JP2019509493A - 回転軸線に対するワークピースの平面の軸ぶれを測定する方法、及び対応する測定アセンブリ - Google Patents

回転軸線に対するワークピースの平面の軸ぶれを測定する方法、及び対応する測定アセンブリ Download PDF

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Abstract

線形画像センサ(19)によって回転軸線(6)に対するワークピース(2)の平面(22)の軸ぶれを測定する方法であって、回転軸線に平行な方向(Z)に沿ってワークピースに対してセンサを移動させて非回転ワークピースの第1の光学走査が実行され、ワークピースとセンサとの相対位置変動の際のピクセル(23)の第1の光強度傾向(I1)を得て、平面の相対位置(ZR)は第1の光強度傾向に応じて決められる。ワークピースの第2の光学走査は、ワークピースの角度位置(θ)の変動の際のピクセルの第2の光強度傾向(I2)を得るため、ワークピースが軸に対して回転しつつ、平面の相対位置において実行される。第2の光強度傾向によって導出され又は処理によって得られる光強度値を入力データとして用いて第1の光強度傾向から最大位置値及び最小位置値(Zmax、Zmin)が決定され、軸ぶれが最大位置値と最小位置値との間の差として算出される。

Description

本発明は、回転軸線に対するワークピースの平面の軸ぶれ又は直交誤差を測定する方法に、及び対応する測定アセンブリに関する。
特に、本発明は、自動車エンジンなどの機械部品の寸法形状又は位置パラメータを測定するための測定アセンブリにおける限定されない有利な適用を見いだし、以下の説明は一般性を失うことなく明示的に言及する。
ワークピース又は機械部品を測定するための既知の測定アセンブリは、固定フレームと、軸方向に離間したその2つの端部においてワークピースを保持するように且つワークピースを軸の周りに回転させるように固定フレームに取り付けられる電動回転保持機構と、長手方向ガイドに沿って移動するように適合される電動可動フレームであってワークピースの両側に配置された2つのアームを有するフォークを含む電動可動フレームと、その自身の軸を横切るワークピースの線形画像を取得するように可動フレームに取り付けられるオプトエレクトロニクスプローブと、を備える。
特に、オプトエレクトロニクスプローブは、ワークピース軸に直交する平面に平行な光のビームを発するように可動フレームのアーム上に配置される照明器と、シャドウキャスティング技術に従ってワークピースの画像を取得するために照明器と位置合わせされて配置されるように可動フレームの他のアーム上に配置される線形画像センサとを備える。
また測定アセンブリは、ワークピースの様々な寸法、形状又は位置の特徴又はパラメータを検査するためにオペレータによって選択可能な複数の動作のシーケンスに従って、回転保持機構、可動フレーム及びオプトエレクトロニクスプローブを制御するように構成される電子制御ユニットを備える。これらのパラメータの1つは、その回転軸線に対するワークピースの平面の直交誤差であり、軸TIR(トータルインジケータ読み取り)又は軸ぶれとしても知られている。
軸ぶれの検査又は測定プロセスは、通常、以下のステップを含む:
− ワークピースをそれ自身の軸の周りに回転させて、360°の回転で均等に分布した一連の角度位置にそれを配置する;
− 各角度位置において、ワークピースの光学走査を行い、オプトエレクトロニクスプローブを軸に平行な走査方向に沿ってずらしながら画像を取得する;
− 各光学走査によって得られる画像に基づいて、前記走査方向に沿って、ワークピースの平面の位置を決定する;
− 平面のすべての位置に基づいて軸ぶれを計算する。
ある角度位置で実行される単一の光学走査では、ワークピースの軸に平行な走査方向に沿った所定の速度に基づくオプトエレクトロニクスセンサによって一連の線形画像が取得され、これらの画像を単一の2次元画像にまとめる。
上述の検査プロセスは、ワークピースの軸に平行な多数の走査を、すなわち角度位置の各々に関する走査を行う必要があるため、かなり長いサイクル時間の明白な欠点を有する。
本発明の目的は、機械部品の平面の軸ぶれを測定する方法を提供することであり、そのような方法は短いサイクル時間を有し、同時に、実施が容易で安価である。
