JP2013234996A - 機械要素の形状、位置、サイズに関する特徴を測定するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない構造コストで高精度の測定を可能にし、回転軸線に対し直交方向以下の著しい傾斜を回転軸線に対し有している面も、アンダーカット、勾配、非平面等の隠れた領域を有するような面も高測定精度で測定できる、回転可能な機械要素の形状、位置、サイズに関する特徴を測定するための可能性を見いだす。
【解決手段】光学式測定ユニット（３）は、機械要素（５）を軸線方向に測定するための接触式測定子（４２）を備えた補助的な機械式測定ユニット（４）を有している。前記機械式測定ユニット（４）は、前記光学式測定ユニット（３）に固定され、且つ前記接触式測定子（４２）を前記機械要素（５）の回転軸線（６）に対し直交する直交面内で回動させるための回動機構（４１）を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば原動機軸、伝動軸、連接棒、弁、ピストン、ねじ、タービン部品等の回転可能な機械要素の形状、位置、サイズに関する特徴を測定するための装置および方法に関するものである。

軸を正確に測定するために、面を機械式プローブ要素を用いてプローブ検査し、非常に正確に測定することのできる接触式測定方法が確立された。しかし接触式測定方法は、測定課題が変わると通常は高い組み替えコストを必要とする。

このケースに対しては光学式測定方法が考えられる。この測定方法はシャドーイメージを生成させ、このシャドーイメージに基づいて外側輪郭を測定することができる。無接触測定であるために機械要素を迅速に検知でき、且つ高精度の測定を行なうことができる。異なる測定課題間の交替は容易であり迅速に可能である。光学式測定方法の欠点は、シャドーイメージでは見えない凹状部分面およびアンダーカットを測定できないことである。

このような理由から、光学式測定方法と接触式測定方法とを組み合わせることが考えられる。特許文献１には、軸の周面の検知を光学式測定ユニットと機械式測定ユニットとを組み合わせて行うようにした装置が開示されている。このためこの装置は、軸を測定するために機械・電気測定ユニットを光電式測定ユニットに組み込み、必要な場合に直線走行できるようにした測定システムを有している。軸は装置内で回転軸に締め付け固定される。測定システムはＵ字状の光電式測定システムを有し、その自由端部は、第１の測定位置で、締め付け固定されている軸の両側に配置される。自由端部には照明モジュールとカメラモジュールとがライトバリヤー状に組み込まれている。このようにして軸のシャドーイメージが公知の態様で生成されて撮影され、シャドーイメージに基づいて軸を測定することができる。軸を完全に検知するため、軸はその回転軸線のまわりに回転し、光電式測定ユニットは回転軸線に対し平行に軸に沿って走行する。測定精度を高めるため、さらに、Ｕ字状の光電式測定ユニットに固定される機械・電気式測定ユニットを用いて軸の周面の補助的な測定を行なうことができる。光電式測定ユニットの移動とともに自動的に機械・電気式測定ユニットも軸に沿って案内され、その結果この第２の測定位置において周面を機械式でプローブ検査することができる。測定値収集は軸の回転軸線に対し垂直に軸面内側で行われ、その結果プローブ要素を用いて周面を高精度で接触式に検出することができる。しかしながら、この装置は周面の精確な機械式プローブ検査しか可能でない。軸の回転軸線に対しほぼ直交するように配置された面は光学式でしか検出することができない。装置の高測定精度を得るには、通常機械的に安定な、よって大きくて重い部材が使用されるので、両測定位置の間で可動に支持されているＵ字状キャリアの精確な位置調整を実現するには、高い構造コストが必要であることを前提としなければならない。

独国特許第１０３１９９４７Ｂ４号明細書

本発明の課題は、少ない構造コストで高精度の測定を可能にし、回転軸線に対し直交方向以下の著しい傾斜を回転軸線に対し有している面も、アンダーカット、勾配、非平面等の隠れた領域を有するような面も高測定精度で測定できる、回転可能な機械要素の形状、位置、サイズに関する特徴を測定するための可能性を見いだすことである。

この課題は、本発明によれば、回転可能な機械要素の形状、位置またはサイズに関する特徴を測定するための装置においては、すなわち機械台に沿って配置されるリニアガイドと、これに対し平行に配置されるリニアガイドシステムとを備えた、機械的に安定な前記機械台と、前記機械要素を該機械要素の回転軸線のまわりに回転可能に受容し、前記リニアガイドで受容される少なくとも１つの締め付け手段を有し、前記機械要素を前記回転軸線のまわりに回転可能であるように保持している工作物保持部と、照明モジュールとカメラモジュールとを備え、リニアガイドシステムに可動に配置され、前記照明モジュールとこれに対向している前記カメラモジュールとの間に回転可能に配置される前記機械要素から該機械要素の２次元のシャドーイメージを撮影可能にする光学式測定ユニットと
を含んでいる前記装置においては、前記光学式測定ユニットが、前記機械要素を軸線方向に測定するための接触式測定子を備えた補助的な機械式測定ユニットを有し、前記機械式測定ユニットが、前記光学式測定ユニットに固定され、且つ前記接触式測定子を前記機械要素の前記回転軸線に対し直交する直交面内で回動させるための回動機構を有していることによって解決される。

