WO2000079216A1 - Calibre à rangée de billes - Google Patents

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WO2000079216A1
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ball
gauge
balls
frame
step gauge
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Toshiyuki Takatsuji
Sonko Osawa
Tomizo Kurosawa
Hironori Noguchi
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Japan As Represented By Director General Of Agency Of Industrial Science And Technology
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    • G01B1/00—Measuring instruments characterised by the selection of material therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
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    • G01B3/30—Bars, blocks, or strips in which the distance between a pair of faces is fixed, although it may be preadjustable, e.g. end measure, feeler strip
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    • G01B5/0011—Arrangements for eliminating or compensation of measuring errors due to temperature or weight
    • G01B5/0014—Arrangements for eliminating or compensation of measuring errors due to temperature or weight due to temperature

Definitions

  • the present invention relates to a ball step gauge as a reference device for calibrating or measuring and inspecting the accuracy of length measurement of a machine tool such as a coordinate measuring machine and a machining center.
  • a coordinate measuring machine is a device for measuring dimensions and shapes with the aid of a computer using discrete X, ⁇ , ⁇ coordinate points existing in a three-dimensional space, and more specifically, a surface plate.
  • the object placed on top and the probe attached to the tip of the ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ axis in the measuring machine are moved relative to the object in the three-dimensional directions of X, ⁇ , and ⁇ , and the probe is moved to the object It captures the moment of contact, uses this moment as an electrical trigger to read the coordinate values in the direction of each feed axis, and measures the dimensions and shape with a computer.
  • the above three-dimensional measuring machines often require particularly high precision, and in order to guarantee high-precision measurement, perform precision inspections sequentially, and then perform measurements using this three-dimensional measuring machine. Then, the indicated value is corrected using the result of the accuracy inspection as a corrected value, or fine adjustment of the indicated value of the CMM is performed by the adjusting means.
  • a gauge that serves as a reference is required, and this gauge must be constructed so that the detected value can be evaluated by moving the probe three-dimensionally.
  • a ball step gauge in which a plurality of balls are arranged in a straight line as shown in FIGS. 9 and 10, for example, is widely used.
  • three circular holes 81 in the figure are formed in the gauge frame 80, and a ball receiving portion 82 is formed at the center bottom thereof, and around the ball receiving portion 82,
  • the probe insertion grooves 83, 83 are provided facing the longitudinal direction of the frame body, and the probe insertion grooves 84, 84 are provided facing the direction perpendicular thereto.
  • a high-precision spherical ball 85 is placed on the ball receiving portion 82 to form a ball step gauge 86.
  • the ball step gauge 86 when using the ball step gauge 86 to calibrate a coordinate measuring machine, place the ball step gauge 86 on a surface plate and fix it, and first measure the position of the ball on the right side in the figure, for example.
  • the probe of the CMM is applied to at least four force points on the outer periphery of the ball 85, and the center position of the ball is calculated and measured. In the same way, measure the positions of all remaining balls in order.
  • FIG. 10 (a) In another conventional ball stave gauge shown in FIG. 10 (a), a support 93 to which three balls 92 in the figure are fixed is fixed on a base frame 91. A part of the strut 93 is thinly shaved off and configured to exhibit a leaf spring effect, whereby the ball 92 at the tip is supported so as to be able to move left and right.
  • Connecting pipes 94 are arranged between the center ball and the left and right balls, and both end faces of the connecting pipes 94 that come into contact with the ball match the outer shape of the ball 92. It has a shape that matches.
  • Pressing pipes 95 are arranged on both sides of the left and right balls, and the connecting pipe is pressed from outside by a screw 97 screwed into a supporting frame 96 erected on the base frame 91, and the connecting pipe 9 is pressed.
  • the distance between the balls can be determined according to the effective length of 4.
  • the end face of the pressurizing tube 95 that comes into contact with the ball 96 has a shape that matches the outer shape of the ball 92, similarly to the connecting tube 94.
  • FIG. 10 (b) is a partial plan view of FIG. 10 (a).
  • the connecting pipe 94 and the pressurizing pipe 95 have a An insertion groove 98 is formed, and performs the same function as the probe insertion groove 83 of the ball step gauge 86 shown in FIG.
  • the distance between the balls 92 of the ball step gauge 99 shown in FIG. 10 is also valued by a high-precision three-dimensional measuring machine. Similar to the ball step gauge shown in the figure, the position of the ball is measured in sequence and compared with the assigned value for calibration.
  • the distance between each ball is measured by a high-precision three-dimensional measuring machine, and although the accuracy is high to some extent, the thermal disturbance causes the vertical temperature of the frame to rise and fall.
  • the thermal expansion due to the temperature difference causes a bi-mimetic effect of the frame body, causing a bend and a decrease in the accuracy of the ball step gauge. Atsushi.
  • the present invention solves the above problems, and even if bending occurs due to a bimetallic effect of a frame due to thermal expansion caused by a vertical temperature difference or a left and right temperature difference of the frame due to thermal disturbance, The dimensional change of the ball spacing is unlikely to occur, and the ball bearing frame has a structure in which the ball spacing change is small even if the beam is elastically deformed by the static load as the elastic supporting beam. It aims to provide ball-steal gauges.
  • the present invention provides a gauge frame having an H-shaped cross-section, and a plurality of holes into which a plurality of balls are inserted at predetermined intervals along the axial direction of the horizontal frame of the gauge frame. Is a ball step gauge comprising a plurality of grooves, and a plurality of balls press-fitted into the hole so that the center of the cross section of the gauge frame is on the neutral axis of the secondary moment. .
