(57)【要約】面検出デバイスを有した関節プローブヘッドを備えた座標位置決め装置を用いて行われる測定の誤差補償方法を提供する。前記面検出デバイスは測定の間前記関節プローブヘッドの少なくとも１つの軸回りに回転する。そして、前記補償は、前記装置の全体または部分の剛性を決定する工程と、特定の時点に前記関節プローブヘッドによって加えられる前記負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因を決定する工程と、前記負荷によって生じる前記面検出デバイスにおける測定誤差を前記工程（ａ）および（ｂ）を用いて決定する工程と、有する。
2007512512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面検出デバイスを有した関節プローブヘッドであって、前記面検出デバイスが測定の間前記関節プローブヘッドの少なくとも１つの軸回りに回転する関節プローブヘッドを備えた座標位置決め装置を用いて行われる測定の誤差補償方法であって、
（ａ）前記装置の全体または部分の剛性を決定する工程と、
（ｂ）負荷、または特定の時点に前記関節プローブヘッドによって加えられる前記負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因を決定する工程と、
（ｃ）前記負荷によって生じる前記面検出デバイスにおける測定誤差を前記工程（ａ）および（ｂ）を用いて決定する工程と、
を適切な順序で有したことを特徴とする補償方法。
【請求項２】
前記負荷はトルクを含むことを特徴とする請求項１に記載の補償方法。
【請求項３】
前記負荷は直線方向の力を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の補償方法。
【請求項４】
前記面検出デバイスは接触プローブであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の補償方法。
【請求項５】
前記面検出デバイスは非接触プローブであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の補償方法。
【請求項６】
前記剛性は、工程（ａ）で、前記装置の全体または部分に負荷を作用させ、偏位を測定することによって決定されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の補償方法。
【請求項７】
前記剛性は、工程（ａ）で、
前記装置の全体または部分に作用する負荷を測定するとともに、寸法が既知の対象物を測定することによって決定され、
前記装置の全体または部分の偏位が、前記対象物の既知の寸法と前記対象物の測定された寸法との差から決定され、
前記剛性が前記負荷と前記偏位から求められる
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の補償方法。
【請求項８】
前記対象物の既知の寸法は、遅い速度でその寸法を測定することによって決定されることを特徴とする請求項７に記載の補償方法。
【請求項９】
前記面検出デバイスは加工物と接触するスタイラス有した接触プローブであり、また、前記剛性は、工程（ａ）において、
前記接触プローブを位置決めして前記スタイラスをその寸法が既知の対象物の面に接触させ、
異なるプローブからの力が作用するときの前記面の測定値読取りを行う、
ことによって決定し、
前記装置の全体または部分の偏位が既知の寸法と測定された寸法との違いから決定され、
前記剛性が前記作用する力と前記偏位から求められる、
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の補償方法。
【請求項１０】
前記面検出デバイスは加工物と接触するスタイラス有した接触プローブであり、また、前記剛性は、工程（ａ）において、
前記接触プローブを位置決めして前記スタイラスをその寸法が既知の対象物の面に接触させ、
前記プローブヘッドを当該プローブ先端を前記面に接触させたまま振動させ、
異なるプローブ振動数で、従って異なる加速度で振動するときの前記面の測定値読取りを行う、
ことによって決定し、
前記装置の全体または部分の偏位が既知の寸法と測定された寸法との違いから決定され、
前記剛性が前記加速度と前記偏位から求められる、
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の補償方法。
