JP5509013B2 - 三次元測定機の測定データ補正方法および三次元測定機 - Google Patents

Description

本発明は、三次元測定機の測定データ補正方法および三次元測定機に関する。詳しくは、三次元測定機のスピンドルに異なる重量のプローブを装着したときの測定データ補正方法および三次元測定機に関する。

被測定物を載置するテーブルと、先端にプローブを交換可能に取り付けたスピンドルと、このスピンドルとテーブルとを三次元方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向）へ相対移動させる移動機構とを備えた三次元測定機が知られている。
このような三次元測定機では、移動機構の変形など、幾何学的要因に基づく誤差（幾何学誤差）が生じる。例えば、各軸スケール誤差、各軸水平方向真直度誤差、各軸垂直方向真直度誤差、各軸ピッチング誤差、各軸ヨーイング誤差、各軸ローリング誤差、各軸間角度誤差などが生じる。

そこで、このような幾何学誤差を補正するために、特許文献１に記載の三次元測定機では、空間精度補正を行うことで、スピンドル（移動機構）に設定された基準位置（基点）における誤差を補正している。そして、測定空間内に設置された基準球の中心位置（基準座標）を測定することで算出される基準位置からプローブ先端位置までのプローブベクトル（位置ベクトル）と、補正された基準位置とを合成することにより、測定データを算出している。

特開平７−１４６１３０号公報

一般に、プローブは、接触式プローブ（例えば、ポイント測定やスキャニング測定を行うための接触式プローブ）や非接触式プローブなど、被測定物の材質や要求精度などの用途により、選択的に使用される。また、それぞれの特性のプローブは、形状や大きさなども異なることから、重量も様々である。
従って、特許文献１に示す三次元測定機において、プローブ交換が行われると、プローブの重量が変化し、基準位置も変化するため、特許文献１に記載の三次元測定機では、測定データの誤差を十分に補正できない。

本発明の目的は、このような課題を解消し、プローブ交換が行われても、測定データを適正に補正することができる三次元測定機の測定データ補正方法および三次元測定機を提供することにある。

本発明の三次元測定機の測定データ補正方法は、被測定物を載置するテーブルと、先端にプローブを交換可能に取り付けたスピンドルと、前記テーブルと前記スピンドルとを三次元方向へ相対移動させる三次元移動機構とを備えた三次元測定機の測定データ補正方法において、前記スピンドルに異なる重量を付加したときに前記三次元移動機構に発生する幾何学誤差を測定する幾何学誤差測定工程と、前記幾何学誤差測定工程において異なる重量毎に測定された幾何学誤差を補正するための補正パラメータを記憶手段に記憶させる補正パラメータ記憶工程と、前記スピンドルに装着された前記プローブの重量情報を入力する重量情報入力工程と、前記重量情報入力工程において入力された重量情報に対応する補正パラメータを前記記憶手段から読み出し、この補正パラメータで測定データを補正する補正工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明の三次元測定機は、被測定物を載置するテーブルと、先端にプローブを交換可能に取り付けたスピンドルと、前記テーブルと前記スピンドルとを三次元方向へ相対移動させる三次元移動機構とを備えた三次元測定機において、前記スピンドルに異なる重量を付加したときに前記三次元移動機構に発生する幾何学誤差を補正するための補正パラメータを記憶した記憶手段と、前記スピンドルに装着された前記プローブの重量情報を入力する入力手段と、前記入力手段によって入力された重量情報に対応する補正パラメータを前記記憶手段から読み出し、この補正パラメータで測定データを補正する補正演算手段と、を備えたことを特徴とする。

