JP3543971B2 - 輪郭形状測定機の形状自動演算方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は被測定物（以下、「ワーク」という。）の輪郭形状を測定して形状データを出力する輪郭形状測定機において、データ処理装置を備え、形状データから幾何形状を自動的に認識して幾何形状値と幾何形状境界値を演算する、輪郭形状測定機の形状自動演算方法及びその装置に関する。
背景技術
輪郭形状測定機10は図11に示すように、ベース11に立設されたコラム12に水平送り装置13が設けられ、触針15を有し触針15の上下（Ｚ）方向の変位を検出する検出器14が、水平送り装置13に水平（Ｘ）方向移動自在に設けられている。水平送り装置13には検出器14の水平方向の移動量を検出するスケールが内蔵されている。
これによって、ワーク16の測定位置に触針15を当接した状態で検出器14をＸ方向に移動させると、上下方向の変位が検出器14で検出され、検出器14の水平方向の移動量が水平送り装置13のスケールで検出されて、ワーク16の輪郭形状が測定される。
また、測定値として必要な値は幾何形状値（形状データを直線・円・楕円等の幾何形状に設定して演算した円の直径、楕円の長径・短径、円の中心位置等の値）と幾何形状境界値（幾何形状と幾何形状が交わる境界の位置や交差する角度、境界間距離等）である。
データ処理装置としては、形状データをそのままＸ−Ｙプロッタに出力して形状図（各測定点のＸ方向とＺ方向の値をプロットした図）を描くシステムと、データ処理装置が備えられてCRTで形状図を表示するシステム、または、両方を備えたシステムがある。この場合、Ｘ−Ｙプロッタに出力するシステムでは描かれた形状図から幾何形状値や幾何形状境界値をオペレータが読みとらなければならないが、データ処理装置が備えられたシステムでは次のようにして幾何形状値と幾何形状境界値をデータ処理装置に演算させることができる。
これを図９に示すフローチャート及び図10に示す形状図例で説明する。
まず、オペレータが輪郭形状測定機10でワーク16を測定すると（ステップ121）、CRTに測定した位置の形状図が表示される（ステップ122）。図10に示す形状図はネジのような三角形状ワークを測定して例の概要を表したもので、141が測定開始点、150が測定終了点である。
表示された形状図に対して、オペレータが該当する幾何形状（この例ではすべて直線）を判別して指示するとともに、幾何形状値を演算する対象領域を指定する（ステップ124）。この場合、測定開始点141付近と測定終了点150付近及び形状が大きく変化する部分は一般的に測定誤差が大きいので、これらの部分を除いた部分（例えば図10で「点142から点143の領域」）を幾何形状値演算の対象領域として指定する。幾何形状値演算の対象領域が指定されると、指示された幾何形状に基づいて自動的にその指定領域の形状データが演算されて（ステップ125）、幾何形状値（「点142から点143の領域」の場合は直線Lh）が表示される（ステップ126）。
次に、オペレータは形状図の次の領域の幾何形状値を演算させるか、幾何形状境界値を演算させるか選択し（ステップ127）、次の領域の幾何形状値を演算させる場合はステップ123へ戻って同様に、該当する幾何形状の判別指示をするとともに、「点144から点145の領域」「点146から点147の領域」「点148から点149の領域」等を指定する。これによって、直線Li・直線Lj・直線Lk等の幾何形状値が算出される。
幾何形状境界値を演算させる場合は対象とする２つの幾何形状（例えば直線Lhと直線Li）を指示する（ステップ129）と、指示された幾何形状の幾何形状境界値（図10で、交点151の座標値や交角θｄ）自動的に演算されて（ステップ130）、演算結果が表示される（ステップ131）。同様に、直線Liと直線Ljを指示すると交点152の座標値や交角θｅ、直線Ljと直線Lkを指示すると交点153の座標値や交角θｆが算出される。
この後、オペレータは次の領域の幾何形状値を演算させる場合はステップ123へ戻り、次の幾何形状境界値を演算させる場合はステップ128へ戻って、同様の作業を行う（ステップ132）。
