JP2004012430A - 非接触測定方法及び測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】非接触変位計を用いた三角測量法による変位測定において、従来に増して高精度に変位量を測定し得る測定装置等を提供する。
【解決手段】載置台２０、非接触変位計３０、支持手段１６、送り機構部１４，２１，２３、送り制御手段４３、形状データ生成手段４７などから構成される。送り制御手段４３は、非接触変位計３０から照射されるレーザ光が、測定対象点を含む所定領域内、且つ予め設定された経路で被測定物Ｍ表面を照射するように、支持手段１６と載置台２０とを相対移動させる。形状データ生成手段４７は、非接触変位計３０の受光素子３２から受信される受光位置データを、移動経路の予め設定された間隔毎にサンプリングし、得られた各受光位置データを基に被測定物表面のレーザ光受光位置における変位量をそれぞれ算出し、ついで算出した変位量の平均値を算出して、該平均値をもって測定対象点の変位量とする。
【選択図】 図２
【解決手段】載置台２０、非接触変位計３０、支持手段１６、送り機構部１４，２１，２３、送り制御手段４３、形状データ生成手段４７などから構成される。送り制御手段４３は、非接触変位計３０から照射されるレーザ光が、測定対象点を含む所定領域内、且つ予め設定された経路で被測定物Ｍ表面を照射するように、支持手段１６と載置台２０とを相対移動させる。形状データ生成手段４７は、非接触変位計３０の受光素子３２から受信される受光位置データを、移動経路の予め設定された間隔毎にサンプリングし、得られた各受光位置データを基に被測定物表面のレーザ光受光位置における変位量をそれぞれ算出し、ついで算出した変位量の平均値を算出して、該平均値をもって測定対象点の変位量とする。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を被測定物表面に照射してその反射光を受光する非接触変位計を用い、三角測量法によって被測定物表面の変位量を測定する非接触測定方法及び測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述した非接触変位計は、図１５に示す如き基本構造を備える。即ち、図示するように、この非接触変位計３０は、レーザ光を被測定物表面Ｍａに向けて照射する投光素子３１と、被測定物表面Ｍａによって反射されたレーザ光を受光する受光面３２ａを具備し、この受光面３２ａの法線が投光素子３１から照射されるレーザ光の光軸に対し傾斜した状態に配置される受光素子３２と、投光素子３１と被測定物Ｍとの間に配置され、投光素子３１から照射されたレーザ光を集光して被測定物表面Ｍａに導く投光レンズ３３と、被測定物表面Ｍａのレーザ光受光位置と受光素子３２との間に配置され、被測定物表面Ｍａから反射されたレーザ光を集光して受光素子３２の受光面３２ａに結像せしめる受光レンズ３４などを備え、図１６に示すように、これらが適宜カバー３５内に収容された構成を備える。
【０００３】
受光素子３２に結像されるレーザ光の光量は、図１５に示すように、ガウス分布を示すが、当該受光素子３２では、入光光量のピーク位置を結像位置として認識する。
【０００４】
そして、上記構成の非接触変位計３０は、図１６に示すような三次元測定装置５０の一部として組み込まれ、測定に供される。尚、図中の符号５１は、前記非接触変位計３０を支持する支持部材であり、符号５２は、被測定物Ｍが載置される載置台５２である。支持部材５１は適宜送り装置（図示せず）によって直交３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向に移動するように構成され、かかる支持部材５１の移動によって、非接触変位計３０が被測定物Ｍに対して走査せしめられ、当該被測定物Ｍの三次元形状が測定される。
【０００５】
この非接触変位計３０を用いた変位測定の基本原理は、上述の如く三角測量法による。具体的には、図１７に示すように、受光レンズ３４の中心位置と被測定物表面Ｍａとの間の距離をｈ、受光レンズ３４の中心位置と受光素子３２との間の距離をａ、受光素子３２の中心位置Ｌに立てた法線と、投光素子から照射されるレーザ光の光軸とが交差する角度をγとし、被測定物表面Ｍａによって反射されたレーザ光が受光素子３２の中心位置Ｌに受光されるとした場合に、被測定物表面Ｍａが上方にεだけ変位することによって、受光素子３２のレーザ光受光位置が中心位置ＬからΔｇだけずれたとすると、当該変位εは、下式数式１によってこれを算出することができる。
【０００６】
【数１】
【０００７】
したがって、適宜校正処理によって、前記距離ｈ及びａ、角度γ並びにこの関係における前記受光位置（中心位置）Ｌを予め既定値として取得しておけば、上記数式１によって被測定物表面Ｍａの変位を測定することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、被測定物表面Ｍａによって反射される前記反射光は、当該被測定物表面Ｍａの性状に依る影響を極めて受け易く、このため、上述した従来の測定方法及び測定装置では、被測定物表面Ｍａの変位を高精度に測定することができないという問題があった。
【０００９】
より具体的に言うと、例えば、旋盤，マシニングセンタ，研削盤といった工作機械によって機械加工された被測定物Ｍの表面は、鏡面のような平滑面ではなく、当該表面には、図１８に示すような波状の凹凸が形成されている。この場合、凹凸の平均位置（図１８において破線で示す位置）の変位を検出すべきであるが、レーザ光の光径が表面あらさの凹凸間隔より小さい場合には、凹凸部のどの位置にレーザ光が照射されるかによって、測定される変位に誤差を生じるのである。例えば、レーザ光が凸部（Ａ点）に照射された場合には、Δε１の誤差を生じ、レーザ光が凹部（Ｂ点）に照射された場合には、Δε２の誤差を生じる。
【００１０】
また、前記受光面３２ａに受光されるレーザ光の受光光量は、被測定物Ｍの表面が平滑面である場合には、受光領域の中心部において最大となるが、上記のような凹凸が存在する表面では、凸部で強く反射されたり、或いは、斜面で反射方向が変向したりして、前記受光面３２ａにおける受光量のピークが受光領域の中心部から周縁部にズレた（偏った）状態となる。そして、このピークのズレによって測定誤差を生じる。このことは、被測定物表面Ｍａに機械加工によって形成された加工条痕が存在する場合にも、同様の現象として生じる。
【００１１】
その一方、近時、リードタイムの短縮といった観点から、工作機械で加工されたワークを、そのまま機上で高精度に形状測定し得る測定装置が待望されているが、前記非接触変位計３０は振動等の外乱によって測定精度が影響を受け難いといった優れた特長を有することから、機上計測に最も適したツールであると考えられている。
【００１２】
そこで、本発明者らは、上述した非接触変位計３０の特長を生かしつつ、更にその測定精度を高めるべく鋭意研究を重ねた結果、本発明をなすに至ったものである。
【００１３】
斯くして、本発明は、非接触変位計を用い、三角測量法によって被測定物表面の変位を測定する非接触測定方法及び測定装置において、当該被測定物表面の変位を従来に増して高精度に測定し得る測定方法及び測定装置の提供を、その目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、レーザ光を被測定物表面に照射する投光素子と、前記被測定物表面によって反射されたレーザ光を受光する受光面を具備し、該受光面の法線が前記投光素子から照射されるレーザ光の光軸に対し傾斜した状態に配置される受光素子と、前記被測定物表面のレーザ光受光位置と前記受光素子との間に配置され、前記被測定物表面から反射されたレーザ光を集光して前記受光素子の受光面に結像せしめる受光レンズとを備えた非接触変位計を用い、
前記投光素子から被測定物表面にレーザ光を照射して、その反射光を前記受光素子に受光せしめ、該受光素子受光面の受光位置を検出して、検出された受光位置、並びに前記投光素子，受光レンズ及び受光素子の配置関係を基に、三角測量法によって前記被測定物表面におけるレーザ光受光位置の変位量を測定する方法において、
前記被測定物表面に対し予め設定された測定対象点の変位量を測定するに当たり、前記非接触変位計を予め設定された経路で走査して、前記被測定物表面の前記測定対象点を含む所定領域内にレーザ光を照射せしめ、前記走査経路の予め設定された間隔毎に、前記受光素子における受光位置データをサンプリングし、得られた各受光位置データを基に前記三角測量法によって前記被測定物表面におけるレーザ光受光位置の変位量をそれぞれ算出した後、算出した変位量の平均値を算出し、該平均値をもって前記測定対象点の変位量とするようにしたことを特徴とする非接触測定方法に係る。
【００１５】
そして、この非接触測定方法は、以下の非接触測定装置によって、これを好適に実施することができる。
【００１６】
即ち、上記非接触測定装置は、
被測定物が載置される載置台と、
前記載置台上の被測定物表面にレーザ光を照射する投光素子と、前記被測定物表面によって反射されたレーザ光を受光する受光面を具備し、該受光面の法線が前記投光素子から照射されるレーザ光の光軸に対し傾斜した状態に配置される受光素子と、前記被測定物表面のレーザ光受光位置と前記受光素子との間に配置され、前記被測定物表面から反射されたレーザ光を集光して前記受光素子の受光面に結像せしめる受光レンズとからなる非接触変位計と、
