JP2014160020A

JP2014160020A - 物品の形状測定方法及び測定装置

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Publication number: JP2014160020A
Application number: JP2013030949A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Takahashi; 英一高橋; Yasuyuki Muto; 泰之武藤; Hisashi Kawada; 寿川田; Keisuke Muto; 圭祐武藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2014-09-04
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: JP6107212B2

Abstract

【課題】軸受部品など被測定面の形状が平面ではない対象物を高精度で測定する際に、測定器が被測定面に対して適正な角度に設定されていないと測定子の挙動が不安定となる可能性があり測定値の信頼性が低下するという問題があった。
【解決手段】軸対称の形状を有する被測定物を回転軸まわりに回転させ、前記被測定物の外周面の形状を測定器にて測定する物品の形状測定方法であって、前記測定器の測定方向が前記被測定面の法線に対して±３°以内となるよう前記測定器の向きを設定することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は物品の形状測定装置に関し、詳しくは断面が円形形状の測定対象物を回転手段に保持し、前記回転手段により測定対象物を回転させながら測定手段を介して測定対象物の真円度やウェービネス（表面のうねり）等の形状データを計測する形状測定装置に関する。

従来より、転がり軸受の構成部品である軌道輪（内輪及び外輪）や転動体などの真円度やウェービネス等、微小な形状変位を計測する形状測定装置としては、スピンドル（回転手段）上に測定対象物を保持して前記スピンドルを回転させ、測定対象物の近傍に配設された測定子（測定手段）によって測定対象物の形状データを計測する装置が知られている。

この分野における先行技術として、特許文献１には被測定物を回転させて表面性状を測定する装置が記載されている。これは、回転駆動系の振動が測定に影響を与えないよう被測定物を惰性で回転させ、測定子を被測定物の外周面に接触させて表面性状を検査するものである。これにより、回転駆動系が発する外乱振動が測定値に及ぼす影響を抑制することができる。

また、特許文献２には内外輪、転動体部品の表面形状検査装置が記載されている。この装置は非接触式検出器、増幅回路、増幅後の信号を周波数分析するためのＦＦＴアナライザとからなっており、被測定物を一定速度で回転させ、被測定面の凹凸をレーザドップラー式速度計により非接触で検出し、増幅回路で増幅した形状信号をＡＤ変換後に周波数分析し、真円度やハーモニック解析により部品精度の良否を判別することができる。

特開平４−２７４７０５号公報特許３８８２４３５号

しかしながら、上記先行技術は被測定物の外形形状を測定する手法であることは本案と同じであるが、被測定物の被測定面に対する測定器の向きに関する記述はない。このため、軸受部品など被測定面の形状が平面ではない被対象物を高精度で測定する際に、測定器の測定方向が被測定面に対して適正な向きに設定されていないと測定子の挙動が不安定となる可能性があり測定値の信頼性が低下するという問題があった。

測定器を被測定面に対して適正な角度で設定するというのは、具合的には測定子のストローク方向が被測定面に対して垂直となる状態のことであるが、被測定物の形状に合わせて測定器の向きを正確に設定するのは熟練を要する。例えば円すいころ軸受に用いる円すいころは、その回転軸に対する母線の角度が多種多様であり、形状の異なる円すいころを測定する毎に測定器の向きを変える手間が生じる。

本発明は前述の課題を鑑みたものであり、主に軸受の外輪、内輪、転動体(玉やころ)の真円度やウェービネスの測定において、異なる形状の被測定物を測定する場合であっても一定の範囲内であれば測定器の向きを変えることなく十分な精度の測定結果を求めることを目的とする。

本発明は、軸対称の形状を有する被測定物を回転軸まわりに回転させ、前記被測定物の外周面の形状を測定器にて測定する物品の形状測定方法であって、前記測定器の測定方向が前記被測定面の法線に対して±３°以内となるよう前記測定器の向きを設定することを特徴とする。

測定器の測定方向を被測定面の法線に対して±３°以内とすることにより、被測定物を異なる形状のものに交換した場合であっても、測定器の設定を変更することなく十分に正確な真円度やウェービネスの値を得ることが可能となり、被測定物の形状測定を効率良く行うことができる。

本発明に係る測定装置を模式的に示す図である。本発明に係る接触角を模式的に示す図である。本発明に係る測定装置の動作手順を示すフローチャートである。接触角と測定結果の関係を示す図である。

