JP6086322B2 - 真円度測定機 - Google Patents

Description

本発明は真円度測定機に係り、特に円柱状や円筒状のワークの複数断面における形状データを測定することで真円度、円筒度、同軸度などの各種形状精度の評価を行うことができる真円度測定機に関する。

真円度測定機は、テーブル上に載置された円柱状のワークの表面に検出器の測定子を接触させ、テーブル又は検出器を回転させてワークの周りに検出器を相対的に回転させることによって、ワークの真円度を測定する装置として知られている。

また、このような真円度測定機において、ワークの真円度だけでなく、円筒度、同軸度等の形状精度に関する評価を行うためのワークの形状データを測定できるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１、２）。

即ち、テーブル（ワーク）と検出器との相対的な回転の回転中心となる回転軸の方向が鉛直方向であるとすると、検出器を鉛直方向に移動させてワークに接触させる測定子の高さを変えることにより、ワークの複数箇所の水平断面を測定断面とする。そして、各測定断面におけるワーク表面の各点の回転中心（回転軸）からの距離を測定する。これによって、ワーク表面の３次元的な形状に対応した座標データ（形状データ）が取得され、その形状データに基づいて各種形状精度が評価される。

特許文献１には、ワークを載置する回転可能なテーブルと、テーブルの回転中心に対して互いに対峙した状態で鉛直方向に一体的に移動可能に支持された２つの検出器とを有するテーブル回転型の真円度測定機が開示されている。

これによれば、検出器の鉛直方向の直線運動誤差の影響を受けることなく、ワークの鉛直方向の複数箇所の測定断面における形状データが精度良く測定される。

即ち、検出器を鉛直方向に移動させるガイド機構の直線運動誤差により、検出器を鉛直方向に移動させると、検出器に水平方向への微小な変位が生じる。そのため、検出器の高さに応じて回転中心から検出器までの距離が変化する。従って、検出器が１つの場合には、ワーク表面の各点の回転中心からの距離を精度良く測定することができない。

そこで、特許文献１では、ワーク表面の各点について、鉛直方向に一体的に移動する２つの検出器により回転中心からの距離を測定し、それらの平均値を求めることにより、検出器の水平方向の変位による誤差を相殺し、ワーク表面の各点の回転中心からの距離を精度良く測定できるようにしている。

特許文献２には、ワークを載置するテーブルと、回転中心（回転軸）の周りに回転可能に支持されると共に鉛直方向に移動可能に支持された検出器とを有する検出器回転型の真円度測定機が開示されている。

これによれば、検出器を回転可能に支持するスピンドルやスピンドルを回転駆動する駆動部を鉛直方向に移動させることなく、検出器のみを鉛直方向に移動させて、ワークの鉛直方向の複数箇所の測定断面における形状データを測定する。そのため、スピンドル及び駆動部等を含む検出器の支持部全体（Ｚステージ）を鉛直方向に移動させる場合のように、支持部全体を鉛直方向に移動させるガイド機構の直線運動誤差によって検出器の回転中心が高さに応じて水平方向に変位し、これに起因する測定誤差が生じるという事態が軽減される。

特開平１１−６３９７１号公報 特許第３６５４７４４号公報

ところで、特許文献２の真円度測定機において、検出器は、鉛直方向に延びる検出器ガイドに鉛直方向に移動可能に支持されている。なお、検出器ガイドは、回転駆動されるスピンドルに支持アーム及びスライドブロックを介して支持されている。

したがって、検出器ガイドに対して検出器を鉛直方向に移動させることによって、検出器の高さを変えても、検出器の回転中心（回転軸）が水平方向に変位しない。

しかしながら、精度の高い測定になると、検出器ガイドの直線運動誤差が無視できず、それにより生じる測定誤差が問題となる。

また、検出器ガイドの直線運動誤差により生じる測定誤差を解消する方法として、特許文献１のように一体的に連動する２つの検出器を設けて検出器ガイドの直線運動誤差に起因する誤差を相殺することが考えられるが、構造の複雑化、装置の大型化、高コスト化などを招くという欠点がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ワークの真円度、円筒度などの各種形状精度の評価を行うための測定を高精度に、かつ、簡易な構成により行うことができる真円度測定機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の一の態様に係る真円度測定機は、ベースに支持され、ワークを載置する載置台と、前記ベースに立設されたコラムと、前記コラムに鉛直方向移動自在に支持された昇降ブロックと、前記昇降ブロックに回転自在に支持された回転ブロックと、前記回転ブロックに鉛直方向に設けられた検出器ガイドと、前記検出器ガイドに鉛直方向移動自在に支持された検出器と、から構成され、前記検出器を鉛直方向に移動させて前記ワークの円筒面の形状データを取得する第１測定手段であって、前記検出器ガイドに対して前記検出器を鉛直方向に移動させずに前記昇降ブロックを鉛直方向に移動させることにより、前記検出器を鉛直方向に移動させる第１測定手段と、前記検出器を鉛直方向に移動させて前記ワークの円筒面の形状データを取得する第２測定手段であって、前記昇降ブロックを鉛直方向に移動させずに、前記検出器ガイドに対して前記検出器を鉛直方向に移動させる第２測定手段と、前記第１測定手段により取得された形状データと前記第２測定手段により取得された形状データとに基づいて、前記ワークの円筒面の形状データを生成する形状データ生成手段と、を備えている。

本発明の一の態様によれば、第１測定手段により取得される形状データに含まれるコラムの直線運動誤差と、第２測定手段により取得される形状データに含まれる検出器ガイドの直線運動誤差とを排除した高精度な形状データを得ることができる。また、特許文献１のように二つの検出器を必要としないため、構成の複雑化や装置の大型化も生じない。

本発明の他の態様に係る真円度測定機において、前記形状データ生成手段は、前記第１測定手段により取得された形状データが示す前記ワークの円筒面の中心軸の位置が、前記第２測定手段により取得された形状データが示す前記ワークの円筒面の中心軸の位置に合致するように、前記第１測定手段により取得された形状データが示す前記円筒面の各点の位置を、鉛直方向の位置が異なる水平断面ごとに一律に水平方向に変位させた円筒面の形状データを生成する態様とすることができる。

