JP2015194387A - 形状測定方法および形状測定機 - Google Patents

Abstract

【課題】スタイラスへの摩擦力によって生じる形状測定の誤差を補正できる形状測定方法および形状測定機を提供すること。
【解決手段】本発明の形状測定方法は、支点１２０を中心として回転自在なアーム１１０と、アーム１１０の第１の端部１１１に取り付けられたスタイラス１３０と、を備え、スタイラス１３０によりワークの表面を掃引して、第２の端部１１２の動きを検出器１４０で検出することにより、ワークの形状を測定する形状測定機１００において、検出器１４０の出力に基づいてワークの形状を測定する形状測定方法であって、ワークの表面とスタイラス間の摩擦係数と、スタイラス１３０に加えられる測定力とに基づいて、スタイラス１３０の掃引時に生じる摩擦力を算出するステップと、検出器１４０の出力に含まれる摩擦力に起因する誤差を検出器１４０の出力から除去して、ワークの形状を算出するステップと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定方法および形状測定機に関する。

スタイラスをワークに接触させ、ワーク表面に沿って移動させることにより、ワークの形状を測定する梃子式形状測定機が広く用いられている。梃子式形状測定機は、支点を中心として回転自在なアームと、アームの一方の端部に取り付けられたスタイラスと、アームのスタイラス側の端部とは支点を挟んで反対に位置する他方の端部の動きを検出する検出器と、を有する。上記の梃子式形状測定機は、スタイラスによりワークの表面を掃引して、アームの検出器側の端部の動きを検出器で検出することにより、ワークの形状を測定する。

アームは支点を中心として揺動するので、スタイラスは円弧動作をする。梃子式形状測定機は、スタイラスの上下動を高さ方向の変位として検出するので、円弧動作に起因する円弧誤差が形状測定の誤差として測定値に含まれる。梃子式形状測定機を用いた形状測定において、この円弧誤差の補正を行うことが知られている（特許文献１、２）。

特許文献１に記載の形状測定機では、円弧誤差の補正を高精度に行うため、アームの端部からスタイラス先端までの長さのずれ量についても補正を行っている。
特許文献２に記載の形状測定機では、円弧誤差の補正を高精度に行うため、スタイラスの先端の断面形状の真円からのずれについても補正を行っている。

特開平８−３３８７１８号公報 特開２００１−２８０９４７号公報

梃子式形状測定機を用いた形状測定において、アームの端部に備えられたスタイラスによりワークの表面を掃引すると、このスタイラスにワーク表面からの摩擦力が掃引方向と逆方向に作用する。支点はアームを揺動可能に支持しているので、支点に力がかかると梃子の支点が掃引方向とは逆方向にわずかにずれてしまうことがしばしば発生する。梃子式形状測定機におけるスタイラスの先端の変位の検出は、梃子の支点がずれないことが前提になっているため、ワークの形状測定において摩擦力による支点のわずかなずれにより測定誤差が生じていた。

しかし、特許文献１および２に記載の方法では、円弧誤差により生じる形状測定誤差は補正されていたが、摩擦力によって生じる上記の支点のわずかなずれによる形状測定誤差は、補正されていなかった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、梃子式形状測定機を用いた形状測定において、アームの端部に備えられたスタイラスへ作用するワーク表面からの摩擦力によって生じるこのアームの支点のわずかなずれに基づく形状測定の誤差を補正できる形状測定方法および形状測定機を提供することを目的とする。

本発明の形状測定方法は、
支点を中心として回転自在なアームと、前記アームの第１の端部に取り付けられたスタイラスと、を備え、前記スタイラスによりワークの表面を掃引して、前記アームの前記第１の端部とは前記支点を挟んで反対に位置する第２の端部の動きを検出器で検出することにより、前記ワークの形状を測定する形状測定機において、前記検出器の出力に基づいて前記ワークの形状を測定する形状測定方法であって、
前記ワークの表面と前記スタイラス間の摩擦係数と、前記スタイラスに加えられる測定力とに基づいて、前記スタイラスの掃引時に生じる摩擦力を算出するステップと、
前記検出器の出力に含まれる前記摩擦力に起因する誤差を前記検出器から出力される検出値から除去して、前記ワークの形状を算出するステップと、
を備える。

