JP2687559B2 - 三次元測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、自動車の車体パネルに代表されるような三
次元形状の被測定物の寸法を測定する三次元測定装置に
関する。

従来の技術 この種の三次元測定装置としては例えば特開昭62−24
2812号公報に開示されているものがある。この測定装置
は第８図に示すように、定盤81の周囲に配置された治具
置台82の上に複数の基準ブロック83を整列しておき、測
定対象となるワークWaの形状に応じて各基準ブロック83
の高さを高さ調整装置84にて調整した上で、各基準ブロ
ック83を移載装置85のアーム86で把持して定盤81上の所
定位置まで搬送してセットする。そして、定盤81上に置
かれた基準ブロック83の上に測定対象となるワークWaを
位置決めし、測定ロボット87に持たせた測定用センサ88
を動かしてワークWaの形状寸法を測定するものである。
基準ブロック83は第９図に示すようにワーク受け面とな
る支持板89を備えており、この支持板89は軸部材90を回
転操作することにより上下動してその高さ調整が可能と
なっている。

発明が解決しようとする課題 上記の構造においては、基準ブロック83のうち平板状
の支持板89にてワークWaを受けて位置決めするようにし
ているため、平板状に近いワークWaの場合には特に問題
にならないものの、三次元曲面部が多いワークの場合に
は支持板89もしくは基準ブロック83全体を取り替えない
かぎり対応することができない。その結果、測定に先立
つ予備作業に多大な工数と時間を要し、作業能率が悪く
なる。

また、被測定物であるワークWaを複数の基準ブロック
83で受けて位置決めする場合、全ての基準ブロック83の
受け面（支持板89）が均等にワークWaに接触しているこ
とが理想であるが、例えば基準ブロック83の高さ調整誤
差があると、特定の基準ブロックがワークWaに接触（着
座）せずにワークWaが基準ブロック83から浮いているこ
とが予想される。

そして、特定の基準ブロックがワークWaに接触してい
なくとも測定作業そのものは可能であるが、測定によっ
て得た寸法データに基づいてワークWaの寸法精度を評価
するにあたり、上記の着座状態を把持している場合とそ
うでない場合とでは評価結果の信頼性が大幅に異なって
くる。

すなわち、特定の基準ブロックにワークWaが接触して
いなかった場合において、測定によって得られたデータ
のうち上記の未着座部分で大きな寸法誤差が表れたと仮
定したとき、未着座の基準ブロックが特定されていれば
その未着座状態を考慮した寸法評価ができるようにな
り、寸法評価結果の信頼性の向上が図れる。このような
ことから、各基準ブロック83はワークWaの着座状態を個
々に検知できる機能を有していることが望ましい。

本発明は以上のような背景のもとになされたもので、
その目的とするところは、従来の基準ブロックに相当す
る部材がどのような被測定物の形状にも対応できるよう
に汎用性を有し、しかも被測定物の着座状態を検知でき
る機能を有した三次元測定装置を提供することにある。

課題を解決するための手段 本発明は、前述したように定盤上に置かれた複数のフ
ィクスチャユニットを基準として被測定物を位置決めし
た上で、測定母機のアーム先端に取り付けられたセンサ
ヘッドにより被測定物の寸法を測定する装置において、
前記フィクスチャユニットは、被測定物に接触してこれ
を支持する高さ調整可能な球状の支持部材と、支持部材
に被測定物が接触したことを検知する着座検知手段とを
備えていることを特徴としている。

着座検知手段としては、支持部材を加振手段により高
周波で振動させるとともにその振動を加速度計等の振動
ピックアップ手段で検知する方式とし、支持部材に被測
定物が着座している場合とそうでない場合の波形変化を
弁別して被測定物の着座，未着座を検知する。

作用 この構造によると、支持部材が球状であるために被測
定物がどの方向から接触してきたとしても確実に被測定
物を支持することができる。しかも、被測定物の形状を
問わずに被測定物の着座，未着座を検知できるようにな
る。

