JP2008268210A - 一定の走査速度を備えた走査プローブを用いた測定対象物の表面の走査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦力に起因するプローブの先端の摩耗の問題を解消する。
【解決手段】座標測定機の支持体３を所定の軌道３６に沿って動かし、この支持体３に対して走査プローブ２を動かし、さらにコントローラでそれらの動きを調整することで、走査プローブ２の先端部２５の走査経路３７に沿った動きを一定の走査速度に維持し、走査プローブ２の先端部２５にかかる偏向力を小さくし、加速段階における大きな摩擦力に起因する過熱を抑える。
【選択図】図４

Description

本発明は、測定対象物としての加工物の表面を走査するための方法および関連する機器に関するものである。

機械式プローブが機械の軸に固定され、該軸が移動可能な各方向（ｘ、ｙ、ｚ）に向かって直線で測定対象物の表面を横断する、数多くの走査方法が知られている。各線が完了した後、機械の軸は、完了した線から離れた新たな位置にプローブを動かし、平行な線に沿ってこの動きを繰り返す。

当該分野で知られているこれらの方法の主要な欠点の一つは、表面の走査領域全体をカバーするために機械全体が前後に動く必要があるため、複雑な形状の走査が比較的遅いということである。さらに、表面検出装置の位置決定を行っている部品の重量が重いために慣性力が強いため、機械の加速および減速により測定過程で不正確さが生じる可能性がある。結果として、慣性力によって引き起こされた弾性変形が測定に悪影響を与える可能性がある。

慣性力を最小化し、そしてより正確な結果を保証するために、欧州特許出願公開第１４８９３７７号明細書にあるように、一定の速度の走査機器が導入されている。しかし、これらの走査機器は依然として非直線的な動きには適していない。

プローブが回転の動きをするその他の走査機器も知られている。このような走査方法は、対照的に、球状または円筒形の形状を有する表面には非常に適しているが、平らな表面には適していない。米国特許第５８９５４４２号明細書は、記憶された修正のための値によって円筒形または球状の表面に沿った一定の速度での走査を可能にするこのようなプローブの例を記載している。

国際公報第９０／０７０９７号パンフレットは、表面をより効果的に処理する走査機器を開示し、より複雑な形状に対処している。該機器によって、従来の軸（ｘ、ｙ、ｚ）にしたがった直線の動きに加えて、回転によるさらなる自由度が与えられている。プローブは測定機のヘッドに取り付けられた針で構成され、ヘッドは二つの直角な軸を中心に回転することのできるシャフトを含んでいる。針はあらゆる方向をとることができるため、先端は走査すべき表面との接触を保つ。このように、湾曲した経路に沿って走査をより効果的に実施することができる一方で、針の重量が軽いため慣性効果も最小化される。しかし、この機器はプローブにかかる偏向力を評価するための運動学的影響を考慮しておらず、したがって精度は最適ではない。さらに、これらの運動学的影響は、走査経路の全体にわたってかかる摩擦力に起因するプローブの先端の摩耗を増大させるものである。
欧州特許出願公開第１４８９３７７号明細書 国際公報第９０／０７０９７号パンフレット

本発明の目的は、先行技術で知られている解決方法の制限を克服することである。

本発明の課題を解決するための手段は、次の通りである。
第一に、座標測定機（ＣＭＭ）の支持体に取り付けられた走査プローブを用いた、測定対象物の表面の走査方法であり、前記座標測定機が、三つの直線軸にしたがって前記支持体を動かす作動装置の第一の集合を具備し、前記支持体が、前記支持体に対して前記走査プローブを動かすための作動装置の第二の集合を含み、前記座標測定機がさらに、前記作動装置の両集合を駆動するように設計されたコントローラを含み、
（ｉ）走査速度の値を決定する過程と、
（ｉｉ）前記作動装置の第一および第二の集合を操作して、走査プローブの先端を前記表面と接触するように位置づける過程と、
（ｉｉｉ）前記作動装置の第一の集合を操作して、所定の軌道に沿って支持体を動かす過程と、
（ｉｖ）前記作動装置の第二の集合を操作して、表面に対する支持体の相対的な動きと同時に支持体に対する前記走査プローブの動きを生じさせる過程、
を含み、
前記コントローラが、前記作動装置の両集合の作動を走査経路に沿って調整することで、前記走査経路の少なくとも選択された区画においては所定の値に等しい走査速度を維持することを特徴とする、測定対象物の表面の走査方法。
第二に、支持体に対する前記走査プローブの動きが、前記軌道のその時点の方向に対して横方向の振動性の動きである、第一に記載の方法。
第三に、前記コントローラによって実施される調整が前記プローブの角度位置にしたがって行われる、第一に記載の方法。
第四に、作動装置の第二の集合が、測定対象物としての部品の表面に対する走査プローブの傾斜を一定に維持するように、および／または、走査プローブと測定対象物としての部品との間の接触力を一定に維持するように操作される、第一に記載の方法。
第五に、前記走査プローブが非接触の光学タイプの走査プローブである、第一に記載の方法。
第六に、前記コントローラによって実施される調整が少なくとも一つの逆運動学的変換にしたがって行われる、第一に記載の方法。
第七に、前記少なくとも一つの逆運動学的アルゴリズムが、前記走査経路にわたって均等に分布した座標を用いる、第六に記載の方法。
第八に、第一に記載の方法を実施するためのコンピュータ・プログラム製品。

