JP6058110B2 - 較正の方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械などの機械に取り付けられた測定プローブを備える装置を較正する方法に関する。具体的には、本発明は、そうした装置における測定プローブデータおよび機械位置データを取り込む際の相対的遅延を決定する方法に関する。

対象物に接触するためのスタイラスまたはフィーラと、プローブ本体に対するスタイラスの任意の振れを測定するプローブ本体内のトランスデューサとを有する測定プローブが知られている。これら測定プローブは典型的には、「アナログ」または「走査」プローブと呼ばれており、そうした測定プローブの一例は、特許文献１（ＭｃＭｕｒｔｒｙ）に記載されている。使用時には、走査プローブの本体は、機械へ取り付けられ、スタイラスが対象物の表面を走査するように対象物の表面に対して動かされる。測定プローブのトランスデューサの出力の読取り値が（すなわち、スタイラスの振れ（ｓｔｙｌｕｓ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）をモニタするために）取得されると共に、機械の作業スペース内のプローブ本体の位置の読取り値が取得される。走査中に取り込まれるプローブの振れデータ（ｐｒｏｂｅ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｄａｔａ）と機械位置データを組み合わせることにより、ワーク表面の位置が走査全体を通して非常に多数の箇所で見出されることを可能にする。

典型的には、上記のタイプのアナログプローブまたは走査プローブは、一連のプローブの振れの読取り値を生成するように構成され、この振れの読取り値は、プローブ筐体に対する対象物の表面上の複数箇所の位置の目安を与える。そのような測定プローブは、単にスイッチとして働き、スタイラスの振れが一定の閾値を超過するたびにいわゆるトリガ信号を送出するいわゆるタッチプローブまたはタッチトリガプローブと全く異なっていることに留意されたい。タッチトリガプローブシステムでは、トリガ信号は、プローブを運ぶ機械の測定スケールをフリーズする（ｆｒｅｅｚｅ）ために使用され、それによって振れの閾値を超過したときにプローブの位置が見つけられることを可能にする。タッチプローブについては、時間Ｔ１において振れの閾値を超えて物理的に振れているタッチプローブのスタイラスと時間Ｔ２においてフリーズされる機械のスケールとの間にタイムラグがあることの原因となるいわゆるプローブの遅延を決定することが知られている。タッチプローブの遅延（Ｔ２〜Ｔ１）を見つけるための様々な較正手法が知られている（例えば、特許文献２〜４参照）。

走査プローブを使用する専用の座標測定機（ＣＭＭ）では、機械の位置エンコーダからのプローブの位置情報および測定プローブからのスタイラスの振れデータが共に、高速で取り込まれる。したがって、プローブの振れデータおよびプローブの位置データを組み合わせて、ほとんどリアルタイムで対象物の座標測定値を生成することが容易にできる。特許文献５には、そのような装置に起こり得る様々な静的誤差および動的誤差を取り除くための較正手法が記載されている。特許文献５は、プローブの振れデータの生成を遅延させ得るプローブ内の任意の遅延（例えば電子的処理の遅延）を決定するための手法も記載している。

米国特許第４０８４３２３号明細書 英国特許第２３２８０２５号明細書 欧州特許第４２０４１６号明細書 米国特許第５４２５１８０号明細書 米国特許第６８１０５９７号明細書 国際公開第０５／０６５８８４号パンフレット

走査プローブを標準の数値制御工作機械のスピンドルに取り付けることも知られている。そうした工作機械では、数値制御装置（ＮＣ）は、位置情報を様々な位置エンコーダから受信する。工作機械の位置情報（例えば、スピンドル位置のｘ、ｙ、ｚ測定値）の主目的は、ＮＣが、サーボ制御式フィードバックループを用いて機械の動きを精密に制御することを可能にすることである。この位置情報は、ＮＣによって出力され、プローブ（スタイラスの振れ）の測定値と組み合わせられて対象物の座標測定値を決定することもできる。機械位置の測定値とプローブの測定値のより良い同期をもたらすために、特許文献６は、プローブの振れデータと機械位置データの両方のため共通のタイミング信号を生成する主クロックの構成を記載している。

本発明の第１の態様によれば、機械に取り付けられた測定プローブを備える装置を較正する方法において、この機械は、加工物（ａｒｔｅｆａｃｔ）に対する測定プローブの位置を示す機械位置データを取り込むように構成され、この測定プローブは、測定プローブに対する表面の位置を示すプローブデータを取り込むように構成されている方法であって、
（ｉ）測定プローブに対する加工物の表面上の２つ以上の箇所の位置を示しているプローブデータが取り込まれることを可能にする経路に沿って動かされる測定プローブを、プローブデータおよび機械位置データを取り込む間に加工物に対して知られた速度で動かすステップと、
（ｉｉ）ステップ（ｉ）の間に取り込まれる機械位置データおよびプローブデータを解析し、プローブデータおよび機械位置データを取り込む際の相対的遅延を機械位置データおよびプローブデータから決定するステップとを含むことを特徴とする方法が提供される。

したがって、機械に取り付けられた測定プローブを備える装置において、いわゆるシステム遅延（すなわち、プローブデータおよび機械位置データを取り込む際の相対的遅延）を突き止めるために使用できる方法が提供される。この方法は、測定プローブを、工作機械からの機械位置データ値およびプローブからのプローブデータ値を収集する間に加工物に対して知られた好ましくはほぼ一定の速度で動かすという第１のステップ（ｉ）を含む。この速度は、知られた実際の速度（例えば、測定した速度）または知られた指令速度（すなわち、プローブを指示して動かす速度）であってよい。この第１のステップの間、測定プローブは、測定プローブに対する加工物の表面上の２つ以上の箇所の位置を示しているプローブデータを収集できるように選択される走査経路に沿って駆動される。

