JP5604532B2 - 光学測定システム - Google Patents

Description

本発明は、広範囲の構成、特に、他を排除するものではないが、たとえば旋盤で機械加工された加工部品、または回転軸を有する小型加工部品、または凸状形態を持つ部品の寸法測定のための光学測定装置に関するものである。

背景技術の説明
当技術分野において、光束の投影によって得られた加工部品の影を測定することによって、寸法測定値を得ることが公知である。この技術が多くの状況で有用であっても、特に回転軸のある、および凸状形態のある部品の測定に良好に役立ち、この場合、すべての寸法は、影の投影によって得られた１つ以上の輪郭（profile）から得ることができる。

光学プロファイル測定は、高速および効率的であり、物理的な接触を伴わず、かつ、工具またはプローブの豊富な取り揃えを要することなく、多くの異なる輪郭および形状に適合することができることから、困難な環境での生産管理または測定のために加工部品を測定するための魅力的な技術である。プロファイル測定機械は、多くの場合、２つの対向する中心、またはマンドレル、を担持する伝統的な主軸台および心押し台を備え、そのため、特殊な治具または固定具なしで、大半の旋盤で機械加工された部品に対処することができる。

EP0507566は、加工部品の投影された影を測定するために、２つの中心間で加工部品を維持するための、ならびに光源および光検出器を有する光学測定システムに対して部品を並進させるための部品保持部を含む、測定装置を開示している。

米国特許第４８５４７０７号は、加工部品が２つの中心間に保持され、摺動する光学ステージが部品の影の輪郭を測定する、プロファイル測定デバイスを記載している。

しかしながら、これらの測定デバイスには、一連の制約がある。多くの場合、それらは比較的重量のある機械であり、恒久的に固定された据え付けを要し、大きい床面積を占め、小型および中型の作業場にほとんど適さない。これらの機械は、また、校正状態での使用および維持も複雑であり、ゆえに、手軽な使用に向かない。

当技術分野において公知のプロファイル測定機械の多くは、清浄な実験室条件で高精度の測定値を供給するが、それらが塵、埃、エアロゾル、振動および温度変動に曝される作業環境では、それらの性能が急速に低下する。

ゆえに、公知のデバイスよりもコンパクトに実現することができる、加工部品の輪郭を光学的に測定するための機械が必要である。さらにまた、環境への過敏性がより少なく、特に、塵、埃、およびエアロゾルへの過敏性がより少ない、プロファイル測定機械が必要である。当技術分野において公知のデバイスよりも使用および維持がより容易である、プロファイル測定機械も必要である。

これらの目標の一部またはすべてを満たすプロファイル測定機械は、有利なことには、清浄区域内に計量設備のための空間または資源を有さない、多くの小型または中型の作業場で採用することができるだろう。本発明の目標は、このような機械を提案することである。

発明の簡単な概要
本発明によると、これらの目的は、請求項１の前段部分の特徴を含んでおり、ならびに、光学ステージおよび心押し台が摺動可能に係合されていて、基準支持体上に締結されている直線状ガイドが、測定デバイスの並進において１つの移動の自由のみを画定するのに対し、基準表面上に締結されていて、測定中の部品が回転して第２の移動の自由を画定する前記直線状ガイド上に、少なくとも一部が懸架している主軸台担持部上に、主軸台が設置されていることを特徴とする、デバイスの手段により達成される。

本発明の一側面によるプロファイル測定機械、またはその一部を示す図である。 本発明の一側面によるプロファイル測定機械、またはその一部を示す図であり、部分分解図である。 本発明の一側面によるプロファイル測定機械、またはその一部を示す図である。 本発明のプロファイル測定装置において、部品を保持するために使用される心押し台を図示する。 代替配置の光源および光学検出器を持つ実施形態を概略的に示す。 本発明の好ましい変形例による、発光束のプロファイルを概略的に示す。

