JP4891629B2

JP4891629B2 - 表面性状測定機、形状解析プログラムおよび記録媒体

Info

Publication number: JP4891629B2
Application number: JP2006045414A
Authority: JP
Inventors: 聰一門脇; 智徳後藤; 司小島
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2026-02-22
Also published as: JP2007225380A

Description

本発明は、ワークの表面性状を測定する表面性状測定機に関し、特にワークと検出器を相対的に回転駆動してワークの表面粗さ解析や形状解析を行う表面性状測定機、形状解析プログラムおよび記録媒体に関する。

従来からワーク表面を測定して各種の表面性状を解析する表面性状測定機が用いられている。
ワークの表面性状解析としては、微小レベルの凹凸を解析する表面粗さ解析、微小レベルの凹凸は無視して、全体的な表面傾向を解析する表面うねり解析、ワーク各部の幾何学的な形状を解析する表面形状解析などがあり、それぞれに適した測定機が用いられている。
例えば、表面粗さ解析や表面うねり解析には表面粗さ測定機、表面形状解析には表面形状測定機や真円度測定機などが用いられ、それぞれに特化した機能、性能が実現されて来た。
その結果、各測定機の種類毎に、特徴が相反し、単一の測定機において複合的な測定・解析機能を実現することが難しかった。

一例として、表面粗さ測定機では微小レベル凹凸を測定する必要から、高い測定分解能を備えている反面、測定速度が上げられず能率が悪かった。また、真円度測定機においては、ワークあるいは検出器の回転に際して、回転分解能を十分に高くすることが難しく、円柱状ワークの円周粗さを全周に渡って測定・解析することは容易ではなかった（但し、理論的には提案がある。例えば、特許文献１）。
これに対して、最近の技術の進歩に伴って、実用レベル面で問題のない複合機能を備えた測定機が開発されるに至っている（例えば、特許文献２）。
特開昭６２−２７６４０５号公報特願２００５−３２４１４０号

複合機能を備えた測定機の一例として、表面粗さ解析機能を備えた真円度測定機がある。
この真円度測定機を用いれば、ワークの真円度測定と、ワーク表面の円周方向の粗さ測定の両方の測定を行うことが出来る。
しかし、元々、表面粗さ解析を行うためには、微小凹凸情報を収集するという機能上の必要から微細なスタイラス先端（例えば、先端の曲率半径が２μｍ）を備えた表面粗さ検出器を用いなければならず、一方、真円度解析を行うためには、ワーク表面の微小凹凸による悪影響を避けるために、ある程度の大きさの接触球（例えば、先端の曲率半径が０．８ｍｍ）を備えた真円度検出器を用いなければならない。

つまり、測定機自体としては、表面粗さ測定と真円度測定の複合機能を備えてはいるものの、実際にこれらの測定を行うためには、用途別に用意された検出器に交換して測定・解析を行わなければならなかった。
このような検出器交換は、それに伴って、交換作業、再校正作業などの測定段取りを検出器ごとに行う必要が生じ、余分な作業を行わなければならず、測定能率の改善が望めない上、これらの段取り作業を行っている間に温度などの測定機周囲環境が変化してしまい、必ずしも、表面粗さ測定と真円度測定が同一環境条件で行えず、高精度測定・解析が難しいという問題点があった。

本願発明は、このような課題を解決するために、複合機能を備えた測定機であっても、測定能率を向上させることができ、且つ、高い精度で測定・解析を行える表面性状測定機、形状解析プログラムおよび記録媒体を提供する。

前記目的を達成するために、本発明にかかる表面性状測定機は、ワークの表面粗さを測定する検出器を備えた表面性状測定機において、前記ワークと前記検出器とを相対的に回転駆動する回動手段と、前記回動手段によって前記検出器が前記ワークの表面を走査した際に前記検出器の出力を入力して測定データとする入力手段と、前記測定データに基づいて前記ワークの表面粗さを解析する表面粗さ解析手段と、前記測定データに転がり円うねりフィルタ処理を施す転がり円うねりフィルタ処理手段と、前記転がり円うねりフィルタ処理手段の出力に基づいて前記ワークの幾何学的な形状を解析する形状解析手段と、を備え、前記検出器は、前記ワークと接触して表面粗さを測定するための接触子を有し、前記転がり円うねりフィルタ処理手段は、前記接触子の半径とは異なる所定半径の円による転がり円うねりフィルタ処理を施し、前記形状解析手段は、前記転がり円うねりフィルタ処理手段の出力を前記所定半径の接触子による測定データと看做して形状解析を行うことを特徴とする。

