JP5410317B2 - 三次元測定機 - Google Patents

Description

本発明は、三次元測定機に関する。

従来、被測定物を測定するためのプローブと、プローブを移動させる移動機構と、移動機構を制御する制御装置とを備える三次元測定機が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような三次元測定機では、移動機構にてプローブを移動させる際に、例えば、使用者の操作ミスによって、プローブや移動機構と、被測定物とが衝突してしまう場合があるので、このような場合にプローブの移動を停止させるなどの処理を実行する機能を備えている。

ここで、プローブや移動機構と、被測定物とが衝突した場合には、移動機構にかかる負荷が大きくなり、移動機構にてプローブを移動させるための電流値が大きくなる。したがって、プローブや移動機構と、被測定物との衝突を判定するには、この電流値が所定の閾値より大きい場合にプローブや移動機構と、被測定物とが衝突したと判定するように三次元測定機を構成することが考えられる。
しかしながら、移動機構にてプローブを移動させる加速度が小さい（速度が遅い）場合には、電流値は小さく、加速度が大きい（速度が速い）場合には、電流値は大きいので、プローブや移動機構と、被測定物との衝突を判定するための閾値を一定の値とすると、移動機構にてプローブを移動させる速度が遅い場合には、プローブや移動機構と、被測定物とが衝突してから三次元測定機にて衝突したと判定されるまでに時間がかかるという問題がある。

特許文献１に記載の座標測定機械（三次元測定機）では、柱、横支持体、横送り台、及び座標測定装置で構成される移動機構を駆動するための電気モータに流れる電流値を検出し、検出された電流値と、移動機構にてプローブヘッド（プローブ）を移動させる目標の速度や、加速度に応じて段階的に設定される閾値とを比較することでプローブや移動機構と、被測定物とが衝突したか否かを判定している。これによれば、座標測定機械は、閾値を一定とした場合と比較してプローブや移動機構と、被測定物とが衝突したか否かを迅速に判定することができる。

特表２００９−５２４０３２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の座標測定機械では、目標の速度や、加速度に応じて閾値を段階的に設定しているので、目標の速度や、加速度に対して適切な閾値を設定することができないという問題がある。

本発明の目的は、プローブや移動機構と、被測定物との衝突を判定するための適切な閾値を設定することができ、プローブや移動機構と、被測定物とが衝突したか否かを迅速に判定することができる三次元測定機を提供することにある。

本発明の三次元測定機は、被測定物を測定するためのプローブと、前記プローブを移動
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、前記移動機構にて前記プローブを移動させるための電流値を検出する電流値検出部と、前記電流値検出部にて検出される電流値と、前記移動機構にて前記プローブを移動させる速度の目標値に応じて設定される閾値とに基づいて、前記移動機構にかかる負荷の状態を判定する負荷判定部とを備え、前記速度の目標値は、前記閾値と連続的に比例することを特徴とする。

本発明によれば、移動機構にてプローブを移動させる速度の目標値は、負荷判定部にて設定される閾値と連続的に比例するので、負荷判定部は、移動機構にてプローブを移動させる速度の目標値が遅い場合には、閾値を小さく設定し、速い場合には、閾値を大きく設定する。したがって、三次元測定機は、プローブや移動機構と、被測定物との衝突を判定するための適切な閾値を設定することができ、プローブや移動機構と、被測定物とが衝突したか否かを迅速に判定することができる。

本発明では、前記負荷判定部は、前記電流値検出部にて検出される電流値が前記閾値よりも大きい状態が持続している時間の長さに基づいて、前記移動機構にかかる負荷の状態を判定することが好ましい。

ここで、電流値検出部にて検出される電流値は、プローブや移動機構と、被測定物とが衝突したときの他、例えば、移動機構にてプローブを移動させる速度を加速するときなどに、閾値よりも大きくなる場合がある。
本発明によれば、負荷判定部は、電流値検出部にて検出される電流値が閾値よりも大きい状態が持続している時間の長さに基づいて、移動機構にかかる負荷の状態を判定するので、移動機構にてプローブを移動させる速度を加速するときなどに、移動機構にかかる負荷の状態を誤って判定することを防止することができる。

