JPH02502488A

JPH02502488A - 位置検出プローブ

Info

Publication number: JPH02502488A
Application number: JP1500662A
Authority: JP
Inventors: マクマートリー，デイヴィッド，ロバーツ
Original assignee: レニショウパブリックリミテッドカンパニー
Priority date: 1987-12-05
Filing date: 1988-12-05
Publication date: 1990-08-09
Also published as: WO1989005435A1; GB8728500D0; EP0344289B1; US5048194A; EP0489715A2; DE3874329D1; DE3874329T2; EP0344289A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】位置検出プローブ技術分野ポットのような位置決め装置において位置検出や測定のために用いられるプローブに関する。

背景技術このような機械では、３方向ｘ、ｙ、ｚに勅８作するｉＨのタイルやスピンドルにプローブを装着することが知られている。この機械は、プローブのＸ、ＹおよびＺ方向における座標を測定するための３方向それぞれにおけるスケールと読取りヘッドのような手段を有する。

このようなプローブでは２つの型が一般に用いられている。１つは、トリガプローブであり、このトリガプローブは、ワークピース表面と所定の関係（例えば、プローブのスタイラスとワークピース表面との接触）を得たときにトリガ信号を生成する。このトリガ信号は、機械のスケールと読取りヘッドからの出力をラッチあるいは固定しくｆｒｅｅｚｅ）　、機械の動作を制御するコンピュータもしくは数値制御装置が、上述のようにして検出されたワークピース表面での位置に関するＸ、ＹおよびＺ座標を読取るのに用いられる。このようなプローブの例は、英国特許出願公開２，００６，４３５号（Ｒｅｎｉｓｈａｗ）、国際特許出願ＷＯ３６７０３８２９（Ｒｅｎｉｓｈａｗ）、および米国特許４，１７７．５６８　（Ｚｅｉｓｓ）において知ることができる。

もう１つの型のプローブは、寸法プローブ（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｂｅ）であり、このプローブのスタイラスによるＸ、ＹおよびＺ方向における変位に比例したアナログあるいはディジタル出力を生成する。このようなプローブは、ワークピース表面で特定の点を測定することとは対立的に、ワークピース表面の輪郭を走査することによってワークピースの寸法を測るのに特に有用である。

このプローブの例は、米国特許３，９４５．１２４　（Ｌｅｉｔｚ）、英国特許１，４２９，９７３（Ｚｅｉｓｓ）　、英国特許１．５５１，２１８（Ｒｏｌｌｓ−Ｒｏｙｃｅ　ａｎｄ　Ｒｅｎｉｓｈａｗ）および欧州特許０，２３９，３３７　（Ｒｅｎｊｓｈａｗ）において知ることができる。

発明の開示概略において、本発明の１つの側面は、トリガプローブと寸法プローブとの組合せを提供する。

本発明の第２の側面において、本願発明は、寸法プローブの新たな形態を述べるものであり、このプローブはトリガセンサと組合せて、あるいは単独で用いることができる。

Ｎ３の側面において、本発明は、プローブの多様な使用方法に関する。

図面の簡単な説明添付した図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図は、プローブの縦断面図である。

第２図は、プローブの一部の等角斜視図である。

第３図は、座標測定！！ａ減や工作機蔵におｌするプローブの各センサの接続態様を示すブロック図である。

兎４図および第５図は、変形プローブの一部の縦および横断面図である。

兎６図は、さらなる変形プローブの一部の縦断面図である。

発明を実施するための最良の形態寸法プローブの構成先ず、５ｉｂｓ図を参照するに、プローブは上ハウジング１０を有し、この上ハウジング１０が、座標測定機械。

検査ロボットあるいは工作機械のタイルないしはスピンドルに挿入されることによって、３方向Ｘ、Ｙ、Ｚに動作可能となる。プローブは、３つのばね平行四辺形構成１２Ｘ、１２Ｙ、１２Ｚを具え、この３つの平行四辺形構成は、相対的に固定のハウジング１０と可動のワークピース−接触スタイラス１４との間で−続きに構成される。スタイラス１４は、ばね平行四辺形の各々によって方向Ｘ、Ｙ、Ｚのそれぞれに並進動作が可能となる。

すなわち、ばね平行四辺形１２Ｚにより、平行四辺形１２Ｚと１２Ｙとの間に構成される接続部材１６のＺ軸方向の動きが可能となり、また、ばね平行四辺形１２Ｙにより、下ハウジング１８の接続部材１６に相対したＹ軸方向の動きが可能となり、さらに、ばね平行四辺形１２Ｘにより、スタイラスホルダー２０のハウジング１８に相対したＸ軸方向の動きが可能となる０、このスタイラスホルダー２０は、その内部でスタイラル１４を固定している。

