(57)【要約】座標計測機械（１２−２０）のような三次元計測装置上の名目上同一の生産工作物（１０）のシリーズを計測するための方法が記載される。シリーズの一つのマスター工作物が、計測装置の誤差マップ（８６）を構築するのに使用される補正値を提供するために、較正（８４）される。このマップは、同じシリーズ（８８）の後続の名目上同一の工作物だけでなく、異なる工作物の、複数の異なる後続のシリーズ（９０）の計測値を補正するためにも使用される。後続の各シリーズは、較正（８４）され、誤差マップ（８６）をさらに構築するために使用される、マスター工作物を有する。このプロセスが、長い時間をかけて繰り返されると、誤差マップは、ますます高密度に設定される。やがて、計測値は、既に誤差マップ内に存在する誤差値を用いて補正され得るので、較正されたマスター工作物の使用を省くことが可能となる。
2015514205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元計測装置で生産工作物を計測するための方法であって、該方法は、
生産工程によって製造された、名目上同一の工作物の第一のシリーズの一つである、生産工作物を用いること、
上記計測装置で上記生産工作物を計測すること；
上記計測装置の外部のソースから、上記生産工作物に対する較正値を得ること、
一つ以上の補正値を生成するために、上記較正値を上記工作物の計測値と比較すること、
上記計測装置を較正するために、誤差マップまたはルックアップテーブルを設定または再設定するように、また、誤差関数を計算または再計算するように、上記補正値を用いること、
上記計測装置において、上記生産工程によって製造された、上記第一のシリーズの名目上同一の一つ以上の別の工作物を計測すること、
上記補正値または上記誤差マップまたはルックアップテーブルまたは誤差関数を用いて、上記第一のシリーズの上記別の名目上同一の工作物の上記計測値を補正すること、を含み、
第二の一つまたは複数の工作物が、上記第一の工作物のシリーズの上記名目上同一の工作物と異なるか、または、これらと異なって装置に配置される、１つ以上の上記第二の工作物を上記計測装置で計測すること、および、
上記誤差マップまたはルックアップテーブルまたは誤差関数を用いて、上記１つ以上の第二の工作物の計測値を補正することを特徴とする方法。
【請求項２】
三次元計測装置で生産工作物を計測するための方法であって、該方法は、
製造工程によって製造された、そのサイズおよび形状が、名目上同一の工作物の第一のシリーズの生産工作物に近似する、複数の特徴を有するアーチファクトを用いること、
上記計測装置で上記アーチファクトを計測すること、
上記計測装置の外部のソースから、上記アーチファクトに対する較正値を得ること、
一つ以上の補正値を生成するために、上記アーチファクトの計測値と上記較正値とを比較すること、
上記計測装置を較正するために、誤差マップまたはルックアップテーブルを設定または再設定するように、また、誤差関数を計算または再計算するように、上記補正値を用いること、
上記計測装置で上記製造工程によって製造された上記第一のシリーズの一つ以上の名目上同一の生産工作物を計測すること、
上記補正値または上記誤差マップまたはルックアップテーブルまたは誤差関数を用いて、上記第一のシリーズの上記名目上同一の工作物の計測値を補正すること、を含み、
第二の一つまたは複数の工作物が、上記第一のシリーズの工作物の上記名目上同一の工作物と異なるか、または、これらと異なって装置に配置される、１つ以上の上記第二の工作物を上記計測装置で計測すること、および、
上記誤差マップまたはルックアップテーブルまたは誤差関数を用いて、上記１つ以上の第二の工作物の計測値を補正することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２の方法であって、補正値が、上記計測装置を較正するための既存の誤差マップまたはルックアップテーブルをさらに設定するように、または、既存の誤差関数を再計算するように、用いられることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１または２の方法であって、補正値は、新しい誤差マップまたはルックアップテーブルを設定するように、または、新しい誤差関数を計算するように、用いられることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの方法であって、第２工作物が、一つ以上の別の工作物のシリーズの一部を形成し、各シリーズの上記工作物は、そのシリーズの他の工作物と名目上同一であり、各シリーズの上記工作物は、すでに計測された上記工作物と異なっているか、または、これらとは装置に異なって配置されており、該方法は、そのような各々異なるシリーズに対して、
そのシリーズの名目上同一の工作物の一つであるアーチファクトか、または、そのシリーズのそのような工作物と近似する大きさと形状を有するアーチファクトを計測すること、
上記計測装置の外部のソースから、上記アーチファクトに対する較正値を得ること、
一つ以上の補正値を生成するために、上記較正値を上記アーチファクトの計測値と比較すること、および、
上記誤差マップまたはルックアップテーブルをさらに設定するため、または、上記誤差関数を再計算するために、上記補正値を使用することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５の方法であって、上記誤差マップまたはルックアップテーブルまたは誤差関数が、上記第一の、および、別の工作物のシリーズのそれらとは異なるか、または、上記装置にそれらとは異なって配置されている、後続の工作物の計測値を補正するために用いられることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項５または６の方法であって、上記第一の、および、別の工作物のシリーズでの計測は、同一の温度、または、所定の許容範囲内で行われ、その結果、上記誤差マップ、ルックアップテーブルまたは関数は、その温度に関連することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかの方法であって、それぞれの誤差マップまたはルックアップテーブルまたは関数は、較正工作物の計測が行われる、２つ以上の温度のそれぞれに対して生成されること特