JPS60117104A - 表面形状測定方式 - Google Patents

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】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、表面形状測定方式に関し、特に、各種の軸
受における内輪等の表面形状を始めとして、歯車等の外
形等を測定して、その外形や輪郭、曲率等を得ることが
できるような表面形状測定方式に係る。・・　□ 〔従来技術とその問題点〕 各種の軸受における内輪等の表面の形状を測定して、そ
の外形や輪郭、曲率等を得る従来の表面形状測定方式と
しては、測定子の先端を直接内輪等の・表面に接触させ
て、その移動距離を機械的又は電気的なスケール等を用
いて検出することにより行われている。

しかし、このような測定方法にあっては、測定対象が曲
面形状をしている場合には、測定子の位置ずれ等により
、精度の良い測定ができない欠点がある。

また、別な方法として３次元測定機を利用することも考
えられるが、このような測定方式では、個々の点を座標
情報として得ることになる。その結果、個々の点の座標
の測定精度が、例えば、従来レベルの２μｍ程度のもの
を用いて、軸受の内輪等の軌道面のように円弧の長さが
短いものを測定するとすると、得られる個々の点の座標
情報をもとに演算処理により半径、中心位置等をめた場
合、その半径、中心位置等のばらつきが大きくなる問題
がある。

これ以上精度の高い測定機を用いることも考えられるが
、高価な上に、その取扱や処理も煩雑となる欠点がある
。

〔発明の目的〕

この発明は、このような従来技術の欠点乃至問題にかん
がみてなされたものであって、このような欠点及び問題
を解消するとともに、その外形や輪郭等の物体の表面の
形状を精度良く測定することができる表面形状測定方式
を提供することを目的とする。

〔発明の要点〕

このような目的を達成するためのこの発明の特徴は、少
なくとも、特定の方向にある表面形状が特定された基準
となる基準物から特定の方向に所定間隔隔てて被測定物
を配置し、平行光線をこれらに照射して、基準物の前記
特定方向の表面と対向する被測定物の表面との間の距離
を平行光線の受光状態により測定することにより、基準
物の特定方向に対向する被測定物の表面の形状を測定す
るというものである。

このように構成することにより、被測定物の表面の各測
定点に対して、固定状態にある基準物の特定された表面
が基準とされ、かつ、非接触状態で測定ができるので、
精度の高い測定が可能となる。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の実施例について図面を用いて説明する
。

第１図は、この発明の表面形状測定方式を適用した一実
施例を示す表面形状測定システムの概要図であり、第２
図は、測定対象である軸受内輪の測定機に対する設置状
態を示す説明図である。

第１図において、１０は、表面形状を測定する測定機で
あって、基台３と、測定装置４、レーザ発生装置５、レ
ーザ受光装置６、そして、基台３を上下に移動する基台
移動機構７とを備えていて、基台３には、円筒状の基準
棒２が設置されている。

ここで、１は、測定対象として、基台３上に載置された
軸受の内輪であって、基台３に対する内輪ｌの設置状態
を示す第２図の部分側面図に見るごとく、内輪１は、基
準棒２から所定距離能れた設置位置Ｓにその中心が設置
されている。したがって、内輪ｌに対応する基準棒２の
特定の面の形状は、直線となり、内輪１の側面の基準棒
２側に対向する外形（輪郭）は、所定の曲線状態を示す
。

すなわち、第２図に見るごとく、特定の面の形状として
の円筒状の基準棒２における２ａは、その外形面が作る
直線部であり、所定の曲線状態としての内輪１における
１ａは、基準棒２の直線部２ａに対向する、内輪１の軌
道面が作る外形曲線（その輪郭）に一致している。

さて、測定機１０の基台３上に載置された、これら内輪
１と基準棒２とは、基台移動機構７により基台３を介し
て上下に移動する。ここに、基台移動機構７は、モータ
による上下方向の送り機構とその送り量を検出する検出
器７ａ等とを有しており、基台３とねじ８を介して結合
していて、検出器７ａは、この送り量に対応する位置情
報をディジタル信号の形で測定装置４に送出する。

