JP7617397B2 - 位置決め方法及び位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面形状測定機の検出器をその揺動範囲の中央位置に位置決めする位置決め方法及び位置決め装置に関する。

ワークの被測定面の表面粗さ及び輪郭形状等の表面形状を測定する表面形状測定機が知られている。この表面形状測定機は、揺動支点を支点として揺動自在に取り付けられたスタイラス、及びこのスタイラスの先端に設けられた触針等を有する検出器と、この検出器を揺動自在に支持し且つ被測定面に沿って移動させる駆動部と、を備える。表面形状測定機は、検出器の触針を被測定面に接触させた状態で、駆動部により検出器と被測定面とを水平方向に相対移動させることにより、触針で被測定面をトレースしながらスタイラス（触針）の変位を検出する。この変位検出結果に基づき被測定面の表面形状が得られる。

このような表面形状測定機として、検出器に取り付けられたスキッドを被測定面に接触させた状態で、触針により被測定面をトレースするスキッド測定タイプの測定機が良く知られている（特許文献１及び特許文献２参照）。この表面形状測定機では、スキッドに対するスタイラスの変位を検出することができる。

近年、表面形状測定機による表面形状測定についても自動化のニーズが高まっている。このため、表面形状測定機を保持するロボットアームを制御して、ロボットアームにより検出器の触針を被測定面に接触させた後、駆動部を駆動して検出器を被測定面に対して水平方向に相対移動させることで、表面形状の測定を自動で行うことができる（特許文献３参照）。

特開２０１３－２５７１６７号公報 特許第６４５８３３５号公報 特許第６８００４２１号公報

ところで、上記特許文献３に記載のようにロボットアームを用いて表面形状測定機による表面形状測定を行う場合には、ロボットアームの振動が表面形状測定の測定結果に影響を及ぼすことを防止するために上記特許文献１及び２に記載のスキッド測定タイプの表面形状測定機を用いることが望ましい。スキッドは被測定面に常時接触するため、ロボットアームの振動が表面形状測定の測定結果に及ぼす影響を低減させられる。

しかしながら、スキッド測定タイプの表面形状測定機を用いて表面形状測定を行う場合には、スキッドを被測定面に接触させた状態において検出器をその揺動範囲（可動範囲）の中央位置に位置決めする必要がある。このため、ロボットアームにより検出器のスキッドを被測定面に接触させる場合には、検出器が中央位置に位置決めされるようにロボットアームを教示（ティーチング）する必要があるが、ロボットアームの教示は目視に頼った方法で行われるのが一般的である。その結果、ロボットアームの教示に時間がかかったり、作業者ごとに検出器の中央位置の位置決め精度にばらつきが生じたり、或いは検出器を被測定面に押し付け過ぎることで検出器を破損させたりするおそれある。

なお、ロボットアームの教示を目視で行う代わりに、検出器が中央位置にあるか否かを検出可能な検出スイッチ（検出センサ）を表面形状測定機に設け、この検出スイッチの検出結果に基づき検出器が中央位置に位置決めされるようにロボットアームの教示を行う方法も考えられる。しかしながら、この方法では、検出スイッチ及びその配線を表面形状測定機に追加する必要があるのでコストが増加するという問題がある。また、検出スイッチの位置決めが必要などの課題もある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、検出器の中央位置への位置決めを高精度且つ低コストに行うことができる位置決め方法及び位置決め装置を提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するための位置決め方法は、被測定面に接する底面及び底面に開口した貫通穴を有するスキッドと、揺動支点を中心として揺動自在に支持されるスタイラスと、スタイラスが第１回転方向に回転した場合にスキッドに近づき且つ第１回転方向とは反対の第２回転方向に回転した場合にスキッドから遠ざかるスタイラスの先端部に設けられ、貫通穴内に挿通された触針と、スタイラスを第１回転方向に付勢する付勢部材と、を備える検出器と、検出器を第１回転方向と第２回転方向とに揺動自在に保持し、且つ検出器を揺動支点の軸方向に垂直な駆動方向に移動させる駆動部と、を備える表面形状測定機において、スキッドを被測定面に接触させた場合に、検出器の揺動範囲の中央位置に検出器を位置決めする位置決め方法であって、検出器を第２回転方向に回転させて、付勢部材の付勢により底面から突出した触針の先端位置を、検出器が中央位置にある場合の底面の高さ位置に一致させる一致ステップと、触針の先端位置を高さ位置に一致させた状態で、被測定面に対して検出器を相対移動させて触針の先端を被測定面に接触させる第１接触ステップと、第１接触ステップの完了後に、検出器を第１回転方向に回転させて底面を被測定面に接触させる第２接触ステップと、を有する。

この位置決め方法によれば、オペレータの目視に頼ったり或いは検出器が中央位置にあるか否かを検出可能な検出スイッチ（検出センサ）を表面形状測定機に設けたりすることなく、検出器の中央位置への位置決めを行うことができる。

本発明の他の態様に係る位置決め方法において、第１接触ステップは、被測定面に対して検出器を相対移動させて、触針の先端及び被測定面の一方を他方に向けて移動させる移動ステップと、移動ステップが実行されている間、触針の変位の有無を連続的に検出する検出ステップと、検出ステップで触針の変位が検出された場合に移動ステップを停止させる停止ステップと、を含む。これにより、オペレータの目視に頼ったり或いは検出器が中央位置にあるか否かを検出可能な検出スイッチを表面形状測定機に設けたりすることなく、検出器の中央位置への位置決めを行うことができる。

本発明の他の態様に係る位置決め方法において、移動ステップでは、表面形状測定機を保持し且つ表面形状測定機の位置姿勢を変更可能なロボットを制御して、検出器を被測定面に向けて移動させる。

本発明の他の態様に係る位置決め方法において、一致ステップでは、駆動部に保持具を着脱自在に取り付けて、保持具により検出器を押圧して第２回転方向に一定角度回転させることで触針の先端位置を高さ位置に一致させ、且つ保持具により検出器の第１回転方向の回転を規制する回転規制を行い、第２接触ステップでは、駆動部から保持具を取り外して回転規制を解除することで、検出器を第１回転方向に回転させる。