本発明の一実施形態に係る三次元測定機を示す全体模式図。 前記実施形態における三次元測定機の概略構成を示すブロック図。 前記実施形態における三次元測定機の負荷判定処理を示すフローチャート。 前記実施形態における移動機構にてプローブを移動させる速度と、電流値検出部にて検出される電流値との関係を示すグラフ。 前記実施形態における移動機構にてプローブを移動させる速度の目標値と、負荷判定部にて設定される閾値との関係を示す図。 前記実施形態における速度の目標値を最低値、中間値、及び最高値としたときの電流値の状態と、負荷判定部にて設定される閾値との関係を示す図。 前記実施形態における速度の目標値を最高値としたときの閾値と、加速時間と、持続時間との関係を示す図。

以下、本発明の一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、本発明の一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。

三次元測定機１は、図１に示すように、三次元測定機本体２と、三次元測定機本体２の駆動制御を実行するモーションコントローラ３と、操作レバー等を介してモーションコントローラ３に指令を与え、三次元測定機本体２を手動で操作するための操作手段４と、モーションコントローラ３に所定の指令を与えるとともに、三次元測定機本体２上に設置されたワーク１０（被測定物）の形状解析等の演算処理を実行するホストコンピュータ５と、ホストコンピュータ５に接続される入力手段６１、及び出力手段６２とを備える。なお、入力手段６１は、三次元測定機１における測定条件等をホストコンピュータ５に入力するものであり、出力手段６２は、三次元測定機１による測定結果を出力するものである。

三次元測定機本体２は、ワーク１０の表面に当接される測定子２１１を先端側（−Ｚ軸方向側）に有し、ワーク１０を測定するためのプローブ２１と、プローブ２１の基端側（＋Ｚ軸方向側）を保持するとともに、プローブ２１を移動させる移動機構２２と、移動機構２２が立設される定盤２３とを備える。
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。

スライド機構２４は、定盤２３におけるＸ軸方向の両端から＋Ｚ軸方向に延出し、Ｙ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられる２つのコラム２４１と、各コラム２４１にて支持され、Ｘ軸方向に沿って延出するビーム２４２と、Ｚ軸方向に沿って延出する筒状に形成され、ビーム２４２上をＸ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられるスライダ２４３と、スライダ２４３の内部に挿入されるとともに、スライダ２４３の内部をＺ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられるラム２４４とを備える。

駆動機構２５は、図１、及び図２に示すように、各コラム２４１のうち、＋Ｘ軸方向側のコラム２４１を支持するとともに、Ｙ軸方向に沿ってスライド移動させるＹ軸駆動部２５Ｙと、ビーム２４２上をスライドさせてスライダ２４３をＸ軸方向に沿って移動させるＸ軸駆動部２５Ｘ（図１において図示略）と、スライダ２４３の内部をスライドさせてラム２４４をＺ軸方向に沿って移動させるＺ軸駆動部２５Ｚ（図１において図示略）とを備える。なお、図示は省略するが、駆動機構２５には、スライド機構２４の各軸方向の移動量を検出するためのセンサがそれぞれ設けられ、各センサは、スライド機構２４の移動量に応じた信号を出力する。

制御装置としてのモーションコントローラ３は、図２に示すように、操作手段４、またはホストコンピュータ５からの指令に応じて駆動機構２５を制御する駆動制御部３１と、駆動機構２５に設けられたセンサから出力される信号を検出する信号検出部３２とを備える。
信号検出部３２は、各センサから出力される信号を検出してスライド機構２４の移動量を検出する。そして、信号検出部３２にて検出されたスライド機構２４の移動量は、ホストコンピュータ５に出力される。なお、スライド機構２４の移動量は、測定子２１１の重心位置を示すように調整されている。