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８の方法であって、第二の工作物の計測温度が決定され、その後、上記測定値が、その温度に対応するか、所定の許容誤差内に対応する、誤差マップ、ルックアップテーブルまたは関数を用いて補正されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項８の方法であって、第二の工作物の計測温度が決定され、その後、計測値は、二つ以上の誤差マップまたはルックアップテーブルまたは関数の間の補間、または、これらからの外挿によって補正されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１〜６のいずれかの方法であって、それから補正値が生成される、生産工作物やアーチファクトの計測は、二つ以上の温度で行われ、計測が行われる温度での計測誤差の変動に関連する項を有する、誤差関数が生成されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１の方法であって、上記第二の工作物の上記計測温度が決定され、その後、測定値が、上記計測温度を考慮した上記誤差関数を用いて補正されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかの方法であって、計測装置は、非デカルト座標計測装置であることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかの方法であって、上記生産工作物またはアーチファクトの計測は、上記工作物またはアーチファクトの表面上の各点での座標計測値を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかの方法であって、上記生産工作物またはアーチファクトの計測は、上記工作物またはアーチファクトの特徴の寸法の計測値を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかの方法を実行するように構成された計測装置。
【請求項１７】
請求項１〜１５のいずれかの方法を実行するための装置を構成する、計測装置のコンピュータ制御のためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工作物の寸法を検査するための座標計測装置に関する。座標計測装置は、例えば、座標計測機械（ＣＭＭ）、工作機械、手動計測アームおよび検査ロボットを含む。
【背景技術】
【０００２】
工作物が製造された後、機械の三次元の作業容積内で駆動され得る、プローブを支持する可動部材を有する座標計測機械（ＣＭＭ）上で、それらを検査することが知られている。
【０００３】
ＣＭＭ（または他の座標計測装置）は、それぞれ、３つの直交方向Ｘ、Ｙ、Ｚに移動可能な、三つの直列に接続されたキャリッジを介して、プローブを支持する可動部材が装着される、いわゆるデカルトマシーンであり得る。代わりに、それは、例えば、各々、可動部材と相対的に固定されたベース部材またはフレームとの間に、並列に接続された、３つまたは６つの伸張可能なストラットを含む、非デカルトマシーンであり得る。Ｘ、Ｙ、Ｚ作業容積内での可動部材（従ってプローブ）の移動は、その場合、３つまたは６つのストラットのそれぞれの伸張を調整することによって制御される。非デカルトマシーンの一例は、特許文献１および特許文献２に示される。
【０００４】
Ｘ、Ｙ、Ｚ作業容積の至るところで経験された計測誤差のマップを生成することによって、そのような座標計測装置を較正することは知られている。例えば、特許文献３（ベルら）は、静的誤差（すなわち、装置が稼動していない場合でも発生する誤差）のマップを生成するために、レーザ干渉計、電子レベル等のような、較正装置の使用を記載している。このマップは、Ｘ、Ｙ、Ｚ作業容積上に拡がるグリッド内のすべてのポイントに対して、静的誤差の２１の異なる原因（sources）のための補正値を与える。
【０００５】
精度の低い代替手段は、複数のボールの「フォレスト（forest）」を含む較正用治具を使用することである。これらのボールは、正確に球状であり、正確に既知の寸法を有し、かつ、それらは、互いに対して正確に既知の関係を有して３次元的に離隔されるように、治具に取り付けられる。治具は、座標計測装置の作業容積内に配置され、ボールは、プローブを移動させるための装置を用いて計測される。ボールの既知の寸法および間隔との比較で、これは、Ｘ、Ｙ、Ｚ作業容積上に拡がるグリッドの点で経験される計測誤差の粗いマップを生成する。他の較正アーチファクト、例えば、リングゲージが、ボールの代わりに用いられ得る。しかし、高い精度が要求される場合、この手法は、非常に多数のボールの使用、例えば１０，０００個を必要とするであろうし、実用的でない。
【０００６】
このような誤差マップは、Ｘ、Ｙ、Ｚ作業容積上に拡がるグリッド内の各々の点での計測に適用される、補正値のルックアップテーブルの形を採り得る。任意に、多項式誤差関数が、他の点での誤差を決定するために、これらの点での誤差に適合させられ得る。
【０００７】
特許文献４、特許文献５（ツァイスに与えられている）では、Ｘ、Ｙ、Ｚ作業容積の至るところで発生する動的誤差のマップを生成する。動的誤差は、加速運動中の装置またはプローブの各部の撓みの結果として起こる。
【０００８】
上記のような誤差マップは、工作物のその後の計測中に使用される。装置によって計測されたＸ、Ｙ、Ｚ座標計測値は、関係しているＸ、Ｙ、Ｚ位置に対する誤差マップに記録された、静的および／または動的誤差を用いて補正される。または、誤差関数の場合には、必要な補正値が、関係しているＸ、Ｙ、Ｚ位置に対する関数の値から決定される。
【０００９】
特許文献６（レニショーに与えられている）では、装置の全てのＸ、Ｙ、Ｚ作業容積上のそのような誤差の完全なマップを必要とせずに、静的および動的な誤差に対して補正する。較正されたアーチファクトは、計測される加工品と名目上同一である。それは、所望の高速で、座標計測装置において計測される。得られた計測値は、アーチファクトの較正からの既知の寸法と比較される。これは、アーチファクトの計測中に経験される静的および動的誤差の誤差マップを生成するために使用される。この誤差マップは、同じ高速で、名目上同一の工作物で続いて行われた計測値を補正するために使用される。
【００１０】
