JP3822388B2

JP3822388B2 - Displacement measuring device

Info

Publication number: JP3822388B2
Application number: JP19598599A
Authority: JP
Inventors: 孝野田; 佐藤　　誠; 孝浩茂呂澤; 信次横溝; 哲郎木村
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: JP2001021304A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、三次元測定機などの変位測定装置に関し、特に三次元測定空間の各軸方向の熱的な変化による誤差を極力少なくするようにした変位測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三次元測定機では、三次元測定空間を構成する各軸に沿って配置されたスケールを基準とするスケール座標系の中で、種々の測定子が使用されて測定が行われる。この種の三次元測定機では、測定子の交換前後の測定子間の偏差量による測定誤差が生じないように、スケール座標系の中に機械座標系を構築する。図１１は、この様子を示す図である。三次元測定機の測定機座標系Ｘs，Ｙs，Ｚsには、マスターボール１００が配置されており、このマスターボール１００の先端球の中心位置が機械座標系Ｘm，Ｙm，Ｚmの基準原点Ｏmとして定義される。各測定子による測定に先立って、その測定子によりマスターボール１００を球測定してその中心座標Ｏmを求める。そして、測定機座標系の原点Ｏsと機械座標系の原点Ｏmとの間のオフセット量Ｖsm（ベクトル）を記憶して、スケールの読み取り座標値からオフセット量を補正することによって測定子の交換前後の偏差量による測定誤差を取り除く。
【０００３】
実際の測定においては、機械座標系Ｘm，Ｙm，Ｚmの中に、更に測定物（ワーク１０１）の設計図面情報に対応させて測定物座標系Ｘw，Ｙw，Ｚwが構築される。以下、これら機械座標系、測定物座標系を合わせて「測定座標系」と呼ぶことにする。測定物座標系を構築することにより、機械座標系の原点Ｏmと測定物座標系の原点Ｏwとのオフセット量Ｖmw（ベクトル）についても補正され、測定物座標系に基づく測定値が求められる。いま、図１１における測定物座標系（Ｘw，Ｙw，Ｚw）を基準として得られる測定点Ｐの座標Ｖwp（ベクトル）は、下記数１のように表すことができる。
【０００４】
【数１】

