JPS6055003B2 - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はモデルの三次元形状を測定する三次元形状測
定装置で、特に静圧気体軸受及びエアセンサーを用いる
ことにより、測定精度の向上と、気体軸受及びエアセン
サーの有する一次遅れ特性を利用して耐振動特性の改善
を図つた新しい三次元形状測定装置に関するものである
。

機械部品の製造に於いては、近年生産性の向上と材料の
有効利用の立場から金型を用いた成形加工法が従来の機
械加工に代つて部品製造の広い分野で再認識され、プラ
スチック製品等のみならず、粉末治金成形法と云つた新
しい利用法まで実用に供されて来ている。

そしてこの種加工法の母型となる金型の製作については
これまで主として倣いフライス盤等の倣い工作機械が使
用されている。最近では数値制御工作機械がかなり普及
してきてはいるが、まだまだ倣い工作機械を必要とされ
ているのが現状である。これは金型の形状が意匠的なデ
ザイン等に基づいているがため複雑であり、三次元自由
曲面で構成される部分が多く、幾何学的に単純な面の仕
上に用いられている従来の加工法をそのまま適用するこ
とが困難であること、またたとえ数値制御工作機械で加
工するにしても、加工形状の情報となる数値制御テープ
の作成に膨大な費用と時間を要すること等技術的、経済
的な面で実用的でないためである。″ ところで上記倣
い工作機械に於ける倣い加工の原理を倣いフライス盤を
例に第１図に於いて説明すると、送り螺子２により左右
方向に移動可能に構成されたテーブル１上に金型のモデ
ル３と被加工物４を載置し、送り螺子５により上下方向
に移；動可能に構成された主軸頭６の下部に工具７を取
り付け、更に主軸頭６にトレーサアーム８を介してトレ
ーサヘッド９を設け、主軸頭６とトレーサヘッド９とを
同じ動作を行なわせる様になし、トレーサヘッド９に設
けたスタイラス１０をモデル３の表面に沿わせて、これ
によりモデル３の三次元形状を判別し、これを制御装置
１１に送り、サーボモータ１２，１３を制御し、スタイ
ラス１０と同じ動作を工具７に与えて被加工物４上にモ
デル３と同じ形状を再現させるのである。

尚、制御装置１１では倣い加工に必要な次の基本的条件
、つまり（イ）如何なる傾斜角も倣い得るためにスタイ
ラス１０がモデル３上の点で接線方向の送りがかかるこ
と、（口）如何なる形状でも接線方向の送り速度とスタ
イラス１０の変位置が一定であることを満足させるため
に各Ｘ，Ｙ，Ｚの三軸方向の演算処理が施され、サーボ
モータ１２，１３の制御がなされる。この様な倣い加工
に於いては、モデル３の三次元形状を判別するトレーサ
ヘッド９の検出精度が倣い加工精度に大きく影響を与え
る。

このトレーサヘッド９は従来は第２図及び第３図イ，口
に示す様にスタイラス１０をバネもしくはダイヤフラム
等の弾性体１４でＸ，Ｙ，Ｚの三軸方向に均一に支持し
、スタイラス１０のＸ，Ｙ，Ｚの三軸方向の変位を夫々
３組の変位検出差動トランス１５ａ，１５ｂ，１５ｃに
て独立に検出する様になし、スタイラス１０をモデル３
の表面に接触させた時に生じるスタイラス１０の三次元
変位を夫々変位検出差動トランス１５ａ，１５ｂ，１５
ｃで検出し、これらの各出力電圧を制御装置１１に送り
、ここで変位置を求め、サーボモータ１２，１，３を駆
動させていた。ところが、通常、スタイラス１０とモデ
ル３の触圧を低くして検出精度を向上させるために極め
て弱い弾性のバネやダイヤフラム等の弾性体１４で支持
させているため、倣い加工時の切削過程で生じる振動や
工作機械内部の＝歯車等の噛合振動等に影響されてスタ
イラス１０の検出精度が劣化し、そのため倣い加工精度
が低下すると云つた欠点があつた。又、スタイラス１０
の動的応答はスタイラス１０の質量と弾性体１４とから
成る振動系を構成し、第４図点線で示す・様に外部の励
起周波数が所定周波数Ｆ。になると共振を生じ、正確な
変位検出が不能となり、その結果、サーボ系にハンチン
グと云つた不安定状態を生じ、倣い加工精度が著しく劣
化すると云つた欠点があつた。又、共振を防止するため
にオイルダンパ等の減衰要素を用いたものがあるが、構
造が複雑となり、必ずしも完全に問題が解決されている
とは云い難い。しかも、第２図に見られる様にスタイラ
ス１０はボールスライドベアリング１６を介してＺ方向
に摺動自在にして、変位検出差動トランス１５ｃ′Ｃ′
Ｚ方向変位を検出する構造となつているが、この部分に
も機械的接触状態が存在し、このためスタイラス１０の
Ｚ方向戻り誤差が）検出精度の低下につながると云つた
欠点もあつた。この発明は上記従来の欠点に鑑み、これ
を改良除去したもので、スタイラスをテーパ形静圧気体
軸受により無接触状態で保持させ、外部振動の影・響を
防止すると共に、機械的接触による戻り誤差を無くし、
更にエアセンサーを用いることにより構造を簡略化した
三次元形状測定装置を提供せんとするものである。

