JP2016534364A - 測定方法 - Google Patents

Abstract

工作機械などの座標位置決め装置を使用して物体を測定する方法が、説明される。方法は、座標位置決め装置をタッチトリガモードにおいて作動させて物体の表面上の１または複数のタッチトリガ測定点（５０；１００；１１８）の位置を測定するステップを含む。座標位置決め装置はまた、走査モードにおいて作動されて、複数の走査された測定点（５２）の位置を物体の表面上の走査通路に沿って測定し、走査モード測定値は、物体接触スタイラス（１２）を有する走査プローブ（４）を用いて取得される。タッチトリガモード測定値と走査モード測定値の間の相違を記述する少なくとも１つの補正（Δｉ；Ｖ、Ｒ；Δｒ）が、次いで、算出される。このようにして、タッチトリガ測定値は、走査測定値を補正するために使用される。

Description

本発明は、走査プローブを備える座標位置決め装置を用いて物体を測定することに関し、詳細には、本発明は、タッチトリガモードおよび走査モードの測定を用いて物体を測定する方法に関する。

工作機械、座標測定機械または工業ロボットなどの座標位置決め装置で使用することができるさまざまな測定プローブが、知られている。接触測定プローブは、通常、プローブハウジングと、プローブハウジングに対して偏向され得るスタイラスと、スタイラス偏向を測定するためのセンサまたは複数のセンサとを備える。

時にデジタルプローブと称されるタッチトリガプローブは、１つの知られているタイプの測定プローブである。タッチトリガプローブは、静止位置（たとえばスタイラス先端部が、物体の表面に接触するように移動されたとき）からのスタイラスの切り替えおよび偏向によってトリガ信号が発せられるときに動作するのみである。座標測定装置は、トリガ信号が発せられた瞬間に機械座標系（ｘ、ｙ、ｚ）におけるタッチトリガプローブの位置を測定し、それによって（適切な較正により）物体の表面上の点の位置を測定することを可能にする。タッチトリガプローブは、こうして、物体の表面と接触するように、また非接触になるように繰り返し駆動されて物体の点ごとの位置の測定を行う。

一般的にアナログプローブと称される走査プローブは、別のタイプの測定プローブである。代表的なアナログプローブは、スタイラス偏向のあらゆる大きさおよび方向の両方を測定することができる偏向センサを含む。たとえば、アナログ測定プローブは、３つの相互に直交する方向のスタイラス先端部の偏向に関する３つの出力信号を生成することができる。これは、スタイラス先端部の位置を、たとえば局所的またはプローブ（ａ、ｂ、ｃ）座標系において、プローブハウジングに対して連続的に測定することを可能にする。測定されたスタイラス先端部位置（ａ、ｂ、ｃ）と機械座標系（ｘ、ｙ、ｚ）における走査プローブの知られている位置との組み合わせにより、スタイラス先端部の位置を、これが物体の表面上の通路に沿って移動されまたは走査されるときに測定することが可能になる。このようにして、物体の表面上の非常に多くの点が、測定され得る。

国際公開第２０１１／１０７７２９号パンフレット 米国特許第７０８６１７０号明細書

タッチトリガプローブは、これらが、非常に高精度のタッチトリガモード測定を提供することができるという利点を有するが、プローブを、測定される物体の表面と繰り返し接触させ、または非接触にさせる必要があるプロセスは、比較的遅い。走査プローブは、多くの走査モード測定点を、プローブが物体の表面上の通路に沿って駆動されるときに収集することを可能にするが、各々の点の精度は、通常、タッチトリガモード測定を用いて達成することができるものより低い。走査プローブのコストおよび複雑性はまた、特に厳しい工作機械環境において高精度の測定を提供するように設計される場合、法外に高くなり得る。

本発明の第１の態様によれば、座標位置決め装置を使用して物体を測定する方法であって、任意の適切な順序で、
ａ）座標位置決め装置をタッチトリガモードで作動させて、物体の表面上の１または複数のタッチトリガ測定点の位置を測定するステップと、
ｂ）座標位置決め装置を走査モードで作動させて、複数の走査された測定点の位置を物体の表面上の走査通路に沿って測定するステップであって、走査モード測定値は、物体接触スタイラスを有する走査プローブを用いて取得される、ステップと、
ｃ）ステップ（ａ）のタッチトリガモード測定値とステップ（ｂ）の走査モード測定値との間の相違を記述する少なくとも１つの補正を算出するステップと
を含む、方法が、提供される。

本発明は、こうして、タッチトリガモードおよび走査モードの両方で作動する座標位置決め装置を用いて物体を測定する方法を含む。特に、物体の表面上の１または複数のタッチトリガ測定点は、座標位置決め装置を用いてタッチトリガモードにおいて取得され、複数の走査された測定点もまた、座標位置決め装置を用いて走査モードにおいて、走査プローブの物体接触スタイラスを物体の表面上の走査通路に沿って移動させることによって取得される。

タッチトリガモードでは、座標位置決め装置は、測定プローブを使用して物体の表面上の１または複数のタッチトリガ測定点を取得する。上記で説明したように、タッチトリガ測定点は、測定プローブを物体の表面に向けて、物体の表面上の点と特定の空間関係が得られるまで移動させることによって取得される。偏向スタイラスを有する接触タッチトリガ測定プローブの場合、測定プロセスは、測定プローブを表面に向けて、スタイラスと物体の間の接触がスライラスの検出可能な偏向を引き起こすまで移動させるステップを含む。トリガ信号が、次いで、測定プローブによって発せられて、表面との接触が行われたことを示す。トリガ信号が発せられた瞬間の座標位置決め装置内の測定プローブの位置により、任意の適切な較正を用いて、スタイラスによって接触された物体の表面上の点の位置（すなわちタッチトリガ測定点）を算出することが可能になる。複数のそのようなタッチトリガ測定点は、スタイラスを物体の表面上のさまざまな点と接触するように繰り返し移動させることによって取得され得る。

