JP5317077B2 - ボールディメンジョンゲージ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、３次元座標測定機の性能評価に用いるためのボールディメンジョンゲージ装置に関する。
一般に、３次元座標測定機として、接触型３次元座標測定機が知られており、これは、定盤上に載置した被測定物に対してプローブを、Ｘ、Ｙ、Ｚの３次元方向へ相対移動させるとともに、被測定物に接触させて送り軸方向の座標値を読みとり、コンピュータにより寸法や形状を計測するものである。このような３次元座標測定機においては、高精度を要求されることから、精度検査が不可欠であり、この精度検査に際しては、基準となるゲージを用い、プローブを３次元的に移動させることによりその検出値を評価するようにしている。
従来、この種の接触型３次元座標測定機の性能評価に用いるためのゲージ装置としては、例えば、特許文献１（特開２００３−３２９４０２号公報）に掲載されたものが知られている。
これは、図１８に示すように、金属製の円筒状ゲージ本体１００の外周面両側に、この円筒状ゲージ本体１００の軸線に平行に、且つ互いに１８０度離れた対向する位置に嵌合溝１０１を形成し、この嵌合溝１０１に対して、その表面に６個の球体１０２を固定した略直方体状の固定部材１０３を嵌合して構成されている。
ゲージ本体１００は磁着性材料で形成され、固定部材１０３はゲージ本体１００に磁着保持されるように永久磁石を備えて形成されている。このように構成することにより、球体１０２を固定した固定部材１０３を円筒状のゲージ本体１００から分離した状態で運搬することができ、取り扱い易くしている。
これは、図１８に示すように、金属製の円筒状ゲージ本体１００の外周面両側に、この円筒状ゲージ本体１００の軸線に平行に、且つ互いに１８０度離れた対向する位置に嵌合溝１０１を形成し、この嵌合溝１０１に対して、その表面に６個の球体１０２を固定した略直方体状の固定部材１０３を嵌合して構成されている。
ゲージ本体１００は磁着性材料で形成され、固定部材１０３はゲージ本体１００に磁着保持されるように永久磁石を備えて形成されている。このように構成することにより、球体１０２を固定した固定部材１０３を円筒状のゲージ本体１００から分離した状態で運搬することができ、取り扱い易くしている。
そして、この円筒状のゲージ装置を用いて３次元座標測定機の性能検査の作業を行う際には、３次元座標測定機の座標系に沿ってＸ−Ｙ平面内、Ｘ−Ｚ平面内、更にはＹ−Ｚ平面内のいずれかに円筒ゲージ装置を定置し、例えば、Ｙ方向に球体１０２が配置され、Ｘ方向は円筒の直径方向とした状態で、３次元座標測定機により片側の列の球体１０２について全て、その中心位置を求めるための測定を行なう。このようにして求めた球体１０２の列を０度側とする。次に、この円筒ゲージ装置を１８０度回転させて他の列の球体１０２について同様の測定を行う。この一連の測定データから、球体１０２の中心間距離を求め、予め精密な測定を行っている各球体１０２間の距離と比較し、その結果から３次元座標測定機の目盛の校正を行うことができる。
また、コンピュータの演算処理により、３次元座標測定機の目盛の校正の他、直角度の評価を同時に行うことが可能となり、極めて簡便にこれらの作業を行うことができるようになる。
また、コンピュータの演算処理により、３次元座標測定機の目盛の校正の他、直角度の評価を同時に行うことが可能となり、極めて簡便にこれらの作業を行うことができるようになる。
ところで、上記の従来のゲージ装置においては、球体１０２を固定した固定部材１０３はゲージ本体１００に磁着保持され、非使用時にはゲージ本体１００から分離可能になっており、輸送する際など取り扱いが容易にはなっているが、取外された固定部材１０３においては、球体１０２自体が固定されているので、振動や衝撃により標準値が変化する虞があり、高い寸法安定性の保障が不十分になる。また、球体１０２自体が固定部材１０３に固定されているので、経年変化を生じる原因となる残留応力が十分に除去されないこともあり、この点でも寸法安定性に関して対策が不十分となっているという問題があった。
また、３次元座標測定機は、上記の接触型のものが主流であるが、近年、レーザ変位計やＣＣＤカメラを使用した非接触型の３次元座標測定機も普及してきており、この非接触型の３次元座標測定機に対しては、上記従来のゲージ装置においては、非接触型の測定原理に適していないので、そのままでは、使用できないという問題もあった。
本発明は上記の問題点に鑑みて為されたもので、接触型３次元座標測定機と非接触型３次元座標測定機との両方の測定機用に容易に変更可能にするとともに、球体をゲージ本体側との間の応力影響がほとんど作用しないようにして保持できるようにし、振動や衝撃に対して、また、接触型３次元座標測定機用と非接触型３次元座標測定機用との変更時においても、標準値が変化する事態を極力防止して寸法安定性の向上を図ったボールディメンジョンゲージ装置を提供することを目的とする。
また、必要に応じ、球体の配置関係を改善し、各球体からの位置データが偏らないようにして、ゲージの全範囲に亘って３次元座標測定機を適切に評価することができるようにした点も目的とした。
また、必要に応じ、球体の配置関係を改善し、各球体からの位置データが偏らないようにして、ゲージの全範囲に亘って３次元座標測定機を適切に評価することができるようにした点も目的とした。
このような目的を達成するため本発明のボールディメンジョンゲージ装置は、３次元座標測定機の定盤上に設置されるゲージ本体と、該ゲージ本体に保持される複数の球体と、上記ゲージ本体に付設され上記球体を保持する保持体とを備えて構成され、上記３次元座標測定機の性能評価に用いるためのボールディメンジョンゲージ装置において、
上記ゲージ本体を、長方形状の外側面，該外側面と反対側の内側面，上記外側面及び内側面の長辺に連続する一対の接地面を有した一対の側板と、該両側板の内側面間に一体に架設され該両側板同士を連結するウェブとを備え全体が横断面Ｈ型になるブロック状に形成し、上記保持体を、上記ゲージ本体の両側板の外側面に夫々長手方向に沿って複数列設した構成としている。
これにより、ゲージ本体は横断面Ｈ型になり、保持体をゲージ本体の両側板の外側面に夫々長手方向に沿って複数列設したので、球体が左右２列に配置される。そのため、両側の列の球体について測定し、次に、１８０度回転させて同じ球体について同様の測定を行なう所謂「反転法」を用いることができ、値付けを確実にすることができる。反転法を用いることでゲージ球の真球度誤差や３次元座標測定機の幾何学的誤差が平均化され球の中心座標値のみが抽出できる。反転法で正確に値付けされたゲージを使用して３次元座標測定機の目盛の校正及び直角度の評価を行なうことが可能になる。
また、本発明のボールディメンジョンゲージ装置は、３次元座標測定機に設置されるゲージ本体と、該ゲージ本体に保持される複数の球体とを備えて構成され、上記３次元座標測定機の性能評価に用いるためのボールディメンジョンゲージ装置において、
上記球体を磁着性材料で形成するとともに、上記ゲージ本体に、永久磁石を備えて形成され上記球体を磁着保持する保持体を付設した構成としている。
上記ゲージ本体を、長方形状の外側面，該外側面と反対側の内側面，上記外側面及び内側面の長辺に連続する一対の接地面を有した一対の側板と、該両側板の内側面間に一体に架設され該両側板同士を連結するウェブとを備え全体が横断面Ｈ型になるブロック状に形成し、上記保持体を、上記ゲージ本体の両側板の外側面に夫々長手方向に沿って複数列設した構成としている。
これにより、ゲージ本体は横断面Ｈ型になり、保持体をゲージ本体の両側板の外側面に夫々長手方向に沿って複数列設したので、球体が左右２列に配置される。そのため、両側の列の球体について測定し、次に、１８０度回転させて同じ球体について同様の測定を行なう所謂「反転法」を用いることができ、値付けを確実にすることができる。反転法を用いることでゲージ球の真球度誤差や３次元座標測定機の幾何学的誤差が平均化され球の中心座標値のみが抽出できる。反転法で正確に値付けされたゲージを使用して３次元座標測定機の目盛の校正及び直角度の評価を行なうことが可能になる。
