JP3042157U

JP3042157U - 三次元座標測定機

Info

Publication number: JP3042157U
Application number: JP1997002495U
Authority: JP
Inventors: 克己酒井
Original assignee: Tokai Kyohan Co Ltd
Current assignee: Tokai Kyohan Co Ltd
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1997-04-04
Publication date: 1997-10-14
Anticipated expiration: 2003-04-04

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】誤差のない高精度の三次元座標測定を、容易に
且つ効率良く行うことができる三次元座標測定機を提供
する。【解決手段】測定テーブル１上に回転自在に垂直に立設
された回転コラム２の上端部に、水平アーム３が片側に
突き出して水平に固定され、水平アーム３の先端に測定
テーブル１の表面に向けて補助脚６が取付けられる。補
助脚の先端にコイルばねを介して摺動子７が上下移動可
能で測定テーブルの表面に摺動可能に取付けられる。角
度位置信号を出力するロータリエンコーダ１０と、水平
位置信号を出力する水平リニアエンコーダ１１と、Ｚ座
標信号を出力する垂直リニアエンコーダ１２と、補助脚
６の先端と摺動子７との間隙の高さを検出する間隙セン
サ１３と、が設けられる。操作スイッチの操作に応じて
測定子を任意の方向に移動させるための回転コラムモー
タ１６、水平駆動モータ１７、及び垂直駆動モータ１８
が設けられる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案が属する技術分野】

本考案は、各種機械加工部品等における輪郭の三次元座標を測定する三次元座標測定機に関する。

【０００２】

【従来の技術】

この種の三次元座標測定機として、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸移動機構の移動ヘッドにタッチプローブを取付け、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の各移動軸にＸ・Ｙ・Ｚ軸の位置を検出するリニアスケールが設けられ、被測定物の表面にタッチプローブを接触された時点で、各Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の、リニアスケールからの位置データをマイクロコンピュータが取り込み、被測定物の外形輪郭の三次元座標データを記憶する測定機が知られている。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

しかし、従来のこの種の三次元座標測定機は、高精度の測定を目的とする場合、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸移動機構の構造を、例えば剛性の高いブリッジ形（門形）構造とするなど、移動機構の剛性を高くし構造を強固に大形化する必要があり、小形で構造の簡単なＸ・Ｙ・Ｚ軸移動機構では、測定誤差が少なからず生じ、高精度の測定ができにくい問題があった。また、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸を各々リニアに動かすＸ・Ｙ・Ｚ軸移動機構は、手動で移動ヘッドを持って３軸を動かすことになるため、非常に移動操作が難しく、三次元座標の手動による測定が効率良く容易にできにくい問題があった。

【０００４】本考案は、上記の点に鑑みてなされたもので、比較的小形で簡単な構造の移動機構を使用して、誤差のない高精度の三次元座標測定を、容易に且つ効率良く行うことができる三次元座標測定機を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本考案の三次元座標測定機は、測定テーブル上に回転自在に垂直に立設された回転コラムと、該回転コラムをダイレクトドライブ方式により回転駆動する回転コラムモータと、該回転コラムの回転角に応じた角度位置信号を出力するロータリエンコーダと、該回転コラムの上端部に、片側に突き出して水平に固定された水平アームと、該水平アーム上に水平方向に移動可能に配設された水平移動部と、該水平移動部を水平方向に移動駆動させる水平駆動モータと、該水平移動部の移動位置を示す水平位置信号を出力する水平リニアエンコーダと、該水平移動部内に垂直移動可能に配設されたＺ軸移動部と、該Ｚ軸移動部を垂直方向に移動駆動させる垂直駆動モータと、該Ｚ軸移動部の移動位置を示すＺ座標信号を出力する垂直リニアエンコーダと、該Ｚ軸移動部の一部に設けられた移動ヘッドに取付けられ、前記測定テーブル上の被測定物に先端を接触させたとき、信号を発生する手段を設けた測定子と、操作スイッチの操作に応じて該回転コラムモータ、水平駆動モータ、垂直駆動モータを駆動制御して該移動ヘッド先端の測定子を任意の方向に移動させる３軸制御手段と、前記水平アームの先端に該測定テーブルの表面に向けて直角に取付けられた補助脚と、該補助脚の先端にコイルばねを介して上下移動可能に取付けられ、該測定テーブルの表面に当接して摺動する摺動子と、該補助脚の先端と該摺動子との間隙の高さを検出する間隙センサと、該間隙センサから出力された検出データに基づいて、前記水平リニアエンコーダからの水平位置データと前記垂直リニアエンコーダからのＺ座標信号のデータを補正し、該水平位置データと前記ロータリエンコーダからの回転角度位置データとからＸ座標・Ｙ座標を算出するデータ処理手段と、を備えたことを特徴とする。

