JP5192283B2 - 三次元測定機 - Google Patents
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Description
このような三次元測定機では、移動機構の移動量を取得することで測定子の位置を検出し、検出した測定子の位置に基づいて被測定物の表面形状等を測定している。
そこで、特許文献1に記載の表面形状測定装置(三次元測定機)では、プローブを倣い移動させるための指令値である倣いベクトルに基づいてプローブの倣い移動の加速度を算出し、算出した加速度に基づいて駆動機構(移動機構)が変形することで生じる測定子の位置の誤差を補正するための補正量を算出している。
ここで、特許文献1に記載の表面形状測定装置では、駆動機構の変形のみを考慮して、測定子の位置の誤差を補正するための補正量を駆動機構の加速度に基づいて算出しているので、例えば、長さの異なるプローブを用いた場合や、プローブの姿勢を変更した場合であっても同じ補正量を算出することとなる。
なお、プローブに設定される基準点は、姿勢を変更することができるプローブを用いる場合には、プローブが移動機構に対して回転するときの回転中心とすることが好ましい。このように基準点を設定すれば、回転補正量は、姿勢を変更した場合における移動機構に対するプローブの回転角と、移動機構の変形により生じるプローブの回転角との合成に基づいて算出することができる。
本発明によれば、三次元測定機は、各移動軸間の位相差を補正するための位相差補正量を算出する位相差補正量算出部を備えるので、各移動軸間の位相差を適切に補正することができ、測定値の誤差を更に適切に補正することができる。
したがって、本発明によれば、位相差補正量算出部は、プローブを角速度一定で円運動させたときの倣い移動の周波数に基づいて位相差補正量を算出するので、三次元測定機は、各移動軸間の位相差を適切に補正することができ、測定値の誤差を更に適切に補正することができる。なお、プローブの倣い移動の周波数は、特許文献1に記載の表面形状測定機のように、倣いベクトルに基づいて算出してもよく、加速度センサや、位置センサ等を用いて算出してもよい。
したがって、本発明によれば、補正量算出部は、移動量取得部にて取得された移動機構の移動量に基づいて補正量を算出するので、三次元測定機は、測定値の誤差を適切に補正することができる。
以下、本発明の第1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、本発明の第1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。以下の図面においても同様である。
移動機構22は、プローブ21の基端側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。
プローブ21は、図3に示すように、測定子211Aを先端側に有するスタイラス211と、スタイラス211の基端側を支持する支持機構212と、支持機構212をスピンドル244に対して回転可能とする回転機構213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。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212は、各スケールセンサ252と同様にスタイラス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。
カウンタ部32は、各スケールセンサ252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(sX、sY、sZ)を計測するスケールカウンタ321と、各プローブセンサ212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(pX、pY、pZ)を計測するプローブカウンタ322とを備える。そして、スケールカウンタ321、及びプローブカウンタ322にて計測されたスライド機構24の移動量(以下、スケール値Sとする)、及びスタイラス211の移動量(以下、プローブ値Pとする)は、ホストコンピュータ5に出力される。
移動指令部51は、モーションコントローラ3の駆動制御部31に所定の指令を与え、三次元測定機本体2のスライド機構24に倣い移動をさせる。具体的に、移動指令部51は、測定子211Aを被測定物Wの表面に当接させた状態でプローブ21を倣い移動させるための移動方向、及び移動速度からなる倣いベクトルを指令値として出力する。なお、本実施形態では、移動指令部51は、円柱状の被測定物Wの輪郭データに基づいて被測定物Wの側面に沿って測定子211Aが円軌跡を描くように角速度一定で円運動するための倣いベクトルを順次出力する。
測定値算出部53は、移動量取得部52にて取得されたスケール値S、及びプローブ値Pに基づいて測定値、すなわち測定子211Aの位置を算出する。なお、スケール値Sは、プローブ21の向きが−Z軸方向であり、かつ、倣い移動によるスライド機構24の変形、及び支持機構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における測定子211Aの位置を示すように調整されている。
