WO2024018758A1 - 形状計測装置、及び形状計測方法 - Google Patents

形状計測装置、及び形状計測方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2024018758A1
WO2024018758A1 PCT/JP2023/019832 JP2023019832W WO2024018758A1 WO 2024018758 A1 WO2024018758 A1 WO 2024018758A1 JP 2023019832 W JP2023019832 W JP 2023019832W WO 2024018758 A1 WO2024018758 A1 WO 2024018758A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measuring device
shape measuring
shape
measurement
articulated robot
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/019832
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
正浩 渡辺
達雄 針山
兼治 丸野
弘人 秋山
英彦 神藤
Original Assignee
株式会社日立ハイテク
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社日立ハイテク filed Critical 株式会社日立ハイテク
Publication of WO2024018758A1 publication Critical patent/WO2024018758A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object

Definitions

  • the present invention relates to a shape measuring device and a shape measuring method.
  • the present invention claims priority of the Japanese patent application number 2022-115246 filed on July 20, 2022, and for designated countries where incorporating by reference to documents is permitted, the contents described in that application are Incorporated into this application by reference.
  • Patent Document 1 discloses a technique in which a rotating rotor is attached to the tip of the Z axis of an XYZ stage of a three-dimensional coordinate measuring system, and a probe is attached at a position offset from the rotor axis by a radius R. discloses a technique for measuring the shape of an object by rotating a rotor to rotate a probe.
  • the present invention has been made in view of the above points, and when an articulated robot is adopted as a shape measuring device, it is possible to accurately measure the shape of an object without adding an additional drive shaft to the articulated robot.
  • the purpose is to measure.
  • the present application includes a plurality of means for solving at least part of the above problems, examples of which are as follows.
  • a shape measuring device includes an articulated robot having a plurality of drive axes, and a non-contact ranging sensor attached to the articulated robot.
  • the articulated robot scans the object with the measurement light emitted from the non-contact distance measurement sensor by driving only one predetermined axis among the plurality of drive axes.
  • an articulated robot when employed as a shape measuring device, it is possible to measure the shape of an object with high precision without adding an additional drive shaft to the articulated robot.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a shape measuring device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a measurement probe.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a modification of the measurement probe.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing another modification of the measurement probe.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a first example of a method for scanning a measurement probe and processing a measured profile.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a second example of a method for scanning a measurement probe and processing a measured profile.
  • FIG. 7 is a diagram showing a modification of the tip of the probe.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a shape measuring device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a measurement probe.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a modification of the measurement probe.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing another modification of
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an example of a method for scanning a measurement probe and processing a measured profile corresponding to a modified example of the tip of the probe.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of a shape measuring device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a shape measurement system including a shape measurement device.
  • FIG. 1 shows a configuration example of a shape measuring device 1001 according to the first embodiment of the present invention.
  • the shape measuring device 1001 includes an articulated robot 500, a measurement probe 160, and a sample stage 330.
  • the articulated robot 500 is, for example, a 6-axis vertical articulated robot having six drive axes A1 to A6.
  • the measurement probe 160 corresponds to the non-contact ranging sensor of the present invention.
  • the measurement probe 160 is fixed to a flange 502 provided at an end 501 of the arm L3 of the articulated robot 500.
  • the measurement probe 160 is moved by the articulated robot 500 to approach the target object T from various positions, various postures, and various directions, and emits measurement light from its tip to measure the target object T. Measure the shape.
  • the relative positional relationship of the sample stage 330 on which the object T is placed with the articulated robot 500 is fixed. If possible, it is desirable to mount the object T by pressing it against a predetermined position on the sample stage 330 so that the position of the object T on the sample stage 330 can be mounted with good reproducibility. In this case, the position of the object T can be accurately measured by measuring two or more alignment marks 340 formed on the sample stage 330 with the measurement probe 160. Alternatively, the position of the object T may be accurately measured by measuring the characteristic shape of the object T itself.
  • the positions of three surfaces surrounding the corner are measured using measurement light, and the positions and orientations of surfaces that are not perpendicular to each other are measured using measurement light at three or more points for each surface.
  • the positions of a plurality of holes on the object T may be measured using measurement light.
  • the CAD (Computer Aided Design) data of the object T acquired in advance will be used to automatically approach the arbitrary shape (plane, etc.) of the object T and locate the object.
  • the shape of the object T can be measured.
  • the measurement probe ejected from the measurement probe 160 should be used to prevent the probe tip 164 of the measurement probe 160 from accidentally colliding with the object T due to errors in CAD data, position errors of the articulated robot 500, etc.
  • Control is performed by switching the direction of light to the first direction 300a or the second direction 300b so that the distance to the object T does not become less than a predetermined threshold. This makes it possible to measure the three-dimensional shape of the object T.
  • FIG. 2 shows an example of the configuration of the measurement probe 160.
  • the measurement probe 160 is connected to the probe control device 200 via the connection cable 150.
  • the probe control device 200 outputs measurement light generated by a built-in distance measurement light source to the measurement probe 160 via the connection cable 150.
  • connection cable 150 includes an optical fiber that propagates the measurement light, and guides the measurement light to the measurement probe 160. Further, reflected light from the target object T is guided to the probe control device 200.
  • the measurement probe 160 irradiates the object T with the measurement light input from the probe control device 200 and outputs the reflected light from the object T to the probe control device 200.
  • the measurement probe 160 includes a lens system 161, a rotation mechanism 162, an optical path switching element 163, a probe tip 164, a polarization state control section 165, and a polarization state control section drive section 166.
  • the lens system 161 focuses the measurement light input from the probe control device 200 via the connection cable 150 and guides it to the polarization state control section 165.
  • the rotation mechanism 162 includes a motor and the like. The rotation mechanism 162 rotates the probe tip 164 around a rotation axis C parallel to the measurement light input from the lens system 161 under control from the probe control device 200.
  • the optical path switching element 163 is composed of, for example, a polarizing beam splitter.
  • the optical path switching element 163 has an optical path switching function, and allows the measurement light whose polarization state is controlled by the polarization state control unit 165 to travel in the same direction as the measurement light output from the lens system 161 according to the polarization direction.
  • the measurement light is selectively emitted toward a first direction 300a or a second direction 300b substantially orthogonal to the first direction 300a.
  • the measurement light emitted in the first direction 300a will be referred to as measurement light 300a
  • the measurement light emitted in the second direction 300b will be referred to as measurement light 300b.
  • the probe tip 164 locks the optical path switching element 163 and allows the light emitted from the optical path switching element 163 to pass therethrough.
  • the probe tip 164 has a cylindrical shape with an opening in the first direction 300a, and locks the optical path switching element 163 with at least a portion of the inner wall.
  • the probe tip 164 is rotated around the rotation axis C by the rotation mechanism 162. As the probe tip 164 rotates, the optical path switching element 163 to which the probe tip 164 locks also rotates.
  • the configuration of the probe tip 164 is not limited to the configuration example described above.
  • the optical path switching element 163 may be locked by one or more pillars, and the optical path switching element 163 may be rotated as the pillars are driven.
  • the probe tip portion 164 may be made of, for example, a transparent two-layer tube, and the inner tube may lock the optical path switching element 163 and rotate the optical path switching element 163.
  • the polarization state control unit 165 is composed of, for example, a wave plate or a liquid crystal element, and controls the polarization of the measurement light input from the lens system 161 under control from the probe control device 200 (FIG. 10). Specifically, the polarization state control unit 165 can change the polarization direction of the measurement light input from the lens system 161.
  • the polarization state control unit driving unit 166 rotationally drives the polarization state control unit 165 to change the polarization direction of the measurement light input from the lens system 161.
  • the measurement light input from the probe control device 200 via the connection cable 150 reaches the polarization state control section 165 via the lens system 161, and the polarization state control section 165 controls the polarization of the measurement light. and reaches the optical path switching element 163.
  • the measurement light 300a that has passed through the optical path switching element 163 according to the polarization direction reaches the object T through the opening of the probe tip 164.
  • the reflected light reflected or scattered by the target object T travels in the opposite direction to the path of the emitted measurement light 300a, that is, in the order of the optical path switching element 163, the polarization state control unit 165, the lens system 161, and the connection cable 150. and reaches the probe control device 200.
  • the probe control device 200 photoelectrically converts the reflected light that has arrived into an electrical signal, and calculates the distance to the target object T.
  • the photoelectric conversion of the reflected light is performed by the probe control device 200, but a photoelectric conversion means (not shown) is provided in the measurement probe 160 to convert the electrical signal corresponding to the reflected light. , may be output from the measurement probe 160 to the probe control device 200.