また、このモーションコントローラ３は、使用者の操作ミスなどによって、プローブ２１やスライド機構２４と、ワーク１０とが衝突してしまった場合に、プローブ２１の移動を停止させるなどの所定の処理を実行するための負荷判定処理を実行する機能を有している。
具体的に、モーションコントローラ３は、電流値検出部３３と、負荷判定部３４とを備える。
電流値検出部３３は、移動機構２２にてプローブ２１を移動させるための電流値を検出する。
負荷判定部３４は、電流値検出部３３にて検出される電流値と、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度の目標値に応じて設定される閾値とに基づいて、移動機構２２にかかる負荷の状態を判定する。ここで、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度の目標値は、操作手段４、またはホストコンピュータ５からの指令に基づいてモーションコントローラ３が算出する。

ホストコンピュータ５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や、メモリ等を備えて構成され、モーションコントローラ３に所定の指令を与えることで三次元測定機本体２を制御して移動機構２２にて測定子２１１をワーク１０の表面に倣って移動させることによってワーク１０の形状を測定するものである。

〔三次元測定機の負荷判定処理〕
図３は、三次元測定機１の負荷判定処理を示すフローチャートである。
モーションコントローラ３は、図３に示すように、負荷判定処理が実行されると、以下のステップＳ１〜Ｓ２５を実行する。なお、負荷判定処理は、所定の間隔で繰り返し実行される。
まず、電流値検出部３３は、移動機構２２にてプローブ２１を移動させるための電流値を検出する（Ｓ１：電流値検出ステップ）。

図４は、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度Ｖと、電流値検出部３３にて検出される電流値Ｉとの関係を示すグラフである。なお、図４では、速度Ｖ、及び電流値Ｉを縦軸とし、時間ｔを横軸としている。そして、図４では、速度Ｖ＝０から速度Ｖ＝Ｖａまで加速する速度Ｖの変化をグラフＧ１で示し（以下、速度Ｖの加速にかかる時間を加速時間Ｔａとする）、速度Ｖの変化に伴う電流値Ｉの変化をグラフＧ２で示している。ここで、Ｖａは、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度の目標値である。
電流値Ｉは、図４に示すように、速度Ｖの変化が大きいとき、すなわち加速度が大きくなるときに大きくなり、速度Ｖの変化が小さいとき、すなわち加速度が小さくなるときに小さくなる。そして、電流値Ｉは、速度Ｖの変化がなくなると一定となる（以下、定常状態とする）。

電流値検出ステップＳ１にて電流値Ｉが検出されると、負荷判定部３４は、以下のステップＳ２１〜Ｓ２５を実行し、電流値検出ステップＳ１にて検出される電流値Ｉと、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度の目標値Ｖａに応じて設定される閾値とに基づいて、移動機構２２にかかる負荷の状態を判定する（Ｓ２：負荷判定ステップ）。
負荷判定ステップＳ２では、まず、負荷判定部３４は、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度の目標値Ｖａに応じて閾値を設定する（Ｓ２１：閾値設定ステップ）。

図５は、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度の目標値Ｖａと、負荷判定部３４にて設定される閾値Ｉａとの関係を示す図である。なお、図５では、閾値Ｉａを縦軸とし、速度の目標値Ｖａを横軸としている。
移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度の目標値Ｖａと、負荷判定部３４にて設定される閾値Ｉａとの関係は、図５に示すように、比例関係である。なお、本実施形態では、プローブ２１にてワーク１０を測定するときに移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度を、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度の最低値Ｖｍｅｓとし、ワーク１０を測定することなくプローブ２１を移動させるときの最高の速度を、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度の最高値Ｖｍｏｖとしている。

