JP4438467B2 - ３次元測定機におけるワーク温度補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、３次元測定機により測定したワークの測定箇所の測定長さを基準温度のワークにおける測定長さに補正するワーク温度補正方法に関するものである。

通常、製品図面寸法は温度２０℃での寸法値である。このため精密な３次元測定は、２０℃に制御された恒温室にワークを搬入し、ワークが周囲の雰囲気温度と同じ２０℃になるまで所定時間放置する温度ならしを行う必要があり、測定に時間がかかっていた。３次元測定機は、近年の生産効率の向上と共に加工製造現場に近い測定場所で測定することの要求が強く、現場周辺に設置される場合が増えている。このため、例えば特許文献１に記載されているように、プローブを保持する保持具をワークに対して互いに直角なＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に相対的に移動可能とし、プローブがワークと接触したときのＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値をプローブとワークとの相対位置を検出するＸ，Ｙ，Ｚ軸スケールにより読み取ってワークの測定箇所の測定長さを測定する３次元測定機において、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の温度を夫々測定するセンサにより測定された各軸の温度に基づいてＸ，Ｙ，Ｚ軸スケールで測定された座標値を温度補正することによって、現場の温度変化に対応すべくワークの測定箇所の測定長さを２１±５℃の環境温度変化に対して高精度に測定できるものが発売されている。しかしながら、ワークの温度変化への対応については、特許文献１にみられるように、接触式温度計で測定したワークの表面温度に対して線形補正し、基準温度２０℃のワークにおける測定箇所の測定長さに換算する程度にとどまっている。
特開平１１−１９０６１７（第３頁、図２）

しかしながら、接触式温度計は、熱がワークからセンサ部に熱伝導されることによりワークの表面温度を測定するため、センサ部のワークへの接触具合により測定温度が変化しワークの表面温度を正確に測定できないことがあり、ワークの温度補正精度が低下する。また、３次元測定機の標準の接触式温度計は応答速度が２４０秒と応答性が悪いので、ワークを数度〜４０℃程度の現場環境から測定室に搬入して直ちに測定した場合、ワークの温度変化に追従できず、線形補正の精度が低下する。従って、このような従来方法でワーク温度補正を行った測定穴の中心位置の測定長さと真値との測定誤差は、図７に示すように、測定穴の中心位置を測定したときのワークの表面温度が４０℃程度に高いときは、公差である位置度の５分の１以内に入るが、ワーク表面温度が低くなるにつれて補正精度が悪くなり、測定穴の中心位置の測定長さと真値との測定誤差が公差の５分の１以上になる不具合があった。

本発明は、係る従来の不具合を解消するためになされたもので、ワーク温度を温度変化に応答性よく追従して正確に測定し、ワークの測定箇所の測定長さをワーク温度に応じて高精度に温度補正することができる３次元測定機のワーク温度補正方法を提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明の構成上の特徴は、室内温度を所定値に保持する測定室内に設置され、冶具に取付けられたワークに対してＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に相対移動可能なプローブがワーク表面位置を検出して検出信号を送出したときのＸ，Ｙ，Ｚ軸の各座標値を読取ることによりワークの測定箇所の測定長さを測定する３次元測定装置において、前記ワークを前記冶具に線形膨張を許容して１点部分で固定し、圧縮エアの噴出により前記冶具は浮上しながら所定位置まで移動し、前記圧縮エアの噴出を止めて前記冶具を所定位置に位置決めし、前記プローブの検出信号に基づいて測定されたワークの少なくとも２個の基準箇所のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値に基づいて初期ワーク座標系を設定し、公差が所定値以上の粗公差箇所について、前記プローブの検出信号に基づいて粗公差箇所のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値を読取り、放射温度計によりワーク表面温度を測定し、該座標値に基づいて粗公差箇所の初期ワーク座標系における測定長さを演算するとともに、前記ワーク表面温度と基準温度との差に基づいて粗公差箇所の初期ワーク座標系における測定長さをワーク温度補正し、公差が所定値未満の精公差箇所については、ワーク表面温度が基準温度から所定範囲以内に入った後に、前記少なくとも２個の基準箇所のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値を測定し直して該座標値に基づいて精公差用ワーク座標系を設定し、
前記プローブの検出信号に基づいて精公差箇所のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値を読取り、前記放射温度計によりワーク表面温度を測定し、該座標値に基づいて精公差箇所の精公差用ワーク座標系における測定長さを演算するとともに、前記ワーク表面温度と基準温度との差に基づいて精公差箇所の精公差用ワーク座標系における測定長さをワーク温度補正することである。

