(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタイラス付のアナログプローブの誤差マッピング方法において、
ａ）該プローブおよび既知の半径を持った較正アーチファクトを、複数の移動軸である機械軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を持った機械に装着するステップ、
ｂ）該アーチファクトの近くの複数の位置において、前記アナログプローブの前記スタイラスが該アーチファクトの表面に接触する位置に前記アナログプローブを持ってくるステップ、
ｃ）前記複数の位置の夫々について、前記スタイラスの撓みがゼロまたは非常に小さいときの前記機械軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の位置の値を判定し、および、該位置から前記較正アーチファクトの前記既知の半径に関連する値を計算するステップであって、前記スタイラスの撓みがゼロまたは非常に小さいときの前記機械軸の位置の値が、前記較正アーチファクトの表面と公称垂直な方向から前記較正アーチファクトと前記アナログプローブを相対移動させて前記スタイラスを該表面と接触させて所定量だけ撓ませ、前記スタイラスの撓み（ａ，ｂ，ｃ）と機械軸Ｘ、ＹおよびＺの位置の同時に読んだ値を時間間隔をおいて記録し、前記記録した読みの夫々を外挿または内挿して前記スタイラスの撓みがゼロまたは非常に小さいときの前記機械軸Ｘ、ＹおよびＺの位置の値を取得することによって判定される、ステップ、
ｄ）前記アーチファクトの近くの前記複数の位置の夫々について前記スタイラスの予め選択した一つの撓みにおいて、前記スタイラスの撓みを３つの公称直交軸（ａ，ｂ，ｃ）に沿って測定する前記アナログプローブの出力を記憶し、該プローブの（ａ，ｂ，ｃ）軸上の出力を前記機械軸の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標系に関係付けるトライアルプローブ変換行列を使用して該プローブの出力を機械軸の位置の値に変換し、および、その結果、前記較正アーチファクトの前記既知の半径に関連する値を決定するステップ、
ｅ）前記ステップｃ）で計算された前記値と比較して、該ステップｄ）で決定された前記既知の半径に関連する値の差を記憶するステップ、および、
ｆ）該ステップｅ）で記憶された前記差を最小化するよう前記トライアルプローブ変換行列を最適化するステップ、によって較正する較正ステップ、
前記較正ステップで生成された、最適化された前記トライアルプローブ変換行列を使用して、前記アナログプローブの出力データを前記較正アーチファクト上の一つの接触点において該プローブの前記スタイラスの少なくとも２つの撓みについて機械軸の位置に変換するステップ、
夫々の撓みの大きさについて前記較正アーチファクトの前記既知の半径に関連する値を計算するステップ、
該計算を、前記較正アーチファクトの別の複数の位置において少なくとも２つの撓みについて繰り返すステップ、
計算した前記既知の半径に関連する値を以前に較正した値と比較しおよび夫々の場合の誤差を記憶するステップ、並びに、
撓みの夫々の値について該誤差をストアして誤差マップを形成するステップを有することを特徴とする誤差マッピング方法。
【請求項２】
前記アナログプローブの前記スタイラスと前記較正アーチファクトの摩擦角を判定するステップ、
摩擦角を用いた補正の変化率の値を判定するステップ、および、
該値を前記誤差マップの追加項としてストアするステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の誤差マッピング方法。
【請求項３】
ワークピースに接触させる屈曲自在のスタイラス付のアナログプローブの較正方法において、
ａ）該プローブおよび既知の半径を持った較正アーチファクトを、複数の移動軸である機械軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を持った機械に装着するステップ、
ｂ）該アーチファクトの近くの複数の位置において、前記アナログプローブの前記スタイラスが該アーチファクトの表面に接触する位置に前記アナログプローブを持ってくるステップ、
