(57)【要約】本発明は、ワークピース接触先端部１４を有するスタイラス１２を備えたアナログプローブ１０又は非接触プローブ２６の較正方法に関する。較正用球１６などの較正用部材は、座標測定機（ＣＭＭ）１８に取り付けられる。プローブ１０，２６は、ＣＭＭの腕８に取り付けられ、プローブは、プローブがその作業範囲全体を動かされるように較正用球１６の表面を連続して走査しながら、経路に沿って移動する。ワークピース接触スタイラス１２を有するアナログプローブ１０の場合、経路は、スタイラスの変位が経路に沿って変動するようなものである。非接触プローブ２６の場合、経路は、経路と較正用部材の間の半径方向の距離の変動が存在するようなものである。プローブ経路は、較正用球１６の弦に平行な経路又は湾曲経路、例えば、正弦曲線経路を含んでいる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
座標位置決め手段の第１の部分上に較正用部材を取り付けるステップと、
前記第１の部分に対して移動可能な第２の部分であって、前記座標位置決め手段の前記第２の部分上にプローブを取り付けるステップと、
前記プローブが前記較正用部材の作業範囲全体を動かされるように、前記較正用部材の表面を連続して走査しながら、該較正用部材の周囲の１つ又は複数の走査経路に沿って前記プローブを移動させるステップと、
前記プローブの較正係数を求めるために、該プローブと前記座標位置決め手段からの測定データを用いるステップと
を有することを特徴とするプローブの較正方法。
【請求項２】
前記プローブは、ワークピース接触先端部を有するスタイラスを備えたアナログプローブで、前記プローブの経路は、前記スタイラスの変位量が前記経路に沿って変わるようなものであることを特徴とする請求項１に記載のプローブの較正方法。
【請求項３】
前記走査経路の少なくとも１つは、２つ以上の異なるスタイラス変位で走査されることを特徴とする請求項２に記載のプローブの較正方法。
【請求項４】
前記プローブは、非接触プローブであることを特徴とする請求項１に記載のプローブの較正方法。
【請求項５】
前記プローブについての測定データは、前記走査経路と前記較正用部材の間の２つ以上の異なる半径方向距離について得られることを特徴とする請求項４に記載のプローブの較正方法。
【請求項６】
前記較正用部材は球を含み、前記プローブの経路の少なくとも一部は、前記球の弦に平行であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のプローブの較正方法。
【請求項７】
前記プローブの経路は、前記球の弦に平行なラインのシーケンスであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のプローブの較正方法。
【請求項８】
前記プローブの経路は、正弦曲線経路であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のプローブの較正方法。
【請求項９】
前記プローブの経路の方向は反転することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のプローブの較正方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９いずれかに記載の方法を実行させるためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブの較正方法に関し、より詳細には、変位可能スタイラス（ｓｔｙｌｕｓ）を有するアナログプローブ及び非接触プローブなどのプローブの較正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アナログプローブは、一般によく知られており、この種のプローブの例は、本発明者等の特許文献１に記載されている。この特許文献１には、プローブ懸垂保持機構（ｐｒｏｂｅ  ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）が開示されており、このプローブ懸垂保持機構は、プローブハウジング上の固定点とワークピース（ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）接触スタイラスが、そこに接続される移動可能部材の間で直列に接続された、直交配置された３つの平行ばね対を備えている。ここでは「アナログプローブ」という用語が用いられているが、プローブの出力は、アナログかデジタルかのいずれであってもよい。アナログプローブは、座標位置決め手段、例えば、座標測定機や機械ツール又は関節式測定腕上に取り付けられている。
【０００３】
