JP4122069B2 - フィーラ部材を備えた座標測定装置及びフィーラ部材の位置測定のための光学センサ - Google Patents

Description

本発明は、座標測定装置に設けられるとともにフィーラ延出部から延出して対象物に接触し、その位置が決定されるフィーラ部材によって対象物の構造を測定する方法に関する。又、本発明は、フィーラ部材と、フィーラ延出部と、該フィーラ部材ないしは、これに直接設けられた少なくとも１つのターゲットの光学的位置決定のためのセンサと、評価ユニットとを備え、該評価ユニットを用いて座標測定装置の座標系に対する光学系の位置及び該光学系を用いて直接測定されるフィーラ部材ないしはターゲットの位置から対象物の構造が算出されるように構成されたフィーラによって対象物の構造を測定する座標測定装置に関する。
対象物の構造を測定するために、電気機械的作動のフィーラを備えた座標測定装置が用いられ、それによって、構造の位置が間接的に定められる。すなわち、センサ部材（球）の位置がフィーラピンを介して伝達される。実際に生じる摩擦力に関連して、その結果として付随的にフィーラピンの変形が生じる。強い力の伝達のために、その結果、一般に１０ニュートン（Ｎ）を超える測定時の押圧力が発生する。従って、このようなフィーラシステムの幾何学的設計において球体の直径は０．３mmよりも大のものに制限される。このため、１ミリメートルの数十分の１の範囲に入る小さな構造物の三次元測定及び容易に変形し得るテストピースの検出は困難であり、場合によっては不可能である。フィーラピンとフィーラ部材の変形に起因して生じる完全には把握されないエラーの影響及び例えばスティックスリップの効果に起因して生じる把握されない検出時の押圧力の結果、一般に１μmを超える測定の不確実さが起こる。
例えば、ドイツ特許公開ＤＥ４３２７２５０Ａ１公報には、機械的フィーラを備えた座標測定装置が開示されている。ここにおいては、モニターするために、ビデオカメラでフィーラヘッドを監視することによって機械的検出プロセスの視覚的チェックを行うことができる。このフィーラヘッドは、必要に応じて、いわゆる振動結晶のフィーラの形状に構成し得、該フィーラは測定対象物としてのワークピースの表面にクッション状態で接触する。従って、ビデオカメラによって、ワークピース又は測定されるべき孔と相対的にフィーラの球体の位置をモニター上で追跡するとともに該孔内への進入に際して検出過程を手動で監視して制御することができる。しかし、その測定は電気機械的になされるものであり、依然として上述の問題が存在する。
又、ドイツ特許公開ＤＥ３５０２３８８Ａ１公報にも、座標測定装置におけるフィーラヘッドの光学的監視の態様が開示されている。
座標測定装置の機械の軸線の正確な位置を決定するために、ドイツ特許公開ＤＥ４３１２５７９Ａ１公報に開示の構成によれば、少なくとも６つのセンサが測定ヘッドないしはスリーブに取り付けられており、これによって、基準面からの距離を決定し得る。対象物の幾何学的形状についての検出の詳細はここでは言及されず、これに代えて、古典的な増分的路程計測システムの代替としての非接触型の方法が記載されている。
米国特許第４，９７２，５９７号には、１つのフィーラを備えた座標測定装置が開示され、そのフィーラの延出部はその位置においてバネにより前もって引張力が付与されている。ハウジング内を通るフィーラ延出部の部分には互いに離間した位置におかれた２つの発光素子が設けられ、この発光素子はセンサ部材によってフィーラ延出部の位置を決定するとともに該フィーラ延出部の外端に配置されたフィーラ部材の位置を間接的に決定する。
ここにおいても又、光学システムが電気機械的フィーラシステムの古典的路程計測システムにとって代わっている。検出方法は、フィーラ部材からフィーラピンへ伝達され、又、バネ部材を介してセンサに伝達される力によって得られる。曲がり及び検出時の力の上述の問題はここでも依然として残っている。この方法は間接的検出方法である。
航空機の構成部品などの大型の対象物を測定するために、光源又は反射ターゲットを備えたフィーラピンであって、その位置が光学的に測定されるものが知られている。（ドイツ特許公開ＤＥ３６２９６８９Ａ１及びＤＥ２６０５７７２Ａ１各公報及びドイツ特許ＤＥ４００２０４３Ｃ２公報）これらのフィーラは手動又はロボットを用いて、測定すべき対象物の表面に沿って移動する構成である。
上記の方法において、フィーラ部材の位置は、三角測量法又はそれに類似の方法により立体的に決められる。測定システム全体の精度は、従って、センサの精度によって直接的に制約される。このため、このようなシステムの使用は、測定領域と精度との関係において比較的条件が低い場合にのみ可能となる。従って、実際上、この使用は大型の部品の測定に限られる。
国際公開第ＷＯ９３／０７４４３号公報から、光学センサによって対象物の構造を間接的に決定する態様が知られており、ここにおいては、固定のフィーラが少なくとも３つのターゲットを有し、これらは角度センサを用いて座標測定点を決定するために測定される。
干渉計を用いたシステムにより物体ないし対象物の構造を光学的に測定する他の可能な態様が国際公開ＷＯ８８／０７６５６号公報に開示されている。このシステムは位置を決定すべき物体ないし対象物と接触するように配置された球体の端部にロッド状のフィーラ延出部を備えたフィーラを有する。このフィーラ延出部は物体ないし対象物に対して３方向に調整可能なプレート状のホルダから延出している。ホルダからは逆反射装置が延出するとともに干渉計から発せられたビームにさらされる。反射したビームはこのような手順で干渉計により測定され、これにより、対象物の位置を決定するために干渉計と逆反射装置との間の光学軸の測定を可能にする。
米国刊行物「Ｑｕａｌｉｔｙ」１９９８年４月号、２０頁以下には、フィーラ部材によって対象物の構造測定についての提案がなされており、ここにおいては、光学センサでその位置が決定される。しかし、ここではフィーラが鮮明にイメージ化されることが必須である。
