JP3337245B2 - 送り台によって支持された走査素子ないし工具の有効な瞬時位置を測定するための方法及び装置 - Google Patents
送り台によって支持された走査素子ないし工具の有効な瞬時位置を測定するための方法及び装置Info
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Description
れた走査素子ないし工具の有効な瞬時位置を測定するた
めの方法及び装置に関する。
2つの門形構造体脚部の一方に係合し、門形構造体が通
常片側で駆動装置により駆動される。そのため門形構造
体が加速移動中ないし減速移動中に該門形構造体に作用
する動的作用力のために横方向に曲がったり、垂直線を
中心にねじれ振動を受けたりするというような問題が頻
繁に生じる。前記したねじれ振動の振幅が比較的小さい
場合でも前記したような測定エラーは生じる。なぜなら
門形構造体によって支持される走査素子の位置が正確に
定まらないからである。というのは門形構造体の位置は
通常、駆動される門形構造体脚部で測定値センサによっ
て検出されるからである。このセンサは案内部に沿って
配置されている目盛を走査する。
S2248194号公報では2つの平行した目盛を門形
構造体の両側に配置することが提案されている。互いに
距離をおいて得られる2つの測定値により、門形構造体
のねじれ振動の大きさを検出することが可能となり、門
形構造体脚部の垂直方向で横桁上を走行する横送り台の
位置を考慮しながら走査素子の正確な位置を算出するこ
とができるものとなる。
いる。2つの門形構造体脚部の位置は同時に絶対検出さ
れるものなので、門形構造体の両側には同程度に高精度
な2つの測長系が必要となる。その他にこれらの測定系
を2つとも1つの安定した基準点に結び付けなければな
らない。さらに増分型の測長系が使用される限り当該測
長系を常に繰り返し新たに初期化できるようにするた
め、所定の基準点に関する基準マークを2つの目盛に設
ける必要がある。その他にも装置内部においては温度勾
配が生じるため両方の目盛に対する温度の影響が異なる
ものとなる。それ故に唯1つの目盛による測定結果と比
較すると、測定目盛の温度センサの数が倍必要になる。
さらに計算機による温度補正は非常にコストがかかるも
のである。
ないし測定技術に係わる経費をできるだけ僅かにして、
当該走査素子の位置に対する前記ねじれ振動の影響を取
り除くことである。
なく処理装置においても生じ得ることは明らかである。
この場合そこでは機械によって位置決めされた工具の位
置が重要であり、その限りでは他の用途に対しても本発
明は利用できるものである。
り、前記送り台は、相互に離間されて配置された2つの
測長系を備えており、この場合第1の測長系を用いて、
前記送り台の絶対位置が検出され、第2の測長系を用い
て、前記送り台のねじれ振動の補正のために第1の測長
系により求められた位置からの動的な偏差が次のように
検出され、すなわち、第1の測長系の位置測定値に対す
る第2の測長系の位置測定値の偏差が、期間の間に求め
られて記憶され、記憶された偏差の時間経過から走査素
子の位置に対する補正値が走査時点で求められるように
して解決される。
は相互に離間されて配置されており、さらに前記測長系
は制御装置に接続されており、該制御装置によって第1
の測長系の信号から絶対位置測定値が形成され、さらに
第2の測長系の信号から、前記第1の測長系の位置から
の瞬時偏差を表す動的な測定値が形成され、さらに計算
機が設けられており、該計算機によって前記2つの測定
値から、送り台(門形構造体)によって支持された操作
素子ないし工具の有効な瞬時位置が算出されるように構
成されて解決される。
の為にのみ使用されるものなので、この測長系による絶
対位置の測定に関する精度は当該方法に対し何ら影響を
与えないため、ここには精度等級の低い簡単な測長系を
使用することができ、高価な測長系は送り台の他方の側
にしか必要なくなる。例えば送り台の片側には、第1の
測長系として温度不変性の基準目盛体(Zerodur
massstab)又は高精度で安定化した波長及び周
囲パラメータ(測定区間領域における波長への空気圧及
び温度等)の補正装置を有するレーザ干渉計等を用いる
ことができる。
は、簡単な波長安定化装置を備え環境補正装置は備えて
いないダイオードレーザ−干渉計等であり得る。このよ
うなことは測長系の基準点に対しμm領域内の長期安定
化は必要なく2つの測長系を共通の基準点に拘束的に結
び付ける必要もないので可能である。
項に記載される。
に説明する。
