| 【発明の名称】 |
表面形状計測方法及び表面形状計測装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】小川 智浩
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| 【要約】 |
【課題】平面研削盤による研削面のびびりを計測する表面形状計測方法及び表面形状計測装置を提供する。
【解決手段】研削面Ｓに対応させて設定された基準平面内における基準線ＬＢに対して垂直に当該基準平面内で伸びるとともに互いに等間隔に設定された複数の計測線分Ｌに沿って、研削面Ｓと基準平面との距離を表面変位として計測し、各計測線分Ｌ上の基準線ＬＢからの距離である計測位置と、該計測位置における表面変位とを関連付け、各計測線分Ｌ上における同じ計測位置の表面変位の平均を平均化変位として算出し、計測位置と平均化変位とを関連付けて研削面Ｓの表面形状における表面粗さによる成分が除去された平均化曲線を取得する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】計測対象面に対応させて設定された所定の基準平面内における所定の基準線に対して垂直に当該基準平面内で伸びるとともに互いに等間隔に設定された複数の計測線分に沿って、前記計測対象面と前記基準平面との距離を表面変位として計測し、前記各計測線分上の前記基準線からの距離である計測位置と、該計測位置における表面変位とを関連付け、前記各計測線分上における同じ計測位置に夫々関連付けられた表面変位の平均を、平均化変位として算出し、前記計測位置と前記平均化変位とを関連付けて平均化曲線を取得することを特徴とする表面形状計測方法。
【請求項２】計測対象面に対応させて設定された所定の基準平面内における所定の基準線に対して垂直に当該基準平面内で伸びるとともに互いに等間隔に設定された複数の計測線分に沿って、前記計測対象面と前記基準平面との距離を表面変位として計測し、該表面変位に対してローパスフィルタ処理及びハイパスフィルタ処理を施すことにより、前記計測対象面に生じたびびりに関係のない高周波成分及び低周波成分を当該表面変位から除去して、補正済み表面変位を取得し、前記各計測線分上の前記基準線からの距離である計測位置と、該計測位置における補正済み表面変位とを関連付け、前記各計測線分上における同じ計測位置に夫々関連付けられた補正済み表面変位の平均を、平均化変位として算出し、前記計測位置と前記平均化変位とを関連付けて平均化曲線を取得することを特徴とする表面形状計測方法。
【請求項３】前記平均化変位を、周波数の互いに異なる複数の周期関数の和として表し、これら各周期関数のうちの振幅が最大となる周期関数の周波数を、前記計測対象面に生じたびびりに対応する周波数として取得するとともに、前記振幅の最大値をこのびびりに対応する振幅として取得することを特徴とする請求項１又は２記載の表面形状計測方法。
【請求項４】計測対象面と該計測対象面に対応させて設定された所定の基準平面との距離を表面変位として計測する変位計と、前記変位計を、前記計測対象面に対向させるとともに前記基準平面に対して平行な平面内において移動させるテーブルとを備えた表面形状計測装置であって、前記テーブルにより、前記変位計を、前記基準平面内における所定の基準線に対して垂直にこの基準平面内で伸びるとともに互いに等間隔に設定された複数の計測線分に沿って移動させつつ、前記表面変位を計測し、前記各計測線分上の前記基準線からの距離である計測位置と、該計測位置における前記表面変位とを関連付け、前記各計測線分上における同じ計測位置に夫々関連付けられた表面変位の平均を、平均化変位として算出し、前記計測位置と前記平均化変位とを関連付けて平均化曲線を取得する制御装置を、さらに備えたことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項５】計測対象面と該計測対象面に対応させて設定された所定の基準平面との距離を表面変位として計測する変位計と、前記変位計を、前記計測対象面に対向させるとともに前記基準平面に対して平行な平面内において移動させるテーブルとを備えた表面形状計測装置であって、前記テーブルにより、前記変位計を、前記基準平面内における所定の基準線に対して垂直にこの基準平面内で伸びるとともに互いに等間隔に設