JP2007515641A - 多軸計測システムの幾何学配置を較正するための方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
更に必要とされることは、指定された埋込みゲージ座標に対して指定された部品表面座標を位置決めするための方法である。
要約すれば本発明は、多軸の部品位置決め手段と埋込み型波面測定ゲージとを含む機械を含む計測システムを較正して位置合わせするための方法を提供する。
a)機械回転軸をそれらそれぞれの平行移動軸に粗く位置合わせしてこれらの回転軸に関して公称ゼロ点を設定するステップと、
b)埋込みゲージ本体を機械軸に位置合わせするステップと、
c)埋込みゲージ焦点をA回転軸(「スピンドル軸」)(視準テストのためにスピンドル軸に平行な、このステップは焦点合わせ要素が変更されるときは何時でも繰り返されなくてはならないことに留意すること)に位置合わせするステップと、
e)機械回転軸をこれらそれぞれの平行移動軸に正確に位置合わせして埋込みゲージを使用して回転軸に関する正確なゼロ点を設定するステップと、を含む。
a)部品とそのマウント(球状部品に関しては図5dに、平面部品に関しては図5eに示すような)とをそれぞれ図6a(球面)、6b(平面)に示すような埋込みゲージ12の波面測定フィールド50a(球面状)、50b(視準)におけるスピンドル/A軸ステージ(図5bに示すような)に組み合わせるステップ(典型的には部品は次のステージまたはチャックへの取り付けのためにマウント48に前もって取り付けられる)と、
c)図7に示すように複数のデータ点22を取得するために各測定値の傾斜成分を抽出するステップと、
d)傾斜・スピンドル位置データに一つの円を当て嵌めるステップと、
部品測定のためには各A軸位置における傾斜の値だけが必要とされる。これらは、埋込みゲージ測定データに平面当て嵌めを実行すること(および当て嵌め係数を記録すること)によって、または埋込みゲージがこの特定のA位置における無視し得る量の傾斜を測定するまで、これらの軸を繰り返し再位置決めして波面を再測定する(最終的軸位置を記録する)ことによって得ることができる。
c)Zにおけるピンに沿った全体的な指示された逃げが最小になるまでZをジョグして(小刻みに動かして)Bを調整することによってB原点を見つけ出す。
d)ピンの逃げの最大値がXZ平面内で方向付けられるように、Aを90°回転させることを、Yに関して繰り返す。Y変位を測定するためにインジケータを再方向付けする。
BおよびC回転原点は、これで確立されてゼロにされており(B=0、C=0)、A軸は機械的手段の限度内でZ軸とほぼ平行になっている。更に正確な位置合わせは、後のステップに開示されるように、本発明による埋込みゲージ12を使用することによって達成される。
a)内部光軸31を有する波面30がゲージを去るように、焦点合わせ要素28なしで機械プラットフォーム14にゲージ12を取り付ける。回転軸は、予め較正しておくべきである(B、Cの位置は、A軸がZ軸にほぼ平行になるように決まる)。
b)焦点合わせ要素を内部ゲージ光軸31に位置合わせする。(軸31は実際には図3、4の透過要素の背後に在ることに留意すること。例えばもし前述の位置合わせステップが実行されなかったとすれば、外部軸34は内部ゲージ軸31に関して曲げられるであろう。)例えばゲージがフィゾー干渉計である場合にはこの焦点合わせ要素は、透過球であって、位置合わせ手順は以下の通りである:
iii)オプティカルフラット36を取り外す。
a)ステッピングモータのステップ幅の物理的サイズ(δx,δy,δzmm/ステップ)、ここでX=ξδx、Y=ηδy、Z=ζδzであり、またξ、η、ζは「モータステップ」単位での軸位置である、
b)Z方向(zc)におけるB、C間のずれ(オフセット)、
c)X方向(xb)におけるA、B間のずれ(オフセット)、
d)Y方向(yc)におけるA、C間のずれ(オフセット)、後者はC行程が制限されている場合には実際には必要でない、