有利には、前記接触式測定子は前記機械要素の前記回転軸線に対し平行に２つの方向において測定する１次元の測定値収集器を有し、該測定値収集器はスタイラスアームと少なくとも１つのプローブ要素とを備え、前記スタイラスアームの長さは、前記接触式測定子の回動の際に前記少なくとも１つのプローブ要素が少なくとも前記機械要素の前記回転軸線を横切る円弧を描くように選定されている。

前記接触式測定子が、前記機械要素の前記回転軸線に対し平行な方向に間隔をもって位置する２つのプローブ球を備えたスタイラスアームを有し、その結果取り囲んでいる材料によって隠れた面が軸線方向に測定可能であるのが合目的であるのが明らかになった。

好ましくは、前記回動機構は、前記接触式測定子の少なくとも１つの前記プローブ球を位置決めするため、前記回転軸線に関し半径方向に無段階に位置調整可能である。

前記接触式測定子は、有利には、前記リニアガイドシステムに沿った前記光学式測定ユニットの移動により前記機械要素のどの軸線方向位置にも位置決め可能であり、軸線方向にプローブ検査可能な面においてプローブ検査運動が実施可能である。

前記回転軸線の軸線方向に前記接触式測定子の校正を行なうための校正体が設けられ、該校正体が、前記回転軸線に対し直交し且つ互いに軸線方向に対向しあっている少なくとも２つの参照面を有し、且つ前記工作物保持部に固定され、前記少なくとも２つの参照面のうちそれぞれ少なくとも１つが前記光学式測定ユニットと前記機械式測定ユニットとによってプローブ検査可能であるのが有利である。

前記校正体はＵ字状プロファイル部材であってよく、該Ｕ字状プロファイル部材は、前記回転軸線に対し直交するように参照面として配置される２つの平行な内面を有している。

他の有利な実施態様では、前記校正体は前記回転軸線に対し同心に配置される回転体であり、該回転体は周回するように延在する長方形溝を備え、該長方形溝の、互いに平行に対向しあっている内面は、前記回転軸線に対し直交するように配置される前記参照面であり、前記回転体は締め付け手段に同心に固定されている。

有利には、前記校正体の温度を温度センサを用いて検知し、前記参照面と前記参照面との間で測定した長さ基準を、前記校正体の温度依存性を考慮して且つ熱膨張係数を考慮して参照温度へ校正する。

さらに、前記課題は、回転可能な機械要素の形状、位置、サイズに関する特徴を測定する方法においては、
ａ）前記機械要素を少なくとも１つの回転可能な締め付け手段で締め付け固定して前記機械要素を回転軸線のまわりに回転させるステップと、
ｂ）前記機械要素を前記回転軸線のまわりに回転させながら、前記回転軸線に対し直交するように方向づけられた光学式測定ユニットの光路内でシャドーイメージを検知することにより前記機械要素の複数の部分を光学式に測定して、前記シャドーイメージから、軸線方向にプローブ検査可能な面の形状、位置、サイズに関する特徴を検出するステップと、
ｃ）前記光学式測定ユニットによって検出した前記機械要素の前記軸線方向にプローブ検査可能な面の位置のほうへ前記光学式測定ユニットを移動させ、光学式に検出した前記軸線方向にプローブ検査可能な面の位置に対応する位置へ、接触式測定子を備えた機械式測定ユニットを位置決めするステップと、
ｄ）前記光学式測定ユニットに連結された接触式測定子をプローブ検査される面に対向する直交面内で回動させ、このプローブ検査される面を前記接触式測定子を用いてプローブ検査することにより、軸線方向に互いに対向しあっている前記機械要素の面の軸線方向間隔値を接触式に測定するステップと、
を含んでいることによって解決される。

好ましくは、軸線方向に対向しあって空気により互いに分離されている面の接触式測定を次のように行い、すなわち前記軸線方向に対向しあっている面の、前記回転軸線から半径方向に同じ間隔を有し且つ選定したそれぞれの半径方向の間隔に対し長さ測定値を表わす点を、前記接触式測定子用いて交互にプローブ検査するように行い、その際校正された長さ基準部において、予め前記接触式測定子を、互いに平行に対向しあって前記回転軸線に対し直交するように方向づけられた２つの参照面を用いて校正する。

