JP6030339B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、形状測定装置に関する。

従来、被測定物を測定する測定子を有するプローブと、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、被測定物の表面に倣って測定子を移動させることで被測定物の形状を測定する形状測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の装置は、ＣＡＤデータ等に基づいた設計値（ＮＵＲＢＳ（Non-Uniform Rational B-Spline：非一様有理Ｂスプライン）データ）をＰＣＣ（Parametric Cubic Curves）曲線群に変換し、ＰＣＣ曲線群を分割した分割ＰＣＣ曲線群から速度曲線を算出してプローブの移動速度を算出する。そして、設計値に基づいて算出された移動速度に基づいてプローブを移動させ、測定子と被測定物の表面に倣って移動させる（設計値倣い）。
また、形状測定装置として、設計値データを用いず、プローブの被測定物への押込み量を検出して、押込み量が所定の基準押込み量となるように、プローブを被測定物の表面に倣って移動させる（自律倣い）装置も知られている。

特開２００８−２４１４２０号公報

ところで、上記特許文献１に記載のような設計値倣いでは、設計値に従って設定された経路に沿って測定子を移動させるため、高速な形状測定を実施することができる。しかしながら、プローブの被測定物への押込み量の変化は考慮されないため、例えば、被測定物の表面に、設計上存在しない凹部が存在し、その凹部上に測定子が来た場合、押込み量が低下し、測定子が被測定物の表面から離れてしまうことがあり、この場合、測定精度が低下するという課題がある。
一方、自律倣いでは、押込み量が一定となるようにプローブを移動させるため、測定子が被測定物から離れる可能性が低く、精度の高い形状測定を実施することができる。しかしながら、曲率が急激に変化する被測定物等にも対応するためには、プローブの移動速度を抑える必要が生じ、測定時間が長くなるという課題がある。

本発明は、高精度で、かつ迅速な形状測定を実施可能な形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明の形状測定装置は、先端に測定子を有するプローブと、前記測定子を被測定物の表面に倣って移動させる移動機構と、前記測定子と前記被測定物の表面との接触を検出して前記被測定物の形状を測定する形状測定装置であって、前記被測定物の設計情報を取得する情報取得部と、前記設計情報に基づいて前記測定子を移動させる経路を設定する経路設定部と、前記経路に沿った前記プローブの速度成分ベクトルである経路速度ベクトルを算出する経路成分算出部と、前記プローブの前記被測定物への押込み量を検出し、前記押込み量を所定の基準押込み量に修正するための速度成分ベクトルである押込み修正ベクトルを算出する押込み方向成分算出部と、前記プローブの現在位置及び前記経路に基づいて、前記プローブの前記経路からの軌道ずれ量及び軌道ずれ方向を検出し、前記プローブの位置を前記経路上に戻すための速度成分ベクトルである軌道修正ベクトルを算出する軌道修正成分算出部と、前記経路速度ベクトル、前記押込み修正ベクトル、及び前記軌道修正ベクトルを合成した速度合成ベクトルを算出する速度合成部と、前記速度合成ベクトルに基づいて前記プローブを移動させる駆動制御部と、を備え、前記速度合成部は、前記経路速度ベクトルに対して所定の経路方向ゲインをかけ合わせて補正し、前記押込み修正ベクトルに対して所定の押込み方向修正ゲインをかけ合わせて補正し、前記軌道修正ベクトルに対して所定の軌道修正ゲインをかけ合わせて補正し、補正された経路速度ベクトル、補正された押込み修正ベクトル、補正された軌道修正ベクトルを合成して前記速度合成ベクトルを算出することを特徴とする。

本発明では、経路設定部は、情報取得部により取得された設計情報に基づいて、測定子を移動させる経路を設定する。そして、速度合成部は、経路成分算出部により算出される経路に沿った経路速度ベクトルと、押込み方向成分算出部により算出される押込み修正ベクトルと、軌道修正成分算出部により算出される軌道修正ベクトルとを合成した速度合成ベクトルを算出し、駆動制御部は、この速度合成ベクトルに従ってプローブを駆動させる。
このため、本発明では、測定子を設定された経路に沿って移動させることで、迅速な形状測定を実施することができる。これに加え、押込み修正ベクトルにより、押込み量が基準押込み量となるように駆動制御されるので、被測定物の表面に製造誤差等がある場合でも、例えば測定子が被測定物から離れる不都合を回避でき、高精度な形状測定を実施することができる。

本発明の形状測定装置では、前記速度合成部は、前記経路速度ベクトルに対して所定の経路方向ゲインをかけ合わせて補正し、補正された経路速度ベクトル、前記押込み修正ベクトル、及び前記軌道修正ベクトルに基づいて前記速度合成ベクトルを算出し、前記押込み量及び基準押込み量の差分値が所定の第一閾値よりも大きく、かつ、前記軌道ずれ量が所定の第二閾値よりも大きい場合に、前記差分値が前記第一閾値よりも小さい場合、及び前記軌道ずれ量が前記第二閾値よりも小さい場合の少なくともいずれかの条件を満たす場合に比べて、前記経路方向ゲインを小さくすることが好ましい。

