JP7077098B2

JP7077098B2 - 内径測定装置およびそれを用いた測定方法

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Publication number: JP7077098B2
Application number: JP2018062233A
Authority: JP
Inventors: 幸夫池村
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2022-05-30
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: JP2019174263A

Description

本発明は、円筒等の内径を測定する内径測定装置及びそれを用いた測定方法に係り、特に測定時に測定対象に内径測定装置を精密に位置決めするこが不要な内径測定装置およびそれを用いた測定方法に関する。

断面が円形の内周面を持つ、ワークまたは被測定物の内径を正確に測定するために、従来３次元測定器が用いられている。ワークの内面形状が円形であることが保証されていれば、３次元測定器は最も正確に測定できる測定方法の一つである。しかし、専用の測定ブースを必要とするとともに、測定のための準備工程を多く要し、さらに測定熟練度を必要とするため、結果として作業効率を低下させる。そのため大量生産品の全品検査等には不適であり、大量生産品の検品測定では、加工機等にも取付け可能な専用の測定装置が提案されている。

特許文献１には、ワークの内径を測定する内径測定器が開示されている。この公報に記載の内径測定器では、内径の異なるワークであっても１つの測定器で対応可能なように、測定器のヘッドを４個の可変ガイドで構成し、ヘッドの周壁を各可変ガイドの先端部構成部材で円筒状に形成するとともに、各可変ガイド基端の角部を測定器本体の中心部に配置している。そして、各可変ガイドの延出部を、固定部材と固定プレート間に移動自在に保持し、各可変ガイドを独立して半径方向に移動自在とし、固定プレート裏面のブラケットにマイクロメータを設け、スピンドルを中心線に沿って移動自在にしている。さらに、スピンドル先端にテーパピンが設けられ、テーパピンのテーパ面を可変ガイド基端の凹部角に当接させてテーパピンで可変ガイドを半径方向に移動させている。

被測定物の内径を測定する他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の寸法測定器では、１組の測定用アームの一端に測子を設けて直径を測定する測定器が、位置可変である複数のガイド部材を備えている。ガイド部材は、寸法測定器の軸に対して弾性で変位可能で、力を加えないときの開閉位置が可変である。寸法測定器は、さらに軸に垂直な方向に変位保持するフローティング手段を備える。ガイド部材の開閉位置を円筒面に接触しない状態にし、その後円筒面の中心軸上に寸法測定器の軸を相対移動させ、さらに複数のガイド部材を所定位置まで開閉して被測定物の内径を計測している。

従来の内径測定装置のさらに他の例が、特許文献３に記載されている。この公報に記載の寸法測定器では、自動芯出し機構を有して広範囲の内径に対応可能にしている。具体的には、支点で回転可能に支持された複数組のアームと、複数組のアームの一端に設けられた測子と、測子が設けられたアームの他端の変位を検出する変位検出手段と、開閉する方向に複数組のアームを同時付勢するとともに測子が設けられたアームのみ付勢を解除することが可能な付勢手段と、付勢が解除された測子が設けられたアームを所定の圧力で付勢する測定付勢手段を、寸法測定器が備える。そしてガイド部材の一部を測定アームとして利用している。

特開２００５－１０６６９５号公報特開平１１－２０１７０４号公報特開２０００－１８９３９号公報

大量生産品であるワークの内径を専用の計測装置で測定する場合、正確さを損なわずに測定する一例では、測定場所に予め計測装置を配置し、測定対象のワークの外径よりわずかに大きい外径の筒状物をこの計測装置に対して固定配置する。そして、筒状物をガイドにしてワークを挿入または嵌合し、測定位置に達したら測定子を半径方向に延ばして測定する。その場合、ワーク内径とガイドとの片側隙間として、例えば１５～３０μｍ程度を許容している。

この方法を手動で実行するときは、ワークをガイドに挿入する前にワークをほぼガイドの穴中心に位置決めさせなければならずその位置決めに相当の時間を費やす。また自動機等を用いてワークの位置決めを実行しようとすると、測定位置への搬入及び測定位置からの搬出用の搬送装置、フローティング機構、リリービング機構等の位置決め用の高精度かつ複雑な装置が必要になってくる。

一方、上記特許文献１に記載の内径測定器では、異なる内径の測定に対する対応が考慮されているものの、内径を高精度に測定することについては十分には考慮されていない。すなわち、ワークの測定位置へ測定子を導くために、４分割形状の可変ガイドをテーパピンで半径方向に移動させている。しかしながら、サブミクロン程度までの精密な測定をしようとすると、中心線Ｃに垂直な断面において中心線Ｃを含む直線上に１対の測定子の接触位置が位置決めされるように４分割された可変ガイドを移動させる必要が生じる。移動する各可変ガイドと静止部材間の摩擦の違い等により、必ずしも中心線Ｃを含む直線上に１対の測定子の接触位置が位置決めされるとは限らない。中心線を含む直線上に１対の測定子の接触位置が位置決めされないと、測定子間を結ぶ直線が中心線からずれている分だけ誤差が確実に生じる。

また異なる内径の測定が可能であるので、大径のワークの測定時には可変ガイドの半径方向移動量も大きくなり、測定器の中心線Ｃ自体が傾いて測定子が接触する点を含む断面が楕円形状に変化する恐れもある。このような事態が生じると、断面において中心線を含む直線上に１対の測定子の接触位置が位置決めされていても、１対の測定子の軸方向位置つまり高さが異なるのでその分だけ誤差になる。

