JPH0854202A - 球体の形状測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 球体の形状を確実且つ精密に測定することが
できる球体の形状測定器を提供する。 【構成】 被測定物となる球体７が載置される球体受座
部２と、この球体受座部２に載置された球体７を球体把
持機構により把持し且つモータの回転により球体７を子
午線Ａまわりに回転させて位置決めする角度割り出し部
３と、球体７の子午線を含む面内での真円度データを接
触式変位計２６により測定し且つこの接触式変位計２６
の振幅に応じた信号を測定値出力部５に出力する真円度
データ測定部４と、を備えた構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば玉軸受に使用さ
れる鋼球等の形状を測定する際に用いて好適な球体の形
状測定器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、球体の形状を測定するには、例え
ば以下の（１）〜（５）に示すような方法が知られてい
る。 （１）被測定物となる球体のＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向に
おける真円度データを測定し、これらの測定値に基づい
て球体の形状をイメージングする。 （２）同一製造ロットの多数の球体に対して（１）の方
法を適用し、全データを真円度データの値と発生頻度と
で整理し、球体の形状をイメージングする（（株）東芝
・木下氏他，技術講演会資料，１９９１年）。 （３）被測定物となる球体を二つの回転軸を以て回転さ
せるとともに、一つの検出器によってこの球体の部分球
面を計測し、この計測結果を平面上の等高線（色，濃淡
表示）で三次元形状として表示する（精密工学会秋期大
会論文集２４９ページ，１９９２年）。 （４）凹球面レンズを使った光干渉法（ニュートンリン
グ）により等高線を表示する。 （５）円形グラフの経線・緯線を歪ませて三次元表示又
は平面展開表示する（機械学会論文集Ｃ，５７巻５３３
号２９７ページ，１９９１年）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
（１）〜（５）に示した各方法は、以下に述べるような
欠点を有している。すなわち、（１）は、ミクロ的には
表面に多数の凹凸を有する球体を、Ｘ方向，Ｙ方向，Ｚ
方向の三方向のみの真円度データで形状測定しているた
め、正確な立体のイメージングを行うことがかなり困難
である。（２）は、例えば真円度データの最大値を推定
する等のように、測定値を統計的に扱うことができる利
点はあるが、事実上（１）の方法を適用するため、上記
と同様に正確な立体のイメージングを行うことがかなり
困難である。（３）は、部分球面の計測結果に基づく平
面展開した等高線表示であるため、球体全体のイメージ
ングを行うことが困難である。（４）は、実際には球体
の部分球面しか測定できないため、上記と同様に球体全
体のイメージングを行うことが困難である。（５）で
は、二次元の円形グラフの経線・緯線を歪ませることに
より三次元表示するため、最大でも球体の半分しか表示
できず、仮に表裏二面のグラフがあったとしても球体全
体をイメージングするのは困難である。

【０００４】このように、従来の各方法では、球体の三
次元的な形状を一層高精度に測定するには限界がある一
方、これらの方法による測定データに基づいて人間が凹
凸を有する球体の形状をイメージすることは極めて困難
であった。本発明は、上記の欠点を克服し得るものであ
って、球体の形状を確実且つ精密に測定することができ
る球体の形状測定器を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の球体の形状測定
器は、被測定物となる球体に少なくとも３点以上接触し
当該球体を載置する球体載置手段と、この球体載置手段
に載置された前記球体をその中心を通る特定回転軸まわ
りに所定角度回転させて位置決めする割り出し手段と、
前記球体の前記特定回転軸を含む面内での真円度データ
を測定し且つこの測定結果を電気信号として出力する真
円度データ測定手段と、を備えたことを特徴としてい
る。なお、前記真円度データとは、前記特定回転軸を含
む面により決定される球体表面凹凸の実際の測定値をい
う。

