JPH1123252A - 三次元座標測定機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】比較的小形で簡単な構造の移動機構を使用し
て、誤差のない高精度の三次元座標測定を、容易に且つ
効率良く行うことができる三次元座標測定機を提供す
る。 【解決手段】この三次元座標測定機は、測定テーブル１
上に回転自在に垂直に立設された回転コラム２の上端部
に、水平アーム３が片側に突き出して水平に固定され、
水平アーム３上に水平移動部４が移動可能に配設され、
水平移動部４上にＺ軸移動部５がＺ軸つまり垂直方向に
移動可能に配設され、Ｚ軸移動部５の下端に測定子１５
を設けた移動ヘッド１３が取り付けられる。回転コラム
２の回転角に応じた角度位置信号を出力するロータリエ
ンコーダ１０と、水平移動部４の移動位置を示す水平位
置信号を出力する水平リニアエンコーダ１１と、Ｚ軸移
動部５の移動位置を示すＺ座標信号を出力する垂直リニ
アエンコーダ１２と、が設けられる。測定子１５を任意
の方向に移動させるための回転コラムモータ１６、水平
駆動モータ１７、及び垂直駆動モータ１８が設けられ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、各種機械加工部品
等における輪郭の三次元座標を測定する三次元座標測定
機に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の三次元座標測定機として、Ｘ・
Ｙ・Ｚ軸移動機構の移動ヘッドにタッチプローブを取付
け、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の各移動軸にＸ・Ｙ・Ｚ軸の位置を検
出するリニアスケールが設けられ、被測定物の表面にタ
ッチプローブを接触された時点で、各Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の、
リニアスケールからの位置データをマイクロコンピュー
タが取り込み、被測定物の外形輪郭の三次元座標データ
を記憶する測定機が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のこの種
の三次元座標測定機は、高精度の測定を目的とする場
合、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸移動機構の構造を、例えば剛性の高い
ブリッジ形（門形）構造とするなど、移動機構の剛性を
高くし構造を強固に大形化する必要があり、小形で構造
の簡単なＸ・Ｙ・Ｚ軸移動機構では、測定誤差が少なか
らず生じ、高精度の測定ができにくい問題があった。ま
た、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸を各々リニアに動かすＸ・Ｙ・Ｚ軸移
動機構は、手動で移動ヘッドを持って３軸を動かすこと
になるため、非常に移動操作が難しく、三次元座標の手
動による測定が効率良く容易にできにくい問題があっ
た。

【０００４】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、比較的小形で簡単な構造の移動機構を使用して、誤
差のない高精度の三次元座標測定を、容易に且つ効率良
く行うことができる三次元座標測定機を提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の三次元座標測定機は、測定テーブル上に回
転自在に垂直に立設された回転コラムと、該回転コラム
を回転駆動する回転コラムモータと、該回転コラムの回
転角に応じた角度位置信号を出力するロータリエンコー
ダと、該回転コラムの上端部に水平に固定された水平ア
ームと、該水平アーム上に水平方向に移動可能に配設さ
れた水平移動部と、該水平アーム上の回転コラム側に配
設され、該水平移動部を水平方向に移動駆動させる水平
駆動モータと、該水平移動部の移動位置を示す水平位置
信号を出力する水平リニアエンコーダと、該水平移動部
内に垂直移動可能に配設されたＺ軸移動部と、該水平ア
ーム上の回転コラム側に配設され、該Ｚ軸移動部を垂直
方向に移動駆動させる垂直駆動モータと、該Ｚ軸移動部
の移動位置を示すＺ座標信号を出力する垂直リニアエン
コーダと、該Ｚ軸移動部の下端に設けられた移動ヘッド
に取付けられ、前記測定テーブル上の被測定物に先端を
接触させたとき、接触信号を発生する手段を設けた測定
子と、予め記憶された位置データ或は操作スイッチの操
作に応じて、該回転コラムモータ、水平駆動モータ、垂
直駆動モータを駆動制御して該移動ヘッド先端の測定子
を任意の方向に移動させる３軸制御手段と、前記ロータ
リエンコーダ、水平リニアエンコーダ、及び垂直リニア
エンコーダからの回転角度位置、水平位置、及び垂直位
置を示すパルス信号を夫々カウントするアップダウンカ
ウンタを各々備えると共に、前記測定子からの接触信号
を入力した時、該アップダウンカウンタをラッチさせる
カウンタ回路と、前記カウンタ回路がラッチした時、各
カウンタのカウント値を読み込み、垂直位置に対応した
データからＺ座標を算出し、該水平位置に対応したデー
タと前記ロータリエンコーダの回転角度位置に対応した
データとからＸ座標・Ｙ座標を算出するデータ処理手段
と、を備えたことを特徴とする。

