JPS61501793A - 加工片測定用プロ−ブ - 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】 加工片測定用プローブ 技術分野 本発明は加工片の寸法測定用プローブに関するものである。

背景技術 加工片に対するプローブの座標位置決定用測定装置を有している座標位置決め装 置にて加工片の寸法を測定することは既知である９位置決め装置は座標位置を測 定すべき加工片の表面に向けてプローブを動かし、かつプローブはその一部を成 すスタイラスが測定表面と掛合するのに応答して信号を出力させるのに用いられ る。所謂“トリガプローブにおけるプローブ信号はスタイラスと測定表面との間 の掛合に応答して発生されるステップ信号のことであり、測定表面の位置は前記 掛合につぐ瞬時に測長機の測定装置を読取ることによって測定される。所謂“比 例プローブでは測長機の測定装置は測定すべき表面に関して既に判っている要求 位置にプローブを動かすのに用いられ、プローブそのものがショートレンジの測 定装置を有しており、これにより測定表面の実際の位置が要求位置から相違して いる量を決定する。

従来の比例タイプのプローブ（英国特許第１．５７３，４４７号）は、基部、ス タイラス、休止位置と変位位置との間の基部に対する変位に対してその基部にス タイラスを支持せしめるための弾性手段、一対の直交座標軸を規定する手段及び 変位の各座標成分を規定する成分出力によって前記変位を測定するための手段を 有している。

本発明の目的の１つは、上述した種類の測定プローブをトリガプローブと°して 使用し得るようにすることにある。このようにすれば同じプローブをいずれの目 的にも使用することができると云う利点がある。また、測定プローブは高精度に 構成することができるから、このような精度はトリガモードにてステップ信号を 発生させるのに利用することもできる。

本発明の他の目的はトリガプローブの精度を改善することにある。従来のトリガ プローブでは、スタイラスが加工片に掛合する瞬時を、ステップ信号を発生させ る瞬時に正確に関連させるのが困難である。これら２つの事象間におけるスタイ ラスの不可避の変位（スタイラスの“事前走行”）は、あらゆる動作条件に対し て必ずしも常に均等にはならない、特に事前走行は基部に対するスタイラスの種 々の変位方向に対して相違する。測長機の測定装置による測定は、プローブが動 き、そしてその動きが所定の速度となる間に行われるため、事前走行の任意の変 化分によって測定量に変化を来たすことになる。

その困難性を克服する試みが英国特許第１．５９３．０５０号にて成されており 、これに示されているプローブは基部と、その基部の所定位置の個所に設けたほ ぼ環状の受座にて基部に支持されるプレートと、このプレートを受座と掛合させ るバイアス手段と、プレートに固着され、受座とは反対側に遊端を有しているス タイラスとを具えており、プレートが少なくとも３個所にて受座と掛合する休止 位置と、プレートが受座に対して傾斜するか、又は受座から軸方向に離れる変位 位置との間にてスタイラスがバイアス手段とは反対に移動できるようになってお り、前記プローブはさらに、環状受座の軸に配置され、かつプレートに接続され た可動部と、基部に接続された固定部とを有し、スタイラスの変位に対応する出 力を発生するようにしたトランスジューサと、このトランスジューサの出力が予 定した大きさを越える場合にステップ信号を発生させる手段とを具えている。

最後に述べたトリガプローブによって成された改善は精度についての要求を高め るには十分ではなかった。その問題は、はぼ環状の受座をその開口部のまわりす べてが同じように正確に座するようにすることは困難であり、即ち数個所の座面 が他の個所よりも高くなってしまうと云うことにあった。また、トランスジュー サを環の中心に位置付けるのにも困難である。

従って、スタイラスが傾いた場合に、その傾斜方向の相違によって事前走行の量 が相違した。受座を丸い刃先状に作っても（英国特許第２．０９４，４７８号） 、この刃先の高さがその円周全体にわたり均一となり、かつトランスジューサが その中心に位置するように十分正確に規定することは困難であった。この問題は つぎのように説明することができる。従来のトリガプローブではトランスジュー サの可動部が固定部に対して所定の位置をとる場合にステップ信号が発生する０ 機械部品の製造公差により事前走行には偏差が生じる。このことはスタイラスの 休止位置が異なる変位方向に対し相違してしまい、測定量を明らかに誤って伝え ることになる。

