JP4478248B2 - 測定エラー低減方法および該方法を用いる測定機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械の可動アームに移送されるプローブを用いる機械（例えば座標測定機械（ＣＭＭ）など）によって行われる測定の精度に及ぼす機械の振動の影響を、測定プロセスの過程で低減する方法に関するものである。そして本発明は、接触トリガ方式や走査方式を用いて測定が行われる測定プロセスに適用可能であり、アナログ、ディジタルまたは非接触プローブの使用を含み得るものである。
【０００２】
【従来の技術】
３次元（３Ｄ）表面走査の一方法としては、ＣＭＭのクイル（quill）に取り付けられた走査プローブを測定すべき物品（article）の表面上で移動させ、走査プローブのワークピース接触スタイラスの位置の座標を物品表面上の多数の点で記録（noting）することを含むものがある。機械のモータにはコントローラから速度指示信号（speed demand signals）が供給されるが、モータ速度を制御するために、コントローラは通常、機械の各軸からの位置および速度フィードバックを行うサーボループを内部に有している。速度フィードバック量はモータに取り付けたタコジェネレータによって得られ、位置フィードバック量はＣＭＭの各軸に対応したリニアエンコーダシステムによって得られる。
【０００３】
しかし現在の方法ではＣＭＭのダイナミクスは考慮されていない。ＣＭＭのすべての軸は剛であると仮定したものであり、従ってタコジェネレータおよびリニアエンコーダからのフィードバックを行えば走査プローブのサーボ制御を十分正確に行うことができるとの仮定に基づくものである。
【０００４】
しかしながら、ＣＭＭは完全な剛構造ではない。殆どのものはプローブが取り付けられる柔構造部材を有しおり、これらは駆動モータや、エアベアリングの不安定性および機械的リンク構造などに起因した外乱によって生じる振動に影響されるのである。これらの振動は、それら自身によるものであれ、あるいは機械構造の共振周波数によって励起されるものであれ、走査対象である表面に対する走査プローブの接触を失わせたり、得るべき測定値が不正確となる要因ともなり、測定精度の低下および走査時間の増大を引き起こすものとなる。
【０００５】
上述した走査プロセスでは、座標測定機械を高速に駆動することが可能であり、また表面から走査プローブを離して繰り返し移動させるという表面走査のリカバリに要する時間を短縮できるのであれば、走査時間を低減することができる。
【０００６】
プローブがワークピースに接触する毎に機械を停止させる過程で行う接触トリガ測定プロセスでは、周囲でのより速やかな移動と、より速やかな発停とを振動少なく行うことが可能な機械であれば、測定速度を向上できる。
【０００７】
従来、上述のような振動の影響を排除し、あるいは少なくともそれを低減する試みとして様々な方法が用いられてきた。
【０００８】
例えば、振動は、指示信号入力によって駆動モータに生じる振動に対する機械の種々構造の周波数応答によって生じうるものであり、特に指示電圧がステップ関数的に変化する形態であるようなときに生じうる。
【０００９】
一般的に用いられてきた一つの方法は、位置および速度サーボループの全体的なフィードバックゲインを低減させることである。サーボループのゲインを低減すれば、制御系の周波数の帯域幅すなわち制御を維持できる周波数のレンジは狭くなり、また位置のオーバーシュートを大きくしたり、位置許容差を劣化させるなど、サーボ系の性能を損なう結果となる。一般的に用いられてきた他の方法として、駆動モータによって引き起こされる構造的な共振に打ち勝つようにするべく、速度ループの一部や速度サーボコントローラへの入力にノッチフィルタを導入するものがある。このノッチフィルタは機械の代表的な共振周波数に応動する。この方法はしかし特定の周波数での移動しか除去できないとういう点で限界があり、軸についてのサーボ帯域幅を狭くしうるものでもある。一方で、座標測定機械の軸は２以上の共振周波数を持ちうるものである。
【００１０】
