JP2020159795A - 三次元座標測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】長尺状の被測定物であっても測定精度を低下させることなく測定することができる三次元座標測定装置を提供する。【解決手段】本発明の三次元座標測定装置1は、上面10Tを有する定盤10と、測定プローブを上面10Tの法線方向に直交するX軸方向に移動させるX軸と、測定プローブを上面10Tの法線方向に直交するY軸方向であってX軸方向に直交するY軸方向に移動させるY軸と、測定プローブを上面10Tの法線方向に移動させるZ軸と、X軸、Y軸及びZ軸とは別に構成され、被測定物を上面10Tの法線方向に直交する方向に移動させる第4軸と、を備える。【選択図】図4
Description
本発明は三次元座標測定装置に係り、特に互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸に沿って測定プローブを移動させて被測定物の三次元形状を測定する三次元座標測定装置に関する。
一般的な三次元座標測定装置は、被測定物が載置される定盤を有し、定盤の上部にはYキャリッジが前後方向(Y軸方向)に移動可能に支持される。Yキャリッジは、左右方向(X軸方向)に沿って架け渡されたXガイドを有し、XガイドにはXキャリッジがX軸方向に移動可能に支持される。また、Xキャリッジには、Zキャリッジが上下方向(Z軸方向)に移動可能に支持され、Zキャリッジの下端に測定プローブが取り付けられている。これにより、測定プローブの測定子(スタイラス)がX軸、Y軸及びZ軸の方向に移動されて、定盤に載置された被測定物の三次元形状を測定する(特許文献1参照)。
三次元座標測定装置によって、例えば、長尺状の被測定物を測定しようとした場合、例えばYキャリッジの移動ストロークを広げなければならないので、定盤を大型化する必要がある。しかし、定盤を大型化すると、定盤の撓みの変化量が大きくなって測定精度が低下する問題があった。
そのため、従来の三次元座標測定装置では、測定精度を低下させることなく長尺状の被測定物を測定することが困難であった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、長尺状の被測定物であっても測定精度を低下させることなく測定することができる三次元座標測定装置を提供することを目的とする。
本発明の目的を達成するための三次元座標測定装置は、測定プローブを用いて被測定物の三次元座標を測定する三次元座標測定装置であって、上面を有する定盤と、測定プローブを上面の法線方向に直交する第1方向に移動させる第1軸と、測定プローブを上面の法線方向に直交する第2方向であって第1方向に直交する第2方向に移動させる第2軸と、測定プローブを上面の法線方向に移動させる第3軸と、第1軸、第2軸及び第3軸とは別に構成され、被測定物を上面の法線方向に直交する方向に移動させる第4軸と、を備える。
本発明の一形態は、第4軸は、第2軸と平行であることが好ましい。
本発明の一形態は、第4軸に沿って移動可能なテーブルを備え、テーブルは、被測定物が載置される載置面を有することが好ましい。
本発明の一形態は、テーブルは、定盤の上面に搭載され、定盤の上面とテーブルの下面との間には、テーブルを第4軸に沿って移動可能に支持するガイド部材が設けられることが好ましい。
本発明の一形態は、上面の法線方向に延在して立設される第1柱部材及び第2柱部材と、第1柱部材及び第2柱部材の上端部に架け渡されて第1軸に沿って延在するガイド部材とを有し、第2軸に沿って移動可能な第1移動体と、第1移動体のガイド部材に設けられ、第1軸に沿って移動可能な第2移動体と、第2移動体に設けられるとともに測定プローブが取り付けられ、第2移動体に対し第3軸に沿って移動可能な第3移動体と、を有することが好ましい。
本発明によれば、長尺状の被測定物であっても測定精度を低下させることなく測定することができる。
以下、添付図面に従って本発明に係る三次元座標測定装置について説明する。
図1及び図2は、本発明が適用される三次元座標測定装置1の外観を示した斜視図及び正面図である。
