(57)【要約】【課題】測定対象物の形状測定にあたって、測定効率の向上と温度測定の正確さとを両立できる形状測定装置を提供する。【解決手段】形状測定装置は、測定対象物の表面を検出する検出器と、検出器と測定対象物とを相対移動させる移動機構と、有し、検出器で測定対象物の形状を測定する。  形状測定装置は、さらに、測定対象物の温度を非接触で測定するワーク用非接触温度センサと、測定対象物と同じ素材からなる対照ワークと、対照ワークに接触した状態に設けられ、対照ワークの温度を測定する対照ワーク用接触式温度センサと、対照ワークの温度を非接触で測定する対照ワーク用非接触温度センサと、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の表面を検出する検出器と、
前記検出器と前記測定対象物とを相対移動させる移動機構と、有し、前記検出器で前記測定対象物の形状を測定する形状測定装置であって、
さらに、
前記測定対象物の温度を非接触で測定するワーク用非接触温度センサと、
前記測定対象物と同じ素材からなる対照ワークと、
前記対照ワークに接触した状態に設けられ、前記対照ワークの温度を測定する対照ワーク用接触式温度センサと、
前記対照ワークの温度を非接触で測定する対照ワーク用非接触温度センサと、を備える
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の形状測定装置において、
前記対照ワーク用接触式温度センサによる温度測定値Ｔ２と、前記対照ワーク非接触温度センサによる温度測定値Ｔ３と、の差分温度Ｔ２３を前記ワーク用非接触温度センサによる温度測定値Ｔ１に加算して、前記測定対象物の校正後温度Ｔｗを算出する
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の形状測定装置において、
前記測定対象物の測定が許可される適正温度範囲が予め設定されており、
前記校正後温度Ｔｗが前記適正温度範囲内である場合に、自動的に前記測定対象物の測定を開始し、
前記校正後温度Ｔｗが前記適正温度範囲外である場合、前記測定対象物の測定を停止する
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の形状測定装置において、
さらに、
前記測定対象物を当該形状測定装置に順次搬入出する搬入出装置を備え、
前記搬入出装置によって同じ素材からなる前記測定対象物が入れ替えられるのに対し、前記対照ワークは交換しない
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の形状測定装置において、
さらに、
前記測定対象物を当該形状測定装置に順次搬入出する搬入出装置を備え、
前記搬入出装置によって前記測定対象物が入れ替えられるとき、
前記測定対象物の素材が変わるとき、前記対照ワークも前記測定対象物の素材と同じ素材のものに交換する
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の形状測定装置において、
素材が異なる前記対照ワークが複数用意され、
素材が異なる前記対照ワークのそれぞれに対して、接触式温度センサと非接触温度センサとが設けられている
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項７】
測定対象物の温度を非接触で測定するワーク用非接触温度センサと、
前記測定対象物と同じ素材からなる対照ワークと、
前記対照ワークに接触した状態に設けられ、前記対照ワークの温度を測定する対照ワーク接触式温度センサと、
前記対照ワークの温度を非接触で測定する対照ワーク非接触温度センサと、を備え、
前記対照ワーク用接触式温度センサによる温度測定値Ｔ２と、前記対照ワーク非接触温度センサによる温度測定値Ｔ３と、の差分温度Ｔ２３を前記ワーク用非接触温度センサによる温度測定値Ｔ１に加算して、前記測定対象物の校正後温度Ｔｗを算出する
ことを特徴とする温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の形状や寸法を測定する三次元測定機（座標測定機）が広く使用されている。
【０００３】
三次元測定機で測定対象物を測定するにあたっては、まず、測定対象物に応じた測定手順を予め測定パートプログラムとして組んで用意しておく。
