JP7402653B2 - 形状測定装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、形状測定装置の制御方法に関する。

測定対象物の表面に沿って測定子を倣い移動させることで測定対象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、２、３参照）。倣い測定にあたっては、倣い測定の経路を生成しておく必要がある。

特許文献１に記載の装置では、ＣＡＤデータ等に基づいた設計値（例えばＮＵＲＢＳ（Ｎｏｎ－ＵｎｉｆｏｒｍＲａｔｉｏｎａｌＢ－Ｓｐｌｉｎｅ：非一様有理Ｂスプライン）データ）を所定次数の多項式曲線群に変換する。
この手順を簡単に説明する。
まず、外部のＣＡＤシステム等から経路情報を含んだＣＡＤデータ（例えばＮＵＲＢＳデータ）を受け取り、このＣＡＤデータを点群のデータに変換する。
各点のデータは、座標値（ｘ、ｙ、ｚ）と法線方向（Ｐ、Ｑ、Ｒ）とを組み合わせたデータである（つまり（ｘ、ｙ、ｚ、Ｐ、Ｑ、Ｒ）である）。
本明細書では、以後の説明のため、（ｘ、ｙ、ｚ、Ｐ、Ｑ、Ｒ）の情報をもつ点群のデータを輪郭点データと称することにする。

次に、各点の座標値を法線方向に所定量だけオフセットする。（所定量とは、具体的には、測定子半径ｒ―基準押込み量Ｅ０である。）このようにして求めた点群データをオフセット済み輪郭点データと称することにする。

そして、オフセット済み輪郭点データを所定次数の多項式曲線群に変換する。ここでは、多項式として三次関数を用い、ＰＣＣ曲線群（Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｃｕｂｉｃ Ｃｕｒｖｅｓ）とする。このＰＣＣ曲線を元にワークを測定する経路を生成する。さらに、ＰＣＣ曲線を分割して分割ＰＣＣ曲線群とする。

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（移動ベクトル）を算出する。（例えば分割ＰＣＣ曲線群の各セグメントの曲率などに基づいてプローブの移動速度（移動ベクトル）を設定する。）このように算出された移動速度に基づいてプローブを移動させ、測定対象物の表面に倣って測定子を移動させる（パッシブ設計値倣い測定）。

さらに、プローブの押し込み量を一定にするように押込み修正ベクトルを時々刻々算出して、軌道修正しながら倣い測定する方法も知られている（特許文献２）。ここでは、このような設計値倣いを「アクティブ設計値倣い測定」と称することにする。

特許文献２に開示された「アクティブ設計値倣い測定」を簡単に紹介しておく。
「アクティブ設計値倣い測定」では、次の（式１）で表わされる合成ベクトルＶをプローブの移動指令とする。プローブが合成ベクトルＶに基づく移動を行うと、プローブ（測定子）はＰＣＣ曲線に沿うように移動しつつ、押込み量を一定としたワーク表面倣い測定、つまり、「アクティブ設計値倣い測定」が実現される。

Ｖ＝Ｇｆ×Ｖｆ＋Ｇｅ×Ｖｅ＋Ｇｃ×Ｖｃ ・・・（式１）

図１を参照しながら式の意味を簡単に説明する。
図１において、設計データ（輪郭点データ）から所定量（測定子半径ｒ―基準押込み量Ｅ０）オフセットしたところにＰＣＣ曲線（つまり、倣い経路）がある。（なお、図１においては、加工誤差等により、実際のワークが設計データから少しずれたように描いている。）

ベクトルＶｆは経路速度ベクトルである。経路速度ベクトルＶｆは、ＰＣＣ曲線上の補間点（ｉ）から次の補間点（ｉ＋１）に向かう方向をもつ。なお、経路速度ベクトルＶｆの大きさは、例えば、補間点（ｉ）におけるＰＣＣ曲線の曲率に基づいて決定される（例えば特許文献３）。

ベクトルＶｅは、押込み量修正ベクトルであり、プローブの押込み量Ｅｐが所定の基準押込み量Ｅ０（例えば０．３ｍｍ）になるようにするためのベクトルである。（押込み量修正ベクトルＶｅは、必然的に、ワーク表面の法線に平行となる。）

ベクトルＶｃは、軌道修正ベクトルである。軌道修正ベクトルは、プローブ位置からＰＣＣ曲線に下ろした垂線に平行である。Ｇｆ、Ｇｅ、Ｇｃはそれぞれ倣い駆動ゲイン、押込み方向修正ゲイン、軌道修正ゲインである。

ＰＣＣ曲線を図２に例示する。
点Ｐ１から点Ｐ７まで一続きのＰＣＣ曲線Ｌ＿ＰＣＣがあり、このＰＣＣ曲線Ｌ＿ＰＣＣは、点Ｐにより複数のセグメントに分割されている。（各セグメントもＰＣＣ曲線である。）
各セグメントの終了点は、次のセグメント（ＰＣＣ曲線）の開始点となっている。セグメントの開始点の座標を（Ｋ_Ｘ０、Ｋ_Ｙ０、Ｋ_Ｚ０）と表わし、そのＰＣＣ曲線における始点と終点との間の直線の長さをＤとする。このように定義すると、ＰＣＣ曲線上の任意の位置における座標｛Ｘ（Ｓ）、Ｙ（Ｓ）、Ｚ（Ｓ）｝は、３次曲線を表わすための係数（Ｋ_Ｘ３、Ｋ_Ｘ２・・・・Ｋ_Ｚ１、Ｋ_Ｚ０）を用い、次の式（２）で表される。