発明の開示 本発明は加工片の寸法を測定するプローブにあって； 基部と、使用時に加工片に掛合させる遊端を有しているスタイラスと、休止位置 と変位位置との間の基部に対する変位に対して基部にスタイラスを支持せしめる 支持手段と、一対の直交座標軸を規定する手段と、変位の各座標成分を規定する 座標出力によって前記変位の量を決定するための手段とを具えて成るプローブに おいて；該プローブがさらに、前記出力を前記変位量の関数となる合成出力に合 成するための合成手段及び前記合成出力が前記変位期間中に所定値を越える際に 、ステップ信号を発生させるための限界値手段も具えるようにしたことを特徴と するプローブにある。

ステップ信号は前記合成出力の成る値にて発生し、その値はあらゆる方向の前記 変位に対して一定の値とすると共に、スタイラスの休止位置を規定するために中 心位置を使用できる円の半径、又は３成分を用いる場合には球の半径（“トリガ 半径”）の値とする。前記合成出力の所定値は、例えば０．０１ミリメートルの 変位量に相当すべく較正した１ボルトのような値とすることができる。

使用に際し、プローブはその座標軸が座標位置決め装置（“測長機”）の対応す る軸線に平行となるようにしてその測長機に取付ける。スタイラスの遊端には加 工片に掛合させる球状の素子又はポールを設ける。

プローブの較正は、その出力成分を零値にセットし、その後測長機を動かしてポ ールを測長機の固定位置の個所に設けた各基準面と掛合させ、この場合の掛合方 向を関連する基準面に対してほぼ垂直となるようにして行なう、各基準面とポー ルとの掛合によって一組の前記出力成分を発生させ、これらをコンピュータに供 給して、前記合成出力を計算すると共に前記ステップ信号を発生させる。いずれ の場合にもステップ信号は掛合瞬時後にプローブが所定距離事前走行してから発 生する。トリガ半径はあらゆる掛合方向、即ちいずれの方位の基準面に対しても 同じであるから、事前走行も同様に均等である。

測長機の測定装置（“機械目盛′）の読取りは、各ステップ信号が基準値として 記録され、かつコンピュータに供給される瞬時に行われる。コンピュータはポー ルの半径を考慮してそのポールの中心位置及びトリガ半径の中心を計算すべくプ ログラムする。トリガ半径の中心とポールの中心が一致することは明らかである 。この共通の中心位置はスタイラスの休止位置を規定するのに用いることができ る。ついで、スタイラスのポールを動かして加工片の各表面と掛合させ、機械目 盛の各出力を記録し、かつ所要に応じポール及びトリガ半径を加算又は減算する ことによって表面の実際の位置を計算することにより加工片の測定を始める。電 子的なドリフトのために測定系の較正が利かなくなることが有り得るが、斯様な ドリフトはトリガ半径以上に長くないので系の動作特性にはさほど影響はない、 場合によっては斯かる厄介な事象は、スタイラスが自由状態にある場合に出力成 分を零値にバイアスする手段を設けることによって克服することができる。

図面の簡単な説明 添付図面において： 第１図は座標測長機の正面図である。

第２図は測長機に用いられるプローブの正面図である。

第３図は第２図の１［−１［線上における断面図である。

第４図は回路図である。

第５図は第２図のｖ−■線上における拡大断面図である。

本発明を実施するための最良の形態 本発明の実施例を上記図面につき説明する。

第１図を参照するに、Ｐにて示すプローブは座標測長機Ｍに取付けたセンサ１３ を具えており、測長機Ｍはセンサ１３を支持して、これを加工片１４に対して直 交座標系のｘ、ｙ、ｚ方向に動かすのに適応させる組合わせキャリッジ１０，１ １．１２で構成する。センサの移動量は例えば１５のような光−電子目盛と、測 長機の測定系、即ち“機械目盛”を構成するディジタルカウンタ１８とを組合わ せたもので測定される。プローブＰは、測長機を作動させてセンサを加工片の選 定表面に掛合すべく動かした際にステップ信号１７を発生させるのに適用する、 信号１７はカウンタ１６に供給し、かつこれらのカウンタを信号１７の到来瞬時 にその内容を信号１８として出力させるのに適用する。後者の出力信号は測長機 の測定系の出力によってセンサ１３の座標位置を規定する。

第２図および第３図を参照するに、センサ１３は一端に球状の検出素子、即ちポ ール２１を有しているスタイラス２０を具えており、これにより図示のようにセ ンサを加工片１４に掛合させる。スタイラスの他端はコイルばね２２の一方の遊 端に固着する。ばねの他端は測長機に固着した基部２５そのものに固着する。基 部２５の軸線２２ＡはＺ方向に延在させる。