米国特許第5,594,668号に開示された方法も知られている。これは測定レンジ内におけるプローブのいくつかの位置に対してＣＭＭの弾性的な曲げの挙動（elastic bending behaviour）を特徴づけるパラメータを確定しておくものである。これは機械のスライダ上のプローブ位置とスライダに作用する加速度力とに従うパラメータの成分を決定し、これら成分の詳細を補正値として格納しておき、ワークピースに対して行う測定の補正に用いるようにすることで行われる。
【００１１】
これらの格納値は、測定プロセスの過程で機械のスライダの加速度を測定すること、あるいは、機械の測定システムが発生する位置データを得てその位置データを時間について２回微分することで得ることができる。この方法はしかし、補正値がキャリブレーションプロセスを通じて生成され、多次元補正テーブルに格納されるものであり、その限りにおいてダイナミックなものとはなり得ないという欠点がある。また、キャリブレートに要する点の数を極力少なくしてこのテーブルを構成するためには、テーブルに格納された点間の補間を行う能力がシステムに対し本質的に要求されるのである。
【００１２】
英国特許第2,045,437号に開示された方法も知られている。これはＣＭＭのクイルに取り付けられるプローブに加速度メータを設け、測定されたクイルの加速度からクイルの合成たわみ（resultant deflections）を決定し、そのたわみからプローブの読み取り値を補正するものである。
【００１３】
しかしながら、このプロセスもダイナミックなものではない。すなわち、機械の測定ボリューム内における異なる位置での異なる加速度に対する変位テーブルをメモリ格納部に確立するキャリブレーションプロセスを必要とし、さらに測定プロセスを通じて得られる実際の測定値は、メモリ格納部から得た補正値を参照して補正されることになるからである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、加速度に起因する機械の測定エラーをダイナミックに低減する方法を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、かかる方法を実行する装置を提供し、周波数レンジを狭めることなく、機械における移動を良好に制御するサーボ系が維持できるようにすることにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明は、プローブ（２０）を用いる機械により行われる測定のエラーを低減する方法であって、
前記機械の移動部の加速度を示す加速度信号（４５）を得る工程と、
該加速度信号から、前記加速度によって引き起こされる前記移動部の速度の変化を示す速度信号（４９）を得る工程と、
速度フィードバックループ（３４，３６，３７，４９，５０）において前記速度信号を用い、機械に対する補正信号を提供することにより、加速度により生じる機械部品の変位（deflection）が、前記プローブを用いて前記機械が行う測定に及ぼす影響を低減する工程と、
具える。
【００１７】
ここで、前記機械は前記プローブ（２０）を移送するために移動可能なスピンドル（１０）を有し、当該移動は前記機械にワークピースの測定を行うことを可能とするコントローラ（３０）によって制御され、該コントローラは速度フィードバック制御ループ（３４，３６，３７）を含み、該ループに前記加速度信号から得た速度信号（４９）を供給することにより、前記加速度に起因した前記プローブの速度変化を低減することができる。
【００１８】
機械上のいくつかの軸についての加速度信号は、前記機械の各移動部の変位を測定し、当該変位を時間について２回微分することにより得ることができる。
【００１９】
しかし好適には、各部に組み合わせた加速度メータを使用することにより、移動部の加速度を直接的に測定する。
【００２０】
加速度メータは機械軸上の移動を測定する読み取りヘッド（readhead）に配置することができるが、加速度メータをプローブまたはその近傍に配置した場合、すなわち例えばプローブ本体や、プローブが取り付けられるヘッド、ヘッドが取り付けられる機械のクイル、あるいはプローブスタイラスなどに配置する場合であっても、最良の結果を得ることができる。
【００２１】