さらに特許文献２、３では、内径測定装置が自動芯出し機構を有しているので、所望の位置決め精度を得られる可能性が高いが、フローティング機構や選択的付勢解除手段等の機構が必要となっている。また精密測定する場合には、ガイド部材の径を被測定物に合わせ被測定物内径とそれほど変わらない、例えば１５～３０μｍ程度の片側隙間が生じるように合わせる必要があり、位置決め工数の低減が困難になる。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、被測定物の内径を測定する内径測定装置において、被測定物へ内径測定装置の測定子を挿入前に精密な位置決めを不要とし、かつ内径測定装置のコストを低減しながら高精度な測定を可能にすることにある。この目的において、手作業で測定する測定装置の場合に、測定場所への搬入と測定場所からの搬出の作業性を向上させる、また自動機で測定する場合には自動機への搬入機構と自動機からの搬出機構および位置決め機構を簡素化して装置のコストを低減することも目的とする。

上記目的を達成する本発明の特徴は、円筒状のワークの内径を測定する内径測定装置において、前記ワークをガイドするガイドと、このガイドの周囲部に放射状に配置された少なくとも３個のブロックを備え、このブロックはそれぞれ前記ワークの内面に当接する実質的に真球状の接触子を備える測定子と、この測定子をガイド中心から放射状に移動させる移動機構と、この移動機構に当接配置した検出器を備えることにある。

そしてこの特徴において、前記移動機構は、前記ガイドの中心から放射状に延びる直線上に配置されたレールとこのレールの上に直動可能に取付けられたスライダを含むのがよく、前記移動機構は、前記測定子を保持する測定子ベースを前記スライダの上面に固定されて備え、この測定子ベースが備える一方の垂直部に一端が固定されたエアシリンダを備え、前記一方の垂直部に前記検出器の端部を当接させ、前記測定子ベースの他方の垂直部に前記測定子を取付けることが望ましい。

さらに、前記ガイドは、前記ワークの内径に近似し前記ワークの内径より小径の円板状のガイド部と、このガイド部の下方に配置された円板状のガイドベースと、これらガイド部およびガイドベースを支持する支柱を備え、前記ガイド部の背面側に前記ブロック数に応じた半径方向に延びる溝を備え、さらに前記ガイドベースに前記ガイド部に形成した溝に対応する貫通溝を設け、前記測定子ベースの他方の垂直部がこの貫通溝を貫挿可能とするのが望ましい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、真球状の接触子を有する測定子を少なくとも３個備えた内径測定装置を用いて円筒状のワークの内径を測定する内径測定方法であって、前記内径測定装置のガイドが有する円板状のガイド部の外径とマスタの内面との間に形成される隙間の周方向分布が実質的に一定となるよう前記ガイド部を操作して円の中心を得て、得られた理想状態における前記測定子の位置を記憶する準備ステップと、前記ガイド部にワークを被せて前記接触子を当接させる測定ステップと、を備え、前記測定ステップでは、少なくとも３個の前記接触子の接触位置または接触点のデータから前記接触子の接触位置または接触点で形成される円の中心を求め、前記準備ステップで得られた円の中心と測定ステップで求めた円の中心のずれ量からワークの真の内径を求めることにある。

そしてこの特徴において、前記ワークの真の内径を求める際には、前記ワークの測定対象狙い値と前記接触子の半径とを用いて幾何学的関係から求めるのがよく、前記測定子が４個あり、それらは互いに２個ずつ組みを成して同一直線上を移動可能であり、かつ２本の同一直線が直交している時には、前記ワークの内径は、Ｙ_１＋Ｙ_２＋２×Ｚ_Ｙ＋２×Ｃ_Ｒで与えられる、
ここで、
Ｚ_Ｙ＝（Ｔ_Ｒ－Ｃ_Ｒ）－ＳＱＲＴ（（Ｔ_Ｒ－Ｃ_Ｒ）^２－Ｘ_Ｌ ^２）、
Ｘ_Ｌ＝（Ｘ_１－Ｘ_２）／２、
Ｘ_１、Ｘ_２は組を成す測定子の一方の組の位置データ、Ｙ_１、Ｙ_２は組を成す測定子の他方の組の位置データ、Ｔ_Ｒは測定対象狙い値、Ｃ_Ｒは接触子半径である、ようにしてもよい。

本発明によれば、ワークの内径を測定する測定装置において、測定部をワークに挿入するガイドとなるガイド部の外径をワークの内径から十分小さく形成して、十分な隙間が形成されるようにしたので、ワーク内部へ測定子を挿入する際、手動でも自動機でも容易かつ迅速に挿入できる。また、測定子を小径で高精度の鋼球で形成したので、測定時に１対の測定子がワーク内面に当接する際に円形断面の中心を含む直線上になくとも、容易に補正ができ、測定に要する時間も低減できる。

したがって内径測定装置において、被測定物へ内径測定装置の測定子を挿入する前に精密な位置決めが不要となり、内径測定装置のコストが低減するとともに高精度な測定が可能になる。また、手作業で測定する測定装置の場合には、測定場所への搬入と測定場所からの搬出の作業性が向上するし、自動機で測定する場合には自動機への搬入機構と自動機からの搬出機構および位置決め機構が簡素化され、装置のコストが低減する。

本発明に係る内径測定装置の一実施例の平面図である。図１に示した内径測定装置の一部断面正面図である。図１に示した内径測定装置の主要部の分解斜視図である。本発明に係る内径測定装置を用いた測定法を説明する図である。本発明に係る内径測定装置を用いた測定法を説明する図である。