【０００６】

【作用・効果】

このような構成の三次元座標測定機では、被測定物の輪郭形状の三次元座標を測定する場合、被測定物を測定テーブル上に載置し、操作スイッチを操作して、回転コラムモータを駆動して回転コラムを回転させ、水平駆動モータを駆動して水平移動部を移動させ、垂直駆動モータを駆動してＺ軸移動部を移動させることにより、移動ヘッドを任意のＸ・Ｙ・Ｚ方向に動かし、測定子の先端を被測定物の表面に接触させる。

【０００７】このとき、水平移動部とＺ軸移動部のリニアな動きと共に、回転コラムの回転により移動ヘッドつまり測定子が動くため、従来のＸ・Ｙ・Ｚ軸の三軸をリニアに動かす構造の測定機に比べ、測定子をより軽く容易に動かすことができ、測定の作業効率が大きく向上する。

【０００８】測定子の被測定物への接触により信号が発生すると、データ処理手段は、ロータリエンコーダ、水平リニアエンコーダ、垂直リニアエンコーダ、及び間隙センサから検出信号を取り込む。

【０００９】さらに、データ処理手段は、間隙センサから出力された検出データに基づいて、水平リニアエンコーダからの水平位置信号のデータと垂直リニアエンコーダからのＺ座標信号のデータを補正し、その水平位置信号のデータとロータリエンコーダの回転角度位置データとからＸ座標・Ｙ座標を算出する。

【００１０】このような構造の三次元座標測定機では、水平アームが片持ち式になることにより、回転コラムや水平アームの変形による測定値の誤差が生じやすいが、補助脚の先端に設けた間隙センサから出力される間隙の高さ（回転コラムや水平アームの変形に対応する）のデータから水平位置データとＺ座標を補正するため、それらの誤差は適正に補正され、正確な測定データを得ることができる。

【００１１】また、上記にように、検出データの補正を行うため、回転コラムや水平アームを含む測定機の各部の加工精度や剛性を、それ程高くする必要がなく、測定機を安価に且つ簡単に製造することができる。

【００１２】更に、回転コラムはダイレクトドライブ方式のモータにより回転駆動され、回転位置の検出がモータ内蔵のロータリエンコーダからの信号により可能となるため、従来のＸ・Ｙ・Ｚ軸の三軸をリニアに動かし且つリニアエンコーダにより位置を検出する構造の測定機に比べ、高価なリニアエンコーダの使用を少なくでき、製造コストを下げることができる。

【００１３】また、ダイレクトドライブ方式のモータ駆動は、機械的誤差の発生が少ないために、フルクローズドループ方式の制御をせずに、セミクローズドループ方式の制御を行っても、充分に高い精度の測定を行うことができ、フルクローズドループ制御用の高価なコンピュータＮＣを使用する必要がなく、低コストで高い精度の座標測定が可能となる。

【００１４】

【考案の実施の形態】

以下、本考案の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は三次元座標測定機の本体の斜視図を示し、図２はその正面図を示している。１は被測定物を載置する測定テーブル（定盤）であり、測定テーブル１（定盤）上の端に回転コラム２が垂直軸を回転軸として回転自在に立設される。そして、この回転コラム２の回転軸にはダイレクトドライブ方式の回転コラムモータ１６が連結され、このモータ１６により回転コラム２は直接回転駆動される。

【００１５】回転コラムモータ１６にはロータリエンコーダ１０が内蔵され、モータ１６つまり回転コラム２の回転角度位置に応じた信号を出力する。回転コラムモータ１６はサーボドライバ１６ａによりその回転を制御され、ロータリエンコーダ１０から出力されるパルス信号は専用のアップダウンカウンタ１９とサーボドライバ１６ａに入力される。

【００１６】さらに、回転コラム２の上部に水平アーム３が水平に固定される。水平アーム３に先端には、補助脚６が水平アーム３及びテーブル１の水平面に対し垂直に固定される。また、水平アーム３には、水平移動部４が水平方向に摺動可能に配設され、さらに、長手方向に沿ってボールねじ２７が取り付けられ、そのボールねじ２７に水平移動部４の一部が螺合する。ボールねじ２７の端部にはそれを駆動するための水平駆動モータ１７が連係され、水平駆動モータ１７によりボールねじ２７が回転駆動されて、水平移動部４が水平方向に移動する。

