CN1651858A - 三维测定机的测定坐标校正方法及三维测定*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维测定机的测定坐标校正方法及三维测定***。在对三维测定机装载各种重量的工件的状态下，计测所述三维测定机的几何误差，并根据该计测结果求每个工件的重量的校正参数并存储，适当读取要测定的工件的重量所对应的校正参数，从而校正要测定的工件的测定坐标。

Description

三维测定机的测定坐标校正方法及三维测定***

技术领域

本发明涉及三维测定机的测定坐标校正方法，特别涉及在三维测定机的基座上载置有重量的工件时的测定坐标校正方法以及三维测定***。

背景技术

在三维测定机中，以沿构成三维测定空间的各轴配置的标度为基准的标度坐标系中，使用各种测定器件进行测定。为了提高三维测定机的测定精度，需要提高其结构体的静态刚性的情况增多，通过导入利用软件的空间精度校正技术，而尽可能降低几何误差从而可以应对高精度化。

如图4所示，三维测定机的几何误差中，有运动学模型中的正交坐标系中的各轴标度误差、直线度误差以及倾斜(pitching)、偏转(yawing)等角度误差。将它们归纳如下，合计有21个误差原因。

各轴标度误差：3

各轴水平方向直线度误差：3

各轴垂直方向直线度误差：3

各轴倾斜误差：3

各轴偏转误差：3

各轴转动误差：3

各轴间角度误差：3

一般在CMM(Coordinate Measuring Machine)上计测的几何误差中包含角度误差等原因的影响，所以为了将它们作为各轴基准上的误差处理，而必须进行误差的分离处理。因此，已知图4所示的使用运动学模型进行分离处理的技术(日本特开平7-146130号公报(段落0002～0007)、图4)。而且，该运动学模型使用于校正参数计算时的误差的分离处理，同时也使用在校正执行时将各校正参数进行对坐标空间上的误差的变换处理时。

通过以上的处理，即使存在各轴的误差，通过计测该误差并进行校正，也可以降低CMM的几何误差，并实现CMM的高精度。

在CMM等装置中，兼作Y轴运动导向的基座在几何误差中，特别起重要作用。利用空间精度校正实现了CMM的高精度化，但兼作Y轴运动导向的基座的几何误差中，装载用户工件时，基座变形，Y轴运动导向的几何精度变化，引起CMM的精度恶化。因此，以往，加厚基座的厚度而提高基座的静态刚性，从而增加用户最大装载重量。因此，必须对每个用户工件的最大装载重量研究基座的厚度，交货期、价格都增加。特别最近以来，测定大型模具工件的用途增加，期待可进行5t～10t的工件的测定的CMM。

发明内容

本发明鉴于这样的问题而完成，其目的在于提供一种不改变基座的厚度而可以进行对应用户工件的高精度的测定的三维测定机以及其测定空间校正方法。

本发明的第一方式的三维测定机的测定坐标校正方法的特征在于，包括：根据在对三维测定机装载了各种重量的工件的状态下计测的所述三维测定机的几何误差，来对每个工件的重量求校正参数，并将这些校正参数存储到存储部件中的步骤；输入要测定的工件的重量的步骤；以及从所述存储部件读取该步骤中输入的工件的重量所对应的校正参数，从而校正所述要测定的工件的测定坐标的步骤。

而且，本发明的第二方式的三维测定***包括：三维测定机，将要测定的工件载置到三维测定空间内的基座上来测定；控制器，用于在驱动控制该三维测定机的同时，从三维测定机取入必要的测定值；以及主计算机，对经由该控制器取入的测定值进行处理，其特征在于，包括：存储部件，存储根据在对所述三维测定机的基座装载了各种重量的工件的状态下计测的所述三维测定机的几何误差而求出的每个工件的重量的校正参数；以及输入部件，输入所述工件的重量的信息，基于所述输入的工件的重量的信息和所述存储部件所存储的校正参数，校正所述要测定的工件的测定坐标。

另外，所述存储部件，例如设置在所述控制器中，所述控制器基于所述输入的工件的重量的信息切换校正参数，从而可以校正所述要测定的工件的测定坐标。而且，所述存储部件也可以设置于所述主计算机中。在该情况下，所述主计算机基于所述输入的工件的重量的信息，对所述控制器发送该工件重量所对应的校正参数，所述控制器基于从所述主计算机发送来的校正参数，对所述要测定的工件的测定坐标进行校正。

所述输入部件可以是通过手动输入操作对所述主计算机输入工件的重量的信息的部件，也可以包括组装到所述三维测定机的基座的重量计，和对所述主计算机发送由该重量计检测出的所述工件的重量的信息的部件。