こうしたプローブを用いてワークピースに対する測定操作を行う間に、プローブがその上に取り付けられている機械が、スタイラスがワークピースと接触するようにワークピースの方に駆動される。スタイラスの先端部がワークピースと接触すると、スタイラスは、機械が動き続けるにつれて変位し、プローブ内の測定用変換器が３つの直交軸に沿ったプローブの変位を表す出力を生成する。これらの軸は、プローブのａ，ｂ，ｃ軸と呼ばれる。スタイラスの変位を表すａ，ｂ，ｃ出力は、プローブの位置を表す機械出力Ｘ，Ｙ，Ｚと組み合わされて、スタイラスの先端部位置の真の示度（ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）、したがって、ワークピースの表面についての情報を与える。
【０００４】
理想的には、プローブが機械に取り付けられた時に、プロ−ブのａ，ｂ，ｃ軸は、機械のＸ，Ｙ，Ｚ座標軸と位置あわせされ、それによって、プローブスタイラスの測定用変位が機械のＸ，Ｙ，Ｚ軸に沿って起こる。しかし、こうしたアライメントを得ることが常に可能ではない。
【０００５】
さらに、プローブのａ，ｂ，ｃ軸の間で、軸が直交していないというミスアライメントが存在する場合、例えば、ａ方向のスタイラスの変位によって、ｂ及びｃの変位も生ずる可能性がある。
【０００６】
さらに、３つのプローブ軸のスケーリングファクタは、概してその公称値（ｎｏｍｉｎａｌ  ｖａｌｕｅ）からずれるであろう。さらに、センサは非線形出力を与える可能性がある。
【０００７】
したがって、プローブ及び機械システムを較正して、こうした任意のミスアライメント及びスケーリング誤差の影響が確定され、その後、これらの影響がある場合に、ワークピースに対して行った任意の測定が補正されるのが普通である。
【０００８】
非接触プローブを用いて、ワークピースの表面を走査することもできる。これらのプローブは、ワークピースに接触せずにワークピースの表面の近くに位置決めされる。プローブは、例えば、静電容量、インダクタンス、又は光学式手段を用いて表面の近さ（ｐｒｏｘｉｍａｔｙ）を検出する。非接触プローブもまた較正を必要とする。例えば、表面からの種々の距離にある非接触プローブから得られる測定データには変動が存在する可能性があり、その変動を補正する必要がある。
【０００９】
較正の実行方法は、機械上に較正用部材（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ａｒｔｅｆａｃｔ）、例えば、既知の直径の球を取り付けることである。所定のしきいレベルを超える、プローブの測定用デバイスの出力の増加が、較正用部材の表面との接触が行われたことを指示するまで、プローブは、較正用部材の方に、例えば、プローブの軸の１つに沿って駆動される。スタイラスの接触が確認された後、機械座標データＸ，Ｙ，Ｚ及びプローブ座標データａ，ｂ，ｃのセットが取得される。機械が、確認された接触点を越えて選択された距離だけ移動するまで機械の移動が続き、Ｘ，Ｙ，Ｚ及びａ，ｂ，ｃの座標データのさらなるセットが取得される。プローブの測定用変換器の、３つの軸におけるａ，ｂ，ｃ出力の変化が記録され、機械の測定デバイスの、３つの機械の軸Ｘ，Ｙ，Ｚのそれぞれに沿った読みの変化と関係付けられる。この手順は、他の２つの機械の軸であってよい２つの他の直交方向について繰り返される。これらの読みのセットから、プローブ変換行列を確立することができ、変換行列は、ａ，ｂ，ｃの軸におけるプローブ出力を、機械のＸ，Ｙ，Ｚ座標系に関係付ける。
【００１０】
変換行列が確立されると、プローブ変位の、関連する機械の軸の成分は、関連するプローブ出力を関連する行列項で乗算することによって得ることができる。
【００１１】
この方法は、プローブが限られた数の方向に移動する時には限られた量のプローブデータを生成するという欠点を有する。
【００１２】
特許文献２は、較正体（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｂｏｄｙ）を用いて電子制御式座標測定用デバイスのセンサを較正する方法を開示している。較正体の複数の部分が、センサによってあるラインに沿って連続して検知され、そのラインは１つの面に限定されない。センサは、ラインに沿って読みを取得しながら異なる印加（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）圧力を受けて、印加圧力が較正試験結果に及ぼす正確な影響を検証することができる。この方法は、モータ付き機構を用いて、スタイラスと測定されるべき部品の間の接触力が調整される「能動プローブ」に適している。しかし、この方法は、部品の測定中に、部品とスタイラスの間の接触力が機械的ばねによって生成され、力がスタイラスの変位に比例する「受動プローブ」には適さない。このスタイラス変位の範囲にわたる変位センサの出力は、スケーリング誤差を有し、非線形である可能性がある。同様に、上述の方法は、非接触プローブと共に使用するには適さない。