検出素子２１は、それに作用する力がない場合には休止位置にあり、自由な状態 にあるものと称し、また測長機が素子２１を加工片と掛合させ、かつ斯様な掛合 力がスタイラスを休止位置から引き離す場合に検出素子は変位されるものと称す る。変位は、測長機がプローブを加工片から引き戻し、かつ変位力がなくなる際 に素子２１を休止位置に戻すばね２２の反力に抗して起る。

Ｘ−Ｙ平面内での素子２１の変位はばねをその中間長さの個所における点２２Ｂ の付近で曲げる。Ｚ方向における素子２１の変位はばね２２を圧縮させるか、又 は伸張させる。

測長＠Ｍの測定系とは別に、プローブＰそのものは軸線２２のまわりで、しかも ばね２２の外側に対称的に配置した４個のトランスジューサ２６（第２図および 第３図）から成るショートレンジの測定系を有している。

これらのトランスジューサは、２債づつ直径的に反対の位置に、即ち、２つはＸ −Ｙ平面内に、他の２つのトランスジューサはＹ−Ｚ平面内に位置するように配 置する。このようにしてトランスジューサの位置によって一対の座標軸ｘ、ｙ（ 第３図）を規定する。各トランスジューサ２８は基部２５に固着した接極子２７ （第２図）と、構体２９を介してばねの遊端２３に固着したコア２８とで構成す る。各接極子２７は軸線２２Ａに平行な軸線２８Ａに６立てしたコイルで構成し 、これに関連するコアはＺ方向に相対的に自由に動くようにする。トランスジュ ーサ２Ｂは、スタイラス２０が休止位置にある場合にコアがほぼ点２２Ｂを通る ｘ−Ｙ平面に位置するように配置する。これがため、素子２１がＺ方向に対して 直交する方向に変位される場合に、コアが点２２Ｂを中心としてＺ方向にきわだ った湾曲運動をすることになり、しかも各コアとそれに関連するコイルとの間の 半径方向の間隙が小さくても、上記運動に伴なう僅かなＸ−Ｙ方向の運動成分に 用立てるのには十分である。

第４図を参照するに、トランスジューサは素子２１のＸ−Ｙ及び２間の変位を区 別すると共に対応するアナログ電圧信号Ｘｉ、Ｙｌ及びＺｌを発生する弁別回路 ３０に接続し、上記アナログ信号によって素子２１の中心２１Ａが休止位置から 変位した位置の座標位置を規定する（第４図および第５図）０回路３０は本願人 の出願に係る英国特許第１，５７３，４４７号から既知である。信号ＸＩ、Ｙｌ 、Ｚｌはそれぞれ整流器３０Ａ及び較正用ポテンションメータ３０Ｂを介して零 調整、即ち安定化回路３１に供給され、この安定化回路は例えば温度変化による 遅い電圧変化のようなドリフトに対して信号をＸＩ、Ｙｌ、Ｚｌを安定化する。

これにより安定化した信号をＸ２．Ｙ２．Ｚ２として示しである。さらに、合成 回路４０も設け、これにより信号Ｘ２．Ｙ２．Ｚ２が単一信号４１に合成され、 この信号が前記変位方向には無関係に素子２１の任意の変位量の関数となること は明らかであるステップ信号１７は比較器３２によって発生され、この比較器は 信号４１が所定の大きさ以上となる場合に信号１７のレベルを低レベルから高レ ベルへと変化させる。つぎに回路３１及び４０につき詳細に説明する。

回路３１は、出力Ｘｔについては前記出力ｘ２を発生する増幅器３５を具えてお り、後者の出力は相互コンダクタンス増幅器３Ｂに供給され、この増幅器３Ｂは 零値からの信号ｘ１のかたより方向とは反対方向の信号ｘ２のかたよりを示す信 号３７を発生する。信号、３７は増幅器３５に供給して信号ｘ２を零値にバイア スする。信号３７はコンデンサ３８を介してアースにも接続して時定数を生ぜし めるようにし、これにより増幅器３Ｂの作用を遅延させて、測定作業中に素子２ １が加工片１４と掛合する際に生ずるような信号Ｘ１の急激な変化に対し信号Ｘ ２が影響されずに信号Ｘ１に比例したままとなるようにする。従って、回路４０ の出力端子にやがて比例信号ｘ２が信号４１として現われる場合に信号１７を要 求通り発生させることができる。しかし、例えば熱ドリフトのような、信号×２ における比較的遅い電圧変化に対しても信号ｘ２が零値のままとなるように時定 数を設定する。このように、測定作業に対する準備段階としては、素子２１が測 定作業中に休止位置に来る場合に信号ｘ２の値が常に零値となるようにする必要 がある。

