JP2016513265A - フルイディック幾何学的形状測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

工作物表面（１６５）の幾何学的形状を無接触方式で測定するため、特に微細機械加工前、微細機械加工中、及び／又は微細機械加工後にホーニング又は仕上げによって機械加工された工作物部分の実質的に回転対称である湾曲した工作物表面の幾何学的形状を測定するために、少なくとも１つの測定ノズル（１５２，１５３）を含む測定システム（１５０）が用いられ、これら測定ノズルは、ツール（１４０）に取り付けられると共に加圧流体ライン（１５６，１５７，１５５，１５４）によって、測定ノズルから距離を置いたところに配置されている加圧流体源（１５１）に連結されている。測定ノズルは、測定を実施するために工作物表面（１６５）の近くに持ってこられ、測定ノズルと工作物表面との間の間隔（Ａ）に依存する加圧流体の性質が測定され、そして間隔を求めるために評価される。かかる測定では、加圧流体ラインを通って測定ノズルまで流れる加圧流体の流量が流量センサ（１７０）によって測定され、流量センサのセンサ信号が間隔を求めるために評価される。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載されているフルイディック測定システムの助けにより工作物表面の幾何学的形状の無接触測定を行う方法、請求項１０の前提部に記載された工作物の工作物表面のサブトラクティブ式微細機械加工（subtractive fine machining）を行う装置、及びこの方法及びこの装置との関係で採用できる測定システムに関する。

本願の用途に関する好ましい部門は、内部ホーニングによるボアの内面の測定支援微細機械加工及び、テープ仕上げ若しくは超仕上げ、又は外部ホーニングによって主として回転対称である工作物の湾曲外面の測定支援微細機械加工を含み、工作物表面の幾何学的形状を求めるための測定が微細機械加工との関連で、即ち、微細機械加工前、微細機械加工中、及び／又は微細機械加工後に実施される。

ホーニングは、幾何学的に未決定の切削方式（geometrically undetermined cutting）を利用する切り屑除去方法であり、この切削方式では、多エッジ型ホーニングツールが２つの成分で構成された切削運動を行い、これら２つの成分により、機械加工された内面の特徴的な表面構造が互いに交差したツールマークを有することになる。ホーニングを用いると、寸法公差及び形状公差の面で且つ表面構造の面で極めて高い要件を満たす仕上げ表面が製造可能である。したがって、例えば、内燃エンジンの製造にあたり、シリンダ壁、即ち、エンジンブロック内のシリンダボアの内面又はエンジンブロック内に取り付けられるシリンダスリーブ内のシリンダ壁の内面及びシャフトの支承面は、ホーニングプロセスが施される。シリンダ壁の機械加工の際、典型的には、複数の互いに異なる連続したホーニング作業、例えば、ボアの所望の巨視的形状を作る予備ホーニング及び仕上げられた工作物に必要とされる所要の表面構造を作る手段としての仕上げホーニングが実施される。機械加工が成功したかどうかは、測定ステップによってチェックできる。

回転対称である湾曲した外部工作物表面を微細機械加工するため、テープ形状の研削手段が適当な形をした接触圧力設備の助けにより機械加工されるべき外部輪郭に押し付けられるいわゆる超仕上げ又はテープ仕上げと呼ばれる場合の多い仕上げが採用される。機械加工されるべき工作物部分をその軸線回りに回転させることと関連して研削手段の軸方向運動を軸方向に短いストロークだけ振動させることにより、材料除去に必要な機械加工運動が作られる。例えばピストンロッド等の湾曲した外部工作物の表面は、外部ホーニングによっても機械加工可能である。また、湾曲した外部工作物表面の場合、測定の面で機械加工が成功したかどうかを識別することは、多くの場合望ましい。

ホーニングの際、巨視的形状及び例えばボア直径によって定量化されるボアのサイズの面での極めて厳しい公差の仕様は、固守されなければならないのが通例である。多くの場合、ホーニング作業中及び個々のホーニング段後にボアのその時点での直径（実際の直径）を求めることができる一体形インプロセス（in-process）測定システムが採用される。次に、この値は、例えばシャットオフ調整器との関連においてホーニング作業の開ループ制御に使用される場合がある。

機械加工ステーションの下流側に配置されたポストプロセス（post-process）測定ステーションを有するホーニング装置も又知られている。ボア直径をポストプロセス測定ステーションでボア内の複数個の箇所のところで求めることができ、このようにして受け取った情報を鎖交することができる。このように、直径に関する情報と同様、作られたボアの巨視的形状に対する知見も又得ることができる。ポストプロセス測定ステーションは、主として、品質管理、即ち、合格部品と不合格部品の識別に役立つ場合が多い。

また、ポストプロセス測定ステーションをホーニングシステムの開制御ループに組み込むことができると共に測定結果を上流側のホーニング段の開ループ制御に用いることができる。独国特許第３８２７８９２（Ｃ２）号明細書は、測定結果が大きな半径方向再調節経を有するホーニングツール内のホーニング砥石の半径方向係合の開ループ制御に利用される測定後ステーションを備えたホーニング装置を示している。