また、本発明のボールディメンジョンゲージ装置は、３次元座標測定機に設置されるゲージ本体と、該ゲージ本体に保持される複数の球体とを備えて構成され、上記３次元座標測定機の性能評価に用いるためのボールディメンジョンゲージ装置において、
上記球体を磁着性材料で形成するとともに、上記ゲージ本体に、永久磁石を備えて形成され上記球体を磁着保持する保持体を付設した構成としている。
これにより、本装置の使用時には、球体を保持体に磁着し、非使用時には、球体を保持体から外して別々にしておくことができる。また、球体として、接触型３次元座標測定機に用いられる接触型球体と、非接触型３次元座標測定機に用いられる非接触型球体との二種類の球体を用意しておけば、接触型３次元座標測定機に使用する場合は、接触型球体を保持体に磁着して用い、非接触型３次元座標測定機に使用する場合は、非接触型球体を保持体に磁着して用いることができる。
そのため、球体は保持体に磁着されて保持されるので、従来のように球体を固定部材に一体に固定した場合に比較して、保持体と球体との間に無理な力が作用することがなく、即ち、球体をゲージ本体側との間の応力影響がほとんど作用しないようにして保持できるようになり、そのため、非装着時に本装置を搬送する際に生じる振動や衝撃に対して、また、接触型球体と非接触型球体との変更時においても、保持体と球体との関係に変化を生じさせにくくなり、標準値が変化する事態が極力防止され、寸法安定性の向上が図られる。
そのため、球体は保持体に磁着されて保持されるので、従来のように球体を固定部材に一体に固定した場合に比較して、保持体と球体との間に無理な力が作用することがなく、即ち、球体をゲージ本体側との間の応力影響がほとんど作用しないようにして保持できるようになり、そのため、非装着時に本装置を搬送する際に生じる振動や衝撃に対して、また、接触型球体と非接触型球体との変更時においても、保持体と球体との関係に変化を生じさせにくくなり、標準値が変化する事態が極力防止され、寸法安定性の向上が図られる。
また、本発明のボールディメンジョンゲージ装置は、３次元座標測定機に設置されるゲージ本体と、該ゲージ本体に保持される複数の球体とを備えて構成され、上記３次元座標測定機の性能評価に用いるためのボールディメンジョンゲージ装置において、
上記球体を磁着性材料で形成するとともに、該球体として、接触型３次元座標測定機に用いられる接触型球体と、非接触型３次元座標測定機に用いられる非接触型球体との二種類の球体を備え、
上記ゲージ本体に、永久磁石を備えて形成され上記接触型球体及び非接触型球体のうちから選択された何れかの球体を磁着保持する保持体を付設した構成としている。
上記球体を磁着性材料で形成するとともに、該球体として、接触型３次元座標測定機に用いられる接触型球体と、非接触型３次元座標測定機に用いられる非接触型球体との二種類の球体を備え、
上記ゲージ本体に、永久磁石を備えて形成され上記接触型球体及び非接触型球体のうちから選択された何れかの球体を磁着保持する保持体を付設した構成としている。
これにより、球体として、接触型３次元座標測定機用と非接触型３次元座標測定機用との二種類のものを備えたので、接触型３次元座標測定機に使用する場合は、接触型球体を保持体に磁着して用い、非接触型３次元座標測定機に使用する場合は、非接触型球体を保持体に磁着して用いることができる。
即ち、従来の装置では、仮に、別途非接触型の測定原理に適した表面性状を有する球体を用意できても、球体自体を固定部材に固定したものを別途製造しなければならないので、製造が煩雑になり、また、上記の残留応力の影響も、接触型のものと異なることから、接触型の固定部材を装着したときと非接触型の固定部材を装着したときとで標準値にバラツキが生じ不安定になってしまい、寸法安定性に劣る。
本発明では、接触型球体と非接触型球体との変更時においては、球体は保持体に磁着されて保持されるので、従来のように球体を固定部材に一体に固定した場合に比較して、保持体と球体との間に無理な力が作用することがなく、即ち、球体をゲージ本体側との間の応力影響がほとんど作用しないようにして保持できるようになり、標準値が変化する事態が極力防止され、寸法安定性の向上が図られる。そのため、接触型球体を装着したときと非接触型球体を装着したときとで標準値のバラツキも低減される。
即ち、従来の装置では、仮に、別途非接触型の測定原理に適した表面性状を有する球体を用意できても、球体自体を固定部材に固定したものを別途製造しなければならないので、製造が煩雑になり、また、上記の残留応力の影響も、接触型のものと異なることから、接触型の固定部材を装着したときと非接触型の固定部材を装着したときとで標準値にバラツキが生じ不安定になってしまい、寸法安定性に劣る。
本発明では、接触型球体と非接触型球体との変更時においては、球体は保持体に磁着されて保持されるので、従来のように球体を固定部材に一体に固定した場合に比較して、保持体と球体との間に無理な力が作用することがなく、即ち、球体をゲージ本体側との間の応力影響がほとんど作用しないようにして保持できるようになり、標準値が変化する事態が極力防止され、寸法安定性の向上が図られる。そのため、接触型球体を装着したときと非接触型球体を装着したときとで標準値のバラツキも低減される。
そして、必要に応じ、三角測距方式の原理による波長５００ｎｍ〜７００ｎｍのレーザ変位式プローブで球体の表面を測定したとき、レーザ変位式プローブの利得設置値Ｎ（ノッチ）が、最小出力値０から最大出力値６０を設定可能範囲とした場合に、
上記接触型球体においては、２０＜Ｎの範囲に設定し、
上記非接触型球体においては、Ｎ≦２０の範囲に設定した構成としている。
この範囲で、測定安定性及び磁着再現性が優れ、寸法安定性の向上が図られる。
上記接触型球体においては、２０＜Ｎの範囲に設定し、
上記非接触型球体においては、Ｎ≦２０の範囲に設定した構成としている。
この範囲で、測定安定性及び磁着再現性が優れ、寸法安定性の向上が図られる。
この場合、上記接触型球体を、表面が鏡面であり、表面粗さがＲａ０．０１μm以下，真球度が０．０８μｍ以下の磁着性金属のみで形成したことが有効である。
また、上記非接触型球体を、表面粗さがＲａ０．０１μm以下，真球度が０．０８μｍ以下の磁着性金属の表面に、ニッケル，クロムのうちの少なくとも一種をメッキ処理して構成したことが有効である。
より一層、測定安定性及び磁着再現性が優れ、寸法安定性の向上が図られる。
また、上記非接触型球体を、表面粗さがＲａ０．０１μm以下，真球度が０．０８μｍ以下の磁着性金属の表面に、ニッケル，クロムのうちの少なくとも一種をメッキ処理して構成したことが有効である。
より一層、測定安定性及び磁着再現性が優れ、寸法安定性の向上が図られる。
また、必要に応じ、上記保持体を上記球体の一部が没入する凹部を備えて構成し、該保持体を、上記ゲージ本体に対して接着剤で接着した構成としている。凹部に球体を磁着保持するので、保持が確実になる。また、保持体をゲージ本体に接着剤で接着したので、ゲージ本体の内部に応力が存在しないことから保持体とゲージ本体との間にも無理な力が作用することがなく、そのため、非装着時に本装置を搬送する際に生じる振動や衝撃に対して、また、接触型球体と非接触型球体との変更時においても、ゲージ本体，保持体及び球体の三者の関係に変化を生じさせにくくなり、標準値が変化する事態が極力防止され、寸法安定性の向上が図られる。
更に、必要に応じ、上記ゲージ本体を、長方形状の外側面，該外側面と反対側の内側面，上記外側面及び内側面の長辺に連続する一対の接地面を有した一対の側板と、該両側板の内側面間に一体に架設され該両側板同士を連結するウェブとを備え全体が横断面Ｈ型になる金属製ブロック状に形成し、上記保持体を、上記ゲージ本体の両側板の外側面に夫々長手方向に沿って複数列設した構成としている。
