JP3679472B2 - 2つの回転軸を有する座標測定装置の校正方法 - Google Patents

2つの回転軸を有する座標測定装置の校正方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、2つの旋回軸を有する座標測定装置の校正方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
1つの面内又は空間内を可動のスキャナ又は工具を有する、座標測定機、工作機械及び多数のその他の加工機械の運動系は、高い精度要求と同時に一般に2又は3つの互いに直角なかつ互いに組立られた直線案内によって実現され、この場合直線案内に線形測定系が配属されている。これらの公知の測定系は簡単な運動機構の利点を有するが、しかし極めて費用のかかる構造的手段及び高い製作費用でのみ実現され得るにすぎない。そのほかに、これらの系の可動機械的構成部材は比較的大きな重量を有する。
【0003】
構造的に極めて簡単には、2つの平行な旋回リンクを有する平坦な運動系を構成することができる。この原理に基づき構成されており、従ってそのスキャナが2つの並列した平行な旋回軸線を有するリンククアームで1つの面内を可動に構成された座標測定装置は、例えば英国特許第1498009号明細書、米国特許第4,891,889号明細書並びにドイツ国特許出願公開第4238139号明細書に記載されている。ドイツ国特許出願公開第4238139号明細書に記載された座標測定装置のリンクアームは、付加的に垂直のz方向におけるリンクアームの運動を検出するために線形測定系を有する垂直直線案内に配置されている。
【0004】
このような2つの平行なリンク軸を有する装置の利点は、デカルト案内を有する装置に比して例えばプロフィールの連続的走査のために簡単な操作を可能にする軽重量のリンク部材の簡単な機械的構成にある。
【0005】
しかしながら、前記の“リンクアーム装置”で高精度の測定を可能にするには、装置の基礎幾何学的因子、旋回軸線に配属された角度測定系の零位φ0及びψ0並びに測定のために交換導入されるプローブ球の直径dTを精確に知ることが必要である。この目的のために、該装置は、1回だけでなく、前記の主寸法が変化する都度校正しなければならない。このような事態は、例えば新たなスキャナを交換導入する際に常に生じる。この場合、一般にプローブ球の直径だけでなく、第2のリンクアームの有効長さR2も変化する。
【0006】
さらにまた、旋回軸の相互の、及びリンクアームに配置された直線案内に対する非平行性、並びに個々のリンク部材の自重及び作動もしくは測定力の作用による弾性変形を校正の範囲内で検出することが望ましい。それというのも、最後に挙げた作用も、リンク系を介するその極めて複雑な方式でスキャナの立体的測定もしくは位置誤差として影響する系統的誤差を惹起することがあるからである。
【0007】
座標測定装置の校正のためには、従来は主としてレーザ干渉計が使用され、該装置により座標測定装置の測定範囲内をスキャナが運行する際のスキャナに固定された反射プリズムの位置が座標測定装置の測定系とは無関係に測定された。更にまたいわゆる球ロッド法も適用され、この場合には、両側に玉継手を備えた既知の長さのロッドを座標測定装置の測定台及び該測定装置のスキャナに枢着しかつ測定範囲内を旋回させる。このようなレーザ干渉計及び球ロッドを用いた校正法は、例えば欧州特許公開第0304460号明細書、欧州特許公開第0275428号明細書、欧州特許公開第0279926号明細書並びに欧州特許公開第0386115号明細書に記載されている。この種の公知の校正法は、比較的時間がかかりかつ多数の高価な校正工具を必要とする。従って、これらの方法は、例えばスキャナ交換毎の座標測定装置の定期的校正のためには不適当である。さらに、干渉計はデカルト座標で測定する座標測定装置の校正のために適するにすぎない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、スキャナが2つの並列した平行な旋回軸を有するリンクアームを介して1つの面内を可動に案内されている座標測定装置のための、多大な費用を必要とせずに実施可能である簡単な校正方法を提供することであった。