(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタンドの上部に水平アームを取付けると共に、スタンドに水平アームの水平方向の回転角度を検出する回転検出器を設け、この水平アームにリニアスケールが取付けられ、このリニアスケール上を水平に移動するリードヘッドの先端にワイヤを接続すると共に、リードヘッドの後端にバックテンション機構を接続し、水平アームの先端に、リニアスケールから引出されたワイヤが通過する回転ガイドと、この先端に、これに回動自在に接続された角度ガイドとからなるワイヤガイド器を設け、前記回転ガイドに角度ガイドのワイヤ軸中心回りの回転角度を検出する回転検出器を設け、前記回転ガイドと角度ガイドとを回動自在に接続する軸に、リニアスケールから引出されたワイヤをガイドするワイヤガイドリングを取付けると共に、このワイヤガイドリングに沿って曲げられたワイヤの角度を検出するワイヤ角度検出器を設け、前記角度ガイドから引出されたワイヤの先端に、被測定物の測定箇所に接触させる先端子を設けたプローブヘッドを接続し、更に前記回転検出器で計測した水平アームの水平方向の回転角度と、前記リニアスケールで計測したワイヤの水平移動量と、前記回転検出器で検出した回転ガイドの回転量、および前記ワイヤ角度検出器で検出した角度ガイドの傾斜角度から、先端子の座標を演算する座標演算器を設けたことを特徴とするワイヤ式三次元座標測定機。
【請求項２】
プローブヘッドが、ワイヤの先端に接続されるワイヤ取付部と、先端子を支持する先端子取付部とをボールジョイントまたはユニバーサルジョイントを介して回動自在に接続されていることを特徴とする請求項１記載のワイヤ式三次元座標測定機。
【請求項３】
回転ガイドに設けた回転検出器が、リニアスケールに対して回転軸が平行で、回転軸の中心をワイヤが挿通する中空エンコーダで形成されていることを特徴とする請求項１記載のワイヤ式三次元座標測定機。
【請求項４】
スタンドに基準点を設け、プローブヘッドの先端子をこの基準点に接触させて、初期位置を設定するようにしたことを特徴とする請求項１記載のワイヤ式三次元座標測定機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡易な構造で安価なワイヤ式三次元座標測定機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に木工業や板金業、製缶業などで、製品を製造する場合、縦横の長さやや高さ、平面度などは巻き尺やノギスなどを使用して測定しているが、形状精度が要求させる製品では精度良く測定できない問題がある。このため大型の三次元座標測定機を使用すれば、精度良く測定できるが、高価で設置場所も広く必要となり、中小企業では導入が困難であった。
【０００３】
また従来の三次元座標測定機は、２個の可動枠を直交させて組み合わせ、一方の可動枠にワイヤを巻回したドラムを取付け、ここから引出されたワイヤを、他方の可動枠に通して、ワイヤの先端に先端子（移動体）を取付け、前記ドラムの回転軸と、両可動枠の回転軸に、それぞれエンコーダを取付け、ドラムの回転数と、直交する２個の可動枠の回転角度とをエンコーダで検出して、被測定物に接触させた先端子の位置座標を測定する装置（特許文献１）がある。
【０００４】
しかしながらこの装置では、先端子を接続したワイヤが、ドラムに巻回されているので、巻き取り位置や、重ね巻きにより、ドラムの回転数とワイヤの引出し長さが比例せず、またワイヤを他方の可動枠のリングに通して引出しているのでワイヤとの間に隙間ができ、正確な角度変化を検出することができず検出精度が悪い問題があった。
【特許文献１】特開平５ー２９６７５７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記問題を改善し、簡易な構造で測定精度が高く、しかも小型で安価なワイヤ式三次元座標測定機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１記載のワイヤ式三次元座標測定機は、スタンドの上部に水平アームを取付けると共に、スタンドに水平アームの水平方向の回転角度を検出する回転検出器を設け、この水平アームにリニアスケールが取付けられ、このリニアスケール上を水平に移動するリードヘッドの先端にワイヤを接続すると共に、リードヘッドの後端にバックテンション機構を接続し、水平アームの先端に、リニアスケールから引出されたワイヤが通過する回転ガイドと、この先端に、これに回動自在に接続された角度ガイドとからなるワイヤガイド器を設け、前記回転ガイドに角度ガイドのワイヤ軸中心回りの回転角度を検出する回転検出器を設け、前記回転ガイドと角度ガイドとを回動自在に接続する軸に、リニアスケールから引出されたワイヤをガイドするワイヤガイドリングを取付けると共に、このワイヤガイドリングに沿って曲げられたワイヤの角度を検出するワイヤ角度検出器を設け、前記角度ガイドから引出されたワイヤの先端に、被測定物の測定箇所に接触させる先端子を設けたプローブヘッドを接続し、更に前記回転検出器で計測した水平アームの水平方向の回転角度と、前記リニアスケールで計測したワイヤの水平移動量と、前記回転検出器で検出した回転ガイドの回