(57)【要約】工作機械の回転可能なスピンドル（２）に取り付けられた走査プローブ（４；４０）の零位置を設定するための方法について記載される。この方法は、プローブ適格性確認プロセスの一環として実施されてよい。方法は、零位置を、走査プローブ（４；４０）がスピンドル（２）に取り付けられたときに走査プローブ（４；４０）によって収集されたプローブ測定データを使用して設定することを含む。一実施形態では、プローブ測定データが収集される間、走査プローブのスタイラス先端部（１４；９４）が、円錐形凹所（９２）内に位置付けられてよい。設定される零位置は、走査プローブの静止位置から離れたところにあるように、かつスピンドルの回転軸（Ｒ、Ｓ）と実質的に一致するように配置される。したがって、後続の測定サイクル内でプローブオフセット値を測定及び使用する必要を回避することができる。
2019512095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の回転可能なスピンドルに取り付けられた走査プローブの零位置を設定するための方法であって、前記零位置を、前記走査プローブが前記スピンドルに取り付けられたときに前記走査プローブによって収集されたプローブ測定データを使用して設定するステップを含み、設定した前記零位置が前記走査プローブの静止位置から離れたところにあるように、かつ前記スピンドルの回転軸と実質的に一致するように配置される方法。
【請求項２】
前記走査プローブは、プローブ本体と前記プローブ本体から延びる細長いスタイラスを備え、前記スタイラスはワークピース接触先端部を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記走査プローブは、前記プローブ本体内に、前記スタイラスの撓みを測定して前記スタイラスの撓みを表すプローブ測定データを出力する１つ又はより多くのトランスデューサを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記走査プローブは懸架式走査プローブであり、前記スタイラスは、前記プローブ本体に、外部から加わる力がないときに前記スタイラスを浮動静止位置に懸架し、かつ前記スタイラスに外部の力が加わったときの、前記浮動静止位置から遠ざかる前記スタイラスの移動を可能にするのと反対に作用する複数のばね要素を備える懸架機構を介して取り付けられる、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記零位置を設定するステップは、前記スタイラスの先端部が該先端部の並進は制約するが該先端部の回転を可能にするアーチファクトと接触している間に、プローブ測定データを収集することを含む、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記アーチファクトは、円錐形凹所、３つの球、又はコーナーキューブを備える、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
較正特徴物によって前記スタイラスの先端部の並進が制約されている間に、前記スピンドルが回転され、前記走査プローブによって、複数の異なるスピンドル回転位置における前記スタイラスの撓みを表すプローブ測定データが収集される、請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記プローブ測定データが解析されて、スピンドル回転軸と、前記プローブ測定データを収集するときに前記走査プローブによって使用される暫定零位置との間の位置的差異が確立され、前記確立された位置的差異を前記暫定零位置に適用することによって、前記零位置が設定される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記工作機械のベッド上にアーチファクトを、該アーチファクトが前記スピンドルの回転軸上に位置するように位置付け、前記走査プローブを使用して該アーチファクトの位置を測定し、測定された該アーチファクトの位置を使用して前記走査プローブの前記零位置を設定するステップを含む請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記スピンドルに対する前記走査プローブの位置に機械的な調整をして、前記走査プローブの静止位置を前記スピンドルの回転軸におおよそ位置合わせする初期ステップを含む請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記機械的な調整は、ダイヤルテストインジケータを使用して前記走査プローブの位置合わせを測定することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記走査プローブは、前記零位置が設定される前は、暫定零位置を基準としてあらゆるプローブ測定データを出力する、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記走査プローブによって収集された前記プローブ測定データがしきい値を超過するとトリガ信号を生成するステップを含み、前記しきい値は、前記零位置からのずれに基づいている、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
工作機械の回転可能なスピンドルに取り付けられた走査プローブを備える装置であって、前記走査プローブの零位置がスピンドルの回転軸と一致するように配置された装置。
【請求項１５】
前記走査プローブは零位置情報を格納するためのメモリを含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
図１、及び、図３乃至図５を参照して、実質的に上文で説明した装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は測定目的で走査プローブを構成することに関し、詳細には、工作機械の回転可能なスピンドルに取り付けられた走査プローブの零位置を設定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）工作機械は、製造業において部品の切削に広く使用されている。そのような工作機械は、セットアップ又は検査を目的として、部品の測定を可能にする測定プローブを支持するように配置することもできる。具体的には、工作機械は、可撓性のスタイラスを有するいわゆるタッチトリガ測定プローブを組み込むことが知られている。そのようなタッチトリガプローブは一般に、測定を行うべきときはいつも工作機械のスピンドル内に装填され、物体との接触によりスタイラスが撓むと、工作機械にトリガ信号を発する。したがって工作機械は、測定プローブを、１つ又はより多くの予めプログラムされた測定サイクルに従って物体の表面上の飛び飛びの点に近付けたり遠ざけたりし、トリガ信号が発せられた瞬間の物体の表面に対する測定プローブの位置に関する情報を格納する。これにより、適切に較正することで、物体の表面上の点の位置を測定することが可能になっている。
