JP2003097937A - Calibration method for measuring machine - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a calibration method for measuring machine capable of enhancing accuracy in parameter estimation of a spherical shape to improve accuracy of calibration. SOLUTION: In the method, a scaler containing a sphere is installed in a measuring space, a three-dimensional measuring machine to be calibrated 20 brings a spherical probe into contact with six or more measuring points evenly-distributed on the spherical surface of the sphere to measure the central coordinate of the sphere and then calibrate the three-dimensional measuring machine to be calibrated 20. Additionally both a basic three-dimensional measuring machine 10 having a pre-calibrated first probing system and the three-dimensional measuring machine to be calibrated 20 are located so that each measuring space is overlapped, one of either the first or the second probing system is provided with a spherical probe while the other is provided with the standardizer containing a globe, allowing the spherical probe to be in contact with six or more measuring points evenly-distributed on the spherical surface of the sphere in the scaler to obtain a first measurement by the basic three-dimensional measuring machine 10 and a second measurement by the three-dimensional measuring machine to be calibrated 20. Based on these two measurements, the three-dimensional measuring machine to be calibrated 20 is calibrated.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、測定機の校正方法
に関し、特に三次元測定機等の表面性状測定機に適した
校正方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a calibration method for measuring machines, and more particularly to a calibration method suitable for surface texture measuring machines such as coordinate measuring machines.

【０００２】[0002]

【従来の技術】被測定物の三次元形状を測定する三次元
測定機、二次元の輪郭形状を測定する輪郭形状測定機や
画像測定機、真円度を測定する真円度測定機、更に被測
定物表面のうねりや粗さ等を測定する表面粗さ測定機な
どの、被測定物表面の輪郭形状、粗さ、うねりなどを測
定する表面性状測定機が知られている。これらは接触式
あるいは非接触式のセンサーと被測定物を相対的に移動
させる案内機構を１軸乃至複数軸を備えているものが多
い。2. Description of the Related Art A coordinate measuring machine for measuring a three-dimensional shape of an object to be measured, a contour measuring machine for measuring a two-dimensional contour shape, an image measuring machine, a roundness measuring machine for measuring a roundness, and 2. Description of the Related Art A surface texture measuring machine, such as a surface roughness measuring machine for measuring the waviness or roughness of the surface of an object to be measured, is known for measuring the contour shape, roughness, or waviness of the surface of the object to be measured. These often include a contact type or non-contact type sensor and a guide mechanism for relatively moving the object to be measured, which has one or more axes.

【０００３】これらの案内機構はガイドと送りねじとこ
の送りねじに螺合されたナットを備え、このナットに結
合されたスライダを移動させ、そのスライダの移動をリ
ニヤスケールなどで測定する構成のものが多い。また、
必ずしも送りねじを備えず、ガイドとスライダから構成
され、手動で移動させられるスライダの変位量をリニヤ
スケールなどで読み取るものもある。通常はスライダに
タッチプローブやＣＣＤカメラなどのセンサーが取り付
けられている。These guide mechanisms are provided with a guide, a feed screw and a nut screwed to the feed screw, and a slider connected to the nut is moved to measure the movement of the slider with a linear scale or the like. There are many. Also,
There is also one that does not necessarily have a feed screw, is composed of a guide and a slider, and reads the displacement amount of a slider that is manually moved by a linear scale or the like. Usually, a sensor such as a touch probe or a CCD camera is attached to the slider.

【０００４】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところがこれらの案内
機構には加工上の誤差や環境変動によって生じる変形そ
の他による誤差の発生が避けられず、その結果スライダ
は正しく移動することができなくなり、このスライダに
設置されたセンサーで測定された被測定物の測定データ
には誤差が含まれることになる。However, these guide mechanisms cannot avoid the occurrence of errors due to processing errors, deformation caused by environmental changes, etc., and as a result, the slider cannot move correctly. An error will be included in the measurement data of the object measured by the sensor installed at.

【０００５】例えば、これらの案内機構のうち直線移動
を目的とした真直案内機構において発生する誤差には、
例えば垂直面内真直誤差、水平面内真直誤差、ピッチン
グ誤差、ローリング誤差、ヨーイング誤差、さらにリニ
ヤスケール自体の指示誤差などが考えられる。For example, among the guide mechanisms, the error generated in the straight guide mechanism for linear movement is as follows.
For example, there may be vertical straightness error, horizontal straightness error, pitching error, rolling error, yawing error, and further pointing error of the linear scale itself.

【０００６】表面性状測定機の内、三次元座標測定機
（Coordinate Measuring Machine、以下CMM）はこれら
の真直案内機構を３組互いに直交させた構造を備えてい
るので、さらに各真直案内機構間の直交誤差が生じ、こ
のようなCMMにおいては少なくとも合計２１種類の幾何
学的な偏差が発生する可能性がある。その結果、これら
の表面性状測定機の校正を厳密に行おうとすると、作業
には多大の労力を要するという問題がある。Among the surface texture measuring machines, a three-dimensional coordinate measuring machine (Coordinate Measuring Machine, hereinafter referred to as CMM) has a structure in which three sets of these straight guide mechanisms are orthogonal to each other. Orthogonal errors occur, and in such a CMM, at least 21 kinds of geometric deviations may occur in total. As a result, there is a problem in that a great deal of labor is required for the work if strict calibration of these surface texture measuring machines is attempted.

【０００７】一例としてCMMの幾何学的な偏差の校正を
目的とする測定機器は古い歴史を持つにもかかわらず、
測定方法の多様性の面では限られたものとなっているの
が現状である。多くの場合はレーザ干渉測長機や電気水
準器等、ひとつの幾何学的偏差を単機能的に検出する測
定機器が主流となっている。これらの測定機器を用いた
測定の不確かさを管理しようとすると、装置の取り扱い
や1回1回の測定に先立つアライメントは操作に習熟した
オペレータにより行われる必要がある。結果として技能
作業者が多大な時間を費やして校正を行う必要があり、
省力化の望めない高コスト労働集約型の作業工程となっ
ていた。一方、今日のCMMの幾何学的精度は、その動作
可能範囲で規格化すると数ppmに到達しており、単に自
動化を試みる視点では不確かさの面で満足する校正方法
を実現することは難しい。As an example, although the measuring instrument for the purpose of calibrating the geometrical deviation of the CMM has a long history,
At present, the variety of measurement methods is limited. In many cases, measuring instruments such as laser interferometers and electric level meters that detect a single geometric deviation in a single function are predominant. In order to manage the uncertainty of measurement using these measuring instruments, it is necessary for the operator who is familiar with the operation to perform the alignment before the handling of the instrument and each measurement. As a result, a skilled worker has to spend a great deal of time performing calibration,
It was a high-cost labor-intensive work process that could not be labor-saving. On the other hand, the geometrical accuracy of today's CMM has reached several ppm when standardized in its operable range, and it is difficult to realize a calibration method that is satisfactory in terms of uncertainty from the viewpoint of simply trying automation.

【０００８】近年のトレーサビリティや校正の不確かさ
への関心の高さを反映して、幾何学的な校正を、適切な
市場価格と品質で顧客に対して提供しようとする動向が
認められる。このような場合、極度に高度な技能を有す
る校正作業者の確保は期待できないし、仮にできたとし
てもコスト面での顧客満足度は低いものにとどまらざる
を得ない。また重要なことは、この市場における幾何学
的校正は、通常はメーカが何らかの方法によって既に校
正を行った測定機に対して追加的に校正を行い、その不
確かさに関する公的な校正証明書を発行することが主眼
となっている。そのためCMMの場合には測定空間をすべ
て網羅した測定を行う必要は無いし、かなり粗い測定点
間隔で評価を行うことも可能である。この点で抽出検査
的な性格を持っている。Reflecting the recent interest in traceability and calibration uncertainty, there is a trend to provide geometric calibration to customers at an appropriate market price and quality. In such a case, it is not possible to expect to have a calibrator with extremely high skill, and even if it could be done, customer satisfaction in terms of cost must be low. It is also important to note that geometrical calibration in this market usually involves additional calibration on the measuring instrument that the manufacturer has already calibrated in some way, and a public calibration certificate of its uncertainty is given. Issuing is the main focus. Therefore, in the case of CMM, it is not necessary to perform the measurement covering the entire measurement space, and it is also possible to perform the evaluation at a fairly coarse measurement point interval. In this respect, he has an extractive personality.

【０００９】一方、CMMの製造工程における校正はマー
ケットのそれと異なった特質を持っている。まず、事前
に校正された履歴が無いCMMが対象となるので、測定空
間をくまなくかつ、必要十分に細かい間隔で網羅する測
定点を配置する必要があり、全数・全機能検査に相当す
る。また、校正結果を使用してCMMの幾何学的偏差の補
償を行うことが前提となるので、精度補償に利用するこ
とが可能な運動学的に記述された幾何学的偏差として校
正値を出力する校正方法を採用する必要がある。こうし
た特質のため、熟練作業者への依存度は商業的な校正ラ
ボに比較して格段に高く、また省力化への障害も大きか
った。On the other hand, calibration in the manufacturing process of CMM has characteristics different from those of the market. First, since a CMM that has no history of calibration in advance is targeted, it is necessary to arrange measurement points that cover the measurement space and cover it at a necessary and sufficiently small interval, which is equivalent to the total number and all functional tests. Also, since it is premised that the CMM geometric deviation is compensated using the calibration result, the calibration value is output as a kinematically described geometric deviation that can be used for accuracy compensation. It is necessary to adopt a calibration method that Due to these characteristics, the degree of dependence on skilled workers is much higher than in commercial calibration laboratories, and there are major obstacles to labor saving.

【００１０】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、球形状のパラメータ推定の精度を高
めて校正の精度を向上させることができる校正方法を提
供することを目的とする。The present invention has been made in order to solve such a problem, and an object thereof is to provide a calibration method capable of improving the accuracy of spherical parameter estimation and the accuracy of calibration. .

【００１１】[0011]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明に係る第１の校正方法は、球体プローブを有
する被校正三次元測定機の測定空間内に、球体を有する
基準器を設置し、前記被校正三次元測定機で前記基準器
の球体の中心座標を、当該球体の球面上に均等に分布す
る６点以上の測定点に前記球体プローブを接触させるこ
とにより測定し、得られた中心座標に基づいて前記被校
正三次元測定機を校正することを特徴とする。In order to achieve the above object, a first calibration method according to the present invention provides a reference instrument having a sphere in a measurement space of a coordinate measuring machine having a sphere probe. It is installed, and the center coordinates of the sphere of the reference device are measured by the calibrated coordinate measuring machine by contacting the sphere probe with six or more measurement points that are evenly distributed on the spherical surface of the sphere, The coordinate measuring machine to be calibrated is calibrated on the basis of the determined center coordinates.

【００１２】本発明に係る第２の校正方法は、予め校正
された第１のプロービングシステムを有する基準三次元
測定機の測定空間内と校正対象である第２のプロービン
グシステムを有する被校正三次元測定機の測定空間とが
重なるように前記基準三次元測定機と被校正三次元測定
機とを設置し、前記第１及び第２のプロービングシステ
ムの一方に球体プローブを設置すると共に、前記第１及
び第２のプロービングシステムの他方に球体を有する基
準器を設置し、前記基準器の球体の球面上に均等に分布
する６点以上の測定点に前記球体プローブを接触させる
ことにより、前記基準三次元測定機による第１の測定値
と前記被校正三次元測定機による第２の測定値とを取得
し、前記第１及び第２の測定値に基づいて前記被校正三
次元測定機を校正することを特徴とする。A second calibration method according to the present invention is a three-dimensional calibration target having a second probing system to be calibrated in a measurement space of a reference coordinate measuring machine having a pre-calibrated first probing system. The reference coordinate measuring machine and the calibration coordinate measuring machine are installed so that the measurement space of the measuring machine overlaps with each other, and the spherical probe is installed on one of the first and second probing systems, and at the same time, the first probe is installed. And a reference device having a sphere is installed on the other side of the second probing system, and the sphere probe is brought into contact with six or more measurement points evenly distributed on the spherical surface of the sphere of the reference device. Obtaining a first measured value by the original measuring machine and a second measured value by the calibrated coordinate measuring machine, and calibrating the calibrated coordinate measuring machine based on the first and second measured values. And wherein the Rukoto.

【００１３】本発明によれば、基準器に設けられた球体
の球面上に均等に分布する６点以上を測定点として採用
し、球体のパラメータを推定することにより、ＸＹＺ方
向に等方で互いに相関がなくなるため、「特定の不確か
さ」が改善されて、信頼性の高いデータを得ることがで
きる。According to the present invention, six or more points, which are evenly distributed on the spherical surface of the sphere provided on the reference device, are adopted as the measurement points, and the parameters of the sphere are estimated, so that they are isotropic in the XYZ directions. Since there is no correlation, “specific uncertainty” is improved, and reliable data can be obtained.

【００１４】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明を用いた好適な実施
の形態について図面を用いて説明する。なお、全図中に
おいて同一符号を付したものは同一構成要素を表わして
いる。図１は第１実施形態にかかる、2台のCMMの座標指
示値を直接に比較測定し得る校正システム１００の外観
を示す。Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals represent the same constituent elements. FIG. 1 shows an external appearance of a calibration system 100 according to the first embodiment, which is capable of directly comparing and measuring coordinate indication values of two CMMs.

【００１５】この校正システム１００は、被校正CMM２
０が測定空間内に設置された基準CMM１０と、基準CMM１
０及び被校正CMM２０をそれぞれコントロールすると共
に座標情報を収集するCMMコントローラ４０，５０と、
これらコントローラ４０，５０を介して座標情報を入力
して基準CMM１０により得られた座標情報（第２の座標
情報）で被校正CMM２０を構成するための演算手段であ
るホストコンピュータ（ホストＰＣ）３０とを備えてい
る。This calibration system 100 includes a CMM 2 to be calibrated.
0 is the reference CMM10 installed in the measurement space and reference CMM1
0 and CMM 20 to be calibrated, respectively, and CMM controllers 40 and 50 for collecting coordinate information,
A host computer (host PC) 30 which is an arithmetic means for configuring the CMM 20 to be calibrated with the coordinate information (second coordinate information) obtained by the reference CMM 10 by inputting coordinate information via the controllers 40 and 50. Is equipped with.

【００１６】被校正CMM２０は、例えば門移動型のCMMで
ある。ワークを載置するための第１のベースプレート２
１の両側端から立設されたビーム支持体２２ａ，２２ｂ
の上端にX軸方向に延びるビーム２３が支持されてい
る。ビーム支持体２２ａは、その下端がY軸駆動機構２
４によってY軸方向に移動可能に支持されている。ビー
ム支持体２２ｂは、その下端がエアーベアリングによっ
てベースプレート２１にY軸方向に移動可能に支持され
ている。ビーム２３は、Z軸方向（垂直方向）に延びる
コラム２５を支持する。コラム２５は、ビーム２３に沿
ってX軸方向に駆動される。コラム２５には、スピンド
ル２６がコラム２５に沿ってZ軸方向に駆動可能に設け
られている。スピンドル２６の下端には、基準器２７が
装着されている。The CMM 20 to be calibrated is, for example, a gate-moving CMM. First base plate 2 for placing a work
1. Beam supports 22a, 22b erected from both side ends of
A beam 23 extending in the X-axis direction is supported on the upper end of the. The lower end of the beam support 22a is the Y-axis drive mechanism 2
It is supported by 4 so as to be movable in the Y-axis direction. The lower end of the beam support 22b is supported by the base plate 21 so as to be movable in the Y-axis direction by an air bearing. The beam 23 supports a column 25 extending in the Z-axis direction (vertical direction). The column 25 is driven along the beam 23 in the X-axis direction. A spindle 26 is provided on the column 25 along the column 25 so as to be driven in the Z-axis direction. A reference unit 27 is attached to the lower end of the spindle 26.