ｃ）前記複数の位置の夫々について、前記スタイラスの撓みがゼロまたは非常に小さいときの前記機械軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の位置の値を判定し、および、該位置から前記較正アーチファクトの前記既知の半径に関連する値を計算するステップであって、前記スタイラスの撓みがゼロまたは非常に小さいときの前記機械軸の位置の値が、前記較正アーチファクトの表面と公称垂直な方向から前記較正アーチファクトと前記アナログプローブを相対移動させて前記スタイラスを該表面と接触させて所定量だけ撓ませ、前記スタイラスの撓み（ａ，ｂ，ｃ）と機械軸Ｘ、ＹおよびＺの位置の同時に読んだ値を時間間隔をおいて記録し、前記記録した読みの夫々を外挿または内挿して前記スタイラスの撓みがゼロまたは非常に小さいときの前記機械軸Ｘ、ＹおよびＺの位置の値を取得することによって判定される、ステップ、
ｄ）前記アーチファクトの近くの前記複数の位置の夫々について前記スタイラスの予め選択した一つの撓みにおいて、前記スタイラスの撓みを３つの公称直交軸（ａ，ｂ，ｃ）に沿って測定する前記アナログプローブの出力を記憶し、該プローブの（ａ，ｂ，ｃ）軸上の出力を前記機械軸の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標系に関係付けるトライアルプローブ変換行列を使用して該プローブの出力を機械軸の位置の値に変換し、および、その結果、前記較正アーチファクトの前記既知の半径に関連する値を決定するステップ、
ｅ）前記ステップｃ）で計算された前記値と比較して、該ステップｄ）で決定された前記既知の半径に関連する値の差を記憶するステップ、および、
ｆ）該ステップｅ）で記憶された前記差を最小化するよう前記トライアルプローブ変換行列を最適化するステップを有することを特徴とする較正方法。
【請求項４】
前記較正アーチファクトは球体であることを特徴とする請求項３に記載の較正方法。
【請求項５】
前記スタイラスは半径（ｒ）を有するチップを有しており、該半径と前記球体の半径の合計値が前記既知の半径に関連する値であることを特徴とする請求項４に記載の較正方法。
【請求項６】
前記同時に読んだ値は前記相対移動を反転する間に記録されることを特徴とする請求項３に記載の較正方法。
【請求項７】
前記ステップｄ）において、前記スタイラスの前記予め選択した一つの撓みが前記アーチファクトの近くの夫々の位置で同一であることを特徴とする請求項３または４に記載の較正方法。
【請求項８】
ワークピースに接触させる半径（ｒ）のチップが付いたスタイラスを有するアナログプローブを請求項５に記載の較正方法に基づいて較正する較正ステップ、
較正ステップで生成したトライアルプローブ変換行列を使用して、球体上の１つの接触点について少なくとも２つの異なる半径方向のスタイラスの撓みのところでの前記プローブのａ、ｂおよびｃ出力データを機械のＸ、ＹおよびＺ座標位置に変換するステップであって、前記トライアルプローブ変換行列が前記プローブの（ａ，ｂ，ｃ）軸上の出力を前記機械軸の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標系に関係付け、および、該出力が前記スタイラスの撓みを３つの公称直交軸（ａ，ｂ，ｃ）に沿って測定するステップ、
それぞれの大きさの撓みについて前記球体と前記チップを合わせた半径Ｒ＋ｒを計算するステップ、
前記球体の周囲のその他の位置における少なくとも２つの半径方向の撓みについて前記計算を繰り返すステップ、
前記計算した半径を以前に較正した値と比較し、それぞれのケースでの半径誤差を記憶するステップ、および、
接触点の撓み、方位角および仰角それぞれの値に対して前記半径誤差をストアして誤差マップを作成するステップを有することを特徴とするアナログプローブの誤差マッピング方法。
【請求項９】
プローブチップと基準球の間の摩擦角を判定するステップ、
摩擦角を用いた補正の変化率の値を判定するステップ、および、
