JP2005326408A - 同時測定機能を有する３次元マシン - Google Patents

Abstract

【課題】精密な機械部品を測定する測定技法に用いられる３次元測定マシン（３Ｄ ＣＭＭ）のコストを低減する。
【解決手段】所定の基準系を基準に測定される、機械部品の表面の所定の点（Ｐｌｉｊ）の集合の座標（ｘｌｉ、ｙｌｉ、ｚｌｉ）を３次元測定する方法に関し、その表面に対する理論垂線の方向余弦が所定の点（Ｐｌｉｊ）に対応する理論点において求められ、標準部品とみなされる第１機械部品の表面の所定の点に対応する点（Ｐｏｉｊ）の座標が測定され、垂線に沿った変位測定値（ｌｏｉｊ）が標準部品の点（Ｐｏｉｊ）上で読み取られ、標準部品の点（Ｐｏｉｊ）に対応する、測定される部品の点（Ｐｌｉｊ）上で線形変位測定値（ｌ１ｉｊ）が読み取られ、測定される部品の点の３次元座標（ｘｌｉ、ｙｌｉ、ｚｌｉ）が標準部品の点の３次元座標と、線形測定値（ｌｏｉｊ、ｌ１ｉｊ）と、理論垂線の方向余弦とから計算される。
【選択図】 図２

Description

本発明は精密な機械部品を測定する測定技法に用いられる３次元測定マシン（３Ｄ ＣＭＭ）に関する。

これらマシンは、関節アームを数値制御するための数値制御マシンツール（ＮＣＭＴ）を備えるタイプの数値制御システムを含む。アームは比較器および測定される表面の点に接触する状態になっているフィーラ（ｆｅｅｌｅｒ）を有し、これにより、理論基準座標またはマシンの直交座標系内に置かれる。

部品の測定または検査を実行するために、部品はＣＭＭを備える測定プラテン上に締め付けされ、これをマシンまたは機械的基準系を基準とし正確に取り付ける。この基準系はプラテン装置、例えば基準表面、球面または他の表面で実現され、マシンの初期化段階の間に、その表面上で、マシン基準系を測定される部品の基準系に一致するように構成した後、部品を測定実行状態にする。

次に、フィーラがマシンにより測定される点に自動的に連続して位置合わせされ、オペレータは同時に手動で比較器にこれら点の理論座標に対する対応する偏差を記録する。

この方法は、検査または測定される数点が存在する場合および測定される部品の数があまり多くない場合に、それほど複雑でない部品の簡単な検査に最適である。

しかしながら、タービンエンジンのブレードなどの複雑な部品については、測定に時間が掛かり、測定される部品の数が増える。このような場合には、この方法は高コストになることが立証されている。

本出願者は、本発明によりこれらコスト低減の目標を達成することを目的とする。

この目的に対し、先ず第１に、本発明は、決定された基準系を基準に測定される機械部品の表面のＮ個の所定の点の集合の座標を３次元測定する方法に関し、その表面に対する理論垂線の方向余弦が、上記Ｎ個の所定の点に対応する理論点において求められ、さらに、
・ 標準部品とみなされる第１機械部品の表面の上記Ｎ個の所定の点に対応するＮ個の点の座標が、所定の基準系を基準に測定される、準備段階と、
・ 上記垂線に沿ったＮ個の線形変位測定値が同時およびそれぞれに、上記標準部品の上記Ｎ個の点について読み取られる、初期化段階と、
・ 上記標準部品のＮ個の点に対応する測定される部品の上記Ｎ個の点について、同時およびそれぞれにＮ個の線形変位測定値の測定が実行される、測定段階と、
・ 測定される部品のＮ個の点の３次元座標が、上記標準部品のＮ個の点の３次元座標と、線形測定値と、これら点におけるＮ個の理論垂線の方向余弦とから計算される、計算段階と、を含む。

各点において、測定は、個別の相対変位センサにより、表面に対する理論垂線に従って直線的に実行される。この点において、測定は、前述の従来技術の公知の手段により測定が既に実行された標準部品により、他のセンサとは別個であるが、そのセンサと同時に前もって初期化される。

