JP5523757B2

JP5523757B2 - 手動式三次元測定装置、手動式三次元測定方法、及び手動式三次元測定用プログラム

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Publication number: JP5523757B2
Application number: JP2009175300A
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Inventors: 宏和道脇
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Filing date: 2009-07-28
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Description

本発明は、作業者が測定プローブを直接手で動かして、被測定物上の任意の点の三次元座標値を取り込むことにより、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行う手動式三次元測定装置、手動式三次元測定方法、及び手動式三次元測定用プログラムに関する。

従来、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行う三次元測定装置として、作業者が被測定物の測定点に測定プローブを手動で移動させて、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行う手動式三次元測定装置（マニュアルＣＭＭ）が知られている（特許文献１）。

特開２００４−１７１９８号公報

しかしながら、手動式三次元測定装置は、作業者が紙ベースあるいは、表示装置上に映し出されたＣＡＤの図面を見ながら測定プローブを手動で移動させて被測定物の測定点を測定するものであるため、例えば同じような穴の開いた基板などのように、被測定物の測定箇所が複雑である場合には、誤った箇所の測定を行うおそれがある。このような測定の誤りは、測定時に気付かないことが多く、後に判明した場合には座標系の設定からやり直さなければならないため、非常に大変な工数を費やすことになるという問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、測定の操作性及び正確性を向上させることができる手動式三次元測定装置、手動式三次元測定方法、及び手動式三次元測定用プログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る手動式三次元測定装置は、被測定物を測定する測定プローブと、前記測定プローブを三次元座標測定空間内において作業者が手動操作で移動させることができるように移動自在に支持する移動機構と、前記測定プローブの前記三次元座標空間内における位置情報を出力する位置情報出力部と、前記被測定物の測定点の情報を含むＣＡＤ情報を入力しこのＣＡＤ情報と前記測定プローブの位置情報とに基づいて前記測定プローブと前記測定点との位置関係を逐次演算する位置演算部と、前記位置演算部の演算結果に基づいて前記測定プローブを前記測定点で停止させるように前記移動機構による前記測定プローブの移動を規制する停止制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る手動式三次元測定装置において、前記被測定物及び測定プローブのイメージを表示する表示部と、前記ＣＡＤ情報に基づいて前記被測定物のイメージと測定点を特定するイメージとを生成すると共に、前記測定プローブの位置情報に基づいて前記測定プローブのイメージを生成し、これらイメージを前記被測定物と前記測定プローブの位置関係に応じて重ねて前記表示部に表示させる表示制御部とを更に備えることが好ましい。

また、前記移動機構は、前記測定プローブをＸ軸方向に移動可能に支持するＸ軸移動機構と、前記測定プローブをＹ軸方向に移動可能に支持するＹ軸移動機構と、前記測定プローブをＺ軸方向に移動可能に支持するＺ軸移動機構と、前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の少なくとも１つの移動機構の移動を規制することにより、前記測定プローブの移動を規制するブレーキ機構とを備え、前記停止制御部は、前記位置演算部の演算結果に基づいて前記ブレーキ機構に停止信号を出力するものであることが好ましい。

また、前記ブレーキ機構による前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の移動の規制は、前記測定プローブと前記測定点との距離に応じて段階的に行なわれることが好ましい。
また、前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の少なくとも１つの移動機構は、前記ブレーキ機構により移動が規制された状態において、規制された該移動機構を移動方向に微少移動させることができる微動機構を備えていることが好ましい。

本発明に係る手動式三次元測定装置の好適な実施形態において、前記ブレーキ機構は、前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の少なくとも１つの移動機構の移動を規制する、第１エアシリンダと前記第１エアシリンダよりもクランプ力の弱い第２エアシリンダとを備え、前記ブレーキ機構による前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の段階的な移動の規制は、前記第１エアシリンダと前記第２エアシリンダとの作動に時間差を与えることにより行なわれることを特徴とする。

また、他の実施形態において、前記ブレーキ機構は、前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の少なくとも１つの移動機構の移動を規制するエアシリンダを備え、前記エアシリンダは、エアー圧力の異なる少なくとも２つのエアー源と選択的に接続され、前記ブレーキ機構による前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の段階的な移動の規制は、前記エアシリンダへエアーを供給するエアー源を切り替えることにより行なわれることを特徴とする。

また更に、他の実施形態において、前記ブレーキ機構は、前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の少なくとも１つの移動機構の移動を規制するエアシリンダを備え、前記エアシリンダには、該エアシリンダの内部にエアーを流入させる流入孔と、該エアシリンダの内部に流入したエアーを大気に放出させる流出孔とが形成され、前記ブレーキ機構による前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の段階的な移動の規制は、前記エアシリンダの流入孔又は流出孔の少なくとも１の孔にエアーの供給量又は排出量を調節するスピードコントローラが設けられることにより行なわれることを特徴とする。

本発明に係る手動式三次元測定方法は、三次元座標測定空間内において作業者が手動で移動させることができるように移動自在に支持された測定プローブの位置情報を出力する位置情報出力ステップと、前記測定プローブの位置情報に基づいて前記測定プローブの位置を演算する位置演算ステップと、前記位置演算ステップの演算結果に基づいて前記測定プローブと測定点との距離を演算し、その演算結果に基づいて、前記停止位置における前記測定プローブの移動を制御する停止制御ステップとを備えたことを特徴とする。

