JPH02503236A - 表面検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 表面検出装置 技術分野 本発明は、位置測定装置において用いられる表面検出装置に関する０本願発明は 添付した請求の範囲に詳細に記される。

図面の簡単な説明 添付した図面を参照して本発明装置の実施例を詳細に説明する。

第１図はプローブヘッドを部分断面で示す立面図である。

第２図は上記プローブヘッドを具えた座標測定機械の立面図である。

第３図は上記座標測定機械およびプローブヘッドの電気部品を制御するよう構成 されたコンピュータを示す系統図である。

第４図はその輪郭が上記測定機械およびプローブヘッドによりて測定されるワー クピースの斜視図である。

第５図は上記ワークピースの立面図である。

第６図は第５図の平面図である。

第７図は第６図の■−■線断面図である。

第８図は第６図の■−■線断面図である。

第９図は上記座標測定機械およびプローブヘッドの走査を制御するための制御シ ステムの図である。

′ｓ１０図は′ｓ１図の詳細であり、第１図に示されるモータの変形を示す図で ある。

第１１図は第５図と同様の図であり、上記プローブヘッドの撓みを示す図である 。

発明を実施するための最良の形態 第１図を参照するに、軸線１０Ａに沿って延在する細長いスタイラスｌＯは、球 形の検出部１１を具え、この検出部を介してその輪郭が測定されるワークピース １２の表面１２＾との係合がなされる。２つの板ばね１３，１４はハウジング１ ５とスタイラス１０との間で固定され、これら板ばねはスタイラスを支持し、こ れによりスタイラスは軸線１０Ａの方向でハウジング１５に相対して距１１Ｄ１ に渡って直線的に変位することができる。ハウジング１５とスタイラスｌＯとの 間に配置されるモータ旧は、スタイラスに軸線ｌＯ＾の方向の力Ｆｌを作用する ように設けられる。また、変換器ＴＩが、スタイラスのハウジング１５に相対し た軸方向位置を検出するよう備えられをある程度ハウジング１５から離すように 付勢している。スタイラス１０上に設けられたストレインゲージシステム１６は 、軸線１０Ａを横断する方向で検出部１１に作用するあらゆる力Ｆ２を検出する ように設けられている。力Ｆｌ、Ｆ２は、球形の検出部１１の中心である点Ｂを 通って作用するものとする。システム１６の出力はＳで示され、それぞれ軸線２ ０Ａに垂直および平行な分力ＳＸ、Ｓ、（あるいはｓ−、ｙ）の合力である。

ハウジング１５はモータＭ２を介してハウジング２０に支持され、このモータＭ ２は、ハウジング１５を軸線１０Ａに垂直な軸線２０＾の回りに角変位させる。

ハウジング１５と２０との間に配設される変換器Ｔ２は、上記角変位の角度Ｄ２ を検出するように設けられる。ハウジング２０はモータＭ３を介してハウジング ３０に支持され、モータＭ３は軸線２０＾に垂直な軸線３０Ａの回りにハウジン グ２０を角変位させる。変換器Ｔ３は、上記軸線３０＾回りの角変位の角度Ｄ３ を検出するように設けられる。軸線２０Ａ。

３０Ａは好ましくは固定された関係を有し、この場合これら軸線は共通点Ｉで交 差する。ここまで記述されてきた装置はプローブヘッドＰＨを構成する。

プローブヘッドＰＨは、構造あるいはアーム１７を構成し、アーム１７は、みか け上固定されたものとみなされる部材４０に固定された端部１７Ａと、検出部１ １によって示される自由端部１７Ｂとを有している。アーム１７は、また、端部 １７＾と軸！５２０Ａとの間で延在する第１部分１７Ｃ，軸線２０＾とハウジン グ１５との間で延在する゛第２部分１７Ｄ、およびスタイラス１０によフて示さ れるｔＳＳ部分を有するものとみなすこともできる。

プローブヘッドＰＨは座標測定機械ＣＭＭ　（第２図）と共に用いるためのもの であり、この座標測定機械は、ｚ軸方向に直線的な変位をするための部材５０上 に支持される部材４０％Ｘ軸方向に直線的な変位をするための部材６０上に支持 される部材５０、およびＹ軸方向に直線的な変位をするためのベース６１上に支 持される部材６０を具える。軸ｘ、ｙ、ｚは互いに垂直である。使用にあたって は、プローブヘッドは端部１７Ａを介して機械ＣＭＭに接続される。端部１７＾ は、好ましくは部材４０に固定され、この場合、軸線３ＯＡと２軸はその方向が 一致する。