すなわち、前記加速度信号（４５）を、前記機械の移動部の実際の加速度を測定することにより得ること、また、前記プローブの実際の加速度を測定することにより得ることができる。
【００２２】
また、前記速度信号（４９）は、前記加速度信号（４５）を時間について積分することによって得ることができる。
【００２３】
さらに、本発明は、相対移動可能な移動部であってその一つ（１０）がプローブを移送する当該移動部と、該相対移動可能な移動部の移動を制御してワークピースに対する所定の関係に前記プローブを導くことにより、機械による前記プローブを用いた前記ワークピースの測定を可能とするコントローラであって、前記機械の前記移動部の速度を制御する速度フィードバック制御ループ（３４，３５，３６，３７）を含む当該コントローラと、を有する測定機械において、
前記移動部の少なくとも一つに少なくとも一つの加速度メータ（４４）を取り付けることにより、当該加速度メータが取り付けられた前記移動部の前記機械上の一つの移動軸に沿った方向における加速度を示す信号（４５）が生成されるようにするとともに、
該加速度信号から、前記加速度によって引き起こされる前記移動部の速度変化を示す速度信号（４９）を得て、該速度信号を前記コントローラの速度フィードバック制御ループに供給することにより、前記加速度により生じる変位が、前記機械が行う測定に及ぼす影響を低減する手段（４６，４８）を具備する。
【００２４】
ここで、プローブ（２０）が取り付けられる可動スピンドル（１０）を有し、前記少なくとも一つの加速度メータ（４４）は、前記機械上の少なくとも一つの移動軸に沿った方向における前記プローブの加速度を測定するために取り付けられているものとすることができる。
【００２５】
また、前記機械の３つの主たる移動軸における前記プローブの加速度を測定するために、３つの加速度メータ（４４）を用いることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明に係るプローブの好適な実施形態の諸例を説明する。
【００２７】
図１を参照するに、軸Ｚ方向に直線状移動を行うためにクロスヘッド１２に取り付けられたクイル１０と、軸Ｘ方向に直線状移動を行うためにフレーム１４に支持された当該クロスヘッド１２と、軸Ｙ方向に直線状移動を行うためにベース１６に支持された当該フレーム１４とを有するＣＭＭが示されている。軸Ｘ、ＹおよびＺは互いに直交している。
【００２８】
使用にあたり、クイル１０は関節型（articulating）プローブヘッド１８を支持し、この実施形態におけるプローブヘッドはワークピース２６と接触するための球状端２４をもつスタイラス２２を有した走査プローブ２０を移送する。アナログ型走査プローブ、接触型トリガプローブまたは非接触型プローブを含めた様々なタイプのプローブを移送する数多くのタイプの機械において振動を制御するために、本発明を適用できることは理解すべきである。
【００２９】
各部１０，１２，１４は、それぞれモータＭＸ、ＭＹおよびＭＺによってＸ、ＹおよびＺ軸方向にそれぞれ駆動されるものであり、各方向Ｘ，Ｙ，Ｚにおけるそれら各部１０，１２，１４の瞬間位置は各軸上の公知の測定デバイス（不図示）、例えばスケールおよび光電子的な（opto-electronic）読み取りヘッドによって検出される。
【００３０】
コントローラ３０は、図２により詳細に示されているが、モータＭＸ、ＭＹおよびＭＺを適切に作動させてワークピース２６上でプローブスタイラス２２を移動させるようプログラムされており、これによりワークピース表面上の座標点を決定することができる。
【００３１】
関節型プローブヘッド１８は相対的回転が可能な２つの部品１８Ａおよび１８Ｂを有し、部品１８Ａは機械のＺ軸に関して回転可能、部品１８Ｂは機械のＸないしＹ軸に関して回転可能であり、これによって機械の作業ボリューム内においていかなる所望の角度にもスタイラスを方向付けできる。しかしかかる関節型プローブヘッドが機械系にとって必須の要件でないことは理解すべきである。
【００３２】
図２を参照するに、ＣＭＭのコントローラ３０はモータＭＸ、ＭＹおよびＭＺに対する指示信号を発生するコンピュータ３２を含んでいる。なお、図２では１つのモータＭＺに対するサーボ制御系（その動作については後述する）を例示しているが、モータＭＸおよびＭＹに対しても同様の制御ループを設け得ることは勿論である。
