JP2011501139A - 座標測定機の測定値を補正するための方法および座標測定機 - Google Patents

Abstract

本方法は、１つのプローブ（６）と、１つの校正体と、前記プローブ（６）によって記録された測定値（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）を記録し、かつ、座標測定機の諸要素の事前に確定された変形パラメータに依存して補正するための１つの装置（１０，３０）と、を有する座標測定機の測定値を補正するのに役立つ。本方法は、ａ）前記校正体の表面（２６）の所定点（２８）で機械的可撓性を確定するステップ、ｂ）確定された前記可撓性をデータセット（Ｎ）の態様で前記装置に記憶するステップ、ｃ）前記校正体を前記プローブ（６）によって点状に走査するステップ、ｄ）ステップｃ）で確定された前記プローブ（６）の測定値を前記データセット（Ｎ）で補正することによって前記プローブ（６）を校正するステップを含む。本方法は既知の可撓性を有するワークでも同様に利用することができる。さらに、本方法を実施するのに適した座標測定機が提案される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、１つのプローブと、１つの校正体と、前記プローブによって記録された測定値を記録し、かつ、座標測定機の諸要素の事前に確定された変形パラメータに依存して補正するための１つの装置と、を有する座標測定機の測定値を補正するための方法に関する。

本発明はさらに、１つのプローブと、前記プローブによって１つのワークで記録された測定値を記録し、かつ、事前に確定された変形パラメータに依存して補正するための１つの装置と、を有する座標測定機の測定値を補正するための方法に関する。

本発明は最後に、１つのプローブと、前記プローブによって記録された測定値を記録し、かつ、事前に確定された変形パラメータに依存して補正するための１つの装置と、を有する座標測定機に関する。

上記種類の方法は、ＤＥ １０１ ２４ ４９３ Ａ１により公知である。

代表的にはワークの表面計測に利用される座標測定機では、測定中に座標測定機の諸要素が歪むことによって系統誤差が現れる。ここでは、まずなによりもプローブの歪み、特に接触ピンの歪みを挙げることができ、しかしながら、座標測定機の構造的構成要素の歪みも挙げることができる。このような歪みは、プローブおよび接触ピンの領域で、加えられる接触力によって歪むことに主要原因がある。しかしながら、座標測定機の可動要素の加速減速時に、それらの質量と合せて現れる諸力も重要な役割を演じる。

測定に関与する座標測定機要素の歪みは、当然に測定誤差をもたらす。それゆえ、このような測定誤差を補正法によって補償することが、既にさまざまな仕方で試みられている。

ＤＥ １０１ ２４ ４９３ Ａ１により、スタイラスの動的曲げ特性をパラメータ範囲として、特にテンソルとして決定し、スタイラスに作用する加速度を考慮して、このパラメータ範囲から補正値を計算し、最後に、スタイラスの測定結果を補正値で補正することが知られている。

座標測定機において、さらに、プローブの接触チップの自由端に配置される接触ボールの位置を、空間内で、いわゆる校正体に基づいて校正することが知られている。通常、この校正体は、座標測定機の測定範囲内に配置されるボールとして形成されており、このボールに接触ボールは、ほぼ任意の角度で接近させることができる。本発明の枠内で校正体は座標測定機の要素とみなされる。

ＤＥ １９８ ０９ ５８９ Ａ１により、校正体、特に、校正ボールにプローブを接近させ、校正体表面の、１平面に限定されていない軌道に沿って接触ボールを案内することが知られている。その際に記録される測定値から次に、スタイラスに割り当てられた校正データが計算される。

ところで、本発明の枠内で、プローブの校正時に、通常の接触力によって校正体およびその取付具がもはや無視できない程度に変形することも確認された。これらの変形は従来考慮されることがなかった。しかしながら、これらの変形は、いわゆる校正されたプローブで実施される他のすべての測定に誤差として波及する。

公知方法では、さらに欠点として、計測すべきワークの可撓性によっても誤差が現れる。

独国（ＤＥ）特許公開第１０１２４４９３号公報 独国（ＤＥ）特許公開第１９８０９５８９号公報

そこで、本発明の課題は、冒頭に指摘した種類の方法および座標測定機を改良して、前記諸欠点が防止されるようにすることである。特に、校正体およびその取付具の変形、そして選択的または付加的にワークの変形も、測定値内で考慮され補正される方法および座標測定機が提供されねばならない。