該方法では、少なくとも比較的短い距離で可変の主寸法が迅速に測定可能であるべきである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、校正体の輪郭を走査し、スキャナに固定されたプローブ球の直径(dT)を該輪郭もしくはその距離に関する測定値にそれぞれ異なった重みづけ又は符号で関与させ、かつ輪郭の走査の際に得られた、面(x,y)内のスキャナの位置に関する測定値及び輪郭の既知の寸法から主寸法(R1,R2,φ0,ψ0,dT)を決定することを特徴とする方法により解決される。
【0010】
前記解決手段により、簡単に例えば2つの適当に選択した輪郭を走査することにより、5つの主寸法、即ち両者のリンクの長さR1及びR2及び角度測定系の零角φ0,ψ0並びにプローブ球の直径dTを同時に極めて迅速に測定することができる。この際得られた、輪郭の既知の寸法と同一視することができる多数の測定値から、次いで主寸法を明らかに高い精度で確認することができる。
【0011】
輪郭は、それぞれ円形又は矩形の校正体の内側輪郭及び円形又は矩形の外側輪郭であってもよい。外側輪郭及び内側輪郭を測定する際には、プローブ球直径はそれぞれ異なった符号を取ることができる。しかしながら、互いに既知の固定距離で配置された2つの内部孔からなる校正体を使用することもできる。確かに、プローブ球直径は両者の内部輪郭を測定する際には同じ符号で測定結果に関与するが、しかしながら、両者の内部輪郭の距離はプローブ球直径には左右されない、即ち、距離にはプローブ球直径は重みづけ零で関与する。
【0012】
更に、輪郭は、異なった距離を有する直線対、例えば明らかに異なった辺長を有する矩形の対向した辺であってもよい。その際には、プローブ球直径は、直線対の距離を測定する際にその他の主寸法と比較してそれぞれ異なった重みづけで関与しかつ同様に確認することができる。
【0013】
特に有利には、記載の校正方法を、面(x,y)内を変位可能なプローブを有する場合のためにも構成するのが有利である。この場合には、座標測定装置が面(x,y)内で変位可能なフィーラを有し、かつ校正基準を、大きさ及び方向が異なったフィーラの変位で数回走査もしくは走行させることによって平面(x,y)におけるフィーラの変位とスキャナの運動とを関連させ、平面(x,y)におけるスキャナの位置及び平面(x,y)におけるフィーラの変位に関する測定値からフィーラの変位の係数を決定するのが特に有利である。
【0014】
該校正方法のその他の構成及び付加的実施態様、特にリンク軸の平行偏位、及び操作力及び自重に基づき惹起されるリンクアーム変形を測定するための方法は、他の請求項に記載されている。
【0015】
【実施例】
次に図示の実施例につき本発明を詳細に説明する。
【0016】
図1に略示された座標測定装置は、垂直z案内として構成された柱1を有し、該柱に支持体4が駆動装置2により摺動可能に支持されている。垂直z位置は、スケール3を介して光電式に読み取ることができる。
【0017】
支持体4には、旋回軸6が固定され、該旋回軸を中心に第1のリンクアーム5が面x,y内を旋回することができる。軸6上の同様に光電式で読み取られる部分円φを示す。
【0018】
第1のリンクアーム5には、垂直軸6に対して平行な第2の軸8が固定されている。この軸8に第2のヒンジアーム7が同様に旋回可能に支持されている。この第2の旋回軸8の旋回運動を検出するために、図示されていない光電的走査系と結合されたピッチ円18が役立つ。
【0019】
第2のリンクアーム7は同時に、ばね平行四辺形機構を介して両者のリンク脚部9a,9bと支持体4に枢着されたスキャナ10のための支持体を形成する。ばね平行四辺形機構9a,9bを介して、スキャナ10は垂直方向で可動である。ばね平行四辺形機構の変位wは測定系23、例えば誘導測定系を介して検出されかつ増幅器15を介してモータ2に報知され、該モータは平行四辺形の大きな変位を支持体4の追従により制御する。
【0020】
