JPS63253209A - 形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光学式のセンサヘッドを用いて被測定物の
表面までの距離を求める形状計測装置に関し、特にセン
サヘッド取付部の機械的構造を簡略化した形状計測装置
に関するものである。

［従来の技術］ 従来′より、被測定物の形状を計測する場合、３次元移
動可能な計測機本体のアーム先端部に光学式のセンサヘ
ッドを取付け、被測定物の表面に沿ってセンサヘッドを
移動させ、センサヘッドから被測定物の表面までの距離
信号に基づいて複数の計測点を順次求めることは知られ
ている。

しかし、この種の形状計測装置においては数μのオーダ
の計測精度が要求されるため、センサヘッドの取付部の
機構に誤差を生じないような特殊な設計を施し、又、取
付部の加工寸法精度も厳しく管理していた。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の形状計測装置は以上のように、誤差を生じさせな
いセンサヘッド取付部の構造が複雑になるばかりでなく
、取付部製造上の加工精度も高いものが要求されるので
、コストが高くなるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、センサヘッドの取付部の構造を簡略化してロ
ーコストの形状計測装置を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係°る形状計測装置は、直交軸に対し特定の
位置関係を有する計測基準板と、この計測基準板の基準
面に対しセンサヘッドを所定の基準位置割出し動作に従
って駆動させるＮＣ制御部と、アーム先端部に対するセ
ンサヘッドの相対誤差を補正するためのパラメータを算
出する補正演算部とを備えたものである。

［作用］ この発明においては、基準面に対しセンサヘッドが所定
の基準位置割出し動作を行うことにより、センサヘッド
の取付誤差を補正するためのパラメータを算出し、セン
サヘッドの光軸の偏向による計測点の位置ズレを補正す
る。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図は第
１図内の加工機本体の軸構成を示す概略斜視図である。

図において、（１０）は後述する直交軸及び回転軸を有
する計測機本体であり、各４軸を駆動するモータ（Ｍｌ
）〜（Ｎ４）の回転位置に基づいて、アーム先端部（１
０１）の位置及び姿勢を示す位置検出信号りを出力して
いる。

（１）はＹＺ平面に平行な基準面（１ａ）を有する計測
基準板であり、予め計測機本体く１０）に対し位置決め
固定されている。

（２）はアーム先端部（１０ａ）に設けられた光学式の
センサヘッドであり、赤外線レーザ光を放射する半導体
レーザと、被測定物Ｔの表面で乱反射された反射レーザ
光を受光する半導体装置検出器とからなり、センサヘッ
ド（２）から被測定物Ｔまでの距離を表わす距離信号Ｈ
を出力している。

（３）はモータ（Ｎ４）により矢印θ方向に回転駆動さ
れる計測機本体（１０）の回転軸である。

（４）はモータ（Ｎ３）により矢印Ｚ方向に駆動される
Ｚ軸、（５）はモータ（Ｍｌ）により矢印Ｙ方向に駆動
されるＹ軸、（６）はモータ（Ｍｌ）により矢印Ｘ方向
に駆動されるＸ軸であり、これらは計測機本体（１０）
の直交軸を構成している。

（３０）は計測機本体（１０）に駆動信号Ｍを出力する
ＮＣ制御部である。

（４０）はセンサヘッド（２）を駆動させるための駆動
プログラムＷ及び被測定物Ｔの計測点データＣを出力す
る倣い計測演算部であり、この倣い計測演算部（４０）
内のＣＰＵは、アーム先端部（１０ａ）に対するセンサ
ヘッド（２）の相対誤差を補正するためのパラメータ（
後述する）を算出する補正演算部を備えている。

（５０）は計測点データＣに基づいて計測プログラムＫ
を生成するデータ処理部、（６０）は計測機本体（１０
）を駆動するときの初期設定指令等をＮ　Ｃ＠御部（３
０）に入力する操作盤、（）Ｏ）は計測機本体（１０）
の駆動指令等をＮＣ制御部（３０）に入力するティーチ
ングボックスである。