本発明では、
前記第１の端部、前記第２の端部、および前記支点の間の位置関係、並びに前記摩擦力に基づいて、前記検出器から出力される検出値に含まれる、前記摩擦力に起因する誤差を補正する補正値を算出するステップをさらに備え、
前記ワークの形状を算出するステップでは、前記検出値に前記補正値を加えることにより前記ワークの形状を算出する
ことが好ましい。

本発明では、
前記補正値を算出するステップにおいて、
前記測定力の前記ワークからの抗力と前記摩擦力とに基づいて、前記支点、前記アーム、および前記スタイラスの少なくとも一つの変形量を算出し、
前記第１の端部、前記第２の端部、および前記支点の間の位置関係、並びに前記変形量に基づいて、前記補正値を算出する
ことが好ましい。

本発明では、
前記摩擦力を算出するステップにおいて、
前記ワークの表面と前記スタイラス間の摩擦係数および傾きと、前記測定力とに基づいて、前記摩擦力を算出する
ことが好ましい。

本発明の形状測定機は、
支点を中心として回転自在なアームと、
前記アームの第１の端部に取り付けられたスタイラスと、
前記スタイラスによりワークの表面を掃引した際の、前記アームの前記第１の端部とは前記支点を挟んで反対に位置する第２の端部の変位を検出する検出器と、
前記検出器から出力される検出値に基づいて前記ワークの形状を算出する制御部と、を備える形状測定機であって、
前記制御部は、
前記ワークの表面と前記スタイラス間の摩擦係数と、前記スタイラスに加えられる測定力とに基づいて、前記スタイラスの掃引時に生じる摩擦力を算出し、
前記検出器から出力される検出値に含まれる前記摩擦力に起因する誤差を前記検出器の出力から除去して、前記ワークの形状を算出する
ことを特徴とする。

本発明では、
前記制御部は、
前記第１の端部、前記第２の端部、および前記支点の間の位置関係、並びに前記摩擦力に基づいて、前記検出器から出力される検出値に含まれる、前記摩擦力に起因する誤差を補正する補正値を算出し、
前記検出値に前記補正値を加えることにより、前記ワークの形状を算出する
ことが好ましい。

本発明では、
前記制御部は、
前記測定力の前記ワークからの抗力と前記摩擦力とに基づいて、前記支点、前記アーム、および前記スタイラスの少なくとも一つの変形量を算出し、
前記第１の端部、前記第２の端部、および前記支点の間の位置関係、並びに前記変形量に基づいて、前記補正値を算出する
ことが好ましい。

本発明では、
前記支点が十字ばねにより構成されており、
前記変形量は、前記十字ばねが前記アームの長手方向に変形する量である
ことが好ましい。

本発明では、
前記制御部は、前記ワークの表面と前記スタイラス間の摩擦係数および傾きと、前記測定力とに基づいて、前記摩擦力を算出する
ことが好ましい。

本発明によれば、スタイラスへ印加される摩擦力によって生じる形状測定の誤差を補正できる形状測定方法および形状測定機を提供することができる。

実施の形態１にかかる梃子式形状測定機の構成を示す図である。 実施の形態１にかかる梃子式形状測定機において、スタイラスに加わる力について示す図である。 実施の形態１にかかる形状測定方法を示すフローチャートである。 実施の形態１にかかる形状測定方法において、補正値を算出する方法を示すフローチャートである。

［実施の形態１］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態１にかかる梃子式形状測定機１００の構成を示す図である。
梃子式形状測定機１００は、アーム１１０と、支点１２０と、スタイラス１３０と、検出器１４０と、制御部１５０と、記憶部１６０と、を有する。梃子式形状測定機１００は、スタイラス１３０をワーク表面に接触させながら、Ｘ軸方向に梃子式形状測定機１００全体を移動させると共に、検出器１４０によりスタイラス１３０のＺ軸方向の変位を検出して、ワークの形状を測定する。

アーム１１０は、長手状の部材であり、第１の端部１１１にスタイラス１３０が取り付けられている。第２の端部１１２は、アーム１１０の第１の端部１１１とは支点１２０を挟んで反対に位置する。アーム１１０は、支点１２０を中心として回転自在に支持されている。アーム１１０は高比曲げ剛性の材質により形成されることが好ましく、例えば、マグネシウム合金、セラミックス、又は炭素繊維等が用いられる。

支点１２０は、アーム１１０を回転させるときに梃子の支点として機能する。支点１２０は、十字ばねを用いた回転軸機構により構成されていることが好ましい。十字ばねは、回転軸中心に対して、回転方向には柔軟であり、垂直方向から加わる力には強い剛性を有する。支点１２０をＸ軸方向に移動させることにより、アーム１１０を移動させてスタイラス１３０でワーク表面を掃引する。