具体的には、第一の方法は、座標測定機（ＣＭＭ）４の支持体３に取り付けられた走査プローブ２を用いる、一定の走査速度｜ｖ_ａ｜で測定対象物としての加工物の表面１を走査するための方法である。座標測定機４は、三つの直線軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）にしたがって支持体３を動かす、駆動手段である作動装置６、７、８による第一の集合を具備し、支持体３は、この支持体３に対して走査プローブ２を動かす、駆動手段である作動装置１４、１７による第二の集合を含んでいる。座標測定機４は作動装置６、７、８による第一の集合および作動装置１４、１７による第二の集合に連結されたコントローラ３３を含んでいる。
この方法は、
（ｉ）走査速度の値を決定する過程、
（ｉｉ）作動装置６、７、８による第一の集合および作動装置１４、１７による第二の集合を操作して走査プローブ２の先端部２５を表面１と接触するように位置づける過程、
（ｉｉｉ）作動装置６、７、８による第一の集合を操作して支持体３を所定の軌道３６に沿って動かす過程、
（ｉｖ）作動装置１４、１７による第二の集合を操作して、表面１に対する支持体３の相対的な動きと同時に支持体３に対する走査プローブ２の動きを生じさせる過程、
を含んでいる。

コントローラ３３は、作動装置６、７、８による第一の集合および作動装置１４、１７による第二の集合の作動を走査経路３７に沿って調整することで、走査経路３７のうち少なくとも区画４０において所定の値｜ｖ_ａ｜に等しい走査速度を維持する。

本発明は、測定分野における、振動性の動きなどであらゆるタイプの測定対象物の表面を効果的に走査することができ、且つ、全測定過程の間、可能であれば全ての走査経路にわたって非常に高い精度を維持する走査機器の必要性を満たすものである。また、一定の走査速度という特徴によって、加速段階における大きな摩擦力に起因する過熱を抑えることにより、プローブの寿命も改善される。

開示した走査機器のもう一つの利点は、表面上で走査経路に沿って、座標を測定する必要のある不連続の地点の均等な分布を得るための、簡単なサンプリング過程にある。実際、それらの地点は、単純にサンプリングの規則的な時間間隔を設定することで、走査経路に沿って均等に分布することになる。

本発明は、実施例として与えられ図面によって示された実施態様の説明によってより良く理解されるものであり、該図面において、
−図１は、本発明を実施するための走査機器である座標測定機を示しており、
−図２は、走査プローブの取り付け状態を示す断面図であり、
−図３は、走査プローブの三次元図と該走査プローブの角度位置を示しており、
−図４は、走査プローブがたどる走査経路の平面図を示し、速度ベクトルの成分を表しており、
−図５は、本発明のもう一つの態様によってどのように速度調整の過程が実施されるかを説明している。

本発明の好ましい実施態様による座標測定機４を図１に開示している。このような座標測定機４はＣＭＭとしても知られている。座標測定機４は、支持体３に取り付けられている走査プローブ２を具備している。支持体３はあらゆる直線方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に動くことができるのに対し、走査プローブ２は支持体３に対する回転により二つの自由度を有している。この実施例では、走査プローブ２の回転軸はそれぞれ垂直と水平であるが、その他の軸の組み合わせも考えることができ、たとえば、二つの独立した直交する水平軸、又はあらゆる数の回転軸、又は回転自由度と並進自由度のあらゆる組み合わせ等を採用することができる。