上述の測定は、今日、場合によっては「空気測定システム（air measurement system）」とも呼ばれる空気圧測定システムを用いて実施されるのが通例である。空気圧測定システムは、ツールに取り付けられ、又、加圧ガスラインを介して加圧ガス源に連結された少なくとも１つの測定ノズルを含み、加圧ガス源は、測定ノズルから見て遠くに位置するよう配置されている。かかる空気圧測定システムは、ノズル及びそらせ板（baffle plate）の原理に従って作用する。測定時、加圧空気が測定ノズルからボア壁の方向に流れる。測定ノズルの付近に結果として生じる背圧がボア壁からの測定ノズルの間隔の尺度として役立つ。加圧ガスラインを介して測定ノズルに結合された変換器が加圧ガスライン内の圧力を測定し、そして、圧力信号（空気圧信号）が更に処理可能な電圧信号に変換され、この電圧信号が評価ユニットに送られてこの中で評価されるようにする。

かくして、測定を実施するため、測定ノズルは、工作物表面の付近に位置決めされ、測定ノズルと工作物表面との間の間隔に依存する加圧ガスの性質、即ち、測定場所での圧力が測定され、そして間隔を求めるために評価される。

ボア直径を２つの測定ノズルによって求めることができ、これら２つの測定ノズルは、半径方向反対側でツールに設けられている。ツールの種々の軸方向位置及び／又は種々の回転位置での測定は、形状の測定、即ち、ボアの巨視的形状の測定のために利用できる。

インプロセス測定の場合、測定ノズルは、ホーニングツール内に組み込まれている。ポストプロセス測定の場合、これら測定ノズルは、専用測定ツール（測定マンドレル）に取り付けられる場合がある。

空気圧測定設備は、堅牢であり、かかる空気圧測定設備は、測定対象の物体の材料とは別個独立の無接触測定及びその測定範囲内において数マイクロメートルオーダーの高い測定精度を可能にする。記録される測定値の繰り返し精度は、０．５μｍ未満である場合がある（表面粗さに応じると共に静的測定の場合）。動的測定の場合、例えば、回転ツールの場合、記録される測定値は、工作物表面の掃引箇所からの測定ノズルの距離の中央値である。

しかしながら、測定範囲は、比較的制限されている。有意義な測定値を記録することができるようにするためには、測定ノズルは、工作物表面、例えばボア壁から特定の且つ比較的厳しく制限された間隔範囲（典型的には、数１００μｍ、例えば約２００μｍ）のところに配置されなければならない。この場合に利用できる直線測定範囲の幅は、典型的には、１００μｍ〜２００μｍである。

測定の精度にマイナスの影響を及ぼす場合のある一連の潜在的な摂動が測定ノズルと変換器との間に位置する場合があり、この変換器は、圧力信号を機械で処理可能な電気信号に変換する。例えば、空気ホース、空気分配リング、及び例えば空気ホースのコネクタ部品上のインターフェースの漏れにより、測定誤差が生じる場合がある。潜在的なポロシティ（孔）が典型的には或る特定の期間後にホース上に生じるので、安定したプロセス品質の面で或る特定のリスクが存在する。さらに、該当する場合にはホースの弾力により、全空気量が僅かに変化し、かくして、測定値をゆがめる場合のある圧力変動が生じる場合がある。全空気量が多ければ多いほど、圧力変動が変換器に送られるまでのシステム遅れを考慮に入れる時間がそれだけ一層長くなる。

ピー・ユーベルヘール（P. Ubelhoer），「インプロツェス−ゲオメトリーメスウンク・バイム・ホーネン(Inprozess-Geometriemessung beim Honen) 」（「インプロセス・メジャーメント・オブ・ジオメトリー・イン・ホーニング（In-process measurement of geometry in honing）」），フォルシュングスベリッヒテ・アウス・デム・インステトット・フューア・ベルクツォイクマシネン・ウント・ベトリーブステクニック・デア・ウニベェルズィテート・カルルスルーエ（Forschungsberichte aus dem Institut fuer Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik der Universitaet Karlsruhe ）（リサーチ・レポーツ・フロム・ザ・インスティテュート・オブ・マシン・ツールズ・アンド・インダストリアル・エンジニアリング・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・カルルスルーエ（Research reports form the Institute of machine tools and industrial engineering of the University of Karlsruhe））所収，プロフェッソア・ドクトァ・インジェニエーア・ハー・ベウレ（Prof. Dr. -Ing. H. Weule）発行，第５６巻（１９９４年）という論文において、無接触方式で作用する他の位置測定システムがホーニングの際にインプロセス幾何学的形状測定についてこれらシステムの有用性に関して調査された。この目的のため、渦電流測定システム及び容量型測定システムを用いて試験を実施した。

独国特許出願公開第１０２０１２０１１４７０（Ａ１）号明細書は、微細機械加工された工作物表面を測定する際のレーダーセンサの使用を記載している。レーダーセンサを含む測定システムは、極めて動的であり、しかも例えば、直径の測定、巨視的形状の測定及び粗さの測定に使用できる。仕上げの際に外部工作物表面を調査するレーダーセンサの使用が同様に記載されている。

