JP4542907B2 - 高速走査用プローブ - Google Patents

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Description

本発明は、座標測定機、工作機械、手動座標測定アーム、または検査ロボットのような、位置や表面の外形を測定するための座標位置決定機で使用されるための走査プローブに関する。
座標位置決定機の1つの公知の形態は、例えば、ワークピースが支持されることができるテーブルに対して互いに直交する方向に動くために支持されたアームと、テーブル上の参照位置またはデータに対するアームの位置を測定するためのトランスデューサとを含む。走査プローブは、典型的に、ハウジング等の相対的に固定された構造物と、固定構造物に対する3次元の動きのため、支持アセンブリに支持されたスタイラスと、固定構造物の 参照位置に対するスタイラスの位置を測定するためのトランスデューサとを備える。
使用において、プローブの固定構造物が機械のアームに固定され、代表的な作動において、スタイラスは、結果として、固定構造物に対して変位されているワークピース上の位置に係合する。プローブのそれぞれのトランスデューサの出力と座標位置決定機の出力との合計は、データに対するスタイラスの位置を定義する。
通常タイプの走査プローブは、スタイラスの移動を許容する平行ばね機構と、スタイラスの移動を測定するための偏り測定システムと、プローブ機構及びスタイラスの自由空間慣性たわみを最小限にするための減衰手段とから構成される。
3対の直列的に接続された平行ばねにより固定構造物に対して支持されたスタイラスを有するアナログプローブを設けることが、特許文献1から知られている。固定構造物に対するスタイラスの移動は、光学的手段により変換される。光学的手段は、スタイラスが接続された部材に設けられた3つの光学的目盛りを備え、光学的目盛りと近接した固定構造物に配置された読み取りヘッドと対応する。部材は、スタイラスの検出チップの動きと一致した動きで固定構造物に対して動く。
このようなプローブにおいて、スタイラスが接続された部材の動きは、3またはそれ以上の次元で、概ね測定される。
これは、消極プローブの例である。これにおいて、測定時、プローブ機構がつり下げられたばねは、偏りに適合する力を発生する。この接触力は、偏りとともに変化するが、極めて反復可能である。
特許文献2は、1連の平行四辺形ばねにより支持されたスタイラスを有するプローブを開示する。これにおいて、モータは、スタイラスチップと測定されるワークピースとの間の所定の力を発生する。
このプローブは、積極(能動)走査プローブタイプである。これは、スタイラスの偏りを制御し、測定される要素との接触力を調節する、電動機構を使用する。このようなプローブにおいて、モータは、ばねよりはむしろ、接触力を発生する。
これらのタイプのプローブは、一般的に、数ミリメーターの測定範囲を許容し、したがって、対応する低測定帯域を有する。
特許文献3は、中空スタイラスを含むプローブを説明しており、これにおいて、光学的トランスデューサシステムがスタイラスアセンブリの内部に設けられる。光源は、スタイラスチップの逆反射体の方へ光線を向ける。光線は探知機の方へ反射され、これにより、スタイラスチップの横変位が測定される。
米国特許第5390424号明細書 米国特許第3869799号明細書 国際公開第00/60310号パンフレット 米国特許第6430833号明細書
高速走査を使用して速い速度でワークピースを検査することが好ましい。しかしながら、高速走査は、全システムの振動の大幅な増大に帰着する。
加えて、高速では、スタイラスチップは、ワークピースの表面外形に追従しないで、代わりに、外形の頂点で表面に接触するにとどまり、溝部での表面との接触を失う。プローブは、高速度でワークピースの表面外形に追従する充分な機械的応答性を有することが好ましい。機械的応答性は、表面をたどるためのプローブ機構(例えば、ばね)の能力である。
走査プローブの機械的応答性が、例えば、20Hz未満のように低い場合ならば、プローブは、前述の振動と外形変化に反応することができず、不一致または誤差が座標測定機および走査プローブデータと、実際の表面輪郭との間に起こることがある。
プローブと機械アームが動いている間の、望まれない過渡的な振動や慣性を減衰するための機械的または電気的振動減衰を有することも普通である。しかしながら、高速走査の間、この減衰は、スタイラスの曲げによって引きおこされるある表面を覆い、その結果、測定の誤差を生じさせるという、望まれない効果を有する。
