JP6824798B2 - 内径測定装置およびそれを用いた内径測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダ等の中空物の内径を測定する内径測定装置およびそれを用いた内径測定方法に係り、特に工作機械等に取り付けて自動測定するのに好適な内径測定装置およびそれを用いた内径測定方法に関する。

機械加工されたコンポーネントの寸法を正確に検査するためのタッチプローブの例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載のタッチプローブは、引張及び圧縮に感知する複数の圧電素子スタックを備える。複数の圧電素子スタックは、スタイラス支持部材が繰り返し静止位置から変位する前に、スタイラス支持部材に掛かる力を検知する。各圧電素子スタックは、引張及び圧縮に対して最大感度軸を有し、この感度軸はプローブに対して傾斜し、かつ圧電素子スタックの一方の最大感度軸に対して傾斜している。

また、筒状部材に棒状部材を嵌合させる際に、両部材間の相対位置関係が少々不正確でも正確な嵌合が可能なように、挿入側でそのずれを保証して良好な挿入作業を保証することが特許文献２に記載されている。この公報に記載の挿入装置では、部材の端部を把持する把持機構を移動機構に対して、挿入方向に直交する面内で移動可能でかつ揺動可能にフローティング支持するフローティング機構と、把持機構に係合してロックするロック機構とを備える。

さらに、特許文献３には内径測定用のボアゲージを用いて内径を測定する際に、たとえボアゲージの中心軸と円筒穴の中心軸がずれていても、測子を損傷することなく、測子が自動的に円筒穴の中心を通る直線上に位置するよう自動芯出しさせることが開示されている。具体的には、開閉位置が可変なガイド部材の開閉位置を測定内面に接触させない状態にする工程と、ボアゲージの軸を測定内面の中心軸に相対移動する工程と、複数のガイド部材を所定位置まで開閉する工程と、複数のガイド部材を所定量戻す工程を含んでいる。

特開平６−２５８００８号公報 特開平７−９６４２６８号公報 特開平１１−２０１７０４号公報

シリンダ等の中空円筒の内面を測定可能なボアゲージを用いて内径を測定する場合には、ゲージの先端部に周方向にほぼ１８０°間隔を置いて配置された２つの測定子（コンタクタ）を半径方向に伸展させて円筒内面に接触させ、円筒内面の直径を計測している。

このとき、２つの測定子の接触点を含み中心軸に直角な平面内で、２つの接触点のいずれかが中心軸を含む直線から外れると、接触点の情報に基づく円筒内面の内径測定には芯ずれ誤差と呼ばれる誤差が生じる。この芯ずれ誤差は測定誤差の要因となり得るのでその誤差を低減することが望まれている。

上記特許文献３では、この芯ずれ誤差を低減または抑制するために、測定対象穴（円筒内面）の径よりもわずかに小さいガイドを測定器の先端部に配設し、ガイドの中心と複数の測定子の中の２個が同一直線上に位置するようにガイドを配置している。

そしてこの状態で測定対象穴内にガイドごと測定器の先端部を挿入し、物理的に芯ずれが生じないようにしている。そのため、ガイドと測定対象穴の中心がずれないように、ガイドの他にフローティング機構を設ける必要があり、構造が複雑になるとともに部品点数が増加する。またガイドを測定対象の内面よりごく僅かだけ小径に構成して、芯ずれ誤差を生じないようにしている。そのため、測定器と測定対象の内面間の隙間が数十μｍしかなく、隙間が小さ過ぎて測定器を挿入する作業に時間を要する。

一方、特許文献２に記載の嵌合方法では、穴径測定方法ではないけれども、嵌合の際に筒状部材への棒部材の接触をできる限り防止できるよう、フローティング機構を設けている。そのため、フローティング機構の構造が複雑になり小型化が難しく、かつ部品点数が増加し、コスト増や信頼性の低下を招く恐れがある。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑み成されたものであり、その目的は、工作機械や専用機にボアゲージを取り付けて自動で高精度に加工後の穴径を容易に測定可能にすることにある。そして本発明の他の目的は、穴径測定に用いるボアゲージに、フローティング機構のような複雑な位置調整手段を設けることなく、簡単な手段かつ簡単な方法で高精度に加工後の穴径を測定可能にすることである。

上記目的を達成する本発明の特徴は、測定対象穴に当接する複数個の測定子と、該測定子のそれぞれに設けられ該測定子に接続された検出器とを備える内径測定装置において、前記複数個の測定子は、前記内径測定装置の中心軸を通る直線にその中心線が交差し、周方向に１８０°互いに離隔した２個の測定子を含み、前記２個の測定子はそれぞれ前記内径測定装置の中心軸に直交する方向の変位を測定可能であり、前記２個の測定子を測定対象内面内で１８０°回転させたときの前記測定子の変位量から前記内径測定装置の芯ずれ量を求め、この芯ずれ量と９０°ピッチで前記測定子を前記測定対象内面内で回転させた状態での前記測定子の変位量から前記測定対象穴の径を演算する内径測定装置用制御部を備えることにある。