米国刊行物「Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｍａｃｈｉｎｉｓｔ」１９９４年４月号、２９〜３２頁には、加工物の幾何学的形状を決定するために種々の測定システムを用いることが開示されている。この場合、一方においてはビデオカメラで表面の測定を行なうこと、又、他方において、前記の方法に代えて接触による測定を行なう可能性が示されている。
又、米国刊行物「Ｔｏｏｌｉｎｇ ＆ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ」１９９０年１０月号、７６−７８頁には、構造を決定するために、純粋な接触による、すなわち機械的測定のため、及び光学的測定のためにオプションとしてフィーラを用いることが開示されている。この場合、物体ないし対象物に接するフィーラは、いつでも光学的に鮮明にイメージ化される必要がある。
更に、米国刊行物「Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｗｏｒｌｄ」１９８９年８月号、第８号には、その位置が光学的に測定されるフィーラ部材が図示されている。この図示から明らかなように、フィーラは極めて小さいサイズあるいは極めて柔らかい材料の測定ができない。従って、センサから強い力を受けることは望ましくなく、もしその場合には、結果として幾何学的形状の誤りを招来することになる。又、米国刊行物「Ｑｕａｌｉｔｙ」１９９０年１月号に明瞭に示された図からも同様のことがいえる。
Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ Ｊｅｎａ社の社報「Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｍｅｓｓｇｅｒａｅｔｅ」５４，５５頁には穴測定用の顕微鏡が示されており、ここにおいては、測定すべき穴の直径方向に対向する２つの点の間の距離のみが、伝達光の手法を用いた顕微鏡による観察で決定される。
本発明は、上述した問題に鑑みなされたものであり、冒頭に述べた種類の方法及び座標測定装置において、高い測定精度を有し、対象物と接触するフィーラ部材の位置を正確に決定し得る方法及び座標測定装置を提供することを目的とする。特に、貫通孔、凹陥穴、アンダーカット等の測定を少なくとも±０．５μmの測定精度をもって、５０〜１００μmの範囲で行って、その構造を決定することが可能である。
本発明によれば、上述の問題は以下の方法によって解決される。すなわち、フィーラ部材がフィーラ延出部としての弾性的に曲げ得るシャフトを介して座標測定装置に連結され、フィーラ部材又はフィーラ部材に設けられるとともに弾性的に曲げ得るシャフトから延出したターゲットの位置が光学センサで直接決定され、光学センサを用いた対象物の構造の測定のためにフィーラ部材又はターゲットの一定の座標が座標測定装置の座標と結合され、該位置がフィーラ部材又はターゲットの透過光又は反射光の手法ないしは自己発光によって決定される方法である。ここにおいて、フィーラ部材ないし少なくとも１つのターゲットは光学センサの領域から測定位置に移動する。換言すれば、フィーラは、センサに対面する側から対象物に向って移動する。フィーラとセンサは座標測定装置内においてユニットとして調整移動可能であり、その共通位置は高精度で測定することができる。従って、結果において不確実の程度が低い結合された運動が得られる。ここにおいて特に、フィーラ部材ないし、少なくとも１つのターゲットの位置は、フィーラ部材又はターゲットからの光ビームや対象物を貫通した光ビームあるいは反射した光ビームによって、光学センサを用いて決定される。
本発明によれば、対象物との接触の結果としてのフィーラ部材の位置はフィーラ部材自体の位置又はターゲットの位置から直接、構造の形状を測定するために、光学的に決定される。ここにおいて、フィーラ部材の偏位は、電子カメラを用いる電子イメージ処理システムの検出領域上でのイメージの偏位によって決定することができる。又、フィーラ部材の偏位は、イメージのコントラスト機能を評価することによっても決定できる。更に又、ターゲットのイメージサイズの変化からも偏位の決定を行い得る。そのサイズの変化の結果として対象物の離間距離と拡大との間の幾何光学的関係が生じる。又、フィーラ部材の偏位は、焦点のボケによるコントラストの喪失に起因するターゲットの見掛け上のサイズ変化によっても決めることができる。基本的にいって、電子カメラの光学軸に対して垂直方向の偏位はここで決定される。あるいは又、フィーラ部材又は、これに設けられた少なくとも１つのターゲットの位置は、写真測量法によるシステムによって決定し得る。もし、複数のターゲットがある場合、これらの位置は光学的に測定され、次いでフィーラ部材の位置が算出される。これはフィーラ部材とターゲットの間には明確に固定した関係があるからである。
本発明においては、従来の公知技術とは異なり、対象物の構造を決定するために、フィーラ部材又はそれに設けたターゲットの位置の直接的測定を行うものである。ここにおいて、フィーラ部材及びターゲットは明確な離間位置関係を有し、相対的な運動が行われず、その間に、わずかな間隙が維持される。ここでは、そこからターゲット又はフィーラ部材が延出するフィーラ延出部が測定中に変形するか否かは重要な問題でない。これは、本発明にはフィーラ部材又はターゲットが公知技術のように間接的に測定されるのでなく、直接、測定されるからである。本発明の測定方法によれば、貫通孔、めくら穴、凹陥部あるいはアンダーカットあるいはその他の形状部分が少なくとも５０〜１００μmの範囲において少なくとも±０．５μmの精度で測定可能である。これによって、極めて小さな対象物（ワークピース）を３次元的に測定することができ、今まで十分に満足の行く解決方法がなかった、例えば微小範囲の手術のための医療技術やマイクロセンサシステム、あるいはインジェクションノズルに関連する自動車技術において長年にわたり期待されていた測定を可能にするものである。フィーラ部材の位置又はそのフィーラ部材に対して相対運動しない状態で設けられたターゲットの位置を直接、測定するようにしたので、たとえ測定中にフィーラ延出部が変形する場合にも測定結果ミスを招くことなく高精度の測定を可能とした座標測定装置を用いた直接的な機械的／光学的測定方法を提供し得る。
