JP2005214943A - 三次元測定機の測定座標補正方法及び三次元測定システム - Google Patents

三次元測定機の測定座標補正方法及び三次元測定システム Download PDF

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Abstract

【課題】 ベースの厚みを変更することなく、ユーザワークに対応した高精度な測定を可能にする。
【解決手段】 三次元測定機1に種々の重量のワーク19を載置した状態で三次元測定機1の幾何学誤差を計測し、その計測結果から各ワーク19の重量毎の補正パラメータを求めて記憶し、測定すべきワーク19の重量に対応した補正パラメータを適宜読み出して測定すべきワークの測定座標を補正する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、三次元測定機の測定座標補正方法に関し、特に三次元測定機のベースに重量のあるワークを載置したときの測定座標補正方法及び三次元測定システムに関する。
三次元測定機では、三次元測定空間を構成する各軸に沿って配置されたスケールを基準とするスケール座標系の中で、種々の測定子が使用されて測定が行われる。三次元測定機の測定精度を向上させるためには、その構造体の静的剛性を高めることが必要であることはもとより、ソフトウェアによる空間精度補正技術を導入することで、幾何学誤差を極力低減して高精度化への対応を図ることが可能である。
三次元測定機の幾何学誤差には、図4に示すように、キネマティックモデル中の直交座標系における各軸スケール誤差、真直度誤差及びピッチング、ヨーイング等の角度誤差がある。これらをまとめると以下のようになり、合計21個の誤差要因がある。
各軸スケール誤差:3
各軸水平方向真直度誤差:3
各軸垂直方向真直度誤差:3
各軸ピッチング誤差:3
各軸ヨーイング誤差:3
各軸ローリング誤差:3
各軸間角度誤差:3
一般にCMM(Coordinate Measuring Machine)上において計測された幾何学誤差には、角度誤差等の要因の影響が含まれるので、これらを各軸基準上の誤差として扱うために、誤差の分離処理を行う必要がある。このため、図4に示すようなキネマティックモデルを用いて誤差の分離処理を行う技術が知られている(特許文献1)。また、このキネマティックモデルは、補正パラメータ算出の際の誤差の分離処理に用いられると同時に、補正の実行の際に各補正パラメータを座標空間上の誤差に変換処理を行う時にも使用される。
以上の処理により、各軸の誤差が存在しても、その誤差を計測し補正することでCMMの幾何学誤差を低減させ、CMMの高精度化が実現できる。
特開平7−146130号公報(段落0002〜0007、図4)
CMM等の装置において、Y軸運動ガイドを兼ねるベースは、幾何学誤差において、特に重要な役割を持つ。空間精度補正を利用してCMMの高精度化を実現したが、そのY軸運動ガイドを兼ねるベースの幾何学誤差において、ユーザワークを積載するとベースが変形し、Y軸運動ガイドの幾何学精度が変化してしまい、CMMの精度悪化につながってしまう。そのため、従来は、ベースの厚みを厚くしてベースの静的剛性を高めることにより、ユーザ最大積載重量を増すようにしていた。このため、ユーザワークの最大積載重量毎にベースの厚みを検討しなければならず、納期、価格共に膨大となっていた。特に最近では、大型金型ワークを測定する用途が増加し、5t〜10tのワークの測定が可能なCMMが望まれている。
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、ベースの厚みを変更することなく、ユーザワークに対応した高精度な測定を可能にする三次元測定機及びその測定空間補正方法を提供することを目的とする。
本発明に係る三次元測定機の測定座標補正方法は、三次元測定機に種々の重量のワークを載置した状態で前記三次元測定機の幾何学誤差を計測し、その計測結果から各ワークの重量毎に補正パラメータを求め、これら補正パラメータを記憶手段に記憶するステップと、測定すべきワークの重量を入力するステップと、このステップで入力されたワークの重量に対応した補正パラメータを前記記憶手段から読み出して前記測定すべきワークの測定座標を補正するステップとを備えたことを特徴とする。
