JP6457574B2

JP6457574B2 - 計測装置

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Publication number: JP6457574B2
Application number: JP2017049604A
Authority: JP
Inventors: 一憲飯島
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2037-03-15
Also published as: DE102018202625A1; DE102018202625B8; CN108620954A; US20180266816A1; CN108620954B; DE102018202625B4; JP2018151353A; US10203201B2

Description

本発明は、工作機械の加工対象物を計測対象として計測する計測装置に関する。

従来、計測対象の表面に照射したレーザの反射光を解析して表面形状を測定する技術が知られている。この種の技術を開示するものとして例えば特許文献１〜３がある。特許文献１には、ＮＣ工作機械の加工物に対してレーザ光を照射して、散乱光によって面性状を測定する技術について記載されている。特許文献２には、照明光の反射光によって光の強度分布を取得して検査対象物の表面情報を得る技術について記載されている。特許文献３には、反射光によって被検査物の内面の表面の欠陥を検出する技術について記載されている。

特開平８−１６６２１４号公報特開２０１３−２９３５０号公報特開平１−１９３６３１号公報

ところで、切削作業等を行う工作機械に用いられる計測装置では、画像による直接観察による表面計測が難しく、切削液の物理化学的性質による影響を受けることなく、加工物表面を観察できる計測装置を用いる必要がある。また、計測対象の表面の微細構造の平滑性の評価が重要になるが、深さ方向で表面全域の状態を精密に計測するという点で従来技術には改善の余地があった。

本発明は、工作機械に用いられる機上測定装置において、計測対象の表面微細構造の深さ方向の形状を精密に測定できる構成を提供することを目的とする。

（１）本発明は、工作機械の加工対象物を計測対象（例えば、後述の被削材５１）として計測する計測装置（例えば、後述の機上計測装置１）であって、レーザ光を照射するレーザ光源（例えば、後述のレーザ光源２０）と、前記計測対象を前記レーザ光源に対して相対的に移動させてレーザ光の走査照射を行う移動機構（例えば、後述の移動機構３０、送り軸１０）と、前記レーザ光源からの光を前記計測対象に垂直入射させるハーフミラー（例えば、後述のハーフミラー３１）と、前記計測対象で散乱、回折、反射された光を集光するレンズ（例えば、後述のレンズ３２）と、前記レンズの透過光の焦点像の投影面（例えば、後述の投影面３３）と、前記投影面の光信号を電気信号に変換してアナログ信号を出力する受光素子部（例えば、後述の受光素子配列４１）と、前記受光素子部からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部（例えば、後述のＡ／Ｄコンバータアレイ４２）と、Ａ／Ｄ変換部に接続される計算機（例えば、後述の計算機４３）と、を備え、前記計算機は、レーザ光の走査照射によって前記受光素子部で得られる受光情報を時系列で記憶し、時系列で記憶した受光情報を空間情報に変換して光学回折像を生成し、生成した光学回折像から光強度分布を取得する計測装置に関する。

（２）（１）に記載の計測装置において、前記移動機構は、設定された焦点距離を保つように、前記ハーフミラー、前記レーザ光源、前記レンズ及び前記投影面の位置を相対的に移動可能にしてもよい。

（３）（１）又は（２）に記載の計測装置において、前記レーザ光源は、パルス波又はコヒーレント連続波を照射可能であってもよい。

（４）（１）から（３）の何れかに記載の計測装置において、前記計算機は、取得した光強度分布から微細構造の幾何寸法及び表面粗さを算出してもよい。

本発明の機上計測装置によれば、計測対象の表面微細構造の深さ方向の形状を精密に測定できる。

本発明の一実施形態に係る機上計測装置を模式的に示す図である。本実施形態の機上計測装置における測定処理の流れを示すフローチャートである。回折パターンの一例と回折パターンに対応する回折光の強度分布を示すグラフである。被削材表面の面粗さの分布を模式的に示す面粗さマップである。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る機上計測装置１を模式的に示す図である。図１に示す機上計測装置１は、サーボモータ等の電動機で駆動されるＮＣ（数値制御）工作機械に配置されるものであり、切削工具や研削砥石で仕上げられた金属加工表面の微細構造の寸法を光学効果によって計測する計測装置である。