【０００３】
任意のタッチトリガ測定を行う前に必要な較正手順のうちの１つが、プローブシステム適格性確認である。そのようなプローブ適格性確認プロセスを実施して探査システムのパラメータを確立する必要については、ＩＳＯ規格２３０−１０：２０１１に定められており、そのようなプロセスは通常、タッチトリガプローブのオフセット、長さ、及び、有効半径を（ときには複数の方向において）計算することを含む。公知の適格性確認プロセスの一部は、プローブスタイラスの先端部に接触してダイヤルテストインジケータ（ＤＴＩ）が配置され、その間、タッチトリガプローブを保持するスピンドルを手でゆっくりと回転させる機械的クロッキング（clocking）ステップを含む。次いで、調整ねじを使用して、スタイラス先端部をスピンドル中心線（すなわちスピンドルの回転軸）に対して機械的に芯出しする。この機械的クロッキングステップは、確実にスタイラス先端部の中心をスピンドル中心線の数十ミクロン以内に位置させることができるが、これは一般に、測定にとって十分に正確ではない。その場合、スタイラス先端部とスピンドル中心線の間の位置的オフセットである、いわゆるプローブオフセットを確立するために、後続の測定プロセスがしばしば行われる。次いで、測定されたプローブオフセット値は、補正値として、工作機械によって実行される任意の測定サイクルに組み込まれる。
【０００４】
最近、ＣＮＣ工作機械上で使用するための堅牢な懸架式走査プローブ、すなわち、Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ｐｌｃ、Ｗｏｔｔｏｎ−Ｕｎｄｅｒ−Ｅｄｇｅ、Ｇｌｏｕｃｅｓｔｅｒｓｈｉｒｅ、ＵＫから入手可能なＳＰＲＩＮＴ探査システムが、入手可能になっている。そのような走査プローブについてもまた、記載されている（例えば、特許文献１参照）。このタイプの懸架式走査プローブは、ばね配置によって静止位置に保持されるスタイラスを備える。プローブ適格性確認中、タッチトリガプローブの場合に使用されるものに類似したオンセンタ（on-centre）調整手順（例えば機械的クロッキングプロセス）が実施される。ローカル（プローブ）座標系におけるスタイラスの撓みの大きさ及び方向を測定するために、懸架式走査プローブ内に１つ又はより多くのトランスデューサが設けられている。しかし、そのような懸架式走査プローブのスタイラスは、精密に画定された静止位置に戻るのではなく、その代わりに、「リターンツーゼロ（return to zero）ゾーン」内のどこかに戻る。したがって、適格性確認中、（リターンツーゼロゾーン内に任意に位置付けられる）取られたスタイラス静止位置が、後続の全てのプローブ撓みがそれに対して測定されるプローブ零位置として設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６６８３７８０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の適格性確認手順の使用にはいくつかの欠点があることが、本発明者らによって判明している。例えば、ＣＮＣ上で実行する測定ソフトウェアは、任意の測定サイクルにおいて、プローブオフセット（すなわち、画定された零位置のスピンドル中心線からの位置ずれ）を補償する必要がある。このことは、サイクルタイムを遅くすることがあり、さらには、機械ジャダリング（juddering）を引き起こし、それにより測定の不正確さを導入し、若干の位置補正の実施を招くことすらある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、工作機械の回転可能なスピンドルに取り付けられた走査プローブの零位置を設定するための方法であって、走査プローブがスピンドルに取り付けられたときに走査プローブによって収集されたプローブ測定データを使用して零位置を設定するステップを含み、設定される零位置が、走査プローブの静止位置から離れたところにあるように、かつスピンドルの回転軸と実質的に一致するように配置される方法が提供される。
【０００８】
本発明はしたがって、プローブ適格性確認プロセスの一環として実施されてよい、走査プローブの零位置を設定するための方法を含む。当業者には理解されるように、走査プローブの静止位置とは、プローブに関して画定される物理的位置、例えば、接触走査プローブのスタイラスの先端部が、スタイラスに撓み力が加わっていないときに取る位置である。零位置とは、走査プローブによって行われる測定のための、そのローカル座標系におけるホーム位置又はゼロ位置であることが、さらに理解されよう。例えば、可撓性のスタイラスをもつ走査プローブは、３つの相互に直交する軸に沿った（例えば、ａ、ｂ、及びｃデカルト軸に沿った）スタイラスの撓み量を表すプローブ測定データを出力することができる。そのような例では、プローブの零位置が、ローカル座標系の原点（すなわちａ＝０、ｂ＝０、ｃ＝０）として画定され得、プローブによって出力されるあらゆるプローブ測定データが、この零位置を基準とした局所的なスタイラスの撓みとして、（例えば、ａ、ｂ、及び、ｃ座標値の組を使用して）表されてよい。
【０００９】
スタイラスを有する懸架式走査プローブを適格性確認するプロセスでは、本発明以前は、単に、スタイラス先端部（すなわち、静止位置にあるスタイラス先端部）のスピンドル中心線との位置合わせを試みるべく、（タッチトリガプローブの場合に使用されるプロセスと同様に）機械的クロッキングプロセスを実施する必要があった。スタイラスが取る任意の静止位置（すなわち、リターンツーゼロゾーン内のどんな任意の位置に位置付けられてもよい静止位置）が、次いで、その適格性確認のための「零」位置となるように画定される。走査プローブの画定された零位置は、次いで、タッチトリガプローブの静止位置と同じように、基準点（すなわちゼロ点又はホーム位置）として使用される。換言すれば、適格性確認中に設定される零位置は、プローブローカル座標系の原点（例えば、ａ＝０、ｂ＝０、ｃ＝０位置）として使用され、プローブトランスデューサと、下で説明するタッチトリガモードにおいて生成される任意のトリガ又はスキップ信号とによって行われる、後続の全ての撓み測定は、その零位置を基準として定められる。