冒頭で、第一に指摘した方法において、この課題は本発明によれば、
ａ）前記校正体の表面の所定点で、機械的可撓性を確定するステップ、
ｂ）確定された前記可撓性をデータセットの態様で前記装置に記憶するステップ、
ｃ）前記校正体を前記プローブによって点状に走査するステップ、
ｄ）ステップｃ）で確定された前記プローブの測定値を前記データセット（Ｎ）で補正することによって前記プローブを校正するステップによって解決される。

冒頭で第二に指摘した方法においてこの課題は本発明によれば、
ａ）前記ワークの表面の所定点で、機械的可撓性を確定するステップ、
ｂ）確定された前記可撓性をデータセットの態様で前記装置に記憶するステップ、
ｃ）前記ワークを前記プローブによって点状に走査するステップ、
ｄ）ステップｃ）で確定された前記プローブの測定値を前記データセットで補正するステップによって解決される。

冒頭に指摘した座標測定機において、この課題は本発明によれば、前記装置が前記種類の方法による方法を実施するように形成されていることによって解決される。

本発明の根底にある課題がこうして完全に解決される。

つまり、第一に指摘した方法の枠内の本発明でもって、校正体の変形によって発生する前記誤差を補償することがはじめて可能となる。第二に指摘した方法ではワークの可撓性が既知のとき補正もしくは校正が可能となり、この可撓性が測定誤差をもたらすこともない。

本発明の好ましい１構成において前記校正体として校正ボールが使用される。

この措置の利点として、公知の校正器構想を採用することができる。

ステップａ）において前記可撓性は、有利なことに、選択的にサンプル校正体で測定することによって確定し、または校正体モデルで有限要素法（ＦＥＭ）によって確定することができる。

好ましくはさらに、ステップｄ）において、１点で確定された前記可撓性は、測定された測定力と突き合わされ、特に、ステップｄ）後に、前記プローブでワークの表面が計測され、次に、突き合わされた前記可撓性は、前記ワークの計測時に確定された測定値から差し引かれる。

これらの措置の利点として、補正は簡単に行うことができる。

さらに、ステップｂ）において、前記データセットが行列の態様で記憶されるとき、特別簡単な補正が得られる。

最後に、前記校正体が所定の空間的測定範囲の中心に配置されるとき、良好な作用が達成される。

座標測定機構成要素の、測定力に依存した変形は、この空間的範囲内で概ねその平均値に達する。それゆえ、前記措置は、これらの変形が校正時に一緒に考慮されるという利点を有する。これらの変形は、例えば、接触ピンの可撓性校正時に、接触ピンの変形パラメータに一緒に取り込まれ、こうして測定時に部分的に補償することができる。それに対して従来は、校正体の可撓性を補正することなく、校正体を極力短く、従って測定範囲の縁に固定することが試みられた。

その他の利点は、明細書および添付図面から明らかとなる。

自明のことであるが、前記特徴および以下になお説明する特徴は、その都度記載した組合せにおいてだけでなく、本発明の枠から逸脱することなく別の組合せや単独でも応用することができる。

本発明の実施例が図面に示してあり、以下の明細書で詳しく説明される。

先行技術による座標測定機の略斜視図である。 本発明に係る方法を説明するための校正装置の拡大側面図である。 本発明に係る方法の枠内で使用されるような測定点を備えた校正ボールの図である。

図１において、符号１は公知のブリッジ構造の座標測定機全体である。座標測定機１が１つの測定テーブル２を有し、この測定テーブルでブリッジ３が水平方向に、いわゆるｙ軸に沿って移動可能である。ブリッジ３のクロスビームでキャリッジが水平方向に、いわゆるｘ軸に沿って移動する。キャリッジ４内でやはりスピンドル５が垂直方向に、いわゆるｚ軸に沿って移動する。軸ｘ，ｙ，ｚは直角座標系を形成する。

