特許 6189191 表面形状測定装置および工作機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6189191

(24)【登録日】2017年8月10日

(45)【発行日】2017年8月30日

(54)【発明の名称】表面形状測定装置および工作機械

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20170821BHJP

   B23Q 17/20 20060101ALI20170821BHJP

   B23Q 17/24 20060101ALI20170821BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/24 A

   B23Q17/20 A

   B23Q17/24 Z

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-241020(P2013-241020)

(22)【出願日】2013年11月21日

(65)【公開番号】特開2015-102339(P2015-102339A)

(43)【公開日】2015年6月4日

【審査請求日】2016年5月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000146847

【氏名又は名称】ＤＭＧ森精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西川 静雄

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 豊

【審査官】 越川 康弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６３−２９８００６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０２３９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２９４２８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１１６２１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３５７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０４２２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１５５０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３４４７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／２４

Ｂ２３Ｑ １７／２０

Ｂ２３Ｑ １７／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象物の表面にレーザ光を照射し、前記レーザ光の反射光に基づいて前記レーザ光の照射位置における前記測定対象物の表面の高さ方向の変位を測定する変位センサと、
前記測定対象物の表面形状データに対してデータ処理を行うデータ処理部とを備え、
前記表面形状データは、前記変位センサと前記測定対象物との相対的位置関係が連続的に変化したときに得られる、前記レーザ光の走査方向に沿った各測定点における前記高さ方向の変位のデータであり、
前記データ処理部は、
前記表面形状データに対して所定の第１の移動平均区間を用いて移動平均処理を行うことによって、前記走査方向に沿った測定点ごとに移動平均値を求める移動平均処理部と、
前記移動平均値が求められた測定点ごとに、移動平均値の算出に使用した変位データのばらつきの程度を示す指標値を算出する指標値算出部と、
算出した各前記指標値が閾値を超えているか否かを判定し、前記指標値が前記閾値を超えている測定点を特異点として特定する特異点判定部と、
前記特異点判定部によって特定された各前記特異点の近傍で前記測定対象物の表面形状が変化しているか否かを判定し、表面形状が変化している特異点を形状変化点として特定する形状変化判定部と、
前記移動平均処理を行った後の表面形状データについて各前記特異点における移動平均値のデータを修正するデータ修正部とを含み、
前記データ修正部は、
前記形状変化判定部によって特定された各前記形状変化点において、前記第１の移動平均区間より狭い第２の移動平均区間を用いることによって新たな移動平均値を算出し、
前記特異点であるが前記形状変化点でないと判定された各測定点については、当該測定点における移動平均値を取り除き、
前記特異点かつ前記形状変化点であると判定された各測定点については、当該測定点における移動平均値を前記新たな移動平均値に置換するように構成される、表面形状測定装置。

【請求項2】

前記第１の移動平均区間の長さは、前記測定対象物の表面に照射される前記レーザ光のビーム径に実質的に等しい、請求項１に記載の表面形状測定装置。

【請求項3】

前記閾値は、前記指標値算出部によって算出された複数の前記指標値のうちの少なくとも一部の平均値に等しい、請求項１または２に記載の表面形状測定装置。

【請求項4】

前記閾値は、前記指標値算出部によって算出された複数の前記指標値のうちの少なくとも一部を大きさの順に並べたときの所定の順番の値に等しい、請求項１または２に記載の表面形状測定装置。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面形状測定装置を備えた工作機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、レーザ変位センサを用い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。

【背景技術】

【0002】

レーザ変位センサは、通常、三角測量法を用いて測定対象物までの距離を測定する。測定対象物の表面の２次元形状は、測定対象物の表面上でレーザ光の照射位置を走査することによって得られる。レーザ変位センサによって測定された２次元形状データには、表面のランダムな凹凸に起因したノイズが含まれることが知られている。

【0003】

このようなノイズを除去するために、たとえば、特開２００４−１２４３０号公報（特許文献１）に記載される測定装置は、測定対象点を含む所定領域内の所定経路に沿ってレーザ光を照射し、所定経路上の複数の個所で測定された変位量の平均値を算出し、該平均値を測定対象点の変位量とする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００４−１２４３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

