JPH06213653A - 表面接触測定プローブを用いたワークピースの測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プローブのスタイラスの変位ゼロ点の位置を
正確に求める。 【構成】 スタイラスとワークピースとの初期接触後
も、プローブは所定距離だけ移動が継続され、その後プ
ローブが逆動される。この逆動中の複数時点においてプ
ローブの測定装置の出力値２１と機械の測定装置の出力
値２２とが同時にメモリ２６に記録される。この記録さ
れた複数の出力値を通る最適合直線が関数発生器２７に
より演算され、スタイラスの変位ゼロ点についての機械
の測定装置の出力値が外挿器２８で直線の外挿法を行う
ことにより演算され出力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はワークピースの測定に関
する。

【０００２】なお、本明細書の記述は本件出願の優先権
の基礎たる英国特許出願第９２２４３３５．１号の明細
書の記載に基づくものであって、当該英国特許出願の番
号を参照することによって当該英国特許出願の明細書の
記載内容が本明細書の一部分を構成するものとする。

【０００３】

【従来の技術】力によって動作されたとき、プローブの
スタイラスの変位がプローブ内の測定装置によって直接
的に測定されるアナログ式のプローブは知られている。

【０００４】３つの直交する座標軸毎にスタイラスの変
位が別々に測定され、その各軸における個々の変位の出
力が別々に発生されるアナログ式のプローブを有するこ
とは、例えば英国特許第１，５７３，４４７号から知ら
れている。スタイラスの測定方向におけるスタイラスの
軸線方向の運動、および測定方向を横切る面内のいずれ
かの軸線の回りのスタイラスの傾き運動の両者によって
動かされるように配列されている単一の一次元測定トラ
ンスデューサから、スタイラスの変位の単一の出力のみ
を生じさせることは、例えば英国特許第１，２３７，８
１３号からまた知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】後者の種類のプローブ
では、プローブ内のトランスデューサの運動がトランス
デューサの測定方向におけるスタイラスの運動と一対一
の関係であるが、これは他の全ての方向における運動と
もそうというわけではない。従って、このようなプロー
ブでは、スタイラスの先端の変位のＸ，ＹおよびＺ座標
を正確に測定することは不可能である。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】本発明による
測定方法は、測定プローブがマウントされ、該プローブ
をワークピースに接触できるよう異なる位置に移動させ
る機械を用いたワークピースの測定方法であって、前記
機械は基準位置に対するプローブの位置を指示する出力
を発生する少なくとも一つの測定装置を有し、プローブ
は変位可能でワークピースに接触するスタイラスとスタ
イラスの変位を測定する少なくとも一つの測定装置とこ
の一つまたは複数の測定装置からもたらされスタイラス
の休止位置からの変位量を指示する一つまたは複数のプ
ローブ出力を発生する手段とを有し、前記方法は、前記
スタイラスが被測定ワークピースの表面に接触するよう
前記プローブを移動し、かつスタイラスとワークピース
との間に初期接触が生じた後、制限された距離だけ前記
移動を継続するステップと、前記プローブの移動を逆動
するステップと、該逆動中の複数時点において機械の測
定装置およびプローブの測定装置の出力値を同時に記録
するステップと、前記記録された出力値から外挿法によ
りスタイラスの休止位置からの所定の変位量における機
械の一つまたは複数の測定装置の出力値を演算するステ
ップと、前記出力値を機械の出力として発生させるステ
ップとを備えたことを特徴とする。

【０００７】これによって、スタイラスが所定の変位量
を有しているとき、プローブのスタイラスの位置を機械
の測定装置によって記録されているように決定すること
ができる。この所定の変位量はゼロより大きい閾値か、
あるいはゼロ変位に設定してもよく、かくてスタイラス
のワークピースとの接触が無くなるか、あるいは無くな
るであろう時点の指示を与える。

【０００８】プローブは、複数の測定装置が用いられて
いるがこの測定装置からの出力が単一のプローブ出力を
発生するよう組合わされる形式のものであってもよい。
本発明の好ましい形態では、プローブの出力はスタイラ
スの変位と直線的な関係を有するようアレンジされ、ス
タイラスの変位していない状態においてはゼロとなるよ
うに設定されている。このような状況の下で、演算ステ
ップは、記録された複数点を通る最適合の直線を演算
し、プローブの出力がゼロとなるであろう点についてこ
の線の外挿法を行うステップを含んでいる。これは表面
の位置の正確な指示を与える。

