非接触法による３次元形状高精度測定技術の開発＊
健**、米倉和合勇雄**JIS B 7440-2 附属書 A 中間点検に使用するアーティファクトの要素設計と非接触 CMM に適応する測定要素の設計及び検証をした。その結果､独自設計の機構を有するアーティファク
ト及び非接触 CMM に適する測定要素球の表面改質方法を見いだした。
キーワード：CMM、アーティファクト、非接触、着脱

Development of High Accuracy Measurement Method for 3 Dimension
Feature by Non-contact Prove
WAGO Takeshi and YONEKURA Isao
The artifact which used on interim checking according to JIS B 7440-2 appendix-A was designed
for measurement elements applied to Non-contact probe CMM and was verified.

As a results,

artifact could be made to form original design and it found out that suitable surface modification
method for measurement element spheres using non-contact prove.
key words : CMM, artifact, non-contact, attachment and detachment
１

円筒形の上面に円錐形状の彫り込みをしたマグネット治

はじめに

近年､モールド成型やプレス加工において高精度な曲具を瞬間接着剤により任意に配置固定する。本体をナイ面形状測定が要求されており､そこではレーザや CCD カ

フエッジとマグネットによる構成としたことで従来のアメラを用いた非接触式による座標測定機（以下､非接触型ーティファクト製作で要求された高度な製造技術が不要

CMM という）が使用される。非接触型 CMM は接触型 CMMとなる。マグネット治具に直径が異なる２種類のベアリと異なる測定原理のため非接触型 CMM の性能評価にはそング球を磁力で固定することで接合による球の真球度低の測定原理に適応したアーティファクトが要求される。

下を排除する。

ここでは､非接触型CMMに適応するアーティファクトを設計製作するために､以下に示す二つの目的により実験1)を行った。一つはJIS B 7440-2 附属書A中間点検 で使用

３３－１

レーザ型プローブに適する測定要素の検証実験
球の設計

するCMM測定誤差抽出の性能が高く取り扱いが容易で独測定要素は CMM の幾何学的誤差と同時にプロービング自に製作できるアーティファクトの形状設計であり､も誤差の抽出を行うことができる球を採用した。測定要素

う一つは非接触型CMMに適用する測定要素の設計と精度

球は､接触型 CMM を使用した不確かさの小さい値を付け検証である。

るために真球度が高いこと､非接触型 CMM による測定を行うために球が適度な散乱光を生じる表面性状を有する

２

アーティファクトの要素設計

こと､プローブ原理に適合する球表面の選択とゲージ輸開発したアーティファクトはボールディメンジョン

送時に球を取り外し小さく収納するためにマグネット治

ゲージ(Ball Dimension Gauge: BDG)と呼び図１に示す。

具に固定できる磁性体であること､以上の３つの条件を寸法安定性を高める方法は､本体にナイフエッジを使用備えることが必要になる。

することで解決する。ナイフエッジの材料は JIS G 4401

３－２

標示因子の設定（炭素工具鋼鋼材）の SK5 又はこれと同等以上のものとレーザ型プローブに適応するため表面改質を行い４種

し ､ 硬 さ は 焼 入 れ し た も の で は Hv490(Hs65) ～類の表面性状として標示因子 A：表面性状を４水準設定

Hv620(Hs75)の範囲で残留応力除去のための熱処理が施した。水準は､水準１：鏡面､水準２：黒塗り､水準３：化され､経年変化が小さく寸法安定性に優れている。開発す学研磨＋表面被膜（以下､表面被膜という）､水準４：無るアーティファクトは､ナイフエッジを使用した本体に電解ニッケルメッキ（以下､無電解メッキという）とした。

*
地 域 新 生コ ン ソ ーシ アム 研 究 開発 事業**
電子機械技術部*** (株)ニュートン

岩手県工業技術センター研究報告第 14 号（2007）

球の表面改質が影響するマグネット治具への取り付け取

Plane: space axis

り外しの再現性を検証するために標示因子 B：球の着脱を３水準設定した。標示因子 C：測定の繰り返しは表面性状が影響する繰り返し誤差を求めるために２水準設定した。特性値はφ1 インチ球とφ1/2 インチ球における測2pints: rotation axis
No.2
X ,Y,Z,D,
Zero points: X,Y,Z
sphericity

定要素球の中心座標の X 座標､Y 座標､Z 座標､直径､真球度として､標示因子毎の標準偏差の工程平均を算出し､標示

No.1
X,Y,Z,D,sphericity

因子の影響の大きさを求めた。ここで､因子 B の球の着脱は一旦球をマグネット治具から取り外し再度取り付け後測定を行う行為を言う。因子 C の測定の繰り返しは同一状態で球に対し繰り返し測定を行う行為を言う。精度検図２

テストピース(BDG-T)

証実験はテストピース（以下､BDG-T という）で行い､そのワーク座標系を図２に示す。

３－３

球の表面粗さフォームタリサーフ PGI1240 で各球の表面性状について表面粗さを測定した。φ1 インチ球では､鏡面がRa0.004μm､黒塗りが Ra0.071μm､表面被膜が Ra0.310μ
マグネット治具m､無電解メッキが Ra0.353μm の結果となった。φ1/2 イ