このような構成によれば、予め、スピンドルに異なる重量を付加したときに三次元移動機構に発生する幾何学誤差を測定し（幾何学誤差測定工程）、この異なる重量毎に測定された幾何学誤差を補正するための補正パラメータを記憶手段に記憶させておく（補正パラメータ記憶工程）。
測定にあたって、プローブ交換が行われたときに、スピンドルに装着されたプローブの重量情報を入力すると（重量情報入力工程）、入力された重量情報に対応する補正パラメータが記憶手段から読み出され、この補正パラメータで測定データが補正される（補正工程）。
従って、プローブ交換が行われても、測定データを適正に補正することができる。

本発明の三次元測定機において、前記記憶手段には、前記重量情報に関連付けられた前記プローブの識別番号、および、この識別番号に対応して補正パラメータが記憶され、前記入力手段からは、前記プローブの識別番号が入力され、前記補正演算手段は、前記入力手段によって入力された識別番号に対応する補正パラメータを前記記憶手段から読み出し、この補正パラメータで測定データを補正する、ことが好ましい。
このような構成によれば、プローブ交換が行われたときに、入力手段からプローブの識別番号が入力されると、入力されたプローブの識別番号に対応する補正パラメータが記憶手段から読み出され、この補正パラメータで測定データが補正される。
従って、交換されたプローブの重量情報を入力しなくてもよいので、プローブの重量情報の入力が簡易にできる。特に、入力手段を、プローブに貼り付けられた識別番号バーコードと、プローブが取り付けられるスピンドルに設けられ識別番号バーコードを読み取る読取手段とから構成すれば、プローブ交換が行われると、自動的に測定データを補正できる。

本発明の三次元測定機において、前記入力手段は、前記スピンドルに装着された前記プローブの重量を計測する重量センサによって構成され、前記補正演算手段は、前記重量センサによって計測された前記プローブの重量に対応する補正パラメータを前記記憶手段から読み出し、この補正パラメータで測定データを補正する、ことが好ましい。
このような構成によれば、プローブ交換が行われると、スピンドルに装着されたプローブの重量が重量センサによって計測され、この重量に対応する補正パラメータが記憶手段から読み出され、この補正パラメータで測定データが補正される。
従って、交換されたプローブの重量情報を入力しなくてもよいので、プローブの重量情報の入力が簡易にできるとともに、プローブ交換が行われると、自動的に測定データを補正できる。

本発明の他の測定データ補正方法は、被測定物を載置するテーブルと、先端にプローブを交換可能に取り付けたスピンドルと、前記テーブルと前記スピンドルとを三次元方向へ相対移動させる三次元移動機構とを備えた三次元測定機の測定データ補正方法において、前記スピンドルに基準プローブに相当する基準重量を付加したときに前記三次元移動機構に発生する幾何学誤差を測定する幾何学誤差測定工程と、前記幾何学誤差測定工程において測定された幾何学誤差を補正するための基準補正パラメータを記憶手段に記憶させる基準補正パラメータ記憶工程と、前記スピンドルに装着された前記プローブの重量情報を入力する重量情報入力工程と、前記重量情報入力工程において入力された重量情報および前記基準プローブに相当する基準重量から補正係数を算出し、この補正係数と前記記憶手段に記憶された基準補正パラメータとからスピンドルに装着されたプローブに関する補正パラメータを算出し、この補正パラメータで測定データを補正する補正工程と、を備えたことを特徴とする。

このような構成によれば、測定にあたって、プローブ交換が行われたときに、スピンドルに装着されたプローブの重量情報を入力すると（重量情報入力工程）、入力された重量情報および基準プローブに相当する基準重量から補正係数が算出され、この補正係数と記憶手段に記憶された基準補正パラメータとからスピンドルに装着されたプローブに関する補正パラメータが算出され、この補正パラメータで測定データが補正されから、プローブ交換が行われても、測定データを適正に補正することができる。
特に、この構成によれば、記憶手段には基準補正パラメータのみを記憶させておけばよいので、各種重量のプローブ毎に大量の補正パラメータを記憶させておかなくてもよい利点がある。

