JP6352833B2

JP6352833B2 - 形状計測装置、加工装置及び形状計測方法

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Publication number: JP6352833B2
Application number: JP2015036783A
Authority: JP
Inventors: 娜高; 浩一市原
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2035-02-26
Also published as: CN105928482A; TW201631295A; KR101701084B1; JP2016156793A; TWI600879B; CN105928482B; KR20160104552A

Description

本発明は、形状計測装置、加工装置及び形状計測方法に関する。

３つの変位計を用いて逐次３点法により計測対象物の表面形状を求め、真直度の測定を行う真直度測定法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２５４７４７号公報

上記した真直度測定法では、例えば計測対象物の表面にゴミや油等の異物、傷等が存在すると、変位計による測定値が大きく変動し、計測対象物の表面形状を精度良く求めることが困難になる場合がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、表面に存在する異物等の影響を低減して計測対象物の表面形状を精度良く計測可能な形状計測装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、３つの変位計が一列に配設された検出器で計測対象物を走査し、前記計測対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、前記３つの変位計のうち中央の変位計による測定値と他の変位計による測定値との差異からギャップデータを求めるギャップ算出手段と、前記ギャップデータの平均値及び標準偏差を求め、前記ギャップデータにおいて前記標準偏差に基づいて設定される範囲外の値を前記平均値で補間する補間処理を、前記標準偏差の変化率が予め設定される値以下になるまで繰り返し実行する補間手段と、前記補間処理が実行された前記ギャップデータに基づいて、前記計測対象物の表面形状を算出する形状算出手段と、を備える。

本発明の実施形態によれば、表面に存在する異物等の影響を低減して計測対象物の表面形状を精度良く計測可能な形状計測装置が提供される。

実施形態における加工装置を例示する図である。実施形態における形状計測装置の構成を例示する図である。実施形態におけるセンサヘッドの構成を例示する図である。実施形態における形状計測を説明するための図である。実施形態における形状計測処理のフローチャートを例示する図である。実施形態におけるセンサデータを例示する図である。実施形態におけるギャップデータを例示する図である。実施形態における補間処理のフローチャートを例示する図である。実施形態における補間処理前のギャップデータを例示する図である。実施形態におけるギャップデータの補間処理を説明するための図である。実施形態において補間処理が１回実行された後のギャップデータを例示する図である。実施形態において補間処理が繰り返し実行された後のギャップデータを例示する図である。実施形態におけるギャップデータの補間処理を説明するための図である。実施形態における補間処理後のギャップデータを例示する図である。実施形態における表面形状計測結果を例示する図である。物体の表面に異物が無い場合の表面形状計測結果を例示する図である。補間処理を実行しなかった場合の表面形状計測結果を例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

（加工装置の構成）
図１は、本実施形態に係る形状計測装置が搭載された加工装置２００の構成を例示する図である。

加工装置２００は、図１に示されるように、可動テーブル１０、テーブル案内機構１１、砥石ヘッド１５、砥石１６、案内レール１８、制御装置２０、表示装置４０を有する。なお、以下の図面において、Ｘ方向は可動テーブル１０の移動方向、Ｙ方向はＸ方向に直交する砥石ヘッド１５の移動方向、Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向に直交する高さ方向である。

可動テーブル１０は、テーブル案内機構１１によってＸ方向に移動可能に設けられており、加工対象及び計測対象となる物体１２が載置される。テーブル案内機構１１は、可動テーブル１０をＸ方向に移動させる。

砥石ヘッド１５は、下端部に砥石１６が設けられており、Ｘ方向に移動可能且つＺ方向に昇降可能に案内レール１８に設けられている。案内レール１８は、砥石ヘッド１５をＸ方向及びＺ方向に移動させる。砥石１６は、円柱形状を有し、その中心軸がＹ方向に平行になるように砥石ヘッド１５の下端部に回転可能に設けられている。砥石１６は、砥石ヘッド１５と共にＸ方向及びＺ方向に移動し、回転して物体１２の表面を研削する。