この発明において、前記形状解析手段による形状解析は真円度解析であることが好ましい。

また、本発明にかかる形状解析プログラムは、ワークの表面粗さを測定する検出器と、前記ワークと前記検出器とを相対的に回転駆動する回動手段と、を備えた表面性状測定機を用いて前記ワークの形状解析を行う形状解析プログラムであって、前記回動手段によって前記検出器が前記ワークの表面を走査した際に前記検出器の出力を入力して測定データとする入力手順と、前記ワークの表面粗さ解析が指定された際に、前記測定データに基づいて前記ワークの表面粗さを解析する表面粗さ解析手順と、前記ワークの形状解析が指定された際に、前記測定データに転がり円うねりフィルタ処理を施す転がり円うねりフィルタ処理手順と、前記転がり円うねりフィルタ処理手順の処理結果に基づいて前記ワークの幾何学的な形状を解析する形状解析手順と、をコンピュータに実行させ、前記転がり円うねりフィルタ処理手順は、前記検出器の表面粗さを測定するためにワークと接触される接触子の半径と異なる所定半径の円による転がり円うねりフィルタ処理を施し、前記形状解析手順は、前記転がり円うねりフィルタ処理手順の処理結果を前記所定半径の接触子による測定データと看做して形状解析を行うことを特徴とする。

この発明において、前記形状解析手順における形状解析は真円度解析であることが好ましい。
また、本発明にかかる記録媒体は、前記形状解析プログラムをコンピュータ読取可能に記録することが好ましい。

この発明によれば、ワークの表面粗さを測定する検出器を備えた表面性状測定機において、ワークと表面粗さ測定用検出器とを相対的に回転駆動させ、検出器がワークの表面を走査した際に検出器の出力を入力して測定データとし、ワークの形状解析が指定された際に、測定データに転がり円うねりフィルタ処理を施した後、形状解析を行う。また、ワークの表面粗さ解析が指定された際に、ワークの円周方向の表面粗さを解析する。
従って、ワークの表面粗さを測定する検出器の出力である測定データに基づいて、形状解析と表面粗さ解析を行えるので、検出器を形状測定用に交換する手間が不要となる。また、一回の測定データに基づいて形状解析と表面粗さ解析が行えるので、同一環境条件下における解析が可能になり、高精度測定・解析が行える。

以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は本発明にかかる表面性状測定機１０のブロック図を示し、測定機本体２０とデータ処理装置３０から構成される。測定機本体２０は従来技術の真円度測定機と同一で、基台に設けられてワークを載置して回動させる回動手段２２と、やはり基台に立設された図示しないコラムと、このコラムに沿って垂直方向に上下動する図示しない駆動部と、この駆動部によって水平方向に移動する検出器２１とを含んで構成される。

検出器２１は、その取付方向によって水平面内、垂直面内のいずれもが検出可能であるが、ワークの真円度や円筒度を測定する場合は、水平面内の変位が検出可能に取付けられ、ワークの側面（垂直面：例えば円柱状ワークの円柱外面）が測定される。検出器２１はスタイラス先端にワークと接触する接触子を備え、この接触子の変位が検出器２１の出力データとなる。検出器２１は、駆動部によって垂直方向と水平方向の任意位置へ移動可能とされ、ワーク上の任意の測定面（円筒外面、円筒内面、円柱水平面など）へ位置決め可能となっている。

検出器２１は、表面粗さ測定用検出器や真円度測定用検出器など、各種の検出器に交換可能である。この両者の検出器の検出原理は基本的には同一であっても良いが、一例として表面粗さ測定用検出器は測定子形状が曲率半径２μｍの球状であるのに対して、真円度測定用検出器は測定子形状が曲率半径０．８ｍｍの球状である点が相違し、さらに、一般的には表面粗さ測定用検出器の方が分解能を高く設定可能で、その反面、測定範囲（測定レンジ）は狭いものが多い。