本発明の目的を達成するための位置決め装置は、被測定面に接する底面及び底面に開口した貫通穴を有するスキッドと、揺動支点を中心として揺動自在に支持されるスタイラスと、スタイラスが第１回転方向に回転した場合にスキッドに近づき且つ第１回転方向とは反対の第２回転方向に回転した場合にスキッドから遠ざかるスタイラスの先端部に設けられ、貫通穴内に挿通された触針と、スタイラスを第１回転方向に付勢する付勢部材と、を備える検出器と、検出器を第１回転方向と第２回転方向とに揺動自在に保持し、且つ検出器を揺動支点の軸方向に垂直な駆動方向に移動させる駆動部と、を備える表面形状測定機において、スキッドを被測定面に接触させた場合に、検出器の揺動範囲の中央位置に検出器を位置決めする位置決め装置であって、駆動部に取り付けられた保持具であって、且つ検出器を押圧して第２回転方向に回転させる押圧状態と、検出器の押圧を解除した押圧解除状態と、に切り替え可能な保持具と、被測定面に対して検出器を相対移動させる相対移動部と、保持具の押圧状態と押圧解除状態との切り替えを制御する切替制御部と、切替制御部により保持具が押圧状態に切り替えられた場合に、相対移動部を駆動して、触針の先端及び被測定面の一方を他方に向けて移動させる移動制御部と、相対移動部の駆動中に触針の変位の有無を連続的に検出する変位検出部と、を備え、押圧状態の保持具が、付勢部材の付勢により底面から突出した触針の先端位置を、検出器が中央位置にある場合の底面の高さ位置に一致させ、移動制御部が、変位検出部により触針の変位が検出された場合に相対移動部の駆動を停止させ、切替制御部が、移動制御部による相対移動部の駆動が停止された場合に、保持具を押圧状態から押圧解除状態に切り替えることで、検出器を第１回転方向に回転させて被測定面に底面を接触させる。

本発明の他の態様に係る位置決め装置において、相対移動部が、表面形状測定機を保持し且つ表面形状測定機の位置姿勢を変更可能なロボットである。

本発明は、検出器の中央位置への位置決めを高精度且つ低コストに行うことができる。

第１実施形態の表面粗さ測定システムの一例を示した概略図である。 ロボットアームの先端部分の拡大図である。 表面粗さ測定機の検出器の拡大図である。 被測定面ごとの教示情報の生成を説明するための説明図である。 教示情報の生成時の課題を説明するための説明である。 被測定面の教示情報の生成時に、検出器を中央位置に位置決めする位置決め方法の流れを示したフローチャートである。 図６に示したフローチャートのステップＳ１を説明するための説明図である。 図６に示したフローチャートのステップＳ２，Ｓ３を説明するための説明図である。 図６に示したフローチャートのステップＳ４，Ｓ５を説明するための説明図である。 図６に示したフローチャートのステップＳ６を説明するための説明図である。 第２実施形態の表面粗さ測定システムの一例を示した概略図である。 第２実施形態での被測定面の教示情報の生成時において、検出器を中央位置に位置決めする位置決め方法の流れを示したフローチャートである。 図１２に示したフローチャートのステップＳ１Ａを説明するための説明図である。 図１２に示したフローチャートのステップＳ２Ａ，Ｓ３Ａを説明するための説明図である。 図１２に示したフローチャートのステップＳ４Ａ、Ｓ５Ａを説明するための説明図である。 図１２に示したフローチャートのステップＳ６Ａを説明するための説明図である。

［第１実施形態］
図１は、本発明の位置決め方法が適用される第１実施形態の表面粗さ測定システム１０の一例を示した概略図である。なお、図中のＸＹＺ軸は互いに直交する軸であり、ＸＹ軸が水平方向に平行な軸であり、Ｚ軸が水平方向に直交する軸である。なお、本明細書において「平行」には「略平行」が含まれ、且つ「垂直」には「略垂直」が含まれる。

図１に示すように、表面粗さ測定システム１０は、ステージ１２とロボット基台１４とロボットアーム１６と表面粗さ測定機１８と制御装置２０とを備え、表面粗さ測定機１８を保持したロボットアーム１６を用いてワークＷの被測定面Ｗａの表面粗さを測定する。

ステージ１２には、表面粗さ測定の対象となる被測定面Ｗａを有するワークＷが載置されていると共に、ロボット基台１４が設置されている。

＜ロボット基台及びロボットアーム＞
ロボット基台１４は、ステージ１２上において、ワークＷの配置及び表面粗さ測定機１８による被測定面Ｗａの表面粗さ測定を妨げない位置に配置されている。このロボット基台１４上には、ロボットアーム１６が設けられている。なお、ロボット基台１４が、ステージ１２外に配置されていてもよい。

ロボットアーム１６は、本発明のロボット及び相対移動部に相当するものであり、表面粗さ測定機１８を保持して、この表面粗さ測定機１８の検出器３０（後述の触針４８及びスキッド５４、図３参照）を被測定面Ｗａの所望の部位に接触させる。このロボットアーム１６は、多関節型のアームであり、５つのアーム１６ａ１～１６ａ５と、４つの関節部１６ｂと、エンドエフェクタ１６ｃと、を備える。なお、ロボットアーム１６のアーム数（関節数）は適宜変更可能である。

アーム１６ａ１は、不図示の可動軸（回転型アクチュエータ）を介して、Ｚ軸の軸周り方向に回転自在にロボット基台１４に取り付けられている。「アーム１６ａ１とアーム１６ａ２」、「アーム１６ａ２とアーム１６ａ３」、「アーム１６ａ３とアーム１６ａ４」、「アーム１６ａ４とアーム１６ａ５」、及び「アーム１６ａ５とエンドエフェクタ１６ｃ」は、それぞれ関節部１６ｂ（回転型アクチュエータ）を介して、Ｚ軸に垂直な軸の軸周り方向に回転自在に連結されている。これにより、ロボットアーム１６は、表面粗さ測定機１８の位置姿勢を自在に変更可能である。

