JP2005055282A

JP2005055282A - 測定方法及び測定装置

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Publication number: JP2005055282A
Application number: JP2003285852A
Authority: JP
Inventors: Nozomi Takai; 望高井; Masaaki Oguri; 正明小栗
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2005-03-03
Also published as: US7117110B2; CN100549612C; EP1505368A1; CN1580690A; KR20050016099A; US20050033551A1

Abstract

【課題】測定装置が本来有している測定誤差を補正するにあたり、ユーザーが容易に実施でき、また測定装置の各部品が設計値に対して誤差を有していても正確な補正を行なうことができる、幾何学的誤差補正方法を用いた高精度な測定方法、及び測定装置を提供すること。
【解決手段】測定装置１０が本来有する幾何学的な測定誤差を補正する補正計算式に代入された設計値のうちの複数の設計値を変数として、その変数を数値解法により最適化し、得られた最適補正計算式を用いて測定値を演算するようにした。
変数の最適化にあたって、マスターワークを測定し、測定誤差が最小となるように変数を調整するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定方法および測定装置に関するもので、特に研削盤などに組込まれるマシンコントロールゲージや表面粗さ輪郭形状測定機等が本来有する幾何学的測定誤差を最適に補正する測定方法および測定装置に関する。

研削盤などに組込まれるマシンコントロールゲージ（自動定寸装置）や表面粗さ輪郭形状測定機等には、先端に接触子を有し、支点部材を支点として回動可能に支持されたシーソー部材と、シーソー部材を一方向に付勢する付勢部材と、支点部材を挟んで接触子と反対側に設けられ、シーソー部材の変位を検出することによって接触子の変位を検出する検出器とが設けられた測定ヘッドが用いられている。

この検出器には、測定ヘッド本体に固定された円弧状のスケールと、シーソー部材に取付けられた読み取りヘッドとで構成された光学式デジタルスケールや、測定ヘッド本体に固定された差動コイル部と、シーソー部材に取付けられて差動コイル部内に挿入されたコアとで構成されたＬＶＤＴ（ＬｉｎｅａｒＶｏｌｔａｇｅＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と呼ばれる線形電圧差動変圧器（通称差動トランス）等が用いられている。

接触子の移動量は、光学式デジタルスケールのパルスカウント値として検出され（ＬＶＤＴの場合は電圧の変化として検出され）、この検出値が演算処理部で処理され、移動量として求められる。

マシンコントロールゲージでは、１本のシーソー部材で構成され、１個の接触子で１カ所の変位を測定するＬ字型の測定ヘッドや、２個のシーソー部材が一対で組込まれ、対向する２個の接触子で被測定物を挟み込み、被測定物の外径を測定する挟み型の測定ヘッド等が用いられている。

これらのシーソー式の測定ヘッドで平面の位置（厚さなど）を測定する場合、変位を角度として測定することによる誤差が生じる。また、円筒形ワークの外径などの曲面を測定する場合、接触子の当たり点が移動することによる誤差が生じる。

これらの幾何学的誤差要因による影響を軽減するため、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１参照。）。

この特許文献１に記載された寸法測定装置では、予め測定範囲全域に亘る補正データを取得し、これを記憶させておく。測定時には該当する補正値をメモリから引出し、測定値を補正している。
特開平１０−１９５４５号公報

前述の特開平１０−１９５４５号公報に記載された従来技術では、測定範囲全域に亘る補正データを得るために、測定範囲全体をカバーする寸法基準としての寸法が既知のマスターワークを多数用意し、それら多数のマスターワークを測定して補正データを取得しなければならない。

ところが、マシンコントロールゲージ等の測定機においては、測定対象ワークによってシーソー部材を構成するフィンガーや、フィンガーの先端に取り付ける接触子を交換したり調整したりする必要があり、その都度多数のマスターワークを測定して補正データを取得することはユーザーでは事実上不可能であった。

また、他の測定装置においても、補正データに代えて円弧誤差等の幾何学的誤差を計算で補正する方法がしばしば用いられていた。しかしこの計算による幾何学的誤差補正は、測定装置を構成する各部品寸法が設計値に対して誤差を有しているため、正確な補正をすることができず、高精度な測定を行うためには不十分であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、例えばシーソー式の測定装置等が本来有している測定誤差を補正するにあたり、ユーザーが容易に実施でき、また測定装置の各部品が設計値に対して誤差を有していても正確な補正を行なうことができる、幾何学的誤差補正方法を有した高精度な測定方法、及び測定装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の測定方法は、接触子をワークに当接させ、該ワークの寸法を測定する測定方法において、測定装置が本来有する幾何学的な測定誤差を補正するための、設計値を基にした補正計算式を記憶し、ワークを測定して前記補正計算式を用いた測定値を演算し、前記演算された測定値と真の値との誤差が最小となるように、前記補正計算式中に代入された設計値のうちの複数の設計値を変数として該変数を数値解法により最適化し、前記最適化された変数が代入された最適補正計算式を記憶し、以後の測定においては、前記最適化補正計算式を用いて測定値を演算することを特徴としている。

