JP3314101B2 - 形状エレメントを測定する方法および制御装置を有する座標測定装置 - Google Patents

形状エレメントを測定する方法および制御装置を有する座標測定装置

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JP3314101B2
JP3314101B2 JP08720793A JP8720793A JP3314101B2 JP 3314101 B2 JP3314101 B2 JP 3314101B2 JP 08720793 A JP08720793 A JP 08720793A JP 8720793 A JP8720793 A JP 8720793A JP 3314101 B2 JP3314101 B2 JP 3314101B2
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/401—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for measuring, e.g. calibration and initialisation, measuring workpiece for machining purposes
    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、測定用走査ヘッドを有
する座標測定装置が測定装置を有しており、この測定装
置は座標方向における走査器変位の大きさを示し、走査
器の加工物に対する測定力を座標方向に対して調整する
測定力発生器、または走査器変位の１つに比例する座標
方向での測定力を発生するばねを含んでいる、加工物に
おける任意の空間方向の形状エレメントを測定する方法
に関する。この走査法においては、走査ヘッドの走査ピ
ンの走査運動中に加工物表面との持続的な接触が維持さ
れる。本発明はまた制御装置を有する座標測定装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】前述の走査法により、加工物の形状を記
述する多数の測定ポイントを迅速に検出することができ
る。ただしこのためにいわゆる測定用走査ヘッド、すな
わち測定値センサとしての走査ヘッドが必要となる。こ
の測定値発信器が座標方向における走査器変位の大きさ
に比例する信号を送出する。
【０００３】測定用の走査ヘッドを用いた走査法そのも
のは既に公知であり、例えばドイツ連邦共和国特許公報
第２９２１１６６号および米国特許公報第４７６９７６
３号に示されている。
【０００４】ドイツ連邦共和国特許公報第２９２１１６
６号に示されている公知の方法の場合、座標測定装置の
走査ヘッドが一定の速度で加工物を走査するために第１
の座標、いわゆる１次座標に沿って走行ないし制御され
る。同時に走査ヘッドは、走査ヘッド内の測定値発信器
の信号により、第１の軸線に対して垂直な第２の方向に
おける走査器変位に応じて加工物と常に接触するように
調整される。追従調整運動の速度が１次座標での制御さ
れた送り運動の速度よりも大きくなると直ちに両方の軸
が互いに交換される。このようにして走査ヘッドが加工
物における輪郭を自動的に追従するので、この輪郭が既
知である必要はない。
【０００５】米国特許公報第４７６９７６３号に示され
ている方法によっても、未知の加工物の輪郭を自動的に
走行することができる。すなわちここでは走査速度の絶
対値と所望の走査器変位が予め定められ、さらに測定さ
れた走査器変位から持続的に、加工物表面に接線方向に
延在する走査器運動の方向を後から算出する。
【０００６】これら２つの公知の方法の特徴は、走査ヘ
ッドの測定値発信器が調整回路の中へ接続されており、
さらに送り方向がこの信号に応じて常に追従制御される
ことである。この理由からこれら２つの方法は著しく緩
慢である。
【０００７】国際特許出願ＷＯ９０／０７０９７号に、
平板な加工物の幾何学的形状における多数の測定点を迅
速に記録する“走査法”が示されている。この目的で座
標測定装置の走査ピンが、いわゆる測定用の“回転旋回
軸受け”に取り付けられている。座標測定装置は回転旋
回軸受けを一定の速度で、簡単な幾何学的形状を有する
走行路、例えば直線または円を走行させる。同時に走査
ピンは回転旋回軸受けの駆動装置により走行方向に対し
てほぼ垂直に一定の力で加工物へ接触し、らせん状の運
動または振動運動を行う。この方法では、所定の幾何学
的形状の著しくわずかな形状エレメントしか測定できな
い。形状エレメントを任意の空間方向で走査検出するこ
ともできない。なぜなら回転旋回軸受けは形状エレメン
トの予め所定の方向づけを必要とするからである。
【０００８】
【発明が解決すべき問題点】本発明の課題は、任意の空
間方向の形状エレメントの連続的な測定法を提供し、複
数の測定点をできるだけ短い測定時間で記録できるよう
にすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この課題は、測定すべき
形状エレメントの目標位置および目標輪郭を記述するデ
