JP2009020118A - ねじ形状測定方法 - Google Patents
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Abstract
【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。
【選択図】図4
Description
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。
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(例えば、特許文献1参照)。
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。
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。
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、を含み、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、前記演算工程は、前記分岐した接触部を接触させた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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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)。
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136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)。
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、この方向におけるねじ穴開口SOからの山谷が把握される。
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)
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)
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。
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径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11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。
h1=h2 cosec(α/2)=r cosec(α/2)
h3=h0/2=(P/4)cot(α/2)
h=h1−h3={r cosec(α/2)}−{(P/4)cot(α/2)}
SD=SD1+2h
=SD1+2[{r cosec(α/2)}−{(P/4)cot(α/2)}]
=SD1+2r cosec(α/2)−(P/2)cot(α/2)
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)。
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部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。
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S1のねじ長SLが算出できる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図14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。
11 三次元測定機本体
13 プローブ
121 ホストコンピュータ
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 ねじ穴開口
S1 完全ねじ部
S2 不完全ねじ部
S3 ドリル下穴部
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
Claims (8)
- 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、を含み、
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、
前記演算工程は、前記分岐した接触部を接触させた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1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、前記分岐型スタイラスを用いて前記倣い測定工程を行うのに先立って、前記分岐型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。
- 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1から請求項4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。
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