【００１３】
【特許文献１】
英国特許第１，５５１，２１８号明細書
【特許文献２】
独国特許出願第１９８０９５８９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ワークピース接触先端部を有するスタイラスを備えたアナログプローブ又は非接触プローブなどのプローブの較正方を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の態様は、座標位置決め手段の第１の部分上に較正用部材（人工物）を取り付けるステップと、前記第１の部分に対して移動可能な第２の部分であって、前記座標位置決め手段の前記第２の部分上にプローブを取り付けるステップと、前記プローブが前記較正用部材の作業範囲全体を動かされるように、前記較正用部材の表面を連続して走査しながら、該較正用部材の周囲の１つ又は複数の走査経路に沿って前記プローブを移動させるステップと、前記プローブの較正係数を求めるために、該プローブと前記座標位置決め手段からの測定データを用いるステップとを有することを特徴とする。
【００１６】
また、プローブは、ワークピース接触先端部を有するスタイラスを備えたアナログプローブを備えてよく、プローブの経路は、スタイラスの変位量が経路に沿って変わるようなものである。
【００１７】
また、プローブは非接触プローブであってよく、プローブの経路は、プローブと較正用部材の間の距離が前記経路に沿って変わるようなものである。
【００１８】
また、較正用部材は球を備えてもよく、プローブの経路の少なくとも一部は球の弦に平行であってよい。プローブの経路は球の弦に平行なラインのシーケンスを含んでよい。また、プローブの経路は、正弦曲線経路などの湾曲経路を含んでよい。
【００１９】
また、プローブの少なくとも１つの走査経路は、２つ以上の異なるスタイラス変位または走査経路と較正用部材の間の２つ以上の異なる半径方向距離で走査されてもよい。
【００２０】
本発明の第１の態様は、上述した方法を実行させるためのコンピュータプログラムである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の態様について説明する。
図１は、スタイラスが較正用球と接触しているアナログプローブを示す図で、座標測定機（ＣＭＭ）（図示せず）のクイル（ｑｕｉｌｌ）８上に取り付けられたアナログプローブ１０を示している。アナログプローブ１０は、ワークピース接触先端部１４を有するスタイラス１２を備えている。ワークピース接触先端部１４は、ボール又は円盤などの他の形状を備えてよい。スタイラス１２の先端部１４が測定されるべき表面に接触すると、スタイラス１２の先端部１４は、スタイラスの変位を表す信号ａ，ｂ，ｃを生じる。プローブ１０が、座標測定機によって移動させられる時、信号Ｘ，Ｙ，Ｚが生成され、プローブ１０の位置を指示する。スタイラス１２の変位信号ａ，ｂ，ｃは、座標測定機の読みＸ，Ｙ，Ｚと組み合わされて、スタイラス１２の先端部の位置の真の示度、したがって、ワークピースについての情報を与える。しかし、座標測定機のＸ，Ｙ，Ｚ位置信号について、ａ，ｂ，ｃのスタイラス１２の位置信号が確実にスケーリングされ調整されるように、プローブ１０がまず較正されなければならない。
【００２２】
図７は、ＣＭＭの「Ｘ」出力とプローブの「ａ」出力の間の関係を示す図である。この関係は線形な関係で示されているが、この関係は非線形、例えば、２次の関係である場合がある。プローブ１０は、プローブの出力ａの下側及び上側の端Ｐ、Ｑの間の作業範囲内において用いられる。したがって、プローブ１０をこの作業範囲内で（すなわち、図７のＰ及びＱの間で）較正するのが望ましい。図７には、１次元のプローブ及びＣＭＭが示されているが、プローブを、その作業範囲における全ての３次元について較正するのが望ましい。プローブの合成したａ，ｂ，ｃ出力は、半径方向変位と呼ばれる。
【００２３】
較正用球１６は、機械テーブル又はベッド１８に取り付けられる。この較正用球１６は既知の半径Ｒを有する。まず、較正用球１６の中心を見つけなければならない。これは、プローブ１０をタッチトリガモードに設定することによって行うことができ、このモードでは、プローブ１０は、スタイラス１２が変位する時はいつでも座標測定機に信号を送出する。このモードにおいて、本発明が関連するタイプの較正は必要とされない。プローブ１０は、スタイラス１２の先端部１４が較正用球１６に接触し、スタイラス１２が変位し、それによって、タッチトリガイベントを生ずるまで、較正用球１６の方に移動する。こうして、較正用球１６の表面上のこの点の近似位置を求めることができる。このステップは、さらに３つの点について繰り返される。較正用球１６の表面上の４つの既知の点、較正用球１６の既知の半径Ｒ、及び既知のスタイラス１２の先端部の半径ｒを用いて、較正用球１６の中心が、較正用ルーチンを実行することを可能にするのに十分な近似値になるように計算される。