本発明では、押込み量と基準押込み量との差分値が第一閾値より大きく、軌道ずれ量が第二閾値より大きい場合、プローブの現在位置が、設定された経路から大きく外れている可能性がある。この場合、倣い方向への速度が大きいと、設定された経路に対する測定値を正しく測定できない場合がある。これに対して、本発明では、経路方向ゲインを低減させることで、倣い方向への速度を低減させることができ、迅速にプローブ位置を経路に復帰させることができるので、設定された経路に対する精度の高い測定を行うことができる。

本発明の形状測定装置では、前記速度合成部は、前記押込み修正ベクトルに対して所定の押込み方向修正ゲインをかけ合わせて補正し、補正された押込み修正ベクトル、前記経路速度ベクトル、及び前記軌道修正ベクトルに基づいて前記速度合成ベクトルを算出し、前記押込み量及び基準押込み量の差分値が所定の第一閾値以下である場合、前記差分値が前記第一閾値より大きい場合に比べて、前記押込み方向修正ゲインを小さくすることが好ましい。
本発明では、押込み量及び基準押込み量の差分値が第一閾値以下である場合、前記差分値が第一閾値より大きい場合に比べて、小さい押込み方向修正ゲインを用いる。これにより、押込み量の修正量も小さくでき、精度よく基準押込み量に合わせこむことができる。

本発明の形状測定装置は、前記速度合成部は、前記軌道修正ベクトルに対して所定の軌道修正ゲインをかけ合わせて補正し、補正された軌道修正ベクトル、前記経路速度ベクトル、及び前記押込み修正ベクトルに基づいて前記速度合成ベクトルを算出し、前記軌道ずれ量が所定の第二閾値以下である場合、前記軌道ずれ量が前記第二閾値よりも大きい場合に比べて、前記軌道修正ゲインを小さくすることが好ましい。
本発明では、軌道ずれ量が第二閾値以下である場合に、軌道ずれ量が第二閾値より大きい場合に比べて、小さい軌道修正ゲインを用いる。これにより、軌道ずれ量が小さく、プローブの現在位置が経路に近い場合では、軌道修正量の急激な増大を抑制し、プローブを経路上に精度よく移動（復帰）させることができる。

本発明の形状測定装置は、前記押込み方向成分算出部は、前記被測定物の前記測定子が接触した位置における法線方向を前記押込み方向として、前記押込み修正ベクトルを算出することが好ましい。
測定子を被測定物の表面に倣って移動させると、測定子と被測定物との間に摩擦力が生じ、プローブの振れ方向（変位方向）と、被測定物の法線方向とが一致しない場合がある。このため、プローブの変位方向を押込み方向として押込み修正ベクトルを算出すると、プローブが意図しない方向に移動するおそれがあり、測定精度が低下する。これに対して、本発明では、測定子が被測定物に接触した位置における被測定物の法線方向を押込み方向とするので、被測定物の法線方向を押込み方向とした精度の高い押込み修正ベクトルを算出でき、測定精度の向上を図れる。

本発明に係る一実施形態の形状測定装置である三次元測定機を示す全体模式図。 本実施形態の三次元測定機の概略構成を示すブロック図。 本実施形態のプローブの速度ベクトルを算出する方法を示すフローチャート。 測定子の軌道、及び測定子に係る各速度成分ベクトルを示す図。 ＰＣＣ曲線群の一例を示す図。 摩擦が発生しない場合における倣い測定のモデルを示す図。 摩擦が発生した場合における倣い測定のモデルを示す図。 測定子を倣い方向に移動させた際に摩擦力が作用した場合の押込み修正ベクトルの算出方法を説明するための図。

以下、本発明に係る一実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る一実施形態の形状測定装置である三次元測定機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。なお、当該Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向により、マシン座標系が規定される。以下の図面においても同様である。

〔三次元測定機本体の構成〕
三次元測定機本体２は、図１に示すように、被測定物を測定するための球状の測定子２１１Ａを有するプローブ２１と、プローブ２１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。
プローブ２１は、図１に示すように、測定子２１１Ａを先端側（−Ｚ軸方向側）に有するスタイラス２１１と、スタイラス２１１の基端側（＋Ｚ軸方向側）を支持する支持機構２１２とを備える。

支持機構２１２は、スタイラス２１１をＸ，Ｙ，Ｚ軸の各軸方向に付勢することで所定位置に位置決めするように支持する。そして、支持機構２１２は、外力が加わった場合、すなわち測定子２１１Ａが被測定物に当接した場合には、スタイラス２１１を一定の範囲内でＸ，Ｙ，Ｚ軸の各軸方向に移動可能としている。
この支持機構２１２は、具体的な図示は省略したが、スタイラス２１１の各軸方向の位置をそれぞれ検出するためのプローブセンサーを備える。
なお、各プローブセンサーは、スタイラス２１１の各軸方向の移動量に応じたパルス信号を出力する位置センサーである。