【００１７】基準CMM１０も、例えば門移動型のCMMであ
り、被校正CMM２０を載置可能な大きさを有する第２の
ベースプレート１１を備える。このベースプレート１１
の両側端から立設されたビーム支持体１２ａ，１２ｂの
上端にX軸方向に延びるビーム１３が支持されている。
ビーム支持体１２ａは、その下端がY軸駆動機構１４に
よってY軸方向に移動可能に支持されている。ビーム支
持体１２ｂは、その下端がエアーベアリングによってベ
ースプレート１１にY軸方向に移動可能に支持されてい
る。ビーム１３は、Z軸方向（垂直方向）に延びるコラ
ム１５を支持する。コラム１５は、ビーム１３に沿って
X軸方向に駆動される。コラム１５には、スピンドル１
６がコラム１５に沿ってZ軸方向に駆動可能に設けられ
ている。スピンドル１６の下端には、接触式のプローブ
１７が装着されている。The reference CMM 10 is also a gate-moving CMM, for example, and is provided with a second base plate 11 having a size capable of mounting the CMM 20 to be calibrated. This base plate 11
A beam 13 extending in the X-axis direction is supported on the upper ends of the beam supports 12a and 12b that are erected from both ends of the beam.
The beam support 12a is supported at its lower end by the Y-axis drive mechanism 14 so as to be movable in the Y-axis direction. The lower end of the beam support 12b is supported by the base plate 11 so as to be movable in the Y-axis direction by an air bearing. The beam 13 supports a column 15 extending in the Z-axis direction (vertical direction). Column 15 along the beam 13
Driven in the X-axis direction. Column 15 has spindle 1
6 is provided along the column 15 so as to be driven in the Z-axis direction. A contact type probe 17 is attached to the lower end of the spindle 16.

【００１８】図２は、この校正システム１００の内部構
成を示すブロック図である。基準CMM１０には、コント
ローラ４０からの各軸の駆動制御指令に基づいて、コラ
ム１５をX軸方向に駆動するX軸駆動部１８ａ、ビーム１
３をY軸方向に駆動するY軸駆動部１８ｂ及びスピンドル
１６をZ軸方向に駆動するZ軸駆動部１８ｃが設けられて
いる。また、基準CMM１０には、コラム１５のX軸方向位
置を示すX軸座標情報を出力するX軸スケール１９ａ、ビ
ーム１３のY軸方向位置を示すY軸座標情報を出力するY
軸スケール１９ｂ及びスピンドル１６のZ軸方向位置を
示すZ軸座標情報を出力するZ軸スケール１９ｃが設けら
れている。一方の被校正CMM２０にも、コントローラ５
０からの各軸の駆動制御指令に基づいて、コラム２５を
X軸方向に駆動するX軸駆動部２８ａ、ビーム２３をY軸
方向に駆動するY軸駆動部２８ｂ及びスピンドル２６をZ
軸方向に駆動するZ軸駆動部２８ｃが設けられている。
また、被校正CMM２０には、コラム２５のX軸方向位置を
示すX軸座標情報を出力するX軸スケール２９ａ、ビーム
２３のY軸方向位置を示すY軸座標情報を出力するY軸ス
ケール２９ｂ及びスピンドル２６のZ軸方向位置を示すZ
軸座標情報を出力するZ軸スケール２９ｃが設けられて
いる。FIG. 2 is a block diagram showing the internal structure of the calibration system 100. The reference CMM 10 has an X-axis drive unit 18a that drives the column 15 in the X-axis direction based on a drive control command for each axis from the controller 40, and the beam 1
There is provided a Y-axis drive unit 18b for driving 3 in the Y-axis direction and a Z-axis drive unit 18c for driving the spindle 16 in the Z-axis direction. Further, to the reference CMM 10, an X-axis scale 19a that outputs X-axis coordinate information that indicates the X-axis direction position of the column 15, and Y that outputs Y-axis coordinate information that indicates the Y-axis direction position of the beam 13.
A Z-axis scale 19c that outputs Z-axis coordinate information indicating the Z-axis direction position of the axis scale 19b and the spindle 16 is provided. One of the CMMs to be calibrated also has a controller 5
Based on the drive control command of each axis from 0, the column 25
The X-axis drive unit 28a that drives in the X-axis direction, the Y-axis drive unit 28b that drives the beam 23 in the Y-axis direction, and the spindle 26 in the Z-direction.
A Z-axis drive unit 28c that drives in the axial direction is provided.
Further, to the CMM 20 to be calibrated, an X-axis scale 29a that outputs X-axis coordinate information that indicates the X-axis direction position of the column 25, a Y-axis scale 29b that outputs Y-axis coordinate information that indicates the Y-axis direction position of the beam 23, and Z indicating the position of the spindle 26 in the Z-axis direction
A Z-axis scale 29c that outputs axis coordinate information is provided.

【００１９】ここで、X軸に関しては、ビーム２３，１
３がそれぞれ第１及び第２のガイド、コラム２５，１５
がそれぞれ第１及び第２のスライダ、X軸スケール２９
ａ，１９ａがそれぞれ第１及び第２のスケールに対応す
る。Y軸に関しては、Y軸駆動機構２４，１４がそれぞれ
第１及び第２のガイド、ビーム２３，１３がそれぞれ第
１及び第２のスライダ、Y軸スケール２９ｂ，１９ｂが
それぞれ第１及び第２のスケールに対応する。Z軸に関
しては、コラム２５，１５がそれぞれ第１及び第２のガ
イド、スピンドル２６，１６がそれぞれ第１及び第２の
スライダ、Z軸スケール２９ｃ，１９ｃがそれぞれ第１
及び第２のスケールに対応する。Here, with respect to the X axis, the beams 23, 1
3 is the first and second guides, columns 25 and 15 respectively
Are the first and second sliders and the X-axis scale 29, respectively.
a and 19a correspond to the first and second scales, respectively. Regarding the Y-axis, the Y-axis drive mechanisms 24 and 14 are the first and second guides, the beams 23 and 13 are the first and second sliders, and the Y-axis scales 29b and 19b are the first and second guides, respectively. Corresponds to the scale. Regarding the Z-axis, the columns 25 and 15 are the first and second guides, the spindles 26 and 16 are the first and second sliders, and the Z-axis scales 29c and 19c are the first, respectively.
And the second scale.

【００２０】この校正システム１００では、基準CMM１
０と被校正CMM２０との相対位置を検出するにはプロー
ビングシステムが用いられる。プロービングシステムに
は、プローブ球が測定対象に接触した瞬間にトリガ信号
を発生してCMMのカウンタをラッチするタッチシグナル
プローブ（タッチプローブ）と、内部に三次元変位測定
系を持った測定プローブの2つの方式があり、本発明で
はいずれのプロービングシステムも使用可能であるが、
この実施形態ではCMMシステムの制御や取り扱いが容易
で離散的測定については十分なスループットが期待で
き、かつ安価な特徴を持つタッチプローブ１７を採用す
ることにした。基準CMM１０のタッチプローブ１７から
出力されるタッチ信号は2つに分岐されて2台のCMMコン
トローラ４０，５０に入力されて測定のトリガ信号を与
える。タッチシグナルプローブ１７の測定子には先端に
球体１７ａを有する球プローブを使用する。また、被校
正CMM２０のスピンドル２６の下端に固定した基準器２
７には、後述する３つの球体２７ａ，２７ｂ，２７ｃが
取り付けられている。これら球体２７ａ，２７ｂ，２７
ｃの球形体がプローブ１７で測定される。In this calibration system 100, the reference CMM 1
A probing system is used to detect the relative position between 0 and the CMM 20 to be calibrated. The probing system consists of a touch signal probe (touch probe) that generates a trigger signal and latches the CMM counter at the moment the probe ball comes into contact with the measurement target, and a measurement probe that has a three-dimensional displacement measurement system inside. There are two methods, and any probing system can be used in the present invention.
In this embodiment, the touch probe 17 is adopted, which has features that the control and handling of the CMM system is easy, a sufficient throughput can be expected for discrete measurement, and the cost is low. The touch signal output from the touch probe 17 of the reference CMM 10 is branched into two and input to the two CMM controllers 40 and 50 to give a measurement trigger signal. As the probe of the touch signal probe 17, a sphere probe having a sphere 17a at its tip is used. Further, the reference device 2 fixed to the lower end of the spindle 26 of the CMM 20 to be calibrated
Three spherical bodies 27a, 27b, and 27c, which will be described later, are attached to 7. These spheres 27a, 27b, 27
The sphere of c is measured with probe 17.

【００２１】測定に伴う系統的な誤差要因を検出・補償
するためにCMM１０，２０の各軸に取り付けた温度セン
サ６１，６２の出力を温度ロガー６３を介して随時サン
プリングする。また2台のCMM１０，２０の相対位置の微
小な変動を差動トランス型変位センサ６４により検出す
る。The outputs of the temperature sensors 61 and 62 attached to the respective axes of the CMMs 10 and 20 are sampled at any time via the temperature logger 63 in order to detect and compensate for systematic error factors associated with the measurement. Further, a slight change in the relative position of the two CMMs 10 and 20 is detected by the differential transformer type displacement sensor 64.

【００２２】パーソナルコンピュータをホストＰＣ３０
として、このホストＰＣは2台のCMM１０，２０の駆動・
位置決めと測定信号やセンサ信号の処理を行ない、測定
に引き続いてパラメトリックエラーの推定を行なう。The personal computer is a host PC 30
This host PC drives two CMMs 10 and 20.
Positioning and processing of measurement and sensor signals are performed, and parametric error estimation is performed subsequent to measurement.

【００２３】図３は、本実施形態による校正システム１
００による被校正CMM２０の構成手順を示すフローチャ
ートである。既に校正された大型のCMM（Ref．CMM 基
準CMM１０）のベースプレート（測定テーブル）１１に
校正対象となる小型の被校正CMM２０（Obj．CMM）を設
置する（Ｓ１）。この状態において次の通りの手順で測
定を行う。FIG. 3 shows a calibration system 1 according to this embodiment.
9 is a flowchart showing a procedure for configuring the CMM 20 to be calibrated by using 00. A small CMM20 to be calibrated (Obj.CMM) to be calibrated is installed on a base plate (measurement table) 11 of a large CMM (Ref. CMM reference CMM10) that has already been calibrated (S1). In this state, measurement is performed by the following procedure.

【００２４】まず基準CMM１０のタッチプローブ１７に
取り付けられた球体１７ａを測定戦略（前もって決定し
た測定手順）にしたがって目標座標に位置決めする（Ｓ
２）。次に、被校正CMM２０のＺ軸スピンドル２６の先
端に固定された球体２７ａ〜２７ｂのそれぞれを移動さ
せて、基準CMM１０の球体１７ａにアプローチして球体
２７ａ〜１７ｃの球形体の測定を行う（Ｓ３）。タッチ
プローブ１７のタッチ信号は、2台のCMMコントローラ４
０，５０に供給され、共通のタッチ信号をトリガとして
2台のCMMのコントローラ４０，５０でそれぞれスケール
１９ａ〜１９ｃ及び２９ａ〜２９ｃからの座標情報がラ
ッチされる。コントローラ４０，５０は、ラッチされた
座標情報をホストＰＣ３０に転送する（Ｓ４）。ホスト
ＰＣ３０は、被校正CMM２０及び基準CMM１０から出力さ
れた座標情報に基づいて被校正CMM２０を校正する（Ｓ
５）。この測定法では固定された球体２７ａ〜２７ｃを
支持する被校正CMM２０側がタッチプローブ１７を支持
する基準CMM１０側にアプローチする。これは通常の座
標測定のアプリケーションと逆であるが、得られる測定
値に寄与する誤差要因とその内容は双方とも同一とな
る。またこれとは反対に、被校正CMM２０側の球体２７
ａ〜２７ｃを測定戦略にしたがって位置決めしておき、
基準CMM１０の球体１７ａを球体２７ａ〜２７ｃにアプ
ローチさせて球形体の測定を行っても良い。First, the sphere 17a attached to the touch probe 17 of the reference CMM 10 is positioned at the target coordinates according to the measurement strategy (measurement procedure determined in advance) (S).
2). Next, each of the spheres 27a to 27b fixed to the tip of the Z-axis spindle 26 of the CMM 20 to be calibrated is moved to approach the sphere 17a of the reference CMM10 to measure the spheres of the spheres 27a to 17c (S3). ). The touch signal from the touch probe 17 is sent to the two CMM controllers 4
It is supplied to 0 and 50, and a common touch signal is used as a trigger.
The coordinate information from the scales 19a to 19c and 29a to 29c is latched by the controllers 40 and 50 of the two CMMs, respectively. The controllers 40 and 50 transfer the latched coordinate information to the host PC 30 (S4). The host PC 30 calibrates the CMM 20 to be calibrated based on the coordinate information output from the CMM 20 to be calibrated and the reference CMM 10 (S
5). In this measuring method, the calibrated CMM 20 side supporting the fixed spheres 27a to 27c approaches the reference CMM 10 side supporting the touch probe 17. This is the reverse of the normal coordinate measurement application, but the error factors and their contents that contribute to the obtained measurement values are the same. On the contrary, the sphere 27 on the CMM20 side to be calibrated
Position a to 27c according to the measurement strategy,
The sphere 17a of the reference CMM 10 may be approached to the spheres 27a to 27c to measure the sphere.

【００２５】（１）基準CMMと被校正CMMの仕様 基準CMM１０と被校正CMM２０の仕様の概略を図４に示
す。門移動型の門部の移動をY軸、門部の上部、図では
左右に移動する軸をX軸、そして鉛直方向の移動をZ軸と
定義する。このタイプの被校正CMMは今日最もポピュラ
ーな門移動型の構造を有し、CNC駆動型CMMの中では普及
価格帯に属する。精度面での品質を保ちながら生産コス
トを低減することに対して製造者の要望が強く、空間座
標の比較測定法を適用するターゲットとして最適であ
る。(1) Specifications of Reference CMM and Calibration CMM FIG. 4 shows an outline of specifications of the reference CMM 10 and calibration CMM 20. The movement of the gate of the gate movement type is defined as the Y axis, the upper part of the gate, the axis that moves left and right in the figure is the X axis, and the movement in the vertical direction is defined as the Z axis. This type of CMM to be calibrated has the most popular gate-moving type structure today and belongs to the popular price range among the CNC-driven CMMs. There is a strong demand from the manufacturer to reduce the production cost while maintaining the quality in terms of accuracy, and it is an optimal target for applying the comparative measurement method of spatial coordinates.