状況に応じて、座標測定機４はいくつかの種類の走査プローブを備えることができ、限定的なものではないが、該走査プローブにはたとえば、
−図２に示しているような、測定される表面に接触球体が押し当てられ、接触点の座標が、歪みゲージまたはその他の適切なトランスデューサによって与えられる走査プローブの偏向を考慮することで計算される、接触タイプの走査プローブ、
−走査プローブが一つまたは複数のレーザー光線を表面に照射し、光の経路に沿った距離を与える、レーザータイプの走査プローブ（図示せず）、
−マイクロ・イメージング装置又は機械による画像システムに基づく、光学タイプの走査プローブ、
が含まれる。

以下の説明は、特に、接触タイプの走査プローブ２による第一の場合に関して行うものであり、該走査プローブ２は座標測定機４によって、座標を測定すべき測定対象物の表面１の地点と、走査経路の全体にわたって接触関係に置かれる。しかし、このことは必須の特徴ではない。非接触タイプの走査プローブの場合にも、座標を測定すべき表面の地点と走査プローブを一直線に並べることで、本発明の方法を同様に適用することができる。概して、本発明は、座標測定機４によって走査プローブを、一定の速度でたどられる走査経路の全体にわたって、座標を測定すべき表面の地点と測定関係におく過程を含んでいる。

以下の記載において、「垂直」方向および「水平」方向は、図１に示しているように、座標測定機の慣習的な方向に準拠して用いている。しかし、このような方向は明瞭にする目的で用いているものであり、本発明の制限にあたるものではないと考えられるべきであり、本発明は、空間において任意の方向を有する他の種類の測定機器で実施することができる。

支持体３は、図１で概略的に示されている、駆動手段である作動装置６、７、８による第一の集合によって、すべての直線方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に動くことができ、前記作動装置６、７、８はたとえば電気モータである。軸Ｘ、Ｙ、Ｚに対する支持体３の位置は、適切なエンコーダ（図示せず）によって測定される。好ましくは、作動装置６、７、８の作動およびエンコーダによって与えられる測定値は、座標測定機４のデジタルのコントローラ３３（図１参照）によって制御、処理される。コントローラ３３はまた、エンコーダの位置決定と走査プローブ２の出力を読み込み、このデータを表面１の地点の座標に変換する役割も担う。

支持体３の構成要素のほとんどの重量が極めて重いため、図４でさらに示している支持体３がたどる軌道３６は直線であることが好ましい。直線でない場合、少なくとも慣性効果を最小化するために加速度の程度が低くなる軌道である。

支持体３とは対照的に、走査プローブ２は軽い材料で作られる。支持体３が、走査領域を大まかに決定するように位置づけられ、好ましくは直線である軌道３６に沿って動くのに対し、走査プローブ２は表面１におけるより多くの参照地点と座標測定を提供して、より効率的な走査を行うものである。それを可能にするため、走査プローブ２は、支持体３に対する回転の動きによって、軌道３６のその時点の方向に対して横方向に動くことができる。これらの回転の動きは、たとえば振動性の動きとすることができる。これらの動きは作動装置１４、１７による第二の集合によって作動させることができるのだが、該作動装置１４、１７の役割は、一方では、対応する軸にしたがった角速度ω１、ω２を決定すること、他方ではさらに、トルクＴ１、Ｔ２を与えて、その間は表面１との接触を保つこととすることができる。したがって、好ましくは球体である走査プローブ２の先端部２５が、走査される表面１との接触を維持することができる一方で、走査は、本明細書で後に定義する一定の速度Ｖ_ｓで実行される。走査プローブ２の先端部２５と走査すべき表面１との間の接触力Ｆは、表面によって走査プローブ２の先端部２５に与えられる反作用の逆向きの力として定義される。したがって、図１に示しているこの接触力は、表面１との接触点に接する平面の法線となっている。

図２は、支持体３への走査プローブ２の取り付け状態と、作動装置の第二の集合によってどのように動きが生成されるかを示す断面図である。好ましくは、この作動装置の第二の集合は二つの作動装置１４、１７で構成される。一方の作動装置１４は軸Ｚに沿った中心シャフトを作動させるものであり、好ましくは電気モータである。プローブ・ヘッド２４はシャフトの底部に適合し、それにより走査プローブ２を固定し、回転の動きを走査プローブ２に伝達する。また、この軸にしたがった回転の動きで生じる角速度はω１とする。

