JP2777525B2 - 表面粗さ測定装置 - Google Patents

表面粗さ測定装置

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JP2777525B2 JP5107669A JP10766993A JP2777525B2 JP 2777525 B2 JP2777525 B2 JP 2777525B2 JP 5107669 A JP5107669 A JP 5107669A JP 10766993 A JP10766993 A JP 10766993A JP 2777525 B2 JP2777525 B2 JP 2777525B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、表面粗さ測定装置に係
り、特に断面曲線からうねり曲線線分を抽出するローパ
スフィルタ部分の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】各種機械加工品の表面加工精度の評価等
に利用される表面粗さ測定機は、図5(a) または(b) の
ように構成されている。これらは、触針式の例である。
図5(a) は、被測定物の表面をトレースする触針1、こ
の触針1により検出される振動を電気信号に変換して増
幅する検出器2、この検出器2の出力をフィルタリング
するアナログフィルタ3、フィルタリング処理を施した
信号をディジタル信号に変換するA/Dコンバータ4、
変換されたデジタルデータを処理するデータ処理部5に
より構成されている。図5(b) は、アナログフィルタを
用いず、データ処理部5の中でディジタル的にフィルタ
リング処理を行う場合である。
【0003】検出器2により検出される信号波形は、図
6(a) に示す断面曲線と呼ばれるものであり、この断面
曲線には、図6(b) (c) に示すような低周波のうねり曲
線と高周波の粗さ曲線とが含まれる。表面粗さに相当す
る小さい凹凸成分に対応するのが粗さ曲線である。断面
曲線からうねり曲線を求めるにはローパスフィルタが用
いられ、表面粗さを求めるにはハイパスフィルタが用い
られる。うねり曲線を求めるローパスフィルタを用いた
場合には、元の信号(断面曲線)からこのローパスフィ
ルタの出力(うねり曲線)を引くことによっても、表面
粗さ曲線を求めることができる。図5(a) のアナログフ
ィルタ3は、この様なフィルタリング処理を行うための
ものであり、図5(b) ではこれがデータ処理部5におい
てディジタル的に行われる。
【0004】上述のように表面粗さ曲線は、ある波長よ
り長いうねり曲線成分をカットして得られるもので、そ
の波長はカットオフ値と呼ばれる。表面粗さ測定を行う
ためのうねり曲線を求めるローパスフィルタの特性につ
いては、国内的にも国際的にも規格が定められ、その周
波数特性と理想とされるガウスフィルタの周波数特性と
の誤差がある範囲に収まることが要求されている。ガウ
スフィルタとは、フィルタのインパルス応答(窓関数)
と周波数特性とが共にガウス関数(正規分布関数)の形
を呈するフィルタである。
【0005】図5(a) に示すアナログフィルタ方式で
は、時定数の等しいCRフィルタを無限に縦続接続する
と、そのフィルタ特性は理想的なガウスフィルタに限り
なく近付くことは従来より知られている。これに対して
最近は、図5(b) の方式を採用して、コンピュータのソ
フトウェア内でディジタル的なフィルタリング処理を行
うことが主流になりつつある。具体的には、三角形窓を
有する有限インパルス応答フィルタ(FIRフィル
タ)、または2次の無限インパルス応答フィルタ(II
Rフィルタ)を2段縦続接続した形のフィルタを用い
て、近似的にガウスフィルタを実現する方式が既に提案
されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、2次のIIR
フィルタを2段縦続接続する方法では、そのフィルタ特
性はガウスフィルタとの間に未だ大きな誤差が残る。一
方FIRフィルタを用いると、より誤差を小さくするこ
とが可能であるが、その場合には演算数が極めて多くな
り、従って極めて長い演算時間がかかる。本発明は、比
較的短い演算時間でかつガウスフィルタに対する誤差の
小さいフィルタリング処理ができるローパスフィルタを
備えた表面粗さ測定装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、被測定物の断
面曲線からローパスフィルタによりうねり曲線成分を求
め、このうねり曲線成分を元の信号(断面曲線)から引
いて粗さ曲線成分を抽出する表面粗さ測定装置におい
