JPH03152409A - 物体の輪郭測定方法及びその測定装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は測定ワークをターンテーブル上で回転させつつ
その表面に探針を接触させてｎ１定する物体の輪郭測定
方法及びその７１Ｆ１定装置に関する。

（従来の技術） この種の測定装置としては、機械加工部品の表面粗さや
真円度を測定したり、物体の形状を測定したりするもの
が知られている。それらの基本的構成は、測定ワークを
載置した状態で回転駆動されるターンテーブルと、その
測定ワークの表面に宛われる探針と、その変位を電気信
号に変換する変換器とを備えている。この構成で、ター
ンテーブルを回転させると探針が測定ワークの表面の凹
凸や形状に倣って変位するから、変換器から測定ワーク
の表面形状に応じた電気信号が出力され、これを適当な
フィルターを通して信号処理した後、電気信号の振幅の
大小に基づき表面粗さや真円度等が測定される。

（発明が解決しようとする課題） ところで、この種の構成では、測定ワークがターンテー
ブル上にその回転軸に対して正確に同心にセットされて
いないと、大きなｎ１定誤差を生じてしまう。このため
従来は測定を何度も繰り返し、最小領域中心法（ＭＺＣ
）、最小自乗中心法（ＬＳＣ）等により回転軸中心から
の偏差を求めて１ＮＩＩ定ワークのセットをやり直した
り、またコンピュータとワーク移動装置とを組み合わせ
て偏差を求めた後に測定ワークを回転テーブル上の中心
位置に自動的に移動させる構成としていた。

ところが、これでは実際にａｐｊ定が可能になるまでに
相当の手間を要してしまい、１つの測定ワークの測定に
長時間を要するため、例えば製造ラインでの全数検査等
は到底不可能である。また、ワーク移動装置を組み込む
とすると全体構造が著しく大形化し、且つ極めて高価な
ものになってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものである。

従って、その目的は、短時間で簡単に測定ができ、しか
も安価に構成できる物体の輪郭測定方法及びその測定装
置を提供するにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明に係る物体の輪郭測定方法は、測定ワークをター
ンテーブル上に載置して回転させた状態で測定ワークの
表面に探針を接触させ、その探針の変位を変換器により
電気信号に変換して測定ワ一りの輪郭を測定する方法に
おいて、変換器からの１回転分の信号波形をフーリエ変
換し、その周波数スペクトルから基本波スペクトルを除
去し、この基本波スペクトルを除去した周波数スペクト
ルに基づき前記測定ワークの輪郭を測るところに特徴を
有する。

また、本発明に係る物体の輪郭測定装置は、測定ワーク
を載置するためのターンテーブルと、このターンテーブ
ルを回転駆動するための駆動装置と、ターンテーブル上
に載置されたｎ１定ワークの表面に接触される探針と、
ターンテーブルの回転に伴う探針の変位を電気信号に変
換する変換器と、ターンテーブルの回転角度を検出する
ロータリエンコーダと、変換器からの探針変位信号及び
ロータリエンコーダからの角度検出信号に基づき１回転
分の探針変位信号の波形をフーリエ変換するフーリエ演
算手段と、このフーリエ変換の結果得られた周波数スペ
クトルのうちの基本波スペクトル成分を零にするスペク
トル調整手段と、このスペクトル調整手段により基本波
スペクトル成分を除去した周波数スペクトルに基づき逆
フーリエ変換する逆フーリエ演算手段と、この逆フーリ
エ演算手段により得られた結果に基づき前記測定ワーク
の輪郭をｍる測定手段とを具備せる構成に特徴を有する
。

（作用） 測定ワークがターンテーブル上に回転軸中心から偏心し
て載置されているときには、測定ワークの表面に接する
探針は、測定ワークの表面の凹凸や形状に倣って変位す
るだけでなく、１回転毎に測定ワークの偏心量に応じて
１回転分を１周期とする周期的な変位が重畳する。

従って、上記手段に示された方法のように、探針の変位
に応じて変換器から出力される１回転分の信号波形をフ
ーリエ変換すれば、測定ワークの偏心量に応じた信号成
分は基本波スペクトルとして現れるから、フーリエ変換
の周波数スペクトルから基本波スペクトルを除去するこ
とにより、測定ワークの偏心に起因する誤差を１度で完
全に除去でき、測定を繰り返す必要はない。