独国特許第３８２７８９２（Ｃ２）号明細書 独国特許出願公開第１０２０１２０１１４７０（Ａ１）号明細書

ピー・ユーベルヘール（P. Ubelhoer），「インプロツェス−ゲオメトリーメスウンク・バイム・ホーネン(Inprozess-Geometriemessung beim Honen) 」（「インプロセス・メジャーメント・オブ・ジオメトリー・イン・ホーニング（In-process measurement of geometry in honing）」），フォルシュングスベリッヒテ・アウス・デム・インステトット・フューア・ベルクツォイクマシネン・ウント・ベトリーブステクニック・デア・ウニベェルズィテート・カルルスルーエ（Forschungsberichte aus dem Institut fuer Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik der Universitaet Karlsruhe ）（リサーチ・レポーツ・フロム・ザ・インスティテュート・オブ・マシン・ツールズ・アンド・インダストリアル・エンジニアリング・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・カルルスルーエ（Research reports form the Institute of machine tools and industrial engineering of the University of Karlsruhe））所収，プロフェッソア・ドクトァ・インジェニエーア・ハー・ベウレ（Prof. Dr. -Ing. H. Weule）発行，第５６巻（１９９４年）

本発明の目的は、広い測定範囲を有すると共に測定範囲全体において高い測定精度を特徴とする工作物表面の測定支援微細機械加工のための方法及び装置並びにかかる方法及び装置との関連で使用できる測定システムを提供することにある。必要な場合及び時、インプロセス測定を実施するための微細機械加工システムに測定システムを組み込むことは、構成上の複雑さを少なくした状態で可能なはずである。

この目的を達成するため、本発明は、請求項１の特徴を有する方法、請求項５の特徴を有する測定システム及び請求項１０の特徴を有する装置を提供する。有利な実施形態は、従属形式の請求項に記載されている。参考までに、全ての請求項の記載内容が本明細書に組み込まれる。

特許請求の範囲に記載された本発明によれば、フルイディック測定システムの助けにより工作物表面の幾何学的形状の無接触測定のための属概念形式の方法は、加圧流体ラインを通って測定ノズルに流れる加圧流体の流量（体積流量及び／又は質量流量）を流量センサによって測定し、流量センサのセンサ信号を評価して間隔を求めることを特徴としている。

本発明は、単位時間当たりに規定された測定ノズルから流れ出る加圧流体の量が工作物表面からの測定ノズルの間隔に明快に相関が取られているという認識に基づいている。この相関は、必ずしも、線形である必要はない。しかしながら、この間隔と加圧流体ラインを通って流れる加圧流体の流量（体積流量及び／又は質量流量）との間に明快な関係があり、この関係がオプションとして、較正によって定量的に設定できるので、間隔を測定するために流量センサを用いることができる。流量センサにより提供されるセンサ信号、例えば、測定電圧又は電流の形態の電気信号を評価ユニットに送って評価し、それにより間隔を求めることができる。

今日まで、流量センサは、典型的には、漏れを検出し若しくは漏れ止め度をチェックする目的で、又は、フルイディックシステム（即ち、空気圧システム又は油圧システム）内の貫流調整器との関連で用いられている。本発明は今や、とりわけ、工作物表面の形状の無接触測定のため、特に、加圧流体ライン中を流れる加圧流体の流量を測定するためのフルイディック測定システム内における流量センサの使用であって、加圧流体ラインは、測定システムの加圧流体源を測定システムの測定ノズルに連結し、測定ノズルは、加圧流体源から見て遠くに位置するようツールに取り付けられていることを特徴とする使用を提案する。

１つの（少なくとも１つの）流量センサを属概念形式のフルイディック測定システム内で用いた場合の結果として、加圧流体ライン内に設けられた圧力センサによって作用する従来型の空気圧測定システムと比較して、顕著な利点が得られる。

特に、利用可能な測定範囲の著しい拡大が可能である。試験結果の示すところによれば、流量センサの形式に応じて、測定ノズル１つ当たり最大約４００μｍまでの評価可能な測定範囲及びオプションとしてそれ以上に広い測定範囲が結果として得られる。直径方向互いに反対側に配置された２つの測定ノズルの助けにより実施できるボアの直径の測定の際、これは、最高約８００μｍ又はそれ以上の直径の差に対応している。従来型の空気圧測定システムと関連して、これは、利用可能な測定範囲の相当な拡張である。測定範囲の拡大により、ツールの構成の標準化が可能である。というのは、同一のツールの本体を備えたツールは、広い直径範囲に採用できるからである。これは、コストの節約に寄与する。

さらに、広い測定範囲を有する測定システムは、多くの材料を除去するホーニング段又は他の微細機械加工段との関連で使用できる。というのは、機械加工が始まる際（特定ノズルからの工作物表面の間隔が比較的小さい）と機械加工の最終段（測定ノズルからの工作物表面の距離が比較的大きい）との両方において十分な測定精度が依然として得られるからである。いずれの場合においても、機械加工段の終わりに想定される最終寸法を正確に達成できることができるようにするのは、正確に言えば、大きな間隔の場合における測定精度である。研究結果の示すところによれば、正確に言えば比較的大きい間隔の範囲内における流量測定は、圧力測定の場合よりもかなり向上した信号対雑音比を有する場合があり、測定精度は、比較的大きな範囲の場合であっても十分なままである。

