JPH07239228A

JPH07239228A - 測定方法および装置

Info

Publication number: JPH07239228A
Application number: JP2956094A
Authority: JP
Inventors: Keizo Uchiumi; 敬三内海; Kunio Hara; 邦夫原; Yasuhiro Kurahashi; 康浩倉橋; Yuzo Takeuchi; 雄三竹内
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 1994-02-28
Filing date: 1994-02-28
Publication date: 1995-09-12
Anticipated expiration: 2013-11-18
Also published as: JP2825429B2

Abstract

(57)【要約】【目的】測定子先端の球部半径と合成変位とが不一致
でも、測定位置の座標値を精度良く、高能率に測定でき
る測定方法と装置の提供にある。【構成】測定ヘッド１０の球部半径Ｒを有した測定子
１４を被測定物Ｗｐに押圧して合成変位Ｅを発生したと
き、接触点の座標Ｐ（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を所定の演算式に従
って演算し、その演算結果から、形状測定や寸法測定を
適正に判別して実行できる構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に三次元座標系にお
いて立体形状を有する被測定物の形状測定や寸法測定を
行う測定方法と測定装置に関し、特に、単一の変位検出
形測定ヘッドを用いて被測定物の表面座標値の読み取り
データから演算して形状測定する場合と、同変位検出形
測定ヘッドの測定子が被測定物に接触、変位した際の該
測定子の計測中心の座標値を求め、求めた値から所定の
数式に従って演算することにより、同被測定物に形成し
た孔の径寸法や孔位置寸法又は被加工部分の幅寸法等の
種々の寸法を測定する場合とに分類して測定を自動遂行
するのに用いることが可能な測定方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定ヘッドがその先端に球形状を有した
測定子（フィーラ）を備える共に、その測定子が被測定
対象物に接触した場合のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向における変位
データを検出することが可能な変位検出形測定ヘッドは
既に従来から多用されている。この種の変位検出形測定
ヘッドを用いた測定方法としては、特公昭５３−３９３
５号公報に開示された、被測定対象物の表面の測定すべ
き位置に測定子の先端球部を押圧、接触により相対変位
させ、その場合の球部半径Ｒと、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の各
軸方向に発生した変位量Ｉ，Ｊ，Ｋの合成変位量（Ｅ＝
√（Ｉ²＋Ｊ²＋Ｋ²）即ち、（Ｉ²＋Ｊ²＋Ｋ²）の
平方根）とが等しくなったときの測定ヘッドのＸ，Ｙ，
Ｚ軸座標の読みを測定点の座標であるとする方法があ
る。

【０００３】更に、特公昭５８−４９６２号公報に開示
された公知の方法は、被測定物の表面のある点から距離
Ｆだけ外方にオフセットした点の座標値を求める場合
に、被測定物と測定ヘッドとの相対移動過程で、被測定
物の表面上のある点に、変位検出形測定ヘッドの測定子
の先端球部を押付けて球部の半径Ｒと同球部のＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向の各軸方向における変位量Ｉ，Ｊ，Ｋの合成変
位（Ｅ＝√（Ｉ²＋Ｊ²＋Ｋ²）即ち、（Ｉ²＋Ｊ²＋
Ｋ²）の平方根）とが等しく成ったときの合成変位をＥ
₀として定義し、そのときの測定ヘッドにおけるＸ，
Ｙ，Ｚ軸座標の読みを被測定物の表面のある点の座標と
して測定し、次に、そこから上述のオフセット量Ｆだけ
オフセットした点の座標は、（Ｘ＋Ｆ・Ｉ／Ｅ₀，Ｙ＋
Ｆ・Ｊ／Ｅ₀，Ｚ＋Ｋ／Ｅ₀）と演算して求める方法で
ある。つまり、上述した公知の両方法では、変位検出形
測定ヘッドの測定子の先端球部の合成変位が常に同球部
の半径に等しくなるようにフィードバック制御する方法
で測定子を被測定物に押し付けるようにしなければなら
ないと言う制限があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この結果、合成変位の
演算に時間がかかるので、被測定物と測定ヘッドとの相
対移動における送り速度を遅速化しなければ正確な位置
で測定子を被測定物の表面の所望の各点に位置決めでき
ないと言う問題があった。特に、被測定物と測定ヘッド
との相対移動をＮＣ装置等の制御の下に自動的に遂行す
る場合には、合成変位の演算の実行に必要な時間に制限
されて、自ずから被測定物における間隔の開いた複数点
位置でしか測定を実行し得ないと言う問題もあった。

【０００５】また、被測定物と測定ヘッドとの相対移動
における相対送り速度が速いと、測定子の球部半径Ｒと
合成変位Ｅ₀とが等しくなる点位置で位置決めができ
ず、その結果、測定誤差が大きくなると言う問題点もあ
った。依って、上述の諸問題点に鑑みて、本発明の目的
は、変位検出形測定ヘッドを用いた被測定物の測定に当
たり、測定子先端の球部半径と合成変位とが一致しなく
ても、測定すべき位置の座標値を精度良く、しかも能率
良く測定できる測定方法と装置とを提供せんとするもの
である。

【０００６】本発明の他の目的は、立体形状を有する被
測定物と変位検出形測定ヘッドとの間でＸ，Ｙ，Ｚ軸方
向の相対移動を行い、被測定物に同測定ヘッドの測定子
を接触させてその接触点の座標値を測定するとき、測定
子球部の半径値を単に既知データとして演算処理に用い
ることによって測定を実行可能な測定方法と装置とを提
供せんとするものである。