【請求項１１】
前記工程（ｂ）における前記負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因は、前記装置のシステム変数から定められることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の補償方法。
【請求項１２】
前記工程（ｂ）における前記負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因は、前記関節プローブヘッドにおける少なくとも１つのモータに流れる電流から定められることを特徴とする請求項１１に記載の補償方法。
【請求項１３】
前記工程（ｂ）における前記負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因は、前記関節プローブヘッドにおける位置測定デバイスからの測定データの二次微分によって決定されることを特徴とする請求項１１に記載の補償方法。
【請求項１４】
前記工程（ｂ）における前記負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因は、トルク計または加速度計を用いて決定されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の補償方法。
【請求項１５】
前記補償方法は、前記面検出デバイスの測定経路の基準点からのオフセットを決定する工程を含み、このオフセットは測定誤差の計算に用いられることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の補償方法。
【請求項１６】
前記工程（ｃ）で定められる測定誤差は実質的に（Ｌｃｏｓφ）δθに比例する、ここで、Ｌは、関節プローブヘッドの基準点から前記面検出デバイスの測定経路までの距離、φは、前記面検出デバイスと、前記関節プローブヘッドが装着される構造の軸に垂直な軸との間の角度、およびδθは前記装着する構造の角度偏位である、ことを特徴とする請求項１５に記載の補償方法。
【請求項１７】
前記プローブは接触プローブであり、Ｌはスタイラス検出デバイスの先端とその回転中心との間の距離であることを特徴とする請求項１６に記載の補償方法。
【請求項１８】
座標位置決め装置であって、面検出デバイスを有した関節プローブヘッドであって、前記面検出デバイスが測定の間前記関節プローブヘッドの少なくとも１つの軸回りに回転することができる関節プローブヘッドを備え、前記装置の全体または部分の剛性が既知である座標位置決め装置において、
前記装置は、特定の時点に前記関節プローブヘッドによって加えられる負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因を決定する手段を備え、
前記負荷によって生じる前記面検出デバイスにおける測定誤差を、前記装置の全体または部分の既知の剛性と、決定された前記負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因とを用いて決定するようにしたプロセッサを含む
ことを特徴とする座標位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、（３脚や６脚などのパラレル機を含む）座標測定機械（ＣＭＭ）、工作機械、手動の座標測定アーム、ロボット、例えば作業検査ロボット、単一軸の機械のような座標位置決め装置に装着することができる関節プローブヘッドの測定誤差を補償する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加工品を製造した後、機械の可動範囲内で３つの直交する方向Ｘ、Ｙ、Ｚに駆動できるプローブが取り付けられた移動可能なアームを有する座標測定機（ＣＭＭ）のような座標位置決め装置で加工品を検査することはよく行われることである。
【０００３】
プローブを加速するとそれによって座標測定機に動的なゆがみを生じ、それが今度は測定誤差をもたらすことになる。これらの測定誤差は、加速度を小さくした測定によって減じることができる。しかし、生産性の要求が増すほどＣＭＭはより高いスループットとより早い検査速度が求められる。検査速度が増すと、プローブは測定の間により高い加速度を受け、それによってシステムのより大きな動的な構造的歪みを生じる。それによって、プローブのＸ、Ｙ、Ｚの幾何学的位置の不正確な出力がもたらされる。