ータを座標測定装置の計算器からこの座標測定装置の制
御装置へ転送するステップと、データから制御装置が走
行路データを導出し、この走行路データに沿って制御装
置が座標測定装置の走査ヘッドを目標輪郭に対して次の
ようにオフセットして走行させる、すなわち走査器の走
査球を加工物と接触させかつ走査器変位を走査ヘッドの
許容測定範囲内に維持するように走行させるステップ
と、制御装置が個々の測定力発生器の力または所定の走
査器変位を目標輪郭に相応して次のように調整する、す
なわち各個所で得られた全測定力が目標輪郭へ配向され
るように調整するステップと、測定過程中に走査器の位
置を走査ヘッドの測定範囲内で監視し、走査器の連続的
な逸脱を測定範囲の縁へ向かう方向で反対方向の一定の
オフセットに相当する障害量を走行路データに加えるこ
とにより補償するステップと、測定値発信器の信号から
形状エレメントの実際の輪郭と目標輪郭との差、または
実際の輪郭と形状エレメントの特性量、例えば中心点位
置、直径等との差を計算するステップとを有する方法に
より解決される。
【００１０】課題はまた、測定軸における座標測定装置
の駆動装置に対する位置調整器と、測定軸における変位
測定装置から送出される信号に対する測定値検出装置
と、走査ヘッドの走査ピンの変位に相応して測定値発信
器から走査ヘッドに到来する信号に対する測定値検出装
置とを有しており、計算器から転送されるデータ、すな
わち測定すべき加工物の目標形状を記述するデータから
走査ヘッドが測定過程中に走行すべき走行路を計算する
機能アセンブリが設けられており、走行路は走査ピンの
走査球が加工物に接触しかつ走査器変位が走査ヘッドの
許容測定範囲内に維持されるように加工物の目標形状か
らオフセットされており、走行路の点から位置調整器に
対する位置目標値を計算する補間装置が設けられてお
り、測定過程中に走査器の位置を走査ヘッドの測定範囲
内で監視し、走査器の連続的な逸脱を測定範囲の縁に向
かう方向で補償するために、走行路データに反対方向の
一定のオフセットに相当する障害量を加えるようにトリ
ガする機能アセンブリが設けられている、ことを特徴と
する制御装置を有する座標測定装置により解決される。
【００１１】
【発明の利点】本発明は次の認識を前提とする。すなわ
ち加工物の幾何学的形状とその位置とが少なくとも粗く
既知である場合には、従来よりも著しく迅速に、加工物
における形状エレメント、例えばシリンダ孔、取り付け
面を測定できることである。しかも座標測定技術におい
ては測定タスクの大部分は、所定の許容範囲内での部材
の寸法安定性を検査することであるので、測定すべき形
状エレメントの位置および幾何学的形状（輪郭）に対す
る目標値は大抵は既知である。このため本発明により実
際に生ずる測定タスクの大部分を従来よりも著しく迅速
に解決できる。
【００１２】高い測定速度が達成されるため、この方法
は従来は個々の点の測定しか行われなかった場所でも使
用できる。ここでこの新たな方法は、測定時間が同じで
あれば著しく高い点密度に基づいて測定結果の著しく良
好な再現性を達成する。なぜなら“逃走点”が重要では
なくなり、さらに“偶然に”設定された走査ポイントの
選択の依存性が除去されているからである。同様にこの
方法は高い点密度により、円形、円筒形、平坦性、直線
性のような形状測定、および形状エレメントの位置およ
び対称性などの位置測定において改善された結果を供給
する。そのため座標測定装置の計算器により適合化算出
（カバーおよび囲いエレメント評価）が実施される。こ
れらは鋳物部材および鍛治部材のような“粗い”表面を
有する原料部材の判定の際に、はじめて機能に合った測
定結果を供給する。
【００１３】この方法の重要な点は、走査球を目標値に
応じて制御する走行路が、走査ヘッドの測定領域により
予め与えられる約２ｍｍの幅以内で測定すべき物体の実
際の幾何学的形状と一致し、それ以上の差を生じないこ
とである。そのため輪郭の接触走査の前に輪郭のいくつ
かの点を走査して、測定すべき形状エレメントの目標位
置を確認し、走行路データを確認の結果に相応に必要に
応じて適合化すると好適である。これに基づいて加工物
の輪郭の走査中に走査ヘッドの測定領域における走査器
の位置が監視され、測定領域の周辺方向への走査器の連
続的な逸脱は走行路の逆方向への一定のオフセットに相
当する障害量を加算することにより補償される。
【００１４】異なる測定力に起因する走査ピンのたわみ
のエラーの影響を測定過程中に除去するために、生じた
測定力の値を測定過程中一定に維持するか、または測定
点の検出される個所で求めると好適である。後者の場
合、全体の測定力の値と方向とから補正値が算出され
る。この補正値は走査子のたわみの値と方向とを記述し
ており、形状エレメントの実際の輪郭の算出の際に共に
考慮できる。
【００１５】本発明の方法により著しく一層迅速に測定
され、これにより運動する機械部分も著しく一層迅速に
運動できるので、場合によっては機械の架全体へ作用す
るダイナミックな加速力に起因するエラーが生ずること
がある。したがってこの加速力と、予め例えば実験的に