また、上記手段に示された装置では、上記方法を合理的
に実施できる上、基本波スペクトル成分を除去した周波
数スペクトルに基づき逆フーリエ変換する逆フーリエ演
算手段を設けているから、結局、変換器が出力する探針
変位信号から７１１定ワークの偏心量に応じた信号成分
を除去した形の信号波形が得られ、これに基づきｎ１定
ワークの表面粗さの実寸等を測定できるようになる。

（実施例） 以下本発明を機械加工製品の表面粗さ測定装置に適用し
た一実施例について図面を参照して説明する。

第１図は全体を機械的構成の模式図と電気的構成のブロ
ック図とで示している。同図において１はターンテーブ
ル２を備えた測定台である。そのターンテーブル２は測
定台１内の駆動装置３によって定速で回転駆動され、上
面略中夫に測定ワーク４が載置される。測定台１の上面
のうちターンテーブル２の側方には変換器に相当する電
気マイクロメータ５が設けられ、ここから延びるアクチ
ュエータアーム５ａの先端に探針６が設けられている。

この探針６は、測定時には測定ワーク４の表面（外周面
）に宛われ、ターンテーブル２の回転に伴い探針６が測
定ワーク４の外周面を辿るような動きをすると、測定ワ
ーク４の表面の凹凸に倣って探針６が変位し、その変位
が電気マイクロメータ５によって電気信号（「探針変位
信号ＳＤＪと称す）に変換される。また、測定台１内に
はロータリエンコーダ７が設けられ、例えば１／１０２
４の分解能でターンテーブル２の回転角度に応じたパル
ス数の角度検出信号ＳＡを出力する。

一方、前記電気マイクロメータ５からの探針変位信号Ｓ
ＯはＡ／Ｄコンバータ８に入力され、前記探針６の変位
量に応じたデジタル信号としてＣＰＵ９に与えられる。

また、ロークリエンコーダ７からのパルス状の角度検出
信号ｓＡはカウンタ１０に人力され、パルス数をカウン
トすることによりターンテーブル２の回転角度位置に応
じたバイナリ信号をＣＰＵ９に与える。ＣＰＵ９には、
キーボード１１の他、共有ＳＲＡＭ１２を介してＤＳＰ
　（デジタルシグナルプロセッサ）１３が接続され、こ
れらが協働してフーリエ演算手段、スペクトル調整手段
、逆フーリエ演算手段及びｎ１定手段を構成している。

上記各手段の機能的構成については次に述べる作用説明
によって明らかにされる。なお、１４はＣＲＴデイスプ
レィ、１５はデイスプレィコントローラ、１６はインタ
フェース回路で、図示しないオッシロスコープ、プリッ
タ或いはコンピュータ等を外部に接続できるようにして
いる。

さて、測定ワーク４の表面粗さを測定するには、まず測
定ワーク４をターンテーブル２上の略中夫にセットし、
電気マイクロメータ５の探針６をその外周面に宛う。こ
の場合、測定ワーク４のセットにあたっては、必ずしも
ターンテーブル２の回転軸と完全に同心となるようにセ
ットしなくとも、測定ワーク４を単純に目付量で回転軸
の中心となるように載置すれば良い。この後、ターンテ
ーブル２を回転させた状態で、探針６の変位量のサンプ
リングを１周分以上について実行する。これによりター
ンテーブル２の各回転角度毎における探針６の変位量が
ＣＰＵ９に取込まれるから、キーボード１１を操作して
必要なソフトウェアを動作させることにより、探針変位
信号ＳＤの波形をフーリエ変換してその周波数スペクト
ルを求めさせる。この場合には、ＣＰＵ９がＤＳＰ１３
及び共有ＳＲＡＭ１２と協働してフーリエ演算手段とし
て機能する。なお、本実施例では高速フーリエ変換（Ｆ
ＦＴ）が実行され、フーリエ変換は約３０ｍ５ｅｃ程度
で終了する。