【０００４】
本願に先行する特許文献１は、プローブの速度変化によってもたらされる構造の検知パラメータ、例えば加速度計を用いることによって、測定信号の時点での構造（ＣＭＭ）の動的な歪みを決定し、プローブ加速によって起こされる座標測定機の歪みを修正する方法を開示している。このことから、測定出力はこの機械の歪みを考慮して調整することができる。
【０００５】
特許文献２は、動的な歪みを修正する他の方法を開示している。ここでは、連続した名目上同一の加工物が座標測定機を用いて測定される。最初に第１の加工物が遅い速度で、そして次は第２の加工物が速い速度で、プローブで探られる。速い測定と遅い測定との間の差から一連の誤差値が計算される。そしてその後の加工物の速い測定は、これらの誤差値を利用することによって修正される。
【０００６】
従来技術の方法の両方とも、より速い速度で加工物を測定することができるが、それらを満たす上限の速度がある。これは、ＣＭＭが高い加速度において一貫性がなくなりおよび／または不安定になるか、あるいは測定機が要求された加速を達成することができないことによるものである。
【０００７】
上述の限界は、座標測定機に取り付けられる高い帯域幅の装置を用いることによって克服することができる。
【０００８】
そのような高い帯域幅の装置が特許文献３に開示されている。ここには、自由度２でプローブを向き付けることができ、それによって、プローブが加工物の面を走査する操作に用いることができるようにする関節プローブヘッドが記戴されている。
【０００９】
【特許文献１】米国特許４,３３３,２３８号明細書
【特許文献２】米国特許４,９９１,３０４号明細書
【特許文献３】米国特許５,１８９,８０６号明細書
【特許文献４】国際特許出願第ＷＯ０１/５７４７３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一般に、そのようなプローブヘッドは相対的に固定された支持部と回転部材とを有した回転駆動機構を含み、回転部材には面検出装置が取り付けられ、また、回転部材はプローブヘッドの軸の回りに上記支持部に対して相対的に回転することができる。回転部材の回転はモータによって作動される。モータが発生し回転部材に付与されるトルクは、また、等しく正反対の反応トルクを生じさせ、これが固定支持部に、従って、支持部に付与される。
【００１１】
この反応トルクは、システム、特にその上にプローブヘッドが取り付けられた、座標位置決め装置の可動アームの回転をもたらし、装置による測定における誤差を導くことがある。
【００１２】
関節プローブヘッドのような高い帯域幅の装置は、速い速度で個別の特徴測定を行なうことができ、それによって座標測定装置における加速要求を減らすという利点を有している。しかし、装置は慣性を有しており、また、高速度における加速では測定誤差を避けるために力やモーメントに対抗する必要がある。
【００１３】
特許文献４には、モータの固定子を軸受に取り付けて、それが回転子の回転に対して反対の回転ができるようにすることによって、少なくとも１つのモータの慣性バランスがとられた関節プローブヘッドが開示されている。回転する固定子の速度の制御は、固定子を付加的な背後部の巻き線アセンブリに接続してモータを接地することによって実現することができる。この関節プローブヘッドの慣性バランスをとる方法は、プローブヘッドの大きさ、複雑さおよびコストが増し、また、動的なトルク誤差を補償するだけであるという不都合がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、面検出デバイスを有した関節プローブヘッドであって、前記面検出デバイスが測定の間前記関節プローブヘッドの少なくとも１つの軸回りに回転する関節プローブヘッドを備えた座標位置決め装置を用いて行われる測定の誤差補償方法であって、
（ａ）前記装置の全体または部分の剛性を決定する工程と、
（ｂ）負荷、または特定の時点に前記関節プローブヘッドによって加えられる前記負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因を決定する工程と、
（ｃ）前記負荷によって生じる前記面検出デバイスにおける測定誤差を前記工程（ａ）および（ｂ）を用いて決定する工程と、
を適切な順序で有したことを特徴とする補償方法を提供する。
