JP2015165210A - Surface shape measuring device and machine tool provided with the same - Google Patents
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Abstract
【課題】光ビームによる非接触方式の変位計を用いた測定の際に生じる特有の誤差の影響を極力少なくして、測定対象物の表面形状を短時間で測定する。【解決手段】表面形状測定装置140において、変位計100は、測定対象物130に向けて光ビーム116を出射し、測定対象物130からの光ビームの散乱光に基づいて、測定対象物130の表面の変位を測定する。測定制御部156は、移動機構146によって光ビーム116を走査しながら、複数の測定点で測定対象物130の表面の変位を変位計100によって測定する。誤差範囲設定部160は、各測定点における変位計100の測定値に対して誤差範囲を設定する。表面形状出力部162は、各誤差範囲を通る直線または曲線を、光ビームの走査方向に沿った表面形状の測定結果として出力する。ここで、曲線の形状は、極値を持つ点の数および変曲点の数ができるだけ少なくなるように設定される。【選択図】図4An object of the present invention is to measure the surface shape of an object to be measured in a short time by minimizing the influence of a peculiar error that occurs during measurement using a non-contact displacement meter using a light beam. In a surface shape measuring apparatus, a displacement meter emits a light beam toward a measurement object, and based on scattered light of the light beam from the measurement object, the measurement of the measurement object. Measure the displacement of the surface. The measurement control unit 156 measures the displacement of the surface of the measurement object 130 with the displacement meter 100 at a plurality of measurement points while scanning the light beam 116 with the moving mechanism 146. The error range setting unit 160 sets an error range for the measurement value of the displacement meter 100 at each measurement point. The surface shape output unit 162 outputs a straight line or curve passing through each error range as a measurement result of the surface shape along the scanning direction of the light beam. Here, the shape of the curve is set so that the number of points having extreme values and the number of inflection points are as small as possible. [Selection] Figure 4
Description
この発明は、光ビームを用いた非接触方式の変位センサによって表面形状を測定する表面形状測定装置、および表面形状測定装置を備えた工作機械に関する。 The present invention relates to a surface shape measuring device that measures a surface shape by a non-contact type displacement sensor using a light beam, and a machine tool including the surface shape measuring device.
従来から、工作機械で加工を行う際、加工対象物の形状を非接触式センサによって測定することが一般的となっている。通常、非接触式センサとして、レーザ変位計など、光ビームを用いた三角測量方式の変位計が用いられる。測定した表面形状データは、たとえば、設計データと比較することによって加工不良の修正に用いられる。 Conventionally, when machining with a machine tool, it is common to measure the shape of the workpiece with a non-contact sensor. Usually, as the non-contact type sensor, a triangulation type displacement meter using a light beam such as a laser displacement meter is used. The measured surface shape data is used, for example, for correcting machining defects by comparing with design data.
特開2002−122423号公報(特許文献1)は、凹凸面を有する球面レンズなどの被測定物において加工による修正部分を特定する方法の一例を開示する。具体的には、まず、被測定物の表面の任意の領域のX、Y、Z座標値を測定し、測定したX、Y、Z座標値から球面状の表面の中心座標を近似演算する。次に、設計値による球面が被測定物の測定値である球面に重畳する位置となるように、設計値による球面の中心を近似演算によって求めた中心座標から移動させる。次に、移動によって重畳された設計値による球面と被測定物の測定値との差分を演算し、演算結果を表示することによって修正部分が特定される。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-122423 (Patent Document 1) discloses an example of a method for specifying a correction portion by processing in a measured object such as a spherical lens having an uneven surface. Specifically, first, X, Y, and Z coordinate values of an arbitrary region on the surface of the object to be measured are measured, and the center coordinates of the spherical surface are approximated from the measured X, Y, and Z coordinate values. Next, the center of the spherical surface based on the design value is moved from the center coordinates obtained by the approximation calculation so that the spherical surface based on the design value is superimposed on the spherical surface that is the measured value of the object to be measured. Next, a correction part is specified by calculating the difference between the spherical surface based on the design value superimposed by the movement and the measured value of the object to be measured, and displaying the calculation result.
光ビームを用いた三角測量方式の変位測定では、特有の測定誤差が存在することが知られている。この測定誤差は、実際の表面粗さに比べてはるかに大きいスパイク状のノイズを含み、時間平均化処理では除去できない点に特徴がある。測定データに移動平均などの空間平均化処理を施したとしても、スパイク状のノイズの影響を完全に除去することは容易でない。この結果、加工後の工作物の形状の把握が困難になったり、測定データと設計データとの比較による加工不良または素材不良の抽出が困難になったりする。上記の特開2002−122423号公報(特許文献1)は、上記の測定ノイズの存在については何ら考慮されていない。 It is known that there is a unique measurement error in the triangulation displacement measurement using a light beam. This measurement error is characterized in that it includes spike noise that is much larger than the actual surface roughness and cannot be removed by the time averaging process. Even if the measurement data is subjected to a spatial averaging process such as moving average, it is not easy to completely remove the influence of spike-like noise. As a result, it becomes difficult to grasp the shape of the workpiece after machining, or it becomes difficult to extract machining defects or material defects by comparing measured data and design data. The above Japanese Patent Laid-Open No. 2002-122423 (Patent Document 1) does not take into consideration the presence of the above measurement noise.
この発明は、上記の問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、光ビームによる非接触方式の変位計を用いた測定の際に生じる特有の誤差の影響を極力少なくして、測定対象物の表面形状を短時間で測定することが可能な表面形状測定装置を提供することである。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and its purpose is to minimize the influence of a specific error that occurs during measurement using a non-contact displacement meter with a light beam, The object is to provide a surface shape measuring apparatus capable of measuring the surface shape of a measurement object in a short time.
この発明は一局面において表面形状測定装置であって、変位計と、移動機構と、測定制御部と、誤差範囲設定部と、表面形状出力部とを備える。変位計は、測定対象物に向けて光ビームを出射し、測定対象物からの光ビームの散乱光を集光し、散乱光の集光位置の変化に基づいて測定対象物の表面の変位を測定する。移動機構は、変位計と測定対象物とを相対的に移動させることによって、光ビームを走査する。測定制御部は、移動機構によって光ビームを走査しながら、複数の測定点で測定対象物の表面の変位を変位計によって測定する。誤差範囲設定部は、各測定点における変位計の測定値に対して誤差範囲を設定する。表面形状出力部は、各誤差範囲を通る直線または曲線を、光ビームの走査方向に沿った表面形状の測定結果として出力する。ここで、曲線の形状は、極値を持つ点の数および変曲点の数ができるだけ少なくなるように設定される。 In one aspect, the present invention is a surface shape measuring apparatus, and includes a displacement meter, a moving mechanism, a measurement control unit, an error range setting unit, and a surface shape output unit. The displacement meter emits a light beam toward the measurement object, collects the scattered light of the light beam from the measurement object, and calculates the displacement of the surface of the measurement object based on the change in the position where the scattered light is collected. taking measurement. The moving mechanism scans the light beam by relatively moving the displacement meter and the measurement object. The measurement control unit measures the displacement of the surface of the measurement object with a displacement meter at a plurality of measurement points while scanning the light beam with the moving mechanism. The error range setting unit sets an error range for the measurement value of the displacement meter at each measurement point. The surface shape output unit outputs a straight line or a curve passing through each error range as a measurement result of the surface shape along the scanning direction of the light beam. Here, the shape of the curve is set so that the number of points having extreme values and the number of inflection points are as small as possible.
上記の構成によれば、光ビームを利用した変位計に特有な測定ノイズの大きさに応じて上記誤差範囲を設定することができるので、測定ノイズの影響を受けない表面形状の測定結果を得ることができる。 According to the above configuration, the error range can be set according to the magnitude of the measurement noise unique to the displacement meter using a light beam, so that a measurement result of the surface shape that is not affected by the measurement noise is obtained. be able to.
好ましくは、誤差範囲は、測定対象物の表面上での光ビームのスポットサイズに応じて設定される。光ビームのスポットサイズが、変位計からの距離に応じて変化する場合には、好ましくは、誤差範囲は、変位計の測定値に応じて変更される。 Preferably, the error range is set according to the spot size of the light beam on the surface of the measurement object. In the case where the spot size of the light beam changes according to the distance from the displacement meter, the error range is preferably changed according to the measured value of the displacement meter.