【０００５】
従来の三次元測定機では、精密な三次元測定を可能にするために、例えば２０℃に正確に制御された測定室で測定作業を行うのが一般的であるため、一度設定された機械座標系及び測定物座標系による測定は、温度変化がないことが前提となっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、より高精度の加工を可能にするため、製造ラインの中で加工された製品を逐次測定して、その測定値を加工条件の補正値にフィードバックしていくような、いわゆるインライン型の計測システム等が採用されるに至り、従来のような理想的な温度条件の中での測定が困難になりつつある。このため、測定環境の温度変化が、高精度測定において無視できない測定誤差を招来し、測定精度の低下につながるという問題が生じるようになってきた。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、周囲の温度環境が変化しても、常に高精度な測定を行うことができる変位測定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る変位測定装置は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元測定空間が設定され、ベース面がＸ軸及びＹ軸と平行な水平面と一致するように配置された、測定対象を載置するベース部材と、このベース部材に対してＸ軸方向に延びるビーム部材と、このビーム部材を前記ベース部材に対してＹ軸方向に相対的に移動させるＹ軸駆動機構と、前記ビーム部材に支持されてＸ軸方向に移動するコラム部材と、このコラム部材に支持されてＺ軸方向に移動するスピンドル部材と、このスピンドル部材に取り付けられて前記測定対象の測定個所を指示する測定子と、前記ビーム部材にＸ軸方向に沿って一部のみが固定されるように取り付けられて前記ビーム部材に対する前記コラム部材のＸ軸方向の変位を検出するＸ軸スケールと、前記ベース部材にＹ軸方向に沿って一部のみが固定されるように取り付けられて前記ベース部材に対する前記ビーム部材のＹ軸方向の変位を検出するＹ軸スケールと、前記コラム部材又はスピンドル部材にＺ軸に沿って一部のみが固定されるように取り付けられて前記コラム部材に対する前記スピンドル部材のＺ軸方向の変位を検出するＺ軸スケールとを備えた変位測定装置において、前記Ｘ軸スケール、Ｙ軸スケール及びＺ軸スケールは、熱膨張による測定個所での前記各軸方向の寸法変化を考慮した補正値が最も少なくなる特定の部位で固定されていることを特徴とする。
【００１１】
例えば、前記ビームの熱膨張係数をα、前記Ｘ軸スケールの熱膨張係数をβ、前記ベース部材の熱膨張係数をγとし、α＞β、γであるとき、前記Ｘ軸スケールは、前記ビーム部材の前記ベース部材における支持位置に近い方の端部で前記ビーム部材に固定される。
【００１２】
また、例えば前記ビームの熱膨張係数をα、前記Ｘ軸スケールの熱膨張係数をβ、前記ベース部材の熱膨張係数をγとし、α＝β＝γであるとき、前記Ｘ軸スケールは、前記ビーム部材の任意の位置で固定されていれば良い。
【００１３】
同様に、前記Ｙ軸スケールは、例えば、前記ベース部材の中心に近い位置で前記ベース部材に固定される。
【００１４】
また、前記Ｙ軸スケールの熱膨張係数をβ、前記ベース部材の熱膨張係数をγとし、β＝γであるとき、前記Ｙ軸スケールは、前記ベース部材の任意の位置で固定されていれば良い。
【００１５】
前記コラム又はスピンドルの熱膨張係数をα、前記Ｚ軸スケールの熱膨張係数をβとし、α＞２βであるとき、前記Ｚ軸スケールは、前記コラム又はスピンドルの下端部に近い位置で固定されるようにすればよい。
【００１６】
また、前記コラム又はスピンドルの熱膨張係数をα、前記Ｚ軸スケールの熱膨張係数をβとし、α≦２βであるとき、前記Ｚ軸スケールは、前記コラム又はスピンドルの上端部に近い位置で固定されるようにすればよい。
【００１７】
この発明によれば、各軸スケールの取付形態や熱膨張係数に応じた各スケールの適切な取付形態を選択することにより、測定誤差を抑制して高精度の測定が可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１は、この発明の一実施例に係るＣＮＣ（Computerized Numerical Control）三次元測定システムの構成を示すブロック図である。
このＣＮＣ三次元測定システムは、三次元測定機１と、この三次元測定機１を駆動制御すると共に三次元測定機１から必要な測定値を取り込むためのコントローラ２と、このコントローラ２を介して取り込まれた測定値を処理するホストコンピュータ３と、三次元測定機１の測定環境の温度を測定して、その温度データをコントローラ２に供給する一又は複数の温度センサ４とにより構成されている。
【００１９】
三次元測定機１は、例えば図２に示すように構成されている。
除振台１１の上には、定盤１２がその上面をベース面として水平面と一致するように載置され、この定盤１２の両側端から立設されたビーム支持体１３ａ，１３ｂの上端でＸ軸方向に延びるビーム１４を支持している。ビーム支持体１３ａは、その下端がＹ軸駆動機構１５によってＹ軸方向に駆動される。また、ビーム支持体１３ｂは、その下端がエアーベアリングによって定盤１２にＹ軸方向に移動可能に支持されている。ビーム１４は、垂直方向（Ｚ軸方向）に延びるコラム１６を支持する。コラム１６は、ビーム１４に沿ってＸ軸方向に駆動される。コラム１６には、スピンドル１７がコラム１６に沿ってＺ軸方向に駆動されるように設けられている。スピンドル１７の下端には、接触式のプローブ１８が装着されている。このプローブ１８が、定盤１２上に載置されたワーク１９に接触したときに、プローブ１８からコントローラ２にタッチ信号が出力され、そのときのＸＹＺ座標値をコントローラ２が取り込むようになっている。また、定盤１２上の所定位置には、後述する機械座標系を構築するためのマスターボール２０が装着されている。
【００２０】
図３、図４及び図５は、上記三次元測定機１の各軸のスケールを示す図である。
図３〜図５において、ビーム１４の下面、定盤１２の左縁部及びスピンドル１７の前面には、それぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の変位を測定するためのＸ軸スケール２１、Ｙ軸スケール２２及びＺ軸スケール２３が配置されている。温度センサ４は、ビーム１４、定盤１２、各軸スケール２１，２２，２３、ワーク１９などに配置される。各スケール２１，２２，２３は、それが取り付けられる固定要素との間の熱膨脹差による熱応力や歪みの発生を防止するため、その一部のみを固定し、他の部分は固定要素に対してフリー状態となるように装着される。
【００２１】
スケール２１〜２３のこのような装着方法は、例えば図６に示すような構成によって実現できる。即ち、スケール２１（２２，２３）は、その複数個所で、ビーム１４（定盤１２，スピンドル１７）のような固定要素に固定された挟持部３１によって支持される。挟持部３１には、針状又は球状のコロ軸受（ニードル・ローラー・ベアリング）３２が配置されており、これによりスケール２１（２２，２３）は、挟持部３１に対してその長手方向の移動に対する摩擦係数の低減を図った状態で支持される。そして、スケール２１（２２，２３）の一端は、固定部材３３によって固定される。
【００２２】
次に、このように構成された、このシステムの動作について説明する。
図７は、コントローラ２によって実現される測定処理のフローチャートである。
まず、測定に先立って、機械座標系の設定処理が実行される（Ｓ１）。機械座標系の設定は、プローブ１８によってマスターボール２０を球測定することによって行う。マスターボール２０の中心位置が機械座標系の原点になる。次に、測定物座標系の設定を行う（Ｓ２）。測定物座標系は、プローブ１８によってワーク１９の基準位置を測定し、ワーク１９の設計図面に対応させることにより設定する。測定座標系の設定後、座標系設定フラグを０にリセットする（Ｓ２）。次に割り込みタスクで使用するデータＴＰｎ，Ｔ１，Ｈ１を初期化して、割り込みタスクを起動する（Ｓ３）。
【００２３】