【００１５】
この方法は、静的な負荷および動的な負荷の両方に起因した測定誤差を数学的に補償するようにすることができる。動的な負荷は関節プローブヘッドの動きによって生ずる。静的な負荷は、関節プローブヘッドの動き以外の要因、例えばプローブによって面に加えられる力である探索力によって生ずる。
【００１６】
剛性は、装置の全体または部分に対する負荷の影響下での弾性特性として規定することができるものである。
【００１７】
負荷はトルクあるいは直線状の力を含むことができる。
【００１８】
負荷は、ロードセルまたはトルクセルを、例えば、プローブヘッド内部にあるいは、例えばプローブヘッドが取り付けられる構造物の上に外部的に用いることによって直接測定することができる。
【００１９】
これに代わって、負荷あるいは負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因が、測定され、またはルックアップテーブルから決定することができる。これら要因はモータにおける電流または電圧、加速度、速度、または装置のいずれかの部分の位置を含むことができる。これらのパラメータは、コントローラから求められる値、あるいはシステムの１つまたはそれ以上の位置で測定した値とすることができる。システムは、座標測定装置、関節プローブヘッド、面検出デバイス、コントローラ、およびモータを駆動するための電力増幅器を含む。
【００２０】
前記面検出デバイスは、走査プローブまたは接触トリがプローブのような接触プローブ、または光学、静電容量あるいはインダクタンスのプローブのような非接触プローブを含むことができる。
【００２１】
一実施形態では、前記剛性は、工程（ａ）で、前記装置の全体または部分に負荷を作用させ、偏位を測定することによって決定することができる。
【００２２】
他の実施形態では、前記剛性は、工程（ａ）で、前記装置の全体または部分に作用する負荷を測定するとともに、寸法が既知の対象物を測定することによって決定し、前記装置の全体または部分の偏位が、前記対象物の既知の寸法と前記対象物の測定された寸法との差から決定され、前記剛性が前記負荷と前記偏位から求められる。
【００２３】
他の実施形態では、前記面検出デバイスは加工物と接触するスタイラス有した接触プローブであり、また、前記剛性は、工程（ａ）において、前記接触プローブを位置決めして前記スタイラスをその寸法が既知の対象物の面に接触させ、異なるプローブからの力が作用するときの前記面の測定値読取りを行う、ことによって決定し、前記装置の全体または部分の偏位が既知の寸法と測定された寸法との違いから決定され、前記剛性が前記作用する力と前記偏位から求められる。
【００２４】
他の実施形態では、前記面検出デバイスは加工物と接触するスタイラス有した接触プローブであり、また、前記剛性は、工程（ａ）において、前記接触プローブを位置決めして前記スタイラスをその寸法が既知の対象物の面に接触させ、前記プローブヘッドを当該プローブ先端を前記面に接触させたまま振動させ、異なるプローブ振動数で、従って異なる加速度で振動するときの前記面の測定値読取りを行う、ことによって決定し、前記装置の全体または部分の偏位が既知の寸法と測定された寸法との違いから決定され、前記剛性が前記加速度と前記偏位から求められる。
【００２５】
前記工程（ｂ）における前記負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因は、前記装置のシステム変数から定められる。例えば、前記関節プローブヘッドにおける少なくとも１つのモータに流れる電流、あるいは、前記関節プローブヘッドにおける位置測定デバイスからの測定データの二次微分によって決定される。
【００２６】
これに代わって、記工程（ｂ）における前記負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因は、トルク計または加速度計のような外部装置を用いて決定される。
【００２７】
一実施形態では、測定誤差は、それに関節プローブヘッドが取り付けられた位置決め装置の構造部の捩れによって生じ、前記補償方法は、前記面検出デバイスの測定経路の基準点からのオフセットを決定する工程を含み、このオフセットは測定誤差の計算に用いられる。
【００２８】