本発明に係る手動式三次元測定用プログラムは、作業者が手動で移動させることができるように構成され被測定物を測定する測定プローブを備える手動式三次元測定装置の測定用プログラムであって、前記測定プローブの三次元座標測定空間内における位置情報を出力する位置情報出力ステップと、前記測定プローブの位置情報に基づいて前記測定プローブの位置を演算する位置演算ステップと、前記位置演算ステップの演算結果に基づいて前記測定プローブと測定点との距離を演算し、その演算結果に基づいて、前記停止位置における前記測定プローブの移動を制御する停止制御ステップとをコンピュータに実行させるようにされたことを特徴とする。

本発明によれば、測定の操作性及び正確性を向上させることができる手動式三次元測定装置、手動式三次元測定方法、及び手動式三次元測定用プログラムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る手動式三次元測定装置の構成を示す斜視図である。第１実施形態に係る手動式三次元測定装置の電気的な構成を示すブロック図である。第１実施形態に係る手動式三次元測定装置のブレーキ機構を示す部分拡大図である。図３のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。第１実施形態に係る手動式三次元測定装置の測定工程を示す工程図である。第１実施形態に係る手動式三次元測定装置の表示部を示す平面図である。本発明の第２実施形態に係る手動式三次元測定装置の構成を示す斜視図である。第２実施形態に係る手動式三次元測定装置のブレーキ機構を示す部分拡大図である。第２実施形態に係る手動式三次元測定装置の測定工程を示す工程図である。

次に、本発明の第１実施形態に係る手動式三次元測定装置及び三次元測定方法について詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る手動式三次元測定装置の構成を示す斜視図、図２は、同装置の電気的な構成を示すブロック図である。
第１実施形態に係る手動式三次元測定装置は、図１に示すように、手動式三次元測定装置本体１０と、これを制御すると共に測定データを処理するコントローラ５０とを備えて構成されている。
図１において、手動式三次元測定装置本体１０は、測定テーブル１４上に設けられた直交３軸移動機構によって測定プローブ２１を手動操作で移動可能に支持したものである。すなわち、測定テーブル１４のＸ軸方向の両端には、コラム１５とサポータ１６が立設され、これらコラム１５とサポータ１６との間にＸ軸ビーム１７が架け渡されている。また、このＸ軸ビーム１７に、空気軸受けを介してＸ軸移動機構１１を構成するＸ軸スライダ１９が左右方向（Ｘ軸方向）に移動可能に支持され、Ｘ軸スライダ１９に、空気軸受けを介してＺ軸移動機構１３を構成するＺ軸スピンドル２０が上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能に支持されている。コラム１５とサポータ１６も空気軸受けによって測定テーブル１４から浮上して支持されており、コラム１５は測定テーブル１４の一端に設けられたＹ軸ガイド機構１８によって前後方向（Ｙ軸方向）にガイドされているので、コラム１５とサポータ１６は一体となってＹ軸方向に移動可能なＹ軸移動機構１２を構成している。ここで、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は各々直交関係にある。

Ｚ軸スピンドル２０の下端には、測定プローブ２１が設置されており、測定プローブ２１のスタイラスの先端には球状接触子２２が設けられている。測定プローブ２１は、Ｘ軸移動機構１１、Ｙ軸移動機構１２及びＺ軸移動機構１３により、作業者の手動操作によって、測定テーブル１４上の三次元座標測定空間内を移動可能に構成されている。また、測定プローブ２１には、タッチ信号生成回路２９が備えられており、タッチ信号生成回路２９は、測定テーブル１４上の三次元座標測定空間内において、測定プローブ２１の球状接触子２２が被測定物２の測定点３に接触されるとタッチ信号を生成し、後述する位置演算部５１に出力するように構成されている。

Ｘ軸スライダ１９、コラム１５及びＺ軸スピンドル２０の移動による測定プローブ２１の各軸方向の移動量は、図２に示すように、それぞれ各軸に設けられたＸ軸スケール２３、Ｙ軸スケール２４及びＺ軸スケール２５によって検出される。また、Ｘ軸スケール２３、Ｙ軸スケール２４及びＺ軸スケール２５には、検出された各軸の移動量を計数するＸ軸カウンタ２６、Ｙ軸カウンタ２７及びＺ軸カウンタ２８がそれぞれ接続されている。これら各軸スケール２３、２４、２５と各軸カウンタ２６、２７、２８で位置情報出力部を構成する。

位置演算部５１は、各軸スケール２３、２４、２５によって検出された各軸移動機構１１、１２、１３の移動量に対応した各軸カウンタ２６、２７、２８のカウンタ値に基づいて、測定プローブ２１の位置情報を算出し、この位置情報をリアルタイムで表示制御部５２、停止制御部５３及び測定制御部５７に出力する。また、位置演算部５１は、タッチ信号生成回路２９からタッチ信号が出力された際には、タッチ信号が出力された瞬間の測定プローブ２１の座標値を、各軸カウンタ２６、２７、２８のカウンタ値から算出し、これを測定データとして表示制御部５２及び測定制御部５７に出力する。表示制御部５２は、ＣＡＤデータ記憶部５６に記憶されたＣＡＤデータから被測定物２及びその測定点３を示すイメージを生成すると共に、位置演算部５１で求められた測定プローブ２１の位置情報からその位置に対応する被測定物２のイメージ上の位置に測定プローブ２１のイメージを生成し出力する。表示制御部５２で生成された被測定物２及び測定プローブ２１のイメージは、表示部５４に表示される。入力部５５は、測定プローブ２１の手動操作のための指示入力や測定のための必要な情報入力を行うものである。測定制御部５７は、入力部５５から入力された情報、位置演算部５１から入力された測定データ及びＣＡＤデータ記憶部５６から与えられたＣＡＤデータに基づき、測定点３の測定座標を算出する。