さらに、軸線方向に対向しあっている面の接触式測定を次のように行なうことも可能で、すなわち前記軸線方向に対向しあっている面のうちの１つの面の軸線方向位置を光学式測定ユニットを用いて検出し、他の面を接触式測定子を用いて検出するように行い、その際前記光学式測定ユニットの測定位置と前記機械式測定ユニットの測定位置との間のオフセット値を１つの参照面にて特定することにより、予め前記光学式測定ユニットと前記機械式測定ユニットとを互いに校正する。

さらに、合目的には、前記回転軸線に対し同心の１つまたは複数の軌道内で前記接触式測定子の測定値を収集して形状に関する特徴の算出に使用し、その際前記機械要素を前記回転軸線のまわりに回転させる。

好ましくは、前記校正された長さ基準部を、少なくとも光学式測定の開始前に、少なくとも１つの校正ステップのために使用する。

次に、本発明をいくつかの実施形態を用いて詳細に説明する。
添付の図面において、
本発明による装置の基本構成を測定器の全体図において示した図である。 内側へ回動可能な接触式測定子の形態の機械式測定ユニットと組み合わせた光学式ユニットの正面断面図である。 内側へ回動中の接触式測定子を備えた組み合わせ測定ユニットの平面図である。 プローブ検査運動で内側へ回動する接触式測定子を備えた組み合わせ測定ユニットを示す図である。 軸線方向にプローブ検査可能な面を上からプローブ検査する際に内側へ回動する測定子を備えた組み合わせ測定ユニットを示す図である。 接触式測定子を用いて軸線方向にプローブ検査可能な面を下からプローブ検査する過程を示す図である。 光学式測定ユニットの他側に固定される接触式測定子を用いて軸線方向にプローブ検査可能な面を下からプローブ検査する過程を示す図である。 アクセスが困難な軸線方向にプローブ検査可能な面を接触式測定子のプローブ要素を適合させてプローブ検査する第１例を示す図である。 軸線方向にプローブ検査可能な２つの面の間の軸線方向間隔値を接触式に測定する第２例を示す図である。 接触式測定子と光学式測定ユニットとの間のオフセット値を特定する（校正する）のための１つの可能な実施形態の正面図である。 図６ａの平面図である。 静的長さ基準部で接触式測定子を測定する（校正する）ための他の実施形態を示す図である。 回転する長さ基準部で接触式測定子を測定する（校正する）ための他の実施形態を示す図である。

本発明による装置は、基本的には、図１に示したように構成されている。本発明による装置は機械的に安定な機械台１を含み、該機械台に工作物保持部２と光学式測定ユニット３とが可動に配置されている。回転軸線６を形成している工作物保持部２は、駆動されるセンタ２２と、連動するセンタ２４とを有し、これらセンタの間に機械要素５を回転軸線６に沿って受容可能である。回転軸線６の両側には、機械要素５に対向するように光学式測定ユニット３が配置されている。機械要素５を光学測定するため、光学式測定ユニット３は、回転軸線６の片側に照明モジュール３１を有し、回転軸線６の他側にカメラモジュール３３を有している。光学式測定ユニット３の片側には回動機構４１が固設されている。回動機構４１は、回転軸線６に対して直交して回動可能な機械的測定ユニット４を有している。

工作物保持部２は、機械台１の一端に固設されている主軸台２１と、機械台１に可動に配置されている心押し台２３とから成っている。心押し台２３を移動させるため、機械台１には、該機械台１に沿って延在しているリニアガイド１１が装着されている。リニアガイド１１では、心押し台２３が主軸台２１に対し相対的に移動して、任意の位置でリニアガイド１１に固定することができる。主軸台２１は回転駆動されるセンタ２２を備え、心押し台２３は連動する回転可能なセンタ２４を備えている。駆動されるセンタ２２の軸線と連動するセンタ２４の軸線とは互いに同軸に方向づけられている。駆動されるセンタ２２と連動するセンタ２４とは互いに向き合っており、その結果これらセンタの間で機械要素５をその適当な心合わせ孔において回転可能に受容することができる。連動するセンタ２４によって所定の力が機械要素５に作用し、その結果駆動されるセンタ２２と機械要素５の心合わせ孔との間に摩擦が発生する。この摩擦によって機械要素５を駆動されるセンタ２２によって回転させることができる。回転している機械要素５の角度位置を正確に検知するため、駆動されるセンタ２２は精密角度測定システム（図示せず）と接続されている。

本発明による装置の１実施形態では、機械要素５の片側だけを主軸台２１で受容すれば十分である。この受容のため、図７に図示したように、機械要素５を締め付け固定して必要な場合には回転軸線６のまわりに回転させることができるようにするためのジョーチャックまたはコレットチャックが主軸台２１に装着されている。

