JP2008275624A - 座標測定方法および座標測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークピース２００上の座標を測定する方法において、高い精度とプローブ１５０の早い移動とを合わせ備える。
【解決手段】位置決め用プラットフォーム６０には、順次、ロータ１００、プローブ１５０、針１２３とその先端のコンタクトボールが固定されている。針１２３は、回転軸６５に対して角度αだけ傾斜している。結果的に、測定地点は軸６５に対して距離「ｒ」だけオフセットとなる。針１２３の傾斜は、適切なアクチュエータによって自由に設定して、円筒形の孔の内面２０６を走査するようにすることができる。プローブ１５０の相対位置をプローブ・エンコーダによって測定し、位置データと結合させることでワークピースの特定局部測度を得て、ワークピース２００上の座標を得る。
【選択図】図４

Description

本発明の対象となる技術は、全般的に座標測定法に関するものであり、特に、座標測定装置およびその使用方法に関するものである。ただし、これに限定されるわけではない。この座標測定装置は、寸法を測定するための装置であり、適切な測定プローブを用いて機械部品の表面にある地点の座標を測定するために用いられるものである。測定プローブは、タッチ・プローブのような接触タイプ、または、光学プローブまたはレーザー・プローブのような非接触タイプとすることができる。しかし、本発明の範囲は、これら特定の種類のプローブの装置に限定されるわけではない。

座標位置決定装置は、座標測定装置（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ）、すなわちＣＭＭ装置とも表わされるものであり、一般的に、高い剛性と寸法の安定性で選ばれた花崗岩の重厚なテーブルのような固定された基準面と、固定基準面に対して可動であり、測定プローブを搬送する動力システムを具備している。基準面が可動であり、測定プローブが固定されている座標測定装置の例も知られている。

図１は、既知のタイプのＣＭＭ装置を極めて単純化して示している。例えば、動力システムは移動するガントリ構造４０の形をしているが、このガントリー構造はブリッジとも呼ばれ、固定基準ベース３０の一方の面（Ｙ軸）に平行に動くことができる。ガントリ４０の水平軸はスライドする担体５０を搬送し、この担体はＹ軸に直角な水平方向（Ｘ軸）に沿って移動する。移動の第三の軸（Ｚ軸）は垂直の軸６０によって与えられ、この軸は担体５０に対して上下に移動する。測定プローブは軸６０の端部に接続され、ここで説明したＸ、ＹおよびＺの動きによって三次元の測定空間を自由に移動することができる。回転接合部を備えた多関節アームを用いるその他の座標位置決定装置も知られている。

測定プローブはタッチ・プローブであることが多く、このプローブはキャリブレートされたルビー製のコンタクトボール１２０を搬送する、スプリングを装填された針を有している。プローブが測定すべき部品、ワークピース２００の表面に接触すると、軸にある適切なエンコーダによって得られたＸ、Ｙ、Ｚの座標がＣＭＭ装置のコントローラに同時に送られ、このコントローラは、既知の計算方法によって、接触地点の座標を正確に判定する。より簡単な測定プローブはタッチ・トリガー・プローブであり、それは、例えば欧州特許第１６１００８７号明細書に記載されているように、接触の瞬間を判定する。

その他のプローブは、例えばＬＶＤＴ（Ｌｉｎｅａｒ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）あるいはストレンゲージ・センサによって針の偏向の大きさを判定し、その偏向をコントローラに送信して座標の計算に組み込むことができる。このようなプローブは、走査プローブと呼ばれるが、なぜなら、そのプローブは、プローブが測定対象の部品と連続的に接触する走査測定に特に適しているからである。簡単なタッチ・プローブが連続走査モードで用いられる場合、すなわち、多数の閉じた空間地点で測定対象の部品、ワークピース２００の表面に接触するように振動する（タッピング）場合もあり、その場合、その地点のＸＹＺ座標は、ＣＭＭ装置のコントローラによって記録される。

ＣＭＭ装置で用いることのできる光学プローブの一つの種類は、マイクロ・イメージング・デジタル・システムであり、このシステムは機械式測定プローブのように移動して、座標を測定すべき地点を標的とし、これにより、測定対象の材料に接触する代わりに、三次元の座標測定を可能にするようになっている。

座標を検出するレーザー・プローブも同様に用いることができ、このプローブは、測定対象物の表面にある地点が走査レーザー光線で照射されるときに、その地点の座標を決定することができる。また、この種の光学測定プローブでは、レーザーを開いて扇形の光線にすることで、レーザーの線が測定対象の部品に沿って移動している間に、レーザーの線に沿って多数の地点を得るようにすることも知られている。そうでなければ、レーザー光線はグリッド状で複数の測定地点を照射するように配置してもよい。

イメージング・プローブとレーザー・プローブとは、両方とも非接触プローブのカテゴリに属しているのであり、すなわち、これらプローブは、ともに、物理的な接触をすることなく、測定対象のもとにある表面地点の座標を与えることができるのである。

既知の座標測定装置のうち、もう一つの種類は上述したガントリ構造からは外れており、多関節アームによる動力システムが対象である。このような装置は、とりわけ欧州特許第１７１８９２４号明細書に示されており、直線軸Ｘ、Ｙ、Ｚの集合の代わりに多関節アームを具備し、この多関節アームは一連の回転接合部を含んでおり、この回転接合部は、一方の端部では固定され、他方の端部では、光学または機械式の座標プローブを搬送する。アームの関節によって、三次元測定空間における測定プローブの自由な移動が可能となっている。