極めて平坦な表面を有すると考えられるブロックゲージ（等級の劣るものでもその表面粗さは±０．２μｍ以内である）の表面形状をレーザ変位センサで測定した場合でも、測定データには±２０μｍ程度のランダムなノイズが含まれる。ただし、この程度のノイズであれば、上記の特許文献のように測定データの移動平均値を算出することによって実用上問題のないレベルにまでノイズを低減することができる。

【0006】

ところが、レーザ変位センサによる測定データには、しばしば１００μｍ程度の大きさのインパルス的なノイズが含まれることがある。このようなインパルス的なノイズはブロックゲージの表面形状をレーザ変位センサで測定した場合においても検出される。インパルス的なノイズは、測定データを単に平均化するだけでは除去することができないため、表面に突起または窪みがあると誤認識することになる。

【0007】

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、その主たる目的は、レーザ変位センサを用いて測定対象物の表面形状を従来よりも高精度に測定可能な表面形状測定装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この発明は一局面において表面形状測定装置であって、変位センサとデータ処理部とを備える。変位センサは、測定対象物の表面にレーザ光を照射し、レーザ光の反射光に基づいてレーザ光の照射位置における測定対象物の表面の高さ方向の変位を測定する。データ処理部は、測定対象物の表面形状データに対してデータ処理を行う。上記の表面形状データは、変位センサと測定対象物との相対的位置関係が連続的に変化したときに得られる、レーザ光の走査方向に沿った各測定点における高さ方向の変位のデータである。データ処理部は、移動平均処理部と、指標値算出部と、特異点判定部と、データ修正部とを含む。移動平均処理部は、表面形状データに対して所定の第１の移動平均区間を用いて移動平均処理を行うことによって、走査方向に沿った少なくとも一部の測定点ごとに移動平均値を求める。指標値算出部は、移動平均値が求められた測定点ごとに、移動平均値の算出に使用した変位データのばらつきの程度を示す指標値を算出する。特異点判定部は、算出した各指標値が閾値を超えているか否かを判定し、指標値が閾値を超えている測定点を特異点として特定する。データ修正部は、特異点判定部の判定結果に基づいて、移動平均処理部によって求められた移動平均値のデータを修正する。

【0009】

上記構成によれば、表面形状データの移動平均処理を行う際に、各移動平均値の算出に用いられた変位データのばらつきの程度を示す指標値（たとえば、標準偏差）を算出し、算出した指標値が閾値を超える測定点が特異点として特定される。そして、この特異点の情報に基づいて、移動平均値のデータ（すなわち、移動平均処理後の表面形状データ）が修正されるので、従来よりもノイズの影響を抑制して精度良く測定対象物の表面形状を測定することができる。

【0010】

ここで、測定対象物の表面に照射されるレーザ光のビーム径の範囲内において、上記の閾値を超える変位データの変化が生じているので、上記の第１の移動平均区間の長さは測定対象物の表面に照射されるレーザ光のビーム径に実質的に等しい値に設定するのが望ましい。

【0011】

好ましい一実施の形態によれば、データ修正部は、各特異点における移動平均値を取り除くことによって、移動平均処理部によって求められた移動平均値のデータを修正する。

【0012】

好ましくは、上記の閾値は、指標値算出部によって算出された複数の指標値のうちの少なくとも一部の平均値に等しい。もしくは、上記の閾値は、指標値算出部によって算出された複数の指標値のうちの少なくとも一部を大きさの順に並べたときの所定の順番の値に等しい。

【0013】

好ましい他の実施の形態によれば、データ処理部は、さらに、特異点判定部によって特定された各特異点の近傍で測定対象物の表面形状が変化しているか否かを判定し、表面形状が変化している特異点を形状変化点として特定する形状変化判定部を含む。この場合、データ修正部は、特異点判定部および形状変化判定部の判定結果に基づいて、移動平均処理部によって求められた移動平均値のデータを修正する。

【0014】

上記構成によれば、表面形状の変化に起因して指標値が閾値を超えている場合を、ノイズによって指標値が閾値を超えている場合と区別できるので、より正確に表面形状を測定することができる。

