JP2011064466A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象点に測定子を確実に接触させて被測定物の形状を測定することができる形状測定装置の提供。
【解決手段】三次元測定機１は、被測定物を測定するための球状の測定子を有するプローブ２１と、プローブ２１を保持するとともに、プローブ２１を移動させる移動機構２２と、移動機構２２を制御するモーションコントローラ３とを備える。モーションコントローラ３は、測定子の中心位置と、測定子の半径と、測定子の振れ量とに基づいて、被測定物の表面と、測定子との接触点の位置を算出して取得する接触点取得部３３と、接触点取得部３３にて取得される接触点の位置に基づいて、移動機構２２にてプローブ２１を移動させるための位置指令値を算出する移動指令部３１とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、形状測定装置に関する。

従来、被測定物に接触する測定子を有し、測定子を一定の範囲内で移動可能に構成されるプローブと、プローブを移動させる移動機構と、移動機構を制御する制御装置とを備え、測定子を被測定物に押し込んだ状態で被測定物の表面に倣って測定子を移動させることによって被測定物の形状を測定する形状測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の三次元測定機（形状測定装置）では、モーションコントローラ（制御装置）は、測定子を被測定物に押し込んだ状態で被測定物の表面に倣って測定子を移動させるための速度ベクトルを生成する自律倣いベクトル生成部を備えている。

図４は、円錐台状の被測定物１１０の表面に倣って測定子１００を移動させている状態を示す図である。
自律倣いベクトル生成部では、図４に示すように、被測定物１１０の中心軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する２軸をＸ軸、及びＹ軸とした被測定物１１０の形状を測定するための座標系を設定している。以下では、Ｚ軸方向、すなわち被測定物１１０の高さ方向における座標値をＺ_ｈで一定とする拘束平面Ｓ（図４中二点鎖線）内において、被測定物１１０の表面に倣って測定子１００を移動させることによって、Ｚ軸座標値Ｚ_ｈにおける被測定物１１０の形状を測定する場合について説明する。なお、図４では、測定対象となる点（以下、測定対象点とする）の軌跡ＬＳを二点鎖線で示している。また、図４では、図面を簡略化するため、前述したＺ軸座標値Ｚ_ｈの他、後述する数式内で用いられる一部の符号を省略している。

自律倣いベクトル生成部は、測定子１００を被測定物１１０に押し込む方向、言い換えると、測定子１００を被測定物１１０に押し込んだ状態としたときの測定子１００の振れ方向（以下、振れ方向とする）を、被測定物１１０の表面と、測定子１００との接触点における法線方向であるとして、以下の式（１）に示すように、倣いプローブの進行方向に係る速度ベクトルＶ_Ｐを生成する。

ここで、Ｖ_ｓは、進行方向の速度を制御するためのパラメータであり、例えば、振れ方向、または高さ方向の目標値からの偏差が大きくなると、Ｖ_Ｓは小さくなるように設定される。また、ベクトルＰ_ｕは、ベクトルＰの単位ベクトルであり、以下の式（２），（３）によって求められる。

なお、前述した式（３）において、演算子×は、ベクトルの外積を示している。したがって、ベクトルＰは、測定子１００の振れ量に基づくベクトルＥと、Ｚ軸方向の単位ベクトルＺ_ｕとの外積である。

また、自律倣いベクトル生成部は、以下の式（４）に示すように、振れ方向に係る速度ベクトルＶ_Ｅを生成する。

ここで、Ｖ_ｅは、振れ方向の速度を制御するためのパラメータである。また、Ｅ_０は、振れ方向の目標値となる倣いプローブの基準振れ量である。
さらに、ベクトルＥ_ｕは、ベクトルＥの単位ベクトルであり、以下の式（５）によって求められる。

