JPH11183157A - 円周測定による被測定物直径計測装置並びに加工物の寸法管理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 円筒状被測定物の直径を同一断面の複数個所
で計測しその平均値を求めることなく被測定物の周長さ
を計測し、その数値から直径を演算により求める測定装
置の提供。 【解決手段】 テーブルの１回転が計測可能で且つ心出
し可能な円テーブルと、該テーブル上の被測定物に接し
て回転する一定の周長さＬｏの円板状測定子と、該測定
子の回転角θ°を計測する手段と、これらのテータから
Ｌｏ・（θ／３６０°）／πを演算させる手段とを設け
て円筒状被測定物の直径を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は加工物の自動直径測
定装置並びに加工物の寸法管理方法に関するものであ
り、更に詳しくは一定の周長を有する測定子を用いて被
測定物の円周に沿って計測した周長さと検出時の測定子
の回転角度とから演算により加工物の直径を算出して求
めるものでる。

【０００２】

【従来技術】従来、加工物の直径計測装置としては測定
器，マイクロメータ或いはエアマイクロや電気マイクロ
等を用いて基準ゲージ（ブロックゲージ）と比較するこ
とによって直接的に直径を計測する方法が使用されてい
る。これらの方法で計測したデータには、被測定物の真
円度の程度により測定誤差にばらつきを生ずるので、真
円度の悪い被測定物に対しては複数ポイントを測定して
平均径又は各測定ポイントでの最大・最小値から平均径
を求めて被測定物直径とする方式を採用している場合が
ある。このような従来型の測定方法では、測定物の真円
度形状に起因する測定誤差を含むため直径の直接測定を
数回計測し平均値径を求めて寸法管理を行うこととな
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術で述べた円形
状加工物の直径を直接計測する場合には、加工物の真円
度にもとづく測定誤差が含まれるので正確な寸法管理が
困難となる。また、測定装置で測定できる直径の範囲に
は制約があるため、被測定物の径の範囲が広いときは同
一測定ベッドでは測定できないという問題を有してい
る。また加工途中で被加工物を繰り返し位置を変えて計
測したり機外へ被加工物を搬出して計測する場合には、
機械の稼働率の低下につながり無視できない無駄時間と
なる。本発明は従来技術の有するこのような問題に鑑み
なされたものであり、その目的とするところは、加工物
の真円度形状による影響を受けないで被測定物直径を計
測する装置と本発明の測定方法に基づいて機内計測する
ことにより加工物の正確且つ安定した寸法管理を行う方
法を提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の被測定物直径計測装置は、円筒状被測定物の
直径を間接的に測定する計測装置であって、テーブルの
１回転が検出可能な円テーブルと該テーブル上に載置さ
れた被測定物に内接又は外接して回転し円周長さＬｏを
有する円板状測定子と、被測定物が一回転したときの該
測定子の回転角θ°を測定する計測手段と、前記円周長
さＬｏを予め記憶する記憶回路と、前記測定子の回転角
θ°と予め記憶回路に記憶された該測定子の円周長Ｌｏ
とからＬｏ・（θ／３６０°）／πを演算して前記測定
物の径を算出する演算回路とを含んでなり、被測定物の
直径を演算して求めるようになしたものである。本発明
の測定装置は被測定物に被測定子を近づけて各々の外周
を接触させ被測定物を１回転させて計測した測定子の回
転角から演算することにより被測定物の直径を求める測
定装置であり、測定を繰り返さないので寸法管理上の工
数が削減でき、円テーブルを有する数値制御工作機械の
機内計測にも適用できる。

