(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状測定対象の固形試料または切削刃を所要の切削量に対応する量だけ切り込み移動させ、前記切削刃による切削により造成される切り込み方向に垂直な平面内に存在する固形試料の輪郭線を輪郭線検知器によって検知し、輪郭線検知器によって検知した輪郭線に沿って前記切削刃がトレース送りされるように前記固形試料と前記切削刃とを相対変位させて前記固形試料を切削し、この切削工程における前記切削刃の移動経路を示す座標データを固形試料の輪郭形状データとして記録し、この輪郭形状データによって固形試料の形状を測定、検査することを特徴とする試料形状測定検査方法。
【請求項２】
固形試料の輪郭線が閉ループの場合、固形試料の輪郭線を最初に検知した座標位置を再検知した時点で一切削平面での輪郭形状データの記録を完了することを特徴とする請求項１に記載の試料形状測定検査方法。
【請求項３】
前記切削刃は回転工具として構成され、この回転工具の回転中心部に埋め込み配置された輪郭線検出器により輪郭線の検知を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の試料形状測定検査方法。
【請求項４】
固形試料を切削する回転式の切削工具と、
前記固形試料または前記切削工具を所要の切削量に対応する量だけ切り込み移動させる切り込み送り機構と、
前記切削工具の回転中心部に配置されて切削平面における前記固形試料の輪郭線を検知する輪郭線検出器と、
前記輪郭線検出器からの信号により前記固形試料の輪郭線に沿って前記切削工具がトレース送りされるように前記固形試料と前記切削工具とを相対変位させる平面送り機構と、
前記トレース送りによる固形試料の切削工程における前記切削工具の座標データを輪郭形状データとして逐次記録する記録装置と、
前記記録装置に記録した輪郭形状データより前記固形試料の形状が検査可能なように前記輪郭形状データの演算を行うデータ処理装置と、
を有していることを特徴とする試料形状測定検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、試料形状測定検査方法および装置に関し、さらに詳細には、理化学試料、工業製品、工業製品模型および歯科治療用模型などを対象に、数値化されていない試作モデルの形状を数値化し、ＣＡＤデータや加工機用のＮＣデータなどに変換したり、数値化されている製品が本当にその通り製作されているかを確認する目的などで行う３次元的な形状測定方法および装置に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
高性能、高品質、加えて使いやすい製品を製作するためには、優れた製品形状をデザインすることが必要となる。このデザインは、機械的、機能的に必要な形状の他に、見た目の美しさや、触ったり、持ったりした際の感触に加えて使いやすさなど、人間の感覚に関わる部分を考慮したうえで決定され、試作される。
【０００３】
上述のようなことを考慮して工業デザイナ・開発者などにより試作モデルを作製することが行われ、このモデルの形状を、触針を用いる接触式やレーザ光を用いた非接触式などの３次元測定機などによって測定し、実際に製品を製作するうえで必要となるＣＡＤデータや加工機用のＮＣデータなどに変換することが行われる。また作製された工業製品などの形状の適否を検査する場合にも上述のような３次元測定装置が使用される。
【０００４】
被測定物の形状測定に３次元測定機を用いる他に、被測定物である試作モデルや工業製品等をパラフィンや包埋固定用の樹脂などで包埋し、この包埋品を所定の切り込み量をもって切削し、その切削の度に新しく現れる切削面をＣＣＤカメラなどによって撮像し、この撮像によって得られた画像情報をもとに画像処理技術によって分析・検査を行う方法がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、接触式の３次元測定機による形状測定では、触針が入らないような複雑な形状のものの測定が困難なことであると云う問題点がある。また接触式、非接触式を問わず、花瓶のような深底の容器形状の内面測定が非常に困難であり、ボール形状の内側のように閉ざされた空間内の内面は測定することはできない。加えて被測定物を空間に浮かせて測定することができないため、必ず被測定物の支持が必要となり、測定の際に支持部材が多少なりとも障害になる。
