WO2018101268A1

WO2018101268A1 - 三次元測定装置

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Publication number: WO2018101268A1
Application number: PCT/JP2017/042648
Authority: WO
Inventors: 鈴木　敏; 雅大鈴木; 陽一佐野
Original assignee: ヘキサゴン・メトロジー株式会社
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-06-07
Also published as: EP3550260A4; US20190375066A1; JP2018087749A; EP3550260B1; US11679460B2; JP6829062B2; EP3550260A1

Abstract

マシニングマシンに適用可能な三次元測定装置を提供する。　センサヘッド１０は、本体部１２とコレットチャック１８を含む。本体部１２の先端（図２（ｂ）の左端）には、発光窓１４及び受光窓１６が設けられている。本体部１２には、非接触式センサが内蔵されている。非接触式センサが出射したレーザ光Ｌは、発光窓１４を通って、ワークＷに照射される。ワークＷの表面で反射したレーザ光（反射光）Ｒは、受光窓１６によって受光される。本体部１２の後端（図２（ｂ）の右端）には、コレットチャック１８が取り付けられている。コレットチャック１８は、マシニングセンタの工具マガジンに収容されている各工具が備えるコレットチャックと同じ形状を有する。

Description

三次元測定装置

　本発明は、コンピュータ数値制御の工作機械を用いて加工対象物の形状を測定する三次元測定装置に関する。

　従来、コンピュータ数値制御の工作機械（以下、「ＣＮＣ装置」という。）が知られている。ＣＮＣ装置によって、ワーク（加工対象物）を加工することができる。ワークの加工精度を確認するために、加工後のワークの形状が測定される。ワーク形状の測定装置として、特許文献１に開示された装置が知られている。
　特許文献１に開示された測定装置は、ＣＮＣ３軸加工機による切削加工の終了後に、加工に使用した工具を、タッチプローブなどの接触式センサに付け替える。次に、タッチプローブの測定子を、ワークの表面に接近あるいは接触させる。タッチプローブによって取得した数値データに基づいて、ワーク形状を測定することができる。
　また、三次元測定器（ＣＭＭ）を備えたＣＮＣ装置が知られている。この装置では、ワークの形状をＣＭＭによって計測した後、ワークをＣＮＣ装置に戻して加工を再開する。このため、この装置は、加工に必要な工程数が多くなるという問題がある。

特開２０１３－０８８３４１号公報

　複数種類の工具を収容する工具マガジンを備え、自動工具交換装置によって加工内容に合わせて工具を交換することのできるマシニングセンタと呼ばれるＣＮＣ装置が知られている。工具マガジンには、工具だけでなく、ワークの表面形状を測定するためのセンサを収納しておくことができる。自動工具交換装置によって、加工に使用した工具をセンサに交換することができる。マシニングセンタによれば、ワークの加工が完了した後、その場で引き続きワークの形状を測定することができる。マシニングセンタによれば、ワークの形状を測定するための作業負荷を大幅に軽減することができる。

　マシニングセンタによれば、工具マガジンに収容された工具と、加工に使用した工具を自動工具交換装置によって交換することができる。しかし、マシニングセンタでは、センサと計測装置本体とをケーブルで接続することができない。このため、センサへの電源を供給することが困難である。また、センサから出力される測定データを受信することが困難である。

　本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、マシニングマシンに適用可能な三次元測定装置を提供することを目的としている。
　より具体的には、マシニングマシンにおいて他の工具と同様に取り扱うことができるセンサを有する三次元測定装置を提供することを目的としている。

　上記課題を解決するための手段は、以下の発明である。
（１）工作機械によって加工された対象物の表面形状を測定するための三次元測定装置であって、
　前記工作機械は、工具を収容する収容部と、工具を回転させるための回転軸と、前記収容部に収容された工具を取り出し、前記回転軸に装着されている工具と交換する自動工具交換装置と、を備え、
　加工された前記対象物の表面との距離に応じた測定データを出力する測定部と、
　前記測定データに基づいて前記対象物の形状に対応する形状データを生成する形状データ生成部と、を備え、
　前記測定部は、前記収容部に収容されており、前記形状データ生成部に前記測定データを送信する無線通信手段を備えており、
　前記自動工具交換装置は、前記収容部に収容された測定部を、前記回転軸に装着することが可能である、
三次元測定装置。

（２）前記測定部は、前記測定データおよび該測定データを取得した時刻を、前記形状データ生成部へ送信し、
　前記形状データ生成部は、前記測定部から受信した測定データと、該測定データが取得された時刻における前記回転軸の位置情報とに基づいて、前記形状データを生成する、上記（１）に記載の三次元測定装置。

