JP5763419B2 - 断面形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、断面形状測定方法に関する。

従来、物品の形状を測定するために、座標測定機により接触式プローブを測定対象物の表面に接触させて倣い移動をさせることで、測定対象物の形状についての測定データを取得することが行われている。
例えば、特許文献１では、タービンブレードの断面形状を測定するために、プローブの先端方向が任意に調整できる５軸制御の座標測定機を用い、測定対象物の表面に沿って蛇行させて表面形状データを取得し、あるいは測定対象物の外周を一巡させることで連続した断面形状データを取得している。

断面形状については、多くの測定対象物で、複数の位置での断面形状が必要とされる。例えば、タービンブレード等の長手方向にずれるにつれて徐々に翼形が異なるものでは、長手方向へ所定間隔で変位した複数位置での断面形状を正確に測定することが求められる。
このような断面形状の測定においては、一般に、断面形状測定するために測定対象物を一巡する動作がひとつのパートプログラムで組まれ、測定すべき断面位置ごとに同プログラムを実行している。各測定動作の位置変更時には、プローブの接触、測定のための移動、測定対象物からの離脱、位置の変更といった動作が必要であり、各動作ではそれぞれ加速および減速が必要となるため、作業効率が低下する。

これに対し、特許文献２では、複数位置の断面形状を連続して測定するべく、測定対象物にプローブをいったん接触させたら、所定位置で断面形状を測定した後、接触状態のまま位置を変更し、その位置で断面形状を測定する、という処理を繰り返し、一連の断面形状測定が終わったらプローブを測定対象物から離すようにしている。
特許文献２において、測定動作の始点および終点は測定対象物の長手方向に単純にずれた位置とされ、測定のための動作つまり測定対象物を一巡する動きは各測定位置で同様となっている。

ところで、測定対象物が円筒形状である場合、複数の位置でそれぞれ一巡するのではなく、螺旋状の軌跡で表面形状を測定することも行われる。螺旋状の軌跡をなぞる場合、測定動作が連続的になるため、移動速度を一定にする等、測定動作の間の測定状態を安定させることができる。特許文献３では、このような螺旋状の形状測定を行うとともに、その測定動作の前後にプリスキャンパス（加速区間）およびポストスキャンパス（減速区間）を設定し、その間の螺旋状の移動を行う区間での測定動作が定常状態で行われるようにして測定データの安定化を図っている。

特表２００９−５３１６９５号公報 特開２００９−２９３９９２号公報 特表２００９−５０１３２１号公報

前述した特許文献３のような、加速区間および減速区間による測定データの安定化は有益であるが、前述した特許文献２のような複数の断面形状の連続測定とそのまま組み合わせることができない。
つまり、特許文献２の断面形状測定は、プローブを測定対象物の表面に接触させた状態のまま連続して測定を行うものの、測定対象物を一巡する測定動作のつど測定位置を変更する動作が必要であり、プローブの移動自体は不連続となる。従って、一連の測定動作の前後の加速減速は有効でないことになる。
一方、特許文献３は、測定動作の前後の加速減速により、定常状態での測定が行えるものの、螺旋状の軌跡に限定されるため複数の断面形状が直接測定できず、これを得るためには複雑な演算処理等が必要になる。

本発明の目的は、定常状態で測定が行えるとともに、複数の断面形状が直接測定できる断面形状測定方法を提供することにある。

接触式のプローブを用いて測定対象物の複数の測定位置で前記測定対象物の断面形状を測定する断面形状測定方法であって、前記測定位置を通りかつ前記測定対象物を一巡する経路に沿って前記プローブを移動させる際に、前記プローブを前記測定対象物の一周分より所定の重複区間だけ長い距離移動させるとともに、次の前記測定位置へと前記プローブを移動させる際に、前記プローブの移動方向を前記断面形状が隣接する方向に対して傾斜させて前記重複区間分を相殺することを特徴とする。

