JP2013011443A - 形状測定用測定子の校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物を取り付けるための回転テーブルの中心位置に測定子の中心が届かなくても、その被測定物の形状を測定する測定子を、高精度に校正することができる形状測定用測定子の校正方法を提供する。
【解決手段】回転テーブル１１上のワークの形状を測定する測定子２２の校正方法において、校正用の基準円筒３０を、軸間距離Ｌに位置するテーブル回転軸Ｃ周りに旋回可能に設け、測定子２２の半径ｒ、基準円筒３０の半径Ｒ及び旋回角度α_tに基づいて、測定子２２の理論中心位置Ｏ_L，Ｏ_Rを設定し、この理論中心位置Ｏ_L，Ｏ_Rに位置決めした測定子２２と、旋回角度α_tに旋回させた基準円筒３０とが接触する理論接触位置及び実接触位置を求め、これらの間の旋回角度誤差、軸間距離Ｌ、測定子２２の半径ｒ、基準円筒３０の半径Ｒに基づいて求めた位置誤差に応じて、測定子２２を校正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転テーブルに取り付けられた被測定物の形状を測定する形状測定用測定子の校正方法に関する。

従来、歯車研削盤によって研削仕上げされた歯車の精度測定は、その歯車研削盤とは別に設けた歯車測定機を使用して行われていた。しかしながら、このように、歯車研削盤と歯車測定機とを別々に設けると、これらの間の歯車の移動や、それぞれの機械での歯車の着脱及び心出し等の段取りが必要となるため、作業性の低下を招いていた。

そこで、近年、上述した作業性の向上を図ることを目的として、歯車研削盤上において、加工後の歯車を加工時の取付位置に取り付けた状態で、その加工精度を測定可能とした、歯車研削盤が提供されている。

また、上述したような、歯車測定機能を有する歯車研削盤では、歯車を高精度に測定するために、必要に応じて、各駆動部を校正することが一般的となっている。例えば、特許文献１には、被測定物となるワークを取り付けるための回転テーブルの校正方法が開示されている。

特開平６−２４９６４１号公報

同様に、歯車測定機能を有する歯車研削盤では、歯車を測定するための測定子を校正することも重要となっている。一般的に、歯車研削盤においては、その直交座標系の原点が、回転テーブルの中心位置（回転軸）となっているため、測定子の校正は、当該測定子を回転テーブルの中心側に移動させて、測定子の中心と回転テーブルの中心位置とを一致させることにより行われる。

しかしながら、大きな歯車を研削する大形歯車研削盤においては、加工対象物となる歯車が大きな分、これを取り付けるための回転テーブルも、大きくしなければならない。そして、このような大形歯車研削盤に、上述した歯車測定機能を採用しようとすると、機械及び測定子と回転テーブルとの間の干渉等の問題によって、測定子の移動範囲に制限が生じるため、測定子の中心が回転テーブルの中心位置に届かないおそれがある。これにより、特に、歯車測定機能を有する大形歯車研削盤においては、測定子の校正が困難となり、結果的に、歯車の加工精度の低下を招くおそれがある。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、被測定物を取り付けるための回転テーブルの中心位置に測定子の中心が届かなくても、その被測定物の形状を測定する測定子を、高精度に校正することができる形状測定用測定子の校正方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る形状測定用測定子の校正方法は、
回転テーブルに取り付けられた被測定物の形状を測定する形状測定用測定子の校正方法において、
前記回転テーブルの回転軸から所定の軸間距離に配置された校正用の基準円筒を、前記回転テーブルの回転軸周りに旋回可能に設け、
前記測定子の径、前記基準円筒の径、前記回転テーブルの回転軸と直交する基準軸から左右両方向への前記基準円筒の旋回角度に基づいて、前記基準軸に対して左右一対となる前記測定子の理論中心位置を設定し、
前記理論中心位置に位置決めした前記測定子と、前記旋回角度に旋回させた前記基準円筒とが接触する理論接触位置を求め、
前記理論中心位置に位置決めした前記測定子に対して、前記基準円筒を前記旋回角度に旋回させて接触させたときの実接触位置を求め、
前記理論接触位置と前記実接触位置との間の旋回角度誤差を求め、
前記軸間距離、前記測定子の径、前記基準円筒の径、前記旋回角度誤差に基づいて、前記理論接触位置と前記実接触位置との間の接触位置誤差を求め、
前記接触位置誤差に応じて、前記測定子を校正する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る形状測定用測定子の校正方法は、
前記基準円筒を、複数の異なった旋回角度に旋回させ、
その複数の異なった旋回角度ごとに、接触位置誤差を求め、
それらの前記接触位置誤差に応じて、前記測定子を校正する
ことを特徴とする。