本発明に係る上記座標測定装置は、フィーラ延出部が弾性的に曲げ得ることに特徴を有する。そして、ここにおいて、フィーラ部材ないしは少なくとも１つのターゲットは、自己発光型のもの、あるいは反射板として構成し得る。
フィーラ部材ないしターゲットは、ビームを空間中に発射するか反射する球体又はシリンダのごときもので構成されるのが好ましい。
本発明の具体例において、フィーラ部材はフィーラ延出部に連結され、該フィーラ延出部は弾性的に曲げ得るシャフトなどで構成される。上記連結は接着、溶接あるいは他の適宜の形式の固定方法により行い得る。又、フィーラ部材ないしはターゲットはフィーラ延出部自体の一部分としても構成し得る。特に、フィーラ延出部又はシャフトは、フィーラ部材ないしターゲットに対して必要な光を供給する光ガイドとして構成し得る。
シャフト自体はその端部にフィーラを構成するか、該フィーラを包含するように構成し得る。特に、フィーラ部材ないしターゲットはシャフトのようなフィーラ延出部に交換可能に連結される。
任意の殆どの構造を決定するために、フィーラは５度の自由度をもって調整可能なホルダから延出するように構成される。このホルダ自体は、センサとともに１つのユニットを構成するか、あるいはセンサに連結することができる。
又、フィーラ部材ないしはターゲットをＬＥＤ（発光ダイオード）などの自己発光型の電子部品で構成するか、あるいは一部にそれを含む構成とし得る。
本発明によれば、座標測定装置のためのフィーラシステムは、光学的フィーラシステムと機械的フィーラシステムの利点を組合せたものであり、又、特に、慣用のフィーラシステムでは適用し得なかった極めて微小な構造についての機械的測定に用い得るものである。しかし又、機械的測定のために光学的測定装置の取付や交換も容易になし得るものである。
例えば、ワークピースと機械的接触状態に至ると、電子カメラなどのセンサによって、フィーラ部材、検出部材又はそれに設けられたターゲットの位置を決定し得るように構成される。フィーラ部材自体又はこれに直接連結されたターゲットの位置が測定されるので、該フィーラを支持するシャフトの変形は測定信号に何等の影響を与えない。測定において、シャフトが弾性を有することは考慮に入れる必要がなく、又、フィーラ部材とセンサとの間の機械的連結における塑性変形、ヒステリシス及びドリフトの現象は測定精度に悪い影響を及ぼさない。カメラ軸線等のセンサ軸線に対して垂直方向に沿う偏位は、特に電子カメラの検出領域内におけるイメージの偏位によって直接的に決定することができる。イメージの評価は座標測定装置内にすでに設置されているイメージ処理システムで行うことができる。これによって、光学的評価ユニットに極めて容易に連結可能な２次元で動作するフィーラシステムを実現し得る。
カメラ軸線等の光学センサの軸線の方向に沿う偏位の検出のために、本発明は例えば以下のようないくつかの可能性を備えている。
１．センサ軸線（カメラ軸線）の方向におけるフィーラ部材の偏位は、ワークピース表面に焦点を当てるために光学的座標測定技術において既知のフォーカスシステムを用いて測定される。
２．センサ軸線ないしカメラ軸線の方向におけるフィーラ部材の偏位は、評価されるべきターゲットのイメージサイズによって測定される。例えば、ターゲットが円形又は円環状のものである場合、イメージサイズの変化は直径の変化で把握される。この効果は幾何学的光学イメージによるものであり、光学ユニットの構成により最適に設定できる。座標測定技術において、いわゆるテレセントリック・レンズがしばしば用いられる。これは焦点面から偏った場合でも一定した拡大を実現する。そして、これは光学入力絞りを「無限」に移動させることにより得られる。上述の評価のために、逆の状態での最適化が有効である：焦点面からのわずかな偏位でさえ、その結果、イメージスケールの明らかな変化が生じるべきである。例えば、光学入力絞りを対象物側の焦点レベルに移動させることにより得られる。この場合、比較的広い距離範囲にわたってターゲットの高いコントラストイメージを可能とするために、出来れば高い焦点深度が実現される。上述のような適用例の場合においてイメージの質に関して理想的な光学ユニットは、例えば、孔カメラであろう。円環状のターゲットを用いることにより焦点ボケから生じるサイズ変化を最小化することができる：これは最初の接近時の焦点ボケのために変化する中間リング径でなく、リング幅のみである。
３．第３の可能性においても、ターゲットのサイズ変化が評価されるが、この変化は幾何学的光学イメージのサイズ変化と焦点ズレエッジによる見かけ上の拡大との組合せから生じる。焦点ズレの作用の評価に比べて、この方法はターゲットの実際のサイズが変化しないという利点がある。
本発明においては、対象物の構造を決定するために、フィーラ部材の位置の直接的測定の方法が用いられる。一般的にいって、この直接の測定のために種々異なる物理的原理が問題となる。極めて大きな測定範囲におけるフィーラ部材の偏位の測定は、例えば、連続的な走査動作を可能にするため、及び対象物の検出動作の間に大きな超過ストロークを可能にするため（例えば、安定性の理由からであるが、しかし正確な位置設定に必要な労力を減少させるために）、極めて正確でなければならない。従って、写真測定法を用いることができる。互いに斜めをなす軸線を有する２つのカメラシステムを用い得る。一般に工業的写真測量から知られる評価技術を用い得るものである。
例えば、フィーラ部材ないしは弾性により曲げ変形可能なシャフト等よりなるフィーラ延出部のフィーラ部材に向かう側の端部の長手方向に対して２つのカメラで斜め状態で「見る」ことにより、アンダーカットの背後においてフィーラ部材が「見えなくなる」という問題を解消することができる。余分な数（例えば３台）のカメラを用いることにより対象物が急勾配の形状のものでも測定が可能となる。小さい孔の測定の場合には、１台のカメラを用い得る。このカメラはフィーラ部材ないしはフィーラ延出部の長手方向に沿ってフィーラ部材を「見る」ように配置される。一般的原理として、２次元の測定（例えば孔の測定）の場合には、フィーラ部材を支持するシャフト等のフィーラ延出部の長手方向に整合して単一のカメラを配置すれば十分である。
