JP7000037B2 - 三次元測定機および三次元測定方法 - Google Patents

Description

本発明は三次元測定機および三次元測定方法に関する。

ワークの立体形状を測定するために、三次元測定機が用いられている。
三次元測定機は、例えば、ワークを載置する載置部と、ワークの表面に接触されるタッチプローブと、載置部とプローブとをＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向へ相対移動させる相対移動機構を有する（特許文献１参照）。
相対移動機構は、例えば、載置部に対してＹ軸方向へ移動可能な門型フレームと、その水平ビームに沿ってＸ軸方向へ移動可能なスライダと、このスライダにＺ軸方向へ移動可能な昇降ヘッドとを有し、プローブは昇降ヘッドに装着される。

三次元測定機としては、前述のような接触式のプローブに代えて、レーザビームを用いてワークへの接触なしで測定を行う非接触式のレーザプローブも用いられている（特許文献２参照）。
このような三次元測定機においては、ワークに対する測定動作を予めプログラムしておき、自動実行させることで作業性を向上することが行われている。

特開２０１１－１０７０５８号公報 特開２００８－２０９４２０号公報

従来の三次元測定機においては、ワークの形状あるいは測定部位に応じて、プローブの装着状態を変更する操作が必要になることがあった。
例えば、陰になっている部分の測定や，穴の内側の測定時には、プローブの向きを変えることが必要になる。
このようなプローブの向き変え操作があると、その向きでの三次元測定機とプローブとの軸合わせ（クオリフィケーション）が必要となり、作業効率の低下が避けられない。
プローブの向き変えによる作業効率の低下を避けるために、測定の準備段階で、ワーク形状に応じて測定手順を検討し、向き変え動作の回数を最小にできる最適な測定手順を設定し、これを実行するマクロとしてプログラムすることがなされている。
しかし、測定手順の検討ないしマクロ作成などの煩雑な作業は、依然としてワーク形状ごとに必要であり、ワークの形状測定における全体的な作業効率を改善することが望まれていた。

本発明の目的は、予め測定動作をプログラムする必要がない三次元測定機を提供すること、および、三次元測定機の使い勝手を向上させ特別なスキルを有さない作業者でもボタンひとつで簡単に計測を行える三次元測定機を提供すること、そのために、測定時のプローブの向き変え操作が必要ない三次元測定方法を提供することにある。

本発明の三次元測定機は、ワークが載置される載置部と、前記載置部を跨ぐアーチ状のフレームと、前記フレームに沿って移動可能なスライダと、前記スライダに支持されかつ前記載置部に向けられたプローブと、を有することを特徴とする。

本発明において、フレームおよび載置部は同じベースに支持することができる。載置部は通常表面が水平に配置される。フレームは、アーチ状の基準面（円弧およびその曲率中心を含む仮想的な面）を垂直に配置すればよいが、傾いていてもよい。フレームは、両方の端部がベースに固定されてもよいし、一方の端部だけ固定されてもよい。

本発明では、スライダをフレームに沿って移動させることで、プローブもフレームに沿って移動する。移動するプローブは、フレームのアーチ状により、常にフレームの内側（曲率中心領域）の載置部に向けられる。
例えば、プローブがフレームの一方の端部にあるとき、プローブは載置部上のワークの一方の側面に向けられているとする。プローブをフレームに沿って移動させると、プローブは移動しつつ向きを変え、ワークの上面に向かう状態を経て、ワークの反対側の側面に向かう状態に至る。
従って、本発明の三次元測定機においては、プローブの向き変え操作を作業者が行うことなく、ワークの異なる表面を検出することができる。

本発明の三次元測定機において、前記載置部および前記フレームが相対的に回転可能であることが好ましい。
本発明において、例えば載置部およびフレームが同じベースに支持されていれば、載置部をベースに固定してフレームを回転させる構成とすることができる。あるいは、フレームをベースに固定して載置部を回転させる構成としてもよい。
これらの回転軸線は、例えば垂直方向（Ｚ軸方向）とすることができる。あるいは、回転軸線をフレームのアーチ状に沿った方向（例えばアーチ形状の頂点および曲率中心を通る軸線）としてもよい。
本発明では、プローブをフレームに沿って移動させて得られるワークの検出結果（一方の側面から反対側の側面まで）を、ワークの全周にわたって繰り返すことができ、ワークの全表面を検出することができる。

