JP2021534399A - 測定サイクル生成のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

工作機械（３４）などの座標位置決め装置によって運ばれる測定プローブ（４；３０）を使用して、オブジェクト（８２）を検査するための測定サイクルを生成するための方法が説明される。測定サイクルは、一連のタッチトリガー測定を使用してオブジェクト（８２）の検査を可能にするために、測定プローブ（４；３０）がオブジェクト（８２）に対して移動される測定経路を含む。この方法は、オブジェクト（８２）の表面上に複数のタッチトリガー測定ポイント（８０ａ〜８０ｅ）を定義するステップを含む。複数のタッチトリガー測定ポイント（８０ａ〜８０ｅ）のそれぞれは、関連するスタンドオフ位置（８４ａ〜８４ｅ）を有し、そこから、測定プローブは、複数のタッチトリガー測定ポイント（８０ａ〜８０ｅ）のそれぞれに向かって加速される。タッチトリガー測定ポイントの数は、関連するスタンドオフ位置（８４ａ−８４ｅ）からスタンドオフ距離（Ｓ₁−Ｓ₅）だけ離れる。この方法は、複数のタッチトリガー測定ポイント（８０ａ−８０ｅ）の少なくとも一部について、異なるスタンドオフ距離（Ｓ₁−Ｓ₅）を定義し、それに関連するスタンドオフ距離（Ｓ₁−Ｓ₅）に基づいて各タッチトリガー測定ポイント（８０ａ−８０ｅ）を取得するときに使用されるプローブ送り速度（Ｆ₁−Ｆ₅）を計算することをさらに含む。対応するコンピュータプログラムおよび装置も記載されている。図７参照。

Description

本発明は、タッチトリガー座標機械における測定サイクルを生成するための、方法、コンピュータプログラム、および装置に関し、特に、工作機械等の座標測位装置に搭載された測定プローブを用いて、タッチトリガー測定値を収集するための測定サイクルを生成する方法に関する。

数値制御工作機械は、工業生産アプリケーションで広く使用されている。機械加工プロセスの前および／または後にオブジェクト（ワークピース）を検査するために、そのような工作機械に様々な測定プローブを取り付けることができることも知られている。特許文献１に記載されているタイプのタッチトリガー測定プローブは、工作機械で使用できる測定プローブの一例である。このような測定プローブは、スタイラスがオブジェクトに接触したときにスタイラスホルダーがプローブ本体の関連するシートから外れる運動学的メカニズムを備えている。キネマティックメカニズムを外すと、電気回路も遮断され、トリガー信号が生成される。スタイラスのたわみがひずみゲージなどを使用して測定され、特定のスタイラスのたわみしきい値を超えたときにトリガー信号が発行されるタッチトリガープローブも知られている。したがって、タッチトリガープローブによって発行されるトリガー信号は、オブジェクトとの接触が行われたことを示す。このトリガー信号は、工作機械の数値コントローラ（ＮＣ）のＳＫＩＰ入力に送られ、ＮＣによって取得されたプローブ位置の測定値と組み合わせて使用され、オブジェクトの表面上の接触ポイントの位置を決定する。

一連のタッチトリガー測定を使用してオブジェクトを測定するために、何年にもわたって多種多様な戦略またはサイクルが開発されてきた。いわゆる直接または「高速」ＳＫＩＰ入力を備えたより高い仕様の工作機械の場合、いわゆるワンタッチ測定を使用できる。このような測定は、測定プローブのスタイラスを比較的高い送り速度で測定されているオブジェクトに打ち込むことを含み、オブジェクトの表面上のポイントの位置は、トリガー信号が発行された瞬間、工作機械によって測定された測定プローブの位置から見出される。そのような所定の測定サイクルに従ってオブジェクトの表面上の複数のポイントを測定することにより、形状、外形、サイズ、位置および向きなどの様々なオブジェクトの特性を決定することができる。

現在、オブジェクトを検査するための測定サイクルを生成する前に、複数の測定パラメータが設定されている。これには通常、試運転中および／または装置で実行されるようにタッチトリガー測定サイクルで使用するためのキャリブレーション手順中に、プローブの送り速度（つまり、タッチトリガー測定を取得するときにプローブがオブジェクトに向かって移動する速度）を設定ことが含まれる。工作機械のユーザは、測定サイクルを実装するように工作機械をプログラミングするときに、タッチトリガー測定ごとに特定のスタンドオフ距離（つまり、プローブとオブジェクトの初期分離）を定義する。本発明者らは、様々な不利な点がこの先行技術に関連していることを見出した。たとえば、ユーザが設定したスタンドオフ距離が短すぎると、測定エラーが発生する。逆に、ユーザが設定したスタンドオフ距離が長すぎると、サイクルタイムが必要以上に長くなり、工作機械の生産性が低下する。

特許文献２は、座標測位装置によって取得された表面位置測定のための最適なスタンドオフ距離を計算するための方法を記載する。この計算は、座標位置決め装置の測定された加速度特性を使用して実行され、後続のすべてのタッチトリガー測定は、最適なスタンドオフ距離とそれに関連するプローブ送り速度を使用して取得される。この方法でスタンドオフ距離とプローブ送り速度の両方を事前設定すると、各タッチトリガー測定ポイントが取得された瞬間に、測定プローブがオブジェクトに対して加速しないことが保証される。これにより、加速度の影響により、取得した表面位置の測定値に位置の不確実性が生じるのを防ぐ。