本願の発明者の検討によれば、レーザ変位計等に特有な測定ノイズの大きさは光ビームのスポットサイズに応じて変化する。したがって、スポットサイズに応じて上記の誤差範囲を設定することによって、上記の誤差範囲の大きさを適切なものとすることができる。 According to the study of the inventors of the present application, the magnitude of measurement noise unique to a laser displacement meter or the like changes according to the spot size of the light beam. Therefore, by setting the error range according to the spot size, the size of the error range can be made appropriate.
好ましい一実施の形態において、表面形状出力部は、各測定点での測定値に直線または曲線を当てはめ、当てはめられた直線または曲線が設定された各誤差範囲を通る場合に、当てはめられた直線または曲線を表面形状の測定結果として出力する。さらに、表面形状出力部は、当てはめられた直線または曲線が一部の誤差範囲を通らない場合には、関数形を変更した直線または曲線を各測定点での測定値に再度当てはめる。上記の一実施の形態によれば、短時間の測定によって、測定対象物の概略形状を把握することができる。 In a preferred embodiment, the surface shape output unit applies a straight line or a curve to the measurement value at each measurement point, and when the fitted straight line or curve passes through each set error range, A curve is output as a measurement result of the surface shape. Further, when the applied straight line or curve does not pass through a part of the error range, the surface shape output unit reapplies the straight line or curve with the changed function shape to the measurement value at each measurement point. According to the above-described embodiment, the schematic shape of the measurement object can be grasped by a short-time measurement.
好ましい他の実施の形態において、測定対象物は、設計データに基づいて加工された工作物である。この場合、表面形状出力部は、各測定点での測定値に設計データに基づいた表面形状を示す直線または曲線を当てはめ、当てはめられた直線または曲線が設定された各誤差範囲を通る場合に、当てはめられた直線または曲線を表面形状の測定結果として出力する。さらに、表面形状出力部は、当てはめられた直線または曲線が一部の誤差範囲を通らない場合に、一部の誤差範囲が設定されている測定点の近傍に加工不良または素材不良があると判定する。 In another preferred embodiment, the measurement target is a workpiece machined based on design data. In this case, the surface shape output unit applies a straight line or a curve indicating the surface shape based on the design data to the measurement value at each measurement point, and when the fitted straight line or curve passes through each set error range, The fitted straight line or curve is output as the measurement result of the surface shape. Furthermore, the surface shape output unit determines that there is a processing defect or material defect near the measurement point where a part of the error range is set when the fitted straight line or curve does not pass through part of the error range. To do.
上記の他の実施の形態によれば、短時間の測定によって、工作物の概略形状さらには加工不良または素材不良の有無を把握することができる。 According to the other embodiment described above, it is possible to grasp the outline shape of the workpiece and the presence or absence of processing defects or material defects by measuring in a short time.
この発明は他の局面において、上記の表面形状測定装置を備えた工作機械である。 This invention is a machine tool provided with said surface shape measuring apparatus in another situation.
したがって、この発明によれば、光ビームによる非接触方式の変位計を用いた測定の際に生じる特有の誤差の影響を極力少なくして、測定対象物の表面形状を短時間で測定することができる。 Therefore, according to the present invention, it is possible to measure the surface shape of an object to be measured in a short time by minimizing the influence of a specific error that occurs during measurement using a non-contact displacement meter using a light beam. it can.
以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。以下の各実施の形態では、レーザ変位計を用いた表面形状測定装置を例に挙げて説明するが、レーザ光に代えて非コヒーレントな光ビームを用いた非接触式の変位計の場合にもこの発明を適用することができる。なお、以下の説明において、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない場合がある。 Hereinafter, each embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, a surface shape measuring device using a laser displacement meter will be described as an example. However, in the case of a non-contact displacement meter using a non-coherent light beam instead of a laser beam, The present invention can be applied. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference symbols, and the description thereof may not be repeated.
<実施の形態1>
[レーザ変位計の概要]
図1は、レーザ変位計の構成を模式的に示す図である。図1を参照して、レーザ変位計100は、発光部110と、光学系としての集光レンズ118と、受光部としてのリニアイメージセンサ(Linear Image Sensor)120とを含む。発光部110は、レーザダイオード112と、レンズ114とを含む。
<
[Outline of laser displacement meter]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a laser displacement meter. Referring to FIG. 1,
レーザダイオード112から発せられたレーザビーム116はレンズ114によって略平行光に整形され、測定対象物130へ照射される。測定対象物上でのレーザビーム116のスポットサイズw(スポット径とも称する)は、たとえば、直径50μmである。
The
測定対象物130上で拡散反射された光は、レーザビーム116とγの角度方向に配置されたリニアイメージセンサ120上に、集光レンズ118によって集光される。図1では、集光レンズ118の焦点距離をf0とし、測定対象物130の表面上におけるレーザビーム116の照射位置(レーザスポット132)から集光レンズ118までの距離をlとしている。
The light diffusely reflected on the
リニアイメージセンサ120はシャインプルーフ条件(Scheimpflug Condition)に基付いた角度で配置される。すなわち、リニアイメージセンサ120の検出面と集光レンズ118の主面とは1直線で交わり、これらの面のなす角度をβとする。レーザビーム116を含む面が被写体面となる。この配置により、測定対象物130とレーザ変位計100の距離が変化しても、レーザスポット132はリニアイメージセンサ120上にボケることなく結像される。
The
図1において、レーザビーム116の方向をZ軸方向とする。レーザビーム116の中心軸と集光レンズ118の光軸とを含む面を光路面と称する。この光路面に平行でありかつZ軸方向に垂直な方向をX軸方向とする。X軸方向およびZ軸方向の両方に垂直な方向をY軸方向とする。図1の場合、Y軸方向は紙面に垂直な方向であり、XZ平面は紙面(光路面)と平行である。
In FIG. 1, the direction of the
ここで、レーザ光のビームサイズ(測定対象物上でのスポットサイズ)について説明する。レーザ光のビームサイズには種々の定義がある。たとえば、TEM00モードのように対称なビームプロファイルのレーザ光の場合には、光軸に直交する面において、ピーク値に対してeの2乗分の1(ただし、eは自然対数の底)(13.5%)の強度分布の幅でビームサイズが定義される。ビームプロファイルが崩れている場合には、たとえば、ビームの全パワーのうち、ピークパワーを基準として86.5%が含まれる円を算出し、この円の直径がビームサイズとして定義される。この明細書では、種々の定義を含めるために、全パワーの50%が含まれる円の直径以上、全パワーの95%が含まれる円の直径以下の範囲を実質的にビームサイズ(測定対象物上でのスポットサイズ)に等しいとする。
Here, the beam size of laser light (spot size on the measurement object) will be described. There are various definitions of the beam size of laser light. For example, in the case of a laser beam having a symmetric beam profile as in the TEM00 mode, in a plane orthogonal to the optical axis, 1 /
図2は、図1のリニアイメージセンサの構成を模式的に示す斜視図である。図2を参照して、リニアイメージセンサ120は、直線状に配列された1024個の画素(ピクセル)122を含む。各画素122は、受光量に応じて0から最大255までの輝度レベルの信号を出力する。
FIG. 2 is a perspective view schematically showing the configuration of the linear image sensor of FIG. Referring to FIG. 2, the
図3は、図1のリニアイメージセンサによって検出されるデータの一例を示す図である。図3の横軸がピクセル位置を示し、縦軸が輝度レベルを示す。図2および図3を参照して、測定対象物130上で拡散反射された光が集光レンズ118によってリニアイメージセンサ120上のスポット124に集光されることによって、図3に示すようなガウス分布状のデータが得られる。図3のデータの重心位置182から三角測量により対象物までの距離が計算される。図3の場合には、輝度分布の中心線180と重心位置182とが一致している。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of data detected by the linear image sensor of FIG. The horizontal axis in FIG. 3 indicates the pixel position, and the vertical axis indicates the luminance level. Referring to FIGS. 2 and 3, the light diffusely reflected on the