（３）前記測定部は、非接触式センサを有し、該非接触式センサの検出結果に基づいて前記測定データを出力する、上記（１）または（２）に記載の三次元測定装置。

（４）前記非接触式センサは、
　前記対象物の表面に対してスポット光を照射する光照射部と、
　前記対象物の表面で反射した前記スポット光を撮像する撮像部と、を有し、
　前記測定部は、前記撮像部によって撮像された前記スポット光の像の位置に基づいて前記測定データを出力する、上記（３）に記載の三次元測定装置。

（５）前記非接触式センサは、
　前記対象物の表面に対してライン光を照射する光照射部と、
　前記対象物の表面で反射した前記ライン光を撮像する撮像部と、
　前記反射光を前記撮像部に結像させるレンズと、を有し、
　前記測定部は、前記撮像部によって撮像された前記ライン光の曲線状の像に基づいて前記測定データを出力する、上記（３）に記載の三次元測定装置。

（６）前記測定部は、接触式センサを有し、該接触式センサの検出結果に基づく第１の測定データと、前記非接触式センサの検出結果に基づく第２の測定データとのいずれかを出力する、上記（３）から（５）のいずれか一つに記載の三次元測定装置。

（７）前記測定部は、電源を供給するための電力発生手段を備える、上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載の三次元測定装置。

（８）前記測定部は、前記電力発生手段による電源の供給および停止を制御する電源制御手段を備える、上記（７）に記載の三次元測定装置。

（９）前記電源制御手段は、加速度センサを有し、該加速度センサの検出信号に基づいて前記電力発生手段による電源の供給および停止を制御する、上記（８）に記載の三次元測定装置。

（１０）前記電力発生手段は二次電池であって、
　前記二次電池を充電する充電部を備え、
　前記自動工具交換装置によって前記測定部と前記充電部とを接続させることによって、前記二次電池が前記充電部によって充電される、上記（７）から（９）のいずれか一項に記載の三次元測定装置。

（１１）前記測定部は、
　粉塵が内部に浸入せず、如何なる方向からの水の飛沫によっても影響を受けない耐油及び防水機能を備える、上記（１）から（１０）のいずれか一項に記載の三次元測定装置。

　本発明によれば、マシニングマシンに適用可能な三次元測定装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る三次元測定装置を備えるマシニングセンタの外観を示す斜視図である。三次元測定装置のセンサヘッドの外観を示す外観図である。三次元測定装置のセンサヘッドの外観を示す外観図である。三次元測定装置のセンサヘッドの外観を示す外観図である。センサヘッドの機能を実現するための機能ブロック図である。センサヘッドの測定原理を説明するための図である。センサヘッドの測定原理を説明するための図である。本発明の実施形態に係る三次元測定装置によって、被測定物の形状データを算出する方法を説明するための図である。本発明の実施形態に係る三次元測定装置によって、被測定物の形状データを算出する方法を説明するための図である。接触式センサおよび非接触式センサの双方を有するセンサヘッドの機能ブロック図である。

　以下、図面を参照しつつ、本発明に係る三次元測定装置の一実施形態について説明する。図１は本実施形態の三次元測定装置を備える工作機械（以下、「マシニングセンタ」という。）の外観を示す斜視図である。マシニングセンタ１は、いわゆる横形マシニングセンタである。マシニングセンタ１は、工具マガジン２０、中間アーム２２、ＡＴＣ（auto tool changer）アーム２４、スピンドル２６、パレット２８、テーブル３０、ＮＣ（numerical control）装置３２および切削油タンクを備えている。

　工具マガジン２０には、複数種類の工具が収容されている。工具マガジン２０は、これらの工具を図中の矢印Ａの方向に回転させることができる。工具マガジン２０は、加工に使用する工具を、定位置Ｐまで移動させることができる。

　中間アーム２２は、定位置Ｐに移動した工具を、工具マガジン２０から取り出して、ＡＴＣアーム２４へ受け渡す。ＡＴＣアーム２４は、軸２４ａを中心に回転して、中間アーム２２から受け取った工具を、スピンドル２６に装着する。スピンドル２６に既に工具が取り付けられている場合、ＡＴＣアーム２４は、取り付けられている工具をスピンドル２６から引き抜いてから、中間アーム２２から受け取った工具を、スピンドル２６に装着する。スピンドル２６から引き抜かれた工具は、中間アーム２２によって、工具マガジン２０の定位置Ｐに戻される。

　工具マガジン２０は、本発明の「収容部」に対応する。中間アーム２２およびＡＴＣアーム２４は、本発明の「自動工具交換装置」に対応する。スピンドル２６は、本発明の「回転軸」に対応する。

