JP2011110675A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定者の操作に応じて関節部の回転動作を補助するように構成された形状測定装置を提供する。
【解決手段】形状測定装置１００は、光学式センサ４０により被測定物体５１を非接触で走査して当該被測定物体５１の形状の測定情報を出力するプローブ１２と、アーム部１１ａ及び２以上の関節部１１ｂを有し、所定の空間内でプローブ１２を移動可能に支持する移動機構部１１と、関節部１１ｂの各々に設けられ、当該関節部１１ｂが接続するアーム部１１ａ間、若しくは、アーム部１１ａとプローブ１２との角度情報を検出するエンコーダ２１と、関節部１１ｂに設けられ、当該関節部１１ｂにより接続された一方のアーム部１１ａ若しくはプローブ１２を他方のアーム部１１ａに対して回転駆動させる駆動部１５と、角度情報からプローブ１２の移動を検出して駆動部１５を作動させる制御部２０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置に関する。

多関節型アームの先端に非接触センサを有するプローブを取り付けた形状測定装置であって、測定者が手動で操作することにより被検査物体の形状を測定するように構成された装置（以下、「マニュアル測定機」と呼ぶ）が開発されている（例えば、特許文献１参照）。このようなマニュアル測定機には、関節部にエンコーダが取り付けられており、移動機構部の先端部（最も先端側のアーム部の先端部）の移動速度や空間座標を検出可能に構成されている。複雑な形状の被測定物体を測定する場合は、装置駆動のプログラミングに時間がかかるため、手動による測定が行われている。

特開２００９−１９２４０１号公報

このようなマニュアル測定機で被検査物体の形状を測定する場合、アーム部を含む移動機構部を手動で動かすことになるが、移動機構部にテンションがかかっているため、測定者は長時間の操作に耐えられず、また、手動で操作するため、装置の移動時間にムラが生じ、計測データが安定しない場合もあるという課題があった。さらに、非接触センサには、一般的に指向性があるが、手動操作によると、指向性に合わせた操作が難しい。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、測定者の操作に応じて関節部の回転動作を補助するように構成された形状測定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る形状測定装置は、光学式センサにより被測定物体を非接触で走査して当該被測定物体の形状の測定情報を出力するプローブと、アーム部、及び、アーム部間、若しくは、アーム部とプローブとを回転可能に接続する２以上の接続部を有し、所定の空間内でプローブを移動可能に支持する移動機構部と、接続部の各々に設けられ、当該接続部が接続するアーム部間、若しくは、アーム部とプローブとの角度情報を検出する角度情報検出部と、接続部に設けられ、当該接続部により接続された一方のアーム部若しくはプローブを他方のアーム部に対して回転駆動させる駆動部と、角度情報からプローブの移動を検出し、当該移動に応じて駆動部を作動させる制御部と、を有する。

このような形状測定装置は、接続部の各々に設けられ、当該接続部にかかるトルクの大きさ及び方向を検出するトルク検出部を有し、制御部は、接続部の各々において、当該接続部に設けられたトルク検出部が検出したトルクの方向と同じ方向に、アーム部若しくはプローブを回転させるように当該接続部に設けられた駆動部を作動させることが好ましい。

また、このような形状測定装置において、制御部は、プローブの移動速度が所定の範囲内となるように、駆動部を作動させることが好ましい。

また、このような形状測定装置において、移動機構部は、３以上の接続部を有し、制御部は、プローブの移動方向が所定の方向となるように駆動部を作動させることが好ましい。

また、このような形状測定装置において、プローブに設けられた光学式センサは、光源と、光源からの光をライン光として被測定物体に照射するライン光形成光学系と、ライン光の反射光を結像する撮像光学系と、反射光の像を検出する撮像素子と、有し、この撮像素子により検出された像により、被測定物体の形状を測定するように構成され、制御部は、この光学式センサの指向性に応じた方向にプローブが移動するように駆動部を作動させることが好ましい。