この場合、ゲージ本体は、横断面Ｈ型になる金属製ブロックなので、精度よい加工ができ、寸法安定性を容易に高めることができる。例えば、ゲージ本体として、市販のナイフエッジを使用することができる。ナイフエッジの材料はＪＩＳ．Ｇ−４４０１（炭素工具鋼鋼材）のＳＫ５またはこれと同等以上のものとし、硬さは焼入れしたものではＨｖ４９０（Ｈｓ６５）〜Ｈｖ６２０（Ｈｓ７５）に示すとおり残留応力除去のための熱処理が施され、経年変化が小さく寸法安定性に優れている。そのため、寸法安定性を容易に高めることができる。
この場合、ゲージ本体は、横断面Ｈ型になる金属製ブロックなので、精度よい加工ができ、寸法安定性を容易に高めることができる。例えば、ゲージ本体として、市販のナイフエッジを使用することができる。ナイフエッジの材料はＪＩＳ．Ｇ−４４０１（炭素工具鋼鋼材）のＳＫ５またはこれと同等以上のものとし、硬さは焼入れしたものではＨｖ４９０（Ｈｓ６５）〜Ｈｖ６２０（Ｈｓ７５）に示すとおり残留応力除去のための熱処理が施され、経年変化が小さく寸法安定性に優れている。そのため、寸法安定性を容易に高めることができる。
また、保持体をゲージ本体の両側板の外側面に夫々長手方向に沿って複数列設したので、球体が左右２列に配置される。そのため、両側の列の球体について測定し、次に、１８０度回転させて同じ球体について同様の測定を行なう所謂「反転法」を用いることができ、値付けを確実にすることができる。反転法を用いることでゲージ球の真球度誤差や３次元座標測定機の幾何学的誤差が平均化され球の中心座標値のみが抽出できる。反転法を適用した詳細な測定方法は図６に示す４形態の設置方法で行う。通常位置となるポジションＤ０、ポジションＤ０からＺ軸を中心軸に１８０度回転したポジションＤＺ、ポジションＤ０からＹ軸を中心軸に１８０度回転したポジションＤＹ、ポジションＤ０からＸ軸を中心に１８０度回転したポジションＤＸの４形態の測定物座標系で測定を行う。反転法で正確に値付けされたゲージを使用して３次元座標測定機の目盛の校正及び直角度の評価を行なうことが可能になる。
そしてまた、必要に応じ、上記一方の側板の各保持体が保持する球体の列と、上記他方の側板の各保持体が保持する球体の列との位相がずれるように、各保持体を設けた構成としている。
ここで、位相がずれるとは、図４に示すように、両側板を通り且つゲージ本体の長手方向に直交し所定の間隔を隔てて設けられた複数の直線上に、一方の側板上の球体と他方の側板上の球体が順番に且つ交互に位置するように配置することである（以下「千鳥配置」ともいう）。隣接する直線間の各間隔は、夫々一定であってもよく、また、異なっていてもよい。
図１５に示す配置、即ち、両側板を通り且つゲージ本体の長手方向に直交し所定の間隔を隔てて設けられた複数の直線上に、夫々一方の側板上の球体と他方の側板上の球体とを順番に設けた配置（以下「並列配置」ともいう）に比較して、千鳥配置することで３次元座標を実現するゲージが位置信号として与える球の位置が均等に配置され、位置信号の間隔を広げることができ、スケールを均等に評価することができる。
ここで、位相がずれるとは、図４に示すように、両側板を通り且つゲージ本体の長手方向に直交し所定の間隔を隔てて設けられた複数の直線上に、一方の側板上の球体と他方の側板上の球体が順番に且つ交互に位置するように配置することである（以下「千鳥配置」ともいう）。隣接する直線間の各間隔は、夫々一定であってもよく、また、異なっていてもよい。
図１５に示す配置、即ち、両側板を通り且つゲージ本体の長手方向に直交し所定の間隔を隔てて設けられた複数の直線上に、夫々一方の側板上の球体と他方の側板上の球体とを順番に設けた配置（以下「並列配置」ともいう）に比較して、千鳥配置することで３次元座標を実現するゲージが位置信号として与える球の位置が均等に配置され、位置信号の間隔を広げることができ、スケールを均等に評価することができる。
また、必要に応じ、上記球体の大きさを異ならせた構成としている。
これにより、接触角の違いによるスタイラスチップの接触安定性及び曲面接触でのプロービング誤差が求められる。接触角の違いによるスタイラスチップの接触安定性は、接触角が小さくなることで不安定な接触による誤差が生じることが推測される。接触角は、図７に示すように、スタイラスチップと球の接触点の接線とプロービング方向とがなす角をプロービング時の接触角とすると、φ１インチ球とφ１／２インチ球ではプロービング方向一定かつ同一プロービング範囲とした場合では接触角が異なる。これは３次元座標測定機による自動測定でのプロービング動作のサブルーチン化や両側に障壁を持つ部分球測定などの場合に該当する。
これにより、接触角の違いによるスタイラスチップの接触安定性及び曲面接触でのプロービング誤差が求められる。接触角の違いによるスタイラスチップの接触安定性は、接触角が小さくなることで不安定な接触による誤差が生じることが推測される。接触角は、図７に示すように、スタイラスチップと球の接触点の接線とプロービング方向とがなす角をプロービング時の接触角とすると、φ１インチ球とφ１／２インチ球ではプロービング方向一定かつ同一プロービング範囲とした場合では接触角が異なる。これは３次元座標測定機による自動測定でのプロービング動作のサブルーチン化や両側に障壁を持つ部分球測定などの場合に該当する。
また、必要に応じ、上記何れか１つの保持体が保持する球体Ｇの中心（ｘ0，ｙ0）と、他の球体の中心（ｘi，ｙi）との距離Ｍiが、下記の式（１）（２）を満たす関係になるように上記保持体を設けた構成としている。
ａn：球径の異なる球体の種類（ｎ＝１，２，３・・・ｍ）に応じて使い分けられる定数であって、中心（ｘi，ｙi）の球体Ｇにおける球径の大きさに依存する振幅（ｍｍ）
λi：ゲージ片側の中心（ｘi，ｙi）の球体Ｇとこれに隣接する中心（ｘi+1，ｙi+1）の球体Ｇとの球間距離（ｍｍ）
λi：ゲージ片側の中心（ｘi，ｙi）の球体Ｇとこれに隣接する中心（ｘi+1，ｙi+1）の球体Ｇとの球間距離（ｍｍ）
また、必要に応じ、上記３次元座標測定機の定盤に載置され上記ゲージ本体の長手方向が上記３次元座標測定機の定盤面に対して傾斜するように該ゲージ本体の接地面を支承する支承台を備えた構成としている。
これにより、支承台に該ゲージ本体を設置することにより球が３次元座標測定機の測定範囲内の３次元座標に空間配置される。空間配置された球を３次元座標測定機で測定するにはＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸同時稼働による測定行為が要求され、その場合、３次元座標測定での測定誤差が抽出できる。
これにより、支承台に該ゲージ本体を設置することにより球が３次元座標測定機の測定範囲内の３次元座標に空間配置される。空間配置された球を３次元座標測定機で測定するにはＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸同時稼働による測定行為が要求され、その場合、３次元座標測定での測定誤差が抽出できる。
本発明のボールディメンジョンゲージ装置によれば、ゲージ本体は横断面Ｈ型になり、保持体をゲージ本体の両側板の外側面に夫々長手方向に沿って複数列設したので、球体が左右２列に配置される。そのため、両側の列の球体について測定し、次に、１８０度回転させて同じ球体について同様の測定を行なう所謂「反転法」を用いることができ、値付けを確実にすることができる。反転法を用いることでゲージ球の真球度誤差や３次元座標測定機の幾何学的誤差が平均化され球の中心座標値のみが抽出できる。反転法で正確に値付けされたゲージを使用して３次元座標測定機の目盛の校正及び直角度の評価を行なうことが可能になる。