好ましい実施形態では、フルイディック測定システムは、加圧流体としての加圧ガス、特に加圧空気で働く空気圧測定システムとして構成される。かかる測定システムのコンポーネントは、従来型空気測定システムのコンポーネントと実質的に同一又は機能的にほぼ同一であって良く、前者とは対照的に、測定箇所のところを流れる加圧流体の体積流量及び／又は質量流量を定量的に検出することができる手段としての流量センサは、今や、加圧流体ライン中の加圧流体の圧力を更に処理可能な電気信号に変換する変換器に代えて用いられる。

多くの場合、従来型空気圧測定システムをレトロフィットして本発明による空気圧測定システムであるようにすることが可能であるべきであり、測定ノズルに通じると共に、対応して再構成された評価ユニットに結合される加圧流体ラインの適当な箇所に、圧力センサに代わる流量センサが取り付けられる。

本発明の冒頭に記載した従来型フルイディック測定システムの問題のうちの幾つかは、流量センサを用いると、回避でき又は軽減できる。従来型空気圧測定システムの場合、加圧流体源の作業圧力は、測定が比較的大きな間隔で行われる場合に増大する場合が多く、それにより例え測定ノズルと工作物表面との間の間隔が増大する場合であっても、圧力センサの測定範囲内に収まる十分に強い圧力信号が加圧流体ライン中の測定箇所のところに依然として得られる。しかしながら、作業圧力が増大すると、空気ホース、空気分配器、インターフェース等の漏れ等に生じる漏れは、圧力損失によって不釣り合いに明白である場合があり、その結果、測定結果が存在的にゆがめられる場合がある。さらに、潜在的にホースの弾力によるシステム全体中の体積の変化が、作業圧力が増大しているときに生じ、かかる体積の変化により、実際に測定ノズルの付近に存在する圧力からの測定圧力の逸脱が生じる場合がある。これらの影響により、従来型空気圧測定システムでは、特に、比較的大きな間隔の範囲内において測定精度が制限される場合がある。これとは対照的に、ホースシステム中の潜在的な膨張は、流量測定の場合には深刻な問題とはならない。

また、本発明の測定システムの実施形態では、加圧流体源によって提供される加圧流体の作業圧力は、当初（測定前に）、測定されるべき間隔に応じると共に既定の間隔関数に対応した適当な値に調節される。この目的のため、作業圧力を変化させる対応の調節装置が設けられるのが良い。好ましくは、調節は、間隔が増大すると作業圧力が減少するように行われる。この手段は、測定ノズルと工作物表面との間の間隔が増大すると、測定ノズルを出た後に加圧流体に利用できる流れの断面（測定ノズルと工作物壁との間の領域）が大きいので流れ抵抗が低下するということ及び同一の作業圧力で単位時間当たりに流出させることができる加圧流体の量を多くすることができるということを考慮に入れている。したがって、流量センサの付近における体積流量及び／又は質量流量は又、該当する場合、大きな間隔の場合に流量センサの最適測定範囲から外れている範囲に収まる。これとは対照的に、提案したやり方で作業圧力を減少させて間隔に依存するようにすることによって、大きな間隔の場合でも、加圧流体の体積流量及び／又は質量流量が流量センサの測定範囲内に収まり、その結果、正確な測定値を得ることができるということが達成できる。このように、特に、広い間隔の場合、即ち、機械加工作業の最終段における重要な測定は、供給ライン中及びインターフェースのところでの緊密さに関する問題が測定にマイナスの影響を及ぼす恐れなく、特に正確であるといえる。

種々の形式の流量センサを用いることができる。特に適した流量センサは、風力測定の熱的原理、即ち、貫流量が流量センサの付近の熱損失によって求められる方法（熱損失方法）に従って作用する。特に良好に評価可能な特に望ましい信号対雑音比又は使用可能な信号がかかる方法により達成できるということが実証された。他の測定原理に従って作用する流量センサ、例えばピトー管流量センサ、ベンチュリ式ノズルを備えた流量センサ、乱流流量センサ、超音波流量センサ、又は磁気誘導流量センサが同様に、適当なコンセプトにおいて適していると言える。

また、測定システムは、加圧流体として適当な液体を用いて働く油圧測定システムとして構成されることが可能である。冷却のため、潤滑のため及び材料除去微細機械加工において切り屑を除去するために使用される形式の切削液を例えば加圧流体として使用するのが良い。非圧縮性の液体が加圧流体として用いられる場合、変換器（流量センサ）が測定ノズルから比較的大きい間隔を有している場合、特に正確な測定が可能である。さらに、加圧流体の非圧縮性により、空気測定の場合よりも高い走査レート（単位時間当たりの測定回数）が可能である。というのは、測定ノズルの付近の間隔のばらつきが測定場所（これは、測定ノズルから見て遠くに位置する）のところで迅速に検出可能だからである。このために、種々の形状、該当する場合には複数の平面についての比較的複雑な測定の適合性が向上する。

本発明は又、本願において説明する方法を実施するのに適した工作物の微細機械加工された工作物表面を測定するための測定システムに関する。

本発明は又、本発明の少なくとも１つの測定システムが割り当てられる微細機械加工装置に関する。測定システムは、例えばホーニング機械（ホーニング盤）又は仕上げ機械に組み込み可能である。また、測定システムを処理機械とは別個の測定ステーションとして構成することが可能である。