以下、本発明に係る内径測定装置の一実施例を、図面を用いて説明する。図１ないし図３は内径測定装置１００の一実施例の図であり、図１は内径測定装置１００の平面図、図２は図１に示した内径測定装置１００の一部を断面で示した正面図、図３は図１に示した内径測定装置１００の主要部の分解斜視図である。

内径測定装置１００は、測定対象(被測定物)であるワーク１７０の中心部に配置されるガイド１５０と、ワーク１７０の周囲に９０°間隔で配置された４つの同一構成のブロック３００を備える。ブロック３００は、ガイド１５０の周囲部に放射状に配置されている。ガイド１５０は、ワーク内面１７２の近傍に本測定装置１００を導くためのものであり、その外径がワーク内面１７２の径に対して片側隙間ｃを有して形成された円板状のガイド部１５８と、ガイド部１５８を背面側から支持しワーク１７０を載置するよう構成されたガイドベース１５６と、ガイドベース１５６を支持するためにガイドベース１５６の背面側に直立構成された円柱状の支柱１５２を備える。

ガイド部１５８の背面側中央部には突起１９１が形成されており、ガイドベース１５６の中央部に形成した貫通穴１５５（図３も参照）に嵌合しており、ガイドベース１５６に対してガイド部１５８が位置決めされる。ガイド部１５８の背面側には、９０°ピッチで半径方向に延びる溝が形成されており、詳細を後述する接触子１８２の移動通路を構成する。なおガイド部１５８の上面は平坦な面である。ガイド部１５８の外径は、ワーク１７０を測定部に手動でまたは自動で搬入・搬出する際に時間を要しないように、十分な隙間ｃが形成されるよう、ワーク内面１７２の直径より、例えば１ｍｍ程度小径になっている。

ワーク１７０を載置するガイドベース１５６は円板形状であり、その外径はワーク１７０の外径より大きい。ガイドベース１５６の中央部には貫通穴１５５が形成されており、上面側ではガイド部１５８の突起１９１が、下面側では後述する支柱１５２の突起１５４が嵌合している。ガイドベース１５６の半径方向中間位置であって周方向に９０°ピッチで４か所に、半径方向に延びる断面矩形状の溝１５７が形成されている。支柱１５２は垂直に延びる円柱状であり、上下両端部であって軸心部には、突起１５４、１５３が形成されている。上部の突起１５４はガイドベース１５６との位置決めに、下部の突起１５３は定盤等のベース１１０との位置決めに利用される。

次に、ワーク１７０の周囲部に９０°ピッチで配置された４個のブロック３００について説明する。これら４個のブロック３００は同一構成であるので、その一つについてだけ説明する。定盤等のベース１１０には、支柱１５２の半径分だけ隙間を開けて分割ベース１２０が載置されている。分割ベース１２０（１２０ａ～１２０ｄ）は上面視で矩形の１辺の隅を落とした形状であり、隅を落とした方を支柱１５２側に向けることにより中央部が開いた十字型のベースを構成する。

分割ベース１２０ａ～１２０ｄのそれぞれの上面には、支柱１５２の半径方向直線上（放射状）に延びるレール１３０（１３０ａ～１３０ｄ）が図示しない固定手段により固定されて配置されている。各レール１３０ａ～１３０ｄは、隣り合う分割ベース１２０上に配置されたレール１３０と正確に９０°のピッチをなすように分割ベース調整具１２２を用いて分割ベース１２０ごとに位置調整されている。レール１３０は後述するスライダ１４０を正確に半径方向（放射状に）に移動させるために用意されている。

なお、レール１３０を支柱１５２の中心を超えて延びる１対のレールで構成し、それらを正確に９０°の角度で交差させるようにしてもよい。この場合レールの位置決めに要する時間を低減できる。ただし、支柱１５２とレール１３０の干渉およびレール１３０同士の干渉を解決する手段を必要とする。

レール１３０の上面には、レールガイドとなるスライダ１４０が搭載されている。スライダ１４０は、横断面形状がΠの字型をしており、レール１３０上を半径方向に摩擦抵抗少なくかつ揺れや振動を起こすことなく移動可能に形成されている。スライダ１４０の半径方向外側になる一側面には、引っ張りばね２３０の一端に形成した取付け部２３６が取付けられる。引っ張りばね２３０の取付け位置は、各スライダ１４０ごとに１か所または複数個所である。

スライダ１４０の上面は平坦面であり、この上面に正面視で略逆Π字型の測定子１８０用のベース１６０が載置されている。ベース１６０は、第１、第２の垂直部１６２、１６４とこの２つの垂直部１６２、１６４間を結ぶ底部１６６とから構成されており、第２の垂直部１６４の下端の一部は、底部１６６の下面よりも下方に延びて、スライダ１４０への載置時に位置決め部１６７として用いられる。

ベース１６０の第２の垂直部１６４は、本測定装置１００が組み立てられたときに、ガイド１５０のガイドベース１５６に形成した溝１５７を上下方向に貫通し、さらにガイド部１５８の背面側に形成した半径方向の溝１５９内まで延びる。さらに第２の垂直部１６４の上端近傍であって第１、第２の垂直部１６２、１６４が対向する面には、測定子１８０を取付けるための取付け穴１６５が形成されている。