【００３３】
測定動作に際して機械をワークピースに対する様々な位置に移動させることができるようコンピュータがプログラムされている。コンピュータは移動を初期化するためにモータ駆動コントローラ３４に速度指示信号を送出する。モータ駆動コントローラは駆動モータＭＺを通る信号３５を発生し、これによってモータＭＺは所要の位置に向けＺ軸に沿って部材１０を駆動する。
【００３４】
機械の移動速度はタコジェネレータ３６を含むサーボループによって制御される。すなわち、このタコジェネレータがモータ速度をモニタリングしてモータ速度信号３７を駆動コントローラ３４に戻すことで、コンピュータ３２からの速度指示信号に一致してモータが駆動されるようになっている。
【００３５】
これに加えて、機械のＺ軸上にリニアエンコーダ３８を具備した位置サーボループが設けられ、Ｚ軸に沿った部材１０の位置をモニタリングしている。エンコーダ３８は位置信号３９を検出してコンピュータ３２に戻し、これによって部材１０がＺ軸上の所望位置に到達するまで速度指示信号が維持される。
【００３６】
かかるサーボループは現在のＣＭＭコントローラにおいて慣用的なものである。測定プロセスに必要な情報を完全なものとするために、関節型プローブヘッドおよびプローブ内の測定デバイスから信号４１が提供され、これによりコンピュータ３２は、プローブヘッドに対するプローブの向きに関する情報とともに、ワークピースとのスタイラスの接触によるプローブ本体に対するプローブスタイラスの変位ないしたわみ（deflection）を知ることができる。コンピュータは、各軸のリニアエンコーダ３８からの情報に加え、その情報によって、スタイラスボールが接触したワークピース表面上のポイントの座標を演算することができる。
【００３７】
図３を参照するに、ラインＬ１はモータ駆動要求に対するＺ軸におけるプローブヘッドの典型的な周波数応答を示している。この図において、縦軸は振動に起因した機械のクイル１０の読み取りヘッドに対する変位の大きさを示し、周波数は横軸に対してプロットされている。図から明らかなように、ポイントＡまでの低周波領域ではシステムはあたかも機械構造が剛であるかのようにふるまい、振動に起因した読み取りヘッドに対する機械のクイル１０の変位、すなわちプローブの変位はないものとみなすことができる。しかしポイントＡを超えて周波数が増大するにつれ、プローブの変位と読み取りヘッドによる変位とが一致しなくなり（uncoupled）、振動によって生起される相対変位（relative deflection）の大きさが増して、機械構造の共振周波数を通過する際にピークに達する。共振周波数を超えればプローブおよび読み取りヘッドによる変位は急速に低下して行く。
【００３８】
本発明は、機械振動によって生じるこれら変位ないしたわみが、測定プロセスを通じてプローブにより行われる測定に及ぼす影響を最小化する方法を提供するものである。これはコントローラにさらなるフィードバックループを包含させ、後述する動作を行わせることによって達成される。当該付加されるフィードバックループとして、Ｚ軸に関したもののみを例示するが、ＸおよびＹ軸方向の移動制御系に対しても同様のフィードバックループを付加できることは勿論である。
【００３９】
再び図２を参照するに、新規に付加された特徴をなす更なるフィードバックループは、参照符号４２で示す破線で囲んである。
【００４０】
プローブまたはプローブヘッドに位置づけた加速度メータ（accelerometer）４４は、モータ速度指示信号に応答して機械が動作したときに、プローブヘッドまたはプローブの加速度を測定し、加速度信号４５を発生する。
【００４１】
当該信号４５は積分・係数回路（integrating and scaling circuit）４６において積分され、スケールファクタが乗算されることにより、加速度に起因した各軸方向におけるプローブの速度が求められる。
【００４２】