停止制御部５３は、位置演算部５１により演算された測定プローブ２１の位置情報と、ＣＡＤデータに含まれる目標とする測定点３の位置情報との差分値を算出し、この差分値に基づいて、測定プローブ２１がブレーキ制御範囲内に位置するか否かを判定し、その判定結果に基づいてブレーキ制御信号を出力する。

Ｘ軸移動機構１１、Ｙ軸移動機構１２及びＺ軸移動機構１３には、停止制御部５３から出力されるブレーキ制御信号に応じてＸ軸スライダ１９、コラム１５及びＺ軸スピンドル２０の移動をそれぞれ独立して制御するブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃがそれぞれ取り付けられている。なお、ブレーキ機構３１ｂ、３１ｃは、ブレーキ機構３１ａと同様の構成であるため、ブレーキ機構３１ａについてのみ説明する。ここで、ブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、Ｘ軸スライダ１９、コラム１５及びＺ軸スピンドル２０の全てに取り付けられている必要はなく、Ｘ軸移動機構１１、Ｙ軸移動機構１２及びＺ軸移動機構１３の少なくとも一つの移動を制御可能に取り付けられていれば良い。

図３は、ブレーキ機構３１ａの一例を示す図であり、図４は図３のＡ−Ａ′断面図である。ブレーキ機構３１ａは、Ｘ軸ビーム１７の長手方向に平行に設けられ、回転可能な案内軸３２と、Ｘ軸スライダ１９に設けられ、案内軸３２上を軸方向に移動させることができると共に、停止制御部５３からのブレーキ制御信号に基づいて案内軸３２の一部を挟み込んでクランプさせることが可能なブレーキ部３３と、クランプ状態のブレーキ部３３を軸方向に微動させることができる微動機構４１とを備えている。

ブレーキ部３３は、Ｘ軸スライダ１９の前面１９ａに水平方向に突出して設けられるとともに、案内軸３２を間に挟んで上下に対向して設けられた支持盤３４及び固定盤３７と、支持盤３４の案内軸３２側の面とは反対側の面において支持されると共に、支持盤３４の図示しない貫通孔を介して案内軸３２の軸方向と直交する方向へ進退可能な接続シャフト３６を有するエアシリンダ３５と、このエアシリンダ３５の接続シャフト３６の先端に結合されて、支持盤３４と案内軸３２との間において案内軸３２に向けて進退する可動盤３８とを備えている。

エアシリンダ３５は、内部にエアーを流入させる流入孔３５ａと、内部に流入したエアーを大気に解放する流出孔３５ｂを有し、流入孔３５ａには、低圧エアー源４８及び高圧エアー源４９のいずれか一方からのエアーが、それらに設けられたバルブ４５、４６により流路４７を介して選択的に流入するようになっている。接続シャフト３６は、エアシリンダ３５の内部にエアーが流入されると突出し、エアシリンダ３５の内部のエアーが大気に流出されると後退するように形成されている。

接続シャフト３６と一緒に前進又は後退する可動盤３８には、一対の可動盤側ローラ４０が設けられており、固定盤３７には、二対の固定盤側ローラ３９、３９が設けられている。これら可動盤側ローラ４０及び固定盤側ローラ３９、３９は、可動盤３８がエアシリンダ３５によって固定盤３７側に突出した際に、案内軸３２を相互に挟み込んでクランプすることができる位置に設けられている。また、可動盤側ローラ４０及び固定盤側ローラ３９、３９の回転軸は、案内軸３２の軸方向に対して斜めに傾けられて設けられている。

微動機構４１は、案内軸３２の一端に連結されたフレキシブル構造の連結部４２と、連結部４２の他端と連結されることにより、連結部４２を介して案内軸３２を回転させるハンドル４３とを備えている。ハンドル４３は、支持部材４４によって、コラム１５の側面に取付けられている。

次に、このように構成された第１実施形態に係る手動式三次元測定装置の動作について、図５に基づいて説明する。なお、以下の処理は、専用のコントローラ５０による実行の他、汎用コンピュータで実行可能な三次元測定プログラムによって実現することも可能である。
三次元座標測定の実行を開始すると（Ｓ１）、まず、コントローラ５０は、入力部５５からの入力情報に基づいてＣＡＤデータ記憶部５６から被測定物２に関するＣＡＤデータを取り込むと共に、入力部５５から、測定に必要となる情報、例えば測定条件や測定点などを取り込む（Ｓ２）。測定条件としては、用いる測定プローブ２１の種類（タッチ信号プローブ／倣いプローブ）、測定プローブ２１の球状接触子２２の直径、スタイラスの長さ、測定種類（ピッチ測定／形状測定）などがある。表示制御部５２は、ＣＡＤデータに基づき、図６に示すような被測定物２のイメージを表示部５４に表示する。測定点３の指定は、例えば、図６に示す被測定物２のイメージ上で指定したり、の三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を直接入力したりすることにより行なわれる。