従って、本発明に係る形状測定用測定子の校正方法によれば、理論中心位置に位置決めした測定子に対して、校正用の基準円筒を所定の旋回角度に旋回させて接触させることにより、それらの間の接触位置誤差を求めた後、この求めた接触位置誤差に応じて、測定子を校正することにより、回転テーブルの中心位置に測定子の中心が届かなくても、当該測定子を高精度に校正することができる。

歯車測定機能を有する大形歯車研削盤において、ワークを測定器により測定する様子を示した図である。 本発明の一実施例に係る形状測定用測定子の校正方法を示した概略図である。 旋回させた基準円筒が位置決めした測定子に接触したときの様子を示した図である。 位置決めした測定子と旋回させた基準円筒との間の接触位置のずれ量を示した図である。 基準円筒の旋回角度を段階的に変更したときの様子を示した図である。 本発明の一実施例に係る形状測定用測定子の校正方法の手順を示したフローチャート図である。

以下、本発明に係る形状測定用測定子の校正方法について、図面を用いて詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、歯車研削盤（図示省略）には、円形の回転テーブル１１がテーブル回転軸Ｃ周りに回転可能に支持されており、この回転テーブル１１の上面には、ワーク（被加工歯車、被測定物、被測定歯車）Ｗが着脱可能となっている。そして、歯車研削盤の座標系は、Ｘ軸（基準軸）、Ｙ軸、Ｚ軸の直進軸、及び、それぞれの軸周りの回転軸を有する直交座標系となっており、その直交座標系の原点は、回転テーブル１１の中心位置（テーブル回転軸Ｃ上）に設定されている。

また、歯車研削盤は、当該歯車研削盤上において、研削後のワークＷの精度測定を可能とする歯車測定機能（歯車測定装置）を有するものであって、歯車測定用（座標測定用）の測定器２１を備えている。この測定器２１は、歯車研削盤上において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動可能に支持されており、球状の測定子２２を有している。

従って、測定器２１をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動させることにより、測定子２２を、回転テーブル１１に取り付けられたワークＷの歯面に点接触させることができる。このとき、測定子２２の中心位置（座標）が検出されることにより、ワークＷの形状（歯形、歯すじ、ピッチ等）が測定される。

即ち、歯車研削盤においては、ワークＷの研削前に、当該ワークＷを回転テーブル１１に取り付けていない状態で、測定子２２を校正すると共に、ワークＷの研削後に、当該ワークＷを研削加工時の取付位置に取り付けた状態で、そのワークＷの形状を測定子２２により測定するようになっている。

次に、測定子２２の校正方法について、図２乃至図５を用いて説明する。

先ず、図２に示すように、回転テーブル１１上に、校正用治具としての基準円筒３０を設置する。このとき、基準円筒３０は、その中心と回転テーブル１１のテーブル回転軸Ｃとの間の距離が、所定の軸間距離Ｌとなるように配置されている。

従って、回転テーブル１１を回転させることにより、基準円筒３０を、テーブル回転軸Ｃ周りに旋回させることができる。即ち、回転テーブル１１を、回転基準軸としたＸ軸から左右両回転方向に向けて、所定の回転角度α_tに回転させることにより、基準円筒３０を、旋回基準軸としたＸ軸から左右両方向に向けて、旋回角度α_tに旋回させることができる。

次いで、Ｘ軸上に配置した測定子２２の中心位置に対して、左側（Ｙ軸のマイナス側）及び右側（Ｙ軸のプラス側）に配置される左右一対の理論中心位置Ｏ_L，Ｏ_Rを設定する。

なお、理論中心位置Ｏ_L，Ｏ_Rは、旋回角度α_tに旋回させた基準円筒３０と接触した測定子２２の理論上の中心位置となるものであって、測定子２２の半径ｒ、基準円筒３０の半径Ｒ及び旋回角度α_tに基づいて、設定されている。

そして、図３に示すように、測定子２２を理論中心位置Ｏ_Lに位置決めした後、この位置決めした測定子２２に対して、基準円筒３０を旋回角度α_tに旋回させて接触させる。

ここで、実際に位置決めした測定子２２の中心位置が、予め設定された理論中心位置Ｏ_Lと同じ位置となる場合、即ち、実際に位置決めした測定子２２の中心位置に誤差がない場合には、測定子２２と基準円筒３０とは、理論接触位置Ｐ_Lで接触する。