【0015】

上記の他の実施の形態において、データ修正部は、形状変化判定部によって特定された各形状変化点において、第１の移動平均区間より狭い第２の移動平均区間を用いることによって新たな移動平均値を算出する。この場合、データ修正部は、各特異点における移動平均値を取り除くとともに、各形状変化点において算出された上記の新たな移動平均値を付け加えることによって、移動平均処理部によって求められた移動平均値のデータを修正するように構成してもよい。

【0016】

上記の他の実施の形態において、データ修正部は、各特異点における移動平均値を取り除くとともに、各形状変化点における表面形状データを付け加えることによって、移動平均処理部によって求められた移動平均値のデータを修正するようにしてもよい。

【0017】

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。

【発明の効果】

【0018】

この発明によれば、レーザ変位センサを用いて測定対象物の表面形状を従来よりも高精度に測定可能な表面形状測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施の形態１による表面形状測定装置４０Ａが設けられた工作機械１０の構成を模式的に示す斜視図である。

【図2】図１の表面形状測定装置４０Ａの機能的構成を示すブロック図である。

【図3】測定ヘッド４２に設けられたレーザ変位センサの原理について説明するための図である。

【図4】図３の受光素子７６によって検出されたデータの一例を模式的に示す図である。

【図5】測定ヘッド４２に設けられたレーザ変位センサによって検出される表面形状データの一例を示す図である。

【図6】図２のデータ処理部５２によるデータ処理の手順を示すフローチャートである。

【図7】図２のデータ修正部６０による修正後の移動平均データを示す図である。

【図8】実施の形態２による表面形状測定装置４０Ｂの機能的構成を示すブロック図である。

【図9】インパルス的なノイズがある場合の表面形状データ、その移動平均データ、および標準偏差の計算結果の一例を模式的に示す図である。

【図10】測定対象物の表面に段差がある場合の表面形状データ、その移動平均データ、および標準偏差の計算結果の一例を模式的に示す図である。

【図11】実施の形態２の場合の移動平均データの修正手順を示すフローチャートである。

【図12】図１０に示す表面形状データにおいて、移動平均区間を狭めた場合の移動平均データの一例を示す図である。

【図13】表面形状が変化しているか否かを判定する手順の他の例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

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、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。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。

【0021】

＜実施の形態１＞
［工作機械および表面形状測定装置の構成］
図１は、実施の形態１による表面形状測定装置４０Ａが設けられた工作機械１０の構成を模式的に示す斜視図である。図１には、工作機械１０および表面形状測定装置４０Ａに加えて、ＮＣ（Numerical Control）装置２４およびＡＴＣ（自動工具交換装置：Automatic Tool Changer）２８が示されている。

【0022】

図１を参照して、工作機械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。

【0023】

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２のＣＬ）がＺ軸と平行で且つその中心軸線まわりに回転可能に、主軸頭２０に支持されている。

【0024】

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。

【0025】

互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸により直交３軸が構成される。工作機械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３軸制御を行うマシニングセンタである。なお、図１の構成と異なり、工作機械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。

【0026】

ＮＣ装置２４は、上記の３軸制御を含めて工作機械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。

【0027】

図２は、図１の表面形状測定装置４０Ａの機能的構成を示すブロック図である。図２には、工作機械１０、ＮＣ装置２４、ＡＴＣ２８、ならびに工作機械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も示されている。

【0028】

図２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に設けられたＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ：Programmable Logic Controller）２６は、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。

【0029】

表面形状測定装置４０Ａは、工作機械１０の主軸２２に着脱可能に装着される測定ヘッド４２と、測定制御部４４とを含む。測定ヘッド４２は、レーザ変位センサを含む。レーザ変位センサは、工作物２の表面にレーザ光Ｌを照射し、レーザ光Ｌの反射光に基づいてレーザ光Ｌの照射位置における工作物２の高さ方向（Ｚ軸方向）の変位を測定する。

【0030】

測定制御部４４は、コンピュータをベースに構成され、プロセッサ４６、メモリ４８、ＮＣ装置２４との間の入出力インターフェース（図示せず）、および測定ヘッド４２との間で無線通信を行う通信装置５０等を含む。測定制御部４４は、ＮＣ装置２４のＰＬＣ２６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、この結果得られるレーザ光Ｌ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取得する。具体的な手順は以下のとおりである。

【0031】

まず、測定制御部４４のプロセッサ４６からの制御に基づいて、ＰＬＣ２６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。