定された複数の計測線分に沿って移動させつつ、前記表面変位を計測し、該表面変位に対してローパスフィルタ処理及びハイパスフィルタ処理を施すことにより、前記計測対象面に生じたびびりに関係のない高周波成分及び低周波成分を当該表面変位から除去して、補正済み表面変位を取得し、前記各計測線分上の前記基準線からの距離である計測位置と、該計測位置における前記補正済み表面変位とを関連付け、前記各計測線分上における同じ計測位置に夫々関連付けられた補正済み表面変位の平均を、平均化変位として算出し、前記計測位置と前記平均化変位とを関連付けて平均化曲線を取得する制御装置を、さらに備えたことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項６】前記制御装置は、前記平均化変位を、周波数の互いに異なる複数の周期関数の和として表し、これら各周期関数のうちの振幅が最大となる周期関数の周波数を、前記計測対象面に生じたびびりに対応する周波数として取得するとともに、前記振幅の最大値をこのびびりに対応する振幅として取得することを特徴とする請求項４又は５記載の表面形状計測装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば平面研削盤等により研削されたワークの表面におけるいわゆるびびりを計測可能な表面形状計測方法及び表面形状計測装置に、関する。
【０００２】
【従来の技術】平面研削盤は、加工対象となるワークの表面を平面状に平滑に加工する装置である。この平面研削盤により研削されたワークにおける表面（研削面）は、巨視的には確かに平面状に平滑に加工されている。しかし、微視的には、この研削面には所定の表面粗さが存在する。なお、この表面粗さの周波数特性は白色性が強く非周期的であるが、研削面には、この表面粗さの他にも周期的なうねりが生じてしまうことがある。
【０００３】即ち、通常の研削面は、表面粗さ及びうねりが重ね合わされた形状を有している。そして、このうねりの振幅が小さい場合、研削面は平滑に見えるが、このうねりの振幅が大きい場合、図６に模式的に示されるように、研削面には縞模様が見えてしまう。この縞模様が、いわゆる「びびり」である。
【０００４】このびびりを除去するために、作業者は、平面研削盤における機構や研削手順を改良してゆかなければならない。現状では、作業者が、平面研削盤により試験的にワークを研削し、このワークの研削面を目視により検査して、びびりの程度を評価していた。そして、作業者は、この評価結果に基づいて平面研削盤に対して改良を施し、さらに評価を繰り返していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来、研削面におけるびびりの評価は、作業者の目視により行われていた。このびびりの評価を客観的かつ定量的に行うためには、研削面を表面変位計により計測することが考えられる。即ち、研削面上における所定の線分に沿って表面変位計を移動させてゆくことにより、当該研削面の表面形状を計測することが考えられる。
【０００６】図７は、表面変位計により計測された研削面の表面変位を示すグラフである。なお、図７の（Ａ）は、研削面上の所定の線分に沿って計測された表面変位を示しており、図７の（Ｂ）は、この所定の線分に対して間隔をあけて平行に設定された他の線分に沿って計測された表面変位を示している。なお、図７の両グラフにおいて、横軸は、所定の線分上における計測位置（ｍｍ）を示し、縦軸は、表面変位（ｍｍ）を示している。
【０００７】この図７の（Ａ）における波形と（Ｂ）における波形とは、互いに異なっており、これらの図から周期的なうねりを見つけることは困難である。即ち、表面変位計による計測結果に基づいて、びびりに対応するうねりの振幅及び周波数を確認することは、困難である。
【０００８】通常、表面粗さの振幅は、びびりに対応したうねりの振幅と同等かあるいはそれ以上であるため、これら表面粗さ及びうねりが重ね合わされた状態の計測結果から、うねりの成分を抽出することは困難である。
【０００９】このように、表面形状は計測可能であってもびびりを計測することは困難であるので、びびりの評価は、作業者の目視に頼っているのである。しかし、目視による方式では、作業者毎に評価基準がばらついてしまううえに、定量的かつ正確な評価ができないという問題がある。
