JPH05502190A - 加工物の測定 - 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】 加工物の測定 皮折豆１ 本発明は加工物を走査する座標位置決め機の制御方法に関する。

１１ユｌ このような機械（例えば、工作機械あるいは座標測定機）は典型的に、ベッドに 対して３次元（Ｘ、Ｙ。

Ｚ）に可動なヘッド、およびスケールを備え、基点からのＸ、ＹおよびＺ方向の それぞれに対するヘッドの変位を測定するスケール・リーダーも一緒に備えてい る。この機械のヘッドはヘッドと表面間の距離を測定するための測定プローブを 送るが、この測定プローブはオプチカル・プローブ（光学的探触子）あるいはタ ッチ・プローブ（触覚探触子）とすることができる。

オプチカル・プローブは表面に光ビームを送り、その反射ビームからヘッドに対 する表面の位置を決定する。接触即ち触覚測定プローブ（アナログ・プローブと しても知られている）は針がヘッドに対してＸ。

Ｙ、Ｚ方向に可動となるような方法で、ヘッド上に針を弾性的に支持する。プロ ーブ内のトランスジューサ（変換器）はヘッドに対するＸ、Ｙ、Ｚ方向のそれぞ れの針の変位を測定する。

このような機械を用いて、加工物の輪郭を走査することが可能である。この走査 は、機械のヘッドを動かして、プローブが表面の位置を測定できる距離の範囲（ 測定領域として知られている）内までプローブを加工物の表面に近接させてから 、機械のヘッドを測定されるべき輪郭の経路に沿って表面の上方で駆動すること により、成される。プローブを表面の上方で駆動する際には、プローブは（ａ） データの収集のために、また（ｂ）機械に対する衝突損傷を防止するために、測 定領域内に維持されなければならない。このような制限範囲以内で、表面に対し て機械のヘッドの動きを自動的に制御することは、加工物の輪郭が前もって知ら れてない場合には困難であろう。

タッチ・プローブを用いてこれを達成した従来の方法の一つ（米国特許第４．７ ６９．７６３号で公知）は針の休止位置からの針の振れの瞬間の方向に基づいて 決定された方向に装置のヘッドを駆動するものである。針の触れが瞬間の経路方 向に対して垂直でないので、針と表面間の摩擦がこの技術に不正確さを生じさせ る。

オプチカル・プローブを用いた機械の従来の制御方法の一つを第１図に示す。オ プチカル・プローブ１０は光ビーム１２を表面１４に送る。ビーム１２はその表 面１４で反射し、プローブ内の位置感応検圧器がその反射ビームを検出し、それ によりその表面の位置を検出する。このようなプローブは欧州特許第０２３５２ ３５号により知られている。２つの計測された直前のポイントＱ、、Ｑ、を通過 する直線１６を決定し、かつ次の要求されたポイントＱ、の位置をこの直線上に 在るように予測することにより、装置の動きは制御される。

及旦３０虱示 本発明の第１の態様は、針の振れ（偏り）の瞬間的な方向から決定された経路で はなくて、表面上の直前に計測されたポイント（複数）を基に決定された経路上 にヘッドを駆動し、ヘッドの内の接触即ち触覚測定プローブを用いて加工物を走 査する機械の制御方法を提供するものである。

本発明の篤２の態様は、ヘッドと、このヘッドに接続されて表面とヘッド間の距 離を検知するための測定プローブとを有する座標位置決め機の、加工物表面に近 接の経路に沿ってヘッドを駆動制御し、その表面の測定領域内にプローブを維持 する制御方法を提供するものであって、その制御方法は、ヘッドによってトレー スされた経路上に存在する加工物の表面上の３つのポイントの位置を測定するス テップと、直前の測定された少な（ともその３つのポイントから次のポイントの 位置を決定するステップと、この次のポイントの測定領域内に測定プローブが存 在する位置へヘッドを駆動するステップとからなる。

この方法はどの様な測定プローブでも、例えばオプチカル・アナログ・プローブ 、あるいはアナログ・触覚（接触測定）プローブでも履行することができる。

３つの直前に測定されたポイントを使用することにより、予測処理において表面 の湾曲を適切に処理することができる。

本発明の好適な実施態様において、さらに先のポイントの近（の位置へヘッドを 駆動する速度は、加工物表面上の最後の３つの測定済みのポイント間の角度の関 数として決定される。

