KR20050016971A - 스캐닝 시스템 교정 방법 - Google Patents

스캐닝 시스템 교정 방법

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KR20050016971A
KR20050016971A KR10-2005-7000150A KR20057000150A KR20050016971A KR 20050016971 A KR20050016971 A KR 20050016971A KR 20057000150 A KR20057000150 A KR 20057000150A KR 20050016971 A KR20050016971 A KR 20050016971A
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KR10-2005-7000150A
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맥머트리데이빗로버츠
맥파랜드지오프리
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레니쇼우 피엘씨
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    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
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Abstract

본 발명은 좌표 측정기 상에서 물체를 측정하는 방법을 제공한다. 제1 물체를 좌표 결정기에 배치하고 가공물 접촉 프로브에 의해 측정하여, 측정 데이터를 얻는다. 측정 데이터는 복수의 철필 편향 또는 프로브 힘에서 수집된다. 제1 물체의 표면에 있는 복수의 점에 대하여, 측정 데이터를 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 값으로 외삽한다. 측정 데이터와 외삽 데이터로부터 오류 함수 또는 맵(map)을 생성한다. 그 후, 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘을 이용하여 후속 물체를 측정하고, 오류 함수 또는 맵을 사용하여 측정치에 대한 오류 교정을 적용한다.

Description

스캐닝 시스템 교정 방법{METHOD OF CALIBRATING A SCANNING SYSTEM}
본 발명은 스캐닝 시스템 교정 방법에 관한 것이다. 본 명세서에 있어서의 스캐닝 시스템은 물체의 사이즈, 형상 또는 표면 윤곽에 대한 정보를 얻기 위하여 물체를 스캔하는 데 함께 사용될 수 있는 프로브와 머신의 조합을 의미하는 것으로 이해해야 한다.
머신은, 예컨대 좌표 측정기(CMM), 공작 기계 또는 로봇 등일 수 있고, 프로브는 가공물에 접촉하는 철필(stylus)을 구비한 측정 프로브이다. 한 가지 타입의 머신은 3개의 명목상 수직 방향(X, Y 및 Z 축으로 지칭함)으로 머신 부품의 이동을 측정하기 위한 측정 장치를 포함하고, 한 가지 타입의 프로브는 3개의 명목상 수직 방향(a, b 및 c 축으로 지칭함)으로 프로브에 대한 철필 선단의 변위를 표시하는 출력을 발생시키는 측정 변환기를 포함한다. "아날로그 프로브"라는 용어가 사용되고 있지만, a, b, c 축에 대한 출력은 아날로그일 수도 있고 디지털일 수도 있다.
공지의 시스템에 있어서, 프로브, 머신 구조 및 가공물의 원치 않는 편향(deflection)에 의해 측정 오류가 초래된다. 프로브 철필의 벤딩에 기인한 오류는 기계 용적 전체에 걸쳐 동일하며, 프로브 교정에 의해 보상될 수 있다. 머신 구조의 편향에 기인한 오류는, 예컨대 머신 퀼(machine quill)의 벤딩 및 머신 브리지의 비틀림에 의해 초래될 수 있으며, 머신 용적 전체에 걸쳐 상이하다. 이들 오류는 예컨대 캔틸레버의 증가에 따라 증가한다. 측정 대상 물체에 있어서의 오류는 프로브에 의한 힘의 결과로서 측정 중에 물체의 편향에 의해 초래될 수 있다.
머신의 작업 용적의 부품은 교정 스피어(sphere)와 같은 교정 가공품을 이용함으로써 측정 오류가 교정될 수 있다. 그러나, 일반적으로 교정 가공품은 측정 대상 부품으로서 머신 용적에서 동일한 위치에 위치될 수 없고, 대신에 한 측면으로 위치된다. 따라서, 교정 가공품에서 결정된 측정 오류는 부품의 부분에 대하여 상이하다.
가속 유도 오류를 위한 머신의 교정 방법이 공지되어 있다. 이러한 방법의 한 가지 예로는 유럽 특허 318557이 있다. 이 방법에 따르면, 명목상 동일한 물품의 배치(batch)로부터의 제1 물품을 비교적 저속으로 측정하여, 물품 상의 복수의 데이터 점의 위치의 측정치를 나타낸다. 측정 작업을 비교적 고속으로 반복하여, 동일한 데이터 점의 위치의 측정치를 나타낸다. 측정치에 있어서의 임의의 차이는 교정 테이블에서 오류로서 표시된다.
그 후, 모든 물품을 비교적 고속으로 측정하여, 각 물품 상에 있어서 대응점의 위치의 측정치를 취하고, 이전에 나타낸 오류를 이용하여 이들 측정치를 머신 가속을 위하여 교정한다.
다른 오류 교정 방법은 WO 00/62015에 개시되어 있다. 이 방법에 따르면, 좌표 측정기에 장착된 프로브의 철필은 예정된 편향에 이를 때까지 물체의 표면에 수직인 방향으로 물체의 표면과 접촉하도록 구동된다. 그 후, 머신은 머신 측정 장치의 출력을 기록하는 동시에 프로브의 변환기를 측정하면서 역전된다. 이 공정은 물체의 표면 둘레에서 데이터 점의 선택을 위하여 반복된다. 각 데이터 점에 대한 측정치는 프로브의 편향이 제로일 때 취해지는 측정치를 결정하도록 외삽된다. 이러한 외삽값은 프로브가 표면과 막 접촉 상태로 있는 때에 관한 것이다.