A、B、C軸間の空間的分離を決定することによってCNC機械の幾何学配置を較正するために(図1、2a、2bを参照)、
b)A軸がゲージ焦点36を通るようにX、Yを動かす。
c)部品内の如何なるウェッジもx軸に沿った方向に向ける(フリンジ(縞)が垂直になるまでAを回転させる)。
d)X、Y、Zを使用して共焦点位置(図3に示すような)を見出す(B、Cは両者とも0であるべきである)。
e)幾つかの位置に関して以下のステップを繰り返す:
ii)XとZだけを使用して干渉ゼロを見出す、
iii)BがX−Z平面に垂直でないことを示す、ゼロにするために必要とされる如何なるY調整にも注意する、
iv)X、Z、B位置を記録する、
f)以下の式を最小にする(例えば、最小二乗法調整を介して):
b)それから相次いで各テスト部品にパートオンマウント(部品マウント取付け)手順を実行し、各部品に関して横方向ゲージ不整合項(x、y座標におけるA軸からゲージ焦点までの変位60)を記録する。図8cは、どのようにしてA−Z不整合角70がZの異なる値において大きく異なるスピンドル・ゲージ間不整合を引き起こし得るかを示す。図8cには、システムのX、Yがスピンドル・ゲージ間不整合を持たないように調整された場合(ZとA−Z不整合角と取付けのこの特定の場合)の部品46の凹面44が示されている。すなわちスピンドル軸Aはゲージ焦点36を横切っている。しかしながらステージが部品42上の凸面44をテストするために上昇する(Z方向に)(X、Yの相対位置を一定に保ちながら)と、図8cの中心の矢印72によって示されるように、この新しいZ位置に大きなスピンドル・ゲージ間不整合を導入するように、スピンドル・ゲージ間不整合70が示されている。この誘導されたゲージ・スピンドル間誤差の量は、これら二つの測定値間のZ方向の差に不整合角のタンジェントを乗じたものに等しいことに留意すること。単純化するために部品42、46の部品・スピンドル間不整合は、この図ではゼロであるように示されており、誤差はX方向(平面図)にだけ示されているが、これらはこのプロセスの本質的特徴ではない。
d)この不整合角だけB、C原点を調整する(不整合角を除去するために)。
e)位置合わせを確認するため、および/またはより正確な位置合わせまで反復するためにこの全プロセスを繰り返す(目標は不整合のないことであり、すなわちA軸は機械の位置決め精度内でZ軸に平行になることである)。
Claims (31)
- スピンドル軸と波面測定ゲージとを有する部品位置決め手段を含む計測システムにおいて、前記スピンドルに関するテスト部品の位置と前記波面測定ゲージに関する前記スピンドル軸の位置とを決定するための部品取付け方法であって、
a)前記テスト部品の表面が前記ゲージに露出されるように前記スピンドル軸に前記テスト部品を取り付けるステップと、
b)前記スピンドルの複数の回転位置において前記ゲージによって前記テスト部品表面の測定値を取得するステップと、
c)前記回転位置の各々において前記表面測定値から傾斜成分を抽出するステップと、
d)前記傾斜成分と前記回転位置とに一つの円を当て嵌めるステップと、
e)ゲージ・スピンドル間不整合とスピンドル・部品間不整合とをそれぞれ与えるために前記円の中心および半径座標を決定するステップと、を備える方法。 - 前記テスト部品表面は非球面と球面と平面とからなるグループから選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記当て嵌めるステップは最小二乗近似法を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記当て嵌めるステップは目視検査を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記テスト部品のウェッジと偏心の両者を一意に決定するために、他のある方法によって前記球形テスト部品のウェッジ/偏心を測定する事前のステップと、前記スピンドル・部品間不整合値から得られた値を減算する追加ステップと、を含む、請求項1に記載の方法。
