JPS6133362B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はモデルの三次元形状を測定する三次元
形状測定装置に関し、特に静圧気体軸受を用いる
ことと、モデルと接触球の摩擦特性を改良するこ
とにより測定精度の向上を実現し、また静圧気体
軸受の有する一次遅れ特性を利用して耐振動特性
を改善した新規な三次元形状測定装置を提供せん
とするものである。

機械部品の製造においては、近年生産性の向上
と材料の有効利用の立場から金型を用いた成形加
工法が従来の機械に代つて部品製造の広い分野で
再認識され、プラスチツク製品等のみならず、粉
末治金成形法といつた新しい利用法まで実用に供
されて来ている。そしてこの種加工法の母型とな
る金型の製作についてはこれまで主として倣いフ
ライス盤等の倣い工作機械が使用されている。最
近では数値制御工作機械がかなり普及してきては
いるが、まだまだ倣い工作機械を必要としている
のが現状である。これは金型の形状が意匠的なデ
ザイン等に基づいているがため複雑であり、三次
元自由曲面で構成される部分が多く、幾何学的に
単純な面の仕上に用いられている従来の加工法を
そのまま適用することが困難であること、またた
とえ数値制御工作機械で加工するにしても、加工
形状の情報となる数値制御テープの作成に膨大な
費用と時間を要すること等技術的、経済的な面で
実用的でないためである。

ところで、上記倣い工作機械における倣い加工
の原理を倣いフライス盤を例に第１図に於いて説
明すると、送り螺子２により左右方向に移動可能
に構成されたテーブル１上に金型のモデル３と被
加工物４を載置し、送り螺子５により上下方向に
移動可能に構成された主軸頭６の下部に工具７を
取り付け、更に主軸頭６にトレーサアーム８を介
してトレーサヘツド９を設け、主軸頭６とトレー
サヘツド９とを同じ動作を行なわせるようにな
し、トレーサヘツド９に設けたスタイラス１０を
モデル３の表面に沿わせて、これによりモデル３
の三次元形状を判別し、これを制御装置１１に送
り、サーボモータ１２，１３を制御し、スタイラ
ス１０と同じ動作を工具７に与えて被加工物４上
にモデル３と同じ形状を実現させるのである。
尚、制御装置１１では倣い加工に必要な次の基本
的条件、つまり如何なる傾斜角も倣い得るために
スタイラス１０がモデル３上の点で接線方向の送
りがかかること、如何なる形状でも接線方向の送
り速度とスタイラス１０の変位量が一定であるこ
とを満足させるために各Ｘ，Ｙ，Ｚの三軸方向の
演算処理が施され、サーボモータ１２，１３の制
御がなされる。

このような倣い加工においては、モデル３の三
次元形状を判別するトレーサヘツド９の検出精度
が倣い加工精度に大きく影響を与える。このトレ
ーサヘツド９は、従来の第２図及び第３図イ，ロ
に示すようにスタイラス１０をバネもしくはダイ
ヤフラム等の弾性体１４で、Ｘ，Ｙ，Ｚの三軸方
向に均一に支持し、スタイラス１０のＸ，Ｙ，Ｚ
の三軸方向の変位を夫々３組の変位検出差動トラ
ンス１５ａ，１５ｂ，１５ｃにて独立に検出する
ようになし、スタイラス１０をモデル３の表面に
接触させた時に生じるスタイラス１０の三次元変
位を夫々変位検出差動トランス１５ａ，１５ｂ，
１５ｃで検出し、これらの各出力電圧を制御装置
１１に送り、ここで変位量を求め、サーボモータ
１２，１３を駆動させていた。ところが、通常、
スタイラス１０とモデル３の触圧を低くして検出
精度を向上させるために極めて弱い弾性のバネや
ダイヤフラム等の弾性体１４で支持させているた
め、倣い加工時の切削過程で生じる振動や工作機
械内部の歯車等の噛合振動等に影響されてスタイ
ラス１０の検出精度が劣化し、そのため倣い加工
精度が低下するといつた欠点があつた。又、スタ
イラス１０の動的応答はスタイラス１０の質量と
弾性体１４とから成る振動系を構成し、第４図点
線で示すように外部の励起周波数が所定周波数
^０になると共振を生じ、正確な変位検出が不能と
なり、その結果、サーボ系にハンチングといつた
不安定状態を生じ、倣い加工精度が著しく劣化す
るといつた欠点があつた。又、共振を防止するた
めにオイルダンパ等の減衰要素を用いたものがあ
るが、構造が複雑となり、必ずしも完全に問題が
解決されているとはいい難い。しかも、第２図に
見られるようにスタイラス１０はボールスライド
ベアリング１６を介してＺ方向に摺動自在にし
て、変位検出差動トランス１５ｃでＺ方向変位を
検出する構造となつているが、この部分にも機械
的接触状態が存在し、このためスタイラス１０の
Ｚ方向戻り誤差が検出精度の低下につながるとい
つた欠点もあつた。