一方、レーザ発生装置５は、所定のタイミングで、内輪
１の外形曲線１ａと基準棒２の直線部２ａとに亙る所定
幅の範囲に平行な走査光線を発生ずる。そして、レーザ
受光装置６は、この走査光線を受光する。ところで、平
行な走査光線を発生ずるものとして、レーザ発生装置５
には、例えば、レーザ光源と回転ミラーとコリメータレ
ンズ等が備えられていて、回転ミラーがレーザ受光装置
６からのタイミング信号に応じて回転することにより所
定のタイミングの平行な走査光線を発生する。

また、レーザ受光装置６は、平行な走査光線の受光を開
始してから受光しなくなるまでの走査時間を所定のタイ
ミングで算出して距離に変換し、ディジタル信号の形で
距離の情報を発生してこれを測定装置４に送出する。

ここで、基準棒２の直線部２ａに一致して、上下方向に
Ｘ軸を採り、基台３の水平面上において左右方向にＸ軸
を採るものとする。従って、この座標の原点０は、直線
部２ａの、基台３の表面との交点となる。そして、基台
３が基準位置からＹ方向に移動した場合の移動量ｙｊに
対して、これに対応する外形曲線２ａまでの空間の距離
をｘｊとする。また、基台３の移動量ｙｉに対しては、
これに対応する外形曲線２ａまでの距離をｘｉ　とする
。

この移動量ｙｊの関数として、空間距離ｘｊを測定する
ことにより、内輪ｌの外形曲線１ａの形状を測定するこ
とができる。

第１図における測定装置４は、この移動量ｙｊを基台移
動機構７の検出器７ａがらの信号から得て、空間距離ｘ
ｊをレーザ受光装置６がら得て測定するものである。

次に、測定装置４の構成について説明すると、インタフ
ェース回路２０と、メモリ２１、これらインタフェース
回路２０及びメモリ２１にハス２２を介して接続された
演算処理装置２３、表示装置２４、そして、キーボード
２５とを備えている。

第３図の演算処理装置２３の処理の流れ図に沿って、そ
の動作を説明すると、 まず、演算処理装置２３がキーボード２５から所定の起
動信号を受けると、ステップ■にて、演算処理装置２３
は、変数ｊを初期値、ｊ−１にセットする。

次に、ステップ■にて、制御信号を基台移動機構７に送
出して、基台３を上下に駆動する処理をする。そして、
ステップ■に移り、基台移動機構７の検出器７ａからの
信号を受けて、基台３が基準位置に来たか否かを判定す
る。なお、この場合の基準位置は、原点に一致していて
もよく、また原点から見て、Ｙ軸上の所定の位置にあっ
てもよい。

さて、この判定の結果、基準位置でない場合には、基準
位置に来るまで、その位置を検出する待ちループに入る
。なお、この場合の基準位置は、下方向の移動信号との
ＡＮＤ条件で検出される下方向の移動状態に対する基準
位置である。

このステップ■で、下方向の移動状態で基準位置が検出
されると、ステップ■へと移行して、検出器７ａからの
入力信号ｙｊの読取りを開始する。

そして、変数ｊを参照して、変数ｊ＝１からｙｌ（ｙｊ
＝ｙｔ）の値を算出し、又はメモリ２１から変数ｊ＝１
に対応する値をｙｌとして読出して、検出器７ａからの
信号ｙｊをこのｙｌと比較する。

基台３が下方向へ移動して１．基台移動機構７の検出器
７ａからの信号ｙｊがｙｊ＝ｙｌになったときに、ステ
ップ■へと移り、レーザ受光装置６からの距離の情報を
受けて、その距離ｘｊをＸｌとして読取る。そして、ス
テップ■にて、座標（ｘｌ、ｙｌ）をメモリ２１の所定
領域に記憶する。

次に、ステップ■に移り、変数ｊに、ｊ＝ｊ＋１（現在
の場合は、ｊ＝２）として、ステップ■にて、変数ｊが
測定座標の総数、ｎより大きいか否かを判定し、もって
、総ての測定点が終了したかを判定する。

ここで、終了していないときには、ステップ■へと戻り
、前記と同様に、再び、検出器７ａからの入力信号ｙｊ
の読取りを開始する。今度は、変数ｊ＝２からｙｚ　（
ｙｊ＝３２）の値を算出し、又はメモリ２１から変数ｊ
＝２に対応する値をｙｚとして読出し、そして、基台３
がさらに下方向へ移動して、基台移動機構７の検出器７
ａからの信号ｙｊをｙｚと比較して、ｙｊ＝ｙ２になっ
たときに、ステップ■にて、レーザ受光装置６からの距
離の情報を受けて、その距離ｘｊをｘｌとして読取り、
ステップ■にて、座標（Ｘ２．ｙｚ）を　。