測定されるＮ個の点はこれにより同時に自動的に測定される。

本発明はまた、上記方法を利用する同時測定機能を備える３次元マシンに関し、このマシンは計算モジュール、制御モジュールおよび測定プラテンを含み、開いた状態では、部分をプラテン上に取り付けでき、閉じた状態では、全センサが部品を測定するために機能的接触状態（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔａｃｔ）に置かれるように構成される、変位センサの少なくとも１つのアレイを含むことを特徴とする。

好ましくは、マシンは標準部品または測定される部品を囲む、相互に対向するセンサの少なくとも２つのアレイを含む。この場合、部品の両面は同時に測定でき、部品の厚みは容易に測定できる。

有利には、変位センサは工業環境に適合する頑丈な誘導性センサである。

さらに有利には、計算モジュールは、部品表面の全体の幾何的特性、例えば厚み、捩れ、曲がり、ずれまたは軸不整列を計算するように構成される。

本発明は、添付図面を参照する、同時測定機能を有する３次元マシンおよび同時測定についての本発明の方法の以下の説明により十分に理解されるであろう。

図１から図３を参照すると、同時測定機能を有する３次元マシン１０は第１に、フレーム２３に組み込まれている、以下に説明する計算モジュール１２および数値制御モジュール１３を有する電子システム１１と、以後に説明する機械部品１５を受ける測定プラテン１４と、測定手段１６、１７、１７’とを備える。

標準部品により指定される、標準部品として取られる第１機械部品からの部品、または測定される機械部品からの部品のどちらかの部品１５が、クランプ２４、２４’により測定プラテン１４のいずれかの側のシム２２、２２’上に締め付けられる。

上記測定手段は、ジョー、ここでの図示した例ではフレーム２３に固定された下側ジョー１６、およびフレーム２３と一体の軸１８周りに回転する２つの上側ジョー１７、１７’で支持される、相対変位センサＣｉｊのアレイ（ｉ、ｊ）（ｉ＝１、．．．、ｎおよびｊ＝１、．．．、ｍ）の形状で示される。センサＣｉｊは、部品１５の断面形状に対応して、アレイ１６、１７、１７’の線Ｌｊに沿って整列している。

数値制御モジュール１３はモジュール１３のコンソール１３０を介して、上側ジョー１７および１７’を図１の開放または取り付け位置のいずれかに位置合わせするように構成されたアクチュエータ１９を制御し、部品１５を測定プラテン１４上に前もって取り付けるか、あるいは閉じた位置または測定位置とし、図３に示すように、これらジョー１７、１７’を調整可能なストップ２１、２１’上の受面まで移動できる。

アレイ１６、１７、１７’の形状、アレイ上のセンサＣｉｊの位置、およびストップ２１、２１’の高さは、測定位置においては、相対変位センサＣｉｊの全フィーラＰＣｉｊが、以後に説明するとおり、各面（プラテン１４に取り付けられる部品１５の、１つは下側面、他方は上側面）の上に機能的接触状態になるように寸法づけられる。

このようにして、内輪および外輪と呼ばれている、タービンエンジンのブレードなどの部品１５の両面は同時に測定でき、後で説明するように、全体測定ができる。

ここで図２および図４を参照すると、変位センサＣｉｊはそれぞれがフィーラＰＣｉｊを含む誘導性センサである。アレイ１６、１７、１７’の線Ｌｊに対応する、線ＬｏｊまたはＬ１ｊのフィーラの位置ＰｏｉまたはＰｌｉに応じて、センサは部品１５の各面についての測定電気信号Ｓｉｊ、ここでは導電コイル中の磁化コアにより誘導されるアナログ電流を生成し、この電流はアレイ１６、１７、１７’の柔軟な接続体２６、２６’、２７、２７’を介して計算モジュール１２に送られる。

図４を参照すると、機能的接触により、センサのコアと一体のセンサのフィーラの位置Ｐは、これより外側では誘導電流Ｉの応答が非線形になる、２つの端の位置ＯおよびＰｍの間になければならないことは理解されるべきである。

