JPS6287806A - 丸軸状部材の形状測定方法 - 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方法に関する。

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
方法に関する。

〔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、載物台に丸
軸状の被測定物を立設し、この被測定物の表面にその径
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被測
定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、被測定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、被測定物表面の凹凸がμｍ単位であ
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、被測定物の真
円度等を予想し、被測定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、被測定物の締め付は
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、測定誤差を生して
いた。これには、測定子の摩耗も大きな影響を及ぼず。

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、測定力および被測定物の材質
（例えば、プラスチック等）によっては、その軟弱性か
ら測定対象物が制限された。

■被測定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、被測定物表面に光を照射し、その反射光を捉えて
被測定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、被測定物表面の凹凸の程度、反射率等被測定物の表
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。

〔発明の目的〕

ここに、本発明の目的は、上述した問題を解消する丸軸
状部材の形状測定方法を提供することにある。

ｃ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、定速回転する載物台の垂直基軸線と平行に
ナイフェツジを配置し、これらを含む水平面内において
、その一方側から被測定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、他方側で被測定物とナイ
フェツジ、との間を通過した平行走査光線を光電変換し
て被測定物とナイフェツジとの隙間寸法を求め、これを
所定処理して被測定物の真円度等の形状を測定するよう
にしたものである。

具体的には、垂直基軸線を回転中心として定速回転する
載物台に、丸軸状被測定物を立設するとともに、垂直基
軸線と平行にナイフェツジを配置し、被測定物とナイフ
ェツジとを含む水平面内において、その一方側から被測
定物とナイフェツジとに渡る平行走行光線を照射すると
ともに、その他方側で被測定物とナイフェツジとの間を
通過した平行走行光線を光電変換して、被測定物とナイ
フェツジとの隙間寸法を求め、この隙間寸法を被測定物
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
算処理して被測定物の真円度等の形状を求めること、を
特徴としている。

〔実施例〕

第１図は本発明を適用した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１２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、
丸軸状の被測定物Ｗを立設できるように水平面状に保た
れている。また、被測定物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、回転テーブル１２の後方には、ナイフェツジ１５
が支持枠１６を介して前記基台１１に立設されている。

ナイフェツジ１５は、前記回転テーブル１２に立設固定
される被測定物Ｗの外周面に対して離隔した位置で前記
回転テーブル１２の回転中心たる垂直基軸線と平行に配
設されている。

ナイフェツジ１５より後方には、コラム１７が立設され
ている。コラム１７には、サドル１日が前記垂直基軸線
と平行な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、サドル１８をボールねし等を介して昇降さ
せるサーボモータ１９およびサドル１８の垂直方向位置
を検出する工ンコーダ２０がそれぞれ設けられている。

サドル１８には、その移動方向と直交するクロスガイド
２１を介して光学系ユニット２２が取り付けられている
。

光学系ユニット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被測定物Ｗとナイフェツジ
１５とに渡る平行走査光線を発生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
側に配置され前記被測定物Ｗとナイフェツジ１５との間
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との対向面側には、拡大器
２５Ａ、２５Ｂがそれぞれ上下方向へ位置調整可能に設
けられている。

平行走査光線発生装置２３は、レーザ管３１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タ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被測定′Ｊ
ｊ！ＩＪｗとナイフェツジ１５とに渡って照射するコリ
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、前記被測定物Ｗとナイフェツジ１５との間を
通過した平行走査光線を集光させる集光レンズ３６°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４１を含む。プリアンプ４１で
増幅された信号はセグメントｉｆｆ沢回路４２へ送られ
る。セグメント選択回路４２は、７受光器３７からの出
力信号を基に前記被測定物Ｗとナイフエンジュ５との間
が光走査されている時間ｔ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からは被測定物Ｗ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
れるクロックパルスＣＰを計数し、その結果つまり被測
定物Ｗとナイフェツジ１５との間の隙間寸法を演算処理
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ている。

演算処理装置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を駆動して光学系ユニッ
ト２２を被測定物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がら与えられ
る角度データで計数回路４５のデータを番地付けし、こ
れを被測定物Ｗの一周について順次収集した後、これら
のデータから被測定物Ｗの真円度を求める。

また、サーボモータ１９を駆動して光学ユニット２２を
被測定物Ｗの異なる高さ位置に昇降させ、この各高さ位
置において被測定物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被測定物Ｗの面角度および円
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、被測定物Ｗ
を１回転させると、被測定物Ｗの各回転角θｉにおいて
、被測定物Ｗの外周面とナイフェツジ１５との隙間寸法
ｒｉ’　が求められる。従って、これら一群の隙間寸法
ｒ、′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、被測定物Ｗの
回転中心をＯ，最小自乗中心をＣ（ａ。

ｂ）、最小自乗円の半径をＲ１最小自乗中心Ｃから被１
１１１Ｊ定吻Ｗの外周面までの距離をＲ８、回転中心Ｏ
から被測定物Ｗの外周面までの距離をＲ４，１回転当た
りの測定回数をＮとすると、次式で与えられる。