続いて、測定が開始される。パートプログラムの１ラインに対応した測定コマンドの実行（Ｓ４）毎に、測定終了のチェックをする（Ｓ５）。測定終了でない場合には、座標系設定フラグをチェックし（Ｓ６）、座標系設定フラグが１でなければ、次の測定コマンドを実行する。座標系設定フラグは、温度変化有りの場合、後述する割り込み処理によってセットされる。したがって、この座標系設定フラグが１になっていれば、測定座標系の再設定を行うべく、プローブ１８を現在位置から座標系再設定の安全位置、即ち機械座標系設定及び測定物座標系設定を行ってもプローブ１８がワーク１９と干渉しないと思われる安全な位置まで退避し（Ｓ７）、機械座標系の設定（Ｓ８）と、測定物座標系の設定（Ｓ９）とを行って、割り込みを禁止してから（Ｓ１０）、座標系設定フラグを０にリセットし（Ｓ１１）、温度データＴ１と時間データＨ１とを更新する（Ｓ１２，Ｓ１３）。そして、これら２つの座標系設定フラグのリセットとデータの更新が終了したら割り込みを許可して（Ｓ１４）、次の測定を継続する。
【００２４】
次に、割り込みタスクである座標系設定フラグの設定処理を図８に基づき説明する。まず、温度センサ４からの温度測定値を監視して、温度勾配Ｇを算出する（Ｓ２１）。具体的には、ｔを割込みタスクの周期時間としたときに、ｎタスク前の温度ＴＰｎと現在の温度ＴＣより、温度勾配Ｇを次式により求める（Ｓ２１）。
【００２５】
【数２】
Ｇ＝｜ＴＰｎ−ＴＣ｜／ｎ＊ｔ
【００２６】
次に、現在の温度ＴＣと前回座標系変更時の温度Ｔ１とにより、温度変化ΔＴを下記のように求める（Ｓ２２）。
【００２７】
【数３】
ΔＴ＝｜ＴＣ−Ｔ１｜
【００２８】
また、現在の時刻ＨＣと前回座標系変更時の時刻Ｈ１とにより、時間経過ΔＨを下記のように求める（Ｓ２３）。
【００２９】
【数４】
ΔＨ＝ＨＣ−Ｈ１
【００３０】
そして、温度勾配として、例えば３℃／ｈ（０．０５℃／ｍ）未満であれば「温度変化小」とし、それ以外であれば「温度変化大」とする（Ｓ２４）。もし、温度変化が小であれば、前回座標系変更時との温度変化ΔＴが、例えば０．１℃以上であれば、温度が変化したものとする（Ｓ２５）。また、温度変化大のときは、前回座標系変更時との時間経過ΔＨが、例えば５分以上経過した場合に「座標系変更が必要」とする（Ｓ２６）。以上のように、温度変化有りの条件が満たされた場合には、座標系設定フラグが０であるかどうかを判定する（Ｓ２７）。座標系設定フラグが１であれば、座標系設定中であるため割り込み処理を終了するが、座標系設定フラグが０であれば、座標系設定フラグを１にセットする（Ｓ２８）。
【００３１】
上記の割り込みタスクによる座標系の再設定処理によれば、監視中の温度勾配が例えば３℃／ｈ未満のようになだらかな場合、指定された温度変化（例えば０．１℃の変化）が観測された時に割り込み座標系再設定処理が行われる。また、温度勾配が例えば３℃／ｈ以上と急な場合には、指定された間隔（例えば、５分）を待って割り込み座標系再設定を行う。これにより、温度勾配がなだらかな場合には、所定の温度変化が観測された時点で測定座標系の再設定がなされ、温度勾配が激しい場合には５分毎に座標系設定フラグが１になって測定座標系の再設定がなされることになる。
【００３２】
以上のシステムによれば、測定環境において温度変化が生じたときに、測定座標系の再設定を行うので、温度変化による影響は、スケール２１，２２，２３とワーク１９の熱的な寸法変化のみになる。そこで、温度変化に対するスケール２１〜２３及びワーク１９の指示精度の変化を予め求めて関数化しておいて、測定値を補正することにより、温度変化が激しい環境にあっても、極めて高精度の測定が可能になる。
【００３３】
また、上述したようなスケールの支持構成を採用しない一般的な場合では、スケール、その支持部材、測定物等の複数の要素の熱的特性を全て勘案した上で、各温度におけるスケール２１，２２，２３の位置や指示精度等を予め求めておいて、これをテーブル化しておいて、補正値として使用すれば良い。
【００３４】
監視する温度としては、測定空間内の任意の位置における温度、測定空間内の１０〜２０個所の位置における温度の平均値、機械の温度、測定物の温度等で最も有効なものを予め決めておけばよい。
【００３５】
なお、測定座標系の再設定処理は、マスターボール２０に対する測定を含む実際の測定による測定座標値の再設定処理の他に、温度に応じてスケール２１，２２，２３の取付位置変化や寸法変化を考慮した補正値ＶＸ，ＶＹ，ＶＺを算出し、演算処理によって測定座標値を再設定するようにしても良い。
【００３６】
以下、この補正値ＶＸ，ＶＹ，ＶＺとこれを最小化するスケール２１，２２，２３の好ましい固定位置と、各部材の好ましい熱膨張係数について説明する。
いま、マスターボール２０の取付位置が任意であるとした場合、スケール２１，２２，２３の固定位置として最も合理的な位置を考慮すると、次のようになる。
【００３７】
（１）Ｘ軸スケール２１
図３に示すように、測定機座標系のＸ軸方向の基準位置ｘ0からＸ軸スケール２１の固定位置ｘ1までの距離をＬ１、固定位置ｘ1から実際の測定位置ｘ2までの距離をＬＸとし、ビーム１４の熱膨張係数をα、スケール２１の熱膨張係数をβ、定盤１２の熱膨張係数をγとし、基準温度（２０℃）と現在の温度との温度差をΔＴととすると、温度差ΔＴのときのＸ軸方向の寸法補正値ＶＸは、下記数５のように表すことができる。
【００３８】
【数５】
ＶＸ＝(ΔＴ・α・Ｌ１)＋(ΔＴ・β・ＬＸ)−[ΔＴ・γ・(Ｌ１＋ＬＸ)]
【００３９】
上記数５において、ビーム１４はステンレス、スケール２１はガラス、定盤１２は花崗岩で構成されるものとすれば、それらの熱膨張係数α、β、γは、それぞれ、
【００４０】
【数６】
α＝２３．４×１０^-6／℃
β＝８．０×１０^-6／℃
γ＝８．０×１０^-6／℃
【００４１】
となるので、αがβ、γの約３倍近くになる。従って、温度補正値ＶＸを小さくするためには、測定機座標系の基準位置ｘ0からスケール２１の固定位置ｘ1までの距離Ｌ１ができるだけ短い方がよい。つまり、Ｘ軸スケール２１に関しては、図中左端部をビーム１４に対する固定部２４とし、その他の部分は、ビーム１４に対して移動可能とするのが望ましい。但し、もし三次元測定機１の各部の材料の選定によってα＝β＝γとすることができるのであれば、Ｘ軸スケール２１の取付位置に拘わらず、ＶＸ＝０となるので、固定部２４は、Ｘ軸スケール２１に対して任意の位置とすることができる。
【００４２】
（２）Ｙ軸スケール２２
また、図４に示すように、測定機座標系のＹ軸方向の基準位置ｙ0から実際の測定位置ｙ1までの距離をＬＹとすると、Ｙ軸方向の寸法補正値ＶＹは、下記数７のように表すことができる。
【００４３】
【数７】
ＶＹ＝(ΔＴ・β・ＬＹ)−(ΔＴ・γ・ＬＹ)
【００４４】
ワーク１９は定盤１２のどの位置に載置されるか不明であるが、通常は中心に配置されるものと思われるので、上記数７より、温度補正値ＶＹを小さくするためには、スケール２２の固定位置は定盤１２の中央部とした方が良い。つまり、Ｙ軸スケール２２に関しては、その中央部を固定部２５とし、その他の部分は定盤１２に対して移動可能とするのが望ましい。但し、もし三次元測定機１の各部の材料の選定によってβ＝γとすることができるのであれば、Ｙ軸スケール２２の取付位置に拘わらず、ＶＹ＝０となるので、固定部２５は、Ｙ軸スケール２２に対して任意の位置とすることができる。
【００４５】
（３）Ｚ軸スケール２３
また、図５に示すように、測定機座標系のＺ軸方向の基準位置（定盤１２の上面位置）ｚ0からビーム１４の位置ｚ1までの長さをＬ５、ビーム位置ｚ1からＺ軸スケール２３の０点（上端）位置ｚ2までの長さをＬＺ、Ｚ軸スケール２３の０点位置ｚ2からＺ軸スケール２３の下端位置ｚ3までのスケール長さをＬＳ、Ｚ軸スケール２３の下端位置ｚ3から実際の測定位置ｚ4までの距離をＬ６、測定機座標系の基準位置ｚ0からマスターボール２０の中心までの距離をＬ７とし、更にビーム支持体１３ａ，１３ｂ及びスピンドル１７の熱膨張率をビーム１４の熱膨張率と等しいαとし、プローブ１８及びマスターボール２０の熱膨張率をδとすると、Ｚ軸方向の寸法補正値ＶＺは、次のように表すことができる。
【００４６】
【数８】