実際の測定作業では、定盤や移動ステージまたは回転テーブルの上に測定対象物を載置した後、オペレータは「測定開始」の指令を三次元測定機に与える。あとは、三次元測定機が測定パートプログラムに従って測定対象物を決められた手順で自動的に順々に測定していく。さらには、測定対象物を自動的に入れ替えるシステムも合わせて利用することで、次々と自動的に測定が継続的に実行される。近年では、三次元測定機を製造ラインの脇に設置して被加工物を順次測定していくインライン測定システムも利用されるようになってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４１４２０号公報
【特許文献２】特開２０１３−２３８５７３号公報
【特許文献３】特開２０１４−２１００４号公報
【特許文献４】特開２０１７−０６２１９４
【特許文献５】特許６４８２２４４
【特許文献６】特公平０２−０６２００６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
測定対象物の形状測定を行なうにあたっては測定対象物の温度を正しく測定しておくことが必要である。例えば、加工直後のワークは温度が高温であるため、適正な温度になるまで待つことが必要になる場合もある。または、測定効率を上げるため、やや高い温度でも測定対象物の形状測定を開始する場合もある。この場合、形状データを温度補正することが必要になってくる。
【０００６】
測定対象物の温度を正しく測定するには、熱電対やサーミスタを測定対象物に密着して取り付ける必要がある。しかし、一つ一つの測定対象物に逐一接触式温度センサをつけたり外したりするのは非常に手間がかかる作業である。さらに、接触式温度センサを対象物に取り付けてから正しく温度を測定できるようになるまでには所定の待ち時間（例えば数分）が必要である。これも作業効率が上がらない一因となっている。
【０００７】
ここで、測定効率を上げるために非接触温度センサ（放射温度計）を使用する例もある。非接触温度センサであれば、逐一接触式温度センサを測定対象物につけたり外したりする手間はないし、測定の待ち時間もほとんどない。しかしながら、非接触温度センサは、精密部品の形状測定の基礎データとするには絶対精度が実用レベルではない。特に、測定対象物の表面性状や光沢によって非接触温度センサによる測定値が上や下へ大きくシフトしてしまう問題が避けられない。
【０００８】
本発明の目的は、測定対象物の形状測定にあたって、測定効率の向上と温度測定の正確さとを両立できる形状測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の形状測定装置は、
測定対象物の表面を検出する検出器と、
前記検出器と前記測定対象物とを相対移動させる移動機構と、有し、前記検出器で前記測定対象物の形状を測定する形状測定装置であって、
さらに、
前記測定対象物の温度を非接触で測定するワーク用非接触温度センサと、
前記測定対象物と同じ素材からなる対照ワークと、
前記対照ワークに接触した状態に設けられ、前記対照ワークの温度を測定する対照ワーク用接触式温度センサと、
前記対照ワークの温度を非接触で測定する対照ワーク用非接触温度センサと、を備える
ことを特徴とする。
【００１０】
本発明の一実施形態では、
前記対照ワーク用接触式温度センサによる温度測定値Ｔ２と、前記対照ワーク非接触温度センサによる温度測定値Ｔ３と、の差分温度Ｔ２３を前記ワーク用非接触温度センサによる温度測定値Ｔ１に加算して、前記測定対象物の校正後温度Ｔｗを算出する
ことが好ましい。
【００１１】
本発明の一実施形態では、
前記測定対象物の測定が許可される適正温度範囲が予め設定されており、
前記校正後温度Ｔｗが前記適正温度範囲内である場合に、自動的に前記測定対象物の測定を開始し、
前記校正後温度Ｔｗが前記適正温度範囲外である場合、前記測定対象物の測定を停止する
ことが好ましい。
【００１２】
本発明の一実施形態では、
さらに、
前記測定対象物を当該形状測定装置に順次搬入出する搬入出装置を備え、
前記搬入出装置によって同じ素材からなる前記測定対象物が入れ替えられるのに対し、前記対照ワークは交換しない
ことが好ましい。
【００１３】
本発明の一実施形態では、
さらに、
前記測定対象物を当該形状測定装置に順次搬入出する搬入出装置を備え、
前記搬入出装置によって前記測定対象物が入れ替えられるとき、
前記測定対象物の素材が変わるとき、前記対照ワークも前記測定対象物の素材と同じ素材のものに交換する
ことが好ましい。
【００１４】
本発明の一実施形態では、
素材が異なる前記対照ワークが複数用意され、
素材が異なる前記対照ワークのそれぞれに対して、接触式温度センサと非接触温度センサとが設けられている
ことが好ましい。
【００１５】
本発明の温度測定装置は、
測定対象物の温度を非接触で測定するワーク用非接触温度センサと、
前記測定対象物と同じ素材からなる対照ワークと、
