JPWO2007066746A1 - 真円度測定装置及び先端子良否判定方法 - Google Patents

Abstract

偏心がある場合の測定精度を改善した真円度測定装置の実現を目的とする。載物台１と、球状の先端部を有し、載物台の回転軸を含む第１の平面内を変位可能で被測定物の表面に接触して変位する先端子１１と、先端子の変位を検出して測定データを出力する測定子１２−１４と、測定データを処理する処理制御部１５と、を備え、処理制御部は、被測定物の中心と載物台の回転中心との偏心による被測定物の表面と先端子との接触位置の第１の平面内でのずれを補正して、真円度を算出する真円度測定装置であって、処理制御部は、偏心による接触位置の第１の平面に垂直な方向のずれを算出して、算出したずれによる接触位置の第１の平面内でのずれも補正して、真円度を算出する。

Description

本発明は、真円度測定装置及びそこで使用される先端子の良否判定方法に関し、特にワークの中心軸の回転軸に対するずれである偏心を補正して真円度を算出する真円度測定装置及び偏心を利用して先端子の良否を判定する方法に関する。

真円度測定装置は、円筒物などの円形の断面を有する被測定物（ワーク）を回転可能な載物台の上に載置して、ワークの表面に先端子を接触させ、ワークの回転に伴う先端子の変位を測定して検出することにより、円形断面の外形形状を測定する。
図１は、真円度測定装置は、基本構成を示す図である。図示のように、真円度測定装置は、ワークＷを載置して回転する載物台１と、回転するワークＷの表面に接触する先端子１１と、先端子１１の変位を測定する測定子１２と、測定子１２の出力する測定信号を増幅するアンプ１３と、増幅された検出信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）１４と、Ａ／Ｄ変換器１４の出力するデジタル測定信号（測定データ）を処理して真円度を算出する演算処理部１５と、を有する。以下の説明ではワークＷは円筒物であるとして説明を行う。
先端子１１は、球状の先端部を有し、載物台１の回転軸と平行な第１の平面内を変位可能で、ワークＷの表面に接触し、被測定物の回転に従って変位する。測定子１２は、先端子１１を支持し、先端子１１の変位を、差動トランスなどで検出して測定信号を出力する。演算処理部１５は、コンピュータなどで構成される。ここでは、アンプ１３及びＡ／Ｄ変換器１４は測定子１２内に設けられるとする。
図２は、載物台１の上に載置されたワークＷに球状の先端子１１が接触する様子を示す。ワークＷが回転すると、ワークＷの表面の半径に応じて先端子１１が変位する。真円度測定装置の基本構成については、特許文献１から３などに記載されているように広く知られているので、ここではこれ以上の説明を省略する。
図２に示すように、ワークＷの中心と載物台１の回転中心が一致していれば先端子１１の変位する範囲は小さい。しかし、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、ワークＷの中心Ｏ’が、載物台１の回転中心Ｏからずれていると、すなわち偏心していると、ワークＷの中心Ｏ’が回転中心Ｏの右側に位置した時に、先端子１１の球（以下、この球を単に先端子と称する）の中心Ｏ’’は右側に偏心量だけ余分に変位し、ワークＷの中心Ｏ’が回転中心Ｏの左側に位置した時に、先端子１１の中心Ｏ’’は左側に偏心量Ｅだけ余分に変位する。言い換えれば、ワークＷの半径をＲ、先端子１１の半径をｒ、偏心量をＥとすると、ワークＷの中心Ｏ’が回転中心Ｏの右側に位置した時に、回転中心Ｏと先端子１１の中心Ｏ’’の距離はＲ＋Ｅとなり、ワークＷの中心Ｏ’が回転中心Ｏの左側に位置した時に、回転中心Ｏと先端子１１の中心Ｏ’’の距離はＲ−Ｅとなる。従って、測定信号は２Ｅだけ異なることになる。
アンプ１３は、測定信号の変動範囲がＡ／Ｄ変換器１４の入力信号範囲に対応するように測定信号を増幅する。従って、アンプ１３の増幅率に応じて測定可能な測定信号の範囲、すなわち測定レンジが決定される。Ａ／Ｄ変換器１４の分解能はビット数により規定されるので、測定子１２の出力する測定信号の範囲が大きい時には、最小分解能に対応する変位量が大きくなり、分解能が低下する。そのため、高精度の測定を行う時には測定信号の変動範囲を小さくして、測定レンジを狭くする必要がある。
上記のように、偏心があると測定信号は偏心量Ｅの２倍だけ変動範囲が大きくなるので、高精度の測定を行う時には、ワークＷの中心Ｏ’が回転中心Ｏにできるだけ一致するように、すなわち偏心量Ｅをできるだけ小さくするように調整を行う。特許文献１から３は、偏心量Ｅをできるだけ小さくする心出し調整を容易に行う方法、及び軸心を正確に算出する方法などを記載している。しかし、心出し調整は時間を要する作業・動作であり、測定のスループットを低下させるという問題があった。
近年、電子デバイスやソフトウエアを実行する演算処理デバイスの進歩により、高分解能でありながら広い測定レンジで測定可能な構成が安価に実現できるようになってきた。そこで、図３Ａおよび図３Ｂに示すような偏心量Ｅによる測定信号（測定データ）の変化を検出した時には、自動的に偏心量Ｅを算出して偏心量Ｅによる変化を測定データから除去する補正を行った後、真円度を算出することが行われるようになった。これにより上記の煩雑な心出し動作を行わなくても高精度の測定が行えるようになった。
特開平４−３２９３０６号公報 特開２００１−９１２４４号公報 特開２００４−９３５２９号公報