本発明の三次元測定機において、前記載置部は、前記載置部の表面に沿った方向へ移動可能であることが好ましい。
本発明において、載置部の表面に沿った方向とは、通常は水平方向であり、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の一方またはいずれかに沿って移動できることが好ましい。
本発明では、載置部に載置されたワークの一部が、フレームに沿って移動するプローブの検出可能範囲から外れる場合に、載置部でワークを移動させることで、プローブの検出可能範囲に入るようにすることができる。

本発明の三次元測定機において、前記プローブは、前記ワークの表面を非接触で検出可能な非接触式プローブであることが好ましい。
本発明において、非接触式プローブとしては光学式プローブを利用することができ、なかでもレーザビームを走査するレーザスキャンプローブが好ましい。
本発明では、ワークの表面を非接触で検出することができるので、フレームに沿って移動するプローブであってもワークの表面を確実に検出することができる。

本発明の三次元測定方法は、前述した本発明の三次元測定機を用い、前記三次元測定機で検出可能な全ての方向から前記ワークの表面を検出し、次に、検出された全てのデータから必要なデータを選択することを特徴とする。

本発明においては、三次元測定機で検出可能な全ての方向からの検出動作を、予めプログラムに登録しておく。この際、検出動作におけるデータピッチや測定ピッチを予め設定しておく。そして、ワークの表面を検出する際に、このプログラムを実行する。全ての検出動作が終了した後、必要な検出方向あるいは検出部位に基づいて、該当する検出データを選択することで、所望の検出データを得ることができる。

前述した通り、本発明の三次元測定機では、プローブの向き変えが必要ないため、全ての方向からの検出動作を一括して実行することができる。
本発明では、先に全てのデータを検出しておき、後で所望の検出データを選択するため、常に同じプログラム（三次元測定機の構成に依存する）を用いることができる。
従って、予め測定動作をプログラムする必要がなく、プログラム作成の熟練者でなくとも三次元測定機を用いた形状測定を利用することができる。

本発明によれば、プローブの向き変え操作が必要ない三次元測定機を提供できる。また、予め測定動作をプログラムする必要がない三次元測定方法を提供できる。

本発明の第１実施形態を示す斜視図。 前記第１実施形態のレーザスキャンプローブを示す模式図。 前記第１実施形態での測定動作を示す側面図。 前記第１実施形態での周回動作を示す平面図。 前記第１実施形態での測定動作の往路開始状態を示す側面図。 前記第１実施形態での測定動作の往路途中状態を示す側面図。 前記第１実施形態での測定動作の往路終了状態を示す側面図。 前記第１実施形態での測定動作の復路開始状態を示す側面図。 前記第１実施形態での測定動作の復路途中状態を示す側面図。 前記第１実施形態での測定動作の復路終了状態を示す側面図。 本発明の第２実施形態を示す斜視図。

〔第１実施形態〕
図１から図１０には、本発明の第１実施形態が示されている。
図１において、三次元測定機１は、ベース２の上面に円筒状のロータ３を有する。ロータ３は、垂直なＺ軸方向の中心軸線まわりに回転可能に支持されており、図示しない駆動機構などで回転駆動され、任意の回転角度位置へと移動可能である。

ロータ３の内側には、ワークＷが載置される載置部５が設置されている。
載置部５は、ＸＹ移動機構６で支持され、ＸＹ移動機構６はロータ３の底面の開口を通してベース２に支持されている。載置部５は、ＸＹ移動機構６により水平なＸ軸方向およびＹ軸方向さらにはＸ軸およびＹ軸の協働による任意の方向へ移動可能である。

ロータ３の上側には、載置部５を跨ぐアーチ状のフレーム７が設置されている。
フレーム７には、フレーム７に沿って移動可能なスライダ８が設置されている。スライダ８には図示しない駆動機構が設置され、フレーム７の任意の位置へ移動可能である。
スライダ８にはレーザスキャンによる非接触式のプローブ９が支持されている。
プローブ９は、載置部５に載置されたワークＷに向けられており、スライダ８の移動に従ってフレーム７の任意位置へと移動可能である。