【０００６】

【作用】本発明の球体の形状測定器によれば、先ず球体
載置手段に被測定物となる球体を載置する。そして、こ
の載置された状態にある球体において、当該球体の中心
を通る特定回転軸を決定し、割り出し手段によってこの
特定回転軸まわりに前記球体を所定角度回転させて位置
決めする。この操作を一回転，すなわち３６０°にわた
って行うとともに、真円度データ測定手段によって前記
球体の真円度データを測定し、この測定結果は、電気信
号として出力される。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。図１及び図２は、本発明に係る球体の形状
測定器１の一実施例を示す図であって、この形状測定器
１は、大別して球体載置手段としての球体受座部２と、
割り出し手段としての角度割り出し部３と、真円度デー
タ測定手段としての真円度データ測定部４及び測定値出
力部５と、から構成されている。

【０００８】球体受座部２は、この例では円柱体の一端
面側がすり鉢状にくり抜かれて構成され、他端面側が形
状測定器１本体の基台６上に固定されており、このくり
抜かれた載置部２ａに被測定物となる球体７が載置され
る。球体７は、載置されたときに球体受座部２の端部と
線接触をし、これによって定位置に支持される。なお、
球体受座部２は、球体７に少なくとも３点以上接触して
当該球体７を移動不能に載置できるものであれば、これ
以外の構成であっても構わない。

【０００９】この球体受座部２の上側には、真円度デー
タ測定部４が位置している。真円度データ測定部４は、
前記球体受座部２の真上側に固定された筒状をなす固定
部１１を有し、この固定部１１の外側にラジアル軸受１
２及びスラスト軸受１３を介して筒状をなす回転部１４
が嵌合されている。前記固定部１１の内部には図示しな
いシリンダが配設されていて、このシリンダのロッドに
はスプリング１５が外嵌し且つこのスプリング１５を介
して前記ロッドの先端に押圧治具１６が取り付けられて
おり、この押圧治具１６は、前記球体受座部２に向けて
臨むように固定部１１の下端から突出した状態となって
いる。なお、前記ラジアル軸受１２，スラスト軸受１３
は、玉軸受等の転がり軸受又はエア静圧軸受等の静圧軸
受が適宜選べる。

【００１０】また、回転部１４は、その内外周面を貫通
し且つ下面側に開口した溝１４ａが形成されていて、こ
の溝１４ａ内に検出部２１が配設されている。検出部２
１は、リニアガイド２２を介して前記溝１４ａの底面に
取り付けられた第一移動体２３と、この第一移動体２３
に同じくリニアガイド２４を介して取り付けられた第二
移動体２５と、この第二移動体２５に固定された接触式
変位計２６と、からなり、第一移動体２３は、リニアガ
イド２２により前記固定部１１に対して近づく側及び離
れる側に移動可能に案内され、第二移動体２５は、リニ
アガイド２４により上下方向，すなわち前記固定部１１
の中心軸と平行な方向に移動可能に案内されており、そ
れぞれ図示しない駆動手段（例えばモータと送りネジを
含んでなる）によって駆動、位置決めされる。また、接
触式変位計２６には、固定部１１の中心軸に向けて水平
に突出した触針２６ａが弾性的に具備される一方、増幅
器２７，Ａ／Ｄ変換器２８，ならびに球体の三次元モデ
ルを作成するレーザ加工機等の表示部２９からなる測定
値出力部５が接続されている。

【００１１】一方、角度割り出し部３は、図２（ａ），
（ｂ）に示すように、基台６に形成した孔６ａ内に配設
されたシリンダ３１に連結され上下方向に移動可能な支
柱３２に支持されており、この支柱３２には、筒状をな
すハウジング３３がその側面を以て固定されている。こ
のハウジング３３の一端には、モータ３４及びエンコー
ダ３５が取り付けられ、このモータ３４の回転軸３４ａ
はハウジング３３の内側に位置している。また、ハウジ
ング３３の内側には、軸受３５を介して回転軸３６が配
設され、この回転軸３６は、前記モータ３４の回転軸３
４ａにカップリング３７を介して連結されている。

【００１２】また、回転軸３６には、当該回転軸３６の
中心軸と直交する方向に延在する旋回アーム４１を介し
て球体把持機構３７が固定されている。球体把持機構３
７は、内部に図示しないアクチュエータを装備した本体
４２と、この本体４２から互いに平行な位置関係を以て
突出した把持部４３とを有し、把持部４３は、前記アク
チュエータの稼働に伴って互いに近づく側及び離れる側
に移動するとともに、対向する面のそれぞれは、滑らか
な円弧状に形成されている。

