JPS62147306A - 丸軸状部材の形状測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、丸軸状部材の形状測定装置に関する。

詳しくは、ピンチローラ等の精巧な丸軸状部材の真円度
、円筒度、真直度等の形状を非接触で測定する形状測定
装置に関する。

〔背景技術とその問題点〕

ピンチローラ等の精巧な丸軸状部材の真円度等の形状を
測定する形状測定装置が知られている。

従来、かかる形状測定装置の一般的構造は、載物台に六
輪状の測定対象物を立設し、この測定対象物の表面にそ
の径方向から作動トランス等の検出器に連動して往復移
動可能な測定子を押し当て、載物台を回転させたときに
測定対象物表面の凹凸に応じて出力される検出器からの
電気信号を所定処理して上記各形状を求めるよう構成さ
れている。

従って、次のような問題がある。すなわち、■測定子当
接型であるから、測定対象物の芯出し等の測定準備作業
を必要とし、これが煩雑かつ熟練を要することから作業
能率が低い。つまり、測定対象物表面の凹凸がμｍ華位
であるのに対し、検出器が例えば作動トランスの場合、
その高精度領域が極めて狭いものであるから、測定対象
物の真円度等を予想し、測定対象物と検出器との相対位
置関係を正確に調整しなければならない。これには、数
回の空運転を必要とすることもある。また、測定対象物
の締め付は作業等も関与して変動したときは、測定を中
断し、再調整しなければならない。

■測定子や検出器に振動が伝達され、測定誤差を生じて
いた。これには、測定子の摩耗も大きな影響を及ぼす。

さらに、測定に当たっては、測定子に一定の測定力を加
えなければならないので、測定力および測定対象物の材
質（例えば、プラスチ、り等）によっては、その軟弱性
から測定対象物が制限された。′ ■測定対象物表面の凹凸の程度によっては、測定子が嵌
まり込み、測定不能になるばかりか、破損による危険性
も大きい。

■載物台の回転数も一定以下に制限されるので、単位時
間当たりの検出回数が少なく、また載物台の１回転当た
り１つの連続した出力信号が発生されるだけなので、単
位周長当たりの複数データによる平均化精度向上策が講
じられなかった。

一方、測定対象物表面に光を照射し、その反射光を捉え
て測定対象物の各種形状を測定する非接触型も提案され
ているが、これにしても上記■はさらに厳しく制限され
るほか、測定対象物表面の凹凸の程度、反射率等測定対
象物の表面状態がより厳しく制限され、汎用性に欠ける
問題があった。

この問題を解決するために、定速回転する載物台の垂直
基軸線と平行にナイフェツジを固定し、これを含む水平
面内において、その一方側から測定対象物とナイフェツ
ジとに渡る平行走査光線を照射するとともに、その他方
側で測定対象物とナイフェツジとの間を通過した平行走
査光線を光電変換して、測定対象物とナイフニジとの隙
間寸法を求め、これを所定処理して測定対象物の真円度
等の形状を測定するよう構成することも考えられる。

しかし、これにしても、ナイフェツジの全長に渡って加
工精度を高精度に維持することが困難な上、そのナイフ
ェツジを前記垂直基軸線と平行に固定することも難しく
、さらにこれらを保障しつつナイフェツジを垂直基軸線
と直交する方向へ移動させることが至難であるから、結
局測定対象物の適用径があまり拡大されないという不都
合が生しる。さらに、特開昭５７−１６０００６号公報
等のように、平行走査光線を走査方向に分割、併合して
超大種物にも適用させる場合に、一対のナイフェツジを
完全平行とする加工や取付調整は、測定精度からして実
際上達成することができない。

〔発明の目的〕

ここに、本発明の目的は、このような測定子当接型や光
反射型測定における問題を解消し、測定対象物の適用径
拡大をはかった丸軸状部材の形状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、測定対象物に対する基準信号を検出するた
めの、いわゆる基準位置を定める手段を検出装置ととも
に垂直基軸線に沿って移動可能とすべく、基準位置を定
める手段を検出装置に対して一定の関係にするとともに
、その両者を支柱に沿って案内される可動部材に取付け
て構成したものである。