また本発明の目的は、そのような方法を実施するための測定又は検査アセンブリを提供することである。
本発明によれば、添付の特許請求の範囲に定められるように、回転軸線に対するワークピースの平面の軸ぶれを測定するための方法と、回転軸線に対するワークピースの平面の軸ぶれを測定するためのアセンブリとが提供される。
本発明は、非限定的な実施形態を示す添付の図面を参照して説明される:
図1は、本発明によるワークピースの平面の軸ぶれを測定する方法を実施するように構成される、機械部品のパラメータを測定するためのアセンブリの斜視図である。 図2は、図1のアセンブリの一部の別の斜視図である。 図3は、本発明による軸ぶれを測定するための方法のフェーズの実施を概略的に示す。 図4は、本発明による軸ぶれを測定するための方法の中間結果の例を示す。 図5は、本発明による軸ぶれを測定するための方法の更なる中間結果の例を示す。
図1において、ワークピース2の様々なパラメータを測定するための測定又は検査アセンブリが、参照番号1で示されている。図1の特定の例において、ワークピース2は、対称軸を定め且つシャフト3の一部である平面22を含む円盤状部分である。図1を参照すると、測定アセンブリ1は:固定フレーム4と;シャフト3及びそのためワークピース2を軸方向に保持し、及び例えばワークピース2の対称軸と一致する回転軸線6の周りにそれを回転させる、固定フレーム4に取り付けられる電動回転保持機構5と;Z方向に沿って長手方向ガイド7上を移動するように適合されるスライド8であって、回転軸線6に関して反対側に配置される2つのアーム10及び11を有するフォーク9を備えるスライド8を有する可動支持部と;回転軸線6を横切るワークピース2の線形画像を取得するようにフォーク9に取り付けられるオプトエレクトロニクスセンサ12と、を備える。
図1に示される例において、回転保持機構5は、シャフト3をその軸方向端部3a及び3bにおいて保持するように適合されるライブセンター(live center)13を有する主軸台と、死点14を有する心押し台と、を備えるタイプのものである。固定フレーム4と一体のモータ15は、死点14が空転できる一方で、ライブセンター13を回転させるようになっている。好ましくは、回転保持機構5は、回転軸線6が鉛直であるように配置される。スライド8は、好ましくは図示しないねじカップリングを介し、固定フレーム4と一体の別のモータ16に対して運動学的に連結されている。
またオプトエレクトロニクスプローブ12は、その上に取り付けられる全ての部品を伴うフォーク9の上面斜視図である図2に示されており、可視光線又は赤外線の平行光線のビーム18を発するように適合される照明器17を備えており、ビーム18が回転軸線6に垂直な平面に平行であるようにフォーク9のアーム10上に配置されている。またシャドウキャスティング技術に基づいてワークピース2の画像を取得するために、オプトエレクトロニクスプローブ12は線形画像センサ19(図2)を含み、線形画像センサ19は、照明器17と位置合わせされるようにアーム11上に配置され、したがって回転軸線6に垂直な平面と平行に向けられる。
照明器17及び線形画像センサ19には、テレセントリック又はバイテレセントリック光学系がそれぞれ設けられ、ビーム18の光線が互いに平行であることを保証する。線形画像センサ19は、既知のタイプのものであり、1つのピクセル幅のみを有する線形画像を得るために、ラインに沿って配列される可視光に又は赤外線に感応する要素のアレイを含む。
測定アセンブリ1は、以下に詳細に説明するように、本発明の軸ぶれ又はTIRを測定する方法を実施するように、モータ15及び16ならびにオプトエレクトロニクスセンサ12を制御するように構成される電子制御ユニット20を備える。
予備的なステップにおいて、制御ユニット20は、フォーク9が配置されなければならないZ方向に沿った初期位置(又は高さ)を探索するようにプログラムされる。
この予備的なステップは以下を含む:
− 低走査速度によるワークピース2の高速光学走査、すなわちZ方向に沿った相対的に大量の前進ステップであって、制御ユニット20がモータ16及びオプトエレクトロニクスセンサ12を制御してワークピース2の未知のプロファイルを取得する前進ステップを有する走査、及び
− 制御ユニット20自体がモータ16を制御して、測定される平面22を含むワークピース2の検査される領域の近傍にフォーク9を位置決めするような、取得されるプロファイルに応じた制御ユニット20の後続のプログラミング。