【００４７】
この場合、Ｗは、Ｚ軸スケール２３の固定位置には関係しない値であり、Ｐは、スケール２３が下端で固定された場合に特有の値である。そこで、Ｐに着目すると、ＬＺ＝０のときにＰの最小値−ΔＴ・(α−β)・ＬＳが得られ、ＬＺ＝ＬＳのときに、最大値０が得られる。ここで、ΔＴ＝１℃とし、ＬＳを４００mm程度として前述した数６の数値を用いてＰの取りうる範囲を求めると、次のようになる。
【００４８】
【数９】
−６．１６≦Ｐ≦０
【００４９】
【数１０】

【００５０】
Ｑに着目すると、ＬＺ＝０のときにＱの最小値−ΔＴ・α・ＬＳが得られ、ＬＺ＝ＬＳのときに、最大値ΔＴ・(α−β)・ＬＳが得られる。そこで、前述と同様にＱの取りうる範囲を求めると、
【００５１】
【数１１】
−９．３６≦Ｑ≦６．１６
【００５２】
【数１２】

【００５３】
Ｒ１に着目すると、ＬＺ＝０のときにＲ１の最小値−ΔＴ・α・ＬＳ＋ΔＴ・β・ＬＳ／２が得られ、ＬＺ＝ＬＳ／２のときに、最大値−ΔＴ・(α−β)・ＬＳ／２が得られる。前述と同様にＲ１の取りうる範囲を求めると、
【００５４】
【数１３】
−７．７６≦Ｒ１≦−４．６８
【００５５】
【数１４】

【００５６】
Ｒ２に着目すると、ＬＺ＝ＬＳ／２のときにＲ２の最小値−ΔＴ・α・ＬＳ／２が得られ、ＬＺ＝ＬＳのときに、最大値ΔＴ・(α−β)・ＬＳ／２が得られる。前述と同様にＲ１の取りうる範囲を求めると、
【００５７】
【数１５】
−４．６８≦Ｒ１≦３．０８
【００５８】
よって、全体としては、下記数１６のようになる。
【００５９】
【数１６】
−７．７６≦Ｒ≦３．０８
【００６０】
ここで、Ｌ５＝６９５mm、Ｌ６＝４００mm、ＬＳ＝４００mm、Ｌ７＝１９０mm、α＝２３．４×１０^-6／℃、δ＝１１．０×１０^-6／℃として、Ｗを求めると、
【００６１】
【数１７】

【００６２】
となる。従って、この場合のように、α≒２δであれば、Ｐ，Ｑ又はＲが最小のときにＶＺも最小になる。また、仮にα＝δ＝２３．４×１０^-6／℃であるとした場合でも、Ｗ＝１１．３４９μｍとなるので、Ｐ，Ｑ又はＲが最小のときにＶＺも最小になる。
【００６３】
数値代入時のＰ，Ｑ，Ｒを図示すると、図９のようになる。図の交点のＬＺは、βＬＳ／α≒１３７（mm）であり、ＬＳの約１／３であるので、この場合には、下固定の場合が最も有利である。ちなみに、ＰとＱを比較すると、
【００６４】
【数１８】

【００６５】
となる。上記のＷと対応させて、ΔＴ＝１℃とし考えると、α＞βで且つＬＺ≦βＬＳ／αのときＰ≧Ｑ、ＬＺ＞βＬＳ／αのときＰ＜Ｑであり、図９とも一致する。以上の点から、
・α＞２βならばＬＺの大半でＰ＜Ｑ（下固定有利）である。
・β＜α＜２βならばＬＺの大半でＰ≧Ｑ（上固定有利）である。
・α≦βならば常にＰ≧Ｑ（上固定有利）である。
【００６６】
これをまとめると、一般的に次のことが言える。
・α＞２βならば下固定が有利である。
・α≦２βならば上固定が有利である。
【００６７】
従って、もしα＝βであれば、Ｚ軸スケール２３は、上固定とした方が有利であり、そのときには、
【００６８】
【数１９】

【００６９】
となる。上式の右辺第３項のΔＴ・α・ＬＺは、ＬＺが０〜ＬＳと変化するときに、０〜ΔＴ・α・ＬＳと変化するので、第１項と第２項の和を−ΔＴ・α・ＬＳ／２とするのが、Ｚ軸の全範囲を使用する場合に有利である。このとき、
【００７０】
【数２０】
δ／α＝(Ｌ５−ＬＳ／２)／(Ｌ６−Ｌ７)
【００７１】
となるδを持つ材料を選定するのが望ましい。
【００７２】
なお、以上は、ＣＮＣ三次元測定システムにこの発明を適用した例について説明したが、図１０は、マニュアル型の三次元測定システムにこの発明を適用した例を示している。この場合、三次元測定機１からマニュアル操作によって得られたＸＹＺの各方向の変位情報と温度センサ４からの温度情報とがカウンタ５を介してホストコンピュータ３に取り込まれる。ホストコンピュータ３は、測定環境内に設置した温度センサ４により温度を監視し、温度が変化したと判定された場合に、オペレータに警告音又は警告表示を与える。そして必要に応じて測定中断処理を実行する。オペレータは、警告音又は警告表示がなされたときに、測定を中断して割り込みの座標系再設定のタスクを起動して、測定座標系の再設定を行う。以後、設定された新たな座標系により測定が行われる。このような方法によっても高精度の測定が可能である。
【００７３】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、測定対象の変位を読み取るスケールと、これを支持する支持手段の熱膨張による測定位置の変動が最も少なくなるように、スケールが固定手段に固定され、或いは最適な熱膨張係数の材料が選定されるので、
▲１▼測定環境内の温度が変動しても、測定誤差を抑制することができ、常に精度の良い測定結果を得ることができる、
▲２▼測定途中で温度変化が大きい実際の測定環境でも、高精度測定が可能である、
という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るＣＮＣ三次元測定システムを示すブロック図である。
【図２】同システムにおける三次元測定機の外観斜視図である。
【図３】同三次元測定機のＸ軸スケールを示す正面図である。
【図４】同三次元測定機のＹ軸スケールを示す上面図である。
【図５】同三次元測定機のＺ軸スケールを示す正面図である。
【図６】同スケールの支持構造の一例を示す側面図及び平面図である。
【図７】同システムの測定処理を示すフローチャートである。
【図８】同システムの割り込み座標軸設定タスクを示すフローチャートである。
【図９】Ｚ軸スケールの固定位置とＺ軸補正値との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の他の実施例に係るマニュアル型三次元測定システムを示すブロック図である。
【図１１】三次元測定機における測定座標系の設定処理を説明する為の図である。
【符号の説明】
１…三次元測定機、２…コントローラ、３…ホストコンピュータ、４…温度センサ、５…カウンタ、１２…定盤、１４…ビーム、１６…コラム、１７…スピンドル、１８…プローブ、１９…ワーク、２０…マスターボール。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a displacement measuring apparatus such as a three-dimensional measuring machine, and more particularly to a displacement measuring apparatus that minimizes errors due to thermal changes in the respective axial directions of a three-dimensional measurement space.
[0002]
[Prior art]
In a three-dimensional measuring machine, measurement is performed using various measuring elements in a scale coordinate system based on a scale arranged along each axis constituting a three-dimensional measurement space. In this type of coordinate measuring machine, a machine coordinate system is constructed in the scale coordinate system so as not to cause a measurement error due to a deviation amount between the measurement elements before and after the exchange of the measurement elements. FIG. 11 is a diagram showing this state. A master ball 100 is arranged in the measuring machine coordinate system Xs, Ys, Zs of the three-dimensional measuring machine, and the center position of the tip sphere of the master ball 100 is set as a reference origin Om of the machine coordinate system Xm, Ym, Zm. Defined. Prior to measurement by each measuring element, the master ball 100 is measured by the measuring element to determine its center coordinate Om. Then, the offset amount Vsm (vector) between the origin Os of the measuring machine coordinate system and the origin Om of the machine coordinate system is stored, and the offset amount is corrected from the read coordinate value of the scale before and after the replacement of the probe. Remove measurement error due to deviation.
[0003]
In actual measurement, the object coordinate system Xw, Yw, Zw is constructed in the machine coordinate system Xm, Ym, Zm in correspondence with the design drawing information of the object to be measured (work 101). Hereinafter, the machine coordinate system and the measurement object coordinate system are collectively referred to as a “measurement coordinate system”. By constructing the measurement object coordinate system, the offset amount Vmw (vector) between the origin Om of the machine coordinate system and the origin Ow of the measurement object coordinate system is also corrected, and a measurement value based on the measurement object coordinate system is obtained. Now, the coordinates Vwp (vector) of the measurement point P obtained with reference to the measured object coordinate system (Xw, Yw, Zw) in FIG. 11 can be expressed as the following equation (1).
[0004]
[Expression 1]

