JP2008151664A - 三次元カムの測定方法、測定プログラムおよび測定ステージ - Google Patents

Abstract

【課題】 カムの姿勢の傾きやカムの芯ズレを抑制して、三次元カムの形状を精度よく測定できる手段を提供する。
【解決手段】 三次元カムの測定方法は、以下のステップを備える。第１ステップでは、治具上に載置された三次元カムについて、所定の基準位置での形状が予備測定される。第２ステップでは、予備測定の結果に基づいて、三次元カムの姿勢が誤差範囲内に収まるか否かが判定される。第３ステップでは、三次元カムの姿勢が誤差範囲内に収まらない場合に、三次元カムと治具との位置関係を維持しつつ、予備測定の結果に基づいて治具の水平方向の位置および治具の傾きの少なくとも一方が調整され、第１ステップおよび第２ステップが繰り返される。第４ステップでは、三次元カムの姿勢が誤差範囲内に収まる場合に、三次元カムのカム面の形状が測定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、三次元カムの形状の測定方法およびその関連技術に関する。

精密機器の機械要素の一つとして、回転軸方向に対してカム面が連続的に変化する三次元カムが従来から公知である。例えば、カメラのレンズ鏡筒には、レンズの繰り出し量を調整するために円筒型の三次元カムが使用されている。このような三次元カムを用いた精密機器では、三次元カムのカム面の形状精度に応じて製品の性能が左右されることとなる。そのため、三次元カムに関しては、金型の補正や製品検査のためにカム面の形状測定の精度を高めることが追求されている。例えば、三次元カムに関する測定方法の一例が特許文献１に開示されている。
特開２００３−１５６３２７号公報

ところで、三次元カムの形状測定では、測定時におけるカムの姿勢の傾きやカムの芯ズレによって、カム面で測定すべき位置と実際の測定位置との間にズレが生じうる。しかし、従来は上記の三次元的な姿勢誤差を十分に補正しきれておらず、カム面の形状について有用な測定結果を得ることが現実には極めて困難であった。
一方で、ソフトウエア上の処理によって測定データのθｈ方向（回転方向および高さ方向）の誤差を補正することも従来から試みられている。しかし、測定姿勢に傾きや芯ズレのある場合には、そもそも測定すべき位置と実際の測定位置との間にズレが生じており、このような測定データに対してθｈ方向の二次元的な補正をかけても実効がないというのが現状であった。

本発明は上記従来技術の課題を解決するものである。本発明の目的の一つは、カムの姿勢の傾きやカムの芯ズレを抑制して、三次元カムの形状を精度よく測定できる手段を提供することにある。また、本発明の他の目的は、測定時における三次元カムの姿勢の傾きや芯ズレを的確に把握する手段を提供することである。

第１の発明に係る三次元カムの測定方法は、以下のステップを備える。第１ステップでは、治具上に載置された三次元カムについて、所定の基準位置での形状が予備測定される。第２ステップでは、予備測定の結果に基づいて、三次元カムの姿勢が誤差範囲内に収まるか否かが判定される。第３ステップでは、三次元カムの姿勢が誤差範囲内に収まらない場合に、三次元カムと治具との位置関係を維持しつつ、予備測定の結果に基づいて治具の水平方向の位置および治具の傾きの少なくとも一方が調整され、第１ステップおよび第２ステップが繰り返される。第４ステップでは、三次元カムの姿勢が誤差範囲内に収まる場合に、三次元カムのカム面の形状が測定される。

第２の発明は、第１の発明がさらに以下のステップを備える。第５ステップでは、カム面の測定データに基づく空間座標値と、三次元カムの三次元形状モデルとを位置合わせして適合させる演算が実行される。第６ステップでは、上記の演算の結果に基づいて、測定データの取得時における三次元カムの姿勢の水平方向ズレ量および傾きが推定される。
第３の発明に係る三次元カムの測定方法は、以下のステップを備える。第１ステップでは、治具上に載置された三次元カムのカム面の形状が測定される。第２ステップでは、カム面の測定データに基づく空間座標値と、三次元カムの三次元形状モデルとを位置合わせして適合させる演算が実行される。第３ステップでは、上記の演算の結果に基づいて、測定データの取得時における三次元カムの姿勢の水平方向ズレ量および傾きが推定される。