特に、オペレータは、ワークピース2の取得されるプロファイルにおいて、基準アイテム、及び基準アイテムと検査される領域との間の初期距離を特定し、その後、基準アイテム及びこの初期距離を考慮するように制御ユニット20をプログラムする。制御ユニット20は、基準アイテムを探してオプトエレクトロニクスセンサ12を基準アイテムから初期距離に配置するように、モータ16及びオプトエレクトロニクスセンサ12を制御するように構成される。実質的には、フォーク19が位置しなければならないZ方向に沿った初期位置は、上述の基準アイテム及び初期距離に応じて決定される。
この段階で、軸ぶれの測定とより密接に関連するステップが開始する。
ワークピース2が回転しないままでオプトエレクトロニクスセンサ12により第1の光学走査が行われ、それはモータ16を制御することによって、後者がある角度位置θにあるワークピース2の光学走査であり、フォーク9、そしてオプトエレクトロニクスプローブ12は、線形画像センサ19のピクセルのサイズと同程度である所定の大きさのステップによってZ方向に沿ってワークピース2に対して相対的に移動し、それは線形画像センサ19のピクセルのサイズと同じオーダーの大きさのものである。
典型的に、非回転のワークピースの第1の光学走査の間におけるフォーク9とワークピース2との間の相対移動のステップの大きさは、時間的に断続的で規則的な移動によって定められ、それは第1の一定時間ステップに基づいている。あるいは、相対移動のステップは、一定の所定の大きさを有する。好ましくは、移動のステップは、線形画像センサ19のピクセルの寸法よりも小さい大きさを有する。例えば、線形画像センサ19のピクセルが7×7ミクロンのサイズを有する場合、ステップの大きさは3ミクロンに実質的に等しい。回転していないワークピースの第1の光学走査は、検査されるワークピース2の平面22の周りの十分に大きな領域を通ってZ方向に沿って延びる。
回転していないワークピースの第1の光学走査によって、回転軸線6に垂直な平面に平行でZ方向に沿って分布する一連の第1の線形画像が取得される。図3は、軸線6に平行な図であって、図1及び図2に関して拡大された縮尺で簡略化された図に基づいて、ワークピース2の側部と、非回転のワークピースの第1の光学走査によって得られる参照番号21で示される一連の線形画像の位置を示す。方向Zに沿ってワークピース2とオプトエレクトロニクスプローブ12との間の相対位置が変化するので、取得された第1の線形画像から、画像センサ19のあるピクセルの第1の光強度傾向I1が得られる。参照番号23は、画像21における前記ピクセルの位置を示す。特に、画像センサ19の全てのピクセルの光強度傾向が得られ、これらの中で光強度の変化が最も大きく現れる傾向が選択される。有利な別の解決によれば、画像センサ19の全てのピクセルの光強度の傾向の中で、最も重要なもの、例えばある相対的変動性閾値を超える光強度変化を有するもの、が選択され、第1の光強度傾向I1は、選択されたそのような最も重要なものの平均として得られる。例えば、相対的変動閾値は、全てのピクセルの光強度傾向間の最大光強度変動の所定のパーセンテージである。
図4は、センサ自体の半分部分において中央に配置される画像センサ19のピクセルに対する、第1の光強度傾向I1の例のグラフである。第1の光強度傾向I1は、電子制御ユニット20の内部メモリにデータテーブルとして記憶される。
この段階で、第1の光強度傾向I1が単調傾向を有する位置範囲ZMが定められ、平面22の相対位置ZRが位置範囲ZMの中間位置として決められる。
オプトエレクトロニクスプローブ12が移動させられて平面22の相対位置ZRに配置され、回転するワークピースの第2の光学走査、より具体的には回転保持機構5が所定の大きさの角度ステップにおいて、例えば回転軸線6の周りの360°の角度で、ワークピース2を回転させながらのワークピース2の光学走査、を行うように制御される。典型的には、回転するワークピースの第2の光学走査の間におけるワークピース2の角度回転ステップの大きさは、第2の一定時間ステップに応じて、規則的な時間的に間欠的な回転によって定められる。あるいは、回転するワークピースの第2の光学走査の間におけるワークピース2の角度回転ステップは、一定の所定の大きさを有する。