測定子１８０用のベース１６０の第１の垂直部１６２の外面側、すなわち支柱１５２の半径方向外側には、検出器２１０の検出ヘッド２１８が当接する当接部２１４が形成されており、その下側にはエアシリンダ２２０の先端部が当接する当接部２２２が形成されている。なお、測定子１８０用のベース１６０の幅をスライダ１４０の幅よりも小さくして、ガイドベース１５６の溝１５７およびガイド部１５８の溝１５９の幅を狭くするとともに、第２の垂直部１６４がワーク１７０に干渉してワーク１７０を損傷するのを防止している。

測定子１８０用のベース１６０に検出器２１０の検出ヘッド２１８を当接させるために、検出器２１０は検出器用ブラケット２５０に保持されている。検出器用ブラケット２５０は、断面Ｓ字状をしており、底部２５４（図３参照）は図示しないボルト等で分割ベース１２０に固定されている。検出器用ブラケット２５０の上部２５２には、貫通穴である保持穴２１２が形成されており、検出ヘッド２１８が半径方向内側を向くように検出器２１０をこの保持穴２１２に挿入した後、図示しないねじ等の固定具で保持穴２１２に検出器２１０が固定される。検出器用ブラケット２５０の垂直部２５６であって保持穴２１２のほぼ真下に、エアシリンダ２２０が挿通される貫通穴２２６が形成されており、さらにその下方には引っ張りばね２３０が挿通される貫通穴２３４が形成される。引っ張りばね２３０用の貫通穴２３４は、本実施例では１個を図示しているが、検出器２１０ごとに２個以上あってもよい。その場合、貫通穴２３４の幅方向位置は、必ずしも保持穴２１２の真下に形成する必要はない。

引っ張りばね２３０とエアシリンダ２２０を保持するために、エアシリンダ用ブラケット２４０がその位置決め部２４６を用いて分割ベース１２０の端面に図示しないボルト等の固定具を用いて位置決め固定されている。エアシリンダ用ブラケット２４０は、底部２４２と垂直部２４４を備え、垂直部２４４の上端部近傍には貫通穴である保持穴２２４が形成されており、エアシリンダ２２０が挿入された後にナット等の固定具でエアシリンダ２２０を固定するのに用いられる。垂直部２４４において保持穴２２４の下方には、引っ張りばね２３０の取付け部２３２が設けられている。取付け部２３２は、検出器用ブラケット２５０に形成した貫通穴２３４やスライダ１４０に形成した取付け部２３６と一直線上に位置するように形成される。同様に、エアシリンダ用保持穴２２４と検出器用ブラケット２５０に形成した貫通穴２２６と測定子用ベース１６０に形成した当接部も、一直線上に位置するように構成されている。

このように構成した本実施例の測定装置１００の組み立てにおいては、定盤等のベース１１０上に４個の分割ベース１２０を載置し、さらに各分割ベース１２０上にレール１３０を固定配置する。この状態で、各レールが互いに９０°のピッチになるように分割ベース調整具１２２を用いて、各分割ベース１２０の位置を微調整する。なお分割ベース調整具１２２は、ワーク１７０の最大径を測定するための位置決め用調整機構としても使用される。

次に各レール１３０上にスライダ１４０を載置し、スライダ１４０の幅方向中央部に測定子用ベース１６０を載置した後に位置決めする。測定子１８０の取付け部１８４を測定子用ベース１６０の第２の垂直部１６４に固定保持する。それとともに、分割ベース１２０の上面に検出器用ブラケット２５０を、側面にエアシリンダ用ブラケット２４０を位置決めして取付ける。さらに、スライダ１４０とエアシリンダ用ブラケット２４０間に引っ張りばね２３０を、検出器用ブラケット２５０に検出器２１０を、エアシリンダ用ブラケット２４０にエアシリンダ２２０を取付ける。そしてエアシリンダ２２０の当接部２２２を測定子用ベース１６０に固定する。

エアシリンダ２２０は、測定子１８０の接触子１８２をワーク内面１７２に当接させるまたはワーク内面１７２から遠ざけるためのもので、測定子用ベース１６０を押し引きすることで、ワーク１７０をガイド部１５８に被せるときはガイド部１５８から半径方向外側に出ないように引き込み、測定時にはガイド部１５８から半径方向外側に押し出す。また、引っ張りばね２３０は、測定時に測定子１８０の接触子１８２に接触圧を確保するためのものである。検出器２１０は測長可能な物であればよく、光学式、磁気式測長器であるリニアエンコーダや本実施例に記載のペンシル型測長器等を使用できる。

一方、４個の分割ベース１２０が配置されたベース１１０中央の空間部に形成された位置決め穴１１４にガイド１５０の支柱１５２の突起１５３を嵌合してガイド１５０の位置決めをする。次いで、支柱１５２の上端の突起１５４を、ガイドベース１５６の中央に形成された貫通穴１５５に嵌合する。その際、スライダ１４０に載置した測定子用ベース１６０に干渉しないよう、ガイドベース１５６に形成した矩形溝１５７と第２の垂直部１６４の周方向位置合わせをする。さらに、ガイドベース１５６の中央に形成された貫通穴１５５にガイド部１５８の背面中央に形成した突起１９１を嵌合する。その際ガイドベース１５６の場合と同様に、スライダ１４０に載置した測定子用ベース１６０にガイド部１５８が干渉しないよう、ガイド部１５８の背面に形成した半径方向溝１５９と第２の垂直部１６４の周方向位置を位置合わせする。

このように組み立てられた内径測定装置１００にワーク１７０を導入する際は、測定子１８０の先端の接触子１８２がワーク内面１７２に接触することが無いよう、レール１３０とスライダ１４０を用いて、測定子１８０を半径方向内側へ引き込んでおく。そして、ワーク１７０の既知の公称径よりガイド部１５８の外径が片側隙間でｃだけ小さく設定されているので、手動でも自動機を用いても容易にワーク１７０をガイド部１５８の外側に嵌め込むことができる。