また、球体を磁着保持する場合には、本装置の使用時には、球体を保持体に磁着し、非使用時には、球体を保持体から外して別々にしておくことができる。また、球体として、接触型３次元座標測定機に用いられる接触型球体と、非接触型３次元座標測定機に用いられる非接触型球体との二種類の球体を用意しておけば、接触型３次元座標測定機に使用する場合は、接触型球体を保持体に磁着して用い、非接触型３次元座標測定機に使用する場合は、非接触型球体を保持体に磁着して用いることができる。
そのため、球体は保持体に磁着されて保持されるので、従来のように球体を固定部材に一体に固定した場合に比較して、保持体と球体との間に無理な力が作用することがなく、即ち、球体をゲージ本体側との間の応力影響がほとんど作用しないようにして保持できるようになり、そのため、非装着時に本装置を搬送する際に生じる振動や衝撃に対して、また、接触型球体と非接触型球体との変更時においても、保持体と球体との関係に変化を生じさせにくくすることができ、標準値が変化する事態を極力防止して、寸法安定性の向上を図ることができる。
また、球体を磁着保持する場合には、本装置の使用時には、球体を保持体に磁着し、非使用時には、球体を保持体から外して別々にしておくことができる。また、球体として、接触型３次元座標測定機に用いられる接触型球体と、非接触型３次元座標測定機に用いられる非接触型球体との二種類の球体を用意しておけば、接触型３次元座標測定機に使用する場合は、接触型球体を保持体に磁着して用い、非接触型３次元座標測定機に使用する場合は、非接触型球体を保持体に磁着して用いることができる。
そのため、球体は保持体に磁着されて保持されるので、従来のように球体を固定部材に一体に固定した場合に比較して、保持体と球体との間に無理な力が作用することがなく、即ち、球体をゲージ本体側との間の応力影響がほとんど作用しないようにして保持できるようになり、そのため、非装着時に本装置を搬送する際に生じる振動や衝撃に対して、また、接触型球体と非接触型球体との変更時においても、保持体と球体との関係に変化を生じさせにくくすることができ、標準値が変化する事態を極力防止して、寸法安定性の向上を図ることができる。
以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態に係るボールディメンジョンゲージ装置について詳細に説明する。
図１乃至図５には、本発明の実施の形態に係るボールディメンジョンゲージ装置が示されている。このボールディメンジョンゲージ装置は、図示外の３次元座標測定機（以下「ＣＭＭ」という場合がある）の性能評価に用いるための装置であり、定盤上に載置した被測定物に対してプローブを接触させて座標値を読みとって計測する接触型３次元座標測定機と、レーザ変位計やＣＣＤカメラを使用して被測定物の座標値を読みとって計測する非接触型３次元座標測定機との両者に用いることができる。
図１乃至図５には、本発明の実施の形態に係るボールディメンジョンゲージ装置が示されている。このボールディメンジョンゲージ装置は、図示外の３次元座標測定機（以下「ＣＭＭ」という場合がある）の性能評価に用いるための装置であり、定盤上に載置した被測定物に対してプローブを接触させて座標値を読みとって計測する接触型３次元座標測定機と、レーザ変位計やＣＣＤカメラを使用して被測定物の座標値を読みとって計測する非接触型３次元座標測定機との両者に用いることができる。
本実施の形態に係るボールディメンジョンゲージ装置は、３次元座標測定機に設置されるゲージ本体１と、ゲージ本体１に保持される複数の球体Ｇとを備えて構成されている。球体Ｇは、磁着性材料で形成されるとともに、ゲージ本体１には、永久磁石を備えて形成され球体Ｇを磁着保持する保持体１０が付設されている。
ゲージ本体１は、図３に示すように、長方形平面状の外側面２ａ，外側面２ａに直交して連続する平面状の一対の接地面２ｂ及び各接地面２ｂに連続し外側面２ａと反対側の内側面部２ｃを有した一対の側板２と、両側板２の内側面部２ｃ間に一体に架設され両側板２同士を連結するウェブ３とを備え、全体が横断面Ｈ型になる金属製ブロック状に形成されている。
詳しくは、ゲージ本体１は、例えば、市販のナイフエッジが用いられる。ナイフエッジの材料はＪＩＳ．Ｇ−４４０１（炭素工具鋼鋼材）のＳＫ５またはこれと同等以上のものとし、硬さは焼入れしたものでは、Ｈｖ４９０（Ｈｓ６５）〜Ｈｖ６２０（Ｈｓ７５）に示すとおり残留応力除去のための熱処理が施され、経年変化が小さく寸法安定性に優れている。そのため、寸法安定性を容易に高めることができる。
詳しくは、ゲージ本体１は、例えば、市販のナイフエッジが用いられる。ナイフエッジの材料はＪＩＳ．Ｇ−４４０１（炭素工具鋼鋼材）のＳＫ５またはこれと同等以上のものとし、硬さは焼入れしたものでは、Ｈｖ４９０（Ｈｓ６５）〜Ｈｖ６２０（Ｈｓ７５）に示すとおり残留応力除去のための熱処理が施され、経年変化が小さく寸法安定性に優れている。そのため、寸法安定性を容易に高めることができる。
球体Ｇとして、接触型３次元座標測定機に用いられる接触型球体Ｇ（ａ）と、非接触型３次元座標測定機に用いられる非接触型球体Ｇ（ｂ）との二種類の球体Ｇを備えている。二種類の球体Ｇは、夫々、その大きさが異なるものが用意される。実施の形態では、例えば、直径が１インチのものと、１／２インチのものが用意される。
接触型球体Ｇ（ａ）は、表面が鏡面であり、表面粗さがＲａ０．０１μm以下，真球度が０．０８μｍ以下の磁着性金属のみで形成されている。例えば、接触型球体Ｇ（ａ）としては、市販の高精度ベアリング球が適し、磁性体であるので磁石に磁着できる。
そして、接触型球体Ｇ（ａ）においては、三角測距方式の原理による波長５００ｎｍ〜７００ｎｍ（実施の形態では波長６７０ｎｍ）のレーザ変位式プローブで球体の表面を測定したとき、レーザ変位式プローブの利得設置値Ｎ（ノッチ）が、最小出力値０から最大出力値６０を設定可能範囲とした場合に、２０＜Ｎの範囲になるようにその表面状態（輝度，色，反射率など総合的条件）が設定されている。
そして、接触型球体Ｇ（ａ）においては、三角測距方式の原理による波長５００ｎｍ〜７００ｎｍ（実施の形態では波長６７０ｎｍ）のレーザ変位式プローブで球体の表面を測定したとき、レーザ変位式プローブの利得設置値Ｎ（ノッチ）が、最小出力値０から最大出力値６０を設定可能範囲とした場合に、２０＜Ｎの範囲になるようにその表面状態（輝度，色，反射率など総合的条件）が設定されている。
非接触型球体Ｇ（ｂ）は、表面粗さがＲａ０．０１μm以下，真球度が０．０８μｍ以下の磁着性金属の表面に、ニッケル，クロムのうちの少なくとも一種をメッキ処理してある。
非接触型球体Ｇ（ｂ）においては、三角測距方式の原理による波長５００ｎｍ〜７００ｎｍ（実施の形態では波長６７０ｎｍ）のレーザ変位式プローブで球体の表面を測定したとき、レーザ変位式プローブの利得設置値Ｎ（ノッチ）が、最小出力値０から最大出力値６０を設定可能範囲とした場合に、Ｎ≦２０の範囲になるようにその表面状態（輝度，色，反射率など総合的条件）が設定されている。
非接触型球体Ｇ（ｂ）においては、三角測距方式の原理による波長５００ｎｍ〜７００ｎｍ（実施の形態では波長６７０ｎｍ）のレーザ変位式プローブで球体の表面を測定したとき、レーザ変位式プローブの利得設置値Ｎ（ノッチ）が、最小出力値０から最大出力値６０を設定可能範囲とした場合に、Ｎ≦２０の範囲になるようにその表面状態（輝度，色，反射率など総合的条件）が設定されている。
詳しくは、以下の通りである。
（１）ニッケルメッキの場合、
表面粗さがＲａ０．０１μm以下，真球度が０．０８μｍ以下の磁着性金属の表面に、無電解ニッケルメッキ（通称カニゼン，黄土色）を行なう。この場合、磁着性金属を３５％塩酸に１分間浸水（６５％は水）し、被膜のアンカー効果と非接触型プローブでの測定安定性をねらう。その後，無電解ニッケルメッキを行なう。
（１）ニッケルメッキの場合、
表面粗さがＲａ０．０１μm以下，真球度が０．０８μｍ以下の磁着性金属の表面に、無電解ニッケルメッキ（通称カニゼン，黄土色）を行なう。この場合、磁着性金属を３５％塩酸に１分間浸水（６５％は水）し、被膜のアンカー効果と非接触型プローブでの測定安定性をねらう。その後，無電解ニッケルメッキを行なう。
