JP4675047B2

JP4675047B2 - 三次元測定機の測定座標補正方法及び三次元測定システム

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Publication number: JP4675047B2
Application number: JP2004025942A
Authority: JP
Inventors: 勝行小倉; 耕造杉田; 宏和道脇
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: CN1651858A; US20050166412A1; EP1559990A2; JP2005214943A; US7171320B2; EP1559990A3

Description

本発明は、三次元測定機の測定座標補正方法に関し、特に三次元測定機のベースに重量のあるワークを載置したときの測定座標補正方法及び三次元測定システムに関する。

三次元測定機では、三次元測定空間を構成する各軸に沿って配置されたスケールを基準とするスケール座標系の中で、種々の測定子が使用されて測定が行われる。三次元測定機の測定精度を向上させるためには、その構造体の静的剛性を高めることが必要であることはもとより、ソフトウェアによる空間精度補正技術を導入することで、幾何学誤差を極力低減して高精度化への対応を図ることが可能である。

三次元測定機の幾何学誤差には、図４に示すように、キネマティックモデル中の直交座標系における各軸スケール誤差、真直度誤差及びピッチング、ヨーイング等の角度誤差がある。これらをまとめると以下のようになり、合計２１個の誤差要因がある。

各軸スケール誤差：３
各軸水平方向真直度誤差：３
各軸垂直方向真直度誤差：３
各軸ピッチング誤差：３
各軸ヨーイング誤差：３
各軸ローリング誤差：３
各軸間角度誤差：３

一般にＣＭＭ（Coordinate Measuring Machine）上において計測された幾何学誤差には、角度誤差等の要因の影響が含まれるので、これらを各軸基準上の誤差として扱うために、誤差の分離処理を行う必要がある。このため、図４に示すようなキネマティックモデルを用いて誤差の分離処理を行う技術が知られている（特許文献１）。また、このキネマティックモデルは、補正パラメータ算出の際の誤差の分離処理に用いられると同時に、補正の実行の際に各補正パラメータを座標空間上の誤差に変換処理を行う時にも使用される。
以上の処理により、各軸の誤差が存在しても、その誤差を計測し補正することでＣＭＭの幾何学誤差を低減させ、ＣＭＭの高精度化が実現できる。

特開平７−１４６１３０号公報（段落０００２〜０００７、図４）

ＣＭＭ等の装置において、Ｙ軸運動ガイドを兼ねるベースは、幾何学誤差において、特に重要な役割を持つ。空間精度補正を利用してＣＭＭの高精度化を実現したが、そのＹ軸運動ガイドを兼ねるベースの幾何学誤差において、ユーザワークを積載するとベースが変形し、Ｙ軸運動ガイドの幾何学精度が変化してしまい、ＣＭＭの精度悪化につながってしまう。そのため、従来は、ベースの厚みを厚くしてベースの静的剛性を高めることにより、ユーザ最大積載重量を増すようにしていた。このため、ユーザワークの最大積載重量毎にベースの厚みを検討しなければならず、納期、価格共に膨大となっていた。特に最近では、大型金型ワークを測定する用途が増加し、５ｔ〜１０ｔのワークの測定が可能なＣＭＭが望まれている。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、ベースの厚みを変更することなく、ユーザワークに対応した高精度な測定を可能にする三次元測定機及びその測定空間補正方法を提供することを目的とする。

本発明に係る三次元測定機の測定座標補正方法は、三次元測定機と、この三次元測定機を駆動制御すると共に三次元測定機から必要な測定値を取り込むためのコントローラと、このコントローラを介して前記測定値を取り込んで処理するホストコンピュータとを備え、前記コントローラ又は前記ホストコンピュータの記憶手段に、三次元測定機に種々の重量のワークを載置した状態で前記三次元測定機の幾何学誤差を計測し、その計測結果から求められた各ワークの重量毎の補正パラメータを記憶した三次元測定システムにおける三次元測定機の測定座標補正方法であって、測定すべきワークの重量を入力するステップと、このステップで入力されたワークの重量に対応した補正パラメータを前記記憶手段から読み出して前記三次元測定機から入力された前記測定すべきワークの測定座標を補正するステップとを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る三次元測定システムは、測定すべきワークを三次元測定空間内のベース上に載置して測定する三次元測定機と、この三次元測定機を駆動制御すると共に三次元測定機から必要な測定値を取り込むためのコントローラと、このコントローラを介して取り込まれた測定値を処理するホストコンピュータとを備えた三次元測定システムにおいて、前記三次元測定機のベースに種々の重量のワークを載置した状態で前記三次元測定機の幾何学誤差を計測し、その計測結果から求められた各ワークの重量毎の補正パラメータを記憶する記憶手段と、前記ワークの重量の情報を入力する入力手段とを備え、前記コントローラは、前記入力手段を介して入力されたワークの重量の情報と前記記憶手段に記憶された補正パラメータとに基づいて前記三次元測定機から入力された前記測定すべきワークの測定座標を補正することを特徴とする。