フィーラ11はスキャナ10で弾性カルダン継手14を介して面x,y内で変位可能である。変位の程度は、互いに垂直に配置された2つの測定系13a,13bを介して検出可能である。従って、プローブ球12の位置Pは、両者のリンクアーム5及び7の長さR1及びR2と結合した角度測定系16ないしは18の測定値φ及びψから、図2の図面から容易に導き出すことのできる以下の方程式に基づき求められる:
【0021】
【数1】
Figure 0003679472
【0022】
この場合、スキャナの変位u及びv並びに場合により装置誤差例えば旋回軸6及び8と案内1との非平行性は考慮されていない。
【0023】
パラメータR1及びφ0は長時間帯に亙り一定であると見なすことができるが、このことはパラメータR2及びψ0並びにプローブ球の直径dTに関しては当てはまらない。これらのパラメータは、スキャナの交換に際に比較的大きな変動を受ける。
【0024】
ところで今や、フィーラ11がスキャナに不動に固定されかつ面x,y内で変位することができないと仮定すれば、その際には校正過程で、図5a−dに示されておりかつ平面に投影すると簡単な幾何学的図形を形成する校正基準の輪郭を走査することにより主寸法R1,R2,φ0,ψ0,dTを測定することができる。
【0025】
例えば、プローブ球12を連続してそれぞれ同じ旋回方向で、図5aに示された、その直径D1及びD2が高い精度で知られたゲージリング31の内側輪郭32及び外側輪郭33をに沿って案内する。この場合、旋回角度φ及びψに関してそれぞれ例えば100〜200の多数の測定値を得る。これらの値は、方程式(1),(2)と関連して、以下の方程式:
【0026】
【数2】
Figure 0003679472
【0027】
を満足すべきである。上記方程式において、明白なようにプローブ球直径dTは異なった符号で記入されている。ここに、XM1及びYM1は円形の内側輪郭の中心点座標、及びXM2及びYM2は外側輪郭の中心点座標である。これらの方程式から、すべての5つの主寸法を確実に求めることができる。
【0028】
類似の方程式系は、校正体として図5bに示された矩形であって、その辺長(S)が極めて精確に知られ、かつ精確に知られた直径D3の中心孔を有するものを使用することにより設定することができる。この場合も、矩形の孔の内部輪郭36及び外部輪郭35を走査することにより、該測定値を校正体の寸法に関連させることができる多数の測定値が得られる。この場合も、プローブ球直径は矩形の外部輪郭35及び孔の内部輪郭36を走査する際にそれぞれ異なった符号で測定結果に関与する。
【0029】
更に、図5cに示された校正体は同じ直径の2つの孔38及び39を有する矩形37の形を有する。これらの孔を走査すると、プローブ球直径は同じ符号で測定結果に関与する。もちろん、両者の孔38及び39の相互の固定距離Aはプローブ球の直径に依存しないで測定可能である、即ちプローブ球直径はこの距離で重みづけ零で関与する。
【0030】
主寸法を校正するもう1つの手段は、図5dに示された校正体が提供する。該校正体は矩形40の形を有し、この場合両者の対向した辺41/42及び44/43は著しく異なった距離A1及びA2を有する。校正過程で解放されるべき方程式系に関する式は、以下のように示される:
【0031】
【数3】
Figure 0003679472
【0032】
ここに、NX1及びNY1は辺41/42に対する法線の座標並びにNY1及びNY2は辺43/44に対する法線の座標であり、この場合該法線は、交点座標がXMもしくはYMで示された点で交差する。
【0033】
この場合も、矩形の対向した辺41/42及び43/44を走査することにより多数の測定値が得られ、該測定値を介して主寸法を逆算することができる。自明なように、この場合には、その都度辺43/44の距離A2又は辺41及び42の距離A1を測定するかどうかに基づき、プローブ球直径はその他の主寸法に比較して著しく異なった重みづけで関与する。
【0034】