ナイフエッジンチ球では鏡面が Ra0.021μm､黒塗りが Ra0.023μm､表ベアリング球(φ1インチ)面被膜が Ra0.299μm､無電解メッキが Ra0.309μm の結果となった。
３－４

ベアリング球(φ1/2インチ)

実験結果及び考察

標示因子 A：表面性状の４水準の球に対して非接触式のレーザ型プローブにより測定を行った結果､鏡面と黒傾斜台

塗りの水準はφ1/2 インチ球が測定できなかった。図３と図４に示す凡例の Each set は標示因子 B：球の着脱の効果､Internal of set は標示因子 C：測定の繰り返しの図１効果を表す。図３と図４から表面被膜と無電解メッキのボールディメンジョンゲージ

場合に標示因子 C：測定の繰り返しでφ1 インチ球の球径
表１以外の特性値で標準偏差の平均値が 1μm 未満となり良標示因子好な結果であった。標示因子 B：球の着脱では無電解メ水準

因子

1A 表面性状鏡面B 球の着脱

1回目

2回目

3回目

－測定の繰りC返し

1回目

2回目

－－

234
無電解黒塗り 表面被膜
メッキッキの場合でφ1/2 インチ球でのＺ座標値の標準偏差の平均値は 1.13μm が最大値となり､他の特性値は 1μm 未満となった。これは接触型 CMM の場合よりも標示因子 B：球の着脱の標準偏差は小さく良好な結果である。非接触型プローブでは利得が 0～60 ノッチまで設定できる状況において､鏡面 60､黒塗り 30､表面被膜 34､無電解メッキ
15､基準球 12 の設定が適した測定設定であり，利得設定

表２
番号12測定方式

接触型CMM
非接触型CMM

ノッチが小さい設定の方が標準偏差の小さい測定が行え

割り付け表

特性値：XYZ座標値，球径，真球度
標示因子 A1: 鏡面B1B2
B3
C1C2C1C2C1C2－－

A2: 黒塗りA3: 表面被膜
A4: 無電解メッキ※)非接触型CMMでは真球度を除くることがわかった。
３－５

絶対座標値の検証

接触型 CMM による XYZ 座標値及び球径を標準値として､非接触型 CMM による標示因子 A：表面性状毎の測定値と比較した結果を図５に示す。φ1 インチ球とφ1/2 インチ球を合わせた XYZ 座標値における標準値との差の平均値
は、表面被膜で-1.33μm､無電解メッキで-3.92μm､φ1インチ球のみで黒塗り-6.62μm､鏡面-2.76μm となった。
接触型 CMM における表面被膜と無電解メッキの標示因子
B：球の着脱の効果がそれぞれ 1.45μm､2.66μm と算出された。この結果､球中心の位置誤差とマグネット治具への装着再現性の誤差が一致した。

非接触法による３次元形状高精度測定技術の開発
４

Variation (μm)

3.0
2.5
2.0

Each set
Internal of set

JIS B 7440-2 附属書 A 中間点検に使用するアーティフ
ァクトの要素設計と非接触型 CMM に適応する測定要素の設計及び検証をした結果以下の事項が明らかとなった。

1.00.51) 提案するアーティファクトはナイフエッジを本体とすることにより適切な熱処理が施され経時変化を小Φ1/2inch-sphere

Diameter

Z axis

Y axisX axis

Diameter

Z axis

Y axisX axis

さくすることができる。

Φ1inch-sphere

Characteristics
図３

ーザ型プローブの検出性においても最も良好な利得を示し､非接触プローブに適する表面改質であることがわかった。

Diameter

Z axis

Y axisX axisDiameter

Z axis

Y axis文

図４機(CMM)の受入検査及び定期検査－第 2 部：寸法測定)､
日本規格協会(2003)

Φ1/2inch-sphere

外側割付の標示因子：無電解メッキ

50
鏡面黒塗り

4030

表面被膜
無電解メッキ2010

Φ1/2inch-sphere

Characteristics
接触型 CMM を標準値とした絶対値評価

Diameter

Z axis

Y axisX axisDiameter

Z axis

Y axisX axis0Φ1inch-sphere

献1) JIS B 7440-2 (製品の幾何特性仕様(GPS)－座標測定

Characteristics

図５

性状の球が選択できる。
グネット治具への球の着脱の効果が標準偏差の平均

Each set
Internal of set

Φ1inch-sphere-20

接触及び非接触の双方のプローブ原理に適した表面値でφ1/2 インチの Z 座標値を除き 1μm 未満及びレ

3.0
2.5
2.0
1.5
1.00.50.0-102) マグネット治具により測定要素球を着脱することで

3) 標示因子 A：表面性状では無電解メッキの場合にマ外側割付の標示因子：表面被膜X axis

Variation (μm)

言1.50.0Difference (μm)

結