回動手段２２は、ワークを載置する回転テーブルと、この回転テーブルを駆動するモータと、回転テーブルの回転角度を検出するロータリエンコーダとを含む。
データ処理装置３０は、検出器２１から出力されるデータとロータリエンコーダから出力される回転角度θを入力して測定データとする入力手段３１と、この測定データに転がり円うねりフィルタ処理を施す転がり円うねりフィルタ処理手段３３と、この転がり円うねりフィルタ処理手段３３の出力に基づいて形状解析（真円度解析や円筒度解析など）を行う形状解析手段３４と、前記測定データに基づいて表面粗さ解析を行う表面粗さ解析手段３２と、図示しない表示設定手段と、データ入出力手段と、印刷手段とを備える。

ここで、表示設定手段は、ワークの測定を行うための各種の条件設定（ワークの回転速度やフィルタ処理におけるカットオフ波長など）、検出器２１の位置決めや測定開始／停止を行うための入力手段と、検出器２１の出力データや解析結果を表示するための表示手段とを含む。
データ入出力手段は、各種の条件設定データや解析結果などを外部記憶装置との間で入出力する。
印刷手段は、設定された各種の条件や解析結果を文字や図形で印刷して出力する。

ここで、このデータ処理装置３０は、ＣＰＵ、記憶手段、入出力手段を備える通常のコンピュータにより構成することが一般的である。すなわち、入力手段３１、表面粗さ解析手段３２、転がり円うねりフィルタ処理手段３３、形状解析手段３４は、入力手順、表面粗さ解析手順、転がり円うねりフィルタ処理手順、形状解析手順を処理するプログラムをコンピュータに実行させて実現することが一般的であり、これらのプログラムはコンピュータ読取可能な記録媒体から入出力手段によって記憶手段へ読み込み、ＣＰＵに実行させても良い。

次に図２を参照して、この表面性状測定機１０によってワークの形状解析を行う手順を説明する。
まず、処理手順を開始する（手順Ｓ１０）。
次に、測定段取りを行う（手順Ｓ２０）。この測定段取りとしては、表面性状測定機１０に表面粗さ測定用の検出器２１を取り付け、駆動部に対する検出器の位置や角度などの姿勢を調整し、回転テーブルの回転中心に対して正しく変位検出が行えるようにする。この際、検出器の感度、直線性などについて校正を行っても良い。その後、ワーク（ここでは説明の便宜上、円柱状ワークとする）を回転テーブルへ載置し、ワークの円柱軸線が回転テーブルの回転中心に一致するように水平位置を微調整すると共に、回転テーブルの回転軸線とワークの円柱軸線が一致するように傾きを微調整する。この時、検出器２１の検出感度など、測定に必要となる各種の条件設定も行う。

測定段取りが完了したら、測定を開始する（手順Ｓ３０）。これは、通常、測定機本体２０やデータ処理装置３０に設けられた測定開始ボタンを押して行う。
測定が開始したら、ワーク走査の結果である検出器２１から出力されるデータとロータリエンコーダから出力される回転角度θとを入力し、測定データとしてデータ処理装置３０の記憶手段に格納する（手順Ｓ４０）。

必要な測定データの入力が完了したら測定を停止する（手順Ｓ５０）。通常の表面性状測定機では、所定範囲（例えば、回転テーブルの一回転）の測定が終了した時点で自動停止するものが多いが、必要に応じて測定停止ボタンを押して停止させても良い。
次に、測定データの解析処理を行う。

まず、条件設定として表面粗さ解析の指定があるか否かを判定し（手順Ｓ６０）、指定あり（Ｙ）の場合は、測定データに基づいて表面粗さ解析を行う（手順Ｓ７０）。ここで処理される表面粗さ解析手順は、従来手順と同一である。
表面粗さ解析処理が完了、あるいは表面粗さ解析の指定なし（Ｎ）の場合は、次に条件設定として形状解析の指定があるか否かを判定し（手順Ｓ８０）、指定あり（Ｙ）の場合は、測定データに対して、転がり円うねりフィルタ処理を行う（手順Ｓ９０）。

