JP2021009115A - 内径測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で使い勝手がよく、なおかつ、穴径測定を全自動化できる内径測定装置を提供する。【解決手段】内径測定装置は、内径測定部２００と、直動電動機構部４００と、移動手段と、を備える。内径測定部は、軸方向に進退するロッドと、ロッドに連動してロッドとは直交する方向に進退する測定子２３０と、を有し、測定対象である穴の内部に挿入された状態で穴の内壁に測定子を当接させて穴の内径を測定する。直動電動機構部は、アクチュエータ４１０によってロッドを軸方向に移動させる。移動手段は、内径測定部を測定対象物に対して相対移動させて、内径測定部を穴に出し入れさせる。移動手段は、多関節ロボットアームであって、多関節ロボットアームの先端に内径測定部が取り付けられている。【選択図】図３

Description

本発明は内径測定装置に関する。

穴の内径を測定する測定器として、ホールテスト、シリンダーゲージ、ボアマチック（登録商標）等の内径測定器が使用されている（例えば、特許文献１参照）。
ただ、これら内径測定器の使用にあたっては、測定子を進退させたり、内径測定器を穴に挿入した状態である程度求心したりする作業などが必要になるので、どうしても人手による手動測定ということになる。そのため、このような内径測定器で穴の加工精度を確認するためには人手と時間がかかっていた。

手動測定の代替手段として、生産現場において内径測定を自動化する内径測定装置としては、空気マイクロメータがある（例えば、特許文献２参照）。空気マイクロメータは、穴に差し入れて、空気を吹き出すだけであるから、現在の選択肢のなかでいうと、空気マイクロメータは、内径測定の自動化に適した測定装置であると言える。

特開２０１０−１９７８３ 特開平８−１４８７１

しかし、空気マイクロメータには次のようなデメリットもある。
まず、空気マイクロメータは、その仕組み上、非常に高価なものになってしまう。また、エアコンプレッサを用意したり整備したりしなければならない。測定能力の面でも、その仕組み上、空気マイクロメータの繰り返し精度には限界があり、また、測定範囲が極めて短い（数１００マイクロメートル程度）ものとなってしまう。

本発明の目的は、安価で使い勝手がよく、なおかつ、穴径測定を自動化できる内径測定装置を提供することにある。

本発明の内径測定装置は、
軸方向に進退するロッドと、前記ロッドに連動して前記ロッドとは直交する方向に進退する測定子と、を有し、測定対象である穴の内部に挿入された状態で前記穴の内壁に前記測定子を当接させて穴の内径を測定する内径測定部と、
アクチュエータによって前記ロッドを軸方向に移動させる電動機構部と、
前記内径測定部を測定対象物に対して相対移動させて、前記内径測定部を穴に出し入れさせる移動手段と、を備える
ことを特徴とする。

本発明では、
前記電動機構部は、
前記ロッドの軸線と平行に設けられ、前記アクチュエータによって前記ロッドの軸線と平行に駆動させられるピストンと、
前記ロッドの軸線と平行に設けられたガイドレールにガイドされて、前記ロッドの軸線と平行に移動するスライダと、
前記ロッドの軸線と直交する方向に設けられ、前記ロッドと、前記ピストンと、前記スライダと、に接続された連結バーと、を備える
ことが好ましい。

本発明では、
前記移動手段は、多関節ロボットアームであって、前記多関節ロボットアームの先端に前記内径測定部が取り付けられている
ことが好ましい。

本発明では、
前記多関節ロボットアームと前記内径測定部との間は継手部によって連結されており、
前記継手部は、前記内径測定部が測定対象である穴の内部に挿入された状態で前記ロッドの軸線に直交する面内での前記多関節ロボットアームの先端部と前記内径測定部との相対変位を許容する
ことが好ましい。

内径測定装置の全体外観図である。 内径測定ユニット部の拡大図である。 外カバーを外して、内径測定ユニット部の内部構造を示す図である。 内径測定部の内部構造を示すための断面図である。 内径測定装置で穴径を測定する様子を例示した図である。 フローティング継手（継手部）の構成を例示する図である。

本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を説明する。
本実施形態は、測定対象である穴の内径（穴径）の測定を自動化する内径測定装置１００である。
図１は、内径測定装置１００の全体外観図である。
内径測定装置１００は、対象の穴径を自動的に測定する内径測定ユニット部１１０と、内径測定ユニット部１１０を移動させる移動手段としての多関節ロボットアーム部１２０と、を備える。