그 후, 물체는 예정된 철필의 편향 상태에서 저속으로 스캔된다. 스캔과 초기 측정치 사이의 데이터 점에서의 차이가 기록된다.
스캔은, 고속 스캔과 초기 측정치 사이, 그리고 저속 스캔과 초기 측정치 사이에서의 기록 차이의 편차가 정해진 공차 범위를 초과할 때까지 동일한 철필 편향에서 보다 고속으로 반복된다. 공차 범위 내에 있는 마지막 속도는 최대 스캐닝 속도이다. 데이터 점에서의 위치 오류의 맵은 스캐닝 속도, 특히 가공품, 특히 CMM, 프로브 및 철필 구조 등과 관련한 데이터와 함께 저장된다. 실제 데이터가 얻어지는 방향 사이에서 소정 각도의 반경 방향 오류(즉, 데이터 지점)를 얻기 위하여 상기 맵으로부터 내삽하는 것이 가능하다.
이러한 방법은 데이터 지점을 수집하는 단계에 시간이 많이 소요된다는 단점을 갖는다.
도 1은 좌표 측정기에 장착된 아날로그 프로브의 개략도이고,
도 2는 물체 둘레에서의 일정한 철필 편향을 수반한 여러 다양한 스캔의 개략도이고,
도 3은 물체 직경과 프로브 편향의 관계를 보여주는 그래프이고,
도 4는 프로브 편향과 프로브 힘의 관계를 보여주는 그래프이고,
도 5는 프로브의 편향과 반경 방향 오류 사이의 관계를 보여주는 그래프이고,
도 6은 정적 수정 벡터의 개략도이고,
도 7은 물체 둘레에서 일정한 힘을 수반한 여러 다양한 스캔의 개략도이고,
도 8 내지 도 10은 측정 힘의 작용하에서 편향되는 요부의 개략도이고,
도 11은 강성이 낮은 요부의 측정 반경과 실제 반경을 보여주고 있고,
도 12는 동적 수정 벡터의 개략도이고,
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 방법을 실행하는 중의 스캔 프로파일을 도시하고,
도 14는 도 13의 스캔 프로파일의 일부를 보여주고 있고,
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따라 측정되는 가공물을 보여주고 있고,
도 16은 물체 둘레에서 사인 곡선을 따라 변하는 철필 편향에 의한 스캔의 개략도이고,
도 17은 물체 둘레에서 단일의 사인 곡선을 따라 변하는 철필 편향에 의한 스캔의 개략도이고,
도 18은 도 17의 스캔 프로파일의 단면도를 도시한다.
본 발명은 좌표 결정기 상에서 물체를 측정하는 방법으로서,
제1 물체를 좌표 결정기에 배치하는 단계와,
상기 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 상기 제1 물체를 가공물 접촉 프로브에 의해 측정하는 단계로서, 상기 측정 데이터는 복수의 철필 편향 또는 프로브 힘에서 수집되는 것인 단계와,
상기 제1 물체의 표면에 있는 복수의 점에 대하여, 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 값으로 측정 데이터를 외삽하는 단계와,
상기 측정 데이터와 외삽된 데이터로부터 오류 함수 또는 맵을 얻는 단계와,
기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘에서 후속 물체를 측정하는 단계와,
상기 후속 물체의 측정치에 오류 교정을 적용하도록 오류 함수 또는 맵을 이용하는 단계를 임의의 적절한 순서로 포함한다.
측정(measuring)이라는 용어는 스캐닝 프로브 또는 터치 트리거 프로브를 이용하여 측정치를 구비하는 것을 포함한다.
기지의 철필 편향 또는 프로브 힘은 기지의 일정한 편향이나 힘, 또는 기지의 가변 편향이나 힘일 수 있다.
바람직하게는, 상기 가공물 접촉 프로브에 의해 제1 물체를 측정하는 단계는 제1 물체를 스캐닝하는 것을 포함한다.
제1 물체는 일련의 실질적으로 동일한 부품의 부분일 수도 있고, 일련의 측정 대상 부품의 부분과 유사한 요부(要部)를 갖는 가공품일 수도 있다.
바람직하게는, 상기 제1 물체는 저속에서 각각의 측정 작업 중에 측정된다. 따라서, 오류 맵은 측정 힘 오류의 측정치이다.
제1 실시예에 따르면, 제1 물체는 저속에서 측정되고, 상기 측정 방법은
제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 가공물 접촉 프로브에 의해 상기 제1 물체를 고속에서 측정하는 단계로서, 상기 프로브는 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘을 갖는 것인 단계와,
저속에서의 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 외삽된 측정 데이터를 고속에서의 측정 데이터와 비교하는 단계를 더 포함하며,
상기 측정 데이터로부터 얻은 오류 함수 또는 맵은 고속에서의 측정 데이터와 관련이 있고,
상기 후속 물체는 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘으로 고속에서 측정된다.