Ｘ（Ｓ）＝Ｋ_Ｘ３Ｓ^３＋Ｋ_Ｘ２Ｓ^２＋Ｋ_Ｘ１Ｓ＋Ｋ_Ｘ０
Ｙ（Ｓ）＝Ｋ_Ｙ３Ｓ^３＋Ｋ_Ｙ２Ｓ^２＋Ｋ_Ｙ１Ｓ＋Ｋ_Ｙ０
Ｚ（Ｓ）＝Ｋ_Ｚ３Ｓ^３＋Ｋ_Ｚ２Ｓ^２＋Ｋ_Ｚ１Ｓ＋Ｋ_Ｚ０ ・・・（式２）

測定対象物を倣い測定する経路を上記式（２）のように生成し、このＰＣＣ曲線に沿って合成ベクトルＶ（上記式（１））でプローブが倣い移動するように制御する。
すると、測定対象物を倣い測定した測定結果が得られるわけである。

特許５２７４７８２ 特許６０３０３３９ 特許６０６３１６１

近年、倣い測定の対象物の形状がかなり複雑になってきている。
例えば図３に例示するような形状についても倣い測定で精密に形状測定するニーズが高まっている。それと同時に、測定時間を短縮して測定効率を向上させることも当然に要求されている。現行の三次元測定機（特許文献１、２、３）は、Ｘ駆動軸、Ｙ駆動軸およびＺ駆動軸の互いに直交する３つの駆動軸を有し、直交する３つの駆動軸でプローブと測定対象物との相対移動を実現している。しかし、現行の三次元測定機では、測定対象物が複雑になってくると、それだけプローブの動きが複雑になるため、プローブの移動速度が遅くなり、測定時間が非常に長く掛かってしまっていた。

本発明の目的は、複雑な形状の測定対象物であっても測定時間を短縮して測定効率の向上を図ることができる形状測定装置の制御方法を提供することにある。

本発明の形状測定装置の制御方法は、
３つの並進軸を有する移動機構と、
前記移動機構に支持され、先端に測定子を有するプローブと、
測定対象物を載置する回転テーブルを回転軸回りに回転駆動させる回転テーブル機構と、を有し、前記プローブが倣い経路に沿って前記測定対象物を倣い測定する形状測定装置の制御方法であって、
前記移動機構への移動指令と前記回転テーブル機構への回転指令とを同期させて、前記プローブが前記倣い経路に沿って前記測定対象物を倣い測定するようにする
ことを特徴とする。

本発明の一実施形態では、
オペレータが倣い経路とともに回転テーブルの回転角指令を設定しておき、
前記倣い経路のデータに基づいて、前記プローブが前記倣い経路に沿って移動するように前記移動機構を駆動制御する速度ベクトル指令を生成し、
前記回転角指令に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成し、
前記回転指令の分を減じるように前記速度ベクトル指令を補正して補正後速度ベクトル指令を生成し、
前記回転指令と前記補正後速度ベクトル指令とにより、前記回転テーブル機構と前記移動機構とを駆動制御する
ことが好ましい。

本発明の一実施形態では、
オペレータが倣い経路とともに回転テーブルの回転角指令を設定しておき、
前記回転指令の分を減じるように前記倣い経路のデータを補正して補正後倣い経路データを生成し、
前記補正後倣い経路データに基づいて、前記移動機構を駆動制御する速度ベクトル指令を生成し、
前記回転角指令に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成し、
前記回転指令と前記速度ベクトル指令とにより、前記回転テーブル機構と前記移動機構とを駆動制御する
ことが好ましい。

本発明の一実施形態では、
オペレータが倣い経路を設定し、
前記倣い経路のデータに基づいて、前記プローブが前記倣い経路に沿って移動するように前記移動機構を駆動制御する速度ベクトル指令を生成し、
前記速度ベクトル指令に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成し、
前記回転指令の分を減じるように前記速度ベクトル指令を補正して補正後速度ベクトル指令を生成し、
前記回転指令と前記補正後速度ベクトル指令とにより、前記回転テーブル機構と前記移動機構とを駆動制御する
ことが好ましい。

本発明の一実施形態では、
前記速度ベクトル指令に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成する工程は、
経路速度ベクトルＶｆの方向変化に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成する
ことが好ましい。
ここで、経路速度ベクトルＶｆは、倣い経路上の一の補間点から次の補間点に向かう方向をもつベクトルである。

