JP2015093358A - 形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工途中の形状測定対象（ワーク）の形状を簡易に測定でき、測定工程に多大な時間を必要としないこと。【解決手段】本発明の形状測定方法は、上記課題を解決するために、目標形状の形状解析データを作成し、該形状解析データの解析点に対応する形状測定対象上の特徴点を複数発生させると共に、前記特徴点の位置を測定し、測定された複数の前記特徴点の測定点と前記形状解析データから形状測定対象の全体形状を算出することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は形状測定方法に係り、特に、加工中ワークの形状を測定するものに好適な形状測定方法に関する。

製品加工において切削加工を用い所望の形状を得る場合、ＮＣ工作機械が一般的に利用されている。ＮＣ工作機械では、被加工ワークが、加工刃の切削力によって位置ずれが生じないよう、例えば加工機のワーク加工台などに載せられて固定される。ワーク加工台に固定された被加工ワークは、固定具の締め付け状態が変わることによって変形が生じる場合があり、一度固定された状態は加工が完了するまで変化させないようにすることが一般的である。

一方で、被加工ワークの素材状態などによって、所望の形状に対し加工でき上がり形状が変形する場合があることが知られている。例えば、加工中に加工刃の送り速度などの加工条件を変更することなどにより、この変形を抑制することが可能であるが、条件の算出には変形量の把握が必要となる。即ち、被加工ワークの全体形状を測定することが必要となる。

そこで、実際に加工されたワークのでき上がり形状を高精度に解析する方法が提案されている。例えば、加工対象物の変形を高精度に解析する方法として、特許文献１がある。この特許文献１には、ワークの設計形状データからメッシュデータを作成し、作成したメッシュデータの接点とワークのでき上がり形状の測定点位置に基づいて補正を行い、でき上がり形状のメッシュデータを作成することが記載されている。

特許第４２３８６０４号公報

しかしながら、上述した特許文献１にあっては、メッシュデータの接点に対応する点を、でき上がり形状の測定点から選択する必要があるため、測定点は点群データとして多くの点数を持ち、測定工程に多大な時間を要してしまう。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、加工途中の形状測定対象（ワーク）の形状を簡易に測定でき、測定工程に多大な時間を必要としない形状測定方法を提供することにある。

本発明の形状測定方法は、上記目的を達成するために、目標形状の形状解析データを作成し、該形状解析データの解析点に対応する形状測定対象上の特徴点を複数発生させると共に、前記特徴点の位置を測定し、測定された複数の前記特徴点の測定点と前記形状解析データから形状測定対象の全体形状を算出することを特徴とする。

本発明によれば、加工途中の形状測定対象（ワーク）の形状を簡易に測定でき、測定工程に多大な時間を必要としないで高速に加工ワークの形状を測定できる。

本発明の形状測定方法の実施例１を実施するための形状測定装置を示すブロック図である。 本発明の形状測定方法の実施例１における形状測定プロセスを示すフローチャートである。 本発明の形状測定方法の実施例１における形状解析データの詳細を説明する図である。 本発明の形状測定方法の実施例１における形状測定対象に反映させた特徴点を説明するための図である。 本発明の形状測定方法の実施例１における各頂点を特徴点とした場合の形状測定対象の外観図である。 本発明の形状測定方法の実施例１におけるレーザ投影による特徴点発生方法について説明するための図である。 本発明の形状測定方法の実施例１における形状測定対象の変形方向予測に対応したレーザ投影方法を説明するための図である。 本発明の形状測定方法の実施例１における複数撮像センサを用いた特徴点位置測定方法について説明するための図である。 本発明の形状測定方法の実施例１における単一撮像センサを用いた特徴点位置測定方法について説明するための図である。 本発明の形状測定方法の実施例１におけるレーザ距離計を用いた特徴点位置測定方法について説明するための図である。 本発明の形状測定方法の実施例１における接触式プローブを用いた特徴点位置測定方法について説明するための図である。 本発明の形状測定方法の実施例１における形状解析データと測定した特徴点の関係を説明するための図である。 本発明の形状測定方法の実施例１における形状解析データと測定した特徴点を用いて全体形状を算出した状態を示した図である。 加工前の現物形状を示した図である。 １ステップ目の加工が完了した後の目標形状データを示した図である。 ２ステップ目の加工が完了した後の目標形状データを示した図である。 １ステップ目の加工が完了した後の現物形状を示した図である。 ２ステップ目の加工が完了した後の現物形状を示した図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の形状測定方法を説明する。なお、各図において、同一構成部品には同符号を使用する。