制御装置２０は、可動テーブル１０及び砥石ヘッド１５の位置を制御し、砥石１６を回転させることで、物体１２の表面を研削するように加工装置２００の各部を制御する。

表示装置４０は、表示手段の一例であり、例えば液晶ディスプレイ等である。表示装置４０は、制御装置２０によって制御され、例えば物体１２の加工条件等が表示される。

（形状計測装置の構成）
図２は、加工装置２００に搭載されている形状計測装置１００の構成を例示する図である。図２に示されるように、形状計測装置１００は、制御装置２０、センサヘッド３０、表示装置４０を含む。

制御装置２０は、上記したように、物体１２の表面を研削するように加工装置２００の各部を制御すると共に、センサヘッド３０の各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃから出力される測定値に基づいて、物体１２の表面形状を求める。

制御装置２０は、センサデータ取得部２１、ギャップデータ算出部２３、補間処理部２５、形状算出部２７を有する。制御装置２０は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を含み、ＣＰＵがＲＡＭと協働してＲＯＭに記憶されている制御プログラムを実行することで各部の機能が実現される。

センサデータ取得部２１は、センサヘッド３０に設けられている各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃからセンサデータを取得する。ギャップデータ算出部２３は、ギャップ算出手段の一例であり、センサデータ取得部２１が取得したセンサデータからギャップデータを算出する。補間処理部２５は、補間手段の一例であり、ギャップデータ算出部２３により算出されたギャップデータに対して補間処理を実行する。形状算出部２７は、形状算出手段の一例であり、補間処理部２５により補間処理が実行されたギャップデータに基づいて物体１２の表面形状を算出する。

センサヘッド３０は、検出器の一例であり、第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃを備え、加工装置２００の砥石ヘッド１５の下端に設けられている。図３は、実施形態に係るセンサヘッド３０の構成を例示する図である。

センサヘッド３０は、図３に示されるように、第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃがＸ方向に一列に配設されている。

第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃは、変位計の一例であり、例えばレーザ変位計である。第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃは、測定点が物体１２の表面上においてＸ方向に平行な直線状に等間隔で並ぶように配設され、それぞれ物体１２の表面上の測定点との間の距離を測定する。物体１２が可動テーブル１０に載せられてＸ方向に移動すると、センサヘッド３０が物体１２に対して相対移動し、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃが物体１２の表面を走査して測定値を出力する。

表示装置４０は、制御装置２０により制御され、例えば形状算出部２７によって求められた表面形状の計測結果等が表示される。

なお、本実施形態では、形状計測装置１００と加工装置２００とが、制御装置２０及び表示装置４０を共用する構成になっているが、形状計測装置１００及び加工装置２００のそれぞれに制御装置と表示装置とが設けられてもよい。また、可動テーブル１０が物体１２と共にＸ方向に移動する構成になっているが、センサヘッド３０が物体１２に対してＸ方向に移動する構成であってもよい。

（形状計測の基本原理）
次に、形状計測装置１００において物体１２の表面形状を求める方法について説明する。図４は、表面形状の計測方法について説明するための図である。

変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、図４に示されるように、間隔ＰでＸ方向に一列に配設され、それぞれ物体１２表面のａ点、ｂ点、ｃ点との距離を測定する。変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃによって求められる各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃと物体１２の表面との距離をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃとすると、図４（Ａ）に示されるＺ方向におけるｂ点からａ点とｃ点とを結ぶ直線との距離ｇ（ギャップ）は、以下の式（１）により求められる。

次に、物体１２表面のｂ点における変位ｚの２階微分（ｄ^２ｚ／ｄｘ^２）は、ｂ点の曲率（１／ｒ）であり、図４（Ｂ）に示されるように、ａ点とｂ点とを結ぶ直線の傾き（ｄｚ_ａｂ／ｄｘ）と、ｂ点とｃ点とを結ぶ直線の傾き（ｄｚ_ｂｃ／ｄｘ）とを用いて、以下の式（２）により表される。

式（２）に、以下の式（３），（４）を代入し、さらに式（１）を用いると、式（５）で表されるように、変位ｚの２階微分である曲率をギャップｇ及びセンサ間の距離Ｐから求められることが分かる。

センサ間の距離Ｐは予め定められているため、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃによるセンサデータから式（１）に基づいてギャップｇを求め、式（５）により求められる曲率をセンサ間隔Ｐで２階積分することで、ｂ点における変位ｚを求めることができる。