【００１０】
この従来技術の技法は、零位置をスピンドルの回転軸の数十ミクロン以内に設定することを可能にしている。しかし、このレベルの精度は、正確なメトロロジが必要になる場合、十分であることはまずない。したがって、従来技術の技法は、走査プローブの零位置とスピンドル回転軸の間にいわゆる「プローブオフセット」（すなわち空間的分離）が常にある（すなわち、タッチトリガプローブを使用しているときにそのようなプローブオフセットが生じるのと同じように）ことを意味していた。したがって、最低精度の測定手順を除く全ての測定手順においては、やはり、プローブオフセットの影響を取り除くための追加ステップを実施することが必要であった。これらの追加ステップは、例えば、プローブ零位置のスピンドル回転軸からのオフセットを表すプローブオフセット値（例えばプローブオフセットベクトル）を計算し、次いで、そのプローブオフセット値を、工作機械によって実施される様々な測定ルーチン及び計算において使用することを含むことができる。あるいは、プローブオフセットの影響は、スタイラスの撓みが常にプローブ本体に対して同一方向に生じるように配置することによって、又はプローブを１８０°回転させて物体の表面上の各点の２つの測定値の平均を取る（すなわち、任意のプローブオフセットの影響が打ち消しあうようにする）ことによって、回避することもできる。これらの追加ステップは、測定ルーチンに複雑さを追加し、及び／又は特定の測定のサイクルタイムを増すことが分かっている。
【００１１】
本発明は、零位置を、走査プローブがスピンドルに取り付けられたときに走査プローブによって収集されたプローブ測定データを使用して設定することを含む。具体的には、設定される零位置は、走査プローブの静止位置から離れたところにあるように、かつスピンドルの回転軸と実質的に一致するように配置される。換言すれば、可撓性のスタイラスを有するプローブの設定される零位置（例えば、プローブ出力ａ、ｂ、及び、ｃがいずれもゼロであるスタイラス先端部位置）を、スタイラスが取る物理的静止位置とは異なるように設定できることを、本発明者らは認識している。この零位置は、探査システム内に（例えば、走査プローブに付随するプローブインターフェース内に）格納されてよく、走査プローブシステムによって生成されるあらゆるプローブ測定データは、その後、スピンドル回転軸上に位置する零位置を基準として定められる。このようにして、走査プローブシステム自体は、零にする（nulling）従来技術の方法に付随するプローブオフセットの影響が、さらなる補正措置が必要にならない（例えば、工作機械コントローラによって実行される後続の測定サイクルで使用するためのどんな類のプローブオフセットも測定する必要がない）程度までなくなる、又は低減されるように、構成される。これにより、測定ルーチンの複雑さが低減され、及び／又は特定の測定のサイクルタイムが低減する。
【００１２】
本方法は、非接触走査プローブ（例えば、誘導性プローブ、容量性プローブ、光学走査プローブなど）とともに使用されてよいが、走査プローブは、好ましくは、接触走査プローブである（すなわち、走査プローブが、測定されている物体と物理的に接触する）。走査プローブは、好ましくは、プローブ本体を備える。プローブ本体から細長いスタイラスが延びてよい。スタイラスは、例えばその遠位端のところに、ワークピース接触先端部を備えてよい。スタイラスは、１つ又はより多くの追加のスタイラス先端部を備えてもよい。好ましくは、スタイラス先端部は、球又は球体を備える。例えば、ルビー又はジルコニアの球体が、適切なスタイラス先端部を提供することができる。スタイラスの長軸は、好ましくは、スピンドル回転軸（すなわちスピンドル中心線）に実質的に平行な方向に延びる。走査プローブがその中に取り付けられるスピンドルは、好ましくは、工作機械の回転可能工具保持スピンドルである。
【００１３】
走査プローブは、任意の適切な様式でスタイラスの撓みを測定してよい。有利には、走査プローブは、スタイラスの撓みを測定する１つ又はより多くのトランスデューサを備える。１つ又はより多くのトランスデューサは、プローブ本体内に位置付けられてよい。任意のタイプのトランスデューサを設けられ、例えば、容量性、光学、磁気、又は誘導性トランスデューサ配置を使用してよい。走査プローブは、好ましくは、スタイラスの撓みを表すプローブ測定データを出力する。プローブ測定データは、任意の適切なフォーマットで、例えば、プローブデータ値のストリームとして、又は、１つ又はより多くの変動するアナログもしくはデジタル出力として提供されてよい。プローブ測定データは、プローブ座標系において画定される一連のスタイラス撓み座標値（例えばａ、ｂ、ｃ値）を備えてよい。走査プローブシステム（すなわち、走査プローブ及び付随する任意のプローブインターフェースを備えるシステム）は、プローブ測定データを内部的に解析し、スタイラスの撓みが一定のしきい値を超過する場合、トリガ信号を生成してもよい。上で説明したように、走査プローブを使用して取得されたプローブ測定データ（例えば、走査プローブのトランスデューサから出力されたデータ）を使用することにより、走査プローブの零位置をスピンドルの回転軸と一致するように設定することが可能になる。そのようなプローブ測定データは、スタイラスを複数の異なる位置に撓ませて収集されてよい。零位置をこのように設定することを可能にする多様な具体的方法について、下で説明する。
【００１４】
本方法は、いずれかのタイプの接触走査プローブにおいて零位置を設定するために使用されてよい。有利には、走査プローブは、懸架式走査プローブである。そのような懸架式走査プローブでは、スタイラスはプローブ本体に、反対に作用する複数のばね要素を備える、懸架機構を介して取り付けられる。これらのばね要素は、外部から加わる力がないときにスタイラスを浮動静止位置に懸架する。ばね要素は、スタイラスに外部の力が加わったときの、浮動静止位置から遠ざかるスタイラスの移動も可能にする。そのようなプローブでは、スタイラスは、スタイラス撓み力が取り除かれたときに非常に正確に画定された静止位置を取るように機械的に制約されるのではなく、その代わりに、一定の「リターンツーゼロ領域」内の再現性のない（non-repeatable）静止位置に戻る。スピンドル中心線（したがって零位置）が、懸架式走査プローブのリターンツーゼロ領域内に位置することが好ましい。
