JP2000155024A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速化と高精度化とを同時に満足させること
ができる測定装置を提供する。 【解決手段】 プローブ１を移動させる駆動系を、その
移動方向の略全域に亘って移動させる第１駆動部２６
と、第１駆動部２６によって移動された位置から所定範
囲内においてのみ移動させる第２駆動部２８とから構成
する。測定に際して、プローブ１を、第１駆動部２６に
よって測定点手前まで高速移動させたのち、第２駆動部
２８によって測定点まで低速移動させる。このときの各
駆動部２６、２８による移動量を検出するロータリエン
コーダ２７，２９の値から被測定物の寸法や形状などを
求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物と検出子
とを相対移動させるとともに、その相対移動変位量を検
出し、測定点における相対移動変位量から被測定物の寸
法や形状などを測定する測定装置に関する。たとえば、
三次元測定機などに利用できる。

【０００２】

【背景技術】被測定物とプローブとを相対移動させると
ともに、その相対移動変位量を検出し、プローブからタ
ッチ信号が発せられたとき（測定点）の相対移動変位量
から被測定物の寸法や形状などを測定する測定装置、た
とえば、三次元測定機では、被測定物とプローブとを
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対移動させるＸ，Ｙ，Ｚ軸駆動系
と、その各軸方向への相対移動変位量を検出するＸ，
Ｙ，Ｚ軸変位検出手段とを備えている。

【０００３】従来、各軸の駆動系は、その軸方向に略全
長に亘って設けられた１本のボールねじ軸と、このボー
ルねじ軸を回転させるモータと、前記ボールねじ軸に螺
合されそのボールねじ軸の回転に伴って軸方向へ移動し
ながら各軸可動部材を移動させる可動部材とから構成さ
れている。また、各軸の変位検出手段としては、ロータ
リエンコーダなどが用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の構成
において、高速化の要求に対しては、たとえば、駆動系
を構成するボールねじ軸のリードを大きくすることが考
えられる。しかし、このようにした場合、各軸の変位検
出手段（ロータリエンコーダ）によって検出される位置
精度、つまり、測定精度が低下する。そこで、これを回
避するには、モータの回転数を上げればよいが、それに
もおのずと限度がある。

【０００５】また、高速化の要求に対して、被測定物と
プローブとを高速移動させた場合、両者が測定点手前に
近づくにつれて減速させ、その減速状態において被測定
物とプローブとを接触させる必要があるから、被測定物
とプローブとの減速時の振動が測定に悪影響を与えると
いう課題がある。そこで、これを解決するために、駆動
系および可動部の剛性を上げることが考えられるが、こ
れにしても構造的な制約が大きい。

【０００６】本発明の目的は、このような従来の課題を
解消し、簡単な構成によって、高速化と高精度化とを同
時に達成することができる測定装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明の測定
装置は、被測定物と検出子とを相対移動させるととも
に、その相対移動変位量を検出し、測定点における相対
移動変位量から被測定物の寸法や形状を測定する測定装
置において、前記被測定物と検出子とを相対移動させる
駆動系を、前記被測定物と検出子とをその相対移動方向
の略全域に亘って移動させる第１駆動部と、前記被測定
物と検出子とを前記第１駆動部によって移動された位置
から所定範囲内においてのみ相対移動させる第２駆動部
とから構成するとともに、前記被測定物と検出子との相
対移動変位量を検出する変位検出手段を、前記第１駆動
部による相対移動変位量を検出する第１変位検出器と、
前記第２駆動部による相対移動変位量を検出する第２変
位検出器とから構成し、測定に際して、第１駆動部によ
って前記被測定物と検出子とを測定点近傍まで高速で相
対移動させたのち、第２駆動部によって前記被測定物と
検出子とを測定点まで低速で相対移動させ、測定点にお
ける第１変位検出器からの出力および第２変位検出器か
らの出力を基に被測定物の寸法や形状を求める演算制御
手段を備えた、ことを特徴とする。

【０００８】このような構成によれば、被測定物と検出
子とは、まず、第１駆動部によって測定点近傍まで相対
移動されたのち、第２駆動部によって測定点まで相対移
動される。このとき、測定点近傍までは高速で移動され
るから、高速化を達成でき、また、その位置から測定点
までは低速で移動されるから、測定時の振動を抑制でき
る。従って、簡単な構成によって、高速化を達成しつ
つ、高精度化を達成できる。