  • the polarization state control unit 165 controls the polarization to emit the measurement light 300a, and the measurement light 300a is emitted to the bottom of the hole 311. Depth can be measured.
  • the measurement light 300b emitted laterally from the optical path switching element 163 according to the polarization direction is transmitted through the opening on the side surface of the probe tip 164 or through the wall surface, and is irradiated onto the object T.
  • the reflected light reflected or scattered by the target object T travels backward along the path of the measurement light 300b and reaches the probe control device 200, and the distance to the target object T is calculated.
  • the shape of the side surface of the hole 311 can be measured, for example.
  • the optical path switching element 163 can be rotated along with the rotation of the probe tip 164, so in that case, the shape of the entire circumference of the side surface of the hole 311 can be measured. .
  • the measurement probe 160 can emit the measurement light 300a and the measurement light 300b by switching between them, but this is not necessarily suitable for three-dimensional shape measurement by scanning an articulated robot, which is the main purpose of the present invention. It is not essential to emit the measurement light 300b, and it is sufficient if the measurement light 300a can be emitted.
  • FIG. 3 shows a modification of the measurement probe 160 that emits only the measurement light 300a.
  • This modification is a so-called laser ranging sensor.
  • the rotation mechanism 162, optical path switching element 163, probe tip 164, polarization state control section 165, and polarization state control section driving section 166 are omitted from the configuration example of FIG.
  • FIG. 4 shows another modification of the measurement probe 160.
  • This modification is a so-called laser beam cutting sensor, and includes a lens system 190 that emits measurement light as a sheet-like beam 300c that spreads in a fan shape, and a light receiving section 191 that receives reflected light from the object T.
  • the lens system 190 emits the measurement light as a beam 300c to the object T
  • the light receiving unit 191 images the pattern of lines that shine when the object T is irradiated, and based on the imaging result, the beam 300c is The shape of the irradiated area is measured using the principle of triangulation.
  • a linear beam is emitted to the object T, and the object T is irradiated with light.
  • the measurement probe 160 may employ a displacement sensor that detects the position of one point with the light receiving section 191 and measures the distance of the one point using the triangulation principle.
  • ⁇ Three-dimensional shape measurement of target object T by shape measuring device 100 1 The following is an explanation of three-dimensional shape measurement of the target object T by the shape measuring device 1001 .
  • articulated robots achieve multi-degree-of-freedom motion by combining the movements of multiple rotation axes.
  • the articulated robot 500 (FIG. 1) realizes rotation and vertical movement of an arm L1, which corresponds to a human upper arm, using drive axes A1 and A2, which correspond to human shoulder joints.
  • the multi-joint robot 500 realizes bending and extension of an arm L2, which corresponds to a human forearm, using a drive shaft A3, which corresponds to a human elbow joint.
  • the articulated robot 500 realizes rotation of the arm L2 by the drive shaft A4.
  • the multi-joint robot 500 realizes bending and turning of the arm L3, which corresponds to a human hand, using drive axes A5 and A6, which correspond to human wrist joints.
  • a flange 502 is provided at the end 501 of the arm L3, and a measurement probe 160 is attached to the flange 502 to measure the distance to the object.
  • the articulated robot 500 can position and hold the measurement probe 160 attached to the flange 502 at any position and any posture.
  • errors in the angles of each drive shaft, errors in the distance between the axes, etc. are accumulated and appear, so a position error that usually exceeds 1 mm may occur.
  • the measurement probe 160 when the measurement probe 160 is attached to the flange 502 and the distance to the object T is measured by scanning the measurement probe 160 in a straight line while measuring the step shape on the surface of the object T, the measurement probe 160 is attached to the flange 502. Since the trajectory of 160 cannot maintain a straight line and meanderes, the error affects the measurement results. For example, the error in the trajectory during linear movement may be as small as about 0.2 mm, and as large as exceed 1 mm, depending on the accuracy of the articulated robot 500.
  • one of the drive axes A1 to A6 is selected as the drive axis to be driven when measuring the distance to the target object T, and the selected drive axis and the measurement light emitted from the probe tip 164 are
  • the measurement probe 160 is attached to the flange 502 so that the probe 300a is substantially parallel to the probe 300a. Note that other attachment members (fixing members) other than the flange 502 may be used as long as the measurement probe 160 can be fixed to the articulated robot 500 at a desired position and orientation.
  • the user selects one axis to be driven that can be substantially parallel to the perpendicular to the surface 310 of the object T to be measured or to the axis of the hole 311 to be measured.
  • the user may select a drive axis that is substantially parallel to the perpendicular to the surface scanned by the measurement light 300a. If there are multiple selectable drive shafts, it is desirable to select the drive shaft closest to the tip (in this case, drive shaft A6).
  • the probe tip 164 of the measurement probe 160 is placed parallel to the surface 310 on the object T, or the axis of the hole 311 is What is necessary is to scan along a reference plane 390 perpendicular to .
  • the posture of the articulated robot 500 may be adjusted by appropriately driving the other drive axes A1 to A5 so that the drive axis A6 to be driven is substantially orthogonal to the reference plane 390.
  • the distance between the drive shaft A6 and the measurement light 300a is R, then when the drive shaft A6 is rotated at an angular velocity V, the measurement light will be scanned in an arcuate trajectory at a circumferential velocity VR. .
  • the arc-shaped trajectory at this time rotates only the tip portion of the multi-joint robot 500, which has a small mass, so that vibrations can be suppressed. Furthermore, since only the drive shaft A6 among the six drive shafts A1 to A6 of the articulated robot 500 is moved, it is possible to prevent the trajectory from meandering due to accumulation of errors in each axis.
  • the vibration and meandering width of the scanning trajectory of the measurement light 300a can be suppressed to about 20 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a first example of a method of scanning the measurement probe 160 and processing the measured profile.
  • the measurement light 300a from the probe tip 164 is scanned along the reference plane 390.
  • the drive shaft A6 As shown in the upper part of the figure, the measurement light 300a from the probe tip 164 is scanned along the reference plane 390.
  • it is necessary to The position and orientation of the drive shaft A6 are maintained by the remaining drive shafts A1 to A5 of the articulated robot 500 so that the axis of the hole 311 to be measured is located at an offset position.
  • the distance of the probe tip 164 with respect to the reference plane 390 is determined by the accuracy of only the drive axis A6 without being affected by these drive errors. It is possible to realize smooth arc-shaped scanning in which the circumferential velocity VR is constant without vertical fluctuations.
  • the figure on the lower left side of the figure shows the profile 400 of the hole 311 measured in this way.
  • the measured profile 400 corresponds to an arcuate scanning trajectory 410
  • the horizontal axis x411 is the distance along the scanning trajectory 410.
  • What is originally desired to obtain is often a profile corresponding to a straight trajectory passing through the center of the hole 311, so in that case, conversion is performed.
  • the distance r410 of each point along the scanning trajectory 410 from the hole 311 is calculated, and the horizontal axis is converted from x to r.
  • the profile 400 corresponding to the arcuate scanning trajectory 410 can be converted into the profile 401 corresponding to the linear scanning trajectory.
  • the drive axis A6 is tilted with respect to the reference plane 390, and the distance between the scanned measurement probe 160 and the reference plane 390 is no longer constant. Sometimes I put it away. As a result, the measured profile becomes distorted, for example, as shown in profile 402 shown on the lower right side of the figure. For example, if the inclination of the drive shaft A6 with respect to the reference plane 390 is ⁇ , the distance to the reference plane 390 changes into an ellipse like a curved surface 390', and the ratio of the major axis to the minor axis of the ellipse is sin ⁇ becomes.
  • the profile 402 may be converted to the profile 400, and the profile 400 may be converted to the profile 401 based on the obtained elliptical curved surface 390'.
  • the drive shaft A6 closest to the distal end of the articulated robot 500 is selected as the drive shaft to be driven when scanning the measurement probe 160, but if the above conditions are satisfied, Other drive axes may also be selected.
  • the drive shaft A1 may be rotated instead of the drive shaft A6.
  • the scanning trajectory 410 can be made closer to a straight line.
  • the mass and moment of inertia of the rotating part are larger, so the vibration of the scanning trajectory becomes larger, so this method is not suitable for measurements on surfaces other than approximately horizontal surfaces.
  • the articulated robot 500 is a 6-axis vertical articulated robot, but a robot having seven or more redundant drive axes may be employed as the articulated robot 500.
  • the drive axes A1, A2, ... A7 are set in order from the root, the position and attitude of the drive shaft A7 can be adjusted to be approximately perpendicular to the reference plane 390 using the drive axes A1 to A6. It is desirable that the measurement light 300a be scanned by adjusting and rotating only the drive shaft A7.