好ましくは、測定システムは、インプロセス測定システムとして構成される。この目的のため、好ましい形態では、少なくとも１つの測定ノズルが装置の微細機械加工ツールに取り付けられ、微細機械加工ツールが測定ノズルの取り付け具としての役目を果たすことができるようになっている。ホーニング装置では、少なくとも１つの測定ノズルをホーニングツールに取り付けるのが良い。仕上げ装置では、測定ノズルは、接触圧力設備の助けにより研磨性研削手段（例えば、研削テープ又はホーニング砥石）を工作物部分の機械加工されるべき外面に押し付けるために提供される仕上げアームに取り付けられるのが良い。

測定システムは、例えば、直径測定システム又は形状測定システムとして構成できる。測定作業に応じて、測定システムは、１つ又は複数個の測定ノズルを有することができる。この空間的配置及び流量センサのセンサ信号の評価は、測定されるのがどの測定された表面の値であるか及びこれから導き出される測定された加工物表面に関する情報がどれであるかを決定する。

測定システムの評価ユニットが処理機械の制御装置に信号伝達方式で結合されるのが良く、又は、制御装置の一部であっても良く且つ制御装置と一緒になって、測定システムにより受け取られた測定データに基づいて、機械加工を制御する開ループ制御ユニットを形成しても良い。例えば、切断材料（例えば、ホーニング砥石又は研削テープ）の機械加工時間及び／又は接触圧力は、機械加工されるべき比較的大きな一連の工作物の場合であっても、厳しい製造公差を固守することができるよう測定システムの測定値に基づいて制御可能である。

請求項の記載から導かれることとは別に、先行する特徴及び別の特徴も又、本明細書及び図面の記載から導き出すことができる。この場合、個々の特徴は、各々、別個独立に実施でき、或いは、複数個の特徴を本発明の一実施形態及び他の部門における下位の組み合わせの形態で実施でき、これら特徴は、有利な実施形態となることができる。添付の図面を用いて好ましい実施形態について説明する。

流量センサを備えた一体形空気圧測定システムを有する、工作物のボアの円筒形内面をホーニング仕上げ（砥石仕上げ）するホーニング機械の一実施形態の略図である。 流量センサを通る流量と、測定ノズルとボア壁との間の間隔との機能的相関関係を加圧ガス源の一定の圧力の状態で概略的に示す図である。 測定間隔が増大するにつれて加圧空気源の作業圧力を低下させる実施例を概略的に示す図である。

「ホーニング」の微細機械加工方法の例を用いて本発明の例示の実施形態につき説明する。

ホーニング機械１００の実施形態の略図が図１に示されており、このホーニング機械は、堅形ホーニング機械として構成されており、このホーニング機械は、例えばエンジンの製造のための工作物のボアの実質的に円筒形の内面をホーニング仕上げするために利用できる。ホーニング機械１００は、複数個のホーニングユニットを有し、これらのうちホーニングユニット１１０が１つだけ図１に示されている。ホーニングユニット１１０は、静止機能群と静止機能群に対して動くことができる機能群とを含む。可動機能群は、垂直に延びるスピンドル軸線１３３を有する組立て状態のホーニングスピンドル１３２及びスピンドル側関節連結部１３６の助けによりホーニングスピンドル１３２の下側自由端部に連結された駆動ロッド１３５を含む。ホーニングツール１４０が多軸関節連結部１３７の助けにより、制限された可動状態で、駆動ロッドの下側自由端部に連結されている。ホーニングスピンドルは、スピンドル駆動装置１２２の助けにより、そのスピンドル軸線１３３回りに回転可能であり、更に、ホーニング仕上げにとって典型的な回転運動と軸方向振動運動の組み合わせ運動を生じさせるよう軸方向に行ったり来たりする運動を行うことができる。電気機械的及び／又は油圧的供給システム（図示せず）の助けにより、ホーニングツール１４０に設けられているホーニングストリップ１４２をそれぞれ半径方向に送り又は引っ込めることができ、それにより機械加工に望ましいホーニングツールの有効直径を調節することができる。スピンドル駆動装置１２２及び供給システムは、ホーニング機械の制御ユニット１２５の助けにより作動される。

図１は、工作物１６０を加工する際のホーニング機械を示しており、工作物１６０は、内燃エンジンのエンジンブロック（シリンダクランクケース）又は例えばエンジンブロック内に据え付けられるシリンダスリーブであるのが良い。工作物をホーニング機械のチャック１２６でクランプし、機械加工位置に配置する。ホーニングツールを工作物の実質的に円筒形のボア１６１内に導入し、適当に構成されたホーニングプロセスにより既定の直径及び実質的に凹状である湾曲した内部円筒形ボア面１６５の所望の表面構造を有するボアの巨視的形状を達成する。この実施例では、後者は、内部ホーニングの微細機械加工プロセスによって機械加工されるべき工作物表面である。

