JP7553052B2 - 切削円周面測定装置および被切削物測定方法 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 （１）刊行物名：２０２０年度精密工学会春季大会講演論文集ＣＤ－ＲＯＭ 発行者名：公益社団法人精密工学会 発行日：令和２年３月１日

本発明は、切削円周面測定装置および被切削物測定方法に関する。

従来、円筒体の検査方法として、円筒体の軸方向にわたって、円筒体の軸に対する一円周上の半径方向の変位量の最大値である円周振れを測定することにより凹凸を検出するものであって、円筒体の表面を軸方向にスパイラル状に走査するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５－２９２５３９号公報（特に、請求項３）

上述した円筒体の検査方法により、低周波振動切削加工により円周面に複数の凸状微細部が周期的に分散して残存した被切削物を検知しようとすると、走査経路上に凹部しか存在しなかった場合に正しい被切削物の表面形状を測定できない虞がある。

そこで、本発明は、前述したような従来技術の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、複数の凸状微細部が周期的に分散して残存した被切削物の表面形状を正確に測定する切削円周面測定装置および被切削物測定方法を提供することである。

本発明は、第１に、低周波振動切削加工により複数の凸状微細部が円周面に周期的に分散して残存した被切削物の表面形状を測定する切削円周面測定装置であって、前記被切削物の円周面に沿って前記被切削物の表面形状を測定する測定プローブと、前記被切削物の軸心を中心に前記被切削物または前記測定プローブの少なくとも一方を回転させる被切削物回転手段と、前記測定プローブまたは前記被切削物の少なくとも一方を前記被切削物の軸心と平行に直線移動させる測定点移動手段と、前記被切削物の凸状微細部の１つを前記被切削物に対する測定開始点として検出する測定開始点検出手段と、前記被切削物の凸状微細部が相互に連なる配列方向を前記被切削物に対する測定方向として特定する測定方向特定手段と、前記被切削物回転手段および前記測定点移動手段を制御して前記測定プローブを前記測定開始点から前記測定方向に移動させる駆動制御手段とを備えていることを特徴とする。

第２に、前記測定開始点検出手段が、前記被切削物の円周面の所定領域内を前記測定プローブで複数回異なる測定経路で走査して前記被切削物の凸状微細部を特定することを特徴とする。

第３に、前記測定方向特定手段が、前記測定プローブを前記被切削物の円周面に沿って走査させた結果に基づいて前記測定方向を特定することを特徴とする。

第４に、低周波振動切削加工により円周面に複数の凸状微細部が周期的に分散して残存した被切削物の円周面に沿って前記被切削物の表面形状を測定する測定プローブと、前記被切削物の軸心を中心に前記被切削物または前記測定プローブの少なくとも一方を回転させる被切削物回転手段と、前記を測定プローブまたは前記被切削物の少なくとも一方を前記被切削物の軸心と平行に直線移動させる測定点移動手段と、前記被切削物に対する測定開始点として検出する測定開始点検出手段と、前記被切削物に対する測定方向として特定する測定方向特定手段と、前記被切削物回転手段および前記測定点移動手段を制御する駆動制御手段とを備えて前記被切削物の表面形状を測定する切削円周面測定装置を用いた被切削物測定方法であって、前記測定方向特定手段が前記被切削物の凸状微細部が相互に連なる配列方向を前記被切削物の表面形状の測定方向として特定する測定方向特定ステップと、前記測定開始点検出手段が前記被切削物の凸状微細部の１つを前記被切削物の表面形状の測定開始点として検出する測定開始点特定ステップと、前記駆動制御手段が前記測定プローブを前記測定開始点から前記測定方向に移動させる測定ステップとを備えていることを特徴とする。

本発明は、以下の効果を奏することができる。
（１）被切削物の凸状微細部の１つを被切削物に対する測定開始点として検出する測定開始点検出手段と、被切削物の凸状微細部が相互に連なる配列方向を被切削物に対する測定方向として特定する測定方向特定手段と、被切削物回転手段および測定点移動手段を制御して測定プローブを測定開始点から測定方向に移動させる駆動制御手段とを備えていることにより、測定プローブが確実に被切削物の凸状微細部を通過するため、低周波振動切削加工により複数の凸状微細部が周期的に分散して残存した被切削物の表面形状を正確に測定することができる。