そしてこの特徴において、工作機械に取り付ける取り付け部を上部に有し、下部に前記測定子を配置し、前記取付け部と前記測定子間に、前記内径測定装置の中心軸周りに、前記取付け部に対して前記測定子を含む部分を所定角度回転可能な回転機構を設けてもよく、工作機械に取り付ける取り付け部が上部に、前記測定子が下部にそれぞれ配置されており、工作機械が前記内径測定装置をその取付け軸周りに所定角度だけ回転させるものであってもよい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、測定対象穴に当接可能な複数個の測定子と、該測定子のそれぞれごとに設けられ該測定子に接続された検出器とを備える内径測定装置を用いる内径測定方法において、前記測定対象穴内に前記複数の測定子を挿入したのち、前記複数個の測定子の中でその中心軸が前記内径測定装置の中心軸に交差し、内径測定装置の外周部から１８０°周方向に離隔した位置で外側に延在する２個の測定子を前記測定対象穴に当接させて各測定子の変位量を検出するステップと、前記２個の測定子を前記内径測定装置の中心軸周りに互いに１８０°回転させたときの各測定子の変位量を検出するステップと、これら２回の変位量の検出から前記測定対象穴の中心線と前記内径測定装置の中心線の芯ずれ量を求めるステップと、前記２個の測定子を前記内径測定装置の中心軸周りに９０°または２７０°回転させて前記測定対象穴の見掛けの内径を測定するステップと、前記芯ずれ量と前記見掛けの内径と前記測定子の先端部半径から前記測定対象穴の真の内径を演算するステップを含むことにある。

そしてこの特徴において、前記測定対象穴の測定の前に、内径が既知の穴を有するマスタにより内径を測定して前記内径測定装置の校正をするものであって、前記マスタの内径が既知の前記穴に前記内径測定装置を挿入した後に前記測定子を前記穴に当接させて前記２個の測定子の変位量を測定し、その後前記内径測定装置を９０°ピッチで回転させてその回転ごとに前記測定子の変位を測定し、１８０°回転したもの同士の測定値から、直交する２方向についての、マスタが有する前記穴と前記内径測定装置間の芯ずれ量を求めるステップと、求めた直交する２方向の芯ずれ量を相殺するように前記マスタを移動させるステップと、前記芯ずれ量を相殺した状態で前記測定子を用いて前記マスタの前記穴の内径を測定するステップを含んでもよい。

本発明によれば、従来用いられてきた、ボアゲージが有する測定子の位置調整用のフローティング機構を設けることなく、同一測定断面の測定を繰り返しその結果を演算処理することで、容易かつ高精度並びに自動で円筒部材の内径を測定できる。したがって、工作機械や専用機における加工後のワークの測定工程が促進され、作業効率が向上する。また、穴径測定に用いるボアゲージに、フローティング機構のような複雑な位置調整手段を設ける必要もなくなる。

本発明に係る工作機械の一例を示す正面図である。 図１に示した工作機械に取り付けるボアゲージの一例を示す縦部分断面図（同図（ａ）及び横断面図（同図（ｂ））である。 図２に示したボアゲージの動作を説明する図である。 計測値から内径を演算する方法を説明するための図である。 ボアゲージによる測定を説明する縦断面図である。 ボアゲージによる測定を説明する縦断面図であり、周方向位相を変えた図である。 本発明に係る内径測定方法を説明するための図である。 本発明に係る内径測定方法のフローチャートである。

以下、本発明に係る内径測定装置のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る内径測定装置を組み込んだ工作機械または専用機５０の一実施例の正面図である。基礎１０上に本体１２が固定設置された工作機械５０では、スピンドル部１６にシャンクが取り付けられ、シャンクには本発明に係る内径測定手段であるボアゲージ８０が取り付けられている。

ボアゲージ８０は、本体１２の上部に取り付けられたモータを含むＺ軸駆動手段によりスピンドル部１６とともに上下方向に移動可能になっている。ボアゲージ８０の下方には測定対象のワーク４０が配置されており、ワーク保持手段３６によりＸ−Ｙテーブル３０上に固定保持されている。

Ｘ−Ｙテーブル３０は、本実施例では上側にあるＸ軸テーブル３２がモータを含むＸ軸駆動手段２２により、下側にあるＹ軸テーブル３４がモータを含むＹ軸駆動手段２４により、それぞれＸ方向（本図では左右方向）及びＹ方向（本図では紙面垂直方向）に直線駆動される。したがってボアゲージ８０を取り付けたスピンドル部１６をＺ軸駆動手段２０でＺ方向に、ワーク４０をＸ−Ｙテーブル３０でＸ、Ｙ方向にそれぞれ駆動することにより、ボアゲージ８０とワーク４０の相対位置が位置決めされる。または図示しないが、さらにΘテーブルを備えて、回転移動も可能にする。

ここで、工作機械５０の適宜個所（図では左側上部）に、工作機械５０を制御する制御装置１４が配設されている。制御装置１４は、制御部２６と表示部２８を備え、制御部２６は工作機械５０の始動／停止やワーク４０とボアゲージ８０の相対位置決め等を制御する。

表示部２８は、ワーク４０に対するボアゲージ８０の中心の相対位置等を表示する。制御部２６は、後述するボアゲージ８０の測定に関する制御を実行する内径測定装置用制御部７０を含み、この内径測定装置用制御部７０とボアゲージ８０とが組み合わされて内径測定装置１００を構成する。

