WO2000079216A1 - Calibre à rangée de billes - Google Patents

Description

明 細 書 ボールステップゲージ 技術分野

本発明は三次元測定機ゃマシニングセンタなどの工作機械の測長の精 度を校正又は測定検査する基準器としてのボールステップゲージに関す る。 背景技術

三次元測定機は、 三次元空間に存在する離散した X、 Υ、 Ζの座標点を 用いて計算機の支援により寸法及び形状を測定するための装置であり、 よ り具体的には、 定盤上に載置した被測定物と、 測定機において Ζ軸先端に 取り付けたプローブとを、 被測定物に対して X、 Υ、 Ζの三次元方向へ相 対移動させ、 プローブが被測定物に接触した瞬間をとらえ、 この瞬間を電 気的トリガとして各送り軸方向の座標値を読みとり、 計算機により寸法及 び形状を計測するものである。

上記のような三次元測定機は特に高精度を要求されることが多く、 高精 度の測定を保証する意味から、 精度検査を逐次行い、 その後この三次元測 定機を用いて測定する際には、 精度検査の結果を補正値として用いて指示 値を補正し、 或いは調整手段により三次元測定機の指示値の微調整を行う。 この三次元測定機の精度検査に際しては、 基準となるゲージが必要であり、 このゲージは、 プローブを三次元的に移動させることによりその検出値を 評価できるような構成にしなければならない。

三次元測定機の各軸の誤差をどのように調べるかということは多くの 研究者の重大な課題であった。 そこで、 まず三次元測定機の誤差を求める 目的のためのゲージの考案がなされ、 基本的には球体の測定を行って誤差 P T/JP00/02021 を求めるべきであることは周知の事実となっている。 そして、 球体をどの ような形態で配置した測定評価ゲージとするかが次の問題となり、 球体を 同一平面内にどのように配置するのか、 或いは立体的にどのように配置す るのかなど、 種々検討されている。

上記球体を用いたボールゲージとしては、 例えば第 9図及び第 1 0図に 示すような、 複数のボールを一直線上に並べたボ一ルステップゲージが広 く用いられている。 第 9図において、 ゲージ枠体 8 0には図中 3個の円形 の穴 8 1が形成され、 その中心底部にボール受部 8 2を形成するとともに、 このボール受け部 8 2の周囲に、 枠体の長手方向に対向して設けたブロー ブ挿入溝 8 3、 8 3と、 これと直角方向に対向してプローブ挿入溝 8 4， 8 4とを設けている。 このボール受部 8 2には高精度の球形のボール 8 5 を載置して、 ボールステップゲージ 8 6を構成している。

例えば三次元測定機の校正にこのボ一ルステツブゲージ 8 6を使用す る際には、 このボールステップゲージ 8 6を定盤上に載置固定し、 最初、 例えば図中右側のボールの位置を測定するに際しては三次元測定機のブ ローブを少なくともこのボール 8 5の外周の 4力所に当ててボールの中 心位置を計算して測定する。 同様にして残りのすべてのボールの位置を順 に測定する。 ボールの位置から得られる各ボールの間隔は、 予め高精度の 三次元測定機で値付けられており、 その値と前記測定結果とを比較して、 この =次元測定機の校正を行っている。

また、 第 1 0図 （a ) に示す従来の他のボ一ルステヅブゲージにおいて は、 基枠体 9 1の上に図中 3個のボール 9 2を固定した支柱 9 3を固定し ている。 支柱 9 3の一部は薄く剃ぎ落とされていて板ばね的効果を発揮す るように構成され、 それにより先端のボール 9 2が左右に移動できるよう に支持されている。 中央のボールと左右のボールとの間には連結管 9 4が 配置され、 各連結管 9 4のボールと接する両端面はボール 9 2の外形と合 致するような形状となっている。 左右のボールの両側には加圧管 9 5が配 置され、 外側からは基枠体 9 1に立設した支持枠体 9 6に螺合するねじ 9 7により連結管は押圧され、 連結管 9 4のもっている有効的長さに従って ボール間隔を決定することがきるようになつている。 そして、 加圧管 9 5 のボール 9 6と接触する端面は、 連結管 9 4と同様にボール 9 2の外形と 合致するような形状となっている。