なお、理論接触位置Ｐ_Lは、理論中心位置Ｏ_Lに位置決めした測定子２２に対して、旋回角度α_tに旋回させた基準円筒３０が、Ｙ軸方向から接触する理論上の接触位置となるものであって、測定子２２の半径ｒ及び理論中心位置Ｏ_Lから求められる。即ち、測定子２２の理論中心位置Ｏ_Lと、旋回角度α_tに旋回させた基準円筒３０の中心位置とを結んだ接触方向は、Ｙ軸方向と平行となる。

一方、実際に位置決めした測定子２２の中心位置が、予め設定された理論中心位置Ｏ_Lと異なった位置となる場合、即ち、実際に位置決めした測定子２２の中心位置に誤差がある場合には、測定子２２と基準円筒３０とは、実接触位置Ｐ_L´で接触する。

このとき、理論中心位置Ｏ_Lに対する実際に位置決めした測定子２２の中心位置誤差として、実際の軸間距離が予め設定された軸間距離Ｌよりも長くなるような、誤差となる場合には、実接触位置Ｐ_L´が、理論接触位置Ｐ_Lよりも、Ｘ軸のプラス方向にずれることになる。また、理論中心位置Ｏ_Lに対する実際の位置決めした測定子２２の中心位置誤差として、実際の軸間距離が予め設定された軸間距離Ｌよりも短くなるような、誤差となる場合には、実接触位置Ｐ_L´が、理論接触位置Ｐ_Lよりも、Ｘ軸のマイナス方向にずれることになる。

更に、上述したように、実際に位置決めした測定子２２の中心位置が、予め設定された理論中心位置Ｏ_Lと異なった位置になると、基準円筒３０の旋回角度α_tにも、誤差が生じることになる。

そこで、図４に示すように、旋回角度α_tに生じた旋回角度誤差Δα_tLを求めた後、軸間距離Ｌ、測定子２２の半径ｒ、基準円筒３０の半径Ｒ及び旋回角度誤差Δα_tLに基づいて、理論接触位置Ｐ_Lに対する実接触位置Ｐ_L´のＸ軸方向の接触位置誤差ΔＸ_L及びＹ軸方向の接触位置誤差ΔＹ_Lを求めるようにする。

接触位置誤差ΔＸ_L，ΔＹ_Lの具体的な演算方法としては、測定子２２の中心位置周りにおける理論接触位置Ｐ_Lから実接触位置Ｐ_L´までの角度を、接触角度誤差β_Lとすると、下記の式（１）に示すような関係式が得られる。これにより、式（１）から下記の式（２）を得られるため、接触角度誤差β_Lが求められる。

（ｒ＋Ｒ）・sin(β_L/２)＝Ｌ・sin(Δα_tL/２) ・・・（１）
β_L＝２sin^-1{[Ｌ/(ｒ＋Ｒ)]・sin(Δα_tL/２)} ・・・（２）

次いで、上記の式（２）から求められた接触角度誤差β_Lを用いれば、下記の式（３），（４）から、接触位置誤差ΔＸ_L，ΔＹ_Lが求められる。

ΔＸ_L＝ｒ・sinβ_L ・・・（３）
ΔＹ_L＝ｒ・（１−cosβ_L） ・・・（４）

また、測定子２２と基準円筒３０との接触は、測定子２２が理論中心位置Ｏ_L，Ｏ_Rに位置決めされたときの左右両側で行われるため、上述した演算方法と同じようにして、旋回角度誤差Δα_tR及び接触角度誤差β_Rを用いて、理論接触位置Ｐ_Rに対する実接触位置Ｐ_R´のＸ軸方向の接触位置誤差ΔＸ_R及びＹ軸方向の接触位置誤差ΔＹ_Rを求めるようにする。

そして、最終的な測定子２２のＸ軸方向の位置誤差ΔＸ及びＹ軸方向の位置誤差ΔＹは、左側の接触位置誤差ΔＸ_L，ΔＹ_Lと、右側の接触位置誤差ΔＸ_R，ΔＹ_Rとを用いることにより求められ、これら位置誤差ΔＸ，ΔＹが、ＸＹ平面内における測定子２２の校正値となる。

即ち、下記の式（５），（６）に示すように、位置誤差ΔＸは、左右両側の接触位置誤差ΔＸ_L，ΔＸ_Rの平均値となると共に、位置誤差ΔＹは、左右両側の接触位置誤差ΔＹ_L，ΔＹ_Rの差分値となる。

