(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象にプローブチップを接触させながらプローブチップの中心位置をサンプリングして測定点列を取得するステップと、
このステップで取得された測定点列を、各測定点を通る図形要素で補間して元輪郭を生成するステップと、
この元輪郭を構成する各図形要素をプローブチップの半径分だけオフセットさせてオフセット図形要素を生成するステップと、
ｎ番目（ｎ＝１，２，…）のオフセット図形要素とｎ＋１番目のオフセット図形要素との交点を求めるステップ、このステップで交点が求められたとき、その点を終点としてｎ番目の図形要素を確定するステップ、及び前記交点を求めるステップで交点が求められなかったとき、ｎ＋１番目のオフセット図形要素に対してｎ−１，ｎ−２，…と順番に前のオフセット図形要素に遡って交点を求め、交点が求まった時点でｎ−ｊ番目のオフセット図形要素を確定するステップを、ｎを歩進させながら全てのオフセット図形要素について実行することによりオフセット輪郭を求めるステップと、
を備えてなることを特徴とする輪郭形状測定方法。
【請求項２】
前記求められたオフセット輪郭を点列に再分割してプローブチップ半径補正後の測定点列とするステップを更に備えたことを特徴とする請求項１記載の輪郭形状測定方法。
【請求項３】
被測定対象に接触するプローブチップの中心位置をサンプリングするサンプリング手段と、
このサンプリング手段でサンプリングされたプローブチップの中心位置の測定点列を記憶する記憶手段と、
この記憶手段に記憶された前記測定点列から前記プローブチップの半径分だけ補正したオフセット輪郭を前記被測定対象の輪郭形状として求める演算手段と
を備え、
前記演算手段は、
前記記憶手段に記憶された測定点列を、各測定点を通る図形要素で補間して元輪郭を生成し、この元輪郭を構成する各図形要素をプローブチップの半径分だけオフセットさせてオフセット図形要素を生成し、ｎを歩進させながら全てのオフセット図形要素について、ｎ番目（ｎ＝１，２，…）のオフセット図形要素とｎ＋１番目のオフセット図形要素との交点を求め、交点が求められたときその点を終点としてｎ番目の図形要素を確定し、交点が求められなかったときｎ＋１番目のオフセット図形要素に対してｎ−１，ｎ−２，…と順番に前のオフセット図形要素に遡って交点を求め、交点が求まった時点でｎ−ｊ番目のオフセット図形要素を確定する処理を繰り返すことにより前記オフセット輪郭を求めるものである
ことを特徴とする輪郭形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、三次元測定機に使用されるタッチシグナルプローブ等で検出されたプローブ中心の測定点列を、ワークの輪郭形状を算出するためにプローブのチップ半径分だけ補正することにより被測定対象の輪郭形状を測定する輪郭形状測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三次元測定機のタッチシグナルプローブ等を用いてワークの輪郭形状を測定する場合、プローブを操作して例えば球状のプローブチップをワークの必要箇所に接触させ、必要な数の測定点列データを取得し、この測定点列データから必要な計測値を算出する。測定点列データは、プローブチップの中心位置の座標情報として求められるので、ワークの輪郭形状を求めるには、プローブチップ中心の測定点列をプローブ半径分だけオフセットさせる必要がある。
【０００３】
従来のプローブチップ半径補正方法を用いたワークの輪郭形状測定方法は、図７に示すように、チップ半径補正したいプローブのチップ１０の中心座標として求められる測定点列Ｓ１，Ｓ２，…の近傍数点から、何らかの方法で各測定点Ｓ１，Ｓ２，…の法線方向を推定し、その方向にチップ半径ｒ分だけ測定点Ｓ１，Ｓ２，…を移動させることにより、プローブ半径補正された測定点列Ｓ１′，Ｓ２′，…を求め、これをワークの輪郭形状に沿った測定点列とすることを基本としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の輪郭形状測定方法におけるプローブチップ半径補正方法では、例えば図８の測定点Ｓ13，Ｓ14で示すように、微小な測定誤差のために、推定された法線方向が真の方向からズレを起こすと、補正後の測定点Ｓ13′，Ｓ14′のように、そのようなずれた方向に測定点が移動するため、測定誤差がチップ半径ｒに応じて拡大されてしまい、輪郭形状がクロスするような不正な測定結果が得られてしまうという問題がある。
