JPS6059521B2

JPS6059521B2 - 三次元測定装置

Info

Publication number: JPS6059521B2
Application number: JP54168476A
Authority: JP
Inventors: デ−ビツド・アラン・ライト
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1979-12-26
Publication date: 1985-12-25
Also published as: JPS55116212A; GB2042719B; DE2950926A1; GB2042719A; US4523380A; SE449409B; US4625408A; DE2950926C2; IT7951195A0; IT1126847B; SE7910536L

Description

【発明の詳細な説明】本発明は測定装置に関するものであり、特に回転誤差に
対する自動修正を有するΞ次元測定装置に関するものて
ある。

従来の三次元測定装彎において、探針部材が３本の互い
に直交する軸の周りまたはそれらに平行な運動をするよ
うに支持されている。

最も簡単な機械では、各軸に平行に取付けた適当な変換
器が３軸の交さする点であるのが便利な基準点または他
の任意の適当な場所に対する探針チップの位置を求める
ことができる。

そのような簡単な手法が用いられる場合、いくつかの誤
差の原因が考えられる。

運動がまつすぐでないこと及び軸の直交性の欠如がその
ような誤差の１つの大きな原因である。その他の誤差の
原因は、運動の方向に直交する軸の周りのキャリッジの
角回転である。そのような誤差は、アツベ（Ａｂｂｅ’
誤差ということが多いが、回転だけでなくまた探針チッ
プとその次元の中て測定するトランスジューサとの間の
横のずれによつても左右さ・れて、明らかにそのずれの
量で変化する。このほかにも線形トランスシュー、、サ
自身の中の誤差のようなあまり厳しくない誤差の原因が
ある。前述の種々の誤差の原因を修正する多くの試みが
行なわれてきた。

例えば、種々の機構によつてフトランスジユーサに既知
の誤差を計画的に加えることが知られている。しかしそ
のような修正は、測定体積内のある与えられた場所に対
してのみあてはまるだけである。別の手法は機械を「校
正する」ことであつて、種々の点で生じる誤差を測定し
て、これらを記憶し、それを機械を実際に用いるときに
適用できるようにすることである。想像がつくように、
そのような校正手続きは極めて時間がかかり、特に大形
機械の場合そうであり、莫大な量の記憶装置が必要であ
る。加えて、使用中に機械の１へたリョがあれば、その
校正は、無効になるであろう。本発明の目的は、主要な
誤差の少なくとも幾つかを自動的に修正する測定装置を
敵供することである。

本発明によれは、測定体積内のある点の基準点に対する
位置及び互いに直交する３軸に対する位置を決定する測
定装置が提供され、その装置は、前記測定体積内で運動
するように支えられた探針部材と、各軸に対して（ｎ＋
１）個（但しｎは修正を必要とする回転の数）ある直線
的位置トランスジューサで、それらが測定体積の外側に
置かれて、前記諸回転を検出するように互いに離れてト
ランスジューサを含む測定装置と、各軸ごとに複数のト
ランスジューサの出力を単一の修正された出力を与える
ような方法で結合するように動作できる回路機構とを備
えている。

次に本発明を添付図面を参照して説明する。

次に第１図を参照すると、これは本発明の実施例を略図
形式で示している。本発明を非常に多くの異なる形の機
械に適用できるので、測定機自体の構造は、示してない
。しかし、どの機械も測定体積内の任意の点に探針を位
置決めする設備を持つており、これは矩形断面の立方体
て示してある。探針は、Ｘ，ＹおよびＺ軸が交さする点
のよｊうな原点０に対して位置を測定すべき点を表わす
チップＰを有する垂直部材として太線て示してある。探
針チップの３つの座標は、Ｘ，，Ｙ，およびＺ、てある
。Ｘ方向に移動する機械の主キャリッジは、ピッチ運動
とヨー運動、すられちＹ方向と３Ｚ方向にそれぞれ平行
な軸の周りの回転をすることがある。従つて、機械は、
各々Ｘ方向に延びている３つのトランスジューサを備え
ている。トランスジューサＸ，とＸ２は、測定体積の頂
部または上方に、第１図に示すように向い合せに置かれ
、４第３のトランスジューサＸ３は、測定体積の底また
は下方の片側に置かれる。主キャリッジの上をＹ方向に
移動てきる第２のキャリッジもまたピッチ運動とヨー運
動の影響を受けることがあり、これらはそれぞれｘ軸と
Ｙ軸に平行な軸の周りの回転である。