このような本発明では、各測定位置において測定対象物を一巡する測定により、複数の断面形状が直接測定できるとともに、重複区間を利用してプローブの加速および減速を行うことができ、加速と減速との間の定常状態での測定を行うことができる。
この際、測定対象物を一巡する動作を、測定対象物の一周分より所定の重複区間だけ長い距離にわたって行うことで、測定動作を行う区間として測定対象物の一周分を確保することができる。
また、プローブの移動方向を断面形状が隣接する方向に対して傾斜させて重複区間分を相殺すること、つまり重複区間分の行き過ぎを戻すことで、各測定位置での測定動作の始点および終点を揃えることができる。

本発明において、前記重複区間は前記プローブの加速を行う加速区間と、減速を行う減速区間とであり、前記加速区間と前記減速区間との間の測定区間が測定対象物の一周分であることが望ましい。
このような本発明では、測定区間での測定動作の前後に加速および減速を行うことができ、測定動作の際にプローブを定常状態とすることができるとともに、測定区間において定常状態での測定動作を測定対象物の一周分にわたって確保することができる。

本発明において、前記断面形状として得られた測定データから測定動作の始点および終点の位置を取得し、前記始点および前記終点の中点を求め、前記測定データの前記始点および前記終点をそれぞれ前記中点に変更することが望ましい。

このような本発明では、始点と終点との位置が相違した場合でもこれらを一致させることができる。このような調整を行う場合、始点および終点の近傍領域のデータについても始点および終点の調整に倣って順次変更し、測定データが滑らかになるように調整することが望ましい。対象とする近傍領域は、始点と終点とのずれ量に基づいて適宜設定すればよく、ずれが大きい場合は領域を長くし、ずれが小さければ領域は小さくてよい。

本発明の一実施形態の装置構成を示す斜視図。 前記実施形態における測定動作を示す模式図。 前記実施形態における始点終点の補正を示す模式図。 前記実施形態によるタービンブレードの測定を示す模式図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔装置構成〕
図１において、本実施形態の形状測定装置は、接触式のプローブ１７を支持してその先端の三次元位置および向きを任意に制御できる５軸制御の三次元測定機１と、この三次元測定機１を駆動制御して接触位置の測定データを取り込んで測定対象物であるワーク３０の複数位置での断面形状測定処理を実行するコンピュータ２とから構成されている。

三次元測定機１は、上面が水平な定盤１１を有し、定盤１１は除震台１０に支持されるとともに、定盤１１上には、接触式のプローブ１７を支持して三次元移動させる移動機構１９とが設置されている。

移動機構１９は、定盤１１の両端側に立設されたビーム支持体１２Ａ，１２Ｂを有し、各々の上端によりＸ軸方向に延びるビーム１３が支持されている。ビーム支持体１２Ａは、その下端がＹ軸駆動機構１４によってＹ軸方向に駆動される。ビーム支持体１２Ｂは、その下端がエアーベアリングによって定盤１１にＹ軸方向に移動自在に支持されている。ビーム１３には垂直方向（Ｚ軸方向）に延びるコラム１５が支持され、コラム１５はビーム１３に沿ってＸ軸方向に駆動される。コラム１５にはホルダ１６が支持され、ホルダ１６はコラム１５に沿ってＺ軸方向に駆動される。各軸の駆動機構は、各軸における位置または移動量を検出する機能を有する。

プローブ１７は、ホルダ１６の下端に装着される。プローブ１７の先端には、例えば球形の接触子である先端球１７Ａを有するスタイラスが形成されている。プローブ１７は、ホルダ１６に装着される部分に対して先端球１７Ａを含むスタイラスを傾斜させる機能、および同スタイラスをホルダ１６に装着される部分の中心軸まわりに回転させる機能を有する。
プローブ１７は、前述した傾斜機能および回転機能とともに、移動機構１９による三次元移動により５軸制御され、定盤１１上に載置されたワーク３０の表面の任意の位置に任意の方向から先端球１７Ａを接触させることができる。

コンピュータ２は、コンピュータ本体２１および操作用のキーボード２２、表示装置２４及びプリンタ２５を備えている。
コンピュータ本体２１は、図示しない演算処理装置および記憶装置などを備えるとともに、図示しないインターフェイスを介してプローブ１７に接続されている。
コンピュータ２は、外部操作により起動され、記録されたプログラムを実行することで三次元測定機１の動作を制御し、プローブ１７からの信号を処理して指定された測定結果を出力できるようになっている。