図1に示されているように本装置に変位可能なフィーラ11を有するスキャナが固定されている場合には、もう1つの校正ステップで、リンクアームの立体的変位をスキャナ変位u及びv自体を関係付けることにより、測定走査系の特性を決定すべきである。それというのも、x−y面内の変位ベクトルはリンクアームの実際の主寸法R2及びψ0を変化させるからである。この事態は図4につき明らかにする。最も簡単な場合、即ちスキャナ変位u及びvを測定する測定系がリンクアーム7に対して平行もしくは垂直に配向されている場合には、以下の方程式:
【0035】
【数4】
Figure 0003679472
【0036】
に基づき信号u及びvからR2及びψの変化が得られる。この場合、a1及びa2は、フィーラ変位の信号u及びvをフィーラ長さに相応して翻訳するスキャナ係数である。
【0037】
主寸法(R1,R2,φ0,ψ0,dT)の冒頭に記載した測定を記載と同様に不動のスキャナでなく、変位可能なフィーラを有するスキャナで実施する場合には、方程式(1)及び(2)からのR2及びψをそれぞれR2′=R2+ΔR2及びψ′=ψ+Δψと置き換えかつΔR2並びにΔψに関しては方程式(7)及び(8)に示した表現を置き換ることより、方程式(1)及び(2)を補正すべきである。それにより、
【0038】
【数5】
Figure 0003679472
【0039】
が得られる。
【0040】
スキャナ変位と、リンクアームの立体的変位との間の一定の関係を得るためには、規定の校正基準を一定の位置で大きさ及び方向が変動するフィーラ11の変位及び/又は変化する操作力で走査するか、又は1つの測定面内で複数の位置で走査することにより測定するように実施することができる。例えば、校正基準は真合せ成形体、例えば(図6における心合せ成形体51及び52)、例えば立方体角、円錐心合せ孔又は3重球として構成されていてもよく、該心合せ成形体内にプルーブ球を固定し、引き続きリンクアームの位置を簡単に変動する、それにより同時にスキャナ変位及びリンクアーム位置の変化が生じる。その際、測定値(φ,ψ,u及びv)に関して、方程式(9)及び(10)から以下の関係式が得られる:
【0041】
【数6】
Figure 0003679472
【0042】
これから、係数a1及びa2をガウスの回帰計算により求めることができる。
【0043】
主寸法の測定及びスキャナ変位の係数の決定は、反復法に基づき行うのが有利である。その際には、図5a−dに基づく校正基準の1つで求めかつ記憶した測定値及び例えば立方体角を可変変位で走査する際に得られた測定値を数回連続して利用し、方程式例えば(3)及び(4)を(9)及び(10)並びに(11)及び(12)と組み合わせて解放することができる。この場合、約4回の反復ステップでスキャナ係数(a1,a2)及び主寸法(R1,R2,φ0,ψ0,dT)に関する極めて精確な値が得られる。
【0044】
スキャナ係数はある程度またリンクアーム5及び7の角度位置、即ち角度に関係させることができるので、前記測定は、例えば図6に明示されているように、リンクアームが一回折り畳まれかつ1回延ばされる、少なくとも2つの際立ったリンク位置で実施するのが有利である。そこで、基板50には2つの三重球が、それぞれ折り畳まれかつ延ばされたリンクアームで走査することができる位置にマウントされている。
【0045】
z方向でのスキャナ変位wの校正、即ち実質的に図1における測定系23の直線性の測定は、モータ2をスキャナ11の固定保持して測定系23の許容測定範囲内で作動させる、即ちスライダ4を校正運動させかつz測定系3の測定値を利用して、測定値放出器23の信号を校正することにより、極めて簡単に実施することができる。
【0046】
従来は、両者の軸6及び8が互いにかつz案内に対して正確に平行であることから出発した。この条件は、代替可能な構造及び製作技術的費用では常には維持されない。
【0047】
一般に、該装置は、図2に解体して示されているように、程度の差こそあれ変形されている。
【0048】
両者の軸6及び8の非平行性を確認するために、面又は直線を、例えば図6に基板50上に溝57により具体化された直線を両者の破線で記入された枢着位置で走査することができる。両者の枢着位置での測定値の差異から、両者の軸6及び8相互の傾斜位置が確認され、この場合この傾斜位置は軸のマウンティングにより、しかしまたリンクアーム5及び7の自重に基づく弾性変形に起因することがある。
