JP6173628B1 - 形状測定装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(以後、本明細書では、可動プローブヘッドを単にプローブヘッドと称することにする。)
図1に示されるように、プローブヘッド500は、ヘッド固定部501と、先端に測定チップ503を有するスタイラス502と、を有する。
プローブヘッド500は、ヘッド固定部501によって三次元測定機に取り付けられる。
ヘッド固定部501とスタイラス502との間には2つの回転機構510、520が設けられている。2つの回転機構としては、第1回転軸A1を回転軸とする第1回転機構部510と、第1回転軸A1に対して直交する第2回転軸A2を回転軸とする第2回転機構部520と、が設けられている。
形状測定装置が測定チップ503の位置を単なる3軸ではなく5軸で制御できることにより、複雑な形状のワークも高速に測定できる。
例えば、次の測定対象箇所に測定チップ503を移動させるにあたって、測定チップ503を第1点から第2点に移動させるときを考える(例えば図4を参照)。
形状測定装置は、目標点である第2点のポジション(x、y、z、α、β)が与えられれば、そのポジションまで測定チップ503を移動させることはできる。
ここで、αは第1回転機構部510の回転角(第1回転角)、βは第2回転機構部520の回転角(第2回転角)を表わすとする。つまり、測定チップ503が移動するというのは、三次元的な位置(X、Y、Z)の変化だけでなく、プローブヘッド500の姿勢(α、β)も変化することを意味する。
そして、目標点(第2点)に到達する。
ただ、目標点(第2点)には到達できるが、その途中の経路で測定チップ503がどう動くかは不明であり、測定チップ503がどう動くかはやってみないとわからない。
オペレータとしては、プローブヘッド500の移動時にスタイラス502とワークとが干渉しないように気を配る必要があるが、測定チップ503の軌道が簡単には予測できない以上、大きく余裕を見るか、あるいは、何度か試行して慎重に確かめる他ない。
先端に測定チップを有するスタイラスと、第1回転軸の回りに回転駆動する第1駆動軸と、前記第1回転軸に直交する第2回転軸の回りに回転駆動する第2駆動軸と、を有し、前記スタイラスの姿勢を前記第1駆動軸および前記第2駆動軸の回転動作によって変化させるプローブヘッドと、
互いに直交する3つの並進軸として第3駆動軸、第4駆動軸および第5駆動軸を有し、前記プローブヘッドの位置を三次元的に変位させる三次元測定機と、を備え、
前記測定チップの位置は、前記第3から第5駆動軸の座標値(T3、T4、T5)によって与えられるとともに、前記プローブヘッドの姿勢は、前記第1駆動軸の第1回転角αおよび前記第2駆動軸の第2回転角βによって与えられる形状測定装置の制御方法であって、
現在ポジションHs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)からスタートして目標ポジションHe(Te3、Te4、Te5、αe、βe)に至る移動経路において、制御周期ごとの補間点を前記第1から第5駆動軸ごとに求め、
前記第1回転軸と前記第2回転軸との交点を回転中心Qとするとき、前記第1および第2駆動軸の前記補間点(αi、βi)の値を加味した所定の変換式によって前記測定チップの前記補間点の座標値を前記回転中心Qの座標値に変換して制御用補間点Qiとし、
制御周期ごとに、前記第3から第5駆動軸は前記制御用補間点Qiに位置決め制御するとともに、前記第1および第2駆動軸は前記第1および第2駆動軸の前記補間点(αi、βi)に位置決め制御を行う
ことを特徴とする。
現在ポジションHs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)からスタートして目標ポジションHe(Te3、Te4、Te5、αe、βe)に至る速度パターンを前記第1から第5駆動軸についてそれぞれ生成し、
前記第3から第5駆動軸についてそれぞれ生成された前記速度パターンについては、共通の加減速時間および共通の所要時間で同期するように前記第3から第5駆動軸のそれぞれについて共通化速度パターンを生成する
ことが好ましい。