次にこのように構成した本内径測定装置１００を用いた具体的な測定法について、図４及び図５を用いて説明する。図４は、検出器を周方向４か所に９０°ピッチで配置した場合の測定方法の例であり、図５は検出器を周方向６か所に６０°ピッチで配置した場合の測定方法の例である。図５の場合には、上記実施例とは異なり、分割ベース１２０を始めすべてが６組必要となるが、その基本構成は同じである。すなわち、構成が同一のブロック６個と、ガイドベース１５６やガイド部１５８に設ける溝１５７、１５９の個数が９０°ピッチで４本から６０°ピッチで６本に変わったガイド１５０を内径測定装置１００は備える。

図４は、ワーク１７０の内径を間接的に測定するために用いる測定子１８０の先端部に配置する小径で実質的に真球状の接触子１８２とワーク１７０の位置関係を示す図であり、図４（ａ）は対向配置した２個の球形の接触子１８２の中心を結んで得られる２組の直線の交点とワーク１７０の内面１７２の中心が一致する理想状態を模式的に示す図であり、図４（ｂ）は対向配置した２個の球形の接触子１８２の中心を結んで得られる２組の直線の交点とワーク１７０の内面１７２の中心が異なる現実の測定における状態を模式的に示す図である。なおこれらの図では理解を容易にするためにずれ量等を誇張して示している。このことは図５においても同じである。

本発明においては、大量生産品の内径を迅速に測定することを目的としている。そのため、ワーク１７０の内面１７２とガイド１５０のガイド部１５８の外径との間の隙間ｃは、ワーク１７０をガイド部１５８に被せるのに支障をきたさない程度に設定されている。実際にワーク１７０の内径を測定する場合には、事前準備として以下のことを実行する。

初めに、設計図面に記載されたワーク１７０の内径等の狙い値Ｔ_Ｒと接触子１８２の半径Ｃ_Ｒを測定装置１００の図示しない制御部に入力する。ここで、狙い値Ｔ_Ｒはワーク１７０の加工目標値であり、接触子１８２は高精度転がり軸受の鋼球等を利用して製作されたものである。したがって、図４の実施例では、４個の接触子１８２の半径Ｃ_Ｒ間にはサブミクロン以下程度の誤差しかないので、各接触子１８２の半径Ｃ_Ｒは同一とみなされる。

次に過去の測定で使用した真円度の高い、すなわちひずみが少ないワーク１７０をマスタ１７０Ｍとして準備し、図４（ａ）の状態になるよう各スライダ１４０の位置を調整する。この位置は理想位置とも称し、本測定装置１００に固定した座標系である。新規の測定の場合等では、真円度の高いほぼ同径のマスタ１７０Ｍを別に準備してもよい。

図４（ａ）の状態である、１対の対向する接触子１８２の中心を結ぶ２本の直線２６１、２６２が、互いに直交し、その直交点Ｏがマスタ１７０Ｍの中心と一致する状態における、各接触子１８２の位置を記憶する。なお実際の測定においては、各接触子１８２のワーク１７０またはマスタ１７０Ｍとの接触による位置検出は、検出器２１０の検出ヘッド２１８の移動量として、１対１に換算されて検出される。したがって、図４（ａ）の状態になったときの各検出器２１０の出力を図示しない制御部か基準位置として記憶する。

次に測定対象をマスタ１７０Ｍからワーク１７０に交換する。その際測定場所へのワーク１７０の搬送作業を早めるために、特に図４（ａ）の状態になるようにはワーク１７０を位置決めはしない。そのため、ワーク内面１７２とガイド１５０のガイド部１５８の外径の間には、一般的には周方向に不均一な隙間が形成され、隙間の範囲は０～２ｃ程度までばらつく。

測定時には図４（ｂ）に示すように、測定子１８０の頭部である接触子１８２を、ワーク内面１７２に当接するよう移動させるので、接触子１８２は偏位したワーク１７０の中心位置Ｏ_１を中心とする円周上１８２_ａ～１８２_ｄに位置するが、この円周上に等ピッチでは配置されていない。しかも、接触子１８２間の周方向ピッチは、図４（ａ）に示した本測定装置１００に固定した原点Ｏを中心とする座標系上でも、理想的な９０°ピッチ位置１８２_ａ０～１８２_ｄ０には必ずしもならない。したがって、接触子１８２の位置に対応する検出器２１０の出力をそのまま用いても、ワーク１７０の内径は得られない。接触子１８２の接触位置データからワーク１７０の正確な内径を得るためには、接触子１８２を中心Ｏ_１の円周上に等ピッチ位置１８２_ａ０～１８２_ｄ０に配置するか、検出値を何らかの方法で換算する。前者の場合には位置検出に時間を要するので、本発明では後者を選択している。

本測定装置１００に固定した座標系上での、各接触子１８２の半径方向内側への移動量を－、半径方向外側への移動量を＋として各接触子１８２の位置を各検出器２１０で検出すると、Ｘ方向の１対の対向する接触子１８２、１８２は、中心Ｏ_１を持つ実際のワーク１７０の座標系上の仮想的な等ピッチ点１８２_ａ０、１８２_ｂ０から、現実の位置１８２_ａ、１８２_ｂになっている。これに伴いＸ方向の１対の対向する接触子１８２、１８２の中心を結ぶ線２６３も直線２６１になっている。同様に、Ｙ方向の１対の対向する接触子１８２、１８２は中心Ｏ_１を持つ実際のワーク１７０の座標系上の仮想的な等ピッチ点１８２_ｃ０、１８２_ｄ０から、現実の位置１８２_ｃ、１８２_ｄになっている。これに伴い１対の対向する接触子１８２、１８２の中心を結ぶ直線２６４も直線２６２になっている。