以下この発明の構成を図面に示す実施例に従つて説明す
ると次の通りである。

第５図及び第６図に於いて、２１は検出器本体で、内周
下端部にテーパ形静圧気体軸受２２を装設してあると共
に内周上端部に補助静圧気体軸受２３を装設し、上記テ
ーパ形静圧気体軸受２２及び補助静圧気体軸受２３を介
してスタイラス２４を無接触状態て保持させている。

即ち、検出器本体２１に開口してある圧縮空気供給口２
５及び２６よりテーパ形静圧気体軸受２２及び補助静圧
気体軸受２３に一定圧の空気を供給し、静圧気体軸受２
２及び２３の円周等配置に複数個設けてある空気流出路
２７及び２８より流出する空気の圧力によりスタイラス
２４は検出器本体２１に無接触状態に保持される。上記
スタイラス２４の上端には該スタイラス２４の下端に装
設してある接触球２９がモデル３０に接触して変位を生
じるとその変位に対応した量だけ変位する検出球３１が
固設してある。この検出球３１を同芯上に内装してガイ
ドフランジ３２が固設してあり、該ガイドフランジ３２
にスライド軸受３３及び３４を介してＸ軸方向及びＹ軸
方向に摺動自在な移動子３５及び３６が直交状に設けて
あると共に、前記ｘ軸方向及びＹ軸方向に摺動自在な移
動子３５及び３６に対向してスライド軸受３７及び３８
を介して摺動自在に移動子３９及び４０が直交状に設け
てある。又、ガイドフランジ３２上に固設してあるブラ
ケット４１にはスライド軸受４２を介してｚ軸方向に摺
動自在な移動子４３が設けてある。上記移動子３５及び
３６を検出球３１との間に間在させて該移動子３５及び
３６のＸ軸方向及びＹ軸方向の変位を検出する様に動圧
変位検出型エアセンサー４４及び４５を設けてあると共
に、上記移動子３９及び４０を検出球３１との間に間在
させて検出球３１に求芯性をもたせる様にバランス用エ
アセンサー４６及び４７を設けてあり、更に移動子４３
を検出球３１との間に間在させて該移動子４３のＺ軸方
向の変位を検出する様に動圧変位検出型エアセンサー４
８を設けてあり、而もエアセンサー４４，４５，４６，
４７，４８より流出する空気の圧力によりそれと対応す
る移動子３５，３６，３９，４０，４３を常時低圧で検
出球３１に押圧させている。動圧変位検出型エアセンサ
ー４４，４５，４８は夫々移動子３５，３６，４３に空
気を噴出させるエアセンサーノズル４９，５０，５１と
、エアセンサーノズル４９，５０，５１内を流動する空
気の圧力（動圧）変化を電気的に検出する半導体圧力変
換器５２，５３，５４とより成り、夫々独立して移動子
３５，３６及び４３のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向
の変位を検出する。バランス用エアセンサー４６，４７
はエアセンサーノズル５５，５６から空気を噴出させ、
常時検出球３１に求芯性を与える様にしている。尚、図
面中、５７はテーパ形静圧気体軸受２２及び補助静圧気
体軸受２３装着する検出器本体２１のその中間に該検出
器本体２１の内外部間を連通開口した空気抜き穴で、静
圧気体軸受２２及び２３の消費空気を検出器本体２１の
外部に放出する。

