JPH0352888B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、丸軸状部材の形状測定装置に関す
る。詳しくは、ピンチローラ等の精巧な丸軸状部
材の真円度、円筒度、真直度等の形状を非接触で
測定する形状測定装置に関する。

〔背景技術とその問題点〕

ピンチローラ等の精巧な丸軸状部材の真円度等
の形状を測定する形状測定装置が知られている。

従来、かかる形状測定装置の一般的構造は、載
物台に丸軸状の測定対象物を立設し、この測定対
象物の表面にその径方向から作動トランス等の検
出器に連動して往復移動可能な測定子を押し当
て、載物台を回転させたときに測定対象物表面の
凹凸に応じて出力される検出器からの電気信号を
所定処理して上記各形状を求めるよう構成されて
いる。

従つて、次のような問題がある。すなわち、 測定子当接型であるから、測定対象物の芯出
し等の測定準備作業を必要とし、これが煩雑か
つ熟練を要することから作業能率が低い。つま
り、測定対象物表面の凹凸がμｍ単位であるの
に対し、検出器が例えば作動トランスの場合、
その高精度領域が極めて狭いものであるから、
測定対象物の真円度等を予想し、測定対象物と
検出器との相対位置関係を正確に調整しなけれ
ばならない。これには、数回の空運転を必要と
することもある。また、測定対象物の締め付け
作業等も関与して変動したときは、測定を中断
し、再調整しなければならない。

測定子や検出器に振動が伝達され、測定誤差
を生じていた。これには、測定子の摩耗も大き
な影響を及ぼす。さらに、測定に当たつては、
測定子に一定の測定力を加えなければならない
ので、測定力および測定対象物の材質（例え
ば、プラスチツク等）によつては、その軟弱性
から測定対象物が制限された。

測定対象物表面の凹凸の程度によつては、測
定子が嵌まり込み、測定不能になるばかりか、
破損による危険性も大きい。

載物台の回転数も一定以下に制限されるの
で、単位時間当たりの検出回数が少なく、また
載物台の１回転当たり１つの連続した出力信号
が発生されるだけなので、単位周長当たりの複
数データによる平均化精度向上策が講じられな
かつた。

一方、測定対象物表面に光を照射し、その反射
光を捉えて測定対象物の各種形状を測定する非接
触型も提案されているが、これにしても上記は
さらに厳しく制限されるほか、測定対象物表面の
凹凸の程度、反射率等測定対象物の表面状態がよ
り厳しく制限され、汎用性に欠ける問題があつ
た。

この問題を解決するために、定速回転する載物
台の垂直基軸線と平行にナイフエツジを固定し、
これを含む水平面内において、その一方側から測
定対象物とナイフエツジとに渡る平行走査光線を
照射するとともに、その他方側で測定対象物とナ
イフエツジとの間を通過した平行走査光線を光電
変換して、測定対象物とナイフエツジとの隙間寸
法を求め、これを所定処理して測定対象物の真円
度等の形状を測定するよう構成することも考えら
れる。

しかし、これにしても、ナイフエツジの全長に
渡つて加工精度を高精度に維持することが困難な
上、そのナイフエツジを前記垂直基軸線と平行に
固定することも難しく、さらにこれらを保障しつ
つナイフエツジを垂直基軸線と直交する方向へ移
動させることが至難であるから、結局測定対象物
の適用径があまり拡大されないという不都合が生
じる。さらに、特開昭57−160006号公報等のよう
に、平行走査光線を走査方向に分割、併合して超
大径物にも適用させる場合に、一対のナイフエツ
ジを完全平行とする加工や取付調整は、測定精度
からして実際上達成することができない。

〔発明の目的〕

ここに、本発明の目的は、このような測定子当
接型や光反射型測定における問題を解消し、測定
対象物の適用径拡大をはかつた丸軸状部材の形状
測定装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段および作用〕

そのため、本発明では、測定対象物に対する基
準信号を検出するための、いわゆる基準位置を定
める手段を検出装置とともに垂直基軸線に沿つて
移動可能とすべく、基準位置を定める手段を検出
装置に対して一定の関係にするとともに、その両
者を支柱に沿つて案内される可動部材に取付けて
構成したものである。