さらに、自律倣いベクトル生成部は、以下の式（６）に示すように、倣いプローブの高さ方向に係る速度ベクトルＶ_Ｈを生成する。

ここで、Ｖ_ｈは、高さ方向の速度を制御するためのパラメータである。また、Ｃ_ｈは、測定子１００の中心位置のＺ軸座標値であり、Ｚ_ｈは、高さ方向の目標値となる拘束平面ＳのＺ軸座標値である。
さらに、ベクトルＨ_ｈは、Ｚ軸方向における大きさが１となる被測定物１１０の表面と平行なベクトルであり、以下の式（７），（８）によって求められる。

なお、前述した式（７）において、演算子（，）は、ベクトルの内積を示している。したがって、ベクトルＨ_ｈは、ベクトルＨ_ｕと、Ｚ軸方向の単位ベクトルＺ_ｕとの内積でベクトルＨ_ｕを除したものであり、ベクトルＨ_ｕは、ベクトルＰ_ｕと、ベクトルＥ_ｕとの外積である。

そして、自律倣いベクトル生成部は、以下の式（９）に示すように、各速度ベクトルＶ_Ｐ，Ｖ_Ｅ，Ｖ_Ｈを合成することによって、被測定物１１０の表面に倣って測定子１００を移動させるための倣い方向に係る速度ベクトルＶ_Ｃを生成している。

モーションコントローラは、自律倣いベクトル生成部にて生成される速度ベクトルＶ_Ｃに基づいて、被測定物１１０の表面に倣って測定子１００を移動させる。

特開２００５−３４５１２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の三次元測定機では、前述した式（６）に示すように、高さ方向の目標値となる拘束平面ＳのＺ軸座標値Ｚ_ｈと、測定子１００の中心位置のＺ軸座標値Ｃ_ｈとの差に基づいて、倣いプローブの高さ方向に係る速度ベクトルＶ_Ｈを生成しているので、被測定物１１０の表面と、測定子１００との接触点の位置は、拘束平面Ｓ上には存在しない場合がある。

図５は、円錐状の被測定物１２０の表面に倣って測定子１００を移動させている状態を示す図である。
具体的に、モーションコントローラは、拘束平面ＳのＺ軸座標値Ｚ_ｈと、測定子１００の中心位置ＣのＺ軸座標値Ｃ_ｈとの差に基づいて、倣いプローブの高さ方向に係る速度ベクトルＶ_Ｈを生成しているので、図５に示すように、測定子１００の中心位置Ｃを拘束平面Ｓ上で移動させることで被測定物１２０の表面に倣って測定子１００を移動させる。ここで、円錐状の被測定物１２０の表面は、Ｚ軸に対して傾斜しているので、被測定物１１０の表面と、測定子１００との接触点Ａの位置は、拘束平面Ｓ上には存在しない。したがって、三次元測定機は、接触点Ａの軌跡ＬＡ（図５中実線）における被測定物１２０の形状を測定することとなり、測定対象点の軌跡ＬＳ（図５中二点鎖線）における被測定物１２０の形状を測定することができない。

図６は、円柱状の被測定物１３０の表面に倣って測定子１００を移動させている状態を示す図である。
また、図６に示すように、被測定物１３０の表面がＺ軸に対して傾斜していない円柱状の被測定物１３０を測定する場合であっても、拘束平面ＳがＺ軸に対して傾斜している場合には、三次元測定機は、接触点Ａの軌跡ＬＡ（図６中実線）における被測定物１３０の形状を測定することとなり、測定対象点の軌跡ＬＳ（図６中二点鎖線）における被測定物１３０の形状を測定することができない。
すなわち、特許文献１に記載の三次元測定機では、測定対象点に測定子を接触させて被測定物の形状を測定することができない場合があるという問題がある。

本発明の目的は、測定対象点に測定子を確実に接触させて被測定物の形状を測定することができる形状測定装置を提供することにある。

本発明の形状測定装置は、被測定物に接触する測定子を有し、前記測定子を一定の範囲内で移動可能に構成されるプローブと、前記プローブを移動させる移動機構と、前記移動機構を制御する制御装置とを備え、前記測定子を前記被測定物に押し込んだ状態で前記被測定物の表面に倣って前記測定子を移動させることによって前記被測定物の形状を測定する形状測定装置であって、前記制御装置は、前記被測定物の表面と、前記測定子との接触点の位置を取得する接触点取得部と、前記接触点の位置に基づいて、前記移動機構にて前記プローブを移動させるための位置指令値を算出する移動指令部とを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、形状測定装置は、接触点取得部にて取得される接触点の位置に基づいて、移動機構にてプローブを移動させるための位置指令値を算出する移動指令部を備えるので、測定対象点に測定子を確実に接触させて被測定物の形状を測定することができる。