しかしながら、幾何形状値を求めるためには、オペレータが表示された形状図に該当する幾何形状の種類を判別して指示するとともに、幾何形状値演算の対象領域を指定しなければならない。また、幾何形状境界値を求めるためにも同様に、対象とする２つの幾何形状をそれぞれ指示する必要がある。したがって、作業が煩わしく時間がかかるという問題がある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、オペレータが幾何形状の種類の判別や幾何形状値演算対象領域の指定、さらに幾何形状境界線の対象幾何形状の指示を行う必要がなく、形状データからの幾何形状値及び幾何形状境界値の演算を自動的に行う、輪郭形状測定機の形状自動演算方法及びその装置を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明は前記目的を達成するために、輪郭形状測定機の形状演算方法を、ワークを測定して得られた形状データから自動的に幾何形状演算領域を設定し、幾何形状算値と幾何形状境界値を自動的に算出するようにした。
すなわち、形状演算方法を次のようにして自動的に行う。
（イ）幾何形状判別条件を入力する。
（ロ）ワークを測定して形状データを得る。
（ハ）測定して得られた形状データの幾何形状境界を仮設定する。
（ニ）仮設定された幾何形状境界の近傍及び測定開始点の近傍並びに測定終了点の近傍を除いた部分を幾何形状演算領域に設定する。
（ホ）設定された前記幾何形状演算領域ごとに、幾何形状判別条件に基づいて形状データの幾何形状を判別しながら、形状データの幾何形状値を演算する。
（ヘ）演算された幾何形状値から幾何形状境界値を演算する。
（ト）全ての演算が完了したかを判別し、未完了であれば幾何形状値演算ステップへ戻って残りの演算を継続させる。
（チ）演算された幾何形状値と幾何形状境界値を出力する。
この場合、形状データの幾何形状境界の仮設定を、次のような方法で行うことができる。
第一の方法は、測定して得られた形状データの中から所定の間隔ごとにデータ（本明細書で「形状データ」を単に「データ」ともいう）を抽出して各データの階差（一つ前のデータとの差）を算出し、算出された階差の変化の大きい部分を、形状データの変化の大きい部分とみなして、幾何形状境界に仮設定するものである。
また、第二の方法は、測定して得られた形状データを２回微分することによって形状データの変化の大きい部分を抽出し、その部分を幾何形状境界に仮設定するものである。
さらに、第三の方法では次のようにする。
（イ）まず、測定して得られた形状データの始めの方の所定の数のデータによる仮の幾何形状を判別するとともにその許容幅を設定する。この場合、仮の幾何形状を判別するには、最終的に幾何形状値を算出する場合と同様に、幾何形状判別条件に基づいて行う。
（ロ）次に、仮の幾何形状の判別に用いた形状データの次のデータから順次、設定された許容幅に入っているかチェックしていき、許容幅から外れた点を始めの幾何形状境界に仮設定する。
（ハ）そして、幾何形状境界に仮設定された点から始まる所定の数の形状データによる新たな仮の幾何形状を判別するとともにその許容幅を設定する。
（ニ）（ロ）と同様に、新たな仮の幾何形状判別に用いた形状データの次のデータから順次、新たに設定された許容幅に入っているかチェックしていき、許容幅から外れた点を新たな幾何形状境界に仮設定する。
（ホ）同様にしてこの操作を繰り返し、形状データの幾何形状境界を仮設定していく。
また、幾何形状の判別方法としては、当出願人が三次元座標測定機における幾何形状判別方法として開示している「アメリカ合衆国特許5434803号」による方法を用いることができるが、輪郭形状は二次元を扱うので、幾何形状を直線、楕円及び円の３種類程度に限定して簡易的に行うことができる。
さらに、以上の方法を実現する形状自動演算装置を次のように構成する。
（イ）ワークの輪郭形状を測定して形状データを出力する輪郭形状測定機。
（ロ）幾何形状判別条件を入力する判別条件入力部。
（ハ）形状データの幾何形状境界を仮設定するとともに、仮設定された幾何形状境界の近傍及び測定開始点の近傍並びに測定終了点の近傍を除いた部分を形状データの幾何形状演算領域に設定する演算領域設定部。