【０００９】以上において、第１駆動部としては、ボー
ルねじ駆動機構、ベルト駆動機構およびリニアモータ駆
動機構のいずれかによって構成でき、また、第２駆動部
も、ボールねじ駆動機構、ベルト駆動機構およびリニア
モータ駆動機構のいずれかによって構成できる。たとえ
ば、第１駆動部および第２駆動部を、それぞれボールね
じ軸およびこのボールねじ軸を回転させるモータを含む
ボールねじ駆動機構によって構成し、第１駆動部のボー
ルねじ軸のリードを第２駆動部のボールねじ軸のリード
より大きく形成すれば、第１駆動部による相対移動速度
を第２駆動部による相対移動速度に対して高速化できる
とともに、両者の相対移動速度比を正確かつ簡単に制御
できる。

【００１０】また、第２駆動部による相対移動変位量を
検出する第２変位検出器を、第１駆動部による相対移動
変位量を検出する第１変位検出器より高分解能のものを
用いれば、測定精度をより高精度化できる。

【００１１】また、駆動系および変位検出手段を設ける
軸については、適用する測定装置の種類に応じて決定す
ればよいが、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそ
れぞれについて設ければ、三次元測定機に適用できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図１は本発明を適用した測定シス
テム全体を示す斜視図である。本実施形態の測定システ
ムは、接触時にタッチ信号を発する検出子としてのプロ
ーブ１と被測定物２とを三次元方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方
向）へ相対移動させる移動機構としてのＣＮＣ三次元測
定機Ａと、操作盤Ｂと、前記三次元測定機Ａの駆動を制
御するとともに三次元測定機Ａから与えられるプローブ
１と被測定物２との相対移動データなどを取り込むコン
トローラＣと、このコントローラＣを介して三次元測定
機Ａを動作させるとともに三次元測定機Ａからのプロー
ブ１と被測定物２との相対移動データなどを処理して被
測定物２の寸法や形状などを求めるホストシステムＤと
から構成されている。

【００１３】前記三次元測定機Ａは、ベース２１と、こ
のベース２１上に設置され上面に被測定物２を載置する
テーブル２２と、このテーブル２２に前後方向（Ｙ軸方
向）へ移動可能に設けられた門形フレーム２３と、この
門形フレーム２３のＸビーム２３Ａに沿って左右方向
（Ｘ軸方向）へ移動可能に設けられたスライダ２４と、
このスライダ２４に上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に
設けられかつ下端に前記プローブ１を有するＺ軸スピン
ドル２５とから構成されている。

【００１４】ここで、前記門形フレーム２３をＹ軸方向
へ移動させるＹ軸駆動系、前記スライダ２４をＸ軸方向
へ移動させるＸ軸駆動系、前記Ｚ軸スピンドル２５をＺ
軸方向へ移動させるＺ軸駆動系については、図２に示す
ように、プローブ１をその各軸移動方向の略全域に亘っ
て高速で移動させる第１駆動部２６と、プローブ１を前
記第１駆動部２６によって移動された位置から所定範囲
（たとえば、５ｍｍ程度）内においてのみ低速で移動さ
せる第２駆動部２８とから構成されている。

【００１５】第１駆動部２６は、各軸方向の略全域に亘
って設けられたボールねじ軸２６Ａと、このボールねじ
軸２６Ａの一端にカップリング２６Ｂを介して連結され
ボールねじ軸２６Ａを正逆回転させるモータ２６Ｃと、
前記ボールねじ軸２６Ａに螺合されそのボールねじ軸２
６Ａの回転によって軸方向へ移動される第１可動部材２
６Ｄとを含むボールねじ駆動機構によって構成されてい
る。ここで、第１駆動部２６による移動速度が、三次元
測定機Ａの仕様として決定される最高速度になるよう
に、ボールねじ軸２６Ａのリードおよびモータ２６Ｃの
回転数が設定されている。なお、モータ２６Ｃの反対側
の軸には、前記第１可動部材２６Ｄの移動変位量を検出
するための第１変位検出器としての第１ロータリエンコ
ーダ２７が連結されている。