第 1 0図 （b ) は上記第 1 0図 （a ) 部分平面図であり、 この図に示さ れるように、 連結管 9 4及び加圧管 9 5がボール 9 2と当接する部分にブ ローブ挿入溝 9 8が形成され、 前記第 9図に示すボールステップゲージ 8 6のプローブ挿入溝 8 3と同様の機能をなす。 この第 1 0図に示すボール ステップゲージ 9 9の各ボール 9 2の間隔も高精度の三次元測定機によ つて値付けられており、 このボ一ルステヅブゲージ 9 9の使用に際しては、 前記第 9図に示すボールステツプゲージと同様に、 ボールの位置を順に測 定し、 値付けられた値と比較して、 校正を行っている。

第 9図及び第 1 0図に示す従来のボールステップゲージにおいては、 各 ボール間隔は高精度の三次元測定機により測定され、 その精度はある程度 高いものの、 熱的外乱により、 枠体の上下温度差や左右温度差を生じたと きには、 その温度差による熱膨張によつて枠体のバイメ夕ル的効果を生じ、 曲がりが発生し、 このボールステツブゲージの精度が低下する問題点があ つた。

本発明は、 上記問題点を解決し、 熱的外乱により、 枠体の上下温度差や 左右温度差が原因で発生する熱膨張による枠体のバイメタル的効果によ り曲がりが発生しても、 ボール間隔の寸法変化が発生しにくく、 かつ、 ボ —ルステツブゲージの枠体は弾性支持ばりとしての静的荷重によって、 は りとしての弾性変形が発生しても、 ボール間隔の変化が微小な構成のボー ルステツブゲージを提供することを目的としている。 本発明は、 H型断面のゲージ枠体と、 上記ゲージ枠体の水平枠の軸線方 向に沿って所定間隔で複数のボールがそれぞれ挿入される複数の穴が穿 設され、 上記各穴には複数の溝が設けられて居り、 上記ゲージ枠体の断面 二次モ一メントの中立軸上に中心が一致するように上記穴に圧入された 複数のボールと、 から成るボールステップゲージである。

上述の如く、 本発明のボールステップゲージは、 全てのボール 5の中心 がゲージ枠体の断面二次モーメントの中立線上に存在するので、 熱的外乱 により、 枠体曲がりが発生しても、 ボール間隔の寸法変化が発生しにくく なる。 また、 枠体は弾性支持梁であるので、 静的加重によって梁としての 弾性変形が発生するが、 ボール間隔の変化は微小なものとすることができ る。 したがって、 極めて正確なボールステップゲージとすることができる。 更に、 ボール間隔測定用光波干渉ステツパのローリング防止のための拘 束面を、 上記ボール配列軸に平行な方向に設けることにより、 より正確な ボールステッブゲージとすることができる。 図面の簡単な説明

第 1図 （a ) は、 本発明のボールステップゲージの一実施例を示す平面 図、 第 1図 （b ) は第 1図 （a ) のボールステップゲージの側面図、 第 1 図 （c ) は第 1図 （a ) のボールステップゲージの斜視図である。

第 2図は、 本発明のボールステップゲージを使用してボール間隔を測定 する光波干渉ステツパの正面図である。

第 3図は、 第 2図の光波干渉ステツバの正面図である。

第 4図は、 第 2図の光波干渉ステツパの右側面図である。

第 5図は、 第 2図の光波干渉ステツパの左側面図である。

第 6図 （a ) は、 第 2図の光波干渉ステツパに用いるミラーホルダの 断面図、 第 6図 （b ) は第 6図 （a ) のミラ一ホルダの左側面図、 第 6図 ( c ) は第 6図 （a ) のミラ一ホルダの右側面図、 第 6図 （d ) は第 6図 ( a) のミラーホルダの V溝と小球との接触状態を示す部分平面図である。 第 7図は、 第 2図の光波千渉ステツパの軸部分の拡大側面図である。 第 8図は、 第 2図の光波干渉ステツバの使用時に適用する光干渉計測の 光学系の原理図である。

第 9図 （a ) は従来のボールステップゲージの平面図、 第 9図 （b ) は 第 9図 （a) ボールステップゲージの断面図、 第 9図 （c ) は第 9図 （a ) のボールステップゲージの長手方向断面図である。