〔測定手順〕
本実施形態においては、コンピュータ２で測定プログラムを実行することでコンピュータ２から三次元測定機１に動作指令が送られ、三次元測定機１において所定の測定動作が行われる。
具体的には、移動機構１９によりプローブ１７が定盤１１に対して三次元移動されるとともに方向を制御され、ワーク３０の周面に先端球１７Ａを接触させて表面形状の倣い測定を行うことにより、ワーク３０の複数位置における断面形状を連続的に測定する。

図２において、測定対象物であるワーク３０は、例えば円筒状の物体であり、その連続する方向（円筒形状の中心軸線方向）が連続方向Ｌとされている。
本実施形態では、ワーク３０の連続方向Ｌに所定間隔で配置される複数の測定位置Ｓ１，Ｓ２，…において、ワーク３０の断面形状Ｆ１，Ｆ２，…を測定する。
このために、本実施形態では、プローブ１７を移動させて先端球１７Ａをワーク３０の
測定位置Ｓ１に順次接触させてワーク３０の一周分の倣い形状測定を行うととともに、次の測定位置Ｓ２，…へと移動しつつ、同様な一周分の倣い形状測定を行ってゆく。
この際、プローブ１７の移動を含む測定動作は、本発明に基づいて次のように行われる。

測定動作に先立って、ワーク３０の周面３１に、プローブ１７の動作に関する加速位置Ａａ、基準位置Ａｎ、減速位置Ａｄを設定しておく。
これらの各位置Ａａ，Ａｎ，Ａｄは、各測定位置Ｓ１，Ｓ２，…でプローブ１７の接触、加速、測定、減速ないし次の位置への移動を規定するものであり、加速位置Ａａから基準位置Ａｎまでが加速区間Ｅａとされ、基準位置Ａｎから減速位置Ａｄまでが減速区間Ｅｄとされる。

基準位置Ａｎを基準にしてワーク３０を一周する区間（一周分）が測定区間Ｅｎとされ、前の測定位置（例えば測定位置Ｓ１）の減速位置Ａｄから次の測定位置（例えば測定位置Ｓ２）の加速位置Ａａまでの区間が、プローブ１７を次の測定位置へ移動させるための変移区間Ｅｍとされる。
なお、これらの加速位置Ａａ、基準位置Ａｎ、減速位置Ａｄは、例えばワーク３０の連続方向Ｌを中心とした角度位置で規定され、連続方向Ｌの位置（各測定位置Ｓ１，Ｓ２，…）が決まることで具体的な周面３１上の具体的な点の位置（断面形状Ｆ１，Ｆ２，…の輪郭線上の位置）として確定できればよい。

これらの設定の後、プローブ１７を移動させて具体的な測定を行う。
まず、第１の測定位置Ｓ１における断面形状Ｆ１を測定するために、測定位置Ｓ１の加速位置Ａａである点Ｐ１へとプローブ１７を移動させ、先端球１７Ａをこの点Ｐ１で周面３１に接触させる（配置工程）。
続いて、プローブ１７を移動させ、先端球１７Ａを周面３１に接触させたまま加速区間Ｅａに沿って加速しつつ移動させ、基準位置Ａｎの点Ｐ２において所定の測定速度（周面３１に対する相対速度）となるように加速し、そのまま点Ｐ２を通過させる（加速工程）。

プローブ１７が点Ｐ２を通過したら、そのままプローブ１７の移動を継続し、前述した測定速度を維持した状態でワーク３０を一巡させ、一周分の測定区間Ｅｎにわたって周面３１に摺接する先端球１７Ａの位置を記録する（測定工程）。
測定区間Ｅｎを経て再び基準位置Ａｎの点Ｐ２へ戻ったら、そのまま点Ｐ２を通過させるとともに、減速区間Ｅｄに沿って移動させつつ減速し、減速位置Ａｄである点Ｐ３において停止させる（減速工程）。