【００１５】
好ましい実施形態では、零測定位置を設定するステップは、スタイラス先端部が、先端部の並進は制約するが先端部の回転を可能にするアーチファクトと接触している間に、プローブ測定データ（例えば、走査プローブによって出力されるａ、ｂ、ｃ座標）を収集することを含む。３次元測定の場合、アーチファクトはしたがって、スタイラスの先端部（例えば、球体先端部の中心）を、工作機械のベッドを基準とした同一設定位置内に維持する。スタイラス先端部の並進は妨げられるが、アーチファクトは依然として、スタイラス先端部の回転を可能にする。多様なアーチファクトが使用されてよい。例えば、アーチファクトは、円錐形凹所を備えてよい。あるいは、アーチファクトは、３つの球（例えば、三角形配置で隔置された、三角形の中心にスタイラス先端部が受領される３つの球）から形成されてもよく、コーナーキューブであってもよい。
【００１６】
有利には、較正特徴物によってスタイラス先端部の並進が制約されている間に、スピンドルが回転される。このようにして、スピンドル、及び、スピンドルによって支持された走査プローブが回転される間に、スタイラス先端部は位置を移動しない。しかし、スピンドルの回転は確かに、アーチファクトに対するプローブ本体の位置を変え、したがって、回転中にスタイラス撓み量が変化する。したがって、走査プローブによって、複数の異なるスピンドル回転位置におけるスタイラスの撓みを表すプローブ測定データが収集される。スピンドルは、１フル回転に満たないだけ回転されてよい。好ましくは、スピンドルの１回又はより多い回数の完全な回転が実施されてよい。スタイラス先端部が保たれる位置設定が、スピンドル中心線からごくわずかにオフセットしていることが好ましく、これは単に、スタイラスの撓みの大きさが、解析されるのに十分であることを確実にするためのものである。
【００１７】
好ましくは、プローブ測定データが解析されて、スピンドル回転軸と、プローブ測定データを収集するときに走査プローブによって使用される暫定零位置（例えば、機械的クロッキングステップの後に設定される任意の零位置）との間の位置的差異が確立される。したがって、本発明の零位置は、解析ステップによって確立された位置的差異を暫定零位置に適用することによって設定されてよい。したがって、本発明は、零位置を、機械的クロッキングプロセスを使用して可能であるよりも高い精度で設定することが可能である。とはいえ、そのような機械的クロッキング技法は、静止位置とスピンドル中心線の初期の大まかな機械的位置合わせを達成するために（例えば、暫定零位置を得るために）、有用に実施される。
【００１８】
直前の方法に代わる手段として、方法は、工作機械のベッド上にアーチファクトを、それがスピンドルの回転軸上に位置するように位置付けるステップを含んでもよい。アーチファクトの設定位置は、クロッキング手順を使用して、このようにして設定されてよい。次いで、走査プローブを使用して、アーチファクトの位置を測定してよい。次いで、アーチファクトの測定された位置を使用して、走査プローブの零位置を設定してよい。
【００１９】
上記の例では、スピンドルに対する走査プローブの静止位置を機械的に調整して、走査プローブの静止位置をスピンドルの回転軸におおよそ位置合わせする初期ステップが実施されてよい。これには、従来技術の技法において使用されるタイプの機械的クロッキング手順が関与してよい。例えば、機械的調整は、走査プローブの位置を調整するときにダイヤルテストインジケータを使用することを含んでもよい。次いで、機械的クロッキングステップ後のプローブの静止位置が、暫定零位置として設定されてよい。次いで、走査プローブは、零位置が設定される前は、暫定零位置を基準としてプローブ測定データを出力することができる。暫定零位置は、スピンドル中心線の１００μｍ以内、又は５０μｍ以内、又は２０μｍ以内に設定されてよい。次いで、本発明の方法は、零位置がスピンドル中心線上に（例えば、スピンドル中心線上の２０μｍ以内のところに、より好ましくは１０μｍ以内のところに、より好ましくは５μｍ以内のところに、又はより好ましくは２μｍ以内のところに）位置するように、その微調整を行うことができる。次いで、走査プローブシステム（例えば、プローブインターフェース）が、好ましくは、設定された零位置を何らかの様式で内部的に格納する。零位置が設定された後、走査プローブシステムはそれ以降は、あらゆるプローブ測定データを工作機械コントローラに、設定された零位置からのずれ（例えばスタイラスの撓み）として好都合に出力する。例えば、この零位置は、プローブローカル座標系内のａ＝０、ｂ＝０、ｃ＝０座標（すなわち原点）として取られてよく、プローブ測定データはその場合、工作機械のコントローラにリアルタイムで出力される。
【００２０】
方法は、走査プローブをいわゆるタッチトリガモードで使用するステップを含んでもよい。位置測定値（例えば、ａ、ｂ、ｃ座標）のストリームを出力するのではなく、走査プローブによって収集された測定データがしきい値を超過するとトリガ信号を生成するステップが実施されてよい。例えば、トリガ信号は、スタイラスの撓みが一定の撓みしきい値を超過すると、発せられてよい。使用されるしきい値は、好都合には、設定された零位置からのずれに基づく。換言すれば、設定された零位置を、走査プローブを使用して行われるタッチトリガ測定の基準として使用してもよい（それにより、プローブオフセットなどを計算する必要が回避される）。トリガ信号は、タッチトリガプローブからのトリガ信号と同様に、工作機械のスキップ入力に供給されてよい。これらのタッチトリガ測定は、部品セットアップ又は表面検出の目的で使用されてよい。タッチトリガ測定は、好都合には、走査データを収集するステップの前に行われる。
【００２１】
零位置を設定するためのプロセスについて本明細書で説明しているが、測定が行われる前に、他の較正手順も実施される必要がある可能性のあることに留意されたい。そのようなさらなる較正手順については、話を簡潔にするために、本明細書では説明しない。零位置は、必要なときに、例えばスタイラスが交換されるとき、又はプローブ設置が何らかの形で妨げられるとき（例えば、機械クラッシュが生じた場合）に、リセットされてもよい。本発明は、上記の方法を実施するように構成された工作機械装置にも及ぶ。コンピュータ上で実行されると上記の方法を実施するコンピュータソフトウェアも、本発明によって包含される。非一時的形態をとる（例えば、キャリア上に格納された）コンピュータソフトウェアも想定される。
【００２２】
