JPH0663760B2 - 三次元測定方法及び測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は三次元測定方法及び装置、特にタッチ信号プロ
ーブを用いる方法及び装置の改良に関するものである。

［従来の技術］ 被測定物の三次元形状などを測定するため三次元測定装
置が周知であり、被測定物の加工状態などを検査するた
め各種分野で用いられている。

このような三次元測定装置は、一般に第６図に示すよう
に構成されている。

同図に示す三次元測定装置は、ベッド10上に設けられた
テーブル12と、該テーブル両側に立設された支柱14,16
と、該支柱14,16にＹ軸方向に摺動自在に支持されたＸ
ビーム18と、該Ｘビーム18にＸ軸方向に摺動自在に支持
されたスライダーと、該スライダーにＺ軸方向に摺動自
在に支持されたＺ軸スピンドル20と、を含む。

前記Ｚ軸スピンドル20の下端にはタッチ信号プローブ22
が設置されている。

そして、キーボード23からの入力情報に基づき、前記タ
ッチ信号プローブ22をテーブル12上に載置されたワーク
24に接触させ、その発生する接触信号により検出される
位置座標をマイクロコンピューター26で演算処理し、前
記ワークなどの寸法等をプリンター等に出力する。

ところで、このような三次元測定装置の測定誤差は、測
定装置本体の精度と、プローブ検出精度に起因するが、
従来は測定装置のスピンドルのたわみ等に由来する本体
精度がプローブの検出精度に比較し低く、各々の要因の
精度的バランスからプローブ側の要因は許容されてき
た。

しかしながら、近年の高精度測定の要望から、測定装置
本体側の要因に対して高剛性で高精度な構造及び有効な
補正方法が確立されつつあり、測定装置本体の精度は向
上している。

これに対し、プローブ側の要因は、例えば接触子を円盤
により支持したり、接触子の支持点を増加させたり、接
触子の変位を検出する手段として圧電素子を用いるなど
種々ロービング特性についての改善がなされてきた。

このロービング特性は、プローブのワークへの接触方向
毎に異なって生じる測定誤差であり、例えば、プローブ
先端の接触子が３点支持されている場合、該支持点方向
に接触子が移動してワークに接触した場合と、各支持点
の中間方向に接触子が移動してワークに接触した場合と
では、接触子とワークの間に生じる測定力に差異を生
じ、測定子のたわみあるいは不感量の相違などにより誤
差が生じてしまうのである。

［発明が解決しようとする課題］ 従来技術の問題点 しかしながら、従来においてはこのロービング特性（方
向性）について、未だ十分な解決策がなされていなかっ
た。

すなわち、このような従来の構造面で改善されたタッチ
信号プローブによると、複雑かつ正確なプローブ構造が
必要となり高価となると共に、三次元全ての方向でのロ
ービング特性を十分に改善するには至ってはいない。

発明の目的 本発明は前記従来技術の問題点に鑑みなされたものであ
り、その目的は取扱が容易でしかもプローブの有するロ
ービング特性を的確に補正することのできる三次元測定
方法及び装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、本発明にかかる三次元測定
方法は、基準球測定工程と、補正値演算工程と、測定値
補正工程と、を含む。

前記基準球測定工程は、所定の直径及び十分な真球度を
有する基準球の表面を所定の複数領域に分割し、各分割
領域に対し各々法線方向からタッチ信号プローブを接触
させて測定信号を得る。

前記補正値演算工程は、前記基準球測定工程で得られた
測定値から基準球の仮想球形状を求め、該仮想球形状を
前記基準球形状に投影し、前記仮想球形状と前記基準球
形状の偏差を求め、さらにこの偏差を補正値として前記
分割表面に対応して記憶する。

補正値演算工程は、ワーク測定面に対し略法線方向から
タッチ信号プローブを接触させ、この接触点における位
置座標及び移動方向を検出し、この移動方向から特定方
向が略一致する前記基準球の分割領域を選択し、この分
割領域に相当する補正値を読みだし、前記位置座標を補
正する。