次に、第３図の゛フローチャート図及び第４図〜第９図
の説明図を参照しながら、第１図及び第２図に示したこ
の発明の一実施例の動作について説明する。

通常の形状計測を行う場合、操作盤（６０）及びティー
チングボックス（）０）により倣い計測が起動されると
、倣い計測演算部（４０）は、被測定物Ｔに対するセン
サヘッド（２）の倣い目標位置を駆動プログラムＷとし
てＮＣ制御部（３０）に逐次出力する。

ＮＣＩＩＪ御部（３０）は駆動プログラムＷ及び位置検
出信号りに基づいて駆動信号Ｍを出力し、加工機本体（
１０）を倣い動作に従って駆動する。

これと同時に、倣い計測演算部（４０）は、位置検出信
号り及び距離信号Ｈに基づいて被測定物Ｔ上の計測点を
検出する。そして、所定タイミングで検出される計測点
を蓄積し、倣い計測が終了した時点で、一連の計測点位
置を計測点データＣとしてデータ処理部（５０）に伝送
する。

データ処理部（５０）は、計測点データＣに基づいて計
測プログラムＫを生成し、ＮＣ制御部（３０）に入力す
る。この計測プログラムには、必要に応じて次回の倣い
計測動作に用いられる。

次に、アーム先端部（１０ａ）に対するセンサヘッド（
２）の相対誤差を補正するためのパラメータを算出する
場合の動作について説明する。

まず、センサヘッド（２）をアーム先端部（１０ａ）に
取付ける（ステップＳ１）、このとき、センサヘッド（
２）は、螺合などによりＺ軸（４）を中心に固定される
。

次に、倣い計測演算部（４０）から基準位置割出し動作
用の駆動プログラムＷを出力することにより、アーム先
端部（１０ａ）の原点出しを実行する（ステップＳ２）
。

−ｍに、センサヘッド（２）はアーム先端部（１０ａ）
に対し相対誤差を有しているので、２軸（４）をＺＬと
して、アーム先端部（１０ａ）における局所直交軸をＸ
Ｌ、ＹＬ、ＺＬとすると、センサヘッド（２）の中心位
置は、第４図に示すようにｚＬ軸（４）から距離εだ　
・け離間している。又、センサヘッド（２）から照射さ
れる光軸Ｊは、ｘＬ軸に対して角度θｏたけ傾斜し、且
つＸＬＹＬ平而に対面て角度βｏだけ傾斜している。こ
こで、Ｐは計測点、ｌはセンサヘッド（２）の中心から
光軸Ｊ上の計測原点までの距離、ｈはセンサヘッド（２
）の計測原点から計測点Ｐまでの距離、Ａ　Ａ　’はＸ
ＬＹＬ平面に対する光軸Ｊの射影線である。

従って、光軸ＪのＸＬＹＬ平面に対する射影は第５図の
ように表わされ、距離ε及び角度θｏが実際の寸度とな
り、距離！及びｈがｅＯ９βｏ倍となる。又、光軸Ｊ（
７）ＺＬＡＡ’平面に対する射影は第６図のように表わ
され、距離！及びｈが実際の寸法となる。

次に、倣い計測演算部（４０）は、回転軸（３）の原点
にイニシャル値０を設定しくステップＳ３）、アーム先
端部（１０＆）を予め教示された第１基準点に移動させ
る（ステップＳ４）、この第１基準点とは、第７図のｘ
ＬｙＬ平面射影図で示すようにｚＬ軸（４）が基準面（
１ａ）からＸ軸方向に所定距離Ｌ１だけ離れた点である
。

ここで、回転軸（３）を約２０°の範囲で回転させ、基
準面（１ａ）上の計測点Ｐ１に対する距離信号り、（θ
）を記憶する（ステップＳ５）。

次に、アーム先端部（１０ｍ）を予め教示された第２基
準点に移動させる（ステップＳ６）、この第２基準点と
は、ＺＬ軸（４）が第１基準点から更に距離Δしたけ離
れた点である。尚、図面では、相対的に基準面（１ａ）
を距離差ΔＬだけ移動させた状態を示す。

ここで、ステップＳ５と同様に、回転軸（３）を約２０
°の範囲で回転させ、計測点Ｐ２に対する距離信号ｈｚ
（θ）を記憶する（ステップＳ７）。

そして、距離信号り、及びｈ２の差Δｈ（θ）を、Δｈ
（θ）＝ｈｚ（θ＞−ｈｔ（θ） から算出し、このΔｈ（θ）が最小となる角度θｏを第
８図から求める（ステップＳ８）、ここで、Δｈ、は原
点出し位！（θ＝０）における距離差である。