具体的には、垂直基軸線を回転中心として定速回転する
載物台と、前記垂直基軸線と完全平行を含む軸線に沿っ
て可動部材を昇降自在に支持する支柱と、前記垂直基軸
線と直交する水平面内において、前記載物台に立設され
た測定対象物の一方側から平行走査光線を照射するとと
もに、その他方側で測定対象物を通過した平行走査光線
を光電変換する検出装置と、基準位置と測定対象物とに
それぞれ対応する前記検出装置の出力信号を利用して両
者の隙間寸法を求めるとともに、測定対象物の複数の回
転角について求めた一群の隙間寸法を所定演算処理して
測定対象物の真円度等の形状を求めるデータ処理装置と
、を備え、前記検出装置と基準位置を定める手段とを同
期して前記垂直基軸線に沿って移動できるよう前記可動
部材に取り付けた、ことを特徴としている。

〔実施例〕

第１図は本実施例の形状測定装置の装置本体の外観を、
第２図は装置全体の回路構成を、それぞれ示している。

これらの図において、基台１１には、その上面前部位置
に載物台としての回転テーブル１２がエアーヘアリング
を介して垂直基軸線を回転中心として回転可能に設けら
れているとともに、内部に回転テーブル１２を可変一定
速度で回転させる同期モータ１３および回転テーブル１
２の回転角を検出するロークリエンコーダ１４がそれぞ
れ内蔵されている。回転テーブル１２の上面は、丸軸状
の測定対象物Ｗを立設できるように水平面状に保たれて
いる。さらに、その上面には、測定対象物Ｗを回転テー
ブル１２上に固定するためのワーク固定部１２Ａが設け
られている。ワーク固定部１２Ａとしては、チャック等
の周知の締め付は具を用いることができる。

また、回転チー゛プル１２の後方には、支柱１７が前記
垂直ｆｉｌに対して直交する方向（ここでは、前後方向
）へ移動可能に立設されている。支柱１７には、可動部
材１８が前記垂直基軸線と完全平行を含む軸線方向つま
り垂直方向へ昇降可能に装着されているとともに、可動
部材１８をボールねじ等を介して昇降させるサーボモー
タ１９および可動部材１８の垂直方向位置を検出するエ
ンコーダ２０がそれぞれ設けられている。可動部材１８
には、その移動方向と直交するクロスガイド２１を介し
て検出装置２２が取り付けられている。

検出装置２２は、前記垂直基軸線と直交する水平面内の
一方側に配置され前記測定対象物Ｗに平行走査光線を照
射する平行走査光線発生装置２３と、前記垂直基軸線と
直交する水平面内の他方側に配置され前記測定対象物Ｗ
を通過した平行走査光線を受光しそれを電気信号に変換
する受光装置２４とから構成されている。平行走査光線
発生装置２３と受光装置２４との間には、それぞれの対
向面側に拡大器２５Ａ、２５Ｂが上下方向へ位置調整可
能に設けられているとともに、平行走査光線領域内の中
央位置に基準位置を定める手段としてのビン部材１５が
上下方向つまり垂直基軸線方向へ位置調整可能に設けら
れている。従って、基準位置を定める手段としてのビン
部材１５と検出装置２２とは、同期して垂直基軸線に沿
って移動できるようになっている。ビン部材Ｉ５は、前
記垂直軸線と平行な直線部分を有する円柱形状に形成さ
れている。

平行走査光線発生装置２３は、光源としてのレーザ管３
１と、固定ミラー３２と、この固定ミラー３２で反射さ
れた前記レーザ管３１からのレーザ光線を所定角度の走
査光線に変換するポリゴンミラー３３と、このポリゴン
ミラー３３を回転させる同期モーフ３４と、前記ポリゴ
ンミラー３３からの走査光線を平行走査光線に変換し前
記測定対象物Ｗに照射するコリメータレンズ３５とから
構成されている。一方、受光装置２４は、前記測定対象
物Ｗを通過した平行走査光線を集光させる集光レンズ３
６と、この集光レンズ３６の焦点位置に配置され受光し
た光の明暗に応じた電気信号に変換する受光器３７とか
ら構成されている。受光器３７からの出力信号は、信号
処理ユニット３８へ与えられている。

□信号処理ユニット３８は、前記受光器３７からの出力
信号を増幅するプリアンプル１を含む。プリアンプ４１
で増幅された信号はセグメント選択回路４２へ送られる
。セグメント選択回路４２は、受光器３７からの出力信
号を基に前記測定対象物Ｗとビン部材１５との間が光走
査されている時間【だけゲート回路４３を開くための、
電圧Ｖを発生し、これをゲート回路４３へ出力する。ゲ
ート回路４３にはクロックパルス発振器４４からのクロ
ックパルスＣＰが入力されているため、ゲート回路４３
からは測定対象物Ｗとピン部材１５との間の走査方向寸
法に対応した時間ｔに対応するクロックパルスＣＰが計
数回路４５へ入力される。計数回路４５は、ゲート回路
４３を通じて与えられるクロ、クバルスＣＰを計数し、
その結果つまり測定対象物Ｗとピン部材１５との間の隙
間寸法をデータ処理装置５１へ与える。また、同期正弦
波発振器４６からは、クロックパルス発振器４４の出力
に同期した正弦波が発生される。この同期正弦波は、パ
ワーアンプ４７で増幅された後、前記同期モータ３４へ
与えられている。これにより、ポリゴンミラー３３は、
クロックパルス発振器４４のクロックパルスＣＰと同期
して回転される結果、測定精度が維持される。