転量、および前記ワイヤ角度検出器で検出した角度ガイドの傾斜角度から、先端子の座標を演算する座標演算器を設けたことを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の請求項２記載のワイヤ式三次元座標測定機は、請求項１において、プローブヘッドが、ワイヤの先端に接続されるワイヤ取付部と、先端子を支持する先端子取付部とをボールジョイントまたはユニバーサルジョイントを介して回動自在に接続されていることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の請求項３記載のワイヤ式三次元座標測定機は、請求項１において、回転ガイドに設けた回転検出器が、リニアスケールに対して回転軸が平行で、回転軸の中心をワイヤが挿通する中空エンコーダで形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の請求項４記載のワイヤ式三次元座標測定機は、請求項１において、スタンドに基準点を設け、プローブヘッドの先端子をこの基準点に接触させて、初期位置を設定するようにしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る請求項１記載のワイヤ式三次元座標測定機によれば、ワイヤの引出し長さをリニアスケールで精度良く測定でき、また回転ガイドに角度ガイドの回転角度を検出する回転検出器を設けると共に、回転ガイドと角度ガイドとを回動自在に接続する軸に、リニアスケールから引出されたワイヤをガイドするワイヤガイドリングを取付け、このワイヤガイドリングに沿って曲げられたワイヤの角度を検出するワイヤ角度検出器を設けたので、先端子を取付けたワイヤの回転方向と回転角度を精度良く測定することができる。更に水平アームが、スタンドの上部に上下動自在に且つ回転自在に支持されているので、被測定物の形状に合わせて広い範囲に亘って位置座標を測定することができる。
【００１１】
この結果、先端子を設けたプローブヘッドを手に持ってワイヤを引出しながら被測定物の測定箇所に先端子を接触させるだけの簡単な操作により精度良く三次元座標を測定して、平面度や真円度、形状寸法などを簡単に測定することができる。またリニアスケールやエンコーダなどを組み合わせた簡単な構造であるので小型で安価に製造することができる。
【００１２】
また請求項２記載のワイヤ式三次元座標測定機によれば、プローブヘッドが、ワイヤの先端に接続されるワイヤ取付部と、先端子を支持する先端子取付部とをボールジョイントまたはユニバーサルジョイントを介して回動自在に接続されているので、ワイヤの直線性を保持して、直線の延長線上に先端子の中心が位置して正確な座標位置を検出することができる。
【００１３】
また請求項３記載のワイヤ式三次元座標測定機によれば、回転ガイドに設けた回転検出器が、リニアスケールに対して回転軸が平行で、回転軸の中心をワイヤが挿通する中空エンコーダで形成されているので、角度ガイドから引出されたワイヤの回転角度を精度良く測定できると共に、回転検出器の構造を簡素化することができる。
【００１４】
また請求項４記載のワイヤ式三次元座標測定機によれば、スタンドに基準点を設け、プローブヘッドの先端子をこの基準点に接触させることにより基準点を簡単に設定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下本発明の実施の一形態を図１ないし図６を参照して詳細に説明する。図１はワイヤ式三次元座標測定機を示すもので、スタンド１の上部にボールスプライン２が垂直に立設され、ここに水平アーム３を取付け、この水平アーム３にリニアスケール４が取付けられている。水平アーム３の先端は、回転ガイド５と、これに回動自在に接続された角度ガイド６とからなるワイヤガイド器７が取付けられている。
【００１６】
このワイヤガイド器７から引出されたワイヤ８の先端に、プローブヘッド９が接続され、このプローブヘッド９は先端に先端子１０が設けられている。なお図において１２は被測定物、１３は被測定物１２を載置するターンテーブル、１４は制御装置、１５は座標演算器を備えたパソコン、１６はリモコン送信機で、測定時に測定点の入力や計算方法などを予め決められたボタンを押すことで、制御ボックス１４に搭載された受信機に、電波により情報を送信するものである。
【００１７】
前記スタンド１の上部には、ボールスプライン２が取付けられ、更にこのボールスプライン２にスプライン外筒１９が上下動且つ回転自在に取付けられ、ロックレバー２０でその高さ位置を固定できるようになっている。このスプライン外筒１９には前記水平アーム３が接続され、水平アーム３が上下動するようになっている。
【００１８】
またボールスプライン２の上部には、上部ブラケット２１が、下部には下部ブラケット２２が水平方向に回動自在に取付けられている。この上部ブラケット２１と下部ブラケット２２には、前記ボールスプライン２と平行に、垂直ガイドシャフト２３が接続され、この垂直ガイドシャフト２３の中間は前記スプライン外筒１９を貫通して、ボールスプライン２を中心として、上部ブラケット２１と下部ブラケット２２、スプライン外筒１９、垂直ガイドシャフト２３および水平アーム３が一体に回転するようになっている。