プローブ・ヘッド２４は、走査プローブ２がもう一つの軸を中心に自由に回転することもできるように設計されており、この第二の軸は、第一の軸（この実施例ではＺ）に対して直角であるが、平面におけるその方向は中心シャフトの位置によって決まる。もう一方の作動装置１７はこの第二の軸に沿った回転の動きを生成するものであり、好ましくはやはり電気モータである。この軸にしたがった回転の動きで生じる角速度はω２とする。

この実施例では、簡潔に示すために、作動装置１４、１７の二つの軸が空間内の一つの交差点２０で交わる場合を想定しているが、そうでない場合もある。当業者であれば、本発明者の導出と本発明の方法が広く一般の場合にも同様に適用されることが理解できる。この交差点２０は両方の回転の動きの中心であり、支持体３が一定の直線方向の速度で動く場合にはガリレイ基準系の中心にあたるものである。走査プローブ２の先端部２５と二つの軸の交差点２０との間の走査プローブ２の長さ２３によって、接触点の位置を決定することが可能となり、したがって、図３でさらに説明するように、軌道３６に沿った交差点２０の座標が分かっているため、接触点の絶対座標を導き出すことが可能となる。

図３は、走査プローブ２の先端部２５の絶対座標がどのように得られるかを示している。絶対座標は、回転軸にしたがった走査プローブ２の角度位置α、θによって決定される。球座標（Ｌ、α、θ）を直線座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に単純に変換することで絶対座標が得られる。あらゆる方向（α、θ）に走査プローブ２が向くことによって、プローブ・ヘッド２４が直線の軌道３６に沿って動くだけで様々な角度の表面１を有する測定対象物との接触を失うことなく走査することが可能となり、より大きな走査の柔軟性が得られる。さらに、重量が重い支持体３に対し、重量が軽い針状物である走査プローブ２を用いることで、慣性効果が最小化される。走査プローブ２の先端部２５の絶対座標は、走査プローブ２の先端部２５と表面１との間のすべての接触点で構成される走査経路３７に沿って動く。本発明の好ましい実施態様では、絶対座標は記憶手段に記憶される。

図４は、平坦な表面（Ｘ、Ｙ）における潜在的な走査経路３７を示し、走査プローブ２の先端部２５の速度ベクトルの成分を説明している。走査すべき表面１は破線の面で示されている。該表面１は、ここでは平面（Ｘ、Ｙ）に含まれているが、三次元空間（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に拡張することもできる。支持体３の軌道３６は点線の直線であり、該直線はいずれの方向を向くこともできる。軌道３６に沿った支持体３の動きと組み合わされている走査プローブ２の固有の動きにより、走査プローブ２の先端部２５がたどる、また同時に測定地点９０がたどる、走査経路３７が決定される。接触タイプの走査プローブの場合には、測定地点９０は走査プローブ２の先端部２５と測定下にある表面１との間の接触点に対応するが、本発明が光学タイプの走査プローブなどの非接触式の測定システムに適用される場合には必ずしもそれには当たらない。図４は二次元におけるこの経路の投影のみを示しているが、この経路は平面に限定されず、測定対象物の湾曲と形状に応じて、三次元空間に拡張することができる。

走査プローブ２の先端部２５における速度ベクトル２６の大きさを一定に維持するために、ベクトル合成による、速度ベクトルを構成する二つの成分、すなわち、支持体３の速度ベクトルｖと、支持体３に対する走査プローブ２の先端部２５の相対的な動きによる相対的な速度ベクトルｖ_ｒの和は、一定の値、または少なくとも、所与の近似値の範囲内で一定である値を与える必要があり、その結果、加速度は小さく、摩擦力は走査プローブ２の先端部２５をあまり早く摩耗させることがなく、さらに慣性力も無視できる範囲にとどまる。走査プローブ２の相対的な動きについての座標基準系の中心は、図４の平面図にも示されている、図２の交差点２０として選択されている。しかし、その他の座標を選択することも可能である。

図４に示したような平坦な表面の場合、支持体３の中心である交差点２０に対する、測定下にある点の相対速度は、ベクトルｖ_ｒで表される。本実施例では、角度αは所定の動きの法則α＝α（ｔ）にしたがって変動する一方で、角度θは固定されている場合を想定している。中心である交差点２０と接触点である測定地点９０の間の水平距離は、一定の量Ｒ＝Ｌ×ｓｉｎ（θ）で与えられる。したがって、中心である交差点２０に対する接触点である測定地点９０の座標ｘ_ｒ、ｙ_ｒは、次式によって与えられる。

