合わせて
回転させる等の補助的な動作を省略できる。このほ
か、ねじ軸の外周であれば通常の直線的な軸部の先端に
球状の接触部が一個だけ付いた標準スタイラスも使用で
き、先端がＬ字型に折れ曲った形状のスタイラスを用い
てねじ穴内の測定が可能である。

【００３８】本発明において、前記分岐型スタイラスを
用いて前記倣い測定工程に先立って、前記専用スタイラ
スの接触部が突出する方向が前記倣い測定で検出する輪
郭変動の方向に一致するように姿勢を調整しておくこと
が望ましい。このような操作は、前述の回転プローブヘ
ッドを用いることで簡単に実行することができる。ある
いは回転プローブヘッドがなくてもツールストッカから
の掴み直しをすることで実現可能である。このようにす
れば、倣い測定に最適な姿勢での測定動作を実行するこ
とができる。

【００３９】この際、ツールストッカにおけるスタイラ
スは、三次元測定機に装着された際に常に各スタイラス
の軸線方向が三次元測定機の軸線方向に対応した所定の
姿勢となるように保持しておくことが望ましい。

【００４０】このようにすれば、特定の方向に分岐した
接触部を有する分岐式のスタイラスを用いる場合に、接
触部の突出側が三次元測定機の座標系から確実に識別で
き、ねじ形状の特定の側を倣い測定する際に確実な対応
をとることができる。但し、このようにした場合でも、
装着後に校正ポイント等による方向チェックと、回転プ
ローブヘッド等による方向調整とを確実に行うことが望
ましい。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を、図
面に基づいて説明する。図１には、本発明に基づきねじ
形状の測定も行えるようにした三次元測定機10が示され
ている。三次元測定機10は、三次元測定機本体11と、こ
の三次元測定機本体11から必要な測定値を取り込んで、
これを処理するためのホストシステム12とから構成され
ている。

【００４２】三次元測定機本体11は、次のように構成さ
れている。すなわち、除振台111の上には、定盤112（テ
ーブル）がその上面をベース面として水平面と一致する
ように載置され、この定盤112の両側端から立設された
アーム支持体113,114の上端にＸ軸ガイド115が支持され
ている。

【００４３】アーム支持体113は、その下端がＹ軸ガイ
ド116に沿ってＹ軸方向に移動可能に配置され、また、
アーム支持体114は、その下端がエアーベアリングによ
って定盤112上にＹ軸方向に移動可能に支持されてい
る。

【００４４】前記Ｘ軸ガイド115は、垂直方向に延びる
Ｚ軸ガイド117をＸ軸方向にガイドする。Ｚ軸ガイド117
には、Ｚ軸アーム118がＺ軸ガイド117に沿って移動する
ように設けられ、Ｚ軸アーム118の下端に接触式のプロ
ーブ13が装着されている。

【００４５】プローブ13は、定盤112上に載置された被
測定物Ｗに接触した際にホストシステム12へ接触検出信
号を出力する既存のタッチトリガープローブあるいは接
触状態で倣い動作することで輪郭形状を連続して出力す
る倣いプローブ等であり、接触時点のＸ，Ｙ，Ｚ軸座標
値あるいは連続した倣い測定データがホストシステム12
に送られて定義演算処理されるようになっている。

【００４６】なお、プローブ13は、後述するように回転
プローブヘッドを介してＺ軸アーム118に接続されると
ともに、先端のスタイラスが適宜交換可能である。この
際、交換したスタイラス毎の変動誤差を抑えるために、
三次元測定機11はスタイラス交換のつど校正動作を行う
ようになっている。このために、定盤112の角隅部分に
は校正ポイント119が設置されている。

【００４７】校正ポイント119は、球状の先端を有し、
その中心位置および半径は正確に計測済である。従っ
て、スタイラス交換をした場合、この校正ポイント119
の計測により、個々のスタイラスの誤差を算出してその
分の補正を行うことができる。これにより、三次元測定
機10に規定される機械座標系と、プローブ13ないしスタ
イラスに設定されるプローブ座標系との座標合わせが行
なわれるようになっている。