部材４０，５０．６０は、それぞれモータＭＸ、ＭＹ、ＭＺｅよりｘ、ｙ、ｚ方 向に駆動され、これら部材のそれぞれｘ、ｙ、ｚ方向におけるそのときどきの位 置はそれぞれ変換器ＴＸ、ＴＹ、ＴＺにより検出される。これら変換器の出力は それぞれＴＸＡ　、τＹＡ、ＴＺ＾で示される。

モータＭ２．Ｎ３は、検出部１１を所定の位置に置くために位置決めそ一ドで駆 動することもできるし、また検出部１１を所定の力でワークピースと係合させる ため検出部を付勢するトルクモードで駆動することもできる。

ニア　：／　ｋ’　ｓ−夕７０（Ｎ３図）は、そ−夕Ｍ（Ｘ、Ｙ、Ｚ、２．３） を駆動するようにプログラムされる。また：コンピュータ７０は必要であればモ ータＭ１についても、上記測定機械の座標における所定の位置に検出部１１を位 置付けるように、または、ワークピース上の位置の座標を測定するか、あるいは 走査することによってワークピースの形状に沿った位置の座標を測定するように モータＭｌを駆動するようプログラムされてもよい。

プローブヘッドＰＨは、それに基づいて、モータ旧。

Ｎ２．Ｎ３を駆動したときのどのような変位も、また力Ｆ２に基づくスタイラス のどのような曲げも測定されるような基準状態を有するように調整される０本実 施例において、軸線１０＾、３０Ａが一直線をなし、軸線２０＾がＹ軸方向に延 在するときを基準状態とし、また、検出部１１に力が作用しないか、あるいはあ らかじめ選択された力だけが作用する間の点ＩとＢとの距離をＲ１とする。モー タＭｌがゼロ位置、すなわちモータＭｌの最大可動範囲のほぼ中間の位置にある ときの上記距離をＲ１としてもよい。

中心Ｂの位置は、いわゆる“機械座標”に関して知る必要があることが解る。こ の機械座標は、それぞれ互いに垂直な基準面ＸＹ、ＸＺおよびＹｚからのｘ、ｙ 、ｚ方向の長さを与える。このため、点Ｉに対する点Ｂの極座標であるいわゆる “プローブ座標”について考慮される０点Ｂの機械座標を得るには、点Ｂの極座 標を機械座標に変換し、かつ点Ｉの機械座標を加える。

第４図〜第９図を参照するに、ワークピース１２は、基準面ＸＹ、ＸＺ、ＹＺと の関係において示される（第４゜５．６図）０表面１２Ａは、ＸＹ平面に平行な 表面部分１２Ａ１および３つの基準面のいずれに対しても傾いている表面部分１ ２Ａ２を有する。これら表面部分１２Ａ１．１２Ａ２の互いの関係は、表面１２ Ａにおいて実際に起こり得る向きの変化の一例である０例えば、機械ＣＭＭは、 ｘｚ基準面に対して平行な平面（走査平面）　ＸＺＩにおけるワークピースの輪 郭を測定しなければならないことがあり、この場合、その輪郭は線１２Ｂで表わ される。プローブヘッドＰＨが示される最初の位置ＰＨ１はプローブヘッドが上 述した基準状態にある位置であり、また、走査のためのスタートの位置である。

２番目の位置ＰＨ２は、プローブヘッドＰＨが表面部分１２Ａ１と１２Ａ２との 接続部分１２Ｇにあることを示している。

走査は、検出部１１が線１２Ｂに沿って動き、軸１０Ａが表面１２Ａの向きにか かわりなく実質的にこの面に垂直であり続けるように行われる。走査は、コンビ エータ７０と組合された制御系１００（第９図）の補助のもとに実行される。制 ｍ系１００は、制御ループＬｌ、Ｌ２．Ｌ３を介してモータＭ（Ｘ、Ｙ、Ｚ、１ ．２．３）のうち適切なものに作用し、また、制御系１００は、１０Ｂで示され る表面１２＾の向きと検出部１１との相互作用であって、象徴的に線１０７゜１ ０８．１０９で示される種紙的相互作用によって、検出部１１に作用する力に応 答する。相互作用１０７，１０８，１０９は、第９図に示される出力ＴＩＡおよ びＳＸ、　Ｆを生成する。