そして相対的な速度ベクトルｖ_ｒの対応する水平成分ｖ_ｒｘおよびｖ_ｒｙは、次式によって与えられる。

簡潔にするため、Ｘ軸に平行なプローブ・ヘッド２４の軌道３６に沿った移動速度を、プローブ・ヘッド２４の並進速度とした。直接的に一般化することができるこの場合、プローブ・ヘッド２４の運動はそのＸ座標ｘ_ｈ（ｔ）と相対的な速度ｖ（ｔ）＝ｄｘ_ｈ／ｄｔによって完全に示される。したがって測定対象物に対する測定地点９０の絶対速度ｖ_ａは次の成分からなる。

接触点の一定の絶対速度｜Ｖ_ａ｜＝Ｋを求めることにより、ｘ_ｈ（ｔ）とα（ｔ）の間に、右辺が全て求められている次の関係式が生まれる。

方程式（４）はｘ_ｈ（ｔ）についての、変数が分かれた常微分方程式である。該常微分方程式は、次の不等式が満たされる場合は、パラメータＲ、Ｋ、α（ｔ）のあらゆる所与の集合について容易に数値積分することができ、そうでなければ、方程式（４）は実数解を持たない。

このことは、値Ｋがプローブの角度による揺れによって生じる速度に対処するために十分に大きくなければならないという事実に対応している。

ある場合には、座標測定機４のプローブ・ヘッド２４の前後運動に対応するサインの値がｖ（ｔ）＝ｄｘ_ｈ／ｄｔにより変化する解を、方程式（４）が与える場合がある。しかし、多くの場合には、プローブ・ヘッド２４の運動を常に同じ方向にして振動とエラーを減らすために、αにおける振動の大きさと速さとの関係でＫの値を選ぶことが好適となる。

したがって、座標測定機４のコントローラ３３は、走査とリアルタイムで、または走査の前に、プローブ・ヘッド２４の経路を計算することができ、該経路の全体にわたって並進速度は厳密には一定ではないが、しかし上記の方程式（４）によって与えられる。このように、測定される走査プローブ２の先端部２５は、プローブ・ヘッド２４と走査プローブ２の運動の合成から生じる曲線状の走査経路３７に沿った表面１の一連の点を走査することになり、該走査経路３７に沿って、接触タイプの走査プローブの場合には接触点に対応する測定地点９０は、一定の速度｜ｖ_ａ｜＝Ｋで動く。

もちろん、無限の精度で厳密に一定の速度を与えることはできない。測定地点９０の実際の速度は、実際の場合、座標測定機の制限および計算アルゴリズムの制限に起因する、何らかのエラーに影響されるものである。この場合、座標測定機は、速度｜ｖ_ａ｜が定められたある許容範囲内で一定に維持されるようにプログラムすることができる。

ある場合には、特に走査プローブ２の揺れが早い場合には、方程式（４）から、座標測定機４の動的限界を超えたｘ_ｈ（ｔ）の式が生じることがある。たとえば、速度の安定性が、走査プローブ２の振動における反転点の近くでは保証されないこともある。本発明のもう一つの特徴によると、座標測定機４はこのような制限を処理するようにプログラムすることができる。たとえば、速度は、座標測定機４の動的限界を超えない領域４１すなわち走査経路３７の選択された区画４０では一定に維持され、この領域４１またはこれらの区画４０の外では変動してもよいとすることができる。

本発明のこの好ましい実施態様によると、一定の走査速度｜ｖ_ａ｜で、走査経路３７の区画４０に沿って、定期的に座標を容易にサンプリングすることができる。時間間隔は、サンプリングされる座標が走査経路３７に沿って均等に分布するように、等しく選択する必要があるだけである。したがって、この走査方法では、境界の値とサンプリングの時間間隔Δｔを適切に選ぶことで、測定される地点の効果的な分布を得ることが容易である。測定された座標はコントローラ３３の記憶手段にすぐに記憶することができる。

