JPS6256443B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、スピニング加工などの場合におい
て回転しながら加工される被加工材の表面粗さを
非接触かつインプロセスで測定するための回転体
の表面粗さ測定方法およびその装置に関するもの
である。

回転体の表面粗さを非接触かつインプロセスで
測定する方法として光切断法や光フアイバを使つ
た方式のものが従来より知られている。

前者の光切断法は、第１図に示すように回転体
１の表面に斜め上方から投光部２より帯状光を照
射し、その反射角方向に配置したテレビカメラ３
で撮像して回転体１の表面の凹凸に対応した光切
断像を得、その光切断像を解析して表面粗さを測
定するものであるが、この方法の場合、分解能が
最大１μｍ程度までとあらく、また測定ヘツドを
回転体１に近接させなければならないなどの欠点
がある。

後者の光フアイバを用いる方法は、第２図に示
すように光フアイバ束４を投光用フアイバ４ａと
受光用フアイバ４ｂに分け、これら投光用フアイ
バ４ａと受光用フアイバ４ｂとをランダムあるい
は同心円状に構成した測定ヘツド５を回転体１に
近接させ、光源６からの投光量と検出部７で検知
される受光量により光反射率を測定するものであ
るが、この方法の場合、測定面積が数mm²と大きく
詳細な分析ができない欠点がある。

一方、前記回転体の表面粗さについて、スピニ
ング加工の被加工材の荒加工後の表面状態につい
てこの発明の発明者が行つた実験・分析結果で
は、前記表面粗さは、第３図に拡大図で示すよう
に切削工具によるロール目８（へら工具を使用し
た場合にはへら目）、切削工具の滑りによる筋目
９およびクレータ状のくぼみ（以下クレータ１０
と呼ぶ）の３つの要素からなることが確認され、
前記クレータ１０の場合には、その長手方向が前
記ロール目８に対し直角に揃つて散在し、その平
均的寸法は長手方向が数100μｍ、幅方向が数10
μｍ程度であることが確かめられた。

そして、前記スピニング加工の荒加工後の表面
粗さは、その後の仕上げ加工により前記の粗さの
３要素のそれぞれの程度を軽減し、ロール目８は
なくなり、筋目９は細いものだけになり、クレー
タ１０の数は減り寸法は小さくなつて良品化され
ると考えられる。

したがつて、この発明の目的は、スピニング加
工など回転加工による被加工材の表面粗さが前記
３要素からなることに着目して、回転加工される
被加工材の表面粗さを非接触かつインプロセスの
もとに精度よく測定することのできる回転体の表
面粗さ測定方法およびその装置を提供することで
ある。

この発明の回転体の表面粗さ測定方法の一実施
例を第４図および第５図に示す。すなわち、この
回転体の表面粗さ測定方法は、回転加工における
被加工材の表面粗さを構成する前記のロール目、
筋目およびクレータの３要素のそれぞれについて
光学的に測定するものであり、クレータ１０の程
度（数や大きさなど）についての測定を第４図に
示す工程により行い、ロール目８および筋目９の
程度（数や目の高さなど）についての測定を第５
図に示す工程で行うものである。

クレータ１０の測定では、第４図に示すよう
に、回転加工される被加工材１の回転軸１１に対
し垂直な面内に光ビーム投光部１２と拡散光受光
部１３とを配置して、ロール目８と直角な方向
（したがつて回転軸１１と平行）に長手方向が向
くクレータ１０に対し、その幅方向より投光受光
して被加工材１の加工表面１ａでの拡散光光量を
測定するものである。

一方、ロール目８および筋目９の測定について
は、第５図に示すように被加工材１の加工表面１
ａの上方の、回転軸１１が含まれる平面（したが
つて被加工材１の直径方向に延びる平面）内に光
ビーム投光部１２′と光反射位置センサ１４とを
配置して、光ビーム投光部１２′から被加工材１
の加工表面１ａに向けて斜め上方より光ビームを
照射し、前記ロール目８による正反射光の振れ変
位の大きさを前記光反射位置センサ１４で検出
し、その検出値から前記ロール目８の程度（高
さ）を測定し、前記光ビーム投光部１２′と前記
光反射位置センサ１４の中間位置に配置した拡散
光受光部１３′によつて、前記被加工材１の加工
表面１ａからの拡散光を受光し、前記光ビーム投
光部１２′から照射された光ビームが前記被加工
材１の加工表面１ａの筋目９に起因して拡散する
拡散度合を、前記拡散光の受光量により測定し、
それによつて筋目９の程度を測定するものであ
る。