表面と一致する適切なデータを保証するために、スタイラスの偏向または力を測るための高い機械的応答帯域を有するトランスデューサが必要とされる。しかしながら、高い機械的応答帯域と高い固有振動数とを有するトランスデューサは、制限された作動範囲を有するであろう。例えば、50Hzを超える振動応答を有するトランスデューサは、500μmより小さい作動範囲を有するかもしれない。
本発明は、座標位置決定装置(coordinate positioningapparatus comprising)で使用するためのプローブであって、座標位置決定装置のアームに取り付け可能なハウジングと、スタイラス支持部材に取り付けられたスタイラスとを備え、前記スタイラスと前記スタイラス支持部材とは前記ハウジングに関して偏向可能であり;前記座標位置決定装置の前記アームに対する前記スタイラス支持部材の移動を測定する第1のトランスデューサシステムを備え;前記スタイラス支持部材に対する前記スタイラスのチップの移動を測定する第2のトランスデューサシステムを備え;前記第1および第2のトランスデューサシステムからの出力を組み合わせて、全スタイラス偏向の測定値を与えるチップ位置計算器を備えた、プローブを提供する。
前記第1のトランスデューサシステムは、少なくとも3次元における、座標位置決定装置のアームに対するスタイラス支持部材の移動を測定してもよい。好ましくは、前記第1のトランスデューサシステムは、直線移動を測定する。前記第1のトランスデューサシステムは、座標位置決定装置のアームに対するスタイラス支持部材の横の移動を測定してもよい。 前記第1のトランスデューサシステムは、5mm未満の範囲を有してもよい。
好ましくは、前記第2のトランスデューサシステムは、前記第1のトランスデューサシステムよりも高い機械的応答性を有する。
好ましくは、前記第2のトランスデューサシステムは、100Hzより大きい機械的応答性を有する。
前記第1のトランスデューサシステムは、作動範囲を制御し、前記第2のトランスデューサシステムは、表面応答性を制御する。前記第1のトランスデューサシステムの機械的応答性の少なくとも5倍の機械的応答性を有した第2のトランスデューサシステムは、充分な高作動範囲にわたる良好な表面応答性という最適な効果を生じさせる。
前記第1および第2のトランスデューサからのデータの組合せは、プローブが高速度で表面を走査することを可能とし、その一方で、プローブが表面外形に完全に接触し続け、許容作動範囲を保持することを可能にする。
前記第2のトランスデューサシステムは、スタイラス支持部材に対するスタイラスのチップの二次元の移動を測定してもよい。
第2のトランスデューサシステムは、例えば、歪ゲージ、電気容量検出、または、光学的検出を備えてもよい。
好ましくは、第2のトランスデューサシステムは、スタイラスのチップの近くに配置される。
プローブは、消極または積極プローブであってもよい。
第2の態様によれば、本発明は、座標位置決定装置で使用するためのプローブであって、座標位置決定装置のアームに取り付け可能なハウジングと、前記ハウジングに関して偏向可能なスタイラスとを備え;前記座標位置決定装置のアームに対する前記スタイラスの移動を測定する第1のトランスデューサシステムを備え;前記第1のトランスデューサシステムに対する前記スタイラスのチップの移動を測定する第2のトランスデューサシステムを備え;前記第1及び第2のトランスデューサシステムからの出力を組み合せて、全スタイラスの偏向の測定値を与えるチップ位置計算器を備えた、プローブを提供する。
第3の態様によれば、本発明は、プローブで物体の表面を測定する方法であって、前記プローブが、ハウジングと、スタイラス支持部材に取り付けられたスタイラスとを備え、前記スタイラス支持部材が、ハウジングに関して偏向可能である方法を提供し、この方法は、座標位置決定装置のアームにプローブを取り付けるステップと、前記スタイラスが、測定される表面に接触するように、前記プローブを配置し、スタイラスを前記表面に接触させたまま、前記プローブを前記表面に沿って移動させるステップと、前記座標位置決定装置のアームに対するスタイラス支持部材の移動を測定する第1のトランスデューサシステムからデータを取得するステップと、前記スタイラス支持部材に対するスタイラスのチップの移動を測定する第2のトランスデューサシステムからデータを取得するステップと、前記第1及び第2のトランスデューサシステムからのデータを組み合せて、全プローブ偏向の測定値を発生するステップと、を備える。