なお、前記記憶手段は、例えば前記コントローラに設けられ、前記コントローラは前記入力されたワークの重量の情報に基づいて補正パラメータを切り換えて前記三次元測定機から入力された前記測定すべきワークの測定座標を補正するものである。また、前記記憶手段は、前記ホストコンピュータに設けられていても良い。この場合、前記ホストコンピュータは、前記入力されたワークの重量の情報に基づいて当該ワークの重量に対応した補正パラメータを前記コントローラに送信し、前記コントローラは、前記ホストコンピュータから送信されてきた補正パラメータに基づいて前記測定すべきワークの測定座標を補正する。

前記入力手段は、前記ホストコンピュータに手入力操作で前記ワークの重量の情報を入力する手段であっても良いし、前記三次元測定機のベースに組み込まれた歪みゲージからなる重量計と、この重量計で検出された前記ワークの重量の情報を前記ホストコンピュータに送信する手段とを備えたものであっても良い。

また、前記三次元測定機のベースは、例えばＹ軸方向移動部を支持するものであり、前記三次元測定機の幾何学誤差には、前記ベースの変形によるＹ軸角度誤差が含まれる。

本発明によれば、三次元測定機に種々の重量のワークを載置した状態で前記三次元測定機の幾何学誤差を計測し、その計測結果から各ワークの重量毎の補正パラメータを求めて記憶し、測定すべきワークの重量に対応した補正パラメータを適宜読み出して測定すべきワークの測定座標を補正するようにしたので、ベースがワークの重量によって変形しても、精度の高い座標値の補正が可能になるので、ベースの厚みを変更することなく、ユーザワークに対応した高精度な測定が可能になる。

以下、添付の図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るＣＮＣ（Computerized Numerical Control）三次元測定システムの構成を示すブロック図である。
このＣＮＣ三次元測定システムは、三次元測定機１と、この三次元測定機１を駆動制御すると共に三次元測定機１から必要な測定値を取り込むためのコントローラ２と、このコントローラ２を介して取り込まれた測定値を処理するホストコンピュータ３とを備えて構成されている。

三次元測定機１は、例えば図２に示すように構成されている。
除振台１１の上には、ベース１２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、このベース１２の両側端から立設されたビーム支持体１３ａ，１３ｂの上端でＸ軸方向に延びるビーム１４を支持している。ビーム支持体１３ａは、その下端がＹ軸駆動機構１５によってＹ軸方向に駆動される。また、ビーム支持体１３ｂは、その下端がエアーベアリングによってベース１２にＹ軸方向に移動可能に支持されている。ビーム１４は、垂直方向（Ｚ軸方向）に延びるコラム１６を支持する。コラム１６は、ビーム１４に沿ってＸ軸方向に駆動される。コラム１６には、スピンドル１７がコラム１６に沿ってＺ軸方向に駆動されるように設けられている。スピンドル１７の下端には、接触式のプローブ１８が装着されている。このプローブ１８が、ベース１２上に載置されたワーク１９に接触したときに、プローブ１８からコントローラ２にタッチ信号が出力され、そのときのＸＹＺ座標値をコントローラ２が取り込むようになっている。また、ベース１２上の所定位置には、機械座標系を構築するためのマスターボール２０が装着されている。

次に、このＣＮＣ三次元測定システムを用いた空間誤差補正方法について説明する。
（１）事前登録
図３は、事前登録の処理を示すフローチャートである。
この事前登録処理では、三次元測定機１のベース１２の上に載置するワーク１９の重量Ｗを０，５ｔ，１０ｔ，…と変化させて、それぞれの場合について空間誤差補正のための補正パラメータを算出する。なお、ここで重量Ｗ＝０はワーク１９を載置しない状態である。