具体的には、垂直基軸線を回転中心として定速
回転する載物台と、前記垂直基軸線と完全平行を
含む軸線に沿つて可動部材を昇降自在に支持する
支柱と、前記垂直基軸線と直交する水平面内にお
いて、前記載物台に立設された測定対象物の一方
側から平行走査光線を照射するとともに、その他
方側で測定対象物を通過した平行走査光線を光電
変換する検出装置と、基準位置と測定対象物とに
それぞれ対応する前記検出装置の出力信号を利用
して両者の隙間寸法を求めるとともに、測定対象
物の複数の回転角について求めた一群の隙間寸法
を所定演算処理して測定対象物の真円度等の形状
を求めるデータ処理装置と、を備え、前記検出装
置と基準位置を定める手段とを同期して前記垂直
基軸線に沿つて移動できるよう前記可動部材に取
り付けた、ことを特徴としている。

〔実施例〕

第１図は本実施例の形状測定装置の装置本体の
外観を、第２図は装置全体の回路構成を、それぞ
れ示している。これらの図において、基台１１に
は、その上面前部位置に載物台としての回転テー
ブル１２がエアーベアリングを介して垂直基軸線
を回転中心として回転可能に設けられているとと
もに、内部に回転テーブル１２を可変一定速度で
回転させる同期モータ１３および回転テーブル１
２の回転角を検出するロータリエンコーダ１４が
それぞれ内蔵されている。回転テーブル１２の上
面は、丸軸状の測定対象物Ｗを立設できるように
水平面状に保たれている。さらに、その上面に
は、測定対象物Ｗを回転テーブル１２上に固定す
るためのワーク固定部１２Ａが設けられている。
ワーク固定部１２Ａとしては、チヤツク等の周知
の締め付け具を用いることができる。

また、回転テーブル１２の後方には、支柱１７
が前記垂直基線に対して直交する方向（ここで
は、前後方向）へ移動可能に立設されている。支
柱１７には、可動部材１８が前記垂直基軸線と完
全平行を含む軸線方向つまり垂直方向へ昇降可能
に装着されているとともに、可動部材１８をボー
ルねじ等を介して昇降させるサーボモータ１９お
よび可動部材１８の垂直方向位置を検出するエン
コーダ２０がそれぞれ設けられている。可動部材
１８には、その移動方向と直交するクロスガイド
２１を介して検出装置２２が取り付けられてい
る。

検出装置２２は、前記垂直基軸線と直交する水
平面内の一方側に配置され前記測定対象物Ｗに平
行走査光線を照射する平行走査光線発生装置２３
と、前記垂直基軸線と直交する水平面内の他方側
に配置され前記測定対象物Ｗを通過した平行走査
光線を受光しそれを電気信号に変換する受光装置
２４とから構成されている。平行走査光線発生装
置２３と受光装置２４との間には、それぞれの対
向面側に拡大器２５Ａ，２５Ｂが上下方向へ位置
調整可能に設けられているとともに、平行走査光
線領域内の中央位置に基準位置を定める手段とし
てのピン部材１５が上下方向つまり垂直基軸線方
向へ位置調整可能に設けられている。従つて、基
準位置を定める手段としてのピン部材１５と検出
装置２２とは、同期して垂直基軸線に沿つて移動
できるようになつている。ピン部材１５は、前記
垂直軸線と平行な直線部分を有する円柱形状に形
成されている。

平行走査光線発生装置２３は、光源としてのレ
ーザ管３１と、固定ミラー３２と、この固定ミラ
ー３２で反射された前記レーザ管３１からのレー
ザ光線を所定角度の走査光線に変換するポリゴン
ミラー３３と、このポリゴンミラー３３を回転さ
せる同期モータ３４と、前記ポリゴンミラー３３
からの走査光線を平行走査光線に変換し前記測定
対象物Ｗに照射するコリメータレンズ３５とから
構成されている。一方、受光装置２４は、前記測
定対象物Ｗを通過した平行走査光線を集光させる
集光レンズ３６と、この集光レンズ３６の焦点位
置に配置され受光した光の明暗に応じた電気信号
に変換する受光器３７とから構成されている。受
光器３７からの出力信号は、信号処理ユニツト３
８へ与えられている。

信号処理ユニツト３８は、前記受光器３７から
の出力信号を増幅するプリアンプ４１を含む。プ
リアンプ４１で増幅された信号はセグメント選択
回路４２へ送られる。セグメント選択回路４２
は、受光器３７からの出力信号を基に前記測定対
象物Ｗとピン部材１５との間が光走査されている
時間ｔだけゲート回路４３を開くための電圧Ｖを
発生し、これをゲート回路４３へ出力する。ゲー
ト回路４３にはクロツクパルス発振器４４からの
クロツクパルスCPが入力されているため、ゲー
ト回路４３からは測定対象物Ｗとピン部材１５と
の間の走査方向寸法に対応した時間ｔに対応する
クロツクパルスCPが計数回路４５へ入力される。
計数回路４５は、ゲート回路４３を通じて与えら
れるクロツクパルスCPを計数し、その結果つま
り測定対象物Ｗとピン部材１５との間の隙間寸法
をデータ処理装置５１へ与える。また、同期正弦
波発振器４６からは、クロツクパルス発振器４４
の出力に同期した正弦波が発生される。この同期
正弦波は、パワーアンプ４７で増幅された後、前
記同期モータ３４へ与えられている。これによ
り、ポリゴンミラー３３は、クロツクパルス発振
器４４のクロツクパルスCPと同期して回転され
る結果、測定精度が維持される。