【０００７】本発明の更に他の目的は、立体形状を有す
る被測定物と変位検出形測定ヘッドとの間でＸ，Ｙ，Ｚ
軸方向の相対移動を行い、被測定物に同測定ヘッドの測
定子を接触させて被測定物の表面からオフセットした位
置の座標値を測定するとき、測定子球部の半径値を単に
既知データとして演算処理に用いることによって測定を
実行可能な測定方法と装置とを提供せんとするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的に鑑みて、本
発明は、測定ヘッドとして三次元座標系におけるＸ，
Ｙ，Ｚ軸方向に発生した変位を検出可能な変位検出手段
と、同ヘッドにＸ，Ｙ，Ｚ軸の方向に変位可能な測定子
を備えた変位検出形測定ヘッドを用い、被測定物と同変
位検出形測定ヘッドとの相対移動によって該測定ヘッド
の測定子を被測定物の表面に、押圧、接触させ、このと
き、測定子に発生した各軸方向の変位を変位検出手段で
検出し、その検出データから所定の演算式に従って演算
を実行して合成変位量を求め、この合成変位量の演算値
と予め既知量として認識されている測定子の球部の半径
データとから、被測定物と測定子との接触点の座標値ま
たは接触点から所定のオフセット量だけオフセットした
位置の座標値の何ずれかを所要に応じて演算して求める
ようにしたものである。

【０００９】即ち、本発明によれば、立体形状を有する
被測定物と測定ヘッドとの間でＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対
移動を行い、前記被測定物に前記測定ヘッドの測定子を
接触させてその接触点の座標値を測定する測定方法にお
いて、その測定ヘッドとして、先端に球部を有し被測定
物の表面に接触するとその表面に対して略法線方向に変
位するよう支持された測定子を備え、該測定子のＸ，
Ｙ，Ｚ軸方向の各変位を検出可能な変位検出形測定ヘッ
ドを用い、上記変位検出形測定ヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸方
向の各位置データを読み取り、上記被測定物の表面に前
記変位検出形測定ヘッドの測定子を接触させたときの該
接触点の座標値（Ｕ，Ｖ，Ｗ）は、Ｕ＝Ｘ−（Ｒ−Ｅ）・Ｉ／Ｅ・・・・・・・・・（１）Ｖ＝Ｙ−（Ｒ−Ｅ）・Ｊ／Ｅ・・・・・・・・・（２）Ｗ＝Ｚ−（Ｒ−Ｅ）・Ｋ／Ｅ・・・・・・・・・（３）ただし、Ｒは測定子の先端球部半径で既知の値、Ｉ，
Ｊ，Ｋは変位検出形測定ヘッドで検出したＸ，Ｙ，Ｚ軸
方向の各変位、Ｅは、測定子の合成変位量でＥ＝√（Ｉ
²＋Ｊ²＋Ｋ²）、つまり、Ｅの値は（Ｉ²＋Ｊ²＋Ｋ
²）の平方根に等しい、Ｘ，Ｙ，Ｚは、接触して変位を
検出したときの変位検出形測定ヘッドの各位置データ、
で表される（１）〜（３）式に従って求めるようにした
測定方法が提供される。

【００１０】又、本発明によれば、上述した測定方法を
直接実施する装置として、前記の測定ヘッドとして、先
端に球部を有し前記被測定物の表面に接触するとその表
面に対して略法線方向に変位する支持された測定子を備
え、該測定子のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の各変位を検出可能な
変位検出形測定ヘッドを用い、上記変位検出形測定ヘッ
ドのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の各位置データを読み取る位置読
み取り手段と、前記被測定物の表面に前記変位検出形測
定ヘッドの測定子を接触させたときの該接触点の座標値
（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を、上述した（１）〜（３）式に従って
求める表面座標演算手段と、前記被測定物と前記変位検
出形測定ヘッドとのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対移動を制御
するＮＣ装置と、を具備した測定装置が提供される。

【００１１】本発明によれば、更に、立体形状を有する
被測定物と測定ヘッドとの間でＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対
移動を行い、前記被測定物に前記測定ヘッドの測定子を
接触させて前記被測定物の表面からオフセットした位置
の座標値を測定する測定方法において、その測定ヘッド
として、先端に球部を有し前記被測定物の表面に接触す
るとその表面に対して略法線方向に変位するよう支持さ
れた測定子を備え、該測定子のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の各変
位を検出可能な変位検出形測定ヘッドを用い、上記変位
検出形測定ヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の各位置データを
読み取り、上記被測定物の表面に上記変位検出形測定ヘ
ッドの測定子を接触させたときの該接触点から所定量オ
フセットした位置の座標値（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ＝Ｘ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｉ／Ｅ・・・・・・・（４）ｙ＝Ｙ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｊ／Ｅ・・・・・・・（５）ｚ＝Ｚ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｋ／Ｅ・・・・・・・（６）ただし、Ｅ₀は予め設定された基準変位量で、測定子の
先端球部の半径Ｒから所定のオフセット量ｒ₀を引いた
量、Ｉ，Ｊ，Ｋは変位検出形測定ヘッドで検出したＸ，
Ｙ，Ｚ軸方向の各変位、Ｅは測定子の合成変位量でＥ＝
√（Ｉ²＋Ｊ²＋Ｋ²）、つまりＥの値は（Ｉ²＋Ｊ²
＋Ｋ²）の平方根に等しい、Ｘ，Ｙ，Ｚは、接触して変
位を検出したときの変位検出形測定ヘッドの各位置デー
タ、の（４）〜（６）式に従って求めるようにした測定
方法が提供され、また、このような測定方法を直接実施
する測定装置として、前記測定ヘッドは、先端に球部を
有し前記被測定物の表面に接触するとその表面に対して
略法線方向に変位するように支持された測定子を備え、
該測定子のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の各変位を検出可能な変位
検出形測定ヘッドとして形成され、前記変位検出形測定
ヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の各位置データを読み取る位
置読取り手段と、前記被測定物の表面に前記変位検出形
測定ヘッドの前記測定子を接触させたときの該接触点か
ら所定量オフセットした位置の座標値（ｘ，ｙ，ｚ）
を、上述した（４）〜（６）式に従って求めるオフセッ
ト座標演算手段と、前記被測定物と前記変位検出形測定
ヘッドとのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対移動を制御するＮＣ
装置と、を具備した測定装置が提供される。