また、フィーラＰＣｉｊの軸は、フィーラが測定表面に接触するとき、測定表面にほぼ直角となり、焼き付きまたは早期磨耗を避け、測定結果を解明するための計算を容易にする必要があることも理解されるべきである。

この目的のために、従来技術から公知のここではＣＡＴＩＡフォーマットのコンピュータファイル（これによりＥＭＤコンパイルにより配布されるＣＡＤソフトウェア）として利用できる、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）から得られる表面の理論的定義を利用する。これらファイルは計算モジュール１２のＣＤ読取記録器１２０によりコンパクトディスクＣＤ上で読み込みできる。

部品１５に対してモジュール１２およびＣＡＤファイルを用いることにより、計算モジュール１２はアレイ１６、１７、１７’の上の所望の線Ｌｊに沿った理論断面と、測定が所望されるこれら線の理論点Ｐｔｈｉｊと、これらの点Ｐｔｈｉｊにおける理論表面に対する垂線Ｎｔｈｉｊの方向余弦ｃｘｔｈｉｊ、ｃｙｔｈｉｊ、ｃｚｔｈｉｊとを計算する。これら理論データＤＴは読取記録器１２０により、メモリに格納されるかまたはＣＤファイルに書き込まれる。

理論データＤＴは、センサＣｉｊの位置決めおよび傾斜の局在性を可能にするようにアレイ１６、１７、１７’を生成するのに必要とされる。このとき、センサＣｉｊは測定を実行するために存在する必要があり、したがって、アレイを適正に配置して、変位センサＣｉｊの各フィーラＰｃｉｊ全てが測定位置に機能的接触するようにする。これらが複雑である限り、これらの計算およびアレイ１６、１７、１７’の生成の全ては専門技術を必要とする。しかしながら、これら技術は従来技術に属する。

タービンエンジンのブレードなどの複雑な部品表面の正確なマッピングを実行するために、前述のマシンは、図６を参照して次に説明する標準として取られる第１機械部品を用いて、特殊な多重３次元二重測定方法に従って使用する必要がある。

準備段階１においては、基準部品として取られた第１機械部品の表面の、線Ｌｊおよびこれら線上のセンサＣｉｊの位置に対応する、線ＬｏｊのＮ＝ｍ．ｎ点Ｐｏｉｊの座標ｘｏｉｊ、ｙｏｉｊ、ｚｏｉｊが、例えば３Ｄ ＣＭＭマシンを用いて、本明細書の導入部分で説明した従来技術の方法に従って、所定のＲｏ基準系を基準に測定される。

データＤＴから得られ、および点Ｐｏｉｊに対応する理論点Ｐｔｈｉｊにおける上記表面に対する理論垂線Ｎｔｈｉｊの方向余弦ｃｘｔｈｉｊ、ｃｙｔｈｉｊ、ｃｚｔｈｉｊは、計算モジュール１２に格納される。これら垂線は、原点ＰｔｈｉｊおよびそれぞれＮ個の点Ｐｔｈｉｊに付随している単位ベクトルＮｔｈｉｊを有する、Ｎ個の線形理論基準系（Ｐｔｈｉｊ、Ｎｔｈｉｊ）を定義する。Ｐｔｈｉｊでは、センサＣｉｊは一定であるが未知の信号Ｓｏｉｊを与えると考える。

この方法の初期化段階２においては、標準部品はマシンの測定プラテン１４上に位置合わせされ、アレイ１７および１７’の閉動作はコンソール１３０にアクセスできる閉制御により制御される。Ｎ個の線形理論基準系のそれぞれの中の標準部品の上記Ｎ個の点Ｐｏｉｊ上で同時にそれぞれ実行される、Ｎ個の線形測定値ｌｏｉｊはセンサＣｉｊで読み取られ、これらＮ個のｌｏｉｊ座標は計算モジュール１２に格納される。

なお、異なる２つのセンサＣｉｊについては、Ｓｏｉｊの値は異なる。絶対測定値ｌｏｉｊが、
ｌｏｉｊ＝Ｓｏｉｊ＋ｄｌｏｉｊ
で表されるとき、部品の測定値ｌｏｉｊは、１つのセンサと別のセンサでは同一原点に対して実行されない。したがって、測定値は部品の表面のＬｉプロファイルを再構成するのに利用できない。