次に、コントローラ５０の位置演算部５１が、各軸カウンタ２６、２７、２８によって計数された値から三次元座標空間内における測定プローブ２１の現在位置を算出する（Ｓ３）。位置演算部５１によって演算された測定プローブ２１の位置情報は、表示制御部５２に出力され、表示制御部５２は、位置情報に基づいて被測定物２のイメージに重ねて測定プローブ２１のイメージを生成する。このイメージが、図６に示すように、表示部５４の画面上に表示される。この際、表示部５４に目的とする測定点３の座標値や目的とする測定点３へ案内する表示等がなされることにより、より操作性を向上させることが可能となる。作業者は、表示部５４の表示に従って測定プローブ２１を移動させ、目的とする測定点３に接近させる（Ｓ４）。ここで、測定プローブ２１が三次元座標空間内において移動すると、位置演算部５１は、各軸カウンタ２６、２７、２８によって計数された値から測定プローブ２１の位置座標を常時算出する（Ｓ５）。算出された測定プローブ２１の位置座標は、停止制御部５３へ出力され、停止制御部５３において測定プローブ２１の位置座標と目的とする測定点３との座標値の差分が算出されると共に（Ｓ６）、算出された差分値から、停止位置制御部５３においてブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃのブレーキ制御を行なうか否かが判定される（Ｓ７）。判定結果がＮｏである場合、すなわち、算出された差分値が所定の差分値よりも大きい場合（測定プローブ２１が目的とする測定点３の近傍の所定範囲内に進入していない場合）には、ブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃへのブレーキ制御は実行されず、測定プローブ２１は、三次元座標測定空間内を自由に移動することができる。判定結果がＹｅｓの場合、すなわち、算出された差分値が所定の差分値以下である場合（測定プローブ２１が目的とする測定点３の近傍の所定範囲内に進入した場合）には、停止位置制御部５３によりブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃが作動され、ブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃによる各軸移動機構１１、１２、１３の１次ブレーキ制御が実行される。

ブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃによる１次ブレーキ制御は、エアシリンダ３５の内部に低圧エアー源４８から流路４７を介して低圧のエアーが流入されることにより行なわれる（Ｓ８）。具体的には、エアシリンダ３５に低圧のエアーが流入されることにより、接続シャフト３６を介して可動盤３８が固定盤３７側に突出し、可動盤３８の可動盤側ローラ４０と固定盤３７の固定盤側ローラ３９、３９とによって案内軸３２がクランプされ、ブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃが取付けられている各軸移動機構１１、１２、１３にブレーキ力を与える。ここで、エアシリンダ３５に流入されたエアーは低圧であり、クランプ力が比較的弱いため、１次ブレーキ制御がなされた状態においても各軸移動機構１１、１２、１３は完全にクランプされておらず、作業者は１次ブレーキ制御による負荷を感じながら測定プローブ２１を三次元測定空間内において移動させることができる。

１次ブレーキ制御がされている状態において、さらに測定プローブ２１を目的とする測定点３へ移動させ、測定プローブ２１が目的とする測定点３に到達したと判定された場合、すなわち、位置演算部５１及び停止制御部５３によって常時算出される差分値がゼロとなった場合には、ブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃによる２次ブレーキ制御が行なわれる（Ｓ９）。ブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃによる２次ブレーキ制御は、エアシリンダ３５の内部に流入されているエアーの供給を低圧エアー源４８から高圧エアー源４９に切り替えることにより行なわれる。これにより、エアシリンダ３５に流入するエアーが高圧となり、可動盤３８の固定盤３７に対する押し付け力が増加するため、各軸移動機構１１、１２、１３は強固にクランプされ、測定プローブ２１の移動は規制される。

これにより、被測定物２の測定点３の位置が特定されるため、作業者は、図示しないクランプ状態解除スイッチを操作してブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃのクランプ状態を解除し、測定プローブ２１を自由に移動可能な状態にして測定点３に対する手動による測定を行なっても良いし（Ｓ１０´）、微動機構４１を操作して測定プローブ２１を微少移動させて、測定プローブ２１の球状接触子２２を被測定物２の測定箇所に接触させるようにしても良い（Ｓ１０）。微動機構４１による測定プローブ２１の微動移動は、具体的には、作業者が微動機構４１のハンドル４３を操作して案内軸３２を回転させることによって行なわれる。ここで案内軸３２が回転されると、案内軸３２を挟み込んでいるブレーキ部３３の固定盤側ローラ３９、３９及び可動盤側ローラ４０は、案内軸３２の方向に対して斜めに傾けられて設けられているため、案内軸３２の回転に伴ってブレーキ部３３が案内軸３２上を軸方向に微少移動し、ブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃが取付けられている各軸移動機構１１、１２、１３もブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃのブレーキ部３３に付随して微少移動される。

測定プローブ２１の球状接触子２２を被測定物２の測定箇所に接触させると、測定プローブ２１のタッチ信号生成回路２９によりタッチ信号が生成され、位置演算部５１に出力される（Ｓ１１）。タッチ信号が入力された位置演算部５１は、タッチ信号が出力された瞬間の測定プローブ２１の座標値を各軸カウンタ２６、２７、２８によって計数された値から算出すると共に、算出した座標値を測定制御部５７に出力する。測定制御部５７は、入力された１点又は複数点の座標値から測定点３の座標値を算出し、これを表示制御部５２に出力し、測定点３の座標値を測定データとして表示部５４に表示させる（Ｓ１２）。ここで、目的とする測定点が複数箇所存在する場合には、ブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃのクランプ状態を解除し、再度測定プローブ２１を移動させて、Ｓ４からＳ１２までの測定工程を繰り返し行なう。