直線２６３の直線２６１への変位量は、理想位置からのワーク１７０のＹ方向ずれ量Ｙ_Ｌであり、直線２６４の直線２６２への変位量は、理想位置からのワーク１７０のＸ方向ずれ量Ｘ_Ｌである。Ｘ方向のずれ量Ｘ_Ｌは、Ｙ方向に対向する２個の接触子１８２、１８２のそれぞれの理想位置、すなわちマスタ１７０Ｍで測定したときの周方向等隙間の位置検出値を基準とする位置検出値Ｘ_１、Ｘ_２の差の平均値である。同様に、Ｙ方向のずれ量Ｙ_Ｌは、Ｘ方向に対向する２個の接触子１８２、１８２のそれぞれの理想位置、すなわちマスタ１７０Ｍで測定したときの周方向等隙間の位置検出値を基準とする位置検出量Ｙ_１、Ｙ_２の差の平均値である。これらの関係から、
Ｘ_Ｌ＝（Ｘ_１－Ｘ_２）／２、
Ｙ_Ｌ＝（Ｙ_１－Ｙ_２）／２、
で与えられ、２組の対向する１対の接触子１８２の中心間の距離Ｘ_ｍａｘ、Ｙ_ｍａｘは、図４（ｃ）に示した幾何学的関係に基づき、図中のＺ_Ｙ等を介して次式で表される。ここで図４（ｃ）は図面を明瞭にするため、Ｙ方向の幾何学的位置に関する部分のみを記載しているが、Ｘ方向の幾何学的位置関係に関しても同様である。関数ＳＱＲＴ（）は平方根を取る関数である。
Ｘ_ｍａｘ＝Ｘ_１＋Ｘ_２＋２×Ｚ_Ｘ、
ここで、
Ｚ_Ｘ＝（Ｔ_Ｒ－Ｃ_Ｒ）－ＳＱＲＴ（（Ｔ_Ｒ－Ｃ_Ｒ）^２－Ｙ_Ｌ ^２）
Ｙ_ｍａｘ＝Ｙ_１＋Ｙ_２＋２×Ｚ_Ｙ、
また、
Ｚ_Ｙ＝（Ｔ_Ｒ－Ｃ_Ｒ）－ＳＱＲＴ（（Ｔ_Ｒ－Ｃ_Ｒ）^２－Ｘ_Ｌ ^２）であり、
ワーク１７０の内径はワーク１７０が真円であれば、Ｙ_ｍａｘ＋２×Ｃ_Ｒ＝Ｘ_ｍａｘ＋２×Ｃ_Ｒとなる。

以上より、ワーク内面１７２にガイド１５０のガイド部１５８を、隙間の範囲内で自由に挿入するようにワークをガイド部１５８に被せ、その後その位置で測定子１８０の接触子１８２をレール１３０とスライダ１４０を介して半径方向に延ばし、ワーク内面に当接させるだけで、ワーク１７０の内径を簡単にかつ容易正確に測定できる。したがって、従来必要であったワーク１７０のガイド部１５８に対する正確な芯出しが不要となり測定のための作業工程が大幅に低減する。特にワークをガイドに対して正確に芯出しする従来の方法では、ガイドの外径をワークの内径よりごく僅かだけ小さく、例えば１５～３０μｍ（片側隙間）程度だけ小さくしているが、そのような小さな隙間ではワークをガイドに被せる作業に手間取る。それに対して本発明では隙間を１ｍｍ程度（両側隙間）まで大きくできるので、手動でも自動機でも容易にかつ迅速にガイド部１５８にワーク１７０を被せることができる。なお、接触子１８２のワーク内面１７２に当接する点は接触子１８２がワーク内面１７２を移動するとともに変化するが、接触子１８２の外形が球面であるので上記関係は常に維持される。

上記実施例では、測定子１８０を９０°ピッチで４個配置し、そのすべての測定子１８０に対する検出器２１０の出力を用いているが、測定子１８０が３個でもワーク１７０の内径を測定することが可能である。この例を、図４（ｄ）を用いて説明する。Ｙ方向に対向配置した２個の接触子１８２と上記Ｘ方向の接触子の一方であるＸ方向の１個の接触子１８２を、ワーク内面１７２に当接させた結果を示している。

具体的には、３個の接触子位置１８２_ｂ、１８２_ｃ、１８２_ｄからそれらの接触子１８２の中心が通る円の中心Ｏ_１を求め、その中心位置Ｏ_１と本内径測定装置１００に固定した座標系の中心位置（理想位置）Ｏとの間のＸ方向ずれ量Ｘ_Ｌを求める。図４（ｄ）に示した幾何学的関係から、
Ｘ_Ｌ＝ＳＱＲＴ（（Ｔ_Ｒ－Ｃ_Ｒ）^２－（（Ｙ_１－Ｙ_２）／２）^２）－Ｘ_２
上記実施例と同様に、
Ｚ_Ｙ＝（Ｔ_Ｒ－Ｃ_Ｒ）－ＳＱＲＴ（（Ｔ_Ｒ－Ｃ_Ｒ）^２－Ｘ_Ｌ ^２）ゆえ、
Ｙ_ｍａｘ＝Ｙ_１＋Ｙ_２＋２×Ｚ_Ｙ
が得られる。したがってワーク１７０の内径は、Ｙ_ｍａｘ＋２×Ｃ_Ｒとなる。

