JP2011215108A - 測定方法及び形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ１本だけを用いた繰返し走査型の２点法で高い測定精度を実現する新しい測定方法及び形状測定装置を提供する。
【解決手段】回転ガイドＲＧの周囲を走査用回転部ＳＲを相対回転させ、それと共にセンサＳ１が被測定対象ＯＢの周囲を回転し外周の凹凸を検出するので、変位センサＳ１の出力が不図示のエンコーダの信号に同期して出力される。回転軸線Ｘの交差位置を変えずに被測定対象ＯＢと検出部保持台ＢＳとを走査方向に所定の角度だけ回転変位させる。回転ガイドＲＧの周囲を、走査用回転部ＳＲを相対回転させるとそれと共にセンサＳ１が被測定対象ＯＢの周囲を回転し、その出力を取得することで（４）ー（６）式が求められ被測定対象ＯＢの形状だけを求める差分が得られる。
m1(θ)＝f(θ)＋ex(θ)（４）、m2(θ)＝f(θ＋φ)＋ex(θ)（５）、m2(θ)−m1(θ)＝f(θ＋φ)−f(θ)（６）
【選択図】図３

Description

本発明は、センサを被測定面に対して相対的に走査して形状を求める精密測定技術に関する。

大型加工物の加工精度向上に対する要求の高まりと共に、工作機械の移動真直度や加工面の真直形状の測定精度に対してもその向上が求められている。機械の移動真直度測定には直定規が基準として用いられる。加工物の形状測定には、機械の高精度の移動真直性が基準に用いられる。それらの基準の精度が不足するときには、反転法や多点法が用いられる。反転法については、非特許文献１に開示されており、多点法については、特許文献１に開示されている。

オズワルド・ホリカワ，佐藤海二，下河辺明、「改良型反転法による真円度および絶対回転運動精度の評価」，精密会誌57-12(1991)2231-2236

特開2007-178296号公報

ところで、高精度の回転運動性能を具備した真円形状測定機が市販されているが、その測定機に搭載できる試料の大きさに制限があり、また加工物を工作機械から取り外して測定機まで運ぶ手間が掛けられない場合も多い。

特に反転法では、被測定試料とセンサの両方を１８０度反転する必要があり、適用可能範囲に制限がある。一方、３点法はセンサを少なくとも３本必要とし、これはセンサの価格の問題からも、センサの安定性を確保するための環境整備にも困難をもたらす。

３本のセンサの代わりに３か所の回転角位置にセンサを順次回転シフトして、走査測定を繰り返す、繰返し走査型の３点法もある。この場合は、センサのドリフトに対する許容値が一層厳しくなるという難点がある。

本発明は、掛かる問題に鑑み、センサ１本だけを用いた繰返し走査型の２点法で高い測定精度を実現する新しい測定原理を提案し、またその原理に従った測定方法及び可搬式とできる回転走査型の形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明の測定方法は、 変位センサを用いて被測定対象の形状を測定する測定方法において、
前記被測定対象と前記変位センサのうち一方を固定して、他方を回転させることにより、前記被測定対象の形状を走査しつつ測定する第１の測定ステップと、
回転中心と前記変位センサとの相対位置関係を維持したまま、前記被測定対象と前記変位センサとを、前記回転中心回りに所望の角度だけ走査方向にシフトするシフトステップと、
前記一方を固定して、前記他方を回転させることにより、前記被測定対象の形状を走査しつつ測定する第２の測定ステップと、
前記第１の測定ステップによる測定結果と、前記第２の測定ステップによる測定ステップの測定結果とに基づいて、運動誤差を排除するステップとを有することを特徴とする。

本発明では、反転法と同様に変位センサを１本だけ用いて、被測定対象と変位センサの両方の反転（１８０度の回転シフト）の代わりに、回転運動をする側の一方だけを高々３０°程度回転シフトするだけで、逐次２点法による形状測定を実現することができる。

また、本発明では、被測定対象を測定機に搭載するのではなく、測定装置を被測定対象上に搭載するか、被測定対象の近傍へ設置して測定を実施することができる。以下、図面を参照して本発明の原理について説明する。