  • the position and attitude of the drive shaft A6 may be adjusted to be approximately perpendicular to the reference plane 390 using the drive shafts A1 to A5, and the measurement light 300a may be scanned by rotating only the drive shaft A6, and the drive shaft may be driven.
  • the axis A7 may be used to adjust the direction of the measurement light 300a viewed from the drive axis A6.
  • the probe tip 164 is brought closer to the object T having a more complex shape, and the measurement light 300a is scanned. be able to. Further, by rotating the probe tip 164 and emitting the measurement light 300b, even more diverse scanning becomes possible.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a second example of a method of scanning the measurement probe 160 and processing the measured profile.
  • the step shape may not be detected even if it is scanned with the measurement light 300a parallel to the axis of the hole 311.
  • the second method is suitable for such cases.
  • the hole When measuring the right edge of the hole 311, as shown in the upper left side of the figure, the hole should be aligned so that the reference plane 390 that scans the measurement light against the flat surface 310 around the hole 311 is slightly raised to the right.
  • the measurement probe 160 is tilted slightly to the left with respect to the axis 311, and the measurement light 300a is scanned as shown on the left side in the middle of the figure. This makes it possible to obtain a profile 451 that reflects the shape of the right side of the hole 311 and does not reflect the shape of the left side of the hole 311, as shown on the lower left side of the figure.
  • the reference plane 390 for scanning the measurement light with respect to the flat surface 310 around the hole 311 should be tilted slightly upward to the left. Then, the measurement probe 160 is tilted slightly to the right with respect to the axis of the hole 311, and the measurement light 300a is scanned as shown in the middle right side of the figure. This makes it possible to obtain a profile 452 that reflects the shape of the left side of the hole 311 and does not reflect the shape of the right side of the hole 311, as shown on the lower right side of the figure.
  • FIG. 7 shows a modification of the probe tip 164.
  • This modification differs from the probe tip 164 in FIG. 2 in that the optical path switching element 163' that is locked at the tip thereof is tilted compared to the optical path switching element 163 in FIG.
  • Components other than the optical path switching element 163' are common to the components of the measurement probe 160 shown in FIG. 2, and are given the same reference numerals, so their explanation will be omitted.
  • the optical path switching element 163' is made of, for example, a polarizing beam splitter.
  • the optical path switching element 163' has an optical path switching function, and converts the measurement light whose polarization state has been controlled by the polarization state control unit 165 into a first direction that is the same traveling direction as the traveling direction of the measurement light output from the lens system 161.
  • the measurement light is emitted toward at least one of a third direction 300a' that is slightly inclined from the direction 300a, and a second direction 300b that is substantially orthogonal to the first direction 300a.
  • the measurement light in the third direction 300a' will be referred to as measurement light 300a'.
  • the inclination of the third direction 300a' with respect to the first direction 300a is, for example, 0.5 degrees or more and 10 degrees or less.
  • the direction of the measurement light 300a' can be adjusted by rotating the probe tip 164 while keeping the position of the measurement probe 160 fixed.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an example of a method for scanning the measurement probe 160 and processing the measured profile when the modified example is attached to the tip of the articulated robot 500.
  • the measurement probe 160 is moved so that the scanning reference plane 390 and the robot drive axis A6 are substantially perpendicular, and the rotation axis of the probe tip 164 and the axis of the hole 311 are substantially parallel. hold.
  • the rotation angle of the probe tip 164 is controlled so that the tip of the measurement light 300a' is tilted to the right in the drawing, as shown on the left side of the first row in the figure.
  • the drive shaft A6 is rotated to scan the measurement light 300a'.
  • a profile 461 in which the shape of the right side of the hole 311 is reflected and the shape of the left side is not reflected.
  • the rotation angle of the probe tip 164 is controlled so that the tip of the measurement light 300a' is tilted to the left in the drawing, as shown on the right side of the first row in the figure. Then, as shown on the right side of the second stage in the figure, the drive shaft A6 is rotated to scan. As a result, as shown on the right side of the third row in the same figure, it is possible to obtain a profile 462 in which the shape of the left side of the hole 311 is reflected and the shape of the right side is not reflected.
  • the two obtained profiles 461 and 462 are obliquely distorted by the amount that the measurement light 300a' is inclined from the perpendicular to the reference plane 390. Therefore, as shown in the fourth row of the figure, distortion is removed from the profiles 461 and 462, and the resulting profiles 461' and 462' are combined. This makes it possible to measure the shape of a narrow step inside the hole 311, a slightly overhanging shape (not shown), and the like.
  • FIG. 9 shows a configuration example of a shape measuring device 1002 according to a second embodiment of the present invention.
  • the shape measuring device 1002 replaces the articulated robot 500, which is a 6-axis vertical articulated robot in the shape measuring device 1001 (FIG. 1) of the first embodiment, with an articulated robot 500 that employs a SCARA robot. '.
  • Components of the shape measuring device 100 2 other than the articulated robot 500' are the same as those of the shape measuring device 100 1 (FIG. 1), so the same reference numerals are given and the description thereof will be omitted.
  • the articulated robot 500' has drive axes A1, A2, and A3 whose rotation axes are in the vertical direction. Furthermore, the articulated robot 500' has an elevating section 510 that moves the end section 501 up and down in the same axis direction (Z direction) as the drive shaft A3 at the tip. The articulated robot 500' determines the position of the end portion 501 on the XY plane by turning the drive shafts A1 and A2. Furthermore, the articulated robot 500' determines the Z coordinate of the end portion 501 by lifting and lowering the lifting section 510. Note that instead of or in addition to the elevating section 510, an elevating section that moves up and down in the same axial direction as the drive shaft A1 or the drive shaft A2 may be provided.
  • a measurement probe 160 is attached to a flange 502 provided at an end 501 of the articulated robot 500'. At this time, the probe is mounted so that the drive shaft A3 and the measurement light 300a emitted from the probe tip 164 are substantially parallel. In this case, the emission direction of the measurement light 300a is vertical. Therefore, this embodiment is suitable for measuring the shape of a horizontal surface of the object T, a hole opened in the horizontal surface, and the like.
  • the measurement light moves in an arcuate trajectory at a circumferential velocity VR.
  • the trajectory rotates only the tip portion of the multi-joint robot 500', which has a small mass, so that vibrations can be suppressed.
  • the drive axes A1 to A3 which are the drive mechanisms of the articulated robot 500', and the elevating section 510, only the drive shaft A3 is moved, so it is possible to prevent the trajectory from meandering due to accumulation of errors in each drive part. .
  • the same scanning as described above may be realized by rotating only the drive shaft A1 or only the drive shaft A2 among the drive mechanisms included in the articulated robot 500'.
  • the drive shaft A3 at the tip of the articulated robot 500' may be a fixed shaft that does not rotate.
  • the measurement light 300b is emitted from the probe tip 164, and only the lifting section 510 of the drive mechanism of the articulated robot 500' is moved to measure the depth profile of the hole 311. It is also possible. In this case, only one driving portion is required and highly accurate scanning of the measurement light is possible. Note that the direction of the measurement light 300b can be arbitrarily adjusted by the rotation angle of the probe tip 164 or the rotation of the drive shaft A3 of the articulated robot 500'. Moreover, in this case, it is also possible to measure the shape of the outer surface of the object T by vertically irradiating the outer surface of the object T with the measurement light 300b.
  • shape measuring device 100 when it is not necessary to distinguish the shape measuring devices 100 1 and 100 2 individually, they will be referred to as the shape measuring device 100.
  • FIG. 10 shows a configuration example of a measurement system including the shape measurement device 100.
  • the measurement system includes a shape measurement device 100, a manufacturing device 700, and a data processing device 701 that are connected via a network N such as a LAN (Local Area Network) or a WAN (Wide Area Network).
  • a network N such as a LAN (Local Area Network) or a WAN (Wide Area Network).
  • the shape measuring device 100 includes the above-mentioned measurement probe 160, probe control device 200, and articulated robot 500, as well as a robot control device 215, a display device 220, a shape data processing device 221, and an overall control device 225.
  • the overall control device 225 measures the 3D shape of the object T by causing the robot control device 215 to control the articulated robot 500 and the probe control device 200 to control the measurement probe 160.
  • the overall control device 225 outputs the position and orientation information of the articulated robot 500 obtained from the robot control device 215 and the 3D shape data obtained by the measurement probe 160 obtained from the probe control device 200 to the shape data processing device 221.
  • the shape data processing device 221 corresponds to the conversion section and correction section of the present invention.
  • the shape data processing device 221 synthesizes overall 3D shape data of the object T based on the position and orientation information of the articulated robot 500 and the 3D shape data from the measurement probe 160. That is, since the 3D shape data of the target object T obtained from the measurement probe 160 is relative data with respect to the position and orientation of the measurement probe 160 at the time of measurement, the shape data processing device 221 uses the position and orientation information of the articulated robot 500.