  • the ball step gauge of the present invention since the center of all balls 5 is on the neutral line of the moment of inertia of area of the gauge frame, even if the frame is bent due to thermal disturbance, the ball Dimensional change of the interval is less likely to occur.
  • the frame since the frame is an elastic support beam, elastic deformation of the beam occurs due to the static load, but the change in the ball interval can be small. Therefore, an extremely accurate ball step gauge can be obtained. Further, by providing a binding surface for preventing rolling of the ball-interval measuring light wave interference stepper in a direction parallel to the ball arrangement axis, a more accurate ball step gauge can be obtained.
  • FIG. 1 (a) is a plan view showing an embodiment of the ball step gauge of the present invention
  • FIG. 1 (b) is a side view of the ball step gauge shown in FIG. 1 (a)
  • FIG. 2 is a perspective view of the ball step gauge of FIG. 1 (a).
  • FIG. 2 is a front view of an optical interference stepper for measuring a ball interval using the ball step gauge of the present invention.
  • FIG. 3 is a front view of the light wave interference stepper of FIG.
  • FIG. 4 is a right side view of the light wave interference stepper of FIG.
  • FIG. 5 is a left side view of the light wave interference stepper of FIG.
  • FIG. 6 (a) is a cross-sectional view of the mirror holder used in the optical interference stepper of FIG. 2
  • FIG. 6 (b) is a left side view of the mirror holder of FIG. 6 (a)
  • FIG. ) Is a right side view of the mirror holder in FIG. 6 (a)
  • FIG. 6 (d) is FIG.
  • FIG. 5A is a partial plan view showing a contact state between a V-groove of the mirror holder and a small ball in FIG.
  • FIG. 7 is an enlarged side view of a shaft portion of the lightwave transmission stepper of FIG.
  • FIG. 8 is a principle diagram of an optical system for optical interference measurement applied when using the optical interference step of FIG.
  • FIG. 9 (a) is a plan view of a conventional ball step gauge
  • FIG. 9 (b) is a sectional view of FIG. 9 (a) ball step gauge
  • FIG. 9 (c) is a view of FIG. 9 (a). It is a longitudinal direction sectional view of a ball step gauge.
  • FIG. 10 (a) is a cross-sectional view of another conventional ball step gauge
  • FIG. 10 (b) is a partial plan view of the ball step gauge of FIG. 10 (a).
  • FIG. 1 shows an embodiment of a ball step gauge according to the present invention, in which a gauge frame 1 is a horizontal frame connecting left and right vertical frames 2 and 3 and an intermediate portion between the two vertical frames 2 and 3.
  • the cross section is H-shaped as shown in Fig. 1 (b) and Fig. 1 (c).
  • holes 6 for inserting balls 5 are formed at predetermined intervals along the axial direction, and the balls 5 are press-fitted into the holes 6 and the gauges are inserted. It is integrated with the frame 1.
  • the ball 5 is pressed into the gauge frame 1 so that the center of the ball 5 in both the vertical and horizontal directions coincides with the axis L, which is the neutral axis of the secondary moment of the cross section of the gauge frame 1 having an H-shaped cross section. It has been fixed.
  • the groove 7 is a moving space necessary for bringing the probe of the coordinate measuring machine into contact with the ball 5 when measuring the ball interval of the ball step gauge 10 using a coordinate measuring machine or the like.
  • the axis L is the secondary cross section of the gauge frame 1 as described above. This is the neutral axis of the moment, and the center of all the balls 2 is located on this axis L. Therefore, the axis L is also the center line of the arrangement of the balls 5.
  • Reference numeral 13 denotes a surface that functions as a restraining surface for preventing rolling of a ball-step gauge measuring optical dry stepper described later. Any one of the anti-rolling surfaces may be employed, and an appropriate one may be selected from the viewpoint of the cross-sectional dimension of the H-shape and the shape and dimensions of the dry stud or the design structure.
  • the ball step gauge 10 having the above structure, since the center of all the balls 5 is on the neutral line of the secondary moment of the cross-section of the gauge frame 1, the vertical temperature of the frame due to thermal disturbance Even if bending occurs due to the bimetallic effect of the frame due to thermal expansion caused by the difference or left-right temperature difference, dimensional change in the ball spacing is less likely to occur.
  • the frame of the ball step gauge 10 is an elastic support beam, elastic deformation occurs as a beam due to static load. However, even if this deformation occurs, the change in ball spacing is small. can do. Therefore, an extremely accurate ball step gauge can be obtained, and the calibration of the three-dimensional measuring machine using the ball step gauge can be accurately performed by the same method as the conventional method.
  • the ball step gauge 10 After manufacturing the ball step gauge 10 with the above structure, it is necessary to specify the position of each ball.In the past, however, the position was measured using a three-dimensional measuring machine with the highest possible accuracy during the work. It is carried out. However, the accuracy is within the range of the accuracy of the CMM itself, and the CMM calibrated with the ball step gauge has a lower three-dimensional accuracy than the CMM. It is effective only as a reference device for calibrating measuring instruments. In general, it is desirable that the accuracy of the reference device for calibrating the measurement equipment be calibrated with an accuracy of about 1/10 from 1 Z 5 of the accuracy of the equipment under test. In recent years, the accuracy of CMMs has been remarkably improved, with some measuring lengths of 500 mm or less measuring less than 1 m.
  • FIG. 2 is a front view of the light wave interference stepper 20.
  • the balls 5, 5, of the ball step gauge 10 described above are added by two-dot chain lines.
  • FIG. 3 is a bottom view.