メモリ２１に記憶する。

このようにして、演算処理装置２３は、座標（ｘｔ＋ｙ
ｔ）から座標（ｘｎ＋３’ｎ）を順次読取り、これらを
メモリ２１に記憶する。そして、ステップ■の判定にお
いて、変数ｊがｎより大きくなり、ステップ■へと移行
することになる。

ステップ■においては、演算処理装置２３は、メモリ２
１に記憶した座標（ｘｒ、ｙｌ）がら座標（ｘｎ、ｙｎ
）までを読出して、最小二乗法により、最適曲線を演算
してめる。そして、ステップ［相］により、演算処理装
置２３は、このめた最適曲線を表示情報に変換して、イ
ンタフェース回路２０を介して表示装置２４に送出する
。その結果、この最適曲線がグラフ又は各点のデータと
して曲線表示される。これが内輪１の基準棒２の直線部
１ａに対向する、内輪１の軌道面が作る外形曲線（輪郭
）の測定結果、すなわち、表面形状２ａの測定結果とな
る。

なお、最適曲線が円とが楕円の場合には、必要に応じて
、その半径等も算出して表示する。

ここで、Ｙ座標の測定間隔を、例えば、０．１　ｍｍ程
度とし、Ｘ座標の測定精度を、例えば、０．２μｍとす
ると、各測定点であるＹ座標の各座標位ｆＬ　ｙｘ　、
ｙ２　、・・・、ｙｎを算出するにあたっては、変数ｊ
に対応してｊＸｏ、１ｍｍとしてめることができ、また
、メモリ２１に記憶する場合には、変数ｊに対応して０
．１ｍｍごと増加する数値をあれかしめテーブルの形で
記憶しておけばよい。

ところで、この実施例では、説明の都合上、原点位置を
基準棒２と基台３の表面との交点に設定しているが、こ
の原点位置は、自由に設定できるものである。その場合
、原点と測定距離等の関係は、必要に応じて演算処理に
より適宜換算することができる。

第４図は、この発明を適用した加工時等における設計値
に対するずれ量を検出する場合の処理の流れの具体例で
ある。

３０は、測定機１０の基台３上に載置された内輪であっ
て、基準棒２から所定の距離能れた設定位置Ｓにその中
心が置かれている。

測定に入る前に、まず、ステップ０において、座標必原
点の設定として、キーボード２５より所定の機能キーと
数値とを入力して、例えば、内輪３０の設定位置Ｓに原
点を設定する。

次に、同様に、ステップ＠において、内輪３０に測定外
形曲線が円の場合には、その半径Ｒ２その中心座標位置
（Ｘｏ、Ｙｏ）、基準棒２の座標位置（Ｘｔ、Ｏ）をキ
ーボード２５からそれぞれ入力すると、演算処理装置２
３は、これらをメモリ２１の所定領域に記憶する。そし
て、ステップ０にて、基台移動機構７の検出器７ａから
の信号を受けて、基台３が原点０の位置に来たかを判定
して、この原点位置からのＹ座標ｙｊを読取り、このと
き、レーザ受光装置６からの距離の情報を受けて、その
距離ｘｊを読取る。そして、ステップ［相］で、 Ｘｊ　＝Ｘｘ　−ｘｊ Ｙｊ＝ｙｊ の演算をして、検出した距離ｘｊを、基準棒２の位置か
ら換算したＸ座標の距離Ｘｊを得て、内輪３０の外形形
状情報としての座標（Ｘｊ　、　Ｙｊ　）に換算した座
標情報を得る。

さらに、ステップ■にて、ステップ＠で設定している半
径Ｒ及び中心位置（Ｘｏ、Ｙｏ）の情報をメモリ２１か
ら続出して、次の式により設定値のＸ座標Ｘｓと測定値
のＸ座標Ｘｔとをめ、これらの差値Ｘｐを得る。

Ｘ　ｓ　−Ｘ　ｏ　！てＴ７ Ｘｔ　＝Ｘｏ　−ｘｊ Ｘｐ　＝Ｘｔ　−Ｘｓ このようにして得た外形形状情報としての座標（Ｘｊ　
、　Ｙｊ　）及び差値Ｘｐは、メモリ２１の所定の記憶
領域に記憶されるとともに、Ｘ−Ｙプロフタに記録され
、又は表示装置２４等により表示される。