実施例 第２図および第３図は本発明の一実施例を示す装置全
体の構成説明図であって、１は装置の中心となる測定母
機、２は測定の基準となる平面2aを有する定盤である。
測定母機１は定盤２上をＸ方向に移動可能なコラム３
と、コラム３に対してＹ方向に移動可能なキャリア４
と、キャリア４に対してＺ方向に移動可能なアーム５と
を備えている。コラム３は図示外のサーボモータとボー
ルねじ９のはたらきにより、またキャリア４とアーム５
はサーボモータ7,8とボールねじ6,10のはたらきにより
各軸方向に移動する。11,12はレールである。

定盤２上には被測定物であるワーク（この実施例では
自動車の車体パネルを例示している）Ｗを位置決めする
ための高さの異なる複数のフィクスチャユニット13,13
…が設けられているほか、アーム５の一側面にはセンサ
ヘッド14が取り付けられ、また反対側の面には後述する
ようにフィクスチャユニット13のゲージ21を昇降駆動さ
せるためのドライブユニット15が取り付けられている。
センサヘッド14はαおよびβ方向に旋回可能であって、
またセンサヘッド14およびドライブユニット15はいずれ
もアクチュエータ16,17のはたらきによりＺ方向でのシ
フト動作が可能となっている。つまり、センサヘッド14
とドライブユニット15は下降限位置で選択的に使用され
るものであって、いずれか一方、例えば第２図に示すよ
うにセンサヘッド14が下降限位置にある時には他方のド
ライブユニット15は上昇限退避位置で待機している。そ
して、センサヘッド14による測定系だけについてみたと
き、測定母機１のX,Y,Z方向の直交３軸の自由度にα，
βの旋回２軸の自由度を加えて全体として５軸の自由度
を有している。

第１図はフィクスチャユニット13の詳細を示す図で、
フィクスチャユニット13は円筒状のハウジング18の上下
面にアルミニウム製のベースプレート19とヘッドプレー
ト20とを装着したもので、その中央部にはワーク受け面
となる支持部材としての球状のゲージ21を先端にもつシ
ャフト22が配設されている。そして、シャフト22の上半
部にはスプライン軸部22aが、また下半部には後述する
ナット部材27とともにボールねじ23を構成するスクリュ
ーシャフト部22bがそれぞれに形成されており、スプラ
イン軸部22aはヘッドプレート20側のプッシュ24とボー
ルスプライン結合されている。これにより、シャフト22
はハウジング18に対しその回転運動が阻止されて昇降動
作のみが可能となっている。

ハウジング18内にはシャフト22と同芯状に電磁ブレー
キ25と中空シャフト26とが収容されており、中空シャフ
ト26にはスクリューシャフト部22bと螺合するナット部
材27が一体に結合され、さらにナット部材27にはドリプ
ンギヤ28が一体に結合されている。29は中空シャフト26
を回転可能に支持しているベアリングである。またハウ
ジング18内にはシャフト22と平行な操作部材としての中
間シャフト30がベアリング31を介して回転可能に支持さ
れている。そして、ヘッドプレート20から突出する中間
シャフト30の上端には円錐状の噛み合い面32aを有する
フェースプレート32が一体に取り付けられ、また中間シ
ャフト30の下端にはドリブンギヤ28と噛み合うドライブ
ギヤ33が取り付けられている。

つまり、中間シャフト30を回転操作することでナット
部材27が回転し、それによって先端にゲージ21をもつシ
ャフト22が昇降動作する構成となっており、シャフト2
2、ボールねじ23、ギヤ28,33および中間シャフト30等に
よりゲージ21の高さ調整機構34が構成されている。

ハウジング18底部のペースプレート19には、フィクス
チャユニット13を定盤２上の所定位置に固定するための
吸着固定手段としての電磁石35が設けられている。この
電磁石35はフェライト製の巻心36とコイル37、およびベ
ースプレート19から外部に露出する磁性体38とから構成
されており、この電磁石35には図示外の給電ケーブルを
介して励磁電流が給電される。つまり、給電によって磁
性体38が定盤２をその磁力により吸着することでフィク
スチャユニット13が堅固に固定され、逆にフィクスチャ
ユニット13を定盤２上で移動させる際には消磁電流を通
電して上記の磁力を消磁させることで電磁石35による吸
着力が解除されるようになっている。