図２において、プローブ９は、レーザビームＬを所定のスキャンピッチＰＬで所定の幅にわたって走査する。そして、プローブ９は、ワークＷからの反射光を検出することで、ワークＷの輪郭形状を測定可能である。
例えば、フレーム７が図１のようにＹ軸方向に延びる状態では、レーザビームＬはＸ軸方向に拡がり、ワークＷのＸ軸方向の形状を測定することができる。ロータ３を回転させて、フレーム７をＸ軸方向に延びる状態とすれば、レーザビームＬがＹ軸方向に拡がり、ワークＷのＹ軸方向の形状を測定することができる。
なお、スキャンピッチＰＬとは、ワークＷに照射されるラインレーザの中から、反射光（点データ）として検出するように設定した間隔（データピッチ）である。レーザビームＬについては、ポイントレーザを所定の幅に走査してライン状にするもの、ライン状のレーザとして照射するもののいずれでもよい。

図３に示すように、プローブ９をスライダ８によりフレーム７の任意位置へ移動させることで、ワークＷの表面のうち、フレーム７が延びる方向の半周分の輪郭形状を測定可能である。つまり、フレーム７がＹ軸方向に延びる状態であれば、ワークＷをＹ軸方向に跨ぐような半周分の輪郭形状を測定することができる。
プローブ９がフレーム７に沿って移動しながらの輪郭測定は、所定の移動ピッチＰＳで行われる。
なお、図３に示す移動ピッチＰＳごとの各点は、スライダ８がフレーム７に沿って連続的に移動する際に、反射光をデータとして取得するタイミングを示す。スライダ８は、フレーム７に沿って間欠的な移動および各点で停止するのではなく、フレーム７に沿って連続的に移動しつつ、各点を通過する際に、各点での反射光をデータとして取得する。

前述のように、プローブ９がフレーム７に沿って移動することで、ワークＷの半周分の輪郭測定が行われる。ただし、実際にはプローブ９と載置部５あるいはワークＷとの干渉により、測定できる範囲は半周より小さくなる。
例えば、図３において、プローブ９１およびスライダ８１が一方の移動限界となり、プローブ９２およびスライダ８２が反対側の移動限界となる。

図４に示すように、ロータ３を回転させることで、フレーム７が延びる方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向あるいはその中間の任意の角度位置に設定することができる。これにより、プローブ９がフレーム７に沿って移動する方向、つまり、前述したプローブ９がフレーム７に沿って移動することによる半周分の輪郭測定の方向を任意の方向とすることができる。

ロータ３の回転によるフレーム７の方向つまり半周分の輪郭測定の方向は、所定の回転ピッチＰＲで選択できる。
例えば、図４において、フレーム７がＹ軸方向に延びていれば、スライダ８およびプローブ９もＹ軸方向に移動する。フレーム７がロータ３とともに任意の角度に回転すると、スライダ８３およびプローブ９３はフレーム７３に沿って移動し、あるいは、スライダ８４およびプローブ９４はフレーム７４に沿って移動する。

前述した通り、本実施形態では、ワークＷを載置する載置部５がＸＹ移動機構６により水平なＸ軸方向およびＹ軸方向へ移動可能である。
このため、プローブ９のフレーム７に沿った移動による半周分の輪郭測定にあたって、ワークＷおよび載置部５をフレーム７が延びる方向へ移動させることで、プローブ９による輪郭測定におけるワークＷの検出可能範囲を拡張することができる。

例えば、図５ないし図７に示すように、載置部５を第１位置Ｐ１とした状態で、プローブ９のフレーム７に沿った移動による半周分の輪郭測定を行う。
図５において、プローブ９をフレーム７の一方の端部に移動させ、ここでプローブ９からレーザビームＬを出射させ、ワークＷのスキャンを開始する。
図６のように、プローブ９をフレーム７に沿って移動させると、レーザビームＬでワークＷの表面の領域Ａ１が測定されてゆく。
図７のように、プローブ９がフレーム７の反対側の端部近傍に達すると、レーザビームＬによるワークＷの半周分の輪郭測定が行われる。
ただし、プローブ９は、載置部５との干渉があるためフレーム７の端部まで移動できず、レーザビームＬで測定された領域Ａ１は、ワークＷの端部まで達していない。