本発明の他の態様に係る真円度測定機において、前記第１測定手段及び前記第２測定手段は、鉛直方向の位置が異なる水平断面ごとに前記検出器を前記回転ブロックの回転により回転させて前記ワークの円筒面の形状データを取得する態様とすることができる。

本発明の他の態様に係る真円度測定機において、前記形状データ生成手段により生成された形状データに基づいて前記ワークの形状精度に関する情報を算出する形状精度算出手段を備えた態様とすることができる。

本発明によれば、ワークの真円度、円筒度などの各種形状精度の評価を行うための測定を高精度に、かつ、簡易な構成により行うことができる。

本発明に係る真円度測定機の全体構成を示した斜視図 図１の測定部においてスライドブロックから検出器までの間に連接された回転動作部の構成要素のみを拡大して示した斜視図 第１測定時の動作を示した説明図 第１測定によるワークの形状データの様子を示した図 第１測定における直線運動誤差についての説明に使用した説明図 第２測定時の動作を示した説明図 第２測定によるワークの形状データの様子を示した図 第２測定における直線運動誤差についての説明に使用した説明図 形状データの合成処理の内容を示した説明図 形状データの合成処理の内容を示した説明図 形状データの合成処理の内容を示した説明図 演算処理部の内部構成を示したブロック図

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

図１は、本発明に係る真円度測定機の全体構成を示した斜視図である。

同図に示す真円度測定機１は、測定部１０と演算処理部５０とを有する。測定部１０と演算処理部５０とは、各種信号の送受可能に電気的に接続される。

測定部１０において、ベース１２は、最下部に配置され、測定部１０全体を一体的に支持する。また、ベース１２は、上面が水平となるように傾き調整されて所望の測定台等の上に載置される。このベース１２の上面側にはＸＹテーブル１４が配置され、ＸＹテーブル１４よりも後側には鉛直方向（Ｚ軸方向）に沿って延びるコラム１６が配置される。

なお、同図のようにベース１２に対して固定された方向に直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を想定し、Ｘ軸とＹ軸は、ＸＹテーブル１４のテーブル面１４Ａに平行する方向とし、Ｚ軸はテーブル面１４Ａに直交する方向とする。そして、Ｘ軸及びＹ軸が地面に対して実際に水平方向に一致するか否かに関わらず、Ｘ軸及びＹ軸の方向を水平方向、Ｚ軸の方向を鉛直方向というものとする。

ＸＹテーブル１４は、説明を省略する支持機構によりベース１２に対して水平方向に移動自在に支持される。また、ＸＹテーブル１４は、その上側に水平方向に沿ったテーブル面１４Ａを有し、そのテーブル面１４Ａに測定対象となるワーク（被測定物）Ｗが載置される。同図においてテーブル面１４Ａには、円柱状のワークＷが載置された様子が示されている。

コラム１６は、四角柱状に形成されており、その下端部がベース１２に固定されて鉛直方向（Ｚ軸方向）に沿って立設される。コラム１６の前面には、Ｚガイド１８が設置される。

Ｚガイド１８は、例えば平行する２本の長手状のガイドレール１８Ａ、１８Ｂからなり、それらのガイドレール１８Ａ、１８Ｂがコラム１６の前面に鉛直方向に沿って設置される。このＺガイド１８により、コラム１６の前面に沿ってキャリッジ２０が鉛直方向に移動可能に支持される。

キャリッジ２０は、モータ等のキャリッジ駆動手段６０を有し、キャリッジ駆動手段６０の動力により鉛直方向に移動する。また、キャリッジ２０の鉛直方向の位置を検出する位置センサ６２を備える。キャリッジ２０の前面には、Ｚテーブル２２が固着される。

Ｚテーブル２２は、下部から一部が突出するスピンドル２４（回転軸部材）を回転自在に支持すると共に、スピンドル２４を回転させるモータ等のスピンドル駆動手段６４を内蔵する。また、Ｚテーブル２２は、スピンドル２４の回転角度（回転位置）を検出する回転角度センサ６６を内蔵する。

スピンドル２４は、円柱状に形成されており、その中心軸の方向が鉛直方向と一致するように配置される。また、スピンドル２４は、スピンドル駆動手段６４の動力によりスピンドル２４の中心軸の周りに回転する。スピンドル２４の中心軸は、後述の検出器３４のワークＷ（ＸＹテーブル１４）に対する回転の回転中心（回転軸）Ａ０となる。スピンドル２４の下端部には支持アーム２６が固着される。

支持アーム２６は、水平方向に長寸の形状を有し、その中央部がスピンドル２４に固着される。また、支持アーム２６は、その下面に沿ってスライドブロック２８を水平方向に直線移動自在（水平一軸移動自在）に支持するとともに、スライドブロック２８の回転中心Ａ０からの距離を検出する位置センサ６８を備える。

ここで、図２は、以下のスライドブロック２８から検出器３４までの間に連設される回転動作部の構成要素のみを拡大して示した斜視図であり、図１と共に参照するものとする。

スライドブロック２８は、本実施の形態では手動により支持アーム２６の下面に沿って水平方向に直線移動する。ただし、電動により水平方向に直線移動するようにしてもよい。このスライドブロック２８の下側には鉛直方向に延びる検出器ガイド３０が取り付けられる。

検出器ガイド３０は、柱状に形成されており、その上端がスライドブロック２８にネジなどにより固定される。また、検出器ガイド３０は、その軸方向が鉛直方向と一致するように配置される。この検出器ガイド３０には、検出器ホルダ３２が検出器ガイド３０に沿って鉛直方向に移動自在に設けられる。

検出器ホルダ３２は、モータ等のホルダ駆動手段７０を備えており、そのホルダ駆動手段７０の動力により、検出器ガイド３０に沿って鉛直方向に移動する。また、検出器ホルダ３２は、検出器ガイド３０に対する検出器ホルダ３２の鉛直方向の位置を検出する位置センサ７２を備える。この検出器ホルダ３２には、検出器３４が固定される。