この転がり円うねりフィルタ処理の技術的意義は、表面粗さ測定用の検出器２１を用いて測定したデータを、真円度測定用の検出器を用いて測定したデータと同等に扱えるようにして、真円度や円筒度などの形状解析を行えるようにする点にある。
図３は、この転がり円うねりフィルタ処理の模式図を示す。ここで、θは回転テーブルの回転角度、Ｒｗはワークの平均半径、Ｒｔは真円度測定用検出器の接触子の曲率半径、Ｗｓは表面粗さ測定用検出器２１で測定したデータ（測定データ）、Ｗｒは転がり円うねりフィルタ処理を行った結果のデータを示す。つまり、測定データＷｓに対して、半径Ｒｔ（真円度測定用検出器の半径）の円を順次転がした時の円の中心が描くデータがＷｒとなる。

ここで、測定データＷｓは接触子の曲率半径が２μｍの表面粗さ測定用検出器２１で測定したデータであるから、ほぼワーク表面に等しいと考えられる。このワーク表面と看做せる測定データＷｓに対して、半径Ｒｔの転がり円うねりフィルタ処理を行った結果のデータＷｒは、曲率半径Ｒｔ（例えば０．８ｍｍ）の真円度測定用検出器でワーク測定を行った結果と略同一と看做せる。転がり円うねりフィルタ処理については、図３に示す通り、測定データＷｓがワークの平均半径Ｒｗ付近に分布している所から、転がり円の計算処理にあたって、この平均半径Ｒｗを考慮して円周方向に転がり円処理を行う必要がある。しかし、計算処理の単純化のために、図４に示す通り、測定データをＲ（検出器２１出力）対Ｒｗ・θ（円周測定長さ）と看做して直線方向に転がり円処理を行う方法とすることも出来る。

転がり円うねりフィルタ処理が終わると、その結果（データＷｒ）に対して形状解析処理を行う（手順Ｓ１００）。この形状解析処理としては、真円度解析、円筒度解析などがあるが、円筒度解析などの複雑な形状解析を行う場合は、測定に際して必要なデータを入力して測定データとする。つまり、円柱状ワークの高さの異なる位置における複数の円周データや、検出器２１を回転テーブルに同期して上昇あるいは下降させて入力した螺旋データなどとすることが出来る。

例えば真円度解析を行う場合は、図３のデータＷｒから転がり円半径Ｒｔを減算し（つまり、接触子半径オフセット処理を行い）、真円度を求める。
形状解析処理が完了、あるいは形状解析の指定なし（Ｎ）の場合は、次に解析結果の表示・印刷を行ない（手順Ｓ１１０）、その後、形状解析を終了する（手順Ｓ１２０）。

実施例として好適な一例を示したが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
例えば、この実施例においては、表面性状測定機はワーク回転型の接触式真円度測定機として説明したが、これに限らず、ワークを定盤上に固定し、検出器２１がワーク周囲を回転するものでも良く、更に、レーザを含む光検出器や電磁式、静電式検出器などの他の検出原理に基づく検出器であっても良い。また、三次元測定機に回転テーブルを併用するもの、あるいは三次元測定機において検出器をワーク周囲に回転させるものであっても良い。

また、円柱状ワークの軸線直交方向における円周上の表面粗さ解析と真円度解析を行う例を示したが、これに限らず、表面粗さ測定用検出器を用いて、表面粗さ解析と形状解析を行うものであっても良い。例えば、実施例における真円度測定機において、検出器２１をワークの軸線方向へ移動させ、円柱状ワークの外側円周面の軸線方向の粗さと真直度とを解析するものであっても良い。

さらに、ワークが円筒状で、その内側円周面の測定を行うものであっても良い。
また、表面粗さ測定用検出器の接触子曲率半径として２μｍ、真円度測定用検出器の接触子曲率半径（あるいは転がり円半径）として０．８ｍｍに限定して説明したが、これに限らず、両者の曲率半径に相当程度に差があって、転がり円うねりフィルタ処理が有効なものであれば本発明を実施できる。

更に、検出器２１のワーク表面走査は、主に円周上の１走査のみを示したが、これに限らず、複数の走査であっても良い。例えば、円柱状ワークの外側円周面において、高さ方向に０．１ｍｍずつ異なる高さで円周測定を行い、円周面データを入力し、これに基づいて転がり円うねりフィルタ処理を行って形状解析を行うものであっても良い。この場合、実施例とは異なり、転がり円は隣接する走査データに対しても転がり円効果を生じる（隣接する走査データへの接触）ので、円周上の１走査とは異なるが、転がり円うねりフィルタ処理としての技術的意義には変わりがない。
また、形状解析の例として真円度解析と円筒度解析を示したが、これに限らず、楕円解析や円周上の切り欠き（溝）解析などであっても良い。