ここで、再び、ステップ■からステップ＠へと戻り、Ｙ
座標ｙｊをｙ　ｊ＋１に更新して、結果として、基台移
動機構７の検出器７ａからの検出したＹ座標の各座標位
置ｙｊ　（ｙｊ　＝ｙ１．ｙ２．　・・・、ｙｎの各点
）に対応して、各座標位置ｙｊごとにＸ座標の各座標位
置ｘｊ　（ｘｊ　＝ｘ１．　Ｘ２、・・・、ｘｎの各点
）がそれぞれ読取られ、同様な処理がなされ、すべての
Ｙ座標の各座標位置について、前記外形形状情報として
の座標（Ｘｊ　。

Ｙｊ）及び差値ＸＰがめられるものである。

第５図は、この発明を適用した標準値に対する誤差を検
出する場合の処理の流れの具体例である。

なお、第４図に示すものと同一符号で示すものは、同一
の構成要素を示す。

基台移動機構７の検出器７ａからの検出したＹ座標の各
座標位置ｙｊ　（ｙｊ　＝ｙｌ、ｙ２．　・・・、ｙｎ
の各点）に対応して、Ｘ座標の各座標位置Ｘｊ　（ｘｊ
　＝Ｘｌ　、Ｘ２．　・・−、ｘｎの各点）をそれぞれ
読取り、ステップ■ａにて、これらをそれぞれメモリ２
１に記憶する。

そして、ステップ＠ａにて、メモリ２１からこれらの情
報を読出して、最小二乗法により最適曲線をめる。次に
、ステップＯａにおいて、あらかじめキーボード２５か
ら入力してメモリ２１に記憶しである基準となる所定の
指定曲線を参照して、指定曲線に対応する最適曲線に対
する近似曲線の半径、中心座標等を算出する。

ここで、この指定曲線としては、標準曲線として所定の
半径の円とか、楕円等であって、そのうちの対応するも
のが所定の指定曲線としてキーボード２５より指定され
、選択される。なお、この場合、指定曲線としては、円
とか楕円とかのその形状情報のみを指定して、別途、そ
の中心座標を入力し、近似曲線−近似円又は近似楕円等
としてこれをめるようにしてもよい。

次に、ステップ■ａで、最適曲線と算出した近似曲線と
を比較して、これらの間のずれ量を算出する。そして、
ステップ［相］ａにて、このようにして得た近似曲線に
対するずれ量、近似曲線の半径等をＸ−Ｙプロッタに記
録し、又は表示装置２４等により表示するものである。

第６図は、この発明の表面形状測定方式を適用した一実
施例を示す表面形状測定システムにおける、基準棒の変
形例を示す。なお、第６図は、第２図に対応しており、
第２図に示すものと同一の符号は、同一のものを示す。

４０は、内輪であって、４１は、内輪４０の表面形状に
対する基準形状を反転した形の表面形状を内輪４０の測
定外形面に対向した面に有する基準棒である。このよう
な基準棒４１によれば、測定値がそのまま、設定値に対
するずれ量として得られる利点がある。

第７図は、この発明の表面形状測定方式を適用した一実
施例を示す表面形状測寓システムにおける、基準棒の他
の変形例を示す。なお、第７図も、第２図に対応してお
り、第２図に示すものと同一５０は、内輪であって、上
下に軌道面を有する。

そして、５１は、内輪５０の上下の軌道面の゛表面形状
に対応する高さを有する円筒形状の基準棒である。この
ような構成とすれば、連続的に上下の軌道面の形状を測
定することができる。

ところで、以上の説明では、内輪１．　３０．　４０．
５０は、それぞれ固定された状態にあるが、これらを順
次回転し、それぞれの回転位置で、基準棒２に対応する
側面の形状を測定することにより、その側面の所定個所
の□表面形状又はそのすべてについて測定できることは
をちるんである。

以上、説明してきたが、実施例における基準棒は、円筒
形のものと内輪の表面形状に対する基準形状を反転した
形の表面形状のものを挙げているが、このような形状に
限らず、基準となる表面として、少なくとも、特定の方
向にある表面形状が特定されｋもの、例えば、基準とな
る特定方向のみ傾斜した所定の直線等の形状で、他の部
分は任意の形状をしているようなものであってもよく、
基準となる特定方向か特定されているものならどのよう
なものでもよい。このような場合には、その表面形状に
応じて演算処理をすることにより、それに対応する被測
定物の表面形状を測定することができる。