【００１６】第２駆動部２８は、前記第１可動部材２６
Ｄに前記ボールねじ軸２６Ａと平行に設けられたボール
ねじ軸２８Ａと、このボールねじ軸２８Ａの一端にカッ
プリング２８Ｂを介して連結されボールねじ軸２８Ａを
正逆回転させるモータ２８Ｃと、前記ボールねじ軸２８
Ａに螺合されそのボールねじ軸２８Ａの回転によって軸
方向へ移動される第２可動部材２８Ｄとを含むボールね
じ駆動機構によって構成されている。ここで、第２駆動
部２８による移動速度が低速になるように、ボールねじ
軸２６Ａのリードが設定されている。具体的には、第１
駆動部２６のボールねじ軸２６Ａのリードより遙かに小
さいリードに設定されている。これにより、第１駆動部
２６による移動では高速で、第２駆動部２８による移動
では低速で移動されるようになっている。

【００１７】また、第２可動部材２８Ｄには、各軸方向
へ移動される部材、たとえば、Ｙ軸の場合には門形フレ
ーム２３を構成する支柱が、Ｘ軸の場合にはスライダ２
４が、Ｚ軸の場合にはＺ軸スピンドル２５がそれぞれ連
結されている。なお、モータ２８Ｃの反対側の軸には、
前記第２可動部材２８Ｄの移動変位量を検出するための
第２変位検出器としての第２ロータリエンコーダ２９が
連結されている。第２ロータリエンコーダ２９は、第１
ロータリエンコーダ２７に比べ、分解能が高いものが用
いられている。たとえば、第１ロータリエンコーダ２７
には１回転１０００パルスを出力するエンコーダが、第
２ロータリエンコーダ２９には１回転２５００パルスを
出力するエンコーダが用いられている。

【００１８】前記操作盤Ｂには、図３に示すように、三
次元測定機Ａのプローブ１をＸＹＺ軸方向へ手動操作に
より駆動するためのジョイスティック１１と、プローブ
１の現在座標値をコントローラＣに入力するための座標
値入力スイッチ１２とがそれぞれ設けられている。

【００１９】前記コントローラＣは、図３に示すよう
に、プローブ１の駆動制御や計数値の取り込み制御など
を行うＣＰＵ３１を備える。ＣＰＵ３１には、三次元測
定機Ａの各軸（ＸＹＺ軸）における第１駆動部２６を駆
動するための各軸（ＸＹＺ軸）第１駆動制御部３２と、
三次元測定機Ａの各軸における第１ロータリエンコーダ
２７からの信号をカウントしＣＰＵ３１にフィードバッ
クするための各軸第１カウンタ３３と、三次元測定機Ａ
の各軸における第２駆動部２８を駆動するための各軸第
２駆動制御部３４と、三次元測定機Ａの各軸における第
２ロータリエンコーダ２９からの信号をカウントしＣＰ
Ｕ３１にフィードバックするための各軸第２カウンタ３
５と、操作盤Ｂのジョイスティック１１の傾斜方向およ
び傾斜角に応じて出力される各軸に対応するポテンショ
メータの電圧値に応じてプローブ１の移動方向、速度を
決定する移動方向速度決定部３６とがそれぞれ接続され
ている。

【００２０】前記ホストシステムＤは、図３に示すよう
に、測定プログラムやデータ処理プログラムなどを実行
する演算制御手段としてのホストコンピュータ４４を備
える。ホストコンピュータ４４には、入力手段としての
キーボード４５、表示装置としてのモニタ４６およびプ
リンタ４７などが接続されているとともに、前記コント
ローラＣのＣＰＵ３１が接続されている。

【００２１】次に、本実施形態における作用を、図４お
よび図５のフローチャートを参照しながら説明する。ま
ず、事前準備として、第１および第２ロータリエンコー
ダ２７，２９の出力値の校正を行う。これには、図４の
フローチャートに示すように、電源オン、校正モードオ
ンされると、原点検出を行い、その原点において第１、
第２カウンタ３３，３５の値をゼロリセットする。続い
て、各軸の第２駆動部２８を第２カウンタ３５のゼロ位
置に位置決めする。

【００２２】次に、Ｘ軸方向の測定動作を行い、プロー
ブ１を被測定物２に接触させる。ことのき、第１カウン
タ３３の値Ｍと第２カウンタ３５の値ｍとを読み取り、
これらから校正値Ｋｘ（Ｋｘ＝ｍ／Ｍ）を算出する。同
様にして、Ｙ，Ｚ軸方向の測定動作を行い、各軸におけ
る校正値Ｋｙ（Ｋｙ＝ｍ／Ｍ），Ｋｚ（Ｋｚ＝ｍ／Ｍ）
を算出する。最後に、これらの校正値Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚ
を登録したのち、校正モードをオフする。