データ処理装置５１は、測定開始指令が与えられると、
入出力回路５２を介して前記同期モータ１３を駆動し、
つまり回転テーブル１２を指定された速度で定速回転さ
せるとともに、サーボモータ１９を駆動して検出装置２
２を測定対象物Ｗの所定高さ位置に昇降させる。この状
態において、ロータリーエンコーダ１４から与えられる
角度データで計数回路４５のデータを番地付けし、これ
を測定対象物Ｗの一周について順次収集した後、これら
のデータから測定対象物Ｗの真円度を求める。また、サ
ーボモータ１９を駆動して検出装置２２を測定対象物Ｗ
の異なる高さ位置に昇降させ、この各高さ位置において
測定対象物Ｗの一周についてのデータを収集した後、こ
れらのデータから測定対象物Ｗの直角度および円筒度を
求め、これらのデータを出力装置５３へ出力する。

そこで、これらの算出法を簡単に述べる。

まず、真円度測定では、第３図に示す如く、測定対象物
Ｗを１回転させると、測定対象物Ｗの各回転角θｉにお
いて、測定対象物Ｗの外周面とビン部材１５との隙間寸
法ｒ８°が求められる。従って、これら一群の隙間寸法
「、′を、一般の最小自乗中心法に適用すれば、真円度
が求められる。

最小自乗中心法では、第４図に示す如く、測定対象物Ｗ
の回転中心を０、最小自乗中心をＣ（ａ。

ｂ）、最小自乗内の半径をＲ，最小自乗中心Ｃから測定
対象物Ｗの外周面までの距離をＲ１、回転中心０から測
定対象物Ｗの外周面までの距離をｒｌ、１回転当たりの
測定回数をＮとすると、次式％式％ 従って、これら（１）〜（５）弐に前記ｒｉ’を適用す
るには、回転角０°のときのｒｉ’　をオフセット値ｒ
　ｏｆｆｓｅｔとして、 ｒｉ　　＝　ｒｏｆｆｓｅｔ　−ｒ、　’　　　　　　
　　−（６）とすれば真円度を求めることができる。

また、直角度については、第５図に示す如く、測定対象
物Ｗの異なる２つの高さ位置における真円度測定を行い
、この上下２１！Ｊｒ面の最小自乗中心Ｃ，，Ｃ２を結
んだ直線を仮想軸心とし、この仮想軸心の回転テーブル
１２の垂線に対する傾きを直角度として求める。

また、円筒度については、第６図に示す如く、測定対象
物Ｗの異なる複数、例えば５つの高さ位置における真円
度測定を行い、これら各断面の最小自乗中心Ｃ＋　　（
ａ＋　　ｂ、）　〜Ｃｓ　　（ａｓ、ｂｓ　）を求める
。ここで、最小自乗中心Ｃ＋　、Ｃｓを結び、これを仮
想軸心とする。いま、或任意の断面にの高さをｈＫ、最
小自乗中心をＣｇ　　（ａＫ、ｂＫ）とすると、断面に
の仮想軸心の座標Ｃ′、（ＸＫ　、ＹＫ　）は、 で表すことができる。また、断面にのデータを、最小自
乗中心からのデータＲＸ！に変ＩＡ（（１）〜（４）式
によって）した後、さらに仮想軸心からのデータＲ′０
．に変換すると、 Ｒ’　１＝Ｒ＊ｒ　　（ＸＩ　　ａｇ　）　ｃｏｓ　　
θ１’−（）’Ｋ　　−ｂｘ　　）ｓｉｎ　　θ、−（
９）となる。データＲ”３．は１．＝１〜５１．＝Ｏ〜
３６０６の範囲のデータであり、仮想軸心に垂直な平面
に射影したデータとなる。ここで、Ｒ′Ｋ。

の最大値をＲ’　Ｋｉｆｓａｘ）　、最小値をＲ′６、
（ｍｉ＋＋１とすると、円筒度は、 円筒度＝　　Ｒ’　Ｋｉ（＋ａａｘｌ　　　Ｒ’　Ｋｉ
（＠ｉｎ）・・・（１０） となる。なお、仮想軸心は最小自乗中心０１〜Ｃ２の中
から任意に選択することができる。