　加工される対象物（以下、「ワーク」という。）は、パレット２８に載置及び固定される。パレット２８は、図１中の矢印Ｂの方向に回動して起き上がることで、対象物をスピンドル２６に装着された工具に対向させる。テーブル３０は、ＮＣ装置３２から出力される制御信号に従って、パレット２８を、図１中のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の方向に移動させる。さらに、ＮＣ装置３２は、ワークＷに対して工具を傾けるための制御信号を、テーブル３０へ出力する。これにより、例えば５軸制御のＣＮＣ装置の場合、ワークＷに対してスピンドル２６を２軸方向に傾けることができる。このように、マシニングセンタ１は、スピンドル２２によって工具を回転させるとともに、回転する工具に対するワークの位置および向きをＮＣ装置３２によって制御することによって、対象物を加工することができる。

　ワークの加工が終了した後、工具マガジン１０に収容されているセンサヘッド１０を、定位置Ｐへ移動させる。次に、中間アーム２２およびＡＴＣアーム２４によって、スピンドル２６に取り付けられている工具と、センサヘッド１０とを交換する。次に、ＮＣ装置３２は、スピンドル２６に取り付けられたセンサヘッド１０に対するワークの位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）および向き（２軸）を、予め設定されたパターンに従って変化させる。なお、計測時におけるパレット２８の移動は、Ｘ，Ｙ，及びＺ軸の方向のみで行う。その間、センサヘッド１０は、所定時間毎（例えば５０マイクロ秒毎）に、ワークとの距離ｘに対応する測定データを出力する。パソコン４０は、センサヘッド１０から出力された測定データと、ワークの位置および向きを示すデータとに基づいて、ワークの形状を示す形状データを生成する。センサヘッド１０は、本発明の「測定部」に対応する。パソコン４０は、本発明の「形状データ生成部」に対応する。

　ＡＴＣアーム２４の可動範囲内には、センサヘッド１０内に設けられた二次電他（後述する）を充電するための充電ポスト３４が設けられている。充電ポスト３４が、本発明の「充填部」に対応する。充電ポスト３４は、センサヘッド１０の表面に設けられているコネクタ（図示略）に嵌合するコネクタを有している。上述した二次電池を充電する場合は、ＡＴＣアーム２４によって、センサヘッド１０のコネクタを、充電ポスト３４のコネクタに嵌合させる。

　センサヘッド１０によって測定を行うごとに、二次電池を充電してもよい。または、二次電池の蓄電量が所定レベル以下になったときに、二次電池を充電してもよい。上述したように、充電ポスト３４のコネクタと、センサヘッド１０のコネクタとを嵌合させて、二次電池を充電してもよい。または、非接触充電（例えば電磁誘導方式）によって、二次電池を充電してもよい。

　図２を参照して、センサヘッド１０について説明する。図２（ａ）は、センサヘッド１０の正面図である。図２（ｂ）は、センサヘッド１０の側面図である。図２（ｃ）は、センサヘッド１０の外観を示す斜視図である。これらの図に示すように、センサヘッド１０は、本体部１２と、コレットチャック１８を備える。本体部１２は、ワークとの距離を測定するための部品を内蔵する。コレットチャック１８は、スピンドル２６に着脱可能に結合することができる。

　本体部１２の先端（図２（ｂ）における左端）には、発光窓１４と、受光窓１６と、が設けられている。本体部１２に内蔵されている非接触式センサから出射したレーザ光Ｌは、発光窓１４を通過してワークＷに照射される。ワークＷの表面で反射したレーザ光Ｒ（反射光）は、受光窓１６を通過する。

　本体部１２の後端（図２（ｂ）における右端）には、コレットチャック１８が取り付けられている。コレットチャック１８は、工具マガジン１０に収容されている工具と同じ形状を有する。コレットチャック１８によって、センサヘッド１０を、他の工具と同様に、スピンドル２６に取り付けることができる。

　センサヘッド１０の耐油・防水機能は、ＩＰ表記で、ＩＰ６４以上であることが望ましい。すなわち、人体および固形物に対する保護等級（第１記号）が「６」（耐塵形）以上であり、水の浸入に対する保護等級（第２記号）が「４」（飛沫に対する保護）以上であることが望ましい。

　図３を参照して、本体部１２内に設けられた各部の構成について説明する。本体部１２の内部には、測定制御部１００、無線ＬＡＮユニット１０２、電源制御部１０４、二次電池１０６、モニタ１０８、非接触式センサ１１０および緩衝材１２０が設けられている。測定制御部１１０は、非接触式センサ１１０から出力されるデータを、５０マイクロ秒毎に取得する。測定制御部１１０は、非接触式センサ１１０から出力されるデータを取得する毎に、ワークＷとの距離に関する測定情報を含んだ測定データを生成する。測定制御部１１０は、生成した測定データを、無線ＬＡＮユニット１０２によってパソコン４０へ送信する。測定制御部１１０は、時刻情報を生成する時計（計時手段）を有している。パソコン４０へ送信される測定データには、当該測定データが生成された時刻を示す時刻情報も含まれる。無線ＬＡＮユニット１０２は、本発明の「無線通信手段」に対応する。