第 1 0図 （a ) は、 従来の他のボールステップゲージの断面図、 第 1 0 図 （b ) は、 第 1 0図 （a ) のボールステップゲージの部分平面図である。 発明を実施するための最良の形態

本発明のボールステップゲージを図面に基づいて説明する。 第 1図には 本発明のボ一ルステツプゲージの一実施例を示しており、 ゲージ枠体 1は 左右の垂直枠 2， 3と、 両垂直枠 2 , 3の中間部を連結する水平枠 4とか らなり、 第 1図 （b ) 及び第 1図 （c ) に示すように断面が H型をなして いる。

ゲージ枠体 1の水平枠 4の中心には、 その軸線方向に沿って所定間隔で ボール 5を挿入する穴 6が穿設されており、 ボール 5はその穴 6に圧入さ れてゲ一ジ枠体 1と一体になっている。 ボール 5はその中心が、 上下方向 も左右方向も共に、 H型断面をなすゲージ枠体 1の断面二次モ一メントの 中立軸となる軸線 Lに合致するように、 ゲージ枠体 1に圧入されて固定さ れている。

ゲージ枠体 1の穴 6には、 4個の溝 7が、 ボール 5の周囲に設けられて いる。 この溝 7は三次元測定機等を使用して、 このボールステップゲージ 1 0のボール間隔を測定する際に、 三次元測定機のプローブをボール 5に 接触するために必要な移動空間である。

第 1図 （a ) において、 軸線 Lは上記のようにゲージ枠体 1の断面二次 モ一メントの中立軸であり、 この軸線 L上に全てのボール 2の中心が位置 し、 したがって上記軸線 Lはボール 5の配列中心線ともなつている。

ゲージ枠体 1において、 上記軸線 Lに平行であり、 その使用状態におい て左右の垂直枠 2 , 3の上側の面となる上下方向端面 1 1， 1 2、 及び水 平枠 4の上下の壁面 1 3は、 後述するボールステップゲージ測定用光波干 涉ステヅパのローリング防止のための拘束面として機能する面である。 こ のローリング防止面はどの 1面を採用してもよく、 H型の断面寸法と前記干 涉ステツバの形状、 寸法等、 あるいは設計構造上の観点から、 適当な 1面 を選択すればよい。

上記のような構造のボールステップゲージ 1 0は、 全てのボール 5の中 心がゲージ枠体 1の断面二次モ一メントの中立線上に存在するので、 熱的 外乱により、 枠体の上下温度差や左右温度差が原因で発生する熱膨張によ る枠体のバイメタル的効果によって曲がりが発生しても、 ボール間隔の寸 法変化が発生しにくくなる。 また、 ボールステップゲージ 1 0の枠体は弾 性支持梁であるので、 静的加重によって梁としての弾性変形が発生するが、 この変形が発生しても、 ボール間隔の変化は微小なものとすることができ る。 したがって、 極めて正確なボールステップゲージとすることができ、 このボールステップゲージを用いた三次元測定機の校正を従来と同様の 方法によっても正確に行うことができる。

上記のような構造のボールステップゲージ 1 0を製作した後、 各ボール の位置を特定する必要があるが、 従来はその作業に際してできる限り高精 度の三次元測定機を用いてその位置の計測を行っている。 しかしながら、 その精度はその三次元測定機自身がもつ精度の範囲内のものであり、 この ボールステツブゲージで校正される三次元測定機は、 前記三次元測定機よ り下位の精度の三次元測定機の校正のための基準器としてのみ有効であ る。 一般的に測定機器を校正するための基準器の精度は、 被校正機器の精度 の 1 Z 5から 1 / 1 0くらいの精度で校正されていることが望ましい。 近 年、三次元測定機の精度の向上は目覚ましく 5 0 0 mm 測長で 1 m以下 のものも出現している。 しかし、 この l mの 1 / 5の 0 . 2〃mの精度の 三次元測定機は実在しない。 1 m精度の基準器で 1 /m精度の三次元測 定機を校正したのでは長さのトレーサビリティに関して矛盾を生じるこ ととなる。