  • the overall 3D shape data of the object T is synthesized by calculating the position and orientation of the measurement probe 160 at the time of measurement, and converting the 3D shape data into a reference coordinate system.
  • the shape data processing device 221 analyzes the obtained overall 3D shape data of the object T or 3D shape data of individual narrow parts of the object T, and based on the design information of the object T. , calculate the error between the designed shape and the actual shape of the object T, calculate the dimensional information such as the depth, diameter, and pitch of the hole, and calculate the cylindricity, straightness, flatness, etc. Calculate geometric tolerance information.
  • the overall control device 225 causes the display device 220 to display the calculation results by the shape data processing device 221.
  • the overall control device 225 outputs the calculation results by the shape data processing device 221 to the data processing device 701 via the network N.
  • the data processing device 701 stores the calculation results by the shape data processing device 221 in the storage device 702. Then, the data processing device 701 analyzes the error of the object T based on the calculation results by the shape data processing device 221 stored in the storage device 702, and controls the manufacturing device 700 that processed the object T. Specifically, the data processing device 701 instructs the manufacturing device 700 to replace a tool, or to change machining conditions such as tool size correction amount, machining path, and machining speed. In addition, the data processing device 701 instructs the manufacturing device 700 to change the amount of finishing processing, and in the assembly process of assembling the objects T, takes into account shape errors between the objects T to be assembled. Specify the combination of objects T to be assembled.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications are possible.
  • the embodiments described above have been described in detail to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and the present invention is not necessarily limited to having all the configurations described. Further, it is possible to replace or add a part of the configuration of one embodiment to the configuration of another embodiment.
  • each of the above-mentioned configurations, functions, processing units, processing means, etc. may be partially or entirely realized by hardware, for example, by designing an integrated circuit.
  • each of the above configurations, functions, etc. may be realized by software by a processor interpreting and executing a program for realizing each function.
  • Information such as programs, tables, files, etc. that implement each function can be stored in a memory, a recording device such as a hard disk, an SSD, or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
  • the control lines and information lines are shown to be necessary for explanation purposes, and not all control lines and information lines are necessarily shown in the product. In reality, almost all components may be considered to be interconnected.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

形状測定装置に多関節ロボットを採用した場合において、多関節ロボットに追加の駆動軸を付加させることなく、対象物の形状を高精度に測定する。　形状計測装置は、複数の駆動軸を有する多関節ロボットと、前記多関節ロボットに取り付けられた非接触測距センサと、を備え、前記多関節ロボットは、前記複数の駆動軸のうち、所定の一軸だけを駆動することにより、前記非接触測距センサから射出された測定光を対象物に対して走査する。

Description

形状計測装置、及び形状計測方法
　本発明は、形状計測装置、及び形状計測方法に関する。本発明は2022年7月20日に出願された日本国特許の出願番号2022-115246の優先権を主張し、文献の参照による織り込みが認められる指定国については、その出願に記載された内容は参照により本出願に織り込まれる。
　対象物の形状を測定する技術として、例えば特許文献１には、三次元座標測定システムのＸＹＺステージのＺ軸の先端に回転ロータを取り付け、半径Ｒだけロータ軸からオフセットした位置にプローブを取り付けて、ロータを回転させることによりプローブを回転させて対象物の形状を測定する技術が開示されている。
特開２００８－２４１７１４号公報
　特許文献１に記載された技術では、対象物の測定面が水平である場合、測定光の射出方向が固定されているシンプルなプローブを採用すればよい。しかしながら、対象物の表面が様々な方向に向いている場合、測定光の射出方向を変更可能な多関節プローブを用いる必要がある。多関節プローブは、構造が複雑であるためにコスト高となる。また、多関節プローブは、構造が複雑であるために重量が重くなるため移動の精度が悪い。
　なお、多関節プローブを用いる代わりに、多関節ロボットのアームの先端に、測定光の射出方向が固定されているシンプルなプローブを取り付けて駆動させる方法も考えられる。ただし、この場合、多関節ロボットの移動の精度が充分でないと、対象物の表面の測定精度が制限されてしまう。
　本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、形状測定装置に多関節ロボットを採用した場合において、多関節ロボットに追加の駆動軸を付加させることなく、対象物の形状を高精度に測定することを目的とする。
　本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下の通りである。
　上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る形状計測装置は、複数の駆動軸を有する多関節ロボットと、前記多関節ロボットに取り付けられた非接触測距センサと、を備え、前記多関節ロボットは、前記複数の駆動軸のうち、所定の一軸だけを駆動することにより、前記非接触測距センサから射出された測定光を対象物に対して走査する。