そして、負荷判定部３４は、速度の目標値Ｖａを最低値Ｖｍｅｓとしたときの閾値をＩｍｅｓとし、速度の目標値Ｖａを最高値Ｖｍｏｖとしたときの閾値をＩｍｏｖとして、以下の式（１）によって、速度の目標値Ｖａに対する閾値Ｉａを設定する。
ただし、以下の式（１）において、速度の目標値Ｖａが最低値Ｖｍｅｓ以下（Ｖａ≦Ｖｍｅｓ）の場合には、Ｖａ＝Ｖｍｅｓとし、速度の目標値Ｖａが最高値Ｖｍｏｖ以上（Ｖａ≧Ｖｍｏｖ）の場合には、Ｖａ＝Ｖｍｏｖとする。

図６は、速度の目標値Ｖａを最低値Ｖｍｅｓ、中間値Ｖｍｉｄ、及び最高値Ｖｍｏｖとしたときの電流値Ｉの状態と、負荷判定部３４にて設定される閾値Ｉａとの関係を示す図である。なお、図６では、電流値Ｉを縦軸とし、時間ｔを横軸としている。そして、図６では、図４と同様に速度Ｖの変化に伴う電流値Ｉの変化をグラフＧ２１〜Ｇ２３で示している。具体的に、グラフＧ２１は、速度の目標値Ｖａを最低値Ｖｍｅｓとしたときの電流値Ｉの変化を示すグラフであり、グラフＧ２２は、速度の目標値Ｖａを最低値Ｖｍｅｓ、及び最高値Ｖｍｏｖの中間値Ｖｍｉｄとしたときの電流値Ｉの変化を示すグラフであり、速度の目標値Ｖａを最高値Ｖｍｏｖとしたときの電流値Ｉの変化を示すグラフである。なお、グラフＧ２３は、図４におけるグラフＧ２と同一のグラフである。

本実施形態では、負荷判定部３４は、図６に示すように、速度の目標値Ｖａを最低値Ｖｍｅｓとしたときの閾値Ｉｍｅｓ、及び速度の目標値Ｖａを最高値Ｖｍｏｖとしたときの閾値Ｉｍｏｖを、それぞれの速度の目標値Ｖａにおける定常状態の電流値Ｉに対して約１２０％となる値としている。
したがって、負荷判定部３４は、速度の目標値Ｖａを中間値Ｖｍｉｄとしたときの閾値Ｉｍｉｄを、前述した式（１）に基づいて、速度の目標値Ｖａ＝Ｖｍｉｄにおける定常状態の電流値Ｉに対して約１２０％となる値とする。

閾値設定ステップＳ２１にて閾値が設定されると、負荷判定部３４は、電流値検出ステップＳ１にて検出される電流値Ｉと、閾値設定ステップＳ２１にて設定される閾値とを比較する（Ｓ２２：電流値判定ステップ）。
そして、負荷判定部３４は、電流値Ｉが閾値よりも大きい場合には、持続時間をインクリメントし（Ｓ２３１：持続時間インクリメントステップ）、小さい場合には、持続時間をリセットする（Ｓ２３２：持続時間リセットステップ）。なお、持続時間は、電流値Ｉが閾値よりも大きい状態が持続している時間の長さを示すものであり、モーションコントローラ３のメモリに記憶された初期値０の変数である。

持続時間インクリメントステップＳ２３１、または持続時間リセットステップＳ２３２にて持続時間が更新されると、負荷判定部３４は、更新された持続時間と、所定時間Ｔｂとを比較する（Ｓ２４：持続時間判定ステップ）。そして、負荷判定部３４は、持続時間が所定時間Ｔｂよりも長い場合には、エラーを出力し（Ｓ２５：エラー出力ステップ）、短い場合には、エラーを出力することなく負荷判定処理を終了する。すなわち、負荷判定部３４は、持続時間の長さに基づいて、移動機構２２にかかる負荷の状態を判定する。

