JP5361334B2

JP5361334B2 - 産業機械

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Publication number: JP5361334B2
Application number: JP2008281561A
Authority: JP
Inventors: 正意山縣; 平人園部
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2028-10-31
Also published as: DE102009046184A1; JP2010107438A

Description

本発明は、産業機械に関し、特に、対象物に対して所定の軸方向に沿って移動する移動体と、所定の軸と直交する２軸方向に沿って対象物を移動させるステージとを備える産業機械に関する。

従来、対象物を測定するための測定子を有する移動体を対象物に対して相対的に移動させることで対象物を測定する測定機や、対象物を加工するための工具を有する移動体を対象物に対して相対的に移動させることで対象物を加工する加工機械等の産業機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の三次元座標測定機（産業機械）では、対象物を測定するための測定子を有するタッチプローブ（移動体）の位置を位置指令値に追従させる空間誤差補正装置を備え、タッチプローブを対象物に対して相対的に移動させることで対象物を測定している。

図６は、空間誤差補正装置１０の概略構成を示すブロック図である。
空間誤差補正装置１０は、特許文献１に記載の三次元座標測定機における空間誤差補正装置と同様の構成を簡略化したものであり、図６に示すように、タッチプローブ１１の位置を検出する位置検出部１２と、位置検出部１２による検出位置を補正する空間誤差補正部１３と、空間誤差補正部１３にて補正された検出位置の位置指令値に対する偏差に基づいて、タッチプローブ１１の位置を制御する位置制御部１４とを備え、タッチプローブ１１の位置をフィードバック制御している。また、空間誤差補正装置１０は、フィードバック制御のループ内において、空間誤差補正部１３を備えることで空間誤差を適切に補正している。なお、空間誤差とは、指令座標系と、運動座標系との間の誤差である（特許文献１参照）。

例えば、タッチプローブ１１の目標位置Ｐｔを位置指令値とした場合には、タッチプローブ１１が実際に位置決めされる位置は、Ｐｍ（＝Ｐｔ−Δｍ）となる。この時、位置検出部１２は、空間誤差Δｍを含むタッチプローブ１１の位置Ｐｍ（＝Ｐｔ−Δｍ）を検出する。そして、空間誤差補正部１３によって空間誤差Δｍを取り除いた値（Ｐｔ）に変換された後、フィードバックされる。この時、位置偏差は０であるから、空間誤差補正装置１０は、タッチプローブ１１の位置を指令座標系における目標位置Ｐｔに位置決めさせつつ、実体は指令座標系と運動座標系との差を加味した位置に位置決めさせることができる。
なお、空間誤差の補正は、産業機械のキネマティックモデルに基づいて算出される補正量を用いて行われるのが望ましい（例えば、特許文献２参照）。

また、従来、対象物に対して所定の軸方向に沿って移動する移動体と、所定の軸と直交する２軸方向に沿って対象物を移動させるステージと、移動体、及びステージの位置を位置指令値に追従させる制御装置とを備え、移動体を対象物に対して相対的に移動させることで対象物を測定する測定機等の産業機械が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特許文献３に記載の表面性状測定装置（産業機械）では、対象物に対して鉛直軸（以下、Ｚ軸とする）方向に沿って移動する倣いプローブ（移動体）と、Ｚ軸と直交する２軸（以下、Ｘ，Ｙ軸とする）方向に沿って対象物を移動させるＸＹステージと、制御装置とを備え、倣いプローブを対象物に対して相対的に移動させることで対象物を測定している。

図７は、倣いプローブ２０に対する測定子２０Ａの移動範囲を示す模式図である。
倣いプローブ２０は、特許文献３に記載の表面性状測定装置における倣いプローブと同様の構成を簡略化したものであり、図７に示すように、対象物を測定するための測定子２０Ａを有している。また、倣いプローブ２０は、Ｚ軸方向に沿って移動可能に構成されたＺ軸スライダ（図示略）に固定され、Ｚ軸スライダの移動に伴って全体が移動する。また、測定子２０Ａは、倣いプローブ２０に対してＺ軸方向に沿って移動可能に構成されている。

図８は、対象物Ｗの表面性状を測定している状態を示す図である。図９は、測定子２０Ａの移動に伴うＸ，Ｙ軸方向の誤差を示す模式図である。
対象物Ｗの表面性状を測定する場合には、図８に示すように、ＸＹステージ、及びＺ軸スライダの位置を制御することで測定子２０Ａを対象物Ｗに接触させる。そして、測定子２０Ａにかかる負荷が一定となるように倣いプローブ２０に対して測定子２０ＡをＺ軸方向に沿って移動させながら測定をする。
ここで、倣いプローブ２０に対して測定子２０Ａを移動させると、測定子２０Ａの位置は、図９に示すように、測定子２０Ａの移動に伴ってＸ，Ｙ軸方向に誤差が生じる場合がある（図９中太線）。