【０００５】また、円筒状被測定物の直径を間接的に測
定する計測装置であって、１回転が計測可能に設けられ
た旋回アームと、該旋回アームに前記被測定物に内接又
は外接して回転し円周長さＬｏを有する円板状測定子と
前記回転アームが一回転したときの該測定子の回転角θ
°を測定する計測手段と、前記円周長さＬｏを予め記憶
する記憶回路と、前記測定子の回転角θ°と予め記憶回
路に記憶された該測定子の円周長さＬｏとからＬｏ・
（θ／３６０°）／πを演算して前記被測定物の径を算
出する演算回路とを含んでなり、被測定物の直径を演算
して求めるようにしたものである。本発明の測定装置
は、被測定物を心出し可能な爪に把持させ位置決め固定
した後測定子を接触させ被測定物の外周を１回転させて
計測して得た測定子の回転角から被測定物の直径を演算
して求める装置であり、測定回数を繰り返さないので寸
法管理上の工数が短縮化できる測定装置である。

【０００６】また、請求項１又は２記載の被測定物直径
計測装置を機内に設けた数値制御工作機械において、前
記直径計測装置で測定した前記回転子の回転角を演算し
て求めた加工物の直径のテータを前記加工物の加工デー
タに帰還して、加工物の寸法管理を行うようにしたもの
である。本発明の機内寸法管理方法を、円テーブルを有
する数値制御工作機械の機内で実施することにより加工
物の直径寸法の広い範囲で測定可能であり、直径測定に
要する時間の削減も可能となり工程管理上有効な方法と
なる。

【０００７】以下に本発明の実施の形態を図面にもとづ
いて説明する。図１において、本発明の被測定物直径測
定装置の主たる構成要素である円テーブル１と測定子２
を支えるアーム関連部材４，５，６はいずれもベース３
上に設けられている。ベース３上に設けられた円テーブ
ル１は、円筒状の被測定物７を旋回中心に位置決め可能
なチャック爪８と、円テーブル１を位置決めするサーボ
モータ９及び伝導機構を内部に有する円テーブル外筐１
１とから構成されている。測定子を支えるアーム関連部
材４，５，６は昇降アーム部４，旋回アーム部５，測定
子アーム部とからなっている。

【０００８】昇降アーム４は、ベース３上に固定された
下部支え１２に鉛直に嵌着されてコラム１３の外周に嵌
装され、コラム１３の外周にキー着されたガイドレール
１４により滑動可能に案内されている。そして昇降アー
ム４はコラム１３の上部支え１５と下部支え１２に支承
されアーム昇降モータ１７で駆動される送りねじ軸１６
によって上下動される。昇降アームの先端に、円テーブ
ルの回転中心軸上に旋回中心を有する旋回アーム５と旋
回用サーボモータ１８が同心上にあり、円テーブル１の
被測定物７が固定されている際に被測定物７に測定子２
を接触させたまま旋回アーム５を１回転させたとき旋回
アーム５の先端に軸受によって回転可能に設けられた旋
回アーム５の旋回中心と平行な軸を旋回中心軸とする測
定子アーム６が設けられている。この測定子アーム６は
旋回アーム５上に設けた測定子旋回用モータ１９によ
り、旋回中心軸が回転されることにより旋回される。

【０００９】測定子アーム６の先端に設けたタッチセン
サ機能を有する測定子２が円テーブル１上の被測定物７
に接触するまで測定子アーム６を旋回させ停止する。こ
こで測定子２のタッチセンサ機能とは図２で示す測定子
ローラ２２が被測定物７に接触したときに信号を発して
測定ローラの移動を停止させることができるセンサとし
ての機能をいう。被測定物７の形状により測定子アーム
の長さとの関係で測定子アーム６の旋回中心，測定子ロ
ーラ２２と被測定物の接触点及び被測定物中心の３点が
形成する角度が９０°近傍で使用するのが加圧力の点か
ら望ましいので測定子アーム６のアーム長さを選定する
のが望ましい。