【００２３】さて、測定にあたっては、図５のフローチ
ャートに従って処理を実行する。 第１駆動部２６によって、プローブ１を測定点手前ま
で高速で移動させる。 上記の位置決め完了後に、第１駆動部２６のモータ
２６Ｃをオフし、第１駆動部２６の振動を排除する。 第２駆動部２８によって、プローブ１を測定点まで低
速で移動させて測定を行う。つまり、プローブ１を測定
点まで低速で移動させて被測定物２に接触させる。する
と、プローブ１からタッチ信号が発せられるから、その
信号が発せられたときの第１、第２カウンタ３３，３５
の値Ｍ、ｍを読み取り、これらの値から測定値（Ｍ＋Ｋ
ｍ）を求める。 上記の測定動作終了後、第１駆動部２６のモータ２
６Ｃをオンする。 以後、〜を繰り返して測定を行う。

【００２４】従って、本実施形態によれば、プローブ１
を、第１駆動部２６によって測定点手前まで高速で移動
させたのち、第２駆動部２８によって測定点まで低速で
移動させて測定を行うようにしたので、つまり、プロー
ブ１が測定点手前に達するまでは高速で移動させること
ができるから高速化を達成でき、その後、プローブ１を
低速で移動させて被測定物２に接触させるから、測定時
の振動を抑制できる。よって、高速化と高精度化とを同
時に満足させることができる。

【００２５】この際、第１駆動部２６のボールねじ軸２
６Ａのリードを第２駆動部２８のボールねじ軸２８Ａの
リードより大きく形成したので、第１駆動部２６による
相対移動速度を第２駆動部２８による相対移動速度に対
して高速化できるとともに、両者の相対移動速度比を正
確かつ簡単に制御できる。また、第２駆動部２８による
相対移動変位量を検出する第２ロータリエンコーダ２９
を、第１駆動部２６による相対移動変位量を検出する第
１ロータリエンコーダ２７より高分解能のものを用いた
ので、測定精度をより高精度化できる。

【００２６】なお、前記実施形態では、第１駆動部２６
および第２駆動部２８をともにボールねじ駆動機構によ
って構成したが、これに限られない。たとえば、第１駆
動部２６としては、図６（Ａ）に示すように、一対のプ
ーリ５１Ａ，５１Ｂと、この一方のプーリ５１Ａを回転
させるモータ５２と、前記プーリ５１Ａ、５１Ｂ間に掛
け回されたベルト５３と、このベルト５３によって移動
される前記可動部材２６Ｄとを含むベルト駆動機構でも
よい。この場合には、ボールねじ駆動機構に比べ重量の
かさむボールねじ軸２６Ａが不要になるので、装置を軽
量化できる。あるいは、図６（Ｂ）に示すように、リニ
アモータ５４と、このリニアモータ５４の走行体５４Ａ
に取り付けられた前記可動部材２６Ｄとを含むリニアモ
ータ駆動機構などでもよい。この場合には、ボールねじ
駆動機構やベルト駆動機構に比べ摩擦が発生しないの
で、摩擦による振動が発生せず、高精度測定に適する。

【００２７】また、第２駆動部２８についても、図７
（Ａ）（Ｂ）に示すように、ベルト駆動機構やリニアモ
ータ駆動機構などでもよい。つまり、図７（Ａ）に示す
ように、一対のプーリ６１Ａ，６１Ｂと、この一方のプ
ーリ６１Ａを回転させるモータ６２と、前記プーリ６１
Ａ，６１Ｂ間に掛け回されたベルト６３と、このベルト
６３によって移動される前記可動部材２８Ｄとを含むベ
ルト駆動機構、あるいは、図７（Ｂ）に示すように、リ
ニアモータ６４と、このリニアモータ６４の走行体６４
Ａに取り付けられた前記可動部材２８Ｄとを含むリニア
モータ駆動機構などでもよい。この場合でも、図６
（Ａ）（Ｂ）と同様な効果が期待できる。なお、図７
（Ａ）（Ｂ）では、第１駆動部２６をベルト駆動機構と
してあるが、ボールねじ駆動機構やリニアモータ駆動機
構などでもよいことは勿論である。

【００２８】また、前記実施形態では、第１駆動部２６
によって、プローブ１を測定点手前までは高速で相対移
動させたのち位置決めしたが、第１駆動部２６によっ
て、被測定物２とプローブ１とを測定点を通り越して測
定点近傍に位置決めし、その後に戻るように相対移動さ
せて測定を行ってもよい。つまり、第１駆動部２６によ
って、被測定物２とプローブ１とを相対移動させる位置
は、測定点近傍であれば、手前でも、あるいは、行きす
ぎた位置でもよい。