図１０は、対象物Ｗの表面性状の測定結果を示す図である。なお、図１０（Ａ）は、測定結果Ｇ１と、真値Ｇ２との比較を示す図であり、縦軸をＺ軸方向における測定値とし、横軸をＸ軸方向における測定位置として示している。また、図１０（Ｂ）は、測定結果Ｇ１と、真値Ｇ２との間の偏差Ｇ３を示す図であり、縦軸をＺ軸方向における形状偏差とし、横軸をＸ軸方向における測定位置として示している。

このような場合において、空間誤差の補正をするには、前述した産業機械のキネマティックモデルを測定子の移動に伴うＸ，Ｙ軸方向の誤差を含めた産業機械のキネマティックモデルに拡張することが望ましい。しかしながら、キネマティックモデルが複雑化することで補正量の演算時間が増加し、ひいては制御装置の追従制御特性が低下するという問題がある。
これに対して、特許文献３に記載の表面性状測定装置は、測定子の位置、及び測定子の移動に伴うＸ，Ｙ軸方向の誤差を関連付けた補正データテーブルを備え、測定時における測定子の位置と、補正データテーブルとに基づいて算出された補正量を変位検出手段にて検出される倣いプローブ、及びＸＹステージの位置に加算することで、測定子の移動に伴うＸ，Ｙ軸方向の誤差を補正している。

特開平５−２４８８５２号公報特開平８−２４７７５６号公報（図３参照）特開２００８−２１６１２２号公報

しかしながら、特許文献３に記載の表面性状測定装置における補正では、倣いプローブ、及びＸＹステージの検出位置に補正量を加算しているので、前述した産業機械のキネマティックモデルを用いた空間誤差の補正と干渉してしまうという問題があり、空間精度補正機能を搭載したコントローラへの適用が困難であった。また、この問題を回避するために、測定中は補正を行わず、測定完了後に補正を行って測定値のみを加工する測定方法が考えられる。しかしながら、この測定方法では、実際の測定における測定子の軌跡は、理想的な走査軌跡に対して、プローブの運動誤差分だけ異なる位置を走査しているため、補正効果は高いものの、望ましい測定方法ではないという問題があった。

本発明の目的は、制御装置の追従特性を低下させることなく、空間誤差を適切に補正することができる産業機械を提供することにある。

本発明の産業機械は、対象物に対して所定の軸方向に沿って移動する移動体と、前記所定の軸と直交する２軸方向に沿って前記対象物を移動させるステージと、前記移動体、及び前記ステージの位置を指令座標系における位置指令値に追従させる制御装置とを備え、前記移動体を前記対象物に対して相対的に移動させることで前記対象物を測定、または加工する産業機械であって、前記制御装置は、前記所定の軸、及び前記所定の軸と直交する２軸方向により規定された運動座標系における、前記移動体、及び前記ステージの位置を検出する位置検出部と、前記指令座標系における前記位置指令値と、前記位置検出部により検出された前記運動座標系における検出位置との間の空間誤差の補正量を、当該産業機械におけるキネマティックモデルに基づいて求め、前記位置検出部にて検出された前記検出位置を補正する空間誤差補正部と、前記空間誤差補正部にて補正された前記検出位置の前記位置指令値に対する偏差に基づいて、前記移動体、及び前記ステージの位置を制御する位置制御部と、前記所定の軸方向における前記移動体の位置に基づいて、前記２軸方向における前記移動体の位置の誤差を算出し、前記ステージを移動させることで前記誤差を補正する移動体誤差補正部と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、産業機械は、所定の軸方向（例えば、Ｚ軸方向）における移動体の位置に基づいて、２軸方向（例えば、Ｘ，Ｙ軸方向）における移動体の位置の誤差を算出し、ステージを移動させることで誤差を補正する移動体誤差補正部を備え、この移動体誤差補正部による補正は、前述した産業機械のキネマティックモデルを用いた空間誤差の補正とは独立している。すなわち、フィードバック制御のループに対して、移動体の移動に伴うＸ，Ｙ軸方向の誤差を補正するので、キネマティックモデルを複雑化させることなく、移動体の移動に伴うＸ，Ｙ軸方向の誤差を補正することができる。

