JP2014532186A

JP2014532186A - 三次元の物体を測定する方法

Info

Publication number: JP2014532186A
Application number: JP2014536129A
Authority: JP
Inventors: アルクスナイトハイコ
Original assignee: スピース−マシーネンエレメンテゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツングウントコンパニーコマンディトゲゼルシャフト
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2014-12-04
Anticipated expiration: 2032-10-02
Also published as: CN103890535A; CN103890535B; WO2013056788A1; US20140223751A1; JP6126106B2; KR101960246B1; EP2769172A1; EP2769172B1; DE102011116339A1; KR20140094545A; US9581423B2

Abstract

三次元の物体１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈを測定する方法であって、物体１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈを、回転軸線Ｒを中心に回転するホルダ１２に固定位置に固定し、接触子２０を用いて物体１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈの少なくとも１つの面２２、２２’、２４、２６、２６ａ’、２８、２８ａを走査し、物体１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈが回転軸線Ｒを中心に回転され、かつホルダ１２と接触子２０が互いに対して移動され、かつ接触子２０の位置ｂ、Ｘ、Ｙを検出する、前記方法は、ホルダ１２と接触子２０が並進軸線Ｔに沿って線形に互いに対して移動され、前記並進軸線がホルダ１２の回転軸線Ｒと鋭角０?＜φ＜９０?を形成し、かつ平面を画成し、前記平面の内部で接触子２０が移動可能である、ことを特徴としている。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元の物体を測定する方法であって、回転軸線を中心に回転可能なホルダに物体を固定位置に固定し、接触子を用いて物体の少なくとも１つの面を走査し、に物体が回転軸線を中心に回転され、かつホルダと接触子が互いに対して移動されて、接触子の位置が検出される、方法に関する。

ある特許文献には、回転テーブル上に物体を固定して、位置を測定するために走査ゾンデを使用することによって、回転テーブル上の物体が回転される間に、測定すべき物体のＶ溝形状を測定する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この既知の方法によって、物体の外側面、特に外ねじ、を測定することができ、２側面接触を走査するための制御は、Ｖ溝を模写するために、測定部材が２つの側面と接触するように使用される。

典型的に回転部分として形成されて、それぞれねじを有することができる、機械部材を形成する場合に、選択された許容誤差クラスないし製造許容誤差に従って、形成される機械部材の幾何学的な特性量、特にねじ特性量を測定することが、必要である。同様に、平坦面の一様性の測定が望ましい。というのは、多部分形成で使用される従来の検査方法によっては、平面推移は測定できないからである。簡単に実施可能な平面推移の測定は、多数の機械部材を形成する場合でも実施可能な、それぞれの製造誤差の決定と、それに従って高い製造品質の保証を可能にする。時には、平面推移の測定が競争上の利点となる。

欧州特許第１１０３７８１明細書

本発明の課題は、それぞれの物体における幾何学的な特性量、特に平面推移、を求めることを可能にする、機械部材のような多数の物体を形成する場合に使用可能な、簡単な手段で実施すべき方法を提供することである。

この課題は、全体として特許請求項１の特徴を有する方法によって解決される。本発明に係る方法は、ホルダと接触子が並進軸線に沿って線形に互いに対して移動され、その並進軸線がホルダの回転軸線と鋭角を形成し、かつ平面を画成し、その内部で接触子が移動可能であることを、特徴としている。

本発明に従って平面内に回転軸線と並進軸線ないし移動軸線を配置することによって、この平面への投影が行われ、換言すると、測定すべき座標が１次元だけ、３から２へ、減少される。従って、三次元で検出するための、コストのかかる、時には長い測定サイクルを必要とする工具が省かれる。検出すべき次元を２つに減少させることによって、回転軸線と並進軸線によって画成される二次元の平面内で接触子の位置を検出するために、安い値段で品質の良い簡単な工具を使用することと短縮された測定サイクルが可能になる。

