JP4361016B2 - プローブまたはスタイラスの位置調整 - Google Patents

Description

本発明は、例えば座標位置決め機械にて用いられるような測定型プローブのスタイラスの位置調整に関し、プローブ部分の動きにより引き起こされるスタイラス部分の動きを抑制する。

２００２年６月１３日に提出された我々の同時係属出願の特許文献１は、このようなスタイラスまたはプローブの位置調整に関し、その開示内容はこれを参照することによってその全部がこの明細書に組み入れられる。スタイラスの位置調整はまた、先行する特許文献２にも開示されており、この特許の開示内容のすべてが同様に参照することにより、この明細書に組み入れられる。

モータ駆動または手動にて移動可能な支持体にプローブを用いる座標測定装置上の加工対象物を測定することがよく行われている。プローブは、加工対象物の表面に接触した時に信号を生成し、この信号は、スタイラスの座標位置を記録するために用いられる。測定プローブに取り付けられたスタイラスを位置調整し直すことがしばしば望まれる。

例えば、加工対象物の水平面や、この加工対象物に水平に延在している穴の寸法も同様に決定する必要がある場合、この場合にはスタイラスを配置し直さなければならない可能性がある。これを行うことができる多くの方法がある。多分、別々のスタイラスを表面および穴の検査のためにそれぞれ用いることができるか、または望むのであればスタイラスを新しい位置に配置し直すことができる。位置変更は、プローブ内のモータにより達成可能である。あるいは、位置変更は、スタイラスのある部分を拘束し、スタイラスを位置調整し直すようにプローブ支持体を動かすことによって達成可能である。この後者の型式の装置が特許文献３に開示されている。

他の位置調整技術の開示が我々の特許文献４にてなされている。この文献は、アームを固定対象物と当接状態に駆動する手段により、関節でつながったプローブヘッドに対するプローブエキステンションアームの相対的な位置調整を開示している。このアームは、ピボット回転可能な継手に取り付けられ、固定された物体へと駆動した時にピボット軸回りに強制的に配置し直される。新たに位置調整されたスタイラスステムが正しい位置に留まるように、開示された１つのピボット回転可能な継手が摩擦をもたらす。開示された他の継手は、スタイラスを正しい位置に係止する。延長アームは、その当接部の上を摺動する。アームに装着されたスタイラスチップの位置が位置調整後には知られていないので、再較正がそれぞれの位置調整後に必要である。位置調整中にアームに加えられた力がアームに曲げをもたらし、それで再較正が必要である。

単純な装置が特許文献５および特許文献６に開示されている。これらの文献において、スタイラスボールがレセプタクルに押し付けられて現在のスタイラスチップ位置の較正をもたらす。特許文献５は、その位置を決定するために３つの面を持つくぼみに押し付けられる揺動可能な継手に取り付けられたスタイラスを提案している。

特許文献３はまた、スタイラスチップをくぼみへと動かし、次いでチップが望ましくはくぼみに集中したままの状態でヘッドを動かすための駆動制御装置を開示している。位置再調整が行われた場合、曲げ力がスタイラスに再び惹起される。

ＰＣＴ/ＧＢ０２/０２４６０ 米国特許第４５７１８４７号 米国特許第５８４８４７７号 米国特許第４１６８５７６号 米国特許第４５２３４５０号 欧州特許第０３８９１０８号

どの従来技術も、位置再調整後にスタイラスチップを再較正しなければならないという問題には言及していない。

本発明によると、第１の部分およびこの第１の部分に対して相対移動可能である第２の部分と、スタイラスおよびスタイラスチップを有する測定機構と、この測定機構と前記第２の部分とを相互に接続し、前記第２の部分に対して相対回転可能に位置調整し得る少なくとも１つの回転可能な部材を具えた継手と、一方が前記第１の部分にあると共にもう一方が前記回転可能な部材にある２つの相互に係合可能な部分を具えた係合部とを具え、
前記係合部の前記２つの部分の一方が係合時に他方を保持するためのホルダを具え、前記回転可能な部材にある前記係合部の前記２つの部分の一方が前記スタイラスチップから離れていることを特徴とする座標測定装置が提供される。

本発明の第２の形態によると、スタイラスおよびスタイラスチップと、移動可能な部材を有すると共に前記スタイラスを支持体に接続するための移動可能な継手と、スタイラス位置調整機構と、一方が前記移動可能な部材にあると共にもう一方が前記スタイラス位置調整機構にある２つの相互に係合可能な部分を具えた係合部と
を具え、前記係合部の前記２つの部分の一方が係合時に他方を保持するためのホルダを具え、前記回転可能な部材にある前記係合部の前記２つの部分の一方が前記スタイラスチップから離れていることを特徴とする測定機構が提供される。