【0049】
弾性変形を別に検出するために、規定の構成基準、例えば図6に54で示された半径R並びに軸座標Xm及びYmを有する円筒体の側面を屈曲したz軸で、即ちモータ2をブロックして旋回する垂直変位及び/又は操作力Fvで走査する。直立円筒体の代わりに、もちろん垂直面を有する別の校正基準、例えば直方体又はその他のプリズム状部材を使用することができる。そうして得られた測定値は、相互にかつ校正のその他の測定値と関係付けられ、かつ変形のための補正パラメータ(C1)及び(C2)を次いで以下の方程式から決定することができる:
【0050】
【数7】
Figure 0003679472
【0051】
垂直z案内1に対する第1の回転軸6の傾斜位置を決定するためには、軸位置を具体化する立体的校正基準を走査することができる。このような立体基準は、例えば基板50(図6)にマウントされた円筒体54に設けられた2つの環状溝55及び56により具体化される。プローブ球12で溝55を走査することにより測定値が得られ、該測定値は空間内で配向された軸KAをそれにより定義された座標測定系x′,y′,z′で規定する。引き続いて、中心点M2が高い精度で軸KA上にある溝56を走査すると、リンク軸6が傾斜している際には、中心点M2のずれが測定される。このずれの座標ΔXM1及びΔXM2から以下の方程式に基づき、第1のリンク軸6の傾斜位置(δx,y)が求められる:
【0052】
【数8】
Figure 0003679472
【0053】
この場合、z1は円筒体54に設けられた2つの溝55と56の距離であり、しかもこの距離極めて精確に知られている。
【0054】
上記に詳細に述べたように主寸法(R1,R2,φ0,ψ0,dT)並びにスキャナパラメータ(a1)及び(a2)の校正は比較的しばしば、例えばスキャナの交換の都度必要であるが、軸の曲がりパラメータ及び傾斜位置は座標測定装置の製作後1回だけ確認する必要があるにすぎない。それでもなお、図6に示されているように、校正のために必要な校正基準を共通の基板上にマウントするのが有利である。その際には、個々の又は全ての校正ステップを基板50を座標測定装置の測定台にセットした後実施することができる。この場合のプロセスは以下の通りである。例えば座標測定装置に接続された計算機で校正モードを呼出し、更に計算機にオペレータが、基板をセットし、かつ該基板上に配置された校正体51,52を走査するかないしは輪郭53a,53b,54,56を前記と同様に走査するように指令する。次いで、測定値から計算機は校正データを計算し、該校正データを未知の幾何学的偏位を有する測定すべき工作物での本来の測定プロセスのために記憶させる。
【図面の簡単な説明】
【図1】2つの平行旋回軸を有する座標測定装置の運動学的概略図である。
【図2】図1の基づく装置の運動を示す概略図である、但しこの場合には旋回軸の非平行性及びリンクアームの変形は誇張して示されている。
【図3】図1の基づく装置の運動を旋回軸に対して垂直に配置した面に投影した原理図である。
【図4】図2に基づく図示に加えてスキャナ変位が考慮されている簡単化した原理図である。
【図5】A〜Dは図1に基づく座標測定装置の主寸法を測定するために使用可能な4つの校正体を示す図である。
【図6】全ての寸法、傾斜位置、変形等の校正のために必要な校正体がセットされた基板の斜視図である。
【符号の説明】
6,8 旋回軸、 10 スキャナ、 12 プローブ球、 31;34;37;40 校正体、 32,33;53a,53b;35,36;38,39,40,41 輪郭、 R1,R2,φ0,ψ0,dT 主寸法、 x,y 面、 D1/D2;S/D3;D/A;A1/A2 既知の寸法

Claims (15)

  1. スキャナ(10)がリンク方式で2つの並列した平行な旋回軸(6,8)を介して1つの平面(x、y)内を可動に案内される座標測定装置の校正方法において、