本発明の一実施形態では、
前記速度ベクトル指令に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成する工程は、
前記移動機構が前記プローブを前記測定対象物に押し当てる所定の方向をアプローチ方向ＡＰとするとき、
押込み量修正ベクトルＶｅとアプローチ方向ＡＰとがなす角度に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成する
ことが好ましい。
ここで、押込み量修正ベクトルＶｅは、前記プローブの押込み量Ｅｐが所定の基準押込み量Ｅ０になるようにするためのベクトルであり、接触点における測定対象物の法線に平行な方向を有する。

本発明の一実施形態では、
前記速度ベクトル指令に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成する工程は、
前記回転テーブル機構の回転中心Ｏｃを中心として、前記プローブと前記測定対象物との接触点と前記回転中心Ｏｃとの距離ｒ１を半径とする仮想円Ｃ１を求め、
前記仮想円Ｃ１の前記接触点における接線Ｌ１を求め、
前記速度ベクトル指令の前記接線Ｌ１方向の成分である回転方向ベクトルＶＬ１を求め、
前記回転方向ベクトルＶＬ１に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成する
ことが好ましい。

設計データと、ＰＣＣ曲線と、合成ベクトルＶと、の関係を模式的に示す図である。 ＰＣＣ曲線を例示する図である。 測定対象物を例示する図である。 第１実施形態において、形状測定システムの全体構成を示す図である。 第１実施形態において、ホストコンピュータおよびモーションコントローラの機能ブロック図である。 第１実施形態において、円柱状のワーク（測定対象物）Ｗの側面を蛇行しながら倣い測定する経路を例示する図である。 第１実施形態において、倣い経路の区間に回転角（回転角指令）を設定した状態を模式的に例示する図である。 第１実施形態において、駆動指令生成部の機能ブロック図である。 第１実施形態において、速度パターンと回転駆動指令との対応を模式的に例示する図である。 第１実施形態において、円柱状のワーク（測定対象物）Ｗの側面を蛇行しながら倣い測定する経路を例示する図である。 第１実施形態の測定動作を模式的に例示する図である。 第２実施形態において、補正後ＰＣＣ曲線の生成を説明するための図である。 第２実施形態において、補正後ＰＣＣ曲線の生成を説明するための図である。 第２実施形態において、モーションコントローラの機能ブロック図である。 第２実施形態において、速度パターンを例示する図である。 第３実施形態のモーションコントローラの構成を示す図である。 円柱状のワーク（測定対象物）Ｗの側面を倣い測定する経路を例示する図である。 図１７をＺ軸に沿ってみた図である。 第４実施形態において、円柱状のワーク（測定対象物）Ｗの側面を倣い測定する経路を例示する図である。 第５実施形態において、円柱状のワーク（測定対象物）Ｗの側面を倣い測定する経路を例示する図である。

本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
図４は、形状測定システム１００の全体構成を示す図である。
形状測定システム１００は、三次元測定機２００と、三次元測定機２００の駆動を制御するモーションコントローラ３００と、モーションコントローラ３００を制御すると共に必要なデータ処理を実行するホストコンピュータ５００と、を備える。

三次元測定機２００は、定盤２１０と、移動機構２２０と、プローブ２３０と、回転テーブル機構２５０と、を備える。

移動機構２２０は、定盤２１０上をＹ方向にスライド可能に設けられた門型のＹスライダ２２１と、Ｙスライダ２２１のＸ方向のビームに沿ってスライドするＸスライダ２２２と、Ｘスライダ２２２に固定されたＺ軸コラム２２３と、Ｚ軸コラム２２３内をＺ方向に昇降するＺスピンドル２２４と、を備える。

Ｙスライダ２２１、Ｘスライダ２２２およびＺスピンドル２２４には、それぞれ駆動モータ（不図示）とエンコーダ（不図示）とが付設されている。
モーションコントローラ３００からの駆動制御信号によって各駆動モータが駆動制御される。
エンコーダは、Ｙスライダ２２１、Ｘスライダ２２２およびＺスピンドル２２４それぞれの移動量を検出し、検出値をモーションコントローラ３００に出力する。
Ｚスピンドル２２４の下端にプローブ２３０が取り付けられている。

プローブ２３０は、測定子２３２を先端側（－Ｚ軸方向側）に有するスタイラス２３１と、スタイラス２３１の基端側（＋Ｚ軸方向側）を支持する支持部２３３と、を備える。測定子２３２は、球状であって、測定対象物に接触する。

支持部２３３は、スタイラス２３１に外力が加わった場合、すなわち測定子２３２が測定対象物に当接した場合にはスタイラス２３１が一定の範囲内でＸ、Ｙ、Ｚ軸の各軸方向に移動可能となるようにスタイラス２３１を支持している。さらに、支持部２３３は、スタイラス２３１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（不図示）を備える。プローブセンサは検出値をモーションコントローラ３００に出力する。

回転テーブル機構２５０は定盤上に設置されており、内蔵のモータ（不図示）で回転テーブル２５１を回転させる。なお、ここでは、回転テーブル２５１の回転軸はＺ軸に平行である。回転テーブル機構２５０にはロータリーエンコーダ（不図示）が内蔵されており、検出値をモーションコントローラ３００に出力する。