このように、上記のように構成された手動式三次元測定装置によれば、位置演算部５１からの測定プローブ２１の位置情報と目的とする測定点３の座標値との差分値を停止制御部５３において常時算出し、この差分値に基づいて停止制御部５３でブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃの作動制御を自動で行うことができ、これによって目的とする測定点３に測定プローブ２１を正確に停止させることができる。
したがって、作業者は、実際の測定プローブ２１を注視しながら操作する必要が無くなるので、表示部５４に表示された被測定物２と測定プローブ２１のイメージとを見ながら、被測定物２のイメージ上に強調表示された測定目標点３を目安に測定プローブ２１を手動操作することができる。この結果、測定箇所を誤り無く、正確に測定することができ、しかも実際の測定プローブ２１は目標点３に近づくと移動規制されるので、測定プローブ２１と被測定物２とが勢いよく衝突する事態を回避することが出来る。

また、ブレーキ機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、ブレーキ駆動装置としてエアシリンダ３５を用いるとともに、エアシリンダ３５にエアーを供給するエアー源を低圧エアー源４８と高圧エアー源４９とのエアー圧力の異なる２種類のエアー源とすることにより、ブレーキ力を可変にする特別なアクチュエータを用いることなく、１次ブレーキ制御と２次ブレーキ制御とでブレーキ力を可変にすることができるため、多段階的にブレーキ制御が可能な手動式三次元測定装置を安価に提供することができる。

第１実施形態に係る手動式三次元測定装置において、エアシリンダ３５にエアーを供給するエアー源は、低圧エアー源４８と高圧エアー源４９との２種類としたが、これに限定されるものではなく、高圧エアー源４９のみ又は異なるエアー圧力のエアー源を３種類以上設けるようにしても良い。この場合において、高圧エアー源４９のみの場合は、エアシリンダ３５によるブレーキ制御は、２次ブレーキ制御のみとなる。また、エアー源が３種類以上設けられる場合には、より多段階的なブレーキ制御が可能となる。

また、エアシリンダ３５にエアーを供給するエアー源を複数設ける構成ではなく、それぞれクランプ力の異なるエアシリンダを複数設ける構成としても良い。このように、クランプ力の異なるエアシリンダを複数設ける構成によっても、測定プローブ２１の位置に応じて比較的クランプ力の弱いエアシリンダから順次作動させることにより、測定プローブ２１が目的とする測定点に近づくにつれてブレーキ力を強くする多段階的なブレーキ制御が可能となる。
さらに、エアシリンダ３５の多段階的なブレーキ制御は、エアシリンダ３５の流入孔３５ａ又は流出孔３５ｂのいずれかにスピードコントローラを設け、このスピードコントローラによって行なわれるようにしても良く、これにより、より精度の高いブレーキ力の可変制御を行うことができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る手動式三次元測定装置及び三次元測定方法について詳細に説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る手動式三次元測定装置の構成を示す斜視図である。なお、第２実施形態に係る手動式三次元測定装置において、第１実施形態に係る手動式三次元測定装置の構成と共通する構成についての説明は割愛し、同一の符号を用いる。以下、第１実施形態に係る手動式三次元測定装置の構成と異なる構成についてのみ説明する。

第２実施形態に係る手動式三次元測定装置が、第１の実施形態の装置と異なるのは、手動式三次元測定装置本体１０´におけるブレーキ機構６１ａ、６１ｂ、６１ｃの構成である。なお、ブレーキ機構６１ｂ、６１ｃは、ブレーキ機構６１ａと同様の構成であるため、ブレーキ機構６１ａについてのみ説明する。ここで、ブレーキ機構６１ａ、６１ｂ、６１ｃは、Ｘ軸スライダ１９、コラム１５及びＺ軸スピンドル２０の全てに取り付けられている必要はなく、Ｘ軸移動機構１１、Ｚ軸移動機構１２及びＹ軸移動機構１３の少なくとも一つの移動を制御可能に取り付けられていれば良い。

ブレーキ機構６１ａは、図８に示すように、Ｘ軸ビーム１７の前面１７ａの両端に設けられた一対の滑車６２ａ、６２ｂと、一方の滑車６２ａから他方の６２ｂへ亘って掛け渡された環状のワイヤ６３と、Ｘ軸ビーム１７の前面１７ａに設けられ、ワイヤ６３の一部を挟み込んで移動を規制することができるブレーキ部６４と、ブレーキ部６４によって移動が規制された状態のワイヤ６３を回転方向に微少移動させることができる微動機構６５とを備えている。

ワイヤ６３の上弦部分の一部は、連結部材６６を介してＸ軸スライダ１９と固定されている。これにより、Ｘ軸スライダ１９がＸ軸方向に移動した場合には、ワイヤ６３もＸ軸スライダ１９の移動に付随して、滑車６２ａ、６２ｂを折り返し点としてＸ軸方向に移動する。

ブレーキ部６４は、Ｘ軸ビーム１７の前面１７ａに取付けられた基盤６７と、アームピン６９によって基盤６７に取付けられ、アームピン６９を中心に回動可能なアーム６８と、アーム６８をアームピン６９を中心に回動させるエアシリンダ７０、７２と、アーム６８の一端に取り付けられた可動側ローラ７５及びこの可動側ローラ７５と相互にワイヤ６３を挟み込んで移動を規制する固定側ローラ７４とを備えている。

