JP2006349411A - キャリブレーションゲージ - Google Patents

Abstract

【課題】キャリブレーションを、精度よく、短時間で行えるようにすること。
【解決手段】キャリブレーションゲージ１００が凹球面１０１を有するすり鉢形状にする。
【選択図】図３

Description

この発明は、キャリブレーションゲージに関し、特に、自由曲面形状等の形状精度測定を行う測定装置のキャリブレーションに用いられるキャリブレーションゲージに関するものである。

自由曲面の面直方向の形状精度を測定して数値化し、金型のような加工物の自由曲面形状等の精度評価を行うための自由曲面形状測定方法として、自由曲面の任意の座標位置を測定点とし、その座標位置における被測定物表面の法線ベクトルを示す情報を自由曲面の曲面データより取得し、球状あるいは半球状の測定子を有するタッチプローブを使用し、取得した法線ベクトルを示す情報より前記測定点において法線ベクトル方向に所定量オフセットした位置を設定し、そのオフセット位置に測定子中心が位置するようにタッチプローブを軸移動させ、タッチプローブを前記オフセット位置より前記測定点の法線ベクトル方向に移動させてタッチプローブを被測定物の表面に接近接触させ、前記オフセット位置より被測定物の表面との接触位置までの移動量あるいはそれと等価の数量値を求める測定方法がある（例えば、特許文献１）。

上述のような形状測定における測定装置（タッチプローブ）のキャリブレーションは、特許文献１に示されているように、３軸加工機のワークテーブルに凸球面による基準球（キャリブレーションゲージ）を固定し、基準球に対してタッチプローブ１測定子中心が基準球の凸球面における任意の１点（キャリブレーション点）に対して法線ベクトル方向に所定量オフセットしたオフセット位置に位置するようにタッチプローブを軸移動させ、タッチプローブをオフセット位置より任意の１点の法線ベクトル方向に移動させてタッチプローブの測定子を基準球の表面に接近接触させ、オフセット位置より基準球の表面との接触位置までの移動量あるいはそれと等価の数量値を求める。

基準球の形状寸法は既知であって、オフセット位置より基準球の球面上の任意の１点までの法線ベクトル方向の距離が既知であり、この距離と上述の移動量の測定値の差値を補正値として測定値を補正し、この校正差値が許容値内になるまで、キャリブレーションを繰り返す。この校正差値（誤差量）を形状測定時の校正値としてＣＮＣチューニングを行う。

基準球によるキャリブレーションでは、基準球の外側に、各キャリブレーション点毎に異なるオフセット位置ができ、各点（法線ベクトル方向）のキャリブレーション毎にタッチプローブを各点毎のオフセット位置に軸移動させる必要がある。このため、キャリブレーションにおけるタッチプローブの総パス長が長く、キャリブレーションに時間を要するようになる。

また、基準球では、凸球面に対して、タッチプローブの球状の測定子の座りが悪く、測定子が凸球面に対して滑るような現象が生じ易く、キャリブレーション精度が低下する原因になる。

特開２００２−２６７４３８号公報

この発明が解決しようとする課題は、キャリブレーションを、精度よく、短時間で行えるようにすることである。

この発明によるキャリブレーションゲージは、凹球面を有するすり鉢形状のキャリブレーションゲージである。

この発明によるキャリブレーションゲージは、凹球面と、凸球面とを有する、

この発明によるキャリブレーションゲージは、好ましくは、前記凹球面の開口端側に当該凹球面と同心の円筒部を有する。

この発明によれば、キャリブレーションゲージが凹球面を有するすり鉢形状であるから、その凹球面に対するタッチプローブの測定子の座りがよくなり、滑りによるタッチプローブのキャリブレーション精度の低下がなくなる。キャリブレーション時に設定するオフセット位置が、何れの法線ベクトル方向のキャリブレーションにおいても、凹球面の中心点の一点に設定でき、キャリブレーションにおけるタッチプローブの総パス長を、凸球面によるキャリブレーションゲージを使用した時より、短くすることができる。このことによっても、キャリブレーションに要する時間を短縮できる。

この発明によるキャリブレーションゲージおよびそのキャリブレーションゲージを用いた測定装置のキャリブレーション方法の一つの実施形態を実施するシステムの一つの実施形態を、図１を参照して説明する。

