JP5292564B2 - 形状測定装置、その校正方法、及び校正プログラム - Google Patents

Description

本発明は、所定の回転軸を中心として相対的に回転する被測定物の回転角に同期して変位測定する、いわゆる真円度測定機などの形状測定装置、その校正方法、及び校正プログラムに関する。

従来、被測定物をテーブルに配置し、テーブルを回転させると共に、測定子（例えば、接触子）を被測定物の表面に倣わせる真円度測定機が知られている（特許文献１、２参照）。このような真円度測定機は、テーブルを回転させ、測定子のＸ軸方向又はＺ軸方向の変位を検出する。すなわち、真円度測定機は、測定子をＹ軸方向に固定したままで測定を行う。したがって、高精度の測定を行うためには、測定子のＹ軸方向位置の校正が重要である。

通常、以下のようにして、測定子のＹ軸方向位置の校正は行われる。先ず、テーブルの回転中心に基準球を配置し、その基準球に測定子を接触させた状態で検出器ホルダのＹ軸方向調整ねじを手で回す。そして、レベルメータのＸ軸及びＺ軸方向のピーク（基準球のＸ軸及びＺ軸方向のピーク）が観測される位置で調整ねじを止める。

しかしながら、上記校正方法は、人間の感意のみに頼るものなので誤差が発生し易い。Ｙ軸方向の誤差は、被測定物の角度位置、及びＸ軸位置、並びに測定値に誤差を生じさせ、その誤差は、テーブルの回転中心に近づくほど大きくなる。

例えば、Ｙ軸方向に誤差があると、オプチカルフラット（円柱状）に傾斜を付けてその平面度を測定した場合、中心と外側とで異なる傾きが検出され、本来、平面である上面形状が、ねじれた形状として測定される。また、真円度や円筒度を測定する場合、被測定物の径が小さい程、被測定物の０度位置から離れて測定子が接触することになるため、解析計算結果に誤差が生じ、心出しが収束しない。

特開平５−２３１８６４号公報 特許２５５１６９８号公報

本発明は、高精度な校正が可能な形状測定装置、その校正方法、及び校正プログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る形状測定装置の校正方法は、被測定物を載置すると共にＺ軸を中心として回転可能なテーブルと、前記被測定物に接触可能な測定子と、前記測定子を、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうち少なくともＸ軸及びＺ軸方向に駆動する測定子駆動手段とを有する形状測定装置における前記測定子のＹ軸方向の位置を校正する方法であって、前記テーブルに載置された被測定物の一部として含むＹ軸を中心として傾斜した傾斜平面若しくは傾斜円筒側面、又は中心軸がＸ軸方向にずれた偏心円筒側面を、回転させながら倣い測定して前記テーブルの回転角度毎の測定値を取得する工程と、前記倣い測定で得られた測定値のうち最小値が得られた前記テーブルの回転角度を最小検出角として求める工程と、前記最小検出角に基づいて前記測定子のＹ軸方向の位置を調整する工程とを有することを特徴とする。

本発明に係る形状測定装置は、被測定物を載置すると共にＺ軸を中心として回転可能なテーブルと、前記被測定物に接触可能な測定子と、前記測定子を、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうち少なくともＸ軸及びＺ軸方向に駆動する測定子駆動手段と、前記測定子のＹ軸方向の位置を校正するための制御部とを有する形状測定装置において、前記制御部は、前記テーブルに載置された被測定物の一部として含むＹ軸を中心として傾斜した傾斜平面若しくは傾斜円筒側面、又は中心軸がＸ軸方向にずれた偏心円筒側面を、回転させながら倣い測定することにより得られた測定値の最小値が得られた前記テーブルの回転角度を最小検出角として求める手段と、前記最小検出角に基づいて前記測定子のＹ軸方向の位置を調整する調整量を算出する手段とを含むことを特徴とする。

本発明に係る形状測定機の校正プログラムは、被測定物を載置すると共にＺ軸を中心として回転可能なテーブルと、前記被測定物に接触可能な測定子と、前記測定子を、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうち少なくともＸ軸及びＺ軸方向に駆動する測定子駆動手段とを有する形状測定装置における前記測定子のＹ軸方向の位置を校正するための校正プログラムであって、前記テーブルに載置された被測定物の一部として含むＹ軸を中心として傾斜した傾斜平面若しくは傾斜円筒側面、又は中心軸がＸ軸方向にずれた偏心円筒側面を、回転させながら倣い測定することにより測定値を取得するステップと、このステップで取得された測定値のうち最小値が得られた前記テーブルの回転角度を最小検出角として求めるステップと、前記最小検出角に基づいて前記測定子のＹ軸方向の位置を調整する調整量を算出するステップとをコンピュータに実行させるように構成されている。