移動機構２２は、図１または図２に示すように、プローブ２１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、図１に示すように、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または図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２５１Ｙ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２５１Ｘ（図２）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２５１Ｚ（図２）とを備える。

Ｘ軸駆動部２５１Ｘ、Ｙ軸駆動部２５１Ｙ、及びＺ軸駆動部２５１Ｚには、具体的な図示は省略したが、スライダ２４３、各コラム２４１、及びラム２４４の各軸方向の位置を検出するためのスケールセンサーがそれぞれ設けられている。
なお、各スケールセンサーは、スライダ２４３、各コラム２４１、及びラム２４４の移動量に応じたパルス信号を出力する位置センサーである。

〔モーションコントローラーの構成〕
モーションコントローラー３は、図２に示すように、ＰＣＣ取得部３１と、カウンタ部３２と、演算処理部３３と、記憶部３４と、プローブ指令部３５と、駆動制御部３６とを備える。
ＰＣＣ取得部３１は、ホストコンピューター５から、プローブ２１を駆動させるためのＰＣＣコマンド（ＰＣＣデータ）を取得する。
カウンタ部３２は、上述した各スケールセンサーから出力されるパルス信号をカウントしてスライド機構２４の移動量を計測するとともに、上述した各プローブセンサーから出力されるパルス信号をカウントしてスタイラス２１１の移動量を計測する。
演算処理部３３は、カウンタ部３２にて計測されたスライド機構２４及びスタイラス２１１の各移動量に基づいて、測定子２１１Ａの位置ＰＰ（以下、プローブ位置ＰＰ）を算出する。
そして、演算処理部３３は、算出したプローブ位置ＰＰを記憶部３４に記憶させる。
また、演算処理部３３は、カウンタ部３２にて計測されたスタイラス２１１の移動量（各プローブセンサーの検出値（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ））に基づいて、以下の式（１）に示すように、測定子２１１Ａの押込み量（ベクトルＥｐの絶対値）を算出する。

プローブ指令部３５は、演算処理部３３にて算出されたプローブ位置ＰＰ及び押込み量と、ＰＣＣ取得部３１にて取得されたＰＣＣデータとに基づいて、測定子２１１Ａを被測定物Ｗに押し込んだ状態で、被測定物Ｗの表面に倣って測定子２１１Ａを移動させるためのプローブ指令値（速度合成ベクトル）を算出する。
具体的には、プローブ指令部３５は、経路成分算出部３５１、押込み方向成分算出部３５２、軌道修正成分算出部３５３、及び速度合成部３５４を備える。

経路成分算出部３５１は、ＰＣＣデータに基づくプローブ２１の経路に沿った速度成分ベクトル（経路速度ベクトル）を算出する。
押込み方向成分算出部３５２は、演算処理部３３で算出された押込み量に基づいて、押込み量を予め設定された基準押込み量に戻すための、押込み方向への速度成分ベクトル（押込み修正ベクトル）を算出する。

軌道修正成分算出部３５３は、測定子２１１Ａの現在位置と、経路情報の経路とに基づいて、測定子２１１Ａを経路上に戻すための速度成分ベクトル（軌道修正ベクトル）を算出する。
速度合成部３５４は、経路速度ベクトル、押込み修正ベクトル、及び軌道修正ベクトルを合成した速度合成ベクトルを算出し、駆動制御部３６に出力する。
なお、プローブ指令部３５による詳細な処理については後述する。
駆動制御部３６は、プローブ指令部３５にて算出されたプローブ指令値に基づいて、駆動機構２５を制御してプローブ２１を移動させる。

〔ホストコンピューターの構成〕
ホストコンピューター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ー３に所定の指令を与えることで三次元測定機本体２を制御する。
このホストコンピューター５は、図２に示すように、情報取得部５１と、経路設定部５２と、形状解析部５３と、記憶部５４とを備える。
情報取得部５１は、ＣＡＤシステム（図示略）から被測定物Ｗの設計情報（ＣＡＤデータや、ＮＵＲＢＳデータ等）を取得する。
経路設定部５２は、情報取得部５１により取得した設計情報に基づいて、プローブ２１を移動させる経路（ＰＣＣデータ）を設定する。
形状解析部５３は、モーションコントローラー３から出力された測定データに基づいて被測定物の表面形状データを算出し、算出した被測定物の表面形状データの誤差や歪み等を求める形状解析を行う。
記憶部５４は、ホストコンピューター５で用いられるデータ、被測定物Ｗの形状に関する設計情報等が記憶されている。

〔三次元測定機の動作〕
次に、上述したような三次元測定機１の動作について説明する。
図３は、本実施形態において、プローブ２１を被測定物Ｗの表面に倣って移動させる際のプローブ２１の速度ベクトルを算出する方法を示すフローチャートである。
図４は、測定子の軌道、及び測定子に作用する各速度成分ベクトルを示す図である。
本実施形態では、被測定物Ｗの表面形状を測定する際、ホストコンピューター５の情報取得部５１は、ＣＡＤシステムからＮＵＲＢＳデータ（設計情報）を取得する（Ｓ１）。