【００４８】ホストシステム12は、次のように構成され
ている。すなわち、ホストシステム12は、ホストコンピ
ュータ121と、モニタ122、プリンタ123およびキーボー
ド124とを備えている。ホストコンピュータ121は、プロ
ーブ13からの信号からワークＷの形状データを演算する
既存のソフトウェアプログラムを備え、これらを適宜実
行して所定の演算処理を行うことができるものである。

【００４９】具体的には、プローブ13がタッチトリガー
プローブである場合、接触信号に基づいて三次元測定機
本体11の現在位置座標値を読出し、プローブ13先端の接
触部の座標位置を割出す。この値はプローブ13が接触し
たワークＷ表面の位置となる。また、プローブ13が倣い
プローブである場合、三次元測定機本体11に所定の倣い
動作を実行させるとともに、プローブ13からの測定デー
タを連続的にモニタし、輪郭形状として記録する。これ
によりワークＷの特定部分の輪郭形状が測定できる。

【００５０】図２にはプローブ13が示されている。前述
したように、本実施例のプローブ13は、回転プローブヘ
ッド131を介してＺ軸アーム118に装着されている。ま
た、前述のように、プローブ13としてはタッチトリガー
プローブあるいは倣いプローブが適宜選択される。

【００５１】回転プローブヘッド131は、回転軸132を中
心にしてプローブ13が0度から90度まで傾斜するように
回転可能である（図中Ａ方向）。また、Ｚ軸アーム118
に対する連結軸133に対して、本体部分が360度回転自在
である（図中Ｂ方向）。プローブ13に装着されるスタイ
ラスとしては、直線状の標準スタイラス134または四方
に分岐を有する十字スタイラス135が適宜選択される。
何れのスタイラスも、先端に球状の接触部136を備えて
いる。

【００５２】前述したプローブ13およびスタイラス134,
135は、それぞれホストコンピュータ12からの動作指令
に基づいて適宜交換される。また、選択的に使用される
プローブ13およびスタイラス134,135は、三次元測定機
本体11の移動範囲内に配置されたツールストッカに準備
しておくことで自動交換可能となっている（図１では省
略）。

【００５３】次に、三次元測定機10を用いて行われるね
じ形状の測定について説明する。図３には、本実施形態
で測定するねじ形状の特性値が示されている。図３にお
いて、ワークＷの表面Ｗ１にはねじ穴WHが形成されてお
り、その内周にはねじ形状WSが形成されている。ねじ形
状WSは開口SOから奥へ完全ねじ部S1、不完全ねじ部S2、
ドリル下穴部S3となっている。ここで、ドリル下穴の深
さSM、完全ねじ部S1のねじ長SL、完全ねじ部S1のねじ有
効径SD、ねじ形状WSの中心軸線S4の位置SPが測定すべき
特性値となっている。

【００５４】これらの特性値を測定するために、本実施
形態では図４、図５、図６に示す一連の処理を実行す
る。これらの処理は、ホストコンピュータ12で実行され
るプログラムに基づく動作指令に従って三次元測定機本
体11が動作することで実行される。

【００５５】はじめに、座標系の設定を行う（処理ST
1）。この処理では、通常使用しているタッチトリガー
プローブと標準スタイラス134を装着した状態で、前述
した校正ポイント119による機械座標系とプローブ座標
系との整合を行った後、ワークＷの所定の表面部位を数
点測定する。つまり、ワークＷの表面部位は予め設計デ
ータに基づいて解っているが、ワークＷの定盤112に対
する載置状態に応じて各点の測定値は変化する。従っ
て、ここで複数点の測定値から校正値を割出し、この後
のワークＷ各部の測定値を補正するようにする。

【００５６】次に、ワークＷのねじ形状WSの中心座標S
P'の仮測定を行う（処理ST2）。この処理では、既存の
ねじ測定マクロコマンド等を利用する。具体的には、前
述した従来のねじ軸位置測定方法を利用する。この処理
によりねじ形状WSの中心軸線S4の位置SP'が暫定的に測
定される

【００５７】暫定的な中心軸線S4の位置SP'が得られた
ら、測定対象の特性値の一つであるドリル下穴の深さSM
の測定を行う（処理ST3）。この処理においては、先ず
プローブ13をタッチトリガープローブから倣いプローブ
に交換する。但し、スタイラスは標準スタイラス134と
する。交換したら校正ポイント119で校正をしておく。