本発明では、前記測定子は、球状とされ、前記接触点取得部は、前記測定子の中心位置と、前記測定子の半径と、前記接触点における法線方向とに基づいて、前記接触点の位置を算出して取得することが好ましい。

このような構成によれば、接触点取得部は、接触点の位置を算出して取得することができるので、前述した形状測定装置と同様の作用効果を奏することができる。

本発明では、前記接触点取得部は、前記接触点における法線方向を前記測定子の振れ量に基づいて算出することが好ましい。

ここで、接触点における法線方向は、測定子を被測定物に押し込んだ状態としたときの測定子の振れ方向であると考えることができる。また、測定子の振れ方向は、測定子の振れ量に基づいて算出することができる。
したがって、本発明によれば、接触点取得部は、接触点における法線方向を測定子の振れ量に基づいて算出するので、従来の形状測定装置と同様の構成で接触点の位置を取得することができる。

本発明では、前記制御装置は、前記移動機構の移動量と、前記接触点の位置とに基づいて測定値を算出する測定値算出部を備えることが好ましい。

ここで、特許文献１に記載の三次元測定機のように、測定子の中心位置に基づいて、被測定物の表面に倣って測定子を移動させることによって被測定物の形状を測定する場合には、三次元測定機は、測定子の中心位置を測定値として取得し、この測定値を測定子の半径を用いて補正している。
本発明によれば、形状測定装置は、移動機構の移動量と、接触点取得部にて取得される接触点の位置とに基づいて測定値を算出する測定値算出部を備えるので、補正することなく測定値を取得することができ、測定時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態に係る三次元測定機を示す全体模式図。 前記実施形態における三次元測定機の概略構成を示すブロック図。 前記実施形態における円錐状の被測定物の表面に倣って測定子を移動させている状態を示す図。 円錐台状の被測定物の表面に倣って測定子を移動させている状態を示す図。 円錐状の被測定物の表面に倣って測定子を移動させている状態を示す図。 円柱状の被測定物の表面に倣って測定子を移動させている状態を示す図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
〔三次元測定機の概略構成〕
図１は、本発明の一実施形態に係る三次元測定機１を示す全体模式図である。図２は、三次元測定機１の概略構成を示すブロック図である。なお、図１では、上方向を＋Ｚ軸方向とし、このＺ軸に直交する２軸をそれぞれＸ軸、及びＹ軸として説明する。

形状測定装置としての三次元測定機１は、図１に示すように、三次元測定機本体２と、三次元測定機本体２の駆動制御を実行するモーションコントローラ３と、操作レバー等を介してモーションコントローラ３に指令を与え、三次元測定機本体２を手動で操作するための操作手段４と、モーションコントローラ３に所定の指令を与えるとともに、三次元測定機本体２上に設置された被測定物Ｗの形状解析等の演算処理を実行するホストコンピュータ５と、ホストコンピュータ５に接続される入力手段６１、及び出力手段６２とを備える。なお、入力手段６１は、三次元測定機１における測定条件等をホストコンピュータ５に入力するものであり、出力手段６２は、三次元測定機１による測定結果を出力するものである。また、本実施形態では、制御装置は、モーションコントローラ３と、ホストコンピュータ５とで構成されている。

三次元測定機本体２は、被測定物Ｗを測定するための球状の測定子２１１Ａを有するプローブ２１と、プローブ２１を保持するとともに、プローブ２１を移動させる移動機構２２と、移動機構２２が立設される定盤２３とを備える。
プローブ２１は、測定子２１１Ａを先端側（−Ｚ軸方向側）に有するスタイラス２１１と、スタイラス２１１の基端側（＋Ｚ軸方向側）を支持する支持機構２１２とを備える。