続いて、図８ないし図１０に示すように、載置部５を第２位置Ｐ２に移動させ、プローブ９のフレーム７に沿った移動による半周分の輪郭測定を行う。
図８において、プローブ９がフレーム７の反対側の端部（図７で到達した位置）にある状態で、プローブ９からレーザビームＬを出射させ、ワークＷのスキャンを開始する。
図９のように、プローブ９をフレーム７に沿って移動させると、レーザビームＬでワークＷの表面の領域Ａ２が測定されてゆく。
図１０のように、プローブ９がフレーム７の一方の端部（図５の開始位置）近傍に達すると、レーザビームＬによるワークＷの半周分の輪郭測定が行われる。
ただし、プローブ９は、載置部５との干渉があるためフレーム７の端部まで移動できず、レーザビームＬで測定された領域Ａ２は、ワークＷの端部まで達していない。

以上のような２回の輪郭測定により、第１位置Ｐ１での半周分の輪郭（領域Ａ１）および第２位置Ｐ２での半周分の輪郭（領域Ａ２）が測定される。
ここで、各位置で測定された輪郭（領域Ａ１および領域Ａ２）は、それぞれ欠落した部分があるが、各々を合わせることで、ワークＷの半周分の輪郭形状を全て得ることができる。

本実施形態の三次元測定機１によれば、以下のような効果が得られる。
本実施形態では、スライダ８をフレーム７に沿って移動させることで、プローブ９がフレーム７に沿って移動する。移動するプローブ９は、フレーム７のアーチ状により、常にフレーム７の内側（曲率中心領域）の載置部５に向けられる。
すなわち、プローブ９がフレーム７の一方の端部にあるとき（図５参照）、プローブ９は載置部５上のワークＷの一方の側面に向けられている。プローブ９をフレーム７に沿って移動させると、プローブ９はフレーム７の円弧形状に従って向きを変え、ワークＷの上面に向かう状態（図６）を経て、ワークＷの反対側の側面に向かう状態（図７）に至る。
従って、本実施形態の三次元測定機１においては、プローブ９の向き変え操作を作業者が行うことなく、ワークＷの異なる表面を検出することができる。

本実施形態では、ロータ３によりフレーム７が載置部５に対して回転可能である。
このため、図４のようなロータ３の回転によって、前述した図５ないし図１０のような２回の輪郭測定を複数の方向について行うことができ、ワークＷの全表面の輪郭形状を測定することができる。

本実施形態では、載置部５は、ＸＹ移動機構６により、載置部５の表面に沿った水平方向へ移動することができる。
このため、載置部５に載置されたワークＷの一部が、フレーム７に沿って移動するプローブ９の検出可能範囲から外れる場合でも、載置部５でワークＷを移動させることで、プローブ９の検出可能範囲に入るようにすることができる。

本実施形態では、レーザビームＬでワークＷを走査するレーザスキャン式のプローブ９を用いたため、ワークＷの表面を非接触で検出することができ、フレーム７に沿って移動するプローブ９であってもワークＷの表面を確実に検出することができる。

ところで、本実施形態の三次元測定機１によりワークＷの測定を行う際には、三次元測定機１を用いて、先ず、三次元測定機１で検出可能な全ての方向からワークＷの表面を検出し、次に、検出された全てのデータから必要なデータを選択する。

このために、本実施形態においては、三次元測定機１で検出可能な全ての方向からの検出動作を、予めプログラムに登録しておく。この際、検出動作におけるデータピッチや測定ピッチを予め設定しておく。そして、ワークＷの表面を検出する際に、このプログラムを実行する。全ての検出動作が終了した後、必要な検出方向あるいは検出部位に基づいて、該当する検出データを選択することで、所望の検出データを得ることができる。

前述した通り、本実施形態の三次元測定機１では、プローブ９の向き変えが必要ないため、全ての方向からの検出動作を一括して実行することができる。
そして、本実施形態の三次元測定機１では、先に全てのデータを検出しておき、後で所望の検出データを選択するため、常に同じプログラム（三次元測定機１の構成に依存する）を用いることができる。
従って、予め測定動作をプログラムする必要がなく、プログラム作成の熟練者でなくとも三次元測定機１を用いた形状測定を利用することができる。