図１乃至図１３を用いて、本発明の形状測定方法の実施例１の概要について説明する。

図１は、本発明の形状測定方法の実施例１を実施するための形状測定装置を示すものである。該図に示す如く、本実施例の形状測定方法を実施するための形状測定装置は、形状測定対象１１３に特徴点１１４を発生させるための特徴点発生装置１０、発生した特徴点の位置を検出する位置取得装置１１、図３に示す形状解析データ１０４を読み込む形状読込部１２、検出した特徴点位置の座標を算出する位置算出部１３、形状解析データ１０４と特徴点１１４の座標から形状測定対象１１３の全体形状を算出する全体形状算出部１４、算出した結果を表示する表示部１５、結果および形状解析データ１０４を記憶する記憶部１６とから概略構成されている。

図２は、本実施例の測定方法を含む形状測定プロセスのフローチャートである。ステップＳ１０１においてプロセスが開始されると、ステップＳ１０２において、塑性変形実施後の目標形状の形状解析データ１０４が読み込まれ、形状解析データ１０４から解析点データ１０３を抽出する。形状解析データ１０４から抽出された解析点データ１０３を用いて、ステップＳ１０５において特徴点発生が実施される。その後、ステップＳ１０６において、図示しない塑性変形プロセスが実施される。

塑性変形プロセスが実施された後、ステップＳ１０７において、図１に示す位置取得装置１１によって特徴点の位置が測定されると共に、位置算出部１３によって特徴点位置が算出され、ステップＳ１０８において、当該特徴点位置と形状解析データ１０４を用いて全体形状が算出される。ステップＳ１０９において、未実施のプロセスの有無が判断され、未実施のプロセスがあればステップＳ１０２に戻り、次の塑性変形実施後の目標形状の形状解析データ１０４が読み込まれ、未実施プロセスが無ければステップＳ１１０に進みプロセスが終了する。

以下、各ステップの詳細について個別に説明する。

図３乃至図６を用いて、Ｓ１０５における特徴点の発生方法について説明する。最初に、Ｓ１０５で使用する形状解析データ１０４の詳細について図３に示す。形状解析データ１０４は、例えば、図３に示すような格子状のメッシュ１１１のデータを含んでいる。メッシュ１１１のグリッド交差点を解析点１１２とし、この解析点１１２はそれぞれ、形状解析データ１０４の任意の位置に設定された原点に対する三次元位置情報（ｘｎ、ｙｎ、ｚｎ）を持つものとする。全グリッド交差点のうち任意の複数の解析点１１２を解析点データ１０３として選び、特徴点発生ステップＳ１０５に反映させる。解析点データ１０３の選び方は例えば、（１）〜（５）がある。
（１）すべての解析点
（２）形状測定対象１１３を取り付ける、テーブル方向の最上点、回転軸の垂直方向の最上点
（３）形状測定対象１１３のエッジや頂点、穴部、突起部周辺の点
（４）ＮＣデータで加工する領域内の点
（５）あらかじめ与えた間隔に従って間引いた点
なお、解析点データ１０３の選び方は（１）〜（５）に限定されるものではない。

特徴点発生ステップＳ１０５における形状測定対象１１３の詳細について図４に示す。形状測定対象１１３は、例えば、加工機の機械座標空間に配置されるため、機械座標原点と形状解析データ１０４に設定する原点を一致させることで、解析点１１２の三次元位置情報（ｘｎ、ｙｎ、ｚｎ）に対応する特徴点１１４を得ることができる。

なお、形状測定対象１１３は、例えば、先行する塑性変形プロセスにおいて、プロセスが設計通りに実施されたとしても、残留応力の解放などにより、所望の形状である形状解析データ１０４との差異が発生し、解析点１１２と特徴点１１４が同一とみなせなくなる可能性があるが、この差異は補正することができる。差異の補正方法については後述する加工方法の例にて説明する。また、解析点１１２の三次元位置情報（ｘｎ、ｙｎ、ｚｎ）は機械座標空間の原点を基準とした値としているが、座標原点は測定の各プロセスで同定がとれる点であればこれに限るものではなく、例えば形状測定対象１１３の表面上の点や、形状測定対象１１３を搭載する装置上の点を用いて良い。