これらの図に示す三次元座標測定装置1は、設置面(床面)に架台12を介して支持された定盤10を有する。定盤10は、御影石や大理石等の石材により平面視で矩形状に構成されて平坦な上面10Tを有する。
本明細書では、X軸、Y軸及びZ軸の三次元直交座標系を用いて説明する。
図1及び図2に示すX軸は、後述する測定プローブ26を上面10Tの法線方向に直交するX軸方向に移動させる軸であり、本発明の第1軸に相当し、X軸方向は本発明の第1方向に相当する。Y軸は、測定プローブ26を上面10Tの法線方向に直交するY軸方向であってX軸方向に直交するY軸方向に移動させる軸であり、本発明の第2軸に相当し、Y軸方向は本発明の第2方向に相当する。Z軸は、測定プローブ26を上面10Tの法線方向に移動させる軸であり、本発明の第3軸に相当する。
定盤10の上面10Tには、後述のテーブル70が搭載されており、テーブル70の上面70Tは、被測定物を載置する載置面として構成されている。このテーブル70は本発明のテーブルに相当する。
定盤10の上面10T側には、門型のYキャリッジ14が設置される。Yキャリッジ14は、定盤10を正面側(図2参照)から見たときの定盤10の右側及び左側の各々にZ軸方向に延在して立設される右Yキャリッジ16及び左Yキャリッジ18と、右Yキャリッジ16及び左Yキャリッジ18の上端部に架け渡されてX軸方向に延在する柱状のXガイド20とを有する。ここで、Yキャリッジ15は、本発明の第1移動体に相当する。また、右Yキャリッジ16、左Yキャリッジ18及びXガイド20は、本発明の第1柱部材、第2柱部材及びガイド部材に相当する。
右Yキャリッジ16の下端部は、定盤10に構成されるY軸に沿った後述のYガイド42に移動可能に支持される。また、右Yキャリッジ16の下端部には、Yガイド42に当接する駆動部(不図示)が設けられており、右Yキャリッジ16はその駆動部の駆動力によってYガイド42に沿って移動する。左Yキャリッジ18の下端部は、定盤10の上面10Tに摺動自在に支持される。
上記の構成により、Yキャリッジ14は、定盤10に対してY軸方向に移動可能に支持され、また、右Yキャリッジ16の下端部の駆動部により、右Yキャリッジ16を駆動側とし、左Yキャリッジ18を従動側としてY軸方向に往復移動する。
Xガイド20には、Zコラム22がXガイド20に沿って移動可能に支持される。Zコラム22は、Xガイド20に当接する駆動部(不図示)を内蔵しており、その駆動部の駆動力によってXガイド20に沿って移動する。ここで、Zコラム22は、本発明の第2移動体に相当する。
また、Zコラム22の内部には、Z軸方向に延在する柱状のZキャリッジ24がZ軸方向に移動可能に支持されており(図2参照)、そのZキャリッジ24の下端部側がZコラム22の下端部側から突出されている。Zコラム22は、Zキャリッジ24に当接する駆動部(不図示)を内蔵しており、その駆動部の駆動力によってZキャリッジ24がZコラム22に対してZ軸方向に移動する。
Zキャリッジ24の下端部には、タッチプローブ等の測定プローブ26が取り付けられる。測定プローブ26は、例えば、先端球を有する棒状のスタイラス28を有し、測定プローブ26は、スタイラス28の先端(先端球)の被測定物への接触の有無やスタイラス28の先端の被測定物への接触により生じるスタイラス28の変位量を検出する。ここで、Zキャリッジ24は、本発明の第3移動体に相当する。
以上のごとく構成された三次元座標測定装置1は、Yキャリッジ14のY軸方向への移動、Zコラム22のX軸方向への移動、及び、Zキャリッジ24のZ軸方向への移動によって測定プローブ26のスタイラス28をX、Y、Z軸方向に移動させ、テーブル70に載置された被測定物の表面に沿わせてスタイラス28の先端(先端球)を移動させる。そして、そのときのYキャリッジ14のY軸方向の位置(移動量)、Zコラム22のX軸方向の位置(移動量)、Zキャリッジ24のZ軸方向の位置(移動量)、及びスタイラス28の位置(変位量)を計測することにより、被測定物の表面の各位置の三次元座標を測定する。なお、三次元座標の測定に関する処理については周知であるので詳細な説明は省略する。