前記非接触変位計を支持する支持手段と、
前記支持手段と載置台とを直交３軸方向に相対移動させる送り機構部と、
前記直交３軸方向における前記支持手段と載置台との間の相対位置を検出する位置検出器と、
前記送り機構部の作動を制御する送り制御手段と、
前記非接触変位計の受光素子からその受光位置に係るデータを受信し、受信した受光位置、並びに前記投光素子，受光レンズ及び受光素子の配置関係を基に、三角測量法によって前記被測定物表面におけるレーザ光受光位置の変位量を算出し、算出した変位量から前記被測定物に係る形状データを生成する形状データ生成部とから構成されてなり、
前記被測定物表面に対し予め設定された測定対象点の変位量を測定するに当たり、
前記送り制御部が、
前記非接触変位計から照射されるレーザ光が、前記被測定物表面における前記測定対象点を含む所定領域内、且つ予め設定された経路で前記被測定物表面を照射するように、前記支持手段と載置台とを相対移動させて、前記非接触変位計を前記被測定物に対し走査させるように構成され、
前記形状データ生成部が、
前記受光素子から受信される受光位置データを、前記経路の予め設定された間隔毎にサンプリングし、得られた各受光位置データを基に前記三角測量法によって前記被測定物表面におけるレーザ光受光位置の変位量をそれぞれ算出した後、算出した変位量の平均値を算出し、該平均値をもって前記測定対象点の変位量とするように構成される。
【００１７】
尚、上述した所定領域は、これを円領域とし、且つその直径を、前記被測定物表面の表面あらさに係るＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の凹凸平均間隔Ｓｍの０．５倍以上２倍以下にすると良い。
【００１８】
また、前記非接触変位計の走査経路は、これを円弧経路にすると良い。
【００１９】
また、前記被測定物表面の測定対象領域に、機械加工によって形成され、一方向に整列された加工条痕が存在する場合には、前記非接触変位計を、その前記投光素子，受光レンズ及び受光素子を含む平面が前記加工条痕と平行となるように配置して、前記測定を行うようにすると良い。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態について添付図面に基づき説明する。尚、本例では、工作機械で加工されたワークを機上で測定するように構成された測定装置について説明する。したがって、本測定装置は、工作機械の機構部分及び制御部分の一部をそのまま測定用に利用した構成として観念され、以下、当該工作機械の機構部分及び制御部分を含めて測定装置と呼ぶこととする。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る測定装置の概略構成を示した側面図であり、図２は、そのブロック図である。図１に示すように、本例の測定装置１は、ベッド１１と、このベッド１１上に立設されたコラム１２と、コラム１２に上下方向（矢示Ｚ軸方向）に移動可能に支持された主軸頭１３と、主軸頭１３に回転自在に支持された主軸１６と、ベッド１１上に矢示Ｙ軸方向に移動可能に設けられたサドル１９と、このサドル１９上に紙面に対し直交する方向（Ｘ軸方向）に移動可能に設けられたテーブル２０と、主軸１６に保持される非接触変位計３０と、数値制御装置４０などから構成される。
【００２２】
図２に示すように、前記主軸頭１３は送り機構部１４によって駆動され、そのＺ軸方向における位置が送り機構部１４に付設された位置検出器１５によって検出される。また、主軸１６は駆動モータ１７によって回転駆動され、その回転位置が当該主軸１６に付設された回転位置検出器１８によって検出される。
【００２３】
また、前記サドル１９は送り機構部２３によって駆動され、そのＹ軸方向における位置が送り機構部２３に付設された位置検出器２４によって検出される。同様に、前記テーブル２０は送り機構部２１によって駆動され、そのＸ軸方向における位置が送り機構部２１に付設された位置検出器２２によって検出される。
【００２４】
また、前記非接触変位計３０は、上述の図１５及び図１６に示したものと同様の構成を備える。
【００２５】
尚、前記位置検出器１５，２２，２４はそれぞれ磁気スケールや光学スケールなどからなり、回転位置検出器１８は光学式のパルスエンコーダなどからなる。
【００２６】
前記数値制御装置４０は、データ記億部４１，プログラム解析部４２，送り制御部４３，主軸制御部４４，変位計制御部４６，加工条痕認識部４５，形状データ生成部４７などから構成される。
【００２７】
データ記憶部４１はＮＣプログラム，ツールパスデータ，測定プログラム，形状データといった各種プログラムやデータが格納される機能部であり、数値制御装置４０に接続された入出力装置５０から前記プログラムやデータが入力され、当該データ記憶部４１に格納される。このデータ記憶部４１内に格納されたプログラムやデータは、入出力装置５０の出力部に出力されるようになっており、その内容を、当該出力部を通して確認することができるようになっている。
【００２８】
尚、前記加工プログラムは、言うまでもなく、加工順序にしたがって主軸の回転（回転開始，回転停止，回転方向）、その回転角度や回転速度、送り軸、その移動位置や送り速度といった指令をＮＣコードで記述したものである。
【００２９】
また、測定プログラムも同様に、主軸の回転角度、送り軸、その移動位置や送り速度、測定の開始や終了といった指令を、ＮＣコードを含む特定のコードで記述したものである。
【００３０】
例えば、図３に示すように、テーブル２０上に載置された被測定物Ｍの表面Ｍａに適宜設定した測定位置Ｐ１〜Ｐ１４の変位量を順次測定する場合、当該測定プログラムでは、まず、測定の開始が指令され、次に、主軸１６の初期回転角度が指令された後、主軸１６に装着された非接触変位計３０を前記各測定位置Ｐ１〜Ｐ１４の上方の所定位置に移動させるための座標位置（各送り軸における位置）とその位置に移動する移動速度が順次指令され、最後に測定の終了が指令される。また、本例では、各測定位置Ｐ１〜Ｐ１４において、主軸１６とテーブル２０とが直径ｄの円弧軌跡で相対移動するように設定され、円弧移動の開始と同時にデータ取り込みが開始され、円弧移動の終了と同時にデータ取り込みが終了される。
【００３１】
前記プログラム解析部４２は、前記データ記憶部４１に格納されたプログラムを順次読み出して、これを実行する機能部であり、例えば、ＮＣプログラムを実行する場合には、プログラム中に指定された主軸の回転、その回転角度や回転速度、送り軸、その移動位置や送り速度といった指令を認識し、指令に応じた制御信号を前記送り制御部４３や主軸制御部４４に送信する。また、測定プログラムを実行する場合には、プログラム中に指定された主軸の回転角度、送り軸、その移動位置や送り速度、測定の開始や終了といった指令を認識し、指令に応じた制御信号を前記送り制御部４３，主軸制御部４４，加工条痕認識部４５，変位計制御部４６や形状データ生成部４７に送信する。
【００３２】
前記送り制御部４３は、前記プログラム解析部４２から受信した送り軸，移動位置，送り速度などに関する制御信号に従い、制御対象の各送り機構部１４，２１，２３を各位置検出器１５，２２，２４からフィードバックされる位置信号を基にフィードバック制御して、主軸頭１３，サドル１９やテーブル２０を指令位置に移動させる。これにより、テーブル２０上に載置されたワーク（被測定物）と主軸１６とが前記直交３軸（Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸）方向に適宜相対移動せしめられる。
【００３３】
前記主軸制御部４４は、前記プログラム解析部４２から受信した主軸の回転，その回転角度や回転速度などに関する制御信号に従い、駆動モータ１７を回転位置検出器１８からフィードバックされる回転位置信号を基にフィードバック制御して、主軸１６を指令角度に割り出したり、指令回転速度で回転させる。
【００３４】
前記変位計制御部４６は、前記プログラム解析部４２から受信した制御信号に基づき、前記非接触変位計３０の作動を制御する。具体的には、前記プログラム解析部４２から測定開始信号を受信して前記非接触変位計３０の投光素子３１からレーザ光を照射させ、測定終了信号を受信してレーザ光の照射を停止させる。
【００３５】
前記加工条痕認識部４５は、図４に示した処理を実行する。即ち、前記プログラム解析部４２から測定開始信号を受信して処理を開始し（ステップＳ１）、ついで、前記プログラム解析部４２から非接触変位計３０の移動位置（測定位置）に係る信号を受信すると（ステップＳ２）、データ記憶部４１に格納されたＮＣプログラム若しくは当該ＮＣプログラムを生成するためのツールパスデータを解析して、当該測定位置を含む所定領域内に存在する加工条痕の角度（本例では、Ｘ軸−Ｙ軸平面における角度）を算出（認識）する（ステップＳ３）。
【００３６】
通常、工作機械によって加工された被測定物Ｍの加工表面には、図５に示すように、工具Ｔの走査方向に沿った加工条痕（筋状の加工跡）ＴＭが形成される。尚、図５は、一例としてボールエンドミルによって加工された被測定物Ｍの加工表面を図示したものである。
