JP2521167B2 - 表面検出装置 - Google Patents

表面検出装置

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JP2521167B2
JP2521167B2 JP1502740A JP50274089A JP2521167B2 JP 2521167 B2 JP2521167 B2 JP 2521167B2 JP 1502740 A JP1502740 A JP 1502740A JP 50274089 A JP50274089 A JP 50274089A JP 2521167 B2 JP2521167 B2 JP 2521167B2
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rotating shaft
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    • G—PHYSICS
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  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、位置測定装置において用いられる表面検出
装置に関する。本願発明は添付した請求の範囲に詳細に
記される。
図面の簡単な説明 添付した図面を参照して本発明装置の実施例を詳細に
説明する。
第１図はプローブヘッドを部分断面で示す立面図であ
る。
第２図は上記プローブヘッドを具えた座標測定機械の
立面図である。
第３図は上記座標測定機械およびプローブヘッドの電
気部品を制御するよう構成されたコンピュータを示す系
統図である。
第４図はその輪郭が上記測定機械およびプローブヘッ
ドによって測定されるワークピースの斜視図である。
第５図は上記ワークピースの立面図である。
第６図は第５図の平面図である。
第７図は第６図のVII−VII線断面図である。
第８図は第６図のVIII−VIII線断面図である。
第９図は上記座標測定機械およびプローブヘッドの走
査を制御するための制御システムの図である。
第10図は第１図の詳細であり、第１図に示されるモー
タの変形を示す図である。
第11図は第５図と同様の図であり、上記プローブヘッ
ドの撓みを示す図である。
発明を実施するための最良の形態 第１図を参照するに、軸線10Aに沿って延在する細長
いスタイラス10は、球形の検出部11を具え、この検出部
を介してその輪郭が測定されるワークピース12の表面12
Aとの係合がなされる。２つの板ばね13,14はハウジング
15とスタイラス10との間で固定され、これら板ばねはス
タイラスを支持し、これによりスタイラスは軸線10Aの
方向でハウジング15に相対して距離D1に渡って直線的に
変位することができる。ハウジング15とスタイラス10と
の間に配置されるモータM1は、スタイラスに軸線10Aの
方向の力F1を作用するように設けられる。また、変換器
T1が、スタイラスのハウジング15に相対した軸方向位置
を検出するよう備えられる。モータM1は電磁位置決め装
置であり、スタイラスをある程度ハウジング15から離す
ように付勢している。スタイラス10上に設けられたスト
レインゲージシステム16は、軸線10Aを横断する方向で
検出部11に作用するあらゆる力F2を検出するように設け
られている。力F1,F2は、球形の検出部11の中心である
点Ｂを通って作用するものとする。システム16の出力は
Ｓで示され、それぞれ軸線20Aに垂直および平行な分力S
x,Sy（あるいはSs,y）の合力である。
ハウジング15はモータM2を介してハウジング20に支持
され、このモータM2は、ハウジング15を軸線10Aに垂直
な軸線20Aの回りに角変位させる。ハウジング15と20と
の間に配設される変換器T2は、上記角変位の角度D2を検
出するように設けられる。ハウジング20はモータM3を介
してハウジング30に支持され、モータM3は軸線20Aに垂
直な軸線30Aの回りにハウジング20を角変位させる。変
換器T3は、上記軸線30A回りの角変位の角度D3を検出す
るように設けられる。軸線20A,30Aは好ましくは固定さ
れた関係を有し、この場合これら軸線は共通点Ｉで交差
する。ここまで記述されてきた装置はプローブヘッドPH