前記対照ワークに接触した状態に設けられ、前記対照ワークの温度を測定する対照ワーク接触式温度センサと、
前記対照ワークの温度を非接触で測定する対照ワーク非接触温度センサと、を備え、
前記対照ワーク用接触式温度センサによる温度測定値Ｔ２と、前記対照ワーク非接触温度センサによる温度測定値Ｔ３と、の差分温度Ｔ２３を前記ワーク用非接触温度センサによる温度測定値Ｔ１に加算して、前記測定対象物の校正後温度Ｔｗを算出する
ことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】形状測定装置の一例を示す図である。
【図２】測定対象物の一例を示す図である。
【図３】対照ワークの一例を示す図である。
【図４】モーションコントローラとホストコンピュータの機能ブロック図である。
【図５】形状測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の形状測定装置１００に係る第１実施形態について説明する。
図１は、形状測定装置１００の一例を示す図である。
形状測定装置１００は、温度管理などがされている測定専用に設けられた測定室に設置されていてもよい。あるいは、形状測定装置１００は、例えば、加工機械（不図示）と並んで製造ライン（不図示）の脇に設置されていてもよい。この場合、搬送ベルトやロボットアームを有する搬入出装置によって被加工物を順次三次元測定機に自動で投入するようになっていてもよい。
【００１８】
形状測定装置１００は、三次元測定機２００と、温度測定部４００と、モーションコントローラ３００と、ホストコンピュータ５００と、を備える。
【００１９】
三次元測定機（ＣＭＭ，Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｍａｃｈｉｎｅ）は、
回転テーブル２１０と、プローブ２２０と、駆動機構２３０と、を有する。回転テーブル２１０は、ワークを載置するワーク載物台であり、Ｚ軸を回転中心として回転する。
プローブ２２０は、接触または非接触でワークの表面を検出する。
駆動機構２３０は、Ｚ方向に沿ったＺ駆動軸２３１と、Ｙ方向に沿ったＹ駆動軸２３２と、Ｘ方向に沿ったＸ軸駆動軸２３３と、を有し、プローブ２２０を３次元的に移動させる。
回転テーブル２１０と駆動機構２３０との協働により移動機構が構成され、ワークとプローブ２２０とが三次元的に相対移動可能となっている。駆動機構２３０および回転テーブル２１０には駆動モータ（不図示）およびエンコーダ（不図示）が設けられている。
【００２０】
モーションコントローラ３００からの駆動制御信号によって駆動モータが駆動され、エンコーダによってサンプリングされた座標値（や回転角）はモーションコントローラ３００に送られる。
駆動機構２３０のＸ、Ｙ、Ｚ座標値と回転テーブル２１０の回転角とにより、ワークの表面形状の測定値が得られる。
【００２１】
もちろん、移動機構としては、プローブ２２０をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の三次元的に移動させる機構であってもよいし、ワークをＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の三次元的に移動させる機構であってもよいし、さらに、Ｘ軸回り回転、Ｙ軸回り回転、Ｚ軸回り回転などの回転機構があってもよい。
【００２２】
温度測定部４００の構成を説明する。
温度測定部４００は、対照ワーク４１０と、複数の温度センサと、温度校正部４２０と、を備える。
【００２３】
対照ワーク４１０は、例えば、三次元測定機２００の傍に設置された台上に設置されている。
対照ワーク４１０というのは、例えば、測定対象物と同じ素材で作られた適当な大きさの固体である。対照ワーク４１０の形状は単純でよく、例えば、円柱形や直方体でよい。例えば、測定対象物として図２のような複雑な形状（ここではインペラ）だとしても、対照ワーク４１０は図３のような単純な形状（ここでは円柱）でよい。
ただし、対照ワーク４１０と測定対象物とは同じ素材で作られており、具体的には、表面の光沢や粗さ（表面性状）が同一であることが求められる。
測定対象物が焼き入れしたものであれば、対照ワーク４１０も同じ焼き入れを経験している必要がある。測定対象物が表面の黒皮を除去したものであれば対照ワーク４１０も同じように黒皮を除去している必要があるし、測定対象物が黒皮残しであれば対照ワーク４１０も黒皮残しである。測定対象物が表面塗装やメッキをしたものであれば、対照ワーク４１０も同じ表面塗装やメッキをしたものである。
【００２４】
測定対象物の種類に合わせて、対照ワーク４１０の種類も必要な数だけ予め用意しておくことが好ましい。