【００１２】なお、本発明によれば、立体形状を有する
被測定物と測定ヘッドとの間でＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対
移動を行い、前記被測定物に前記測定ヘッドの測定子を
接触させて座標値や寸法を測定する測定装置において、
前述した変位検出形測定ヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の各
位置データを読み取る位置読取り手段と、前述した演算
式（１）〜（３）式に従う表面座標演算手段と、前述し
た演算式（４）〜（６）式に従うオフセット座標演算手
段と、前記被測定物と変位検出形測定ヘッドとのＸ，
Ｙ，Ｚ軸方向の相対移動を制御するＮＣ装置と、測定す
べき項目が前記被測定物の表面座標を求めるステップを
必要とする第１測定モードか、前記被測定物の表面から
所定量オフセットした点の座標を求めるステップを必要
とする第２測定モードかを判別する測定モード判別手段
と、上記判別手段が第１測定モードと判別した測定項目
については前記表面座標演算手段の出力を用いて測定値
を求め、上記判別手段が第２測定モードと判別した測定
項目については前記オフセット座標演算手段の出力を用
いて測定値を求める測定値演算手段と、を具備した測定
装置も提供される。

【００１３】

【作用】上述した構成によれば、演算式（１）〜（３）
または（４）〜（６）或いは両者の演算式（１）〜
（６）とを駆使することにより、被測定立体形状物の表
面座標値を測定して形状測定を行うことも、オフセット
演算により測定子の計測中心の座標値を求めることによ
り寸法測定を行うことも可能であり、更には、被測定項
目が形状測定の場合と寸法測定の場合とを２つの測定モ
ードとして同じ被測定物に対して必要とする測定項目が
何ずれの測定モードであるかを判別しながら所要の測定
モードを逐次、実行することもできるのである。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を添付図面に示す実施例に基づ
いて、更に詳細に説明する。図１は、三次元座標系にお
いて立体形状を有する被測定物の表面に変位検出形測定
ヘッドの同表面に対して略法線方向に変位するように支
持された測定子を押し当てたときの接触点の座標値を測
定するための原理図、図２は、同じく立体形状の被測定
物の表面に変位検出形測定ヘッドの測定子を押し当てた
ときの接触点から法線方向に距離ｒ₀だけオフセットし
た点Ｓ（通常は、球形測定子内部の点である）の座標値
を測定する原理図、図３は、被測定物と変位検出形測定
ヘッドとの間の相対移動を制御しながら同変位検出形測
定ヘッドから図１または図２に示す原理に従って被測定
物の接触点座標値またはオフセット点Ｓの座標値を測定
し、これらを２つの測定モードに分類しながら、所望の
モードの測定を自動遂行可能にする測定装置の構成を示
したブロック図、図４は、被測定物の表面のある点の座
標値を測定する場合の測定点と測定子との関係を二次元
座標系で略示した図、図５は、同じく被測定物が有する
表面上の２直線の交点と同交点における２直線の成す角
度を求めるための測定方法を説明する略示図、図６は、
被測定物の例えば、２つの面の間の距離寸法を測定する
場合を二次元座標系の２つの直線間の距離寸法に置き換
えて測定する方法を説明する略示図、図７は、被測定物
の球面の半径測定に適用可能な円弧測定を二次元座標系
で説明する略示説明図、図８は被測定物に穿設された多
数の孔のピッチ寸法の測定に適用する場合の測定方法を
二次元座標系で簡略化して説明するための略示図、図９
は、被測定体に穿設された円孔の中心と同被測定体の別
の面との距離測定に適用する場合の測定方法を二次元座
標系で説明するための略示図である。

【００１５】さて、図１を参照すると、図示、明示され
ていない変位検出形測定ヘッド１０へ支持軸１２を介し
て支持された球状測定子１４（半径Ｒ）を、被測定物Ｗ
ｐの表面Ｗｓに押し当てたときの接触点Ｐの三次元座標
系における座標値Ｐ（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を同変位検出形測定
ヘッド１０で測定する状態を示している。同測定ヘッド
１０の測定子１４は、被測定物Ｗｐとの間で相対移動す
ることにより、支持軸１２と共に一点鎖線で示す位置ま
で機械的に移動した場合でも、面Ｗｓとの接触により押
し戻され、実際の支持軸１２と測定子１４とは実線で示
す位置に達し、測定子１４の中心Ｔの位置が測定子１４
の位置と認識される。このとき、変位検出手段を内蔵し
た変位検出形測定ヘッド１０の検出軸（図示なし）は、
測定子１４を、あたかも一点鎖線の位置までめり込ませ
た位置（中心Ｑの位置）に達している。この中心Ｑの三
次元座標系における位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、測定ヘ
ッド１０の検出軸のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向における各位置デ
ータにほかならない。故に、被測定物Ｗｐと測定ヘッド
１０との間の相対移動における送り軸系に具備された光
学式リニアスケール又は送り軸モータのロータリーエン
コーダ等の位置検出手段の出力データとして上記の位置
座標Ｑ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を得ることができる。

