JPH04500562A - 位置測定装置 - Google Patents

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】 位置測定装置 技術分野 本発明は、位置測定装置に関し１例えば測定プローブに適用できる。

背景技術 測定プローブは、例えば英国特許第１，４５５，９７７号により知られている。

これにおいては、スタイラスに力が作用していないときには、可動のスタイラス キャリアは、プローブボディ内の座部にて休止位置に支持されている。測定作業 において、プローブは、スタイラスが測定されるべきワークピースに接触するま で機械によって動かされ、それによって力がスタイラスに加えられ、スタイラス には、傾きや軸線方向の変位による休止位置からの変化がもたらされる。

ワークピースの正確な測定のために重要なことは、スタイラスキャリアが、それ ぞれの変位後に高い精度でその休止位置に戻ることであり、これにより、ワーク ピースに接触するスタイラスポールが、プローブに空間的に関して同一位置に戻 ることになる。

スタイラスキャリアのためにカイネマチック配置（ｋｉｎｅｍａｔｉｃ　１ｏｃ ａｔｉｏｎ）を使うプローブにおいては、スタイラスキャリアが戻る位置は、座 部における摩擦に影響される。したがって、スタイラスポールの空間における位 置は、変位の度毎に変わってしまい、スタイラスのいわゆる休止位置は、それぞ れの測定の前と正確に同じ位置にはならな（なる、座部における摩擦力に打ち勝 つことを補助するためにスプリングを用いてもよい、しかし、このことは、容認 不可能な程強いスプリング力がなければ、問題を完全に解決することにはならな いことが分かつている。

似たような問題は、装置のいろいろな部品において起り、特に、１の横材や部品 が繰り返し他の部品に対して高精度に設置されたり取り外されたりする測定領域 において起る。そのような装置の例はロボット、測定プローブを設置するための プローブヘッド、ワークピースを測定するためのプローブを持った工作機械があ る。

このような問題は、本発明に従って、第２の部材に支持された第１の部材を有す る装置において、支持された部材の一部の変位を全方向において測定することに より解決される。この変位は、支持部材の一部に、支持された部材によりもたら される力の変化によって引起される。

これは、支持または支持される部材の充分な数の部分（ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ　 ｐａｒｔｓ）における力を測定することによって最も都合よく行なわれ、必要と される方向の全てにおいて、支持された部材の変位が測定され得る。

測定プローブにおいて運動学的（ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌｌｙ）にスタイラスキ ャリアが支持されている１例えば、６つの対向する支持点が、可動のスタイラス キャリアと固定の構造体とのそれぞれに設けられている場合には、スタイラスキ ャリアにおける支持点それぞれの、３つの直交する軸の回りの直動的または回動 的な変位を定めることによって達成することができ、それらの変位は、固定され または可動の構造体の間における力の変化によりて生じる。

本発明の好適な実施例においては、他の方法も可能であるが、この決定は、固定 構造あるいはスタイラスキャリア上の力の変化を、それらの支持点近傍に設けた 歪測定装置を用いつつ、計測することにより行なわれる。

図面の簡単な説明 本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。

ここで、 第１図は本発明によるプローブの正断面図である。

第２図は、第１図におけるスタイラスキャリアのサポートの１つの拡大図であり 、歪測定装置を示す。

第３図は、歪測定装置による電気信号を発生するための電気回路図、 第４図は、歪測定装置からの信号の分析に必要な電子回路の概略説明図である。

第５ａ図および第５ｂ図は、それぞれ、測定プローブのスタイラスホルダに対す る他のサポートの配置を示す側面図および横断面図、 第６ａ図および第６ｂ図は、それぞれ、測定プローブのスタイラスホルダに対す るさらに他のサポートの配置を示す側面図および横断面図である。