同様に機械台１で受容される光学式測定ユニット３はＵ字状に形成され、Ｕ字の底の面が機械台１に可動に固定され、その結果光学式測定ユニット３の平行な両脚部は機械台１から垂直に両側へ突出するように方向づけられている。光学式測定ユニット３を受容するため、リニアガイド１１に対し平行に延在するように、リニアガイドシステム１２（機械台の背面に配置されているので図１では見えない）が機械台１に沿って装着されている。リニアガイドシステム１２は、互いに平行に延在する高精度のスライドレールから成っていてよい。リニアガイドシステム１２のスライドレールで光学式測定ユニット３を受容するため、該光学式測定ユニット３を機械台１に沿って移動させることのできる適当な軸受が設けられている。

図２ａの前面図に示したように、光学測定を実施するため、光学式測定ユニット３の１つの脚部端には照明モジュール３１が組み込まれ、光学ユニット３の他の脚部端にはカメラモジュール３３が組み込まれている。光学式測定ユニット３の機械的に安定な構成により、照明モジュール３１とカメラモジュール３３とは静的光軸３４上で対向しあっており、その結果照明モジュール３１から放出された光束３２はカメラモジュール３３によって検出することができる。照明モジュール３１とカメラモジュール３３とは工作物保持部２の両側に直交状態で配置され、その結果、図２ｂの平面図に図示したように、工作物保持部２はほぼ光束３２の中央に位置決めされている。

光学式測定ユニット３がリニアガイドシステム１２に沿って移動することにより、光学式測定ユニット３の工作３２は工作物保持部２の回転軸線６に沿って移動することができる。従って、工作物保持部２で受容されている機械要素５を完全に検知することができる。このため、機械要素５は照明モジュール３１で照射され、発生したシャドーイメージがカメラモジュール３３で撮影される。シャドーイメージから機械要素５の２次元の輪郭を生成することができ、この２次元の輪郭は機械要素５の測定量（たとえば長さ、直径、平行性、直線性、角度または半径など）を算出するために使用することができる。

光学式測定ユニット３を不動にし、機械要素５を回転軸線６のまわりに移動させることも可能である。回転軸線６のまわりに回転している機械要素５の角度位置を検知しながら、機械要素５の輪郭を回転軸線６に対し平行な断面で検知し、これから回転角度に依存した位置、振れ、真円度のような種々の測定量を算出することができる。このような複数の輪郭の組み合わせから、たとえば筒形状、同心性、全体振れのような他の測定量を算出することができる。

本発明による装置は、光学式測定ユニット３に加えて、機械式測定ユニット４を有している。図１に図示したように、機械式測定ユニット４は回動機構４１から成り、該回動機構は安定な基板４０を介して光学式測定ユニット３の１つの脚部と固定結合されている。回動機構４１には接触式測定子４２が固定され、該接触式測定子は、スタイラスアーム４２２と該スタイラスアーム４２２の終端に配置したプローブ要素４２３とを備えた測定値収集器４２１から構成されている。図２ｂの上から見た図に示したように、回動機構４１は接触式測定子４２とともに、回転軸線６に対し平行に位置している回動軸線４３のまわりに無段階の回動運動を実施することができる。その際接触式測定子４２は、そのスタイラスアーム４２２でもって回動軸線４３に対し直交するように配置され、その結果スタイラスアームは、機械要素５の外側にある位置と内側にある位置との間で各中間位置を占めることができる。

回転軸線６に対し完全に直交している機械要素５の面をプローブ検査する際の状況を示した図２ａおよび図２ｂに示したように、機械式測定ユニット４はもっぱら機械要素５の軸線方向にプローブ検査可能な面を測定するように構成されている。それ故接触式測定子４２は１次元測定子として実施され、そのスタイラスアーム４２２は回転軸線６に対し平行に両方向に変位させることができる。従って、軸線方向にプローブ検査可能な面を回転軸線６の両方向においてプローブ検査、測定できる。回転軸線６に沿った機械式測定ユニット４の位置決めも、機械要素５の、軸線方向にプローブ検査可能な面における、機械式測定ユニット４のプローブ検査運動も、光学式測定ユニット３の運動によって行われる。光学式測定ユニット３に比べると、機械式測定ユニット４は、特に平面性、触れ、直角性、機械要素５の、回転軸線に対し直交するように配向された面の間隔値Ｍの測定の際にかなりの高精度を達成することができる。

図３ａと図３ｂに例として２つの位置に関し示したように、回動機構４１は光学式測定ユニット３の種々の位置に取り付けることができる。これらの図では、異なる位置にある２つの機械式測定ユニット４を用いて、軸線方向にプローブ検査可能な同一の面を測定する例が図示されている。回動機構４１は主軸台２１に取り付けてもよいし、光学式測定ユニット３の脚部の心押し台２３側に取り付けてもよい。接触式測定子４２が内側へ円弧状に回動した時にそのプローブ要素４２３でもって回転軸線６に接することができるように、スタイラスアーム４２２の長さおよび回動軸線６に対する回動軸線４３の位置が選定される限りにおいては（図２ｂ）、機械式測定ユニット４の位置は測定を実施するにあたって重要ではない。上記の制限により、接触式測定子４２によって、工作物保持部２に締め付け固定されている機械要素５のどの半径方向位置も到達できるよう保証されている。