次に、Yキャリッジ14をY軸方向に移動可能に支持するYガイド42の一例について説明する。
図3は、定盤10の右側部を拡大して示した正面図である。
図3に示すように、定盤10は、Z軸に垂直な上面10T及び下面10Bと、X軸に垂直な右側面10Rを有する。また、定盤10の右側面10Rの近くであって定盤10の上面10T側には、Y軸方向に沿った溝40が備えられる。
なお、図1及び図2では、溝40の上部開口に蛇腹カバー等の伸縮自在の被覆部材が設置され、定盤10の前側及び後側の側面に金属カバー等の板状の被覆部材が取り付けられた状態を示しているが、図3ではそれらの被覆部材を取り外した状態が示されている。
溝40は、互いに対向するX軸に垂直な右側面40R及び左側面40Lと、Z軸に垂直な底面40Bとを有する。
これにより、溝40の右側面40Rと、定盤10の右側面10Rと、それらの間の定盤10の上面10Tと、定盤10の下面10Bとで、Y軸方向に延在するYガイド42が構成される。なお、以下の説明では、右側面40RをYガイド42の左側面42Lとも言い、右側面10RをYガイド42の右側面42Rとも言い、下面10BをYガイド42の下面42Bとも言う。
右Yキャリッジ16の下端部には、Y軸方向に幅広の支持部50が設けられる。支持部50は、図3に示すように、Yガイド42の上面42Tに対向し、Z軸に直交する方向(水平方向)に沿って配置される基端部52と、基端部52からZ軸方向に延設されてYガイド42の右側面42Rに対向する側に配置される右側部54と、基端部52からZ軸方向に延設されてYガイド42の左側面42Lに対向する側に配置される左側部56とを有する。
また、右側部54の下端部にはYガイド42の下面42Bに対向する位置までX軸方向に延設された支持板58が設けられている。
支持部50のこれらの基端部52、右側部54、左側部56、及び支持板58の各々には、空気を噴出することでYガイド42に対して摺動可能となる複数の円板状のエアパッド60、60…が設けられる。また、図4に示した左Yキャリッジ18の下端部にも空気を噴出することで定盤10の上面10Tに対して摺動可能となる円板状のエアパッド(不図示)が設けられる。
Yキャリッジ14は、Yガイド42に当接する駆動部(不図示)と、上記のYガイド42及び複数のエアパッド60、60…等によってY軸方向に移動可能に支持される。
なお、Yキャリッジ14をY軸方向に移動させるための構成、Zコラム22をX軸方向に移動させるための構成、及びZキャリッジ24をZ軸方向に移動させるための構成については、例えば、特開2016−145823号公報に開示されたものを適用すればよいので、ここでは詳細な説明は省略する。
次に、図1及び図2に示したテーブル70について説明する。
図4及び図5は、定盤10の上面10Tに搭載されたテーブル70及びテーブル移動装置72の斜視図及び上面図である。なお、図4及び図5では、テーブル移動装置72の構成を分かり易く示すために、テーブル70については二点鎖線で図示し、テーブル移動装置72については実線で示している。
ここで、一般的な三次元座標測定装置は、定盤の上面に被測定物を載置して測定するものであるが、実施形態の三次元座標測定装置1は、前述したように、テーブル70の上面70Tに被測定物を載置して測定するものである。
このため、実施形態の三次元座標測定装置1は、図4及び図5に示すように、定盤10の上面10Tにテーブル70を搭載し、そして、このテーブル70をテーブル移動装置72によって、例えばY軸方向に移動可能に構成することにより、長尺状の被測定物に対応させる場合でも、定盤10を大型化する必要がないので測定精度を低下させることなく測定することが可能となっている。ここで、テーブル70の移動軸であるY軸は、本発明の第4軸に相当する。すなわち、実施形態の三次元座標測定装置1は、X軸と、Y軸、Z軸とは別に構成され、被測定物を上面10Tの法線方向に直交するY軸方向に移動させるY軸(第4軸)を備えている。
テーブル70は、平面視で矩形状に構成されており、一例として長辺部70A、70A(図1参照)がY軸に沿って、短辺部70B、70BがX軸に沿って配置されている。また、テーブル70は、撓み難い剛性の高い材料、例えば御影石や大理石等の石材又は金属によって構成されている。