【００２６】基準CMM１０に対する要求項目には、測定
の不確かさ、メンテナンスを含めた経済性、被校正CMM
２０の測定範囲をカバーし得る測定範囲を持つこと、な
どがある。これらを決定する主要な要因のひとつとし
て、CMMの運動学的な構成がある。CMMの運動学的な構成
には数種類の分類がなされている。基準CMM１０、被校
正CMM２０共に門移動型を採用すると、被校正CMM２０の
最大幅が基準CMM１０の測定領域に収まるように2台の機
種選定を行なう必要がある。この制限によって、被校正
CMM２０の寸法に対して比較的大きな基準CMM１０を採用
することになる。Requirements for the standard CMM 10 include uncertainty of measurement, economic efficiency including maintenance, and CMM to be calibrated.
Having a measurement range that can cover 20 measurement ranges, and so on. One of the major factors that determine these is the kinematic composition of the CMM. The kinematic composition of CMM has been classified into several types. If both the reference CMM 10 and the CMM 20 to be calibrated are gate-moving type, it is necessary to select two models so that the maximum width of the CMM 20 to be calibrated falls within the measurement area of the reference CMM 10. Due to this limitation,
A relatively large reference CMM 10 is adopted with respect to the dimensions of the CMM 20.

【００２７】図４から明らかなように、採用しようとす
る基準CMMの測定の不確かさは被校正CMMの不確かさに対
して、寄与を無視し得るほどには不確かさが良好ではな
い。長さの校正では、被校正機器の1/5程度高性能な校
正標準を用いた校正を行うことが通常である。しかしCM
M同士の座標指示値を比較測定することを考えると、被
校正CMM２０の1/5程度に高精度で、かつ被校正CMMの測
定範囲をカバーするCMMを参照することは経済的に得策
とは言えない。ここで行ったCMMの選択の例では、基準C
MM１０と被校正CMM２０の不確かさの比は1:2程度となっ
ている。ISO GUM 1995（Guide to the expression of U
ncertainty in Measurement：測定における不確かさの
表現へのガイド）によれば、校正や測定の不確かさを統
計的に定量化することができれば、標準の不確かさが被
校正機器に対して著しく小さい必要があるとする考え方
の合理性は認められないとされている。As is apparent from FIG. 4, the uncertainty of measurement of the reference CMM to be adopted is not so good that the contribution can be ignored with respect to the uncertainty of the CMM to be calibrated. For length calibration, it is usual to perform calibration using a calibration standard that is about 1/5 the performance of the device under test. But CM
Considering the comparative measurement of coordinate indicated values between Ms, it is economically advantageous to refer to a CMM that is as highly accurate as 1/5 of the CMM 20 to be calibrated and that covers the measurement range of the CMM to be calibrated. I can not say. In the example of CMM selection made here, the reference C
The uncertainty ratio between MM10 and CMM20 to be calibrated is about 1: 2. ISO GUM 1995 (Guide to the expression of U
ncertainty in Measurement: A guide to the representation of uncertainty in measurements, if the uncertainty of the calibration or measurement can be statistically quantified, the standard uncertainty needs to be significantly smaller for the UUT. It is said that the rationality of a certain idea cannot be recognized.

【００２８】（２）空間座標の比較測定 一般にCMMは空間の3方向に感度を有するプローブを取り
付けて使用することになるので、その基本的な測定値は
3次元空間中の位置ベクトル、すなわち座標指示値であ
ると考えることができる。(2) Comparative measurement of spatial coordinates Generally, the CMM is used by attaching a probe having sensitivity in three directions of space, so the basic measurement value is
It can be considered as a position vector in a three-dimensional space, that is, a coordinate indication value.

【００２９】2台のCMMを対向させて設置し、それらの間
で空間座標の比較測定を行うには、例えば、基準CMM１
０をある位置に位置決めしておき、その測定子として固
定した、ある形体を被校正CMM２０のプローブ等で測定
する方法が考えられる。あらかじめ定めた測定戦略にし
たがって基準CMMを移動、順次位置決めし、形体の測定
を各位置で繰り返す。これにより被校正CMM２０の測定
空間を網羅する幾何学的偏差の測定データを得る。得ら
れたデータを基にして被校正CMM２０の校正を行う。To set two CMMs facing each other and perform comparative measurement of spatial coordinates between them, for example, a reference CMM1 is used.
A method is conceivable in which 0 is positioned at a certain position, and a certain feature fixed as the probe is measured with a probe or the like of the CMM 20 to be calibrated. The reference CMM is moved and positioned sequentially according to a predetermined measurement strategy, and the feature measurement is repeated at each position. Thereby, the measurement data of the geometric deviation covering the measurement space of the CMM 20 to be calibrated is obtained. The CMM 20 to be calibrated is calibrated based on the obtained data.

【００３０】空間座標の比較測定は測定子位置で検出さ
れる並進3自由度の情報を直接比較測定しようとする方
法なので、それが支配的な形体を介して測定を行うこと
を考える。公知の例を参照すると、アーティファクト
（形成品）上に設置された測定のための形体としては球
が圧倒的に多い。ただし、その形体を特定の手順で測定
し、さらに形体を表現するパラメータを推定した結果の
信頼性の分布が等方に近いことが望ましいと考える。こ
れは、その形体を表現するパラメータの信頼性がそのま
ま被校正CMMの校正の不確かさに伝播するためである。Since the comparative measurement of the spatial coordinates is a method for directly comparing and measuring the information of the translational three degrees of freedom detected at the position of the tracing stylus, it is considered that the measurement is performed through the dominant feature. With reference to known examples, spheres are by far the predominant feature for measurement placed on an artifact. However, it is desirable that the reliability distribution of the result of measuring the feature by a specific procedure and estimating the parameters expressing the feature is close to isotropic. This is because the reliability of the parameter expressing the feature propagates directly to the calibration uncertainty of the CMM under test.

【００３１】（３）球形体のパラメータ推定 形体の計測の信頼性は測定点の配置や測定戦略により大
きく影響を受ける。CMMによって球を測定する場合、こ
の形体を表現する4つの未知のパラメータを推定するこ
とになる。ここで各測定点のばらつきが既知の場合、測
定点の配置がパラメータの信頼性に及ぼす影響について
考えてみる。(3) Parameter estimation of spherical shape The reliability of the measurement of the shape is greatly affected by the arrangement of measurement points and the measurement strategy. When measuring a sphere with a CMM, one would estimate four unknown parameters that describe this feature. Here, when the variation of each measurement point is known, let us consider the influence of the arrangement of the measurement points on the reliability of the parameters.

【００３２】球の測定では赤道上に90度等配で4点、北
極に1点の測定点を配置する図５Ａの測定戦略を採用す
る場合が多い。この5点の測定点を用いて球の中心座標
と直径を表す4つのパラメータを最小二乗法で推定する
と、4つのパラメータの信頼性を記述する誤差行列 は式
（１）の通りとなる。この式では各測定点の測定のばら
つきが分散にして無次元数1の時、測定点の間に相関関
係がない場合について、北極方向をZ方向として計算し
ている。In the measurement of a sphere, the measurement strategy of FIG. 5A is often adopted in which four measurement points are arranged on the equator at 90 degrees and one measurement point is arranged at the North Pole. If the four parameters that represent the center coordinates and diameter of the sphere are estimated by the least squares method using these five measurement points, the error matrix that describes the reliability of the four parameters is given by equation (1). In this formula, when the measurement variation at each measurement point is distributed and the dimensionless number is 1, and there is no correlation between the measurement points, the north pole direction is calculated as the Z direction.

【００３３】[0033]

【数１】 [Equation 1]

【００３４】式（１）の対角成分は1行1列より、中心座
標X、Y、Z成分、そして直径を表すパラメータ推定値の
分散をそれぞれ示す。中心座標のX、Y成分については等
しい分散が得られているが、Z方向成分の信頼性は2倍以
上低い結果となる。この測定点配置で中心座標3成分を
推定すると、Z方向の信頼性に余裕を見込む必要のある
ことがわかる。The diagonal components of the equation (1) indicate the central coordinate X, Y, Z components and the variance of the parameter estimation value representing the diameter from the 1st row and 1st column. Equal variances are obtained for the X and Y components of the central coordinates, but the reliability of the Z component is more than twice as low. If the central coordinate three components are estimated with this arrangement of measurement points, it can be seen that it is necessary to allow for a margin in the reliability in the Z direction.

【００３５】ここで、図５Ｂに示す通り、球面上に均等
に分布する6点を測定点として採用し、パラメータの推
定を行うと、誤差行列 は式（２）の通りとなる。X、
Y、Z方向に等方で、互いに相関のない信頼性の高い数値
を得ることができる。球の測定におけるパラメータ推定
の立場からは均等に測定点を配置することが望ましいこ
とがわかる。またこの場合、１つの測定点のばらつき
は、分散にして1/2に圧縮されてパラメータに伝播する
ことがわかる。Here, as shown in FIG. 5B, when six points that are evenly distributed on the spherical surface are adopted as the measurement points and the parameters are estimated, the error matrix becomes as shown in equation (2). X,
It is possible to obtain highly reliable numerical values that are isotropic in the Y and Z directions and have no correlation with each other. From the standpoint of parameter estimation in sphere measurement, it can be seen that it is desirable to arrange the measurement points evenly. Also, in this case, it can be seen that the dispersion of one measurement point is dispersed and compressed to 1/2 and propagated to the parameter.

【００３６】[0036]

【数２】 [Equation 2]

【００３７】ただし、現実のCMMにおいて通常行なわれ
る球形体の測定では、プローブ球の径が測定される対象
球に比べてかなり小さく、プローブ球のステムが対象球
に干渉して均等に測定点を配置することができない。例
えばPTB（ドイツ標準研究所）による仮想CMM（Virtual
CMM [PTB 1999]）で指示されているボールプレートの測
定においても、球形体の赤道4点、北極1点の合計5点で
測定を行なうことが記されている。そこでは球の中心座
標の推定を、X、Y、そしてZ方向すべてに対して行なっ
てはいるが、Z方向の情報はボールプレートのアライメ
ント用の情報として扱われ、CMMの校正には使われてい
ない。However, in the measurement of a spherical body that is usually performed in an actual CMM, the diameter of the probe sphere is considerably smaller than that of the target sphere to be measured, and the stem of the probe sphere interferes with the target sphere and the measurement points are evenly distributed. Cannot be placed. For example, virtual CMM (Virtual
The CMM [PTB 1999]) also indicates that the measurement of a ball plate is performed at a total of 5 points, 4 points on the equator and 1 point on the North Pole of the spherical body. Although the center coordinates of the sphere are estimated in all X, Y, and Z directions, the information in the Z direction is treated as the information for ball plate alignment, and is used for CMM calibration. Not not.

【００３８】そこで、測定対象の球体の球面上に均等に
複数の測定点を確保するための望ましい測定対象及びタ
ッチプローブの球体とそれらのステムとの関係について
説明する。Now, a description will be given of a desirable relationship between the sphere of the touch probe and the sphere of the touch probe, which is desirable for ensuring a plurality of measurement points on the spherical surface of the sphere to be measured.

【００３９】いま、図６に示すように、測定点が６点で
あると仮定すると、測定対象の球体ＯＢの表面上に均等
に配置された６つの測定点ＭＰは、図６に示すように、
正８面体の６つの頂点を構成する。この場合、ステムＯ
Ｓが測定点ＭＰから最も離れるためには、図６に示すよ
うに、６つの測定点ＭＰのうちの３つ同士が、それぞれ
ステムＯＳの中心軸に対して直交する面内に配置される
ことが必要である。換言すると、ステムＯＳの中心軸を
地球の自転軸と見立てた場合、北半球と南半球の同一緯
度にそれぞれ３つの測定点ＭＰが位置することになる。
これら３つの測定点の組は、それぞれ正三角形を形成
し、ステムＯＳの中心軸に対して互いに１８０度回転す
る関係に配置されている。Assuming that there are six measurement points as shown in FIG. 6, the six measurement points MP evenly arranged on the surface of the sphere OB to be measured are as shown in FIG. ,
The six vertices of a regular octahedron are constructed. In this case, the stem O
In order for S to be most distant from the measurement point MP, as shown in FIG. 6, three of the six measurement points MP must be arranged in a plane orthogonal to the central axis of the stem OS. is necessary. In other words, assuming that the central axis of the stem OS is the axis of rotation of the earth, three measurement points MP are located at the same latitude in the northern hemisphere and the southern hemisphere.
The set of these three measurement points forms an equilateral triangle, and is arranged in a relationship of rotating 180 degrees with respect to the central axis of the stem OS.

【００４０】図７は、タッチプローブの球体ＭＢと測定
対象の球体ＯＢと、それぞれのステムＭＳ，ＯＳとの関
係を示した図である。ここでは、測定誤差を極力避ける
ため、ステムＯＳ，ＭＳの角度は変えないという条件が
与えられる。球体ＯＢ，ＭＢとステムＯＳ，ＭＳとの干
渉を避けるための最も効果的な方法は、ステムＯＳ，Ｍ
Ｓを球体ＯＢ，ＭＢに対して互いに反対側に延びるよう
に並行に配置することである。いま、球体ＯＢ，ＭＢの
半径をそれぞれｒ１，ｒ２、ステムＯＳ，ＭＳの直径を
それぞれｄ１，ｄ２、球体ＯＢ，ＭＢが接触可能で、ス
テムＯＳに最も近い点をつないだ円の半径をｒ０とする
と、FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the sphere MB of the touch probe, the sphere OB to be measured, and the respective stems MS and OS. Here, in order to avoid a measurement error as much as possible, a condition is given that the angles of the stems OS and MS are not changed. The most effective method for avoiding the interference between the spheres OB, MB and the stem OS, MS is the stem OS, M
That is, S is arranged in parallel to the spheres OB and MB so as to extend on opposite sides. Now, let radii of the spheres OB and MB be r1 and r2, diameters of the stems OS and MS be d1 and d2, respectively, and let the spheres OB and MB be in contact, and let the radius of the circle connecting the points closest to the stem OS be r0. Then,

【００４１】[0041]

【数３】 （ａ）ｒ１＋ｄ２／２≦ｒ２＋ｄ１／２の場合 ｒ０＝（ｒ２＋ｄ１／２）ｒ１／（ｒ１＋ｒ２） （３）式[Equation 3]   (A) When r1 + d2 / 2 ≦ r2 + d1 / 2   r0 = (r2 + d1 / 2) r1 / (r1 + r2) Equation (3)

【００４２】[0042]

【数４】 （ｂ）ｒ１＋ｄ２／２＞ｒ２＋ｄ１／２の場合 ｒ０＝（ｒ１＋ｄ２／２）ｒ１／（ｒ１＋ｒ２） （４）式[Equation 4]   (B) When r1 + d2 / 2> r2 + d1 / 2   r0 = (r1 + d2 / 2) r1 / (r1 + r2) Equation (4)

【００４３】で表すことができる。球体ＭＢが、球体Ｏ
Ｂの球面上に均等に配置された６点で接するためには、
図６で示したように、ステムＯＳに近い３点が配置され
る円の半径が（３），（４）式のｒ０よりも大きいこと
が必要である。It can be represented by Sphere MB is sphere O
In order to contact at 6 points evenly arranged on the spherical surface of B,
As shown in FIG. 6, it is necessary that the radius of the circle in which the three points near the stem OS are arranged is larger than r0 in the equations (3) and (4).