【００１９】
また図２に示すようにスプライン外筒１９の上部は、上部ブラケット２１に設けた定荷重バランスばね２５に接続され、水平アーム３の上下動時にバランスを取って水平を保持するようにサポートしている。また上部ブラケット２１から上方に突出したボールスプライン２の上部外周には、突片２６が設けられ、これに近接して上部ブラケット２１に水平アーム３の回転角度を検出する回転検出器２８が取付けられている。
【００２０】
前記水平アーム３は図１に示すように中空の角状に形成され、この内側中空部にリニアスケール４が平行に取付けられている。リニアスケール４には、リードヘッド３０がその長手方向に沿って可動自在に取付けられ、リニアスケール４上に精密に刻み込まれたピッチを磁気方式や光学方式などで読み取って、その位置を計測するようになっている。またリードヘッド３０の先端にはワイヤ８が接続され、リードヘッド３０の後端には定荷重ばね３１が接続され、リードヘッド３０に常時バックテンションを加えるようになっている。
【００２１】
また前記ワイヤガイド器７は、図３〜５に示すように水平アーム３の先端に接続され、リニアスケール４から引出されたワイヤ８の方向を変える作用をなすもので、回転ガイド５と、これに回動自在に接続された角度ガイド６とから構成されている。回転ガイド５は図  に示すように、水平アーム３の先端に円筒体３２が固定され、この水平アーム３側に、リニアスケール４から引出されたワイヤ８が通過する中空エンコーダ３３が組込まれている。この円筒体３２の外周にベアリング３４を介して回転体３５が設けられ、中空エンコーダ３３の軸はこの回転体３５側に固定され、水平アーム３に対して、回転体３５が回転したとき回転検出器となる中空エンコーダ３３によりその回転角度を検出する構造になっている。
【００２２】
また回転体３５の中間には、２個のガイドローラ３７が対向して設けられ、この間をワイヤ８が通過して、ワイヤ８の左右の動きを規制している。また回転体３５の先端側に軸３８が取付けられ、ここに回転体３５の先端側を挟むように枠状の角度ガイド６が回動自在に接続されている。
【００２３】
この回転ガイド５と角度ガイド６を連結する軸３８には、図４に示すようにワイヤガイドリング４０がベアリングを介して回転自在に取付けられ、これに摺接して２個のベアリングを併設した押えガイドローラ４１が取付けられ、この間にワイヤ８を挟み込んで、図５に示すように角度ガイド６を傾斜させた時にワイヤガイドリング４０に沿ってワイヤ８が曲げられるようになっている。また角度ガイド６には図３に示すように、前記軸３８の端部にワイヤガイドリング４０に沿って曲げられたワイヤ８の角度を検出するワイヤ角度検出器となるエンコーダ４２が取付けられている。
【００２４】
またワイヤガイドリング４０の前方の角度ガイド６には２個のガイドローラ３７が対向して設けられ、この間でワイヤ８を挟んで左右のズレを規制すると共に、角度ガイド６の先端には、前記のガイドローラ３７と直交して２個のガイドローラ３７が対向して設けられ、ワイヤ８の上下のズレを規制するようになっている。
【００２５】
またワイヤガイド器７の角度ガイド６から引出されたワイヤ８の先端にはプローブヘッド９が取付けられている。このプローブヘッド９はワイヤ８の先端に接続されたワイヤ取付部４３と、針状の先端子１０を支持する先端子取付部４４とをボールジョイントまたはユニバーサルジョイントで構成された自在継手４５を介して接続されている。この自在継手４５に把持部４６が接続され、測定時に把持部４６を手で持って、先端の先端子１０を被測定物１２の表面に接触させた時に、ワイヤ８の直線性を保持して、直線の延長線上に先端子１０の中心が位置するようになっている。
【００２６】
また図１に示すパソコン１５の座標演算器は、リニアスケール４で計測したワイヤ８の水平移動量と、回転検出器となる中空エンコーダ３３で検出した回転ガイド５の回転量、および前記ワイヤ角度検出器となるエンコーダ４２で検出した角度ガイド６の傾斜角度から、先端子１０の座標を演算するようになっている。なお４８は基準点で、例えばボールスプライン２の下部ブラケット２２の端部に設けられ、測定前にプローブヘッド９を手で持って先端子１０をこの基準点４８に接触させてリモコン送信機１６でセットすることにより、現在の水平アーム３の位置関係を把握したり、リードヘッド３０や中空エンコーダ３３、エンコーダ４２、回転検出器２８の初期位置を定義するものである。
【００２７】
上記構成のワイヤ式三次元座標測定機で、被測定物１２の平面度を測定する場合、図１に示すように先ずターンテーブル１３の上に被測定物１２を載せる。次にスプライン外筒１９のロックレバー２０を解除して、ボールスプライン２に沿ってスプライン外筒１９を被測定物１２に合わせて上下動させ、水平アーム３を測定し易い高さに調整してロックレバー２０をロックする。次に水平アーム３を、ボールスプライン２を中心として水平方向に回転させ、測定し易い角度に調整する。この時、図２に示すように上部ブラケット２１から上方に突出したボールスプライン２の上部外周には、突片２６が設けられ、これに近接して上部ブラケット２１に水平アーム３の回転角度を検出する回転検出器２８が取付けられているので、その回転角度を回転検出器２８で検出し、その検出値を制御装置１４に送る。