　無線ＬＡＮユニット１０２から送信された測定データは、パソコン４０に接続された無線ＬＡＮユニット４２によって受信される。この受信された測定データに基づいて、パソコン４０は、ワークＷの形状を示す形状データを生成する。電源４４は、交流電力を直流電力に変換して、パソコン４０および無線ＬＡＮユニット４２に電力を供給する。

　非接触式センサ１１０は、緩衝材１２０を介して本体部１２内に固定される。センサヘッド１０をスピンドル２６から取り外すとき、センサヘッド１０が振動する。センサヘッド１０をスピンドル２６と工具マガジン２０との間で移動させるときにも、センサヘッド１０が振動する。緩衝材１２０によって、センサヘッド１０に加えられる振動から非接触式センサ１１０を保護することができる。

　電源制御部１０４は、スイッチＳＷがオンにされると、二次電池１０６が発生した電力を測定制御部１００へ供給する。電源制御部１０４の内部には、加速度センサが設けられている。電源制御部１０４は、例えば、この加速度センサから振動などの検出信号が出力されなかった場合は、測定制御部１００への電力の供給を停止させて、いわゆるスリープ状態となる。電源制御部１０４は、スリープ状態になっているときに、加速度センサが所定パターンの加速度を検出した場合は、測定制御部１００への電力の供給を再開し、スリープ状態から復帰する。ここで、「所定パターンの加速度」は、例えば、所定値以上の加速度を所定時間以上、継続して検出した場合である。あるいは、「所定パターンの加速度」は、所定時間内に所定値以上の加速度を、所定回数以上検出した場合などである。

　このように、電源制御部１０４は、センサヘッド１０が使用されていない可能性が高いときに、スリープ状態に移行し、二次電池１０６が発生する電力の消費を抑えることができる。二次電池１０６は、本発明の「電力発生手段」に対応する。電源制御部１０４は、本発明の「電源制御手段」に対応する。

　モニタ１０８は、複数のＬＥＤからなる。各ＬＥＤは、測定制御部１００内の各種信号のオン／オフに応じて、点灯／消灯する。各ＬＥＤの点灯状態によって、測定制御部１００の作動状態をチェックすることができる。また、各ＬＥＤの点灯状態によって、測定制御部１００と、無線ＬＡＮユニット１０２、電源制御部１０４および非接触式センサ１１０との接続状態をチェックすることができる。

　上述したように、センサヘッド１０には、コレットチャック１８が設けられている。センサヘッド１０は、工具マガジン２０に収容される。センサヘッド１０が設けられることによって、センサヘッド１０を、工具マガジン２０に収容された他の工具と同様に、スピンドル２６に着脱することができる。中間アーム２２およびＡＴＣアーム２４によって、センサヘッド１０を、スピンドル２６へ着脱することができる。

　センサヘッド１０は、無線ＬＡＮユニット１０２を有する。センサヘッド１０は、無線ＬＡＮユニット１０２を用いた無線通信によって、測定データをパソコン４０へ送信できる。センサヘッド１０とパソコン４０とは、ケーブルで接続される必要がない。

　センサヘッド１０とパソコン４０とは、ケーブルで接続される必要がない。したがって、マシニングセンタ１によってワークの加工が終了した後、引き続きワークの形状を測定することができる。その結果、ワークの形状を測定するための作業負荷を大幅に軽減することができる。

　図４を参照して、上述した非接触式センサ１１０の構成について説明する。図４（ａ）は、フライングレーザスポット方式の非接触式センサの構成を示す。図４（ｂ）は、フィックスラインレーザ方式の非接触式センサの構成を示す。

　フライングレーザスポット方式の非接触式センサは、図４（ａ）に示すように、レーザダイオード１１１、ガルバノミラー１１２，１１３、レンズ１１４、ＣＣＤ１１５および走査用モータ１１６で構成されている。レーザダイオード１１１から出射されたレーザ光Ｌは、ガルバノミラー１１２でワークＷに向けて反射され、発光窓１４（図２参照）を通って、ワークＷの表面上の測定点Ｐで反射する。測定点Ｐで反射した反射光Ｒは、図２に示した受光窓１６を通って、ガルバノミラー１１３でレンズ１１４に向けて反射される。

　反射光Ｒは、レンズ１１４によって、複数の受光素子からなるＣＣＤ１１５の受光部の所定の軸ＣＡ上に、スポット光（光の点）ｓｐとして結像する。スポット光ｓｐの撮像データは、その時点の時刻データとともに、測定制御部１００へ出力される。ＣＣＤ１１５は、本発明の「撮像部」に対応する。スポット光ｓｐの軸ＣＡ上の位置は、センサヘッド１０と測定点Ｐとの間の距離に応じて異なる。測定制御部１００（図３参照）は、ＣＣＤ１１５から出力された撮像データに基づき、軸ＣＡ上のスポット光ｓｐの位置に応じて、センサヘッド１０と測定点Ｐとの間の距離ｚを算出する。