テーブル移動装置72は、定盤10に対してテーブル70をY軸に沿って移動させる装置であり、定盤10の上面10Tとテーブル70の下面との間に配置されている。
テーブル移動装置72は、一対の直動ガイド74、74とボールネジ装置76とを有している。ここで、直動ガイド74は、本発明のガイド部材に相当する。
直動ガイド74は、Yレール78と、Yレール78に係合された複数個のブロック80、80(図5では2個)と、を備えている。このYレール78は、ベース板82の上面82TにY軸に沿って固定されており、ベース板82は定盤10の上面10Tに着脱自在に固定されている。このようなベース板82を備えることにより、テーブル70及びテーブル移動装置72は、ベース板82を介して定盤10に着脱自在に取り付けられる。なお、Yレール78は、定盤10の上面10Tに直接固定されていてもよい。
ブロック80は、Yレール78に移動可能に支持されており、このブロック80の上面にテーブル70の下面が固定されている。これにより、テーブル70は、Yレール78、78に移動可能に支持される。
一方、ボールネジ装置76は、ネジ軸84と、ナット86と、モータ88とを有している。ネジ軸84は、Yレール78とYレール78との間のスペースにY軸に沿って配設されるとともに、ネジ軸84の両端に設けられた軸受90、90を介してベース板82の上面82Tに取り付けられている。ナット86は、不図示のボールを介してネジ軸84に螺合されており、このナット86の上面にテーブル70の下面が固定されている。モータ88は、その回転軸(不図示)がネジ軸84の一端にカプラ92を介して連結されている。
このように構成されたボールネジ装置76によれば、モータ88を駆動してネジ軸84を回転させると、テーブル70によって回転規制されているナット86がネジ軸84に沿って移動する。これにより、テーブル70がモータ88の駆動力によりY軸に沿って移動する。なお、テーブル70を移動させる駆動手段はボールネジ装置76に限定されるものではなく、ベルト駆動装置等の他の駆動手段を適用してもよい。また、駆動手段を備えることなく、テーブル70を手動で移動させてもよい。
また、実施形態のテーブル移動装置72は、リニアスケール94と読み取りヘッド96とを備えている。リニアスケール94は、ベース板82の上面82Tに固定されるとともに、図5に示すように、左側のYレール78とネジ軸84との間のスペースにY軸に沿って配設されている。
読み取りヘッド96は、テーブル70の下面にリニアスケール94に対向して設けられる。この読み取りヘッド96は、テーブル70のY軸方向の移動によりリニアスケール94に沿って移動する。この移動中に読み取りヘッド96は、リニアスケール94の値を読み取り、例えば、1mm毎に1パルスのパルス信号を三次元座標測定装置1の制御装置(不図示)に送信する。そして、制御装置は、入力したパルス信号をカウントすることにより、テーブル70のY軸方向の位置を検出する。なお、リニアスケールと読み取りヘッドとからなる位置検出装置は既知の構成なので、その詳細な説明は省略する。
次に、上記の如く構成された三次元座標測定装置1による測定方法の一例を説明する。
まず、被測定物の測定に先立ち、三次元座標測定装置1の各軸の運動誤差を取得する。各軸の運動誤差は、定盤10を基準にして取得するものであり、その取得手順は以下の通りである。ここで、テーブル70の移動軸はY軸であるが、Yキャリッジ14の移動軸であるY軸と区別するため、便宜上「α軸」と称して説明する。
a)まず、定盤10にレーザ測長器を設置し、スタイラス28の先端に設置したミラーでレーザ光を反射させ、数mmピッチでミラーを移動させてレーザの変位を取得する。
b)レーザの変位に基づいて、X軸、Y軸及びZ軸の各々の指示誤差、真直度誤差、回転誤差(ピッチング、ヨーイング、ローリング)を求める。なお、ピッチ間は割合計算で直線化する。
c)上記のb)で求めた誤差をRbとする。
d)三次元座標測定装置1(α軸を除く)の直角度誤差をEwとする。