続いて、次の測定位置（第２の測定位置Ｓ２）での測定に移るために、先端球１７Ａを周面３１に接触させたまま、プローブ１７を周面３１に沿って斜め（連続方向Ｌに対して傾斜した状態）に移動させる（変移工程）。
そして、第１の測定位置Ｓ１と同様に、測定位置Ｓ２の加速位置Ａａである点Ｐ４へとプローブ１７を移動させる（配置工程）。
この後、第１の測定位置Ｓ１と同様に、加速工程（点Ｐ５まで加速）、測定工程（一周して点Ｐ５に戻る）、減速工程（点Ｐ６で停止）を行うことにより、第２の測定位置Ｓ２における断面形状Ｆ２を測定が行われる。
以下、各測定位置に対して同様の工程群を繰り返すことで、複数の測定位置Ｓ１，Ｓ２，…における断面形状Ｆ１，Ｆ２，…が測定できる。

コンピュータ２においては、前述したプローブ１７の位置が連続的に記録されている。具体的には、第１の測定位置Ｓ１の加速位置Ａａである点Ｐ１で先端球１７Ａが周面３１に接触した後、最後の測定位置で先端球１７Ａが周面３１から離脱するまでの期間、ずっと先端球１７Ａの位置が記録されている。
このような原データに対して、測定工程で移動する測定区間Ｅｎにより各測定位置Ｓ１，Ｓ２，…におけるワーク３０の一周分のデータを切り出すことで断面形状Ｆ１，Ｆ２，…として取得できる。つまり、測定位置Ｓ１においては、はじめに点Ｐ２を通過した時点（始点）からワーク３０を一周して点Ｐ２に戻った時点（終点）までを切り出すことで第１の測定位置Ｓ１における断面形状Ｆ１が得られる。他の測定位置Ｓ２，…についても同様に切り出すことで断面形状Ｆ２，…が得られる。

なお、本実施形態においては、断面形状Ｆ１，Ｆ２，…となる測定データが閉じた環状となるように、始点と終点との補正を行う。
図３に示すように、プローブ１７がワーク３０を一周する際、はじめに通った点Ｐ２に対して、三次元測定機１の動作精度の関係で、再び通る点Ｐ２’が微少なずれを生じることがある。この場合、断面形状Ｆ１の輪郭データとしては始点が点Ｐ２、終点が点Ｐ２’となり、環状に閉じていない。

これに対し、本実施形態では、コンピュータ２におけるデータ処理にあたって、はじめに通った点Ｐ２と再び通る点Ｐ２’とを結ぶ直線を想定し、その中点となる点Ｐ２”を断面形状Ｆ１の輪郭データの始点であり終点である点に差し替える。さらに、断面形状Ｆ１の輪郭データのうち、例えば加速区間Ｅａおよび減速区間Ｅｄに相当する領域のデータを調整し、差し替えた始点であり終点である点Ｐ２”に滑らかに連続するように補正する。
このような始点および終点の補正を行うことで、閉じた環状の測定データによる断面形状Ｆ１，Ｆ２，…を得ることができる。

以上のような本実施形態によれば次のような効果がある。
各測定位置Ｓ１，Ｓ２，…においてワーク３０を一巡する測定により、複数の断面形状Ｆ１，Ｆ２，…が直接測定できるとともに、重複区間である加速区間Ｅａおよび減速区間Ｅｄを利用してプローブ１７の加速および減速を行うことができ、測定区間Ｅｎにおいては加速あるいは減速のない定常状態での測定を行うことができる。
各測定位置Ｓ１，Ｓ２，…において、ワーク３０を一巡する動作を、ワーク３０の一周分より所定の重複区間（加速区間Ｅａと減速区間Ｅｄの和）だけ長い距離にわたって行うようにしたため、測定区間Ｅｎとしてワーク３０の一周分を確保することができる。

また、変移区間Ｅｍにおいて、プローブ１７の移動方向をワーク３０の連続方向Ｌ（断面形状Ｆ１，Ｆ２，…が隣接する方向）に対して傾斜させ、重複区間分を相殺する（つまり重複区間分の行き過ぎを戻す）ようにしたため、各測定位置Ｓ１，Ｓ２，…での測定動作の始点および終点を同じ基準位置Ａｎに揃えることができる。
さらに、測定区間Ｅｎの始点である点Ｐ２および終点である点Ｐ２’が相違した場合でもこれらを補正して点Ｐ２”に一致させるようにしたため、各測定位置Ｓ１，Ｓ２，…における断面形状Ｆ１，Ｆ２，…の測定データを環状に閉じたものとすることができる。