[表面形状測定装置の構成]
図4は、実施の形態1による表面形状測定装置の構成例を概略的に示すブロック図である。図4を参照して、表面形状測定装置140は、測定対象物130が載置されるテーブル144と、サドル142と、レーザ変位計100と、X軸駆動機構146Xと、Y軸駆動機構146Yと、Z軸駆動機構146Zと、コンピュータ150とを含む。
[Configuration of surface shape measuring device]
FIG. 4 is a block diagram schematically showing a configuration example of the surface shape measuring apparatus according to the first embodiment. Referring to FIG. 4, surface
テーブル144はサドル142上に配置され、X軸方向に移動可能である。サドル142はY軸方向に移動可能である。X軸駆動機構146Xは、テーブル144をX軸方向に移動させる。Y軸駆動機構146Yは、サドル142をY軸方向に移動させる。Z軸駆動機構146Zは、レーザ変位計100をZ軸方向に移動させる。
The table 144 is disposed on the
X軸駆動機構146X、Y軸駆動機構146Y、およびZ軸駆動機構146Zは、レーザ変位計100と測定対象物130とを相対的に移動させるための移動機構146として機能する。したがって、移動機構146によってレーザビーム116は、測定対象物130の表面上を走査する。
The
なお、移動機構146の構成は図4の例には限られない。たとえば、測定対象物130が固定され、レーザ変位計100がX、Y、Zの3方向に移動可能な構成であってもよい。
The configuration of the moving mechanism 146 is not limited to the example of FIG. For example, the
コンピュータ150は、プロセッサ152、メモリ154、ならびに図示しない表示装置および入出力装置等を含む。プロセッサ152は、メモリ154に格納されたプログラムを実行することによって、測定制御部156およびデータ処理部158として機能する。
The
測定制御部156は、レーザ変位計100および移動機構146を制御することによって、レーザビーム116を走査させる。このレーザビーム116の走査中に、測定制御部156は、レーザ変位計100を用いて測定対象物130の表面形状データ166を複数の測定点で測定する。測定された表面形状データ166はメモリ154に格納される。表面形状データ166は、測定対象物130上の複数の測定点(レーザビームが照射される位置、すなわち走査位置とも称する)と、各測定点における測定対象物130の表面のZ軸方向の変位とが対応付けられたデータ系列である。
The
データ処理部158は、レーザ変位計100によって測定されたデータ(表面形状データ166)に対してデータ処理を行う。このデータ処理によって、レーザ変位計の測定データに含まれる特徴的なノイズが除去される。データ処理の具体的内容については図9〜図14を参照して後述する。以下では、まず、上記の特徴的なノイズの原因について説明する。
The
[レーザ変位計の測定データに含まれる特徴的なノイズについて]
図5は、レーザ変位計によるゲージブロック表面の測定結果の一例を示す図である。具体的に、図5では、金属ゲージブロックの表面の変位を、レーザ変位計100を用いて0.1mmのサンプリング間隔で測定した結果が示されている。サンプリング間隔は、測定に用いたレーザビームのスポットサイズ(50μm)よりも長い。図5に見られるように、ゲージブロックの面粗度が0.06μm程度であるのに対して、測定データには3σ値で(σは標準偏差を表す)36μmもの大きなノイズ(スパイク状のノイズ)が観測された。
[Characteristic noise contained in laser displacement meter measurement data]
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a measurement result of the gauge block surface by a laser displacement meter. Specifically, FIG. 5 shows the result of measuring the displacement of the surface of the metal gauge block at a sampling interval of 0.1 mm using the
図6は、レーザ変位計によるゲージブロック表面のより詳細な測定結果を示す図である。図6の場合には、図5の場合と同一のゲージブロックについて、0.4mmの測定範囲を1μmのサンプリング間隔で測定したときの測定データ(表面形状データ)が示されている。 FIG. 6 is a diagram showing a more detailed measurement result of the gauge block surface by the laser displacement meter. In the case of FIG. 6, measurement data (surface shape data) is shown for the same gauge block as in FIG. 5 when a measurement range of 0.4 mm is measured at a sampling interval of 1 μm.
この詳細な測定では、サンプリング間隔を、レーザビームのスポットサイズ(50μm)よりもかなり短くしている点に特徴がある。さらに、図1の発光部110に対して受光部(リニアイメージセンサ120)が走査方向の前方に配置されている点に特徴がある。すなわち、レーザビームの中心軸と集光レンズ118の光軸とを含む光路面(図1のXZ平面)に、レーザビームの走査方向を合わせている。
This detailed measurement is characterized in that the sampling interval is considerably shorter than the spot size (50 μm) of the laser beam. Further, the light receiving unit (linear image sensor 120) is arranged in front of the
図6を参照して、より詳細な測定では、細かなノイズとともに領域RA,RB,RCに見られるような比較的大きな誤差(スパイク状のノイズ)が観測された。これらの領域RA,RB,RCに見られる誤差は特徴的な形状を有している。具体的に、測定点(レーザビームの走査位置)が左から右に移動するにつれて、レーザ変位計によって測定される高さ方向の変位は、最初のうちデータの平均レベルよりも低くなり、次に平均レベルよりも高くなって最後に元の平均レベルに戻るという変化を示す。 With reference to FIG. 6, in a more detailed measurement, a relatively large error (spike-like noise) as observed in the regions RA, RB, and RC was observed together with fine noise. The errors seen in these areas RA, RB, RC have a characteristic shape. Specifically, as the measurement point (scanning position of the laser beam) moves from left to right, the height displacement measured by the laser displacement meter is initially lower than the average level of the data, and then It shows a change that becomes higher than the average level and finally returns to the original average level.
さらに、図6に示される測定結果の再現性は非常に良く、あたかも表面に微小な凹凸が存在するかのように観測された。具体的に、同一測定点を20回測定したときのデータばらつきは3σ値で2.3μmであった。したがって、時間平均化処理(同一測定を繰り返し行って平均化する処理)ではこのノイズを除去できない。 Furthermore, the reproducibility of the measurement results shown in FIG. 6 was very good, and it was observed as if minute irregularities existed on the surface. Specifically, the data variation when the same measurement point was measured 20 times was 2.3 μm as a 3σ value. Therefore, this noise cannot be removed by the time averaging process (a process in which the same measurement is repeated and averaged).
上記のノイズの原因は、電気的なノイズ、サーボモータの振動等ではないことは明らかである。これらの原因によって生じるノイズは、時間平均化処理によってキャンセルできるからである。さらに、上記のノイズの原因は、温度変化の影響、もしくは移動機構146の機械的な運動誤差でもない。温度変化の影響は電源を投入してから30〜60分で安定化するからであり、機械的な運動誤差は、上記スパイク状のノイズに比較して、大きなうねりとして現れるからである。 It is clear that the cause of the noise is not electrical noise, servo motor vibration, or the like. This is because the noise caused by these causes can be canceled by the time averaging process. Furthermore, the cause of the noise is not an influence of temperature change or a mechanical motion error of the moving mechanism 146. This is because the influence of the temperature change is stabilized 30 to 60 minutes after the power is turned on, and the mechanical motion error appears as a large swell compared to the spike-like noise.
以上により、上記のノイズの原因は、測定対象物130の表面の微視的な反射率の不均一であると考えられる。測定対象物130の表面にレーザスポットサイズよりも小さな反射率の不均一(輝度むら)がある場合には、図6に領域RA,RB,RCに見られるような特徴的な形状のノイズが発生することを説明できるからである。
From the above, it is considered that the cause of the noise is non-uniformity in the microscopic reflectance of the surface of the
なお、反射率の不均一は、材質の不均一、金属表面の傷、および凹凸などによって生じる。さらに、レーザ変位計の場合には、スペックルによっても反射率の不均一が生じ得る。通常、平均スペックル径の大きさはリニアイメージセンサ120の各ピクセルの幅よりも小さいが、特定の場所の不均一に起因して現れる平均値よりも大きな径のスペックルは、各ピクセル内では平均化されないために、図5、図6に見られるノイズの原因となり得る。
Note that the non-uniformity of reflectance is caused by non-uniform materials, scratches on the metal surface, irregularities, and the like. Further, in the case of a laser displacement meter, the reflectance may be non-uniform due to speckle. Normally, the size of the average speckle diameter is smaller than the width of each pixel of the
図7は、測定対象物の反射率の不均一性に起因した測定誤差について説明するための図である。図8は、リニアイメージセンサによって検出される輝度分布の一例を示す図である。 FIG. 7 is a diagram for explaining a measurement error due to the non-uniformity of the reflectance of the measurement object. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a luminance distribution detected by the linear image sensor.