【００１０】次に測定子２が被測定物７に接触した状態
で、旋回アーム５を静止させて円テーブル１が３６０°
回転する場合又は円テーブル１を静止させて旋回アーム
５が３６０°回転する場合の測定子２の回転角が測定可
能に測定子アーム６には回転角検出用サーボモータ２１
が設けられている。測定した測定子２の回転角データθ
は図３に示す演算回路２５に入力され、測定子２の周長
さが予めマニュアル又はテープ等で入力されている記憶
回路２４のテータＬｏとでが演算回路２４で演算され円
筒状被測定物の直径データが出力される。

【００１１】被測定物７に接して回転し、回転角を検出
する測定子２は、被測定物７の内周又は外周に接するの
でそれぞれの場合に応じ測定子ローラ２２の直径を選定
する。測定子ローラ２２を測定子アーム６の旋回により
被測定物７に接触させるための測定子アーム旋回用サー
ボモータは接触圧を繰り返し計測において等しくするた
め若しくは再度の測定に際して接触圧条件を同一にする
ために位置決め可能な機能を備えている。

【００１２】図２（ａ）に示すように測定子２のローラ
部分の構成を金属体からなる測定子ローラ２２と滑りを
防止する弾性体ローラ２２とすることも可能で該測定子
が被測定物に接するときはまず弾性体ローラ２２部分が
接触し測定子の押さえ力が一定レベルに達したとき弾性
体が変形して金属体ローラ２２が被測定物に接触する程
度に微小な段差をもうけて測定子と被測定物間の滑りを
生じないようにしている。測定子の有する前述のタッチ
センサ機能は、弾性体ローラ２２が加圧されて変形後金
属体ローラ２３が被測定物７に接触しない時に機能させ
るよう測定子アーム旋回用サーボモータ１９で測定子２
を位置決めできる。

【００１３】次に本発明の実施例の作用について説明す
る。説明に先立ち本発明の間接測定を行う理由と測定子
の滑りについて説明する。そこで本発明の内周長から演
算して間接的に求めた直径が従来の直接測定値を平均し
て求めた直径に替えて使用できることを次に説明する。

【００１４】真円度は、被測定物の円形部分を二つの同
心の幾何学的円で挟んだとき、両円の間隔が最小となる
場合の半径の差で示すものである。いま真円度が０．０
０５であるときは前記二つの幾何学的円の直径差が０．
０１であることを意味している。例えば加工物直径の指
令寸法が１００ｍｍであるとき要求される加工物の仕上
がり直径寸法は１００±０．０１であり、９９．９９≦
仕上げ加工物寸法≦１００．０１を意味する。

【００１５】この真円度を満足する精度内に加工されて
いると仮定した加工物の外周長さの理論値は最小径９
９．９９のときの周長さは９９．９９π＝３１４．１２
７５８（πは３．１４１５９とする）、最大径１００．
０１のときの周長さは１００．０１π＝３１４．１９０
４１、周長さの差は約０．０６であり円周長さを測定し
て検出可能な範囲である。

【００１６】次に加工物が示す一般的な形状として短軸
ｂ＝９９．９９／２，長軸ａ＝１００．０１／２の楕円
形状であると仮定した場合の外周長さは第２種楕円積分
の公式を用いて計算すると次の数式（岩波書店刊・数学
公式１五章１４４頁）になる。

【数１】

【００１７】この周長さから直径を求める直径は９９．
９９９となる。これは前記真円度０．００５であるとき
の最小径９９．９９、最大径１００．０１の範囲内に含
まれることがわかる。従って円形状被測定物の周長さを
１回計測し演算により求めた直径を当該測定物の直径と
して表示することが可能であることがわかる。

【００１８】次に本発明においては測定子を被測定物の
円周に接触させて測定子の回転角を検出している。測定
子と被測定物間の接触における滑りは測定精度を低下さ
せる原因である。図２（ｂ）において測定子を被測定物
に押し付けた状態での滑りの有無は、測定子の押し付け
力Ｆと測定子・被測定物間の摩擦係数μ測定子を回転さ
せるための回転力Ｆ₁ 等の相互関係により決まってく
る。