検出器３４は、ワークＷに接触させる測定子３６を有し、測定子３６の先端の基準位置からの水平方向の変位量を検出する。

測定子３６は、鉛直面に沿って揺動可能に検出器３４に支持されると共に、外力が加えられていない状態では、基準位置に復帰するように構成される。

以上の測定部１０の構成によれば、キャリッジ駆動手段６０によりキャリッジ２０を鉛直方向に移動させることにより、検出器３４の鉛直方向の位置を変更して測定子３６の先端の鉛直方向の位置を変更することができる。

同様に、ホルダ駆動手段７０により検出器ホルダ３２を鉛直方向に移動させることにより、検出器３４の鉛直方向の位置を変更して、測定子３６の先端の鉛直方向の位置を変更することができる。

一方、スライドブロック２８を手動で水平方向に移動させることによって、検出器３４の回転中心Ａ０からの距離（水平方向の距離）を変更することができる。

また、スピンドル駆動手段６４によりスピンドル２４を回転させることにより、検出器３４を回転中心Ａ０の周りに回転移動させて測定子３６の先端を回転中心Ａ０の周りに回転移動させることができる。

ここで、円柱状のワークＷの形状（形状データ）を測定する際の測定時における上記測定部１０の動作、及び、ワークＷの形状（形状データ）を高精度に測定する測定原理について説明する。

測定開始時のユーザの設定において、円柱状のワークＷは、図１、図２のように、その中心軸が鉛直方向となるように一方の端面を下に向けてＸＹテーブル１４のテーブル面１４Ａ上に載置される。このとき、ワークＷの中心軸と回転中心Ａ０とが略同軸上となるように設定される。

また、検出器３４の測定子３６（測定子３６の先端）がワークＷの表面（外周面）に接触するように、スライドブロック２８が位置調整されて検出器３４の回転中心Ａ０からの距離が設定される。

一方、測定時において、検出器３４が鉛直方向の所定位置に設定された状態で、検出器３４がスピンドル２４の回転により回転中心Ａ０の周りに３６０度に渡って回転移動する。これによって、測定子３６の先端が、鉛直方向の所定位置における水平面内で回転移動すると共に、その水平面でワークＷを切断した水平断面（測定断面）において測定子３６の先端がワークＷの表面に摺接しながら移動する。

このとき、回転中心Ａ０の周りの所定回転角度ごとの回転位置における測定子３６の先端の回転中心Ａ０からの距離、即ち、ワークＷに対して測定子３６が接触する測定点の回転中心Ａ０からの距離は、検出器３４により検出される測定子３６の変位量と、検出器３４の回転中心Ａ０からの距離とに基づいて求めることができる。検出器３４の回転中心Ａ０からの距離は、位置センサ６８により検出されるスライドブロック２８の回転中心Ａ０からの距離に基づいて求めることができる。

したがって、測定断面においてワークＷの表面に摺接しながら回転移動した測定子３６の先端の軌跡上の各点のＸＹ座標値を得ることができ、その軌跡上の各点のＸＹ座標が測定断面におけるワークＷの表面の形状を示す形状データとなる。

即ち、測定断面上において回転中心Ａ０の位置をＸＹ座標の原点として測定子３６の先端のＸＹ座標上の位置を極座標（動径ｒ、偏角θ）で表すとする。このとき偏角θ（測定子３６の先端の位置ベクトルとＸ軸とのなす角）は、回転角度センサ６６により検出されるスピンドル２４の回転角度に基づいて決定される。そして、測定子３６の先端を回転中心Ａ０の周りに回転移動させて偏角θを変化させたときの各偏角θにおける動径rは、測定子３６の先端の回転中心Ａ０からの距離として上記のように求めることができる。

これによって、測定断面においてワークＷの表面に摺接しながら回転移動した測定子３６の先端の軌跡上の各点のＸＹ座標値を、Ｘ座標値x＝ｒ・cosθ、Ｙ座標値ｙ＝ｒ・sinθとして得ることができる。そして、このようにして得られた測定子３６の先端の軌跡上の各点のＸＹ座標値は、測定断面におけるワークＷの表面の周方向に沿った各点のＸＹ座標値であり、測定断面におけるワークＷの形状データを示す。

以上のように特定位置の測定断面における形状データの測定は、測定断面の鉛直方向の位置を変更して行われ、各位置の測定断面において測定されたワークＷの２次元的な形状データを統合することによって、ワークＷの３次元的な形状データが得られる。

このとき、測定断面の鉛直方向の位置を変更する形態として、上記測定部１０では、キャリッジ駆動手段６０によりキャリッジ２０を鉛直方向に移動させることによってスピンドル２４と共に検出器３４を鉛直方向に移動させて測定断面の鉛直方向の位置を変更する第１形態と、ホルダ駆動手段７０により検出器ホルダ３２を鉛直方向に移動させることによってスピンドル２４を鉛直方向に移動させることなく検出器３４を鉛直方向に移動させて測定断面の鉛直方向の位置を変更する第２形態とが可能である。

本測定では、第１形態により測定断面の鉛直方向の位置を変更して各位置の測定断面におけるワークＷの形状データを測定する第１測定と、第２形態により測定断面の鉛直方向の位置を変更して各位置の測定断面におけるワークＷの形状データを測定する第２測定とが順に行われ、それらの測定により得られた形状データが１つの形状データとして合成される。これによって、キャリッジ２０を鉛直方向に移動させるＺガイド１８の直線運動誤差と、検出器ホルダ３２を鉛直方向に移動させる検出器ガイド３０の直線運動誤差とを排除した精度の高い形状データが取得される。