（ニ）設定された幾何形状演算領域ごとに、幾何形状判別条件に基づいて形状データの幾何形状を判別しながら、形状データの幾何形状値を演算する幾何形状値演算部。
（ホ）演算された幾何形状値から幾何形状境界値を演算する境界値演算部。
（ヘ）全ての演算が完了したかを判別し、未完了であれば残りの演算を継続させる演算完了判別部。
（ト）演算された幾何形状値と幾何形状境界値を出力する測定結果出力部。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明に係る実施の形態のフローチャートであり、図２は本発明に係る実施の形態の構成を示すブロック図であり、図３は本発明に係る実施の形態１を説明する三角形状ワークの形状図であり、図４は図３の例の形状データの幾何形状境界を仮設定する方法の説明図であり、図５は本発明に係る実施の形態１を説明する円弧形状ワークの形状図であり、図６は図５の例の形状データの幾何形状境界を仮設定する方法の説明図であり、図７は本発明に係る実施の形態２における形状データの幾何形状境界を仮設定する方法の説明図であり、図８は簡易的な幾何形状値の演算方法のフローチャートであり、図９は従来の形状演算方法のフローチャートであり、図10は従来の形状演算方法を説明する三角形状ワークの形状図であり、図11は一般的な輪郭形状測定機を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１
本発明に係る輪郭形状測定機の形状自動演算装置の実施の形態１の構成を表すブロック図を図２に示す。
図２において、輪郭形状測定機10は図11に示した輪郭形状測定機である。判別条件入力部21は予めオペレータが幾何形状判別条件を入力する。
演算領域設定部22は輪郭形状測定機10から送られてきた形状データの幾何形状境界を仮設定するとともに、仮設定された幾何形状境界の近傍及び測定開始点の近傍並びに測定終了点の近傍を除いて形状データの幾何形状演算領域を設定する。
幾何形状値演算部23は演算領域設定部22で設定された幾何形状演算領域ごとに、判別条件入力部21に入力された幾何形状判別条件に基づいて、輪郭形状測定機10から送られてきた形状データの幾何形状を判別しながら幾何形状値を演算する。
境界値演算部24は演算された幾何形状値によって幾何形状境界値を演算する。測定結果出力部25は幾何形状値演算部23で演算された幾何形状値と境界値演算部24で演算された幾何形状境界値を出力する。
本発明に係る輪郭形状測定機の形状自動演算方法の実施の形態１のフローチャートを図１に示す。
まず、判別条件入力部21から予めオペレータが幾何形状判別条件を入力し（ステップ31）、輪郭形状測定機10でワーク16を測定すると（ステップ32）、演算領域設定部22で、輪郭形状測定機10から送られてきた形状データの幾何形状境界が仮設定される（ステップ33）とともに、仮設定された幾何形状境界の近傍及び測定開始点の近傍並びに測定終了点の近傍を除いた部分が幾何形状演算領域に設定される（ステップ34）。
次に、幾何形状値演算部23で、演算領域設定部22で設定された幾何形状演算領域ごとに、判別条件入力部21に入力された幾何形状判別条件に基づいて形状データの幾何形状が判別されながら、形状データが演算されて幾何形状値が算出される（ステップ36）。そして、算出された幾何形状値から幾何形状境界値が演算される（ステップ37）。
この後、全ての演算が完了したか判別され（ステップ38）、未完了であればステップ35へ戻って残りの演算が継続され、完了であればすべての測定結果が出力される（ステップ39）。
次に、具体的な例を用いて実施の形態１の方法を説明する。
図３は、従来の技術で例として用いたものと同じくネジのような三角形状ワークを測定して得られた形状データの各測定点のＸ方向とＺ方向の値をプロットした形状図で、51が測定開始点、66が測定終了点である。
また、図４は図３に示した例の形状データの幾何形状境界を仮設定する方法を説明する図で、一番上の図は図３の形状図の一部を拡大表示したものである。
ステップ33の幾何形状境界仮設定は次のように行う。