データ処理装置５１は、測定開始指令が与えら
れると、入出力回路５２を介して前記同期モータ
１３を駆動し、つまり回転テーブル１２を指定さ
れた速度で定速回転させるとともに、サーボモー
タ１９を駆動して検出装置２２を測定対象物Ｗの
所定高さ位置に昇降させる。この状態において、
ロータリーエンコーダ１４から与えられる角度デ
ータで計数回路４５のデータを番地付けし、これ
を測定対象物Ｗの一周について順次収集した後、
これらのデータから測定対象物Ｗの真円度を求め
る。また、サーボモータ１９を駆動して検出装置
２２を測定対象物Ｗの異なる高さ位置に昇降さ
せ、この各高さ位置において測定対象物Ｗの一周
についてのデータを収集した後、これらのデータ
から測定対象物Ｗの直角度および円筒度を求め、
これらのデータを出力装置５３へ出力する。

そこで、これらの算出法を簡単に述べる。

まず、真円度測定では、第３図に示す如く、測
定対象物Ｗを１回転させると、測定対象物Ｗの各
回転角θiにおいて、測定対象物Ｗの外周面とピン
部材１５との隙間寸法r_i′が求められる。従つて、
これら一群の隙間寸法r_i′を、一般の最小自乗中
心法に適用すれば、真円度が求められる。

最小自乗中心法では、第４図に示す如く、測定
対象物Ｗの回転中心をＯ、最小自乗中心をＣ（ａ，
ｂ）、最小自乗円の半径をＲ、最小自乗中心Ｃか
ら測定対象物Ｗの外周面までの距離をR_i、回転中
心Ｏから測定対象物Ｗの外周面までの距離をr_i、
１回転当たりの測定回数をNTとすると、次式で
与えられる。

ａ＝2Σr_icosθ_i／Ｎ ……(1) ｂ＝2Σr_isinθ_i／Ｎ ……(2) Ｒ＝Σr_i／Ｎ ……(3) R_i＝r_i−（Ｒ＋ａ cosθ_i＋ｂ sinθ_i） ……(4) 真円度＝R_i(nax)−R_i(nio) ……(5) 従つて、これら(1)〜(5)式に前記r_i′を適用する
には、回転角0°のときのr_i′をオフセツト値roffset
として、 r_i＝roffset−r_i′ ……(6) とすれば真円度を求めることができる。

また、直角度については、第５図に示す如く、
測定対象物Ｗの異なる２つの高さ位置における真
円度測定を行い、この上下２断面の最小自乗中心
C₁，C₂を結んだ直線を仮想軸心とし、この仮想
軸心の回転テーブル１２の垂線に対する傾きを直
角度として求める。

また、円筒度については、第６図に示す如く、
測定対象物Ｗの異なる複数、例えば５つの高さ位
置における真円度測定を行い、これら各断面の最
小自乗中心C₁（a₁b₁）〜C₅（a₅，b₅）を求める。こ
こで、最小自乗中心C₁，C₅を結び、これを仮想
軸心とする。いま、或任意の断面Ｋの高さをh_K、
最小自乗中心をC_K（a_K，b_K）とすると、断面Ｋの
仮想軸心の座標C′_K（x_K、y_K）は、 x_K＝a₁＋（a₅−a₁）h_K／h₅ ……(7) y_K＝b₁＋（b₅−b₁）h_K／h₅ ……(8) で表すことができる。また、断面Ｋのデータを、
最小自乗中心からのデータR_Kiに変換（(1)〜(4)式
によつて）した後、さらに仮想軸心からのデータ
R′_Kiに変換すると、 R′_Ki＝R_Ki−（x_K−a_K）cosθ_i −（y_K−b_K）sinθ_i ……(9) となる。データR′_Kiは、Ｋ＝１〜５、ｉ＝０〜
360゜の範囲のデータであり、仮想軸心に垂直な平
面に射影したデータとなる。ここで、R′_Kiの最大
値をR′_Ki(nax)、最小値をR′_Ki(nio)とすると、円筒度
は、 円筒度＝R′_Ki(nax)−R′_Ki(nio) ……(10) となる。なお、仮想軸心は最小自乗中心C₁〜C₅
の中から任意に選択することができる。