【００１７】水平移動部４内にはその移動位置に応じた信号を出力する水平リニアエンコーダ１１が設けられる。水平駆動モータ１７にはその回転数に応じた周波数信号を発生するレゾルバ１７ｂが内蔵される。水平駆動モータ１７はサーボドライバ１７ａによりその回転を制御され、レゾルバ１７ｂから出力される周波数信号はサーボドライバ１７ａに入力される。リニアエンコーダ１１から出力されるパルス信号は専用のアップダウンカウンタ１９に入力される。

【００１８】さらに、水平移動部４にＺ軸移動部５が上下摺動可能に取付けられる。また、水平移動部４内にはボールねじ２８が回転可能に垂直に支持され、ボールねじ２８にはＺ軸移動部５の一部が螺合する。ボールねじ２８の端部にそれを駆動するための垂直駆動モータ１８が連係され、垂直駆動モータ１８によりボールねじ２８が回転駆動されて、垂直移動部５が上下方向に移動する。

【００１９】Ｚ軸移動部５にはその移動位置に応じた信号を出力する垂直リニアエンコーダ１２が設けられる。この垂直リニアエンコーダ１２はアブソリュート方式のエンコーダであって、絶対位置を示す信号を出力する。垂直駆動モータ１８にはその回転数に応じた周波数信号を発生するレゾルバ１８ｂが内蔵される。垂直駆動モータ１８はサーボドライバ１８ａによりその回転を制御され、レゾルバ１８ｂから出力される周波数信号はサーボドライバ１８ａに入力される。リニアエンコーダ１２から出力されるパルス信号は専用のアップダウンカウンタ１９に入力される。

【００２０】なお、水平移動部４内には、Ｚ軸移動部５、移動ヘッド９及び測定子１５を含む重量荷重を上方に加えるための図示しないウエイトバランサが配設され、移動ヘッド９、測定子１５を含むＺ軸移動部５が任意の位置で停止可能である。

【００２１】上記ロータリエンコーダ１０、水平リニアエンコーダ１１、垂直リニアエンコーダ１２には、例えば、光学式或は電磁式の回転スケール又はリニアスケールが使用される。

【００２２】さらに、図４に示すように、補助脚６の下端には、測定テーブル１上を摺動する摺動子７がコイルばね８を介して取付けられる。摺動子７は、コイルばね８の僅かな付勢力により測定テーブル１上に押付けられ、容易に摺動可能である。補助脚６の下端と摺動子７との間には間隙Ｃが形成される。

【００２３】そして、補助脚６の下端部に、その間隙Ｃの高さαを検出するために、間隙センサ１３が取付けられる。この間隙センサ１３は、例えば電磁式の位置センサが使用され、磁性体で形成される摺動子７の位置を示す信号つまり間隙Ｃの高さα を示す信号を出力する。この間隙Ｃの高さαは、回転コラム２や水平アーム３のたわみに応じて変化するため、回転コラム２と水平アーム３のたわみによって生じる測定データの誤差を補正するために使用される。

【００２４】Ｚ軸移動部５の下端に移動ヘッド９が固定され、その移動ヘッド９に測定子１５が取付けられる。測定子１５は、例えばタッチセンサ式の入力スイッチを１４内蔵し、測定子１５の先端が被測定物の表面に触れたとき、入力スイッチ１４が動作して信号を出力する構造である。

【００２５】このような構成の三次元座標測定機本体は、回転コラム２が回転する構造であるため、コラムの回転角度をθとし、水平アーム３上の水平移動部４の位置データ（原点からの距離であり水平リニアエンコーダの検出距離）をＲとした場合、図３に示すように、Ｘ軸上のＸ座標は、Ｘ＝Ｒｃｏｓθから、Ｙ軸上のＹ座標は、Ｙ＝Ｒｓｉｎθから求められる。また、Ｚ軸上のＺ座標は、Ｚ軸移動部５の位置データ（垂直リニアエンコーダの出力位置データ）となる。

【００２６】この三次元座標測定機のデータ処理回路は、図５に示すように、マイクロコンピュータを主要部にして構成され、ＣＰＵ２０は、予めＲＯＭ２１に記憶されたプログラムデータに基づき、測定子１５の手動操作により測定されたＸ・Ｙ・Ｚ軸座標データを補正した後、ＲＡＭ２２に順に記憶する処理等を行う。

【００２７】上記ロータリエンコーダ１０、水平リニアエンコーダ１１、垂直リニアエンコーダ１２は各々専用のアップダウンカウンタ１９に接続され、各アップダウンカウンタ１９は入出力回路２６に接続される。また、入出力回路２６には、間隙センサ１３、入力スイッチ１４、ＣＲＴ等の表示器２３、プリンタ２４、操作スイッチ２５が接続される。

