(57)【要約】【課題】プローブの変位の影響を低減させる。【解決手段】測定装置１は、ワークの三次元形状を測定する三次元測定装置であって、ワーク２の三次元形状を測定するためのプローブ１７と、プローブ１７を移動させる方向を規定するガイドＧと、プローブ１７がガイドＧに沿ってワークに向かって移動する間のプローブの変位状態を推定する推定部２３と、プローブ１７をワーク２に接触させたときのプローブ１７の位置を測定する位置測定部２４と、推定部２３が推定した変位状態に基づいて、位置測定部２４が測定したプローブ１７の位置を補正する補正部２５と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの三次元形状を測定する三次元測定装置であって、
前記ワークの三次元形状を測定するためのプローブと、
前記プローブを移動させる方向を規定するガイドと、
前記プローブが前記ガイドに沿って前記ワークに向かって移動する間の前記プローブの変位状態を推定する推定部と、
前記プローブを前記ワークに接触させたときの前記プローブの位置を測定する位置測定部と、
前記推定部が推定した前記変位状態に基づいて、前記位置測定部が測定した前記プローブの位置を補正する補正部と、
を有する三次元測定装置。
【請求項２】
前記プローブの移動方向と前記ガイドの方向との差である方向差を検出する第１検出部をさらに有し、
前記推定部は、前記方向差に基づいて前記変位状態を推定する、
請求項１に記載の三次元測定装置。
【請求項３】
前記第１検出部は、前記ガイドの面に対向するエアパッドの浮き量に基づいて前記方向差を検出する、
請求項２に記載の三次元測定装置。
【請求項４】
前記ガイドの長手方向を回転軸とする回転加速度を検出する第２検出部をさらに有し、
前記推定部は、前記回転加速度に基づいて前記変位状態を推定する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の三次元測定装置。
【請求項５】
前記推定部は、前記プローブの移動加速度、移動方向、及び位置の少なくともいずれかに基づいて前記プローブの先端の振動量を推定することにより前記変位状態を推定する、
請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元測定装置。
【請求項６】
前記推定部は、前記プローブの形状及び質量の少なくともいずれかに基づいて前記プローブの先端の振動量を推定することにより前記変位状態を推定する、
請求項１から５のいずれか一項に記載の三次元測定装置。
【請求項７】
コンピュータが実行する、
ワークの三次元形状を測定するためのプローブが前記ワークに向かって移動する間の前記プローブの変位状態を推定するステップと、
前記プローブを前記ワークに接触させたときの前記プローブの位置を測定するステップと、
推定した前記変位状態に基づいて、測定した前記プローブの位置を補正するステップと、
を有する測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の形状を測定するための三次元測定装置及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プローブを移動させて被測定物に接触させることにより被測定物の位置を特定して被測定物の形状を測定することができる三次元測定装置が知られている。特許文献１においては、プローブに発生している振動を測定し、振動を打ち消すようにアクチュエータを振動させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３４１６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
三次元測定装置において、プローブの移動中に発生する振動が収束しないまま測定すると、測定値のばらつきが大きくなり、繰り返し精度が悪化してしまうため、振動が無い状態で測定することが望ましい。しかしながら、従来技術のように、プローブに発生している振動を測定してからアクチュエータを振動させる場合、測定してからアクチュエータの動作に反映されるまでに遅延時間が発生してしまうので、振動を十分に打ち消せない場合があるという問題が生じていた。
【０００５】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、プローブの変位の影響を低減させることができる三次元測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様の三次元測定装置は、ワークの三次元形状を測定する三次元測定装置であって、前記ワークの三次元形状を測定するためのプローブと、前記プローブを移動させる方向を規定するガイドと、前記プローブが前記ガイドに沿って前記ワークに向かって移動する間の前記プローブの変位状態を推定する推定部と、前記プローブを前記ワークに接触させたときの前記プローブの位置を測定する位置測定部と、前記推定部が推定した前記変位状態に基づいて、前記位置測定部が測定した前記プローブの位置を補正する補正部と、を有する。