（ホストコンピュータ５００の構成）
次にホストコンピュータ５００について説明する。
図５は、ホストコンピュータ５００およびモーションコントローラ３００の機能ブロック図である。
ホストコンピュータ５００は、ＣＰＵ５１１（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３００を介して三次元測定機２００を制御する。
ＣＰＵ５１１（中央処理装置）で測定制御プログラムを実行することにより本実施形態の測定動作が実現される。ホストコンピュータ５００には、必要に応じて、出力装置（ディスプレイやプリンタ）および入力装置（キーボードやマウス）が接続されている。

ホストコンピュータ５００は、さらに、記憶部５２０と、形状解析部５３０と、を備える。
記憶部５２０は、測定対象物（ワーク）Ｗの形状に関する設計データ（ＣＡＤデータや、ＮＵＲＢＳデータ等）、測定で得られた測定データ、および、測定動作全体を制御する測定制御プログラムを格納する。

形状解析部５３０は、モーションコントローラ３００から出力された測定データに基づいて測定対象物の表面形状データを算出し、算出した測定対象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。

また、形状解析部５３０は、倣い経路情報を含んだ設計データ（ＣＡＤデータや、ＮＵＲＢＳデータ等）からＰＣＣ曲線への変換等を行って測定指令データの生成を行う。
測定指令データの生成について説明する。

いま、例えば、図６に例示するような円柱状のワーク（測定対象物）Ｗの側面を蛇行しながら倣い測定したいとする。この場合、従来技術では、オペレータは、単に図６に示すような倣い経路（蛇行する経路）を設定するだけであり、倣い経路を例えばＣＡＤデータとして設定していた。本実施形態では、オペレータは、倣い経路の情報だけでなく、そのときの回転テーブル機構２５０の回転動作についても指令を設定入力する。

例えば、図７に例示するように、倣い経路をいくつかの区間で区切って、その区間を倣い測定する間に回転テーブル２５１が回転すべき回転角（回転角指令）を設定しておく。（この回転角指令は、ＣＡＤデータとリンクするようにして倣い経路情報に埋め込まれるとする。）
図７の例では、最初の区間では左回りに１０度（"－１０度"）、次の区間では右回りに１０度（"＋１０度"）、というように回転角を設定入力する。

形状解析部５３０は、背景技術で説明した通りの方法で、ＣＡＤデータを点群のデータ（輪郭点データ）→オフセット済み輪郭点データ→ＰＣＣ曲線、とする。ただし、回転角指令については、倣い経路情報から抜き出し、ＰＣＣ曲線の生成後に、ＰＣＣ曲線の対応する区間に前記回転角指令を付け加えておく。ＰＣＣ曲線に回転角指令を加えたものを本実施形態の"測定指令データ"とする。

（モーションコントローラ３００の構成）
次にモーションコントローラ３００について説明する。
モーションコントローラ３００は、測定指令取得部３１０と、カウンタ部３３０と、駆動指令生成部３４０と、駆動制御部３５０と、を備える。

測定指令取得部３１０は、ホストコンピュータ５００から測定指令データを取得する。（本実施形態では、測定指令データは、ＰＣＣ曲線データに回転角指令が加わったものである。）

カウンタ部３３０は、エンコーダから出力される検出信号をカウントして各スライダの変位量を計測するとともに、プローブセンサから出力される検出信号をカウントしてプローブ２３０（スタイラス２３１）の変位量を計測する。
計測されたスライダおよびプローブ２３０の変位から測定子２３２の座標位置ＰＰ（以下、プローブ位置ＰＰ）が得られる。また、カウンタ部３３０にて計測されたスタイラス２３１の変位（プローブセンサの検出値（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ））から、測定子２３２の押込み量（ベクトルＥｐの絶対値）が得られる。同じく、カウンタ部は、ロータリーエンコーダから検出される検出信号をカウントとして、回転テーブル機構の回転角を得る。

図８は、駆動指令生成部３４０の機能ブロック図である。
駆動指令生成部３４０は、速度パターン計画部３４１と、ベクトル指令生成部３４２と、ベクトル指令補正部３４３と、回転指令生成部３４４と、を備える。

測定指令データは、ＰＣＣ曲線データに回転角指令が加わったものであった。
まず、速度パターン計画部３４１およびベクトル指令生成部３４２は従来通り、ＰＣＣ曲線から合成ベクトルＶを生成する。速度パターン計画部３４１は、ＰＣＣ曲線を分割して分割ＰＣＣ曲線群とし、さらに、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（移動ベクトル）を算出する（図９参照）。ベクトル指令生成部３４２は、背景技術で説明したように、合成ベクトルＶを生成する。これらの処理自体は従来通りであるので冗長な説明は割愛する。

Ｖ＝Ｇｆ×Ｖｆ＋Ｇｅ×Ｖｅ＋Ｇｃ×Ｖｃ ・・・（式１）

一方、回転指令生成部３４４は、測定指令データのなかの回転角指令を抜き出し、回転テーブル機構２５０に対する回転駆動指令を生成する。測定指令データにおいては、ＰＣＣ曲線の区間ごとに回転角指令が設定されていたわけであるから、もちろん、回転駆動指令はＰＣＣ曲線の区間に対応したものとして生成される。例えば、図９の例示のように、区間Ｃｉ－１に対応する回転駆動指令は"－１０度"、区間Ｃｉに対応する回転駆動指令は"＋１０度"、というように、区間と回転角指令との対応（リンク）は維持される。