【００１６】他方、測定子１４が被測定物Ｗｐの面Ｗｓ
と接触し、押し当てられることにより測定子１４の球部
の中心は実際には三次元座標系で同面Ｗｓに対して略法
線方向に変位が発生している。この発生変位量Ｅは、測
定ヘッド１０が有する変位検出手段によりＸ，Ｙ，Ｚ軸
方向の変位成分（Ｉ，Ｊ，Ｋ）として検出される。よっ
て被測定物Ｗｐの表面Ｗｓの接触点Ｐにおける座標値
（Ｕ，Ｖ，Ｗ）は図示より明らかなように、次の演算式
（１）〜（３）によって定義される。

【００１７】Ｕ＝Ｘ−（Ｒ−Ｅ）・Ｉ／Ｅ・・・・（１）Ｖ＝Ｙ−（Ｒ−Ｅ）・Ｊ／Ｅ・・・・（２）Ｗ＝Ｚ−（Ｒ−Ｅ）・Ｋ／Ｅ・・・・（２）つまり、従来の変位検出形測定ヘッドを用いた測定方法
と装置では、測定子の球部の半径と発生変位とが常に一
致すると言う条件下（基準変位量Ｅ₀を設定する）で測
定が行われたが、本実施例では、Ｒ＝Ｅなる点で測定し
なくても任意の発生変位量Ｅだけ測定子１４を被加工物
Ｗｐの表面に押し当て、内方へ押し込んだ場合に発生す
る変位データＥと測定ヘッド１０の検出軸の位置データ
とから正確な表面座標Ｐの座標値（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を得る
ことができるのである。なお、上記の演算式（１）〜
（３）による演算は、例えば、被測定物Ｗｐと測定ヘッ
ド１０との間に相対移動を実行させる駆動系の制御装
置、例えばＮＣ装置に備えられた演算手段で行い得るも
のであり、また、適宜の演算手段を備えることによって
達成することもできる。

【００１８】次に図２を参照すると、この場合は、被測
定物Ｗｐに変位検出形測定ヘッド１０の測定子１４を押
し当てたときの接触点から同被測定物Ｗｐの表面Ｗｓに
対して略法線方向に距離ｒ₀だけオフセットした点Ｓの
三次元座標系における座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を測定する
測定方法の原理である。この点Ｓの位置は、必ずしも測
定子１４の球部の中心位置で無いことは言うまでもな
い。

【００１９】例えば、測定ヘッド１０の測定子１４の中
心Ｑ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を、基準変位量Ｅ₀だけ被測定物Ｗ
ｐに押し込もうとしたが、実際には合成変位量Ｅ（各
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の変位成分はＩ，Ｊ，Ｋ）を発生した
位置Ｔまで押し込まれている様子が表されている。この
場合に、オフセット距離（量）ｒ₀は、図２から明らか
なように、（Ｒ−Ｅ₀）であり、予め設定された量であ
る。

【００２０】この場合のオフセット点Ｓの座標値（ｘ，
ｙ，ｚ）は次の演算式（４）〜（６）から得られるので
ある。ｘ＝Ｘ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｉ／Ｅ・・・・（４）ｙ＝Ｙ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｊ／Ｅ・・・・（５）ｚ＝Ｚ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｋ／Ｅ・・・・（６）実際に上記演算式（４）〜（６）を実行する演算手段
は、前述と同じく、被測定物Ｗｐと測定ヘッド１０との
間の相対移動の送り機構を制御するＮＣ装置等の制御装
置に具備された演算手段によって形成すれば良い。

【００２１】上述した演算を実行することにより、従来
のように、測定子１４の球部の半径と基準変位Ｅ₀とを
一致させる、つまり、図２のシステムではＲ＝Ｅ₀とな
る点で測定しなくても、任意量Ｅだけ測定子１４を被加
工物Ｗｐの表面Ｗｓに向けて押し込んだ状態の変位デー
タと位置データとから、正確に表面Ｗｓに対してオフセ
ット距離ｒ₀だけオフセットした位置の座標を求めるこ
とができるのである。

【００２２】次に、このようにし得られる測定ヘッド１
０、測定子１４を用いた測定の応用に就いて、以下に説
明する。上述した被測定物Ｗｐを変位検出形測定ヘッド
１０の測定子１４の接触、押圧で測定する過程におい
て、測定子１４のオフセットした位置Ｓの座標（ｘ，
ｙ，ｚ）として得られるデータは、どのように利用々途
があるかを、先ず、考察すると、例えば、図６〜図９に
おける図６に示すように、被測定物の複数点位置でオフ
セット位置Ｓの座標値データを得れば、被測定物Ｗｐの
面Ｗｓに沿った点位置ｌ₁とｌ₂とを結ぶ直線に対する
別の面Ｗｓに沿う点位置ｌ₃からの距離ｈを測定してオ
フセット距離ｒ₀を加算すれば両面間の距離測定データ
を得ることができる。

【００２３】また、被測定物Ｗｐが有する球面Ｗｓに対
応した円弧沿いの点位置ｌ₁,ｌ₂,ｌ₃を測定して、オフ
セット距離ｒ₀を加算すれば円弧の中心位置と半径とを
求める測定を実施することができるのである（図７）。
更に、被測定物Ｗｐに穿設した複数の孔の中心間距離、
即ち、ピッチ距離をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向（図示ではＸ，Ｙ
軸と簡略図示している）の各成分量で測定することがで
きる（図８）。すなわち、同図８に示すように、異なる
円孔に就いて、夫々複数点、ｌ₁,ｌ₂,ｌ₃とｌ₄,ｌ₅,ｌ
₆とから各円孔の中心位置データを求め、その求めた中
心位置データから、ピッチ距離の演算測定が実施でき
る。