また、ベースプレート19には、フィクスチャユニット
13を定盤２上で移動させる際に走行補助手段として機能
する空気軸受（静圧軸受）39が設けられている。この空
気軸受39は、ベースプレート19の底面に形成されたエア
ポケット部40と、パイプ41を介して圧縮空気が導入され
る空気供給路42と、この空気供給路42から分岐形成され
てエアポケット部40に開口する複数の空気吹出口43とか
ら構成されており、エアポケット部40の圧力を高めるこ
とでフィクスチャユニット13を微少量だけ浮上させるこ
とができる。その結果として、定盤２上でフィクスチャ
ユニット13を移動させる際に軽い操作力で移動させるこ
とができるようになる。

シャフト22の上端部のうちゲージ21の基部近傍には第
４図にも示すように振動発生源（加振手段）である圧電
素子型の加振器61が取り付けられている一方、ゲージ21
内に位置するシャフト22の上端面には加速度計62が取り
付けられており、これら加振器61と加速度計62とで着座
検知手段63が構成されている。この着座検知手段63は、
加振器61によりゲージ21を高周波で振動させるととも
に、その振動を加速度計62にてピックアップするもの
で、加速度計62の出力は第５図に示すようにチャージア
ンプ64で増幅されたのちに着座判定回路部65に入力され
る。

そして、ゲージ21が振動している場合において、第７
図に示すようにゲージ21に被測定物であるワークＷが着
座している時と着座していない時とでは振動波形が大き
く変化することから、この波形変化を着座判定回路部65
において特定のしきい値によって弁別することでゲージ
21に対するワークＷの着座，未着座を検知するようにな
っている。66は装置全体の制御装置、また第４図の67は
給電用および信号取り出し用のケーブルである。

ヘッドプレート20には、後述するドライブユニット15
との係合部となるピンブロック44が設けられている。こ
のピンブロック44はヘッドプレート20の円周上に複数個
設けられており、各ピンブロック44の中央部には円錐状
の噛み合い面44aが形成されている。

第６図は前記ドライブユニット15の詳細を示す図で、
その本体となるベース45にはエンコーダ46付きのモータ
47が取り付けられているほか、先端に一対のピン48を有
するドライブシャフト49がベアリング50を介して回転可
能に支持されている。ドライブシャフト49の上端にはプ
ーリ51が取り付けられており、このプーリ51とモータ47
側のプーリ52との間にタイミングベルト53が巻き掛けら
れ、ドライブシャフト49はモータ47によって回転駆動さ
れるようになっている。また、ベース45には第１図のピ
ンブロック44と対向するピン54がピンホルダ55に支持さ
れている。

上記のピン48および54は第１図に示すようにそれぞれ
に圧縮コイルスプリング56,57を介して上下動可能に弾
性支持されており、これによってピン48,54はピンブロ
ック44および中間シャフト30側のフェースプレート32と
圧接・係合するようになっている。

次に上記のように構成された測定装置の作用について
説明する。

先ず測定装置の制御装置66（第５図）には、測定対象
となるワークＷの種類に応じて、必要とされるフィクス
チャユニット13の数と種類、定盤２上でのフィクスチャ
ユニット13の位置、ゲージ21の高さ、センサヘッド14を
移動すべき軌跡等に関するデータ、さらにはワークＷが
設計データ通りに仕上がっていると仮定したときの測定
基準データが予め入力されている。

測定に先立って測定対象となるワークＷの種別データ
を制御装置66に入力すると、そのワークＷの種別に応じ
た前記の各種のデータが呼び出される。そして、最初に
第２図のアクチュエータ16,17のはたらきにより第２図
の状態からセンサヘッド14が上昇する一方でドライブユ
ニット15が下降して第６図の状態となる。この時、定盤
２上に置かれた各フィクスチャユニット13の位置は制御
装置66側で予め把握されていることから、ドライブユニ
ット15は制御装置66側からの指示に基づいてアーム５ご
と移動して、複数のフィクスチャユニット13を測定対象
となるワークＷを位置決めすべき位置まで順次移動させ
る。