（２）測定開始点検出手段が、被切削物の円周面の所定領域内を測定プローブで複数回異なる測定経路で走査して被切削物の凸状微細部を特定することにより、測定開始点となる被切削物の凸状微細部が測定対象の被切削物を走査して特定されるため、より正確に被切削物の表面形状を測定することができる。

（３）測定方向特定手段が、測定プローブを被切削物の円周面に沿って走査させた結果に基づいて測定方向を特定することにより、実際に測定する被切削物に即して測定方向が特定されるため、より正確に被切削物の表面形状を測定することができる。

（４）測定方向特定手段が被切削物の凸状微細部が相互に連なる配列方向を被切削物の表面形状の測定方向として特定する測定方向特定ステップと、測定開始点検出手段が被切削物の凸状微細部の１つを被切削物の表面形状の測定開始点として検出する測定開始点特定ステップと、駆動制御手段が測定プローブを測定開始点から測定方向に移動させる測定ステップとを備えていることにより、測定プローブが確実に被切削物の凸状微細部を通過するため、低周波振動切削加工により複数の凸状微細部が周期的に分散して残存した被切削物の表面形状を正確に測定することができる。

本発明の一実施例である切削円周面測定装置による測定対象物である被切削物の斜視図。 図１Ａの部分拡大図。 図１Ｂの線図で示した図。 図１Ｂの展開図。 本発明の一実施例である切削円周面測定装置の斜視模式図。 測定方向の特定手順を示すフローチャート。 被切削物の表面形状の３次元データを画像化した結果を示す図。 図４Ａに対して凸状微細部を抽出した状態を示す図。 図４Ｂに対して測定方向の候補を特定した状態を示す図。 表面形状の測定手順を示すフローチャート。 測定開始点を特定するための測定プローブの測定経路を示す図。 測定プローブの測定結果を示す図。 測定プローブの測定方向を示す図。

本発明は、低周波振動切削加工により複数の凸状微細部が円周面に周期的に分散して残存した被切削物の表面形状を測定する切削円周面測定装置であって、被切削物の円周面に沿って被切削物の表面形状を測定する測定プローブと、被切削物の軸心を中心に被切削物または測定プローブの少なくとも一方を回転させる被切削物回転手段と、測定プローブまたは被切削物の少なくとも一方を被切削物の軸心と平行に直線移動させる測定点移動手段と、被切削物の凸状微細部の１つを被切削物に対する測定開始点として検出する測定開始点検出手段と、被切削物の凸状微細部が相互に連なる配列方向を被切削物に対する測定方向として特定する測定方向特定手段と、被切削物回転手段および測定点移動手段を制御して測定プローブを測定開始点から測定方向に移動させる駆動制御手段とを備え、複数の凸状微細部が周期的に分散して残存した被切削物の表面形状を正確に測定するものであれば、その具体的な実施態様は、如何なるものであっても構わない。

例えば、切削円周面測定装置の測定する被切削物の円周面に残存する凸状微細部が被切削物の円周面に少なくとも２個以上残存していれば、被切削物の表面形状は切削円周面測定装置により測定可能であるが、凸状微細部が被切削物の円周面に無数（数え切れないほど多い程度）に残存していれば、切削円周面測定装置が多くの凸状微細部に基づいて測定方向を特定できるため、被切削物の表面形状を切削円周面測定装置により正確に測定することができる。

例えば、切削円周面測定装置が測定する被切削物は、円周面を有していれば、円柱状の被切削物、円筒状の被切削物、円錐体状の被切削物、円錐台状の被切削物等、如何なる形状であってもよい。

例えば、切削円周面測定装置が測定する被切削物の表面形状は、表面性状、表面粗さ、平面度、真直度、円筒度、真円度等、如何なるものであってもよい。

例えば、測定プローブは、被切削物に接触して被切削物の表面形状を測定するものであってもよいし、非接触で被切削物の表面形状を測定するものであってもよい。

例えば、測定点移動手段は、測定プローブを被切削物の軸心と平行に直線移動させるものであってもよいし、被切削物を被切削物の軸心と平行に直線移動させるものであってもよいし、測定プローブおよび被切削物を被切削物の軸心と平行に直線移動させるものであってもよい。