以下より詳細に説明するように、（例えば、測定プローブおよび機械の電子回路内の様々な遅延に起因する）機械位置データおよびプローブデータの生成に関連する様々な遅延は、機械によって取り込まれる機械位置データ値と上記装置によって取り込まれるプローブデータ値の間に相対的遅延（いわゆる「システム遅延」）が存在することを意味し得る。このシステム遅延は、ある特定の時間の瞬間にプローブが加工物の表面上のただ１つの箇所を測定することになることを思い起こすことによってよりよく理解できる。例えば、振れ可能なスタイラスを有する接触測定プローブの場合は、スタイラスは、ただ１回の時間の瞬間に加工物の表面上のただ１つの箇所に接触することになる。そのただ１回の絶対時間の瞬間に、したがってある（明確な）スタイラスの振れが存在することになり、機械は、ある（明確な）位置においてプローブを保持することになる。スタイラスの振れとそのただ１回の時間の瞬間の機械位置の組合せにより、表面上のただ１つの箇所の厳密な位置が与えられることになる。しかし、典型的には、現実のシステムについては、プローブがスタイラスの振れ情報を取り込むのにかかる時間は、その機械がプローブの位置に関する情報を取り込むのにかかる時間と異なっている。したがって、ある時間に同じ箇所でプローブおよび機械によって取り込まれるプローブデータおよび機械位置データは、測定のわずかに異なる絶対時間（およびしたがって位置）に対応することになる。言い換えれば、上記プローブによって取り込まれるプローブデータ値と上記機械によって取り込まれる機械データ値の間に相対的（絶対的）なタイミングの遅延が存在し、そうした遅延は、本明細書においては、システム遅延と呼ばれる。

上記のやり方でデータ収集時に知られた速度で測定プローブを動かすことによって、取り込まれる機械位置データおよびプローブデータを解析する第２のステップ（ｉｉ）によって、システム遅延は突き止めることができることが分かっている。この解析のステップは、例えば、加工物が走査されるときに、または加工物のある測定した寸法または特性に基づいてシステム遅延の影響を評価することによって、機械位置データおよびプローブデータのある共通の特徴をモニタすることを含んでよい。

本発明の方法を用いて見出されるシステム遅延は、タッチトリガプローブシステム内で確立されるタッチプローブの遅延と全く異なっていることに留意することも大切である。上記のように、タッチプローブの遅延（Ｔ２〜Ｔ１）は、所定の閾値を超過するスタイラスの振れとフリーズされる機械のスケールとの間の遅延である。対照的に、本発明によって見出されるシステム遅延は、測定値（すなわち、機械位置データおよびプローブデータ）の２つのセットの取り込みの間の相対的遅延である。例えば、時間Ｔ１におけるある瞬間に、ある程度（ａ、ｂ、ｃ）だけ振れる、および空間内の位置（ｘ、ｙ、ｚ）にあるスタイラスを有する（接触）走査プローブを考えてみる。機械のスケールを読取る（すなわち、機械位置データを取り込む）際の第１の遅延は、時間Ｔ１についての機械位置データが、実際はその後の瞬間Ｔ２に取り込まれることを意味する。同様に、プローブの振れデータを得る際の第２の遅延は、時間Ｔ１についてのプローブの振れデータが、実際はその後の時間Ｔ３の瞬間に取り込まれることを意味する。本発明によって突き止められるシステム遅延は、時間Ｔ２および実際の測定時間Ｔ１での機械位置データの取り込みの間の遅延ではなく、時間Ｔ３および実際の測定時間Ｔ１でのプローブデータの取り込みの間の遅延でもない。代わりに本発明によって見出されるシステム遅延は、機械位置データおよびプローブデータの取り込みの間の相対的遅延の測定を行うものであり、すなわち、Ｔ２〜Ｔ３が突き止められる。このシステム遅延は、実際の測定時間（Ｔ１）に対する遅延ではなく、本発明によって決定されるシステム遅延は、タッチトリガプローブシステムについて先に見出されたプローブの遅延と全く異なっていることが理解できよう。

この機械は、工作機械を含むことが好都合である。この工作機械は、デカルト（ｘ、ｙ、ｚ）の座標値のセットとして機械位置データを取り込むことが有利である。測定プローブは、接触または非接触（例えば、光学式）測定プローブを含み得る。測定プローブは、振れ可能なスタイラスを有するいわゆる走査プローブまたはアナログプローブであることが有利である。このような場合、取り込まれるプローブデータは、スタイラスの振れを示すものであることが有利であると共に、デカルト（ａ、ｂ、ｃ）の座標値のセットを含んでよい。走査プローブが設けられている場合は、ステップ（ｉ）は、測定プローブのスタイラスを、加工物の表面上の２つ以上の箇所それぞれと接触させる経路に沿って測定プローブを動かすように上記機械を使用することを含むことが好ましい。

振れ可能なスタイラスを有する走査プローブが設けられている場合は、ステップ（ｉ）は、スタイラスと加工物の表面上のある箇所の間で最初の接触が行われた後に限られた距離にわたって（例えば、スタイラスの振れの上限に達するまで）加工物に対して測定プローブの動きを続行することを含むことが好都合である。このように、プローブデータおよび機械位置データは、スタイラス先端が加工物の表面上の固定箇所で固定され、測定プローブの本体が加工物に向かって駆動され、次いで加工物から離れて駆動され、それによってスタイラスの振れの大きさを増大させ次いで減少させるときに収集される。その上、有利には、ステップ（ｉｉ）は、加工物の表面上の２つ以上の測定箇所を計算するために補外（ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎ）または他の適当な数学的演算を行うステップを含んでよい。他で前述したように、補外プロセスは、スタイラスの振れゼロに対応する加工物の表面上の測定箇所を与えるために使用できる。本明細書では、そうしたプロセスは、「ゼロへの補外（ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｅ ｔｏ ｚｅｒｏ）」と呼ばれ、機械（例えば、ｘ、ｙ、ｚ）座標においてスタイラスによって接触される加工物の表面上の箇所の計算した位置を与える。

補外プロセスは、プローブが加工物に向かっておよび／または加工物から離れて動いているときに取り込まれるプローブデータおよび機械位置データを用いて行われてよい。この補外プロセスは、プローブが加工物の表面から離れて動いているときに取り込まれるプローブデータおよび機械位置データを用いて行われることが有利である。この後者の場合は、測定箇所は、任意のスタイラスのはね返り、またはスタイラスが最初に加工物の表面と接触するように駆動されるときに存在し得る他の影響によって影響を受けない。