積分および係数乗算を行うプロセス（４６）は、アナログ電子回路によって構成することもできるし、またディジタルのソフトウェアによって実現することもできる。加速度メータが発生した信号は通常、温度や加速度メータの取り付け方向に起因してオフセットドリフト（offset drift）を生じる傾向がある。積分器は低周波信号およびオフセット信号を除去すべく周波数帯域幅が制限されており、従って積分器は積分器周波数（integrator frequency：wi）より大きい周波数でのみ作動する。積分器周波数（wi）はかなり低く、概して対応軸の共振周波数よりオーダがほぼ１つ低い大きさである。これにより得られた帯域幅が制限されたクイル速度信号は、２次のハイパスフィルタ４８を通り、機械の最低共振周波数より低い周波数が除去されることにより、所要の速度信号４９が生成される。このフィルタ４８についても、アナログ電子回路によって構成することもできるし、またディジタルのソフトウェアによって実現することもできる。
【００４３】
速度信号４９はジャンクション５０に供給され、コンピュータ３２からの速度指示信号に加算されて、モータ駆動コントローラ３４を含むサーボループに接続される。付加したサーボループについても、ソフトウェアやハードウェアによって実現することができる。そして、これはＣＭＭコントローラの一部をなす形態とすることもできるし、ＣＭＭコントローラに外的に付加されるものであってもよい。
【００４４】
上述のサーボループを付加したことによって、速度制御を可能とする周波数の帯域幅が広がる。ハイパスフィルタの作動により、プローブヘッドからの低周波数の速度成分がこのサーボループから供給されることはない。これらの低周波数域では、すなわちプローブヘッドが取り付けられる機械構造の共振周波数より低い周波数域では、プローブヘッドはＣＭＭの構造を介してモータに剛に接続され、いかなる低周波数の速度変動も慣用的な速度制御サーボループによって取り扱うことができる。しかし機械構造の共振周波数以上では、プローブヘッドはモータから切り離され（uncoupled）始める。プローブヘッドがモータと固定的に接続（rigidly coupled）されない状態の周波数域となればハイパスフィルタが介入し、上記付加されたサーボループが直接プローブヘッドの速度制御を行い、従って当該高周波数域ではプローブヘッドと駆動モータとの間のスティフネスを電子的に増大することができる。
【００４５】
図３におけるラインＬ２は、上記付加された制御ループを用いることによって、制御系が動作可能な周波数レンジを狭めることなく、Ｚ軸におけるクイル変位の大きさが低減されたことを示している。
【００４６】
図４は３つの直交軸において加速度の測定値を提供するための加速度メータ４４を有した本発明に係るプローブヘッドの概略を示す。本発明では３つの加速度メータを配列した構成を採用し、３つの直交軸のそれぞれにおける最大の応答に備えることができる。あるいは、３方向についての加速度の測定を行う表面取り付け型集積回路（surface mounted integrated circuit）を設けてもよい。
【００４７】
図２に示した基本的な回路に対しさらに改良を施すことで、サーボループの周波数帯域幅をさらに改善することができる。
【００４８】
例えば、速度指示信号３３とジャンクション５０との間にプレフィルタを付加し、周波数整形（frequency shaping）を行うことで、閉ループ周波数応答を可能な限りフラットなものに維持するようにすることができる。加えて、加算ジャンクションの後段に補償器を付加し、周波数整形を行うことで、サーボループの安定性を改善し、サーボ系の帯域幅を拡大するようにすることもできる。
【００４９】
好適な実施形態においては加速度メータをプローブヘッドに取り付けて用いるものとして説明したが、これは本発明の実施形態のすべての動作にとって本質的なものではない。ある種のＣＭＭでは、いくつかの軸（特にＺ軸）に設けうる機械スケールから位置を光電子的に読み取る読み取りヘッドを、プローブに剛に接続しうるのである。かかる場合、それらの軸について、プローブの速度を読み取りヘッド上の加速度メータから獲得してもよいし、読み取りヘッド位置信号を時間について微分することで得てもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加速度に起因する機械の測定エラーをダイナミックに低減することができるとともに、周波数レンジを狭めることなく、測定機械における移動を良好に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】関節型プローブヘッドに取り付けられた測定プローブを含むＣＭＭの説明図である。