このシステムは、ＣＡＤ・ＣＡＭ機１０と、コンピュータ式数値制御装置（ＣＮＣ）２０とを有する。

ＣＡＤ・ＣＡＭ機１０とＣＮＣ２０は、ＲＳ２３２４等によるシリアル通信やＬＡＮ、インタネット等による通信手段４０によって双方向に通信可能に接続されている。なお、ＣＡＤ・ＣＡＭ機１０とＣＮＣ２０は、オフラインで、データの授受が行われてもよい。

ＣＡＤ・ＣＡＭ機１０は、専用コンピュータ、あるいは汎用のパーソナルコンピュータである。ＣＡＤ・ＣＡＭ機１０は、マンマシンインターフェースを含むものであり、コンピュータプログラムを実行することにより、ＣＡＤ・ＣＡＭデータ作成部１１と、測定プログラム作成部１２と、法線ベクトルデータ抽出部１３と、キャリブレーション実行プログラム作成部１４を具現化する。

ＣＡＤ・ＣＡＭデータ作成部１１は、被測定物（加工部）の形状データ、曲面データ（表面データ）、形状データ、曲面データより数値制御用加工プログラムを作成する。

測定プログラム作成部１２は、被測定物の形状精度測定を実行する形状精度測定プログラムを作成する。形状精度測定プログラムは、被測定物の自由曲面（表面）の任意の座標位置を測定点とし、測定点における被測定物表面の法線ベクトルを示すデータに基づいて、測定点より法線ベクトル方向に所定量オフセットした位置を設定し、そのオフセット位置にタッチプローブの測定子中心が位置するようにタッチプローブを軸移動させ、タッチプローブをオフセット位置より測定点の法線ベクトル方向に移動させてタッチプローブの測定子を被測定物の表面に接近接触させ、オフセット位置より被測定物の表面との接触位置までの移動量あるいはそれと等価の数量値を求める手順を、ＣＮＣ２０が実行可能なコンピュータ言語で記述したものである。

形状精度測定プログラムは、被測定物の表面上に複数個の測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…を、直交３軸の座標値（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）によって、順次、指定し、各測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…における被測定物表面の法線ベクトルを記述している。つまり、形状精度測定プログラムは、被測定物の表面上の測定点定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…を、直交３軸の座標値（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）を指定し、指定された測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３毎に、各測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…における被測定物表面の法線ベクトルデータを有する

測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…における被測定物表面の法線ベクトルは、曲面創成の数式から、Ｘ軸，Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向のベクトルｉ、ｊ、ｋによって定義する仕方と、測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…における曲面の傾斜角度Ｂと水平方向の角度Ｃとにより定義する仕方がある。ここでは、後者を使用することで、指令フォーマットは、次のように表される。
指令フォーマット：Ｇ＊＊＊＿Ｘ＊＊＿Ｙ＊＊＿Ｚ＊＊＿Ｂ＊＊＿Ｃ＊＊

被測定物が、金型のように、ＣＮＣ３軸加工機によって自由曲面形状を加工された加工物である場合、法線ベクトルを示すデータ、すなわち、傾斜角度Ｂと水平方向の角度Ｃは、その自由曲面形状の加工のために、ＣＮＣ３軸加工機で用いられる数値制御用加工プログラムを作成するためのＣＡＤ・ＣＡＭの曲面データより取得できる。

このことにより、測定プログラム作成部１２は、ＣＡＤ・ＣＡＭデータ作成部１１で作成されたＣＡＤ・ＣＡＭの曲面データより、傾斜角度Ｂと水平方向の角度Ｃを得る。

ここで、形状精度測定プログラムによる被測定物の形状精度測定について、図２を参照して説明する。

三次元形状測定具として、球状あるいは半球状の測定子５１を有するタッチプローブ５０を使用し、取得した法線ベクトルを示すデータより、測定点Ｓにおいて法線ベクトル方向Ｎｓに所定量オフセットしたオフセット位置Ｐｏｆを設定し、そのオフセット位置Ｐｓｏｆに測定子中心Ｔｃが位置するように、タッチプローブ５０を軸移動させ、タッチプローブ５０をオフセット位置Ｐｓｏｆより測定点Ｓの法線ベクトル方向Ｎｓに移動させ、タッチプローブ５０の測定子５１を被測定物Ｗの表面に接近接触させる。オフセット位置Ｐｓｏｆより被測定物の表面との接触位置までの移動量あるいはそれと等価の数量値を求める。