図１に示すように、本実施形態の機上計測装置１は、ワーク載置台５２と、レーザ光源２０と、ハーフミラー３１と、レンズ３２と、投影面３３と、移動機構３０と、受光素子配列４１と、Ａ／Ｄコンバータアレイ４２と、計算機４３と、を備える。

ワーク載置台５２は、機上計測装置１の計測対象となるワークが設置されるものである。本実施形態では、ＮＣ工作機械の加工対象物である被削材５１がワーク載置台５２にセットされる。

レーザ光源２０は、測定用のレーザ光を照射するためのものである。本実施形態のレーザ光は可視光（例えば、３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲）が使用されており、目視で確認できる面品位（表面の光反射の均一性）のレベルを計測結果に反映できる。なお、レーザ光は、可視光に限定されるわけではないが、金属及び切削液の吸収をもたない波長帯であることが好ましい。また、レーザ光源２０は、パルス波又はコヒーレント連続波としてレーザ光を照射可能なものが用いられる。

ハーフミラー３１は、被削材５１に光を垂直入射させるための光学部品である。レーザ光源２０からのレーザ光は、ハーフミラー３１を通じて被削材５１に入射される。ハーフミラー３１は、レーザ光が被削材５１に垂直に入射されるように、回転角度が調整可能となっている。これによって被削材５１の表面の深さ方向の微細構造の凹凸が精密に測定可能となっている。

レンズ３２は、被削材５１で散乱、回折、反射された光を集光するフーリエ変換レンズである。レンズ３２で集光された光は投影面３３に投影される。

投影面３３は、受光素子配列４１の画素に対応する微小レンズ（図示省略）が配列されており、焦点Ｐでは、微小レンズを通じて受光素子への像を結ぶ構成となっている。本実施形態では、後述する計算機４３により、Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ回折理論に基づいて投影面３３に投影される受光情報から光学回折像が生成され、光強度分布が算出される。

移動機構３０は、工作機械のサーボモータ（図示省略）の駆動力により移動する送り軸１０を備える。送り軸１０は、サーボモータの駆動力により、ワーク載置台５２にセットされた被削材５１を移動させることができ、被削材５１の位置を調整可能に構成される。

また、本実施形態の移動機構３０は、後述するハーフミラー３１の回転角度、レンズ３２の位置及び投影面３３の位置を調節するためのサーボモータ（駆動機構）を有しており、予め設定された焦点距離を維持しつつ、レーザ光による被削材５１の走査照射が可能となっている。

また、移動機構３０により、送り軸１０によって移動する被削材５１の速度に応じてハーフミラー３１の回転角度を変更可能に構成される。ハーフミラー３１の回転角度を調整する前述のサーボモータの性能は、少なくとも送り軸１０による位置調整の速度に対応できる速度でハーフミラー３１の回転角度を調節可能となっており、走査照射においてレーザ光の被削材５１への垂直入射の維持が実現されている。

受光素子配列４１は、投影面３３の光信号を電気信号に変換し、Ａ／Ｄコンバータアレイ４２に送信する受光素子部である。受光素子配列４１はＣＭＯＳアレイやＣＣＤイメージセンサ等により構成される。

Ａ／Ｄコンバータアレイ４２は、受光素子配列４１のアナログ信号出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部である。Ａ／Ｄコンバータアレイ４２のデジタル信号は計算機４３に送信される。

計算機４３は、ＣＰＵ、記憶装置等からなるコンピュータであり、Ａ／Ｄコンバータアレイ４２から受信するデジタル信号に基づいて被削材５１の表面の微細構造寸法及び面粗さを計算するための測定処理を行う。

次に、機上計測装置１によって被削材５１の表面の微細構造寸法及び面粗さを算出する流れについて説明する。図２は、本実施形態の機上計測装置１における測定処理の流れを示すフローチャートである。