ここで、例えば横断面形状が第３図に示すような測定ワ
ーク４（同図において、外周部の径方向寸法は明瞭化の
ために極端に拡大して示している）を測定する場合につ
いて例示する。この測定ワーク４がターンテーブル２の
回転軸中心に対し偏心してセットされている場合には、
探針６の変位は第４図に示すようになり（同図で符号中
はターンテーブル２の回転中心を示す）、探針変位信号
Ｓ。の波形は第５図（Ａ）に示すようになる。なお、第
４図及び第５図（Ａ）において、符号ａ、　　ａにて示
す部分は測定ワーク４の表面に故意に付した傷Ａに起因
する。そして、このような探針変位信号Ｓｏの波形をフ
ーリエ変換して得られた周波数スペクトルは第６図（Ａ
）に示すようになる（同図において左半分は実数部を示
し、これと対称に現れる右半分は虚数部を示す）。

次いで、キーボード１１を操作して必要なソフトウェア
を動作させることにより、フーリエ変換の結果得られた
周波数スペクトルのうちの基本波スペクトル成分を除去
する。この場合も、ＣＰＵ９がＤＳＰ１３及び共有ＳＲ
ＡＭ１２と協働してスペクトル調整手段として機能する
。このようにして基本波スペクトル成分が除去された周
波数スペクトルは、第６図（Ｂ）に示すようになる。

ところで、測定ワーク４がターンテーブル２上に回転軸
中心から偏心して載置されているときには、測定ワーク
４の表面に接する探針６は、測定ワーク４の表面の凹凸
や形状に倣って変位するだけでなく、１回転毎に測定ワ
ーク４の偏心量に応じて１回転分を１周期とした周期的
な変位が重畳する。このため、１回転分の探針変位信号
Ｓｏの波形をフーリエ変換すれば、測定ワーク４の偏心
量に応じた信号成分は基本波スペクトルとして現れるか
ら、フーリエ変換の周波数スペクトルから基本波スペク
トルを除去したものは、測定ワーク４の偏心に起因する
誤差が取り除かれたものとなる。

そこで、次に再びキーボード１１を操作して必要なソフ
トウェアを動作させることにより、基本波スペクトル成
分を除去した周波数スペクトルに基づき逆フーリエ変換
を行わせる。この場合も、ＣＰＵ９がＤＳＰ１３及び共
有ＳＲＡＭ１２と協働して逆フーリエ演算手段として機
能する。この結果得られるデータに基づき、１ｌＰｊ定
ワーク４の外周面における角度を横軸にとった図形を描
くと第５図（Ｂ）に示すようになり、同図（Ａ）に示し
た探針変位信号ＳＤからｎ１定ワーク４の偏心量に応じ
た信号成分を除去した形となる。これは探針変位信号Ｓ
Ｄから測定ワーク４の偏心に起因する誤差が取り除かれ
たものに相当し、これを角度毎にプロットして極座標形
式で描いた図形は第７図に示すようになって、第３図に
示した測定ワーク４の横断面形状と一致する。なお、こ
れらの図形はＣＲＴデイスプレィ１４に表示される。

この後、キーボード１１を操作して必要なソフトウェア
を動作させることにより、逆フーリエ変換により得られ
たデータに基づき振幅値Ｘ（第５図（Ｂ）参照）を求め
る等して測定ワーク４の輪郭（この場合は表面粗さ）を
測定し、ＣＲＴデイスプレィ１４に表示させる。この場
合、ＣＰＵ９が測定手段として機能する。なお、ＣＰＵ
９やＤＳＰ１３が上述の機能を発揮するためのソフトウ
ェアとしては、高速フーリエ変換用のものとして一般に
市販されているもので足る。

このように本実施例では、測定ワーク４がターンテーブ
ル２の回転中心に正確に同心となっていなくとも、その
偏心に起因する誤差を容易に除去できるので、芯合わせ
の必要が全くない。しかも、その測定動作は、フーリエ
変換及び逆フーリエ変換が極めて高速度で実行されるた
め、はとんど瞬時に終了し、機械加工部品のライン上で
の全数検査も可能である。