    校正体(31;34;37;40)の輪郭(32,33;53a,53b;35,36;38,39;41/42,43/44)を走査し、スキャナに固定されているプローブ球(12)の直径(dT)を該輪郭もしくはその距離に関する測定値においてそれぞれ異なった重みづけ又は符号で関与させ、
    かつ輪郭の走査の際に得られた、平面(x,y)内におけるスキャナ(10)の位置に関する測定値及び輪郭の既知の寸法(D1/D2;S/D3;D/A;A1/A2)から主寸法(R1,R2,φψ ,dT)を決定することを特徴とする座標測定装置の校正方法。
  2. 輪郭がそれぞれ円形又は矩形の内側輪郭(32,36)及び円形又は矩形の外側輪郭(33,35)を有する、請求項1記載の方法。
  3. 両者の輪郭がリング状校正体(31)の内側輪郭及び外側輪郭から形成されている、請求項2記載の方法。
  4. 輪郭がそれぞれ内側輪郭又は外側輪郭(38,39)を有し、該内側輪郭又は該外側輪郭が互いに固定の、既知の対向した距離(A)で配置されている、請求項1記載の方法。
  5. 輪郭が固定の対向距離(A)の2つの孔(38,39)である、請求項4記載の方法。
  6. 輪郭がそれぞれ異なった距離を有する直線対もしくは明らかに異なった辺長(A1,A2)を有する矩形(40)の対向した辺(41/42;43/44)である、請求項1記載の方法。
  7. 座標測定装置が面(x,y)内で変位可能なフィーラ(11)を有し、かつ校正基準(51,52)を、大きさ及び方向が異なったフィーラ(11)の変位(u,v)で数回走査もしくは走行させることによって平面(x,y)におけるフィーラの変位とスキャナの運動とを関連させ、平面(x,y)におけるスキャナ(10)の位置及び平面(x,y)におけるフィーラ(11)の変位(u,v)に関する測定値(φ,ψ)からフィーラの変位(u,v)の係数(a1,a2)を決定する、請求項6記載の方法。
  8. 校正基準を座標測定装置の測定範囲内のスキャナ(10)の少なくとも2つの所定の位置で走査もしくは走行させる、請求項7記載の方法。
  9. 校正基準が、測定範囲内で、リンクアームの走査が異なった角度位置を取る位置に配置されている1つ以上の心合わせ体(51,52)から形成されている、請求項8記載の方法。
  10. 主寸法(R1,R2,φ,ψ,dT)の測定及びフィーラの変位の係数(a1,a2)の測定を輪郭(32,33)及び校正基準(51,52)での測定点の記録後に繰り返し行う、請求項7から9までのいずれか1項記載の方法。
  11. 直線(57)又は平面を2つの可能な異なる枢着位置(G1,G2)で走査し、該枢着位置(G1,G2)での測定値の差異から両者の旋回軸(6,8)の平行偏位を測定する、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。
  12. スキャナ(10)の平行な旋回軸(6,8)の方向での変位(w)に基づき生じるリンクアームの弾性変形の校正のために、旋回軸(6,8)に対して平行な測定面(54)を大きさ及び方向の異なったスキャナ(10)の変位又は異なった作動力で走査し、かつ得られた測定値を相互に並びに主寸法(R1,R2,φ,ψ,dT)のための校正データを関連させ、かつそこからリンクアームの弾性変形のための補正パラメータ(C1,C2)を決定する、請求項1から11までのいずれか1項記載の方法。
  13. 測定面(54)が旋回軸(6,8)に対して平行な円筒体の側面又は旋回軸に対して平行なプリズム状部材の側面である、請求項12記載の方法。
  14. リンクアーム(5/7)が旋回軸(6,8)に平行の直線案内(1)に固定されており、旋回軸に対して平行な面(54)を案内方向(z)で距離を置いた位置(55,56)で走査し、案内(1)とそれに引き続いた旋回軸(6)との間の平行偏位を決定する、請求項1記載の方法。
  15. 輪郭(53a,53b)ないしは校正基準(51,52)及び測定面(54)又は測定線(57)が共通の基板上に配置されている、請求項7から14までのいずれか1項記載の方法。
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