第１測定について説明すると、第１測定では、まず、測定開始時において、図３（Ａ）に示すように、検出器ホルダ３２は、検出器ガイド３０に対する鉛直方向の移動可能範囲のほぼ下端となる位置に設定される。また、図３では不図示のキャリッジ２０は、測定子３６の先端の鉛直方向の位置、即ち、測定断面の鉛直方向の位置が、測定を行う測定範囲の下端位置となるように、コラム１６（Ｚガイド１８）に対して鉛直方向の位置が設定される。

なお、このときの検出器ホルダ３２の鉛直方向の位置とキャリッジ２０の鉛直方向の位置の各々を基準位置というものとする。また、このときの測定断面の鉛直方向の位置を示すＺ座標値をｚ１とし、このときの回転中心Ａ０の位置をＸ軸及びＹ軸の原点とする。ただし、原点は任意の位置とすることができる。

続いて、スピンドル２４の回転により測定子３６の先端が回転中心Ａ０の周りに３６０度に渡って回転移動する。これによって、Ｚ座標値ｚ１の測定断面におけるワークＷの形状データが上記のように取得される。

図４（Ａ）には、Ｚ座標値ｚ１の測定断面におけるワークＷの形状データの様子が示されている。同図に示すように、Ｚ座標値ｚ１におけるＸＹ座標面上において、回転中心Ａ０の位置を原点（０、０）として、原点（０、０）の周りの所定回転角度ごとの角度方向のワークＷの表面の位置（測定点）が上述のようにＸＹ座標値として取得される。同図において、それらの測定点Ｒ１ｎ１（ｎは１〜測定点の数Ｎ）の角度方向のＸ軸とのなす角度がθｎで表され、角度θｎの角度方向の測定点Ｒ１ｎ１のＸＹ座標値が（Ｘ１ｎ１、ｙ１ｎ１）として表されている。

Ｚ座標値ｚ１の測定断面におけるワークＷの形状データの測定が終了すると、続いて、図３（Ｂ）に示すように、検出器ホルダ３２が検出器ガイド３０に対して基準位置に固定された状態で、キャリッジ２０が鉛直方向に移動する。これにより、スピンドル２４と共に検出器３４が鉛直方向に所定距離分移動する。即ち、検出器ガイド３０に対する検出器３４の鉛直方向の位置が変更されることなく、検出器３４がコラム１６に対して鉛直方向に所定距離分移動する。これにより、測定断面の鉛直方向の位置が上側に所定距離分移動した位置に変更される。そして、上述と同様にして、スピンドル２４の回転により測定子３６の先端が回転中心Ａ０の周りに３６０度に渡って回転移動し、新たに設定された位置の測定断面において上記のように形状データの測定が行われる。

このようにして測定断面の鉛直方向の位置が測定範囲の下端から上側に所定距離分ずつ移動した位置に順次設定され、各設定位置の測定断面において形状データの測定が行われる。そして、図３（Ｃ）のように測定断面の鉛直方向の位置が測定範囲の上端に到達して形状データの測定が行われると、第１測定が終了する。

なお、上記のように測定断面が設定される位置のＺ座標値をｚｍ（ｍは１〜測定断面の設定数Ｍ）で表すものとし、図４（Ｂ）に示すようにＺ座標値ｚｍの測定断面において測定された角度θｎの角度方向の測定点をＲｍｎ１とし、そのＸＹ座標値を（ｘｍｎ１、ｙｍｎ１）として表すものとする。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、測定断面の設定数Ｍが３である場合を示すものではなく、第１測定における検出器３４の鉛直方向の移動の様子を示したものであり、設定数Ｍは任意の値とすることができる。

ここで、第１測定により測定された形状データは、キャリッジ２０を鉛直方向に移動させるＺガイド１８の直線運動誤差を含む。

即ち、キャリッジ２０を鉛直方向に移動させることによってスピンドル２４と共に検出器３４を鉛直方向に移動させた場合、検出器３４（スライドブロック２８）の回転中心Ａ０からの距離は一定に維持されるが、Ｚガイド１８の直線運動誤差によって、スピンドル２４の中心軸の水平方向の位置が微小に変位する。これによって、回転中心Ａ０の位置には、Ｚガイド１８の直線運動誤差に対応した変位量分の水平方向の変位が生じ、また、検出器３４の水平方向の位置にもその変位量分の水平方向の変位が生じる。なお、Ｚガイド１８の直線運動誤差に起因した回転中心Ａ０の水平方向への変位の大きさを誤差変位量というものとする。

図５（Ａ）には、検出器ガイド３０に対して検出器ホルダ３２を鉛直方向の基準位置に設定したときの回転中心Ａ０の位置に相当するＸ軸及びＹ軸の原点（０、０）の位置（即ち、Ｚ軸の位置）と、ワークＷの中心軸Ａ１の位置と、Ｚガイド１８の直線運動誤差により回転中心Ａ０とともに水平方向に変位する検出器３４の鉛直方向の移動軌跡Ａ２が示されている。

これによれば、検出器３４の鉛直方向の移動軌跡Ａ２は、鉛直方向の位置に応じた誤差変位量分の水平方向への変位により湾曲しており、第１測定により各Ｚ座標値ｚｍの測定断面において測定された各測定点Ｒｍｎ１のＸＹ座標値（ｘｍｎ１、ｙｍｎ１）は、検出器３４の鉛直方向の移動軌跡Ａ２と同様に水平方向に変位した回転中心Ａ０を原点として得られる座標値となる。そのため、各測定点Ｒｍｎ１のＸＹ座標値（ｘｍｎ１、ｙｍｎ１）は、回転中心Ｘの水平方向への変位と反対方向に誤差変位量分変位させた座標値として得られることになる。

したがって、各Ｚ座標値ｚｍの測定断面において測定された各測定点Ｒｍｎ１のＸＹ座標値（ｘｍｎ１、ｙｍｎ１）は、同図（Ｂ）に示すように実際のワークＷに対して、中心軸Ａ１の位置を回転中心Ａ０の変位と反対方向に誤差変位量分変位させたワーク、即ち、本来の中心軸Ａ１にない歪みが生じたワークＷを測定したときの座標値となる。