上記構成に於いて、検出器本体２１の圧縮空気供給口２
５及び２６より静圧気体軸受２２及び２３に一定圧の空
気を供給すると、各静圧気体軸受２２，２３の円周等配
置に複数個設けてある空気流出路２７，２８よソー定圧
の空気が流出し、スタイラス２４の外面に前記空気が作
用してスタイラス２４を検出器本体２１に無接触状態に
保持させる。

また各エアセンサー４４，４５，４６，４７，４８のエ
アセンサーノズル４９，５０，５１，５５，５６に一定
圧の空気を供給し、エアセンサーノズル４９，５０，５
１，５５，５６の先端よソー定圧の空気を各々の移動子
３５，３６，３９，４０，４３に噴出する。

スタイラス２４に変位が生じていない時は検出球３１は
半径方向に位置決めされているので、移動子３５，３６
，３８，４０，４３がエアセンサーノズル４９，５０，
５１，５５，５６の先端との間に各々一定の間隙ａを保
つており、動圧変位検出型エアセンサー４４，４５，４
８のエアセンサーノズル４９，”５０，５１内の空気圧
は一定となる。この状態で、スタイラス２４の下端に装
設してある接触球２９がモデル３０に接触して変位が生
じると、その変位に対応した量だけスタイラス２４の上
端に装設された検出球３１が変位を生じる。この時、テ
ーパ形静圧気体軸受２２は接触球２９のＸ軸方向及びＹ
軸方向の変位に対してはラジアル軸受としての機能を果
し、又Ｚ軸方向の変位に対しては気体軸受間隙内の移動
を生じるスラスト軸受しての機能を兼ね備えている。又
、補助静圧気体軸受２３はテーパ形静圧気体軸受２２に
比べて軸受剛性を極めて低くし、スタイラス２４のＸ軸
方向及びＹ軸方向の変位に支障をきたさない様にし、同
時にスタイラス２４のＸ軸方向及びＹ軸方向の変位に対
するダンパーの役割を果している。検出球３１が変位す
ると、移動子３５，３６，４３が摺動し、移動子３５，
３６，４３とエアセンサーノズル４９，５０，５１の先
端との間隙ａが各々変化し、これに伴つてエアセンサー
ノズル４９，５０，５１内の圧力が各々変化し、この圧
力変化を対応する半導体圧力変換器５２，５３，５４が
各々独立して検出し、動圧変化に対応した電気信号に変
換して出力する。例えば、検出球３１がＸ軸方向に変位
したとすると、移動子３５がｘ軸方向に摺動し、動圧変
位検出型エアセンサー４４のエアセンサーノズル４９の
先端と移動子３５との間隙ａが変化し、これに伴つてエ
アセンサーノズル４９内の空気圧が変化して半導体圧力
変換器５２がそれを検出する。この時の移動子３５とエ
アセンサーノズル４９の先端との間隙に相当する圧力が
測定圧（触圧）となる。上記と同様にして検出球３１の
Ｙ軸方向の変位、ｚ軸方向の変位も検出され、この出力
電圧によりモデル３０の三次元形状の精密測定が可能と
なも又、静圧気体軸受及びエアセンサーは一般的に第４
図実線に示す様な一次遅れ系の動的応答特性を有してい
るため、スタイラス２４の固有振動数と一致した外部振
動周波数が作用しても良好な吸振特性を有し、スタイラ
ス２４が共振することなく常に安定した検出が行なえる
。又、スタイラス２４は殆んど無接触状態で保持されて
おり、摩擦による戻り誤差が生じず、しかも極めて軽い
トルクで回転可能であるため、接触球２９とモデル３０
との接触部に生じる摩擦に対してもスタイラス２４が回
転し、あたかも接触球２９がころがる様にしてモデル３
０上を倣つていくのでそれだけ検出精度が向上すること
になる。しかも、静圧気体軸受の剛性は外部から供給圧
を調整することにより極めて容易に変更し得るので、ス
タイラス２４とモデル３０の触圧調整が容易となる。以
上説明した様にこの発明は下端にモデルへ接触する接触
球をもち、上端に検出球を有するスタイラスの軸方向適
当個所一個所を筒状の検出器本体下部内に軸受スキマが
断面〕形環状をしたテーパ形静圧気体軸受によつて軸方
向及び半径方向に無接触状態で自動調心的に静圧支承し
、かつ、スタイラスの上端部を検出器本体内に軸受スキ
マが円筒形をした補助静圧気体軸受によつて半径方向に
無接触状態に静圧支承し、上記検出器本体の上部に、上
記検出球の変位を、検出器本体の中心軸線及びこれに直
交する平面に含まれる直交Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の変位に変
換する移動子を上記検出球と対向させて上記三軸方向に
摺動自在に設け、上記各移動子の反検出球側端面に所定
間隔を隔ててエアセンサーノズルを検出器本体に固設し
、各エアセンサーノズル毎に、上記間隙変化に比例した
噴射背圧変化を電気量に変換して検出する動圧変位検出
型エアセンサーを設けたから、スタイラスを検出器本体
に無接触状態に保持させることができ、支持部の摩擦に
よる誤差の介入を防止で．き、検出精度を向上させるこ
とができる。