【０００５】
この発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、プローブチップ半径補正の際の法線方向に多少の誤差が発生した場合でも、適正な輪郭形状を求めることができる輪郭形状測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る輪郭形状測定方法は、被測定対象にプローブチップを接触させながらプローブチップの中心位置をサンプリングして測定点列を取得するステップと、このステップで取得された測定点列を、各測定点を通る図形要素で補間して元輪郭を生成するステップと、この元輪郭を構成する各図形要素をプローブチップの半径分だけオフセットさせるステップと、前記元輪郭をオフセットさせたオフセット図形要素に対して所定の方向の追跡を行いながら前記オフセット図形要素同士の交点を求め、このステップで求められた交点で前記元輪郭から離れる側に存在するオフセット図形要素に移ることを繰り返しながらオフセット輪郭を求めるステップとを備えてなることを特徴とする。
【０００７】
また、この発明に係る輪郭形状測定装置は、被測定対象に接触するプローブチップの中心位置をサンプリングするサンプリング手段と、このサンプリング手段でサンプリングされたプローブチップの中心位置の測定点列を記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶された前記測定点列から前記プローブチップの半径分だけ補正したオフセット輪郭を前記被測定対象の輪郭形状として求める演算手段とを備え、前記演算手段が、前記記憶手段に記憶された測定点列を、各測定点を通る図形要素で補間して元輪郭を生成し、この元輪郭を構成する各図形要素をプローブチップの半径分だけオフセットさせ、前記元輪郭をオフセットさせたオフセット図形要素に対して所定の方向の追跡を行いながら前記オフセット図形要素同士の交点を求め、このステップで求められた交点で前記元輪郭から離れる側に存在するオフセット図形要素に移ることを繰り返しながら前記オフセット輪郭を求めるものであることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、オフセット輪郭を求める際に、プローブチップの中心座標として求められた測定点列を、各測定点を通る図形要素で補間して元輪郭を生成し、この元輪郭を構成する各図形要素をプローブチップの半径分だけオフセットさせ、このオフセット図形要素に対して所定の方向の追跡を行いながら、オフセット図形要素同士の交点を求め、求められた交点で元輪郭から離れる側に存在するオフセット図形要素に移ることを繰り返しながらオフセット輪郭を求めていくようにしているので、測定点からの法線方向に多少の誤差が生じて、オフセット輪郭が交差するような場合でも、オフセット輪郭の交点で適切なルートが選択されることにより、適切なオフセット輪郭を求めることができる。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記求められたオフセット輪郭を点列に再分割してプローブチップ半径補正後の測定点列とするステップが更に備えられる。これにより、新たに求められた測定点列間を滑らかな曲線で補間することにより、更に適切な輪郭形状を求めることができる。
【００１０】
なお、本発明の更に好ましい実施形態においては、オフセット輪郭を求めるステップは、例えばｎ番目（ｎ＝１，２，…）の図形要素とｎ＋１番目の図形要素との交点を求めるステップと、このステップで交点が求められたとき、その点を終点としてｎ番目の図形要素を確定するステップと、前記交点を求めるステップで交点が求められなかったとき、ｎ＋１番目の図形要素に対してｎ−１，ｎ−２，…と順番に前の図形要素に遡って交点を求め、交点が求まった時点でｎ−ｊ番目の図形要素を確定するステップとをｎを歩進させながら全ての図形要素について実行するステップである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る輪郭形状測定システムの構成を示す図である。
三次元測定機１は、測定対象物であるワーク２を載置するテーブル３と、このテーブル３に対してプローブ４をＸＹＺ軸方向に移動自在に支持する三次元支持機構５と、この三次元支持機構５によって支持されて、ワーク２に接触する接触式のプローブ４とを備えて構成されている。プローブ４は、先端に球状のプローブチップ１０を備え、ワーク２に接触することにより接触信号を出力する。