図7(A)および(B)では、図解を容易にするためにレーザスポット132のサイズを大きく記載している。レーザビームの走査方向を+X方向とし、受光部としてのリニアイメージセンサ120は、レーザビームの中心軸116Cに対して走査方向前方に位置するものとする。
In FIGS. 7A and 7B, the size of the
図7(A)および(B)に示すように、測定対象物の表面には、レーザスポット132のスポットサイズよりも小さくかつ周囲よりも反射率が高い領域(P1,P2)があるとする。この高反射率領域の位置は、レーザビームが+X方向(走査方向)に走査されるつれて(すなわち、測定対象物が−X方向に移動するにつれて)、P1、P2の順に変化する。
As shown in FIGS. 7A and 7B, it is assumed that there are regions (P1, P2) that are smaller than the spot size of the
高反射率領域がレーザビームの中心軸116Cに対してP1に位置する場合は、図8(A)に示すように、イメージセンサ120の結像スポットの中心位置180に対してデータの重心位置182がずれる。このため、測定対象物130は、実際よりもε−だけ発光部110から離れた位置(低い位置)にあるように測定される。一方、高反射率領域がレーザビーム116に対してP2に位置する場合は、図8(B)に示すように、イメージセンサ120の結像スポットの中心180に対して、データの重心182が図8(A)の場合とは反対方向にずれる。このため、測定対象物130は、実際よりもε+だけ発光部110に近い位置(高い位置)にあるように測定される。
When the high reflectance region is located at P1 with respect to the center axis 116C of the laser beam, as shown in FIG. 8A, the data
したがって、微小な高反射率領域の相対位置が移動するにつれて、レーザ変位計によって測定される高さ方向の変位は、最初のうちデータの平均レベルよりも低くなり、次に平均レベルよりも高くなって最後に元の平均レベルに戻るという変化を示す。なお、上記の誤差変化の方向は、図7(A),(B)において発光部110に対して受光部(リニアイメージセンサ120)が走査方向の前方に位置する場合である点に注意する必要がある。発光部110に対して受光部(リニアイメージセンサ120)が走査方向の後方に位置する場合は、誤差変化の方向が逆になる。
Therefore, as the relative position of the minute high reflectance region moves, the displacement in the height direction measured by the laser displacement meter is initially lower than the average level of the data and then higher than the average level. Finally, it shows a change that returns to the original average level. It should be noted that the direction of the error change described above is a case where the light receiving unit (linear image sensor 120) is located in front of the scanning direction with respect to the
反射率の不均一性に起因した測定誤差の大きさは、レーザスポット132のスポットサイズwと受光角度γとによって決まる。具体的に測定誤差の最大値(レーザスポット132の周辺部を中心として誤認識したときときの誤差)εmaxは、次式(1)で与えられる。
The magnitude of the measurement error due to the non-uniformity of the reflectance is determined by the spot size w of the
εmax=w/(2・tan(γ)) …(1)
図5、図6の測定に用いたレーザ変位計では、スポットサイズw=50μm、受光角度γ=π/6である。この場合、測定誤差の最大値εmaxは次式(1A)で与えられ、図5、図6の測定誤差と同程度の値になる。
ε max = w / (2 · tan (γ)) (1)
In the laser displacement meter used in the measurement of FIGS. 5 and 6, the spot size w = 50 μm and the light receiving angle γ = π / 6. In this case, the maximum value ε max of the measurement error is given by the following equation (1A), which is a value comparable to the measurement error of FIGS.
εmax=25/tan(π/6)=43[μm] …(1A)
上式(1)から、レーザスポットサイズwが大きくなるほど、測定誤差の最大値が大きくなることがわかる。具体的に、直径50μmのスポットサイズのレーザビームで、1辺0.5mmの正方形状の領域の表面形状の測定した場合と、レーザスポットサイズを直径400μmに変更して同一の領域の表面形状を測定した場合とを比較すると、レーザ変位計によって測定される表面の凹凸の最大値は、67μmから80μmに増加した。
ε max = 25 / tan (π / 6) = 43 [μm] (1A)
From the above equation (1), it can be seen that the maximum value of the measurement error increases as the laser spot size w increases. Specifically, when the surface shape of a square region having a side of 0.5 mm is measured with a laser beam having a spot size of 50 μm in diameter, the surface shape of the same region is changed by changing the laser spot size to 400 μm in diameter. When compared with the case of measurement, the maximum value of the surface irregularities measured by the laser displacement meter increased from 67 μm to 80 μm.
[データ処理手順]
(1.概要)
以上で説明したように、三角測量方式のレーザ変位計を用いた表面形状の測定では、図5、図6に示すような特徴的なノイズが生じる。この特徴的なノイズは、再現性があるために時間平均化処理では取り除くことができない。さらに、スパイク状の大きなノイズ(測定対象物の表面の実際の凹凸の100倍程度)を含んでいるために、移動平均処理を行っても測定ノイズを完全に除去することはできない。ノイズの影響を抑制するために移動平均区間を広げすぎると、実際に存在する本来検出可能なレベルの凹凸の検出ができなってしまう。
[Data processing procedure]
(1. Overview)
As described above, characteristic noises as shown in FIGS. 5 and 6 are generated in the measurement of the surface shape using the triangulation laser displacement meter. This characteristic noise cannot be removed by the time averaging process because of its reproducibility. Furthermore, since it contains a large spike-like noise (about 100 times the actual unevenness of the surface of the measurement object), the measurement noise cannot be completely removed even if the moving average process is performed. If the moving average section is too wide in order to suppress the influence of noise, it is impossible to detect the actually present unevenness level that can be detected.
なお、図6の領域RA,RB,RCに見られる特徴的なノイズの形状に着目すれば、このノイズをデータから抽出しキャンセルすることは可能である。しかしながら、この特徴的なノイズの形状はスポットサイズ以下の範囲で見られるために、その形状を精度よく捉えるためにはサンプリング間隔をスポットサイズの1/10〜1/20程度にしなければならない。このため、測定に時間がかかるというディメリットがある。 If attention is paid to the characteristic noise shape seen in the regions RA, RB, and RC in FIG. 6, it is possible to extract the noise from the data and cancel it. However, since this characteristic noise shape can be seen in a range below the spot size, the sampling interval must be about 1/10 to 1/20 of the spot size in order to accurately capture the shape. For this reason, there exists a demerit that measurement takes time.
以下に示すデータ処理手順は、サンプリング間隔がスポットサイズの1/2より大きい場合、すなわち、短時間での表面形状を測定する場合に好適に用いることができる。この場合、測定ノイズは、図5に見られるようなランダムなノイズとして取り扱われる。以下、データ処理手順について説明する。 The following data processing procedure can be suitably used when the sampling interval is larger than ½ of the spot size, that is, when measuring the surface shape in a short time. In this case, the measurement noise is treated as random noise as seen in FIG. The data processing procedure will be described below.
図9は、データ処理手順の概要を説明するための図である。図9では、測定対象物上の測定点MP(すなわち、レーザビームの走査位置)と測定値MV(すなわち、高さ方向の変位)との関係が示されている。 FIG. 9 is a diagram for explaining an outline of a data processing procedure. FIG. 9 shows the relationship between the measurement point MP (that is, the scanning position of the laser beam) on the measurement object and the measurement value MV (that is, the displacement in the height direction).
図4、図9を参照して、表面形状データ166のデータ処理を行うデータ処理部158は、誤差範囲設定部160と表面形状出力部162とを含む。
Referring to FIGS. 4 and 9,
誤差範囲設定部160は、各測定点MPにおけるレーザ変位計100の測定値MVに対して、誤差範囲ERを設定する。具体的に図9に示すように、各測定値MVに対して、誤差範囲ERがMV−ΔからMV+Δまでの範囲で設定される。この誤差範囲の幅Δは、図5、図6で説明した特徴的なノイズの大きさの最大値に対応するものであり、レーザビームのスポットサイズに応じて定められる。すなわち、レーザビームのスポットサイズが大きくなるほど、誤差範囲の幅Δは大きく設定される。なお、レーザビームのスポットサイズをできるだけ小さくしたほうが上記の特徴的なノイズの大きさが小さくなるので、より精度の良い測定が可能になる。
The error
表面形状出力部162は、各誤差範囲ERを通る直線または曲線を、レーザビームの走査方向に沿った測定対象物の表面形状の測定結果として出力する。曲線の場合には、できるだけ凹凸が少なく滑らかな形状となるのが望ましい。すなわち、極値を持つ点(極大点、極小点)の数および変曲点の数ができるだけ少なくなるように曲線の形状が定められる。変曲点を持たない場合(変曲点の数が0の場合)が最も望ましく、この場合は上に凸の曲線または下に凸の曲線になる。変曲点を持つ曲線では、上に凸の部分と下に凸の部分との接続点が変曲点に相当する。なお、この明細書では、一部に直線部分を含んでいる場合(すなわち、直線部分と曲線部分とが接続された場合)も、曲線に含める。
The surface
(2.データ処理手順の説明)
以下、これまでの説明を総括しながら、データ処理手順の詳細について説明する。
(2. Explanation of data processing procedure)
The details of the data processing procedure will be described below while summarizing the above description.