現在ポジションHs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)からスタートして目標ポジションHe(Te3、Te4、Te5、αe、βe)に至る速度パターンを前記第1から第5駆動軸についてそれぞれ生成し、
前記第1から第5駆動軸についてそれぞれ生成された前記速度パターンを共通の加減速時間および共通の所要時間で同期するように前記第1から第5駆動軸のそれぞれについて共通化速度パターンを生成する
ことが好ましい。
先端に測定チップを有するスタイラスと、第1回転軸の回りに回転駆動する第1駆動軸と、前記第1回転軸に直交する第2回転軸の回りに回転駆動する第2駆動軸と、を有し、前記スタイラスの姿勢を前記第1駆動軸および前記第2駆動軸の回転動作によって変化させるプローブヘッドと、
互いに直交する3つの並進軸として第3駆動軸、第4駆動軸および第5駆動軸を有し、前記プローブヘッドの位置を三次元的に変位させる三次元測定機と、を備え、
前記測定チップの位置は、前記第3から第5駆動軸の座標値(T3、T4、T5)によって与えられるとともに、前記プローブヘッドの姿勢は、前記第1駆動軸の第1回転角αおよび前記第2駆動軸の第2回転角βによって与えられる形状測定装置の制御方法であって、
現在ポジションHs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)からスタートして目標ポジションHe(Te3、Te4、Te5、αe、βe)に至る移動経路において、
前記測定チップの移動軌跡が直線である
ことを特徴とする。
先端に測定チップを有するスタイラスと、第1回転軸の回りに回転駆動する第1駆動軸と、前記第1回転軸に直交する第2回転軸の回りに回転駆動する第2駆動軸と、を有し、前記スタイラスの姿勢を前記第1駆動軸および前記第2駆動軸の回転動作によって変化させるプローブヘッドと、
互いに直交する3つの並進軸として第3駆動軸、第4駆動軸および第5駆動軸を有し、前記プローブヘッドの位置を三次元的に変位させる三次元測定機と、を備え、
前記測定チップの位置は、前記第3から第5駆動軸の座標値(T3、T4、T5)によって与えられるとともに、前記プローブヘッドの姿勢は、前記第1駆動軸の第1回転角αおよび前記第2駆動軸の第2回転角βによって与えられる形状測定装置の制御方法であって、
現在ポジションHs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)からスタートして目標ポジションHe(Ts3、Ts4、Ts5、αe、βe)に至る過程において、
前記測定チップの位置は変化せずに、前記プローブヘッドの姿勢だけが変化する
ことを特徴とする。
(第1実施形態)
図2は、形状測定システム100の全体構成を示す図である。
形状測定システム100の構成自体は既知のものであるが、簡単に説明しておく。
形状測定システム100は、三次元測定機200と、三次元測定機200の駆動を制御するモーションコントローラ300と、モーションコントローラ300を制御すると共に必要なデータ処理を実行するホストコンピュータ400と、を備える。
モーションコントローラ300からの駆動制御信号によって各駆動モータが駆動制御される。エンコーダは、Yスライダ231、Xスライダ241およびZスピンドル252それぞれの移動量を検出し、検出値をモーションコントローラ300に出力する。
Zスピンドル252の下端にプローブヘッド500が取り付けられている。
ここでいう駆動機構とは、例えば、ボールネジとモータの組み合わせなどを意味する。
プローブヘッド500は、ヘッド固定部501と、第1回転機構部510と、第2回転機構部520と、先端に測定チップ503を有するスタイラス502と、を有する。
また、ヘッド固定部501の下端に第1回転機構部510が設けられている。
第1回転機構部510は、第1ハウジング511と、第1モータ512と、第1シャフト513と、を有する。
第1ハウジング511は、ヘッド固定部501の下端に取り付けられている。
第1ハウジング511の内側に第1モータ512が内設され、第1モータ512の電機子に第1シャフト513が取り付けられている。
いま、第1シャフト513の回転軸を第1回転軸A1とする。
本実施形態では、第1回転軸A1の軸線方向は、Z軸方向に一致している。
第2ハウジング521は、第1シャフト513に連結されている。