以下の説明では、上述の力は点Ｂに作用するベクトルとして扱われる。また、上 述した輪郭は、線１２Ｂに沿った点Ｂの機械座標に関する位置として測定される ０点Ｂの位置を定めるベクトルの位置が機械座標に変換されることはすぐに解る ことであり、それ自体良く知られたことである。従って、このことの詳細につい ては省略する。ベクトルＦｌ、Ｆ２については既にわずかながら説明したが、以 下ベクトルに関し、まずプローブヘッドの位置Ｐ）ＩＩを考慮して説明する。

ベクトルＦｌは、モータＭｌの圧力によって生成されるものであり、スタイラス の軸方向位置に応じた変換器ＴＩの出力Ｔｌ＾により検出される。以下において 明かとなるように、ベクトルＦ１は、モータＭ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を制御して点Ｉの 位置を制御することによって所定の公称値に維持される。

ベクトルＦ２は、表面１２＾のその方向が軸線１０Ａに垂直な表面１２Ａからの 反力であり、システム１６からの出力に基づいた計算１０１により求められる。

すなわち、軸線２０＾に垂直な成分信号ＳＸおよび軸線２０Ａに平行な成分信号 ＳＹに基づいた計算によりて求められる０以上のことは、ベクトルＦｌが表面１ ２＾に垂直な限り、ベクトルＦ２は当然ゼロであることから言えることである。

ベクトルＦ３は、位置Ｂでの表面１２Ａの向きを規定するものであり、また、表 面１２Ａに垂直な表面１２Ａの反力を示す。ベクトルＦ３は、ベクトルＦｌ、Ｆ ２に基づく演算１０２（第９図）によって求められる。プローブヘッドの位置Ｐ Ｈ１においては、ベクトルＦ３は単にベクトルＦｌと等しい大きさで反対の向き となる。

ベクトルＦ４は、ベクトルＦ３と直角の方向をなし、ベクトルＦ３の“ベクトル 回転”・演算によって求められる。従ってベクトルＦ４もまた表面１２Ａの向き を規定するものといえるが、表面１２＾における線１２Ｂの実際の方向をこれに よって知ることはできない。

［１２Ｂの方向は、ベクトルＦ４と走査平面ＸＺＩに垂直なベクトルＦ５との外 積によって与えられる。ベクトルＦ５は本例では隼にモータＭＹにおける一定の 位置を要求するものである。上記外積は計算１０４によって求められ、この計算 １０４の出力は線１２Ｂの方向を規定するベクトルＦ６である。

演算１０５により、方向ベクトルＦ６に速度成分Ｓ７を加えベクトルＦ７を求め る。ベクトルＦ７は、速度と、検出部１１を線１２Ｂに沿って表面１２＾を移動 させるのに必要な方向との両方を規定する。

検出部１１が接続部１２Ｇに到達すると、相互作用１０６゜１０７はベクトルＦ １．Ｆ２に以下のように影響する。ベクトルＦ１に注目すると、本実施例では相 互作用１０７はスタイラスをハウジング１５の方向へ付勢するので、モータＭ１ はその名目上の位置から変位し、変換器Ｔ１の°出力ＴＩＡを変化させる。すな わち、ベクトルＦ１の大きさを変化させる。このようにモータＭ１はそのクッシ ョン作用によってスタイラスが損傷するのを防ぐが、モータＭ１ができる限り速 やかにその名目上の位置に戻るように、また、さらにスタイラスｌＯの損傷を避 けるために、ベクトルＦ１の出力はループＬ１を介して比較的速やかにモータＭ （Ｘ、Ｚ）に連絡され、これによりプローブヘッドを表面１２Ａから上昇させる 。

ベクトルＦ２に注目すると、相互作用１０８により信号ＳＸ、　ｙが変化し、ベ クトルＦ２の大きさが異なったものとなる。この結果表面の向きを規定するベク トルＦ３に起こる変化は、比較的遅いループＬ２を介してモータＭ（２，，３） に連絡される。これによりアーム１７は、軸線１０＾をベクトルＦ３の方向とす るような１つの回転方向において軸線２０Ａ、３０Ａの回りに回転される。すな わち、この回転によって軸線ｌＯ＾は表面部分１２＾２に対して垂直となる。

