JP4652011B2 - 三次元座標測定システム及びそれに用いるパートプログラム - Google Patents

Description

本発明は、パートプログラムによりプローブを測定箇所に接触させて測定箇所の三次元座標値を測定する三次元座標測定システム及びそれに用いるパートプログラムに関する。

接触検知式のプローブを使用した三次元座標測定機においては、測定対象であるワークの１又は複数の測定箇所にプローブのスタイラス先端を接触させ、その瞬間を捉えてトリガ信号を発生させてプローブ先端の三次元座標値を取り込み、取り込んだ三次元座標値に基づいてワーク各部の位置、寸法あるいは幾何形状などの表面性状（測定要素のパラメータ）を測定・算出するようにしている。

このように測定目標位置に接触させることによりトリガ信号を発生させるプローブにおいては、接触時のプローブ及びワークの破損を防止するため、スタイラスがこれを支持するハウジングに対して拘束されない構造を採用している。

図７は、このような構造を採用したプローブの一例を示す図である。このプローブ１００は、スタイラス１０１をハウジング１０２に、６点接触式着座機構によって支持したものである。すなわち、スタイラス１０１の基端部には、着座体１０３が固定され、この着座体１０３には、スタイラス１０１の中心軸と直交する面内で、上記中心軸を中心として互いに１２０°の角度をなして放射状に延びる３本の円柱状のピン１０４が突設されている。これらピン１０４がハウジング１０２側に各ピン１０４と対応するように設けられたＶ字状係止部１０５に載置されている。着座体１０３は、各ピン１０４をＶ字状係止部１０５に押しつける向きに付勢するバネ１０６によって押圧されている。これら着座体１０３、ピン１０４、Ｖ字状係止部１０５及びバネ１０６により、６点接触式着座機構が構成されている。なお、この他にも、スタイラスがホルダにピンを介して揺動自在に保持された構成のプローブも知られている。

このような従来のプローブでは、測定目標位置に接触した後、測定目標位置から離脱すると、原理的にはスタイラスが中立位置に復帰することになるが、実際には、着座機構での６点接触部の摩擦等により、スタイラス先端（接触球の中心位置）の座標が中立位置に戻り切らないリシートエラーが発生する。この値は、サブミクロンオーダーであるが、高精度測定においては決して無視できない値である。そこで、従来、着座機構の６点接触部を圧電素子等によって強制的に変位させることにより、このようなリシートエラーを機械的に修正する機構を備えたプローブが提案されている（特許文献１，２）。

また、リシートエラーは、直前の被測定対象への接触方向、すなわちヒステリシスの影響を受けることが知られている。従って、接触方向が１８０°変化するような挟み込み測定では、このヒステリシスの影響を最大に受ける。そこで、プローブと被測定対象との直前の接触方向及び現在の接触方向と補正量との関係を予めテーブル化しておき、実際の測定時には、現在のプローブの接触方向と直前のプローブの接触方向とから補正テーブルで補正量を求め、この求められた補正量で測定値を補正するようにした三次元測定システムも知られている（特許文献３）。
特開平１０−９６６１８号公報、段落００２１〜００２３、図５〜図７ 特開２００１−４３５６公報、段落００３１〜００３４、図１ 特開２００３−５０１１８公報、段落００２４、００２９〜００３１、図１及び図３

上述した特許文献１，２に開示のプローブでは、各プローブに圧電素子のような変位発生機構を設ける必要がある。また、特許文献３に開示の三次元座標測定システムは、現在測定しようとしている測定目標位置への接触方向と、直前の測定目標位置への接触方向との組み合わせにより補正値を決めるようにしているので、直前の接触方向が分からないと補正値を決定することができない。また、補正テーブル作成のための予備測定の組み合わせ数が膨大で、予備測定に多大な時間がかかってしまうという問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、安価な構成で且つ直前の測定方向に左右されず、ヒステリシスの影響を低減させて高精度な測定を可能にする三次元座標測定システム及びこれに使用されるパートプログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る三次元座標測定システムは、被測定物にプローブが接触したときの前記プローブの三次元座標位置の情報を出力する三次元座標測定機と、パートプログラムに基づいて前記プローブを相対駆動制御すると共に前記出力されたプローブの三次元座標位置の情報から測定要素のパラメータを算出する制御手段とを有する三次元座標測定システムにおいて、前記制御手段は、前記プローブを前記被測定物の測定目標位置に同じ方向から複数回連続して接触させ、このうち前記プローブが２回目以降に接触したときの三次元座標位置の情報を取り込んで前記測定要素のパラメータを算出するものであることを特徴とする。

本発明に係る三次元座標測定機のパートプログラムは、被測定物にプローブが接触したときの前記プローブの三次元座標位置の情報を出力する三次元座標測定機の前記プローブを前記被測定物の測定目標位置に同じ方向から複数回連続して接触させ、このうち前記プローブが２回目以降に接触したときの三次元座標位置の情報を処理する測定コマンドを含むことを特徴とする。