請求項２に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記放射温度計により温度測定されるワークの表面温度測定部分に放射率が既知の黒体物質を付着することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明によれば、ワークを３次元測定機の冶具に線形膨張が可能なように１点部分で固定する。ワークの少なくとも２個の基準箇所のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値を３次元測定機のプローブの検出信号に基づいて測定し、該座標値に基づいて初期ワーク座標系を設定する。公差が所定値以上の粗公差箇所について、プローブの検出信号に基づいてＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値を読取り、放射温度計によりワークの表面温度を測定する。該座標値に基づいて粗公差箇所の初期ワーク座標系における測定長さを演算する。ワーク温度と基準温度との差に基づいて粗公差箇所の測定長さを基準温度のワークにおける該粗公差箇所の測定長さに温度補正する。公差が所定値未満の精公差箇所については、ワーク温度が基準温度から所定範囲以内に入った後に、少なくとも２個の基準箇所のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値を測定し直して該座標値に基づいて精公差用ワーク座標系を設定する。プローブの検出信号に基づいてＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値を読取り、放射温度計によりワーク温度を測定する。該座標値に基づいて精公差箇所の精公差用ワーク座標系における測定長さを演算する。ワーク温度と基準温度との差に基づいて精公差箇所の測定長さを基準温度のワークにおける該粗公差箇所の測定長さに温度補正する。
これにより、粗公差箇所については、温度ならしを行うことなく測定しても、粗公差に対して必要な測定精度で粗公差箇所の測定長さを測定することができて測定時間を短縮することができる。精公差箇所については、ワーク温度が基準温度から所定範囲以内に入った後に、精公差用ワーク座標系を設定し直し、該精公差用ワーク座標系において演算した精公差箇所の測定長さを温度補正するので、精公差に対して必要な高測定精度で精公差箇所の測定長さを測定することができる。具体的に粗公差箇所は位置度公差が０．１〜０．５を満たす箇所とすることができる。精公差箇所は位置度公差が０．０６〜０．１を満たすことができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明によれば、ワークの表面温度測定部分に放射率が既知の黒体物質を付着したので、黒体物質は直ぐにワーク表面温度になり、放射率は既知の高い値であり、且つ他の熱源からの熱線を放射温度計に向けて反射しないので、ワーク温度を正確に測定することができる。

以下、本発明に係る３次元測定機のワーク温度補正方法及び該方法を実施するための３次元測定機の実施の形態について説明する。３次元測定機１１は、温度変化、例えば２１±５℃に対する測定精度を保証するために、エアコン１２で設定温度２０℃に室内温度をコントロールされた測定室１３内に配置されている。３次元測定機１は、ベース１４上にコラム１５が図１において紙面に対して垂直なＹ軸方向に移動可能に装架され、コラム１５にヘッド１６が左右のＸ軸方向に移動可能に装架され、ヘッド１６にラム１７が上下のＺ軸方向に移動可能に装架されている。ラム１７の先端にはプローブ１８が装着され、プローブ１８がベース１４上に冶具１９を介して固定されたワークＷの表面に当接すると検出信号を送出して制御装置２０に入力するようになっている。ベース１４、コラム１５、ヘッド１６には、Ｙ，Ｘ，Ｚ軸スケールが夫々取付けら、コラム１５、ヘッド１６、ラム１７に夫々固定された読取りヘッドがＹ，Ｘ，Ｚ軸スケールからＸ，Ｙ，Ｚ軸の各座標値を読取る。冶具１９に取付けられたワークＷに対してＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に相対移動可能なプローブ１８がワークＷの測定箇所の表面位置を検出して検出信号を送出したとき、各読取りヘッドがＸ，Ｙ，Ｚ軸の各座標値を読取って制御装置２０に入力する。