本発明によれば、高精度な校正が可能な形状測定装置、その校正方法、及び校正プログラムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る形状測定装置の概略構成を示す外観斜視図である。 同装置における要部の拡大斜視図である。 演算処理装置本体３１の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。 図４のステップＳ１０２を示す概略図である。 図４のステップＳ１０３を示す概略図である。 図４のステップＳ１０４を示す概略図である。 Ｙ軸補正前後の測定値の軌跡を示す図である。 図４のステップＳ１０８を示す概略図である。 図４のステップＳ１１０を示す概略図である。 図４のステップＳ１１１を示す概略図である。 本発明のその他の実施形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。

次に、本発明に係る実施形態を、図面を参照して説明する。

［実施形態］
［実施形態に係る形状測定装置の構成］
先ず、図１を参照して、実施形態に係る形状測定装置の構成を説明する。図１は、実施形態に係る形状測定装置（真円度測定装置）の外観斜視図である。

形状測定装置は、回転体からなる被測定物４を所定の回転軸を中心として回転させながら、被測定物４の各回転角における表面の変位を測定する。

形状測定装置は、図１に示すように、測定機本体１と、駆動制御装置１ａを介して測定機本体１に接続された演算処理装置２とから構成される。

測定機本体１は、基台３と、この基台３上に設けられて被測定物４を載置すると共に回転させるテーブル５と、このテーブル５に載置された被測定物４の変位を検出する変位検出装置６と、これらを操作するための操作部７とを備えて構成されている。

テーブル５は、円板状の載物台１１を、その下側に配置された回転駆動装置１２により回転駆動して、載物台１１の上に載置された被測定物４を回転させるものである。回転駆動装置１２の側面には、調整用つまみ１３が、周方向にほぼ９０度の間隔で配置されている。これら調整用つまみ１３を操作することにより、手動操作で載物台１１の心出し及び水平出しが行えるようになっている。すなわち、載物台１１は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に調整可能に構成されている。また、載物台１１は、後述する制御部４１により、心出し及び水平出しが行われるように構成されている。

変位検出装置６は、次のように構成されている。即ち、基台３には上方に延びるコラム２１が立設されており、このコラム２１にスライダ２２が上下（Ｚ軸）方向に駆動可能に装着されている。スライダ２２には検出器ホルダ２３が装着されている。検出器ホルダ２３は、水平（Ｘ軸）方向に駆動可能に構成されており、その先端には検出器２５が設けられている。検出器２５の先端には、その先端が被測定物４に接触可能な測定子２４が設けられている。コラム２１、スライダ２２、及び検出器ホルダ２３は、測定子駆動手段を構成している。

テーブル５を回転させつつ、スライダ２２、検出器ホルダ２３を移動させ、測定子２４で被測定物４の表面をＸ軸方向又はＺ軸方向に走査（トレース）することによって、Ｘ軸方向又はＺ軸方向の各位置における測定子２４の変位量が測定データとして得られるようになっている。

また、図２に示ように、検出器ホルダ２３は、Ｘ軸方向に延びる回転軸２８を中心として９０°回転可能であり、これにより検出器２５及び測定子２４が、被測定物４の形状や測定面に合わせて同図（ａ）に示す垂直姿勢と、同図（ｂ）に示す水平姿勢とを取り得るように構成されている。検出器ホルダ２３が垂直姿勢のときの測定子２４の先端部のＹ軸方向の位置は、検出器ホルダ２３の測面に設けられた調整ねじ２６によって調整することができ、検出器ホルダ２３が水平姿勢のときの測定子２４の先端部のＹ軸方向位置は、検出器ホルダ２３の端面に設けられた調整ねじ２７によって調整することができるようになっている。

演算処理装置２は、変位検出装置６で得られた測定データを取り込む。演算処理装置２は、演算処理を実行する演算処理装置本体３１、操作部３２、及び表示装置３３を有する。また、演算処理装置２は、操作部７と同様に測定機本体１の動作を制御可能に構成されている。