測定された座標測定装置の走行部のたわみ特性、または
モデルを用いて算出されたたわみ特性とを形状エレメン
トの実際の輪郭の計算の中へ共に算入すると有利であ
る。
【００１６】この方法は、能動的な測定力発生器を有し
ており、この測定力発生器を介して走査ヘッドが加工物
へ作用する測定力が座標方向に対して設定調整される走
査ヘッドを用いてしか実施できないわけではない。この
方法は、走査器の変位に比例して座標方向における測定
力を発生する“受動的な”ばねを含む測定用走査ヘッド
によっても実施できる。後者の場合、加工物へ作用する
測定力は走査器変位ないし走査ピンの変位の値および方
向を用いて計算され、さらに走査ヘッドのたわみの測定
の際に考慮される。
【００１７】
【実施例】次に本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。
【００１８】図１には実質的な機能アセンブリで座標測
定装置の制御装置が示されており、入力インタフェース
１０および送信インタフェース２５を介して、ここでは
詳細は図示されていない座標測定装置の評価計算器４に
接続されている。入力インタフェース１０を介して計算
器から次のデータが制御装置へ転送される。
【００１９】ａ）座標測定装置ＫＭＧの機械座標系ＭＫ
Ｓにおける加工物座標系ＷＫＳの位置を記述する変換マ
トリクスＴ ｂ）座標測定装置の走査ヘッド２の基準点に対して機械
座標系で使用される走査球の中心の位置を記述するベク
トルｍ→ ｃ）加工物を走査すべき所望の送り速度の値Ｖｓｏｌｌ
→ ｄ）複数の作動モードが可能である場合の所望の作動モ
ードＢに関する情報 ｅ）いわゆる“侵入の深さ”の値および方向の値、すな
わち測定すべき加工物に接触する走査器変位の目標値Ａ
ｓｏｌｌ→ さらに入力インタフェース１０を介して、走査球が接触
する目標輪郭を記述するために必要な情報が転送され
る。これは例えば点の列Ｐｉ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）である。同
時に測定すべき加工物１７の表面に対してこれらの点Ｐ
ｉ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に所属する法線ベクトルＮｉ→が存在
する場合には転送される。
【００２０】図１における制御装置の最も重要な構成エ
レメントは１つまたは複数のマイクロプロセッサであ
る。そのため図１に示された機能アセンブリの幾つかは
ハードウエアとして実現されてはおらず、このマイクロ
プロセッサのファームウエアの一部として実現されてい
る。例えば入力インタフェース１０に後続する“目標値
準備処理・変換部”を有する機能アセンブリ１１によっ
ても動作する。機能アセンブリ１１は、制御データから
例えば走査過程に対する走査球７の目標位置Ｌｓｏｌｌ
→、所望の“侵入深さ”Ａｓｏｌｌ→、および目標輪郭
の点Ｐｉ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から走行路データを算出する。
この走行路データにより走査球は加工物１７に対して走
行される。これらの走行路データＳｉが座標変換により
制御系すなわち機械座標系ＭＫＳへ伝送される。
【００２１】機能アセンブリ“目標値準備処理・変換
部”に機能アセンブリ１２“支点発生器・補間部”が後
置接続されている。これらの機能アセンブリ内で制御時
に固有のシステムクロックパルスにより、準備された離
散的な走行すべき走行路点には所定のアルゴリズムにし
たがって例えば線形補間またはスプラインアルゴリズム
による補間が行われる。さらにこの走行路点は位置目標
値Ｌｉとして後置接続された座標測定装置の３つの測定
軸の駆動用の位置調整器１３へ転送される。
【００２２】支点発生器１２はさらに直接に入力インタ
フェース１０から所望の送り速度の値Ｖｓｏｌｌ→を受
信する。この値により測定すべき加工物は接触走行され
る。位置調整器１３において発生された位置目標値は続
いてアナログ変換され、アナログ操作量（Ｘs，Ｙs，Ｚ
s）として座標測定装置のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対する３
つの駆動装置へ転送される。一層簡単にするために図１
ではこれらの３つの駆動装置を１つの駆動アセンブリ１
４にまとめて示してある。座標測定装置の３つの駆動装
置の各々は、通常のようにサーボ増幅器、サーボモータ
および機械的な駆動素子から構成されている。これらの
部材を用いて走査ヘッド２が加工物１７に対して相対的
に走行される。
【００２３】同様に位置調整器１３に３つの測定軸Ｘ，
Ｙ，Ｚに対応する座標測定装置の変位測定装置（参照番
号１５で示されている）が接続されており、機能アセン
ブリ“測定値検出装置”１６を介して接続されている。
座標測定装置の測定装置は通常のように例えば格子区分
を有する測定スケールと、この測定スケールの読み出し
用の走査ヘッドと、走査ヘッドから供給された信号の信
号準備処理、補間、順方向ないし逆方向計数のための後
続の電子回路とから構成されている。アセンブリ１６の