本発明の好ましい実施態様では、速度だけが一定に維持されるのではなく、走査プローブ２の先端にかかる偏向力Ｆも一定に維持され、その結果、走査経路３７に沿って測定される座標は可能な限り正確である。そのため、角速度ω１（符号１６参照）は走査経路３７の区画４０では一方の作動装置１４によって一定に維持され、もう一方の作動装置１７は一定のトルクＴ２に設定される。以下の変形実施態様は図示していないが、一方の作動装置１４のトルクＴ１を一定に維持し、そして他方の作動装置１７の角速度ω２（符号１９参照）を一定に維持することも可能である。これは、走査プローブ２の回転軸に対して異なる方向を有する表面に適している。

図示は省略するが、速度を測定し、本発明が一定レベルに維持しようとする値と比較するために、加速度計を走査プローブ２に設置することができる。このフィードバックの特徴は、本明細書で開示される修正の特徴とは別に設けることができる。

上記実施例は、一定の絶対的な走査速度｜ｖ_ａ｜＝Ｋを維持しながら走査プローブ２の先端部２５で走査経路３７をたどるか、あるいは、非接触タイプの走査プローブの場合には測定地点９０を測定するために、座標測定機４をどのようにプログラムすればよいかを示している。本発明を、所定の速度プロファイル｜ｖ_ａ｜＝ｖ_ａ（ｔ）にしたがった変動可能な走査速度で走査経路に沿って走査することに拡張できることは明らかである。

前記実施例は非常に単純な場合を扱ったが、本発明の方法は三次元における一般的な表面の複雑な経路に拡張することができる。

本発明の好ましい三次元の実施態様によると、一般的な三次元の測定対象物の走査経路３７を、一定の速度｜ｖ_ａ｜＝Ｋで、または所定の速度プロファイル｜ｖ_ａ｜＝ｖ_ａ（ｔ）にしたがった異なる速度でたどるために、座標測定機４の軸のパラメータ、すなわちＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、α軸、θ軸の位置は、逆運動学的変換を用いて事前に、あるいはリアルタイムで計算される。

出願人は、座標測定機の状態が全自由度の位置の値によって決定される場合を想定している。したがって、図１および図２に示した座標測定機４の場合、完全な配置は、直線軸Ｘ、Ｙ、Ｚおよび回転軸α、θを含む、座標測定機４のすべての軸の位置によって決定される。これらのパラメータの各組み合わせは、走査プローブ２の一つの特定される位置と、一つの測定地点９０に対応する。さらに、パラメータＸ、Ｙ、Ｚ、α、θは走査プローブ２の方向も決定する。座標測定機４のパラメータと測定される地点の座標との間の対応は、通常、順運動学的変換である。

通常、特に対象の座標測定機が回転自由度を有しているときには、順運動学は単射での対応ではない。つまり、座標測定機のパラメータのいくつかの組み合わせによって、同じ測定地点位置が得られる。この場合、順運動学的（ＦＫ）変換は、数学的な意味で厳密には可逆的ではない。しかし、測定地点９０の所与の位置について、いくつかの可能な組み合わせの中からこのような測定地点を与えるパラメータＸ、Ｙ、Ｚ、α、θの組み合わせを計算することができる。これは、逆運動学的操作、あるいは略してＩＫである。

座標測定機の特性にしたがって逆運動学的変換を実施するためのいくつかの方法が知られている。直接逆法が知られている一方で、逆運動学は多くの場合、ＩＫ変換が走査プローブの先端部と所望の標的位置との間の距離を最小にする座標測定機のパラメータの組み合わせを見出すことに等しいという意味で、最小化の問題として見なされ、実行される。これは、移動が小さく、近い解が開始点として利用可能である場合、また、以下で該当するような、動きを一連の小さな連続する位置変化に分解することができる場合に好適であることが多い。

逆運動学的変換に固有の曖昧さは、解に追加の制約を課すことが可能であるという点で有用である。本発明の座標測定機の場合であれば、たとえば、走査プローブを選択された測定地点に置くだけではなく、測定対象物としての加工物の表面に対して走査プローブを一定の傾斜に維持する、逆運動学的計算を用いることができる。最小化の実施において、このことは、最小化された関数にペナルティ係数を加えて走査プローブの方向を考慮に入れることで行うことができる。

測定のエラーは、接触タイプの走査プローブおよび非接触タイプの走査プローブの両方において、走査プローブの角度に左右されるため、走査プローブの方向の制御は有利である。光学タイプの走査プローブを用いる場合には、たとえば、測定下にある表面に直角な光線を用いることが有利である。