発明の可能な実施形態の詳細な説明
本発明は、例として与えられ、および図面に図示された実施形態の説明を用いて、より良好に理解されるだろう：

図１ａ〜１ｃに表されるプロファイル測定機械は、脚部３２によって好適な表面上に載置されるケーシング３０を含む。以下において、より明らかに見てとれるように、ケーシングは、測定機械のすべての要素、特に、すべての光学要素および位置エンコーダを収容および保護する。本発明のデバイスは、状況に応じて、ベンチトップまたはフロアユニットとして実現することができる。

本発明の機械は、さらに、すべての精密要素に安定した基盤を提供する、基準支持体４０を含む。基準支持体４０は、好ましくは、細長いスラブ形状を有し、理想平面に非常に近付けて修正された基準面４１がある。基準支持体は、通例、花崗岩または同様に硬質および安定した石材で実現されるが、異なる材料、たとえばスチールで作ることもできるだろう。

基準面４１は、直線状ガイド４７、この場合、基準面４１上に固定される一直線状の平行な形状の２つのスチールレールを担持し、プロファイル測定機械の移動要素に摺動支持体を提供する。ガイドの数は、２つに制限されず、必要に応じて変えても良い。ガイド４７は、理想的には、測定される部品の軸にも平行である、直線状の測定主軸ｘを画定する。

主軸台保持部５０も支持体４０の基準面４１上に固定されている。好ましくは、主軸台保持部５０は、必要に応じてそのたびにその再調整が可能な方法で固定されている。好ましい変形例では、主軸台保持部は、基準支持体４０上にねじ止めされ、その位置は、さまざまな厚みのシムを差し挟むことによって、細かく設定されている。しかしながら、これが唯一の可能性ではない。

主軸台保持部は、好ましくは、図１ａ〜１ｃのようにＬ字形状であるか、または主軸ｘの方向に少なくとも部分的にガイド４７に重なる形状を有する。後で解説するように、この配置は、少なくとも１つの摺動要素が主軸台５２の平面を横切ることを許容する。

主軸台５２は、主軸台保持部５０の張り出した端部上に取り付けられ、本発明のこの変形例では、旋盤加工された部品の端部側を係合することを意図する、中心点５５を含む。好ましくは、中心点５５は、モータ５８、好ましくは、ＤＣＣモータによって駆動され、好適なエンコーダ（図示せず）によってその位置が調整および記録される、回転式プレート５７上に取り付けられている。回転式プレート５７は、加工部品の回転、および特定の向きでのプロファイル測定を許容する。

図２でより詳細に見ることができる心押し台６０は、好ましくはｘ軸に沿った平行移動のみを可能にする平衡マウントによって、レール４７上に摺動可能に取り付けられている。これは、３つの摺動パッドによって達成することができる。好ましくは、心押し台６０の配置は、パッド間で調節可能であり、心押し台の中心をｘ軸に対して精密に配置させることができる。

心押し台は、レバー６１の位置により、中央レール４３（図１ａで可視）上で係止する挟持部６２または支持体４０上の同等の要素に作用する、解放レバー６１を含む。心押し台は、好ましくは、旋盤加工された部品の端部側を係合するために、主軸台５２上にある中心点５５に対向して、円錐形の中心点６５を担持している。

好ましい変形例によると、挟持部６２または別の好適な係止要素は、心押し台６０に摺動可能に取り付けられ、心押し台内の弾性要素（不可視）が挟持部を後方へ押す。オペレータは、測定する第１の部品を設置するとき、測定中の部品の方向にハンドル６４を押し、レバー６１を閉位置に設定して、挟持部６２を中央レール４３上で係止する。心押し台は、弾性的に前方へ（つまり、主軸台５２に向かって）抑えられる。オペレータは、挟持部６２を解放することなく、ハンドル６４を作動させることにより、心押し台６０を後方へ移動させ、測定中の部品を取り外して別のものと交換し、その後、ハンドル６４を解放することができ、それにより、心押し台６０が以前に設定された位置に弾性的に戻る。この方式では、心押し台の位置を毎回変更する必要なく、一連の同一部品を測定することが可能である。