特徴点１１４は、他の形状測定対象表面座標と識別して位置を特定するために、例えば、形状測定対象１１３が有する特徴的な形状を用いる方法がある。図５では、形状測定対象１１３の各頂点を特徴点１１４に用いている。

特徴点１１４の他の例としては、形状測定対象１１３の表面にシールを貼る方法、形状測定対象１１３の表面にインクにより印刷する方法がある。また、以上の方法に限らず、形状測定対象１１３の表面に追跡可能な特徴的なマーキングを施す方法であれば、その他の手段によって特徴点１１４を発生させて良い。

特徴点１１４の他の例としては、図６に示す形状測定対象１１３の表面にレーザ１１５を投影する方法がある。レーザ１１５の投影によって発生した輝点１１６の中心座標を、特徴点１１４の座標とする。なお、図６では特徴点１点に対し１体ずつレーザ１１５を用いているが、ミラーなどの光学素子を組み合わせて１体のレーザ１１５から複数の特徴点を発生させる構成としても良い。

レーザ１１５の輝点１１６は、形状測定対象１１３の表面の変動に追従しない。そのため、図７に示すような、形状測定対象１１３の特徴点１１４における変形方向を予測し、レーザ１１５の投影方向を変形方向と一致させて、変形前後で同じ特徴点１１４にレーザの輝点１１６を投影できるような運用が必要となる。

上記方法によって発生させた特徴点１１４は、ステップＳ１０６において、形状測定対象１１３の塑性変形プロセスが実施された後、ステップＳ１０７においてその三次元位置が測定される。

図８乃至図１１を用いて、特徴点１１４の位置測定方法について説明する。図８に、ステレオ画像による位置測定方法を示す。図８に示すように、形状測定対象１１３の表面を撮像するように複数台の撮像センサ１１７を配置する。このとき、各撮像センサ１１７の少なくとも２台に、同一の特徴点１１４が視野に含まれるように配置する。複数の撮像センサ１１７は、例えば工作機械内部に固定されており、機械座標空間における三次元位置が各々決まっている。そして、一般的な三角測量法を用いることで、複数の撮像センサ１１７の撮像画像から、特徴点１１４の機械座標空間における三次元位置を求めることができる。

特徴点１１４の位置を測定する他の方法として、図９に示す単一の撮像センサ１１７による方法がある。撮像センサ１１７は、例えば工作機械内部に固定されており、機械座標空間における三次元位置が決まっている。特徴点１１４は、大きさを持つ特徴形状、例えば円形のシールなどを用い、撮像センサ１１７の撮像画像上での特徴形状の大きさから、撮像センサ１１７と特徴点１１４との奥行き方向の位置を求める。また、撮像センサ１１７の撮像画像上での位置から、撮像センサ１１７に対する特徴点１１４の平面方向の位置が求められるため、この構成によって特徴点１１４の機械座標空間における三次元位置を求めることができる。

特徴点位置を測定する他の方法として、図１０に示すレーザ距離計１１８による方法がある。レーザ距離計１１８から出射されたレーザは、形状測定対象１１３の表面上の特徴点１１４に照射され、レーザパルスの伝搬時間や変調波の位相変化量を用いて、レーザ距離計１１８から特徴点１１４までの距離を測定する。レーザ距離計１１８は、例えば工作機械内部に固定されており、機械座標空間における三次元位置が決まっている。そのため、この構成によって、特徴点１１４の機械座標空間における三次元位置を求めることができる。

なお、特徴点１１４は追跡可能な特徴的なマーキングとし、レーザ距離計１１８を特徴的なマーキング目掛けて照射する運用としても良いし、形状測定対象１１３の特徴点１１４における変形方向を予測し、レーザ距離計１１８の照射方向を変形方向と一致させて、変形前後で同じ特徴点１１４にレーザ距離計１１８のレーザを投影できるような運用としても良い。

特徴点１１４の位置を測定する他の方法として、図１１に示す接触式プローブ１１９による方法がある。接触式プローブ１１９は、例えば工作機械の加工刃を取り付ける主軸スピンドルに取り付けられ、機械座標空間においてプローブ先端球の中心位置が制御される。接触式プローブ１１９は、形状測定対象１１３の表面上の特徴点１１４に先端球が接触した状態で測定が実施され、プローブ先端球の中心三次元位置に、球の半径分の補正が加えられて特徴点１１４の三次元位置が求められる。