【００５８】この状態で、プローブ13を移動させ、スタ
イラス134をねじ穴WH内に導入し、中心軸線S4に沿って
降下させ、図７に示すように先端の接触部136を底部中
心S5に接触させる。接触までの移動距離はワークＷの設
計データを参照して概略的に決定すればよい。スタイラ
ス134の接触部136が底部中心S5に接触した状態では、接
触部136の半径r、ドリル下穴部S3の内径dとして、X=(d/
2)tanθ-r/cosθがドリル下穴部S3下端から接触部136の
中心までの距離となる。従って、中心軸線S4の方向の座
標位置からXを引いたものがドリル下穴の深さSMとな
る。

【００５９】次に、測定対象の特性値であるねじ形状WS
の中心座標SPの本測定と有効径SDの測定を行うための処
理に移る。まず、倣いプローブになっているプローブ13
から標準スタイラス134を外し、十字スタイラス135を装
着する。装着したら校正ポイント119で校正をしてお
く。併せて、スタイラス135の姿勢を調整しておく。具
体的にはスタイラス135の+Y軸側、-Y軸側、+X軸側、-X
軸側の接触部136が正しく機械座標系の各軸方向に向く
ように向きを調整する。この状態で、回転プローブヘッ
ド131を作動させ、プローブ13の倣い軸線をねじ穴WHの
中心軸線S4に合わせる。中心軸線S4としてはワークＷの
設計データ値を参照する（処理ST4）。

【００６０】この状態で、ねじ穴WHの内周のねじ形状WS
の倣い動作を行う（処理ST5）。この倣い動作の詳細は
図５に示されている。すなわち、スタイラス135をねじ
穴WHの開口中心位置に配置し（処理ST11）、ねじ穴WH内
に導入したうえ、中心軸線S4に沿って下降（奥側へ移
動）させる（処理ST12）。ワークＷの設計データあるい
は先に測定したドリル下穴の深さSMに基づいて接触部13
6がねじ穴底部近傍に達したら減速し、底面に達したら
移動を停止する（処理ST13）。

【００６１】続いて、何れかの接触部136の方向（例え
ば+Y方向）へ径方向移動させ（処理ST14）、この接触部
136がねじ形状WSに接触したら停止させる（処理ST1
5）。この状態で、中心軸線S4に沿ってスタイラス135を
上昇（開口側へ移動）させ（処理ST16）、ねじ穴開口SO
に達したら（処理ST17）、スタイラス135をねじ穴WHの
外へ取出す（処理ST18）。このうち、処理ST16の間にね
じ形状WSの輪郭データを測定する。

【００６２】これらの一連の動作は図８に示すようにな
る。図８において、各矢印は接触部136の軌跡を示す。
これらにより、ねじ形状SWの一方向（+Y方向）の輪郭が
仮に測定され、この方向における開口SOからの山谷が把
握される。

【００６３】図４に戻って、ねじ穴WHの有効径SDおよび
中心位置SPを測定するために、ポイント測定を+Y,-Y,+
X,-X各方向に90度間隔で４回繰返す（処理ST6）。この
ポイント測定の詳細は図６に示されている。

【００６４】すなわち、スタイラス135をねじ穴WHの開
口中心位置に配置し（処理ST21）、ねじ穴WH内に導入し
たうえ、中心軸線S4に沿って下降（奥側へ移動）させ、
先に処理ST14で選択したのと同じ接触部136（ここでは+
Y方向）がねじ穴開口SOから４谷目となるZ軸位置にくる
ように移動する（処理ST22）。

【００６５】この状態で、先の+Y方向の接触部136を対
応する+Y方向へ移動させ、対向するねじ形状WSの谷に接
触させ、その位置をポイント測定する（処理23）次に、
スタイラス135を中心に戻すとともに、Z軸位置を4分の1
ピッチ分下降させる（処理ST24）。この際のねじピッチ
PはワークＷの設計データを利用する。この状態で、隣
接する+X方向の接触部136を対応する+X方向へ移動さ
せ、対向するねじ形状WSの谷に接触させ、その位置をポ
イント測定する（処理25）