アーム６８は、Ｔ字状の左端６８ｂから上方に延びる上端６８ａを有する形状からなり、上端６８ａに可動側ローラ７５が設けられ、アーム６８の下端６８ｄには、可動側ローラ７５をワイヤ６３側に押圧する方向に付勢した状態でバネ部材７６が装着されている。また、アーム６８の右端６８ｃには、連結部材７７ａを介して後述するエアシリンダ７０の接続シャフト７１の先端が連結されており、左端６８ｂには、連結部材７７ｂを介して後述するエアシリンダ７２の接続シャフト７３の先端が連結されている。

エアシリンダ７０は、基盤６７に固定された支持盤７８に取付けられ、支持盤７８の図示しない貫通孔を介して進退する接続シャフト７１を有し、内部にエアーを流入させる流入孔７０ａと、内部に流入されたエアーを大気に解放させる流出孔７０ｂを有する。エアシリンダ７０の流入孔７０ａは、流路７９ａを介して高圧エアー源８０と接続されており、エアシリンダ７０に設けられた接続シャフト７１は、エアシリンダ７０の内部にエアーが流入されるとエアシリンダ７０側から支持盤７８に形成された貫通孔を介して突出してアーム６８の右端６８ｃを押し上げ、エアシリンダ７０の内部のエアーが大気に流出されると後退するように形成されている。高圧エアー源８０からエアシリンダ７０へのエアーの流入は、流路７９ａに設けられたバルブ８１が解放されることにより行なわれる。

エアシリンダ７２は、エアシリンダ７０よりも小型な比較的クランプ力の弱いエアシリンダであり、基盤６７に固定された支持盤８３に取付けられ、支持盤８３の図示しない貫通孔を介して進退する接続シャフト７３を有し、内部にエアーを流入させる流入孔７２ａと、内部に流入されたエアーを大気に解放させる流出孔７２ｂを有する。エアシリンダ７２の流入孔７２ａは、流路７９ｂを介して高圧エアー源８０と接続されており、流路７９ｂには、高圧エアー源８０からエアシリンダ７２に流入されるエアーの供給量を調節するスピードコントローラ８４が設けられている。エアシリンダ７２に設けられた接続シャフト７３は、エアシリンダ７２の内部にエアーが流入されるとエアシリンダ７２側から支持盤８３に形成された貫通孔を介して突出し、アーム６８の左端６８ｂを押し上げ、エアシリンダ７２の内部のエアーが大気に流出されると後退するように形成されている。高圧エアー源８０からエアシリンダ７２へのエアーの流入は、流路７９ｂに設けられたバルブ８２が解放されることにより行なわれる。

固定側ローラ７４は、アーム６８の上端６８ａに設けられた可動側ローラ７５と共にワイヤ６３を挟み込むローラ部７４ａと、外周が後述するウォーム８５と噛合するウォームホイール部７４ｂとが一体として形成されている。また、固定側ローラ７４は、基盤６７上に取付けられており、アーム６８のアームピン６９を中心とした回転により可動側ローラ７５がワイヤ６３側に押し付けられた際に、可動側ローラ７５と共にワイヤ６３を挟み込んでクランプすることができる位置に設けられている。

ブレーキ機構６１ａ、６１ｂ、６１ｃは、このように構成されることにより、エアシリンダ７０及びエアシリンダ７２にエアーが流入されていない状態においては、バネ部材７６の収縮力によってアーム６８がアームピン６９を中心に時計回りに回動し、固定側ローラ７４と可動側ローラ７５とがワイヤ６３をクランプすることによって、ワイヤ６３及びワイヤ６３に固定されているＸ軸スライダ１９の移動が規制される。また、エアシリンダ７２をオン状態（接続シャフト７３が突出状態）とすることにより、クランプ力を段階的に増加させることもできる。また、エアシリンダ７２がオフ状態で、エアシリンダ７０に高圧エアー源８０からエアーが流入されると、エアシリンダ７０の接続シャフト７１がアーム６８の右端６８ｃを押し上げるため、アーム６８がアームピン６９を中心に反時計回りに回動し、固定側ローラ７４と可動側ローラ７５とによるワイヤ６３の移動の規制を解除することができる。

微動機構６５は、固定側ローラ７４のウォームホイール部７４ｂに噛合するウォーム８５と、ウォーム８５を正回転又は逆回転させるハンドル８６と、ハンドル８６とウォーム８５とを連結するフレキシブル構造の連結部８７とを備えている。

次に、このように構成された第２実施形態に係る手動式三次元測定装置の動作について、図８及び図９に基づいて説明する。なお、第２実施形態に係る手動式三次元測定装置の動作において、第１実施形態に係る手動式三次元測定装置の動作と共通する動作についての説明は割愛し、異なる動作についてのみ説明する。

まず、Ｓ１０１によって三次元座標測定の実行を開始する。この際、ブレーキ機構６１ａ、６１ｂ、６１ｃのエアシリンダ７０及び７２にエアーが流入されていないため、ブレーキ部６４によりワイヤ６３及び各軸移動機構１１、１２、１３の移動は規制されている。次に、バルブ８１を解放し、ブレーキ機構６１ａ、６１ｂ、６１ｃのエアシリンダ７０に高圧エアー源８０からエアーを流入する（Ｓ１０２）。これにより、ブレーキ機構６１ａ、６１ｂ、６１ｃによるワイヤ６３及び各軸移動機構１１、１２、１３の移動の規制が解除され、測定プローブ２１の三次元測定空間内における移動が可能になる。図９のステップＳ１０３〜Ｓ１０８は、図５のステップＳ２〜Ｓ７と同様である。