本発明においてフィーラの使用に当たっては、アクティブ型の発光フィーラ部材又はその他のアクティブ型のターゲットは必須ではない。発光フィーラ球やフィーラ延出部上の他の発光ターゲットでは特に高い精度が得られる。１つの光源からの光が、球体よりなるフィーラ部材又はフィーラ延出部の他のターゲットに対して、例えば、光ガイドファイバを介して供給される。この光ガイドファイバは、それ自体がフィーラシャフトあるいはフィーラ延出部を構成し得る。光は、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）の光を含むならば、シャフトの内部又はターゲット内で発生させることができる。このように構成すると、特に顕微鏡的な微小構造のために写真測量システムなどの電子的イメージシステムにおいて必要とされる高い光度を得ることができる。もし、この光が直接フィーラ部材にターゲットとして供給されると、必要とする光度が大幅に低下する可能性があり、従って又、測定中における対象物の熱負荷も同様である。もし、フィーラ部材として球体が用いられる場合、どの方向から見ても球状フィーラの理想的な高いコントラストで円形のイメージが結果として得られる。特に、体積分散（volume-dispersing）の球体を用いた場合に得られる。対象物自体は、フィーラ球のごく近傍において明るく照明されるのみであるから、対象物自体の構造のイメージからのエラーは避けられる。しかし、実際上、対象物上での反射の結果としてのフィーラ球のイメージの明るさは常にフィーラ球自体よりも低いように思われる。その結果、エラーは困難なく修正し得る。この利点は外部照明のターゲットには必要でない。又、ターゲットを蛍光体で設計することも可能である。これによって、周波数において入力光と出力光が分離されるので、複数のターゲットもイメージにおいて周囲部分からはっきりと区分される。これは、フィーラ部材自体についても同様である。
フィーラ部材が影になって複数のカメラでは測定できない場合に、小さな孔あるいは極めて急勾配の構造の測定のために、本発明においてはセンサ又は写真測量によって可視部分領域における光ガイドファイバの位置、方向及び曲率を測定し得る。これから、フィーラ部材の位置を、例えば、一次項及び二乗項を有する放物線の形態でファイバの湾曲を適用することにより算出することができる。異なる過度のストローク（対象物の位置に対して多少外れた位置）での測定及びフィーラ部材の位置の平均が測定精度を高める。ファイバの光学的及び写真測量的測定は、ファイバの一様な発光によって容易となる。そして、これは体積分散のファイバ材料の使用やファイバ面上の拡散的に発する層の適用あるいはファイバ成分及びファイバの幾何学的構造（例えば、比較的低い屈折率を有する材料を用いた製品）によって改善される。
又、本発明においては、写真測量によってこれらのターゲットの位置を測定するため、特に、フィーラ部材の位置を算出するために、光ガイドファイバ上に照明された球体又は他のターゲットを取り付けることも可能である。球体は、そうでなければファイバ上に存在しない、比較的理想的で明確なターゲットである。球体への光の良好な入射は、シャフトの光ガイド特性を阻害することにより、例えば、貫通孔を有する体積分散球体をシャフト上に、すなわち、フィーラ延出部に取り付けて接着することにより達成する。この体積分散の球体はシャフトの側部に接着して取り付けることもできる。これは、シャフトがその表面にまで光を導くこと、すなわち、接着部位に覆いを備えていないことを条件として光の入射を可能にする。特に、フィーラ部材の位置がファイバ位置及びファイバの湾曲（フィーラ部材からある程度離れたファイバ領域において）の関数として経験的に測定（較正）されるとき、より高い精度が得られる。ここにおいても又、ファイバそれ自体の測定に代えて、ファイバに沿って取り付けられたターゲットの測定が可能である。
較正（キャリブレーション）は、例えば、種々異なる位置から及び異なる力（対象物の位置から多少外れた位置）での球体の検出によって、あるいはクランプされたフィーラ球体に対するフィーラシステムの知られた相対位置によって、行い得る。
フィーラ球体とターゲット等のフィーラ部材の分離は、対象物の表面上でのターゲットの反射によって、フィーラ部材の位置測定が阻害される恐れは一層減少する。
本発明においては、複数のフィーラを並べて使用可能である。例えば、複数のフィーラ部材ないしフィーラピンは、単純な切換ユニット（例えば複数のフィーラを備えたターレット）で回転して視野に位置づけられる。又、本発明で可能なことは、複数のフィーラ部材を同時に動作させることである。アクティブなフィーラ部材ないしフィーラピンは、非アクティブなフィーラピンの光を消すことにより、あるいは、例えばターゲットサイズ、光の色、フィーラ座標システムにおけるターゲットの位置、光の変調ないしは、取り付けられたモデルなどのその他のコード化手段を介して特定される。古典的な座標測定技術において標準であったフィーラピン測定は、本発明におけるフィーラにおいて、もはや必要でない。これは、フィーラ球体の位置及び直径が写真測量手段によって、十分な精度で測定できるからである。
小さいフィーラ部材での測定は、しばしば多数の破損されたフィーラピン（フィーラ部材、フィーラ延出部）を引き起こす。本発明のシステムによれば、フィーラピンは安価で容易に交換できる。高価なセンサや移動軸は、フィーラ部材からの距離が相当に大であるから、相互の衝突によって変形したり損傷をうけることがない。例えば、シャフト長さはシステムの移動範囲よりも長くし得る。従って、衝突は起こらない。シャフト長に対する大きなフィーラないし球体の偏位は困難なくなし得る。その結果、システムは高い固有の安全性及び良好な走査性を発揮する。又、対象物表面を損傷させることなく高い検出速度を可能とする。
写真測量システム又はその他の光学作動のセンサシステムによって、レンズからのイメージ情報に基づいて実際の測定開始前に対象物の数学的調整が可能である。これにより、実際の接触測定において対象物を正確に検出することができる。