好ましくは、接触子の位置の検出が、座標系内で行われ、かつ並進軸線は座標系、典型的にはＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有するデカルト座標系の座標軸に対して平行に帯びている。本発明によれば、たとえばＺ＝０に従って、Ｘ軸とＹ軸によって画成される平面内への投影が行われる。ホルダの回転軸線とＸ軸の間の角度φ及び座標系のゼロ点に対する回転軸線上の点の径方向の間隔ｒが、円筒座標内のそれぞれの位置を表す。角度φと回転軸線を中心とする物体の速度ω及びホルダと接触子の相対運動の速度に基づいて、測定すべき物体の完全に三次元の形態を定め、ないしは計算することができる。

並進軸線と回転軸線の間の角度が、１５°であると、特に好ましいことが明らかにされている。たとえば調節ナット又はねじリングのような、測定すべき物体は、１５°傾斜した平坦テーブル上に取り付けることができる。

本発明に係る方法の変形例において、接触子によって物体の、回転軸線に対して横に配置された平坦面が走査される。調節ナットの回転と接触子の走行運動が同時に行われる場合に、輪郭測定装置の一部としての接触子によって、調節ナットのねじとその平坦面が走査される。平坦面というのは、調節ナットの回転軸線に対して横に、理想的には垂直に、配置されている、ないしは配置すべき円筒形状の端面である。ねじの幾何学配置の計算から、まず、理想的には回転軸線と一致する、参照軸線の位置が定められる。次に、参照軸線に関する平面推移のための平坦面輪郭が計算される。そこから特に、平坦面が平坦に形成されており、かつねじの回転軸線ないし参照軸線に対して垂直に延びるように配置されているか、についての所望の情報が得られる。

他の変形例において、接触子によって物体の、特に回転軸線に対して平行に延びる内側面又は外側面が走査される。その場合、内側面又は外側面に設けられたねじを走査することができる。本発明に係る方法は、それぞれのねじの形状ないしそれぞれの面の形態を定める他に、回転軸線に関するその回転対称性ないし然るべき参照軸線ないし回転軸線の決定についての説明を可能にする。従って、本発明に係る方法は、回転軸線に対して回転対称の形状、特にシリンダー形状を有する物体のために効果的に使用される。というのは、ここでは本発明に従って、それに応じた物体を形成する際に品質管理を実施することができるからである。

測定すべき物体は、典型的に、調節ナット又はねじリングのような、機械部材であって、好ましくは回転部分として形成されている。ホルダの所定の回転運動及びホルダと接触子の間の所定の並進運動の間に検出される接触子の位置から、該当する面のプロフィール形状、参照軸線、平面推移全体、同軸性及び丸み推移全体を定めることができる。特に利用者にとっては、ねじのプロフィール形状誤差、参照軸線ないし回転軸線に対する端面ないし平坦面の角度、平坦面の平坦性、参照軸線に対する平坦面の直角性、参照軸線に対する平面推移全体が、興味深い。

本発明は、さらに、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法を実施する装置に関する。本発明に係る装置は、比較的わずかな構造的な手間と費用を特徴としている。ホルダは、典型的にクランプ装置の一部であって、そのクランプ装置によって所望の角度に従って傾斜を調節することができ、かつ分あたり０〜６０回転の一定の回転数を選択することができる。平面推移精度及び丸み推移精度は、０．１μｍよりも小さく、直径は、典型的に１５０〜２００ｍｍ。他の構成要素は、典型的に、秒あたり≦０．１ｍｍの一定の送り速度と、たとえば０．１μｍの解像度においてデカルト座標系内のＸＹ座標をもたらす、ディスク接触子を有する輪郭測定装置である。装置の第３の構成要素としての評価ユニットは、送り、回転数、ポイントクラウド及びねじデータの入力後に、部分的かつ全体的に参照軸線、支持側面、支持及び固定側面及び特性量を出力することができる。