花こう岩からなる測定テーブル1を有している。この測
定テーブル1の一方の側には矢印yに沿ってシフト可能
な門形構造体に対する案内部2が取り付けられている。
この門形構造体は2つの門形構造体脚部4,5とそれら
の上に配置された横桁3からなっている。該横桁3には
門形構造体の案内方向yに対して垂直に横送り台6が矢
印x方向でシフト可能に支承されている。横送り台6は
z方向に垂直にシフト可能なスリーブ7に対する案内部
を有している。該横送り台6の下方端部には座標測定装
置の固有の測定ヘッド8がその走査素子9と共に固定さ
れている。
おいて片側で駆動される。脚部4には光電式読取りヘッ
ド11も配置されている。この読取りヘッド11は第1
の高精度な温度不変性の基準目盛体13を走査する。こ
の目盛13は前記案内部2に対して平行に配置されてい
る。
案内部ケーシング2の内部に配置され、適当な蛇腹式連
結具等によってよごれないしほこりから保護されてい
る。
取りヘッド12が配置されており、この読取りヘッド1
2は第2の、同じようにシフト方向yに沿って配置され
た増分目盛14を走査する。目盛14は温度センサをい
っさい持たない簡単なガラス目盛である。この箇所にお
いて温度変化ないし温度勾配が生じるならば、目盛は相
応に伸びちぢみする。それ故温度不変性の目盛13に比
べ目盛14はどうしても目盛13から偏差する尺度率を
有する。この尺度率は目盛の全長に亘って一定であるべ
き必要はない。
移動を測定する目盛は、符号15で図中に示されてい
る。
センサ装置11,12(この装置によって目盛13,1
4が走査される)並びにセンサ装置10(この装置はY
−目盛15を走査する)及びここでは図示されていない
Z方向−目盛に対する走査ヘッドが当該座標測定装置の
装置制御部16に接続している。装置制御部16は制御
コマンドを座標測定装置の計算機17から受け取り、さ
らに制御部により読取りヘッドの信号から導出された位
置測定値を計算機17に転送する。制御部にはさらに座
標測定装置の測定ヘッド8が接続される。この測定ヘッ
ド8は、測定すべき工作物と走査素子9a〜9cとの接
触を適当なセンサを用いて通報する。
が測定ヘッド8と共に測定すべき工作物の方へ移動する
場合に走査位置に達する直前で急速移動から所定の一定
した(通常は低めの)走査速度に減速される。この過程
の間門形構造体は極端な場合破線で示されているような
振動状態に陥る可能性がある。この振動の振幅は当然非
常に小さくμm以下の範囲にあるが、しかしながらこの
振幅は当該装置の測定精度を定めるものである。なぜな
らこの振幅の分だけ走査素子の位置は走査過程の際に定
まらないからである。
の手法が行われる。
造体の位置が継続して絶対的に測定される。相応の測定
値は装置クロックで受け取られ、装置制御部の中間メモ
リにファイルされる。
る。実際にはまず比較的短い期間が走査時点の約1秒前
である時点(t0)で開始される。該走査時点では走査
素子9a〜9cのうちの1つが測定すべき工作物に接触
しいわゆる走査パルスを発生する。しかしながら目盛1
4による位置の測定の初期値は、右側の目盛13によっ
て求められた位置の測定値に置き換えられ、それに続い
て、すなわち走査過程前の期間の間、2つの測定値の差
すなわち右側の目盛13の測定値Ymと左側の目盛14
の測定値Ysとの間の差(Ys−Ym)のみが同様に装
置クロックで読み出されて記憶される。測定値の差が初
めて読み出されるかないし形成される時点(t0)か
ら、走査時点(ta)までの間の期間に亘って見れば、
2つの目盛の測定値の差(Ys−Ym)は図3のaに簡
略して示してあるような関数経過曲線となる。ここでは
門形構造体の垂直線を中心にするねじれ振動には一次近
似において直線が重畳されている。これは2つの目盛1
3,14の尺度率が容易に異なることや、2つの目盛1
3,14の平行性が欠けていること等に起因する。この
直線の上昇は誇張的に示されている。
(Ys−Ym)の関数経過曲線を直線によって近似さ
せ、この直線成分を測定値によって減算することによ
り、適切な計算法則により除去することができる。その
ように補正された測定値ΔY(t)は図3のbに示され
ている関数経過曲線をとる。この場合ΔY(ta)で示
された矢印は動的偏差を示す。この動的偏差分だけ左側
の門形構造体脚部は走査時点において右側の門形構造体
脚部に対しずれている。
ない。この補正値分だけ走査ヘッドないし該当する走査
素子は、門形構造体のねじれ振動に基づき目盛13によ
って測定すべき位置からずれている。このずれΔYの程