特許文献６に記載された技術の１つの利点は、誤差マップが、アーチファクトと名目上同一の工作物とで実際に行われた計測値に特有であることである。座標計測装置の全てのＸ、Ｙ、Ｚ作業容積上で、誤差をマップする必要はない。しかし、直接的な帰結として、装置が、異なる形状を有する、および／または、装置の作業容量の異なる部分に配置される、および／または、異なる計測速度の工作物において、正確な計測を行うために使用されるなら、さらなる較正が必要とされる。特許文献６に記載された手順が、新しい工作物が計測されるべきときはいつも、反復されねばならす、または、全体の機械の静的および／または動的誤差マップが生成されねばならない。
【００１１】
我々の同時係属の特許文献７は、計測温度を参照して、１つ以上の誤差マップ、ルックアップテーブル、または、関数が生成される、方法および装置を記載している。好ましくは、これは、２つ以上の温度での計測に対して行われる。マスターアーチファクトまたは基準工作物は、各温度で計測される。これらの誤差マップ、ルックアップテーブルまたは関数は、実際に、マスターアーチファクトまたは基準工作物、および、後続の名目上同一である工作物において行われる計測に固有のものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】国際公開第０３／００６８３７号
【特許文献２】国際公開第２００４／０６３５７９号
【特許文献３】米国特許第４８１９１９５号明細書
【特許文献４】米国特許第５５９４６６８号明細書
【特許文献５】米国特許第５８９５４４２号明細書
【特許文献６】米国特許第７０７９９６９号明細書
【特許文献７】国際公開第２０１３／０２１１５７号
【特許文献８】米国特許第６３３６３７５号明細書
【特許文献９】米国特許第５０１１２９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
三次元計測装置で生産工作物を計測するための方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一つの態様によれば、方法は、
製造工程によって製造された、名目上同一の工作物の第一のシリーズの一つである、生産工作物を用いること、
計測装置で生産工作物を計測すること、
上記計測装置の外部ソースから、生産工作物のための較正値を得ること、
一つ以上の補正値を生成するために、工作物の計測値と較正値とを比較すること、
上記計測装置を較正するために、誤差マップまたはルックアップテーブルを設定または再設定するため、または、誤差関数を計算または再計算するため、前記補正値を用いること、
上記計測装置で、上記製造工程によって製造された、上記第一のシリーズの一または複数の更なる名目上同一の工作物を計測すること、
上記補正値、上記誤差マップ、ルックアップテーブルまたは誤差関数を用いて、上記第一のシリーズの更なる名目上同一の工作物の計測値を補正すること、を含み、
上記計測装置で、第二工作物または複数の第二工作物が、上記第一のシリーズの名目上同一の工作物と異なるか、上記装置上で異なって配置される、上記一つまたは複数の第二工作物を計測すること、および、
上記誤差マップまたはルックアップテーブルまたは誤差関数を用いて、上記一つまたは複数の第二工作物の計測値を補正することを特徴としている。
【００１５】
第一のシリーズの生産工作物は、製造品に組み込むことを意図され得る。本発明の代替の態様では、そのような生産工作物に近似または一致する構造を有するアーチファクトが、最初に言及した生産工作物の代わりに用いられ得る。これらの構造は、生産工作物の対応する構造に、近似、または、一致し得る。補正値、および／または、較正値は、生産工作物と近似または一致する構造に関連し得る。
【００１６】
それは、そのような工作物の特定のシリーズに関係するので、そのようなアーチファクトは、座標計測装置のような計測装置の較正に使用するために知られている、（較正された球またはリングゲージのような）標準の、汎用の較正アーチファクトとは区別されるべきである。そのような標準の較正アーチファクトは、特定の生産工作物に関連しない、計測装置の汎用の較正のために、特に作成される。一般に、生産工作物は、その寸法が計測装置での計測によって決定される品目であり、一方、標準的な較正アーチファクトの寸法は、装置を較正するために予め知られている。
【００１７】
較正値は、例えば、より正確なＣＭＭ、真円度計測機、または、他の計測装置で、別個の計測プロセスにおいて、工作物またはアーチファクトを較正することによって、外部ソースから得られ得る。代替的に、較正値は、（例えば、それが正確に製造されたという前提の）生産工作物を記述するＣＡＤ設計ファイルから決定され得る。
【００１８】
補正値は、第一のシリーズの他の工作物の計測値を補正するために直接的に使用され得、または、誤差マップ、ルックアップテーブルまたは誤差関数を用いて間接的に使用され得る。
【００１９】
補正値は、新しい誤差マップまたはルックアップテーブルを作成するため、または、新しい誤差関数を計算するために使用され得る。代替的に、補正値は、既存の誤差マップまたはルックアップテーブルをさらに設定するため、または、既存の誤差関数を再計算するために使用され得る。既存の誤差マップ、ルックアップテーブルまたは誤差関数は、例えば、正確に較正されたボールまたはリングゲージのような、標準較正アーチファクトを使用して、計測装置の従来の較正によって作成されたものであり得る。あるいは、それは、本発明による上記方法の事前の繰り返しで作成されたものであり得る。
【００２０】
方法の好ましい形態において、第二工作物は、工作物の、一つ、または、複数の更なるシリーズの一部を形成し得、各シリーズの工作物は、そのシリーズの他の工作物と名目上同一であり、各シリーズの工作物は、既に計測された工作物と異なっており、または、装置上で異なって配置されており、各々のそのような異なるシリーズのための方法は、
そのシリーズの名目上同一の工作物の一つであるか、その大きさと形状がそのシリーズのそのような工作物と近似する構造を有する、アーチファクトを計測すること、
上記計測装置の外部ソースから、上記アーチファクトのための較正値を得ること、
一つ以上の補正値を生成するため、アーチファクトの計測値と較正値とを比較すること、そして、
前記誤差マップまたはルックアップテーブルをさらに設定し、または、誤差関数を再計算するために、上記補正値を用いること、を含む。
【００２１】