次に、図３を参照して、演算処理装置本体３１の構成について説明する。演算処理装置本体３１は、図３に示すように、主に、制御部（ＣＰＵ：Central Processing Unit）４１、ＲＡＭ（Random Access Memory）４２、ＲＯＭ（Read Only Memory）４３、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）４４、及び表示制御部４５を有する。演算処理装置本体３１において、操作部３２から入力されるコード情報及び位置情報は、Ｉ／Ｆ４６ａを介して制御部４１に入力される。制御部４１は、ＲＯＭ４３に格納されたマクロプログラム及びＨＤＤ４４からＩ／Ｆ４６ｂを介してＲＡＭ４２に格納された各種プログラムに従って、各種の処理を実行する。

制御部４１は、測定実行処理に従って、Ｉ／Ｆ４６ｃを介して測定機本体１を制御する。ＨＤＤ４４は、各種制御プログラムを格納する記録媒体である。ＲＡＭ４２は、各種プログラムを格納する他、各種処理のワーク領域を提供する。また、制御部４１は、表示制御部４５を介して表示装置３３に測定結果等を表示する。

制御部４１は、ＨＤＤ４４から各種プログラムを読み出し、そのプログラムを実行することにより、以下の図４に示す動作を実行する。

[実施形態に係る形状測定装置の動作]
次に、図４に示すフローチャートを参照して実施形態に係る形状測定装置を使用した測定子位置の校正方法について説明する。なお、図４の前半（ステップＳ１０１〜Ｓ１０６）は、検出器ホルダ２３が水平姿勢のときのＹ軸校正手順を示し、図４の後半（ステップＳ１０７〜Ｓ１１３）は、検出器ホルダ２３が垂直姿勢のときのＹ軸校正手順を示している。操作者は、以下に示す校正に際して、載置台１１に被測定物４としての円柱状のオプチカルフラット４ａをセットする。先ず、制御部４１は、検出器ホルダ２３を水平姿勢にセットする（ステップＳ１０１）。次に、制御部４１は、セットされたオプチカルフラット４ａの上面を測定子２４にて倣うように走査して、その測定結果に基づき、オプチカルフラット４ａの水平出し処理を実行する（ステップＳ１０２）。ここで、水平出し処理は、図５の（ａ）、（ｂ）に示すように、オプチカルフラット４ａの上面をＸ軸及びＹ軸にて構成されるＸＹ面に水平に配置する処理を意味する。本実施形態の説明においては、図５に示すように、オプチカルフラット４ａの中心Ｃは、必ずしも載置台１１の回転中心Ｏである必要はない。

続いて、制御部４１は、図６に示すように、載置台１１（オプチカルフラット４ａ）をＹ軸を中心として所定角度θ１だけ傾斜させる（ステップＳ１０３）。次に、制御部４１は、図７の（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｚ軸を中心に載置台１１（オプチカルフラット４ａ）を回転させながら、オプチカルフラット４ａの上面に測定子２４を倣わせて、回転角φ１に対する測定子２４のＺ軸方向の変位量Δ１を測定する（ステップＳ１０４）。なお、測定子２４は、回転中心Ｏの近傍において倣わせることが望ましい。続いて、制御部４１は、変位量Δ１の最小値Δｍｉｎ１をとる回転角（以下、最小検出角φｍｉｎ１）を算出する（ステップＳ１０５）。

測定子２４のＹ軸方向の位置に誤差がある場合（Ｘ軸上に位置していない場合）、、回転角φ１に対する測定子２４のＺ軸方向の変位量Δ１は、例えば、図８の（ａ）に示す結果となる。すなわち、本測定は、例えば、オプチカルフラット４ａをＹ軸を中心に、回転角φ１が１８０°の側が高くなるように傾けている。したがって、測定子２４がＸ軸上に位置していれば、回転角φ１が１８０°の時に変位量Δ１は最大値をとり、回転角φ１が０°の時に変位量Δ１は最小値をとる。しかしながら、上述したように、測定子２４の先端位置がＹ軸方向に原点からずれて位置している場合には、図８の（ａ）のように、最小検出角φｍｉｎ１が０°からずれた位置に観測される。図示の例では、最小検出角φｍｉｎ１が、５４°付近に現れている。これは、載置台１１の回転角φ１が０°のときに、測定子２４の先端は、回転角φ１が３０６°付近を測定していることになり、測定子２４がＹ軸方向のマイナス側にずれていることを意味している。