【００４４】正８面体の頂点が球に内接し、かつ３点の
北緯度と他の３点の南緯度とがそれぞれ等しいような場
合を考える。ステムＯＳ及びＭＳと、これと互いに反対
の方向にあるプローブ球ＯＢ及びＭＢとが互いにこの６
点のいずれかで接触し、かつステムＯＳ又はＭＳと、球
ＭＢ又はＯＢとが干渉しないための条件を記す。Consider a case in which the vertices of a regular octahedron are inscribed in a sphere, and the north latitude of three points is equal to the south latitude of the other three points. The stem OS and MS and the probe spheres OB and MB in the opposite directions to each other
The conditions for contacting at any one of the points and for preventing the stem OS or MS from interfering with the sphere MB or OB are described.

【００４５】ステムＯＳの方向を北極とすると、６点の
北緯度と南緯度は、いずれも約θ＝35.264°である。よ
って、２本のステムＯＳ及びＭＳの中心線が構成する平
行２直線間の距離Ｌは以下のようになる。When the direction of the stem OS is the north pole, the north latitude and the south latitude of the six points are both about θ = 35.264 °. Therefore, the distance L between the two parallel straight lines formed by the center lines of the two stems OS and MS is as follows.

【００４６】[0046]

【数５】 Ｌ＝｛（ｄ１＋ｄ２）／２｝×cosθ （５）式[Equation 5]   L = {(d1 + d2) / 2} × cos θ (5) Expression

【００４７】このときステムＯＳ，ＭＳが対する球に干
渉しない条件は、次の２つが両立する場合となる。At this time, the conditions in which the stems OS and MS do not interfere with the sphere against which they meet are that the following two conditions are compatible.

【００４８】[0048]

【数６】 （ａ）ｒ２＋ｄ１／２＜Ｌ （６）式[Equation 6] (A) r2 + d1 / 2 <L Expression (6)

【００４９】[0049]

【数７】 （ｂ）ｒ１＋ｄ２／２＜Ｌ （７）式[Equation 7] (B) r1 + d2 / 2 <L Expression (7)

【００５０】球体ＯＢ，ＭＢを支持するステムＯＳ，Ｍ
Ｓの径が大きい特殊な場合を除けば、2つの球体ＯＢ，
ＭＢが６つの測定点ＭＰで接触することが可能である。
これにより、推定された球形体の中心座標の信頼性を
X、Y、Z方向に対して等方にすることができる。Stem OS, M for supporting the spheres OB, MB
Except for special cases where the diameter of S is large, two spheres OB,
It is possible for the MB to contact at six measurement points MP.
As a result, the reliability of the estimated center coordinates of the sphere is
It can be isotropic in the X, Y, and Z directions.

【００５１】なお、測定点は、６点に限られず、球体Ｏ
Ｂ上の測定点の数は、６点以上で球体ＯＢの表面上に均
等に分布する。その接触点は、好ましくは正ｎ面体（但
し、ｎ≧８）の頂点位置に位置する。The measuring points are not limited to 6 points, and the sphere O
The number of measurement points on B is 6 or more and is evenly distributed on the surface of the sphere OB. The contact point is preferably located at the apex position of a regular n-faced body (where n ≧ 8).

【００５２】（４）幾何学的偏差とプローブベクトル CMMの幾何学的偏差を運動学的なパラメトリックエラー
によって校正するとき、測定スピンドル先端で検出が可
能な偏差量と各々のパラメトリックエラーとの関係を検
討しておくことが必要になる。空間座標の比較測定法を
採用する場合も例外ではない。この方法は3次元空間中
の並進偏差を検出するので、CMMの角度偏差がアッベ誤
差として並進偏差に重畳した状態で測定が行われる。(4) Geometric deviation and probe vector When the geometric deviation of the CMM is calibrated by a kinematic parametric error, the relationship between the deviation amount detectable at the tip of the measuring spindle and each parametric error is shown. It is necessary to consider it. The use of the comparative measurement method of spatial coordinates is no exception. Since this method detects the translational deviation in the three-dimensional space, the measurement is performed with the angular deviation of the CMM superposed on the translational deviation as an Abbe error.

【００５３】ここで該当する真直ガイド機構から出発し
て測定スピンドル先端に至る位置ベクトルを有効アーム
長さベクトルと呼ぶと、角度偏差がもたらす並進偏差は
有効アーム長さベクトルと検討する角度偏差ベクトルと
の外積により定式化される。有効アーム長さベクトルが
一定であれば、その測定は該当する角度偏差の寄与を一
定値含む測定となる。例えば、図８Ａに示す通りZスピ
ンドルの直下で測定を行えばどのようなZ方向のプロー
ブベクトルを与えてZ軸に沿った測定を行っても、Z軸に
起因する角度偏差のうち、ロール成分が並進偏差に及ぼ
す影響はゼロとなる。逆に言うと、Z軸のロール成分を
定量化するには、XあるいはY方向について異なるプロー
ブベクトルを図８Ｂ、図８Ｃのように設定してZ方向に
測定した複数の並進偏差の結果が必要となる。When the position vector starting from the straight guide mechanism concerned and reaching the tip of the measuring spindle is called the effective arm length vector, the translational deviation caused by the angular deviation is the effective arm length vector and the angular deviation vector to be examined. It is formulated by the outer product of If the effective arm length vector is constant, the measurement is a measurement including a constant value of the contribution of the corresponding angular deviation. For example, as shown in FIG. 8A, if measurement is performed directly below the Z spindle, no matter what probe vector in the Z direction is given and measurement is performed along the Z axis, the roll component of the angular deviation due to the Z axis Has no effect on translational deviation. Conversely, in order to quantify the roll component of the Z axis, it is necessary to set different probe vectors in the X or Y direction as shown in FIGS. 8B and 8C and obtain the results of a plurality of translational deviations measured in the Z direction. Becomes

【００５４】有効アーム長さベクトルを変化させる要因
は、CMMの構造と軸の積み重ねの順番に依存して決ま
る。例えば図１に外観を示すCMMの場合、Z軸については
上記の通りプローブベクトルが唯一の変動要因となる。
ところが、最も測定プローブから遠いY軸の場合、有効
アーム長さベクトルに影響する要因にはプローブベクト
ルだけでなく、X、Z軸の各座標指示値も加わる。結果と
して、直交型のCMMの場合、21組のパラメトリックエラ
ーを求めるためには、例えば図９に示す三次元空間で1
直線上に並ばない3つの異なるプローブベクトルを与え
ることが必要十分条件となる。図９はそのような条件を
満たす基準器２７の例を示している。この図の例では、
被校正CMM２０の測定スピンドル２６に固定された基準
器２７は、1つの球体２７ａ、そして、それと150mm隔た
り、互いのアームの成す角度が90度となる支持体２７ｄ
と、この支持体２７ｄに支持された２つの球体２７ｂ，
２７ｃからなる。球体２７ａは、スピンドル２６の直下
に、球体２７ｂ，２７ｃは、支持体２７ｄのアーム先端
位置にそれぞれ設置されている。The factors that change the effective arm length vector depend on the structure of the CMM and the stacking order of the axes. For example, in the case of a CMM whose appearance is shown in FIG. 1, the probe vector is the only variable factor for the Z axis as described above.
However, in the case of the Y-axis farthest from the measuring probe, not only the probe vector but also the coordinate indication values of the X-axis and Z-axis are added to the factors affecting the effective arm length vector. As a result, in the case of the orthogonal CMM, in order to obtain 21 sets of parametric errors, for example, in the three-dimensional space shown in FIG.
It is necessary and sufficient to give three different probe vectors that are not aligned on a straight line. FIG. 9 shows an example of the reference device 27 that satisfies such a condition. In this example,
The reference unit 27 fixed to the measurement spindle 26 of the CMM 20 to be calibrated is one spherical body 27a and a support body 27d which is separated from it by 150 mm and the angle between the arms is 90 degrees.
And two spheres 27b supported by the support 27d,
It consists of 27c. The sphere 27a is installed immediately below the spindle 26, and the spheres 27b and 27c are installed at the arm tip positions of the support 27d.

【００５５】（５）測定における誤差補償 従来から行われてきた一次元的な校正標準を参照するCM
Mの校正方法では、例えばステップゲージなどの比較的
軽量な標準器をCMMの測定テーブルに載せ、10分程度の
短い測定時間からなるひとつの測定を30本程度組み合わ
せて全体の測定戦略を構成していた。この場合、注目す
べき時間スケールが短く、また標準器からCMMの測定プ
ローブに至る構造ループ(Structural Loop)もほぼ最短
になっている。(5) Error compensation in measurement CM referring to the one-dimensional calibration standard that has been used in the past
In the M calibration method, for example, a relatively lightweight standard device such as a step gauge is placed on the CMM measurement table, and one measurement consisting of a short measurement time of about 10 minutes is combined about 30 to form the entire measurement strategy. Was there. In this case, the time scale to be noticed is short, and the structural loop from the standard to the measurement probe of the CMM is almost the shortest.

【００５６】これに比較すると空間座標の比較測定法で
は、ひとつの測定が要する時間を自由に設定できるが、
その時間は1時間程度となり従来の方法に比べて長い。
また基準CMMのプローブから被校正CMMの球形体に至る構
造ループも長い。In comparison with this, in the comparative measurement method of spatial coordinates, the time required for one measurement can be set freely,
The time is about 1 hour, which is longer than the conventional method.
The structural loop from the probe of the reference CMM to the spherical body of the CMM to be calibrated is also long.

【００５７】これらの様子を模式的に図１０に示した。
空間座標の比較測定法では明らかに測定に伴って現れる
系統的な誤差要因の数が多い。主なものを以下に挙げ
る。These states are schematically shown in FIG.
In the comparative measurement method of spatial coordinates, there are obviously many systematic error factors that appear with the measurement. The main ones are listed below.

【００５８】（Ａ） CMM間の座標変換、姿勢変動の影響 （Ｂ） CMMの位置決め、指令位置からの偏差 （Ｃ） 熱膨張、環境温度の影響(A) Coordinate conversion between CMMs, influence of posture variation (B) CMM positioning, deviation from command position (C) Influence of thermal expansion and environmental temperature

【００５９】これらの要因については個別に対策を検討
し、空間座標の比較測定を行うのと同時に補償すること
とした。以下にひとつずつ述べる。Regarding these factors, measures were individually considered, and it was decided to compensate at the same time as performing the comparative measurement of spatial coordinates. Each is described below.

【００６０】（６）座標変換の変動 CMMや工作機械には自身の機構部に座標系と原点が備え
付けられ、それに従った機械座標系が存在する。2台のC
MMの直接比較による空間座標の比較測定を行おうとする
と、基準CMMの機械座標系の中に被校正CMMの機械座標系
を全て納められるように2台のCMMの位置関係を決定する
必要がある。この点で容易なのはカンチレバー型のCMM
を図１１に模式的に示すように並べて設置することであ
ろう。(6) Variation in coordinate conversion The CMM and the machine tool are provided with a coordinate system and an origin in their mechanical parts, and a machine coordinate system according to the coordinate system exists. 2 C
When attempting to perform comparative measurement of spatial coordinates by direct comparison of MM, it is necessary to determine the positional relationship between the two CMMs so that the machine coordinate system of the CMM to be calibrated can be entirely contained in the machine coordinate system of the reference CMM. . The cantilever-type CMM is easy in this respect.
Would be installed side by side as schematically shown in FIG.

【００６１】ただし、この場合には2台の機械座標系の
間の座標変換をppmオーダで決定することが現実的には
できない。一般にカンチレバー型CMMは設置する床面
に、直接締結することによって設置される。CMMの構造
部材の移動にしたがって質量分布が移動すると、主にCM
Mと床面との締結部近傍での弾性変形により、機械座標
系の座標変換に対して容易に10ppmオーダの変動をもた
らす。However, in this case, it is practically impossible to determine the coordinate conversion between the two machine coordinate systems in the ppm order. Generally, the cantilever type CMM is installed by directly fastening it to the floor surface to be installed. When the mass distribution moves according to the movement of the structural members of the CMM, mainly CM
Elastic deformation in the vicinity of the joint between M and the floor surface easily causes a change of the order of 10 ppm in the coordinate transformation of the machine coordinate system.

【００６２】門移動型同士の比較測定を行うには、図１
に示すように被校正CMM２０を基準CMM１０のベースに積
載することになる。ここで使用する門移動型CMMは仕様
で定められたベース裏面の3点によって支持・設置され
る。このときもカンチレバー型CMMの場合と同様に可動
部の移動にしたがって重心が移動し、設置部近傍におけ
る弾性変形によって機械座標系の座標変換が数ppm程度
変動する。In order to carry out the comparative measurement between the gate-moving types, FIG.
As shown in, the CMM 20 to be calibrated is loaded on the base of the reference CMM 10. The gate-moving CMM used here is supported and installed by three points on the back surface of the base specified in the specifications. At this time as well, as in the case of the cantilever CMM, the center of gravity moves according to the movement of the movable part, and the elastic transformation near the installation part causes the coordinate transformation of the mechanical coordinate system to change by several ppm.

【００６３】2台のCMMの機械座標系の座標変換は、測定
空間中央近傍において3ヶ所以上の座標指示値を比較測
定することにより容易に求められる。被校正CMMの幾何
学的偏差を校正するためには、測定空間の中を測定戦略
にしたがってくまなく移動・比較測定することになる。
機構部の重心移動に伴う変動成分を検出するために、図
１２に模式的に示すように、差動トランス型変位センサ
６４を6チャンネル設置して検出を行う。三次元空間の6
自由度を検出可能なように、Z方向に3チャンネル、Y方
向に2チャンネル、X方向に1チャンネルをそれぞれ設置
する。The coordinate transformation of the machine coordinate system of the two CMMs can be easily obtained by comparing and measuring coordinate indication values at three or more locations in the vicinity of the center of the measurement space. In order to calibrate the geometrical deviation of the CMM to be calibrated, it is necessary to move and compare all over the measurement space according to the measurement strategy.
In order to detect the fluctuation component due to the movement of the center of gravity of the mechanical portion, six channels of differential transformer displacement sensors 64 are installed and detection is performed, as schematically shown in FIG. 6 in three-dimensional space
Three channels are installed in the Z direction, two channels in the Y direction, and one channel in the X direction so that the degree of freedom can be detected.

【００６４】変位センサ６４を設置した6か所での一次
元変位から2台のCMM１０，２０の相対的な移動を直感的
に推し量ることは容易でない。ここでは6か所の変位測
定値から算出した座標変換パラメータの変動成分を回転
3成分、並進3成分について、被校正CMM２０の座標系で
表示した位置(0．0、0．0、0．0) mmにおける結果を図
１３に示す。図中上から回転3成分についてX、Y、Z軸周
りを、そして並進3成分についてX、Y、Z軸方向をそれぞ
れ示す。It is not easy to intuitively estimate the relative movement of the two CMMs 10 and 20 from the one-dimensional displacement at the six places where the displacement sensor 64 is installed. Here, the fluctuation component of the coordinate conversion parameter calculated from the displacement measurement values at six locations is rotated.
FIG. 13 shows the results of the three components and the translation three components at the position (0.0, 0.0, 0.0) mm displayed in the coordinate system of the CMM 20 to be calibrated. From the top of the figure, the three rotation components are shown around the X, Y, and Z axes, and the three translation components are shown in the X, Y, and Z axis directions.