特許文献３の技術は、プローブ送り速度の最適なスタンドオフ距離を計算するが、本発明者らは、測定サイクル中に取得される各タッチトリガー測定ポイントに対して、単一の事前設定されたスタンドオフ距離およびプローブ送り速度を使用することの欠点も発見した。特に、オブジェクトの特定の特徴（例えば、小さな穴またはポケット）のサイズおよび／または位置は、十分に正確な測定を確実にするために必要な（最適な）スタンドオフ距離によって、測定プローブが表面から分離されるのを妨げる可能性がある。これにより、オブジェクトの表面の最適でないポイントでタッチトリガー測定が行われたり、すべての測定ポイントでより低いプローブ送り速度が使用されたりして（つまり、関連するスタンドオフ距離が短くなり）、サイクルタイムに悪影響が及ぶ可能性がある。

米国特許第４１５３９９８号明細書 米国特許第９４００１７８号明細書 ＰＣＴ／ＧＢ２０１８／０５０１３０号明細書

本発明の第１の態様によれば、座標位置決め装置によって運ばれる測定プローブを使用してオブジェクトを検査するための測定サイクルを生成するための方法が提供され、その測定サイクルは、一連のタッチトリガー測定を使用してオブジェクトの検査を可能にするオブジェクトに対して、測定プローブがそれに沿って移動する測定経路を含む。この方法は、以下のステップを含む。

オブジェクトの表面上に複数のタッチトリガー測定ポイントを定義し、複数のタッチトリガー測定ポイントのそれぞれは、測定プローブがタッチトリガー測定ポイントに向かって加速される関連するスタンドオフ位置を有し、複数のタッチトリガー測定ポイントのそれぞれは、タッチトリガー測定ポイントは、関連するスタンドオフ位置からスタンドオフ距離だけ離れている。

この方法は、複数のタッチトリガー測定ポイントの少なくともいくつかについて異なるスタンドオフ距離を定義し、それに関連するスタンドオフ距離に基づいて各タッチトリガー測定ポイントを取得するときに使用されるプローブ送り速度を計算することを含むことを特徴とする。

したがって、本発明の方法は、ワークピースなどのオブジェクトを検査するために使用することができる測定サイクルを生成することに関する。検査は、座標位置決め装置によって運ばれる、偏向可能なスタイラスを有するタッチトリガー測定プローブなどの測定プローブを使用して実行される。測定サイクルには、Ｇコードコマンドのセットなど、測定プローブがオブジェクトに対してどのように移動するかを定義する一連の命令を含む。当技術分野で通常行われているように、測定プローブとオブジェクトとの間の相対運動は、測定プローブの動き、オブジェクトの動き、または測定プローブとオブジェクトの両方の動きによって提供される。以下に説明する一実施形態では、測定プローブは、座標位置決め装置の可動部分（例えば、羽ペンまたはスピンドル）によって運ばれ、静止オブジェクトと接触するように動かされる。

本方法を使用して生成された測定サイクルは、一連のタッチトリガー測定を使用してオブジェクトの検査を可能にするために、測定プローブがオブジェクトに対して移動する測定経路を含む。この測定サイクルは、単一の測定サブプログラムを使用するか、オブジェクトを測定するための測定サイクルを一緒に提供する一連のサブプログラムを呼び出すことによって実行できる。各タッチトリガー測定は、測定プローブをオブジェクトとの表面感知関係に持って行き（例えば、接触測定プローブのスタイラスが検出可能な量だけ偏向されるように）、タッチトリガー測定ポイントを取得することを含む。したがって、タッチトリガー測定値は、測定プローブをオブジェクトとの表面検知関係に繰り返し移動させたり、表面から外したりすることによって、一度に１つずつ収集されます。したがって、このようなタッチトリガー測定は、測定プローブが表面の輪郭の周りを移動またはトレースする（つまり、接触測定プローブのスタイラスが常に接触している状態で、オブジェクトの表面上の経路に沿ってスキャンする）ときに、多くのポイントが取得されるスキャン測定とは異なることがわかる。

本発明の方法はまた、オブジェクトの表面上に複数のタッチトリガー測定ポイントを定義することを含む。これらのタッチトリガー測定ポイントは、例えば、検査されるオブジェクトの重要な側面（例えば、寸法、向きなど）を測定するために定義される。オブジェクト上の各測定ポイントを定義するだけでなく、複数のタッチトリガー測定ポイントのそれぞれは、測定プローブがそのタッチトリガー測定ポイントに向かって加速される関連するスタンドオフ位置も有する。言い換えると、スタンドオフ位置は、測定ポイントへの移動が開始されるタッチトリガー測定ポイントごとに定義される。したがって、複数のタッチトリガー測定ポイントのそれぞれは、いわゆるスタンドオフ距離によって、関連するスタンドオフ位置から分離される。

本発明によれば、測定サイクルを形成する複数のタッチトリガー測定ポイントの少なくともいくつかに対して、異なるスタンドオフ距離が使用される。言い換えると、サイクル内の各測定ポイントに固定のスタンドオフ距離を使用する代わりに、個々の測定ポイントごとに最適なスタンドオフ距離が設定される。この最適なスタンドオフ距離は、多くの要因を使用して計算できる。たとえば、測定対象の表面に関連するアクセスの問題、各測定に必要な許容誤差、表面へのプローブの入射方向などを考慮に入れる場合がある。各タッチトリガー測定ポイントのスタンドオフ距離は、測定サイクルの生成中に自動的に生成される場合がある（たとえば、測定サイクルを生成するソフトウェアは、特定の基準を使用して各スタンドオフ距離を定義する場合がある）。好ましい実施形態では、測定サイクルを生成するときに、ユーザ自身が（例えば、オブジェクトのＣＡＤモデルを参照することによって）スタンドオフ距離を手動で設定することができる。スタンドオフ位置、したがって各タッチトリガー測定ポイントのスタンドオフ距離を確立した後、対応する（最適な）プローブ送り速度が各タッチトリガー測定ポイントに対して計算される。プローブ送り速度は、タッチトリガー測定値が収集されるコマンド速度である。このようにして、各タッチトリガー測定ポイントを取得するために、（つまり、定義されたスタンドオフ距離が異なる場合）、使用される送り速度を変えることができる。