例えば、回転手段は、被加工物の軸心を中心に被加工物を回転させるものであってもよいし、被加工物の軸心を中心に測定プローブを回転させるものであってもよいし、被加工物の軸心を中心に被加工物および測定プローブを回転させるものであってもよい。

以下、図１乃至図６Ｄに基づいて、本発明の一実施例である切削円周面測定装置および切削円周面測定装置による切削円周面測定方法について説明する。

＜１．被切削物の形状＞
まず、図１Ａ乃至図１Ｄに基づき、本発明の一実施例である切削円周面測定装置による測定対象物である被切削物について説明する。
図１Ａは本発明の一実施例である切削円周面測定装置による測定対象物である被切削物の斜視図であり、図１Ｂは図１Ａの部分拡大図であり、図１Ｃは図１Ｂを線図で示した図であり、図１Ｄは図１Ｂの展開図である。

切削円周面測定装置による測定対象物である被切削物Ｗは、丸棒を低周波振動切削加工で加工したものである。

ここで、低周波振動切削加工とは、被切削物または切削工具の少なくともいずれか一方を切削方向に振動させつつ、被切削物を把持する主軸の回転を切削方向の振動と同期させて行う加工である。
このような低周波振動切削加工を被切削物Ｗに行うと、図１Ｂおよび図１Ｃに示すような切削経路Ｌを切削工具が通過するため、被切削物Ｗの加工済み部分の円周面は、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄに示すように島状にも見える無数の凸状微細部Ｔと、切削工具の通過により凸状微細部Ｔの相互間に形成された凹部Ｖが周期的に分散して残存する。
なお、図１Ｂおよび図１Ｄにおいて、色が白い箇所は高さが高く、色が黒い箇所は高さが低くなっている。

＜２．切削円周面測定装置の概要＞
次に、図２に基づき、切削円周面測定装置１００の概要について説明する。
図２は、本発明の一実施例である切削円周面測定装置の斜視模式図である。

被切削物Ｗの表面形状を測定する切削円周面測定装置１００は、水平が保たれた床面Ｆに載置されて表面が水平な基台１１０と、円周面を有する被切削物Ｗを保持する被切削物保持部材１２０と、被切削物Ｗの表面形状を測定する測定プローブ１３０と、この測定プローブ１３０を支持する支持アーム１４０と、測定プローブ１３０を移動させるプローブ移動機構（測定点移動手段）１５０と、コントローラー１６０とを有している。

被切削物保持部材１２０は、基台１１０に載置される角柱状のベース１２１と、このベース１２１の上部に取り付けられるチャック１２２と、ベース１２１に内蔵されてチャック１２２を回転させるモーター（被切削物回転手段）１２３とを有している。
チャック１２２は、水平方向に伸びて被切削物Ｗを回転自在に把持する。
したがって、被切削物Ｗの軸心Ｚは水平方向に向かって伸び、被切削物Ｗは軸心Ｚを中心に回転する。

測定プローブ１３０は、被切削物Ｗの円周面と対向する接触式のプローブである。

支持アーム１４０は、基台１１０から鉛直方向に伸びる直立部１４１と、この直立部１４１から水平方向に伸びる水平部１４２とから構成されている。

プローブ移動機構１５０は、支持アーム１４０の水平部１４２に取り付けられており、水平方向に移動自在となっている。
また、プローブ移動機構１５０には、測定プローブ１３０の先端が鉛直下方を向くように取り付けられている。
したがって、測定プローブ１３０は、被切削物Ｗの円周面に沿って被切削物Ｗの軸心Ｚと平行に直線移動することができる。

コントローラー１６０は、モーター１２３とプローブ移動機構１５０とを制御する駆動制御部（駆動制御手段）１６１と、ＣＰＵ等の演算部１６２と、測定プローブ１３０による被切削物Ｗの表面形状の測定結果や演算部１６２による演算結果を記憶する記憶部１６３とを有している。
演算部１６２は、被切削物Ｗに対する測定方向として特定する測定方向特定手段１６２ａと、被切削物Ｗに対する測定開始点として検出する測定開始点検出手段１６２ｂとを有している。