第1および第2のトランスデューサシステムからのデータは、チップ位置計算器で、第1および第2のトランスデューサシステムの出力を組み合わせることにより、組み合わされてもよい。
ここで、発明の実施形態が、一例として、添付図面を参照しつつ説明される。
座標測定機(CMM:coordinate measuring machine)2は図1に示され、マシンテーブル4を具える。マシンテーブル4にはワークピース8が置かれることができる。偏向可能な(可撓の)スタイラス9と、ワークピースに接触するチップ(先端)12とを有したアナログプローブ5は、機械4の中空軸6に取り付けられている。中空軸6とプローブ5は、コンピュータによって制御され、座標測定機のX、Y、Z駆動の作動のもとで、X、Y、Z方向に動くことができる。座標測定機のX、Y、Z目盛は、プローブが取り付けられた中空軸の三次元における瞬間的な座標を示す。プローブスタイラスの偏りを示すプローブからの信号は、スタイラスチップひいてはワークピース表面の位置を計算するために座標測定機のX、Y、Z目盛からの測定値(読み取り値)と組み合わさる。
コンピュータは、プローブにワークピースの表面を走査させるプログラムを含む。
ここで、プローブが、図2を参照してより詳細に説明される。プローブ5は、固定構造物16と、スタイラス支持部材28とを有する。スタイラス支持部材28は、3対の直列的に接続された板ばね18、20、22により、固定構造物16に対しつり下げられる。これら対の板ばねは、固定構造物16に対するスタイラス支持部材28のX、Y、Zそれぞれの方向における移動を許容し、三移動自由度を与える。板ばね18、20、22は、しかしながら、固定構造物16に対するスタイラス支持部材28の回転をおよそ防止するために作動する。スタイラス支持部材28は、その自由端に実質的に球状のワークピース検出チップ12を有した伸長スタイラス10を支持する。
スタイラス10は、スタイラス交換モジュール(stylus changer module)50に接続される。そして、スタイラス交換モジュール50は、磁気手段によりプローブのスタイラス支持部材28に取外し可能に取り付けられる。スタイラス交換モジュール50の位置は、スタイラス交換モジュール50の協働する運動要素(kinematic elements)52、54とスタイラス支持部材28とによって、公知の方法で定められる。
スタイラス支持部材28は、部材14に接続される。そして、部材14は、プローブハウジング16に、3対の板ばね18、20、22により接続される。3対の板ばね18、20、22は、直列に接続されると共に、それぞれX、Y、Zの方向に曲がるように配列される。3対の板ばね18、20、22は、それぞれYZ、XZ、XY平面に配置される。
それぞれのばねは自由端と固定端を有するとみなされてもよい。固定端は、一連の連結の中で、ハウジング16に一番近い端部である。このように、ばね18は、それぞれ、部材14に固定された自由端18Aおよび中間部材24に固定された固定端18Bを有する。ばね20は、第1の中間部材24に固定された自由端20Aおよび第2の中間部材26に固定された固定端20Bを有する。ばね22は、第2の中間部材26に固定された自由端22Aおよびハウジング16の部分16Aに固定された固定端22Bを有する。
ばね18、20、22をあたかも四角形の箱の6面に位置するように集合させることによって、コンパクトで省スペースのばね18、20、22の配列が達成される。特に、その配置は、ばね20がこれらの自由端20Aからばね18の自由端18Aへと伸び、その後者の端の付近に位置し、ばね18、20が、ばね22の間の空間に配置されるようなものである。
ばね20、22の第2の中間部材26への接続を可能にするために、その後者は、ばね20の固定端に接続した部分26Aと、ばね22の自由端に接続した垂直の部分26Bとを有する。その後者の固定端は、部分16Aにより接続される。
示されるように、スタイラスが固定された部材14は、ばね18、20、22により形成された箱の中心付近にある。したがって、部材26Aと、隣接したばね22とは、スタイラス支持部材28が前記箱の外部に伸びるために、穴30、32を有する。