特定の測定サイクルのすべてのタッチトリガー測定に対して単一のプローブ送り速度を設定する代わりに、本発明の方法は、所望の（例えば、事前に計算された、またはユーザ定義の）スタンドオフ距離を取り、次に各タッチトリガー測定ポイントに最適であるプローブ送りを決定する。これには、従来の方法とは異なり、全体のサイクル時間に影響を与えることなく、すべての測定ポイントについて目的の精度のタッチトリガー測定値を取得できるという利点がある。たとえば、オブジェクトの外面上のポイントについては高速の測定値を取得できるが、アクセスがより困難なためにスタンドオフ距離を短くする必要があるポイントについては低速の測定値を取得できる。したがって、測定ポイントのサブセットを十分に高い精度で取得できるようにするために、すべての測定を遅くする（つまり、プローブ送り速度をグローバルに下げる）特許文献２の手法に関連する要件が回避される。

以下でより詳細に説明するように、加速度特性は、座標位置決め装置のタイプによって異なる。特定の座標測位装置の場合、停止状態から特定の速度まで加速または減速するのにかかる時間は一定である。他の装置の場合、加速は一定の速度で発生する。したがって、表面位置測定に使用される速度またはプローブ送り速度は、座標位置決め装置の加速度特性および特定の測定ポイントに対して定義されたスタンドオフ距離を考慮して設定される。有利なことに、各タッチトリガー測定ポイントについて計算されたプローブ送り速度は、タッチトリガー測定ポイントの測定の前にプローブ送り速度への加速が発生したことを保証する。言い換えると、プローブ速度は、測定ポイントが取得される前に確実に達成できるように十分に低い各測定ポイントに対して選択される。これにより、オブジェクトに対して測定プローブの実質的な加速度がある期間中に測定ポイントが取得されないことが保証される（つまり、測定が下記の加速ゾーンの外側で行われることが保証される）。

好ましくは、各タッチトリガー測定ポイントのプローブ送り速度は、タッチトリガー測定ポイントの測定前に、プローブ送り速度への加速が確実に発生する最高の送り速度になるように選択される。言い換えると、サイクルタイムを最小限に抑えるために、各測定ポイントに対して可能な限り最速の送り速度を選択して、加速がない状態で各測定が行われるようにすることができる。測定プローブは、スタンドオフ位置で静止開始から各プローブ移動を開始する場合があることに注意する必要がある。ただし、プローブ送り速度を達成するように命令されてから、プローブがスタンドオフ位置に到達したときに、プローブが特定の送り速度（たとえば、測定プローブを異なるスタンドオフ位置間で移動するために使用される送り速度）で移動することも可能である。したがって、スタンドオフ位置での送り速度および／またはプローブの動きの方向は、所望のプローブ送り速度を計算するとき、および／または特定の測定ポイントのスタンドオフ位置を設定するときにも使用することができる。

便利なことに、プローブ送り速度は、タッチトリガー測定ポイントごとに個別に計算される。好ましくは、プローブ送り速度は、工作機械の加速度特性を使用して計算される。換言すれば、最適なプローブ送り速度は、スタンドオフ距離（すなわち、スタンドオフ位置と関連するタッチトリガー測定ポイントとの間の分離）および任意選択で座標測位装置の加速度特性を使用して、ポイントごとに計算することができる。プローブ送り速度の計算は、数式を使用して実行できます。あるいは、プローブ送り速度の計算は、ルックアップテーブルを使用して実行することができます。特定の最適なプローブ送り速度に関連するスタンドオフ距離のサブセットを定義することも可能である。

座標測位装置の加速度特性は、いくつかの方法で測定することができる。参照により本明細書に組み込まれる特許文献２は、使用される様々な適切な技術を記載している。例えば、座標位置決め装置の加速度特性は、座標位置決め装置の可動部分が、命令された速度で既知の分離の２ポイント間を移動するのにかかる時間に対応する時間間隔を測定することによって決定される。本明細書で使用される加速特性という用語は、加速効果と減速効果の両方を包含することにも留意されたい。座標測位装置について、複数の加速度特性を測定することができる。たとえば、加速ゾーンは、機械の軸ごとに個別に測定できる。

タッチトリガー測定のキャリブレーションは、通常、単一のプローブ送り速度を使用して実行されてきた。以下でより詳細に説明するように、通常、測定プローブから受信したトリガー信号の受信に基づいて測定プローブ位置を捕捉する座標測位装置と、測定プローブが、測定対象物との特定の位置関係（例：スタイラスが最初に対象物に接触した場所）に最初に到達したポイントとの間に実質的に一定の時間遅延がある。より高速なプローブ送り速度の場合、一定の時間遅延により、測定プローブとオブジェクトとの間で達成される位置関係と、測定プローブ位置の捕捉との間の位置の差が大きくなる（ただし予測可能）。

上記を考慮して、補償は、異なるプローブ送り速度で収集されたタッチトリガー測定ポイントに有利に適用される。補償は、好ましくは、各タッチトリガー測定ポイントとの位置感知関係を確立する測定プローブと、座標位置決め装置による位置情報の収集との間の実質的に一定の時間遅延を考慮に入れる。これにより、さまざまな送り速度で測定されたタッチトリガー測定ポイントを適切に調整して、正しい位置測定を行うことができる。