【乱立！工皇ＩＩ 以下の添付の図面を参照して、本発明の実施態様を実例により記述する。

第２図は測定プローブを具備した座標ｍｌｌｌｌ定量し、かつ 第３図から第４図は本発明の方法に含まれる計算を図解する線図である。

日を　するための　のン態 第２図を参照すると、座標測定機（装置）２０はキャリッジ２４に対して、第２ 図でＺ方向とラベル付けられた一つの方向に移動可能なヘッド２２を有する。

キャリッジ２４はブリッジ２６に支持されて、このブリッジに対してＺ方向と直 角の方向、すなわちＸ方向として図で規定されている方向に移動可能である。ブ リッジ２６は、Ｙ方向として規定された方向の移動のために、装置２０のテーブ ル即ちベッド２８上に回転支持されており、ＸとＹ方向の両方に直交している。

ヘッド２２．キャリッジ２４．１：ｉよびブリッジ２６の動きは装置制御コンピ ュータ３０によって制御されているモータＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚによって生み出され る。ヘッド２２のｘ、ｙ、Ｚ方向の変位は基点に対して３つの装置トランスジュ ーサ（図示しない）によって測定され、そのトランスジューサの出力Ｔｘ、Ｔｙ 、Ｔｚは装置制御部３０に送られる。

アナログ触覚プローブ（これ自体は例えば国際公開第９０１０４１４９号により 知られている）４０は、加工物と接触するための計４２を有し、装置２ｏのヘッ ド２２に取り付けられている。針４２はヘッド２２に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に移 動するようにプローブ４ｏによって支持されている。それらの方向のそれぞれで の針４２の変位はプローブ４０内に備えられたプローブ・トランスジューサ（図 示しない）によって決定され、そのトランスジューサの８力ｔ’ｘ、ｔｙ、ｔｚ は制御部３０に送られる。゛もし針４２が加工物の表面に接触するに至り、さら に針４２の長さが既知であれば、プローブ４０はヘッド２２と表面間の距離に対 応する出力を供給することができる。プローブ・トランスジューサの出力ｔｘ、 ｔｙ、ｔｚと装置トランスジューサの出力Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚとを組み合わせるこ とによって、基点に対する針４２と表面間の接触点の位置が制御部３０によって 決定され得る。プローブ４０が表面を測定できるヘッド２２と表面間の範囲はプ ローブ４０の測定領域として知られている。プローブ４０が測定領域内にあると きは、針４２が表面に接触するのに十分なだけプローブは表面に接近するが、衝 突損傷を起こすほどには接近しない。未知の表面を走査する際には、プローブ４ ０は表面の上方を、プローブ測定領域に応じた表面からある距離領域範囲内を維 持して駆動されなければならない。プローブの動きは制御部３０により制御され 、この制御部はＴｘ、Ｔｙ、Ｔｚの値とｔｘ、ｔｙ、ｔｚの値とから表面のポイ ント（測定点）のＸおよびｙ座標値を決定し、かつこの情報に基づいてプローブ が駆動されるべき次の位置を予測する。

第３図を参照すると、物体Ｏは表面Ｓを有し、この表面の輪郭はＸ、Ｙ平面で変 化する。３点（ポイント＞　ｐ、、ＰａおよびＰ、は装置制御部３０によって知 得サレルｘ、、ｙ座標値（ＸＩ、Ｙ＋）、（ｘｉ。

Ｙ２）、（Ｘ、、、Ｙ３）を有する。これらの点の知得した位置に基づいて、表 面Ｓ上に存在する次のポイントＰ４の位置を予測することが望まれる。この予測 はそのポイン１−Ｐ４の測定領域内にプローブ４０を駆動するように制御部がモ ーターＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを動作させることができるようにするためである。この 目的のために、装置制御部３０はポイントｐ、、ｐ、。

Ｐ、が直線上・即ちほぼ直線上にあるか否かをまづ決定する。もし、これがこの ような場合（直線）であると判明したならば、ポイントＰ４はポイント離脱が許 容される農大値Ｌｍａｘとしての既知のパラメータに従う、ポイントＰ３から離 れたところのこの直線上にあると推定される。そのパラメータは後で定義する。

もしこのような直線関係が存在することがなんら見出だせない時は、それ故にポ イントＰ、とＰ４は円弧上にあるとの推定に基づいてポイントＰ４の位置は予測 される。ポイントＰ４の位置はポイントＰ３からの位置ベクトルによって： ＬＵ３．４　（１） と定義される。