しかし、従来の真円度測定装置における偏心量の補正は、図３Ａおよび図３Ｂに示したワークＷと先端子１１の接触位置Ｃが、回転中心Ｏと先端子１１の中心Ｏ’’を結ぶ線上、言い換えれば先端子の変位可能な平面内にあるとして行われていた。偏心がある場合、図４Ａに示すように、ワークＷの中心Ｏ’が回転中心Ｏの右側に位置する時（Ｏ’Ｒ）及び左側に位置する時（Ｏ’Ｌ）には、ワークＷと先端子１１の接触位置Ｃは、回転中心Ｏと先端子１１の中心Ｏ’’を結ぶ直線上にあるが、図４Ｂに示すように、ワークＷの中心Ｏ’が回転中心Ｏの上側に位置する時（Ｏ’Ｕ）及び下側に位置する時（Ｏ’Ｓ）には、ワークＷと先端子１１の接触位置Ｃは、回転中心Ｏと先端子１１の中心Ｏ’’を結ぶ直線上にはなく、図４Ｃに示すようになる。この時、先端子１１のＯとＯ’’を結ぶ直線上の表面位置に相当する値が、測定データとして出力される。そのため、測定信号は、回転中心ＯからワークＷの半径Ｒに対応した値から誤差だけずれた値となるが、従来はこのような補正は行われていなかった。
このような補正が行われていなかった理由は、Ａ／Ｄ変換器１４の分解能で対応できる偏心量の大きさを考えた場合、そのような偏心量で生じる誤差Ｐが小さく、分解能に比べて無視できると考えられてきたためである。
しかし、近年、電子デバイスやソフトウエアを実行する演算処理デバイスの進歩は著しく、例えば安価なＡ／Ｄ変換器１４でも１６ビットの分解能が実現されるようになってきた。そのため、従来高精度の測定が行えなかった偏心量でも高精度での測定が可能になり、それに応じて従来無視していた図４Ｃに示したような誤差が無視できなくなり、十分な精度で測定が行えないという問題が生じてきた。
また、先端子１１は、鋼球、超硬合金球、ルビー球などの非常に硬い材料で作られており、真円形状であるとして測定が行われる。しかし、硬い材料で作られていても、使用するに従って摩耗して形状が変化し、先端子１１の形状が真円でなくなる。たとえ先端子１１の形状が真円でなくなっても、偏心がなければ測定データには影響しないため、これまで特に管理されていなかった。しかし、上記のように、真円度の測定が偏心がある状態でも高精度に行えるようになると、先端子１１の形状変化が測定データに影響する。そのため、先端子１１の形状変化を監視して使用可能であるかを判定する必要が生じる。しかし、これまで先端子１１の形状変化を簡易に測定する良い方法がなかった。
本発明は、上記のような問題を解決するもので、第１の目的は、偏心がある場合の測定精度を一層改善した真円度測定装置の実現である。第２の目的は、先端子の形状変化を簡易に測定可能にすることである。
上記第１の目的を実現するため、本発明の第１の態様の真円度測定装置は、偏心によりワークと先端子の接触位置が先端子の変位可能な平面に対して垂直な方向にずれた分の測定信号への影響を考慮して補正を行う。
すなわち、本発明の第１の態様の真円度測定装置は、円形の断面を有する被測定物を載置して回転する載物台と、球状の先端部を有し、前記載物台の回転軸と平行な第１の平面内を変位可能で、前記載物台に載置された前記被測定物の表面に接触し、前記被測定物の回転に従って変位する先端子と、前記先端子の変位を検出して測定データを出力する測定子と、前記測定データを処理して前記被測定物の真円度を算出する処理制御部と、を備え、前記処理制御部は、前記被測定物の円形断面の中心と前記載物台の回転中心との差である偏心による前記被測定物の表面と前記先端子との接触位置の前記第１の平面内でのずれを補正して、前記被測定物の真円度を算出する真円度測定装置であって、前記処理制御部は、偏心による前記被測定物の表面と前記先端子との接触位置の前記第１の平面に垂直な方向のずれを算出して、算出した前記第１の平面に垂直な方向のずれによる前記第１の平面内でのずれも補正して、前記被測定物の真円度を算出することを特徴とする。
本発明の第１の態様の真円度測定装置によれば、偏心によるワークと先端子の接触位置が先端子の変位可能な平面に対して垂直な方向のずれが算出され、さらにそのずれの測定信号への影響が算出されて補正されるので、測定精度がより向上する。
上記第２の目的を実現するため、本発明の第２の態様の先端子良否判定方法は、形状が既知の基準被測定物の外形形状を、回転中心に対して偏心しない状態と偏心した状態で測定し、２つの測定データの差から先端子の変形具合を検出して良否を判定する。
すなわち、本発明の第２の態様の先端子良否判定方法は、真円度測定装置で、被測定物の表面に接触する先端子の球状の先端部の形状の良否を判定する先端子良否判定方法であって、形状が既知の基準被測定物を前記基準被測定物の円形の断面の中心が載物台の回転中心に一致するように載置して前記基準被測定物の無偏心外形形状を測定し、前記基準被測定物の円形の断面の中心を前記載物台の回転中心に対して所定量偏心させて前記基準被測定物の偏心外形形状を測定し、前記無偏心外形形状と前記偏心外形形状との差から、前記先端子の球状からの変形量を算出し、算出した前記変形量が所定の範囲を超えた時に不良と判定することを特徴とする。
被測定物の中心が回転中心に一致している場合は、変形した先端子を使用して測定を行っても、先端子の変形は測定データに影響しない。これに対して、被測定物の中心が回転中心に対して偏心している場合、変形した先端子を使用して測定を行うと、測定データが影響される。そのため、形状が既知の基準被測定物の外形形状を、偏心していない状態と偏心している状態で測定すると、２つの測定データに差を生じる。従って、２つの測定データの差から先端子の変形具合を測定できる。
本発明によれば、偏心がある場合の測定精度が向上し、偏心があっても高精度での測定が可能になるので、偏心を調整する必要がなくなり真円度測定装置の操作性及びスループットが向上する。

