JP2016536603A - 工作機械内で使用するための粗さ測定機器及び工作機械内で粗さ測定する方法 - Google Patents

Abstract

表面粗さに関して特徴的な測定量を測定するための多方向粗さ測定挿入体において、フィーラピンを収容するためにフィーラピン収容部が配置された支持体と、支持体の運動をワークピースの表面粗さに関して特徴的な測定信号に変換するアナログセンサと、ロッド状シャフトと、該シャフトに取り付けられたフィーラヘッドを有する、支持体に結合されるべきフィーラピンを含み、該ヘッドが、少なくとも該シャフトの１区分に対してほぼ回転対称的な試験体の少なくとも１区分であるか、該ヘッドが、該シャフトの少なくとも１区分の遠位端部に配置された、ほぼ回転対称的な試験体の少なくとも１区分であり、試験体が二重円錐又は二重円錐台形態を有し、試験体の最大直径の領域が、ワークピースの被測定表面との接触個所として形成され、接触個所が２つの二重円錐又は二重円錐台外套面によって形成され、接触個所が、試験体の最大直径の領域内で丸く面取りされている。【選択図】図１

Description

本明細書には、工作機械内で加工されたワークピースの粗さを測定する方法が記載される。さらに、このために具体的に構成された測定フィーラ、及びこのために具体的に構成されたフィーラ先端のような、相応する装置構成部分についても述べられる。この詳細は請求項に定義されているが、しかし明細書及び図面も、構造及び機能形式、並びに方法及び装置構成部分の変形例に関連する情報を含んでいる。

工作機械内で加工されたワークピースにおいて、ワークピースの表面に対する本質的な要件は、ワークピース表面によって発揮されるべき機能（例えば支承面、伝導性、可視面、付着強度、摩擦、シール性）に照らして表面が低廉に製造されていることである。このために、表面の特性（例えば僅かな摩擦、大きい接触面、定義された最小粗さ、鋭い山、僅かな摩耗）をできる限り正確に定義づけ、生産過程で試験することによって、予定された表面機能を最適に発揮し得るようにしなければならない。

実際のワークピース表面（実際表面）は、その理想的な形（目標表面）からずれている。このような差異は複数のカテゴリーに分類される。実際表面は種々異なる波長の波（Wellen）に分けられる。ここで波長は形態偏差（Gestaltabweichungen）の次数とともに減少する（一次：形状偏差、二次：うねり（Welligkeit）、三次：粗さ−溝、四次：粗さ−筋、スケール、円頂）。

ワークピースの表面特性値を測定するために、触覚的測定装置がしばしば使用される。触覚的測定装置の場合、粗さ測定に際しては、ダイヤモンド先端を用いて表面を走行する。このような装置はたいていの場合、誘導変換器を有している。ダイヤモンド先端を備えたフィーラは溝方向に対して垂直に、ワークピース表面全体にわたって走行し、フィーラ先端の垂直方向の行程は誘導変換器内で電気信号に変換される。一次プロフィールのこのような測定信号は普通、アナログ−デジタル変換器を用いて解析コンピュータ内に読み込まれる。

このような表面試験装置は一方向で作業する。すなわちダイヤモンド先端を備えたフィーラはワークピース表面に対して単一の方向でのみ引っ張ることができる。このような表面試験装置は３つの構成部分、つまりフィーラと、送り装置と、ディスプレイ及びドキュメンテーション部を備えた解析装置とを有している。

フィーラはフィーラ先端の鉛直運動を電気的信号に変換する。このために、フィーラは高精度に支承されたフィーラ先端と、誘導変換器とを有している。さらに、フィーラはスキッド（Gleitkufe）によって補足することができる。多様な被測定ジオメトリ、例えば面、軸、孔、インボリュートなどのために多様な種々異なるフィーラ形態が存在する。基本的にはフィーラは、シングルスキッド型フィーラ、ダブルスキッド型フィーラ、及び基準平面フィーラとの間で区別される。スキッドを備えたフィーラは特に手持ち式装置に使用される。スキッドはうねりに追従する。スキッドは高域フィルタとして作用し、プロフィールの肉眼的形状を無視する。スキッドフィーラは形状及びうねりに関する正確なデータを提供しない。このようなフィーラは特に小規模工場の領域で使用される。基準平面フィーラシステムは基準面に対して測定を行い、ひいては一次プロフィールのほとんど変造されていない画像を提供する。フィーラ先端として、丸く面取りされた先端を備えたダイヤモンド円錐体が使用される。フィーラ先端の公称値は先端半径（例えば２μｍ、５μｍ、又は１０μｍ）、並びに例えば６０°又は９０°の、ダイヤモンド円錐体の円錐角、つまりその先端の角度である。

送り装置はワークピース表面全体にわたってプローブを連続的に一定の速度で案内する。送り装置は、基準平面を備えたもの、及び基準平面を備えていないもの、並びに回転送り装置の間で区別される。たいていの測定装置は、基準平面が組み込まれた送り装置を有している。これらの測定装置は、スキッドの有無とは関係なしにフィーラの使用を可能にする。基準平面を備えていない送り装置は、専らスキッドフィーラの使用だけを可能にする。スキッドを備えていないフィーラと組み合わされた、基準平面が組み込まれた送り装置だけが形状、うねり、及び粗さの正確な検出を可能にする。形状測定の正確さは何よりも、基準平面の正確さに依存する。回転送り装置は、円筒形試料を定置のフィーラの下側で回転させる。ワークピースの回転誤差をスキッドフィーラの使用によって排除することができる。

しかしながら、このような種類の表面試験装置は、ワークピースを工作機械のスピンドルから外し、その粗さを測定するために表面試験装置内に導入しなければならない限りにおいて、ワークピース生産中の使用時には問題をはらむ。これが不都合な理由は、ワークピースを工作機械内に再び締め付けることにより、通常、前に実施された加工ステップと比較して、さらなる加工時に寸法安定性が失われてしまう点にある。従って一般には、ワークピースの表面特性は、工作機械内の加工終了後に初めて試験される。しかしこうすると、後加工は例外時にしか可能でない。例えば所要の表面特性が満たされていないときには、そのワークピースは廃棄物に数えられる。

従って工作機械内の加工中にワークピースの表面特性を試験するためには、加工プロセスを止め、工作機械の作業空間に作業者がアクセスできるようにしなければならない。次いで作業者は手動式の表面試験装置によって、ワークピースの所要の表面特性の有無を検査することができる。

続いて、測定結果を次のように分析して評価することができる。すなわち、
ａ）所要の表面特性が得られた。ワークピースは正常である、
ｂ）所要の表面特性が得られなかった。ワークピースは正常ではないが、しかし後加工することができる、或いは、
ｃ）所要の表面特性が得られなかった。ワークピースは正常ではなく、後加工することもできない。
今や、場合によっては加工を続行することができる。

しかしながら、このようなシーケンスは多大な時間がかかるので、せいぜいのところ製造ロットの統計的検査のために実施することはできるものの、それぞれ個別のワークピースの所要の表面特性を検査するために行うことはできない。

さらに、統計的検査の過程で次のことを確定することができる。
ａ）工具が正常である、
ｂ）加工パラメータ（送り、回転数、切削深さなど）が正常である、
ｃ）加工条件が正常である（工作機械の振動、スピンドルの回転など）。

さらに、ポータブル試験装置が全くアクセスできない表面もある。

さらに、所与のジオメトリ状態、及び周知の表面試験装置の測定原理に基づいて、ワークピースに設けられた孔の表面特性の測定はせいぜいのところ孔の長手方向において可能であるものの、周囲に沿っては可能ではない。ダイヤモンド先端を備えたフィーラを、例えば５ｍｍから例えば１５０ｍｍまでの孔の周囲線に沿ってワークピースの孔の表面全体にわたって案内し、その際に孔の表面に対して直角方向のフィーラ先端の行程を検出することは、例えば空間的に不可能である。このような測定は従来、実験室条件下で特殊な装置によってのみ可能である。

従って表面粗さの判定はこれまで、下流側の検査ステップとしてのみ、又は締め付けられたワークピースにおいて行われる手動作業過程としてのみ可能である。カッティングエッジの摩耗又は微小な折れにもかかわらず、製作寸法はいくつかの加工ステップではまだ許容誤差内又は介入限界内にあることがあり、これに対して表面粗さは既に仕様範囲外にあることがある。表面品質のプロセス密接型の（prozessnahe）監視のために不足している部材は、工作機械内で全自動式に使用される粗さ測定装置である。手動式の内部の粗さ測定も、古典的な外部の粗さ測定もこのように実践指向の解決手段ではない。

工作機械内で輪郭測定する装置及び方法が従来技術に基づき公知である。この関連において、ある特許文献に記載された測定システムは、工作機械内で定置の工具及び回転工具を接触測定するために多方向測定フィーラ装置を有している（例えば、特許文献１参照。）。測定システムは輪郭測定を行うために、角錐状又は円錐（台）状の形態を有する種々異なるフィーラエレメントを有するものとして開示されている。しかしながらこの場合、測定フィーラを用いては、定置の工具の測定値しか求められない。ワークピース測定にはこのような装置は適していない。