ΔＸ＝（ΔＸ_L＋ΔＸ_R）／２ ・・・（５）
ΔＹ＝ΔＹ_L−ΔＹ_R ・・・（６）

従って、位置誤差ΔＸ，ΔＹに応じて、測定子２２を校正することにより、ワークＷを測定子２２によって高精度に測定することができる。

更に、上述したように、校正値となる位置誤差ΔＸ，ΔＹは、基準円筒３０の旋回角度誤差Δα_tL，Δα_tRを用いて求められるものであるため、基準円筒３０の旋回精度、即ち、回転テーブル１１の割り出し精度（位置決め精度）が、そのまま、校正精度に影響を与えることになる。つまり、回転テーブル１１の割り出し精度を向上させることにより、位置誤差ΔＸ，ΔＹの演算精度を向上させることができるが、回転テーブル１１の割り出し精度の向上にも限界がある。

そこで、左右一対の接触による校正値演算を、旋回角度α_tを段階的に変更しながら、複数回に亘って行い、各旋回角度α_tごとに位置誤差ΔＸ，ΔＹを求めた後、それらを平均化しても構わない。

例えば、図５に示すように、３つの旋回角度α_t1，α_t2，α_t3を設定した後、これら各旋回角度α_t1，α_t2，α_t3ごとに、位置誤差ΔＸ１，ΔＸ２，ΔＸ３及び位置誤差ΔＹ１，ΔＹ２，ΔＹ３を求める。更に、位置誤差ΔＸ１，ΔＸ２，ΔＸ３及び位置誤差ΔＹ１，ΔＹ２，ΔＹ３を、それぞれ平均化して、最終的な位置誤差ΔＸ，ΔＹを求めるようにする。

これにより、回転テーブル１１の割り出しにおいては、割り出し角度が変わると、その割り出し精度内で、割り出し角度誤差が発生し、更に、この割り出し角度誤差にもばらつきが生じるため、複数の割り出し角度（旋回角度）を設定することにより、回転テーブル１１の割り出し角度誤差を容易に抽出することができる。そして、位置誤差ΔＸ１，ΔＸ２，ΔＸ３及び位置誤差ΔＹ１，ΔＹ２，ΔＹ３を、それぞれ平均化することにより、回転テーブル１１の各割り出し角度誤差も平均化されるため、最終的な位置誤差ΔＸ，ΔＹに対して、回転テーブル１１の割り出し角度誤差の影響を極力小さくすることができる。この結果、位置誤差ΔＸ，ΔＹの演算精度、即ち、測定子２２の校正精度を向上させることができる。

次に、測定子２２の校正方法の手順について、図６を用いて説明する。

先ず、ステップＳ１で、軸間距離Ｌ、測定子２２の半径ｒ、基準円筒３０の半径Ｒ及び旋回角度α_t、測定回数Ｎを入力する。

次いで、ステップＳ２で、測定子２２の半径ｒ、基準円筒３０の半径Ｒ及び旋回角度α_tに基づいて、測定子２２の理論中心位置Ｏ_L，Ｏ_Rを設定した後、これを用いて、理論接触位置Ｐ_L，Ｐ_Rを求める。

そして、ステップＳ３で、回転テーブル１１を回転させ、基準円筒３０を、その中心位置がＸ軸上に配置されるように、位置決めする。

次いで、ステップＳ４で、基準円筒３０を左右両方向に向けて旋回角度α_tに旋回させて、予め理論中心位置Ｏ_L，Ｏ_Rに位置決めしておいた測定子２２に接触させる。これにより、基準円筒３０が、左右両側の測定子２２に均等に接触するか否かが判定される。

ここで、可であれば、基準円筒３０がＸ軸上に位置決めされていると判定され、次のステップＳ５に進む。また、否であれば、基準円筒３０がＸ軸上に位置決めされていないと判定され、前のステップＳ３に戻る。

そして、ステップＳ５で、位置誤差測定動作を開始する。

次いで、ステップＳ６で、カウント数Ｉを１とし、総カウント数を２とする。

そして、ステップＳ７で、測定子２２を左側の理論中心位置Ｏ_Lに位置決めする。

次いで、ステップＳ８で、基準円筒３０を旋回角度α_tに旋回させる。

そして、ステップＳ９で、基準円筒３０が測定子２２に接触したら、実接触位置Ｐ_L´を求めた後、更に、旋回角度誤差Δα_tLを求める。

次いで、ステップＳ１０で、測定子２２を右側の理論中心位置Ｏ_Rに位置決めする。

そして、ステップＳ１１で、基準円筒３０を旋回角度α_tに旋回させる。

次いで、ステップＳ１２で、基準円筒３０が測定子２２に接触したら、実接触位置Ｐ_R´を求めた後、更に、旋回角度誤差Δα_tRを求める。

そして、ステップＳ１３で、測定回数Ｎが総カウント数Ｉ未満であるか否かが判定される。ここで、可であれば、現在の測定回数が予め設定した測定回数Ｎに達したと判定され、次のステップＳ１４に進む。また、否であれば、現在の測定回数が予め設定した測定回数Ｎに達していないと判定され、前のステップＳ５に戻る。