第2モータ522は、第2ハウジング521に内設され、第2モータ522の電機子に第2シャフト523が取り付けられている。
以後の説明のため、この交差点を、回転中心Qと名付けることにする。
(電気的な接続がとれれば可動範囲に制限を設ける必要はなく、回転動作自体は何回転してもよい。)
図2あるいは図3において、正面手前が0°で、上方から見たときに左回りがプラス方向の回転で、右回りがマイナス方向の回転であるとする。
以下では、上記5軸の応答特性が同じであるという前提の下で本実施形態の制御方法を説明する。
もし、5軸の応答特性に違いがある場合、遅れがある要素の制御ゲインを調整しておく。
作成された測定経路情報はモーションコントローラ300に与えられ、モーションコントローラ300は測定経路に沿って測定チップ503がワーク表面を倣い測定するように三次元測定機200およびプローブヘッド500の各駆動軸を駆動制御する。
以下、本実施形態に係る形状測定装置の制御方法を説明する。
具体的な制御ステップを説明する前に、本実施形態が目指す形状測定装置の動作を概略説明しておく。
例えば、図4に例示するように、プローブヘッド500を第1点P1から第2点P2に移動させるときを考える。
(このとき、三次元的な位置(X、Y、Z)だけでなく、プローブヘッド500の姿勢(α、β)も変わる。)
プローブヘッド500が位置も変えつつ姿勢も変えるとなると、第1回転機構部510および第2回転機構部520の回転動作もあるのであるから、単純に考えると、測定チップ503の移動軌跡は直線にはならない。
この点、本実施形態では、測定チップ503の移動経路が容易に予測できるようにする。具体的には、測定チップ503の移動の軌跡が直線になるようにする。
図5、図7の動作は主としてモーションコントローラ300にて実行される。
ここで、プローブヘッド500の移動および姿勢を制御するにあたっては、三次元的な座標位置(x、y、z)だけでなく、プローブヘッド500の姿勢(第1回転機構部510および第2回転機構部520の目標角度(α、β))も必要である。
単に三次元的な座標位置(x、y、z)を表わしたい場合は、"位置(ロケーション)"ということにする。
また、三次元測定機200およびプローブヘッド500の動作制御には、ワーク座標系、プローブ座標系およびマシン座標系といった各種の座標系が必要になる。
座標系の種別を明確にする必要があるときにはその旨を明記するが、座標系の区別が必要ない、あるいは、前後の文脈から明らかな場合には座標系の種別を省略する場合がある。
Twi=(Twix、Twiy、Twiz)
現在位置をTws=(Twsx、Twsy、Twsz)で表わし、目標位置をTwe=(Twex、Twey、Twez)で表わすことにする(図6参照)。
ワーク座標系の位置(ロケーション)とプローブ座標系の角度とを合わせて、ポジションHi(Twix、Twiy、Twiz、αi、βi)とする。
現在ポジションをHs(Twsx、Twsy、Twsz、αs、βs)とし、目標ポジションをHe(Twex、Twey、Twez、αe、βe)とする。
速度パターンの生成手順(ST110)を図7のフローチャートを参照して説明する。
この処理自体は従来通りである。
現在ポジションHs(Twsx、Twsy、Twsz、αs、βs)と目標ポジションHe(Twex、Twey、Twez、αe、βe)とが与えられている。現在ポジションで初速ゼロから移動を開始し、加速し、上限速度に達したら定速に移行し、その後減速して目標ポジションで停止する。このような速度パターンを生成する方法は種々知られている(例えば特開2014−48095)。
図8、図9、図10は、それぞれ三次元測定機200のX駆動軸240、Y駆動軸230、Z駆動軸250の速度パターンである。
(具体的には、Xスライダ241、Yスライダ231、Zスピンドル252の移動速度パターンである。)
例えば、図8はX駆動軸240の速度パターンである。
時刻ta(X)まで加速して上限速度に達し、定速に移行して、時刻te(X)で停止する。
図8、図9、図10において添え字の表記ルールを統一し、冗長な説明は省略する。
また、図10(Z駆動軸250)の速度パターンのように、上限速度に達する前に減速開始になっていて定速移動の領域が無い場合、このような移動モードを三角モードと称することにする。