また、前記目的を達成するために、本発明の測定装置は、先端に接触子を有し、支点部材を支点として回動可能に支持されたアーム部材と、該アーム部材の変位量を検出することによって前記接触子の変位量を検出する検出器と、該検出器の検出信号から測定値を演算する演算処理部とを有する測定装置において、前記演算処理部には、設計値を基にした幾何学的な測定誤差の補正計算式を記憶する記憶手段と、前記検出器の検出信号から前記補正計算式を用いて測定値を演算する測定値演算手段と、前記演算された測定値と真の値との誤差が最小となるように、前記補正計算式中に代入された設計値のうちの複数の設計値を変数として該変数を数値解法により最適化する最適化演算手段とが設けられ、前記記憶手段は、前記最適化された変数が代入された最適補正計算式を記憶するとともに、前記測定値演算手段は、前記最適補正計算式を用いて測定値を演算することを特徴としている。

本発明によれば、測定装置が本来有する幾何学的な測定誤差を補正する補正計算式に代入された設計値のうちの複数の設計値を変数として、その変数を数値解法により最適化し、得られた最適補正計算式を用いて測定値を演算するので、測定装置の各部品が設計値に対して誤差を有していても正確な補正を行なうことができ、高精度な測定を行うことができる。

また、本発明は、寸法が既知のマスターワークを測定し、得られた測定値と前記既知の寸法との差が最小となるように、前記変数を最適化することを特徴とし、更に前記マスターワークは、測定範囲の上限寸法のマスターワーク及び測定範囲の下限寸法のマスターワークのうち少なくとも一方のマスターワークを用いることを特徴とした測定方法及び測定装置を提供する。

本発明によれば、測定範囲の上限寸法のマスターワーク及び測定範囲の下限寸法のマスターワークのうち少なくとも一方のマスターワークを用いて補正計算式を最適化するので、寸法基準となるマスターワークは、一般的に用いられる零点設定用マスターワークの他に少なくとも１個又は２個（合計２個又は３個）で済み、ユーザーが容易に補正計算式を最適化することができ、高精度な測定を行うことができる。

以上説明したように本発明の測定方法及び測定装置によれば、例えばシーソー式の測定装置等が本来有している幾何学的測定誤差を、測定装置の各部品が設計値に対して誤差を有していても最適な補正計算式で補正することができ、またユーザーが容易に補正計算式を最適化することができ、高精度な測定を行うことができる。

以下添付図面に従って本発明に係る測定方法及び測定装置の好ましい実施の形態について詳説する。尚、各図において同一部材には同一の番号または記号を付している。

図１は、本発明に係る測定装置を表わす概念構成図である。測定装置１０は、ワーク５０の外径を測定する挟み型の測定ヘッド１１、測定データを演算処理する演算処理部２０、及び図示しない表示部等から構成されている。

測定ヘッド１１は、支点部材１３を中心に回動支持されたアーム部材１２、アーム部材１２の先端に取り付けられ、ワーク５０に当接する接触子１４、アーム部材１２に作用して接触子１４をワーク５０に向けて付勢する圧縮バネからなる付勢部材１５、アーム部材１２の支点部材１３を挟んで接触子１４と反対側端面に固定されたスケール１６Ａとヘッド本体１７に固定された読み取りヘッド１６Ｂとからなる検出器１６、等を有している。

これらのアーム部材１２、接触子１４、検出器１６等は上下対称に１対で設けられている。

演算処理部２０は、入出力回路部２１、記憶手段２２、測定値演算手段２３、及び最適化演算手段２４等からなり、夫々はバスラインで接続されている。入出力回路部２１は、演算処理部２０と検出器１６、及び表示部との間の信号受け渡しを行い、記憶手段２２は、検出信号の記憶や測定値の幾何学的誤差を補正する補正計算式等を記憶する。