ここで：ＬはＰ３からＰ４までの距離：ＵＳ、４はポイントＰ、からポイントＰ ４に向かって延びる単位ベクトルである。

ポイントＰ４の予測はリアルタイムに成されなければならない。そのため、Ｐ４ を予測するのに必要な数学的演算は比較的に簡潔であることが要求される。説明 を理解しやすくするため５次にこれらの演算を２つの別個のステップで説明する こととする；しかしながら実際の実行ではこれ（この演算）を必要としない。

１、　皇１，４の決定 ポイントＰ１かもポイントＰ２の位置ベクトル（Ｕ、、、）、およびポイントＰ ２からポイントＰ３の位置ベクトル（Ｕ２　、　ｓ　）を次のように考える：こ こで、工および豆はＸおよびｙ方向のそれぞれの単位ベクトルである。

ベクトルＵ１．２と回２，３の単位ベクトルは次式％式％： 単位ベクトルＵｌ、２と０□、３間の角度φはこれらの単位ベクトルのクロス乗 積によって決定できる：ｓ　ｉ　ｎφ＝　ｌ　ＣＪｌ、　２ＸＵ２．ｓ　ｌ　（ ６）単位ベクトルＵ３，４はそれ故にポイントＰ、の回りに単位ベクトルＴＪｘ 、ｓを角度φまで回転することにより見付は出すことができる、即ち： 旦３，４＝ （Ｐｘ　ｉ　＋Ｐｙ誌）　／　ｌ　Ｕｓ　、　４　１　（７）ここで： Ｐｘ＝　（ｘｓ　−Ｘａ　）ｃｏｓ　φ＋　（ｙｓ　Ｖｚ　）ｓｉｎ　φＰ　３ ’　＝　（Ｘｓ　−Ｘａ　）　Ｓｉｎ　φ＋　（ｙ３−ｙ２　）ｃｏｓ　φ２、 Ｌの決定 第４図を参照すると、次のことが分かる：Ｒ”　＝　（Ｒ−Ｅ）”　＋Ｌ”　／ ４　（ｌ　Ｏ）ここで、Ｅは弦の誤差として知られているパラメータであり、こ れは使用者によって前もって予め選択される。

展開すると： Ｒ”　＝Ｒ”　＋２ＥＲ＋Ｅ”　＋Ｌ”　／４Ｅの値は小さいので、Ｅ２　〈〈 ２ＥＲ、’、Ｌ＝　［８ＥＲ］　””　（１１）第５図を参照すると、Ｒは次の ようにして計算できる：直角三角形ＡＢＣを考えると ＢＣ／Ｒ＝ｓｉｎ　ｗ／２　（１２） ここで： ３６０−ｗ＝ｘ　；　ｘ＝＝２β（中心角＝同〜弦上の円周での２つの角度） また、１８０−β；中 、’、ｗ　＝３６０−２　（１８０（１＞）　＝２φ式（１２）は次のようにな り Ｒ＝　［（ｘｓ　−）Ｃ＋　）”　＋　（ｙｓ　−ｙｌ　）”　］　””／２　 ｓｉｎφ　（１３） 式（６）のｓｉｎφ＝１皇、＋ｚＸＵｚ＋ｉｌからＲ＝　［（ｘｓ　）Ｃ＋　） ”　＋　Ｃｙｘ　−ｙｌ　）”］””／式（１）に対する最終式を得るかかる数 学的解析は本発明の方法に対しより良い理解を８来るだけ与えることを企ったも のである。しかしながら、この手順にしたがってポイントの位置を毎回推定する ことは装置制置部にとって必要でない。ＬおよびＵ３，４はポイントＰ１からＰ 、までのＸとｙの座標値と予め選択された値Ｅとからだけでそれぞれ決定できる 。したがって、このような条件による簡単な式でベクトル豆３゜、の位置を解く ことは可能である。

実際において、ＬとＵ３，４は別個に数値がめられる。これは、計算されたしの 値と走査されべき表面の最小形寸法に基づいたしの予め設定した最大許容値（Ｌ ｍａｘ）とを比較することにより可能である。

