JP3684000B2 - 三次元測定機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元測定機であって、三次元測定機の検出子が前後に配置された回転軸線を介して運動可能に支承されている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
検出子が操作員により回転軸線若しくは旋回軸線の数と位置とに応じて多かれ少なかれ自由に三次元又は平面内で容易に運動可能に案内されて被測定ワーク上へ載着されるようなこの種の手動案内式の三次元測定機は公知であり、かつ例えばアメリカ合衆国特許第５４０２５８２号及び同第５３９６７１２号明細書に記載されている。
【０００３】
この形式の三次元測定機では、回転軸線相互の間隔がこの回転軸線内に配置されたエンコーダの発する回転角を規定する他に三次元での検出子の位置をも規定しているために、回転軸線相互の間隔が極めて正確に知られていなければならない。同じことが、最後の回転軸線と、検出子の位置若しくは接触球を固定した検出ピンの軸線との間隔についても当てはまる。
【０００４】
さらに、この三次元測定機の測定精度は温度により大きな影響を受ける。それというのは、リンクを結合しているアームの熱的な長さ方向の膨張を介して、リンク軸線相互の間隔が変化することができるからである。この理由により、最初に挙げたアメリカ合衆国特許第５４０２５８２号明細書に記載された主としてアルミニウムから構成されている機械は、温度測定を介して熱的な長さ方向の膨張を検知するために温度センサを備えている。この場合、三次元における接触球の位置は、温度センサから供給された信号を考慮した適当な修正計算を介して修正される。
【０００５】
しかし、この解決手段は、付加的なセンサ及び計算操作を必要とするために高価であり、かつ故障しやすい。
【０００６】
アメリカ合衆国特許第５３９６７１２号明細書に記載された三次元測定機では、運動可能な部分が例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）から成っていて、このプラスチックは極めてわずかな質量でも、構造に高い安定性を与えると同時に、熱的な影響に対する不感性をも生ぜしめる。しかし、この炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）は無視できないような熱膨張係数を有している。この熱膨張係数はむしろ異方性であり、換言すればこの熱膨張係数は繊維の配向性に依存するか、若しくは繊維により機械構成部材がどのように巻かれているか又は切断されているかに依存している。このことに依存して、このＣＦＫの熱膨張係数はほぼ−３・１０^-6／Ｋとほぼ＋２３・１０^-6Ｋとの間にあり、このことは、１メートルの長さのレバーでは、１０°の温度間隔で−３０μｍと＋２３０μｍとの間の長さ変化が生じることを意味する。この値は、測定精度に高い要求が課せられる場合には、著しい測定の不正確を招く。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題とするところは、大きな温度範囲内で可能な限り回転軸線相互の間隔がコンスタントであるような、冒頭に記載した形式の三次元測定機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明によれば、請求項１に記載のように、回転軸線相互の間隔若しくは検出子軸線と回転軸線との間隔を規定する機械構成部材の少なくとも１つがポジティブな熱膨張係数を有する材料から成っており、かつ他の少なくとも１つがネガティブな熱膨張係数を有する材料から成っていることにより解決された。
【０００９】
本発明によれば、回転軸線相互の間隔若しくは回転軸線と検出子軸線との間隔を規定する種々の機械構成部材が、ポジティブな熱膨張係数及びネガティブな熱膨張係数を有する種々異なる材料から成っている。このようにすれば、回転軸線相互の間隔方向の有効な長さと材料とを適当に選択することにより、間隔が極めてわずかにしか長さ変化せず、若しくは機械の測定精度の枠内で無視できる程度の熱的な長さ変化しか生じない。換言すれば、機械の幾何学寸法(Geometrie)は広い温度範囲にわたりコンスタントに保たれる。それゆえ、付加的な温度センサを省くことができる。
【００１０】
効果的には、機械構成部材の少なくとも１つが繊維強化プラスチック、有利には軸線相互の間隔の方向でネガティブな熱膨張係数を有する炭素繊維強化プラスチックから成っている。このことは例えば、当該機械構成部材を適当な配向性を有するように材料から切り出し、又はプラスチックを強化する繊維を必要な配向性で巻き付けることにより機械構成部材を個々にポリマライズ(polymerisieren)することにより実現される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を図示の実施例につき説明する。