図４（Ｂ）には、Ｚ座標値ｚｍの測定断面において測定された測定点Ｒｍｎ１が示されており、それらの測定点Ｒｍｎ１のＸＹ座標値（ｘｍｎ１、ｙｍｎ１）は、実際のＸＹ座標値に対してＺ座標値ｚｍに応じた誤差変位量分の変位を含む座標値である。そして、それらの測定点Ｒｍｎ１が示す円形状の中心点Ｃｍ１のＸＹ座標値（ｘｍ０１、ｙｍ０１）は、Ｚ座標値ｚｍの測定断面におけるワークＷの中心軸Ａ１の位置を示す本来のＸＹ座標値に対してＺ座標値ｚｍに応じた誤差変位量分を変位させた座標値となっている。

一方、各Ｚ座標値ｚｍの測定断面において測定された各測定点Ｒｍｎ１のＸＹ座標値（ｘｍ０１、ｙｍ０１）は、上記のようにＺ座標値ｚｍに応じた誤差変位量分を一様に変位させた座標値であるため、異なるＺ座標値の測定断面における測定点の位置関係を考慮することなく、同一のＺ座標値の測定断面における測定点の位置関係のみを考慮すれば、ワークＷの形状（ワークＷの径など）を正しく表したものとなっている。

続いて、第２測定について説明すると、第２測定では、まず、測定開始時において、図６（Ａ）に示すように、第１測定の測定開始時における図３（Ａ）の状態と同じ状態に設定される。即ち、検出器ホルダ３２は、検出器ガイド３０に対する鉛直方向の位置と、コラム１６（Ｚガイド１８）に対するキャリッジ２０の鉛直方向の位置とが基準位置に設定される。

続いて、スピンドル２４の回転により測定子３６の先端が回転中心Ａ０の周りに３６０度に渡って回転移動する。これによって、第１測定と同様にしてＺ座標値ｚ１の測定断面におけるワークＷの形状データが取得される。

図７（Ａ）には、Ｚ座標値Ｚ１の測定断面におけるワークＷの形状データの様子が示されており、図４（Ａ）に示した形状データと全く同じ形状データが得られる。なお、Ｚ座標値ｚ１の測定断面における形状データの測定は、第１測定と第２測定のいずれかにおいてのみ行うものとすることができる。

Ｚ座標値ｚ１の測定断面におけるワークＷの形状データの測定が終了すると、続いて、図６（Ｂ）に示すように、キャリッジ２０がコラム１６（Ｚガイド１８）に対して基準位置に固定された状態で、検出器ホルダ３２が検出器ガイド３０に対して鉛直方向に移動する。これにより、検出器３４が鉛直方向に第１測定と同じように所定距離分移動する。即ち、コラム１６に対するスピンドル２４の鉛直方向の位置が変更されることなく、検出器３４がコラム１６に対して鉛直方向に所定距離分移動する。これにより、測定断面の鉛直方向の位置が上側に所定距離分移動した位置に変更される。そして、上述と同様にして、スピンドル２４の回転により測定子３６の先端が回転中心Ａ０の周りに３６０度に渡って回転移動し、新たに設定された位置の測定断面において形状データの測定が行われる。

このようにして測定断面の鉛直方向の位置が測定範囲の下端から上側に所定距離分ずつ移動した位置に順次設定され、第１測定と同じ各Ｚ座標値ｚｍの測定断面において形状データの測定が行われる。そして、図６（Ｃ）のように測定断面の鉛直方向の位置が測定範囲の上端に到達して形状データの測定が行われると、第２測定が終了する。

なお、図７（Ｂ）に示すように第２測定によりＺ座標値ｚｍ（ｍは１〜測定断面の設定数Ｍ）の測定断面において測定された角度θｎの角度方向の測定点をＲｍｎ２とし、そのＸＹ座標値を（ｘｍｎ２、ｙｍｎ２）として表すものとする。

ここで、第２測定により測定された形状データは、検出器ホルダ３２を鉛直方向に移動可能に支持する検出器ガイド３０の直線運動誤差を含む。

即ち、検出器ホルダ３２を鉛直方向に移動させることによって検出器３４を鉛直方向に移動させた場合、回転中心Ａ０の位置は一定位置に維持されるが、検出器３４の位置には、検出器ガイド３０の直線運動誤差に対応した変位量分の水平方向の変位が生じる。従って、検出器ガイド３０の回転中心Ａ０からの距離には、検出器ガイド３０の直線運動誤差に対応した変化量分の変化が生じる。

なお、検出器３４の水平方向の変位は回転中心Ａ０の方向以外にも生じるが、説明を簡単にするために回転中心Ａ０の方向のみの変位を考慮するものとし、検出器ガイド３０の直線運動誤差に対応した検出器３４の回転中心Ａ０からの距離の変化量を誤差変化量（増加する場合には正値、減少する場合には負値をとる）というものとする。

図８（Ａ）には、図５と同様に、検出器ガイド３０に対して検出器ホルダ３２を鉛直方向の基準位置に設定したときの回転中心Ａ０の位置に相当するＸ軸及びＹ軸の原点（０、０）の位置（即ち、Ｚ軸の位置）と、ワークＷの中心軸Ａ１の位置と、検出器ガイド３０の直線運動誤差により水平方向に変位する検出器３４の鉛直方向の移動軌跡Ａ３が示されている。

これによれば、回転中心Ａ０の位置は、スピンドル２４が鉛直方向に移動しないため、検出器３４の鉛直方向の位置に関係なく常に一定位置（Ｚ軸の位置）に固定される。

一方、検出器３４の鉛直方向の移動軌跡Ａ３は、鉛直方向の位置に応じた変位量分の水平方向への変位により湾曲しているため、検出器３４の回転中心Ａ０からの距離に誤差変位量分の増加が生じる。そのため、第２測定により各Ｚ座標値ｚｍの測定断面において測定された各測定点Ｒｍｎ２のＸＹ座標値（ｘｍｎ２、ｙｍｎ２）は、回転中心Ａ０の位置である原点からの距離を誤差変位量分減少させた位置に変位させた座標値として得られることになる。