なお、特徴点１１４は追跡可能な特徴的なマーキングとし、接触式プローブ１１９を特徴的なマーキングに向けて接触させるような運用としても良いし、形状測定対象１１３の特徴点１１４における変形方向を予測し、接触式プローブ１１９の接近方向を変形方向と一致させて、変形前後で同じ特徴点１１４に接触式プローブ１１９の先端球を接触できるような運用としても良い。

上記した方法によって、三次元位置が測定された複数の特徴点１１４と形状解析データ１０４を用いて、全体の形状が算出される。

図１２及び図１３を用いて、全体形状の算出方法を説明する。図１２に、形状解析データと測定した特徴点の関係を示す。形状解析データ１０４のメッシュ１１１の交点である解析点１１２のうち、特徴点１１４に対応する複数の点は、ステップＳ１０６における形状測定プロセスが実施された後の三次元位置が測定されている。

そこで、特徴点１１４に対応する複数の点の三次元位置をもとに曲面データを作成し、作成した曲面データを基にメッシュを再度作成することで、特徴点１１４に対応していない周囲の解析点１１２に対応する複数の点の三次元位置を求めることができ、図１３に示すように、形状解析データ１０４と同じ密度の点数で全体形状を算出することができる。

なお、特徴点１１４に対応する複数の点は、形状測定対象１１３の表面に等間隔に配置する必要はなく、例えば、変形量が大きいと予め予想される領域に密に配置し、全体形状の算出精度を高めるような工夫をしても良い。

以上説明した測定方法を含む加工の例について、図１４乃至図１８を用いて説明する。ここでの説明では、加工ステップを２度含む例を示す。加工を開始する前の準備として、各加工ステップ完了後の目標形状データを前もって準備する。図１４乃至図１６に、加工前の現物形状Ａ、加工ステップ１完了後の目標形状データＢ’、加工ステップ２完了後の目標形状データＣ’を示す。目標形状データは、複数の解析点１の各座標値を持ったデータである。

加工ステップ１を開始する前に、加工ステップ１の完了後の目標形状データＢ’の解析点１Ｂより決めた複数の解析対応点２Ｂの座標を、加工前の現物形状Ａの表面に現物対応点３Ａとして反映させ、座標を測定できるようにしておく。

図１７に、加工ステップ１の完了後の現物形状Ｂを示す。現物形状Ｂは、例えば、切削中のワークの残留応力の解放などにより、加工パスが設計通りであったとしても、所望の形状である目標形状データＢ’との差異が発生する可能性がある。

そこで、加工ステップ１の開始前に現物形状Ａに反映させた現物対応点３Ａの座標を測定し、現物対応点３Ａを元に曲面データを作成し、作成した曲面データを基に目標形状データＢ’の解析点１Ｂを補正することで、現物形状Ｂの全体形状を算出する。

次に、加工ステップ２を開始する前に、加工ステップ２の完了後の目標形状データＣ’の解析点１Ｃより決めた複数の解析対応点２Ｃの座標を現物形状Ｂの表面に現物対応点３Ｂとして反映させ、座標を測定できるようにしておく。このとき、現物形状Ｂは、目標形状データＢ’に対して差異が発生している可能性があるため、前ステップで算出した補正済の全体形状を用いて解析対応点２Ｃの座標を補正して、現物対応点３Ｂの座標とし、現物形状Ｂの表面に反映させる。解析対応点２Ｃは、補正済の全体形状により座標補正が可能な点であれば、解析対応点２Ｂと必ずしも一致する点でなくとも良い。

図１８に、加工ステップ２完了後の現物形状Ｃを示す。加工ステップ１の完了後と同様に、現物対応点３Ｂの座標を測定し、現物対応点３Ｂを元に曲面データを作成し、作成した曲面データをもとに目標形状データＣ’の解析点１Ｃを補正することで、現物形状Ｃの全体形状を算出する。