更にはスタイラス１０先端とモデル３表面とは
常時接触しながら、モデル表面上の倣い動作を行
なつているため、両者の接触部で生じる摩擦力の
影響が倣い検出精度の誤差、ひいては倣い加工精
度の誤差となつてしまう。例えば第５図のような
直線部をもつモデル３をＸ方向に倣う場合、理想
的には、スタイラス１０はＹ方向変位量△Ｙのみ
を検出して送り駆動系の制御を行なうべきである
が、実際にはスタイラス１０とモデル３間接触部
の摩擦によつて、Ｘ方向変位量△Ｘも検出され
る。

実際に円弧の一部を測定した結果例を第６図に
示す。これは第７図に示すようにＸ方向にスタイ
ラス１０を移動させ、その時の変位出力を記録し
たものである。理想的にはモデル３表面の法線方
向にスタイラス１０が倒れ、その結果、その例れ
量と法線方向に応じて△Ｘ、△Ｙが検出されるこ
とになる。第６図の場合、円弧の曲率半径が大き
く、倒れ量も微小であり、△Ｘ成分は殆んど現わ
れず、△Ｙ成分のみが検出されるべきものであ
る。ところが実際には第６図の△Ｘに示されてい
るように、△Ｙの変動と共に△Ｘにも大きな変動
が検出されている。このことはとりも直さず、ス
タイラス１０とモデル３との接触部に生じる摩擦
力が検出誤差となつて現われていることを示して
いる。第６図の△X′は、同じ条件のもとでスタ
イラス１０を自由に回転される機構として、モデ
ル表面上をころがつて倣う動作を行なわせたもの
で、この場合にはすべつて倣せた場合の検出変位
△Ｘの約1/4であり、それだけ摩擦力による検出
誤差が低減されていることが明らかである。

本発明は上記従来の欠点に鑑み、これを改良除
去したもので、スタイラスをテーパ形静圧気体軸
受により無接触状態で保持させ、外部振動の影響
を防止すると共に、機械的接触による戻り誤差を
無くし、またスタイラスの先端に多孔質性の接触
球を取り付けて、この接触球より低圧エアを放射
させてモデルに接触させ、モデルとの接触部に生
じる摩擦力を低減させるようにした三次元形状測
定装置を提供せんとするものである。

以下本発明の構成を図面に示す実施例に従つて
説明すると次の通りである。

第８図乃至第１０図において、２１は検出器本
体で、内周下端部にテーパ形静圧気体軸受２２を
装設してあると共に内周上端部に補助静圧気体軸
受２３を装設し、上記テーパ形静圧気体軸受２２
及び補助静圧気体軸受２３を介してスタイラス２
４を無接触状態で保持させている。すなわち検出
器本体２１に開口してある圧縮空気供給口２５及
び２６よりテーパ形静圧気体軸受２２及び補助静
圧気体軸受２３に一定圧の空気を供給し、静圧気
体軸受２２及び２３の円周等配置に複数個設けて
ある空気流出路２７及び２８より流出する空気の
圧力によりスタイラス２４は検出器２１に無接触
状態に保持される。上記スタイラス２４の上端に
はこのスタイラス２４の下端に装設してある接触
球２９がモデル３０に接触して変位を生じるとそ
の変位に対応した量だけ変位する検出球３１が固
設してある。この検出球３１を同芯上に内装して
ガイドフランジ３２が固設してあり、このガイド
フランジ３２にスライド軸受３３及び３４を介し
てＸ軸方向及びＹ軸方向に摺動自在な移動子３５
及び３６が直交状に設けてあると共に、上記Ｘ軸
方向及びＹ軸方向に摺動自在な移動子３５及び３
６に対向してスライド軸受３７及び３８を介して
摺動自在に移動子３９及び４０が直交状に設けて
ある。又、ガイドフランジ３２上に固設してある
ブラケツト４１にはスライド軸受４２を介してＺ
軸方向に摺動自在な移動子４３が設けてある。