なお、補正値演算工程では、測定機本体に起因する誤差
の補正値を併せて補正・記憶することが好適である。

また、本発明にかかる三次元測定装置は、タッチ信号プ
ローブと、プローブ駆動機構と、座標読み取り機構と、
基準球と、基準球測定機構と、補正値演算機構と、測定
値補正機構と、を備える。

そして、前記基準球は、所定の直径及び十分な真球度を
有する。

基準球測定機構は、該基準球を所定の複数領域に分割
し、該分割領域の代表点にプローブを接触させその座標
を読み取る。

補正値演算機構は、前記基準球測定機構で得られた測定
値から基準球の仮想形状を求め、該仮想球形状を前記基
準球形状に投影し、前記仮想球形状と前記基準球形状の
偏差を求め、さらにこの偏差を前記分割表面に対応して
補正値として記憶する。

測定値補正機構は、ワーク測定面に対し略法線方向から
タッチ信号プローブを接触させ、この接触点における位
置座標及び移動方向を検出し、この移動方向から測定方
向が略一致する前記基準球の分割領域を選択し、この分
割領域に相当する補正値を読みだし、前記位置座標を補
正する。

なお、本発明において、補正値演算機構は、測定機本体
に起因する誤差を併せて補正・記憶することが好適であ
る。

［作用］ 本発明にかかる三次元測定方法及び測定装置は前述した
手段を有するので、テーブル上の基準球を所定の分割領
域に分割し、プローブ移動機構により各分割領域の代表
点にプローブを法線方向より移動・接触させ、座標読み
取り機構により各分割領域の代表点の座標を読み取る。

そして、代表点座標より演算された基準球の仮想形状
と、該基準球の実形状が比較され、その偏差がロービン
グ特性の補正値として用いられる。

従って、三次元方向へのプローブの移動方向毎のロービ
ング特性に対応した補正値を得ることができる。

また、補正値演算の段階で、測定装置本体に由来する誤
差の補正値も加味することで、ロービング特性の補正に
対する本体補正の干渉を排除することができ、より高精
度な測定を行うことができる。

以上のように、本発明によれば、個々の測定に当たって
の位置座標、移動方向により最適の補正量を得ることが
でき、個々のプローブなどによって異なるロービング特
性を適切に補正することが可能となる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明す
る。

第１図には、本発明の一実施例にかかる三次元測定装置
の主要構成が模式的に示されている。なお、前記従来技
術と対応する部分には符号100を加えて示し、説明を省
略する。

本実施例にかかる三次元測定装置は、テーブル112上に
基準球150を設け、該基準球150の測定をワーク124の測
定に先立って行うことによりロービング特性の影響を除
去しようとするものである。

すなわち、同図に示す装置は、プローブ駆動機構152
と、座標読み取り機構154と、基準球測定機構156と、補
正値演算機構158と、測定値補正機構160と、を含む。

そして、前記プローブ駆動機構152は、測定器の支柱、
Ｘビーム、スライダーに各設置された駆動モーター162
を駆動制御し、タッチ信号プローブ122を所定位置に移
動する。

また、座標読み取り機構154は、同じく測定器の支柱、
Ｘビーム、スライダーに設けられたエンコーダ164より
プローブの移動量をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸毎に読み取
り、プローブ122の（X,Y,Z）座標を出力する。

基準球測定機構156は、仮中心座標演算部166,分割領域
演算部168,方向信号演算部170よりなる。

そして、仮中心座標演算部は、所定の半径Ｒの基準球15
0にプローブ122を３点接触させて得た座標値より該基準
球150の仮中心座標を演算する。

分割領域演算部168は、前記基準球150の仮中心座標及び
半径Ｒより特定される基準球150を予め設定された所定
数の分割領域に分割する。

方向信号演算部170は、前記各分割領域の代表点を定
め、該代表点に対しその法線方向からプローブ122を接
触させるよう方向信号を演算する。

そして、該方向信号はプローブ駆動機構152に入力さ
れ、プローブ122を基準球150の各代表点に接触させ、座
標読み取り機構154により各代表点の座標が読み取られ
る。