切削円周面測定装置１００が以上のように構成されていることにより、切削円周面測定装置１００は、被切削物Ｗの表面の表面形状を長手方向および周方向だけでなく、螺旋方向に計測が可能になっている。

＜３．切削円周面測定方法＞
次に、図３乃至図６Ｃに基づき、切削円周面測定装置１００による切削円周面測定方法について説明する。

＜３．１．測定方向の特定＞
まず、図３乃至図４Ｃに基づき、切削円周面測定装置１００が事前に行う測定方向の特定について説明する。
図３は測定方向の特定手順を示すフローチャートであり、図４Ａは被切削物の表面形状の３次元データを画像化した結果を示す図であり、図４Ｂは図４Ａに対して凸状微細部を抽出した状態を示す図であり、図４Ｃは図４Ｂに対して測定方向の候補を特定した状態を示す図である。

（ステップＳ１０）
切削円周面測定装置１００は、まず、測定対象となる被切削物の表面形状の３次元データを読み込む。
この３次元データは、測定対象となる被切削物に対する加工条件と同条件による加工シミュレーションに基づくシミュレーションデータであり、少なくとも送り方向（被切削物の長手方向）位置、位相（回転角）、高さの３つを含む。
図４Ａは、測定対象となる被切削物の表面形状の３次元データを画像化したものであり、位相を横軸、送り方向位置を縦軸に取り、高さを色の違いで表現した図であり、色が白い点ほど高さが高く、色が黒い点ほど高さが低くなっている。

（ステップＳ１１）
そして、切削円周面測定装置１００の演算手段１６２は、ステップＳ１０で読み込んだ３次元データから、島状の凸状微細部Ｔを抽出する。
具体的には、ステップＳ１０で読み込んだ３次元データに対して自己相関関数やウェーブレット解析を適用したり、ステップＳ１０で読み込んだ３次元データを画像データ化した図４Ａに示すような画像データに対して、２値化や数値微分やデジタルフィルタを適用したり、ウェーブレット解析をしたり、パターン認識等の画像処理技術・画像認識技術を適用したりして、図４Ｂに示すような無数の島状にも見える凸状微細部Ｔを抽出する。
凸状微細部Ｔは、図４Ｂに示すように、頂点の一帯を含むエリアとなっている。

（ステップＳ１２）
そして、切削円周面測定装置１００の測定方向特定手段１６２ａは、ステップＳ１１で処理した画像データから、画像認識により被切削物の凸状微細部Ｔが相互に連なる配列方向ｄ１～ｄ４を被切削物に対する測定方向の候補として特定する。

具体的には、図４Ａのように画像化される３次元データであれば、測定方向の候補として、図４Ｃに示すように、送り方向と概ね平行に伸びる方向（ｄ１）、斜めに伸びる方向（ｄ２、ｄ４）、周（位相）方向と概ね平行に伸びる方向（ｄ３）が存在する。

＜３．２．表面形状の測定＞
次に、図５乃至図６Ｃに基づき、被切削物の表面形状の測定について説明する。
図５は表面形状の測定手順を示すフローチャートであり、図６Ａは測定開始点を特定するための測定プローブの測定経路を示す図であり、図６Ｂは測定プローブの測定結果を示す図であり、図６Ｃは測定プローブの測定方向を示す図である。

（ステップＳ２０）
まず、切削円周面測定装置１００の駆動制御部１６１は、モーター１２３またはプローブ移動機構１５０の少なくとも一方を制御して、図６Ａに示すように、被切削物Ｗの円周面の所定の測定開始点検索領域Ａ内を測定プローブ１３０で複数回異なる測定経路Ｓで走査する。

（ステップＳ２１）
そして、切削円周面測定装置１００の測定開始点検出手段１６２ｂは、図６Ｂのような測定プローブ１３０による測定結果から、最も高い点（被切削物Ｗの凸状微細部Ｔの頂点近傍）を測定開始点Ｐと特定する。

（ステップＳ２２）
そして、ステップＳ１２により特定された測定方向の候補（ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４）のうちユーザーにより設定された方向を測定方向として、測定開始点Ｐから測定プローブ１３０による走査を行い、被切削物Ｗの表面形状の測定を行う。
この測定開始点Ｐから測定方向に向けた測定プローブ１３０による走査の回数は、１回に限らず、複数回行っても良い。
また、測定開始点Ｐを僅かにずらして測定方向に測定プローブ１３０を走査させることを繰り返した結果を測定結果としても良い。