このほか、第７図に示す如く、検出装置２２を昇降させ
、そのときの測定対象物Ｗとビン部材１５との隙間γ２
を垂直方向に沿って順次収集し、このＴｚ　と垂直方向
の位置データＺとをデータとして最小自乗法によって傾
斜補正を行えば、この補正傾斜直線からのばらつき幅Δ
Ｔを真直度として求めることができる。

さらに、測定対象物Ｗの１８０度づれた２つの隙間寸法
と、垂直基軸線からビン部材１５までの寸法とを基に測
定対象物Ｗの直径をも求めることができる。この場合、
単に１８０度ずれた２つの隙間寸法から直径を求めるの
ではなく、測定対象物Ｗの１回転について求められた直
径を平均化すれば、より正確な直径を求めることができ
る。

従って、本実施例によれば、垂直基軸線と直交する水平
面内において、その一方何から測定対象物Ｗに平行走査
光線を照射するとともに、その他方側で測定対象物Ｗと
ビン部材１５との間を通過した平行走査光線を光電変換
して測定対象物Ｗとビン部材１５との隙間寸法を求め、
この隙間寸法を測定対象物Ｗの各回転角について求めた
一群の隙間寸法から測定対象物Ｗの真円度等の形状を求
めるようにしたので、つまり測定範囲の広い非接触型と
したので、測定対象物の芯出し等の煩雑かつ熟練を要す
る測定準備作業を省略でき、その結果測定準備作業に伴
う作業能率の低下を抑えることができる。これは、同一
の測定対象物を多量に測定する量産現場等に極めて有効
である。なお、測定項目としては、真円度測定を利用し
て、直角度および円筒度も測定できるほか、真直度や直
径をも測定できる。

また、検出装置２２とビン部材１５とを可動部材１８に
取付け、この可動部材１８を支柱１７に前記垂直軸線と
平行な軸線に沿って昇降自在に支持し、この支柱１７を
垂直基軸線と直交する方向へ移動させるようにしたので
、例えばナイフェツジ等を慎重に取り付は変更しなくて
も、支柱１７の移動により検出装置２２からの千″行走
査光線が測定対象物Ｗの縁で切られるように検出装置２
２を位置させれば、測定対象物Ｗの径が小さいものから
大きいものまで測定でき、より広い測定範囲を確保でき
る。

また、非接触型であるため、測定子等の摩耗等に影響さ
れない上、測定力や測定対象物の材質等に制限されず、
あらゆる種類の測定対象物の形状を正確に測定できる。

しかも、測定対象物Ｗの表面の凹凸に影響されないこと
から、測定子当接型のように測定子が凹部に嵌り込んで
測定不能となることがなく、また破損による危険性も回
避できる。

また、走査距離も短く、その平行走査光線を高速度に走
査できるので、単位周長当たりのデータ数を多く取れ、
その結果高精度測定が期待できる。

ちなみに、回転テーブル１２０回転速度との関係もある
が、１秒間に３５０回以上の走査が可能である。

また、従来の非接触型のように測定対象物表面からの反
射光を捉えて測定対象物の各種形状を測定するものでな
いため、測定対象物の凹凸の程度や反射率等測定対象物
の表面状態に制限されず、汎用性が高い。

なお、実施に当たって、基準位置を定める手段としては
、上記実施例のビン部材１５に限らず、他の手段でもよ
い０例えば、第８図に示す如（、平行走査光線領域内に
光電変換器１５Ａを配置し、この光電変換器１５Ａが平
行走査光線を受光したときを基準位置として定めるよう
にしてもよい。

また、第９図に示す如く、特別に設けることなく、ポリ
ゴンミラー３３とコリメータレンズ３５との相対位置関
係から定まるコリメータレンズ３５以後の最外縁光線を
基準位置として定めてもよい。

また、第１０図に示す如く、前記基準位置を定める手段
、例えばビン部材１５を平行走査光線の走査方向へ測定
対象′＃ＪＷを挟んで一対配置し、かつコリメータレン
ズ３５からの平行走査光線を分割ミラー６１および変向
ミラー６２により走査方向へ分割し、この各分割走査光
線を測定対象９ｆｆｗの両側縁とビン部材１５とに渡っ
て照射し、これらを通過した各分割走査光線を変向ミラ
ー６３および併合ミラー６４で集合レンズ３６へ入射さ
せるようにすれば、さらに測定範囲を拡大させることが
できるばかりでなく、従来からの同寸法をも容易に測定
できる。