本発明は、座標測定装置に取り付けられる測定機構を位置調整する方法に及んでおり、この座標測定装置は、第１の部分およびこの第１の部分に対して相対移動可能な第２の部分と、係合部の一方の部分とを有し、前記測定機構は、スタイラスおよびスタイラスチップと、前記スタイラスを前記第２の部分と相互に接続すると共に前記スタイラスを位置調整するための継手とを有し、この測定機構は、前記第１の部分と相互に係合するための前記係合部の他方の部分をさらに具え、前記係合部の前記２つの部分の一方が係合時に他方を保持するためのホルダを具え、前記係合部の前記他方の部分が前記スタイラスチップから離れており、この方法は、
前記係合部の一方および他方の部分を係合するために前記第１および第２の部分を動かすことと、
前記係合部の中心にある通路における前記第１の部分に対して前記第２の部分を相対的に移動し、これによって前記第１および第２の部分に対して前記スタイラスを位置調整することと、
前記第１および第２の部分の相対移動によって前記係合部の一方および他方の部分を係合解除することとを具えている。

さて、本発明が添付図面を参照して記述されよう。

図１は、プローブ１０をＸ，ＹおよびＺ軸に動かすことができる一般的な座標測定装置（ＣＭＭ）を示している。一般に、加工対象部材５を測定する場合、プローブ１０は、スタイラスチップ３４が加工対象物に接触するまで、スタイラスホルダ１２に保持されたスタイラス３０と共に加工対象物の表面に向けて動かされる。その瞬間、プローブ１０は、このプローブの移動を停止する共にスタイラスチップの座標位置を記録する信号を生成する。この情報から、加工対象物の寸法を決定することができる。望ましくは、加工対象物の外観のすべての寸法は、この加工対象物を動かさずに１回の作業にて決定する必要がある。これは、異なったスタイラスを用いるか、あるいはスタイラスを位置調整し直すことにより、上述したように実現可能である。

この発明の実施形態は、スタイラス部を保持する一方、装置のクイル８を座標測定装置のモータを用いて移動することにより、スタイラスを位置調整／位置変更することに関する。図１におけるプローブ支持体は、第２の位置８'に示されている。スタイラス３０がスタイラス位置調整機構５０により保持されるのに対し、クイルは８から８'へと移動する。この移動は、プローブ支持体の２つまたは多分３つの軸に対する調整を結果として伴う。図１に示した実施形態におけるスタイラスホルダ１２のさらなる位置調整は、加工対象物５の３つの穴の寸法が検査されることを可能にしよう。

位置調整可能なスタイラスを有する型式の測定プローブ装置がより詳細に図２に示されている。この図は、その詳細な説明がこの出願の一部を形成する特許文献２に記述された特徴を有するプローブヘッド１４を示している。簡単に説明すると、このヘッドは、プローブ１０を移動可能に支持している。スタイラス３０はプローブ１０に接続され、プローブおよびスタイラスの両方がクイル８に対して予め選択された多数の再現可能な位置に位置調整可能である。

プローブ支持体１２は、軸Ａを中心に回転可能であって３組のローラ対１２０を有し、それぞれのローラ対はリング状に配列するボール１２２の１つを挟んで係合可能である。従って、全部で６個の接触点が得られ、ボールの角度間隔と等しいプローブ支持体１２の回転増分（この場合、１５度）が可能である。同様な機構が軸Ｂを中心とするプローブ支持体の回転のために与えられている。ボールおよびローラは、ばねによって係合状態に付勢され、使用中にはこれらの相対位置が保持されるようになっている。位置変更のためにばね偏倚を容易に抑制することができる。

スタイラス３０は、（この場合、プローブ１０と一緒に）プローブ支持体１２をおさえると共にクイル８を動かすことにより、位置変更することができる。この実施形態における支持体１２の保持は、スタイラスの位置調整機構５０を使用することによってもたらされる。

この機構５０は、プローブ支持体１２のレセプタクル５４と係合可能な静止保持されたボール５２を有する。ボール５２およびレセプタクル５４は、係合部に関する第１および第２の相互に係合可能な部分を形成する。クイルが（ボール５２の中心と軸Ａとの間の距離と等しい）半径ｒを有する円弧または球面軌跡Ｒにて駆動された場合、この時のスタイラス３０の位置変更は、ｘ，ｙおよびｚ軸における選択された任意の１５度回転増分の何れにおいても可能である。