内径測定ユニット部１１０の構成を説明する。
図２は、内径測定ユニット部１１０の拡大図である。
図３は、外カバー１１２を外して、内径測定ユニット部１１０の内部構造を示す図である。

内径測定ユニット部１１０は、内径測定部２００と、支持台座部３００と、直動電動機構部（電動機構部）４００と、フローティング継手（継手部）５００と、外カバー１１２と、を備える。

内径測定部２００の基本的な構成は、既存の内径測定器とほぼ同じであるが、簡単に説明しておく。なお、以下の説明では、図の向きに合わせて、上方向や下方向を規定して説明する。ただし、実際の使用にあたっては、内径測定ユニット部１１０を横に倒して使用してもよい。

図４は、内径測定部２００の内部構造を示すための断面図である。
内径測定部２００は、筒ケース部２１０と、ロッド２２０と、測定子２３０と、変位検出部２４０と、表示ユニット部２５０と、を備える。

筒ケース部２１０は、全体として筒状のケースである。
筒ケース部２１０の内部をロッド２２０が軸方向に進退する。
筒ケース部２１０は、上部パートを構成する上筒ケース部２１１と、中間パートを構成する中間筒ケース部２１２と、下部パートを構成する下筒ケース部２１３と、からなる。上筒ケース部２１１の下端に中間筒ケース部２１２が螺合され、中間筒ケース部２１２の下端に下筒ケース部２１３が螺合されている。

ロッド２２０は、全体としては、長手の棒状体である。
ロッド２２０は、３つのパートからなり、上段ロッド２２１と、中段ロッド２２２と、下段ロッド２２３と、からなる。

上段ロッド２２１は、上筒ケース部２１１に配設され、上段ロッド２２１の上端側は上筒ケース部２１１の上端から突き出ている。具体的には、上筒ケース部２１１の上端部にはブッシュ２１４が螺合されており、上段ロッド２２１の上端部はブッシュ２１４を貫通して上方に突き出ている。
上段ロッド２２１の下端部にはバネ受け２２４が固定的に取り付けられている。ブッシュ２１４とバネ受け２２４との間に押しバネ２２５が介装されており、押しバネ２２５は上段ロッド２２１を下方に押している。

中段ロッド２２２は、上段ロッド２２１と下段ロッド２２３との間にあって、中段ロッド２２２の上端が上段ロッド２２１の下端に当接し、中段ロッド２２２の下端が下段ロッド２２３の上端に当接している。中段ロッド２２２は中間筒ケース部２１２を貫通して配設されている。

下段ロッド２２３は、下筒ケース部２１３の内部に配設されている。下段ロッド２２３の下端側は円錐形になっている。

測定子２３０は、下筒ケース部２１３において、ロッド２２０の軸線方向に直交する方向に進退するように設けられている。
測定子２３０は、下筒ケース部２１３において１２０°間隔で３つ配設されている。
各測定子２３０は、その外端に超硬で形成された細い丸軸状の丸軸チップ２３１を有する。各測定子２３０が突出方向に前進したとき、丸軸チップ２３１が測定対象の内壁に当接する（例えば図５参照）。

各測定子２３０の内端側にはテーパ面２３２が形成されており、このテーパ面２３２は下段ロッド２２３の円錐面２２６に当接するようになっている。下段ロッド２２３の円錐面２２６と測定子２３０のテーパ面２３２とにより、力および変位の方向を直角に方向転換させる変位方向変換手段となっている。

下筒ケース部２１３の内部には各測定子２３０に対応した板バネ２３３が設けられており、各板バネ２３３の一端は下筒ケース部２１３の内壁に固定され、各板バネ２３３の他端は各測定子２３０に固定されている。
板バネ２３３により、各測定子２３０は下筒ケース部２１３の内側に没入する方向に付勢されている。板バネ２３３の付勢力と押しバネ２２５の付勢力とは、変位方向変換手段を間にして、互いに反対向きである。
ただし、板バネ２３３の付勢力は比較的弱く、押しバネ２２５の力よりも弱くなるように設定されている。

ロッド２２０が外力で上方に引き上げられると、板バネ２３３の力によって測定子２３０はロッド２２０に追随して下筒ケース部２１３に入る方向に移動する。
ロッド２２０を引き上げる力を解除すると、ロッド２２０は押しバネ２２５の付勢力および自重によって下方に下がる。
このとき、測定子２３０はロッド２２０（下段ロッド２２３の円錐面２２６）に押されて、下筒ケース部２１３から突き出る方向に移動する。下筒ケース部２１３が測定対象である穴の内部に挿入されていれば、測定子２３０の先端の丸軸チップ２３１が穴の内壁に当接する（例えば図５参照。）。

