JPH0789045B2

JPH0789045B2 - 三次元変位量測定器

Info

Publication number: JPH0789045B2
Application number: JP63314853A
Authority: JP
Inventors: 雅博角崎; 喜八郎東保; 博杉森; 勝二谷口; 滋山田
Original assignee: Toyama Prefecture; Kitamura Machinery Co Ltd
Current assignee: Toyama Prefecture; Kitamura Machinery Co Ltd
Priority date: 1988-12-15
Filing date: 1988-12-15
Publication date: 1995-09-27
Anticipated expiration: 2010-09-27
Also published as: EP0373644A1; DE68903096D1; US4972597A; JPH02161301A; DE68903096T2; EP0373644B1

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。

従来の技術工作機械用の従来のタッチプローブは、プローブの先端
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、ON-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。

発明が解決しようとする課題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軸の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。

課題を解決するための手段前述の目的を達成するために、本願の第１発明は、ハウ
ジングと、ハウジングに対しスライド可能に設けたプロ
ーブと、ハウジングに固定関係に設けた二次元計測用素
子を有する三次元変位量測定器において、ハウジングに
対してプローブを回転可能に設け、プローブに少くとも
２個の発光素子を設け、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構
成にしたことを特徴とする三次元変位量測定器を要旨と
する。

また、本願の第２発明は、ハウジングと、ハウジングに
対しスライド可能に設けたプローブと、ハウジングに固
定関係に設けた二次元計測用素子を有する三次元変位量
測定器において、ハウジングに対してプローブを回転可
能に設け、プローブに反射板を設け、ハウジングに固定
関係に少くとも２個の発光素子を設け、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構成にした
ことを特徴とする三次元変位量測定器を要旨としてい
る。

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、一部断面をとって内部構造を見
易くしてある。

測定器10はホルダー部11を有する。ホルダー部11を例え
ばマシニングセンタ計測部の取付け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。

ホルダー部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てあ
る。

ハウジング18の中心軸線にそって細長いプローブ12が設
けてある。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てある。

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12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12の支承部12aの形状は支承
部15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は支承部材15に対して、自由に回転で
きる。支承部材15とプローブ12の支承部12a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が回転可能に設けてある。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
15はハウジング18の軸線（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が設けて
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が設けて
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1
8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18の下端部18bの内
面はフランジ部12c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の中央には穴があいている。プローブ12のフ
ランジ部12cとハウジング18のフランジ部18aの間にはば
ね16が設けてある。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Ｚ軸方向に変位しない限り、プロ
ーブ12のフランジ部12cの下面とハウジング18の下端部1
8bの内面とは接した状態にある。プローブ12の先端に設
けた接触子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12は
基準位置に復帰する。

プローブ12の上端部は２股に分かれていて、それぞれの
端部には発光素子13が設けてある。

ホルダー部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が取り付けてある。この二次元位置
検出用PSD17はハウジング18と固定関係に設ける。PSDと
は半導体位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。光源として発光素子13
は時分割方式で点灯する。従って１つのPSD17により２
つの発光素子13からの光線L₁,L₂のスポット位置を検出
できる。

ハウジング18のフランジ部18aの上面にはリミットスイ
ッチ19が設けてある。リミットスイッチ19はプローブ12
のＺ方向変位が０の場合と、Ｚ方向変位がある場合の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13からの光線L₁,L₂はPSD17上
の同じスポットS₁,S₂に当っている。

第3b図は、プローブ12の先端に設けた接触子12bがＺ方
向のみにZ₁だけ変位した場合を示している。スポット
S₁,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S₁,S₂の移動距離をプローブ12の先端にある接
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12の先端に設けた接触子12bが基準
位置からＸ方向にX₁だけ動いた場合を示している。スポ
ットS₁,S₂はPSD17上で同じ方向に移動する。スポット
S₁,S₂の移動距離を接触子12b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12の先端に設けた接触子12bが基準
位置からＹ方向にY₁だけ動いた場合を示している。スポ
ットS₁,S₂はPSD17上で同じ方向に同じ距離だけ移動す
る。PSD17上でのスポットS₁,S₂の移動距離を接触子12b
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S₁,S₂のPSD17上でのx,y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S₁,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、S₁
の変位量（x₁,y₁）及びS₂の変位量（x₂,y₂）を求める。