“測定値検出・座標測定装置”は機械座標系における走
査ヘッドの位置（Ｘm，Ｙm，Ｚm）の周期的な検出を行
う。位置調整器１３への結合部には座標測定装置の３つ
の測定軸に対する位置調整回路が接続されている。
【００２４】機能アセンブリ１６から供給される位置測
定値（Ｘm，Ｙm，Ｚm）はさらに制御装置の出力インタ
フェースないし送信インタフェース２５へ加えられ、計
算器４へ応答される。
【００２５】図１に示された制御装置は、走査ヘッド２
の測定値発信器から送出された信号を後続処理する電子
回路も含む。この信号は、３つの空間方向における走査
球７と加工物１７とが接触する際の走査ピンの変位を記
述する。相応の機能アセンブリは参照番号１８で示され
ている。測定値発信器から到来して準備処理されるアナ
ログの位置信号は機能アセンブリ１９においてディジタ
ル値へ変換される。これらのディジタルの出力値
（ＸT，ＹT，ＺT）は同じく送信インタフェース２５へ
加えられる。これは計算器４が測定結果の計算のために
必要としているからである。同時に走査器変位に関する
ディジタル信号は機能アセンブリ“監視およびエラー処
理部”２０へ導かれる。この機能アセンブリ２０は実際
の走査検出変位（ＸT，ＹT，ＺT）を予め選定された侵
入深さＦ→と比較し、走査器変位の許容範囲ＭＲが超過
された際に通報を評価計算器４へ送出する。同時に機能
ユニット２０が測定範囲を超過したことを支点発生器１
２へ通報する。これにより支点発生器が走査過程を中断
して機械の駆動装置を停止させるためである。
【００２６】図１の制御装置はさらに走査ヘッドの走査
ピンの変位に対する駆動装置を含む。走査ヘッドの走査
ピンに対する駆動装置は、力発生器たとえばリニヤモー
タまたはプランジャコイル磁石から構成されている。こ
れらの力発生器は走査ピンを所定の信号に応じて３つの
空間方向Ｘ，Ｙ，Ｚへ変位させる。相応の機能アセンブ
リ“駆動走査ヘッド”はその操作量Ａｓｏｌｌ→を機能
アセンブリ“力調整器”から受信する。ここに選定され
ている作動モードにおいて、力調整器２２は走査ピンの
変位に比例する抵抗力を調整する。力調整器へ作用する
力変位特性曲線は装置定数であるため、アセンブリ１９
の出力信号を介して工作物へ作用する瞬時の測定力も既
知であり、計算器４により補正値の計算のために用いら
れる。この補正値は調整された測定力のもとでの走査ピ
ンのたわみを補償する。
【００２７】ただし前述の機能部は制御装置自体の内部
へ組み込むこともできる。その場合には制御装置のブロ
ック図において図２に示されたコンポーネントだけが補
完される。次に入力インタフェース１０から制御装置の
機能アセンブリ“たわみ補正部”へ付加的に選定された
走査ピンのコンフィグレーションのたわみ特性を記述す
るパラメータｂｉが転送される。
【００２８】図２に示されている変形実施例では、図１
の変形実施例に比較して、送信インタフェース２５へ、
走査ピン変位のたわみの補正されたデータ（Ｘc，Ｙc，
Ｚc）が個々に転送されるのではなく、２８で示された
個所で走査ヘッドの位置の実際値（Ｘm，Ｙm，Ｚm）へ
加算される。これらの実際値はアセンブリ“測定値検出
・座標測定装置”から送出される。補正された走査器デ
ータと位置の実際値とを加算した後に、機械座標系にお
ける走査球の中心点の位置が形成される。したがってこ
の変形実施例における制御装置は別の機能アセンブリ
“変換部”２７を含む。この機能アセンブリから機械座
標系ＭＫＳのデータが加工物座標系ＷＫＳへ変換され
る。次に機能アセンブリ２７によって走査球の中心点座
標が送信インタフェース２５へ転送される。送信インタ
フェース２５は制御装置の測定値メモリを含み、この測
定値メモリは検出されたデータを一時的に記憶し、その
後このデータは評価計算器４により取り出されて後続処
理される。ここで例えば１ｓ当たり２５０個の測定値が
記憶される。
【００２９】図１、図２で説明された制御装置の動作を
以下に図３を用いて説明する。
【００３０】入力インタフェース１０に関連づけて説明
したように計算器４からデータを制御装置へ転送した後
に、機能アセンブリ１１により複数の準備処理用の計算
が実施される。例えば機能アセンブリ１１は最初に、所
定の侵入深さ、すなわち走査器変位の目標値Ａｓｏｌｌ
→を所定の侵入方向（走査器変位）での目標曲線の平行
オフセットによっても走査器変位の許容範囲ＭＲ内に維
持できるか否かを検査する。加工物の輪郭がゆるやかに
湾曲している場合には、加工物座標系ＷＫＳの目標輪郭
の点Ｐｉ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が機械座標系ＭＫＳへ変換さ
れ、続いて支点発生器１２へ転送される。
【００３１】侵入深さが走行路の平行オフセットによっ
て許容範囲ＭＲ内に維持できない時は、等距離の走行路
を発生する必要がある。このために加工物の面の各点に
おいて法線ベクトルＮｉ→が必要とされる。このベクト
ルを機能アセンブリ１１は同じく入力インタフェース１
０を介して計算器４から受け取る。これに代えて機能ア