また、別の特許文献に基づき公知の、輪郭測定を行うための別の多方向測定フィーラは、交換可能なフィーラピンのための収容部を有している（例えば、特許文献２参照。）。この文献にはさらに、球形又はディスク形のフィーラヘッドを備えた種々異なるフィーラピンが記載されている。さらに、複数の半球形及びディスク形の接触個所ジオメトリを備えたフィーラヘッドが記載されている。これらのフィーラヘッドは接触方向に応じて使用される。

粗さ測定装置が、別の特許文献に基づき公知である（例えば、特許文献３参照。）。この文書は、フィーラピンを有するフィーラピン構造を備えた振動検出システムを開示しており、フィーラピンは傾斜円筒として形成されており、ディスク形の接触個所を有している。

ある非特許文献には、輪郭及び粗さを測定するためのフィーラシステム及びフィーラピンが開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。この刊行物は、粗さ測定のために規定された、ダイヤモンドを有する２つの円錐形フィーラ先端を開示している。

輪郭及び粗さを測定する別の装置並びに方法が、別の特許文献に開示されている（例えば、特許文献４参照。）。この文献には、表面の輪郭及び粗さを測定するための機器が記載されており、この機器は、少なくともフィーラピン又はフィーラピンホルダが交換されたときに、測定される値に対する測定力を調整することができる。

最後に、別の特許文献には、工作機械内で輪郭及び粗さを測定する装置及び方法が開示されている（例えば、特許文献５参照。）。この装置は、工作機械内の工具の個所に装着することができる。

独国特許出願第１０２００７０４１２７２１号 独国特許第１０２６２１８８号 独国特許出願第１０２０６１４６号 独国特許出願第１９９４７００１号 米国特許出願公開第２００２／００５９０４１号

Precitool Werkzeughandel社の企業刊行物Praezisionswerkzeuge, Precicom 225

ワークピース上の表面特性、特に表面部分領域の粗さを測定するために、生産性を高め、可能な限り高い品質要件を満たす方法及び／又は装置を提供するべきである。

従って、表面の粗さに関して特徴的な測定量を測定するための多方向粗さ測定挿入体であって、フィーラピンを収容するためにフィーラピン収容部が配置された支持体と、支持体の運動をワークピースの表面の粗さに関して特徴的な測定信号に変換するアナログセンサと、ロッド状シャフト及びシャフトに取り付けられたフィーラヘッドを有する、支持体に結合されるべきフィーラピンとを含み、フィーラヘッドが、少なくともロッド状シャフトの１区分に対してほぼ回転対称的な試験体の少なくとも１区分であり、或いは、フィーラヘッドが、ロッド状シャフトの少なくとも１区分の遠位端部に配置された、ほぼ回転対称的な試験体の少なくとも１区分である、多方向粗さ測定挿入体が提案される。ほぼ回転対称的な試験体は二重円錐形態又は二重円錐台形態を有している。試験体の最大直径（赤道）の領域は、ワークピースの被測定表面との接触個所として形成されており、接触個所は２つの二重円錐外套面又は二重円錐台外套面によって形成されており、接触個所は、試験体の最大直径の領域内で丸く面取りされている。

このような配置は、工具の代わりに工作機械のスピンドル内でアナログ測定用の測定フィーラを使用することを可能にする。さらに、粗さ測定のために、アナログ測定機能を有する測定フィーラと、ここに記載されたフィーラピンとが組み合わされる。測定フィーラはアナログ感知測定フィーラである。アナログ感知測定フィーラは、粗さ測定のために工作機械のスピンドル内へ導入され、測定データ又は測定フィーラ内に位置するプロセッサにおいて測定データから計算された粗さ値などを無線で（赤外線インターフェイス又はラジオインターフェイスによって）、又は有線接続された状態で工作機械の制御装置へ伝送する。アナログ感知測定フィーラは測定挿入体のフィーラ先端の変位の増減を再現する測定信号を供給する。このことは、フィーラピンがその休止位置から所定の量だけ変位させられるとオン・オフ切り換え信号又はオフ・オン切り換え信号だけしか供給しないデジタル感知測定フィーラとは異なることが判る。

このような測定フィーラの変形例は、小型光バリアの遮断からアナログ測定信号が生成される、例えば回転対称的な測定機構によって機能する。光バリアの遮断開始は、フィーラピンがその休止位置から所定の量だけ変位するときに認識される。アナログ測定信号はさらに、測定挿入体のフィーラ先端がより多く又はより少なく変位させられるときに生じる遮断の増減を再現することもできる。このようにアナログ測定信号が生成される。

粗さ測定挿入体のここに提示された変形例は、具体的に構成されたフィーラピンに結合された測定機構が回転対称的であることに起因して、ワークピースの表面に任意の方向から接触することができる限りにおいて、多方向性である。

多方向粗さ測定挿入体を用いると例えば、孔、又はワークピースにフライス加工された切り欠き内にフィーラピンを走入させ、次いで側方の、孔又はフライス加工部の壁に、粗さ測定挿入体を任意に配向させた状態で接触させることが可能である。このことは従来の粗さ測定装置では可能ではない。それというのも、ダイヤモンド円錐先端を用いた場合、その円錐先端の方向でしか測定することができないからである。

工作機械のスピンドル内で使用することができる多方向粗さ測定挿入体を用いると、工作機械は送り装置として利用される。さらに、工作機械は所要の基準平面をも提供する。

多方向の粗さ測定挿入体の変形例では、粗さ測定挿入体は、環状の支持支承体が形成されたハウジングを有するように構成されている。支持支承体は、Ｘ，Ｙ−支承平面と、これに対して垂直な、粗さ測定挿入体の中心軸線Ｚとを定義する。粗さ測定挿入体は支持体を有しており、この支持体には、フィーラピンを収容するためにフィーラピン収容部が中心に配置されている。粗さ測定挿入体はさらに、伝達部材を有している。伝達部材は、ハウジング内で中心軸線Ｚに沿って摺動可能に案内されており、これにより支持体の休止位置からの任意の変位を直線運動に変換する。伝達部材はその休止位置において中心軸線Ｚと少なくとも部分的に整合する。粗さ測定挿入体はさらにアナログセンサを有している。アナログセンサは、伝達部材の直線運動を、ワークピースの表面の粗さに関して特徴的な測定信号に変換する。伝達部材には、ピン状の構成部分又はフィーラピンが結合されている。フィーラピンはロッド状シャフトと、シャフトに取り付けられたフィーラヘッドとを有している。多方向粗さ測定挿入体のフィーラヘッドは、中心軸線Ｚに対してほぼ回転対称的な試験体の少なくとも１区分を有している。
アナログセンサは上記種類の光バリアであってよい。

多方向粗さ測定挿入体において、ロッド状シャフトは直線状延長部で伝達部材と直接的又は間接的に結合されており、或いは約０°〜約４０°で屈曲した状態で伝達部材と直接的又は間接的に結合されていてよい。ロッド状シャフトは約２０°〜約３０°、好ましくは約２５°で屈曲した状態で伝達部材又は支持体と結合されていてよい。このような配置によって表面に到達できない場合、シャフトは９０°だけ屈曲することもできる。

多方向粗さ測定挿入体において、特に接触個所は少なくとも、２つの二重円錐外套面又は二重円錐台外套面の区分によって形成されていてよく、接触個所は、試験体の最大直径の領域内で丸く面取りされている。

接触個所は、期待されるべき表面粗さ、ワークピース又は粗さ測定挿入体の送り方向でワークピース又は粗さ測定挿入体が１回転当たり又は１行程当たり進められる距離、又は工具のジオメトリ、ワークピースのジオメトリ、及び材料剛性に応じて確定されていてよい。

多方向粗さ測定挿入体の試験体の接触個所は、最大の直径又は周囲又は半径の領域内で約０．４ｍｍ〜約３ｍｍの半径を有し、約３０°〜約７０°のそれぞれの円錐角を有することができる。試験体の最大周囲、つまり赤道では、試験体は円形形態を有しておらず、楕円形断面、又は円形形状から逸脱したその他の断面形態を有することもできる。

多方向粗さ測定挿入体の試験体の接触個所は、最大直径領域内に約５μｍ〜約５０μｍのエッジ半径を有することができる。試験体の接触個所の曲率は一定の値を有することができ、或いは曲率は試験体の接触個所の湾曲領域に沿って変化することができる。後者の変形例は、エッジが試験体の最大直径又は最大周囲、すなわち赤道に、１つの半径で描くことのできるエッジの丸みを有するのではなく、例えば放物線状、又はスプライン曲線状、又はその他のエッジ形状を有する構成を含む。

多方向粗さ測定挿入体において、試験体の接触個所は、最大直径領域内の半径が約１．５ｍｍ〜約５ｍｍ、又は約０．４ｍｍ〜約３ｍｍであり、エッジ半径が約５μｍ〜約５０μｍであり、それぞれの円錐角が約３０°〜約１３０°である二重円錐形態又は二重円錐台形態を有することができる。１変形例では、両円錐角は約９０°であり、最大直径領域内の半径は約１．５ｍｍであり、エッジ半径はほぼ４０μｍであってよい。別の変形例では、両円錐角は約１２０°であり、最大直径領域内の半径は約１．１ｍｍであり、エッジ半径はほぼ１０μｍであってよい。さらなる変形例では、両円錐角は約６０°、最大直径領域内の半径は約１．５ｍｍ、エッジ半径はほぼ２０μｍであってよい。