　上述したガルバノミラー１１２および１１３は、走査用モータ１１６の駆動軸に固定されている。走査用モータ１１６の駆動軸は、図４（ａ）中の矢印Ｃの方向に回転することができる。レーザ光Ｌは、矢印Ｄで示すように、ｘ軸上の所定範囲内（例えば、ワークＷの表面上の測定点Ｐ_ＡとＰ_Ｂの間）を往復するように周期的に走査する。測定制御部１００は、測定データをパソコン４０へ送信する。測定データは、前述した距離ｚの値および時刻データを含む、測定データは、さらに、レーザ光Ｌのｘ軸上の位置に関する情報を含む。もしくは、測定データは、走査用モータ１１６の駆動軸の角度に関する情報を含む。

　フライングレーザスポット方式の非接触式センサを用いた場合、ワークＷの表面の状態（例えば、表面の色や反射率など）に応じて、レーザ光の強度を調整することができる。そのため、フライングレーザスポット方式の非接触式センサを用いた場合、ワークＷとの距離を精度良く測定することができる。一方、フライングレーザスポット方式の非接触式センサは、その構造が複雑であるため、コストが高い。

　フィックスラインレーザ方式の非接触式センサは、図４（ｂ）に示すように、レーザダイオード１１１、シリンドリカルレンズ（またはパウエルレンズ）１１７、レンズ１１４およびＣＭＯＳイメージセンサ（以下、単に「ＣＭＯＳ」という。）１１５で構成されている。レーザダイオード１１１から出射されたレーザ光は、シリンドリカルレンズ（またはパウエルレンズ）１１７によって、図４（ｂ）中のｘ軸方向に広がる。したがって、レーザダイオード１１１から出射されたレーザ光は、ライン光（一本の線状の光）ＬＬとなる。ライン光ＬＬは、発光窓１４（図２参照）を通って、ワークＷの表面上の測定点Ｐ_Ａから測定点Ｐ_Ｂへ至るライン上に照射される。

　ライン光ＬＬの反射光ＲＬは、受光窓１６（図２参照）を通って、レンズ１１４によって集光され、ＣＭＯＳ１１５の受光部に結像する。結像した像はライン光となっており、ＣＭＯＳ１１５によって撮像される。その撮像データは、撮像された時点の時刻データとともに、測定制御部１００へ出力される。ＣＭＯＳ１１５によって撮像されたライン光は、ワークＷ上の測定点Ｐ_Ａから測定点Ｐ_Ｂの形状に応じて曲線ｃを描く。測定制御部１００は、曲線ｃに基づいて、センサヘッド１０と、測定点Ｐ_ＡからＰ_Ｂ至るライン上の所定位置との間の距離を算出する。そして、測定制御部１００は、算出した距離の値および上述した時刻データを含む測定データを、無線ＬＡＮユニット１０２によりパソコン４０へ送信する。

　フィックスラインレーザ方式の非接触式センサは、図４（ａ）に示したフライングレーザスポット方式のように、測定点Ｐ_Ａ－Ｐ_Ｂ間におけるレーザ光の強度を細かく調整することはできない。
　フィックスライン方式の非接触式センサは、その構造が簡略であるため、コストを低く抑えることができる。

　図５を参照して、パソコン４０によるワークＷの形状データの算出方法について説明する。なお、以下では、図４（ａ）に示したフライングレーザスポット方式の非接触式センサ１１０を用いた場合について説明する。

　まず、ワークＷの形状データを算出する前に、パソコン４０は、センサヘッド１０が管理する時刻（以下、「センサローカル時刻」ともいう。）との時刻合わせを行う。具体的には、図５（ａ）に示すように、パソコン４０は、クロックリセットコマンドを、パソコン４０における現在の時刻データとともに送信するとともに、計時を開始する。測定制御部１００は、クロックリセットコマンドと時刻データを、無線ＬＡＮユニット４２および１０２を介して受信する。測定制御部１００は、非接触式センサ１１０内の計時手段の時刻を、受信した時刻データが示す時刻にセットする。非接触式センサ１１０は、セットされた時刻を示すデータ（センサ時刻データ）を、測定制御部１００へ出力する。これにより、測定制御部１００は、センサ時刻データを、パソコン４０へ送信する。パソコン４０は、センサ時刻データを受信すると、上述した計時を終了する。パソコン４０は、クロックリセットコマンドを送信してから、センサ時刻データを受信するまでの時間を計測する。