を構成する。
プローブヘッドPHは、構造あるいはアーム17を構成
し、アーム17は、みかけ上固定されたものとみなされる
部材40に固定された端部17Aと、検出部11によって示さ
れる自由端部17Bとを有している。アーム17は、また、
端部17Aと軸線20Aとの間で延在する第１部分17C,軸線20
Aとハウジング15との間で延在する第２部分17D,および
スタイラス10によって示される第３部分を有するものと
みなすこともできる。
プローブヘッドPHは座標測定機械CMM（第２図）と共
に用いるためのものであり、この座標測定機械は、Ｚ軸
方向に直線的な変位をするための部材50上に支持される
部材40、Ｘ軸方向に直線的な変位をするための部材60上
に支持される部材50、およびＹ軸方向に直線的な変位を
するためのベース61上に支持される部材60を具える。軸
X,Y,Zは互いに垂直である。使用にあたっては、プロー
ブヘッドは端部17Aを介して機械CMMに接続される。端部
17Aは、好ましくは部材40に固定され、この場合、軸線3
0AとＺ軸はその方向が一致する。
部材40,50,60は、それぞれモータMX,MY,MZによりX,Y,
Z方向に駆動され、これら部材のそれぞれX,Y,Z方向にお
けるそのときどきの位置はそれぞれ変換器TX,TY,TZによ
り検出される。これら変換器の出力はそれぞれTXA,TYA,
TZAで示される。
モータM2,M3は、検出部11を所定の位置に置くために
位置決めモードで駆動することもできるし、また検出部
11を所定の力でワークピースと係合させるため検出部を
付勢するトルクモードで駆動することもできる。
コンピュータ70（第３図）は、モータＭ（X,Y,Z,2,
3）を駆動するようにプログラムされる。また、コンピ
ュータ70は必要であればモータM1についても、上記測定
機械の座標における所定の位置に検出部11を位置付ける
ように、または、ワークピース上の位置の座標を測定す
るか、あるいは走査することによってワークピースの形
状に沿った位置の座標を測定するようにモータM1を駆動
するようプログラムされてもよい。
プローブヘッドPHは、それに基づいて、モータM1,M2,
M3を駆動したときのどのような変位も、また力F2に基づ
くスタイラスのどのような曲げも測定されるような基準
状態を有するように調整される。本実施例において、軸
線10A,30Aが一直線をなし、軸線20AがＹ軸方向に延在す
るときを基準状態とし、また、検出部11に力が作用しな
いか、あるいはあらかじめ選択された力だけが作用する
間の点ＩとＢとの距離をR1とする。モータM1がゼロ位
置、すなわちモータM1の最大可動範囲のほぼ中間の位置
にあるときの上記距離をR1としてもよい。
中心Ｂの位置は、いわゆる“機械座標”に関して知る
必要があることが解る。この機械座標は、それぞれ互い
に垂直な基準面XY,XZおよびYZからのX,Y,Z方向の長さを
与える。このため、点Ｉに対する点Ｂの極座標であるい
わゆる“プローブ座標”について考慮される。点Ｂの機
械座標を得るには、点Ｂの極座標を機械座標に変換し、
かつ点Ｉの機械座標を加える。
第４図〜第９図を参照するに、ワークピース12は、基
準面XY,XZ,YZとの関係において示される（第4,5,6
図）。表面12Aは、XY平面に平行な表面部分12A1および
３つの基準面のいずれに対しても傾いている表面部分12
A2を有する。これら表面部分12A1,12A2の互いの関係
は、表面12Aにおいて実際に起こり得る向きの変化の一
例である。例えば、機械CMMは、XY基準面に対して平行
な平面（走査平面）XZ1におけるワークピースの輪郭を
測定しなければならないことがあり、この場合、その輪
郭は線12Bで表わされる。プローブヘッドPHが示される
最初の位置PH1はプローブヘッドが上述した基準状態に
ある位置であり、また、走査のためのスタートの位置で
ある。２番目の位置PH2は、プローブヘッドPHが表面部
分12A1と12A2との接続部分12Cにあることを示してい
る。
走査は、検出部11が線12Bに沿って動き、軸10Aが表面
12Aの向きにかかわりなく実質的にこの面に垂直であり
続けるように行われる。走査は、コンピュータ70と組合
された制御系100（第９図）の補助のもとに実行され
る。制御系100は、制御ループL1,L2,L3を介してモータ