ブレーキ機構６１ａ、６１ｂ、６１ｃによる１次ブレーキ制御は、バルブ８２を解放し、エアシリンダ７２の内部に高圧エアー源８０から流路７９ｂを介してエアーが流入されることにより行なわれる（Ｓ１０９）。具体的には、エアシリンダ７２にエアーが流入されることにより、エアシリンダ７２の接続シャフト７３がアーム６８の左端６８ｂを押し上げ、アーム６８の上端６８ａに設けられている可動側ローラ７５が固定側ローラ７４に押し付けられるため、固定側ローラ７４と可動側ローラ７５とによりワイヤ６３がクランプされ、各軸移動機構１１、１２、１３にブレーキ力を与える。ここで、エアシリンダ７２はエアシリンダ７０よりもクランプ力が弱いため、固定側ローラ７４と可動側ローラ７５とによるワイヤ６３のクランプは完全には行なわれておらず、作業者は１次ブレーキ制御による負荷を感じながら測定プローブ２１を三次元測定空間内において移動させることができる。この際、エアシリンダ７２に供給するエアーの供給量を流路７９ｂに設けられたスピードコントローラ８４で調節することにより、徐々にブレーキ力が増す可変ブレーキ制御とすることができる。

１次ブレーキ制御がされている状態において、さらに測定プローブ２１を目的とする測定点３へ移動させ、測定プローブ２１が目的とする測定点３に到達したと判定された場合、すなわち、位置演算部５１及び停止制御部５３によって常時算出される差分値がゼロとなった場合には、ブレーキ機構６１ａ、６１ｂ、６１ｃによる２次ブレーキ制御が行なわれる（Ｓ１１０）。ブレーキ機構６１ａ、６１ｂ、６１ｃによる２次ブレーキ制御は、バルブ８１を封鎖してエアシリンダ７０の内部に流入されているエアーの供給を停止することにより行なわれる。具体的には、エアシリンダ７０の内部に流入されているエアーの供給が停止されることにより、エアシリンダ７０の接続シャフト７１が後退し、アーム６８の右端６８ｃの押し上げが中止されるため、バネ部材７６の収縮力によりアーム６８がアームピン６９を中心にさらに時計回りに回動し、固定側ローラ７４と可動側ローラ７５とによりワイヤ６３をさらに強固に挟み込んで完全にクランプすることにより行なわれる。また、ワイヤ６３が完全にクランプされることにより、ワイヤ６３に固定されている各軸移動機構１１、１２、１３の移動も完全に規制される。

これにより、被測定物２の測定点３の位置が特定されるため、作業者は、図示しないクランプ状態解除スイッチを操作してブレーキ機構６１ａ、６１ｂ、６１ｃのクランプ状態を解除し、測定プローブ２１を自由に移動可能な状態にして測定点３に対する手動による測定を行なっても良いし（Ｓ１１１´）、ブレーキ機構６１ａ、６１ｂ、６１ｃの微動機構６５を操作して測定プローブ２１を微少移動させて、測定プローブ２１の球状接触子２２を被測定物２の測定箇所に接触させるようにしても良い（Ｓ１１１）。微動機構６５による測定プローブ２１の微動移動は、具体的には、作業者が微動機構６５のハンドル８６を操作してウォーム８５を正回転又は逆回転させることにより、固定側ローラ７４のウォームホイール部７４ｂを介してローラ部７４ａを回転させ、クランプしているワイヤ６３を微少移動させる。また、ワイヤ６３の微少移動に付随して各軸移動機構１１、１２、１３も微少移動される。

測定プローブ２１の球状接触子２２を被測定物２の測定箇所に接触させると、測定プローブ２１のタッチ信号生成回路２９によりタッチ信号が生成され、位置演算部５１に出力される（Ｓ１１２）。タッチ信号が入力された位置演算部５１は、タッチ信号が出力された瞬間の測定プローブ２１の座標値を各軸カウンタ２６、２７、２８によって計数された値から算出すると共に、算出した座標値を測定制御部５７に出力する。測定制御部５７は、入力された１点又は複数点の座標値から測定点３の座標値を算出し、これを表示制御部５２に出力し、測定点３の座標値を測定データとして表示部５４に表示させる（Ｓ１１３）。ここで、目的とする測定点が複数箇所存在する場合には、ブレーキ機構６１ａ、６１ｂ、６１ｃのクランプ状態を解除し、再度測定プローブ２１を移動させて、Ｓ１０５からＳ１１３までの測定工程を繰り返し行なう。

第２実施形態に係る手動式三次元測定装置において、ブレーキ機構６１ａ、６１ｂ、６１ｃのブレーキ制御は、エアシリンダ７０及びエアシリンダ７２により多段階的に行なわれるとしたが、これに限定されるものではなく、エアシリンダ７０のみにより行なわれるとしても良い。

また、本実施形態に係る手動式三次元測定装置において、エアシリンダ７２には、高圧エアー源８０からエアシリンダ７２に流入されるエアーの供給量を調節するスピードコントローラ８４が設けられているとしたが、これに限定されるものではなく、スピードコントローラ８４を設けない構成としても良い。