補正値演算機構158は、中心座標演算部172,代表点位置
演算部174,補正値演算部176,補正値記憶部178よりな
る。

中心座標演算部172は、前記基準球150の各代表点座標よ
り統計的に基準球150の中心座標を演算する。

代表点位置演算部174は、中心より各代表点の離隔距離
ｒを演算する。

補正値演算部176は、基準球150の半径Ｒと、中心より各
代表点の離隔距離ｒを比較し、その差を該分割領域の補
正値として補正値記憶部178に記憶する。

一方、測定値補正機構160は、移動方向判別部180,補正
値読み出し部182,測定値補正部184よりなる。

そして、移動方向判別部180は、プローブ122が実際にワ
ーク124を測定する際、そのプローブ移動方向を判別す
る。

補正値読み出し部182は、前記プローブ移動方向と略一
致する方向の分割領域を選択し、該分割領域に対応した
補正値を前記補正値記憶部178より読み出す。

そして測定値補正部184は、ワークの測定座標を前記読
み出された補正値により補正し、出力する。

なお、本実施例において、各機構は制御部186により制
御されており、初期データはキーボード188を介して入
力されると共に、補正された測定座標は制御部186を介
してディスプレイあるいはプリンターなどの出力器190
に出力される。

本実施例にかかる三次元測定装置は概略以上のように構
成され、以下にその作用について説明する。

まず、測定者はキーボードより基準球150の半径Ｒを入
力し、その上でプローブ122を移動させ基準球150に三点
で接触させる。なお、半径Ｒが定まっているため三点測
定で基準球150は一応特定される。

そして、仮中心座標演算部166は、その特定された基準
球150の仮中心Ｏ′の座標（xo′,yo′zo′）を算出し、
基準点（0,0,0）とする。

次に、第２図にも示されるように、分割領域演算部168
により基準球150を所定数に分割する。

すなわち、三次元測定機本体の座標系におけるXZ平面及
びXY平面を基準として、基準球150を各々経度方向及び
緯度方向に所定ピッチθ1,φ１で分割すると、球表面上
に投影される各々の分割境界点座標は球座標ベクトル
（θi,φｊ）Ｒとして求められる。

ここで、球表面の各分割された分割領域を考えると、そ
の微細表面は第３図に示すように隣接する４本のベクト
ル（θi,φｊ）R,（θi+1，φｊ）R,（θi,φj+1）R,
（θi+1，φj+1）Ｒで特定され、本実施例においては、
方向信号演算部170により各微細表面の中心点を代表点
として前記４本のベクトルからその代表点ベクトル（θ
i0,φj0）Ｒを求める。

そして、第４図に示すように、方向信号演算部170はこ
の代表点ベクトルより、法線方向から各代表点を測定す
るための測定機の直角座標系における方向信号（l,m,
n）を算出する。

ｌ＝−Rcosφj0cosθi0 ｍ＝−Rcosφj0sinθi0 ｎ＝−Rsinφj0 この方向信号はプローブ駆動機構152に順次入力され、
該プローブ駆動機構152はその方向信号にしたがって基
準球150の各分割領域の代表点を自動的に測定する。

そして、基準球150の各代表点の座標が座標読み取り機
構154により読み取られると、その代表点座標信号は中
心座標演算部172に入力される。

該中心座標演算部172では、統計的演算により基準球150
の中心Ｏの座標（xo,yo,zo）が求められる。

そして、前記各代表点の座標（xi,yi,zi）をこの中心Ｏ
の座標からの値に修正すると共に、各測定値の中心座標
からの離隔距離ｒを求める。

この段階で、ロービング特性による誤差を含んだ基準球
の仮想形状が得られることとなる。

そして、該仮想形状と基準球の実形状を比較することに
よりロービング特性による誤差を得ることができる。

そこで、この各代表点の中心座標からの離隔距離ｒより
基準球半径Ｒを差し引き、その値を各々分割領域に対応
した補正値Nij＝ｒ−Ｒとして、第５図に示すような補
正値記憶部178のメモリテーブル上に記憶される。