（２）クロムメッキの場合
表面粗さがＲａ０．０１μm以下，真球度が０．０８μｍ以下の磁着性金属の表面に、クロムメッキを行なう。この場合、磁着性金属を３５％塩酸に２分間浸水（６５％は水）し、その後、クロム電気メッキを行なう。
表面粗さがＲａ０．０１μm以下，真球度が０．０８μｍ以下の磁着性金属の表面に、クロムメッキを行なう。この場合、磁着性金属を３５％塩酸に２分間浸水（６５％は水）し、その後、クロム電気メッキを行なう。
保持体１０は、接触型球体Ｇ（ａ）及び非接触型球体Ｇ（ｂ）のうちから選択された何れかの球体Ｇを磁着保持するもので、ゲージ本体１に付設されている。図５に示すように、保持体１０は、円柱状に形成されており、内部に永久磁石１１が埋設されている。また、保持体１０は、一方の端面に球体Ｇの一部が没入する円錐台状の凹部１２を備えて構成されている。保持体１０は、直径の異なる球体Ｇごとに対応して設けられ、夫々、球体Ｇの直径に合わせた凹部１２が形成されている。即ち、実施の形態では、例えば、球体Ｇの直径が１インチ用の保持体１０（Ａ）と、球体Ｇの直径が１／２インチ用の保持体１０（Ａ）とが用意される。
また、図１乃至図４に示すように、保持体１０は、直径の異なる球体Ｇが適宜混在してゲージ本体１の両側板２の外側面２ａに夫々長手方向に沿って複数列設されるように、当該ゲージ本体１の両側板２の外側面２ａに夫々長手方向に沿い、且つ、各保持体１０の他方の端面を外側面２ａに接合させて複数列設されている。各保持体１０の他方の端面はゲージ本体１に対して接着剤で接着されている。接着剤としては、例えば、市販の瞬間接着剤が用いられる。
また、一方の側板２の各保持体１０が保持する球体Ｇの列と、他方の側板２の各保持体１０が保持する球体Ｇの列との位相がずれるように、各保持体１０がゲージ本体１に設けられている。
詳しくは、図４に示すように、何れか１つの保持体１０が保持する球体Ｇ（図では右端部の球体Ｇ（１５））の中心（ｘ0，ｙ0）と、他の球体の中心（ｘi，ｙi）との距離Ｍiが、下記の式（１）（２）を満たす関係になるように保持体１０を設けている。
詳しくは、図４に示すように、何れか１つの保持体１０が保持する球体Ｇ（図では右端部の球体Ｇ（１５））の中心（ｘ0，ｙ0）と、他の球体の中心（ｘi，ｙi）との距離Ｍiが、下記の式（１）（２）を満たす関係になるように保持体１０を設けている。
ａn：球径の異なる球体の種類（ｎ＝１，２，３・・・ｍ）に応じて使い分けられる定数であって、中心（ｘi，ｙi）の球体Ｇにおける球径の大きさに依存する振幅（ｍｍ）
λi：ゲージ片側の中心（ｘi，ｙi）の球体Ｇとこれに隣接する中心（ｘi+1，ｙi+1）の球体Ｇとの球間距離（ｍｍ）
λi：ゲージ片側の中心（ｘi，ｙi）の球体Ｇとこれに隣接する中心（ｘi+1，ｙi+1）の球体Ｇとの球間距離（ｍｍ）
図４（ａ）に示す実施の形態では、球径の大きさに応じて振幅ａnを代入して式を使い分け、φ１インチ球の場合はａ１＝５４．８ｍｍ，φ１／２インチ球の場合はａ２＝５２．１ｍｍにしている。また、ゲージ本体１の長さは５００ｍｍ，片側の球間隔が３間隔（球体が４個）になっており、λiは、１３０．３６３ｍｍ，１６８．１８１ｍｍ，１５９．２９７ｍｍになっている。
尚、一方の球体の列の端部にある球体Ｇ（１５）と、同位において、他方の側板２側に別途設けた球体Ｇ（１６）が位置するように、保持体１０が別途設けられている。球体Ｇ（１５）と球体Ｇ（１６）及び球体Ｇ（１７）により平面を規定して空間軸とする。球体Ｇ（１５）と球体Ｇ（１７）で直線を規定して回転軸とし、球体Ｇ（１５）をＸ，Ｙ，Ｚ軸のゼロ点としてゲージの測定物座標系を定める。
また、図１及び図２に示すように、本装置において、ゲージ本体１は、３次元座標測定機の定盤に載置されゲージ本体１の長手方向が３次元座標測定機の定盤面に対して傾斜するように、ゲージ本体１の接地面２ｂを支承する支承台２０を備えている。支承台２０は、３次元座標測定機の定盤に載置されるベース２１と、ベース２１に対して傾動可能（角度調整可能）に設けられゲージ本体１を支承する支承板２２と、ベース２１と支承板２２との間に架設され支承板２２を適宜の角度調整可能に位置決めする位置決め部材２３を備えて構成されている。位置決め部材２３は、一端が支承板２２に回動可能に設けられ、他端がベース２１の長手方向に沿っていくつか列設された係合凹部２４に係合して固定される。
従って、本発明の実施の形態に係るボールディメンジョンゲージ装置によれば、非使用時には、球体Ｇを保持体１０から外して別々にしておくことができる。そのため、輸送する際など取り扱いが容易になる。
また、本発明の実施の形態に係るボールディメンジョンゲージ装置を用いて３次元座標測定機の評価を行なうときは以下のようにして行なう。
また、本発明の実施の形態に係るボールディメンジョンゲージ装置を用いて３次元座標測定機の評価を行なうときは以下のようにして行なう。
（１）接触型３次元座標測定機の場合
接触型３次元座標測定機は、プローブと呼ばれる位置検出器を有し、スタイラス先端の硬質材料で作られたチップが被測定物の表面に接触することでトリガ信号が出力される。これにより、トリガ信号出力時のチップ中心座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が測定値として得られ、多点の組み合わせからコンピュータのソフトウエアにより幾何学的形状が算出される。
接触型３次元座標測定機は、プローブと呼ばれる位置検出器を有し、スタイラス先端の硬質材料で作られたチップが被測定物の表面に接触することでトリガ信号が出力される。これにより、トリガ信号出力時のチップ中心座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が測定値として得られ、多点の組み合わせからコンピュータのソフトウエアにより幾何学的形状が算出される。
接触型３次元座標測定機の場合には、先ず、ゲージの測定要素球である球体Ｇとして、接触型球体Ｇ（ａ）を用い、ゲージ本体１の保持体１０に磁着する。そして、接触型３次元座標測定機の定盤に支承台２０を載置するとともに、支承台２０の支承板２２上にゲージ本体１の設置面を接地させて支承させる。支承台２０の支承板２２は、ベース２１に対して適宜の角度に傾斜させて固定する。
そして、接触型３次元座標測定機を作動させ、全ての球体Ｇについて、その中心位置を求めるための測定を行なう。このようにして求めた球体Ｇの列を０度側とする。次に、このゲージ本体１を１８０度回転させて同様の測定を行う。即ち、所謂「反転法」による測定を行なう。この一連の測定データから、球体Ｇの中心間距離を求め、予め測定を行っている各球体Ｇ間の距離と比較し、その結果から３次元座標測定機の目盛の校正を行うことができる。また、コンピュータの演算処理により、３次元座標測定機の目盛の校正の他、直角度の評価を同時に行うことが可能となり、極めて簡便にこれらの作業を行うことができるようになる。
そして、接触型３次元座標測定機を作動させ、全ての球体Ｇについて、その中心位置を求めるための測定を行なう。このようにして求めた球体Ｇの列を０度側とする。次に、このゲージ本体１を１８０度回転させて同様の測定を行う。即ち、所謂「反転法」による測定を行なう。この一連の測定データから、球体Ｇの中心間距離を求め、予め測定を行っている各球体Ｇ間の距離と比較し、その結果から３次元座標測定機の目盛の校正を行うことができる。また、コンピュータの演算処理により、３次元座標測定機の目盛の校正の他、直角度の評価を同時に行うことが可能となり、極めて簡便にこれらの作業を行うことができるようになる。
この場合、球体Ｇは保持体１０に磁着されて保持されるので、従来のように球体Ｇを固定部材に一体に固定した場合に比較して、保持体１０と球体Ｇとの間に無理な力が作用することがなく、即ち、球体Ｇをゲージ本体１側との間の応力影響がほとんど作用しないようにして保持できるようになり、そのため、非装着時に本装置を搬送する際に生じる振動や衝撃に対して、また、接触型球体Ｇ（ａ）と非接触型球体Ｇ（ｂ）との変更時においても、保持体１０と球体Ｇとの関係に変化を生じさせにくくなり、標準値が変化する事態が極力防止され、寸法安定性の向上が図られる。