本発明の変形例によると、座標測定機４のコントローラ３３は、走査プローブ２がたどる走査経路３７の表示を有している。これは外部入力、たとえば、オペレータまたはより高次のコントローラによって与えられる経路とすることができ、あるいは、状況に応じてコントローラによって内部的に生成することができる。走査経路３７は、測定対象物としての部品の形状に応じて、完全な三次元の曲線である。

図５に示されているように、走査経路３７は区画６１にさらに分割される。この実施例では、本発明のアルゴリズムの実施を容易にするために、すべての区画６１は同じ長さΔｌを有している。しかし、この特徴は必須なものではない。好ましくは、さらに分割されたものである区画６１は、走査経路３７を直線の区画の連続に近似させるために十分小さいものである。

各区画６１は、始点および到達すべき目標点に対応する。座標測定機４は走査プローブ２を、軸のパラメータの特定の開始集合（Ｘ_０、Ｙ_０、Ｚ_０、α_０、θ_０）に対応している第一区画の始点Ｐ_０の位置に置く。コントローラ３３は、ＩＫ操作によって、同じ区画の終点Ｐ_１に対応するパラメータの集合（Ｘ_１、Ｙ_１、Ｚ_１、α_１、θ_１）を得る。それから、コントローラ３３は座標測定機４の作動装置に対し、所定の時間間隔Δｔで軸パラメータを（Ｘ_０、Ｙ_０、Ｚ_０、α_０、θ_０）から（Ｘ_１、Ｙ_１、Ｚ_１、α_１、θ_１）に更新する旨の指示を生成する。結果として、走査プローブ２は時間ΔｔでＰ_０からＰ_１に動く。この方法は次に、地点Ｐ_２、Ｐ_３、およびそれ以降に繰り返される。

上記に例示した本発明の方法により、走査プローブ２は一定の速度｜ｖ_ａ｜＝Δｌ／Δｔで走査経路３７を走査する。該方法によって、走査プローブ２は、測定対象物の形状に関して、一定の速度で複雑な三次元の経路をたどることが可能となる。また、当業者であれば、相応の時間間隔を適用することで、本方法を非均一な区画の場合に拡張すること、または包括的な速度プロファイル｜ｖ_ａ｜＝ｖ_ａ（ｔ）を得るために拡張することができるであろう。

好ましくは、ＩＫ変換はいくつかの所望の追加の制約を課し、たとえば、測定対象物としての加工物の表面に対する走査プローブ２の傾斜を走査経路３７に沿って一定に維持することができる。また、最小化アルゴリズムを直線軸の動きよりも回転軸の動きを選ぶように適合化し、振動とエラーを最小化することもできる。

走査プローブ２が走査経路３７を走査する間、座標測定機４のコントローラ３３も測定地点６０の座標をサンプリングする。これは、たとえば地点Ｐ_０、Ｐ_１・・・または走査経路３７に沿ったその他の位置に対応して行うことができる。サンプリングが一定の時間間隔で行われるとき、得られる測定地点６０も走査経路３７に沿って均一に分布することになる。

本発明の好ましい変形例によると、この方法は走査の間にリアルタイムで実施される。座標測定機４のコントローラ３３はＩＫ変換を計算し、実際の動きの間に作動装置への指示を生成する。これによって、サンプリングされた測定地点６０の座標から導かれた、予定の形状からのずれに従うように、走査経路３７を適合化することが可能となる。しかし、その他の変形例によると、動きは完全にまたは部分的に事前に計算することができる。

また、速度を調整するための逆運動学的アプローチも、測定された座標が走査経路３７上の測定地点６０の理論的な座標と一致しないときに速度を瞬時に修正することに適している。実際、速度は、座標間の差、つまり元の座標と目標座標の差から導出されるものであり、走査の間、その時点の座標は常に分かっているため、測定された座標自体が正確である限り、速度の計算と、あらゆる所望の値への速度の調整は、その場で簡単に、正確に行うことができる。

座標測定機４が接触タイプの走査プローブ２を備えているとき、信頼性のある測定を保証するために、走査プローブ２の偏向を非常に狭い限定範囲に維持しなければならない。典型的な場合、走査プローブ２の有効な偏向の範囲はおよそ１ｍｍまたはそれ未満である。このような事前の正確な知識は必ずしも得られるとは限らない。多くの場合、たとえば製造ラインの質制御の過程では、座標測定機に課せられた作業は、多大な不正確さに左右される可能性のある対象物の走査を正確に行うことである。