したがって、 上記矛盾を解決し、 相隣る 2個のボール間隔を測定する際 に、 測定の標準として、 長さ標準としての光の波長を直接使用して光波干 渉測定が可能であるとともに、 その測定中にアッベの原理が順守すること ができ、 より正確且つ迅速な校正を行うことができるようにするために、 例えば図 2〜図 8に示すような光波干渉ステツパ 2 0を用いることが好 ましい。

第 2図は光波干渉ステツパ 2 0の正面図であり、 図中には前記したボー ルステヅブゲージ 1 0のボール 5、 5， を 2点鎖線で書き加えている。 第 3図はその底面図である。 第 4図はステツパの右側面図であり、 第 5図は 左側面図であって、 同様にボールステップゲージ 1 0の H型枠体及びボ一 ル 5 , 5， を 2点鎖線で図示している。 図 6は前記光波干渉ステツパ 2 0 に用いられる反射光学系の支持装置を示し、 図 7は前記光波干渉ステツパ 2 0に用いられる軸の拡大側面図である。

図 2〜図 5に示すように、 光波干渉ステツパ 2 0は、 上板 2 1に第 1ス ぺ一サ 2 2が固定されており、 この第 1スぺ一サ 2 2の下面に鋼球または セラミック球等の球体 2 3が 3個、 同心円上に互いに 1 2 0度の角度間隔 で固定されている。このような 3個の球体 2 3で構成され、ボール 5や 5， に係合する座面は 3球球面座と呼ばれ、 ボール 5に対して安定した支持を 行うことができる。 光波干渉ステッパ 2 0の上板 2 1には第 1スぺ一サ 2 2とは別の第 2 スぺ一サ 2 4が固定されており、 この第 2スぺ一サ 2 4の下部には円筒欠 円穴が、 相互に、 その穴の軸線が平行で、 且つ、 前記したボール配列中心 線となる軸線 Lと平行な方向に、 2個形成されている。 この欠円穴に円筒 棒 2 5が 2個圧入されている。 この円筒棒 2 5には転がり軸受用の円筒こ ろを採用することが望ましい。 この円筒棒 2 5は円筒穴の欠円部から突出 して、 前記したボール 5， に 1点づっ合計 2点で接触する。

この部分の構成としては、 上記のように、 円筒棒 2 5を平行配列する以 外に、 平面を V字型に直交配列したり、 またはスぺーサ 2 4の下部を V字 状の交差平面に成形しても、 ボール 5や 5 ' に対して 2点で接地するよう に構成すると、 上記効果と同様の効果を達成できる。 しかしながら、 円筒 棒 2 5を前記したように転がり軸受用円筒ころで構成するほうが、 ボール 球面との摩擦力を少なくできる点で優れている。

上記光波干渉ステヅパ 2 0は、 ボールステップゲージ 1 0の隣接する 2 個のボール 5， 5 ' 上に馬乗り的にまたがり設置される。 公知の通り、 岡 IJ 体の空間における位置と姿勢の自由度は合計 6自由度であるから、 ボール ステップゲージ 1 0に対して、 ステツパ 2 0を完全に拘束するためには、 3球球面で 3点拘束し、 ボール 5， に対して円筒棒 2 5で 2点拘束してい るのでここまで 5点拘束が成立している。 最後の 6点目の拘束は、 ボール ステップゲージ 1 0の口一リングを防止する目的で、 図示実施例では前記 ボ一ルステヅブゲージ 1 0のローリング防止面としての垂直枠の端面に 対して、 上板 2 1から下方に突出した小球 2 6を突き当て行う。 小球 2 6 は調整ねじ 2 7の下端に固定されており、 調整ねじ 2 7は上板 2 1に螺合 されて、 上下方向に調整された後、 上板 2 1に対してナット 2 8により口 ックされる。 なお、 前記のように、 このローリング防止面としては、 上記 垂直枠の端面以外に、 例えば水平枠の上面等を用いることもできる。 以上のように光波干渉ステツパ 2 0を構成することにより、 2個のボ一 ル 5 , 5， 上にこの光波干渉ステヅパ 2 0を馬乗り状に載置するのみで、 剛体の空間の 6自由度を完全に拘束することができ、 容易に、 且つ正確に 三次元測定機の校正を行うことができる。