【０００７】
前記三次元測定装置は、前記プローブの移動方向と前記ガイドの方向との差である方向差を検出する第１検出部をさらに有し、前記推定部は、前記方向差に基づいて前記変位状態を推定してもよい。前記第１検出部は、前記ガイドの面に対向するエアパッドの浮き量に基づいて前記方向差を検出してもよい。
【０００８】
前記三次元測定装置は、前記ガイドの長手方向を回転軸とする回転加速度を検出する第２検出部をさらに有し、前記推定部は、前記回転加速度に基づいて前記変位状態を推定してもよい。
【０００９】
前記推定部は、前記プローブの移動加速度、移動方向、及び位置の少なくともいずれかに基づいて前記プローブの先端の振動量を推定することにより前記変位状態を推定してもよい。また、前記推定部は、前記プローブの形状及び質量の少なくともいずれかに基づいて前記プローブの先端の振動量を推定することにより前記変位状態を推定してもよい。
【００１０】
本発明の第２の態様の測定方法は、コンピュータが実行する、ワークの三次元形状を測定するためのプローブが前記ワークに向かって移動する間の前記プローブの変位状態を推定するステップと、前記プローブを前記ワークに接触させたときの前記プローブの位置を測定するステップと、推定した前記変位状態に基づいて、測定した前記プローブの位置を補正するステップと、を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、プローブの変位の影響を低減させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】測定装置の概要を説明するための図である。
【図２】測定部の機能構成を示す図である。
【図３】第１検出部が方向差を検出する方法の一例を説明するための図である。
【図４】測定部の動作の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［測定装置１の概要］
まず、実施形態に係る測定装置１の概要について説明する。測定装置１は、例えば、測定用のプローブ１７を移動させながら、プローブ１７の先端（すなわち、スタイラスの先端）を被測定物であるワーク２に接触させてワーク２の形状を測定する三次元測定装置である。
【００１４】
図１は、測定装置１の概要を説明するための図である。測定装置１は、ワーク２が載置されるテーブル１０と、コラム１１と、サポータ１２と、ビーム１３と、Ｙ軸方向駆動部１４と、スライダ１５と、Ｚ軸スピンドル１６とを備える。
【００１５】
コラム１１、サポータ１２、及びビーム１３は、テーブル１０を跨ぐ門型の構造体である門部を構成する。コラム１１及びサポータ１２は、テーブル１０の両端に一対に設けられている。ビーム１３は、コラム１１とサポータ１２との間に掛け渡されており、Ｘ軸方向にプローブ１７を移動させる際のプローブ１７の移動方向を規定するＸ軸方向のガイドを有する。
【００１６】
Ｙ軸方向駆動部１４は、コラム１１、サポータ１２及びビーム１３を含む門部をＹ軸方向に移動させる。プローブ１７は、後述するスライダ１５及びＺ軸スピンドル１６を介してビーム１３に結合しているので、Ｙ軸方向駆動部１４は、門部をＹ軸方向に移動させることにより、プローブ１７をＹ軸方向に移動させることができる。
【００１７】
スライダ１５は、Ｚ軸方向にプローブ１７を移動させる際のプローブ１７の移動方向を規定するＺ軸方向のガイドを有しており、Ｚ軸方向に移動するＺ軸スピンドル１６を支持する。スライダ１５は、ビーム１３が有するＸ軸方向のガイドに沿ってＸ軸方向に移動可能である。スライダ１５は、ビーム１３とスライダ１５との間に設置されたＸ軸移動機構により、ビーム１３に沿ってＸ軸方向に移動する。
【００１８】
Ｚ軸スピンドル１６は、スライダ１５に対してＺ軸方向に移動する。Ｚ軸スピンドル１６の下端には、プローブ１７が設けられている。
【００１９】
プローブ１７は、ワーク２に接触するスタイラスを有する。プローブ１７は、Ｘ軸方向のガイドに沿ってスライダ１５が移動し、Ｙ軸方向のガイドに沿ってコラム１１が移動し、Ｚ軸方向のガイドに沿ってＺ軸スピンドル１６が移動することにより、テーブル１０の上方の任意の位置に移動する。測定装置１は、上記の移動機構を適宜移動して、プローブ１７の先端をテーブル１０上に載置されたワーク２に対して接触させることにより、ワーク２の形状を測定することができる。
【００２０】
Ｙ軸方向駆動部１４の下部には、測定装置１がワーク２の形状を測定するための制御を行う測定部２０が収容されている。測定部２０は例えばコンピュータであり、記憶媒体（不図示）に記憶されたプログラムを実行することにより、測定装置１の各部を制御するとともに、測定したプローブ１７の位置（例えばスタイラスの先端の位置）を補正する。測定部２０は、補正した位置に基づいてワーク２の形状を示す情報を生成する。以下、測定部２０の機能について詳細に説明する。