従つてまた、必要な修正を行なうために３つのトランス
ジューサを用いる必要があ。２つのトランスジューサＹ
１とＹ３は、主キャリッジのどちらか片側に置かれて、
第２のキャリッジがそれらの間を移動するようなつてい
る。

測定体積を占める加工物は、トランスジューサと協動し
なければならない第２のキャリッジの下の部分の運動を
妨げるようなことが）あるので、第３のトランスジュー
サを測定体積の下に簡単に置くことはできない。従つて
、第３のトランスジューサＹ２は、他の２つのトランス
ジューサの上方に置かれる。それは、機械の主キャリッ
ジと一緒に移動するようにがつちり支持されていなけれ
ばならない。Ｘ方向の運動とＹ方向の運動の両方が実際
の運動の周りのロール、すなわち第３の回転による誤差
の影響を受けることがある。

しかし、これが当該軸に及ぼす影響は、他の誤差原因の
ものよりずつと少ない。Ｚ軸、すなわち垂直軸に関する
限り、Ｚ軸に平行な運動による誤差は、いずれにしても
探針の位置のＸ座標とＹ座標には関係がない。

この場合は、誤差はＺ方向の位置にだけ関係するであろ
うし、これらは通常の平均手法または加重手法によつて
修正できる。この場合、２つの．トランスジューサ乙と
４が必要であり、これらは探針軸と共通の平面内に置か
れる。一般的構成を簡単に説明したので、次に各軸を詳
細に考えて、トランスジューサの配置とこれらのトラン
スジューサの出力を組合せて正しい出力を得るに必要な
装置を考えよう。

ます最初にｚ軸を考える。

第２図は探針軸Ｐの位置と２つのトランスジューサ乙と
Ｚ２を示す図解平面図を示している。また第２図は、２
つのトランスジューサの探針の軸からの距離が示されて
いる。前述のように、２つのトランスジユー÷と探針は
、共通な垂直平面内にある。点Ｐの真のｚ座標は、式で
与えられ、ここで乙と４はそれぞれトランスジューサ乙
と４の出力である。

容易に達成されるように、Ａ．ｌ５ｂが等しければ、で
ある。

４と４が探針軸と共面でないようなことがあれば、３つ
のＺ軸トランスジューサを用いることがあるであろうが
、これは非常に起りそうもない状況である。

Ｙ軸に関する状況は、誤差の原因がさらに多くあるので
、より複雑である。

ピッチ誤差による修正は、トランスジューサＹ１とＹ２
のように垂直に離れた２つのトランスジューサによつて
修正できる。同様にヨーによる誤差はＹ１とＹ３のよう
な２つの水平に離れたトランスジューサによつて修正で
きる。第３図は、各Ｙトランスジューサの配置を示して
もので、第１図の測定体積の一部分の正面図てある。破
線は測定体積の底を表わしている。ｃとｄは、２つのト
ランスジューサＹ１とＹ３に対する探針軸の位置に関係
する固定距離であることが第３図から分かるであろう。
距離ｅとｆは、トランスジューサＹ１とＹ２の配置によ
つて固定される。まずＹ軸のまわりのヨー誤差に対する
Ｙ座標の修正値Ｙ，を考えると、必要な修正値は、（Ｙ
３−ｙ１）・ｃ／（ｃ＋ｄ）で与えられ、ここでＹ３と
ｙ１は、それぞれトランスジューサＹ３とＹ１の出力で
ある。ｃ＝ｄの最も簡単な場合は、この修正値はである
。