支持機構２１２は、スタイラス２１１をＸ，Ｙ，Ｚ軸の各軸方向に付勢することで所定位置に位置決めするように支持するとともに、外力が加わった場合、すなわち測定子２１１Ａが被測定物Ｗに当接した場合には、スタイラス２１１を一定の範囲内でＸ，Ｙ，Ｚ軸の各軸方向に移動可能としている。すなわち、支持機構２１２は、測定子２１１Ａを一定の範囲内で移動可能としている。
この支持機構２１２は、図２に示すように、スタイラス２１１の各軸方向の位置を検出するためのＸ軸プローブセンサ２１２Ｘ、Ｙ軸プローブセンサ２１２Ｙ、及びＺ軸プローブセンサ２１２Ｚを備える。なお、各プローブセンサ２１２Ｘ,２１２Ｙ,２１２Ｚは、スタイラス２１１の各軸方向の移動量に応じたパルス信号を出力する位置センサである。

移動機構２２は、プローブ２１を保持するとともに、プローブ２１のスライド移動を可能とするスライド機構２４と、スライド機構２４を駆動することでプローブ２１を移動させる駆動機構２５とを備える。
スライド機構２４は、定盤２３におけるＸ軸方向の両端から＋Ｚ軸方向に延出し、Ｙ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられる２つのコラム２４１と、各コラム２４１にて支持され、Ｘ軸方向に沿って延出するビーム２４２と、Ｚ軸方向に沿って延出する筒状に形成され、ビーム２４２上をＸ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられるスライダ２４３と、スライダ２４３の内部に挿入されるとともに、スライダ２４３の内部をＺ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられるラム２４４とを備える。

駆動機構２５は、図１、及び図２に示すように、各コラム２４１のうち、＋Ｘ軸方向側のコラム２４１を支持するとともに、Ｙ軸方向に沿ってスライド移動させるＹ軸駆動部２５１Ｙと、ビーム２４２上をスライドさせてスライダ２４３をＸ軸方向に沿って移動させるＸ軸駆動部２５１Ｘ（図１において図示略）と、スライダ２４３の内部をスライドさせてラム２４４をＺ軸方向に沿って移動させるＺ軸駆動部２５１Ｚ（図１において図示略）とを備える。

Ｘ軸駆動部２５１Ｘ、Ｙ軸駆動部２５１Ｙ、及びＺ軸駆動部２５１Ｚには、図２に示すように、スライダ２４３、各コラム２４１、及びラム２４４の各軸方向の位置を検出するためのＸ軸スケールセンサ２５２Ｘ、Ｙ軸スケールセンサ２５２Ｙ、及びＺ軸スケールセンサ２５２Ｚがそれぞれ設けられている。なお、各スケールセンサ２５２Ｘ，２５２Ｙ，２５２Ｚは、スライダ２４３、各コラム２４１、及びラム２４４の移動量に応じたパルス信号を出力する位置センサである。

モーションコントローラ３は、図２に示すように、プローブ２１を移動させるための位置指令値を算出する移動指令部３１と、移動指令部３１にて算出される位置指令値に基づいて、駆動機構２５を制御してプローブ２１を移動させる駆動制御部３２と、被測定物Ｗの表面と、測定子２１１Ａとの接触点の位置を取得する接触点取得部３３と、各スケールセンサ２５２Ｘ，２５２Ｙ，２５２Ｚ、及び各プローブセンサ２１２Ｘ,２１２Ｙ,２１２Ｚから出力されるパルス信号を計数するカウンタ部３４とを備える。