【０００６】

【作用・効果】このような構成の三次元座標測定機で
は、被測定物の輪郭形状の三次元座標を測定する場合、
被測定物を測定テーブル上に載置し、予め記憶された位
置データに応じて、或は操作スイッチを操作して、回転
コラムモータを駆動して回転コラムを回転させ、水平駆
動モータを駆動して水平移動部を移動させ、垂直駆動モ
ータを駆動してＺ軸移動部を移動させることにより、移
動ヘッドを任意のＸ・Ｙ・Ｚ方向に動かし、測定子の先
端を被測定物の表面に接触させる。

【０００７】このとき、水平移動部とＺ軸移動部のリニ
アな動きと共に、回転コラムの回転により移動ヘッドつ
まり測定子が動くため、従来のＸ・Ｙ・Ｚ軸の三軸をリ
ニアに動かす構造の測定機に比べ、測定子をより軽く容
易に動かすことができ、測定の作業効率が大きく向上す
る。

【０００８】測定子の被測定物への接触により接触信号
が発生すると、カウンタ回路は各アップダウンカウンタ
をラッチし、データ処理手段は、カウンタ回路から回転
角度位置、水平位置、及び垂直位置を示すパルス信号を
夫々カウントするアップダウンカウンタのカウント値を
読み込む。

【０００９】そして、データ処理手段は、読み込んだカ
ウント値のデータから、垂直位置に対応したデータに基
づきＺ座標を算出し、該水平位置に対応したデータと前
記ロータリエンコーダの回転角度位置に対応したデータ
とからＸ座標・Ｙ座標を算出する。

【００１０】一般に、回転コラム上に水平アームを取り
付けた片持ち式の測定機では、回転コラムや水平アーム
のたわみによる測定値の誤差が生じやすいが、上記構成
の測定機は、水平駆動モータが水平アーム上の回転コラ
ム側に配設され、垂直駆動モータが水平アーム上の回転
コラム側に配設されるため、水平アームの先端側にかか
る荷重が低減され、水平アームのたわみが生じにくく、
それによる誤差は最小となり、正確な測定データを得る
ことができる。

【００１１】更に、ロータリエンコーダ、水平リニアエ
ンコーダ、及び垂直リニアエンコーダからの回転角度位
置、水平位置、及び垂直位置を示すパルス信号を夫々カ
ウントするアップダウンカウンタを各々備えるカウンタ
回路が設けられ、測定子から接触信号を入力した時、ア
ップダウンカウンタをラッチさせ、そのカウント値のデ
ータを座標計算に使用するため、従来一般的な各軸の駆
動系が停止した後の位置データを入力して座標計算する
方式に比べ、駆動系が完全に停止するまでの移動誤差を
なくし、正確な位置データを得ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は三次元座標測定機の本体の
正面図を示し、図３はその右側面図を、図４はその平面
図を示している。１は被測定物を載置する測定テーブル
（定盤）であり、測定テーブル１（定盤）上の端に回転
コラム２が垂直軸を回転軸として回転自在に精密軸受を
介して立設される。