本発明の第２の態様によれば、工作機械の回転可能なスピンドルに取り付けられた走査プローブを備える装置であって、走査プローブの零位置が、スピンドルの回転軸と一致するように配置される装置が提供される。走査プローブは、走査プローブシステムの一部として提供されてよい。走査プローブシステムは、プローブインターフェースを備えてもよい。走査プローブシステム（例えばプローブインターフェース）は、好ましくは、零位置情報を格納するためのメモリを含む。装置は、工作機械及び／又は上で説明したアーチファクトを含んでもよい。装置は、本発明の第１の態様に関連して説明した特徴のいずれかを有してもよい。
【００２３】
工作機械に取り付けられた測定プローブの零位置を設定するための方法についても、本明細書で説明する。測定プローブは走査プローブであってよい。方法は、零位置を、走査プローブがスピンドルに取り付けられたときに走査プローブによって収集されたプローブ測定データを使用して設定するステップを含んでもよい。零位置は、好都合などんな位置に設定されてもよい。零位置は、工作機械軸と実質的に一致するように設定されてよい。好ましい実施形態では、工作機械軸はスピンドルの回転軸（例えば、スピンドル中心線）であってよい。これは、走査プローブがその上に取り付けられるスピンドルであってもよい。本明細書で概説する方法に従って零位置が設定される走査プローブも提供される。
【００２４】
したがって、工作機械の回転可能なスピンドルに取り付けられた、可撓性のスタイラスを有する走査プローブの零位置を設定するための方法であって、零位置を、走査プローブがスピンドルに取り付けられたときに走査プローブによって収集されたプローブ測定データを使用して設定するステップを含む方法が、本明細書で提供される。測定データは、複数の異なるスタイラスの撓みを使用して収集されてよく、設定される零位置は、スピンドルの回転軸と実質的に一致するように配置される。さらなる態様では、走査プローブなどの測定プローブの零位置を設定するための方法が提供される。零位置は、好ましくは、設定プロセス中に、プローブが取る静止位置から隔置されるように設定される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】工作機械のスピンドル内に取り付けられた走査プローブを示す図である。
【図２】タッチトリガ測定プローブを示す図である。
【図３】先端部中心が零位置にある状態の懸架式走査プローブを示す図である。
【図４】スタイラス先端部を円錐形凹所内に位置付ける様子を示す図である。
【図５】懸架式走査プローブのスタイラス先端部が円錐形凹所内の固定位置に保持された状態でスピンドルが回転されるときに生じる、プローブ撓みを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
次に、本発明について、ほんの一例として、添付の図面を参照して説明する。
【００２７】
図１を参照すると、工作機械の工具保持スピンドル２内に取り付けられた走査プローブ４が概略的に示されている。スピンドル２は、様々な工作機械駆動モータ（図示せず）によって、固定台又はベッド７上に載置された物体６に対してＸ、Ｙ、及び、Ｚ工作機械軸に沿って移動される。スピンドルの（ｘ、ｙ、及び、ｚで表した）位置設定も、位置エンコーダ又は同様のもの（図示せず）を使用して正確に測定される。数値コントローラ（ＮＣ）８が、工作機械の駆動モータに、スピンドル２を空間内で動き回らせる移動信号を出力し、ＮＣ８はまた、位置エンコーダから位置情報信号（ｘ，ｙ，ｚ）を受領する。スピンドル２は、（一般にスピンドル中心線と呼ばれる）回転軸Ｒの周りを回転可能であり、スピンドルが回転する角度を測定する回転エンコーダも設けられている。この知られた様式では、工作機械の作業空間内でのスピンドル２の（したがって走査プローブ４の）正確なサーボ制御移動が可能になっている。
【００２８】
走査プローブ４はプローブ本体１０を備え、これは、その近位端のところでテーパ状シャンク１３に取り付けられる。工作機械のスピンドル２は、テーパ状シャンク１３を受領するための対応する凹所を備える。この配置により、（例えば、切削工具、切削アクセサリ、測定プローブなど用の）複数の異なるシャンクを、必要に応じて必要なときに、スピンドル２内に自動的に装填することが可能になる。スピンドル−シャンク間のテーパ状接続は、任意の適切な標準規格のものでよく、例えば、ＨＳＫ、ＮＭＴＢなどの標準的な配置が使用されてよい。走査プローブ４はそのシャンク１３に、シャンクに対するプローブ本体１０の位置を（例えば、調整ねじを使用して）少量だけ調整することを可能にする機構（図示せず）によって接続されてよい。下で説明するように、スピンドル２の回転軸Ｒに対する走査プローブ４の物理的位置を調整するために、これが使用されてよい。
【００２９】
走査プローブ４は、プローブ本体１０の遠位端から突き出すワークピース接触スタイラス１２も備える。スタイラス１２の遠位端又は先端部のところに、スタイラス球１４が設けられている。走査プローブ４は、プローブ本体１０に対するスタイラス先端部１４の任意の撓みを測定する１つ又はより多くのトランスデューサを含み、これらの測定は、いわゆるプローブ幾何学系（probe geometry system）（ａ，ｂ，ｃ）において行われる。プローブ４は、送信／受信部１６も備え、これは、工作機械の付近に位置付けられた遠隔プローブインターフェース１８の対応する受信／送信部と通信する。したがって、プローブ撓み（ａ，ｂ，ｃ）データはこのインターフェースに、必要なときはいつでも、ワイヤレス通信リンクを介して出力される。例えば、プローブ撓みデータ（ａ、ｂ、ｃ座標値）の連続ストリームを、プローブ４によってプローブインターフェース１８に送信してよい。
【００３０】
過酷な工作機械環境下で使用するための堅牢な走査プローブは、最近になってようやく、Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ｐｌｃ、Ｗｏｔｔｏｎ−Ｕｎｄｅｒ−Ｅｄｇｅ、ＵＫによって販売されているＳＰＲＩＮＴ走査プローブシステムという形で入手可能になっている。そのような走査プローブシステム以前は、工作機械にいわゆるタッチトリガ測定プローブを取り付けることが広く知られていた。タッチトリガプローブは、スタイラス先端部が一定量だけ撓むと、「トリガ」信号を生成する。したがって、タッチトリガプローブは、単純なスイッチのように振る舞い、２進の「オン」又は「オフ」出力を提供し、すなわち、タッチトリガプローブは、「トリガ」状態又は「非トリガ」状態を出力し、それが、工作機械コントローラのスキップ入力に供給される。したがって、タッチトリガプローブは、上で説明した、スタイラスの撓みの大きさ及び方向を表す一連のスタイラス撓み値（例えば、一連のａ、ｂ、ｃプローブ撓み測定値）を出力することのできる走査プローブとは、全く異なる。しかし、走査プローブ又はタッチトリガプローブを使用して高精度の測定値を取得するときには、スタイラス先端部位置の、スピンドルの回転軸に対する位置を考慮に入れる必要がある。