【００６５】採用した被校正CMM２０は門移動型なの
で、その重心移動に大きな寄与を与えるのは、最も重い
可動部を有するY軸となる。そこで、Y軸をフルストロー
クにわたって移動・位置決めしたときの変動量について
示す。なお、コラムのX軸方向への移動によっても何ら
かの重心移動は生じるため、X軸方向にも異なる位置決
めを行って測定を行った。図中の＋印と実線はX=0mmに
おける測定値を、また×印と破線はX=500mmにおける結
果をそれぞれ示す。Since the CMM 20 to be calibrated adopted is of the gate moving type, it is the Y axis having the heaviest moving part that makes a great contribution to the movement of the center of gravity. Therefore, the amount of fluctuation when the Y axis is moved / positioned over the full stroke is shown. Note that some movement of the center of gravity also occurs due to the movement of the column in the X-axis direction, so measurement was performed by performing different positioning in the X-axis direction. The + mark and the solid line in the figure show the measured value at X = 0 mm, and the X mark and the broken line show the result at X = 500 mm.

【００６６】被校正CMM２０のY軸方向の位置決め位置に
したがってX軸周りの回転とY軸方向の並進成分が主に変
動していることがわかるが、それ以外の成分も無視でき
ない程度に変動していることが読み取れる。It can be seen that the rotation about the X-axis and the translational component in the Y-axis mainly fluctuate according to the position of the CMM 20 to be calibrated in the Y-axis direction, but the other components also fluctuate to a non-negligible level. You can read that.

【００６７】X軸方向の位置決め位置の影響はY軸周りの
回転とX軸方向の並進成分に現れている。また、変動の
データには、Y軸の移動の履歴に依存するエンベロープ
も観察される。これらの挙動は被校正CMM２０を支持す
る3点における接触状態等によって容易に変化するの
で、リアルタイムなモニタリングを行ない、2台のCMMの
座標変換を補償する。なお、校正に先立って行われるた
かだか数点の座標比較で算出されたノミナルな座標変換
は、2台のCMM間の座標変換を厳密には算出することがで
きない。The influence of the positioning position in the X-axis direction appears in the rotation around the Y-axis and the translational component in the X-axis direction. In addition, in the fluctuation data, an envelope that depends on the history of Y-axis movement is also observed. These behaviors easily change depending on the contact state or the like at the three points that support the CMM 20 to be calibrated, so that real-time monitoring is performed and the coordinate conversion of the two CMMs is compensated. Note that the coordinate conversion between two CMMs cannot be strictly calculated in the nominal coordinate conversion calculated by comparing the coordinates of at most several points prior to the calibration.

【００６８】（７）位置決め偏差の取扱い 空間座標の比較測定における球形体の測定は、基準CMM
１０をある場所に位置決めした状態で行われるので、理
想的には基準CMMが完全に停止していることが望まし
い。しかし現実には振動や測定子の接触力等、有限なゲ
インを持つCMMコントローラの位置決めサーボ系にとっ
て外乱となる要因が存在する。これによりリニヤスケー
ルの分解能程度の位置決め精度を基準CMMに対して常に
期待することは難しい。そこで、球形体を表す4つのパ
ラメータを推定する前にこの位置決め偏差の影響を低減
する。説明のために2次元的な模式図を図１４に示す。(7) Handling of positioning deviation In the measurement of a spherical body in the comparative measurement of spatial coordinates, the reference CMM is used.
Ideally, the reference CMM should be completely stopped, since it is performed with 10 being positioned at a certain place. However, in reality, there are factors such as vibration and contact force of the stylus that cause disturbance to the positioning servo system of the CMM controller with finite gain. Therefore, it is difficult to always expect the positioning accuracy of linear scale resolution to the reference CMM. Therefore, the effect of this positioning deviation is reduced before estimating the four parameters that represent the sphere. A two-dimensional schematic diagram is shown in FIG. 14 for explanation.

【００６９】この図で円の外周を4点で測定すると、基
準CMM１０と被校正CMM２０それぞれについて4つの測定
値座標が得られる。基準CMMの測定値座標は理想的な場
合、図１４Ａのように1点に収束することが期待される
ので、それらの重心を基準CMMの球の中心座標とみな
す。この時、各測定点から重心までの偏差ベクトルを図
１４Ｂのように求め、これを用いて対応する被校正CMM
２０の測定点を図１４Ｃのように補正する。そして最後
に円形体をあらわすパラメータを最小二乗法により推定
する。この処理は重心からの偏差ベクトルの長さオーダ
においては、空間のひずみが存在しない、局所的な等方
性を前提としている。実測値によると偏差ベクトルの長
さは2mmに満たないので、この局所等方性の仮定は妥当
である。When the outer circumference of the circle is measured at four points in this figure, four measured value coordinates are obtained for each of the reference CMM 10 and the CMM 20 to be calibrated. In the ideal case, the measured value coordinates of the reference CMM are expected to converge to one point as shown in FIG. 14A, and therefore their center of gravity is regarded as the center coordinates of the sphere of the reference CMM. At this time, the deviation vector from each measurement point to the center of gravity is obtained as shown in FIG. 14B, and using this, the corresponding CMM to be calibrated.
20 measurement points are corrected as shown in FIG. 14C. Finally, the parameters representing the circular body are estimated by the method of least squares. This processing is premised on local isotropicity in which there is no spatial distortion in the length order of the deviation vector from the center of gravity. Since the length of the deviation vector is less than 2 mm according to the measured value, this assumption of local isotropy is valid.

【００７０】（８）環境温度の影響 CMMの設置環境の中でも、温度環境についてはISOによる
幾何学的測定の標準温度20℃に設定することになるが、
現実の空調設備の仕様や運転条件による内部発熱などに
よりCMMの温度は基準温度からの偏差を示す。CMMの構造
部材やリニヤスケール部材は通常一定の線膨張係数を有
するので、温度偏差と線膨張係数に起因する熱膨張を生
じる。CMMの熱的な振る舞いは工作機械のそれと度々対
比されながら、30年越しの研究課題となっている。CMM
の場合、高速動作する一部のタイプを除いてその内部発
熱源は各軸を駆動する小型のモータが主なものであると
みなしてよい。この点で熱的な振る舞いが工作機械のそ
れとは異なっており、空気温度や放射熱源などの外的要
因が相対的に大きな影響を及ぼすことが知られている。(8) Influence of environmental temperature Among the installation environments of the CMM, the temperature environment is set to the standard temperature of 20 ° C. for geometrical measurement by ISO.
The temperature of the CMM shows a deviation from the reference temperature due to internal heat generation due to actual air conditioning equipment specifications and operating conditions. CMM structural members and linear scale members usually have a constant linear expansion coefficient, so that thermal expansion occurs due to the temperature deviation and the linear expansion coefficient. While the thermal behavior of CMM is often compared with that of machine tools, it has been a research topic for over 30 years. CMM
In this case, except for some types that operate at high speed, the internal heat source may be considered to be mainly a small motor that drives each axis. In this respect, the thermal behavior is different from that of the machine tool, and it is known that external factors such as the air temperature and the radiant heat source have a relatively large influence.

【００７１】近年の量産型CMMはこうした特性を機構設
計に反映し、1℃毎時程度の準定常な温度変動であれ
ば、破滅的な熱変形を起こさない機構設計が実現されて
いるものが多い。熱膨張の影響を補償して耐温度環境性
の向上を図ろうとするとき、このように熱的環境に対し
て強靭に設計されたCMMでは多数の環境センサと複雑な
熱変形モデルを採用する従来の手法とは対照的に、各軸
のリニヤスケールの線膨張を補正するのみのものが主流
となっている。In recent mass-production CMMs, such characteristics are reflected in the mechanical design, and in many cases, a mechanical design that does not cause catastrophic thermal deformation is realized if there is a quasi-steady temperature change of about 1 ° C./hour. . When trying to improve the temperature environment resistance by compensating for the influence of thermal expansion, the CMM that is designed to be robust against the thermal environment in this way has adopted many environmental sensors and complicated thermal deformation models. In contrast to the method of (1), the mainstream method is only to correct the linear expansion of the linear scale of each axis.

【００７２】試作した校正システムの設置場所における
温度環境について実測した結果を図１５に示す。温度測
定システムは拡張不確かさが15mk(包含係数K=2)のもの
を使用した。温度測定値のサンプリングは毎分1回とし
た。CMMにリニヤスケール各軸の中央部分に小型の温度
センサを取り付けることによってCMMの温度変動をモニ
タした。またアルミ板によるヒートシンクを取り付けた
温度センサを用いてCMMの各軸周囲の空気温度をモニタ
した。設置環境では約10分で室内空気を一掃し得る程度
の空調が行われている。ヒートシンク周囲の強制対流に
ついては特に配慮していないが、空気とヒートシンクの
間の対流熱伝達は十分である。FIG. 15 shows the results of actual measurement of the temperature environment at the installation location of the prototype calibration system. The temperature measurement system used has an expanded uncertainty of 15 mk (coverage factor K = 2). The temperature measurement was sampled once every minute. The temperature fluctuation of the CMM was monitored by attaching a small temperature sensor to the center of each axis of the linear scale on the CMM. Moreover, the air temperature around each axis of the CMM was monitored using a temperature sensor equipped with a heat sink made of an aluminum plate. In the installation environment, air conditioning is performed to clean the indoor air in about 10 minutes. No special consideration is given to forced convection around the heat sink, but convection heat transfer between air and heat sink is sufficient.

【００７３】図１５の上側には各軸のリニヤスケールの
温度を横軸の時間軸に対してプロットした。また下側の
図には空気温度の測定結果をプロットした。これらの温
度測定は60時間に渡って連続して記録した結果なので、
昼夜の差や、日中におけるドア開閉、あるいは人の出入
りなどの外乱の影響を反映したものとなっている。まず
気がつくことは、空気・リニヤスケールともにY、X、そ
してZ軸の順番に記録温度が高くなっていることであろ
う。この基準CMMは床面からプローブ先端にいたる経路
に沿ってトレースするとY、X、そしてZ軸の順番で構成
されており、各軸のリニヤスケールの鉛直方向設置位置
もこの順番で高くなる。それぞれの設置の高さはY軸が
約0．5m、X軸が1．8m、そしてZ軸が2．5mである。各軸
のリニヤスケール温度は設置環境の鉛直方向温度勾配に
したがったものとなっていることがわかる。On the upper side of FIG. 15, the temperature of the linear scale of each axis is plotted against the time axis of the horizontal axis. Moreover, the measurement results of the air temperature are plotted in the lower diagram. These temperature measurements are the result of continuous recording for 60 hours,
It reflects the effects of disturbances such as the difference between day and night, the opening and closing of doors during the day, and the entry and exit of people. The first thing to notice is that the recording temperature increases in the order of the Y, X, and Z axes on both the air and linear scales. This reference CMM is configured in the order of Y, X, and Z axes when traced along the path from the floor surface to the probe tip, and the vertical installation position of the linear scale of each axis also becomes higher in this order. The height of each installation is about 0.5m on the Y-axis, 1.8m on the X-axis and 2.5m on the Z-axis. It can be seen that the linear scale temperature of each axis follows the vertical temperature gradient of the installation environment.

【００７４】それぞれのプロットにおいて温度変動に注
目すると、3本の空気温度は良く似た変動傾向を示して
いる。このことより空調等による局所的な温度変化は、
少なくともリニヤスケール近辺では起こっていないと思
われる。リニヤスケール温度はY軸の温度測定値が他の2
本に対して積分時定数が大きいかのような傾向を示して
いる。これは、Y軸のみが中実の斑レイ岩でできてお
り、X、Z軸は中空のセラミックで形成されていることか
ら、リニヤスケール取付面の構造部材の熱的時定数を反
映しているものと説明することができる。60時間の間の
最大温度偏差に着目するとリニヤスケールは0．2K以
下、空気温度は0．4K以下であった。Focusing on the temperature fluctuation in each plot, the three air temperatures show similar fluctuation trends. Therefore, local temperature changes due to air conditioning, etc.
At least it doesn't seem to happen near the linear scale. For linear scale temperature, the Y-axis temperature measurement value is
The tendency is as if the integration time constant were large compared to the book. This is because only the Y-axis is made of solid porphyry and the X- and Z-axes are made of hollow ceramics, reflecting the thermal time constants of the structural members on the linear scale mounting surface. Can be explained as being present. Focusing on the maximum temperature deviation during 60 hours, the linear scale was less than 0.2K and the air temperature was less than 0.4K.

【００７５】以上の測定結果より、各軸のリニヤスケー
ルの線膨張に基づく温度補償を基準・被校正CMM１０，
２０の両方に採用している。リニヤスケールの線膨張補
正の典型的なものは式（８）に示す簡単な表現を採用し
ている。From the above measurement results, the temperature compensation based on the linear expansion of the linear scale of each axis is used as the reference / calibration CMM10,
It has been adopted in both 20. A typical linear scale linear expansion correction employs the simple expression shown in equation (8).

【００７６】[0076]

【数８】 [Equation 8]

【００７７】1本のリニヤスケール温度を1点の温度測定
値 で代表する場合、式（８）は式（９）のようにな
る。When the temperature of one linear scale is represented by the temperature measurement value at one point, the equation (8) becomes the equation (9).

【００７８】[0078]

【数９】 [Equation 9]

【００７９】ここで採用する基準CMM１０と被校正CMM２
０のリニヤスケールに各々1チャンネルずつの温度セン
サ６１，６２を取り付けている。この温度センサ６１，
６２の出力を使用し、式（９）による補償を各軸の指示
値について行う。Reference CMM10 and calibration target CMM2 adopted here
Temperature sensors 61 and 62 for each channel are attached to the linear scale of 0. This temperature sensor 61,
Using the output of 62, compensation according to equation (9) is performed for the indicated value of each axis.

【００８０】リニヤスケール１９ａ〜１９ｃの線膨張補
正を行っても、CMMの機構部品の温度が変化するとリニ
ヤスケール１９ａ〜１９ｃを機構部に固定する中立点自
体はそれにしたがって変位する。この変位の影響は一連
の測定データの中でドリフトとして観察される場合が多
い。ここでの線膨張補正はリニヤスケール中立点の変位
を含まないので、測定に際してそれを補償することがで
きない。取り得る対策は、1組の測定データを取得する
ために要する時間を、このドリフトに比べて十分に長く
設定するか、あるいは十分に短く設定することであろ
う。前者は測定のスループットを考えると現実的な対策
には成り得ない。一方後者は、従来から端度器等を用い
て1次元的な幾何学的測定を行う場合に相当している。
ところが測定点の数が比較的多いアーティファクトの場
合はどちらにも該当せず、結果として比較的大きなドリ
フトを観測しがちになる。Even if the linear expansion of the linear scales 19a to 19c is corrected, if the temperature of the mechanical parts of the CMM changes, the neutral point itself for fixing the linear scales 19a to 19c to the mechanical portion is displaced accordingly. The effect of this displacement is often observed as drift in the series of measurement data. Since the linear expansion correction here does not include the displacement of the linear scale neutral point, it cannot be compensated for during the measurement. Possible measures would be to set the time required to acquire a set of measurement data to be sufficiently long or sufficiently short compared to this drift. The former cannot be a practical measure considering the measurement throughput. On the other hand, the latter corresponds to the case where a one-dimensional geometric measurement is conventionally performed by using a protractor or the like.
However, in the case of an artifact having a relatively large number of measurement points, neither of them applies, and as a result, a relatively large drift tends to be observed.