以下、本発明に係る測定方法及び測定装置について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る測定装置の概略図であり、例として球面ころを測定する状態を表している。本図では説明を分かりやすくするため装置の土台部分や図示されている部品を取り付けるための支持部材等は省略している。

図１において測定装置は被測定物１７を保持し、回転させるための主軸５と、測定器１３を保持する測定部１２からなる。主軸５は被測定物１７を保持するチャック１６と、チャック１６を回転自在に保持するスピンドル６と、スピンドル６を回転させる主軸回転用モータ７と、主軸回転用モータ７の角度を検出する角度検出器８からなる。主軸回転用モータ７は制御装置１によって制御され、測定が開始されると一定の速度で回転する。回転速度は任意に設定できる。測定部１２は被測定面１８に接触して変位を検出する測定子１４と、測定子１４の動きを電気信号に変換する測定器１３と、測定器１３の位置を調整する直交ステージ９と、直交ステージ９を含めて測定器１２の向きを変化させる測定方向調整機構１０とからなる。測定方向調整機構１０には測定部１２の傾きを電気信号に変換する測定方向検出器１１が備えられている。

測定器１３には差動トランスを用いた測定器、レーザ測定器、光学式あるいは磁力を用いたスケール式測定器などを用いることができる。軸受部品の測定においては被測定面１８には汚れや油分の付着が考えられるのでレーザ等の非接触測定よりも接触測定である差動トランスまたはスケール式の測定器が好ましい。主軸５の角度検出器８は一般的なロータリエンコーダを用いることができる。主軸回転用モータ７がサーボモータである場合には通常はモータ内にロータリーエンコーダが内蔵されているのでその出力信号を利用することができる。

測定器１３から出力された電気信号はアンプで増幅され、演算装置２に送られる。また主軸５の角度検出器８からの信号も同様に演算装置２に送られる。両者はデジタル化処理がを行われた後、それぞれ変位データ、主軸角度データとなって表１に示すように関連付けされた状態で演算装置２に内蔵された格納手段４に格納される。

制御装置１は一般的にはプログラマブルコントローラが用いられる。演算装置２はパーソナルコンピュータを、またデータの格納手段４にはパーソナルコンピュータの内蔵ハードディスク装置を、モニタ画面３にはＣＲＴ表示装置または液晶表示装置を用いることができる。

（表１）

本発明に係る測定装置の動作について、図１の構成図と測定手順を示す図３のフローチャートを用いて説明する。

測定作業を開始すると、まず制御装置１は主軸５を原点に復帰させる。原点は任意に設定することもできるが、一般的には主軸５の角度検出器８の角度が０°にある状態である（ステップＳ１）。

原点復帰が完了すると作業者は被測定物１７の種類や型番を制御装置１に指示する（ステップＳ２）。指示の方法については演算装置２に付属のモニタ画面３に表示された型番を選択する方法やバーコードを読み込むなどの方法を用いることができる。被測定物１７が定まると制御装置１は演算装置２の格納手段４から被測定物１７の形状データを取得し、モニタ画面３に測定器１３の向きを設定すべき目標値、すなわち被測定面１８の法線１９と測定方向検出器１１の電気信号から算出した現在の測定器１３の測定方向１５を表示する（ステップＳ３）。

作業者は被測定物１７をチャック１６に取り付ける（ステップＳ４）。この作業はステップＳ２の前に行っても良い。次に作業者はモニタ画面３に表示されている測定器１３の測定方向１５、すなわち測定子１２のストローク方向が目標値と一致するよう、測定部１２の角度を設定する（ステップＳ５）。その際、測定器１３の測定方向１５はモニタ画面３に表示された目標値に対して±３°以内に設定する。ここでは作業者から見て、被測定面１８の法線１９を基準として時計回りを＋方向、反時計回りを−方向とする（図２参照）。測定方向検出器１１から得られた測定器１３の測定方向１５が目標値の±３°以内に入ればモニタ画面３に「測定可能」が表示される。

被測定物１７の取り付けと測定器１３の向きの設定が完了すると、作業者は測定開始ボタンを押す（ステップＳ６）。測定開始ボタンが押されると制御装置１が主軸５を回転させ（ステップＳ７）、主軸５の角度が予め設定されたデータ取り込み角度と一致すると演算装置２は測定器１３から電気信号を取り込んで変位データに変換し、同時に角度検出器８から取り込んだ電気信号を主軸角度データに変換して表１に示すように両者を関連付けて格納手段４に格納する（ステップＳ９）。データ取り込み角度は３６０度を１周当たりの測定点数で割ったものであり、任意に設定可能である。１周当たりの測定点数は多いほど精密な測定が可能となるが測定データの容量が大きくなるので格納手段４の容量を勘案して決めるのが良い。