【００１９】滑りが生じない条件は次のとおりである。
測定子の負荷トルクＴ₁ は被測定物が付加可能な回転駆
動トルクのＴ、滑りが発生しないためにはＴ＞Ｔ₁ であ
ることが必要である。しかしＴは測定子を被測定物に押
し付けたとき生ずる力でありＴ＝μＦＲの関係がある。
押しつけ力Ｆが一定の限度を超えると接触面で変形が生
じるので制限される。μ値は材料によって異なるが鉄系
の被加工物の計測時には測定子ローラ２２を帯磁させる
ことも考えられる。

【００２０】測定子の負荷トルクＴ₁ ＝ｒ×Ｆ₁ で表さ
れ、Ｔ₁ は測定子と回転角検出系の負荷トルクである。
これは極力小なる方が滑りを生じない。滑りが生じない
条件は、μ・Ｆ・Ｒ＞Ｆ₁ ・ｒであり、測定子の押し付
け力Ｆについて、Ｆ＞（１／μ）・（ｒ／Ｒ）・Ｆ₁ な
る関係を満たすようμ，ｒ，Ｒ，Ｆ₁ を選定する必要が
ある。今μ＝０．１、ｒ／Ｒ＝０．５〜０．１に選ぶと
き測定子の回転力のＦ＞（１〜５）Ｆ₁ の関係から測定
子を回転力の３〜５倍の押し付け力があれば滑りを生ず
ることなく測定が可能であることを示している。

【００２１】次に具体的な本発明における測定子の回転
角の測定について２通りの測定手順を説明する。予め昇
降アーム４を上昇させ、続いて測定子２が被測定物７に
干渉しない程度に測定子２を円テーブル中心から離した
位置に旋回用モータ１９で移動させる。被測定物７を円
テーブル１上のチャックの爪８に載せ爪を閉じて位置決
めを行う。第１の手順はアーム昇降モータ１７を作用さ
せて測定子２が測定しようとする被測定物７の高さに達
するまで昇降アーム４を降下させる。

【００２２】続いて測定子アーム６を被測定物７に接す
る方向に旋回させる。第１の手順はまず被測定物を円テ
ーブル１上で１回転させて計測する場合である。測定子
２が被測定物７に測定子アーム旋回用のサーボモータ１
９で駆動されて接触しタッチセンサが作用した時点で測
定子アーム６と旋回用アーム５のサーボモータ１８，１
９の回転を停止して固定し円テーブル１の原点と測定子
２の回転角原点を零復帰させる。その後で円テーブル１
を３６０°回転させたときの測定子２の回転角θを計測
し演算回路２５に入力し予め記憶回路２４に入力した測
定子２の円周長さＬｏとからＬｏ・（θ°／３６０°）
／πを演算させ被測定物７の直径を求めるものである。

【００２３】第２の手順は、旋回アーム５を１回転させ
て測定子２を被測定物７の外周に接して回転させ被測定
物の周長さを計測する場合である。測定子２が被測定物
７に接して前述と同様にサーボモータ１９で駆動し測定
子２のタッチセンサが作用した時点で測定子アーム６と
円テーブル１のサーボモータ１９，９の回転を停止し固
定し、旋回用アーム５のサーボモータ１８原点と測定子
２のサーボモータ２１の回転角原点を零復帰させる。そ
の後に旋回アーム５を３６０°回転させたときの測定子
２の回転角θを計測し演算回路２５に入力し予め記憶回
路２４に入力した測定子２の円周長さＬｏとからＬｏ・
（θ°／３６０°）／πを演算させ被測定物７の直径を
求めるものである。

【００２４】次に前述の２種類の測定装置による直径測
定の方法を機内加工物の寸法管理に使用する場合につい
て説明する。円筒形状の加工をする数値制御工作機械に
おいて、例えばマシニングセンタや旋盤においては円筒
状加工物を機内計測により計測時間を短縮すること、又
計測数値を制御系に帰還して加工をすることは作業能率
の向上や精度管理上にも効果が認められている。請求項
１又は請求項２記載の計測を行う構成要素のすべてを機
内に設けて計測を行う場合と、数値制御工作機械の構成
要素又は周辺装置である円テーブルや自動工具交換装置
を使用して機内計測を行う場合が考えられる。