Ｍ（X,Y,Z,1,2,3）のうち適切なものに作用し、また、
制御系100は、106で示される表面12Aの向きと検出部11
との相互作用であって、象徴的に線107,108,109で示さ
れる機械的相互作用によって、検出部11に作用する力に
応答する。相互作用107,108,109は、第９図に示される
出力T1AおよびSx,yを生成する。
以下の説明では、上述の力は点Ｂに作用するベクトル
として扱われる。また、上述した輪郭は、線12Bに沿っ
た点Ｂの機械座標に関する位置として測定される。点Ｂ
の位置を定めるベクトルの位置が機械座標に変換される
ことはすぐに解けることであり、それ自体良く知られた
ことである。従って、このことの詳細については省略す
る。ベクトルF1,F2については既にわずかながら説明し
たが、以下ベクトルに関し、まずプローブヘッドの位置
PH1を考慮して説明する。
ベクトルF1は、モータM1の圧力によって生成されるも
のであり、スタイラスの軸方向位置に応じた変換器T1の
出力T1Aにより検出される。以下において明かとなるよ
うに、ベクトルF1は、モータＭ（X,Y,Z）を制御して点
Ｉの位置を制御することによって所定の公称値に維持さ
れる。
ベクトルF2は、表面12Aのその方向が軸線10Aに垂直な
表面12Aからの反力であり、システム16からの出力に基
づいた計算101により求められる。すなわち、軸線20Aに
垂直な成分信号Sxおよび軸線20Aに平行な成分信号Syに
基づいた計算によって求められる。以上のことは、ベク
トルF1が表面12Aに垂直な限り、ベクトルF2は当然ゼロ
であることから言えることである。
ベクトルF3は、位置Ｂでの表面12Aの向きを規定する
ものであり、また、表面12Aに垂直な表面12Aの反力を示
す。ベクトルF3は、ベクトルF1,F2に基づく演算102（第
９図）によって求められる。プローブヘッド位置PH1に
おいては、ベクトルF3は単にベクトルF1と等しい大きさ
で反対の向きとなる。
ベクトルF4は、ベクトルF3と直角の方向をなし、ベク
トルF3の“ベクトル回転”演算によって求められる。従
ってベクトルF4もまた表面12Aの向きを規定するものと
いえるが、表面12Aにおける線12Bの実際の方向をこれに
よって知ることはできない。
線12Bの方向は、ベクトルF4と走査平面XZ1に垂直なベ
クトルF5との外積によって与えられる。ベクトルF5は本
例では単にモータMYにおける一定の位置を要求するもの
である。上記外積は計算104によって求められ、この計
算104の出力は線12Bの方向を規定するベクトルF6であ
る。
演算105により、方向ベクトルF6に速度成分S7を加え
ベクトルF7を求める。ベクトルF7は、速度と、検出部11
を線12Bに沿って表面12Aを移動させるのに必要な方向と
の両方を規定する。
検出部11が接続部12Cに到達すると、相互作用106,107
はベクトルF1,F2に以下のように影響する。ベクトルF1
に注目すると、本実施例では相互作用107はスタイラス
をハウジング15の方向へ付勢するので、モータM1はその
名目上の位置から変位し、変換器T1の出力T1Aを変化さ
せる。すなわち、ベクトルF1の大きさを変化させる。こ
のようにモータM1はそのクッション作用によってスタイ
ラスが損傷するのを防ぐが、モータM1ができる限り速や
かにその名目上の位置に戻るように、また、さらにスタ
イラス10の損傷を避けるために、ベクトルF1の出力はル
ープL1を介して比較的速やかにモータＭ（X,Z）に連絡
され、これによりプローブヘッドを表面12Aから上昇さ
せる。
ベクトルF2に注目すると、相互作用108により信号Sx,
yが変化し、ベクトルF2の大きさが異なったものとな
る。この結果表面の向きを規定するベクトルF3に起こる
変化は、比較的遅いループL2を介してモータＭ（2,3）
に連絡される。これによりアーム17は、軸線10Aをベク
トルF3の方向とするような１つの回転方向において軸線
20A、30Aの回りに回転される。すなわち、この回転によ
って軸線10Aは表面部分12A2に対して垂直となる。
プローブヘッドPHの角度の変化に伴なって２つの結果
を生じる。第１に、スタイラスと表面12A2との間の機械
的相互作用109が点I,B間の距離を変化させることもあ
る。この変化はループL1によって埋め合わされる。第２
に、プローブヘッドの角度の変化は点Ｂを平面XZ1上の