また、保持体１０はゲージ本体１に接着剤で接着されているので、ゲージ本体１の内部に応力が存在しないことから保持体１０とゲージ本体１との間にも無理な力が作用することがなく、そのため、ゲージ本体１，保持体１０及び球体Ｇの三者の関係に変化を生じさせにくくなり、標準値が変化する事態が極力防止され、寸法安定性の向上が図られる。
更に、ゲージ本体１は、ナイフエッジを使用しているので、経年変化が小さく寸法安定性に優れていることから、より一層、寸法安定性の向上が図られる。
更に、ゲージ本体１は、ナイフエッジを使用しているので、経年変化が小さく寸法安定性に優れていることから、より一層、寸法安定性の向上が図られる。
また、保持体１０をゲージ本体１の両側板２の外側面２ａに夫々長手方向に沿って複数列設したので、球体Ｇが左右２列に配置される。そのため、所謂「反転法」による測定において、値付けを確実にすることができるとともに、この一連の測定データから、３次元座標測定機の目盛の校正，直角度の評価を同時に行うことが可能となり、値付けを確実にして、極めて簡便にこれらの作業を行うことができるようになる。
そしてまた、球体Ｇを「千鳥配置」にしているので、即ち、上記の関係式（１）の関係を満たすように配置しているので、「並列配置」に比較して、３次元座標を実現するゲージが位置信号として与える球の位置が均等に配置され、位置信号の間隔を広げることができ、スケールを均等に評価することができる。
また、球体Ｇの大きさを異ならせた構成としているので、接触角の違いによるスタイラスチップの接触安定性及び曲面接触でのプロービング誤差が求められる。接触角の違いによるスタイラスチップの接触安定性は、接触角が小さくなることで不安定な接触による誤差が生じることが推測される。接触角は、図７に示すように、スタイラスチップと球の接触点の接線とプロービング方向とがなす角をプロービング時の接触角とすると、φ１インチ球とφ１／２インチ球ではプロービング方向一定かつ同一プロービング範囲とした場合では接触角が異なる。これは３次元座標測定機による自動測定でのプロービング動作のサブルーチン化や両側に障壁を持つ部分球測定などの場合に該当する。
また、球体Ｇの大きさを異ならせた構成としているので、接触角の違いによるスタイラスチップの接触安定性及び曲面接触でのプロービング誤差が求められる。接触角の違いによるスタイラスチップの接触安定性は、接触角が小さくなることで不安定な接触による誤差が生じることが推測される。接触角は、図７に示すように、スタイラスチップと球の接触点の接線とプロービング方向とがなす角をプロービング時の接触角とすると、φ１インチ球とφ１／２インチ球ではプロービング方向一定かつ同一プロービング範囲とした場合では接触角が異なる。これは３次元座標測定機による自動測定でのプロービング動作のサブルーチン化や両側に障壁を持つ部分球測定などの場合に該当する。
（２）非接触型３次元座標測定機の場合
非接触型３次元座標測定機は、レーザ変位計やＣＣＤカメラを使用して被測定物の座標値を読みとって計測する。非接触型３次元座標測定機の場合には、先ず、ゲージの測定要素球である球体Ｇとして、非接触型球体Ｇ（ｂ）を用い、ゲージ本体１の保持体１０に磁着する。そして、非接触型３次元座標測定機の定盤に支承台２０を載置するとともに、支承台２０の支承板２２上にゲージ本体１の設置面を接地させて支承させる。支承台２０の支承板２２は、ベース２１に対して適宜の角度に傾斜させて固定する。
そして、非接触型３次元座標測定機を作動させ、上記接触型３次元座標測定機の場合と同様に、所謂「反転法」による測定を行なう。
非接触型３次元座標測定機は、レーザ変位計やＣＣＤカメラを使用して被測定物の座標値を読みとって計測する。非接触型３次元座標測定機の場合には、先ず、ゲージの測定要素球である球体Ｇとして、非接触型球体Ｇ（ｂ）を用い、ゲージ本体１の保持体１０に磁着する。そして、非接触型３次元座標測定機の定盤に支承台２０を載置するとともに、支承台２０の支承板２２上にゲージ本体１の設置面を接地させて支承させる。支承台２０の支承板２２は、ベース２１に対して適宜の角度に傾斜させて固定する。
そして、非接触型３次元座標測定機を作動させ、上記接触型３次元座標測定機の場合と同様に、所謂「反転法」による測定を行なう。
この場合も、球体Ｇは保持体１０に磁着されて保持されるので、従来のように球体Ｇを固定部材に一体に固定した場合に比較して、保持体１０と球体Ｇとの間に無理な力が作用することがなく、即ち、球体Ｇをゲージ本体１側との間の応力影響がほとんど作用しないようにして保持できるようになり、そのため、非装着時に本装置を搬送する際に生じる振動や衝撃に対して、また、接触型球体Ｇ（ａ）と非接触型球体Ｇ（ｂ）との変更時においても、保持体１０と球体Ｇとの関係に変化を生じさせにくくなり、標準値が変化する事態が極力防止され、寸法安定性の向上が図られるなど、上記接触型３次元座標測定機の場合と同様の作用，効果が奏される。
次に、球体Ｇの実施例１，２について示す。
（１）実施例１
母材としては、接触型プローブで使用する高精度ベアリング球を母材として用いた。母材を３５％塩酸，６５％水の溶液に２分間浸水して適度な表面荒れ性を生成し、表面被膜に対するアンカー効果と非接触型プローブによる測定安定性を同時に生み出す。次に、硬質クロムによる電気メッキを施す。この表面改質法により灰色で適度な散乱光を生じる非接触型プローブに適した表面性状が得られる。
（１）実施例１
母材としては、接触型プローブで使用する高精度ベアリング球を母材として用いた。母材を３５％塩酸，６５％水の溶液に２分間浸水して適度な表面荒れ性を生成し、表面被膜に対するアンカー効果と非接触型プローブによる測定安定性を同時に生み出す。次に、硬質クロムによる電気メッキを施す。この表面改質法により灰色で適度な散乱光を生じる非接触型プローブに適した表面性状が得られる。
（２）実施例２
母材としては、接触型プローブで使用する高精度ベアリング球を母材として用いた。母材を３５％塩酸，６５％水に１分間浸水して適度な表面荒れ性を生成し，表面被膜に対するアンカー効果と非接触型プローブによる測定安定性を同時に生み出す。次に、無電解ニッケルメッキを施す。この表面改質法により黄土色で適度な散乱光を生じる非接触型プローブに適した表面性状が得られる。鋼材質の高精度ベアリング球が母材となっているために磁性体であり非接触型プローブを使用する場合にはマグネット治具に磁性により取り付けてゲージを使用できる。マグネット治具に着脱することで表面性状が損傷する問題は本来の耐摩耗性の機能被膜である硬質クロムメッキと無電解ニッケルメッキの特長により解決できる。
母材としては、接触型プローブで使用する高精度ベアリング球を母材として用いた。母材を３５％塩酸，６５％水に１分間浸水して適度な表面荒れ性を生成し，表面被膜に対するアンカー効果と非接触型プローブによる測定安定性を同時に生み出す。次に、無電解ニッケルメッキを施す。この表面改質法により黄土色で適度な散乱光を生じる非接触型プローブに適した表面性状が得られる。鋼材質の高精度ベアリング球が母材となっているために磁性体であり非接触型プローブを使用する場合にはマグネット治具に磁性により取り付けてゲージを使用できる。マグネット治具に着脱することで表面性状が損傷する問題は本来の耐摩耗性の機能被膜である硬質クロムメッキと無電解ニッケルメッキの特長により解決できる。
この球体Ｇの各実施例１，２について、球体Ｇの比較例とともに、上記と同様に波長６７０ｎｍのレーザ変位式プローブで球体Ｇの表面を測定した。比較例としては、白色のセラミック材質で表面に凹凸を施した基準球を用いた。
このレーザ感度の利得を比較した結果，白色セラミック材質の基準球では利得が１２ノッチの場合に、実施例１及び２では、１５ノッチが得られ、散乱光の発生を主に設計された基準球と同等の利得となった。