走査モードでは、座標位置決め装置は、物体接触スタイラスを有する走査プローブを使用して物体の表面上の走査通路に沿って複数の点を測定する。換言すれば、走査プローブのスタイラスの先端部は、物体と接触させられ、次いで、物体の表面上の通路に沿って移動される（たとえば、押されるまたは引っ張られる）。走査された測定点は、物体の表面上の通路が横断されるときに収集される。走査モードで測定された物体は、タッチトリガモードで測定された同じ物体である。さらに、物体は、好ましくは、走査モード測定を行うときとタッチトリガモード測定を行うときとの間で移動されず、たとえば、物体は、走査およびタッチトリガのモード測定値が取得される間、座標位置決め装置の同じ固定具またはクランプ内に締め付けられたままである。また、タッチトリガモード測定値および走査モード測定値は、任意の適切な順序で取得されてよく、たとえば、タッチトリガモード測定または走査モード測定は、最初に行われてよい。

物体をタッチトリガモードおよび走査モードの両方で測定した後、タッチトリガモードと走査モードの測定値間の相違を記述する少なくとも１つの補正を算出することを含むステップ（ｃ）が、実行される。少なくとも１つの補正は、したがって、タッチトリガモードと走査モードにおいて行われた測定間のあらゆる変動を記述する。以下で説明するように、少なくとも１つの補正は、点ごとベースでタッチトリガモードと走査モードにおいて行われた位置測定間の相違を記述する誤差マップまたは関数を含むことができる。あるいは、少なくとも１つの補正は、座標位置決め装置の座標系における物体の測定された位置および／または配向における相違、またはタッチトリガモードおよび走査モードにおいて行われた位置測定から決定された物体のフィーチャの測定された幾何学的特性（たとえば、物体内に形成された孔の測定された半径）における相違を記述することができる。

タッチトリガモード測定値は、通常、走査モード測定値よりすぐれた位置的精度を有する。走査モード測定値の精度は低くなり得るが、これらは通常反復可能である。ステップ（ｃ）において算出された少なくとも１つの補正は、したがって、走査モード測定値を補正するために使用され得る。たとえば、少なくとも１つの補正は、同じ物体のその後の走査モード測定値および／または名目上その物体と同一の別の物体の走査モード測定値を補正するために使用されてよい。このようにして、走査モード測定値の精度は、走査モード作動に関連付けられた高速の測定の利点を維持しながら、改良され得る。

有利には、ステップ（ｂ）の走査通路は、１または複数のタッチトリガ測定点を名目上通り抜けるように配置される。このようにして、物体の表面上の同じまたは非常に近くに位置する点が、タッチトリガモードおよび走査モードにおいて測定され得る。少なくとも１つの補正は、走査された測定点とタッチトリガ測定点との間の位置的逸脱をこうして好都合に記述することができる。

好都合には、方法は、ステップ（ｃ）の少なくとも１つの補正を使用してステップ（ｂ）の測定値を補正するステップを含む。以下でより詳細に説明するように、ステップ（ｃ）は、ステップ（ａ）中に取得された少数の精密なタッチトリガ測定点と、ステップ（ｂ）において取得された走査測定点のいくつかを比較して少なくとも１つの補正を生成することを含むことができる。ステップ（ｃ）において算出された補正は、次いで、ステップ（ｂ）の走査測定点のすべてに適用され得る。このようにして、高密度の改良された精密な測定点が、ステップ（ｃ）において決定された少なくとも１つの補正を用いてステップ（ｂ）の測定値から生成され得る。

方法は、単一の物体を測定するために使用され得る。有利には、方法は、名目上同一の一連の物体内の第１の物体である物体に適用される。たとえば、物体は、名目上同一の一連の部材を生み出すことを目的とする生産工程内で作製された１つの部材でよい。方法は、次いで、座標位置決め装置を走査モードで作動させて一連の物体内の１または複数の別の物体を測定するステップを含むことができる。ステップ（ｃ）において算出された少なくとも１つの補正が、次いで、１または複数の別の物体の各々の走査モード測定値に適用され得る。

少なくとも１つの補正は、タッチトリガモードと走査モードの測定値間の相違を任意の適切な方法で記述することができる。たとえば、少なくとも１つの補正は、走査された測定点とタッチトリガ測定点の間の１または複数の位置的逸脱を記述することができる。好都合には、少なくとも１つの補正は、ステップ（ｂ）において取得された、走査された測定点およびステップ（ａ）において取得された対応するタッチトリガ測定点の位置における相違を定義する誤差マップまたは関数を含む。少なくとも１つの補正は、こうして、複数の走査された測定値のいくつかまたはすべての位置を補正してタッチトリガ測定点に対応させるために使用され得る。

少なくとも１つの補正は、上記で説明したように、走査された測定点とタッチトリガ測定点の間の位置的逸脱を直接的に定義することができる。あるいは、補正は、タッチトリガ測定点から導出された物体の特性と、走査測定点から導出された物体の対応する特性との間の相違を記述することができる。

有利には、ステップ（ａ）は、１または複数のタッチトリガ測定点を使用して、物体の位置および配向の少なくとも１つを座標位置決め装置の座標系において決定することを含む。タッチトリガモードにおける物体の位置および／または配向の測定は、物体を切断する前に工作機械上でセットアップまたはデータム設定するステップとして使用され得る。上記で述べたように、タッチトリガ測定値の取得は、走査モード測定値と比べて比較的遅く、たとえば、これは、物体の位置および配向を機械座標系において確立するのに十分なタッチトリガ点を取得するのに２０〜３０秒かかり得る。

ステップ（ｂ）は、次いで、走査された測定点を使用して物体の位置および配向の少なくとも１つを座標位置決め装置の座標系において決定することを含むことができる。換言すれば、物体の同じ位置および／または配向が、走査モード測定値を用いて見出され得る。走査モード測定プロセスは、反復可能であり、タッチトリガモード測定より速いが（たとえば走査モード測定走査にかかる時間は、１０秒未満になり得る）が、走査された測定点は、より低い精度を有しやすい。そのような走査モード測定値から導出された位置／配向情報は、したがって、タッチトリガモードの位置および配向情報とは異なりやすい（たとえば、これより精度が低くなりやすい）。