【0032】

ＰＬＣ２６は、上記の送り機構の駆動とともに、所定周期でトリガ信号を通信装置５０に出力する。通信装置５０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５０を介して測定制御部４４のプロセッサ４６に送信される。

【0033】

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４４のプロセッサ４６に送信する。

【0034】

プロセッサ４６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、レーザ光Ｌ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６２として、メモリ４８に記憶させる。

【0035】

測定制御部４４は、さらに、上記の表面形状データ６２に含まれるノイズを除去するためのデータ処理を行うデータ処理部５２として機能する。データ処理部５２の機能は、データ処理プログラムがプロセッサ４６で実行されることによって実現される。図２に示すように、データ処理部５２は、移動平均処理部５４と、標準偏差算出部５６と、特異点判定部５８と、データ修正部６０とを含む。これらの各要素の機能については、図６および図７を参照して後述する。

【0036】

［レーザ変位センサの原理および表面形状データの測定例］
図３は、測定ヘッド４２に設けられたレーザ変位センサの原理について説明するための図である。レーザ変位センサ７０は、いわゆる三角測量によって測定対象物８０（８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ）までの距離を検出する。

【0037】

図３を参照して、レーザ変位センサ７０は、レーザ光を測定対象物に照射するためのレーザ素子７２と、測定対象物８０（８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ）からの散乱光を集光するレンズ７４と、集光された光スポットの位置ＤＰ１，ＤＰ２，ＤＰ３を検出する受光素子７６とを含む。検出された光スポットの位置ＤＰ１，ＤＰ２，ＤＰ３に基づいて、レーザ変位センサ７０から測定対象物８０までの距離が算出できる。

【0038】

図４は、図３の受光素子７６によって検出されたデータの一例を模式的に示す図である。図３および図４を参照して、図３に示す測定対象物８０の位置８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃにそれぞれ対応して、図４に示す検出データ８２Ａ，８２Ｂ，８２Ｃのプロファイルが得られる。レンズ７４によって集光された光スポットの位置ＤＰ１，ＤＰ２，ＤＰ３は、それぞれ検出データ８２Ａ，８２Ｂ，８２Ｃのピーク位置または重心の位置として与えられる。

【0039】

ここで、問題となるのは、測定対象物の表面のランダムな凹凸に起因して、検出データ８２Ａ，８２Ｂ，８２Ｃのピーク位置または重心位置がランダムに変化する点である。この結果、レーザ変位センサ７０から測定対象物８０までの距離データ（すなわち、測定対象物８０の高さ方向の変位）は、レーザ光の照射位置に応じてランダムに変化する。

【0040】

図５は、測定ヘッド４２に設けられたレーザ変位センサによって検出される表面形状データの一例を示す図である。図５の上側のグラフは表面形状データの一例を表わし、図５の下側のグラフは表面形状データに移動平均を施したものである。移動平均区間は２００μｍに設定している。

【0041】

図５に示すように、全体的に±２０μｍ程度のノイズ（測定対象物の表面の実際凹凸よりも遥かに大きい）が観察されるとともに、ところどころに（走査位置１９ｍｍ付近と２５．５ｍｍ付近）それよりもさらに大きいインパルス的なノイズが観察される。このようなインパルス的なノイズは、移動平均を行っても除去できないために、突起または窪みがあると誤認識することになる。

【0042】

実施の形態１による表面形状測定装置４０Ａは、上記の問題点を考慮して、上記のインパルス的なノイズを除去するためのデータ処理を行う。

【0043】

［データ処理（ノイズ除去）の手順］
図６は、図２のデータ処理部５２によるデータ処理の手順を示すフローチャートである。以下、図２および図６を参照して、図２のデータ処理部５２の各要素の機能について説明する。

【0044】

データ処理部５２は、まず、メモリ４８に記憶されている表面形状データ６２を読み出す（ステップＳ１００）。データ処理部５２の移動平均処理部５４は、表面形状データ６２に対して所定の移動平均区間を用いて移動平均処理を行うことによって、レーザ光の走査方向に沿った少なくとも一部の測定点ごとに移動平均値を求める（ステップＳ１０５）。