第６図および第７図は、前記ロール目の測定原
理を示す説明図であり、光ビームが光ビーム投光
部１２′から被加工材１の半径方向に対して入射
角αで入射すると、加工表面１ａが平坦であれば
反射角αで反射され、光反射位置センサ１４の中
央部に入射する。一方、これに反して加工表面１
ａが平坦でなく、回転軸方向に対して微小角度θ
だけ傾いているとすると、反射光線は角度２θだ
け変位する。光反射位置センサ１４はこの変位量
を検出するものであり、光反射位置センサ１４上
における輝点の変位量をｘ、光反射位置センサ１
４と加工表面１ａにおける光反射点との距離をｌ
とすると、角度θが充分に微小である限り、光反
射位置センサ１４の出力ｘは次式により与えられ
る。

ｘ＝ｌ・tan2θ≒2lθ ところで加工表面１ａの半径方向の凹凸形状を
第７図に示すようにｙ座標で表わすと、 ｙ＝∫dy＝∫θ・ds となる。ここで工具を回転軸方向に移動させる軸
方向移動手段の移動速度をｖとすると、ds＝
ｖ・dtと表わせるから、 ｙ＝∫θ・ds＝∫ｘ／２ｌ・vdt＝ｖ／２ｌ∫ｘ・dt となる。したがつて加工表面１ａの半径方向の位
置を表わす変数ｙは、光反射位置センサ１４と光
反射点との距離ｌが一定であるとすれば、光反射
位置センサ１４の出力ｘを積分して、軸方向移動
手段の移動速度ｖを乗算すれば容易に得ることが
できる。

前記光ビームとしては、レーザ光線、白色光の
いずれを用いてもよいが、ビーム径を絞り、測定
精度を上げるためにはレーザ光線の方が望まし
い。

このように、回転加工される被加工材１の表面
粗さを、ロール目８、筋目９、クレータ１０の３
要素に分け、各要素ごとに独立して測定するよう
にしたため、表面粗さを定量的に分析することが
でき、精度の高い表面粗さ測定を行うことができ
る。

筋目９、クレータ１０の測定については、投受
光部の配置について条件を付するのみで、従来の
測定系と同様の光量測定により行うことができ、
一般のスポツトセンサを使用することが可能で、
簡単かつ安価にその測定系を構成できる。

とくに、クレータ１０の測定では、被加工材１
の回転軸１１に対して直角方向すなわち、クレー
タ１０の長手方向に対して直角方向に向けて投受
光を行い、その拡散光強度からクレータ１０の程
度を測定するようにしているため、より大きな検
出出力を得ることができ、しかも回転軸１１の方
向に投受光を行う前記筋目９の測定の場合と光ビ
ームの投受光方向が互に直交するため、筋目測定
のための拡散光がクレータ測定用の拡散光受光部
１３に入射するのを効果的に回避することがで
き、一層精度の高い測定を行うことができる。

また、クレータ１０、筋目９の測定のための投
光部１２，１２′、受光部１３，１３′およびロー
ル目測定のための光反射位置センサ１４は、いず
れも被加工材１の加工表面１ａより100mm程度離
して配置することができ、削り屑、油などが測定
系に飛散したり引掛るなどの不都合がなく、安全
かつ正確な測定を行うことができる。