次に、経路設定部５２は、取得したＮＵＲＢＳデータを点群データに変換し、更に、点群データの各点を、ＮＵＲＢＳデータの曲線の法線方向にオフセット処理して、ＰＣＣ曲線群に転換する。すなわち、経路設定部５２は、倣い測定においてプローブ２１を移動させる経路を設定する（Ｓ２）。図５は、ＰＣＣ曲線群の一例を示す図である。
なお、オフセット量としては、（測定子２１１Ａの半径）−（基準押込み量）とする。また、ＰＣＣ曲線群は、複数の点によりセグメント（分割ＰＣＣ曲線）毎に分割される。ここで、任意のＰＣＣ曲線の開始点の座標（Ｋ_Ｘ０，Ｋ_Ｙ０，Ｋ_Ｚ０）、その分割ＰＣＣ曲線の直線長さをＤとすると、ＰＣＣ曲線上の任意の位置における座標（Ｘ（Ｓ），Ｙ（Ｓ），Ｚ（Ｓ））は、以下に示す式（２）となる。

［数２］
Ｘ（Ｓ）＝Ｋ_Ｘ３×Ｓ^３＋Ｋ_Ｘ２×Ｓ^２＋Ｋ_Ｘ１×Ｓ＋Ｋ_Ｘ０
Ｙ（Ｓ）＝Ｋ_Ｙ３×Ｓ^３＋Ｋ_Ｙ２×Ｓ^２＋Ｋ_Ｙ１×Ｓ＋Ｋ_Ｙ０
Ｚ（Ｓ）＝Ｋ_Ｚ３×Ｓ^３＋Ｋ_Ｚ２×Ｓ^２＋Ｋ_Ｚ１×Ｓ＋Ｋ_Ｚ０ …（２）
ただし、Ｓ［０，Ｄ］。また、Ｋ_{Ｘ３〜Ｘ０}、Ｋ_{Ｙ３〜Ｙ０}、Ｋ_{Ｚ３〜Ｚ０}は、定数。

次に、モーションコントローラー３のＰＣＣ取得部３１は、ホストコンピューター５からＰＣＣデータ（ＰＣＣコマンド）を取得する（Ｓ３）。具体的には、ＰＣＣ取得部３１は、上記式（２）におけるＫ_{Ｘ３〜Ｘ０}、Ｋ_{Ｙ３〜Ｙ０}、Ｋ_{Ｚ３〜Ｚ０}、及びＤの値をホストコンピューター５から受け取る。

そして、経路成分算出部３５１は、取得したＫ_{Ｘ３〜Ｘ０}、Ｋ_{Ｙ３〜Ｙ０}、Ｋ_{Ｚ３〜Ｚ０}、及びＤのＰＣＣデータと、分割ＰＣＣ曲線の曲率とに基づいて、経路速度ベクトルＶｆを算出する（Ｓ４）。ここで、経路成分算出部３５１は、ＰＣＣ曲線群をＭ個の分割ＰＣＣ曲線に分割した場合、各分割ＰＣ曲線（ｉ）（ｉ＝１〜Ｍ）に対して、それぞれ経路速度ベクトルＶｆを生成する。

この後、演算処理部３３は、例えば一定のサンプリング間隔でカウンタ部３２にて計測されたスライド機構２４及びスタイラス２１１の各移動量を取り込む（Ｓ５）。
Ｓ５の後、演算処理部３３は、取り込んだスライド機構２４及びスタイラス２１１の各移動量に基づいて、プローブ位置ＰＰを算出するとともに、式（１）に基づいて測定子２１１Ａの押込み量を算出する（Ｓ６）。

Ｓ６の処理の後、プローブ指令部３５は、算出されたプローブ位置ＰＰが、経路における終点であるか否かを判定する（Ｓ７）。
Ｓ７において、終点でないと判定された場合、プローブ２１の駆動速度を算出して、算出した駆動速度でプローブ２１を駆動させる。
これには、まず、押込み方向成分算出部３５２は、プローブ２１の被測定物Ｗへの押込み量を予め設定された基準押込み量に修正するための押込み修正ベクトルを算出する（Ｓ８）。
具体的には、押込み方向成分算出部３５２は、下記式（３）に基づいて、押込み修正ベクトルＶｅを算出する。

式（３）において、Ｋは、定数、Ｅ_０は、基準押込み量であり、予め設定された値を用いることができる。ベクトルＥｐの絶対値は、Ｓ６により算出されるプローブ２１の押込み量であり、ベクトルｅ_ｕは、押込み方向における単位ベクトルである。ここで、本実施形態では、ベクトルｅ_ｕとして、プローブ２１の変位方向（振れ方向）の単位ベクトルを算出する。

次に、軌道修正成分算出部３５３は、プローブ位置ＰＰと、Ｓ２により設定された経路とに基づいて、プローブ位置ＰＰが経路から逸れた場合の軌道修正ベクトルＶｃを算出する（Ｓ９）。
具体的には、軌道修正成分算出部３５３は、プローブ位置ＰＰから経路上に下した垂線の足をＰとし、プローブ位置ＰＰと点Ｐの距離を軌道ずれ量、プローブ位置ＰＰから点Ｐに向かう方向を軌道修正方向（点Ｐからプローブ位置ＰＰに向かう軌道ずれ方向とは反対の方向）とし、軌道修正ベクトルＶｃを算出する。

