JP2001027501A - 座標測定機のフィーラーの重量を測定するための方法 - Google Patents
座標測定機のフィーラーの重量を測定するための方法Info
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Abstract
量を測定するための他の簡潔な方法を提供すること。 【解決手段】 制御装置を有している座標測定機の、該
座標測定機の走査ヘッド(1)と結合されているフィー
ラーの重量を測定するための方法。フィーラー(3)の
重量を、座標測定機によるフィーラーの運動を能動的に
制御せずに、有利には静力学的に測定し、その際フィー
ラー(3)または走査ヘッド(1)から制御装置(5
1)に信号を送る。
Description
されている座標測定機のフィーラーの重量を測定するた
めの方法に関する。
9753303A号公報から、フィーラーの重量を考慮
して座標測定機を制御するための方法が知られている。
フィーラーの重量を測定するため、走査ヘッドの軌道加
速度が求められる。走査ヘッドの軌道加速度は、測定さ
れた走査ヘッドの位置の時間的変化を導出することから
求められ、或いは目標値を導出することから求められ
る。
するための別の動力学的方法が知られている。その方法
では、フィーラーが円軌道上を案内され、その際フィー
ラーを力で付勢することにより、フィーラーが静止状態
で占める静止位置でフィーラーは水平方向に関して保持
される。フィーラーを静止位置で保持するために必要な
力から、フィーラーの重量が測定される。
9753303A号公報に記載されているように、フィ
ーラーの重量の測定は取り付け状態で行なうのが有利で
ある。なぜなら、取り付け状態では一定の重量がすでに
系内に存在し、したがって利用者側の入力ミスが阻止さ
れているからである。他方フィーラーの重量は、作動の
ために設定された構成において決定される。しかし動力
学的方法の欠点は、検出された値に大きな測定ミスが伴
うことである。
選定される種々のフィーラーを使って作動させることが
できる。座標測定機の操作者自身はその必要性に適合す
るようにフィーラーを構成することが多い。座標測定機
または座標測定器の提供者の立場にたてば、座標測定機
を制御する時点ですでにフィーラーの重量を考慮するこ
とは原理的には可能であるが、これは操作者にとっては
かなりの制限を意味することになる。操作者は、座標測
定機の製造者から提供された限られた数量のフィーラー
を使用するしかない。しかしこのようなかなりの制限は
決して望ましいものではない。
固有のフィーラーを使用できる自由があるのが望まし
い。しかしながら、座標測定機の高い測定精度を保証で
きるようにするには、特に被測定表面の発進速度が高速
の場合に高い測定精度を保証できるようにするには、現
在使用しているフィーラーの重量を可能な限り正確に検
知して、発進速度に応じて発生する遠心力を補正できる
ようにする必要がある。
ヘッドと結合されているフィーラーの重量を測定するた
めの他の簡潔な方法を提供することである。
を検出する際の精度を向上させることである。
御装置を有している座標測定機の、該座標測定機の走査
ヘッドと結合されているフィーラーの重量を測定する方
法において、フィーラーの重量を、座標測定機によるフ
ィーラーの運動を能動的に制御せずに、静力学的に、或
いは自由動力学的に測定し、その際フィーラーまたは走
査ヘッドから制御装置に信号を送ることを特徴とする方
法により解決される。
に供給される信号を用いてフィーラーの重量を測定する
という手段により、測定精度を向上させることができ
た。この場合、制御装置にフィーラーまたは走査ヘッド
から信号が送られ、重量を測定している間、フィーラー
は座標測定機により制御されて運動を実施することはな
い。
ようにするためには、フィーラーの重量を静力学的にま
たは自由動力学的に測定するのが有利であることが明ら
かとなった。静力学的な測定の場合、フィーラーは測定
中1つの位置に留まり、自由動力学的測定の場合には、
フィーラーは偏位位置から静止位置へ戻り、外部の力、
すなわち走査ヘッドによる力がフィーラーに作用するこ
とはない。
合、経時的に検出した値を考慮することができ、これに
より測定精度が向上する。また静力学的測定の場合、走
査ヘッドの構成に起因するような、温度に依存した緩衝
作用が発生することはない。
とは異なる占有位置(偏位とも呼ばれる)とを簡単に関
係づけることにより、力と距離の比からフィーラーの重
量を求めることができる。個々の有利な実施の形態で
は、フィーラーは所定の力で付勢され、これにより、占
有していた偏位位置から、校正曲線に関連して直接フィ