また、本発明に係る三次元測定システムは、測定すべきワークを三次元測定空間内のベース上に載置して測定する三次元測定機と、この三次元測定機を駆動制御すると共に三次元測定機から必要な測定値を取り込むためのコントローラと、このコントローラを介して取り込まれた測定値を処理するホストコンピュータとを備えた三次元測定システムにおいて、前記三次元測定機のベースに種々の重量のワークを載置した状態で前記三次元測定機の幾何学誤差を計測し、その計測結果から求められた各ワークの重量毎の補正パラメータを記憶する記憶手段と、前記ワークの重量の情報を入力する入力手段とを備え、前記入力されたワークの重量の情報と前記記憶手段に記憶された補正パラメータとに基づいて前記測定すべきワークの測定座標を補正することを特徴とする。
なお、前記記憶手段は、例えば前記コントローラに設けられ、前記コントローラは前記入力されたワークの重量の情報に基づいて補正パラメータを切り換えて前記測定すべきワークの測定座標を補正するものである。また、前記記憶手段は、前記ホストコンピュータに設けられていても良い、この場合、前記ホストコンピュータは、前記入力されたワークの重量の情報に基づいて当該ワークの重量に対応した補正パラメータを前記コントローラに送信し、前記コントローラは、前記ホストコンピュータから送信されてきた補正パラメータに基づいて前記測定すべきワークの測定座標を補正する。
前記入力手段は、前記ホストコンピュータに手入力操作で前記ワークの重量の情報を入力する手段であっても良いし、前記三次元測定機のベースに組み込まれた重量計と、この重量計で検出された前記ワークの重量の情報を前記ホストコンピュータに送信する手段とを備えたものであっても良い。
また、前記三次元測定機のベースは、例えばY軸運動ガイドを兼ねるものであり、前記三次元測定機の幾何学誤差には、前記ベースの変形によるY軸角度誤差が含まれる。
本発明によれば、三次元測定機に種々の重量のワークを載置した状態で前記三次元測定機の幾何学誤差を計測し、その計測結果から各ワークの重量毎の補正パラメータを求めて記憶し、測定すべきワークの重量に対応した補正パラメータを適宜読み出して測定すべきワークの測定座標を補正するようにしたので、ベースがワークの重量によって変形しても、精度の高い座標値の補正が可能になるので、ベースの厚みを変更することなく、ユーザワークに対応した高精度な測定が可能になる。
以下、添付の図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。
図1は、この発明の一実施形態に係るCNC(Computerized Numerical Control)三次元測定システムの構成を示すブロック図である。
このCNC三次元測定システムは、三次元測定機1と、この三次元測定機1を駆動制御すると共に三次元測定機1から必要な測定値を取り込むためのコントローラ2と、このコントローラ2を介して取り込まれた測定値を処理するホストコンピュータ3とを備えて構成されている。
三次元測定機1は、例えば図2に示すように構成されている。
除振台11の上には、ベース12がその上面をベース面として水平面と一致するように載置され、このベース12の両側端から立設されたビーム支持体13a,13bの上端でX軸方向に延びるビーム14を支持している。ビーム支持体13aは、その下端がY軸駆動機構15によってY軸方向に駆動される。また、ビーム支持体13bは、その下端がエアーベアリングによってベース12にY軸方向に移動可能に支持されている。ビーム14は、垂直方向(Z軸方向)に延びるコラム16を支持する。コラム16は、ビーム14に沿ってX軸方向に駆動される。コラム16には、スピンドル17がコラム16に沿ってZ軸方向に駆動されるように設けられている。スピンドル17の下端には、接触式のプローブ18が装着されている。このプローブ18が、ベース12上に載置されたワーク19に接触したときに、プローブ18からコントローラ2にタッチ信号が出力され、そのときのXYZ座標値をコントローラ2が取り込むようになっている。また、ベース12上の所定位置には、機械座標系を構築するためのマスターボール20が装着されている。