【００２８】上述のように、回転コラム２や水平アーム３のたわみに応じて変化する間隙の高さαが間隙センサ１３により検出されるが、この間隙Ｃの高さαに応じた位置データＲの補正値ＫＲｎとＺ座標の補正値ＫＺｎが予め、位置データＲとＺ座標に応じて測定され、ＲＯＭ２１内にデータテーブルとして記憶される。

【００２９】このような補正値ＫＲｎとＫＺｎは、予め、上記三次元座標測定機を用いてマスターゲージ等の既知の物体の三次元座標を測定すると共に、その測定値の誤差を求め、それらの誤差を間隙センサ１３から得られる間隙の高さαのデータに応じて補正するように決定され、補正値ＫＲｎが水平移動部の位置データＲに対応したテーブルデータとして、及び補正値ＫＺｎがＺ座標に対応してテーブルデータとして、記憶される。したがって、位置データＲを補正する場合は、Ｒ＝Ｒ＋ＫＲｎ、Ｚ座標を補正する場合は、Ｚ＝Ｚ＋ＫＺｎとすればよい。

【００３０】次に、上記構成の三次元座標測定機の動作を説明する。被測定物の三次元座標を測定する場合、被測定物を測定テーブル１上に載置し、データ処理回路をスタンバイさせる。そして、操作スイッチ２５を操作して、回転コラムモータ１６を駆動して回転コラム２を回転させ、水平駆動モータ１７を駆動して水平移動部４を移動させ、垂直駆動モータ１８を駆動してＺ軸移動部５を移動させることにより、移動ヘッド９を任意のＸ・Ｙ・Ｚ方向に動かし、測定子１５の先端を被測定物の表面に接触させる。移動ヘッド９の三次元の動きは、回転コラム２の回転を含む水平移動部４とＺ軸移動部５の動きにより行われるため、移動ヘッド９を容易に動かすことができる。

【００３１】測定子１５が被測定物に接触した時、測定子１５内の入力スイッチ１４がオンし、ＣＰＵ２０に入力信号が送られる。ＣＰＵ２０は、その入力信号を入力したとき、ロータリエンコーダ１０、水平リニアエンコーダ１１、垂直リニアエンコーダ１２、及び間隙センサ１３から検出信号を取り込む。そして、各サーボドライバ１６ａ〜１８ａに停止信号を出力して、駆動中の回転コラムモータ１６、水平駆動モータ１７、或は垂直駆動モータ１８を停止させる。

【００３２】測定子１５が接触した時、ロータリエンコーダ１０、水平リニアエンコーダ１１、垂直リニアエンコーダ１２から出力される各座標位置を示す信号は、専用のアップダウンカウンタ１９を介してＣＰＵ２０に送られる。このため、ＣＰＵ２０は、モータのサーボドライバに実際に停止信号が入ってモータが停止するまでの時間や慣性等による誤差を生じさせず、測定子１５が接触した時点の正確な位置データを取り込むことができる。

【００３３】さらに、ＣＰＵ２０は、間隙センサ１３から取り込んだ間隙Ｃの高さαと、水平リニアエンコーダ１１から取り込んだ水平位置データＲから、その補正値ＫＲｎをＲＯＭ２１内のデータテーブルより求め、Ｒ＝Ｒ＋ＫＲｎの式から水平位置データＲを補正する。また、同様に、間隙センサ１３から取り込んだ間隙Ｃの高さαと、垂直リニアエンコーダ１２から取り込んだＺ座標データとから、その補正値ＫＺｎをＲＯＭ２１内のデータテーブルより求め、Ｚ＝Ｚ＋ＫＺｎの式からＺ座標データを補正する。

【００３４】次に、上記のように補正した水平位置データＲとロータリエンコーダ１０からの角度位置データθを使用して、Ｘ＝Ｒｃｏｓθの式からＸ座標を算出し、Ｙ＝Ｒｓｉｎθの式からＹ座標を算出する。そして、算出したＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標の各々のデータをＲＡＭ２２に書込む。

【００３５】この後、操作スイッチ２５の操作によって移動ヘッド９が動かされ、再び測定子１５の先端が被測定物の表面に接触すると、入力スイッチ１４がオンし、ＣＰＵ２０は、ロータリエンコーダ１０、水平リニアエンコーダ１１、垂直リニアエンコーダ１２、及び間隙センサ１３から、新な検出信号を取り込み、これらの検出データから、水平位置データＲとＺ座標を補正すると共に、Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標を算出し、算出したＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標の各々のデータをＲＡＭ２２に書込む。このような動作が繰り返されることにより、被測定物の三次元座標が測定され、記憶されていく。