図10は、表面形状の測定手順およびデータ処理の手順の一例を示すフローチャートである。図4、図10を参照して、まず、測定制御部156は、移動機構146を駆動することによって、測定対象物130に対してレーザビーム116を走査させることによって、測定対象物130の表面上の複数の測定点で高さ方向の変位(すなわち、表面形状)を、レーザ変位計100を用いて測定する(ステップS100)。測定データは、表面形状データ166としてメモリ154に格納される。
FIG. 10 is a flowchart illustrating an example of a surface shape measurement procedure and a data processing procedure. With reference to FIGS. 4 and 10, first, the
次に、誤差範囲設定部160は、各測定点MPにおけるレーザ変位計100の測定値MVに対して、レーザスポットサイズに応じた誤差範囲ERを設定する(ステップS105)。
Next, the error
次に、表面形状出力部162は、各測定点での測定値MV(測定データとも称する)に対して、最小二乗法または最尤法を用いて直線または曲線を当てはめる(フィッティングする)(ステップS110)。続いて、表面形状出力部162は、当てはめられた直線または曲線(以下、近似直線または近似曲線とも称する)が、ステップS105で設定した各測定点MPにおける誤差範囲ERを全て通過するか否かを判定する(ステップS115)。
Next, the surface
表面形状出力部162は、近似直線または近似曲線が設定された各誤差範囲ERを通過する場合には(ステップS115でYES)、測定対象物の表面形状の測定結果として当該近似直線または近似曲線を出力して(ステップS120)、処理を終了する。
If the approximate line or approximate curve passes through each error range ER (YES in step S115), the surface
一方、表面形状出力部162は、近似直線または近似曲線が各誤差範囲ERを全て通過しない場合には(ステップS115でNO)、各測定点MPの測定値MVに当てはめるべき直線または曲線の関数形を変更する。そして、表面形状出力部162は、関数形を変更した直線または曲線を、再度、各測定点MPでの測定値MVに当てはめる(ステップS125)。その後、表面形状出力部162は、ステップS115に処理を戻して、測定データに当てはめられた新たな関数形の直線または曲線が各測定点MPにおける誤差範囲ERを全て通過するか否かを再判定する。
On the other hand, when the approximate straight line or approximate curve does not pass through each error range ER (NO in step S115), the surface
上記の直線または曲線を当てはめるステップS110,S125では、最初に、直線もしくはできるだけ極大点、極小点、および変曲点の数の少ない関数形の曲線をあてはめるのが望ましい。その結果、近似直線または近似曲線が一部の誤差範囲ERを通過しない場合には(ステップS115でNO)、徐々に極大点、極小点、および変曲点の数の多い関数形の曲線を測定データにフィッティングするようにする。たとえば、測定データにn次関数(n≧0)を当てはめる場合には、最初に0次関数(定数関数)を測定データに当てはめ、次に1次関数を測定データに当てはめ、その次に2次関数を当てはめるというように、徐々に次数nを増やしていくのが望ましい。 In the above-described steps S110 and S125 for applying a straight line or a curve, it is desirable to first apply a straight line or a functional curve having as few local maximum points, local minimum points, and inflection points as possible. As a result, when the approximate straight line or the approximate curve does not pass through a part of the error range ER (NO in step S115), a function curve having a large number of maximum points, minimum points, and inflection points is gradually measured. Try to fit the data. For example, when an n-order function (n ≧ 0) is applied to measurement data, a zero-order function (constant function) is first applied to measurement data, then a linear function is applied to measurement data, and then a quadratic function. It is desirable to gradually increase the order n, such as fitting a function.
(3.測定範囲を複数の区間に区分する場合)
図11は、データ処理手順の変更例を示すフローチャートである。図11のステップは、図10のステップS110〜S125に置換されるものである。図10のステップS100,S105に関しては共通しているので、図11では図示していない。既に説明したように、ステップS105において、各測定点MPでの測定値MVに対してレーザスポットサイズに応じた誤差範囲ERが設定される。
(3. When dividing the measurement range into multiple sections)
FIG. 11 is a flowchart illustrating a modification example of the data processing procedure. The steps in FIG. 11 are replaced with steps S110 to S125 in FIG. Since steps S100 and S105 in FIG. 10 are common, they are not shown in FIG. As already described, in step S105, an error range ER corresponding to the laser spot size is set for the measurement value MV at each measurement point MP.
図12は、図11に示す手順の具体例を説明するための図である。
図11および図12の例では、各測定点MPでの測定値MVにn次関数(n≧0)を当てはめる例が示されている。この場合、n次関数の次数はできるだけ小さいほうが望ましい。ただし、1つの次数のn次関数を用いて、設定された全ての誤差範囲ERを通るように測定範囲全体の測定データ近似することは困難であるので、最初に、直線近似が可能な第1種区間と、直線近似が困難な第2種区間とに、測定範囲全体が区分される(ステップS200)。たとえば、図12の例では、測定範囲が、3つの第1種区間(区間I、区間III、区間V)と2つの第2種区間(区間II、区間IV)とに区分されている。
FIG. 12 is a diagram for explaining a specific example of the procedure shown in FIG.
In the examples of FIGS. 11 and 12, an example in which an n-order function (n ≧ 0) is applied to the measurement value MV at each measurement point MP is shown. In this case, it is desirable that the order of the n-order function is as small as possible. However, since it is difficult to approximate the measurement data of the entire measurement range so as to pass through all the set error ranges ER using an n-order function of one order, first, a first approximation that can be linearly approximated. The entire measurement range is divided into a seed section and a second kind section that is difficult to perform linear approximation (step S200). For example, in the example of FIG. 12, the measurement range is divided into three first type sections (section I, section III, section V) and two second type sections (section II, section IV).
次に、表面形状出力部162は、各第1種区間内の各測定点MPの測定値MVに対して最小二乗法または最尤法を用いて0次関数または1次関数を当てはめる(ステップS205)。図12の例では、区間IおよびVの各測定値MVに0次関数212,216がそれぞれ当てはめられ、区間IIIの各測定値MVに1次関数214が当てはめられている。
Next, the surface
次に、表面形状出力部162は、各第1種区間において、当てはめられた0次または1次関数が設定された各誤差範囲ER内を通るか否かを判定する(ステップS210)。この結果、近似直線が一部の誤差範囲ERを通らない場合には(ステップS210でNO)、表面形状出力部162は、第1種および第2種区間の区分を変更する(ステップS215)。具体的には、たとえば、第2種区間の範囲を広げ、第1種区間の範囲を狭める。その後、表面形状出力部162は、上記の当てはめ(ステップS205)および判定(ステップS210)を再度実行する。
Next, the surface
一方、各第1種区間において、近似直線が各誤差範囲ERを全て通過する場合には(ステップS210でYES)、表面形状出力部162は、隣接する第1種区間の0次または1次の近似関数と滑らかに連続するという制約条件の下で(滑らかに連続するとは導関数も連続することを意味する)、各第2種区間内の測定データに対してn次関数(n≧2)を当てはめる(ステップS220)。n次関数の次数はできるだけ小さいほうが望ましいので、最初は2次関数(初期値:n=2)を当てはめる。なお、ラグランジュ乗数を導入することによって、最小二乗法および最尤法に制約条件を付加することができる。
On the other hand, when the approximate straight line passes through each error range ER in each first type section (YES in step S210), the surface
図12の例では、区間IIの測定データに対しては、区間Iの0次関数212および区間IIIの1次関数214に滑らかに連続するように、2次関数220が当てはめられている。区間IVの測定データに対しては、区間IIの1次関数214および区間Vの0次関数に滑らかに連続するように、2次関数222が当てはめられている。
In the example of FIG. 12, the
次に、表面形状出力部162は、各第2種区間において、上記の方法で当てはめられたn次関数が設定された各誤差範囲ER内を通るか否かを判定する(ステップS225)。この結果、表面形状出力部162は、各第2種区間において、測定データに当てはめられたn次関数が設定された各誤差範囲ERを全て通る場合に(ステップS225でYES)、各第1種区間において当てはめられた0次または1次関数、および各第2種区間において当てはめられたn次関数(n≧2)を、表面形状の測定結果として出力する(ステップS230)。
Next, the surface
一方、各第2種区間において、測定データに当てはめられたn次関数が設定された各誤差範囲ERを全て通らない場合には、表面形状出力部162は、近似するn次関数の次数を1つ増やし(ステップS235)、その後、当てはめ(S220)および判定(ステップS225)の各ステップを再実行する。
On the other hand, when each n-th order function applied to the measurement data does not pass through each set error range ER in each second type section, the surface
(4.設計データが与えられている場合)
測定対象物が設計データに基づいて加工された工作物である場合には、設計データを利用することによってレーザビームの走査方向に沿った表面形状を示す近似直線または近似曲線を求めることができる。以下、図4、図13、図14を参照して具体的に説明する。
(4. When design data is given)
When the measurement object is a workpiece machined based on the design data, an approximate straight line or an approximate curve indicating the surface shape along the scanning direction of the laser beam can be obtained by using the design data. Hereinafter, a specific description will be given with reference to FIGS. 4, 13, and 14.