補外プロセスは、走査プローブを用いるときに好ましいが、それは、決して本発明の必須の部分ではないことに留意されたい。スタイラスが加工物の表面に接触する箇所は、多様なやり方で見つけられてよい。例えば、プローブデータが、ある一定の値を超過し、それによってスタイラスがある程度だけ振れたことを示すときをモニタすることが可能である。

接触測定プローブが設けられている場合は、その測定プローブのスタイラスは、加工物の局所表面にほぼ垂直な方向から加工物の表面上の各箇所と接触させられることが好ましい。これは、測定プローブが、（例えば、「ゼロへの補外」の測定を行うために）最初のスタイラスの接触後にさらに加工物に向かって動かされる場合に、ほぼ全ての速度成分が、測定中に加工物の表面に直交すると共に、加工物の表面上の同じ箇所とのスタイラスの接触が維持されることも確実にする。測定プローブが非直交方向から加工物の表面に近づく場合は、直交速度成分は、知られた結果として生じるプローブ入射の速度および方向から容易に導き出すことができる。そうした直交速度成分は、ステップ（ｉｉ）の遅延の計算で使用されることが有利である。

この方法のステップ（ｉｉ）は、加工物の表面上の２つ以上の測定箇所の位置を計算するためにプローブデータおよび機械位置データを用いることを含むことが有利である。加工物の表面上の測定箇所は、プローブデータと機械位置データを適切に組み合わせることによって決定される。（接触）走査プローブが設けられている場合は、これは、上記のゼロへの補外の方法を用いて実現されてよい。代替として、非接触測定プローブについては、プローブデータおよび機械位置データは、知られた手法によって組み合わせられてよい。

好ましくは、この方法のステップ（ｉ）の加工物の表面上の２つ以上の箇所は、加工物の寸法の少なくとも１つが測定されることを可能にするように選択される。例えば、これら箇所は、球形の加工物の直径が測定されることを可能にするように選択されてよい。加工物の表面上の２つ以上の箇所は、少なくとも１対の向かい合った箇所を含むことが有利である。一対の向かい合った箇所は、測定プローブを同じ直線的な経路に沿って反対方向に動かすことによって近づけることができる加工物の表面上の箇所である。

ステップ（ｉ）の加工物の表面上の２つ以上の箇所が、加工物の寸法の少なくとも１つが測定されることを可能にするように選択される場合は、ステップ（ｉｉ）は、加工物の測定した寸法の少なくとも１つを加工物の知られた（例えば、予め測定された）寸法と比較することによって上記遅延を計算することを含むことが有利である。つまり、システム遅延は、加工物の測定した寸法をその加工物の知られた寸法と比較することによって見つけることができる。測定プローブの速度は知られているので、これによりシステム遅延が与えられる。

正確に知られた寸法を有する加工物を得ることが可能であるが、本発明の方法は、加工物の寸法が未知である場合に使用することもできる。有利には、これは、複数の異なる知られた速度で動かされる測定プローブを用いてステップ（ｉ）を複数回行うことによって可能であると分かっている。好都合には、ステップ（ｉ）の各繰り返しは、加工物の表面上の同じ少なくとも２つの箇所を測定する。ステップ（ｉ）の繰り返しは、様々なやり方で実施されてよいことに留意されたい。例えば、加工物の表面上の第１の点は、測定プローブを第１の速度、第２の速度およびことによるとその後の速度で動かすときに測定されてよい。次いで、加工物の表面上の第２の箇所が、第１の速度、第２の速度およびその後の速度で測定されてよい。代替として、加工物の表面上の箇所全部または一部が、第２の速度で測定を繰り返す前に第１の速度で測定されてよい。つまり、測定の具体的な順序は、重要ではなく、必要に応じて、使用されている装置の具体的なタイプについての較正を行うのに必要な時間を最小にするように選択できる。

ステップ（ｉｉ）は、前記複数の速度のそれぞれで加工物の測定した寸法の少なくとも１つを決定することを含むことが有利である。例えば、球体の直径は、複数の知られた測定速度ごとに計算されてよい。具体的には、ステップ（ｉｉ）は、有利には、速度の関数として加工物の測定した寸法の少なくとも１つの変化量からプローブデータと機械位置データの間の遅延を決定することを含んでよい。好ましくは、この遅延は、少なくとも１つの測定した寸法対速度のデータの傾きから得られる。上記の例を取ると、これによりシステム遅延が球形の加工物に対する測定プローブの動きの速度の関数として測定した球体の直径の傾きから見出されることが可能になる。大切なことは、実際の加工物の寸法は、そうした方法を用いると、知られていることまたは予め測定されていることを必要としないことである。

加工物は、任意の適当な形状であってよく、機械の作業スペース内に配置または形成されてよい。加工物は、球体、一対の 平行プレート、または立方体を含むことが有利である。球形の加工物が与えられる場合は、好都合には、ステップ（ｉ）は、加工物の表面上の少なくとも５箇所の位置を示すプローブデータを収集することを含んでよい。好都合には、球体上の５箇所が測定され、したがってこれにより、球体の直径を最小時間で高精度に測定することが可能になる。

加工物の表面上の測定箇所を決定する代わりに、取り込まれる機械位置データおよびプローブデータが、システム遅延を得るために直接解析されてよい。ステップ（ｉ）は、加工物の表面輪郭に沿った複数の箇所が測定されることを可能にする経路に沿って測定プローブを動かすことを含むことが有利である。具体的には、多数（例えば、数１０または数１００）のプローブデータ値および機械位置の値は、測定プローブが測定経路に沿って駆動されるときに取り込まれてよい。例えば、少なくとも１０個または少なくとも１００個のセットのそのようなデータ値が、取り込まれてよい。振れ可能なスタイラスを有する走査プローブが設けられている場合には、測定プローブは、スタイラス先端を加工物の表面に沿って走査させる経路に沿って動かされてよい。

この経路は、機械位置データおよびプローブデータの両方から特定できる測定プローブの動きの方向の変化の少なくとも１つを含むことが好都合である。有利には、この経路は、機械位置データおよびプローブデータの両方から特定できるプローブの動きの方向の複数の変化を含む。表面輪郭の走査は、異なる速度で複数回行われることが好ましい。それぞれの走査は、異なる速度ではあるが、同じ経路に沿って測定プローブの動きを引き起こすことが好ましい。