【００２１】
［測定部２０の機能構成］
図２は、測定部２０の機能構成を示す図である。測定部２０は、第１検出部２１と、第２検出部２２と、推定部２３と、Ｘ軸方向位置検出部２４２と、補正部２５とを有する。
【００２２】
第１検出部２１は、プローブ１７の移動方向とガイドの方向との差である方向差を検出する。第１検出部２１は、プローブ１７がＸ軸方向に移動する際のプローブ１７の移動方向とビーム１３が有するＸ軸方向のガイドとの角度の差をＸ軸方向差として検出する。第１検出部２１は、プローブ１７がＹ軸方向に移動する際のプローブ１７の移動方向とＹ軸方向駆動部１４が有するＹ軸方向のガイドとの角度の差をＹ軸方向差として検出する。第１検出部２１は、プローブ１７がＺ軸方向に移動する際のプローブ１７の移動方向とスライダ１５が有するＺ軸方向のガイドとの角度の差をＺ軸方向差として検出する。
【００２３】
第１検出部２１は、例えば、ガイドの面に対向するエアパッドの浮き量に基づいて方向差を検出する。図３は、第１検出部２１が方向差を検出する方法の一例を説明するための図である。
【００２４】
図３においては、ガイドＧと、ガイドＧに沿って設けられているエアパッドＰ１及びエアパッドＰ２とが示されている。図３におけるｃ１は、プローブ１７が停止した状態でのガイドＧとエアパッドＰ１の浮き量とプローブ１７が移動している状態でのガイドＧとエアパッドＰ１の浮き量との差である。図３におけるｃ２は、プローブ１７が停止した状態でのガイドＧとエアパッドＰ２の浮き量とプローブ１７が移動している状態でのガイドＧとエアパッドＰ２の浮き量との差である。ｃ１及びｃ２は、例えば光学センサによって検出される。
【００２５】
図３におけるｄ１は、ガイドＧの長手方向の基準位置ＡからエアパッドＰ１の中心までの距離である。図３におけるｄ２は、基準位置ＡからエアパッドＰ２の中心までの距離である。ｄ１及びｄ２は、設計値又は予め測定された値であり、例えばメモリに記憶されている。
【００２６】
この場合、プローブ１７の移動方向とガイドの方向との差である方向差は、ガイドの方向に対するプローブ１７の移動方向の傾きとして、以下の式により表される。
方向差＝（ｃ２−ｃ１）／（ｄ２−ｄ１）
第１検出部２１は、上記の式に基づいて方向差を算出し、算出した方向差を推定部２３に入力する。
【００２７】
第２検出部２２は、ガイドの長手方向を回転軸とするガイドの回転加速度を検出する。第２検出部２２は、例えば、Ｘ軸方向のガイド、Ｙ軸方向のガイド、及びＺ軸方向のガイドそれぞれが有する加速度センサから出力された信号に基づいて、それぞれのガイドの回転加速度を算出する。具体的には、第２検出部２２は、門部のＸ軸周りの回転加速度、門部のＺ軸周りの回転加速度、Ｚ軸スピンドル１６のＸ軸周りの回転加速度、及びＺ軸スピンドル１６のＹ軸周りの回転加速度を算出する。第２検出部２２は、算出した回転加速度を推定部２３に入力する。第２検出部２２は、回転加速度を算出した時刻と回転加速度とを関連付けて推定部２３に入力してもよい。
【００２８】
第２検出部２２は、第１検出部２１が算出した方向差を取得し、方向差に基づいて補正した後のガイドの方向を回転軸とするプローブ１７の回転加速度を算出してもよい。このようにすることで、第２検出部２２は、算出する回転加速度の精度を向上させることができる。
【００２９】
推定部２３は、プローブ１７がガイドに沿ってワーク２に向かって移動する間のプローブ１７の変位状態を推定する。変位状態は、プローブ１７の移動軌跡と、Ｘ軸方向のガイド、Ｙ軸方向のガイド及びＺ軸方向のガイドの長手方向の直線との差の大きさ、差の変動量、差の変動速度、及び差の変動周期等の状態である。推定部２３は、推定した変位状態を示す数値を補正部２５に通知する。
【００３０】
推定部２３は、例えば、第１検出部２１から入力された方向差に基づいて変位状態を推定する。推定部２３は、三次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のそれぞれに対する変位量（ΔＸ１、ΔＹ１、ΔＺ１）を方向差に基づいて」算出し、算出した変位量を補正部２５に通知する。
【００３１】
推定部２３は、第２検出部２２から入力された回転加速度に基づいて変位状態を推定してもよい。推定部２３は、Ｘ軸方向のガイド、Ｙ軸方向のガイド、及びＺ軸方向のガイドのそれぞれを回転軸とする回転加速度に基づいて、三次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のそれぞれの正規の位置からの変位量（ΔＸ２、ΔＹ２、ΔＺ２）を算出し、算出した変位量を補正部２５に通知する。
【００３２】
