JP2009139200A - 回転中心線の位置変動測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体の回転に伴う回転中心線の位置変動を高精度に測定することが可能な回転中心線の位置変動測定方法および装置を得る。
【解決手段】３つの反射平面を有する測定用治具３を被検体５と一体的に回転し得るように設置し、被検体５が回転する過程の複数の時点において、測定用治具３の形状情報が担持された干渉縞画像を干渉計１によりそれぞれ撮像する。撮像された各々の干渉縞画像に基づき、３つの反射平面から選択された各２つの反射平面同士の各交線を２次元座標平面に正射影したときの各直線同士の交点の軌跡を求め、求められた軌跡に基づき、被検体５の回転中心線Ａの位置変動量を算定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械や電子機器等に用いられる種々の回転部材の回転中心線の位置変動（振れ）を測定する方法および装置に関し、特に、精密工作機械の主軸等の高い回転精度が要求される回転部材の回転中心線の位置変動を測定するのに好適な回転中心線の位置変動測定方法および装置に関する。

研削機等の精密工作機械においては、主軸の回転中心線の位置（主軸の径方向の位置）や傾きが大きく変動すると加工精度が著しく低下するので、出荷時やメンテナンス時において、回転中心線の位置や傾きの変動量をチェックする必要がある。

本願出願人は先に、被検面の回転に伴う傾きの変化を、干渉計を用いて高精度に測定する手法を創案し、既に特許庁に対し開示している（下記特許文献１）。この方法では、２つの反射平面を有する測定用治具を回転する被検面上に設置し、該被検面が移動する過程の複数時点において、２つの反射平面の各傾斜情報が担持された干渉縞画像をそれぞれ撮像する。そして、撮像された各々の干渉縞画像を解析することにより、直交３軸回りの被検面の各回転角度を算定するものである。

特願２００７−８７６２５号明細書

上記特許文献１に記載された手法によれば、主軸等の回転中心線の傾き変動を３次元的に高精度に測定することが可能となるが、回転中心線の径方向への位置変動を求めることについては考慮されていなかった。

回転中心線の位置変動を求める手法としては、主軸の先端面に十字線等の目印となるものを設け、回転する先端面を固定カメラにより連続的に撮像するものが知られている。撮像された各画像上において目印の中心位置を特定してその移動軌跡を求め、回転中心線の位置変動が無い場合の移動軌跡（円形となる）と比較することにより回転中心線の位置変動を求めるものである。

しかしながら、先端面に設けた十字線等の目印の中心位置を撮像された画像上において高精度に特定することは困難（中心位置を含む部分が複数の画素に跨って撮像されるため）であり、主軸等の回転中心線の位置変動を高精度に求める方法としては適さない。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、被検体の回転に伴う回転中心線の位置変動を高精度に測定することが可能な回転中心線の位置変動測定方法および装置を提供することを目的とする。

本発明に係る回転中心線の位置変動測定方法は、被検体の回転に伴う該被検体の回転中心線の位置変動を、干渉計を用いて測定するものであって、
前記干渉計の測定光軸と前記回転中心線とが互いに平行となるように設定し、
各々の面法線の傾きが互いに異なるように設定された３つ以上の反射平面からなる反射平面群を有する測定用治具を、前記被検体と一体的に回転し得るように、かつ該被検体の複数の回転位置において前記反射平面群を含む該測定用治具の形状情報が担持された干渉縞画像を前記干渉計により撮像し得るように前記被検体に設置し、
前記被検体が回転する過程の複数の時点において、前記反射平面群を含む前記測定用治具の形状情報が担持された干渉縞画像を、前記干渉計によりそれぞれ撮像し、
撮像された各々の前記干渉縞画像に基づき、前記時点毎に、前記反射平面群の中の所定の各２つの反射平面からなる互いに異なる複数の組合せを選択し、選択された該複数の組合せにおける該各２つの反射平面それぞれに対応した各平面方程式を求め、
求められた前記各平面方程式に基づき、前記時点毎に、前記複数の組合せにおける前記各２つの反射平面同士の各交線を前記測定光軸に垂直な２次元座標平面に正射影したときの各直線に対応した直線方程式をそれぞれ求め、
求められた各々の前記直線方程式に基づき、前記時点毎に、前記２次元座標平面における前記各直線同士の交点の座標値を、着目点の座標値として求め、
求められた前記時点毎の前記着目点の座標値に基づき、該着目点の前記２次元座標平面上での軌跡を求め、求められた該軌跡に基づき、前記回転中心線の位置変動量を算定する、ことを特徴とするものである。