より詳しくは第２図のほか第１図および第６図に示す
ように、定盤２上に置かれたフィクスチャユニット13の
真上から該フィクスチャユニット13との位相合わせが施
されたドライブユニット15が下降すると、ピン54とピン
ブロック44とが圧接・係合すると同時に、ピン48とフェ
ースプレート32とが相互に圧接・係合する。

この時、各フィクスチャユニット13は電磁石35の残留
磁気による吸着力によって定盤２に吸着固定されている
ので、先ず電磁石35のコイル37に対して所定時間通電
し、磁性体38と定盤２との間に作用している磁力を消磁
させることで上記の磁気吸着力が解除される。

同時に、図示外の電磁弁が開き、パイプ41を介して空
気軸受39のエアポケット部40に圧縮空気が導入される。
その結果、エアポケット部40内の圧力とフィクスチャユ
ニット13の重量とがつり合うようになり、フィクスチャ
ユニット13が定盤２から微少量だけ浮上する。

こののち、制御装置66からの指令に基づいてドライブ
ユニット15が定盤２と平行な平面内で移動を開始する
と、ピン54とピンブロック44およびピン48とフェースプ
レート32との係合のためにフィクスチャユニット13がド
ライブユニット15に引きずられるようにして所定位置ま
で移動して位置決めされる。

この時、フィクスチャユニット13は前述したように空
気軸受39のはたらきにより定盤２から微少量だけ浮上し
ていることから、フィクスチャユニット13はドライブユ
ニット15の動きに追従して定盤２上を滑らかに移動す
る。つまり、上記の空気軸受39は、フィクスチャユニッ
ト13の移動に際して定盤２との間の摩擦力ひいてはドラ
イブユニット15側に必要とされるフィクスチャユニット
13の移動操作力を軽減する走行補助手段として機能す
る。

フィクスチャユニット13が所定位置まで移動して位置
決めされると、空気軸受39への圧縮空気の供給が断たれ
てフィクスチャユニット13が定盤２に密着する一方、再
び電磁石35に励磁電流が通電されてフィクスチャユニッ
ト13は電磁石35の磁気吸着力によって定盤２に吸着固定
される。

フィクスチャユニット13が吸着固定されると、制御装
置66からの指令に基づいてモータ47が起動すると同時に
第１図の電磁ブレーキ25のブレーキ力が解除される。こ
れにより、ドライブシャフト49と中間シャフト30等を介
してナット部材27が回転してゲート21と一体のシャフト
22を昇降させて、測定対象となるワークＷの形状に見合
うようにゲージ21の高さを調整する。

ゲージ21の高さ調整が完了すると、モータ47が停止す
ると同時に再び電磁ブレーキ25がはたらいてシャフト22
を拘束し、さらにドライブユニット15がアーム５ごと上
昇してフィクスチャユニット13から離間し、以降はフィ
クスチャユニット13は電磁石35の残留磁気によって定盤
２上に吸着固定された状態を維持する。

このような操作を複数回繰り返すことで、測定対象と
なるワークＷの位置決めに必要な全てのフィクスチャユ
ニット13が所定位置に位置決め固定される。この場合、
複数のフィクスチャユニット13のうちいずれか一つもし
くは二つのフィクスチャユニットとしては、第２図に示
すようにフィクスチャユニット13とワークＷとの位置決
め精度を確保するためにゲージ21の先端にロケートピン
60を有するものが使用される。

上記のように測定に必要な全てのフィクスチャユニッ
ト13の位置決めが完了すると、これらの複数のフィクス
チャユニット13の上に作業者の手によって測定対象とな
るワークＷがセットされる。つまり、セットされたワー
クＷが自重によって撓むことがないように前述したフィ
クスチャユニット13の数や位置、さらにはゲージ21の高
さ等が考慮されているのである。しかもゲージ21自体が
球状であるために、ワークＷが傾斜面あるいは曲率面を
有していたとしてもワークＷの形状を問わずに確実に位
置決めすることができることになる。