ホーニング機械は、そのホーニングユニットの各々について１つの一体形測定システム１５０を有し、この測定システムにより、ボアのその時点における直径をインプロセス測定により、ホーニング前、ホーニング中及び／又はホーニング後に求めることができ、それにより対応の信号をホーニングシステムの制御装置１２５に送り、そしてこのようにしてホーニングプロセスの開ループプロセス制御を可能にする。ボアのその時点における直径の寸法を例えばインプロセス測定によりホーニング中に連続してモニタすることができる。想定される公称寸法にいったん達すると、ホーニング機械の制御ユニット１２５（シャットオフ調整器）により機械加工を終了させることができる。

測定システム１５０は、加圧空気により作用する空気圧測定システムである。この測定システム１５０は、１対の測定ノズル１５２，１５３を含み、かかる１対の測定ノズルは、ホーニングストリップ１４２相互間で直径方向互いに反対側に位置するようホーニングツール１４０に設けられ、ホーニングストリップ１４２は、ホーニングストリップの軸方向作動範囲内で円周方向に互いに間隔を置いて配置されている。

圧縮機を備えた加圧空気源１５１がホーニング機械の静止機能群又はその外側に取り付けられており、加圧空気が加圧空気源から連通加圧空気ラインのシステムを介して測定ノズル１５２，１５３に送られ、測定ノズル１５２，１５３は、ホーニングツールに取り付けられている。加圧空気源により提供される作業圧力を制御装置によって無段階で又は段階的に調節することができる。加圧空気ラインシステムは、静止加圧空気ライン部分１５４、静止機能群と可動群との間に配置されていて、空気分配器とも呼ばれることが多い空気圧回転伝送器１５５、及び各測定ノズルのための１つの加圧空気ライン１５６，１５７を含み、この加圧空気ラインは、スピンドル側が空気分配器からそれぞれの測定ノズルに引き回されている。

流量センサ１７０が加圧空気源１５１と空気分配器１５５の静止部分との間で加圧空気ラインシステムの静止部分内に設けられており、流量、即ち、加圧空気源１５１から測定ノズル１５２，１５３の方向に流れる加圧空気の体積流量及び／又は質量流量を流量センサ１７０により永続的に測定することができる。空気圧流量センサ１７０は、電気センサ信号を出力し、この電気センサ信号は、関連のライン部分を通って単位時間当たりに流れる加圧空気の体積及び／又はこのライン部分を通って単位時間当たりに流れる加圧空気の質量に直接依存している。流量センサは、信号送信方式で制御ユニット１２５に接続され、流量センサのセンサ信号のための評価ユニットが制御ユニット１２５に組み込まれている。

例示の実施形態の流量センサ１７０は、風力測定の熱的原理に基づいて、即ち、熱損失方法に従って作用する。エスリンゲン所在のフェスト・アーゲー・ウント・シーオー・カーゲー（Festo AG & Co. KG ）製のＳＦＡＢ型の流量センサがこの目的のために特に利用可能であることが判明した。０．１Ｌ／ｍｉｎから１０００Ｌ／ｍｉｎまでの範囲にわたる極めて広い測定範囲を設けると、この形式の空気圧測定システムで生じる体積流量（代表的には、５Ｌ／ｍｉｎ〜１０００Ｌ／ｍｉｎ）を高い精度で且つ高い再現性を持って電気センサ信号に変換することができる。ここで用いられている空気圧測定システムの測定原理は、測定ノズル１５２，１５３を通って単位時間当たりに出る空気の量が反対側のボア壁からのそれぞれの測定ノズルの間隔Ａに対する明快且つ定量的に識別可能な相関関係を有するという事実を利用している。図１の細部から直接理解できるように、この間隔Ａ（測定間隔）は、測定ノズル１５２から出た後の流出中の加圧空気（矢印）に利用できる流れ断面に直接相関が取られている。間隔が狭い場合、空気を運び去るために利用できる流れ断面も又小さく、その結果、加圧空気源１５１の所与の作業圧力Ｐでは、単位時間当たり或る特定の量しか加圧空気ラインシステムを通って、かくして、流量センサ１７０も又通って流れることができない。測定間隔Ａが増大する場合（他方、作業圧力が同一のままである状態で）、加圧空気の放出に利用できる流れ断面が増大し、その結果、単位時間当たりより多くの加圧空気が加圧ガスラインシステムを通って加圧ガス源１５１から流れ出て測定ノズルを通ってホーニングツールと内部ボア壁との間の空間中に流れ込むことができるようになっている。

加圧空気の流量Ｆ（体積流量及び／又は質量流量）と加圧ガス源１５１の一定の圧力Ｐでの間隔Ａ（測定間隔）との機能的な相関関係が図２に概略的に示されている。流量は、間隔Ａが増大するにつれて増大する傾向があり、この場合、相関関係は、線形であっても良く非線形であっても良いが、いずれの場合においても、飛躍的変化なしで首尾一貫した関数であることを特徴としているのが良い。かくして、流量Ｆは、原理的には、間隔Ａのための測定変数として適している。