(具体的には、第1モータ512、第2モータ522の回転角速度である。)
ST112において、モーションコントローラ300は、所要時間が最大の駆動軸を特定する。
te(X)からte(A2)を比較し、最も長いものを特定する。
ここでは、X軸方向の移動距離が一番長く、te(X)が一番長いとする。そして、所要時間teが最大である駆動軸のパラメータを共通パラメータとする(ST113)。
ここでは、X駆動軸240の速度パターンから、共通移動時間tecはX駆動軸の移動時間te(X)であり、共通移動モードは台形モードであり、共通加速時間tacはta(X)であり、共通減速時間tdcはtd(X)である。
所要時間が最大であるX駆動軸240の速度パターンはもともと共通パラメータが使用されているわけであるから、そのままでよい(図13)。
X駆動軸以外の速度パターンについて、移動時間te、移動モード、加速時間taおよび減速時間tdを共通パラメータに揃えるようにする(図14から図17)。
例えば、第2回転機構部520を例に説明する(図17)。
第2回転機構部520のもともとの移動モードは三角モードであったが、これを台形モードにする。そして、加速時間ta(A2)を共通加速時間tacとし、減速時間td(A12)を共通減速時間tdcとし、移動時間te(A2)を共通移動時間tecにする。
ただし、移動距離(回転角)は同じまま保存されなければならないので、共通化前と共通化後とで移動距離(回転角)が同じになるように加速度の大きさを調整する。
このようにして5軸が共通パラメータで同期した速度パターン(図13から図17)が得られる。
つまり、モーションコントローラ300の1制御周期がΔtであるとして、制御周期ごとの目標点を駆動軸ごとに算出しておく。
制御周期ごとの目標点を補間点と称することにする。
共通移動時間tecを制御周期Δtで割ったときの商をnとする。
n=(tec/Δt)
5つの駆動軸の速度パターンの時間をn等分し、1制御周期Δtにおける増分を順に加算していけば、補間点が求まる。
なお、図18では、1制御周期Δtにおける変位量ΔTwixを((Vx(i−1)+Vxi)×Δt/2)で求めるようにしているが、Vx(i−1)×Δtとしてもよいし、Vi×Δtとしてもよいし、速度パターンが曲線で与えられるような場合にはより精密に演算(積分)して求めるようにしてもよい。
このようにして駆動軸ごとに補間点が求まる。
Hi(Twix、Twiy、Twiz、αi、βi)
三次元測定機200の駆動制御にあたっては、マシン座標系の指令に変換する必要がある。指令は、ワーク座標系において測定チップ503の座標として与えられている。これを、本実施形態では、マシン座標系におけるプローブヘッド500の回転中心QMの座標に変換する(ST130)。
ワーク座標系でみたときのプローブヘッド500の回転中心Qの位置をQWで表わす。さらに、プローブ座標系でみたときのプローブヘッド500の回転中心Qの位置をQPで表わす。
いま、プローブ座標系の原点を測定チップ503(の中心)にとり、第1回転角α=第2回転角β=0としたときの回転中心Qの座標をQp0(Qpx0、Qpy0、Qpz0)とする(図19参照)。そして、第1回転角がαで、第2回転角がβのときの回転中心Qの座標をQp(Qpx、Qpy、Qpz)で表わすとする(図20)。
このとき、第1回転角α、第2回転角βのときの回転中心Qpの位置は、Qp0(Qpx0、Qpy0、Qpz0)を第1回転軸回りにα、第2回転軸回りにβ回転させたところにある(例えば図20参照)。
このとき、任意の第1回転角α、第2回転角βのときの回転中心Qの座標Qp(Qpx、Qpy、Qpz)は次のようになる。
各制御補間点Hiに対応する回転中心Qwiを算出しておく必要がある。
プローブ座標系での回転中心Qpiの補間点Qpi(Qpix、Qpiy、Qpiz)は、その時その時の第1回転角αiおよび第2回転角βiを用いて求められる。
ワーク座標系における回転中心Qwi(Qwix、Qwiy、Qwiz)の座標は次のようになる(図21参照)。
(Qwi、Twi、Qpiはベクトル)
成分を明示的に表わすと次のようになる。
(QMi、Qwiはベクトル)
QMi=[MCW]Qwi+Ow
これでマシン座標系における制御用補間点QMiが求まる。
計算の意味を少し振り返って説明する。