　ここで、パソコン４０から送信されたクロックリセットコマンドが無線ＬＡＮユニット４２に到達するのに要する時間をｔ_１とする。クロックリセットコマンドが無線ＬＡＮユニット４２から無線ＬＡＮユニット１０２に到達するのに要する時間をｔ_２とする。クロックリセットコマンドが無線ＬＡＮユニット１０２から測定制御部１００に到達するのに要する時間をｔ_３とする。測定制御部１００が非接触式センサ１１０内の計時手段の時刻をリセットするのに要する時間をｔ_４とする。非接触式センサ１１０から出力されたセンサ時刻データが、非接触式センサ１１０から測定制御部１００に到達するのに要する時間をｔ_５とする。センサ時刻データが測定制御部１００から無線ＬＡＮユニット１０２に到達するのに要する時間をｔ_６とする。センサ時刻データが無線ＬＡＮユニット１０２から無線ＬＡＮユニット４２に到達するのに要する時間をｔ_７とする。センサ時刻データが無線ＬＡＮユニット４２からパソコン４０に到達するのに要する時間をｔ_８とする。

　この場合、パソコン４０と非接触式センサ１１０との間の情報伝達に要する時間は、往復でｔ_１＋ｔ_２＋ｔ_３＋ｔ_４＋ｔ_５＋ｔ_６＋ｔ_７＋ｔ_８となり、片道では、その平均値である（ｔ_１＋ｔ_２＋ｔ_３＋ｔ_４＋ｔ_５＋ｔ_６＋ｔ_７＋ｔ_８）／２とみなすことができる。図５（ａ）に示す方法によって非接触式センサ１１０の時刻とパソコン４０の時刻を合わせた場合、非接触式センサ１１０の時刻と、パソコン４０の時刻との誤差ｔ_ｓｅは、ｔ_ｓｅ＝（ｔ_１＋ｔ_２＋ｔ_３＋ｔ_４＋ｔ_５＋ｔ_６＋ｔ_７＋ｔ_８）／２となる。このような誤差を、以下、「タイムスタンプ誤差」と呼ぶ。

　同様に、パソコン４０は、ＮＣ装置３２が管理する時刻（以下、「ＮＣローカル時刻」ともいう。）との時刻合わせを行う。具体的には、パソコン４０は、ＮＣ装置３２に対して、クロックリセットコマンドを現在の時刻データとともに送信する。ＮＣ装置３２は、自らが有する計時手段の時刻を、受信した時刻データが示す時刻に合わせる。ＮＣ装置３２は、自らが有する計時手段の時刻を示す時刻データを、パソコン４０へ送信する。ここで、パソコン４０から送信されたクロックリセットコマンドがＮＣ装置３２に到達するのに要する時間をＴ_１とする。ＮＣ装置３２から送信された時刻データ（以下、「座標時刻データ」という。）がパソコン４０に到達するのに要する時間をＴ_２とする。この場合、パソコン４０とＮＣ装置３２との間のタイムスタンプ誤差Ｔ_ｎｅは、Ｔ_ｎｅ＝（Ｔ_１＋Ｔ_２）／２となる。

　座標時刻データは、Ｈ：Ｍ：Ｓ．μＳと表すことができる。
　センサ時刻データは、ｈ：ｍ：ｓ，μｓと表すことができる。
　この場合、座標時刻データ（Ｈ：Ｍ：Ｓ．μＳ）に対応する時刻は、センサ時刻データ（ｈ：ｍ：ｓ，μｓ）－ｔ_ｓｅ＋Ｔ_ｎｅとなる。

　図４（ａ）に示すフライングレーザスポット方式の非接触式センサ１１０を用いた場合、前述したように、センサヘッド１０（より詳細には本体部１２）からパソコン４０に対して、５０マイクロ秒ごとに測定データ（ｘ，ｚ）およびセンサ時刻データ（ｈ：ｍ：ｓ，μｓ）が送信される。パソコン４０は、受信した測定データと、センサ時刻データとを保存する。また、パソコン４０は、所定時間毎に、ＮＣ装置３２から、ワークＷに対するセンサヘッド１０位置を示す座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ，ｉ，ｊ，ｋ）、および、その座標位置における時刻を示す座標時刻データ（Ｈ：Ｍ：Ｓ．μＳ）を受信する。パソコン４０は、受信した座標データ及び座標時刻データを保存する。

　例えば、図５（ｂ）に示すように、ワークＷの表面に照射するレーザ光をｘ方向に沿って走査しつつ、ワークＷの表面との距離ｚを測定する。ワークＷに対する測定点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，……の位置データを算出する。測定点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，は、スピンドル２８の移動経路上にある。