本実施形態に係る三次元測定機を示す斜視図。 同上実施形態において、スピンドルおよびその周辺機構を示す図。 同上実施形態において、制御装置およびそれに接続される機構等を示すブロック図。 同上実施形態において、補正パラメータテーブルの作成手順を示すフローチャート。 同上実施形態において、プローブ交換時の処理手順を示すフローチャート。

図１は、本発明にかかる三次元測定機の一実施形態を示す斜視図である。
本実施形態の三次元測定機１は、被測定物を載置するテーブル２と、先端にプローブ１３を交換可能に取り付けたスピンドル１２と、このスピンドル１２とテーブル２とを三次元方向へ相対移動させる三次元移動機構とを備えている。三次元移動機構は、プローブ１３をＹ軸方向へ移動させるＹ軸駆動機構３と、プローブ１３をＸ軸方向へ移動させるＸ軸駆動機構７と、プローブ１３をＺ軸方向へ移動させるＺ軸駆動機構１１とを備えている。

テーブル２は、被測定物を載置するために精密平坦加工された上面を備える四角柱状に形成されている。説明のために、テーブル２の上面で互いに直交する二方向をそれぞれＸ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（前後方向）とし、テーブル２の上面に垂直な方向をＺ軸方向（上下方向）とする。

Ｙ軸駆動機構３は、テーブル２上でＹ軸方向に設けられたＹガイドレール４と、このＹガイドレール４に沿って移動可能に設けられたＹスライダ５Ｌと、このＹスライダ５Ｌと対になってテーブル２上をＹ方向へ移動するＹスライダ５Ｒとを備えて構成されている。なお、Ｙガイドレール４とＹスライダ５Ｌ、テーブル２とＹスライダ５Ｒとの間にはエアーベアリングが設けられているが、説明を省略する。

Ｘ軸駆動機構７は、Ｙスライダ５ＬとＹスライダ５Ｒに両端が支持された長手状のガイド部材であるＸビーム８と、このＸビーム８の長手方向に沿って移動可能に設けられた可動部材であるＸスライダ９と、このＸスライダ９を移動させるＸスライダ駆動手段１０とを備えている。Ｘビーム８は、両端がＹスライダ５ＬとＹスライダ５Ｒの上に支持され、Ｙ軸駆動機構３の駆動により、Ｙ方向に移動される。

Ｚ軸駆動機構１１は、図２に示されるように、スピンドル１２を垂直方向にガイドするガイド部材としてのガイド筒２２と、上端が揺動可能に支持されかつ下端がスピンドル１２内に設けられたエアーバランス機構のピストン（図示省略）に連結された支持軸２８と、ガイド筒２２に立設され支持軸２８の上端を支持する支柱２５と、これらをハウジングするハウジング３２とを備えて構成されている。支柱２５と支持軸２８との間には、プローブ１３の重量、ここでは、スピンドル１２を含むプローブ１３の重量を測定する入力手段としての重量センサ３０が取り付けられている。

なお、エアーバランス機構は、図示省略するが、スピンドル１２の内部に上下方向に沿って設けられたシリンダと、このシリンダ内に摺動可能に収納され支持軸２８に連結されたピストンと、このピストンで区画されたシリンダ室のうちの支持軸２８側の押上力発生室とを含んで構成されている。押上力発生室にはスピンドル１２およびプローブ１３の重量に見合う押上力が発生されているため、スピンドル１２を軽い力で昇降させることができる。