제2 실시예에 따르면, 제1 물체는 고속에서 측정되고, 상기 측정 방법은
상기 고속에서 예정된 철필 편향 또는 프로브 힘에서의 측정 데이터와 고속에서 제로 데이터에 외삽된 값 사이의 차이로부터 제1 오류 함수 또는 맵을 얻는 단계와,
상기 예정된 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘을 이용하여 상기 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 가공물 접촉 프로브에 의해 상기 제1 물체를 저속에서 측정하는 단계와,
저속 측정 작업 중에 얻은 측정 데이터에 제1 오류 함수 또는 맵을 적용하는 단계를 더 포함하며,
상기 오류 함수 또는 맵은 상기 예정된 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘에서 고속 측정 중에 얻어진 측정 데이터와, 상기 저속에서 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 측정 데이터 사이의 차이와 관련한 제2 오류 함수 또는 맵을 포함하며,
상기 후속 물체는 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘에서 고속에서 측정된다.
본 발명의 제2 양태는 좌표 결정기 상에서 물체를 측정하는 방법이 제공되며, 이 측정 방법은
제1 물체를 좌표 결정기에 배치하는 단계와,
상기 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 상기 제1 물체를 가공물 접촉 프로브에 의해 저속에서 측정하는 단계로서, 상기 측정 데이터는 복수의 철필 편향 또는 프로브 힘에서 수집되는 것인 단계와,
상기 제1 물체의 표면에 있는 복수의 점에 대하여, 상기 저속에서의 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 값으로 측정 데이터를 외삽하는 단계와,
제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 가공물 접촉 프로브에 의해 상기 제1 물체를 고속에서 측정하는 단계로서, 상기 프로브는 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘을 갖는 것인 단계와,
저속에서의 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 외삽된 측정 데이터를 고속에서의 측정 데이터와 비교하는 단계와,
상기 측정 데이터의 비교로부터 오류 함수 또는 맵(map)을 얻는 단계와,
기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘에서 후속 물체를 고속에서 측정하는 단계와,
상기 후속 물체의 측정치에 오류 교정을 적용하도록 오류 함수 또는 맵을 이용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제3 양태는 좌표 결정기 상에서 물체를 측정하는 방법을 제공하며, 이 측정 방법은
(a) 제1 물체를 좌표 결정기에 배치하는 단계와,
(b) 상기 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 측정 작업 동안 상기 제1 물체를 가공물 접촉 프로브에 의해 고속에서 측정하는 단계로서, 상기 측정 데이터는 복수의 철필 편향 또는 프로브 힘에서 수집되는 것인 단계와,
(c) 상기 제1 물체의 표면에 있는 복수의 점에 대하여, 상기 고속에서의 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 값으로 상기 (b) 단계의 측정 데이터를 외삽하는 단계와,
(d) 상기 (b) 단계에서 얻은 측정 데이터와 단계 (c)에서 고속에서의 제로 데이터에 외삽된 값으로부터 측정 힘 오류와, 철필 편향 또는 프로브 힘 사이의 관계를 위한 제1 오류 함수 또는 맵을 얻는 단계와,
(e) 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 가공물 접촉 프로브에 의해 상기 제1 물체를 저속에서 측정하는 단계로서, 상기 프로브는 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘을 갖는 것인 단계와,
(f) 단계 (e)에서의 측정 작업 중에 얻은 측정 데이터에 단계 (d)의 제1 오류 함수 또는 맵을 적용하여, 저속에서의 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 제1 물체의 측정 데이터를 결정하는 단계와,
(g) 단계 (f)에서 결정된 상기 저속에서의 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 측정 데이터와 기지의 철필 편향 또는 프로브 힘에 대하여 고속에서 얻은 측정 데이터 사이의 관계와 관련한 제2 오류 함수 또는 맵을 얻는 단계와,
(h) 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘에서 후속 물체를 고속에서 측정하는 단계와,
(i) 상기 단계 (h)에서 얻은 측정치에 오류 교정을 적용을 적용하도록 상기 단계 (g)에서 얻은 제2 오류 함수 또는 맵을 이용하는 단계를 임의의 적절한 순서로 포함한다.
오류 함수 또는 맵은 고속으로 이동하는 프로브에 의해 야기된 동적 오류 및 측정력 오류에 대응하는 것이다.
본 발명의 제4 양태는 좌표 결정기 상에서 물체를 측정하는 측정 방법이 제공되며, 이 측정 방법은
제1 물체를 좌표 결정기에 배치하는 단계와,
상기 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 상기 제1 물체를 가공물 접촉 프로브에 의해 측정하는 단계로서, 상기 측정 데이터는 복수의 프로브 힘에서 수집되는 것인 단계와,
상기 제1 물체의 표면에 있는 복수의 점에 대하여, 제로 프로브 힘에 대응하는 값으로 측정 데이터를 외삽하는 단계와,
오류 함수 또는 맵을 얻는 단계와,
기지의 프로브 힘에서 후속 물체를 측정하는 단계와,
상기 후속 물체의 측정치에 오류 교정을 적용하도록 오류 함수 또는 맵을 이용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 선행 양태 각각에 있어서, 제1 물체는 후속 물체 상의 요부에 대응하는 기지의 형태의 요부를 갖는 가공품일 수 있으며, 상기 측정 방법은 기지의 형태와 제1 물체의 제로 데이터에 외삽된 값을 비교하여, 머신 및 프로브의 기하학적 오류의 맵 또는 함수를 발생시킨다.