  • FIG. 4 is a right side view of the stepper, and
  • FIG. 5 is a left side view.
  • the H-shaped frame of the ball step gauge 10 and the balls 5, 5, are shown by two-dot chain lines.
  • FIG. 6 shows a supporting device for a reflection optical system used in the light wave interference stepper 20
  • FIG. 7 is an enlarged side view of an axis used in the light wave interference stepper 20.
  • the light wave interference stepper 20 has a first spacer 22 fixed to an upper plate 21 and a steel ball on the lower surface of the first spacer 22.
  • three spheres 23 such as ceramic spheres are fixed on a concentric circle at an angular interval of 120 degrees.
  • the bearing surface composed of three such spheres 23 and engaging with the balls 5 and 5 is called a three-sphere spherical seat, and can stably support the ball 5.
  • a second spacer 24 different from the first spacer 22 is fixed to the upper plate 21 of the light wave interference stepper 20.
  • the lower part of the second spacer 24 is In the figure, two cylindrical hole holes are formed in a direction in which the axes of the holes are parallel to each other and are parallel to the axis L which is the ball arrangement center line. Two cylindrical rods 25 are press-fitted into this missing hole. It is desirable to employ a cylindrical roller for a rolling bearing as the cylindrical rod 25. The cylindrical rod 25 protrudes from the missing portion of the cylindrical hole and comes into contact with the above-mentioned ball 5 at a total of two points, one point at a time.
  • the planes are arranged in a V-shaped orthogonal arrangement, or the lower part of the spacer 24 is arranged in a V-shaped intersection plane. Even if it is formed into a shape, if the ball 5 or 5 'is configured to be grounded at two points, the same effect as the above effect can be achieved. However, when the cylindrical rod 25 is formed of the cylindrical roller for a rolling bearing as described above, it is more advantageous in that the frictional force with the ball spherical surface can be reduced.
  • the light wave interference stepper 20 is mounted on two adjacent balls 5, 5 'of the ball step gauge 10 so as to straddle in a riding manner.
  • the degree of freedom of the position and orientation of the Oka IJ body in the space is a total of six degrees of freedom, so in order to completely restrain the stepper 20 against the ball step gauge 10, a three-sphere spherical surface is required. Since three points are constrained and two points are constrained to the ball 5 and the cylindrical rod 25, the five-point constrain has been established so far.
  • the last constraint of the sixth point is to prevent the ball step gauge 10 from biting, and in the illustrated embodiment, the upper plate is attached to the end face of the vertical frame as the anti-rolling surface of the ball step gauge 10.
  • a small ball 26 protruding downward from 21 is hit.
  • the small ball 26 is fixed to the lower end of the adjusting screw 27, and the adjusting screw 27 is screwed into the upper plate 21 and adjusted in the vertical direction.
  • an upper surface of a horizontal frame or the like may be used in addition to the end surface of the vertical frame.
  • mirror supporting arms 30 protrude, and each mirror supporting arm 30 is shown in detail in FIGS. 6 (a) to (d).
  • Mirror holder 31 is positioned and fixed as described above.
  • the reflecting mirror 32 is fixed to the mirror holder 31.
  • a spring hook 33 is fixed to the mirror holder 31, and a hook of a tension spring 34 is hooked on the spring hook 33. Further, a hook at the other end of the tension spring 34 is hooked on a spring stopper 39 of a spring hook arm 35 fixed to the back surface of the mirror support arm 30.
  • a spring stopper 39 of a spring hook arm 35 fixed to the back surface of the mirror support arm 30.
  • V-grooves 36 On the surface of the mirror holder 31 opposite to the mounting surface of the reflecting mirror 32, there are three V-grooves 36, as shown by broken lines in FIG. Formed in an array. Three small balls 37 are formed one by one in this V-groove so that a total of three small balls 37 are formed, and the small ball 37 is securely in contact with the V-groove 36 by the tension of the tension spring. Each small ball 3 7 is in contact with the V groove 36 at two points, and there are three small balls, so the mirror holder 3 1 is stable against the mirror supporting arm 30 by the sum of these three balls. And enforced a six-point constraint. The small ball 37 is fixed to the tip of each adjusting screw 38, and the adjusting screw 38 is screwed to the mirror-support arm 30.
  • the support adjustment device for the reflection optical system is configured as described above, the three adjustment screws 38 are appropriately twisted and adjusted to adjust the three spherical seats of the light wave interference stepper 20 shown in FIG. Center line A— Reflecting surface of reflector 3 2 completely with respect to A JP00 / 02021 can be matched, and the posture can be easily adjusted to make the reflecting surface perpendicular to the interference light to be described later.
  • various reflecting members such as a corner cube usually used as an optical reflecting member can be used.
  • a known optical interference measuring device 40 using a half mirror 42, a second half mirror 43, a first reflecting prism 44, and a second reflecting prism 45 is used.
  • the light from the first half mirror 42 and the second half mirror 43 is projected by the optical interference measuring device 40 onto the reflecting mirrors 32, 32 'located on both sides of the light wave interference stepper 20.
  • Light is received and the reflected light is received, and the position of the two reflecting mirrors 32, 32, that is, the center position of the ball 5 is accurately measured.
  • the positions of the reflecting surfaces of the reflecting mirrors 3 2 and 3 2 ′ which are determined by being positioned by the first ball 5 and the second ball 5 ′ of the ball step gauge 10, are defined as the zero point of the measurement origin.
  • the light wave interference stepper 20 is moved to the positions of the second and third balls, and the position is measured in the same manner as described above, as shown by the two-dot chain line in FIG. This movement measurement is sequentially repeated to measure the position of each ball on the ball step gage, thereby measuring the ball interval.