本方法のこの好ましい形態では、誤差マップまたはルックアップテーブルまたは誤差関数は、その後、上記第一の、および、更なるシリーズの工作物とは異なるか、装置上で異なって配置されている、後続の工作物の計測値を補正するために使用され得る。
【００２２】
好ましくは、第一の、および、更なるシリーズの工作物での計測は、同じ温度で行われるか、所定の許容範囲内で行われ、誤差マップ、ルックアップテーブルまたは関数は、その温度に関連する。
【００２３】
それぞれの誤差マップまたはルックアップテーブルまたは関数は、較正アーチファクトの計測が行われる二つ以上の温度のそれぞれについて生成され得る。このことは、後続の工作物の計測温度が決定され、その後、計測値が、所定の許容範囲内での、その温度に対応する、誤差マップ、ルックアップテーブルまたは関数を用いて補正される方法を可能にする。あるいは、後続の工作物の計測温度が決定され得、次いで、計測値は、２つ以上の誤差マップまたはルックアップテーブルまたは関数の補間または外挿によって補正され得る。
【００２４】
さらなる代替として、計測が行われる温度と共に、計測誤差の変動に関連する項を有する誤差関数が生成され得る。このことは、後続の工作物の計測温度が決定され、その後、計測値が、計測温度を考慮して、上記誤差関数を用いて補正される方法を可能にする。
【００２５】
本発明の更なる態様は、計測装置を較正するための方法を提供し、方法は、
初期誤差マップまたは初期ルックアップテーブルが、補正値を使用して設定され、または、初期誤差関数が、補正値を用いて算出される、装置を較正するための初期誤差マップまたは初期ルックアップテーブルまたは初期誤差関数を提供すること、
計測装置で、名目上同一の工作物の第一のシリーズの一つであるか、その大きさおよび形状がそのような工作物と近似する構造を有する、較正された工作物を計測すること、
一つまたは複数の更なる補正値を生成するために、工作物の計測値を工作物の較正値と比較すること、そして、
さらに、更なる誤差値を使用して、誤差マップまたはルックアップテーブルを設定し、または、誤差関数を再計算すること、を含む。
【００２６】
計測装置で最初の較正されたアーチファクトを計測すること、アーチファクトの計測値とアーチファクトの較正値を比較し、１つまたは複数の補正値を生成すること、上記補正値を用いて、誤差マップまたはルックアップテーブルを設定し、誤差関数を計算することによって、初期誤差マップまたは初期ルックアップテーブルは設定され得、初期誤差関数は、計算され得る。最初のアーチファクトは、例えば、球またはリングゲージ、または、複数の球またはリングゲージを備えた治具のような、標準の較正アーチファクトであり得る。そのような標準の較正アーチファクトは、上述の工作物とは区別されるべきである。
【００２７】
あるいは、例えば、レーザ干渉計、電子レベルなどのような、較正装置を使用することなどの、任意の既知の較正プロセスによって、初期誤差マップまたは初期ルックアップテーブルが設定され得、または、初期誤差関数が計算され得る。
【００２８】
好ましくは、１つまたは複数のさらなる補正値が、第一のシリーズの他の工作物の計測値を補正するために使用される。加えて、または、代わりに、誤差マップまたはルックアップテーブルまたは誤差関数が、上記第一のシリーズの工作物とは異なるか、上記装置上で異なって配置される、後続の工作物の計測値を補正するために使用され得る。
【００２９】
好ましい方法では、初期誤差マップまたは初期ルックアップテーブルまたは初期誤差関数は、特定の温度で行われた計測における誤差に関し、較正された工作物の計測は、同じ温度で行われる。それぞれの誤差マップまたはルックアップテーブルまたは関数は、２つ以上の温度のそれぞれに対して生成され得る。
【００３０】
後続の工作物の計測温度が決定され得、次いで、計測値は、その温度に対応する誤差マップ、ルックアップテーブルまたは関数を用いて補正され得る。あるいは、後続の工作物の計測温度が決定され得、次いで、計測値は、２つ以上の誤差マップまたはルックアップテーブルまたは関数の間での補間、または、外挿によって補正され得る。
【００３１】
好ましくは、長い時間にわたって、本発明の任意の態様において、装置は、既に計測されたものとは再び異なる（または、装置上に異なって配置された）工作物の更なるシリーズを計測するために使用される。このことは、生産工作物を計測するための、ユーザによる装置の通常の使用の一部であり得る。そのような各々異なるシリーズに対して、シリーズの工作物の１つであり得、または、その大きさおよび形状がそのような工作物に近似する構造を有し得る工作物が較正される。この工作物は、その後、計測装置で計測され、さらに、異なったシリーズのための誤差値が得られ、誤差値は、誤差マップまたはルックアップテーブルをさらに設定し、また、誤差関数をさらに再計算するために使用される。
【００３２】
この工程は、長い時間にわたって繰り返されるので、誤差マップまたはルックアップテーブルは、ますます密に設定され、または、誤差関数は、より多くの値に基づくものとなる。そのうち、さらに別の工作物または工作物のシリーズが計測されるべきとき、計測値は、既に誤差マップまたはルックアップテーブル内に存在する誤差値を用いて、または、既存の誤差関数を用いて補正され得るので、較正された工作物なしで済ますことが可能となるであろう。
【００３３】
本発明の任意の態様において、計測装置は、三次元計測機械のような、座標計測装置であり得る。それは、非デカルト座標計測装置であり得る。
【００３４】
較正された工作物、および／または、較正されたアーチファクトは、別の、より正確な座標計測機械または他の計測装置で、それを計測することによって較正され得る。
【００３５】
工作物の計測値は、工作物の表面上の各点の座標計測値を含み得る。および／または、工作物の計測値は、工作物の構造の寸法の計測値を含み得る。これらは、そのような点の座標計測値から導かれ得る。
【００３６】
本発明のいずれの態様においても、計測の温度が決定される場合、これは、計測が行われる環境の温度、あるいは、装置または計測される工作物の温度から決定され得る。温度は、直接的または間接的に計測され得る。
【００３７】
