JPH0786409B2 - 直径測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、直径測定装置に係り、特に大型立旋盤等で加
工された被加工物の直径測定に利用できる。

［背景技術とその問題点］ 従来、大型立旋盤で加工された被加工物の直径、例えば
外径を測定するには、専用の大型マイクロメータを使っ
たり、或いは被加工物外径の対向位置にブロックを置
き、このブロック間をインサイドマイクロメータをつな
いで測定していた。

前者の大型マイクロメータによる測定は、マイクロメー
タ自体の重量が重く、従って操作が困難であることから
測定精度の点で問題があった。また、後者のインサイド
マイクロメータによる測定は、ブロックを正確に被加工
物に接して置くことが困難であり、またインサイドマイ
クロメータを正確につなぐことも困難であった。

一方、これらの方式のほかに、被加工物を載置している
テーブルを回転させ、被加工物の測定面に直径が既知の
ローラを押し当て、ローラの回転数から被加工物の直径
を算出する方式もあるが、被加工物に接するローラの回
転数はスリップがあるので、精度が落る。しかも、ロー
ラを押しつけると、被加工物のその部分に光沢が生じ嫌
われることもあった。

また、被加工物の内径を測定するには、通常、インサイ
ドマイクロメータが用いられるが、被測定物の内径が大
きくなるに従って、上述した問題が生じる。

［発明の目的］ 本発明の目的は、このような従来の欠点を解決すべくな
されたもので、比較的大径の被測定物の内径または外径
を精度よくかつ能率よく高速測定する直径測定装置を提
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、被測定物の内周面または外周面
に対向して複数の光電変換素子を周方向に沿って等間隔
を配置し、この光電変換素子列および被測定物を相対回
転させ、この状態において、光電変換素子列によって検
出される被測定物の周面の光学的パターン情報を特徴点
抽出化処理して２値化パターン情報に変換し、これをそ
れ以前に検出されたパターン情報と比較して両者のずれ
量を求め、このずれ量を相対１回転について累計した
後、その類計算を円周率で徐算して被測定物の直径を求
めるようにしたものである。

具体的には、測定対象となる周面が反射光の明度が均一
とならない態様を有する被測定物の内径または外径を測
定する装置であって、被測定物の内周面または外周面の
状態を明暗の光学的情報として捉えるための光源と、被
測定物の内周面または外周面に対向して複数の光電変換
素子を周方向に沿って等間隔に配置した光電変換素子列
と、この光電変換素子列および被測定物のいずれか一方
を他方に対して所定の間隔を保ちながら回転させる回転
駆動手段と、この回転駆動手段による光電変換素子列ま
たは被測定物の１回転を検出する１回転検出器と、前記
光電変換素子列によって検出された被測定物周面のパタ
ーン情報を特徴点抽出化処理し、前記パターン情報の特
徴的な点を２値のうちの一方の値とし、他の点を２値の
うちの他方の値とする２値化パターン情報に変換する２
値化処理手段と、この２値化処理手段によって処理され
た２値化パターン情報を記憶する第１のパターン記憶部
と、この第１のパターン記憶部のパターン情報より前に
前記光電変換素子列によって検出されたパターン情報の
２値化パターン情報を基準パターンとして記憶している
第２のパターン記憶部と、前記第１のパターン記憶部に
読取指令を周期的に出力してその第１のパターン記憶部
に記憶されたパターン情報を読み込むとともに、読み込
んだパターン情報の各特徴点とこれに対応する第２のパ
ターン記憶部に記憶された基準パターンの各特徴点との
ずれ量の総和および前記特徴点の数から基準パターンに
対する前記第１のパターン記憶部のパターン情報の平均
ずれ量を計算し、その計算結果に応じて、求められた平
均ずれ量を累計記憶させるとともに、前記第２のパター
ン記憶部の基準パターンを前記第１のパターン記憶部の
パターン情報に更新する演算手段と、前記１回転検出器
によって１回転が検出されたときの前記平均ずれ量の累
計値を円周率で徐算して被測定物の直径を求める手段
と、を具備したことを特徴としている。