図１は、表面粗さ／形状測定装置の外観を示す図である。
図２は、載物台上のワークに対する先端子の動作を示す図である。
図３Ａおよび図３Ｂは、ワークの中心が回転中心に対してずれた（偏心した）場合の従来例での補正方法を説明する図である。
図４Ａから図４Ｃは、従来例での偏心補正の問題点を説明する図である。
図５は、本発明の第１実施例における偏心補正処理を説明する図である。
図６は、本発明の第１実施例における偏心補正処理を説明する図である。
図７は、偏心量を算出する別の方法を説明する図である。
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の第２実施例における先端子の摩耗量を算出する原理を説明する図である。
図９は、第２実施例における先端子の良否判定処理を示すフローチャートである。
１０ 載物台
１１ 先端子
１２ 測定子
１４ Ａ／Ｄ変換器
１５ 演算処理部
Ｗ ワーク

以下本発明の実施例の真円度測定装置を説明するが、実施例の真円度測定装置は、図１に示した従来の真円度測定装置と類似の基本構成を有し、演算処理部１５での補正処理のみが異なる。言い換えれば、演算処理部１５を構成するコンピュータを動作させるソフトウエアが異なる。以下、補正処理の内容を説明する。
図５及び図６は、本発明の第１実施例の真円度測定装置における補正処理を説明する図である。
まず、第１実施例の補正処理では、ワークＷの半径Ｒ、先端子１１の半径ｒ、偏心量Ｅを使用する。ワークＷの半径Ｒ及び先端子１１の半径ｒはあらかじめ判明している値を使用するが、ワークＷの半径Ｒは測定した値から簡易的に算出して使用することも可能である。図３Ａ、図３Ｂ及び図４Ａで説明したように、ワークＷの中心が回転中心から偏心している時には、測定信号をプロットすると略楕円形になるが、この時の楕円の短辺がワークＷの直径にほぼ等しい。ワークＷの半径Ｒは数十ｍｍ以上の値であり、検出精度は１μｍ以下であり、ここで入力する半径Ｒの値はあまり高精度である必要はない。これは先端子１１の半径ｒについても同様である。
偏心量Ｅは、図３Ａ、図３Ｂ及び図４Ａで説明したように、変位信号の最大値と最小値の差から簡易的に算出することができる。なお、変位信号の最大値と最小値が、１８０度異なる回転位置にならない場合には、更に変位信号が同じ値になる方向、すなわち、最大値と最小値になる方向に直交する方向を求めて、これらの４方向の値から算出することも可能である。いずれにしろ、最大値偏心量Ｅもこのような方法で算出する場合の精度で十分である。
図５及び図６は、回転中心Ｏを原点とし、先端子１１の中心Ｏ’’がＸ軸上を移動可能に支持されているとし、ワークＷの中心Ｏ’が回転中心Ｏの周りを回転する場合を示しており、Ｏ’がＯとＯ’’を結ぶ線上にある時を起点として示してあり、図５は中心Ｏ’が第１象限にある場合を、図６は中心Ｏ’が第２象限にある場合を示している。図５及び図６において、ＣはワークＷと先端子１１の接触位置を示し、Ｍは回転中心Ｏと先端子１１の中心Ｏ’’を結ぶ線上の点を示し、Ｍが先端子の位置として検出される。