回転するワークピースの第2の光学走査によって、Z方向に沿った同じ高さ又は位置で、より具体的には平面の相対位置ZRで、一連の第2の線形画像が取得される。取得された一連の線形画像は、回転軸線6の周りのワークピース2のそれぞれの角度位置θηに関連付けられる。ワークピース2の回転は、画像センサ19の各ピクセルによって受光される光強度を変化させる。回転するワークピースの第2の光学走査によって取得される第2の線形画像から、ワークピース2の角度位置θが変化する際のピクセル23の第2の光強度傾向I2が得られ、第2の光強度傾向から、少なくとも2つの強度値が以下のように得られる。
第2の光強度傾向I2は、ワークピースの、より具体的には表面22の、表面の不規則性に起因する光変化のピークを除去するようにフィルタ処理される。第2の光強度傾向I2のフィルタ処理は、例えばロバストスプラインフィルタ(robust spline filter)を介して第15高調波まで、又はフーリエフィルタを介して、実行される。
図5は、図4の第1の光強度傾向I1の同じピクセルに対する可能な第2の光強度傾向I2と、参照I2Fで示される対応のフィルタ処理された一連の光強度値との、グラフである。
第1の光強度傾向I1と同様に、第2の光強度傾向I2及びフィルタ処理された一連の光強度値I2Fは、電子制御ユニット20の内部メモリにそれぞれのデータテーブルとして記憶される。
フィルタ処理された一連の光強度値I2Fにおいて、最大光強度値Imax及び最小光強度値Iminが選択される(図5)。第1の光強度傾向I1の入力データとして最大光強度値Imaxと最小光強度値Iminとが用いられ、後者から、最大光強度値Imax及び最小光強度値Iminにそれぞれ対応する最大位置値Zmax及び最小位置値Zminが選ばれる(図4)。軸ぶれ又は軸方向TIRは、最大位置値Zmaxと最小位置値Zminとの間の差として計算される。
最大光強度値Imax又は最小光強度値Iminは第2の光強度傾向I2が飽和するセクションに対応し、それは検知される光強度がある第1の公差に基づいて実質的に一定であるセクションであり、ワークピース2の角度位置θが変化する際に、第2の公差に基づいてそれはそれぞれ“十分な光”に対応する光強度値又は“十分な暗さ”に対応する光強度値に実質的に等しい、ということが起こりうる。これは、非回転のワークピースの第2の光学走査が行われるワークピース2の位置が最適な位置ではないことを意味する。この場合、最大光強度値Imax及び最小光強度値Iminにそれぞれ対応する最大位置値Zmax又は最小位置値Zminは、位置範囲ZMの外側にある。この状況において、オプトエレクトロニクスプローブ12は、最大位置値Zmaxの方向に、又は最小位置値Zminの方向にそれぞれ移動され、それは位置範囲ZMの外側にあって平面の新たな相対位置ZRにおいてストップされ、それは古い相対位置ZRに足し合わされることによって又は古い相対位置ZRから引かれることによってそれぞれ決められ、位置範囲ZMの半分に等しい量であり、回転するワークピースの更なる第2の光学走査を実行するように制御され、更なる画像を取得し、当該更なる画像に対する上述の手順が続いて繰り返されて新たな最大位置値Zmax及び/又は新たな最小位置値Zminを得る。
平面の新しい相対位置ZRの決定、新しい相対位置ZRに対応して行われる回転するワークピースの更なる第2の光学走査、及び回転するワークピースの第2の光学走査によって取得される画像からの新たな最大位置値Zmax及び最小位置値Zminの取得を含むプロセスが、第2の光強度傾向I2が飽和の特徴を欠くまで繰り返される。図示されていない本発明の代替の実施形態によれば、第2の光強度傾向I2の全範囲における一連の光強度値が第1の光強度傾向I1の入力データとして使用され、後者から対応の一連の対応位置値を選択し、当該対応の一連の対応位置値は、ワークピース2の表面不規則性に、より具体的には表面22の表面不規則性に、起因する光強度変動ピークの変動に対応する位置変動ピークを除去するようにフィルタ処理が施され、それによりフィルタ処理された一連の位置値I1Fを得る。この場合でも、一連の位置値のフィルタ処理は、例えばロバストスプラインフィルタを介して第15高調波まで、又はフーリエフィルタを介して、実行される。フィルタ処理された一連の位置値I1Fから、最大位置値Zmax及び最小位置値Zminが選択される。