前記構造物の捩れによって生じる測定誤差は実質的に（Ｌｃｏｓφ）δθに比例する、ここで、Ｌは、関節プローブヘッドの基準点から前記面検出デバイスの測定経路までの距離、φは、前記面検出デバイスと、前記関節プローブヘッドが装着される構造の軸に垂直な軸との間の角度、およびδθは前記装着する構造の角度偏位である。接触プローブの場合、Ｌはスタイラス検出デバイスの先端とその回転中心との間の距離である。
【００２９】
本発明の第２の形態は、座標位置決め装置であって、面検出デバイスを有した関節プローブヘッドであって、前記面検出デバイスが測定の間前記関節プローブヘッドの少なくとも１つの軸回りに回転することができる関節プローブヘッドを備え、前記装置の全体または部分の剛性が既知である座標位置決め装置において、前記装置は、特定の時点に前記関節プローブヘッドによって加えられる負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因を決定する手段を備え、前記負荷によって生じる前記面検出デバイスにおける測定誤差を、前記装置の全体または部分の既知の剛性と、決定された前記負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因とを用いて決定するようにしたプロセッサを含む。
【００３０】
前記プロセッサは、例えば、前記座標位置決め装置のコントローラ内あるいはＰＣ内に配置することができる。一般に、プロセッサはマイクロコントローラを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照することによって説明する。
【００３２】
図１は、座標測定機（ＣＭＭ）に装着された走査する関節ヘッドを示している。関節プローブヘッド１０は、ＣＭＭ８における垂直に延在する細長い部材、すなわちＺ方向柱１２の底部端に装着される。Ｚ方向柱１２は、Ｚ方向に移動できるように軸受け、例えば空気軸受け１４によって支持され、この空気軸受けはキャリッジ１６と一体である。このキャリッジ１６は、同様にＸ方向に移動できるよう梁１８によって支持される。梁１８は、Ｙ方向に移動できるようテーブル２２の上に取り付けられた軌道２０によって支持される。従って、関節プローブヘッド１０は、機械の可動範囲のＸ、ＹおよびＺのどこにも位置させることができる。コントローラがＣＭＭおよび関節ヘッドに指示を送ることにより、関節ヘッドおよびそれに装着されているプローブを所望の位置に位置決めすることができる。コントローラは、また、ＣＭＭ、関節プローブヘッドおよびプローブからフィードバックを受け取ることができる。
【００３３】
図２に示されるように、走査ヘッド１０は、ベースないしハウジング３０によって形成された固定部を備え、このハウジングは、軸３２の形態の可動部で、モータＭ１によってハウジング３０に対して相対的に軸Ａ１の回りに回転できる可動部を支持している。この軸は、さらなるハウジング３４に固定され、このハウジング３４は、同様に、モータＭ２によって、軸Ａ１と直交する軸Ａ２の回りにハウジング３４に対して相対的に回転できる軸３６を支持している。
【００３４】
加工物に接触する先端４０を有したスタイラス３９を備えるプローブ３８は、走査関節ヘッド１０に取り付けられる。設定は次のとおりである。ヘッドのモータＭ１、Ｍ２により加工物接触先端４０について軸Ａ１またはＡ２の回りの角度方向で位置決めすることができ、また、ＣＭＭのモータ（不図示）により関節プローブヘッドについてＣＭＭの３次元座標構造内のどこにでも直線方向の位置決めすることができ、これらによって、スタイラス先端を走査される面との間で所定の関係とすることができる。
【００３５】
直線位置変換器（不図示）がＣＭＭに設けられ、関節プローブヘッドの直線変位量が測定される。また、関節プローブヘッド１０には角度位置変換器Ｔ１およびＴ２が設けられ、これにより、スタイラス３９のそれぞれの軸Ａ１およびＡ２回りの角度変位量を測定することができる。
【００３６】
プローブスタイラス３９が加速される間、関節プローブヘッドはシステムにトルクを作用する。特に、孔のようなある輪郭を測定する間、スタイラスはＡ１軸に関して振動しトルクを生じさせる。
【００３７】