座標が常に十分な精度で与えられることを確実にするために、既に測定された測定地点６０の座標と走査プローブ２にある偏向センサの出力とから求められる補償ベクトルにしたがって、走査経路３７をリアルタイムで変更することができる。このように、偏向を可能な限り一定に保つため、走査経路３７は、あらゆる個々の加工物に対し、そして走査の全体にわたって動的に、常に適合化される。個々の過程Ｐ_０、Ｐ_１、・・・の間の移行がリアルタイムで計算されると、システムは常に一定の速度｜ｖ_ａ｜で走査経路３７をたどることが可能となる。偏向の安定性は接触力の安定性も意味するため、本発明の方法は、接触タイプの走査プローブに適用されたとき、一定の速度または選択された速度プロファイルにしたがってたどられる三次元の走査経路３７の全体にわたって一定の接触力ももたらす。

先に見られるように、ＩＫ変換は、ある場合には、不可能な指示、たとえば座標測定機の物理的速度または加速度の限界を超えた動きという結論に至ることもある。この場合、選択された走査経路３７を完全に一定の速度で走査することは不可能である。座標測定機は、たとえばオペレータの注意を喚起するためのエラーを生成し、条件処理の手続きを呼び出すことで、このような状況を処理するようにプログラムするか、または、アルゴリズムが再び収束することができるまで、一定速度の制約を解除するようにプログラムすることができる。

本発明を実施するための走査機器である座標測定機を示す図 走査プローブの取り付け状態を示す断面図 走査プローブの三次元図と該走査プローブの角度位置を示す図 走査プローブ２がたどる走査経路の平面図 本発明のもう一つの態様によってどのように速度調整の過程が実施されるかを説明する図

符号の説明

１ 表面
２ 走査プローブ
３ 支持体
４ 座標測定機
６ 作動装置
７ 作動装置
８ 作動装置
１４ 作動装置
１７ 作動装置
２０ 交差点
２４ プローブ・ヘッド
２５ 走査プローブの先端部
３３ コントローラ
３６ 軌道
３７ 走査経路
９０ 測定地点

Claims (8)

1. 座標測定機（ＣＭＭ）の支持体に取り付けられた走査プローブを用いた、測定対象物の表面の走査方法であり、前記座標測定機が、三つの直線軸にしたがって前記支持体を動かす作動装置の第一の集合を具備し、前記支持体が、前記支持体に対して前記走査プローブを動かすための作動装置の第二の集合を含み、前記座標測定機がさらに、前記作動装置の両集合を駆動するように設計されたコントローラを含み、
   （ｉ）走査速度の値を決定する過程と、
   （ｉｉ）前記作動装置の第一および第二の集合を操作して、走査プローブの先端を前記表面と接触するように位置づける過程と、
   （ｉｉｉ）前記作動装置の第一の集合を操作して、所定の軌道に沿って支持体を動かす過程と、
   （ｉｖ）前記作動装置の第二の集合を操作して、表面に対する支持体の相対的な動きと同時に支持体に対する前記走査プローブの動きを生じさせる過程、
   を含み、
   前記コントローラが、前記作動装置の両集合の作動を走査経路に沿って調整することで、前記走査経路の選択された区画においては所定の値に等しい走査速度を維持することを特徴とする、測定対象物の表面の走査方法。
2. 支持体に対する前記走査プローブの動きが、前記軌道のその時点の方向に対して横方向の振動性の動きである、請求項１に記載の方法。
3. 前記コントローラによって実施される調整が前記走査プローブの角度位置にしたがって行われる、請求項１に記載の方法。
4. 作動装置の第二の集合が、測定対象物としての部品の表面に対する走査プローブの傾斜を一定に維持するように、または走査プローブと測定対象物としての部品との間の接触力を一定に維持するように操作される、請求項１に記載の方法。
5. 前記走査プローブが非接触の光学タイプの走査プローブである、請求項１に記載の方法。
6. 前記コントローラによって実施される調整が逆運動学的変換にしたがって行われる、請求項１に記載の方法。
7. 前記逆運動学的変換のアルゴリズムが、前記走査経路にわたって均等に分布した座標を用いる、請求項６に記載の方法。
8. 請求項１に記載の方法を実施するためのコンピュータ・プログラム製品。

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