度はむしろ門形構造体の走行方向に対して垂直な横送り
台6のx−方向での位置に依存する。例えばY方向での
走査素子9aのずれは、次の式に従って求められる。
ている。該2つの目盛13,14はそれぞれXm,Xs
で示されている。Xactは測定ヘッド8の瞬時に測定
されたX方向での位置を表し、TXaは測定ヘッドのX
方向での位置に関連した走査素子9aに対する走査座標
を表す。
基づいて非常に簡単に導出することができる。
での位置の正確な測定値は、計算機17により前記関係
式に応じて2つの測定値から算出される。すなわち目盛
13によって測定される絶対位置測定値Ymおよび動的
な測定値の差Yならびに測定されたX位置(Xact)
から算出される。
は左側の目盛14を共通の基準点を介して右側の目盛1
3に結び付ける必要がない。さらにその縮尺度及びその
温度依存性は問題にならない。なぜならこの2つは前記
評価方法中において精度に関与しないからである。
的簡単な前記補正方法(これは図2及び図3に基づいて
説明されている)により座標測定装置の測定の不確実性
は既に明確に低減させることが可能である。測定の不確
実性の別の低減は以下の手法によって達成され得る。
差(Ys−Ym)を走査時点(ta)の存する予め与え
られた時間窓(T)の間記憶することと、前記したよう
な近似的な直線成分の減算を行うことは比較的簡単な平
均値形成を示すものである。しかしながら門形構造体の
ねじれ振動が時間窓(T)内で減衰に基づいて既にかな
り弱まっている場合には前記平均値形成は最適な結果に
結び付かない。このようなことはひんぱんに生じる。な
ぜなら当該門形構造体の振動は始動の際ないし制動の際
に短期間だけ励起されるからである。位置測定値による
平均値形成に対し平均値形成のための減衰された振動の
形で直線を設け(図3cに示したように)、該直線の位
置に対する判定尺度として次のような条件、すなわち測
定された差値(Ys−Ym)i=ΔYiと平均値ΔYm
wとの間の二次偏差が可及的に小さいという条件を用い
るならば、結果は振動の位相位置ないし、測定値ないし
差値ΔYiが記憶され始める時点(t0)に依存する。
というのは関数ΔY(t)がプラスの振幅で開始した場
合には、平均値ΔYmwは過度に大きな値、すなわち平
均値を示す直線が“上方に”移動し、これに対してマイ
ナスの振幅で開始された場合には、平均値を示す直線は
“下方に”移動する。相応に平均値は、平均値形成のた
めの時間窓(T)の偶発的な開始時点(t0)に依存し
て分散する。この分散は測定結果においても表れてい
る。より良好な結果を得るために平均値形成において測
定値差値ΔY(t)が関数で重み付けされる。この関数
は弱まっていく振動の逆関数に相応し、それにより均等
な値に弱まっていく振幅は平均値形成の開始時の振幅の
ようになる。このようないわゆる重み付けされた平均値
形成は条件として次のようなことが求められる。すなわ
ち測定値ΔYi及び重み付けされた平均値
の平方の和が可及的に小さいという条件である。この条
件は以下の式(2)で表される。
式が得られる。
る。このように算出された重み付け平均値
なくなる(例えば係数5だけ)。このことは、測定値差
分“ΔYi”の減衰する振動を測定初期の測定値差分
“ΔYi”の振動と同じ値まで引上げるために、前記重
み付け関数“Gi”が“ti”の増加に伴って常に増加
するものとみなされることによる。これは、重み付け関
数“Gi”が減衰された振動の減衰関数(図3c参
照)、つまり 1/e-Dti=eDti の逆数に他ならないことによる。
への補間 門形構造体の振動は該門形構造体の脚部における第2の
測長系により装置の走査ヘッドが固定されている箇所と
は異なる箇所において検出されるので振動の周波数スペ
クトルムが2つの箇所で異なる場合には前記した補正は
不完全な結果となる。しかしながらスリーブ7が案内部
に亘って門形構造体脚部よりも比較的強く緩衝され得る
ものならば走査ヘッド8は門形構造体脚部における測長
系14によって検出されるのよりも低い感度で30Hz
以上の高周波数に反応する。この作用に反作用させるた
めに測長系14の測定値Ysは継続処理される前に記憶
されローパス特性を有するデジタルフィルタリング過程
において次のように平滑化される。すなわち周波数特性
が走査ヘッドの固定されている装置箇所にほぼ相応する
ように平滑化される。ローパスフィルタによる位相シフ
トの補正に対しては走査時点(ta)の後で取り出され
記憶された測定値Ysも一緒にフィルタリングに算入さ
れる。フィルタパラメータ(カットオフ周波数、急峻
度、位相シフト)を相応に設定することにより、種々異