また、実施例では、軸受の内輪の側面における表面形状
の測定を例に挙げているが、側面か正面か平面かは、物
体の形状により相対的に決まるものであるので、特に、
側面ということに限定されるものではない。さらに、こ
のような軸受の内輪に限らず、例えば、歯車の歯形の外
形の形状をはじめとして、種々の物体の表面形状を測定
することができる。、゛ さらに、実施例では、基準物と被測定物との距離をレー
ザを用いて走査することにより測定しているが、基準物
と被測定物とを同時に照射する所定の範囲の光束を持つ
平行光線をこれらに照射して、その影像を平面イメージ
センサ等で受光して、これら表面間の距離を測定するよ
うにしてもよく、また、−次元イメージセンサにより平
行光線を同時に受けて、距離を測定してもよい。要する
に、基準物体の前記表面と対向する被測定物体の表面と
の間の距離を平行光線の受光状態により測定することが
できるものならどのようなものでもよい。

〔発明の効果〕

以上の説明から理解できるように、この発明にあっては
、少なくとも、特定の方向にある表面形状が特定された
基準となる基準物から特定の方向に所定間隔隔てて被測
定物を配置し、平行光線をこれらに照射して、基準物の
前記特定方向の表面と対向する被測定物の表面との間の
距離を平行光線の受光状態により測定することにより、
基準物の特定方向に対向する被測定物の表面の形状を測
定するので、被測定物の表面の各測定点に対して、測定
基準が、固定状態にある基準物の特定された表面となり
、かつ、非接触状態で測定ができるので、精度の高い測
定が可能となる。

その結果、測定対象が曲面形状をしている場合に、測定
子を用いずに済み、測定子のずれ等が発生せず、精度の
良い測定ができる。さらに、３次元測定機のように個々
の点の座標を測定する必要がないので、演算処理による
ばらつきがほとんどなく、高い測定精度を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の表面形状測定方式を適用した一実
施例を示す表面形状測定システムの概要図、第２図は、
測定対象である軸受内輪の測定機に対する設置状態を示
す説明図、第３図は、第１図における演算処理装置の処
理の流れ図、第４図は、この発明を適用した加工時等に
おける設計値に対するずれ量を検出する場合の処理の流
れ図、第５図は、この発明を適用した標準値に対する誤
差を検出する場合の処理の流れ図、第６図は、この発明
の表面形状測定方式を適用した一実施例を示す表面形状
測定システムにおける、基準棒の変形例の説明図、第７
図は、この発明の表面形状測定方式を通用した一実施例
を示す表面形状測定システムにおける、基準棒の他の変
形例の説明図である。 １．３０．４０．５０は内輪。 １ａは軌道面、２は基準棒、２ａは直線部３は基台、４
は測定装置、５はレーザ発生装置６はレーザ受光装置、
７は基台移動機構７ａは検出器、８はねじ、１０は測定
機。 ２０はインタフェース回路、２１はメモリ。 ２２はバス、２３は演算処理装置、２４は表示装置、２
５はキーボードである。 特許出願人　日本精工株式会社 代理人　弁理士　森　哲也 弁理士　内藤　嘉昭 弁理士　清水　正 弁理士　掘出　信是 第　４図 第　５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも、特定の方向にある表面形状が特定さ
   れた基準となる基準物から前記特定の方向に所定間隔隔
   てて被測定物を配置し、平行光線をこれらに照射して、
   前記基準物の前記特定方向の表面と対向する前記被測定
   物の表面との間の距離を前記平行光線の受光状態により
   測定することを特徴とする表面形状測定方式。
2. （２）平行光線は、基準物から被測定物又はこの被測定
   物からこの基準物に向かって走査するレーザビームによ
   り形成されるものであり、この平行光線が前記被測χ物
   の特定方向の表面に沿った方向に順次移動することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の表面形状測定方式
   。
3. （３）基準物は、測定基準となる表面形状を反転した形
   状を有するものであり、基準値に対する表面形状のずれ
   量を測定することを特徴とする特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載の表面形状測定方式。