図３を参照してより詳細に説明すると、まず、重量Ｗのワーク１９を三次元測定機１のベース１２に載置し（Ｓ１）、三次元測定機１の幾何学誤差を計測する（Ｓ２）。これにより前述した２１個の幾何学誤差が計測され、これら求められた２１個の幾何学誤差から２１種類の補正パラメータを算出する（Ｓ２）。算出された補正パラメータは、コントローラ２又はホストコンピュータ３の記憶装置に記憶される（Ｓ４）。補正パラメータをコントローラ２の記憶装置に記憶する場合には、記憶容量の制限があるものの、ワーク重量が変わるたびにホストコンピュータ３から補正パラメータを転送する必要がなく、より速やかに補正パラメータの切替が可能であるという利点がある。これに対し、補正パラメータをホストコンピュータ３の記憶装置に記憶する場合には、大容量ハードディスク装置に格納することにより、記憶容量の制限は無くなる。記憶容量の制限が無くなることにより、より細かなワーク重量に対応した補正パラメータを予め用意しておくことができる。

次に、三次元測定機１の幾何学誤差の計測（Ｓ２）について、より詳細に説明する。
図４は、三次元測定機１の構造体のキネマティックモデルを示す図である。図中、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４は、それぞれＸ軸支点、Ｙ軸支点、Ｚ軸支点及びマスターボール中心点をそれぞれ示している。また、Ａ，Ｂ，Ｐは、それぞれプローブ先端、スピンドル先端及びスピンドル先端Ｂからプローブ先端Ａに向かうプローブベクトルであり、ＴＦ１，ＴＦ２，ＴＦ３，ＴＦ４は、Ｘ軸測定点、Ｙ軸測定点、Ｚ軸測定点及びマスターボール中心点からそれぞれプローブ先端Ａに向かうベクトルである。

ここで、測定すべき幾何学誤差としては、特定の着目する支点（回転中心でもある）Ｔにおける平行誤差（ｅｘ，ｅｙ，ｅｚ）及び回転誤差（εｘ，εｙ，εｚ）があり、支点からプローブ先端に向かうベクトルを（ＴＦｘ，ＴＦｙ，ＴＦｚ）とすると、補正パラメータ（δｘ，δｙ，δｚ）は、次のように求めることができる。

従って、各軸支点Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３及び基準点Ｔ４における平行誤差をそれぞれ（Ｔ_１ｅｘ，Ｔ_１ｅｙ，Ｔ_１ｅｚ）、（Ｔ_２ｅｘ，Ｔ_２ｅｙ，Ｔ_２ｅｚ）、（Ｔ_３ｅｘ，Ｔ_３ｅｙ，Ｔ_３ｅｚ）、（Ｔ_４ｅｘ，Ｔ_４ｅｙ，Ｔ_４ｅｚ）、回転誤差をそれぞれ（Ｔ_１εｘ，Ｔ_１εｙ，Ｔ_１εｚ）、（Ｔ_２εｘ，Ｔ_２εｙ，Ｔ_２εｚ）、（Ｔ_３εｘ，Ｔ_３εｙ，Ｔ_３εｚ）、（Ｔ_４εｘ，Ｔ_４εｙ，Ｔ_４εｚ）とすれば、上記数１は、数２のように拡張することができる。

実際の幾何学誤差の測定は、例えば図５のように、スピンドル１７の先端に測定用の光学治具２１をセットし、レーザ干渉測定計３０により各スケール値に対するプローブ先端位置を測定することにより行うことができる。レーザ干渉測定計３０は、レーザ光を出射するレーザヘッド３１と、このレーザヘッド３１から出力されたレーザ光を光学治具２１側に通過させると共に、光学治具２１側から入射されたレーザ光を受光するレシーバ３２と、レーザヘッド３１から出射されたレーザ光と光学治具２１から反射されたレーザ光とを干渉させて干渉縞を生成する干渉計３３とを備えて構成されている。光学治具２１をＸＹＺのスケールに沿って移動させたときの各位置の干渉計３３に生成された干渉縞により、プローブ位置における平行誤差及び回転誤差を検出する。三次元測定空間の全域について平行誤差及び回転誤差を測定することにより、三次元測定空間の全域にわたる補正パラメータを算出することができる。