　本発明によれば、形状測定装置に多関節ロボットを採用した場合において、多関節ロボットに追加の駆動軸を付加させることなく、対象物の形状を高精度に測定することが可能となる。
　上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る形状計測装置の一例を示す模式図である。 図２は、計測プローブの構成例を示す模式図である。 図３は、計測プローブの変形例を示す模式図である。 図４は、計測プローブの他の変形例を示す模式図である。 図５は、計測プローブの走査と測定されたプロファイルの処理方法の第１の例を説明するための図である。 図６は、計測プローブの走査と測定されたプロファイルの処理方法の第２の例を説明するための図である。 図７は、プローブ先端部の変形例を示す図である。 図８は、プローブ先端部の変形例に対応する、計測プローブの走査と測定されたプロファイルの処理方法の一例を説明するための図である。 図９は、本発明の第２の実施形態に係る形状計測装置の一例を示す模式図である。 図１０は、形状計測装置を含む形状計測システムの構成例を示す図である。
　以下、本発明の複数の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、各実施形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須ではない。また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除しない。同様に、以下の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含む。
　＜本発明の第１の実施形態に係る形状計測装置１００１の構成例＞
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る形状計測装置１００１の構成例を示している。形状計測装置１００１は、多関節ロボット５００、計測プローブ１６０、及び試料台３３０を備える。
　多関節ロボット５００は、例えば、６つの駆動軸Ａ１～Ａ６を有する６軸垂直多関節型ロボットである。
　計測プローブ１６０は、本発明の非接触測距センサに相当する。計測プローブ１６０は、多関節ロボット５００のアームＬ３の端部５０１に設けられたフランジ５０２に固定されている。計測プローブ１６０は、多関節ロボット５００によって移動されることにより、対象物Ｔに対して様々な位置、様々な姿勢、様々な方向から接近し、その先端から測定光を出射して対象物Ｔの形状を測定する。
　対象物Ｔが載置される試料台３３０は、多関節ロボット５００との相対的な位置関係が固定されている。可能であれば、試料台３３０における対象物Ｔの位置が再現性良く搭載できるように、対象物Ｔは、試料台３３０の所定の位置に押し付けて搭載することが望ましい。この場合、試料台３３０上に形成された２点以上の位置合わせマーク３４０を計測プローブ１６０で測定することにより、対象物Ｔの位置を正確に測定できる。または、対象物Ｔ自身の特徴的な形状を測定することにより、対象物Ｔの位置を正確に測定してもよい。具体的には、対象物Ｔの複数のコーナそれぞれについて、コーナを取り囲む３面の位置を測定光により測定したり、互いに直行しない面の位置姿勢を、各面当たり３点以上測定光により測定したり、対象物Ｔ上の複数の穴の位置を測定光により測定すればよい。対象物Ｔの位置を正確に測定できた場合、予め取得した対象物ＴのＣＡＤ(Computer Aided Design)データを用いて、対象物Ｔの任意の形状（平面等）に自動的に接近して対象物Ｔの形状を測定することができる。
　なお、測定の際には、ＣＡＤデータの間違いや多関節ロボット５００の位置誤差等によって、計測プローブ１６０のプローブ先端部１６４が誤って対象物Ｔに衝突しないように、計測プローブ１６０から射出する測定光の方向を第１の方向３００ａまたは第２の方向３００ｂに切り替えて対象物Ｔとの距離が所定の閾値以下にならないように制御する。これによって、対象物Ｔの立体形状を測定することが可能になる。
　＜計測プローブ１６０の構成例＞
　次に、図２は、計測プローブ１６０の構成例を示している。計測プローブ１６０は、接続ケーブル１５０を介してプローブ制御装置２００に接続されている。
　プローブ制御装置２００は、内蔵する測距光源にて生成した測定光を、接続ケーブル１５０を介して計測プローブ１６０に出力する。
　接続ケーブル１５０は、測定光を伝搬する光ファイバを含み、測定光を計測プローブ１６０に導く。また、対象物Ｔからの反射光をプローブ制御装置２００に導く。
　計測プローブ１６０は、プローブ制御装置２００から入力された測定光を対象物Ｔに照射し、対象物Ｔからの反射光をプローブ制御装置２００に出力する。
　計測プローブ１６０は、レンズ系１６１、回転機構１６２、光路切替素子１６３、プローブ先端部１６４、偏光状態制御部１６５、及び偏光状態制御部駆動部１６６を有する。
　レンズ系１６１は、プローブ制御装置２００から接続ケーブル１５０を介して入力された測定光を絞り、偏光状態制御部１６５に導く。回転機構１６２は、モータ等からなる。回転機構１６２は、プローブ制御装置２００からの制御に従い、レンズ系１６１から入力された測定光と平行な回転軸Ｃの周りにプローブ先端部１６４を回転させる。
　光路切替素子１６３は、例えば偏光ビームスプリッタからなる。光路切替素子１６３は、光路切り替え機能を有し、偏光状態制御部１６５によって偏光状態が制御された測定光を、その偏光方向に応じ、レンズ系１６１から出力される測定光の進行方向と同じ進行方向である第１の方向３００ａ、または、第１の方向３００ａに略直交する第２の方向３００ｂに向かって選択的に測定光を射出する。以下、第１の方向３００ａに射出された測定光を測定光３００ａと称し、第２の方向３００ｂに射出された測定光を測定光３００ｂと称する。
　プローブ先端部１６４は、光路切替素子１６３を係止するとともに、光路切替素子１６３から射出される光を通過させる。プローブ先端部１６４は、第１の方向３００ａに開口部位を有する筒状であり、内壁の少なくとも一部で光路切替素子１６３を係止している。プローブ先端部１６４は、回転機構１６２によって回転軸Ｃの周りに回転される。そして、プローブ先端部１６４の回転に伴い、プローブ先端部１６４が係止する光路切替素子１６３も回転される。
　なお、プローブ先端部１６４の構成は上述した構成例に限られない。例えば、１本以上の支柱により光路切替素子１６３を係止し、該支柱の駆動に伴い光路切替素子１６３が回転するものであってもよい。また、プローブ先端部１６４は、例えば透明な２層の筒からなり、内筒で光路切替素子１６３を係止し、光路切替素子１６３を回転させてもよい。
　偏光状態制御部１６５は、例えば波長板や液晶素子等からなり、プローブ制御装置２００（図１０）からの制御により、レンズ系１６１から入力された測定光の偏光を制御する。具体的には、偏光状態制御部１６５は、レンズ系１６１から入力された測定光の偏光方向を変更できる。
　偏光状態制御部駆動部１６６は、偏光状態制御部１６５を回転駆動して、レンズ系１６１から入力された測定光の偏光方向を変更させる。
　計測プローブ１６０において、プローブ制御装置２００から接続ケーブル１５０を介して入力された測定光は、レンズ系１６１を経由して偏光状態制御部１６５に到達し、偏光状態制御部１６５によって、その偏光が制御され、光路切替素子１６３に到達する。
　偏光方向に応じて光路切替素子１６３を通過した測定光３００ａは、プローブ先端部１６４の開口部位から対象物Ｔに到達する。対象物Ｔにて反射または散乱した反射光は、射出された測定光３００ａの経路とは逆の方向、すなわち、光路切替素子１６３、偏光状態制御部１６５、レンズ系１６１、接続ケーブル１５０の順に進行してプローブ制御装置２００に到達する。
　プローブ制御装置２００は、到達した反射光を電気信号に光電変換し、対象物Ｔまでの距離を算出する。なお、反射光の光電変換は、本実施形態の場合、プローブ制御装置２００にて行われているが、計測プローブ１６０内に光電変換手段（不図示）を設け、反射光に対応する電気信号を、計測プローブ１６０からプローブ制御装置２００に出力するようにしてもよい。
　例えば、図２に示されたように、対象物Ｔの円筒形状の穴３１１の形状を測定する場合、偏光状態制御部１６５による偏光の制御によって測定光３００ａを射出させ、穴３１１の底部までの深さを測定することができる。
　一方、偏光方向に応じて光路切替素子１６３から側方に射出された測定光３００ｂは、プローブ先端部１６４の側面の開口部位または壁面を透過して対象物Ｔに照射される。対象物Ｔにて反射または散乱した反射光は、測定光３００ｂの経路を逆行してプローブ制御装置２００に到達し、対象物Ｔまでの距離が算出される。測定光３００ｂを用いた場合、例えば穴３１１の側面の形状を測定することができる。なお、測定光３００ｂが出射されている間、光路切替素子１６３は、プローブ先端部１６４の回転とともに回転させることができるので、その場合、穴３１１の側面の全周の形状を測定することができる。
　なお、本実施形態の場合、計測プローブ１６０は、測定光３００ａと測定光３００ｂとを切り替えて射出可能であるが、本発明の主たる目的である多関節ロボットの走査による立体形状計測にとっては、必ずしも測定光３００ｂの射出は必須ではなく、測定光３００ａを射出できればよい。
　次に、図３は、測定光３００ａのみを射出するようにした計測プローブ１６０の変形例を示している。
　該変形例は、いわゆるレーザ測距センサである。該変形例は、図２の構成例から、回転機構１６２、光路切替素子１６３、プローブ先端部１６４、偏光状態制御部１６５、及び偏光状態制御部駆動部１６６を省略したものである。
　次に、図４は、計測プローブ１６０の他の変形例を示している。該変形例は、いわゆるレーザ光切断センサであり、測定光を扇状に拡がるシート状のビーム３００ｃとして射出するレンズ系１９０、及び対象物Ｔからの反射光を受光する受光部１９１を備える。該変形例においては、レンズ系１９０が測定光をビーム３００ｃとして対象物Ｔに射出し、対象物Ｔに照射されて光る線のパターンを受光部１９１で撮像し、撮像結果に基づき、ビーム３００ｃが照射された箇所の形状を三角測量の原理で測定する。