センブリ１１をプログラミングし、機能アセンブリ自体
がそれぞれ３つの隣り合う点Ｐｉ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から次
のようなベクトルを計算するように構成することもでき
る。すなわち３つの隣接する点から形成される三角形の
角度の二等分線を形成し、３点から形成される平面に存
在するベクトルを計算する。３つの隣接する点（Ｐ1，
Ｐ2，Ｐ3）が既知である場合は、第１の方向ベクトルＮ
２→を計算できる。さらに機械座標系における第１の支
点Ｓ１が侵入深さの目標値Ａｓｏｌｌ→を用いて算出で
きる。数学的および論理的演算は転送された全ての点Ｐ
ｉ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対して機能アセンブリ“目標値準備
処理・変換部”により実施され、このようにして得られ
た走行路データＳｉが支点発生器１２へ転送される。
【００３２】前述の作動モードでは、走査ヘッド２の力
調整回路が機能アセンブリ１８、１９、２２、２３を介
して接続されている。支点発生器１２が支点Ｌｉを計算
し、この支点から走査ヘッドの瞬時の実際位置Ｓ０を、
加工物１７の外側のいずれかの個所で加工物１７上に延
在する走行路の第１の目標位置Ｓｉに至るまで補間的に
計算される。このことは次のように行われる。
【００３３】ａ）２つの点Ｓ０、Ｓ１、すなわち実際位
置と最初の目標位置とを直線で結ぶ、 ｂ）支点Ｌ1〜Ｌ9の順序を、機械クロックの１サイクル
ごとに１つの点が設けられるように選定する、 ｃ）各点Ｌｉの間の距離は常に、制御装置により“加速
関数”として予め与えられている関数に従って増加す
る。
【００３４】続いて支点発生器１２は支点を位置の目標
値Ｌｉとして位置調整器１３へ転送する。位置調整器
は、駆動装置１４、座標測定装置の測定軸の測定部１
５、および機能アセンブリの測定値検出部１６とともに
座標測定装置の位置調整回路を構成する。これにより走
査球７は測定すべき加工物１７における点Ｓ１へ走行さ
れ、ここから走査過程がスタートされる。この場合、走
査器変位可能な走査ピンにおける走査球７が加工物１７
へ当接され、これにより走査器変位は予め選定された
“侵入深さ”Ａｓｏｌｌ→に相応する。
【００３５】後続の本来の測定過程の間、走査球７は加
工物表面上の予め算出された走行路を走行する。この場
合、走査球は加工物表面と持続的な接触を維持する。走
査球７の位置は、走査ヘッド２の位置と、走査球７が固
定されている走査ピンの変位とから合成される。この走
査球位置は測定装置１５、１８により連続的に検出さ
れ、送信インタフェース２５を介して座標測定装置の計
算器４へ転送される。これらの値から次に計算器は加工
物１７における走行された形状エレメントの実際の輪
郭、すなわち形状エレメントの特性量、例えば孔の中心
点位置および直径を計算する。
【００３６】大きい領域にわたって加工物表面を走査す
る際には、加工物の目標幾何学的形状と実際の幾何学的
形状との偏差のために走査器変位Ａｉｓｔ→が走査器変
位の所定の最大限界値ＭＲに達してこれを上回るケース
が生じることがある。このケースは図７に示されてい
る。ここには加工物表面に接触する走査球が参照番号７
で示されており、走査球に対して予め定められた目標走
行路は破線の間に延在する領域ＭＲにより表わされてい
る。この領域は同時に、許容される走査器変位の所定の
限界を表す。ただし走査球７の中心点が加工物１７の実
際の幾何学的形状に基づいて進む走行路Ｋは、最初は走
査器変位の所定の限界内を走行するが、次第に許容され
る走査器変位の最大限界へ接近し、矢印Ａで示されてい
る個所においてこの限界に達する。この状態が機能アセ
ンブリ２０（図１）により検出される。図１の実施例で
は、機能アセンブリ２０がこの状態においてエラー通報
を送信インタフェース２５および機能アセンブリ１２へ
送出し、これに応じて機能アセンブリは座標測定装置を
停止させる。これに対して図４に示された変形実施例で
は、機能アセンブリ２０に代えて機能アセンブリ“走行
路輪郭”が設けられており、これにより制御された目標
走行路が補正される。この場合機能アセンブリ１２０は
支点発生器１２をトリガする。走査球が制御される計算
された目標走行路は、障害量を介入させることにより一
定量ΔＳだけ加工物表面から離れる。続いて走査器変位
は再び許容範囲内に戻り、走査過程が続行される。
【００３７】図４の実施例におけるその他のアセンブリ
は図１の実施例と同様であるので、力調整器２２を除い
てはここでは説明しない。
【００３８】力調整器２２は走査器変位に対する３つの
駆動方向の各々に対して閉ループ制御回路を含む。この
閉ループ制御回路により、駆動装置２３で調整された力
Ｆ→と走査器変位Ａｉｓｔ→との間の比例関係が形成さ
れる。特性曲線は３つの空間方向の全てに対して、走査
ヘッドのゼロ位置の周囲に同じ力の球表面が形成される
ように調整される。これにより走査器変位Ａｉｓｔ→が
既知である場合は、この特性曲線から得られるばね定数
Ｆ／Ａすなわち機器定数を用いて、走査ヘッドのたわみ