精度というものが、あらゆるＣＭＭ装置の中心的で最も望まれる特徴である。１マイクロメートル単位の最小限の誤差、あるいはより小さい誤差というものは一般的ではない。このような極度の精度は、当該分野では非常に強固で安定した構造を与え、先進的な位置エンコーダを用い、そしてキャリブレーション方法とエラー修正方法を発展させることで得られる。しかし、このような測定は、システムの容積、質量およびコストを高くする一方で、長時間かかる複雑なキャリブレーションが使用の簡便さを低くするという意味で負の影響ももたらしてしまう。多くの場合、機械の測定範囲が広いときとか、あるいは、プローブの高速移動が必要なときとか、そのときには、究極の精度を生み出すことができず、これら対立する両特性の相互間で妥協点を見いださなければならない。

また、産業ロボット、マニピュレータおよび／またはロボット・アームを使用し、例えば塗装、溶接、組み立て、位置調整のような生産システムにおけるワークピースに対する反復作業を行うことも知られている。さらに、例えば測定プローブまたは光学的検査カメラによってワークピースを検査するために産業ロボットを用いる場合もある。産業ロボットは多用途的かつ高速であるが、概して、計器類から要求される精度を示すものではない。
なお、この分野の先行する発明として、特許文献１には、測定すべきワークピースの表面を走査する方法の発明が開示されている。当該発明に係る方法は、走査用のヘッドが一定速度の軌跡で動き、走査対象の表面を往復するように動く。トランスデューサとヘッドと表面接触用の装置からのデータで集められて、制御用のコンピュータを用いて制御される。
特許文献２には、測定すべき対象物であるワークピースの表面に対して、多次元の輪郭に接触するための、摩擦ゼロで遊びゼロの、多軸の座標系の測定器に係る発明が開示されている。
特許文献３には、ＣＭＭ装置のアームについて、基台の単部と、プローブの単部と、外側フレーム式とで構成される構造が開示されている。
特許文献４には、測定すべき対象物の表面の測定について、二軸で軸支回動するように支持されたビデオカメラによって、画像撮影する方法が開示されている。
しかしながら、これらの先行する各発明によっても、十分に高い精度と早い移動とを同時に得ることは、困難である。
米国特許第５，１８９，８０６号明細書 米国特許第３，８６９，７９９号明細書 米国特許出願公開２００５／１６６４１３号明細書 米国特許第５，２５１，１５６号明細書

したがって、上記制限を克服する測定方法、特に、上述した欠点を示すことなく、高い精度とプローブの早い移動とを組み合わせる測定方法が必要である。

本発明によると、これらの目的は、下記の各手段によって達成される。
第１の手段は、
ワークピースにおける座標を測定するための方法であり、一つまたは複数のアクチュエータによって位置決め用プラットフォームに可動的に接続された座標プローブを用い、位置決め用プラットフォームに対するプローブの相対位置をプローブ・エンコーダによって測定することができるものであって、
−前記位置決め用プラットフォームを、固定されたある一つの基準に対して相対的に動かし、ある一つの所定の位置に移動させる過程と、
−前記アクチュエータを制御することで、前記位置決め用プラットフォームに対して相対的な座標プローブを移動させる一方で、前記位置決め用プラットフォームを固定された基準に維持し、ワークピースの表面を座標プローブがアクセスできる局所的な一つの作業空間に向ける過程と、
−前記測定データを、前記プローブ・エンコーダによって与えられたプローブの位置データと結合させることでワークピースの一つの特定局部測度を得る過程と、
−前記位置決め用プラットフォームを、別のある固定された基準に対して動かし、ある一つの異なる場所に移動させる過程と、
をあらゆる適切な順序で備えることを特徴とする座標測定方法である。
第２の手段は、前記第１の手段に加えて、前記特定局部測度が、前記位置決め用プラットフォームに対する、ワークピースの表面にある地点の座標のマップの作成を含んでいることを特徴とする、座標測定方法である。
第３の手段は、前記第１の手段に加えて、前記特定局部測度が、直径、角度あるいは相対距離といった局所的寸法の取得を含んでいることを特徴とする、座標測定方法である。
第４の手段は、前記第１の手段に加えて、座標プローブを移動させるように前記アクチュエータを制御する過程と特定局部測度を得る過程が前記位置決め用プラットフォームのさまざまな位置で反復され、さらに、二つまたはそれ以上の特定局部測度を結合させることで全体的な測度を得る過程を含み、さらに、
−前記特定局部測度において、二つまたはそれ以上の特定局部測度の二つまたはそれ以上の局所的作業空間に共通して重なり一致する領域に対応する、基準となる測定データを選択する過程と、
−前記基準となる測度データに基づいて、前記特定局部測度の間の関係を計算する過程と、
を含んでいることを特徴とする、座標測定方法である。
第５の手段は、前記第４の手段に加えて、さらに前記ワークピースにおける一時的な基準となる要素を配置する過程を含み、前記基準となる測度データが前記一時的な基準要素の測度から選択されることを特徴とする、座標測定方法である。
第６の手段は、寸法測定システムであって、
−座標プローブであって、一つまたは複数のアクチュエータによって位置決め用プラットフォームに可動的に接続され、位置決め用プラットフォームに対するプローブの相対位置がプローブの位置エンコーダによって測定される座標プローブと、
−自動コントローラであって、前記アクチュエータを制御し、前記エンコーダの出力に反応するとともに、
下記の各過程、すなわち、
−前記位置決め用プラットフォームを、固定されたある一つの基準に対して相対的に動かし、ある一つの所定の位置に移動させる過程と、
−前記アクチュエータを制御することで、前記位置決め用プラットフォームに対して相対的な座標プローブを移動させる一方で、前記位置決め用プラットフォームを固定された基準に維持し、ワークピースの表面を座標プローブがアクセスできる局所的な一つの作業空間に向ける過程と、
−前記測定データを、前記プローブ・エンコーダによって与えられたプローブの位置データと結合させることでワークピースの一つの特定局部測度を得る過程と、
−前記位置決め用プラットフォームを、別のある固定された基準に対して動かし、ある一つの異なる場所に移動させる過程と、
のあらゆる過程を実施するプログラムを記憶するプログラム・メモリを有する自動コントローラと、
を含んでいることを特徴とする、寸法測定システムである。