この後、速度合成部３５４は、Ｓ４、Ｓ８、及びＳ９により算出された経路速度ベクトルＶｆ、押込み修正ベクトルＶｅ、軌道修正ベクトルＶｃを合成して、速度合成ベクトルＶを算出する（Ｓ１０）。なお、経路速度ベクトルＶｆとしては、Ｓ６により検出されたプローブ位置ＰＰに対応した分割ＰＣＣ曲線に対応する速度ベクトルを用いる。プローブ位置ＰＰが経路から外れている場合は、プローブ位置ＰＰから経路に下した垂線の足である点Ｐが所属する分割ＰＣＣ曲線での経路速度ベクトルを取得すればよい。
そして、速度合成部３５４は、以下の式（４）に基づいて、速度合成ベクトルＶを算出する。

上記式（４）において、Ｇｆは、倣い駆動ゲイン（経路方向ゲイン）、Ｇｅは、押込み方向修正ゲイン、Ｇｃは軌道修正ゲインである。
ここで、Ｓ６において検出される押込み量（ベクトルＥｐの絶対値）と、予め設定された基準押込み量（Ｅ_０）との差分値をＥとし、Ｓ９において検出される軌道ずれ量をＣとして、倣い駆動ゲインＧｆは、関数ｆ_１（Ｃ，Ｅ）を適用する。この関数ｆ_１（Ｃ，Ｅ）は、差分値Ｅが所定の第一閾値より大きく、かつ軌道ずれ量Ｃが所定の第二閾値よりも大きい場合に、差分値Ｅが第一閾値以下である場合、及び軌道ずれ量Ｃが第二閾値以下である場合の少なくともいずれか一方を満たす場合に比べて、小さい値を返す関数である。
また、押込み方向修正ゲインＧｅは、関数ｆ_２（Ｅ）を適用する。この関数ｆ_２（Ｅ）は、差分値Ｅが第一閾値以下である場合に、差分値Ｅが第一閾値より大きい場合に比べて、小さい値を返す関数である。
また、軌道修正ゲインＧｃは、関数ｆ_３（Ｃ）を適用する。この関数ｆ_３（Ｃ）は、軌道ずれ量Ｃが第二閾値以下である場合に、軌道ずれ量Ｃが第二閾値より大きい場合に比べて、小さい値を返す関数である。

そして、速度合成部３５４は、算出した速度合成ベクトルＶをプローブ指令値として駆動制御部３６に入力する。これにより、プローブ２１が速度合成ベクトルＶに基づいて駆動される（Ｓ１１）。この後、Ｓ５の処理に戻り、サンプリング間隔でプローブ位置ＰＰ及び押込み量の算出を実施し、プローブ位置ＰＰが終点に到達するまで、上記Ｓ５からＳ１１の処理を繰り返す。
一方、プローブ位置ＰＰが終点に到達すると、上述したＳ７の処理において、「Ｙｅｓ」と判定され、測定処理を終了させる。

〔本実施形態の作用効果〕
本実施形態の三次元測定機１では、情報取得部５１は、ＣＡＤシステムから入力された設計情報を取得し、経路設定部５２は、取得した設計情報に基づいて、プローブ２１の移動経路を設定する。そして、経路成分算出部３５１は、設定された経路に基づいて、倣い方向に沿う速度成分ベクトルである経路速度ベクトルＶｆを算出する。また、押込み方向成分算出部３５２は、演算処理部３３により算出された測定子２１１Ａの押込み量に基づいて、当該押込み量を所定の基準押込み量に設定するための押込み修正ベクトルＶｅを算出する。さらに、軌道修正成分算出部３５３は、プローブ位置ＰＰと、設定された経路とに基づいて、プローブ位置ＰＰを経路上に復帰させるための軌道修正ベクトルＶｃを算出する。
そして、速度合成部３５４は、式（４）に基づいて、経路速度ベクトルＶｆ、押込み修正ベクトルＶｅ、軌道修正ベクトルＶｃを合成した速度合成ベクトルＶを算出し、この速度合成ベクトルＶをプローブ指令値として駆動制御部３６に入力してプローブ２１を駆動させる。
このため、本実施形態では、プローブ２１を、被測定物Ｗの設計情報に基づいて設定された経路に従って駆動させるので、プローブ位置ＰＰにおいて曲率が大きく変化するような場合でも、プローブ２１を円滑に移動させることができ、迅速な形状測定を実施することができる。
また、測定子２１１Ａの押込み量が基準押込み量に維持されるように駆動制御されるので、被測定物Ｗの実形状と設計情報とに、例えば製造誤差等の形状が異なる部分があっても、測定子２１１Ａを被測定物Ｗの表面に倣って移動させることができる。つまり、測定子２１１Ａが被測定物Ｗから離れる不都合がなく、精度の高い形状測定を行うことができる。
以上により、本実施形態では、設計値倣いのような高速な形状測定と、自律倣いのような高精度な形状測定とを両立した測定を実施することができる。