このシステムにおいては、測定の偏位を導く可能性のある以下の２つのタイプの弾性的影響がある。
１．対象物自体の弾性（広い範囲において）；これからの影響は少なくとも２つの検出力を伴う測定によりゼロと推定し得る。
２．球体と対象物表面との間のヘルツ応力からの局部的弾性；この影響は、必要な場合（すなわち、高精度測定又は弾性のある対象物の場合）少なくとも２つの異なる検出力を伴う測定によって除去し得、見掛けの検出力「ゼロ」と推定される。
上記第２の場合における「ゼロ」の力の推定は、ヘルツによる変形が定数に力（検出力）の２／３乗を掛けた値に等しいので可能である。
Ｄ＝Ｋ・Ｆ^2/3
ここにおいて、
Ｄ：対象物とフィーラ球体との間の接触点における変形
Ｆ：力（ないしは検出力に比例する量）
Ｋ：定数
Ｄ₁＝Ｋ・Ｆ₁ ^2/3
Ｄ₂＝Ｋ・Ｆ₂ ^2/3
Ｄ₁−Ｄ₂＝Ｋ・（Ｆ₁ ^2/3−Ｆ₂ ^2/3）
上記式から、差（Ｄ₁−Ｄ₂）が測定から知られるとともにF₁及びＦ₂の値が知られると、Ｋの値が引き出される。「ゼロ」の力を伴った検出に関連して変形値（Ｄ₁−Ｄ₂）を算出し得る。力に比例した値は、例えば、最初に対象物に接触した点からスタートして算出した移動距離である。又、これらは力を伴うセンサによっても測定可能である。力を伴ったセンサは、例えば、ファイバ自体であり得る。これは、その曲率が写真測量的に、あるいは光源に向って内部で反射／拡散した光又は発射された光の変化に基づいて測定される場合である。最も望ましいのは、全ての正確な測定目的のために複数の検出力を伴って測定を行うことである。これは、フィーラ部材と対象物との間の接触点における有効半径が局部的な波形形状及び粗面の特性のために極めて大きく変化するからである。
ヘルツ及びリニアの弾性が同じ大きさである場合、少なくとも３つの力を伴って検出がなされる必要がある。そして、ヘルツとリニアの弾性の両方の定数は、見掛けの力「ゼロ」と推定するために決定されなければならない。
フィーラとして用いる直径が０．１mmよりも小さい球体において理想的な球形状からの偏りが無視できない場合、検出点の、方向に沿った修正による調整が必要である。修正値を測定するために、以下の２つの方法が可能である。
１．特別な測定装置を備えたフィーラシステムとは無関係に実行され、フィーラ部材の球形状からの偏位の測定、
２．フィーラシステム自体を備えた参照球体の測定によって実行され、フィーラ部材の球形状からの偏位の測定、
基本的にいって、フィーラ部材の幾何学的形状は、球体以外に、例えばシリンダ状など種々の形状を選択し得、ファイバ自体を表すか、あるいはフィーラ延出部としてのファイバの丸い端部を表す。
フィーラ部材（例えば球体）は、観察の方向に応じて、ほぼ完全にイメージされるので、汚れが大きな障害となる。従ってフィーラ部材の位置決定のためには、いわゆるロバスト補償アルゴリズムを用いた決定が最も望ましい。このアルゴリズムには、例えば、偏位量の合計の最小化（いわゆるＬ１規格）が含まれる。
上述した修正法は、しかしながら、特別な場合においてのみ必要であり、その結果として本発明による教示が基本的に影響されることはない。
基本的にいって、フィーラ部材、ターゲット又はシャフトの照明はシャフトを通して、その内部からなし得るのみに限らず、適宜の照明装置を用いて外部からもなし得る。
１つの可能な変形例においては、フィーラ部材ないしターゲットは再帰反射器（三重反射器、キャッツアイ、反射球体）で構成され、カメラ観察角度から外方に照明される。
本発明に係るフィーラは、基本的にいって測定対象物やフィーラ部材自体のサイズに制約されない。又、単次元、２次元、あるいは３次元の構造の測定に用い得る。特にフィーラ延出部は、光ガイドとして構成し得るとともに２０μmの直径を有する。フィーラ球体等のフィーラ部材の直径は５０μmが望ましい。
特に、フィーラ部材の直径はフィーラ延出部の約１〜３倍大である。
光ガイドが用いられる場合に、フィーラ延出部の破壊強度を増すために、テフロン（商品名）又は他の破壊を抑制する物質による表面コーティングがなされる。例えば、スパッタリングによって被覆処理が可能である。
フィーラ部材の空間位置は、それが少なくとも３つのターゲットを有するとき、２次元の測定システムを用いて決定し得る。これらターゲットのイメージはフィーラ部材の空間位置を決定するために評価される。
又、本発明によれば、ワークピースの幾何学的形状を決定するために操作による検出方法を可能とする。特に、評価されるべきイメージは、位置感応型表面センサによって発生させることができる。
純粋に機械的な測定フィーラシステムと比較して、本発明は以下のような利点を有する：
−機械的ホルダ及び検出シャフトの弾性及び塑性の影響及びクリープ現象の影響が測定結果に悪影響を与えないこと、
−極めて小さい検出時のセンサ圧力（＜ＩＮ）が実現すること、
−精密な機構が必要でないこと、
−極めて小さいフィーラ部材及びシャフト径のものを用い得ること、
−フィーラシステムの位置は、光学システムを用いるオペレータによって好適にモニターし得ること、
−当該システムは座標測定装置の既存の光学システムに直接取り付けることができるとともにイメージ信号は既存のイメージプロセッサを用いて評価し得ること、
−既存の光学座標測定装置に適応し得ることから、装置費用が安価になること。
純粋に光学的測定フィーラシステムと比較して、本発明は以下のような利点を有する：
−実際の機械的寸法（量）が測定される。色や反射などの表面の性質が測定結果に悪影響を与えないこと、
−純粋に光学的なシステムではアクセスし得ない３次元構造における測定が可能となること。例えば、孔の径及び形状の相違を種々異なる高さ部位で測定し得ること。
本発明の更なる詳細、利点及び特徴は、請求の範囲の記載のみならず、以下に図面を参照して説明される好ましい実施形態の記載から明白となる。
図において、
図１は、対象物の構造を測定するための装置の第１の実施形態を示す図、
図２は、対象物の構造を測定するための装置の第２の実施形態を示す図、
図３は、対象物の構造を測定するための装置の第３の実施形態を示す図、
図４は、対象物の構造を測定するための装置の第４の実施形態を示す図、