測定値演算手段２３は、検出器１６からの検出信号を基に補正計算式を用いて測定値を演算する。最適化演算手段２４は、幾何学的な測定誤差を最小にするように、補正計算式で使用する各設計値を数値解法で最適化するプログラムを有し、設計値を基に作成された補正計算式を最適化された補正計算式に修正する。

次に、幾何学的な測定誤差の補正計算式について説明する。図２は直径の異なる３種類のワークを測定した時の接触子１４とワーク５０との接触状態を表わしている。図２において、Оは設計上のワーク中心を表わし、Ｋは実際のワーク中心を表わしている。Ｑはアーム部材１２の回動支点で、Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃は接触子１４の先端を球としたとき各ワークに接触する球の中心である。

Ｌは半径Ａのワークに接触子１４の先端を接触させた時の支点Ｑと球の中心Ｂ₁とのＸ方向距離で、Ｓはその時の支点Ｑからスケール読取り点までのＸ方向距離である。また、Ｘ_oはこの時の球の中心Ｂ₁のワークの中心Ｋに対するＸ方向ズレ量である。

Ｒは接触子１４の先端球の半径である。Ｙ_oは設計上のワーク中心Оに対する実際のワーク中心ＫのＹ方向ズレ量で、Ｈは設計上のワーク中心Оと支点ＱとのＹ方向距離である。

αは、支点Ｑとワーク中心Ｋとを結ぶ線分と線分ＱＢ₁とのなす角度で、βは線分ＱＫと線分ＱＢ₂とのなす角度で、θは接触子１４の先端球がＢ₁からＢ₂へ移動した時の支点Ｑを中心とした角度である。

ａはＱＫ間のＸ方向距離で、ｂはＱＫ間のＹ方向距離、ｄは線分ＱＫの長さ、ｅは線分ＫＢ₁の長さ、ｆはＫＢ₁間のＹ方向距離、ｇはＱＢ₁間のＹ方向距離、ｈは線分ＱＢ₁及び線分ＱＢ₂の長さ、ｉは線分ＫＢ₂の長さを表わしている。

また、スケール１６ＡのピッチをＰ、スケール読取り時の電気的分割数をＮとし、接触子１４の先端球が半径Ａのワークに接触した位置から半径Ａ＋δのワークに接触する位置まで回動したときの、即ちアーム部材１２が角度θだけ回転したときの、検出器１６のカウント数をＣとすると、ワーク半径の変化量δは以下の数式で表わすことができる。

検出器１６のカウント数Ｃと前述の計算式から測定値を演算することにより、シーソー運動に起因する幾何学的誤差は補正される。しかし前述の計算式中のＸ_o、Ｙ_oは未知数であり、またＬ、Ａ、Ｈ、Ｓ、Ｐに関しても設計上の数値は有るが、実際のものがどのような寸法かは保証されるものではない。

これらの数値を全て正確に測定すれば、前述の計算式の正確度は増すが、実際には測定が困難な部分もあるし、測定にも誤差が伴う。また、ユーザーサイドで接触子１４やアーム部材１２の一部を構成するフィンガーの調整を行う場合もあり、その都度測定を行うのも現実的ではない。そこで、以下の手順により各数値の最適化を図り、より正確な測定値を得られるようにする。

先ず最初に、演算処理部２０に前述の幾何学的誤差を補正する計算式をプログラムしておく。但し、各変数の値は設計値又は現実的に考えうる数値を代入しておく。

次に、測定範囲の中央の寸法のマスターワーク（基準マスター）を測定し、正しい測定値が得られるように、アーム部材１２の一部を構成するフィンガーや接触子の調整を行って基準マスターの既知の寸法に合わせ込む。

次に、測定範囲の上限寸法のマスターワーク（大マスター）を測定し、前述のプログラムされている計算式で演算された測定値と、大マスターの既知の実寸値との差（誤差）を記録する。

同様に、測定範囲の下限寸法のマスターワーク（小マスター）を測定し、誤差を記録する。次に大マスターの測定誤差と小マスターの測定誤差を夫々２乗して加算する。即ち誤差の２乗和を算出する。

次に、ここで得られた誤差の２乗和が最小となるように、先に計算式をプログラムする時に与えた各変数の値を調整する。各変数の調整は、演算処理部２０の最適化演算手段２４にニュートン法、反復法等のコンピュータを用いた数値解法をプログラムしておき、各変数を自動で最適化させる。

この最適化された補正計算式を演算処理部２０の記憶手段２２に記憶させ、以後の測定では演算処理部２０の測定値演算手段２３がこの最適化された補正計算式を用いて測定値を演算する。