【００８１】この場合に取り得る対策は、一組の測定デ
ータにおける繰り返し回数を偶数回に設定し、時間軸に
対して測定点配置のパターンが前後対称となるようにす
ることである。これにより時間軸に対して直線状に変化
するドリフトについては、パラメトリックエラー推定の
際に寄与しないようにすることができる。In this case, a measure that can be taken is to set the number of repetitions in one set of measurement data to an even number so that the pattern of measurement point arrangement is symmetrical with respect to the time axis. This makes it possible to prevent the drift that changes linearly with respect to the time axis from contributing to the parametric error estimation.

【００８２】以下、本実施形態における校正システムを
用いて被校正CMM２０のパラメトリクエラーを求めるた
めの手順について述べる。一連の手順のうち主なものは
次の4つとなる。The procedure for obtaining the parametric error of the CMM 20 to be calibrated using the calibration system of this embodiment will be described below. The main four steps in the series are as follows.

【００８３】（ａ）被校正CMMの積載作業 （ｂ）予備測定 （ｃ）空間座標の比較測定 （ｄ）パラメトリックエラーとその信頼性の推定(A) Loading work of the CMM to be calibrated (B) Preliminary measurement (C) Comparative measurement of spatial coordinates (D) Estimation of parametric error and its reliability

【００８４】（９）被校正CMMの積載作業 空間座標の比較測定法では、校正作業の開始に先立って
被校正CMM２０を基準CMM１０の上に積載する作業をオペ
レータが起重機等を用いて手動操作で行う必要がある。(9) In the comparative measuring method of the loading work space coordinates of the CMM to be calibrated, the operator manually loads the CMM 20 to be calibrated onto the reference CMM 10 before starting the calibration work by using a hoist or the like. There is a need to do.

【００８５】次に2台のCMMの座標変換を大まかに決定す
るために簡単な予備測定を行うことになる。それに続く
一連の作業はコンピュータによって完全に自動化されて
行われる。「（ｃ）空間座標の比較測定」では被校正CM
M２０の測定スピンドル２６先端における幾何学的偏差
が球形体の測定を介して行われる。あらかじめ定められ
た測定戦略にしたがってすべての測定点における幾何学
的偏差が収集された後、測定モデルを用いて、被校正CM
M２０のパラメトリックエラーとその信頼性がほぼ同時
に推定される。こうした校正の概略を記すブロック図を
図１６に示した。Next, a simple preliminary measurement will be performed to roughly determine the coordinate transformation of the two CMMs. The subsequent series of operations is performed completely automatically by the computer. CM to be calibrated in “(c) Comparative measurement of spatial coordinates”
The geometrical deviation at the tip of the measuring spindle 26 of the M20 is made via the measurement of a sphere. After the geometric deviations at all measurement points have been collected according to a predetermined measurement strategy, the measured model is used to calibrate the CM to be calibrated.
The parametric error of M20 and its reliability are estimated almost simultaneously. A block diagram outlining such calibration is shown in FIG.

【００８６】ところで幾何学的な測定において、オペレ
ータの手作業に起因する不確かさは定量化がしにくい。
空間座標の比較測定法の測定そのものは完全に自動化で
きるので、校正の不確かさの推定にあたってこの定量化
しにくかった手作業の寄与を考える必要がない。この点
で空間座標の比較測定法は単に省力化のメリットを持つ
だけでなく、不確かさを明らかにしたいという近年の校
正技術に対する強い要請に応えやすい特徴を持ってい
る。以下に被校正CMMの積載以降の各ステップについて
述べる。By the way, in the geometrical measurement, the uncertainty due to the manual work of the operator is difficult to quantify.
Since the measurement itself of the comparative measurement method of spatial coordinates can be completely automated, it is not necessary to consider the contribution of this manual work, which was difficult to quantify, in estimating the uncertainty of calibration. In this respect, the comparative measurement method of spatial coordinates not only has the merit of labor saving, but also has the feature that it is easy to meet the strong demand for recent calibration technology to clarify the uncertainty. The steps after loading the CMM to be calibrated are described below.

【００８７】（１０）予備測定 被校正CMM２０を基準CMM１０に積載する作業は手作業で
行われる。このときの設置作業の正確さや被校正CMM２
０の外形寸法公差により、設置の位置はmmのオーダでば
らつく。空間座標の比較測定は球形体の測定を介して行
われる。試作システムで採用した球形体は直径4mmのも
のである。その球面の測定を誤動作しないように行うた
めには2台のCMM１０，２０の相対位置を記述する座標変
換のパラメータは最大でも0．5mm程度の確かさで決めら
れている必要がある。何らかの予備的な測定を行い、座
標変換のパラメータを大まかに決定しておく必要があ
る。(10) Preliminary Measurement The operation of loading the CMM 20 to be calibrated on the reference CMM 10 is performed manually. Accuracy of installation work at this time and CMM2 to be calibrated
Due to the 0 outer dimension tolerance, the installation position varies on the order of mm. The comparative measurement of spatial coordinates is done via the measurement of a sphere. The sphere used in the prototype system has a diameter of 4 mm. In order to prevent the malfunction of the spherical surface, it is necessary to determine the coordinate conversion parameter that describes the relative positions of the two CMMs 10 and 20 with a certainty of about 0.5 mm at the maximum. It is necessary to make some preliminary measurements to roughly determine the parameters for coordinate transformation.

【００８８】求めるべきパラメータは、座標変換のパラ
メータとして並進3、回転3のパラメータ、そして3つの
異なるプローブベクトルのうちひとつを基準とし、残り
の二つの相対位置ベクトルに6つのパラメータ、合計で1
2個の未知数を求める問題になる。さらに現実には、被
校正CMM２０は校正の履歴をまったく持たない場合を想
定しなければならない。このとき機構部の調整は組み立
て・調整作業者の責任で完了していることが期待されて
いるが、例えば容易に発生し得る直角度の調整ミスがあ
った場合、空間座標の比較測定ではCMM同士の衝突等の
事故を発生する可能性がある。これを検出するために直
角度偏差のパラメータを3つ追加して考えることにし
た。よって合計ではパラメータがさらに3つ増え、計15
個のパラメータとなる。この予備測定は作業者がジョイ
スティックを用いた以下の手作業により行われる。The parameters to be obtained are based on translational 3 parameters, rotation 3 parameters, and one of three different probe vectors as coordinate conversion parameters, and the remaining two relative position vectors have 6 parameters, totaling 1 parameter.
It becomes a problem to find two unknowns. Furthermore, in reality, it is necessary to assume that the CMM 20 to be calibrated has no calibration history. At this time, it is expected that the adjustment of the mechanical section will be completed at the responsibility of the assembly / adjustment operator, but if there is an adjustment error in the squareness that can easily occur, for example, the CMM will be compared in the spatial coordinate comparison measurement. An accident such as a collision between them may occur. In order to detect this, we decided to add three parameters for the squareness deviation. Therefore, in total, there are three more parameters, totaling 15
Parameters. This preliminary measurement is performed manually by the operator using the joystick as follows.

【００８９】まず、4つの測定点を被校正CMM２０の座標
空間中に設定し、被校正CMM２０をその座標に逐次位置
決め、基準CMM１０で測定する。このとき4点のうち、任
意の3点により決まる平面内に残りの1点が存在しないよ
うに配置する。次にこれらの1つの測定位置いずれかに
被校正CMM２０を位置決めしたままで3つの異なるプロー
ブベクトルに対応する3つの球体２７ａ〜２７ｃを測定
する。合計6つの座標測定値から上記15個の未知パラメ
ータを推定し、予備測定結果とする。First, four measurement points are set in the coordinate space of the CMM 20 to be calibrated, the CMM 20 to be calibrated is sequentially positioned at the coordinates, and the reference CMM 10 measures. At this time, the four points are arranged so that the remaining one point does not exist in the plane determined by any three points. Next, the three spheres 27a to 27c corresponding to the three different probe vectors are measured while the CMM 20 to be calibrated is positioned at any one of these one measurement positions. The above 15 unknown parameters are estimated from a total of 6 coordinate measurement values and used as preliminary measurement results.

【００９０】予備測定の段階において被校正CMM２０は
校正の履歴がないものとみなしている。この前提にした
がって予備測定で算出されるパラメータの精度は、衝突
等のアクシデントが発生しない程度に確かであれば十分
である。ただしこの後の測定動作は全てこの予備測定結
果を参照して行われるので、ジョイスティック操作によ
る測定値に間違いが含まれ得る状態は避ける必要があ
る。そこで予備測定の後、算出された座標変換等のパラ
メータを用いて、予備測定と同一の測定動作をホストＰ
Ｃ３０からの制御に基づくCNC動作で行い、手作業によ
る測定値と一致することを確認する。万が一ジョイステ
ィックによる手動測定値に不具合がある場合にはここで
行われる6点の球形体自動測定の間に衝突やアプローチ
不良等の不具合が発生する恐れがある。この確認測定が
問題無く終了すれば、球形体の測定が正しく行える程度
にはCMM１０，２０間の座標変換が算出されていると判
断できる。校正システムは、この確認測定の間だけCNC
動作の成否を確認するオペレータを必要とするが、これ
に続くプロセスは全くの無人環境で実行することができ
る。At the preliminary measurement stage, the CMM 20 to be calibrated is regarded as having no calibration history. It is sufficient if the accuracy of the parameters calculated in the preliminary measurement according to this premise is accurate to the extent that no accident such as a collision occurs. However, all subsequent measurement operations are performed with reference to this preliminary measurement result, so it is necessary to avoid a state in which the measurement value due to the joystick operation may include an error. Therefore, after the preliminary measurement, the same measurement operation as the preliminary measurement is performed by the host P using the parameters such as the calculated coordinate conversion.
Perform the CNC operation based on the control from C30, and confirm that it agrees with the manually measured value. In the unlikely event that there is a problem with the manual measurement value with the joystick, problems such as collision and approach failure may occur during the 6-point automatic spherical measurement performed here. If this confirmation measurement is completed without any problem, it can be determined that the coordinate transformation between the CMMs 10 and 20 has been calculated to the extent that the spherical body can be measured correctly. The calibration system only CNCs during this confirmatory measurement.
It requires an operator to verify the success of the operation, but the process that follows can be performed in an entirely unattended environment.

【００９１】（１１）６点による球測定 球形体の測定を行う場合に測定点を均等に配置すると、
それらの測定点は正多面体の頂点を構成する。6点で測
定を行う場合、正8面体の6つの頂点に相当する。仮に注
目しているふたつの球に支持のためのステムが存在せ
ず、かつタッチシグナルプローブが完全に3次元的な感
度を有するのであれば、6つの測定点は球面上に自由に
配置することができる。現実には、プローブ球は有限の
直径のステムで支持される必要があるし、ケルビンクラ
ンプ機構を利用したタッチシグナルプローブは、その軸
方向に引き伸ばす方向の接触力状態には適用できない。
またアクシデントと言う立場では、球とステムとの接触
によって正常な場合と区別のつけにくい測定値が得られ
てしまう。その対策として図１７に示す測定点の配置を
採用することにした。(11) Sphere measurement with 6 points When measuring a spherical body, if the measurement points are arranged evenly,
These measurement points form the vertices of a regular polyhedron. When measuring at 6 points, it corresponds to the 6 vertices of a regular octahedron. If there are no supporting stems on the two spheres of interest and the touch signal probe has a completely three-dimensional sensitivity, then the six measurement points should be placed freely on the sphere. You can In reality, the probe sphere needs to be supported by a stem having a finite diameter, and the touch signal probe using the Kelvin clamp mechanism cannot be applied to the contact force state in the axially extending direction.
In addition, from the standpoint of accident, the contact between the ball and stem results in measurement values that are difficult to distinguish from normal cases. As a countermeasure, the arrangement of measurement points shown in FIG. 17 is adopted.

【００９２】ステムＯＳの方向を北極方向とすると、3
点を球体ＯＢの北半球、3点を球体ＯＢの南半球のそれ
ぞれ同緯度に配置すると、ステムＯＳとの干渉、プロー
ブの不感方向の問題に対して最大の余裕を確保すること
ができる。If the direction of the stem OS is the North Pole direction, then 3
By arranging the points at the same latitude in the northern hemisphere of the sphere OB and the three points at the same latitude of the southern hemisphere of the sphere OB, the maximum margin can be secured for the interference with the stem OS and the problem of the dead direction of the probe.

【００９３】試作した校正システムでは、球体ＯＢの直
径4mm、ステムの直径1．5mmの仕様を持つ市販のルビー
球スタイラスを使用した。図１７の接触点（測定点Ｍ
Ｐ）同士でふたつの球が接触している状態において、ス
テムＯＳと球体ＯＢとの隙間は0．5mm以上であり実用上
十分である。In the prototype calibration system, a commercially available ruby ball stylus having specifications of a sphere OB diameter of 4 mm and a stem diameter of 1.5 mm was used. 17 contact point (measurement point M
In the state where the two spheres are in contact with each other in P), the gap between the stem OS and the sphere OB is 0.5 mm or more, which is practically sufficient.

【００９４】タッチシグナルプローブを用いた測定で
は、プローブに起因する誤差が測定値に重畳することに
なる。非系統的な成分は球の測定を行う際のばらつきと
共に検出される。空間座標の比較測定では常に同じ測定
戦略で球形体の測定を行っているので、プローブによる
系統的な誤差成分は一定のオフセット値として球の中心
座標や直径に重畳する。球形体の測定を応用したCMM校
正において、プローブの系統的な誤差は校正結果に影響
を及ぼさない。In the measurement using the touch signal probe, the error due to the probe is superimposed on the measured value. Non-systematic components are detected along with the variability in making sphere measurements. Since spherical bodies are always measured by the same measurement strategy in the comparative measurement of spatial coordinates, a systematic error component due to the probe is superimposed on the center coordinates and diameter of the sphere as a constant offset value. In the CMM calibration applying the measurement of a spherical body, the systematic error of the probe does not affect the calibration result.