図３は、三次元測定機１の各機構を制御する制御装置４０を中心とした制御システムを示している。
制御装置４０には、三次元移動機構を構成するＸ軸駆動機構７、Ｙ軸駆動機構３、Ｚ軸駆動機構１１、プローブ１３、重量センサ３０のほかに、入力装置４１、表示装置４２および記憶装置４３が接続されている。
入力装置４１は、例えばキーボードやジョイスティックなどによって構成され、各種動作指令やデータを入力する。
表示装置４２には、プローブ１３によって測定された形状や寸法などの測定データが表示される。
記憶装置４３には、測定プログラムや測定データなどを記憶するエリアのほかに、記憶手段としての補正パラメータテーブル４４が設けられている。補正パラメータテーブル４４には、スピンドル１２に異なる重量Ｗ１，Ｗ２、Ｗ３…Ｗｎを付加したときに三次元移動機構に発生する幾何学誤差を補正するための補正パラメータが異なる重量Ｗ１，Ｗ２、Ｗ３…Ｗｎに対応して記憶されている。

制御装置４０は、Ｘ軸駆動機構７、Ｙ軸駆動機構３、Ｚ軸駆動機構１１の駆動を制御し、プローブ１３が被測定物に接触したときの各軸の座標値（各軸毎に設けられたスケールの位置データ）を読み込み、プローブ１３が接触した被測定物の位置データを求める処理を行うほかに、重量センサ３０によって計測されたプローブ１３の重量情報が入力されると、その入力された重量情報に対応する補正パラメータを補正パラメータテーブル４４から読み出し、この補正パラメータで測定データを補正する補正演算手段を構成している。

（補正パラメータテーブルの作成）
図４は、補正パラメータテーブルの作成手順を示している。
まず、ステップ（以下ＳＴと略す）１において、スピンドル１２に異なる重量を付加し、各異なる重量毎に三次元移動機構に発生する幾何学誤差を測定したのち（幾何学誤差測定工程）、ＳＴ２において、幾何学誤差測定工程において異なる重量毎に測定された三次元移動機構に発生する幾何学誤差を補正するための補正パラメータを算出する。

具体的には、スピンドル１２の先端に２００ｇ、４００ｇ、６００ｇ、８００ｇ、１０００ｇの荷重を与え、そのときの三次元移動機構に発生する幾何学誤差を測定する。
幾何学誤差の測定にあたっては、例えば、スピンドル１２の先端に光学治具（この光学治具を含めて各付加荷重となるように決める）をセットし、レーザ干渉計などにより、各軸スケール値に対するプローブ１３の先端位置を測定することにより行うことができる。光学治具をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動させたときの各軸スケール位置と、レーザ干渉計の測定結果とから、平行誤差（各軸スケール誤差、各軸水平方向真直度誤差、各軸垂直方向真直度誤差）および回転誤差（各軸ピッチング誤差、各軸ヨーイング誤差、各軸ローリング誤差、各軸間角度誤差）を測定する。三次元測定空間の全域について、平行誤差および回転誤差を測定することにより、三次元測定空間の全域にわたる補正パラメータを算出することができる。
最後に、ＳＴ３において、算出された補正パラメータを各重量Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３…Ｗｎに対応して補正パラメータテーブル４４に記憶させる（補正パラメータ記憶工程）。

（プローブ交換・測定・補正）
図５は、プローブ交換に伴う処理手順を示している。
測定にあたって、プローブ交換を行う。つまり、測定部位に適した新たなプローブ１３をスピンドル１２に装着すると、ＳＴ１１において、交換されたプローブ１３の重量が重量センサ３０によって計測される。
ＳＴ１２において、制御装置４０（補正演算手段）は、重量センサ３０によって計測されたプローブ１３の重量を読み込み、この重量に対応する補正パラメータを補正パラメータテーブル４４から読み出す。
この後、測定を開始して測定データを取り込む。つまり、テーブル２上に被測定物を載置し、Ｙ軸駆動機構３、Ｘ軸駆動機構７およびＺ軸駆動機構１１を駆動させてプローブ１３を移動させ、被測定物にプローブ１３を接触させる。このときのプローブ１３の位置を測定データとして読み取る。
ＳＴ１３において、測定データをＳＴ１２で読み出した補正パラメータで補正する（補正工程）。