このとき、制御部は、プローブが被測定物体の表面に沿ってライン光が延びる方向と直交する方向に移動するように駆動部を作動させることが好ましい。

また、制御部は、撮像素子の略中央部にライン光の像が位置するように駆動部を作動させることが好ましい。

本発明に係る形状測定装置を以上のように構成すると、測定者の操作に応じて関節部の回転動作を補助することができる。

形状測定装置の構成を示す説明図である。 形状測定装置の制御部の基本的な構成を示すブロック図である。 プローブに設けられた光学式センサの構成を示す説明図である。 形状測定装置による形状測定処理を示すフローチャートである。 駆動部の作動を制御するためのフローチャートである。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１〜図３を用いて、本実施形態に係る形状測定装置の構成について説明する。この形状測定装置１００は、例えば、ステージ５０上に載置された被測定物体５１の形状を測定する形状測定部１０と、この形状測定部１０から出力される角度情報及び測定情報に基づいて被測定物体５１に関する形状情報を算出する制御部２０と、算出された形状情報を、例えば、３次元画像にして出力するための表示部３０と、を有して構成される。なお、被測定物体５１は、ステージ５０上に載置されていなくても測定可能である。また、この形状測定装置１００は、測定者が形状測定部１０を操作して被測定物体５１の形状情報を取得するように構成されたマニュアル測定機である。

形状測定部１０は、複数のアーム部１１ａを複数の関節部（接続部）１１ｂで接続した多関節構造の移動機構部１１と、この移動機構部１１の先端部（最も先端側に位置するアーム部１１ａの先端部）に対して取付部１４を介して着脱可能に構成されたプローブ１２と、移動機構部１１の基端部（最も基端側に位置するアーム部１１ａの基端部）が取り付けられた基台１３と、を有して構成される。なお、関節部１１ｂは、アーム部１１ａ同士を繋ぎ、一方のアーム部１１ａに対して他方のアーム部１１ａを回転させる（揺動させる）ものや、基台１３に対して基端側のアーム部１１ａを接地面に垂直方向の軸を中心に回転させるもの、若しくは、取付部１４に取り付けられたプローブ１２を、先端側のアーム部１１ａに対して揺動させたり、回転させたりするものがある。

関節部１１ｂの回転軸の各々には、基台１３や基端側に位置するアーム部１１ａに対して、この関節部１１ｂに接続された先端側に位置するアーム部１１ａ若しくはプローブ１２のなす角度を検出するためにこの回転軸の回転量を計測するエンコーダ（角度情報検出部）２１が取り付けられており、これらのエンコーダ２１による計測値（以下、「角度情報」と呼ぶ）は、図２に示すように、制御部２０に出力される。また、この関節部１１ｂには、各々の関節部１１ｂが接続するアーム部１１ａ間若しくはアーム部１１ａとプローブ１２との間でこの関節部１１ｂにかかるトルクを検出するトルク検出部であるトルクセンサ２７が設けられている。さらに、この関節部１１ｂには、関節部１１ｂを介して接続されている基端側のアーム部１１ａに対して先端側のアーム部１１ａ若しくはプローブ１２を回転軸を中心に回転（揺動）させる駆動部（例えば、モータ等）１５が接続されている。なお、トルクセンサ２７の検出値（以下、「トルク情報」と呼ぶ）は制御部２０に出力され、駆動部１５の作動の制御は制御部２０により行われる。

一方、プローブ１２には、図３に示すように、レーザーダイオード等の光源４１と、この光源４１から放射された光をシリンドリカルレンズ等のトーリックレンズ光学系によりライン光としてステージ５０上の被測定物体５１に照射するライン光形成光学系４２と、被測定物体５１に投射されたライン光の像（以下、「ライン像」と呼ぶ）を結像する撮像光学系４３と、このライン像を検出する撮像素子４４と、からなる光学式センサ４０が設けられている。また、図１に示すように、このプローブ１２には、測定者が、被測定物体５１の形状測定の開始及び停止を制御部２０に指示するための操作スイッチ２５が設けられている。なお、光源４１から放射された光をライン光に変換するには、ガルバノスキャナ等によりライン光として照射する構成でも実現可能である。

また、制御部２０には、図２に示すように、この形状測定装置１００による被測定物体５１の形状測定の処理を制御する処理部２２と、エンコーダ２１の各々から出力される角度情報を用いてプローブ１２の空間座標及び姿勢（測定空間内の予め決められた点を原点とする座標及び姿勢であって、以下、「位置情報」と呼ぶ）を演算する位置演算部２３と、撮像素子４４から出力されるライン像（以下、「測定情報」と呼ぶ）及び位置演算部２３から出力される位置情報を用いて、被測定物体５１の形状情報を算出する形状演算部２４と、トルクセンサ２７から出力されるトルク情報により、各関節部１１ｂにかかるトルク（量及び方向）を演算するトルク演算部２８と、トルクセンサ２７から出力されるトルク情報やエンコーダ２１から出力される角度情報（若しくは、位置演算部２３から出力される位置情報）を用いて関節部１１ｂの回転動作を補助するための駆動部１５の回転方向及びトルクを演算する駆動力補助部２９と、を有して構成されている。なお、操作スイッチ２５からの出力（操作信号）は処理部２２に入力され、光源４１の点灯・消灯動作は処理部２２により制御される。また、形状演算部２４から出力された形状情報は、例えば、制御部２０に設けられた記憶部２６に記憶され、さらに、この形状情報は処理部２２で処理されて表示部３０に３次元画像として出力される。ここで、測定空間とは、この形状測定装置１００により、プローブ１２を移動させて被測定物体５１の空間座標を取得できる範囲（空間）を指している。また、制御部２０は、例えばコンピュータで実現され、処理部２２、位置演算部２３、形状演算部２４、トルク演算部２８及び駆動力補助部２９は、このコンピュータで実行されるプログラムとして実装される。