【００３１】
図２を参照すると、プローブ本体３２と、球体ワークピース接触先端部３６付きの可撓性のスタイラス３４とを有するタッチトリガプローブ３０が示されている。タッチトリガプローブ３０は、いわゆる「定置式の（seated）」スタイラス保持アセンブリを備える。換言すれば、スタイラス保持アセンブリは、バイアスばね、並びに、プローブ本体３２及びスタイラス３４にそれぞれ取り付けられた、相補的な定置要素（例えば、球及びローラ）を備える。スタイラス３４に外部の力が加わっていないとき、バイアスばねは定置要素を強制的に係合させる。これは、スタイラス３４が、外部のスタイラス撓み力がないときはいつでも、プローブ本体３２に対して正確に画定された静止位置に保持されることを意味する。例えば、Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ｐｌｃによって販売されている、ＯＭＰ４００歪みゲージをベースとするタッチトリガプローブは、約２μｍにわたる「定置ボリューム（seated volume）」が画定されるように機械的に制約されるスタイラス保持アセンブリを有する。図２の挿入図は、タッチトリガプローブ３０の定置ボリューム３８を示す。したがって、静止位置から遠ざかるスタイラスの撓みが、「定置ボリューム」の外側に移動する場合、タッチトリガプローブによってトリガ信号が発せられる。
【００３２】
タッチトリガ探査システムが工作機械上に初めて設置されるとき、又は新たなスタイラスが装着されるとき、スタイラスは一般に「クロックオンセンタ（clocked on centre）」される。これは、タッチトリガプローブ３０が工作機械のスピンドル内に取り付けられるときに、そのスタイラス先端部３６に接触して直線変位センサ（ダイヤルテストインジケータとも呼ばれる）が配置されることを意味する。次いで、直線変位センサの読取り値の変化に注意しながら、工作機械スピンドルを手で回転させる。プローブアセンブリ上の１つ又はより多くの調整ねじにより、タッチトリガプローブ３０の位置をスピンドルに対して調整することが可能になっており、この調整ねじを使用して、スタイラス球を機械スピンドルの回転中心に対して機械的に芯出しし、すなわち、機械スピンドルを手で回転させるときに直線変位センサ読取り値が実質的に一定にとどまるようにする。
【００３３】
上で説明した、タッチトリガプローブのスタイラス先端部を機械的に芯出しする方法は、完全ではなく、一般には、数十ミクロンまでの誤差がある。誤差ベクトルは、スタイラスの静止位置とスピンドル中心線の間の誤差であり、この誤差はしばしば、「プローブオフセット」と呼ばれる。
【００３４】
次に、図３を参照すると、プローブ本体４２と、ワークピース接触先端部４６付きのスタイラス４４とを有する走査プローブ４０が示されている。走査プローブ４０は、いわゆる「懸架式走査プローブ」であり、この場合、スタイラスがプローブ本体に対して、ほぼ釣り合いのとれたばね機構を備えるスタイラス保持アセンブリを使用して懸架されている。走査プローブ４０では、スタイラスはしたがって、釣り合いのとれたばねシステムを使用して懸架され、したがって、スタイラス保持アセンブリは、対向するばね力によって静止位置に保持される。上で図２を参照して説明したタイプのタッチトリガプローブとは異なり、懸架式走査プローブは、機械的に精密に制約されず、これは、無視できない「リターンツーゼロ誤差」をそれが有することを意味する。リターンツーゼロ誤差は、スタイラス先端部が撓んで、解放されたときに、それが戻る可能性のある静止位置の全範囲である。リターンツーゼロ誤差は、この文脈では、同一配向のプローブの場合に生じる誤差を指す（すなわち、異なる配向のプローブの場合に生じることのある静止位置の著しい差異を指すのではない）ことに留意されたい。一例として、あるプローブ配向のリターンツーゼロ誤差は、あらゆる方向において２５μｍ程度のものとすることができ、これは、リターンツーゼロ領域又はゾーンを画定するものと考えることができる。図３の挿入図は、リターンツーゼロ領域５０内のスタイラス先端部の静止位置４８を示す。
【００３５】
懸架式走査プローブを適格性確認するプロセスでは、本発明以前は、単に、その適格性確認のための「零」位置となるべき、スタイラスが取る任意の静止位置（すなわち、リターンツーゼロ内のどんな任意の位置に位置付けられてもよい静止位置）を使用する必要があった。タッチトリガプローブと同様に、スタイラス先端部４６のスピンドル中心線との位置合わせを試みるべく、適格性確認中に機械的クロッキングプロセスを実施することもできる。そのようにして決定された走査プローブの零位置は、次いで、タッチトリガプローブの静止位置と同じように、基準点（すなわちゼロ点又はホーム位置）として使用される。換言すれば、適格性確認中に設定される零位置は、プローブローカル座標系の原点（例えば、ａ＝０、ｂ＝０、ｃ＝０位置）として使用され、プローブトランスデューサと、下で説明するタッチトリガモードにおいて生成される任意のトリガ又はスキップ信号とによって行われる、後続の全ての撓み測定は、その零位置を基準として定められる。
【００３６】
ここで、走査プローブは、スタイラスが物体の表面上の経路に沿って移動される走査測定中に、プローブ撓みデータのストリーム（例えば、ａ、ｂ、ｃ座標値の組）が生成される、「走査モード」で使用されてよいことに留意されたい。しかし、走査プローブシステムは、零位置から遠ざかるスタイラスの撓みの大きさが一定のしきい値を超過するとトリガ信号が発せられる、いわゆる「タッチトリガモード」で稼働されてもよい。例えば、トリガ信号は、撓みが図３の挿入図に示されているトリガしきい値５２を超過すると、発せられてよい。タッチトリガモードは、走査プローブが、タッチトリガプローブを使用して成されるタイプの、点ごとのタッチトリガ測定を実施することを可能にし、それにより、走査プローブを、従来はタッチトリガプローブによって実施されている一定の測定サイクルでも使用することが可能になる。タッチトリガモードは、（例えば、部品を走査する前の）部品セットアップに使用されてもよい。