１０手動式三次元測定装置本体、２１測定プローブ、３１、６１ブレーキ機構、３３ブレーキ部、４１微動機構、５０コントローラ、５１位置演算部、５２表示制御部、５３停止制御部、５４表示部、５５入力部、５６ＣＡＤデータ記憶部、５７測定制御部

Claims

被測定物を測定する測定プローブと、
前記測定プローブを三次元座標測定空間内において作業者が手動操作で移動させることができるように移動自在に支持する移動機構と、
前記測定プローブの前記三次元座標空間内における位置情報を出力する位置情報出力部と、
前記被測定物の測定点の情報を含むＣＡＤ情報を入力しこのＣＡＤ情報と前記測定プローブの位置情報とに基づいて前記測定プローブと前記測定点との位置関係を逐次演算する位置演算部と、
前記位置演算部の演算結果に基づいて前記測定プローブを前記測定点で停止させるように前記移動機構による前記測定プローブの移動を規制する停止制御部と
を備えたことを特徴とする手動式三次元測定装置。
前記被測定物及び測定プローブのイメージを表示する表示部と、
前記ＣＡＤ情報に基づいて前記被測定物のイメージと測定点を特定するイメージとを生成すると共に、前記測定プローブの位置情報に基づいて前記測定プローブのイメージを生成し、これらイメージを前記被測定物と前記測定プローブの位置関係に応じて重ねて前記表示部に表示させる表示制御部と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の手動式三次元測定装置。
前記移動機構は、前記測定プローブをＸ軸方向に移動可能に支持するＸ軸移動機構と、前記測定プローブをＹ軸方向に移動可能に支持するＹ軸移動機構と、前記測定プローブをＺ軸方向に移動可能に支持するＺ軸移動機構と、前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の少なくとも１つの移動機構の移動を規制することにより、前記測定プローブの移動を規制するブレーキ機構とを備え、
前記停止制御部は、前記位置演算部の演算結果に基づいて前記ブレーキ機構に停止信号を出力する
ことを特徴とする請求項１記載の手動式三次元測定装置。
前記ブレーキ機構による前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の移動の規制は、前記測定プローブと前記測定点との距離に応じて段階的に行なわれることを特徴とする請求項３記載の手動式三次元測定装置。
前記ブレーキ機構は、前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の少なくとも１つの移動機構の移動を規制する、第１エアシリンダと前記第１エアシリンダよりもクランプ力の弱い第２エアシリンダとを備え、
前記ブレーキ機構による前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の段階的な移動の規制は、前記第１エアシリンダと前記第２エアシリンダとの作動に時間差を与えることにより行なわれることを特徴とする請求項４記載の手動式三次元測定装置。
前記ブレーキ機構は、前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の少なくとも１つの移動機構の移動を規制するエアシリンダを備え、
前記エアシリンダは、エアー圧力の異なる少なくとも２つのエアー源と選択的に接続され、
前記ブレーキ機構による前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の段階的な移動の規制は、前記エアシリンダへエアーを供給するエアー源を切り替えることにより行なわれることを特徴とする請求項４記載の手動式三次元測定装置。
前記ブレーキ機構は、前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の少なくとも１つの移動機構の移動を規制するエアシリンダを備え、
前記エアシリンダには、該エアシリンダの内部にエアーを流入させる流入孔と、該エアシリンダの内部に流入したエアーを大気に放出させる流出孔とが形成され、
前記ブレーキ機構による前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の段階的な移動の規制は、前記エアシリンダの流入孔又は流出孔の少なくとも１の孔にエアーの供給量又は排出量を調節するスピードコントローラが設けられることにより行なわれることを特徴とする請求項４記載の手動式三次元測定装置。
前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構の少なくとも１つの移動機構は、前記ブレーキ機構により移動が規制された状態において、規制された該移動機構を移動方向に微少移動させることができる微動機構を備えていることを特徴とする請求項３乃至７いずれか１項記載の手動式三次元測定装置。
前記ブレーキ機構は、前記Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構及び前記Ｚ軸移動機構のそれぞれに取り付けられていることを特徴とする請求項３乃至８いずれか１項記載の手動式三次元測定装置。
三次元座標測定空間内において作業者が手動で移動させることができるように移動自在に支持された測定プローブの位置情報を出力する位置情報出力ステップと、
前記測定プローブの位置情報に基づいて前記測定プローブの位置を演算する位置演算ステップと、
前記位置演算ステップの演算結果に基づいて、前記測定プローブと、被測定物の目的とする測定点との距離を演算し、その演算結果に基づいて、前記測定プローブを前記測定点で停止させるように前記測定プローブの移動を制御する停止制御ステップと
を備えたことを特徴とする手動式三次元測定方法。
作業者が手動で移動させることができるように構成され被測定物を測定する測定プローブを備える手動式三次元測定装置の測定用プログラムであって、
前記測定プローブの三次元座標測定空間内における位置情報を出力する位置情報出力ステップと、
前記測定プローブの位置情報に基づいて前記測定プローブの位置を演算する位置演算ステップと、
前記位置演算ステップの演算結果に基づいて、前記測定プローブと、被測定物の目的とする測定点との距離を演算し、その演算結果に基づいて、前記測定プローブを前記測定点で停止させるように前記測定プローブの移動を制御する停止制御ステップと
をコンピュータに実行させるようにされたことを特徴とする手動式三次元測定用プログラム。