ーラーの重量を求めることができる。
る素子を付設するのが有利であることが明らかとなっ
た。これに適切な素子としては、特に、安価で信頼性の
ある圧電素子であることが判明した。この圧電素子は内
部剛性が大きく、これにより、Z成分に関する測定値の
望ましくない変造が生じることはない。
走査ヘッドと結合させるのが有利であることが明らかと
なった。このようにすると、フィーラーの取り付けの終
了とともにフィーラーの重量を特徴づける信号を制御装
置に送ることができる。この場合、変換素子は走査ヘッ
ドと走査ヘッド秤量ユニットの間に配置される。この変
換素子は、境界を接している構成部材とたとえば接着、
ねじ止め等により固定連結されているロードセルに付設
されている。
置からの偏位が、フィーラーの重量に対する信号値の適
当な校正曲線を備えた制御装置にファイルされている
と、送られてくる信号に依存して直接フィーラーの重量
を求めることができる。なおゼロ位置とは、フィーラー
が受容されていないときに走査ヘッドが占める位置であ
る。
正ばねを備えた走査ヘッドの場合には、フィーラーの重
量を測定するために補正ばねの偏位量を考慮するのが有
利であることが判明した。この種の補正ばねは第1の懸
架点を有し、この第1の懸架点はたとえば付設の電動機
を制御することにより鉛直方向に移動可能であり、その
際、第2の懸架点はフィーラーと作用結合している。特
に、標準部品として入手可能な、増分検出器を備えた電
動機を設けることができるので、フィーラーの固有重量
を補正するために電動機を制御する際に検出される増分
によりフィーラーの重量が測定される。
サ装置を有していない場合には、フィーラーの重量を測
定するため、フィーラーの重力によるz方向の偏位を検
知し、フィーラーの重力によるz方向の偏位を、設けら
れた位置調整装置を電流で付勢することによって短時間
補正し、これにより、偏位を特徴づける電流が検出され
る。校正曲線があれば、電流からフィーラーの重量を求
めることができる。
知であれば、すなわち重力の作用方向が既知であれば、
フィーラー受容後の走査ヘッドの偏位を検知することに
より直接フィーラーの重量を求めることができる。
る場合には、まずフィーラーは静止位置またはゼロ位置
から偏位し、この場合フィーラーはこの偏位位置から解
放されて静止位置へ戻り、すなわち座標測定機側からの
作用なしに戻り振動する。制御装置には、自由振動系の
固有振動数を特徴づける信号が送られる。検出した固有
振動数からフィーラーの重量を導出することができる。
これにより、フィーラーの重量を測定するための極めて
簡潔な方法が提供される。この方法では、占有された偏
位位置が既知である必要はなく、偏位に必要な力を検知
することが必要である。偏位の大きさは、自由振動系の
振動時間を所要の精度で決定できる程度で、場合によっ
てはいくつかの振動時間を検出することにより所要の精
度で決定できる程度で十分である。
ていない振動系の固有振動数を考慮し、フィーラーを取
り付けたときの固有振動数の変化からフィーラーの重量
を推定することにより、フィーラーの重量を求めるのが
有利であることが判明した。固有振動数の変化から、有
利には制御装置に付設されたデータメモリにファイルさ
れている校正曲線を用いて、フィーラーの重量を決定す
る。校正曲線がファイルされていることにより、特に、
重量測定に必要な演算コストを削減できる。
できるようにするには、固有振動数における振動時間T
がフィーラーの重量に依存して可能な限り大きく変化す
る必要がある。適当なばね定数はC=C0±10%であ
ることが明らかとなった。ここでC0=2g0/l、l=
自由振動系の長さ、g0=フィーラーのない振動系の重
量である。
を選定するにあたって、フィーラーの評価重量gTが算
入される。したがってg=g0+gTであり、
ことにより走査ヘッドのばね定数を決定するのが有利で
あることが明らかとなった。この場合走査ヘッドは水平
面内を偏位し、その際偏位と必要な力との比からばね定
数が明らかになる。
他の利点もあり、すなわち使用されるフィーラーの重量
が既知である場合は、フィーラーの重量が最大値を越え
れば座標測定機による測定作業を行なわないようにする
ことによって、特に走査ヘッド内のばねシステムの過負
荷も阻止されるという利点もある。これにより同時に、
使用しているフィーラーがこの座標測定機の作業には適
していないことが利用者に知らされる。
いる。
て詳細に説明する。
結されている走査ヘッド1の基本構成を詳細に説明す
る。フィーラー3は、たとえば星形に配置される一連の
フィーラーピン5を有しており、4つの板ばね13を有
しているばね平行四辺形部15を介して板11と結合さ