測定処理が開始されると被削材５１の表面にレーザ照射を行う。そして、被削材５１表面へのレーザ照射走査中が否かを判定する（ステップＳ１０１）。なお、レーザ光源２０がレーザ光をパルス波で照射する場合、照射走査は、被削材５１の所定のポイントに予め設定された照射範囲で照射を行った後、次の地点に移動して照射を行う動作が繰り返される。レーザ光源２０がコヒーレント連続波でレーザ光を照射する場合は、被削材５１の形状に沿って連続的に照射走査が行われることになる。

ステップＳ１０１の処理で、レーザ照射走査中の場合は、送り軸１０によってハーフミラー３１、レーザ光源２０、被削材５１及びレンズ３２の位置決めを行う（ステップＳ１０２）。

ステップＳ１０２で位置決めが行われた後、レーザ光源２０はハーフミラー３１を通じてレーザ光を被削材５１に照射する（ステップＳ１０３）。被削材５１の散乱光がレンズ３２で集光され、レンズ３２の透過光が投影面３３に形成する回折像が受光素子配列４１で検出される（ステップＳ１０４，ステップＳ１０５）。

受光素子配列４１は、光信号を電気信号に変換してＡ／Ｄコンバータアレイ４２に送信する（ステップＳ１０６，ステップＳ１０７）。計算機４３は、Ａ／Ｄコンバータアレイ４２から転送される光強度デジタル値を時系列で記憶する（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０８の処理の後、ＳステップＳ１０１に戻ってレーザ照射走査中か否かを判定し、走査中の場合はステップＳ１０２からステップＳ１０８の処理が再び行われる。

ステップＳ１０１の判定処理でレーザ照射走査中ではない場合は、ステップＳ２０１以降の処理に移行する。ステップＳ２０１では、計算機４３は、蓄積した光強度値の時系列をレーザ照射走査の座標に変換する。次に、計算機４３は、被削材５１の表面の各点での光強度の重ね合わせを行う（ステップＳ２０２）。重ね合わせ処理では、その時点におけるレーザ光の照射範囲の中心から外れた領域の光強度が各点(時系列)で考慮されて各点の光強度が算出される。被削材５１の表面全域で各点の光強度を算出して光強度分布を得る（ステップＳ２０３）。

ステップＳ２０３の処理の後、計算機４３は、被削材５１表面の各点の光強度分布を各点の微細構造寸法に変換する処理を行う（ステップＳ２０４）。ここで、図３を参照して光強度分布を利用した微細構造の変換処理の例について説明する。図３は、回折パターンの一例と回折パターンに対応する回折光の強度分布を示すグラフである。

図３の例では、紙面下側のグラフの回折光の強度分布において、回折光強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）が大きいＩ_１、Ｉ_０、Ｉ_１には、紙面上側の回折パターンの対応する画素（Ｎｕｍｂｅｒ of ｐｉｘｅｌ）の位置に面粗さが大きい領域（微細構造）６１，６２，６３が存在する。一方、それ以外の部分では、平坦面となっており、その領域では回折光強度は小さくなっている。この特徴を利用して、光強度と高さの関係を予めキャリブレーションしておくことで、光強度分布のデータを微細構造寸法に容易に変換できる。

ステップＳ２０４の処理で被削材５１表面の各点の微細構造寸法を取得した後、取得した微細寸法から面粗さを計算する（ステップＳ２０５）。ここで、図４を参照して面粗さの可視化の例について説明する。図４は、被削材５１表面の面粗さの分布を模式的に示す面粗さマップである。