多方向粗さ測定挿入体の試験体の接触個所は、最大半径の少なくともほぼ軸線方向に配向された送り方向を有することができる。

多方向粗さ測定挿入体は、測定信号から表面の粗さに関して特徴的な少なくとも１つの測定量を検出するために、アナログセンサに接続された処理ユニットを備えていてよく、処理ユニットは粗さ測定挿入体のハウジング内に配置されているか、又はハウジングから分離されている。

このような多方向粗さ測定挿入体による粗さの測定は、凹凸を検出し、接触点の精度を維持するフィーラヘッドの能力に強く依存する。ここに記載した種類の多方向粗さ測定挿入体は、被測定面に物体的に接触するフィーラピンと、フィーラピンの運動を電気的信号に変換するための測定値変換器とを有している。電気的信号は次いでさらに処理される。表面と接触しているフィーラピン部分はフィーラヘッドである。フィーラヘッドは、ワークピースの生産経過中に組み入れられた測定作業に適合したプロフィール形状を有するように構成されている。プロフィール形状の最終的な形状付与に基づき、フィーラヘッドのいくつかのプロフィールが他のプロフィールよりも大きい効果、もしくは被測定面とのより良好な相互作用をもたらす。フィーラピンの大きさ及び形状もしくはプロフィールは周到に選択しなければならない。このような特徴は、粗さ測定中に得られる情報に影響を与える。製造プロセスにおいて工作機械内に位置するワークピースの面の粗さを測定するために、ピン及びフィーラは接触先端又は接触ヘッドを備えた細長いシャフトである。

多方向性測定フィーラのここで開示された変形例では、フィーラピンは、フィーラピンの中心長手方向軸線に対して回転対称的なフィーラヘッドを備えた円筒形ロッド、又は細長い円錐体を有している。ピンは、ボールペンの形状と似た細長いシャフトである。ピンは若干球面状であってよく、これによってピンをより容易に把持することができる。粗さ測定のためのフィーラヘッドは通常、ルビー、硬質金属、又はセラミック材料から成っている。フィーラピン又はフィーラヘッドは、粗さを測定するためにワークピースに接触する。一般には、フィーラヘッドは単一の材料片から成っているが、いくつかのフィーラピン又はフィーラヘッドは、ルビー又はダイヤモンドから形成された挿入体から成っている。この挿入体は、半田付け、押し込み、又は接着によってヘッド内へ挿入されている。フィーラヘッドの材料は測定に影響を与えることができる。フィーラヘッドは例えば合成単結晶ルビーから成るＡｌ₂Ｏ₃ルビー体、プレス硬質のＳｉ₃Ｎ₄から成る窒化ケイ素体、焼結ＺｒＯ₂から成る酸化ジルコニウム体、白色アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃焼結セラミックから成る中空体、シルバースチールから成るディスク、シルバースチールから成る単純なシルバースチールディスク、シルバースチールから成るシルバースチール円筒ディスク、合成ルビーから成る、ルビー体で終わっている円筒ディスク、炭化タングステンから成る、炭化タングステンディスクで終わっている円筒体、炭化タングステン又は他の材料から成る面取りされた周囲エッジを備えた、周囲エッジ角３０°〜１２０°のシルバースチールから成るシルバースチールディスクであってよい。

ロッド又はシャフトは、非磁性のステンレス鋼、セラミック、及び炭素繊維を含む種々異なる材料から成っていてよい。ディスク形のフィーラヘッドは二重円錐体の、その赤道を含む薄い区分である。

大きいディスク直径は、粗さが試験されるべきワークピース表面に対する衝撃もしくは加圧を低減する。比較的細長いシャフトが、被測定個所へのアクセスの際のフレキシビリティのために役立つ。

別の実施形において、多方向粗さ測定挿入体は粗さ測定の他に、表面の輪郭に関して特徴的な測定量を測定するのを可能にする。粗さ測定挿入体のこのような変形例は、同一の工具挿入体を用いて輪郭測定も粗さ測定も行うのを可能にする。プロセスにおける適用時に付加的なサイクル時間が要求されることになる、異なる測定のための工具挿入体の交換は、粗さ測定挿入体のこのような変形例を使用すると必要でなくなる。

このような変形例において、多方向粗さ測定挿入体は、粗さ測定のための第１フィーラヘッドと、輪郭測定のための第２フィーラヘッドとを備えたフィーラピンを有することができる。第１フィーラヘッドは、粗さ測定挿入体の前記変形例に相応するように、ほぼ回転対称的であり且つほぼディスク形の第１試験体の少なくとも１区分である。第２フィーラヘッドは、ほぼ球形又は楕円体形の第２試験体の少なくとも１区分であってよい。第２フィーラヘッドはフィーラピンのシャフトの少なくとも１区分の遠位端部に配置されていてよい。このような実施形態において、第２試験体はこのようなシャフト区分に対してほぼ回転対称的に配置されていてよい。第２フィーラヘッドの接触個所は、第２試験体区分の外套面に相当してよい。

第１変形例において、第１フィーラヘッド及び第２フィーラヘッドはフィーラピンのシャフトの少なくとも１区分の遠位端部に配置されていてよい。第１試験体及び／又は第２試験体はシャフト区分に対して回転対称的であってよい。或いは、第１試験体及び／又は第２試験体の回転軸線はシャフト区分の回転軸線と合致しなくてもよい。さらに、フィーラピンは、第１フィーラヘッドと第２フィーラヘッドとを含む試験ヘッドを有することができる。試験ヘッドはシャフトの１区分の遠位端部に配置されていてよい。試験ヘッドの第１領域内には第１フィーラヘッドが、試験ヘッドの第２領域内には第２フィーラヘッドが配置されていてよい。第１領域及び第２領域は、試験ヘッドの互いに対向する且つ／又は隣接する２つの側に配置されていてよい。試験ヘッドは１つの部分又は２つ以上の部分から提供されてよい。

好ましい実施形態において、第１フィーラヘッドが形成されている第１領域を除いて、試験ヘッドがシャフト区分と結合されている領域を除いて、試験ヘッドは、ほぼ球形又は楕円体形の形態を有している。従って第２試験ヘッドの領域内では、試験ヘッドの形態は第２試験体の形態に相当する。このような構成では、試験ヘッドは、円形もしくは楕円形の面が試験ヘッドに形成されるように、球欠区分もしくは欠けた楕円体の区分を有していてよい。この場合、第１フィーラヘッドは円形もしくは楕円形の面から中心且つ／又は直角に突出することができる。或いは、試験ヘッドは第１領域内に円筒体の形態を成す区分を有することもできる。この円筒体区分には、第１フィーラヘッドが設けられている。円筒体は第１試験体に対して回転対称的であってよい。円筒体の半径は好ましくは第１試験体の最大直径の領域内の半径よりも小さい。

別の変形例において、フィーラピンはフィーラピンの第１区分の遠位端部に配置された第１フィーラヘッドと、フィーラピンの第２区分の遠位端部に配置された第２フィーラヘッドとを有することができる。好ましい実施形態では、第１フィーラヘッドを有する第１区分は、フィーラピンのシャフトの軸方向延長部として形成されている。第２フィーラヘッドを有する第２区分は、第１区分の手前の近位側でシャフトに配置されていてよい。さらに、第２区分は第１区分に対して直角であってよい。第２フィーラヘッドが、シャフトの軸方向延長部に形成された第１区分の遠位端部に設けられていて、第１フィーラヘッドが、シャフトに対して直角に配置された第２区分の遠位端部に設けられている実施形態も考えられる。或いは、第１区分及び第２区分をシャフトの遠位端部で、シャフトに対して直角に設けることもできる。第１区分及び第２区分はシャフトの互いに対向する側に設けることができる。さらに、第１区分及び第２区分の長手方向軸線は互いに直角又は平行であってよい。第１区分及び第２区分の長手方向軸線が互いに合致する実施形態も考えられる。

多方向粗さ測定挿入体は工作機械によって測定空間内へ、ワークピースの被測定表面に対して動かすことができる。接触式に機能する粗さ測定挿入体は、ワークピース表面と接触した状態でこれを検知する。実際のワークピース表面の、その理想形状からの検知された形態偏差毎に、多方向粗さ測定挿入体は対応測定データをその処理ユニットへ供給する。処理ユニットはコンピュータプログラムを含むことができる。その場所で、デジタル・フィルタリングによって、うねりプロフィール及び粗さプロフィールが測定され、また特性値、例えば算術平均粗さ値、二乗平均平方根粗さ値、最大個別粗さ深さ（maximale Einzelrautiefe）、粗さ深さ（Rautiefe）、平均平滑化深さ（mittlere Glaettungstiefe）、平均筋深さ（mittlere Riefentiefe）、平均溝幅（mittlere Rillenbreite）、波深さ（Wellentiefe）、プロフィール深さなどが計算される。

