本发明涉及将机床的加工对象物作为计测对象进行计测的计测装置。
背景技术：
现今，公知对照射至计测对象的表面的激光的反射光进行解析来测定表面形状的技术。例如在专利文献1～3中公开这种技术。在专利文献1中记载有如下技术：对数控机床的加工物照射激光，并根据散射光来测定表面特性。在专利文献2中记载有如下技术：由照明光的反射光获取光的强度分布来得到检查对象物的表面信息。在专利文献3中记载有如下技术：利用反射光来检测被检查物的内表面的表面缺陷。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-166214号公报
专利文献2：日本特开2013-29350号公报
专利文献3：日本特开平1-193631号公报
技术实现要素：
发明所要解决的问题
然而，在进行切削作业等的机床所使用的计测装置中，难以通过基于图像的直接观察来进行表面计测，从而需要使用不会受到切削液的物理化学性质所引起的影响便能够观察加工物表面的计测装置。并且，计测对象的表面的微细构造的平滑性评价重要，但在沿深度方向精密地计测表面整个区域的状态的方面，还有改善的余地。
本发明的目的在于提供一种机床所使用的机载测定装置，其构成为能够精密地测定计测对象的表面微细构造的深度方向上的形状。
用于解决问题的方案
(1)本发明涉及计测装置，是将机床的加工对象物作为计测对象(例如后述的被切削材料51)来进行计测的计测装置(例如后述的机载计测装置1)，具备：激光光源(例如后述的激光光源20)，其照射激光；移动机构(例如后述的移动机构30、进给轴10)，其使上述计测对象相对于上述激光光源相对地移动来进行激光的扫描照射；半透半反镜(例如后述的半透半反镜31)，其使来自上述激光光源的光垂直入射至上述计测对象；透镜(例如后述的透镜32)，其将在上述计测对象散射、衍射、反射后的光进行聚光；上述透镜的透射光的聚焦图像(焦点像)的投影面(例如后述的投影面33)；受光元件部(例如后述的受光元件阵列41)，其将上述投影面的光信号变换成电信号并输出模拟信号；a/d变换部(例如后述的a/d转换器阵列42)，其将来自上述受光元件部的模拟信号变换成数字信号；以及计算机(例如后述的计算机43)，其与a/d变换部连接，上述计算机构成为，以时间序列存储由激光的扫描照射而用上述受光元件部得到的受光信息，并将以时间序列存储的受光信息变换成空间信息来生成光学衍射像，并根据生成的光学衍射像来获取光强度分布。
(2)在(1)所记载的计测装置中，也可以是上述移动机构构成为，能够使上述半透半反镜、上述激光光源、上述透镜以及上述投影面的位置相对地移动，以便能够保持所设定的焦距。
(3)在(1)或者(2)所记载的计测装置中，也可以是上述激光光源能够照射脉冲波或者相干连续波。
(4)在(1)至(3)任一项中所记载的计测装置中，也可以是上述计算机根据所获取到的光强度分布来计算微细构造的几何尺寸以及表面粗糙度。
发明的效果如下。
根据本发明的机载计测装置，能够精密地测定计测对象的表面微细构造的深度方向上的形状。
附图说明
图1是示意性地示出本发明的一格实施方式的机载计测装置的图。
图2是示出本实施方式的机载计测装置的测定处理的流程的流程图。
图3是示出衍射图案的一个例子和与衍射图案对应的衍射光的强度分布的图形。
图4是示意性地示出被切削材料表面的表面粗糙度的分布的表面粗糙度图像。
符号的说明
1—机载计测装置(计测装置)，10—进给轴，20—激光光源，30—移动机构，31—半透半反镜，32—透镜，33—投影面，41—受光元件阵列(受光元件部)，42—a/d转换器阵列(a/d变换部)，43—计算机，51—被切削材料(计测对象)。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明优选的实施方式进行说明。
图1是示意性地示出本发明的一个实施方式的机载计测装置1的图。图1所示的机载计测装置1配置于由伺服马达等电动机驱动的数控(数值控制)机床，是利用光学效果来计测利用切削刀具、砂轮加工而成的金属加工表面的微细构造的尺寸的计测装置。
如图1所示，本实施方式的机载计测装置1具备工件载置台52、激光光源20、半透半反镜31、透镜32、投影面33、移动机构30、受光元件阵列41、a/d转换器阵列42、以及计算机43。