該値を前記誤差マップの追加項としてストアするステップをさらに有することを特徴とする請求項８に記載のアナログプローブの誤差マッピング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】  本発明は、アナログプローブの較正方法に関する。具体的にはこの方法は、ワークピース、例えばばねサスペンション等の機械的サスペンションに装着されたワークピースに接触させるスタイラスを有するアナログプローブの較正に関する。
【０００２】  この種のアナログプローブは周知であり、このようなプローブの一例が本出願人らによる英国特許第１，５５１，２１８号に記載されている。この特許はプローブサスペンション機構について記載しており、これは直交配置された平行ばね対を３対備え、ばね対はプローブハウジング上の固定点とワークピースに接触するスタイラスが結合された可動部材との間に直列に結合される。
【０００３】  このようなプローブを使用したワークピースの測定操作の際には、プローブを装着した機械をワークピースに向かって駆動させ、ワークピースの表面の様々な点でスタイラスをこの表面に接触させる。スタイラスがワークピースと接触すると、スタイラスは機械が移動し続けるに従ってたわんで、プローブ内部の測定用トランスデューサは３本の直交軸に沿ったプローブスタイラスのたわみを表す出力を生成する。これらの軸は、プローブのａ、ｂおよびｃ軸と呼ばれる。
【０００４】  理想的には、プローブを機械に装着したときにプローブのａ、ｂおよびｃ軸が機械のＸ、ＹおよびＺ座標軸と整列し、そのためプローブスタイラスのたわみが機械のＸ、ＹおよびＺ軸に沿って測定されるように、予め準備されるであろう。しかし、常にこのように整列できるとは限らない。
【０００５】  また、プローブの３軸ａ、ｂ、ｃ間に整列不良があってこれらの軸が直交しないならば、スタイラスのたわみ、例えば公称ａ方向のたわみがｂおよびｃ方向のたわみも引き起こす可能性がある。
【０００６】  さらに、３つのプローブ軸の目盛係数（scaling factors）は、一般にそれらの公称値から外れることになる。
【０００７】  そのため通常は、プローブ／機械システムを較正してこのような整列不良および目盛係数の誤差の影響を判定し、その後で、ワークピースについてこれらの影響に関して実施された測定の補正を行なう。
【０００８】  較正を実行する１つの方法では、較正アーティファクト（artefact）（通常は直径が既知の基準球である）を機械に装着し、プローブの測定器出力が所定のしきい値レベルを超えて増大しアーティファクトの表面に接触したことを指示するまで、プローブをアーティファクトに向かって、例えば１本の機械軸に沿って駆動させる。スタイラスの接触を確認した後、機械のＸ、Ｙ、Ｚ座標データとプローブのａ、ｂ、ｃ座標データのセットを記録する。機械を動かし続け、確認した接触点からさらに選択した距離だけ移動させ、さらなるＸ、Ｙ、Ｚ座標データとａ、ｂ、ｃ座標データのセットを記録する。
【０００９】  プローブの３軸方向の測定用トランスデューサの出力ａ、ｂ、ｃの変化を記録し、３本の機械軸それぞれに沿った機械の測定器の読みの変化と相関させる。この手順を直交するその他の２つの方向、例えば機械の他の２つの軸についても繰り返し、これらの読みのセットから、ａ、ｂ、およびｃ軸のプローブ出力を機械のＸ、Ｙ、およびＺ座標系に関係付けるプローブ変換行列を確立する。これは、ａ、ｂ、およびｃ軸データをそれぞれＸ、Ｙ、およびＺ軸に関係付ける９つの連立方程式を解くことを含む。このプロセスは１つの、またはさらに複数のたわみについて繰り返してもよいが、通常は比較的少数のデータポイントだけをとる。
【００１０】  変換行列が確立されると、適切なプローブ出力に適切な行列項（matrix term）を乗じることによって、プローブのたわみの適切な機械軸の成分が得られる。
【００１１】  この較正のキーとなる仮定は、機械の動きがプローブチップの動きを反映するということである。しかし、スタイラスが球表面ですべるときは、この仮定は無効になる。
【００１２】  ２つの要因がスタイラスを球表面ですべらせる原因となり得る。
ｉ）機械が、すべりを防ぐほどに正確には命じられた方向に移動しない場合があり、