【００２４】他方、図９は、被測定物Ｗｐに穿設された
円孔の中心位置から別の面Ｗｓに沿う直線までの距離を
演算測定する場合である。この場合にも、円孔の中心位
置を測定点ｌ₁,ｌ₂,ｌ₃から求め、他方、別の面に沿う
直線位置を点ｌ₄,ｌ₅から求め、両者から距離ｈを求め
る場合である。すなわち、図６〜図９は、一般的に被測
定物Ｗｐに関する寸法測定を行う場合であり、被測定物
Ｗｐの表面Ｗｓの座標値をいちいち求めなくとも、被測
定物Ｗｐの表面から所定距離だけオフセットした点ｌ₁
〜ｌ₆の座標値データを測定することで、被測定物Ｗｐ
に関する寸法データの測定が結果的に演算、測定するこ
とができるのである。

【００２５】図４、図５は、被測定物Ｗｐの表面Ｗｓと
測定ヘッドの測定子１４との接触点の座標値データを図
１に示した測定原理に従って求める応用例を示し、図４
は球面や円弧に沿う点の測定を行う場合、図５は２つの
面に沿う２つの直線の交点と、同交点における成す角度
θとを求める場合である。以上の説明から明らかなよう
に、本発明によれば、変位検出形測定ヘッド１０の測定
子１４を被測定物Ｗｐに対して相対移動させ、その間に
測定子１４と被測定物表面との接触状態から接触点の座
標測定を行う場合と接触点からオフセットした位置の座
標値とを演算、測定する測定方法が、従来の如く、基準
変位量Ｅ₀に捕らわれることなく、任意の発生変位Ｅに
基づいて実行し得るが、後者の図２に示した測定原理
が、前者の図１に示した測定原理よりも優れている点を
以下に説明する。

【００２６】すなわち、変位検出形測定ヘッド１０の測
定子１４と被測定物Ｗｐとの摩擦によって測定子１４の
変位ベトクルの方向に若干の誤差θが発生した場合に、
図１の測定原理では、表面座標の測定値にＲｔａｎθ
（Ｒ：測定子半径）の誤差が発生し、Ｒが大きい程、又
Ｅが小さい程、誤差が拡大する傾向がある。他方、図２
の測定原理では、測定子１４の半径Ｒを用いずに、前述
した演算式（４）〜（６）から明らかなように、合成変
位と基準変位との差値（Ｅ−Ｅ₀）なる数値を用いてい
る。つまり、ＥはＥ₀になるように、測定子１４を被測
定物Ｗｐに押し込み、実測したらＥ₀より若干、異なる
Ｅの位置で止まるケースが多いので、上記の値（Ｅ−Ｅ
₀）は非常に小さい値である。このように、図２は、測
定子１４の先端球部の半径Ｒには関係しないことから、
先端球部の寸法値データの精度に左右されることがな
く、より高精度な測定を行い得る点で優れているのであ
る。

【００２７】従って、被測定物Ｗｐの実際の測定過程で
は、測定すべき項目が、図１の測定原理によるべきか、
図２の測定原理によるべきかの判別をしてから、測定す
る必要が生ずる。すなわち、図４、図５に示した適用例
では、図１の測定原理（表面座標の演算手段を用いて演
算式（１）〜（３）を実行する演算ステップ）に従う方
法が有効である。

【００２８】他方、図６〜図９の適用では、図２の測定
原理（オフセット座標の演算手段を用いて演算式（４）
〜（６）を実行する演算ステップ）に従う方法が有効で
あると言えるのである。さて、ここで図３を参照する
と、本願の請求項５に記載した発明に対応した測定装置
が示されている。

【００２９】図３において、被測定物Ｗｐは、例えば三
次元測定装置として知られた装置に取り付けられて測定
が行われる。同装置は、固定ベッド２０と、同ベッド２
０上に立設されて図示のＹ軸方向に移動可能な立設コラ
ム２２と、同コラム２２に対して同Ｙ軸に対して直交し
たＸ軸方向に左右動可能なテーブル２４と、上述のココ
ラム２２の前面に上記のＸ，Ｙ軸に対して直交したＺ軸
方向に摺動可能に支持された主軸頭２６と、同主軸頭２
６の先端部位に取着された変位検出形測定ヘッド１０と
を有して構成され、測定ヘッド１０の先端には既述した
測定子１４が装脱自在に取付けられている。

【００３０】そして、被測定物Ｗｐは、上記のテーブル
２４上に搭載、保持され、コラム２２、テーブル２４、
主軸頭２６の相対移動から、測定ヘッド１０の測定子１
４を被測定物Ｗｐの表面に接触させることができる構成
となっている。このとき、上記のコラム２２、テーブル
２４、主軸頭２６による相対移動量は、夫々、例えば、
光学式スケール等から成るＸ，Ｙ，Ｚ軸スケール３０、
３２、３４を介して検出可能であり、また、これらの移
動は、制御装置を形成するＮＣ装置３６からの指令に応
じて作動する図示されていないボールねじ機構等の周知
の送り機構に依って遂行される構成を有している。