[0005]
In a conventional coordinate measuring machine, in order to enable precise three-dimensional measurement, it is common to perform measurement work in a measurement chamber accurately controlled at, for example, 20 ° C. The measurement using the system and the measured object coordinate system is based on the assumption that there is no temperature change.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, in order to enable higher-precision processing, the so-called in-line type, in which products processed in the production line are sequentially measured and the measured values are fed back to the correction values for the processing conditions. Measurement systems and the like have been adopted, and measurement under ideal temperature conditions as in the past is becoming difficult. For this reason, a temperature change in the measurement environment causes a measurement error that cannot be ignored in high-accuracy measurement, leading to a problem that the measurement accuracy is lowered.
[0007]
The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a displacement measuring apparatus that can always perform highly accurate measurement even when the ambient temperature environment changes.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Ru engaged to the present invention displacement of the measuring apparatus is set three-dimensional measurement space of X axis, Y axis and Z axis orthogonal to each other, arranged so that the base surface coincides with the X-axis and Y-axis parallel to the horizontal plane A base member on which the measurement object is placed, a beam member extending in the X-axis direction with respect to the base member, and a Y-axis drive for moving the beam member relative to the base member in the Y-axis direction. A mechanism, a column member that is supported by the beam member and moves in the X-axis direction, a spindle member that is supported by the column member and moves in the Z-axis direction, and a measurement location of the measurement object attached to the spindle member An X-axis scale for detecting a displacement of the column member in the X-axis direction with respect to the beam member attached to the beam member so that only a part thereof is fixed along the X-axis direction. A Y-axis scale attached to the base member so that only a part thereof is fixed along the Y-axis direction, and detecting a displacement of the beam member in the Y-axis direction relative to the base member; and the column member or spindle A displacement measuring device comprising a Z-axis scale attached to a member so that only a part thereof is fixed along the Z-axis and detecting a displacement of the spindle member in the Z-axis direction with respect to the column member. The scale, the Y-axis scale, and the Z-axis scale are fixed at a specific portion where the correction value considering the dimensional change in each axial direction at the measurement location due to thermal expansion is minimized.
[0011]
For example, when the thermal expansion coefficient of the beam is α, the thermal expansion coefficient of the X-axis scale is β, the thermal expansion coefficient of the base member is γ, and α> β, γ, the X-axis scale is The member is fixed to the beam member at an end portion closer to the support position of the base member.
[0012]
For example, when the thermal expansion coefficient of the beam is α, the thermal expansion coefficient of the X-axis scale is β, the thermal expansion coefficient of the base member is γ, and α = β = γ, the X-axis scale is What is necessary is just to be fixed in the arbitrary positions of a beam member.
[0013]
Similarly, the Y-axis scale is fixed to the base member at a position close to the center of the base member, for example.
[0014]
Further, when the thermal expansion coefficient of the Y-axis scale is β, the thermal expansion coefficient of the base member is γ, and β = γ, the Y-axis scale is fixed at an arbitrary position of the base member. good.
[0015]
When the thermal expansion coefficient of the column or spindle is α, the thermal expansion coefficient of the Z-axis scale is β, and α> 2β, the Z-axis scale is fixed at a position close to the lower end of the column or spindle. What should I do?
[0016]
Further, when the thermal expansion coefficient of the column or spindle is α, the thermal expansion coefficient of the Z-axis scale is β, and α ≦ 2β, the Z-axis scale is fixed at a position close to the upper end of the column or spindle. What should I do?
[0017]
According to the present invention, by selecting an appropriate attachment form of each scale according to the attachment form of each axis scale and the thermal expansion coefficient, it is possible to perform measurement with high accuracy while suppressing measurement errors.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a CNC (Computerized Numerical Control) three-dimensional measurement system according to an embodiment of the present invention.
This CNC coordinate measuring system includes a coordinate measuring machine 1, a controller 2 for driving and controlling the coordinate measuring machine 1 and taking in necessary measurement values from the coordinate measuring machine 1, and the controller 2. The host computer 3 that processes the captured measurement values and one or a plurality of temperature sensors 4 that measure the temperature of the measurement environment of the coordinate measuring machine 1 and supply the temperature data to the controller 2. .
[0019]
The coordinate measuring machine 1 is configured, for example, as shown in FIG.
A surface plate 12 is placed on the vibration isolation table 11 so as to coincide with a horizontal surface with the upper surface as a base surface, and at the upper ends of beam supports 13 a and 13 b erected from both ends of the surface plate 12. A beam 14 extending in the X-axis direction is supported. The lower end of the beam support 13 a is driven in the Y-axis direction by the Y-axis drive mechanism 15. The lower end of the beam support 13b is supported on the surface plate 12 by an air bearing so as to be movable in the Y-axis direction. The beam 14 supports a column 16 extending in the vertical direction (Z-axis direction). The column 16 is driven along the beam 14 in the X-axis direction. The column 16 is provided with a spindle 17 that is driven along the column 16 in the Z-axis direction. A contact type probe 18 is attached to the lower end of the spindle 17. When the probe 18 comes into contact with the workpiece 19 placed on the surface plate 12, a touch signal is output from the probe 18 to the controller 2, and the XYZ coordinate value at that time is captured by the controller 2. . A master ball 20 for constructing a machine coordinate system, which will be described later, is mounted at a predetermined position on the surface plate 12.
[0020]
3, 4, and 5 are diagrams illustrating the scales of the respective axes of the coordinate measuring machine 1.
3 to 5, an X-axis scale 21 for measuring displacements in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction is provided on the lower surface of the beam 14, the left edge of the surface plate 12, and the front surface of the spindle 17, respectively. A Y-axis scale 22 and a Z-axis scale 23 are arranged. The temperature sensor 4 is disposed on the beam 14, the surface plate 12, the axis scales 21, 22, 23, the work 19, and the like. Each