軸線方向にプローブ検査可能な被測定面の形状および位置に応じては、使用するプローブ要素４２３の幾何学的形態を適合させることができる。特に有利なプローブ要素４２３として、スタイラスアーム４２２の端部に装着されるプローブ検査球体を使用することができ、該プローブ検査球体を用いると、軸線方向にプローブ検査可能な面の多数の測定課題を実施することができる。しかし、たとえば筒体、先が尖っている先鋭部材、鞘状部材のような他のプローブ要素４２３も使用することができ、このようなプローブ要素を用いると、アクセスが困難な面により好適に到達することができる。

図４に図示したような、機械要素５の外側構造の後方にあってプローブ要素４２３を備えた直線状のスタイラスアーム４２２では到達できない、軸線方向にプローブ検査可能な面に対しては、スタイラスアーム４２２の特殊な実施形態を使用することができる。このスタイラスアームはプローブ検査球体の形状の２つのプローブ要素４２３を有し、これらのプローブ要素は互いに間隔をもって且つ回転軸線６に対し平行にスタイラスアーム４２２の端部に配置されている。

形状、位置、サイズの特徴を測定するための本発明による方法では、第１の方法ステップで、適当な機械要素５を回転可能な工作物保持部２に締め付け固定する。回転可能な工作物保持部２としては、２つのセンタ以外に、片側の締め付け固定手段（たとえば３個、４個または６個のジョーを備えたジョーチャック或いはコレットチャック）を使用することができる。機械要素５とは原動機軸、伝動軸、連接棒、弁、ピストン、ねじ、タービン部品等であり、工作物保持部２に固定して受容でき、その結果回転軸線６のまわりに回転させることができる。

次の方法ステップで、機械要素５を光学測定することができる。このため、光学式測定ユニット３を用いて機械要素５のシャドーイメージを検出する。シャドーイメージは、回転軸線６に対し直交するように配向された光学式測定ユニット３の光路内に発生する。

光学測定の際、部分的に輪郭を記録することができる。このため、回転軸線６は静止し、測定ユニット３を回転軸線６に対し平行に移動させるとともに、機械要素５を回転軸線６のまわりに回転させ、他方測定ユニットは１つの位置を占めている。このようにして機械要素の形状、位置、寸法に関する特徴を非常に迅速に検出することができる。

光学測定から、機械要素５の軸線方向にプローブ検査可能な面の位置も簡単に検出することができる。軸線方向にプローブ検査可能な面の、この光学的に検知した位置に対応して、次の方法ステップで、この面を測定する接触式測定子４２を備えた機械式測定ユニット４の位置決めを行なう。この位置決めは光学式測定ユニット３をリニアガイドシステム１２（図６ｂのみに図示した）に沿って移動させることで行う。光学式測定ユニット３は、機械式測定ユニット４の接触式測定子４２が、被測定面に対向する直交面内で衝突なしに機械要素５へ向けて内側へ回動できるように位置決めされる。

最後の方法ステップでは、軸線方向にプローブ検査可能な面の接触式測定を行なう。このため、接触式測定子４２を、機械要素５の外側にある出発位置から機械要素５へ向けて内側へ回動させて（図２ｂ、図２ｃを参照）、回転軸線６に対する所望の半径方向位置に達するようにし、この所望の半径方向位置において、光学式測定ユニット３を移動させることにより被測定面を接触式測定子４２を用いてプローブ検査を行なう。

次に、機械要素５の軸線方向にプローブ検査可能な２つの面の間の間隔値Ｍを測定する方法および装置の特徴を２つの例を用いて説明する。

第１の例では、機械要素５の材料によって互いに分離されている、互いに対向し合う２つの面の間隔値Ｍの測定を行なう。測定の説明は図２ａないし図２ｄを用いて行い、光学式測定方法と機械式測定方法とを組み合わせて適用する。まず、機械要素５の関連部分（図２ａないし図２ｄでは、機械要素５の、より大きな直径を有し且つ回転軸線６に対し直交する方向に向けられた２つの平面を備えた領域）の全体を、光学式測定ユニット３を用いて検知する。撮影したシャドーイメージから、軸線方向にプローブ検査可能な２つの面（図２ａ）の位置を検出する。続いて、まず光学式測定ユニット３を用いて、接触式測定子４２を、軸線方向にプローブ検査可能な２つの面のうちの一方の面に対向する、光学測定から既知の直交面内へ移動させ（図２ａでは機械要素５の被測定部分の上方にある面）、接触式測定子４２を、図２ｂに示したように、機械要素５の領域へ内側へ回動させる。接触式測定子４２が回転軸線６に対し所望の位置に到達すると、図２ｃに示したように、光学式測定ユニット３を用いて接触式測定子４２のプローブ検査運動を行なう。プローブ検査運動は、接触式測定子４２が軸線方向にプローブ検査可能な面上に載置されて、図２ｄに示したように測定値の検出に必要な振りに達するまで続けられる。このようにして、シャドーイメージの面領域が隠れているために、または、見えない要素のために、十分正確に測定することのできないような軸線方向の位置を測定することができる。

