JP5121292B2

JP5121292B2 - 形状測定方法及び装置

Info

Publication number: JP5121292B2
Application number: JP2007114154A
Authority: JP
Inventors: 康浩倉橋; 理恵南; 祐司門脇
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: JP2008268113A

Description

本発明は、工作物のような被測定物と測定プローブとを接触させ被測定物の形状を測定する形状測定方法及び測定装置に関する。

工作機械により加工された工作物（ワーク）などは、所望の形状に加工されているか否かを確認するために、その３次元寸法を測定する必要がある。工作物の寸法測定の際には、工作物の表面の所定の位置の３次元座標を測定し、測定された３次元座標値に基づいて工作物の寸法を測定する。このような物体の表面の３次元座標を測定する場合には、３次元的に変位可能に測定ヘッドに支持された測定子の先端に球部（以下測定球と呼ぶ）が設けられており、３次元座標系における測定ヘッドに対する測定球の変位量を検出可能になっている測定プローブを用いることが一般的である。

従来の３次元座標測定では、被測定物の表面に接触すると被測定物の表面から抗力を受けてその抗力の方向に変位する測定球を備えた測定プローブを用い、被測定物の表面の所望の点にその法線方向から測定プローブをアプローチさせて被測定物に接触させることにより、測定ヘッドに対して測定球を変位させ、接触点を通る被測定物の表面の法線の延長上に実際の測定球の中心と変位していないと仮定したきの測定球の中心とが位置していると仮定して、測定ヘッドの基準点の３次元座標と、測定ヘッドの基準点と測定子の先端の測定球の中心との相対位置（相対座標）と、測定ヘッドの基準点に対する測定球の中心の変位量及び方向と、測定球の半径とから、接触点における被測定物の表面の３次元座標を求めている。

上述の３次元座標測定方法では、測定ヘッドに対する測定球の変位方向すなわち測定球が被測定物の表面から受ける抗力の方向が法線方向に一致していることが重要となる。一方、測定プローブの測定球が被測定物の表面に接触した後、その表面に沿って移動すると、被測定物の表面と測定球との間に摩擦力が生じ、この摩擦力の影響によって、測定球に対する抗力が接触点における被測定物の表面の法線方向に向かなくなる。したがって、被測定物の表面と測定球との間に摩擦を生じさせることなく正確に接触点の３次元座標を測定するためには、測定球が被測定物との接触後に被測定物の表面に沿って移動しないように、被測定物の表面の所望の点にその法線方向から正確にアプローチさせる必要がある。

このように法線方向からのアプローチを実現して正確な３次元座標の測定を行うために、例えば、特許文献１は、ＸＹＺ方向に等しい変位‐荷重特性を有し被測定物の表面から受けた抗力の方向に変位をする測定球を備えた測定プローブを用い、被測定物の斜面から受ける抗力の方向に測定球が変位することを前提として、接触点において測定球が受ける抗力の方向ベクトルを求め、求めた抗力の方向ベクトルに基づいてこの接触点に摩擦力の影響を減ずる方向からのアプローチを繰り返して前回アプローチ終了時との変位量の差が予め定められた範囲内になったときに、摩擦力の影響がなくなってこのときの抗力の方向ベクトルが接触点における法線ベクトルに一致するようになったとみなして、測定球の変位量と測定プローブの位置とから接触点の座標を求める方法を開示している。

詳細には、第１の測定手順として、１軸固定で被測定物に測定プローブをアプローチさせ、測定プローブの測定球を被測定物の表面に沿って移動させてＸＹＺ方向の変位を合成した合成変位量が予め設定された基準値に達したときにアプローチを停止させ、接触点の斜面からの抗力の方向ベクトルを求め、第２の測定手順として、摩擦が生じない方向から第１の測定手順で求めた前回アプローチ終了点へ測定球を位置決めし、測定球の変位量を読み取り、この変位量から演算によって斜面からの抗力の方向ベクトルを求め、第３の測定手順として、前回アプローチ終了時の変位量と今回アプローチ終了時の変位量とを比較してその差が予め定められた範囲内に入るまで第２の測定手順を繰り返し、最終的なアプローチ終了時の変位量を取り込み、第３の測定手順で得た最終アプローチ時のアプローチ方向を接触点における法線方向として、接触点の座標を求めている。