このカウンタ部３４は、各スケールセンサ２５２Ｘ，２５２Ｙ，２５２Ｚから出力されるパルス信号をカウントしてスライド機構２４の移動量（Ｓ_Ｘ、Ｓ_Ｙ、Ｓ_Ｚ）を計測するスケールカウンタ３４１と、各プローブセンサ２１２Ｘ,２１２Ｙ,２１２Ｚから出力されるパルス信号をカウントしてスタイラス２１１の移動量、すなわち測定子２１１Ａの振れ量（Ｅ_Ｘ、Ｅ_Ｙ、Ｅ_Ｚ）を計測するプローブカウンタ３４２とを備える。なお、スライド機構２４の移動量は、支持機構２１２内におけるスタイラス２１１の移動が全く生じていない場合、すなわち測定子２１１Ａの振れ量が０の場合における測定子２１１Ａの中心位置を示すように調整されている。

移動指令部３１は、操作手段４、またはホストコンピュータ５からの指令に基づいて、測定子２１１Ａを被測定物Ｗに押し込んだ状態で被測定物Ｗの表面に倣って測定子２１１Ａを移動させるための位置指令値を算出する。具体的に、移動指令部３１は、前述した式（１）〜（５）と、前述した式（６）に代えて用いる以下の式（１０）と、前述した式（７）〜（９）とに基づいて、速度ベクトルＶ_Ｃを生成し、この速度ベクトルＶ_Ｃから位置指令値を算出する。

ここで、前述した式（１０）において、Ａ_ｈは、接触点取得部３３にて取得される接触点ＡのＺ軸座標値である。以下、接触点取得部３３による接触点Ａの取得方法について、前述した被測定物１２０を例示して説明する。

図３は、円錐状の被測定物１２０の表面に倣って測定子２１１Ａを移動させている状態を示す図である。
測定子２１１Ａは、球状とされているので、図３に示すように、被測定物１２０の表面と、測定子２１１Ａとの接触点Ａの位置は、測定子２１１Ａの中心位置Ｃと、測定子２１１Ａの半径ｒと、接触点Ａにおける法線方向とに基づいて算出することができる。
また、接触点Ａにおける法線方向は、測定子２１１Ａを被測定物１２０に押し込んだ状態としたときの測定子２１１Ａの振れ方向であると考えることができる。そして、測定子２１１Ａの振れ方向は、測定子２１１Ａの振れ量（Ｅ_Ｘ、Ｅ_Ｙ、Ｅ_Ｚ）に基づいて算出することができる。

したがって、本実施形態では、接触点取得部３３は、接触点Ａにおける法線方向を測定子２１１Ａの振れ量に基づいて算出し、接触点Ａの位置を、測定子２１１Ａの中心位置Ｃと、測定子２１１Ａの半径ｒと、接触点Ａにおける法線方向とに基づいて算出する。
なお、測定子２１１Ａと、被測定物１２０との摩擦によって、接触点Ａにおける法線方向は、測定子２１１Ａの振れ方向であると考えることができなくなる場合がある。そこで、本実施形態では、特開昭６３−１３１０１６に記載の発明を利用することによって、測定子２１１Ａと、被測定物１２０との摩擦による影響を低減させている。

具体的に、被測定物１２０の中心軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する２軸をＸ軸、及びＹ軸とした被測定物１２０の形状を測定するための座標系を設定し、測定子２１１Ａの中心位置Ｃを示すスライド機構２４の移動量に基づくベクトルをＣとし、測定子２１１Ａの振れ量に基づくベクトルをＥとし、接触点Ａの位置を示すベクトルをＡとすると、接触点取得部３３は、以下の式（１１）に基づいて、接触点Ａの位置を算出して取得する。

ホストコンピュータ５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や、メモリ等を備えて構成され、モーションコントローラ３に所定の指令を与えることで三次元測定機本体２を制御するものであり、データ取得部５１と、測定値算出部５２と、形状解析部５３とを備える。
データ取得部５１は、スケールカウンタ３４１にて計測されたスライド機構２４の移動量と、接触点取得部３３にて取得された接触点Ａの位置とを所定のサンプリング間隔で取得する。
測定値算出部５２は、データ取得部５１にて取得されたスライド機構２４の移動量、及び接触点Ａの位置とに基づいて測定値を算出する。
形状解析部５３は、測定値算出部５２にて算出された測定値に基づいて被測定物Ｗの表面形状データを算出し、算出された被測定物Ｗの表面形状データの誤差や歪みなどを求める形状解析を行う。