測定点Ｓの設計上の座標値（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）と、オフセット位置Ｐｓｏｆの座標値（Ｘｓｏｆ，Ｙｓｏｆ，Ｚｓｏｆ）は既知値であるから、誤差ゼロ時のオフセット位置Ｐｏｆと測定点Ｓとの法線ベクトル方向の距離、すなわち、肉厚方向の数量値は既知値となり、この既知値（測定基準値）と測定値との差値が、直接、自由曲面ｆ上の測定点Ｓの肉厚方向の形状精度を数量で表すことになる。

この差値が予め設定されている誤差許容値以内であるか否の比較演算を行うことにより、測定点Ｓ毎に、ＯＫ、ＮＧを出力したり、あるいは差値を段階的に分け、誤差レベル（VALUE）０〜Ｎを出力することができる。

被測定物ＷがＣＮＣ３軸加工機によって自由曲面形状を加工された加工物である場合には、図２に示されているように、タッチプローブ６０をＣＮＣ３軸加工機の主軸５１に取り付け、ＣＮＣ３軸加工機の機上で、ＣＮＣ３軸加工機のＣＮＣ２０（図１参照）を用いて自由曲面形状の測定を自動モードで行うことができる。

これにより、ＣＮＣ３軸加工機をＢＣ軸自動オフセット機能を備えた面直測定ＣＭＭ（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ）として機能させることができる。

なお、この形状精度測定は、ＢＣ軸自動オフセット機能を備えた面直測定ＣＭＭ等、直交３軸の軸制御系を有するサーボ制御式の三次元測定専用機でも、同等に行うことができる。

ＣＡＤ・ＣＡＭ機１０の法線ベクトルデータ抽出部１３は、測定プログラム作成部１２によって作成された形状精度測定プログラムより、各測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…における被測定物表面の法線ベクトルデータを抽出する。

この実施形態では、法線ベクトルが曲面の傾斜角度Ｂと水平方向の角度Ｃとにより定義されているので、法線ベクトルデータ抽出部１３は、形状精度測定プログラムの各測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…毎の指令フォーマット（Ｇ＊＊＊＿Ｘ＊＊＿Ｙ＊＊＿Ｚ＊＊＿Ｂ＊＊＿Ｃ＊＊）より、各測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…の（Ｂ＊＊＿Ｃ＊＊）を抽出する。

なお、重複する（Ｂ＊＊＿Ｃ＊＊）については、一つのみが有効になり、同一の（Ｂ＊＊＿Ｃ＊＊）を重複して抽出することがない。

なお、測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…における被測定物表面の法線ベクトルを、Ｘ軸，Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向のベクトルｉ、ｊ、ｋによって定義している場合には、法線ベクトルデータ抽出部１３は、Ｘ軸，Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向のベクトルｉ、ｊ、ｋを抽出する。

キャリブレーション実行プログラム作成部１４は、キャリブレーション実行プログラムを作成する。キャリブレーション実行プログラムは、法線ベクトルデータ抽出部１３が抽出した法線ベクトルデータ（Ｂ＊＊＿Ｃ＊＊）毎に、その法線ベクトルデータが示す法線ベクトル方向に関してのみ測定装置のキャリブレーションを実行する指令を記述したものである。

キャリブレーション実行プログラムは、図１に示されているように、所定位置（所定座標位置）に設置されたキャリブレーションゲージ１００に対してタッチプローブ６０の測定子６１の中心がキャリブレーションゲージ１００の凹球面１０１に対して、抽出された法線ベクトルデータ（Ｂ＊＊＿Ｃ＊＊）毎に、法線ベクトル方向Ｎｃに所定量オフセットしたオフセット位置Ｐｃｏｆに位置するように、タッチプローブ６０を移動させ、タッチプローブ６０を、オフセット位置Ｐｃｏｆより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸同期制御（３軸同時制御）によって、法線ベクトル方向Ｎｃに移動させてタッチプローブ６０の測定子６０をキャリブレーションゲージ１００の凹球面１０１に接近接触させ、オフセット位置Ｐｃｏｆよりキャリブレーションゲージ１００の凹球面１０１との接触位置までの移動量あるいはそれと等価の数量値を求める手順を、ＣＮＣ２０が実行可能なコンピュータ言語で記述したものである。

ＣＮＣ２０は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸同期制御が可能なものであり、入出力部２１と、プログラム実行部２２と、Ｘ軸制御部２３と、Ｙ軸制御部２４と、Ｚ軸制御部２５とを有する。