れている。板11は、他の側で別のばね平行四辺形部9
を介してアングル部材17に固定されており、前記別の
ばね平行四辺形部9の板ばね7は板ばね13に対し90
゜ずれて板11に係合している。
板ばね19を有する第3のばね平行四辺形部21を介し
て結合部材23に懸架されている。結合部材23は上部
部分25に固定連結され、またはアングル部材17に係
合している。遊びのない且つ摩擦のない3つの直線ガイ
ドシステムをこのようにねじれがないように連設するこ
とにより、デカルト座標系x,y,zが形成される。この
場合、たとえばアングル部材17はz方向に平行に可動
で、板11はz方向およびx方向に平行に可動であり、
フィーラー3を含めたフィーラーピックアップ4はx方
向、y方向およびz方向に平行に可動である。
3つの可動コイルシステム28,30,32が配置され、
その環状隙間型磁石27,29,31は上部部分で位置固
定して支持され、その可動コイル28,30,32は中央
のゼロ位置から、可動コイル28,30,32に供給され
る電流の電流方向に応じて磁石27,29,31の環状隙
間内へ引き込まれ、或いはそこから引き出される。個々
の可動コイル28,30,32への電流供給は選択的にオ
ンオフされ、或いは適宜電子的に制御装置51により制
御され、付勢力を目的に応じて導入できるようになって
いる。可動コイル28,30,32の運動は、上部部分2
5内で軸線35のまわりに回転可能に支持されているレ
バー33と、互いに弾性的に結合されている他の伝動要
素37とを用いてフィーラーピックアップ4へ伝えられ
る。符号27ないし37で示した構成要素により、可動
コイルシステム39が形成される。この可動コイルシス
テム39により、コイル28,30,32のうちの少なく
とも1つのコイルを予め決定される電流で付勢すること
によって、フィーラー3の付勢力を目的に応じてて導入
することができる。
設けられているセンサ53によって検知される。この実
施の形態では、センサとして、フィーラー3の運動を導
入するための可動コイルシステム39に対応して、コイ
ル55と磁石57とを含む誘導性システムがセンサ53
として設けられている。
せて選定される種々のフィーラー3を使用できる。これ
らのフィーラー3は、通常重量が異なっている。この重
量により生じるz方向への偏位を補正するため、走査ヘ
ッド1は補正ばね41を備えている。補正ばね41は、
フィーラーピックアップ4に係合している第1の懸架点
43を有している。反対側の第2の懸架点45は、鉛直
方向に移動可能な構成部材44に係合している。図示し
た実施の形態では、この第2の懸架点45は、走査ヘッ
ド1の上部部分25内に位置固定して配置されるモータ
47により駆動可能なねじスピンドル49と作用結合し
ている。このねじスピンドル49の回転運動から懸架点
45の鉛直方向(ここではz方向)の運動が生じる。こ
の補正ばね41はばね平行四辺形部21に平行に接続さ
れている。
ィーラー3の重量を測定するための方法について詳細に
説明する。
コイル28,30,32の1つを制御または電流付勢する
ことにより、所定の力が導入され、この力によりフィー
ラー3が静止位置2から偏位する。この偏位はセンサ5
3により検知される。各運動方向に対して設けられてい
るばね平行四辺形部9,15,21により、フィーラー
3、すなわち被測定物の重心CMは、偏位の際に図2に
示すような半径Rの円弧を描く。フィーラー3を通じて
作用する重力CMは、垂直な成分Gと、x,y方向によ
り形成される面で延びる成分F1とに分解することがで
きる。小さな偏位角αに対しては、 tanλ≒λ=S/R が適用される。ここでRは、フィーラー3が偏位する円
弧の半径である。フィーラー3の重量から生じる復帰力
F1は、 F1=G*tanλ=G*S/R である。フィーラー3はばね平行四辺形部9,15の1
つまたはいくつかのばね力に抗して偏位するので、さら
に、これらばね平行四辺形部9,15の少なくとも1つ
の板ばね7,13による弾性復帰力も作用する。この弾
性復帰力は Fc=C*S である。全復帰力は、 F=F1+Fc=G*S/R+C*S である。偏位点を占めると、フィーラー3の受容により
重量がΔGだけ増大する。偏位Sを一定に保持するに
は、力をΔFだけ増大させねばならない。
れる力は、可動コイル27がx方向に偏位するときに付
勢される電流Iまたは電圧Uに比例する。 ΔF=K*ΔU ここでKは比例定数であり、よって ΔG=K*ΔU*R/S である。Rは走査ヘッドの構成から既知であるので、一
定に偏位するように予め設定すると距離Sも定数であ
り、その結果、積K*R/Sを1つの定数qにまとめる