図13は、設計データが与えられている場合のデータ処理手順を示すフローチャートである。図13のステップは、図10のステップS110〜S125に置換されるものである。図10のステップS100,S105に関しては共通しているので、図13では図示していない。既に説明したように、ステップS105において、各測定点MPでの測定値MVに対してレーザビームのスポットサイズに応じた誤差範囲ERが設定されている。 FIG. 13 is a flowchart showing a data processing procedure when design data is given. The steps in FIG. 13 are replaced with steps S110 to S125 in FIG. Since steps S100 and S105 in FIG. 10 are common, they are not shown in FIG. As already described, in step S105, the error range ER corresponding to the spot size of the laser beam is set for the measurement value MV at each measurement point MP.
図14は、図13のデータ処理手順の具体例を説明するための図である。図14の例では、設計データに基づいた表面形状は0次関数(定数関数)で表わされるとしている。 FIG. 14 is a diagram for explaining a specific example of the data processing procedure of FIG. In the example of FIG. 14, the surface shape based on the design data is expressed by a zero-order function (constant function).
最初に、表面形状出力部162は、各測定点MPでの測定値MV(測定データ)に対して、設計データに基づいた、レーザビームの走査方向の表面形状を示す直線または曲線を最小二乗法または最尤法によって当てはめる(ステップS300)。この場合、高さ方向もしくは高さ方向および水平方向の両方のオフセット値(シフト量)がパラメータとなり、これらのパラメータが最小二乗法または最尤法によって最適化される。
First, the surface
この結果、得られた近似直線または曲線が各測定点MPごとに設定された誤差範囲ERを全て通る場合には(ステップS305でYES)、表面形状出力部162は、当該近似直線または曲線を、レーザビームの走査方向に沿った測定対象物の表面形状の測定結果として出力し(ステップS340)、処理を終了する。
As a result, when the obtained approximate line or curve passes through all the error ranges ER set for each measurement point MP (YES in step S305), the surface
一方、各測定点MPごとに設定された誤差範囲ERのうち、一部の誤差範囲ERを設計データに基づいた表面形状を示す近似直線または曲線が通過しない場合には(ステップS305でNO)、表面形状出力部162は、この一部の誤差範囲ERが設定されている測定点MPの近傍に加工不良または素材不良があると判定する。この場合、表面形状出力部162は、この加工不良または素材不良があると判定した測定点の近傍を非適正区間に設定し、その他の区間を適正区間に設定する(ステップS310)。図14の例では、区間IおよびIIIが適正区間に設定され、区間IIが非適正区間に設定されている。
On the other hand, when an approximate line or curve indicating a surface shape based on the design data does not pass through a part of the error range ER among the error ranges ER set for each measurement point MP (NO in step S305), The surface
次に、表面形状出力部162は、適正区間内(適正区間が複数ある場合には全ての適正区間)の各測定点MPにおける測定値MVに対して、設計データに基づいた表面形状を示す直線または曲線を最小二乗法または最尤法によって当てはめる(ステップS315)。この結果、当てはめられた直線または曲線が適正区間で設定されている一部の誤差範囲ERを通らない場合には(ステップS320でNO)、表面形状出力部162は、適正および非適正区間の区分を変更する(ステップS325)。具体的には、たとえば、非適正区間の範囲を広げ、適正区間の範囲を狭める。その後、表面形状出力部162は、上記の適正区間における当てはめ(S315)および判定(S320)の各ステップを再度実行する。
Next, the surface
一方、適正区間において、当てはめられた直線または曲線が各誤差範囲ERを全て通過する場合には(ステップS320でYES)、表面形状出力部162は、隣接する適正区間の近似直線または曲線に連続する(もしくは滑らかに連続する)という制約条件の下で、非適正区間内の測定データに対して曲線を当てはめる(ステップS330)。
On the other hand, when the fitted straight line or curve passes through each error range ER in the appropriate section (YES in step S320), the surface
図14の例では、区間IおよびIII内の各測定値MVに、設計データに基づいたレーザビームの走査方向の表面形状を示す0次関数240,242が当てはめられている。区間II内の各測定値MVに対しては、区間I,IIIの0次関数240,242と滑らかに連続するように4次関数244が当てはめられている。
In the example of FIG. 14, zero-
次に、表面形状出力部162は、各非適正区間において、各測定データに当てはめられた曲線が設定された各誤差範囲ERを通るか否かを判定する(ステップS335)。この結果、表面形状出力部162は、各非適正区間において、当てはめられた曲線が設定された各誤差範囲ERを全て通る場合には(ステップS335でYES)、適正区間で当てはめられた設計データに基づいた表面形状を示す直線または曲線、および非適正区間で当てはめられた曲線を、表面形状の測定結果として出力する。
Next, the surface
一方、一部の誤差範囲ERを近似直線または曲線が通過しない場合には(ステップS335でNO)、表面形状出力部162は、各非適正区間において、測定データに当てはめる曲線の関数形を変更する。たとえば、n次関数を当てはめる場合には、次数nを増やす。そして、表面形状出力部162は、関数形を変更した曲線を非適正区間の測定データに再度当てはめる(ステップS345)。その後、表面形状出力部162は、ステップS335に処理を戻して、各非適正区間において、各測定データに当てはめられた曲線が設定された各誤差範囲ERを通るか否かを再度判定する(ステップS335)。
On the other hand, when the approximate line or curve does not pass through a part of the error range ER (NO in step S335), the surface
[まとめと効果]
以上をまとめると、レーザ変位計(より一般には光ビームを利用した三角測量方式の変位計)を用いて測定対象物の表面形状を測定する際には、時間平均化処理では除去できないスパイク状の大きなノイズが出現する。このノイズの原因は、測定対象物の表面の微視的な(レーザスポットサイズよりも小さい)反射率の不均一によると考えられる。このため、ノイズの大きさは、レーザスポットサイズに応じて決まり、レーザスポットサイズが大きいほどノイズの大きさの最大値が大きくなる。
[Summary and effect]
To summarize the above, when measuring the surface shape of an object to be measured using a laser displacement meter (more generally, a triangulation displacement meter using a light beam), a spike-like shape that cannot be removed by time averaging processing is used. Large noise appears. The cause of this noise is considered to be due to the microscopic (smaller than the laser spot size) reflectance nonuniformity of the surface of the measurement object. Therefore, the magnitude of noise is determined according to the laser spot size, and the maximum value of the noise magnitude increases as the laser spot size increases.
上記のノイズの特徴を考慮して、実施の形態1による表面形状測定装置では、各測定点での測定値に対してレーザスポットサイズに応じた誤差範囲が設定される。そして、設定した各誤差範囲内を通るような直線または曲線が、レーザビームの走査方向に沿った表面形状の測定結果として出力される。この場合の曲線の形状は、極値を持つ点の数および変曲点の数ができるだけ少なくなるように設定される(n次関数の場合には、できるだけ次数nが小さいものが選択される)。この結果、上記のスパイク状のノイズの影響を受けない表面形状データを短時間で得ることができる。したがって、たとえば、測定対象物の概略形状を把握する場合などに好適に用いることができる。なお、レーザビームのスポットサイズをできるだけ小さくしたほうが上記のノイズの大きさが小さくなるので、より精度の良い測定が可能になる。 In consideration of the characteristics of the noise, in the surface shape measuring apparatus according to the first embodiment, an error range corresponding to the laser spot size is set for the measurement values at each measurement point. Then, a straight line or a curve passing through each set error range is output as a measurement result of the surface shape along the scanning direction of the laser beam. The shape of the curve in this case is set so that the number of points having extreme values and the number of inflection points are as small as possible (in the case of an n-order function, the one having the smallest order n is selected). . As a result, surface shape data that is not affected by the spike-like noise can be obtained in a short time. Therefore, for example, it can be suitably used when grasping the schematic shape of the measurement object. Note that the size of the noise becomes smaller when the spot size of the laser beam is made as small as possible, so that more accurate measurement is possible.