【００３７】
タッチトリガプローブの場合と同じく、走査プローブの適格性確認プロセスでも一般に、高精度メトロロジが必要になるときはいつでも、プローブオフセットを決定する必要がある。走査プローブの場合、プローブオフセットは、零位置（すなわち、上で説明したように決定された任意の零位置）からスピンドル回転軸へのベクトルとして定義することができる。そのようなプローブオフセットが確立された後、プローブオフセットを何らかの形で考慮に入れた測定が、タッチトリガモード又は走査モードにおいて実施される。例えば、測定されたプローブオフセットを利用する、工作機械のＮＣ上で実行するための測定サイクルを生成することが知られている。具体的には、プローブオフセットベクトルは、測定されている物体上の所望の目標位置にプローブ球が接触するように、各測定移動の位置に適用される。プローブオフセットは、トリガ（ＳＫＩＰ）信号が出されると工作機械によって取り込まれる、スピンドル中心線の測定されたトリガ位置にも適用される。しかし、探査サイクルの典型的なユーザはしばしば、プローブオフセットを考慮に入れずに、中間移動をプログラムする。このため、測定サイクルが、プローブオフセットを補正するために、測定の前に工具経路に小移動を追加しなければならなくなることがある。これは、場合によっては工作機械のジャダリングを招くことが分かっており、またサイクルタイムを増加させる。さらにそれは、実際のところ、プローブオフセットを補正するために、リニア走査のような単純な走査経路の場合でさえマクロを呼び出さなければならないことも意味する。
【００３８】
プローブオフセット誤差値は、測定されて、ＮＣ上で実行する測定プログラムに組み込まれるが、いくつかの知られた探査サイクルは、プローブオフセットをこのような形で考慮に入れるのではない。その代わりに、プローブオフセットの影響がなくされる測定ルーチンが実施される。例えば、測定プローブを、スタイラスの同一点（又は３Ｄシステムの場合には同一弧）が常に部品と接触するように回転させてよい。この方式が使用される場合、プローブオフセットの補正は、プローブの「電子的半径（electronic radius）」の補正と組み合わされる。プローブオフセットが小さく、部品上の接触位置がほぼ正しいと仮定すると、この技法によって導入される誤差は無視できる。しかし、これにより、測定サイクルのプログラミングに付随する複雑さが増し、またサイクルタイムが増すこともある。
【００３９】
本発明は、走査プローブを使用するとき、より具体的には懸架式走査プローブの場合に、プローブオフセットの確立又は補償に付随する様々な問題を回避できることを本発明者が認識したことから生まれたものである。上で説明したように、本発明は、初期のプローブ較正（すなわち適格性確認又は零にする）ステップ中に、プローブ零位置がスピンドル中心線上に位置するようにその位置設定を調整することによって、プローブオフセットの影響を実質的に低減し、又はなくすことができるという認識に基づいている。換言すれば、従来使用された、任意に選択された零位置（すなわち、較正手順中にリターンツーゼロ領域内でスタイラスが取る特定の任意の静止位置に基づくもの）を、スピンドルの回転軸上に位置する零位置を計算し画定することによって、置き換えることができる。そのような零位置を画定することを可能にする様々な技法について、下でより詳細に説明する。
【００４０】
本明細書で説明するようにプローブオフセットをなくすことは、いくつかのプログラミングタスクを、ユーザがマクロプログラムをベースとする手法を使用する必要なしに測定用の工具経路全体をプログラムすることが期待できるところまで、単純にすることが分かっている。これには、様々な利点がある。例えば、それにより、探査移動をユーザによって、プローブオフセットをプログラムされる移動に追加する必要なしにプログラムすることが可能になる。このため、プログラミングがかなり単純になり、またサイクルタイムを増加させ、ジャダリングを引き起こす小移動がなくなる。さらに、それにより、垂直に取り付けられるのではない懸架式プローブを、プローブオフセットを個別に補償するのではなくプローブを回転させる探査システムとともに使用することが可能になり、すなわち、サイクルに対して必要になる唯一の修正は、スピンドル回転コマンドを取り除くことである。
【００４１】
本発明のプローブオフセット補正は、走査プローブに対して可能であり、というのも、タッチトリガプローブとは異なり、その静止位置は精密に機械的に制約されることはなく、その代わりに、スタイラスが表面と接触していないときに戻る位置の範囲（すなわち上述した「リターンツーゼロ領域」）内に位置するものが選択される基準点であるためである。この例では、定置ボリュームは、ＮＵＬＬ位置にとってそれをスピンドル中心線上に配置するために必要になる調整より大きい。
【００４２】
図４及び図５を参照して、本発明による、懸架式走査プローブの零位置をスピンドル中心線上に位置するように設定するための技法について説明する。
【００４３】
第１のステップは、プローブの静止位置がスピンドル中心線のできるだけ近くにあるように、通常通りスタイラスを機械的にクロッキングすることを含む。このほぼ機械的な位置合わせステップは、その場合、スピンドル中心線位置が走査プローブのリターンツーゼロ領域からあまりにも遠く離れすぎないことが確実になり得ることを意味する。
【００４４】
第２のステップは、工作機械のベッドに円錐形較正アーチファクトを取り付けることを含む。スタイラス先端部９４を受領するための円錐形凹所９２を有する円錐形アーチファクト９０が、図４に示されている。円錐形特徴物について説明しているが、スタイラスプローブの先端部の３次元の移動は制約するがスタイラス先端部の回転を可能にするどんな特徴物タイプも、使用できることに留意されたい。
【００４５】
第３のステップでは、円錐形凹所内にスタイラスの先端部が配置される。スタイラス先端部はその場合、円錐の側面によって固定の設定位置内に維持されるが、依然として円錐内で自由に回転する。このステップは、例えば、円錐アーチファクトの外側を測定することによって円錐がスピンドル中心線に対して大まかに位置決めされた後で実施される。
【００４６】