ここで、プローブの相対移動制御とは、プローブ又は被測定物のいずれか又は双方を移動制御することを言う。

また、測定要素のパラメータとは、ワーク各部の位置、寸法あるいは幾何形状などの表面性状の各パラメータを言う。

本発明に係る三次元座標測定システムによれば、制御手段が、プローブを被測定物の測定目標位置に同じ方向から複数回連続して接触させ、このうちプローブが２回目以降に接触したときの三次元座標位置の情報を取り込んで測定要素のパラメータを算出するようにしているので、測定直前の接触方向が常に既知となるので、ヒステリシスの影響が低減し、高精度な測定が可能になる。

また、本発明に係る三次元座標測定システムのパートプログラムによれば、被測定物にプローブが接触したときのプローブの三次元座標位置の情報を出力する三次元座標測定機のプローブを被測定物の測定目標位置に同じ方向から複数回連続して接触させ、このうちプローブが２回目以降に接触したときの三次元座標位置の情報を処理（例えば記憶）する測定コマンドを含んでいるので、オペレータは、同様の測定を複雑なコマンドを組み合わせて作成する必要が無く、パートプログラムの作成作業の負担を軽減することができる。

以下、添付の図面を参照してこの発明の実施形態に係る三次元座標測定システムについて説明する。

図１は、このシステムの概略構成を示す斜視図である。

この三次元座標測定システムは、三次元座標測定機１と、この三次元座標測定機１を駆動制御すると共に三次元座標測定機１から必要な測定座標値を取り込むための駆動制御装置２と、この駆動制御装置２を介して三次元座標測定機１を手動操作するためのＪ／Ｓ操作盤３と、駆動制御装置２での測定手順を指示するパートプログラムを編集・実行すると共に、駆動制御装置２を介して取り込まれた測定座標値に幾何形状を当てはめるための計算を行ったり、パートプログラムを記録、送信する機能を備えたホストシステム４とから構成されている。

三次元座標測定機１は、次のように構成されている。即ち、除振台１０の上には、定盤１１がその上面をベース面として水平面と一致するように載置され、この定盤１１の両側端から立設されたアーム支持体１２ａ，１２ｂの上端でＸ軸ガイド１３を支持している。アーム支持体１２ａは、その下端がＹ軸駆動機構１４によってＹ軸方向に駆動され、アーム支持体１２ｂは、その下端がエアーベアリングによって定盤１１上にＹ軸方向に移動可能に支持されている。Ｘ軸ガイド１３は、垂直方向に延びるＺ軸ガイド１５をＸ軸方向に駆動する。Ｚ軸ガイド１５には、Ｚ軸アーム１６がＺ軸ガイド１５に沿って駆動されるように設けられ、Ｚ軸アーム１６の下端に接触式のプローブ１７が装着されている。このプローブ１７が定盤１１上に載置されたワーク５に接触したときに、プローブ１７から駆動制御装置２にタッチ信号が出力され、そのときのＸＹＺ軸座標値を駆動制御装置２が取り込むようになっている。

図２は、この三次元座標測定システムのブロック図である。三次元座標測定機１には、プローブ１７をＸＹＺ軸方向に駆動するためのＸＹＺ軸モータ１８と、ＸＹＺ軸方向の移動に伴って各軸方向の移動パルスを出力するＸＹＺ軸エンコーダ１９とが内蔵されている。操作盤３には、三次元座標測定機１のプローブ１７をＸＹＺ軸方向に手動操作により駆動するための手動操作手段としてのジョイスティック３１と、現在のプローブ１７の位置のＸＹＺ軸座標値をコントローラ２に入力するための座標値入力スイッチ３２とが設けられている。

コントローラ２には、ＣＰＵ２１が設けられ、このＣＰＵ２１によってプローブ１７の駆動制御や測定座標値の取り込み制御、測定座標値の補正などを行う。即ち、ＣＰＵ２１の指令によってＸＹＺ軸駆動制御部２２が三次元座標測定機１のＸＹＺ軸モータ１８を駆動し、ＸＹＺ軸エンコーダ１９からの各軸に対応したパルス信号をＸＹＺ軸カウンタ２３がカウントして現在位置座標値を求めてＣＰＵ２１にフィードバックする。この現在位置座標値は、現在位置レジスタ２４に順次格納される。ＣＰＵ２１は、このフィードバック情報に基づいてプローブ１７の駆動制御を行う。また、ＣＰＵ２１は、プローブ１７からのタッチ信号に応動してＸＹＺ軸モータ１８を停止させると共に、現在位置レジスタ２４に格納された現在位置座標値を取り込む。