特に筒状の検出器本体下部内に、スタイラスの軸方向適
当個所一個所を、軸受スキマが断面〕形環状をしたテー
パ形静圧気体軸受によつて軸方向及び半径方向に無接触
状態で自動調心的に静圧支承し、かつ、スタイラスの上
端部を検出器本体内に軸受スキマが円筒形をした補助静
圧気体軸受によつて半径方向に無接触状態に静圧支承し
たことによつて、スタイラスは軸方向一個所のテーパ形
静圧気体軸受部を支点として、検出器本体の中心軸線と
直交する平面内で二次元運動可能となり、しかも、検出
器本体の中心軸線方向にも移動可能であり、常に静圧に
よる自動調心作用を有しているため、スタイラス下端の
接触球の三次元変位を、スタイラス上端で直接三次元方
向変位として検出させることができる。しかも、スタイ
ラスとモデルの静圧調整が容易である。さらに静圧気体
軸受及び動圧変位検出型エアセンサーは、一次遅れ系の
動的応答特性を有しているので、検出系の固有振動数と
一致した外部振動があつても、良好な吸収特性を有し、
スタイラスの共振が防止され、倣い工作機械に使用し、
高精度で安定した測定結果が得られ、加工精度の向上に
寄与し得る。特に、動圧変位検出型エアセンサーのノズ
ルをスタイラス上端の検出球に直接対向させるのではな
く、移動体を介して間接的に対向させたから、スタイラ
スの三次元変位による検出球の中心位置変位があつても
ノズルと移動体端面とを常に同一角度に対応させておく
ことができ、上記検出球の中立位置変位によるノズル噴
射角度の変化が防止でき、高精度の検出を達成できる。
また、三次元の各方向のエアセンサーをスタイラスの上
端にまとめて配置でき、装置全体を簡単コンパクト化し
得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は倣い加工の加工原理を説明するためのフライス
盤の略図、第２図は従来の一般的な三次元形状測定装置
の構造を示す略図、第３図イは第２図イーイ線断面図、
口は第２図ローロ線断面図である。 第４図は従来のスタイラスと本発明に係るスタイラスと
の動的応答特性を示すグラフ、第５図は本発明に係る検
出器の構造を示す断面図、第６図は第５図■−■線断面
図である。２１・・・・・・検出器本体、２２・・・・
・・テーパ形静圧気体軸受、２３・・・・・・補助静圧
気体軸受、２４・・・・・・スタイラス、２９・・・・
・・接触球、３０・・・・・・モデル、３１・・・・・
・検出球、３５，３６，３９，４０，４３・・・・・・
移動子、４４，４５，４８・・・・・・動圧変位検出型
エアセンサー、４６，４７・・・・・・バランス型エア
センサー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 下端にモデルへ接触する接触球をもち、上端に検出
   球を有するスタイラスの軸方向適当個所一個所を筒状の
   検出器本体下部内に軸受スキマが断面〕形環状をしたテ
   ーパ形静圧気体軸受によつて軸方向及び半径方向に無接
   触状態で自動調心的に静圧支承し、かつ、スタイラスの
   上端部を検出器本体内に軸受スキマが円筒形をした補助
   静圧気体軸受によつて半径方向に無接触状態に静圧支承
   し、上記検出器本体の上部に、上記検出球の変位を、検
   出器本体の中心軸線及びこれに直交する平面に含まれる
   直交Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の変位に変換する移動子を上記検
   出球と対向させて上記三軸方向に摺動自在に設け、上記
   各移動子の反検出球側端面に所定間隔を隔ててエアセン
   サーノズルを検出器本体に固設し、各エアセンサーノズ
   ル毎に、上記間隙変化に比例した噴射背圧変化を電気量
   に変換して検出する動圧変位検出型エアセンサーを設け
   たことを特徴とする三次元形状測定装置。