同様なヘッド１４，プローブ１０およびスタイラス３０が図３に示されている。ヘッドが変更され、レセプタクルが軸５６およびボール５８と置き換えられたようになっている。異なるスタイラス位置調整機構５０３が示されている。

使用中には、位置調整機構５０３がボール５８を保持すると共にクイル８の移動が円弧Ｒにて行われる。この移動は、ボール５８を中心にしてなされる。この機構５０３は、本体６０内にコンジット４８を具えている。このコンジットの一端には、ボール５８を保持するための基準面を形成するリップ６２がある。ボール５８およびリップ６２は、係合部に関する第１および第２の相互に係合可能な部分を形成する。コンジット４８内に減圧が起こり、これは減圧管６４によってもたらされる。本体６０は、座標測定装置２のベッド４に固定可能なベース６６に取り付けられている。

位置変更中に、ボール５８はリップ６２と接触状態に動かされ、減圧がコンジット４８内で起こる。この減圧は、ボール５８をリップ６２に保持する一方、プローブ支持体１２を軸Ａおよび／またはＢに関して位置変更する。

図３ａは、図３に示したプローブアセンブリの変形例を示している。この変形例におけるローラ対１２０およびボール１２２（４つのみ示す）は、ばね７２によって係合状態にもたらされるのみらならず、矢印Ｃの方向に作用するソレノイド７４の作動によって分離させられるようにもなっている。

複数組のボールおよびローラの分離は、位置再調整に対してより少ない抵抗をもたらす。これらソレノイドの起動は、ＣＭＭからの指令を介することができ、両方のソレノイド７４を相互に操作することができるか、あるいはこれらのソレノイドを単独で操作することができる。この場合、ソレノイドは、クイル８の電源から伸びて両方のソレノイドを通り、ボール５８を介して位置調整機構５０３または５０を通る電気経路Ｐにより起動される。操作中に位置調整機構と接触する動作は、ソレノイドを起動させてボールとローラとを分離する。他の分離システム、例えば機械的または減圧型式が可能である。

図４および図５は、図２および図３に示したヘッド１４の変形例を示している。この変形例におけるスタイラス３０は、スタイラスホルダ１２に対して移動可能であり、プローブ１０はクイル８に対して固定される。

図４は、スタイラスチップ３４が表面に接触した時に座標測定装置を停止させる信号を生成するプローブ１０を示している。カップ形状の軸受面２５とボール２４との間に形成された自在継手によって任意の方向に揺動できる移動可能なスタイラス３０もまた示されている。スタイラスホルダ１２は、通常、所定位置に保持されるが、解除時には自由となり、スタイラスを二点鎖線３０'および３０"によって示した範囲内にある（すなわち半球状移動よりも大きい）位置にもたらすため、一部球面挙動にて揺動するようになっている。このプローブアセンブリは、プローブ１０とスタイラスホルダ１２とを接続する運動学的継手１８を選択的に含む。

測定中、ボール２４は、軸受面２５と接触する所定位置に磁石２２の吸引力によって静止保持される。ボール２４をこの所定位置に保持する追加の吸引力を与えることができる電磁石２０もまた、示されている。ボール２４は、鉄材料か、あるいは鉄の流動材料を充填した中空のセラミック本体にて作ることができる。軸受面２５は、３個のセラミック材料のパッドであってよい。

クイル８が移動する場合、自在継手の摩擦を減少させ、これによってスタイラス３０の曲げモーメントを回避するため、逆磁界を電磁石２０に引き起こさせ、ボール２４と磁石２２との間の磁気吸引を減少させることができる。必要に応じて、電磁石を間欠作動させることができ、あるいは支持体１２とボール２４との間に振動を与えるために電流を交番させることができる。このような振動は、自在継手の摩擦を減少させよう。随意的な空気供給源が噴射口３６に給気するために示されている。これらの空気噴射口３６は、操作時に低摩擦自在継手をもたらす。この機構に空気供給源を設けた場合、圧縮空気をコンジットを介して空気噴射口３６に供給するためにこれを使用することができ、同時に自在継手の運動が行われる。この空気供給源は、ボール２４の表面と軸受面２５との間に形成されるべき流体薄膜をもたらし、これによって両者の間の摩擦が減じられよう。この流体薄膜を上述した現象を減らす電磁摩擦の代わりに用いたり、あるいは補って用いることができる。