【００１２】
三次元測定機１のプローブ４をワーク２の外形に沿って移動させることにより得られる各測定点のデータは、サンプリング部６で所定の間隔でサンプリングされる。各サンプリング点のデータ（測定点列データ）は、一旦、メモリ部７に記憶される。演算部８は、メモリ部７から測定点列データを読み出して、プローブチップ半径補正を行って、オフセット輪郭図形を算出する。算出されたオフセット輪郭図形は、必要に応じて出力部９を介して表示出力又は印刷出力される。
【００１３】
次に、このシステムの動作について説明する。図２は、このシステムによる輪郭形状測定処理について説明する。
まず、プローブチップ１０の中心座標として求められた測定点列を、各測定点を通る線分と円弧とで補間して元輪郭を生成する（Ｓ１）。次に、元輪郭をチップ半径分だけオフセットさせたオフセット輪郭を求める（Ｓ２）。最後に、オフセット輪郭を点列に再分割してプローブチップ半径補正後の点列とする（Ｓ３）。図３（ａ）は、元輪郭の例である。この元輪郭に対して、従来のように各測定点Ｓ21，Ｓ22，…を法線方向へ移動させることによりオフセット輪郭を求めると、同図（ｂ）のようにオフセット輪郭が一部交差するような不適正な輪郭形状が得られてしまうが、本発明では、元輪郭をオフセットさせたオフセット図形要素に対して所定の方向の追跡を行いながら、オフセット図形要素同士の交点を求め、この交点で元輪郭から離れる側に存在するオフセット図形要素に移ることを繰り返しながらオフセット輪郭を求めていく。即ち、輪郭をつなぎ合わせて整合性のある状態にする。この処理により、同図（ｂ）のようにオフセット図形要素の一部が交差するような状況であっても、同図（ｃ）のように、交点Ｓ23″で元輪郭から遠い部分要素のみが選択されて追跡が移っていくので、そのような交差部分が発生することがなくなる。
【００１４】
図４は、上記オフセット輪郭算出処理（Ｓ２）のより具体的な処理手順を説明するためのフローチャートであり、図５は、その具体的処理を説明するための図である。
まず、元輪郭を構成するそれぞれの線分、円弧を所定量（プローブチップ半径ｒ）オフセットさせて、オフセット図形要素を生成する（Ｓ１１）。図５の例の場合、プローブチップ１０の中心軌跡がＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄのように形成されるものであるとすると、輪郭Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対するオフセット図形要素は、次のようになる。
【００１５】
Ａ→直線▲１▼と円弧▲２▼
Ｂ→直線▲３▼
Ｃ→直線▲４▼と円弧▲５▼
Ｄ→直線▲６▼
【００１６】
各オフセット図形要素は、この例では、図中矢印に示すように、元輪郭を構成する図形要素Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの生成方向に向かって常に左側に生成され、左側に凸であるコーナ部には、時計回りに定義された円弧が挿入される。また、各オフセット図形要素は、直線については、元輪郭と同一方向に追跡処理され、円弧については時計回りに追跡される。なお、これはワーク２が元輪郭の生成方向に対して左側に存在する場合であり、もし元輪郭の生成方向に対して右側にワーク２が存在する場合には、オフセット図形要素は、元輪郭の生成方向に対して右側に生成され、右側に凸であるコーナ部には、反時計回りの円弧が挿入されることになる。このような追跡を行いながら、ｎ番目のオフセット図形要素とｎ＋１番目のオフセット図形要素との交点を求め（Ｓ１２）、交点がある場合には（Ｓ１３）、その点を終点としてｎ番目のオフセット図形要素を確定処理し（Ｓ１４）、交点が無い場合には（Ｓ１３）、ｎ＋１番目のオフセット図形要素に対してｎ−１，ｎ−２，…と前の図形要素に遡って交点を求め、交点が求まった時点でｎ−ｊ番目の図形要素を確定させる（Ｓ１５）。以上の処理を全てのオフセット図形要素について実行する（Ｓ１７）。
【００１７】
上記の追跡処理を、図５の例に基づいて説明すれば、次の通りである。
（１）いま、オフセット図形要素▲１▼の始点Ｐが確定しているものとし、Ｐから追跡方向にオフセット図形要素▲１▼を追跡すると、やがてオフセット図形要素▲２▼との交点Ｑが求まるので、オフセット図形要素▲１▼が確定する。
（２）次に、始点をＱとしてオフセット図形要素▲２▼を追跡すると、次のオフセット要素▲３▼との交点Ｒが求まるので、オフセット図形要素▲２▼が確定する。
