JPH02161301A

JPH02161301A - 三次元変位量測定器

Info

Publication number: JPH02161301A
Application number: JP63314853A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Tsunosaki; 角崎　雅博; Kihachirou Touho; 喜八郎東保; Hiroshi Sugimori; 杉森　博; Katsuji Taniguchi; 谷口　勝二; Shigeru Yamada; 滋山田
Original assignee: TOYAMA PREF GOV; Toyama Prefecture; Kitamura Machinery Co Ltd
Current assignee: TOYAMA PREF GOV; Toyama Prefecture; Kitamura Machinery Co Ltd
Priority date: 1988-12-15
Filing date: 1988-12-15
Publication date: 1990-06-21
Anticipated expiration: 2010-09-27
Also published as: EP0373644B1; US4972597A; EP0373644A1; DE68903096D1; DE68903096T2; JPH0789045B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明はマシニングセンタ等の工作機械や三次元測定器
などに利用するタッチ方式の三次元変位量測定器に関す
る。

従来の技術と発明が解決しようとする問題点工作機械用の従来のタッチプローブは、ブローブの先端
がワークに接触したか否かを検出するものだった。つま
り、０Ｎ−ＯＦＦの検出機能しか持たなかった。このた
めプローブ先端の移動距離に相当する微小量の誤差が補
正できない。

一方、プローブ先端の変位量が測定できるタッチプロー
ブとして、三次元測定器用のプローブがある。このプロ
ーブはｘ、ｙ、ｚ方向の３つの自由度を持ち、それぞれ
の方向の移動量を差動トランス等で検出するものである
。しかし、このタイプのプローブは構造が複雑で大型に
なり、重量も大きい。また、剛性も低いので慎重に扱わ
れる精密測定には適するが、工作機械に取り付けての使
用には向かない。

また、電気的な接点を使用するプローブにおいては、チ
ャタリングや電気的雑音が問題となる。このため、電気
的な雑音に強い光学式のタッチプローブも提案されてい
る。

従来の光学式のプローブはホルダ側のプローブの変位を
工作機械側の主軸頭に取り付けた受光器で受ける構造の
ものが多い。使用に際しては光軸合わせが必要で、光学
系の汚れによるトラブルも多い。また、従来の光学式の
プローブでは一次元の測定を行うものが主で、Ｘ、Ｙ、
Ｚの３方向変位を定量的に検出することはできない。

他方、従来のタッチプローブはプローブが３点で支持さ
れているので、プローブのあたる方向によって感度が異
なるという精度上の大きな欠点があった。

さて、通常の工作機械に用いるタッチプローブにおいて
は、ｘ、ｙ、ｚの３軸方向変位を同時に計測することは
稀である。むしろ、Ｚ軸のみの変位あるいはＸ、Ｙ方向
（つまりＸＹ平面上）の変位のどちらか一方を計測すれ
ば十分である。

しかし、従来は３軸方向の変位を同時に計測するタッチ
プローブが主に研究され、大型で複雑な計測器が開発さ
れてきた。他方、Ｚ軸のみの変位とＸ、Ｙ方向の変位の
どちらか一方を計測するタッチプローブは提案されてい
ない。

発明の目的前述の従来技術の問題点に鑑み本発明は、光学系を利用
して、１軸方向の微小変位又はその１軸に垂直な平面上
の微小変位のどちらか一方を検出することができる三次
元変位量測定器を提供することを目的としている。

発明の要旨前述の目的を達成するために、第１発明は請求項１、第
２発明は請求項２に記載の三次元微小変位量測定器を要
旨としている。

問題点を解決するための手段本発明の三次元変位量測定器は、ハウジングと、ハウジ
ングに対し回転可能かつスライド可能に設けたプローブ
と、プローブに設けた少くとも２個の発行素子と、ハウ
ジングに固定関係に設けた二次元計測用素子を有し、プ
ローブはばね等の弾性力によって常に基準位置に戻るよ
うに設定されていて、発光素子から発した光線を二次元
計測用素子で受光検出し、プローブ先端に設けた接触子
の１軸方向への変位又はその１軸と垂直な２軸方向への
変位のいずれかを計測することを特徴とする。