【００１０】そこで、客観的かつ定量的にびびりの計測が可能な表面形状計測方法及び表面形状計測装置を提供することを、本発明の課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解決するために、以下のような構成を採用した。
【００１２】即ち、本発明による表面形状計測方法は、計測対象面に対応させて設定された所定の基準平面内における所定の基準線に対して垂直に当該基準平面内で伸びるとともに互いに等間隔に設定された複数の計測線分に沿って、前記計測対象面と前記基準平面との距離を表面変位として計測し、前記各計測線分上の前記基準線からの距離である計測位置と、該計測位置における表面変位とを関連付け、前記各計測線分上における同じ計測位置に夫々関連付けられた表面変位の平均を、平均化変位として算出し、前記計測位置と前記平均化変位とを関連付けて平均化曲線を取得することを特徴とする。
【００１３】このようにして得られる平均化曲線は、前記計測対象面の表面形状における表面粗さその他に起因する非周期的成分が除去された形状に対応する曲線を示している。
【００１４】なお、前記の表面変位に対してローパスフィルタ処理及びハイパスフィルタ処理を施すことにより、前記計測対象面に生じたびびりに関係のない高周波成分及び低周波成分を当該表面変位から除去して、補正済み表面変位を取得し、この補正済み表面変位を基に、平均化変位を取得してもよい。
【００１５】さらに、得られた平均化変位を基に、周波数分析を行ってもよい。即ち、前記平均化変位を、周波数の互いに異なる複数の周期関数の和として表し、これら各周期関数のうちの振幅が最大となる周期関数の周波数を、前記計測対象面に生じたびびりに対応する周波数として取得するとともに、前記振幅の最大値をこのびびりに対応する振幅として取得することとしてもよい。
【００１６】また、本発明による表面形状計測装置は、計測対象面と該計測対象面に対応させて設定された所定の基準平面との距離を表面変位として計測する変位計と、前記変位計を、前記計測対象面に対向させるとともに前記基準平面に対して平行な平面内において移動させるテーブルとを備えた表面形状計測装置であって、前記テーブルにより、前記変位計を、前記基準平面内における所定の基準線に対して垂直にこの基準平面内で伸びるとともに互いに等間隔に設定された複数の計測線分に沿って移動させつつ、前記表面変位を計測し、前記各計測線分上の前記基準線からの距離である計測位置と、該計測位置における前記表面変位とを関連付け、前記各計測線分上における同じ計測位置に夫々関連付けられた表面変位の平均を、平均化変位として算出し、前記計測位置と前記平均化変位とを関連付けて平均化曲線を取得する制御装置を、さらに備えたことを特徴とする。
【００１７】さらに、この制御装置は、上記のローパスフィルタ処理及びハイパスフィルタ処理，並びに，周波数分析を行ってもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態による表面形状計測装置の構成を模式的に示す図である。この図１に示されるように、この表面形状計測装置は、平面研削盤により研削されたワークの表面（研削面）Ｓ上に配置された計測台１，この計測台１に取り付けられた二軸テーブル２，表面変位計３，演算装置４，及び表示装置５を、備えている。なお、ワークの表面である研削面Ｓは、計測対象面に相当する。
【００１９】計測台１は、その支柱により研削面Ｓ上に載置され、略矩形板状の外形を有する二軸テーブル２を研削面Ｓに平行に対向させた状態で配置している。この二軸テーブル２は、表面変位計３を、研削面Ｓに対して平行に対向した所定の平面内において移動可能に支持している。即ち、この二軸テーブル２は、表面変位計３を研削面Ｓに対向した所定の平面内における所定のＸ方向に移動させるＸ軸駆動機構，及び，表面変位計３を前記所定の平面内においてＸ軸に直交するＹ方向に移動させるＹ軸駆動機構を、有している。なお、これらＸ軸駆動機構及びＹ軸駆動機構は、例えば、ガイドレール及びボールネジを利用した機構，又は，その他の水平移動機構により、構成されている。そして、この二軸テーブル２は、表面変位計３のＸ方向における位置及びＹ方向における位置を、位置信号として出力する。この位置信号は、表面変位計３による計測位置を示している。