しかし、この補正パラメータを三次元測定空間の全てについて記憶することは現実的でない。そこで、例えば図６に示すように、記憶データ量を削減する。なお、ここでは説明の簡単のためＸ軸方向に沿った補正パラメータδ_ｘについて説明する。まず、図６（ａ）に示すように、Ｘ軸カウンタ値ｘに応じた補正パラメータδ_ｘを算出する。次に、図６（ｂ）に示すように、予め設定された補間関数次数と、得られた生データの曲線と、その形から求められた区間分割数と分割位置とに基づいて、各区間の補間関数係数を決定する。例えば、各区間の補間関数次数を「２」とすると、各区間で係数は３個となる。そして、図６（ｃ）に示すように、実際の補正パラメータの読出しにおいては、カウンタ値Ｘに対する補正パラメータδ_ｘ（Ｘ）を、上記で求めた補間関数によって計算する。これを他のＹ軸及びＺ軸の補正パラメータについても同様に行う。これにより、記憶すべきデータ量を大幅に削減することができる。

この発明において重要な点は、ベース１２の上に載置するワーク１９の重量Ｗを０，５ｔ，１０ｔ，…と変化させて、それぞれの場合について上記のような幾何学誤差を測定し、空間誤差補正のための補正パラメータを算出する点である。
また、ワークの重量によってベース１２が変形すると、ベース１２をガイドとしているＹ軸角度に最も大きな影響が出てくる。そこで、上述した幾何学誤差の測定に代えて、ワーク重力毎に、角度計にてＹ軸角度誤差計測を行うようにしても良い。

（２）測定
図７は、このようにして、ワークの重量毎の補正パラメータを記憶した三次元測定機によって実際に測定を行う際の流れを示すフローチャートである。なお、この実施形態は、コントローラ２に補正パラメータを記憶している例である。
まず、ワーク１９をベース１２に載置し、ワーク１２の重量をホストコンピュータ３に入力する（Ｓ１１）。ワーク重量は、作業者がホストコンピュータ３に手入力操作で入力するか、ベース１２に重量計を組み込み、自動検出することで入力する。
尚、ワーク重量の情報は、コントローラ２に直接入力されてもよい。

次に、ホストコンピュータ３は、ワーク重量に対応したワーク識別コードをコントローラ２に送信する（Ｓ１２）。コントローラ２は、内部に記憶されている補正パラメータのうち、計測に使用する補正パラメータを、ワーク識別コードに対応した補正パラメータに切り換える（Ｓ１３）。実際の測定においては、切り換えられた補正パラメータを使用して測定値を補正する（Ｓ１４）。

図８は、ワークの重量毎の補正パラメータを記憶した三次元測定機によって実際に計測を行う他の実施形態の流れを示すフローチャートである。この実施形態では、ホストコンピュータ３に補正パラメータが記憶されている。
まず、ワーク１９をベース１２に載置し、ワーク１２の重量をホストコンピュータ３に入力する（Ｓ２１）。ワーク重量は、作業者がホストコンピュータ３に手入力操作で入力するか、ベース１２に重量計を組み込み、自動検出することで入力する。

次に、ホストコンピュータ３は、ワーク重量に対応した補正パラメータをコントローラ２に送信する（Ｓ２２）。コントローラ２は、送付されてきた補正パラメータを内部のメモリに記憶する（Ｓ２３）。実際の測定においては、記憶された補正パラメータを使用して測定値を補正する（Ｓ１４）。

この実施形態によれば、種々の重量のワークを測定する場合であっても精度の高い座標値の補正が可能になり、測定の高精度化が容易に行えるが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、三次元測定機として通常の三次元座標測定機において実施する例を示したが、これに限らず、表面粗さ測定機、表面形状測定機、真円度測定機などの一般の表面性状測定機において実施しても良い。
また、重量計をベース１２に組み込み、自動検出することで入力する例を示したが、この重量計は除振台１１に組み込んでも良い。
この際の重量計は、歪ゲージをベース１２や除振台１１に組み込んで、ベース１２や除振台１１の歪量に基づいて重量を自動検出しても良い。
さらに、重量計は、ベース１２あるいはビーム支持体１３ａ，１３ｂなどの測定機各部の傾斜を測定し、その傾斜量に基づいて重量を自動検出しても良い。