また、本発明に係る回転中心線の位置変動測定装置は、被検体の回転に伴う該被検体の回転中心線の位置変動を測定するものであって、
測定光軸が前記回転中心線と互いに平行となるように設置される干渉計と、
該干渉計により撮像される干渉縞画像を解析する解析装置と、
各々の面法線の傾きが互いに異なるように設定された３つ以上の反射平面からなる反射平面群を有する測定用治具であって、前記被検体と一体的に回転し得るように、かつ該被検体の複数の回転位置において前記反射平面群を含む当該測定用治具の形状情報が担持された干渉縞画像を前記干渉計により撮像し得るように前記被検体に設置される測定用治具と、を備え、前記解析装置は、
前記被検体が回転する過程の複数の時点において前記干渉計により撮像された、前記反射平面群を含む前記測定用治具の形状情報が担持された各々の前記干渉縞画像に基づき、前記時点毎に、前記反射平面群の中から所定の各２つの反射平面からなる互いに異なる複数の組合せを選択し、選択された該複数の組合せにおける該各２つの反射平面それぞれに対応した各平面方程式を求める平面方程式算出手段と、
求められた前記各平面方程式に基づき、前記時点毎に、前記複数の組合せにおける前記各２つの反射平面同士の各交線を前記測定光軸に垂直な２次元座標平面に正射影したときの各直線に対応した直線方程式をそれぞれ求める直線方程式算出手段と、
求められた各々の前記直線方程式に基づき、前記時点毎に、前記２次元座標平面における前記各直線同士の交点の座標値を、着目点の座標値として求める座標値算出手段と、
求められた前記時点毎の前記着目点の座標値に基づき、該着目点の前記２次元座標平面上での軌跡を求め、求められた該軌跡に基づき、前記回転中心線の位置変動量を算定する位置変動量算定手段と、を備えてなることを特徴とするものである。

本発明において回転中心線とは、空間に固定されるものではなく、被検体に固定されるものとして定義する。

本発明に係る回転中心線の位置変動測定方法および装置によれば、上述の構成を備えたことにより、以下のような効果を奏する。

すなわち、被検体に十字線等の目印を設ける従来手法においては、撮像された画像に基づき、目印の中心点の位置を画像処理等により直接的に特定するようにしており、このことが、測定精度が低いことの要因となっている。

これに対し本発明においては、被検体に設置した測定用治具の干渉縞画像に基づき、測定用治具の反射平面に対応した平面方程式を求め、この平面方程式に基づく演算処理により、上記着目点（従来手法の目印の中心点に相当する）の２次元座標平面上における座標値およびその軌跡を求めるので、着目点の軌跡を高精度に求めることができ、したがって、被検体の回転に伴う回転中心線の位置変動を高精度に測定することが可能となる。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る回転中心線の位置変動測定装置の概略構成図であり、図２はその解析装置の概略構成を示すブロック図である。また、図３は図１に示す測定用治具の斜視図であり、図４は撮像される干渉縞画像の一例を示す模式図である。

図１に示す姿勢変化測定装置は、被検体５（例えば、旋盤機の主軸）の回転に伴うその回転中心線Ａの位置変動量を測定解析するものであり、フィゾータイプの干渉計１と、解析表示部２と、被検体５の先端面５ａに載置固定される測定用治具３とを備えてなる。なお、被検体５の回転中心線Ａは、被検体５に固定されたものとして扱い、被検体５の先端面５ａは、回転中心線Ａに対し垂直に形成されているものとする。

上記干渉計１は、図１に示すように、高可干渉性の光束を出力する光源部１１と、該光源部１１から出力された光束のビーム径を拡大するビーム径拡大用レンズ１２と、光束分割面１３ａを有するビームスプリッタ１３と、該ビームスプリッタ１３からの光束を平行光束に変換するコリメータレンズ１４と、参照基準面１５ａを有する透過型の参照基準板１５とが、上記測定光軸Ｃ上において、この順に配置されてなる。また、この干渉計１は、干渉縞画像を撮像するための結像レンズ１６およびＣＣＤ等の撮像素子１７ａを有する撮像カメラ１７を備えている。なお、上記参照基準板１５は、不図示のフリンジスキャンアダプタにより支持されており、該フリンジスキャンアダプタによって干渉計１の光軸Ｃの方向に微動せしめられることにより、光路上での参照基準面１５ａの位置を微小変化させ得るように構成されている。

上記解析表示部２は、図１に示すように、画像処理や縞解析等の各種演算処理を行う解析装置２１と、キーボード等の入力装置２２と、画像表示装置２３とを備えてなる。上記解析装置２１は、コンピュータ等により構成され、各種プログラムを格納したハードディスク等の記憶装置や、各種演算処理を行うＣＰＵを備えるとともに、これらＣＰＵおよびメモリ内のプログラム等により構成される平面方程式算出手段２４、直線方程式算出手段２５、座標値算出手段２６、および位置変動量算定手段２７を備えてなる（図２参照）。