以上の方法により、加工途中のワークの全体形状を少ない測定座標から求める。なお、現物形状に反映させる対応点は、次の加工ステップ完了後の目標形状データからの対応に限らず、例えば、最終的な目標形状データから対応させても良い。上記加工例では、現物形状Ａの表面に反映させる現物対応点３Ａは、次の加工ステップ１の完了後の目標形状データＢ’の解析対応点２Ｂに限らず、最終的な目標形状である目標形状データＣ’の解析対応点２Ｃを反映させても良い。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１、１Ｂ、１Ｃ…解析点、２Ｂ、２Ｃ…解析対応点、３Ａ、３Ｂ…現物対応点、１０…特徴点発生装置、１１…位置取得装置、１２…形状読込部、１３…位置算出部、１４…全体形状算出部、１５…表示部、１６…記憶部、１０３…解析点データ、１０４…形状解析データ、１１１…メッシュ、１１２…解析点、１１３…形状測定対象、１１４…特徴点、１１５…レーザ、１１６…輝点、１１７…撮像センサ、１１８…レーザ距離計、１１９…接触式プローブ、Ｓ１０１…プロセス開始ステップ、Ｓ１０２…形状解析データ読込ステップ、Ｓ１０５…特徴点発生ステップ、Ｓ１０６…塑性変形プロセス実施ステップ、Ｓ１０７…特徴点位置測定ステップ、Ｓ１０８…全体形状算出ステップ、Ｓ１０９…未実施プロセス有無判定ステップ、Ｓ１１０…プロセス終了ステップ、Ａ…加工前の現物形状、Ｂ…加工ステップ１完了後の現物形状、Ｂ’…加工ステップ１完了後の目標形状データ、Ｃ…加工ステップ２完了後の現物形状、Ｃ’…加工ステップ２完了後の目標形状データ。

Claims (14)

1. 目標形状の形状解析データを作成し、該形状解析データの解析点に対応する形状測定対象上の特徴点を複数発生させると共に、前記特徴点の位置を測定し、測定された複数の前記特徴点の測定点と前記形状解析データから形状測定対象の全体形状を算出することを特徴とする形状測定方法。
2. 請求項１に記載の形状測定方法であって、
   前記形状解析データの解析点は、グリッド格子点であることを特徴とする形状測定方法。
3. 請求項１又は２に記載の形状測定方法であって、
   前記形状測定対象上の特徴点は、前記形状測定対象の頂点であることを特徴とする形状測定方法。
4. 請求項１又は２に記載の形状測定方法であって、
   前記形状測定対象上の特徴点は、前記形状測定対象の表面に貼ったシールによるものであることを特徴とする形状測定方法。
5. 請求項１又は２に記載の形状測定方法であって、
   前記形状測定対象上の特徴点は、前記形状測定対象の表面に印刷されたインクによるものであることを特徴とする形状測定方法。
6. 請求項１又は２に記載の形状測定方法であって、
   前記形状測定対象上の特徴点は、前記形状測定対象の表面に投影したレーザの輝点であることを特徴とする形状測定方法。
7. 請求項１又は２に記載の形状測定方法であって、
   前記形状測定対象上の特徴点は、前記形状測定対象が持つ特徴形状点であることを特徴とする形状測定方法。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の形状測定方法であって、
   前記形状測定対象上の特徴点の位置を測定する手段は、レーザを出射するレーザ距離計であることを特徴とする形状測定方法。
9. 請求項８に記載の形状測定方法であって、
   前記レーザ距離計から出射されたレーザは、前記形状測定対象の表面上の特徴点に照射され、レーザパルスの伝搬時間及び/又は変調波の位相変化量を用いて、前記レーザ距離計から前記特徴点までの距離を測定することを特徴とする形状測定方法。
10. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の形状測定方法であって、
    前記形状測定対象上の特徴点の位置を測定する手段は、単一若しくは複数の撮像センサであることを特徴とする形状測定方法。
11. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の形状測定方法であって、
    前記形状測定対象上の特徴点の位置を測定する手段は、接触式プローブであることを特徴とする形状測定方法。
12. 請求項１又は２に記載の形状測定方法であって、
    前記形状測定対象上の特徴点は、前記形状測定対象の変形量の大きい領域の表面に密に発生させるものであることを特徴とする形状測定方法。
13. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の形状測定方法であって、
    前記形状測定対象上の特徴点の位置の測定は、前記形状測定対象上の点を基準に位置の測定が実施されることを特徴とする形状測定方法。
14. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の形状測定方法であって、
    前記形状測定対象上の特徴点の位置の測定は、前記形状測定対象を搭載する装置上の点を基準に位置の測定が実施されることを特徴とする形状測定方法。

Images