　なお、図示は省略するが、さらに他の変形例として、図４の扇状に拡がるシート状のビーム３００ｃの代わりに、直線状のビームを対象物Ｔに射出し、対象物Ｔに照射されて光る１点の位置を受光部１９１で検出して、一点の距離を三角測量原理で測定する変位センサを計測プローブ１６０に採用してもよい。
　＜形状計測装置１００１による対象物Ｔの立体形状計測＞
　以下は、形状計測装置１００１による対象物Ｔの立体形状計測の説明である。
　一般に、多関節ロボットは、複数の回転軸の動きを組み合わせることにより多自由度の動作を実現している。例えば、多関節ロボット５００（図１）は、人間の肩関節に相当する駆動軸Ａ１，Ａ２により、人間の上腕部に相当するアームＬ１の旋回及び上下移動を実現する。また、多関節ロボット５００は、人間の肘関節に相当する駆動軸Ａ３により、人間の前腕部に相当するアームＬ２の曲げ伸ばしを実現する。さらに、多関節ロボット５００は、駆動軸Ａ４により、アームＬ２の回旋を実現する。またさらに、多関節ロボット５００は、人間に手首関節に相当する駆動軸Ａ５，Ａ６により、人間の手に相当するアームＬ３の屈曲、及び旋回を実現する。アームＬ３の端部５０１にはフランジ５０２が設けられており、そこに計測プローブ１６０を取り付けることにより対象物までの距離を測定する。
　多関節ロボット５００は、駆動軸Ａ１～Ａ６の動きを組み合わせることにより、フランジ５０２に取り付けた計測プローブ１６０を任意の位置、任意の姿勢に位置決めして保持することができる。ただし、フランジ５０２に取り付けた計測プローブ１６０には、各駆動軸の角度の誤差や軸間距離の誤差等が積み上げられて出現するため、通常１ｍｍを超すような位置誤差が生じ得る。
　そのため、計測プローブ１６０をフランジ５０２に取り付けて、計測プローブ１６０を直線状に走査して対象物Ｔまでの距離を測定しながら、対象物Ｔの表面の段差形状を測定するような場合、計測プローブ１６０の軌道が直線を維持できずに蛇行してしまうため、その誤差が測定結果に影響を与えてしまう。例えば、直線移動時の軌道の誤差は、多関節ロボット５００の精度にも依るが小さいと０．２ｍｍ程度、大きいと１ｍｍを超えてしまう。
　そこで、本実施形態では、対象物Ｔまでの距離測定時に駆動させる駆動軸として、駆動軸Ａ１～Ａ６のうちの一軸を選択し、選択した駆動軸と、プローブ先端部１６４から出射される測定光３００ａとが略平行となるように、計測プローブ１６０をフランジ５０２に取り付ける。なお、計測プローブ１６０を所望の位置、及び向きで多関節ロボット５００に固定できれば、フランジ５０２に限らず、他の取付部材（固定部材）を使用してもよい。
　なお、駆動させる一軸の選択は、対象物Ｔの測定対象とする面３１０の垂線、または測定対象とする穴３１１の軸と略平行になり得る駆動軸をユーザが選択する。換言すれば、測定光３００ａを走査する面の垂線と、略平行に得る駆動軸をユーザが選択すればよい。選択可能な駆動軸が複数存在する場合、最も先端側の駆動軸（いまの場合、駆動軸Ａ６）を選択することが望ましい。
　例えば、対象物Ｔ上の面３１０に開口している穴３１１の深さを測定する場合、計測プローブ１６０のプローブ先端部１６４を対象物Ｔ上の面３１０と平行に、または、穴３１１の軸に垂直な基準面３９０に沿って走査させればよい。また、その前段階として、駆動させる駆動軸Ａ６が基準面３９０と略直交するように、他の駆動軸Ａ１～Ａ５を適切に駆動して多関節ロボット５００の姿勢を調整すればよい。
　駆動軸Ａ６と測定光３００ａとの軸間距離をＲとすれば、駆動軸Ａ６を角速度Ｖで回転させた場合、測定光は周速度ＶＲで円弧状に軌道を描いて走査されることになる。この時の円弧状の軌道は、多関節ロボット５００の質量が小さい先端部分だけを回転させるので振動を抑えることができる。また、多関節ロボット５００が有する６つの駆動軸Ａ１～Ａ６のうち、駆動軸Ａ６だけを動かすため、各軸の誤差が積み重なって軌道が蛇行してしまうことも抑えることができる。
　したがって、多関節ロボット５００の動作の精度にも依るが、駆動軸Ａ６だけを駆動させた場合、測定光３００ａの走査軌道の振動や蛇行幅は２０μｍから５０μｍ程度に抑えることができる。
　次に、図５は、計測プローブ１６０の走査と測定されたプロファイルの処理方法の第１の例を説明するための図である。
　同図上段に示すように、プローブ先端部１６４からの測定光３００ａは、基準面３９０に沿って走査される。この走査を駆動軸Ａ６の回転によって実現するためには、同図中段に示された、基準面３９０を計測プローブ１６０側から見た上面図に示すように、駆動軸Ａ６から軸間距離Ｒだけオフセットした位置に測定対象の穴３１１の軸が位置するように、駆動軸Ａ６の位置及び姿勢を、多関節ロボット５００の残りの駆動軸Ａ１～Ａ５によって保持するようにする。
　この状態において、駆動軸Ａ６だけを角速度Ｖで駆動させた場合、プローブ先端部１６４から射出された測定光３００ａは、周速度ＶＲで駆動軸Ａ６を中心とする円弧状の走査軌道４１０に沿って走査される。
　この時、他の駆動軸Ａ１～Ａ５は静止しているので、これらの駆動誤差の影響を受けることなく、駆動軸Ａ６だけの精度に依る、基準面３９０に対してプローブ先端部１６４の距離が上下に変動せずに周速度ＶＲが一定である滑らかな円弧状の走査を実現できる。
　同図下段左側の図は、このようにして測定された、穴３１１のプロファイル４００を示す。ただし、測定されたプロファイル４００は、円弧状の走査軌道４１０に対応するものであり、横軸ｘ４１１は走査軌道４１０に沿った距離である。本来得たいのは穴３１１の中心を通る直線軌道に対応するプロファイルであることが多いので、その場合は変換を行う。走査軌道４１０に沿った各点の穴３１１からの距離ｒ４１０を計算して、横軸をｘからｒに変換する。このようにすることで、円弧状の走査軌道４１０に対応するプロファイル４００を、直線状の走査軌道に対応するプロファイル４０１に変換することができる。
　さらに、多関節ロボット５００の動作誤差や対象物Ｔの設置誤差等により、駆動軸Ａ６が基準面３９０に対して傾いてしまい、走査した計測プローブ１６０と基準面３９０との距離が一定ではなくなってしまうことがある。この結果、測定されたプロファイルは、例えば、同図下段右側に示すプロファイル４０２のように歪が生じたものとなる。例えば、駆動軸Ａ６の基準面３９０に対する傾きがθであれば、基準面３９０までの距離は曲面３９０’のように楕円状に変化してしまい、その楕円の短軸に対する長軸の比はｓｉｎθとなる。
　これを補正するには、穴３１１の周り存在する既知の平坦な面３１０までの距離を測定し、測定したプロファイル４０１の平坦な面３１０に対応する部分の形状に楕円を当てはめる。そして、得られた楕円状の曲面３９０’に基づき、プロファイル４０２をプロファイル４００に変換し、プロファイル４００をプロファイル４０１に変換すればよい。
　なお、上述した説明では、計測プローブ１６０を走査させるときに駆動する駆動軸として、多関節ロボット５００の最も先端側の駆動軸Ａ６を選択することにしたが、上述した条件を満たしていれば、他の駆動軸を選択してもよい。
　例えば、図１に示された対象物Ｔの上面、及び上面に開口された穴の形状を測定する場合、対象物Ｔの上面に対して、プローブ先端部１６４が垂直となるように多関節ロボット５００の姿勢を調整した後、駆動軸Ａ６の代わりに駆動軸Ａ１を旋回駆動してもよい。この場合、駆動軸Ａ１の旋回半径は、駆動軸Ａ６の旋回半径よりも大きいので、走査軌道４１０を直線状に近づけることができる。ただし、駆動軸Ａ６を駆動させる場合に比べて、旋回する部分の質量や慣性モーメントが大きいので、走査軌道の振動が大きくなってしまうので、略水平面以外の測定には適していない。
　また、本実施形態では、多関節ロボット５００を６軸垂直多関節型ロボットとしたが、多関節ロボット５００に７軸以上の冗長な駆動軸を有するロボットを採用してもよい。その場合、根元から順に駆動軸Ａ１，Ａ２，・・・Ａ７とすれば、駆動軸Ａ１～Ａ６を用いて、駆動軸Ａ７の位置、及び姿勢を基準面３９０に対して略垂直になるように調整し、駆動軸Ａ７だけの旋回によって測定光３００ａを走査することが望ましい。
　または、駆動軸Ａ１～Ａ５を用いて、駆動軸Ａ６の位置、及び姿勢を基準面３９０に対して略垂直になるように調整し、駆動軸Ａ６だけの旋回によって測定光３００ａを走査し、駆動軸Ａ７は、駆動軸Ａ６から見た測定光３００ａの向きの調整に用いるようにしてもよい。
　このように、７軸以上の冗長な駆動軸を有する持ったロボットを採用することにより、より複雑な形状を有する対象物Ｔに対してプローブ先端部１６４を接近させて、測定光３００ａを走査させることができる。さらに、プローブ先端部１６４を旋回させて、測定光３００ｂを射出すれば、さらに多彩な走査が可能となる。
　次に、図６は、計測プローブ１６０の走査と測定されたプロファイルの処理方法の第２の例を説明するための図である。
　対象物Ｔの穴３１１の内部に段差形状があり、その幅の狭い場合、これに対して穴３１１の軸と平行な測定光３００ａで走査しても段差形状を検出できないことがある。該第２の方法は、このような場合に適している。
　穴３１１の右側エッジを測定する場合、同図上段左側に示すように、穴３１１の周囲の平坦な面３１０に対して測定光を走査させる基準面３９０がわずかに右上がりになるように、穴３１１の軸に対して計測プローブ１６０をわずかに左側に傾けた状態として同図中段左側に示すように測定光３００ａを走査させる。これにより、同図下段左側に示すように、穴３１１の右側の側面形状が反映されており、左側の側面形状が反映されていないプロファイル４５１を得ることができる。
　反対に、穴３１１の左側エッジを測定する場合、同図上段右側に示すように、穴３１１の周囲の平坦な面３１０に対して測定光を走査させる基準面３９０がわずかに左上がりになるように、穴３１１の軸に対して計測プローブ１６０をわずかに右側に傾けた状態として同図中段右側に示すように測定光３００ａを走査させる。これにより、同図下段右側に示すように、穴３１１の左側の側面形状が反映されており、右側の側面形状が反映されていないプロファイル４５２を得ることができる。