操作盤３からは、ジョイスティック３１の傾斜方向及び傾斜角に応じた各軸に対応するポテンショメータの電圧値が出力され、これら各軸の電圧値に応じてコントローラ２の移動方向・速度決定部２５がプローブ１７の移動方向と移動速度とを決定する。補正テーブル２６には、プローブの１７の接触時の各移動方向に対するリシートエラー（接触して離脱した後のプローブの中立位置からの変位に基づく補正値）の情報が補正値として記憶されている。ＣＰＵ２１は、タッチ信号に応動して現在位置レジスタ２４から取り込んだ座標情報と、プローブ１７の移動方向から補正テーブル２６を参照して求められた補正値とを用いて測定対象のパラメータ（ワーク５各部の位置、寸法あるいは幾何形状などの表面性状のパラメータ）を算出する。

また、ホストシステム４は、ホストコンピュータ４１、モニタ４２、プリンタ４３、キーボード４４及びパートプログラム記憶部４５等によって構成されている。パートプログラム記憶部４５には、コントローラ２を介して三次元座標測定機１を制御するパートプログラムファイルが記憶される。

次に、このように構成された三次元座標測定システムの動作について説明する。

本実施形態のように補正テーブル２６を使用する場合には、測定に先だって補正テーブル２６を作成しておく。この補正テーブル２６は、例えば、プローブ１７によって予め座標値が既知の基準球を各方向（例えばＸ，Ｙ，Ｚ，−Ｘ，−Ｙ，−Ｚの６方向）から２回接触させることによって測定し、その時の測定誤差に基づいて補正テーブル２６を作成する。

次に、実際の測定においては、パートプログラムに従って測定処理を行う。

図３は、パートプログラムの一例を示す図である。図中左側が命令（コマンド）、右側が引数である。「Circle Circle(1)」は、円測定を行って、その結果をCircle(1)に格納するコマンドである。続く「Measurement point X=20.000 Y=0.000 Z=0.000 Angle X=0:00:00 Angle Y=90:00:00 Angle Z=90:00:00」は、１点目の点測定指令で、前半が測定目標位置、後半が測定方向を示している。続く２つのコマンドは、それぞれ２点目及び３点目の点測定指令である。「Element finished」は、円測定の終了を示すコマンドで、１〜３点目の測定結果から円のパラメータを計算してCircle(1)に格納するコマンドである。

本発明では、以上のような測定命令に加えて、２タッチ測定のためのコマンドを新たに使用する。図４は、２タッチ測定のコマンドを含む本発明に係るパートプログラムの一例を示している。

ここでは、新たに「Measurement point h」という２タッチ測定のためのコマンドを用意しているが、その他の引数については、従来と同様である。

図５は、２タッチ測定のためのコマンドが起動されたときのＣＰＵ２１の処理を示すフローチャートである。

まず、現在のプローブ位置から、測定目標位置（ex.X=20.000 Y=0.000 Z=0.000）に向かって、指定された方向（ex.Angle X=0:00:00 Angle Y=90:00:00 Angle Z=90:00:00）にプローブ１７を移動させる（Ｓ１）。プローブ１７の移動は、プローブ先端（接触球）がワーク５に接触するまで継続される。プローブ先端がワーク５に接触したら（Ｓ２）、プローブ１７を再度、移動開始位置まで戻し（Ｓ３）、再びプローブ１７を測定目標位置に向かって指定された方向に移動させる（Ｓ４）。そして、プローブ先端の２度目の接触（Ｓ５）においてタッチ信号が出力された瞬間のＸＹＺ軸座標値（測定データ）を取り込む（Ｓ６）。

以上の２タッチ測定によって取り込まれた測定データは、プローブ１７の接触方向の変位を含んでおり、且つ、全方向のヒステリシスが一定であると仮定すれば、得られた測定値に接触方向に一定の補正処理を施しても良いし、必要ならば補正テーブル２６を使用して、プローブ１７の移動方向によって特定される補正値によって補正するようにしても良い。

このように、本システムによれば、プローブ１７をワーク５に対して同一方向から２回接触させて、最後に得られた座標値を取り込んでいるので、ヒステリシスの影響を低減することができ、極めて精度の良い測定が可能になる。

なお、本システムによれば、図４のように、新たに２タッチ測定のためのコマンドを用意することにより、パートプログラムの作成負担も軽減できる。

すなわち、上述した２タッチ測定を従前のコマンドのみで実行しようとすると、図６のように、同一測定目標位置について２回、計６点の測定指示と、各２点目の測定結果に基づいて円のパラメータを計算して変数Circle(1)に格納するための指示が必要となり、パートプログラムが極めて煩雑になる。

この点、本発明によれば、従来のパートプログラムと殆ど変えること無しに２タッチ測定を実現することができる。

本実施形態に係る三次元座標測定システムでは、２タッチ測定について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

