JP2021092432A - 三次元測定機 - Google Patents

Abstract

【課題】角度誤差の補正が可能な三次元測定機を提供することを課題とする。【解決手段】被測定物の位置を測定するプローブと、前記プローブを移動させる移動部と、第１基準球と、Ｘ軸方向において前記第１基準球と対向する第２基準球と、Ｙ軸方向において前記第１基準球と対向する第３基準球と、Ｚ軸方向において前記第１基準球と対向する第４基準球と、第１〜４基準球を定盤上に支持する支持部材と、プローブが測定する第１〜第４基準球の座標に基づいて、前記Ｘ軸と前記Ｙ軸との間の角度として第１の角度、前記Ｙ軸と前記Ｚ軸との間の角度として第２の角度、前記Ｚ軸と前記Ｘ軸との間の角度として第３の角度を取得する角度取得部と、第１〜第３の角度それぞれと９０°との角度誤差を補正する補正部と、を具備し、第１〜第４基準球および支持部材の熱膨張率は、移動部の熱膨張率よりも低い三次元測定機。【選択図】図１

Description

本発明は三次元測定機に関する。

三次元測定機は、位置を測定するためのプローブと、プローブを移動させる移動機構とを備える。測定値に誤差が生じる恐れがある。三次元測定機に設けられた基準球から、空間精度補正の基準となる基点までの位置ベクトルに基づき、プローブの交換などを行った場合における基点の誤差を補正する技術がある（例えば特許文献１）。

特開２００９−２８８２２７号公報

ところで、三次元測定機で被測定物を測定するためには、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸間が互いに直交する三次元座標系を設定する。しかし、温度変化などによる測定器の変形によって、軸間の角度に誤差が生じる恐れがある。そこで、角度誤差の補正が可能な三次元測定機を提供することを目的とする。

上記目的は、被測定物の位置を測定するプローブと、前記プローブを移動させる移動部と、第１基準球と、Ｘ軸方向において前記第１基準球と対向する第２基準球と、Ｙ軸方向において前記第１基準球と対向する第３基準球と、Ｚ軸方向において前記第１基準球と対向する第４基準球と、前記第１基準球、前記第２基準球、前記第３基準球および前記第４基準球を定盤上に支持する支持部材と、前記プローブが測定する前記第１基準球、前記第２基準球、前記第３基準球、および前記第４基準球の座標に基づいて、前記Ｘ軸と前記Ｙ軸との間の角度として第１の角度、前記Ｙ軸と前記Ｚ軸との間の角度として第２の角度、前記Ｚ軸と前記Ｘ軸との間の角度として第３の角度を取得する角度取得部と、前記第１の角度、前記第２の角度および前記第３の角度それぞれと９０°との角度誤差を補正する補正部と、を具備し、前記第１基準球、前記第２基準球、前記第３基準球、前記第４基準球および前記支持部材の熱膨張率は、前記移動部の熱膨張率よりも低い三次元測定機によって達成できる。

角度誤差の補正が可能な三次元測定機を提供できる。

図１（ａ）は実施形態に係る三次元測定機を例示するブロック図である。図１（ｂ）は三次元測定機の定盤付近を例示する斜視図である。図１（ｃ）は各基準球の中心および軸を示す模式図である。 図２（ａ）は制御部が実行する処理を例示するフローチャートである。図２（ｂ）は基準球の中心を示す模式図である。 図３は第２実施形態に係る三次元測定機を例示する斜視図である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態の三次元測定機について説明する。図１（ａ）は第１実施形態に係る三次元測定機１００を例示するブロック図である。三次元測定機１００は移動部２０、温度測定部１９、およびプローブ２７を有し、制御部１０に制御される。制御部１０は例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置、およびメモリなどの記憶装置を有するコンピュータである。制御部１０は移動制御部１２、座標取得部１４、角度取得部１６、補正部１８として機能する。これら各部分については後述する。温度測定部１９は例えば定盤２１付近に配置され、定盤２１付近の温度を測定する。

図１（ｂ）は三次元測定機１００の定盤２１付近を例示する斜視図である。定盤２１はＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸それぞれに延伸する辺を有する板である。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は互いに直交する。以下、＋Ｚ側を上側、−Ｚ側を下側とする。定盤２１のＸＹ平面の上に、移動部２０、４つの基準球４０、４２、４４および４６が設けられている。定盤２１の上には不図示のワークおよび治具などを配置することができる。

移動部２０はプローブ２７を移動させる機構であり、スライド機構２３、２つの支持体２２ａおよび２２ｂ、ビーム２４、およびコラム２６を有する。スライド機構２３は定盤２１の表面に設けられ、Ｙ軸方向に延伸する。支持体２２ａおよび２２ｂはＺ軸方向に延伸する支柱である。支持体２２ａはスライド機構２３の上に配置され、支持体２２ａの下端はスライド機構２３に支持されている。支持体２２ｂはスライド機構２３および支持体２２ａから離間し、支持体２２ｂの下端は定盤２１の表面に設けられている。