補正に適用される力Ｆｉｓｔ→も直接に計算できる。３
つの軸における特性曲線の対称性は、円形性基準例えば
リングゲージの走査により円形性テストの目的で検査で
きる。機器定数Ｆ／Ａの入力は例えばプログラミング可
能なディジタルアナログ変換器１２４を用いて行われ
る。
【００３９】測定力を加算する前述の変形実施例では、
いずれの場合にも走査器変位に対して走行中に所定の目
標輪郭が走査器ヘッド２の測定領域の１／２として用い
られる。なぜなら走査ピンは加工物の方向へ予め変位で
きないからである。このことは図５に関連して後に説明
する実施例に当てはまる。
【００４０】ここで付言すべきは、能動の駆動装置２３
に代えて走査器ヘッド２に受動ばねを用いることもで
き、また相応に構成された走査ヘッドを前述の制御装置
と共働して作動することもできる点である。この場合、
所望の測定力Ｆ→が実際の走査器変位Ａｉｓｔ→の結
果、自動的に設定され、力調整器２２も省略できる。
【００４１】図１に比較して多少変形された別の制御装
置の実施例が図５に示されている。この実施例で前提と
されているのは、加工物の幾何学的形状が点の列Ｐｉと
切断面Ｅにより記述できることである。この場合、測定
方向すなわち走査ピンが加工物と接触する際に変位され
る方向をベクトルＶE →により記述できる。このベクト
ルは切断面に存在し、かつ送り方向に対して垂直に加工
物表面へ配向されている。この場合図５の実施例は機能
アセンブリ１２１を有する。この機能アセンブリは入力
インタフェース１０に受信された測定方向の位置すなわ
ち切断面Ｅを記述するデータから目標力ベクトルＦｓｏ
ｌｌ→を計算する。機能アセンブリ１２１もアセンブリ
１９へ接続されており、ここから走査器変位の実際位置
（ＸT，ＹT，ＺT）が応答される。
【００４２】力調整器２２が走査ヘッド２の走査ピンに
対する駆動装置２３へ加えられる測定力を一定の力／変
位特性曲線から計算する図１の実施例に代えて、図５の
実施例では機能アセンブリ１２２が設けられている。こ
の機能アセンブリにより、走査ヘッドの駆動装置２３
が、機能アセンブリ１２１により計算された測定力ベク
トルＦｓｏｌｌ→に応じて、すなわち入力インタフェー
ス１０で受信された予め選定される測定力Ｆｓｏｌｌ→
に応じて、切断面Ｅから計算された方向へ制御される。
【００４３】走査器変位Ａｉｓｔ→が切断面Ｅ内、すな
わち所定の測定方向で維持されることを保証するため
に、機能アセンブリ１２１により走査ピンの変位が目標
力ベクトルＦｓｏｌｌ→に対して計算された方向以外の
方向では電子的にクランプされる。つまり計算された方
向以外の方向へ走査ヘッドが変位した場合、走査ヘッド
２の駆動装置２３に高い復帰力が作用する。これにより
加工物の輪郭が“ハング位置（Hanglade)”を有する場
合、すなわち測定方向の切断面Ｅが加工物表面に対して
垂直には位置しない個所を有する場合、加工物表面の走
査球７の所望の走行路が良好に維持される。しかもその
際に走査ピンが所定の方向Ｘ，Ｙ，Ｚへ機械的にクラン
プされる場合のように許容できない大きい力が発生する
ことがない。
【００４４】図５の実施例では測定力Ｆ→が走査ピンの
変位領域全体にわたって測定方向で一定に維持され、こ
れにより走査器変位に対する許容測定領域が完全に利用
されるので、図１に示された実施例の場合と比較して、
走査ヘッド２は一層高い送り速度で加工物輪郭に沿って
走行できる。
【００４５】したがって図６に示されているような加工
物の表面の詳細な幾何学的形状を走査することもでき、
その際に走査ヘッドを座標測定装置の３つの機械軸にお
いて走行させるための目標走行路として複雑な幾何学的
形状自体を設定する必要がない。それどころか目標走行
路Ｋに対して、調整エレメントに対する実際の幾何学的
形状の偏差が走査ピン変位に対する許容動作範囲ないし
許容測定範囲ＭＲ以内に存在する場合には、調整エレメ
ント例えば直線Ｇが設定される。そのため精密な運動が
走査ピンのみによって実施され、そのダイナミクス特性
は通常は座標測定装置の可動の質量体の特性よりも良好
であるため、著しく高い送り速度が得られる。
【００４６】本明細書において参照英字の後の→はそれ
ぞれベクトルを表しており、以下に示す量に対応する。
【００４７】
【外１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の方法にしたがって動作する座標
測定装置の制御装置の主要部分のブロック図である。
【図２】図１の制御装置に対する付加的な機能アセンブ
リのブロック図である。
【図３】本発明の方法により加工物表面に沿って走行す
る走査ヘッドの走査球の走行路経過を示す概略図であ
る。
【図４】本発明の第２の方法にしたがって動作する座標
測定装置の制御装置の主要部分のブロック図である。
【図５】本発明の第３の方法にしたがって動作する座標
測定装置の制御装置の主要部分のブロック図である。
【図６】本発明の方法により細密な構造の加工物表面に
沿って走査する走査ヘッドの走査球の走行路経過を示す
概略図である。
【図７】加工物の目標幾何学的形状と実際の幾何学的形