ステップ（ｉｉ）は、機械位置データとプローブデータを比較してそれらの間の遅延を突き止めることを含み、この比較は、前記プローブデータおよび機械位置データから特定可能な方向の変化同士の間の差を最小にするための繰り返し過程を含むことが有利である。つまり、プローブの方向の変化に対応する機械位置データおよびプローブデータの推移が比較され、データのセット同士の間の差は、プローブデータおよび機械位置データのセット同士の間の遅延を繰り返し変えることによって最小にされる。代替として、相関の手法が用いられてよく、例えば、プローブデータおよび機械位置データのセットは、互いに乗算されてよく、結果として生じる合計は、繰り返し過程を用いて最大にされる。そうした繰り返し過程は、異なる測定速度で取り込まれる機械位置データおよびプローブデータに基づいて並行して行われてよい。このような場合、結果として生じる誤差は、最小にできる。これは、必要な場合になされてもよいが、システム遅延を実際には加工物の表面上の位置を計算する必要なしに突き止めることを可能にする。

測定プローブが静止した加工物に対して動かされてよく、加工物が静止した測定プローブに対して動かされてよく、または測定プローブおよび加工物が共に別個に移動可能であってよい。必要なのは、測定プローブと加工物の間の相対的な速度を知ることだけであり、上記のように、知られた速度は、測定した速度または指令速度であってよい。この機械は、加工物と測定プローブの間の相対運動を与えるモータまたは他のアクチュエータを含んでもよい。好都合には、この機械は、工作機械であり、すなわちワークの特徴を切断または回転するためのツールを使用できる機械である。工作機械は、位置エンコーダなどから収集できる機械位置データを出力する数値制御装置（ＮＣ）を備えてよい。ＮＣは、測定プローブと加工物の間の相対運動を制御することもできる。

測定プローブは、無線リンクを通じてプローブインタフェースへプローブデータを出力することが有利である。好ましくは、コンピュータが、この方法のステップ（ｉｉ）を行うために備えられ、例えば、コンピュータは、工作機械のＮＣへ接続されると共に、無線リンクを通じて測定プローブと通信する遠隔のプローブインタフェースへも接続されてよい。

機械位置データおよびプローブデータは、主クロックを基準としたタイミングの間隔で取り込まれることが有利である。さらに、本発明の方法によって決定されるシステム遅延は、機械による機械位置データの生成と測定プローブによるプローブデータの間の相対的遅延であり、すなわち、システム遅延は、データが主クロックを基準としてタイムスタンプされる（ｔｉｍｅ ｓｔａｍｐｅｄ）ときの瞬間に合致して発生する遅延である。データが主クロックを基準としてタイムスタンプされた後に生じる、パケットのデータをコンピュータへ渡すことに関連する関連する可変遅延を含むその後の任意の遅延は、測定精度に影響を与えない。主クロックは、機械または測定プローブシステムの一部として（例えば、プローブインタフェース内に）設けられることが有利である。機械または測定プローブシステムの他方は、主クロックからのタイミング信号を受信する入力部を有するように構成されるのが有利である。そうした主クロックの構成の準備と使用は、先に特許文献６の中でより詳細に記載されている。

システム遅延を突き止めるために較正を行った後、計算したシステム遅延の値は、機械位置データとプローブデータを組み合わせるときに使用できる。例えば、機械位置データまたはプローブデータのタイミングは、位置情報を計算する前にシフトまたはオフセットされてよい。代替として、測定プローブまたは機械の一方は、システム遅延に対応するデータ取り込みにおける遅延を与えるように構成されてよい。このように、機械位置データおよびプローブデータの将来の取り込みは、それらに関連する相対的システム遅延を有さないであろう。

本発明の第２の態様によれば、装置は、測定プローブであって、測定プローブに対する表面の位置を示すプローブデータを取り込むように構成される測定プローブと、
機械であって、機械の作業領域内に配置される加工物に対する測定プローブの位置を示す機械位置データを取り込むように構成される機械と、
プローブデータおよび機械位置データを取り込む間に加工物に対して知られた速度で測定プローブを動かす較正手段を含む制御部であって、較正手段は、測定プローブに対する加工物の表面上の２つ以上の箇所の位置を示すプローブデータの取り込みを可能にする経路に沿って測定プローブを動かす制御部とを備え、
制御部が、プローブデータおよび機械位置データを取り込む際の相対的遅延を決定するための分析器を備えることを特徴とする。

本発明の第３の態様によれば、機械に取り付けられた測定プローブを備える装置を較正する方法において、この機械は、加工物に対する測定プローブの位置を示す機械位置データを取り込むように構成され、測定プローブは、測定プローブに対する表面の位置を示すプローブデータを取り込むように構成されている方法であって、（ｉ）測定プローブが加工物に対して知られた速度で動かされるときに取り込まれるプローブデータおよび機械位置データを取得するステップであって、プローブデータおよび機械位置データは、測定プローブに対する加工物の表面上の２つ以上の箇所の位置を示すプローブデータが取り込まれることを可能にする経路に沿って加工物に対して測定プローブが動かされるときに、知られた時間間隔で取り込まれるステップと、（ｉｉ）ステップ（ｉ）の間に取り込まれる機械位置データおよびプローブデータを解析し、プローブデータおよび機械位置データを取り込む際の相対的遅延を機械位置データおよびプローブデータから決定するステップとを含むことを特徴とする方法が提供される。ステップ（ｉ）に用いられる機械位置データ値およびプローブデータ値は、共通のクロックを基準としてタイムスタンプされることが有利である。