ここで、アーム部１１ａの長さ等の情報は既知であるため、制御部２０の位置演算部２３は、エンコーダ２１から出力された角度情報に基づいて、基台１３や基端側に位置するアーム部１１ａに対する、先端側に接続されたアーム部１１ａ若しくはプローブ１２の角度を算出することにより、プローブ１２の空間上の３次元座標（空間座標）を求めることができる。また同様に、プローブ１２における光源４１、ライン光形成光学系４２、撮像光学系４３及び撮像素子４４の位置（座標）も既知であるため、形状演算部２４は、三角測量の原理に基づいて撮像素子４４で取得された測定情報（ライン像）を処理することにより、撮像素子４４で撮像できる範囲内にある被測定物体５１の形状（ライン光が投影されている被測定物体５１の形状（例えば、この範囲の離散的に表される測定空間内での座標群として表現される））を演算して求めることができる。

なお、プローブ１２による被測定物体５１の形状情報の取得方法は、上述の光切断による三角測量による方法だけでなく、明視野画像を取得してコンピュータ解析により形状を測定する方法や、ステレオ画像を用いた三角測量による方法等を適宜用いることができる。

次に、この形状測定装置１００を用いて被測定物体５１の形状を測定する方法について図４を用いて説明する。なお、上述の図３において、被測定物体５１をライン光により走査する方向をｘ軸とし、ライン光の長手方向をｙ軸とし、ｘ軸及びｙ軸に直交する方向をｚ軸とする。操作者は、形状測定装置１００のプローブ１２を操作し、被測定物体５１の測定開始位置にこのプローブ１２を移動させる。そして、測定者は、被測定物体５１に対してプローブ１２を所定の距離及び角度に配置し、操作スイッチ２５をオン操作する。処理部２２は、操作スイッチ２５のオン操作を検知すると（ステップＳ１００）、光源４１を点灯させ、ライン光を被測定物体５０に照射する（ステップＳ１１０）。この状態で、測定者は、被測定物体５１の測定対象面に沿って（図３のｘ軸方向（ｘ軸および測定対象面に沿ったｘ軸に対応するｘ′軸、以下ｘ軸とｘ′軸をまとめてｘ軸と称する場合がある）に）所定の高さ（ｚ軸方向（ｚ軸方向若しくは物体面と切断線の距離、以下まとめてｚ軸方向と称する場合がある）の距離）でプローブ１２を移動させることにより、被測定物体５１の表面を走査する。処理部２２は、操作スイッチ２５がオン操作されると、所定の時間間隔で、位置演算部２３から位置情報を取得し（ステップＳ１２０）、さらに、撮像素子４４から測定情報（ライン像）を取得して形状演算部２４により被測定物体５１の形状情報を取得し（ステップＳ１３０）、その都度、この形状情報を記憶部２６に記憶する（ステップＳ１４０）。処理部２２は、操作スイッチ２５がオフ操作されるまで、この処理を繰り返すため、操作スイッチ２５がオン操作されている間にプローブ１２が走査した範囲の被測定物体５１の形状情報が記憶部２６に記憶される（ステップＳ１５０）。そして、操作スイッチ２５が測定者によりオフ操作されると、処理部２２は光源４１を消灯し（ステップＳ１６０）、それまでに取得した形状情報を記憶部２６から読み出して、被測定物体５１の走査範囲の３次元画像を生成し（ステップＳ１７０）、表示部３０に出力する（ステップＳ１８０）。このように、表示部３０に測定結果である３次元画像を表示することにより、形状情報を適切に取得できたか否かや、被測定物体５１のどの部分の形状情報を取得できたかなどを、測定者は、目視により、適宜確認することができる。