後続の測定段階３においては、コンソール１３０を使用して、アレイ１７および１７’の開閉を制御することにより、標準部品はマシン１０で測定される部品と置き換えられる。Ｎ個の線形理論基準系のそれぞれの中で測定される部品の上記Ｎ個の点Ｐｌｉｊ上で同時にそれぞれ実行される、Ｎ個の線形測定ｌ１ｉｊは同一センサＣｉｊで読み取られ、これらＮ個のｌ１ｉｊ座標は計算モジュール１２に格納される。

ここでも、先のｌｏｉｊに関係する注意をｌ１ｉｊに適用する。

最後に、座標を計算する後続の段階４においては、計算モジュール１２は、図２から推定される関係を用いて、３次元座標ｘｏｉｊ、ｙｏｉｊ、ｚｏｉｊから測定される部品と、測定ｌｏｉｊおよびｌ１ｉｊならびに方向余弦ｃｘｔｈｉｊ、ｃｙｔｈｉｊ、ｃｚｔｈｉｊからの標準部品と、の３次元座標ｘｌｉｊ、ｙｌｉｊ、ｚｌｉｊを計算する。
ｘｌｉｊ＝ｘｏｉｊ−ｃｘｔｈｉｊ＊ｄｌｉｊ
ここで、ｄｌｉｊ＝（ｄｌ１ｉｊ＋Ｓｏｉｊ）−（ｄｌｏｉｊ＋Ｓｏｉｊ）＝ｌ１ｉｊ−ｌｏｉｊ

他の座標は同一方法で得られる。
ｙｌｉｊ＝ｙｏｉｊ−ｃｙｔｈｉｊ＊ｄｌｉｊ
ｓｌｉｊ＝ｚｏｉｊ−ｃｚｔｈｉｊ＊ｄｌｉｊ

これらの計算により、Ｒｏ基準座標において１／１００ミリメートルのオーダーのプロファイルを再構成する精度を達成するとき、測定される部品の断面のプロファイルの再構成が可能となり、タービンエンジンのブレードにこの方法を適用するのに少なくとも十分な精度が得られる。

別の部品を測定するためには、初期化段階を再度実行する必要はなく、その結果は、必要な限り、測定される一連の全体の部品について計算モジュール内に有効に保持される。

測定完了した部品は単に新しい部品と置き換えられ、接続体５を介して、測定段階３および計算段階４は再度初期化され、この新しい部品の座標ｘｌｉｊ、ｙｌｉｊ、ｚｌｉｊが得られる。

測定される部品全てが処理されると、全体計算の段階７において、幾何的特性の相補計算を実行できるが、これらの計算はさらに、座標を計算する段階４においても、統計的評価がこの方法で測定される部品の集合全体についてなされない範囲で実行できる。

図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃおよび図７を参照すると、この段階において、計算モジュール１２は部品表面の断面またはプロファイルの全体幾何的特性、例えば図５Ａに示す厚み、図５Ｂに示す曲がり、図５Ｃに示す捩れ、ずれまたは軸不整列を計算できる。

モジュール１２からのこれらの計算結果は全てスクリーン１２１に表示するか、または図に示していないプリンタによりプリントアウトできる。

図７にはプリンタにおける捩れの結果の例示的出力を示す。

本発明によるマシンの、開いた位置または取付け位置にある状態の斜視図である。 変位センサおよび標準部品により実行される二重測定原理を説明する図である。 本発明によるマシンの、閉じた位置または測定位置にある状態の斜視図である。 誘導性センサの応答特性を示す図である。 本発明の計算モジュールにより計算されるいくつかの全体幾何的特性を説明する図である。 計算モジュールの動作ブロック図である。 本発明のシステムの計算モジュールにより提供される計算結果の例を示す図である。

符号の説明

１０ ３次元マシン
１１ 電子システム
１２ 計算モジュール
１３ 数値制御モジュール
１４ 測定プラテン
１５ 機械部品
１６、１７、１７’ 測定手段
１８ 軸
１９ アクチュエータ
２１、２１’ ストップ
２２、２２’ シム
２３ フレーム
２４、２４’ クランプ
２６、２６’、２７、２７’ 接続体
１２０ 読取記録器
１２１ スクリーン
１３０ コンソール