- 部品・スピンドル間インタフェースは各々が部品・スピンドル間不整合へのそれ自身の寄与を有する一つ以上の回転可能な要素を含んでおり、前記方法は、
a)全ての回転可能なコンポーネントの特定の方位において部品・スピンドル間不整合の測定値を取得するために請求項1のステップを実行するステップと、
b)前記回転可能な要素の少なくとも一つをある既知の量だけ回転させるステップと、
c)前記回転可能な要素のこれら新しい方位における部品・スピンドル間不整合を測定するために請求項1のステップを実行するステップと、
d)全ての追加の回転可能なコンポーネントに関して少なくとも一度はステップb)、c)を繰り返すステップと、
e)各個別の回転可能な要素の不整合寄与を抽出するために全ての部品・スピンドル間不整合値に数学的分析を実行するステップと、を備える、請求項1に記載の方法。 - 前記部品位置決め手段において他のコンポーネントから不整合寄与を分離するために、前記部品位置決め手段における特定のコンポーネントから不整合寄与を減算する追加ステップを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記部品の位置は前記スピンドル・部品間不整合値を最小にするために前記スピンドル軸に関して調整される、前記テスト表面を前記スピンドル軸に位置合わせするための請求項1に記載の方法。
- スピンドル軸と波面測定ゲージとを有する部品位置決め手段を含む計測システムにおいて、ある特定のゲージ・スピンドル間不整合値を仮定して前記スピンドル軸に関するテスト部品の位置を決定するための部品取付け方法であって、
a)前記テスト部品の表面が前記ゲージに露出されるように前記スピンドル軸に前記テスト部品を取り付けるステップと、
b)前記スピンドルの或る回転位置において前記ゲージによって前記テスト部品表面の測定値を取得するステップと、
c)前記表面測定値から傾斜成分を抽出するステップと、
d)スピンドル・部品間不整合の推定値を与えるために前記傾斜成分から前記仮定されたゲージ・スピンドル間不整合値を減算するステップと、を備える方法。 - X、Y、Z平行移動軸とA、B、C回転軸とを含む機械的位置決めシステムの幾何学配置定数を決定するために埋込みゲージとテスト表面とを使用するための方法であって、前記定数は前記平行移動軸の横方向スケールと前記回転軸間の空間的分離と機械ステージに関するゲージ焦点の軸方向位置とを含むことができ、前記方法は、
a)前記埋込みゲージに焦点合わせ要素を設けるステップと、
b)前記機械ステージにテスト表面を有するテスト部品を取り付けるステップと、
c)前記回転軸の位置をゼロに設定するステップと、
d)前記A軸が前記ゲージの焦点を通るように前記X、Y軸の少なくとも一つに沿って前記ステージを動かすステップと、
e)前記テスト表面が前記埋込みゲージと共焦点になるように前記平行移動軸を調整するステップと、
f)前記回転軸の一つを新しい値に動かすステップと、
g)前記平行移動軸を調整することによって前記テスト部品を前記共焦点位置に再位置決めするステップと、
h)前記共焦点状態を達成する軸の位置を記録するステップと、
i)前記回転軸の幾つかの異なる位置に関してステップf)、g)を繰り返すステップと、
j)前記機械の幾何学配置の分析的モデルに数値適合を実行するステップと、を備える方法。 - スピンドル軸を有する機械的位置決めシステムに波面測定ゲージを位置合わせするための方法であって、
a)焦点合わせ要素を除去された前記ゲージを前記機械的位置決めシステムに取り付けるステップと、
b)前記機械的位置決めシステムの機械軸を所望の作業原点位置に調整するステップと、
c)少なくとも一つの平坦な表面を有するテスト部品を前記スピンドル上に配置するステップと、