이제, 첨부 도면을 참고로 하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명의 일 단계에 따르면, 소정 물체에 대하여 측정 힘의 오류 맵이 발생된다. 이는 도 1에 도시된 바와 같이 좌표 측정기(CMM; 도시 생략)의 퀼(12)에 아날로그 프로브(10)를 장착함으로써 달성된다. 아날로그 프로브(10)는 가공물 접촉 선단(16)을 갖춘 편향 가능한 철필(14)을 구비한다. 측정 대상 물체(18)는 CMM 머신 테이블(20)에 장착되어 있고, 프로브(10)는 물체 둘레의 경로에서 머신의 퀼(12)에 의해 천천히 구동된다. 물체(18)는 1차로 제1의 일정한 프로브 편향 상태, 예컨대 300 ㎛ 편향된 상태에서 소정 경로를 따라 스캔된다. 그 후, 물체는 하나 이상의 상이한 후속 프로브 편향 상태에서 상기 경로를 따라 스캔된다. 예컨대, 부품은 200 ㎛의 프로브의 편향 상태에 의해 2차로, 100 ㎛의 프로브 편향 상태에 의해 3차로 스캔될 수 있다. 도 2는 물체(16)와, 물체 둘레에서의 제1 스캔(22), 제2 스캔(24) 및 제3 스캔(26)으로부터 얻은 측정치를 보여주고 있다. 따라서, 물체(18)에서의 각 점은 3개의 상이한 측정치(A, B, C)를 갖는데, 이는 상이한 프로브의 편향에서의 3회의 상이한 스캔으로부터 발생되는 것이다. 물체의 각 점에 대하여, 측정치는 프로브의 편향이 제로인 경우에 취한 측정치를 계산하도록 역으로 외삽될 수 있다. 도 3은 물체의 직경과 프로브 편향의 관계를 도시하는 그래프이다. 실제 물체 직경은 프로브 편향이 제로인 상태에서 도시되어 있다. 제로 프로브 편향으로 외삽 단계로 인하여, 제로 프로브 편향에서의 측정치는 프로브 힘의 오류에 의해 야기되는 실제 측정치의 오류 없이 측정될 수 있게 된다. 패시브 프로브가 이 방법에 사용하기에 적합하며, 이러한 프로브는 스프링에 대항하여 편향될 수 있는 철필을 구비할 수 있다.
이 정보로 인하여, 부품의 측정 힘 오류 맵을 형성할 수 있다. 부품의 스캔을 저속에서 취한 경우에, 프로브와 머신의 매운 느린 가속에 기인하여 무시할만한 동적 오류가 발생한다.
도 4는 프로브의 편향과 프로브 힘의 관계를 도시한다. 프로브는 후크의 법칙하에서 작용하므로, 프로브 힘이 제로인 경우에는 프로브 편향이 제로로 된다.
도 5는 반경 방향 오류와 프로브 편향의 관계를 도시하고 있다. 점 A, B 및 C는 프로브 편향이 100 ㎛, 200 ㎛ 및 300 ㎛인 상태에서의 반경 방향 오류(radial error)와 각각 관련한 것이다. 제로 프로브 편향에 외삽하도록 이들 점을 사용함으로써, 제로 반경 방향 오류가 달성된다. 일단 프로브의 편향 및 반경 방향 오류와 관련한 함수를 결정하였으면, 이 함수를 이용하여 임의의 프로브 방향에서 취한 후속 측정치, 예컨대 점 P에서의 측정치는 제로 반경 방향 오류로 교정될 수 있다. 프로브의 편향과 반경 방향 오류 사이에 선형 관계가 존재하므로, 소정 프로브 편향에서의 측정치를 수정하는 함수도 역시 선형이다.
대안으로, 측정 힘의 오류는 오류 맵의 형태로 있을 수 있다. 이는 검색 테이블의 형태로 있을 수 있으며, 상이한 철필 편향에 대하여 상이한 오류 교정을 행한다. 오류 맵은 다항식 함수의 형태일 수도 있다.
도 6은 스캔 상의 점에 대한 오류 교정을 도시하고 있다. 스캔 상의 각 점은 특정 철필 편향에 대해 적용되는 상이한 반경 방향 교정(38)을 포함한다. 후속 물체가 300 ㎛의 철필 편향 상태(36)에서 스캔되는 경우에, 측정 힘의 오류 함수 또는 맵을 사용하여, 이러한 철필 편향에서 취한 측정 치수(36)를 0 ㎛의 편향에서 스캔된 부품에 대응하는 실제 부품 치수(34)로 교정할 수 있다.
물체 표면상의 점이 상이한 철필 편향에 대응하는 측정 데이터를 가져서 측정 데이터를 제로로 외삽할 수 있는 한은, 상기 방법은 일정한 편향 상태의 각각의 스캔으로 한정되지 않는다. 예컨대, 도 16은 일정한 편향 상태에서 취한 물체(18) 둘레에서의 제1 스캔 프로파일(60)과 사인 곡선을 따라 변하는 편향을 이용하여 취한 제2 스캔 프로파일(62)을 도시한다. 따라서, 물체 표면상의 점 P1, P2, P3는 각각 상이한 프로브 편향에서 취한 2개의 측정치를 갖는다. 이 측정 데이터는 이전에 설명한 바와 같이 제로로 외삽될 수 있다.