多方向粗さ測定挿入体内に挿入するためのここに提示された種類のフィーラピンは、ロッド状シャフトと、シャフトに取り付けられたフィーラヘッドとを有している。フィーラヘッドは、少なくともロッド状シャフトの１区分に対してほぼ回転対称的な試験体の少なくとも１区分であり、或いは、フィーラヘッドは、ロッド状シャフトの少なくとも１区分の遠位端部に配置された、ほぼ回転対称的な試験体の少なくとも１区分である。ほぼ回転対称的な試験体は二重円錐形態又は二重円錐台形態を有している。試験体の最大直径（赤道）の領域が、ワークピースの被測定表面との接触個所として形成されている。接触個所が２つの二重円錐外套面又は二重円錐台外套面によって形成されており、接触個所は、試験体の最大直径の領域内で丸く面取りされている。

これは、例えば、レコード針の形式でロッドの側方に固定されたダイヤモンド先端を使用する従来の粗さ測定装置とは異なることが判る。

このような規格通りでないフィーラヘッドによる測定は、生産プロセス継続中に規格通りの測定値ではなく、近似値をもたらす。しかしながらこのような近似値は品質管理測定との比較測定によって容易に補償することができる。

表面の粗さに関して特徴的な測定量を測定するための、ここに提示された粗さ測定方法は、上記種類の粗さ測定挿入体を使用する。この方法において、下記ステップ、すなわち、
フィーラヘッドがフィーラヘッドの休止位置から予め決められた変位を成すように、被測定表面にフィーラヘッドを接触させるステップと、
粗さ測定挿入体を被測定表面に対してさらに接近又は後退させることにより、試験荷重（被測定表面におけるフィーラヘッドの接触面に関するフィーラヘッドの圧着力）を調整し、試験荷重の調整はフィーラヘッドの形態、及びワークピースの被測定表面の形態に応じて行われるステップと、
動作モード「粗さ測定」をスイッチオンし、動作モードで、続いて検出された測定信号を記録し且つ／又は処理するステップと、
所定の測定区間を所定の測定方向に沿って走行するステップと、
フィーラ先端の運動を、表面の粗さに関して特徴的な測定信号に変換し、場合によっては測定信号を記録し且つ／又は処理するステップと、
表面の粗さに関して特徴的な少なくとも１つの測定量を測定するために、測定信号を解析するステップと、
少なくとも１つの測定された測定量を機械制御装置へ送信するステップと、が行われる。

このような粗さ測定方法の場合、被測定表面にフィーラヘッドを接触させるステップは、粗さ測定挿入体を工作機械内でワークピースの被測定表面に対して接近させることによって行うことができる。

所定の測定区間を所定の測定方向に沿って走行するステップは、フィーラヘッドによって擦過されるべき経路距離を規定すること、又はフィーラヘッドが測定区間を進む間の時間を規定することを含むことができ、所定の測定方向は、被測定表面に沿って任意に選択可能な方向を含むことができる。
粗さ測定挿入体内のプロセッサ、又は後置のプロセッサにおいて）測定信号を解析するステップは、アナログセンサによって検出された測定信号を記憶して互いに関連づけることにより、表面の粗さに関して特徴的な測定量、すなわち算術平均粗さ値、平均粗さ深さ、二乗平均平方根粗さ値、最大個別粗さ深さ、粗さ深さ、平均平滑化深さ、平均筋深さ、平均溝幅、波深さ、プロフィール深さ、のうちの少なくとも１つにすることを含むことができる。さらに、形態偏差一次及び二次に関する情報を提供することができる。

アナログセンサによって検出された測定信号の解析ステップは、プロフィールフィルタによって測定信号を処理することをも含む。それというのもさもなければ、うねりが粗さを著しく変造してしまうからである。プロフィルフィルタ、例えばデジタル位相補正ガウスフィルタは、フィルタリングされていない一次プロフィール（Ｐプロフィール）を粗さ（Ｒプロフィール）とうねり（Ｗプロフィール）とに分離する。粗さプロフィールは一次プロフィールの、うねりからの偏差（Ｒ＝Ｐ−Ｗ）である。粗さプロフィールの基準線もしくは中央線は、長波プロフィール成分に相当する線であり、長波プロフィール成分はガウスフィルタによって検出され抑圧される。ガウスフィルタを使用すると、プロフィール高さの突然に変化に起因する、プロフィールの垂直方向の歪みが低減される。水平方向の位相ずれは全くなくなる。中央線の割り出しのために、ガウスフィルタを用いて、それぞれの点で縦座標高さの重み付け算術平均を計算する。測定区間の始点及び終点を適切に重み付けできるように、フィルタの整定及び減衰（Ein- und Ausschwingen）のために、感知区間は、全測定区間よりも長くなければならない。通常、限界波長の半分毎に前及び後走行区間がある。

プロフィールフィルタの限界波長は、フィルタが正弦波の振幅を半分に低減する波長である。従って限界波長は粗さとうねりとの境界の尺度として理解することができる。限界波長は粗さからより短い波長への移行を定義し、限界波長はうねりをより長い波長に対して区切る。限界波長は周期的プロフィールでは平均溝幅に基づいて、非周期的プロフィールでは被測定粗さ値に基づいて選択することができる。１つの測定の全測定区間は常に限界波長の５倍である。感知区間は６倍である。限界波長が減少するのに伴って、フィルタリングされた粗さプロフィールの振幅は減少し、うねりプロフィールの振幅は増大する。従って、限界波長が短くなると、測定される粗さ値も小さくなる。

フィルタリング済のプロフィールから粗さパラメータを形成する。従って、使用された限界波長は、特に比較測定時に重要である。一次プロフィール、うねり、及び粗さは区別される。プロフィール特性値の値は、互いにすぐ前後に位置する個別測定区間の個別結果を平均することによって得られる。

算術平均粗さ値は、個別測定区間内の粗さプロフィールの縦座標値の算術平均である。算術平均粗さ値は、プロフィールの、中央線からの平均偏差である。
平均粗さ値は山と筋とを区別することができず、種々のプロフィール形状を認識することもできない。この定義は強い平均値形成に基づく。

二乗平均平方根粗さ値は、プロフィール偏差の二乗平均平方根値である。これは平均粗さ値と同様に定義されているが、しかし個々の山及び筋に対してより敏感に反応する。

平均粗さ深さは、１つの個別測定区間内の最大プロフィール山の高さと最大プロフィール谷の深さとの和である。通常、平均粗さ深さは、５つの個別測定区間の結果の平均から得られる。全体的に見て、平均粗さ深さは、表面構造の変化に対して平均粗さ値よりも敏感に反応する。

最大個別粗さ深さは最も大きい個別粗さ深さである。
粗さ深さは、全測定区間内の最も深い筋と最も高い山との鉛直方向の差である。

以下の粗さパラメータは、１つのプロフィールの「水平方向」特徴付け時に役立つ。

平均平滑化深さの定義は平均粗さ深さとほぼ同一である。フィルタリング済のプロフィールを、限界波長に相当する５つの同じ区間に分割する。平均粗さ深さの測定とは異なりここでは、各セグメント内で、中央線から最も高い山までの間隔を推定する。平均平滑化深さはこれら５つの値の算術平均である。

平均筋深さは、平均平滑化深さと同様に形成される。山高さの代わりに筋深さが使用される。

支承面の場合、筋は例えば潤滑材ポケットとして役立つ。山は望ましくない。それというのも、山は摩擦及び摩耗を高めることになるからである。締まり嵌め集成体の場合、同様にしばしば平均平滑化深さを有する状態で加工される。それというのも締まり嵌め集成体はできる限り大きい接触面を必要とするからである。

平均溝幅は１つの個別測定区間内における粗さプロフィールのプロフィールエレメントの幅の算術平均値である。プロフィールエレメントは、凹部が隣接するプロフィール隆起部である。平均溝幅は５つの個別測定区間の結果の平均から得られる。平均溝幅は周期的なプロフィールの場合、フィルタの限界波長を選択するために利用される。

波深さは、粗さがフィルタリングにより除去された後の、フィルタリング済プロフィールの最大深さを示す。

プロフィール深さは、フィルタリングされていない表面プロフィールを含む２つの平行な線の間隔である。これらの線は理想のプロフィール（例えば直線、円）の形状を有する。

ここに記載された粗さ測定方法の特徴はまた、上記方法ステップが工作機械内で実施されることである。粗さ測定挿入体は工具の代わりに、工作機械のスピンドル内で使用され、測定信号及び／又は測定量は工作機械の機械制御装置に出力される。

方法ステップは少なくとも１つの工具による加工ステップの後及び／又は前に、工作機械内でワークピースに施すことができる。

多方向粗さ測定挿入体は、所定の測定区間を所定の測定方向に沿って走行するステップにおいて、試験体の接触個所が試験体のより大きい半径の少なくともほぼ軸線方向に配向された送り方向を有するように配向することができ、より大きい半径の接線方向が、ワークピースの被測定溝方向に対して少なくともほぼ平行に向けられている。

ここに提示された粗さ測定挿入体は以下の利点をもたらす、
（ａ） 製作プロセスを直接に監視することによって廃棄を最小限にする。
（ｂ） 回転工具及びフライス工具を、表面粗さに妥協することなしにその摩耗限界まで運転することができる。
（ｃ） 下流側で行われる手動の試験を省くことによって生産性及びプロセス確実性が高められる。