Ｙ座標はまた、ピッチ誤差によつて影響される。

ピッチ誤差の修正値はＹｐは、で与えられる。

従つてＹ座標の真の値はで与えられる。

この式において、Ｚ，は、Ｚ座標の修正された値である
。

しかし、誤差のマージンがどのみち小さく、上に与えら
れた式の中で小さくされるので、Ｚ１またはＺ２のいず
れの値を用いてもよい。Ｘ軸の測定の場合には、１つの
可能な解は、探針チップと同じ水平面内に常におかれて
いる２つのトランスジューサを用いることである。これ
はそれ自身誤差の原因となる可能性のあるかなり複雑な
機械的調整を必要とするであろう。第１図に示したよう
に３つの固定トランスジューサを用いることが可能であ
る。この配置は、第１図の測定体積の端面図を示す第４
図に非常に詳細に示されている。第４図に示したように
、３つのトランスジューサのうちの２つは、測定体積の
上方におかれ、１つのトランスジューサＸ３は、測定体
積の下方におかれている。種々の関連の寸法は第４図に
示され、Ｙ座標とＺ座標以外のすべては固定値である。
前と同様に、Ｙ座標とＺ座標は、修正された値Ｙ，とＺ
，であるかまたは各軸の上の１つのトランスジューサ例
えばＹ１と４によつて与えられる値のいずれであつても
よい。まずヨー誤差に対する修正値Ｘｙを考えると、こ
れは次式で与えられる。同様にＸ軸の周りのピッチ誤差
に対する修正値Ｘ９はで与えられる。

従つてＸ座標の真の値はで与えられる。

３座標の修正された値に対する上に与えられたアルゴリ
ズムはソフトウェアまたはハードウェアのいずれかによ
つて実施することができる。

このような誤差修正装置が用いられるような大形の機械
は、計算機などを備えていることが多く、その場合には
ソフトウェアを用いることが容易であろう。そのような
ソフトウェアはまた必要な場合、″加工物の基準面を変
えることができるであろう。しかし、小形の機械の中に
は、ハードウェアを用いる必要のあるものもある。これ
は計数器、加算器などを含む極く簡単な回路を含むてあ
ろう。例えばＺ軸の場合に、量（Ｚ１＋Ｚ２）を記憶す
る単一計数器を用いることが可能である。必要な値Ｚ，
を得るためには、この量を２で割りさえすればよい。そ
のような回路のブロック線図が第５図に示されている。
Ｙ座標の場合には、なお基本的には簡単である”が、さ
らに複雑である。

Ｙ軸アルゴリズムは上記のようにｔノ／ｅである。

３つの計数器が必要であり、１つはｙ１を記憶する全範
囲計数器であり、他の２つは値（Ｙ３一ｙ１）と、（Ｙ
２−ｙ１）とに対する差計数器である。

値Ｚ，はＺ軸回路から得られるが、一方ｅとｆは定数で
ある。従つて、Ｙ，の値を決めるに必要な論理回路は、
容易に考案され、１つの簡単な形が第６図のブロック線
図の形で示されている。第６図を参照すると、既述のよ
うに、全範囲計数器１０はｙ１の値を保持し、２つの短
範囲計数器１１と１２はそれぞれ値（Ｙ３−ｙ１）と（
Ｙ２−ｙ１）を保持する。計数器１０の出力は、直接、
加算器１３に接続されている。計数器１１の出力は、２
で割る除算段１４に通つて、次に加算器１３にゆく。第
４の計数器１５は入力として定数ｆとＺ軸段のＺ，出力
をもつている。この計数器の出力は、除算器１６の中で
定数値ｅによつて割られて、次に乗算器１７の中で計数
器１２の出力を掛けられる。段１８の中て符号を変えた
のち、この量は加算器１３に送られ、加算器の出力が必
要な値Ｙ，を表わす。Ｙ軸アルゴリズムが定数Ｃ，ｄを
含むさらに複雑な変形である場合は、回路はこれを含め
るように変更することができる。

Ｘ座標の場合には、Ｘ軸はてある。

第７図は、Ｘ１の値を決めるに必要な論理の１形式であ
る。

この論理回路に適用された変量は、種々のＸ，Ｙ及びＺ
値であり、その他の入力は定数である。詳しい説明をし
なくても、この図示の論理回路がＸ、の値を決めるよう
に動作することが分かるであろう。上述の説明はトラン
スジューサの１つの特定な配置に関するものてあること
が分かるであろう。

異なる配置の場合には、異なるアルゴリズムを導く必要
があろう。例としてのみであるが、第８図は２つのＹト
ランスジューサだけを用いる配置の図解端面図てある。
この配置はなおＹピッチ誤差に対する修正を与えるが、
小さいことが多いＹヨー誤差に対する修正ではやや不満
足である。Ｙ座標の真の値Ｙ，に対する式はである限リ
ヨー誤差に対する幾らかの修正を与える。