【０００９】この付加的ステップは、本発明から以下の
さらなる重大な利益が引き出されることを可能としてい
る。機械に置かれたワークピースを測定するとき、機械
に影響を与える振動があるかもしれず、これはプローブ
がワークピースの表面に接触している間、およびスタイ
ラスがワークピースの表面との接触が無くなったときの
ちょうどその時のプローブの読取り値に生じるエラーに
帰する。本発明の方法を用いると、プローブのスタイラ
スは、プローブおよび機械の出力が記録されている間の
意義ある期間ワークピースと接触したままである。記録
された出力値を通る最適合線を演算することによって、
振動によるエラーは平均化され外挿法が行われた点の正
確さは増大される。

【００１０】この方法が実施される機械は、座標測定機
あるいは工作機械であってもよい。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１２】図面を参照するに、図１には当該分野でよ
く知られた基本的な座標測定機が示されている。この機
械は、２つの側柱１および２がベース３に沿って第１の
方向Ｘに可動であるガントリ型機械であり、これらの動
きは適当なスケール４およびスケール読取り器４Ａによ
って測定される。側柱は、Ｘ方向と直角な第２の方向Ｙ
に延在するブリッジ５を支持し、ブリッジ５の上にはキ
ャリッジ６がＹ方向に動くようにマウントされている。
さらに、キャリッジ６は、ＸおよびＹ方向の両者に直角
な第３の方向Ｚに延在するスピンドル７を支持してい
る。さらに、スケールとスケール読取り器（不図示）
が、Ｙ方向におけるキャリッジ６の運動およびＺ方向に
おけるスピンドル７の運動を測定する。

【００１３】かくて、スピンドル７の端部に取付けられ
たプローブは、ベース３上にマウントされたワークピー
スを測定するために、機械の作動領域（ｗｏｒｋｉｎｇ
ｖｏｌｕｍｅ）内のどこにでも位置され得る。これは
手動によって達成されてもよく、あるいはケーブル８に
よって機械に接続されているコンピュータ９の案内の下
での機械のコントローラによってもよい。

【００１４】図２に示されたプローブは、例えば英国特
許明細書第２，０９４，４７８Ａ号に示されたような既
知の構造を有しており、従って詳細には説明しない。基
本的には、それはプレート１２に担持されたワークピー
ス接触スタイラス１０を含んでいる。プレート１２は環
状のナイフエッジ１５上に支持された平坦な下面１３を
有しており、スプリング１６によってナイフエッジ１５
に接触するよう付勢されている。スタイラス１０は、そ
の端部にワークピースに接触するボール１８を有してい
る。かくて、スタイラスはＺ方向（図において垂直方
向）に変位され得、かつＸＹ面内におけるいかなる方向
の力によって作用されたときでも、ナイフエッジを中心
として傾動され得ることがわかる。プローブは縦方向軸
線１１を有し、これに対しスタイラスの縦方向軸線１０
Ａが整列されている。

【００１５】単一のプローブ測定装置２０が設けられて
おり、これはＺ方向における一方向運動用に拘束されて
いる。この装置２０は、スタイラスのボール１８にいか
なる方向から力が作用したときでも、プレート１２のＺ
方向における運動を指示する出力２１を発生させる。種
々の形態の測定装置が用いられ得る。例えば、誘導ない
しは容量型トランスデューサ、あるいはピエゾ抵抗性の
あるいは他の形態の歪ゲージでもよいが、好ましい形態
は従前の線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）である。

【００１６】明らかに、トランスデューサの出力は、Ｘ
Ｙ面内における力によって生じたスタイラスの端部の所
与の変位によるプレート１２の傾動に対するものが、Ｚ
方向におけるスタイラスの同じ変位に対するものよりも
小さい。