ステップ（ｃ）は、したがって好都合に、ステップ（ａ）において決定された位置および配向の少なくとも１つと、ステップ（ｂ）において決定された位置および配向の少なくとも１つとの間の相違を定義する少なくとも１つの補正を算出することを含むことができる。少なくとも１つの補正は、したがって、タッチトリガモードおよび走査モードの測定値から導出された物体の位置および／または配向における相違を記述するベクトルまたはオフセット値を含むことができる。上記で概説したように、この補正（たとえばベクトルまたはオフセット値）は、補正を確立するために使用された第１の物体と名目上同一である別の物体の走査モード測定値に適用され得る。これにより、別の物体の位置および／または配向を、より速い走査モード測定を用いて、ただし（補正後の）精度を、タッチトリガモード測定を使用して得ることができるものに近づけて確立することが可能になる。

本発明はまた、物体のフィーチャの幾何学的特性を測定することにも適用され得る。好都合には、ステップ（ａ）は、１または複数のタッチトリガ測定点（またはより好ましくは複数のそのようなタッチトリガ測定点）を使用して物体の１または複数のフィーチャに関連付けられた少なくとも第１の基準幾何学的特性を決定することを含む。第１の基準幾何学的特性は、たとえば、単一のフィーチャに関連付けられた幾何学的特性（たとえば、円筒状孔の直径または真円度）または、複数のフィーチャ間の関係を記述する幾何学的特性（たとえば表面などの２つのフィーチャの傾斜度、平行度、または直角度）を含むことができる。ステップ（ｂ）は、次いで、走査された測定点を使用して、物体の１または複数のフィーチャに関連付けられた、少なくとも第１の走査された幾何学的特性を決定することを含むことができ、第１の走査された幾何学的特性は、第１の基準幾何学的特性に対応する。

ステップ（ａ）および（ｂ）の後、次いで、第１の基準幾何学的特性と第１の走査された幾何学的特性の間の相違を定義する少なくとも１つの補正を算出することを含むステップ（ｃ）が続けられ得る。これは、たとえば、第１の走査された幾何学的特性を対応する第１の基準幾何学的特性と比較して（すなわち、タッチトリガモードおよび走査モードの測定値から導出された同じ幾何学的特性が比較されて）第１の特性補正値を得ることを含むことができる。そのような第１の特性補正値は、物体の測定された幾何学的特性における相違を記述し、物体の表面上の個々の走査された測定点およびタッチトリガ測定点の位置における逸脱は記述しないことに再度留意されたい。

上記で概説したように、本発明の方法は、座標位置決め装置を使用して、名目上同一の一連の物体における１または複数の別の物体の１または複数のフィーチャを測定することを含むことができる。各々の別の物体に対して、別の測定された幾何学的特性を決定することを可能にする走査モード測定が行われてよく、各々の別の測定された幾何学的特性もまた、第１の基準幾何学的特性に対応する。方法は、次いで、第１の特性補正値を各々の別の測定された幾何学的特性に適用するステップを含むことができる。換言すれば、補正された幾何学的特性は、第１の特性補正値を用いて、一連の中の各々の別の物体に対して生み出され得る。フィーチャ比較および補正技術は、その内容が参照によって本明細書に組み込まれる特許文献１において本発明の出願人によって以前に説明されている。

本発明の方法は、走査プローブおよび別個のタッチトリガプローブを備える座標位置決め装置を用いて実施され得る。さまざまなプローブが、座標位置決め装置の中空軸または主軸に交換可能に取り付けられて、必要に応じて、タッチトリガモードまたは走査モードにおける作動を可能にすることができる。あるいは、座標位置決め装置の走査プローブは、走査モードおよびタッチトリガモードの両方において作動可能である二重モードプローブになることができる。好ましい実施形態では、二重モードプローブは、タッチトリガモード出力（たとえば、スタイラスが偏向されたときに状態を変更するトリガ信号）および別個の走査モード出力（たとえばスタイラス偏向の大きさおよび任意選択により方向を示す１または複数の信号）を生成する。あるいは、プローブによって取得された偏向測定値は、プローブに連結された関連する制御装置またはインターフェース内で処理されてタッチトリガ出力を提供することができる。二重モードプローブは、スタイラス偏向の大きさ（および任意選択により方向）を測定するための走査センサを含むことができる。二重モードプローブは、走査センサ、またはタッチトリガモードにおいて作動するときにスタイラスの偏向を感知するための別個のセンサを使用することができる。特許文献２において説明されたタイプの測定プローブが、好都合に使用され得る。

走査プローブは、スタイラス偏向の大きさおよび方向を測定することを可能にするセンサを備えることができる。たとえば、３つのプローブ出力は、３つの相互に直交する方向（ｘ、ｙおよびｚ）の偏向を記述することができる。あるいは、２つの直交する方向（たとえば、ｘおよびｙ）の偏向が、プローブによって出力され得る。

１つの実施形態では、走査モード測定値は、多方向単一出力走査プローブを備える走査プローブを用いて取得され得る。多方向単一出力走査プローブは、プローブハウジングおよび偏向センサを備えることができる。スタイラスは、プローブハウジングに対して偏向可能になり得る。有利には、スタイラスは、プローブハウジングに対して、２つの相互に垂直な方向のいずれか、または３つの相互に垂直な方向のいずれかに偏向され得る。偏向センサは、静止位置からのスタイラス偏向の大きさのみを示す単一の出力値を生成することができる。そのようなプローブのさらに好ましい実施形態が、以下で説明される。