図２は、ロボットアーム１６の先端部分の拡大図である。図２及び既述の図１に示すように、エンドエフェクタ１６ｃの先端部には、アダプタ１６ｄを介して、表面粗さ測定機１８が保持されている。なお、図示されたアダプタ１６ｄの形状は一例であり、表面粗さ測定機１８を保持することができればアダプタ１６ｄの形状は限定されない。

ロボットアーム１６の各関節部１６ｂ及び可動軸の駆動は、後述の制御装置２０によって制御される。

＜表面粗さ測定機＞
図３は、表面粗さ測定機１８の検出器３０の拡大図である。なお、図３のＸ１Ｙ１Ｚ１軸は表面粗さ測定機１８を基準とする座標系の座標軸であり、Ｘ１軸方向が検出器３０の長手方向に平行な方向であり、Ｚ１軸方向が検出器３０の感度方向であり、Ｙ１軸方向がＸ１軸方向及びＺ１軸方向の双方に垂直な方向である。既述の図１及び図２では、Ｘ１軸方向がＸ軸方向に平行で且つＹ１軸方向がＹ軸方向に平行で且つＺ１軸方向がＺ軸方向に平行になるように、表面粗さ測定機１８がロボットアーム１６に保持されている。

図１から図３に示すように、表面粗さ測定機１８は、本発明の表面形状測定機に相当するものであり、検出器３０（ピックアップともいう）とノーズピース３２と駆動部３４（装置本体ともいう）とを備える。

検出器３０は、Ｘ１軸方向に延びた形状を有している。この検出器３０は、駆動部３４によりＸ１軸方向（すなわち被測定面Ｗａ）に沿って移動されることで、被測定面Ｗａを触針４８でトレースして、触針４８のＺ１軸方向の変位を示す検出信号を信号処理部５２（図１参照）へ出力する。

検出器３０は、揺動支点４０と、スタイラス４２（アーム又は測定子ともいう）と、付勢部材４４と、検出センサ４６と、触針４８と、これら各部を収納するハウジング３０ａ（アームともいう）と、を備える。

揺動支点４０は、Ｙ１軸方向に平行な回転軸（揺動軸）を備える。この揺動支点４０は、スタイラス４２を揺動自在に支持する。

スタイラス４２は、揺動支点４０に揺動自在に支持されるスタイラス本体部４２ａと、スタイラス本体部４２ａからスタイラス長手方向の一方側に延びたスタイラス先端部４２ｂと、スタイラス本体部４２ａからスタイラス長手方向の他方側に延びたスタイラス基端部４２ｃと、を備える。なお、スタイラス４２の形状は図３に示した形状に限定されるものではなく、適宜変更してもよい。

スタイラス先端部４２ｂの先端部分には触針４８が設けられている。触針４８は、スタイラス４２のスタイラス長手方向に対して垂直又は斜めの一方向側に突出、すなわちＺ１軸方向下方側に突出した下向き触針である。なお、スタイラス先端部４２ｂの先端部分及び触針４８は、ハウジング３０ａからノーズピース３２側に突出しており、このノーズピース３２内に収容されている。

スタイラス基端部４２ｃには、後述の検出センサ４６の一部を構成するコア４６ａが設けられている。

スタイラス４２は、揺動支点４０を基準として、第１回転方向ＳＷ１と第２回転方向ＳＷ２とに揺動される。第１回転方向ＳＷ１は、スタイラス先端部４２ｂ及び触針４８が後述のスキッド５４に近づく側の回転方向である。第２回転方向ＳＷ２は、第１回転方向ＳＷ１とは反対側の回転方向であって、且つスタイラス先端部４２ｂ及び触針４８がスキッド５４から遠ざかる側の回転方向である。

付勢部材４４は、スタイラス基端部４２ｃをＺ１軸方向上方側に付勢する。この付勢部材４４としては、例えばコイルバネ及び板バネ等の各種バネが用いられる。なお、バネ以外の公知の付勢方法でスタイラス基端部４２ｃの付勢を行ってもよい。これにより、スタイラス４２及び触針４８は、揺動支点４０を中心として、付勢部材４４により第１回転方向ＳＷ１に付勢される。

検出センサ４６は、例えば線形可変差動変圧器が用いられる。この検出センサ４６は、スタイラス基端部４２ｃに設けられたコア４６ａと、ハウジング３０ａ内に設けられたコイル４６ｂとにより構成される。

コア４６ａは、スタイラス基端部４２ｃからそのＺ軸方向下方側に延びた形状の鉄心である。コイル４６ｂは、スタイラス基端部４２ｃのＺ１軸方向下方側の位置に設けられている。コイル４６ｂにはその内部にコア４６ａが非接触で挿入される。

コイル４６ｂは、図示は省略するが、一次コイルと、２種類の二次コイルとにより構成されている。コイル４６ｂの一次コイルが制御装置２０により励磁されると、２種類の二次コイルからコア４６ａのＺ１軸方向の位置（変位）を示す検出信号が、信号ケーブル５０（図２参照）を介して信号処理部５２（図１参照）へ出力される。その結果、揺動支点４０、スタイラス４２（触針４８）、及びコア４６ａの位置関係と、検出センサ４６で検出されたコア４６ａのＺ１軸方向の位置とに基づき、スタイラス４２（触針４８）のＺ１軸方向の変位を検出することができる。

ノーズピース３２は、ハウジング３０ａの先端側に取り付けられている。このノーズピース３２には、スタイラス先端部４２ｂの先端部分及び触針４８を収容する収容空間が設けられている。また、ノーズピース３２には、収容空間内のスタイラス先端部４２ｂの先端部分からＺ軸方向下方側に離れた位置にスキッド５４が設けられている。