本発明のさらなる態様は、上記の方法のいずれかを実行するように構成された計測装置、任意のそのような方法を実行するように装置を構成する、計測装置のコンピュータ制御のためのプログラムを含む。本発明は、また、任意のそのような方法をコンピュータが実行できるようにするための、コンピュータが実行可能な命令を有する、コンピュータ読み取り可能媒体を含む。さらに具体的には、そのようなコンピュータ読み取り可能媒体は、本明細書に記載された、様々のコンピュータによって実施される操作を実行するための、コンピュータが実行可能な命令、または、それに関するコンピューターコードを有する、非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体（または非一時的なプロセッサ読み取り可能媒体）であり得る。非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体（またはプロセッサ読み取り可能媒体）は、伝送媒体上で情報を搬送する、伝播する電磁波のような、一時的な伝播信号を含まないという意味において非一時的である。
【００３８】
本発明の好ましい実施形態は、次に、添付の図面を参照し、例として、説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】非デカルト座標計測機械（ＣＭＭ）の模式図である。
【図２】機械のコンピュータ制御システムの一部を示す線図である。
【図３】ＣＭＭを使用する方法のフローチャート図である。
【図４】ＣＭＭを使用する方法のフローチャート図である。
【図５】ＣＭＭを使用する方法のフローチャート図である。
【図６】ＣＭＭを使用する方法のフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
計測装置
図１に示される座標計測機械において、計測されるべき工作物１０は、（機械の固定構造の一部を形成する）テーブル１２上に載置される。本体１４を有するプローブは、可動プラットフォーム部材１６に取り付けられる。プローブは、使用中、寸法計測を行うために、工作物１０に接触させられる、変位可能な細長いスタイラス１８を有する。
【００４１】
可動プラットフォーム部材１６は、その一部のみが示される支持機構２０によって、機械の固定構造に取り付けられる。本実施例において、支持機構２０は、特許文献１および特許文献２に説明されている。それは、プラットフォーム１６と機械の固定構造との間に並行して延びる、３つの入れ子式の伸長可能なストラット２２を備える。各ストラット２２の各端部は、自在なピボット回動が可能に、それぞれ、プラットフォーム１６または固定構造に連結されており、それぞれのモータによって伸長、および、収縮する。伸長の量は、それぞれのエンコーダによって計測される。各ストラット２２のためのモータおよびエンコーダは、ストラットの伸長および収縮を制御するサーボループの一部を形成する。図１において、それらの３つのそれぞれのサーボループ中の３個のモータとエンコーダが、参照番号２４によって全体的に示される。
【００４２】
支持機構２０は、また、３つの受動回転防止装置３２（それらの一つのみが図１に示される。）を含む。回転防止装置は、プラットフォーム１６と機械の固定構造との間に並行して延びる。各回転防止装置は、１つの回転自由度に対してプラットフォーム１６を抑制する。その結果、プラットフォーム１６は、３つの移動自由度のみで移動可能であり、傾斜させたり回転させたりすることはできない。そのような回転防止装置のさらなる議論のために、特許文献８を参照されたい。
【００４３】
図２と共に、図１を参照すると、コンピュータ制御装置２６は、可動プラットフォーム１６を、工作物１０の計測のために書き込まれたパートプログラム３４の制御下に置く。これを達成するために、制御装置２６は、３つのストラット２２のそれぞれの伸長を調整する。プログラムルーチン３６は、パートプログラムからのＸ、Ｙ、Ｚデカルト座標のコマンドを、ストラットに求められる対応する非デカルト長さに変換する。それは、サーボループ２４のそれぞれへの要求信号２８を生成し、その結果として、３つのストラット２２は、それに応じてプラットフォーム１６を位置づけるために伸長または収縮する。各サーボループは、エンコーダ出力が要求信号２８に追従し、それらが等しくなる傾向にあるように、既知の方法でそれぞれの各モータを駆動するように作用する。
【００４４】
制御装置２６は、また、サーボループの一部を形成するエンコーダからの計測信号３０を受信する。これらは、ストラット２２の各々の瞬時の非デカルト長さを示す。それらは、パートプログラム３４による使用のために、プログラムルーチン３８によって、Ｘ、Ｙ、Ｚデカルト座標に戻すように変換される。
【００４５】
プローブ１４は、スタイラス１８が工作物１０に接触するとき、コンピュータ制御装置２６にトリガー信号を発生する、タッチトリガープローブであり得る。あるいは、それは、制御装置２６にアナログまたはデジタル出力を提供し、３つの直交方向Ｘ、Ｙ、Ｚにおけるプローブ本体１４に対するスタイラス１８の変位を計測する、いわゆる計測またはアナログプローブであり得る。そのような接触プローブに代えて、それは、光プローブのような非接触プローブであり得る。
【００４６】
使用において、プラットフォーム１６は、ポイントツーポイント計測パターンで、または、工作物の表面を走査することのいずれかで、パートプログラムの制御下で、工作物１０に対してプローブ１４を位置づけるために移動させられる。タッチトリガー計測に対して、それがタッチトリガー信号を受信するとき、コンピュータ制御装置２６は、ストラット２２のエンコーダ３０から非デカルト計測信号３０を、瞬時に読み取り、トランスフォームルーチン３８は、工作物ピース表面上に接触させられる点のＸ、Ｙ、Ｚデカルト座標位置を決定するためにこれらを処理する。計測またはアナログプローブの場合、制御は、プローブの瞬時出力を、ストラット３０の計測信号からデカルト座標に変換される瞬時値に結び付ける。走査の場合は、これが、工作物表面の形状を決定するための多数の点でなされる。必要に応じて、計測またはアナログプローブからのフィードバックが、要求信号２８を変更するために使用され得、機械は、工作物表面の所望の計測範囲内にそれを維持するようにプローブを移動させる。
【００４７】
計測の実施と修正
使用において、記載された装置は、例えば、それらが生産ラインから離れた際に、または、それらが工作機械で製造される際に、名目上、または、実質上同一である、一連の加工品を検査するために使用され得る。それは、また、個々のシリーズが、先行するシリーズと異なる工作物を有する、および／または、先行するシリーズと同じであるが、装置上の異なる位置または方向に配置される、複数のそのようなシリーズを検査するために使用され得る。これを行うため、コンピュータ制御装置２６は、図３に示されるようにプログラムを動作させ得る。