本発明者の実証するところによれば、空気圧測定システムでの流量測定による間隔の決定により、比較的広い測定範囲（例えば、測定ノズル１個当たり最大４００μｍまで）にわたり十分な絶対精度（１μｍ未満）で測定値が送り出される。センサの形式に応じて、恐らくはより広い測定範囲に依然として及ぶことができる。背圧測定により作用する従来型空気圧測定システムに関して、これは、測定範囲の相当な拡張である。この広い測定範囲により、同一のツール本体を例えば従来よりも広いボアの直径範囲について用いることができるという意味でツールの構成における標準化が可能である。このために、コスト上の利点が結果として得られる。さらに、かかる測定システムは又、多くの材料が除去されるホーニング段であって、従来型空気圧測定システムが用いられた場合に現在実行可能な測定範囲を超えるホーニング段で用いることができる。例示の仕方で、或る特定の予備ホーニング作業に言及することができ、又は従来型微細穴あけ方法のチップ除去レートと同等のチップ除去レートが達成可能ないわゆる粗ホーニングに言及することができる。粗ホーニングにおける代表的な除去レートは、例えば、ボアの直径に応じて０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲であるのが良い。また、本出願人の欧州特許出願公開第１９３２６２０（Ａ１）号明細書に記載されているいわゆる性能微細ホーニング（performance fine-honing）では、流量センサを含む空気圧測定システムを特に有利に利用することができる。

従来型空気圧測定システムと比較した場合の本発明のフルイディック測定システムの別の利点を図３によって説明する。図２で理解できるように、流量測定により識別可能な流量は、間隔Ａが増大するにつれて（作業圧力が一定の状態で）着実に増大する。この傾向は、圧力測定で作用する従来型空気圧測定システムの傾向とは対照的である。この場合、背圧は、間隔が増大するにつれて減少し、その間、加圧ガス源の作業圧力は、同一のままである。したがって、従来型空気圧測定システムの場合、加圧ガス源の作業圧力は、一般に、測定が間隔の比較的高い絶対値で実施されなければならない場合、測定に先立って比較的高い値に調節される。正確に言えば、比較的旧式の空気測定システムの場合、これにより、加圧ガスラインシステムの漏れのために誤った測定値が生じる場合がある。

これとは対照的に、流量測定によって作用するフルイディック測定システムでは、間隔が増大するにつれて作業圧力を減少させることができる。作業圧力を減少させることによって、各間隔範囲内の流量が流量測定に特に望ましい値の範囲内に留まることが達成できる。図３には、流量センサを含むフルイディック測定システムを利用する場合に作業圧力Ｐと測定間隔Ａとの潜在的な機能的相関関係が実線で概略的に示されている。作業圧力を例えば間隔が増大するにつれて段階的に不連続に減少させることができる。最大Ａ₁までの比較的僅かな測定間隔の場合、当初、作業圧力Ｐ₁を調節する。予想間隔値がＡ₁＜Ａ＜Ａ₂にある場合、当初、比較的低い作業圧力Ｐ₂を調節する。Ａ₂を超えるこれよりも高い測定間隔の場合、測定は、この場合も又減少した作業圧力Ｐ₃等を用いて行われる。流量センサでの測定範囲を再調節することは、該当する場合、このために回避できる。最終寸法にとって重要な機械加工の最終段階、すなわち最も高い間隔値の場合においても測定は正確であり、減少した作業圧力での作動が可能であるので、この場合、漏れ箇所のところの流体損失の恐れが低く、また、測定精度は、測定範囲全体にわたって大部分一定のままである。

図示の例示の実施形態では、流量センサは、空気分配器１５５と加圧ガス源１５１との間に位置し、その結果、加圧ガス源１５１から２つの測定ノズル１５２，１５３に流れる部分流量の合計が突き止められるようになっている。このため、測定値の「空気圧平均」が達成される。また、別個の流量センサを加圧ガスライン１５６，１５７の各々の中に設けることが可能であり、その結果、個々の測定ノズルへの流量を別々に突き止めることができる。次に、必要な場合及び時に、流量センサの対応の信号を電気的に平均し又は別々に評価することができる。

例示の実施形態では、流量センサ１７０は、ホーニング機械上に、例えば、ホーニング機械の動かないコンポーネント上に固定されるよう取り付けられている。また、１つ又は複数個の流量センサを機械加工中、動くことができるホーニング機械のコンポーネントに、例えば、ホーニングスピンドル１３２又は駆動ロッド１３５上に又はホーニングスピンドル１３２又は駆動ロッド１３５内に取り付けることが可能である。該当する場合、ホーニングスピンドルの回転の潜在的なアンバランスを阻止するために追加の補正重りを設けるのが良い。

他の微細機械加工方法の場合、例えば、仕上げ（超仕上げ）加工では、１つ又は複数個の流量センサを用いた幾何学的形状のフルイディック測定も又可能である。例えば、独国特許出願公開第１０２０１００１１４７０（Ａ１）号明細書の図６に記載された仕上げ装置の場合、かかるフルイディック測定システムの測定ノズルを、取り付けられたレーダーセンサが存在している場所に取り付けることができる。

Claims (12)