d)前記スピンドル(A)軸と前記ゲージとの間の角度的不整合を測定するために前記ゲージを使用するステップと、
e)前記ゲージ本体を前記スピンドル軸に位置合わせするために、前記角度的不整合測定値に基づいて前記機械的位置決めシステムに関して前記ゲージ本体を再配置するステップと、を備える方法。 - ステップd)はパートオンマウント手順を含む、請求項11に記載の方法。
- 多軸機械位置決めシステムの平行移動軸と回転軸との間の空間的関係を正確に決定するために多軸機械位置決めシステムと埋込み波面測定ゲージとを含む計測システムを較正して位置合わせするための方法であって、
a)前記機械的位置決めシステムの回転軸A、B、Cを前記それぞれの平行移動軸Z、Y、Xに粗く位置合わせして、前記回転軸に関して公称ゼロ点を設定するステップと、
b)前記埋込みゲージの本体を前記機械的位置決めシステムに位置合わせするステップと、
c)前記埋込みゲージを前記A回転軸(スピンドル軸)に位置合わせするステップと、
d)そのように位置合わせされたときに前記回転軸間の空間的ずれ(オフセット)を決定するステップと、
e)前記回転軸に関して正確なゼロ点を設定するために前記機械回転軸を前記それぞれの平行移動軸に正確に位置合わせするステップと、を備える方法。 - ステップb)は、以下のステップ:
a)焦点合わせ要素を選択するステップと、
b)前記焦点合わせ要素を前記埋込みゲージ本体に取り付けるステップと、
c)前記焦点合わせ要素を前記ゲージ本体の光軸に位置合わせするステップと、
d)少なくとも一つの曲面を有するテスト部品を前記位置決めシステムのスピンドル軸上に設置するステップと、
e)前記ゲージを使用することによって前記スピンドルと前記ゲージ光軸との間の如何なる不整合をも決定するステップと、
f)前記不整合を除去するために前記テスト部品を前記機械的位置決めシステムの一つ以上の平行移動軸に沿って動かすステップと、を含む、請求項13に記載の方法。 - 前記焦点合わせ要素は透過球であり、また前記埋込みゲージはフィゾー干渉計である、請求項14に記載の方法。
- 前記決定するステップはパートオンマウント手順を含む、請求項14に記載の方法。
- 前記埋込みゲージは公称的に視準(コリメート)された波面を生成し、またステップb)は以下のステップ:
a)前記視準された波面にオプティカルフラットを取り付けるステップと、
b)前記位置決めシステムのスピンドル軸に少なくとも一つの平坦な表面を有するテスト部品を設置するステップと、
c)前記ゲージを使用することによって前記スピンドル軸と前記波面視準(コリメーション)の方向との間の如何なる不整合をも決定するステップと、
d)前記不整合を除去するために前記機械的位置決めシステムの少なくとも一つの回転軸を動かすステップと、を含む、請求項13に記載の方法。 - 前記埋込みゲージはフィゾー干渉計である、請求項17に記載の方法。
- 前記決定するステップはパートオンマウント手順を含む、請求項17に記載の方法。
- 視準モードにおいて多軸位置決め機械と埋込み波面測定ゲージとを含む計測システムにおいて、ゲージ座標系における機械スピンドル軸の画像位置を決定するための方法であって、
a)開口寸法が前記ゲージ波面に完全に含まれている、前記ゲージ波面に露出された前記位置決め機械のスピンドル軸上に少なくとも一つの平坦な表面を有するテスト部品を設置するステップと、
b)前記スピンドルの複数の回転位置において前記テスト部品表面を測定するステップと、
c)各スピンドル位置における前記測定値からゲージ座標系におけるx−y座標を抽出するステップと、
d)前記x−y位置に一つの円を当て嵌めるステップと、
e)埋込みゲージ座標系におけるスピンドル画像の位置と部品・スピンドル間偏心不整合との両者をそれぞれ与えるために前記円の中心および半径座標を決定するステップと、を備える方法。 - 波面測定ゲージと、少なくとも一つの回転軸と少なくとも一つの平行移動軸とを有する部品位置決め手段と、を含む計測システムにおいて、前記一つの回転軸と前記一つの平行移動軸とを位置合わせするための方法であって、