上記測定用治具３は、図３に示すように、各々の面法線Ｎ_１〜Ｎ_３の傾きが互いに異なるように設定された３つ以上（本実施形態では３つ）の反射平面３１〜３３からなる反射平面群を有しており、上記被検体５と一体的に回転し得るように、かつ被検体５の複数の回転位置において上記反射平面群を含む当該測定用治具３の形状情報が担持された干渉縞画像を上記干渉計１により撮像し得るように被検体５の先端面５ａ上に設置固定されるように構成されている（図１参照）。

すなわち、図１に示す参照基準板１５を透過して３つの反射平面３１〜３３に照射された光束の戻り光と、参照基準面１５ａで反射された参照光との干渉によって、各反射平面３１〜３３の形状情報およびその相対的な位置関係を解析するのに適した干渉縞画像（例えば、図４に示すように、上記反射平面３１〜３３各々に対応する干渉縞Ｆ_３１〜Ｆ_３３が互いに連続するように観察され、各々の干渉縞Ｆ_３１〜Ｆ_３３の各縞次数を互いに対応づけることができるような干渉縞画像）が得られるように、各反射平面３１〜３３の相対的な位置関係や面法線Ｎ_１〜Ｎ_３の傾きが設定されている。

次に、本発明の一実施形態に係る回転中心線の位置変動測定方法（以下「本実施形態方法」と称する）について説明する。図５は本実施形態方法により求められる着目点の軌跡を示す模式図である。なお、本実施形態方法は、上述の回転中心線の位置変動測定装置を用いて行われる。また、上記干渉計１の角度感度の較正や各光学部材のアライメント調整は、完了しているものとする。

〈１〉図１に示す干渉計１の測定光軸Ｃと被検体５の回転中心線Ａとが互いに平行となるように（例えば、被検体５の先端面５ａ上に平行平板状の反射板を配置し、該反射板に照射した光束の戻り光と参照光との干渉によって得られる干渉縞がヌル縞状態となるように）、干渉計１と被検体５との相対的な位置調整を行う。

〈２〉図３に示す測定用治具３を、被検体５と一体的に回転し得るように、かつ該被検体５の複数の回転位置において３つの反射平面３１〜３３を含む該測定用治具３の形状情報が担持された干渉縞画像を干渉計１により撮像し得るように、被検体５の先端面５ａ上に設置固定する（図１参照）。

〈３〉被検体５が回転する過程の複数の時点において、３つの反射平面３１〜３３を含む測定用治具３の形状情報が担持された干渉縞画像（図４参照）を、干渉計１の撮像カメラ１７によりそれぞれ撮像する。

〈４〉撮像された各々の干渉縞画像に基づき、上記時点毎に、３つの反射平面３１〜３３の中の所定の各２つの反射平面からなる互いに異なる複数の組合せ（本実施形態方法では、反射平面３１、３２の組合せと、反射平面３１、３３の組合せとする）を選択し、選択された該複数の組合せにおける該各２つの反射平面（反射平面３１、３２と、反射平面３１、３３）それぞれに対応した各平面方程式を求める。

なお、この手順〈４〉においては、撮像された各々の干渉縞画像を解析するための３次元座標系（直交３軸）を予め設定する。本実施形態方法では、図１に示すように、３次元座標系の直交３軸のうちのＺ軸が干渉計１の測定光軸Ｃと平行となるように設定するとともに、他の２軸（Ｘ軸，Ｙ軸）が測定光軸Ｃに対し垂直となるように（Ｘ軸が紙面に対し垂直に、Ｙ軸が紙面と平行に）設定する。

〈５〉上記手順〈４〉において求められた各平面方程式に基づき、上記時点毎に、上記複数の組合せにおける各２つの反射平面同士の各交線（反射平面３１、３２の交線と、反射平面３１、３３の交線）を、測定光軸Ｃに垂直な２次元座標平面（例えば、ＸＹ平面）に正射影したときの各直線に対応した直線方程式をそれぞれ求める。

〈６〉上記手順〈５〉において求められた各々の直線方程式に基づき、上記時点毎に、上記２次元座標平面における各直線同士の交点の座標値を、着目点の座標値として求め、求められた上記時点毎の着目点の座標値に基づき、該着目点の２次元座標平面上での軌跡Ｌ（図５参照）を求める。