【００２８】
この後、プローブヘッド９を手で持って先端子１０を基準点４８までワイヤ８を伸ばして接触させ、ここでリモコン送信機１６のスイッチをオンする。この過程でワイヤ８がリニアスケール４から引出されてくると共に、回転ガイド５の回転体３５が回転し、更に軸３８を中心として角度ガイド６が前後に傾斜して、リニアスケール４に取付けたリードヘッド３０がその長手方向に沿って移動し、その位置を計測する。
【００２９】
またリニアスケール４から引出されたワイヤ８は回転ガイド５の中空エンコーダ３３の軸を通過し、更に軸３８に取付けた角度ガイド６が回転体３５と共に回転し、更に前後に傾斜すると、ワイヤガイドリング４０に沿ってワイヤ８が曲げられる。この時、角度ガイド６と共に回転体３５が回転した回転角度を、回転ガイド５の中空エンコーダ３３で検出して、この信号を制御装置１４に送る。また軸３８に取付けた角度ガイド６が前後に傾斜すると、この傾斜角度をエンコーダ４２で検出してこの信号を制御装置１４に送る。
【００３０】
このようにして先端子１０が基準点４８に接触した状態での、リニアスケール４で計測したワイヤ８の水平移動量と、回転検出器となる中空エンコーダ３３で検出した回転ガイド５の回転量、および前記ワイヤ角度検出器となるエンコーダ４２で検出した角度ガイド６の傾斜角度の検出データーを制御装置１４からパソコン１５の座標演算器に送って、ここで現在の水平アーム３の位置関係を把握し、リードヘッド３０や中空エンコーダ３３、エンコーダ４２、回転検出器２８の初期位置を基準点座標として登録する。
【００３１】
この後、図１および図６に示すようにプローブヘッド９の把持部４６を手に持って、先端子１０を被測定物１２の上面のＡ点に接触させて、リモコン送信機１６のスイッチをオンするとＡ点の位置座標が検出される。次に先端子１０を被測定物１２の上面のＢ点に接触させて、リモコン送信機１６のスイッチをオンするとＢ点の位置座標が検出される。最後に先端子１０を被測定物１２の上面のＣ点に接触させて、リモコン送信機１６のスイッチをオンするとＣ点の位置座標が検出される。これらのＡ〜Ｃ点の位置座標と、基準点座標からパソコン１５の座標演算器で、Ａ、Ｂ、Ｃ点間の距離や平面度を測定することができる。
【００３２】
なおワイヤガイド器７では図４に示すように、リニアスケール４から引出されたワイヤ８が、円筒体３２の内側に対向して設けられた２個のガイドローラ３７の間で左右の動きが規制され、次にワイヤガイドリング４０とこれに摺接して２個のベアリングを併設した押えガイドローラ４１との間でワイヤ８の上下左右の動きが規制され、この後、角度ガイド６の内側に対向して設けられた２個のガイドローラ３７の間で左右の動きが規制され、更にこれと直交して角度ガイド６の先端に設けられたガイドローラ３７で、上下の動きが規制されてワイヤ８が中心軸からずれないようにしていると共に、定荷重ばね３１でバックテンションが加えられているので、ワイヤ８の軸芯のずれを防止することができる。
【００３３】
またプローブヘッド９はワイヤ８の先端に接続されたワイヤ取付部４３と、先端子１０を支持する先端子取付部４４とをボールジョイントまたはユニバーサルジョイントで構成された自在継手４５を介して接続されていので、ワイヤ８の直線性を保持して、直線の延長線上に先端子１０の中心が位置するようになっているので、正確な座標位置を検出することができる。
【００３４】
図７はバケツ状の被測定物１２を測定する場合で、プローブヘッド９の把持部４６を手に持って、先端子１０を被測定物１２の内周上部のＡ、Ｂ、Ｃの３点と、内側底面のＤ点をそれぞれ測定することにより、バケツ状の被測定物１２の上部内径と深さを測定することができる。
【００３５】
なお上記説明では、先端子１０を針状のものを用いた場合について示したが図８に示すように球状のものでも良い。先端子１０の形状は、被測定物１２や測定目的にあった先端子１０を選択して用い、測定点は例えば針状の先端子ならば針の先端にあり、球状ならば球の中心となるように補正値を変える。
【００３６】
またターンテーブル１３にエンコーダなどの回転検出器を設け、この回転角度も検出することにより、被測定物１２が円柱や円筒体の場合の芯ずれを測定することもできる。また被測定物１２が大きく測定点にプローブヘッド９が届かない場合にもターンテーブル１３を回転させることにより、広い範囲に亘って測定することができる。またボールスプライン２に沿って縦方向にリニアスケールを設け、水平アーム３の高さを検出することにより被測定物１２の縦方向に沿った形状を測定することができる。また被測定物１２がＴ形状の場合、水平アーム３を下げて、プローブヘッド９を上方に引上げて測定することにより水平部の底面も測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の一形態によるワイヤ式三次元座標測定機の正面図である。
【図２】図１の水平アームを昇降させるボールスプライン部分の断面図である。
【図３】図１のワイヤガイド器を拡大して示す水平断面図である。
【図４】図２のワイヤガイド器を示す縦断面図である。
【図５】図２のワイヤガイド器の角度ガイドを傾斜させて状態を示す正面図である。
【図６】被測定物の測定点を示す平面図である。