さらに、信号１７はライン３９により増幅器３６に供給して、この信号１７が高 レベルとなる場合に増幅器３Ｂの作動を制止させる。これにより、もし素子２１ が任意時間長の間加工片１４と掛合し続けることが起ったとしても（及び素子２ １の変位が比較器３２をトリガさせるのに十分であったとしても）、信号ｘ２は 何等影響を受けることなく、しかも信号１７は系が以前トリガ状態にあることを 暗示する高レベルのままとなる。

増幅器３５．３８コンデンサ３８及びライン３９に対応する回路素子は各信号Ｙ ｌ　、Ｚｌに対しても設けて、信号Ｙ２．Ｚ２が信号Ｘ２について述べたのと同 様な情況にて零値にバイアスされるようにする。

合成回路４０に関しては前述したように、この回路が信号Ｘ２．Ｙ２，２２を単 一信号４１に合成して、この信号が前記変位方向には無関係に、即ち変位方向が Ｘ、Ｙ、Ｚ方向と整列するか、否かに無関係に素子２１の変位量の関数となるよ うにする。つぎにこのことを第５図につきさらに説明するに、この図は素子２１ が点１４Ｂにて加工片１４の表面１４Ａと掛合し、その表面１４Ａがセンサ１３ 及び測長機ＭのＸ−Ｙ軸に対して成る角度を成しており、かつセンサが表面１４ Ａに向ってその表面に対し垂直な線Ｖの方向に動いたことを示している。軸線２ ２Ａは点１４Ｂでの掛合以前には中心２１Ａと一致していた。

掛合してからのプローブの継続走行によって軸線２２Ａは中心２１Ａに対して線 Ｖに沿って点２２Ａ１まで移動し、また、回路３０が軸＠　２２Ａの変位ｘ、ｙ に相当する信号ＸＩ　、Ｙｌを発生した。変位量ｘ、ｙは・ｒ　２　＝ｘ　２　 ＋ｙ　２　（１） 又は三次元で、 ｒ２＝ｘ２＋ｙ２＋ｚ２　（２） となるような合成変位量ｒを呈し、ここにｒは球体Ｓの半径であり、ｘ、ｙ、ｚ はこの球体における任意の点の座標である。従って、回路４０（第４区）では信 号Ｘ２．Ｙ２．Ｚ２をそれぞれ二乗回路４２に供給し、これら二乗回路の出力を 加算回路４４にｆＲ統し、この加算回路の出力を信号４１とする。これがため、 信号４１は上式（２）に基いて信号Ｘ２　、Ｙ２　、Ｚ２を二乗したものの和に 比例する。

比較器３２にはバイアスフィード３２Ａを接続して、信号４１の値が本例では１ ポルトとする所定のバイアス値、即ち°“トリガ値”に達する際に比較器３２に より信号１７を発生させ、かつ回路４０を斯かる値に較正して、その値を０．０ １ミリメートルに等しい変位量に対応させる。トリガ値は１ポルト、即ち１単位 であるから、ｒの二乗を無視できることは明らかである。１単位以外のトリガ値 を用いる必要のある場合には、平方根形成回路４４Ａを導入させることができる 。

トリガ信号が発生する以前にセンナ１３はスタイラスと加工片との掛合点を０． ０１ミリメートル越して走行したものと云える。これがため、０．０１ミリメー トルの距離はプローブの事前走行距離であり、この事前走行距離はスタイラス２ ０とプローブの基部２５との間の相対的な変位方向によっては影響されないこと 明らかである。

回路３０，３１．４０及び比較器３２はアナログコンピュータを構成し、これら はプローブＰの一部として見なされる。その理由は、トリガ動作モードに関する 限り信号１７は本来プローブの出力であるからである。しかし、回路３０，３１ ．４０及び比較器３２は必ずしもセンサ１３と同じハウジングに設ける必要はな く、ケーブル５１によってトランスジューサ２６に接続したインターフェースユ ニッ）５０（第１図）に組込むことができる。

カウンタ１６（第１図）は従来のトリガプローブの場合からいずれも既知のよう に、キャリッジ１０，１１．１２を駆動させたり、信号１８を記憶したり、１７ のようなトリガ信号を受信したりするディジタルコンピュータ５２の一部を形成 する。

プローブＰを比例プローブとして使用するためには整流器３０Ａの出力をライン ３０Ｇによってコンピュータ５２に直接接続して、そのプローブを比例プローブ にとっては既知の方法で使用する。