特公平２−２９９６５号公報

従来の３次元座標測定方法では、ＸＹＺ方向に等しい変位‐荷重特性を有し被測定物の表面から受けた抗力の方向に変位をする測定球を備えた測定プローブが使用されていた。しかしながら、このような測定プローブは高価であり、被測定物の表面から受けた抗力の方向に変位しない安価なタイプの測定プローブを用いた場合でも、正確な３次元座標測定を行えるようにすることが望まれる。また、特許文献１の測定方法では、第１の測定手順におけるアプローチ終了点における抗力の方向を求めることになるので、被測定物上の所望点における３次元座標の測定が困難であるという問題もある。

本発明は前述の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、被測定物の表面から受けた抗力の方向に変位しないタイプの測定プローブを用いた場合でも、目標点の３次元座標の正確な測定を可能にすることにある。

前述の目的を達成するため、測定ヘッドに対して３次元変位可能に測定球を支持しており３次元座標系における前記測定ヘッドに対する測定球の変位量を検出可能になっている測定プローブを用い、当該測定プローブと被測定物とを相対移動させて前記測定球を被測定物に接触させることにより、被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、（ａ）前記測定プローブと前記被測定物とを相対移動させることにより、前記測定プローブを予め定められた姿勢で任意の方向から目標点に向けてアプローチさせ、前記測定プローブの測定球を前記被測定物と接触させて前記測定ヘッドに対して変位させるステップと、（ｂ）前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が予め定められた範囲内か否かを判定するステップと、（ｃ）前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が前記予め定められた範囲外のとき、前記測定プローブを前記予め定められた姿勢で前記測定球の変位の方向から前記目標点に向けて再度アプローチさせ、前記測定プローブの測定球を前記被測定物と接触させて前記測定ヘッドに対して変位させるステップと、（ｄ）前記ステップ（ｃ）における前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が前記予め定められた範囲内になるか又はアプローチ回数が所定回数になるまで前記ステップ（ｂ）及び（ｃ）を繰り返すステップと、（ｅ）前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が前記予め定められた範囲内になったときの前記アプローチによる前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位量と前記測定ヘッドの３次元座標位置とに基づいて接触点における前記被測定物の３次元座標を求めるステップとを含む形状測定方法が提供される。

前記ステップ（ｅ）は、前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が前記予め定められた範囲内になった後、前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位量の変化が予め定められた範囲内になるか又はアプローチ回数が所定回数になるまで、当該アプローチ方向と同じ方向から前記目標点に向けた所定移動量の前記測定プローブのアプローチを複数回繰り返すステップと、前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位量の変化が前記予め定められた範囲内になったときの前記測定球の変位量と前記測定ヘッドの３次元座標位置とに基づいて接触点における前記被測定物の３次元座標を求めるステップとでなることが好ましい。

さらに、前述の目的を達成するために、被測定物と測定球を接触させて、被測定物の形状を測定する形状測定装置であって、測定ヘッドに対して３次元変位可能に測定球を支持しており３次元座標系における前記測定ヘッドに対する測定球の変位量を検出可能になっている測定プローブと、前記測定プローブと被測定物とをＸ、Ｙ及びＺ軸方向に相対移動させ、前記測定プローブを予め定められた姿勢で任意の方向から目標点にアプローチさせ、前記測定プローブの前記測定球を前記被測定物と接触させて前記測定ヘッドに対して変位させる移動装置と、前記測定プローブの前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位量を検出する変位検出部と、前記変位検出部によって検出された前記測定球の変位量から前記測定球の変位方向を求める変位方向検出部と、前記アプローチの方向と前記変位方向検出部によって求められた前記測定球の変位方向との差を演算する誤差演算部と、前記誤差演算部によって演算された差が予め定められた範囲内になるまで、前記変位方向検出部によって求められた前記測定球の変位方向と逆の方向を次のアプローチ方向に設定するアプローチ方向補正部と、前記アプローチ方向補正部によって設定されたアプローチ方向から前記測定プローブを前記目標点に向けてアプローチさせ、前記測定プローブの測定球を前記被測定物に接触させて前記測定ヘッドに対して変位させるアプローチ指令部と、前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が予め定められた範囲内になったときの前記アプローチによる前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位量と前記測定ヘッドの３次元座標位置とに基づいて接触点における前記被測定物の３次元座標を求める座標演算部とを具備する形状測定装置が提供される。