スピンドル５の下端にあるプローブ６は、接触ピン７となって成端し、接触ピンの自由端に接触ボール８がある。

プローブ６もしくは接触ピン７は、図１で垂直に下方に延びている。プローブ６は通常、プローブもしくは接触ピン７を垂線に対して傾斜させ、および／または、垂線の周りで回転させることもできるように回転継手を備えておくことができる。ブリッジ３、キャリッジ４およびスピンドル５の移動と接触ピン７の傾斜および回転とによって、測定テーブル２の上方の所定の測定空間内で固定されたワーク９の任意のあらゆる点に、任意のほぼあらゆる方向から接近することがこうして可能である。

プローブ６によって確定される測定値、すなわち、ワーク９の１測定点の空間座標は、制御測定兼評価ユニット１０へと伝えられ、このユニットは、それ自体利用者によって測定兼評価計算機を介して制御装置１１で制御可能である。

測定テーブル２上に、好ましくは、測定範囲の中心になお校正装置１６があり、本発明の枠内でこの校正装置は、それが座標測定機１と脱離可能に結合されているとしても座標測定機の要素とみなされる。

校正装置１６は規定された形状の校正体、特に校正ボール１８を含む。測定範囲の内部で校正ボールの位置が既知であるので、プローブ６は校正することができる。この校正は、接触ボール８が校正ボール１８の表面の規定された１点に向かって移動し、その際に測定されたこの点の空間座標がこの点の既知の実際の空間座標と比較されることによって行われる。その際に生じる差はワーク９での後続測定時に考慮される。

図２は、校正ボール１８での接触過程を拡大して示している。この（誇張して示した）状況から認めることができるように、接触ピンは、左方向に歪み、同時に校正ボールは、破線で示したその出発位置１８から離間位置１８’へと歪む。その際、同時に校正ボールの取付具も２２から２２’へと歪む。さらに、接触ボール８の当接によって、校正ボール１８の表面２６も変形することがある。これらの過程が本発明の枠内で全体に「可撓性」と称される。

容易にわかるように、プローブ６、特に接触ピン７の、測定力に依存した歪みの過程は、校正ボール１８の取付具２２の変形および校正ボール自体の変形から切り離すことができない。つまり、先行技術に従って処理し、この変形を無視すると、確定されたテンソルは、接触ピン７の変形を含むだけでなく、校正ボール１８の変形も含むことになり、その場合、一般に剛性の実際のワークが間違って測定されることになろう。

本発明によれば次に上で定義した可撓性が、まず第１ステップにおいて確定される。この確定は校正ボール１８の実際のサンプルとその取付具２２とに基づいて、実験室実験によって行うことができる。しかしながら、選択的に可撓性は、相応するモデルに基づいて有限要素法（ＦＥＭ）によって計算することもできる。

可撓性は、校正ボール１８の表面２６の多数の点２８で確定される。これらの点は好ましくは、図２に例示するように表面２６に均一に配設されている。点２８の数は校正ボール２８の大きさに応じて、また希望する精度に応じて、広い範囲内で決めることができる。

こうして確定された可撓性は、次に第２ステップにおいてデータセットとして記憶される。この記憶は、好ましくは行列の態様で行われる。

例えば、実験室実験において、または所定点２８ｉでの有限要素計算によって、ｘ方向とｙ方向で０．００１ｍｍ／Ｎ、ｚ方向で０．０００２ｍｍ／Ｎの可撓性が確定されたなら、当該可撓性について次の行列が得られる：

補正値ｋ’（ｘ’ｉ，ｙ’ｉ，ｚ’ｉ）を確定するには、表面２６上の各点２８についてこの行列Ｎに力ベクトルｆを掛け、その解を、プローブ６によって測定された測定値ｋ（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）から差し引く：
ｋ’＝ｋ−Ｎ・ｆ
こうして補正された測定値はプローブ６の剛性の判定を可能とする。

そのことが図２に補正段３０で示唆してある。補正段３０の第１入力端子３２に行列Ｎが供給される。第２入力端子３４には、プローブ６の測定値ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉが印加される。次に補正段３０の出力端子３６から補正済み測定値ｘ_ｉ’，ｙ_ｉ’，ｚ_ｉ’を取り出すことができる。

力ベクトルは、プローブシステム内で使用されるセンサに応じて、さまざまな値から確定することができる。プローブが能動的測定力発生器を有する場合力ベクトルは、測定力発生器のパラメータから、例えば、測定力用コイルの場合これらのコイルに印加される電圧から、確定することができる。その場合、補正段３０の入力端子３４に印加される測定値は、力値を直接表すことができる。