上記の例による２つの面の間隔値Ｍの測定は、一方の面の軸線方向位置を接触式に検出し、他方の面の軸線方向位置を光学的に検出するようにして行うこともできる。

第２の例を図５を用いて説明する。ここでは、軸線方向にプローブ検査可能な２つの被測定面は互いに対向しあっており、空気だけで互いに分離されている。これら２つの位置を検出するため、ここでも予め高速光学式測定を行なうことができる。機械式測定値検出の際には、接触式測定子４２を機械要素５の２つの面の間の任意の直交面へ向けて内側へ回動させることができる。２つの面の測定は、光学式測定ユニット３を回転軸線６に対し平行に両方向へ移動させることによって行い、その結果この半径方向の位置において一方の面を下から、他方の面を上からプローブ検査することができ、この半径方向の位置に対し１つの間隔値Ｍを検出する。この測定の場合、接触式測定子４２は不変の半径方向位置にとどまっているので、このケースでは、接触式測定子４２の回動運動によって生じる測定誤差を阻止することができ、その結果非常に正確な測定結果が期待される。

光学式測定と機械式測定とを組み合わせて、軸線方向にプローブ検査可能な面を備えた複数の被測定部分を持つ機械要素５の全体を検知する場合には、以下に説明するように異なる構成が採用される。

１つの可能性は、まず機械要素５のすべての部分を第１の方法ステップで光学式に測定することである。これは、光学式測定ユニットを機械要素５に沿って移動させることで行うことができる。その際機械要素５全体の連続撮影シャドーイメージが検出される。次に、接触式測定の部分ステップで、機械式測定ユニット４を用いてすべての関連部分を順次プローブ検査して測定を行なう。

もうひとつの択一的な可能性は、機械要素５を連続する複数の方法ステップで部分ごとに光学式に、接触式に測定することである。機械要素５の第１の部分を光学式に、接触式に検知した後、測定ユニット３と４を次の部分のほうへ移動させて、機械要素５全体が検知されるまでこの部分を測定する。

非常に正確な測定を可能にするには、機械要素５の測定前または測定中も、測定ユニットの校正が必要である。校正ステップは、上述した２つの方法例においては、また本発明による他の変形実施形態でも実施しなければならない。校正の過程は、軸線方向にプローブ検査可能な面の測定のために使用する測定ユニットの組み合わせに応じて設定する。

光学式測定ユニット３と機械式測定ユニット４とを組み合わせて軸線方向にプローブ検査可能な面を測定するための測定方法の第１実施形態では、少なくとも測定開始前に、場合によっては測定中も、光学式測定ユニット３の光軸３４と接縮式測定子４２のプローブ要素４２３との間の間隔値に相当するオフセット値Ｏを精確に検出する。このため、図６ａに示したように、両測定ユニット３，４でプローブ検査することのできる参照面Ｒが必要である。図６ａでは、参照面Ｒは主軸台２１に組み込まれている。間隔値の測定は、参照面Ｒを光学式と接触式の双方で検知するようにして行う。両測定値の差から、オフセット値Ｏを求めることができる。参照面Ｒを光学式測定ユニット３を用いても機械式測定ユニット４を用いてもプローブ検査することができる限りにおいては、参照面Ｒの位置は重要でない。それ故、図６ａで心押し台２３に破線で示したように、参照面は工作物保持部２の他の位置に配置してもよく、或いは、これに密接に関連している面に配置してもよい。

空気によって互いに離間し互いに対向しあっている軸線方向にプローブ検査可能な面を互いに逆の方向からプローブ検査するようにした、軸線方向にプローブ検査可能な面を測定するための測定方法の第２実施形態では、少なくとも測定前に必要な校正を他の態様で行う。この間隔値測定では、互いに対向しあっている軸線方向にプローブ検査可能な２つの面のプローブ検査はもっぱら接触式にしか行うことができないので、２つの参照面（場合によっては空気だけで互いに分離して対向しあっている）を有する長さ基準部が必要である。

長さ基準部の１実施形態は、図７に図示したように、心押し台２３の片側に装着されているＵ字状プロファイル部材７である。その内側の平行な２つの面が参照面Ｒ１，Ｒ２を具体化したものである。両参照面Ｒ１，Ｒ２を補助的に光学測定することにより、２つのプローブ検査方向に対する光学式測定ユニット３と機械式測定ユニット４との間のオフセット値Ｏ（図６ａにのみ図示）を特定することができる。