そのような測定プローブの例は、ドイツ国のＢｌｕｍ Ｎｏｖｏｔｅｓｔ ＧｍｂＨ社によって販売されるＴＣ７６−ＤｉｇｉｌｏｇおよびＴＣ６４−Ｄｉｇｉｌｏｇプローブである。Ｄｉｇｉｌｏｇプローブは、これらが、スタイラス偏向の量を測定するが、これらは、（スタイラス偏向の方向ではなく）スタイラス偏向の大きさを測定することのみ可能にする測定センサを含む意味の走査プローブである。これらのプローブは、こうして多方向である（すなわち、スタイラス先端部が、多方向に偏向され得る）が、これらは、スタイラス偏向の（方向ではなく）大きさに関する単一の出力のみを提供する。Ｂｌｕｍ ＤｉｇｉｌｏｇプローブのＴＣ７６−ＤｉｇｉｌｏｇおよびＴＣ６４−Ｄｉｇｉｌｏｇは、したがって、多方向単一出力走査プローブの例である。そのような多方向単一出力走査プローブの別の例は、イタリア国、Ｍａｒｐｏｓｓによって販売されるＧ２５プローブである。現在まで、そのようなプローブは、公差確認または低い測定精度のみを必要とする用途にのみ使用されてきた。しかし、本発明は、そのようなプローブをより高精度の測定タスクに使用することを可能にする。

多方向単一出力走査プローブが使用される場合、ステップ（ｂ）の測定点は、スタイラス偏向の大きさに関連付けられる走査プローブの単一の出力を、多方向単一出力走査プローブの位置を機械座標系において記述する、測定されたまたは推定された機械座標と組み合わせることによって算出され得る。各々の走査された測定点の算出は、次いで、スタイラス偏向の推定された方向を使用することができる。

座標位置決め装置は、好ましくは、工作機械を備える。工作機械はまた、物体から材料を除去する（切断する）ための１または複数の切削工具を備えることもできる。以下で説明される本発明の第２、第３、第４、または第５の態様の好ましいまたは必須の特徴のいずれも、本発明の第１の態様に適用され得る。

本発明の第２の態様によれば、多方向単一出力走査プローブを備える座標位置決め装置を用いて物体を測定する方法であって、任意の適切な順序で、
ａ）物体の表面上の１または複数の参照点の位置を座標位置決め装置の機械座標系において決定するステップと
ｂ）多方向単一出力走査プローブを使用して、多数の測定点の位置を物体の表面上の走査通路に沿って測定するステップであって、走査通路は、１または複数の参照点を通り抜ける、またはその近くを通るように配置される、ステップと、
ｃ）各々の参照点および対応する測定点の位置における相違から少なくとも１つの補正を算出するステップと
を含む、方法が、提供される。

本発明の第２の態様は、こうして、多方向単一出力走査プローブを用いて物体を測定する改良された方法を提供する。ステップ（ａ）では、物体の表面上の１または複数の参照点が、決定される。これは、たとえば、知られている方法で物体のタッチトリガ測定を行うことを含むことができる。ステップ（ｂ）は、多方向単一出力走査プローブを用いて物体の表面上の走査通路に沿って走査を実行することを伴う。この通路に沿った多数の（たとえば何百または何千もの）測定点が、次いで、収集され得る。走査通路は、ステップ（ａ）の１または複数の参照点を通り抜ける、またはその近くを通るように配置される。ステップ（ｃ）では、ステップ（ａ）および（ｂ）において測定された参照点と測定点の間の位置における相違が、（たとえば、補正値、誤差マップまたは関数などの形態の）１または複数の補正を生成するために使用される。これらの補正は、抗力関連の要因を考慮するために、ステップ（ｂ）において収集された測定点が補正される（オフセットまたはシフトされる）ことを可能にする。ステップ（ａ）は、ステップ（ｂ）の前または後に実行されてよいことに留意されたい。しかし、ステップ（ｃ）は、ステップ（ａ）および（ｂ）の結果を使用し、したがって、これらのステップ後に実行される。

有利には、方法は、ステップ（ｃ）の少なくとも１つの補正を使用して、ステップ（ｂ）の測定点の各々を補正して多数の補正された測定点を提供する、追加のステップ（ｄ）を含む。このようにして、表面を精密に定義する補正された測定点が、提供される（すなわち抗力関連の誤差が、低減される）。

好都合には、多方向単一出力走査プローブは、プローブハウジングと、プローブハウジングに対して偏向可能であるスタイラスと、偏向センサとを備える。好ましくは、偏向センサは、静止位置からのスタイラス偏向の大きさのみを示す単一の出力値を生成する。これは、定義により、単一出力プローブを規定する。単一センサ出力は、多数の信号を提供するように処理され得ることに留意されたい。有利には、偏向センサは、光学センサを備える。

多方向単一出力走査プローブのスタイラスは、多方向に（すなわち２つ以上の方向に）偏向可能である。好ましくは、スタイラスは、２つの方向またはそれ以上の方向に偏向可能である。誤解を避けるために、ＬＶＤＴは、単一の方向に偏向し、感知し、したがって、多方向定義には入らない。スタイラス偏向の方向の数は、したがって、偏向測定出力の数を超える。好ましくは、多方向単一出力走査プローブは、全方向性であり、それにより、スタイラスは、プローブハウジングに対して、３つの相互に垂直な方向の任意の１または複数に偏向され得る。有利には、多方向単一出力走査プローブは、スタイラス偏向の（方向ではなく）大きさのみを測定する。

有利には、ステップ（ｂ）の測定点は、スタイラス偏向の大きさに関連付けられる走査プローブの単一出力を、多方向単一出力走査プローブの位置を機械座標系において記述する機械座標と組み合わせることによって算出される。好ましくは、各々の測定点の算出は、スタイラス偏向の推定された方向を使用する。ステップ（ｃ）において算出された少なくとも１つの補正は、好ましくは、スタイラス偏向の推定された方向とスタイラス偏向の実際の方向との間の相違を補正する。物体の表面とスタイラス先端部の間の摩擦に関連付けられるスタイラスの滑りまたは抗力の影響は、こうして、少なくとも１つの補正を用いて補償され得る。