前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が予め定められた範囲内になった後、前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位量の変化が予め定められた範囲内になるか又はアプローチ回数が所定回数になるまで、当該アプローチ方向と同じ方向から前記目標点に向けた所定移動量の前記測定プローブのアプローチを複数回繰り返し、前記測定球の変位量の変化が予め定められた範囲内にあるか否かを判定する変位量安定判定部をさらに具備し、前記座標演算部は、前記変位量安定判定部により前記測定球の変位量の変化量が前記予め定められた範囲内にあると判定されたときに、前記変位検出部によって検出された前記測定球の変位量と前記測定ヘッドの３次元座標位置とに基づいて接触点における前記被測定物の３次元座標を求めることが好ましい。

接触点の３次元座標を測定するためには、測定球が被測定物の表面と接触した後に測定球が被測定物の表面に沿って移動することを防止することが重要となる。本発明によれば、被測定物の表面から受けた抗力の方向に変位しないタイプの測定プローブを用いた場合でも、測定プローブを被測定物の表面に接触させたときに測定プローブの測定球が変位する方向を測定プローブ及び測定球のアプローチ方向と概略一致させることができるので、測定球は被測定物と接触した後に測定球のアプローチ方向に変位し、測定球が被測定物の表面に沿って移動することはなくなる。また、測定子が測定ヘッドに対して変位するときに測定球が被測定物の表面に沿って移動しないので、変位していないと仮定した場合の測定球の中心から変位方向に延びる線分上に接触点と変位後の測定球の中心とが位置することになる。したがって、接触点と測定球の中心との距離が測定球の半径に等しいことを利用して、測定ヘッドの３次元座標と測定ヘッドに対する測定球の変位量とから接触点の３次元座標を求めることができる。

また、測定プローブには、同じ位置に同じ方向からアプローチした場合でも最初の数回は、得られる測定球の変位量が安定しない場合がある。本発明のように、測定球の変位方向が安定した後に同じ方向からアプローチを繰り返し、得られる変位量が安定していることを確認すれば、より正確に接触点の３次元座標を測定することができる。

本発明によれば、測定プローブの測定球の変位方向が測定球のアプローチ方向と概略一致させることができるので、測定球は被測定物と接触した後も測定球のアプローチ方向に変位し、測定球が被測定物の表面に沿って移動することがない。よって、被測定物上の所望の点に測定球を接触させることができ、所望する点の３次元座標を正確に測定することが可能になる。

また、測定プローブの測定ヘッドに対して変位するときに測定球が被測定物の表面に沿って移動しないので、測定ヘッドに対して変位していないと仮定した場合の測定球の位置から変位方向に延びる線分上に接触点と変位後の測定球とが位置することになる。このため、接触点と測定球の中心との距離が測定球の半径に等しいことを利用して、測定ヘッドの３次元座標位置と測定ヘッドに対する測定球の変位量とから接触点の３次元座標を求めることができる。したがって、被測定物の表面から受けた抗力の方向に変位しないタイプの測定プローブを用いた場合でも、接触点の３次元座標を正確に測定することが可能となる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態を示す形状測定装置の機能ブロック図、図２は本発明による形状測定方法の手順を示すフローチャート、図３は本発明による３次元座標測定原理を説明するための説明図、図４は測定球が被測定物に接触してからアプローチ方向に測定プローブを押し込む距離が測定球の半径に等しくなるようにした場合の位置関係を示す図である。

最初に、図１を参照して、本発明の好ましい実施の形態による形状測定装置１１の全体構成を説明する。形状測定装置１１は、被測定物１３との接触を検出するための測定プローブ１５と、被測定物１３と測定プローブ１５とを相対移動させるための移動装置１７と、移動装置１７の動作を制御し測定プローブ１５による測定結果と測定プローブ１５の３次元座標とに基づいて被測定物１３の形状を求める制御演算装置１９とを備える。