記憶部55は、ホストコンピュータ5で用いられるデータを記憶するものであり、例えば、入力手段61を介して入力される測定条件や、出力手段62を介して出力される測定結果等を記憶する。なお、入力手段61を介して入力される測定条件としては、例えば、移動指令部51、及び形状解析部54にて用いられる被測定物Wの輪郭データや、移動量取得部52にてスケール値S、及びプローブ値Pを取得するサンプリング間隔等がある。
図4は、測定値算出部53の詳細構成を示すブロック図である。
測定値算出部53は、図4に示すように、移動機構22による倣い移動の加速度を推定する加速度推定部71を有する動作推定部7と、加速度推定部71にて推定される加速度に基づいてプローブ21の倣い移動にて生じる測定子211Aの位置の誤差を補正するための補正量を算出する補正量算出部8と、補正量算出部8にて算出された補正量に基づいて移動量取得部52にて取得されたスケール値Sを補正する移動量補正部531と、移動量補正部531にて補正されたスケール値S、及び移動量取得部52にて取得されたプローブ値Pを合成することで測定値を算出する移動量合成部532とを備える。
そして、移動指令部51にて倣いベクトルが出力されてから移動量取得部52にてスケール値S、及びプローブ値Pが取得されるまでの伝達関数は、移動機構22のノミナルモデルG1(s)と、プローブ21のノミナルモデルG2(s)との積であるGN(=G1(s)×G2(s))として表される。
例えば、ノミナルモデルGNが一次遅れ系であるとき、ノミナルモデルGNは以下の式(1)で表される。なお、Kはゲインを表し、sはラプラス演算子を表している。
加速度補正量算出部81は、倣い移動の加速度Aに依存して生じる測定子211Aの位置の誤差を補正するための補正量を算出する。
スライド機構24は、図5に示すように、被測定物Wの側面に沿って測定子211Aが円軌跡を描くように角速度一定で円運動する場合等には、円運動により発生する加速度の影響で変形する。したがって、スケール値S、及びプローブ値Pを合成した位置と、実際の測定子211Aの位置との間には誤差が生じることとなる。
係数ベクトルMSは、X,Y,Z軸の各軸方向の誤差ER(erX,erY,erZ)に基づいて算出する。この誤差ERは、測定子211Aを基準球231に当接させた状態でプローブ21を角速度一定で倣い移動させた場合における測定子211Aの位置を測定し、測定した測定子211Aの位置に基づく円の半径から基準球231の半径を減算することで算出する。
ここで、プローブ21の向きとして+Z軸方向の条件を設定していないのは、三次元測定機本体2の構造上、プローブ21の向きを+Z軸方向とすることができないためである(図1参照)。また、プローブ21の向きを±X軸方向とした場合には、YZ平面内で倣い移動をさせることで誤差erY,erZを算出し、±Y軸方向とした場合には、XZ平面内で倣い移動をさせることで誤差erX,erZを算出し、−Z軸方向とした場合には、XY平面内で倣い移動させることで誤差erX,erYを算出する。
誤差erXは、図6に示すように、スイベル長lYの絶対値が大きくなるに従って増加する。これは、倣い移動の加速度Aに依存して生じる回転角CθZに基づく誤差が増加するためである。したがって、測定した誤差erXの各値を直線近似することで切片、及び傾きを算出すれば、切片は、倣い移動の加速度Aに依存して生じる並進誤差と考えることができ、傾きは、倣い移動の加速度Aに依存して生じる回転角CθZに基づく誤差と考えることができる。
切片I、及び角度θP,θMは、図7に示すように、倣い移動の加速度aXが大きくなるに従って変化する。これは、倣い移動の加速度aXが大きくなるに従ってスライド機構24の変形量が大きくなるためである。
したがって、切片I、及び角度θP,θMを、加速度aXの2次式としてモデル化した以下の式(7)で表すことができる。
また、式(7)において、加速度aXに乗じられる係数ベクトルは、前述したように、スライド機構24の構造上、スケール値S(sX、sZ)に依存して変化するので、スケール値Sの2次式としてモデル化された以下の式(8)で表すことができる。
なお、この係数ベクトルMIXは、プローブ21の向きを−Z軸方向とした場合の誤差erXに基づいても算出されるので、本実施形態では、各係数ベクトルMIXの平均値を用いる。
また、係数ベクトルMIX、及びMθZXの算出方法と同様の方法により、係数ベクトルMIY,MIZ,MθXY,MθXZ,MθYX,MθYZ,MθZYを算出することで式(5−1)における係数ベクトルMSを算出することができる。
なお、加速度補正量算出部81は、条件式(4−1)〜(4−6)におけるプローブ21の向き(θX0、θY0、θZ0)を以下の式(9)により算出する。
補正量算出部8は、前述したように、加速度A、スイベル長L、及びスケール値Sに基づいて補正量(並進補正量CT、及び回転補正量CR)を算出する(図8参照)。