て、前記ローパスフィルタは、二つの調整係数ζとβを
持つ下記数1の伝達関数で表されるフィルタを2段縦続
接続して構成されていることを特徴とする。
【0008】
【数1】G(s)=1/{( αs/ωc)2 +2ζ( αs/ωc)+
1}{βs/ωc+1 }
【0009】上記式において、s=ωc、ω=2πf
(f:周波数)、ωc=2πfc(fc:カットオフ周
波数)、α=定数であり、調整係数ζとβはそれぞれ、
ζ=0.482〜0.966の範囲、及びβ=0.00
0〜1.343の範囲に設定される。
【0010】本発明において好ましくは、調整係数ζ,
βは、ζ=0.482〜0.966、β=0.000〜
1.343の範囲内で、一方が大きいときは他方が小さ
くなるような関係をもって適宜設定される。本発明にお
いてより好ましくは、調整係数ζ,βは、ζ=0.63
2〜0.722、β=0.789〜0.986の範囲内
で、やはり一方が大きいときは他方が小さくなるような
関係をもって適宜設定される。
【0011】定数αは、伝達関数の絶対値をカットオフ
値(ω=ωc )で0.5とするために、即ち振幅伝達率
を50%にするために、下記数2を満たすように設定す
ることが好ましい。
【0012】
【数2】α=[(1- 2ζ2)+ { (1- 2ζ2)2 +(1-β2)/(1+
β2)}1/2 1/2
【0013】
【作用】本発明においては、一般的な3次フィルタの伝
達関数に数1で示されるように二つの調整係数ζとβを
導入して、6次のフィルタとしている。ここで調整係数
ζとβを、ζ=0.482〜0.966、β=0.00
0〜1.343の範囲内で、一方が大きいときは他方が
小さくなるという関係をもって適宜設定して2段縦続接
続することにより、位相補償を行うと共にガウスフィル
タからの誤差を5%以下に抑えることができる。更に、
調整係数ζ,βをζ=0.632〜0.722、β=
0.789〜0.986の範囲内でやはり一方が大きい
ときは他方が小さくなるという関係をもって設定する
と、誤差を1%以下に抑えることができる。特に数1で
表される伝達関数を持つローパスフィルタをIIRフィ
ルタで実現すれば、短い演算時間でガウスフィルタから
の誤差の小さいフィルタリング処理ができる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。図
1は、一実施例の表面粗さ測定装置である。図示のよう
にこの装置は、被測定物の表面をトレースする触針1
1、この触針11により検出される信号を電気信号に変
換して増幅する検出器12、この検出器12の出力をデ
ィジタル信号に変換するA/Dコンバータ13、変換さ
れたデジタルデータを処理するデータ処理部14により
構成されている。ディジタル処理部14は例えばマイク
ロコンピュータであり、そのソフトウエア内にまず2段
のIIRフィルタ151 ,152が構成されており、こ
こで検出された断面曲線データの中からうねり曲線成分
が抽出される。更にこのうねり曲線成分を元の信号(断
面曲線)から引くというデータ処理を行うことにより、
粗さ曲線が求まる。
【0015】IIRフィルタ151 ,152 によるディ
ジタル的なフィルタリング処理は、上述の数1で示され
るように調整係数ζとβを導入した伝達関数で表される
アナログフィルタと同じ処理を行うものであるが、その
具体的なディジタル処理の内容に先立って、実施例のフ
ィルタ特性について説明する。まず上述のような調整係
数ζとβを導入した伝達関数を持つフィルタを2段縦続
接続すると、伝達関数の絶対値(振幅伝達率)は、数3
のようになる。
【0016】
【数3】|G(ω)|2 =1/{(1- ( αω/ωc)2
2 +4ζ2 ( αω/ωc)2 }{1+ (βω/ωc)2
【0017】この数3から、伝達関数の絶対値を、カッ
トオフ値ω=ωc で0.5にする条件として、上記数2
に示すαとζ,βの関係が求まる。
【0018】調整係数ζとβを種々変えて数1の伝達関
数を計算することにより、この伝達関数のガウスフィル
タからの誤差が求まる。その計算結果を具体的に示す。
図3は、ガウスフィルタからの最大誤差が0.05(即
ち5%)以下となる調整係数ζとβの関係である。図3
のハッチングの範囲内に設定することにより、具体的に
いえば、ζ,βを、ζ=0.482〜0.966、β=
0.000〜1.343の範囲で一方が大きい時に他方
が小さくなるような関係で選択することにより、誤差が
5%以下に抑えられる。
【0019】図4は、ガウスフィルタからの最大誤差が
1%以下となる調整係数ζとβの関係である。図4のハ
ッチングの範囲内に設定することにより、具体的にいえ
ば、ζ,βを、ζ=0.632〜0.722、β=0.