［実施例］ 第１図は本発明の直径測定装置を大型立旋盤に適用した
一実施例を示している。同図において、ベッド１の上部
には、回転駆動手段としての駆動機構２により回転され
るテーブル３が設けられている。テーブル３には、その
上面に円筒形状に加工された被測定物としての被加工物
４が載置されているとともに、外周面に１回転検出器５
が対向配置されている。１回転検出器５は、前記ベッド
１に図示しないブラケット等を介して固定され、かつ前
記テーブル３の外周面１箇所に設けられた突起やマーク
3Aの接近によってオンされるスイッチ等により構成され
ている。

また、ベッド１の両側にはコラム６がそれぞれ立設さ
れ、この両側のコラム６間にはクロスレール７が昇降自
在に設けられている。クロスレール７には刃物台８が図
中左右方向へ摺動自在に取付けられ、この刃物台８のラ
ム8Aの先端には被加工物４の外周面に対向して検出ヘッ
ド９が取付けられている。ここで、被加工物４の外周面
には、検出ヘッド９との相対移動方向つまり円周方向に
おいて、一定の光源に対し反射光の明度が均一とならな
いような処理が施されている。例えば、相対移動方向に
沿って反射光の明度が均一とならないような明暗模様等
のマークが施されている。

一方、前記検出ヘッド９には、第２図に示す如く、光電
変換素子列11が前記被加工物４の外周面に対して所定間
隔離れた対向位置でかつ相対移動方向つまり円周方向に
沿って配置されているとともに、被加工物４の外周面に
対して光照射する直管型の光源12等が設けられている。
光電変換素子列11は、前記円周方向に沿って等間隔に配
置されたｎ素子の光電変換素子11₁〜11nによって構成さ
れている。これにより、被加工物４の外周面の光学的明
度パターンが光電変換素子列11のｎ素子の光電変換素子
11₁〜11nにより検知された後、パターン処理部21へ送ら
れる。この際、被加工物４の外周面と光電変換素子11と
の間に被加工物４の外周面からの反射光を光電変換素子
列11上に所定倍率で結像させるレンズを設ければ、各光
電変換素子11₁〜11nの間隔δに対し、（被加工物４の外
周面からレンズまでの距離L₁/レンズから光電変換素子
列11までの距離L₂）倍の分解能が得られる。

パターン処理部21へ送られたパターン情報は、第３図に
示す如く、アンプ22で増幅された後、２値化処理手段を
兼ねるA/D変換器23へ入力される。A/D変換器23は、入力
されたアナログ信号をデジタル信号に変換するととも
に、特徴点の抽出を行って「１」，「０」の２値化パタ
ーン情報に変換し、これを第１のパターン記憶部として
の検出パターンメモリ26へ出力する。

ここで、特徴点の抽出とは、ｎ個の各素子で測定された
アナログ信号を単純に何ビットかのデジタル量に変換す
るのではなく、ｎ個の素子の間のパターンとして特徴的
な点のみを「１」とし、他の点を「０」とするような２
値化処理をいう。特徴点の例としては、パターンの明暗
情報の極大点、極小点、または明暗情報を或しきい値よ
り明か暗かで２値化したとき、明→暗、暗→明へ切換る
点、更に２値化したとき明となった素子の連なり、暗と
なった素子の連なりのそれぞれの中心の点等である。い
ま、一例として、素子数16の光電変換素子列から得られ
たパターンを４ビット（16階層）の明暗情報で表わした
とき、 Ｐ＝（4,6,8,9,7,4,3,2,3,5,9,12,13,10,8,7） であったとする。これを、極大点、極小点で特徴点抽出
処理を行うと、 Ｐ＝（0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,0,1,0,0,0） となる。