第７ａｌｌおよび第７ｂ図は、それぞれ、コンピュータによって要求される計算 のための用語を説明する４図である。

発明を実施、するための最良の形態 図面を参照するに、プローブは、プローブの固定部材を構成するハウジング２を 含む。そのハウジングは、軸線２人を有し、かつそのハウジングの端部には、図 示しない機械にプローブを接続するためのシャンク４が設けられている。その機 械は、座標測定装置や工作機械であってもよい、プローブはスタイラス６を含み 、そのスタイラス６の端部には、ワークピースに接特表千４−５００５６２　（ ３） 触するボール８が設けられている。スタイラス６は、着座部材１２を含むスタイ ラスキャリア１０に接続されている。スタイラスキャリアは、プローブの可動部 材を構成している０本例において、着座部材は３つの円柱状ロッドの形態であり 、軸線２Ａの回りに１２０°の等間隔で配置されている０着座部材１２はシート １４とつき合わさせて支持されており、そのシート１４のそれぞれは１本例にお いては窪んだ楔状に形成された着座部材１６（第２図参照）の対によって成って おり、それらの着座部材１６はハウジング２に固定されている０着座部材１２は 、シート１４における楔状の着座部材１６の両方に接触するように、バイヤス手 段によって付勢されており、そのバイアス手段は、図示するようにスプリング１ ８としてもよい、なぜなら、本例においては、３つの等角の間隔で配置されたシ ートが、スタイラスキャリアｌＯのためのカイネマチック配置（ｋｉｎｅｍａｔ ｉｃｌｏｃａｔｉｏｎ）を形成するように用いられているからである。このシー トの配置は、スタイラスに外力が作用しない時にスタイラスをいわゆる積極的休 止位置（ｐｏｓｉｔｖｅ　ｒｅｓｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ）にもたらす、しかしな がら、必ずしもカイネマチックでない他のシート配置も利用することができ、本 発明はそれらに適用可能である。

スタイラスは、それに作用する外力によって休止位置から動くことができ、通常 は、測定されているワークピースにスタイラスボール８が接触した時である。

このような変位は軸方向または傾きの動きであり、それがシート１４から着座部 材１２を変位させる原因となる。スタイラスに加わる外力が停止されると、着座 部材は、スプリング１８の助けによってシート１４に戻る。

しかしながら、着座部材１２および１６の表面における摩擦が、スタイラスが休 止位置から動かされたりそこに戻されたりするたびごとに、着座部材１２および １６の相対的な位置関係において小さな変動を引起すということが知られている 。このような着座部材の相対的な位置関係における小さな変動は、プローブのハ ウジングと相対的な位置関係にあるスタイラスポール８の中心Ｏの位置に重大な 変動をもたらす、このことは、長いスタイラスがプローブと共に使用されるとき に、とりわけ明白である。

か（て、いわゆるスタイラスの休止位置は、ハウジングとの相対関係における固 定位置としてではなく、着座部材に作用する摩擦に起因する不規則な小さな変動 を抱含した位置として見い出されていた。

楔１６と対向する関係にある着座部材１２の位置における変動は、楔１６の６つ の表面に加わる荷重の変動の原因となり、かつ、スタイラスキャリアの重さとス プリング１８の圧力とによって楔構造において生ずる歪の変動をもたらす結果と なる。

本発明は測定デバイスを備えており、それは例えば、楔１６の上に適切に配置さ れて楔構造における歪を測定するストレインゲージ２０であり、これによって、 歪の変動を検出することができる。ストレインゲージ２０の電気的な出力は、リ ード綽２２によってプローブ内の電気回路２５に送られる。

シートにおいて検出される歪に対し、プローブに空間上で関するスタイラスポー ルの位置を較正することにより、スタイラスキャリアの再着座毎にいわゆる休止 位置におけるボールの中心の位置における誤差が決定され、そして次の測定に考 慮さへる。したがって、プローブによる測定の精度が改善される。

第３図は電気回路２５を示し、この電気回路２５は、ストレインゲージの出力に 伴なって直線的に変化する出力を生成するものである。その回路はブリッジ回路 によって成り立っており、そのブリッジ回路は、同じ抵抗値の３つの抵抗器Ｒと 、可変抵抗ＸのストレインゲージＳを有している。ブリッジの２つの中間接続点 ｃ、およびＣ８はオペアンプ（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ） 　Ａに接続されており、そのオペアンプＡの出力端はストレインゲージＳの他端 Ｃ３に接続されている。

電圧Ｖがブリッジ回路の一方の側に印加され、またそのブリッジ回路の他方の側 が接地されると、中間接続点ＣＩおよびＣ８の電圧はＶ／２となる。オペアンプ はＣｓに出力を生成し、その出力は、ストレインゲージＳの抵抗値Ｘの変化に応 じて、Ｃ８点の電圧値をＶ／２に維持するように設計されている。

ブリッジの出力ｅ０は、ｅａ”Ｖ／２・Ｘとして表われる。

第４図において、ブリッジからの６つの出力は、総括制御ユニット（ｍｕｌｔｉ ｐｌｅｘｉｎｇ　ｕｎｉｔ）３０にそれぞれ送られ、そしてコンピュータ３２の 制御下において連続的に読み込まれる。総括制御ユニット３０からの出力は、Ａ ／Ｄコンバータ（ａｎａｌｏｇｕｅ　ｔｏ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅ ｒ）３４に送圧され、そしてそのＡ／Ｄコンバータ３４からコンピュータ３２に 送られる。