正しい位置まで移動がなされた場合、電磁石２０の電流が遮断または逆流され、および／または空気供給を休止することができる。従って、スタイラス３０は配置変更され、使用のための準備ができよう。

図５は、図４に示したものと同様なプローブアセンブリを示している。この構成において、電磁石２０および磁石２２は、減圧チャンバ４２に代えられている。減圧は、コンジット４４を介して引き起こされる。この実施形態においては、一部球状軸受面４６が与えられている。

測定中、スタイラス３０をスタイラス支持体１２に対して静止関係にある所定位置に保持するため、チャンバ４２が減圧状態に保持される。

スタイラス３０の位置再調整が必要な場合、ボール２４に対する保持力を減じるため、チャンバ４２内の圧力を増大させる。位置再調整が行われたならば、チャンバ４２内の圧力を再び減圧する。上述したような摩擦を減らすため、必要に応じて電磁石および／または空気軸受（図示せず）を使用することができる。減圧のみを用いる場合、ボール２４が磁気／磁化可能な材料のものである必要はない。

図６および図７は、クイル８を駆動力として使用し、それらのスタイラスを位置調整可能とするために用いることができる図４および図５に示したスタイラス３０の２つの可能な変更例を示している。

図６においては、図２に示したレセプタクル５４と類似のレセプタクル５４'が用いられている。スタイラス位置変更機構５０が用いられる。この位置変更技術は、図２を参照して記述されたようなものである。この場合、軌跡Ｒもまた半径ｒを有する。

図７は、他の可能な変更例を示している。柄１６０がスタイラス３０に装着され、シリンダ１６４がこの柄に装着される。シリンダ１６４は、回転可能なスタイラス位置調整機構５０７と係合可能である。この機構は、シリンダを受け入れて磁力によりこれを保持するためのＶ字形状の溝１６６を有する。スタイラスの位置変更は、上述したように半径ｒを有する軌跡Ｒにてクイル８を動かすことにより行われる。この機構５０７の回転Ｂ'の中心と合致した転線回りのクイルの動きは、軸Ｂに関するスタイラス３０のさらなる位置変更を可能とする。

ＰＣＴ/ＧＢ０２/０２４６０には、所定のスタイラス３０をラック１００（図１）に対して出し入れして他と交換することが詳細に記述されている。検査作業中の如何なる時点、例えば偶然に所定位置ではない所に接触した後であっても、ボール２４と軸受面２５または４６との間の摩擦を減じることにより、スタイラス３０を位置変更することができる。摩擦を充分に減らすことは、スタイラスが垂直または周知の角度で垂れ下がることを可能にしよう。従って、スタイラスは例えば機構５０または５０７を用いて正確な位置に再調整することが可能である。

本説明は、減圧に言及している。ここで、この用語は周囲よりも低い任意の流体圧または完全な真空を包含する。

図４，図５，図６および図７に関する説明および図面は、ボールおよびカップ型自在継手を示している。しかしながら、凸部およびこの凸部を取り囲んで受容する要素か、または凹部およびこの凹部に受容される要素を有する任意の自在継手が選択肢として満足しよう。例えば、間隔をあけた３個のより小さなボール内に嵌め込み可能な大ボール（凸部）や、または継手の一部としてのカップ（凹部）およびこのカップ内に収容される固定関係の３個のボールである。凸球状パターンに対して有効な凹部を与えるように配された接触点の配列は、同等の凹または凸球面に対して用いることができる。

ボール１２２およびローラ１２０は、図２，図３および図３ａに示されている。再現可能な複数の位置をもたらすため、この構成に代えて任意の運動学的機構、例えば半径方向に延在して配列するＶ字状溝および３つの係合ボールを採用することができる。

一般的なＣＭＭが図１に示されているけれども、ここで用いたような「座標測定装置」は、直交座標を決定することができる任意の機械，または別のもの、例えば工作機械または位置決定装置を有するロボットアームを包含することを意図している。

本発明の実施形態を用いた座標測定装置を示している。 プローブアセンブリとスタイラス位置調整機構とを示している。 図２のプローブアセンブリと、さらにもう１つのスタイラス位置調整機構とを示している。 図３に示したプローブアセンブリの変形例を示している。 特許出願ＰＣＴ/ＧＢ０２/０２４６０の対象であるプローブを示している。 特許出願ＰＣＴ/ＧＢ０２/０２４６０の対象であるプローブを示している。 図４か、あるいは図５のプローブと、さらにもう１つの位置調整機構とを示している。 図４および図５に示したスタイラスの変更バージョンであるスタイラスを別なスタイラス位置調整機構と共に示している。