このような本実施形態によれば以下の効果がある。
（１）三次元測定機１は、接触点取得部３３にて取得される接触点の位置に基づいて、移動機構２２にてプローブ２１を移動させるための位置指令値を算出する移動指令部３１を備えるので、測定対象点に測定子２１１Ａを確実に接触させて被測定物Ｗの形状を測定することができる。
（２）接触点取得部３３は、接触点Ａにおける法線方向を測定子２１１Ａの振れ量に基づいて算出するので、従来の形状測定装置と同様の構成で接触点Ａの位置を取得することができる。
（３）三次元測定機１は、移動機構２２の移動量と、接触点取得部３３にて取得される接触点の位置とに基づいて測定値を算出する測定値算出部５２を備えるので、補正することなく測定値を取得することができ、測定時間を短縮することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、接触点取得部３３は、接触点Ａにおける法線方向を測定子２１１Ａの振れ量に基づいて算出し、接触点Ａの位置を、測定子２１１Ａの中心位置Ｃと、測定子２１１Ａの半径ｒと、接触点Ａにおける法線方向とに基づいて算出していた。これに対して、例えば、接触点取得部は、センサを用いて接触点における法線方向を検出し、接触点の位置を、測定子の中心位置と、測定子の半径と、接触点における法線方向とに基づいて算出してもよい。また、例えば、接触点取得部は、センサを用いて直接的に接触点の位置を検出してもよい。要するに、接触点取得部は、接触点の位置を取得するように構成されていればよい。
前記実施形態では、測定子２１１Ａは、球状とされていたが、半球状などの他の形状であってもよい。

前記実施形態では、三次元測定機１は、スライド機構２４の移動量と、接触点取得部３３にて取得される接触点Ａの位置とに基づいて測定値を算出する測定値算出部５２を備えていたが、スライド機構２４の移動量と、測定子２１１Ａの振れ量とに基づいて測定値を算出し、この測定値を測定子２１１Ａの半径ｒを用いて補正してもよい。
前記実施形態では、円錐状の被測定物１２０の形状を測定する場合を例示して説明していたが、被測定物はどのような形状であってもよい。

本発明は、形状測定装置に好適に利用することができる。

１…三次元測定機（形状測定装置）
３…モーションコントローラ（制御装置）
５…ホストコンピュータ（制御装置）
２１…プローブ
２２…移動機構
３１…移動指令部
３３…接触点取得部
５２…測定値算出部
１１０…被測定物
２１１Ａ…測定子
Ｗ…被測定物

Claims (4)

1. 被測定物に接触する測定子を有し、前記測定子を一定の範囲内で移動可能に構成されるプローブと、前記プローブを移動させる移動機構と、前記移動機構を制御する制御装置とを備え、前記測定子を前記被測定物に押し込んだ状態で前記被測定物の表面に倣って前記測定子を移動させることによって前記被測定物の形状を測定する形状測定装置であって、
   前記制御装置は、
   前記被測定物の表面と、前記測定子との接触点の位置を取得する接触点取得部と、
   前記接触点の位置に基づいて、前記移動機構にて前記プローブを移動させるための位置指令値を算出する移動指令部とを備えることを特徴とする形状測定装置。
2. 請求項１に記載の形状測定装置において、
   前記測定子は、球状とされ、
   前記接触点取得部は、前記測定子の中心位置と、前記測定子の半径と、前記接触点における法線方向とに基づいて、前記接触点の位置を算出して取得することを特徴とする形状測定装置。
3. 請求項２に記載の形状測定装置において、
   前記接触点取得部は、前記接触点における法線方向を前記測定子の振れ量に基づいて算出することを特徴とする形状測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の形状測定装置において、
   前記制御装置は、
   前記移動機構の移動量と、前記接触点の位置とに基づいて測定値を算出する測定値算出部を備えることを特徴とする形状測定装置。

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