【００３１】上述したＸ，Ｙ，Ｚ軸スケール３０〜３４
の検出データ、変位検出形測定ヘッド１０の変位検出デ
ータ（Ｉ，Ｊ，Ｋ）は、位置読み取り手段３８に送出さ
れ、この位置読み取り手段３８から、更に表面座標演算
手段４０とオフセット座標演算手段４２へ送出されてい
る。なお、図示例では説明を容易にするために、これら
の両演算手段４０、４２を分離図示したが、これらは、
例えば、ＮＣ装置３６に内蔵した演算手段を用いるよう
に構成することもできる。また、両演算手段４０、４２
は、既述した演算式（１）〜（６）で用いる諸パラメー
タを予め記憶するパラメータ記憶手段４４に接続され、
演算過程で所要のパラメータを読み出し得るようにして
いる。

【００３２】他方、上記の表面座標演算手段４０とオフ
セット座標演算手段４２とは、既述したように必要に応
じて表面座標位置の測定モードとオフセット位置の測定
モードとの使い分けを可能にする測定モード判別手段４
６に接続され、この測定モード判別手段４６はＮＣ装置
３６からの指令で所望の測定モードを判別することが可
能に接続されている。

【００３３】また、測定モード判別手段４６は、測定モ
ードに応じて最終的に必要とする測定値を測定する測定
値演算手段４８に接続され、この測定値演算手段４８の
演算結果が、例えば、ディスプレイ装置やプリンタ等か
ら成る周知の出力手段５０へ出力される構成を有してい
る。次に、上述した測定装置による測定プロセスを説明
する。

【００３４】測定する手順を指令するＮＣプログラムを
ＮＣ装置３６に与え、測定を開始する。被測定物Ｗｐと
測定ヘッド１０の測定子１４との相対移動が遂行され、
第１の測定点で合成変位量がＥ₀となったことが位置読
み取り手段３８で読み取られると、送り軸停止指令（ス
キップ信号）が、同位置読み取り手段３８からＮＣ装置
３６へ送出される。停止した位置におけるＸ，Ｙ，Ｚ座
標値と発生変位量Ｅの各軸成分（Ｉ，Ｊ，Ｋ）とをＸ，
Ｙ，Ｚ軸スケール３０〜３４と測定ヘッド１０とから送
られる検出データとして位置読み取り手段３８で取り込
み、表面座標演算手段４０又はオフセット座標演算手段
４２へ送出する。

【００３５】そのとき、既知の数値（測定子球部半径Ｒ
や基準変位量Ｅ₀）はパラメータ記憶手段４４に予め格
納されており、このパラメータ記憶手段４４から随時に
読み出して演算に使用する。測定モード判別手段４６
は、ＮＣ装置３６から現在行っている測定が図４〜図９
の何ずれの測定項目であるかの情報を得て、それが形状
測定モードか寸法測定モードかを判別する。

【００３６】このとき、形状測定モードの場合は、表面
座標演算手段４０からの演算の結果を用い、他方、寸法
測定モードの場合は、オフセット座標演算手段４２から
の演算結果を用い、それぞれの測定項目に適合した測定
値演算を測定値演算手段４８で遂行し、その演算結果を
表示データまたは記録データの形として出力手段５０へ
出力する。

【００３７】以上の説明から明らかなように、図３に図
示した実施例の測定装置を用いれば被測定物に就いて所
要とする測定が形状測定であるか、円孔の径寸法、深さ
寸法、隙間や空間を隔てた２面間の幅などの幅寸法等を
求める寸法測定であるかに応じた測定モードに従って切
換えることにより、所要の測定を高精度に、かつ自動的
に遂行し得るのである。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から理解できるように、本発
明によれば、被測定物を変位検出形測定ヘッドを用い、
かつ所定の演算式に従って演算、測定を遂行する測定方
法と同方法を直接、実施する測定装置が提供され、この
とき、測定ヘッドの測定子球部の半径と合成変位量とを
一致させないで、測定できるように成ったので、測定過
程で測定子を被測定物の測定点に対して位置決めを厳密
に行う必要がなく、相対送り速度を速めて能率の良い測
定を遂行することが可能となったのである。

【００３９】更に、測定子球部の半径と合成変位量とが
一致していなくても表面座標やオフセット位置の座標が
演算によって正確に、かつ自動的にも求められるように
なった。しかも、被測定物の測定条件、測定項目に合っ
た演算手段を測定過程で適切に選択しつつ演算結果を順
次に得て、最終の測定値を演算、測定できるので、測定
結果の精度を向上させることができ、ひいては、加工物
の加工精度の向上等に反映させることもできるのであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】三次元座標系において立体形状を有する被測定
物の表面に変位検出形測定ヘッドの同表面に対して略法
線方向に変位するように支持された測定子を押し当てた
ときの接触点の座標値を測定するための原理図である。

【図２】同じく立体形状の被測定物の表面に変位検出形
測定ヘッドの測定子を押し当てたときの接触点から法線
方向に距離ｒ₀だけオフセットした点Ｓ（通常は、球形
測定子内部の点である）の座標値を測定する原理図であ
る。

【図３】被測定物と変位検出形測定ヘッドとの間の相対
移動を制御しながら同変位検出形測定ヘッドから図１ま
たは図２に示す原理に従って被測定物の接触点座標値ま
たはオフセット点Ｓの座標値を測定し、これらを２つの
測定モードに分類しながら、所望のモードの測定を自動
遂行可能にする測定装置の構成を示したブロック図であ
る。