次に、図１に示した工作機械５０で使用するボアゲージ８０の一例を、図２に示す。図２（ａ）は、ボアゲージ８０の一部断面正面図であり、上部を省略した図である。図２（ｂ）は同図（ａ）におけるＩＩ−ＩＩ線断面視図である。

このボアゲージ８０は、内径測定用である。図２（ａ）では、左側の部分のみを断面図で示しているが右側の部分も同様であるので、右側の部分については説明を省略する。したがって、右側の部分については、左側の部品の説明における各部品の添え字ａをｂに置き換えればよい。

ボアゲージ８０は、測定対象であるワーク４０の穴または中空部４２の内径に応じた径を有し、下側に長く延びる測定部７８と、測定部７８の上方に位置し測定部７８よりは大径の検出部７９を備える。測定用アーム８２ａがボアゲージ８０の軸に沿って下方に長く延びており、大径の検出部７９に配設された支点８３ａで回動可能に支持されている。

測定用アーム８２ａの一方の先端部近傍には、円柱形であってその先端が半球面状に形成された測定子（コンタクタ）８１ａが、測定子８１ａの軸が測定用アーム８２ａの延在方向に対して直角になるように、取り付けられている。ただし、ボアゲージ８０の中心軸に直交する方向の変位が測定できるのであれば、斜めに取り付けてもよい。測定用アーム８２ａの他端側は検出用腕８４ａとなっており、検出用腕８４ａは測定子８１ａの変位を拡大するために、測定用アーム８２ａの軸線方向にほぼ直角な方向に延びている。

検出用腕８４ａのほぼ先端に対向しかつ上方に、変位部材８５ａを先端部に有するリニアセンサ等の変位検出器８６ａが配設されている。検出用腕８４ａの支点８３ａ部の上方には、支柱９３ａが配設されている。支柱９３ａは、ボアゲージ８０の検出部７９の外形を構成するベース８７の横方向に延びる円板部８７ｅの下面側に設けた支柱９４ａに、ばね８８を介して接続されている。

ここで、ベース８７は外周円筒部８７ｓとこの円筒部８７ｓの上面を覆う上記円板部８７ｅとを有しており、円板部８７ｅの下面には、支柱９４ａの一端部の他に変位検出器８６ａが取り付けられている。

ベース８７の下方には、測定用アーム８２ａを保護するために、下端部近傍に周方向１８０°ピッチで２個の穴が形成された段付き円筒状の保護部材９２が配設されている。

保護部材９２の上部の大径部である検出部７９の外径は、ほぼベース８７の外径に一致し、下部の小径部である測定部７８の外径は、測定用アーム８２ａ、８２ｂが保護部材９２内で動けるよう、２個の測定用アーム８２ａ、８２ｂの厚さ（軸方向に直角方向の長さ）の和よりも大きな径となっている。そして下端部近傍に形成した上記穴の一方には測定用アーム８２ａに取り付けた測定子８１ａが抵抗なく嵌合し、他方には測定子８１ｂが抵抗なく嵌合する。

このように構成したボアゲージ８０を用いたワーク４０の穴４２の内径測定では、従来、保護部材９２に対応するガイド部材を測定対象穴または中空部４２に、図１に示したＸ−Ｙテーブル３０やΘテーブルを駆動して、精密に位置決めしていた。そして精密な位置決め後にガイド部材をワーク４０の穴４２内へ挿入し、穴４２内の所定深さまでガイド部材を挿入したら、測定子８１ａ、８１ｂを穴４２に当接させる。このとき、検出用腕８４ａに当接していて、検出用腕８４ａに対向配置された検出器８６ａの変位部材８５ａは、検出用腕８４ａが支点８３ａを中心に回動したので、上側に変位する。

このように、測定子８１ａ、８１ｂがワーク４０の穴４２の内面に当接すると、検出器８６ａは、測定子８１ａの変位に応じた信号を穴４２の内径として出力する。このとき、測定用アーム８２ａは支点８３ａを中心にして回動するので、検出用腕８４ａ上に配設された支柱９３ａに取り付けたばね８８は、伸ばされた状態になる。

一方、穴４２の内径測定が終了して、ボアゲージ８０が穴４２から取り出されると、支柱９３ａと支柱９４ａ間のばね８８が初期状態へ収縮し、測定子８１ａを初期位置へ戻す。ここで、ボアゲージ８０のガイド部材の外径は、測定穴４２の穴径よりもわずかに小さいだけなので、ガイド部材が穴４２に挿入された時点で、ボアゲージの中心軸と測定穴４２の中心軸はほぼ一致しており、ボアゲージ８０の中心軸と測定穴４２の中心軸の芯ずれ誤差が抑制される。

これに対し本発明の測定方法では、保護部材９２を用いた測定穴４２へのボアゲージ８０の中心位置決めを不要としながら、図２に示したと同様の構造のボアゲージ８０を用いて内径測定を可能にする。つまり本方法では、図２に示した測定用アーム８２ａ、８２ｂに取り付けた測定子８１ａ、８１ｂを、初期状態では保護部材９２から最も突き出た状態に設定する。