本発明は、上記のように構成されており、位置決め用プラットフォームを、ある一つの所定の位置に移動させ、次に、被測定物のワークピースの表面を座標プローブがアクセスできる局所的な一つの作業空間に向け、測定データを、プローブ・エンコーダによって与えられたプローブの位置データと結合させることでワークピースの一つの特定局部測度を得て、位置決め用プラットフォームを、別のある固定された基準に対して動かし、ある一つの異なる場所に移動させるので、一旦定めた測度に対して、相対的に順次、必要な測度が得られるので、高い精度と早い移動とをあわせて得ることができるのである。

本発明は、例として与えられ、図面によって示されている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、それらの各図面において、
−図１は、既知のタイプの汎用ＣＭＭ装置の簡略図を示し、
−図２は、本発明の一つの態様による位置決め用プラットフォームと可動の座標測定プローブを示しており、
−図３は、本発明に係るプラットフォームおよびプローブの可能な変形例を示しており、
−図４は、本発明に係る座標プローブのもう一つの変形例を示しており、
−図５および図６は、位置決め用プラットフォームに非接触可動プローブが備えられている本発明の変形例を示しており、
−図７は、本発明のもう一つの態様による、多関節接合部を具備したアームによる可動プローブを概略的に示しており、
−図８および図９は、本発明の実施に適したアクチュエータの二つの変形例によって位置決め用プラットフォームに搭載されたプローブを概略的に示しており、
−図１０は、本発明の一つの態様による測定の実施例を概略的に示しており、
−図１１は、本発明の一つの実施例による、システム中のデータ・フローの組織化を非常に簡略化したブロック形式で示している。
図２に示した本発明の第一の態様によると、この測定装置は、接触プローブ１５０を備えており、このプローブが、針１２３の先端でキャリブレートされたコンタクトボール１２０を搬送するようになる。接触プローブは、ロータ１００のオフセット位置に取り付けられ、このロータは、位置決め用プラットフォーム６０に接続されているが、このプラットフォームは、例えば座標測定装置の軸や、変形的な方法では、産業ロボットのロボット・アームの遠端部またはデジタル制御された機器における器具挟み、あるいは他のあらゆる適切な位置決定機器とすることができ、ロータ１００をワークピースとの関係で空間内の望まれる位置に位置づけることができるのである。

ロータ１００は、図示しているように位置決め用プラットフォーム６０の中にある、あるいは図示していない同等の変形例ではロータ自体の中にある電気モータ５００のような適切なアクチュエータによって回転軸６５を中心に回転することができる。ロータ１００の回転角度は光学角度トランスデューサ、または、図示していないが、ロータ１００または位置決め用プラットフォーム６０の中にやはり内蔵することのできるその他のあらゆる適切なエンコーダによってエンコードされる。

以下では、軸の慣習的な方向付けにならって、「Ｚ」軸の方向は垂直方向を指し、「Ｘ」軸と「Ｙ」軸によって決定される平面を水平面として定義することとする。しかし、これらの慣習的な方向は簡便さのみを目的として用い、本発明の範囲を限定するものではないことを理解する必要があり、本発明は、総称的な空間方向およびあらゆる数の移動軸を有する測定器とプローブによって実施することができるものである。

できれば、アクチュエータ５００は回転角度が制限されていないことが好ましい。ロータ１００は、両方の回転方向において数回転を描くことができる。

タッチ・プローブ１５０は、放射状のアーム１４９を含んでいることで、コンタクトボール１２０を回転軸６５から距離ｒだけずらした位置に置く。この特徴の作用により、タッチ・プローブ１５０は、位置決め用プラットフォーム６０が静止している間に、垂直軸６５に対する回転によって決定される、測定すべきワークピース表面における円形の経路を走査することができる。

好ましくは、タッチ・プローブ１５０は、一つまたは複数の方向、例えば垂直方向ｚにおけるコンタクトボール１２０の位置変化に反応する。したがって、図２のプローブを備えたＣＭＭ装置は、走査される経路に沿ってワークピースの形状と表面の質を測定するようにプログラムすることができる。

本発明の一つの態様によると、位置決め用プラットフォーム６０に対する走査用タッチ・プローブ１５０の位置およびコンタクトボール１２０の偏向は、位置決め用プラットフォーム６０自体の絶対位置より高い精度で判定することができる。説明したシステムは、位置決め用プラットフォーム６０を移動させずにプローブの回転位置に働きかけることによって走査できる経路に沿って、ワークピースにある地点の座標の相対的測定を得るために用いることができる。