【００２０】表面変位計３は、研削面Ｓから二軸テーブル２までの長さを計測する計器である。この表面変位計３は、二軸テーブル２によりＸ方向及びＹ方向に移動可能に支持された状態において、研削面Ｓから二軸テーブル２までの長さを計測するとともに、この長さを変位信号として出力する。なお、この表面変位計３は、触針を研削面Ｓに接触させて該研削面Ｓから二軸テーブル２までの長さを計測する触針式の変位計であってもよい。
【００２１】制御装置４は、例えばコンピュータによりなり、二軸テーブル２及び表面変位計３に夫々接続されており、二軸テーブル２を制御して表面変位計３をＸ方向及びＹ方向に移動させる。さらに、制御装置４は、二軸テーブル２から出力される位置信号，及び表面変位計３から出力される変位信号を受信して処理する演算部４１を、有する。また、この制御装置４は、ＣＲＴやＬＣＤあるいはプリンタ等によりなる表示装置５に接続されている。
【００２２】そして、制御装置４は、二軸テーブル２を制御して表面変位計３を移動させつつ計測を行う。なお、研削面Ｓは、略水平であるものの厳密に見ると水平ではないので、制御装置４は、この研削面Ｓと略同等な位置に想定された基準平面を基準として計測を行う。即ち、制御装置４は、二軸テーブル２を制御して、この基準平面上における所定の直線（基準線ＬＢ）に対して直交する複数の計測線分Ｌ（Ｌ1〜Ｌ8）に沿って表面変位計３を移動させつつ、その演算部４１により位置信号及び変位信号を受信する。図２は、基準平面上における計測対象領域を示す説明図である。
【００２３】この図２に示されるように、基準線ＬＢは、研削面Ｓにおけるびびりによる縞に沿って、設定されている。また、各計測線分Ｌ（Ｌ1〜Ｌ8）は、基準平面内において、基準線ＬＢから該基準線ＬＢに対して垂直に伸びた所定長の線分として設定されている。なお、隣接する各計測線分Ｌ，Ｌ同士の間隔は均等になっている。この図２に示される例では、計測線分Ｌの本数ｎは、ｎ＝８になっているが、ｎの値はこの他の値であってもよい。
【００２４】この図２に示される例の場合、制御装置４は、まず、表面変位計３を基準線ＬＢと計測線分Ｌ1との交点に移動させる。そして、制御装置４は、表面変位計３を計測線分Ｌ1に沿ってその一端から他端まで移動させつつ、その演算部４１により、当該表面変位計３から出力される変位信号を受信する。なお、この演算部４１は、変位信号を、該変位信号が取得された時点における位置信号に関連付けて図示せぬ記憶装置に記憶させておく。
【００２５】次に、制御装置４は、表面変位計３を基準線ＬＢと計測線分Ｌ2との交点に移動させる。そして、制御装置４は、計測線分Ｌ1の場合と同様に、計測線分Ｌ2の一端から他端までに関する変位信号を取得する。以下、同様の処理を繰り返すことにより、制御装置４は、その演算部４１により、全計測線分Ｌ1〜Ｌ8に関する変位信号を、該変位信号が取得された時点における位置信号に関連付けて取得する。なお、演算部４１は、これら変位信号及び位置信号を、図示せぬ記憶装置に記憶させる。
【００２６】このようにして得られた変位信号及び位置信号に基づき、演算部４１は、データ処理を行う。図３は、この演算部４１における処理の流れを示すフローチャートである。以下、この図３に従って説明する。
【００２７】まず、Ｓ１において、演算部４１は、基準平面から二軸テーブル２までの長さと変位信号との差を、表面変位として算出する。
【００２８】次のＳ２において、演算部４１は、Ｓ１において得られた表面変位に対してローパスフィルタ処理及びハイパスフィルタ処理を施すことにより、当該表面変位におけるびびりに関係のない高周波成分及び低周波成分を除去し、補正済み表面変位として算出する。即ち、このＳ２における処理により、各種ノイズに起因する高周波成分や、基準平面が研削面Ｓに対して僅かに傾いたこと等により生じる低周波成分が、除去されるのである。
【００２９】次のＳ３において、演算部４１は、Ｓ２で算出された補正済み表面変位を基に、以下に述べる平均化変位ｆA（ｘ）を求める。この平均化変位ｆA（ｘ）は、第ｉ列目（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）の計測線分Ｌi上の基準線ＬＢからの距離（計測位置）ｘにおける補正済み表面変位をｆi（ｘ）とすると、以下の式、ｆA（ｘ）＝｛ｆ1（ｘ）＋ｆ2（ｘ）＋…＋ｆn（ｘ）｝／ｎにより算出される。