この最小形寸法はＬｍａｘの値よりも３から５倍はど大きくすべきである。もし 、計算されたＬの値がＬｍａｘＯ値を越えるのであれば、ＬはＬｍａｘに制限さ れる。

注目すべき点は、ポイントＰ４の値を決めるために数値計算される式は、−価（ の関数）で、かつ実際に、迅速に計算が実行できなければならないことである。

すなわち、上記したように、リアルタイムでポイントの予測が出来ることが重要 である。

本発明の変形例において、φは直前のポイント集合間の角度に基づいて推定され る。

さらに他の変形例において、装置のヘッドの駆動速度は角度φに基づいて決定さ れる。例えば、この駆動速度は最大許容速度とＣＯＳ　（コサイン）φの積であ る。

本発明の平易な適用例においては、走査はオプチカル・プローブについて従来技 術で使用した“２ポイント走査”の方法を用いて触覚測定プローブで成し遂げる ことができる。この平易な方法は次のポイントを予測するとき表面の曲率を考慮 に入れていないが、しかしそれにも拘らず、触覚プローブで走査する装置の制御 についての従来技術の方法に関連する問題（本出願の導入部で論述した）はない 。

要約書 座標位置決め機（２０）はオプチカル・プローブまたは接触測定プローブ（４０ ）のいずれかを具備する。プローブ（４０）が未知の表面を走査することが可能 となるように装置のヘッド（２２）の動作は次のポイントの位置を予測すること によって制御され、装置のヘッドは３つの最も最新に測ｉしたポイントＰ、、Ｐ ｚ、Ｐ、に基づいて上記次のポイントに向かって駆動される。次のポイントＰ４ の予測は装置制御部（３０）によりリアルタイムで行われる。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．ヘッドと、該ヘッドに接続されて表面とヘッド間の距離を検知するための測 定プローブとを有する座標位置決め機の制御方法であり、該ヘッドを加工物表面 に近接の経路に沿って駆動制御し、かつ該プローブを該加工物表面の測定領域内 に維持する方法であって、前記ヘッドによってトレースされた経路上に存在する 前記加工物の表面上の少なくとも３のポイントの位置を測定するステップと、 直前の測定された少なくとも前記３つのポイントから次のポイントの位置を決定 するステップと、前記測定プローブが前記次のポイントの測定領域内に存在する 位置へ前記ヘッドを駆動するステップとからなることを特徴とする座標位置決め 機の制御方法。
2. ２．ヘッドと、該ヘッドに接続されて表面とヘッド間の距離を検知するための触 覚プローブとを有する座標位置決め機の制御方法であり、該ヘッドを加工物表面 に近接の経路に沿って駆動制御し、かつ該プローブを該加工物表面の測定領域内 に維持する方法であって、前記ヘッドによってトレースされた経路上に存在する 前記加工物の表面上の２つのポイントの位置を測定すること、 直前の測定された前記２つのポイントから第３のポイントの位置を決定すること 、および 前記プローブが次のポイントの測定領域内に存在する位置へ前記ヘッドを駆動す ること からなることを特徴とする座標位置決め機の制御方法。
3. ３．前記次のポイントの位置を決定するステップが次のステップ： ａ）前記３つの測定したポイントが直線・即ちほぼ直線上にあるか否かを決定す るステップと、ｂ）前記３つの測定したポイントが直線上に存在しない場合は、 次のポイントの方向に向く単位ベクトル（■Ｕ３，）の方向を決定し、かつ該次 のポイントに対するポイント離隔距離を決定するステップとからなることを特徴 とする請求の範囲第１項に記載の方法。
4. ４．前記ポイント離隔距離は前記３つの測定したポイントを結ぶ円弧の曲率半径 と、あらかじめ選択されたパラメータとに基づいて計算され、該パラメータは前 記円弧と、前記第３のポイントと次のポイントを結ぶ直線により限定された弦と 、の間の弦の誤差であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の方法。
5. ５．前記単位ベクトル■Ｕ３，４は前記３つの測定した点を結ぶ線間の角度と、 該ポイントの第２により定められる該ポイントの第３の位置ベクトルとに基づい て決定されることを特徴とする請求の範囲第３項または請求の範囲第４項に記載 の方法。
6. ６．前記３つの測定されたポイントを結ぶ線間の角度に基づいて、前記次のポイ ントに近接の位置にヘッドを駆動するための速度を決定するステップをさらに包 含することを特徴とする請求の範囲第１，第３，第４または第５項のいずれか一 つに記載の方法。