なお、ｄ１方向を測定方向として選択した場合の被切削物Ｗの表面形状の測定結果によれば、低周波振動切削加工による送り条件が適切であるか否かが確認できる。
また、ｄ２方向、ｄ３方向、ｄ４方向を測定方向として選択した場合の被切削物Ｗの表面形状の測定結果によれば、低周波振動切削加工による振動条件が適切であるか否かが確認できる。

＜４．本実施例の切削円周面測定装置が奏する効果＞
以上説明したように、本発明の一実施例である切削円周面測定装置１００によれば、被切削物Ｗの凸状微細部Ｔの１つを被切削物に対する測定開始点Ｐとして検出する測定開始点検出手段１６２ｂと、被切削物Ｗの凸状微細部Ｔの周期的に連なる方向を被切削物に対する測定方向として特定する測定方向特定手段１６２ａと、被切削物回転手段であるモーター１２３および測定点移動手段であるプローブ移動機構１５０とを制御して測定プローブ１３０を測定開始点Ｐから測定方向に移動させる駆動制御手段である駆動制御部１６１を備えていることにより、測定プローブ１３０が確実に被切削物Ｗの凸状微細部Ｔを通過するため、低周波振動切削加工により無数の凸状微細部Ｔが周期的に分散して残存した被切削物Ｗの表面形状を正確に測定することができる。
なお、被切削物Ｗの表面形状の測定結果とシミュレーションデータとを比較した場合に、凸状微細部の間隔のズレや相違を確認することで、工作機械の主軸の回転数と切削工具の振動数の位相ズレ・同期ズレの有無を検出して、そのズレ量を推定することもできる。

また、測定開始点検出手段１６２ｂが、被切削物Ｗの円周面の所定の測定開始点検索領域Ａ内を測定プローブ１３０で複数回異なる測定経路Ｓで走査して被切削物Ｗの凸状微細部Ｔを特定することにより、測定開始点Ｐとなる被切削物Ｗの凸状微細部Ｔが測定対象の被切削物Ｗを走査して特定されるため、より正確に被切削物Ｗの表面形状を測定することができる。

＜５．変形例＞
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記の実施例に限定されるものではない。

例えば、本実施例において、切削円周面測定装置は、測定プローブを１本のみ有していたが、切削円周面測定装置が有する測定プローブの本数は１本に限定されるものではなく、切削円周面測定装置は、測定プローブを複数有していてもよい。
なお、切削円周面測定装置が測定プローブを複数有することにより、複数の点を同時に測定可能となるため、単位時間あたりの測定点数が増加し、より測定データを高密度化することができる。
加えて、測定プローブのそれぞれが独立に移動自在である場合、複数の測定方向を同時に測定することができる。
また、複数の測定プローブは被加工物に接触して被加工物の表面形状を測定するものと非接触で被加工物の表面形状を測定するものの一方のみで構成されてもよいし、両方を用いて構成されてもよい。
さらに、複数の測定プローブの先端形状や材質をそれぞれ異なる形状とすることができるため、粗さ測定に用いる先端半径の小さい測定プローブ、うねり・形状測定に用いる先端半径の大きい測定プローブ、円盤形、ナイフエッジ形、楔形、円柱形、先端の曲がった鉤形など特殊測定に用いる当該測定に見合う特殊な先端形状の測定プローブなどを併用することができる。

例えば、本実施例において、被切削物Ｗは中実の丸棒を低周波振動切削加工したものであったが、被切削物Ｗはこれに限定されるものではなく、例えば、中空の丸棒を低周波振動切削加工したものであってもよい。

例えば、本実施例において、測定方向の候補を特定する際に、加工シミュレーションに基づくシミュレーションデータを用いていたが、測定プローブを測定対象である被切削物の円周面に沿って走査させた結果に基づいて測定方向の候補を特定してもよい。
この場合、実際に測定する被切削物に即して測定方向が特定されるため、より正確に被切削物の表面形状を測定することができる。