なる装置に対し走査ヘッドの箇所における障害周波数の
周波数レスポンスに適合させて補正することが可能にな
る。フィルタパラメータは実例的に定めることができ
る。この場合走査ヘッド8における加速度と門形構造体
脚部5の測長系14の箇所における加速度の検出から振
動の振幅が周波数範囲で測定され、それによってパラメ
ータが次のように適合される。すなわちフィルタにより
一方の箇所における周波数スペクトルムが他方の箇所に
おける周波数スペクトルムにシフトするように適合され
る。
(ta)で得ることが重要である。しかしながら測定値
のデジタルフィルタリングは一定の装置クロックで行わ
れるため、正確な測定値を得るためには時点(ta)で
補間が行われなければならない。このことは以下の式に
従って表される。
のクロック時点(i)でのフィルタリングされていない
測定値を表し、Ys(i+1)は走査時点(ta)の直
後の装置クロック時点(i+1)でのフィルタリングさ
れていない測定値を表している。前記式(7)の上方に
インデックスFで表されているアルファベットはそのつ
どのフィルタリングされた測定値である。
た。すなわち門形構造体の振動が主に垂直方向での門形
構造体のねじれ振動であることを基礎としていた。しか
しながらそれは付加的に別の振動モードを表している。
この場合送り台3のねじれにより水平方向で長手軸Aを
中心に引き起こされる振動モードはほとんど問題になら
ない。この振動モードは走査ヘッド8の振動振幅が門形
構造体の垂直なz軸方向での走査ヘッド8の位置に依存
している限りは門形構造体脚部5及び走査ヘッド8に種
々異なる影響を及ぼす。このようなねじれ振動における
幾何学的関係は図4に基づいて明らかにされている。図
4では符号z0によって第2の振動モードの中心点Aと
測長系14の位置との間の間隔を表している。さらに符
号(Zact)で走査ヘッド8の中心点Aからの間隔が
示されている。それにより測定値のZ方向での依存性の
補正が以下の式から得られる。
査球9dに対するz軸方向での走査座標であり、ΔY
(ta)は2つの測定値Ysの差値であり、(Ym)は
2つの測長系13,14の差値である。
の計算のための関係式と同じ構造を有している。
動モードが発生するかは装置形式に依存する。完全な補
正のために、成分係数(a),(b)の設定に従って補
正係数を以下の式で算出することができる。
とによって生じる。すなわち門形構造体の制限された剛
性に基づいて走査距離が非常に短い場合に走査時点(t
a)での門形構造体がまだ加速過程にあることによって
生じる。門形構造体の制限された剛性に基づいて第2の
測長系14と走査ヘッドが駆動された門形構造体脚部に
遅れて不均整を生じたならば当該門形構造体脚部の振動
から算出された平均値が次のような特性量だけ補正され
るべきである。すなわち平均加速の一次近似において測
定値(Ys,Ym)の差(ΔYmw)の平均値形成の期
間中に比例する特性量だけ補正されるべきである。この
ことは以下の式によって表される。
る。
に対する測定の不確実性が克服され得るものとなる。こ
のような測定の不確実性はこれまでは特別に剛性の高い
構造を有するか又は門形構造体の重心に配置された駆動
装置を有する座標測定装置によってのみ克服されるもの
であった。ここにおいて前記した手段の全部を同時に用
いる必要性がないことはあえて強調しておくべきことで
ある。それはそれぞれの座標測定装置の振動特性と測定
の不確実性の許容範囲に依存する。該許容範囲とは装置
に対し、付加的な補正手段(a)〜(b)が取られるべ
きか否かということと、付加的な補正手段(a)〜
(b)のうちのどの補正手段が取られるべきかというこ
とである。
対して従来のような経費をかけることなく、当該走査素
子の位置に対するねじれ振動の影響を取り除くことがで
きる。
為にのみ使用されるだけなので、ここには精度等級の低
い簡単な測長系装置を使用することができ、高価な測長
系は送り台の片側にしか必要なくなる。そのため装置構
成に関する経費が著しく削減できるものとなる。さらに
測長系の基準点に対しμm領域内の長期安定化は必要な
く2つの測長系を共通の基準点に結び付ける必要もな
い。
測定装置の斜視図である。
示した平面図である。
目盛によって測定された測定値の差に対する典型的な関
数経過を示した図である。
に示した平面図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 送り台(門形構造体3〜5)によって支
持された操作素子(9a,9b,9c,9d)ないし工