位置B0から離しがちになる。この傾向は点Ｉの位置を移
動させることによって埋め合わせる必要があり、これに
より点Ｂは位置B0に留まる。これに必要な点Ｉの変位
は、位置I1からI2へX,Y,Z方向において生じる必要があ
る（第６図〜第８図）。これは、ベクトルF3の出力に接
続し加算接続110を介してモータＭ（X,Y,Z）に至るルー
プL3によってもたらされる。位置Ｉの変位は、ループL1
またはループL3のうちいずれかより大きな変位を要請す
るループによるということは明かとなるであろう。
第10図を参照するに、電磁モータM1の代わりにスタイ
ラスをハウジング15から離す方向に付勢するばね18によ
って構成されるモータM1Aを具えてもよい。また、スタ
イラス10はばね13,14の代わりに精密リニアベアリング1
9によってその軸方向の動きを支持されてもよい。
以上で説明してきたように、システム16は、ベクトル
F3を得る目的でベクトルF2を測定するのに用いることも
できる。しかしながら、システム16は、いずれの場合に
もアーム17の撓みを測定するのに用いることもできる。
この測定により、この測定がアーム17の撓みによって誤
って測定される限りにおいて変換器TX,TY,TZの位置測定
値が修正される。第11図を参照するに、スタイラスが撓
むとすれば、点ＢがベクトルF1以外の力が作用しない公
称位置B1から撓み位置B2へ移動する。このことは、検出
部11と表面12Aとの間の摩擦あるいは検出部11と表面12A
2との係合によって生じ得ることである。本例におい
て、Ｘ軸方向のみにおいて生じる撓みの大きさは、R2で
示され、式R2＝Sx/Kxによって演算可能である。ここでS
xはその方向が軸線10Aに垂直でXZ平面に含まれるシステ
ム16の出力であり、Kxは同じ方向におけるスタイラスの
ばね定数である。機械座標における点Ｂの位置B2Xは、
従ってB2X＝IX−Sx/Kxとなる。ここでIXは機械座標にお
ける点Ｉの位置である。ところが表面12AのXY平面に対
する傾斜およびモータM2の角変位D2を考慮し、さらに直
線変位D1を考慮すると、位置B1,B3,B4によって示される
全ての位置、従って点ＢのＸおよびＹ方向の位置が以下
によって与えられる。
B4X＝IX＋R1cosD2＋B2sinD2および B4Z＝IZ＋R1sinD2＋R2cosD2 ここで、 IX＝点ＩのＸ方向における位置。
IZ＝点ＩのＺ方向における位置。
R1＝点I,B間の距離。
R2＝位置B1、B4間の距離。
D2＝モータM2の角変位。
表面12AはXYおよびYZ平面の両方に対して傾斜してい
るから、モータM3の角変位D3も考慮する必要があること
は明らかであろう。
システム16は例えばモータM3とハウジング20との間の
接続部21（第１図）のようなアームの長手方向に沿った
位置のいずれに具えられていてもよい。
システム16のようなシステムは、例えば米国特許4,15
8,919号（McMurtry）や、ドイツ連邦共和国公開公報1,6
38,048号（Indramat）によって、それ自体公知のもので
ある。
モータM2,M3のようなモータの構成は、本願人による
国際特許出願PCT/GB88/01135（出願人参照番号100WO）
において詳細に示される。
以上説明したように、本発明によれば、スタイラスに
作用する力を検出し、それに基づきワークピースの輪郭
に関する種々のベクトルを演算することにより、プロー
ブを自動的にワークピースに沿って走査させることがで
き、また、それによって、ワークピース輪郭を正確に知
ることが可能となる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パウリー，デイヴィッド，グラハム 英国 ビーエス12 ２エイチゼット エ イボン州 アルベストン コスターズ クローズ ４ (56)参考文献 特開 昭58−205801（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−195712（ＪＰ，Ｕ)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】位置測定装置（CMM）で用いるための表面
    検出装置（PH）において、 前記表面検出装置（PH）を前記位置測定装置（CMM）に