また、移動体誤差補正部による補正は、キネマティックモデルを用いた空間誤差の補正とは独立しているので、移動体誤差補正部による補正の周期を、キネマティックモデルを用いた空間誤差の補正の周期と比較して長くするように移動体誤差補正部を構成することもできる。
したがって、産業機械は、制御装置の制御周期を低下させることなく、空間誤差演算を適切に処理することができる。

本発明では、前記産業機械は、前記対象物を測定するための測定子を有する前記移動体を前記対象物に対して相対的に移動させることで前記対象物を測定する測定機であることが好ましい。
このような構成によれば、前述した産業機械と同様の作用効果を奏することができる。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
〔表面性状測定装置の概略構成〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る表面性状測定装置１を示す正面図である。図２は、表面性状測定装置１を示す側面図である。なお、図１、及び図２では、紙面上方向を＋Ｚ軸とし、Ｚ軸と直交する２軸をＸ軸、及びＹ軸として説明する。

産業機械としての表面性状測定装置１は、図１、及び図２に示すように、対象物Ｗに対してＺ軸方向に沿って移動するプローブ２と、プローブ２を移動させる移動機構３と、対象物Ｗを載置するとともに、Ｘ，Ｙ軸方向に沿って移動させるステージ４と、プローブ２、及びステージ４の位置を位置指令値に追従させる制御装置５（図３参照）とを備え、プローブ２を対象物Ｗに対して相対的に移動させることで対象物Ｗを測定する測定機である。なお、制御装置５については後に詳述する。

移動体としてのプローブ２は、対象物に対してＺ軸方向に沿って移動するものであり、−Ｚ軸方向側の先端には、対象物Ｗを測定するための測定子２Ａを有している。すなわち、本実施形態では、所定の方向はＺ軸方向とされている。
移動機構３は、基台３１と、基台３１の上面に跨って設けられる門形フレーム３２と、門形フレーム３２におけるクロスレール３２Ａに設けられたスライダ３３と、スライダ３３をＺ軸方向に沿って移動させるＺ軸駆動機構３４とを備える。そして、スライダ３３の−Ｚ軸方向側の先端位置には、プローブ２が取り付けられている。また、プローブ２は、前述した倣いプローブ２０と同様の構成を有し、スライダ３３の移動に伴って全体が移動する。さらに、測定子２Ａは、プローブ２に対してＺ軸方向に沿って移動可能に構成されている。
ステージ４は、対象物Ｗを載置する平坦な載置面４１Ａを有し、Ｘ，Ｙ軸方向へ移動可能に設けられる台座４１と、台座４１をＸ，Ｙ軸方向に沿って移動させるＸ軸駆動機構４２、及びＹ軸駆動機構４３とを備える。

〔制御装置の概略構成〕
図３は、制御装置５の詳細構成を示すブロック図である。
制御装置５は、測定子２Ａ、及びステージ４の位置を位置指令値に追従させるものであり、図３に示すように、測定子２Ａ、及びステージ４の位置を検出する位置検出部５１と、位置検出部５１による検出位置を補正する空間誤差補正部５２と、空間誤差補正部５２にて補正された検出位置の位置指令値に対する偏差に基づいて、各駆動機構３４，４２，４３に速度指令値を出力することで測定子２Ａ、及びステージ４の位置を制御する位置制御部５３とを備え、測定子２Ａ、及びステージ４の位置をフィードバック制御している。なお、空間誤差とは、指令座標系と、運動座標系との間の誤差である。また、空間誤差補正部５２は、表面性状測定装置１のキネマティックモデルに基づいて補正量を算出する。

また、制御装置５は、Ｚ軸方向における測定子２Ａの位置に基づいて、Ｘ，Ｙ軸方向における測定子２Ａの位置の誤差（以下、測定子誤差とする）を算出する誤差算出部５４１を有し、ステージ４を移動させることで誤差算出部５４１にて算出される誤差を補正する移動体誤差補正部としての測定子誤差補正部５４を備える。なお、誤差算出部５４１は、例えば、測定子の位置、及び測定子誤差を関連付けた補正データテーブルを用いて測定子誤差を算出することができる。