【００２５】
温度センサとしては、ワーク用非接触温度センサ４３１と、対照ワーク用接触式温度センサ４３２と、対照ワーク用非接触温度センサ４３３と、を備える
【００２６】
ワーク用非接触温度センサ４３１は、例えば、三次元測定機２００に付設されており、測定対象物が回転テーブル２１０や定盤に投入されたときに測定対象物の表面温度を非接触で測定できるように設置されている。非接触温度センサの種類は特段限定されず、いわゆる放射温度計でもよい。
【００２７】
対照ワーク用接触式温度センサ４３２は、例えば、熱電対やサーミスタであり、用意された対照ワーク410に接触（貼り付け）して取り付けられている。
【００２８】
対照ワーク用非接触温度センサ４３３は、対照ワーク４１０の温度を非接触で測定するように設置されている。対照ワーク用非接触温度センサ４３３の種類も特段限定されないが、ワーク用非接触温度センサ４３１と対照ワーク用非接触温度センサ４３３とは同機種で同じ設定になっていることが望ましい。
【００２９】
温度校正部４２０は、ワーク用非接触温度センサ４３１の温度測定値Ｔ１を校正して測定対象物のより正確な温度Ｔｗを算出する。
対照ワーク用接触温度センサ４３２による温度測定値がＴ２であり、対照ワーク用非接触温度センサ４３３による温度測定値がＴ３であるとする。このとき、温度校正部４２０は、対照ワーク用接触式温度センサ４３２による温度測定値Ｔ２と、対照ワーク用非接触温度センサ４３３による温度測定値Ｔ３と、の差分温度Ｔ２３をまず求める。そして、ワーク用非接触温度センサ４３１による温度測定値Ｔ１に前記差分温度Ｔ２３を加算して、測定対象物の校正後温度Ｔｗを算出する。
Ｔｗ＝Ｔ１＋（Ｔ２−Ｔ３）
【００３０】
例えば、ワーク用非接触温度センサ４３１による温度測定値Ｔ１が４２℃であって、対照ワーク用接触式温度センサ４３２による温度測定値Ｔ２が２０℃であって、対照ワーク用非接触温度センサ４３３による温度測定値Ｔ３が２２℃であるとする。
このとき、測定対象物の校正後温度Ｔｗは４０℃ということになる。
【００３１】
次に、図４を参照しながら、モーションコントローラ３００とホストコンピュータ５００の機能ブロックを簡単に説明する。
モーションコントローラ３００は、測定指令取得部３１０と、カウンタ部３２０と、移動指令生成部３３０と、駆動制御部３４０と、温度範囲判定部３５０と、を備える。
【００３２】
測定指令取得部３１０は、ホストコンピュータ５００から測定指令を取得する。測定指令は、測定対象物の設計データや測定対象箇所をもとにしてホストコンピュータ５００による演算処理等により生成される。測定指令にはプローブ軌道上の目標点や目標移動速度が含まれている。
【００３３】
カウンタ部３２０は、エンコーダから出力される検出信号をカウントして駆動機構２３０および回転テーブル２１０の変位量を計測するとともに、プローブセンサから出力される検出信号をカウントしてプローブ２２０の変位を計測する。これにより、プローブ２２０の現在位置、すなわち、ワーク表面の座標値を得る。
【００３４】
駆動指令生成部３３０は、プローブ２２０で測定対象物表面を測定するためのプローブ２２０の移動経路を算出し、その移動経路に沿った速度ベクトルを算出する。例えば、自律的に押込み量を調整しながらプローブ２２０を現在位置から次の目標点に移動させるためのベクトル指令を生成する。
【００３５】
駆動制御部３４０は、駆動指令生成部３３０によって算出されたベクトル指令に基づいて、駆動機構２３０および回転テーブル２１０を駆動制御する。
【００３６】
温度範囲判定部３５０は、温度測定部４００から送られてくる測定対象物の温度が予め設定された適正温度範囲にあるか否かを判定する。適正温度範囲は、測定対象物の形状測定を行なってもよい温度の範囲として予め測定パートプログラムに設定されている。測定対象物の温度が適正温度範囲内であるとき、温度範囲判定部は、駆動指令生成部に測定開始の許可を与える。測定対象物の温度が適正温度範囲外であるとき、温度範囲判定部は、駆動指令生成部に対して測定動作の停止を指示する。
【００３７】
ホストコンピュータ５００は、いわゆるパソコンで構成できる。ホストコンピュータ５００は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）やメモリ等を備えて構成され、モーションコントローラ３００を介して三次元測定機２００を制御する。
ホストコンピュータ５００は、さらに、記憶部５２０と、形状解析部５３０と、を備える。
記憶部５２０は、測定対象物（ワーク）の形状に関する設計データ（ＣＡＤデータや、ＮＵＲＢＳデータ等）、測定で得られた測定データ、および、測定動作全体を制御する測定制御プログラム（測定パートプログラム）を格納する。