以上のようにして、プローブ122の移動方向別のロービ
ング特性の補正量が決定された後、実際のワーク124の
測定が行われる。

すなわち、制御部186よりの所定の制御によりプローブ1
22が移動し、ワーク124と接触した時点で座標読み取り
機構154が接触位置座標を読み取る。

なお、プローブの移動は、ワーク124に対して所望接触
点でワーク表面の略法線方向より接触するよう予めプロ
グラムされている。

そして、座標読み取り機構154より出力される座標信号
は測定値補正機構160の移動方向判別部180及び測定値補
正部184に入力される。

前記移動方向判別部180では、プローブ122の移動方向
（ｌ′,m′,n′）が検出され、この移動方向を第４図に
示すようにして極座標方向成分（θ′，φ′）に変換す
る。

そして補正値読み出し部182はこの（θ′，φ′）を前
記補正値記憶部178に記憶されたテーブルの分割領域の
方向成分（θi,φｊ）と比較し、ほぼ一致する分割領域
を選択し、その補正量が読み出される。

該補正値は、測定値補正部184に入力され、前期測定値
を補正した上で出力される。

そして、制御部186は出力器190上に補正された測定値を
表示する。

以上のように、本実施例にかかる三次元測定装置によれ
ば、プローブ122のワーク124への接触方向毎に異なるロ
ービング特性を的確に補正することが可能となる。

なお、本実施例においては、測定機本体の誤差について
は、他の手段による検査に依存することとしたが、本発
明において、ロービング特性の修正と併せて本体誤差の
修正を行うことも好適である。

すなわち、測定機本体には、例えばスピンドルのたわみ
等による誤差が生じているが、それはいわゆる空間多点
補正により修正される。

この空間多点補正では、例えばプローブ取り付け位置に
移動リフレクタを設置し、他の固定点上にレーザー発振
器を該移動リフレクタに向けて配置する。

そして、レーザー発振器よりのビームをビームスプリッ
タにより分離し、基準位置に設けられた固定リフレクタ
と前記移動リフレクタの双方にレーザービームを照射
し、その反射光の干渉より固定リフレクタと移動リフレ
クタの相対位置関係を検出する。

さらに、このレーザー干渉計による距離出力と三次元測
定装置の変位出力との差を読むことにより測定機本体の
誤差を測定することができる。

そこで、本発明において、第１図に示すように、本体側
補正値演算部200を設け、前記補正値演算機構158の補正
値演算部176にこの測定機本体の誤差を併せて入力し、
補正値記憶部178に記憶させることにより、きわめて高
精度の補正を行うことが可能となる。

すなわち、本実施例によれば、基準球測定値から本体側
誤差を解消した状態で純粋なロービング特性の補正値が
得られ、実際のワーク測定において本体側補正値の干渉
が避けられ、より高精度の測定値を得ることができるの
である。

［発明の効果］ 本発明は以上のように構成されているので、次のような
効果を奏する。

請求項１に記載の三次元測定方法によれば、基準球の分
割領域をその法線方向より実際に測定して測定方向毎の
ロービング特性を検出し、測定値を補正することとした
ので、プローブのロービング特性に基づく測定誤差を的
確に修正することができる。

請求項２に記載の三次元測定方法によれば、別個に測定
された本体側に起因する測定誤差も併せて補正すること
としたので、本体側誤差の干渉を除去した状態でロービ
ング特性の補正を行うことが可能となる。