【図７】バケツ状被測定物の測定点を示す断面図である。
【図８】本発明の他の実施の形態による球状の先端子を取付けたプローブヘッドの正面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    スタンド                                              
２    ボールスプライン                                      
３    水平アーム                                            
４    リニアスケール                                        
５    回転ガイド                                            
６    角度ガイド                                            
７    ワイヤガイド器                                        
８    ワイヤ                                                
９    プローブヘッド                                        
１０  先端子                                                
１２  被測定物                                              
１３  ターンテーブル                                        
１４  制御装置                                              
１５  座標演算器を備えたパソコン                            
１６  リモコン送信機                                        
１９  スプライン外筒                                        
２０  ロックレバー                                          
２１  上部ブラケット                                        
２２  下部ブラケット                                        
２３  垂直ガイドシャフト                                    
２５  定荷重バランスばね                                    
２６  突片                                                  
２８  回転検出器                                            
３０  リードヘッド                                          
３１  定荷重ばね                                            
３２  円筒体                                                
３３  中空エンコーダ                                        
３５  回転体                                                
３７  ガイドローラ                                          
３８  軸                                                    
４０  ワイヤガイドリング                                    
４１  押えガイドローラ                                      
４２  エンコーダ                                            
４３  ワイヤ取付部                                          
４４  先端子取付部                                          
４５  自在継手                                              
４６  把持部                                                
４８  基準点                                                
【図１】
0004840878.tif 000002
【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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