【００３７】
かかる加工条痕ＴＭのＸ軸−Ｙ軸平面における角度（図６における角度θ）は、データ記憶部４１に格納されたＮＣプログラム若しくはこのＮＣプログラムを生成するためのツールパスデータからこれを容易に算出することができ、前記加工条痕認識部４５は算出した角度データを主軸制御部４４に送信し、主軸制御部４４は受信した角度位置に主軸１６を回転させる。
【００３８】
前記非接触変位計３０は、主軸１６の回転角度が０°のとき、投光素子３１，受光素子３２，投光レンズ３３及び受光レンズ３４を含む平面が前記Ｘ軸と平行になるように、前記主軸１６に装着されており、主軸１６が加工条痕ＴＭと一致する角度に回転せしめられると、図７に示すように、非接触変位計３０の投光素子３１，受光素子３２，投光レンズ３３及び受光レンズ３４を含む平面が加工条痕ＴＭと平行になる。
【００３９】
以後、加工条痕認識部４５は、プログラム解析部４２から非接触変位計３０の測定位置に係る信号を受信するたびに、上記加工条痕ＴＭの角度を算出してこれを主軸制御部４４に送信し（ステップＳ５）、プログラム解析部４２から測定終了信号を受信した後、処理を終了する（ステップＳ６）。
【００４０】
前記形状データ生成部４７は、図８に示した処理を実行する。即ち、前記プログラム解析部４２から測定開始信号を受信して処理を開始し（ステップＳ１１）、ついで、前記プログラム解析部４２から非接触変位計３０を円弧移動させる信号を受信すると（ステップＳ１２）、前記非接触変位計３０の受光素子３２によって検出された受光位置データ（図１７に示したΔｇ）を、当該円弧移動が終了されるまでの間、所定サンプリング間隔で受信する（ステップＳ１３，Ｓ１４）。尚、円弧移動の終了時点については、前記位置検出器１５，２２，２４からフィードバックされる位置信号を基に、これを認識する。
【００４１】
ついで、形状データ生成部４７は、サンプリングした各受光位置データを基に三角測量法によって被測定物表面Ｍａにおける各レーザ光受光位置の変位量をそれぞれ算出し（ステップＳ１５）、算出した変位量を単純平均してその平均値を算出し（ステップＳ１６）、算出した平均値を対応する測定位置の変位量とする。ついで、算出した変位量と前記位置検出器１５から受信した位置信号とを基に、所定の基準位置に対する当該測定位置のＺ軸方向における位置を算出し（ステップＳ１７）、算出したＺ軸方向の位置データと、Ｘ軸−Ｙ軸平面における測定位置の位置データとを関連付けて、これを当該測定位置の三次元位置データとしてデータ記憶部４１に格納する（ステップＳ１８）。
【００４２】
以後、形状データ生成部４７は、プログラム解析部４２から非接触変位計３０を円弧移動させる信号を受信するたびに、上記ステップＳ１２〜Ｓ１７の処理を繰り返し（ステップＳ１９）、プログラム解析部４２から測定終了信号を受信した後、当該処理を終了する（ステップＳ２０）。
【００４３】
以上の構成を備えた本例の測定装置１では、テーブル２０上に載置された被測定物Ｍの形状が、以下のようにして測定される。尚、被測定物Ｍは、データ記憶部４１に格納されたＮＣプログラムに基づいて、図３に示した形状に加工され、当該加工済みの被測定物Ｍがそのまま機上で測定されるものとする。また、測定は、被測定物表面Ｍａに設定された測定位置Ｐ１〜Ｐ１４のＺ軸方向における位置を測定するものとする。
【００４４】
まず、プログラム解析部４２によりデータ記憶部４１から測定プログラムが読み出され、当該測定プログラムが順次実行される。
【００４５】
即ち、まず、非接触変位計３０の投光素子３１からレーザ光が照射せしめられ、レーザ光が照射された状態で当該非接触変位計３０が、測定位置Ｐ１の上方に移動せしめられる。その際、測定位置Ｐ１を含む所定領域内に形成された加工条痕ＴＭの角度が、前記加工条痕認識部４５によって認識され、認識された角度となるように主軸１６が回転せしめられる。これにより、当該主軸１６に装着された非接触変位計３０の投光素子３１，受光素子３２，投光レンズ３３及び受光レンズ３４を含む平面が前記加工条痕ＴＭと平行になる。
【００４６】
次に、非接触変位計３０が測定位置Ｐ１を中心とした直径ｄの円弧軌跡を描くように移動せしめられる。これにより、非接触変位計３０の投光素子３１から照射されるレーザ光が、被測定物Ｍの表面Ｍａ上を、測定位置Ｐ１を中心とした直径ｄの円弧軌跡を描くように走査され、被測定物表面Ｍａによって反射されたレーザ光が連続的に受光素子３２に受光される。
【００４７】
そして、非接触変位計３０が円弧移動する間、非接触変位計３０の受光素子３２によって検出された受光位置データが、形状データ生成部４７によって所定サンプリング間隔でサンプリングされ、サンプリングされた各受光位置データを基に三角測量法によって被測定物表面Ｍａにおける各レーザ光受光位置の変位量がそれぞれ算出され、算出された変位量を単純平均してその平均値が算出され、算出された平均値が当該測定位置Ｐ１の変位量とされる。ついで、形状データ生成部４７は、算出した変位量を基に、所定の基準位置に対する当該測定位置Ｐ１のＺ軸方向における位置を算出し、算出したＺ軸方向の位置データと、Ｘ軸−Ｙ軸平面における測定位置Ｐ１の位置データとを関連付けて、これを当該測定位置Ｐ１の三次元位置データ（形状データ）としてデータ記憶部４１に格納する。
【００４８】
以後、順次、非接触変位計３０が測定位置Ｐ２〜Ｐ１４の上方に移動せしめられ、上述の如くして、各測定位置Ｐ２〜Ｐ１４における三次元位置が測定され、測定された三次元位置データがデータ記憶部４１に格納される。そして、全ての測定位置Ｐ１〜Ｐ１４についての測定が終了した後、当該測定処理が終了される。
【００４９】
上述したように、レーザ光による非接触変位計３０では、被測定物表面Ｍａによって反射されるレーザ反射光が、当該被測定物表面Ｍａの性状に極めて影響され易く、このために、被測定物表面Ｍａの変位量を高精度に測定することができないという根本的な問題がある。
【００５０】
しかしながら、本実施形態では、上述したように、測定対象位置を含む周辺領域内の複数点の変位量を測定し、これを平均して当該測定対象位置の変位量としているので、上述した被測定物表面Ｍａの性状が測定精度に与える影響を大幅に緩和することができ、当該変位量を高精度に測定することができる。
【００５１】
尚、上記走査円の直径ｄは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の凹凸平均間隔Ｓｍであって、被測定物表面Ｍａの表面あらさに係る凹凸平均間隔Ｓｍの０．５倍以上２倍以下とするのが好ましい。０．５倍未満である場合には、測定精度を期待される程度に高めることができず、２倍を超えると測定対象位置の真の変位量と言えなくなるからである。
【００５２】
また、本実施形態では、非接触変位計３０の姿勢を、その投光素子３１，受光素子３２，投光レンズ３３及び受光レンズ３４を含む平面が、被測定物表面Ｍａの測定対象領域内に存在する加工条痕ＴＭに対して平行となる姿勢としているので、前記受光素子３２に受光される光量のピークが受光領域の中心部から周縁部にズレるのを防止することができ、この意味でも当該変位量を高精度に測定することができる。
【００５３】
このように、本実施形態によれば、上述した非接触変位計３０の有する問題点を解決し、変位量を高精度に測定することができるが、かかる本実施形態、即ち、本発明における効果を下記実験例によってより具体的に実証する。
【００５４】
（実験例１）
非接触変位計３０として、レーザフォーカス変位計（ＬＴ−８１１０、キーエンス社製）を用い、図９（ａ）に示すように、試料Ｍをテーブル２０上に載置して、非接触変位計３０をＸ軸方向に走査し、前記試料Ｍ表面の変位量を連続的にサンプリング（測定距離１０ｍｍで５０００点）した後、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に従って、その表面粗さＲＺＬを算出した。
【００５５】
尚、非接触変位計３０のレーザ光径は３０μｍであり、図１７に示すｈ，γ，ａの値は、それぞれｈ＝３０ｍｍ，γ＝４０°，ａ＝１０ｍｍであった。また、試料Ｍには、表面粗さがＲｙ＝６．０μｍとＲｙ＝１１．６μｍ（いずれも接触式表面粗さ計で測定）に研削加工された２種類の鋼片を用いた。
【００５６】
また、試料Ｍに形成された加工条痕（研削痕）がＹ軸と平行になるように、当該試料Ｍをテーブル２０上に載置するとともに、主軸１６の回転角度αが０°のとき、図１５に示した投光素子３１，受光素子３２，投光レンズ３３及び受光レンズ３４を含む平面がＸ軸、即ち加工条根と直交するように、当該非接触変位計３０を主軸１６に装着し、主軸１６の回転角度αを、０°（図９（ｂ）），１０°，２０°，３０°，４０°，４５°，５０°，６０°，７０°，８０°，９０°（図９（ｃ））としてＸ軸方向に走査し、上記の如く試料Ｍの表面粗さＲＺＬを測定した。その結果を図１０に示す。
【００５７】
図１０から明らかなように、主軸１６の回転角度αが９０°のとき、即ち、前記投光素子３１，受光素子３２，投光レンズ３３及び受光レンズ３４を含む平面が加工条根と平行となるように、当該非接触変位計３０を配置することで、その測定精度を高めることができる。
【００５８】
（実験例２）