本実施形態では、速度合成部３５４は、式（４）に示すように、経路速度ベクトルＶｆ、押込み修正ベクトルＶｅ、軌道修正ベクトルＶｃ、倣い駆動ゲインＧｆ、押込み方向修正ゲインＧｅ、及び軌道修正ゲインＧｃを用いて速度合成ベクトルＶを算出する。
この時、倣い駆動ゲインＧｆとして、押込み量（ベクトルＥｐの絶対値）及び基準押込み量（Ｅ_０）の差分値Ｅが第一閾値より大きく、かつ軌道ずれ量Ｃが第二閾値よりも大きい場合に、差分値Ｅが第一閾値以下である場合や、軌道ずれ量Ｃが第二閾値以下である場合に比べて小さい値を返す関数ｆ_１（Ｃ，Ｅ）を用いる。
これにより、差分値Ｅや軌道ずれ量Ｃが大きく、プローブ位置ＰＰが経路から大きくずれている可能性がある場合に、倣い方向への速度成分ベクトルを小さくすることができる。このため、プローブ位置ＰＰが経路から逸れる場合に、倣い方向の移動量を抑えてプローブ位置を迅速に経路上に復帰させることができ、経路に沿った高精度な形状測定を実施することができる。

また、速度合成部３５４は、押込み方向修正ゲインＧｅとして、差分値Ｅが第一閾値以下である場合に、差分値Ｅが第一閾値より大きい場合に比べて小さい値を返す関数ｆ_２（Ｅ）を用いる。
これにより、押込み量が基準押込み量に近い値であり、大きく押込み量を修正する必要がない場合に、押込み方向に対する速度成分ベクトルを小さくすることができる。このため、押込み量の過剰な変動を防止でき、測定子２１１Ａの押込み量を、所定の基準押込み量に精度よく合わせ込むことができる。

更に、速度合成部３５４は、軌道修正ゲインＧｃとして、軌道ずれ量Ｃが第二閾値以下である場合に、軌道ずれ量が第二閾値より大きい場合に比べて小さい値を返す関数ｆ_３（Ｃ）を用いる。
これにより、軌道ずれ量が僅かである場合に、軌道修正方向に対する速度成分ベクトルを小さくすることができる。このため、軌道修正方向にプローブ２１が大きく移動してしまう不都合を防止でき、測定子２１１Ａを経路上に高精度に復帰させることができる。

〔他の実施形態〕
なお、本発明は前述の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。
上記実施形態では、押込み方向成分算出部３５２は、プローブ２１の変位方向を押込み方向として、押込み修正ベクトルＶｅを算出する例と示したが、これに限定されない。
例えば、プローブ２１を被測定物Ｗの表面に沿って移動させると、測定子２１１Ａと被測定物Ｗとの摩擦の影響によりプローブの変位方向が被測定物Ｗの法線方向からずれる場合がある。
図６は、摩擦が発生しない場合における倣い測定のモデルを示す図であり、図７は、摩擦が発生した場合における倣い測定のモデルを示す図である。
図６及び図７において、点Ｄは、測定子２１１Ａと被測定物Ｗとの接触点、点Ｏは測定子２１１Ａの中心点、ｒは測定子の半径を示す。図６に示すように、摩擦の影響がないとした場合では、プローブの変位方向が被測定物Ｗの法線方向となる。したがって、この場合では、押込み方向に対する単位ベクトルｅ_ｕは、被測定物Ｗの法線方向となる。
一方、図７に示すように、測定子２１１Ａと被測定物Ｗとの間に摩擦がある場合では、プローブ２１の変位方向と、被測定物Ｗの法線方向とが異なる方向となる。この場合、プローブ２１の変位方向の単位ベクトルｅ_ｕを押込み方向として押込み修正ベクトルＶｅを算出すると、被測定物Ｗの法線方向（単位ベクトルｅ_ｕ´の方向）とは異なる方向の成分ベクトルが含まれることになる。このため、プローブ２１が意図しない方向に位置ずれする場合があり、測定精度の低下が起こる場合がある。
したがって、押込み方向成分算出部３５２は、このような摩擦の影響を考慮して、押込み修正ベクトルＶｅを算出してもよい。以下に、摩擦の影響を考慮した押込み修正ベクトルＶｅを算出する方法を示す。