従って、本実施形態によれば、予め、スピンドル１２に異なる重量を付加したときに三次元移動機構に発生する幾何学誤差を測定し、この異なる重量毎に測定された幾何学誤差を補正するための補正パラメータを補正パラメータテーブル４４に記憶させておく。プローブ交換によってスピンドル１２に新たなプローブ１３が装着されると、その装着されたプローブ１３の重量が重量センサ３０によって計測される。すると、その重量に対応する補正パラメータが補正パラメータテーブル４４から読み出され、この補正パラメータで測定データが補正されるから、プローブ交換が行われても、測定データを適正に補正することができる。

＜変形例＞
本発明は、上記の実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。

前記実施形態では、プローブ１３の重量を測定する重量センサ３０を設け、プローブ交換時に、交換されたプローブ１３の重量を重量センサ３０で測定し、この測定された重量に対応する補正パラメータを補正パラメータテーブル４４から読み出すようにしたが、これに限られない。
例えば、プローブ交換時に、交換されたプローブ１３の重量データを入力装置４１から直接入力するようにしてもよい。
または、記憶装置４３内に、複数種のプローブ１３毎に、そのプローブの重量を含む各種情報を記憶させておけば、ここに記憶された情報から、交換されたプローブ（スピンドル１２に装着されたプローブ）の重量を読み出すことができる。

このほか、補正パラメータテーブル４４に、重量情報に関連付けて、プローブ１３の識別番号、および、補正パラメータを記憶しておくとともに、入力装置４１から、プローブ１３の識別番号を入力すると、制御装置４０（補正演算手段）が、入力装置４１によって入力されたプローブの識別番号に対応する補正パラメータを補正パラメータテーブル４４から読み出し、この補正パラメータで測定データを補正するようにしてもよい。
このようにすれば、交換されたプローブの重量情報を入力しなくてもよいので、プローブの重量情報の入力が簡易にできる。

この際、入力手段を、プローブ１３に貼り付けられた識別番号バーコードと、プローブ１３が取り付けられるスピンドル１２に設けられ識別番号バーコードを読み取る読取手段とから構成すれば、プローブ交換が行われると、自動的に測定データを補正でき利点がある。

前記実施形態では、予め、プローブ１３の重量毎に補正パラメータをそれぞれ算出しているが、この方法に限らず、次のような方法であってもよい。
例えば、スピンドル１２に基準プローブに相当する基準重量を付加したときに三次元移動機構に発生する幾何学誤差を測定し（幾何学誤差測定工程）、この測定された幾何学誤差を補正するための基準補正パラメータを記憶装置４３に記憶させておく（基準補正パラメータ記憶工程）。
プローブ交換時に、スピンドル１２に装着されたプローブ１３の重量情報が入力されると（重量情報入力工程）、入力された重量情報および基準プローブに相当する基準重量から補正係数を算出し、この補正係数を記憶装置４３に記憶された基準補正パラメータに掛けることでスピンドル１２に装着されたプローブ１３に関する補正パラメータを算出し、この補正パラメータで測定データを補正（補正工程）するようにしてもよい。
このようにすれば、記憶装置４３には基準補正パラメータのみを記憶させておけばよいので、各種重量のプローブ毎に大量の補正パラメータを記憶させておかなくてもよい利点がある。
また、補正パラメータについては、測定機毎に取得してもよく、あるいは、共通の構造を持ったシリーズ毎に取得してもよい。

前記実施形態では、テーブル２に対して、プローブ１３を交換可能に取り付けたスピンドル１２がＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動する構造の三次元測定機を例に説明したが、これに限られない。要は、テーブル２とスピンドル１２とが三次元方向へ相対移動できる構造であれば、テーブル２とスピンドル１２とが共に移動する構造であってもよい。