図５は、対象物の構造を測定するための装置の第５の実施形態を示す図、
図６は、対象物の構造を測定するための装置の第６の実施形態を示す図、
図７は、フィーラの第１の実施形態の部分図、
図８は、フィーラの第２の実施形態の部分図、
図９は、フィーラの第３の実施形態の部分図、
図１０は、対象物の構造を測定するための装置の第７の実施形態を示す図、
図１１は、対象物の構造を測定するための装置の第８の実施形態を示す図、
図１２は、ブロック図、
である。
図において、対象物の構造を測定する装置の種々の実施形態について同一の部材には同一の参照番号を付してある。当該装置の実施形態は、座標測定装置に設けられたフィーラの手段によって原理的に示されている。図１に示す第１の実施形態において、測定される対象物１２の孔１０の構造が決定される。孔１０のエッジがフィーラ部材１４により検出される。このフィーラ部材１４はそこから延出するとともに弾性によって曲げ変形可能なシャフトで構成されたフィーラ延出部１６を有し、両者によってフィーラ１８が構成される。
フィーラ１８はホルダ２０から延出しており、このホルダ２０は少なくとも３度、好ましくは５度の自由度をもって調整可能となっている。座標測定装置２２の光学システムは、好ましくはホルダ２０上に設けられる。しかし、その他の形式の連結構成も可能である。しかしながら、重要なことは、座標測定装置２２のセンサないしは光学システムがＸ，Ｙ，Ｚ方向においてフィーラ部材１４と１つのユニットとして調整できることである。又、これとは独立して光学軸線２４及び焦点面に対するフィーラ部材１４の調整が行われる。ここにおいて、フィーラ部材１４、すなわち、この実施形態における、フィーラ球体、を焦点面と光学軸線２４との交点に位置づけるための種々の可能性がある。従って、図１に示す本発明の実施形態において、フィーラ延出部１６をホルダ２０から光学軸線２４に沿って横方向に挿入することができる。
図２に示す本発明の第２の実施形態において、ホルダ２０から取付アーム２６，２８が突出し、これら取付アームは、その端部が焦点面の外側にあるとともに側方から光学軸線２４に挿入された曲げ変形可能なフィーラ延出部１６のための支持体として用いられる。フィーラ延出部は連結部片３０によってフィーラ部材３２に連結可能となっている。このフィーラ部材３２は、光学軸線２４に沿って延出したロッド状部分３４を介して球体形状の実際のフィーラ部材１４と一体に連結されている。このフィーラ部材１４を用いることにより孔１０のエッジの構造が決定される。
図３に示す本発明の第３の実施形態において、Ｌ字形に湾曲した曲げ変形可能なフィーラ延出部３８が支持体３６により支持され、その支持体３６は、ホルダ２０から下方に突出している。この状態において、フィーラ延出部３８の光学軸線２４に沿って直線状部分４０の端部はフィーラ球体よりなるフィーラ部材１４に一体連結されている。
フィーラ部材１４が調整されると、座標測定装置の既存の光学システム又は適宜のセンサを介して観察されるようになる。孔１２のエッジが検出されると、フィーラ部材１４はカメラ領域ないしセンサ領域においてその位置を変える。この偏位は電子イメージ処理システムによって評価される。これにより、従来の測定フィーラシステムに似た効果を有する動作モードが得られる。ここにおいて、座標測定装置２２は、従来の機械的測定フィーラシステムと同様に制御される。
フィーラ部材１４の光学的測定を行うには、種々の可能な態様があり、これらが図４〜６及び図１０及び１１に原理的に示されている。
例えば、図４に示す本発明の第４の実施形態においては、伝達光による方法が提案されている。ここにおいて、センサ又はカメラ領域上でフィーラ部材１４の影が観察されるか、あるいは測定される。しかし、図４に示す伝達光による方法において重要なことは、孔１０が貫通形状であり、対象物であるワークピース１２が完全に光を通過させる構造であることである。
図５に示す本発明の第５の実施形態において、フィーラ部材１４は、光学軸線２４に沿って反射した光を受ける。このために、座標測定装置２２の上方にミラー４２が配置され、このミラーを介して反射された光が座標測定装置２２及びホルダ２０内を通り光学軸線２４に沿って導かれる。
フィーラ延出部３０のために光ガイドファイバを用いるのが好ましい。これは、図６に示す本発明の第６の実施形態で示すように、光をフィーラ部材１４にまで透過させる利点がある。光源自体は図５，６に参照番号４４で示してある。
これらの実施形態において、フィーラ部材１４は体積に応じた発光／反射（volume-emitting）の球体の形状を有する。フィーラ部材１４は、例えば接着又は溶接などの方法によりフィーラ延出部３０に固着されている。しかし、両者を交換可能に連結する構成も可能である。
図７に示すフィーラの第１の実施形態において、フィーラ部材１４はフィーラ延出部３０の端部４０に接着され、図８に示すフィーラの第２の実施形態においては、フィーラ延出部３０の端部４０自体がフィーラ部材１４を一体に構成している。端部４０の末端がこのように構成されるのが望ましい。しかし、フィーラ延出部３０の端面に反射カバーを設けてターゲットの機能を一層充足させるようにすることも可能である。
フィーラ部材１４自体を観察するのに代えて、そのフィーラ部材１４に対して固定した位置で適宜の球形のターゲット４６を図９及び１１に示すように設けることも可能である。このターゲット４６はフィーラ延出部３０の一部で構成してもよいし、そのフィーラ延出部上に設けてもよい。従って、フィーラ延出部３０は、その一端フィーラ部材１４を備える態様である。更に、図１１に示すように球形のターゲット４６，４８，５０をフィーラ延出部３０上で所定間隔をおいて複数個配置する構成も可能である。この結果、フィーラ部材１４を直接観察することもできるし、この上に設けられたターゲット４６ないし４６，４８ないし４６，４８，５０を観察することもできる。
フィーラ部材１４又はターゲット４６，４８，５０は、セラミック，ルビー又はガラス等、種々の材料で形成し得る。更に、これら部材の光学的品質は、反射層あるいは拡散層をこれら部材表面にコーティングすることにより改善される。フィーラ延出部３０の直径は、１００μmより小さく、特に２０μmが望ましい。フィーラ部材１４あるいはターゲット４６，４８，５０の直径は、光ガイドとしてのフィーラ延出部３０のケース本体よりも１．５〜３倍大であるのが望ましい。