本発明による測定方法及び対応する測定アセンブリ1の主な利点は、光学手段によって、シャドウキャスティング技術に基づいて線形画像を取得することができるオプトエレクトロニクスプローブ12を使用することによって、ワークピース2の平面22の軸ぶれを測定する時間を大幅に低減することである。実際には、本発明による方法は、ワークピース2の2回の光学走査のみを、ワークピース2の回転軸線6に平行なZ方向に沿ってオプトエレクトロニクスプローブ12を移動しながらの非回転のワークピースの第1の光学走査、及び、オプトエレクトロニクスプローブ12がある位置に動かずにおりワークピース2が回転軸線6の周りにおける完全な回転をもたらしながらの回転するワークピース2の第2の光学走査のみを、必要とする。

Claims (13)

  1. 回転軸線(6)に垂直な平面に対して平行に方向付けられた線形画像センサ(19)が設けられるオプトエレクトロニクスプローブ(12)によって、回転軸線(6)に対するワークピース(2)の平面(22)の軸ぶれ又は直交誤差を測定する方法であって、当該方法は、
    − オプトエレクトロニクスプローブ(12)を介し、回転軸線(6)に対して平行な方向(Z)に沿ったワークピース(2)とオプトエレクトロニクスプローブ(12)との間の相対移動によって、ある角度位置(θ)にあるワークピース(2)の第1の光学走査を行って、前記方向(Z)に沿ったワークピース(2)とオプトエレクトロニクスプローブ(12)との間の相対位置が変化する際の、線形画像センサ(19)の少なくとも1つのピクセル(23)の第1の光強度傾向(I1)を得ることと、
    − 第1の光強度傾向(I1)が単調傾向を有する位置範囲(ZM)における中間位置としてワークピース(2)の平面(22)の相対位置(ZR)を決めることと、
    − 回転軸線(6)に対してワークピース(2)が回転しつつワークピース(2)の平面の相対位置(ZR)においてオプトエレクトロニクスプローブ(12)を介してワークピース(2)の第2の光学走査を行って、回転軸線(6)の周りのワークピース(2)の角度位置(θ)が変化する際の前記少なくとも1つのピクセル(23)の第2の光強度傾向(I2)を得ることと、
    − 第2の光強度傾向(I2)から少なくとも2つの光強度値を得ることと、
    − 前記第1の光強度傾向(I1)において、前記少なくとも2つの光強度値に対応する少なくとも2つの位置値を選ぶことと、
    − 前記少なくとも2つの位置値に基づいて、第1の光強度傾向(I1)から最大位置値(Zmax)及び最小位置値(Zmax)を決めることと、
    − 最大位置値(Zmax)と最小位置値(Zmin)との間の差として前記軸ぶれを算出することと、を含む、方法。
  2. 前記最大位置値(Zmax)及び最小位置値(Zmin)の決定は、
    − ワークピース(2)の表面の不規則性に起因する光変動ピークを除去するために第2の光強度傾向(I2)をフィルタ処理し、フィルタ処理された一連の光強度値(I2F)を得ることと、
    − フィルタ処理された一連の光強度値(I2F)から最大光強度値(Imax)及び最小光強度値(Imin)として、前記少なくとも2つの光強度値を選ぶことと、
    − 第1の光強度傾向(I1)において、前記最大光強度値(Imax)及び最小光強度値(Imin)に対応する位置値として前記最大位置値(Zmax)及び最小位置値(Zmax)を決めることと、を含む請求項1に記載の方法。
  3. 前記第2の光強度傾向(I2)のフィルタ処理は、第15高調波までフィルタ処理するロバストスプラインフィルタ、又はフーリエフィルタを用いて行われる、請求項2に記載の方法。
  4. 前記最大位置値(Zmax)及び最小位置値(Zmin)の決定は、
    − 前記第1の光強度傾向(I1)において、前記第2の光強度傾向(I2)の光強度値に対応する一連の位置値を選ぶことと、
    − ワークピース(2)の表面不規則性に起因する位置変動ピークを除去するために一連の位置値をフィルタ処理して、フィルタ処理された一連の位置値(I1F)を得ることと、
    − フィルタ処理された一連の位置値(I1F)から前記最大位置値(Zmax)及び最小位置値(Zmin)を選ぶことと、を含む請求項1に記載の方法。