コンピュータプログラムは、上記の方法を行うために備えられてもよい。そうしたコンピュータプログラムを運ぶために、コンピュータプログラムのキャリアが与えられてよい。

本発明の第４の態様によれば、機械に取り付けられた測定プローブを備える装置を較正する方法において、この機械は、加工物に対する測定プローブの位置を示す機械位置データを取り込むように構成され、測定プローブは、測定プローブに対する表面の位置を示すプローブデータを取り込むように構成されている方法であって、（ｉ）プローブデータおよび機械位置データを取り込む間に加工物に対して知られた速度で測定プローブを動かすステップであって、測定プローブは、測定プローブに対する加工物の表面上の少なくとも１つの箇所の位置を示すプローブデータの取り込みを可能にする経路に沿って動かされ、この経路は、機械位置データおよびプローブデータから特定できるプローブの動きの方向の少なくとも１つの変化も含むステップと、（ｉｉ）ステップ（ｉ）の走査中に取り込まれる機械位置データとプローブデータを比較し、機械位置データおよびプローブデータを取り込む際の相対的時間遅延を機械位置データとプローブデータから決定するステップとを含むことを特徴とする方法が提供される。

本発明を、次いで添付図面を参照して単なる例によって説明することにする。

工作機械のスピンドル中に取り付けられた走査プローブを説明する図である。 球形の較正の加工物の直径が５つの表面位置の測定値を用いてどのように決定できるかを示す図である。 球形の較正の加工物の直径が５つの表面位置の測定値を用いてどのように決定できるかを示す図である。 球形の較正の加工物の直径が５つの表面位置の測定値を用いてどのように決定できるかを示す図である。 代替の較正の加工物を説明する図である。 複数の異なる測定速度で収集した球体の直径データを示す図である。 システム遅延を見つけるために、球体を走査するための走査経路を説明する図である。 図５に示す経路を用いて球体を走査する間に生成された機械位置データおよびプローブデータを示す図である。 図６の機械データおよびプローブデータの半径誤差を示す図である。 プローブを表面に駆動しプローブを表面から駆動する間に収集した機械データおよびプローブデータが、プローブ／機械タイミング遅延を計算するためにどのように使用できるのか説明する図である。

図１を参照すると、工作機械のスピンドル２中に取り付けられた走査プローブ４が、概略的に示されている。スピンドル２は、様々な駆動モータ（図示せず）によって、固定された基部６に対してＸ、ＹおよびＺの工作機械の軸線に沿って動くことができる。（Ｘ、ＹおよびＺにおける）スピンドルの位置も、位置エンコーダなど（図示せず）を用いて正確に測定される。数値制御装置（ＮＣ）８は、動き（ＭＯＶＥ）（ｘ、ｙ、ｚ）信号を駆動モータへ出力し、位置情報信号（ｘ、ｙ、ｚ）を位置エンコーダからまた受信する。したがって、知られたやり方では、このＮＣにより、工作機械作業スペース内での正確にサーボ制御したスピンドルの動きが実現できる。ＮＣ８は、アプリケーションプログラマブルインタフェース（ＡＰＩ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１０を介してプログラム可能である。

アナログプローブまたは走査プローブ４は、標準タイプの解除可能なコネクタを用いて工作機械のスピンドル２に着装されているプローブ本体１２を備える。ワーク接触式スタイラス１４は、その先端にスタイラス球１６を有し、プローブ本体１２から突出している。アナログプローブ４は、プローブ本体１２に対するスタイラス１４の先端の任意の振れを測定するものであり、これら測定は、いわゆるプローブジオメトリ系（ｐｒｏｂｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｓｙｓｔｅｍ）（ａ、ｂ、ｃ）内で行われる。プローブ４は、工作機械付近に配置される遠隔のプローブインタフェース２０の対応する送受信部に通信する光送受信部１８を備える。したがって、プローブの振れ（ａ、ｂ、ｃ）データは、必要があればいつでも無線通信リンクを介してインタフェースへ出力できる。例えば、プローブの振れデータは、プローブインタフェース２０により要求があればいつでもプローブによって送信され得る。

特許文献６において前述したように、主クロック２２は、ＮＣ８内に設けられてよい。工作機械の位置エンコーダによって生成された信号から導き出される位置の測定値は、主クロックによって定められる時間間隔でＡＰＩを介して取り込まれ、出力されてよい。このように、知られた時間間隔で取り込まれる機械位置データ（ｘ、ｙ、ｚ）の表形式のセット（ｔａｂｕｌａｔｅｄ ｓｅｔｓ）が生成される。また、ＮＣの主クロック２２からのタイミングまたは同期信号は、プローブインタフェース２０へ渡される。プローブの振れデータ（ａ、ｂ、ｃ）も、主クロック２２によって定められる時間間隔で収集される。上記知られた時間間隔で取り込まれるプローブの振れデータ（ａ、ｂ、ｃ）の表形式のセットは、プローブインタフェース２０によって出力される。

プローブの振れ（ａ、ｂ、ｃ）の値および機械位置（ｘ、ｙ、ｚ）データの値は、同じ時間の瞬間に取り込まれることが好ましいが、このことは決して必須でない。例えば、プローブの振れデータの収集レート（ｒａｔｅ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）は、機械位置データの収集レートと異なってよい。この例では、主クロックは、ＮＣの一部として示されている。しかし、代替として、それはプローブインタフェース内に配置されてよく、または共通のタイミング信号が外部源からプローブインタフェースとＮＣの両方に与えられてよい。

コンピュータ２４は、ＡＰＩ１０からの機械位置データ、およびプローブインタフェース２０からのプローブの振れデータを受信する。機械位置の測定値（ｘ、ｙ、ｚ）およびプローブの振れの測定値（ａ、ｂ、ｃ）は共に、主クロック２２に関連してタイムスタンプされるとき、これら測定値をコンピュータ２４によって組み合わせて、走査される表面の座標位置の測定値を与えることができる。データ値が異なる時間間隔で収集される場合、補間プロセスをプローブの振れデータのセットまたは機械位置データのセットの一方のセットに基づいて行って、その一方のセットを他方のデータのセットに時間的に合わせることができる。プローブの振れデータと機械位置データの両方のタイミングを定めるために共通のクロックを使用することは、このシステムをＮＣおよびプローブインタフェースからコンピュータ２４へのデータ転送の相対的な速度に影響を受けなくさせるという利点を有する。したがって、現在利用できるＮＣからリアルタイムで位置データにアクセスできないことが克服される。