次に測定子１８０の配置個数を増した場合の例を、図５を用いて説明する。測定子１８０を増すことで測定装置が大型になるので小径の内径を測定する場合には適していないが、ワーク１７０の内径が大径であって真円度をも確認したい場合等に使用することが可能である。この図５では３対６個の測定子１８０を用いる場合を示している。具体的な測定ブロック３００の構成は、図１ないし図３に示したものと同様である。

図５（ａ）は、図４（ａ）の記載に相当する図であり、内径測定装置１００のガイド部１５８に周方向一定隙間ｃでワーク内面１７２またはマスタ１７０Ｍの内面が対向するよう配置された、理想位置を示している。測定装置１００の接触子１８２は、図４の実施例と同様にＹ軸方向に１対配置されているが、Ｘ軸方向には配置されておらず、Ｙ軸と互いに６０°の角度を成すように２対の接触子１８２が配置されている。すなわち、１対の接触子１８２は、Ｙ軸と１２０°の角度を成すＡ軸方向に、他の１対の接触子１８２はＹ軸と６０°の角度を成すＢ軸方向に配置されている。

図５（ｂ）は、図４（ｂ）と同様に実際の測定における各接触子１８２の位置関係を示す図である。図４（ｂ）に示した４方向測定の場合と同様に、ワーク１７０の半径の狙い値Ｔ_Ｒと接触子１８２の半径Ｃ_Ｒを図示しない制御手段に記憶する。６個の接触子１８２は精密転がり軸受の鋼球等を利用しているので、その半径Ｃ_Ｒは実質的に同一である。本内径測定装置１００に固定した座標系である理想位置からの各接触子１８２の位置変化に基づいて、理想位置の中心Ｏと実際のワーク１７０が置かれた中心位置のずれ量Ｘ_Ｌを求め、このずれ量Ｘ_Ｌに基づいてＹ方向の内径を求める。

具体的には、接触子１８２の移動量に対応する検出器２１０のＡ方向の計測値Ｘ_Ａ１、Ｘ_Ａ２およびＢ方向の計測値Ｘ_Ｂ１、Ｘ_Ｂ２から、２つの中心Ｏ、Ｏ_１間のＡ方向およびＢ方向のずれ量Ｘ_ＡＬ、Ｘ_ＢＬを、以下のように求める。
Ｘ_ＡＬ＝（Ｘ_Ａ１－Ｘ_Ａ２）／２
Ｘ_ＢＬ＝（Ｘ_Ｂ１－Ｘ_Ｂ２）／２
図５（ｃ）に図５（ｂ）の一部を拡大して示す。この図５（ｃ）に示す位置関係から、三角関数を用いて、Ｘ_ＡＬによるＸ方向のずれ量Ｘ_ＡおよびＸ_ＢＬによるＸ方向のずれ量Ｘ_Ｂは、
Ｘ_Ａ＝Ｘ_ＡＬ／ｃｏｓ３０°、
Ｘ_Ｂ＝Ｘ_ＢＬ／ｃｏｓ３０°
となり、Ｘ方向のずれ量Ｘ_Ｌはこれらの平均値であるから、
Ｘ_Ｌ＝（Ｘ_Ａ＋Ｘ_Ｂ）／２
が得られる。図４に示した実施例と同様に配置したＹ方向の接触子１８２に関する検出器２１０の出力Ｙ_１、Ｙ_２を用いて、ワーク１７０の内径に対応するＹ_ｍａｘは、図５（ｄ）に示す幾何学的関係から、以下の式で求められる。ここで図５（ｄ）は、図４（ｃ）に対応する図である。
Ｚ_Ｙ＝Ｔ_Ｒ－ＳＱＲＴ（（Ｔ_Ｒ－Ｃ_Ｒ）^２－Ｘ_Ｌ ^２）、
Ｙ_ｍａｘ＝Ｙ_１＋Ｙ_２＋２×Ｚ_Ｙ
であるから、ワーク１７０の内径はＹ_ｍａｘ＋２×Ｃ_Ｒで得られる。

本実施例においても、ワーク１７０をガイド１５０のガイド部１５８に被せる際に、従来よりも隙間を多くでき、かつガイド部１５８とワーク１７０の間の精密な芯出し作業が不要になっているので、測定の段取りに要する時間を大幅に低減できる。また、手動でも自動機を用いても測定を容易にかつ迅速にできるので、測定のスループットが向上する。

なお、本実施例では３対６個の測定子を用いる場合を説明したが、４対８個以上の測定子を用いても同様に測定可能である。さらに測定子が等ピッチに配置されていなくとも、理想状態、すなわち本測定装置に固定した座標系での測定をマスタで実行し記録した後にそのマスタでの記録に基づいてワークを測定すれば、上記した手法により迅速かつ容易にワークの内径測定が可能になる。したがって、ワークの測定場所までの搬送および測定場所からの搬出に要する時間とワークの芯出しに要する時間を低減できるので、測定作業の作業効率が向上する。