このほか、第７図に示す如く、検出装置２２を
昇降させ、そのときの測定対象Ｗとピン部材１５
との隙間γ_zを垂直方向に沿つて順次収集し、この
γ_zと垂直方向の位置データＺとをデータとして最
小自乗法によつて傾斜補正を行えば、この補正傾
斜直線からのばらつき幅Δγを真直度として求め
ることができる。

さらに、測定対象物Ｗの180度づれた２つの隙
間寸法と、垂直基軸線からピン部材１５までの寸
法とを基に測定対象物Ｗの直径をも求めることが
できる。この場合、単に180度ずれた２つの隙間
寸法から直径を求めるのではなく、測定対象物Ｗ
の１回転について求められた直径を平均化すれ
ば、より正確な直径を求めることができる。

従つて、本実施例によれば、垂直基軸線と直交
する水平面内において、その一方側から測定対象
物Ｗに平行走査光線を照射するとともに、その他
方側で測定対象物Ｗとピン部材１５との間を通過
した平行走査光線を光電変換して測定対象物Ｗと
ピン部材１５との隙間寸法を求め、この隙間寸法
を測定対象物Ｗの各回転角について求めた一群の
隙間寸法から測定対象物Ｗの真円度等の形状を求
めるようにしたので、つまり測定範囲の広い非接
触型としたので、測定対象物の芯出し等の煩雑か
つ熟練を要する測定準備作業を省略でき、その結
果測定基準作業に伴う作業能率の低下を抑えるこ
とができる。これは、同一の測定対象物を多量に
測定する量産現場等に極めて有効である。なお、
測定項目としては、真円度測定を利用して、直角
度および円筒度も測定できるほか、真直度や直径
をも測定できる。

また、検出装置２２とピン部材１５とを可動部
材１８に取付け、この可動部材１８を支柱１７に
前記垂直軸線と平行な軸線に沿つて昇降自在に支
持し、この支柱１７を垂直基軸線と直交する方向
へ移動させるようにしたので、例えばナイフエツ
ジ等を慎重に取り付け変更しなくても、支柱１７
の移動により検出装置２２からの平行走査光線が
測定対象物Ｗの縁で着られるように検出装置２２
を位置させれば、測定対象物Ｗの径が小さいもの
から大きいものまで測定でき、より広い測定範囲
を確保できる。

また、非接触型であるため、測定子等の摩耗等
に影響されない上、測定力や測定対象物の材質等
に制限されず、あらゆる種類の測定対象物の形状
を正確に測定できる。しかも、測定対象物Ｗの表
面の凹凸に影響されないことから、測定子当接型
のように測定子が凹部に嵌り込んで測定不能とな
ることがなく、また破損による危険性も回避でき
る。

また、走査距離も短く、その平行走査光線を高
速度に走査できるので、単位周長当たりのデータ
数を多く取れ、その結果高精度測定が期待でき
る。ちなみに、回転テーブル１２の回転速度との
関係もあるが、１秒間に350回以上の走査が可能
である。

また、従来の非接触型のように測定対象物表面
からの反射光を捉えて測定対象物の各種形状を測
定するものでないため、測定対象物の凹凸の程度
や反射率等測定対象物の表面状態に制限されず、
汎用性が高い。

なお、実施に当たつて、基準位置を定める手段
としては、上記実施例のピン部材１５に限らず、
他の手段でもよい。例えば、第８図に示す如く、
平行走査光線領域内に光電変換器１５Ａを配置
し、この光電変換器１５Ａが平行走査光線を受光
したときを基準位置として定めるようにしてもよ
い。また、第９図に示す如く、特別に設けること
なく、ポリゴンミラー３３とコリメータレンズ３
５との相対位置関係から定まるコリメータレンズ
３５以後の最外縁光線を基準位置として定めても
よい。

また、第１０図に示す如く、前記基準位置を定
める手段、例えばピン部材１５を平行走査光線の
走査方向へ測定対象物Ｗを挟んで一対配置し、か
つコリメータレンズ３５からの平行走査光線を分
割ミラー６１および変向ミラー６２により走査方
向へ分割し、この各分割走査光線を測定対象物Ｗ
の両側縁とピン部材１５とに渡つて照射し、これ
らを通過した各分割走査光線を変向ミラー６３お
よび併合ミラー６４で集合レンズ３６へ入射させ
るようにすれば、さらに測定範囲を拡大させるこ
とができるばかりでなく、従来からの円寸法をも
容易に測定できる。