また、上記実施例では、レーザ管３１からのレーザ光線
を測定対象物Ｗの径方向に走査するようにしたが、例え
ばこれらに渡って連続的にレーザ光線を照射するように
してもよい。更に、レーザ管３１に代えて、半導体レー
ザでもよい。

また、上記実施例では、測定対象物Ｗとビン部材１５と
の間の隙間寸法を回転テーブル１２の回転角を検出する
ロータリエンコーダ１４からの信号により番地付けする
ようにしたが、回転テーブル１２は定速回転であるため
、つまり１回転当たりの時間が既知であるから、その１
回転当たりの時間を時分割し、各時点の隙間寸法を順次
取り込むようにして隙間寸法を測定対象物Ｗの回転角に
対応させるようにしてもよい、このようにすると、ロー
タリエンコーダ１４が不要となる利点がある。

また、上記実施例では、検出装置２２を、データ処理装
置５１からの指令により駆動されるサーボモータ１９を
介して自動的に昇降させるようにしたが、例えば可動部
材１８を昇降させるボールねじ軸に手動ハンドルを着脱
自在に取り付けられるように構成し、この手動ハンドル
によって検出装置２２を垂直方向の所望゛の位置に昇降
させるようにしてもよい。

また、出力装置５３としては、測定結果を表示できるも
のであればいずれでもよく、例えばＣＲＴ、プリンタ等
を用いることができる。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明によれば、測定範囲が広くかつ非接
触型であるから、測定対象物の芯出し等の測定準備作業
を必要とせず、また測定対象物の材質や表面状態に制限
されない上、径が大きく異なる測定対象物の真円度等の
形状を高精度に測定できる。

【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図は装置本体
を示す斜視図、第２図は全体の回路構成を示すブロック
図、第３図は検出装置の測定原理を示す図、第４図は測
定対象物の真円度を求める際の説明図、第５図は測定対
象物の直角度を求める際の説明図、第６図は測定対象物
の円筒度を求める際の説明図、第７図は測定対象物の真
直度を求める際の説明図、第８図および第９図はそれぞ
れ基準位置を定める手段の他の例を示す図、第１０図は
基準位置を定める手段を一対設ける場合の測定原理図で
ある。 １２・・・載物台としての回転テーブル、１５，１５Ａ
・・・基準位置を定める手段としてのビン部材および光
電変換器、１７・・・支柱、１８・・・可動部材、２２
・・・検出装置、３１・・・光源としてのレーザ管、３
３・・・ポリゴンミラー、３５・・・コリメータレンズ
、５１・・・データ処理装置、Ｗ・・・測定対象物。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）垂直基軸線を回転中心として定速回転する載物台
   と、 前記垂直基軸線と完全平行を含む軸線に沿って可動部材
   を昇降自在に支持する支柱と、 前記垂直基軸線と直交する水平面内において、前記載物
   台に立設された測定対象物の一方側から平行走査光線を
   照射するとともに、その他方側で測定対象物を通過した
   平行走査光線を光電変換する検出装置と、 基準位置と測定対象物とにそれぞれ対応する前記検出装
   置の出力信号を利用して両者の隙間寸法を求めるととも
   に、測定対象物の複数の回転角について求めた一群の隙
   間寸法を所定演算処理して測定対象物の真円度等の形状
   を求めるデータ処理装置と、を備え、 前記検出装置と基準位置を定める手段とを同期して前記
   垂直基軸線に沿って移動できるよう前記可動部材に取り
   付けた、 ことを特徴とする丸軸状部材の形状測定装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記基準位置を
   定める手段を、前記平行走査光線領域内に配設されかつ
   直線部分を有するピン部材としたことを特徴とする丸軸
   状部の形状測定装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、前記基準位置を
   定める手段を、前記平行光線領域内に配設された光電変
   換器としたことを特徴とする丸軸状部材の形状測定装置
   。
4. （４）特許請求の範囲第１項において、前記検出装置の
   平行走査光線の発生手段を光源、ポリゴンミラーおよび
   コリメータレンズから形成するとともに、前記基準位置
   を定める手段を、前記ポリゴンミラーとコリメータレン
   ズとの相対位置関係から定まるコリメータレンズ以後の
   平行走査光線の最外縁光線としたことを特徴とする丸軸
   状部材の形状測定装置。
5. （５）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに
   おいて、前記平行走査光線の走査方向にかつ同一水平面
   内に一対の基準位置を定める手段を設けたことを特徴と
   する丸軸状部材の形状測定装置。