上記移動子３５及び３６を検出球３１との間に
間在させてこの移動子３５及び３６のＸ軸方向及
びＹ軸方向の変位を検出するように動圧変位検出
型エアセンサー４４及び４５を設けてあると共
に、上記移動子３９及び４０を検出球３１との間
に間在させて検出球３１に求芯性をもたせるよう
にバランス用エアセンサー４６及び４７を設けあ
り、更に移動子４３を検出球３１との間に間在さ
せてこの移動子４３のＺ軸方向の変位を検出する
ように動圧変位検出型エアセンサー４８を設けて
あり、而もエアセンサー４４，４５，４６，４
７，４８より流出する空気の圧力によりそれと対
応する移動子３５，３６，３９，４０，４３を常
時低圧で検出球３１に押圧させている。動圧変位
検出型エアセンサー４４，４５，４８は夫々移動
子３５，３６，４３に空気を噴出させるエアセン
サーノズル４９，５０，５１と、このノズル４
９，５０，５１内を流動する空気の圧力（動圧）
変化を電気的に検出する半導体圧力変換器５２，
５３，５４となり、夫々独立して移動子３５，３
６及び４３のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の
変位を検出する。バランス用エアセンサー４６，
４７はエアセンサーノズル５５，５６から空気を
噴出させ、常時検出球３１に球芯性を与えるよう
にしている。尚、センサーは上記に限定されるも
のではなく、非接触式の変位センサーであつても
良い。

またこの発明での接触球２９は、球形金属粉子
を焼結して構成したいわゆる多孔質性のもので、
スタイラス２４の途中においてこのスタイラス２
４の外周面と検出器本体２１の内周面との間に架
設された上下のダイヤフラム５８により構成され
たチヤンバー５９に、スタイラス２４内の通路６
０を介して連通する。検出器本体２１の中間に
は、上記チヤンバー５９に低圧圧縮空気を供給す
る圧縮空気供給口６１と、補助静圧気体軸受２３
及びテーパ形静圧気体軸受２２の排気を検出器本
体２１の外部に放出する排出口５７及び６２が構
成されている。

上記構成において、検出器本体２１の圧縮空気
供給口２５及び２６より静圧気体軸受２２及び２
３に一定圧の空気を供給すると、各静圧気体軸受
２２，２３の円周等配位置に複数個設けてある空
気流出路２７，２８より一定圧の空気が流出し、
スタイラス２４の外面に前記空気が作用してスタ
イラス２４を検出器本体２１に無接触状態に保持
させる。また各エアセンサー４４，４５，４７，
４８のエアセンサーノズル４９，５０，５１，５
５，５６に一定圧の空気を供給し、各ノズルの先
端より一定圧の空気を夫々の移動子３５，３６，
３９，４０，４３に噴出する。スタイラス２４に
変位が生じてない時は検出球３１は半径方向に位
置決めされているので、移動子３５，３６，３
９，４０，４３がエアセンサーノズル４９，５
０，５１，５５，５６の先端との間に各々一定の
間隙αを保つており、動圧変位検出型エアセンサ
ー４４，４５，４８のエアセンサーノズル４９，
５０，５１内の空気圧は一定となる。一方、検出
器本体２１の圧縮空気供給口６１より低圧圧縮空
気を供給する。この空気はチヤンバー５９に一旦
蓄積され、通路６０を介してスタイラス下端の接
触球２９に導入される。そして、この接触球２９
の球表面から全方向に均一に放射される。

このような状態で接触球２９がモデル３０に接
触して変位が生じると、この変位に対応した量だ
けスタイラス２４の上端に装設された検出球３１
が変位を生じる。この時、テーパ形静圧気体軸受
２２は接触球２９のＸ軸方向及びＹ軸方向の変位
に対しては回転軸受としての機能を果し、Ｚ軸方
向の変位に対しては気体軸受間隙内の移動を生じ
るスライド軸受としての機能を兼ね備えている。
また補助静圧気体軸受２３はテーパ形静圧気体軸
受２２に比べて軸受剛性を極めて低くし、スタイ
ラス２４のＸ軸方向及びＹ軸方向の変位に支障を
きたさないようにし、同時にスタイラス２４のＸ
軸方向及びＹ軸方向の変位するダンパーの役割を
果している。