【００６６】この時、Z軸位置はP/4ずらされており、従
って+X方向の接触部136は先に+Y方向の接触部136が入っ
たねじ谷と連続するねじ谷に入ることになる。これらの
径方向移動および中心でのZ軸P/4移動を繰返すことで続
く-Y方向、-X方向のポイント測定も順次行われる（処理
ST26〜ST29）。そして、+X方向のポイント測定が終った
らスタイラス135をねじ穴WHの外へ取出す（処理ST30）

【００６７】これらの一連の動作は図９および図１０に
示すようになる。各図において、各丸印は接触部136の
各処理毎の位置を示し、各矢印は接触部136の軌跡を示
す。これらにより、ねじ形状SWの一連のねじ谷に関する
+Y,-Y,+X,-Xの4方向、つまり90度づつ一周分のポイント
が測定される。

【００６８】図４に戻って、以上により測定したねじ形
状SWの一連のねじ谷に関する+Y,-Y,+X,-Xの4方向のポイ
ントデータをホストコンピュータ12で演算処理すること
でねじ穴WHの有効径SDおよび中心位置SPが把握される
（処理ST7）。

【００６９】なお、ねじ穴WHの有効径SDの演算は、ねじ
軸の場合に利用される公知の三針式計算法をねじ穴に適
用して次のように行う。先ず、ポイント測定した4点の
データから4つの接触状態にある時の接触部136の中心座
標が解るので、この中心座標を通る一つの円の直系SD1
を求める。ここで、接触部136の半径r、ねじの公称ピッ
チP、ねじ山の角度α、ねじ山の高さh0とすると、図１
１に示す関係がある。すなわち、図中の距離h1、h3、h
は次式のようになる。

【００７０】

【数１】

【００７１】従って、ねじ穴WHの有効径SDは次式の通り
となる。

【００７２】

【数２】

【００７３】次に、ねじ穴WHの内周のねじ長SLを測定す
るために、ねじ形状WSの倣い動作を行う（処理ST8）。
この倣い動作の詳細は前述の図５の手順である。そし
て、ここで得られた倣い測定データに基づいて、ねじ形
状WSの不完全ねじ部S2と完全ねじ部s1との境界位置を割
出し、これにより完全ねじ部S1の長さとしてねじ長SLを
演算する（処理ST9）。

【００７４】具体的には次のような演算手順を採用す
る。図１２において、ねじ形状WSは完全ねじ部S1の下方
には不完全ねじ部S2があり、更に下方にはドリル下穴S3
が続いている。倣い測定軌跡WS1は、先の倣い動作の際
の接触部136の中心位置を順次記録したものである。

【００７５】倣い測定軌跡WS1を直線近似することで、
各ねじ山の斜面に沿った直線的な近似軌跡WS2を計算す
る。この近似軌跡WS2の山側の交点および谷側の交点
は、加工誤差や丸み変形等を含まないため実際のねじ山
先端およびねじ谷先端よりも高精度に位置を確定でき
る。そして、各交点のうち谷側の交点の中心軸線S4から
の距離（＝半径Ri）を順次計算する。

【００７６】ここで、公称のねじ外径R0に対し、その90
％以上あれば完全ねじ部F1、以下であれば不完全ねじ部
F2と規定する。つまり、真境界半径RS'=R0×0.9とす
る。そして、対応するねじ谷に対する接触部136（半径
r）の中心位置の中心軸線S4からの距離を仮境界半径RS=
RS'-rとする。

【００７７】このような仮境界半径RSに基づいて、先に
計算した各谷の交点の半径Riを評価すると、例えば半径
Rn+1以上は仮境界半径RSより大きく、Rn以下が仮境界半
径RSより小さければ、この２つの谷の間に実際の境界が
存在することになる。

【００７８】この実際の境界のZ軸位置は次のように確
定することができる。図１３に示すように、完全ねじ部
S1に属する半径Rn+1の谷と不完全ねじ部S2に属する半径
Rnの谷とは１ピッチP分だけZ軸位置がずれている。そし
て、図から明らかなように(RS-Rn)/ΔZ=(Rn+1-Rn)/Pの
関係があり、これからΔZ=P(Rn+1-Rn)/(RS-Rn)となる。
従って、半径Rnとなった谷のZ軸位置からΔZを差引け
ば、実際の境界の位置が求まる。そして、この値から更
にねじ穴WHの開口SOのZ軸位置を差引けば、完全ねじ部S
1のねじ長SLが算出できる。