つぎに、前記の回転体の表面粗さ測定方法を能
率よく行うことのできる構成の簡単な回転体の表
面粗さ測定装置の一実施例を第８図および第９図
に示す。すなわち、この回転体の表面粗さ測定装
置は、回転加工される被加工材１′の回転軸１
１′に平行な方向（Ｘ軸）、前記回転軸１１′と直
交する方向（被加工材１′に向かつて進退する方
向、Ｙ軸）、Ｘ軸とＹ軸がつくる平面に平行な面
内で被加工材を中心にして回動する回動方向θ′
の３つの自由度を有し前記被加工材１′の加工表
面１′ａの近傍に配置した測定ヘツド取付テーブ
ル１５と、この測定ヘツド取付テーブル１５に設
けられ前記回転軸１１′の方向に向けて前記加工
表面１′ａに光ビームを照射する光ビーム投光部
１２″と、前記回転軸１１′と前記光ビーム投光部
１２″とを含む平面内に位置するように前記加工
表面１′ａに向けて前記測定ヘツド取付テーブル
１５上に設けられ、前記光ビーム投光部１２″か
ら照射された光ビームの前記加工表面１′ａでの
正反射光を受光しその正反射光の振れ変位から前
記加工表面１′ａのロール目の高さ程度を測定す
る第１の受光部１３″ａと、前記光ビーム投光部
１２″と前記受光部１３″ａとの中間部に位置する
ように前記加工表面１′ａに向けて前記測定ヘツ
ド取付テーブル１５上に設けられ、前記光ビーム
投光部１２″から照射された光ビームの前記加工
表面１′ａでの筋目による拡散光を受光しその受
光量から前記筋目の程度（例えば筋目の数）を測
定する第２の受光部１３″ｂと、前記光ビーム投
光部１２″と前記第２の受光部１３″ｂとを含む平
面とほぼ直交する平面内に位置するように前記加
工表面１′ａに向けて前記測定ヘツド取付テーブ
ル１５上に設けられ、前記光ビーム投光部１２″
から照射された光ビームの前記加工表面１′ａで
のクレータによる拡散光を受光しその受光量から
前記クレータの程度（例えばクレータの数）を測
定する第３の受光部１３″ｃとを備えたものであ
り、前記光ビーム投光部１２″は光フアイバ１６
を介してレーザ発生装置１７に接続して、前記光
ビーム投光部１２″から照射される光ビームとし
てレーザ光線を用いるようにしている。

各受光部１３″ａ，１３″ｂ，１３″ｃの検出出
力は、第９図に示す処理回路により、次に示すよ
うに処理するようにしている。

加工表面１′ａからの正反射光を受光する受光
部１３″ａでは、光電変換により前記正反射光強
度に比例した検出出力ａを得、この検出出力ａを
次段の積分回路１８で、前記の回転体の表面粗さ
測定方向におけるロール目の測定の場合と同様の
積分処理をしてロール目の高さが検出される。

加工表面１′ａの筋目に起因する拡散光を受光
する受光部１３″ｂでは、前記拡散光強度に相当
する検出出力ｂを得、この検出出力ｂを次段の割
算回路１９において前記受光部１３″ａの検出出
力ａで割算して、前記加工表面１′ａの筋目の量
が検出される。

加工表面１′ａのクレータに起因する拡散光を
受光する受光部１３″ｃでは、前記拡散光強度に
相当する検出出力ｃを得、この検出出力ｃを次段
の割算回路２０で前記と同様に受光部１３″ａの
検出出力ａで割算して、前記加工表面１′ａのク
レータの量が検出される。

前記のように、受光部１３″ｂ，１３″ｃの検出
出力ｂ，ｃを受光部１３″ａの正反射光強度に相
当する検出出力ａで割算処理するのは、各受光部
１３″ａ，１３″ｂ，１３″ｃの検出値を無次元化
して、光源光量変化や加工表面の反射率の影響が
検出結果に及ぶのを回避するためである。

また、前記受光部１３″ａの検出出力ａは、別
にLPフイルタ回路２１で受けて、前記受光部１
３″ａが正しく正反射光を受光する角度に前記測
定ヘツド取付テーブル１５が位置しているかどう
かを確認するようにしており、この確認信号ｄに
基づき、前記測定ヘツド取付テーブル１５の前記
加工表面１′ａに対する角度を自動補正できるよ
うに構成している。

一方、前記受光部１３″ｂでは、前記光ビーム
投光部１２″の光ビームが前記加工表面１′ａに映
す光スポツト像を検出して、前記測定ヘツド取付
テーブル１５と加工表面１′ａとの間の距離を測
定する機能も付与され、前記光スポツト像に相当
する検出出力b′を別の演算回路２２で演算処理し
て、前記距離を検出するようにしており、この検
出値ｅに基づき、前記測定ヘツド取付テーブル１
５が、前記加工表面１′ａとの間の距離を所定の
値に自動補正しうるように構成している。