【００１３】回転コラム２を包囲するケースの外周部
に、減速機付きの回転コラムモータ１６が縦に固定され
る。モータ１６（減速機）の回転軸にプーリが固定さ
れ、このプーリがタイミングベルト９を介して、回転コ
ラム２の回転軸上のプーリに連係され、回転コラム２は
回転コラムモータ１６により所定の角度範囲内で低速で
回転駆動される。

【００１４】回転コラム２下部に高精度のロータリエン
コーダ１０が装着され、回転コラム２の回転角度位置に
応じた信号を出力する。回転コラムモータ１６には、そ
の回転数に応じた周波数信号を発生する回転検出器１６
ｂが内蔵される。回転コラムモータ１６はサーボドライ
バ１６ａによりその回転を制御され、回転検出器１６ｂ
から出力される周波数信号はサーボドライバ１６ａに入
力される。ロータリエンコーダ１０から出力されるパル
ス信号は専用のアップダウンカウンタ１９に入力され
る。

【００１５】回転コラム２の上部に水平アーム３が水平
に固定される。この水平アーム３にはガイドレール３ａ
がその長手方向に沿って設けられ、水平移動部４がガイ
ドレール３ａに係合・保持され、水平方向に摺動可能に
配設される。さらに、水平アーム３には長手方向に沿っ
てボールねじ６が軸支され、そのボールねじ６には水平
移動部４の一部に設けためねじ部４ａが螺合する。

【００１６】水平駆動モータ１７が水平アーム３上に固
定され、その回転軸がボールねじ６の末端に連結され
る。従って、水平駆動モータ１７によりボールねじ６が
回転駆動されて、水平移動部４が水平方向に移動する。
水平駆動モータ１７は水平アーム３の末端側つまり回転
コラム側に配置され、水平アーム３の先端側にかかる加
重を低減し荷重バランスを取っている。

【００１７】ガイドレール３ａと水平移動部４の係合部
間にはその移動位置に応じた信号を出力する水平リニア
エンコーダ１１が設けられる。水平リニアエンコーダ１
１は、ガイドレール３ａ側に磁気目盛りを設け、移動部
側に磁気抵抗センサを設けて構成され、水平移動部４の
移動距離に応じた周波数のパルス信号を出力するととも
に、絶対位置を示す信号を出力する。この水平リニアエ
ンコーダ１１は水平アーム３と水平移動部４間のガイド
レールを含むリニアガイドと一体型に構成することによ
り、小型・軽量化することができる。

【００１８】水平駆動モータ１７にはその回転数に応じ
た周波数信号を発生する回転検出器１７ｂが内蔵され
る。水平駆動モータ１７はサーボドライバ１７ａにより
その回転を制御され、回転検出器１７ｂから出力される
周波数信号はサーボドライバ１７ａに入力される。水平
リニアエンコーダ１１から出力されるパルス信号は専用
のアップダウンカウンタ１９に入力される。

【００１９】水平移動部４にＺ軸移動部５が上下摺動可
能に取付けられる。すなわち、水平移動部４の端部にガ
イド部４ｂが垂直方向に沿って設けられ、そのガイド部
４ｂに角棒状のＺ軸移動部５が係合・保持され、垂直方
向つまりＺ軸方向に摺動可能に配設される。

【００２０】水平アーム３上にスプライン軸７が水平に
軸支され、水平アーム３の末端部上（回転コラム側）に
減速機付きの垂直駆動モータ１８が取りつけられ、プラ
イン軸７の末端がそのモータ１８（減速機）の回転軸に
連結される。この垂直駆動モータ１８は水平駆動モータ
１７と同様、水平アーム３の末端側（回転コラム側）に
配置され、水平アーム３の先端側にかかる荷重を低減
し、水平アーム３の撓みを少なくしている。

【００２１】一方、水平移動部４にはスプライン軸７に
揩動自在に外嵌されるピニオン８が回転可能に軸支さ
れ、このピニオン８に噛合するラック５ａがＺ軸移動部
５に取付けられる。従って、垂直駆動モータ１８によっ
てスプライン軸７が回転すると、ピニオン８が回転駆動
され、ラック５ａを介してＺ軸移動部５がＺ軸つまり上
下方向に移動する。水平移動部４側に取り付けられたピ
ニオン８は水平移動部とともに移動するが、スプライン
軸７に対しては揩動しながら係合を保持する。