　パソコン４０において、測定点Ｐ_１の座標データ（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１，ｉ_１，ｊ_１，ｋ_１）が取得された座標時刻データは、（Ｈ_１：Ｍ_１：Ｓ_１．μＳ_１）であると仮定する。座標データ（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１，ｉ_１，ｊ_１，ｋ_１）に対応する測定データは、時刻（Ｈ_１：Ｍ_１：Ｓ_１．μＳ_１）＝（ｈ：ｍ：ｓ，μｓ）－ｔ_ｓｅ＋Ｔ_ｎｅに取得された測定データとなる。

　例えば、図５（ｂ）に示すように、センサ時刻データ（ｈ_２：ｍ_２：ｓ_２，μｓ_２）からタイムスタンプ誤差ｔ_ｓｅを減算し、タイムスタンプ誤差Ｔ_ｎｅを加算した結果は、時刻（Ｈ_１：Ｍ_１：Ｓ_１．μＳ_１）となる。この場合、測定データ（ｘ_２，ｚ_２）と、座標データ（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１，ｉ_１，ｊ_１，ｋ_１）とに基づいて、測定点Ｐ_１の位置データが算出される。

　同様に、測定点Ｐ_２の位置データは、測定データ（ｘ_ｍ，ｚ_ｍ）と、座標データ（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２，ｉ_２，ｊ_２，ｋ_２）とに基づいて算出される。測定点Ｐ_３の位置データは、測定データ（ｘ_ｎ，ｚ_ｎ）と、座標データ（Ｘ_３，Ｙ_３，Ｚ_３，ｉ_３，ｊ_３，ｋ_３）とに基づいて算出される。このようにして、各測定点の位置データが算出される。次に、パソコン４０は、レーザ光を走査した経路に沿って、各測定点の間の補間データを算出する。パソコン４０は、算出した補間データと、各測定点の位置データとに基づいて、ワークＷの形状データを生成する。

　上述したワークの形状データの算出方法によれば、センサヘッド１０における測定データの時刻と、パソコン４０におけるワークＷに対するセンサヘッド１０の座標データの時刻とが参照される。参照された時刻の測定データおよび座標データに基づいて、ワークＷの形状データが生成される。
　上述した方法によれば、センサヘッド１０とパソコン４０との間の情報伝達に要する時間に影響されることなく、測定データと座標データとを対応させることができる
　したがって、ローカル座標測定部（センサヘッド１０）とグローバル座標測定部（ＮＣ装置３２）がワイヤレスの為に同期がとれなくても、ワークの形状を正確に測定することができる。

　図５（ａ）に示した構成において、無線ＬＡＮユニット４２と無線ＬＡＮユニット１０２との間は、ＬＡＮのパケット通信が行われる。このため、時刻合わせの際に、例えばノイズなどの影響によって、無線ＬＡＮユニット４２と無線ＬＡＮユニット１０２との間の情報伝達に要する時間が変動し得る。
　したがって、図５（ａ）に示した時刻合わせを行う際に、伝達時間ｔ_２とｔ_７のばらつきによって精度の良い時刻合わせが困難になる虞がある。例えば、無線ＬＡＮユニット４２から無線ＬＡＮユニット１０２へクロックリセットコマンドが送信されるとき、精度の良い時刻合わせが困難になる虞がある。例えば、無線ＬＡＮユニット１０２から無線ＬＡＮユニット４２へセンサ時刻データが送信されるとき、精度の良い時刻合わせが困難になる虞がある。

　より精度の良い時刻あわせを行うために、パソコン４０から出力されるクロックリセットコマンドを、光信号送信ユニットに送ることができる。クロックリセットコマンドを受信すると、光信号送信ユニットは、オンオフ信号として、光信号を出力する。測定制御部１００には、光信号受信ユニットが組み込まれている．光信号受信ユニットは、光信号送信ユニットから出力された光信号を受ける。光信号受信ユニットが光信号を受けると、測定制御部１００は、センサの時計をリセットする。同時に、光信号送信ユニットは、有線で、ＮＣ装置３２にも、同様の信号を送る。ＮＣ装置３２が信号を受けると、ＮＣ装置３２の時計も同時刻にリセットされる。この場合、両者の時計を、誤差が生じることなく合わせることができる。より好ましくは、このリセットの時のみ、光転送の条件を、外来ノイズに強い近接位置に設定する。

　図３に示したセンサヘッド１０の本体部１２は、測定部として非接触式センサ１１０のみを有している。図６に示すように、本体部１２’には、非接触式センサ１１０だけでなく、接触式センサ１３０を設けてもよい。図６において、図３に示した構成と同じものについては同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。