scale

21, 22, 23 is fixed only in part to prevent the occurrence of thermal stress and distortion due to the thermal expansion difference between the

scales

21, 22 and 23 to which the scales are attached, and the other parts are fixed to the fixed elements. It is mounted so that it is free.
[0021]
Such a mounting method of the scales 21 to 23 can be realized by a configuration as shown in FIG. That is, the scale 21 (22, 23) is supported at a plurality of positions by the clamping portions 31 fixed to a fixing element such as the beam 14 (the surface plate 12, the spindle 17). Needle-like or spherical roller bearings (needle roller bearings) 32 are arranged in the sandwiching portion 31, whereby the scale 21 (22, 23) can move relative to the sandwiching portion 31 in the longitudinal direction. It is supported in a state where the friction coefficient is reduced. One end of the scale 21 (22, 23) is fixed by a fixing member 33.
[0022]
Next, the operation of this system configured as described above will be described.
FIG. 7 is a flowchart of the measurement process realized by the controller 2.
First, prior to measurement, a machine coordinate system setting process is executed (S1). The machine coordinate system is set by measuring the ball of the master ball 20 with the probe 18. The center position of the master ball 20 becomes the origin of the machine coordinate system. Next, the measurement object coordinate system is set (S2). The measurement object coordinate system is set by measuring the reference position of the workpiece 19 with the probe 18 and corresponding to the design drawing of the workpiece 19. After setting the measurement coordinate system, the coordinate system setting flag is reset to 0 (S2). Next, data TPn, T1, and H1 used in the interrupt task are initialized, and the interrupt task is activated (S3).
[0023]
Subsequently, measurement is started. Every time the measurement command corresponding to one line of the part program is executed (S4), the end of measurement is checked (S5). If the measurement is not finished, the coordinate system setting flag is checked (S6). If the coordinate system setting flag is not 1, the next measurement command is executed. The coordinate system setting flag is set by an interrupt process described later when there is a temperature change. Therefore, if this coordinate system setting flag is 1, in order to reset the measurement coordinate system, the probe 18 is moved from the current position to the safe position for resetting the coordinate system, that is, the machine coordinate system setting and the measured object coordinate system setting. The probe 18 is retracted to a safe position where it is considered that the probe 18 does not interfere with the workpiece 19 (S7), the machine coordinate system setting (S8) and the measurement object coordinate system setting (S9) are performed, and an interrupt is made. Is prohibited (S10), the coordinate system setting flag is reset to 0 (S11), and the temperature data T1 and the time data H1 are updated (S12, S13). Then, when the reset of these two coordinate system setting flags and the update of data are completed, the interruption is permitted (S14), and the next measurement is continued.
[0024]
Next, the coordinate system setting flag setting process, which is an interrupt task, will be described with reference to FIG. First, the temperature measurement value from the temperature sensor 4 is monitored to calculate the temperature gradient G (S21). Specifically, when t is the period time of the interrupt task, the temperature gradient G is obtained from the temperature TPn before n tasks and the current temperature TC by the following equation (S21).
[0025]
[Expression 2]
G = | TPn−TC | / n * t
[0026]
Next, a temperature change ΔT is obtained as follows from the current temperature TC and the temperature T1 when the previous coordinate system was changed (S22).
[0027]
[Equation 3]
ΔT = | TC−T1 |
[0028]
Further, the time lapse ΔH is obtained as follows from the current time HC and the time H1 when the previous coordinate system was changed (S23).
[0029]
[Expression 4]
ΔH = HC-H1
[0030]
For example, if the temperature gradient is less than 3 ° C./h (0.05 ° C./m), “low temperature change” is set, and otherwise “high temperature change” is set (S24). If any temperature change is small, the temperature change ΔT of the previous coordinate system changes, for example if 0.1 ° C. or higher, it is assumed that the temperature is changed (S25). Further, when the temperature change large, the time lapse ΔH between the previous coordinate system changed, and "coordinate system needs to be changed" if the elapsed example more than 5 minutes (S26). As described above, when the condition with temperature change is satisfied, it is determined whether the coordinate system setting flag is 0 (S27). If the coordinate system setting flag is 1, the interrupt process is terminated because the coordinate system is being set, but if the coordinate system setting flag is 0, the coordinate system setting flag is set to 1 (S28).
[0031]
According to the coordinate system resetting process by the interrupt task described above, the specified temperature change (eg, 0.1 ° C change) is observed when the temperature gradient being monitored is gentle, for example, less than 3 ° C / h. When it is done, the interrupt coordinate system resetting process is performed. When the temperature gradient is steep, for example, 3 ° C./h or more, the interrupt coordinate system is reset after waiting for a specified interval (for example, 5 minutes). Accordingly, when the temperature gradient is gentle, the measurement coordinate system is reset when a predetermined temperature change is observed. When the temperature gradient is severe, the coordinate system setting flag is set to 1 every 5 minutes. Thus, the measurement coordinate system is reset.
[0032]
According to the above system, when the temperature change occurs in the measurement environment, the measurement coordinate system is reset. Therefore, the influence of the temperature change is only the thermal dimensional change of the

scales

21, 22, 23 and the work 19. become. Accordingly, the change in the indication accuracy of the scales 21 to 23 and the work 19 with respect to the temperature change is obtained in advance and converted into a function, and the measurement value is corrected, so that even in an environment where the temperature change is severe, extremely accurate measurement is possible. Is possible.
[0033]
Further, in a general case where the scale support structure as described above is not adopted, the

scales

21 and 22 at each temperature are considered in consideration of the thermal characteristics of a plurality of elements such as the scale, the support member, and the measurement object. , 23 in advance, the indication accuracy, etc. are obtained in advance, tabulated and used as correction values.
[0034]
As the temperature to be monitored, the most effective temperature is determined in advance, such as the temperature at an arbitrary position in the measurement space, the average value of the temperature at 10 to 20 positions in the measurement space, the temperature of the machine, the temperature of the measurement object, etc. Just keep it.
[0035]
Note that the measurement coordinate system resetting process is not limited to the measurement coordinate value resetting process based on the actual measurement including the measurement with respect to the master ball 20, but the mounting position change and the dimensional change of the

scales

21, 22, and 23 depending on the temperature. It is also possible to calculate correction values VX, VY, VZ in consideration of the above, and reset the measurement coordinate values by calculation processing.
[0036]
Hereinafter, the correction values VX, VY, VZ, preferred fixing positions of the

scales

21, 22, 23 for minimizing the correction values, and preferred thermal expansion coefficients of the respective members will be described.
Now, assuming that the mounting position of the master ball 20 is arbitrary, the most reasonable position as the fixing position of the