本発明の方法は、工作機械、ロボット、または専用の座標測定機（ＣＭＭ）などの任意の座標位置決め装置において実施することができる。有利なことに、この方法は、数値制御された座標測位装置で実施される。好ましくは、座標位置決め装置は工作機械を含む。当業者によって理解されるように、工作機械は、オブジェクトを機械加工することができ（例えば、切断、フライス加工、研削、穴あけなど）、単なる測定装置ではない。好ましい実施形態では、工作機械は、測定プローブ（いわゆるスピンドルに取り付けられた測定プローブ）を解放可能に保持することができるスピンドルを含む。

有利なことに、工作機械は、測定プローブからトリガー信号を受信するための直接ＳＫＩＰ入力（高速ＳＫＩＰとも呼ばれる）を備えた数値コントローラ（ＮＣ）を備える。このようにして、アナログ（電圧レベル）信号の形で測定プローブによって（オプションでプローブインターフェースを介して）発行されるトリガー信号がＳＫＩＰ入力に提供される。ＮＣは、ＳＫＩＰ入力を介してトリガー信号を受信すると、工作機械内の測定プローブの現在の位置をキャプチャする（つまり、「工作機械のはかりを凍結」する）。直接（高速）ＳＫＩＰ入力の使用は、トリガー信号が数値コントローラによって迅速に認識されることを意味する。つまり、トリガー信号が発行されたことを認識する際に、コントローラの不確実性や変動が最小限に抑えられる。有利なことに、数値制御装置は、１ミリ秒未満の応答時間で直接ＳＫＩＰ入力を有する。便利なことに、数値制御装置は、１００マイクロ秒未満の応答時間で直接ＳＫＩＰ入力を備えている。直接ＳＫＩＰ入力を備えたＮＣが広く使用されているが、トリガーイベントを数値制御装置に通信するための他の技術が存在し、そのような技術が本発明の方法で等しく使用できることに留意されたい。たとえば、特許文献３は、トリガーイベント情報を伝送するためのデジタルデータバスの使用について説明している。

本発明の方法は、タッチトリガーモードで動作することができる任意の測定プローブを用いて実施することができる。例えば、アナログプローブ（走査プローブとも呼ばれる）の出力は、適切なトリガー信号を生成するために、コントローラまたはインターフェースの偏向閾値と比較される。有利なことに、測定プローブは、タフなトリガープローブである。タッチトリガープローブは、表面との特定の位置関係に達するとトリガー信号を生成するが、スタイラスのたわみの測定値を出力しない。したがって、タフなトリガー測定プローブは、オブジェクトの表面に接触した後にトリガー信号を発行する。測定プローブは、非接触（例えば、光学的、誘導的など）測定プローブである。好ましくは、測定プローブは、プローブハウジングに対して偏向可能であるオブジェクトに接触するためのスタイラスを有する接触プローブである。測定プローブはまた、接触ツールセッターまたは非接触（例えば、レーザーベースの）ツールセッターなどのツールセッターを含む。

本発明はまた、コンピュータ（例えば、汎用コンピュータまたは数値コントローラ）上で実行されるときに、上記の方法を実施するコンピュータプログラムにも及ぶ。この方法を実施するようにプログラムされたコンピュータ（例えば、汎用コンピュータまたは数値コントローラ）もまた、本発明に従って提供される。そのようなプログラムを記憶するためのコンピュータ記憶キャリア（例えば、コンパクトディスク）も提供される。

本発明の第２の態様によれば、測定プローブとプロセッサとを含む座標位置決め装置が提供され、プロセッサは、オブジェクトを検査するための測定サイクルを生成するように構成され、測定サイクルは、オブジェクトに対して移動される測定プローブに沿った測定経路を含み、一連のタッチトリガー測定を使用してオブジェクトの検査を可能にする。プロセッサは、オブジェクトの表面に複数のタッチトリガー測定ポイントを（たとえば、自動的にまたはユーザ入力に基づいて）定義することによって、測定サイクルを生成する。複数のタッチトリガー測定ポイントのそれぞれは、測定プローブがタッチトリガー測定ポイントに向かって加速されるところから、関連するスタンドオフ位置を有し、複数のタッチトリガー測定ポイントのそれぞれは、スタンドオフ距離によって、その関連するスタンドオフ位置から分離されている。プロセッサは、複数のタッチトリガー測定ポイントの少なくともいくつかについて、異なるスタンドオフ距離を（例えば、自動的にまたはユーザ入力に基づいて）定義し、およびそれに関連するスタンドオフ距離に基づいて各タッチトリガー測定ポイントを取得するときに使用される、プローブ送り速度を計算するように構成されることを特徴とする。

好ましくは、座標位置決め装置は、直接ＳＫＩＰ入力を備えたＮＣを有する工作機械を含む。装置は、本発明の第１の態様による方法の特徴のいずれかを含む。

また、本明細書では、座標位置決め装置によって運ばれる測定プローブを使用してオブジェクトを検査するための測定サイクルを生成する方法（例えば、コンピュータ実施方法）について説明する。測定サイクルは、オブジェクトに対して移動される測定プローブに沿った測定経路を含み、１つまたは複数のタッチトリガー測定を使用してオブジェクトの検査を可能にする。この方法は、オブジェクトの表面上に１つまたは複数のタッチトリガー測定ポイントを定義し、各タッチトリガー測定ポイントは、測定プローブがタッチトリガー測定ポイントに向かって加速されるところから、関連するスタンドオフ位置を有し、各タッチトリガー測定ポイントは、そのスタンドオフ距離によって、関連スタンドオフ位置から分離され、ここで、ユーザは、各タッチトリガー測定ポイントのスタンドオフ距離を定義し、それに関連するスタンドオフ距離から、各タッチトリガー測定ポイントについて、プローブ送り速度が計算される、ステップを含む。