ｉｉ）プローブの力のベクトルおよびたわみのベクトルがすべりを防ぐほどにぴったりとは一致しない場合がある。
【００１４】  本発明の第２の新規態様によれば、前記手順を多数の（すなわち、最低３以上）方向に実施することができ、これにより、機械軸から離れる方向でより正確な行列計算を容易に行なえる。
【００１５】  本発明の他の新規態様によれば、アナログスキャンプローブのたわみ（deflection）を誤差マッピングする方法が提供される。
【００１６】  次に、添付図面を参照して本発明の方法をより具体的に説明する。
【００１７】  次に図１および２を参照する。機械（machine）のクイル（図示せず）に装着され、その自由端にスタイラスボール３を備えたスタイラス２を有するアナログプローブ１が示されている。このスタイラスは、既知の半径Ｒを有し、機械軸座標中の位置Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１にその中心Ｏを持った基準球と接触して示されている。スタイラスボールの直径をｒとして、このｒは球中心位置およびプローブ変換行列とともに判定される。
【００１８】  較正方法の第１ステップとして、プローブを自由な状態で「ゼロの目盛りに合わせ」なければならない。このステップは単純に、スタイラスに接触力が作用していないときにプローブの測定用トランスデューサから読みを記録すること、これらの読みを３軸ともゼロにセットすること、または以降の全ての読みから差し引けるようこれらの読みをストアしておくことを含む。
【００１９】  次のステップは球中心位置を推定することであり、周知の方法で中心位置を計算可能な球表面周囲の４箇所における点を測定し、そして適切なデフォルトのプローブ変換行列を開始点として使用することによって実施される。このステップが必要なのは、この較正方法では障害を考慮に入れて少なくとも９点で、最大では球表面上に合理的に分布した必要とされるだけ多くの数の点で球との接触が必要なためであり、プローブが球表面のほぼ正しい位置で表面と接触するように機械を動かすことが重要である。しかし、この段階で球中心位置を正確に知っておくことは重要ではない。
【００２０】  この較正方法では、較正アルゴリズムの複数の点それぞれについて、プローブスタイラスを機械によって駆動して球表面に公称垂直な方向に球と接触させることが必要である。スタイラスボールが球表面に接触した後、機械によって、スタイラスのたわみが必要な較正たわみを超えるまで同一方向にプローブを駆動し続ける。このたわみの大きさは、プローブを使用してワークピースを測定する際に実際に生じるたわみによって判定される。
【００２１】  スタイラスを必要なだけたわませた後、機械を停止させてそのアプローチ経路に沿って反転させ、機械の測定器の出力の読みとプローブの測定用トランスデューサの読みを一定の間隔で同時に読んで、機械の位置のＸ、ＹおよびＺ座標と同期したプローブのａ、ｂおよびｃ出力を得る。このプロセスは、プローブ出力の雑音と時間遅れを考慮して、プローブスタイラスが表面から離れ、その後短い距離を隔てるまで続ける。
【００２２】
次にこのデータを使用して、球上のそれぞれの点についてプローブのたわみがゼロのときの機械のＸ、ＹおよびＺ軸位置を計算する。これは例えば、それぞれの点のデータを
Ｘ＝ｋ1・ａ＋ｋ2・ｂ＋ｋ3・ｃ＋ｋ4
の形の式に当てはめ、次いでゼロに外挿すること、すなわちＸ＝ｋ4とすること
によって行なわれる。
上記手順を多数の（すなわち、最低３以上）方向に実施することができ、これにより、機械軸から離れる方向でより正確な行列計算を容易に行なえる。
【００２３】  基準球とスタイラスボールはともに正確に球形であるという指定なので、外挿されたこれらの点は全て半径Ｒ＋ｒの球表面上になければならないことになる。計算された点から、ここで半径Ｒ＋ｒと球中心位置をより正確に、標準のマルチポイント球体適合関数、例えば最小２乗最適適合法を使用して計算することができる。球の半径Ｒは分かっているので、ここでスタイラスボールの半径ｒを判定することができる。
【００２４】  不確実性を伴う「ゼロへの外挿」プロセスを使用する代わりに、機械を反転させたときに得たデータをスタイラスたわみが非常に小さくなる２点間で内挿してもよい。