再び図１ａ〜１ｃを参照すると、心押し台６０が取り付けられている同じ直線状レール４７は、往復台１００をガイドするためにも使用され、好ましくは、たとえば、３つ以上の摺動パッドを用いて、ｘ軸に沿った平行移動のみを可能とする、平衡マウント上にも配置されている。往復台１００は、ガイド４７上を横切って、かつ、好ましくは、一部の塵および埃が直接光学素子上に落下するのを避けて、測定中の部品が重力で変形するのを最小化するために、垂直からのわずかな傾斜を持って取り付けられている。往復台は、上部側の光源１１０および底部側の光学検出器１２０を含む。電気モータ１３０、好ましくは、エンコーダで調整されるＤＣＣモータは、ベルト１３１を通じて、およびプーリ１３２によって、または任意の他の好適な方式で、ｘ軸に沿って往復台１００を駆動する。光学往復台１００の位置は、支持体４０の基準表面４１上に固定された定規１５０を含む、高精度エンコーダ、たとえば光学エンコーダによって測定される。

光源１１０は、測定中の部品によって遮られるように、コリメート光束をｘ軸を横切って方向付けるための構成を含む。好ましくは、光束は、拡散光を減少するために、狭い帯状にコリメートされ、色収差を抑制するために単色である。コリメートは、たとえば、スリット１７０によって得ることができる。光学検出器１２０は、光学源１１０に配置され、測定中の部品によって遮られなかった残留ビーム光を受け、たとえば、１つ以上のＣＣＤ線形アレイを含む、光検出器のアレイにそれを方向付けるように配置され、それにより、ｘ軸上の往復台１００の各位置で部品の横断寸法を決定することができる。

有利なことには、発光源１１０の強度をさまざまな所定のレベルに設定することができ、測定中の部品は、異なる照度レベルで繰り返し調査される。これは、光学素子の公知の原理を適用して、回折、反射およびぼやけを含むさまざまな誤差源を、モデル化および補正するために有用である。

図３に概略的に表す本発明の変形例では、往復台１００は、ミラー、たとえば４５°ミラー４７のみを支持する一方、光源１１０および検出器１２０は、固定支持体４０上に固定されている。コリメート光束は、部品のｘ軸に平行に向けられ、少なくとも第１のミラーで、測定する部品に対して横断方向に向け直し、その後、少なくとも別のミラーが残りの光束を光検出器に向け直す。この変形例では、往復台が非常に軽量であり、可動性がより良好およびより高速であり、時間正確度が高められる。図３は、検出器１２０および源１１０を往復台１００の反対の側に有する構造を表すが、いずれかのミラー１０７を９０°まで回すことにより、往復台１００の同じ側にそれら両方を有することも可能であろう。

好ましい実施形態では、光束は、部品の中央軸を中心として９０°〜２７０°の変位軸の方向に開口部を持つＶ字型の光束であり、光検出器は、部品の中央軸の両方の側に設置され、光束の２つの各部分を受ける、角度を付けたＣＣＤ線形アレイの対称的な一対によって構成されている。光検出器は、両側で同じ正確度、および共通の中央点で測定するように配置されている。角度を付けたＣＣＤ配置は、高解像度の縁端測定を許容する。アレイからの出力を分析し、１つのピクセルよりも良好に補間する。これは、光学軸Ｏに直交する平面における、ＣＣＤアレイ６４の配置および光束６２の横断断面を示す、図４に概略的に図示される。図４では、開口角６６は、典型値である１６５°または１７０°である。