要約して記録しておくが、本発明によれば、特にねじとねじに関する平面推移の参照軸線と製造誤差を直接求める方法が提供される。本発明に係る方法によって、DIN ISO 12180-2に記載の円筒状の幾何学配置も、DIN EN ISO 12781-2に記載の平坦な幾何学配置も、検出することができる。装置に実装されている評価論理によって、検出された幾何学配置に基づいて、形状及び位置の偏差と関連づけが求められる。本発明に係る方法は、その構造が簡単であることに基づいて極めて正確かつ同時にコストパフォーマンスのよい装置ないし機械によって実施することができる。複雑な幾何学配置の検出は、付加的な装備替えの手間なしで、簡単な幾何学配置の測定と組み合わせることができるので、比較的わずかな手間と費用において高い精度を達成することができる。

本発明の他の利点と特徴が以下の説明と図面の図から明らかにされる。上述した特徴と後述する特徴は、本発明に従ってそれぞれ単独でも、あるいは任意に組み合わせても、実現することができる。図に示される特徴は、純粋に図式的であって、縮尺にとらわれないものである。

本発明に係る方法を実施するための装置を示す側面図である。本発明に係る配置を座標系において示している。図３ａは、測定すべき物体を示している。図３ａは、測定すべき物体を示し、図３ｂは、本発明に従って測定するために、図３ａに示す物体とそれに添接する接触子を断面で示している。図３ｂに示す配置によって測定された、接触子の位置曲線ないし軌跡カーブを示している。測定された三次元の物体の幾何学的な特性量の決定を含めて、本発明に係る方法のシーケンス図式を示している。図６ａは、本発明に係る方法の評価ステップを明らかにするための測定データ曲線を示している。図６ｂは、本発明に係る方法の評価ステップを明らかにするための測定データ曲線を示している。図７ａは、本発明に従って測定すべき内側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図７ｂは、本発明に従って測定すべき内側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図７ｃは、本発明に従って測定すべき内側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図７ｄは、本発明に従って測定すべき内側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図７ｅは、本発明に従って測定すべき内側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図７ｆは、本発明に従って測定すべき内側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図７ｇは、本発明に従って測定すべき内側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図７ｈは、本発明に従って測定すべき内側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図８ａは、本発明に従って測定すべき外側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図８ｂは、本発明に従って測定すべき外側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図８ｃは、本発明に従って測定すべき外側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図８ｄは、本発明に従って測定すべき外側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図８ｅは、本発明に従って測定すべき外側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図８ｆは、本発明に従って測定すべき外側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図８ｇは、本発明に従って測定すべき外側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図８ｈは、本発明に従って測定すべき外側幾何学配置を有する三次元の物体を断面で示している。図９ａは、本発明に従って測定すべき三次元の物体の他の実施例を断面で示している。図９ｂは、本発明に従って測定すべき三次元の物体の他の実施例を断面で示している。図９ｃは、本発明に従って測定すべき三次元の物体の他の実施例を断面で示している。図９ｄは、本発明に従って測定すべき三次元の物体の他の実施例を断面で示している。図１０ａは、測定すべき物体としてのねじ調節ナットを示している。図１０ｂは、測定すべき物体としてのねじ調節ナットを示している。図１０ｃは、測定すべき物体としてのねじ調節ナットを示している。

図１は、クランプ装置１４のスピンドル形状のホルダ１２上の固定位置に配置された、表現を変えると、固定された、三次元の物体１０を測定する装置を側面で示している。ホルダ１２上に固定された物体１０を有するクランプ装置１４に対向して、図１の右には、Ｘ方向に走行可能に案内されるキャリッジ１８と、それに配置されて、付加的にＸ方向に対して垂直に延びるＹ方向に摺動可能に配置された接触子２０とを有する輪郭測定装置１６が、示されている。接触子２０は、Ｘ軸とＹ軸内によって画成される移動平面Ｂ内で摺動可能に配置されており、かつ測定すべき三次元の物体１０に添接する。

図１からよくわかるように、物体１０のためのホルダ１２の回転軸線Ｒは、Ｘ軸とＹ軸によって画成される移動平面Ｂ内に配置されており、かつＸ軸と鋭角φを形成する。測定するために、ホルダ１２がそれに固定された物体１０と共に回転軸線Ｒを中心に回転されて、同時に接触子２０がＸ軸に対して平行に延びる並進軸線Ｔに沿って移動される。輪郭測定装置１６によって、移動平面Ｂ内の接触子２０の位置が時間に従って検出されて、測定された軌跡曲線ｂ（Ｘ、Ｙ）から、図１には示されていない評価ユニットによって、ホルダ１２の回転運動と接触子２０の並進運動を考慮しながら、測定される物体１０の、プロフィール形状のような、所望の幾何学的特性量が定められる。