（３）続いて、始点をＲとしてオフセット図形要素▲３▼を追跡すると、この場合には、交点が存在しないので、オフセット図形要素▲３▼を保留し、先に確定したオフセット図形要素▲２▼を不確定要素に戻して、この図形要素▲２▼と次の図形要素▲４▼との交点を求める。この結果、図形要素▲２▼と▲４▼の交点Ｓが求まるので、図形要素▲２▼を交点Ｓを終点とするオフセット図形要素として再度確定させる。
【００１８】
（４）続いて、始点をＳとしてオフセット図形要素▲４▼を追跡すると、次のオフセット図形要素▲５▼との交点Ｔが求まるので、交点Ｔを終点として図形要素▲４▼を確定する。
（５）更に、始点をＴとしてオフセット図形要素▲５▼を追跡すると、次のオフセット図形要素▲６▼との交点Ｕが求まるので、交点Ｕを終点として図形要素▲５▼を確定する。
以下同様の処理を繰り返す。この結果、確定したオフセット図形要素は、▲１▼（ＰＱ）→▲２▼（ＱＳ）→▲４▼（ＳＴ）→▲５▼（ＴＵ）→…のようになり、交差した不適当な輪郭形状部分は排除され、適切なオフセット輪郭を算出することが可能になる。
【００１９】
なお、輪郭のオフセット図形がコーナ部で円弧要素を持つか持たないかは、元輪郭のコーナがオフセット方向に凸であるかどうかによって決定され、これはコーナを生成する２要素の外積ベクトルを求め、その符号で判断すればよい。即ち外積ベクトルが正であれば、追跡方向に対して左に曲がっているコーナであり、負であれば、追跡方向に対して右に曲がっているコーナであると判断することができる。その際、輪郭の要素が円弧であれば、２要素の交点における接続に置き換えて判断する。輪郭の追跡方向が元輪郭とオフセット輪郭とで異なる場合には、以上述べた追跡方向を全て逆にして考えれば良い。
【００２０】
なお、上記実施例では、元輪郭の凸コーナ部の補間方法として円弧を挿入する方法を用いたが、図６（ａ）に示す円弧の挿入の他に、同図（ｂ）のように、コーナを形成する２要素を交点まで延長したり、同図（ｃ）に示すように、コーナを形成する２要素を交点の方向に延長し、且つ円弧を挿入する等の方法を用いるようにしても良い。
【００２１】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、オフセット輪郭を求める際に、プローブチップの中心座標として求められた測定点列を、各測定点を通る図形要素で補間して元輪郭を生成し、この元輪郭を構成する各図形要素をプローブチップの半径分だけオフセットさせ、このオフセット図形要素に対して所定の方向の追跡を行いながら、オフセット図形要素同士の交点を求め、求められた交点で元輪郭から離れる側に存在するオフセット図形要素に移ることを繰り返しながらオフセット輪郭を求めていくようにしているので、測定点からの法線方向に多少の誤差が生じて、オフセット輪郭が交差するような場合でも、オフセット輪郭の交点で適切なルートが選択されることにより、適切なオフセット輪郭を求めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施例に係る輪郭形状測定システムの構成を示すブロック図である。
【図２】  同輪郭形状測定処理のフローチャートである。
【図３】  同輪郭形状測定処理を説明するための図である。
【図４】  同輪郭形状測定処理におけるオフセット輪郭の生成処理を示すフローチャートである。
【図５】  同オフセット輪郭生成処理の具体例を説明するための図である。
【図６】  同オフセット輪郭生成時のコーナ処理方法を説明するための図である。
【図７】  従来の一般的なプローブチップ半径補正処理を説明するための図である。
【図８】  同従来のプローブチップ半径補正処理における問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１…三次元測定機、２…ワーク、３…テーブル、４…プローブ、５…三次元支持機構、６…２1，２2…カメラ、３…画像メモリ、４…演算処理装置、５…ワークメモリ、６…サンプリング部、７…メモリ部、８…演算部、９…出力部、１０…プローブチップ。
【図１】
0004253112.tif 000002
【図２】
0004253112.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004253112.tif 000007
【図７】
0004253112.tif 000008
【図８】
0004253112.tif 000009