好ましくは、複数の参照点が、走査通路に沿って分散され、補正が、各々の参照点に対して算出される。各々の補正は、走査通路のセグメントに関連づけられ得る。各々の補正は、次いで、その関連付けられたセグメントのすべての測定点を補正するために使用され得る。各々のセグメントの広がりは、好ましくは、測定される物体の１または複数の公称特性に基づく。たとえば、セグメントは、予想される表面特性または表面形状を参照することによって画定され得る。

方法のステップ（ａ）は、任意の知られている技術を使用して物体上の参照点（すなわち離散点）を測定することを含むことができる。ステップは、測定のために座標位置決め装置を使用することを含むことが、好ましい。方法のステップ（ａ）は、こうして好都合には、座標位置決め装置によって担持されたタッチトリガプローブ（たとえば、多方向単一出力走査プローブとは異なるプローブ）を用いて１または複数の参照点を測定することを含むことができる。好ましくは、多方向単一出力走査プローブはまた、タッチトリガモードで作動可能であり、ステップ（ａ）は、タッチトリガモードで作動される多方向単一出力走査プローブを用いて１または複数の参照点を測定することを含む。タッチトリガ測定は、好ましくは、プローブを、知られている表面垂線方向との関係を有する方向に沿って物体の表面に押し入れることによって行われる。好ましくは、タッチトリガ測定は、プローブを、表面垂線方向に沿って物体の表面に押し入れることによって行われる。スタイラス滑りの影響は、こうしてタッチトリガ測定において回避され得る。上記で説明したタイプのＢｌｕｍ ｄｉｇｉｌｏｇプローブが、好都合に使用され得る。タッチトリガ測定プロセスが使用される場合、タッチトリガ較正プロセスを実行する最初のステップが、実施され得る。

座標位置決め装置は、任意のそのような装置を備えることができる。好ましくは、座標位置決め装置は、工作機械を備える。

本発明の第３の態様によれば、測定プローブを備える座標位置決め装置を用いて物体を測定する方法であって、測定プローブは、走査モードまたはタッチトリガモードで作動され得る多方向単一出力走査プローブであり、方法は、測定プローブを用いてタッチトリガモードにおいて取得された物体の測定値を使用して、測定プローブを用いて走査モードにおいて取得された物体の測定値を補正するステップを含む、方法が、提供される。本発明の第１または第２の態様の好ましい、または必須の特徴のいずれも、本発明のこの第３の態様に適用され得る。

本発明の第４の態様によれば、偏向可能なスタイラスを有する多方向単一出力走査プローブを備える座標位置決め装置を用いて物体を測定する方法であって、スタイラスが物体の表面上の通路に沿って走査されるときにスタイラス偏向の方向を算出するステップを含み、スタイラス偏向の方向は、多方向単一出力走査プローブによって測定された物体上の１または複数の点の位置と、これらの１または複数の点の知られている位置とを比較することによって算出される。本発明の第１、第２、または第３の態様の好ましい、または必須の特徴のいずれも、本発明のこの第４の態様に適用され得る。

本発明の第５の態様によれば、走査プローブを備える座標位置決め装置を用いて物体を測定する方法であって、走査プローブは、偏向スタイラスと、スタイラス偏向の大きさのみを示す単一の出力値を生成する偏向センサとを備え、方法は、任意の適切な順序で、ａ）物体の表面上の１または複数の参照点の位置を座標位置決め装置の機械座標系において決定するステップと、ｂ）走査プローブを使用して多数の測定点の位置を物体の表面上の走査通路に沿って測定するステップであって、走査通路は、１または複数の参照点を通り抜ける、またはその近くを通るように配置される、ステップと、ｃ）各々の参照点および対応する測定点の位置における相違から少なくとも１つの補正を算出するステップとを含む、方法が、提供される。本発明の第１、第２、第３、または第４の態様の好ましい、または必須の特徴のいずれも、本発明のこの第５の態様に適用され得る。

本発明はまた、本明細書において説明するさまざまな方法を実施するように配置された装置に及ぶ。

本発明はまた、本発明の第１、第２、第３、または第４の態様による方法を実施するように構成された装置に及ぶ。

本発明は、次いで、添付の図を参照することによって例としてのみ説明される。

測定プローブを備える座標位置決め装置を示す図である。 多方向単一出力測定プローブを示す図である。 スタイラス偏向の方向に対する抗力の影響を示す図である。 参照点および取得された測定点を示す図である。 さまざまな補正が走査通路のさまざまなセグメントにいかにして提供され得るかを示す図である。 物体セットアップ補正を提供することを示す図である。 フィーチャ補正の使用を示す図である。

図１を参照すれば、多方向単一出力走査プローブ４を保持する主軸２を有する（座標位置決め装置の１つの例である）工作機械が、示される。

工作機械は、主軸２を、工作物ホルダ７上に位置する工作物６に対して工作機械の作業領域内で移動させるための、１または複数のモータ（図示せず）などの知られている手段を備える。機械の作業領域内の主軸の場所は、エンコーダなどを用いて知られている方法で精密に測定され、そのような測定値は、機械座標系（ｘ、ｙ、ｚ）において定義された主軸位置データを提供する。工作機械の数値制御装置（ＮＣ）８が、工作機械の作業領域内の主軸２の移動を制御し、主軸位置（ｘ、ｙ、ｚ）に関するフィードバックも受け取る。

多方向単一出力走査プローブ４は、標準的な解放可能な工具シャンク連結を用いて工作機械の主軸２に取り付けられたプローブ本体またはハウジング１０を備える。プローブ４はまた、ハウジングから突起する工作物接触スタイラス１２も備える。ルビースタイラスボール１４が、関連付けられた工作物６と接触するためにスタイラス１２の先端部に設けられる。スタイラス先端部は、プローブハウジング１０に対して任意の方向に偏向することができる（すなわち、これは、ａ、ｂまたはｃ方向の任意の１または複数に偏向可能である）が、プローブ本体１０内のトランスジューサは、ホームまたは静止位置から離れるスタイラス先端部の偏向の大きさに関連付けられる大きさを有する単一の出力信号（Ｒ）のみを生成する。