【００１２】
本発明は冒頭に記載したアメリカ合衆国特許第５３９６７１２号明細書及びこれに対応するドイツ連邦共和国特許公開第４２３８１３９号明細書に記載されている形式の三次元測定機を先行技術としており、その技術内容を前提としている。図１にはこの三次元測定機の機械ベッドと、これに備えられたワークテーブルと、鋼(Stahl)から成り動力的に駆動されるフォーク状の支持体４を矢印Ｚ1 の方向で案内することのできるｚ−コラムは図示されていない。
【００１３】
フォーク状の支持体４の両方の脚には、両脚を結合する軸１４のための軸受を挿入してあり、この軸１４が鉛直な第１の回転軸線６を規定している。矢印Ｘで示したように、この回転軸線６を中心として水平方向に旋回可能に第１の旋回アーム(リンクアーム)５が軸１４に固定されている。この旋回運動の検出のために必要な角度測定機構は図面簡単のため図示されていない。第１の旋回アーム５は同様にフォーク状に形成されており、フォーク状の旋回アーム５の脚５ａ及び５ｂの端部が同様に第２の軸１５のための軸受を支持している。この軸１５は第２の回転軸線８を規定しており、この回転軸線は第１の回転軸線６に対して間隔Ａを有していて、かつ回転軸線６に対して平行に向けられている。軸１５に固定された第２の旋回アーム(リンクアーム)が矢印Ｙで示すように回転軸線８を中心として回転可能である。この第２の旋回アームは３つの部分から成っていて、かつばね平行四辺形リンク機構の形に形成されており、これにより、機械の検出子のための前端に配置された支持体１３を矢印Ｚ2 によって示す鉛直方向に手動で変位させることがてきる。検出子はその下側に、接触球１２を備えていて弾性的に支承された検出ピン１１を支持している。
【００１４】
ばね平行四辺形リンク機構は平行に配置された２つの脚９ａ，９ｂにより実施されており、その両端は、対を成して並べて配置されたそれぞれ４つのリンクばね１９ａ，１９ｂにより一方では支持体１３の上側及び下側に結合され、かつ他方では、第１の旋回アームの両方の脚間で軸１５に支承された構成部分７に結合されている。
【００１５】
この三次元測定機によるワークの座標測定のために特に重要なことは、両方の回転軸線６，８間の相互の間隔Ａ及び、回転軸線８と検出子軸線１０との間の間隔Ｂを測定作業中にコンスタントに維持することである。それというのは、接触球１２の可能な限り正確に算出すべき位置が前記間隔の値に依存しているからである。このことを比較的大きな温度範囲で保証するために、つぎの手段が講じられる。
【００１６】
第１の旋回アーム５の下面の拡大図である図２から分かるように、この旋回アームの脚５ａは炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）から成り、その繊維は、両方の回転軸線を結ぶ直線の距離、要するに間隔（Ａ）の方向に熱膨張係数α１＝−０．８・１０^-6Ｋ^-1を得るように位置し又は配向されている。脚５ａの熱膨張に対して決定的かつ効果的な長さは２３７．７ｍｍである。これに対して、軸１４は支持体４と同様に、熱膨張係数α２がほぼ１０・１０^-6Ｋ^-1である鋼から成っている。このことにより、軸と軸受は温度変化時でも互いに緊張せず、従って、軸受を破壊するような力が軸受に作用するようなことはない。軸１４が旋回アームの伸長に関与する効果的な長さＬ２は７．１ｍｍである。
【００１７】
ＣＦＫから成る脚５ａと軸１４とを結合する部分１４ａは、熱膨張係数２４・１０^-6Ｋ^-1のアルミニウムから成り、かつ長さＬ３＝５．２ｍｍで効果的に熱的な伸長に寄与している。脚５ａの他方の端部には軸１５のための軸受を挿入してあり、この軸受はセラミック材料から成っているが、しかし、このセラミック材料はこの箇所では回転軸線６と回転軸線８との間の間隔Ａ及び熱的な伸長に関して考慮される必要はない。それというのは、軸受の中心は軸受及び軸の材料の種類に関係なく常に中央に位置するからである。
【００１８】
間隔Ａの熱的な伸長ｌ１′のためには次式が成り立つ：
ｌ１′＝α１・Ｌ１＋α２・Ｌ２＋α３・Ｌ３ （１）
これを図示の実施例にあてはめれば：
ｌ１′＝（２３７．７・−０．８＋７．１・１０
＋５．２・２４）１０^-6ｍｍＫ^-1＝５．６４・１０^-6ｍｍＫ^-1 （２）
このことから判るように、間隔Ａ自体は３０Ｋの温度範囲にわたり、ほぼ０．１６μｍだけしか変化しない。このようなわずかな変化は、図１に示した三次元測定機の測定精度の枠内で完全に無視できる。
【００１９】