このようなアクチュエータなしのプローブの場合、これらの目的にとって十分な既知の可撓性を有するばね要素が、一般に設けられる。測定力は、センサ変位量とこの既知の可撓性とから計算することができる。その場合、補正段３０の入力端子３４に印加される測定値は、センサ変位量を表すことができる。その場合補正段３０は変位量からの力ベクトルの計算を含む。

選択的に、補正段３０は力ベクトル用の他の入力端子を補充することもできる。

他の代案として、可撓性を判定するために弾性有限要素で処理することもでき（図示せず）、これらの要素は、校正ボール１８の下端と校正ボール１８を担持する軸部３８とにそれぞれ取付けられている。これらの要素は、直進自由度もしくは回転自由度を有する。測定力と各点２８の位置とから、次に、これら弾性有限要素の周りでのモーメントを計算することができる。可撓性値による各ノードは、傾動については有効モーメントによって、また摺動については有効力によって記述することができる。

やはり本発明の対象である当該方法でもって、ワーク９の可撓性が既知である場合、本来の測定中にワークの変形は補正することもできる。

この補正は、まずワーク９の表面の所定点で機械的可撓性を確定することによって行われる。次に、確定された可撓性は、データセットの態様で記憶される。ワーク９の計測時に、ワークはプローブ６によって点状に走査され、プローブ６の確定された測定値がデータセットＮで補正される。

Claims (10)

1. １つのプローブ（６）と、１つの校正体と、前記プローブ（６）によって記録された測定値（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）を記録し、かつ、座標測定機の諸要素の事前に確定された変形パラメータに依存して補正するための１つの装置（１０，１１，３０）と、を有する座標測定機（１）の測定値を補正するための方法において、
   ａ）前記校正体の表面（２６）の所定点（２８）で機械的可撓性を確定するステップ、
   ｂ）確定された前記可撓性をデータセット（Ｎ）の態様で前記装置に記憶するステップ、
   ｃ）前記校正体を前記プローブ（６）によって点状に走査するステップ、
   ｄ）ステップｃ）で確定された前記プローブ（６）の測定値を前記データセット（Ｎ）で補正することによって前記プローブ（６）を校正するステップを特徴とする方法。
2. 前記校正体として校正ボール（１８）が使用されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. ステップａ）において、サンプル校正体で測定することによって、前記可撓性が確定されることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. ステップａ）において、校正体モデルで有限要素法によって前記可撓性が確定されることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
5. ステップｄ）において、１点（２８）で確定された前記可撓性は、測定された測定力と突き合わされることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項または複数項記載の方法。
6. ステップｄ）後に前記プローブ（６）でワーク（９）の表面が計測され、次に、突き合わされた前記可撓性が前記ワーク（９）の計測時に確定された測定値から差し引かれることを特徴とする、請求項４記載の方法。
7. ステップｂ）において、前記データセットが行列の態様で記憶されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項または複数項記載の方法。
8. 前記校正体が、所定の空間的測定範囲の中心に配置されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項または複数項記載の方法。
9. １つのプローブ（６）と、前記プローブ（６）によって１つのワーク（９）で記録された測定値（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）を記録し、かつ、事前に確定された変形パラメータに依存して補正するための１つの装置（１０，１１，３０）と、を有する座標測定機の測定値を補正するための方法において、
   ａ）前記ワーク（９）の表面の所定点で機械的可撓性を確定するステップ、
   ｂ）確定された前記可撓性をデータセット（Ｎ）の態様で前記装置に記憶するステップ、
   ｃ）前記ワーク（９）を前記プローブ（６）によって点状に走査するステップ、
   ｄ）ステップｃ）で確定された前記プローブ（６）の測定値を前記データセット（Ｎ）で補正するステップを特徴とする方法。
10. １つのプローブ（６）と、前記プローブ（６）によって記録された測定値（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）を記録し、かつ、事前に確定された変形パラメータに依存して補正するための１つの装置（１０，１１，３０）と、を有する座標測定機において、前記装置（１０，１１，３０）が、請求項１〜９のいずれか１項、または、複数項記載の方法を実施するように形成されていることを特徴とする座標測定機。

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