上記光波干渉ステツパ 2 0の上板 2 1の両側にはミラ一支持腕 3 0が 突出しており、 各ミラ一支持腕 3 0には、 第 6図 （a ) 〜 （d ) に詳細に 示すようにミラーホルダ 3 1が位置決めされ固定されている。

第 6図に示すように、 反射鏡 3 2はミラ一ホルダ 3 1に固定されている。 ミラ一ホルダ 3 1にはばね掛棒 3 3が固定されており、 このばね掛棒 3 3 に引張ばね 3 4のフックが掛けられている。 また、 ミラ一支持腕 3 0の背 面に固定したばね掛アーム 3 5のばね止め 3 9に、 前記引張ばね 3 4の他 端のフックが掛けられており、 それにより引張ばね 3 4はミラ一支持腕 3 0の通孔 4 7を貫通し、 ミラーホルダ 3 2を放射状に配置した下記の V溝 3 6の放射中心に合致した位置で、 第 6図 （a ) 中において左方向に引張 つている。

ミラ一ホルダ 3 1の反射鏡 3 2の取付面の反対側の面には、第 6図（c ) に破線で示すように、 V溝 3 6が 3本、 放射状に 1 2 0度の角配列で成形 されている。 この V溝に小球 3 7が、 1個づっ合計 3個落ち込むように形 成しており、 前記引張ばねの張力により、 V溝 3 6と確実に接している。 各小球 3 7は V溝 3 6に 2点で接触しており、 小球は 3個あるので、 この 3個の合計により、 ミラ一ホルダ 3 1をミラ一支持腕 3 0に対して安定的 な 6点拘束を実施している。 小球 3 7はそれぞれの調整ねじ 3 8の先端に 固定され、 調整ねじ 3 8はミラ一支持腕 3 0に螺合している。

以上のように反射光学系の支持調整装置を構成したので、 3本の調整ね じ 3 8を適宜ねじり、 調整することにより、 第 3図に示す光波干渉ステツ パ 2 0の 3球球面座の中心線 A— Aに対して、反射鏡 3 2の反射面を完全に JP00/02021 合致させることができ、 且つ後述する干渉光細に対して反射面を垂直にす る姿勢に容易に調整することができる。 なお、 上記反射鏡の代わりに、 光 学用反射部材として通常用いられているコーナキューブ等、 各種の反射部 材を用いることができる。

上記のような光波干渉ステツパ 2 0を用い、 前記ボールステップゲージ 1 0のボールの間隔を測定するに際しては、 第 8図の光学系原理図に示す ように、 投光受光器 4 1、 第 1ハーフミラ一 4 2、 第 2ハーフミラ一 4 3、 第 1反射プリズム 4 4、 第 2反射プリズム 4 5を用いた公知の光干渉計測 装置 4 0を用いる。 この光干渉計測装置 4 0により、 第 1ハーフミラ一 4 2と第 2ハーフミラ一 4 3からの光を、 前記光波干渉ステツパ 2 0の両側 に位置する反射鏡 3 2、 3 2 ' に対して投光し、 その反射光を受け、 両反 射鏡 3 2 , 3 2， の位置、 即ちボール 5の中心位置を正確に測定する。

ボールステップゲージ 1 0の第 1番目のボール 5と第 2番目のボール 5 ' とで位置決めされて決定される反射鏡 3 2 , 3 2 ' の反射面の位置を 測定原点の零点とし、 次に第 2番目と第 3番目のボールの位置に光波干渉 ステツパ 2 0を移動させ、 第 8図 2点鎖線で示されるように、 前記と同様 に位置測定を行う。 この移動測定を順次繰り返して、 ボールステップゲ一 ジの各ボールの位置を測定し、 それによりボール間隔を測定することがで きる。 なお、 最後の 1組のボール間隔は、 ボールステップゲージを反転し て、 前記と同様な干渉測定を実施することによって測定を行うことができ る。 それにより、 光の波長を直接測定標準として用い、 全ボール間隔を測 定することができ、 従来の三次元測定機を用いてボール間隔を測定するも のと比較して正確な測定を行うことができ、 極めて正確なボールステップ ゲージとすることができる。