そして、測定穴４２の壁面に測定子８１ａ、８１ｂが接触した状態で、保護部材９２の内側に測定子８１ａ、８１ｂが移動するように、ばね８８および変位検出器８６ａ、変位部材８５ａの押圧関係を調整する。これにより、ボアゲージ８０の保護部材９２の外径をもはや測定穴４２の外径に近づける必要がなく、保護部材９２を測定対象の穴４２の径に比べて非常に小さく設定でき、保護部材９２の外径と穴４２の間にわずかな隙間しかない状態から広い隙間のある状態まで、広範な測定穴４２の穴径範囲を計測できる。

図３ないし図６を用いて、本発明に係る内径測定方法の詳細を説明する。図５は、図２（ｂ）と同様の図であり、説明のために図２（ｂ）を模式化した図である。図４は、ワーク４０とボアゲージ８０が有する測定子８１ａ（８１ｂ）の関係を説明するための図であり、軸直角断面における図である。図５及び図６は、ボアゲージ８０とワーク４０の穴４２の関係を説明するための模式図であり、ワーク４０を縦断面で示した図である。

図３において、ボアゲージ８０の中心軸４５から放射方向に２個の測定子８１ａ、８１ｂが延在している。２個の測定子８１ａ、８１ｂが測定対象穴４２の内面に接触するときの接触点８１ｃ、８１ｄを結ぶ線８１ｘは、２個の測定子８１ａ、８１ｂの中心線の延長線であり、ボアゲージ８０の回転中心軸４５またはスピンドル部１６の回転軸を通る線になっている。

そして外力が加わらない初期状態では、その接触点８１ｃ、８１ｄ間の距離はｍ_０であり、測定対象穴４２の内壁に当接したときの測定距離はｍになっている。ここで、測定子８１ａ、８１ｂは保護部材９２の外径ｍ_２程度まで内側に変位可能であるので、穴４２の内径がほぼｍ_０〜ｍ_２の範囲にある内径測定が可能になる。

このように構成したボアゲージ８０を図１に示したような工作機械５０に設置する。ボアゲージ８０の保護部材９２または測定子８１ａ、８１ｂをワーク４０の測定穴４２に挿入できる程度まで、ボアゲージ８０とワーク４０の相対位置をＸ−Ｙテーブル３０やΘテーブルを用いて粗調整する。その後、ボアゲージ８０を下降させてワーク４０の測定穴４２に保護部材９２と測定子８１ａ、８１ｂからなる測定部を挿入する。

このときボアゲージ８０の中心軸４５と測定穴４２の中心軸４３は、一般的には一致せず芯ずれ状態にある。なお保護部材９２と測定子８１ａ、８１ｂからなるボアゲージ８０の測定部自体は測定対象穴４２内に挿入されているので、上記芯ずれ量は測定範囲内にある。ボアゲージ８０の測定子８１ａ、８１ｂを、スピンドル部１６を用いて測定位置である所定高さに位置決めし、測定子８１ａ、８１ｂのそれぞれの初期位置からの変位量を計測する。

すなわちボアゲージ８０の測定部とワーク４０の穴４２が図５に示すような位置関係にあるときに、ボアゲージ８０を測定高さ位置まで降下させる。そのとき一方の測定子または第１の測定子８１ａは変位量Ａ_１だけ所定位置（または解放長）から変位して測定穴４２の内径測定面４１である内壁に接触点８１ｃで当接する。

保護部材９２の周方向に１８０°位相を変えた他方の測定子または第２の測定子８１ｂは、同様に所定位置（または解放長）から変位量Ａ_２だけ変位して測定穴４２の内径測定面４１の他の位置に接触点８１ｄで当接する。この時のボアゲージ８０の中心線４５とワーク４０の測定穴４２の中心線４３の芯ずれ量はε_１である。

次に、他の関係はすべて上記測定と同じにして、工作機械５０が備えるボアゲージ８０に設けた図示しない回転機構（θ方向駆動機構）を用いて、ボアゲージ８０だけ１８０°回転させる。そして図５に示したのと同様の計測を実施する。すなわち、図６に示すように、第１の測定子８１ａは変位量Ｂ_１だけ所定位置（または解放長）から変位して測定穴４２の内壁に接触点８１ｃで当接する。

保護部材９２の周方向に１８０°位相を変えた第２の測定子８１ｂは、同様に所定位置（または解放長）から変位量Ｂ_２だけ変位して測定穴４２の内径測定面４１の他の位置に接触点８１ｄで当接する。この時のボアゲージ８０の中心線４５とワーク４０の測定穴４２の中心線４３の芯ずれ量はε_２である。

ここで、ボアゲージ８０を１８０°回転させているだけなので、前後２回の第１の測定子８１ａと第２の測定子８１ｂの変位量Ａ_１〜Ｂ_２の計測では、ボアゲージ８０の中心線４５と測定穴４２の中心４３の相対位置は変化しない。したがって、前後２回の測定における測定方向の芯ずれ量ε_１とε_２は同じ値である。

一般的に、第１、第２の測定子８１ａ、８１ｂが厳密に同一には製作及び組み立てられてはいないので、その個体差を相殺する必要がある。そこで、それぞれの測定子８１ａ、８１ｂについて、前後の測定値Ａ_１〜Ｂ_２の差を求め、その差を用いてボアゲージ８０の中心線４５と穴４２の中心線４３の芯ずれ量を求める。すなわち、計測方向の芯ずれ量ε_Ｘは、ε_Ｘ＝｛（Ｂ_１−Ａ_１）／２＋（Ｂ_２−Ａ_２）／２｝／２となる。