推定部２３は、例えば、プローブ１７が移動を開始してからの経過時間と回転加速度とに基づいて、変位量（ΔＸ２、ΔＹ２、ΔＺ２）を算出する。推定部２３は、プローブ１７が移動を開始してからの経過時間と変位量（ΔＸ２、ΔＹ２、ΔＺ２）とを関連付けて補正部２５に通知する。推定部２３は、第２検出部２２から入力された回転加速度を算出した時刻と変位量（ΔＸ２、ΔＹ２、ΔＺ２）とを関連付けて補正部２５に通知してもよい。
【００３３】
推定部２３は、プローブ１７の移動加速度、移動方向、プローブ１７の位置、プローブ１７の形状、及びプローブ１７の質量の少なくともいずれかに基づいてプローブ１７の先端の振動量を推定することにより変位状態を推定してもよい。推定部２３は、構造体の剛性、Ｚ軸スピンドル１６の突き出し量、又はスタイラスの先端質量等に基づいて推定した振動量に基づいて変位状態を推定してもよい。
【００３４】
推定部２３は、例えば、振動のモデルに基づく以下の計算式によって振動状態を推定する。
Ｃｍ＝Ｇｍ・ｓｉｎ（ωｔ＋φ）
ここで、Ｇｍは座標値及び加速度の関数により定められるゲイン、ωｔは角固有振動数、φは位相ずれ量であり、Ｘ軸方向及びＹ軸方向でそれぞれ異なる。
【００３５】
推定部２３は、推定した振動状態に基づいて、プローブ１７が移動を開始してからの経過時間に関連付けてＸ軸方向の変位量ΔＸ３、及びＹ軸方向の変位量ΔＹ３を算出する。推定部２３は、Ｚ軸方向の変位量ΔＺ３をさらに算出してもよい。推定部２３は、算出した変位量（ΔＸ３、ΔＹ３、ΔＺ３）を補正部２５に通知する。
【００３６】
位置測定部２４は、ワーク２の形状を測定するためにプローブ１７を移動させ、プローブ１７がワーク２に接触したときのプローブ１７の先端の位置を検出する。位置測定部２４は、測定制御部２４１と、Ｘ軸方向位置検出部２４２と、Ｙ軸方向位置検出部２４３と、Ｚ軸方向位置検出部２４４とを有する。
【００３７】
測定制御部２４１は、予め形状測定用プログラムにおいて設定されたパラメータに基づいてＸ軸移動機構、Ｙ軸移動機構及びＺ軸移動機構を制御する。測定制御部２４１は、プローブ１７の位置を検出するタイミングをＸ軸方向位置検出部２４２、Ｙ軸方向位置検出部２４３及びＺ軸方向位置検出部２４４に通知する。
【００３８】
Ｘ軸方向位置検出部２４２は、測定制御部２４１から通知されたタイミングにおけるＸ軸方向のガイドに設けられているスケーラの読取値に基づいて、Ｘ軸方向のプローブ１７の位置を検出する。Ｙ軸方向位置検出部２４３は、測定制御部２４１から通知されたタイミングにおけるＹ軸方向のガイドに設けられているスケーラの読取値に基づいて、Ｙ軸方向のプローブ１７の位置を検出する。Ｚ軸方向位置検出部２４４は、測定制御部２４１から通知されたタイミングにおけるＺ軸方向のガイドに設けられているスケーラの読取値に基づいて、Ｚ軸方向のプローブ１７の位置を検出する。Ｘ軸方向位置検出部２４２、Ｙ軸方向位置検出部２４３及びＺ軸方向位置検出部２４４は、それぞれ検出したＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の位置座標（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ）を補正部２５に通知する。
【００３９】
補正部２５は、推定部２３が推定した変位状態に基づいて、位置測定部２４が測定したプローブ１７の位置（例えばスタイラスの先端の位置）を補正する。具体的には、補正部２５は、Ｘ軸方向位置検出部２４２、Ｙ軸方向位置検出部２４３及びＺ軸方向位置検出部２４４から通知されたワーク２の位置座標（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ）に、推定部２３から通知される変位量を加算することにより、補正後の位置座標（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）を算出する。
【００４０】
補正部２５は、例えば、プローブ１７の移動方向とガイドの方向との差である方向差に基づく変位量（ΔＸ１、ΔＹ１、ΔＺ１）を（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ）に加算して、以下のように（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）を算出する。
（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）＝（Ｘｍ＋ΔＸ１、Ｙｍ＋ΔＹ１、Ｚｍ＋ΔＺ１）
【００４１】
補正部２５は、ガイドの回転による変位量（ΔＸ２、ΔＹ２、ΔＺ２）を（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ）に加算して、以下のように（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）を算出してもよい。
（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）＝（Ｘｍ＋ΔＸ２、Ｙｍ＋ΔＹ２、Ｚｍ＋ΔＺ２）