位置決め用プラットフォーム６０に対するプローブのより広い移動範囲を得るために、プローブのいくつかの変形例が可能である。図３は、本発明に係るタッチ・プローブ１０３の変形例を示しており、このプローブは、水平方向における接触地点の移動の偏向に反応する。例えば、プローブはスライダ１０６を具備しており、そのスライダは回転軸６５に直角な方向である水平方向にスライド移動することができる。プローブのベース１０３に対するスライダ１０６の位置は、図示していない適切なエンコーダ、例えばＬＶＤＴトランスデューサまたはその他のあらゆる適切なトランスデューサによって記録される。コンタクトボール１２０と表面２０１の間における水平の接触力は、当該分野で知られているように、図示していない適切なアクチュエータによって判定される。図３に示すプローブは、走査経路をたどることができるのだが、その経路では、軸６５の回りの半径「ｒ」がスライダ１０６の移動範囲の中で一定ではない。

本発明に係るタッチ・プローブのさらなる変形例を図４に示している。この実施態様によると、針１２３は中心でタッチ・プローブに固定されており、垂直の回転軸６５に対して角度αだけ傾斜している。結果的に、測定地点は軸６５に対して距離「ｒ」だけオフセットとなる。好ましくは、針の傾斜は、ロータのベース１０８にある、図示していない適切なアクチュエータによって自由に設定することができる。簡略化した場合には、針１２３の傾斜角度αはオペレータによって手動で決定することもできる。針１２３の傾斜角度αと長さの値に働きかけることで、図４のプローブのオフセット半径「ｒ」を自由に設定し、例えば、同図に示しているように、円筒形の孔の内面２０６を走査するようにすることができる。

上述した実施態様のタッチ・プローブは、好ましくは偏向に感応するプローブであり、このプローブは、所望の各瞬間ごとに、標準のキャリブレーション位置に対するコンタクトボール１２０の偏向を供給する。本発明は、単軸プローブの場合、例えば垂直軸に沿った変位に反応するプローブの場合、ならびに、変位の三つの成分に反応する多軸プローブの場合を含んでいる。本発明に係るタッチ・プローブは、あらゆる様態の変位センサ、例えば電気的センサ、スイッチ式センサ、電磁誘導式センサ、ストレンゲージ、磁気式変位センサまたは光学的変位センサを含むことができる。

本発明のその他の変形例で、図５、図６に示された装置は、レーザー・プローブ１９０を含んでおり、このプローブが、光線１９５にそって導かれ、プローブ・ヘッドと、測定対象の表面の照射された地点１９９の間の距離を供給するようになる。上記で説明したように、測定ヘッド１５０は、位置決め用プラットフォーム６０のロータ１００に搭載され、そのロータは選択的に、例えば垂直の「Ｚ」座標軸と共に軸６５の回りを回転駆動することができる。測定地点１９９はアーム１４９によって回転軸６５に対してオフセット位置にある。本発明の図示していない変形例によると、同じオフセットは図４と同じように、中央のレーザー・プローブを一定角度傾斜させることで得ることができる。図６はマルチ・ビーム・レーザー・プローブ、すなわち、扇形ビームの光学プローブを含んだ本発明のもう一つの変形例を示しており、測定されるワークピース２０６上の照射線３０９に沿った地点の座標に関する情報を供給する。図示していないさらなる変形例によると、マルチ・ビーム・レーザー・プローブは複数の並列の垂直レーザービームを含むことができ（レーキ形のプローブあるいは、クシ形のプローブ）、この光線は、例えば、回転軸６５から垂直方向に異なるオフセット位置に配置されている。

図７は、多関節プローブ６００と座標測定装置に関する本発明のもう一つの態様を示している。

本発明に係る装置は、図８に部分的に示されているが、前述の各実施例のように可動の位置決め用プラットフォーム６０を具備しており、その位置決め用プラットフォームは、例えば、当該分野で知られているように、三つの直交する座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚに沿ってスライド移動することができる。ロータ１００は、回転軸Ａ１、例えば「Ｚ」座標軸に平行な垂直回転軸を中心に回転できるように、位置決め用プラットフォーム６０に回転できる形で接続されている。ロータ１００を起動するために用いられる回転手段は、図２との関連で既に説明したものに類似しているため、ここではこれ以上説明しないこととする。

多関節プローブ６００は、剛体要素１２５、１２７によって接続された一連の回転接合部１２４、１２６、１２８を具備している。好ましくは、各接合部は、それぞれ、独立して互いに直角な、二つの回転軸Ａ１、Ａ２を含んでおり、これら回転軸は、適切なデジタル・コントローラの制御下で、例えば電気モータのような適切なアクチュエータによって回転するように設置することができる。また、接合部の回転角度は、適切なエンコーダ、例えば光学エンコーダによって読み込まれる。エンコードされた各値は、コントローラに対して利用可能な形にされ、そのコントローラが、各瞬間において座標プローブ１９０の位置と方向とを計算することができるようになる。この変形例において、座標プローブは、完全な三次元の作業空間において、位置決め用プラットフォームに対して移動することができ、追加的に複数の方向を担うことができる。

本発明は、また、並列のアクチュエータにも関するものであり、これは、複数の連結部材によってエンド・プラットフォームに接続されたベース・プラットフォームを含んでいるアクチュエータである。このようなアクチュエータの二つの実施例は、図８および図９に示されている。これら両図面において、同一の各符号は、前述した図面で既に提示した同一の各特徴を表すために用いられている。いくつかの実施例が上記で提示している直列のアクチュエータに対し、並列のアクチュエータは限定された作業空間において高い剛性と高い速度を提供することができる。