ここで、添付の図面を参照して、単に一例として本発明を説明する。
偏向可能なスタイラスを有する測定プローブを搭載した座標測位装置の図である。 工作機械プローブシステムの一般的なアーキテクチャを示す図である。 タッチトリガー測定の段階を示す図である。 あるタイプの工作機械に存在する加速ゾーンを示す図である。 機械の加速中に取得された測定値がどのように測定誤差を生成するかを示す図である。 さまざまな測定ポイントにさまざまなスタンドオフ距離を使用する方法を示す図である。 測定ポイントごとにプローブ送り速度を計算する測定サイクルを示す図である。 送り速度の関数として発生する測定ポイントの位置変化を示す図である。

図１を参照すると、タッチトリガー測定プローブ４を保持するスピンドル２を有する工作機械が示される。

工作機械は、工作機械の作業領域内のワークピースホルダ７上に配置されたワークピース６に対してスピンドル２を移動させるための、１つまたは複数のモータ８などの既知の手段を備える。機械の作業領域内のスピンドルの位置は、エンコーダなどを使用して既知の方法で正確に測定される。このような測定値は、機械座標系（ｘ、ｙ、ｚ）で定義されたスピンドル位置データを提供する。数値制御装置（ＮＣ）２０は、工作機械の作業領域内の主軸２の動き（ｘ、ｙ、ｚ）を制御し、また、主軸位置に関する様々なエンコーダからの情報を受け取る。ＮＣ２０は、フロントエンドコンピュータを備え得るか、またはそのようなコンピュータにインターフェースされる。

タッチトリガープローブ４は、標準の解放可能なシャンクコネクタを使用して工作機械のスピンドル２に取り付けられたプローブ本体１０を備える。プローブ４はまた、ハウジングから突出するスタイラス１２に接触するワークピースを備える。スタイラスボール１４は、関連するワークピース６に接触するためにスタイラス１２の遠位端に設けられている。タッチトリガープローブ４は、スタイラスのたわみが所定の閾値を超えると、いわゆるトリガー信号を生成する。プローブ４は、遠隔プローブインターフェース１８の対応する無線受信機／送信機部分に、トリガー信号を渡すための無線送信機／受信機部分１６を備える。無線リンクは、例えば、ＲＦまたは光である。

ＮＣ２０は、スピンドル位置（ｘ、ｙ、ｚ）データおよびトリガー信号（プローブインターフェース１８を介して）を受信し、トリガー信号が受信された瞬間に、見かけのスピンドル位置データ（ｘ、ｙ、ｚ）を記録する。適切なキャリブレーションの後、これにより、ワークピース６などのオブジェクトの表面上のポイントの位置を測定できる。

図２に概略的に示されているように、工作機械に取り付けられたプローブシステムは５つの要素で構成されていると見なすことができる。これらには、測定プローブアセンブリ３０、プローブインターフェース３２（プローブ伝達システムおよびそのＣＮＣシステム３６へのインターフェースを含む）、工作機械３４、ＣＮＣ制御システム３６、およびＣＮＣ制御システム３６上に常駐するプローブ制御ソフトウェア３８が含まれる。これらの各要素は、プローブシステムの計測性能と、特定の測定またはプローブサイクルの期間において、一部に影響を与える。

上記のプローブシステムを使用して実施された測定サイクル内の重要なイベントは、「トリガー」である。測定プローブ３０のスタイラスがオブジェクトの表面上のポイントと接触すると、ＣＮＣコントローラ３６に渡されるプローブインターフェース３２内に変化が生じる。このプロセスは、図３を参照して以下でより詳細に説明されており、オペレーターには瞬時に発生するように見える場合がある。しかしながら、実際には、それは、ＣＮＣコントローラ３６によって作用されるトリガー信号で最高潮に達する一連の個別のステップを含む。

図３を参照すると、一般的なタッチトリガープローブシーケンスのさまざまなフェーズが示される。

測定プロセス中、プローブは、特定の速度または送り速度で測定されるオブジェクト４２の表面に向かって駆動される。時間Ａの第１の瞬間に、スタイラス先端４０は、オブジェクトの表面上の９と接触する。測定プロセスのこの最初のフェーズの間、プローブはオブジェクトに向かって移動し続け、スタイラスはさらに偏向します。時間Ｂの２番目の瞬間に、測定プローブのスタイラスたわみ閾値を超える。表面との最初の接触からプローブ検知しきい値に達するまでの間にプローブが移動する必要のある距離は、機械的事前移動と呼ばれる。既知のタイプのキネマティックプローブでは、機械的なプレトラベルは、スタイラスを十分に曲げて、戻りばねの力に打ち勝ってシートからローラを持ち上げ始めるのに十分なひずみエネルギーを蓄えるのに必要な距離である。いわゆるひずみゲージプローブでは、ひずみゲージの配置がプリセット値を超えるひずみの変化を記録するまで、スタイラスが曲がる。機械的なプレトラベルは、プローブのハードウェアに依存し、測定サイクル中のプローブの移動速度によって変化しない。したがって、通常、適切なキャリブレーションおよびアプリケーションソフトウェアを使用して、機械的なプレトラベル効果を「キャリブレーション」してよい。

機械的なプレトラベルまたは最初のフェーズの後に開始される測定プロセスの２番目のフェーズでは、プローブインターフェースが機械的なトリガーイベントが発生したことを認識し、ＣＮＣコントローラにトリガー信号を発行する。機械的トリガーイベントとＣＮＣコントローラに送信されるトリガー信号との間の遅延は、通常、インターフェース応答時間と呼ばれる。言い換えると、インターフェースは、図３に示す時点Ｃでトリガー信号を発行する。この時点で、プローブはオブジェクトに向かってさらに移動し、それによってスタイラスがさらに偏向する。