【００１７】かくて、単一のトランスデューサ出力か
ら、ワークピースの表面との接触が生じた後に、Ｘ，Ｙ
およびＺ方向におけるスタイラスのボールの正確な変位
を決定することは不可能である。それ故過去におけるこ
のようなプローブのアナログ出力の使用は、ワークピー
スとの接触が生じたことを指示するべく出力の閾レベル
を用いつつ、および機械に送られるべき信号がスケール
の瞬時の読取り値を出力し機械のさらなる動きを停止さ
せるように制限されていた。空間におけるスタイラスの
ボールの位置は、それから瞬時の機械スケールの読取り
値およびスタイラスの移動前に関するプローブの以前の
キャリブレーションからコンピュータによって決定され
ていた。

【００１８】機械の作動領域内でスタイラスのボールが
ワークピースの表面に接触したとき、それの正確な位置
の決定を可能とするためには、以下の方法が適用され
る。

【００１９】プローブの測定装置（ＬＶＤＴ）の出力が
ある値（これは都合上ゼロであってよい）に設定され
る。この値は、固定されたプローブの軸線に対し、スタ
イラスの休止位置、すなわち、スタイラスのボールに何
等の外力が作用していないときに占めるスタイラスのボ
ールの位置を表わす。プローブは機械のコントローラに
よってワークピースに向かって駆動される。この移動の
間、機械のスケールの読取り値は、全体の機械制御シス
テムの一部を形成しているコンピュータ９に連続的に送
られている。

【００２０】スタイラスのボールがワークピースとの接
触により変位されるやいなや、ＬＶＤＴの出力は変化し
始める。機械の制限された量のさらなる移動がコンピュ
ータによって許容されており、それから機械は停止さ
れ、逆動される。この逆動中に、機械のスケールおよび
プローブのＬＶＤＴの出力はとびとびに同時に記録さ
れ、かつ蓄えられる。充分な読取り値が得られたとき、
コンピュータは蓄えられた読取り値からその読取り値を
通る概念的な直線を演算し、かつスタイラスの所定の変
位量において存在するであろう機械の各スケールの読取
り値を見出すべく外挿法を行う。

【００２１】プローブが単一の出力トランスデューサの
みを有する型式である場合、スタイラスが傾斜した表面
に接近するとき、スタイラスは表面との接触のときに一
方の側に滑るかもしれないという問題が起り得る。この
問題を避けるためには、スタライスが表面に対して垂直
ないしはほぼ垂直で摩擦角の範囲内の方向において接近
することを確実とするように機械がプログラムされるべ
きである。

【００２２】図３は、機械のコンピュータによって行わ
れる演算をグラフ的に表わしたものである。縦軸はプロ
ーブのＬＶＤＴの出力値２１を表わし、横軸は１つの座
標軸上の機械スケールの出力値２２を表わしている。プ
ローブのスタイラスとワークピースとの間の最初の接触
が起った後、機械がその制限された移動を継続している
ときは、プローブのＬＶＤＴの出力値は増大することが
わかる。機械が逆動されるとＬＶＤＴの出力は減少す
る。

【００２３】プローブのＬＶＤＴは、直線的な変位対出
力信号特性を有するようデザインされているので、プロ
ーブのＬＶＤＴの出力のレベルが休止位置用に設定され
たレベル（本実施例ではゼロレベル）に到達したとき
に、機械のスケールの読取り値がなるであろう値を決定
することは容易に外挿法により推定することができる。
しかしながら、これは必須の条件ではなく、非直線的特
性を有する測定装置も、特性のキャリブレーションがコ
ンピュータに予めプログラムされているのであれば用い
られ得る。

【００２４】機械がプローブを複数座標軸方向に同時に
動かしている場合には、機械のコンピュータはスタイラ
スとワークピースとの最初の接触点のＸ，ＹおよびＺ座
標を決定するために、機械の３つの座標軸の全てに対す
る演算を実行するようプログラムされていなければなら
ない。

【００２５】もし、プローブが静止環境内の座標測定機
（ＣＭＭ）上で用いられているなら、プローブのＬＶＤ
Ｔ対機械スケールの読取り値の直線プロットを乱すよう
な機械の振動は、ほとんどないしは全く無いであろう。
ＣＭＭにおけるコンピュータは、工作機械におけるもの
より多くの制御機能を実行し、スタイラスの変位の所望
の量の位置における演算された機械の座標を機械の出力
値として発生するようプログラムされ得る。このよう
に、プローブの読取り値に干渉するような振動が無けれ
ば、外挿法はスタイラスの変位ゼロについて行われても
よく、これによりスタイラスがワークピースに最初に接
触したときのプローブ位置の正確な読取り値を与える。