  • the last set of ball intervals can be measured by inverting the ball step gauge and performing the same interference measurement as described above. This makes it possible to measure the distance between all balls using the wavelength of light as a direct measurement standard, and to perform accurate measurements compared to those that measure the distance between balls using a conventional CMM. And a very accurate ball step gauge.
  • the ball step gauge 10 is rotated back and forth, and the same interference measurement as described above is sequentially performed so that the distance between the balls is reversed. By measuring twice from the direction and averaging the two measured values, more accurate measurement can be performed, and a more accurate ball-step gauge can be obtained.
  • the three spherical spherical seats of the ball 5 and the light wave interference stepper 20 move to the next ball position by lifting the light wave interference stepper 20 in order to release the interference between the positions of the two when moving horizontally.
  • This vertical movement can be performed by using the Z-axis function of the coordinate measuring machine to check the axis 50 on the Z-axis.
  • Horizontal movement can also directly move the optical interference stepper 20 using the X-axis function of the CMM.
  • the ball step gauge 10 itself can be moved by the X-axis function to perform horizontal movement.
  • FIG. 7 is an explanatory view showing a fitting state of the upper plate 21 of the light wave interference stepper 20 and the shaft 50 that moves the light wave stepper 20 during the interference measurement.
  • the first hole 29 has a slight fitting clearance 51 and a slight gap between the lower surface 52 of the upper plate 21 and the flange 53 provided at the lower end of the shaft 50. It is desirable to have a gap 54. This is a measure to prevent additional constraint other than the above-mentioned 6-point constraint of the ball step gauge 10 when the lower part of the Z-axis of the CMM and the axis 50 are connected at the upper part 52.
  • the shaft 50 has a clearance with respect to the upper plate 41 in the radial direction with respect to the hole 29 at the time of the interference measurement.
  • the upper part 55 of the shaft 50 is tertiary. It is necessary to take measures such as providing a support member with a clearance at the Z-axis end of the original measuring machine. Industrial use possible 'ft