而且，所述三维测定机的基座，例如可以兼作Y轴运动导向，所述三维测定机的几何误差中可以包含所述基座的变形造成的Y轴角度误差。

根据本发明，在对三维测定机装载各种重量的工件的状态下，计测所述三维测定机的几何误差，并根据该计测结果求每个工件的重量的校正参数并存储，适当读取要测定的工件的重量所对应的校正参数，从而校正要测定的工件的测定坐标，所以即使基座由于工件的重量而变形，也可以进行高精度的坐标值的校正，所以不增加基座的厚度也可以进行对应于用户工件的高精度的测定。另外，这里所说的三维测定机不限于用于测定坐标的装置，也可以是用于测定表面性质(surface texture)的装置，包含表面粗糙度测定机、轮廓形状测定机、圆度测定机、表面波纹度(うねり)测定机、直线度测定机等。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的三维测定***的结构的方框图。

图2是表示同一***中的三维测定机的结构的立体图。

图3是表示同一***中的事前注册处理的流程图。

图4是表示用于说明三维测定机的几何误差的运动学模型的图。

图5是表示同一***中的事前注册处理时的几何误差的测定例的图。

图6(a)～(c)是用于说明同一事前注册处理时的校正参数的存储方法的图。

图7是表示同一***中的测定处理的流程图。

图8是表示同一***中的测定处理的其它例的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

图1是表示本发明的一实施方式的CNC(Computerized NumericalControl)三维测定***的结构的方框图。

该三维测定机1的同时，从三维测定机1取入必需的测定值；以及主计算机3，对经由该控制器2取入的测定值进行处理。三维测定机1包括：用于测定工件的重量的重量计1a，和用于对主计算机3发送该重量数据的发送部1b。控制器2包含用于存储数据的存储装置2a。而且，主计算机3包含用于存储数据的存储装置3a和输入部3b。

三维测定机1例如图2所示那样构成。

减振台11上载置基座12，并使其上表面作为基面而与水平面一致，在从该基座12的两端竖立的梁支承体13a、13b的上端，支承在X轴方向延伸的梁14。梁支承体13a的下端由Y轴驱动机构15沿Y轴方向驱动。而且，梁支承体13b的下端由空气轴承支承，并可在基座12上沿Y轴方向移动。梁14支承在垂直方向(Z轴方向)延伸的柱16。沿梁14在X轴方向上驱动柱16。柱16上设置主轴17，并使其被沿柱16在Z轴方向上驱动。主轴17的下端安装接触式的检测器18。该检测器18在接触到基座12上载置的工件19时，从检测器18对控制器2输出接触信号，控制器2取入此时的XYZ坐标值。而且，基座12上的规定位置上安装用于构筑机械坐标系的主球(masterball)20。

接着，说明使用了该CNC三维测定***的空间误差校正方法。

(1)事前注册

图3是表示事前注册的处理的流程图。

在该事前注册处理中，使三维测定机1的基座12上载置的工件19的重量W变化为0、5t、10t、……，对于各个情况计算用于空间误差校正的校正参数。另外，这里，重量W＝0为没有载置工件19的状态。

参照图3更详细地说明，首先，将重量W的工件19载置到三维测定机1的基座12上(S1)，并计测三维测定机1的几何误差(S2)。由此计测所述21个几何误差，由这些求出的21个几何误差计算21种校正参数(S3)。计算出的校正参数被存储于控制器2或主计算机3的存储装置3a中(S4)。在将校正参数存储于控制器2的存储装置2a中的情况下，有存储容量的限制，因而不必在每次改变工件重量时从主计算机3传输校正参数，有可以更快速地切换校正参数的优点。与此相对，在将校正参数存储于主计算机3的存储装置中的情况下，通过存储到大容量硬盘装置中，而消除存储容量的限制。通过消除存储容量的限制，可以预先准备更详细的工件重量对应的校正参数。

接着，对三维测定机1的几何误差的计测(S2)进行更详细的说明。

图4是表示三维测定机1的结构体的几何误差的运动学模型图。图中，T1、T2、T3、T4分别表示各个X轴支点、Y轴支点、Z轴支点以及主球中心点。而且，A、B、P分别为从检测器前端、主轴前端以及主轴前端B朝向检测器前端A的检测器矢量，TF1、TF2、TF3、TF4为从X轴测定点、Y轴测定点、Z轴测定点以及主球中心点分别朝向检测器前端A的矢量。

这里，作为要测定的几何误差，有特定的着眼的支点(也是转动中心)T中的平行误差(ex、ey、ez)以及转动误差(εx、εy、εz)，将从支点朝向检测器前端的矢量设为(TFx、TFy、TFz)时，校正参数(δx、δy、δz)可如下求解。

[式1]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\δx}\\ \mathrm{\δy}\\ \mathrm{\βz}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{ex}\\ \mathrm{ey}\\ \mathrm{ez}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ϵx}\\ \mathrm{\ϵy}\\ \mathrm{\ϵz}\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}\mathrm{TFx}\\ \mathrm{TFy}\\ \mathrm{TFz}\end{array}\right)$