図５に示すように、載物台１がθ（０＜θ＜９０°）回転したとする。ワークＷの中心Ｏ’と先端子１１の中心Ｏ’’を結ぶ線と、回転中心Ｏと先端子１１の中心Ｏ’’を結ぶ線（Ｘ軸）のなす角度をδとすると、δは式（１）で表される。
δ＝ｓｉｎ^−１（Ｅｓｉｎθ／（Ｒ＋ｒ）） （１）
測定子の出力（すなわち先端子のＭの位置）は、式（２）で表される。
Ｍ＝Ｒｃｏｓδ−（ｒ−ｒｃｏｓδ）＋Ｅｃｏｓθ （２）
実際に接触している位置Ｃは、次の式（３）で表される。
Ｃ＝Ｍ＋（ｒ−ｒｃｏｓδ）＝Ｒｃｏｓδ＋Ｅｃｏｓθ （３）
なお、この時の位置Ｃは、測定開始点Ｓから、θ＋δの回転角度にあることになる。
式（１）から（３）は、図６の場合も成り立ち、中心Ｏ’が第３及び第４象限にある場合にも成り立つ。ただし、δはＸ軸より下側の時には負となるものとする。
以上のようにして、ワークＷのθ＋δの回転角度における接触位置Ｃの測定値が得られる。
一般に、真円度測定装置においては、ワークＷの回転中心における回転角度を一定のピッチに分割して均等に測定データの取り込みが行われるが、上記のように偏心した時には、測定開始点Ｓの角度をゼロとした場合、回転中心Ｏの回転角度がθであるのに対して、接触位置Ｃがなすワークの中心Ｏ’との角度はθ＋δとなるため、測定データはワークの円周上において不等ピッチとなる。そこで、不等ピッチの測定データを用いて、円周上で等ピッチになる部分の値を補間して求める。このようにして求めた円周上の等ピッチの測定データに基づいて真円度を算出する。不等ピッチの測定値を等ピッチの測定データに変換する補間処理については、従来から行われているので、これ以上の詳しい説明は省略する。
なお、第１実施例では、偏心量Ｅを図３Ａお呼び図３Ｂに示した測定データの最大値及び最小値から、又は更に直交する方向に測定データから算出したが、図７に示すように、ワークＷの全周の測定データを直交座標にプロットし、得られた形状Ｗ’の重心位置をワーク中心Ｏ’とし、回転中心Ｏとの距離を偏心量Ｅとして求めることも可能である。ワークＷが楕円形であると、第１実施例の方法で算出した場合、正確な偏心量を求めることができない。また、ワークＷが三角オムスビ方などの奇数角形をしている場合、回転中心とワークの中心が一致している場合でも偏心とみなす場合がある。図７の方法を使用すれば、このような問題を生じない。
なお、図７で測定された形状の内接円と外接円の径差から、被測定物の形状異常量（真円から外れている量）を特定することも可能である。
形状異常量が一定量以下の場合には、第１実施例の方法で偏心量及び偏心方向を算出するのが適当であるが、形状異常量が一定量を超えた場合には、図７で説明した方法で偏心量及び偏心方向を算出するのが適当である。
先端子１１は、鋼球、超硬合金球、ルビー球などの非常に硬い材料で作られている。第１実施例の真円度測定装置では、先端子は真円形状であるとして測定が行われるが、硬い材料で作られていても、使用するに従って摩耗して形状が変化し、真円でなくなる。ワークＷが円筒（球でも可）であれば、ワークＷの中心Ｏ’と回転中心Ｏが一致している（偏心していない）時には、先端子が摩耗してもワークＷとの接点は常に同じになるため、測定信号には影響しないが、ワークＷの中心Ｏ’と回転中心Ｏがずれている（偏心している）時には、ワークＷと先端子１１の接触点が移動するため、先端子の真円からの形状変化の影響を受ける。