移動量補正部531は、図8に示すように、補正量算出部8にて算出された補正量に基づいて移動量取得部52にて取得されたスケール値Sを補正する。具体的に、移動量補正部531は、加速度補正量算出部81にて算出された並進補正量CTと、回転補正量算出部82にて算出された回転補正量CRとに基づいて以下の式(12)によりスケール値Sを補正する。
すなわち、本実施形態では、補正部は、移動量補正部531と、移動量合成部532とで構成され、移動量取得部52にて取得されたスケール値Sと、補正量算出部8にて算出された補正量(並進補正量CT、及び回転補正量CR)とに基づいて測定子211Aの位置の誤差を補正している。
また、図9、及び図10において、太線で示される円は、記憶部55に記憶された被測定物Wの輪郭データを示している。
また、スイベル長Lの短いプローブ21を用いた場合の測定結果(図9(B))は、スイベル長Lの長いプローブ21を用いた場合の測定結果(図9(A))よりも小さい形状の測定結果となっている。これは、長さの異なるプローブ21を用いた場合には、移動機構22の変形量が同じであっても測定子211Aの位置が異なるからである。さらに、プローブ21の姿勢を変更した場合の測定結果(図10)は、プローブ21の姿勢を変更していない場合の測定結果(図9)とは異なる形状の測定結果となっている。これは、プローブ21の姿勢を変更した場合には、移動機構22に対する測定子211Aの位置が異なることとなるからである。
したがって、長さの異なるプローブ21を用いた場合や、プローブ21の姿勢を変更した場合であっても同じ補正量に基づいて測定値の誤差を補正すると、測定値の誤差を適切に補正することができないこととなる。
各測定結果は、図11、及び図12に示すように、いずれの場合においても輪郭データと略同じ形状の測定結果となっている。すなわち、長さの異なるプローブ21を用いた場合、及びプローブ21の姿勢を変更した場合であっても測定値の誤差を適切に補正することができている。これは、補正量算出部8にて算出された補正量(並進補正量CT、及び回転補正量CR)に基づいて測定子211Aの位置の誤差を補正しているためである。
(1)三次元測定機1は、プローブ21の倣い移動にて生じる測定子211Aの位置の誤差を補正するための並進補正量CT、及び回転補正量CRを別々に算出する補正量算出部8と、補正量算出部8にて算出された並進補正量CT、及び回転補正量CRに基づいて測定子211Aの位置の誤差を補正する移動量補正部531、及び移動量合成部532とを備えるので、スライド機構24が変形することで生じる測定子211Aの位置の誤差を補正することができる。
以下、本発明の第2実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
図13は、本発明の第2実施形態に係る三次元測定機1Aの概略構成を示すブロック図である。
前記第1実施形態では、動作推定部7は、加速度推定部71を備え、プローブ21の倣い移動の加速度Aを算出していた。これに対して、本実施形態では、動作推定部7Aは、加速度推定部71の他、プローブ21の倣い移動の周波数を推定する周波数推定部72を備えている点で異なる。
ここで、移動機構22の位置制御系では、前述したように、各軸方向における伝達関数の時定数Tが全て同じになるように調整されている。具体的に、位置制御系におけるフィードフォワードゲイン等の制御パラメータが全て同じとなるように調整されている。しかしながら、位置制御系(メジャーループ)のマイナーループである速度制御系は、スライド機構24における各移動軸の構造が異なるため、それぞれ異なる特性を有している。したがって、スライド機構24における各移動軸間には、倣い移動の速度、すなわち周波数fに依存して位相差が生じる。
係数ベクトルMXY,MXZ,MYZは、各移動軸間の位相差φ(φXY、φXZ、φYZ)に基づいて算出する。この位相差φは、測定子211Aを基準球231に当接させた状態でプローブ21を角速度一定で倣い移動させた場合における測定子211Aの位置を測定し、測定した測定子211Aの位置に基づいて算出する。
位相差φXZは、図14に示すように、スイベル長lYが+方向に大きくなるに従って減少する。なお、位相差補正量Cφを算出するための係数ベクトルMXY,MXZ,MYZを算出する場合にも加速度補正量(並進補正量CT、及び回転角Cθ)を算出するための係数ベクトルMIX,MIY,MIZ,MθXY,MθXZ,MθYX,MθYZ,MθZX,MθZYを算出したのと同様に測定した位相差φの各値を直線近似することで算出する。具体的に、例えば、係数ベクトルMXZを算出する場合には、以下の方法により算出する。
切片IP、IM、及び角度θP,θMは、図15に示すように、倣い移動の周波数fXZが大きくなるに従って変化する。したがって、切片IP、IM、及び角度θP,θMを、周波数fXZの2次式としてモデル化した以下の式(21)で表すことができる。
また、係数ベクトルMXZの算出方法と同様の方法により、位相差φXY、φYZに基づくスケール値Sに乗じられる係数ベクトルMXY,MYZを算出することで式(19−1)〜(19−3)における係数ベクトルMXY,MXZ,MYZを算出することができる。