コンピュータは、ストレインゲージからの情報を扱うようにプログラムされてお り、その扱い方はプローブから要求される情報によって決まる様々な方法による 。

まず第１に、コンピュータは、総括制御ユニット３０からの読み込み内容を基準 値と比較して先の読み込み内容からどの読み込み内容が変化したかを決定し、か つその変化の値を決定する。それぞれの読み込み内容の変化は、６つのシート部 材１６のそれぞれの歪の増加または減少に正比例する。コンピュータは、このよ うに新たな歪の値を算出して、その値から、各ローラ（ロッド）　１２の新たな 位置を決定する。このことは１次に、プローブと相対的な関係にあるスタイラス ボールの中心位置の算出を可能とし、そしてこの情報は、マシンにおけるワーク ピースの寸法を算出するために使特表平４−５００５６２　（４） 用されるソフトウェアを更新するために連続的に使用される。

その算出の方法は、下記のように簡潔である。

中央の組立体の中間点を考えると、サポートにおける力の変化のためにローラの いずれか一つが動かされるときには、組立体は回転と直動することになる。

第７ａ図および第７ｂ図を参照するに、６つのボールをａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅおよ びｆとし、中央の組立体の中心の各ボールからの距離をＲとし、 中央の組立体の３つの座標軸をＸ、Ｙ８よびＺとし、 全てのボールの角位置、例えばボールａのそれをα、とじ、 ボールとローラとの間の接触角をθとし、そしてボールにおける力の変化による ローラの変位、例えばボールａにおけるそれを２．とじており、その測定値は、 ストレインゲージからの信号によってめられる。

このような表記において、ボールａについてみると、変位Ｉ２．によるローラの ＸまたはＹ方向の変位量ｄ、が下式によってめられることを示すことができる。

ｄ、　（ｚ）　：ρ、ｓｉｎθ ｄｒ　（ｘ、　ｙ）　＝ｌ　ａｃｏｓθボールａが力の変化した唯一のものであ るときの状態、したがって２．ｔβ−１２，−ｘ　、−ｎ　、＝ｏのときの状態 を考えると、座標上の３つのＸ、ＹおよびＺ方向のそれぞれにおいて、ローラａ の変位ｔ、による中央の組立体の中心の直動増加量は、下式によって与えられ、 また、軸Ｘ、Ｙおよび２回りにおける中央の組立体の中心の回転増加量は、下式 によって与久られる。

各変位Ｒｈ、　Ｉ２−、１２　ａ、　Ａ−およびｌ、を考慮したときの中央の組 立体の中心の最終的な変位は、計６つのボールにおける直動と回転の６つの増加 分の総計となる。

そして、これらの変位は、スタイラスの細部例えば長さや方向などと組合わされ て使用され得て、スタイラスポールの位１の変化が計算される。

コンピュータがマシンのソフトウェアを更新（ｕｐｄａｔｅ）できるスピードを 増すために、予めプログラムされたルックアップテーブルをコンピュータ３２の メモリ内に備えてもよ（、そのルックアップテーブルは、６つのシートからの歪 の読込み内容の多数の組合わせに対し、プローブに対するスタイラスポールの中 心の位置に関する情報を含んでいる。プローブに備えられるスタイラスの長さが 異なれば、異なったルックアップテーブルがそれぞれのために必要となる。

歪の測定に影響する温度変化を考慮して、ストレインゲージは適切な間隔でゼロ 調整することができ、それは、シート１４から着座部材１２を持ち上げる方向に プローブをワークピースに向けて駆動することによって、行なわれる。このよう な状態において、全てのストレインゲージからの読込み内容は同一となるべきで あり、それは各シート１４に加わる力がないがらである。それらの読込み内容は 、歪ゼロの読込み内容として用いられる。

着座部材１２の再着座が許容された後、ストレインゲージの読込み内容は明らか に変化し、そしてストレインゲージからの読込み内容における変化から、ボール の中心がどこにあるべきかを計算することが可能である。続いて、プローブに関 してのスタイラスポールの実際の位置の測定を行うことにより、スタイラスのす べての変形に対する許容量が作られる。この測定は、標準的なデータミングルー チンによって実行することができる。ただし、その条件は、スタイラスポールと データ上の構造物（ｄａｔｕ■ａｒｔｅｆａｃｔ）との間の個々の接触の前にス タイラスポールの仮想位置が再計算されることである。かくて、データ計算にお ける位置の変化が許容される。