変形例では、光束を測定中の部品の各側縁端に１つずつ、２つの光束に分割することができ、その後、２つに分割された各束部が共通のＣＣＤアレイへ向け直される。この変形例では、シャッタを使用して分割束を交互に遮断し、１つの共通光検出器を使用して、部品の両側を測定する。この解決法は、１つの単一ＣＣＤアレイを使用して順次、部品の両側を読み取ることから、速度の減少を代償として、１つのＣＣＤ検出器を割愛することができる。

本発明のプロファイル測定機械は、ｘ軸に沿って往復台１００を駆動し、光学検出器１２０から一連の測定を収集し、測定中の部品のプロファイルを再構築するためのプログラム可能処理ユニット２００を含む。

光学源１１０内で光をコリメートするため、および光学検出器１２０内で残留光を測定するために使用される光学デバイスの詳細は、参照により本明細書に組み入れられる特許EP0507566に見出すことができ、さらには発展しない。特に、本発明では、光学素子を最小限に減少させて、光学収差を避け、調節を簡略化する。

好ましくは、本発明の機械は、心押し台６０に対する、および主軸台に対する、往復台１００の位置を検出し、いかなる衝突も避けるための位置センサを含み、たとえば、往復台が心押し台に近付くと、処理ユニットがその動きを減速させることができる。処理ユニットは、好ましくは、測定中の部品の長さに関わらず、可能な限り高速に走査を駆動するため、特定の位置信号により、複数工程で往復台の駆動を停止するようにプログラムされている。

機械は、結果を算出するためのプログラム可能処理ユニット２００、記憶ユニット、結果を示すための画面、結果を印刷するため、および仕分け機械の作動を可能にするための出力を含む。

本発明の変形例では、機械をより複雑な生産チェーンに統合することができ、操作をロボットによって行うことができ、この場合、電磁石システムが心押し台内部のばねを圧縮し、結果として、心押し台６０を主軸台５２の後方へ移動させ、部品を解放することによって、測定する部品の装填および解放を作動させることができる。

本発明の一側面によると、プログラム可能処理ユニット２００は、自動測定機能を実現するためのソフトウェアプログラムを含む。ソフトウェアは、好ましくは、たとえば、機械上にある特別に標示された「自動測定」ボタンへの単純な手動動作、または、前もってのプログラミングなしで同様に標示されたグラフィカルユーザインタフェースの要素によって作動させることができる。自動測定機能がアクティブであるとき、機械は、中心５５と６５との間に挿入された部品の輪郭を自動的に端部から端部まで走査し、直径ｄ_１、ｄ_２、……などの横断寸法、輪郭内で識別された断面の長手寸法ｘ_１、ｘ_２、……、および測定の瞬間における部品の特定の向きθ_１、θ_２を自動的に算出する。開始の向きは、機械内での部品の設置において与えられる。引き続いて、プログラムは、毎回既知の向きで、必要に応じて多くの回数にわたって部品を回転させることができる。

その後、測定された各寸法をその特定の位置およびその特定の向きに関連付け、測定中の部品の３Ｄ表現を構築することができる。２Ｄ表現では、投影のみが必要とされ、向きは使用されない。

測定オペレーション後、結果は、オペレータからのいかなるその他の動作も要することなく、画面上に表示すること、または印刷することができる。オペレータの動作を最小限にするために、処理は、全体的に自動化されている。測定が終了すると、オペレータは、測定中の部品を置き換えて、次の走査を実施することができる。

本発明の変形例では、自動測定が事前走査処理を開始して、加工部品の各断面を学習、ならびに、たとえば、光学素子の側方への速度変位および寸法変動を最適化するために、測定中の加工部品の異なる各ゾーンを走査するのに最良の速度を決定するための、加工部品の縁端などの各関心領域を測定するのに最良のパラメータを決定する。事前走査プロファイルは、反復測定モードで使用されるとき、オペレータが同じオペレーションを多くの回数にわたって繰り返したいとき、この処理を省くために、記憶しておくことができる。