【0045】

通常、測定対象物（工作物２）の表面に照射されるレーザ光のビーム径（直径）の範囲内で上記のインパルス的な変位が観察されるので、上記の移動平均区間は、レーザ光のビーム径に実質的に等しく設定するのが望ましい。

【0046】

なお、レーザ光のビーム径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径が定義される。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径として定義される。そこで、この明細書では、全パワーの５０％が含まれる円の直径より大きく、全パワーの９５％が含まれる円の直径よりも小さい範囲を実質的にビーム径に等しいとする。

【0047】

上記の移動平均値の算出に付随して、データ処理部５２の標準偏差算出部５６は、移動平均値が求められた測定点ごとに、移動平均値の算出に使用した変位データの標準偏差を算出する（ステップＳ１１０）。標準偏差は、変位データのばらつきの程度を示す指標値として用いられており、標準偏差に代えて、分散、平均絶対偏差、四分位範囲など、ばらつきの尺度となる他の統計量を用いていてもよい。

【0048】

次に、データ処理部５２の特異点判定部５８は、算出した標準偏差が閾値ＴＨ１を超えているか否かを判定し（ステップＳ１１５）、ある測定点に対応する標準偏差が閾値ＴＨ１を超えている場合に（ステップＳ１１５でＹＥＳ）、当該測定点を特異点として特定する（ステップＳ１２０）。特異点か否かの判定は、移動平均値を求めた各測定点について（ステップＳ１２５でＮＯとなるまで）実行される。

【0049】

なお、特異点の判定に用いられる上記の閾値ＴＨ１は、標準偏差算出部５６によって算出された複数の標準偏差のうちの少なくとも一部の平均値に設定してもよい。もしくは、上記の閾値ＴＨ１は、算出された複数の標準偏差のうちの少なくとも一部を大きさの順に並べたときの所定の順番の値（たとえば、中央値）に設定してもよい。

【0050】

次に、データ処理部５２のデータ修正部６０は、特異点判定部５８の判定結果に基づいて、移動平均処理部５４によって求められた複数の移動平均値のデータ（移動平均データと称する）を修正する。具体的には、各特異点における移動平均値を移動平均データから取り除くことによって、移動平均処理部５４によって求められた移動平均データ（すなわち、移動平均処理後の表面形状データ）を修正する。

【0051】

図７は、図２のデータ修正部６０による修正後の移動平均データを示す図である。図７のグラフは上から順に、表面形状データ（生データ）、データ修正部６０による修正後の移動平均データ、および各測定点に対して算出された標準偏差の値を示す。特異点判定のための閾値は、図７の全測定点にそれぞれ対応して算出された標準偏差の中央値に設定している。したがって、修正後の移動平均データでは、標準偏差が中央値を超える測定点が除外されている。除外された測定点に対応する値は、適当な方法（たとえば、線形補間、ｎ次補間、多項式補間など）で補間することができる。

【0052】

［実施の形態１の効果］
実施の形態１の表面形状測定装置４０Ａによれば、表面形状データ６２の移動平均処理を行う際に、各移動平均値の算出に用いられた変位データの標準偏差を算出し、算出した標準偏差が閾値を超える測定点が特異点として特定される。そして、この特異点の情報に基づいて、移動平均処理後の表面形状データが修正されるので、従来よりもノイズの影響を抑制して高精度に表面形状を測定することができる。

【0053】

＜実施の形態２＞
実施の形態２では、測定対象物（工作物２）の表面形状が変化している場合について説明する。表面形状が実際に変化している場合も各測定点に対応する標準偏差の値が閾値を超えることになるので、インパルス的なノイズによって標準偏差が閾値を超えている場合と区別する必要がある。以下、図面を参照して具体的に説明する。

【0054】

［表面形状測定装置の構成］
図８は、実施の形態２による表面形状測定装置４０Ｂの機能的構成を示すブロック図である。図８を参照して、表面形状測定装置４０Ｂは、データ処理部５２が形状変化判定部６４をさらに含む点で、図２の表面形状測定装置４０Ａと異なる。形状変化判定部６４は、特異点判定部５８によって特定された各特異点の近傍で測定対象物の表面形状が変化しているか否かを判定し、表面形状が変化している特異点を形状変化点として特定する。データ修正部６０は、特異点判定部５８および形状変化判定部６４の判定結果に基づいて、移動平均処理部５４によって求められた移動平均値のデータを修正する。図８のその他の点は図２の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