状との差が著しく大きい場合、本発明の方法により加工
物表面に沿って走査する走査ヘッドの走査球の走行路経
過を示す概略図である。
【符号の説明】
２ 走査ヘッド ４ 計算器 ７ 走査球 １３ 位置調整器 １４ 駆動装置 １５ 変位測定装置 １６ 測定値検出装置 １７ 加工物 １８ 測定値発信器 １９ 測定値検出装置 ２０ 力調整器 ２２ 機能アセンブリ“力調整器” ２５ 送信インタフェース ２６ 機能ユニット“たわみ補正部” ２７ 機能アセンブリ“変換部”
フロントページの続き (72)発明者 オットー ルック ドイツ連邦共和国 プファールハイム ネルケンシュトラーセ ９ (56)参考文献 特開 平１−112106（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−82707（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−158310（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−248847（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−94050（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 5/00 - 5/30

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 測定用走査ヘッド（２）を有する座標測
    定装置が測定装置（１８）を有しており、該測定装置は
    座標方向（Ｘ′，Ｙ′，Ｚ′）における走査器変位（Ａ
    ｉｓｔ → ）の大きさを示し、 走査器の加工物（１７）に対する測定力（Ｆ → ）を座標
    方向（Ｘ′，Ｙ′，Ｚ′）に対して調整する測定力発生
    器（２３）、または走査器変位の１つに比例する座標方
    向での測定力を発生するばねを含んでいる、 加工物（１７）における任意の空間方向の形状エレメン
    トを測定する方法において、 測定すべき形状エレメントの目標位置および目標輪郭を
    記述するデータＰ i （Ｘ，Ｙ，Ｚ）を座標測定装置の計
    算器（４）から該座標測定装置の制御装置へ転送するス
    テップと、 前記データから前記制御装置が走行路データ（Ｌｉ）を
    導出し、該走行路データに沿って制御装置が座標測定装
    置の走査ヘッド（２）を目標輪郭に対して次のようにオ
    フセットして走行させる、すなわち走査器の走査球
    （７）を加工物（１７）と接触させかつ走査器変位（Ａ
    ｉｓｔ → ）を走査ヘッド（２）の許容測定範囲（ＭＲ）
    内に維持するように走行させるステップと、 前記制御装置が個々の測定力発生器（２３）の力または
    所定の走査器変位（Ａｓｏｌｌ → ）を目標輪郭に相応し
    て次のように調整する、すなわち各個所で得られた全測
    定力（Ｆｓｏｌｌ → ）が目標輪郭へ配向されるように調
    整するステップと、 測定過程中に走査器の位置を走査ヘッド（２）の測定範
    囲（ＭＲ）内で監視し、走査器の連続的な逸脱を測定範
    囲（ＭＲ）の縁へ向かう方向で反対方向の一定のオフセ
    ット（ΔＳ）に相当する障害量を走行路データに加える
    ことにより補償するステップと、 測定値発信器（１８）の信号から形状エレメントの実際
    の輪郭と目標輪郭との 差、または実際の輪郭と形状エレ
    メントの特性量、例えば中心点位置、直径等との差を計
    算するステップとを有する、 ことを特徴とする形状エレメントを測定する方法 。
  2. 【請求項２】 測定用走査ヘッド（２）を有する座標測
    定装置は測定装置（１８）を有しており、該測定装置は
    座標方向（Ｘ′，Ｙ′，Ｚ′）における走査器変位（Ａ
    ｉｓｔ → ）の値を示し、 走査器の加工物（１７）に対する測定力（Ｆ → ）を座標
    方向（Ｘ′，Ｙ′，Ｚ′）に対して調整する測定力発生
    器（２３）を含んでいる、 加工物（１７）における任意の空間方向の形状エレメン
    トを測定する方法において、 測定すべき形状エレメントの目標位置および目標輪郭を
    記述するデータＰ i （Ｘ，Ｙ，Ｚ）を座標測定装置の計
    算器（４）から該座標測定装置の制御装置へ転送するス
    テップと、 前記データから前記制御装置が走行路データ（Ｌｉ）を
    導出し、該走行路データに沿って制御装置が座標測定装
    置の走査ヘッド（２）を目標輪郭から次のようにオフセ
    ットして走行させる、すなわち走査器の走査球（７）を
    加工物（１７）と接触させかつ走査器変位（Ａｉｓ
    ｔ → ）を走査ヘッド（２）の許容測定範囲（ＭＲ）内に
    維持するように走行させるステップと、 前記制御装置が個々の測定力発生器（２３）の力を目標
    輪郭に相応して次のように調整する、すなわち各個所で
    得られた全測定力（Ｆｓｏｌｌ → ）が目標輪郭へ配向さ