また本発明の三次元変位量測定器は、ハウジングとハウ
ジングに対し回転可能かつスライド可能に設けたプロー
ブと、プローブに設けた反射板と、ハウジングに固定関
係に設けた二次元計測用素子と少くとも２個の発光素、
子を有し、プローブはばね等の弾性力によって常に基準
位置に戻るように設定されていて、発光素子から発した
光線を反射板で反射し、反射光を二次元計測用素子で受
光検出し、プローブ先端に設けた接触子の１軸方向への
変位又はその１軸と垂直な２軸方向への変位のいずれか
を計測するように構成してもよい。

実施例以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する
。

第１図は本発明による三次元変位量測定器（以下測定器
と略す）１０を示す図で、一部所面をとって内部構造を
見易くしである。

測定器１０はホルダ一部１１を有、する。ホルダ一部１
１を例えばマシニングセンタ計測部の取付は穴に挿入す
ることにより、測定器１０をマシニングセンタに設置す
る。

ホルダ一部１１の下方には円筒形状のハウジング１８が
設けてあり、その内部に測定器１０の測定機構が設置し
である。

ハウジング１８の中心軸にそって細長いプローブ１２が
設けである。プローブ１２は支承部材１５により、ハウ
ジング１８に対してスライド可能かつ回転可能に支承し
である。

支承部材１５は中心部に穴を有し、その穴の内面がプロ
ーブを支承する支承面になっている。この支承面は球面
形状をしている。プローブの支承部１２ｇの形状は支承
部材１゛５の支承面に対応する曲率をもつ球面になって
いる。従ってプローブ１２は支承部１２に対して、自由
に回転できる。支承部材１５とプローブの支承部１２ｍ
の間には必要に応じて潤滑油（剤）を供給する。

支承部材１５の外側には球１４が回転可能に設けである
。球１４はハウジング１８の内面に接している。従って
支承部材はハウジング１８の軸（Ｚ）方向にスライド可
能である。

プローブ１２の下側の先端には球状の接触子１２ｂが設
けである。接触子１２ｂとしては例えばルビーを用いる
ことができる。

プローブ１２の中間部には皿状のフランジ部１２ｃが設
けである。第１図に示すように、プローブ１２がＺ方向
に変位していない時には、フランジ部１２ｃの下面はハ
ウジングの下端部１８ｂの上面と接している。フランジ
部１２ｃの下面は球面の一部であり、球面の中心はプロ
ーブ１２の回転中心と一致する。

また、ハウジング下端部１８ｂの内面はフランジ部１２
ｃの下面に対応する球面になっている。従って、プロー
ブ１２はハウジング１８に拘束されずに自由に回転でき
る。

ハウジング１８は中間部にフランジ部１８ａを有する。

フランジ部１８ａの中央には穴がおいている。プローブ
のフランジ部１２ｃとハウジングのフランジ部１８ａの
間にはばね１６が設けである。このばね１６は常にプロ
ーブ１２を下方に押圧し、プローブ１２を基準位置にも
どそうとする働きをもつ。プローブ１２が２軸方向に変
位しない限り、プローブのフランジ部１２ｃの下面とハ
ウジング１８ｂの内面とは接した状態にある。プローブ
先端１２ｂがワークと接触しｘ、ｙ、ｚ方向に変位した
後に、非接触になった時には、ばね力によりプローブは
基準位置に復帰する。

プローブ本体１２の上端部は２股に分れていて、それぞ
れの端部には発光素子１３が設けである。

ホルダ一部１１の下面には二次元計測用素子、例えば二
次元位置検出用ＰＳＤ１７が取り付けである。この二次
元位置検出用ＰＳＤはハウジングと固定関係に設ける。

ＰＳＤとは半導体装置検出用素子を意味する。ＰＳＤは
光の当った位置（スポット）を検出できる。

光源１，２は時分割方式で点灯する。従って１つのＰＳ
Ｄ１７により２つの光源１，２からの光線のスポット位
置を検出できる。

ハウジングのフランジ部１８ａの上面にはリミットスイ
ッチ１９が設けである。リミットスイッチ１９はプロー
ブ本体の２方向度位が０の場合と、２方向度位がある場
合の２つの場合を検出する。