第４の発明に係る三次元カムの測定プログラムは、以下のステップがコンピュータによって実行される。第１ステップでは、三次元カムのカム面の形状を測定した測定データが読み込まれる。第２ステップでは、測定データに基づく空間座標値と、三次元カムの三次元形状モデルとを位置合わせして適合させる演算が実行される。第３ステップでは、上記の演算の結果に基づいて、測定データの取得時における三次元カムの姿勢の水平方向ズレ量および傾きが推定される。

第５の発明に係る三次元カムの測定ステージは、回動可能な本体部と、治具と、第１位置調整部と、第２位置調整部とを備える。治具は、本体部の上部に配置されるとともに、三次元カムを載置可能に構成される。第１位置調整部は、三次元カムを治具に載置した状態において、三次元カムと治具との位置関係を維持しつつ、治具の水平方向の位置を調整する。第２位置調整部は、三次元カムを治具に載置した状態において、三次元カムと治具との位置関係を維持しつつ、治具の傾きを調整する。

本発明の一の形態によれば、治具上に配置されたカムの姿勢の傾きやカムの芯ズレを抑制して、三次元カムの形状を精度よく測定できる。また、本発明の一の形態によれば、測定時における三次元カムの姿勢の傾きや芯ズレを精度良く把握できる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本実施形態における三次元カムの測定システムの概要を示す図である。図２は、図１に示す測定テーブルの平面図である。
まず、本実施形態において測定対象となる円筒型の三次元カム（以後、円筒カム１１と称する）の構成を説明する。円筒カム１１は、カメラのレンズ鏡筒に配設されるものであって、本体部分の全体形状が円筒状をなしている。この円筒カム１１の本体部分の内周面には、内側に向けて突出した段付部１１ａが形成されており、本体部分と段付部１１ａとの段差部分がカム面を形成している。また、本実施形態の本体部分には同一形状のカム面が３つ設けられている。各々のカム面は、本体部分の軸周回方向に１２０度の角度で回転対称をなすように配置されている。なお、上記の円筒カム１１は樹脂材料を金型で成型して製造される。

次に、本実施形態の測定システムの構成を説明する。測定システムは、測定ステージ１２と、測定装置１３と、制御装置１４とを有している。
測定ステージ１２は、本体部１５と、姿勢調整テーブル１６と、固定治具１７とを有している。
測定ステージ１２の本体部１５の上面側には、姿勢調整テーブル１６が固定されている。また、本体部１５は、制御装置１４の指示に応じて内蔵のモータ（不図示）を駆動させることで、図１の上下方向に延びる回転軸を中心として姿勢調整テーブル１６を回転させる。

また、姿勢調整テーブル１６は、シフトテーブル部１８と、チルトテーブル部１９とを有している。
シフトテーブル部１８は、本体部１５の上側に取り付けられている。このシフトテーブル部１８は、本体部１５に対して、本体部１５の上面と水平なＸＹ平面上で摺動可能に構成されている。また、シフトテーブル部１８には、本体部１５に対するＸ軸方向の移動量を調整する第１シフト駆動部２０と、本体部１５に対するＹ軸方向の移動量を調整する第２シフト駆動部２１とが設けられている。上記した各々のシフト駆動部２０，２１は、リードナットおよびリードスクリューの組み合わせによるネジ送り機構と、リードスクリューを回動させるモータと、制御装置１４の指示に応じてモータを駆動させる制御部とを有している。また、上記の制御部は無線通信機能を有しており、無線による制御装置１４の指示によってモータを制御する（なお、各々のシフト駆動部２０，２１の構成に関する詳細な図示は省略する）。

また、シフトテーブル部１８の上面には２つのリフトピン２２が配置されている。各々のリフトピン２２は、シフトテーブル部１８に内蔵されたピン駆動部（不図示）によって、ピン先端位置が上下方向（本体部１５の上面に対して垂直方向）に移動するように構成されている。なお、各々のピン駆動部は、それぞれ制御装置１４と接続されている。
チルトテーブル部１９は、その全体形状が略正方形状の平板であって、シフトテーブル部１８の上側に配置されている。このチルトテーブル部１９は、シフトテーブル部１８の上面に配置された球状のスペーサ２４と、２つのリフトピン２２とによって三点で支持されている。そして、チルトテーブル部１９は、２つのリフトピン２２のピン先端位置を変化させることで、シフトテーブル部１８に対する傾きを調整できるように構成されている。