Claims (16)

1. 第１の部分およびこの第１の部分に対して相対移動可能な第２の部分と、
   スタイラスおよびスタイラスチップを有する測定機構と、
   前記第２の部分に対して相対回転可能に位置調整し得る少なくとも１つの回転可能な部材を具え、前記測定機構と前記第２の部分とを相互に接続するための継手と、
   一方が前記第１の部分にあって他方が前記回転可能な部材にある２つの相互に係合可能な部分を具えた係合部と
   を具えた座標測定装置であって、
   前記係合部の一方の部分とこの係合部の他方の部分とを共に係合状態に保持するためのホルダを具え、
   前記回転可能な部材にある前記係合部の一方の部分が前記スタイラスチップから離れていることを特徴とする座標測定装置。
2. 前記回転可能な部材が複数の再現可能な位置に位置調整し得る請求項１に記載の座標測定装置。
3. 前記係合部の他方の部分が球面を具え、前記ホルダが球面受容領域を具えている請求項１または請求項２に記載の座標測定装置。
4. 前記球面が前記回転可能な部材に形成され、前記ホルダが前記第１の部分に形成されている請求項３に記載の座標測定装置。
5. 前記ホルダが真空コンジットを含んでいる請求項４に記載の座標測定装置。
6. 前記球面が前記第１の部分に形成され、前記ホルダが前記回転可能な部材に形成されている請求項３に記載の座標測定装置。
7. スタイラスおよびスタイラスチップと、
   移動可能な部材を有し、前記スタイラスを支持体に接続するための移動可能な継手と、
   スタイラスの位置変更機構と、
   一方が前記移動可能な部材にあって他方が前記スタイラスの位置変更機構にある２つの相互に係合可能な部分を具えている係合部と
   を具えた測定機構であって、
   前記係合部の一方の部分とこの係合部の他方の部分とを共に係合状態に保持するためのホルダを具え、
   前記回転可能な部材にある前記係合部の一方の部分が前記スタイラスチップから離れていることを特徴とする測定機構。
8. 前記移動可能な部材が前記スタイラスの位置変更機構に対して複数の再現可能な位置へと回転可能に位置調整し得ることを特徴とする請求項７に記載の測定機構。
9. 前記係合部の他方の部分が球面を具え、前記ホルダが球面受容領域を具えている請求項７または請求項８に記載の測定機構。
10. 前記球面が前記回転可能な部材に形成され、前記ホルダが前記第１の部分に形成されている請求項９に記載の測定機構。
11. 前記ホルダが減圧コンジットを含んでいる請求項１０に記載の測定機構。
12. 前記球面が第１の部分に形成され、前記ホルダが前記回転可能な部材に形成されている請求項９に記載の測定機構。
13. 前記継手は、前記移動可能な部材が２つの回転軸における前記複数の再現可能な位置に位置調整し得ることを可能にする請求項７から請求項９の何れかに記載の測定機構。
14. 座標測定装置に取り付けられた測定機構を位置調整する方法であって、前記座標測定装置は
    第１の部分およびこの第１の部分に対して相対移動可能な第２の部分と、
    係合部の一方の部分と
    を有し、前記測定機構は、
    スタイラスおよびスタイラスチップと、
    前記スタイラスを前記第２の部分と相互に接続すると共に前記スタイラスを位置調整するための継手と
    を有し、この測定機構は、
    前記第１の部分と相互に係合する前記係合部の他方の部分をさらに具え、
    前記係合部の２つの部分の一方とこの係合部の他方とを共に係合状態に保持するためのホルダを具え、当該係合部の他方の部分が前記スタイラスチップから離れている方法であって、
    前記係合部の一方および他方の部分を係合するために前記第１および第２の部分を動かすことと、
    前記第２の部分を前記係合部の中心にある通路の前記第１の部分に対して動かし、これによって前記第１および第２の部分に対して前記スタイラスを位置調整することと、
    前記第１および第２の部分の相対的な移動によって前記係合部の一方および他方の部分を係合解除することと
    を具えたことを特徴とする方法。
15. 前記継手は、前記第２の部分に対して複数の再現可能な位置へと前記スタイラスの位置変更を可能にすることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記継手を固定解除してその位置変更を可能とするステップを含むことを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の方法。

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