本実施形態に係る形状測定装置１００は、上述のように関節部１１ｂの各々に駆動部１５が設けられており、測定者の操作に応じて関節部１１ｂの回転動作を補助するように構成されている。以下に、補助方法について説明する。

［操作負荷の軽減制御］
上述のように、関節部１１ｂの各々にはトルクセンサ２７が取り付けられており、この関節部１１ｂにかかるトルク情報を検出するように構成されている。このトルクセンサ２７から出力されるトルク情報はトルク演算部２８に入力され、各々の関節部１１ｂにかかるトルクの量及び方向が求められる。また、駆動力補助部２９は、トルク演算部２８によりトルクの量及び方向が出力されるとその方向にアーム部１１ａ若しくはプローブ１２を回転させるように駆動部１５を作動させるための回転方向及びトルクを算出する。そして、処理部２２は、駆動力補助部２９により算出された回転方向及びトルクとなるように各々の駆動部１５の作動を制御する。なお、駆動力補助部２９は、トルク演算部２８から出力されるトルク量がゼロになるように駆動部１５をフィードバック制御するための回転方向及びトルク量を算出する。このように、関節部１１ｂにかかるトルクを検出し、測定射の測定動作を補助するように駆動部１５を作動させることにより、プローブ１２を操作する測定者の負荷を軽減することができ、長時間の測定操作が可能になる。

［等速制御］
次に、被測定物体５１の測定対象面に沿ってプローブ１２を移動させることにより、この測定対象面の形状を測定する際に、プローブ１２を一定の速度で移動させて計測データを正確に測定するための制御について図５を用いて説明する。

処理部２２は、操作スイッチ２５がオン操作されたのを検出すると（ステップＳ２００）、所定の時間が経過するのを監視する（ステップＳ２１０）。この所定の時間においては、駆動力補助部２９及び処理部２２により、上述の操作負荷の軽減制御を行うことにより、プローブ１２を操作する測定者の負荷を軽減することができる。なお、このように所定の時間が経過するまで待つのは、プローブ１２が被測定物体５１の測定対象面に沿って移動を開始したときには大きな力が必要であり、加速する期間であるので、このプローブ１２の移動速度が所定の速度になるまで待つためである。

ステップＳ２１０で、測定開始から所定の時間が経過したと判断すると、処理部２２は、駆動力補助部２９により、駆動部１５を作動させるための回転方向及びトルクを算出させる。具体的には、駆動力補助部２９は、まず、位置演算部２３から位置情報を取得してプローブ１２の（最も先端側に位置するアーム部１１ａの先端部の）移動ベクトル（移動方向及び速度）を演算して取得する（ステップＳ２２０）。また、ライン光を走査することにより測定情報を取得するのに最適な移動速度の範囲を算出して取得する（ステップＳ２３０）。さらに、移動ベクトルのうち移動速度が最適な移動速度の範囲に入っているか否かを判断し、この範囲から外れている場合には、最適な速度になるように、この移動ベクトルを補正するベクトルを算出する（ステップＳ２４０）。例えば、プローブ１２の移動速度が最適な移動速度の範囲より速い場合には、遅くする方向のベクトルを算出し、反対に、遅い場合には、速くする方向のベクトルを算出する。最後に、この補正ベクトルを、複数の関節部１１ｂのそれぞれの回転方向及びトルクに分解して処理部２２に渡すと、処理部２２によりこの回転方向及びトルクとなるように駆動部１５の各々の作動が制御される（ステップＳ２４０）。そして、処理部２２は、操作スイッチ２５がオフ操作されるまでステップＳ２２０からＳ２４０の処理を繰り返す（ステップＳ２５０）。このように、プローブ１２の移動速度が所定の速度内になるように駆動部１５を作動させることにより、形状演算部２４で取得される形状情報のデータムラが少なくなり、測定結果を安定させることができる。

［指向性制御］
最後に、プローブ１２に設けられた光学式センサ４０の指向性を考慮して、プローブ１２の移動方向を最適な方向となるように制御することにより、測定情報の精度を向上させる方法について説明する。この指向性制御においては、上述のステップＳ２３０での最適ベクトルの算出において、速度だけでなく、最適な移動方向も考慮する。すなわち、図３を用いて説明したように、光学式センサ４０は、ｙ軸方向に延びるライン光を被測定物体５１に照射して形状情報を取得するため、このライン光は、被測定物体５１に対してライン光の延びる方向と直交する方向（ｘ軸方向）に移動させると、最も効率良く形状情報を取得することができる。そのため、駆動力補助部２９は、位置演算部２３から位置情報を取得して、プローブ１２の向きを検出し、このプローブ１２が、ライン光と直交する方向に移動するように最適ベクトルの向きを決定する。また、光学式センサ４０の撮像素子４４で測定される測定情報（ライン像）がこの撮像素子４４の撮像範囲から離れる方向に移動している場合（撮像素子４４の中心から外側に移動している場合であって、例えば、被測定物体５１の測定対象面が、走査方向と直交する方向（図３のｚ軸方向もしくは物体面と切断面との距離）に変化している場合）には、それに応じてライン像が撮像素子４４の略中央部に移動するように、最適ベクトルの向きを決定する。