また、チルトテーブル部１９の上面側には固定治具１７が固定されている。固定治具１７の全体形状は、円筒カム１１の外径より若干大きな内径を有する底浅の円筒形状をなしている。そのため、固定治具１７の内側には、円筒カム１１を直立状態で位置決めして載置できるようになっている。なお、固定治具１７に対する円筒カム１１の固定は、例えば粘着テープを用いて行われる。

測定装置１３は、プローブ２５と、プローブ移動機構２６と、測定制御部２７とを有している。
プローブ２５は、測定時にワーク（円筒カム１１）の表面と接触し、ワーク各部における位置情報を測定装置１３に入力する。
プローブ移動機構２６は、プローブ２５を吊下状態で保持するスライダと、スライダを支持する支持アームとを備えている。スライダは、プローブ２５を上下方向および左右方向へ移動させる。また、支持アームは、スライダおよびプローブ２５を前後方向に移動させるように構成されている（スライダおよび支持アームの図示は省略する）。

測定制御部２７は、制御装置１４と接続されている。この測定制御部２７は、制御装置１４の指示に基づいて測定装置１３の各部動作を制御する。また、測定制御部２７は、プローブ２５の接触位置に基づいてワークの形状に関する測定値を求めるとともに、測定値のデータを制御装置１４に対して出力する。
制御装置１４は、ＣＰＵ２８および記録部２９を有している。ＣＰＵ２８は、シーケンスプログラムの実行によって測定システム全体の統括的な制御を行うとともに、測定プログラムに基づく各種の演算処理を実行する。また、記録部２９は、測定装置１３からの測定値のデータや、円筒カム１１の設計データである三次元ＣＡＤデータなどを記録する。

次に、図３の流れ図を参照しつつ、本実施形態における円筒カム１１の測定方法の流れを説明する。
ステップ１０１：ユーザーは、測定ステージ１２の固定治具１７に円筒カム１１を載置する。その後、ユーザーは、円筒カム１１の形状測定を開始する旨の指示を制御装置１４に与える。

ステップ１０２：制御装置１４のＣＰＵ２８は、ユーザーの指示（Ｓ１０１）に応じて、測定装置１３を動作させて円筒カム１１の予備測定を実行する。この予備測定において、測定装置１３は円筒カム１１に予め設定されている任意の基準位置（例えば、円筒カム１１の内周面の所定箇所およびカム面の端部など）を測定する。そして、ＣＰＵ２８は、測定装置１３から出力された基準位置の測定データを記録部２９に記録する。

ステップ１０３：ＣＰＵ２８は、予備測定（Ｓ１０２）における基準位置の測定データに基づいて、固定治具１７に載置された円筒カム１１の姿勢が目標値との誤差範囲内に収まるか否かを判定する。ここで、上記の目標値は、芯ズレおよび傾きのない姿勢で固定治具１７に円筒カム１１を載置した状態での基準位置を示すものである。また、上記の姿勢誤差のパラメータは、円筒カム１１の公差に応じて設定される。一例として、本実施形態での誤差範囲は±５μｍ程度に設定される。

目標値との誤差範囲内に収まる場合（ＹＥＳ側）には、ＣＰＵ２８はＳ１０６に移行する。一方、目標値との誤差範囲内に収まらない場合（ＮＯ側）には、ＣＰＵ２８はＳ１０４に移行する。
ステップ１０４：ＣＰＵ２８は、基準位置の測定データと目標値との差分に基づいて、円筒カム１１の姿勢の補正量（水平方向のシフト補正量、傾き補正量）を演算する。

ステップ１０５：ＣＰＵ２８は、円筒カム１１の姿勢の補正量（Ｓ１０４）に基づいて姿勢調整テーブル１６を制御し、円筒カム１１と固定治具１７との位置関係を維持しつつ円筒カム１１の姿勢を微調整する。具体的には、ＣＰＵ２８は、上記のシフト補正量に基づいて第１シフト駆動部２０および第２シフト駆動部２１を駆動させる。これにより、姿勢調整テーブル１６のシフトテーブル部１８が水平方向に移動し、円筒カム１１の姿勢の芯ズレが補正される。また、ＣＰＵ２８は、上記の傾き補正量に基づいてピン駆動部を駆動させて、２本のリフトピン２２のピン先端位置をそれぞれ調整する。これにより、姿勢調整テーブル１６のチルトテーブル部１９の傾きが変化し、円筒カム１１の姿勢の傾きが補正されることとなる。