ビーム２４はＸ軸方向に延伸し、支持体２２ａおよび２２ｂの上端に支持される。コラム２６はＺ軸方向に延伸し、ビーム２４に取り付けられている。コラム２６の−Ｚ側先端にスピンドル２５が設けられ、スピンドル２５の先端にはプローブ２７が取り付けられている。

スライド機構２３は支持体２２ａをスライド移動させる。支持体２２ａは支持体２２ｂ、ビーム２４およびコラム２６とともに、スライド機構２３に沿ってＹ軸方向に移動可能である。ビーム２４およびコラム２６はスライド機構を含む。コラム２６はビーム２４に沿ってＸ軸方向に移動可能である。スピンドル２５はコラム２６に沿ってＺ軸方向に移動可能である。すなわち、移動部２０により、スピンドル２５の先端に取り付けたプローブ２７をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動させることができる。

ビーム２４の表面にはＸ軸方向の変位を測定するためのスケール３０が設けられている。スライド機構２３の表面にはＹ軸方向の変位を測定するためのスケール３２が設けられている。コラム２６の表面にはＺ軸方向の変位を測定するためのスケール３４が設けられている。

基準球４０は支柱５０で定盤２１の表面に支持され、基準球４２は支柱５２で定盤２１の表面に支持され、基準球４４は支柱５４で定盤２１の表面に支持される。基準球４６は支柱５６で基準球４０に連結され、支持される。４つの基準球の半径は互いに等しく、既知の値である。基準球４０（第１基準球）と基準球４２（第２基準球）とはＸ軸方向において対向する。基準球４０と基準球４４（第３基準球）とはＹ軸方向において対向する。基準球４０と基準球４６（第４基準球）とはＺ軸方向において対向する。４つの基準球は定盤２１上に固定され、三次元座標系を形成する。

図１（ｃ）は各基準球の中心および軸を示す模式図である。基準球４０の中心の座標を（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、基準球４２の中心の座標を（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、基準球４４の中心の座標を（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）、基準球４６の中心の座標を（Ｘ４，Ｙ４，Ｚ４）とする。基準球４０の中心と基準球４２の中心とを結ぶ線分Ｌ１はＸ軸方向に延伸する。基準球４０の中心と基準球４４の中心とを結ぶ線分Ｌ２はＹ軸方向に延伸する。基準球４０の中心と基準球４６の中心とを結ぶ線分Ｌ３はＺ軸方向に延伸する。線分Ｌ１と線分Ｌ２との間の角度θｘｙ、線分Ｌ２と線分Ｌ３との間の角度θｙｚ、線分Ｌ３と線分Ｌ１との間の角度θｚｘはいずれも９０°である。

４つの基準球、およびそれらを支持する支柱は例えばセラミック、ガラス、またはこれらを含む複合材など、熱膨張しにくい材料で形成される。基準球および支柱の熱膨張率は、スライド機構２３、ビーム２４およびコラム２６などの熱膨張率に比べて低い。このため基準球が構成する角度θｘｙ、θｙｚおよびθｚｘは変化しにくく、一定値（９０°）を維持する。一方、スライド機構２３、ビーム２４およびコラム２６、スケールなどは、温度変化に応じて変形することがある。反りおよび歪などの変形によって、角度に誤差が生じる恐れがある。本実施形態では、制御部１０の処理によって角度誤差を補正する。

制御部１０の移動制御部１２は移動部２０に電気信号を出力し、移動部２０による移動を制御する。座標取得部１４は被測定物の座標を取得する。角度取得部１６は、中心の座標に基づいて、Ｘ軸とＹ軸との間の角度、Ｙ軸とＺ軸との間の角度、Ｚ軸とＸ軸との間の角度としてそれぞれθ１、θ２、およびθ３を取得する。補正部１８は、角度取得部１６により算出された角度を補正する。

図２（ａ）は制御部１０が実行する処理を例示するフローチャートである。三次元測定機１００の納入時の受入検査および定期検査などにおいて精度の確認および補正があらかじめ行われている。図２の処理は、受入検査および定期検査とは別に、測定現場の環境下において行われる。

移動制御部１２は移動部２０を用いてプローブ２７を移動させ、プローブ２７は各基準球の表面に接触する。座標取得部１４は、プローブ２７の測定データに基づき、周知の方法で各基準球の中心の座標を取得する（ステップＳ１０）。角度取得部１６は、中心の座標に基づいて、Ｘ軸とＹ軸との間の角度、Ｙ軸とＺ軸との間の角度、およびＺ軸とＸ軸との間の角度としてθ１、θ２およびθ３を取得する（第１の角度〜第３の角度、ステップＳ１２）。補正部１８は、得られた角度と９０°との角度誤差を取得する（ステップＳ１４）。