ワークピース表面を測定するための、ここに提示された粗さ測定挿入体は切削プロセス中に直接に組み入れることができる。プロセスに組み入れられた状態でワークピース表面を監視することによって、製作プロセスは従来よりも著しく効率的になる。

多大な時間がかかる手動の粗さ測定をなくすことによって、工作機械の停止時間を削減することができる。即座に後加工を行うことにより、廃棄コストが最小限になる。工具を摩耗限界まで運転することができ、予防的に交換しなくてよい。

図面には、フィーラピンの中心長手方向軸線に対して回転対称的なフィーラヘッドを備えた多方向粗さ測定挿入体の実施形態及び変形例が示されている。

図１は、多方向粗さ測定挿入体を休止位置で示す概略側方断面図である。 図２は、多方向粗さ測定挿入体を変位位置で示す概略側方断面図である。 図３は、ワークピース内で多方向粗さ測定挿入体を用いて粗さを測定することを示す図である。 図４は、ワークピースの表面で多方向粗さ測定挿入体を用いて粗さを測定することを示す図である。 図５は、ロッド状シャフトが結合エレメントによって屈曲した状態で伝達部材と結合されている、多方向粗さ測定挿入体の変形例を示す図である。 図５ａは、ロッド状シャフトが結合エレメントによって屈曲した状態で伝達部材と結合されている、多方向粗さ測定挿入体の変形例を示す図である。 図６は、種々異なる形態及び寸法を備えた、粗さ測定挿入体のためのフィーラヘッドの変形例を示す。 図７は、種々異なる形態及び寸法を備えた、粗さ測定挿入体のためのフィーラヘッドの変形例を示す。 図８は、種々異なる形態及び寸法を備えた、粗さ測定挿入体のためのフィーラヘッドの変形例を示す。 図９は、種々異なる形態及び寸法を備えた、粗さ測定挿入体のためのフィーラヘッドの変形例を示す。 図１０は、種々異なる形態及び寸法を備えた、粗さ測定挿入体のためのフィーラヘッドの変形例を示す。 図１１は、粗さ測定挿入体の別の変形例を部分的に破断して示す側方概略図である。 図１２ａは、粗さ測定及び輪郭測定を行うための２つのフィーラヘッドを備えた粗さ測定挿入体のためのフィーラピンの別の変形例を示す図である。 図１２ｂは、粗さ測定及び輪郭測定を行うための２つのフィーラヘッドを備えた粗さ測定挿入体のためのフィーラピンの別の変形例を示す図である。 図１２ｃは、粗さ測定及び輪郭測定を行うための２つのフィーラヘッドを備えた粗さ測定挿入体のためのフィーラピンの別の変形例を示す図である。 図１３ａは、粗さ測定及び輪郭測定を行うための２つのフィーラヘッドを備えた粗さ測定挿入体のためのフィーラピンの別の変形例を示す図である。 図１３ｂは、粗さ測定及び輪郭測定を行うための２つのフィーラヘッドを備えた粗さ測定挿入体のためのフィーラピンの別の変形例を示す図である。 図１３ｃは、粗さ測定及び輪郭測定を行うための２つのフィーラヘッドを備えた粗さ測定挿入体のためのフィーラピンの別の変形例を示す図である。 図１４ａは、１つのフィーラピンの異なる区分で粗さ測定及び輪郭測定を行うために２つのフィーラヘッドが配置されている、粗さ測定挿入体の別の変形例を示す図である。 図１４ｂは、１つのフィーラピンの異なる区分で粗さ測定及び輪郭測定を行うために２つのフィーラヘッドが配置されている、粗さ測定挿入体の別の変形例を示す図である。 図１４ｃは、１つのフィーラピンの異なる区分で粗さ測定及び輪郭測定を行うために２つのフィーラヘッドが配置されている、粗さ測定挿入体の別の変形例を示す図である。

図１及び図２に休止位置もしくは変位位置で示された多方向粗さ測定挿入体Ｍは、ほぼ円筒形のハウジングを有している。このハウジングは一方では近位側の、図面では上側の、付加部１４を備えたハウジング部分１２と、他方では、半径方向で見て内方に向いて張り出したハウジングフランジ１８を備えた、遠位側の、図面では下側のハウジング部分１６とから構成されている。

粗さ測定挿入体Ｍの両ハウジング部分１２及び１６は互いに密に且つ不動に結合され、例えば直接に互いにねじ結合されている。半径方向内方に向かって張り出したハウジングフランジ１８の近位側、図面では上側は、環状溝の形態を成す環状の支持支承体２０が形成されている。支持支承体２０は半径方向内側の凸面状の円錐台面２２と、半径方向外側の凹面状の円錐台面２４とを有している。これら両円錐台面は図示の測定フィーラの場合、軸線方向断面において互いにほぼ直角に配置されている。１変形例では、半径方向外側の凹面状の円錐台面２４がより急傾斜に、例えばハウジングフランジ１８の遠位端面の平面に対して７５°だけ傾斜している。いずれの場合にも、円錐台面２２及び２４は最小摩擦材料で被覆されるか又はこのような材料から製造されていると目的にかなう。

粗さ測定挿入体Ｍの遠位側のハウジング部分１６の内部には、きのこ形の支持体２６が配置されている。この支持体２６には、環状の対応受け２８が形成されている。対応支承体２８はほぼ半円形の断面を有するか、又は異なる半径を備えた複数の円弧区分から構成された断面を有しており、いずれの場合にも、環状ビードと呼ぶことができる。支持体２６は図１では休止位置を占め、この休止位置では、対応支承体２８は支持支承体２０に平らな円形接触線３０に沿って接触し、その他の場所には接触しない。このような円形接触線は環状の支持支承体２０の半径方向内側の凸面状の円錐台面２２に位置している。これに対して、支持支承体の半径方向外側の凹面状の円錐台面２４からは、支持体２６が休止位置を占めている限り、環状対応支承体２８は好ましくは数μｍ（２〜１０μｍ）の最小間隔を有している。このような間隔は１つの個所でゼロの量まで減少することができる。すなわち、支持体２６は僅かに偏心的な休止位置を占め、このような休止位置では、対応支承体２８は、支持支承体２０の半径方向外側の凹面状の円錐台面２４に一点で接触する。接触線３０の平面は以下、支承平面Ｘ，Ｙと呼ぶ。この支承平面に対して正規直交して、つまり直角に、測定フィーラＭ、すなわちそのハウジング１２，１４の軸線が延びている。この軸線を以下、中心軸線Ｚと呼ぶ。支持体２６は固有の長手方向軸線Ｔを有している。長手方向軸線Ｔは支持体２６の休止位置において、また純粋に軸線方向の変位時に中心軸線Ｚと実質的に一致する。

例えば図２に示されているように、粗さ測定挿入体Ｍの支持体２６が傾倒することによりその休止位置から変位させられると、環状の対応支承体２８は、環状の支持支承体２０の半径方向内側の凸面状の円錐台面２２に、半径方向内側の１つの接触点３２だけで接触する。さらに、対応支承体２８は、支持支承体２０の半径方向外側の凹面状の円錐台面２４に、半径方向外側の１つの接触点３４で接触する。

粗さ測定挿入体Ｍの支持体２６は、中心のフィーラピン収容部３６を備えている。フィーラピン収容部３６は、遠位方向に長手方向軸線Ｔに沿って延びており、粗さ測定挿入体Ｍの支持体２６の長手方向軸線Ｔの方向に摺動可能である。フィーラピン収容部３６は、フィーラヘッド４０を支持する交換可能なフィーラピン３８を収容するように規定されている。

図１及び２に示された粗さ測定挿入体Ｍの場合、付加部１４の遠位端部にはそれぞれ、近位側のハウジング部分１２の内部に、中心軸線Ｚに対して同心的な円環状のばね座４２が形成されており、このばね座４２には、やはり円環状のばね座４４が対向している。ばね座４４は支持体２６の近位側でその長手方向軸線Ｔに対して同心的に形成されている。これら両ばね座４２及び４４間には、円錐台形に巻かれたコイルばね４６が締め込まれている。このコイルばねは常に、支持体２６を休止位置に保持しようとしている。

近位側のハウジング部分１４の付加部１４は、ハウジング１０の内部から出発する、軸方向の、すなわち中心軸線Ｚに対して同心的な孔４８を有している。孔４８内には半径方向で見て、アナログセンサ５０と、アナログセンサ５０に対して直径方向で対向する、測定ビームのためのエミッタ５２とが突入している。図示の例では、エミッタ５２は、センサ５０、例えば位置検出素子ＰＳＤ（英語position sensitive detector）と一緒に、アナログ出力信号を含む小型光バリアを形成する。このようなＰＳＤ構造エレメントは、生成された光電流の横方向分割効果を利用する。ＰＳＤは、シリコンＰＩＮダイオード技術に基づいた構造エレメントであって、衝突光信号の積分重心位置の測定を可能にする構造エレメントを意味する。ＰＳＤは、例えばＰＳＤに結像された光スポットのエネルギーを、このようなスポットの重心の位置に相当する連続する電気的信号に変換する。１つの方向の位置は２つの出力電流の比から得られる。しかし他のセンサ装置を使用することもできる。