図４は、測定子誤差補正部５４にて測定子誤差を補正している状態を示す概念図である。
例えば、対象物Ｗの＋Ｚ軸方向における頂点に測定子２Ａを接触させる場合には、図４に示すように、制御装置５は、スライダ３３、及びステージ４の位置を制御することで測定子２Ａを対象物Ｗの上方に位置させる。そして、制御装置５は、プローブ２に対して測定子２ＡをＺ軸方向に沿って移動させる（図４中矢印Ａ）。
ここで、プローブ２に対して測定子２Ａを移動させると、測定子２Ａの位置には、測定子２Ａの移動に伴って測定子誤差が生じる場合がある（図４中矢印Ｂ）。
そこで、測定子誤差補正部５４は、ステージ４を移動させることで対象物Ｗを移動させて測定子２Ａの移動に伴う測定子誤差を補正する（図４中矢印Ｃ）。

なお、ステージ４を移動させることで誤差算出部５４１にて算出される測定子誤差を補正する処理は、制御装置５のブロック図（図３参照）において、誤差算出部５４１にて算出される測定子誤差を位置検出部５１による検出位置に合成する処理に相当する。
例えば、測定子２Ａ、及びステージ４の目標位置Ｐｔを位置指令値とした場合には、測定子２Ａ、及びステージ４が実際に位置決めされる位置は、Ｐｍ＋ΔＬ（＝Ｐｔ−Δｍ＋ΔＬ）となる。この時、位置検出部５１は、空間誤差Δｍ、及び測定子誤差ΔＬを含む測定子２Ａ、及びステージ４の位置Ｐｍ＋ΔＬ（＝Ｐｔ−Δｍ＋ΔＬ）を検出する。そして、測定子誤差補正部５４によって測定子誤差ΔＬを取り除き、空間誤差補正部１３によって空間誤差Δｍを取り除いた値（Ｐｔ）に変換された後、フィードバックされる。この時、位置偏差は０であるから、制御装置５は、測定子２Ａ、及びステージ４の位置を指令座標系における目標位置Ｐｔに位置決めさせつつ、実体は指令座標系と運動座標系との差を加味した位置に位置決めさせることができる。

このような本実施形態によれば以下の効果がある。
（１）表面性状測定装置１は、測定子誤差補正部５４を備え、この測定子誤差補正部５４による補正は、空間誤差補正部５２による空間誤差の補正とは独立しているので、キネマティックモデルを複雑化させることなく、測定子２Ａの移動に伴うＸ，Ｙ軸方向の誤差を補正することができ、測定子誤差補正部５４による補正の周期を、空間誤差補正部５２による空間誤差の補正の周期と比較して長くするように測定子誤差補正部５４を構成することもできる。したがって、表面性状測定装置１は、制御装置５の制御周期を低下させることなく、空間誤差演算を適切に処理することができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。
図５は、本発明の第２実施形態に係る制御装置５Ａの詳細構成を示すブロック図である。
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。
制御装置５Ａは、位置フィードフォワード制御部５５と、補正量フィードフォワード制御部５６とを備える。

位置フィードフォワード制御部５５は、位値指令値に基づいて、各駆動機構３４，４２，４３をフィードフォワード制御するものであり、位置フィードフォワード制御部５５のループ内には、位置ＦＦ（フィードフォワード）補償器５５１が設けられている。位置ＦＦ補償器５５１は、位値指令値に基づく速度指令値を各駆動機構３４，４２，４３に出力する。
そして、位置ＦＦ補償器５５１にて出力される速度指令値は、位置制御部５３にて出力される速度指令値に加算されて各駆動機構３４，４２，４３に出力される。

補正量フィードフォワード制御部５６は、測定子誤差補正部５４、及び空間誤差補正部５２による検出位置の補正量に基づいて、各駆動機構３４，４２，４３をフィードフォワード制御するものであり、補正量フィードフォワード制御部５６のループ内には、補正量ＦＦ（フィードフォワード）補償器５６１が設けられている。補正量ＦＦ補償器５６１は、測定子誤差補正部５４、及び空間誤差補正部５２による検出位置の補正量に基づく速度指令値を各駆動機構３４，４２，４３に出力する。

ここで、補正量ＦＦ補償器５６１への入力は、測定子誤差補正部５４、及び空間誤差補正部５２で実施される補正後の位置と、補正前の位置との差、すなわち、系全体で実施された全ての補正量を算出したものが与えられる。
そして、補正量ＦＦ補償器５６１にて出力される速度指令値は、位置制御部５３にて出力される速度指令値から減算されて各駆動機構３４，４２，４３に出力される。

このような本実施形態においても、前記第１実施形態と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（２）前記第１実施形態における制御装置５では、目標位置Ｐｔの変化速度が大きくなると、測定子２Ａ、及びステージ４の位置が位置指令値に追従できなくなり、追従誤差が生じる場合がある。これに対して、制御装置５Ａは、位置フィードフォワード制御部５５を備えるので、目標位置の変化速度に起因して生じる追従誤差を抑制することができる。