【００２４】
プローブ１０はアナログモードに戻され、プローブ１０は、スタイラス１２の先端部１４が較正用球１６に接触し、スタイラス１２が変位するまで、較正用球１６の方に移動する。スタイラス１２の変位は、スタイラス１２の先端部１４の直径及び較正用球１６の直径が既知である場合に推定されることができる。スタイラス１２の変位は、較正されるのに必要とするスタイラス１２の変位の範囲に比べて小さく維持される。
【００２５】
次に、座標測定機は、経路（ｐａｔｈ）に沿ってプローブ１０を移動させ、それによって、スタイラス１２の先端部１４が、連続して接触したままで、較正用球１６との第１の接触点から較正用球１６との第２の接触点へ移動する。プローブ１０は、図２に示す較正用球１６の第１及び第２の点Ａ、Ｂの間の弦に従って直線的に移動する。プローブ１０が弦の方向に移動する時、スタイラス１２の先端部１４及びスタイラス１２は、較正用球１６の表面の周囲で変位する。
【００２６】
図８は、較正用球の周囲のプローブ走査経路及びプローブの対応する半径方向の読みを示す図で、較正用球１６の一部を示している。ライン３０は、点Ａ及びＢの間に延びる較正用球１６の弦に平行なプローブ１０の経路を示し、ライン３２は、プローブ１０の経路３０上のプローブ１０の位置に対応するプローブ１０の半径方向の変位を示している。プローブ１０が経路３０に沿って移動すると、プローブ１０の半径方向の読みは、プローブ１０の作業領域の端を規定するＰ及びＱの間で変動する。ＡとＢの間の弦の長さは、プローブ１０が、必要とする較正範囲にわたって変位するように計算される。
【００２７】
プローブ１０は、座標測定機によって、較正用球１６の周囲で、及び、その下方に弦運動のパターンで駆動され、こうした運動中に、スタイラス１２の先端部は、較正用球１６の周囲で自由に摺動する。
【００２８】
図３は、較正用球上でのスタイラスの加工物接触先端部の移動を示す図で、螺旋経路を形成する、較正用球１６の周囲の弦運動のシーケンス２０を示している。
【００２９】
ＣＭＭは、円環又は螺旋を含む弦運動のシーケンスでプローブを移動させることができる。シーケンス中にプローブの方向を反転することは、スタイラス１２の先端部１４が、較正用球１６の表面の周囲で摺動する時の摩擦角度の変動に起因するあいまいなデータの生成が減るというもう１つの利点を有する。シーケンスは、例えば、６回転の螺旋とそれに続く反対方向の同様な螺旋を備える、すなわち、ダブルヘリックスと同じである場合がある。
【００３０】
座標測定機の制御器は、シーケンス中に、プローブ及び座標測定機の両方からデータ（すなわち、ａ，ｂ，ｃ信号及びＸ，Ｙ，Ｚ信号）を収集する。こうして収集した未較正データを用いて、知られている算術的方法（例えば、最小二乗反復法）を用いて必要な較正係数が計算される。
【００３１】
プローブ１０を、較正用球１６の周囲を弦運動で移動させる方法によって、プローブ１０のスタイラス１２が、適度に分布し、かつ適切な量の未較正のａ，ｂ，ｃデータを生成するように十分に動かされることが可能になる。全てのプローブ軸からのプローブの出力データのこのばらつき（ｓｐｒｅａｄ）によって、較正係数の良好な計算を行うことが可能になり、よりよいシステム精度につながる。
【００３２】
本発明は、プローブ１０を、較正用球１６の周囲で、弦運動で移動させることに限定されない。プロ−ブ１０は、任意の経路に沿って較正用球１６の周囲で移動してもよく、それによって、スタイラス１２の変位の変動が生ずる。プローブ１０は、例えば、湾曲経路で、較正用球１６の周囲を駆動される場合もある。湾曲経路の形状は、広い範囲のスタイラス１２の変位及び広い分布のデータが収集されることが可能なように選ばれる。しかし、プローブ１０を、直線、すなわち弦で駆動することは、較正用ルーチンを短くするという利点を有する。
【００３３】
移動の弦シーケンスは、プログラムするのが容易で、設定するのが容易である。弦シーケンスは、一般に入手可能な較正用球を用い、したがって、特別な装置を必要としない。さらに、この較正用シーケンスは、知られている他のデータ収集法より速い。
【００３４】
図４は、較正用球の周囲で正弦曲線経路に従うプローブを示す図で、正弦曲線経路２２で較正用球１６の周囲を駆動されているプローブ１０を示している。正弦曲線プローブ経路２２によって、プローブ１０と較正用球１６の中心の間の距離が変動し、それによって、スタイラス１２の変位に変動が引き起こされる。正弦曲線プローブ経路は、機械のクイルの移動に対する滑らかな経路であるという利点を有する。