現在ポジションHs(Twsx、Twsy、Twsz、αs、βs)から目標ポジションHe(Twex、Twey、Twez、αe、βe)に変位するにあたり、位置情報(ロケーション情報)だけを抜き出して見ると、現在位置Tws(Twsx、Twsy、Twsz)から目標位置Twe(Twex、Twey、Twez)への変位である(図6参照)。
現在位置Tws(Twsx、Twsy、Twsz)から目標位置Twe(Twex、Twey、Twez)にプローブヘッド500を変位させるのに、三次元測定機200のX駆動軸240、Y駆動軸230およびZ駆動軸250を駆動させる。
このとき、本実施形態では、速度パターン(ST110)の生成にあたって、ST113で共通パラメータを決定し、ST114において、共通パラメータを用いた共通化速度パターンを求めた。
第1回転機構部510の速度パターンおよび第2回転機構部520の速度パターンまで含めて共通化する利点については後述する。
このように3軸同期した動きを合成すると、現在位置Tws(Twsx、Twsy、Twsz)から目標位置Twe(Twex、Twey、Twez)に向かう直線経路ができる(図6参照)。
Hi(Twix、Twiy、Twiz、αi、βi)
(もちろん、プローブヘッド500の回転中心Qの軌跡は直線ではなく、曲線になり得る。)
三次元測定機200の移動機構220はもともと3軸同期制御がとれていることもある。
この場合、三次元測定機200の移動機構220の速度パターンは、もともとX駆動軸240、Y駆動軸230およびZ駆動軸250の速度が合成された合成速度Vsynの速度パターンとして得られる。
この場合、X駆動軸240、Y駆動軸230およびZ駆動軸250の速度パターンを共通化する手順(ST112−ST114)は必要ないが、逆に、制御補間点を算出する場合に、X方向、Y方向およびZ方向に分解する必要がある。
いま、1制御周期Δt当たりの移動量ΔTsyniを((Vsyn(i−1)+Vsyni)/2)×Δtとする。
また、現在位置Tws(Twsx、Twsy、Twsz)から目標位置Twe(Twex、Twey、Twez)に向かう直線移動の方向余弦を(I、J、K)とする。
このとき、ΔTwxi=I・ΔTsyni、ΔTwyi=J・ΔTsyni、ΔTwzi=K・ΔTsyni、である。
したがって、制御用補間点Twix、Twiy、Twizは次のようになる。
Twiy=Tw(i−1)y+ΔTwiy=Tw(i−1)y+J・ΔTsyni
Twiz=Tw(i−1)z+ΔTwiz=Tw(i−1)z+K・ΔTsyni
上記実施形態では、測定チップ503の座標として与えられていた指令をプローブヘッド500の回転中心Qの座標値に変換して、回転中心Qを制御目標点としている。
一方、速度パターンの算出(ST111)にあたっては、測定チップ503の移動を基準に考えている。したがって、変換処理後の回転中心Qの速度が最大速度以内に収まっている保証はなく、回転中心Qの速度が最大速度を超えてしまっている可能性がある。この場合、回転中心Qの最大速度を考慮して、測定チップ503の移動速度を逆算して修正する必要がある。
測定チップ503の移動軌跡を直線にすることだけを考えると、X駆動軸240、Y駆動軸240およびZ駆動軸250の3軸を同期させておけばよい。 ただし、第1回転機構部510および第2回転機構部520を同期させなかった場合、回転中心Qの軌道の曲率がきつくなる(曲率が大きくなる)可能性が高まると考えられる。
例えば、第1回転機構部510および第2回転機構部520の速度パターンを図11、図12のままにして共通化しなかったとする。
すると、回転中心Qの軌道は、例えば図23のように、曲線的な軌道CP1を経た後、直線LP1を移動するようになると予想される。
一方、上記実施形態のように5軸すべてを同期させておけば、回転中心Qの軌跡は、全体的にゆるやかな曲線となり(図21あるいは図22参照)、回転中心Qの加速度が三次元測定機200の耐加速度を超える可能性が低くなる。したがって、単純な数学的解法の問題ではなく、現実の三次元測定機200の駆動性能(例えば耐加速度性能)も含めて考えるとき、5軸のすべてを同期制御することが好ましいといえる。
上記実施例では、測定チップ503の移動の軌跡が直線になる場合を例示した。
ここで、測定チップ503の位置の変化はないが、例えば図24に例示するように、プローブヘッド500の姿勢だけを変更したいような場合も有り得る。