【図４】被測定物の表面のある点の座標値を測定する場
合の測定点と測定子との関係を二次元座標系で略示した
図である。

【図５】同じく被測定物が有する表面上の２直線の交点
と同交点における２直線の成す角度を求めるための測定
方法を説明する略示図である。

【図６】被測定物の例えば、２つの面の間の距離寸法を
測定する場合を二次元座標系の２つの直線間の距離寸法
に置き換えて測定する方法を説明する略示図である。

【図７】被測定物の球面の半径測定に適用可能な円弧測
定を二次元座標系で説明する略示説明図である。

【図８】被測定物に穿設された多数の孔のピッチ寸法の
測定に適用する場合の測定方法を二次元座標系で簡略化
して説明するための略示図である。

【図９】被測定体に穿設された円孔の中心と同被測定体
の別の面との距離測定に適用する場合の測定方法を二次
元座標系で説明するための略示図である。

【符号の説明】

１０…変位検出形測定ヘッド１２…支持軸１４…測定子２０…固定ベース２４…テーブル２６…主軸頭３６…ＮＣ装置３８…位置読取り手段４０…表面座標演算手段４２…オフセット座標演算手段４６…測定モード判別手段４８…測定値演算手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹内雄三神奈川県愛甲郡愛川町三増359番地の３株式会社牧野フライス製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】立体形状を有する被測定物と測定ヘッド
との間でＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対移動を行い、前記被測
定物に前記測定ヘッドの測定子を接触させてその接触点
の座標値を測定する測定方法において、前記測定ヘッドとして、先端に球部を有し前記被測定物
の表面に接触するとその表面に対して略法線方向に変位
するよう支持された測定子を備え、該測定子のＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向の各変位を検出可能な変位検出形測定ヘッドを
用い、前記変位検出形測定ヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の各位置
データを読み取り、前記被測定物の表面に前記変位検出形測定ヘッドの測定
子を接触させたときの該接触点の座標値（Ｕ，Ｖ，Ｗ）
は、Ｕ＝Ｘ−（Ｒ−Ｅ）・Ｉ／Ｅ・・・・・・・・・（１）Ｖ＝Ｙ−（Ｒ−Ｅ）・Ｊ／Ｅ・・・・・・・・・（２）Ｗ＝Ｚ−（Ｒ−Ｅ）・Ｋ／Ｅ・・・・・・・・・（３）この場合に、Ｒは測定子の先端球部半径で既知の値、Ｉ，Ｊ，Ｋは変位検出形測定ヘッドで検出したＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向の各変位、Ｅは、測定子の合成変位量でＥ＝√（Ｉ²＋Ｊ²＋
Ｋ²）、つまり、Ｅの値は（Ｉ²＋Ｊ²＋Ｋ²）の平方
根に等しい、Ｘ，Ｙ，Ｚは、接触して変位を検出したときの変位検出
形測定ヘッドの各位置データ、で表される（１）〜
（３）式に従って求めるようにしたことを特徴とする測
定方法。
【請求項２】立体形状を有する被測定物と測定ヘッド
との間でＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対移動を行い、前記被測
定物に前記測定ヘッドの測定子を接触させて前記被測定
物の表面からオフセットした位置の座標値を測定する測
定方法において、前記測定ヘッドとして、先端に球部を有し前記被測定物
の表面に接触するとその表面に対して略法線方向に変位
するよう支持された測定子を備え、該測定子のＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向の各変位を検出可能な変位検出形測定ヘッドを
用い、前記変位検出形測定ヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の各位置
データを読み取り、前記被測定物の表面に前記変位検出形測定ヘッドの測定
子を接触させたときの該接触点から所定量オフセットし
た位置の座標値（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ＝Ｘ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｉ／Ｅ・・・・・・・（１）ｙ＝Ｙ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｊ／Ｅ・・・・・・・（２）ｚ＝Ｚ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｋ／Ｅ・・・・・・・（３）この場合に、Ｅ₀は予め設定された基準変位量で、測定
子の先端球部の半径Ｒから所定のオフセット量ｒ₀を引
いた量、Ｉ，Ｊ，Ｋは変位検出形測定ヘッドで検出したＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向の各変位、Ｅは測定子の合成変位量でＥ＝√（Ｉ²＋Ｊ²＋
Ｋ²）、つまりＥの値は（Ｉ²＋Ｊ²＋Ｋ²）の平方根
に等しい、Ｘ，Ｙ，Ｚは、接触して変位を検出したときの変位検出
形測定ヘッドの各位置データ、の（１）〜（３）式に従って求めるようにしたことを特
徴とする測定方法。
【請求項３】立体形状を有する被測定物と測定ヘッド
との間でＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対移動を行い、前記被測
定物に前記測定ヘッドの測定子を接触させてその接触点
の座標値を測定する測定装置において、前記測定ヘッドは、先端に球部を有し前記被測定物の表
面に接触するとその表面に対して略法線方向に変位する
支持された測定子を備え、該測定子のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向
の各変位を検出可能な変位検出形測定ヘッドとして形成
され、前記変位検出形測定ヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の各位置
データを読み取る位置読み取り手段と、前記被測定物の表面に前記変位検出形測定ヘッドの測定
子を接触させたときの該接触点の座標値（Ｕ，Ｖ，Ｗ）
を、Ｕ＝Ｘ−（Ｒ−Ｅ）・Ｉ／Ｅ・・・・・・（１）Ｖ＝Ｙ−（Ｒ−Ｅ）・Ｊ／Ｅ・・・・・・（２）Ｗ＝Ｚ−（Ｒ−Ｅ）・Ｋ／Ｅ・・・・・・（３）ただし、Ｒは測定子の先端球部半径で既知の値、Ｉ，Ｊ，Ｋは変位検出形測定ヘッドで検出したＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向の各変位、Ｅは、測定子の合成変位量でＥ＝√（Ｉ²＋Ｊ²＋