【００３５】
図５は、較正用球の周囲で鋸歯経路に従うプローブを示す図で、鋸歯形状の経路２４で較正用球１６の周囲を駆動されているプローブ１０を示している。この鋸歯経路２４によって、プローブ１０と較正用球１６の中心の間の距離の変動が生じ、それによって、スタイラス１２の変位の変動がもたらされる。
【００３６】
較正用部材は、較正用球１６又は任意の他の形状を備えてもよい。しかし、実際には、一般に入手可能であるような較正用球を用いるのが都合がよい。
【００３７】
また、光学式、インダクタンス、又は静電容量プローブなどの非接触プローブと共に使用するのに適している。接触プローブと同様に、非接触プローブは、そのプローブの出力の下側及び上側の端の間の作業領域内で用いられる。プローブの出力は、表面からのプローブの距離を表し、非接触プローブは、このように表面からのある範囲の距離内で用いられる。較正されなければならないのはこの範囲内である。
【００３８】
図６は、較正用球の周囲で既知の経路に従う非接触プローブを示す図である。非接触プローブ２６は、この非接触プローブ２６と較正用球１６の間に距離の変動が存在するように、既知の経路２８に沿って較正用球１６の周囲を移動する。この経路は、例えば、較正用球１６からの距離がそれに沿って変動する直線運動のシーケンスを含んでもよい。また、経路は、上述した正弦曲線経路などの湾曲経路であってよい。
【００３９】
非接触プローブ２６が経路に沿って移動する時、ＣＭＭからの位置データ及び非接触プローブ２６からの測定データを組み合わせて、較正用球１６の測定寸法が求められる。これらのデータは、較正用球の既知の寸法と比較され、これらのデータを用いて、非接触プローブ２６の較正係数が計算される。
【００４０】
本発明のさらなる実施形態において、較正用球上の表面走査経路は、その作業範囲内において、プローブの異なる半径方向の読みで２回以上走査される。
【００４１】
例えば、較正用球上の表面経路は接触プローブを用いて、最初は、第１のスタイラスの変位でプローブの半径方向の作業範囲の上限の方に、次に、第２のスタイラスの変位でプローブの半径方向の作業範囲の下限の方に移動してもよい。
【００４２】
図９は、プローブの半径方向の変位と走査経路に沿って進んだ距離の間の関係を示す図である。作業範囲はラインＰ及びＱの間にある。第１のスタイラスの変位についての半径方向の変位は３４で示され、第２のスタイラスの変位についての半径方向の変位は３６で示されている。
【００４３】
較正用球の走査経路は、３つ以上の異なるスタイラスの変位について走査されてもよい。例えば、走査経路は、半径方向の変位が作業領域の中央に向くようなスタイラスの変位で３回目が走査される場合がある。
【００４４】
同様な方法は、非接触プローブの場合に当てはまる。この場合、較正用球上の走査経路は、較正用球からの異なる半径方向の距離で２回以上走査される。
【００４５】
「作業範囲」という用語は、プローブの、考えられる最大作業範囲及び任意特定の用途に用いられることができる最大作業範囲内の小範囲（ｓｕｂ−ｒａｎｇｅ）の両方を含む。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】スタイラスが較正用球と接触しているアナログプローブを示す図である。
【図２】較正用球に関連するプローブの経路を示す図である。
【図３】較正用球上でのスタイラスのワークピース接触先端部の移動を示す図である。
【図４】較正用球の周囲で正弦曲線経路に従うプローブを示す図である。
【図５】較正用球の周囲で鋸歯経路に従うプローブを示す図である。
【図６】較正用球の周囲で既知の経路に従う非接触プローブを示す図である。
【図７】ＣＭＭの「Ｘ」出力及びプローブの「ａ」出力の間の関係を示す図である。
【図８】較正用球の周囲のプローブ走査経路及びプローブの対応する半径方向の読みを示す図である。
【図９】プローブの半径方向の出力と走査経路に沿って進んだ距離の間の関係を示す図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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2005507495.tif 000030
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2005507495.tif 000032
2005507495.tif 000033
【国際調査報告】
2005507495.tif 000034
2005507495.tif 000035
2005507495.tif 000036