主クロック手法の使用により、計算した機械位置（ｘ、ｙ、ｚ）データの値およびプローブの振れ（ａ、ｂ、ｃ）データの値がそれぞれ、ＮＣおよびプローブインタフェースからＰＣへデータのセットを渡す際に存在する可変遅延によって影響を受けないことを確実にする。しかし、機械位置の値およびプローブの振れの値を取り込むことに関連する相対的遅延がなお存在する。例えば、ＮＣは、エンコーダ信号から機械位置データを計算するのに数ミリ秒かかり得るのに対して、プローブインタフェースは、測定プローブに問い合わせを行い、最新のプローブの振れデータを受信するのに２、３マイクロ秒しかかかり得ない。したがって、機械位置の値およびプローブの振れの値は、機械およびプローブインタフェースによって知られた箇所で調子を合わせて（すなわち、主クロックを基準としたタイミングで）取り込まれ得るが、実際は、これらの値は、わずかにリアルタイムと異なった測定に関し得ることが理解できよう。つまり、機械位置データおよびプローブの振れデータ値は、共通のクロックによって定められる時間間隔で読取られる（すなわち、取り込まれる）ことが可能であるが、機械位置の測定値およびプローブの振れの測定値を生成する際に相対的遅延がなお存在し得る。本明細書では、この遅延は、「システム遅延」と呼ばれており、次いで、本発明によるこのシステム遅延を決定する様々な方法を説明することにする。

今のところ、図１に示すタイプの装置を用いるときには、プローブの振れデータのセットと機械位置データのセットが共に、共通のクロックを基準としたタイミングであることが好ましいが、このことは、全てのタイプの装置についてそうではないかもしれないことに留意することが都合がよい。例えば、プローブインタフェースおよびＮＣは、長期間にわたって同期したままである別個の高精度のクロックを含んでよい。代替として、２つの異なるクロックの相対的タイミングをモニタする手段が備えられてよい。さらに、機械位置データおよびプローブの振れデータが、任意の種類の可変遅延の存在なしで（例えば、ＮＣまたはデータ転送手段から）プロセッサに到達する場合は、主クロックの構成の使用は不必要である。

図１および図２を参照すると、直径が知られている球体を用いてシステム遅延を計算するための方法を説明することにする。

図１に示すように、直径ｄの球体３０が、機械の作動範囲（ｗｏｒｋｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ）内に配置される。次いで、図２ａに示すように、測定プローブ４は、この機械のｘ軸に沿って駆動され、その結果、スタイラス球１６は、球体３０の表面上の第１の点（Ｐ１）に接触する。次いで、この測定プローブは、球面との接触が確立された後に、例えばプローブがその所定の最大のスタイラスの振れに達してしまうまで、短い距離にわたってＸ軸に沿って駆動される。次いで、プローブの方向は反転され、一連のプローブの振れ（ａ、ｂ、ｃ）の値および機械位置（ｘ、ｙ、ｚ）データの値は、全て主クロックを基準としてタイムスタンプされており、プローブが知られたほぼ一定の速度（Ｓ１）で球体から離れて動かされるときに取り込まれる。

プローブデータ値および機械位置データ値は、コンピュータ２４によって組み合わされる。具体的には、コンピュータ２４が、球面上の測定箇所Ｍ１を見つけるために「ゼロへの補外（ゼロへの補外の計算）」の計算を行う。他で前述したように（例えば、特許文献５）、ゼロへの補外の計算の手法は、スタイラスが被測定表面上のある箇所と接触しているときに機械位置の関数としてプローブの振れデータを解析することを含む。次いで、補外は、スタイラスが表面に接触するが、スタイラスの振れがなおゼロでない機械位置を決定するために行われてよい。このゼロへの補外法を用いることは、測定箇所Ｍ１がスタイラスまたは機械の歪みによって実質的に影響を受けないことを意味する。ゼロへの補外の計算に用いられる測定値は、プローブが球体から離れて動かされるときに（すなわち、スタイラスが表面との接触から抜け出させられるときに）取得される測定値であることが好ましいことに留意されたい。そのようなプローブの振れの測定値は、スタイラスを表面に駆動するときに収集される振れの測定値を劣化させ得るはね返りまたは振動の影響に悩まされない。

ゼロへの補外法を使用し高精度の表面位置データを走査プローブから得ることができるが、この方法は、測定箇所Ｍ１を決定するための代替の手法を使用可能であることに留意されたい。例えば、特許文献５に記載されたタイプの補間法が使用され得る。代替として、シンプルトリガ信号（ｓｉｍｐｌｅ ｔｒｉｇｇｅｒ ｓｉｇｎａｌ）がプローブの振れデータが一定の閾値を超過すると送出されてよい。

図２ｂに示すように、測定過程は、プローブのスタイラスを球体の箇所Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４およびＰ５に接触するように駆動して４回繰り返される。さらに、ゼロへの補外の計算により測定箇所Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４およびＭ５が与えられる。全ての測定Ｍ１〜Ｍ５は、プローブを同じ（知られた）速度Ｓ１で球面から離れるように駆動させて行われる。

球面上の複数箇所の５つの測定値Ｍ１〜Ｍ５により、測定した球体の直径ｄ’は、球体の数学的な性質に基づいて知られたやり方で計算されることが可能になる。しかし、何らかのシステム遅延によって、主に（知られた）測定速度および（未知の）システム遅延に依存するある一定の量だけ測定値Ｍ１〜Ｍ５の全てがオフセットされてしまうだろう。機械位置データがプローブの振れデータに対して遅延されると仮定すれば、図２ｃに示すように、測定した球体の直径ｄ’は、既知の球体の直径ｄより大きくなる。したがって、知られた球体の直径と測定した球体の直径の間の差Δｄが、測定速度Ｓ１の２倍で除算されて、システム遅延の値を得ることができる。