工件载置台52用于设置作为机载计测装置1的计测对象的工件。在本实施方式中，作为数控机床的加工对象物的被切削材料51被安置于工件载置台52。
激光光源20用于照射测定用的激光。本实施方式的激光使用可见光(例如300nm～800nm的范围)，能够在计测结果反映能够以肉眼确认的表面品质(表面的光反射的均匀性)的等级。此外，激光并不限定于可见光，但优选是不会产生金属以及切削液的吸收的波长带。并且，激光光源20使用能够照射激光作为脉冲波或者相干连续波的激光光源。
半透半反镜31是用于使光垂直入射至被切削材料51的光学部件。来自激光光源20的激光通过半透半反镜31而入射至被切削材料51。半透半反镜31能够调整旋转角度以便激光垂直入射至被切削材料51。由此，能够精密地测定被切削材料51的表面的深度方向上的微细构造的凹凸。
透镜32是将在被切削材料51散射、衍射、反射后的光进行聚光的傅里叶变换透镜。由透镜32聚光后的光投影至投影面33。
投影面33构成为排列有与受光元件阵列41的像素对应的微透镜(图示省略)，在焦点p处，通过微透镜而结成对受光元件的像。在本实施方式中，利用后述的计算机43，根据基于fraunhofer(夫琅禾费)衍射理论投影至投影面33的受光信息来生成光学衍射像，并计算光强度分布。
移动机构30具备利用机床的伺服马达(图示省略)的驱动力来移动的进给轴10。进给轴10构成为能够利用伺服马达的驱动力使被安置于工件载置台52的被切削材料51移动，从而能够调整被切削材料51的位置。
并且，本实施方式的移动机构30具有用于调节后述的半透半反镜31的旋转角度、透镜32的位置以及投影面33的位置的伺服马达(驱动机构)，能够维持预先设定的焦距，同时能够利用激光进行被切削材料51的扫描照射。
并且，构成为，能够由移动机构30并根据利用进给轴10而移动的被切削材料51的速度来变更半透半反镜31的旋转角度。就调整半透半反镜31的旋转角度的上述的伺服马达的性能而言，至少能够以能与进给轴10所进行的位置调整的速度对应的速度来调节半透半反镜31的旋转角度，在扫描照射中，实现了维持激光向被切削材料51的垂直入射。
受光元件阵列41是将投影面33的光信号变换成电信号并发送至a/d转换器阵列42的受光元件部。受光元件阵列41由cmos阵列、ccd影像传感器等构成。
a/d转换器阵列42是将受光元件阵列41的模拟信号输出变换成数字信号的a/d变换部。a/d转换器阵列42的数字信号发送至计算机43。
计算机43是由cpu、存储装置等构成的计算机，并基于从a/d转换器阵列42接收的数字信号来进行用于计算被切削材料51的表面的微细构造尺寸以及表面粗糙度的测定处理。
接下来，对由机载计测装置1计算被切削材料51的表面的微细构造尺寸以及表面粗糙度的流程进行说明。图2是示出本实施方式的机载计测装置1的测定处理的流程的流程图。
若开始测定处理，则向被切削材料51的表面进行激光照射。而且，判定是否处于对被切削材料51表面进行激光照射扫描中(步骤s101)。此外，在激光光源20以脉冲波来照射激光的情况下，照射扫描反复如下动作：在预先设定于被切削材料51的预定点的照射范围进行照射，之后移动至下一个地点并进行照射。在激光光源20以相干连续波来照射激光的情况下，沿被切削材料51的形状连续地进行照射扫描。
在步骤s101的处理中处于激光照射扫描中的情况下，由进给轴10进行半透半反镜31、激光光源20、被切削材料51以及透镜32的定位(步骤s102)。
当在步骤s102中进行定位后，激光光源20将激光通过半透半反镜31而照射至被切削材料51(步骤s103)。被切削材料51的散射光被透镜32聚光，从而透镜32的透射光形成于投影面33的衍射像用受光元件阵列41检测(步骤s104、步骤s105)。
受光元件阵列41将光信号变换成电信号并发送至a/d转换器阵列42(步骤s106、步骤s107)。计算机43以时间序列存储从a/d转换器阵列42传送的光强度数字值(步骤s108)。在步骤s108的处理之后，返回步骤s101并判定是否处于激光照射扫描中，在处于扫描中的情况下再次进行从步骤s102至步骤s108的处理。