【００７９】なお、図１３では谷部深さが直線的に変化
する場合を示したが、この変化は他の関数、例えば指数
関数的に変化するものであってもよい。更に、これらの
関係はテーブルに予め格納しておき、適宜参照できるよ
うにしてもよい。以上により、ねじ形状WSのドリル下穴
の深さSM、完全ねじ部S1のねじ長SL、完全ねじ部S1のね
じ有効径SD、ねじ形状WSの中心軸線S4の位置SPが全て測
定できたことになる。

【００８０】このような本実施形態によれば次に示すよ
うな効果がある。すなわち、三次元測定機10により通常
のワークＷ表面の形状測定を行うことができる。つま
り、プローブ13、スタイラス134,135に至るプローブ群
は既存の構成であり、通常のワークＷ表面の形状測定動
作を妨げるものではない。

【００８１】一方、ワークＷに形成されたねじ形状WSに
ついても、同じ装置のままねじ形状の各種特性値の測定
を行うことができる。すなわち、軸合わせ工程により、
倣いプローブがワークＷ表面のねじ形状WSに対して、そ
の軸線方向に倣い方向が合わせられた所定の姿勢でセッ
トされる。そして、倣い測定工程により、ねじ形状WSが
倣い測定される。さらに、演算工程により、倣い測定に
よるデータから、ねじ形状WSの各特性値を演算すること
ができる。

【００８２】従って、三次元測定機10を用いて、通常の
ワークＷ表面の形状測定から、従来は別途作業が必要だ
ったねじ形状WSの測定までをシームレスに実行すること
ができ、製造ライン等でのインライン測定を行うことも
可能となる。

【００８３】なお、本発明は前記実施形態に限定される
ものではなく、以下に示す変形等も本発明に含まれるも
のである。すなわち、前記実施形態では、測定するねじ
形状WSの特性値として、ドリル下穴の深さSM、完全ねじ
部S1のねじ長SL、完全ねじ部S1のねじ有効径SD、ねじ形
状WSの中心軸線S4の位置SPの４つを設定したが、他の特
性値を選択してもよい。

【００８４】すなわち、前記実施形態では専らワークの
設計データから得たピッチPを用いていたが、倣い測定
軌跡WS1の直線近似で得られた近似軌跡WS2（図１２参
照）におけるねじ山側の交点あるいは谷側の交点の位置
から正確なピッチP'を求めてもよい。また、同じく近似
軌跡WS2において、ねじ山側の交点あるいは谷側の交点
の交叉角度からねじ山角度を求めても良い。

【００８５】前記実施形態においては、座標系の設定
（処理ST1）の後、既存方法による中心座標の仮測定
（処理ST2）を行ったが、これは適宜省略してもよい。
省略した場合、ワークＷの設計データを代用する等がで
きる。

【００８６】また、前記実施形態では、4回のポイント
測定の前に倣い動作１（処理ST5）を行い、その後にね
じ長測定のための倣い動作２（処理8）を行ったが、こ
れは兼用してもよい。例えば、先にねじ長測定を行い、
後でポイント測定を行ってもよい。あるいは、ポイント
測定の前の倣い動作１を省略してもよい。この場合、ワ
ークＷの設計データを参照する等によりねじ谷を探る等
すればよい。

【００８７】更に、前記実施形態では各測定動作の都
度、各特性値を演算するようにしたが、全ての測定動作
を行った後に一括して演算工程を実施してもよい。ま
た、前記実施形態ではねじ穴の内側のねじ形状の測定を
行ったが、ねじ軸の外側のねじ形状の測定を行ってもよ
い。

【００８８】また、前記実施形態ではスタイラスを穴の
奥から開口側へ戻る形で倣い動作を行ったが、開口側か
ら奥側へ向けて倣い動作を行うようにしてもよい。図１
４ないし図１６には本発明の他の実施形態が示されてい
る。図１６に示すように、本実施形態では前記実施形態
と同じ装置構成を用いるが、スタイラス135はねじ穴WH
の開口SO側から内部へと向う倣い動作を3回繰返してね
じ形状WSの測定を行うようになっている。