図２は、デカルト座標系Ｘ、Ｙ、ＺのＸ軸とＹ軸によって画成される移動平面Ｂ内の回転軸線Ｒと並進軸線Ｔの本発明に係る配置が、Ｚ＝０の平面への投影に相当することを、示している。図２には示されていない、測定すべき物体１０を回転軸線Ｒを中心に角速度ωで回転させることによって、物体において測定すべき面２２、２２’が、移動平面Ｂを通して案内されて、そこで測定される。物体の回転運動が、円形ラインで示唆されている。図２には、並進軸線Ｔに沿った速度ｖを有する並進運動と回転軸線ないし回動軸線Ｒを中心とする回転運動によって（両者とも移動平面Ｂ内に位置する）、完全な三次元の情報が測定技術的に検出されることが、示されている。

図３ａに斜視図で示す三次元の物体１０は、回転軸線Ｒを有する回転対称の回転部分として形成されており、円形の平坦面２４を有している。物体１０を固定位置に保持するホルダ１２と共通の物体の回転運動ｒが、矢印で示されている。図３ｂには、物体１０を通る断面で外側面２６と、内ねじを有する内側面２８及び、回転軸線Ｒに対して実質的に垂直に延びる平坦面２４が示されている。物体１０に添接する接触子２０が並進軸線Ｔに沿って予め定められたように並進移動ｔをする場合に、接触子２０が移動平面Ｂ内で矢印ｂで示す走査運動を実施し、座標系Ｘ、Ｙ内で接触子２０の位置曲線ないし軌跡曲線ｂ（Ｘ、Ｙ）が描かれる。

描かれた軌跡曲線ｂ（Ｘ、Ｙ）が、図４に示されている。軌跡曲線ｂ（Ｘ、Ｙ）の第１の上昇する部分ｂ１内で、内側面２８において走査された内ねじの、走査された輪郭が認識可能である。第２の部分ｂ２においては、軌跡曲線ｂ（Ｘ、Ｙ）は下降し、平坦面２４の平坦な形成に従って周期的な推移ではなく、直線の推移を有している。第１の部分ｂ１と第２の部分ｂ２は、座標軸Ｘ、Ｙとそれぞれ角度α、βを形成する。測定された物体１０が所望に形成されている場合に、回転軸線Ｒと回転対称の物体１０の回転軸線ないし参照軸線は一致するので、第１の角度αは傾斜角度φと一致する。平坦面２４が、内側面２８に設けられている内ねじの回転軸線Ｒに対して望むように垂直に方向付けされている場合に、第２の角度βは同様に傾斜角度φに相当する。図示の例において、傾斜角度φ＝１５°である。

図５に示すシーケンス図式から、測定ステップＭ０とＭ１の後に、評価ステップＡ０からＡ７を読み取ることができ、それらのステップによって測定された物体１０の幾何学的な特性量Ｅ１からＥ５を求めることができる。図６ａと６ｂにおいては、第３の次元を生成するための評価ステップＡ４が示されている。図６ａには、平坦面２４上で接触子２０が移動した螺旋形状の曲線が上面図で示されている。図６ｂに示す側面図に従って、Ｘ方向における接触子２０の並進運動ｔによって、振動形状の軌跡推移が生じる。回転運動ｒの回転速度ωに対する並進運動ｔの速度ｖの比によって、測定されたＹ座標を２つの方位へ移すことができ、従って移動軸線Ｂ＝（Ｘ、Ｙ、Ｚ＝０）内で検出された２Ｄ情報から物体１０全体の３Ｄ情報を逆算することができる。