このようにして、特徴点抽出化されて検出パターンメモ
リ26に記憶された２値化パターン情報は、演算手段とし
ての処理回路27から読取指令24が与えられる毎に処理回
路27へ読込まれ、そこで第２のパターン記憶部としての
基準パターンメモリ28に記憶されている基準パターンと
比較され、その基準パターンに対するずれ量が計算され
る。基準パターンメモリ28の基準パターンは、前記ずれ
量の計算が終る毎に、前記検出パターンメモリ26のパタ
ーン情報に順次更新される。また、一連の処理が行なわ
れると、次の演算のための読取指令24が処理回路27から
検出パターンメモリ26へ出力され、その検出パターンメ
モリ26のパターン情報が処理回路27へ読込まれる。

いま、検出パターンメモリ26に記憶されているパターン
情報、つまり今回のサンプリングで取込まれたパターン
情報のベクトルをＰ（p₁,p₂…pn）、基準パターンメモ
リ28に記憶されている基準パターン、つまり前回のサン
プリングにて更新された基準パターンのベクトルをＰ′
（p₁′,p₂′…pn′）とすると、演算回路27では、第４
図のフローチャートに従ってずれ量を計算する。

即ち、素子番号ｉ（１〜ｎ）を１、素子間隔単位で測っ
た各特徴点のずれ量Ｄを０、特徴点の数Ｍを０とした初
期状態から、ｉ＝ｉ＋１とし、このｉが全素子数ｎ未満
であることを条件として、ｉ番目の素子で検出されかつ
２値化処理された値Ｐ（ｉ）が０であるか否かを判断す
る。ここで、Ｐ（ｉ）が０の場合にはｉ＝ｉ＋１の処理
へ戻るが、Ｐ（ｉ）が０でない場合つまり１の場合に
は、基準パターンメモリ28に記憶されているＰ′（ｉ−
１）が１であるか否かを判断する。

Ｐ′（ｉ−１）が１であれば、＋方向へ１素子分ずれが
生じていると判断し、ずれ量Ｄに１を加える。また、
Ｐ′（ｉ−１）が１でなければ、つまり０であれば、次
にＰ′（ｉ＋１）が１であるか否かを判断する。

Ｐ′（ｉ＋１）が１であれば、一方向へ１素子分ずれが
生じていると判断し、ずれ量Ｄから１を差し引く。ま
た、Ｐ′（ｉ＋１）が１でなければ、つまり０のときに
は、また前記ずれ量Ｄに１を加減算したときには、特徴
点の数Ｍに１を加え、ｉ＝ｉ＋１の処理へ戻る。

このような処理を繰返えして、ｉがｎになったとき、ず
れ量の総和Ｄを特徴点の数Ｍで除算して特徴点の平均ず
れ量DDを算出する。

基準パターンＰ′に対する検出パターンＰのずれ量の計
算が終了したら、変位量メモリ29に平均ずれ量DDを加算
するとともに、基準パターンＰ′の内容を検出パターン
Ｐに更新し、次の読取指令24を検出パターンメモリ26に
指令する。

従って、被加工物４が静止したままの状態では、検出パ
ターンＰと基準パターンＰ′との特徴点位置が一致する
から、変位量メモリ29のカウント値は更新されない。し
かし、被加工物４が回転すると、その回転量に応じて検
出パターンＰと基準パターンＰ′との特徴点位置の間に
ずれを生じるので、回転方式によって変位量メモリ29の
カウント値が増減される。このようにして、被加工物４
が回転していくと、変位量メモリ29には、被加工物４の
外周面移動距離が累計記憶されていく。

変位量メモリ29に記憶された値は、リセット／ホールド
回路30からのリセット信号が与えられたときリセットさ
れ、またホールド信号が与えられたときホールドされ、
直径演算部31において円周率πで除算された後、表示部
32に表示される。リセット／ホールド回路30は、前記１
回転検出器５が始めにオンしたときリセット信号を出力
し、２回目にオンしたときホールド信号を出力する。

従って、駆動機構２によりテーブル３を回転させ、被加
工物４の外周面移動距離を変位量メモリ29へ記憶してい
く途中で、１回転検出器５が初めにオンすると、リセッ
ト／ホールド回路30からのリセット信号により変位量メ
モリ29の値がリセットされる。更に、テーブル３が回転
すると、リセットされた時点からの被加工物４の外周面
移動距離が変位量メモリ29へ累計記憶されていく。やが
て、テーブル３が１回転すると、１回転検出器５がオン
するので、リセット／ホールド回路30からのホールド信
号により変位量メモリ29の値がホールドされる。する
と、そのホールド値は、直径演算部31において円周率π
で除算され、その結果つまり被加工物４の外径が表示部
32に表示される。