スキッド５４は、表面粗さ測定時に被測定面Ｗａに接する底面であるスキッド底面５４ａと、スキッド底面５４ａに開口し且つ触針４８が挿通される触針挿通穴５４ｂ（本発明の貫通穴に相当）と、を有する。スキッド底面５４ａが被測定面Ｗａに接していない状態では、付勢部材４４がスタイラス４２を第１回転方向ＳＷ１に付勢することで、触針４８が触針挿通穴５４ｂを通してスキッド底面５４ａからＺ１軸方向下方側に一定量だけ突出する。また逆にスキッド底面５４ａが被測定面Ｗａに接している状態では、スタイラス４２が付勢部材４４の付勢力に抗して第２回転方向ＳＷ２に一定角度だけ回転されることで、触針４８の先端とスキッド底面５４ａとのＺ１軸方向位置が一致する。

駆動部３４は、検出器３０と同様にＸ１軸方向に延びた形状を有しており、検出器３０を第１回転方向ＳＷ１と第２回転方向ＳＷ２とに揺動自在に保持し、且つ制御装置２０の制御の下で検出器３０をＸ１軸方向（本発明の駆動方向に相当）に移動させる。また、駆動部３４は、検出器３０をＸ１軸方向に移動させた場合にその移動量を示す移動量信号を、信号ケーブル５０を介して信号処理部５２へ出力する。

なお、駆動部３４に、検出器３０を第１回転方向ＳＷ１に付勢する付勢部材が設けられていてもよい。或いは駆動部３４に、後述の図５に示すように検出器３０がその揺動範囲Ｒの中央位置Ａ１から第１回転方向ＳＷ１又は第２回転方向ＳＷ２に回転した場合に、元の姿勢に復元する付勢部材或いは弾性体等が設けられていてもよい。

信号処理部５２は、ロボットアーム１６に設けられており、検出センサ４６から出力された検出信号と、駆動部３４から出力された移動量信号とを必要に応じて増幅した後、制御装置２０へ出力する。

＜制御装置＞
図１に戻って、制御装置２０は、ロボットアーム１６の動作、及び表面粗さ測定機１８による被測定面Ｗａの表面粗さ測定を統括的に制御する。この制御装置２０には、ロボットアーム１６、表面粗さ測定機１８、及び信号処理部５２の他に、記憶部６０、操作部６２、及び表示部６４が接続されている。

記憶部６０には、制御プログラム（図示は省略）、被測定面Ｗａの表面粗さ測定時のロボットアーム１６及び表面粗さ測定機１８の位置姿勢を規定した教示情報６６（ティーチング情報）、及び被測定面Ｗａの表面粗さの測定結果等が記憶される。教示情報６６は、ワークＷの被測定面Ｗａごとに予め作成されて記憶部６０内に記憶されている。

操作部６２は、ロボットアーム１６の手動操作、表面粗さ測定機１８の手動操作、教示情報６６の登録操作、及び表面粗さ測定の測定開始操作を含む各種操作に用いられる。

表示部６４は、各種設定画面、及び被測定面Ｗａの表面粗さの測定結果等を表示する。また、表示部６４は、教示情報６６の登録時には触針４８の変位を視覚的に表示する（後述の図８及び図９参照）。

制御装置２０は、例えばパーソナルコンピュータのような演算装置により構成され、各種のプロセッサ（Processor）及びメモリ等から構成された演算回路を備える。各種のプロセッサには、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、及びプログラマブル論理デバイス［例えばＳＰＬＤ（Simple Programmable Logic Devices）、ＣＰＬＤ（Complex Programmable Logic Device）、及びＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Arrays）］等が含まれる。なお、制御装置２０の各種機能は、１つのプロセッサにより実現されてもよいし、同種または異種の複数のプロセッサで実現されてもよい。

制御装置２０は、記憶部６０から読み出した制御プログラムを実行することで、ロボット制御部７０、測定機制御部７２、移動量検出部７４、変位検出部７６、及び表面形状解析部７８として機能する。

ロボット制御部７０は、ロボットアーム１６の動作を制御する。ロボット制御部７０は、被測定面Ｗａの表面粗さ測定時には、記憶部６０内の教示情報６６に基づきロボットアーム１６を制御することで表面粗さ測定機１８の位置及び姿勢を制御して、検出器３０の触針４８及びスキッド５４を被測定面Ｗａに接触させる。また、ロボット制御部７０は、詳しくは後述するが、被測定面Ｗａごとの教示情報６６の生成時には、操作部６２に対するオペレータの手動操作に応じてロボットアーム１６を駆動する。

測定機制御部７２は、表面粗さ測定機１８の各部（駆動部３４及び検出センサ４６）の動作を制御する。測定機制御部７２は、被測定面Ｗａの表面粗さ測定時には、ロボットアーム１６により検出器３０の触針４８及びスキッド５４が被測定面Ｗａに接触された後、検出センサ４６を作動させる共に、駆動部３４を駆動して検出器３０をＸ１軸方向に移動させることで触針４８により被測定面Ｗａを走査させる。また、測定機制御部７２は、被測定面Ｗａごとの教示情報６６の生成時には検出センサ４６を作動させる。

移動量検出部７４は、被測定面Ｗａの表面粗さ測定時において、駆動部３４から信号処理部５２を介して入力される移動量信号に基づき、検出器３０の移動量を検出してその検出結果を表面形状解析部７８へ出力する。

変位検出部７６は、被測定面Ｗａの表面粗さ測定時において、検出センサ４６から信号処理部５２を介して連続的に入力される検出信号に基づき、触針４８のＺ１軸方向の変位を連続的に検出して、その検出結果を表面形状解析部７８へ逐次出力する。また、変位検出部７６は、被測定面Ｗａごとの教示情報６６の生成時には、触針４８のＺ１軸方向の変位の有無を示す検出結果を表示部６４へ逐次出力する。

表面形状解析部７８は、被測定面Ｗａの表面粗さ測定時において、移動量検出部７４から入力される検出器３０の移動量と、変位検出部７６から入力される触針４８の変位とに基づき、被測定面Ｗａの表面粗さを算出する。

＜教示情報生成（ティーチング動作）＞
図４は、被測定面Ｗａごとの教示情報６６の生成を説明するための説明図である。図４の符号Ｃ１～Ｃ５に示すように、ワークＷの各被測定面Ｗａの表面粗さ測定を行う場合には、被測定面Ｗａごとに教示情報６６を生成して記憶部６０に記憶させる。