789〜0.986の範囲で一方が大きい時に他方が小
さくなるような関係で選択することにより、誤差が1%
以下に抑えられる。特に、ζ=0.650、β=0.9
51に設定したときには、最大誤差は0.75%の最小
値を示す。
【0020】以上のようにして、調整係数ζとβ、およ
び定数αを選択したときに、実際にこの伝達関数で表さ
れるフィルタをアナログフィルタで構成する際の係数が
求まる。この様に設計したアナログローパスフィルタ
を、この実施例ではディジタル的にソフトウエアで実現
する。即ち、数1で表されるアナログフィルタの伝達関
数を公知の離散化手法例えば、適合z変換法を利用し
て、数4に示すようなディジタルIIRフィルタの伝達
関数に変換する。
【0021】
【数4】G(z) =a0 /(1+b11z-1+b12z-2)(1+b21z-1) =a0 /(1+b1 z-1+b2 z-2+b3 z-3) b11=−2 exp(−ζωc Ts/α) cos{(1−ζ2)
1/2 ωc Ts/α} b12= exp(−2ζωc Ts/α) b21=− exp(−ωc Ts/β) a0 =(1+b11+b12)(1+b21) b1 =b11+b21 b2 =b12+b11b21 b3 =b12b21
【0022】上の数4において、Tsはサンプリング周
期であり、カッチオフ波長をλc,駆動速度をv,カッ
チオフ値当たりのサンプリング点数をmとして、Ts=
λc/(v・m)である。カットオフ角周波数ωc,サ
ンプリング周期Ts、先に求められた調整係数ζ,β及
び定数αを上の数4に代入することにより、ディジタル
IIRフィルタの係数a0,b1,b2,b3を算出す
ることができる。この様にして算出された係数a0,b
1,b2,b3を用いて、IIRフィルタは、ハードウ
ェア的には、数4の伝達関数を持つ入出力データの関係
を示す演算式を実現する3段の単位遅延素子と係数乗算
器及び加減算器により構成することができる。
【0023】xを断面曲線、yを中間処理結果、zをう
ねり曲線とすると、本実施例の処理フローは図2のよう
になる。図2において、ステップS1 〜S9 は、初段I
IRフィルタ151 の処理に対応する。ステップS1 で
係数a0 ,b1 ,b2 ,b3が計算される。ステップS2
でインデックスkが初期化される。ステップS3 〜S7
で数4に対応する処理が行われ、中間処理結果yが得
られる。以上の処理が、断面曲線のデータの先頭から順
番に、データ数nまで繰り返し行われる(S8,S9
)。
【0024】ステップS10〜S17は2段目のIIRフィ
ルタ152の処理に対応する。上で得られた中間処理結
果yについて、同様に数4に従って、今度は末尾から順
番に同様の処理を行うことにより、うねり曲線zが得ら
れる。そして更に、データ処理部14内で元のデータx
(断面曲線)から、上に求めたうねり曲線zを減ずるこ
とにより、表面粗さ曲線が求められる。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、伝
達関数に所定の調整係数を導入したローパスフィルタを
用いることによって、短い計算時間で高精度のうねり曲
線成分の抽出を可能とした表面粗さ測定装置を提供する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例に係る表面粗さ測定装置の構
成を示す図である。
【図2】 図1の実施例のフィルタリング処理のフロー
図である。
【図3】 フィルタ特性誤差か5%以下となる調整係数
の設定範囲を示す図である。
【図4】 フィルタ特性誤差の1%以下となる調整係数
の設定範囲を示す図である。
【図5】 従来の表面粗さ測定装置に構成を示す図であ
る。
【図6】 表面粗さ測定の原理説明図である。
【符号の説明】
11…触針、12…検出器、13…A/D変換器、14
…ディジタルデータ処理部、15…IIRフィルタ。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被測定物の断面曲線からローパスフィル
    タによりうねり曲線成分を求め、このうねり曲線成分を
    元の信号の断面曲線から引いて粗さ曲線成分を抽出する
    表面粗さ測定装置において、前記ローパスフィルタは、
    二つの調整計数ζとβを持つ下記の伝達関数で表される
    フィルタを2段縦続接続して構成されていることを特徴
    とする表面粗さ測定装置。 記 G(s)= 1/{(αs/ωc)2+2ζ(αs/ωc)+1}{βs/ωc+1} s=jω ω=2πf(f:周波数) ωc=2πfc(fc:カットオフ周波数) α=定数 ζ=0.482〜0.966 β=0.000〜1.343
  2. 【請求項2】 調整係数ζが0.632〜0.722
    範囲内に設定され、調整係数βが0.789〜0.98
    の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項1
    記載の表面粗さ測定装置。
  3. 【請求項3】 定数αが下記式を満たすように設定され
    ていることを特徴とする請求項1または2に記載の表面
    粗さ測定装置。 記 α= [(1−2ζ2)+{(1−2ζ22+(1−β2)/(1+β2)}1/21/2
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