接触球２９とモデル３０の上記接触は、接触球
２９の球表面より放射される空気により両者の間
に空気膜が形成されるため（第１０図参照）、接
触球２９はモデル３０に対して半浮動（完全な固
体接触ではないという意味）の状態でモデル表面
を倣うことになる。これにより、接触球２９とモ
デル３０間に発生する摩擦力を大幅に低減させる
ことが可能となり、この摩擦力に起因して発生す
る検出誤差を大幅に改善することが出来る。また
接触球２９のこの半浮動形式の構成を用いれば、
例えば第１１図に示すような急激な変化のあるモ
デルを倣う場合に、空気膜Ａの他に形状急変によ
る空気膜Ｂがコーナー部Ｃの近傍で形成され、そ
の結果チヤンバー５９内の圧力が変化するように
なる。このチヤンバー５９内の圧力変動に着目し
て感圧素子（図示せず）等でこれを検出し、この
検出信号によりコーナー部で減速をかけるように
すれば、コーナー部での喰い込み（オーバーシユ
ート）を防止出来、倣い精度の向上を図ることが
できる。

このようにして接触球２９がモデル３０の表面
上を倣い、その変位に対応してスタイラス２４上
端の検出球３１が変位すると、移動子３５，３
６，４３が摺動し、移動子３５，３６，４３とエ
アセンサーノズル４９，５０，５１の先端との間
隙αが各々変化し、これに伴つてエアセンサーノ
ズル４９，５０，５１内の圧力が各々変化し、こ
の圧力変化を対応する半導体圧力変換器５２，５
３，５４が検出し、この動圧変化により検出球３
１の各軸方向の変位を独立して検出し、各々電気
信号を発する。例えば検出球３１がＸ軸方向に変
位したとすると、移動子３５がＸ軸方向に摺動
し、動圧変位検出型エアセンサー４４のエアセン
サーノズル４９の先端と移動子３５との間隙αが
変化し、これに伴つてエアセンサーノズル４９内
の空気圧が変化して半導体圧力変換器５２がそれ
を検出する。上記と同様にして検出球３１のＹ軸
方向の変位、Ｚ軸方向の変位も検出され、この出
力電圧によりモデル３０の三次元形状の精密測定
が可能となる。

また静圧気体軸受及びエアセンサーは一般的に
第４図実線に示すような一次遅れ系の動的応答特
性を有しているため、スタイラス２４の固有振動
数と一致した外部振動周波数が作用しても良好な
吸振特性を有し、スタイラス２４が共振すること
なく常に安定した検出が行なえる。またスタイラ
ス２４は殆んど無接触状態で保持されており、摩
擦による戻り誤差が生じず、しかも極めて軽い回
転トルクで回転可能であるため、接触球２９とモ
デル３０との接触部にて生じる摩擦に対してもス
タイラス２４が回転し、あたかも接触球２９が転
がるようにしてモデル３０上を倣つていくのでそ
れだけ検出精度が向上することになる。しかも、
静圧気体軸受の剛性は外部から供給圧を調整する
ことにより極めて容易に変更し得るので、スタイ
ラス２４とモデル３０の触圧調整が容易となる。

以上説明したように本発明は、下端にモデルへ
接触する接触球をもち、上端に検出球を有するス
タイラスの軸方向適当個所一個所を筒状の検出器
本体下部内に軸受スキマが断面〕形環状をしたテ
ーパ形静圧気体軸受によつて軸方向及び半径方向
に無接触状態で自動調心的に静圧支承し、かつ、
スタイラスの上端部を検出器本体内に軸受スキマ
が円筒形をした補助静圧気体軸受によつて半径方
向に無接触状態に静圧支承し、上記検出器本体の
上部に、上記検出球の変位を、検出器本体の中心
軸線及びこれに直交する平面に含まれるＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向の変位に変換する移動子を上記検出球と
対向させて上記三軸方向に摺動自在に設け、上記
各移動子の反検出球側端面に所定間隔を隔ててエ
アセンサーノズルを検出器本体に固設し、各エア
センサーノズル毎に、上記間隙変化に比例した噴
射背圧変化を電気量に変換して検出する動圧変位
検出型エアセンサーを設け、前記スタイラス下端
の接触球を通気性を有する多孔質性材料で形成
し、検出器本体外部から、該検出器本体とスタイ
ラスとの間に形成された可撓性材料で構成される
チヤンバー及び該スタイラス内に形成され、上記
チヤンバーに連通する通路を経て上記接触球に低
圧エアを供給し、該接触球の外表面から低圧エア
を放射させるようになしたから、スタイラスを検
出器本体に無接触状態に支持させることができ、
支持部の摩擦による誤差の介入を防止でき、検出
精度を向上させることができる。特に筒状の検出
器本体下部内に、スタイラスの軸方向適当個所一
個所を、軸受スキマが断面〓形環状をしたテーパ
形静圧気体軸受によつて軸方向及び半径方向に無
接触状態で自動調心的に静圧支承し、かつ、スタ
イラスの上端部を検出器本体内に軸受スキマ円筒
形をした補助静圧気体軸受によつて半径方向に無
接触状態に静圧支承したことによつて、スタイラ
スは軸方向一個所のテーパ形静圧気体軸受部を支
点として、検出器本体の中心軸線と直交する平面
内で二次元運動可能となり、しかも、検出器本体
の中心軸線方向にも移動可能であり、常に静圧に
よる自動調心作用を有しているため、スタイラス
下端の接触球の三次元変位を、スタイラス上端で
直接三次元方向変位として検出させることができ
る。しかも、スタイラスとモデルの静圧調整が容
易である。さらに静圧気体軸受及び動圧変位検出
型エアセンサーは、一次遅れ系の動的応答特性を
有しているので、検出系の固有振動数と一致した
外部振動であつても、良好な吸収特性を有し、ス
タイラスの共振が防止され、倣い工作機械に使用
し、高精度で安定した測定結果が得られ、加工精
度の向上に寄与し得る。特に、動圧変位検出型エ
アセンサーのノズルをスタイラス上端の検出球に
直接対向させるのではなく、移動体を介して間接
的に対向させたから、スタイラスの三次元変位に
よる検出球の中心位置変位があつてもノズルと移
動体端面とを常に同一角度に対応させておくこと
ができ、上記検出球の中立位置変位によるノズル
噴射角度の変化が防止でき、高精度の検出を達成
できる。また、三次元の各方向のエアセンサーを
スタイラスの上端にまとめて配置でき、装置全体
を簡単コンパクト化し得る。