次いで、ステップＳ１４で、軸間距離Ｌ、測定子２２の半径ｒ、基準円筒３０の半径Ｒ及び旋回角度誤差Δα_tL，Δα_tRに基づいて、接触角度誤差β_L，β_Rを求めた後、この接触角度誤差β_L，β_Rを用いて、左側の接触位置誤差ΔＸ_L，ΔＹ_Lと、右側の接触位置誤差ΔＸ_R，ΔＹ_Rとを求める。これにより、最終的な、測定子２２の位置誤差ΔＸ，ΔＹがもとめられる。

そして、ステップＳ１５で、位置誤差ΔＸ，ΔＹに応じて、測定子２２を校正する。

従って、本発明に係る形状測定用測定子の校正方法によれば、理論中心位置Ｏ_L，Ｏ_Rに位置決めした測定子２２に対して、校正用の基準円筒３０を旋回角度α_tに旋回させて接触させることにより、測定子２２の位置誤差ΔＸ，ΔＹを容易に求めることができる。そして、その位置誤差ΔＸ，ΔＹに応じて、測定２２子を校正することにより、回転テーブル１１の中心位置（テーブル回転軸Ｃ）に測定子２２に中心が届かなくても、当該測定子２２を高精度に校正することができる。

また、旋回角度α_tを、複数の異なった旋回角度で段階的に設定することにより、位置誤差ΔＸ，ΔＹに対して、回転テーブル１１の割り出し角度誤差の影響を十分に小さくすることができる。これにより、測定子２２を更に高精度に校正することができる。

本発明は、形状測定用の測定子を、回転テーブルによって回転する被測定物に接触させながら、その被測定物の三次元形状を測定する三次元測定機の校正方法に適用可能である。

１１ 回転テーブル
２１ 測定器
２２ 測定子
３０ 基準円筒
Ｗ ワーク
Ｃ テーブル回転軸
ｒ 測定子の半径
Ｒ 基準円筒の半径
Ｌ 軸間距離
Ｏ_L，Ｏ_R 理論中心位置
Ｐ_L，Ｐ_R 理論接触位置
Ｐ_L´，Ｐ_R´ 実接触位置
α_t 旋回角度
Δα_tL，Δα_tR 旋回角度誤差
β_L，β_R 接触角度誤差
ΔＸ_L，ΔＹ_L，ΔＸ_R，ΔＹ_R 接触位置誤差
ΔＸ，ΔＹ 位置誤差

Claims (2)

1. 回転テーブルに取り付けられた被測定物の形状を測定する形状測定用測定子の校正方法において、
   前記回転テーブルの回転軸から所定の軸間距離に配置された校正用の基準円筒を、前記回転テーブルの回転軸周りに旋回可能に設け、
   前記測定子の径、前記基準円筒の径、前記回転テーブルの回転軸と直交する基準軸から左右両方向への前記基準円筒の旋回角度に基づいて、前記基準軸に対して左右一対となる前記測定子の理論中心位置を設定し、
   前記理論中心位置に位置決めした前記測定子と、前記旋回角度に旋回させた前記基準円筒とが接触する理論接触位置を求め、
   前記理論中心位置に位置決めした前記測定子に対して、前記基準円筒を前記旋回角度に旋回させて接触させたときの実接触位置を求め、
   前記理論接触位置と前記実接触位置との間の旋回角度誤差を求め、
   前記軸間距離、前記測定子の径、前記基準円筒の径、前記旋回角度誤差に基づいて、前記理論接触位置と前記実接触位置との間の接触位置誤差を求め、
   前記接触位置誤差に応じて、前記測定子を校正する
   ことを特徴とする形状測定用測定子の校正方法。
2. 請求項１に記載の形状測定用測定子の校正方法において、
   前記基準円筒を、複数の異なった旋回角度に旋回させ、
   その複数の異なった旋回角度ごとに、接触位置誤差を求め、
   それらの前記接触位置誤差に応じて、前記測定子を校正する
   ことを特徴とする形状測定用測定子の校正方法。

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