第４のステップは、スピンドルを回転させ、複数のスピンドル角度（例えば８つのスピンドル配向）においてスタイラスの撓み（すなわち、プローブ撓みデータ又はａ、ｂ、ｃ座標値）を記録することを含む。スピンドル角度は、測定された角度（例えば、工作機械は、スピンドルの配向を測定するエンコーダを有してよい）でもよく、公称角度でもよく、指令された角度でもよい。（例えば、スタイラス撓みデータのストリームが一定量のスピンドル回転に対応すると仮定することによる）仮定されたスピンドル位置情報を使用することも可能である。スタイラス先端部中心線上に位置する暫定零位置が、かかる全てのプローブ撓み測定の基準として使用され、この暫定零位置は、クロッキングプロセス中に取られるスタイラス静止位置に対応する。そのような暫定零位置を使用すると、共通のプローブ座標系においてプローブ測定値を取得することが可能になる。スピンドルの基準角度位置のところの（すなわち、この例では回転角度がゼロのところの）プローブ撓みも、ゼロ回転プローブ撓み値を画定する。
【００４７】
第５のステップでは、複数のスピンドル角度のところで収集されたプローブ撓みデータが解析されて、スピンドル中心線の先端部中心線からの位置ずれが推定される。これは、最小二乗和フィッティング技法を使用して行われるが、任意の適切な数学的技法を使用してよい。このプロセスについては、下でより詳細に説明する。
【００４８】
第６のステップでは、プローブの零位置の位置設定が、第５のステップにおいて確立された位置ずれの分だけ調整される。換言すれば、スピンドル中心線の先端部中心線（すなわち暫定零）位置からの位置ずれを表すベクトルの分だけ、暫定零位置が調整される。これにより、スピンドル中心線上に位置する新たな零位置がもたらされる。
【００４９】
オプションの最終ステップでは、暫定零位置を新たな零位置に移動させるために必要になる調整の量（すなわち、第５のステップの位置ずれ値）が、工作機械のＮＣに報告される。これが行われるのは、元々の機械的クロッキング誤差が、この技法を使用して補償するにはあまりにも大きすぎたことが（例えば、新たな零位置がこのとき、リターンツーゼロ領域の中心からあまりにも遠く離れたところに位置するので）判明した場合、工作機械がエラーを発することができるようにするためである。
【００５０】
図５をより詳細に参照すると、工作機械のスピンドルに取り付けられた走査プローブが、そのスタイラス先端部が図４に示すように円錐形特徴物内に保たれた状態で、回転されたときに得られたプローブ撓みデータが示されている。具体的には、図５は、測定プローブが静止したままである間に、円錐形特徴物がスピンドル中心線Ｓの周りの円内でどのように移動するかと考えられるのかを示す。その場合、先端部中心線Ｔ（すなわち、暫定零位置がその上に位置する）も静止し、スピンドル中心線ＳからベクトルＶだけ隔たったままである。走査プローブによって測定される０°スピンドル回転のところの円錐位置は中実点６０ａとして示されており、この０°位置６０ａは、スピンドル中心線ＳからベクトルＲだけ隔たっている。他の７つのスピンドル回転（それぞれ４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、及び、３１５°）のところの円錐位置は、点６０ｂ〜６０ｈによって示されている。
【００５１】
アルゴリズムは、８つのスピンドル配向６４ａ〜６４ｈの各々からのプローブデータ（例えばａ、ｂ、ｃ撓み値）を入力として利用し、これらのプローブデータは、異なるスピンドル配向における、スタイラス先端部の先端部中心線（すなわち暫定零位置）を基準として測定された位置を表す。次いで、ベクトルＶ（すなわち、先端部中心線位置に向かうベクトル）及びベクトルＲ（すなわち、０°円錐位置に向かうベクトル）が変動する反復プロセスが実施される。これにより、撓みベクトル６４の終点を円錐の８つの回転位置と最良に位置合わせするＶ及びＲの値を見出すことが可能になる。このアルゴリズムは、スピンドルのフレーム内で機能し、したがって、スピンドルが８つの配向に回転されるとき、そのデータは、それが固定のフレーム内で回転しているようにモデリングされることを意味することに留意されたい。
【００５２】
次いで、反復プロセスから計算されたベクトルＶが、暫定零位置、すなわち先端部中心線Ｔに追加されると、スピンドル中心線Ｓ上に正確に位置する、プローブ座標系における新たな零位置が画定される。次いで、プローブローカル座標系における後続の全ての出力がこの新たな零位置に関係付けられるように（すなわち、全ての測定がスピンドル中心線を基準として行われるように）、走査プローブシステムが更新される。例えば、走査プローブは、スタイラスが新たな零位置にあるとき（すなわちスタイラスがスピンドル中心線上に位置するとき）、スタイラス撓み値ａ＝０、ｂ＝０、及び、ｃ＝０を出力するように構成されてよい。次いで、後続の全ての測定がスピンドル中心線と一致する新たな零位置を基準として行われるように、この新たな零位置に関係する情報を走査プローブシステム内（例えばプローブインターフェース内）に格納することができる。
【００５３】
上で説明した方法は、確実に零位置がスピンドル中心線と一致するようにする、１つの技法にすぎない。代替的技法も可能である。例えば、アーチファクトを（例えばクロッキングによって）スピンドル中心線上に正確に位置付けることができる。次いで、走査プローブを使用して、アーチファクトの位置を測定することができる。その場合、アーチファクトクロッキング誤差が無視できるものであると仮定することが可能であり、したがって、測定によりプローブオフセットがもたらされ、したがって、プローブの零位置がスピンドル中心線上に位置するように、その位置設定を測定されたプローブオフセットの分だけ調整することが可能になる。当業者なら、同一の結果を達成すべく上記技法の変形形態を考案することもできよう。
【００５４】
上記の実施形態は、どのように本発明を実施することができるかについての例にすぎないことを心に留めておかれたい。本明細書を読む当業者なら、用いることのできる様々な代替的技法を理解されよう。例えば、可撓性のスタイラスを有する接触走査プローブの使用について上で説明しているが、本発明は、非接触（例えば、光学、誘導性などの）走査プローブにも適用することができる。同様に、懸架式走査プローブについて具体的に述べているが、画定された静止位置を有する走査プローブにも本発明を適用することができる。３次元走査プローブの使用についても本明細書で詳細に説明しているが、同一の原理を２次元走査プローブに、又は単一方向性走査プローブにさえも適用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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