５箇所で球体を測定することにより、確実な球体の直径の値を決定することが可能であるが、５つを超える測定箇所または５つ未満の箇所を用いて球体の直径を決定することが可能である。例えば、２つ以上の測定箇所が使用可能である。本例における球体上で測定される箇所（Ｐ１〜Ｐ５）は、単に数学的に簡単にするために選択されることにやはり留意されたい。Ｐ１およびＰ２は、プローブがＸ軸に沿ってのみ駆動できるように、および関連するスタイラスの振れが単にプローブのａ軸に沿っているように選択される。同様に、箇所Ｐ３およびＰ４は、機械のＹ軸に沿って近づけられ、スタイラスは、プローブのｂ軸のみに沿って振れる。最後に、箇所Ｐ５は、Ｚ軸に沿って近づけられ、プローブのｃ軸のみに沿ったプローブの振れを生じさせる。必要に応じて、球面上の任意の箇所が測定され、複数の軸の値を組み合わせることから結果として生じる機械位置の値およびプローブの振れの値が決定されてよい。同様に、プローブの座標系および機械の座標系は、示されるように揃えられる必要はない。実際は、様々な座標系が、機械位置およびプローブの振れの測定に用いられてよく、後に適当な変換が、データ処理時に行われてよい。

上記の種類の球体は、システム遅延を決定する方法を行う上で都合のよい加工物を与えるが、多くの代替の加工物が用いられてよい。実際は、知られた寸法を有する任意の加工物が用いられてよい。例えば、その加工物には、立方体、円柱、穴などであってよい。加工物は、必要があれば、工作機械の上へ配置されてよく、工作機械に永久的に装着されてよく、または工作機械の一部であってもよい。

図３は、この方法が、知られた隙間ｇだけ離して間隔をあけられた一対の平行プレート４０および４２を用いてどのように実施され得るかを示す。測定プローブは、スタイラスの接触がプレート４０上の箇所Ｑ１およびプレート４２上の箇所Ｑ２で行われるようにＸ軸に沿って正負の方向に駆動されてよい。両方の測定について、測定プローブの速度は知られており、一定である。２つの表面接触箇所Ｎ１およびＮ２の位置は、スタイラスが表面から退けられるときに取り込まれるデータに基づいて（上記のように）ゼロへの補外の計算の手法を用いて計算され、そこからプレート間の隙間の値ｇ’が見つけられ得る。（知られた）プレート間の隙間ｇと計算した隙間の値ｇ’の間の差を知られた測定速度と組み合わせて、システム遅延を決定することができる。

上記の例では、測定値を取得する間のプローブの移動は、球形の加工物の表面に垂直である方向に沿っている。しかし、プローブは、非直交方向から表面に駆動されることが可能である。このような場合、表面に垂直である速度の成分は、システム遅延を推定するために分解され、使用することができる。本明細書で与えられる例は、Ｘ、ＹおよびＺの機械位置の値は同じ遅延で発生することも仮定する。このことは、ある種の機械については、そうではないかもしれない。したがって、この方法を使用して異なる機械軸に沿って加工物の寸法の別個の測定値を与えることができる。例えば、球体の直径は、ある特定の複数の軸に沿ってプローブが動かされる際の反対の測定値の対を用いて別個に測定できる。そのような例では、システム遅延は、機械位置の測定値ｘ、ｙ、ｚの１つまたは複数について別個に計算できる。

上記図２および図３を参照して説明されるこの方法は、知られている加工物の寸法（例えば、球体の直径）に頼っている。しかし、このことは、常に可能または実際的であるとは限らない。例えば、加工物の寸法は、ある特定の温度で知られているに過ぎない可能性がある。しかし、異なる速度で複数の測定値を取得することで、加工物の寸法を正確に知る必要性を克服できることが分かっている。

図２を参照すると、上記のように、球体の直径は球面上の５つの測定箇所から確実に決定できる。上記の例では、これら５つの測定値の全ては、プローブが知られた速度（Ｓ１）で動くことで取得される。測定した球体の直径を知られた球体の直径と比較する必要性を克服するために、球体の直径は、プローブが異なった（知られた）速度で動くことで複数回測定されてよい。例えば、速度Ｓ１での球体上の５つの接触を使用して直径の値Ｄ１を得ることができる。次いで、速度Ｓ２での球体上の５つの接触を使用して直径の値Ｄ２を得ることができる。これは、例えば速度Ｓ３、Ｓ４およびＳ５で複数回繰り返されてよく、それによって測定した直径の値Ｄ３、Ｄ４およびＤ５をもたらす。

図４に示すように、測定速度が大きくなるほど、計算される球体の直径は大きくなる。このことは、測定速度が増大するにつれて計算される球体の直径への影響が比例して大きくなるシステム遅延に起因する。このシステム遅延は、主要な速度に依存する変数であり、したがって測定した球体の直径対測定速度のグラフの傾きは、システム遅延を与える。余談として、グラフの切片５は、静的誤差値（ｓｔａｔｉｃ ｅｒｒｏｒ ｖａｌｕｅ）の目安も与える。

上記の方法は、複数の測定箇所を用いて加工物の表面上の複数の座標を計算し、それによって加工物の寸法の測定を可能にする。このように（例えば、直径、プレート間の隙間など）の加工物の寸法を測定することは、表面上のある箇所の厳密な位置が知られていることを必要としないことを意味する。加工物の表面上の任意の箇所の位置を実際には計算することなく機械位置およびスタイラスの振れデータからシステム遅延を決定することも可能であることが分かっている。次にこのことを図５から図８を参照してより詳細に説明することにする。

図５を参照すると、球体の周囲の周りを走査するための走査用の走査経路が示されている。この走査経路は、走査の間中ずっとスタイラスの球体の表面との接触が維持されるように選択される。走査中、プローブは、第１の走査半径ｒ１および第２の走査半径ｒ２を有する経路の間で動かされ、ここでｒ２はｒ１より小さいものである。測定される球面は完全に円形であり、したがって異なる半径の走査経路は、異なるスタイラスの振れになる。具体的には、このプローブは、第１の走査の区分６０、第２の走査の区分６２および第３の走査の区分６４の間中は、走査半径ｒ２に沿って動かされることも理解できよう。第１の走査の区分、第２の走査の区分および第３の走査の区分は、角度の大きさが次第に増加しているものであり、異なる角度の大きさからなる第１の走査半径の区分によって散在されてもいる。