プログラム実行部２２は、数値制御用加工プログラム、形状精度測定プログラム、キャリブレーション実行プログラムをユーザ指定で実行する。プログラム実行部２２は、何れのプログラムを実行しても、Ｘ軸制御部２３、Ｙ軸制御部２４、Ｚ軸制御部２５によってＸ軸指令、Ｙ軸指令、Ｚ軸指令を生成し、これら各軸指令を、Ｘ軸サーボモータ３１、Ｙ軸サーボモータ３２、Ｚ軸サーボモータ３３へ出力する。

Ｘ軸サーボモータ３１、Ｙ軸サーボモータ３２、Ｚ軸サーボモータ３３の各々には、ロータリエンコーダ等による位置検出器３４、３５、３６が接続されている。位置検出器３４、３５、３６は、各軸のサーボモータ３１〜３３のモータ位置を検出する。位置検出器３４、３５、３６のモータ位置信号は、フィードバック式のサーボ制御、形状精度測定、キャリブレーションのための位置信号として、ＣＮＣ２０に入力される。

なお、これらの各制御時の位置信号は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸に対してリニアセンサを設けることで、リニアセンサの出力信号を用いることもできる。

形状精度測定時と、キャリブレーション時には、Ｘ軸サーボモータ３１、Ｙ軸サーボモータ３２、Ｚ軸サーボモータ３３によって各軸方向に移動するＣＮＣ３軸加工機の主軸５１に、工具に代えてタッチプローブ６０を取り付ける。タッチプローブ６０の測定子６１の接触を示すオンオフ信号は、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）２６を介してＣＮＣ２０に入力される。

タッチプローブ６０による形状精度測定のためのキャリブレーションは、ＣＮＣ２０のプログラム実行部２２がキャリブレーション実行プログラムを実行することにより行われる。

このキャリブレーションは、被測定物の表面上に指定された測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…における被測定物表面より当該被測定物表面の法線ベクトル方向Ｎｃに変位したオフセット位置と測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…の被測定物表面との法線ベクトル方向Ｎｃの距離を計測して表面形状精度を計測する計測装置のキャリブレーションであり、形状精度測定の各測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…における被測定物表面の法線ベクトル方向Ｎｃに関してのみ、キャリブレーションを行う。

本実施形態では、キャリブレーションは、半球状の凹球面１０１を有するキャリブレーションゲージ１００を所定の機械座標位置に取り付け、形状精度測定と同じ機上で行う。

このキャリブレーションは、キャリブレーションゲージ１００に対してタッチプローブ６０の測定子６１の中心がキャリブレーションゲージ１００の凹球面１０１の１点（測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…）に対して法線ベクトル方向Ｎｃに所定量オフセットしたオフセット位置Ｐｃｏｆに位置するように、Ｘ軸サーボモータ３１、Ｙ軸サーボモータ３２、Ｚ軸サーボモータ３３によって、主軸５１と共にタッチプローブ６０を移動させ、タッチプローブ６０をオフセット位置Ｐｃｏｆより前記１点の法線ベクトル方向Ｎｃに移動させてタッチプローブ６０の測定子６１をキャリブレーションゲージ１００の凹球面１０１に接近接触させ、オフセット位置Ｐｃｏｆよりキャリブレーションゲージ１００の凹球面１０１との接触位置までの移動量あるいはそれと等価の数量値を求めて測定装置のキャリブレーションを行う。

キャリブレーションゲージ１００の形状寸法は既知であるから、オフセット位置Ｐｃｏｆよりキャリブレーションゲージ１００の凹球面１０１の任意の１点までの法線ベクトル方向の距離が既知であり、この距離と上述の移動量の測定値の差値を校正差値としてＣＮＣ２０に取り込み、ＣＮＣ２０による形状精度測定についてチューニングを行う。

そして、キャリブレーション結果の保証として、校正差値を反映したキャリブレーションを同様に行い、校正差値が許容値内になるまで、上述のキャリブレーションを繰り返す。

このキャリブレーションでは、実際の測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…の法線ベクトル方向と同位相で、ダイレクト方式でキャリブレーションが行われから、形状精度測定において実際に必要な法線ベクトル方向のキャリブレーションだけが行われ、キャリブレーション点数を不必要に増やすことなく、高い形状精度測定結果を保証するキャリブレーションが、精度よく、短時間で行われることになる。