【０００６】
被測定物である試作モデルや工業製品等を包埋後に切削し、新しく現れた切削面を撮像することによって得られた画像情報をもとに分析・検査を行うと云う方法では、上述の３次元測定機による形状測定の問題点を克服できるが、しかし画像情報を記録・演算処理するシステムが非常に高価になると云う問題点がある。その理由の一つに画像情報の容量が挙げられ、画像処理システムにおいては、切削面全体の画像情報を記録・演算処理するために大容量のメモリ資源と高度な演算処理能力を必要とする。
【０００７】
そこで、この問題点を改善するために、包埋された被測定物の切削によって切削面に現れた被測定物形状を、輪郭形状検出器を用いて測定する方法が考えられている。
【０００８】
この方法も前述のシステムと同じように、撮影した画像を演算処理して被測定物の輪郭形状を認識する一種の画像処理方法であるが、画像情報を記録する必要がないこと、加えて前述のシステムでは被測定物の切削面全体と云う広い範囲の画像情報を一度に取り込まなければならないのに対し、被測定物の輪郭線が認識できる範囲で撮影範囲を少なくできるため、前述のシステムよりは安価になる。
【０００９】
しかしこの方法では、切削工程の後に、別途に測定工程を行うため、測定に時間がかかると云う問題がある。とくに被測定物が比較的大きなものの場合や、被測定物を高精度に測定するために１回の切削量（切り込み深さ）を数μｍと非常に小さくした場合などには測定に多くの時間を必要とする。
【００１０】
この発明は、上述の如き問題点に着目してなされたものであり、包埋された被測定物を切削した後に新しく現れた切削面における被測定物の輪郭線を、比較的安価で、簡単なシステム構成により的確に測定し、しかも測定時間の短縮を図ることができる試料形状の測定検査方法およびそのための装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１による試料形状の測定検査方法は、形状測定対象の固形試料または切削刃を所要の切削量に対応する量だけ切り込み移動させ、前記切削刃による切削により造成される切り込み方向に垂直な平面内に存在する固形試料の輪郭線を輪郭線検知器によって検知し、輪郭線検知器によって検知した輪郭線に沿って前記切削刃がトレース送りされるように前記固形試料と前記切削刃とを相対変位させて前記固形試料を切削し、この切削工程における前記切削刃の移動経路を示す座標データを固形試料の輪郭形状データとして記録し、この輪郭形状データによって固形試料の形状を測定、検査するものである。
【００１２】
この試料形状の測定検査方法では、切削刃による固形試料の切削と同時に固形試料の輪郭線が検知され、切削工程における切削刃の移動経路を示す座標データが固形試料の輪郭形状データとして記録され、この輪郭形状データによって固形試料の形状測定・検査が行われる。
【００１３】
固形試料の形状を３次元計測するためには、切削刃の切り込み移動を所定値をもって繰り返し行い、各回の切削工程において切削刃の移動経路を示す座標データを固形試料の輪郭形状データとして記録すればよい。
【００１４】
なお、切削工程では、切削刃と被測定物（固形試料）との相対位置を変化させ、被測定物を切削するため、切削刃または被測定物のどちらを移動させてもかまわない。この切削工程では切削刃または被測定物が平面移動しなければならないため、一般的には２つの直線駆動軸が必要となる。この２軸駆動では、切削刃または被測定物を固定して、固定しない側を２軸駆動してもよいし、１軸を切削刃側に、もう１軸を被測定物側に設けてもよい。
【００１５】
請求項２による発明は、請求項１に記載の試料形状測定検査方法において、固形試料の輪郭線が閉ループの場合、固形試料の輪郭線を最初に検知した座標位置を再検知した時点で一切削平面での輪郭形状データの記録を完了するものである。
【００１６】
なお、一切削面内に複数個の輪郭線が存在する場合には、一つの輪郭線を測定後、同じように次の輪郭線を測定し、すべての輪郭形状データを記録する。