さらに第１図を参照するに、測長＠Ｍ、ユニット５０を含むプローブ１３及びコ ンピュータ５２は加工片測定用の系を構成する。測長機Ｍは、その系を較正する ための基準ユニット５３（第２図および第３図も参照）を含んでいる。このユニ ット５３は基準面５５を規定する立方体状のへラド５４を有している。系を較正 するために、出力Ｘ２．Ｙ２．Ｚ２をゼロにして、センナ１３を駆動させて、素 子２１を各表面５５に掛合させて前記信号１７を発生させる０次いで、対応する 信号１８の値を系の基準値とする。素子２１と加工片の表面とのつぎの掛合によ って加工片そのものの寸法を計算するための基礎として基準値に対する加工片の 表面に関連するデータを発生させる。斯様な計算には素子２１の半径及びトリガ 用球体の事前走行半径ｒを従来のトリガプローブにならって既知のように再び考 慮するが、従来の場合には事前走行値が変化しないようにしなければならないと 云う問題があった。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）加工片の寸法を測定するプローブにあって：基部（２５）と、使用時に加工 片（１４）に掛合させる遊端（２１）を有しているスタイラス（２０）と、休止 位置と変位位置との間の基部に対する変位に対して該基部（２５）にスタイラス （２０）を支持せしめる支持手段（２２）と、一対の直交座標軸（Ｘ，Ｙ）を規 定する手段（２８）と、変位の各座標成分（Ｘ，ｙ）を規定する座標出力（Ｘ１ ，Ｙ１）によって前記変位の量を決定するための手段（３）とを具えて成るプロ ーブにおいて；該プローブがさらに、前記出力（Ｘ１，Ｙ１）を前記変位量の関 数となる合成出力（４１）に合成するための合成手段（４０）及び前記合成出力 （４１）が前記変位期間中に所定値（ｒ）を越える際にステップ信号（１７）を 発生させるための限界値手段（３２）も具えるようにしたことを特徴とするプロ ーブ。 ２）前記合成手段（４０）が前記各出力成分（Ｘ１，Ｙ１）に対して該出力成分 の二乗値を決定する二乗手段（４２）を具え、かつ前記プローブが各二乗手段（ ４２）の出力を加算する加算手段（４４）も具え、該加算手段（４４）の出力が 前記合成出力を規定するようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の プローブ。 ３）前記加算手段（４４）と前記限界値手段（３２）との間に、前記加算手段（ ４４）の出力（４１）の平方根を形成する手段（４４Ａ）を設けるようにしたこ とを特徴とする請求の範囲第２項に記載のプローブ。 ４）前記各出力成分を予定レベル（零値）にセッティングするためのセッティン グ手段（３１）を具えるようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の プローブ。 ５）前記セッティング手段が前記各出力成分を零値にバイアスするバイアス手段 （３５，３８）を具え、かつ前記セッティング手段が前記バイアス手段（３５， ３８）の影響を遅延させる遅延手段（３８）を含むようにしたことを特徴とする 請求の範囲第４項に記載のプローブ。 ６）前記支持手段を前記基部とスタイラスとの間に接続される弾性手段（２２） をもって構成し、該弾性手段が自由な状態にある場合に前記スタイラスの休止位 置を決定するようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプローブ。 ７）ａ）基部（２５）と、使用時に測定すべき加工片（１４）に掛合させる遊端 （２１）を有しているスタイラス（２０）と、休止位置と変位位置との間の基部 に対する変位に対して基部（２５）にスタイラスを支持せしめる支持手段（２２ ）と、一対の直行座標軸（Ｘ，Ｙ）を規定する手段（２８）と、前記変位の各成 分（ｘ，ｙ）を規定する出力（Ｘ１，Ｙ１）によって前記変位の量を決定するた めの手段（３０）とを含んでいるプローブ（Ｐ）と、 ｂ）作動時に加工片（１４）に対してスタイラス（２０）を動かし、かつ基準面 （５３）に対する前記遊端（２１）の位置を測定するための手段（１５，１８） を含んでいる座標位置決め装置（Ｍ）； とを具えている加工片測定用システムにおいて，該測定用システムがさらに； ｃ）前記出力（Ｘ１，Ｙ１）を前記変位量の関数となる合成出力（４１）に合成 するための合成手段（４０）；ｄ）前記合成出力（４１）が前記変位期間中に所 定値（ｒ）を越える際にステップ信号（１７）を発生させるための限界値手段（ ３２）；及び ｅ）前記ステップ信号（１７）の発生に応答して前記位置決め装置（Ｍ）の測定 手段（１５，１６）の出力を決定するための手段（５２）； を具えるようにしたことを特徴とする加工片測定用システム。