まず、輪郭形状測定機10で測定して得られた形状データの中からＸ方向に所定の間隔ごと（例えば10点ごと）にデータを抽出して各データの階差を算出する（図４の中央のグラフ）。すると、形状データの中で幾何形状の変化の大きい部分は傾斜が大きくなって現れるが、このままではその部分を抽出するのが難しいので、各データの階差のさらに階差を算出する（図４の一番下のグラフ）。これによって、形状データの中で幾何形状の変化の大きい部分は大きな値（所定の領域「Ｚ＝−Ａ〜＋Ａ」から外れた点）となって現れるので、この点を幾何形状境界の仮設定に用いる。
ただし、図４の中央のグラフでは、形状データの各階差を次のデータの位置に（例えば形状データの点54と点54aとの階差を54aとＸ座標が同じ点71に）表しているので、形状データの中で幾何形状の変化の大きい部分として図４の一番下のグラフで抽出された点の一つ前の点（例えば抽出された点72と同じＸ座標の形状データの点54aの一つ前の点54）を幾何形状境界に仮設定する。
同様に、抽出された点73と同じＸ座標の形状データの点55aの一つ前の点55を、抽出された点74と同じＸ座標の形状データの点58aの一つ前の点58を、それぞれ幾何形状境界に仮設定する。
次に、ステップ34の幾何形状演算領域の設定方法を説明する。
図３において、点54、点55、点58、点59、点62、点63は、前述した方法で仮設定された幾何形状境界である。
仮設定された幾何形状境界と測定開始点51・測定終了点66の近傍は、測定誤差が大きくなったり、前述した幾何形状境界の仮設定上の誤差も発生しやすいので、それらの近傍を幾何形状演算領域から外す必要がある。
そこで、仮設定された幾何形状境界と測定開始点51・測定終了点66から所定の幅を除いて幾何形状演算領域を設定する。所定の幅としては一定の値にする方法もあるが、実施の形態１では、これらの間の距離に一定の比率をかけた幅を除くようにした。
すなわち、仮設定された測定開始点51、幾何形状境界、測定終了点66の各々のＸ座標をXa、Xb、Xc、Xd、Xe、Xf、Xg、Xhとすると、除かれる幅は次の式で計算される。
Ｂ＝α（Xb−Xa）
Ｃ＝α（Xd−Xc）
Ｄ＝α（Xf−Xe）
Ｅ＝α（Xh−Xg）
この結果、幾何形状演算領域として、「点52から点53の領域」「点56から点57の領域」「点60から点61の領域」「点64から点65の領域」が設定される。
なお、この例では、仮設定された幾何形状境界の点54と点55との間、点58と点59との間、点62と点63との間については、それらの間の距離が小さく、幾何形状値算出の対象外であるとして除いている。
次に、幾何形状値が演算されるが、図３に示した三角形状ワークの場合は、幾何形状はすべて直線と判別され、点52から点53の領域は直線La、点56から点57の領域は直線Lb、点60から点61の領域は直線Lc、点64から点65の領域は直線Ldが算出されるとともに、これらの精度等も算出される。
また、これらの幾何形状値から、幾何形状境界値として、直線Laと直線Lbの交点67の座標値及び交角θａ、直線Lbと直線Lcの交点68の座標値及び交角θｂ、直線Lcと直線Ldの交点69の座標値及び交角θｃ、各交点間の距離、それらの精度等が算出される。
次に、同様にして、ボールネジ等のような円弧形状ワークを測定した例について詳述する。
図５が測定して得られた形状データの各測定点のＸ方向とＺ方向の値をプロットした形状図で、81が測定開始点、96が測定終了点である。また、図６は図５の例の形状データの幾何形状境界を仮設定する方法を説明する図で、一番上の図は図５の形状図の一部を拡大表示したものである。
前述した三角形状ワークの場合と同様に、形状データの中で幾何形状の変化の大きい部分は傾斜が大きくなって現れるが、このままではその部分を抽出するのが難しいので、各データの階差のさらに階差を算出する（図６の一番下のグラフ）。これによって、形状データの中で幾何形状の変化の大きい部分は大きな値（所定の領域「Ｚ＝−Ａ〜＋Ａ」から外れた点）となって現れるので、この点を幾何形状境界の仮設定に用いる。