【００２６】これに対して、工作機械と共に作動すると
きは、機械のコントローラからの指図の下に、機械はラ
ッチしかつそのスケールの読取り値を出力するのが普通
である。また、より重大な振動が工作機械の環境内には
存在する。かくて、従前の工作機械の制御システム用の
作動方法は、機械の振動がプローブの出力を瞬間的にゼ
ロを通り越して戻らせるおそれのない安全な閾レベルに
機械スケールの読取り値を推定するようにコンピュータ
をプログラムしている。機械のコントローラは、かくて
スケールの読取り値が計算された閾値に到達したとき、
機械のスケールの読取り値を従前の方法でラッチしかつ
出力するよう指図される。工作機械のより厳しい環境内
では、プローブおよびワークピースの振動が、それ等が
自明な線上に存在しなくなるであろう程度にまで、記録
される読取り値にエラーをもたらすであろう。このよう
な状況では、概念的グラフ上の複数の点を通る直線の最
適合値を計算し、それから所望の閾レベルに戻ってその
線の外挿を行うようコンピュータがプログラムされてい
る。読取りが行われる時間間隔はこの全振動サイクルよ
りも大きくとられており、振動によって導入されたエラ
ーが平均化され、かつかなり低減される。

【００２７】スタイラスがワークピースに接触した後、
機械が逆方向に移動されているときに読取りを行うこと
によって、他の重要な有利点が生ずる。すなわち、ワー
クピースの表面との最初の接触の直後におけるプローブ
の読取り値はスタイラスのバウンドによって影響を受け
るが、これが含まれないことである。このことは、プロ
ーブをワークピースに向けて比較的高速で駆動でき、か
くて測定工程をスピードアップすることを意味する。

【００２８】コンピュータ内で演算を実行するのに必要
とされるソフトウェアおよびハードウェアの要素は一般
に知られており、図４に示されている。プローブのＬＶ
ＤＴからの最初の変位の読取りはクロック２５に通さ
れ、クロックはプローブのＬＶＤＴの出力２１および機
械スケールの出力２２の同時的読取りのシーケンスを時
機合わせする。これらの読取り値はメモリストア２６に
送られる。全ての必要な読取りがなされたときクロック
は停止し、かつ機械の動きが終えられる。蓄えられた読
取り値は読取り値を通して最小自乗法（ｔｈｅ ｌｅａ
ｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ｍｅｔｈｏｄ）によって最適合
直線（ｂｅｓｔ ｆｉｔ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｌｉｎ
ｅ）を発生する関数発生器２７に送られ、それから、外
挿器（ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｏｒ）２８は定義された休
止位置出力（ゼロ）について該直線の外挿法を実行し、
この値に対応する機械スケールの読取り値を出力する。

【００２９】関数発生器は、各軸に対し別々に最適合直
線を演算するか、あるいはゼロ出力点について外挿法を
実行する前に、三次元の最適合ベクトルを演算する。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、プローブのスタイラスのワー
クピースとの接触の瞬間に関するプローブの正確に機械
的なゼロ点で、機械が信号を発生するのに、極めて簡単
で単一トランスデューサのアナログプローブを使用する
ことを許容する。かくて、このプローブは、あたかも接
触トリガの作動モードで作動しているが、従来の閾値ト
リガ方法（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｔｒｉｇｇｅｒ ｍｅ
ｔｈｏｄ）を用いるのよりも極めて高い精度でもって効
果的に働く。

【００３１】本発明の方法により使用可能なアナログプ
ローブの他の型式は、欧州特許明細書第８７１０５３９
５．５号に記載された型式のプローブである。プローブ
内の３つの歪ゲージからの歪の閾レベルが記録された後
に単一のトリガ信号を発生するように記載されているけ
れども、この回路は、歪ゲージの歪読取り値を個々にあ
るいは組合わせて記録し、かつ種々の閾レベルにおける
出力値（これから上に説明したように外挿法により求め
られた歪値ゼロが導き出される）を発生するように変形
することができよう。