ことができる。すなわち ΔG=q*ΔU である。
4によって測定させるようにした校正測定により、この
定数gを決定することができる。したがって、測定され
る任意のフィーラー3による重量変化により、所定の偏
位点を維持させるために必要な電圧の変化に依存して、
直接フィーラー3の重量を求めることができる。
することにより求めるようにしてもよい。この場合に
は、偏位量Sが測定される。この測定量に基づいて、以
下に詳細に説明するようにフィーラーの重量ΔGを決定
する。まず、1回の校正測定により、すべて同一に構成
され、空間的な調整方向だけが異なっているばね平行四
辺形部21,15,9のばね定数Cを決定する。特に、ば
ね平行四辺形部9のばね定数Cは簡単に決定でき、すな
わち走査ヘッド1を水平状態にし、1つの面または板上
で支持させて、たとえば可動コイル32を電流で付勢す
ることによりx−y平面に平行に偏位させれば前記ばね
定数Cを簡単に決定することができる。別のばね平行四
辺形部21または15のばね定数Cを決定するために、
水平面に平行な方向で偏位させてもよい。この場合、ば
ね平行四辺形部9,15,21に対するCの値は、図示し
た実施の形態の場合、走査ヘッド1の構成によりすべて
の方向に対し同じ値であり、したがってばね定数の決定
は1つのばね平行四辺形部に関して行なえば十分であ
る。走査ヘッド1は水平面内を運動するので、フィーラ
ー3と走査ヘッド5の重量により水平支持面とフィーラ
ー3との間に生じる摩擦力を無視すれば、導入された力
に電流が比例しているので、可動コイル31の電流付勢
から直接ばね定数を求めることができる。
形部のばね定数が既知であるので、z方向において検知
した偏位に依存して直接フィーラー3の質量または重量
を求めることができる。可動コイル31を電流付勢する
ことによりフィーラー3を短時間所定のゼロ位置60に
位置決めするようにしてもよい。ゼロ位置60は、フィ
ーラー3が受容されていなければ、フィーラーピックア
ップ4が占めるようにするのが有利である。このときに
必要な電流に依存してフィーラー3の重量を求めること
ができる。また、モータ47を制御することによりフィ
ーラー3を所定のゼロ位置60に位置決めするようにし
てもよい。この場合には、懸架点45が移動した距離が
検出される。この距離を測定するため、増分検出器(図
示せず)を備えたモータを使用することができる。増分
検出器を備えたこの種のモータは標準部品として入手で
きる。
要な力との関係を、重量の異なるフィーラー3に対し図
示したものである。
関係を、偏位が一定(ここでは1.5mm)の場合に対
し図示したものである。
固有振動数を用いてフィーラー3の重量を自由動力学的
に測定するための方法を詳細に説明する。
9,15,21を有しており、その際このようなばね平行
四辺形部に対しては、図5に図示した簡単な系を想定す
ることができる。ばね平行四辺形部の個々の構成要素の
質量を無視すると、水平運動方向に関しばね力が付加的
に作用する、図示したような振動系が得られる。この近
似系は、少なくとも偏位角αが小さければ十分正確なも
のであり、したがってsinα=S/Rと想定すること
ができる。よって全系の作用力Fは F=F1+Fc=G*S/R+C*S と表わされ、したがって全系のばね定数Dは D=G/R+C と表わされる。ここでCはばね平行四辺形部のばね定数
である。
ってGは重量である。
量を測定するため、 G/R≪C が適用されるべきである。ここでCは C≒2G/R である。
量に依存する振動時間の変化は最大である。
ため、求めた振動時間を、フィーラー3とフィーラーピ
ックアップ4とが設けられていない系の振動時間に関連
づける。この場合、フィーラーピックアップ4の重量は
重量の差を増大させるためだけに用い、よって測定精度
を向上させるためだけに寄与する。
求めた自由振動系の振動時間から直接フィーラーの質量
が得られる。
めの可能な方法を詳細に説明する。
の偏位のために作用した力は急激に消失し、次にフィー
ラー3は静止位置へ戻るために自由振動する。フィーラ
ー3の運動を特徴づける信号がセンサ53から制御装置
へ送られ、特にフィーラー3の運動の逆転を特徴づける
信号が送られる。
たように、使用されたフィーラーの重量を導出または決
定するための振動時間が得られる。
ーの重量を測定するために設けられているロードセル6
5を有している。このロードセル65は走査ヘッド1と
フィーラー交換ユニット67の間に配置されている。ロ
ードセル65は走査ヘッド1の構成部材と固定連結され
ているとともに、フィーラー交換ユニット67とも、た
とえば接着、ねじ止め等により固定連結されている。ロ