【００２２】Ｚ軸移動部５にはその移動位置に応じた信
号を出力する垂直リニアエンコーダ１２が設けられる。
この垂直リニアエンコーダ１２は、Ｚ軸移動部５側に磁
気目盛りを設け、ガイド部４ｂ側に磁気抵抗センサを設
けて構成され、Ｚ軸移動部５の移動距離に応じた周波数
のパルス信号を出力すると共に、絶対位置を示す信号を
出力する。この垂直リニアエンコーダ１２は水平移動部
４とＺ軸移動部５間のガイド部を含むリニアガイドと一
体型に構成することにより、小型・軽量化することがで
きる。

【００２３】また、垂直駆動モータ１８にはその回転数
に応じた周波数信号を発生する回転検出器１８ｂが内蔵
される。垂直駆動モータ１８はサーボドライバ１８ａに
よりその回転を制御され、回転検出器１８ｂから出力さ
れる周波数信号はサーボドライバ１８ａに入力される。
垂直リニアエンコーダ１２から出力されるパルス信号は
専用のアップダウンカウンタ１９に入力される。

【００２４】Ｚ軸移動部５の下端に移動ヘッド１３が固
定され、その移動ヘッド１３に測定子１５が取付けられ
る。測定子１５は、例えばタッチセンサ式の入力スイッ
チ１４を内蔵し、測定子１５の先端が被測定物の表面に
触れたとき、入力スイッチ１４が動作して信号を出力す
る構造である。この測定子１５は差動変圧器やリニアス
ケール等を持たず、入力スイッチを設けただけの簡単な
構造のものであり、安価に入手できる。

【００２５】測定子１５は、その誤動作を防止するため
に、入力スイッチ１４の出力側に遅延回路を設けてチャ
タリングを防止し、また、入力スイッチ１４がオンして
駆動系が停止するまでの間、オン信号が継続しなけれ
ば、入力スイッチ１４の誤動作として、座標測定を行わ
ないようにしている。

【００２６】このような構成の三次元座標測定機本体
は、回転コラム２が回転する構造であるため、コラムの
回転角度をθとし、水平アーム３上の水平移動部４の位
置データ（原点からの距離であり水平リニアエンコーダ
の検出距離）をＲとした場合、図７に示すように、Ｘ軸
上のＸ座標は、Ｘ＝Ｒｃｏｓθから、Ｙ軸上のＹ座標
は、Ｙ＝Ｒｓｉｎθから求められる。また、Ｚ軸上のＺ
座標は、Ｚ軸移動部５の位置データ（垂直リニアエンコ
ーダの出力位置データ）となる。

【００２７】この三次元座標測定機のデータ処理回路
は、図６に示すように、マイクロコンピュータを主要部
にして構成され、ＣＰＵ２０は、予めＲＯＭ２１に記憶
されたプログラムデータに基づき、三次元座標の測定動
作を行う。例えば、ある製品の曲面の三次元座標測定を
行う自動で行う場合、その曲面の設計座標が予めＲＡＭ
等に記憶され、ＲＡＭ２２からその座標データを順に読
み出し、回転コラムモータ１６、水平駆動モータ１７、
垂直駆動モータ１８を駆動して測定し１５をその曲面に
沿って移動させる。そのとき、測定子１５の接触により
測定されたＸ・Ｙ・Ｚ軸座標データを取り込む処理を行
う。

【００２８】上記ロータリエンコーダ１０、水平リニア
エンコーダ１１、垂直リニアエンコーダ１２は各々専用
のアップダウンカウンタ１９に接続され、各アップダウ
ンカウンタ１９は入出力回路２６に接続される。また、
入出力回路２６には、入力スイッチ１４、ＣＲＴ等の表
示器２３、プリンタ２４、操作スイッチ２５が接続され
る。入力スイッチ１４の出力側は、各アップダウンカウ
ンタ１９のラッチ端子にも接続され、各アップダウンカ
ウンタ１９は入力スイッチ１４のオン信号をラッチ信号
として直接入力しそのカウント値を保持する。