プローブ４はまた、遠隔インターフェース１８の対応する受信／送信部分と通信する送信／受信部分１６も備える。このようにして、プローブ４からのプローブ偏向の大きさデータ（Ｒ）は、無線通信リンクを介して出力される。工作機械のＮＣ８からの主軸位置データ（ｘ、ｙ、ｚ）およびプローブインターフェース１８によって収集されたプローブ偏向の大きさデータ（Ｒ）が、工作機械のフロントエンドコンピュータ２０に渡される。コンピュータ２０は、次いで、スピンドル位置データ（ｘ、ｙ、ｚ）およびプローブ偏向の大きさデータ（Ｒ）を組み合わせることができる。

次に図２を参照すれば、多方向単一出力走査プローブ４が、より詳細に示される。上記で説明したように、プローブ４は、スタイラス先端部をプローブハウジング１０に対して任意の方向に偏向させることを可能にするスタイラス偏向機構３０を含む。トランスジューサ３２がまた、スタイラス偏向の量のみを測定するために設けられる。この配置は、スタイラス偏向の大きさ（Ｒ）を測定することができるが、トランスジューサからの単一の出力信号は、スタイラス偏向の方向を定義しないことを意味する。したがって、スタイラス先端部が、トランスジューサ３２の出力だけに基づいて配置される場合、不明確さが存在する。図２に示す例では、ａ、ｂ平面内のスタイラス先端部の偏向は、先端部が、円３６上のいずれの場所において配置される場合も、Ｒの同じ出力値を提供する。

次に図３を参照して、多方向単一出力走査プローブ４の先端部を特定の走査速度で物体４０の側部に沿って走査する例を考える。スタイラス先端部１４と物体４０の間のいかなる摩擦もない状態で、スタイラス先端部１４は、（この簡単な例では工作機械のｙ軸と同一場所にある）表面垂線方向ｎに沿って偏向されることが、推定され得る。次いで、スタイラス偏向の方向について推定を行い、それによってスタイラス先端部の位置を一意的に算出することが可能である。

しかし、スタイラス先端部１４と物体４０の間の不可避の摩擦、および先端部が、表面と係合するように押さえられる力の変動は、スタイラス先端部１４上に抗力の影響が存在することを意味する。この抗力は、スタイラス先端部偏向の方向を表面垂線方向から離れるようにシフトさせる。たとえば、抗力により、先端部は、図３に示す位置１４’に配置させられる。抗力の量は、トランスジューサ３２から出力された測定値Ｒから確立することはできず、すなわち、単一の出力からの情報が十分でないため、抗力の影響を表面垂線偏向の変動から分離することはできない。さらに、物体の表面の摩擦は変動し得る。たとえば、物体４０は、異なる表面特性、故に異なる摩擦係数を有する第１および第２の領域４２および４４を含むことができる。

走査通路に沿って起こる抗力における変動は、以前は、多方向単一出力走査プローブが物体の表面上の点の位置を精密に測定する方法において使用されることを不可能にしていた。

図４を参照すれば、上記で説明した工作機械に装着された多方向単一出力走査プローブを用いて物体を走査することを可能にする方法が、説明される。

孔を含むブロックなどの物体は、最初、タッチトリガモードで作動する多方向単一出力走査プローブ４を使用して測定される。特に、プローブ４は、トランスジューサ３２からの単一の出力Ｒが、閾値と比較され、閾値が超えられたときにトリガ信号が発せられるように配置され得る。トリガ信号は、次いで、工作機械制御装置のスキップ入力に送られてタッチトリガ作動を知られている方法で可能にすることができる。プローブ４は、こうして、従来のタッチトリガプローブに等しいタッチトリガモードで作動することができる。特に、プローブ４は、孔の内部表面の円周の周りの複数の異なる点と接触するよう駆動され得る。トリガ信号は、スタイラス先端部が表面上の位置と接触するたびに発せられ、トリガ信号受信時の機械座標系（ｘ、ｙ、ｚ）におけるプローブ４の位置が、タッチトリガ測定点を提供するために使用される。これらのタッチトリガ測定点は、高精度で取得され、こうして、機械座標系において測定された、物体の表面上の少数の精密な参照点５０を提供する。当業者は、そのようなタッチトリガ測定を行うために必要とされる必要な較正ステップなどを理解するであろう。

参照点５０を取得した後、スタイラス先端部１４を孔の円周周りで走査する駆動通路が、定義される。この駆動通路は、スタイラス先端部が、好ましくは表面との接触が走査全体にわたって維持されることを確実にしながら、孔の内部表面上の走査通路に沿って移動するように選択される。走査通路は、タッチトリガ技術を用いて測定された参照点５０を通り抜ける、またはこの近くを通るように選択される。トランスジューサ３２からの出力Ｒが、プローブ４が走査通路に沿って走査されるときに、測定プローブのｘ、ｙ、ｚ位置に沿って記録される。スタイラス偏向Ｒの大きさは、測定プローブのｘ、ｙ、ｚ位置と組み合わせられて、走査通路に沿って一連の測定点を提供し、この組み合わせプロセスは、スタイラス偏向が表面垂線に沿ってまたは表面垂線に対して特定の角度になるという推定を利用する。このプロセスの結果は、図４の実線５２によって示された多数の測定点である。

上記で説明したように、走査プロセス中、測定点を算出するために使用される推定されたスタイラス偏向の方向は、正確になりにくく、また、走査通路に沿って変動しやすい。推定されたスタイラス偏向の方向を用いて生じた誤差は、走査中に取得された測定点（すなわち、実線として示される何千もの測定点５２）が、タッチトリガ測定を用いて導出された参照点５０と一致しないという結果をもたらす。この相違の大きさは、明確にするために、図では非常に誇張されている。