次に第５図を参照して、この変位量x₁,x₂,y₁,y₂を用い
て接触子12b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S₁
の変位量y₁（又はy₂）を接触子12b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｜＝｜x₂｜かつx₁・x₂＜０であるから、接触子12bはＺ方向に移動していてＸ方向
の変位が０である。

この場合にはx₁又はx₂の値をＺ方向変位に換算して接触
子12bのＺ方向変位を求める。

（ｂ）の場合は x₁・x₂≧０かつＺ≠０であるから、接触子12b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、Ｚ方向の移動距離は計
測不可能である。

（ｃ）の場合は x₁・x₂≧０かつＺ＝０であるから、接触子12b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x₁,x₂の値をＸ方向変位
に換算して接触子12b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22c
と、プローブ22の先端に設けられた接触子22aを有する
円盤状の下部材22bと、上板22cと下部材22bをつなげる
中間部材22dからなっている。

プローブ下部材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25a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は回転自在である。スライド体25の
上側には球25cが設けてありプローブ22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28aによって、ハウジング28に固定さ
れている。うで28aと中間部材22d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てある。

プローブ22が前述のように支えられているので、接触子
22aはＺ軸方向にスライド可能であり、またスライド体2
5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22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が設けてある。２個の発光素子33はハ
ウジング31に固定してある。二次元計測素子39はハウジ
ング31に固定してある。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の位置がわかる
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39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32の先端の変位を
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。

発明の効果本願発明は、ハウジングに対してプローブを回転可能に
設けるので、プローブの回転方向の微小変位から２軸方
向の微小変位を求めることができる。

この場合、プローブを球面座や多点支持手段などによっ
て回転可能に支持することができる。それによって、プ
ローブを２軸の各方向に移動可能に設けて２軸方向の変
位を求める場合と比較して、プローブを支持する構成を
小型化したり、簡略化したりすることが容易である。

しかし、プローブの回転方向の感度を均一にすることが
容易であるから、２軸方向の全ての方向の変位を均一の
精度で求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の好適な実施例による三次元変位量測
定器を示す側面図であり、一部断面をとって主要部を明
示しており、第２図は、本発明の他の実施例による三次
元変位量測定器を示す側面図であり、第3a〜3d図は、測
定器の動作を示す概念図であり、第４図は、二次元計測
用素子上でのスポットの移動距離を求めるための信号の
処理方法を示すブロック図であり、第５図は、スポット
の移動距離からプローブ先端の移動距離を求めるための
信号の処理方法を示すブロック図であり、第６図は、本
発明の別の実施例による三次元変位量測定器の主要部分
を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉森博富山県高岡市二上町150 富山県工業技術センター中央研究所内 (72)発明者谷口勝二富山県高岡市戸出光明寺1870番地キタムラ機械株式会社内 (72)発明者山田滋富山県高岡市戸出光明寺1870番地キタムラ機械株式会社内 (56)参考文献特開昭63−289410（ＪＰ，Ａ) 実開昭57−2405（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−60114（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジングと、ハウジングに対しスライド
可能に設けたプローブと、ハウジングに固定関係に設け
た二次元計測用素子を有する三次元変位量測定器におい
て、ハウジングに対してプローブを回転可能に設け、プ
ローブに少くとも２個の発光素子を設け、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
れかを計測する構成にしたことを特徴とする三次元変位
量測定器。
【請求項２】ハウジングと、ハウジングに対しスライド
可能に設けたプローブと、ハウジングに固定関係に設け
た二次元計測用素子を有する三次元変位量測定器におい
て、ハウジングに対してプローブを回転可能に設け、プ
ローブに反射板を設け、ハウジングに固定関係に少くと
も２個の発光素子を設け、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構成にしたことを特徴と
する三次元変位量測定器。
【請求項３】ハウジングに取り付けられたリミットスイ
ッチを備え、リミットスイッチによってプローブがスラ
イドの方向に変位したか否かを検出する構成にしたこと
を特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の三次元
変位量測定器。