したがって、各Ｚ座標値ｚｍの測定断面において測定された各測定点Ｒｍｎ２のＸＹ座標値（ｘｍｎ２、ｙｍｎ２）は、同図（Ｂ）に示すように実際のワークＷに対して、表面の各点の回転中心Ａ０からの距離を誤差変位量分減少させたワーク、即ち、実際のワークＷと直径が異なる形状のワークＷを測定したときの座標値となる。図７（Ｂ）には、Ｚ座標値ｚｍの測定断面において測定された測定点Ｒｍｎ２が示されており、それらの測定点Ｒｍｎ２のＸＹ座標値（ｘｍｎ２、ｙｍｎ２）は、実際のＸＹ座標値に対して原点からの距離をＺ座標値ｚｍに応じた誤差変化量分減少させた位置の座標値となっている。そのため、ワークＷの形状（ワークＷの径など）を正しく表したものとなっていない。

一方、ワークＷは、中心軸Ａ１が、回転中心Ａ０とほぼ同軸上となるようにＸＹテーブル１４に載置され、各Ｚ座標値ｚｍの測定断面における回転中心Ａ０の位置が検出器ガイド３０の直線運動誤差に影響されることなく原点に固定されるため、各Ｚ座標値ｚｍの測定断面において測定された測定点Ｒｍｎ２が示す円形状の中心点Ｃｍ２のＸＹ座標値（ｘｍ０２、ｙｍ０２）は、ワークＷの中心軸Ａ１の位置を示す正しく表した座標値となっている。

次に、形状データの合成処理について説明する。上述のように第１測定により得られた各Ｚ座標値ｚｍ（ｍは１〜Ｍ）の測定断面における形状データ（各測定点Ｒｍｎ１のＸＹ座標値（ｘｍｎ１、ｙｍｎ１））は、Ｚガイド１８の直線運動誤差の影響により、ワークＷの中心軸Ａ１の位置を正しく表していないが、ワークＷの形状を正しく表したものとなっている。一方、第２測定により得られた各Ｚ座標値ｚｍ（ｍは１〜Ｍ）の測定断面における形状データ（各測定点Ｒｍｎ２のＸＹ座標値（ｘｍｎ２、ｙｍｎ２））は、検出器ガイド３０の直線運動誤差の影響により、ワークＷの形状を正しく表していないが、ワークＷの中心軸Ａ１の位置を正しく表したものとなっている。

そこで、第１測定により得られた形状データからは、各Ｚ座標値ｚｍ（ｍは１〜Ｍ）の測定断面におけるワークＷの形状に関する情報を抽出し、第２測定により得られた形状データからは、各Ｚ座標値ｚｍ（ｍは１〜Ｍ）の測定断面におけるワークＷの中心軸Ａ１の位置に関する情報を抽出する。そして、同じＺ座標値の測定断面において抽出されたそれらの情報を合成することによって、Ｚガイド１８の直線運動誤差と、検出器ガイド３０の直線運動誤差との影響を排除した精度の高い形状データを取得する。なお、Ｚ座標値ｚ１の測定断面における形状データは、上述のように第１測定により得られるものと第２測定により得られるものとが同じであるため、いずれかの形状データをそのまま合成後の形状データとする。

図９、図１０、図１１は、この形状データの合成処理の内容を示した説明図である。

図９（Ａ）の形状データは、図４（Ｂ）と同様に、第１測定により得られたＺ座標値ｚｍ（ｍは２〜Ｍのうちの任意の値）の測定断面における形状データを示し、図１０（Ａ）は、図７（Ｂ）と同様に、第２測定により得られた図９（Ａ）と同じＺ座標値ｚｍの測定断面における形状データを示す。

まず、図９（Ａ）に示す第１測定の各測定点Ｒｍｎ１（ｎは１〜Ｎ）のＸＹ座標値（ｘｍｎ１、ｙｍｎ１）に基づいて、同図（Ｂ）に示すように、それらの測定点Ｒｍｎ１が示す円形状の中心点Ｃｍ１のＸＹ座標値（ｘｍ０１、ｙｍ０１）を、例えば最小二乗中心法により求める。

具体的には、各測定点Ｒｍｎ１（ｎは１〜Ｎ）の位置を極座標（ｒｍｎ１、θｎ）で表すとすると、各測定点Ｒｍｎ１が示す円形状に最も合致する円の平均径ｒｍ１、中心点のＸＹ座標値（ｘｍ０１、ｙｍ０１）は、最小二乗中心法に基づき次式により得られる。

これにより求められるＸＹ座標値（ｘｍ０１、ｙｍ０１）が中心点Ｃｍ１の座標値となる。

この中心点Ｃｍ１は、ワークＷの中心軸Ａ１の位置を示すが、正しい位置を示していない。

続いて、同図（Ｃ）に示すように中心点Ｃｍ１のＸＹ座標値（ｘｍ０１、ｙｍ０１）を原点（０、０）とした座標系に変換したときの各測定点Ｒｍｎ１のＸＹ座標値（ｘｍｎ１−ｘｍ０１、ｙｍｎ１−ｙｍ０１）を求める。そして、それらの各測定点Ｒｍｎ１のＸＹ座標値（ｘｍｎ１−ｘｍ０１、ｙｍｎ１−ｙｍ０１）の情報（半径軌跡の情報）のみを抽出する。なお、変換後の各測定点Ｒｍｎ１の位置を極座標（ｒ、θ）により求めるようにしてもよく、その場合の各測定点Ｒｍｎ１の極座標は（ｒ′ｍｎ１、θ′ｎ）であるものとする。

次に、図１０（Ａ）に示す第２測定の各測定点Ｒｍｎ２（ｎは１〜Ｎ）のＸＹ座標値（ｘｍｎ２、ｙｍｎ２）に基づいて、同図（Ｂ）に示すように、それらの測定点Ｒｍｎ２が示す円形状の中心点Ｃｍ２のＸＹ座標値（ｘｍ０２、ｙｍ０２）を、例えば最小二乗中心法により求める。