図１（ａ）は、従来技術による変位センサを２本用いた２点法を説明するための図であり、図１（ｂ）は、従来技術による１本の変位センサをシフトさせた方法を説明するための図であり、図２は、変位センサを回転シフトして、回転シフト前後の２回の回転走査測定を行う本発明を説明するための図である。図１，２において、回転中心Ｏ回りに回転可能なテーブルＴＢ上に、円盤状の被測定対象ＯＢが載置されており、矢印で示す変位センサＳ１（Ｓ２）が、被測定対象ＯＢの外周面に感度軸を向けて固定配置されている。変位センサは、その感度軸に交差する被測定対象の形状を測定できるものであれば、特に限定されない。尚、テーブルＴＢと被測定対象物ＯＢとの相対回転を示すため、マークＭＫをそれぞれに付している。

図1において、角度θの位置における被測定対象の形状をｆ（θ）とし、角度θの位置におけるｘ方向の運動誤差をｅｘ（θ）、角度θの位置におけるｙ方向の運動誤差をｅｙ（θ）とする。ここで、従来型の２点法では、走査方向に角度φだけ離れて配置された2本のセンサＳ１，Ｓ２（図１（ａ）参照）、あるいは測定前後に走査方向に角度φだけ離れた2か所の位置に配置されるセンサＳ１の出力m1(θ)、m２(θ)は、次式の関係になる。
m1(θ)=f(θ) +ex(θ) （１）
m2(θ)=f(θ+φ) +ex(θ)cos(φ)+ey(θ)sin(φ) （２）

ここで、（１）、（２）式からex(θ)を消去すると、
m2(θ)/ cos(φ)−m1(θ)= f(θ＋φ)−f(θ)+ey(θ)tan(φ) （３）
となり、ey(θ)の影響が残ってしまう。すなわち、従来の2点法では回転軸の半径方向の振れの成分がセンサ出力に含まれるため、高い精度の測定が難しいといえる。

これに対して、図２に示した本発明の測定方法では、不図示の回転ガイドにより、テーブルＴＢの回転中心Ｏ回りに被測定対象ＯＢが回転シフト可能となっている。ここで、図２（ａ）に示すように、１本の固定された変位センサＳ１を用いて、テーブルＴＢを回転させながら、テーブルＴＢ上で固定された被測定対象ＯＢの形状を測定して（４）式を得る（第１の測定ステップ）。次いで、図２（ｂ）に示すように、テーブルＴＢの回転中心Ｏ回りに、被測定対象ＯＢを測定方向（走査方向）に角度φだけ相対回転させる（シフトステップ）。この状態では、回転中心Ｏと変位センサＳ１との相対位置関係を維持したままである。かかる関係を維持したまま、同じ変位センサＳ１を用いて、テーブルＴＢを回転させながら、被測定対象ＯＢの形状を測定して（５）式を得る（第２の測定ステップ）。
m1(θ)＝f(θ)＋ex(θ) （４）
m2(θ)＝f(θ＋φ)＋ex(θ) （５）

本発明によれば、被測定対象ＯＢに回転シフトを与えるため、２回の走査でセンサ出力に含まれる運動誤差は同じ方向の成分のみになる。従って、反転法と同様、運動誤差の繰返し性があれば、回転シフト前後２回の測定値（（４）、（５）式）の差分から、（６）式のように変位センサの感度軸方向の運動誤差ex(θ)を取り除けて、正しい形状の差分が得られる。
m2(θ)−m1(θ)＝f(θ＋φ)−f(θ) （６）

これを逐次加えると、被測定対象ＯＢの求める形状が得られる。なお、図２では、被測定対象ＯＢがテーブルＴＢの回転中心回りに回転シフトする構造として、被測定対象ＯＢを回転シフトしているが、走査のために変位センサが回転する構造の場合は、変位センサを含む変位検出部全体を回転シフトしてもよいことなる。重要なことは、回転軸に固有の半径方向運動誤差の同じ方向成分が、回転シフトの前後で変位センサに検出される形態になっていることである。