　このようにして得られた２つのプロファイル４５１，４５２を、穴３１１の周囲の平坦な面の傾きが一致するように合成すれば、穴３１１の内部の細い段差形状や若干オーバーハングした形状（不図示）等を測定することが可能となる。
　＜プローブ先端部１６４の変形例＞
　次に、図７は、プローブ先端部１６４の変形例を示している。当該変形例は、図２のプローブ先端部１６４と比べて、その先端にて係止している光路切替素子１６３’が、図２の光路切替素子１６３に比べて傾いている点が異なる。光路切替素子１６３’以外の構成要素は図２に示された計測プローブ１６０の構成要素と共通であり、同一の符号を付しているので、その説明は省略する。
　光路切替素子１６３’は、光路切替素子１６３と同様、例えば偏光ビームスプリッタからなる。光路切替素子１６３’は、光路切り替え機能を有し、偏光状態制御部１６５によって偏光状態が制御された測定光を、レンズ系１６１から出力される測定光の進行方向と同じ進行方向である第１の方向３００ａから僅かに傾けた第３の方向３００ａ’と、第１の方向３００ａに略直交する第２の方向３００ｂと、少なくとも一方に向かって測定光を射出する。以下、第３の方向３００ａ’への測定光を、測定光３００ａ’と称する。なお、第１の方向３００ａに対する第３の方向３００ａ’の傾きは、例えば、０．５度以上１０度以下とする。
　該変形例の場合、計測プローブ１６０の位置は固定したまま、プローブ先端部１６４を回転させることによって測定光３００ａ’の方向を調整できる。
　図８は、該変形例を多関節ロボット５００の先端に取り付けた場合における、計測プローブ１６０の走査と測定されたプロファイルの処理方法の一例を説明するための図である。
　この場合、図１と同様に、走査の基準面３９０とロボットの駆動軸Ａ６とが略垂直になり、プローブ先端部１６４の回転軸と穴３１１の軸とが略平行となるように計測プローブ１６０を保持する。穴３１１の右側エッジ測定では、同図１段目左側に示すように、測定光３００ａ’の先端が図面右側に傾くようにプローブ先端部１６４の回転角を制御する。そして、同図２段目左側に示すように、駆動軸Ａ６を旋回させて測定光３００ａ’を走査させる。これにより、同図３段目左側に示すように、穴３１１の右側の側面形状が反映されており、左側の側面形状が反映されていないプロファイル４６１を得ることができる。
　反対に、穴３１１の左側エッジ測定では、同図１段目右側に示すように、測定光３００ａ’の先端が図面左側に傾くようにプローブ先端部１６４の回転角を制御する。そして、同図２段目右側に示すように、駆動軸Ａ６を旋回させて走査する。これにより、同図３段目右側に示すように、穴３１１の左側の側面形状が反映されており、右側の側面形状が反映されていないプロファイル４６２を得ることができる。
　ただし、得られた２つのプロファイル４６１，４６２は、測定光３００ａ’が基準面３９０の垂線から傾いている分だけ斜めに歪んだものとなっている。そこで、同図４段目に示すように、プロファイル４６１，４６２から歪を除去し、その結果得られたプロファイル４６１’，４６２’を合成する。これにより、穴３１１の内部の細い段差形状や若干オーバーハングした形状（不図示）等を測定することが可能となる。
　＜本発明の第２の実施形態に係る形状計測装置１００２の構成例＞
　次に、図９は、本発明の第２の実施形態に係る形状計測装置１００２の構成例を示している。
　形状計測装置１００２は、第１の実施形態である形状計測装置１００１（図１）において６軸垂直多関節型ロボットであった多関節ロボット５００を、スカラ型ロボットを採用した多関節ロボット５００’に置換したものである。形状計測装置１００２の多関節ロボット５００’以外の構成要素については、形状計測装置１００１（図１）の構成要素と共通するので、同一の符号を付してその説明を省略する。
　多関節ロボット５００’は、垂直方向を回転軸とする駆動軸Ａ１，Ａ２，Ａ３を有する。また、多関節ロボット５００’は、先端の駆動軸Ａ３と同軸方向（Ｚ方向）に端部５０１を昇降させる昇降部５１０を有する。多関節ロボット５００’は、駆動軸Ａ１，Ａ２の旋回によって端部５０１のＸＹ平面上の位置を決定する。また、多関節ロボット５００’は、昇降部５１０の昇降によって端部５０１のＺ座標を決定する。なお、昇降部５１０の代わりに、または追加しては、駆動軸Ａ１または駆動軸Ａ２と同軸方向に昇降する昇降部を設けてもよい。
　多関節ロボット５００’の端部５０１に設けたフランジ５０２には、計測プローブ１６０を取り付ける。この際、駆動軸Ａ３と、プローブ先端部１６４から出射される測定光３００ａとが略平行となるように取付ける。この場合、測定光３００ａの射出方向は垂直になる。よって、本実施形態は、対象物Ｔの水平面と、水平面に開口した穴等の形状測定に適する。
　駆動軸Ａ３と測定光３００ａとの軸間距離はＲとすれば、駆動軸Ａ３を角速度Ｖで回転させた場合、測定光は周速度ＶＲで円弧状に軌道を描いて移動する。この時の軌道は、多関節ロボット５００’の質量が小さい先端部分だけを回転させるので振動を抑えることが可能である。また、多関節ロボット５００’が有する駆動機構である駆動軸Ａ１～Ａ３、及び昇降部５１０のうち、駆動軸Ａ３だけを動かすので、各駆動部位の誤差が積み重なって軌道が蛇行することが抑えられる。
　また、上記と同じ走査を多関節ロボット５００’が有する駆動機構のうち、駆動軸Ａ１だけを旋回させたり、駆動軸Ａ２だけを旋回させたりして実現してもよい。その場合、多関節ロボット５００’の先端の駆動軸Ａ３を回転駆動しない固定軸としてもよい。
　また、形状計測装置１００２において、プローブ先端部１６４から測定光３００ｂを出射するようにし、多関節ロボット５００’の駆動機構のうち、昇降部５１０だけを動かして、穴３１１の奥行プロファイルを測定することも可能である。この場合においては、駆動部位は１つだけで、高精度な測定光の走査が可能となる。なお、測定光３００ｂの向きは、プローブ先端部１６４の旋回角、または多関節ロボット５００’の駆動軸Ａ３の旋回によって任意に調整できる。また、この場合、対象物Ｔの外側面に測定光３００ｂを垂直に照射することにより、対象物Ｔの外側面の形状を測定することも可能である。
　以下、形状計測装置１００１，１００２を個々に区別する必要なない場合、形状計測装置１００と称する。多関節ロボット５００，５００’についても同様とする。
　＜形状計測装置１００を包含する計測システムの構成例＞
　次に、図１０は、形状計測装置１００を包含する計測システムの構成例を示している。
　該計測システムは、ＬＡＮ(Local Area Network)，ＷＡＮ(Wide Area Network)等のネットワークＮを介して接続された形状計測装置１００、製造装置７００、及びデータ処理装置７０１を備える。
　形状計測装置１００は、上述した計測プローブ１６０、プローブ制御装置２００、多関節ロボット５００の他、ロボット制御装置２１５、表示装置２２０、形状データ処理装置２２１、及び全体制御装置２２５を備える。
　形状計測装置１００において、全体制御装置２２５は、ロボット制御装置２１５に多関節ロボット５００を制御させるとともに、プローブ制御装置２００に計測プローブ１６０を制御させることにより、対象物Ｔの３Ｄ形状計測を行う。
　また、全体制御装置２２５は、ロボット制御装置２１５から得た多関節ロボット５００の位置姿勢情報、及びプローブ制御装置２００から得た計測プローブ１６０による３Ｄ形状データを形状データ処理装置２２１に出力する。
　形状データ処理装置２２１は、本発明の変換部、及び補正部に相当する。形状データ処理装置２２１は、多関節ロボット５００の位置姿勢情報、及び計測プローブ１６０からの３Ｄ形状データに基づいて、対象物Ｔの全体的な３Ｄ形状データを合成する。すなわち、計測プローブ１６０から得られる対象物Ｔの３Ｄ形状データは、計測プローブ１６０の測定時の位置姿勢に対する相対的なデータであるため、形状データ処理装置２２１は、多関節ロボット５００の位置姿勢情報から計測プローブ１６０の測定時の位置姿勢を計算し、３Ｄ形状データを基準座標系に変換することにより、対象物Ｔの全体的な３Ｄ形状データを合成する。
　また、形状データ処理装置２２１は、得られた対象物Ｔの全体的な３Ｄ形状データ、または、対象物Ｔの個々の狭隘部位の３Ｄ形状データを解析して、対象物Ｔの設計情報に基づき、対象物Ｔの設計上の形状と実際の形状との誤差を計算したり、例えば、穴の深さ、径、ピッチ等の寸法情報を計算したり、円筒度、真直度、平面度等の幾何公差情報を計算したりする。
　さらに、全体制御装置２２５は、形状データ処理装置２２１による計算結果を表示装置２２０に表示させる。
　またさらに、全体制御装置２２５は、形状データ処理装置２２１による計算結果を、ネットワークＮを介してデータ処理装置７０１に出力する。データ処理装置７０１は、形状データ処理装置２２１による計算結果を記憶装置７０２に蓄積する。そして、データ処理装置７０１は、記憶装置７０２に蓄積した、形状データ処理装置２２１による計算結果に基づき、対象物Ｔの誤差を解析して、対象物Ｔを加工した製造装置７００を制御する。具体的には、データ処理装置７０１は、製造装置７００に対して、工具の交換を指示したり、工具サイズ補正量や加工パスや加工速度等の加工条件の変更を指示したりする。また、データ処理装置７０１は、製造装置７００に対して、仕上げ加工量の変更を指示したり、対象物Ｔを組み付ける組立工程に対して、組み付ける対象物Ｔどうしそれぞれの形状誤差を考慮して、組み付ける対象物Ｔの組み合わせを指定したりする。
　本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えたり、追加したりすることが可能である。
　また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