e)次に、定盤10にレーザ測長器を設置し、α軸上のテーブル70に固定したミラーでレーザ光を反射させ、ミラーを数mmピッチで移動させてレーザの変位を取得する。
f)レーザの変位に基づいて、α軸の指示誤差、真直度誤差、回転誤差(ピッチング、ヨーイング、ローリング) を求める。なお、ピッチ間は、割合計算で直線化する。
g)上記のe)で求めた誤差をReとする。
h)定盤10とα軸との直角度誤差をEwαとする。
以上の作業によって三次元座標測定装置1の各軸(X、Y、Z、α軸)の運動誤差を取得することができる。そして、被測定物の測定時においては、測定プローブ26で測定された接触座標値を、上記の運動誤差を用いて補完(空間補正)して真の座標値を取得する。すなわち、測定プローブ26による接触座標値を(X、Y、Z)とし、真の座標値を(Xa、Ya、Za)とした場合、下記の式1により真の座標値を取得する。
<式1>
(Xa、Ya、Za、1)= (X、Y、Z、1) ・Rb・Ew・Re・Ewα
次に、実施形態の三次元座標測定装置1を用いて被測定物の三次元形状を測定する。
(Xa、Ya、Za、1)= (X、Y、Z、1) ・Rb・Ew・Re・Ewα
次に、実施形態の三次元座標測定装置1を用いて被測定物の三次元形状を測定する。
図6及び図7は、テーブル70の上面70Tに被測定物Wを載置して被測定物Wの三次元形状を測定する場合の一例が示されている。図6及び図7にて例示する被測定物Wは、三次元座標測定装置1自体(テーブル70を除く)が有する測定範囲(Yキャリッジ14のY軸方向の移動ストローク)Pよりも大きなサイズのものである。
上記のような被測定物Wを測定する場合には、まず、図7に示すように、テーブル70をY軸方向の一端側(図6の右端側)に位置させて、そのテーブル70の上面70Tに被測定物Wを載置する。このとき、測定範囲P内にある被測定物Wの左側部分W1は測定可能であるが、測定範囲P外の被測定物Wの右側部分W2は測定不能である。このような状態において、まず、Yキャリッジ14を測定範囲P内でY軸方向に移動させながら左側部分W1の測定を行う。
次に、図7に示すように、テーブル70をY軸方向の他端側(図7の左端側)に移動させる。これにより、図6の測定時には測定不能であった右側部分W2が測定範囲P内に位置するので、Yキャリッジ14を測定範囲P内でY軸方向に移動させながら右側部分W2の測定を行う。
図6及び図7に示したように被測定物Wの左側部分W1と右側部分W2との測定が終了すると、三次元座標測定装置1の制御装置(不図示)は、測定プローブ26による接触座標値をテーブル70の移動量に応じて補正し、この補正座標値に基づいて真の座標値を算出する。
このようにY軸方向に移動するテーブル70を定盤10に搭載することにより、測定範囲Pよりも大きなサイズの被測定物Wを、Y軸方向に長い定盤を用いることなく測定することができる。換言すれば、Y軸方向の長さが短い定盤10を用いても、長尺状の被測定物Wの測定が可能となる。
したがって、実施形態の三次元座標測定装置1によれば、測定プローブ26を移動させるX軸、Y軸及びZ軸と、X軸、Y軸及びZ軸とは別に構成され、被測定物WをY軸方向に移動させるY軸(第4軸)と、を備えているので、長尺状の被測定物であっても測定精度を低下させることなく測定することができる。
なお、図6から図7に至る被測定物Wの測定は、測定の座標系ごとY軸方向に移動させて被測定物Wを測定する手法となるので、図6に示した左側部分W1の測定点と図7に示した右側部分W2の測定点で評価が可能である。
ここで、例えば、被測定物の大きさに基づき、Y軸方向の移動ストロークが1000mm必要な場合、従来の三次元座標測定装置(比較例)は、Yキャリッジのみでその移動ストローク(1000mm)をカバーしなければならないため、定盤のY軸方向の長さが長くなる。これにより、定盤の撓みの変化量が大きくなるので、測定精度が低下してしまう。
これに対し、実施形態の三次元座標測定装置1では、例えば、Yキャリッジ14のY軸方向の移動ストロークが500mmであったとしても、テーブル70のY軸方向の移動量を500mmに設定することで、測定に必要なY軸方向の移動ストローク(1000mm)を得ることができる。これにより、定盤10のY軸方向の長さを上記の比較例よりも大幅に短縮することができるので、測定精度が向上する。