図８は、座標測定用のタッチ・プローブ１５０を示しており、そのタッチ・プローブは、剛体のリンク結合部材２４０、２５０、２６０三つによってロータ１００に接続されている。リンク結合部材は、図面の平面に直角な「Ｙ」方向に沿った軸を中心に回転することを可能にするように、プローブ１５０を支持するエンド・プラットフォーム２１０と、ロータ１００で関節をつけられている。ロータ側では、リンク結合部材は、スライダ２３０、２２０の方に関節をつけられ、これらのスライダは、適切なアクチュエータ（図示せず）によって水平スライドにしたがって移動することができ、そして、そのアクチュエータの位置は適切なエンコーダによって測定される。

リンク結合部材２５０、２６０は、同一のスライダ２２０にリンク結合されており、プローブ１５０の垂直性を確実にする平行四辺形の接合部を構成する。スライダ２３０、２２０を反対の方向に移動させることで、プローブ１５０は「Ｚ」軸に沿って上下に動かすことができるのに対し、スライダ２３０および２２０を同じ方向に移動させることで、プローブ１５０は水平に移動する。このように、スライダ２２０、２３０の動きをロータ１５０の回転と連動させることで、座標プローブの検出チップを三次元の作業空間におけるあらゆる位置に移動させることができ、プローブは、位置決め用プラットフォーム６０を移動させる必要なく、ワークピース表面上にあるあらゆる経路をたどるように方向付けられる。このように、位置決め用プラットフォーム６０が最適な精度を生み出すことができなくとも、正確な特定局部測度を得ることができる。

図８の接触プローブ１５０としては、非接触レーザー・プローブに置き換えたり、カメラ、あるいは、他のいかなる種類の座標プローブとすることもできる。他方、接触プローブを用いても、そのプローブが偏向に反応するタイプであることを厳密に必要としているわけではない。簡単なタッチ・トリガー・プローブも用いることができる。図示していない変形例によると、スライダ２２０を二つの独立した可動要素に分割し、プローブ１５０を傾斜させることができるようにすることもできる。

本発明の実施に適した並列のアクチュエータのもう一つの種類を図９に示している。この場合、テレスコピック伸縮の支柱４００を六つ具備するスチュワート・プラットフォーム４８０によって、三次元の作業空間におけるプローブ１９０の位置および方向を完全に制御することが可能となる。なお、ここではレーザー・プローブとして図示しているが、あらゆる種類の座標プローブとすることができるものである。テレスコピック伸縮の支柱４００は、球状の接合部かつ／または汎用性の接合部によって、位置決め用プラットフォーム６０と、プローブを支持するエンド・プラットフォーム４１０に接続されており、位置決め用プラットフォーム６０とプローブ１９０の間にホロノミックな角柱状の接続をもたらす。

本発明の一つの態様によると、測定プローブ１５０または１０３は、タッチ・プローブであれ非接触プローブであれ、一つまたは複数のアクチュエータ５００、１０６、１０８によって移動させられ、ワークピース表面上の経路を走査するようになっているが、位置決め用プラットフォーム６０は、静止状態を維持することで、このような経路の座標地点の相対的測定が得られるようになっている。このように、本発明に係るプローブでは、アクチュエータ５００、１０６、１０８によって広がった範囲内で、位置決め用プラットフォーム６０に対して、ワークピース上の特徴的形状体（例えば、孔の直径および深さ、表面の状態、角度、軸間の距離および平行度など）を局所的に正確に測定することが可能となる。いったん特定局部測度の取得が完了すると、位置決め用プラットフォーム６０は、選択されたもう一つの位置へと移動し、プローブ１５０、１０３は、やはりアクチュエータ５００、１０６、１０８によって広がった範囲内で、再び局所的な測定を行う。

一般的に、さまざまな位置、すなわち位置決め用プラットフォーム６０の移動を伴う位置で行われる複数の特定局部測度の取得は、位置決め用プラットフォーム６０の不正確さに起因する付加的なエラーを受け入れなければ関係付けることができる。しかし、二つの特定局部測度に重なり一致があるときは常に、位置決め用プラットフォームのエラーは、両方の測定集合における対応する特徴的形状体の座標を比較することによって計算し、修正することができる。

図１０は、本発明の一つの態様による測定の実施例を上面図で示している。位置決め用プラットフォーム６０は、ここでは図３の形状と同じ形で示しており、位置決定器（部分的にのみ図示）の軸５０に搭載されている。位置決定器は座標測定装置、産業マニピュレータ、ロボット、機械の器具挟み、またはその他のあらゆる位置決定機器とすることができる。位置決め用プラットフォーム６０は、好ましくはモータの作動または適切なアクチュエータの作動下において自律移動を行うことができる。しかし、これは本発明の必要な特徴ではない。位置決め用プラットフォーム６０は、例えば手動で操作される機械によって移動させることができる。