図８は、測定子２１１Ａを倣い方向に移動させた際に摩擦力が作用した場合の押込み修正ベクトルＶｅの算出方法を説明するための図である。なお、図８において、現在の測定子２１１Ａの中心位置をＯ（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、以前の測定子２１１Ａの中心位置（所定時間前における測定子２１１Ａの中心位置）をＯ´（ｘ０，ｙ０，ｚ０）、測定子２１１Ａが被測定物Ｗに接触していない場合の中心位置（プローブ原点）をＣ（Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚ）、現在位置Ｏにおけるスライド機構の移動量に基づいて算出された座標位置を（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）、現在位置Ｏにおけるスタイラス２１１の移動量に基づいて算出された座標位置（プローブ原点からのプローブ振れ量）を（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ）、現在位置Ｏにおける被測定物Ｗの法線方向ベクトルを（Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚ）、測定子２１１Ａの半径をｒとする。
図８において、プローブ原点Ｃから直線ＯＯ´に下した垂線の足をＱとすると、ベクトルＣＱは、倣い方向に直角な平面上にあることになり、これは、被測定物Ｗの法線方向にほかならない。
ベクトルＣＱは、以下の式（５）に示すように表され、式（５）から式（６）を導くことができる。

したがって、被測定物Ｗの法線方向に対する単位ベクトルｅ_ｕ´は、ｅ＝（Ｎｘ^２＋Ｎｙ^２＋Ｎｚ^２）^１／２として、ｅ_ｕ´＝（Ｎｘ／ｅ，Ｎｙ／ｅ，Ｎｚ／ｅ）として求めることができ、Ｎｙ，Ｎｘ，Ｎｚは上記式（６）により求めることができる。
これにより、押込み方向成分算出部３５２は、上述した式（３）に対して、単位ベクトルｅ_ｕ´を代入することで、押込み修正ベクトルＶｅを算出することができる。
上記のような処理では、被測定物Ｗの法線方向を押込み方向とした押込み修正ベクトルＶｅを算出することができる。したがって、摩擦の影響によるプローブ２１の意図しない方向へのずれを防止でき、より精度の高い倣い測定を実施することができる。

また、上記例では、プローブの軌道上の点Ｏ，Ｏ´と、プローブ２１の変位量（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ）に基づいて、摩擦を考慮した押込み修正ベクトルＶｅの算出方法を示したが、モーションコントローラー３は、被測定物Ｗの法線方向データをホストコンピューター５から受け取り、押込み修正ベクトルＶｅを算出してもよい。
具体的には、ホストコンピューター５は、ＣＡＤシステムから設計情報を取得すると、設計情報に基づいて、上述した式（２）に示すようなＰＣＣデータを生成し、さらに、生成したＰＣＣデータに対応する被測定物の法線方向データを生成する。そして、モーションコントローラー３のＰＣＣ取得部３１は、上記実施形態のＳ３の処理において、ホストコンピューターからＰＣＣデータとともに、法線方向データを取得する。

ここで、ＰＣＣ曲線群の分割数（分割数をＴとする）によって、法線方向データの数は異なる。例えば、Ｔ＝１６である場合、法線方向データのデータ数は１６（途中点，終点）＋１（始点）＝１７となる。これらの１７の法線方向データは、式（２）にＳ＝ｉ×Ｄ／１６ （ｉ＝０〜１６）を代入した座標値に対応する。したがって、ＰＣＣ曲線における分割点（ＰＣＣ曲線を分割ＰＣＣ曲線に区切る点）の座標Ｐｉは、
ｉ＝０の場合、Ｐ０＝｛Ｘ（０），Ｙ（０），Ｚ（０）｝
ｉ＝１の場合、Ｐ１＝｛Ｘ（Ｄ／１６），Ｙ（Ｄ／１６），Ｚ（Ｄ／１６）｝
…
ｉ＝ｔの場合、Ｐｔ＝｛Ｘ（ｔ×Ｄ／１６），Ｙ（ｔ×Ｄ／１６），Ｚ（ｔ×Ｄ／１６）｝
…
ｉ＝１６の場合、Ｐ１６＝｛Ｘ（Ｄ），Ｙ（Ｄ），Ｚ（Ｄ）｝
となる。

そして、モーションコントローラー３の押込み方向成分算出部３５２は、ＰＣＣデータに基づいた倣い制御中において、測定子２１１Ａの中心座標値が一番近いＰｉを算出し、当該Ｐｉに対応する法線方向データを押込み方向として押込み修正ベクトルＶｅを算出する。
このような押込み修正ベクトルＶｅの算出では、被測定物Ｗが設計値に極めて近いか、若しくは設計値からずれている場合でも、全体的に設計値に対して平行にずれている場合に、正確な押込み方向の制御が可能となり、精度の高い倣い測定を実施することができる。
ただし、被測定物Ｗが設計値に対して平行ではなく、任意の方向にずれている場合では、上述した式（６）に基づいた押込み修正ベクトルＶｅの算出、又は上記実施形態に示したようなプローブ２１の変位方向を押込み方向とした押込み修正ベクトルＶｅの算出が好ましい。

また、上記実施形態において、速度合成部３５４は、倣い駆動ゲインＧｆ、押込み方向修正ゲインＧｅ、軌道修正ゲインＧｃとして、それぞれ、ゲイン関数ｆ_１（Ｅ，Ｃ）、ｆ_２（Ｅ）、ｆ_３（Ｃ）を適用する例を示したが、それぞれ予め設定されたゲインを用いて速度合成ベクトルを算出してもよい。この場合でも、経路に基づいて測定子２１１Ａを被測定物Ｗの表面に倣って移動させることができ、かつ、押込み量を考慮した測定を実施するため、迅速かつ高精度な形状測定を実施することができる。