次にこの測定器１０の動作を説明する。

第３ａ〜３ｄ図を参照する。第３ａ図はプローブ１２が
基準位置にある場合を示している。基準位置ではｘ、ｙ
、ｚ方向変位は全て０である。発光素子からの光線Ｌ　
　、Ｌ　　はＰＳＤ１７上の同じスポットＳｔ、Ｓ２に
逝っている。

第３ｂ図はプローブ先端部１２ｂがＺ方向のみに２１だ
け変位した場合を示している。

スポットＳ、Ｓ２は反対方向に同じ距離だけ移動する。

ＰＳＤ１７上でのスポットの移動距離をプローブ先端に
ある接触子１２ｂのＺ方向の移動距離に換算してＺ方向
変位を求める。

第３ｃ図はプローブの先端１２ａが基準位置からＸ方向
にＸｌだけ動いた場合を示している。スポットＳ、Ｓ２
はＰＳＤ１７上で同じ方向に移動する。スポットの移動
距離をプローブ先端のＸ方向の移動距離に換算してＸ方
向変位を求める。

第３ｄ図はプローブの先端１２ａが基準位置からＹ方向
にＹｌだけ動いた場合を示している。スポットＳ、Ｓ２
はＰＳＤ１７上で同じ方向に同じ距離だけ移動する。Ｐ
ＳＤＩＴ上でのスポットの移動距離をプローブ先端のＹ
方向移動距離に換算してＹ方向変位を求める。

実際には上述のｘ、ｙ、ｚ方向の変位が単独で起る場合
もあるし、複合して起ることもある。

スポットＳｌ、Ｓ２のＰＳＤ１７上でのＸ。

Ｘ方向への移動距離は第４図に示すブロック図によって
算出できる。この処理は周知の一次元計測器による場合
と同様なので、説明は省略する。ただし、この場合スポ
ットＳｔ。

Ｓ２は時分割方式で現れるので処理もそれに対応した時
分割で行って、Ｓｌの変位量（Ｘｌ、ｙｌ）及びＳ２の
変位量（ｘ、ｙ２）を求める。

次に第５図を参照してこの変位置ＸＩ、Ｘ２、”１＝　
　”２を用いてプローブ先端１２ｍの変位量を求める方
法を説明する。Ｚ信号はリミットスイッチ１９から出力
され、Ｚ変位が０か否かを示す信号である。

この実施例のように座標を設定した場合には、常にＹ方
向変位を求めることができる。

Ｙ方向変位はスポットの変位量ｙｌ　　（又はｙ２）を
プローブの先端１２ａのＹ方向の移動距離に換算するこ
とによって求められる。

一方、Ｘ、Ｚ方向変位はプローブ本体１２の移動の形態
によって、測定できる場合とできない場合がある。以下
ａ）〜Ｃ）の場合に分けて考える。ただし、Ｘ、Ｚ方向
のみの変位について述べる。Ｙ方向の変位は別に求める
。

（ａ）の場合は＋Ｘ１　　＋＝＝ｌＸ２１かつＸｌ　・Ｘ２〈０である
から、プローブの先端１２ａはＺ方向に移動していてＸ
方向の変位がＯである。

この場合にはｘｌ又はｘ２の値をＺ方向変位に換算して
プローブの先端１２ａのＺ方向変位を求める。

（ｂ）の場合はＸｌ”Ｘ２≧０かつＺ≠０であるから、プローブの先端１２ａがＸ方向とＺ方向に
移動したことになる。この場合にはＸ方向、２方向の移
動距離は計測不可能である。

（Ｃ）の場合はＸｌ”Ｘ２≧０かツＺ＝０であるから、プローブ先端１２ａはＺ軸方向に移動せず
、Ｘ方向に移動している。この場合にはＸ、Ｘ２の値を
Ｘ方向変位に換算してプローブ先端１２８のＸ方向変位
を求める。

以上の動作によって、Ｚ方向又はＸ−Ｙ方向のいずれか
の変位を求めることができる。

ただし、この実施例ではＹ方向変位は常に求めることが
できるので、Ｙ−Ｚ方向又はＸ・Ｙ方向のいずれかの変
位を求めることができると言いかえてもよい。

次に第２図を参照して本発明の他の実施例について説明
する。この測定器２０では第１図で述べた測定器１０と
プローブの支え方が異なるので主にその点について説明
する。