であるとき、すなわち探針チップＰがＹ１とＹ２を結合
する線の上のあるときは、ヨー修正値もまた正確である
。

Ｚ軸の場合には、誤差は一般に小さく、この軸上に追加
のトランスジューサを用いる必要はないことがある。

第４図と第７図を参照して上述したＸ座標配置は、Ｘ軸
トランスジューサのうちの２つが同一水平面内にあるこ
とを必要とする。

いろいろな理由のために、このようにトランスジューサ
をおくのが難しいことがあるので、第９図はＸ１とＸ２
のトランスジューサが異なる水平面内におかれている別
の配置を示している。第４図に示したものにつけ加える
寸法は、トランスジューサＸ１とＸ２との間の垂直離間
距離を定める固定寸法であるｎだけである。前と同様に
、トランスジューサＸ，とＸ３は同じ垂直平面内にある
。トランスジューサはこの配置でＸｔの値を決めるに必
要なアルゴリズムは、である。

前の実施例にあるように、このアルゴリズムを解いてＸ
ｔの必要な値を決める論理回路は容易に作り出すことが
できる。誤差修正特徴は、通常要求に応じてのみ機能す
ることが必要で、連続的に機能する必要はない。

これは前述のようなハードウェアが利用できるときは必
要でないけれども、ソフトウェアが用いられているとき
有利である。測定機の場合には当り前であるように、誤
差修正回路は、その出力を表示装置またはそれ自身他の
パラメータを導き出す別の計算装置に加える。

これまで３軸の各々に用いられるトランスジューサの形
については何も説明しなかつたが、最も便利な形はモア
レ縞格子であつて、それでは標尺部材が機械の一部に固
着されて、他の部分にある読取ヘッドがこの標尺格子と
協動する。読取りヘッドは通常照明源、短い指標格子及
び他数の感光検出器を含んでいる。関連の電気回路は、
周知のものであるが、パルス列の形の出力すなわち正方
形になつた正弦波を作り、位相関係が２つの部分間の相
対運動の向きを示す。

標尺と読取りヘッドの実際の場所は、機械の配置に関係
する。

Ｚ軸の場合には、すでに設けられているものに隣接して
第２の標尺と読取りヘッドを、２つの標尺と探針の運動
の軸とが共面にあることを確保しながら、設けるだけで
よい。ｘ軸とＹ軸とに対する可能なトランスジューサの
配置は既に説明した。

測定体積の底または下方におかれたＸ３トランスジュー
サの場合には、モアレ縞トランスジューサの場合の読取
りヘッドを主キャリッジから下方に延びている曲らない
腕に取付けることが必要であろう。同様に、Ｙ２トラン
スジューサは第１のキャリッジにがつちりと固着されな
ければならないであろうが、一方読取りヘッドは第２の
キャリッジによつて支持される。すべての場合に、トラ
ンスジューサは測定体積にできるだけ近付けておかなけ
ればらない。上述の誤差修正配置は、読取りの精度をか
なり向上させ、特に大形機械の場合にそうであろう。

Ｘ軸とＹ軸は、誤差の範囲が大きので、精度の向上も大
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図はトランスジューサの代表的な配置を示す図解線
図、第２図はＺ軸トランスジューサの図解平面図、第３
図はＹ軸トランスジューサの１つの配置の図解側面図、
第４図はＸ軸トランスジューサの図解端面図、第５図は
Ｚ軸修正回路のブロック線図、第６図はＹ軸誤差回路の
ブロック線図、第７図は第４図の実施例に対するｘ軸修
正回路のブロック線図、第８図はＹ軸トランスジューサ
の代替配置の図解側面図、第９図はＸ軸トラン．スジユ
ーサの代替配置の図解端面図である。

Claims

【特許請求の範囲】１測定体積内のある点の基準点および互いに直交する
３軸に対する位置を決定する測定装置において、前記測
定体積内に移動するように支持された探針部材と、少な
くとも２つの水平軸のおのおのに対して三つの直線的位
置トランスジューサを備えた測定機構と、各軸ごとに三
つのトランスジューサの出力を結合して単一の修正出力
を与える働きをする回路装置とを備えてなり、前記三つ
のトランスジューサのうちの二つは測定体積の片側にお
いて同一垂直平面内に置かれ、第３のトランスジューサ
は前記測定体積の反対側に置かれていることを特徴とす
る三次元測定装置。２前記測定装置が、垂直軸に対して、第１および第２
のトランスジューサを備え、前記二つのトランスジュー
サと前記垂直軸とは同一垂直平面内にあることを特徴と
する特許請求の範囲第１項に記載の三次元測定装置。