例えば、本実施例のステップＳ２０において、測定経路ＳをＺ送り方向位置を一定にしたまま位相のみを変化させた経路（図６Ａにおける横方向）としていたが、測定経路Ｓはこれに限定されるものではなく、測定開始点検索領域Ａ内において、位相を一定にしてＺ方向送り位置を変化させる経路（図６Ａにおける縦方向）としたり、測定経路Ｓおよび位相をそれぞれ変化させた経路（図６Ａにおける斜め方向）としたりしてもよい。

１００ ・・・ 切削円周面測定装置
１１０ ・・・ 基台
１２０ ・・・ 被切削物保持部材
１２１ ・・・ ベース
１２２ ・・・ チャック
１２３ ・・・ モーター（被切削物回転手段）
１３０ ・・・ 測定プローブ
１４０ ・・・ 支持アーム
１４１ ・・・ 直立部
１４２ ・・・ 水平部
１５０ ・・・ プローブ移動機構（測定点移動手段）
１６０ ・・・ コントローラー
１６１ ・・・ 駆動制御部（駆動制御手段）
１６２ ・・・ 演算部
１６２ａ・・・ 測定方向特定手段
１６２ｂ・・・ 測定開始点検出手段
１６３ ・・・ 記憶部

Ｆ ・・・ 床面
Ｚ ・・・ 被切削物の軸心

Ｗ ・・・ 被切削物
Ｔ ・・・ 凸状微細部
Ｖ ・・・ 凹部
Ｐ ・・・ 測定開始点
Ｌ ・・・ 切削経路
Ｓ ・・・ 測定経路
Ａ ・・・ 測定開始点検索領域

Claims (4)

1. 複数の凸状微細部が円周面に周期的に分散して残存した被切削物の表面形状を測定する切削円周面測定装置であって、
   前記被切削物の円周面に沿って前記被切削物の表面形状を測定する測定プローブと、
   前記被切削物の軸心を中心に前記被切削物または前記測定プローブの少なくとも一方を回転させる被切削物回転手段と、
   前記測定プローブまたは前記被切削物の少なくとも一方を前記被切削物の軸心と平行に直線移動させる測定点移動手段と、
   前記被切削物の凸状微細部の１つを前記被切削物に対する測定開始点として検出する測定開始点検出手段と、
   前記被切削物の凸状微細部が相互に連なる配列方向を前記被切削物に対する測定方向として特定する測定方向特定手段と、
   前記被切削物回転手段および前記測定点移動手段を制御して前記測定プローブを前記測定開始点から前記測定方向に移動させる駆動制御手段とを備えている、切削円周面測定装置。
2. 前記測定開始点検出手段が、前記被切削物の円周面の所定領域内を前記測定プローブで複数回異なる測定経路で走査して前記被切削物の凸状微細部を特定する、請求項１に記載の切削円周面測定装置。
3. 前記測定方向特定手段が、前記測定プローブを前記被切削物の円周面に沿って走査させた結果に基づいて前記測定方向を特定する、請求項１または請求項２に記載の切削円周面測定装置。
4. 低周波振動切削加工により円周面に複数の凸状微細部が周期的に分散して残存した被切削物の円周面に沿って前記被切削物の表面形状を測定する測定プローブと、前記被切削物の軸心を中心に前記被切削物または前記測定プローブの少なくとも一方を回転させる被切削物回転手段と、前記を測定プローブまたは前記被切削物の少なくとも一方を前記被切削物の軸心と平行に直線移動させる測定点移動手段と、前記被切削物に対する測定開始点として検出する測定開始点検出手段と、前記被切削物に対する測定方向として特定する測定方向特定手段と、前記被切削物回転手段および前記測定点移動手段を制御する駆動制御手段とを備えて前記被切削物の表面形状を測定する切削円周面測定装置を用いた被切削物測定方法であって、
   前記測定方向特定手段が前記被切削物の凸状微細部が相互に連なる配列方向を前記被切削物の表面形状の測定方向として特定する測定方向特定ステップと、
   前記測定開始点検出手段が前記被切削物の凸状微細部の１つを前記被切削物の表面形状の測定開始点として検出する測定開始点特定ステップと、
   前記駆動制御手段が前記測定プローブを前記測定開始点から前記測定方向に移動させる測定ステップとを備えている、被切削物測定方法。