光学素子の側方への速度変位が計算されて、可能な限り精密に測定される寸法変動を生成する。大きい寸法変動では、光学検出器のサンプリング限度に達することがあり、この場合、側方への速度は、小さい変位領域内でより多くの点をサンプリングするために、減少させなければならない。本発明は、寸法変動勾配に適合できる速度を有する。

本発明の別の変形例では、自動測定が、必要とされる側方への速度を評価することができ、その後、関心領域において、一部の特定領域のぼかし効果および回折を減少するように、光束の強度を変化することができる。

本発明の別の変形例では、自動測定は、連続的オペレーションの逐次プログラムであることができ、そこでは、加工部品のパラメータおよび関心領域を決定するための予備走査（事前走査）、ならびに、事前走査の結果により、異なる特殊走査条件での部品の１つ以上の詳細走査を見出すことができる。この変形例では、まず、基準を作成するために事前走査がなされる。詳細走査は、異なる関心領域での次のオペレーションとして行って、たとえば部品断面の真円度を試験することができ、往復台１００は領域に対応して設置され、部品は段階的または継続的に回転される一方、横断寸法がさまざまな角度で測定される。この変形例では、部品を、時計回りまたは反時計回りに所定の角度で繰り返し回転して、加工部品の異なる向きで１つより多くの走査をすることができる。この変形例では、回転して分析される領域は一部の他のものと比較されて、たとえば共通の平行度、および／または、円柱状または同心性拘束を分析すること、ならびにその後、結果を３Ｄスキャナなどにかけることができる。

本発明の別の変形例では、事前走査が行われたときの自動走査において、プログラム可能処理ユニットは、既に公知の加工部品があるかをそのメモリ内で検索すること、およびこの種の加工部品のために記憶されたプログラムシーケンスを再生することができる。プログラム可能ユニットは、名目上同一の部品の別の走査をする間にそれらを再使用するために、事前走査プロファイルおよび関連付けられた走査パラメータを保存することが可能である。好ましくは、自動走査プログラムは、部品が、測定機械内へ逆向きで挿入されたか否かを検出するための試験を含む。この場合、処理ユニットが、オペレータに警告して、より良好な正確度の結果のために部品を正しい向きに回すよう要請し、あるいは受け入れられるならば、処理ユニットが、逆向きで部品を測定するようプログラムシーケンスを逆にする。

事前走査プロファイルは、部品の不完全な画像であり、保存された情報に合致するためには、公知の走査プロファイルの主要寸法に合致しなければならない。寸法の変動が大きい領域の場合、事前走査と保存されたプロファイルとの間で多くの差異を見出すリスクは非常に重い。この場合、プログラムは寸法を簡略化して、加工部品の小さいマスク画像を作成するために大きい領域で見られる繰り返し可能な寸法のみを保つ。簡略化されたマスク画像は、さらに保存されたプロファイルと比較されて、何か対応する記憶されたプログラムシーケンスがあるかを見出すことができる。

測定機械は、好ましくは、主軸台保持部５０内部に校正体８０を含み、主軸台保持部５０は、光束が主軸台保持部を横断し、校正体８０の寸法を測定することを可能にする開口部５９を有する。往復台１００は、主軸台保持部５０がガイド４７上に懸下して部分的に重なるから、校正体８０と一直線上に並ぶように主軸台５２を越えて移動することができる。校正手順は、好ましくは、処理ユニット２００の管理下で自動化される。校正処理は、ＣＣＤ検出器および勾配点を測定範囲内に調整するため、電源オン時に使用される。校正体は、階段状縁端からなる。この校正処理は、温度変化の誤差を避けるものであって、「日常校正」と呼ばれる。この処理は、必要に応じてそのたびに、たとえば温度変化を検出して新規の校正処理を引き起こす温度センサによって繰り返すことができる。