【００４８】
最初に任意のステップ８０において、装置は、粗い初期誤差マップを生成するために、従来の方式で、予め較正され得る。任意の既知の較正方法が、例えば、装置が製造業者の工場から出て行く前に、または、それが、最初に、ユーザの建物内に据え付けられるときに、使用され得る。例えば、レーザ干渉計および／または電子水準器を用いる例が、特許文献３（ベル等）に示される。導入部で説明されたように、例えば、複数のボールの「フォレスト（forest）」を含む較正用具が使用され得る。これらのボールは、正確に球状であり、正確に既知の寸法を有し、それらは互いに正確に既知の関係を有して３次元的に配置される。用具は、座標計測装置の作業容積内に配置され、ボールは、プローブを移動させるための装置を用いて計測される。ボールの既知の寸法および間隔との比較によって、これは、例えば、補正値のルックアップテーブルの形で、Ｘ、Ｙ、Ｚの作業体積上に広がるグリッド点で経験される計測誤差の粗いマップを生成する。任意選択的に、多項式誤差関数のような誤差関数が、他の点での誤差を決定するために、これらのポイントにおける誤差に適合させられ得る。リングゲージのような他の較正アーチファクトが、ボールに代えて使用され得る。
【００４９】
このようにして生成された粗い誤差マップまたはルックアップテーブルは、コンピュータ制御装置の記憶部６２に記憶される。それは、多くの値がまだ投入されていないスパース行列に格納される。この粗い誤差マップで、装置は、既に工作物における作業計測を行うのに有用である。例えば、もし、マップが、２ミリメートルだけ離間した点の誤差値を有するなら、その後、パートプログラム３４によって使用される比較計算は、例えば、２００μｍの精度で、計測値を補正し得る。もし、マップが、８０μｍだけ離間した点の誤差値を有するなら、その後、比較計算は、例えば、５μｍの精度で計測値を補正し得る。
【００５０】
この比較計算は、エラー値の間の内挿法、または、それらからの外挿法を提供するために利用可能な、エラー値と適合させられる誤差関数を適切に使用する。関数は、線形または二次関数であり得る。または、例えば、三次または二次スプラインまたは対数関数である、他の多項または非多項関数が、内挿法のために使用され得る。
【００５１】
名目上または実質的に同一の生産工作物の第一のシリーズを計測するとき、通常の生産計測手順の一部として、ステップ８４において、既知の寸法を有する較正マスターまたは基準工作物が、ＣＭＭのテーブル１２上に載置される。マスター工作物は、シリーズの最初の工作物であり得、または、工作物のシリーズの工作物と同様である多数の構造を有する特別に製造された加工品であり得る。適切には、ステップ８３において、それは、別個の、より正確なＣＭＭ上で較正され、または、他の方法で計測され、その寸法が正確に知られる。例えば、工作物に応じて、その表面上のさまざまな位置での１００点が較正され得る。
【００５２】
ステップ８４において、この既知のマスター工作物が、較正されたのと同じポイントで、プローブ１４を用いて、座標計測装置で計測される。ステップ８６において、計測値は、較正値と比較され、各点における誤差が決定される（例えば、適切にはオフセットの形での補正値として）。これらの誤差は、さらに誤差マップまたはルックアップテーブルに投入するため、または誤差関数を再計算するために、制御装置２６の記憶部６２における、上述と同様の配列に格納される。このように、計測装置の初期の粗い誤差マップ、ルックアップテーブルまたは関数は、マスターまたは基準工作物の計測から決定されたエラー値を組み込むことによって改善される。
【００５３】
本発明の新規な実施形態の一つにおいて、この改善された誤差マップ、ルックアップテーブルまたは関数は、次に、先行する第一のシリーズとは異なる後続の工作物、および／または、先行する第一のシリーズと同じであるが、装置上の異なる位置または方向に配置された後続の工作物の計測値を補正するために（ステップ８９で）使用され得る。
【００５４】
したがって、工作物の第一のシリーズのマスターまたは基準工作物の計測から決定されたエラー値は、全体として装置の較正を改善するために使用され、単に、マスター工作物が属するか関する、工作物の特定のシリーズの改良された計測のためでないことが留意されるべきである。
【００５５】
好ましい実施形態のステップ８８において、マスター工作物は除去され、名目上同一の工作物の第一のシリーズの残りの部分が計測される。順番に各工作物は、マスター工作物と同じ位置で、テーブル１２上に載置され、所望の点でプローブを用いて計測される。計測値は、記憶部６２内の誤差マップまたはルックアップテーブルに格納された誤差を用いて、または、格納された誤差関数を適用して補正される。このステップ８８は、破線矢印８７で示されるように、任意である。
【００５６】
ステップ９０において、工作物の新しいシリーズが、次に、計測のために選択され得る。工作物の第一のシリーズに関して、この新しいシリーズは、名目上または実質的に同一の生産工作物を含む。しかしながら、それらは、第一のシリーズの工作物とは異なり、および／または、装置上の異なる位置または方向に配置される。したがって、この場合には、ステップ８９で計測される後続の工作物は、ステップ９０における新たなシリーズの一部を実際に形成し得る。また、ステップ９０における新たなシリーズに加えて、ステップ８９において、別個の工作物を計測することも可能である。
【００５７】
ステップ９０で選択された工作物の新しいシリーズは、第一のシリーズと同様の方法で計測され得る。新シリーズの較正されたマスターまたは基準工作物が、装置で計測される（ステップ８４）。マスター工作物は、別の、より正確な計測装置（ステップ８３）で較正されたものであり得る。この新しいマスター工作物に対する誤差の値は、さらに誤差マップを設定するためには、記憶部６２の配列に再び格納される（ステップ８６）。または、誤差関数が、さらなる誤差値を用いて再計算される。および、工作物の新しいシリーズは、計測され、誤差マップに格納された誤差を用いて補正される（ステップ８８）。
【００５８】