測定器２０においては、プローブ２２は円盤状の上板２
２ｃと、プローブ先端２２ａを有する円盤状の下部材２
２ｂと、上部と下部をつなげる中間部材２２ａからなっ
ている。

プローブ下部２２ｂの上面にはスライド体２５の一端に
設けられた球２５ａがはめ込んである。この球２５ｍと
プローブ下部材２２ｂとは一種の自在継手を形成してお
り、プローブ２２とスライド体２５とは回転自存である
。スライド体の上側には球２５ｂが設けてありプローブ
の上板２２ｃと接している。

スライド体２５はガイド体２８ｂにガ・イドされていて
、Ｚ方向にスライド可能である。

ガイド体２８ｂはハウジング２８から伸ばしたうで２８
ａによって、ハウジング２８に固定されている。うで２
８ａと中間部材２２ａとはハウジング２８内で接触しな
いように互い違いに設けである。

プローブが前述のように支えられているので、プローブ
先端２２ａはＺ軸方向にスライド可能であり、またスラ
イド体の球２５ａの中心回りを自由に回軸できる。

第２図では、プローブは基準位置に位置している。この
実施例では、プローブ２２はばね２６の力と自重により
基準位置に復帰し易い。

次に、本発明の測定器の他のタイプの実施例について要
点のみを簡単に説明する。

第６図に測定器の主要部のみを示した。プローブ３２の
上部には反射鏡３２ａが設けである。２個の発光素子３
３はハウジング３１に固定しである。二次元計測用素子
３９はハウジング３１に固定しである。プローブ３２の
支持機構は前述の実施例と同様のものを採用できる。

プローブ３２の先端が変位し、反射鏡３２ａの位置がか
わると、発光素子３３から発光し、反射鏡３２ａで反射
して二次元計測用素子に入射する光線のスポットが移動
する。このスポットの移動により、プローブ先端の変位
を前述の実施例と同様の方法によって求める。

ところで、本発明は前述の実施例に限定されない。二次
元計測用素子を２個設けて、それぞれが対応する発光素
子からの光を受光するようにしてもよい。また、Ｚ信号
は工作機械のコントロールユニットからの指令に、基い
てもよい。つまり、ワークの動かし方によって決定する
ことも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による三次元変位量測定器の実施例を示
す側面図で一部断面をとって主要部を明示しており、第
２図は同じく本発の他の実施例を示す側面図、第３ａ〜
３ｄは測定器の動作を示した概念図、第４図は次元計測
用素子上でのスポットの移動距離求めるための信号の処
理方法を示すブロッ図、第５図はスポットの移動距離か
らプロブ先端の移動距離を求めるための信号の処方法を
示すブロック図、第６図は本発明ののタイプの実施例の
一部のみを示した図でる。代　　理　　人　　　弁理士　　　１）　辺ぐ＝りＣつ

Claims

【特許請求の範囲】１、ハウジングと、ハウジングに対し回転可能かつスライド可能に設けたプローブと、プローブに
設けた少くとも２個の発光素子と、ハウジングに固定関
係に設けた二次元計測用素子を有し、プローブはばね等
の弾性力によって常に基準位置に戻るように設定されて
いて、発光素子から発した光線を二次元計測用素子で受
光検出し、プローブ先端に設けた接触子の１軸方向への
変位又はその１軸と垂直な２軸方向への変位のいずれか
を計測することを特徴とする三次元変位量測定器。２、ハウジングと、ハウジングに対し回転可能かつスライド可能に設けたプローブと、プローブに
設けた反射板と、ハウジングに固定関係に設けた二次元
計測用素子及び少くとも２個の発行素子を有し、プロー
ブはばね等の弾性力によって常に基準位置に戻るように
設定されていて、発光素子から発した光線を反射板で反
射し、その反射光を二次元計測用素子で受光検出し、プ
ローブ先端に設けた接触子の１軸方向への変位又はその
１軸と垂直な２軸方向への変位のいずれかを計測するこ
とを特徴とする三次元変位量測定器。