ただし、物体１２の表面にゴミ、油等の異物や傷等が存在し、センサデータが異物等の影響を受けて大きく変動すると、物体１２の表面形状を正確に求めることが出来なくなる場合がある。そこで、本実施形態に係る形状計測装置１００は、以下で説明する形状計測処理によって、物体１２の表面形状を計測する。

（形状計測処理）
図５は、実施形態における形状計測処理のフローチャートを例示する図である。

本実施形態における形状計測処理では、まずステップＳ１０１にて、可動テーブル１０が測定対象物である物体１２と共にＸ方向に移動し、センサヘッド３０の各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃが物体１２の表面を走査する。

次にステップＳ１０２にて、センサデータ取得部２１が、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃからセンサデータを取得する。図６は、実施形態におけるセンサデータを例示する図である。各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、物体１２表面の測定点との距離をセンサデータとして出力する。図５に示されるグラフでは、第１変位センサ３１ａのデータが一点鎖線、第２変位センサ３１ｂのデータが実線、第３変位センサ３１ｃのデータが破線で示されている。

ここで、物体１２の表面に異物等が存在すると、図６に例示されるように、異物等が存在する部分でセンサデータが大きく変動する。図６に示される例では、変位センサ３１ａでは１５０ｍｍ付近、変位センサ３１ｂでは２５０ｍｍ付近、変位センサ３１ｃでは３５０ｍｍ付近で、異物等の影響によりそれぞれセンサデータが非常に大きな値となっている。なお、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、走査方向であるＸ方向に離間して設けられているため、同一表面の計測結果でも異物等によるデータ変動位置が異なる。

図５のフローチャートに戻り、次にステップＳ１０３にて、ギャップデータ算出部２３が、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのセンサデータから、式（１）に基づいてギャップデータを算出する。図７は、図６に示されるセンサデータからのギャップデータ算出例である。

このように物体１２の表面に異物等が存在すると、異物等の影響を受けてギャップデータが大きく変動する部分が生じ、正確に物体１２の表面形状を求めることが困難になる。そこで、本実施形態における形状計測処理では、ステップＳ１０４にて、補間処理部２５がギャップデータに対して補間処理を実行する。

（補間処理）
図８は、実施形態における補間処理のフローチャートを例示する図である。

補間処理では、まずステップＳ２０１にて、補間処理部２５が、ギャップデータの平均値及び標準偏差σを算出する。次にステップＳ２０２にて、補間処理部２５は、ギャップデータにおいて（平均値±３σ）の範囲外のデータの有無を判定する。

（平均値±３σ）の範囲外のデータが無い場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、ステップＳ２０３に進み、補間処理部２５が、物体１２の表面に異物等が無いと判断して異物フラグを「Ｆａｌｓｅ」に設定し、補間処理を終了する。

（平均値±３σ）の範囲外のデータが有る場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、ステップＳ２０４に進み、補間処理部２５が、物体１２の表面に異物等が有ると判断して異物フラグを「Ｔｒｕｅ」に設定する。次にステップＳ２０５にて、補間処理部２５は、ギャップデータにおいて（平均値±３σ）の範囲外のデータを平均値で補間する。

例えば図９に示されるギャップデータは、（平均値±３σ）の範囲外のデータが存在する。この場合において、補間処理部２５は、例えば図１０（Ａ）のように（平均値＋３σ）を超えるデータを削除し、図１０（Ｂ）のように削除した部分を平均値で補間する。補間処理部２５は、同様に、（平均値−３σ）未満のデータを削除し、削除した部分を平均値で補間する。このような処理により、ギャップデータにおける物体１２の表面に存在する異物の影響が低減される。

次にステップＳ２０６にて、補間処理部２５は、再びギャップデータの平均値及び標準偏差を算出する。図１１は、図９に示されるギャップデータから、（平均値±３σ）の範囲外のデータを平均値で補間した後のギャップデータである。図１１に示されるように、（平均値±３σ）の範囲外のデータが有る場合には、ステップＳ２０７にて、補間処理部２５が、同様に（平均値±３σ）の範囲外のデータを平均値で補間する。