단일의 가변 스캔 프로파일 도중에 충분한 측정 데이터를 수집하는 것이 또한 가능하다. 도 17은 물체(18) 둘레에서의 단일 스캔 프로파일(70)을 도시하며, 이 스캔 프로파일(70)은 철필 편향이 사인 곡선을 따라 변하는 것을 이용하여 취한 것이다. 도 18은 스캔 프로파일(70)의 단면도를 도시하고 있다. 작은 각도(72)에 걸쳐, 스캔 프로파일(70)은 상이한 철필 편향 상태에서 취한 많은 데이터 점을 포함한다. 각도(72)에 걸쳐 표면의 변화(예컨대, 부품 편향 및 표면 균일성)가 작다고 가정하면, 각도(72)에 걸쳐 상이한 철필 편향 상태에서 취한 이들 데이터 점은 제로 계산으로 외삽되도록 사용될 수 있다. 이는, 변화가 선형이라고 가정할 수 있는 한은, 각도(72)에 걸쳐 표면 프로파일이 변하는 경우에도 또한 가능하다.
대안으로, 상이한 프로브 편향 상태에서 물체를 여러번 스캔하는 대신에, 각 스캔에 대하여 다양한 일정 힘을 갖는 프로브를 이용하여 물체를 여러번 스캔할 수 있다. 예컨대, 물체는 철필과 물체 사이에 0.3 N의 일정한 힘으로 먼저 스캔될 수 있다. 그 후, 물체는 0.2 N의 일정한 힘으로 2차 스캔될 수 있고, 0.1 N의 일정한 힘으로 3차 스캔될 수 있다. 이들 스캔 각각은 동일하거나 상이한 철필 편향 상태를 가질 수 있다. 도 7은 실제 프로브 힘이 상이할 때의 제1 스캔(28), 제2 스캔(30), 제3 스캔(32)으로부터 얻은 측정 치수와 실제 부품 치수(34)를 갖는 물체(18)를 도시하고 있다.
전술한 바와 같이, 물체의 표면상의 점에 대하여, 상이한 프로브 힘에서 스캔과 관련한 3세트의 데이터가 있다. 이 데이터는 철필과 가공물 사이의 제로 힘에 의해 측정되는 점(즉, 실제 부품 치수)을 결정할 수 있도록 역으로 외삽될 수 있다. 전술한 바와 같이, 오류 함수 또는 맵은, 소정 프로브 힘에서 취한 측정치와, 제로 기법(zero technique)으로 외삽됨으로써 제로 프로브 힘에 대하여 결정된 소정의 점에 대한 정확한 측정치를 연관시키도록 발생될 수 있다.
소정 프로브 힘에서의 후속 측정치는 상기 오류 함수 또는 맵을 이용하여 측정 힘 오류에 대하여 교정될 수 있다.
전술한 방법에서와 마찬가지로, (예컨대 사인 곡선 프로파일을 갖는) 단일 스캔의 가변 프로브 힘으로부터 제로 계산으로 외삽하기에 충분한 데이터를 수집할 수 있다.
이 방법은 활성 스캐닝 프로브에 사용하기에 적합하며, 여기서 측정 대상 부품과의 접촉력을 제어 및 조정하는 동력 기구가 사용된다.
물체는 측정 대상의 일련의 부품의 일부를 포함할 수 있다. 이 경우에, 이러한 부품의 측정 힘 오류 맵이 상기 방법에 의해 발생된다. 대안으로, 물체는 후속 측정되는 부품 상의 요부에 대응하는 요부를 갖는 가공품을 포함할 수 있다. 이들 요부는 예컨대 스피어, 링 게이지, 플러그 게이지 등일 수 있다. 가공품을 사용하면, 프로브 힘의 측정 오류 이외에 기하학적 오류도 결정할 수 있다. 기하학적 오류는 머신 및 프로브의 오류이며, 예컨대 머신 스케일(machine scale)의 비선형성 또는 머신 축선이 직선이 아닌 경우를 말한다. 가공품 상의 요부의 형태가 공지되어 있으므로, 이들 요부는 머신 및 프로브의 기하학적 오류를 교정하도록 사용될 수 있다. 이는, 가공품의 제로 데이터에 외삽된 값과 가공품의 공지의 형태를 비교하고, 그와 함께 후속 부품을 교정하는 기하학적 오류 맵을 형성함으로써 실행될 수 있다.
이 방법은 프로브 힘의 측정 오류에 기인한 오류와 기하학적 오류를 분리할 수 있다는 이점을 갖는다. 이는, 예컨대 300 ㎛ 편향 상태에서의 스캔으로부터의 측정 데이터를 가공품의 공지의 형태와 비교하는 경우에는 해당하지 않는다. 이 경우에, 프로브 힘의 측정 오류와 기하학적 오류는 하나의 교정으로 통합되고, 이들을 분리하는 것은 불가능하다.
별개의 측정 힘 오류와 기하학적 오류를 교정하는 이러한 방법은 측정 대상 물체의 편향에 기인한 오류를 고려할 때 이점을 갖는다. 강성이 낮고 및/또는 벽이 얇은 물체는 측정 중에 프로브 힘에 의해 편향될 수도 있다.
도 8은 강성이 낮은 측정 대상 요부(50)를 도시하고 있다. 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 요부가 프로브(10)와 접촉하는 때에, 요부는 프로브로부터 멀어지게 편향된다. 요부의 이러한 편향은 힘 F에서 측정된 직경을 실제 직경보다 작게 보이도록 한다. 도 11은 프로브 힘(F)을 이용하여 측정 직경(54)과 요부의 실제 직경(52)을 도시하고 있다. 마찬가지로, 링의 내경은 동일한 이유로 실제 직경보다 크게 보인다. 프로브 편향 또는 프로브 힘이 제로인 상태에서, 요부의 편향은 제로로 될 것이다. 따라서, 본 발명의 방법에 의해 발생된 측정 힘의 오류 함수 또는 맵은 제로 스텝으로의 이러한 외삽에 의해 상기 오류들을 고려한다.