なお、図１，２では被測定対象ＯＢが円盤状になっているが、被測定対象が円弧状のものであっても、半球状のものであっても、回転走査で測定できるものであれば、特に360度の円周を有する必要が無いことは言うまでもない。また、円板面などの平面の凹凸を円に沿って走査測定する場合にも適用できる。

本発明の形状測定装置は、回転ガイドと、前記変位センサの感度軸を走査円に対して垂直な方向に保ちながら前記回転ガイドの回りに回転するセンサホルダと、前記回転ガイドと前記センサホルダを一体にして、走査円に沿う方向に回転シフトするシフト機構とを有すると好ましい。

本発明の形状測定装置は、少なくとも前記センサホルダ（又は形状測定装置全体）を移動させて、前記変位センサを回転走査円の軸線に直交する方向に相対移動することができ、その移動前後の姿勢変化を、傾斜姿勢検出装置（例えば水準器やオートコリメータ等）で測定して、移動に伴う姿勢変化を補正することができると好ましい。変位センサと被測定対象の回転シフトのために、被測定対象を回転可能な台を介して設置する構造も有効である。

本発明の形状測定装置は、同心円に沿って変位を検出できるように複数の変位センサを配置して、一度の走査で複数の位置の形状を測定できると好ましい。その複数の変位センサのゼロ点の相対高さを予め校正しておいて、得られた複数の同心円に沿う形状が相互に関連付けられる形態も好ましい。円板面測定の形態において、走査円の中心にも変位センサを配置して、回転走査の際の回転軸の軸方向の運動の繰返し誤差を検出して取り除く構造も好ましい。複数の変位センサを一体で保持して、回転腕に沿って移動することで変位センサ間隔内の形状に関する内挿値が得られる構造も好ましい。この際、移動における姿勢変化を水準器やオートコリメータ等で検出し、補正することも好ましい。

本発明によれば、変位センサを1本しか必要とせず、走査運動誤差の繰返し性の範囲で、回転走査誤差を取り除いた正しい形状が測定できる。

本発明によれば、大きな被測定対象を工作機械から移動することなく、回転シフトを実施して反転法と同程度の高精度の形状測定を実現できる。

本発明によれば、真円形状だけでなく、部分的な回転シフトで円弧や非球面の形状の測定も可能になる。

本発明によれば、単独の変位センサの安定性に配慮すれば測定精度が維持できるので、多点法のような変位センサ間の特性の微妙な違いに対する配慮が不要になる。

本発明によれば、反転がし難いような大きな被測定対象でも、変位検出部の回転シフトで運動誤差を取り除くことができる。

尚、変位センサ又はテーブル等にエンコーダを内蔵して、被測定対象と変位センサとの相対回転角度を測定し、与えた指令に応じた走査間隔での変位センサの読みの平均値を出力することも好ましい。

又、所望の回転シフト量を与える際に、それを確認できる指標（マークＭＫ）等を、被測定対象やテーブル（又は変位センサ側）に備えていることも好ましい。

重力に対する姿勢で生じる移動誤差を補正する構造も好ましい。

回転走査しながら、変位センサの出力を一定に保つように感度軸方向に変位センサを制御する方式の変位検出部を採用するのも好ましい。

（ａ）は、従来技術による変位センサを２本用いた２点法を説明するための図であり、図１（ｂ）は、従来技術による１本の変位センサをシフトさせた方法を説明するための図である。 変位センサを回転シフトして、回転シフト前後の２回の回転走査測定を行う本発明を説明するための図である。 第１の実施の形態にかかる測定装置を示す斜視図である。 第２の実施の形態にかかる測定装置を示す斜視図である。 第３の実施の形態にかかる測定装置を示す斜視図である。 水準器の読みから測定結果を補正する状態を示す図である。