〈７〉上記手順〈６〉において求められた軌跡Ｌに基づき、被検体５の回転中心線Ａの位置変動量を算定する。具体的には、例えば、図５に示す軌跡Ｌにフィッティングする最小自乗円Ｐ（中心点Ｑ）を求め、該最小自乗円Ｐと上記軌跡Ｌとの、該最小自乗円Ｐの径方向への距離の差の量（例えば、図５に示すδ_１、δ_２）を、その方向への回転中心線Ａの位置変動量として求める。

なお、本実施形態方法において、上記手順〈４〉、〈５〉、〈６〉および〈７〉は、図２に示す平面方程式算出手段２４、直線方程式算出手段２５、座標値算出手段２６、および位置変動量算定手段２７においてそれぞれ実行される。

以下、上記手順〈４〉〜〈６〉における具体的な算定手順について、数式を用いて説明する。なお、以下の説明では簡単化のため、被検体５が回転する過程における所定の１つの時点（「第１の時点」と称する）においてそれぞれ撮像された干渉縞画像（「第１の干渉縞画像」と称する）に基づき、各方程式等を算出する場合を例にとって説明する。

まず、上記第１の干渉縞画像を解析することにより、上記３次元座標系において、上記第１の時点における上記３つの反射平面３１〜３３（具体的には、第１の干渉縞画像から得られる３つの反射平面３１〜３３の各形状にフィッティングした各最小自乗平面）を表す方程式（下式（１）〜（３））をそれぞれ求める（上記手順〈４〉に相当）。

ここで、ｘ，ｙ，ｚは上記３次元座標系（図１参照）の座標を示し、ａ_１，ｂ_１，ｃ_１、ａ_２，ｂ_２，ｃ_２、ａ_３，ｂ_３，ｃ_３は、上記第１の時点における上記３つの反射平面３１〜３３の各面法線Ｎ_１〜Ｎ_３の傾きに対応する係数を示す。なおｄ_１、ｄ_２、ｄ_３は、上記第１の干渉縞画像により特定される上記３つの反射平面３１〜３３の相対的な位置関係（特にＺ軸方向の高さ関係）が反映されるように設定される係数である。

次に、上式（１）〜（３）の各平面方程式に基づき、上記第１の時点における反射平面３１、３２の交線と反射平面３１、３３の交線を、ＸＹ平面に正射影したときの各直線に対応した直線方程式（下式（４）、（５））をそれぞれ求める（上記手順〈５〉に相当）。

そして、上式（４）、（５）の各直線方程式に基づき、上記第１の時点における上記ＸＹ平面上での上記各直線同士の交点の座標値（具体的には、上式（４）、（５）を連立して求める）を、着目点の座標値として求める（上記手順〈６〉の前半部に相当）。

なお、上式（１）〜（３）の各平面方程式に基づき、反射平面３２、３３の交線を、ＸＹ平面に正射影したときの直線に対応した直線方程式（下式（６））も求め、式（４）が示す直線と式（６）が示す直線との交点、式（５）が示す直線と式（６）が示す直線との交点、および上述の、式（４）が示す直線と式（５）が示す直線との交点の各座標値を平均した座標値を、上記着目点の座標値として求めるようにしてもよい。

また、反射平面３１、３２の交線の直線方程式と反射平面３１、３３の交線の直線方程式をそれぞれ３次元的に求め、さらに、これら２つの交線の交点の座標値を３次元的に求めて、その交点のｘｙ座標値を上記着目点の座標値として求めることも考えられる。しかし、演算上、２つの交線が３次元的に交わらないことも考えられ、このような場合には着目点の座標値を特定し難くなるという難点がある。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。

例えば、上記実施形態においては、３つの反射平面３１〜３３を有する三角錐状の測定用治具３（図３参照）を用いているが、４つ以上の反射平面を有する多角錐状のものや、半球面の一部に３つ以上の反射平面を形成したものなど、種々の形状の測定用治具を用いることが可能である。

また、上記実施形態においては、フィゾータイプの干渉計１を測定に用いているが、本発明は、マイケルソンタイプやマッハツェンダタイプ等の干渉計を用いるものにも適用することが可能である。

また、本発明において使用する測定用治具は、前掲の特許文献１に記載された手法における測定用治具としても用いることが可能である。したがって、本発明において上記特許文献１に記載された手法を併せて適用することにより、被検体の回転中心線の位置変動のみならず、被検体の先端面の直交３軸回りの各回転角度を求めることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る回転中心線の位置変動測定装置の概略構成図 解析装置の概略構成を示すブロック図 測定用治具の斜視図 撮像される干渉縞画像の一例を示す模式図 着目点の軌跡を示す模式図