１００…内径測定装置、１１０…ベース（定盤）、１１２…穴、１１４…位置決め穴、１２０、１２０ａ～１２０ｄ…分割ベース、１２２…分割ベース調整具、１３０、１３０ａ～１３０ｄ…レール、１４０…スライダ、１５０…ガイド、１５２…支柱、１５３、１５４…突起、１５５…貫通穴、１５６…ガイドベース、１５７…（半径方向）溝、１５８…ガイド部、１５９…（半径方向）溝、１６０…ベース（測定子用）、１６２…（第１の）垂直部、１６４…（第２の）垂直部、１６５…取付け穴、１６６…底部、１６７…位置決め部、１７０…ワーク（被測定物）、１７０Ｍ…マスタ、１７２…ワーク内面、１８０…測定子、１８２…接触子、１８２_ａ～１８２_ｄ…接触子位置、１８２_ａ０～１８２_ｄ０…接触子仮想位置、１８３_ａ～１８３_ｆ…接触子位置、１８３_ｃ０…接触子仮想位置、１８４…取付け部、１９１…突起、２１０…検出器、２１２…保持穴、２１４…当接部、２１８…検出ヘッド、２２０…エアシリンダ、２２２…当接部、２２４…保持穴、２２６…貫通穴、２３０…引っ張りばね、２３２…取付け部、２３４…貫通穴、２３６…取付け部、２４０…ブラケット（エアシリンダ用）、２４２…底部、２４４…垂直部、２４６…位置決め部、２５０…ブラケット（検出器用）、２５２…上部、２５４…底部、２５６…垂直部、３００…ブロック、Ａ、Ｂ…方向、ｃ…隙間、Ｃ_Ｒ…接触子半径、Ｏ…中心、Ｏ_１…仮想中心、Ｔ_Ｒ…（狙い値）半径、Ｘ…方向、Ｘ_１、Ｘ_２…測定値、Ｘ_Ａ、Ｘ_Ｂ、Ｘ_ＡＬ、Ｘ_ＢＬ、Ｘ_Ｌ…位置ずれ量、Ｘ_ｍａｘ…基準内径、Ｙ…方向、Ｙ_１、Ｙ_２…測定値、Ｙ_ｍａｘ…基準内径、Ｙ_Ｌ…位置ずれ量、Ｙ_Ｙ…Ｙ方向長さ、ΔＹ…ずれ量

Claims

円筒状のワークの内径を測定する内径測定装置において、
前記ワークをガイドするガイドと、
前記ガイドの周囲部に放射状に配置された少なくとも３個のブロックと、を備え、
前記ブロックは、
それぞれ前記ワークの内面に当接する実質的に真球状の接触子を備える測定子と、
前記測定子をガイド中心から放射状に移動させる移動機構と、
前記移動機構に当接配置した検出器と、
を備え、
前記移動機構は、前記ガイドの中心から放射状に延びる直線上に配置されたレールと、
前記レールの上に直動可能に取付けられたスライダと、
を含み、
前記移動機構は、前記測定子を保持する測定子ベースを前記スライダの上面に固定されて備え、前記測定子ベースが備える一方の垂直部に一端が固定されたエアシリンダを備え、前記一方の垂直部に前記検出器の端部を当接させ、前記測定子ベースの他方の垂直部に前記測定子を取付けてなり、
前記ガイドは、
前記ワークの内径に近似し前記ワークの内径より小径の円板状のガイド部と、
前記ガイド部の下方に配置された円板状のガイドベースと、
これらガイド部およびガイドベースを支持する支柱と、を備え、
前記ガイド部の背面側に前記ブロックの数に応じた半径方向に延びる溝を備え、
さらに前記ガイドベースに前記ガイド部に形成した溝に対応する貫通溝を設け、前記測定子ベースの他方の垂直部が前記貫通溝を貫挿可能としたことを特徴とする内径測定装置。
請求項１に記載の内径測定装置を用いて円筒状のワークの内径を測定する内径測定方法であって、
前記内径測定装置のガイドが有する円板状のガイド部の外径とマスタの内面との間に形成される隙間の周方向分布が実質的に一定となるよう前記ガイド部を操作して円の中心を得て、得られた理想状態における前記測定子の位置を記憶する準備ステップと、
前記ガイド部にワークを被せて前記接触子を当接させる測定ステップと、を備え、
前記測定ステップでは、少なくとも３個の前記接触子の接触位置または接触点のデータから前記接触子の接触位置または接触点で形成される円の中心を求め、
前記準備ステップで得られた円の中心と測定ステップで求めた円の中心のずれ量からワークの真の内径を求めることを特徴とする内径測定方法。
前記ワークの真の内径を求める際には、前記ワークの測定対象狙い値と前記接触子の半径とを用いて幾何学的関係から求めることを特徴とする請求項２に記載の内径測定方法。
前記測定子が４個あり、それらは互いに２個ずつ組みを成して同一直線上を移動可能であり、かつ２本の同一直線が直交している時には、前記ワークの内径は、Ｙ_１＋Ｙ_２＋２×Ｚ_Ｙ＋２×Ｃ_Ｒで与えられ、
ここで、
Ｚ_Ｙ＝（Ｔ_Ｒ－Ｃ_Ｒ）－ＳＱＲＴ（（Ｔ_Ｒ－Ｃ_Ｒ）^２－Ｘ_Ｌ ^２）、
Ｘ_Ｌ＝（Ｘ_１－Ｘ_２）／２、
Ｘ_１、Ｘ_２は組を成す測定子の一方の組の位置データ、Ｙ_１、Ｙ_２は組を成す測定子の他方の組の位置データ、Ｔ_Ｒは測定対象狙い値、Ｃ_Ｒは接触子半径である、ことを特徴とする請求項２または３に記載の内径測定方法。