ステップＳ７を繰り返し、測定器１３が予め設定された測定完了位置に到達すると測定完了とし（ステップＳ１０）、制御装置１は主軸５を原点復帰させる（ステップＳ１１）。

原点復帰が完了すると演算装置２は主軸角度データに基づき、変位データに対して同期加算平均化処理を行う（ステップＳ１２）。加算平均された変位データはＦＦＴによる周波数分析（ステップＳ１３）の後、所望の山数成分のスペクトル演算処理を行い（ステップＳ１４）、うねりの振幅あるいは真円度形状などがモニタ画面３に表示される（ステップＳ１５）。

再測定の必要がなければ作業者が測定器１３を退避位置に移動させた後、被測定物１７をチャック１６から取り外し（ステップＳ１６）、一連の測定作業は完了となる。再測定を行う場合はステップＳ６から行う。

本願は、ステップＳ５において被測定面１８の法線１９に対して±３°以内の範囲に測定器１３の測定方向１５を設定することを特徴としている。この効果について以下、説明する。

測定器１３の測定方向１５が被測定面１８の法線１９の向きと大きく異なっている場合、被測定面１８の表面性状を正確に測定できないばかりでなく、測定子１４が不安定な挙動となる可能性があり測定結果の信頼性が低下する。図４は円すいころを被測定物１７とし、ころ側面（円すい面）を被測定面１８とした場合であって、測定器１３の測定方向１５と被測定面１８の法線１９との成す角度（以下「接触角」と呼ぶ。図２参照）を０°から５°まで１°刻みで変化させつつ、それぞれの条件において被測定面１８の表面性状を繰り返し１０回測定した結果である。

図４中、縦軸のうねり振幅比とは、接触角が０°において測定されたうねり振幅の平均値と、接触角が１°から５°においてそれぞれ測定されたうねり振幅との比率である。接触角が０°における測定結果が被測定面の表面性状に関する真の値であることは明らかであるので、うねり振幅比は１に近いほど精度良く測定できていることを意味している。

図４より、接触角が０°〜３°以内であれば、うねり振幅比は＋５％〜−１０％以内に収まっており、高い精度の測定値が得られることがわかる。測定精度は接触角の絶対値には影響されるが接触角の符号の影響を受けないことは明らかなので、接触角が±３°以内であれば＋５％〜−１０％のうねり振幅比の範囲に収まることが容易に予想できる。

一方、接触角が３°よりも大きくなると、うねり振幅比は−１０％を大きく超え、加えて同一の接触角における測定結果のばらつきが大きくなるなど測定精度が悪化していることがわかる。

以上のように接触角が±３°の範囲内であれば、形状が異なる被測定物に交換した場合でも測定器１３の測定方向１５を変更することなく十分な精度の測定が可能となり、物品の形状測定を効率良く行うことができる。

１制御装置
２演算装置
３モニタ画面
４格納手段
５主軸
６スピンドル
７主軸回転用モータ
８角度検出器
９直交ステージ
１０測定方向調整機構
１１測定方向検出器
１２測定部
１３測定器
１４測定子
１５測定方向
１６チャック
１７被測定物
１８被測定面
１９被測定面の法線

Claims

軸対称の形状を有する被測定物を回転軸まわりに回転させ、前記被測定物の外周面の形状を測定器にて測定する物品の形状測定方法であって、前記測定器の測定方向が前記被測定面の法線に対して±３°以内となるよう前記測定器の向きを設定することを特徴とする物品の形状測定方法。
軸対称の形状を有する被測定物を保持しつつ回転駆動する回転手段と、前記回転手段により回転している被測定物の外周面の形状を測定する測定手段と、前記測定手段を被測定物の回転軸方向及び径方向に移動させる移動手段と、測定手段により検出された多数の測定データを格納する格納手段と、前記測定データを所望の形式に演算する演算装置と、表示装置とを備え、前記被測定物を回転軸まわりに回転させ、前記被測定物の外周面の形状を前記測定手段にて測定する物品の形状測定装置であって、前記測定手段の測定方向を変化させる測定方向調整機構及び測定方向検出手段とを有し、前記角度検出手段から得られた前記測定方向と前記被測定物における被測定面の法線との成す角度が±３°以内であれば前記表示装置に測定可能である旨の表示を行うことを特徴とする物品の形状測定装置。