このレーザ感度の利得を比較した結果，白色セラミック材質の基準球では利得が１２ノッチの場合に、実施例１及び２では、１５ノッチが得られ、散乱光の発生を主に設計された基準球と同等の利得となった。
また、球体Ｇの実施例２について、図８に示すテストピース（以下「ＢＤＧ−Ｔ」という）により、検証実験を行った。開発した非接触型プローブに適応した装置の利点は、輸送時の小型収納における測定要素球の着脱の位置再現性が高く、かつ非接触型プローブでのセンシングにおいて低出力で高感度の利得が得られることである。以下に，着脱再現性と非接触型プローブの感度特性に関して検証実験を行った。
比較条件として、図９に示すように、「標示因子Ａ：表面性状」を４水準設定した。水準１に鏡面，水準２に黒塗り，水準３にイオンプレートの表面性状を設定し、実施例２は「水準４：無電解メッキ」で示した。鏡面はベアリング球の表面となる光沢面、黒塗りは表面に黒色の被膜を施す黒染めによる表面、イオンプレートは真空炉内で行うイオンプレーティング処理による表面である。
球体Ｇの表面性状が影響する保持体１０への取り付け取り外しの着脱再現性を検証するために「標示因子Ｂ：球の着脱」を３水準設定した。また、「標示因子Ｃ：測定の繰り返し」は表面性状が影響する繰り返し誤差を求めるために２水準設定した。特性値はφ１インチ球とφ１／２インチ球における測定要素球の中心座標のＸ座標，Ｙ座標，Ｚ座標，直径，真球度として、標示因子毎の標準偏差の工程平均を算出し、標示因子の影響の大きさを求めた。
ここで、標示因子Ａの表面性状とは表面粗さを言う。標示因子Ｂの球体Ｇの着脱は一旦球体Ｇを保持体１０から取り外し再度取り付け後測定を行う行為を言う。標示因子Ｃの測定の繰り返しは同一状態で球体Ｇに対し繰り返し測定を行う行為を言う。
また、精度検証実験におけるワーク座標系を図８に示す。尚、図９において、「ＣＭＭ」は、３次元座標測定機をいう。
球体Ｇの表面性状が影響する保持体１０への取り付け取り外しの着脱再現性を検証するために「標示因子Ｂ：球の着脱」を３水準設定した。また、「標示因子Ｃ：測定の繰り返し」は表面性状が影響する繰り返し誤差を求めるために２水準設定した。特性値はφ１インチ球とφ１／２インチ球における測定要素球の中心座標のＸ座標，Ｙ座標，Ｚ座標，直径，真球度として、標示因子毎の標準偏差の工程平均を算出し、標示因子の影響の大きさを求めた。
ここで、標示因子Ａの表面性状とは表面粗さを言う。標示因子Ｂの球体Ｇの着脱は一旦球体Ｇを保持体１０から取り外し再度取り付け後測定を行う行為を言う。標示因子Ｃの測定の繰り返しは同一状態で球体Ｇに対し繰り返し測定を行う行為を言う。
また、精度検証実験におけるワーク座標系を図８に示す。尚、図９において、「ＣＭＭ」は、３次元座標測定機をいう。
着脱再現性は球体Ｇの表面粗さと関連すると思われることから、各表面性状の表面粗さを、フォームタリサーフＰＧＩ１２４０（テーラーホブソン社製）により測定した。その結果、φ１インチ球では，鏡面がＲａ０．００４μｍ，黒塗りがＲａ０．０７１μｍ，イオンプレートが０．３１０μｍ，無電解メッキがＲａ０．３５３μｍの結果となった。φ１／２インチ球では鏡面がＲａ０．０２１μｍ，黒塗りがＲａ０．０２３μｍ，イオンプレートが０．２９９μｍ，無電解メッキがＲａ０．３０９μｍの結果となった。開発した装置で使用する非接触型プローブの測定要素球体Ｇは着脱再現性と高感度性の両立が求められるが、表面粗さでは鏡面と黒塗りが良好となった。
球体Ｇの着脱再現性を検証するために、図８に示すテストピース（以下「ＢＤＧ−Ｔ」という）を非接触型プローブで測定した。実験結果及び考察を以下に示す。「標示因子Ａ：表面性状」の４水準の球に対してレーザ変位式の非接触型プローブにより測定を行った結果、鏡面と黒塗りの水準はφ１／２インチ球が測定できなかった。
図１０と図１１に示すとおり、鏡面はＺ座標値で２．１μｍ，黒塗りはＺ座標値で４．３μｍとなり球体Ｇの表面粗さは小さいが、非接触型プローブでの感度特性が悪いため正確な測定が出来ないことが原因と推測した。図１２と図１３からイオンプレートと無電解メッキの場合に「標示因子Ｃ：測定の繰り返し」でφ１インチ球の球径以外の特性値で標準偏差の平均値が１μｍ未満となり良好な結果であった。「標示因子Ｂ：球の着脱」では無電解メッキの場合でφ１／２インチ球でのＺ座標値の標準偏差の平均値は１．１３μｍが最大値となり、他の特性値は１μｍ未満となった．これは、接触型プローブの場合よりも「標示因子Ｂ：球の着脱」の標準偏差は小さく良好な結果である。
図１０と図１１に示すとおり、鏡面はＺ座標値で２．１μｍ，黒塗りはＺ座標値で４．３μｍとなり球体Ｇの表面粗さは小さいが、非接触型プローブでの感度特性が悪いため正確な測定が出来ないことが原因と推測した。図１２と図１３からイオンプレートと無電解メッキの場合に「標示因子Ｃ：測定の繰り返し」でφ１インチ球の球径以外の特性値で標準偏差の平均値が１μｍ未満となり良好な結果であった。「標示因子Ｂ：球の着脱」では無電解メッキの場合でφ１／２インチ球でのＺ座標値の標準偏差の平均値は１．１３μｍが最大値となり、他の特性値は１μｍ未満となった．これは、接触型プローブの場合よりも「標示因子Ｂ：球の着脱」の標準偏差は小さく良好な結果である。
接触型プローブによるＸＹＺ座標値及び球径を標準値として、非接触型プローブによる「標示因子Ａ：表面性状」毎の測定値と比較した結果を図１４に示す。φ１インチ球とφ１／２インチ球を合わせたＸＹＺ座標値における標準値との差の平均値はイオンプレートで−１．３３μｍ，無電解メッキで−３．９２μｍ，φ１インチ球のみで黒塗り−６．６２μｍ，鏡面−２．７６μｍとなった。接触型プローブにおける表面被膜と無電解メッキの「標示因子Ｂ：球の着脱」の効果がそれぞれ１．４５μｍ，２．６６μｍと算出された。この結果、保持体１０への装着再現性の誤差と接触型プローブの測定値を標準値としたとき非接触型プローブとの差の大きさが一致した。散乱光の発生を目的に行った表面荒れ性が球中心座標のずれに直接影響している。
非接触型プローブでは感度特性を表す利得が０〜６０ノッチまで設定できる状況において、鏡面６０，黒塗り３０，イオンプレート３４，無電解メッキ１５，基準球１２が適した利得設定であった。利得設定ノッチが小さい設定の方が標準偏差の小さい測定が行える。開発した非接触型プローブ用の測定要素球体Ｇはレーザ変位式で高い利得が得られる。上記の通り、白色のセラミック材質で表面に凹凸を施した基準球に対してレーザ感度の利得を比較した結果、白色セラミック材質の基準球では利得が１２ノッチの場合に、実施例１及び実施例２は１５ノッチが得られ、散乱光の発生を主に設計された基準球と同等の利得となった。
測定要素球体Ｇの着脱再現性を検証した実験の結論を示す。「標示因子Ａ：表面性状」では無電解メッキの場合に保持体１０への球体Ｇの着脱の効果が標準偏差の平均値でφ１／２インチのＺ座標値を除き１μｍ未満となり良好であった。非接触型プローブの感度特性においても白色セラミックス基準球の１２ノッチと同等な１５ノッチの利得を示した。この結果、実施例２に示した無電解ニッケルメッキによる方法が着脱再現性と非接触型プローブの感度特性を両立し、測定要素球体Ｇに適していることが検証された。
次にまた、ボールディメンジョンゲージ装置の実施例の優位性について、比較例と比較して検証した。
図４に示すように、実施例は、千鳥配置したものであり、図１５に示すように、比較例は、並列配置としたものである。
実施例において、図４に示すように、何れか１つの保持体が保持する球体Ｇ（図では右端部の球体Ｇ（１５））の中心（ｘ0，ｙ0）と、他の球体の中心（ｘi，ｙi）との距離Ｍiが、下記の式（１）（２）を満たす関係になるように上記保持体を設けている。
図４に示すように、実施例は、千鳥配置したものであり、図１５に示すように、比較例は、並列配置としたものである。