ステップＳ１０５に続いて、制御部４１は、最小検出角φｍｉｎ１に基づき、移動量Ｍ１を算出する（ステップＳ１０６）。ここで、移動量Ｍ１は、最小検出角φｍｉｎ１が０°となる、Ｙ軸方向の測定子２４の移動量である。なお、操作者は、この移動量Ｍ１に基づき、手動で調整ねじ２７を調整して、水平方向における測定子２４のＹ軸方向の誤差を修正する。

続いて、垂直姿勢における測定子２４のＹ軸校正を実行する。操作者は、載置台１１に、オプチカルフラット４ａに代えて、円筒ワーク４ｂを配置する。制御部４１は、被測定物４の交換が完了したか否かを、操作部３２からの入力情報に基づき判断する（ステップＳ１０７）。円筒ワーク４ｂは高精度のもので、オプチカルフラット４ａよりも径が小さく形成されている。

円筒ワーク４ｂがセットされたら、制御部４１は、図９（ａ）に示すように、検出器２５を９０°回転させて測定子２４を垂直面測定姿勢にして、セットされた円筒ワーク４ｂの上下２ヶ所で側面を測定子２４にて回転倣い走査して、その測定結果に基づき、円筒ワーク４ｂの水平出し、及び心出し処理を実行する（ステップＳ１０８）。ここで、心出し処理は、図９の（ａ）、（ｂ）に示すように、円筒ワーク４ｂの軸心をＺ軸に揃えて配置する処理を意味する。次に、制御部４１は、検出器ホルダ２３を垂直姿勢にセットする（ステップＳ１０９）。

続いて、制御部４１は、被測定物４（円筒ワーク４ｂ）の軸心を回転軸Ｏからずらすか又は傾けて配置する（ステップＳ１１０）。例えば、制御部４１は、図１０の（ａ）に示すように、円筒ワーク４ｂの軸心の位置を、Ｘ軸と平行にＺ軸からずらす。或いは、制御部４１は、図１０（ｂ）に示すように、円筒ワーク４ｂをＹ軸を中心として傾けることにより、その軸心をＺ軸から傾けて配置する。

次に、制御部４１は、図１１の（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｚ軸を中心に載置台１１（円筒ワーク４ｂ）を回転させながら、円筒ワーク４ｂの側面に測定子２４を倣わせて、回転角φ２に対する測定子２４のＸ軸方向の変位量Δ２を測定する（ステップＳ１１１）。続いて、制御部４１は、変位量Δ２の最小値Δｍｉｎ２をとる回転角（以下、最小検出角φｍｉｎ２）を算出する（ステップＳ１１２）。なお、測定子２４のＹ軸方向の位置に誤差がある場合（Ｘ軸上に位置していない場合）、回転角φ２に対する測定子２４のＸ軸方向の変位量Δ２は、上述した図８の（ａ）と略同様の結果となる。

続いて、制御部４１は、最小検出角φｍｉｎ２に基づき、移動量Ｍ２を算出する（ステップＳ１１３）。ここで、移動量Ｍ２は、最小検出角φｍｉｎ２が０°となる、Ｙ軸方向の測定子２４の移動量である。なお、操作者は、この移動量Ｍ２に基づき、手動で調整ねじ２６を調整して、垂直姿勢における測定子２４のＹ軸方向の誤差を修正する。

［実施形態に係る形状測定装置の効果］
実施形態に係る形状測定装置は、上記のように、最小検出角φｍｉｎ１、φｍｉｎ２に基づき、Ｙ軸を調整する。すなわち、形状測定装置は、人間の感意のみに頼らないので、高精度にＹ軸方向の調整することができる。また、実施形態に係る形状測定装置は、被測定物４の全体を測定する必要がなく、短時間で心出しを行うことができる。

［その他の実施形態］
以上、形状測定装置の実施形態を説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加、置換等が可能である。