プローブヘッドＰ）Ｉの角度の変化に伴なって２つの結果を生じる。第１に、ス タイラスと表面１２Ａ２との間の損紙的相互作用１０９が点Ｉ、Ｂ間の距離を変 化させることもある。この変化はループＬｌによって埋め合わされる。第２に、 プローブヘッドの角度の変化は点Ｂを平面ＸＺＩ上の位置ＢＯから離しがちにな る。この傾向は点Ｉの位置を移動させることによって埋め合わせる必要があり、 これにより点Ｂは位置ＢＯに留まる。これに必要な点工の変位は、位置ＩＩから Ｉ２へＸ、Ｙ、Ｚ方向において生じる必要がある（第６図〜第８図）、これは、 ベクトルＦ３の出力に接続し加算接続１１０を介してモータＭ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に 至るループＬ３によってもたらされる０位置！の変位は、ループＬ１またはルー プＬ３のうちいずれかより大きな変位を要請するループによるということは明か となるであろう。

第１θ図を参照するに、電磁モータＭ１の代わりにスタイラスをハウジング１５ から離す方向に付勢するばね１８によって構成されるモータＭＩＡを具えてもよ い、また、スタイラスｌＯばばね１３．１４の代わりに精密リニアベアリング１ ９によってその軸方向の動きを支持されてもよい。

以上で説明してきたように、システム１６は、ベクトルＦ３を得る目的でベクト ルＦ２を測定するのに用いることもできる。しかしながら、システム１６は、い ずれの場合にもアーム１７の撓みを測定するのに用いることもできる。この測定 により、この測定がアーム１７の撓みＴＺの位置測定値が修正される。３４１１ 図を参照するに、スタイラスが撓むとすれば、点ＢがベクトルＦ１以外の力が作 用しない公称位置Ｂｌから撓み位置Ｂ２へ移動する。このことは、検出部１１と 表面１２＾との間の摩擦あるいは検出部１１と表面１２Ａ２との係合によって生 じ得ることである０本例において、Ｘ軸方向のみにおいて生じる撓みの大きさは 、Ｒ２で示され、弐Ｒ２−５ｘ／Ｋｘによって演算可能である。ここでＳ×はそ の方向が軸線１０Ａに垂直でＸＺ平面に含まれるシステム１６の出力であり、Ｋ Ｘは同じ方向におけるスタイラスのばね定数である０機械座標における点Ｂの位 置８２Ｘは、従ってＢ２Ｘ＝ＩＸ−５ｘ／に８となる。ここでＩＸは機械座標に おける点■の位置である。ところが表面１２＾のＸＹ平面に対する傾斜およびモ ータＭ２の角変位Ｄ２を考慮し、さらに直線変位Ｏ１を考慮すると、位置Ｂｌ、 Ｂ３．Ｂ４によって示される全ての位置、従って点ＢのＸおよびＹ方向の位置が 以下によりて与えられる。

Ｂ４Ｘ−ＩＸ＋Ｒ１ｃｏｓＤ２＋Ｒ２５ｉｎＤ２およびＢ４Ｚ＝ＩＺ＊Ｒ１５ｉ ｎＤ２＋Ｒ２ｃｏｓＤ２ここで、 ＩＸ一点ｌのＸ方向における位置。

ＩＺ一点ＩのＺ方向における位置。

Ｒ１一点Ｉ、Ｂ間の距離。

Ｒ２冨位置Ｂｌ、８４間の距離。

Ｄ２−モータＭ２の角変位。

表面１２ＡはＸＹおよびＹＺ平面の両方に対して傾斜しているから、モータＭ３ の角変位Ｄ３も考慮する必要があることは明らかであろう。

システム１６は例えばモータ旧とハウジング２０との間の接続部２１　Ｃ’Ｓ　 １図）のようなアームの長手方向に沿った位置のいずれに具えられていてもよい 。

システム１６のようなシステムは、例えば米国特許４．１５８．９１９号（Ｍｃ Ｍｕｒｔｒｙ）や、ドイツ連邦共和国公開公報１，６３８，０４８号（Ｉｎｄｒ ａｓａｔ）によって、それ自体公知のものである。