図１，２に示すように、測定室１３の正面には扉２３が開閉可能に取付けられ、冶具１９は扉２３を開いて手前に引出され、ワークＷを着脱されて測定室１３内に押し戻され、扉２３を閉じて測定が行われる。ベース１４上に載置された冶具１９の基台２４には下面に開口する多数の小穴が穿設され、冶具１９は開閉弁２５の開により小穴から圧縮エアが噴出するとベース１４上面から浮上し、基台２４の両側面を一対のガイド２６に案内されて、測定室１３内で基台２４がストッパ２７と当接する測定位置とワークＷを着脱するために手前に引出された着脱位置との間でＹ軸方向に摺動可能となる。開閉弁２５の閉により圧縮エアの供給を遮断されると冶具１９は、自重によりベース１４上に着座して固定される。基台２４の側面には円錐穴２８が穿設され、一方のガイド２６には、先端にテーパが形成された係合ピン２９がＸ軸方向に摺動可能に装架され圧縮スプリング３０のバネ力により基台２４の側面に向かって付勢されている。冶具１９が測定位置近傍に押し戻されると、係合ピン２９が円錐穴２８に係入し、係合ピン２９のテーパが円錐穴２８の傾斜面に当接して基台２４をストッパ２７に押圧し、冶具１９を測定位置に位置決めする。

図３に示すように、冶具１９の基台２４上には複数のワーク受け３１〜３３が立設され、ワーク受け３１の上端部にはＹ−Ｚ面と平行な凹溝が形成され、ワークＷは該凹溝に入れられ線形膨張を許容して１点部分で固定される。凹溝の一方の側壁に貫通して螺合された固定ネジ３４の先端にはワーク押えが回転可能に設けられ、他端にはハンドル３５が固定されている。ハンドル３５の回転により固定ネジ３４がＸ軸方向に移動され、ワークＷが凹溝の他方の側壁にワーク押えを介して押圧されることにより、ワークＷは１点部分で冶具１９に固定される。ワークＷはワーク受け３２，３３のＸ−Ｙ面と平行な上端面に線形膨張を許容して支持されている。

ワークＷには、放射率を０．９５に保証された黒体テープ２１が放射率の既知な黒体物質としてワークＷの表面温度測定部分に付着され、ベース１４上には、放射温度計２２が黒体テープ２１に対向して固定され、ワークＷの表面温度を非接触で測定する。接触式温度計は温度変化に対する応答時間が２４０秒で測定精度が±０．１℃程度であるが、本実施形態では、応答時間が０．７秒と早く、測定精度が±１℃程度の放射温度計２２を使用する。放射率を０．９以上の既知の値に保持された黒色スプレー、マーカー等を放射率が既知の黒体物質としてワークの表面温度測定部分に付着するようにしてもよい。

次に、上記実施形態の作動について図４に示すワークＷの測定箇所の測定長さの測定の手順を示すフロー図に基づいて説明する。測定室１３の扉２３が開かれ、開閉弁２５が開かれて冶具１９の基台２４がエア圧によりベース１４から浮上された状態で、冶具１９が着脱位置に引出され、開閉弁２５が閉じられて冶具１９がベース上に着座される。加工製造現場から持込まれたワークＷは、表面温度測定位置に黒体テープ２１を貼付され、冶具１９のワーク受け３１〜３３上に載置される。ハンドル３５により固定ネジ３４が回転されて軸動し、ワーク押えを介してワークＷをワーク受け３１の凹溝側壁に押圧し、ワークＷを線膨張を許容して１点部分で冶具１９に固定する（手順１）。説明を簡単にするために、ワークＷは、ワークＷの測定箇所が存在する面がＹ−Ｚ面と平行となるように、冶具１９に固定されたとする。冶具１９にワークＷが固定されると、開閉弁２５が開かれて基台２４がエア圧によりベース１４から浮上された状態で、冶具１９は測定位置近傍に戻され、係合ピン２９が円錐穴２８に係入して基台２４をストッパ２７に押圧することにより測定位置に位置決めされる。開閉弁２５が閉じられて基台２４下面の小穴からのエア噴出が遮断され、冶具１９がベース１４上に着座して固定される。その後に、測定室１３の扉２３が閉じられる。