すなわち、２タッチ測定に代えて同一方向へ３タッチあるいは４タッチのように複数回連続して接触させて測定を行うものであっても良い。この場合、例えば３タッチ測定において、２タッチ目あるいは３タッチ目の三次元座標位置の情報を取り込んで処理を行っても良いし、あるいは２タッチ目及び３タッチ目の三次元座標位置の情報を取り込んで両者を平均化してから処理を行っても良い。

また、図２において補正テーブル２６は、ヒステリシスを含まない同一方向のリシートエラーについての補正値（測定時の接触方向によって生じるリシートエラーのみを考慮した補正値）を記憶して補正する例を示したが、これに限らずヒステリシスに起因するリシートエラーの補正値（測定時の接触方向とそれ以前の接触方向とによって生じるリシートエラーを考慮した補正値）を記憶して補正しても良く、さらに、リシートエラーに起因しない方向性補正値（測定時の接触方向によって生じるリシートエラーとは無関係の補正値）や測定速度補正値を記憶して補正しても良い。

すなわち、ヒステリシスに起因するリシートエラーの補正値とは、前回の測定目標位置を２タッチ測定した時の接触方向と、今回の測定目標位置を２タッチ測定した時の接触方向との方向に関する履歴に基づいて生じるリシートエラーを補正する補正値であり、このヒステリシスに起因するリシートエラーは、本発明によって大幅に低減されるが、超精密測定において、尚、補正を要する場合は、勿論補正を行っても良い。

また、リシートエラーに起因しない方向性補正値とは、プローブ先端の接触球の真球度や、スタイラスの剛性に関する方向性誤差を補正する補正値であり、接触方向に基づいて、リシートエラーとは独立に決まる補正値である。

さらに、測定速度補正値とは、接触速度に起因する補正値であり、リシートエラーとは独立に決まる補正値である。

さらに、本実施形態においては、２タッチ測定コマンドをパートプログラムに用いる例を示したが、これに限らず、ジョイスティックによって２タッチ測定を行っても良い。より具体的には、操作盤３に２タッチ測定スイッチを設け、プローブを測定目標位置付近に位置決めした後に、この２タッチ測定スイッチを「入」とし、ジョイスティック３２を測定目標位置方向へ傾動させると、２タッチ測定が自動的に行われるものであっても良い。

本発明の一実施形態に係る三次元座標測定システムの構成を示す斜視図である。 同三次元座標測定システムのブロック図である。 パートプログラムの一例を示す図である。 ２タッチ測定を指示するパートプログラムの一例を示す図である。 ２タッチ測定コマンドの処理を示すフローチャートである。 従来の測定コマンドで作成された２タッチ測定のためのパートプログラムの一例を示す図である。 同三次元座標測定システムで使用されるプローブを示す図である。

符号の説明

１…三次元座標測定機、２…コントローラ、３…操作盤、４…ホストシステム。

Claims (4)

1. 被測定物にプローブが接触したときの前記プローブの三次元座標位置の情報を出力する三次元座標測定機と、
   パートプログラムに基づいて前記プローブを相対駆動制御すると共に前記出力されたプローブの三次元座標位置の情報から測定要素のパラメータを算出する制御手段と
   を有する三次元座標測定システムにおいて、
   前記制御手段は、前記プローブを前記被測定物の測定目標位置に同じ方向から複数回連続して接触させ、このうち前記プローブが２回目以降に接触したときの三次元座標位置の情報を取り込んで、取り込んだ三次元座標位置の情報と前記測定目標位置への接触方向とに基づいて前記三次元座標位置の情報を補正して前記測定要素のパラメータを算出するものである
   ことを特徴とする三次元座標測定システム。
2. 前記パートプログラムは、前記被測定物の測定目標位置に同じ方向から複数回連続して接触させる測定コマンドを含むことを特徴とする請求項１記載の三次元座標測定システム。
3. 被測定物に対するプローブの接触方向とプローブの中立位置からの変位に基づく補正値との関係を記憶した補正テーブルを備え、
   前記制御手段は、前記被測定物の測定目標位置への接触方向から前記補正テーブルによって前記プローブの中立位置からの変位に基づく補正値を求め、前記測定要素のパラメータを補正するものである
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の三次元座標測定システム。
4. 被測定物にプローブが接触したときの前記プローブの三次元座標位置の情報を出力する三次元座標測定機の前記プローブを前記被測定物の測定目標位置に同じ方向から複数回連続して接触させ、このうち前記プローブが２回目以降に接触したときの三次元座標位置の情報を取り込んで、取り込んだ三次元座標位置の情報と前記測定目標位置への接触方向とに基づいて前記三次元座標位置の情報を補正処理する測定コマンドを含み、前記三次元座標測定機を制御するためのパートプログラム。

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