前述の［数１］で示した計算式に次の［数２］で示す設計値を代入した。

これらの設計値のうち、Ｌ、Ａ、及びＸを変数として数値解法で最適化を図った。前述の設計値を代入しただけの計算式で演算した結果と、設計値のうち、Ｌ、Ａ、及びＸを最適化させて代入した計算式で演算した結果との測定誤差の比較を図３に示す。

図３のグラフは、横軸が接触子１４の変位（ｍｍ）を表わし、縦軸は測定誤差（μｍ）を表わしている。グラフのカーブは、菱形のプロットが設計値での計算式で演算した測定値の誤差を示し、三角形のプロットが設計値のうち、Ｌ、Ａ、及びＸを最適化させた計算式で演算した測定値の誤差を示している。

図３に示すように、設計値補正の場合の最大誤差は２５６μｍであった。これに対し、最適化補正の場合の最大誤差は０．８μｍであった。

なお、前述の実施の形態では、変数の最適化にあたりマスターワークとして基準マスターと大マスター及び小マスターの３個を用いたが、基準マスターと大マスター又は基準マスターと小マスターの２個のマスターを用いて行ってもよく、あるいは中間のマスターを加えた３個以上のマスターを用いて精度を高めてもよい。

また、シーソー運動による幾何学的誤差を補正する計算式で実施したが、アーム部材１２を含めたレバー系の撓みや、支点部分の位置移動等も含めた計算式とすればなおよい。

また、検出器１６として光学式スケールを用いたが、ＬＶＤＴ（差動トランス）を用いてもよい。但し、ＬＶＤＴは広範囲での直線性があまりよくないので、その特性をモデル化して補正計算式に組み入れるとよい。

また、円筒ワークを球面コンタクトで測定する場合の補正計算式を示したが、平面ワークを球面コンタクトで測定する場合や、円筒ワークをバー状コンタクトで測定する場合等、種々の測定において夫々に適合する計算式を作成すればよい。

本発明の実施の形態に係る測定装置を表わす概念図円筒状ワークを球面コンタクトで測定するモデルを表わす側面図実施例を表わすグラフ

符号の説明

１０…測定装置、１２…アーム部材、１３…支点部材、１４…接触子、１６…検出器、２０…演算処理部、２３…測定値演算手段、２４…最適化演算手段、５０…ワーク

Claims

接触子をワークに当接させ、該ワークの寸法を測定する測定方法において、
測定装置が本来有する幾何学的な測定誤差を補正するための、設計値を基にした補正計算式を記憶し、
ワークを測定して前記補正計算式を用いた測定値を演算し、
前記演算された測定値と真の値との誤差が最小となるように、前記補正計算式中に代入された設計値のうちの複数の設計値を変数として該変数を数値解法により最適化し、
前記最適化された変数が代入された最適補正計算式を記憶し、
以後の測定においては、前記最適化補正計算式を用いて測定値を演算することを特徴とする測定方法。
寸法が既知のマスターワークを測定し、得られた測定値と前記既知の寸法との差が最小となるように、前記変数を最適化することを特徴とする、請求項１に記載の測定方法。
前記マスターワークは、測定範囲の上限寸法のマスターワーク及び測定範囲の下限寸法のマスターワークのうち少なくとも一方のマスターワークを用いることを特徴とする、請求項２に記載の測定方法。
先端に接触子を有し、支点部材を支点として回動可能に支持されたアーム部材と、該アーム部材の変位量を検出することによって前記接触子の変位量を検出する検出器と、該検出器の検出信号から測定値を演算する演算処理部とを有する測定装置において、
前記演算処理部には、
設計値を基にした幾何学的な測定誤差の補正計算式を記憶する記憶手段と、
前記検出器の検出信号から前記補正計算式を用いて測定値を演算する測定値演算手段と、
前記演算された測定値と真の値との誤差が最小となるように、前記補正計算式中に代入された設計値のうちの複数の設計値を変数として該変数を数値解法により最適化する最適化演算手段とが設けられ、
前記記憶手段は、前記最適化された変数が代入された最適補正計算式を記憶するとともに、前記測定値演算手段は、前記最適補正計算式を用いて測定値を演算することを特徴とする測定装置。
寸法が既知のマスターワークを測定し、得られた測定値と前記既知の寸法との差が最小となるように、前記変数を最適化することを特徴とする、請求項４に記載の測定装置。
前記マスターワークは、測定範囲の上限寸法のマスターワーク及び測定範囲の下限寸法のマスターワークのうち少なくとも一方のマスターワークが用いられることを特徴とする、請求項５に記載の測定装置。