【００８９】図１４において、座標系の設定（処理ST3
1）、スタイラス軸線の設定（処理ST32）は前記実施形
態と同様である。続く倣い測定開始位置への移動（処理
33）は、ねじ穴WHの開口SOのやや上方にスタイラス135
を配置する。この開始位置から、続く3回の倣い測定
（処理ST34〜ST36）を行う。

【００９０】図１５において、各倣い測定においては、
先ずスタイラス135をねじ穴WHの開口SOのやや上方に配
置する（処理ST41）。次に、スタイラス135をワークＷ
に近接させ（処理ST42）、ねじ穴WHの周辺のワークＷの
表面W1に倣い測定する接触部136を当接させる（処理ST4
3）。そして、当接状態のままスタイラス135をねじ穴WH
の中心向きに移動させ（処理ST44）、接触部136がねじ
穴WHの開口SOに達するまで続ける（処理ST45）。

【００９１】続いて、接触部136をねじ穴WHのねじ形状W
Sに当接させたまま、スタイラス135をねじ穴WHの中心軸
線S4（図３参照）に沿って下降させ、ねじ形状WSの輪郭
を倣い測定する（処理ST46）。この倣い測定は、不完全
ねじ部F2（図３参照）が検出されるまで続ける。

【００９２】ここで、不完全ねじ部F2の検出は、倣い測
定における輪郭データの径方向の値の変動が一定以下に
なった時（ねじ山ねじ谷の高さが小さくなった時）に検
出と判定する（処理ST47）。不完全ねじ部が検出された
ら、スタイラス135をねじ穴WHの中心に寄せ、外へ引出
す（処理ST48）。

【００９３】これら3回の倣い測定の後、ねじ形状の各
特性値を演算する（処理ST37）。ここでは、倣い測定に
よりねじ形状WSのねじ長SL、ねじピッチP'の他、周方向
に3点の位置を測定することで中心軸線S4の位置や傾き
等も検出可能できる。

【００９４】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
一般的な三次元測定機を利用してねじ形状の各種特性値
の測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の装置構成を示す斜視図。

【図２】前記実施形態のプローブを示す分解斜視図。

【図３】前記実施形態のねじ穴を示す模式断面図。

【図４】前記実施形態の基本工程を示すフローチャー
ト。

【図５】前記実施形態の倣い動作を示すフローチャー
ト。

【図６】前記実施形態のポイント測定を示すフローチャ
ート。

【図７】前記実施形態のドリル下穴深さ測定を示す模式
断面図。

【図８】前記実施形態の倣い動作を示す模式断面図。

【図９】前記実施形態のポイント測定を示す模式断面
図。

【図１０】前記実施形態のポイント測定を示す模式平面
図。

【図１１】前記実施形態の有効径の演算を示す模式断面
図。

【図１２】前記実施形態の完全ねじ部境界の演算を示す
模式平面図。

【図１３】前記実施形態の完全ねじ部境界の演算を示す
グラフ。

【図１４】本発明の他の実施形態の基本工程を示すフロ
ーチャート。

【図１５】前記他の実施形態の倣い動作を示すフローチ
ャート。

【図１６】前記他の実施形態の倣い動作を示す模式斜視
図。

【符号の説明】

10 三次元測定機 11 三次元測定機本体 12 ホストコンピュータ 13 プローブ 131 回転プローブヘッド 134 標準スタイラス 135 十字スタイラス 136 接触部Ｗワーク WH ねじ穴 WS ねじ形状 W1 ワーク表面 SO 開口 S1 完全ねじ部 S2 不完全ねじ部 S3 ドリル下穴 S4 中心軸線 SP 中心軸線の位置 SM ドリル下穴深さ SL ねじ長 SD 有効径