なお、本発明は前述した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内での変形等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、始点である点Ｐ２および終点である点Ｐ２’とを各々の中点である点Ｐ２”に補正したが、始点である点Ｐ２または終点である点Ｐ２’の何れかに補正するようにしてもよい。

また、始点および終点の補正にあたって、滑らかに変化するように近傍領域のデータも補正するとしたが、このような補正を行う近傍領域は、前記実施形態のように加速区間Ｅａおよび減速区間Ｅｄにあわせてもよく、あるいは他の区間を別途設定してもよい。例えば、始点である点Ｐ２および終点である点Ｐ２’とのずれが大きい場合には、補正を加える近傍領域も大きくし、逆にずれが小さい場合は補正を行う近傍領域は小さくするとしてもよい。
さらに、近傍領域の補正を省略し、点Ｐ２の輪郭データと点Ｐ２’の輪郭データとの平均値を、点Ｐ２”の輪郭データとする補正のみとしてもよい。このようにすれば、近傍領域の補正を行った場合よりも輪郭データとしての滑らかさが低下するが、演算処理を一層簡単にすることができる。

前記実施形態では、加速区間Ｅａおよび減速区間Ｅｄをほぼ同じ長さとしたが、これらは異なる長さとしてもよく、各々の長さも実施にあたって適宜設定すればよい。
前記実施形態では、減速区間Ｅｄで減速位置Ａｄに達したら、一旦停止して変移区間Ｅｍに移行するものとしたが、減速位置Ａｄで停止することなく、緩やかな円弧状軌跡を描きつつ変移区間Ｅｍに移行するようにしてもよい。
同様に、変移区間Ｅｍから加速区間Ｅａに移行する際にも、加速位置Ａａで一旦停止することなく、緩やかな円弧状軌跡を描きつつ加速区間Ｅａに移行するようにしてもよい。

前記実施形態では、測定対象物として円筒状のワーク３０を用いたが、測定対象物は他の形状であってもよく、例えば図４に示すように、タービンブレード３０Ａに好適に使用できる。さらに、タービンブレード３０Ａに限らず、その他の翼材、長尺の加工品などにも適用できる。また、長尺の測定対象物に限らず、ブロック状その他の塊状の測定対象物に対しも適用可能である。

１…三次元測定機
２…コンピュータ
１０…除震台
１１…定盤
１７…プローブ
１７Ａ…先端球
１９…移動機構
３０…ワーク
３０Ａ…ワークであるタービンブレード
３１…周面
Ａａ…加速位置
Ａｄ…減速位置
Ａｎ…基準位置
Ｅａ…加速区間
Ｅｄ…減速区間
Ｅｍ…変移区間
Ｅｎ…測定区間
Ｆ１，Ｆ２，…断面形状
Ｓ１，Ｓ２，…測定位置

Claims (3)

1. 接触式のプローブを用いて測定対象物の複数の測定位置で前記測定対象物の断面形状を測定する断面形状測定方法であって、
   前記測定位置を通りかつ前記測定対象物を一巡する経路に沿って前記プローブを移動させる際に、前記プローブを前記測定対象物の一周分より所定の重複区間だけ長い距離移動させるとともに、
   次の前記測定位置へと前記プローブを移動させる際に、前記プローブの移動方向を前記断面形状が隣接する方向に対して傾斜させて前記重複区間分を相殺することを特徴とする断面形状測定方法。
2. 請求項１に記載の断面形状測定方法において、
   前記重複区間は前記プローブの加速を行う加速区間と、減速を行う減速区間とであり、前記加速区間と前記減速区間との間の測定区間が測定対象物の一周分であることを特徴とする断面形状測定方法。
3. 請求項２に記載の断面形状測定方法において、
   前記断面形状として得られた測定データから測定動作の始点および終点の位置を取得し、前記始点および前記終点の中点を求め、前記測定データの前記始点および前記終点をそれぞれ前記中点に変更することを特徴とする断面形状測定方法。

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