【００１７】
請求項３による発明は、請求項１または２に記載の試料形状測定検査方法において、前記切削刃は回転工具として構成され、この回転工具の回転中心部に埋め込み配置された輪郭線検出器により輪郭線の検知を行うものである。
【００１８】
請求項４による発明は、試料形状測定検査装置は、固形試料を切削する回転式の切削工具と、前記固形試料または前記切削工具を所要の切削量に対応する量だけ切り込み移動させる切り込み送り機構と、前記切削工具の回転中心部に配置されて切削平面における前記固形試料の輪郭線を検知する輪郭線検出器と、前記輪郭線検出器からの信号により前記固形試料の輪郭線に沿って前記切削工具がトレース送りされるように前記固形試料と前記切削工具とを相対変位させる平面送り機構と、前記トレース送りによる固形試料の切削工程における前記切削工具の座標データを輪郭形状データとして逐次記録する記録装置と、前記記録装置に記録した輪郭形状データにより前記固形試料の形状が検査可能なように前記輪郭形状データの演算を行うデータ処理装置とを有しているものである。
【００１９】
この発明による試料形状測定検査装置では、切り込み送り機構によって形状測定対象の固形試料または切削工具を所要の切削量に対応する量だけ切り込み移動させ、切削工具による切削により造成される切り込み方向に垂直な平面内に存在する固形試料の輪郭線を輪郭線検出器によって検知し、輪郭線検出器によって検知した輪郭線に沿って切削工具がトレース送りされるように平面送り機構により固形試料と切削工具とを相対変位させて固形試料を切削し、この切削工程における切削工具の移動経路を示す座標データを固形試料の輪郭形状データとして記録装置に記録し、記録装置に記録した輪郭形状データより固形試料の形状が検査可能なようにデータ処理装置によって輪郭形状データの演算を行い、固形試料の形状測定・検査を行う。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００２１】
図１、図２はこの発明による試料形状測定検査装置の一つの実施の形態を示している。
【００２２】
試料形状測定検査装置１は、切削可能な包埋材Ｍによって包埋された被測定物Ｗを位置決め搭載されるテーブル３と、回転中心部に試料輪郭線Ｌを検知する輪郭形状検出器（輪郭線検出器）５を具備した回転式のカッタ（切削工具）７と、回転式カッタ７を回転させるスピンドル９とを有し、テーブル３はＸ軸方向に図示されていないサーボ式の軸駆動装置により移動し、回転式カッタ７はスピンドル９と共にＹ軸方向とＺ軸方向（切り込み送り方向）とに各々図示されていないサーボ式の軸駆動装置により移動する。この場合には、Ｘ軸駆動装置とＹ軸駆動装置とが平面送り機構をなす。
【００２３】
回転式カッタ７の回転中心部に取り付けられた輪郭形状検出器５が回転式カッタ７の回転とともに回転することを防止するため、中空構造のスピンドル９の中心部分には回転しない固定軸１０が組み込まれており、この固定軸１０の先端に輪郭形状検出器５が固定されている。
【００２４】
Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸駆動は送り制御装置１１により制御される。送り制御装置１１は、入力データと輪郭形状検出器５からの信号により回転式カッタ７と被測定物Ｗとの相対位置を変化させることができ、輪郭形状検出器５によって検出される被測定物Ｗの輪郭線Ｌに沿って切削工具がトレース送りされるようにＸ軸指令と、Ｙ軸指令とを出力し、また形状測定の要求精度により決まる所要の切削量に対応する量だけ回転式カッタ７を切り込み移動させるＺ軸指令を出力する。
また送り制御装置１１は、各軸指令の出力と同時に、即ち切削工程時に、Ｘ軸指令とＹ軸指令とＺ軸指令より分かる輪郭形状検出器５の座標位置データ、換言すれば回転式カッタ７が位置する座標データ（ｘ，ｙ，ｚ）を座標データ記録装置１３へ出力する。
【００２５】