Ｒｉ　　＝ｒｔ　　　（Ｒ＋　ａｃｏｓ　　θ、＋ｂｓ
ｉｎ　　θ正）・・・（４） 真円度＝　Ｒ１，□ｘｌ　　　　Ｒｉ　（ｍｉｎｔ・・
・（５） 従って、これら（１）〜（５）式に前記ｒ！′を適用す
るには、回転角Ｏ″のときのｒｉ′をオフセット値ｒ　
ｏｆｆｓｅｔとして、 ｒｌ　　＝　ｒｏｆｆｓｅｔ　−ｒｉ　’　　　　　　
　　−（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、被測定物
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２断面の最小自乗中心ＣＩ　＋　　Ｃｔ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１
２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、被測定物
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Ｃ＋＋　　（ａＫ＋　　ｂｘ　）とする
と、断面にの仮想軸心の座標Ｃ’ｘ（Ｘｘ＝ｙｇ）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ＲＫｉに変換（（１）〜（４）式に
よって）した後、さらに仮想軸心からのデータＲ′８．
に変換すると、 Ｒ’　ｇ＋＝Ｒｘｔ−（ＸＫ　　　ａＫ）　ｃｏｓ　θ
。

（ｙＫ　　　ｂｘ）ｓｉｎ　θ１−（９）となる。デー
タＲ′８．は、ｘ”１〜５、ｉ＝０〜３６０”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′□の最大値をＲ’Ｋｉ＋□１　、
最小値をＲ′□。、１とすると、円筒度は、 円筒度＝　　Ｒ’□。□）　　　Ｒ’ｘｉ＋□１・・・
（１０） となる。なお、仮想軸心は最小自乗中心０１〜Ｃ１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、光学系ユニット２２を昇
降させ、そのときの被測定物Ｗとナイフェツジ１５との
隙間γ２を垂直方向に沿って集計し、このγ２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
Δγを真直度として求めることができる。

さらに、被測定物Ｗの１８０度づれた２つの隙間データ
と、垂直基軸線からナイフェツジ１５までの寸法とを基
に被測定物Ｗの直径を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、被測定物Ｗの１回転について求めた直径を平
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、被測定物Ｗと垂直基軸線に
平行なナイフェツジ１５とを含む水平面内において、そ
の一方便から被測定物Ｗとナイフェツジ１５とに渡る平
行走査光線を照射するとともに、その他方側で被測定物
Ｗとナイフェツジ１５との間を通過した平行走査光線を
光電変換して被測定物Ｗとナイフェツジ１５との隙間寸
法を求め、この隙間寸法を被測定物Ｗの各回転角につい
て求めた一群の隙間寸法から被測定物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、被測定物の芯出し等の煩雑かつ！＄、
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、同一の被測定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
度および円筒度を測定できるほか、真直度や直径をも測
定できる。

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、測定力や被測定物の材質等にも制限されず、
あらゆる種類の被測定物の形状を正確に測定できる。し
かも、被測定物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まり込んで測
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、単位量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１２の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被測定物表面からの反射
光を捉えて被測定物の各種形状を測定するものでないた
め、被測定物の凹凸の程度や反射率等被測定物の表面状
態に制限されず、汎用性が高い。

なお、上記実施例では、レーザ管３１からのレーザ光線
を被測定物Ｗとナイフェツジ１５とに渡って走査するよ
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、被測定物Ｗとナイフェツジ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被測定物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
クリエンコーダ１４が不要となる利点がある。

また、上記実施例では、光学系ユニット２２を、演算処
理装置５１からの指令により駆動されるサーボモータ１
９を介して自動的に昇降させるようにしたが、例えばサ
ドル１８を昇降させるポールねし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
ルによって光学系ユニット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、被測定物の芯出し等の測定準備作業を
必要とせず、また被測定物の材質や表面状態に制限され
ず、被測定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】

図は本発明の方法を適用した形状測定装置の一実施例を
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ンク図、第３図は光学系ユニ
ットの測定原理を示す図、第４図は被測定物の真円度を
求める際の説明図、第５図は被測定物の直角度を求める
際の説明図、第６図は被測定物の円筒度を求める際の説
明図、第７図は被測定物の真直度を求める際の説明図で
ある。 １２・・・載物台としての回転テーブル、１５・・・ナ
イフェツジ、２３・・・平行走査光線発生装置、３７・
・・受光器、３９・・・光学式寸法測定器、５１・・・
演算処理装置、Ｗ・・・被測定物。

Claims (1)

【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
   に、丸軸状被測定物を立設するとともに、垂直基軸線と
   平行にナイフエッジを配置し、被測定物とナイフエッジ
   とを含む水平面内において、その一方側から被測定物と
   ナイフエッジとに渡る平行走行光線を照射するとともに
   、その他方側で被測定物とナイフエッジとの間を通過し
   た平行走行光線を光電変換して、被測定物とナイフエッ
   ジとの隙間寸法を求め、この隙間寸法を被測定物の複数
   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
   して被測定物の真円度等の形状を求めることを特徴とす
   る丸軸状部材の形状測定方法。