【図２】本発明の速度フィードバックループが付加されたＣＭＭの制御系を示すブロック図である。
【図３】駆動指令に対するプローブヘッドの周波数応答を示す線図である。
【図４】本発明の加速度メータを含むプローブヘッドおよびプローブを示す線図である。
【符号の説明】
１０ スピンドル
１８ プローブヘッド
２０ プローブ
２２ スタイラス
３０ コントローラ
３２ コンピュータ
３３ 速度指示信号
３４ モータ駆動コントローラ
３６ タコジェネレータ
３８ リニアエンコーダ
４４ 加速度メータ
４５ 加速度信号
４６ 積分・係数回路
４８ ハイパスフィルタ
４９ 速度信号

Claims (6)

1. 機械によって移送されるプローブ（２０）を用いて当該機械により行われる測定のエラーを低減する方法であって、
   前記機械の移動部の加速度を示す加速度信号（４５）を得る工程と、
   該加速度信号から、前記加速度によって引き起こされる前記移動部の速度の変化を示す速度信号（４９）を得る工程と、
   速度フィードバックループ（３４，３６，３７，４９，５０）において前記速度信号を用い、機械に対する補正信号を提供することにより、加速度により生じる機械部品の変位が、前記プローブを用いて前記機械が行う測定に及ぼす影響を低減する工程と、
   を具え、前記加速度信号（４５）は前記機械の移動部の実際の加速度を測定することにより得られ、前記実際の加速度は前記プローブ（２０）またはその近傍に配置された加速度メータを用いて測定されることを特徴とする測定エラー低減方法。
2. 前記機械は前記プローブ（２０）を移送するために移動可能なスピンドル（１０）を有し、当該移動は前記機械にワークピースの測定を行うことを可能とするコントローラ（３０）によって制御され、該コントローラは速度フィードバック制御ループ（３４，３６，３７）を含み、該ループに前記加速度信号から得た速度信号を供給することにより、前記加速度に起因した前記プローブの速度変化を低減することを特徴とする請求項１に記載の測定エラー低減方法。
3. 前記加速度信号（４５）を、前記プローブの実際の加速度を測定することにより得ることを特徴とする請求項１に記載の測定エラー低減方法。
4. 前記速度信号（４９）を、前記加速度信号（４５）を時間について積分することによって得ることを特徴とする請求項１に記載の測定エラー低減方法。
5. 相対移動可能な移動部であってその一つがプローブ（２０）を移送する可動スピンドル（１０）である当該移動部と、該相対移動可能な移動部の移動を制御してワークピースに対する所定の関係に前記プローブを導くことにより、機械による前記プローブを用いた前記ワークピースの測定を可能とするコントローラであって、前記機械の前記移動部の速度を制御する速度フィードバック制御ループ（３４，３６，３７，４９，５０）を含む当該コントローラ（３０）と、を有する機械において、
   前記機械上の少なくとも一つの移動軸に沿った方向における前記プローブの加速度を測定するよう少なくとも一つの加速度メータ（４４）が取り付けられ、当該加速度メータが取り付けられた前記移動部の前記機械上の一つの移動軸に沿った方向における加速度を示す信号（４５）が生成されるようにするとともに、
   該加速度信号から、前記加速度によって引き起こされる前記移動部の速度変化を示す速度信号（４９）を得て、該速度信号を前記コントローラの速度フィードバック制御ループに供給することにより、前記加速度により生じる変位が、前記機械が行う測定に及ぼす影響を低減する手段（４６，４８）を具備したことを特徴とする測定機械。
6. 前記機械の３つの主たる移動軸における前記プローブの加速度を測定するために、３つの加速度メータ（４４）が用いられていることを特徴とする請求項５に記載の測定機械。

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