さらに、測定対象物が設計データに基づいて加工された工作物の場合には、設定された誤差範囲内を通るように設計データに基づいた表面形状を示す直線または曲線が測定データに当てはめられる。設計データに基づいた表面形状を示す近似直線または曲線が設定された誤差範囲内を通らない箇所(加工不良または素材不良)がある場合には、当該箇所の近傍の測定データに対して設計データとは別の曲線が当てはめられ、当てはめられた曲線が当該箇所の表面形状の測定結果として出力される。この結果、短時間の測定によって、工作物の概略形状さらには加工不良または素材不良の有無を把握することができる。 Further, in the case where the measurement object is a workpiece machined based on the design data, a straight line or a curve indicating the surface shape based on the design data is applied to the measurement data so as to pass within the set error range. If there is a part (processing defect or material defect) that does not pass within the set error range, an approximate straight line or curve indicating the surface shape based on the design data, the design data and the measurement data in the vicinity of the part A different curve is fitted, and the fitted curve is output as a measurement result of the surface shape of the part. As a result, it is possible to grasp the general shape of the workpiece, as well as the presence or absence of processing defects or material defects, by measuring in a short time.
<実施の形態2>
図1では、レーザダイオード112から発せられたレーザビーム116はレンズ114によって略平行光に整形されるとしたが、実際には、レーザビーム116のビームサイズはレーザダイオード112からの距離に応じて変化する。
<
In FIG. 1, the
図15は、レーザダイオードから発せられるレーザ光のビーム径の変化の一例を示す図である。図15を参照して、ビームウェストの部分を基準位置とすると、基準位置でのビームサイズが直径50μの場合、基準位置から±10mmだけ高さ方向にずれた位置では、ビームサイズは直径460μmまで増加する。 FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a change in the beam diameter of laser light emitted from a laser diode. Referring to FIG. 15, when the beam waist portion is a reference position, when the beam size at the reference position is 50 μm, the beam size is up to 460 μm at a position shifted in the height direction by ± 10 mm from the reference position. To increase.
図7等で説明したように、レーザ変位計による測定の際に生じるノイズの大きさの最大値は、測定対象物の表面上でのビームサイズ(すなわち、スポットサイズ)の大きさに応じて変化する。したがって、望ましくは、図10のステップS105で設定される誤差範囲も、レーザ変位計の測定値に応じて変更する必要がある。 As described with reference to FIG. 7 and the like, the maximum value of the noise generated during measurement by the laser displacement meter changes according to the size of the beam size (ie, spot size) on the surface of the measurement object. To do. Therefore, desirably, the error range set in step S105 of FIG. 10 also needs to be changed according to the measured value of the laser displacement meter.
図16は、図10のステップS105の変更例について説明するための図である。図16では、測定対象物の表面上の測定点MP1〜MP5(すなわち、レーザビームの走査位置)と測定値(すなわち、高さ方向の変位)との関係が示されている。測定点MP3での測定値d1が図15のビームウェストの位置に対応する基準位置であるとする。 FIG. 16 is a diagram for explaining a modified example of step S105 in FIG. FIG. 16 shows the relationship between the measurement points MP1 to MP5 (that is, the scanning position of the laser beam) on the surface of the measurement object and the measurement value (that is, the displacement in the height direction). It is assumed that the measurement value d1 at the measurement point MP3 is a reference position corresponding to the beam waist position in FIG.
図16に示すように、測定点MP2,MP4での測定値d2は基準位置(d1)よりも低く、測定点MP1,MP5での測定値d3は測定点MP2,MP4での測定値d2よりもさらに低い。したがって、測定点MP1における測定値d1に対して設定される誤差範囲の幅をΔ1とすると、測定点MP2,MP4における測定値d2に対する誤差範囲の幅は、Δ1よりも大きいΔ2に設定される。さらに、測定点MP1,MP5における測定値d3に対する誤差範囲の幅は、Δ2よりも大きいΔ3に設定される。このように設定された各誤差範囲を通る曲線が、表面形状の測定結果として出力される。 As shown in FIG. 16, the measurement value d2 at the measurement points MP2 and MP4 is lower than the reference position (d1), and the measurement value d3 at the measurement points MP1 and MP5 is lower than the measurement value d2 at the measurement points MP2 and MP4. Even lower. Therefore, when the width of the error range set for the measurement value d1 at the measurement point MP1 is Δ1, the width of the error range for the measurement value d2 at the measurement points MP2 and MP4 is set to Δ2 which is larger than Δ1. Further, the width of the error range with respect to the measurement value d3 at the measurement points MP1 and MP5 is set to Δ3 which is larger than Δ2. A curve passing through each error range set in this way is output as a measurement result of the surface shape.
上記のとおり、実施の形態2による表面径所測定装置では、レーザ変位計の測定値に応じて図10のステップS105で設定される誤差範囲の大きさが変更される。設定する誤差範囲の大きさは、実験によって観測されるノイズの大きさに応じて予め定めておく。 As described above, in the surface diameter measuring apparatus according to the second embodiment, the size of the error range set in step S105 of FIG. 10 is changed according to the measurement value of the laser displacement meter. The size of the error range to be set is determined in advance according to the size of noise observed through experiments.
<実施の形態3>
実施の形態3は、実施の形態1または2の表面形状測定装置を備えた工作機械を開示する。以下では、工作機械が立形マシンニングセンタである場合について説明しているが、工作機械は、横形マシニングセンタまたは旋盤など、他の種類のものであっても構わない。
<
The third embodiment discloses a machine tool provided with the surface shape measuring device of the first or second embodiment. Although the case where the machine tool is a vertical machining center is described below, the machine tool may be of other types such as a horizontal machining center or a lathe.