  • the ball step gage according to the present invention is configured as described above, bending occurs due to a bimetallic effect of the frame due to thermal expansion caused by a vertical temperature difference and a right and left temperature difference of the frame due to thermal disturbance. Even in this case, a ball step gauge in which the dimensional change of the ball interval hardly occurs can be obtained. In addition, even if the frame of the ball step gauge has an elastic deformation as a beam due to a static load as an elastic support beam, the ball step gauge can be configured to have a small change in ball interval. Furthermore, when measuring the distance between two adjacent balls, a ball step gauge that can easily use the wavelength of light as a length standard directly as a measurement standard can be provided.
  • the ball step gauge according to the present invention can be used as a reference device for calibrating a reliable CMM because the change in the ball interval is very small.

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Description

明 細 書 ボールステップゲージ 技術分野
本発明は三次元測定機ゃマシニングセンタなどの工作機械の測長の精 度を校正又は測定検査する基準器としてのボールステップゲージに関す る。 背景技術
三次元測定機は、 三次元空間に存在する離散した X、 Υ、 Ζの座標点を 用いて計算機の支援により寸法及び形状を測定するための装置であり、 よ り具体的には、 定盤上に載置した被測定物と、 測定機において Ζ軸先端に 取り付けたプローブとを、 被測定物に対して X、 Υ、 Ζの三次元方向へ相 対移動させ、 プローブが被測定物に接触した瞬間をとらえ、 この瞬間を電 気的トリガとして各送り軸方向の座標値を読みとり、 計算機により寸法及 び形状を計測するものである。
上記のような三次元測定機は特に高精度を要求されることが多く、 高精 度の測定を保証する意味から、 精度検査を逐次行い、 その後この三次元測 定機を用いて測定する際には、 精度検査の結果を補正値として用いて指示 値を補正し、 或いは調整手段により三次元測定機の指示値の微調整を行う。 この三次元測定機の精度検査に際しては、 基準となるゲージが必要であり、 このゲージは、 プローブを三次元的に移動させることによりその検出値を 評価できるような構成にしなければならない。
三次元測定機の各軸の誤差をどのように調べるかということは多くの 研究者の重大な課題であった。 そこで、 まず三次元測定機の誤差を求める 目的のためのゲージの考案がなされ、 基本的には球体の測定を行って誤差 P T/JP00/02021 を求めるべきであることは周知の事実となっている。 そして、 球体をどの ような形態で配置した測定評価ゲージとするかが次の問題となり、 球体を 同一平面内にどのように配置するのか、 或いは立体的にどのように配置す るのかなど、 種々検討されている。
上記球体を用いたボールゲージとしては、 例えば第 9図及び第 1 0図に 示すような、 複数のボールを一直線上に並べたボ一ルステップゲージが広 く用いられている。 第 9図において、 ゲージ枠体 8 0には図中 3個の円形 の穴 8 1が形成され、 その中心底部にボール受部 8 2を形成するとともに、 このボール受け部 8 2の周囲に、 枠体の長手方向に対向して設けたブロー ブ挿入溝 8 3、 8 3と、 これと直角方向に対向してプローブ挿入溝 8 4， 8 4とを設けている。 このボール受部 8 2には高精度の球形のボール 8 5 を載置して、 ボールステップゲージ 8 6を構成している。
例えば三次元測定機の校正にこのボ一ルステツブゲージ 8 6を使用す る際には、 このボールステップゲージ 8 6を定盤上に載置固定し、 最初、 例えば図中右側のボールの位置を測定するに際しては三次元測定機のブ ローブを少なくともこのボール 8 5の外周の 4力所に当ててボールの中 心位置を計算して測定する。 同様にして残りのすべてのボールの位置を順 に測定する。 ボールの位置から得られる各ボールの間隔は、 予め高精度の 三次元測定機で値付けられており、 その値と前記測定結果とを比較して、 この =次元測定機の校正を行っている。
また、 第 1 0図 （a ) に示す従来の他のボ一ルステヅブゲージにおいて は、 基枠体 9 1の上に図中 3個のボール 9 2を固定した支柱 9 3を固定し ている。 支柱 9 3の一部は薄く剃ぎ落とされていて板ばね的効果を発揮す るように構成され、 それにより先端のボール 9 2が左右に移動できるよう に支持されている。 中央のボールと左右のボールとの間には連結管 9 4が 配置され、 各連結管 9 4のボールと接する両端面はボール 9 2の外形と合 致するような形状となっている。 左右のボールの両側には加圧管 9 5が配 置され、 外側からは基枠体 9 1に立設した支持枠体 9 6に螺合するねじ 9 7により連結管は押圧され、 連結管 9 4のもっている有効的長さに従って ボール間隔を決定することがきるようになつている。 そして、 加圧管 9 5 のボール 9 6と接触する端面は、 連結管 9 4と同様にボール 9 2の外形と 合致するような形状となっている。
第 1 0図 （b ) は上記第 1 0図 （a ) 部分平面図であり、 この図に示さ れるように、 連結管 9 4及び加圧管 9 5がボール 9 2と当接する部分にブ ローブ挿入溝 9 8が形成され、 前記第 9図に示すボールステップゲージ 8 6のプローブ挿入溝 8 3と同様の機能をなす。 この第 1 0図に示すボール ステップゲージ 9 9の各ボール 9 2の間隔も高精度の三次元測定機によ つて値付けられており、 このボ一ルステヅブゲージ 9 9の使用に際しては、 前記第 9図に示すボールステツプゲージと同様に、 ボールの位置を順に測 定し、 値付けられた値と比較して、 校正を行っている。