【0055】

［形状変化の具体例］
図９は、インパルス的なノイズがある場合の表面形状データ、その移動平均データ、および標準偏差の計算結果の一例を模式的に示す図である。図９では、レーザ変位センサで測定した表面形状データ（生データ）９０を実線で示し、移動平均データ９２を破線で示し、各測定点の移動平均値の計算に用いた表面形状データの標準偏差９４を点線で示している。図９では、移動平均区間を２００μｍとして移動平均処理を行っている。

【0056】

図９に示すように、走査位置４００μｍ付近にインパルス的なノイズがあるために、その近傍で標準偏差９４が増大している。たとえば、特異点か否かを判定するための閾値を１３μｍとすれば、走査位置２５０μｍから５４０μｍまでの間の測定点が特異点と判定され、この区間の移動平均値のデータが除去されることになる。

【0057】

図１０は、測定対象物の表面に段差がある場合の表面形状データ、その移動平均データ、および標準偏差の計算結果の一例を模式的に示す図である。図１０では、図９の場合と同様に、レーザ変位センサで測定した表面形状データ（生データ）９０を実線で示し、移動平均データ９２を破線で示し、各測定点の移動平均値の計算に用いた表面形状データの標準偏差９４を点線で示している。移動平均区間の長さは２００μｍである。

【0058】

図１０に示すように、走査位置４００μｍ付近に段差があるために、その近傍で標準偏差９４が増大している。たとえば、特異点か否かを判定するための閾値を１３μｍとすれば、走査位置３００μｍから５００μｍまでの間の測定点が特異点と判定され、実施の形態１の場合には、この間の移動平均値のデータが除去されることになる。このため、表面形状の変化（段差）が移動平均データに正確に反映されなくなってしまう。実施の形態２の表面形状測定装置４０Ｂでは、上記の問題点を考慮して、データ修正部６０で実行される処理内容（図６のステップＳ１３０）が変更される。

【0059】

［移動平均データの修正手順］
図１１は、実施の形態２の場合の移動平均データの修正手順を示すフローチャートである。図１１の処理手順は、図６のステップＳ１３０を置換したものである。図６のステップＳ１００からＳ１２５までは実施の形態２の場合も変更がない。すなわち、図１１に示す処理が開始される時点で、走査方向に沿う各測定点が特異点か否かの判定が完了している。

【0060】

図８、図１１を参照して、データ処理部５２の形状変化判定部６４は、各特異点の近傍で表面形状が変化しているか否かを判定する（ステップＳ２００）。

【0061】

実際に表面形状が変化しているか否かを判定する方法は、種々考えられる。たとえば、形状変化判定部６４は、特異点に対して走査方向前方の測定点と走査方向後方の測定点との両方で測定された表面形状データを比較し、表面形状データが閾値を超えて変化している場合に実際に表面形状が変化していると判定する。

【0062】

形状変化判定部６４は、ある特異点の近傍で表面形状が変化していると判定した場合に、当該特異点を形状変化点として特定する（ステップＳ２０５）。形状変化点か否かの判定は、図６のステップＳ１２０で特異点と判定された各測定点について（ステップＳ２１０でＮＯとなるまで）実行される。

【0063】

次に、データ処理部５２のデータ修正部６０は、ステップＳ２０５で特定された各形状変化点について、移動平均区間を狭めて再度、移動平均値を算出する（ステップＳ２１５）。移動平均区間を狭めるにつれて、移動平均データは、表面形状データ（生データ）に近付くようになる。

【0064】

次に、データ修正部６０は、図６のステップＳ１２０で特異点と判定された各測定点に対応する移動平均値を移動平均データから除去するとともに、ステップＳ２０５で形状変化点と判定された各測定点に対してステップＳ２１５で新たに算出された移動平均値を移動平均データに追加する（ステップＳ２２０）。これによって、ノイズの影響をできるだけ抑制するとともに、測定対象物（工作物２）の表面の形状変化をより忠実に反映した移動平均データを得ることができる。