【００９５】試作した校正システムを使用して1点にお
ける繰り返し測定実験を行った。まず被校正CMMの測定
範囲のほぼ中央に二台のCMMを位置決めして球面上に均
等に配置された6つの測定点により球形体の測定を行
う。測定後、両方のCMMを、一度測定位置から十分に移
動させる。以上の動作を連続して繰り返すことにより、
空間座標の比較測定に伴ってランダムに観察される成分
と、設置環境下における時間に対するドリフトの抽出が
可能となる。A repeat measurement experiment at one point was performed using the prototype calibration system. First, two CMMs are positioned almost in the center of the measurement range of the CMM to be calibrated, and a spherical body is measured by six measurement points evenly arranged on the spherical surface. After the measurement, both CMMs are fully moved once from the measurement position. By repeating the above operation continuously,
It is possible to extract the components randomly observed with the comparative measurement of the spatial coordinates and the drift with respect to time under the installation environment.

【００９６】測定の繰り返しの条件は、現実の校正に必
要な時間を考慮して球形体の測定の時間周期を30秒と
し、200回の繰り返し測定を行うことにした。測定で得
られる6点の接触点座標に対して最小二乗法を適用して
中心座標と直径、合計4つのパラメータを推定して測定
結果とする。図１８はこれら4つのパラメータをそれぞ
れ縦軸に、横軸には経過時間をプロットしている。上か
ら順番に推定中心座標のX、Y、Z座標成分、そして推定
直径を示す。その下には、接触点座標から推定球面まで
の距離、すなわち推定残差の標準偏差を算出し、参考値
として共にプロットした。なお、推定中心座標は被校正
CMMの測定指令位置(250、200、200)mmに対する偏差とし
て、また、推定直径は推定値の平均値7．999mmに対する
偏差として図示している。As a condition for repeating the measurement, the time period for measuring the spherical body was set to 30 seconds in consideration of the time required for the actual calibration, and 200 repeated measurements were performed. The least squares method is applied to the coordinates of the six contact points obtained by the measurement, and a total of four parameters, the center coordinates and the diameter, are estimated and used as the measurement results. In FIG. 18, these four parameters are plotted on the vertical axis, and the elapsed time is plotted on the horizontal axis. The X, Y, and Z coordinate components of the estimated center coordinate and the estimated diameter are shown in order from the top. Below that, the distance from the contact point coordinates to the estimated spherical surface, that is, the standard deviation of the estimated residual was calculated and plotted together as a reference value. Estimated center coordinates are to be calibrated.
The deviation of the CMM from the measurement command position (250, 200, 200) mm and the estimated diameter are shown as the deviation from the average value of the estimated values of 7.999 mm.

【００９７】この図より、100分程度の時間では、推定
されたパラメータに顕著なドリフトは認められない。20
0回繰り返した場合の推定残差の標準偏差は下段のプロ
ットからおおまかに読み取れる通り0．3mmであり、2台
のCMMの比較測定を行なっていること、特に被校正CMM２
０の測定分解能が0．5mmであることを考慮すると、測定
の繰り返し性は十分なものと言える。From this figure, no significant drift is observed in the estimated parameters for a time of about 100 minutes. 20
The standard deviation of the estimated residual when repeated 0 times is 0.3 mm, as can be roughly read from the plot in the lower part, and that the two CMMs are comparatively measured, especially the calibrated CMM2.
Considering that the measurement resolution of 0 is 0.5 mm, the repeatability of measurement can be said to be sufficient.

【００９８】なお、4つのパラメータの内、推定直径は
基準CMM１０側のスタイラス球、被校正CMM２０側のスタ
イラス球に加えて、タッチシグナルプローブや信号処理
系すべての系統的な誤差を含んだ数値として算出される
ので推定直径の値そのものに意味はない。一方3つの中
心座標は、その数値がCMM校正のためのデータそのもの
となるので、推定値、そのばらつきともに重要な要因で
ある。Among the four parameters, the estimated diameter is a numerical value including the systematic error of the touch signal probe and the signal processing system in addition to the stylus sphere on the reference CMM10 side and the stylus sphere on the calibrated CMM20 side. Since it is calculated, the value of the estimated diameter itself has no meaning. On the other hand, the three central coordinates are important factors for both the estimated value and the variation because the numerical values become the data itself for CMM calibration.

【００９９】均等に配置された6つの測定点により球形
体の繰り返し測定を行ない、球の4つのパラメータを推
定することによって試作した校正システムの基本的な繰
り返し性を実験的に示した。その結果、被校正CMM２０
の校正に十分な繰り返し性と時間に対する安定性が確認
された。The basic repeatability of the prototype calibration system was experimentally shown by repeatedly measuring a sphere with six evenly arranged measurement points and estimating the four parameters of the sphere. As a result, the CMM20 to be calibrated
It was confirmed that the reproducibility was sufficient for the calibration and the stability against time was confirmed.

【０１００】（１２）測定戦略 CMMのパラメトリックエラー推定を行うとき、推定値の
信頼性は採用する測定法の精度だけではなく測定戦略の
巧拙にも強く影響を受ける。ところが測定戦略の構築は
経験的なノウハウに基づいて行われており、定量的な指
針に従った測定戦略に言及する報告はこれまでになされ
ていない。(12) Measurement Strategy When performing parametric error estimation of CMM, the reliability of the estimated value is strongly influenced not only by the accuracy of the measurement method used but also by the skill of the measurement strategy. However, the construction of the measurement strategy is based on empirical know-how, and no report has been made so far that refers to the measurement strategy according to the quantitative guideline.

【０１０１】6自由度モデルのシミュレーションにおい
て、なるべく長い有効アーム長さを複数組み合わせると
並進の情報を用いて角度偏差を評価する場合の数値条件
が改善されることが知られている。これは式（１０）に
示すように有効アーム長さや角度偏差を(位置)ベクトル
として取り扱うと、それらの外積がアッベ誤差に相当す
る並進偏差への寄与を記述するためである。It is known that, in the simulation of the 6-degree-of-freedom model, a plurality of effective arm lengths that are as long as possible are combined to improve the numerical condition when the angular deviation is evaluated using the translation information. This is because when the effective arm length and the angular deviation are treated as a (position) vector as shown in the equation (10), their outer products describe the contribution to the translational deviation corresponding to the Abbe error.

【０１０２】[0102]

【数１０】 [Equation 10]

【０１０３】このことを単純な1軸案内機構のヨーイン
グにあてはめて図１９に模式的に示した。案内の移動方
向の指示偏差を異なるふたつの位置で得た測定値からヨ
ーイングパラメータを推定することを考える。式（１
０）に対応させると、ふたつの測定ライン間の距離が遠
いほど、条件は改善される。直方体の測定空間を有する
直交型CMMの場合、移動可能範囲の両端で稜線に沿った
並進偏差の測定を組み合わせれば、角度偏差パラメータ
に対して最良の応答を得ることができる。This is applied to the yawing of a simple uniaxial guide mechanism and shown schematically in FIG. It is considered that the yawing parameter is estimated from the measured values obtained from two different positions of the guide deviation in the moving direction of the guide. Expression (1
Corresponding to 0), the further the distance between the two measurement lines, the better the condition. In the case of an orthogonal CMM having a rectangular parallelepiped measurement space, the best response to the angular deviation parameter can be obtained by combining the measurement of translational deviation along the ridge at both ends of the movable range.

【０１０４】一方、並進偏差の測定で並進偏差パラメー
タを推定するときの数値条件は測定点の配置にはよらな
い。測定点の精度と数で推定値の信頼性が決まることに
なる。例えば測定点を測定空間に均等にグリッド状に配
置すると、並進偏差パラメータの分散を低減する効果は
あるが、角度偏差パラメータへの寄与という点ではあま
り意味がない。On the other hand, the numerical condition for estimating the translation deviation parameter by measuring the translation deviation does not depend on the arrangement of the measurement points. The accuracy and number of measurement points will determine the reliability of the estimated value. For example, arranging the measurement points evenly in a grid in the measurement space has the effect of reducing the dispersion of the translation deviation parameter, but it is not so meaningful in terms of contributing to the angle deviation parameter.

【０１０５】ところでCMMの機構と注目するパラメトリ
ックエラーによっては、有効アーム長さを変化させるた
めにはプローブベクトルを変更することが必要な場合が
ある。この場合プローブベクトルを極端に、例えば200m
mより極端に長く延長することは機構の剛性等の制限に
よりできない場合が多い。有効アーム長さに基づく角度
偏差パラメ−タ推定の数値条件の改善には限界がある。Depending on the mechanism of the CMM and the parametric error of interest, it may be necessary to change the probe vector in order to change the effective arm length. In this case, the probe vector should be extremely
It is often impossible to extend the length extremely longer than m because of the rigidity of the mechanism. There is a limit to the improvement of the numerical conditions for estimating the angle deviation parameter based on the effective arm length.

【０１０６】以上の簡単な検討結果に基づいて空間座標
の比較測定によるCMM校正のための測定戦略を構成した
例を図２０に示す。この測定戦略では一直線上に20mm間
隔で等間隔に並ぶ点列を基本単位とし、主にこれを複数
組み合わせて測定戦略を組み立てている。前述した通り
いくつかのパラメトリックエラーを推定するためには、
1直線上に並ばない3つのプローブ突き出し量を設定する
必要がある。ここでは図９にしたがった150mmの突き出
し量を専用治具を用いて設定している。FIG. 20 shows an example in which a measurement strategy for CMM calibration by comparative measurement of spatial coordinates is configured based on the above-mentioned simple examination result. In this measurement strategy, a series of dots arranged at equal intervals of 20 mm on a straight line is used as a basic unit, and a plurality of these are mainly combined to form a measurement strategy. As mentioned above, to estimate some parametric errors,
It is necessary to set three probe protrusion amounts that do not line up on one straight line. Here, the protrusion amount of 150 mm according to FIG. 9 is set using a dedicated jig.

【０１０７】空間座標の比較測定法は測定点の配置につ
いての自由度が高い。例えば全ての測定点を一組の観測
値として取り扱ってもかまわないし、1直線上に並ぶ点
列をそれぞれ一組の観測値として独立に分割して扱うこ
ともできる。採用する測定モデルによっては、それぞれ
の独立した観測値は固有のアライメントを表す未知パラ
メータを含むことになるので、パラメータ推定の立場か
らはなるべく観測値をまとめることが望ましい。一方現
実のCMM校正は限られた安定度の環境、特に温度環境下
で行われるので、どの程度に観測値を分割するかの判断
は環境条件に依存してなされる。ここでは前節に示した
6点による球形体の繰り返し測定の結果を踏まえて測定
戦略を4つに分割した。この測定戦略に含まれる約300点
の観測値のみを用いて、21組のパラメトリックエラーを
同時推定する。The spatial coordinate comparison measurement method has a high degree of freedom regarding the arrangement of measurement points. For example, all the measurement points may be treated as a set of observation values, or a series of points arranged on one straight line may be treated as a set of observation values independently divided. Depending on the measurement model adopted, each independent observation value will contain an unknown parameter that represents a unique alignment, so from the standpoint of parameter estimation, it is desirable to collect observation values as much as possible. On the other hand, since the actual CMM calibration is performed in an environment with limited stability, especially in a temperature environment, the degree of division of observations depends on the environmental conditions. Here shown in the previous section
The measurement strategy was divided into four based on the results of repeated measurement of the sphere with 6 points. Twenty-one sets of parametric errors are estimated simultaneously using only about 300 observations included in this measurement strategy.

【０１０８】次に、本発明を実施した第２実施形態につ
いて述べる。第１実施形態においては、基準CMM１０のZ
軸スピンドル１６先端にタッチプローブ１７を設け、被
校正CMM２０のZ軸スピンドル２６先端に設けた基準器２
７の球体２７ａ〜２７ｃを測定することによって、双方
の空間座標を求めて比較を行うものであったが、第２実
施形態においては、図２１に示すように、基準CMM１０
のZ軸スピンドル１６先端を被校正CMM２０のZ軸スピン
ドル２６先端に結合器７０を用いて結合し、両者のスラ
イダ（Z軸スピンドル１６，２６）が同時に移動するよ
うにして、基準CMM１０の空間座標に対する被校正CMM２
０の空間座標を１対１で直接サンプリング可能な構成と
する。Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, Z of the reference CMM 10
The touch probe 17 is provided at the tip of the shaft spindle 16 and the reference device 2 is provided at the tip of the Z-axis spindle 26 of the CMM 20 to be calibrated.
By measuring the spherical bodies 27a to 27c of No. 7, the spatial coordinates of both are obtained and compared, but in the second embodiment, as shown in FIG. 21, the reference CMM10 is used.
The tip of the Z-axis spindle 16 is coupled to the tip of the Z-axis spindle 26 of the CMM 20 to be calibrated by using the coupler 70 so that both sliders (Z-axis spindles 16 and 26) move simultaneously, and the spatial coordinates of the reference CMM 10 are moved. To be calibrated CMM2
The spatial coordinates of 0 are directly sampled on a one-to-one basis.

【０１０９】つまり、被校正CMM２０を基準CMM１０に搭
載する点は第１実施形態と同一であるが、被校正CMM２
０が軸駆動機構を備えない手動型CMMである場合、ある
いは軸駆動機構を備えたCMMであっても、軸駆動機能を
解除して各軸をフリーとした場合に、基準CMM１０を駆
動することで、結合器７０によって被校正CMM２０が駆
動される。この場合、結合器７０によって両者のZ軸ス
ピンドル１６，２６が結合されているので、空間的には
基準CMM１０と被校正CMM２０は相対的に一定の位置関係
を保つ。従って、スピンドル１６，２６の移動時に同一
時刻において両者の空間座標を同時にサンプリングする
か、あるいは停止時に空間座標をサンプリングすること
によって、一定の位置関係を保った基準CMM１０と被校
正CMM２０の空間座標を直接的に取得することが可能と
なる。That is, the point that the CMM 20 to be calibrated is mounted on the reference CMM 10 is the same as in the first embodiment, but the CMM 2 to be calibrated is
If 0 is a manual CMM that does not have an axis drive mechanism, or even if it is a CMM that has an axis drive mechanism, drive the reference CMM 10 when the axis drive function is canceled and each axis is free. Then, the CMM 20 to be calibrated is driven by the coupler 70. In this case, since the Z-axis spindles 16 and 26 are coupled by the coupler 70, the reference CMM 10 and the CMM 20 to be calibrated spatially maintain a relatively constant positional relationship. Therefore, the spatial coordinates of the reference CMM 10 and the CMM 20 to be calibrated, which maintain a constant positional relationship, can be obtained by sampling the spatial coordinates of both spindles simultaneously at the same time when the spindles 16 and 26 are moved, or by sampling the spatial coordinates when the spindles are stopped. It will be possible to obtain it directly.