このように最適ベクトルを決定すると、処理部２２により、駆動力補助部２９から出力される回転方向及びトルクで駆動部１５の各々を制御することにより、測定者がプローブ１２を動かす力のうち、ｙ軸方向の力は打ち消されてこのプローブ１２はｘ軸方向に移動し、また、被測定物体５１に対して最適な距離及び方向でライン光が照射されるようにプローブ１２を移動させることができるので、形状情報の計測精度を向上させることができる。なお、ライン光を照射する傾斜方向も考慮し、最適な傾斜方向の範囲に入るように最適ベクトルを決定してもよい。

なお、以上に説明した操作負荷の軽減制御、等速制御及び指向性制御を同時に実行する（図５に示した処理手順で制御する）ように構成しても良いし、いずれかの制御若しくはこれらの制御の組合せを制御部２０に接続された図示しない入力装置から測定者に選択させるように構成しても良い。また、被測定物体５１に照射されるライン光はスリットを用いて作ることも可能である。

１１ 移動機構部 １１ａ アーム部 １１ｂ 関節部（接続部）
１２ プローブ １５ 駆動部 ２０ 制御部
２１ エンコーダ（角度情報検出部） ２７ トルクセンサ（トルク検出部）
４０ 光学式センサ ４１ 光源 ４２ ライン光形成光学系
４３ 撮像光学系 ４４ 撮像素子 ５１ 被測定物体
１００ 形状測定装置

Claims (7)

1. 光学式センサにより被測定物体を非接触で走査して当該被測定物体の形状の測定情報を出力するプローブと、
   アーム部、及び、前記アーム部間、若しくは、前記アーム部と前記プローブとを回転可能に接続する２以上の接続部を有し、所定の空間内で前記プローブを移動可能に支持する移動機構部と、
   前記接続部の各々に設けられ、当該接続部が接続する前記アーム部間、若しくは、前記アーム部と前記プローブとの角度情報を検出する角度情報検出部と、
   前記接続部に設けられ、当該接続部により接続された一方の前記アーム部若しくは前記プローブを他方の前記アーム部に対して回転駆動させる駆動部と、
   前記角度情報から前記プローブの移動を検出し、当該移動に応じて前記駆動部を作動させる制御部と、を有する形状測定装置。
2. 前記接続部の各々に設けられ、当該接続部にかかるトルクの大きさ及び方向を検出するトルク検出部を有し、
   前記制御部は、前記接続部の各々において、当該接続部に設けられた前記トルク検出部が検出したトルクの方向と同じ方向に、前記アーム部若しくは前記プローブを回転させるように当該接続部に設けられた前記駆動部を作動させる請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記制御部は、前記プローブの移動速度が所定の範囲内となるように、前記駆動部を作動させる請求項１または２に記載の形状測定装置。
4. 前記移動機構部は、３以上の接続部を有し、
   前記制御部は、前記プローブの移動方向が所定の方向となるように前記駆動部を作動させる請求項１〜３いずれか一項に記載の形状測定装置。
5. 前記プローブに設けられた前記光学式センサは、光源と、前記光源からの光をライン光として前記被測定物体に照射するライン光形成光学系と、前記ライン光の反射光を結像する撮像光学系と、前記反射光の像を検出する撮像素子と、有し、前記撮像素子により検出された前記像により、前記被測定物体の形状を測定するように構成され、
   前記制御部は、前記光学式センサの指向性に応じた方向に前記プローブが移動するように前記駆動部を作動させる請求項４に記載の形状測定装置。
6. 前記制御部は、前記プローブが前記被測定物体の表面に沿って前記ライン光が延びる方向と直交する方向に移動するように前記駆動部を作動させる請求項５に記載の形状測定装置。
7. 前記制御部は、前記撮像素子の略中央部に前記ライン光の像が位置するように前記駆動部を作動させる請求項５または６に記載の形状測定装置。

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