もし従来技術をそのまま適用すると、最終的には測定チップ503は同じ位置に戻ってくるとしても、その途中の段階では測定チップ503(スタイラス502)が第1回転機構部510および第2回転機構部520の回転に伴ってかなり振り回されると予想される。
オペレータとしては測定チップ503を移動させている認識がないので測定チップ503(あるいはスタイラス502)とワークとが干渉するなどと思いもよらないかもしれないが、実際には測定チップ503(スタイラス502)がかなり動くことになり、測定チップ503(あるいはスタイラス502)とワークとの干渉が生じうる。
これに対し、本発明を適用すると、測定チップ503が全く動かずに、プローブヘッド500の姿勢だけを変更できることになる。
したがって、測定チップ503(あるいはスタイラス502)とワークとが意図しない干渉をすることはなくなる。
例えば、オペレータが測定チップの移動軌跡を直線の他、任意の円弧や、折れ曲がった直線など、任意に設定してもよい。
そのときそのときの第1回転角αiおよび第2回転角βiを織り込んだ変換で制御用補間点Qiを求め、X、Y、Z駆動軸がこの制御用補間点Qiを位置決め目標にすれば、測定チップの移動軌跡はオペレータが意図した通りになる。
Claims (3)
- 先端に測定チップを有するスタイラスと、第1回転軸の回りに回転駆動する第1駆動軸と、前記第1回転軸に直交する第2回転軸の回りに回転駆動する第2駆動軸と、を有し、前記スタイラスの姿勢を前記第1駆動軸および前記第2駆動軸の回転動作によって変化させるプローブヘッドと、
互いに直交する3つの並進軸として第3駆動軸、第4駆動軸および第5駆動軸を有し、前記プローブヘッドの位置を三次元的に変位させる三次元測定機と、を備え、
前記測定チップの位置は、前記第3から第5駆動軸の座標値(T3、T4、T5)によって与えられるとともに、前記プローブヘッドの姿勢は、前記第1駆動軸の第1回転角αおよび前記第2駆動軸の第2回転角βによって与えられる形状測定装置の制御方法であって、
現在ポジションHs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)からスタートして目標ポジションHe(Te3、Te4、Te5、αe、βe)に至る移動経路において、制御周期ごとの補間点を前記第1から第5駆動軸ごとに求め、
前記第1回転軸と前記第2回転軸との交点を回転中心Qとするとき、前記第1および第2駆動軸の前記補間点(αi、βi)の値を加味した所定の変換式によって前記測定チップの前記補間点の座標値を前記回転中心Qの座標値に変換して制御用補間点Qiとし、
制御周期ごとに、前記第3から第5駆動軸は前記制御用補間点Qiに位置決め制御するとともに、前記第1および第2駆動軸は前記第1および第2駆動軸の前記補間点(αi、βi)に位置決め制御を行う
ことを特徴とする形状測定装置の制御方法。 - 請求項1に記載の形状測定装置の制御方法において、
現在ポジションHs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)からスタートして目標ポジションHe(Te3、Te4、Te5、αe、βe)に至る速度パターンを前記第1から第5駆動軸についてそれぞれ生成し、
前記第3から第5駆動軸についてそれぞれ生成された前記速度パターンについては、共通の加減速時間および共通の所要時間で同期するように前記第3から第5駆動軸のそれぞれについて共通化速度パターンを生成する
ことを特徴とする形状測定装置の制御方法。 - 請求項1または請求項2に記載の形状測定装置の制御方法において、
現在ポジションHs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)からスタートして目標ポジションHe(Te3、Te4、Te5、αe、βe)に至る速度パターンを前記第1から第5駆動軸についてそれぞれ生成し、
前記第1から第5駆動軸についてそれぞれ生成された前記速度パターンを共通の加減速時間および共通の所要時間で同期するように前記第1から第5駆動軸のそれぞれについて共通化速度パターンを生成する
ことを特徴とする形状測定装置の制御方法。
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