具体的には、各測定点Ｒｍｎ２（ｎは１〜Ｎ）の位置を極座標（ｒｍｎ２、θｎ）で表すとすると、各測定点Ｒｍｎ２が示す円形状に最も合致する円の平均径ｒｍ２、中心点のＸＹ座標値（ｘｍ０２、ｙｍ０２）は、最小二乗中心法に基づき次式により得られる。

これにより求められるＸＹ座標値（ｘｍ０２、ｙｍ０２）が中心点Ｃｍ２の座標値となる。

この中心点Ｃｍ２は、ワークＷの中心軸Ａ１の位置を示し、正しい位置を示す。そして、その中心点Ｃｍ２のＸＹ座標値（ｘｍ０２、ｙｍ０２）の情報のみを抽出する。

次に、図１１（Ａ）に示すように、図１０（Ｂ）において抽出したＸＹ座標値（ｘｍ０２、ｙｍ０２）の中心点Ｃｍ２をワークＷの中心軸Ａ１の位置とし、また、図９（Ｃ）において抽出した各測定点Ｒｍｎ１が示す円形状の中心点が中心点Ｃｍ２と一致するように各測定点Ｒｍｎ１を配置したＸＹ座標系を生成し、Ｚ座標値ｚｍの測定断面におけるワークＷの形状データを示すＸＹ座標系とする。このとき、各測定点Ｒｍｎ１のＸＹ座標値は（ｘｍｎ１−ｘｍ０１＋ｘｍ０２、ｙｍｎ１−ｙｍ０１＋ｙｍ０２）として求めることができる。

なお、図１１（Ａ）の処理は、図９（Ｃ）のＸＹ座標面において、各測定点Ｒｍｎ１が示す円形状の中心点が中心点Ｃｍ２のＸＹ座標値（ｘｍ０２、ｙｍ０２）となるように、各測定点Ｒｍｎ１の位置を一律に（同一方向及び同一シフト量で）シフトさせることに相当する。

また、図１１（Ａ）のように生成したＸＹ座標系における原点（０、０）、即ち、回転中心Ａ０の位置を基準にして各測定点Ｒｍｎ１の位置を極座標により表す場合には、同図（Ｂ）に示すように各測定点Ｒｍｎ１のＸＹ座標値（ｘｍｎ１−ｘｍ０１＋ｘｍ０２、ｙｍｎ１−ｙｍ０１＋ｙｍ０２）に基づいて、各測定点Ｒｍｎ１の極座標（ｒ′′ｍｎ１、θ′′ｎ）を算出する。

以上の合成処理を、ｍ＝２〜Ｍの全てのＺ座標値ｚｍの測定断面における形状データに対して行う。これによって、Ｚガイド１８の直線運動誤差と、検出器ガイド３０の直線運動誤差との影響を排除した精度の高いワークＷの３次元的な形状データを得ることができる。

次に、図１における演算処理部５０の構成について説明する。なお、図１において、演算処理部５０は、測定部１０に対して別体の装置として示されているが、測定部１０と一体の装置として構成されていてもよい。

図１２は、演算処理部５０の内部構成を示したブロック図である。

同図に示すように、演算処理部５０は、第１測定部８０、第２測定部８２、合成処理部８４、形状精度算出部８６、駆動部８８、記憶部９０等を備える。なお、演算処理部５０は、ユーザインターフェースとしてユーザが各種情報を入力する入力部や、各種情報を出力するモニタやプリンタなどの出力部を備えているが、それらは省略している。

駆動部８８には、測定部１０における位置センサ６２、回転角度センサ６６、位置センサ７２の各々から、キャリッジ２０のコラム１６（Ｚガイド１８）に対する鉛直方向の位置を示す検出信号、スピンドル２４の回転角度（回転位置）を示す検出信号、検出器ホルダ３２の検出器ガイド３０に対する鉛直方向の位置を示す検出信号が与えられる。

また、駆動部８８には、後述のように第１測定部８０、又は、第２測定部８２から出力されるキャリッジ２０、スピンドル２４、検出器ホルダ３２の各々の設定すべき目標位置を示す指示情報が与えられる。

駆動部８８は、測定部１０におけるキャリッジ駆動手段６０、スピンドル駆動手段６４、ホルダ駆動手段７０の各々に対して、それらを動作させる駆動信号を出力して、キャリッジ２０の鉛直方向への移動と停止、スピンドル２４の回転と停止、検出器ホルダ３２の鉛直方向への移動と停止を制御する。そして、位置センサ６２、回転角度センサ６６、位置センサ７２の各々から与えられる検出信号が示すキャリッジ２０の鉛直方向の位置、スピンドル２４の回転角度（回転位置）、検出器ホルダ３２の鉛直方向の位置を、第１測定部８０、又は、第２測定部８２から与えられる目標位置に一致させる。

第１測定部８０は、上述の第１測定時における測定部１０の動作を指示すると共に、第１測定における形状データを生成し、第２測定部８２は、上述の第２測定時における測定部１０の動作を指示すると共に、第２測定における形状データを生成する。第１測定及び第２測定についての詳細は上述した通りであり、以下、簡単に説明する。

第１測定部８０及び第２測定部８２は、駆動部８８に対してキャリッジ２０及び検出器ホルダ３２の各々の設定位置を駆動部８８に指定すると共に、その設定位置を順次変更する。

これによって、キャリッジ２０及び検出器ホルダ３２の鉛直方向の位置を事前に決められた所期の位置に設定・変更して、測定子３６の鉛直方向の位置を所期の位置に設定・変更する。この設定・変更は、測定断面のＺ座標値ｚｍの設定・変更に相当する。