スタイラス１３０は、アーム１１０の第１の端部１１１に取り付けられている。スタイラス１３０は、梃子式形状測定機１００による形状測定の際にワークの表面に接触させられ、掃引時にはワークの形状の凹凸に合わせて上下動する。スタイラス１３０の上下動に合わせて、アーム１１０は支点１２０を中心として揺動する。スタイラス１３０は、円柱形状の部材であり、ワークと接触する接触部には例えば超硬球やサファイア球が固定されている。

スタイラス１３０の上下動は、アーム１１０と支点１２０からなる梃子により支点１２０を中心とした第２の端部１１２の回転運動に変換される。検出器１４０は第２の端部１１２の変位を検出し、検出した変位の情報（変位量）を電気信号として制御部１５０へと出力する。検出器１４０としては、アーム１１０の第２の端部１１２の回転運動の円弧方向に沿って湾曲したスケール目盛をアーム１１０に設けて、スケール目盛の移動量を検出ヘッドにより読み取る構成、いわゆる円弧エンコーダを用いてもよい。検出ヘッドによるスケール目盛の読み取りは、光学式又は磁気式のエンコーダを用いてもよい。

制御部１５０は、検出器１４０の出力に基づいてワークの形状を算出する。制御部１５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する計算機である。
制御部１５０は、第２の端部１１２の変位からスタイラス１３０の接触部の上下方向の移動量を算出し、Ｘ軸方向の変位を検出するエンコーダにより検出される水平方向のスタイラス１３０の移動量に対応するスタイラス１３０の先端の位置を記憶部１６０に記録していくことにより、ワークの形状を測定できる。

記憶部１６０は、あらかじめワークの形状および摩擦力の算出に用いられるデータを記憶しており、例えば、種々の材料の動摩擦係数を記憶している。記憶部１６０は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）を用いることができる。

図２を用いて、スタイラス１３０に加わる力について説明する。スタイラス１３０は、測定力Ｐでワーク表面に力を加える。ワーク表面の水平面に対する傾きがθのとき、スタイラス１３０には抗力Ｎがワークから加えられ、Ｎ＝Ｐ・ｃｏｓθで表される。

スタイラス１３０の掃引時に生じる摩擦力Ｆは、ワークの表面の動摩擦係数μ、スタイラス１３０に加えられる測定力Ｐ、および、ワーク表面の傾きθに基づいて算出される。摩擦力Ｆは、Ｆ＝μ・Ｎ＝μ・Ｐ・ｃｏｓθと表される。

例えば、アーム１１０が水平面と平行になっているとき、支点１２０の変形量は、ワークからの抗力Ｎと、摩擦力Ｆと、支点１２０の弾性係数と、に基づいて算出される。アーム１１０の長手方向（Ｘ軸方向）にはたらく合力Ｒは、Ｒ＝Ｆ・ｃｏｓθ＋Ｎ・ｓｉｎθと表される。この合力Ｒが支点１２０に加わることにより、支点１２０が変形する。支点１２０として十字ばねを用いた場合、支点１２０の変形量は、十字ばねがアーム１１０の長手方向に変形する量である。また、アーム１１０が水平面と平行になっていない場合は、支点１２０からスタイラス１３０とワークとの接触点への半径方向と接線方向に分解した成分をそれぞれ求める。
また、アーム１１０およびスタイラス１３０の変形量についても、アーム１１０およびスタイラス１３０の弾性係数と摩擦力Ｆとから算出される。

検出器１４０から出力される検出値に含まれる、摩擦力Ｆに起因する誤差を補正する補正値は、第１の端部１１１、第２の端部１１２、および支点１２０の間の位置関係、並びに摩擦力Ｆに基づいて算出される。

スタイラス１３０がワークに接触していないときにおける、支点１２０から第１の端部１１１までのアーム１１０の長さをＬ１、支点１２０から第２の端部１１２までのアーム１１０の長さをＬ２とする。このとき、スタイラス１３０のＺ軸方向の変位Ｚ１はＬ２／Ｌ１倍されて第２の端部１１２のＺ軸方向の変位Ｚ２となり、検出器１４０により検出される。
すなわち、Ｚ１＝Ｚ２・Ｌ１／Ｌ２が成り立っている。