〔第２実施形態〕
図１１には、本発明の第２実施形態が示されている。
図１１において、三次元測定機１Ａは、前述した第１実施形態と同様なベース２Ａ、ロータ３Ａ、載置部５Ａ、ＸＹ移動機構６Ａ、フレーム７Ａ、スライダ８Ａおよびプローブ９Ａを有する。
ただし、本実施形態では、フレーム７Ａがベース２Ａに固定され、ベース２Ａには円板状のロータ３Ａが回転自在に支持され、ロータ３ＡにはＸＹ移動機構６Ａを介して載置部５Ａが支持されている。

本実施形態では、ロータ３Ａを回転させることで、載置部５ＡおよびＸＹ移動機構６Ａをベース２Ａおよびフレーム７Ａに対して回転させることができる。また、ＸＹ移動機構６Ａにより、載置部５Ａをベース２Ａおよびフレーム７Ａに対して水平移動させることができる。
従って、本実施形態においては、前述した第１実施形態と同様に、ワークＷを載置する載置部５Ａとフレーム７Ａとの相対回転が可能であるとともに、載置部５Ａとフレーム７Ａとの水平移動が可能である。
さらに、スライダ８Ａおよびプローブ９Ａは、第１実施形態と同様にフレーム７Ａに沿って任意の位置へ移動可能である。

従って、本実施形態においても、前述した第１実施形態の動作、つまり図３および図４の測定経路、および、図５ないし図１０で説明した測定動作を用いることができる。
その結果、前述した第１実施形態と同様な効果を得ることができる。

〔他の実施形態〕
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは、本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、プローブ９，９Ａはレーザスキャンによる非接触式プローブであるとしたが、レーザによらない光学式プローブなどであってもよく、あるいは接触式のプローブを用いてもよい。

前記実施形態では、ＸＹ移動機構６，６Ａを用いて載置部５，５Ａを水平で互いに交差する２軸方向に移動可能としたが、載置部５，５Ａの移動は１軸方向（フレーム７，７Ａが延びる方向）であればよい。
さらに、プローブ９，９Ａの測定可能範囲が十分に広い場合など、載置部５，５Ａの移動は省略してもよい。

本発明は三次元測定機および三次元測定方法に利用できる。

１，１Ａ…三次元測定機、２，２Ａ…ベース、３，３Ａ…ロータ、５，５Ａ…載置部、６，６Ａ…ＸＹ移動機構、７，７３，７４，７Ａ…フレーム、８，８１，８２，８３，８４，８Ａ…スライダ、９，９１，９２，９３，９４，９Ａ…プローブ、Ａ１，Ａ２…領域、Ｌ…レーザビーム、Ｐ１…第１位置、Ｐ２…第２位置、ＰＬ…スキャンピッチ、ＰＲ…回転ピッチ、ＰＳ…移動ピッチ、Ｗ…ワーク。

Claims (4)

1. ワークが載置される載置部と、
   前記載置部を跨ぐアーチ状のフレームと、
   前記フレームに沿って移動可能なスライダと、
   前記スライダに支持されかつ前記載置部に向けられたプローブと、を有し、
   前記プローブは、前記ワークを所定方向にスキャンする形状測定用のプローブであり、
   前記プローブのスキャン方向は、前記フレームが延びる方向に交差する方向であり、
   前記載置部は、前記載置部の表面に沿った方向へ移動可能であり、前記フレームが延びる方向へ移動することで、前記プローブによる前記ワークの検出可能範囲を拡張することを特徴とする三次元測定機。
2. 請求項１に記載した三次元測定機において、
   前記載置部および前記フレームが相対的に回転可能であることを特徴とする三次元測定機。
3. 請求項１または請求項２に記載した三次元測定機において、
   前記プローブは、前記ワークの表面を非接触で検出可能な非接触式プローブであることを特徴とする三次元測定機。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載した三次元測定機を用い、
   前記三次元測定機で検出可能な全ての方向から前記ワークの表面を検出する工程と、
   次に、検出された全てのデータから必要なデータを選択する工程とを実施し、
   前記ワークの表面を検出する工程では、前記載置部が第１位置に位置する状態と、前記載置部が前記第１位置から前記フレームが延びる方向に移動した第２位置に位置する状態とのそれぞれで、前記プローブが前記ワークの表面を検出することを特徴とする三次元測定方法。

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