ステップＳ２０８では、補間処理部２５は、算出した標準偏差σ_ｎと、直前に算出した標準偏差σ_ｎ−１との変化率｜（σ_ｎ−σ_ｎ−１）／σ_ｎ×１００｜（％）を算出し、標準偏差σの変化率が０．１％未満か否かを判定する。補間処理部２５は、標準偏差σの変化率が例えば０．１％未満になるまでステップＳ２０６，Ｓ２０７の処理を繰り返し実行する。ステップＳ２０６，Ｓ２０７の処理を繰り返し実行することで、ギャップデータから物体１２の表面に存在していた異物の影響がより低減されていく。

図１２は、標準偏差σの変化率が０．１％未満になるまでステップＳ２０６，Ｓ２０７の処理が繰り返し実行されたギャップデータである。図９に示される補間処理前のギャップデータと比較すると、図１２に示されるギャップデータでは物体１２の表面に存在していた異物によるデータ変動が大きく低減されていることが分かる。なお、標準偏差σの変化率の目標値は、０．１％に限られるものではなく、例えば必要な測定精度等に応じて適宜設定される。

次にステップＳ２０９にて、補間処理部２５は、ギャップデータにおける補間データの前後を含む補間領域のデータを、補間データの前後それぞれの平均値を用いて線形補間する。ステップＳ２０９の処理を、図１３を用いて具体的に説明する。

補間処理部２５は、図１３（Ａ）に示されるように、ギャップデータにおいて平均値で補間した補間データと、補間データの前後のデータ（例えば前後各３ｍｍ分）とを含む範囲を補間領域とする。なお、補間領域は、補間データの前後各３ｍｍを含む範囲に限られるものではなく、例えば計測条件等に応じて適宜設定される。

次に、補間処理部２５は、補間領域における補間データの前後それぞれの平均値を算出する。図１３（Ａ）の例では、補間データ前（図１３において補間データの左側）の平均値がａ、補間データ後（図１３において補間データの右側）の平均値がｂとなっている。補間処理部２５は、図１３（Ｂ）に示されるように、補間領域におけるギャップデータを削除し、補間領域を平均値ａと平均値ｂとを結ぶ直線で線形補間する。

図１４は、図１２に示されるギャップデータから補間領域が線形補間された後のギャップデータを例示する図である。図１４に示されるギャップデータでは、図１２のギャップデータにおいてＸ座標の１５０ｍｍ付近、２５０ｍｍ付近、３５０ｍｍ付近にそれぞれ残っていた物体１２の表面に存在する異物の影響が低減されていることが分かる。

なお、ステップＳ２０１からＳ２０８までの処理によってギャップデータから異物等の影響を低減できている場合には、ステップＳ２０９における補間領域の線形補間を実行しなくてもよい。

補間処理部２５によって、以上で説明した補間処理が実行され、ギャップデータから物体１２の表面に存在した異物の影響が取り除かれると、図５に示される形状計測処理に戻り、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、補間処理部２５によって補間処理が実行されたギャップデータを用いて、形状算出部２７が、式（５）に基づいて物体１２の表面形状を算出する。また、形状算出部２７によって算出された物体１２の表面形状が、表示装置４０に表示される。

次にステップＳ１０６では、補間処理部２５が、異物フラグが「Ｔｒｕｅ」であるか否かを判定する。異物フラグが「Ｔｒｕｅ」の場合（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）には、ステップＳ１０７にて、例えば「先頭より１３６ｍｍ付近にゴミ等の異物が検出されました」等といった異物検出結果が警告として表示装置４０に表示される。異物フラグが「Ｆａｌｓｅ」の場合（ステップＳ１０６：ＮＯ）には、異物検出結果を表示せずに処理を終了する。

形状計測装置１００を使用する作業者は、表示装置４０に表示される警告から異物等の存在を認識し、より高精度に計測を行いたい場合には、異物等を除去して再度計測を実行できる。

図１５は、図１４に示される補間処理が実行されたギャップデータに基づいて算出された、表面に異物等が存在する物体１２の表面形状計測結果である。また、表面にゴミ等の異物が存在しない物体１２の表面形状計測結果を図１６に示す。図１５と図１６とは、同じ物体１２の同一部分の表面形状計測結果であり、異物の有無が異なるものである。さらに、図７に示される異物等の影響を受けたギャップデータを用いて補間処理を実行せずに求められた表面形状計測結果を図１７に示す。