図７は、速度の目標値Ｖａを最高値Ｖｍｏｖとしたときの閾値Ｉｍｏｖと、加速時間Ｔａと、所定時間Ｔｂとの関係を示す図である。なお、図７では、プローブ２１、及びワーク１０が衝突したときの電流値Ｉの変化を一点鎖線のグラフＧ３１，Ｇ３２で例示している。
負荷判定部３４は、図７のグラフＧ３１，Ｇ３２に示すように、プローブ２１、及びワーク１０が衝突し、電流値Ｉが閾値Ｉｍｏｖよりも大きくなり、かつ、持続時間が所定時間Ｔｂよりも長くなるとエラー出力ステップＳ２５にてエラーを出力する。
そして、モーションコントローラ３は、エラー出力ステップＳ２５にてエラーが出力されると、プローブ２１の移動を停止させるなどの所定の処理を実行する。

なお、本実施形態では、所定時間Ｔｂは、加速時間Ｔａと略同じ長さに設定されている。したがって、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度Ｖを加速する際の持続時間は所定時間Ｔｂよりも短いので、負荷判定部３４は、持続時間リセットステップＳ２３２にて持続時間をリセットする。すなわち、負荷判定部３４は、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度Ｖを加速する際に、エラーを出力しない。

このような本実施形態によれば以下の効果がある。
（１）移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度の目標値Ｖａと、負荷判定部３４にて設定される閾値Ｉａとの関係は比例関係であるので、負荷判定部３４は、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度の目標値Ｖａが遅い場合には、閾値Ｉａを小さく設定し、速い場合には、閾値Ｉａを大きく設定する。したがって、三次元測定機１は、プローブ２１やスライド機構２４と、ワーク１０との衝突を判定するための適切な閾値Ｉａを設定することができ、プローブ２１やスライド機構２４と、ワーク１０とが衝突したか否かを迅速に判定することができる。
（２）負荷判定部３４は、持続時間の長さに基づいて、移動機構２２にかかる負荷の状態を判定するので、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度Ｖを加速するときなどに、移動機構２２にかかる負荷の状態を誤って判定することを防止することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前記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、前記実施形態では、所定時間Ｔｂは、加速時間Ｔａと略同じ長さに設定されていたが、所定時間Ｔｂは、これ以外の長さに設定してもよい。
前記実施形態では、負荷判定部３４は、持続時間の長さに基づいて、移動機構２２にかかる負荷の状態を判定していたが、持続時間の長さに基づいて、移動機構２２にかかる負荷の状態を判定しなくてもよい。要するに、負荷判定部は、電流値検出部にて検出される電流値と、移動機構にてプローブを移動させる速度の目標値に応じて設定される閾値とに基づいて、移動機構にかかる負荷の状態を判定すればよい。

前記実施形態では、プローブ２１にてワーク１０を測定するときに移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度を、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度の最低値Ｖｍｅｓとし、ワーク１０を測定することなくプローブ２１を移動させるときの最高の速度を、移動機構２２にてプローブ２１を移動させる速度の最高値Ｖｍｏｖとしていた。これに対して、移動機構にてプローブを移動させる速度の最低値、及び最高値は、設定されていなくてもよい。

本発明は、三次元測定機に好適に利用することができる。

１…三次元測定機
３…モーションコントローラ（制御装置）
１０…ワーク（被測定物）
２１…プローブ
２２…移動機構
５１…電流値検出部
５２…負荷判定部

Claims (2)

1. 被測定物を測定するためのプローブと、前記プローブを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、
   前記移動機構にて前記プローブを移動させるための電流値を検出する電流値検出部と、
   前記電流値検出部にて検出される電流値と、前記移動機構にて前記プローブを移動させる速度の目標値に応じて設定される閾値とに基づいて、前記移動機構にかかる負荷の状態を判定する負荷判定部とを備え、
   前記速度の目標値は、前記閾値と連続的に比例することを特徴とする三次元測定機。
2. 請求項１に記載の三次元測定機において、
   前記負荷判定部は、前記電流値検出部にて検出される電流値が前記閾値よりも大きい状態が持続している時間の長さに基づいて、前記移動機構にかかる負荷の状態を判定することを特徴とする三次元測定機。

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