まず、第１基準点と及び２基準点の間の距離差ΔＬは、 ΔＬ　＝　［（ｈｚ＋　ｊりｃｏｓβｏｃｏｓθ＋εｓ
ｉｎθ］−［（ｂ＋　＋　ｆｆ１）ｅｏｓβ６ｃｏｓθ
＋εｓｉｎθ］＝（ｈｔ−ｈ、）ｃｏｓ　β　ａｃｏｓ
　θで表わされるから、距離信号差Δｈ（θ）は、Δｈ
（θ）＝ｈ２−ｈ＋ ＝ΔＬ／ｃｏｓβｏｃｏｓθ　　・・・■となる。ここ
で、ΔＬ／ｃｏｓβｏは一定であるから、ｚＬ軸（４）
から基準面（１ａ）に対する垂線と、ＸＬＹＬ平面射影
光軸Ｊとのなす角度θが０のときΔｈ（θ）は最小とな
る。

このときの回転軸（３）の位置検出信号Ｌ（θ）は、Ｌ
（θ）＝−θｏ であるから、距離差Δｈ（θ）が最小となる位置は、原
点出し完了位置に対して−θｏとなる。

これにより、回転軸（３）の原点がアーム先端部（１０
ａ）に対して角度θｏたけ相対誤差を含んでいることが
分かる。

次に、回転軸く３）の位置検出信号Ｌ（θ）に−〇。

を加算しくステップＳ９）、角度θｏ分だけ相対誤差を
補正する。

次に、ＸＬＹＬ平面に対する光軸Ｊの角度βｏを求める
（ステップ５ＩＯ）。

いま、Δｈ（θ）の最小値をΔｈｍとすると、Δｈ論に
おける角度θは０であるから、 ６０８β０＝ΔＬ／Δｈｍ であり、従って、角度βｏは、 βｏ　＝　ｃｏｓ−’　（ΔＬ／Δｈｎ）　　　　−■
となる。

次に、再び第１基準点に移動しくステップ５１１）、第
９図のＸＬＹＬ平面射影図で示すように予め設定された
角度θ、〜θ、における各距離信号ｈ２〜ｈ、を測定す
る（ステップ５１２）　、尚、ここでは、θ、＝０の場
合を示している。

このとき、各計測点Ｐ、〜Ｐｓに対する距離信号り、〜
ｈ、に基づいて、次の０〜０式が成立する。

Ｌｌ　−（ｈｓ　＋　ｊりｃｏｓβ　、ｅＯ１ｌθ　ａ
＋　ｇｓｉｎθ　３　　　”’■Ｌｌ　−（ｈ４＋　／
）ｃｏｓβｏｃｏｓθ４＋εｓｉｎθ４　・・・■Ｌｌ
　−（ｈｓ　＋　１）ｃｏＳβ、ｃｏｓθ５＋εｓｉｎ
θｓ　　”’■従って、■式−■式より、 （ｓｉｎθ４−ｓｉｎθ　、）ε　＋ｅｏｓβ　、（ｃ
ｏｓθ　４−ｅＯ９θ　コ）Ｉｌ＝　−ｃｏｓβｏ（Ｌ
ＣｏＳθ、−ｈｎｃｏｓθ、）　　−・・■が得られ、
又、■式−■式より、 （ｓｉｎθ　５−ｓｉｎθ　３）ε　＋ｃｏｓβ　ｏ（
ｃｏｓθ　５−ｅｏｓθ　コ）１”−ｅ０９βｏ（ｈ５
ｃｏｓθｓ　　ｈｚｃｏｓθ、）　　・・・■が得られ
る。

そして、これら■及び０式より、ＺＬ軸（４）からセン
サヘッド（２）の中心位置までの離間距離εを、以下の
行列式の除算からなる０式に基づいて求める（ステップ
５１３）　。