図７ａ〜７ｇには、それぞれ、平坦な外側面２６ａと個別に形成された内側面２８ａを有する、回転軸線Ｒを中心とする回転対称の物体１０ａが示されている（図７ａにおいてのみ、符号で示されている）。それぞれの内側面２８ａは、部分的に平面、凹面、凸面、円錐、テーパー、階段状、ねじを有する、アーチ形状の推移に従って、形成することができる。図７ｈに示す物体１０ｈにおいては、外側面２８ｈが回転対称であって、内側面２６ｈは回転軸線Ｒに対して異なる間隔で形成されている。図７ａ〜７ｈに示す特別な内側幾何学配置に対するそれぞれのカウンター片が、図８ａ−８ｈに示されており、換言すると、図７ａに示す物体１０ａと図８ａに示す、外側面２６ａ’を有する物体１０ａ’は、概要において円柱を形成し、図７ｂと８ｂなども、同様である。

図９ａ〜９ｄには、回転対称の物体の様々に形成された外側幾何学配置と内側幾何学配置を有する他の実施例が示されている。

図１０ａ〜１０ｃは、本発明に係る方法を用いて、図１０ａに側面図で、図１０ｂに上面図で、そして図１０ｃに断面図で示すねじ調節ナットを測定することができることを、示している。ねじ調節ナットは、回転軸線Ｒに対して回転対称であって、その内側面２８に内ねじを有し、かつ回転軸線Ｒに沿ったその延びに沿って２段階のギャップを有しており、それによって図示のねじ調節ナットを使用する場合のあそびのないことが達成される。

Claims

三次元の物体（１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈ）を測定する方法であって、
物体（１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈ）を、回転軸線（Ｒ）を中心に回転するホルダ（１２）に固定位置に固定し、
接触子（２０）を用いて物体（１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈ）の少なくとも１つの面（２２、２２’、２４、２６、２６ａ’、２８、２８ａ）を走査し、物体（１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈ）が回転軸線（Ｒ）を中心に回転され、かつホルダ（１２）と接触子（２０）が互いに対して移動され、かつ
接触子（２０）の位置（ｂ（Ｘ、Ｙ））を検出する、三次元の物体（１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈ）を測定する方法において、
ホルダ（１２）と接触子（２０）が並進軸線（Ｔ）に沿って線形に互いに対して移動され、前記並進軸線がホルダ（１２）の回転軸線（Ｒ）と鋭角（０°＜φ＜９０°）を形成し、かつ平面を画成し、前記平面の内部で接触子（２０）が移動可能である、ことを特徴とする三次元の物体（１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈ）を測定する方法。
接触子（２０）の位置（ｂ（Ｘ、Ｙ））の検出が、座標系（Ｘ、Ｙ）内で行われ、かつ並進軸線（Ｔ）が座標系（Ｘ、Ｙ）の座標軸（Ｘ）に対して平行に延びている、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
並進軸線（Ｔ）と回転軸線（Ｒ）の間の角度（φ）が、１５°に等しい、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
接触子（２０）によって物体（１０）の、回転軸線（Ｒ）に対して横に配置された平坦面（２４）が走査される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
接触子（２０）によって物体（１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈ）の、特に回転軸線（Ｒ）に対して平行に延びる内側面（２８、２８ａ、２８ｈ）又は外側面（２６、２６ａ’、２６ｈ）が走査される、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
内側面（２８、２８ａ、２８ｈ）又は外側面（２６、２６ａ’、２６ｈ）においてねじが走査される、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
物体（１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈ）が、回転軸線（Ｒ）に対して回転対称の形状、特にシリンダー形状を有している、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
物体（１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈ）が、調節ナット又はねじリングのような機械部材として、好ましくは回転部分として、形成されている、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
ホルダ（１２）の所定の回転運動（ｒ）及びホルダ（１２）と接触子（２０）の間の所定の並進運動（ｔ）の間に検出された、接触子（２０）の位置（ｂ（Ｘ、Ｙ））から、プロフィール形状、参照軸線、平面推移全体、同軸性及び丸み推移全体のような、物体（１０、１０ａ、１０ａ’、１０ｈ）の幾何学的特性量（Ｅ１〜Ｅ５）が定められる、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法を実施する装置。