更に必要ならば、 ボールステップゲージ 1 0を前後逆転させて状態で、 前記と同様な干渉測定を順に実施することにより、 各ボール間隔を前後逆 方向から 2回計測し、 2つの計測値の平均をとる等によって、 より正確な 測定を行うこともでき、 更に精密なボ一ルステツブゲージとすることがで さる。

ボール 5と光波干渉ステツパ 2 0の 3球球面座は、 水平移動させる際に 両者の位置の干渉を開放するため、 光波干渉ステツパ 2 0を持ち上げるよ うにして、 次のボール位置に移動する。 この上下方向移動には三次元測定 機の Z軸機能を使用して、 軸 5 0を Z軸にチヤッキングして行うことがで きる。 水平移動は同様に三次元測定機の X軸機能を使用して、 光波干渉ス テツパ 2 0を直接移動させることができる。 また、 テーブル移動形三次元 測定機を用いる場合は、 その X軸機能でボールステップゲージ 1 0そのも のを移動して、 水平移動を行うこともできる。

このような光波干涉ステツパ 2 0を用いることにより、 光波干渉ステツ ノ が例えば第 3図及び第 4図において左右に傾斜したときでも、 両反射鏡 3 2 , 3 2， の中心を結ぶ直線は常に両ボール 5 , 5， を通る軸線を中心 に傾斜するため、 アッベの原理が順守され、 常に正確な計測を行うことが できる。

第 7図は光波干渉ステツパ 2 0の上板 2 1と、 上記干渉測定時に光波千 涉ステツパ 2 0を移動する軸 5 0の嵌合状況を示す説明図であり、 軸 5 0 の上板 2 1の穴 2 9とは図示するように、 若干の嵌合すきま 5 1を有する と共に、 上板 2 1の下面 5 2と軸 5 0の下端に設けたフランジ 5 3との間 にも若干の隙間 5 4を有することが望ましい。 これは、 三次元測定機の Z 軸下部と軸 5 0が、 その上部 5 2で結合された場合、 前記したボ一ルステ ッブゲージ 1 0の 6点拘束以外の付加的拘束が発生しないための対策で あり、 上記のように干渉測定時に前記穴 2 9に対して半径方向にも、 軸 5 0が上板 4 1に対してすきまを保持していることが必要である。 なお、 上 記軸 5 0を上板 2 1に完全に固定した場合には、 軸 5 0の上部 5 5が三次 元測定機の Z軸端に対して、 すきまを有する支持部材を設ける等の対策が 必要となる。 産業上の利用の可能' ft

本発明によるボールステップゲージは上記のように構成したので、 熱的 外乱により、 枠体の上下温度差や左右温度差が原因で発生する熱膨張によ る枠体のバイメタル的効果により曲がりが発生しても、 ボール間隔の寸法 変化が発生しにくいボールステップゲージとすることができる。 また、 ボ 一ルステツブゲージの枠体は弾性支持ばりとしての静的荷重によって、 は りとしての弾性変形が発生しても、 ボール間隔の変化が微小な構成のボ一 ルステツブゲージとすることができる。 更に、 相隣る 2個のボール間隔を 測定する際に、 測定の標準として、 長さ標準としての光の波長を直接使用 することが容易なボールステップゲージとすることができる。

このように、 本発明によるボールステップゲージは、 ボール間隔の変化 が微小であるので、 信頼のある三次元測定機を校正するための基準器とし て用いることができる。

Claims

請求の範囲

1. H型断面のゲージ枠体 （1) と、 該ゲージ枠体の水平枠 （4) の軸線 方向に沿って所定間隔で複数のボール （5) がそれぞれ挿入される複数の 穴 （6) が穿孔され、 該各穴には複数の溝 （7) が設けられて居り、 該ゲ一ジ枠体の断面二次モーメントの中立軸上に中心が一致するよう に該それそれの穴 （6) に圧入された複数のボール （5) と、 から成るボ —ルステップゲージ （10) 。

2. ボール間隔測定用光波干渉ステツパ （20) の口一リング防止のため の拘束面 （11、 12) を、 該ボール配列軸に平行な方向に設けたことか ら成る請求の範囲第 1項に記載のボールステップゲージ。