본 발명의 제2 단계에서, 시스템의 동적 오류가 결정된다. 동적 오류는, 예컨대 가속에 기인한 머신의 벤딩에 의해 야기될 수 있다. 일단 측정 힘의 오류 함수 또는 맵이 전술한 바와 같이 생성된 경우에, 물체는 고속에서 스캔된다. 고속 스캔은 상기와 같이 일정한 프로브 편향 또는 일정 힘으로 실행된다. 또한, 고속 스캔은 바람직하게는 일정 속도로 실행된다. 상기 고속 스캔의 측정 데이터는, 본 발명의 제1 단계에서 설명한 바와 같이 발생된 물체의 실제 치수와 관련한 측정 힘의 오류가 교정된 저속 스캔과 비교된다. 동적 오류 함수 또는 맵은 측정 오류가 교정된 저속 스캔과 고속 스캔을 비교함으로써 발생될 수 있다. 이러한 동적 오류 맵은 고속에서 취한 후속 스캔을 교정하는 데 사용된다.
후속 스캔은, 동적 오류 함수가 편향 또는 힘에 대한 오류와 관련되므로, 원래의 고속 스캔과 동일한 철필 편향 또는 프로브 힘을 가질 필요는 없다. 그러나, 후속 스캔에 대하여도 유사한 고속을 사용하는 것이 유리하다.
도 12는 전술한 바와 같은 저속 스캔을 교정하는 측정 힘 오류에 의해 발생된 물체의 실제 치수(42)와 고속 스캔(40) 중에 취한 측정치를 도시하고 있다.
동적 오류 맵은 전체 요부 맵을 생성하도록 측정 힘 오류 맵 또는 함수와 통합되었다. 이러한 통합은 부품 둘레에서의 동적 오류 수정 벡터와 함께 도 6에 도시된 부품 둘레에서의 측정 힘 오류의 수정 벡터(38)를 부가함으로써 실행되어, 도 12에 도시된 통합 수정 벡터(44)를 발생시킨다.
이 방법은, 상이한 프로브 편향 또는 상이한 힘으로 물체를 스캔함으로써 측정 오류가 결정되므로, 측정 오류는 물체의 표면에 있어서 모든 점에 대하여 기지의 것이다. 따라서, 내삽은 필요 없다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 측정 힘 오류와 동적 오류는 통합되어 결정될 수 있다. 이제, 도 13 및 도 14를 참고로 이러한 방법을 설명한다.
제1 단계에서, 물체를 제1 편향 상태, 예컨대 200 ㎛ 편향 상태에서 예컨대 10 mm/s의 저속으로 스캔한다. 도 13은 저속 스캔(S1)의 프로파일을 도시하고 있다. 그 후, 물체는, 예컨대 100 mm/s의 고속으로, 그리고 예컨대 100 ㎛의 제2 편향 상태로 동일 경로를 따라 스캔된다. 도 13은 고속 스캔(F1)의 프로파일을 도시하고 있다. 그 후, 물체는, 예컨대 100 mm/s의 고속으로, 그리고 예컨대 200 ㎛의 제1 편향 상태로 동일 경로를 따라 스캔된다. 도 13은 고속 스캔(F2)의 프로파일을 도시하고 있다.
도 14는 물체 둘레에서의 S1, F1 및 F2 스캔 프로파일의 일부를 도시하고 있다. F1 및 F2는 동일한 고속(100 mm/s)이지만 상이한 편향 상태(각각 100 ㎛, 200 ㎛)에서의 스캔의 프로파일이다. 제로 편향으로 외삽함으로써, 고속(100 mm/s) 및 제로 편향 상태의 스캔에서의 물체의 프로파일을 결정할 수 있다. 이 프로파일은 도 14에 HSZD로서 도시되어 있다. 따라서, F2 스캔의 편향에 기인한 오류를 결정할 수 있다. 이러한 편향 오류는 도 14에 e 1 으로 도시되어 있다.
동일한 프로브 편향(200 ㎛)으로 스캔(S1과 F2)을 수행하기 때문에, 편향 오차(e1)가 스캔(S1)의 프로파일에 적용되어 제로 편향 상태의 저속에서 스캔에 대응하는 프로파일을 찾을 수 있다. 이 프로파일은 도 14에 LSZD로서 도시되어 있으며, 물체의 표면에 대응한다.
이하, LSZD는 기준선으로서 사용된다. 상기 LSZD 기준선과 F2 스캔 사이의 편향 오류가 결정된다. 이것을 도 14에 e 2 라 표기한다. 상기 편향 오류 e 2 는 교정 맵 또는 함수로서 저장될 수 있다.
이제, 스캔(F2)에 대응하는 속도와 편향으로 다음의 물체를 측정하고 교정 맵 또는 함수를 사용하여 교정할 수 있다.