第 9図及び第 1 0図に示す従来のボールステップゲージにおいては、 各 ボール間隔は高精度の三次元測定機により測定され、 その精度はある程度 高いものの、 熱的外乱により、 枠体の上下温度差や左右温度差を生じたと きには、 その温度差による熱膨張によつて枠体のバイメ夕ル的効果を生じ、 曲がりが発生し、 このボールステツブゲージの精度が低下する問題点があ つた。
本発明は、 上記問題点を解決し、 熱的外乱により、 枠体の上下温度差や 左右温度差が原因で発生する熱膨張による枠体のバイメタル的効果によ り曲がりが発生しても、 ボール間隔の寸法変化が発生しにくく、 かつ、 ボ —ルステツブゲージの枠体は弾性支持ばりとしての静的荷重によって、 は りとしての弾性変形が発生しても、 ボール間隔の変化が微小な構成のボー ルステツブゲージを提供することを目的としている。 本発明は、 H型断面のゲージ枠体と、 上記ゲージ枠体の水平枠の軸線方 向に沿って所定間隔で複数のボールがそれぞれ挿入される複数の穴が穿 設され、 上記各穴には複数の溝が設けられて居り、 上記ゲージ枠体の断面 二次モ一メントの中立軸上に中心が一致するように上記穴に圧入された 複数のボールと、 から成るボールステップゲージである。
上述の如く、 本発明のボールステップゲージは、 全てのボール 5の中心 がゲージ枠体の断面二次モーメントの中立線上に存在するので、 熱的外乱 により、 枠体曲がりが発生しても、 ボール間隔の寸法変化が発生しにくく なる。 また、 枠体は弾性支持梁であるので、 静的加重によって梁としての 弾性変形が発生するが、 ボール間隔の変化は微小なものとすることができ る。 したがって、 極めて正確なボールステップゲージとすることができる。 更に、 ボール間隔測定用光波干渉ステツパのローリング防止のための拘 束面を、 上記ボール配列軸に平行な方向に設けることにより、 より正確な ボールステッブゲージとすることができる。 図面の簡単な説明
第 1図 （a ) は、 本発明のボールステップゲージの一実施例を示す平面 図、 第 1図 （b ) は第 1図 （a ) のボールステップゲージの側面図、 第 1 図 （c ) は第 1図 （a ) のボールステップゲージの斜視図である。
第 2図は、 本発明のボールステップゲージを使用してボール間隔を測定 する光波干渉ステツパの正面図である。
第 3図は、 第 2図の光波干渉ステツバの正面図である。
第 4図は、 第 2図の光波干渉ステツパの右側面図である。
第 5図は、 第 2図の光波干渉ステツパの左側面図である。
第 6図 （a ) は、 第 2図の光波干渉ステツパに用いるミラーホルダの 断面図、 第 6図 （b ) は第 6図 （a ) のミラ一ホルダの左側面図、 第 6図 ( c ) は第 6図 （a ) のミラ一ホルダの右側面図、 第 6図 （d ) は第 6図 ( a) のミラーホルダの V溝と小球との接触状態を示す部分平面図である。 第 7図は、 第 2図の光波千渉ステツパの軸部分の拡大側面図である。 第 8図は、 第 2図の光波干渉ステツバの使用時に適用する光干渉計測の 光学系の原理図である。
第 9図 （a ) は従来のボールステップゲージの平面図、 第 9図 （b ) は 第 9図 （a) ボールステップゲージの断面図、 第 9図 （c ) は第 9図 （a ) のボールステップゲージの長手方向断面図である。
第 1 0図 （a ) は、 従来の他のボールステップゲージの断面図、 第 1 0 図 （b ) は、 第 1 0図 （a ) のボールステップゲージの部分平面図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明のボールステップゲージを図面に基づいて説明する。 第 1図には 本発明のボ一ルステツプゲージの一実施例を示しており、 ゲージ枠体 1は 左右の垂直枠 2， 3と、 両垂直枠 2 , 3の中間部を連結する水平枠 4とか らなり、 第 1図 （b ) 及び第 1図 （c ) に示すように断面が H型をなして いる。
ゲージ枠体 1の水平枠 4の中心には、 その軸線方向に沿って所定間隔で ボール 5を挿入する穴 6が穿設されており、 ボール 5はその穴 6に圧入さ れてゲ一ジ枠体 1と一体になっている。 ボール 5はその中心が、 上下方向 も左右方向も共に、 H型断面をなすゲージ枠体 1の断面二次モ一メントの 中立軸となる軸線 Lに合致するように、 ゲージ枠体 1に圧入されて固定さ れている。
ゲージ枠体 1の穴 6には、 4個の溝 7が、 ボール 5の周囲に設けられて いる。 この溝 7は三次元測定機等を使用して、 このボールステップゲージ 1 0のボール間隔を測定する際に、 三次元測定機のプローブをボール 5に 接触するために必要な移動空間である。
第 1図 （a ) において、 軸線 Lは上記のようにゲージ枠体 1の断面二次 モ一メントの中立軸であり、 この軸線 L上に全てのボール 2の中心が位置 し、 したがって上記軸線 Lはボール 5の配列中心線ともなつている。
ゲージ枠体 1において、 上記軸線 Lに平行であり、 その使用状態におい て左右の垂直枠 2 , 3の上側の面となる上下方向端面 1 1， 1 2、 及び水 平枠 4の上下の壁面 1 3は、 後述するボールステップゲージ測定用光波干 涉ステヅパのローリング防止のための拘束面として機能する面である。 こ のローリング防止面はどの 1面を採用してもよく、 H型の断面寸法と前記干 涉ステツバの形状、 寸法等、 あるいは設計構造上の観点から、 適当な 1面 を選択すればよい。
上記のような構造のボールステップゲージ 1 0は、 全てのボール 5の中 心がゲージ枠体 1の断面二次モ一メントの中立線上に存在するので、 熱的 外乱により、 枠体の上下温度差や左右温度差が原因で発生する熱膨張によ る枠体のバイメタル的効果によって曲がりが発生しても、 ボール間隔の寸 法変化が発生しにくくなる。 また、 ボールステップゲージ 1 0の枠体は弾 性支持梁であるので、 静的加重によって梁としての弾性変形が発生するが、 この変形が発生しても、 ボール間隔の変化は微小なものとすることができ る。 したがって、 極めて正確なボールステップゲージとすることができ、 このボールステップゲージを用いた三次元測定機の校正を従来と同様の 方法によっても正確に行うことができる。