本発明は、スピンドルに対してプローブを交換可能に取り付けた三次元測定機に利用できる。

１…三次元測定機、
２…テーブル、
３…Ｙ軸駆動機構（三次元移動機構）、
７…Ｘ軸駆動機構（三次元移動機構）、
１１…Ｚ軸駆動機構（三次元移動機構）、
１２…スピンドル、
１３…プローブ、
３０…重量センサ（入力手段）、
４０…制御装置（補正演算手段）、
４１…入力装置（入力手段）、
４４…補正パラメータテーブル（記憶手段）。

Claims (5)

1. 被測定物を載置するテーブルと、先端にプローブを交換可能に取り付けたスピンドルと、前記テーブルと前記スピンドルとを三次元方向へ相対移動させる三次元移動機構とを備えた三次元測定機の測定データ補正方法において、
   前記スピンドルに異なる重量を付加したときに前記三次元移動機構に発生する幾何学誤差を測定する幾何学誤差測定工程と、
   前記幾何学誤差測定工程において異なる重量毎に測定された幾何学誤差を補正するための補正パラメータを記憶手段に記憶させる補正パラメータ記憶工程と、
   前記スピンドルに装着された前記プローブの重量情報を入力する重量情報入力工程と、
   前記重量情報入力工程において入力された重量情報に対応する補正パラメータを前記記憶手段から読み出し、この補正パラメータで測定データを補正する補正工程と、
   を備えたことを特徴とする三次元測定機の測定データ補正方法。
2. 被測定物を載置するテーブルと、先端にプローブを交換可能に取り付けたスピンドルと、前記テーブルと前記スピンドルとを三次元方向へ相対移動させる三次元移動機構とを備えた三次元測定機の測定データ補正方法において、
   前記スピンドルに基準プローブに相当する基準重量を付加したときに前記三次元移動機構に発生する幾何学誤差を測定する幾何学誤差測定工程と、
   前記幾何学誤差測定工程において測定された幾何学誤差を補正するための基準補正パラメータを記憶手段に記憶させる基準補正パラメータ記憶工程と、
   前記スピンドルに装着された前記プローブの重量情報を入力する重量情報入力工程と、
   前記重量情報入力工程において入力された重量情報および前記基準プローブに相当する基準重量から補正係数を算出し、この補正係数と前記記憶手段に記憶された基準補正パラメータとからスピンドルに装着されたプローブに関する補正パラメータを算出し、この補正パラメータで測定データを補正する補正工程と、
   を備えたことを特徴とする三次元測定機の測定データ補正方法。
3. 被測定物を載置するテーブルと、先端にプローブを交換可能に取り付けたスピンドルと、 前記テーブルと前記スピンドルとを三次元方向へ相対移動させる三次元移動機構とを備えた三次元測定機において、
   前記スピンドルに異なる重量を付加したときに前記三次元移動機構に発生する幾何学誤差を補正するための補正パラメータを記憶した記憶手段と、
   前記スピンドルに装着された前記プローブの重量情報を入力する入力手段と、
   前記入力手段によって入力された重量情報に対応する補正パラメータを前記記憶手段から読み出し、この補正パラメータで測定データを補正する補正演算手段と、
   を備えたことを特徴とする三次元測定機。
4. 請求項３に記載の三次元測定機において、
   前記記憶手段には、前記重量情報に関連付けられた前記プローブの識別番号、および、この識別番号に対応して補正パラメータが記憶され、
   前記入力手段からは、前記プローブの識別番号が入力され、
   前記補正演算手段は、前記入力手段によって入力された識別番号に対応する補正パラメータを前記記憶手段から読み出し、この補正パラメータで測定データを補正する、ことを特徴とする三次元測定機。
5. 請求項３に記載の三次元測定機において、
   前記入力手段は、前記スピンドルに装着された前記プローブの重量を計測する重量センサによって構成され、
   前記補正演算手段は、前記重量センサによって計測された前記プローブの重量に対応する補正パラメータを前記記憶手段から読み出し、この補正パラメータで測定データを補正する、ことを特徴とする三次元測定機。

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