変位検出部２４０は、中間筒ケース部２１２の内部において中段ロッド２２２の変位を検出するように設けられている。
変位検出部２４０は、メインスケール２４１と、検出ヘッド部２４２と、からなる。
メインスケール２４１は、中段ロッド２２２の側面に固定されている。
検出ヘッド部２４２は、検出器２４３と、支持基板２４４と、演算回路部２４５と、を有する。
検出器２４３は、メインスケール２４１に対向するように配置されている。検出器２４３は、支持基板２４４に支持され、支持基板２４４は中間筒ケース部２１２に固定されている。支持基板２４４の背面には、演算回路部２４５が設けられている。

変位検出部２４０の検出方式は特段限定されず、例えば、光電式エンコーダ、静電容量式エンコーダ、電磁誘導式エンコーダ、磁気式エンコーダなどが例として挙げられる。
例えば、光電式エンコーダであれば、検出ヘッド部２４２は、光源と受光素子アレイとで構成され、メインスケール２４１は回折格子である。
演算回路部２４５は、受光素子アレイで光電変換された電気信号からメインスケール２４１と検出器２４３との相対変位量を求める。

表示ユニット部２５０は、蓋部２５１と、表示部２５２と、を有する。
蓋部２５１は、中間筒ケース部２１２の側面の開口部に螺合して前記開口部を閉塞する。
表示部２５２は、蓋部２５１の中央領域にはめ込まれたデジタル表示式の表示部２５２（例えば液晶表示パネルや有機ＥＬ表示パネル）である。表示部２５２には、演算回路部２４５で求められた測定値などが表示される。

さらに、蓋部２５１の側面にコネクタが設けられ、演算回路部２４５で求められた測定値を外部出力できるようになっている。
本実施例では、外カバー１１２に無線通信機２５３を付設しており、ケーブル２５４で無線通信機２５３と内径測定部２００とを電気的に繋いでいる。そして、無線通信機２５３から測定値を外部のコンピュータ等に送信できるようになっている。

支持台座部３００は、側方視でＬ字形の部材であり、支持支柱部３１０と、支持脚部３２０と、を有する。鉛直方向の支持支柱部３１０の下端が直角に屈曲して支持脚部３２０に連続している。

支持支柱部３１０は、内径測定部２００に隣接して平行にある。
支持支柱部３１０のおもて面側に二つのホールドリング３１１が取り付けられていて、このホールドリング３１１が上筒ケース部２１１に外嵌している。これにより、支持支柱部３１０が内径測定部２００を吊り下げるように保持している。

支持脚部３２０は、支持支柱部３１０の下端において、内径測定部２００とは反対側であるうら面側に延在している。支持脚部３２０にはフローティング継手（継手部）５００が取り付けられている。

直動電動機構部４００は、内径測定部２００のロッド２２０を電動（動力）によって軸線方向に進退（上下）させる。
直動電動機構部４００は、リニアアクチュエータ４１０と、連結バー４３０と、を備える。

リニアアクチュエータ４１０は、動力でピストン４１１を直動させる。
リニアアクチュエータ４１０は、支持支柱部３１０のうら面に取り付けられ、ピストン４１１の移動方向はロッド２２０の軸線方向と平行である。リニアアクチュエータ４１０には、ピストン４１１の移動方向をガイドする案内機構部４２０が付設されている。
リニアアクチュエータ４１０の筐体において、支持支柱部３１０の取り付け面とは反対の面にレール４２１があり、このレール４２１にガイドされるようにスライダ４２２が設けられている。スライダ４２２とピストン４１１とは互いの上端が補助連結バー４２３によって連結されている。

連結バー４３０は、その一端において上段ロッド２２１の上端部と固定的に接続され、連結バー４３０の他端側は補助連結バー４２３に固定的に接続されている。
リニアアクチュエータ４１０のピストン４１１が動力で押し上げられると、連結バー４３０とともに内径測定部２００のロッド２２０が引き上げられる。

図６にフローティング継手（継手部）の構成を例示する。
フローティング継手（継手部）５００は、固定板５１０と、接続板５２０と、中間板５３０と、平行バネ５４０、５５０と、を備える。
フローティング継手５００は、釣り合い位置に復帰させる付勢手段を介して固定板５１０と接続板５２０とを連結し、固定板５１０と接続板５２０との相対変位をある程度許容する。