実施例において、図４に示すように、何れか１つの保持体が保持する球体Ｇ（図では右端部の球体Ｇ（１５））の中心（ｘ0，ｙ0）と、他の球体の中心（ｘi，ｙi）との距離Ｍiが、下記の式（１）（２）を満たす関係になるように上記保持体を設けている。
ａn：球径の異なる球体の種類（ｎ＝１，２，３・・・ｍ）に応じて使い分けられる定数であって、中心（ｘi，ｙi）の球体Ｇにおける球径の大きさに依存する振幅（ｍｍ）
λi：ゲージ片側の中心（ｘi，ｙi）の球体Ｇとこれに隣接する中心（ｘi+1，ｙi+1）の球体Ｇとの球間距離（ｍｍ）
λi：ゲージ片側の中心（ｘi，ｙi）の球体Ｇとこれに隣接する中心（ｘi+1，ｙi+1）の球体Ｇとの球間距離（ｍｍ）
実施例では、上記と同様に、球径の大きさに応じて振幅ａnを代入して式を使い分け、φ１インチ球の場合はａ１＝５４．８ｍｍ，φ１／２インチ球の場合はａ２＝５２．１ｍｍにしている。また、ゲージ本体１の長さは５００ｍｍ，片側の球間隔が３間隔（球体が４個）になっており、λiは、１３０．３６３ｍｍ，１６８．１８１ｍｍ，１５９．２９７ｍｍになっている。
これらの実施例と比較例において、図１６に示す並列配置と千鳥配置の信号間隔の違いを表した表、及び、図１７に示す並列配置と千鳥配置の信号間隔の違いを表したグラフに示されるように、比較例では、入出力関係図のとおり、隣り合う信号間の間隔が非常に狭くスケールの全範囲を適切に評価することができない。特に、バー形状のゲージでは信号の間隔が狭い。
一方、実施例では、球体Ｇを交互にずらし千鳥配置することで信号の間隔を広げることができる。
一方、実施例では、球体Ｇを交互にずらし千鳥配置することで信号の間隔を広げることができる。
即ち、球体Ｇの並列配置の信号間隔は３４ｍｍ，２０ｍｍ，１３ｍｍと狭い場合と、１３４ｍｍ，１１０ｍｍと広い場合に分けられ、３次元座標測定機のスケールを均等に評価できない。一方、千鳥配置の信号間隔は２５ｍｍ，１１１ｍｍ，５７ｍｍ，８３ｍｍ，４８ｍｍとなり信号間隔が均等に配置されている。信号間隔のばらつきの度合いを信号間隔の標準偏差として算出した。並列配置では５６ｍｍに対し千鳥配置では３３ｍｍとなり千鳥配置の場合で信号間隔のばらつきが小さいことが分かる。
即ち、本実施例では、比較例と比較すると信号の間隔が広くなり３次元座標測定機のスケールを均等に評価することができる。
即ち、本実施例では、比較例と比較すると信号の間隔が広くなり３次元座標測定機のスケールを均等に評価することができる。
尚、上記実施の形態において、球体Ｇの数，大きさや隣接する球体Ｇとの間隔は必ずしも上記のものに限定されるものではなく、適宜変更して差支えない。
尚また、保持体１０は、永久磁石１１を内部に備えているが必ずしもこれに限定されるものではなく、保持体１０自体を永久磁石で構成してもよい。
尚また、保持体１０は、永久磁石１１を内部に備えているが必ずしもこれに限定されるものではなく、保持体１０自体を永久磁石で構成してもよい。
１ ゲージ本体
２ 側板
３ ウェブ
Ｇ 球体
Ｇ（ａ） 接触型球体
Ｇ（ｂ） 非接触型球体
１０ 保持体
１１ 永久磁石
１２ 凹部
２０ 支承台
２１ ベース
２２ 支承板
２３ 位置決め部材
２ 側板
３ ウェブ
Ｇ 球体
Ｇ（ａ） 接触型球体
Ｇ（ｂ） 非接触型球体
１０ 保持体
１１ 永久磁石
１２ 凹部
２０ 支承台
２１ ベース
２２ 支承板
２３ 位置決め部材
Claims (10)
- ３次元座標測定機の定盤上に設置されるゲージ本体と、該ゲージ本体に保持される複数の球体と、上記ゲージ本体に付設され上記球体を保持する保持体とを備えて構成され、上記３次元座標測定機の性能評価に用いるためのボールディメンジョンゲージ装置において、
上記ゲージ本体を、長方形状の外側面，該外側面と反対側の内側面，上記外側面及び内側面の長辺に連続する一対の接地面を有した一対の側板と、該両側板の内側面間に一体に架設され該両側板同士を連結するウェブとを備え全体が横断面Ｈ型になるブロック状に形成し、
上記保持体を、上記ゲージ本体の両側板の外側面に夫々長手方向に沿って複数列設したことを特徴とするボールディメンジョンゲージ装置。 - ３次元座標測定機の定盤上に設置されるゲージ本体と、該ゲージ本体に保持される複数の球体とを備えて構成され、上記３次元座標測定機の性能評価に用いるためのボールディメンジョンゲージ装置において、
上記球体を磁着性材料で形成するとともに、上記ゲージ本体に、永久磁石を備えて形成され上記球体を磁着保持する保持体を付設し、
上記ゲージ本体を、長方形状の外側面，該外側面と反対側の内側面，上記外側面及び内側面の長辺に連続する一対の接地面を有した一対の側板と、該両側板の内側面間に一体に架設され該両側板同士を連結するウェブとを備え全体が横断面Ｈ型になる金属製ブロック状に形成し、
上記保持体を、上記ゲージ本体の両側板の外側面に夫々長手方向に沿って複数列設したことを特徴とするボールディメンジョンゲージ装置。 - ３次元座標測定機に設置されるゲージ本体と、該ゲージ本体に保持される複数の球体とを備えて構成され、上記３次元座標測定機の性能評価に用いるためのボールディメンジョンゲージ装置において、
上記球体を磁着性材料で形成するとともに、該球体として、接触型３次元座標測定機に用いられる接触型球体と、非接触型３次元座標測定機に用いられる非接触型球体との二種類の球体を備え、
上記ゲージ本体に、永久磁石を備えて形成され上記接触型球体及び非接触型球体のうちから選択された何れかの球体を磁着保持する保持体を付設し、
上記ゲージ本体を、長方形状の外側面，該外側面と反対側の内側面，上記外側面及び内側面の長辺に連続する一対の接地面を有した一対の側板と、該両側板の内側面間に一体に架設され該両側板同士を連結するウェブとを備え全体が横断面Ｈ型になる金属製ブロック状に形成し、
上記保持体を、上記ゲージ本体の両側板の外側面に夫々長手方向に沿って複数列設したことを特徴とするボールディメンジョンゲージ装置。 - 三角測距方式の原理による波長５００ｎｍ〜７００ｎｍのレーザ変位式プローブで球体の表面を測定したとき、レーザ変位式プローブの利得設置値Ｎ（ノッチ）が、最小出力値０から最大出力値６０を設定可能範囲とした場合に、
上記接触型球体においては、２０＜Ｎの範囲に設定し、
上記非接触型球体においては、Ｎ≦２０の範囲に設定したことを特徴とする請求項３記載のボールディメンジョンゲージ装置。 - 上記接触型球体を、表面が鏡面であり、表面粗さがＲａ０．０１μm以下，真球度が０．０８μｍ以下の磁着性金属のみで形成したことを特徴とする請求項４記載のボールディメンジョンゲージ装置。
- 上記非接触型球体を、表面粗さがＲａ０．０１μm以下，真球度が０．０８μｍ以下の磁着性金属の表面に、ニッケル，クロムのうちの少なくとも一種をメッキ処理して構成したことを特徴とする請求項４または５記載のボールディメンジョンゲージ装置。
- 上記一方の側板の各保持体が保持する球体の列と、上記他方の側板の各保持体が保持する球体の列との位相がずれるように、各保持体を設けたことを特徴とする請求項１乃至６何れかに記載のボールディメンジョンゲージ装置。
- 上記球体の大きさを異ならせたことを特徴とする請求項１乃至７何れかに記載のボールディメンジョンゲージ装置。
- 上記何れか１つの保持体が保持する球体Ｇの中心（ｘ0，ｙ0）と、他の球体の中心（ｘi，ｙi）との距離Ｍiが、下記の式（１）（２）を満たす関係になるように上記保持体を設けたことを特徴とする請求項１乃至８何れかに記載のボールディメンジョンゲージ装置。
λi：ゲージ片側の中心（ｘi，ｙi）の球体Ｇとこれに隣接する中心（ｘi+1，ｙi+1）の球体Ｇとの球間距離（ｍｍ） - 上記３次元座標測定機の定盤に載置され上記ゲージ本体の長手方向が上記３次元座標測定機の定盤面に対して傾斜するように該ゲージ本体の接地面を支承する支承台を備えたことを特徴とする請求項１乃至９何れかに記載のボールディメンジョンゲージ装置。
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