【００１３】次に、上記の構成からなる形状測定器１を
用いて、球体の形状を測定する例について説明する。先
ず、測定の準備段階では、角度割り出し部３を支持する
支柱３２が、シリンダ３１が退くことにより基台６内部
まで移動し、これにより角度割り出し部３は、図２に示
すような水平状態を保ちつつ基台６表面と接触する位置
まで下降している。一方、真円度データ測定部４におい
ては、固定部１１内部のシリンダが退いて押圧治具１６
を上側に移動させた状態となっている。

【００１４】そして、この状態にある形状測定器１の球
体受座部２に被測定物となる球体７を載置する。このと
き、球体受座部２と球体７とは、載置部２ａ上端におい
て線接触していることにより、球体７の中心は、前記固
定部１１の軸心，すなわち回転部１４の回転中心軸上に
位置することになる。このようにして球体７をセットし
た後、固定部１１内部のシリンダを進出させて押圧治具
１６を球体７に接触させ、且つスプリング１５の弾性に
より球体７を押圧する一方、検出部２１の第一移動体２
３及び第二移動体２５を適宜移動させて、前記球体７の
子午線Ａ上の当該球体７表面と、接触式変位計２６の触
針２６ａとが点接触するようにセットする。

【００１５】この後、回転部１４を図示しない駆動源に
より回転させることにより、接触式変位計２６の触針２
６ａを球体７表面に沿って一周させる。この際、球体７
表面の凹凸に対して、触針２６ａは適宜振幅して追従
し、確実に球体７表面に接触しつつ移動することにな
る。この触針２６ａは、移動と同時に球体７表面の凹凸
に基づいた変位を電気信号に変換して増幅器２７へと送
出し、この増幅器２７により増幅された信号は、Ａ／Ｄ
変換器２８を経てアナログ信号からディジタル信号へと
変換された後、表示部２９へと送出される。

【００１６】このようにして一回の真円度データを測定
し終えると、固定部１１内部のシリンダを退かせて押圧
治具１６及びスプリング１５の球体７への押圧を解除
し、第一移動体２３を固定部１１から離れる側へと移動
させる。そして、シリンダ３１を進出させて支柱３２を
基台６表面より上側へと突出させ、角度割り出し部３を
上昇させて、球体７を挟んで両側に把持部４３を位置さ
せる。さらに、本体４２内に装備したアクチュエータを
稼働させ、把持部４３を互いに近づく側へと移動させて
球体７を把持させた後、アクチュエータの稼働を停止す
る。この際、シリンダ３１の進退距離を増加させること
により、球体７を一旦球体受座部２から浮かせるように
してもよい。

【００１７】ここで、エンコーダ３５には、子午線Ａを
回転中心として球体７の所定角度（２π／ｎラジアン；
但しｎは分割数で適宜定める）での回転量が内蔵されて
いて、このエンコーダ３５からの指令に基づき、モータ
３４が回転する。モータ３４が回転すると、回転軸３４
ａに連結された回転軸３６が回転し、これによって旋回
アーム４１が旋回し、この旋回アーム４１の旋回に伴っ
て球体把持機構３７が球体７を所定角度回転させる。球
体７を回転させ終えると、（一旦球体７を球体受座部２
から浮かせた場合は下降させ、球体受座部２上へ戻して
から）再びアクチュエータを稼働させて把持部４３を互
いに離れる側へと移動させ、球体７の把持を解除する。
この後、角度割り出し部３は、シリンダ３１を退かせて
支柱３２を基台６内部へと移動させることにより、測定
前の位置まで一旦下降させる。