上記のような構造のボールステップゲージ 1 0を製作した後、 各ボール の位置を特定する必要があるが、 従来はその作業に際してできる限り高精 度の三次元測定機を用いてその位置の計測を行っている。 しかしながら、 その精度はその三次元測定機自身がもつ精度の範囲内のものであり、 この ボールステツブゲージで校正される三次元測定機は、 前記三次元測定機よ り下位の精度の三次元測定機の校正のための基準器としてのみ有効であ る。 一般的に測定機器を校正するための基準器の精度は、 被校正機器の精度 の 1 Z 5から 1 / 1 0くらいの精度で校正されていることが望ましい。 近 年、三次元測定機の精度の向上は目覚ましく 5 0 0 mm 測長で 1 m以下 のものも出現している。 しかし、 この l mの 1 / 5の 0 . 2〃mの精度の 三次元測定機は実在しない。 1 m精度の基準器で 1 /m精度の三次元測 定機を校正したのでは長さのトレーサビリティに関して矛盾を生じるこ ととなる。
したがって、 上記矛盾を解決し、 相隣る 2個のボール間隔を測定する際 に、 測定の標準として、 長さ標準としての光の波長を直接使用して光波干 渉測定が可能であるとともに、 その測定中にアッベの原理が順守すること ができ、 より正確且つ迅速な校正を行うことができるようにするために、 例えば図 2〜図 8に示すような光波干渉ステツパ 2 0を用いることが好 ましい。
第 2図は光波干渉ステツパ 2 0の正面図であり、 図中には前記したボー ルステヅブゲージ 1 0のボール 5、 5， を 2点鎖線で書き加えている。 第 3図はその底面図である。 第 4図はステツパの右側面図であり、 第 5図は 左側面図であって、 同様にボールステップゲージ 1 0の H型枠体及びボ一 ル 5 , 5， を 2点鎖線で図示している。 図 6は前記光波干渉ステツパ 2 0 に用いられる反射光学系の支持装置を示し、 図 7は前記光波干渉ステツパ 2 0に用いられる軸の拡大側面図である。
図 2〜図 5に示すように、 光波干渉ステツパ 2 0は、 上板 2 1に第 1ス ぺ一サ 2 2が固定されており、 この第 1スぺ一サ 2 2の下面に鋼球または セラミック球等の球体 2 3が 3個、 同心円上に互いに 1 2 0度の角度間隔 で固定されている。このような 3個の球体 2 3で構成され、ボール 5や 5， に係合する座面は 3球球面座と呼ばれ、 ボール 5に対して安定した支持を 行うことができる。 光波干渉ステッパ 2 0の上板 2 1には第 1スぺ一サ 2 2とは別の第 2 スぺ一サ 2 4が固定されており、 この第 2スぺ一サ 2 4の下部には円筒欠 円穴が、 相互に、 その穴の軸線が平行で、 且つ、 前記したボール配列中心 線となる軸線 Lと平行な方向に、 2個形成されている。 この欠円穴に円筒 棒 2 5が 2個圧入されている。 この円筒棒 2 5には転がり軸受用の円筒こ ろを採用することが望ましい。 この円筒棒 2 5は円筒穴の欠円部から突出 して、 前記したボール 5， に 1点づっ合計 2点で接触する。
この部分の構成としては、 上記のように、 円筒棒 2 5を平行配列する以 外に、 平面を V字型に直交配列したり、 またはスぺーサ 2 4の下部を V字 状の交差平面に成形しても、 ボール 5や 5 ' に対して 2点で接地するよう に構成すると、 上記効果と同様の効果を達成できる。 しかしながら、 円筒 棒 2 5を前記したように転がり軸受用円筒ころで構成するほうが、 ボール 球面との摩擦力を少なくできる点で優れている。
上記光波干渉ステヅパ 2 0は、 ボールステップゲージ 1 0の隣接する 2 個のボール 5， 5 ' 上に馬乗り的にまたがり設置される。 公知の通り、 岡 IJ 体の空間における位置と姿勢の自由度は合計 6自由度であるから、 ボール ステップゲージ 1 0に対して、 ステツパ 2 0を完全に拘束するためには、 3球球面で 3点拘束し、 ボール 5， に対して円筒棒 2 5で 2点拘束してい るのでここまで 5点拘束が成立している。 最後の 6点目の拘束は、 ボール ステップゲージ 1 0の口一リングを防止する目的で、 図示実施例では前記 ボ一ルステヅブゲージ 1 0のローリング防止面としての垂直枠の端面に 対して、 上板 2 1から下方に突出した小球 2 6を突き当て行う。 小球 2 6 は調整ねじ 2 7の下端に固定されており、 調整ねじ 2 7は上板 2 1に螺合 されて、 上下方向に調整された後、 上板 2 1に対してナット 2 8により口 ックされる。 なお、 前記のように、 このローリング防止面としては、 上記 垂直枠の端面以外に、 例えば水平枠の上面等を用いることもできる。 以上のように光波干渉ステツパ 2 0を構成することにより、 2個のボ一 ル 5 , 5， 上にこの光波干渉ステヅパ 2 0を馬乗り状に載置するのみで、 剛体の空間の 6自由度を完全に拘束することができ、 容易に、 且つ正確に 三次元測定機の校正を行うことができる。
上記光波干渉ステツパ 2 0の上板 2 1の両側にはミラ一支持腕 3 0が 突出しており、 各ミラ一支持腕 3 0には、 第 6図 （a ) 〜 （d ) に詳細に 示すようにミラーホルダ 3 1が位置決めされ固定されている。
第 6図に示すように、 反射鏡 3 2はミラ一ホルダ 3 1に固定されている。 ミラ一ホルダ 3 1にはばね掛棒 3 3が固定されており、 このばね掛棒 3 3 に引張ばね 3 4のフックが掛けられている。 また、 ミラ一支持腕 3 0の背 面に固定したばね掛アーム 3 5のばね止め 3 9に、 前記引張ばね 3 4の他 端のフックが掛けられており、 それにより引張ばね 3 4はミラ一支持腕 3 0の通孔 4 7を貫通し、 ミラーホルダ 3 2を放射状に配置した下記の V溝 3 6の放射中心に合致した位置で、 第 6図 （a ) 中において左方向に引張 つている。
ミラ一ホルダ 3 1の反射鏡 3 2の取付面の反対側の面には、第 6図（c ) に破線で示すように、 V溝 3 6が 3本、 放射状に 1 2 0度の角配列で成形 されている。 この V溝に小球 3 7が、 1個づっ合計 3個落ち込むように形 成しており、 前記引張ばねの張力により、 V溝 3 6と確実に接している。 各小球 3 7は V溝 3 6に 2点で接触しており、 小球は 3個あるので、 この 3個の合計により、 ミラ一ホルダ 3 1をミラ一支持腕 3 0に対して安定的 な 6点拘束を実施している。 小球 3 7はそれぞれの調整ねじ 3 8の先端に 固定され、 調整ねじ 3 8はミラ一支持腕 3 0に螺合している。