フィーラ延出部３０の覆いは光が透過する必要のない領域において、テフロン（商品名）又は他の破壊を抑制する物質による表面コーティングによって構成される。
フィーラ部材１４又はその上に設けられたターゲット４６，４８，５０のイメージは、例えば、光学的座標測定機械のＣＣＤ領域上に表示することができる。
ＣＣＤ領域内での光ドットの偏位は、サブピクセル精度で測定し得る。本発明の方法によれば、再現可能な測定値はμm範囲の精度で可能である。
図１０及び１１に示す本発明の第７及び第８の実施形態においては、写真測量法が用いられる。フィーラ部材１４と整合したカメラ５２，５４などの２つの光学イメージシステムが共通のホルダ２０から延出した態様を呈する。フィーラ部材１４と光学的に整合したカメラ５２，５４によって、工業上の写真測量術から知られた従来公知の評価技法を用いてフィーラ部材１４の空間的位置決定が可能である。又、余分な台数のカメラ（例えば３台）を用いることにより、もし３台のカメラの内の１台が影になった場合でも対象物の測定が可能となる。対象物が小さい孔の場合には１台のカメラで十分であり、フィーラ部材１４と光学的整合がなされる。これとは別に、対象物の構造を決定するために、アクティブな光伝達、光反射又は光シェーディングのフィーラ部材１４ないしはターゲット４６，４８，５０が用いられる。ここにおいて光は光源４４からフィーラ部材１４ないしターゲット４６，４８，５０に、光ガイドファイバとして構成されたフィーラ延出部３０を介して供給される。あるいは又、光自体をフィーラ延出部３０又はターゲット４６，４８，５０又はフィーラ部材１４内で発生させるように、これらの内部に電気的に照明するモジュール、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）モジュールを包含させることができる。本発明によれば、フィーラ部材１４ないしはターゲット４６，４８，５０は、それが球形状の場合、理想的な高コントラストで、かつ理想的に円環状のイメージが得られる。更に、あるいは選択的に、フィーラ部材１４ないしターゲット４６，４８，５０を蛍光体で構成することができる。これによって入力光と出力光が周波数で分離され、フィーラ部材１４ないしターゲット４６，４８，５０により発生するイメージを周囲から区別することができる。
フィーラ球体等よりなるフィーラ部材ないしはこれに空間的に明確に配置されたターゲットが、光学的に直接測定される構成を備えた本発明の座標測定装置において、これらフィーラ部材ないしターゲットの直接的な光学的測定から対象物の構造が決定される。この構造は、その大きさが１００μm以下、特に５０μmまでのもので、±０．５μmの測定の不確実さをもって測定し得る。座標測定装置により、例えば、０．５×０．５×０．５ｍ³の測定標準体積のものにつき測定ができる。
図１２に示すブロック図は、本発明において、フィーラ部材５８の位置を直接的光学測定により、座標測定装置５６内で対象物の構造を決定するためのもので、該対象物はＣＮＣコントローラを用いてフィーラ部材５８により検出される。
座標測定装置５６は標準的構成である。例えば、フィーラ部材５８はクロスピース６０に沿ってＸ方向に調整可能なスリーブ６２に取り付けられたホルダから延出している。クロスピース６０はＺ方向に調整可能である。対象物自体はＹ方向に可動な測定テーブル６４に取り付けられている。フィーラ部材５８が対象物を検出すると、フィーラ部材５８の座標Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’は、イメージプロセッサ６６によりフィーラ部材５８の位置に対応するビデオ信号から算出され、次いでこれが測定コンピュータ６８に供給され、ここで座標測定装置５６の座標値Ｘ，Ｙ，Ｚと連結（リンク）され、これがカウンタ７０を用いて決定される。このようにして算出された値から、一方においては対象物（ワークピース）の幾何学的形状が決定され、他方においては、座標測定装置５６のＣＮＣ動作がＣＮＣコントローラ７２を用いて制御される。

Claims (33)

1. 座標測定装置に設けられるとともにフィーラ延出部から延出して、対象物に接触し、その位置が間接又は直接に決定されるフィーラ部材によって対象物の構造を測定する方法であって、前記フィーラ部材は前記座標測定装置にフィーラ延出部としての弾性的に曲げ得るシャフトを介して連結され、該フィーラ部材の位置又は該フィーラ延出部から延出したターゲットの位置が、フィーラ部材又はターゲットの透過光又は反射光の手法ないしは自己発光によって光学センサで直接決定され、該光学センサを用いた対象物の構造の測定のために、該フィーラ部材又はターゲットの所定の座標が座標測定装置の座標と結合されてなることを特徴とする方法。
2. フィーラ部材ないし少なくとも１つのターゲットは、センサに対面する側から対象物に向かって動かされてなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. フィーラ部材はセンサとともに１つのユニットとして調整されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 対象物との接触によって結果として生じるフィーラ部材の偏位は光学的に決定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
5. フィーラ部材の偏位は、検出領域における該フィーラ部材のイメージの移動又はターゲットのイメージの移動によって検出されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法。
6. フィーラ部材の偏位は、コントラスト機能の評価によって決定されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の方法。