両参照面Ｒ１，Ｒ２を接触式測定子４２を用いて順次プローブ検査し、検出した測定値を長さ基準として記憶し、接触式測定子４２によってプローブ検査される機械要素５の軸線方向間隔測定値を基準化するために使用する。その直後に、間隔測定を最大精度でもって実施することができる。基準化は、測定中に任意に何度も反復する場合も必要である。

長さ基準部の他の実施形態を図８に示す。ここでの原理は図７に図示したＵ字状プロファイル部材７と基本的には同じである。本実施形態では、長さ基準部は回転体８として実施され、該回転体は回転軸線６に対し同心に回転するように主軸台２１または心押し台２３に装着されている。長方形溝の、互いに平行に対向しあっている２つの参照面Ｒ１，Ｒ２が、長さ基準部を形成している。

精度をさらに向上させるため、Ｕ字状プロファイル部材７の検出温度差または回転体８の検出温度差に依存して参照面Ｒ１とＲ２の間で測定長さ基準を整合させる。このため、Ｕ字状プロファイル部材７または回転体８の温度を温度センサ（図示せず）を用いて連続的に検出し、参照面Ｒ１とＲ２の間での測定長さ基準を、温度変化に相当する熱膨張係数を考慮したファクタで修正する。

１ 機械台
１１ リニアガイド
１２ リニアガイドシステム
２ 工作物保持部
２１ 主軸台
２２ 駆動されるセンタ
２３ 心押し台
２４ 連動するセンタ
２５ ジョーチャック
３ 光学式測定ユニット
３１ 照明モジュール
３２ 光束
３３ カメラモジュール
３４ 光軸
４ 機械式測定ユニット
４０ 基板
４１ 回動機構
４２ 接触式測定子
４２１ 測定値収集器
４２２ スタイラスアーム
４２３ プローブ要素
４３ 回動軸線
５ 機械要素
６ 回転軸線
７ 校正される長さ基準
８ 回転体
Ｍ 間隔値
Ｏ 光学式測定ユニットと機械式測定ユニットとの間のオフセット値
Ｒ／Ｒ１／Ｒ２ 参照面

Claims (14)