scales

21, 22, and 23 is considered as follows.
[0037]
(1) X-axis scale 21
As shown in FIG. 3, the distance from the reference position x0 in the X-axis direction of the measuring machine coordinate system to the fixed position x1 of the X-axis scale 21 is L1, and the distance from the fixed position x1 to the actual measurement position x2 is LX. If the thermal expansion coefficient of the beam 14 is α, the thermal expansion coefficient of the scale 21 is β, the thermal expansion coefficient of the surface plate 12 is γ, and the temperature difference between the reference temperature (20 ° C.) and the current temperature is ΔT, the temperature The dimension correction value VX in the X-axis direction at the time of the difference ΔT can be expressed as Equation 5 below.
[0038]
[Equation 5]
VX = (ΔT · α · L1) + (ΔT · β · LX) − [ΔT · γ · (L1 + LX)]
[0039]
In Equation 5, if the beam 14 is made of stainless steel, the scale 21 is made of glass, and the surface plate 12 is made of granite, their thermal expansion coefficients α, β, γ are respectively
[0040]
[Formula 6]
α = 23.4 × 10 ⁻⁶ / ° C.
β = 8.0 × 10 ⁻⁶ / ° C.
γ = 8.0 × 10 ⁻⁶ / ° C.
[0041]
Therefore, α is nearly three times as large as β and γ. Therefore, in order to reduce the temperature correction value VX, it is preferable that the distance L1 from the reference position x0 of the measuring machine coordinate system to the fixed position x1 of the scale 21 is as short as possible. That is, regarding the X-axis scale 21, it is desirable that the left end portion in the figure is a fixing portion 24 for the beam 14 and the other portions are movable with respect to the beam 14. However, if α = β = γ can be set by selecting the material of each part of the coordinate measuring machine 1, VX = 0 regardless of the mounting position of the X-axis scale 21, so that the fixed part 24 Can be at an arbitrary position with respect to the X-axis scale 21.
[0042]
(2) Y-axis scale 22
As shown in FIG. 4, if the distance from the reference position y0 in the Y-axis direction of the measuring machine coordinate system to the actual measurement position y1 is LY, the dimension correction value VY in the Y-axis direction is Can be expressed as
[0043]
[Expression 7]
VY = (ΔT · β · LY) − (ΔT · γ · LY)
[0044]
It is unclear at which position on the surface plate 12 the work 19 is placed, but it is usually considered that the work 19 is placed at the center. Therefore, in order to reduce the temperature correction value VY based on Equation 7, The fixing position of 22 should be the center of the surface plate 12. In other words, with respect to the Y-axis scale 22, it is desirable that the central portion is the fixed portion 25 and the other portions are movable with respect to the surface plate 12. However, if β = γ can be set by selecting the material of each part of the coordinate measuring machine 1, VY = 0 regardless of the mounting position of the Y-axis scale 22, so that the fixed part 25 is An arbitrary position can be set with respect to the Y-axis scale 22.
[0045]
(3) Z-axis scale 23
Further, as shown in FIG. 5, the length from the reference position (upper surface position of the surface plate 12) z0 to the position z1 of the beam 14 in the Z-axis direction of the measuring machine coordinate system is L5, and the Z-axis scale 23 from the beam position z1. LZ is the length from the zero point (upper end) position z2 to LS, the scale length from the zero point position z2 of the Z axis scale 23 to the lower end position z3 of the Z axis scale 23 is LS, from the lower end position z3 of the Z axis scale 23 The distance to the actual measurement position z4 is L6, the distance from the reference position z0 of the measuring machine coordinate system to the center of the master ball 20 is L7, and the thermal expansion coefficients of the beam supports 13a and 13b and the spindle 17 are set to be those of the beam 14. When α is equal to the thermal expansion coefficient and δ is the thermal expansion coefficient of the probe 18 and the master ball 20, the dimensional correction value VZ in the Z-axis direction can be expressed as follows.
[0046]
[Equation 8]

[0047]
In this case, W is a value that is not related to the fixed position of the Z-axis scale 23, and P is a specific value when the scale 23 is fixed at the lower end. Therefore, focusing on P, the minimum value of -ΔT · (α−β) · LS is obtained when LZ = 0, and the maximum value of 0 is obtained when LZ = LS. Here, when ΔT = 1 ° C. and LS is set to about 400 mm, the range of P that can be taken using the numerical value of Equation 6 described above is obtained as follows.
[0048]
[Equation 9]
−6.16 ≦ P ≦ 0
[0049]
[Expression 10]

[0050]
Focusing on Q, a minimum value of -ΔT · α · LS is obtained when LZ = 0, and a maximum value ΔT · (α-β) · LS is obtained when LZ = LS. Therefore, when the range that Q can take is obtained in the same manner as described above,
[0051]
[Expression 11]
−9.36 ≦ Q ≦ 6.16
[0052]
[Expression 12]

[0053]
Focusing on R1, when LZ = 0, the minimum value of R1 −ΔT · α · LS + ΔT · β · LS / 2 is obtained, and when LZ = LS / 2, the maximum value −ΔT · (α−β) is obtained. -LS / 2 is obtained. As with the above, when the range that R1 can take is calculated,
[0054]
[Formula 13]
−7.76 ≦ R1 ≦ −4.68
[0055]
[Expression 14]

[0056]
Focusing on R2, when LZ = LS / 2, the minimum value of R2−ΔT · α · LS / 2 is obtained, and when LZ = LS, the maximum value ΔT · (α−β) · LS / 2 is obtained. can get. As with the above, when the range that R1 can take is calculated,
[0057]
[Expression 15]
-4.68 ≦ R1 ≦ 3.08
[0058]
Therefore, the following formula 16 is obtained as a whole.
[0059]
[Expression 16]
−7.76 ≦ R ≦ 3.08
[0060]
Here, L5 = 695mm, L6 = 400mm , LS = 400mm, L7 = 190mm, as ^{^{α = 23.4 × 10 -6 /℃,δ=11.0×10 -6}} / ℃, when obtaining the W,
[0061]
[Expression 17]

[0062]
It becomes. Therefore, as in this case, if α≈2δ, VZ is also minimum when P, Q, or R is minimum. Even if α = δ = 23.4 × 10 ⁻⁶ / ° C., W = 11.3349 μm, so that VZ is minimized when P, Q or R is minimum.
[0063]
P, Q, and R at the time of numerical substitution are shown in FIG. The LZ at the intersection point in the figure is βLS / α≈137 (mm), which is about ３ of LS, and in this case, the bottom fixing is the most advantageous. By the way, comparing P and Q,
[0064]
[Formula 18]

[0065]
It becomes. Considering ΔT = 1 ° C. in correspondence with the above W, P ≧ Q when α> β and LZ ≦ βLS / α, and P <Q when LZ> βLS / α, which is consistent with FIG. . From the above points,
If α> 2β, P <Q (lower fixed advantage) in most of LZ.
If β <α <2β, P ≧ Q (upper fixed advantage) in most of LZ.
・ If α ≦ β, always P ≧ Q (upper fixed advantage).
[0066]
In general, the following can be said.
・ If α> 2β, bottom fixing is advantageous.
・ If α ≦ 2β, top fixing is advantageous.
[0067]
Therefore, if α = β, it is advantageous that the Z-axis scale 23 is fixed on the upper side.
[0068]
[Equation 19]