【００１８】この後は、再び上記と同様の手順で繰り返
し測定を行い、球体７を子午線Ａまわりにπラジアン回
転させ終えると、合計（ｎ／２）個の真円度データが表
示部２９に出力される。そこで、この表示部２９におい
ては、これらの真円度データを適切な割合で拡大し、作
成する球体７の三次元モデルの半径に加算した結果の図
形を算出する。さらに、これらの図形を基にそれぞれの
レーザ加工用のＮＣデータを作成し、これらをレーザ加
工機により薄板を図形形状に加工し、最初に設定した子
午線Ａに沿って２分割する。そして、これによって得ら
れたｎ個の略半月状の薄板を、球体７の測定位置と一致
するようにそれぞれ互いに接合する。

【００１９】このように、子午線Ａを含む平面により切
断した球体７の各断面は、真円からのずれ量，つまり真
円度データに基づき半月形に加工され、さらにこれらが
再び整列接合されて立体化し、三次元モデルとして表示
されることになる。したがって、球体７の立体的な形状
を明瞭且つ正確に把握することができ、三次元的な立体
形状が極めて分かりやすくなる。

【００２０】なお、本実施例で説明した真円度データ測
定部４は、例えば回転部１４を固定し、これに固定部１
１を回転可能に嵌合し、この回転可能とした固定部１１
に検出部２１を取り付けて構成してもよい。但し、この
場合は、押圧治具１６に対して球体７がつれまわりしな
いように、接触面を滑りやすくする等の考慮をする必要
がある。また、固定部１１，回転部１４及び検出部２１
を全て固定し、球体受座部２を回転させるようにしても
よい。さらに、接触式変位計２６以外に、光学式，静電
容量式，渦電流式，磁気式等の非接触型のものを用いて
もよい。

【００２１】また、角度割り出し部３の不要時の退避の
させ方は、例えば支柱３２を球体受座部２とは逆側に回
転させることにより退避させてもよいし、あるいは球体
受座部２を基台６に対して固定せず、基台６と角度割り
出し部３とを固定し、基台６全体を可動にするようにし
てもよい。また、旋回アーム４１を設けずに本体４２を
直接回転軸３６に固定し、球体７を図２とは直交する側
から把持するようにしてもよい。

【００２２】また、表示部２９における真円度データの
処理は、結果として三次元的な球体のイメージができれ
ば、他の方法にしたがってもよい。例えば、パーソナル
コンピュータ等のディスプレイやプリンタ，プロッタ等
の出力装置でも三次元表示が可能であるし、陰線処理や
見る方向を変える機能等，公知の方法と組み合わせても
よい。この場合は、上記実施例で真円度データからＮＣ
データを作成したのに替えて、三次元表示用データを作
成するようにするとよい。さらに、本実施例ではレーザ
加工機を備えたものとしたが、光造型システム（高速試
作及び製作機（Rapid Prototyping ＆Manufacturing ，
略称ＲＰ＆Ｍ）等を使用することもできる。これらに際
し、必要に応じ（ｎ／２）組の真円度データを基に作ら
れる立体の表面上の点の例えば直交座標上の位置座標を
求め、得られたデータ群を三次元表示又は三次元モデル
の作成に使用してもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の球体の形状測定器によれば、球体の全面にわたる形状
を確実且つ精密に測定することができ、これによって測
定された球体が実際に使用されたときの凹凸の影響を解
明したり、球体製造時の真円度データ誤差の発生要因の
解明を実現することができるといった効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例として示した形状測定器を示
す説明図である。

【図２】同形状測定器の角度割り出し部を示す図であ
り、同図（ａ）は側面図，同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ
線矢視図である。

【符号の説明】

１ 形状測定器 ２ 球体受座部 ３ 角度割り出し部 ４ 真円度データ測定部 ５ 測定値出力部 ７ 球体 Ａ 子午線（特定回転軸）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物となる球体に少なくとも３点以
   上接触し当該球体を載置する球体載置手段と、この球体
   載置手段に載置された前記球体をその中心を通る特定回
   転軸まわりに所定角度回転させて位置決めする割り出し
   手段と、前記球体の前記特定回転軸を含む面内での真円
   度データを測定し且つこの測定結果を電気信号として出
   力する真円度データ測定手段と、を備えたことを特徴と
   する球体の形状測定器。