時間が経つにつれて、工作物ピースのますます多くの異なるシリーズが計測され、誤差マップまたはルックアップテーブルは、よりよく設定されたものとなるだろう。事実上、誤差マップは、装置のＸ、Ｙ、Ｚ作業容積上の多くの点で、ますます正確な誤差のマップになる。このことは、新シリーズの較正されたマスター工作物で、ステップ８３、８４および８６を通して再び進行することなく、単に既存の誤差マップを使用して、後続の工作物（ステップ８９）、または工作物のシリーズ（ステップ９０）が、計測され、補正されることを可能にする。同様に、誤差関数が生成されるなら、それは時間が経つにつれてますます正確になり、ステップ８３、８４および８６を通して再び進行することなく、後続の工作物を補正するために使用され得る。
【００５９】
図４は、図３と同様の手順を示す。しかし、本発明の代替的な新規な実施形態の好ましいステップを説明するために、異なるステップは、破線矢印の代わりに実線矢印を用いて強調されている。この実施形態において、装置の粗い初期較正が、装置の初期誤差マップまたはルックアップテーブルまたは誤差関数を生成するために試みられる（ステップ８０）。このことは、例えば、標準較正アーチファクト、またはレーザ干渉計、電子レベルなどを使用して、任意の公知の方法で行われる
この初期誤差マップまたはルックアップテーブルまたは関数は、上記のステップ８４および８６におけるように改善される。マスター較正工作物が計測される（ステップ８４）。マスター較正工作物は、工作物のシリーズの一つである（または、シリーズの工作物の態様と同様である多数の態様を有する。）。この計測から決定される誤差（補正値）は、誤差マップに格納されるか、または、誤差関数を再計算するために使用される。他のステップ８８、８９、９０が、上記のように、任意に続き得る。
【００６０】
完全に自動化されることは、図３および図４の全てのステップにとって必要ではない。例えば、コンピュータ制御装置２６で実行しているソフトウェアは、必要なステップを実行するようにユーザを案内するために使用され得る。
【００６１】
記載された方法の一つの利点は、通常は時間のかかる操作であり、おそらく数日間はかかる、その全体の作業容積上での誤差マップを生成するための、装置の完全な較正を行う必要がないことである。その代わりに、装置は、工作物を計測するためのその通常の日常の使用中に、時間が経つにつれて、その誤差マップを「学習」する。
【００６２】
誤差マップが十分な誤差値で設定されると、装置は、また、較正された工作物が利用可能であるシリーズのみならず、単一の工作物を計測するためにもまた使用され得ることが理解されるであろう。それは、それが従来の方法で完全に較正されたかのように使用される。
【００６３】
上記のように設定された誤差マップは、計測値を補正するために、適切な補正値が必要に応じて導出されるルックアップテーブルの形をとり得る。補正値の値は、テーブルから直接取得され得、または、それらは、例えば、テーブル内の値の間での内挿、または、テーブル内の値から外挿することによって、間接的に得られ得る。または、以上で説明したように、誤差関数（例えば、多項式または非多項式誤差関数）が算出され、システムが、工作物の後続のシリーズの計測から「学習」するにつれて、再計算され得る。
【００６４】
熱補償
図１に示される本発明の実施形態は、計測される工作物１０に対応し、その温度を計測するために、好都合には、可動プラットフォーム部材１６上に装着され得る、赤外線温度センサ５４を含む。代替的に、赤外線センサ５４Ａが、工作物の温度を計測するために、ＣＭＭの固定構造物、例えば、オプションのブラケットまたはスタンド５６に装着され得る。そのような赤外線センサは、単純に工作物表面の領域の温度の平均示度を取得し得、または、特定の工作物の特徴の温度を認識し、取得するように配置された、熱画像センサであり得る。
【００６５】
別の代替において、ＣＭＭが、自動的にプローブ１４を交換するための能力を持っている場合、プローブ１４は、工作物１０の表面と接触させられ、その温度を計測するためにある期間そこに留まる接触温度センサ（図示せず）に交換され得る。そのような交換可能な接触温度センサは、特許文献９に記載されている。または、温度センサ（例えば、熱電対）が、５４Ｄに示すように、工作物の表面上に手動で配置され得る。
【００６６】
さらなる代替において、任意の適切なタイプの単純な環境温度センサ（例えば熱電対）が、具体的に工作物の温度を計測するよりはむしろ、環境温度を取得するために設けられ得る。図１は、プラットフォーム１６またはプローブ１４に取り付けられた、そのような代替的な温度センサ５４Ｂを示す。この位置で、それは、モータによって発生させられる熱からの過度の影響を受けることなく、工作物１０の近傍の環境温度を計測し得る。別のオプションは、背景環境温度を取得するために、機械の固定された構造に、または、それから分離して、取り付けられた環境温度センサ５４Ｃである。
【００６７】
センサ５４または５４Ｂまたは５４Ｄのような、例えば、工作物に近い一つに加えて、背景環境温度を取得する、５４Ｃのようなもう一つのように、２つ以上の温度センサを使用することが可能である。それから、制御装置２６は、例えば、背景センサからの９０％と工作物に近接するセンサからの１０％のように、二つ以上の温度センサからの示度の加重平均を使用するようにプログラムされ得る。相対的な重み付けは、良好な結果を得るための試行錯誤によって調整され得る。
【００６８】
温度示度は、制御装置２６に取り込まれ、温度が変化するとき、計測が、熱膨張および熱収縮に対して補償されることを可能にするために使用され得る。この温度補償は、例えば、参照により本明細書に組み込まれる、われわれの同時係属中の特許文献７に記載されているように進行し得る。
【００６９】
寸法計測値は、それらが作製される温度に依存するので、誤差マップまたはルックアップテーブルまたは誤差関数が、特定の温度に関係づけられることが、特に有利である。したがって、ＣＭＭが、初期誤差マップまたはルックアップテーブルまたは関数で事前に較正されるなら（ステップ８０）、その場合、このことは、例えば２０°Ｃの標準温度のような、特定の温度に関連するだろう。誤差マップまたはルックアップテーブルを設定するか、誤差関数を再計算することにさらに貢献する全ての後続の計測値は、所定の許容範囲内において、その温度で、同様に取得されるべきである。あるいは、それらは、上記の同時係属の出願におけるように、または、例えば工作物材料の公知の熱膨張係数を用いて、その温度に補正されるべきである。
【００７０】