固定板５１０と接続板５２０との間に中間板５３０が配設されている。
固定板５１０と中間板５３０とは、一対の平行バネによって連結されている。固定板５１０と中間板５３０とを連結する平行バネを第１平行バネ５４０とする。
中間板５３０と接続板５２０とは、一対の平板状の平行バネによって連結されている。中間板５３０と接続板５２０とを連結する平行バネを第２平行バネ５５０とする。
第１平行バネ５４０の対向方向と第２平行バネ５５０の対向方向とは平行ではなく、ここでは、平面視したときに互いに直交する方向である。
固定板５１０は、支持脚部３２０に固定的に取り付けられている。

多関節ロボットアーム部１２０は、いわゆる、ロボットアームであり、鉛直方向の回転駆動軸や水平方向の回転駆動軸でアーム部１２０の先端を三次元的に移動させる。アーム部１２０の先端はフローティング継手５００の接続板５２０に接続されている。

このように構成された内径測定装置１００は、例えば、加工機械と並んで製造ラインの脇に設置されてもよい。そして、製造ラインを流れてくる被加工物の全てまたは一部を測定対象物とする。
あるいは、内径測定装置１００を加工機械のなかに組み入れてしまい、ワークにバイトで穴をあけたらすぐに内径測定部で内径を測定するようにしてもよい。穴径が設計値より小さいことがわかれば、すぐに穴をもう少し削るなどの微調整もできるようになる。

内径測定装置１００で測定対象（穴の内径）を測定する一連の動作を説明する。
測定対象である穴を有するワーク（測定対象物）が製造ラインのコンベアベルトやレールによって搬送されてきて、内径測定装置１００の正面の所定位置に運ばれてくる。
まず、リニアアクチュエータ４１０を作動させて、ピストン４１１を上方に持ち上げる。すると、ピストン４１１の上昇とともにロッド２２０が引き上げられ、測定子２３０が下筒ケース部２１３に引き込まれる方向に移動する。

この状態で、多関節ロボットアーム部１２０は、内径測定部２００の下筒ケース部２１３が測定対象である穴の内部に入るように内径測定ユニット部１１０を移動（例えば降下）させる。そして、リニアアクチュエータ４１０は、ピストン４１１を持ち上げている力を解除する。すると、ロッド２２０は、自重と押しバネ２２５の力によって下方に移動する。
ロッド２２０の移動に連動して測定子２３０がロッド２２０（下段ロッド２２３）の円錐面２２６に押され、測定子２３０が下筒ケース部２１３から突出する方向に移動する。
測定子２３０の先端の丸軸チップ２３１が穴の内壁に当接する（例えば図５参照）。

ここで、内径測定部２００が穴の中心からずれていたとしても、押しバネ２２５の付勢力が内壁に当接した測定子２３０をさらに押し続けると、自動的に三つの測定子２３０の突出量が等しくなって、内径測定部２００が穴の中心にくるようになる。
このとき、フローティング継手５００は、ロボットアーム部１２０の先端と支持台座部３００とがある程度相対変位することを許容するので、内径測定部２００が自動求心することを妨げない。さらに、内径測定部２００が穴の中心にきて、三つの測定子２３０が等しく内壁に当たることを確実にするため、ロボットアーム部１２０の先端を微小振動させて、求心を促すようにしてもよい。

内径測定部２００が穴の中心にきたところで、変位検出部２４０によりロッド２２０の変位を検出する。ロッド２２０の変位から測定子２３０の変位が求められ、測定値として、表示部２５２に表示されるとともに外部送信される。これで、穴径の測定値が得られた。

あとは、穴から内径測定部２００を抜きとる。
リニアアクチュエータ４１０を再度作動させてピストン４１１を上昇させる。これにより、測定子２３０を後退させ、内壁と測定子２３０とを離間させる。多関節ロボットアーム部１２０を作動させて（例えば上昇）、内径測定ユニット部１１０を穴から出し、次の測定に備える。

このような構成によれば、従来手動操作していた内径測定器が自動化され、内径測定の全自動化が可能となる。
測定子が内壁に当接するタイプの内径測定器は、比較的安価であるとともに、取り扱いやメンテナンスも容易である。これにより、小規模な加工工場などにも穴径の自動インライン測定を導入することができるようになり、大幅な生産効率の向上が期待できる。

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。

上記実施形態の説明において、リニアアクチュエータ４１０はロッド２２０を引き上げるときにだけピストン４１１を上昇させる動力を提供し、ロッド２２０を下げるときにはリニアアクチュエータ４１０の動力を使わないで、押しバネ２２５の力とロッド２２０の自重でロッド２２０が降下するようにしていた。これは、ロッド２２０の自重や押しバネ２２５と板バネ２３３の押し合いを考慮したうえで測定圧が一定になるように調整済みであるため、リニアアクチュエータ４１０の動力ではなく、ロッド２２０を自由に落下（降下）させる方が測定精度が高いと考えられるからである。