フィーラヘッド４０、ひいてはフィーラピン収容部３６の休止位置からのいかなる変位も、伝達部材５４によってセンサ５０に伝えられる。伝達部材５４は、細長い真っ直ぐな撓みバーであり、好ましくは直径０．５〜１．２ｍｍの円形横断面を有する引き抜きばね鋼線材から成っている。これにより測定ビームは休止位置とは異なり、図２に示されているように多かれ少なかれ遮断される。このことは、詳しくは図示していない電子装置内で解析される。粗さ測定挿入体Ｍにとってはとりわけ直径０．８ｍｍのばね鋼線材が適切であることが判っている。しかし特に小さな粗さ測定挿入体Ｍの場合には、著しく小さな直径、例えば０．２ｍｍの直径のばね鋼線材も考えられる。

伝達部材５４は休止位置では粗さ測定挿入体Ｍの中心軸線Ｚに沿って直線状に延びている。伝達部材５４の遠位端部５６は、フィーラピン収容部３６の中心に固定されている。伝達部材５４は近位端部５８の近くでは、案内ブシュ６０内で案内されている。案内ブシュ６０は伝達部材５４の材料、すなわち引き抜きばね鋼線材とは異なり、低摩擦材料、例えばポリアミド又は焼結ブロンズから成っていてよい。しかしながら、案内ブシュ６０が、研削された孔を備えた市販の硬化孔ブシュである別の実施態様が特に適切であることが判っている。この場合、伝達部材５４はその近位端部５８と境を接する区分において、最小摩擦材料で被覆されている。

休止位置では、伝達部材５４の近位端部５８は案内ブシュ６０の近位端部を超えて突出しており、エミッタ５２からセンサ５０に向かって送出される光ビームの中心にまで達する。

伝達部材５４はここではばね鋼線材であり、撓みのために利用可能なその長さは、案内ブシュ６０の遠位端部、つまり図面では下端部と、支持体２６の近位端面、つまり上端面との間隔と一致する。ばね鋼線材の代わりに剛性ピンを使用することもできる。剛性ピンは揺動式に支承されている。

遠位側のハウジング部分１６に形成された環状の支持支承体２０と、支持体２６に形成された環状の対応支承体２８とは、１変形例ではそれぞれ１つの平らな歯列によって形成されている。これにより、支持体２６はその休止位置において、また支持体によって支持されたフィーラヘッド４０のあらゆる半径方向の変位時に、支持体の長手方向軸線Ｔを中心として回転するのが阻止される。互いに協働する両歯列のうちの一方は１変形例では円弧状に丸く面取りされている。これにより歯列は支持体２６の傾倒時に互いに転動する。

図１に示されたピン状の構成部分であるフィーラピンは、ロッド状のシャフト又はピン３８と、ピン３８に取り付けられたフィーラヘッド４０とを有している．ロッド状のシャフト３８はこの変形例では硬質金属から製作されている。ロッド状のシャフト３８とフィーラヘッド４０とに対して異なる材料を使用することももちろん可能である。フィーラヘッド４０は二重円錐形態を有しており、ロッド状のシャフト３８に接着されたルビー又はダイヤモンドから製作することができる。フィーラヘッド４０は例えば合成単結晶ルビーから成るＡｌ₂Ｏ₃ルビー二重円錐、プレス硬質のＳｉ₃Ｎ₄から成る窒化ケイ素二重円錐、焼結ＺｒＯ₂から成る酸化ジルコニウム二重円錐、白色アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃焼結セラミックから成るアルミニウム中空二重円錐、炭化タングステンから成る二重円錐、又は他の硬質材料から成る二重円錐であってよい。

二重円錐形のフィーラヘッド４０は一体であるが、しかしフィーラヘッド４０の両端部の小さな半径Ｒ４と、フィーラヘッド４０の赤道の最大半径Ｒ２とを有する２つの対称的な円錐台として形成されていると考えることができる。図１のピン状構成部分はほぼ対称的であるので、フィーラヘッド４０の近位区分ＰＰの小さな半径Ｒ４は、フィーラヘッド４０の遠位区分ＤＰの小さな半径Ｒ４と同一である。二重円錐形のフィーラヘッド４０の両上面は互いに平行に配向されているので、フィーラヘッド４０は概ね樽形状又はディスク形状を有している。図１のピン状構成部分の場合、フィーラヘッド４０の赤道の半径Ｒ２に対する小さな半径Ｒ４の比は０．５〜１である。赤道の領域内では、環状エッジが半径Ｒ３で丸く面取りされている。

図１に示されたピン状構成部分の場合、二重円錐形のフィーラヘッド４０の円錐角ＫＷはほぼ５５°である。

フィーラヘッド４０は一般に、非対称的な二重円錐形態を有することもできる。これは赤道（すなわち、フィーラヘッド４０の最大の直径又は半径の区分）が二重円錐の真ん中には位置しないことを意味する。

ここに提示された粗さ測定挿入体の測定力は通常、従来のプロフィロメータ（Tastschnittgeraet）よりも高い。ワークピース表面上の荷重を許容し得る範囲内に維持するために、丸い先端を備えた通常の試験円錐の代わりに、ディスク形の試験体を使用する。期待されるべき表面粗さ、送り、工具のジオメトリ、ワークピースのジオメトリ、及び材料剛性に応じて、測定作業に最適な試験体ジオメトリが確定されている。

このために、平らな鋼表面に対するヘルツ応力ｐＨについて考察する。標準的なプロフィロメータHOMMEL-ETAMICにおいて、先端Ｒ５μｍ、圧着力Ｆ＝１．６ｍＮで、ヘルツ応力ｐＨ＝６８００ＭＰａ、及び圧力楕円（Druckellipse）０．３μｍ × ０．３μｍが生じる。

これに対して、赤道における最大直径φ３ｍｍ、エッジ半径Ｒ＝１０μｍ、圧着力Ｆ＝０．３６Ｎのディスクを備えた、ここに提示された粗さ測定挿入体の配置は、ヘルツ応力ｐＨ＝７８４０ＭＰａ、及び圧力楕円（Druckellipse）１．０μｍ × ２３μｍを提供する。

ここに提示された粗さ測定挿入体のさらなる例は、
ディスクφ３−Ｒ＝２０μｍ、Ｆ＝０．３６Ｎ： ｐＨ＝５６７０ＭＰａ、圧力楕円：１．４μｍ × ２２μｍ、
ディスクφ３−Ｒ＝４０μｍ、Ｆ＝０．３６Ｎ： ｐＨ＝４１１０ＭＰａ、圧力楕円：２．０μｍ × ２１μｍ
である。

送り方向Ｖは、ここに提示された粗さ測定挿入体の場合、概ね最大半径の軸線方向にある。最大半径の接線方向は例において、ワークピースの溝方向に対して平行に向けられている。このような配置の場合、試験体又はフィーラヘッド４０の周囲線は加工溝（例えば図４参照）の谷に達することができる。

図３は、ワークピースＯの孔内の粗さを測定するために多方向粗さ測定挿入体Ｍをどのように使用するかを示している。

図４は、ワークピースＯの表面の粗さを測定するために多方向粗さ測定挿入体Ｍをどのように使用するかを示している。

図５に示された変形例の多方向粗さ測定挿入体Ｍの場合、ロッド状のシャフト３８は結合エレメントによって、約２５°屈曲した状態で伝達部材と結合されている。ワークピースの表面にこのような配置では到達できない場合には、シャフトを約９０°だけ屈曲させることもできる（図５ａ参照）。

図６〜１０は、種々異なる形態及び寸法を有するフィーラヘッド４０の変形例を示している。

図３〜９では、試験体の接触個所は、最大直径の領域内の半径が０．４ｍｍ〜約３ｍｍであり、エッジ半径が約５μｍ〜５０μｍであり、またそれぞれの円錐角が約３０°〜約１３０°である、二重円錐形態又は二重円錐台形態を有している。

特に図１０が示す配置の場合、フィーラヘッド４０はロッド状シャフト３８の軸線方向延長部で形成されている。ここでも、送り方向Ｖは最大半径に対して垂直である。

１変形例では、両円錐角は約９０°であり、最大直径領域内の半径は約１．５ｍｍであり、エッジ半径は約４０μｍである。別の変形例では、両円錐角は約１２０°であり、最大直径領域内の半径は約１．１ｍｍであり、エッジ半径は約１０μｍである。さらなる変形例では、両円錐角は約６０°であり、最大直径領域内の半径は約１．５ｍｍであり、エッジ半径は約２０μｍである。

図面において、送り方向はそれぞれ１つの方向に与えられている。しかしながら、粗さ測定のために、ここに提示された粗さ測定挿入体を反対方向に動かすこともできる。

図１１には、粗さ測定挿入体のさらなる変形例が示されている。測定機構は、軸線Ａに沿ってのみ粗さ測定のために使用し得るように改変され単純化されている。

このような粗さ測定挿入体はハウジング１００を有している。ハウジングからは、一方向に変位可能なアナログ測定モジュール１２０を備えた細長いセンサ収容部１１０が突出している。ハウジング１００内には、測定モジュールによって検出された、ワークピースの表面の粗さを特徴付ける測定信号のために、解析電子装置１３０を備えた処理ユニットが収納されている。さらに、ハウジング１００内には、検出された粗さデータをＣＮＣ−制御装置、又はＣＮＣ制御装置に前置されたインターフェイスへデータ伝送するための無線赤外線モジュール又はラジオモジュール１４０が設けられている。