Claims (10)

1. 所定の基準系（Ｒｏ）を基準に測定される機械部品の表面のＮ個の所定の点（Ｐｌｉｊ）の集合の座標（ｘｌｉ、ｙｌｉ、ｚｌｉ）を３次元測定する方法に関し、その表面に対する理論垂線（Ｎｔｈｉｊ）の方向余弦（ｃｘｔｈｉｊ、ｃｙｔｈｉｊ、ｃｚｔｈｉｊ）が、前記Ｎ個の所定の点（Ｐｌｉｊ）に対応する理論点（Ｐｔｈｉｊ）において求められ、さらに、
   ・ 標準部品とみなされる第１機械部品の表面の前記Ｎ個の所定の点（Ｐｌｉｊ）に対応するＮ個の点（Ｐｏｉｊ）の座標（ｘｏｉｊ、ｙｏｉｊ、ｚｏｉｊ）が、基準系（Ｒｏ）を基準に測定される、準備段階（１）と、
   ・ 前記垂線（Ｎｔｈｉｊ）に沿ったＮ個の線形変位測定値（ｌｏｉｊ）が同時およびそれぞれに、前記標準部品の前記Ｎ個の点（Ｐｏｉｊ）上で読取られる、初期化段階（２）と、
   ・ 前記標準部品のＮ個の点（Ｐｏｉｊ）に対応する、測定される部品の前記Ｎ個の点（Ｐｌｉｊ）上で同時およびそれぞれにＮ個の線形変位測定値（ｌ１ｉｊ）の測定が実行される、測定段階（３）と、
   測定される部品のＮ個の点の３次元座標（ｘｌｉｊ、ｙｌｉｊ、ｚｌｉｊ）が、前記標準部品のＮ個の点の３次元座標（ｘｏｉｊ、ｙｏｉｊ、ｚｏｉｊ）と、線形測定値（ｌｏｉｊ、ｌ１ｉｊ）と、これらの点におけるＮ個の理論垂線の方向余弦（ｃｘｔｈｉｊ、ｃｙｔｈｉｊ、ｃｚｔｈｉｊ）とから計算される、計算段階（４）と、を含む、方法。
2. 各点において、測定は、個別の相対変位センサ（Ｃｉｊ）により、当該点における理論垂線に沿って直線的に実行される、請求項１に記載の方法。
3. 各センサ（Ｃｉｊ）測定は、前もって、他のセンサとは別個に、そして同時に初期化される、請求項２に記載の方法。
4. センサ（Ｃｉｊ）は誘導性センサである、請求項３に記載の方法。
5. 標準部品のＮ個の点の３次元座標（ｘｏｉｊ、ｙｏｉｊ、ｚｏｉｊ）が３Ｄ ＣＭＭにより測定される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の方法を利用する、同時測定機能を有する３次元マシン（１０）であって、マシンは計算モジュール（１２）と、制御モジュール（１３）および測定プラテン（１４）を含み、開いた位置では、部品（１５）をプラテン（１４）上に取り付けできるように構成され、閉じた位置では、部品（１５）を測定するために全センサ（Ｃｉｊ）が機能的接触状態に置かれるように構成される、変位センサ（Ｃｉｊ）の少なくとも１つのアレイ（１６、１７、１７’）を含むことを特徴とする、３次元マシン。
7. 部品（１５）を囲んで相互に対向して位置合わせされたセンサ（Ｃｉｊ）の少なくとも２つのアレイ（１６、１７、１７’）を含むことを特徴とする、請求項６に記載のマシン。
8. 変位センサは誘導性センサである、請求項６または７に記載のマシン。
9. 計算モジュール（１２）は部品表面の全体の幾何的特性を計算するように構成されている、請求項６から８のいずれか一項に記載のマシン。
10. タービンエンジンのブレード（１５）のプロファイルを再構成するのに使用される、請求項６から９のいずれか一項に記載のマシン。

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