以下、図面を使って本発明の実施の形態にかかる測定装置について説明する。図３は、第１の実施の形態にかかる形状測定装置を示す斜視図である。図３（ａ）において、円盤状の被測定対象ＯＢの外周形状を測定する形状測定装置は、被測定対象ＯＢに設置される検出部保持台ＢＳと、検出部保持台ＢＳに植設された回転ガイド（軸）ＲＧと、回転ガイドＲＧに嵌合し回転軸線Ｘ回りに相対回転する円筒状の走査用回転部ＳＲと、走査用回転部ＳＲから鈎状に延在するセンサホルダＳＨと、センサホルダＳＨの端部に取り付けられ、感度軸を被測定対象ＯＢに向けた変位センサＳ１とを有する。検出部保持台ＢＳは、回転ガイドＲＧとセンサホルダＳＨを一体にして、被測定対象ＯＢに対して走査円に沿う方向に相対的に回転シフトするシフト機構である。尚、被測定対象ＯＢと、検出部保持台ＢＳと、走査用回転部ＳＲには、回転シフト位置表示マークＭＫが形成されている。

形状測定装置を用いた測定方法に付いて説明する。まず、図３（ａ）の状態で、回転ガイドＲＧの周囲を、走査用回転部ＳＲを相対回転させると、それと共にセンサＳ１が被測定対象ＯＢの周囲を回転し、外周の凹凸を検出するので、変位センサＳ１の出力が不図示のエンコーダ（走査用回転部ＳＲの相対回転角度を検出する）の信号に同期して出力される。その出力を取得することで（４）式の測定結果が得られる。

次いで、回転軸線Ｘの交差位置を変えずに被測定対象ＯＢと検出部保持台ＢＳとを、走査方向に所定の角度だけ回転変位（シフト）させると、図３（ｂ）に示す状態になる。その後、回転ガイドＲＧの周囲を、走査用回転部ＳＲを相対回転させると、それと共にセンサＳ１が被測定対象ＯＢの周囲を回転し、その出力を取得することで（５）式の測定結果が得られる。（４）、（５）式から、（６）式が求められ、被測定対象ＯＢの形状だけを求める差分が得られる。なお、被測定対象ＯＢと、回転ガイドＲＧとの偏心状態が回転シフト前後で変わるが、偏心の影響は回転周期に一致する成分として真円形状から除外される。

図4は、第２の実施の形態にかかる形状測定装置を示す斜視図である。本実施の形態においては、センサホルダＳＨに対して変位センサＳ１が、被測定対象ＯＢの上面の形状を測定するように、感度軸が回転ガイドＲＧと平行に設けられている点のみが異なる。測定方法は、図３に示す形状測定装置と同様である。回転軸線ＸからセンサＳ１の感度軸までの半径を任意に変えることができるように、センサホルダＳＨのアーム長を可変とすれば、検出部保持台ＢＳと干渉しない限り、被測定対象ＯＢの上面形状を測定することができる。

図5(a)に、水準器を姿勢検出に使った形状測定装置の斜視図を示す。かかる形状測定装置は、回転半径（ｒ１，ｒ２）の異なる2個の変位センサＳ１，Ｓ２を、センサホルダＳＨに取り付けて同時に回転走査し、同心円上に異なる位置で形状測定を行う例である。より具体的には、被測定対象ＯＢの被測定面上に、門型の検出部保持台ＢＳの一対の脚部がスライド可能に載置されている。検出部保持台ＢＳの水平梁部中央には、傾斜姿勢検出装置である水準器ＬＶと、回転ガイドＲＧが固定配置され、回転ガイドＲＧは走査用回転軸ＳＲを回転可能に支持している。走査用回転軸ＳＲの下端には、水平バー状のセンサホルダＳＨの中央が取り付けられている。センサホルダＳＨには、被測定面を向くようにして変位センサＳ１，Ｓ２が回転半径（ｒ１，ｒ２）を異ならせて取り付けられている。上述したように、走査用回転軸ＳＲを回転させることで、被測定面上の同心円上における異なる位置を形状測定できる。