また、同様に、図６の中央のグラフでは、形状データの各階差を次のデータの位置に（例えば形状データの点84と点の85との階差を点85とＸ座標が同じ点101に）表しているので、形状データの中で幾何形状の変化の大きい部分として図６の一番下のグラフで抽出された点の一つ前の点（例えば抽出された点102と同じＸ座標の形状データの点85の一つ前の点84）を幾何形状境界に仮設定する。同様に、抽出された点103と同じＸ座標の形状データの点85aの一つ前の点85を、抽出された点104と同じＸ座標の形状データの点89の一つ前の点88を、抽出された点105と同じＸ座標の形状データの点89aの一つ前の点89を、それぞれ幾何形状境界に仮設定する。
この例では、幾何形状の変化の大きい部分が連続して現れているので、幾何形状境界も連続して仮設定される。
幾何形状演算領域の設定方法も同様に、仮設定された幾何形状境界と測定開始点81・測定終了点96の間の距離に一定の比率をかけた幅を除いて設定する。すなわち、図５において、点84、点85、点88、点89、点92、点93は、前述した方法で仮設定された幾何形状境界であり、仮設定された測定開始点81、幾何形状境界、測定終了点96の各々のＸ座標をXi、Xj、Xk、Xm、Xn、Xo、Xp、Xqとすると、除かれる幅は次の式で計算される。
Ｆ＝α（Xj−Xi）
Ｇ＝α（Xm−Xk）
Ｈ＝α（Xo−Xn）
Ｉ＝α（Xq−Xp）
この結果、幾何形状演算領域として、「点82から点83の領域」「点86から点87の領域」「点90から点91の領域」「点94から点95の領域」が設定される。
なお、この例では、仮設定された幾何形状境界の点84と点85との間、点88と点89との間、点92と点93との間については、それらの間の距離が小さいので幾何形状値算出の対象外としている。
次に、幾何形状値が演算されるが、図５に示した円弧形状ワークの場合は、幾何形状は、点82から点83の領域は直線Le、点86から点87の領域は円Sa、点90から点91の領域は直線Lf、点94から点95の領域は円Sbに判別され、円Saと円Sbの各々の中心97と98の座標値や各々の直径が算出されるとともに、それらの精度等も算出される。
また、これらの幾何形状値から、幾何形状境界値として、円Saと直線Leの交点、円Saと直線Lfの交点、円Sbと直線Lfの交点、円Saと円Sbの中心間距離、それらの精度等が算出される。
実施の形態２
本発明に係る輪郭形状測定機の形状自動演算装置の実施の形態２は、実施の形態１に対して幾何形状境界の仮設定方法のみが異なるので、この部分についてのみ説明する。
図７に実施の形態１で例示したものと同じくボールネジ等のような円弧形状ワークを測定した例の形状図を示す。実施の形態２では次のようにして幾何形状境界を仮設定する。
まず、測定して得られた形状データの始めの方の所定の数のデータ（点111から点112まで）による仮の幾何形状を判別してその許容幅Ｋを設定する。この場合、仮の幾何形状を判別するには、最終的に幾何形状値を算出する場合と同様に、幾何形状判別条件に基づいて行う。
次に、仮の幾何形状判別に用いた形状データの次のデータ113から順次、設定された許容幅Ｋに入っているかチェックしていき、許容幅Ｋから外れた点114を始めの幾何形状境界に仮設定する。
さらに、幾何形状境界に仮設定された点114から始まる所定の数の形状データ（点114から点115まで）による新たな仮の幾何形状を判別してその許容幅Ｍを設定する。そして、新たな仮の幾何形状判別に用いた形状データの次のデータ116から順次、設定された許容幅Ｍに入っているかチェックしていき、許容幅Ｍから外れた点117を新たな幾何形状境界に仮設定する。
同様にしてこの操作を繰り返し、形状データの幾何形状境界を仮設定していく。
なお、輪郭形状測定機で測定して得られた形状データには粗さ成分も含まれていることが多く、そのまま前述した処理を行うと形状データの中で幾何形状の変化の大きい部分の抽出が困難になることが多い。その場合は、始めにスムージング処理して粗さ成分を除いておく。
また、形状データの幾何形状判別方法（実施の形態１では幾何形状値演算時に用いるが、実施の形態２ではその他に幾何形状境界の仮設定時も用いる。）としては、当出願人が三次元座標測定機における幾何形状判別方法として開示している「アメリカ合衆国特許5434803号」による方法を用いることができるが、輪郭形状は二次元を扱うので、幾何形状を直線、楕円及び円の３種類程度に限定して簡易的に行うことができる。
これを、図８のフローチャートによって説明する。