Ｋ²）、つまり、Ｅの値は（Ｉ²＋Ｊ²＋Ｋ²）の平方
根に等しい、Ｘ，Ｙ，Ｚは、接触して変位を検出したときの変位検出
形測定ヘッドの各位置データ、の（１）〜（３）式に従
って求める表面座標演算手段と、前記被測定物と前記変位検出形測定ヘッドとのＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向の相対移動を制御するＮＣ装置と、を具備した
ことを特徴とする測定装置。
【請求項４】立体形状を有する被測定物と測定ヘッド
との間でＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対移動を行い、前記被測
定物に前記測定ヘッドの測定子を接触させて前記被測定
物の表面からオフセットした位置の座標値を測定する測
定装置において、前記測定ヘッドは、先端に球部を有し前記被測定物の表
面に接触するとその表面に対して略法線方向に変位する
ように支持された測定子を備え、該測定子のＸ，Ｙ，Ｚ
軸方向の各変位を検出可能な変位検出形測定ヘッドとし
て形成され、前記変位検出形測定ヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸
方向の各位置データを読み取る位置読取り手段と、前記被測定物の表面に前記変位検出形測定ヘッドの前記
測定子を接触させたときの該接触点から所定量オフセッ
トした位置の座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を、ｘ＝Ｘ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｉ／Ｅ・・・・・・・（１）ｙ＝Ｙ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｊ／Ｅ・・・・・・・（２）ｚ＝Ｚ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｋ／Ｅ・・・・・・・（３）ただし、Ｅ₀は予め設定された基準変位量で、測定子の
先端球部の半径Ｒから所定のオフセット量ｒ₀を引いた
量、Ｉ，Ｊ，Ｋは変位検出形測定ヘッドで検出したＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向の各変位、Ｅは測定子の合成変位量でＥ＝√（Ｉ²＋Ｊ²＋
Ｋ²）、つまりＥの値は（Ｉ²＋Ｊ²＋Ｋ²）の平方根
に等しい、Ｘ，Ｙ，Ｚは、接触して変位を検出したときの変位検出
形測定ヘッドの各位置データ、の（１）〜（３）式に従って求めるオフセット座標演算
手段と、前記被測定物と前記変位検出形測定ヘッドとのＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向の相対移動を制御するＮＣ装置と、を具備した
ことを特徴とする測定装置。
【請求項５】立体形状を有する被測定物と測定ヘッド
との間でＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対移動を行い、前記被測
定物に前記測定ヘッドの測定子を接触させて座標値や寸
法を測定する測定装置において、前記測定ヘッドは、先端に球部を有し前記被測定物の表
面に接触するとその表面に対して略法線方向に変位する
ように支持された測定子を備え、該測定子のＸ，Ｙ，Ｚ
軸方向の各変位を検出可能な変位検出形測定ヘッドとし
て形成され、前記変位検出形測定ヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の各位置
データを読み取る位置読取り手段と、前記被測定物の表面に前記変位検出形測定ヘッドの測定
子を接触させたときの該接触点の座標値（Ｕ，Ｖ，Ｗ）
を、Ｕ＝Ｘ−（Ｒ−Ｅ）・Ｉ／Ｅ・・・・・・・・・（１）Ｖ＝Ｙ−（Ｒ−Ｅ）・Ｊ／Ｅ・・・・・・・・・（２）Ｗ＝Ｚ−（Ｒ−Ｅ）・Ｋ／Ｅ・・・・・・・・・（３）ただし、Ｒは測定子の先端球部半径で既知の値、Ｉ，Ｊ，Ｋは変位検出形測定ヘッドで検出したＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向の各変位、Ｅは、測定子の合成変位量でＥ＝√（Ｉ²＋Ｊ²＋
Ｋ²）、つまり、Ｅの値は（Ｉ²＋Ｊ²＋Ｋ²）の平方
根に等しい、Ｘ，Ｙ，Ｚは、接触して変位を検出したときの変位検出
形測定ヘッドの各位置データ、の（１）〜（３）式に従
って求める表面座標演算手段と、前記被測定物の表面に前記変位検出形測定ヘッドの測定
子を接触させたときの該接触点から所定量オフセットし
た位置の座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を、ｘ＝Ｘ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｉ／Ｅ・・・・・・・（４）ｙ＝Ｙ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｊ／Ｅ・・・・・・・（５）ｚ＝Ｚ＋（Ｅ−Ｅ₀）・Ｋ／Ｅ・・・・・・・（６）ただし、Ｅ₀は予め設定された基準変位量で、測定子の
先端球部の半径Ｒから所定のオフセット量ｒ₀を引いた
量、Ｉ，Ｊ，Ｋは変位検出形測定ヘッドで検出したＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向の各変位、Ｅは測定子の合成変位量でＥ＝√（Ｉ²＋Ｊ²＋
Ｋ²）、つまりＥの値は（Ｉ²＋Ｊ²＋Ｋ²）の平方根
に等しい、Ｘ，Ｙ，Ｚは、接触して変位を検出したときの変位検出
形測定ヘッドの各位置データ、の（４）〜（６）式に従
って求めるオフセット座標演算手段と、前記被測定物と前記変位検出形測定ヘッドとのＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向の相対移動を制御するＮＣ装置と、測定すべき項目が前記被測定物の表面座標を求めるステ
ップを必要とする第１測定モードか、前記被測定物の表
面から所定量オフセットした点の座標を求めるステップ
を必要とする第２測定モードかを判別する測定モード判
別手段と、前記判別手段が第１測定モードと判別した測定項目につ
いては前記表面座標演算手段の出力を用いて測定値を求
め、前記判別手段が第２測定モードと判別した測定項目
については前記オフセット座標演算手段の出力を用いて
測定値を求める測定値演算手段と、を具備したことを特
徴とする測定装置。