具体的には、オペレータが操作部６２を操作してロボットアーム１６を手動で駆動することで、検出器３０の触針４８及びスキッド５４を被測定面Ｗａに接触させる。この際にロボット制御部７０は、オペレータの操作に応じてロボットアーム１６を駆動すると共に、触針４８及びスキッド５４が被測定面Ｗａに接触するまでのロボットアーム１６の動きに関する情報を教示情報６６として記憶部６０に記憶させる。この教示情報６６としては、目標点、中間点の三次元座標等を含む測定経路を示す情報が挙げられる。

以下同様に、全ての被測定面Ｗａについて教示情報６６の登録作業を繰り返し行うことで、被測定面Ｗａごとの教示情報６６が記憶部６０に記憶される。

図５は、教示情報６６の生成時の課題を説明するための説明である。教示情報６６の生成時には、オペレータによる手動操作で検出器３０の触針４８及びスキッド５４を被測定面Ｗａに接触させるため、図５の符号５Ａに示すように、検出器３０を被測定面Ｗａに押し付け過ぎると表面粗さ測定機１８が破損するおそれがある。また逆に図５の符号５Ｂに示すように、検出器３０の押し付けが足りないと、スキッド５４が被測定面Ｗａに十分に接触しないことで、表面粗さの測定精度が低下する。

従って、図５の符号５Ｃに示すように、検出器３０の触針４８及びスキッド５４を被測定面Ｗａに接触させた際に、検出器３０をその揺動範囲Ｒの中央位置Ａ１（中立位置ともいう）に位置決めする必要がある。そこで本実施形態では、オペレータの目視に頼ったり或いは検出器３０の中央位置Ａ１を検出する検出スイッチ（検出センサ）を表面粗さ測定機１８に設けたりすることなく、検出器３０の中央位置Ａ１の位置決めを可能にする。具体的には本実施形態では、保持具８０（図７参照）と、検出センサ４６及び触針４８とを用いて、検出器３０を中央位置Ａ１に位置決めする。

［第１実施形態の位置決め方法］
図６は、被測定面Ｗａの教示情報６６の生成時に、検出器３０を中央位置Ａ１に位置決めする位置決め方法の流れを示したフローチャートである。図７は、図６に示したフローチャートのステップＳ１を説明するための説明図である。図８は、図６に示したフローチャートのステップＳ２，Ｓ３を説明するための説明図である。図９は、図６に示したフローチャートのステップＳ４，Ｓ５を説明するための説明図である。図１０は、図６に示したフローチャートのステップＳ６を説明するための説明図である。

図６及び図７の符号７Ａに示すように、オペレータは、検出器３０の触針４８及びスキッド５４を被測定面Ｗａに接触させる前、すなわち触針４８がスキッド底面５４ａからＺ１軸方向下方側に一定量だけ突出している状態で、保持具８０を駆動部３４に対して着脱自在に取り付ける（ステップＳ１）。

保持具８０は、駆動部３４に取り付けられた場合に、図７の符号７Ｂに示すように検出器３０を第２回転方向ＳＷ２に押圧することで、検出器３０を第２回転方向ＳＷ２に一定角度回転させる。この際に、スキッド底面５４ａから突出している触針４８の先端位置を、検出器３０が中央位置Ａ１にある場合のスキッド底面５４ａの高さ位置Ａ２に一致させるように、保持具８０の形状及び取付位置が調整されている。ここで、高さ位置Ａ２については、表面粗さ測定機１８の設計情報から求めたり或いは実測したりすることで既知である。このため、高さ位置Ａ２に応じて保持具８０の形状及び取付位置を調整可能である。

このように、オペレータが駆動部３４に保持具８０を着脱自在に取り付けるだけで、触針４８の先端位置を高さ位置Ａ２に一致させることができる。また、検出器３０は保持具８０により支持されることで第１回転方向ＳＷ１への回転が規制された状態となる。従って、ステップＳ１は本発明の一致ステップに相当する。

図６及び図８に示すように、ステップＳ１の完了後、オペレータは、検出器３０の触針４８及びスキッド底面５４ａが被測定面Ｗａに向けて移動するように、操作部６２に対してロボットアーム１６の操作入力を行う。この操作入力に応じてロボット制御部７０がロボットアーム１６を駆動して、触針４８及びスキッド底面５４ａを被測定面Ｗａに向けて移動させる（ステップＳ２、本発明の移動ステップに相当）。また、ロボット制御部７０は教示情報６６の記憶を開始する。

ロボットアーム１６の駆動が開始、すなわち表面粗さ測定機１８の移動が開始すると、変位検出部７６が、検出センサ４６から信号処理部５２を介して連続的に入力される検出信号に基づき、触針４８の変位の有無を連続的に検出してその検出結果を表示部６４へ逐次出力する（ステップＳ３、本発明の検出ステップに相当）。これにより、オペレータは、表示部６４に表示され且つ触針４８の変位の有無を視覚的に表した検出画面６４ａに基づき、触針４８の先端が被測定面Ｗａに接触したか否かを判別可能になる。そしてオペレータは、触針４８の先端が被測定面Ｗａに接触するまで、手動操作でのロボットアーム１６の駆動を継続する（ステップＳ４でＮＯ）。

図６及び図９に示すように、オペレータは、表示部６４に表示される検出画面６４ａに基づき、被測定面Ｗａに触針４８の先端が接触した場合に、操作部６２に対してロボットアーム１６の停止操作（操作部６２の操作停止を含む）を行う（ステップＳ４でＹＥＳ）。この操作停止に応じて、ロボット制御部７０がロボットアーム１６の駆動を停止させる（ステップＳ５、本発明の停止ステップに相当）。なお、ステップＳ２からステップＳ５までが本発明の第１接触ステップに相当する。

ステップＳ５が完了すると、触針４８の先端位置、すなわち高さ位置Ａ２を被測定面Ｗａに位置合わせすることができる。また、ロボット制御部７０は、検出器３０を接触させた被測定面Ｗａに対応する教示情報６６を記憶部６０に記憶させる。