本実施形態では、押込み方向成分算出部３５２は、被測定物Ｗの設計情報に基づいて、被測定物Ｗの表面の法線方向を押込み方向とした押込み修正ベクトルＶｅを算出する。つまり、測定子２１１Ａが被測定物Ｗに接触していない状態の測定子２１１Ａの中心点（プローブ原点）をＣとし、点Ｃから、プローブ２１の倣い方向（経路）に下した垂線の足を点Ｑとした際に、ベクトルＣＱを押込み方向として押込み修正ベクトルＶｅを算出する。
プローブの振れ方向に基づいて押込み方向を判定する場合では、測定子２１１Ａと被測定物Ｗとの摩擦の影響により、押込み方向と被測定物Ｗの法線方向とが一致しない場合があるため、このようなプローブ振れ方向に基づいて押込み修正ベクトルを算出すると、プローブ位置が意図しない位置に逸れるおそれがある。これに対して、本実施形態では、上述のように、被測定物Ｗの法線方向に沿った押込み修正ベクトルＶｅが算出されるため、上記のような意図しないプローブの位置ずれを回避でき、高精度な形状測定を実施することができる。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に適宜変更できる。

本発明は、被測定物の形状を設計値に基づいた設計値倣いにより測定する形状測定装置に適用できる。

１…三次元測定機（形状測定装置）、２…三次元測定機本体、３…モーションコントローラー、５…ホストコンピューター、２１…プローブ、２２…移動機構、２４…スライド機構、２５…駆動機構、３１…ＰＣＣ取得部、３２…カウンタ部、３３…演算処理部、３５…プローブ指令部、３６…駆動制御部、５１…情報取得部、５２…経路設定部、２１１Ａ…測定子、２１２…支持機構、３５１…経路成分算出部、３５２…押込み方向成分算出部、３５３…軌道修正成分算出部、３５４…速度合成部。

Claims (5)

1. 先端に測定子を有するプローブと、前記測定子を被測定物の表面に倣って移動させる移動機構と、前記測定子と前記被測定物の表面との接触を検出して前記被測定物の形状を測定する形状測定装置であって、
   前記被測定物の設計情報を取得する情報取得部と、
   前記設計情報に基づいて前記測定子を移動させる経路を設定する経路設定部と、
   前記経路に沿った前記プローブの速度成分ベクトルである経路速度ベクトルを算出する経路成分算出部と、
   前記プローブの前記被測定物への押込み量を検出し、前記押込み量を所定の基準押込み量に修正するための速度成分ベクトルである押込み修正ベクトルを算出する押込み方向成分算出部と、
   前記プローブの現在位置及び前記経路に基づいて、前記プローブの前記経路からの軌道ずれ量及び軌道ずれ方向を検出し、前記プローブの位置を前記経路上に戻すための速度成分ベクトルである軌道修正ベクトルを算出する軌道修正成分算出部と、
   前記経路速度ベクトル、前記押込み修正ベクトル、及び前記軌道修正ベクトルを合成した速度合成ベクトルを算出する速度合成部と、
   前記速度合成ベクトルに基づいて前記プローブを移動させる駆動制御部と、
   を備え、
   前記速度合成部は、前記経路速度ベクトルに対して所定の経路方向ゲインをかけ合わせて補正し、前記押込み修正ベクトルに対して所定の押込み方向修正ゲインをかけ合わせて補正し、前記軌道修正ベクトルに対して所定の軌道修正ゲインをかけ合わせて補正し、補正された経路速度ベクトル、補正された押込み修正ベクトル、補正された軌道修正ベクトルを合成して前記速度合成ベクトルを算出する
   ことを特徴とする形状測定装置。
2. 請求項１に記載の形状測定装置において、
   前記速度合成部は、前記押込み量及び基準押込み量の差分値が所定の第一閾値よりも大きく、かつ、前記軌道ずれ量が所定の第二閾値よりも大きい場合に、前記差分値が前記第一閾値よりも小さい場合、及び前記軌道ずれ量が前記第二閾値よりも小さい場合の少なくともいずれかの条件を満たす場合に比べて、前記経路方向ゲインを小さくする
   ことを特徴とする形状測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の形状測定装置において、
   前記速度合成部は、前記押込み量及び基準押込み量の差分値が所定の第一閾値以下である場合、前記差分値が前記第一閾値より大きい場合に比べて、前記押込み方向修正ゲインを小さくする
   ことを特徴とする形状測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の形状測定装置において、
   前記速度合成部は、前記軌道ずれ量が所定の第二閾値以下である場合、前記軌道ずれ量が前記第二閾値よりも大きい場合に比べて、前記軌道修正ゲインを小さくする
   ことを特徴とする形状測定装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の形状測定装置において、
   前記押込み方向成分算出部は、前記被測定物の前記測定子が接触した位置における法線方向を前記押込み方向として、前記押込み修正ベクトルを算出する
   ことを特徴とする形状測定装置。

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