【００２５】
スタイラスのたわみはゼロかまたは非常に小さいので、較正プロセスのこの部分ではプローブ変換行列を使用する必要がないことに留意されたい。従って、計算におけるプローブの誤差は排除されるか微小なものとなる。
【００２６】
次に、プローブたわみの大きさを例えば３００ミクロンに選択し（図２参照）、これにより以降の測定で使用するたわみを表す。そして、それぞれのデータセットから、たわみが公称３００ミクロンである位置の両側の少数のプローブの読みと機械の読みを平均して内挿し、プローブたわみが３００ミクロンの点におけるＸ、ＹおよびＺ機械軸座標とａ、ｂ、ｃプローブ出力を推定する。
【００２７】  トライアルプローブ行列、例えば以前に使用したデフォルト行列が、３００ミクロンの半径方向たわみで推定されたこれらプローブ出力に適用される。このトライアルプローブ行列を使用してａ、ｂ、ｃプローブ出力値をＸ、Ｙ、Ｚ機械成分に変換し、これら機械成分は球の中心に対するＸ、Ｙ、Ｚ機械距離に追加することができる。較正データをとった（少なくとも９つの）位置のそれぞれについて球の半径Ｒ＋ｒを計算し、半径の誤差をストアする。次いで、プローブ行列中のそれぞれの係数について、例えばこれらの位置における半径の誤差の２乗和平方根が最小になるまで、これら係数を調整することによって最適化計算を実施する。この最適化プロセスを実施するためのソフトウェアは周知であって、様々な数学関数ライブラリから入手可能であり、本明細書で詳細を説明することはしない。
【００２８】  この最適化プロセスは、球中心位置を表す３つの追加の係数を含むことがあり、この場合、較正データをとった少なくとも１２の位置を使用しなければならない。
【００２９】  以上に説明した較正プロセスによって、スタイラスの半径方向の１つのたわみに対して最適化されたプローブ行列を提供する。所望ならば、プローブの他のたわみに対して通常の測定範囲内でさらに計算を実行してもよい。この較正プロセスの基本的な要件は、それぞれの点でデータを集めている間はスタイラスボールが基準球表面にあり続けるという仮定の妥当性にある。それぞれの点のＸ、ＹおよびＺ座標を与える機械の測定器からの測定データ取得が、プローブ軸ａ、ｂおよびｃのデータを提供するプローブの測定器からの到来データと十分に同期していることも重要である。
【００３０】  プローブを較正してプローブ行列を決定した後に、上記プロセスの拡張を用いて既に収集済みのデータを使用してプローブを誤差マップすることができる。
【００３１】  誤差マッピング技法の新規部分は、データを収集している間スタイラスボールが基準球表面に接触している限り、曲率半径が一定かまたは徐々に変化する部分については接線方向の誤差が微小であるというだけの理由で、半径方向の誤差をマップすれば十分であるとの理解に基づくものである。これによって測定回数は、プローブのたわみの慣用の完全な誤差マップを作成するために必要とされる測定回数と比べて顕著に減少する。他の利点は、この手順を実行するために必要な装置が正確な球だけであり、これが普通に入手可能なことである。
【００３２】  誤差マップを作成するために、以前にストアしたデータを使用することができる。上記較正方法によって生成したプローブ行列を使用して、ａ、ｂおよびｃ軸のプローブ出力が機械のＸ、ＹおよびＺ座標位置に変換される。球の中心からスタイラスチップの中心までの半径が計算される。先に較正した球の既知の半径とチップ半径との和からの半径誤差が、プローブのたわみの大きさ、およびたわみ３００ミクロンでの接触点の方位角と仰角に対しストアされる。次いで一般には、プローブのたわみ方向でなくて大きさを変更し、第２の半径方向の誤差を計算し、同一方位角と仰角における第２のたわみの大きさに対してストアする。
【００３３】  選択した２つのプローブたわみは、以降の測定操作中におそらく遭遇しそうなプローブたわみの最大と最小を表す。しかし、その他のプローブたわみについてさらにデータを集め、以降の誤差マップから内挿されるデータの確実性を向上させてもよい。