座標データ記録装置１３は、ＲＡＭなどの読み書き可能なメモリにより構成され、切削工程において送り制御装置１１より逐次入力する座標データ（ｘ，ｙ，ｚ）を時系列に格納する。これにより、座標データ記録装置１３に格納された座標データ（ｘ，ｙ，ｚ）のうち、座標データ（ｘ，ｙ）は、切削工程の際の回転式カッタ７の移動経路を示し、これをＺ軸座標値ｚの切り込み位置における被測定物Ｗの輪郭形状データとして取り扱う。
【００２６】
座標データ記録装置１３に記録した被測定物Ｗの輪郭形状データはデータ演算処理装置１５に送られる。データ演算処理装置１５は、その輪郭形状データにより被測定物Ｗの形状が検査可能なように輪郭形状データの演算を行い、演算結果を出力データとして表示装置１７へ出力する。
【００２７】
これにより表示装置１７は被測定物Ｗの形状測定結果を表示する。なお、データ演算処理装置１５の出力インタフェースにＦＤＤ、ハードディスク装置などの記憶媒体装置、プリンタが接続されることにより、出力データを、ファイル出力、プリンタ出力することも可能である。
【００２８】
つぎに上述の構成による試料形状測定検査装置によってこの発明による試料形状測定検査方法を実施する手順を説明する。
【００２９】
被測定物Ｗは、パラフィンや包埋固定用の樹脂など、回転式カッタ７によって切削可能な包埋材Ｍにより包埋された後、ベースプレートＰ上に固定される。このベースプレートＰを、ボルト等による機械的なクランプ、電磁チャック、真空チャック、冷凍チャックなど、適当な固定手段によってテーブル３上に位置決め固定する。これにより被測定物Ｗはテーブル３と実質的に一体となる。
【００３０】
上述のような被測定物Ｗのセッティングが完了すれば、切り込み送り工程を開始する。切り込み送り工程では、スピンドル９を所要の切断厚さ（切削量）に対応する切り込み量だけＺ軸方向（−方向）へ移動させる。通常、この切り込み送り工程はスピンドル９が平面視で被測定物の切削面１９と重ならない位置で行う。切り込み送り工程完了時のスピンドル９の位置を切削開始位置と呼ぶ。
【００３１】
切り込み送り工程完了後、スピンドル９が切削開始位置から試料切り込み方向に対して垂直な平面内を被測定物Ｗの方向へ移動するよう、回転式カッタ７と被測定物ＷとをＸ、Ｙ軸方向に相対移動させ、回転式カッタ７によって被測定物Ｗの切削を開始する。さらに回転式カッタ７が同方向へ移動するよう、回転式カッタ７と被測定物Ｗとの相対位置を変化させると、スピンドル９の中心部に組み込まれている輪郭形状検出器７が被測定物Ｗの輪郭線Ｌを検知する。
【００３２】
輪郭形状検出器７による輪郭線Ｌの検知信号は送り制御装置１１へ送られ、送り制御装置１１により、回転式カッタ７が輪郭線Ｌに沿ってトレース送りされるように、被測定物ＷのＸ軸移動と回転式カッタ７のＹ軸移動とが制御され、このトレース送り状態で回転式カッタ７によって被測定物Ｗの切削が行われる。
【００３３】
この切削工程において被測定物Ｗの輪郭形状検出器７の移動経路、換言すれば回転式カッタ７の移動経路を示す座標データは、送り制御装置１１から座標データ記録装置１３へ送られ、被測定物輪郭形状データとして記録される。
【００３４】
一切削平面における被測定物Ｗの輪郭形状データの記録は、最初に検知した被測定物Ｗの輪郭線Ｌ上の位置を再検知した時点で完了し、回転式カッタ７が前述の切削開始位置に戻るように回転式カッタ７と被測定物ＷとのＸＹ座標面内で相対位置を変化させた後、次の切り込み送り工程を開始する。
【００３５】
この作業を繰り返し、座標データ記録装置１３に記録した被測定物Ｗの輪郭形状データを試料構造が検査可能なようにデータ処理装置１５によって演算した後、表示装置１７へ出力データを表示させ、被測定物形状を分析・検査する。
【００３６】
図１、図３に示されているような（断面）形状の被測定物Ｗの場合には、上述のような方法で形状の分析・調査が可能であるが、図４（ａ）に示されているような（断面）形状の場合、外側の輪郭線Ｌａの測定を終えた後に内側の輪郭線Ｌｂについて測定を行わなければならなず、また図４（ｂ）に示されているような（断面）形状の場合、外側の輪郭線Ｌａの測定を終えた後に内側の輪郭線Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄの各々について測定を行わなければならない。
【００３７】