前記測定ヘツド取付テーブル１５は、被加工材
１′が回転している状態で、被加工材１′の一端か
ら他端に向けてＸ，Ｙ，θ′の３軸NC駆動により
移動して、前記ロール目、筋目、クレータの測定
が行われる。

なお、前記測定ヘツド取付テーブル１５のNC
駆動軌跡は、測定ヘツドの距離、角度測定機能を
利用して、テイーチングにより決定させることも
可能であり、また、基本軌跡に対する距離、角度
のずれ量を測定してこれをフイードバツクするこ
とにより、被加工材のサンプルごとに距離、角度
を調節することも可能である。

このように構成したため、次のような効果が得
られる。

(1) 表面粗さの３要素を１つの光ビーム投光部１
２″を兼用して行うことができ、構成を簡略化
できるとともに、同時に３つの測定を互に干渉
し合うことなく正確に行うことができ、測定能
率が大幅に向上する。

(2) 光スポツト径を0.1〜0.5mmφと小さく絞るこ
とができ、精密な表面粗さ測定を行うことがで
きる。

(3) 測定ヘツドの加工表面に対する距離、角度の
測定を本来の用途とは別に各受光部を利用する
ことにより測定することができ、これら距離、
角度の測定のために別のセンサを付加する必要
がなく、簡単な構成により測定距離、角度のず
れなどを監視でき、テイーチング機能も容易に
付加することができる。