【0065】

なお、上記のステップＳ２２０では、ステップＳ２０５で形状変化点と判定された各測定点に対して、表面形状データ（生データ）を追加することも可能である。これによって、測定対象物（工作物２）の表面の実際の形状変化をさらに忠実に反映した移動平均データを得ることができるが、形状変化点の近傍のノイズが除去されずに残ることになる。

【0066】

図１２は、図１０に示す表面形状データにおいて、移動平均区間を狭めた場合の移動平均データの一例を示す図である。図１２では、図１０の場合と同様に、レーザ変位センサで測定した表面形状データ（生データ）９０を実線で示し、移動平均データ９２を破線で示している。図１２では、移動平均区間を１００μｍ（図１０の場合の半分の値）として移動平均処理を行った場合の結果が示されている。

【0067】

図１０および図１２を参照して、図１０の移動平均データ９２に比べて、移動平均区間をより狭めた図１２の移動平均データ９２のほうが段差の傾斜が急になっており、実際の表面形状データ９０の形状変化に近いことがわかる。

【0068】

図１１の修正手順に従って図１０に示された移動平均データ９２を修正する場合には、図１０の移動平均データ９２のうち標準偏差が閾値（１３μｍ）を超えている区間（走査位置３００μｍから５００μｍまで）の各測定点が、特異点かつ形状変化点として特定される。そして、図１０のこの区間の移動平均データ９２が、図１２の移動平均データ９２に置き換えられることになる。

【0069】

［表面形状変化の判定法］
図１３は、表面形状が変化しているか否かを判定する手順の他の例を示すフローチャートである。図１３のフローチャートは、図１１のステップＳ２００およびＳ２０５に対応するものであり、移動平均データと標準偏差とを用いて表面形状が変化しているか否かを判定する手順を示している。

【0070】

図８および図１３を参照して、形状変化判定部６４は、図６のステップＳ１２０で特定された各特異点について以下のステップを実行する。まず、形状変化判定部６４は、当該特異点の近傍の第１測定点および第２の測定点を特定する（ステップＳ３００，Ｓ３０５）。ここで、第１測定点は、当該特異点の走査方向前方の測定点のうちで、標準偏差が閾値以下でありかつ当該特異点に最も近いものである。第２測定点は、当該特異点の走査方向後方の測定点のうちで、標準偏差が閾値以下でありかつ当該特異点に最も近いものである。

【0071】

次に、形状変化判定部６４は、特定した第１測定点と第２測定点とで移動平均値の差が閾値ＴＨ２を超えているか否かを判定する（ステップＳ３１０）。閾値ＴＨ２は、実際の加工精度を考慮して決定される。形状変化判定部６４は、第１測定点での移動平均値と第２測定点での移動平均値との差の絶対値が閾値ＴＨ２を超えている場合に（ステップＳ３１０でＹＥＳ）、当該特異点の近傍で測定対象物（工作物２）の表面形状が変化しており、当該特異点は形状変化点であると判定する（ステップＳ３１５）。

【0072】

［実施の形態２の効果］
実施の形態２の表面形状測定装置４０Ｂによれば、測定対象物（工作物２）の表面形状が変化しているか否かを判定する形状変化判定部６４がさらに設けられる。形状変化判定部６４は、特異点判定部５８によって判定された各特異点のうち、表面形状が変化しているために標準偏差が閾値を超えている特異点を形状変化点として特定し、ノイズに起因した特異点と区別する。データ修正部６０は、ノイズに起因した特異点での移動平均値を除去するが、形状変化点については元の移動平均値を表面形状の変化をより忠実に反映した値（たとえば、移動平均区間を狭めて再計算した移動平均値）に置き換える。これによって、ノイズの影響を抑制するともに表面形状の測定精度をさらに向上させた表面形状測定装置４０Ｂを提供することができる。

【0073】

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。

【符号の説明】

【0074】

２ 工作物、１０ 工作機械、１２ ベッド、１４ コラム、１６ サドル、１８ 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、４０Ａ，４０Ｂ 表面形状測定装置、４２ 測定ヘッド、４４ 測定制御部、４６ プロセッサ、４８ メモリ、５０ 通信装置、５２ データ処理部、５４ 移動平均処理部、５６ 標準偏差算出部、５８ 特異点判定部、６０ データ修正部、６４ 形状変化判定部、７０ レーザ変位センサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】