ベクトル指令補正部３４３は、ベクトル指令生成部３４２が生成した合成ベクトルＶに対し、回転テーブル２５１の回転分を減じるように補正処理を行って、回転補正後合成ベクトルＶＡＭＤを生成する。いま、図１０において、移動機構２２０によってプローブ２３０が右方向に移動（矢印Ａ）する代わりに、回転テーブル２５１が左に回転（矢印Ｂ）する場合を考えるとする。このとき、合成ベクトルＶに対して、回転テーブル２５１の回転分を減じるように補正を行えばよい。

そこで、図１０の状態で、回転テーブル２５１の回転軸からプローブ２３０（測定子２３２）に向かうベクトルを半径ベクトルＲとする。また、回転テーブル２５１の角速度ベクトルをωとする。プローブ２３０（測定子２３２）の位置における回転テーブル２５１の速度（ベクトル）は、Ｖθ＝ω×Ｒ、で表わされるので、合成ベクトルＶからこのＶθを減じることで回転補正後合成ベクトルＶ_ＡＭＤは次のようになる。

回転補正後合成ベクトルＶ_ＡＭＤ＝Ｇｆ×Ｖｆ＋Ｇｅ×Ｖｅ＋Ｇｃ×Ｖｃ－Ｇθ×Ｖθ

駆動制御部３５０は、移動機構２２０を駆動制御する移動機構制御部３５１と、回転テーブル機構２５０を駆動制御する回転駆動制御部３５２と、を備える（図８参照）。
移動機構制御部３５１には、ベクトル指令補正部３４３から回転補正後合成ベクトルＶ_ＡＭＤが与えられる。
回転駆動制御部３５２には、回転指令生成部３４４から回転駆動指令が与えられる。
区間と回転角指令との対応（リンク）は維持されているので、回転補正後合成ベクトルＶ_ＡＭＤと回転駆動指令とは同期した状態を保ってそれぞれ移動機構制御部３５１と回転駆動制御部３５２とに与えられる。
そして、移動機構制御部３５１からは移動機構２２０に対して回転補正後合成ベクトルＶ_ＡＭＤに基づく移動信号が与えられ、回転駆動制御部３５２からは回転テーブル機構２５０に対して回転駆動指令に基づく回転駆動信号が与えられ、両者は同期している。

このようにして生成された移動信号と回転駆動信号とで移動機構２２０と回転テーブル機構２５０とが駆動される結果として、例えば、図１１のような測定動作が得られる。すなわち、一例として、移動機構２２０によるプローブ２３０の移動は、ただまっすぐＺ軸方向に降りていくだけになる。これに合わせて回転テーブル２５１が左右に回転する。その結果、円柱状のワークＷの側面を蛇行するような経路で全体的に倣い測定が実行されている。

測定データとしては、プローブ２３０のエンコーダおよび移動機構２２０のエンコーダによって測定子２３２の三次元座標が得られるのであるが、さらに、回転テーブル機構２５０の回転量がロータリーエンコーダで取得される。ワーク（測定対象物）の形状解析にあたっては、回転テーブル機構２５０の回転量を加味しなければならないのはもちろんである。

このような構成を備える本実施形態によれば、回転テーブル機構２５０の回転も利用しながら倣い測定を行うことができる。
従来の三次元測定機では、互いに直交する３つの駆動軸でプローブ２３０とワークＷとを相対移動させていたが、本実施形態では、さらに、回転テーブル機構２５０の回転軸を加えて、４軸でプローブ２３０とワークＷとを相対移動させることができる。
このように直交３軸の移動機構２２０と回転駆動の回転テーブル機構２５０とを協働させることにより、プローブ２３０の動きを少なくし、プローブ２３０の動きを単純化することができる。このことは、複雑な形状のワークを複雑な倣い経路で倣い測定しようとする場合に測定時間を短縮して測定効率を向上させるという効果を奏する。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態を説明する。
第２実施形態の基本的な構成は第１実施形態と同じであるが、第２実施形態では、ホストコンピュータ５００の形状解析部５３０でＰＣＣ曲線を補正しておく点に特徴がある。

図１２を参照いただきたい。
形状解析部５３０において、ＰＣＣ曲線の生成後に、ＰＣＣ曲線の対応する区間に回転角指令を付け加えて"測定指令データ"を生成するところまでは第１実施形態と同じである。
第２実施形態においては、形状解析部５３０において、ＰＣＣ曲線を回転角指令の分だけ回転移動させ、回転テーブル機構２５０の回転分を減じた補正後ＰＣＣ曲線を求めてしまっておく。（このような座標変換処理はモーションコントローラ３００よりもホストコンピュータ５００で行った方が処理が速い。）