測定誤差の１つの例はＣＭＭの中空軸（または他の型の座標位置決め装置で同等のもの）の捩れである。もう１つの例は、関節ヘッドの曲げや捩れである。一般に、ＣＭＭのＺ方向柱は高い剛性を有する花こう岩から作られている。しかしながら、Ｚ方向柱を支持して、そのＺ方向の移動を可能にする軸受１４は互いに近く配置される。この軸受の配置によってＺ方向柱はＺ軸回りに若干回転する。要するに、関節プローブヘッドによってＺ方向柱にトルクが作用すると、そのトルクはこの柱にＺ軸回りの若干の回転をもたらす。軸受によってもたらされる捩り剛性が低いことがＺ方向柱の回転を引き起こす大きな要因となるので、柱のＺ方向位置は回転量に対して極めてわずかな影響しかない。
【００３８】
しかし、アルミニウムのような、それほど捩り剛性が高くない材料から作られているＺ方向柱では、構造の剛性がＺ方向柱の高さによって異なる。剛性の測定は、部品の測定で用いられるＺ方向の高さで行うことができる。あるいは、剛性をＺ方向柱の異なった高さで測定し、Ｚ方向高さに対する剛性のマップを作成することができる。これによって測定された値に基づく補間が可能となる。図３を参照すると、Ｚ方向柱１２の回転量δθによって、スタイラス先端４０の位置で誤差δｘを生じさせる。
【００３９】
方法の第１のステップでは、システムの全体または部分の剛性が決定される。本実施形態では、Ｚ方向柱１２の回転剛性が決定される。これは、Ｚ方向柱にトルクを作用させて、角度偏位θを測定することによって行うことができる。例えば、角度干渉計あるいは他の角度測定手段を用いてＺ方向柱の回転を測定するとともに、プーリシステムを用いてＺ方向柱に均等に既知のトルクを作用させる。これによって、中空軸の端部より上方の測定学上のシステムの剛性を測定することができる。代わりに、中空軸から上方の測定学上のシステムの剛性は機械の型で知ることもできる。
【００４０】
システムの全体または部分の剛性が決定されると、ヘッドの関節によって作用する負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因を同時に記録するとともに位置測定がなされる。
【００４１】
本実施形態では、関節プローブヘッドによって加えられる負荷はいくつかの異なった方法で定めることができる。これは読み取りシステム変数によって決定することができる。例えば、プローブヘッドのモータが直結駆動モータである場合は、モータにおける電流を測ることによって、トルクを定めることができる。モータが直結駆動ではない場合、電流は伝動機構の比率に従って定めることができる。伝動機構は、例えば、ベルトプーリシステムあるいはギア列を備えることができる。他のシステム変数には、コントローラに対する加速要求あるいはフィードバックがある。
【００４２】
負荷は、関節プローブヘッドにおける変換器（図２におけるＴｌ）を用いて定めることもできる。変換器からの読みを二次微分することによって関節プローブヘッドの加速度を定めることができる。底部軸の慣性が所定のφとして知られている場合は、それによって関節プローブヘッドによって加えられるトルクを決定することができる。ギア駆動の場合、加速度は関節ヘッドのモータに取り付けられたタコメータから得られる速度の一次微分によって決定することができる。トルクは以上のように計算することができる。
【００４３】
負荷は、システムの内部あるいは外部の記録装置を用いて決定することもできる。実例としては、ロードセルまたはトルクセルであり、Ｚ方向柱と関節プローブヘッドとの間かまたはプローブヘッド構造内部のいずれかに配置することができ、これにより、関節プローブヘッドが構造に作用する付加を直接測定することができる。加速度計を用いることもできる。前段落で述べたように、慣性が既知の場合、加速度計はトルクセルと同等のものであるが、異なった周波数範囲をカバーすることができる。
【００４４】
この方法を用いることにより、Ｚ方向柱に作用するトルク範囲に関連したデータ、例えば、Ｚ方向柱の対応する角度偏位を作成することが可能となる。
【００４５】
図４は、Ｚ方向柱の角度偏位δθに対するトルクＴのグラフを示している。フックの法則により、δθ＝Ｔ/ｋであり、ここで、ｋは回転剛性である。一度ｋがわかれば、その後の測定はこの式を使って修正することができる。
【００４６】
誤差がＺ方向柱の捩れによって起こされる図３に示す場合では、スタイラス先端４０の位置の誤差δｘはＺ方向柱１２のＺ軸周りの回転δθによって生じる。スタイラス先端位置の誤差δｚは、関節プローブヘッドのＡ２軸回りの回転δφによって生じる。スタイラス先端が加工物と接触する接触プローブの場合、測定誤差の大きさは、関節プローブヘッド１０のＡ１軸のような基準点からのスタイラス先端４０のオフセットＲに比例している。オフセットＲ＝Ｌｃｏｓφであり、ここで、Ｌはスタイラス３９の長さ、φは水平面からのスタイラスの角度である。