もちろん、ロッド２２０を降下させるにあたってリニアアクチュエータ４１０のピストン４１１を動力で下げるようにしてもよい。リニアアクチュエータ４１０の作動力を調整することによって、測定力を可変にすることもできる。

上記実施形態では、移動手段として多関節ロボットアーム部１２０を例示したが、大がかりな装置でなくとも、例えば上下方向の昇降機構がついた一次元駆動装置であってもよい。
一次元駆動装置は、コラムと、コラムに沿ってスライドするスライダと、スライダを駆動させるモータと、モータとスライダとを繋ぐ動力伝達機構（ボールネジやベルト・プーリなど）と、があればよい。さらに、求心を促すため、振動を促すような例えば振動モータ（偏心モータ）がスライダかフローティング継手（継手部）に付設されているとよい。

上記実施形態では、内径測定部の先端の構造として、いわゆるホールテスト（ボアマチック（登録商標））を例示したが、ロッドに連動して測定子が進退して内壁に当接する構成の内径測定器であればよい。例えば、シリンダーゲージのヘッド部であれば、一つの進退する測定子を有するとともに、求心のため、測定子と同軸上で反対向きのアンビルと、直交方向の両側にガイドヘッドと、を有する。

１００…内径測定装置、
１１０…内径測定ユニット部、
１１２…外カバー、
１２０…多関節ロボットアーム部、
２００…内径測定部、
２１０…筒ケース部、
２１１…上筒ケース部、２１２…中間筒ケース部、２１３…下筒ケース部、
２１４…ブッシュ、
２２０…ロッド、
２２１…上段ロッド、２２２…中段ロッド、２２３…下段ロッド、
２２４…バネ受け、２２５…押しバネ、
２２６…円錐面、
２３０…測定子、２３１…丸軸チップ、２３２…テーパ面、２３３…板バネ、
２４０…変位検出部、
２４１…メインスケール、
２４２…検出ヘッド部、
２４３…検出器、２４４…支持基板、２４５…演算回路部、
２５０…表示ユニット部、２５１…蓋部、２５２…表示部、
２５３…無線通信機、２５４…ケーブル、
３００…支持台座部、
３１０…支持支柱部、３１１…ホールドリング、
３２０…支持脚部、
４００…直動電動機構部（電動機構部）、
４１０…リニアアクチュエータ、４１１…ピストン、
４２０…案内機構部、
４２１…レール、４２２…スライダ、４２３…補助連結バー、
４３０…連結バー、
５００…フローティング継手（継手部）、
５１０…固定板、５２０…接続板、５３０…中間板、
５４０…第１平行バネ
５５０…第２平行バネ。

Claims (4)

1. 軸方向に進退するロッドと、前記ロッドに連動して前記ロッドとは直交する方向に進退する測定子と、を有し、測定対象である穴の内部に挿入された状態で前記穴の内壁に前記測定子を当接させて穴の内径を測定する内径測定部と、
   アクチュエータによって前記ロッドを軸方向に移動させる電動機構部と、
   前記内径測定部を測定対象物に対して相対移動させて、前記内径測定部を穴に出し入れさせる移動手段と、を備える
   ことを特徴とする内径測定装置。
2. 請求項１に記載の内径測定装置において、
   前記電動機構部は、
   前記ロッドの軸線と平行に設けられ、前記アクチュエータによって前記ロッドの軸線と平行に駆動させられるピストンと、
   前記ロッドの軸線と平行に設けられたガイドレールにガイドされて、前記ロッドの軸線と平行に移動するスライダと、
   前記ロッドの軸線と直交する方向に設けられ、前記ロッドと、前記ピストンと、前記スライダと、に接続された連結バーと、を備える
   ことを特徴とする内径測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の内径測定装置において、
   前記移動手段は、多関節ロボットアームであって、前記多関節ロボットアームの先端に前記内径測定部が取り付けられている
   ことを特徴とする内径測定装置。
4. 請求項３に記載の内径測定装置において、
   前記多関節ロボットアームと前記内径測定部との間は継手部によって連結されており、
   前記継手部は、前記内径測定部が測定対象である穴の内部に挿入された状態で前記ロッドの軸線に直交する面内での前記多関節ロボットアームの先端部と前記内径測定部との相対変位を許容する
   ことを特徴とする内径測定装置。

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