３つのばね平行四辺形は、当然互いに９０度づつその向きを異ならせる以外は本質的に同一であり、また、構成１２Ｙと構成１２Ｘとは互いに上下転倒した関係にあり、これによフて双方の平行四辺形構成が下ハウジング１８内に適合して治まる。

第１図およびＹＳ２図を参照して、ばね平行四辺形構成１２Ｘについて説明する。インナープレート２２Ｘは、スタイラスホルダ２０を介してスタイラス１４を支持するものであり、下ハウジング１８に固定される１対のアクタ−プレート２４Ｘに相対してＸ方向に並進可能である。インナープレート２２Ｘは、１対の平行な板ばね２８Ｘによって、中間プレート２６Ｘからつるさぁている。立代わって、中間プレー上２６Ｘは、２対の平行な板ばね３０Ｘを介してアウタープレート２４Ｘに支持されている。このように、ばね平行変辺形構成１２Ｘは２つの別個なばね平行四辺形を具え、これらばね平行四辺形は、中間プレート２６Ｘで折り返すようにして−続きに接続される。ばね平行四辺形が１つの場合には下ハウジング１Ｂに相対したスタイラス１４の動きが弧状になるのに対し、この折り返し構成によれば、ハウジング１８に相対したスライタイス１４の純粋なＸ軸方向の並進動作が可能となる。

このＸ軸方向の並進動作は、従来のいずれの方法でも測定することができる。例えば、よく知られているように、線形変位変換器をこの目的に用いることができる。しかしながら、本願人等は、好ましくは可動プレート２２ｘに設けられる透過性の光学スケール３２ｘ（第２図には示されないが、第１図にて示される）を用いる。このスケールは、それぞれが固定プレート２４Ｘに固定される光源３４ｘ（例えば、発光ダイオード）と読取りヘッド３６Ｘとの間で、この間を横ぎるように構成される。これにふされしいスケールと読取りヘッドは、当該技術分野において知られたものであり、座標測定機械や工作機械自身のＸ、ＹおよびＺ方向の動きを知るためのスケールおよびヘッドとして一般に用いられているものである。読取りヘッド３６Ｘは、回路盤３８Ｘを介して装着され、この°回路盤によフて読取りヘッドからの出力を調整した信号が供給される。

上述した向きの違いは別として、ばね平行四辺形構成１２Ｙおよび１２Ｚは構成１２Ｘと同一であり、第１図において、対応する要素には添字Ｘの代わりにＹまたはＺが付される以外は同一の参照符号が与えられている。従って、以下のことに留危する以外これ以上の説明を要しない、すなわち、上ハウジングｌＯは平行四辺形１２Ｚのアウタープレート２４ｚに接続され、接続部材１６は、平行四辺形１２２および１２Ｙのそ４ぞわインナープレート２２Ｚと２２Ｙとの間で接続され、および下ハウジング１８は平行四辺形１２Ｙのアクタ−プレート２４Ｙに才妾続される。

トリガーセンサーの構成スタイラス１４とワークピースとの接触の始めにこれに応じたトリガ信号を供給するため、スタイラス１４の２つの部分１４Ａと１４Ｂとの間に圧電結晶４０がサンドイッチされる。圧電結晶４０のそれぞれの側において電気的接続（不図示）がなされ、この接続により、スタイラスとワークピースとの衝突によってスタイラス１４に生じる衝撃波に基づく電気信号が供給される。この信号は、信号調整回路４２（Ｎ３図）によって処理されトリガ信号として供給される。圧電結晶４０が、衝撃波を受けそれによって信号を生成できる部位に装着されるのであれば、装着部位が上記以外であっても同様の結果を得ることが可能である０例えば、Ｎ１図および第２図における４０Ａの一点鎖線に示されるようにプレート２２にの頭部に装着されてもよい。

他のプローブの構成上述した部位に圧電結晶を用いる代わりに、本願人による国際特許＄願１０８６１０３８２９号に記述され、スタイラス１４に代わってスタイラスホルダ２０に取付けられるような一体のトリガプローブを代用することができる・上記出願の明細書（参照にあた）てその内容が本明細書に組入られ、より詳細について参照されるすべきもの）には、Ｎ４図および第５図に示されるようなプローブが説明される。

このプローブは、圧電結晶４０Ｂから、トリガ信号を生成し、また、渦動機構を有する。この過ａ機構は、ワークピース１３との接触を保ったままスタイラス１４を偏倚させることを可能にする。この渦動機構は、スタイラス１４Ａに対するボール１９およびローラ２１の動的圧構成を有し、スタイラスは圧縮ばね６２によってその静止位置に付勢されている。ハウジング６０は第１図に示したスタイラスホルダ２０に固定される。