本発明がマシンコンピュータにおけるプローブに関するスタイラスポールの中心 位置の情報を連続的に更新する方法をもたらすことが理解できる。それゆえ、そ の方法は、着座部材１６にて発生されている不等な力によるヒステリシス誤差を 自動的に除去する。コンピュータはまた。もし、ストレインゲージからスタイラ スキャリアが再着座すること４こ失敗したことを検出したら、次の読込み内容が エラーになるという信号をマシンに送るようプログラムされることができる。

プローブは、スタイラスがワークピースに接触したことを示す信号をマシンに与 えるためのいかなる形態の送信手段をも使用することができる０例えば、プロー ブは、接触の瞬間にスタイラスに発生する衝撃波を検出する圧電素子（ｐｉｅｚ ｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｌｅｍｅｎｔ）、またプローブの固定または可動の部 品の種々の要素上の歪を検出するストレインゲージ、またシート１４からの着座 部材１２の移動を検出する光学、空気力学または電気挙上のスイッチを含んでも よい、あるいは、スタイラスのワークピースとの接触を、プローブを通してマシ ンまでの電気回路を完成させるために利用してもよい、計測するためやマシンを ストップさせるために必要とされる信号を発生するこれらや他の方法は、周知で あり、そこでそれらについては詳細に説明しない。

しかしながら、もし望むなら、上述した発信手段のいずれもの代りに、あるいは それに加えてトリガー信号をマシンに送るようにコンピュータをプログラムする こともできる。そのトリガー信号を送るときは、スタイラスポール上の力がシー トの１つからスタイラスキャリアを持ち上げてしまったことをストレインゲージ が示したとき、または、対のシートの歪が、スタイラスキャリアを持ち上げて離 すことが起こりそうなレベルまで減少したときである。このためには、シートを 形成している２つの隣接した着座部材１６からのそれぞれの信号を単に合計する ようにコンピュータをプログラムすることが必要であり、またそれぞれのシート における合計の歪を、シートのそれぞれのために予めプログラムされた閾値と比 較するようにプログラムしたり、その閾値に達したときに信号を生成するように プログラムすることが必要である。

本発明は、着座部材１２の位置を正確にかつ連続的に監視することを可能とする ので、シートの構成についての正確さの必要性が低減される０例えば、従来にお いて、プローブスタイラスの正確な再位置決めのために必要とされていた３点式 のカイネマチック配置を使用することはもはや必要でない、コンピュータの容量 によっては、３点式の配置方式のロビング特性（ｌｏｂｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔ ｅｒｉｓｔｉｃ）を減少せるために、より多くの着座位置を導入してもよい、す なわち、その特性は、スタイラスにおける力の方向によって決まるスタイラスの 変位をもたらすためには、異なる力が要求されるという事実によって生じる。

本発明を適用できるプローブの他の例としては、スタイラスの取り外しができて 他のタイプのものと交換することができるようなプローブがあげられる。このよ うなプローブは、さまざまな形式のクランプおよびクランプ解除のための手段が 備えられているが、それらのプローブが、その休止位置に正確にクランプされる ことが重要である。

本発明は、マシンの水平アームの端部に設置されて重力の作用がスタイラスの休 止位置に影響するプローブのために、特に役立つ。

ストレインゲージは、シート表面の下方側に置かれて示されている。しかしなが ら、ストレインゲージの位置と数は、最適の感応状態を得るべく実験され、そし て選択される０例えば、それらは着座部材１６の上表面、またはロッド１２の上 としてもよく、それらの位置では、スタイラスキャリア上の荷重がストレインゲ ージを通じて直接に働く、ストレインゲージの柔軟性に起因する各ロッド１２の 位置の不正確さは、コンピュータの能力によって自動的に補償されて、それらの ロッドの位置が連続的に算出される。

第５図および第６図は、歪測定装置の２つの代替的位置を示す、第５図において 、第２図の着座部材１６が１つのポール１６ａに置き換えられ、またスタイラス キャリア１０上の着座部材として形成された単一のロッド１２が一対のロッド１ ２ａに置き換えられている。ストレインゲージ２０ａは、ロッドのそれぞれに配 置されており、その配置位置は、ロッドとポールとの接触点とは直径方向の反対 側である。第６図において、第２図の着座部材１６は、ロッド１６ｂに置き換え られており、そのロッド１６ｂは部分的に切り取られて片持はり部１６ｃが残さ れ、その上にストレインゲージ２０ｂが配置されている。そして、ロッド１２は 、ロッド１２ｂに休止するポール１２ｂに置き換えられている。

全体を通じて使用されているようにストレインゲージという用語は、支持部材の 変形を検出することができる歪測定装置の全ての適正な型式を意味するものと解 釈すべきである。