図４では、被削材５１の一例として円盤状の部材の面粗さを領域ごとに示しており、計測対象表面の領域ごとのナノオーダー（ｎｍ）の深さがハッチングパターンで区分けされている。上側のバーは面粗さの程度を段階的に示すものである。このマップに示すように、本実施形態の機上計測装置１によれば、計測対象の表面における微細構造の凹凸の程度を可視化することができる。なお、以上説明した回折パターン例及び面粗さのマップ化はあくまで一例であり、面粗さを可視化する方法はこれ以外にも様々な方法を利用することができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
機上計測装置１は、レーザ光を照射するレーザ光源２０と、レーザ光源２０に対して相対的に移動させてレーザ光の走査照射を行う移動機構３０と、レーザ光源２０からの光を被削材５１に垂直入射させるハーフミラー３１と、被削材５１で散乱、回折、反射された光を集光するレンズ３２と、レンズ３２の透過光の焦点像の投影面３３と、投影面３３の光信号を電気信号に変換してアナログ信号を出力する受光素子配列４１と、受光素子配列４１からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータアレイ４２と、Ａ／Ｄコンバータアレイ４２に接続される計算機４３と、を備える。計算機４３は、レーザ光の走査照射によって受光素子配列４１で得られる受光情報を時系列で記憶し、時系列で記憶した受光情報を空間情報に変換して光学回折像を生成し、生成した光学回折像から光強度分布を取得する。

これにより、被削材５１の表面に対して垂直に照射されるレーザ光により、微細構造の深さ方向が反映された光学回折像を生成し、該光学回折像から「目で見たときの“見た目”」である面品位を非接触計測によって定量化でき、被削材５１表面の平滑性を精密に評価することができる。また、目視やカメラ等による直接的な計測が不可能な切削液による着色表面に対しても適用でき、一般的な切削液の物理化学的性質による計測への影響を受けずに表面状態を評価できる。

また、本実施形態では、移動機構３０は、設定された焦点距離を保つように、ハーフミラー３１、レーザ光源２０、レンズ３２及び投影面３３の位置を相対的に移動可能に構成される。

これにより、計測対象である被削材５１の表面全域の各点で光強度情報を正確に取得でき、より一層精密な計測を実現できる。

また、本実施形態では、レーザ光源２０は、パルス波又はコヒーレント連続波を照射可能に構成される。

これにより、瞬間的なエネルギー密度の高いパルス波を用いる場合は、散乱光に起因するノイズを低減でき、被削材５１の表面の領域ごとに正確な光強度情報を取得できる。また、コヒーレント連続波を用いる場合は、３Ｄプリンタ等で使用される既存技術を適用でき、装置構成の設計も容易となる。

また、本実施形態では、計算機４３は、取得した光強度分布から微細構造の幾何寸法及び表面粗さを算出する。

これにより、計測対象である被削材５１の表面の微細構造の面品位を正確に可視化することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。なお、計測対象となるものは平面形状に限定されるわけではなく曲面であってもよい。

１機上計測装置（計測装置）
１０送り軸
２０レーザ光源
３０移動機構
３１ハーフミラー
３２レンズ
３３投影面
４１受光素子配列（受光素子部）
４２Ａ／Ｄコンバータアレイ（Ａ／Ｄ変換部）
４３計算機
５１被削材（計測対象）

Claims

工作機械に配置され、加工対象物を計測対象として計測する機上計測装置であって、
レーザ光を照射するレーザ光源と、
前記計測対象を前記レーザ光源に対して相対的に移動させてレーザ光の走査照射を行う移動機構と、
前記レーザ光源からの光を前記計測対象に垂直入射させるハーフミラーと、
前記計測対象で散乱、回折、反射された光を集光するレンズと、
前記レンズの透過光の焦点像の投影面と、
前記投影面の光信号を電気信号に変換してアナログ信号を出力する受光素子部と、
前記受光素子部からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
Ａ／Ｄ変換部に接続される計算機と、
を備え、
前記移動機構は、
設定された焦点距離を保つように、前記ハーフミラー、前記レーザ光源、前記レンズ及び前記投影面の位置を相対的に移動可能であって、前記計測対象の位置調整の速度に対応する速度で前記ハーフミラーの回転角度を調節して垂直入射を維持し、
前記計算機は、
レーザ光の走査照射によって前記受光素子部で得られる受光情報を時系列で記憶し、時系列で記憶した受光情報をレーザ照射走査の座標に変換して前記計測対象の表面の各点の光強度を算出して光強度分布を取得する計測装置。
前記レーザ光源は、パルス波又はコヒーレント連続波を照射可能である請求項１に記載の計測装置。
前記計算機は、取得した光強度分布から微細構造の幾何寸法及び表面粗さを算出する請求項１又は２に記載の計測装置。