その後、ＣＰＵ２８はＳ１０２に戻って再び予備測定を実行して上記動作を繰り返す。すなわち、円筒カム１１の姿勢が目標値との誤差範囲に収まるまで、ＣＰＵ２８は姿勢調整テーブル１６によって円筒カム１１の姿勢を機械的に調整し続ける。
ステップ１０６：ＣＰＵ２８は、測定装置１３および測定ステージ１２を動作させて、円筒カム１１のカム面の形状の本測定を実行する。上記の本測定は、円筒カム１１の３つのカム面に対してそれぞれ行われる。

具体的には、ＣＰＵ２８は、測定装置１３のプローブ２５を円筒カム１１のカム面に接触させてから、測定ステージ１２の本体部１５を所定方向に回転させる。円筒カム１１の回転に伴いプローブ２５がカム面に倣って上下動することで、カム面の形状が測定装置１３に入力される。そして、ＣＰＵ２８は、測定装置１３から出力されたカム面の形状の測定データを記録部２９に記録する。なお、カム面の形状の測定データは、例えば、測定ステージ１２の回転角度ごとのプローブ２５の位置のデータなどで構成される。

ステップ１０７：ＣＰＵ２８は、本測定によるカム面の形状の測定データ（Ｓ１０６）を、空間座標値の点群データにそれぞれ変換する。
ステップ１０８：ＣＰＵ２８は、空間座標値の点群データ（Ｓ１０７）と、三次元ＣＡＤデータとのフィッティング処理を実行する。
第１に、ＣＰＵ２８は、点群データの各座標点に対して、三次元ＣＡＤデータによるコンピュータ上の三次元形状モデルを位置合わせして適合させる演算を行う。一例として、ＣＰＵ２８は、点群データの各々の座標点と、三次元形状モデルのカム面の座標点との差が最小化する位置を最小二乗法により探索する。そして、ＣＰＵ２８は、三次元形状モデルの姿勢を調整して上記演算を繰り返すことで、点群データの各座標点と三次元形状モデルとの位置合わせを行う。このとき、ＣＰＵ２８は、ユーザーから与えられた拘束条件に基づいて、位置合わせのときに三次元形状モデルの姿勢変化の自由度を制限することもできる。さらに、ＣＰＵ２８は、カム面の任意部分の点群データを対象として、三次元形状モデルとのフィッテイング処理を行うようにしてもよい。

第２に、ＣＰＵ２８は、点群データが適合した状態での三次元モデルの水平方向ズレ量や傾きに基づいて、本測定時における円筒カム１１の姿勢（円筒カム１１の水平方向ズレ量および傾き）を推定する。そして、ＣＰＵ２８は、上記の測定姿勢の推定データを本測定の測定データ（Ｓ１０６）に対応付けして記録部２９に記録する。なお、ＣＰＵ２８は、点群データが適合した状態において、各々の測定データの三次元形状モデルとの誤差量を、θｈ成分またはθｒ成分として出力することもできる。以上で図３の流れ図の説明を終了する。

以下、本実施形態の作用効果を説明する。
本実施形態の測定システムでは、予備測定の結果に応じて円筒カム１１の姿勢が機械的に調整される（Ｓ１０２〜Ｓ１０５）。そのため、円筒カム１１の傾きや芯ズレによる姿勢誤差が本測定前にほぼ除去されるので、円筒カム１１のカム面の形状を精度よく測定できる。

また、本実施形態の測定システムでは、空間座標値の点群データと三次元ＣＡＤデータとのフィッティング処理によって、本測定時における円筒カム１１の測定姿勢の推定データが生成される（Ｓ１０８）。そのため、ユーザーは、測定姿勢の推定データを参照することで本測定時の円筒カム１１の姿勢を把握でき、各々の測定データの信頼性をより正確に評価できるようになる。さらに、信頼性の高い測定データから把握された製品形状を金型にフィードバックすることで、より寸法精度の優れた円筒カム１１を製造することが可能となる。