　図６に示す本体部１２’には、接触式センサ１３０が設けられている。例えば、接触式センサ１３０は、ワークＷの表面に接触すると、接触した時刻を示すデータを測定制御部１００’へ出力する。測定制御部１００’は、例えば、パソコン４０からの指示に従って、非接触式センサ１１０または接触式センサ１３０を作動させる。作動したセンサから出力されたデータは、パソコン４０へ送信される。具体的には、非接触式センサ１１０が作動した場合は、非接触式センサ１１０から出力された測定データが、パソコン４０へ送信される。この測定データは、本発明の「第２の測定データ」に対応する。接触式センサ１３０が作動した場合は、接触式センサ１３０から出力された測定データが、パソコン４０へ送信される。この測定データは、本発明の「第１の測定データ」に対応する。

　１　マシニングセンタ（工作機械）
　１０　センサヘッド（測定部）
　１２，１２’　本体部
　１４　発光窓
　１６　受光窓
　１８　コレットチャック
　２０　工具マガジン（工具収容部）
　２２　中間アーム（自動工具交換装置）
　２４　ＡＴＣアーム（自動工具交換装置）
　２４ａ　軸
　２６　スピンドル（回転軸）
　２８　パレット
　３０　テーブル
　３２　ＮＣ装置
　３４　充電ポスト
　４０　パソコン（形状データ生成部）
　４２，１０２　無線ＬＡＮユニット（無線通信手段）
　４４　電源
　１００，１００’　測定制御部
　１０４　電源制御部
　１０６　二次電池
　１０８　モニタ
　１１０　非接触式センサ
　１１１　レーザダイオード
　１１２，１１３　ガルバノミラー
　１１４　レンズ
　１１５　ＣＭＯＳイメージセンサ
　１１６　走査用モータ
　１１７　シリンドリカルレンズ（またはパウエルレンズ）
　１２０　緩衝材
　１３０　接触式センサ

Claims

　工作機械によって加工された対象物の表面形状を測定するための三次元測定装置であって、
　前記工作機械は、工具を収容する収容部と、工具を回転させるための回転軸と、前記収容部に収容された工具を取り出し、前記回転軸に装着されている工具と交換する自動工具交換装置と、を備え、
　加工された前記対象物の表面との距離に応じた測定データを出力する測定部と、
　前記測定データに基づいて前記対象物の形状に対応する形状データを生成する形状データ生成部と、を備え、
　前記測定部は、前記収容部に収容されており、前記形状データ生成部に前記測定データを送信する無線通信手段を備えており、
　前記自動工具交換装置は、前記収容部に収容された測定部を、前記回転軸に装着することが可能である、
三次元測定装置。
　前記測定部は、前記測定データおよび該測定データを取得した時刻を、前記形状データ生成部へ送信し、
　前記形状データ生成部は、前記測定部から受信した測定データと、該測定データが取得された時刻における前記回転軸の位置情報とに基づいて、前記形状データを生成する、請求項１に記載の三次元測定装置。
　前記測定部は、非接触式センサを有し、該非接触式センサの検出結果に基づいて前記測定データを出力する、請求項１または２に記載の三次元測定装置。
　前記非接触式センサは、
　前記対象物の表面に対してスポット光を照射する光照射部と、
　前記対象物の表面で反射した前記スポット光を撮像する撮像部と、を有し、
　前記測定部は、
前記撮像部によって撮像された前記スポット光の像の位置に基づいて前記測定データを出力する、請求項３に記載の三次元測定装置。
　前記非接触式センサは、
　前記対象物の表面に対してライン光を照射する光照射部と、
　前記対象物の表面で反射した前記ライン光を撮像する撮像部と、
　前記反射光を前記撮像部に結像させるレンズと、を有し、
　前記測定部は、
前記撮像部によって撮像された前記ライン光の曲線状の像に基づいて前記測定データを出力する、請求項３に記載の三次元測定装置。
　前記測定部は、接触式センサを有し、該接触式センサの検出結果に基づく第１の測定データと、前記非接触式センサの検出結果に基づく第２の測定データとのいずれかを出力する、請求項３から５のいずれか一項に記載の三次元測定装置。
　前記測定部は、電源を供給するための電力発生手段を備える、請求項１から６のうちいずれか一項に記載の三次元測定装置。
　前記測定部は、前記電力発生手段による電源の供給および停止を制御する電源制御手段を備える、請求項７に記載の三次元測定装置。
　前記電源制御手段は、加速度センサを有し、該加速度センサの検出信号に基づいて前記電力発生手段による電源の供給および停止を制御する、請求項８に記載の三次元測定装置。
　前記電力発生手段は二次電池であって、
　前記二次電池を充電する充電部を備え、
　前記自動工具交換装置によって前記測定部と前記充電部とを接続させることによって、前記二次電池が前記充電部によって充電される、請求項７から９のいずれか一項に記載の三次元測定装置。
　前記測定部は、
　粉塵が内部に浸入せず、如何なる方向からの水の飛沫によっても影響を受けない耐油及び防水機能を備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の三次元測定装置。