当在步骤s101的判定处理中并非处于激光照射扫描中的情况下，移至步骤s201之后的处理。在步骤s201中，计算机43将所存储的光强度值的时间序列变换为激光照射扫描的坐标。接下来，计算机43进行被切削材料51的表面的各点处的光强度的叠加(步骤s202)。在叠加处理中，在各点(时间序列)考虑从该时刻的激光的照射范围的中心偏离的区域的光强度，并计算各点的光强度。在被切削材料51的表面整个区域计算各点的光强度，获得光强度分布(步骤s203)。
在步骤s203的处理之后，计算机43进行将被切削材料51表面的各点的光强度分布变换成各点的微细构造尺寸的处理(步骤s204)。此处，参照图3对利用了光强度分布的微细构造的变换处理的例子进行说明。图3是示出衍射图案的一个例子和与衍射图案对应的衍射光的强度分布的图形。
在图3的例子中，在纸面下侧的图形的衍射光的强度分布中，衍射光强度(intensity：强度)较大的i1、i0、i1且在纸面上侧的衍射图案的对应的像素(numberofpixel：像素号)的位置存在表面粗糙度较大的区域(微细构造)61、62、63。另一方面，在除此以外的部分为平坦面，并在该区域内衍射光强度变小。利用该特征，通过预先校准光强度与高度的关系，从而能够容易将光强度分布的数据变换成微细构造尺寸。
在步骤s204的处理中获取到被切削材料51表面的各点的微细构造尺寸后，根据所获取到的微细尺寸来计算表面粗糙度(步骤s205)。此处，参照图4对表面粗糙度的可见化的例子进行说明。图4是示意性地示出被切削材料51表面的表面粗糙度的分布的表面粗糙度图像。
图4中，作为被切削材料51的一个例子，按照每个区域地示出了圆盘状的部件的表面粗糙度，以影线图案来区分计测对象表面的每个区域的纳米级(nm)的深度。上侧的棒状图阶段性地示出表面粗糙度的程度。如该图像所示，根据本实施方式的机载计测装置1，能够使计测对象的表面的微细构造的凹凸程度变得可见。此外，以上说明的衍射图案例以及表面粗糙度的图像化只不过是一个例子，除此以外，使表面粗糙度变得可见的方法也能够利用各种方法。
根据上述实施方式，起到以下的效果。
机载计测装置1具备：照射激光的激光光源20；相对于激光光源20相对地移动来进行激光的扫描照射的移动机构30；使来自激光光源20的光垂直入射至被切削材料51的半透半反镜31；将在被切削材料51散射、衍射、反射后的光进行聚光的透镜32；透镜32的透射光的聚焦图像的投影面33；将投影面33的光信号变换成电信号并输出模拟信号的受光元件阵列41；将来自受光元件阵列41的模拟信号变换成数字信号的a/d转换器阵列42；以及与a/d转换器阵列42连接的计算机43。计算机43以时间序列存储由激光的扫描照射而用受光元件阵列41得到的受光信息，并将以时间序列存储的受光信息变换成空间信息来生成光学衍射像，并根据生成的光学衍射像来获取光强度分布。
由此，利用相对于被切削材料51的表面垂直照射的激光，来生成反映出微细构造的深度方向的光学衍射像，能够根据该光学衍射像并通过非接触计测的方式使作为“用目测时的‘外观’”的表面品质定量化，从而能够精密地评价被切削材料51表面的平滑性。并且，也能够适用于无法进行基于目视观察、照相机等的直接计测的因切削液而着色的着色表面，从而能够不受到一般的切削液的物理化学性质对计测产生的影响地评价表面状态。
并且，在本实施方式中，移动机构30构成为能够使半透半反镜31、激光光源20、透镜32以及投影面33的位置相对地移动，以便能够保持所设定的焦距。
由此，能够在作为计测对象的被切削材料51的表面整个区域的各点处正确地获取光强度信息，能够实现更进一步精密的计测。
并且，在本实施方式中，激光光源20构成为能够照射脉冲波或者相干连续波。
由此，在使用瞬时能量密度较高的脉冲波的情况下，能够减少因散射光而引起的噪声，从而能够在被切削材料51的表面的每个区域获取正确的光强度信息。并且，在使用相干连续波的情况下，能够应用3d打印机等所使用的现有技术，装置结构的设计也变得容易。
并且，在本实施方式中，计算机43根据所获取到的光强度分布来计算微细构造的几何尺寸以及表面粗糙度。
由此，能够正确地使作为计测对象的被切削材料51的表面的微细构造的表面品质可见化。
以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式，能够适当地变更。此外，成为计测对象的部件并不限定于平面形状，也可以是曲面。