【００３２】これは多数測定トランスデューサから求め
られてもよいが、単一の出力のみを有するプローブに本
方法を適用することによって、コンピュータの演算が極
めて簡単化される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が実施される機械の概略構成を示す斜視
図である。

【図２】図１の機械に設けられるプローブの概略を示す
断面図である。

【図３】図１の機械のコンピュータによって実行される
演算を説明するためのグラフである。

【図４】本発明に従う演算を実行するのに要求される装
置の概略配置を示すブロック図である。

【符号の説明】

１，２ 側柱 ３ ベース ４ スケール ４Ａ スケール読取り器 ５ ブリッジ ６ キャリッジ ７ スピンドル ８ ケーブル ９ コンピュータ １０ スタイラス １０Ａ スタイラスの縦方向軸線 １１ プローブの縦方向軸線 １２ プレート １３ 下面 １５ ナイフエッジ １６ スプリング １８ ボール ２０ プローブの測定装置 ２１ ＬＶＤＴの出力 ２２ 機械スケールの出力 ２５ クロック ２６ メモリ ２７ 関数発生器 ２８ 外挿器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定プローブがマウントされ、該プロー
   ブをワークピースに接触できるよう異なる位置に移動さ
   せる機械を用いたワークピースの測定方法であって、 前記機械は基準位置に対するプローブの位置を指示する
   出力を発生する少なくとも一つの測定装置を有し、 プローブは変位可能でワークピースに接触するスタイラ
   スとスタイラスの変位を測定する少なくとも一つの測定
   装置とこの一つまたは複数の測定装置からもたらされス
   タイラスの休止位置からの変位量を指示する一つまたは
   複数のプローブ出力を発生する手段とを有し、前記方法
   は、 前記スタイラスが被測定ワークピースの表面に接触する
   よう前記プローブを移動し、かつスタイラスとワークピ
   ースとの間に初期接触が生じた後、制限された距離だけ
   前記移動を継続するステップと、 前記プローブの移動を逆動するステップと、 該逆動中の複数時点において機械の測定装置およびプロ
   ーブの測定装置の出力値を同時に記録するステップと、 前記記録された出力値から外挿法によりスタイラスの休
   止位置からの所定の変位量における機械の一つまたは複
   数の測定装置の出力値を演算するステップと、 前記出力値を機械の出力として発生させるステップとを
   備えたことを特徴とする表面接触測定プローブを用いた
   ワークピースの測定方法。
2. 【請求項２】 前記プローブは複数の測定装置を有し、
   前記方法は該プローブから単一の出力値を得るために前
   記複数の測定装置の出力値を組合わせるステップを備え
   ていることを特徴とする請求項１に記載の表面接触測定
   プローブを用いたワークピースの測定方法。
3. 【請求項３】 スタイラスがワークピースの表面にその
   ほぼ垂直な方向から接近するように、前記機械を動かす
   ステップをさらに備えていることを特徴とする請求項１
   または２に記載の表面接触測定プローブを用いたワーク
   ピースの測定方法。
4. 【請求項４】 前記演算するステップは、前記記録され
   た複数の出力値の点を通る最適合線を演算するステップ
   を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載
   の表面接触測定プローブを用いたワークピースの測定方
   法。
5. 【請求項５】 前記プローブはスタイラスの変位につれ
   直線的に変わる少なくとも一つの出力信号を発生し、か
   つ演算ステップは前記記録された複数の出力値の点を通
   る最適合直線を演算するステップを備えていることを特
   徴とする請求項１または２に記載の表面接触測定プロー
   ブを用いたワークピースの測定方法。
6. 【請求項６】 前記演算ステップは、機械の３つの座標
   軸毎にスタイラスの変位がゼロの状態におけるプローブ
   の位置を演算するステップを含んでいることを特徴とす
   る請求項１または２に記載の表面接触測定プローブを用
   いたワークピースの測定方法。
7. 【請求項７】 前記演算ステップは、機械およびプロー
   ブの測定装置の３つの直交する座標軸における記録され
   た出力値を組合わせることによってスタイラスの変位の
   単一の三次元ベクトルを演算し、かつスタイラスの変位
   がゼロの状態におけるプローブの位置を得るために該単
   一のベクトルの外挿法を行うステップを含んでいること
   を特徴とする請求項３に記載の表面接触測定プローブを
   用いたワークピースの測定方法。