次に、このCNC三次元測定システムを用いた空間誤差補正方法について説明する。
(1)事前登録
図3は、事前登録の処理を示すフローチャートである。
この事前登録処理では、三次元測定機1のベース12の上に載置するワーク19の重量Wを0,5t,10t,…と変化させて、それぞれの場合について空間誤差補正のための補正パラメータを算出する。なお、ここで重量W=0はワーク19を載置しない状態である。
図3を参照してより詳細に説明すると、まず、重量Wのワーク19を三次元測定機1のベース12に載置し(S1)、三次元測定機1の幾何学誤差を計測する(S2)。これにより前述した21個の幾何学誤差が計測され、これら求められた21個の幾何学誤差から21種類の補正パラメータを算出する(S2)。算出された補正パラメータは、コントローラ2又はホストコンピュータ3の記憶装置に記憶される(S4)。補正パラメータをコントローラ2の記憶装置に記憶する場合には、記憶容量の制限があるものの、ワーク重量が変わるたびにホストコンピュータ3から補正パラメータを転送する必要がなく、より速やかに補正パラメータの切替が可能であるという利点がある。これに対し、補正パラメータをホストコンピュータ3の記憶装置に記憶する場合には、大容量ハードディスク装置に格納することにより、記憶容量の制限は無くなる。記憶容量の制限が無くなることにより、より細かなワーク重量に対応した補正パラメータを予め用意しておくことができる。
次に、三次元測定機1の幾何学誤差の計測(S2)について、より詳細に説明する。
図4は、三次元測定機1の構造体のキネマティックモデルを示す図である。図中、T1,T2,T3,T4は、それぞれX軸支点、Y軸支点、Z軸支点及びマスターボール中心点をそれぞれ示している。また、A,B,Pは、それぞれプローブ先端、スピンドル先端及びスピンドル先端Bからプローブ先端Aに向かうプローブベクトルであり、TF1,TF2,TF3,TF4は、X軸測定点、Y軸測定点、Z軸測定点及びマスターボール中心点からそれぞれプローブ先端Aに向かうベクトルである。
ここで、測定すべき幾何学誤差としては、特定の着目する支点(回転中心でもある)Tにおける平行誤差(ex,ey,ez)及び回転誤差(εx,εy,εz)があり、支点からプローブ先端に向かうベクトルを(TFx,TFy,TFz)とすると、補正パラメータ(δx,δy,δz)は、次のように求めることができる。
Figure 2005214943
従って、各軸支点T1,T2,T3及び基準点T4における平行誤差をそれぞれ(T1ex,T1ey,T1ez)、(T2ex,T2ey,T2ez)、(T3ex,T3ey,T3ez)、(T4ex,T4ey,T4ez)、回転誤差をそれぞれ(T1εx,T1εy,T1εz)、(T2εx,T2εy,T2εz)、(T3εx,T3εy,T3εz)、(T4εx,T4εy,T4εz)とすれば、上記数1は、数2のように拡張することができる。
Figure 2005214943
実際の幾何学誤差の測定は、例えば図5のように、スピンドル17の先端に測定用の光学治具21をセットし、レーザ干渉測定計30により各スケール値に対するプローブ先端位置を測定することにより行うことができる。レーザ干渉測定計30は、レーザ光を出射するレーザヘッド31と、このレーザヘッド31から出力されたレーザ光を光学治具21側に通過させると共に、光学治具21側から入射されたレーザ光を受光するレシーバ32と、レーザヘッド31から出射されたレーザ光と光学治具21から反射されたレーザ光とを干渉させて干渉縞を生成する干渉計33とを備えて構成されている。光学治具21をXYZのスケールに沿って移動させたときの各位置の干渉計33に生成された干渉縞により、プローブ位置における平行誤差及び回転誤差を検出する。三次元測定空間の全域について平行誤差及び回転誤差を測定することにより、三次元測定空間の全域にわたる補正パラメータを算出することができる。