まず形状データを楕円として演算し、算出された楕円が次の条件
（ａ）楕円の幾何学的条件が満たされている。
（ｂ）長径が所定値以下である。
（ｃ）楕円の長径と短径の比が所定値以上である。
を満足する場合はそのまま楕円として演算された値を設定するが、（ａ）と（ｂ）の条件のいずれか一つでも満足されない場合は、直線と判別し、（ｃ）の条件が満足されない場合は円と判別する。
すなわち、実施の形態１の場合、演算領域設定部22で設定された幾何形状演算領域の一つの領域の形状データが幾何形状値演算部23に取り込まれ（ステップ41）、まず、形状データが楕円として演算される（ステップ42）。次に、演算された楕円が判別されて（ステップ43）、前述した（ａ）と（ｂ）の条件のいずれか一つでも満足されない場合は、直線と判別されて形状データが直線として演算される（ステップ44）。
また、ステップ43で（ａ）と（ｂ）の条件の両方が満足された場合は、前述した（ｃ）の条件が判別され（ステップ45）、（ｃ）の条件が満足されない場合は円と判別されて形状データが円として演算される（ステップ46）。（ａ）と（ｂ）と（ｃ）の条件すべてが満足された場合はステップ42で演算された楕円の値が設定される。
なお、幾何形状の種類を、直線・楕円・円の３種類に限らず、放物線や双曲線等その他の曲線を予め定義して設定してもよい。
なお、実施の形態１では、形状データの中からＸ方向に所定の間隔ごとにデータを抽出し、抽出した各データの階差の階差を算出することによって形状データの変化の大きい部分を抽出したが、形状データを２回微分することによって形状データの変化の大きい部分を抽出するようにしてもよい。
以上説明したように本発明では、輪郭形状測定機の形状演算方法を次のように自動的に行うようにした。すなわち、ワークを測定して得られた形状データからまず幾何形状境界を仮設定し、仮設定された点の近傍及び測定開始点の近傍並びに測定終了点の近傍を除いて幾何形状演算領域を設定するとともに、設定された幾何形状演算領域ごとに、幾何形状判別条件に基づいて形状データの幾何形状を判別しながら幾何形状値を演算し、演算された幾何形状値から幾何形状境界値を演算して結果を出力する。
したがって、オペレータが幾何形状の種類の判別や幾何形状値演算対象領域の指定、さらに幾何形状境界値の対象幾何形状の指示を行う必要がなく、幾何形状値及び幾何形状境界値の演算を自動的に行う、輪郭形状測定機の形状自動演算方法及びその装置を提供することができる。

Claims (1)

1. 幾何形状判別条件を入力する判別条件入力ステップと、
   被測定物を測定して形状データを得る測定ステップと、
   前記形状データの幾何形状境界を仮設定する境界仮設定ステップと、
   前記仮設定された幾何形状境界の近傍及び測定開始点の近傍並びに測定終了点の近傍を除いて前記形状データの幾何形状演算領域を設定する演算領域設定ステップと、
   設定された前記幾何形状演算領域ごとに、前記幾何形状判別条件に基づいて前記形状データの幾何形状を判別しながら、前記形状データの幾何形状値を演算する幾何形状値演算ステップと、
   演算された前記幾何形状値から幾何形状境界値を演算する境界値演算ステップと、
   演算された前記幾何形状値と前記幾何形状境界値を出力する測定結果出力ステップと、から成り、
   前記境界仮設定ステップが、
   前記幾何形状判別条件に基づいて前記形状データの中の始めの方の所定の数のデータによる仮の幾何形状を判別するとともにその許容幅を設定し、
   前記仮の幾何形状の判別に用いた形状データの次のデータから順次、前記許容幅に入っているかチェックして、前記許容幅から外れた点を始めの幾何形状境界に仮設定し、
   前記始めの幾何形状境界に仮設定された点から始まる所定の数の形状データによる新たな仮の幾何形状を判別するとともにその許容幅を設定し、
   前記新たに設定された許容幅から外れた点を前記形状データの新たな幾何形状境界に仮設定し、
   前記操作を繰り返して幾何形状境界を順次仮設定することを特徴とする輪郭形状測定機の形状自動演算方法。

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