    れるように調整し、得られた全測定力（Ｆｓｏｌｌ → ）
    に対して計算された座標方向以外の全ての方向で走査器
    を変位に対して電子的にクランプするステップと、 測定値発信器（１８）の信号から形状エレメントの実際
    の輪郭と目標輪郭との差、または実際の輪郭と形状エレ
    メントの特性量、例えば中心点位置、直径等との差を計
    算するステップとを有する、 ことを特徴とする形状エレメントを測定する方法 。
  3. 【請求項３】 全測定力（Ｆｉｓｔ → ）または走査器変
    位（Ａｉｓｔ → ）の大きさおよび方向に対する各測定点
    ごとに既知の値から、走査器のたわみの大き さおよび方
    向を記述する補正値を計算し、さらに該補正値（Ｘ C ，
    Ｙ C ，Ｚ C ）を形状エレメントの実際輪郭（Ｘ G ，Ｙ G ，Ｚ
    G ）の計算の際に考慮する、請求項１または２記載の方
    法。
  4. 【請求項４】 得られた測定力（Ｆ → ）の値を測定過程
    中一定に維持する、請求項１または２記載の方法。
  5. 【請求項５】 測定過程中に生じるダイナミックな加速
    力と座標測定装置の走行可能部分のたわみ特性とを、形
    状エレメントの実際の輪郭を走査ヘッド（２）の測定値
    発信器（１８）の信号から計算する際に考慮する、請求
    項１または２記載の方法。
  6. 【請求項６】 測定軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における座標測定
    装置の駆動装置（１４）に対する位置調整器（１３）
    と、 測定軸における変位測定装置（１５）から送出される信
    号に対する測定値検出装置（１６）と、 走査ヘッド（２）の走査ピンの変位に相応して測定値発
    信器（１８）から走査ヘッドに到来する信号に対する測
    定値検出装置（１９）とを有しており、 計算器（４）から転送されるデータＰｉ（Ｘ，Ｙ，
    Ｚ）、すなわち測定すべき加工物（１７）の目標形状を
    記述するデータから走査ヘッド（２）が測定過程中に走
    行すべき走行路（Ｓｉ）を計算する機能アセンブリ（１
    １）が設けられており、前記走行路は走査ピンの走査球
    （７）が加工物に接触しかつ走査器変位（Ａｉｓｔ → ）
    が走査ヘッド（２）の許容測定範囲（ＭＲ）内に維持さ
    れるように加工物の目標形状からオフセットされてお
    り、 走行路（Ｓｉ）の点から位置調整器に対する位置目標値
    （Ｌｉ）を計算する補間装置が設けられており、 測定過程中に走査器の位置を走査ヘッドの測定範囲（Ｍ
    Ｒ）内で監視し、走査器の連続的な逸脱を測定範囲（Ｍ
    Ｒ）の縁に向かう方向で補償するために、走行路データ
    に反対方向の一定のオフセット（ΔＳ）に相当する障害
    量を加えるようにトリガする機能アセンブリ（１２０）
    が設けられている、 ことを特徴とする制御装置を有する座標測定装置 。
  7. 【請求項７】 測定軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における座標測定
    装置の駆動装置（１ ４）に対する位置調整器（１３）
    と、 測定軸における変位測定装置（１５）から送出される信
    号に対する測定値検出装置（１６）と、 走査ヘッド（２）の走査ピンの変位に相応して測定値発
    信器（１８）から走査ヘッドに到来する信号に対する測
    定値検出装置（１９）とを有しており、 計算器（４）から転送されるデータＰｉ（Ｘ，Ｙ，
    Ｚ）、すなわち測定すべき加工物（１７）の目標形状を
    記述するデータから走査ヘッド（２）が測定過程中に走
    行すべき走行路（Ｓｉ）を計算する機能アセンブリ（１
    １）が設けられており、前記走行路は走査ピンの走査球
    （７）が加工物に接触しかつ走査器変位（Ａｉｓｔ → ）
    が走査ヘッド（２）の許容測定範囲（ＭＲ）内に維持さ
    れるように加工物の目標形状からオフセットされてお
    り、 走行路（Ｓｉ）の点から位置調整器に対する位置目標値
    （Ｌｉ）を計算する補間装置が設けられており、 走査器を変位に対して予め選択可能な座標方向で電子的
    にクランプする装置（１２１）が設けられている、 ことを特徴とする制御装置を有する座標測定装置 。
  8. 【請求項８】 前記制御装置は測定力（Ｆｉｓｔ → ）ま
    たは該測定力に比例する走査器変位（Ａｉｓｔ → ）から
    走査ピンのたわみを計算する機能アセンブリを含んでい
    る、請求項６または７記載の座標測定装置。
  9. 【請求項９】 前記制御装置は座標測定装置の走査ヘッ
    ド（２）の力発生器から加工物（１７）へ作用する測定
    力を調整する力調整器を（２０）を含んでいる、請求項
    ６または７記載の座標測定装置。
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