非接触変位計３０として上記実験例１と同様のものを用い、図１１（ａ）に示すように、研削加工された試料Ｍをテーブル２０上に載置して、図１１（ｂ）に示すように、試料表面の３点（Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ）のテーブル２０上面からの高さを測定した。尚、試料Ｍは、接触式表面粗さ計で測定した表面粗さがＲｙ＝６．０μｍ、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定される凹凸平均間隔Ｓｍが３０．０μｍであった。
【００５９】
また、前記試料Ｍは，その表面に形成された加工条痕（研削痕）がＹ軸と平行になるように、これをテーブル２０上に載置するとともに、主軸１６の回転角度αを０°として、図１１（ａ）に示すように、非接触変位計３０を、各測定点（Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ）を中心として直径ｄの円弧軌跡を描くように走査させ、走査中、試料表面の変位量を連続的にサンプリング（測定距離１０ｍｍで５０００点）して、サンプリングした変位量を単純平均し、当該各測定点（Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ）の変位量とした。そして算出した変位量から各測定点（Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ）のテーブル２０上面からの高さを算出し、同位置をタッチプローブ式三次元測定機（ＢＲＴ５０４ ミツトヨ社製）によって測定した結果との差をとって、測定誤差を算出した。その結果を図１２に示す。
【００６０】
図１２から明らかなように、この場合には、非接触変位計３０の円弧走査直径ｄを３０μｍ以上、即ち、凹凸平均間隔Ｓｍの１．０倍以上とすることで、測定精度を高めることができる。
【００６１】
（実験例３）
図１３（ａ），（ｂ）に示すように、試料Ｍとして、ボールエンドミルによって加工されたものを用い、その加工表面の２つの測定点（Ｐａ，Ｐｂ）について測定した以外は上記実験例２と同様にして、各点のテーブル２０上面からの高さを測定し、その測定誤差を算出した。その結果を図１４に示す。尚、試料Ｍの加工表面は、接触式表面粗さ計で測定した表面粗さがＲｙ＝２．３μｍ、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定される凹凸平均間隔Ｓｍが４０μｍであった。
【００６２】
図１４から明らかなように、この場合には、非接触変位計３０の円弧走査直径ｄを２０μｍ以上、即ち、凹凸平均間隔Ｓｍの０．５倍以上とすることで、測定精度を高めることができる。
【００６３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。例えば、上例では、測定にあったって非接触変位計３０を円弧走査させるようにしているが、これは、円弧走査が制御上最も平易であると考えられるからであり、測定対象位置を含む周辺領域内の複数点の変位量を測定することができるのであれば、走査経路は円弧走査に何ら限定されるものではない。
【００６４】
また、上例では、制御系を工作機械の数値制御装置４０内に組み込んだ構成としたが、これに限られるものではなく、かかる制御系を工作機械の数値制御装置４０とは別個に設けた構成としても良い。更に、上例では、被測定物Ｍを工作機械上で測定し得る構成としたが、言うまでもなく、測定装置を工作機械とは別に設けた構成とすることもできる。
【００６５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、測定対象位置を含む周辺領域内の複数点の変位量を測定し、これを平均して当該測定対象位置の変位量としているので、被測定物表面の性状が測定精度に与える影響を大幅に緩和することができ、当該変位量を高精度に測定することができる。
【００６６】
そして、上記測定領域を、直径が、被測定物表面の表面あらさに係るＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の凹凸平均間隔Ｓｍの０．５倍以上２倍以下である円領域とすることで、より測定精度を高めることができる。
【００６７】
また、非接触変位計の姿勢を、その投光素子，受光素子及び受光レンズを含む平面が、被測定物表面の測定対象領域内に存在する加工条痕に対して平行となる姿勢としているので、受光素子に受光される光量のピークが受光領域の中心部から周縁部にズレるのを防止することができ、この意味でも当該変位量を高精度に測定することができる。
【００６８】
斯くして、本発明によれば、外乱の影響を受け難いという特長を備えた非接触変位計の測定精度を高めることができるので、かかる非接触変位計を用いることで、工作機械で加工された加工品をそのまま機上で測定することが可能である。これにより、当該加工におけるリードタイムの短縮など、その生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る非接触測定装置の概略構成を示した側面図である。
【図２】本実施形態に係る非接触測定装置の概略構成を示したブロック図である。
【図３】本実施形態に係る測定手順を説明するための説明図である。
【図４】本実施形態の加工条痕認識部における処理手順をしめしたフローチャートである。
【図５】本実施形態の加工条痕認識部における処理を説明するための説明図である。
【図６】本実施形態の加工条痕認識部における処理を説明するための説明図である。
【図７】本実施形態の加工条痕認識部における処理を説明するための説明図である。
【図８】本実施形態の形状データ生成部における処理手順を示したフローチャートである。
【図９】（ａ），（ｂ）及び（ｃ）は、実験例１の内容を説明するための説明図である。
【図１０】実験例１における測定結果を示したグラフである。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、実験例２の内容を説明するための説明図である。
【図１２】実験例２における測定結果を示したグラフである。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は、実験例３の内容を説明するための説明図である。
【図１４】実験例３における測定結果を示したグラフである。
【図１５】非接触変位計の基本構造を説明するための説明図である。
【図１６】非接触変位計を備えた測定装置の基本構成を説明するための説明図である。
【図１７】三角測量法による変位測定の基本原理について説明するための説明図である。
【図１８】非接触変位計における問題点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ 測定装置
１６ 主軸
１７ 駆動モータ
１８ 回転位置検出器
２０ テーブル
１４，２１，２３ 送り機構部
１５，２２，２４ 位置検出器
３０ 非接触変位計
３１ 投光素子
３２ 受光素子
３３ 投光レンズ
３４ 受光レンズ
４０ 数値制御装置
４１ データ記憶部
４２ プログラム解析部
４３ 送り制御部
４４ 主軸制御部
４５ 加工条痕認識部
４６ 変位計制御部
４７ 形状データ生成部
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を被測定物表面に照射してその反射光を受光する非接触変位計を用い、三角測量法によって被測定物表面の変位量を測定する非接触測定方法及び測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述した非接触変位計は、図１５に示す如き基本構造を備える。即ち、図示するように、この非接触変位計３０は、レーザ光を被測定物表面Ｍａに向けて照射する投光素子３１と、被測定物表面Ｍａによって反射されたレーザ光を受光する受光面３２ａを具備し、この受光面３２ａの法線が投光素子３１から照射されるレーザ光の光軸に対し傾斜した状態に配置される受光素子３２と、投光素子３１と被測定物Ｍとの間に配置され、投光素子３１から照射されたレーザ光を集光して被測定物表面Ｍａに導く投光レンズ３３と、被測定物表面Ｍａのレーザ光受光位置と受光素子３２との間に配置され、被測定物表面Ｍａから反射されたレーザ光を集光して受光素子３２の受光面３２ａに結像せしめる受光レンズ３４などを備え、図１６に示すように、これらが適宜カバー３５内に収容された構成を備える。
【０００３】
受光素子３２に結像されるレーザ光の光量は、図１５に示すように、ガウス分布を示すが、当該受光素子３２では、入光光量のピーク位置を結像位置として認識する。
【０００４】
そして、上記構成の非接触変位計３０は、図１６に示すような三次元測定装置５０の一部として組み込まれ、測定に供される。尚、図中の符号５１は、前記非接触変位計３０を支持する支持部材であり、符号５２は、被測定物Ｍが載置される載置台５２である。支持部材５１は適宜送り装置（図示せず）によって直交３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向に移動するように構成され、かかる支持部材５１の移動によって、非接触変位計３０が被測定物Ｍに対して走査せしめられ、当該被測定物Ｍの三次元形状が測定される。