ここで、式(18)は、前述したように、条件式(18−1)〜(18−3)で場合分けされている。これは、プローブ21の向きが+X,Y,Z軸方向にある場合と、−X,Y,Z軸方向にある場合とで異なる近似直線の傾きSP,SMを導出しているためである。
補正量算出部8Aは、前述したように、加速度A、スイベル長L、及びスケール値Sに基づいて補正量(並進補正量CT、回転補正量CR、及び位相差補正量Cφ)を算出する(図16参照)。
移動量補正部531Aは、図16に示すように、補正量算出部8Aにて算出された補正量に基づいて移動量取得部52にて取得されたスケール値Sを補正する。
各測定結果は、図17、及び図18に示すように、いずれの場合においても輪郭データと略同じ形状の測定結果となっている。さらに、各測定結果は、いずれの場合においても略円形状の測定結果となっている。これは、補正量算出部8Aにて算出された位相差補正量Cφに基づいて測定子211Aの位置の誤差を補正しているためである。
(3)三次元測定機1Aは、プローブ21を角速度一定で円運動させたときの倣い移動の周波数fに基づいて各移動軸間の位相差を補正するための位相差補正量Cφを算出する位相差補正量算出部83を備えるので、各移動軸間の位相差を適切に補正することができ、測定値の誤差を更に適切に補正することができる。
前記各実施形態では、三次元測定機1,1Aは、被測定物Wの表面に当接される測定子211Aを有する接触式のプローブ21を備えていた。これに対して、三次元測定機は、レーザーや、カメラ等の非接触式のプローブを備えていてもよい。要するに、三次元測定機は、測定子を有するプローブを備えていればよい。
前記各実施形態では、移動機構22は、それぞれ直交するX,Y,Z軸の各軸方向にプローブ21を移動させる3つの移動軸を備えていた。これに対して、移動機構は、1つ、または2つの移動軸を備えていてもよく、各移動軸は、直交していなくてもよい。要するに、移動機構は、プローブを倣い移動させることができればよい。
前記第2実施形態では、位相差補正量算出部83は、スケール値Sを座標変換することで補正する位相差補正量Cφを算出していた。これに対して、位相差補正量算出部は、例えば、各移動軸の時間遅れを補正する位相差補正量を算出してもよい。要するに、位相差補正量算出部は、各移動軸間の位相差を補正するための位相差補正量を算出することができればよい。
5…ホストコンピュータ(制御装置)
8,8A…補正量算出部
21…プローブ
22…移動機構
52…移動量取得部
83…位相差補正量算出部
211A…測定子
531,531A…移動量補正部(補正部)
532…移動量合成部(補正部)。
Claims (5)
- 被測定物の表面に倣って移動する測定子を有するプローブと、前記プローブを保持するとともに、倣い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る三次元測定機であって、
前記制御装置は、
前記移動機構の移動量を取得する移動量取得部と、
前記プローブを倣い動作させる際の加速度によって生じる前記移動機構の変形による前記測定子の位置の誤差を補正するための補正量を算出する補正量算出部と、
前記移動量取得部にて取得された前記移動機構の移動量と、前記補正量算出部にて算出された補正量とに基づいて前記測定子の位置の誤差を補正する補正部とを備え、
前記補正量算出部は、
前記プローブに設定された基準点における前記プローブの並進誤差を補正するための並進補正量と、
前記基準点を回転中心とする前記プローブの回転角、及び前記基準点から前記測定子までの前記プローブの長さに基づく前記プローブの回転誤差を補正するための回転補正量とを別々に算出し、
前記並進誤差量は、前記プローブの長さと前記プローブの回転角に依存しないことを特徴とする三次元測定機。 - 請求項1に記載の三次元測定機において、
前記補正量算出部は、
前記プローブの倣い移動の加速度に基づいて前記並進補正量、及び前記回転補正量の少なくともいずれか一方を算出することを特徴とする三次元測定機。 - 請求項1または請求項2に記載の三次元測定機において、
前記移動機構は、
前記プローブを倣い移動させる複数の移動軸を有し、
前記補正量算出部は、
前記各移動軸間の位相差を補正するための位相差補正量を算出する位相差補正量算出部を備えることを特徴とする三次元測定機。 - 請求項3に記載の三次元測定機において、
前記位相差補正量算出部は、
前記プローブを角速度一定で円運動させたときの倣い移動の周波数に基づいて前記位相差補正量を算出することを特徴とする三次元測定機。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の三次元測定機において、
前記補正量算出部は、
前記移動量取得部にて取得された前記移動機構の移動量に基づいて前記補正量を算出することを特徴とする三次元測定機。
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