【００２５】ここでは最も適用が容易の請求項１の場合
について周辺機器を使用する場合の実施例を説明する。
位置決め可能な円テーブルを有する数値制御工作機械に
あっては円テーブル上で被加工物の１回転検出が可能で
あり測定子と回転角検出用サーボモータを一体化してユ
ニット化し工具と同一の形態で加工の過程で主軸に嵌着
し、被測定物に接触させる位置に移動させ円テーブル上
の加工物に測定ローラを接触させて加工物を１回転させ
その時の測定子の回転角を計測することにより被測定物
の直径を演算させるものである。本発明に係る円周測定
による直径計測を機内計測に採用することにより計測器
の種類を少なくして効率的な工程管理が可能となる。

【００２６】

【発明の効果】本発明の円周測定による被測定物直径測
定装置と加工物の寸法管理方法は以下に記載する効果を
奏する。請求項１，２は、測定物の断面において複数個
測定することなく平均値に近い直径を一回の測定で求め
ることができ、本測定装置によれば同一測定ヘッドで幅
広い測定物の測定が可能となる。請求項３は、機内計測
に取り入れることにより効率的な被加工物の寸法管理が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の円筒状被測定仏の直径計測装置を示す
説明図である。

【図２】（ａ）は測定子と被測定物間の滑りを防止する
ための測定子側の表面形状を示す説明図、（ｂ）は測定
子と被測定物間の滑りを生じさせないために測定子に加
える押し付け力Ｆに関する説明図である。

【図３】本発明の測定子の回転角θから直径を演算する
ブロック線図である。

【符号の説明】

１ 円テーブル ２ 測定子 ５ 旋回アーム ６ 測定子アーム ７ 被測定物 ９ 円テーブル用サーボモータ １８ 旋回アーム用サーボモータ １９ 測定子アーム旋回用サーボモータ ２１ 測定子回転角検出用サーボモータ ２４ 記憶回路 ２５ 演算回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状被測定物の直径を間接的に測定す
   る計測装置であって、テーブルの１回転が検出可能な円
   テーブルと該テーブル上に載置された被測定物に内接又
   は外接して回転し円周長さＬｏを有する円板状測定子
   と、被測定物が一回転したときの該測定子の回転角θ°
   を測定する計測手段と、前記円周長さＬｏを予め記憶す
   る記憶回路と、前記測定子の回転角θ°と予め記憶回路
   に記憶された該測定子の円周長ＬｏとからＬｏ・（θ／
   ３６０°）／πを演算して前記測定物の径を算出する演
   算回路とを含んでなり、被測定物の直径を演算して求め
   ることを特徴とする円周測定による被測定物直径計測装
   置。
2. 【請求項２】 円筒状被測定物の直径を間接的に測定す
   る計測装置であって、１回転が計測可能に設けられた旋
   回アームと、該旋回アームに前記被測定物に内接又は外
   接して回転し円周長さＬｏを有する円板状測定子と前記
   回転アームが一回転したときの該測定子の回転角θ°を
   測定する計測手段と、前記円周長さＬｏを予め記憶する
   記憶回路と、前記測定子の回転角θ°と予め記憶回路に
   記憶された該測定子の円周長さＬｏとからＬｏ・（θ／
   ３６０°）／πを演算して前記被測定物の径を算出する
   演算回路とを含んでなり、被測定物の直径を演算して求
   めることを特徴とする被測定物直径計測装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の被測定物直径計測
   装置を機内に設けた数値制御工作機械において、前記直
   径計測装置で演算して求めた加工物の直径のデータによ
   り加工物の寸法管理を行うことを特徴とする加工物の寸
   法管理方法。