이 방법은 편향 측정 프로브보다는 힘 측정 프로브와 함께 사용될 수 있다. 이 경우에, 스캔(S1과 F2)은 제1 프로브 힘으로 수행되고 스캔(F1)은 제2 프로브 힘으로 수행된다. 이어서, 2개의 고속 스캔이 힘이 제로인 고속 프로파일을 결정하도록 제로 힘에 대해 외삽법으로 추정되어야 하며, 이에 따라 F2 스캔의 힘으로 인한 오류가 결정될 수 있다.
S1, F1 및 F2 스캔 동안 물체의 측정치는 스캔 프로브 또는 터치 트리거 프로브를 사용함으로써 결정될 수 있다. 터치 트리거 프로브는 특정의 힘에서 트리거하도록 전자적으로 로딩될 수 있다. 따라서, S1과 F2 스캔 동안 프로브는 제1 힘으로 트리거하도록 로딩되고, F1 스캔 동안 프로브는 제2 힘으로 트리거하도록 로딩되어, 2개의 고속 스캔을 외삽법으로 제로 힘에 대해 추정할 수 있다.
고속 스캔(F1)과 동일한 철필 편향과 프로브 힘을 갖는 저속 스캔(S1)은 필요하지 않다. 이것은 철필 편향/프로브 힘과 측정 오류 사이의 관계가 스캔(F1과 F2)으로부터 빠른 속도로 결정되기 때문이고, 이것은 저속에서 임의의 철필 편향/프로브와의 비교가 가능하다.
이제, 본 발명의 제3 실시예를 도 15를 참고로 설명한다. 프로브의 철필(10)은 예정된 철필 힘에 도달할 때까지 물체의 표면에 수직인 방향으로 경로(46)를 따라 물체의 표면과 접촉하도록 구동된다. 이 단계는 복수의 상이한 예정 철필 힘에 대하여 동일한 경로를 따라 반복된다. 이 경로를 따른 측정 데이터는 철필과 가공물 사이에 힘이 제로인 상태에서 측정된 점을 결정할 수 있도록 역으로 외삽되게 사용된다. 이는 공칭 물체 측정치이다.
이 공정은 물체의 표면 둘레에서 데이터 점을 선택하도록 반복된다. 이들 데이터 점의 각각의 점은 후속 측정치를 교정하도록 전술한 바와 같은 오류 맵을 형성하는 데 사용된다. 데이터 점 사이의 물체의 표면의 측정치는 데이터 점 사이의 오류 맵을 내삽함으로써 교정된다.

Claims (9)

  1. 좌표 결정기 상에서 물체를 측정하는 방법으로서,
    제1 물체를 좌표 결정기에 배치하는 단계와,
    상기 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 상기 제1 물체를 가공물 접촉 프로브에 의해 측정하는 단계로서, 상기 측정 데이터는 복수의 철필(stylus) 편향 또는 프로브 힘에서 수집되는 것인 단계와,
    상기 제1 물체의 표면에 있는 복수의 점에 대하여, 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 값으로 측정 데이터를 외삽하는 단계와,
    상기 측정 데이터와 외삽된 데이터로부터 오류 함수 또는 맵(map)을 얻는 단계와,
    기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘에서 후속 물체를 측정하는 단계와,
    상기 후속 물체의 측정치에 오류 교정을 적용하도록 오류 함수 또는 맵을 이용하는 단계
    를 임의의 적절한 순서로 포함하는 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가공물 접촉 프로브에 의해 제1 물체를 측정하는 단계는 제1 물체를 스캐닝하는 것을 포함하는 것인 측정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 물체는 저속에서 측정되는 것인 측정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 물체는 저속에서 측정되고,
    제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 가공물 접촉 프로브에 의해 상기 제1 물체를 고속에서 측정하는 단계로서, 상기 프로브는 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘을 갖는 것인 단계와,
    저속에서의 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 외삽된 측정 데이터를 고속에서의 측정 데이터와 비교하는 단계를 더 포함하며,
    상기 측정 데이터로부터 얻은 오류 함수 또는 맵은 고속에서의 측정 데이터와 관련이 있고,
    상기 후속 물체는 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘으로 고속에서 측정되는 것인 측정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 물체는 고속에서 측정되고,
    상기 고속에서 예정된 철필 편향 또는 프로브 힘에서의 측정 데이터와 고속에서 제로 데이터(zero data)에 외삽된 값 사이의 차이로부터 제1 오류 함수 또는 맵을 얻는 단계와,
    상기 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 가공물 접촉 프로브에 의해 상기 제1 물체를 저속에서 측정하는 단계와,
    저속 측정 작업 중에 얻은 측정 데이터에 제1 오류 함수 또는 맵을 적용하는 단계를 더 포함하며,
    상기 오류 함수 또는 맵은 상기 예정된 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘에서 고속 측정 중에 얻어진 측정 데이터와, 상기 저속에서 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 측정 데이터 사이의 차이와 관련한 제2 오류 함수 또는 맵을 포함하며,
    상기 후속 물체는 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘에서 고속에서 측정되는 것인 측정 방법.