しかし、この補正パラメータを三次元測定空間の全てについて記憶することは現実的でない。そこで、例えば図6に示すように、記憶データ量を削減する。なお、ここでは説明の簡単のためX軸方向に沿った補正パラメータδについて説明する。まず、図6(a)に示すように、X軸カウンタ値xに応じた補正パラメータδを算出する。次に、図6(b)に示すように、予め設定された補間関数次数と、得られた生データの曲線と、その形から求められた区間分割数と分割位置とに基づいて、各区間の補間関数係数を決定する。例えば、各区間の補間関数次数を「2」とすると、各区間で係数は3個となる。そして、図6(c)に示すように、実際の補正パラメータの読出しにおいては、カウンタ値Xに対する補正パラメータδ(X)を、上記で求めた補間関数によって計算する。これを他のY軸及びZ軸の補正パラメータについても同様に行う。これにより、記憶すべきデータ量を大幅に削減することができる。
この発明において重要な点は、ベース12の上に載置するワーク19の重量Wを0,5t,10t,…と変化させて、それぞれの場合について上記のような幾何学誤差を測定し、空間誤差補正のための補正パラメータを算出する点である。
また、ワークの重量によってベース12が変形すると、ベース12をガイドとしているY軸角度に最も大きな影響が出てくる。そこで、上述した幾何学誤差の測定に代えて、ワーク重力毎に、角度計にてY軸角度誤差計測を行うようにしても良い。
(2)測定
図7は、このようにして、ワークの重量毎の補正パラメータを記憶した三次元測定機によって実際に測定を行う際の流れを示すフローチャートである。なお、この実施形態は、コントローラ2に補正パラメータを記憶している例である。
まず、ワーク19をベース12に載置し、ワーク12の重量をホストコンピュータ3に入力する(S11)。ワーク重量は、作業者がホストコンピュータ3に手入力操作で入力するか、ベース12に重量計を組み込み、自動検出することで入力する。
尚、ワーク重量の情報は、コントローラ2に直接入力されてもよい。
次に、ホストコンピュータ3は、ワーク重量に対応したワーク識別コードをコントローラ2に送信する(S12)。コントローラ2は、内部に記憶されている補正パラメータのうち、計測に使用する補正パラメータを、ワーク識別コードに対応した補正パラメータに切り換える(S13)。実際の測定においては、切り換えられた補正パラメータを使用して測定値を補正する(S14)。
図8は、ワークの重量毎の補正パラメータを記憶した三次元測定機によって実際に計測を行う他の実施形態の流れを示すフローチャートである。この実施形態では、ホストコンピュータ3に補正パラメータが記憶されている。
まず、ワーク19をベース12に載置し、ワーク12の重量をホストコンピュータ3に入力する(S21)。ワーク重量は、作業者がホストコンピュータ3に手入力操作で入力するか、ベース12に重量計を組み込み、自動検出することで入力する。
次に、ホストコンピュータ3は、ワーク重量に対応した補正パラメータをコントローラ2に送信する(S22)。コントローラ2は、送付されてきた補正パラメータを内部のメモリに記憶する(S23)。実際の測定においては、記憶された補正パラメータを使用して測定値を補正する(S14)。
この実施形態によれば、種々の重量のワークを測定する場合であっても精度の高い座標値の補正が可能になり、測定の高精度化が容易に行えるが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、三次元測定機として通常の三次元座標測定機において実施する例を示したが、これに限らず、表面粗さ測定機、表面形状測定機、真円度測定機などの一般の表面性状測定機において実施しても良い。
また、重量計をベース12に組み込み、自動検出することで入力する例を示したが、この重量計は除振台11に組み込んでも良い。
この際の重量計は、歪ゲージをベース12や除振台11に組み込んで、ベース12や除振台11の歪量に基づいて重量を自動検出しても良い。
さらに、重量計は、ベース12あるいはビーム支持体13a,13bなどの測定機各部の傾斜を測定し、その傾斜量に基づいて重量を自動検出しても良い。
以上説明したように、本発明にかかる三次元測定機の測定座標補正方法及び三次元測定システムによれば、測定すべきワークの重量に対応した補正パラメータによって、ワークの測定座標を補正するようにしたので、三次元測定機のワーク重量制限を緩和することができるだけでなく、ワークの測定精度が向上するので、測定機の利用可能性をより高めることができ、その結果、経済効率が向上する。