【００３４】  以上のプロセスを適切なその他の方向について繰り返し、２つのたわみの大きさについて方位角と仰角に対する半径方向の誤差のマップを編集する。一般にこのプロセスは、プローブたわみの部分球形シェル形態のマップを生成する。シェルの内半径と外半径によって普通、予想される全ての測定プローブのたわみの大きさを挟み、方位角および仰角の範囲は予想される実際のプローブたわみ方向に関して選択される。例えば垂直軸の内径だけをスキャンする場合には、仰角は０°で十分だろう。
【００３５】  誤差マップに必要なデータを取得するのに様々な方法を使用することができる。これらの方法は、いくつかの異なる一定のたわみによる、すなわち連続的に変化するたわみを用いて球周囲をスキャンすることによる、または平行、直交、傾斜平面などの１つまたは複数の平面内でスキャンすることによる、またはこれらの技法の組合せによる、球周囲の所望位置において球の中心に向かうプローブスタイラスの公称半径方向の一連の動きを含んでいる。マップ自体は、たわみの大きさ、方位角と仰角に対する半径方向の誤差の多次元ルックアップテーブルから成るものでもよいし、あるいは関連した多項式係数を有する関数または三角関数から成るものでもよい。
【００３６】  マップがルックアップテーブル形態の場合、以降の測定誤差は、ストアされた半径方向の誤差値を内挿して測定位置におけるスタイラスチップの位置に適用される補正を得ることにより補正される。これとは別にマップが多項式関数の場合は、半径方向の誤差の式を測定位置におけるたわみの大きさと角度に対して解く。
【００３７】  スタイラスチップと球表面間の摩擦は誤差マップにおいて考慮が必要な追加の誤差を生じさせ得ることが分かった。実際に本出願人らは、プローブのたわみベクトルが摩擦によって球表面から外側への法線からある角度ずれることを見出した。この角度は、球に対するプローブチップの動きの方向によって、最大摩擦角まで正にも負にもなり得る。本出願人らは、測定誤差は摩擦係数の増大につれて、かつ、プローブのａ、ｂおよびｃ軸の誤差の非対称の度合いとともに増大することを見出した。例えば半径方向のたわみが１ｍｍ、摩擦角８．５°、ａ軸とｂ軸の非対称が３％では、２．５ミクロンの法線誤差が存在し得る。
【００３８】  プローブチップの摩擦係数は接触したワークピース表面の材質と状態に応じて変化し、較正／マッピングアーティファクトのそれとはほぼ確実に異なるだろう。
【００３９】  摩擦係数を予測したり制御することが困難なため、誤差マッピングプロセスのさらなる新規の改良において本出願人らは、プローブのたわみベクトルの方向と測定した表面法線方向（実際のプローブチップの軌跡から導かれる）とを比較することにより、現在の摩擦角を１次（a first order）まで判定できることを見出した。この摩擦角の値は、その誤差がマップされているプローブ出力自体から導かれるために不正確であるが、１次まで誤差マップの正確さを改良できる程度には十分に正確である。
【００４０】  従って誤差マップを作成する方法における追加のステップでは、基準球を時計回りおよび半時計回りの両方向にスキャンすべきこと、並びに見掛けの摩擦角をプローブのたわみベクトルと表面の法線方向の差分から判定すべきことを提案する。次いで、摩擦係数ゼロに対して計算されていることが好ましいストアされた補正値に加えて、摩擦角を用いた補正の変化率の値をそれぞれの方位角、仰角、および半径方向のたわみに対してストアする。以降の測定は、ストアされた補正値を内挿し、これを内挿された変化率に（プローブのたわみベクトルの方向と測定した表面の法線方向から前もって判定された）現在の摩擦係数を乗じたものに加えることによって見出した量によって続いて補正することができる。
【００４１】  本出願人らは、この摩擦角に対するこの許容誤差を含めることによって、半径方向の測定誤差をサブミクロンレベルにまで低減できることを見出した。
【図面の簡単な説明】
【図１】  基準アーティファクトと接触するスタイラス付きのスキャンプローブを示す。
【図２】  機械のＸ、Ｙ、Ｚ軸の１つにおける、プローブのたわみに対する機械の動きのプロットを示す。
【図１】
0005274736.tif 000002
【図２】
0005274736.tif 000003