【００２９】次に、上記構成の三次元座標測定機の動作
を説明する。被測定物の三次元座標を測定する場合、被
測定物を測定テーブル１上に載置し、データ処理回路を
スタンバイさせる。そして、操作スイッチ２５を操作し
て、測定子１５を被測定物の測定開始箇所まで移動させ
る。すなわち、回転コラムモータ１６を駆動して回転コ
ラム２を回転させ、水平駆動モータ１７を駆動して水平
移動部４を移動させ、垂直駆動モータ１８を駆動してＺ
軸移動部５を移動させることにより、移動ヘッド９を任
意のＸ・Ｙ・Ｚ方向に動かし、測定子１５の先端を被測
定物の表面に接近させ、接触させる。移動ヘッド９の三
次元の動きは、回転コラム２の回転を含む水平移動部４
とＺ軸移動部５の動きにより行われるため、移動ヘッド
９を容易に動かすことができる。

【００３０】測定子１５が被測定物に接触した時、測定
子１５内の入力スイッチ１４がオンし、ＣＰＵ２０に入
力信号が送られる。ＣＰＵ２０は、その入力信号を入力
したとき、ロータリエンコーダ１０、水平リニアエンコ
ーダ１１、垂直リニアエンコーダ１２から検出信号を取
り込む。そして、各サーボドライバ１６ａ〜１８ａに停
止信号を出力して、駆動中の回転コラムモータ１６、水
平駆動モータ１７、或は垂直駆動モータ１８を停止させ
る。

【００３１】測定子１５が接触した時、入力スイッチ１
４がオンし、その信号が直接各座標のアップダウンカウ
ンタ１９にラッチ信号として入力され、各カウンタ１９
はラッチされ、カウント値が保持される。ラッチされた
各座標位置を示すカウント値データは、各アップダウン
カウンタ１９からＣＰＵ２０に読み込まれる。このた
め、ＣＰＵ２０は、モータのサーボドライバに実際に停
止信号が入ってモータが停止するまでの時間や慣性等に
よる誤差を生じさせず、測定子１５が接触した時点の正
確な位置データを取り込むことができる。

【００３２】次に、水平位置データＲとロータリエンコ
ーダ１０からの角度位置データθを使用して、Ｘ＝Ｒｃ
ｏｓθの式からＸ座標を算出し、Ｙ＝Ｒｓｉｎθの式か
らＹ座標を算出する。そして、算出したＸ座標、Ｙ座
標、Ｚ座標の各々のデータをＲＡＭ２２に書込む。

【００３３】この後、操作スイッチ２５の操作によっ
て、或は予めＲＡＭ等に記憶されたプログラムデータに
基づき自動的に、被測定物の表面にそって移動ヘッド１
３が動かされ、再び測定子１５の先端が被測定物の表面
に接触すると、入力スイッチ１４がオンし、ＣＰＵ２０
は、ロータリエンコーダ１０、水平リニアエンコーダ１
１、垂直リニアエンコーダ１２から、新な検出信号を取
り込み、これらの検出データから、水平位置データＲと
Ｚ座標を補正すると共に、Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標を算
出し、算出したＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標の各々のデータ
をＲＡＭ２２に書込む。このような動作が繰り返される
ことにより、被測定物の三次元座標が測定され、記憶さ
れていく。

【００３４】このように、水平移動部４とＺ軸移動部５
のリニアな動きと共に回転コラム２の回転により移動ヘ
ッド１３つまり測定子１５が動くため、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の
三軸をリニアに動かす構造の測定機に比べ、測定子１５
をより軽く容易に動かすことができ、測定の作業効率を
大きく向上させることができる。