Ｘ　ｃｏｓβ０　　・・・■ 又、センサヘッド（２）の中心から計測原点までの距離
ｌを、以下の行列式の除算からなる０式に基づいて求め
る（ステップ５１４）　。

・・・■ 最後に、アーム先端部（１０ａ）に相当するＺＬ軸の座
標（ＸＮ、ＹＮ、ＺＮ）に対し、相対誤差補正用のパラ
メータとなる距離ε、角度βｏ及び距離ｐを用いた以下
の機械変換式［相］に基づいて、相対誤差を補正する（
ステップ５１５）　。

Ｘ　＝　ＸＮ＋　ｅ　ｓｉｎθ＋（ｈ＋１＞ｅｏｓβ６
ｃｏｓθＹ＝ＹＭ−εＣＯ３θ＋（ｈ＋１’）ｅｏｓβ
ｏ’ｓ：ｎθＺ　＝　Ｚ　Ｎ＋（ｈ＋　１’）ｓｉｎβ
ｏ・・・［相］ 以上のように、倣い計測演算部（４０）内の補正演算部
は、各ステップＳ８、ＳＩＯ、Ｓ１３及び５１４により
、アーム先端部（１０ｍ）に対するセンサヘッド（２）
の相対誤差を補正するための各パラメータε、θｏ、β
ｏ及びｌを算出し、ステップＳ９及びＳ１５により各パ
ラメータを用いて相対誤差を補正する。従って。

センサヘッド（２）の取付誤差及び取付部の精度に影響
されることなく、被測定物Ｔの形状を正確に計測するこ
とができる。

尚、以上のパラメータ算出動作は、センサヘッド（２）
を交換するときばかりでなく、センサヘッド（２）の光
軸Ｊが干渉事故などで変動したときにも実行される。従
って、光軸Ｊが多少変化しても高価なセンサヘッド（２
）を交換する必要がなく経済的である。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、直交軸に対し特定の位
置関係を有する計測基準板と、この計測基準板の基準面
に対しセンサヘッドを所定の基準位置割出し動作に従っ
て駆動させるＮ　ＣＩ制御部と、アーム先端部に対する
センサヘッドの相対誤差を補正するためのパラメータを
算出する倣い補正演算部とを備え、センサヘッドの光軸
の偏向による計測点の位置ズレを補正するようにしたの
で、取付部の構造が簡略化され、ローコストの形状計測
装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は第１図内の加工機本体の軸構成を示す概略斜視図、第
３図は第１図の動作を説明するためのフローチャート図
、第４図はパラメータを示す説明図、第５図はＸＬＹＬ
平面に対する光軸の射影を示す説明図、第６図はＺＬＡ
Ａ”平面に対する光軸の射影を示す説明図、第７図はθ
ｏを求めるための動作を示す説明図、第８図はθｏを求
める原理を示す特性図、第９図はε及びｌを求めるため
の動作を示す説明図である。 （１）・・・計測基準板　　　（１ａ）・・・基準面（
２）・・・センサヘッド　　（３）・・・回転軸（４）
〜（６）・・・直交軸　　（１０）・・・計測機本体（
１０ａ）・・・アーム先端部　（３０）・・・ＮＣ制御
部〈４０）・・・倣い計測演算部　Ｐ・・・計測点Ｊ・
・・光軸 ε、θ０、βｏ、１・・・パラメータ 第１図 第２図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）直交軸及び回転軸を有する計測機本体のアーム先
   端部に光学式のセンサヘッドを取付け、このセンサヘッ
   ドから被測定物の表面に照射される光スポットに基づい
   て前記被測定物の表面までの距離を測定する形状計測装
   置において、前記直交軸に対し特定の位置関係を有する
   計測基準板と、この計測基準板の基準面に対し前記セン
   サヘッドを所定の基準位置割出し動作に従って駆動する
   ＮＣ制御部と、前記アーム先端部に対する前記センサヘ
   ッドの相対誤差を補正するためのパラメータを算出する
   補正演算部とを備えたことを特徴とする形状計測装置。
2. （２）相対誤差を補正するためのパラメータは、アーム
   先端部の回転軸の中心からセンサヘッドの光軸までの最
   短距離εと、前記回転軸に垂直な平面に射影された前記
   センサヘッドの光軸の原点と基準面とがなす角度θ＿ｏ
   と、前記垂直平面と前記光軸とがなす角度β＿ｏと、セ
   ンサヘッドの中心から光軸上の原点までの距離ｌとから
   なることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の形状
   計測装置。