なお、図6及び図7では、被測定物として、測定範囲Sよりも大きなサイズの被測定物Wを例示したが、被測定物は、測定範囲Sよりも小さいサイズであってもよい。この場合でも、測定に必要なY軸方向の移動ストロークをテーブル70側に分担させることができるので、Yキャリッジ14のY軸方向の移動ストロークを短くすることができる。これにより、定盤10のY軸方向の長さを短縮することができるので、測定精度が向上する。
また、実施形態では、テーブル70の移動軸である第4軸がY軸と平行である態様について説明したが、これに限定されるものではなく、第4軸は、上面10Tの法線方向に直交する方向であればよい。例えば、第4軸はX軸と平行でもよい。この場合、X軸方向に長い被測定物であっても定盤のX軸方向の長さを長くすることなく測定することができる。また、第4軸はY軸とX軸とに非平行な斜めの軸と平行であってもよい。この場合、Y軸方向及びX軸方向に長い被測定物であっても定盤のY軸方向及びX軸方向の長さを長くすることなく測定することができる。いずれの場合においても、測定プローブ26による接触座標値を第4軸の方向の移動量に基づいて補正することにより、測定精度を低下させることなく測定することができる。
また、実施形態では、好ましい形態として、テーブル70を用いて被測定物Wを第4軸(Y軸)に沿って移動させたが、これに限定されるものではなく、テーブル70以外の手段を用いて被測定物Wを第4軸に沿って移動させてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。
1…三次元座標測定装置、10…定盤、10T…上面、12…架台、14…Yキャリッジ、16…右Yキャリッジ、18…左Yキャリッジ、20…Xガイド、22…Zコラム、24…Zキャリッジ、26…測定プローブ、28…スタイラス、40…溝、42…Yガイド、50…支持部、52…基端部、54…右側部、56…左側部、58…支持板、60…エアパッド、70…テーブル、72…テーブル移動装置、74…直動ガイド、76…ボールネジ装置、78…Yレール、80…ブロック、82…ベース板、84…ネジ軸、86…ナット、88…モータ、90…軸受、92…カプラ、94…リニアスケール、96…読み取りヘッド
Claims (5)
- 測定プローブを用いて被測定物の三次元座標を測定する三次元座標測定装置であって、
上面を有する定盤と、
前記測定プローブを前記上面の法線方向に直交する第1方向に移動させる第1軸と、
前記測定プローブを前記上面の前記法線方向に直交する第2方向であって前記第1方向に直交する第2方向に移動させる第2軸と、
前記測定プローブを前記上面の前記法線方向に移動させる第3軸と、
前記第1軸、前記第2軸及び前記第3軸とは別に構成され、前記被測定物を前記上面の前記法線方向に直交する方向に移動させる第4軸と、
を備える、三次元座標測定装置。 - 前記第4軸は、前記第2軸と平行である、
請求項1に記載の三次元座標測定装置。 - 前記第4軸に沿って移動可能なテーブルを備え、
前記テーブルは、前記被測定物が載置される載置面を有する、
請求項1又は2に記載の三次元座標測定装置。 - 前記テーブルは、前記定盤の前記上面に搭載され、
前記定盤の前記上面と前記テーブルの下面との間には、前記テーブルを前記第4軸に沿って移動可能に支持するガイド部材が設けられる、
請求項3に記載の三次元座標測定装置。 - 前記上面の前記法線方向に延在して立設される第1柱部材及び第2柱部材と、前記第1柱部材及び前記第2柱部材の上端部に架け渡されて前記第1軸に沿って延在するガイド部材とを有し、前記第2軸に沿って移動可能な第1移動体と、
前記ガイド部材に設けられ、前記第1軸に沿って移動可能な第2移動体と、
前記第2移動体に設けられるとともに前記測定プローブが取り付けられ、前記第2移動体に対し前記第3軸に沿って移動可能な第3移動体と、
を有する、請求項1から4のいずれか1項に記載の三次元座標測定装置。
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