この組合せプローブは、ワークピースとの接触において以下のように動作する。

先ず、接触が圧電素子４０Ｂによりて検出される。ばね６２には予備負荷がかけられているため、この接触の後、プローブがワークピースの内部側へ駆動され続けたとき、ばね平行四辺形１２Ｘ、Ｉ２Ｙ、１２２の方が偏位し各々の読取りヘッド３６ｘ。

３６Ｙ、３６Ｚからアナログ出力を与える。この間％動的ボールおよびローラは、上記予備負荷によって着座したままである。プローブの動きが停止されない場合には、最終的にスタイラス１４＾に作用する力が予備負荷に打ち勝ち、ボールおよびローラの方が偏倚して座から離れ始める。ばね５２のばね率は、ばね平行四辺形のばね率より小さく構成されるため、スタイラス１４Ａはばね平行四辺形に損傷を与えずにさらに偏倚（“渦動”）することができる０国際特許出願ＷＯ３６１０３８２９号に記載されるように、この場合、ボールおよびローラの度からの着脱を万一の故障等の場合に対して機械の勧キを停止させるための切換信３号を供給するのに用いることができる。

必要に応じ、ボールおよびローラ１９，２１の代わりに他の動的圧構成を用いることができる。ふされしい座の構成の１つが米国特許４，１５３，９９８　（同様に、参照にあたって本明細書に組入れられている）に記載されている。

スタイラスホルダ２０とスタイラス１４との間に構成される上述の渦動構成の代わりに、同様のばね付勢の動的圧を用い、この座を機械のタイルないしはスピンドル内にあって第１図示に示されるプローブの上ハウジングｌＯに装着することもできる。このことが第６図に示され、同図において算１図に示したプローブの上ハウジング１０は、３４２ハウジング１１０内の部材１１２に装着される。ハウジング１１０内において動的圧構成は、前述したようにハウジング１１０上のボール１１９と部材１１２上のローラ１２１　とを具える。ばね１６２は、部材１１２をその静止位置に付勢し、前述と同様の関係のばね率および予備負荷を有する。

使用方法上述したプローブを、例えば、ワークピースの輪郭を走査するため従来のアナログプローブあるいは寸法プローブと同様の方法で用いることが可能である。この目的のため、トリガセンサに対応する信号処理回路のスイッチが切られるか、または、これに代わって隼にトリガセンサが省かれてもよい、。

しかしながら、上述したプローブは以下に示す新たな方法で用いることもできる。

ｙｒ、３図は、トリガセンサ４０とこれに対応する信号調整回路４２を、ＰｉＡ標測定機械あるいは工作機械のコンピュータ数値制御部と共に示している。従来と同様に、制御部５４はプログラムを実行して上記機械をＸ。

ＹおよびＺ方向に駆動し、プローブのスタイラス１４を測定すべき様々な点でワークピースに接触させる。同様に第３図には、機械のスケールおよび読取りヘッド４４が示され、これらは、プローブを保持したタイルまたはスピンドルの機械軸の１つに沿った動きを測定する。プローブが動かされている間、スケールおよび読取りヘッド・４４は、信号調整回路部４６を介してカウンタ４８へ向けて継続的に出力を生成する。カウンタ４８は、機械軸に沿ったプローブの絶対位置を示すディジタル形態のカウント値を保持する。上記プローブのｉｂきと同時に、スタイラス１４は、機械のタイルあるいはスピンドルに相対して動くことが予想される。それは、プローブが加速されたときにプローブの各部の慣性によフて、ばね平行四辺形の偏倚が生じること、およびプローブの動きに伴なってばね平行四辺形に振動が引き起されることによる。スタイラス１４の位置は、所定の軸に沿ったプローブのハウジング１０に相対して、カウンタ５２により示される。カウンタ５２は、カウンタ４８と同様、プローブスケール３２および読取りヘッド３６からの出力を信号調整回路部５０を介して受けとる。スケールおよび読取りヘッド４４，３２，３６．回路４６，５０．およびカウンタ　４８．５０は、軸Ｘ、Ｙ、Ｚの各々に対して同じことが繰り返されるということは理解されよう。