[0069]
It becomes. Since ΔT · α · LZ in the third term on the right side of the above equation changes from 0 to ΔT · α · LS when LZ changes from 0 to LS, the sum of the first term and the second term is expressed as −ΔT. • α · LS / 2 is advantageous when the entire range of the Z-axis is used. At this time,
[0070]
[Expression 20]
δ / α = (L5-LS / 2) / (L6-L7)
[0071]
It is desirable to select a material having δ such that
[0072]
Although the example in which the present invention is applied to the CNC three-dimensional measurement system has been described above, FIG. 10 illustrates an example in which the present invention is applied to a manual three-dimensional measurement system. In this case, displacement information in each direction of XYZ obtained by manual operation from the coordinate measuring machine 1 and temperature information from the temperature sensor 4 are taken into the host computer 3 via the counter 5. The host computer 3 monitors the temperature with the temperature sensor 4 installed in the measurement environment, and gives a warning sound or a warning display to the operator when it is determined that the temperature has changed. And a measurement interruption process is performed as needed. When the warning sound or warning is displayed, the operator interrupts the measurement and activates the interrupt coordinate system resetting task to reset the measurement coordinate system. Thereafter, measurement is performed using the set new coordinate system. Even with such a method, high-accuracy measurement is possible.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the scale is fixed to the fixing means so that the variation of the measurement position due to the thermal expansion of the scale that reads the displacement of the measurement object and the support means that supports the scale is minimized, Alternatively, the material with the optimum coefficient of thermal expansion is selected,
(1) Even if the temperature in the measurement environment fluctuates, measurement errors can be suppressed, and accurate measurement results can always be obtained.
(2) High-precision measurement is possible even in an actual measurement environment where the temperature change is large during measurement.
There is an effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a CNC three-dimensional measurement system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an external perspective view of a coordinate measuring machine in the system.
FIG. 3 is a front view showing an X-axis scale of the coordinate measuring machine.
FIG. 4 is a top view showing a Y-axis scale of the coordinate measuring machine.
FIG. 5 is a front view showing a Z-axis scale of the coordinate measuring machine.
6A and 6B are a side view and a plan view showing an example of a support structure of the same scale.
FIG. 7 is a flowchart showing measurement processing of the system.
FIG. 8 is a flowchart showing an interrupt coordinate axis setting task of the system.
FIG. 9 is a graph showing a relationship between a fixed position of a Z-axis scale and a Z-axis correction value.
FIG. 10 is a block diagram showing a manual type three-dimensional measurement system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram for explaining measurement coordinate system setting processing in the coordinate measuring machine.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... CMM, 2 ... Controller, 3 ... Host computer, 4 ... Temperature sensor, 5 ... Counter, 12 ... Surface plate, 14 ... Beam, 16 ... Column, 17 ... Spindle, 18 ... Probe, 19 ... Workpiece, 20 ... Masterball.

Claims

A three-dimensional measurement space consisting of an X axis, a Y axis and a Z axis orthogonal to each other is set,
A base member on which a measurement object is placed, the base surface being arranged so as to coincide with a horizontal plane parallel to the X axis and the Y axis;
A beam member extending in the X-axis direction with respect to the base member;
A Y-axis drive mechanism for moving the beam member relative to the base member in the Y-axis direction;
A column member supported by the beam member and moving in the X-axis direction;
A spindle member that is supported by the column member and moves in the Z-axis direction;
A measuring element attached to the spindle member and indicating a measurement location of the measurement object;
An X-axis scale attached to the beam member so that only a part thereof is fixed along the X-axis direction and detecting a displacement of the column member relative to the beam member in the X-axis direction;
A Y-axis scale attached to the base member so that only a part thereof is fixed along the Y-axis direction, and detecting a displacement of the beam member in the Y-axis direction relative to the base member;
A displacement measuring device comprising: a Z-axis scale attached to the column member or the spindle member so that only a part thereof is fixed along the Z-axis, and detecting a displacement of the spindle member relative to the column member in the Z-axis direction. In
The X-axis scale, the Y-axis scale, and the Z-axis scale are fixed at a specific portion where the correction value considering the dimensional change in each axial direction at the measurement location due to thermal expansion is minimized. Displacement measuring device.

When the thermal expansion coefficient of the beam is α, the thermal expansion coefficient of the X-axis scale is β, the thermal expansion coefficient of the base member is γ, and α> β, γ,
The displacement measuring apparatus according to claim 1 , wherein the X-axis scale is fixed to the beam member at an end portion of the beam member closer to a support position of the base member.

When the thermal expansion coefficient of the beam is α, the thermal expansion coefficient of the X-axis scale is β, the thermal expansion coefficient of the base member is γ, and α = β = γ,
The displacement measuring apparatus according to claim 1 , wherein the X-axis scale is fixed at an arbitrary position of the beam member.

The displacement measuring apparatus according to claim 1 , wherein the Y-axis scale is fixed to the base member at a position close to the center of the base member.

When the thermal expansion coefficient of the Y-axis scale is β, the thermal expansion coefficient of the base member is γ, and β = γ,
The displacement measuring apparatus according to claim 1 or 3 , wherein the Y-axis scale is fixed at an arbitrary position of the base member.

When the thermal expansion coefficient of the column or spindle is α, the thermal expansion coefficient of the Z-axis scale is β, and α> 2β,
The displacement measuring device according to claim 1 or 2 , wherein the Z-axis scale is fixed at a position close to a lower end portion of the column or spindle.

When the thermal expansion coefficient of the column or spindle is α, the thermal expansion coefficient of the Z-axis scale is β, and α ≦ 2β,
The displacement measuring device according to claim 1 or 3 , wherein the Z-axis scale is fixed at a position close to an upper end portion of the column or spindle.

The distance from the reference position in the X-axis direction to the fixed position of the beam member on the X-axis scale is L1, the distance from the fixed position to the actual measurement position is LX, the thermal expansion coefficient of the beam member is α, When the thermal expansion coefficient of the X-axis scale is β, the thermal expansion coefficient of the base member is γ, and the temperature difference between the reference temperature and the current temperature is ΔT,
The X-axis scale is
VX = (ΔT · α · L1) + (ΔT · β · LX) − [ΔT · γ · (L1 + LX)]
The displacement measuring device according to claim 1, wherein the correction value in the X-axis direction expressed by

The displacement measurement apparatus according to claim 8 , wherein the detected measurement value of displacement in the X-axis direction is corrected by the correction value VX in the X-axis direction.