インターフェースの応答時間には通常、信号フィルタリングに関連する遅延が含まれることに注意すべきである。この信号フィルタリング遅延は、一般的なプローブインターフェースが関連する測定プローブのステータスを継続的に監視し、測定プローブが表面に接触したときにトリガー信号をＣＮＣシステムに送信するために、発生する。ただし、スタイラスに作用する力（慣性など）があり、インターフェースによって表面接触イベントとして誤って解釈される可能性がある。たとえば、長いスタイラスを高いプローブ加速度で使用すると、一時的なスタイラスのたわみが発生し、いわゆる「誤ったトリガー」（つまり、スタイラスが実際に表面に接触していないときにトリガーされる）につながる可能性がある。トリガー信号の信頼性を向上させるために、プローブインターフェースは通常、過渡信号をフィルターで除去するように配置され、偏向しきい値信号レベルを所定の時間（たとえば０．０１秒）超えた場合にのみトリガー信号をコントローラに送信する）。プローブからインターフェースへのトリガーイベントの送信に関連するインターフェース応答時間の小さな遅延コンポーネントも存在する可能性がある。たとえば、一般的な光伝送システムの場合は０．００２秒、標準のＲＦ通信システムの場合は０．０１秒である。プローブインターフェースの応答時間は測定システム間で大幅に異なる可能性があるが、通常は特定のセットアップで一定であるため、校正することができる。

典型的なプローブトリガーシーケンスの第３フェーズは、マシンのＣＮＣコントローラが、プローブインターフェースから受信したトリガー信号を認識して操作するプロセスである。したがって、ＣＮＣコントローラは、図３に示される時点Ｄで（例えば、プローブの動きを停止することによって）受信されたトリガー信号に作用し、その時点で、プローブはさらに移動し、それによってスタイラスのたわみを増加させる。ＣＮＣコントローラによって導入されるこの時間遅延は、コントローラの応答またはスキャン時間と呼ばれることがよくある。

図２に示されるＣＮＣコントローラ３６は、プローブインターフェース３２からトリガー信号を受信するためのいわゆる「直接」または「高速」ＳＫＩＰ割り込み（すなわち、入力）を有する。この例では、プローブトリガー信号は各軸制御ボードに直接接続されており、トリガー信号を受信すると、現在の軸位置をほぼ瞬時にラッチまたは記録できる。このタイプのプローブ信号と軸制御ボードの統合により、通常、応答時間または遅延が４μｓのオーダになり、ジッタ（ｊｉｔｔｅｒ）は無視できる。このような直接ＳＫＩＰ割り込みを実施するために、さまざまな代替コントローラアーキテクチャが利用可能であることに留意すべきである。

図４を参照すると、測定プローブを搭載した工作機械の主軸が、一定の速度または送り速度に加速または減速するのに一定の時間がかかることが示される。つまり、工作機械の主軸がＣＮＣコントローラから特定の送り速度で移動を開始するように命令された場合、その送り速度まで加速するのに一定の時間がかかる。このスピンドルの加速と減速の領域は、しばしば機械の「加速ゾーン」と呼ばれる。

工作機械が加速および減速する方法を決定する制御アルゴリズムは、ＣＮＣ制御システムの製造元によって設定される。これらの制御アルゴリズムは、マシンビルドごとに異なる可能性があり、マシンが再キャリブレーションされるときにも変更される可能性がある。主要なＣＮＣ制御システムメーカーであるＳｉｅｍｅｎｓ、ファナック、Ｈｅｉｄｅｎｈｅｉｎ、および三菱はすべて、独自の特定のロジックスキームと計算とを実施している。ただし、原則として、工作機械は通常、一定の速度で加速することはありません。たとえば、ファナックと三菱のコントローラの場合、加速速度は、プログラムされた送り速度が所定の時間（たとえば、０．０６秒）で到達するように設定される。その結果、プログラムされた送り速度を達成するために工作機械の軸によって移動する距離は、送り速度に比例して増加する。これを図４に示し、ここでは、時間の関数としての速度が、１０００ｍｍ／秒の第１の送り速度と２０００ｍｍ／秒の第２の送り速度とでの、コマンド移動について示される。第１の送り速度と第２の送り速度との速度プロファイルは、それぞれ５０行目と５２行目で示されている。

図５を参照して、機械の加速ゾーンで測定を行うことによる悪影響について説明する。すべての測定プローブシステムは、工作機械に取り付けた後に校正が必要であることが一般的に理解され、受け入れられる。通常、これには、後で測定サイクルにて使用される、送り速度での既知の表面のプローブが必要である。上記説明したように、ＣＮＣ制御システムによって記録されるオブジェクトの表面上のポイントの位置と、そのポイントの実際の位置とには違いがある。この違いは、測定プローブの機械的な事前移動と、プローブのインターフェースおよびコントローラの応答時間による遅延とから生じる。この違いは、スタイラスがオブジェクトに接触してからＣＮＣ制御システムによってトリガー信号を受信するまでの時間遅延と考えることもできる。

図５は、工作機械の典型的な速度（Ｖ）対時間（Ｔ）のプロット６０を示す。上記説明したように、機械的なプレトラベル（ｐｒｅ−ｔｒａｖｅｌ）による時間遅延、および測定に関連するプローブインターフェースとコントローラとの応答時間は、特定の設置に対して実質的に一定である。測定システムで取得された測定値から時間遅延の影響を取り除くために、時間ｔ_pでスタイラスがオブジェクトに接触してからプローブインターフェースによるトリガー信号の発行時間ｔ_iまでの時間で移動した距離Ａが計算される。特定の送り速度で有効なこの距離Ａを保存して、その送り速度で取得された将来のすべての報告位置を修正するために使用できる。ここで、機械の加速ゾーンで行われた測定について考える。機械が加速しているとき、時間ｔ_pでスタイラスがオブジェクトに接触してからトリガー信号の発行時間ｔ（ｔ_i）までの間に測定プローブが移動した距離Ｂは、距離Ａとは異なる。つまり、測定された位置の修正は、測定に使用される加速ゾーンの部分に依存する大きさの誤差Ｃの影響を受ける。