なお、補正部２５は、（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）を算出する際に、（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ）が測定された時刻に対応する変位量（ΔＸ２、ΔＹ２、ΔＺ２）を加算することで、高い精度で位置座標を補正することができる。
【００４２】
補正部２５は、プローブ１７の先端の振動に起因する変位量（ΔＸ３、ΔＹ３、ΔＺ３）を（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ）に加算して、以下のように（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）を算出してもよい。
（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）＝（Ｘｍ＋ΔＸ３、Ｙｍ＋ΔＹ３、Ｚｍ＋ΔＺ３）
なお、補正部２５は、（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）を算出する際に、（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ）が測定された時刻に対応する変位量（ΔＸ３、ΔＹ３、ΔＺ３）を加算することで、高い精度で位置座標を補正することができる。
【００４３】
補正部２５は、複数の変位量に基づいて位置座標を補正してもよい。補正部２５は、例えば、変位量（ΔＸ１、ΔＹ１、ΔＺ１）、変位量（ΔＸ２、ΔＹ２、ΔＺ２）、変位量（ΔＸ３、ΔＹ３、ΔＺ３）を用いて、以下のように（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）を算出してもよい。
Ｘｎ＝Ｘｍ＋ΔＸ１＋ΔＸ２＋ΔＸ３
Ｙｎ＝Ｙｍ＋ΔＹ１＋ΔＹ２＋ΔＹ３
Ｚｎ＝Ｚｍ＋ΔＺ１＋ΔＺ２＋ΔＺ３
【００４４】
［測定部２０の動作フローチャート］
図４は、測定部２０の動作の流れを示すフローチャートである。図４のフローチャートは、ワーク２の形状の測定を開始する操作が行われたことを契機として開始する。
【００４５】
まず、第１検出部２１は、各軸方向のガイドとプローブ１７が移動する方向との方向差を検出する（Ｓ１）。続いて、第２検出部２２は、プローブ１７が移動している間の各軸方向のガイドの回転加速度を検出する（Ｓ２）。続いて、推定部２３は、検出された方向差及び回転加速度に基づいて、プローブ１７の変位量を推定する。ステップＳ１からＳ３と並行して、位置測定部２４は、プローブ１７を移動させながら、プローブ１７の位置を検出する（Ｓ４）。
【００４６】
続いて、補正部２５は、推定部２３が推定した変位量に基づいて、位置測定部２４が測定したプローブ１７の位置を補正する（Ｓ５）。補正部２５は、補正後の位置を示す位置座標を出力する（Ｓ６）。
【００４７】
［変形例］
以上の説明においては、補正部２５が、位置測定部２４が測定したプローブ１７の位置を補正する場合を例示したが、測定装置１は、位置測定部２４が測定したプローブ１７の位置を補正するとともに、各部の位置を物理的に動かすことにより、補正が必要な量を低減させてもよい。例えば、測定部２０は、予め定められた設定値、又は推定部２３が推定した変位状態に基づいて、エアパッドに流入させる空気量を調整することで、ガイドの方向とプローブ１７の移動方向との方向差を低減させてもよい。
【００４８】
［測定装置１による効果］
以上説明したように、測定装置１においては、推定部２３が、プローブ１７がガイドに沿ってワーク２に向かって移動する間のプローブ１７の変位状態を推定する。そして、補正部２５が、推定部２３が推定した変位状態に基づいて、位置測定部２４が測定したプローブ１７の位置を補正する。このようにすることで、プローブ１７の振動をキャンセルする振動を加えることなく、プローブ１７の位置の測定精度を向上させることができるので、ワーク２の形状の測定精度が向上する。
【００４９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。
【符号の説明】
【００５０】
１  測定装置
２  ワーク
１０  テーブル
１１  コラム
１２  サポータ
１３  ビーム
１４  Ｙ軸方向駆動部
１５  スライダ
１６  Ｚ軸スピンドル
１７  プローブ
２０  測定部
２１  第１検出部
２２  第２検出部
２３  推定部
２４  位置測定部
２５  補正部
２４１  測定制御部
２４２  Ｘ軸方向位置検出部
２４３  Ｙ軸方向位置検出部
２４４  Ｚ軸方向位置検出部
【図１】
2020091208.tif 000003
【図２】
2020091208.tif 000004
【図３】
2020091208.tif 000005
【図４】
2020091208.tif 000006