図６及び図１０の符号ＸＡに示すように、オペレータは、ロボットアーム１６の駆動が停止した後、駆動部３４から保持具８０を取り外す（ステップＳ６、本発明の第２接触ステップに相当）。これにより、図１０の符号ＸＢに示すように、保持具８０による検出器３０の第１回転方向ＳＷ１の回転規制が解除されることで、検出器３０が重力又は不図示の付勢部材等の復元力により第１回転方向ＳＷ１に回転して、スキッド底面５４ａが被測定面Ｗａに接触する。この際に、高さ位置Ａ２が被測定面Ｗａに位置合わせされているので、スキッド底面５４ａが被測定面Ｗａに接触している状態で検出器３０が中央位置Ａ１に位置決めされる。

以下、被測定面Ｗａが複数存在する場合には、被測定面ＷａごとにステップＳ１からステップＳ６までの処理が繰り返し実行されることで、被測定面Ｗａごとの教示情報６６が記憶部６０に記憶される。

以上のように本実施形態では、保持具８０と検出センサ４６及び触針４８とを用いることで、目視に頼ることなく検出器３０を中央位置Ａ１に位置決めすることできる。これにより、ロボットアーム１６の教示に要する時間を短縮化し、オペレータごとの検出器３０の中央位置Ａ１への位置決め精度のばらつきの発生を低減し、さらに検出器３０を被測定面Ｗａに押し付け過ぎることによる表面粗さ測定機１８の破損を防止可能である。また、検出器３０が中央位置Ａ１にあるか否かを検出するために、保持具８０よりも高価な検出スイッチを表面粗さ測定機１８に設ける必要がなくなるので、コストを低減させると共に検出スイッチの故障リスクをなくすことができる。その結果、検出器３０の中央位置Ａ１への位置決めを高精度且つ低コストに行うことができる。

［第２実施形態の位置決め方法］
図１１は、第２実施形態の表面粗さ測定システム１０の一例を示した概略図である。上記第１実施形態では教示情報６６の生成時における検出器３０の中央位置Ａ１への位置決めをオペレータが手動で行うが、第２実施形態では検出器３０の中央位置Ａ１への位置決めを自動で行う。

なお、第２実施形態の表面粗さ測定システム１０は、駆動部３４に保持具８０Ａが設けられており、且つ制御装置２０が切替制御部７９として機能し、且つロボット制御部７０及び変位検出部７６の機能が一部異なる点を除けば、上記第１実施形態の表面粗さ測定システム１０と基本的に同じ構成である。このため、上記第１実施形態と機能又は構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。

保持具８０Ａは、ロボットアーム１６、制御装置２０、及び検出センサ４６と共に本発明の位置決め装置を構成する。保持具８０Ａは、駆動部３４に取り付けられており、Ｚ１軸方向（図中ではＺ軸方向と同一方向）に変位自在な押圧部８１を有する。この保持具８０Ａは、後述の切替制御部７９の制御の下、押圧部８１により検出器３０をＺ軸方向下方側から押圧して第２回転方向ＳＷ２に一定角度だけ回転させる押圧状態（図１３参照）と、押圧部８１による検出器３０の押圧を解除した押圧解除状態（図１１参照）とに切り替え可能である。そして、保持具８０Ａが押圧状態に切り替えられた場合に、触針４８の先端位置が既述の高さ位置Ａ２に一致するように、保持具８０Ａの駆動部３４への取付位置及び押圧部８１の突出量が調整されている。

第２実施形態の変位検出部７６は、被測定面Ｗａごとの教示情報６６の生成時には、検出センサ４６から信号処理部５２を介して連続的に入力される検出信号に基づき、触針４８の変位の有無を連続的に検出してその検出結果をロボット制御部７０へ逐次出力する。

第２実施形態のロボット制御部７０（本発明の移動制御部に相当）は、教示情報６６の生成時において保持具８０Ａが押圧解除状態から押圧状態に切り替えられた場合に、被測定面Ｗａごとに予め作成された移動プログラムに従ってロボットアーム１６を駆動して、検出器３０（触針４８及びスキッド底面５４ａ）を被測定面Ｗａに向けて移動させる。なお、移動プログラムは、検出器３０の初期位置及び初期姿勢から被測定面Ｗａ（目標点）までの簡易的な測定経路を示す情報である。

また、ロボット制御部７０は、ロボットアーム１６の駆動開始後（表面粗さ測定機１８の移動開始後）、変位検出部７６から連続的に入力される触針４８の変位の有無を示す検出結果に基づき、触針４８の変位が所定の閾値よりも大きくなるか否か、すなわち触針４８の先端が被測定面Ｗａに接触したか否かを判定する。ロボット制御部７０は、触針４８の変位が所定の閾値以下である場合には、触針４８の先端が被測定面Ｗａに接触していないと判定し、表面粗さ測定機１８の移動を継続する。そして、ロボット制御部７０は、触針４８の変位が所定の閾値よりも大きくなる場合には、触針４８の先端が被測定面Ｗａに接触したと判定して、ロボットアーム１６の駆動を停止させる。

切替制御部７９は、保持具８０Ａの押圧状態と押圧解除状態との切り替えを制御する。この切替制御部７９は、被測定面Ｗａの教示情報６６の生成開始時に保持具８０Ａを初期状態である押圧解除状態から押圧状態に切り替える。また、切替制御部７９は、ロボット制御部７０によるロボットアーム１６の駆動中は保持具８０Ａの押圧状態を維持し、ロボット制御部７０がロボットアーム１６の駆動を停止した場合に保持具８０Ａを押圧状態から押圧解除状態に切り替える。

［第２実施形態の位置決め方法］
図１２は、第２実施形態での被測定面Ｗａの教示情報６６の生成時において、検出器３０を中央位置Ａ１に位置決めする位置決め方法の流れを示したフローチャートである。図１３は、図１２に示したフローチャートのステップＳ１Ａを説明するための説明図である。図１４は、図１２に示したフローチャートのステップＳ２Ａ，Ｓ３Ａを説明するための説明図である。図１５は、図１２に示したフローチャートのステップＳ４Ａ、Ｓ５Ａを説明するための説明図である。図１６は、図１２に示したフローチャートのステップＳ６Ａを説明するための説明図である。