続いて、制御装置66に対して測定開始信号を入力する
と、第１図および第４図に示す加振器61が所定時間駆動
され、それによって各フィクスチャユニット13のゲージ
21が高周波で振動するとともに、ゲージ21の振動が加速
度計62でピックアップされて第５図の着座判定回路部65
に入力される。そして、ゲージ21にワークＷが正しく着
座している場合とそうでない場合とでは第７図に示すよ
うに加速度計62の出力波形が大きく変化することから、
この波形を着座判定回路部65において所定のしきい値の
もとで弁別してワークＷの着座，未着座を判定し、その
判定出力を制御装置66に送出する。制御装置66では各フ
ィクスチャユニット13ごとのワークＷの着座，未着座状
態を記憶し、後述する測定データとともにプリントアウ
トする。

こののち、第２図に示すようにアクチュエータ16,17
のはたらきによりドライブユニット15が上昇するのに対
してセンサヘッド14が下降し、センサヘッド14が指定さ
れた経路に沿って移動してワークＷの形状寸法を測定す
る。そして、制御装置66側では測定データと測定基準デ
ータとを比較し、例えば測定結果をグラフィックディス
プレイに表示するとともにＸ−Ｙプロッタで作図する。

測定が終了するとセンサヘッド14は測定母機１のアー
ム５ごと原点位置に復帰し、さらに測定が終了したワー
クＷを作業者が定盤２上から除去することで一連の作業
が完了する。

ここで、前記実施例では測定母機１を、実際の測定の
ほかに定盤２上でフィクスチャユニット13を移動させる
手段として共用化しているが、フィクスチャユニット13
を把持して定盤２上で移動させるためのハンドを測定母
機１とは別のロボット等のハンドリング装置に保持させ
て測定母機から独立させてもよい。

発明の効果 以上のように本発明によれば、被測定物を位置決めす
るフィクスチャユニットが、被測定物に接触してこれを
支持する高さ調整可能な球状の支持部材を備えるととも
に、支持部材が被測定物に接触したことを検知する着座
検知手段を備えていることにより、被測定物の形状を問
わずどのような形状の被測定物でも位置決めすることが
できるためにフィクスチャユニットの汎用性が高く、従
来のように被測定物の形状に応じてその都度フィクスチ
ャユニットを交換する必要がなくなる。

また、各フィクスチャユニットの支持部材に被測定物
が確実に着座しているかどうかチェックできるのに加
え、着座検知手段が、支持部材を振動させる加振手段と
その振動を検知する振動ピックアップ手段とから構成さ
れていて、支持部材に対する被測定物の当接方向を問わ
ずその着座，未着座を確実に検知できるので、例えば支
持部材の高さ調整誤差等によりワークに着座しない支持
部材があったとしてもそれを特定できることから、測定
によって得られた測定データに基づいて被測定物の寸法
精度の評価を行う場合に上記の特定部位の未着座状態を
考慮した評価ができるようになり、評価結果の信頼性が
向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図でフィクスチャユニ
ットの断面図、第２図は同じく測定装置全体の構成説明
図、第３図は上記測定装置の定盤の平面図、第４図は第
１図の要部拡大断面図、第５図は着座検知手段の信号処
理系のブロック図、第６図はドライブユニットの断面
図、第７図は加速度計の出力波形の説明図、第８図は従
来の三次元測定装置の一例を示す構成説明図、第９図は
第８図の測定装置で使用される基準ブロックの斜視図で
ある。 １……測定母機、２……定盤、５……アーム、13……フ
ィクスチャユニット、14……センサヘッド、21……支持
部材としてのゲージ、34……高さ調整機構、61……加振
器（加振手段）、62……加速度計（振動ピックアップ手
段）、63……着座検知手段、65……着座判定回路部、Ｗ
……被測定物としてのワーク。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】定盤上に置かれた複数のフィクスチャユニ
   ットを基準として被測定物を位置決めした上で、測定母
   機のアーム先端に取り付けられたセンサヘッドにより被
   測定物の寸法を測定する装置において、 前記フィクスチャユニットは、被測定物に接触してこれ
   を支持する高さ調整可能な球状の支持部材と、支持部材
   に被測定物が接触したことを検知する着座検知手段とを
   備えていて、 前記着座検知手段は、支持部材を高周波で振動させる加
   振手段と、その支持部材の振動を検出する振動ピックア
   ップ手段とから構成されていることを特徴とする三次元
   測定装置。