【０００５】
この非接触変位計３０を用いた変位測定の基本原理は、上述の如く三角測量法による。具体的には、図１７に示すように、受光レンズ３４の中心位置と被測定物表面Ｍａとの間の距離をｈ、受光レンズ３４の中心位置と受光素子３２との間の距離をａ、受光素子３２の中心位置Ｌに立てた法線と、投光素子から照射されるレーザ光の光軸とが交差する角度をγとし、被測定物表面Ｍａによって反射されたレーザ光が受光素子３２の中心位置Ｌに受光されるとした場合に、被測定物表面Ｍａが上方にεだけ変位することによって、受光素子３２のレーザ光受光位置が中心位置ＬからΔｇだけずれたとすると、当該変位εは、下式数式１によってこれを算出することができる。
【０００６】
【数１】
したがって、適宜校正処理によって、前記距離ｈ及びａ、角度γ並びにこの関係における前記受光位置（中心位置）Ｌを予め既定値として取得しておけば、上記数式１によって被測定物表面Ｍａの変位を測定することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、被測定物表面Ｍａによって反射される前記反射光は、当該被測定物表面Ｍａの性状に依る影響を極めて受け易く、このため、上述した従来の測定方法及び測定装置では、被測定物表面Ｍａの変位を高精度に測定することができないという問題があった。
【０００９】
より具体的に言うと、例えば、旋盤，マシニングセンタ，研削盤といった工作機械によって機械加工された被測定物Ｍの表面は、鏡面のような平滑面ではなく、当該表面には、図１８に示すような波状の凹凸が形成されている。この場合、凹凸の平均位置（図１８において破線で示す位置）の変位を検出すべきであるが、レーザ光の光径が表面あらさの凹凸間隔より小さい場合には、凹凸部のどの位置にレーザ光が照射されるかによって、測定される変位に誤差を生じるのである。例えば、レーザ光が凸部（Ａ点）に照射された場合には、Δε１の誤差を生じ、レーザ光が凹部（Ｂ点）に照射された場合には、Δε２の誤差を生じる。
【００１０】
また、前記受光面３２ａに受光されるレーザ光の受光光量は、被測定物Ｍの表面が平滑面である場合には、受光領域の中心部において最大となるが、上記のような凹凸が存在する表面では、凸部で強く反射されたり、或いは、斜面で反射方向が変向したりして、前記受光面３２ａにおける受光量のピークが受光領域の中心部から周縁部にズレた（偏った）状態となる。そして、このピークのズレによって測定誤差を生じる。このことは、被測定物表面Ｍａに機械加工によって形成された加工条痕が存在する場合にも、同様の現象として生じる。
【００１１】
その一方、近時、リードタイムの短縮といった観点から、工作機械で加工されたワークを、そのまま機上で高精度に形状測定し得る測定装置が待望されているが、前記非接触変位計３０は振動等の外乱によって測定精度が影響を受け難いといった優れた特長を有することから、機上計測に最も適したツールであると考えられている。
【００１２】
そこで、本発明者らは、上述した非接触変位計３０の特長を生かしつつ、更にその測定精度を高めるべく鋭意研究を重ねた結果、本発明をなすに至ったものである。
【００１３】
斯くして、本発明は、非接触変位計を用い、三角測量法によって被測定物表面の変位を測定する非接触測定方法及び測定装置において、当該被測定物表面の変位を従来に増して高精度に測定し得る測定方法及び測定装置の提供を、その目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、レーザ光を被測定物表面に照射する投光素子と、前記被測定物表面によって反射されたレーザ光を受光する受光面を具備し、該受光面の法線が前記投光素子から照射されるレーザ光の光軸に対し傾斜した状態に配置される受光素子と、前記被測定物表面のレーザ光受光位置と前記受光素子との間に配置され、前記被測定物表面から反射されたレーザ光を集光して前記受光素子の受光面に結像せしめる受光レンズとを備えた非接触変位計を用い、
前記投光素子から被測定物表面にレーザ光を照射して、その反射光を前記受光素子に受光せしめ、該受光素子受光面の受光位置を検出して、検出された受光位置、並びに前記投光素子，受光レンズ及び受光素子の配置関係を基に、三角測量法によって前記被測定物表面におけるレーザ光受光位置の変位量を測定する方法において、
前記被測定物表面に対し予め設定された測定対象点の変位量を測定するに当たり、前記非接触変位計を予め設定された経路で走査して、前記被測定物表面の前記測定対象点を含む所定領域内にレーザ光を照射せしめ、前記走査経路の予め設定された間隔毎に、前記受光素子における受光位置データをサンプリングし、得られた各受光位置データを基に前記三角測量法によって前記被測定物表面におけるレーザ光受光位置の変位量をそれぞれ算出した後、算出した変位量の平均値を算出し、該平均値をもって前記測定対象点の変位量とするようにしたことを特徴とする非接触測定方法に係る。
【００１５】
そして、この非接触測定方法は、以下の非接触測定装置によって、これを好適に実施することができる。
【００１６】
即ち、上記非接触測定装置は、
被測定物が載置される載置台と、
前記載置台上の被測定物表面にレーザ光を照射する投光素子と、前記被測定物表面によって反射されたレーザ光を受光する受光面を具備し、該受光面の法線が前記投光素子から照射されるレーザ光の光軸に対し傾斜した状態に配置される受光素子と、前記被測定物表面のレーザ光受光位置と前記受光素子との間に配置され、前記被測定物表面から反射されたレーザ光を集光して前記受光素子の受光面に結像せしめる受光レンズとからなる非接触変位計と、
前記非接触変位計を支持する支持手段と、
前記支持手段と載置台とを直交３軸方向に相対移動させる送り機構部と、
前記直交３軸方向における前記支持手段と載置台との間の相対位置を検出する位置検出器と、
前記送り機構部の作動を制御する送り制御手段と、
前記非接触変位計の受光素子からその受光位置に係るデータを受信し、受信した受光位置、並びに前記投光素子，受光レンズ及び受光素子の配置関係を基に、三角測量法によって前記被測定物表面におけるレーザ光受光位置の変位量を算出し、算出した変位量から前記被測定物に係る形状データを生成する形状データ生成部とから構成されてなり、
前記被測定物表面に対し予め設定された測定対象点の変位量を測定するに当たり、
前記送り制御部が、
前記非接触変位計から照射されるレーザ光が、前記被測定物表面における前記測定対象点を含む所定領域内、且つ予め設定された経路で前記被測定物表面を照射するように、前記支持手段と載置台とを相対移動させて、前記非接触変位計を前記被測定物に対し走査させるように構成され、
前記形状データ生成部が、
前記受光素子から受信される受光位置データを、前記経路の予め設定された間隔毎にサンプリングし、得られた各受光位置データを基に前記三角測量法によって前記被測定物表面におけるレーザ光受光位置の変位量をそれぞれ算出した後、算出した変位量の平均値を算出し、該平均値をもって前記測定対象点の変位量とするように構成される。
【００１７】
尚、上述した所定領域は、これを円領域とし、且つその直径を、前記被測定物表面の表面あらさに係るＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の凹凸平均間隔Ｓｍの０．５倍以上２倍以下にすると良い。
【００１８】
また、前記非接触変位計の走査経路は、これを円弧経路にすると良い。
【００１９】
また、前記被測定物表面の測定対象領域に、機械加工によって形成され、一方向に整列された加工条痕が存在する場合には、前記非接触変位計を、その前記投光素子，受光レンズ及び受光素子を含む平面が前記加工条痕と平行となるように配置して、前記測定を行うようにすると良い。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態について添付図面に基づき説明する。尚、本例では、工作機械で加工されたワークを機上で測定するように構成された測定装置について説明する。したがって、本測定装置は、工作機械の機構部分及び制御部分の一部をそのまま測定用に利用した構成として観念され、以下、当該工作機械の機構部分及び制御部分を含めて測定装置と呼ぶこととする。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る測定装置の概略構成を示した側面図であり、図２は、そのブロック図である。図１に示すように、本例の測定装置１は、ベッド１１と、このベッド１１上に立設されたコラム１２と、コラム１２に上下方向（矢示Ｚ軸方向）に移動可能に支持された主軸頭１３と、主軸頭１３に回転自在に支持された主軸１６と、ベッド１１上に矢示Ｙ軸方向に移動可能に設けられたサドル１９と、このサドル１９上に紙面に対し直交する方向（Ｘ軸方向）に移動可能に設けられたテーブル２０と、主軸１６に保持される非接触変位計３０と、数値制御装置４０などから構成される。
【００２２】
図２に示すように、前記主軸頭１３は送り機構部１４によって駆動され、そのＺ軸方向における位置が送り機構部１４に付設された位置検出器１５によって検出される。また、主軸１６は駆動モータ１７によって回転駆動され、その回転位置が当該主軸１６に付設された回転位置検出器１８によって検出される。
【００２３】