本発明は、参照点５０を、走査通路に沿って走査するときにとられた対応する測定点５２と比較することを含む。参照点５０からの測定点５２の逸脱を記述する補正（Δ_i）が、次いで算出され得る。これらの補正（Δ_i）は、次いで、すべての測定点５２に適用されて補正された測定点５４を生成することができる。このプロセスは、各々の補正（Δ_i）をそれぞれの参照点の近傍の多数の測定点に適用することを含む。複数の補正された測定点５４を示す実線は、次いで、参照点５０を通り抜ける。このようにして、特定のスタイラス偏向の方向を推定することから生じる測定点５２の誤差が、補正（Δ_i）を用いて補正されて、内部孔の形状を画定する多数の補正された測定点５４を提供できることを確認することができる。

図５は、類似のプロセスが、異なる形状の表面５８上でいかにして実行され得るかを示す。表面５８は、異なるサイズのセグメント６２〜６２ｅに分割され、参照点６０ａ〜６０ｅが、各々のセグメント内でタッチトリガ測定手順を用いて測定され得る。セグメントは、表面プロファイルまたは表面仕上げに基づいて選択されてよく、すなわち、表面は、さまざまな量のスタイラス抗力が起こりやすいさまざまなセグメントに分割され得る。表面５８は、次いで、多数の測定点を生成するように走査され、各々のセグメントに対する補正が、関連参照点６０ａ〜６０ｅを用いて算出され得る。各々のセグメント内の測定点は、次いで、そのセグメントの補正を用いて補正され得る。

図６は、工作機械の座標系内の第１の物体の位置および配向が、タッチトリガおよび走査モード測定を用いていかにして見出され得るかを示す。特に、タッチトリガモードにおいてとられた第１の物体の複数のタッチトリガ測定点１００が、示される。第１の物体の公称形状が知られていることを推定して、タッチトリガ測定点１００は、第１の物体の位置および配向が、工作機械座標系内で定義されることを可能にする。実線の箱１０２は、タッチトリガ測定点１００から決定された、第１の物体の位置を示す。

第１の物体は、次いで、走査プローブを使用して走査されて、多数の（たとえば何千もの）走査された測定点（これらは図６に個々に示されない）を生成することができる。走査は、スタイラスを第１の物体周りで、タッチトリガ測定点１００を名目上通り抜ける走査通路に沿って移動させることによって実行され得る。走査された測定点は、次いで、物体の位置（点線の箱１０４として示す）を別個に確立するために使用される。

タッチトリガモードおよび走査モードにおいて測定された物体の位置および配向における相違が、次いで、算出される。この例では、ベクトルＶは、第１の目的のコーナの位置上のシフトを記述し、回転値Ｒは、配向における相違を記述する。位置および配向における相違は、当然ながら、任意の適切な方法で記述され得る。簡単な二次元の例が示されるが、これを三次元で実行することができる（通常は実行する）ことにも留意されたい。

タッチトリガモードと走査モードの測定値間のいかなる相違も、走査モード測定値の誤差から生じやすい。これは、たとえば、多方向単一出力走査プローブを用いるときに行われた推定によるものになり得る。値ＶおよびＲによって定義された補正は、こうして、第１の物体の精密なタッチトリガモードと、それほど精密ではない（しかし反復可能な）走査モードの測定値間の相違を記述する。

補正（すなわち値ＶおよびＲ）を算出した後、第１の物体は、工作機械から取り外され、第１の物体と名目上同一である別の物体が、工作機械上の、第１の物体と名目上同じ位置に配置される。たとえば、第１の物体を保持するために使用された固定具が、この別の物体を保持するために使用され得る。別の物体は、次いで、走査プローブを用いて走査モードにおいて走査され得る。好ましくは、別の物体は、第１の物体と類似の方法で（たとえば同じ走査通路、走査速度などを用いて）走査される。別の物体の位置および配向は、次いで、収集された、走査された測定点から導出され得る。走査された測定点の分析によって得られた別の物体の位置および配向は、次いで、前に確立された補正（すなわち値ＶおよびＲ）を用いて補正され得る。このようにして、別の物体の位置および配向は、走査プローブから生じる誤差に対して補正される。

図７は、第１の物体のフィーチャの幾何学的特性（すなわち半径）が、タッチトリガおよび走査の測定値を用いていかにして見出され得るかを示す。特に複数のタッチトリガ測定点１１８が、物体の孔の内部表面上でとられる。これらのタッチトリガ測定点１１８の分析は、孔の半径ｒｌを（たとえば最良適合方法を用いて）確立するために使用される。第１の物体の同じ孔は、次いで、走査モードで作動する走査プローブを用いて再測定され得る。たとえば、走査プローブのスタイラスは、孔の内側周りの円形通路内で移動され得る。走査された測定点（明確にするために図示せず）の分析が、孔の半径ｒ２を測定するために（たとえば最良適合方法を用いて）使用され得る。半径ｒ１と半径ｒ２の間の相違は、こうして、半径補正係数（Δｒ）を提供する。

第１の物体は、次いで、工作機械から取り外され、第１の物体と名目上同一である別の物体と置き換えられる。別の物体は、次いで、走査プローブを用いて走査モードにおいて走査される。好ましくは、別の物体は、第１の物体と類似の方法で（たとえば同じ走査通路、走査速度などを用いて）走査される。別の物体の孔の半径ｒ３が、走査モード測定値から確立され、次いで、前に決定された半径補正係数（Δｒ）を適用することによって補正され得る。別の物体の孔の補正された半径は、こうして得られる。

簡単な孔が記述されたが、同じ方法は、物体の１または複数のフィーチャの任意の幾何学的特性または複数の幾何学的特性にも適用され得る。たとえば、基準幾何学的特性は、単一のフィーチャに関連付けられた幾何学的特性（たとえば、円筒状孔の直径または真円度）または複数のフィーチャ間の関係を記述する幾何学的特性（たとえば、表面などの２つのフィーチャの傾斜度、平行度、または直角度）を含むことができる。そのような幾何学的特性のさらなる例は、特許文献１に説明されている。