【００４７】
光学、静電容量あるいはインダクタンスのプローブのような非接触プローブの場合、Ｌは基準点つまり測定位置からの距離である。測定位置は例えば光学プローブの焦点を含むことができる。
【００４８】
測定誤差δｘは、結果として、δθＬｃｏｓφであり、ここで、δθはＺ方向柱に作用するトルクから計算されるＺ方向柱の角度誤差である。
【００４９】
角度偏位δθは、上述したように、作用するトルクから計算することができ、あるいは関節プローブヘッドのマップに基づくルックアップテーブルを用いて決定することができる。
【００５０】
システムの剛性を決定する他の方法を以下に説明する。基準のボールあるいはリングゲージのような較正された人工物をシステムによって走査し、それによって実験的に測定誤差を記録する。前述のように、トルクセルまたは加速度計を用いることによって、直結駆動モータで使用される電流を測定することによって、あるいは関節プローブヘッドにおける変換器からの測定データを用いることによって、プローブヘッドがシステムに作用する負荷を測定する。人工物の測定された寸法と人工物の既知の寸法との違いは測定される誤差δθである。前述のように、作用するトルクと誤差δθとの関係を用いて、フックの法則に基づく回転剛性ｋを決定でき、あるいはルックアップテーブルで用いられるデータを作成することができる。この方法で、システム全体（すなわち、ＣＭＭおよび関節プローブヘッドの両方）の剛性が決定される。
【００５１】
最も良い結果を出すには、φ＝０°で、較正された部分を走査することである。これは最も大きなトルクを生じさせるものであり、それによって測定ノイズを減らすのに最良の結果を与える。
【００５２】
一度システムの剛性が決定されると、特定の時点で関節プローブヘッドによって加えられる負荷に関連した１つまたはそれ以上の要因（例えば、トルク、モータ電流など）を決定しつつ加工物を測定し、それによって、前述のようにして測定誤差を計算することができる。
【００５３】
この方法の変形例では、動的な負荷が作用する場合のシステムの全体または部分の剛性も以下に述べるように決定することができる。最初に較正されていない人工物を遅い速度で走査し、次に速い速度で走査することができる。遅い速度で走査するとき加速度が非常に小さいので、Ｚ方向柱のＺ軸回りの回転による測定誤差は無視できるものである。誤差δθは、これらの速い速度および遅い速度で得られる測定の間で異なる。
【００５４】
図５は小さい垂直の孔を走査したときの測定データを示している。これは、ＣＭＭの中空軸を孔の中心線に沿って動かし、その間に関節プローブヘッドによって中心線回りにスタイラスを回転させることによって得られたものである。実線５０は遅い速度での走査を表し、破線５２は速い速度での走査を表している。速い速度の走査による測定は、大きさは正しいが、形状の描画は回転したものとなる。これは関節プローブヘッドの動作によって加えられるトルクに起因している。
【００５５】
システムの全体または部分の剛性を決定する第３の方法を、図６を参照して説明する。この方法では、プローブのスタイラス先端４０を、較正された球面５４のような較正された人工物に対して寄り掛かるようにする。トルクおよび角度偏位δθが測定される間、スタイラス先端と人工物との間の力が増す。トルクは前述の実施形態で述べた方法を用いて測定することができる。角度偏位δθは、較正された人工物の面位置について既知の値と測定された値の差から決定される。前述の実施形態のように、剛性はトルクと角度偏位δθとの関係から決定される。
【００５６】
本方法では、剛性は、堅いプローブとスタイラスすなわち高い剛性を有したプローブとスタイラスを用いて求めることができる。あるいは、標準的なプローブを用い、結果を推定することができる。
【００５７】
本実施形態の変形例では、プローブと人工物の間の力は、プローブ先端が人工物の面に接触したままの状態で、周波数帯域の全体でプローブヘッドの振動によって変化する。振動の間に、加速度および人工物の寸法の両方が測定される。前述のように、慣性を知ることができる場合は、プローブヘッドによって加えられるトルク、従って力は加速度から決定することができる。前述のように、偏位は較正された人工物の面位置の既知の値と測定された値との差から決定され、また、剛性は力と偏位の関係から決定される。
【００５８】