また、上記実施例では、レーザ管３１からのレ
ーザ光線を測定対象物Ｗの径方向に走査するよう
にしたが、例えばこれらに渡つて連続的にレーザ
光線を照射するようにしてもよい。更に、レーザ
管３１に代えて、半導体レーザでもよい。

また、上記実施例では、測定対象物Ｗとピン部
材１５との間の隙間寸法を回転テーブル１２の回
転角を検出するロータリエンコーダ１４からの信
号により番地付けするようにしたが、回転テーブ
ル１２は定速回転であるため、つまり１回転当た
りの時間が既知であるから、その１回転当たりの
時間を時分割し、各時点の隙間寸法を順次取り込
むようにして隙間寸法を測定対象物Ｗの回転角に
対応させるようにしてもよい。このようにする
と、ロータリエンコーダ１４が不要となる利点が
ある。

また、上記実施例では、検出装置２２を、デー
タ処理装置５１からの指令により駆動されるサー
ボモータ１９を介して自動的に昇降させるように
したが、例えば可動部材１８を昇降させるボール
ねじ軸に手動ハンドルを着脱自在に取り付けられ
るように構成し、この手動ハンドルによつて検出
装置２２を垂直方向の所望の位置に昇降させるよ
うにしてもよい。

また、出力装置５３としては、測定結果を表示
できるものであればいずれでもよく、例えば
CRT、プリンタ等を用いることができる。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明によれば、測定範囲が広く
かつ非接触型であるから、測定対象物の芯出し等
の測定基準作業を必要とせず、また測定対象物の
材質や表面状態に制限されない上、径が大きく異
なる測定対象物の真円度等の形状を高精度に測定
できる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示すもので、第１図は
装置本体を示す斜視図、第２図は全体の回路構成
を示すブロツク図、第３図は検出装置の測定原理
を示す図、第４図は測定対象物の真円度を求める
際の説明図、第５図は測定対象物の直角度を求め
る際の説明図、第６図は測定対象物の円筒度を求
める際の説明図、第７図は測定対象物の真直度を
求める際の説明図、第８図および第９図はそれぞ
れ基準位置を定める手段の他の例を示す図、第１
０図は基準位置を定める手段を一対設ける場合の
測定原理図である。 １２……載物台としての回転テーブル、１５，
１５Ａ……基準位置を定める手段としてのピン部
材および光電変換器、１７……支柱、１８……可
動部材、２２……検出装置、３１……光源として
のレーザ管、３３……ポリゴンミラー、３５……
コリメータレンズ、５１……データ処理装置、Ｗ
……測定対象物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 垂直基軸線を回転中心として定速回転する載
   物台と、 前記垂直基軸線と完全平行を含む軸線に沿つて
   可動部材を昇降自在に支持する支柱と、 前記垂直基軸線と直交する水平面内において、
   前記載物台に立設された測定対象物の一方側から
   平行走査光線を照射するとともに、その他方側で
   測定対象物を通過した平行走査光線を光電変換す
   る検出装置と、 基準位置と測定対象物とにそれぞれ対応する前
   記検出装置の出力信号を利用して両者の隙間寸法
   を求めるとともに、測定対象物の複数の回転角に
   ついて求めた一群の隙間寸法を所定演算処理して
   測定対象物の真円度等の形状を求めるデータ処理
   装置と、を備え、 前記検出装置と基準位置を定める手段とを同期
   して前記垂直基軸線に沿つて移動できるよう前記
   可動部材に取り付けた、 ことを特徴とする丸軸状部材の形状測定装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記基準位
   置を定める手段を、前記平行走査光線領域内に配
   設されかつ直線部分を有するピン部材としたこと
   を特徴とする丸軸状部の形状測定装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記基準位
   置を定める手段を、前記平行光線領域内に配設さ
   れた光電変換器としたことを特徴とする丸軸状部
   材の形状測定装置。 ４ 特許請求の範囲第１項において、前記検出装
   置の平行走査光線の発生手段を光源、ポリゴンミ
   ラーおよびコリメータレンズから形成するととも
   に、前記基準位置を定める手段を、前記ポリゴン
   ミラーとコリメータレンズとの相対位置関係から
   定まるコリメータレンズ以後の平行走査光線の最
   外縁光線としたことを特徴とする丸軸状部材の形
   状測定装置。 ５ 特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれ
   かにおいて、前記平行走査光線の走査方向にかつ
   同一水平面内に一対の基準位置を定める手段を設
   けたことを特徴とする丸軸状部材の形状測定装
   置。