１方向に変位可能なアナログ測定モジュール１２０は、旋回アーム１２２を有している。旋回アーム１２２は、ほぼ方形のばね板の形態を成すばねジョイント１２４を介して、ほぼプラス／マイナス０．１５〜０．３５、例えば０．２５ｍｍの旋回距離を有してシャフト内に収容されている。さらに、板ばねの形態を成すばねジョイント１２４は、旋回アームが側方に移動できないことを保証する。このために、ばね板の一方の側は２つのねじ１２５でセンサベースに固定されている。センサベースは細長いセンサ収容部１１０に固定されている。ばね板の他方の側は、２つのねじで旋回アーム１２２にねじ固定されている。旋回アーム１２２には、ピン１２６が配置されている。ピン１２６は光バリア１２８の測定ビーム内に突入し、旋回アームの変位の程度に応じて多かれ少なかれ測定ビームを遮断する。旋回アーム１２２の休止位置におけるピン１２６の基本位置はねじ１２７によって調整することができる。ねじ１２７は、細長いセンサ収容部１１０に対する、休止位置の旋回アーム１２２の角度位置を固定する。旋回アーム１２２の自由端部の領域内には、上記種類の、特に図１０のフィーラヘッド４０が位置している。しかし、粗さを測定するためにワークピースの表面と接触することができる他の変形例も可能である。このために、粗さ測定挿入体は工作機械のスピンドル内に挿入され、工作機械のＣＮＣ制御装置によって制御されてワークピースの表面全体にわたって移動させられる。このような粗さ測定挿入体は、工作機械のスピンドルに半径方向又は軸方向でフランジ結合することができる。

機械制御装置への粗さ測定値の出力の他に、ＣＮＣ制御装置に前置されたインターフェイス１５０は結果をグラフで表す。これはプロトコル及び解析のために利用することができる。従って、正常でないと評価されることになる表面をプロセスに密接した形で認識することができる。工作機械内の最初の締め付け状態で測定することにより、後加工が容易に可能である。こうして、表面粗さに起因するワークピースの廃棄を最低限まで低減することができる。

測定モジュールはこのような構成によって、約５０ｍＮの測定力を得ることができる。このことは小さなばね力及び小さな運動質量によって達成される。多方向測定機構と比べて測定力が小さいので、ヘルツ応力を過度に高くすることなしに、より小さな半径のフィーラヘッドを形成することもできる。これにより粗さ測定は少なくともほぼ規定通りになる。

粗さ測定のための第１のフィーラヘッド４０と、輪郭測定のための第２のフィーラヘッド４１とを備えたフィーラピンの第１変形例が図１２ａ〜１２ｃに、第２変形例が第１３ａ〜１３ｃに示されている。フィーラピンは円筒形のシャフト３８を有している。このシャフトの下端部には軸線方向に試験ヘッド４が配置されている。試験ヘッドは第１フィーラヘッド４０と第２フィーラヘッド４１とを有している。第１フィーラヘッド４０が形成されている領域を除いて、試験ヘッド４がシャフト３８と結合されている領域を除いて、試験ヘッド４はほぼ球形の形態を有している。図１２ａ及び１３ａはそれぞれのフィーラピンの第１フィーラヘッド４０を示す側面図である。この図では、第１フィーラヘッド４０が試験ヘッド４の左側に配置されている。これとは異なり、図１２ｂ及び１３ｂはそれぞれのフィーラピンの第１フィーラヘッド４１を示す正面図である。この図ではフィーラピンは図１２ａもしくは１３ａに示されたものに対して、シャフト３８の周りに約９０°の角度で右に向かって回転させられている。図１２ｃ及び１３ｃには、さらにそれぞれのフィーラピンが三次元的に示されている。

第１フィーラヘッド４０は、二重円錐台形態を有する第１試験体の１区分として形成されている。第１試験体は対称軸線に対して回転対称的である。対称軸線は円筒形のシャフトＴの長手方向軸線に対して平行に延びている。第１フィーラヘッド４０の接触個所は、第１試験体の最大半径領域内にあり、粗さ測定のための送り方向は接触個所に対して垂直？に規定されている。「シャフトの長手方向軸線内に」と言った方がよいのではないか？第２フィーラヘッド４１は、球形の第２試験体の１区分であり、この区分はシャフトＴの長手方向軸線に対して回転対称的であり、試験体４の球形区分に相当する。従って第２フィーラヘッド４１の接触個所は、試験体４の外套面に部分的に相当し、好ましくは、第１フィーラヘッドと対向する側に形成された領域から、試験ヘッド４の下側の遠位端部の領域まで延びている。
図１２ａ〜１２ｃには、フィーラピンの第１変形例が示されている。このような実施形態において第１試験体は回転軸線Ｒに対して回転対称的である。回転軸線ＲはシャフトＴの長手方向軸線に対して平行であるが、しかしこれに合致はしない。第１試験体の最大直径領域内の半径、すなわち第１フィーラヘッド４０の接触個所と回転軸線Ｒとの間隔は、第２試験体の半径と、シャフトの長手方向軸線Ｔ及び回転軸線Ｒの間隔との和にほぼ相当する。第１フィーラヘッド４０の領域内には、試験ヘッド４は円筒体の１区分を有している。この区分は回転軸線Ｔに対してやはり回転対称的であり、この区分では、外套面の真ん中に第１フィーラヘッド４０が形成されている。円筒体の半径は、第１試験体の最大直径領域内の半径よりも小さい。この領域内では、試験体４の形態は第１試験体と第２試験体との共通部分（Schnittmenge）に相当する。

図１３ａ〜１３ｃには、フィーラピンの第２変形例が示されている。第２変形例において、試験ヘッド４は第１フィーラヘッド４０の領域内に球欠区分を有しており、ひいては円形面を有している。この実施形態の場合、第１フィーラヘッド４０はロッド状のピンの軸線方向延長部に形成されている。ピンは試験ヘッド４の円形面の真ん中から突出し、円形面に対して直角に配置されている。
試験体４０のために切り欠かれた領域を除けば、図１２及び１３に示された球形の試験体４１は標準フィーラピンと同様に、種々異なるベクトル方向の接触のために使用することができる。

図１４ａ〜１４ｃは、粗さ測定のための第１フィーラヘッド４０と、輪郭測定のための第２フィーラヘッド４１とを備えた粗さ測定挿入体の変形例を示している。これらのフィーラヘッドは、１つのフィーラピンの異なる区分に配置されている。

図１４ａには、このような粗さ測定挿入体の第１実施形態が示されている。図示のものは、ハウジング１００を備えた粗さ測定挿入体である（「ハウジング」という概念は第７頁からの測定機構の説明の個所で既に用いられている。この概念はここでは該当しない。符号１００で示された部分は本来はシャフトの太くなった部分にすぎない）。ハウジングには軸線方向で円筒形のシャフトが配置されている。シャフトは、粗さ測定挿入体の遠位端部の方向に延びている。シャフトの遠位端部には、さらに円筒形の第１区分３８と、円筒形の第２区分３９とが配置されている。第１フィーラヘッド４０は円筒形の第１区分３８の遠位端部に形成されており、これに対して、第２フィーラヘッド４１は円筒形の第２区分３９の遠位端部に形成されている。図１４ａでは、円筒形の第２区分３９は、シャフトの軸線方向延長部として構成されている。円筒形の第２区分３９の手前の近位側では、円筒形の第１区分３８が円筒形の第２区分３９に対して直角に配置されている。第１フィーラヘッド４０は、円筒形の第１区分３８の軸線方向の延長部に形成されている。第１フィーラヘッド４０は、二重円錐台形態を備えた第１試験体の１区分である。この区分では、接触個所は最大半径領域内に位置する。粗さ測定のための送り方向は、第１試験体の最大半径に対して垂直に、もしくはシャフトに対して平行に規定されている。第２フィーラヘッド４１は、円筒形の第２区分３９が第２フィーラヘッド４１に結合されている領域を除いて、球形の第２試験体に相当する。この第２試験体の半径は円筒形の第２区分３９の半径よりも大きい。第２フィーラヘッド４１は円筒形の第２区分３９に対して回転対称的である。

図１４ｂ及び１４ｃに示された粗さ測定挿入体のさらなる実施形態と、図１４ａに示された前述の実施形態とは類似しており、また同様の構成部分は同一の符号で示されているので、前述の実施形態との相違点のみをさらに説明する。

図１４ｂに示された粗さ測定挿入体の１変形例の場合、第２フィーラヘッド４１の遠位端部が形成された第２区分３９も同様にシャフトに対して直角に設けられている。このような実施形態において、円筒形の第１区分３８と円筒形の第２区分３９とは、これらの長手方向軸線において合致するように、シャフトの互いに対向する側に配置されている。