ＰＣＣ曲線から回転角指令の回転分を減じると、図１３に例示するように、補正後ＰＣＣ曲線はより滑らかな曲線になる。（つまり、カーブが少ない、全体的に曲率が小さい、あるいは、曲率の変化が少ないような曲線が得られると期待できる。うまく回転角指令を与えておけば、極端な場合、補正後ＰＣＣ曲線を直線にすることもできるだろう。）補正後ＰＣＣ曲線に区間ごとの回転角指令を加えたものを"補正後測定指令データ"とする。"補正後測定指令データ"は、ホストコンピュータ５００（形状解析部）からモーションコントローラ３００に送られる。

次にモーションコントローラ３００での処理を説明する。
図１４を参照いただきたい。
第１実施形態（図８）との違いは、第２実施形態のモーションコントローラ３００にはベクトル指令補正部３４３が無い、ということである。
速度パターン計画部３４１およびベクトル指令生成部３４２は、補正後ＰＣＣ曲線から従来通りの方法で合成ベクトルＶを生成する。つまり、速度パターン計画部３４１は、補正後ＰＣＣ曲線を分割して分割ＰＣＣ曲線群とし、さらに、分割ＰＣＣ曲線群から速度曲線を算出してプローブ２３０の移動速度（移動ベクトル）を算出する（図１５参照）。ベクトル指令生成部３４２は、背景技術で説明したように、合成ベクトルＶを生成する。

これらの処理自体は従来通りであり、第１実施形態とも同じであるが、第２実施形態ではＰＣＣ曲線が既に補正されて滑らかになっている。そのため、同じ処理で速度パターンを生成したとしても、図１５に例示するように、速度パターンの速度が全体的に大きくなる。
このあとの処理は第１実施形態で説明した通りであるから冗長な説明は割愛する。

この第２実施形態によれば、測定時間をさらに短縮できると期待できる。

（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態を説明する。
第３実施形態が特徴とする点は、オペレータが回転角指令を設定するのではなく、モーションコントローラ３００（あるいはホストコンピュータ５００）が倣い経路のＰＣＣ曲線から自動的に回転角指令を生成する点にある。
第３実施形態において、オペレータは従来通り倣い経路を設定するだけである。ホストコンピュータ５００の形状解析部５３０は、その倣い経路をＰＣＣ曲線に変換して、測定指令データとし、モーションコントローラ３００に与える。ここまでは従来通りである。

さて、図１６に第３実施形態のモーションコントローラ３００の構成を示す。
第１実施形態との違いは、回転指令生成部３４４が回転テーブル機構２５０に対する回転角指令を演算で求める点である。

いま、図１７に例示するような倣い測定の経路をオペレータが設定したとする。
ＰＣＣ曲線上の補間点として、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３・・・が設定されたとする。このとき、補間点Ｐ１から補間点Ｐ２に向かう経路速度ベクトルをＶｆ１とする。ここまでは、ベクトル指令生成部３４２で求められる。（ベクトル指令生成部３４２は、このあと合成ベクトルＶを生成する。これも従来通りである。）

回転指令生成部３４４は、ベクトル指令生成部３４２で生成される経路速度ベクトルＶｆ１、Ｖｆ２・・・を用いて、回転テーブル機構２５０に対する回転角指令を生成する。
経路速度ベクトルＶｆ１、Ｖｆ２・・・は、設計値に基づいたプローブ２３０の進行方向である。例えば、経路速度ベクトルＶｆ１と経路速度ベクトルＶｆ２とを対比すれば、進行方向の変化量が分かる。この進行方向の変化分の全部または一部を回転テーブル機構２５０の回転で補ってやれば、移動機構２２０の駆動量はそれだけ少なくなる。

経路速度ベクトルＶｆ１、Ｖｆ２・・から回転テーブル機構２５０に対する回転角指令を生成する方法の例を紹介する。
図１７をＺ軸に沿ってみた図が図１８である。（つまりＸＹ平面上に投影して考える。）いま、Ｚ軸に平行なベクトルをベクトルＺとする。そして、ベクトルＺと経路速度ベクトルＶｆ１との外積ベクトルをＶＲ１で表わすとする。ＸＹ平面上において、ベクトルＶＲ１と経路速度ベクトルＶｆ２とのなす角をθ１とする。このθ１から９０°を減じ、"θ１－９０°"を求めると、経路速度ベクトルＶｆ１からＶｆ２の進行方向の変化に対応している。（ＸＹ平面上でみたときの経路速度ベクトルの向きの変化ということ。）

そこで、回転テーブル機構２５０に対する回転角指令は、θ１の関数としてｆ（θｉ）とする。（ここで、添え字をｉとした。ｉ＝１，２、３、・・・。関数ｆの係数等は適宜決めればよい。）回転角指令が決まれば、その分をベクトル指令補正部３４３が合成ベクトルＶから減じて回転補正後合成ベクトルＶＡＭＤを生成する。このあとの処理は第１実施形態で説明済みであるから割愛する。

（第４実施形態）
第３実施形態では、経路速度ベクトルＶｆを用いたが、第４実施形態では、押込み修正ベクトルＶｅを用いて回転テーブル機構２５０に対する回転角指令を求める。
図１９を参照しながら第４実施形態を説明する。