また、ベースの厚みを従来よりも薄くすることが可能となり、資源節約にも効果的である。
本発明の一実施形態に係る三次元測定システムの構成を示すブロック図である。 同システムにおける三次元測定機の構成を示す斜視図である。 同システムにおける事前登録処理を示すフローチャートである。 三次元測定機の幾何学誤差を説明するためのキネマティックモデルを示す図である。 同システムにおける事前登録処理時の幾何学誤差の測定例を示す図である。 同事前登録処理時の補正パラメータの記憶方法を説明するための図である。 同システムにおける測定処理を示すフローチャートである。 同システムにおける測定処理の他の例を示すフローチャートである。
符号の説明
1…三次元測定機、2…コントローラ、3…ホストコンピュータ、12…ベース、13a,13b…ビーム支持体、14…ビーム、15…Y軸駆動機構、16…コラム、17…スピンドル、18…プローブ、19…ワーク、20…マスターボール。

Claims (7)

  1. 三次元測定機に種々の重量のワークを載置した状態で前記三次元測定機の幾何学誤差を計測し、その計測結果から各ワークの重量毎に補正パラメータを求め、これら補正パラメータを記憶手段に記憶するステップと、
    測定すべきワークの重量を入力するステップと、
    このステップで入力されたワークの重量に対応した補正パラメータを前記記憶手段から読み出して前記測定すべきワークの測定座標を補正するステップと
    を備えたことを特徴とする
    三次元測定機の測定座標補正方法。
  2. 測定すべきワークを三次元測定空間内のベース上に載置して測定する三次元測定機と、
    この三次元測定機を駆動制御すると共に三次元測定機から必要な測定値を取り込むためのコントローラと、
    このコントローラを介して取り込まれた測定値を処理するホストコンピュータとを備えた三次元測定システムにおいて、
    前記三次元測定機のベースに種々の重量のワークを載置した状態で前記三次元測定機の幾何学誤差を計測し、その計測結果から求められた各ワークの重量毎の補正パラメータを記憶する記憶手段と、
    前記ワークの重量の情報を入力する入力手段とを備え、
    前記入力されたワークの重量の情報と前記記憶手段に記憶された補正パラメータとに基づいて前記測定すべきワークの測定座標を補正することを特徴とする三次元測定システム。
  3. 前記記憶手段は、前記コントローラに設けられ、
    前記コントローラは前記入力されたワークの重量の情報に基づいて補正パラメータを切り換えて前記測定すべきワークの測定座標を補正することを特徴とする請求項2記載の三次元測定システム。
  4. 前記記憶手段は、前記ホストコンピュータに設けられ、
    前記ホストコンピュータは、前記入力されたワークの重量の情報に基づいて当該ワークの重量に対応した補正パラメータを前記コントローラに送信し、
    前記コントローラは、前記ホストコンピュータから送信されてきた補正パラメータに基づいて前記測定すべきワークの測定座標を補正することを特徴とする請求項2記載の三次元測定システム。
  5. 前記入力手段は、前記ホストコンピュータに手入力操作で前記ワークの重量の情報を入力する手段であることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項記載の三次元測定システム。
  6. 前記入力手段は、
    前記三次元測定機のベースに組み込まれた重量計と、
    この重量計で検出された前記ワークの重量の情報を前記ホストコンピュータに送信する手段と
    を備えたものであることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項記載の三次元測定システム。
  7. 前記三次元測定機のベースは、Y軸運動ガイドを兼ねるものであり、
    前記三次元測定機の幾何学誤差には、前記ベースの変形によるY軸角度誤差を含むものであることを特徴とする請求項2〜6のいずれか1項記載の三次元測定システム。
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