信号調整回路４２からのトリガ信号は、受信されると、２つのカウンタ４８，５２をラッチしこれらカウンタからの出力を固定するのに用いられる。これにより、プローブの機械に対する相対位置および接触の瞬間におけるスタイラスのプローブに対する相対位置の瞬間的な断片が示される。このトリガ信号を信号線５８において受信すると、制御部５４はプログラムに従いプローブの動きを停止し、カウンタ４８，５２の固定された出力を合計する。この合計は、ワークピース表面における接触点の所定の軸方向における絶対位置を示す組合せ結果を与える。

他の２つの軸方向の対応する回路をひとまとめにして考えれば、これは接触点の３次元座標を与えることになる。

このような構成は、接触検出に用いる場合に本発明のプローブが、従来のアナログあるいは寸法プローブに対して極めて有利であることを意味している。従来のアナログプローブは、ワークピース表面より内側まで駆動して停止させ、読取りを行なう前に安定させる必要があり、少なくとも、ワークピース表面より内側に極めてゆっくりと駆動される必要がある。何故なら、そうでない場合には、プローブの様々な部分の慣性によって、ばね平行四辺形に、また、プローブがワークピースの内側にさらに駆動されるときにはスタイラス自身にも偏倚を生じさせ、この偏倚により各軸方向における読みの動的誤差を生じるからである。この誤差は、プローブが各々の軸方向において慣性が異なるため、各軸方向で異なる。しかしながら、本発明の構成によれば、センサ４０は、最初に接触する瞬間に瞬間的にトリガ信号を生成する。（アナログ出力からこのような瞬間的な信号を得ることは不可能であろう）、このことは、また、ワークピースとの接触によりてもたらされるプローブシステムの動的な偏倚の前に、スケール３２および読取りヘッド３６からの読みを得ることを意味している。測定される必要があるのは、プローブの各軸方向における静的な偏位のみでありて、これら偏位は、スケール３２および読取りヘッド３６によって適切に示、される。

従って、本願発明のプローブは、プローブが停止して安定するのを待たずに、比較的高速で進行する間に正確な読みを得るのに用いることができる。このため、ワークピースを検出するために必要となるこのような読み取りの−続きを、他の場合に比較してより速く完了することができる。さらに、プローブの使用者は、ワークピース表面の輪郭を走査するのに用いると同様のプローブでもって上述のような高速な読取りを行なうことができるという利点、を有することになる。

これにより、２つの操作が実行されるべき場合には、プローブ全体を交換せずにこれら操作がなされる。このことは、必要なプローブが１つだけであるという価格上の利点と同様に、さらなる使用効率の増加を導くものである。

座標測定機域（これは概して工作機械よりも軽い構造部品を有している）に特に生じ得る問題は、機械のタイルおよび他の構造部品が、加速されたときに慣性によるふれを被り得るということである。これは、プローブによる不正確さの問題とは全く別な潜在的な不正確さの原因となる。米国特許４，３３３，２３８号（ＭｃＭｕｒｔｒｙ）には、加速計を装着してタイルに取付けられたプローブと共に動作させ加速度を測定し得ることが開示されている。これにより、機械の構造部品において生じるふれ（偏倚）に対する補正が得られる。

本発明のさらに他の側面には、上述のことから、ばね平行四辺形プローブ自身を加速計として用いることが含まれる。ばね平行四辺形は、タイルの加速に応じた量だけゼロ位置から偏倚する。

上述したプローブを適切なばね平行四辺形プローブの一例とみなした場合、制御部５４は、プローブがワークピースに向かって駆動される間に、プログラムに従い各々の軸方向でのカウンタ５２かうの出力を連続的に抽出する。制御部は、軸方向におけるばね平行四辺形の固有振動数の数周期にわた。る上記抽出された値の記録を保持するものであり、これら抽出は上記固有振動数よりも速い速度で行なわれる。常に最新の数周期分を記録する場合には、新しい抽出値が取込まれると、この抽出値は、前に記録された古い抽出値と更新（ｏｖｅｒｗｒｉｔｅ）することもできる、トリガ信号５８が受信されると、制御部は記録された抽出値の平均を計算する。この計算値は、ばね平行四辺形におけるどのような振動とも独立に、所定の軸方向でのばね平行四辺形のふれの平均値を与え、従って、加速によって生じるタイル上でのふれの目安を与える。タイルのふれの適切な較正が前もってなされれば、このタイルのふれに対する補正は、カウンタ４８．５２から出力の組合せに加えることができる。しかしながら、好ましくは、計算された平均値は、その時に得られた読取り値の有効性の単なる“可／不可”を示すものとして用いられる。

平行四辺形のふれの平均値が十分にゼロに近い値であれば、ワークピースとの接触の間、タイルは一定の速ふれによる不正確さがなんら生じないとみなすことができる。

以上の説明は、３軸ｘ、ｙ、ｚ方向にふれることができるプローブに関したものであったが、本発明は、１軸あるいは２軸方向にのみふれることができるプローブにも通用され得るということが理解されよう。