上記実施形態は、移動量Ｍ１、Ｍ２に基づき、操作者が測定子２４のＹ軸方向の誤差を手動で調整するものである。しかしながら、図１２に示すように、上記ステップＳ１０６の後、制御部４１が、移動量Ｍ１に基づき、調整ねじ２７を調整して水平姿勢における測定子２４のＹ軸を自動調整してもよい（ステップＳ２０１）。また、ステップＳ１１３の後、制御部４１が、移動量Ｍ２に基づき、調整ねじ２６を調整して垂直姿勢における測定子２４のＹ軸を自動調整してもよい（ステップＳ２０２）。

また、上記実施形態において、円筒ワーク４ｂの代わりに、球状のワークを配置してもよい。

１…測定機本体、 ２…演算処理装置、 ３…基台、 ４…被測定物、 ５…テーブル、 ６…変位検出装置、 ７…操作部、 ２１…コラム、 ２２…スライダ、 ２３…検出器ホルダ、 ２４…測定子、 ３１…演算処理装置本体、 ３２…操作部、 ３３…表示装置。

Claims (4)

1. 被測定物を載置すると共にＺ軸を中心として回転可能なテーブルと、
   前記被測定物に接触可能な測定子と、
   前記測定子を、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうち少なくともＸ軸及びＺ軸方向に駆動する測定子駆動手段と
   を有する形状測定装置における前記測定子のＹ軸方向の位置を校正する方法であって、
   前記テーブルに載置された被測定物の一部として含むＹ軸を中心として傾斜した傾斜平面若しくは傾斜円筒側面、又は中心軸がＸ軸方向にずれた偏心円筒側面を、回転させながら倣い測定して前記テーブルの回転角度毎の測定値を取得する工程と、
   前記倣い測定で得られた測定値のうち最小値が得られた前記テーブルの回転角度を最小検出角として求める工程と、
   前記最小検出角に基づいて前記測定子のＹ軸方向の位置を調整する工程と
   を有することを特徴とする形状測定装置の校正方法。
2. 前記測定子駆動手段は、
   前記測定子を支持する検出器と、
   この検出器を水平姿勢と垂直姿勢の２つの姿勢を取り得るように支持する検出器ホルダと
   を有し、
   前記検出器が水平姿勢のときに、前記傾斜平面を倣い測定して、水平姿勢における前記測定子のＹ軸方向の位置を調整する工程と、
   前記検出器が垂直姿勢のときに、前記傾斜円筒側面又は偏心円筒側面を倣い測定して、垂直姿勢における前記測定子のＹ軸方向の位置を調整する工程と
   を含むことを特徴とする請求項１記載の形状測定装置の校正方法。
3. 被測定物を載置すると共にＺ軸を中心として回転可能なテーブルと、
   前記被測定物に接触可能な測定子と、
   前記測定子を、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうち少なくともＸ軸及びＺ軸方向に駆動する測定子駆動手段と、
   前記測定子のＹ軸方向の位置を校正するための制御部と
   を有する形状測定装置において、
   前記制御部は、
   前記テーブルに載置された被測定物の一部として含むＹ軸を中心として傾斜した傾斜平面若しくは傾斜円筒側面、又は中心軸がＸ軸方向にずれた偏心円筒側面を、回転させながら倣い測定することにより得られた測定値の最小値が得られた前記テーブルの回転角度を最小検出角として求める手段と、
   前記最小検出角に基づいて前記測定子のＹ軸方向の位置を調整する調整量を算出する手段と
   を含む
   ことを特徴とする形状測定装置。
4. 被測定物を載置すると共にＺ軸を中心として回転可能なテーブルと、
   前記被測定物に接触可能な測定子と、
   前記測定子を、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうち少なくともＸ軸及びＺ軸方向に駆動する測定子駆動手段と
   を有する形状測定装置における前記測定子のＹ軸方向の位置を校正するための校正プログラムであって、
   前記テーブルに載置された被測定物の一部として含むＹ軸を中心として傾斜した傾斜平面若しくは傾斜円筒側面、又は中心軸がＸ軸方向にずれた偏心円筒側面を、回転させながら倣い測定することにより測定値を取得するステップと、
   このステップで取得された測定値のうち最小値が得られた前記テーブルの回転角度を最小検出角として求めるステップと、
   前記最小検出角に基づいて前記測定子のＹ軸方向の位置を調整する調整量を算出するステップと
   をコンピュータに実行させるように構成された形状測定機の校正プログラム。

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