【００３０】この式に示されるように、平均化変位ｆA（ｘ）は、各計測線分Ｌi（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）における補正済み表面変位の平均になっている。なお、びびりには、対応する周期的な（計測線分Ｌ方向の）うねりが存在しており、この平均化の処理が行われた場合にもそのうねりは消去されずに残る。しかしながら、表面粗さの周波数特性は白色性が強く非周期的であるので、このような平均化の処理によって当該表面粗さは除去されてしまう。即ち、各計測線分Ｌiにおける補正済み表面変位ｆi（ｘ）には表面粗さが含まれているが、平均化変位ｆA（ｘ）からは、この表面粗さが殆ど除去されている。このため、平均化変位ｆA（ｘ）には、びびりに対応する周期的なうねりの成分のみが、主に含まれているのである。
【００３１】そして、演算部４１は、計測位置ｘと平均化変位ｆA（ｘ）とを関連付け、これら計測位置ｘと平均化変位ｆA（ｘ）による平均化曲線を取得し、この平均化曲線を示すグラフを表示装置５に出力する。図４は、この平均化曲線の一例を示すグラフである。この図４において、横軸は、計測位置ｘ（ｍｍ）を示し、縦軸は、平均化変位ｆA（ｘ）を示している。この図４に示されるように、平均化曲線の波形は周期的な形状になっている。
【００３２】次のＳ４において、演算部４１は、Ｓ３で得られた平均化変位ｆA（ｘ）に基づき、周波数分析を行う。この周波数分析は、平均化曲線ｆA（ｘ）が、様々な周波数を有する周期関数の和によって表現された場合に、該周期関数の各周波数成分毎の振幅を求める処理のことである。なお、ここで「周波数」というのは、計測位置ｘを１ｍｍ移動させる毎に当該周期関数が振動する回数のことである。また、分析用の周期関数としては、例えば三角関数を利用することができる。
【００３３】そして、演算部４１は、周波数分析の結果を、表示装置５に出力させる。図５は、この周波数分析結果の出力例を示すグラフである。この図５において、横軸は、周波数（回数／ｍｍ）を示し、縦軸は、振幅（ｍｍ）を示している。この図５のグラフの例では、横軸の０．０２（回数／ｍｍ）に、縦軸のピーク（振幅：４．１×１０-4ｍｍ）があることがわかる。このように、作業者は、研削面に生じたびびりを、定量的かつ客観的に把握することができるのである。
【００３４】従って、このびびりを低減させるために平面研削盤における機構や研削手順を改良しようとする場合、作業者は、この平面研削盤により試験的にワークを研削してみて、その研削面に生じたびびりを上記の如く計測することにより、当該平面研削盤に対する改良の効果を定量的かつ客観的に評価することができるのである。
【００３５】特に、長尺状の矩形板表面における短手方向に沿った表面形状を計測する場合、長手方向における計測の場合に比べて計測線分Ｌは短くなってしまう。しかしながら、この表面形状計測装置によると、計測線分Ｌの本数ｎを増やすことにより、確実に表面粗さの成分を除去して、びびりの計測が可能になるのである。
【００３６】
【発明の効果】以上のように構成された本発明による表面形状計測方法及び表面形状計測装置によると、表面変位に含まれた表面粗さの成分を除去して、表面形状におけるびびりに対応した周期的成分を抽出し、客観的かつ定量的に評価することが可能になる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２１０７
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年１月１１日（２０００．１．１１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９８２３５
【弁理士】
【氏名又は名称】金井 英幸
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１９４１３９（Ｐ２００１−１９４１３９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年７月１９日（２００１．７．１９） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２５６３（Ｐ２０００−２５６３） |
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