次に、ボアゲージ８０に設けた図示しない回転機構を用いて、ボアゲージを９０°および２７０°回転させて、前回測定方向（Ｘ方向とする）に直角な方向（Ｙ方向とする）の芯ずれ量を測定する。第１、第２の測定子８１ａ、８１ｂによるＹ方向の測定値をＡ_３〜Ｂ_４とすると、Ｙ方向の芯ずれ量ε_ｙは、Ｘ方向と同様にして、ε_ｙ＝｛（Ｂ_３−Ａ_３）／２＋（Ｂ_４−Ａ_４）／２｝／２で求められる。以上の演算は工作機械５０の制御装置１４に設けた内径測定装置用制御部７０が実行する。これらの演算は、工作機械５０の制御装置１４が備える内径測定装置用制御部７０で実行されるが、この演算を実行する制御部は、工作機械５０と独立に設けても同様に実行できる。

このように、第１、第２の測定子８１ａ、８１ｂ、すなわち測定子の中心線８１ｘとボアゲージ８０の中心線４５を同一直線上に配置した（図３参照）ので、ボアゲージ８０の中心線４５と穴４２の中心線４３のずれ量は、穴４２の中心線４３と第１、第２の測定子８１ａ、８１ｂの芯ずれ量ε_ｘ、ε_ｙと同じになる。

したがって、ボアゲージ８０を９０°ごとに回転させて第１、第２の測定子８１ａ、８１ｂの変位量を求めるだけで、ボアゲージ８０の中心線４５と穴４２の中心線４３の相対位置ずれ量を、直交する２方向について簡単に求めることができる。

この直交する２方向についての芯ずれ量ε_ｘ、ε_ｙは、工作機械５０が備える制御装置１４に格納される。工作機械５０のＸ−Ｙテーブル３０により、芯ずれ量ε_ｘ、ε_ｙを相殺するようにボアゲージ８０を移動させて、再度、内径測定を実行することもできる。

次に、工作機械のＸ−Ｙテーブル３０により芯ずれ量ε_ｘ、ε_ｙを補正せずに穴４２の内径測定を続行する場合について、図４を用いて説明する。第１、第２の測定子８１ａ、８１ｂの測定値Ａ_１〜Ｂ_２を用いて、測定穴４２の内径を求め方法である。

説明の便のために、Ｘ方向にだけずれている場合について説明する。Ｙ方向にもずれている場合は、第１、第２の測定子８１ａ、８１ｂのＹ方向の測定値Ａ_３〜Ｂ_４を用いて同様の演算を制御装置１４が備える内径測定装置用制御部７０が実行する。

芯ずれがない状態では、第１、第２の測定子８１ａ、８１ｂがワーク４０の測定穴４２に点８１ｃ、８１ｄで当接している。この状態をＰとする。一方、実際にはボアゲージ８０はＸ方向に芯ずれして測定穴４２の内面に当接している。

この状態をＱとする。Ｑの状態におけるＸ方向の芯ずれ量は、上記芯ずれ量測定の結果ε_ｘであり、その時ボアゲージ８０の第１、第２の測定子８１ａ、８１ｂにより計測されたワーク４０の直径はｍ_ｙである。ここで、第１、第２の測定子８１ａ、８１ｂは、先端部が半球状の球状部８１ｅと球状部８１ｅに続いて軸方向に延びる円柱部８１ｆを有している。

真のワーク内径をφＤ＝２Ｒ、第１の測定子８１ａの球状部８１ｅの半径をｒとすると、測定穴４２の中心から第１の測定子８１ａの球状部中心までのＹ方向長さＬ_１は、Ｌ_１ ^２＝(Ｒ−ｒ)^２−ε_ｘ ^２となる。

ここでボアゲージ８０が測定した測定穴４２の内径はｍ_ｙであり、測定穴４２の真の半径はＲであるから、芯ずれによる測定誤差Ｌ_２は、その差分であり、Ｌ_２＝Ｒ−ｍ_ｙ／２となる。測定穴４２の測定値ｍ_ｙはボアゲージ８０の第１の測定子８１ａの球状部８１ｅの半径ｒと上記Ｌ_１を用いて幾何学的関係から、ｍ_ｙ／２＝Ｌ_１＋ｒと表される。

これらの関係から、測定穴４２の真の半径Ｒは、
Ｒ＝Ｌ_２＋ｍ_ｙ／２＝（Ｒ−ｒ）−ＳＱＲＴ（（Ｒ−ｒ）^２−ε_ｘ ^２）＋ｍ_ｙ／２となり、
Ｒ＝ＳＱＲＴ（（ｍ_ｙ／２−ｒ）^２＋ε_ｘ ^２）＋ｒ、Ｄ＝２Ｒ
が得られる。ここでＳＱＲＴ（ ）は、平方根を示す。

したがって、測定穴４２の測定値ｍ_ｙとＸ方向芯ずれ量ε_ｘと第１の測定子８１ａの先端の球状部８１ｅの半径ｒが既知であれば、測定穴４２の真の半径Ｒおよび直径Ｄが求められる。Ｙ方向のずれ量ε_ｙから測定穴４２の真の穴径を求めるときは、同様にして測定穴４２のＸ方向の内径測定値ｍ_ｘを用いればよい。