具体的な例を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）は基準球４０、４２および４４の中心を示す模式図である。中心を結ぶ線分Ｌ１と線分Ｌ２間の角度θｘｙは９０°である。移動部２０の熱変形などにより、角度取得部１６により算出される角度θ１は、正確な角度θｘｙよりも小さいものとする（図２（ａ）のステップＳ１２）。補正部１８は、正確な角度θｘｙとθ１との差Δθｘｙを算出する。補正部１８が差Δθｘｙを算出値θ１に加算することで、正確な角度θｘｙが得られる（ステップＳ１４）。算出される角度θ１が角度θｘｙより大きな場合、差Δθｘｙを角度θ１から減算することで補正を行う。他の軸間の角度についても同様の補正を行うことで、正確な角度θｙｚおよびθｚｘを得ることができる。

本実施形態によれば、基準球４０と基準球４２とがＸ軸方向において対向し、基準球４０と基準球４４とがＹ軸方向において対向し、基準球４０と基準球４６とがＺ軸方向に対向する。プローブ２７により測定する座標に基づき、角度取得部１６は軸間の角度θ１〜θ３を取得する。補正部１８は、取得された角度θ１〜θ３それぞれと９０°との角度誤差を取得し、角度を補正する。これにより軸間の正確な角度θｘｙ、θｙｚおよびθｚｘが得られるように、三次元測定機１００を校正することができる。

図２（ａ）に示した補正の処理は、例えばワークの寸法測定などを行う現場において実施することが好ましい。測定の現場における温度変化によって移動部２０に変形が生じた際に、角度誤差を補正することができる。また、温度測定部１９により定盤２１周辺の温度を測定し、温度が所定の大きさ以上に変化した際に補正の処理を行ってもよい。角度誤差が大きくなる環境において補正を実行することができる。

所定の温度ごとに図２の処理を行ってもよい。例えば５℃ごとに角度誤差を採取し、表１のような温度と角度誤差を対応したマップとして制御部１０に記憶しておく。

表１では角度誤差Δθｘｙが５℃においてｋ１、１０℃においてｋ２、１５℃においてｋ３などのデータが採取されている。測定現場での温度とデータとをもとに角度誤差を取得し、角度を補正することができる。例えば測定現場の温度が１５℃である場合、角度誤差Δθｘｙとしてｋ３を用いて角度の補正を行えばよい。事前に角度誤差の測定を行っているため、測定現場では温度の測定と補正を行えばよく、測定現場での角度誤差の測定は行わなくてよい。

基準球および支柱の熱膨張率は、支持体、ビーム２４およびコラム２６などに比べて低い。４つの基準球が形成する軸間の角度θｘｙ、θｙｚおよびθｚｘは９０°から変化しにくい。したがってこれらの角度を基準として三次元測定機１００の校正が可能である。

（第２実施形態）
図３は第２実施形態に係る三次元測定機２００を例示する斜視図である。基準球４０、４２および４４は定盤２１の表面に配置され、かつ基準球同士が互いに連結されることで、定盤２１上に支持される。基準球４０と基準球４２とは連結部６０で連結され、基準球４０と基準球４４とは連結部６２で連結され、基準球４０と基準球４６とは連結部６４で連結される。連結部６０はＸ軸方向に延伸し、連結部６２はＹ軸方向に連結し、連結部６４はＺ軸方向に延伸する。３つの連結部は例えば基準球と同様にセラミックなど熱膨張しにくい材料で形成される。他の構成は第１実施形態と同じである。

第２実施形態においても第１実施形態と同様に図２（ａ）の処理を行う。このため軸間の正確な角度θｘｙ、θｙｚおよびθｚｘが得られるように、三次元測定機２００を校正することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 制御部
１２ 移動制御部
１４ 座標取得部
１６ 角度取得部
１８ 補正部
１９ 温度測定部
２０ 移動部
２１ 定盤
２２ａ、２２ｂ 支持体
２３ スライド機構
２４ ビーム
２５ スピンドル
２６ コラム
２７ プローブ
３０、３２、３４ スケール
４０、４２、４４、４６ 基準球
５０、５２、５４、５６ 支柱
６０、６２、６４ 連結部
１００、２００ 三次元測定機

Claims (1)

1. 被測定物の位置を測定するプローブと、
   前記プローブを移動させる移動部と、
   第１基準球と、
   Ｘ軸方向において前記第１基準球と対向する第２基準球と、
   Ｙ軸方向において前記第１基準球と対向する第３基準球と、
   Ｚ軸方向において前記第１基準球と対向する第４基準球と、
   前記第１基準球、前記第２基準球、前記第３基準球および前記第４基準球を定盤上に支持する支持部材と、
   前記プローブが測定する前記第１基準球、前記第２基準球、前記第３基準球、および前記第４基準球の座標に基づいて、前記Ｘ軸と前記Ｙ軸との間の角度として第１の角度、前記Ｙ軸と前記Ｚ軸との間の角度として第２の角度、前記Ｚ軸と前記Ｘ軸との間の角度として第３の角度を取得する角度取得部と、
   前記第１の角度、前記第２の角度および前記第３の角度それぞれと９０°との角度誤差を補正する補正部と、を具備し、
   前記第１基準球、前記第２基準球、前記第３基準球、前記第４基準球および前記支持部材の熱膨張率は、前記移動部の熱膨張率よりも低い三次元測定機。

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