第２実施例では、先端子の真円からの形状変化の具合を検出して、使用可能な状態であるかを判定する。
図８Ａ及び図８Ｂは、第２実施例における先端子の真円からの形状変化の具合を検出をする原理を説明する図である。図８Ａに示すように、もともと半径ｒ１の先端子１１が摩耗してワークと接触する部分の中心（偏心のない時にワークと接触する部分）が半径ｒ２になった場合を考える。図８Ａに示すような先端子１１を使用して、真円形状の基準ワークの中心が回転中心に一致するようにして測定を行うと、図８Ｂにおいて、Ｐで示す円形の軌跡が得られる。次に、基準ワークの中心が回転中心に対して所定量ずれた状態、すなわち偏心させた状態で測定を行うと、図８ＢにおいてＳで示す卵型形状の軌跡が検出される。なお、図８Ａお呼び図８Ｂにおいて、Ｑは、偏心したワークを半径ｒ２の先端子で測定した時の軌跡を、Ｒは偏心したワークを半径ｒ１の先端子で測定した時の軌跡を示す（中心位置の補正は行っていない）。
軌跡Ｓでは、短辺方向の最大径がＲになる横方向の位置Ｔが、長辺方向の径の中間位置Ｖに対して（ｒ１−ｒ２）／２だけずれる。なお、Ｖは軌跡Ｐの円の中心であり、軌跡Ｑの楕円の中心であり、Ｔは軌跡Ｒの楕円の中心である。そこで、位置ＴとＶの差を算出すれば（ｒ１−ｒ２）／２、すなわち摩耗量ｒ１−ｒ２に対応する量が求まる。そこで、摩耗量ｒ１−ｒ２の限界値をあらかじめ設定しておき、この限界値を超えた時には、使用不能と判定する。
図９は、第２実施例における測定処理を示すフローチャートである。
ステップ１０１では、外形及び真円度が既知の基準円筒（球でも可）を載物台上に配置し、基準円筒中心が回転中心に一致するように配置する載物台の位置を調整する。この調整動作は、検出値を観察しながら、検出値が真円形状になるように載物台に設けられた移動機構を利用して行う。
ステップ１０２では、基準円筒の真円度測定を行い、測定結果を記録する。これにより円軌跡Ｐが得られ、Ｖの位置が算出される。
ステップ１０３では、載物台に設けられた移動機構を利用して、基準円筒の中心を回転中心に対して所定量Ｅだけ偏心させる。
ステップ１０４では、偏心した状態で、基準円筒の真円度測定を行い、測定結果を記録する。これにより卵型軌跡Ｓが得られ、Ｔの位置が求まると共に、Ｖの位置が確認される。
ステップ１０５では、Ｔの位置とＶの位置の差、すなわち摩耗量を算出する。
ステップ１０６では、Ｔの位置とＶの位置の差があらかじめ定めた閾値より小さいかを判定し、小さければ、ステップ１０７に進んで先端子の摩耗量が許容範囲内であることをオペレータに報知し、大きければステップ１０８に進んで先端子の摩耗量が許容範囲を超えて不良であり、新しい先端子を使用するようにオペレータに報知する。
以上本発明の実施例を説明したが、各種の変形例が可能であり、例えば、第１実施例では式に従って補正を行ったが、補正値のテーブルを使用して補正を行うことも可能である。