【００３６】このように、水平移動部４とＺ軸移動部５のリニアな動きと共に回転コラム２の回転により移動ヘッド９つまり測定子１５が動くため、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の三軸をリニアに動かす構造の測定機に比べ、測定子１５をより軽く容易に動かすことができ、測定の作業効率を大きく向上させることができる。

【００３７】また、水平アーム３が片持ち式になることにより、回転コラム２や水平アーム３の変形による測定値の誤差が生じやすいが、補助脚６の先端に設けた間隙センサ１３から出力される間隙Ｃの高さα（回転コラム２や水平アーム３の変形に対応した値）のデータから水平位置データＲとＺ座標を補正するため、それらの誤差は補正され、正確な測定データを得ることができる。

【００３８】更に、回転コラム２はダイレクトドライブ方式のモータ１６により回転駆動され、回転位置の検出がモータ内蔵のロータリエンコーダ１０からの信号により可能となるため、従来のＸ・Ｙ・Ｚ軸の三軸をリニアに動かし且つリニアエンコーダにより位置を検出する構造の測定機に比べ、高価なリニアエンコーダの使用を少なくでき、製造コストを下げることができる。

【００３９】また、ダイレクトドライブ方式のモータ駆動は、機械的誤差の発生が少ないために、フルクローズドループ方式の制御をせずに、セミクローズドループ方式の制御を行っても、充分に高い精度の測定を行うことができ、フルクローズドループ制御用の高価なコンピュータＮＣを使用する必要がなく、低コストで高い精度の座標測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例を示す三次元座標測定機の本
体の斜視図である。

【図２】同測定機の正面図である。

【図３】Ｘ座標とＹ座標の値を示す説明図である。

【図４】補助脚の先端に設けた間隙センサと摺動子を示
す拡大断面図である。

【図５】測定機のデータ処理回路のブロック図である。

【符号の説明】

１−測定テーブル２−回転コラム３−水平アーム４−水平移動部５−Ｚ軸移動部６−補助脚７−摺動子８−コイルばね９−移動ヘッド１０−ロータリエンコーダ１１−水平リニアエンコーダ１２−垂直リニアエンコーダ１３−間隙センサ１４−入力スイッチ１５−測定子１６−回転コラムモータ１７−水平駆動モータ１８−垂直駆動モータ

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】測定テーブル上に回転自在に垂直に立設
された回転コラムと、該回転コラムをダイレクトドライブ方式により回転駆動
する回転コラムモータと、該回転コラムの回転角に応じた角度位置信号を出力する
ロータリエンコーダと、該回転コラムの上端部に、片側に突き出して水平に固定
された水平アームと、該水平アーム上に水平方向に移動可能に配設された水平
移動部と、該水平移動部を水平方向に移動駆動させる水平駆動モー
タと、該水平移動部の移動位置を示す水平位置信号を出力する
水平リニアエンコーダと、該水平移動部内に垂直移動可能に配設されたＺ軸移動部
と、該Ｚ軸移動部を垂直方向に移動駆動させる垂直駆動モー
タと、該Ｚ軸移動部の移動位置を示すＺ座標信号を出力する垂
直リニアエンコーダと、該Ｚ軸移動部の一部に設けられた移動ヘッドに取付けら
れ、前記測定テーブル上の被測定物に先端を接触させた
とき、信号を発生する手段を設けた測定子と、操作スイッチの操作に応じて該回転コラムモータ、水平
駆動モータ、垂直駆動モータを駆動制御して該移動ヘッ
ド先端の測定子を任意の方向に移動させる３軸制御手段
と、前記水平アームの先端に該測定テーブルの表面に向けて
直角に取付けられた補助脚と、該補助脚の先端にコイルばねを介して上下移動可能に取
付けられ、該測定テーブルの表面に当接して摺動する摺
動子と、該補助脚の先端と該摺動子との間隙の高さを検出する間
隙センサと、該間隙センサから出力された検出データに基づいて、前
記水平リニアエンコーダからの水平位置データと前記垂
直リニアエンコーダからのＺ座標信号のデータを補正
し、該水平位置データと前記ロータリエンコーダからの
回転角度位置データとからＸ座標・Ｙ座標を算出するデ
ータ処理手段と、を備えたことを特徴とする三次元座標測定機。