また、前記サドル１９は送り機構部２３によって駆動され、そのＹ軸方向における位置が送り機構部２３に付設された位置検出器２４によって検出される。同様に、前記テーブル２０は送り機構部２１によって駆動され、そのＸ軸方向における位置が送り機構部２１に付設された位置検出器２２によって検出される。
【００２４】
また、前記非接触変位計３０は、上述の図１５及び図１６に示したものと同様の構成を備える。
【００２５】
尚、前記位置検出器１５，２２，２４はそれぞれ磁気スケールや光学スケールなどからなり、回転位置検出器１８は光学式のパルスエンコーダなどからなる。
【００２６】
前記数値制御装置４０は、データ記億部４１，プログラム解析部４２，送り制御部４３，主軸制御部４４，変位計制御部４６，加工条痕認識部４５，形状データ生成部４７などから構成される。
【００２７】
データ記憶部４１はＮＣプログラム，ツールパスデータ，測定プログラム，形状データといった各種プログラムやデータが格納される機能部であり、数値制御装置４０に接続された入出力装置５０から前記プログラムやデータが入力され、当該データ記憶部４１に格納される。このデータ記憶部４１内に格納されたプログラムやデータは、入出力装置５０の出力部に出力されるようになっており、その内容を、当該出力部を通して確認することができるようになっている。
【００２８】
尚、前記加工プログラムは、言うまでもなく、加工順序にしたがって主軸の回転（回転開始，回転停止，回転方向）、その回転角度や回転速度、送り軸、その移動位置や送り速度といった指令をＮＣコードで記述したものである。
【００２９】
また、測定プログラムも同様に、主軸の回転角度、送り軸、その移動位置や送り速度、測定の開始や終了といった指令を、ＮＣコードを含む特定のコードで記述したものである。
【００３０】
例えば、図３に示すように、テーブル２０上に載置された被測定物Ｍの表面Ｍａに適宜設定した測定位置Ｐ１〜Ｐ１４の変位量を順次測定する場合、当該測定プログラムでは、まず、測定の開始が指令され、次に、主軸１６の初期回転角度が指令された後、主軸１６に装着された非接触変位計３０を前記各測定位置Ｐ１〜Ｐ１４の上方の所定位置に移動させるための座標位置（各送り軸における位置）とその位置に移動する移動速度が順次指令され、最後に測定の終了が指令される。また、本例では、各測定位置Ｐ１〜Ｐ１４において、主軸１６とテーブル２０とが直径ｄの円弧軌跡で相対移動するように設定され、円弧移動の開始と同時にデータ取り込みが開始され、円弧移動の終了と同時にデータ取り込みが終了される。
【００３１】
前記プログラム解析部４２は、前記データ記憶部４１に格納されたプログラムを順次読み出して、これを実行する機能部であり、例えば、ＮＣプログラムを実行する場合には、プログラム中に指定された主軸の回転、その回転角度や回転速度、送り軸、その移動位置や送り速度といった指令を認識し、指令に応じた制御信号を前記送り制御部４３や主軸制御部４４に送信する。また、測定プログラムを実行する場合には、プログラム中に指定された主軸の回転角度、送り軸、その移動位置や送り速度、測定の開始や終了といった指令を認識し、指令に応じた制御信号を前記送り制御部４３，主軸制御部４４，加工条痕認識部４５，変位計制御部４６や形状データ生成部４７に送信する。
【００３２】
前記送り制御部４３は、前記プログラム解析部４２から受信した送り軸，移動位置，送り速度などに関する制御信号に従い、制御対象の各送り機構部１４，２１，２３を各位置検出器１５，２２，２４からフィードバックされる位置信号を基にフィードバック制御して、主軸頭１３，サドル１９やテーブル２０を指令位置に移動させる。これにより、テーブル２０上に載置されたワーク（被測定物）と主軸１６とが前記直交３軸（Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸）方向に適宜相対移動せしめられる。
【００３３】
前記主軸制御部４４は、前記プログラム解析部４２から受信した主軸の回転，その回転角度や回転速度などに関する制御信号に従い、駆動モータ１７を回転位置検出器１８からフィードバックされる回転位置信号を基にフィードバック制御して、主軸１６を指令角度に割り出したり、指令回転速度で回転させる。
【００３４】
前記変位計制御部４６は、前記プログラム解析部４２から受信した制御信号に基づき、前記非接触変位計３０の作動を制御する。具体的には、前記プログラム解析部４２から測定開始信号を受信して前記非接触変位計３０の投光素子３１からレーザ光を照射させ、測定終了信号を受信してレーザ光の照射を停止させる。
【００３５】
前記加工条痕認識部４５は、図４に示した処理を実行する。即ち、前記プログラム解析部４２から測定開始信号を受信して処理を開始し（ステップＳ１）、ついで、前記プログラム解析部４２から非接触変位計３０の移動位置（測定位置）に係る信号を受信すると（ステップＳ２）、データ記憶部４１に格納されたＮＣプログラム若しくは当該ＮＣプログラムを生成するためのツールパスデータを解析して、当該測定位置を含む所定領域内に存在する加工条痕の角度（本例では、Ｘ軸−Ｙ軸平面における角度）を算出（認識）する（ステップＳ３）。
【００３６】
通常、工作機械によって加工された被測定物Ｍの加工表面には、図５に示すように、工具Ｔの走査方向に沿った加工条痕（筋状の加工跡）ＴＭが形成される。尚、図５は、一例としてボールエンドミルによって加工された被測定物Ｍの加工表面を図示したものである。
【００３７】
かかる加工条痕ＴＭのＸ軸−Ｙ軸平面における角度（図６における角度θ）は、データ記憶部４１に格納されたＮＣプログラム若しくはこのＮＣプログラムを生成するためのツールパスデータからこれを容易に算出することができ、前記加工条痕認識部４５は算出した角度データを主軸制御部４４に送信し、主軸制御部４４は受信した角度位置に主軸１６を回転させる。
【００３８】
前記非接触変位計３０は、主軸１６の回転角度が０°のとき、投光素子３１，受光素子３２，投光レンズ３３及び受光レンズ３４を含む平面が前記Ｘ軸と平行になるように、前記主軸１６に装着されており、主軸１６が加工条痕ＴＭと一致する角度に回転せしめられると、図７に示すように、非接触変位計３０の投光素子３１，受光素子３２，投光レンズ３３及び受光レンズ３４を含む平面が加工条痕ＴＭと平行になる。
【００３９】
以後、加工条痕認識部４５は、プログラム解析部４２から非接触変位計３０の測定位置に係る信号を受信するたびに、上記加工条痕ＴＭの角度を算出してこれを主軸制御部４４に送信し（ステップＳ５）、プログラム解析部４２から測定終了信号を受信した後、処理を終了する（ステップＳ６）。
【００４０】
前記形状データ生成部４７は、図８に示した処理を実行する。即ち、前記プログラム解析部４２から測定開始信号を受信して処理を開始し（ステップＳ１１）、ついで、前記プログラム解析部４２から非接触変位計３０を円弧移動させる信号を受信すると（ステップＳ１２）、前記非接触変位計３０の受光素子３２によって検出された受光位置データ（図１７に示したΔｇ）を、当該円弧移動が終了されるまでの間、所定サンプリング間隔で受信する（ステップＳ１３，Ｓ１４）。尚、円弧移動の終了時点については、前記位置検出器１５，２２，２４からフィードバックされる位置信号を基に、これを認識する。
【００４１】
ついで、形状データ生成部４７は、サンプリングした各受光位置データを基に三角測量法によって被測定物表面Ｍａにおける各レーザ光受光位置の変位量をそれぞれ算出し（ステップＳ１５）、算出した変位量を単純平均してその平均値を算出し（ステップＳ１６）、算出した平均値を対応する測定位置の変位量とする。ついで、算出した変位量と前記位置検出器１５から受信した位置信号とを基に、所定の基準位置に対する当該測定位置のＺ軸方向における位置を算出し（ステップＳ１７）、算出したＺ軸方向の位置データと、Ｘ軸−Ｙ軸平面における測定位置の位置データとを関連付けて、これを当該測定位置の三次元位置データとしてデータ記憶部４１に格納する（ステップＳ１８）。
【００４２】
以後、形状データ生成部４７は、プログラム解析部４２から非接触変位計３０を円弧移動させる信号を受信するたびに、上記ステップＳ１２〜Ｓ１７の処理を繰り返し（ステップＳ１９）、プログラム解析部４２から測定終了信号を受信した後、当該処理を終了する（ステップＳ２０）。
【００４３】
以上の構成を備えた本例の測定装置１では、テーブル２０上に載置された被測定物Ｍの形状が、以下のようにして測定される。尚、被測定物Ｍは、データ記憶部４１に格納されたＮＣプログラムに基づいて、図３に示した形状に加工され、当該加工済みの被測定物Ｍがそのまま機上で測定されるものとする。また、測定は、被測定物表面Ｍａに設定された測定位置Ｐ１〜Ｐ１４のＺ軸方向における位置を測定するものとする。
【００４４】
まず、プログラム解析部４２によりデータ記憶部４１から測定プログラムが読み出され、当該測定プログラムが順次実行される。
【００４５】
即ち、まず、非接触変位計３０の投光素子３１からレーザ光が照射せしめられ、レーザ光が照射された状態で当該非接触変位計３０が、測定位置Ｐ１の上方に移動せしめられる。その際、測定位置Ｐ１を含む所定領域内に形成された加工条痕ＴＭの角度が、前記加工条痕認識部４５によって認識され、認識された角度となるように主軸１６が回転せしめられる。これにより、当該主軸１６に装着された非接触変位計３０の投光素子３１，受光素子３２，投光レンズ３３及び受光レンズ３４を含む平面が前記加工条痕ＴＭと平行になる。