図2に示されるように、スタイラス支持部材28は、板ばねの穴を通って延びる伸長ステム34に接続される。ステム34の遠位端は、3つの目盛り40、42、44が取り付けられた立方体36を支える。2つの目盛り40、42は、Z方向に伸びるラインを有し、XZおよびYZ平面にそれぞれ取り付けられる。三番目の目盛り44は、X方向に伸びるラインを有し、XZ平面の立方体の上に取り付けられる。立方体36は、固定構造物に設けられた空所の内部で動くと共に、スタイラス支持部材28の動きと正確に一致する動きと、スタイラス12の検出チップの動きとおよそ一致する動きとを有する。
読取りヘッド(リードヘッド:readhead)は、2つ46、48のみが示されているが、空所内での立方体36のX、Y、Z方向の変位を測定するため、目盛り40、42、44と共に記録されて固定構造物に取り付けられ、目盛りと協働する。読取りヘッドは、それぞれの目盛りのラインの間隔に垂直な方向における目盛りの変位を検知する。しかし、読み取りヘッドは、目盛りの平面に垂直な方向や、目盛りのラインの方向に沿う方向の目盛りの変位には、反応しない。
固定構造物に対する立方体36の動きは、およそ、固定構造物に対するワークピース検知チップ12の動きと一致する。
この伝統的な、目盛り及び読取りヘッドトランスデューサシステムが組み合わされた平行ばねのシステムは、プローブが1mmより大きな大作動範囲を達成することを可能にする第1のトランスデューサシステムを備える。プローブは、公知の方法、例えば2つの動く部品の間の減衰流体や電子的制御ソレノイドを使用して、減衰される。
この第1のトランスデューサシステムに加え、高周波数の第2のトランスデューサシステムが、プローブヘッドとスタイラスチップとの間に設けられる。
図2は、高周波数の第2のトランスデューサシステムを示し、高周波数の第2のトランスデューサシステムは、スタイラス交換モジュール50の壁に取り付けられた歪ゲージ38を有する。スタイラス交換モジュールの壁は、3つの薄い変形可能なブリッジ42が残るように、3つの切除部40が設けられる。歪ゲージ38は、これらの変形可能なブリッジ42に取り付けられる。
図3に示されるように、好ましくは、3つの歪ゲージは、120度間隔でスタイラス交換モジュールに取り付けられる。これは、X、Y、Zに曲がるスタイラスの測定を許容する。しかしながら、2つの歪ゲージが、X、Yに曲がるスタイラスを測るため、スタイラス交換マウントに取り付けられてもよい。
ワークピースの走査中、スタイラスの曲げが、プローブにより与えられた測定力により生じるであろう。歪ゲージは、このたわみを測る。
第2のトランスデューサシステムの第2の実施形態が、図4に描かれている。この図では、第2のトランスデューサは、スタイラス10に設置されている。前記同様に、スタイラスの曲げは、歪ゲージの信号を発生する。この第2のトランスデューサは可能な限りスタイラスチップに近づけて配置するのが好ましい。
図4、5に示されるように、歪ゲージは、スタイラスの部分である変形可能な薄壁チューブ44に取り付けられる。3つの歪ゲージは、X、Y、Zのスタイラスの曲げを測定することを可能とするために、120度の間隔が隔てられている。しかしながら、スタイラスがZ平面において剛であるならば、X、Yの曲げを単に測定をするために、スタイラスに2つの歪ゲージを設ければ充分である。
図6に示された、第3実施形態では、第2のトランスデューサシステムは、第1実施形態と第2実施形態との組合せでもよい。これにおいて、第2のトランスデューサはスタイラス交換モジュールとスタイラスとの両方が設けられる。このような場合、これら2組のトランスデューサからの読み取り値が組み合わされる。
第2のトランスデューサシステムは、静電容量センサや光学センサのようなトランスデューサを代わりに備えてもよい。
ここで、全てのプローブのたわみは、2組のトランスデューサ(すなわち、第1及び第2システムの両方)の読み取り値の組み合わせである。第2のトランスデューサシステム(例えば歪ゲージ38)は、スタイラス支持部材28に対するスタイラスチップ12の動きを測定する。第1のトランスデューサシステム(例えば光学式の目盛り及び読み取りヘッド)は、座標測定機の軸6に対するスタイラス支持部材28の動きを測定する。したがって、第1及び第2のトランスデューサからの測定値の組合せは、座標測定機の軸6に対するスタイラスチップ12の測定値を提供する。