これらの演算は、工作機械５０の制御装置１４が備える内径測定装置用制御部７０で実行されるが、この演算を実行する制御部は、工作機械５０と独立に設けても同様に実行できる。

次に上記ボアゲージ８０を工作機械５０の一つであるマシニングセンタに取り付けて、ワーク４０の測定穴４２を連続的に測定する方法を、図７に示したマシニングセンタの測定部５８の斜視図および図８に示したフローチャートを用いて説明する。図７に示すように、測定部５８では、１個のマスタ５４がマスタ保持具５２を介してマシニングセンタが備えるΘテーブル５６の上面に取り付けられている。Θテーブル５６の外周部近傍であって上面には、複数のワーク４０もワーク保持手段３６を介して取り付けられている。

Θテーブル５６は、鉛直軸であるＺ軸周りに（Θ方向に）回転可能であり、各ワーク４０はΘテーブル５６の回転中心からほぼ等距離の位置に保持されている。マスタ５４には、内径が既知の穴５５が形成されている。図示を省略したが、Θテーブル５６の下方にはＸ−Ｙテーブル３０が配置されており、Θテーブル５６の位置決め、すなわちマスタ５４とワーク４０の位置決めに使用される。

ボアゲージ８０はインクリメンタル式の検出器８６ａ、８６ｂを有し、ボアゲージ８０の中心軸４５に対して対称配置された２個の測定子８１ａ、８１ｂはそれぞれ基準位置からの変位を測定可能である。また、ボアゲージ８０を取り付けたスピンドル部１６周りに、すなわちθ方向にボアゲージ８０は回転可能になっており、特に９０°ピッチでの回転が可能なように、図示しない回転補助手段がボアゲージ８０または工作機械５０に備えられている。

図８を参照して、上記構成の内径測定装置を用いた内径測定方法を説明する。ボアゲージ８０を用いてワーク４０に形成された穴４２の内径を測定する場合には、初めにマスタ５４を用いてボアゲージ８０が備える測定子８１ａ、８１ｂに接続された検出器８６ａ、８６ｂのそれぞれの基準点を設定する。

そのため、工作機械５０のスピンドル部１６にボアゲージ８０を取り付けた後、ステップＳ８１０において、工作機械のＸ−Ｙテーブル３０およびΘテーブル５６を駆動して、ボアゲージ８０の真下の位置にマスタ５４を移動させる。ここで、従来とは異なり、ボアゲージ８０の中心線４５とマスタ５４の中心線５７は、完全には一致しておらず、芯ずれが生じている。

この状態で、マスタ５４の内径が既知の穴５５内にボアゲージ８０の測定子８１ａ、８１ｂの部分を挿入する。マスタ５４内にボアゲージ８０の測定子８１ａ、８１ｂが挿入されていて、まだ穴５５の内壁に当接していなければ、測定子８１ａ、８１ｂをばね８８の力でその軸方向に伸展させ、穴５５の内壁に測定子８１ａ、８１ｂを当接させる。この時の測定子８１ａ、８１ｂの測定値からの変位量Ａ_１、Ａ_２を測定する。

次に、ボアゲージ８０をスピンドル部１６軸周りにθ方向に１８０°回転、すなわち反転させる。そして測定子８１ａ、８１ｂの先に用いたのと同じ基準点からの変位量Ｂ_１、Ｂ_２を測定する。同様にボアゲージ８０をθ方向に、９０°および２７０°回転させた位置で測定子８１ａ、８１ｂの変位量Ａ_３、Ａ_４、Ｂ_３、Ｂ_４を測定する（ステップＳ８２０）。

測定された測定子８１ａ、８１ｂの変位量Ａ_１、Ａ_２、Ｂ_１、Ｂ_２から、工作機械５０の制御装置１４に設けた内径測定装置用制御部７０が、仮にＸ方向とする方向の、マスタ５４の穴５５の中心軸５７とボアゲージ８０の中心線４５との芯ずれ量ε_ｘ０を演算する。

同様に、測定子８１ａ、８１ｂの変位量Ａ_３、Ａ_４、Ｂ_３、Ｂ_４から内径測定装置用制御部７０が、Ｘ方向に直交するＹ方向の、マスタ５４の穴５５の中心軸５７とボアゲージ８０の中心線４５との芯ずれ量ε_ｙ０を演算する（ステップＳ８３０）。

工作機械５０の制御装置１４が、Ｘ−Ｙテーブル３０を用いて演算された芯ずれ量ε_ｘ０、ε_ｙ０だけマスタの位置を移動させ、ボアゲージ８０の中心線４５とマスタ５４の中心軸５７の芯ずれを相殺した状態に位置決めする（ステップＳ８４０）。ボアゲージ８０が完全に芯ずれが無い状態に位置決めされているので、この座標を工作機械５０の制御装置１４に記憶させる。それとともに測定子８１ａ、８１ｂをマスタ５４の穴５５に当接させ、各測定子８１ａ、８１ｂに連結された検出器８６ａ、８６ｂの読みから穴径ｍ_ｙ０を得る。