【００４６】
次に、非接触変位計３０が測定位置Ｐ１を中心とした直径ｄの円弧軌跡を描くように移動せしめられる。これにより、非接触変位計３０の投光素子３１から照射されるレーザ光が、被測定物Ｍの表面Ｍａ上を、測定位置Ｐ１を中心とした直径ｄの円弧軌跡を描くように走査され、被測定物表面Ｍａによって反射されたレーザ光が連続的に受光素子３２に受光される。
【００４７】
そして、非接触変位計３０が円弧移動する間、非接触変位計３０の受光素子３２によって検出された受光位置データが、形状データ生成部４７によって所定サンプリング間隔でサンプリングされ、サンプリングされた各受光位置データを基に三角測量法によって被測定物表面Ｍａにおける各レーザ光受光位置の変位量がそれぞれ算出され、算出された変位量を単純平均してその平均値が算出され、算出された平均値が当該測定位置Ｐ１の変位量とされる。ついで、形状データ生成部４７は、算出した変位量を基に、所定の基準位置に対する当該測定位置Ｐ１のＺ軸方向における位置を算出し、算出したＺ軸方向の位置データと、Ｘ軸−Ｙ軸平面における測定位置Ｐ１の位置データとを関連付けて、これを当該測定位置Ｐ１の三次元位置データ（形状データ）としてデータ記憶部４１に格納する。
【００４８】
以後、順次、非接触変位計３０が測定位置Ｐ２〜Ｐ１４の上方に移動せしめられ、上述の如くして、各測定位置Ｐ２〜Ｐ１４における三次元位置が測定され、測定された三次元位置データがデータ記憶部４１に格納される。そして、全ての測定位置Ｐ１〜Ｐ１４についての測定が終了した後、当該測定処理が終了される。
【００４９】
上述したように、レーザ光による非接触変位計３０では、被測定物表面Ｍａによって反射されるレーザ反射光が、当該被測定物表面Ｍａの性状に極めて影響され易く、このために、被測定物表面Ｍａの変位量を高精度に測定することができないという根本的な問題がある。
【００５０】
しかしながら、本実施形態では、上述したように、測定対象位置を含む周辺領域内の複数点の変位量を測定し、これを平均して当該測定対象位置の変位量としているので、上述した被測定物表面Ｍａの性状が測定精度に与える影響を大幅に緩和することができ、当該変位量を高精度に測定することができる。
【００５１】
尚、上記走査円の直径ｄは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の凹凸平均間隔Ｓｍであって、被測定物表面Ｍａの表面あらさに係る凹凸平均間隔Ｓｍの０．５倍以上２倍以下とするのが好ましい。０．５倍未満である場合には、測定精度を期待される程度に高めることができず、２倍を超えると測定対象位置の真の変位量と言えなくなるからである。
【００５２】
また、本実施形態では、非接触変位計３０の姿勢を、その投光素子３１，受光素子３２，投光レンズ３３及び受光レンズ３４を含む平面が、被測定物表面Ｍａの測定対象領域内に存在する加工条痕ＴＭに対して平行となる姿勢としているので、前記受光素子３２に受光される光量のピークが受光領域の中心部から周縁部にズレるのを防止することができ、この意味でも当該変位量を高精度に測定することができる。
【００５３】
このように、本実施形態によれば、上述した非接触変位計３０の有する問題点を解決し、変位量を高精度に測定することができるが、かかる本実施形態、即ち、本発明における効果を下記実験例によってより具体的に実証する。
【００５４】
（実験例１）
非接触変位計３０として、レーザフォーカス変位計（ＬＴ−８１１０、キーエンス社製）を用い、図９（ａ）に示すように、試料Ｍをテーブル２０上に載置して、非接触変位計３０をＸ軸方向に走査し、前記試料Ｍ表面の変位量を連続的にサンプリング（測定距離１０ｍｍで５０００点）した後、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に従って、その表面粗さＲＺＬを算出した。
【００５５】
尚、非接触変位計３０のレーザ光径は３０μｍであり、図１７に示すｈ，γ，ａの値は、それぞれｈ＝３０ｍｍ，γ＝４０°，ａ＝１０ｍｍであった。また、試料Ｍには、表面粗さがＲｙ＝６．０μｍとＲｙ＝１１．６μｍ（いずれも接触式表面粗さ計で測定）に研削加工された２種類の鋼片を用いた。
【００５６】
また、試料Ｍに形成された加工条痕（研削痕）がＹ軸と平行になるように、当該試料Ｍをテーブル２０上に載置するとともに、主軸１６の回転角度αが０°のとき、図１５に示した投光素子３１，受光素子３２，投光レンズ３３及び受光レンズ３４を含む平面がＸ軸、即ち加工条根と直交するように、当該非接触変位計３０を主軸１６に装着し、主軸１６の回転角度αを、０°（図９（ｂ）），１０°，２０°，３０°，４０°，４５°，５０°，６０°，７０°，８０°，９０°（図９（ｃ））としてＸ軸方向に走査し、上記の如く試料Ｍの表面粗さＲＺＬを測定した。その結果を図１０に示す。
【００５７】
図１０から明らかなように、主軸１６の回転角度αが９０°のとき、即ち、前記投光素子３１，受光素子３２，投光レンズ３３及び受光レンズ３４を含む平面が加工条根と平行となるように、当該非接触変位計３０を配置することで、その測定精度を高めることができる。
【００５８】
（実験例２）
非接触変位計３０として上記実験例１と同様のものを用い、図１１（ａ）に示すように、研削加工された試料Ｍをテーブル２０上に載置して、図１１（ｂ）に示すように、試料表面の３点（Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ）のテーブル２０上面からの高さを測定した。尚、試料Ｍは、接触式表面粗さ計で測定した表面粗さがＲｙ＝６．０μｍ、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定される凹凸平均間隔Ｓｍが３０．０μｍであった。
【００５９】
また、前記試料Ｍは，その表面に形成された加工条痕（研削痕）がＹ軸と平行になるように、これをテーブル２０上に載置するとともに、主軸１６の回転角度αを０°として、図１１（ａ）に示すように、非接触変位計３０を、各測定点（Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ）を中心として直径ｄの円弧軌跡を描くように走査させ、走査中、試料表面の変位量を連続的にサンプリング（測定距離１０ｍｍで５０００点）して、サンプリングした変位量を単純平均し、当該各測定点（Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ）の変位量とした。そして算出した変位量から各測定点（Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ）のテーブル２０上面からの高さを算出し、同位置をタッチプローブ式三次元測定機（ＢＲＴ５０４ ミツトヨ社製）によって測定した結果との差をとって、測定誤差を算出した。その結果を図１２に示す。
【００６０】
図１２から明らかなように、この場合には、非接触変位計３０の円弧走査直径ｄを３０μｍ以上、即ち、凹凸平均間隔Ｓｍの１．０倍以上とすることで、測定精度を高めることができる。
【００６１】
（実験例３）
図１３（ａ），（ｂ）に示すように、試料Ｍとして、ボールエンドミルによって加工されたものを用い、その加工表面の２つの測定点（Ｐａ，Ｐｂ）について測定した以外は上記実験例２と同様にして、各点のテーブル２０上面からの高さを測定し、その測定誤差を算出した。その結果を図１４に示す。尚、試料Ｍの加工表面は、接触式表面粗さ計で測定した表面粗さがＲｙ＝２．３μｍ、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定される凹凸平均間隔Ｓｍが４０μｍであった。
【００６２】
図１４から明らかなように、この場合には、非接触変位計３０の円弧走査直径ｄを２０μｍ以上、即ち、凹凸平均間隔Ｓｍの０．５倍以上とすることで、測定精度を高めることができる。
【００６３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。例えば、上例では、測定にあったって非接触変位計３０を円弧走査させるようにしているが、これは、円弧走査が制御上最も平易であると考えられるからであり、測定対象位置を含む周辺領域内の複数点の変位量を測定することができるのであれば、走査経路は円弧走査に何ら限定されるものではない。
【００６４】
また、上例では、制御系を工作機械の数値制御装置４０内に組み込んだ構成としたが、これに限られるものではなく、かかる制御系を工作機械の数値制御装置４０とは別個に設けた構成としても良い。更に、上例では、被測定物Ｍを工作機械上で測定し得る構成としたが、言うまでもなく、測定装置を工作機械とは別に設けた構成とすることもできる。
【００６５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、測定対象位置を含む周辺領域内の複数点の変位量を測定し、これを平均して当該測定対象位置の変位量としているので、被測定物表面の性状が測定精度に与える影響を大幅に緩和することができ、当該変位量を高精度に測定することができる。