図１７に示されるように、表面に異物等が存在する物体１２の表面形状を補間処理を実行せずに計測した結果は、図１６に示される異物等が無い場合の物体１２の表面形状計測結果とは大きく異なっている。このように、ギャップデータが物体１２の表面に存在する異物等の影響を受けている場合には、物体１２の実際の表面形状とは大きく異なる結果になることが分かる。

これに対して、図１５に示される本実施形態における表面形状計測結果は、図１６に示される異物が無い場合の物体１２の表面形状計測結果と同様の結果が得られていることが分かる。このように、本実施形態によれば、上記した補間処理を実行してギャップデータにおける異物の影響を低減することで、物体１２の表面に異物等が存在する場合であっても、異物等が無い場合と同様の表面形状計測結果を得ることが可能になる。

以上で説明したように、本実施形態に係る形状計測装置１００によれば、ゴミ、油等の異物、傷等が表面に存在する物体１２であっても、表面形状を精度良く計測することが可能になる。

また、本実施形態に係る形状計測装置１００が搭載された加工装置２００は、物体１２の表面を研削した後、物体１２を可動テーブル１０に載せたまま形状計測装置１００によって実行される表面形状計測結果に基づいて、補正加工等を行うことができる。したがって、物体１２の加工を効率良く、高精度に行うことができる。

以上、実施形態に係る形状計測装置、加工装置及び形状計測方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

例えば、形状計測装置１００は、本実施形態とは異なる構成で物体１２の研削等の加工を行う加工装置に搭載されてもよい。

１２物体（計測対象物）
２０制御装置
２３ギャップデータ算出部（ギャップ算出手段）
２５補間処理部（補間手段）
２７形状算出部（形状算出手段）
３０センサヘッド（検出器）
３１ａ第１変位センサ（変位計）
３１ｂ第２変位センサ（変位計）
３１ｃ第３変位センサ（変位計）
４０表示装置（表示手段）
１００形状計測装置
２００加工装置

Claims

３つの変位計が一列に配設された検出器で計測対象物を走査し、前記計測対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、
前記３つの変位計のうち中央の変位計による測定値と他の変位計による測定値との差異からギャップデータを求めるギャップ算出手段と、
前記ギャップデータの平均値及び標準偏差を求め、前記ギャップデータにおいて前記標準偏差に基づいて設定される範囲外の値を前記平均値で補間する補間処理を、前記標準偏差の変化率が予め設定される値以下になるまで繰り返し実行する補間手段と、
前記補間処理が実行された前記ギャップデータに基づいて、前記計測対象物の表面形状を算出する形状算出手段と、を備える
ことを特徴とする形状計測装置。
前記補間手段は、前記補間処理が実行された前記ギャップデータにおいて、前記平均値で補間された補間データの前後を含む補間領域の値を、前記補間領域の前記補間データの前後それぞれの平均値を用いて線形補間する
ことを特徴とする請求項１に記載の形状計測装置。
前記ギャップデータが前記範囲外の値を含む場合に、前記計測対象物の表面に異物が存在することを表示する表示手段を備える
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の形状計測装置。
請求項１から３の何れか一項に記載の形状計測装置を備える
ことを特徴とする加工装置。
３つの変位計が一列に配設された検出器で計測対象物を走査し、前記計測対象物の表面形状を計測する形状計測方法であって、
前記３つの変位計のうち中央の変位計による測定値と他の変位計による測定値との差異からギャップデータを求めるギャップ算出ステップと、
前記ギャップデータの平均値及び標準偏差を求め、前記ギャップデータにおいて前記標準偏差に基づいて設定される範囲外の値を前記平均値で補間する補間処理を、前記標準偏差の変化率が予め設定される値以下になるまで繰り返し実行する補間ステップと、
前記補間処理が実行された前記ギャップデータに基づいて、前記計測対象物の表面形状を算出する形状算出ステップと、を備える
ことを特徴とする形状計測方法。