この実施形態で使用されるキャリブレーションゲージ１００は、図３に示されているように、半球状の凹球面１０１を有するすり鉢形状のキャリブレーションゲージである。キャリブレーションゲージ１００は凹球面１０１の開口端側に凹球面１０１の半径と同じ半径による高さ（軸長）ｈの円筒部１０２を凹球面１０１と同心に有する。キャリブレーションゲージ１００は円筒部１０２の開口端の周りに水平上面１０３を有する。

このキャリブレーションゲージ１００では、オフセット位置Ｐｃｏｆは、何れの法線ベクトル方向のキャリブレーションにおいても、凹球面１０１の中心点Ｇｃの一点に設定できる。

このことにより、オフセット位置Ｐｃｏｆを設定するプログラム記述を簡素化でき、キャリブレーションにおけるタッチプローブ６０の総パス長を、凸球面によるキャリブレーションゲージを使用した時より、短くすることができる。このことによっても、キャリブレーションに要する時間を短縮できる。

また、凸球面によるキャリブレーションゲージでは、凸球面に対して、タッチプローブ６０の球状の測定子６１の座りが悪く、測定子６１が凸球面に対して滑るような現象が生じ易いが、凹球面１０１であると、凹球面１０１に対する測定子６１の座りがよくなり、滑りによるタッチプローブ６０のキャリブレーション精度の低下がなくなる。

オフセット位置Ｐｃｏｆの設定、つまり、キャリブレーションゲージ１００の凹球面１０１の中心点Ｇｃの座標（Ｘｃｏｆ、Ｙｃｏｆ、Ｚｃｏｆ）設定は、タッチプローブ６０を用いてＣＮＣ２０が、Ｇコードによる内径部の自動心出し（直交２方向アプローチ）のマクロプログラムを、実行することにより、キャリブレーションゲージ１００の円筒部１０２の自動心出しを行うことで、座標値（Ｘｃｏｆ、Ｙｃｏｆ）を取得し、タッチプローブ６０を用いて水平上面１０３の直交４点のＺ軸位置を測定してその平均値より高さｈ分を差し引きことにより、座標値（Ｚｃｏｆ）を取得できる。

このことにより、凹球面型のキャリブレーションゲージ１００を使用することで、オフセット位置Ｐｃｏｆの設定も容易になり、このことによっても、キャリブレーションに要する時間を短縮できる。

この発明によるキャリブレーションゲージの他の実施形態を、図４を参照して説明する。なお、図４において、図３に対応する部分は、図３に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

この実施形態によるキャリブレーションゲージ１０５は、図３に示されているキャリブレーションゲージ１００と同等の半球状の凹球面１０１以外に、半球状の凸球面１０４を有する。

このキャリブレーションゲージ１０５では、測定点の被測定物の表面が、凹面か、凸面かに応じて、凹球面１０１と、凸球面１０４とを使い分けることができる。

この発明によるキャリブレーションケージおよびそのキャリブレーションケージを用いた測定装置のキャリブレーション方法の一つの実施形態を実施するシステムの一つの実施形態を示すシステム構成図である。 自由曲面形状測定の実際例を示す説明図である。 この発明によるキャリブレーションゲージの一つの実施形態を示す縦断面図である。 この発明によるキャリブレーションゲージの他の実施形態を示す縦断面図である。

符号の説明

１０ ＣＡＤ・ＣＡＭ機
１１ ＣＡＤ・ＣＡＭデータ作成部
１２ 測定プログラム作成部
１３ 法線ベクトルデータ抽出部
１４ キャリブレーション実行プログラム作成部
２０ ＣＮＣ
２１ 入出力部
２２ プログラム実行部
２３ Ｘ軸制御部
２４ Ｙ軸制御部
２５ Ｚ軸制御部
２６ プログラマブルロジックコントローラ
３１ Ｘ軸サーボモータ
３２ Ｙ軸サーボモータ
３３ Ｚ軸サーボモータ
３４、３５、３６ 位置検出器
４０ 通信手段
５１ 主軸
６０ タッチプローブ
６１ 測定子
１００ キャリブレーションゲージ
１０１ 凹球面
１０２ 円筒部
１０３ 水平上面
１０４ 凸球面
１０５ キャリブレーションゲージ

Claims (3)

1. 凹球面を有するすり鉢形状のキャリブレーションゲージ。
2. 凹球面と、凸球面とを有するキャリブレーションゲージ。
3. 前記凹球面の開口端側に当該凹球面と同心の円筒部を有する請求項１または２記載のキャリブレーションゲージ。

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