　１００１，１００２・・・形状計測装置、１５０・・・接続ケーブル、１６０・・・計測プローブ、１６１・・・レンズ系、１６２・・・回転機構、１６３，１６３’・・・光路切替素子、１６４・・・プローブ先端部、１６５・・・偏光状態制御部、１６６・・・偏光状態制御部駆動部、１９０・・・レンズ系、１９１・・・受光部、２００・・・プローブ制御装置、２１５・・・ロボット制御装置、２２０・・・表示装置、２２１・・・形状データ処理装置、２２５・・・全体制御装置、３３０・・・試料台、５００，５００’・・・多関節ロボット、５０１・・・端部、５０２・・・フランジ、５１０・・・昇降部、７００・・・製造装置、７０１・・・データ処理装置、７０２・・・記憶装置

Claims (12)

  1. 　複数の駆動軸を有する多関節ロボットと、
    　前記多関節ロボットに取り付けられた非接触測距センサと、を備え、
    　前記多関節ロボットは、前記複数の駆動軸のうち、所定の一軸だけを駆動することにより、前記非接触測距センサから射出された測定光を対象物に対して走査する
    形状計測装置。
  2. 　請求項１に記載の形状計測装置であって、
    　前記多関節ロボットは、前記所定の一軸だけを旋回することによって前記非接触測距センサから射出された前記測定光を円弧状に走査する
    形状計測装置。
  3. 　請求項１に記載の形状計測装置であって、
    　前記所定の一軸は、前記複数の駆動軸と、前記対象物の実体面、または前記対象物に対して想定される基準面との角度に基づいて決定される
    形状計測装置。
  4. 　請求項３に記載の形状計測装置であって、
    　前記所定の一軸は、前記対象物の実体面、または前記対象物に対して想定される前記基準面と略垂直である
    形状計測装置。
  5. 　請求項１に記載の形状計測装置であって、
    　前記多関節ロボットは、前記複数の駆動軸を駆動することにより、前記非接触測距センサと前記対象物との相対的な位置、及び姿勢の両方を変化させ得る
    形状計測装置。
  6. 　請求項１に記載の形状計測装置であって、
    　対象物を載置する試料台、を備え、
    　前記試料台は、前記多関節ロボットとの相対的な位置関係が固定されている
    形状計測装置。
  7. 　請求項１に記載の形状計測装置であって、
    　前記非接触測距センサは、点までの距離を測定するレーザ測距センサ、または点までの距離を測定するレーザ光切断センサからなる
    形状計測装置。
  8. 　請求項２に記載の形状計測装置は、
    　前記非接触測距センサの前記円弧状の走査に対応するプロファイルを、前記非接触測距センサの直線状の走査に対応するプロファイルに変換する変換部、を備える
    形状計測装置。
  9. 　請求項３に記載の形状計測装置は、
    　前記所定の一軸の前記実体面、または前記基準面に対する傾きに起因して生じるプロファイルの歪みを補正する補正部、を備える
    形状計測装置。
  10. 　請求項１に記載の形状計測装置は、
    　前記非接触測距センサは、前記所定の一軸の旋回軸と略平行な方向に前記測定光を射出する
    形状計測装置。
  11. 　請求項１に記載の形状計測装置は、
    　前記非接触測距センサは、前記所定の一軸の旋回軸から、０．５度以上１０度以下の範囲で傾けた方向に前記測定光を射出する
    形状計測装置。
  12. 　複数の駆動軸を有する多関節ロボットと、
    　前記多関節ロボットに取り付けられた非接触測距センサと、を備える形状計測装置による形状計測方法であって、
    　前記多関節ロボットによる、前記複数の駆動軸のうち、所定の一軸だけを駆動することにより、前記非接触測距センサから射出された測定光を対象物に対して走査するステップ、
    を含む形状計測方法。
PCT/JP2023/019832 2022-07-20 2023-05-29 形状計測装置、及び形状計測方法 WO2024018758A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022-115246 2022-07-20
JP2022115246A JP2024013286A (ja) 2022-07-20 2022-07-20 形状計測装置、及び形状計測方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024018758A1 true WO2024018758A1 (ja) 2024-01-25

Family

ID=89617434

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2023/019832 WO2024018758A1 (ja) 2022-07-20 2023-05-29 形状計測装置、及び形状計測方法

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2024013286A (ja)
WO (1) WO2024018758A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0285709A (ja) * 1988-09-22 1990-03-27 Hitachi Ltd 多関節ロボットを用いた物体計測方法と計測装置
JP2004157088A (ja) * 2002-11-08 2004-06-03 Isuzu Motors Ltd ねじ特性の測定方法および測定装置
JP2013246151A (ja) * 2012-05-29 2013-12-09 Jfe Steel Corp コイル形状測定装置及びコイル形状測定方法
JP2018169160A (ja) * 2015-08-31 2018-11-01 株式会社ニコン 表面形状測定装置
JP2020165667A (ja) * 2019-03-28 2020-10-08 株式会社東京精密 形状測定機及びその制御方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0285709A (ja) * 1988-09-22 1990-03-27 Hitachi Ltd 多関節ロボットを用いた物体計測方法と計測装置
JP2004157088A (ja) * 2002-11-08 2004-06-03 Isuzu Motors Ltd ねじ特性の測定方法および測定装置
JP2013246151A (ja) * 2012-05-29 2013-12-09 Jfe Steel Corp コイル形状測定装置及びコイル形状測定方法
JP2018169160A (ja) * 2015-08-31 2018-11-01 株式会社ニコン 表面形状測定装置
JP2020165667A (ja) * 2019-03-28 2020-10-08 株式会社東京精密 形状測定機及びその制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2024013286A (ja) 2024-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5851969B2 (ja) 関節式プローブヘッド
CN113739700B (zh) 坐标测量仪器的正交轴系统的调校方法
US5870490A (en) Apparatus for extracting pattern features
US7676942B2 (en) Multi-axis positioning and measuring system and method of using
US9310482B2 (en) Methods for locating and sensing the position, orientation, and contour of a work object in a robotic system
JP2020128000A (ja) 非破壊検査装置及び方法
JP3923945B2 (ja) 非接触表面形状測定方法
EP3611466B1 (en) Laser speckle rotational and strain encoders used for precise positioning of robots with articulated arms
JPH07190741A (ja) 測定誤差補正法
US7777874B2 (en) Noncontact surface form measuring apparatus
JP2004085565A (ja) レーザ三次元デジタル化センサのキャリブレーション法およびキャリブレーション装置
US5760906A (en) Shape measurement apparatus and method
JP3474448B2 (ja) 座標軸直角度誤差の校正方法及び三次元形状測定装置
JP2000304529A (ja) プローブ装置及び形状測定装置
WO2021241187A1 (ja) 形状測定装置および形状測定方法
WO2024018758A1 (ja) 形状計測装置、及び形状計測方法
JP5322402B2 (ja) 形状測定装置及び形状測定方法
JP4753657B2 (ja) 表面形状測定装置及び表面形状測定方法
EP3346232B1 (en) Surface-shape measuring device, surface-shape measuring method and surface-shape measuring program
JPH05164525A (ja) レーザ式座標測定装置の測定ヘッド
JPH03500027A (ja) 工作物表面追跡装置
JP5708548B2 (ja) 形状測定方法
US11131543B2 (en) Three-dimensional measuring apparatus and robot system
JP4494189B2 (ja) 非接触画像測定機の精度測定方法及び校正方法
JP2572132B2 (ja) 水平多関節型ロボツトのアーム原点の較正システム及び較正方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23842690

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1