以上説明したように、本発明にかかる三次元測定機の測定座標補正方法及び三次元測定システムによれば、測定すべきワークの重量に対応した補正パラメータによって、ワークの測定座標を補正するようにしたので、三次元測定機のワーク重量制限を緩和することができるだけでなく、ワークの測定精度が向上するので、測定機の利用可能性をより高めることができ、その結果、経済効率が向上する。
また、ベースの厚みを従来よりも薄くすることが可能となり、資源節約にも効果的である。

本発明の一実施形態に係る三次元測定システムの構成を示すブロック図である。同システムにおける三次元測定機の構成を示す斜視図である。同システムにおける事前登録処理を示すフローチャートである。三次元測定機の幾何学誤差を説明するためのキネマティックモデルを示す図である。同システムにおける事前登録処理時の幾何学誤差の測定例を示す図である。同事前登録処理時の補正パラメータの記憶方法を説明するための図である。同システムにおける測定処理を示すフローチャートである。同システムにおける測定処理の他の例を示すフローチャートである。

符号の説明

１…三次元測定機、２…コントローラ、３…ホストコンピュータ、１２…ベース、１３ａ，１３ｂ…ビーム支持体、１４…ビーム、１５…Ｙ軸駆動機構、１６…コラム、１７…スピンドル、１８…プローブ、１９…ワーク、２０…マスターボール。

Claims

三次元測定機と、この三次元測定機を駆動制御すると共に三次元測定機から必要な測定値を取り込むためのコントローラと、このコントローラを介して前記測定値を取り込んで処理するホストコンピュータとを備え、前記コントローラ又は前記ホストコンピュータの記憶手段に、三次元測定機に種々の重量のワークを載置した状態で前記三次元測定機の幾何学誤差を計測し、その計測結果から求められた各ワークの重量毎の補正パラメータを記憶した三次元測定システムにおける三次元測定機の測定座標補正方法であって、
測定すべきワークの重量を入力するステップと、
このステップで入力されたワークの重量に対応した補正パラメータを前記記憶手段から読み出して前記三次元測定機から入力された前記測定すべきワークの測定座標を補正するステップと
を備えたことを特徴とする
三次元測定機の測定座標補正方法。
測定すべきワークを三次元測定空間内のベース上に載置して測定する三次元測定機と、
この三次元測定機を駆動制御すると共に三次元測定機から必要な測定値を取り込むためのコントローラと、
このコントローラを介して取り込まれた測定値を処理するホストコンピュータとを備えた三次元測定システムにおいて、
前記三次元測定機のベースに種々の重量のワークを載置した状態で前記三次元測定機の幾何学誤差を計測し、その計測結果から求められた各ワークの重量毎の補正パラメータを記憶する記憶手段と、
前記ワークの重量の情報を入力する入力手段とを備え、
前記コントローラは、
前記入力手段を介して入力されたワークの重量の情報と前記記憶手段に記憶された補正パラメータとに基づいて前記三次元測定機から入力された前記測定すべきワークの測定座標を補正することを特徴とする三次元測定システム。
前記記憶手段は、前記コントローラに設けられ、
前記コントローラは前記入力されたワークの重量の情報に基づいて補正パラメータを切り換えて前記三次元測定機から入力された前記測定すべきワークの測定座標を補正することを特徴とする請求項２記載の三次元測定システム。
前記記憶手段は、前記ホストコンピュータに設けられ、
前記ホストコンピュータは、前記入力されたワークの重量の情報に基づいて当該ワークの重量に対応した補正パラメータを前記コントローラに送信し、
前記コントローラは、前記ホストコンピュータから送信されてきた補正パラメータに基づいて前記測定すべきワークの測定座標を補正することを特徴とする請求項２記載の三次元測定システム。
前記入力手段は、前記ホストコンピュータに手入力操作で前記ワークの重量の情報を入力する手段であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載の三次元測定システム。
前記入力手段は、
前記三次元測定機のベースに組み込まれた歪みゲージからなる重量計と、
この重量計で検出された前記ワークの重量の情報を前記ホストコンピュータに送信する手段と
を備えたものであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載の三次元測定システム。
前記三次元測定機のベースは、Ｙ軸方向移動部を支持するものであり、
前記三次元測定機の幾何学誤差には、前記ベースの変形によるＹ軸角度誤差を含むものであることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項記載の三次元測定システム。