図１に示されている実施の形態では、移動装置１７として、ワークを加工するための工作機械が使用されている。工作機械は、ワークを戴置しＹ軸方向（図１の紙面に垂直な方向）に移動可能であるテーブル２１と、ベッド２３上に設置されたコラム２５と、コラム２５上にＸ軸方向（図１の左右方向）及びＺ軸方向（図１の上下方向）に移動可能に支持された主軸２７とを備える。工作機械の主軸２７には、工具に代えて、測定プローブ１５が装着されており、テーブル２１上に被測定物１３として戴置されたワークと測定プローブ１５とをＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に相対移動させることができるようになっている。工作機械又は移動装置１７は、被測定物１３と測定プローブ１５とをＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に相対移動できるようになっていれば、上記構成に限定される必要はなく、例えば、コラム２５上の主軸２７がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に移動可能になっていてもよい。また、移動装置１７として、工作機械ではなく、専用の装置を使用してもよい。

測定プローブ１５は、移動装置１７の主軸２７などに装着される測定ヘッド２９と、測定ヘッド２９に対して３次元変位可能に支持された測定子３１の先端に設けられた測定球３３と、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる３次元座標系における測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量を検出する変位量測定部３５とを備え、初期位置における測定ヘッド２９の基準点と測定球３３の中心との相対位置関係は既知になっている。

制御演算装置１９は、変位検出部３７と、変位方向検出部３９と、誤差演算部４１と、誤差判定部４３と、アプローチ方向補正部４５と、アプローチ指令部４７と、座標演算部４９とを備える。
変位検出部３７は、測定プローブ１５の測定球３３が測定ヘッド２９に対して移動すると、測定プローブ１５の変位量測定部３５からの出力に基づいて、測定ヘッド２９の基準点に対する測定球３３の中心の位置の変化量として、Ｘ軸方向変位量ε_X、Ｙ軸方向変位量ε_Y及びＺ軸方向変位量ε_Zを検出する。また、変位方向検出部３９は、変位検出部３７によって検出された測定ヘッド２９に対する測定球３３のＸ軸方向変位量ε_X、Ｙ軸方向変位量ε_Y及びＺ軸方向変位量ε_Zから変位方向を演算により求める。変位方向を表す単位ベクトルをθ（θ_X、θ_Y、θ_Z）とすると、単位ベクトルθは以下の式（１）により定められる。

誤差演算部４１は、被測定物１３に対する測定プローブ１５のアプローチの方向と変位方向検出部３９によって求められた測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位方向との差を両者の誤差として演算により求める。また、誤差判定部４３は、誤差演算部４１によって演算された差が予め定められた範囲内にあるか否かを判定する。さらに、アプローチ方向補正部４５は、誤差判定部４３において誤差演算部４１によって演算された差が予め定められた範囲内になったと判定されるまで、変位方向検出部３９によって検出された測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位方向の逆向きを次のアプローチの方向として設定する。アプローチ指令部４７は、移動装置１７に移動指令を発して、アプローチ方向補正部４５によって設定されたアプローチ方向から目標点へ向かって測定プローブ１５をアプローチさせ、測定プローブ１５の測定球３３を被測定物１３の表面に接触させてから所定距離だけアプローチ方向に測定プローブ１５を押し込ませ、測定プローブ１５の測定ヘッド２９に対して測定球３３を変位させる。

座標演算部４１は、誤差判定部４３において、被測定物１３に測定球３３をアプローチさせた方向と測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位の方向との差が予め定められた範囲内になったと判定されると、変位検出部３７によって検出されたこのときのアプローチによる測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量と測定ヘッド２９の３次元座標とに基づいて、接触点における被測定物１３の３次元座標を演算により求める。また、所定の回数測定を繰り返しても、アプローチ方向と変位方向との差が予め定められた範囲内に入らない場合、測定装置に異常が発生したと判断して、測定を終了し、アラームを出す。なお、説明において、測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量とは、測定ヘッド２９に対する測定球３３の中心の変位量を意味し、測定ヘッド２９の３次元座標とは、測定ヘッド２９の基準点の３次元座標を意味するものとする（以下、同様）。測定ヘッド２９の３次元座標は、測定ヘッド２９の位置を検出するために別に設けられた測定ヘッド位置検出装置（図示せず）からの出力から求めてもよく、アプローチ指令部４７から移動装置１７に発せられた移動指令から求めてもよい。