図１４ｃに示された別の実施形態では、第２フィーラヘッド４１を備えた円筒形の第２区分３９はシャフトに対して直角に配置されており、これに対して、第１フィーラヘッド４０を備えた円筒形の第１区分３８はシャフトの軸線方向延長部に形成されている。第１フィーラヘッド４０は二重円錐台形態を有し、円筒形の第１区分３８に対して回転対称的である。接触個所は第１フィーラヘッド４０の最大半径領域内に位置している。従って、粗さ測定挿入体のための送り方向は、前述の実施形態に相応して、シャフトの長手方向軸線に対して平行に規定されている。

なお、本明細書には数値範囲及び数値が開示されたが、開示された値と、上記範囲内のそれぞれの数値下位範囲との間の全ての数値を、同様に開示されたものとして見なすことができる。さらに注目すべきなのは、本明細書中に記載されたピン状構成部分の種々の寸法間の比に対応する数値が示されてはいるものの、本明細書中に記載された種類のそれぞれの特定のピン状構成部分が、本明細書中に示された種々の寸法間のあらゆる比を必ずしも実現しなくてもよいことである。

Claims (20)

1. 表面の粗さに関して特徴的な測定量を測定するための多方向粗さ測定挿入体において、
   フィーラピンを収容するためにフィーラピン収容部が配置された支持体と、
   該支持体の運動をワークピースの表面の粗さに関して特徴的な測定信号に変換するアナログセンサと、
   ロッド状シャフトと、該ロッド状シャフトに取り付けられたフィーラヘッドとを有する、該支持体に結合されるべきフィーラピンと、を含み、
   該フィーラヘッドが、少なくとも該ロッド状シャフトの１区分に対してほぼ回転対称的な試験体の少なくとも１区分であり、或いは、
   該フィーラヘッドが、該ロッド状シャフトの少なくとも１区分の遠位端部に配置された、ほぼ回転対称的な試験体の少なくとも１区分であり、
   該試験体が二重円錐形態又は二重円錐台形態を有しており、該試験体の最大直径の領域が、ワークピースの被測定表面との接触個所として形成されており、
   該接触個所が２つの二重円錐外套面又は二重円錐台外套面によって形成されており、該接触個所が、該試験体の最大直径の領域内で丸く面取りされている、多方向粗さ測定挿入体。
2. 前記ロッド状シャフトが直線状延長部で伝達部材と直接的又は間接的に結合されており、或いは約０°〜約１００°で屈曲した状態で該伝達部材と結合されている、請求項１に記載の多方向粗さ測定挿入体。
3. 前記接触個所は、期待されるべき表面粗さ、前記ワークピース又は前記粗さ測定挿入体の送り方向で該ワークピース又は該粗さ測定挿入体が１回転当たり又は１行程当たり進められる距離、又は工具のジオメトリ、ワークピースのジオメトリ、及び材料剛性に応じて確定されている、請求項１又は２に記載の多方向粗さ測定挿入体。
4. 前記試験体の接触個所が二重円錐形態又は二重円錐台形態を有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多方向粗さ測定挿入体。
5. 前記試験体の接触個所が、最大直径の領域内で約１．５ｍｍ〜約５ｍｍ、又は０．４ｍｍ〜約３ｍｍの半径を有し、約３０°〜約１３０°のそれぞれの円錐角を有している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多方向粗さ測定挿入体。
6. 前記試験体の接触個所が該最大直径の領域内に約５μｍ〜約５０μｍのエッジ半径を有しており、該試験体の接触個所の曲率が一定の値を有しており、或いは該曲率が該試験体の接触個所の湾曲領域に沿って変化する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の多方向粗さ測定挿入体。
7. 前記試験体の接触個所が、より大きい半径の少なくともほぼ軸線方向に配向された送り方向を有している、請求項１〜６のいずれか１項に記載の多方向粗さ測定挿入体。
8. 前記測定信号から表面の粗さに関して特徴的な少なくとも１つの測定量を検出するために、前記アナログセンサに接続された処理ユニットを備えており、該処理ユニットは前記粗さ測定挿入体のハウジング内に配置されているか、又は該ハウジングから分離されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の多方向粗さ測定挿入体。
9. 前記フィーラピンが第２のフィーラヘッドを有しており、該第２のフィーラヘッドが、該フィーラピンの前記ロッド状シャフトの少なくとも１区分の遠位端部に配置された、ほぼ球形又は楕円体形の試験体の少なくとも１区分である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の多方向粗さ測定挿入体。
10. ロッド状シャフトと、該シャフトに取り付けられたフィーラヘッドとを有する、特に請求項１〜６のいずれか１項に記載の、粗さ測定挿入体内に挿入するためのフィーラピンにおいて、
    該フィーラヘッドが、少なくとも該ロッド状シャフトの１区分に対してほぼ回転対称的な試験体の少なくとも１区分であり、或いは、
    該フィーラヘッドが、該ロッド状シャフトの少なくとも１区分の遠位端部に配置された、ほぼ回転対称的な試験体の少なくとも１区分であり、
    該試験体が二重円錐形態又は二重円錐台形態を有しており、前記試験体の最大直径の領域が、ワークピースの被測定表面との接触個所として形成されており、
    該接触個所が２つの二重円錐外套面又は二重円錐台外套面によって形成されており、該接触個所が、該試験体の最大直径の領域内で丸く面取りされている、粗さ測定挿入体内に挿入するためのフィーラピン。
11. 前記試験体の接触個所が、最大直径の領域内で約１．５ｍｍ〜約５ｍｍ、又は０．４ｍｍ〜約３ｍｍの半径を有し、約３０°〜約１３０°のそれぞれの円錐角を有している、請求項１０に記載のフィーラピン。
12. 前記試験体の接触個所が該最大直径領域内に約５μｍ〜約５０μｍのエッジ半径を有しており、該試験体の接触個所の曲率が一定の値を有しており、或いは該曲率が該試験体の接触個所の湾曲領域に沿って変化する、請求項１０又は１１に記載のフィーラピン。
13. 前記フィーラピンがさらに第２のフィーラヘッドを有しており、該第２のフィーラヘッドが、該フィーラピンの前記ロッド状シャフトの少なくとも１区分の遠位端部に配置された、ほぼ球形又は楕円体形の試験体の少なくとも１区分である、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のフィーラピン。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の粗さ測定挿入体によって、
    ａ）前記フィーラヘッドが該フィーラヘッドの休止位置から予め決められた変位を成すように、被測定表面に該フィーラヘッドを接触させるステップと、
    ｂ）前記粗さ測定挿入体を被測定表面に対してさらに接近又は後退させることにより、試験荷重を調整し、該試験荷重の調整は該フィーラヘッドの形態、及び該ワークピースの被測定表面の形態に応じて行われるステップと、
    ｃ）動作モード「粗さ測定」をスイッチオンし、該動作モードで、続いて検出された測定信号を記録し且つ／又は処理するステップと、
    ｄ）所定の測定区間を所定の測定方向に沿って走行するステップと、
    ｅ）フィーラ先端の運動を、該表面の粗さに関して特徴的な測定信号に変換するステップと、
    ｆ）表面の粗さに関して特徴的な少なくとも１つの測定量を測定するために、該測定信号を解析するステップと、
    ｇ）少なくとも１つの測定された測定量を機械制御装置へ送信するステップとを用いながら、ワークピースの表面の粗さに関して特徴的な測定量を測定する粗さ測定方法。
15. 被測定表面にフィーラヘッドを接触させる前記ステップａ）が、前記粗さ測定挿入体を工作機械内でワークピースの被測定表面に対して接近させることによって行われる、請求項１４に記載の粗さ測定方法。
16. 所定の測定区間を所定の測定方向に沿って走行する前記ステップｄ）が、前記フィーラヘッドによって擦過されるべき経路距離を規定すること、又は前記フィーラヘッドが該測定区間を進む間の時間を規定することを含み、該所定の測定方向が、被測定表面に沿って任意に選択可能な方向を含む、請求項１４又は１５に記載の粗さ測定方法。
17. 測定信号を解析する前記ステップｆ）が、前記測定信号を記憶して互いに関連づけることにより、前記表面の粗さに関して特徴的な測定量、すなわち算術平均粗さ値、平均粗さ深さ、二乗平均平方根粗さ値、最大個別粗さ深さ、粗さ深さ、平均平滑化深さ、平均筋深さ、平均溝幅、波深さ、プロフィール深さ、のうちの少なくとも１つにすることを含む、請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の粗さ測定方法。
18. 前記ステップａ）〜前記ステップｇ）が工作機械内で実施され、前記粗さ測定挿入体は工具の代わりに該工作機械のスピンドル内で使用され、測定信号及び／又は測定量は該工作機械の機械制御装置に出力される、請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の粗さ測定方法。
19. 前記ステップａ）〜前記ステップｇ）が少なくとも１つの工具による加工ステップの後及び／又は前に、前記工作機械内で前記ワークピースに施される、請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の粗さ測定方法。
20. 前記粗さ測定挿入体が、所定の測定区間を所定の測定方向に沿って走行するステップｄ）で、前記試験体の接触個所が該試験体のより大きい半径の少なくともほぼ軸線方向に配向された送り方向を有するように配向されており、該より大きい半径の接線方向が、前記ワークピースの被測定溝方向に対して少なくともほぼ平行に向けられている、請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の粗さ測定方法。

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