ここで、マスタ５４の穴５５の内径ｍ_ｙ０は既知であるから、各検出器８６ａ、８６ｂの絶対値、すなわち測定のための基準点（０点）を設定できる（ステップＳ８５０）。この時の変位量の基準点は、測定子８１ａ、８１ｂの最大解放点等、任意に選ぶことができる。例えば内径５０ｍｍを示すのは検出器８６ａの出力が２３の時であり、検出器８６ｂの出力が１８５であるというように検出器８６ａ、８６ｂを校正できる。なお、実際の検出器８６ａ、８６ｂの校正では、測定子８１ａ、８１ｂの外径方向の変位と検出器８６ａ、８６ｂの測定値の変位が合うように感度を補正しておく。この感度補正をすることにより、基準径が異なる場合（例えばφ５０とφ５２の穴）にも容易に内径測定が可能になる。この操作はインクリメンタル式の検出器８６ａ、８６ｂを使用する場合に必須であるが、アブソリュート式の検出器８６ａ、８６ｂを用いる場合には、必ずしも必要ではない。

次にＸ−Ｙテーブル３０およびΘテーブル５６を駆動して、ボアゲージ８０の中心軸４５近傍にワーク４０を移動させる（ステップＳ８６０）。その際、ボアゲージ８０とワーク４０の相対位置は、ボアゲージ８０の測定子８１ａ、８１ｂをワーク４０内に形成される穴４２内に挿入できるところであればよく、特に一致させる必要はない。

ワーク４０の芯ずれ量ε_ｘを測定するため、ワーク４０の測定穴４２内に測定子８１ａ、８１ｂを当接させ、各測定子８１ａ、８１ｂの変位量Ａ_１、Ａ_２を測定し、次いで１８０°ボアゲージ８０を反転させて測定子８１ａ、８１ｂの変位量Ｂ_１、Ｂ_２を測定する（ステップＳ８７０）。内径測定装置用制御部７０は、得られた変位量Ａ_１〜Ｂ_２を用いて、ワーク４０の仮にＸ方向とする方向の芯ずれ量ε_ｘを演算する（ステップＳ８８０）。

次にボアゲージ８０をθ方向に９０°または２７０°回転させ、ワーク４０の測定穴４２を測定し、見掛けの内径ｍ_ｙを得る（ステップＳ８９０）。上述したようにこの時点で得られた内径ｍ_ｙは、Ｘ方向の芯ずれ量ε_ｘのため真の内径φＤより小さくなっている。

そこで、内径測定装置用制御部７０が、見掛けの内径ｍ_ｙを上述式のように補正演算し、記憶する（ステップＳ９００）。他に測定対象ワークがあればステップＳ８６０に戻り、ステップＳ９００までを繰り返す。測定対象のワーク４０が無ければ、一連の測定を終了する（Ｓ９１０）。

なお、測定対象の内径が異なったワークについて連続的に計測する場合や、測定するワーク数が規定数を超えた場合には、マスタを用いてボアゲージを校正することが望ましい。その場合には、工作機械５０の制御装置１４にマスタ５４の位置が記憶されているので、記憶されたマスタの位置にマスタ５４を戻すことで、マスタ５４とボアゲージ８０の芯ずれが無いか極力低減した位置を再現できるので、作業効率を向上できる。

上記実施例においては、ボアゲージ８０の９０°ピッチでの回転、または１８０°回転を、ボアゲージ８０に設けた回転機構で実行しているが、上述したとおり工作機械の機能を使用してもよい。工作機械の機能を使用してスピンドル部１６を回転させる場合は、ボアゲージを回転させるように工作機械を制御する制御装置をボアゲージ８０側かあるいは工作機械側に設けることができる。

ボアゲージ側に設ける場合には、ボアゲージ８０のシャンク取付け部と検出器９１の間に回転機構を設けることで実現できる。回転機構としては、例えば、外周部に９０°ピッチで半球状の凹部を形成し、その凹部に嵌合する球状の突起が内周面に形成された円筒を組み合わせる。

また上記実施例では、ボアゲージ８０が保護部材９２を有しているが、保護部材９２は必須ではない。本発明では従来のボアゲージと異なり、芯ずれした状態で測定を実行できるので、芯ずれを許容しない従来のボアゲージで必須となっているガイド部材のガイドがなくともボアゲージの測定子を測定穴内に挿入することが可能である。

ただし、測定子の挿入の際に、ワークの内面に測定子先端部が衝突的に接触して測定子や測定用アームが損傷するのを防止するために、挿入時に測定子を保護部材内部にまたは保護部材側へ引き込むようにするのが良い。

さらに上記実施例では、ばねの解放状態で測定子が最大径位置にあり、測定のために測定穴内で測定子を引き込んだり伸展させたりしているが、解放状態でばねが最短でボアゲージ内に設けた可動機構で測定子を最大径から当接位置まで伸展させるようにしてもよい。その他、測定子は測定穴に対して可動であればよく、測定子の可動機構は実施例に限定されるものではない。

また上記実施例では測定子２個の場合について説明したが、測定子が４個や６個等の複数個であってもよい。ただし、小径穴の内径測定の場合には、測定子が多いと穴への挿入が困難になるので、２個または４個が適切である。４個の場合には１回の１８０°回転、すなわち２回の測定でＸ方向とＹ方向の双方の芯ずれを簡単に求めることができる利点もある。