プローブ１８がＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動されて２個の基準穴３７，３８のＹ軸及びＺ軸方向直径部分の各内周両壁面に夫々当接し検出信号を送出すると、そのときのプローブ１８の位置を示すＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値が夫々読取られ、制御装置に入力されメモリに記憶される。制御装置２０は、プローブ１８が基準穴３７，３８のＹ軸及びＺ軸方向の各内周両壁面に夫々当接したときのプローブ１８の位置を示すＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値の中から、基準穴３７，３８のＹ軸方向の内周面両壁面位置を示す２個ずつのＹ軸座標値、及びＺ軸方向の内周面両壁面位置を示す２個ずつのＺ軸座標値を夫々算術平均して基準穴３７，３８の各中心位置の座標値を測定する。そして、ワークＷの測定箇所が存在する面と一致するＹ−Ｚ面において、基準穴３７の中心位置の座標値を初期ワーク座標系の原点とし、基準穴３７，３８の中心位置の座標値を結んでＹ'軸とし、原点を通ってＹ'軸と直角な軸をＺ'軸として初期ワーク座標系を設定する（手順２）

多数の測定穴３９（測定箇所）の中、位置度（公差）が所定値以上の粗公差穴３９ｒ（粗公差箇所）について、基準穴３７，３８の場合と同様にプローブ１８の検出信号に基づいて夫々４組のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値が読取られるとともに、ワークＷの表面温度が放射温度計２２により測定され制御装置２０に入力されてメモリに記憶される（手順３）。制御装置２０は、４組のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値に基づいて各粗公差穴３９ｒの中心位置のＹ，Ｚ軸の座標値を演算し、座標変換して各粗公差穴３９ｒの中心位置Ｏｒの初期ワーク座標系におけるＹ'軸及びＺ'軸からの測定長さを演算する。制御装置２０は、プローブの検出信号に基づいて各粗公差穴３９ｒについて４回測定した表面温度の平均値を各粗公差穴３９ｒの中心位置を測定したときのワークの表面温度として求め、基準温度２０℃との温度差ΔＴを演算する。制御装置２０は、粗公差穴３９ｒの中心位置Ｏｒの初期ワーク座標系におけるＹ'軸及びＺ'軸からの測定長さＬＹ'，ＬＺ'を温度差ΔＴに基づいてワーク温度補正し、中心位置ＯｒのＹ'軸及びＺ'軸からの測定長さ（ＬＹ'／（１＋α×ΔＴ））及び （ＬＺ' ／（１＋α×ΔＴ））を演算する（手順４）。

このようにワーク温度補正して求めた粗公差穴３９ｒの中心位置Ｏｒの初期ワーク座標系におけるＹ'軸及びＺ'軸からの測定長さＬＹ'，ＬＺ'と真値との測定誤差は、図５に示すように、粗公差穴３９ｒの中心位置Ｏｒを測定したときのワークの表面温度が４０℃から２０℃の間のいずれの温度であっても、粗公差穴３９ｒの公差である位置度の５分の１以内に入っている。

位置度が所定値未満の精公差穴３９ｆ（精公差箇所）を測定する前に、制御装置２２は、放射温度計２２で測定された現在のワーク表面温度が、設定温度１、例えば１０℃以上で設定温度２、例えば３０℃以下であるか否か、換言すれば基準温度２０℃から所定範囲以内に入ったか否か判定し、現在のワーク表面温度が基準温度から所定範囲以内に入るまで待機する（手順５）。

現在のワーク表面温度が基準温度から所定範囲以内に入ると、初期ワーク座標系の設定と同様に、プローブ１８がＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動され、２個の基準穴３７，３８の中心位置の座標値を測定し直し、ワークＷの測定箇所が存在する面と一致するＹ−Ｚ面において、基準穴３７の中心位置の座標値を精公差用ワーク座標系の原点とし、基準穴３７，３８の中心位置の座標値を結んでＹ'軸とし、原点を通ってＹ'軸と直角な軸をＺ'軸として精公差用ワーク座標系を設定する（手順６）。

多数の測定穴３９の中、位置度が所定値以下の精公差穴３９ｆ（精公差箇所）について、粗公差穴３９ｒの場合と同様にプローブ１８の検出信号に基づいて夫々４組のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値が読取られるとともに、ワークＷの表面温度が放射温度計２２により測定され制御装置２０に入力されてメモリに記憶される。制御装置２０は、制御装置２０は、４組のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値に基づいて各精公差穴３９ｆの中心位置のＹ，Ｚ軸の座標値を演算し、座標変換して各精公差穴３９ｆの中心位置Ｏｆの精公差用ワーク座標系におけるＹ'軸及びＺ'軸からの測定長さを演算する。そして、制御装置２０は、各精公差穴３９ｆの中心位置Ｏｆを測定したときのワークの表面温度と基準温度との温度差ΔＴを演算し、精公差穴３９ｆの中心位置Ｏｆの精公差用ワーク座標系におけるＹ'軸及びＺ'軸からの測定長さＬＹ'，ＬＺ'を温度差ΔＴに基づいてワーク温度補正する（手順７）。