$=\left(\begin{array}{c}\mathrm{ex}\\ \mathrm{ey}\\ \mathrm{ez}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ϵy}\·\mathrm{TFz}-\mathrm{\ϵz}\·\mathrm{TFy}\\ \mathrm{\ϵz}\·\mathrm{TFx}-\mathrm{\ϵx}\·\mathrm{TFz}\\ \mathrm{\ϵx}\·\mathrm{TFy}-\mathrm{\ϵy}\·\mathrm{TFx}\end{array}\right)$

从而，如果分别将各轴支点T1、T2、T3以及基准点T4中的平行误差设为(T_1ex、T_1ey、T_1ez)、(T_2ex、T_2ey、T_2ez)、(T_3ex、T_3ey、T_3ez)、(T_4ex、T_4ey、T_4ez)，并将转动误差分别设为(T_1εx、T_1εy、T_1εz)、(T_2εx、T_2εy、T_2εz)、(T_3εx、T_3εy、T_3εz)、(T_4εx、T_4εy、T_4εz)，则上述式1可以如式2那样扩展。

[式2]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\δx}\\ \mathrm{\δy}\\ \mathrm{\δz}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{iex}}\\ \underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{iey}}\\ \underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{iez}}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(T_{\mathrm{i\ϵy}}{T}_{\mathrm{Fiz}}-T_{\mathrm{i\ϵz}}{T}_{\mathrm{Fiy}})\\ \underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(T_{\mathrm{i\ϵz}}{T}_{\mathrm{Fix}}-T_{\mathrm{i\ϵx}}{T}_{\mathrm{Fiz}})\\ \underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(T_{\mathrm{i\ϵx}}{T}_{\mathrm{Fiy}}-T_{\mathrm{i\ϵy}}{T}_{\mathrm{Fix}})\end{array}\right)$

例如图5所示，在主轴17的前端设置测定用的光学辅助件(治具)21，可以通过由激光干涉测定计30测定对于各标度值的检测器前端位置，来进行实际的几何误差的测定。激光干涉测定计30包括：激光头31，射出激光；接收器32，使从该激光头31输出的激光通过光学辅助件21侧，同时，接收从光学辅助件21侧射入的激光；以及干涉计33，使从激光头31射出的激光和从光学辅助件21反射的激光干涉，从而生成干涉条纹。通过光学辅助件21沿XYZ的标度移动时的各位置的由干涉计33生成的干涉条纹，检测检测器位置的平行误差以及转动误差。通过对整个三维测定空间测定平行误差以及转动误差，可以计算三维测定空间的全区域的校正参数。

但是，对所有三维测定空间存储该校正参数是不现实的。因此，例如图6所示，削减存储数据量。另外，这里为了说明的简便，对沿X轴方向的校正参数δ_X进行说明。首先，如图6(a)所示，计算根据X轴计数值x的校正参数δ_X。接着，如图6(b)所示，基于预先设定的插补函数次数、得到的原始数据的曲线、根据其形状求出的区间分割数和分割位置，决定各区间的插补函数系数。例如，将各区间的插补函数次数设为“2”时，各区间中系数成为3个。然后，如图6(c)所示，实际的校正参数的读取中，通过上述求出的插补函数来计算对于计数值X的校正参数δ_X(X)。这对其它的Y轴以及Z轴的校正参数也同样进行。由此，可以大幅削减要存储的数据量。

在本实施方式中，使基座12上载置工件19的重量W变化为0、5t、10t、……，对各个情况测定上述那样的几何误差，并计算用于空间误差校正的校正参数。

而且，基座12由于工件的重量而变形时，对以基座12为导向的Y轴角度影响最大。因此，也可以对每个工件重力由角度计进行Y轴角度误差计测，以代替上述几何误差的测定。

(2)测定

图7是表示这样由存储每个工件的重量的校正参数的三维测定机实际进行测定时的流程的流程图。另外，本实施方式是在控制器2中存储校正参数的例子。

首先，在基座12上载置工件19，并将工件12的重量输入主计算机3(S11)。工件重量，由操作者通过手工输入操作输入主计算机3，或者在基座12上组装重量计1a，并自动检测，然后由发送部1b发送到主计算机3。

另外，工件重量的信息也可以使用输入部3b直接输入主计算机3。

接着，主计算机3将对应于工件重量的工件识别码发送到控制器2(S12)。控制器2将内部存储的校正参数中、计测所使用的校正参数切换为工件识别码所对应的校正参数(S13)。在实际的测定中，使用被切换的校正参数校正测定值(S14)。