好ましい実施の形態では、制御演算装置１９は、変位量安定判定部５１をさらに備える。変位量安定判定部５１は、誤差判定部４３において、被測定物１３に測定プローブ１５及びその測定球３３をアプローチさせた方向と測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位の方向との差が予め定められた範囲内になったと判定された後、すなわち被測定物１３に測定球３３をアプローチさせる方向と測定球３３の変位の方向が概略一致した後、そのアプローチ方向と同じ方向から同じ目標点に向けて測定球３３をアプローチさせ、測定球３３が被測定物１３に接触した後も測定ヘッド２９をそのアプローチ方向に予め定められた距離だけ移動させて測定プローブ１５を被測定物１３に向けて押し込み、変位検出部３７によって測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量を検出することを複数回繰り返す。そして、変位検出部３７によって検出された測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量の変化量、すなわち直近のアプローチのときの測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量とその前のアプローチのときの測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量との差が、予め定められた範囲内になると、変位量が安定したと判定し、直近のアプローチ時に変位検出部３７によって検出された測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量を正確な測定球３３の変位量として変位検出部３７から座標演算部４９に入力させ、入力された変位量に基づいて座標演算部４９に接触点の３次元座標を演算させる。また、所定の回数測定を繰り返しても変位量が安定しない場合、測定装置に異常が発生したと判断して測定を終了し、アラームを出す。なお、測定プローブ１５の測定球３３が被測定物１３の表面に接触してからアプローチ方向に測定プローブ１５を押し込む距離は測定球３３の半径に等しくなるように定められることが好ましい。

次に、図２を参照して、図１に示されている３次元座標測定装置１１を用いて工作機械で加工したワークを被測定物１３としてその３次元座標を測定する方法を説明する。
まず、方向θ_nから予め定められた姿勢で被測定物１３に測定プローブ１５をアプローチさせ、測定プローブ１５の測定球３３と被測定物１３の表面との接触により測定プローブ１５の測定ヘッド２９に対して測定球３３を変位させる（ステップＳ１０１）。最初のアプローチの方向θ₀は、任意の方向とすることができるが、通常は、移動装置１７の１軸固定自動アプローチ機能を用いて、例えばＺ軸方向に行う（θ₀＝（０，０，１））。

アプローチの際、移動装置１７は、被測定物１３であるワークの加工データに基づいて被測定物１３の表面があると予測される位置から予め定められた距離だけ先の位置を目標点として、その目標点に測定球３３を到達させるように測定プローブ１５の測定ヘッド２９を移動させ、測定球３３が被測定物１３に接触してから被測定物１３に向かって予め定められた距離だけ測定プローブ１５を押し込ませる。また、測定球３３が被測定物１３に接触してからアプローチ方向に予め定められた距離だけ被測定物１３に向かって測定プローブ１５の測定ヘッド２９を移動させて被測定物１３に向かって測定プローブ１５を押し込ませるようにしてもよい。後者の場合、変位検出部３７によって検出される測定ヘッド２９に対する測定球３３の合成変位量Ｅ（＝√（ε_X ²＋ε_Y ²＋ε_Z ²））が予め定められた距離になるときの測定ヘッド２９の位置を目標点として、この目標点に到達するまでアプローチ方向への測定ヘッド２９の移動を継続させればよい。測定球３３が被測定物１３に接触してからアプローチ方向に測定プローブ１５を押し込む距離は、測定球３３の半径に等しくすることが好ましい。

目標位置へのアプローチが完了すると、変位検出部３７によってＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向についての測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量ε_n（ε_X,n，ε_Y,n，ε_Z,n）が検出され、変位方向検出部３９が、変位検出部３７によって検出された変位量ε_n（ε_X,n，ε_Y,n，ε_Z,n）から変位方向を演算により求める。例えば、変位方向を表す単位ベクトルθ_n+1（θ_X,n+1，θ_Y,n+1，θ_Z,n+1）が以下の式（２）により求められる（ステップＳ１０３）。

次に、誤差演算部４１が、変位方向検出部３９によって求められた変位方向θ_n+1とこれを検出したときのアプローチの方向θ_nとの誤差を求め、誤差判定部４３が、誤差演算部４１によって求められた誤差（＝｜−θ_n+1−θ_n｜）が予め定められた範囲θ_C内にあるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。変位方向θ_n+1とアプローチの方向θ_nとは向きが逆であることを考慮して、例えば、以下の式が満たされるときに誤差が予め定められた範囲内であると判定する。
｜−θ_X,n+1−θ_X,n｜≦θ_X,C
｜−θ_Y,n+1−θ_Y,n｜≦θ_Y,C
｜−θ_Z,n+1−θ_Z,n｜≦θ_Z,C
ここで、θ_X,C、θ_Y,C、θ_Z,Cは何れも正の定数である。