  5. 前記一連の位置値のフィルタ処理は、第15高調波までフィルタ処理するロバストスプラインフィルタを用いて、又はフーリエフィルタを用いて、行われる、請求項4に記載の方法。
  6. 前記オプトエレクトロニクスプローブ(12)は、可視光又は赤外線放射の平行光のビーム(18)を発するように適合された照明器(17)を含み、前記ビーム(18)は、回転軸線(6)に直交する前記平面に対して平行であり、前記照明器(17)及び線形画像センサ(19)は、ワークピース(2)の回転軸線(6)の反対側に位置し、シャドウキャスティング技術に基づいて画像を取得する請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
  7. ワークピース(2)の前記第1の光学走査の動作は、
    − 前記方向(Z)に沿って分布する前記平面に対して平行な一連の第1の線形画像(21)を、前記方向(Z)に沿った前記相対移動の間にオプトエレクトロニクスプローブ(12)によって、取得することと、
    − 前記第1の線形画像(21)から前記第1の光強度傾向(I1)を得ることと、を含む請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記第1の線形画像(21)から前記第1の光強度傾向(I1)を得ることは、
    − 第1の線形画像(21)から前記画像センサ(19)の全てのピクセルの光強度傾向を得ることと、
    − 全てのピクセルの前記光強度傾向のうち最大の光強度変動を特徴とする光強度傾向を選ぶことと、を含む請求項7に記載の方法。
  9. 前記第1の線形画像(21)から前記第1の光強度傾向(I1)を得ることは、
    − 第1の線形画像(21)から前記画像センサ(19)の全てのピクセルの光強度傾向を得ることと、
    − 全てのピクセルの前記光強度傾向のうちある相対的変動閾値を超える光強度変動を特徴とする光強度傾向を選ぶことと、を含む請求項7に記載の方法。
  10. 前記方向(Z)に沿ったワークピース(2)とオプトエレクトロニクスプローブ(12)との間の相対移動は、前記少なくとも1つのピクセル(23)のサイズと同じオーダーの大きさの、好ましくは前記少なくとも1つのピクセル(23)のサイズよりも小さい、所定の大きさを有するステップであって、特に時間的に断続的な且つ規則的な移動によって定められるステップにおいてもたらされる、請求項7〜9のうちのいずれか一項に記載の方法。
  11. ワークピース(2)の前記第2の光学走査の実行は、
    − ワークピース(2)の平面(22)の相対位置(ZR)において、オプトエレクトロニクスプローブ(12)によって、前記回転軸線(6)の周りのワークピース(2)のそれぞれの角度位置に関連する一連の第2の線形画像を取得することと、
    − 前記第2の線形画像から前記第2の光強度傾向(I2)を得ることと、を含む請求項1〜10のうちのいずれか一項に記載の方法。
  12. 回転軸線(6)の周りのワークピース(2)の回転が、所定の大きさを有する角度ステップであって、好ましくは時間的に断続的な且つ規則的な回転によって定められるステップにおいて、もたらされる、請求項11に記載の方法。
  13. ワークピースの回転軸線(6)に対するワークピース(2)の平面(22)の軸ぶれ又は直交誤差を測定するための測定アセンブリであって、測定アセンブリ(1)は、ワークピース(2)を保持して回転軸線(6)に対してそれを回転させる電動回転保持機構(5)と、線形画像センサ(19)が設けられワークピース(2)の線形画像を取得するオプトエレクトロニクスプローブ(12)と、回転軸線(6)と垂直な平面に対して平行に線形画像センサ(19)が方向づけられるようにオプトエレクトロニクスプローブ(12)を支持する電動可動支持部(8、9、16)であって、回転軸線(6)に対して平行な第1の方向(Z)に沿ってオプトエレクトロニクスプローブ(12)を移動させる電動可動支持部(8、9、16)と、前記回転保持機構(5)の回転、前記可動支持部(8、9、16)の移動及び前記オプトエレクトロニクスプローブ(12)を制御するように且つ請求項1〜12のうちのいずれか一項に記載の方法のステップを実行するように構成される電子制御手段(20)と、を備える測定アセンブリ。
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