モータＭ２．Ｍ３のようなモータの構成は、本願人による国際特許出願ＰＣＴ／ ＧＢ８８１０１１３５　（出願人参照番号１００１０）において詳細に示される 。

（以下余白） 国際調査報告 国際調査報告 Ｇ！！ε９０［］）６０ Ｓ＾２７１５４

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．位置測定装置（ＣＭＭ）に用いられる表面検出装置（ＰＨ）であって、該装 置は、その操作において前記測定装置に固定される見かけ上固定された端部（１ ７Ａ），操作においてその位置が測定されるワークピース（１２）と係合するた めの自由端部（１７Ｂ），および該自由端部の前記係合による前記固定された端 部に対する変位（Ｒ２）を測定するための検出手段（１６）を有する構造（１７ ）を具えたことを特徴とする表面検出装置。
2. ２．位置測定装置（ＣＭＭ）に用いられる表面検出装置（ＰＨ）であって、該装 置は、その操作において前記測定装置に固定される第１部分（１７Ｃ），該第１ 部分に支持され、該第１部分に対して軸線（２０Ａ）の回りを回転する第２部分 （１７Ｄ），該第２部分（１７Ｄ）を前記軸線回りに回転させる駆動手段（Ｍ２ ），操作においてその位置が測定されるワークピース（１２）と係合する第３部 分（１０），および該第３部分を支持し該第３部分の前記回転軸線（２０Ａ）に 垂直な軸線（１０Ａ）に沿った直線移動を行わせるための支持手段（１３，１４ ；１９）を有する構造（１７）を具えたことを特徴とする表面検出装置。
3. ３．前記第２部分（１７Ｄ）は、さらに先の回転軸線（２０Ａ）に垂直な軸線（ ３０Ａ）の回りに回転できるよう前記第１部分（１７Ｃ）に支持されたことを特 徴とする請求の範囲第２項に記載の表面検出装置。
4. ４．請求の範囲第１項に記載の表面検出装置（ＰＨ）と前記位置測定装置（ＣＭ Ｍ）との組合せであって、該測定装置は、前記装置（ＰＨ）と前記ワークピース とを相対的に移動させるための駆動手段［Ｍ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）］，前記固定された 端部（１７Ａ）の位置を規定する測定値［Ｉ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）］を測定するための 検出手段［Ｔ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）］を具え、前記組合せは、前記測定値と前記変位（ Ｒ２）との和［Ｉ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）±Ｒ２］を定めるための演算手段（７０）を具 えることを特徴とする表面検出装置と位置測定装置との組合せ。
5. ５．請求の範囲第２項または第３項に記載の表面検出装置（ＰＨ）と前記位置測 定装置（ＣＭＭ）との組合せであって、該測定装置は、前記装置（ＰＨ）と前記 ワークピース（１２）とを相対的に移動させるための駆動手段［Ｍ（Ｘ，Ｙ，Ｚ ）］を具え、前記装置（ＰＨ）は、前記第３部分（１０）の前記ワークピース（ １２）との該ワークピースの位置ＢＯにおける前記係合によって当該第３部分（ １０）に作用する力〔Ｆ１，Ｆ２）を検出するための検出手段（Ｔ１．１６）を 具え、前記組合せは、前記位置における前記表面の部分の向きを規定するパラメ ータ（Ｆ３）を定めるための演算手段（１０２），前記装置（ＰＨ）における前 記第部分（１７Ｄ）の前記駆動手段（Ｍ２および／またはＭ３）に前記パラメー タ（Ｆ３）を接続し、実質的に前記表面の向きに垂直な直線移動軸線（１０Ａ） を位置決めする一方向において前記駆動手段に作用する制御手段（Ｌ２）であっ て、前記直線軸線（１０Ａ）の位置決めは、前記第３部分（１０）を前記位置（ ＢＯ）から変位させる傾向を有するような制御手段（Ｌ２），および前記パラメ ータ（Ｆ３）を前記測定装置（ＣＭＭ）の前記駆動手段［Ｍ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）］に 接続し、前記変位を修正することにより前記第３部分（１０）を前記位置（ＢＯ ）に保つように、前記装置（ＰＨ）の前記第３部分（１７Ｃ）を位置決めする一 方向において前記駆動手段に作用する制御手段（Ｌ３）を具えたことを特徴とす る表面検出装置と位置測定装置との組合せ。