図１２及び図１３に示すように、オペレータが操作部６２に対して被測定面Ｗａの教示情報６６の生成開始操作を行うと、切替制御部７９が保持具８０Ａを押圧解除状態から押圧状態に切り替える（ステップＳ１Ａ、本発明の一致ステップに相当）。これにより、保持具８０Ａの押圧部８１により検出器３０が押圧されて、この検出器３０が第２回転方向ＳＷ２に一定角度だけ回転することで、第１実施形態と同様に触針４８の先端位置を高さ位置Ａ２に一致させることができる。またこの場合に、検出器３０は押圧部８１により第１回転方向ＳＷ１への回転が規制される。

図１２及び図１４に示すように、保持具８０Ａが押圧状態に切り替えられると、ロボット制御部７０が、被測定面Ｗａに対応する移動プログラムに従ってロボットアーム１６を駆動して、検出器３０を被測定面Ｗａに向けて移動させる（ステップＳ２Ａ、本発明の移動ステップに相当）。また、ロボット制御部７０は教示情報６６の記憶を開始する。

ロボットアーム１６の駆動が開始、すなわち表面粗さ測定機１８の移動が開始すると、変位検出部７６が、検出センサ４６から信号処理部５２を介して連続的に入力される検出信号に基づき、触針４８の変位の有無を連続的に検出してその検出結果をロボット制御部７０へ逐次出力する（ステップＳ３Ａ、本発明の検出ステップに相当）。これにより、ロボット制御部７０は、触針４８の先端が被測定面Ｗａに接触したか否かを判定することができる。そして、ロボット制御部７０は、触針４８の先端が被測定面Ｗａに接触していないと判定した場合、ロボットアーム１６の駆動を継続する（ステップＳ４ＡでＮＯ）。

一方、図１２及び図１５に示すように、ロボット制御部７０は、変位検出部７６から逐次入力される検出結果に基づき、触針４８の先端が被測定面Ｗａに接触したと判定した場合には、ロボットアーム１６の駆動を停止させる（ステップＳ４ＡでＹＥＳ、ステップＳ５Ａ、本発明の停止ステップに相当）。なお、ステップＳ２ＡからステップＳ５Ａまでが本発明の第１接触ステップに相当する。これにより、第１実施形態と同様に、触針４８の先端位置、すなわち高さ位置Ａ２を被測定面Ｗａに位置合わせすることができる。また、ロボット制御部７０は、被測定面Ｗａに対応する教示情報６６を記憶部６０に記憶させる。

図１２及び図１６に示すように、ロボットアーム１６の駆動が停止すると、切替制御部７９が保持具８０Ａを押圧状態から押圧解除状態に切り替える（ステップＳ６Ａ、本発明の第２接触ステップに相当）。これにより、保持具８０Ａによる検出器３０の第１回転方向ＳＷ１の回転規制が解除されることで、第１実施形態と同様に検出器３０が第１回転方向ＳＷ１に回転してスキッド底面５４ａが被測定面Ｗａに接触する。その結果、スキッド底面５４ａが被測定面Ｗａに接触している状態で検出器３０が中央位置Ａ１に位置決めされる。

以下、被測定面Ｗａが複数存在する場合には、被測定面ＷａごとにステップＳ１ＡからステップＳ６Ａまでの処理が繰り返し実行されることで、被測定面Ｗａごとの教示情報６６が記憶部６０に記憶される。

以上のように第２実施形態では、検出器３０の中央位置Ａ１への位置決めを自動で実行することができる。その結果、この位置決めを第１実施形態よりも短時間で完了させることができる。また、検出器３０の中央位置Ａ１への位置決め精度のばらつきを第１実施形態よりも低減させることができる。

［その他］
上記各実施形態では、表面粗さ測定機１８を保持するロボットアーム１６により、検出器３０の触針４８及びスキッド底面５４ａを被測定面Ｗａに接触させているが、検出器３０（触針４８及びスキッド底面５４ａ）と、被測定面Ｗａ（ステージ１２）とのいずれか一方を他方に向けて移動可能な各種ロボットを用いてもよい。また、ロボットを用いる代わりに、検出器３０と被測定面Ｗａとのいずれか一方を他方に向けて移動可能な公知の各種移動機構（アクチュエータ）を用いてもよい。

上記各実施形態では、被測定面Ｗａの表面粗さを測定する表面粗さ測定機１８の検出器３０の中央位置Ａ１への位置決めを例に挙げて説明したが、被測定面Ｗａの輪郭形状を測定する輪郭形状測定機などのように触針４８及びスキッド５４を有する各種表面形状測定機の検出器の位置決めに本発明を適用可能である。なお、被測定面Ｗａが水平面（略水平面を含む）に限定される場合には、触針４８及びスライラス先端部４２ｂの重さを利用してスタイラス４２を第１回転方向ＳＷ１に付勢してもよく、この場合には付勢部材４４を省略してもよい。

１０ 測定システム
１２ ステージ
１４ ロボット基台
１６ ロボットアーム
１６ａ１～１６ａ５ アーム
１６ｂ 関節部
１６ｃ エンドエフェクタ
１６ｄ アダプタ
１８ 測定機
２０ 制御装置
３０ 検出器
３０ａ ハウジング
３２ ノーズピース
３４ 駆動部
４０ 揺動支点
４２ スタイラス
４２ａ スタイラス本体部
４２ｂ スタイラス先端部
４２ｃ スタイラス基端部
４４ 付勢部材
４６ 検出センサ
４６ａ コア
４６ｂ コイル
４８ 触針
５０ 信号ケーブル
５２ 信号処理部
５４ スキッド
５４ａ スキッド底面
５４ｂ 触針挿通穴
６０ 記憶部
６２ 操作部
６４ 表示部
６４ａ 検出画面
６６ 教示情報
７０ ロボット制御部
７２ 測定機制御部
７４ 移動量検出部
７６ 変位検出部
７８ 表面形状解析部
７９ 切替制御部
８０ 保持具
８０Ａ 保持具
８１ 押圧部
Ａ１ 中央位置
Ａ２ 高さ位置
Ｒ 揺動範囲
ＳＷ１ 第１回転方向
ＳＷ２ 第２回転方向
Ｗ ワーク
Ｗａ 被測定面