しかし、好ましくは、位置決め用プラットフォーム６０は、固定ベース３０に対する三つの独立した方向に沿って移動することができ、三次元の測定空間全体の中で自由に位置づけることができる。位置決め用プラットフォーム６０の移動は、基準構造との関係で測定され、例えば、位置決め用プラットフォームがＣＭＭ装置に接続されていれば、ＣＭＭ装置の固定ベース３０に対する位置決め用プラットフォームの移動がＣＭＭ装置の適切なエンコーダによって分かることになり、逆に、産業ロボットを用いるときには、位置決め用プラットフォーム６０の位置はどのようなときにも、通常、作業フロアに残っているロボットの固定ベースに対して分かることになる。好ましくは、位置決め用プラットフォーム６０の移動は、デジタル・コントローラの中で動作するプログラムによって決定され、同一のコントローラは位置決め用プラットフォームに対するプローブの位置決定の役割も負っている。

図１１は、本発明の一つの実施例によるシステム中のデータ・フローの組織化を概略的なブロック形式で示している。デジタル・プロセッサ７１０はアクチュエータ・モジュール７１５と測定モジュール７１６とを含み、これらのモジュールは、この実施例では、プロセッサの論理回路によって実行されるプログラムに含まれる二つの別個のソフトウェア・モジュールである。その他の変形例によると、測定モジュールとアクチュエータ・モジュールは、物理的に別々に接続された二つのコントローラに関わるものであってよく、あるいは、それらの機能は結合された一つのソフトウェア・モジュールによって実施されるものであってよい。

アクチュエータ・モジュールは、固定された基準座標系、例えば固定ベース３０に対する位置決め用プラットフォーム６０の移動と、位置決め用プラットフォーム６０に対するプローブの移動を判定するさまざまなアクチュエータを制御する。図１１に示した実施例は、図３の場合に類似したプローブと図１に示したようなＣＭＭ装置の場合に関するものであり、本実施例では、位置決め用プラットフォーム６０の位置調整はプラットフォームのアクチュエータ７２０ｘ、７２０ｙ、７２０ｚによって行われ、プローブの相対的な位置は、プローブアクチュエータ７３０ａと７３０ｄによってそれぞれ操作される二つの軸αおよびｄによって判定される。

測定モジュールは、固定ベース３０に対する位置決め用プラットフォーム６０の位置について、軸ＸＹＺに沿った位置情報を搬送するプラットフォームのエンコーダ７７０ｘ、７７０ｙ、７７０ｚの読み込みと、αとｄの値で判定される、位置決め用プラットフォーム６０に対するプローブの位置を与える、プローブ・エンコーダ７８０ａと７８０ｄの読み込みに反応する。座標軸の数とそれらの意味は、本発明の範囲において、用いられる動力の配置に応じて変動しても良い。

測定モジュールは、位置決め用プラットフォーム６０の相対座標系で測定されたワークピース上の地点の特定局部測度と座標を得るために、プローブ・エンコーダ７８０ａおよび７８０ｄの出力を用いる。

選択的に、測定モジュール７１６はプラットフォーム・エンコーダ７７０ｘ、７７０ｙ、７７０ｚの出力を用いて、位置決め用プラットフォーム６０の相対座標系による測定値と座標を、固定ベース３０の絶対座標系に変換するようにすることができる。結果は、ディスプレイ、および／または、ストレージユニット８００に送られ、選択的に、アクチュエータ・モジュール７１５にフィードバックすることもできる。

ここで、再び図１０を参照するが、プローブ１５０が、位置決め用プラットフォーム６０に搭載されており、これに対して自立移動が可能である。この実施例では、プローブは、図３に示されているようにロータに搭載されており、その軸移動は可変的である。ロータの回転角度αおよび軸移動の角度ｄを変化させることで、そのプローブは、局所的な作業空間５０１において、ワークピース２００の地点の正確な座標測定を行うように制御できるのだが、その作業空間は、位置決め用プラットフォーム６０が動かないままであるのに対し、そのプローブがアクセスできる。そのプローブは、作業空間５０１の中で、いかなる所望の特徴的形状体でも、例えば孔６００の直径や軸心の位置などでも、それを測定するように制御される。

いったん作業空間５０１での測定が完了すると、位置決め用プラットフォーム６０は第二の位置へと移動する。そのとき、作業空間５０１はプローブにとってアクセス可能であり、第二の特定局部測度の取得が行われる。位置決め用プラットフォーム６０はさらなる位置５０３に移動し、必要に応じて続いていく。

局所的な特徴的形状体のみが必要であるとき、例えば直径、角度、相対距離または表面状態の測定のとき、二つの局所的な作業空間で行われた特定局部測度を組み合わせる必要はなく、したがって、位置決め用プラットフォーム６０の位置決定のエラーは結果に影響しない。

測定が、座標地点のマップの作成を伴うとき、このようなマップは、各局所的作業空間５０１、５０２、５０３において、位置決め用プラットフォーム６０に対する座標として表すことができる。複数の特定局部測度にまたがる全体マップが必要であれば、位置決め用プラットフォーム６０の位置決めのエラーは特定局部測度を組み合わせるときに計算しなければならない。ある場合には、図１０のように局所的作業空間が重なり一致しているとき、位置決め用プラットフォーム６０の位置決めのエラーは、二つの特定局部測度における同一の特徴的形状体の座標を比較することで解決することができる。

この場合、本発明に係る方法は、二つまたはそれ以上の特定局部測度を組み合わせて、全体の測定を得るようにするという過程を含むことになる。本発明のこの流れにおいて、全体の測定は測定データの集合であり、この測定データは、様々な異なった特定局部測度の様々な異なった局所的作業空間にある特徴的形状体に対応する、共通の基準座標系として表される。