图8是表示由存储了每个工件的重量的校正参数的三维测定机实际进行计测的其它实施方式的流程的流程图。在本实施方式中，在主计算机3中存储校正参数。

首先，在基座12上载置工件19，并将工件12的重量输入主计算机3(S21)。工件重量由操作者通过手工输入操作输入主计算机3，或在基座12上组装重量计，通过自动检测而输入。

接着，主计算机3将对应于工件重量的校正参数发送到控制器2(S22)。控制器2将发送来的校正参数存储到内部的存储器中(S23)。在实际的测定中，使用存储的校正参数校正测定值(S24)。

根据本实施方式，即使在测定各种重量的工件的情况下也可以进行高精度坐标值的校正，可以容易地进行测定的高精度化，但本发明不限于本实施方式。

例如，在上述实施方式中，表示了作为三维测定机在通常的三维坐标测定机中实施的例子，但不限于此，在表面粗糙度测定机、表面形状测定机、圆度测定机等一般的表面性质测定机中也可以实施。

而且，表示了在基座12上组装重量计，并通过自动检测输入的例子，但该重量计也可以组装到减振台11上。

此时的重量计也可以在基座12或减振台11上组装变形表，基于基座12或减振台11的变形量自动检测重量。

进而，重量计也可以测定基座12或梁支承体13a、13b等测定机各部的倾斜，并基于该倾斜量自动检测重量。

如以上所说明的，根据本实施方式的三维测定机的测定坐标校正方法以及三维测定***，通过要测定的工件的重量所对应的校正参数来校正工件的测定坐标，所以不仅可以缓和三维测定机的工件重量限制，也提高了工件的测定精度，所以可以更加提高测定机的可利用性，其结果，提高经济效率。

而且，可以比以往减少基座的厚度，对资源节约有效。

Claims (10)

1.一种三维测定机的测定坐标校正方法，其特征在于，

该方法包括：

根据在对三维测定机装载了各种重量的工件的状态下计测的所述三维测定机的几何误差，来对每个工件的重量求校正参数，并将这些校正参数存储到存储部件中的步骤；

输入要测定的工件的重量的步骤；以及

从所述存储部件读取该步骤中输入的工件的重量所对应的校正参数，从而校正所述要测定的工件的测定坐标的步骤。

2.如权利要求1所述的三维测定机的测定坐标校正方法，其特征在于，

在所述三维测定机的一部分组装光学辅助件，并由该光学辅助件反射来自激光光源的激光，使该反射的光与来自激光光源的激光干涉，基于由该干涉形成的干涉条纹计测所述几何误差。

3.一种三维测定***，包括：

三维测定机，将要测定的工件载置到三维测定空间内的基座上来测定；

控制器，用于在驱动控制该三维测定机的同时，从三维测定机取入必要的测定值；以及

主计算机，对经由该控制器取入的测定值进行处理，其特征在于，

该***包括：

存储部件，存储根据在对所述三维测定机的基座装载了各种重量的工件的状态下计测的所述三维测定机的几何误差而求出的每个工件的重量的校正参数；以及

输入部件，输入所述工件的重量的信息，

基于所述输入的工件的重量的信息和所述存储部件所存储的校正参数，校正所述要测定的工件的测定坐标。

4.如权利要求3所述的三维测定***，其特征在于，

所述存储部件设置在所述控制器中，

所述控制器基于所述输入的工件的重量的信息切换校正参数，从而校正所述要测定的工件的测定坐标。

5.如权利要求3所述的三维测定***，其特征在于，

所述存储部件设置于所述主计算机中

所述主计算机基于所述输入的工件的重量的信息，对所述控制器发送该工件的重量所对应的校正参数，

所述控制器基于从所述主计算机发送来的校正参数，对所述要测定的工件的测定坐标进行校正。

6.如权利要求3所述的三维测定***，其特征在于，

所述输入部件通过手工输入操作将所述工件的重量的信息输入所述主计算机。

7.如权利要求3所述的三维测定***，其特征在于，

所述输入部件包括：

组装到所述三维测定机的重量计；以及

将该重量计检测出的所述工件的重量的信息发送到所述主计算机的部件。

8.如权利要求7所述的三维测定***，其特征在于，

所述重量计测定所述三维测定机的各部的倾斜，并基于该倾斜检测所述工件的重量。

9.如权利要求3所述的三维测定***，其特征在于，

所述三维测定机的基座兼作Y轴运动导向，

所述三维测定机的几何误差中包含所述基座的变形造成的Y轴角度误差。

10.一种三维测定机的测定坐标校正方法，其特征在于，

该方法包括：

在三维测定机上载置了各种重量的工件的状态下，在三维测定机的一部分组装光学辅助件，并由该光学辅助件反射来自激光光源的激光，该反射的光与来自激光光源的激光干涉，基于由该干涉形成的干涉条纹计测所述几何误差的步骤；以及

根据该计测结果对每个工件的重量求校正参数，并在存储部件中存储这些校正参数的步骤。

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