Claims (6)

1. 被測定面に接する底面及び前記底面に開口した貫通穴を有するスキッドと、揺動支点を中心として揺動自在に支持されるスタイラスと、前記スタイラスが第１回転方向に回転した場合に前記スキッドに近づき且つ前記第１回転方向とは反対の第２回転方向に回転した場合に前記スキッドから遠ざかる前記スタイラスの先端部に設けられ、前記貫通穴内に挿通された触針と、前記スタイラスを前記第１回転方向に付勢する付勢部材と、を備える検出器と、
   前記検出器を前記第１回転方向と前記第２回転方向とに揺動自在に保持し、且つ前記検出器を前記揺動支点の軸方向に垂直な駆動方向に移動させる駆動部と、
   を備える表面形状測定機において、
   前記スキッドを前記被測定面に接触させた場合に、前記検出器の揺動範囲の中央位置に前記検出器を位置決めする位置決め方法であって、
   前記スキッドを前記被測定面に接触させる前に前記検出器を前記第２回転方向に回転させて、前記検出器内での前記スタイラスに対する前記付勢部材の付勢により前記底面から突出した前記触針の先端位置を、前記検出器が前記中央位置にあると仮定した場合の前記底面の高さ位置に一致させる一致ステップと、
   前記一致ステップでの前記検出器の姿勢を維持した状態で、前記被測定面に対して前記検出器を相対移動させて前記触針の先端を前記被測定面に接触させる第１接触ステップと、
   前記第１接触ステップの完了後に、前記検出器を前記第１回転方向に回転させて前記底面を前記被測定面に接触させる第２接触ステップと、
   を有する位置決め方法。
2. 前記第１接触ステップは、
   前記被測定面に対して前記検出器を相対移動させて、前記触針の先端及び前記被測定面の一方を他方に向けて移動させる移動ステップと、
   前記移動ステップが実行されている間、前記触針の変位の有無を連続的に検出する検出ステップと、
   前記検出ステップで前記触針の変位が検出された場合に前記移動ステップを停止させる停止ステップと、
   を含む請求項１に記載の位置決め方法。
3. 前記移動ステップでは、前記表面形状測定機を保持し且つ前記表面形状測定機の位置姿勢を変更可能なロボットを制御して、前記検出器を前記被測定面に向けて移動させる請求項２に記載の位置決め方法。
4. 前記一致ステップでは、前記駆動部に保持具を着脱自在に取り付けて、前記保持具により前記検出器を押圧して前記第２回転方向に一定角度回転させることで前記触針の先端位置を前記高さ位置に一致させ、且つ前記保持具により前記検出器の前記第１回転方向の回転を規制する回転規制を行い、
   前記第２接触ステップでは、前記駆動部から前記保持具を取り外して前記回転規制を解除することで、前記検出器を前記第１回転方向に回転させる請求項１から３のいずれか１項に記載の位置決め方法。
5. 被測定面に接する底面及び前記底面に開口した貫通穴を有するスキッドと、揺動支点を中心として揺動自在に支持されるスタイラスと、前記スタイラスが第１回転方向に回転した場合に前記スキッドに近づき且つ前記第１回転方向とは反対の第２回転方向に回転した場合に前記スキッドから遠ざかる前記スタイラスの先端部に設けられ、前記貫通穴内に挿通された触針と、前記スタイラスを前記第１回転方向に付勢する付勢部材と、を備える検出器と、
   前記検出器を前記第１回転方向と前記第２回転方向とに揺動自在に保持し、且つ前記検出器を前記揺動支点の軸方向に垂直な駆動方向に移動させる駆動部と、
   を備える表面形状測定機において、
   前記スキッドを前記被測定面に接触させた場合に、前記検出器の揺動範囲の中央位置に前記検出器を位置決めする位置決め装置であって、
   前記駆動部に取り付けられた保持具であって、且つ前記検出器を押圧して前記第２回転方向に回転させる押圧状態と、前記検出器の押圧を解除した押圧解除状態と、に切り替え可能な保持具と、
   前記被測定面に対して前記検出器を相対移動させる相対移動部と、
   前記保持具の前記押圧状態と前記押圧解除状態との切り替えを制御する切替制御部と、
   前記スキッドを前記被測定面に接触させる前に前記切替制御部により前記保持具が前記押圧状態に切り替えられた場合に、前記相対移動部を駆動して、前記触針の先端及び前記被測定面の一方を他方に向けて移動させる移動制御部と、
   前記相対移動部の駆動中に前記触針の変位の有無を連続的に検出する変位検出部と、
   を備え、
   前記押圧状態の前記保持具により前記検出器が前記第２回転方向に回転された場合には、前記検出器内での前記スタイラスに対する前記付勢部材の付勢により前記底面から前記触針が突出し、
   前記押圧状態の前記保持具は、前記付勢部材の付勢により前記底面から突出した前記触針の先端位置が、前記検出器が前記中央位置にあると仮定した場合の前記底面の高さ位置に一致するように前記検出器の姿勢を維持し、
   前記移動制御部が、前記変位検出部により前記触針の変位が検出された場合に前記相対移動部の駆動を停止させ、
   前記切替制御部が、前記移動制御部による前記相対移動部の駆動が停止された場合に、前記保持具を前記押圧状態から前記押圧解除状態に切り替えることで、前記検出器を前記第１回転方向に回転させて前記被測定面に前記底面を接触させる位置決め装置。
6. 前記相対移動部が、前記表面形状測定機を保持し且つ前記表面形状測定機の位置姿勢を変更可能なロボットである請求項５に記載の位置決め装置。

Images