図６は、測定プローブが図５に示す走査経路に沿って通過するときの（主クロックを基準として測定される）時間の関数としての工作機械によって取り込まれる機械位置データ７０、およびスタイラスの振れデータ７２を示す。２つのデータのセットからなる測定値は、前もって比較を容易にするために適切にスケール変更されている。スタイラスの振れデータがΔｔだけ機械位置データの値の先を進んでいることが、図６グラフ中のステップの変化から理解できよう。この値Δｔは、システム遅延に相応する。

図７は、機械位置データ７０とプローブの振れデータ７２の間の差を示す。この差は、半径誤差と呼ばれる。反復最適化の手法が、半径誤差を最小にするようにスタイラスの振れデータ７２に適用できる時間遅延を見つけるために用いられる。図５に示すように、様々な大きさの角度の区分を使用することにより、一意解（ｕｎｉｑｕｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を確実に見つけることができる最適化プロセス内の任意の縮退（ｄｅｇｅｎｅｒａｃｙ）を取り除く。最小二乗和の最小化法（ｌｅａｓｔ ｓｕｍ ｏｆ ｓｑｕａｒｅｓ ｍｉｎｉｍｉｓａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）が、そのような誤差最小化に適していることが分かっているが、同様の機能を果たし得る多数の代替の数学的な手法（例えば、相関の手法など）が知られている。

図５から図７を参照して説明する方法は、遅延を計算するときにこの方法が多数のスタイラスおよび機械位置の測定箇所を使用すると有利である。しかし、スタイラスを表面上のただ１つの箇所と接触するようにおよびその表面上のただ１つの箇所との接触から離れるように知られた速度で駆動することによって遅延を決定することも可能である。

図８は、スタイラスが表面上のある箇所に駆動され次いでそこから退けられるときの、機械位置データ８０およびスタイラスの振れデータ８２を示す。内向きおよび外向きの動きが、同じ、知られた速度で行われており、このようにしてシステム遅延Δｔを機械位置データのセットおよびスタイラスの振れデータのセット中の最大の隔たりから突き止めることが可能になる。

具体的なセットアップ（ｓｅｔ−ｕｐ）のシステム遅延は、経時的に著しく変化することは起こりそうにない。しかし、上記の方法は、必要に応じてしばしば行われ得る。例えば、システム遅延を計算するために、上記の方法のうちのいずれかが、最初の機械のセットアップの間に、較正ルーチンの一部として定期的に、または測定値のセットそれぞれを取得する前にたった１度行われてよい。したがって、システム遅延を見つけるための周波数は、具体的な用途に応じて異なることになる。

上記の方法は、先のシステム遅延の値を用いてプローブの振れおよび機械位置データが補正されることで行われてよく、このような場合、この方法は、前のシステム遅延の測定以降に導入された任意の追加のシステム遅延を決定することになる。代替として、任意の前のシステム遅延の補償がこの方法を行うときに働かないようにし、それによりシステム遅延全部を一から決定することができる。

最後に、上記の実施形態は、本発明の例に過ぎないことに留意されたい。これら具体例に対する多くの変形例が、当業者には明らかであろう。例えば、上記の工作機械は、動きおよび測定について直線的な相互に直交する軸を有するが、このことは決して必須でない。非デカルト機械（例えば、三脚または六脚タイプの構成）が使用されてよい。同様に、プローブが常にデカルト座標のスタイラスの振れデータを出力する必要はない。さらに、アナログ測定プローブを上述したが、この手法は、他のタイプの測定プローブに適用できる。例えば、この方法は、非接触（例えば、光学式の）測定プローブなどを用いて使用されてよい。

Claims (10)

1. 機械に取り付けられた走査プローブを備える装置を較正する方法において、前記機械は、少なくとも１つの知られた寸法を有する加工物に対する前記走査プローブの位置を示す機械位置データを取り込むように構成され、前記走査プローブは、前記走査プローブに対する表面の位置を示すプローブデータを取り込むように構成されている方法であって、
   （ｉ）前記走査プローブに対する前記加工物の前記表面上の２つ以上の箇所の位置を示しているプローブデータが取り込まれることを可能にする経路に沿って動かされる前記走査プローブを、プローブデータおよび機械位置データを取り込む間に前記加工物に対して知られた速度で動かし、前記加工物の前記表面上の前記２つ以上の箇所は、前記加工物の少なくとも１つの測定される寸法が測定されるのを可能にするように選択されるステップと、
   （ｉｉ）ステップ（ｉ）の間に取り込まれる前記機械位置データおよび前記プローブデータを用い、前記加工物の表面上の前記２つ以上の測定された箇所の位置を計算し、かつ前記２つ以上の測定された箇所から、前記加工物の前記少なくとも１つの測定された寸法を突き止めるステップと、
   （ｉｉｉ）前記加工物の前記少なくとも１つの測定された寸法と前記加工物の前記少なくとも１つの知られた寸法とを比較することによってプローブデータおよび機械位置データを取り込む際の相対的遅延を計算するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記走査プローブは、振れ可能なスタイラスを有する走査プローブであり、前記プローブデータが、スタイラスの振れを示していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ステップ（ｉ）は、前記スタイラスと前記加工物の前記表面上のある箇所の間で最初の接触が行われた後に限られた距離にわたって前記加工物に対して前記走査プローブの動きを続行するステップを含み、ステップ（ｉｉ）は、前記加工物の表面上の２つ以上の測定箇所を計算するために補外を行うステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記２つ以上の測定箇所は、前記プローブが前記加工物の前記表面から離れて動かされているときに取り込まれるプローブデータおよび機械位置データから導き出されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記走査プローブの前記スタイラスは、前記加工物の前記表面にほぼ垂直な方向から前記加工物の前記表面上の各箇所と接触させられることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記加工物は球体を含み、ステップ（ｉ）は前記球体の前記表面上の少なくとも５つの箇所の位置を示すプローブデータを取り込むステップを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記機械位置データおよび前記プローブデータは、主クロックを基準としたタイミングの間隔で取り込まれることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記機械は、前記機械位置データを出力する数値制御装置を備える工作機械であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記走査プローブは、前記プローブデータを、無線リンクを通じてプローブインタフェースへ出力することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. コンピュータを使用してステップ（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）を行うことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。

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