この例では、右から左の方向（つまり、"－Ｘ方向"）を所定のアプローチ方向ＡＰと称することにする。ＸＹ面上でみたときに、プローブ２３０（測定子２３２）とワークＷとの接触点において、ワークＷの法線方向が前記アプローチ方向ＡＰと平行となる状態を維持すれば、プローブ２３０（測定子２３２）でワークＷを測定することができる。

さて、押込み量修正ベクトルＶｅは、プローブ２３０の押込み量Ｅｐが所定の基準押込み量Ｅ０（例えば０．３ｍｍ）になるようにするためのベクトルであり、プローブ２３０（測定子２３２）の変位方向から求められる。押込み量修正ベクトルＶｅは、必然的に、ワーク表面の法線に平行なベクトルとなる。そこで、回転指令生成部３４４は、アプローチ方向のベクトルＡＰ（アプローチベクトルＡＰ）と押込み量修正ベクトルＶｅとがなす角を求め、両者が平行になるように回転テーブル２５１を回転させる回転角指令を生成する。回転角指令が決まれば、その分をベクトル指令補正部３４３が合成ベクトルＶから減じて回転補正後合成ベクトルＶＡＭＤを生成する。このあとの処理は第１実施形態で説明済みであるから割愛する。

なお、ここで、対比例として、真円度測定機を考えると、真円度測定機のプローブはＸＺ面内でしか進退しない。（あるいは、プローブの可動方向は所定の拘束面に制限される。）また、回転テーブル機構への回転指令と移動機構への移動指令とは同期して与えられるようなものではない。両者はそれぞれ別個に駆動され、形状解析のときに両者の結果が合成されるのみである。一方、本発明では、三次元測定機に回転テーブル機構が付設されたものである。プローブがＹ方向に動いてもよいのはもちろんのことである。回転テーブル機構への回転指令と移動機構への移動指令とを同期させて、意図した倣い経路に沿った倣い測定が実行されるようにする。このとき、回転テーブル機構の回転を利用すると、移動機構によるプローブの移動量を少なくできるわけである。

（第５実施形態）
第３実施形態では経路速度ベクトルＶｆを用い、第４実施形態では押込み修正ベクトルＶｅを用いて回転テーブル機構２５０に対する回転角指令を求めたが、第５実施形態としては、合成ベクトルＶから回転テーブル機構２５０に対する回転角指令を求める。ＸＹ投影面で考える。図２０において、ＰＣＣ曲線上の補間点としてＰ１、Ｐ２、Ｐ３・・・が設定されており、ベクトル指令生成部３４２は、合成ベクトルＶ１、Ｖ２・・・を生成するとする。ここで、合成ベクトルＶ１の成分のうち、回転テーブル機構２５０の回転方向の成分については回転テーブル機構２５０で行えばよいわけである。

回転指令生成部３４４は例えば次のようにして回転角指令を生成する。回転テーブル機構２５０の回転中心をＯＣとし、点Ｐ１と中心Ｏｃとの距離を半径ｒ１とする仮想円Ｃ１を考える。点Ｐ１における仮想円Ｃ１の接線Ｌ１を引き、合成ベクトルＶ１の成分のうち接線Ｌ１に沿う方向の成分を求める。（正確には、合成ベクトルＶ１をＸＹ面に投影し、さらに、接線Ｌ１に射影したベクトルを求める。）このようにして求まるベクトルを回転方向ベクトルＶＬ１とする。

この回転方向ベクトルＶＬ１の分だけ回転テーブル機構２５０を逆向きに回転させれば、移動機構２２０としては回転テーブルの回転方向の成分はゼロになる。つまり、回転指令生成部３４４は、向きが回転方向ベクトルＶＬ１と反対で、かつ、大きさが回転方向ベクトルＶＬ１と同じだけ回転テーブル２５１を回すように回転角指令を生成する。回転角指令が決まれば、その分をベクトル指令補正部３４３が合成ベクトルＶから減じて回転補正後合成ベクトルＶＡＭＤを生成する。このあとの処理は第１実施形態で説明済みであるから割愛する。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上記実施形態ではアクティブ設計値倣い測定を例にしているが、パッシブ設計値倣い測定でもよい。
モーションコントローラ３００とホストコンピュータ５００とは分離している例を示したが、モーションコントローラ３００とホストコンピュータ５００とが一体となって三次元測定機の「コントローラ」を構成してしてもよい。

１００…形状測定システム、２００…三次元測定機、２１０…定盤、
２２０…移動機構、
２２１…Ｙスライダ、２２２…Ｘスライダ、２２３…Ｚ軸コラム、２２４…Ｚスピンドル、２３０…プローブ、２３１…スタイラス、２３２…測定子、２３３…支持部、
２５０…回転テーブル機構、２５１…回転テーブル、
３００…モーションコントローラ、
３１０…測定指令取得部、３３０…カウンタ部、３４０…駆動指令生成部、３４１…速度パターン計画部、３４２…ベクトル指令生成部、３４３…ベクトル指令補正部、３４４…回転指令生成部、
３５０…駆動制御部、３５１…移動機構制御部、３５２…回転駆動制御部、
５００…ホストコンピュータ、
５２０…記憶部、５３０…形状解析部。