図１０に関し、例えば、位置決め用プラットフォーム６０は、三つの異なる位置において、Ｘ方向およびＹ方向に沿って移動することで、特定局部測度５０１、５０２、５０３を得るようになっている。ワークピース２００は十分に平滑であるため、この場合には垂直のＺ方向における位置決め用プラットフォームの動きは必要ではない。位置決め用プラットフォーム６０の移動ベクターはおおまかに分かっている。特定局部測度１５０、１５１、１５２のそれぞれにおいて、プローブ１５０は、届く範囲にあるすべての孔６００の軸座標と直径を得る。

特定局部測度５０１、５０２、５０３のそれぞれは、孔６００に対する一連の直径の値を与える。直径の値は、本質的に相対量であるため、それらの測定は、直径が得られる座標系に依存しない。本発明に係る測定方法によって、プローブの絶対位置が正確に分かっていなくても、孔６００の直径を正確に測定することが可能となる。もちろん、本発明に係る測定方法によって、プローブ１５０によってのみ得ることのできるあらゆる相対的な計測量を直接判定することが可能となる。このような相対量には、とりわけ、角度、直交性、平滑性、平行度、外心度などが含まれる。

特定局部測度５０１、５０２、５０３は、例えば、それぞれの範囲において孔６００の軸心も与える。その特定局部測度は、例えば位置決め用プラットフォーム６０と一緒に動く相対座標系におけるＸ座標とＹ座標のペアで表すことができる。この場合、同じ特定局部測度に属する地点の座標は直接比較することができ、例えば地点の距離は直接計算することができる。逆に、異なる特定局部測度に属する地点の座標は、直接比較することができないが、それはなぜなら、それら座標は、異なる座標系で表され、このような座標系の間の変換を可能にするような位置決め用プラットフォーム６０の移動は不完全にしか分かっていないからである。

重要なことは、孔６００ａは、特定局部測度１５０、１５１の重なり一致部分に含まれ、孔６００ｂが、測定１５１、１５２の重なり一致の領域にあることである。このため、孔６００ａと６００ｂの軸の座標を比較することで、特定局部測度１５０、１５１と、特定局部測度１５１、１５２とをそれぞれの座標系間の幾何学的変換を得ることができる。こうして、本発明に係るシステムは特定局部測度１５０、１５１、１５２を一つの全体測定に結合させることができる。

上記実施例において、位置決め用プラットフォーム６０の移動が、独立した自由度Ｘ、Ｙ二つのみを伴うことに注意しなければならない。したがって、位置決め用プラットフォーム６０の移動は、特定局部測度の重複領域における、適切な数の地点のＸ座標とＹ座標を比較することによって正しく判定することができる。当業者であれば、この方法を一般的な場合に拡張することができるものであり、その一般的な場合では、位置決め用プラットフォーム６０の移動は、例えば、三つのスライド移動のパラメータと三つの回転角度のように、独立した複数の自由度によって記述される。また、特定局部測度を全体的測度に結合させる本発明に係る方法が円形の孔の使用に限定されるものではなく、当業者によって、様々な測定可能な特徴的形状体、例えば凸状部分や突起部などの使用に拡張することができることも明らかである。

図１０の実施例では、ワークピース２００には元々、十分な数の重なり一致する特徴的形状体、この場合には孔６００が含まれており、特定局部測度の結合を可能にしている。しかし、ワークピース２００の認識可能な特徴的形状体が特定局部測度の結合を可能にするには希薄すぎるということも起こりうる。この場合、必要であれば、測定を行う前に、一定数の基準となる特徴的形状体を人工的にワークピース２００に加えることで、各特定局部測度に適切な数の重なり一致する特徴的形状体が確実に含まれるようにすることもできる。

このような基準となる特徴的形状体は、例えば基準となる球状、円筒形または角柱であり、ワークピースに恒久的または一時的に取り付けることができ、好ましくは、測定後に取り除かれる。取り付けは磁気、粘着または他のあらゆる取り付け形式とすることができる。光学プローブを用いるとき、基準となる特徴的形状体は光学的な標的、例えば粘着ラベルとすることができる。当業者であれば、追加の特徴的形状体の位置が安定してさえいれば、その特徴的形状体を非常に精密に配置することが、本発明にとって、重要ではないことが理解できるものである。

したがって、本発明に係る方法およびシステムは、正確な測定プローブ１５０がより精度の低い位置決め用プラットフォーム６０と組み合わされたときに特に有効である。例えば、産業ロボットに搭載された座標プローブである。本発明に係る方法のもう一つの有効な応用は、位置決め用プラットフォームが正確に移動できるが、遅い、または使うのが難しい、あるいは座標プローブ１５０のコントローラと簡単には相互作用できないというときである。これは、例えば座標プローブが手動で走査される機器に搭載されているときに該当する。したがって、本発明に係る方法によって、この場合、オペレータの最小限の介入で、効果的な測定が可能となる。

本発明に係る方法は、座標測定プローブを伴い、この座標プローブは、適切なアクチュエータによって、プローブが搭載されている位置決め用プラットフォーム６０に対して正確に移動することができる。また、この座標プローブの前記位置決め用プラットフォーム６０に対する相対位置は、適切なエンコーダによって測定することができるのである。さまざまな特性のプローブ、アクチュエータおよびエンコーダを用いて本発明を実施することができることは明らかである。