さらに、スタイラス下端の接触球とモデルとの
間の接触摩擦抵抗を減少させることができると共
に、この間に形成される空気膜がダンパー効果を
有し、大幅な検出精度の向上が図れる。また、上
記接触球への低圧エアの供給を、検出器本体とス
タイラスとの間に形成した可撓性材料で構成した
チヤンバーを介してスタイラス内通路を経て行わ
せたことにより、スタイラス変位の検出精度に悪
影響を与えないで目的を達成できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は倣い加工の加工原理を説明するための
フライス盤の略図、第２図は従来の一般的な三次
元形状測定装置の構造を示す略図、第３図イは第
２図イ−イ線断面図、ロは第２図ロ―ロ線断面
図、第４図は従来のスタイラスと本発明に係るス
タイラスとの動的応答特性を示すグラフ、第５図
は直線部を有するモデルとスタイラスの関係を示
す略図、第６図は円弧モデルを倣わせた場合のス
タイラスのＸ，Ｙ軸方向の変位を表わすグラフ、
第７図は円弧モデルとスタイラスの関係を示す略
図、第８図は本発明に係る検出器の構造を示す断
面図、第９図は第８図の―線断面図、第１０
図はモデルと接触球の関係を示す要部拡大図、第
１１図は急激な形状変化のあるモデルと接触球の
関係を示す略図である。 ２２……テーパ形静圧気体軸受、２１……検出
器本体、２４……スタイラス、２９……接触球、
５９……チヤンバー、６０……通路、３１……検
出球、４４，４５，４８……動圧変位検出型エア
センサー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 下端にモデルへ接触する接触球をもち、上端
   に検出球を有するスタイラスの軸方向適当個所一
   個所を筒状の検出器本体下部内に軸受スキマが断
   面〕形環状をしたテーパ形静圧気体軸受によつて
   軸方向及び半径方向に無接触状態で自動調心的に
   静圧支承し、かつ、スタイラスの上端部を検出器
   本体内に軸受スキマが円筒形をした補助静圧気体
   軸受によつて半径方向に無接触状態に静圧支承
   し、上記検出器本体の上部に、上記検出球の変位
   を、検出器本体の中心軸線及びこれに直交する平
   面に含まれるＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の変位に変換する
   移動子を上記検出球と対向させて上記三軸方向に
   摺動自在に設け、上記各移動子の反検出側端面に
   所定間隔を隔ててエアセンサーノズルを検出器本
   体に固設し、各エアセンサーノズル毎に、上記間
   隙変化に比例した噴射背圧変化を電気量に変換し
   て検出する動圧変位検出型エアセンサーを設け、
   前記スタイラス下端の接触球を通気性を有する多
   孔質性材料で形成し、検出器本体外部から、該検
   出器本体とスタイラスとの間に形成された可撓性
   材料で構成されるチヤンバー及び該スタイラス内
   に形成され、上記チヤンバーに連通する通路を経
   て上記接触球に低圧エアを供給し、該接触球の外
   表面から低圧エアを放射させるようになしたこと
   を特徴とする三次元形状測定装置。