a)テスト部品を前記回転軸に取り付けるステップと、
b)前記回転軸の複数の位置において前記テスト部品の表面のゲージ測定値を取得するステップと、を含む方法。 - 前記平行移動軸に沿った複数の位置において前記テスト部品の表面のゲージ測定値を取得する更なるステップを備える、請求項21に記載の方法。
- 前記部品位置決め手段は第2の回転軸を含んでおり、第1の回転軸と第1の平行移動軸との間の不整合のより正確な測定のために前記方法は更に:
a)前記第2の回転軸に垂直な平面における前記ゲージと前記第1の回転軸との間の不整合を表す複数の項を生成するために前記複数の第1の平行移動軸位置において共焦点的に取り付けられた少なくとも一つの球状部品を使用して前記第1の平行移動軸の複数の異なる位置において請求項21のステップを繰り返し実行するステップと、
b)前記第1の平行移動軸に沿った位置に対してプロットされた前記複数のゲージ不整合項に一つの線を当て嵌めるステップと、
c)当て嵌められた前記線の傾斜のアークタンジェントに等しい、前記平面内の前記第1の平行移動軸から前記回転軸の不整合角を計算するステップと、を備える、請求項21に記載の方法。 - ステップa)は異なる半径を有する複数の球状テスト部品を使用して実行される、請求項23に記載の方法。
- ステップa)は異なる厚さを有する複数のマウントを備えた単一の球状テスト部品を使用して実行される、請求項23に記載の方法。
- 前記不整合を減らすために前記第2の回転軸の原点を前記不整合角だけ調整する更なるステップを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記不整合測定および調整ステップは前記不整合を最小にするために繰り返し実行される、請求項26に記載の方法。
- 前記部品位置決め手段がX、Y、Zと定義された3本の平行移動軸とA、B、Cと定義された3本の回転軸とを含む請求項21に記載の計測システムにおいて、A回転軸とZ平行移動軸との間の不整合角の正確な測定のための方法であって:
a)前記ゲージと前記A軸との間の不整合を表す複数のX、Y方向不整合項を生成するために前記複数のZ軸位置において共焦点的に取り付けられた少なくとも一つの球状部品を使用して前記Z軸の複数の異なる位置において請求項21のステップを繰り返し実行するステップと、
b)Z軸に対してプロットされた前記複数のX、Y横方向ゲージ不整合項に一つの線を当て嵌めるステップと、
c)それぞれ前記X、Y方向の各々において当て嵌められた前記線の傾斜のアークタンジェントに等しい、前記X、Y両方向における前記A−Z不整合角を計算するステップと、を備える方法。 - 前記実行するステップは、前記X、Y不整合項を取得するために以下のパートオンマウントステップ:すなわち
a)前記テスト部品の表面が前記ゲージに露出されるように前記テスト部品を前記スピンドル軸に取り付けるステップと、
b)前記スピンドルの複数の回転位置において前記ゲージによって前記テスト部品表面の測定値を取得するステップと、
c)前記回転位置の各々において前記表面測定値から傾斜成分を抽出するステップと、
d)前記傾斜成分と前記回転位置とに一つの円を当て嵌めるステップと、
e)それぞれゲージ・スピンドル間不整合とスピンドル・部品間不整合とを与えるために前記の円の中心および半径座標を決定するステップと、を含む、請求項28に記載の方法。 - 前記A−Z不整合を最小にするために前記Bおよび/またはC回転軸の原点を前記計算された不整合角だけ調整する更なるステップを含む、請求項28に記載の方法。
- 前記A−Z不整合の前記最小化を改善および/または検証するために前記不整合の測定および調整ステップが繰り返し実行される、請求項30に記載の方法。
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