１０…基礎、１２…本体、１４…制御装置、１６…スピンドル部（シャンク）、２０…Ｚ軸駆動手段、２２…Ｘ軸駆動手段、２４…Ｙ軸駆動手段、２６…制御部、２８…表示部、３０…Ｘ−Ｙテーブル、３２…Ｘ軸テーブル、３４…Ｙ軸テーブル、３６…ワーク保持手段、４０…ワーク（測定対象）、４１…ワーク内径測定面、４２…穴、４３…ワーク中心線（軸）、４５…ボアゲージ中心線（軸）、５０…工作機械（専用機）、５２…マスタ保持具、５４…マスタ、５５…穴、５６…Θテーブル、５７…マスタ中心線（軸）、５８…測定部、７０…内径測定装置用制御部、７８…測定部、７９…検出部、８０、８０ｃ、８０ｅ…ボアゲージ（内径測定手段）、８１ａ、８１ｂ…測定子（コンタクタ）、８１ｃ、８１ｄ…接触点、８１ｅ…球状部、８１ｆ…円柱部、８１ｘ…測定子中心線、８２ａ、８２ｂ…測定用アーム、８３ａ…支点、８４ａ…検出用腕、８５ａ…変位部材、８６ａ、８６ｂ…検出器、８７…ベース、８７ｅ…円板部、８７ｓ…円筒部、８８…ばね、９１…変位検出器、９２…保護部材、９３ａ、９４ａ…支柱、１００…内径測定装置、Ａ_１〜Ｂ_２…測定子変位量、Ｄ…ワーク直径、Ｌ_２…芯ずれ誤差、ｍ_０…初期長さ、ｍ、ｍ_ｙ…測定長さ、ｍ_２…ガイド部材外径、Ｐ…ボアゲージの芯ずれがない状態、Ｑ…ボアゲージの芯ずれがある状態、ｒ…球状部半径、Ｒ…ワーク内半径、ε１、ε２、ε_ｘ…芯ずれ量

Claims (5)

1. 測定対象穴に当接する複数個の測定子と、該測定子のそれぞれに設けられ該測定子に接続された検出器とを備える内径測定装置において、
   前記複数個の測定子は、前記内径測定装置の中心軸を通る直線にその中心線が交差し、
   周方向に１８０°互いに離隔した２個の測定子を含み、
   前記２個の測定子はそれぞれ前記内径測定装置の中心軸に直交する方向の変位を測定可能であり、
   前記２個の測定子を測定対象穴内で１８０°回転させたときの前記測定子の変位量から前記内径測定装置の芯ずれ量を求め、
   この芯ずれ量と９０°ピッチで前記測定子を前記測定対象穴内で回転させた状態での前記測定子の変位量から前記測定対象穴の径を演算する内径測定装置用制御部を備えることを特徴とする内径測定装置。
2. 工作機械に取り付ける取り付け部を上部に有し、前記測定子を下部に配置し、前記取付け部と前記測定子間に、前記内径測定装置の中心軸周りに、前記取付け部に対して前記測定子を含む部分を所定角度回転可能な回転機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載の内径測定装置。
3. 工作機械に取り付ける取り付け部が上部に、前記測定子が下部に配置されており、前記内径測定装置をその取付け軸周りに所定角度だけ回転させる工作機械の制御装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載の内径測定装置。
4. 測定対象穴に当接可能な複数個の測定子と、該測定子のそれぞれに設けられ該測定子に接続された検出器とを備える内径測定装置を用いる内径測定方法において、
   前記測定対象穴内に前記複数の測定子を挿入したのち、前記複数個の測定子の中でその中心軸が前記内径測定装置の中心軸に交差し、内径測定装置の外周部から１８０°周方向に離隔した位置で外側に延在する２個の測定子を前記測定対象穴に当接させて各測定子の変位量を検出するステップと、
   前記２個の測定子を前記内径測定装置の中心軸周りに互いに１８０°回転させたときの各測定子の変位量を検出するステップと、
   これら２回の変位量の検出から前記測定対象穴の中心線と前記内径測定装置の中心線の芯ずれ量を求めるステップと、
   前記２個の測定子を前記内径測定装置の中心軸周りに９０°または２７０°回転させて前記測定対象穴の見掛けの内径を測定するステップと、
   前記芯ずれ量と前記見掛けの内径と前記測定子の先端部半径から前記測定対象穴の真の内径を演算するステップと、
   を含むことを特徴とする内径測定方法。
5. 前記測定対象穴の測定の前に、内径が既知の穴を有するマスタを用いて内径を測定して前記内径測定装置を校正することを含む内径測定方法であって、
   既知の前記穴に前記内径測定装置を挿入した後に、前記測定子を前記穴に当接させて前記２個の測定子の変位量を測定し、その後前記内径測定装置を９０°ピッチで回転させてその回転ごとに前記測定子の変位を測定し、１８０°回転したもの同士の測定値から、直交する２方向についての、マスタが有する前記穴と前記内径測定装置間の芯ずれ量を求めるステップと、
   求めた直交する２方向の芯ずれ量を相殺するように前記マスタを移動させるステップと、
   前記芯ずれ量を相殺した状態で前記測定子を用いて前記マスタの前記穴の内径を測定するステップと
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の内径測定方法。