  6. 좌표 결정기 상에서 물체를 측정하는 방법으로서,
    제1 물체를 좌표 결정기에 배치하는 단계와,
    상기 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 상기 제1 물체를 가공물 접촉 프로브에 의해 저속에서 측정하는 단계로서, 상기 측정 데이터는 복수의 철필 편향 또는 프로브 힘에서 수집되는 것인 단계와,
    상기 제1 물체의 표면에 있는 복수의 점에 대하여, 상기 저속에서의 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 값으로 측정 데이터를 외삽하는 단계와,
    제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 가공물 접촉 프로브에 의해 상기 제1 물체를 고속에서 측정하는 단계로서, 상기 프로브는 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘을 갖는 것인 단계와,
    저속에서의 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 외삽된 측정 데이터를 고속에서의 측정 데이터와 비교하는 단계와,
    상기 측정 데이터의 비교로부터 오류 함수 또는 맵을 얻는 단계와,
    기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘에서 후속 물체를 고속에서 측정하는 단계와,
    상기 후속 물체의 측정치에 오류 교정을 적용하도록 오류 함수 또는 맵을 이용하는 단계
    를 임의의 적절한 순서로 포함하는 측정 방법.
  7. 좌표 결정기 상에서 물체를 측정하는 방법으로서,
    (a) 제1 물체를 좌표 결정기에 배치하는 단계와,
    (b) 상기 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 측정 작업 동안 상기 제1 물체를 가공물 접촉 프로브에 의해 고속에서 측정하는 단계로서, 상기 측정 데이터는 복수의 철필 편향 또는 프로브 힘에서 수집되는 것인 단계와,
    (c) 상기 제1 물체의 표면에 있는 복수의 점에 대하여, 상기 고속에서의 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 값으로 상기 (b) 단계의 측정 데이터를 외삽하는 단계와,
    (d) 상기 (b) 단계에서 얻은 측정 데이터와 단계 (c)에서 고속에서의 제로 데이터에 외삽된 값으로부터 측정 힘 오류와, 철필 편향 또는 프로브 힘 사이의 관계를 위한 제1 오류 함수 또는 맵을 얻는 단계와,
    (e) 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 가공물 접촉 프로브에 의해 상기 제1 물체를 저속에서 측정하는 단계로서, 상기 프로브는 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘을 갖는 것인 단계와,
    (f) 단계 (e)에서의 측정 작업 중에 얻은 측정 데이터에 단계 (d)의 제1 오류 함수 또는 맵을 적용하여, 저속에서의 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 제1 물체의 측정 데이터를 결정하는 단계와,
    (g) 단계 (f)에서 결정된 상기 저속에서의 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 측정 데이터와 기지의 철필 편향 또는 프로브 힘에 대하여 고속에서 얻은 측정 데이터 사이의 관계와 관련한 제2 오류 함수 또는 맵을 얻는 단계와,
    (h) 기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘에서 후속 물체를 고속에서 측정하는 단계와,
    (i) 상기 단계 (h)에서 얻은 측정치에 오류 교정을 적용을 적용하도록 상기 단계 (g)에서 얻은 제2 오류 함수 또는 맵을 이용하는 단계
    를 임의의 적절한 순서로 포함하는 측정 방법.
  8. 좌표 결정기 상에서 물체를 측정하는 방법으로서,
    제1 물체를 좌표 결정기에 배치하는 단계와,
    상기 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 상기 제1 물체를 가공물 접촉 프로브에 의해 측정하는 단계로서, 상기 측정 데이터는 복수의 프로브 힘에서 수집되는 것인 단계와,
    상기 제1 물체의 표면에 있는 복수의 점에 대하여, 제로 프로브 힘에 대응하는 값으로 측정 데이터를 외삽하는 단계와,
    오류 함수 또는 맵을 얻는 단계와,
    기지의 프로브 힘에서 후속 물체를 측정하는 단계와,
    상기 후속 물체의 측정치에 오류 교정을 적용하도록 오류 함수 또는 맵을 이용하는 단계
    를 포함하는 측정 방법.
  9. 좌표 결정기 상에서 물체를 측정하는 방법으로서,
    제1 물체를 좌표 결정기에 배치하는 단계와,
    상기 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 제1 물체를 가공물 접촉 프로브에 의해 고속 및 저속 중 어느 하나인 제1 속도에서 측정하는 단계로서, 상기 측정 데이터는 복수의 철필 편향 또는 프로브 힘에서 수집되는 것인 단계와,
    상기 제1 물체의 표면에 있는 복수의 점에 대하여, 제로 철필 편향 또는 제로 프로브 힘에 대응하는 값으로 측정 데이터를 외삽하여, 프로브 힘 오류를 제로로 되게 하는 단계와,
    상기 제1 물체의 측정 데이터를 얻기 위하여 제1 물체를 가공물 접촉 프로브에 의해 고속 및 저속 중 다른 하나인 제2 속도에서 측정하는 단계와,
    상기 제1 속도에서의 제1 물체의 외삽된 측정 데이터와 상기 제2 속도에서 취한 제1 물체의 측정 데이터를 이용하여, 제로 프로브 힘 오류 및 제로 동적 오류에 대응하는 제1 물체의 측정치를 결정하는 단계와,
    제로 프로브 힘 오류 및 제로 동적 오류에 대응하는 제1 물체의 측정치와 고속에서 소정 철필 편향 또는 프로브 힘에서의 제1 물체의 측정 데이터와 관련한 오류 함수 또는 맵을 얻는 단계와,
    기지의 철필 편향 또는 기지의 프로브 힘에서 후속 물체를 고속에서 측정하는 단계와,
    상기 후속 물체의 측정치에 오류 교정을 적용하도록 오류 함수 또는 맵을 이용하는 단계
    를 임의의 적절한 순서로 포함하는 측정 방법.
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