（実施形態の補足事項）
（１）上記実施形態でのＣＰＵ２８は、Ｓ１０８の後に測定姿勢の推定データに基づいて姿勢調整テーブル１６を制御して円筒カム１１の姿勢を調整し、再び本測定を行うようにしてもよい。また、本発明の形状測定方法では、予備測定に基づく円筒カム１１の姿勢調整の工程を省略し、本測定の後に三次元モデルとのフィッティング処理のみを行うようにしてもよい。

（２）本発明の形状測定方法は、上記実施形態の円筒カムの形状測定に限定されるものではなく、他の形状の三次元カムを含む三次元形状加工物に広く応用できる。
（３）上記実施形態では、プローブ２５による接触式の三次元測定器を用いる例を説明したが、本発明の構成は、レーザーなどを用いた非接触式の三次元測定器で形状測定を行うものであってもよい。

なお、本発明は、その精神またはその主要な特徴から逸脱することなく他の様々な形で実施することができる。そのため、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明は、特許請求の範囲によって示されるものであって、本発明は明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内である。

本実施形態における三次元カムの測定システムの概要図 図１に示す測定テーブルの平面図 本実施形態における円筒カムの計測方法を説明する流れ図

符号の説明

１１…円筒カム、１２…測定ステージ、１３…測定装置、１４…制御装置、１５…本体部、１６…姿勢調整テーブル、１７…固定治具、１８…シフトテーブル部、１９…チルトテーブル部、２０…第１シフト駆動部、２１…第２シフト駆動部、２２…リフトピン、２８…ＣＰＵ

Claims (5)

1. 治具上に載置された三次元カムについて、所定の基準位置での形状を予備測定する第１ステップと、
   前記予備測定の結果に基づいて、前記三次元カムの姿勢が誤差範囲内に収まるか否かを判定する第２ステップと、
   前記三次元カムの姿勢が誤差範囲内に収まらない場合に、前記三次元カムと前記治具との位置関係を維持しつつ、前記予備測定の結果に基づいて前記治具の水平方向の位置および前記治具の傾きの少なくとも一方を調整し、前記第１ステップおよび前記第２ステップを繰り返す第３ステップと、
   前記三次元カムの姿勢が誤差範囲内に収まる場合に、前記三次元カムのカム面の形状を測定する第４ステップと、
   を備えることを特徴とする三次元カムの測定方法。
2. 請求項１に記載の三次元カムの測定方法において、
   前記カム面の測定データに基づく空間座標値と、前記三次元カムの三次元形状モデルとを位置合わせして適合させる演算を実行する第５ステップと、
   前記演算の結果に基づいて、前記測定データの取得時における前記三次元カムの姿勢の水平方向ズレ量および傾きを推定する第６ステップと、
   をさらに備えることを特徴とする三次元カムの測定方法。
3. 治具上に載置された三次元カムのカム面の形状を測定する第１ステップと、
   前記カム面の測定データに基づく空間座標値と、前記三次元カムの三次元形状モデルとを位置合わせして適合させる演算を実行する第２ステップと、
   前記演算の結果に基づいて、前記測定データの取得時における前記三次元カムの姿勢の水平方向ズレ量および傾きを推定する第３ステップと、
   を備えることを特徴とする三次元カムの測定方法。
4. 三次元カムのカム面の形状を測定した測定データを読み込む第１ステップと、
   前記測定データに基づく空間座標値と、前記三次元カムの三次元形状モデルとを位置合わせして適合させる演算を実行する第２ステップと、
   前記演算の結果に基づいて、前記測定データの取得時における前記三次元カムの姿勢の水平方向ズレ量および傾きを推定する第３ステップと、
   をコンピュータに実行させることを特徴とする三次元カムの測定プログラム。
5. 回動可能な本体部と、
   前記本体部の上部に配置されるとともに、三次元カムを載置可能な治具と、
   前記三次元カムを前記治具に載置した状態において、前記三次元カムと前記治具との位置関係を維持しつつ、前記治具の水平方向の位置を調整する第１位置調整部と、
   前記三次元カムを前記治具に載置した状態において、前記三次元カムと前記治具との位置関係を維持しつつ、前記治具の傾きを調整する第２位置調整部と、
   を備えることを特徴とする三次元カムの測定ステージ。

Images