従って、本実施例によれば、被加工物４の外周面の光学
的パターン情報を光電変換素子列11で電気信号に変換
し、更に特徴点２値化処理されたパターン情報を前回の
サンプリング時に更新記憶された基準パターンと比較し
て、基準パターンに対する検出されたパターン情報のず
れ量を求め、このずれ量を被加工物４の１回転について
累計し、この累計値を円周率πで除算して被加工物４の
外径を求めるようにしたので、大きくて重量のあるマイ
クロメータやインサイドマイクロメータを使用する必要
がないので、操作が極めて容易な上、高精度な測定が可
能である。

特に、被加工物４の外周面の光学的パターン情報を検出
するようにしたので、被加工物４の外周面が円周方向に
おいて反射光の明度が均一とならないような態様であれ
ばよく、例えば規則的或いは不規則的なマークの塗布等
の処理でよく、更には何も処理することなく加工面粗度
のパターンをそのまま利用することもできる結果、測定
部材に対する加工がほとんど不要である。しかも、被加
工物４に対して非接触型であるので、測定面を傷付ける
ことがない。このことは、従来のローラの押し付けによ
る方法と比較しても、スリップがないので高精度測定が
可能な上、被加工物の材質が比較的軟質な材料でも高精
度に測定できる利点がある。

また、光電変換素子列11の各素子で検出されたアナログ
信号を特徴点抽出化処理して２値化パターン情報に変換
したので、後処理が簡単になり、基準パターンＰ′と検
出パターンＰとのずれ量の計算を高速処理できる。

また、基準パターンＰ′と検出パターンＰとのずれ量の
計算に当たって、検出パターンＰの特徴点とこれに対応
する基準パターンＰ′の特徴点とのずれ量から両パター
ンP,P′のずれ量を算出するようにしたので、具体的に
は、検出パターンＰの各特徴点と基準パターンＰ′の各
特徴点とのずれ量の総和Ｄを求めるとともに、特徴点の
数Ｍを求め、ずれ量の総和Ｄを特徴点の数Ｍで徐算して
特徴点の平均ずれ量DDを算出するようにしたので、基準
パターンＰ′と検出パターンＰとのずれ量を誤差なく正
確に算出することができる。その結果、変位量メモリ29
に誤差が累積されることがないから、高精度な直径測定
が行える。

なお、上記実施例では、A/D変換器23の後半処理として
特徴点抽出化処理を位置付けたが、特徴点抽出化処理
は、例えば処理回路27でのソフト処理によって行っても
よく、或いはアンプ22とA/D変換器23とを一体化してア
ナログ的に処理してから２値化してもよい。更に、A/D
変換の構成によっては、読取指令24の指令先もアンプ22
またはA/D変換器23になる場合もある。

また、上記実施例では、説明を簡単にするため、基準パ
ターンＰ′と検出パターンＰとの各特徴点のずれ量を最
大１素子分と仮定したが、第４図のフローチャートで
Ｐ′（ｉ−２）、Ｐ′（ｉ＋２）‥‥‥等との比較をす
れば、１素子分以上のずれ量も検出可能である。

また、上記実施例の第４図では、ずれ量Ｄを全特徴点の
数Ｍで除算して平均ずれ量DDを算出したが、Ｍを全特徴
点としないで定数とすればD/Mなる除算がなくなるの
で、演算時間をより短縮できる。

また、Ｎ個の光電変換素子列11を予め用意し、これらを
被加工物４の円周方向へ素子間隔のＮ分の１づつずらし
て並列配置すれば、分解能をＮ倍に向上させることがで
きる。