したがって、測定プローブが加速ゾーンにある間の表面測定値の取得は避ける必要があることがわかります。言い換えると、正確な計測を保証するために、スタイラスがオブジェクトの表面に接触するときに、測定プローブが一定速度Ｖで（つまり、指定された送り速度で）移動していることを確認する必要がある。したがって、測定サイクルが静止した開始から開始される場合、測定プローブは、表面測定が取られる前に測定プローブを必要な一定速度Ｖまで加速できるように、オブジェクト表面（つまりスタンドオフ位置）から十分な距離に配置する必要がある。測定されるポイントと測定プローブとの間のこの初期距離または間隔は、スタンドオフ距離と呼ばれる。スタンドオフ距離が小さすぎる場合は、プローブが工作機械によって必要な速度まで加速されている間に、測定が行われる可能性があり、それによって計測の精度が低下する。逆に、スタンドオフ距離が長すぎると、プローブをより低い送り速度でオブジェクトの表面に接触させるのにかかる時間が長くなり、測定サイクルを完了するのに必要な時間Ｔが長くなり、全体的な生産性が低下する可能性がある。

次に図６を参照して、測定サイクル中に行われるすべての測定に対して、所定のスタンドオフ距離を設定および使用し、送り速度を精査する従来技術のプロセスがいくつかの欠点を有することが、本発明者によってどのように見出されたかを説明する。特に、図６は、測定プローブ７１を使用して測定されるべき様々な表面を有するオブジェクト７０を示す。これらの表面には、小口径７６の外面７２および内面７４が含まれる。

外面７２上の任意の測定ポイント７８は、比較的高速で（例えば、Ｆ３０００または３０００ｍｍ／分のプローブ送り速度で）測定することができるが、これは、少なくとも、例えば、２〜５ｍｍ（工作機械の加速度特性と工作機械内にオブジェクトを取り付ける精度によって異なる）のスタンドオフ距離Ｓの使用を必要とする。小口径７６の半径が２〜５ｍｍのスタンドオフ距離と同様の大きさである場合、そのボア（ｂｏｒｅ）の位置などの公差を考慮に入れて、そのような送り速度およびスタンドオフ距離の使用は、そのようなボア内のポイント７９を測定するのに十分な可能性または信頼性がないことがある。以前は、これにより工作機械のオペレータは単に送り速度を下げる（したがってスタンドオフ距離を短くする）ことができたので、必要なすべてのオブジェクトの測定を行うのに適している。送り速度のそのような世界的な減少の結果、サイクルタイムの全体的な増加になる。

次に図７を参照して、本発明者らは、従来の技術のいくつかの不利な点を取り除くために、改善された測定サイクルをどのように考案したかを説明する。従来技術の方法によれば、測定サイクルを生成する最初の段階は、測定されるべきオブジェクト８２の表面上の一連の測定ポイント８０ａ〜８０ｅを識別することである。しかしながら、適切なスタンドオフ位置８４ａ〜８４ｅは、次に、各ポイントについてユーザによって別々に設定される。したがって、ポイント８０ａ〜８０ｅのそれぞれについて、スタンドオフ距離Ｓ₁−Ｓ₅は、すべてが互いに異なる可能性があり、またはそれらの少なくともいくつかが他のものと異なる可能性があるが、各スタンドオフ距離は、関連する測定ポイントを測定するためにユーザによって設定される。たとえば、ボア８６内のポイント８４ｃを測定するために使用されるスタンドオフ距離Ｓ₃は、オブジェクトの外面の測定ポイントに使用されるスタンドオフ距離Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₄およびＳ₅よりも著しく短い可能性がある。

ユーザがスタンドオフ距離を設定した後、各測定ポイントのプローブ送り速度が決定される。特に、計算は、測定プローブが表面位置測定（つまり、コマンドされたプローブ送り速度が表面位置測定の前に達成される）を行う瞬間に、加速がない（または無視できる）ことを保証しながら、使用できる最速のプローブ送り速度を確立するために実行される。このようにして、プローブ送り速度Ｆ₁−Ｆ₅は、計算される。再配置送り速度Ｆ_rで測定位置間を移動できることにも留意すべきである。この再配置送り速度Ｆ_rは、プローブ送り速度よりも高速であり、再配置移動中に測定が行われないため、加速および減速の領域を含む場合がある。測定プローブは、各スタンドオフ位置８４ａ〜８４ｅで停止するか、またはスタンドオフ位置に到達したときに特定の速度で移動することができる。最速のプローブ送り速度の計算では、スタンドオフ位置に到達したときのプローブの動きの速度または速さを考慮に入れることができる（たとえば、プローブがスタンドオフ位置に達したとき、プローブが既にその表面に向かう方向に移動している場合は、より速いプローブ送り速度が可能である）。当業者が理解するように、本明細書に記載のプローブ送り速度の計算は、ＣＮＣ制御システム上または別のコンピュータ上で実行されるコンピュータプログラムによって実行される。

図８を参照して、上記のさまざまなプローブ送り速度で収集された測定値を、どのようにして正確な表面位置測定値に変換するかを説明する。上記説明したように、オブジェクトの表面に接触するプローブのスタイラスと、位置の測定値を取得するために工作機械のはかりを凍結するＮＣとの間には、実質的に一定の時間遅延がある。この一定の遅延は、スケールの凍結とスタイラスがオブジェクトと接触したポイントとの間の位置の違いが、プローブの送り速度の関数として変化することを意味する。例として、たとえばＦ２（２ｍｍ／分）の非常に遅いプローブ送り速度を考える。トリガー信号の発行とスケールの凍結との間のオブジェクトに対する測定プローブの移動量は無視できる。対照的に、プローブの送り速度がはるかに高い場合、たとえばＦ２０００（２０００ｍｍ／分）の場合、数ミクロンの相対移動が発生する可能性がある。上記説明したように、これらの影響は適切なキャリブレーションによって取り除くことができる（測定が行われるときに速度が一定であると仮定）が、これは通常、測定に使用される好ましいプローブ送り速度でのみ実行される。