この場合、輪郭形状検出器５が輪郭線Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄの検知を完了するまで回転式カッタ７と被測定物Ｗとの切削面内において相対位置を変化させる必要がある。この動作は手動、自動どちらでも行うことができる。
【００３８】
以上に於ては、この発明を特定の実施の形態について詳細に説明したが、この発明は、これに限定されるものではなく、この発明の範囲内にて種々の実施の形態が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、請求項１および４による試料形状の測定検査方法、装置では、切削刃（切削工具）による固形試料の切削と同時に固形試料の輪郭線を検知し、切削工程における切削刃（切削工具）の移動経路を示す座標データを固形試料の輪郭形状データとして記録し、この輪郭形状データによって固形試料の形状測定・検査を行うから、３次元測定機の触針が入らないような複雑な形状のものの測定、花瓶のような形状の内面などの測定、ボール形状の内側のように閉ざされた空間内の内面の測定が可能になる。
【００４０】
また、この測定検査方法、装置では、基本的には被測定物を包埋材で包埋した後、切削・計測を行うので、３次元測定機では必要であった試料の支持が不要になり、測定の障害となるものがなく、装置の簡素化を図ることができる。
【００４１】
また被測定物である試作モデルや工業製品等を切削し、新しく現れた切削面を撮像することによって得られた画像情報をもとに分析・検査を行う方法を採用した際に生じる、画像情報を記録・演算処理するシステムが非常に高価になると云う問題点を、この測定検査方法、装置では、被測定物を切削後、新しい切削面に現れた被測定物の輪郭を輪郭線検出器を用いて測定する方法を用いることにより改善しており、さらに切削工程と測定工程を同時に行うことにより測定時間の短縮を可能ならしめている。特にこのことは、試料が比較的大きなものの場合や、試料を高精度に測定するために切り込み送り量を数μｍと非常に小さくした場合などには有効である。
【００４２】
またこの測定検査方法、装置では、切り込み送り工程と切削工程には汎用的な高精度ＮＣ制御のフライス盤やマシニングセンタを用いることができ、システム構成を比較的簡単に構築できる。
【００４３】
請求項２による測定検査方法では、固形試料の輪郭線が閉ループの場合、固形試料の輪郭線を最初に検知した座標位置を再検知した時点で一切削平面での輪郭形状データの記録を完了するから、一回の輪郭線検知を簡単に自動化できる。
【００４４】
請求項３による測定検査方法では、回転工具の回転中心部に埋め込み配置された輪郭線検出器により輪郭線の検知を行うから、輪郭線検出器による輪郭線検知は回転工具の回転中心位置（軸心位置）にて行われることなり、切削工程における切削刃の移動経路を示す座標データを固形試料の輪郭形状データとして取り扱う際に、座標変換やシフト補正演算などを行うことなく、その座標データをそのまま使用することができ、データ処理が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による試料形状測定検査装置の一つの実施例を示す全体構成図である。
【図２】この発明による試料形状測定検査装置のスピンドル部分の断面図である。
【図３】この発明による試料形状測定検査装置によって測定・検査を行う被測定物の例を示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は各々この発明による試料形状測定検査装置によって測定・検査を行う被測定物の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１  試料形状測定検査装置
３  テーブル
５  輪郭形状検出器（輪郭線検出器）
７  回転式カッタ（切削工具）
９  スピンドル
１１  送り制御装置
１３  座標データ記録装置
１５  データ演算処理装置
１７  表示装置
【図１】
0003616187.tif 000002
【図２】
0003616187.tif 000003
【図３】
0003616187.tif 000004
【図４】
0003616187.tif 000005