かかる知られている装置の例としては、抵抗歪計。

ピエゾ抵抗素子（ｐｉｅｚｏ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ｄｅｖｉｃｅ）、光弾性素 子（ｐｈｏｔｏ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｄｅｖｉｃｅ）やロードセルがある。ところ が、支持部材の変形は、必然的に支持している両端床部材の移動すなわち変位を 包含するので、感光学的な変位測定システムを、変位を直接的に測定するために 、端末部材のいずれかによって担持するようにしてもよい。

本発明は、上述したようなプローブにおけるスタイラスの位置の測定に限定され るものではない０例えば、本発明は、ロボットに適用してもよ（、その場合、ロ ボットアームの数部分の相対的な位置関係が、動作の連続する期間中に正確に繰 り返されているかを知ることが重要である。更にまた、座標測定装置や工作機械 においては、プローブは割出し可能にヘッドに設けてもよく、この場合には、ヘ ッドがその所定位置の１つに移動される毎に、その１つの位置への移動が正確に 達成されることであり、もしもそれが達成されなかったら、その位置が所望の位 置からどれだけずれたかを知ることが重要である。

装置の相対的に動（部分を支持するサポートの歪を測定することにより、ロボッ トおよび工作機械や測定装置のプローブヘッドを含めて、２つの部分の相対的な 位置を、それぞれの動きに応じて計算することができる。

（以下余白） 国際調査報告 ｗ−□　ａ□−ｍ　ＰＣＴ／ＧＢ　９０１００６２９国際調査報告 ＧＢ　９０００６２９ ＳＡ　３６５５６

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．固定部材（２）の上に支持されて、前記固定部材上において、指示手段（１ ４）によって規制された休止位置に入ったり出たりする可動部材（１０）を含み 前記指示手段は、可動部材上に備えられた着座部材（１２）に対し対向して配置 された着座部材（１６）を含み、 前記可動部材と固定部材の少なくとも１つの着座部材上に位置決めされた測定装 置（２０）を有し、それぞれの測定装置（２０）は、それぞれの着座部材におけ る歪を示す信号を供給する能力があり、そして可動部材から固定部材に加わる力 の変化に起因する可動部材の全ての方向の変位を、前記信号から決定するための 手段（３０，３２，３４）を含むことを特徴とする装置。
2. ２．請求の範囲第１項において、測定装置（２０）は、固定部材の着座部材（１ ６）のそれぞれの上に備えられていることを特徴とする装置。
3. ３．請求の範囲第１項において、測定装置は（２０ａ）は、可動部材の着座部材 （１２ａ）の上に備えられていることを特徴とする装置。
4. ４．請求の範囲第１項において、装置は、固定構造体（２）の上に支持された可 動スタイラスを持つプローブであり、６つの着座部材（１６）を持つ前記固定構 造体の上に前記スタイラスが支持され、測定装置（２０）が固定構造体上の前記 着座部材のそれぞれに取付けられていることを特徴とする装置。
5. ５．請求の範囲第１項において、測定装置（２）は歪測定装置であることを特徴 とする装置。
6. ６．請求の範囲第５項において、歪測定装置（２０）は抵抗歪計であることを特 徴とする装置。
7. ７．請求の範囲第５項において、歪測定装置（２０）はピエゾ抵抗素子であるこ とを特徴とする装置。
8. ８．請求の範囲第５項において、歪測定装置（２０）はロードセルであることを 特徴とする装置。
9. ９．請求の範囲第５項において、歪測定装置（２０）は光弾性素子であることを 特徴とする装置。
10. １０．請求の範囲第１項において、固定部材上の着座部材１６は窪んだ楔択部材 であり、また歪測定装置（２０）は、それぞれの着座部材の内側表面上に備えら れていることを特徴とする装置。
11. １１．請求の範囲第１項において、固定部材上の着座部材（１６）は球状部材（ １６ａ）であり、可動部材上の対向する着座部材は円柱状のロッドであり、また 少なくとも１つの歪測定装置（２０ａ）はそれぞれのロッド上に備えられている ことを特徴とする装置。
12. １２．請求の範囲第１項において、固定部材上の着座部材（１６）は一対の円柱 状のロッド（１６ｂ）によって構成され、可動部材上の対向する着座部材（１２ ）は１つの球状部材（１２ｂ）によって構成され、ロッド（１６ｂ）は片持はり 部（１６ｃ）の形状に切り除かれて、その部分に、可動部材の球状部材が支持さ れ、また歪測定装置（２０ｂ）は、ロッドのそれぞれの片持はり部（１６ｃ）の 部分に備えられていることを特徴とする装置。