【００３８】
図５を参照して、形状測定装置の動作を簡単に説明する。
搬入出装置等によって測定対象物が三次元測定機２００に投入される（ＳＴ１１０）。すると、温度測定部４００によって測定対象物の温度測定が行なわれる（ＳＴ１２０−ＳＴ１５０）。すなわち、温度測定部４００は、ワーク用非接触温度センサ４３１による温度測定値Ｔ１、対照ワーク用接触温度センサ４３２による温度測定値がＴ２、対照ワーク用非接触温度センサ４３３による温度測定値がＴ３を取得する（ＳＴ１２０、ＳＴ１３０、ＳＴ１４０）。そして、温度測定部４００は、測定対象物の校正後温度Ｔｗを算出する（ＳＴ１５０）。
【００３９】
測定対象物の校正後温度Ｔｗは温度測定部４００からモーションコントローラ３００に送られる。
モーションコントローラ３００において、温度範囲判定部３５０は、測定対象物の校正後温度Ｔｗが予め設定された適正温度範囲にあるか否かを判定し（ＳＴ１６０）、測定対象物の校正後温度Ｔｗが適正温度範囲内であるとき、温度範囲判定部３５０は、駆動指令生成部３３０に測定開始の許可を与える（ＳＴ１７０）。これにより、測定対象物の形状測定が実行される。
一方、測定対象物の温度が適正温度範囲外であるとき、温度範囲判定部３５０は、駆動指令生成部３３０に対して測定動作の停止を指示し（ＳＴ１９０）、適正温度になるまで待つことになる。測定すべきワークが三次元測定機２００に順次投入される間は終了条件を満たすまでＳＴ１１０からＳＴ１８０を繰り返す。
【００４０】
なお、測定対象物の校正後温度Ｔｗは、測定開始のトリガーに使われるだけでなく、形状測定で得られた形状データとともにホストコンピュータ５００に送られ、記録される。この後、形状データを熱膨張（線膨張）分だけ補正するための基礎データとして使用されてもよい。
【００４１】
形状測定装置１００で測定する測定対象物が一種類に限定されず、測定対象物が多種類である場合、もちろん、測定対象物に応じて対照ワーク４１０を選択する。オペレータが温度測定部４００のチャンネルを自動的に切り替えてもよいし、形状測定装置１００が測定対象物を自動認識して、自動的に対照ワーク４１０を切り替えるようにしてもよい。
【００４２】
上記実施形態の形状測定装置１００によれば、非接触温度センサで測定対象物の温度を正確にかつ効率的に測定できる。
これにより、測定対象物の温度が適正温度になるまで（冷えるまで）過剰に待つ必要がなくなる。また、測定対象物の正しい温度を得るのにオペレータの手作業が必要ないわけであるから、無人の自動測定も可能になる。
【００４３】
なお、ワーク用非接触温度センサ４３１自体を精密に校正しておくというアイデアは確かに有り得るが、非接触温度センサを精密に校正するのは費用や手間がかかる上に、精密に校正しても絶対精度はやはりそれほど期待できない。特に、対象物が光沢をもっているような場合には校正が容易ではないし、精度も保証できない。この点、本実施形態であれば、対照ワークを利用して、随時接触式温度センサと非接触温度センサとの差分を得て、ほぼ正確にワーク用非接触温度センサ４３１の校正を行なうことができる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
対照ワークを設置するにあたっては、別途用意した台上に並べてもよいし、三次元測定機の定盤上で測定の邪魔にならないところに設置しておいてもよい。測定対象物と対照ワークとはなるべく近いところに設置しておくのが好ましいと考えられる。対照ワークを三次元測定機から遠く離れたところや別室に設置してしまうと、照明の加減などの周囲の環境条件が異なり過ぎて、対照ワークとしての用をなさないおそれもある。
【符号の説明】
【００４５】
１００…形状測定装置、
２００…三次元測定機、
２１０…回転テーブル、２２０…プローブ、
２３０…駆動機構、
２３１…Ｚ駆動軸、２３２…Ｙ駆動軸、２３３…Ｘ軸駆動軸、
３００…モーションコントローラ、
３１０…測定指令取得部、３２０…カウンタ部、３３０…移動指令生成部、３３０…駆動指令生成部、３４０…駆動制御部、３５０…温度範囲判定部、
４００…温度測定部、
４１０…対照ワーク、４２０…温度校正部、４３１…ワーク用非接触温度センサ、４３２…対照ワーク用接触式温度センサ、４３３…対照ワーク用非接触温度センサ、
５００…ホストコンピュータ、
５２０…記憶部、５３０…形状解析部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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