また、第１測定部８０及び第２測定部８２は、測定子３６の鉛直方向の位置を所期の位置に設定している状態において、スピンドル２４の設定位置（回転角度）を駆動部８８に指定すると共に、その設定位置を順次変更する。これによって、スピンドル２４の回転位置（回転角度）を事前に決められた所期の回転位置に設定・変更して、測定子３６の回転中心Ａ０の周りの回転角度を所期の回転角度に設定・変更する。この設定・変更は、各Ｚ座標値ｚｍの測定断面における形状データの測定時において測定点とする角度θｎの設定・変更に相当する。

更に、第１測定部８０及び第２測定部８２は、測定子３６の鉛直方向の位置及び回転中心Ａ０の周りの回転角度を所期の位置及び回転角度に設定している状態において、位置センサ６８と検出器３４とから、スライドブロック２８の水平方向の位置（回転中心Ａ０からの距離）を示す検出信号と、測定子３６の変位量を示す検出信号を取得する。そして、それらの検出信号に基づいて、測定子３６（測定子３６の先端）の回転中心Ａ０からの距離を取得する。

これによって、図４及び図７に示した各測定点における回転中心Ａ０からの距離、即ち、動径ｒを取得することができる。そして、その情報と、駆動部８８に指示した回転中心Ａ０の周りの回転角度（角度θｎ）とから、各測定点のＸＹ座標値を求めて、上述のように各Ｚ座標値ｚｍの測定断面におけるワークＷの形状データを生成する。

第１測定部８０及び第２測定部８２は，このようにして第１測定と第２測定とを順に行って、生成した形状データを記憶部９０に格納する。

合成処理部８４は、記憶部９０に格納された第１測定による形状データと第２測定による形状データとを用いて、上述の合成処理を実施し、高精度な形状データを生成する。そして、合成後の形状データを記憶部９０に格納する。なお、形状データの合成処理の詳細については上述した通りであるため、説明を省略する。

形状精度算出部８６は、記憶部９０に格納された合成後の形状データに基づいて、真円度や真直度などのユーザ指定の形状精度に関する情報を算出して、不図示の出力部に出力する。なお、上記説明では円柱状のワークＷを測定対象としたが、円筒面を有するワークを測定対象とすることができる。円筒面はワークの外周側に形成されている場合に限らず、円筒状のワークのように内周側に設けられている場合であっても内周側の円筒面の形状データも同様に測定することができる。従って、真円度や真直度に限らず円筒度などの他の形状精度に関する情報も算出して出力部に出力することができる。

以上、上記実施の形態では、第１測定を行った後、第２測定を行うものとしたが、第２測定を行ってから第１測定を行ってもよい。

また、上記実施の形態では、キャリッジ２０、スピンドル２４、検出器ホルダ３２の各々をキャリッジ駆動手段６０、スピンドル駆動手段６４、ホルダ駆動手段７０により演算処理部５０からの駆動信号に従って電動で駆動するようにしたが、手動で駆動するものであってもよい。

また、上記実施の形態では、第１測定及び第２測定において、鉛直方向の位置が異なる測定断面ごとに検出器３４をワークＷの周りに回転移動させてワークＷの形状データを測定（回転測定）するようにしたが、測定手順はこれに限らない。例えば、検出器３４の回転中心Ａ０周りの異なる回転位置ごとに検出器３４を鉛直方向に直線移動させて形状データを測定（直動測定）するようにしてもよい。

１…真円度測定器、１０…測定部、１２…ベース、１４…ＸＹテーブル、１６…コラム、１８…Ｚガイド、２０…キャリッジ、２２…Ｚテーブル、２４…スピンドル、２６…支持アーム、２８…スライドブロック、３０…検出器ガイド、３２…検出器ホルダ、３４…検出器、３６…測定子、５０…演算処理部、６０…キャリッジ駆動手段、６２、６８、７２…位置センサ、６４…スピンドル駆動手段、６６…回転角度センサ、７０…ホルダ駆動手段、８０…第１測定部、８２…第２測定部、８４…合成処理部、８６…形状精度算出部、８８…駆動部、９０…記憶部

Claims (4)

1. ベースに支持され、ワークを載置する載置台と、
   前記ベースに立設されたコラムと、
   前記コラムに鉛直方向移動自在に支持された昇降ブロックと、
   前記昇降ブロックに回転自在に支持された回転ブロックと、
   前記回転ブロックに鉛直方向に設けられた検出器ガイドと、
   前記検出器ガイドに鉛直方向移動自在に支持された検出器と、
   から構成され、
   前記検出器を鉛直方向に移動させて前記ワークの円筒面の形状データを取得する第１測定手段であって、前記検出器ガイドに対して前記検出器を鉛直方向に移動させずに前記昇降ブロックを鉛直方向に移動させることにより、前記検出器を鉛直方向に移動させる第１測定手段と、
   前記検出器を鉛直方向に移動させて前記ワークの円筒面の形状データを取得する第２測定手段であって、前記昇降ブロックを鉛直方向に移動させずに、前記検出器ガイドに対して前記検出器を鉛直方向に移動させる第２測定手段と、
   前記第１測定手段により取得された形状データと前記第２測定手段により取得された形状データとに基づいて、前記ワークの円筒面の形状データを生成する形状データ生成手段と、
   を備えた真円度測定機。
2. 前記形状データ生成手段は、前記第１測定手段により取得された形状データが示す前記ワークの円筒面の中心軸の位置が、前記第２測定手段により取得された形状データが示す前記ワークの円筒面の中心軸の位置に合致するように、前記第１測定手段により取得された形状データが示す前記円筒面の各点の位置を、鉛直方向の位置が異なる水平断面ごとに一律に水平方向に変位させた円筒面の形状データを生成する請求項１に記載の真円度測定機。
3. 前記第１測定手段及び前記第２測定手段は、鉛直方向の位置が異なる水平断面ごとに前記検出器を前記回転ブロックの回転により回転させて前記ワークの円筒面の形状データを取得する請求項１又は２に記載の真円度測定機。
4. 前記形状データ生成手段により生成された形状データに基づいて前記ワークの形状精度に関する情報を算出する形状精度算出手段を備えた請求項１、２、又は３に記載の真円度測定機。

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