これらの方法を用いることにより、プローブヘッドによって加えられるトルクによって生じるスタイラス先端の誤差δｘを決定することができ、また、その結果、Ｚ方向柱のＺ軸回りの回転によって生じるこの誤差を修正することができる。従って、本発明は測定誤差の数学的な補償を可能にするものである。
【００５９】
前述のように、一度剛性が決定されると、それは、測定の間に得られた、特定の時点における関節プローブヘッドから加えられる負荷に関連した記録データから測定誤差を決定するために用いることができる。
【００６０】
この方法は構造の全体あるいは部分を修正するために用いることができる。例えば、システム全体（ＣＭＭおよび関節プローブヘッド）の剛性を決定することができる。あるいは、異なった部品の剛性を個別に決定し、また、それらを組み合わせてシステム全体のばね率ｋを得ることができる。剛性は、ただ支配的な効果を有するシステムの一部（例えばＣＭＭのみ）について決定することもできる。
【００６１】
図７に示されるように、関節プローブヘッドのある動きは中空軸に対してトルクおよび直線力の両方を生成する。プローブ上の質量Ｍは、プローブの加速度（ａ）に比例した直線力Ｆを生成する。Ｆ＝ｋδｘであり、ここで、ｋは剛性、またδｘは中空軸の直線変位量である。結果として、中空軸の剛性がわかる場合は、直線変位量を決定することができる。直線力は、重力あるいは関節プローブヘッドの１つまたはそれ以上の軸に関するプローブ質量の加速のような外力から得ることができる。
【００６２】
本方法は、関節プローブヘッドによって生成された負荷によって生じる測定誤差の修正を可能にする。上述したように、これらの負荷はトルクおよび直線力の両方を含む。この方法は動的誤差および静的誤差の両方を補償する。
【００６３】
本方法によって、高速の測定を、それらの高速測定によって引き起こされる動的な測定誤差を数学的に補償しつつ行うことが可能となる。さらに、数学的な補償が動的な誤差について可能であるので、慣性のバランスがとれていないプローブヘッドを用いることができる。このように、プローブヘッドのコスト、複雑さおよび重量を低減することができる。
【００６４】
本方法は、縦アームの座標位置決め装置で用いるものに限定されない。例えば、本発明は、水平アームの座標位置決め装置で用いるのにも適している。
【００６５】
本発明は他の機械の誤差補償に適している。この場合、関節プローブヘッドはＣＭＭの中空軸と等しい取付け構造に取り付けられる。関節プローブヘッドからのトルクは捩れを生じさせ、この捩れは取付け構造から機械計測学構造の残余の部分まで移る。
【００６６】
例えば、関節プローブヘッドは検査ロボットの末端に装着され、この末端は例えばいくつかの関節結合部を有したロボットアームを備えることができる。一般に、ロボットのアームの末端は手関節を備え、この関節にはその縦軸回りに回転できる構造が伴い、その構造には関節プローブヘッが取り付けられる。この方法によって、関節プローブヘッドによって生成されたトルクが手関節まで補償されることが可能になる。ロボットアームの他の部品の回転マップによって、システム全体が関節プローブヘッドによって引き起こされるトルクを補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】座標測定装置の斜視図である。
【図２】関節プローブヘッドの断面図である。
【図３】座標測定装置のアームに取り付けられる関節プローブヘッドの斜視図である。
【図４】トルクＴとＺ方向柱の角偏位との関係を示すグラフである。
【図５】速い速度および遅い速度で垂直の孔を測定したデータを示すグラフである。
【図６】プローブ先端が較正された球に接触した状態の関節プローブヘッドの平面図である。
【図７】直線および角度方向の力を示す関節プローブヘッドの側面図である。
【図１】
2007512512.tif 000003
【図２】
2007512512.tif 000004
【図３】
2007512512.tif 000005
【図４】
2007512512.tif 000006
【図５】
2007512512.tif 000007
【図６】
2007512512.tif 000008
【図７】
2007512512.tif 000009
【国際調査報告】
2007512512.tif 000010
2007512512.tif 000011
2007512512.tif 000012