本発明の必須の特徴ではないが、好ましくは、アクチュエータによって二つまたはそれ以上の独立した自由度にしたがったプローブの移動が可能となり、その結果、プローブ自体が平面、または三次元の空間領域で移動でき、その方向は、いくつかの適切な制限の中で選択することができるようになる。

既知のタイプの汎用ＣＭＭ装置の簡略図を示す図である。 本発明の一つの態様による位置決め用プラットフォームと可動の座標測定プローブを示す図である。 本発明に係るプラットフォームおよびプローブの可能な変形例を示す図である。 本発明に係る座標プローブのもう一つの変形例を示す図である。 位置決め用プラットフォームに非接触可動プローブが備えられている本発明の変形例を示す図である。 位置決め用プラットフォームに非接触可動プローブが備えられている本発明の変形例を示す図である。 本発明のもう一つの態様による、多関節接合部を具備したアームによる可動プローブを概略的に示す図である。 本発明の実施に適したアクチュエータの二つの変形例によって位置決め用プラットフォームに搭載されたプローブを概略的に示す図である。 本発明の実施に適したアクチュエータの二つの変形例によって位置決め用プラットフォームに搭載されたプローブを概略的に示す図である。 本発明の一つの態様による測定の実施例を概略的に示す図である。 本発明の一つの実施例による、システム中のデータ・フローの組織化を非常に簡略化したブロック形式で示す図である。

符号の説明

３０ 固定基準ベース
４０ ガントリ
５０ スライドキャリッジ
６０ 位置決め用プラットフォーム
１００ ロータ
１２０ コンタクトボール
１９０ プローブ
１９５ 光線ビーム
２００ ワークピース
４００ 支柱
４８０ スチュワートプラットフォーム
５００ アクチュエータ
７１０ ディジタルプロセッサ
７１５ アクチュエータ・モジュール
７１６ 測定モジュール
７２０ プラットフォーム・アクチュエータ
７３０ プローブ・アクチュエータ
７７０ プラットフォーム・エンコーダ
７８０ プローブ・エンコーダ
８００ ストレージユニット

Claims (6)

1. ワークピースにおける座標を測定するための方法であり、一つまたは複数のアクチュエータによって位置決め用プラットフォームに可動的に接続された座標プローブを用い、位置決め用プラットフォームに対するプローブの相対位置をプローブ・エンコーダによって測定することができるものであって、
   −前記位置決め用プラットフォームを、固定されたある一つの基準に対して相対的に動かし、ある一つの所定の位置に移動させる過程と、
   −前記アクチュエータを制御することで、前記位置決め用プラットフォームに対して相対的な座標プローブを移動させる一方で、前記位置決め用プラットフォームを固定された基準に維持し、ワークピースの表面を座標プローブがアクセスできる局所的な一つの作業空間に向ける過程と、
   −前記測定データを、前記プローブ・エンコーダによって与えられたプローブの位置データと結合させることでワークピースの一つの特定局部測度を得る過程と、
   −前記位置決め用プラットフォームを、別のある固定された基準に対して動かし、ある一つの異なる場所に移動させる過程と、
   をあらゆる適切な順序で備えることを特徴とする座標測定方法。
2. 前記特定局部測度が、前記位置決め用プラットフォームに対する、ワークピースの表面にある地点の座標のマップの作成を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の座標測定方法。
3. 前記特定局部測度が、直径、角度あるいは相対距離といった局所的寸法の取得を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の座標測定方法。
4. 座標プローブを移動させるように前記アクチュエータを制御する過程と特定局部測度を得る過程が前記位置決め用プラットフォームのさまざまな位置で反復され、さらに、二つまたはそれ以上の特定局部測度を結合させることで全体的な測度を得る過程を含み、さらに、
   −前記特定局部測度において、二つまたはそれ以上の特定局部測度の二つまたはそれ以上の局所的作業空間に共通して重なり一致する領域に対応する、基準となる測定データを選択する過程と、
   −前記基準となる測度データに基づいて、前記特定局部測度の間の関係を計算する過程と、
   を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の座標測定方法。
5. さらに前記ワークピースにおける一時的な基準となる要素を配置する過程を含み、前記基準となる測度データが前記一時的な基準要素の測度から選択されることを特徴とする、請求項４に記載の座標測定方法。
6. 寸法測定システムであって、
   −座標プローブであって、一つまたは複数のアクチュエータによって位置決め用プラットフォームに可動的に接続され、位置決め用プラットフォームに対するプローブの相対位置がプローブの位置エンコーダによって測定される座標プローブと、
   −自動コントローラであって、前記アクチュエータを制御し、前記エンコーダの出力に反応するとともに、
   下記の各過程、すなわち、
   −前記位置決め用プラットフォームを、固定されたある一つの基準に対して相対的に動かし、ある一つの所定の位置に移動させる過程と、
   −前記アクチュエータを制御することで、前記位置決め用プラットフォームに対して相対的な座標プローブを移動させる一方で、前記位置決め用プラットフォームを固定された基準に維持し、ワークピースの表面を座標プローブがアクセスできる局所的な一つの作業空間に向ける過程と、
   −前記測定データを、前記プローブ・エンコーダによって与えられたプローブの位置データと結合させることでワークピースの一つの特定局部測度を得る過程と、
   −前記位置決め用プラットフォームを、別のある固定された基準に対して動かし、ある一つの異なる場所に移動させる過程と、
   のあらゆる過程を実施するプログラムを記憶するプログラム・メモリを有する自動コントローラと、
   を含んでいることを特徴とする、寸法測定システム。

Images