支点１２０がワークからの摩擦力Ｆを受けて変形した後の、支点１２０から第１の端部１１１までのアーム１１０の長さをＬ１＋ｄＬ１、支点１２０から第２の端部１１２までのアーム１１０の長さをＬ２＋ｄＬ２とする。このとき、スタイラス１３０のＺ軸方向の変位Ｚ１は（Ｌ２＋ｄＬ２）／（Ｌ１＋ｄＬ１）倍されて第２の端部１１２の変位Ｚ２となり、検出器１４０により検出される。
すなわち、Ｚ１＝Ｚ２・（Ｌ１＋ｄＬ１）／（Ｌ２＋ｄＬ２）とすれば、正確にＺ１を算出することができるはずである。

しかし、制御部１５０は、スタイラス１３０の接触部の変位Ｚ１を、検出器１４０により検出される第２の端部１１２の変位Ｚ２から、Ｚ１＝Ｚ２・Ｌ１／Ｌ２の式により算出している。このため、算出される変位Ｚ１には、誤差が含まれていることになる。

そこで、スタイラス１３０の変位と第２の端部１１２の変位との関係が支点１２０のずれによって設計値から変化している場合、補正係数Ｋ＝（Ｌ２（Ｌ１＋ｄＬ１））／（Ｌ１（Ｌ２＋ｄＬ２））を乗じることにより、Ｚ１＝Ｋ・Ｚ２・Ｌ１／Ｌ２＝Ｚ２・（Ｌ１＋ｄＬ１）／（Ｌ２＋ｄＬ２）となり、誤差を補正したＺ１を算出することができる。

図３および図４を用いて、梃子式形状測定機１００を用いた形状測定方法について説明する。
図３は、本発明の形状測定方法の流れを示すフローチャートである。
まず、制御部１５０が、ワークの表面とスタイラス１３０との間の摩擦係数と、スタイラス１３０に加えられる測定力Ｐと得られたワーク形状（傾き）に基づいて、スタイラス１３０の掃引時に生じる摩擦力Ｆを算出する（ＳＴ４１０）。

次に、制御部１５０が、第１の端部１１１、第２の端部１１２、および支点１２０の間の位置関係、並びに摩擦力Ｆに基づいて、検出器１４０から出力される検出値に含まれる、摩擦力Ｆに起因する誤差を補正する補正値を算出する（ＳＴ４２０）
次に、制御部１５０が、検出値に補正値を加えることにより、ワークの形状を算出する（ＳＴ４３０）。

図３における補正値を算出するステップ（ＳＴ４２０）は、図４に示される流れで行ってもよい。
摩擦力Ｆが算出された後（ＳＴ４１０）、制御部１５０が、測定力Ｐのワーク表面からスタイラス１３０が受ける抗力Ｎと摩擦力Ｆとに基づいて、支点１２０、アーム１１０、およびスタイラス１３０の少なくとも一つの変形量を算出する（ＳＴ４２１）。

次に、制御部１５０が、第１の端部１１１、第２の端部１１２、および支点１２０の間の位置関係、並びに変形量に基づいて、補正値を算出する（ＳＴ４２２）。
補正値が検出された後、制御部１５０が、検出値に補正値を加えることにより、ワークの形状を算出する（ＳＴ４３０）。

本実施の形態にかかる梃子式形状測定機１００では、制御部１５０が、ワークの表面とスタイラス１３０の間の摩擦係数μと、スタイラス１３０に加えられる測定力Ｐとに基づいて、スタイラス１３０の掃引時に生じる摩擦力Ｆを算出する。そして、制御部１５０は、第１の端部１１１、第２の端部１１２、および支点１２０の間の位置関係、並びに摩擦力Ｆに基づいて、検出器１４０から出力される検出値に含まれる、摩擦力Ｆに起因する誤差を補正する補正値を算出する。梃子式形状測定機１００は、この補正値を検出器１４０の検出値に加えることにより、スタイラスへの摩擦力によって生じる形状測定の誤差を補正することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、支点１２０が十字ばねを用いた回転軸機構により構成されている場合について説明したが、支点１２０は十字ばねに限定されるものではなく、ピボット軸受等の摩擦が発生する回転機構であってもよい。
また、上記実施の形態では、支点１２０の変形により生じる誤差の補正について説明したが、アーム１１０およびスタイラス１３０の変形により生じる誤差も、支点１２０の変形の場合と同様にして補正をすることができる。