図7に描かれるように、第1のトランスデューサシステム60と第2のトランスデューサシステム62からの出力は、スタイラスチップの位置を決定するために、チップ位置計算器66で組み合わされる。第1及び第2のトランスデューサシステム60、62からの出力は、プローブハウジングに対するスタイラスチップ位置を決定するため、分離して組み合わされてもよい。代わりに、第1及び第2のトランスデューサシステム60、62の出力は、マシンデータに対するスタイラスチップ位置を決定するために、マシンポジション64と組み合わされてもよい。
チップ位置計算器66は、それぞれのトランスデューサシステムにおけるそれぞれのトランスデューサからの出力(すなわち、第2のトランスデューサシステムの3つの歪ゲージからの出力)が組み合わされるのを可能にする信号処理装置を含んでもよい。
この組合せは、第1のトランスデューサシステムの大きな作動範囲、及び第2のトランスデューサシステムの高い周波数という利点を有する。前記プローブヘッドは、伝統的な目盛り及び読取りヘッドトランスデューサが組み合わされた平行ばねのシステムを備えるが、他のシステムが使用されてもよい。例えば、第1のシステムのトランスデューサが、差動変圧器(LVDT:Linear Voltage Differential Transducer)を備えてもよい。したがって、第1及び第2のトランスデューサ双方の使用は、消極プローブ及び積極プローブの両方における使用に適している。
本発明のプローブは、例えば、上述した平行ばね機構のような3自由度並進移動システムを有するものに限られない。例えば、特許文献4に記載されたように、代わりの移動システムが、軸の周りの並進移動を許容することもできる。これにおいて、スタイラスホルダは、一対のダイヤフラムによりプローブハウジングから吊り下げられる。少なくとも、1つのダイヤフラムは、らせん状の切り欠きが形成されている。横方向の力がスタイラスチップに付加されたとき、スタイラスホルダが回転しながら、スタイラスがハウジングの軸に沿って横に移動するのを可能にする。傾動動作はあるものの、トランスデューサの出力は、スタイラスチップの線上の直線変位の決定に使用される。
本発明は、プローブのスタイラス部材に取り付け可能なスタイラス交換モジュールを有するモジュラープローブに限られない。代わりに、プローブが一体スタイラスを有してもよい。この場合、第2のトランスデューサシステムは、第1のトランスデューサシステムに対するスタイラスのチップの動きを測定するであろう。
本発明のプローブは、二段階で較正される。第1段階において、第1のトランスデューサシステムは、プローブに取り付けられたトランスデューサの無いスタイラスを用いる公知の方法を使用して、較正されている。このスタイラスは、好ましくは、較正中のスタイラスの曲げを最小限にするために、短くて固い。
第2段階において、トランスデューサの無いスタイラスは、第2のトランスデューサシステムを含むスタイラスに置き換えられ、較正が繰り返される。したがって、第2のトランスデューサは、較正された第1のトランスデューサからのデータと、座標測定機の位置データとを使用して、較正されてもよい。
座標測定機に取り付けられたアナログプローブを示す図である。 本発明の第1実施形態のアナログプローブを示す断面図である。 図2に示されたスタイラス交換モジュールの断面図である。 本発明の第2実施形態に従うスタイラス交換モジュールを示す側面図である。 図4に示されたスタイラスの断面図である。 本発明の第3実施形態に従うスタイラス交換モジュールを示す側面図である。 信号処理手段を示す概略図である。

Claims (17)

  1. プローブで物体の表面を測定する方法であって、
    前記プローブが、
    座標位置決定装置のアームに取り付けるためのハウジングと、
    スタイラス支持部材に取り付けられたスタイラスであって、スタイラスチップを有し、前記スタイラスと前記スタイラス支持部材とが前記ハウジングに関して偏向可能であるスタイラスと、
    前記座標位置決定装置の前記アームに対する前記スタイラス支持部材の移動を測定すると共に、第1の機械的周波数応答性を有する第1のトランスデューサシステムと、
    前記スタイラス支持部材に対する前記スタイラスの前記チップの移動を測定すると共に、第2の機械的周波数応答性を有する第2のトランスデューサシステムと、
    を備え、
    前記方法が、
    前記座標位置決定装置のアームに前記プローブを取り付けるステップと、