7. フィーラ部材の偏位は、対象物との離間距離と拡大率との間の幾何光学的関係から得られるターゲットのイメージのサイズ変化から決定されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法。
8. フィーラ部材の偏位は、焦点ズレに起因するコントラスト損失から結果するターゲットの見掛けのサイズ変化から決定されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の方法。
9. 光学センサの光学軸線に対して垂直方向の偏位は該光学センサを含む電子的イメージ処理システムによって決定されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法。
10. フィーラ部材の空間位置は、フィーラ延出部に設けられた少なくとも３つのターゲットにより、２次元の測定システムを用いて決定されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の方法。
11. フィーラ延出部又はその一部分が空間的に突出したターゲットとして用いられ、該ターゲットの所望の横断面において該ターゲットの位置を測定し、これによってフィーラ部材に対する測定としてなることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の方法。
12. フィーラ部材の位置を決定するためにフィーラ延出部上に配置されたターゲットは、少なくとも２台のカメラによる写真測量によって測定されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の方法。
13. フィーラ部材の位置は、少なくとも２台のカメラによる写真測量によって測定されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の方法。
14. フィーラ部材（１４）とフィーラ延出部（１６，３８）とよりなるフィーラ（１８）と、該フィーラ部材（１４）ないしは、フィーラ（１８）に設けられた少なくとも１つのターゲットの光学的位置決定のためのセンサと、評価ユニットとを備え、該評価ユニットを用いて座標測定装置の座標系に対する光学系の位置及び該光学系を用いて直接測定されるフィーラ部材ないしはターゲットの位置から対象物の構造が算出されるように構成されたフィーラによって対象物（１２）の構造を測定する座標測定装置において、
    前記フィーラ延出部は弾性的に曲げ得ることを特徴とする座標測定装置。
15. フィーラ部材（１４）ないしターゲット（４６，４８，５０）は反射板として構成されてなることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. フィーラ部材（１４）ないしターゲット（４６，４８，５０）は自己発光体であることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の装置。
17. フィーラ部材（１４）ないしターゲット（４６，４８，５０）は、光ビームを空間上に発射又は反射する球体又はシリンダ状部材であることを特徴とする請求項１４ないし１６のいずれか１つに記載の装置。
18. フィーラ延出部（３８）は、少なくとも部分的に光ガイドとして構成され、又は光ガイドを含んでなることを特徴とする請求項１４ないし１７のいずれか１つに記載の装置。
19. フィーラ延出部（３８，４０）又は、その少なくとも一部分が前記フィーラ部材（１４）ないしはターゲット（４６，４８）をなすことを特徴とする請求項１４ないし１８のいずれか１つに記載の装置。
20. 複数個のターゲット（４６，４８）がフィーラ延出部（３０）に突出した状態で設けられることを特徴とする請求項１４ないし１９のいずれか１つに記載の装置。
21. フィーラ延出部（３０）は光学軸線（２４）と整合するとともにＬ字形に形成されていることを特徴とする請求項１４ないし２０のいずれか１つに記載の装置。
22. フィーラ延出部（３０）の端部にフィーラ部材（１４）が形成されていることを特徴とする請求項１４ないし２１のいずれか１つに記載の装置。
23. フィーラ部材（１４）ないしターゲット（４６，４８，５０）は、フィーラ延出部（３０）に交換可能に連結されていることを特徴とする請求項１４ないし２２のいずれか１つに記載の装置。
24. フィーラ部材（１４）ないしターゲット（４６，４８，５０）は、フィーラ延出部（３０）に接着又は溶接にて連結されていることを特徴とする請求項１４ないし２３のいずれか１つに記載の装置。
25. フィーラ（１８）は、少なくとも３度、好ましくは５度の自由度をもって調整可能なホルダ（２０）から交換可能に突出していることを特徴とする請求項１４ないし２４のいずれか１つに記載の装置。
26. フィーラ（１８）は、センサとともにユニットを構成するか、又は該センサと連結されたホルダ（２０）から突出していることを特徴とする請求項１４ないし２５のいずれか１つに記載の装置。
27. フィーラ（１８）は、センサに対面する側から対象物に向かって移動することを特徴とする請求項１４ないし２６のいずれか１つに記載の装置。
28. フィーラ部材（１４）ないしターゲット（４６，４８，５０）は、ＬＥＤ等で構成された自己発光型の電子素子よりなるか、又は該電子素子を備えていることを特徴とする請求項１４ないし２７のいずれか１つに記載の装置。
29. センサは、イメージ処理センサであることを特徴とする請求項１４ないし２８のいずれか１つに記載の装置。
30. センサは、位置感応型表面センサであることを特徴とする請求項１４ないし２９のいずれか１つに記載の装置。
31. フィーラ部材（１４）の直径は、フィーラ延出部（３８）の直径の約１〜３倍の大きさであることを特徴とする請求項１４ないし３０のいずれか１つに記載の装置。
32. フィーラ延出部（３０）の一端部に、シリンダ形のフィーラ部材（１４）が設けられることを特徴とする請求項１４ないし３１のいずれか１つに記載の装置。
33. フィーラ延出部（３０）の一端部に球形のフィーラ部材が設けられることを特徴とする請求項１４ないし３２のいずれか１つに記載の装置。

Images