このように現在のワーク表面温度が基準温度から所定範囲以内に入った後に、基準穴３７，３８の中心位置の座標値を測定し直して精公差用ワーク座標系を設定し、精公差穴３９ｆの中心位置Ｏｆの精公差用ワーク座標系における測定長さをワーク温度補正しているので、ワーク温度補正された精公差穴３９ｆの中心位置Ｏｆの精公差用ワーク座標系におけるＹ'軸及びＺ'軸からの測定長さと真値との測定誤差は、図６に示すように、精公差穴３９ｆの中心位置Ｏｆを測定したときのワークの表面温度が３０℃から２０℃の間のいずれの温度であっても、精公差穴３９ｆの公差の５分の１以内に入っている。

本発明の実施形態に係る３次元測定機のワーク温度補正方法を実施するための３次元測定機を示す図。 冶具を測定位置と着脱位置との間で移動させる態様を示す図。 ワークを冶具に固定した状態を示す図。 ワークＷの測定箇所の長さ測定の手順を示すフロー図。 本実施形態の方法により各ワーク温度時に測定した粗公差穴の中心位置の測定長さの測定誤差を示す図。 本実施形態の方法により各ワーク温度時に測定した粗公差穴の中心位置の測定長さの測定誤差を示す図。 従来方法により各ワーク温度時に測定した測定箇所の測定長さの測定誤差を示す図。

符号の説明

１１…３次元測定機 、１２…エアコン、１３…測定室、１４…ベース、１５…コラム、１６…ヘッド、１７…ラム、１８…プローブ、１９…冶具、２０…制御装置、２１…黒体テープ、２２…放射温度計、２３…扉、２４…基台、２５…開閉弁、２６…ガイド、２７…ストッパ、２８…円錐穴、２９…係合ピン、３０…圧縮スプリング、３１〜３３…ワーク受け、３４…固定ネジ、３５…ハンドル、３７,３８…基準穴、３９…測定穴、３９ｒ…粗公差穴、３９ｆ…精公差穴。

Claims (2)

1. 室内温度を所定値に保持する測定室内に設置され、冶具に取付けられたワークに対してＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に相対移動可能なプローブがワーク表面位置を検出して検出信号を送出したときのＸ，Ｙ，Ｚ軸の各座標値を読取ることによりワークの測定箇所の測定長さを測定する３次元測定装置において、
   前記ワークを前記冶具に線形膨張を許容して１点部分で固定し、
   圧縮エアの噴出により前記冶具は浮上しながら所定位置まで移動し、前記圧縮エアの噴出を止めて前記冶具を所定位置に位置決めし、
   前記プローブの検出信号に基づいて測定されたワークの少なくとも２個の基準箇所のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値に基づいて初期ワーク座標系を設定し、
   公差が所定値以上の粗公差箇所について、前記プローブの検出信号に基づいて粗公差箇所のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値を読取り、放射温度計によりワーク表面温度を測定し、
   該座標値に基づいて粗公差箇所の初期ワーク座標系における測定長さを演算するとともに、前記ワーク表面温度と基準温度との差に基づいて粗公差箇所の初期ワーク座標系における測定長さをワーク温度補正し、
   公差が所定値未満の精公差箇所については、ワーク表面温度が基準温度から所定範囲以内に入った後に、前記少なくとも２個の基準箇所のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値を測定し直して該座標値に基づいて精公差用ワーク座標系を設定し、
   前記プローブの検出信号に基づいて精公差箇所のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値を読取り、前記放射温度計によりワーク表面温度を測定し、該座標値に基づいて精公差箇所の精公差用ワーク座標系における測定長さを演算するとともに、前記ワーク表面温度と基準温度との差に基づいて精公差箇所の精公差用ワーク座標系における測定長さをワーク温度補正することを特徴とする３次元測定機のワーク温度補正方法。
2. 請求項１において、前記放射温度計により温度測定されるワークの表面温度測定部分に放射率が既知の黒体物質を付着することを特徴とする３次元測定機のワーク温度補正方法。

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