符号の説明

１ 干渉計
２ 解析表示部
３ 測定用治具
４ 干渉縞画像
５ 被検体
５ａ 先端面
１１ 光源部
１２ ビーム径拡大用レンズ
１３ ビームスプリッタ
１３ａ 光束分割面
１４ コリメータレンズ
１５ 参照基準板
１５ａ 参照基準面
１６ 結像レンズ
１７ 撮像カメラ
１７ａ 撮像素子
２１ 解析装置
２２ 入力装置
２３ 表示装置
２４ 平面方程式算出手段
２５ 直線方程式算出手段
２６ 座標値算出手段
２７ 位置変動量算定手段
３１〜３３ 反射平面
Ａ 回転中心線
Ｃ 測定光軸
Ｎ_１〜Ｎ_３ 面法線
Ｆ_３１〜Ｆ_３３ 干渉縞
Ｌ 軌跡
Ｐ 最小自乗円
Ｑ 中心点
δ_１，δ_２ 位置変動量

Claims (2)

1. 被検体の回転に伴う該被検体の回転中心線の位置変動を、干渉計を用いて測定する回転中心線の位置変動測定方法であって、
   前記干渉計の測定光軸と前記回転中心線とが互いに平行となるように設定し、
   各々の面法線の傾きが互いに異なるように設定された３つ以上の反射平面からなる反射平面群を有する測定用治具を、前記被検体と一体的に回転し得るように、かつ該被検体の複数の回転位置において前記反射平面群を含む該測定用治具の形状情報が担持された干渉縞画像を前記干渉計により撮像し得るように前記被検体に設置し、
   前記被検体が回転する過程の複数の時点において、前記反射平面群を含む前記測定用治具の形状情報が担持された干渉縞画像を、前記干渉計によりそれぞれ撮像し、
   撮像された各々の前記干渉縞画像に基づき、前記時点毎に、前記反射平面群の中の所定の各２つの反射平面からなる互いに異なる複数の組合せを選択し、選択された該複数の組合せにおける該各２つの反射平面それぞれに対応した各平面方程式を求め、
   求められた前記各平面方程式に基づき、前記時点毎に、前記複数の組合せにおける前記各２つの反射平面同士の各交線を前記測定光軸に垂直な２次元座標平面に正射影したときの各直線に対応した直線方程式をそれぞれ求め、
   求められた各々の前記直線方程式に基づき、前記時点毎に、前記２次元座標平面における前記各直線同士の交点の座標値を、着目点の座標値として求め、
   求められた前記時点毎の前記着目点の座標値に基づき、該着目点の前記２次元座標平面上での軌跡を求め、求められた該軌跡に基づき、前記回転中心線の位置変動量を算定する、ことを特徴とする回転中心線の位置変動測定方法。
2. 被検体の回転に伴う該被検体の回転中心線の位置変動を測定する回転中心線の位置変動測定装置であって、
   測定光軸が前記回転中心線と互いに平行となるように設置される干渉計と、
   該干渉計により撮像される干渉縞画像を解析する解析装置と、
   各々の面法線の傾きが互いに異なるように設定された３つ以上の反射平面からなる反射平面群を有する測定用治具であって、前記被検体と一体的に回転し得るように、かつ該被検体の複数の回転位置において前記反射平面群を含む当該測定用治具の形状情報が担持された干渉縞画像を前記干渉計により撮像し得るように前記被検体に設置される測定用治具と、を備え、前記解析装置は、
   前記被検体が回転する過程の複数の時点において前記干渉計により撮像された、前記反射平面群を含む前記測定用治具の形状情報が担持された各々の前記干渉縞画像に基づき、前記時点毎に、前記反射平面群の中から所定の各２つの反射平面からなる互いに異なる複数の組合せを選択し、選択された該複数の組合せにおける該各２つの反射平面それぞれに対応した各平面方程式を求める平面方程式算出手段と、
   求められた前記各平面方程式に基づき、前記時点毎に、前記複数の組合せにおける前記各２つの反射平面同士の各交線を前記測定光軸に垂直な２次元座標平面に正射影したときの各直線に対応した直線方程式をそれぞれ求める直線方程式算出手段と、
   求められた各々の前記直線方程式に基づき、前記時点毎に、前記２次元座標平面における前記各直線同士の交点の座標値を、着目点の座標値として求める座標値算出手段と、
   求められた前記時点毎の前記着目点の座標値に基づき、該着目点の前記２次元座標平面上での軌跡を求め、求められた該軌跡に基づき、前記回転中心線の位置変動量を算定する位置変動量算定手段と、を備えてなることを特徴とする回転中心線の位置変動測定装置。
   

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