さらに、ばね平行四辺形態外の支持手段も可能である。可能な支持手段の１つには、米国特許４，５２３，３８３号または４，７１６，６５５号に記載されるように一連のロッド状のリンクがある。ばね平行四辺形の各々に代わる他のものとしては、１対の平行なリニアボールベアリングがあり、これは直交する方向Ｘ、ＹまたはＺの各々の１つの方向においてそれぞれ直線動作を行なわせるものである。このような支持手段は、係属中の英国特許出願８８２３８１１．８号に示される。

国際調査報告 ”−−＾−”−””−ＰＣＴ／ＧＢ　ｌ！ｌ！１０１０６９国際調査報告ＱＢ　８８０１口６９

Claims

【特許請求の範囲】

１．位置決め装置において用いるための位置検出プローブであって、前記位置決め装置が、前記プローブを、ワークピースの面に対して動かすことができるよう前記位置決め装置に装着するための固定部と、前記ワークピースの面を検出するための手段を有する可動部と、前記固定部に対して前記可動部を支持し、前記可動部の前記固定部に相対した偏崎を可能にする支持手段と、前記固定部に相対した前記可動部の前記偏倚の量を測定し、当該測定に応じて出力を生成するための手段と、を具え、トリガ手段が前記偏倚測定手段とは別個に、前記検出手段が前記ワークピースの面を検出したときトリガ信号を与えることを特徴とする位置検出プローブ。
２．前記トリガ信号の受信に応じて前記偏倚測定手段からの出力を固定するための手段を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の位置検出プローブ。
３．前記トリガ手段は圧電結晶であることを特徴とする請求め範囲第１項または第２項に記載の位置検出プローブ。
４．前記支持手段は、少なくとも１つのばね平行四辺形を有したことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかの項に記載の位置検出プローブ。
５．前記支持手段は、３つのばね平行四辺形を有し、該ばね平行四辺形はそれぞれ直交する方向へ偏倚可能に構成されていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の位置検出プローブ。
６．前記検出手段は、前記ワークピースの面と接触するためのスタイラスを有することを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかの項に記載の位置検出プローブ。
７．前記固定部と前記スタイラスとの問で、前記支持手段と一続きに配置された過動機構を有し、該過動機構は、前記固定部に連なる第１座要素と、該第１座要素と協働し前記スタイラスに連なる第２座要素とを有する座構成と、前記第１および第２座要素を互いに結合させ、また前記スタイラスに十分な力が作用したときには当該結合を解除することを可能にする付勢手段と、を具えたことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の位置検出プローブ。
８．前記付勢手段は、前記支持手段よりも小さなばね率のばねが取付けられ、予備負荷がかけられていることにより、前記スタイラスに力が作用したとき前記支持手段は前記座要素が結合を解除する前に偏倚することを特徴とする請求の範囲第７項に記載の位置検出プローブ。
９．前記座構成は動的座構成であることを特徴とする請求の範囲第７項または第８項に記載の位置検出プローブ。
１０．前記過勤動構は、前記支持手段と前記スタイラスとの間に設けられ、該過動機構の前記第１座要素は、前記支持手段を介して前記固定部に連なることを特徴とする請求の範囲第７項ないし第９項のいずれかの項に記載の位置検出プローブ。
１１．前記過動機構は、前記固定部と前記支持手段との問に設けられ、該過動機構の前記第２座要素は、前記支持手段を介して前記スタイラスに連なることを特徴とする請求の範囲第７項ないし第９項のいずれかの項に記載の位置検出プローブ。
１２．請求の範囲第１項ないし第１１項のいずれかの項に記載の位置検出プローブの使用方法であって、ワークピースの面に向けて前記プローブを動作させ、当該動作により前記検出手段が前記ワークピースの面を検出したとき、前記トリガ信号が生成され、該トリガ信号によって前記偏倚測定手段からの出力を固定し、当該固定された出力を読取る各ステップを有する位置検出プローブの使用方法。
１３．請求の範囲第１項ないし第１１項のいずれかの項に記載の位置検出プローブの使用方法であって、ワークピースの面に向けて前記プローブを動作させ、当該動作により前記検出手段が前記ワークピースの面を検出したとき、前記トリガ信号が生成され、前記偏倚測定手段からの出力を読取り、当該読取った出力から、加速された状態にある前記位置決め装置における構造部品の慣性による偏崎を示すものを得る各ステップを有する位置検出プローブの使用方法。