ステップＳ１０５において、誤差演算部４１によって求められた誤差が予め定められた範囲外であると判定されたときには、誤差演算部４１によって求められた誤差が予め定められた範囲内であると判定されるまで、測定球３３の変位方向θ_n+1を次のアプローチ方向θ_n+1（−θ_X,n+1，−θ_Y,n+1，−θ_Z,n+1）として（変位の方向とは逆の方向で）、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０５を繰り返す（ステップＳ１０７）。一方、ステップＳ１０５において、誤差演算部４１によって求められた誤差が予め定められた範囲内にあると判定されたときには、測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位方向に延びる軸線が被測定物１３に対する測定プローブ１５及びその測定球３３のアプローチの方向に延びる軸線と概略一致したことになる。この状態では、測定球３３が被測定物１３の表面に接触してからさらに測定ヘッド２９が被測定物１３に向かって押し込まれても、測定球３３は、測定ヘッド２９に対して測定プローブ１５のアプローチ方向に延びる軸線に沿って移動し、接触点から移動しない。したがって、測定球３３は、被測定物１３の表面に沿って移動することがない。よって、被測定物１３の表面上の所望の位置に測定球３３を接触させることができ、摩擦力の影響を排除してその接触点の３次元座標の正確な測定を行えるようになる。

変位検出型の測定プローブ１５には、被測定物１３の表面上の同じ点に向かって同じ方向から測定プローブ１５をアプローチさせ、被測定物１３と接触させた後に同じ距離だけ測定プローブ１５を被測定物１３に向かって押し込んだときでも、測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量が安定しないものがあることが分かっている。このように測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量が安定していない状態のときの変位量を使用すると、接触点の３次元座標を正確に求めることができない。そこで、以下のように、測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位方向が被測定物１３に対する測定プローブ測定球３３のアプローチの方向と概略一致するようになった後に、測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量が安定していることを確認するステップを行うことが好ましい。

誤差判定部４３によって、測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位方向θ_n+1が被測定物１３に対する測定球３３のアプローチの方向θ_nと概略一致するようになったと判定されると、変位量安定判定部５１は、方向θ_n+1から目標点に向かって測定プローブ１５をアプローチさせて被測定物１３に接触させ、変位検出部３７によって測定ヘッド２９に対する測定球３３のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向についての変位量ε_n+1（ε_X,n+1，ε_Y,n+1，ε_Z,n+1）を検出させる（ステップＳ１０９）。次に、変位量安定判定部５１は、直近のアプローチによる測定球３３の変位量ε_n+1と前回のアプローチによる測定球３３の変位量ε_nとを比較し、その変位量の変化が予め定められた範囲ε_C内にあるか否かを判定する（ステップＳ１１１）。例えば、以下の式が満たされるときに変位量の変化が予め定められた範囲内であると判定する。
｜ε_X,n+1−ε_X,n｜≦ε_X,C
｜ε_Y,n+1−ε_Y,n｜≦ε_Y,C
｜ε_Z,n+1−ε_Z,n｜≦ε_Z,C
ここで、ε_X,C、ε_Y,C、ε_Z,Cは何れも正の定数である。

ステップＳ１１１において、変位量の変化が予め定められた範囲外であると判定されたときには、変位量の変化が予め定められた範囲内であると判定されるまで、直近のアプローチによる変位量ε_n（ε_X,n，ε_Y,n，ε_Z,n）から上記式（２）により求められた方向を次のアプローチの方向θ_n+1（−θ_X,n+1，−θ_Y,n+1，−θ_Z,n+1）として（変位の方向とは逆の方向にして）、ステップＳ１０９〜ステップＳ１１１を繰り返す（ステップＳ１１３）。一方、ステップＳ１１１において、変位量の変化が予め定められた範囲内にあると判定されたときには、測定プローブ１５の測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量εが安定した判断し、座標演算部４９が、直近のアプローチのときの測定ヘッド２９の３次元座標と直近のアプローチによる測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量ε_n+1に基づいて、接触点の３次元座標を求める（ステップＳ１１５）。なお、同じ位置に同じ方向からアプローチさせたときの測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量が安定していることが分かっている変位検出型測定プローブを使用する場合には、ステップＳ１０９〜Ｓ１１３を行わずに、ステップＳ１０５から直接ステップＳ１１５に移行して、直近のアプローチのときの測定ヘッド２９の３次元座標と直近のアプローチによる測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量ε_nに基づいて、接触点の３次元座標を求めてもよい。