【００３５】また、水平アーム３が片持ち式になること
により、水平アーム３の先端に大きな荷重がかかると、
アームがたわみ、そのたわみによる測定値の誤差が生じ
やすいが、水平駆動モータ１７や垂直駆動モータ１８を
回転コラム２側に配置してアーム３のたわみを最小とし
ているから、誤差の少ない正確な測定データを得ること
ができる。

【００３６】更に、各座標軸の移動量（位置）を測定す
るロータリエンコーダ１０、水平リニアエンコーダ１
１、及び垂直リニアエンコーダ１２の出力信号をカウン
トするアップダウンカウンタ１９を各々に設け、測定子
１５が接触した時の入力スイッチ１４のオン信号をラッ
チ信号としてアップダウンカウンタ１９に入力し、カウ
ンタを瞬時にラッチしてそのカウント値を保持し、ＣＰ
Ｕに入力するようにしたから、従来の一般的な三次元測
定機のように、測定子が接触した時にＣＰＵがその接触
を認識しモータを停止させた後、エンコーダの出力信号
のカウンタ値を取り込む方式と比べ、モータによる駆動
系が停止信号を受けてから実際に停止するまでの誤差
や、ＣＰＵの動作時間の誤差等をなくし、三次元座標の
測定精度を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す三次元座標測定機の
正面図である。

【図２】同測定機の背面図である。

【図３】同測定機の右側面図である。

【図４】同測定機の平面図である。

【図５】作動状態の測定機の正面図である。

【図６】測定機の制御系のブロック図である。

【図７】Ｘ座標とＹ座標の値を示す説明図である。

【符号の説明】

１−測定テーブル ２−回転コラム ３−水平アーム ４−水平移動部 ５−Ｚ軸移動部 １０−ロータリエンコーダ １１−水平リニアエンコーダ １２−垂直リニアエンコーダ １４−入力スイッチ １５−測定子 １６−回転コラムモータ １７−水平駆動モータ １８−垂直駆動モータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定テーブル上に回転自在に垂直に立設
   された回転コラムと、 該回転コラムを回転駆動する回転コラムモータと、 該回転コラムの回転角に応じた角度位置信号を出力する
   ロータリエンコーダと、 該回転コラムの上端部に水平に固定された水平アーム
   と、 該水平アーム上に水平方向に移動可能に配設された水平
   移動部と、 該水平アーム上の回転コラム側に配設され、該水平移動
   部を水平方向に移動駆動させる水平駆動モータと、 該水平移動部の移動位置を示す水平位置信号を出力する
   水平リニアエンコーダと、 該水平移動部内に垂直移動可能に配設されたＺ軸移動部
   と、 該水平アーム上の回転コラム側に配設され、該Ｚ軸移動
   部を垂直方向に移動駆動させる垂直駆動モータと、 該Ｚ軸移動部の移動位置を示すＺ座標信号を出力する垂
   直リニアエンコーダと、 該Ｚ軸移動部の下端に設けられた移動ヘッドに取付けら
   れ、前記測定テーブル上の被測定物に先端を接触させた
   とき、接触信号を発生する手段を設けた測定子と、 予め記憶された位置データ或は操作スイッチの操作に応
   じて、該回転コラムモータ、水平駆動モータ、垂直駆動
   モータを駆動制御して該移動ヘッド先端の測定子を任意
   の方向に移動させる３軸制御手段と、 前記ロータリエンコーダ、水平リニアエンコーダ、及び
   垂直リニアエンコーダからの回転角度位置、水平位置、
   及び垂直位置を示すパルス信号を夫々カウントするアッ
   プダウンカウンタを各々備えると共に、前記測定子から
   の接触信号を入力した時、該アップダウンカウンタをラ
   ッチさせるカウンタ回路と、 前記カウンタ回路がラッチした時、各カウンタのカウン
   ト値を読み込み、垂直位置に対応したデータからＺ座標
   を算出し、該水平位置に対応したデータと前記ロータリ
   エンコーダの回転角度位置に対応したデータとからＸ座
   標・Ｙ座標を算出するデータ処理手段と、 を備えたことを特徴とする三次元座標測定機。