本発明によるさらに好ましい方法においては、各々一つは、特定の温度に関連する、複数の誤差マップ、ルックアップテーブルまたは誤差関数が構築される。このことは、図５に示される。
【００７１】
図５は、ステップ８４−１、８６−１、８８−１、および、９０−１を示している。これらは、それぞれ、図３および図４における、ステップ８４、８６、８８および９０に対応する。これらは、以下のものを除いて、上記と同様に進行し、従って、さらなる詳細については、上述の説明に参照がなされるべきである。
【００７２】
較正されたマスター工作物が、ステップ８４−１で計測される前に（あるいはことによると後に）、センサ５４または５４Ａ−５４Ｄのような１つ以上の温度センサを読み取ることによって、計測の温度が、また、ステップ９２で決定される。そして、ステップ８６−１で、誤差は、このようにして決定された温度に（所定の許容範囲内で）関連する誤差マップに格納される。（あるいは、それは、同様にその温度に関連する誤差関数を計算するために使用され得る。）
【００７３】
工作物のシリーズが計測され補正されるとき、計測温度を監視するためのその後の決定が、ステップ８８−１の間に行われる。温度が所定の許容範囲内に留まる場合は、補正は、その温度についての誤差マップ、ルックアップテーブルまたは誤差関数からなされる。
【００７４】
温度が、所定の許容範囲以上に変化したと決定される場合、矢印９４によって示されるように、その後、ステップ８４−１および８６−１のさらなる繰り返しが行われる。較正されたマスター工作物が機械のテーブル１２に置き換えられ、それが計測され、補正値が、新しい温度（所定の許容範囲内）に関する、異なる誤差マップ、または、ルックアップテーブルに格納される。したがって、いくつかの異なる計測温度のそれぞれに対して、別個の誤差マップまたはルックアップテーブルが構築される。または、補正値が、同様にその温度に関連する誤差関数を計算し、または、再計算するために使用され得る。
【００７５】
ステップ８８−１において、誤差が、計測が行われる温度に対応した適切なマップ、テーブルまたは関数を用いて補正される。
【００７６】
新しい工作物のシリーズが計測されるべきであるとき、ステップ９０−１は、ステップ９２、８４−１、８６−１および８８−１のさらなる繰り返しで進行する。新しいシリーズの新しいマスター工作物に対して、ステップ８４−１で生成された補正値は、ステップ９２において決定された温度（所定の許容範囲内）に関連する、誤差マップまたはルックアップテーブルまたは誤差関数を構築または改良するために使用される。ステップ８８−１における、新しいシリーズの後続の工作物での計測の間、温度が監視され、それが所定の許容範囲を超えて変化すると、マスター工作物は、変化した温度に関連して、別の誤差マップまたはテーブルまたは関数を構築または改善するために再び計測される。
【００７７】
誤差関数の場合において、上記の説明は、別個の関数が異なる温度毎に構築されることを示唆している。ただし、計測温度に関して（機械の作業容積にわたって）計測誤差の変動に関連する項を含む一つの誤差関数を構築することが、代わりに可能である。これは、この分野の当業者の通常の能力の範囲内である。
【００７８】
図６は、計測温度を考慮して、後続の工作物の計測値の補正が実行される、あり得る方法を示す。これは、図５のステップ８８−１、または、図３および図４のステップ８９のいずれかであり得る。後続の工作物は、ステップ８９−１で計測される。この前またはこの後に、計測温度が、センサ５４または５４Ａ−５４Ｄのような温度センサを用いて決定される（ステップ９６）。最初のオプション（ステップ９８）において、計測値は、所定の許容範囲内で、このように決定された温度に対応する、誤差マップ、テーブルまたは関数から補正される。
【００７９】
代替的に、誤差マップ、テーブルまたは関数が、許容範囲に対応しない場合には、ステップ１００において、異なる温度に関係する二つ以上の誤差マップ、ルックアップテーブルまたは誤差関数の間で内挿し、または、これらから外挿することが可能である。
【００８０】
もちろん、例えば、次のように、多数の修正が、上述した実施形態に対してなされ得ることが理解されるであろう。
【００８１】
図１に示されるような３つの伸張可能なストラットを備えた支持機構２０よりはむしろ、プローブ１４を移動させるための他の支持機構が使用され得る。例えば、可動部材１６と、機械の固定構造体との間に並列に旋回可能に取り付けられた、６つの伸長可能なストラットを備えた、ヘキサポッド支持機構を使用することが可能である。そのようなストラットの各々は、上記のように、サーボループを形成する、モータおよびエンコーダによって伸長させられ、収縮させられる。各ストラットの伸長および収縮は、五または六自由度の可動部材の動きを制御するために（したがって、プローブ１４は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動させられると共に、ＸおよびＹ軸の周りに傾斜させることによって、配向させられ得る。）、コンピュータ制御によって調整される。エンコーダの出力は、コンピュータ制御手段によって読み取られ、計測が行われるべきとき、デカルト座標に変換される。
【００８２】
あるいは、可動部材１６のための支持機構と、プローブ１４は、それぞれ、Ｘ、ＹおよびＺ方向に移動する、３つの直列に配置されたキャリッジを有する、従来のデカルトＣＭＭであり得る。
【００８３】
所望であれば、上記の配置のいずれかにおいて、プローブ１４は、プローブを配向させる１つまたは２つの軸で回転可能である、プローブヘッドを介して可動部材１６に取り付けられ得る。いくつかの適切なプローブヘッドが、本出願人／譲受人のレニショー株式公開会社から入手され得る。プローブヘッドは、複数の向きのいずれかにロックされ得る、レニショーＰＨ１０モデルのような、割り出しタイプのものであり得る。また、それは、レニショーＰＨ２０モデルのような、連続的に回転可能なプローブヘッドであり得る。または、プローブ自体が、レニショーの「ＲＥＶＯ（登録商標）」またはＰＨ２０プローブのような、１つまたは２つの連続回転の軸を有し得る。
【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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【国際調査報告】
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