以上のように、この発明の回転体の表面粗さ測
定方法は、回転加工される被加工材の回転軸を含
む平面内に光ビーム投光部および光反射位置セン
サを前記被加工材の加工表面に向け配置し、前記
光ビーム投光部から照射された光ビームの前記加
工表面での正反射光を前記光反射位置センサで受
光し前記加工表面のロール目による前記光正反射
光の振れ変位を前記光反射位置センサで検出して
前記ロール目の高さ程度を測定するロール目測定
工程と、前記回転軸を含む平面内に光ビーム投光
部および拡散光受光部を前記加工表面に向け配置
し、前記光ビーム投光部から照射された光ビーム
の前記加工表面での筋目による拡散光を前記拡散
光受光部で受光してその受光量により前記筋目の
程度を測定する筋目測定工程と、前記回転軸に対
し垂直な面内に光ビーム投光部および拡散光受光
部を前記加工表面に向け配置し、前記光ビーム投
光部から照射された光ビームの前記加工表面での
クレータによる拡散光を前記拡散光受光部で受光
してその受光量により前記クレータの程度を測定
するクレータ測定工程とを含むものであるため、
回転加工される被加工材の表面粗さを、非接触か
つインプロセスのもとに精度よく測定することが
でき、また、この発明の回転体の表面粗さ測定装
置は、回転加工される被加工材の回転軸の方向に
向けて前記被加工材の加工表面に光ビームを照射
する光ビーム投光部と、前記加工表面に向けて前
記回転軸と前記光ビーム投光部とを含む平面内に
配置され前記光ビーム投光部からの光ビームの前
記加工表面での正反射光を受光しその正反射光の
振れ変位から前記加工表面のロール目の高さ程度
を測定する第１受光部と、前記加工表面に向けて
前記光ビーム投光部と前記第１受光部の配設位置
の中間部に配置され前記光ビーム投光部からの光
ビームの前記加工表面での筋目による拡散光を受
光してその受光量から前記加工表面の筋目の程度
を測定する第２受光部と、前記加工表面に向けて
前記光ビーム投光部と前記第２受光部とを含む平
面とほぼ直交する平面内に配置され前記光ビーム
投光部からの光ビームの前記加工表面でのクレー
タによる拡散光を受光してその受光量から前記加
工表面のクレータの程度を測定する第３受光部
と、前記光ビーム投光部、第１、第２、第３受光
部を含む測定ヘツドを固定して前記被加工材の加
工表面に近い位置に位置調整自在に配設した測定
ヘツド位置調整テーブルとを備えたものであるた
め、簡単かつコンパクトな構成により前記測定方
法による被加工材の表面粗さ測定を能率よく行う
ことができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ従来例を示す斜
視図、第３図は回転加工された被加工材の加工表
面を示す部分拡大斜視図、第４図および第５図は
それぞれこの発明の測定方法の一実施例を示す斜
視図、第６図および第７図はそれぞれその原理説
明図、第８図および第９図はそれぞれこの発明の
測定装置の一実施例を示す斜視図および処理回路
ブロツク図である。 １，１′……被加工材、１ａ，１′ａ……加工表
面、８……ロール目、９……筋目、１０……クレ
ータ、１１，１１′……回転軸、１２，１２′，１
２″……光ビーム投光部、１３，１３′……拡散光
受光部、１３″ａ……受光部（光反射位置セン
サ）、１３″ｂ，１３″ｃ……受光部、１４……光
反射位置センサ、１５……測定ヘツド取付テーブ
ル、１６……光フアイバ、１７……レーザ発生装
置、１９，２０……割算回路、２１……LPフイ
ルタ回路、２２……演算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転加工される被加工材の回転軸を含む平面
   内に光ビーム投光部および光反射位置センサを前
   記被加工材の加工表面に向け配置し、前記光ビー
   ム投光部から照射された光ビームの前記加工表面
   での正反射光を前記光反射位置センサで受光し前
   記加工表面のロール目による前記光正反射光の振
   れ変位を前記光反射位置センサで検出して前記ロ
   ール目の高さ程度を測定するロール目測定工程
   と、前記回転軸を含む平面内に光ビーム投光部お
   よび拡散光受光部を前記加工表面に向け配置し、
   前記光ビーム投光部から照射された光ビームの前
   記加工表面での筋目による拡散光を前記拡散光受
   光部で受光してその受光量により前記筋目の程度
   を測定する筋目測定工程と、前記回転軸に対し垂
   直な面内に光ビーム投光部および拡散光受光部を
   前記加工表面に向け配置し、前記光ビーム投光部
   から照射された光ビームの前記加工表面でのクレ
   ータによる拡散光を前記拡散光受光部で受光して
   その受光量により前記クレータの程度を測定する
   クレータ測定工程とを含む回転体の表面粗さ測定
   方法。 ２ 回転加工される被加工材の回転軸の方向に向
   けて前記被加工材の加工表面に光ビームを照射す
   る光ビーム投光部と、前記加工表面に向けて前記
   回転軸と前記光ビーム投光部とを含む平面内に配
   置され前記光ビーム投光部からの光ビームの前記
   加工表面での正反射光を受光しその正反射光の振
   れ変位から前記加工表面のロール目の高さ程度を
   測定する第１受光部と、前記加工表面に向けて前
   記光ビーム投光部と前記第１受光部の配設位置の
   中間部に配置され前記光ビーム投光部からの光ビ
   ームの前記加工表面での筋目による拡散光を受光
   してその受光量から前記加工表面の筋目の程度を
   測定する第２受光部と、前記加工表面に向けて前
   記光ビーム投光部と前記第２受光部とを含む平面
   とほぼ直交する平面内に配置され前記光ビーム投
   光部からの光ビームの前記加工表面でのクレータ
   による拡散光を受光してその受光量から前記加工
   表面のクレータの程度を測定する第３受光部と、
   前記光ビーム投光部、第１、第２、第３受光部を
   含む測定ヘツドを固定して前記被加工材の加工表
   面に近い位置に位置調整自在に配設した測定ヘツ
   ド位置調整テーブルとを備えた回転体の表面粗さ
   測定装置。 ３ 前記測定ヘツド位置調整テーブルは、前記第
   １受光部が正反射光を受光した位置を、前記光ビ
   ーム投光部と前記第１受光部の間に正反射が行わ
   れる角度位置として検出し位置補正制御し、前記
   光ビーム投光部からの光ビームによる前記加工表
   面に映される光スポツト像を前記第２受光部が受
   光する位置を、前記加工表面と測定ヘツドとの間
   の距離が正しい位置として検出し位置補正制御す
   るようにしたものである特許請求の範囲第２項記
   載の回転体の表面粗さ測定装置。