上記の例は、例示的にすぎないことを再度想起されたい。上記の例は、多方向単一出力走査プローブ４の使用を説明しているが、任意のタイプの走査プローブを使用することも可能である。走査プローブは、好ましくは、偏向可能なスタイラスを備えた接触走査プローブである。当業者は、本発明が実施され得るさまざまな方法を理解するであろう。たとえば、測定する順序（タッチトリガの後に走査が続く）は、反転され得る。方法はまた、工作機械以外の座標位置決め装置、たとえば専用の座標測定機械（ＣＭＭ）、ロボットなど上でも実施され得る。

Claims (20)

1. 座標位置決め装置を使用して物体を測定する方法であって、任意の適切な順序で、
   ａ）前記座標位置決め装置をタッチトリガモードで作動させて、前記物体の表面上の１または複数のタッチトリガ測定点の位置を測定するステップと、
   ｂ）前記座標位置決め装置を走査モードで作動させて、複数の走査された測定点の位置を前記物体の表面上の走査通路に沿って測定するステップであって、走査モード測定値は、物体接触スタイラスを有する走査プローブを用いて取得される、ステップと、
   ｃ）ステップ（ａ）の前記タッチトリガモード測定値とステップ（ｂ）の前記走査モード測定値との間の相違を記述する少なくとも１つの補正を算出するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. ステップ（ｂ）の前記走査通路は、前記１または複数のタッチトリガ測定点を名目上通り抜けるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ステップ（ｃ）の前記少なくとも１つの補正を使用して、ステップ（ｂ）の前記測定点の各々を補正する、追加のステップをさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. ステップ（ａ）および（ｂ）において測定された前記物体は、名目上同一の一連の物体内の第１の物体であり、前記方法は、前記座標位置決め装置を走査モードで作動させて前記一連の物体内の１または複数の別の物体を測定するステップと、ステップ（ｃ）において算出された前記少なくとも１つの補正を前記１または複数の別の物体の各々の前記測定値に適用するステップとを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの補正は、ステップ（ｂ）において取得された前記走査された測定点およびステップ（ａ）において取得された対応するタッチトリガ測定点の位置における相違を定義する誤差マップまたは関数を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. ステップ（ａ）は、前記１または複数のタッチトリガ測定点を使用して前記物体の位置および配向の少なくとも１つを前記座標位置決め装置の座標系において決定することを含み、
   ステップ（ｂ）は、前記走査された測定点を使用して前記物体の位置および配向の少なくとも１つを前記座標位置決め装置の座標系において決定することを含み、
   ステップ（ｃ）は、ステップ（ａ）において決定された位置および配向の前記少なくとも１つと、ステップ（ｂ）において決定された位置および配向の前記少なくとも１つとの間の相違を記述する少なくとも１つの補正を算出することを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. ステップ（ａ）は、前記１または複数のタッチトリガ測定点を使用して、前記物体の１または複数のフィーチャに関連付けられた少なくとも第１の基準幾何学的特性を決定することを含み、
   ステップ（ｂ）は、前記走査された測定点を使用して、前記物体の前記１または複数のフィーチャに関連付けられた少なくとも第１の走査された幾何学的特性を決定することを含み、前記第１の走査された幾何学的特性は、前記第１の基準幾何学的特性に対応し、
   ステップ（ｃ）は、前記第１の基準幾何学的特性と前記第１の走査された幾何学的特性の間の相違を定義する少なくとも１つの補正を算出することを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記座標位置決め装置は、タッチトリガプローブを備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記座標位置決め装置の前記走査プローブは、走査モードおよびタッチトリガモードの両方で作動可能である二重モードプローブであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記走査プローブは、タッチトリガモード出力および別個の走査モード出力を生成することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記走査モード測定値は、多方向単一出力走査プローブを備える走査プローブを用いて取得されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記多方向単一出力走査プローブは、プローブハウジングおよび偏向センサをさらに備え、前記スタイラスは、前記プローブハウジングに対して偏向可能であり、前記偏向センサは、静止位置からのスタイラス偏向の大きさのみを示す単一の出力値を生成することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記多方向単一出力走査プローブは、前記プローブハウジングに対して、少なくとも２つの相互に垂直な方向に偏向され得るスタイラスを備えることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. ステップ（ｂ）の前記走査された測定点は、スタイラス偏向の大きさに関連付けられる前記走査プローブの前記単一の出力を、前記多方向単一出力走査プローブの位置を機械座標系において記述する機械座標と組み合わせることによって算出され、各々の走査された測定点の前記算出は、スタイラス偏向の推定された方向を使用することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記座標位置決め装置は、工作機械を備えることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 多方向単一出力走査プローブを備える座標位置決め装置を用いて物体を測定する方法であって、任意の適切な順序で、
    ａ）前記物体の表面上の１または複数の参照点の位置を前記座標位置決め装置の機械座標系において決定するステップと、
    ｂ）多方向単一出力走査プローブを使用して、前記物体の表面上の走査通路に沿って多数の測定点の位置を測定するステップであって、前記走査通路は、前記１または複数の参照点を通り抜ける、またはその近くを通るように配置される、ステップと、
    ｃ）各々の参照点および対応する測定点の位置における相違から少なくとも１つの補正を算出するステップと
    を含むことを特徴とする方法。
17. ステップ（ｃ）の前記少なくとも１つの補正を使用して、ステップ（ｂ）の前記測定点の各々を補正して多数の補正された測定点を提供する、追加のステップ（ｄ）を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記多方向単一出力走査プローブは、スタイラスが、プローブハウジングに対して、３つの相互に垂直な方向に偏向され得るように全方向性であることを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
19. 走査モードまたはタッチトリガモードにおいて作動可能な測定プローブを備える座標位置決め装置を用いて物体を測定する方法であって、前記測定プローブを用いてタッチトリガモードにおいて取得された前記物体の測定値を使用して、前記測定プローブを用いて走査モードにおいて取得された前記物体の測定値を補正するステップを含むことを特徴とする方法。
20. 前記方法は、多方向単一出力走査プローブを備える測定プローブを用いるステップを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。

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