具の有効な瞬時位置を測定するための方法において、 前記送り台(3〜5)は、相互に離間されて配置された
2つの測長系(13,14)を備えており、この場合第1の 測長系(13)を用いて、前記送り台の絶対位置
(Ys)が検出され、第2の 測長系(14)を用いて、前記送り台のねじれ振
動の補正のために第1の測長系(13)により求められ
た位置からの動的な偏差(Ys−Ym)が次のように検
出され、すなわち、第1の測長系(13)の位置測定値(Ys)に対する第
2の測長系(14)の位置測定値(Ym)の偏差(Ys
−Ym)が、期間(ta−t0)の間に求められて記憶
され、記憶された偏差(Ys−Ym)の時間経過から走
査素子の位置に対する補正値が走査時点(ta)で求め
られるようにしたことを 特徴とする、送り台によって支
持された操作素子ないし工具の有効な瞬時位置を測定す
るための方法。 - 【請求項2】 前記第1および第2の測長系(13、1
4)は、様々な測定精度クラスを有し、この場合第1の
測長系(13)は、第2の測長系(14)よりも高い測
定精度を有している、請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 同じクロックで読取り、前記2つの測定
値の差(Yi=(Ys−Ym)i)を設定された期間
(T)に亘ってそれぞれ記憶し、得られた関数経過曲線
の直線成分を前記測定値から減ずる、請求項1記載の方
法。 - 【請求項4】 前記2つの測定値の差(ΔYi=(Ys−
Ym)i)を形成し、前記送り台の振動の減衰特性を表
す関数G(i)で乗算(重み付け)を行う、請求項1記
載の方法。 - 【請求項5】 第1の測長系(13)よりも精度の低い
第2の測長系(14)の位置測定値(Ys)は、フィル
タリングによって平滑化され、該フィルタリングは前記
第2の測長系(14)の箇所における送り台の振動の周
波数スペクトルムを前記走査素子(9)の箇所における
送り台の周波数スペクトルムに調整するものである、請
求項1〜4いずれか1記載の方法。 - 【請求項6】 前記設定された期間(T)内にのみ前記
第2の測長系(14)の読取りをそれぞれ行うかないし
は該測長系(14)の信号を前記設定された期間(T)
内でのみ継続処理し、当該の読取りないし処理を正確な
位置の測定値(Ym+ΔY(ta))が求められなければ
ならない時点(ta)よりも前の時点(t0)で開始す
る、請求項1記載の方法。 - 【請求項7】 装置クロックで記憶された前記第2の測
長系(14)の位置測定値(Ys)を正確な位置の測定
値(Ym+ΔY(ta))が求められなければならない
時点(ta)で補間する、請求項1〜6いずれか1記載
の方法。 - 【請求項8】 前記2つの測長系の測定方向に対して垂
直な2つの測定方向(x方向及びz方向)における前記
走査素子(9)の位置を有効瞬時位置の計算に算入す
る、請求項1〜7いずれか1記載の方法。 - 【請求項9】 加速力の影響下での前記送り台の形状変
化の影響を、当該測定値(Ys,Ym)が記憶される前
記設定された期間(T)の間考慮する、請求項1〜8い
ずれか1記載の方法。 - 【請求項10】 送り台(門形構造体3〜5)のシフト
量を測定するための並列に配置された2つの測長系(1
3,14)を備えた装置において、 前記2つの測長系(13,14)は相互に離間されて配
置されており、さらに前記測長系(13,14)は制御
装置(16)に接続されており、該制御装置(16)に
よって第1の測長系(13)の信号から絶対位置測定値
(Ym)が形成され、さらに第2の測長系(14)の信
号から、前記第1の測長系(13)の位置からの瞬時偏
差を表す動的な測定値(Ys−Ym)が形成され、さら
に計算機が設けられており、該計算機によって前記2つ
の測定値から、送り台(門形構造体3〜5)によって支
持された操作素子(9a,9b,9c,9d)ないし工
具の有効な瞬時位置(ΔY9a)が算出されることを特
徴とする、送り台によって支持された走査素子ないし工
具の有効な瞬時位置を測定するための装置。 - 【請求項11】 前記2つの目盛(13,14)のうち
の1つは温度不変性の基準目盛体(Zerodurma
ssstab,13)であり、他の目盛(14)は無視
すべきでない熱膨張特性を有する材料からなっている、
請求項10記載の装置。 - 【請求項12】 前記2つの測長系のうちの1つは目盛
を有しており、他の測長系は干渉型測長装置である、請
求項10記載の装置。
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