（３）制御装置５Ａにおいて、位置ＦＦ補償器５５１には、フィードバック時に実施される補正量を含まない位置指令値が入力されるため、測定子誤差補正部５４、及び空間誤差補正部５２によって加味される補正量に対しては、フォワード効果が得られず、補正量に依存した追従誤差が生じてしまう。これに対して、制御装置５Ａは、補正量フィードフォワード制御部５６を備えるので、フィードバック時に実施される補正量に依存した追従誤差を抑制することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、所定の方向はＺ軸方向（鉛直方向）とされていたが、水平方向や、これら以外の方向とされていてもよい。要するに、本発明は、対象物に対して所定の軸方向に沿って移動する移動体を備える産業機械に適用することができる。
前記各実施形態では、産業機械として表面性状測定装置１を例示していたが、例えば、他の測定機や、工作機械等の他の産業機械を採用してもよい。要するに、本発明は、対象物に対して所定の軸方向に沿って移動する移動体と、所定の軸と直交する２軸方向に沿って対象物を移動させるステージとを備える産業機械に適用することができる。

前記第２実施形態では、補正量フィードフォワード制御部５６は、空間誤差補正部５２の入出力の差を取ることで算出される補正量に基づいて、各駆動機構３４，４２，４３をフィードフォワード制御していた。これに対して、例えば、空間誤差補正部５２による補正量が既知である場合には、補正量フィードフォワード制御部５６は、既知の補正量に基づいて、各駆動機構３４，４２，４３をフィードフォワード制御してもよい。

本発明の第１実施形態に係る表面性状測定装置を示す正面図。前記実施形態における表面性状測定装置を示す側面図。前記実施形態における制御装置の詳細構成を示すブロック図。前記実施形態における測定子誤差補正部にて測定子誤差を補正している状態を示す概念図。本発明の第２実施形態に係る制御装置の詳細構成を示すブロック図。空間誤差補正装置の概略構成を示すブロック図。倣いプローブに対する測定子の移動範囲を示す模式図。対象物の表面性状を測定している状態を示す図。測定子の移動に伴うＸ，Ｙ軸方向の誤差を示す模式図。対象物の表面性状の測定結果を示す図。

符号の説明

１…表面性状測定装置（産業機械）
２…プローブ（移動体）
２Ａ…測定子
４…ステージ
５，５Ａ…制御装置
５１…位置検出部
５３…位置制御部
５４…測定子誤差補正部（移動体誤差補正部）。

Claims

対象物に対して所定の軸方向に沿って移動する移動体と、前記所定の軸と直交する２軸方向に沿って前記対象物を移動させるステージと、前記移動体、及び前記ステージの位置を指令座標系における位置指令値に追従させる制御装置とを備え、前記移動体を前記対象物に対して相対的に移動させることで前記対象物を測定、または加工する産業機械であって、
前記制御装置は、
前記所定の軸、及び前記所定の軸と直交する２軸方向により規定された運動座標系における、前記移動体、及び前記ステージの位置を検出する位置検出部と、
前記指令座標系における前記位置指令値と、前記位置検出部により検出された前記運動座標系における検出位置との間の空間誤差の補正量を、当該産業機械におけるキネマティックモデルに基づいて求め、前記位置検出部にて検出された前記検出位置を補正する空間誤差補正部と、
前記空間誤差補正部にて補正された前記検出位置の前記位置指令値に対する偏差に基づいて、前記移動体、及び前記ステージの位置を制御する位置制御部と、
前記所定の軸方向における前記移動体の位置に基づいて、前記２軸方向における前記移動体の位置の誤差を算出し、前記ステージを移動させることで前記誤差を補正する移動体誤差補正部と、
を備えることを特徴とする産業機械。
請求項１に記載の産業機械において、
前記産業機械は、前記対象物を測定するための測定子を有する前記移動体を前記対象物に対して相対的に移動させることで前記対象物を測定する測定機であることを特徴とする産業機械。
請求項１又は請求項２に記載の産業機械において、
前記位置制御部から出力される速度指令値に、前記位置指令値に基づく速度指令値を加算する位置フィードフォワード補償部と、
前記位置制御部から出力される速度指令値から、前記空間誤差補正部及び前記移動体誤差補正部による前記検出位置の補正量に基づく速度指令値を減算する補正量フィードフォワード補償部と、
を備えることを特徴とする産業機械。