請求項３に記載の三次元測定装置のよれば、基準球と、
該基準球の分割領域をそれぞれ測定する基準球測定機構
と、その測定結果に基づきロービング特性補正値を算出
する補正値演算機構を備えたので、プローブのロービン
グ特性による誤差を解消した状態で高精度の測定を行う
ことができる。

請求項４に記載の三次元測定装置によれば、測定値演算
機構には、本体の誤差も併せて演算・記憶されるので、
ロービング特性の補正を本体誤差の干渉を排除した状態
で行うことができ、より高精度の測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかる三次元測定装置の要部の構成
図、 第２図は、第１図に示した装置に用いられる基準球の説
明図、 第３図は、第２図に示した基準球の分割領域の説明図、 第４図は、プローブ移動時の方向信号の演算状態を示す
説明図、 第５図は、補正値記憶部の記憶テーブルの説明図、 第６図は、一般的な三次元測定装置の外観斜視図であ
る。 12,112……テーブル 22,122……タッチ信号プローブ 24,124……ワーク 150……基準球 152……プローブ駆動機構 154……座標読み取り機構 156……基準球測定機構 158……補正値演算機構 160……測定値補正機構

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ワークにタッチ信号プローブを接触させ、
   該プローブより発するタッチ信号によりワークとプロー
   ブとの接触位置の三次元座標を得る三次元測定装置にお
   いて、 所定の直径及び十分な真球度を有する基準球の表面を所
   定の複数領域に分割し、各分割領域に対し各々法線方向
   からタッチ信号プローブを接触させて測定信号を得る基
   準球測定工程と、 前記基準球測定工程で得られた測定値から基準球の仮想
   形状を求め、該仮想球形状を前記基準球形状に投影し、
   前記仮想球形状と前記基準球形状の偏差を求め、さらに
   この偏差を前記分割表面に対応する補正値として記憶す
   る補正値演算工程と、 ワーク測定面に対し略法線方向からタッチ信号プローブ
   を接触させて該接触点における位置座標及び移動方向を
   検出し、この移動方向から測定方向が略一致する前記基
   準球の分割領域を選択し、この分割領域に相当する補正
   値を読みだし、前記位置座標を補正する測定値補正工程
   と、 を備えたことを特徴とする三次元測定方法。
2. 【請求項２】請求項（１）に記載の方法において、補正
   値演算工程では、測定機本体に起因する誤差の補正値を
   併せて補正・記憶することを特徴とする三次元測定方
   法。
3. 【請求項３】三次元方向に移動可能に支持され、テーブ
   ル上のワークとの接触によりタッチ信号を発するタッチ
   信号プローブと、 該タッチ信号プローブを所定方向に移動させるプローブ
   移動機構と、 プローブより発するタッチ信号に基づき、プローブとワ
   ークとの接触点の位置座標を読み取る座標読み取り機構
   と、 を備えた三次元測定装置において、 所定の直径及び十分な真球度を有する基準球と、 該基準球を所定の複数領域に分割し、該分割領域の代表
   点にプローブを接触させその座標を読み取る基準球測定
   機構と、 前記基準球測定機構で得られた測定値から基準球の仮想
   形状を求め、該仮想球形状を前記基準球形状に投影し、
   前記仮想球形状と前記基準球形状の偏差を求め、さらに
   この偏差を前記分割表面に対応する補正値として記憶す
   る補正値演算機構と、 ワーク測定面に対し略法線方向からタッチ信号プローブ
   を接触させ、この接触点における位置座標及び移動方向
   を検出し、この移動方向から測定方向が略一致する前記
   基準球の分割領域を選択し、この分割領域に相当する補
   正値を読みだし、前記位置座標を補正する測定値補正機
   構と、 を備えたことを特徴とする三次元測定装置。
4. 【請求項４】請求項（３）に記載の装置において、補正
   値演算機構は、測定機本体に起因する誤差を演算する本
   体側補正値演算部を有し、本体側誤差を併せて補正・記
   憶すること特徴とする三次元測定装置。