1. フルイディック測定システム（１５０）の助けを借りて、工作物表面（１６５）の幾何学的形状を無接触測定し、特に微細機械加工前、微細機械加工中、及び／又は微細機械加工後にホーニング又は仕上げによって機械加工された工作物部分の実質的に回転対称である湾曲した工作物表面の幾何学的形状を測定する方法であって、
   前記測定システム（１５０）は、ツール（１４０）に取り付けられると共に加圧流体ライン（１５６，１５７，１５５，１５４）を介して加圧流体源（１５１）に連結された測定ノズル（１５２，１５３）を有し、前記加圧流体源は、前記測定ノズルから見て遠くに位置するよう配置され、
   前記測定ノズルは、測定を実施するために、前記工作物表面（１６５）の付近に位置決めされ、前記測定ノズルと前記工作物表面との間の間隔（Ａ）に依存する前記加圧流体の性質が前記間隔を求めるために測定されて評価される、方法において、
   前記加圧流体ラインを通って前記測定ノズルに流れる前記加圧流体の流量を流量センサ（１７０）によって測定し、前記流量センサのセンサ信号を評価して前記間隔を求める、方法。
2. 前記フルイディック測定システムは、前記加圧流体としての加圧ガス、特に加圧空気で働く空気圧測定システムとして構成され、又は、前記測定システムは、前記加圧流体としての液体、特に切削液を用いて働く油圧測定システムとして構成される、請求項１記載の方法。
3. 前記加圧流体源によって提供される前記加圧流体の作業圧力（Ｐ）は、当初、前記間隔（Ａ）に応じると共に既定の間隔関数に対応した適当な値に調節され、前記作業圧力は、好ましくは、前記間隔が増大すると減少する、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記加圧流体の前記流量は、前記流量センサの付近の熱損失によって求められる、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の方法。
5. 工作物の微細加工された工作物表面の幾何学的形状を測定し、特に微細機械加工前、微細機械加工中、及び／又は微細機械加工後にホーニング又は仕上げによって機械加工された工作物部分の実質的に回転対称である湾曲した工作物表面の幾何学的形状を測定する測定システムであって、
   ツール（１４０）に取り付けられると共に加圧流体ライン（１５６，１５７，１５５，１５４）を介して加圧流体源（１５１）に連結された測定ノズル（１５２，１５３）を有し、前記加圧流体源は、前記測定ノズルから見て遠くに位置するよう配置され、
   前記測定ノズルは、測定を実施するために、前記工作物表面の付近で動くことができ、前記測定ノズルと前記工作物表面（１６５）との間の間隔（Ａ）に依存する前記加圧流体の性質が前記間隔を求めるために測定されて評価される、測定システムにおいて、
   前記加圧流体ラインを通って前記加圧流体源（１５１）から前記測定ノズル（１５２，１５３）まで流れる前記加圧流体の流量を測定すると共に前記流量を表すセンサ信号を送り出す流量センサ（１７０）と、
   前記流量センサに結合されていて、前記センサ信号から前記間隔を求める評価ユニットとを含む、測定システム。
6. 前記フルイディック測定システムは、前記加圧流体としての加圧ガス、特に加圧空気で働く空気圧測定システムとして構成され、又は、前記測定システムは、前記加圧流体としての液体、特に切削液を用いて働く油圧測定システムとして構成される、請求項５記載の測定システム。
7. 前記加圧流体源の作業圧力（Ｐ）を、前記間隔（Ａ）に応じると共に既定の間隔関数に対応して調節する調節装置を含み、前記調節装置は、好ましくは、前記間隔が増大すると前記作業圧力が減少するよう構成されている、請求項５又は６記載の測定システム。
8. 前記測定システムは、インプロセス測定システムとして構成され、前記測定ノズル（１５２，１５３）は、好ましくは、工作物（１６０）の工作物表面のサブトラクティブ式微細機械加工を行う装置（１００）の微細機械加工ツール（１４０）に、該微細機械加工ツールが前記測定ノズルのための取り付け具として働くような仕方で取り付けられている、請求項５、６、又は７記載の測定システム。
9. 前記測定システムは、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の方法を実施するよう構成されている、請求項５〜８のうちいずれか一に記載の測定システム。
10. 工作物（１６０）の工作物表面のサブトラクティブ式微細機械加工を行い、特に、実質的に回転対称である湾曲した工作物表面を有する工作物部分をホーニングし又は仕上げする装置（１００）であって、
    前記工作物表面（１６５）を機械加工する少なくとも１つの微細機械加工ツール（１４０）と、
    前記工作物表面の幾何学的形状を調査する測定システム（１５０）とを有する、装置において、
    前記測定システムは、請求項５〜９のうちいずれか一に記載に従って構成されると共に／或いは請求項１〜４のうちいずれか一に記載の方法を実施するよう構成されている、装置。
11. 前記測定システム（１５０）の評価ユニットが前記処理機械の制御装置（１２５）に信号伝達方式で結合されると共に前記制御装置と一緒になって、前記測定システムにより受け取られた測定値に基づいて、前記微細機械加工を制御する開ループ制御ユニットを形成し、切削材料キャリヤの機械加工時間及び／又は接触圧力は、好ましくは、前記測定システムの測定値に基づいて制御可能である、請求項１０記載の装置。
12. 工作物表面の幾何学的形状の無接触測定を行うフルイディック測定システム（１５０）内における、加圧流体ライン中を流れる加圧流体の流量を測定するための流量センサ（１７０）の使用であって、前記加圧流体ラインは、前記測定システムの加圧流体源（１５１）を前記測定システムの測定ノズル（１５２，１５３）に連結し、前記測定ノズルは、ツールに取り付けられた前記加圧流体源から見て遠くに位置する、使用。

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