ードセル65は、変換素子61としてたとえば圧電素子
63を有している。圧電素子63は、使用されたフィー
ラーの重量に依存して電圧値を送る。その都度一緒に測
定されるフィーラー交換ユニット67の重量は、オフセ
ット値として減算される。
部を介してフィーラー交換ユニット67に結合している
フィーラーピンディスク6とにより、1つのユニットが
形成される。
重量を測定するための方法にすべて共通していること
は、フィーラー3が座標測定機側に設けられた運動軌道
上を能動的に案内されないことである。
とその結果生じる偏位との関係を示すグラフである。
関係を示すグラフである。
る。
Claims (13)
- 【請求項1】 制御装置を有している座標測定機の、該
座標測定機の走査ヘッドと結合されているフィーラーの
重量を測定する方法において、フィーラー(3)の重量
を、座標測定機によるフィーラーの運動を能動的に制御
せずに、静力学的に、或いは自由動力学的に測定し、そ
の際フィーラー(3)または走査ヘッド(1)から制御
装置(51)に信号を送ることを特徴とする方法。 - 【請求項2】 制御装置(51)によりフィーラー
(3)を静止位置(2)から変位させ、導入された力と
検出した偏位との比からフィーラー(3)の重量を決定
することを特徴とする請求項1に記載のフィーラーの重
量を測定するための方法。 - 【請求項3】 フィーラー(3)に、付勢力を電気信号
に変換する素子(61)を付設し、その信号を制御装置
(51)に送ることを特徴とする請求項2に記載の方
法。 - 【請求項4】 変換素子(61)が圧電素子(63)で
あることを特徴とする請求項3に記載の方法。 - 【請求項5】 フィーラー(3)が変換素子(61)を
中間接続して走査ヘッド(1)と結合されていることを
特徴とする請求項3に記載の方法。 - 【請求項6】 フィーラー(3)を静止位置(2)から
変位させるため、フィーラー(3)を所定の力で付勢す
ることを特徴とする請求項2に記載の方法。 - 【請求項7】 フィーラー(3)を変位させるために設
けられている駆動部(31)を制御することにより、フ
ィーラー(3)を、該フィーラー(3)を受容する前に
走査ヘッドが占めていたゼロ位置(60)に位置決め
し、その際導入された力からフィーラーの重量を決定す
ることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項8】 フィーラー(3)を、該フィーラー
(3)がないときに走査ヘッド(1)が占めていたゼロ
位置(60)に位置決めし、その際走査ヘッド(1)
は、固有重量を補正するための補正ばね(41)を備え
ており、補正ばね(41)が、フィーラー(3)と結合
されない懸架点(45)であってフィーラー(3)の受
容後再びゼロ位置(60)を占めさせるために鉛直方向
に移動する前記懸架点(45)と、フィーラー(3)と
作用結合している懸架点(43)とを有し、この場合懸
架点(45)の移動がフィーラー(3)の偏位(5)に
対応していることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項9】 静止位置から偏位可能で、走査ヘッドと
結合され、制御装置が付設されているフィーラーの重量
を測定する方法において、フィーラー(3)を、静止位
置(2)から偏位した位置を起点に自由運動させ、この
自由振動系の固有振動数を測定するために制御装置(5
1)に信号を送り、その際自由振動系の固有振動数から
フィーラー(3)の重量を測定することを特徴とする方
法。 - 【請求項10】 自由振動系がばね定数Cを持った系で
あり、C=C0±10%であり、ここでC0=2g0/
l、l=自由振動系の長さ、g0=フィーラーのない振
動系の重量であることを特徴とする請求項9に記載の方
法。 - 【請求項11】 ばね定数Cがフィーラー(3)の評価
重量(gT)を含んでおり、 【数1】 であることを特徴とする請求項10に記載の方法。 - 【請求項12】 フィーラー(3)の重量測定を、少な
くともフィーラーを交換するたびに行い、有利には座標
測定機を始動するたびに行なうことを特徴とする、上記
請求項の少なくとも1つに記載の方法。 - 【請求項13】 走査ヘッドと、該走査ヘッドに結合可
能なフィーラーとを備えた座標測定機において、走査ヘ
ッド(1)に、上記請求項の少なくとも1つに記載のフ
ィーラー(3)の重量を測定するための方法を実施する
ための制御装置(51)を備えた装置が付設されている
ことを特徴とする座標測定機。
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