【００２９】また、変位検出器としては、上記実施形態
で挙げたロータリエンコーダ２７，２９に限らず、他の
ものでもよい。たとえば、相対移動方向に沿って取り付
けたスケールと、そのスケールに対して相対移動しなが
ら位置信号を読み取る検出器などからなる光学式、静電
容量式、磁気式変位検出器でもよい。

【００３０】また、前記実施形態では、接触時にタッチ
信号を発するプローブ１を用いたが、被測定物の画像を
撮影するカメラなどの非接触式検出子でもよい。また、
前記実施形態では、被測定物２に対してプローブ１が
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動する構造の三次元測定機Ａであ
ったが、これとは逆に、プローブ１に対して被測定物２
がＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動する構造の三次元測定機でも
よい。要するに、プローブ１と被測定物２とが三次元
（あるいは、一次元、二次元）方向へ相対移動可能な移
動機構であれば、何れでもよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明の測定装置によれば、第１駆動部
によって、被測定物と検出子とを測定点近傍までは高速
で相対移動させたのち、第２駆動部によって、被測定物
と検出子とを測定点まで低速で相対移動させて測定を行
うようにしたので、高速化を図りつつ、測定時の振動を
抑制できる。従って、高速化と高精度化とを同時に満足
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した測定システムを示す全体の斜
視図である。

【図２】同上実施形態における駆動系を示す図である。

【図３】同上実施形態における三次元測定機、操作盤、
コントローラおよびホストシステムのブロック図であ
る。

【図４】同上実施形態において、校正処理を実行するフ
ローチャートである。

【図５】同上実施形態において、測定処理を実行するフ
ローチャートである。

【図６】第１駆動部の他の例を示す図である。

【図７】第２駆動部の他の例を示す図である。

【符号の説明】

１ プローブ（検出子） ２ 被測定物 ２６ 第１駆動部 ２７ 第１ロータリエンコーダ（第１変位検出器） ２８ 第２駆動部 ２９ 第２ロータリエンコーダ（第２変位検出器） ４４ ホストコンピュータ（演算制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野田 孝 栃木県宇都宮市下栗町2200番地 株式会社 ミツトヨ内 Ｆターム(参考） 2F069 AA04 AA66 DD15 DD19 GG01 GG04 GG07 GG63 HH01 HH15 JJ08 JJ15 JJ19 JJ25 JJ30 MM34 MM37 MM38

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物と検出子とを相対移動させると
   ともに、その相対移動変位量を検出し、測定点における
   相対移動変位量から被測定物の寸法や形状を測定する測
   定装置において、 前記被測定物と検出子とを相対移動させる駆動系を、前
   記被測定物と検出子とをその相対移動方向の略全域に亘
   って移動させる第１駆動部と、前記被測定物と検出子と
   を前記第１駆動部によって移動された位置から所定範囲
   内においてのみ相対移動させる第２駆動部とから構成す
   るとともに、 前記被測定物と検出子との相対移動変位量を検出する変
   位検出手段を、前記第１駆動部による相対移動変位量を
   検出する第１変位検出器と、前記第２駆動部による相対
   移動変位量を検出する第２変位検出器とから構成し、 測定に際して、第１駆動部によって前記被測定物と検出
   子とを測定点近傍まで高速で相対移動させたのち、第２
   駆動部によって前記被測定物と検出子とを測定点まで低
   速で相対移動させ、測定点における第１変位検出器から
   の出力および第２変位検出器からの出力を基に被測定物
   の寸法や形状を求める演算制御手段を備えた、 ことを特徴とする測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の測定装置において、前
   記第１駆動部は、ボールねじ駆動機構、ベルト駆動機構
   およびリニアモータ駆動機構のいずれかによって構成さ
   れ、前記第２駆動部は、ボールねじ駆動機構、ベルト駆
   動機構およびリニアモータ駆動機構のいずれかによって
   構成されていることを特徴とする測定装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の測定装
   置において、前記第２変位検出器は、前記第１変位検出
   器の分解能より高分解能であることを特徴とする測定装
   置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれかに記
   載の測定装置において、前記駆動系および変位検出手段
   は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれに
   ついて設けられていることを特徴とする測定装置。