以上のように反射光学系の支持調整装置を構成したので、 3本の調整ね じ 3 8を適宜ねじり、 調整することにより、 第 3図に示す光波干渉ステツ パ 2 0の 3球球面座の中心線 A— Aに対して、反射鏡 3 2の反射面を完全に JP00/02021 合致させることができ、 且つ後述する干渉光細に対して反射面を垂直にす る姿勢に容易に調整することができる。 なお、 上記反射鏡の代わりに、 光 学用反射部材として通常用いられているコーナキューブ等、 各種の反射部 材を用いることができる。
上記のような光波干渉ステツパ 2 0を用い、 前記ボールステップゲージ 1 0のボールの間隔を測定するに際しては、 第 8図の光学系原理図に示す ように、 投光受光器 4 1、 第 1ハーフミラ一 4 2、 第 2ハーフミラ一 4 3、 第 1反射プリズム 4 4、 第 2反射プリズム 4 5を用いた公知の光干渉計測 装置 4 0を用いる。 この光干渉計測装置 4 0により、 第 1ハーフミラ一 4 2と第 2ハーフミラ一 4 3からの光を、 前記光波干渉ステツパ 2 0の両側 に位置する反射鏡 3 2、 3 2 ' に対して投光し、 その反射光を受け、 両反 射鏡 3 2 , 3 2， の位置、 即ちボール 5の中心位置を正確に測定する。
ボールステップゲージ 1 0の第 1番目のボール 5と第 2番目のボール 5 ' とで位置決めされて決定される反射鏡 3 2 , 3 2 ' の反射面の位置を 測定原点の零点とし、 次に第 2番目と第 3番目のボールの位置に光波干渉 ステツパ 2 0を移動させ、 第 8図 2点鎖線で示されるように、 前記と同様 に位置測定を行う。 この移動測定を順次繰り返して、 ボールステップゲ一 ジの各ボールの位置を測定し、 それによりボール間隔を測定することがで きる。 なお、 最後の 1組のボール間隔は、 ボールステップゲージを反転し て、 前記と同様な干渉測定を実施することによって測定を行うことができ る。 それにより、 光の波長を直接測定標準として用い、 全ボール間隔を測 定することができ、 従来の三次元測定機を用いてボール間隔を測定するも のと比較して正確な測定を行うことができ、 極めて正確なボールステップ ゲージとすることができる。
更に必要ならば、 ボールステップゲージ 1 0を前後逆転させて状態で、 前記と同様な干渉測定を順に実施することにより、 各ボール間隔を前後逆 方向から 2回計測し、 2つの計測値の平均をとる等によって、 より正確な 測定を行うこともでき、 更に精密なボ一ルステツブゲージとすることがで さる。
ボール 5と光波干渉ステツパ 2 0の 3球球面座は、 水平移動させる際に 両者の位置の干渉を開放するため、 光波干渉ステツパ 2 0を持ち上げるよ うにして、 次のボール位置に移動する。 この上下方向移動には三次元測定 機の Z軸機能を使用して、 軸 5 0を Z軸にチヤッキングして行うことがで きる。 水平移動は同様に三次元測定機の X軸機能を使用して、 光波干渉ス テツパ 2 0を直接移動させることができる。 また、 テーブル移動形三次元 測定機を用いる場合は、 その X軸機能でボールステップゲージ 1 0そのも のを移動して、 水平移動を行うこともできる。
このような光波干涉ステツパ 2 0を用いることにより、 光波干渉ステツ ノ が例えば第 3図及び第 4図において左右に傾斜したときでも、 両反射鏡 3 2 , 3 2， の中心を結ぶ直線は常に両ボール 5 , 5， を通る軸線を中心 に傾斜するため、 アッベの原理が順守され、 常に正確な計測を行うことが できる。
第 7図は光波干渉ステツパ 2 0の上板 2 1と、 上記干渉測定時に光波千 涉ステツパ 2 0を移動する軸 5 0の嵌合状況を示す説明図であり、 軸 5 0 の上板 2 1の穴 2 9とは図示するように、 若干の嵌合すきま 5 1を有する と共に、 上板 2 1の下面 5 2と軸 5 0の下端に設けたフランジ 5 3との間 にも若干の隙間 5 4を有することが望ましい。 これは、 三次元測定機の Z 軸下部と軸 5 0が、 その上部 5 2で結合された場合、 前記したボ一ルステ ッブゲージ 1 0の 6点拘束以外の付加的拘束が発生しないための対策で あり、 上記のように干渉測定時に前記穴 2 9に対して半径方向にも、 軸 5 0が上板 4 1に対してすきまを保持していることが必要である。 なお、 上 記軸 5 0を上板 2 1に完全に固定した場合には、 軸 5 0の上部 5 5が三次 元測定機の Z軸端に対して、 すきまを有する支持部材を設ける等の対策が 必要となる。 産業上の利用の可能' ft
本発明によるボールステップゲージは上記のように構成したので、 熱的 外乱により、 枠体の上下温度差や左右温度差が原因で発生する熱膨張によ る枠体のバイメタル的効果により曲がりが発生しても、 ボール間隔の寸法 変化が発生しにくいボールステップゲージとすることができる。 また、 ボ 一ルステツブゲージの枠体は弾性支持ばりとしての静的荷重によって、 は りとしての弾性変形が発生しても、 ボール間隔の変化が微小な構成のボ一 ルステツブゲージとすることができる。 更に、 相隣る 2個のボール間隔を 測定する際に、 測定の標準として、 長さ標準としての光の波長を直接使用 することが容易なボールステップゲージとすることができる。
このように、 本発明によるボールステップゲージは、 ボール間隔の変化 が微小であるので、 信頼のある三次元測定機を校正するための基準器とし て用いることができる。

Claims

請求の範囲
1. H型断面のゲージ枠体 （1) と、 該ゲージ枠体の水平枠 （4) の軸線 方向に沿って所定間隔で複数のボール （5) がそれぞれ挿入される複数の 穴 （6) が穿孔され、 該各穴には複数の溝 （7) が設けられて居り、 該ゲ一ジ枠体の断面二次モーメントの中立軸上に中心が一致するよう に該それそれの穴 （6) に圧入された複数のボール （5) と、 から成るボ —ルステップゲージ （10) 。
2. ボール間隔測定用光波干渉ステツパ （20) の口一リング防止のため の拘束面 （11、 12) を、 該ボール配列軸に平行な方向に設けたことか ら成る請求の範囲第 1項に記載のボールステップゲージ。
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