なお、上記実施例では、基本波スペクトル成分を除去し
た周波数スペクトルに基づき逆フーリエ変換を行い、そ
のデータに基づき測定ワーク４の輪郭を測定するように
したが、本発明はこれに限られず、フーリエ変換により
得られた周波数スペクトルから基本波スペクトルを除去
し、これに基づき測定ワークの輪郭を測る構成でも測定
ワークの偏心に起因する誤差を簡単に除去して迅速測定
を可能にするという所期の目的を確実に達成することが
できる。この場合には、例えば、まず基準となる表面粗
さを有するマスターワークをターンテーブル上の適当位
置に載置してｉｆ！＋定を行い、この後、測定ワークを
やはりターンテーブル上の適当位置に載置して測定を行
い、共に基本波スペクトルを除去した両者の周波数スペ
クトルを比較・測定してｎ１定ワークの良否を判定すれ
ば良い。基本波スペクトルを除去した両者の周波数スペ
クトルを比較すれば、２つのワークの偏心の影響が除去
され、真の表面粗さのみの比較となるからである。

その他、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定さ
れるものではなく、表面粗さ測定機のみならず、例えば
真円度測定機や輪郭形状測定機等にも同様に適用できる
。

また、特にこれらの測定機に適用する場合において、表
面の細かな凹凸等の影響を取り除いた方が真円度や形状
が認識しやすくなるときは、フーリエ変換して得られた
周波数スペクトルから基本波スペクトルを除去するのみ
ならず、その細かな凹凸に対応するスペクトル成分も併
せて除去すれば良い。従来、この様な不要な凹凸成分を
除去するには、各種の電気的なバンドパスフィルタを設
け、探針変位信号から不要な周波数成分を選択的に除去
するようにしていたが、これでは回路装置が大形化する
上に、極めて高価になってしまうという欠点がある。こ
の点、本発明によれば、上述のようにフーリエ変換して
得られた周波数スペクトルから基本波成分に加えて他の
周波数成分を除去するだけであるから、回路装置全体と
して大型化するおそれは全くなく、コストアップ要因ニ
モならない。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明の輪郭測定方法及び測定装置
によれば、測定ワークの回転中心からの偏心に起因する
誤差をフーリエ変換を利用して簡単に除去できるから、
短時間で測定ができ、しかも装置全体を安価且つ小形に
構成できるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は全体のブロッ
ク図、第２図はフローチャート、第３図は４−１定ワー
クの誇大的横断面図、第４図は第３図のｆ＃ｌ定ワーク
を測定する際における探針の変位を示す図、第５図は第
３図の測定ワークをｎ１定する際における探針変位信号
ＳＤの波形図、第６図は第３図の測定ワークを測定する
際における周波数スペクトル図、第７図は基本波成分を
除去した周波数スペクトルを逆フーリエ変換して得たデ
ータに基づき描いた図である。 図面中、２はターンテーブル、３は駆動装置、４は測定
ワーク、５は電気マイクロメータ（変換器）、６は探針
、７はロータリエンコーダ、９はＣＰＵ　（フーリエ演
算手段）、１３はＤＳＰ　（フーリエ演算手段）である
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、測定ワークをターンテーブル上に載置して回転させ
   た状態で前記測定ワークの表面に探針を接触させ、その
   探針の変位を変換器により電気信号に変換して前記測定
   ワークの輪郭を測定する方法において、前記変換器から
   の１回転分の信号波形をフーリエ変換し、その周波数ス
   ペクトルから基本波スペクトルを除去し、この基本波ス
   ペクトルを除去した周波数スペクトルに基づき前記測定
   ワークの輪郭を測ることを特徴とする物体の輪郭測定方
   法。 ２、測定ワークを載置するためのターンテーブルと、こ
   のターンテーブルを回転駆動するための駆動装置と、前
   記ターンテーブル上に載置された測定ワークの表面に接
   触される探針と、前記ターンテーブルの回転に伴う前記
   探針の変位を電気信号に変換する変換器と、前記ターン
   テーブルの回転角度を検出するロータリエンコーダと、
   前記変換器からの探針変位信号及び前記ロータリエンコ
   ーダからの角度検出信号に基づき１回転分の探針変位信
   号の波形をフーリエ変換するフーリエ演算手段と、この
   フーリエ変換の結果得られた周波数スペクトルのうちの
   基本波スペクトル成分を零にするスペクトル調整手段と
   、このスペクトル調整手段により基本波スペクトル成分
   を除去した周波数スペクトルに基づき逆フーリエ変換す
   る逆フーリエ演算手段と、この逆フーリエ演算手段によ
   り得られた結果に基づき前記測定ワークの輪郭を測る測
   定手段とを具備してなる物体の輪郭測定装置。