次に、図３を参照して、座標演算部４９が、直近のアプローチのときの測定ヘッド２９の３次元座標と直近のアプローチによる測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量ε_nに基づいて、接触点の３次元座標を求める原理を説明する。

測定ヘッド２９に対する測定球３３の位置が変化しない（すなわち、測定ヘッド２９に対して測定球３３が変位しない）と仮定すれば、測定プローブ１５のアプローチが完了したときに、測定球３３は図３に点線で示された位置に移動しているはずである。また、ステップＳ１０５において、誤差演算部４１によって求められた誤差が予め定められた範囲内にあると判定されたときには、測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位方向が被測定物１３に対する測定プローブ１５及びその測定球３３のアプローチの方向と概略一致している。したがって、実際には、測定球３３は、図３に実線で示されている被測定物１３の表面に接触した状態からさらに測定ヘッド２９が被測定物１３に向かって押し込まれても、一点鎖線によって示されたアプローチ方向に延びる軸線５３に沿って測定ヘッド２９に対して変位するので、測定プローブ１５のアプローチが完了したときに、図３に実線で示されている最初の接触点から移動しない。

アプローチのときの測定プローブ１５の姿勢が予め定められていることから、静止時（測定ヘッド２９に対して測定球３３が変位していないとき）における測定ヘッド２９の基準点に対する測定球３３の中心の相対位置（相対座標）は既知であり、３次元座標系における測定ヘッド２９の基準点の座標は、移動装置１７に対する移動指令や別に設けられた測定ヘッド位置検出装置の検出結果から求めることができる既知の座標である。したがって、アプローチ完了後の測定ヘッド２９の基準点の座標から図３において点線で示される仮想測定球３３の中心Ｏ´の３次元座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を求めることができる。また、測定プローブ１５において測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量として検出されるのは、仮想測定球３３の中心Ｏ´から実際の測定球３３の中心Ｏへの変位量である。したがって、仮想測定球３３の中心Ｏ´の３次元座標と測定プローブの出力である測定ヘッド２９に対する測定球３３の変位量ε（ε_X，ε_Y，ε_Z）から実際の測定球３３の中心Ｏの３次元座標（ｘ１，ｙ１，ｚ１）との関係は以下のようになる。
ｘ１＝ｘ０＋ε_X
ｙ１＝ｙ０＋ε_Y
ｚ１＝ｚ０＋ε_Z

さらに、接触点は、中心Ｏ及びＯ´を通りアプローチ方向θに延びる軸線上にあることから、測定球３３の半径をＲとすると、接触点の３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）は以下の式（３）により求められる。

特に、測定球３３が被測定物１３に接触してからアプローチ方向に測定プローブ１５を押し込む距離が測定球３３の半径Ｒに等しくなるようにした場合には、図４に示されているように接触点と仮想測定球３３の中心Ｏ´の位置が一致するので、仮想測定球３３の中心Ｏ´の３次元座標を接触点の３次元座標とすることができる。

以上、図示されている実施の形態に基づいて、本発明を説明したが、本発明は図示される実施の形態に限定されるものではない。例えば、図示される実施の形態では、変位の方向などをベクトルによって表しているが、検出された変位量から三角関数の逆関数を利用して角度として求めてもよい。

本発明の実施の形態を示す形状測定装置の機能ブロック図である。本発明による形状測定方法の手順を示すフローチャートである。本発明による３次元座標測定原理を説明するための説明図である。測定球が被測定物に接触してからアプローチ方向に測定プローブを押し込む距離が測定球の半径に等しくなるようにした場合の位置関係を示す図である。

符号の説明

１１形状測定装置
１３被測定物
１５測定プローブ
１９制御演算装置
２９測定ヘッド
３３測定球
３７変位検出部
３９変位方向演算部
４１誤差演算部
４５アプローチ方向補正部
４７アプローチ指令部
４９座標演算部
５１変位量安定判定部