図17は、実施の形態3による工作機械の構成を模式的に示す斜視図である。図17を参照して、工作機械200は、加工装置10と、NC(Numerical Control)装置24と、ATC(自動工具交換装置:Automatic Tool Changer)28と、コンピュータ150とを含む。
FIG. 17 is a perspective view schematically showing the configuration of the machine tool according to the third embodiment. Referring to FIG. 17,
加工装置10は、ベッド12と、ベッド12上に設置されたコラム14と、主軸22を有する主軸頭20と、テーブル18を有するサドル16とを含む。
The
主軸頭20は、コラム14の前面に支持されて、上下方向(Z軸方向)に移動可能である。主軸22の先端には、工具(図示せず)または測定ヘッド42が着脱可能に装着される。主軸22は、その中心軸線(図18のCL)のまわりに回転可能に、主軸頭20に支持されている。
The
測定ヘッド42は、図1に示すレーザ変位計100と、このレーザ変位計の制御回路および駆動用バッテリと、無線通信を行うための通信装置とを内蔵する。
The
サドル16は、ベッド12上に配置されて前後の水平方向(Y軸方向)に移動可能である。サドル16上にはテーブル18が配置されている。テーブル18は、左右の水平方向(X軸方向)に移動可能である。テーブル18上には工作物2が載置されている。サドル16は図4のサドル142に対応し、テーブル18は図4のテーブル144に対応する。工作物2は図4の測定対象物130に対応する。
The
加工装置10は、測定ヘッド42と工作物2とを相対的にX軸、Y軸、Z軸の直交3軸方向に直線移動させるマシニングセンタである。なお、図1の構成と異なり、加工装置10は、測定ヘッド42を支持する主軸頭20を、工作物2に対してX軸、Y軸方向にそれぞれ移動させる構成であってもよい。
The
NC装置24は、上記の直交3軸制御を含めて加工装置10全体の動作を制御する。ATC(自動工具交換装置)28は、主軸22に対して工具と測定ヘッド42をそれぞれ自動的に交換する。ATC28は、NC装置24によって制御される。
The
図18は、図17の工作機械のうち表面形状測定装置に関する部分の機能的構成を示すブロック図である。図18には、加工装置10に備えられているZ軸送り機構34、Y軸送り機構32およびX軸送り機構30が示されている。
FIG. 18 is a block diagram showing a functional configuration of a part related to the surface shape measuring device in the machine tool of FIG. FIG. 18 shows a Z-
図17、図18を参照して、Z軸送り機構34は、コラム14に支持されている主軸頭20を駆動してZ軸方向に移動させる。Y軸送り機構32は、ベッド12上に配置されているサドル16を駆動してY軸方向に移動させる。X軸送り機構30は、サドル16上に載置されて工作物2を支持するテーブル18を駆動してX軸方向に移動させる。NC装置24は、Z軸送り機構34、Y軸送り機構32およびX軸送り機構30をそれぞれ制御する。X軸送り機構30、Y軸送り機構32、および、Z軸送り機構34は、図4のX軸駆動機構146X、Y軸駆動機構146Y、およびZ軸駆動機構146Zにそれぞれ対応する。
17 and 18, the Z-
コンピュータ150は、プロセッサ152、メモリ154、および測定ヘッド42との間で無線通信を行うための通信装置168等を含む。プロセッサ152は、メモリ154に格納されたプログラムを実行することによって、図4で説明した測定制御部156およびデータ処理部158として機能する。
The
測定制御部156は、NC装置24と連携することによって、測定ヘッド42と工作物2との相対的位置関係を連続的に変化させ、これによってレーザビーム116が工作物2の表面に沿って走査する。測定制御部156は、レーザビーム116の走査中に、レーザビーム116の走査方向の複数の測定点における高さ方向(Z軸方向)の変位データを工作物2の表面形状データとして測定ヘッド42から取得する。具体的な手順は以下のとおりである。
The
まず、測定制御部156からの制御に基づいて、NC装置24は、X軸送り機構30およびY軸送り機構32のいずれか一方、もしくはX軸送り機構30、Y軸送り機構32、およびZ軸送り機構34のうちの少なくとも2軸を駆動することによって、測定ヘッド42と工作物2との相対的位置関係を連続的に変化させる。
First, based on the control from the
NC装置24に内蔵されたPLC(プログラマブル・ロジック・コントローラ:Programmable Logic Controller)26は、上記の送り機構の駆動に同期して、所定周期でトリガ信号を通信装置168に出力する。通信装置168はトリガ信号を受信すると測定指令fを測定ヘッド42に送信し、測定ヘッド42は測定指令fに従って測定ヘッド42から工作物2までの距離D(すなわち、工作物2の表面の変位)を測定する。測定された距離DのデータFは、測定ヘッド42から通信装置168を介して測定制御部156に送信される。
A PLC (Programmable Logic Controller) 26 built in the
PLC26は、さらに、上記の測定ヘッド42による距離測定のタイミングに合わせて、X軸送り機構30、Y軸送り機構32、およびZ軸送り機構34の位置情報を取得することによって、測定ヘッド42の位置のデータを検出する。PLC26は、検出した測定ヘッド42の位置のデータを測定制御部156に送信する。
The
測定制御部156は、PLC26から取得した測定ヘッド42の位置データと、測定ヘッド42から取得した距離DのデータFとに基づいて、レーザビーム116の走査方向に沿った各測定点における高さ方向(Z軸方向)の変位データを表面形状データ166として、メモリ154に格納する。
Based on the position data of the
プロセッサ152は、さらに、上記の表面形状データ166のデータ処理を行うためのデータ処理部158として機能する。データ処理部158の動作は、実施の形態1および2で説明したとおりである。データ処理部158によるデータ処理の結果、ノイズが除去された表面形状の測定結果を短時間で得ることができる。
The
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time must be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
2 工作物、10 加工装置、16,142 サドル、18,144 テーブル、20 主軸頭、22 主軸、24 NC装置、30 X軸送り機構、32 Y軸送り機構、34 Z軸送り機構、42 測定ヘッド、100 レーザ変位計、110 発光部、112 レーザダイオード、114 レンズ、116 レーザビーム、118 集光レンズ、120 リニアイメージセンサ(受光部)、130 測定対象物、132 レーザスポット、140 表面形状測定装置、146 移動機構、146X X軸駆動機構、146Y Y軸駆動機構、146Z Z軸駆動機構、150 コンピュータ、152 プロセッサ、154 メモリ、156 測定制御部、158 データ処理部、160 誤差範囲設定部、162 表面形状出力部、166 表面形状データ、200 工作機械。 2 Workpiece, 10 Processing device, 16,142 Saddle, 18,144 Table, 20 Spindle head, 22 Spindle, 24 NC device, 30 X-axis feed mechanism, 32 Y-axis feed mechanism, 34 Z-axis feed mechanism, 42 Measuring head , 100 laser displacement meter, 110 light emitting unit, 112 laser diode, 114 lens, 116 laser beam, 118 condensing lens, 120 linear image sensor (light receiving unit), 130 measuring object, 132 laser spot, 140 surface shape measuring device, 146 Movement mechanism, 146X X-axis drive mechanism, 146Y Y-axis drive mechanism, 146Z Z-axis drive mechanism, 150 computer, 152 processor, 154 memory, 156 measurement control unit, 158 data processing unit, 160 error range setting unit, 162 surface shape Output unit, 166 surface shape data, 00 machine tools.
Claims (6)
前記変位計と前記測定対象物とを相対的に移動させることによって、前記光ビームを走査する移動機構と、
前記移動機構によって前記光ビームを走査しながら、複数の測定点で前記測定対象物の表面の変位を前記変位計によって測定する測定制御部と、
各前記測定点における前記変位計の測定値に対して誤差範囲を設定する誤差範囲設定部と、
各前記誤差範囲を通る直線または曲線を、前記光ビームの走査方向に沿った表面形状の測定結果として出力する表面形状出力部とを備え、
前記曲線の形状は、極値を持つ点の数および変曲点の数ができるだけ少なくなるように設定される、表面形状測定装置。 A light beam is emitted toward the measurement object, the scattered light of the light beam from the measurement object is collected, and the displacement of the surface of the measurement object is changed based on a change in the collection position of the scattered light. A displacement meter to be measured;
A moving mechanism for scanning the light beam by relatively moving the displacement meter and the measurement object;
A measurement control unit that measures the displacement of the surface of the measurement object at a plurality of measurement points by the displacement meter while scanning the light beam by the moving mechanism;
An error range setting unit for setting an error range for the measurement value of the displacement meter at each measurement point;
A surface shape output unit that outputs a straight line or a curve passing through each of the error ranges as a measurement result of the surface shape along the scanning direction of the light beam,
The shape of the curve is a surface shape measuring device set so that the number of points having extreme values and the number of inflection points are as small as possible.
前記誤差範囲は、前記変位計の測定値に応じて変更される、請求項2に記載の表面形状測定装置。 The spot size of the light beam changes according to the distance from the displacement meter,
The surface shape measurement apparatus according to claim 2, wherein the error range is changed according to a measurement value of the displacement meter.
各前記測定点での測定値に直線または曲線を当てはめ、
当てはめられた直線または曲線が設定された各前記誤差範囲を通る場合に、当てはめられた直線または曲線を表面形状の測定結果として出力し、
当てはめられた直線または曲線が一部の前記誤差範囲を通らない場合には、関数形を変更した直線または曲線を各前記測定点での測定値に再度当てはめるように構成される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の表面形状測定装置。 The surface shape output part is
Fit a straight line or a curve to the measured value at each said measuring point,
When the fitted straight line or curve passes through each of the set error ranges, the fitted straight line or curve is output as a surface shape measurement result;
If the fitted straight line or curve does not pass through some of the error ranges, the modified straight line or curve is re-applied to the measured value at each of the measurement points. 4. The surface shape measuring apparatus according to any one of 3 above.
前記表面形状出力部は、
各前記測定点での測定値に前記設計データに基づいた表面形状を示す直線または曲線を当てはめ、
当てはめられた直線または曲線が設定された各前記誤差範囲を通る場合に、当てはめられた直線または曲線を表面形状の測定結果として出力し、
当てはめられた直線または曲線が一部の前記誤差範囲を通らない場合に、前記一部の前記誤差範囲が設定されている測定点の近傍に加工不良または素材不良があると判定するように構成される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の表面形状測定装置。 The measurement object is a workpiece machined based on design data,
The surface shape output part is
A straight line or a curve indicating the surface shape based on the design data is applied to the measurement value at each measurement point,
When the fitted straight line or curve passes through each of the set error ranges, the fitted straight line or curve is output as a surface shape measurement result;
When the fitted straight line or curve does not pass through a part of the error range, it is configured to determine that there is a processing defect or a material defect in the vicinity of the measurement point at which the part of the error range is set. The surface shape measuring device according to any one of claims 1 to 3.
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