図5(b)は、被測定対象ＯＢの被測定面上を（回転走査円の軸線に直交する方向に沿って）、検出部保持台ＢＳがセンサホルダＳＨ毎、dだけ移動して2か所で回転走査をして、上述した方法で形状を測定する例を示す。2か所での走査円が重なる点では同じ測定面上の点なので高さを合わせることはできるが、交点を結ぶ交点軸cの周りの回転は拘束できないので形状が定まらない。そこで検出部保持台ＢＳを、ｄだけ移動した前後の検出部保持台ＢＳの傾斜を補正する必要がある。そのために、本実施形態では水準器ＬＶの読みを利用する。この水準器ＬＶの読みにより検出部保持台ＢＳの姿勢検出を行うことができ、かかる姿勢変化分を補正することで精度の良い形状測定を行うことができる。水準器ＬＶの代わりにオートコリメータと反射鏡の組み合わせを用いても良いことは言うまでもない。また、変位センサは2本だけを示したが、より多くのセンサを用いて、同心円の密度を上げてもよいし、また、センサホルダを半径方向にシフトして変位センサの回転半径を変化させて回転走査を繰り返す構造にしてもよい。また、図5(a)では検出部保持台ＢＳが被測定面上に置かれているが、図５(a)の被測定対象ＯＢをまたぐような構造でもよい。

図６によって本発明の水準器の役割について説明する。図5の実施形態で回転走査測定装置全体を移動して回転走査をすると、移動に伴う回転軸の傾斜によって、移動前の走査基準円ＣＬ１に対し、移動後の走査基準円ＣＬ２が図6(a)のように傾いてしまう。ここで、移動軸回りの傾斜(ローリング)については、被測定面の同一点での高さが等しいとして、移動前後の走査円の交叉点の高さを揃えることで補正ができる。しかし、移動方向の傾斜(ピッチングθｐ)は交叉点を結ぶ直線周りに生じるため、高さを揃えるだけでは補正しきれない。そこで、この傾斜を外部の基準によって補正する必要がある。本発明のように移動前後の装置全体の傾斜を水準器ＬＶで測定すればその差が、走査基準円ＣＬ１．ＣＬ２の傾斜θｐに相当するので、図6(b)のようにこの傾斜を補正して正しい形状を得ることができる。

また、図には示さないが、図３に示すように円筒外周を測定する形状測定装置では、変位センサを円筒軸方向に複数個並べたり、あるいはセンサホルダを円筒軸方向に移動させて複数の軸直角断面での真円形状を得る形態も好ましい。

ＢＳ 検出部保持台
ＭＫ 回転シフト位置表示マーク
ＯＢ 被測定対象
ＲＧ 回転ガイド
Ｓ１ 変位センサ
ＳＨ センサホルダ
ＳＲ 走査用回転部
Ｘ 回転軸線

Claims (4)

1. 変位センサを用いて被測定対象の形状を測定する測定方法において、
   前記被測定対象と前記変位センサのうち一方を固定して、他方を回転させることにより、前記被測定対象の形状を走査しつつ測定する第１の測定ステップと、
   回転中心と前記変位センサとの相対位置関係を維持したまま、前記被測定対象と前記変位センサとを、前記回転中心回りに所望の角度だけ走査方向にシフトするシフトステップと、
   前記一方を固定して、前記他方を回転させることにより、前記被測定対象の形状を走査しつつ測定する第２の測定ステップと、
   前記第１の測定ステップによる測定結果と、前記第２の測定ステップによる測定ステップの測定結果とに基づいて、運動誤差を排除するステップとを有することを特徴とする測定方法。
2. 請求項１に記載の測定方法を用いた形状測定装置であって、
   回転ガイドと、
   前記変位センサの感度軸を走査円に対して垂直な方向に保ちながら前記回転ガイドの回りに回転するセンサホルダと、
   前記回転ガイドと前記センサホルダを一体にして、走査円に沿う方向に回転シフトするシフト機構とを有することを特徴とする形状測定装置。
3. 少なくとも前記センサホルダを移動させて、前記変位センサを回転走査円の軸線に直交する方向に相対移動することができ、その移動前後の姿勢変化を、傾斜姿勢検出装置で測定して、移動に伴う姿勢変化を補正することができることを特徴とする請求項2に記載の形状測定装置。
4. 同心円に沿って変位を検出できるように複数の変位センサを配置して、一度の走査で複数の位置の形状を測定できることを特徴とする請求項2，3、4のいずれかに記載の形状測定装置。