Claims

測定ヘッドに対して３次元変位可能に測定球を支持しており３次元座標系における前記測定ヘッドに対する測定球の変位量を検出可能になっている測定プローブを用い、当該測定プローブと被測定物とを相対移動させて前記測定球を被測定物に接触させることにより、被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、
（ａ）前記測定プローブと前記被測定物とを相対移動させることにより、前記測定プローブを予め定められた姿勢で任意の方向から目標点に向けてアプローチさせ、前記測定プローブの測定球を前記被測定物と接触させて前記測定ヘッドに対して変位させるステップと、
（ｂ）前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が予め定められた範囲内か否かを判定するステップと、
（ｃ）前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が前記予め定められた範囲外のとき、前記測定プローブを前記予め定められた姿勢で前記測定球の変位の方向から前記目標点に向けて再度アプローチさせ、前記測定プローブの測定球を前記被測定物と接触させて前記測定ヘッドに対して変位させるステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）における前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が前記予め定められた範囲内になるか又はアプローチ回数が所定回数になるまで前記ステップ（ｂ）及び（ｃ）を繰り返すステップと、
（ｅ）前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が前記予め定められた範囲内になったときの前記アプローチによる前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位量と前記測定ヘッドの３次元座標位置とに基づいて接触点における前記被測定物の３次元座標を求めるステップと、
を含むことを特徴とした形状測定方法。
前記ステップ（ｅ）は、前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が前記予め定められた範囲内になった後、前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位量の変化が予め定められた範囲内になるか又はアプローチ回数が所定回数になるまで、当該アプローチ方向と同じ方向から前記目標点に向けた所定移動量の前記測定プローブのアプローチを複数回繰り返すステップと、前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位量の変化が前記予め定められた範囲内になったときの前記測定球の変位量と前記測定ヘッドの３次元座標位置とに基づいて接触点における前記被測定物の３次元座標を求めるステップとでなる請求項１に記載の形状測定方法。
被測定物と測定球を接触させて、被測定物の形状を測定する形状測定装置であって、
測定ヘッドに対して３次元変位可能に測定球を支持しており３次元座標系における前記測定ヘッドに対する測定球の変位量を検出可能になっている測定プローブと、
前記測定プローブと被測定物とをＸ、Ｙ及びＺ軸方向に相対移動させ、前記測定プローブを予め定められた姿勢で任意の方向から目標点にアプローチさせ、前記測定プローブの前記測定球を前記被測定物と接触させて前記測定ヘッドに対して変位させる移動装置と、
前記測定プローブの前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位量を検出する変位検出部と、
前記変位検出部によって検出された前記測定球の変位量から前記測定球の変位方向を求める変位方向検出部と、
前記アプローチの方向と前記変位方向検出部によって求められた前記測定球の変位方向との差を演算する誤差演算部と、
前記誤差演算部によって演算された差が予め定められた範囲内になるまで、前記変位方向検出部によって求められた前記測定球の変位方向と逆の方向を次のアプローチ方向に設定するアプローチ方向補正部と、
前記アプローチ方向補正部によって設定されたアプローチ方向から前記測定プローブを前記目標点に向けてアプローチさせ、前記測定プローブの測定球を前記被測定物に接触させて前記測定ヘッドに対して変位させるアプローチ指令部と、
前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が予め定められた範囲内になったときの前記アプローチによる前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位量と前記測定ヘッドの３次元座標位置とに基づいて接触点における前記被測定物の３次元座標を求める座標演算部と、
を具備することを特徴とした形状測定装置。
前前記アプローチの方向と前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位の方向との差が前記予め定められた範囲内になった後、前記測定ヘッドに対する前記測定球の変位量の変化が予め定められた範囲内になるか又はアプローチ回数が所定回数になるまで、当該アプローチ方向と同じ方向から前記目標点に向けた所定移動量の前記測定プローブのアプローチを複数回繰り返し、前記測定球の変位量の変化が予め定められた範囲内にあるか否かを判定する変位量安定判定部をさらに具備し、前記座標演算部は、前記変位量安定判定部により前記測定球の変位量の変化量が前記予め定められた範囲内にあると判定されたときに、前記変位検出部によって検出された前記測定球の変位量と前記測定ヘッドの３次元座標位置とに基づいて接触点における前記被測定物の３次元座標を求める請求項３に記載の形状測定装置。