    固定する固定構造（30）と、 表面に接触するための検出要素（11）を有する細長いス
    タイラス（10）であって、前記固定構造（30）に相対し
    て、互いに直交する第１回転軸（20A）および第２回転
    軸（30A）のまわりに回転可能なスタイラス（10）と、 前記互いに直交する第１回転軸（20A）および第２回転
    軸（30A）のまわりに前記スタイラス（10）を回転させ
    るために設けられた第１および第２モータ（M2、M3）
    と、 前記スタイラス（10）を支持し、該スタイラス（10）の
    長さで規定される直線軸（10A）に沿った直線運動を可
    能とする手段と、 前記スタイラス（10）の前記直線軸方向の位置を検出す
    るための変換器（T1）と、 を具えたことを特徴とする表面検出装置（PH）。
  2. 【請求項２】前記検出要素（11）に対し、前記直線軸
    （10A）を横切る方向に作用する力（F2）を検出するた
    めの検出手段（16）をさらに具えたことを特徴とする請
    求の範囲第１項に記載の表面検出装置（PH）。
  3. 【請求項３】前記スタイラス（10）を前記直線軸（10
    A）に沿って付勢するためのリニアモータ（M1）をさら
    に具えたことを特徴とする請求の範囲第１項または第２
    項に記載の表面検出装置（PH）。
  4. 【請求項４】前記第１回転軸（20A）および第２回転軸
    （30A）のまわりの前記スタイラス（10）の角度変位を
    検出するための第１（T2）および第２（T3）角度変換器
    をさらに具えたことを特徴とする請求の範囲第１項ない
    し第３項のいずれかに記載の表面検出装置（PH）。
  5. 【請求項５】前記第１および第２モータのそれぞれは、
    前記検出要素（11）を所定位置に位置付けるための位置
    決めモード、または、前記検出要素（11）を付勢してワ
    ークピースに係合させるためのトルクモードにおいて、
    動作可能であることを特徴とする請求の範囲第１項ない
    し第４項のいずれかに記載の表面検出装置（PH）。
  6. 【請求項６】前記第１回転軸（20A）、前記第２回転軸
    （30A）および前記直線軸（10A）は、実質的に共通の点
    で交差することを特徴とする請求の範囲第１項ないし第
    ５項のいずれかに記載の表面検出装置（PH）。
  7. 【請求項７】位置測定装置（CMM）で用いるための表面
    検出装置（PH）において、 前記表面検出装置（PH）を前記位置測定装置（CMM）に
    固定する固定構造（30）と、 表面に接触するための検出要素（11）を有する細長いス
    タイラス（10）であって、前記固定構造（30）に相対し
    て、互いに直交する第１回転軸（20A）および第２回転
    軸（30A）のまわりに回転可能なスタイラス（10）と、 前記互いに直交する第１回転軸（20A）および第２回転
    軸（30A）のまわりに前記スタイラス（10）を回転させ
    るために設けられた第１および第２モータ（M2、M3）
    と、 前記スタイラス（10）に対し、前記直線軸（10A）を横
    切る方向に作用する力を検出するための検出手段（16）
    と、 を具えたことを特徴とする表面検出装置（PH）。
  8. 【請求項８】前記検出手段はストレインゲージシステム
    （16）であることを特徴とする請求の範囲第７項に記載
    の表面検出装置（PH）。
  9. 【請求項９】前記第１回転軸（20A）、第２回転軸（30
    A）および前記スタイラスの長さで規定される軸（10A）
    は、実質的に共通の点で交差することを特徴とする請求
    の範囲第７項または第８項に記載の表面検出装置（P
    H）。
  10. 【請求項１０】前記検出手段（16）は、前記スタイラス
    （10）上に設けられることを特徴とする請求の範囲第７
    項ないし第９項のいずれかに記載の表面検出装置（P
    H）。
JP1502740A 1988-02-18 1989-02-20 表面検出装置 Expired - Lifetime JP2521167B2 (ja)

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