１００ 梃子式形状測定機
１１０ アーム
１１１ 第１の端部
１１２ 第２の端部
１２０ 支点
１３０ スタイラス
１４０ 検出器
１５０ 制御部
１６０ 記憶部

Claims (9)

1. 支点を中心として回転自在なアームと、前記アームの第１の端部に取り付けられたスタイラスと、を備え、前記スタイラスによりワークの表面を掃引して、前記アームの前記第１の端部とは前記支点を挟んで反対に位置する第２の端部の動きを検出器で検出することにより、前記ワークの形状を測定する形状測定機において、前記検出器の出力に基づいて前記ワークの形状を測定する形状測定方法であって、
   前記ワークの表面と前記スタイラスとの間の摩擦係数と、前記スタイラスに加えられる測定力とに基づいて、前記スタイラスの掃引時に生じる摩擦力を算出するステップと、
   前記検出器の出力に含まれる前記摩擦力に起因する誤差を前記検出器から出力される検出値から除去して、前記ワークの形状を算出するステップと、
   を備える形状測定方法。
2. 請求項１に記載の形状測定方法であって、
   前記第１の端部、前記第２の端部、および前記支点の間の位置関係、並びに前記摩擦力に基づいて、前記検出器から出力される検出値に含まれる、前記摩擦力に起因する誤差を補正する補正値を算出するステップをさらに備え、
   前記ワークの形状を算出するステップでは、前記検出値に前記補正値を加えることにより前記ワークの形状を算出する
   ことを特徴とする形状測定方法。
3. 請求項２に記載の形状測定方法であって、
   前記補正値を算出するステップにおいて、
   前記測定力の前記ワークからの抗力と前記摩擦力とに基づいて、前記支点、前記アーム、および前記スタイラスの少なくとも一つの変形量を算出し、
   前記第１の端部、前記第２の端部、および前記支点の間の位置関係、並びに前記変形量に基づいて、前記補正値を算出する
   ことを特徴とする形状測定方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状測定方法であって、
   前記摩擦力を算出するステップにおいて、
   前記ワークの表面と前記スタイラス間の摩擦係数および傾きと、前記測定力とに基づいて、前記摩擦力を算出する
   ことを特徴とする形状測定方法。
5. 支点を中心として回転自在なアームと、
   前記アームの第１の端部に取り付けられたスタイラスと、
   前記スタイラスによりワークの表面を掃引した際の、前記アームの前記第１の端部とは前記支点を挟んで反対に位置する第２の端部の変位を検出する検出器と、
   前記検出器から出力される検出値に基づいて前記ワークの形状を算出する制御部と、を備える形状測定機であって、
   前記制御部は、
   前記ワークの表面と前記スタイラス間の摩擦係数と、前記スタイラスに加えられる測定力とに基づいて、前記スタイラスの掃引時に生じる摩擦力を算出し、
   前記検出器の出力に含まれる前記摩擦力に起因する誤差を前記検出器の出力から除去して、前記ワークの形状を算出する
   ことを特徴とする形状測定機。
6. 請求項５に記載の形状測定機であって、
   前記制御部は、
   前記第１の端部、前記第２の端部、および前記支点の間の位置関係、並びに前記摩擦力に基づいて、前記検出器から出力される検出値に含まれる、前記摩擦力に起因する誤差を補正する補正値を算出し、
   前記検出値に前記補正値を加えることにより、前記ワークの形状を算出する
   ことを特徴とする形状測定機。
7. 請求項６に記載の形状測定機であって、
   前記制御部は、
   前記測定力の前記ワークからの抗力と前記摩擦力とに基づいて、前記支点、前記アーム、および前記スタイラスの少なくとも一つの変形量を算出し、
   前記第１の端部、前記第２の端部、および前記支点の間の位置関係、並びに前記変形量に基づいて、前記補正値を算出する
   ことを特徴とする形状測定機。
8. 請求項７に記載の形状測定機であって、
   前記支点が十字ばねにより構成されており、
   前記変形量は、前記十字ばねが前記アームの長手方向に変形する量である
   ことを特徴とする形状測定機。
9. 請求項５〜８のいずれか一項に記載の形状測定機であって、
   前記制御部は、前記ワークの表面と前記スタイラス間の摩擦係数および傾きと、前記測定力とに基づいて、前記摩擦力を算出する
   ことを特徴とする形状測定機。

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