図３に示す第２の旋回アームでも事情は同様である。この場合、セラミック材料から成る軸１５の熱膨張係数α４を考慮しており、この熱膨張係数は１．５・１０^-6Ｋ^-1である。軸１５を囲む構成部分７は同様に同じセラミック材料から成っている。回転軸線８と検出子軸線１０との間の間隔Ｂの熱的な伸長にとって、軸１５の中心点と、構成部分７へのたわみばね１９ａの固定点との間の間隔Ｌ４が構成部分７に対して考慮される。この間隔Ｌ４は２３．６ｍｍである。検出子の支持体１３は同様に同じセラミック材料から成っていて、かつ熱的な伸長のために考慮すべき効果的な長さＬ１４＝２０．５ｍｍを有している。
【００２０】
ばね平行四辺形リンク機構の両方の脚９ａ，９ｂは、間隔Ｂの方向でこれも同様に−０．８・１０^-6Ｋ^-1のネガティブな熱膨張係数を有するＣＦＫ材料から成っている。考慮すべき長さＬ１１は１８６ｍｍである。
【００２１】
鋼から成る、固定点相互間のそれぞれ１０ｍｍの有効な長さＬ１２のたわみばね１９ａ，１９ｂも寄与している。
【００２２】
このことにより、第２の旋回アームの熱膨張ｌ２′のために次式が与えられる。
【００２３】
ｌ２′＝Ｌ１１・α１＋２・Ｌ１２・α２＋(Ｌ４＋Ｌ１４)・α４ （３）
これを本実施例にあてはめれば、
ｌ２′＝（１８６・−０．８＋２・１０・１０＋（１３．６
＋２０．５)・１．５)・１０^-6ｍｍＫ^-1＝９５．５・１０^-6ｍｍＫ^-1 （４）この場合、３０Ｋの温度範囲にわたり、回転軸線８と検出子軸線１０との間の間隔Ｂの熱膨張は全体で２．８６μｍであり、この値は機械の測定精度の枠内で同様に無視できる。鋼製のたわみばね１９を短縮すること若しくはＣＦＫ材料の構成部分９ａ，９ｂを延長することによりさらに若干改善された結果が得られる。
【００２４】
第１の旋回アーム５の両方の脚５ａ，５ｂを結合する中間部分は、同様にＣＦＫ材料から成っているが、しかし、この中間部分は、プラスチックを強化する炭素繊維の層に関連して、この部分の良好な安定度で第１の回転軸線６の方向にほぼ＋１・１０^-6／Ｋのポジティブな熱膨張係数α１′を生ぜしめるように巻き付けられている。このことにより、第１の旋回アーム５の、軸１５のための両方の軸受を支持する脚５ａ，５ｂ間の間隔若しくは長さが、セラミック材料から成る軸１５と同じ値の熱膨張係数を有することになり、その結果、この箇所でも、熱膨張に基づく不都合な力が軸１５の軸受に作用するようなことはない、
【図面の簡単な説明】
【図１】互いに相前後して位置する複数の回転軸線を備えた本発明に基づく三次元測定機の運動する機械構成部材を示す簡単な斜視図である。
【図２】図１に示した回転軸線相互を結合する脚を拡大して検出子軸線方向でみた下面図である。
【図３】 図１に示した回転軸線と検出子軸線とを結合する機械構成部材を拡大して同様に検出子軸線の方向でみた平面図である。
【符号の説明】
４ 支持体、 ５ 第１の旋回アーム、 ５ａ，５ｂ 脚、 ６ 回転軸線、 ７ 構成部分、 ８ 回転軸線、 ９ａ，９ｂ 脚、 １０ 検出子軸線、 １１ 検出ピン、 １２ 接触球、 １３ 支持体、 １４，１５ 軸、 １９ａ，１９ｂ たわみばね

Claims (5)

1. 三次元測定機であって、三次元測定機の検出子（１１／１２）が前後に配置された回転軸線（６，８）を介して運動可能に支承されている形式のものにおいて、回転軸線（６，８）間の相互の間隔（Ａ）若しくは検出子軸線（１０）と回転軸線（８）と間のの間隔（Ｂ）を規定する機械構成部材（１４，１４ａ，５；１５，１５ａ，９，１９ａ，１９ｂ，１３）の少なくとも１つ（１４，１４ａ，１５，１５ａ，１９，１３）が、ポジティブな熱膨張係数を有する材料から成っており、かつ他の少なくとも１つ（５，９）がネガティブな熱膨張係数を有する材料から成っていることを特徴とする三次元測定機。
2. 機械構成部材の有効な長さ及びその熱膨張係数が、間隔（Ａ）若しくは（Ｂ）の熱的な極めてわずかな長さ変化若しくは機械の測定精度の枠内で無視できる程度の熱的な長さ変化しか生じないように選択されている請求項１記載の三次元測定機。
3. 機械構成部材の少なくとも１つ（５，９）が繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）から成り、このプラスチックが、間隔（Ａ）若しくは（Ｂ）の方向にネガティブな熱膨張係数（α１）を有している請求項１又は２記載の三次元測定機。
4. 他の機械構成部材が鋼（１４，１９ａ，１９ｂ）及び又はアルミニウム（１４ａ）及び又はセラミック材料（１３，１５，１５ａ）から成る請求項３記載の三次元測定機。
5. 軸（１４，１５）を形成する材料の、回転軸線（６，８）の方向の熱膨張係数が、軸のための回転軸受を支持する機械構成部材（４，５）の熱膨張係数と同じ値である請求項１記載の三次元測定機。

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