Claims (6)

1. 3つの並進軸を有する移動機構と、
   前記移動機構に支持され、先端に測定子を有するプローブと、
   測定対象物を載置する回転テーブルを回転軸回りに回転駆動させる回転テーブル機構と、を有し、前記プローブが倣い経路に沿って前記測定対象物を倣い測定する形状測定装置の制御方法であって、
   オペレータが倣い経路とともに回転テーブルの回転角指令を設定しておき、
   前記倣い経路のデータに基づいて、前記プローブが前記倣い経路に沿って移動するように前記移動機構を駆動制御する速度ベクトル指令を生成し、
   前記回転角指令に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成し、
   前記回転指令の分を減じるように前記速度ベクトル指令を補正して補正後速度ベクトル指令を生成し、
   前記回転指令と前記補正後速度ベクトル指令とにより、前記回転テーブル機構と前記移動機構とを駆動制御し、
   前記移動機構への移動指令と前記回転テーブル機構への回転指令とを同期させて、前記プローブが前記倣い経路に沿って前記測定対象物を倣い測定するようにする
   ことを特徴とする形状測定装置の制御方法。
2. 3つの並進軸を有する移動機構と、
   前記移動機構に支持され、先端に測定子を有するプローブと、
   測定対象物を載置する回転テーブルを回転軸回りに回転駆動させる回転テーブル機構と、を有し、前記プローブが倣い経路に沿って前記測定対象物を倣い測定する形状測定装置の制御方法であって、
   オペレータが倣い経路とともに回転テーブルの回転角指令を設定しておき、
   前記回転角指令の分を減じるように前記倣い経路のデータを補正して補正後倣い経路データを生成し、
   前記補正後倣い経路データに基づいて、前記移動機構を駆動制御する速度ベクトル指令を生成し、
   前記回転角指令に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成し、
   前記回転指令と前記速度ベクトル指令とにより、前記回転テーブル機構と前記移動機構とを駆動制御し、
   前記移動機構への移動指令と前記回転テーブル機構への回転指令とを同期させて、前記プローブが前記倣い経路に沿って前記測定対象物を倣い測定するようにする
   ことを特徴とする形状測定装置の制御方法。
3. 3つの並進軸を有する移動機構と、
   前記移動機構に支持され、先端に測定子を有するプローブと、
   測定対象物を載置する回転テーブルを回転軸回りに回転駆動させる回転テーブル機構と、を有し、前記プローブが倣い経路に沿って前記測定対象物を倣い測定する形状測定装置の制御方法であって、
   オペレータが倣い経路を設定し、
   前記倣い経路のデータに基づいて、前記プローブが前記倣い経路に沿って移動するように前記移動機構を駆動制御する速度ベクトル指令を生成し、
   前記速度ベクトル指令に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成し、
   前記回転指令の分を減じるように前記速度ベクトル指令を補正して補正後速度ベクトル指令を生成し、
   前記回転指令と前記補正後速度ベクトル指令とにより、前記回転テーブル機構と前記移動機構とを駆動制御し、
   前記移動機構への移動指令と前記回転テーブル機構への回転指令とを同期させて、前記プローブが前記倣い経路に沿って前記測定対象物を倣い測定するようにする
   ことを特徴とする形状測定装置の制御方法。
4. 請求項3に記載の形状測定装置の制御方法において、
   前記速度ベクトル指令に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成する工程は、
   経路速度ベクトルVfの方向変化に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成する
   ことを特徴とする形状測定装置の制御方法。
   ここで、経路速度ベクトルVfは、倣い経路上の一の補間点から次の補間点に向かう方向をもつベクトルである。
5. 請求項3に記載の形状測定装置の制御方法において、
   前記速度ベクトル指令に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成する工程は、
   前記移動機構が前記プローブを前記測定対象物に押し当てる所定の方向をアプローチ方向APとするとき、
   押込み量修正ベクトルVeとアプローチ方向APとがなす角度に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成する
   ことを特徴とする形状測定装置の制御方法。
   ここで、押込み量修正ベクトルVeは、前記プローブの押込み量Epが所定の基準押込み量E0になるようにするためのベクトルであり、接触点における測定対象物の法線に平行な方向を有する。
6. 請求項3に記載の形状測定装置の制御方法において、
   前記速度ベクトル指令に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成する工程は、
   前記回転テーブル機構の回転中心Ocを中心として、前記プローブと前記測定対象物との接触点と前記回転中心Ocとの距離r1を半径とする仮想円C1を求め、
   前記仮想円C1の前記接触点における接線L1を求め、
   前記速度ベクトル指令の前記接線L1方向の成分である回転方向ベクトルVL1を求め、
   前記回転方向ベクトルVL1に基づいて前記回転テーブル機構への回転指令を生成する
   ことを特徴とする形状測定装置の制御方法。

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