また、検出されたパターン情報と比較される基準パター
ンについては、前回のサンプリング時に更新記憶された
１つの基準パターンだけでなく、それ以前に更新された
複数個の基準パターンを記憶しておき、これら全てにつ
いて検出されたパターン情報と比較すれば、パターンの
解析をより正確に行うことができる。更に、直径算出に
あたっては、被加工物４の１回転のみに限らず、被加工
物４を複数回回転させ、１回転当りの外周面移動量を求
め、これを円周率πで除算して被加工物の直径を求める
ようにすれば、より高精度な測定ができる。

また、上記実施例では、被加工物４を回転させるように
したが、光電変換素子列11を被加工物４の外周面に沿っ
て回転させるようにしても、同様な効果が期待できる。

このほか、上記実施例では、被加工物４の外径測定につ
いて述べたが、被加工物の内周面に沿って光電変換素子
列を配置すれば、被加工物の内径をも測定することがで
きる。なお、外周面（内周面）に沿って円弧状に素子を
配列することは困難でもあり、また測定直径毎に測定素
子の配列を変えなければならなく不都合なので、直線配
列の素子列を使っても、素子列の中央が測定面に近くな
るように位置させれば誤差を生じない。

更に、上記実施例では、大型立旋盤に適用した例につい
て述べたが、本発明の直径測定装置では、大型立旋盤に
限らず、専用の測定装置でもよい。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明によれば、比較的大径の被加工物の
内径や外径等の直径を精度よくかつ能率よく高速測定す
る直径測定装置を提供することができる。

【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図は全体の説
明図、第２図は被加工物と検出ヘッドとの関係を示す
図、第３図はパターン処理部を示すブロック図、第４図
はずれ量の計算手順を示すフローチャートである。 ２……回転駆動手段としての駆動機構、４……被測定物
としての被加工物、５……１回転検出器、11……光電変
換素子列、12……光源、13……レンズ、11₁〜11n……光
電変換素子、23……２値化処理手段としてのA/D変換
器、26……第１のパターン記憶部としての検出パターン
メモリ、27……演算手段としての処理回路、28……第２
のパターン記憶部としての基準パターンメモリ、29……
変位量メモリ、31……直径演算部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定対象となる周面が反射光の明度が均一
   とならない態様を有する被測定物の内径または外径を測
   定する装置であって、 被測定物の内周面または外周面の状態を明暗の光学的情
   報として捉えるための光源と、 被測定物の内周面または外周面に対向して複数の光電変
   換素子を周方向に沿って等間隔に配置した光電変換素子
   列と、 この光電変換素子列および被測定物のいずれか一方を他
   方に対して所定の間隔を保ちながら回転させる回転駆動
   手段と、 この回転駆動手段による光電変換素子列または被測定物
   の１回転を検出する１回転検出器と、 前記光電変換素子列によって検出された被測定物周面の
   パターン情報を特徴点抽出化処理し、前記パターン情報
   の特徴的な点を２値のうちの一方の値とし、他の点を２
   値のうちの他方の値とする２値化パターン情報に変換す
   る２値化処理手段と、 この２値化処理手段によって処理された２値化パターン
   情報を記憶する第１のパターン記憶部と、 この第１のパターン記憶部のパターン情報より前に前記
   光電変換素子列によって検出されたパターン情報の２値
   化パターン情報を基準パターンとして記憶している第２
   のパターン記憶部と、 前記第１のパターン記憶部に読取指令を周期的に出力し
   てその第１のパターン記憶部に記憶されたパターン情報
   を読み込むとともに、読み込んだパターン情報の各特徴
   点とこれに対応する第２のパターン記憶部に記憶された
   基準パターンの各特徴点とのずれ量の総和および前記特
   徴点の数から基準パターンに対する前記第１のパターン
   記憶部のパターン情報の平均ずれ量を計算し、その計算
   結果に応じて、求められた平均ずれ量を累計記憶させる
   とともに、前記第２のパターン記憶部の基準パターンを
   前記第１のパターン記憶部のパターン情報に更新する演
   算手段と、 前記１回転検出器によって１回転が検出されたときの前
   記平均ずれ量の累計値を円周率で徐算して被測定物の直
   径を求める手段と、 を具備したことを特徴とする直径測定装置。