プローブ送り速度の関数としての測定位置の変動を説明するために、図７を参照して上記のタイプの測定サイクルを実行するときに、位置補正が導出される。特に、位置補正値は、プローブ送り速度の関数として決定される。図８は、プローブ送り速度の関数としての位置補正のプロットを示す。図８に示される線形関係により、さまざまなプローブ送り速度で行われるタッチトリガー測定値を修正（キャリブレーション）することができる。これは、数学関数またはルックアップテーブルを使用して実行できる。このようにして、異なるプローブ送り速度で収集された図７を参照して説明された複数の測定ポイント８０ａ〜８０ｅをとるときに、速度に依存する変動を取り除くことができる。

上記の例は、工作機械上で実施される偏向可能なスタイラスを有する測定プローブを含むタッチトリガープローブシステムについて説明される。ただし、同じ原理が、あらゆるタイプの座標測位装置およびあらゆるタイプのプローブシステムに適用可能である。たとえば、この手法は、座標測定機（ＣＭＭ）に適用できる。同様に、任意の既知のタイプの測定プローブ（例えば、接触または非接触プローブ）は、座標測位装置によって運ぶことができる。

Claims (15)

1. 座標位置決め装置によって搭載された測定プローブを用いて、オブジェクトを検査するための測定サイクルを生成する方法であって、前記測定サイクルは、一連のタッチトリガー測定を使用して前記オブシェクトの検査を可能にするように、前記測定プローブが前記オブジェクトに対して沿って移動する測定経路を含み、該方法は、
   前記オブジェクトの表面上に複数のタッチトリガー測定ポイントを定義するステップであって、前記複数のタッチトリガー測定ポイントのそれぞれは、前記測定プローブが前記タッチトリガー測定ポイントに向かって加速される関連するスタンドオフ位置を有し、前記複数のタッチトリガー測定ポイントのそれぞれは、関連するスタンドオフ位置からスタンドオフ距離だけ離れている、該ステップを含み、
   該方法は、前記複数のタッチトリガー測定ポイントの少なくともいくつかについて異なるスタンドオフ距離を定義するステップと、それに関連する前記スタンドオフ距離に基づいて各タッチトリガー測定ポイントを取得するときに使用されるプローブ送り速度を計算するステップとを含むことを特徴とする方法。
2. 各タッチトリガー測定ポイントについて計算された前記プローブ送り速度は、前記タッチトリガー測定ポイントの測定の前に前記プローブ送り速度への加速が発生したことを保証することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 各タッチトリガー測定ポイントについて計算された前記プローブ送り速度は、前記タッチトリガー測定ポイントの測定前に前記プローブ送り速度への加速が発生したことを保証する最高の送り速度であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記タッチトリガー測定ポイントごとに別々にプローブ送り速度を計算するステップを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
5. 前記プローブ送り速度は、工作機械の加速度特性を用いて計算されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法。
6. 補償が、異なるプローブ送り速度で収集されたタッチトリガー測定ポイントに適用され、前記補償は、各タッチトリガー測定ポイントとの位置感知関係を確立する測定プローブと、座標測位装置による位置情報の収集との間の実質的に一定の時間遅延を考慮に入れることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の方法。
7. 前記座標位置決め装置は、工作機械を含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法。
8. 前記工作機械は、前記測定プローブからトリガー信号を受信するための直接ＳＫＩＰ入力を備えた数値コントローラを備えたことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記数値コントローラは、１ミリ秒未満の応答時間を備えた直接ＳＫＩＰ入力を有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記数値コントローラは、１００マイクロ秒未満の応答時間を備えた直接ＳＫＩＰ入力を有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記測定プローブは、前記オブジェクトに接触するための偏向可能スタイラスを有する接触プローブであることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 前記測定プローブは、タフトリガープローブであることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の方法。
13. 適切なコンピュータ上で実行されたときに、請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の方法を実施する命令を含むコンピュータプログラム製品。
14. 測定プローブとプロセッサとを備えた座標位置決め装置であって、
    前記プロセッサは、オブジェクトを検査するための測定サイクルを生成するように構成され、前記測定サイクルは、一連のタッチトリガー測定を使用して前記オブジェクトの検査を可能にするように、前記測定プローブがオブジェクトに対して沿って移動する測定経路を含み、
    前記プロセッサは、前記オブジェクトの表面に複数のタッチトリガー測定ポイントを定義することによって前記測定サイクルを生成し、前記複数のタッチトリガー測定ポイントのそれぞれは、前記測定プローブがタッチトリガー測定ポイントに向かって加速される関連するスタンドオフ位置を有し、前記複数のタッチトリガー測定ポイントのそれぞれは、関連するスタンドオフ位置からスタンドオフ距離だけ離れ、
    前記プロセッサは、前記複数のタッチトリガー測定ポイントの少なくともいくつかについて異なるスタンドオフを定義し、それに関連するスタンドオフ距離に基づいて各タッチトリガー測定ポイントを取得するときに使用されるプローブ送り速度を計算するように構成されたことを特徴とする座標位置決め装置。
15. 直接ＳＫＩＰ入力を備えた数値制御装置を有する工作機械を含むことを特徴とする請求項１４に記載の座標位置決め装置。

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