以上説明したように本発明にかかる表面性状測定機、形状解析プログラムおよび記録媒体によれば、ワークと表面粗さ測定用検出器とを相対的に回転駆動させ、検出器がワークの表面を走査した際に検出器の出力を入力して測定データとし、ワークの形状解析が指定された際に、測定データに転がり円うねりフィルタ処理を施した後、形状解析を行う。また、ワークの表面粗さ解析が指定された際に、ワークの円周方向の表面粗さを解析するので、ワークの表面粗さを測定する検出器の出力である測定データに基づいて、形状解析と表面粗さ解析の双方を行えるので、検出器を交換する手間が不要となる。また、一回の測定データに基づいて形状解析と表面粗さ解析が行えるので、同一環境条件下における解析が可能になり、高精度測定・解析が行える。
以上の通り、本発明は測定の分野において極めて効果的に実施することができる。

本発明にかかる表面性状測定機のブロック図である。本発明にかかる形状解析手順を示すフローチャートである。本発明にかかる転がり円うねりフィルタ処理の模式図である。本発明にかかる転がり円うねりフィルタ処理の他の模式図である。

符号の説明

１０表面性状測定機
２０測定機本体
２１検出器
２２回動手段
２３データ処理装置
３１入力手段
３２表面粗さ解析手段
３３転がり円うねりフィルタ処理手段
３４形状解析手段

Claims

ワークの表面粗さを測定する検出器を備えた表面性状測定機において、
前記ワークと前記検出器とを相対的に回転駆動する回動手段と、
前記回動手段によって前記検出器が前記ワークの表面を走査した際に前記検出器の出力を入力して測定データとする入力手段と、
前記測定データに基づいて前記ワークの表面粗さを解析する表面粗さ解析手段と、
前記測定データに転がり円うねりフィルタ処理を施す転がり円うねりフィルタ処理手段と、
前記転がり円うねりフィルタ処理手段の出力に基づいて前記ワークの幾何学的な形状を解析する形状解析手段と、を備え、
前記検出器は、前記ワークと接触して表面粗さを測定するための接触子を有し、
前記転がり円うねりフィルタ処理手段は、前記接触子の半径とは異なる所定半径の円による転がり円うねりフィルタ処理を施し、
前記形状解析手段は、前記転がり円うねりフィルタ処理手段の出力を前記所定半径の接触子による測定データと看做して形状解析を行うことを特徴とする表面性状測定機。
請求項１に記載の表面性状測定機において、前記形状解析手段による形状解析は真円度解析であることを特徴とする表面性状測定機。
ワークの表面粗さを測定する検出器と、前記ワークと前記検出器とを相対的に回転駆動する回動手段と、を備えた表面性状測定機を用いて前記ワークの形状解析を行う形状解析プログラムであって、
前記回動手段によって前記検出器が前記ワークの表面を走査した際に前記検出器の出力を入力して測定データとする入力手順と、
前記ワークの表面粗さ解析が指定された際に、前記測定データに基づいて前記ワークの表面粗さを解析する表面粗さ解析手順と、
前記ワークの形状解析が指定された際に、前記測定データに転がり円うねりフィルタ処理を施す転がり円うねりフィルタ処理手順と、
前記転がり円うねりフィルタ処理手順の処理結果に基づいて前記ワークの幾何学的な形状を解析する形状解析手順と、
をコンピュータに実行させ、
前記転がり円うねりフィルタ処理手順は、前記検出器の表面粗さを測定するためにワークと接触される接触子の半径と異なる所定半径の円による転がり円うねりフィルタ処理を施し、
前記形状解析手順は、前記転がり円うねりフィルタ処理手順の処理結果を前記所定半径の接触子による測定データと看做して形状解析を行うことを特徴とする形状解析プログラム。
請求項３に記載の形状解析プログラムにおいて、前記形状解析手順における形状解析は真円度解析であることを特徴とする形状解析プログラム。
請求項３又は請求項４に記載の形状解析プログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体。