1. 回転可能な機械要素の形状、位置またはサイズに関する特徴を測定するための装置であって、
   機械台に沿って配置されるリニアガイドと、これに対し平行に配置されるリニアガイドシステムとを備えた、機械的に安定な前記機械台と、
   前記機械要素（５）を該機械要素（５）の回転軸線（６）のまわりに回転可能に受容し、前記リニアガイドで受容される少なくとも１つの締め付け手段を有し、前記機械要素（５）を前記回転軸線（６）のまわりに回転可能であるように保持している工作物保持部（２）と、
   照明モジュール（３１）とカメラモジュール（３３）とを備え、リニアガイドシステム（１２）に可動に配置され、前記照明モジュール（３１）とこれに対向している前記カメラモジュール（３３）との間に回転可能に配置される前記機械要素（５）から該機械要素（５）の２次元のシャドーイメージを撮影可能にする光学式測定ユニット（３）と、
   を含んでいる前記装置において、
   前記光学式測定ユニット（３）が、前記機械要素（５）を軸線方向に測定するための接触式測定子（４２）を備えた補助的な機械式測定ユニット（４）を有し、
   前記機械式測定ユニット（４）が、前記光学式測定ユニット（３）に固定され、且つ前記接触式測定子（４２）を前記機械要素（５）の前記回転軸線（６）に対し直交する直交面内で回動させるための回動機構（４１）を有している、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記接触式測定子（４２）が前記機械要素（５）の前記回転軸線（６）に対し平行に２つの方向において測定する１次元の測定値収集器（４２１）を有し、該測定値収集器がスタイラスアーム（４２２）と少なくとも１つのプローブ要素（４２３）とを備え、前記スタイラスアーム（４２２）の長さは、前記接触式測定子（４２）の回動の際に前記少なくとも１つのプローブ要素（４２３）が少なくとも前記機械要素（５）の前記回転軸線（６）を横切る円弧を描くように選定されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記接触式測定子（４２）が、前記機械要素（５）の前記回転軸線（６）に対し平行な方向に間隔をもって位置する２つのプローブ球（４２３）を備えたスタイラスアーム（４２２）を有し、その結果取り囲んでいる材料によって隠れた面が軸線方向に測定可能であることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記回動機構（４１）が、前記接触式測定子（４２）の少なくとも１つの前記プローブ球（４２３）を位置決めするため、前記回転軸線（６）に関し半径方向に無段階に位置調整可能であることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
5. 前記接触式測定子（４２）が、前記リニアガイドシステム（１２）に沿った前記光学式測定ユニット（３）の移動により前記機械要素（５）のどの軸線方向位置にも位置決め可能であり、軸線方向にプローブ検査可能な面においてプローブ検査運動が実施可能であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の装置。
6. 前記回転軸線（６）の軸線方向に前記接触式測定子（４２）の校正を行なうための校正体（７；８）が設けられ、該校正体が、前記回転軸線（６）に対し直交し且つ互いに軸線方向に対向しあっている少なくとも２つの参照面（Ｒ１，Ｒ２）を有し、且つ前記工作物保持部（２）に固定され、前記少なくとも２つの参照面（Ｒ１，Ｒ２）のうちそれぞれ少なくとも１つが前記光学式測定ユニット（３）と前記機械式測定ユニット（４）とによってプローブ検査可能であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の装置。
7. 前記校正体がＵ字状プロファイル部材であり、該Ｕ字状プロファイル部材が、前記回転軸線（６）に対し直交するように参照面（Ｒ１；Ｒ２）として配置される２つの平行な内面を有していることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記校正体が前記回転軸線（６）に対し同心に配置される回転体（８）であり、該回転体が周回するように延在する長方形溝を備え、該長方形溝の、互いに平行に対向しあっている内面が、前記回転軸線（６）に対し直交するように配置される前記参照面（Ｒ１；Ｒ２）であり、前記回転体（８）が締め付け手段に同心に固定されていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
9. 前記校正体（７；８）の温度を温度センサを用いて検知し、前記参照面（Ｒ１）と前記参照面（Ｒ２）との間で測定した長さ基準を、前記校正体（７；８）の温度依存性を考慮して且つ熱膨張係数を考慮して参照温度へ校正することを特徴とする、請求項６から８までのいずれか一つに記載の装置。
10. 回転可能な機械要素の形状、位置、サイズに関する特徴を測定する方法であって、
    ａ）前記機械要素（５）を少なくとも１つの回転可能な締め付け手段で締め付け固定して前記機械要素（５）を回転軸線（６）のまわりに回転させるステップと、
    ｂ）前記機械要素（５）を前記回転軸線（６）のまわりに回転させながら、前記回転軸線（６）に対し直交するように方向づけられた光学式測定ユニット（３）の光路内でシャドーイメージを検知することにより前記機械要素（５）の複数の部分を光学式に測定して、前記シャドーイメージから、軸線方向にプローブ検査可能な面の形状、位置、サイズに関する特徴を検出するステップと、
    ｃ）前記光学式測定ユニット（３）によって検出した前記機械要素（５）の前記軸線方向にプローブ検査可能な面の位置のほうへ前記光学式測定ユニット（３）を移動させ、光学式に検出した前記軸線方向にプローブ検査可能な面の位置に対応する位置へ、接触式測定子（４２）を備えた機械式測定ユニット（４）を位置決めするステップと、
    ｄ）前記光学式測定ユニット（３）に連結された接触式測定子（４２）をプローブ検査される面に対向する直交面内で回動させ、このプローブ検査される面を前記接触式測定子（４２）を用いてプローブ検査することにより、軸線方向に互いに対向しあっている前記機械要素（５）の面の軸線方向間隔値（Ｍ）を接触式に測定するステップと、
    を含んでいる前記方法。
11. 軸線方向に対向しあって空気により互いに分離されている面の接触式測定を次のように行い、すなわち前記軸線方向に対向しあっている面の、前記回転軸線（６）から半径方向に同じ間隔を有し且つ選定したそれぞれの半径方向の間隔に対し長さ測定値を表わす点を、前記接触式測定子（４２）用いて交互にプローブ検査するように行い、その際校正された長さ基準部（７）において、予め前記接触式測定子（４２）を、互いに平行に対向しあって前記回転軸線（６）に対し直交するように方向づけられた２つの参照面（Ｒ）を用いて校正することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 軸線方向に対向しあっている面の接触式測定を次のように行い、すなわち前記軸線方向に対向しあっている面のうちの１つの面の軸線方向位置を光学式測定ユニット（３）を用いて検出し、他の面を接触式測定子（４２）を用いて検出するように行い、その際前記光学式測定ユニット（３）の測定位置と前記機械式測定ユニット（４）の測定位置との間のオフセット値（Ｏ）を１つの参照面（Ｒ）にて特定することにより、予め前記光学式測定ユニット（３）と前記機械式測定ユニット（４）とを互いに校正することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
13. 前記回転軸線（６）に対し同心の１つまたは複数の軌道内で前記接触式測定子（４２）の測定値を収集して形状に関する特徴の算出に使用し、その際前記機械要素（５）を前記回転軸線（６）のまわりに回転させることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
14. 前記校正された長さ基準部（７）を、少なくとも光学式測定の開始前に、少なくとも１つの校正ステップのために使用することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

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