本発明により、偏心があっても真円度が高精度で測定できるので、表面粗さ／形状測定装置の作業性が改善され、これまで生産性の点から表面粗さ／形状測定装置使用できなかった分野でも表面粗さ／形状測定装置が使用できるようになり、表面粗さ／形状測定装置の使用分野が拡大する。

Claims (2)

1. 円形の断面を有する被測定物を載置して回転する載物台と、
   球状の先端部を有し、前記載物台の回転軸を含む第１の平面内を変位可能で、前記載物台に載置された前記被測定物の表面に接触し、前記被測定物の回転に従って変位する先端子と、
   前記先端子の変位を検出して測定データを出力する測定子と、
   前記測定データを処理して前記被測定物の真円度を算出する処理制御部と、を備え、
   前記処理制御部は、前記被測定物の円形断面の中心と前記載物台の回転中心との差である偏心による前記被測定物の表面と前記先端子との接触位置の前記第１の平面内でのずれを補正して、前記被測定物の真円度を算出する真円度測定装置であって、
   前記処理制御部は、偏心による前記被測定物の表面と前記先端子との接触位置の前記第１の平面に垂直な方向のずれを算出して、算出した前記第１の平面に垂直な方向のずれによる前記被測定物の表面と前記先端子との接触位置の前記第１の平面内でのずれも補正して、前記被測定物の真円度を算出することを特徴とする真円度測定装置。
2. 真円度測定装置で、被測定物の表面に接触する先端子の球状の先端部の形状の良否を判定する先端子良否判定方法であって、
   形状が既知の基準被測定物を前記基準被測定物の円形の断面の中心が載物台の回転中心に一致するように載置して前記基準被測定物の無偏心外形形状を測定し、
   前記基準被測定物の円形の断面の中心を前記載物台の回転中心に対して所定量偏心させて前記基準被測定物の偏心外形形状を測定し、
   前記無偏心外形形状と前記偏心外形形状との差から、前記先端子の球状からの変形量を算出し、
   算出した前記変形量が所定の範囲を超えた時に不良と判定することを特徴とする真円度測定装置の先端子良否判定方法。

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