各測定における校正体の測定は、本発明の変形例において行うことができるが、これは、全校正処理における完全測定よりも正確ではない。これを行うことは、測定値間の温度変化を分析するのに有用であり、通常は空調室を使用することによって温度変化を避けるので、その測定を毎回行う必要はない。

光源１１０および光検出器１２０を、光学表面上に堆積するおそれがある埃および他の物質から保護するために、これらの要素は、往復台１００の動きおよびコリメート光束の通過を可能にするための、本質的にｘ軸に平行な長軸を有する２つの細長いウィンドウ３３を有する静止ケーシング３０内に収容される。柔軟テープ１０２および１０３は、ローラ１０５のまわりにあって往復台１００によって駆動される２つの閉鎖ループにおいて接続されている。それらは、細長いウィンドウの、往復台１００に対応しない部分を閉鎖し、ケーシング３０内への埃および粒子の進入を制限する。

心押し台６０は、ガイド４７および光学定規１５０を保護する保護突片６６も含む。

Claims (6)

1. 固定された主軸台、固定された主軸台に対向した移動可能な心押し台、および前記主軸台から前記心押し台までの範囲で移動可能な可動式光学往復台が取り付けられている基準支持体を含むものであって、前記心押し台および前記光学往復台が線形軸（ｘ）に沿って移動可能であり、
   測定される部品が、前記ｘ軸の方向に、前記主軸台と前記心押し台との間で維持され、
   前記光学往復台が、前記測定中の部品によって遮られるように前記ｘ軸を横切って光束を方向付けるための光源を担持し、前記往復台はさらに、前記光源と並べられ、前記測定中の部品によって遮られなかった前記光束の残留光を受けるように配置された光学検出器を担持する、光学測定装置であって、
   一つの直線状ガイドまたはいくつかの直線状ガイドは、基準支持体上に固定され、前記光学往復台および前記心押し台は、前記一つのガイドまたは複数のガイド上で摺動可能に係合され、前記ｘ軸に沿って摺動可能であるのに対し、前記固定された主軸台は、基準表面上に固定され、少なくとも一部が前記直線状ガイド上に懸下する主軸台保持部上に設置されており、前記主軸台はさらに、測定中の部品と同じ軸に沿って、前記主軸台保持部の後方内部に、前記光学検出器の校正を行うための固定された校正体を含み、
   前記主軸台はさらに、前記校正体の寸法を測定するため、光束が前記主軸台保持部を横断するようにする開口を含む
   ことによって特徴付けられる、光学測定装置。
2. 前記光学往復台および前記移動可能な心押し台が、前記ｘ軸に沿って、少なくとも前記光学往復台および前記移動可能な心押し台の平衡位置を画定する複数の摺動パッドを持つ、前記一つのガイドまたは複数のガイド上で係合されている、請求項１記載の光学測定装置。
3. 前記光源および前記光学検出器を収容する静止ケーシング内に覆われ、ケーシングが、前記光学往復台の動きの経路に沿った前記光束の通過を許容する２つのウィンドウを有し、前記ウィンドウの少なくとも一部が、２つのループに接続され往復台で共通に駆動される２つの柔軟テープによって隠されている、請求項１記載の光学測定装置。
4. 前記主軸台はモータによって回転して駆動され、前記光束によって走査される表面を選択的に晒すために前記測定中の部品を回転させ、前記光学往復台はベルトによってモータシステムに接続されて、前記測定中の部品に沿って前記光学往復台を並進させる、請求項１記載の光学測定装置。
5. 前記主軸台および前記測定中の部品が、手動で回転可能である、請求項１記載の光学測定装置。
6. 前記移動可能な心押し台が、中央レールと係止可能な係止部、および、係止部が中央レールを係合するとき、前記心押し台を主軸台に向かって押すことを可能とし、かつ、前記係止部を係止解除することなく前記測定中の部品を解放するために、心押し台全体がｘ軸に沿って移動可能であることを許容する弾性要素を含む、請求項１記載の光学測定装置。

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