【００６６】
そして、上記測定領域を、直径が、被測定物表面の表面あらさに係るＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の凹凸平均間隔Ｓｍの０．５倍以上２倍以下である円領域とすることで、より測定精度を高めることができる。
【００６７】
また、非接触変位計の姿勢を、その投光素子，受光素子及び受光レンズを含む平面が、被測定物表面の測定対象領域内に存在する加工条痕に対して平行となる姿勢としているので、受光素子に受光される光量のピークが受光領域の中心部から周縁部にズレるのを防止することができ、この意味でも当該変位量を高精度に測定することができる。
【００６８】
斯くして、本発明によれば、外乱の影響を受け難いという特長を備えた非接触変位計の測定精度を高めることができるので、かかる非接触変位計を用いることで、工作機械で加工された加工品をそのまま機上で測定することが可能である。これにより、当該加工におけるリードタイムの短縮など、その生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る非接触測定装置の概略構成を示した側面図である。
【図２】本実施形態に係る非接触測定装置の概略構成を示したブロック図である。
【図３】本実施形態に係る測定手順を説明するための説明図である。
【図４】本実施形態の加工条痕認識部における処理手順をしめしたフローチャートである。
【図５】本実施形態の加工条痕認識部における処理を説明するための説明図である。
【図６】本実施形態の加工条痕認識部における処理を説明するための説明図である。
【図７】本実施形態の加工条痕認識部における処理を説明するための説明図である。
【図８】本実施形態の形状データ生成部における処理手順を示したフローチャートである。
【図９】（ａ），（ｂ）及び（ｃ）は、実験例１の内容を説明するための説明図である。
【図１０】実験例１における測定結果を示したグラフである。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、実験例２の内容を説明するための説明図である。
【図１２】実験例２における測定結果を示したグラフである。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は、実験例３の内容を説明するための説明図である。
【図１４】実験例３における測定結果を示したグラフである。
【図１５】非接触変位計の基本構造を説明するための説明図である。
【図１６】非接触変位計を備えた測定装置の基本構成を説明するための説明図である。
【図１７】三角測量法による変位測定の基本原理について説明するための説明図である。
【図１８】非接触変位計における問題点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ 測定装置
１６ 主軸
１７ 駆動モータ
１８ 回転位置検出器
２０ テーブル
１４，２１，２３ 送り機構部
１５，２２，２４ 位置検出器
３０ 非接触変位計
３１ 投光素子
３２ 受光素子
３３ 投光レンズ
３４ 受光レンズ
４０ 数値制御装置
４１ データ記憶部
４２ プログラム解析部
４３ 送り制御部
４４ 主軸制御部
４５ 加工条痕認識部
４６ 変位計制御部
４７ 形状データ生成部
Claims (9)
- レーザ光を被測定物表面に照射する投光素子と、
前記被測定物表面によって反射されたレーザ光を受光する受光面を具備し、該受光面の法線が前記投光素子から照射されるレーザ光の光軸に対し傾斜した状態に配置される受光素子と、
前記被測定物表面のレーザ光受光位置と前記受光素子との間に配置され、前記被測定物表面から反射されたレーザ光を集光して前記受光素子の受光面に結像せしめる受光レンズとを備えた非接触変位計を用い、
前記投光素子から被測定物表面にレーザ光を照射して、その反射光を前記受光素子に受光せしめ、該受光素子受光面の受光位置を検出して、検出された受光位置、並びに前記投光素子，受光レンズ及び受光素子の配置関係を基に、三角測量法によって前記被測定物表面におけるレーザ光受光位置の変位量を測定する方法において、
前記被測定物表面に対し予め設定された測定対象点の変位量を測定するに当たり、
前記非接触変位計を予め設定された経路で走査して、前記被測定物表面の前記測定対象点を含む所定領域内にレーザ光を照射せしめ、
前記走査経路の予め設定された間隔毎に、前記受光素子における受光位置データをサンプリングし、得られた各受光位置データを基に前記三角測量法によって前記被測定物表面におけるレーザ光受光位置の変位量をそれぞれ算出した後、
算出した変位量の平均値を算出し、該平均値をもって前記測定対象点の変位量とするようにしたことを特徴とする非接触測定方法。 - 前記所定領域を円領域とし、且つその直径を、前記被測定物表面の表面あらさに係るＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の凹凸平均間隔Ｓｍの０．５倍以上２倍以下としたことを特徴とする請求項２記載の非接触測定方法。
- 前記非接触変位計の走査経路を円弧経路としたことを特徴とする請求項１又は２記載の非接触測定方法。
- 前記被測定物表面の測定対象領域に、機械加工によって形成され、一方向に整列された加工条痕が存在する場合に、
前記非接触変位計を、その前記投光素子，受光レンズ及び受光素子を含む平面が前記加工条痕と平行となるように配置して、前記測定を行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれかの非接触測定方法。 - 被測定物が載置される載置台と、
前記載置台上の被測定物表面にレーザ光を照射する投光素子と、前記被測定物表面によって反射されたレーザ光を受光する受光面を具備し、該受光面の法線が前記投光素子から照射されるレーザ光の光軸に対し傾斜した状態に配置される受光素子と、前記被測定物表面のレーザ光受光位置と前記受光素子との間に配置され、前記被測定物表面から反射されたレーザ光を集光して前記受光素子の受光面に結像せしめる受光レンズとからなる非接触変位計と、
前記非接触変位計を支持する支持手段と、
前記支持手段と載置台とを直交３軸方向に相対移動させる送り機構部と、
前記直交３軸方向における前記支持手段と載置台との間の相対位置を検出する位置検出器と、
前記送り機構部の作動を制御する送り制御手段と、
前記非接触変位計の受光素子からその受光位置に係るデータを受信し、受信した受光位置、並びに前記投光素子，受光レンズ及び受光素子の配置関係を基に、三角測量法によって前記被測定物表面におけるレーザ光受光位置の変位量を算出し、算出した変位量から前記被測定物に係る形状データを生成する形状データ生成手段とから構成されてなり、
前記被測定物表面に対し予め設定された測定対象点の変位量を測定するに当たり、
前記送り制御手段が、
前記非接触変位計から照射されるレーザ光が、前記被測定物表面における前記測定対象点を含む所定領域内、且つ予め設定された経路で前記被測定物表面を照射するように、前記支持手段と載置台とを相対移動させて、前記非接触変位計を前記被測定物に対し走査させるように構成され、
前記形状データ生成手段が、
前記受光素子から受信される受光位置データを、前記経路の予め設定された間隔毎にサンプリングし、得られた各受光位置データを基に前記三角測量法によって前記被測定物表面におけるレーザ光受光位置の変位量をそれぞれ算出した後、算出した変位量の平均値を算出し、該平均値をもって前記測定対象点の変位量とするように構成されてなることを特徴とする非接触測定装置。 - 前記測定対象点を含む所定領域を円領域とし、且つその直径を、前記被測定物表面の表面あらさに係るＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の凹凸平均間隔Ｓｍの０．５倍以上２倍以下としたことを特徴とする請求項５記載の非接触測定装置。
- 前記非接触変位計の走査経路を円弧経路としたことを特徴とする請求項５又は６記載の非接触測定装置。
- 前記被測定物表面の測定対象領域に、機械加工によって形成され、一方向に整列された加工条痕が存在するか否かを認識するとともに、該加工条痕の前記整列方向を認識する条痕認識手段と、
前記非接触変位計を、その投光素子から照射されるレーザ光の光軸周りに回転させる回転駆動手段と、
前記条痕認識手段から認識信号を受信し、前記条痕認識手段によって加工条痕の存在が確認された場合に、前記非接触変位計の前記投光素子，受光レンズ及び受光素子を含む平面が前記加工条痕に対して平行となるように、前記回転駆動手段の作動を制御して前記非接触変位計の回転位置を制御する回転制御手段とを更に備えたことを特徴とする請求項５乃至７記載のいずれかの非接触測定装置。 - 前記被測定物の機械加工に用したＮＣプログラム若しくは該ＮＣプログラムを生成するためのツールパスデータを記憶する記憶手段を更に備えてなり、
前記条痕認識手段が、前記記憶手段に格納されたＮＣプログラム若しくはツールパスデータを基に、前記加工条痕を認識するように構成されてなる請求項８記載の非接触測定装置。
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