    前記スタイラスが、測定される表面に接触するように、前記プローブを配置するステップと、
    前記スタイラスを前記表面に接触させたまま、前記プローブを前記表面に沿って移動させるよう、前記座標位置決定装置の前記アームを移動させるステップと、
    前記座標位置決定装置の前記アームに対する前記スタイラス支持部材の移動を測定する前記第1のトランスデューサシステムからデータを取得するステップと、
    前記スタイラス支持部材に対する前記スタイラスの前記チップの移動を測定する前記第2のトランスデューサシステムからデータを取得するステップと、
    前記第1及び第2のトランスデューサシステムからのデータを組み合せて、全プローブ偏向の測定値を発生するステップと、
    を備え、
    前記プローブが、前記第1のトランスデューサシステムの前記第1の機械的周波数応答性が前記表面の外形に追従可能な速度よりも速い速度で移動され、
    前記第2のトランスデューサシステムの前記第2の機械的周波数応答性が、前記第1のトランスデューサシステムの前記第1の機械的周波数応答性よりも高く、これにより、前記スタイラスが前記表面外形に接触し続けるよう前記第2の機械的周波数応答性が前記プローブの表面応答性を制御する方法。
  2. 前記第1のトランスデューサシステムは、少なくとも3次元における、前記座標位置決定装置の前記アームに対する前記スタイラス支持部材の移動を測定する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1のトランスデューサシステムは、前記座標位置決定装置の前記アームに対する前記スタイラス支持部材の横の移動を測定する、請求項1に記載の方法。
  4. 前記第1のトランスデューサシステムは、1mmより大きい範囲を有する、請求項1から3のいずれかに記載の方法。
  5. 前記第1のトランスデューサシステムは、5mm未満の範囲を有する、請求項1から4のいずれかに記載の方法。
  6. 前記第2のトランスデューサシステムは、二次元における、前記スタイラス支持部材に対する前記スタイラスチップの移動を測定する、請求項1から5のいずれかに記載の方法。
  7. 前記第2のトランスデューサシステムは、100Hzより大きい機械的周波数応答性を有する、請求項1から6のいずれかに記載の方法。
  8. 前記第2のトランスデューサシステムの機械的周波数応答性は、前記第1のトランスデューサシステムの機械的周波数応答性の少なくとも5倍である、請求項1から7のいずれかに記載の方法。
  9. 前記第2のトランスデューサシステムは、少なくとも1つの歪ゲージを備える、請求項1から8のいずれかに記載の方法。
  10. 前記少なくとも1つの歪ゲージは、前記スタイラスの長手方向軸の周りに、120度の間隔で隔てられた3つの歪ゲージからなる、請求項9に記載の方法。
  11. 前記第2のトランスデューサシステムは、前記スタイラス支持部材に取り付けられる、請求項1から10のいずれかに記載の方法。
  12. 前記スタイラス支持部材に変形可能なブリッジが設けられ、このブリッジに、前記第2のトランスデューサシステムが取り付けられる、請求項11に記載の方法。
  13. 前記第2のトランスデューサシステムは、前記スタイラスに取り付けられた、請求項1から10のいずれかに記載の方法。
  14. 前記第2のトランスデューサシステムは、前記スタイラスのチップの近くに配置された、請求項13に記載の方法。
  15. 前記スタイラスに変形可能なチューブが設けられ、このチューブに、前記第2のトランスデューサシステムが取り付けられる、請求項13または14のいずれかに記載の方法。
  16. 前記第2のトランスデューサシステムは、前記スタイラス支持部材に取り付けられた少なくとも1つのトランスデューサと、前記スタイラスに取り付けられた少なくとも1つのトランスデューサとを備え、前記少なくとも2つのトランスデューサからの読み取り値は、前記第2のトランスデューサシステムからのデータを与えるために組み合わされる、請求項1から15のいずれかに記載の方法。
  17. 前記第2のトランスデューサシステムは、光学的トランスデューサ、電気容量トランスデューサまたは、インダクタンストランスデューサの1つである、請求項1から16のいずれかに記載の方法。
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