【０１１０】この場合、基準CMM１０と被校正CMM２０の
各軸はそれぞれの幾何学的偏差（ピッチングやローリン
グ、ヨーイングなど）を持つので、両者のスピンドル１
６，２６を固定的に結合することは出来ない。そこで、
図２１に示す結合器７０を使用する。この結合器７０は
基準CMM１０のスピンドル１６へ固定される基準結合部
材７１と、被校正CMM２０のスピンドル２６へ固定され
る被校正結合部材７２から構成され、両部材７１，７２
は各軸方向へ牽引するピアノ線７３によって締結されて
いる。従って、基準結合部材７１と被校正結合部材７２
間はX軸、Y軸、Z軸方向への移動の自由度はないが、両
者間の相対的回転については自由度を持っている。従っ
て、例えば被校正CMM２０の各軸に幾何学的偏差がある
場合であっても、基準CMM１０と被校正CMM２０間を無理
なく結合することが出来る。In this case, since the axes of the reference CMM 10 and the CMM 20 to be calibrated have respective geometric deviations (pitching, rolling, yawing, etc.), both spindles 1
6,26 cannot be fixedly connected. Therefore,
The coupler 70 shown in FIG. 21 is used. The coupler 70 includes a reference coupling member 71 fixed to the spindle 16 of the reference CMM 10 and a calibration coupling member 72 fixed to the spindle 26 of the CMM 20 to be calibrated.
Are fastened by a piano wire 73 that is pulled in each axial direction. Therefore, the reference connecting member 71 and the calibrated connecting member 72
There is no freedom of movement in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, but there is a degree of freedom in relative rotation between the two. Therefore, for example, even when there is a geometric deviation in each axis of the CMM 20 to be calibrated, the reference CMM 10 and the CMM 20 to be calibrated can be naturally connected.

【０１１１】図２２は結合器の変形例を示す。図２１に
示す結合器７０においては各軸の正負方向をピアノ線７
３で結合したが、この結合器７０’においては、正負方
向のいずれかのみにピアノ線７３を備える。但し片側の
みの結合では、ピアノ線７３を押す方向にスピンドル１
６又は２６を駆動することができないので、各軸一方向
にしか駆動することができない。このため、ピアノ線７
３と平行に、図示しない圧縮ばねを１個あるいは複数個
備えることにより、ピアノ線７３を押す方向にも駆動可
能にする必要がある。FIG. 22 shows a modification of the coupler. In the coupler 70 shown in FIG. 21, the piano wire 7 is connected in the positive and negative directions of each axis.
In this coupler 70 ', the piano wire 73 is provided only in either the positive or negative direction. However, when connecting only one side, the spindle 1 is pushed in the direction of pushing the piano wire 73.
Since 6 or 26 cannot be driven, each axis can be driven only in one direction. Therefore, the piano wire 7
It is necessary to provide one or more compression springs (not shown) in parallel with 3 so that the piano wire 73 can be driven also in the pushing direction.

【０１１２】この第２実施形態においても、第１実施形
態と同様に、図１６のブロック図に従って、あらかじめ
定められた測定戦略を用いてすべての測定点における幾
何学的偏差が収集された後、公知の測定モデルを用い
て、被校正CMMのパラメトリックエラーとその信頼性を
ほぼ同時に算出し、推定することが出来る。Also in this second embodiment, as in the first embodiment, after the geometric deviations at all the measurement points are collected using the predetermined measurement strategy according to the block diagram of FIG. The parametric error of the CMM to be calibrated and its reliability can be calculated and estimated almost simultaneously using a known measurement model.

【０１１３】図２３は、本発明の第３の実施形態に係る
測定機の校正システムの要部を示す斜視図である。FIG. 23 is a perspective view showing a main part of a calibration system for a measuring machine according to the third embodiment of the present invention.

【０１１４】この実施例では、被校正CMM２０に取り付
けられたタッチプローブ２８でベースプレート２１上に
設置された基準器２７’の３つの球体２７ａ，２７ｂ，
２７ｃの球形状を測定する。基準器２７’は、互いのア
ームの成す角度が90度となる支持体２７ｄと、この支持
体２７ｄを支持する支持ブロック２７ｅと、支持体２７
ｄに支持された３つの球体２７ａ〜２７ｃからなる。タ
ッチプローブ２８は、先端に球体２７ａ〜２７ｃと同径
の球体２８ａを有し、球体２８ａが球体２７ａ〜２７ｃ
のそれぞれと接触する点の数は、６点以上で、球体２７
ａ〜２７ｃの表面上に均等に分布する。その接触点は、
好ましくは正ｎ面体（但し、ｎ≧８）の頂点位置に位置
する。この場合にも、球体２７ａ〜２７ｃの中心位置を
高精度に推定することができる。In this embodiment, the touch probe 28 attached to the CMM 20 to be calibrated is used to set the three spheres 27a, 27b of the reference 27 'installed on the base plate 21.
The spherical shape of 27c is measured. The reference device 27 'includes a support body 27d in which the angles formed by the arms are 90 degrees, a support block 27e that supports the support body 27d, and a support body 27d.
It is composed of three spheres 27a to 27c supported by d. The touch probe 28 has a sphere 28a having the same diameter as the spheres 27a to 27c at the tip, and the sphere 28a is the spheres 27a to 27c.
The number of points that contact each of the
a to 27c are evenly distributed on the surface. The contact point is
It is preferably located at the apex position of a regular n-faced body (however, n ≧ 8). Also in this case, the center positions of the spheres 27a to 27c can be estimated with high accuracy.

【０１１５】以上、本発明について好適な実施形態を挙
げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での変更が
可能である。Although the present invention has been described above with reference to the preferred embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

【０１１６】たとえば、上記実施形態では、基準測定機
と被校正測定機はいずれも三次元座標測定機に限って説
明したが、輪郭形状測定機や画像測定機などの表面性状
測定機を基準測定機あるいは被校正測定機としても良
く、更に、１軸のみの案内機構を備える真直度測定機な
どであっても良い。For example, in the above-described embodiment, the reference measuring machine and the calibrated measuring machine are both limited to the three-dimensional coordinate measuring machine, but a surface texture measuring machine such as a contour measuring machine or an image measuring machine is used as the standard measuring machine. A machine or a measuring machine to be calibrated may be used, and a straightness measuring machine having a guide mechanism for only one axis may be used.

【０１１７】また、実際の校正のための測定は、手動操
作によって各軸測定点へ位置決めするほか、プログラム
によって基準測定機が自動位置決めを行って自動測定さ
れるものであっても良い。The measurement for the actual calibration may be carried out by positioning manually at each axis measurement point by manual operation, or by a program which automatically positions the reference measuring machine for automatic measurement.

【０１１８】さらに、被校正測定機がプログラムによっ
て自動位置決めを行って自動測定されるものであっても
良い。Further, the measuring machine to be calibrated may perform automatic positioning by a program to perform automatic measurement.

【０１１９】[0119]

【発明の効果】以上述べたように、基準測定機と被校正
測定機の空間座標を比較することによって、被校正測定
機の幾何学的偏差を収集し、パラメトリックエラーとそ
の信頼性をほぼ同時に算出し、推定することが容易にな
る。As described above, by comparing the spatial coordinates of the reference measuring machine and the measuring machine to be calibrated, the geometric deviation of the measuring machine to be calibrated can be collected, and the parametric error and its reliability can be almost simultaneously obtained. It is easy to calculate and estimate.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】 本発明の第１実施形態にかかる、2台のCMMの
座標指示値を直接に比較測定し得る校正システム１００
の外観を示す斜視図である。FIG. 1 is a calibration system 100 according to a first embodiment of the present invention, which is capable of directly comparing and measuring coordinate indication values of two CMMs.
3 is a perspective view showing the external appearance of FIG.

【図２】 本実施形態による校正システムの構成を示す
ブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a calibration system according to the present embodiment.

【図３】 本実施形態による校正システムの校正方法を
示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing a calibration method of the calibration system according to the present embodiment.

【図４】 基準CMMと被校正CMMの仕様の概略を示す。FIG. 4 shows an outline of specifications of a reference CMM and a CMM to be calibrated.

【図５】 測定点の配置及び測定戦略の例を示す。FIG. 5 shows an example of arrangement of measurement points and a measurement strategy.

【図６】 測定点の配置の例を示す。FIG. 6 shows an example of arrangement of measurement points.

【図７】 基準器の球体とタッチプローブの球体の大き
さと測定可能範囲との関係を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the size of the sphere of the reference device and the sphere of the touch probe and the measurable range.

【図８】 プローブベクトルの設定について説明する。FIG. 8 illustrates setting of a probe vector.

【図９】 直交型のCMMの場合、21組のパラメトリック
エラーを求めるため、三次元空間で1直線上に並ばない3
つの異なるプローブベクトルを与える基準器を示す。[Fig. 9] In the case of an orthogonal CMM, 21 sets of parametric errors are obtained, and therefore they are not arranged in a line in a three-dimensional space.
A reference is given which gives two different probe vectors.

【図１０】 一次元的な校正標準を参照するCMMの校正
方法と、空間座標の比較測定法を模式的に示す。FIG. 10 schematically shows a CMM calibration method that refers to a one-dimensional calibration standard and a spatial coordinate comparison measurement method.

【図１１】 基準CMMの機械座標系の中に被校正CMMの機
械座標系を全て納められるように2台のCMMの位置関係を
決定するため、レバー型のCMMを並べて設置する方法を
模式的に示す。FIG. 11 is a schematic diagram showing a method of installing lever-type CMMs side by side in order to determine the positional relationship between two CMMs so that the machine coordinate system of the CMM to be calibrated can be entirely contained in the machine coordinate system of the reference CMM. Shown in.

【図１２】 差動トランス型変位計を6チャンネル設置
して検出を行う方法を模式的に示す。FIG. 12 schematically shows a method of performing detection by installing 6 channels of a differential transformer type displacement meter.

【図１３】 図１２の方法において、6か所の変位測定
値から算出した座標変換パラメータの変動成分を回転3
成分、並進3成分について、被校正CMMの座標系で表示し
た位置(0．0、0．0、0．0) mmにおける結果を示してい
る。FIG. 13 is a diagram illustrating a method of rotating the fluctuation component of the coordinate conversion parameter calculated from the displacement measurement values at six locations in the method of FIG.
The results at the position (0.0, 0.0, 0.0) mm displayed in the coordinate system of the CMM to be calibrated are shown for the component and the three translational components.

【図１４】 位置決め偏差の影響を説明するための二次
元的な模式図である。FIG. 14 is a two-dimensional schematic diagram for explaining the influence of positioning deviation.

【図１５】 リニアスケールの温度の時間的な変化を示
すグラフである。FIG. 15 is a graph showing a temporal change in temperature of the linear scale.

【図１６】 校正方法の概略を示すブロック図である。FIG. 16 is a block diagram showing an outline of a calibration method.

【図１７】 基準器の球体と、その上の測定点の配置の
一例を示す。FIG. 17 shows an example of a sphere of a reference device and an arrangement of measurement points on the sphere.

【図１８】 球体の４つのパラメータの時間的推移を示
すグラフである。FIG. 18 is a graph showing a temporal transition of four parameters of a sphere.

【図１９】 １軸案内機構のヨーイング誤差を説明する
ための図である。FIG. 19 is a diagram for explaining a yawing error of the uniaxial guide mechanism.

【図２０】 空間座標の比較測定によるCMM校正のため
の測定戦略を構成した例を示す。FIG. 20 shows an example of configuring a measurement strategy for CMM calibration by comparative measurement of spatial coordinates.

【図２１】 本発明の第２実施形態に係る、2台のCMMの
座標指示値を直接に比較測定し得る校正システムの結合
器部分を示す斜視図である。FIG. 21 is a perspective view showing a coupler portion of a calibration system capable of directly comparing and measuring coordinate indication values of two CMMs according to the second embodiment of the present invention.

【図２２】 他の結合器を使用した校正システムの斜視
図である。FIG. 22 is a perspective view of a calibration system using another coupler.

【図２３】 本発明の第３実施形態に係る、測定機の校
正システムの要部を示す斜視図である。FIG. 23 is a perspective view showing a main part of a calibration system for a measuring machine according to a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０ 基準CMM ２０ 被校正CMM ３０ ホストコンピュータ ４０，５０ コントローラ １１，２１ ベースプレート １２，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ ビーム支持体 １３，２３ ビーム １４，２４ Y軸駆動機構 １５，２５ コラム １６，２６ スピンドル １７ プローブ ２７ 基準器 10 Standard CMM 20 CMM to be calibrated 30 host computer 40,50 controller 11,21 Base plate 12, 12b, 22a, 22b Beam support 13,23 beams 14, 24 Y-axis drive mechanism 15,25 columns 16,26 spindle 17 probes 27 Standard

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 球体プローブを有する被校正三次元測定
機の測定空間内に、球体を有する基準器を設置し、 前記被校正三次元測定機で前記基準器の球体の中心座標
を、当該球体の球面上に均等に分布する６点以上の測定
点に前記球体プローブを接触させることにより測定し、 得られた中心座標に基づいて前記被校正三次元測定機を
校正することを特徴とする測定機の校正方法。1. A reference instrument having a sphere is installed in a measurement space of a calibration coordinate measuring machine having a sphere probe, and a center coordinate of a sphere of the reference instrument is set to the sphere by the calibration coordinate measuring machine. Measurement is performed by bringing the spherical probe into contact with six or more measurement points that are evenly distributed on the spherical surface, and calibrates the coordinate measuring machine to be calibrated based on the obtained center coordinates. How to calibrate the machine. 【請求項２】 請求項１に記載の測定機の校正方法にお
いて、前記球体の球面上に分布する測定点は、前記球体
に内接する正ｎ面体（但し、ｎ≧８）の頂点位置に位置
することを特徴とする。2. The calibration method for a measuring machine according to claim 1, wherein the measurement points distributed on the spherical surface of the sphere are located at the apex position of a regular n-faced body (where n ≧ 8) inscribed in the sphere. It is characterized by doing. 【請求項３】 請求項１に記載の測定機の校正方法にお
いて、前記基準器は、前記支持部材に支持された、一直
線上に並ばない３個の球体を備える。3. The measuring instrument calibration method according to claim 1, wherein the reference device includes three spheres that are supported by the support member and are not aligned. 【請求項４】 請求項１に記載の測定機の校正方法にお
いて、前記球体と前記測定子の直径は略等しいことを特
徴とする。4. The method for calibrating a measuring machine according to claim 1, wherein the sphere and the probe have substantially equal diameters. 【請求項５】 予め校正された第１のプロービングシス
テムを有する基準三次元測定機の測定空間内と校正対象
である第２のプロービングシステムを有する被校正三次
元測定機の測定空間とが重なるように前記基準三次元測
定機と被校正三次元測定機とを設置し、前記第１及び第
２のプロービングシステムの一方に球体プローブを設置
すると共に、前記第１及び第２のプロービングシステム
の他方に球体を有する基準器を設置し、 前記基準器の球体の球面上に均等に分布する６点以上の
測定点に前記球体プローブを接触させることにより、前
記基準三次元測定機による第１の測定値と前記被校正三
次元測定機による第２の測定値とを取得し、 前記第１及び第２の測定値に基づいて前記被校正三次元
測定機を校正することを特徴とする測定機の校正方法。5. The measurement space of a reference coordinate measuring machine having a pre-calibrated first probing system and the measurement space of a calibration target coordinate measuring machine having a second probing system to be calibrated overlap each other. The reference coordinate measuring machine and the coordinate measuring machine to be calibrated are installed in, and the spherical probe is installed in one of the first and second probing systems, and in the other of the first and second probing systems. A reference device having a sphere is installed, and the spherical probe is brought into contact with six or more measurement points that are evenly distributed on the spherical surface of the sphere of the reference device. And a second measurement value obtained by the calibrated coordinate measuring machine, and calibrating the calibrated coordinate measuring machine based on the first and second measurement values. Positive way.