フロントページの続き (72)発明者松本正和栃木県宇都宮市下栗町2200番地株式会社ミツトヨ内 (72)発明者野田孝栃木県宇都宮市下栗町2200番地株式会社ミツトヨ内 (72)発明者木村哲郎栃木県宇都宮市下栗町2200番地株式会社ミツトヨ内Ｆターム(参考） 2F062 AA31 AA38 AA41 AA42 AA51 AA71 BC61 BC62 CC23 EE01 EE62 FF05 HH01 JJ01 JJ10 MM01 MM06 MM30 NN02 2F069 SS05 SS12 SS22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】三次元測定機を利用してねじ形状の測定
を行うねじ形状測定方法であって、測定すべきねじ形状を有するワークが装着される三次元
測定機と、この三次元測定機に装着される倣いプローブ
と、この倣いプローブに装着されかつワークに接触され
る接触部を有するスタイラスとを用い、前記倣いプローブの倣い測定軸線と前記ねじ形状の中心
軸線とを合わせる軸合わせ工程と、前記スタイラスを前記ねじ形状に接触させつつ前記倣い
プローブを前記倣い測定軸線に沿って移動させる倣い測
定工程と、前記倣い測定で得られた測定データから前記ねじ形状の
各種特性値を演算する演算工程と、を含むことを特徴と
するねじ形状測定方法。
【請求項２】請求項１に記載したねじ形状測定方法に
おいて、前記軸合わせ工程の前に、前記三次元測定機に
設定される機械座標系と前記ワークに設定されるワーク
座標系と前記倣いプローブおよびスタイラスに設定され
るプローブ座標系との各々の間の相対関係を合わせる座
標合わせ工程を行うことを特徴とするねじ形状測定方
法。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載したねじ
形状測定方法において、前記倣い測定工程は、前記ねじ
形状の周方向の複数箇所について各々軸線に沿って倣い
動作を行うことを特徴とするねじ形状測定方法。
【請求項４】請求項１から請求項３までの何れかに記
載したねじ形状測定方法において、前記演算工程は、前
記倣い測定による測定データのねじ部のねじ谷深さの変
化またはねじピッチの変化から不完全ねじ部を判定する
不完全ねじ部判定処理を含むことを特徴とするねじ形状
測定方法。
【請求項５】請求項４に記載したねじ形状測定方法に
おいて、前記不完全ねじ部判定処理は、ねじ形状軸線方
向に対するねじ部のねじ谷深さの変化またはねじピッチ
の変化から、予め求めた関数または数値表に基づいて近
似を行うことで、前記不完全ねじ部の開始点を判定する
ことを特徴とするねじ形状測定方法。
【請求項６】請求項１から請求項５までの何れかに記
載したねじ形状測定方法において、前記演算工程は、前
記倣い測定による測定データからねじ部の測定輪郭形状
を取出し、この測定輪郭形状においてねじ斜面部分を直
線で近似することで近似輪郭形状を取出し、この近似輪
郭形状からねじピッチ、ねじ山角度、ねじ切り深さを判
定する近似輪郭形状処理を含むことを特徴とするねじ形
状測定方法。
【請求項７】請求項１から請求項６までの何れかに記
載したねじ形状測定方法において、前記演算工程は、前
記倣い測定による測定データからねじ部の測定輪郭形状
を取出し、この測定輪郭形状においてねじ斜面部分を直
線で近似することで近似輪郭形状を取出し、この輪郭形
状に従来の三針法の針の代替となる仮想円を接触させ、
従来の三針法によりねじ形状の有効径を算出する有効径
算出処理を含むことを特徴とするねじ形状測定方法。
【請求項８】請求項１から請求項７までの何れかに記
載したねじ形状測定方法において、前記倣いプローブは
回転プローブヘッドを介して前記三次元測定機に装着さ
れ、前記軸合わせ工程では前記スタイラスの軸線が前記
倣い軸線に合うように前記回転プローブヘッドを傾ける
ことを特徴とするねじ形状測定方法。
【請求項９】請求項１から請求項８までの何れかに記
載したねじ形状測定方法において、前記倣い測定工程で
は側方に分岐した接触部を有する分岐型スタイラスを用
いることを特徴とするねじ形状測定方法。
【請求項１０】請求項９に記載したねじ形状測定方法
において、前記分岐型スタイラスを用いて前記倣い測定
工程に先立って、前記専用スタイラスの接触部が突出す
る方向が前記倣い測定で検出する輪郭変動の方向に一致
するように姿勢を調整しておくことを特徴とするねじ形
状測定方法。