(57)【要約】３つの直交軸に関するプローブ出力を機械のＸ，Ｙ，Ｚ座標系に関連付けるプローブ較正マトリックスを有して、機械に取り付けられたプローブを較正する方法。機械に取り付けられた基準ボールが、このプローブによって１つ以上の平面において双方向に走査される。各平面に対する２つの近似したプローブベクトルの平均方向が、各方向における走査から得られた見掛けの材料状態が同一となるまで該平面に直交軸を中心に回転させられる。このプロセスは繰り返されてもよい。各平面に対するプローブベクトルの方向の平均値は回転させられ、修正されたプローブ較正マトリックスを形成する。基準ボールは３つの直交する平面内で双方向に走査されることが好ましい。
2004521343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械に取り付けられ、ワーク接触端を持ったスタイラスと３つの直交軸に関するプローブ出力を前記機械のＸ，Ｙ，Ｚ座標系に関連付けるプローブ較正マトリックスとを有するプローブの較正方法であって、
基準ボールを少なくとも１つの平面内で双方向に走査し、各平面に対して該平面における２つの近似したプローブベクトルの平均的な方向を、各方向における走査から得られた見掛けの材料状態が同一となるまで、該平面に直交軸を中心として回転させるステップと、
各平面に対するプローブベクトルの方向の回転平均値を取得して、修正されたプローブ較正マトリックスを形成するステップと
を具えたプローブ較正方法。
【請求項２】
各平面における個々のプローブベクトルが大きさにおいて変化可能な、請求項１に記載のプローブの較正方法。
【請求項３】
各平面における個々のプローブベクトルが方向において変化可能な前記請求項のいずれか１項に記載のプローブ較正方法。
【請求項４】
前記１つ以上の平面が互いに実質的に直交している前記請求項のいずれか１項に記載のプローブ較正方法。
【請求項５】
前記１つ以上の平面が、互いに実質的に直交する３つの平面を含む前記請求項のいずれか１項に記載のプローブ較正方法。
【請求項６】
前記平面において、該平面に直交軸を中心に２つの近似したプローブベクトルの平均方向を回転させるプロセスが繰り返される前記請求項のいずれか１項に記載のプローブ較正方法。
【請求項７】
前記プローブがアナログプローブである前記請求項のいずれか１項に記載のプローブ較正方法。
【請求項８】
ワーク接触端と３つの直交軸に関するアナログプローブ出力を機械のＸ，Ｙ，Ｚ座標系に関連付けるプローブ較正マトリックスとを有するスタイラスを具えて、機械に取り付けられているアナログプローブの較正方法であって、
（ａ）第１の平面内で基準ボールを双方向に走査し、各平面に対して該第１平面における２つの近似したプローブベクトルの平均的な方向を、各方向における走査から得られた見掛けの材料状態が同一となるまで、該第１平面に直交軸を中心として回転させ、
（ｂ）前記第１の平面に直交する第２の平面において前記基準ボールを双方向に走査し、各平面に対して該第１平面における２つの近似したプローブベクトルの平均的な方向を、各方向における走査から得られた見掛けの材料状態が同一となるまで、該第２平面に直交軸を中心として回転させ、
（ｃ）前記第１、第２平面に直交する第３の平面において前記基準ボールを双方向に走査し、各平面に対して該第３平面における２つの近似したプローブベクトルの平均的な方向を、各方向における走査から得られた見掛けの材料状態が同一となるまで、該第３平面に直交軸を中心として回転させ、
（ｄ）ステップ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のプローブベクトルの方向の回転平均値を取得して、修正されたプローブ較正マトリックスを形成する
各ステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アナログプローブの較正方法に関する。この方法は、ワークに接触するスタイラスを有し、機械的懸架装置、例えばばね懸架装置に取り付けられるアナログプローブの較正に対して特に関係を有する。
【背景技術】
【０００２】
このタイプ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、プローブハウジングの固定点と、ワーク接触スタイラスが連結される可動部材との間に直列に連結された３対の直交する同じ性質を持つばねを具えたプローブ懸架機構を記述している。
【０００３】
このようなプローブを使用したワークに対する測定作業中に、このプローブを取り付けた機械がワークの方に動かされ、スタイラスをワークの表面の種々の点に接触させる。スタイラスがワークに接触すると、機械が移動し続けているのでスタイラスは偏向させられ、プローブ内の測定変換器は３つの直交軸に沿ったプローブスタイラスの偏向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軸と呼称される。
【０００４】
理想的には、プローブのａ，ｂおよびｃ軸は、このプローブが機械に取り付けられた場合、測定されるプローブスタイラスの偏向が機械のＸ，ＹおよびＺ軸に沿って生じるように、機械のＸ，ＹおよびＺ座標軸と一致するように配置されよう。しかしながら、このような一致が常に可能であるとは限らない。
【０００５】
また、プローブのａ，ｂおよびｃ軸の間に何らかの調整不良があって、これらが直交していないならば、この場合には例えばａ方向のスタイラスの偏向がｂおよびｃ方向にも偏向を引き起こす可能性がある。
【０００６】
さらに、これら３つのプローブ軸の倍率は、概してその公称値から外れよう。
【０００７】
従って、プローブおよび機械システムを較正して何らかのこのような調整不良と倍率誤差の影響を求め、その後、ワークに対してなされた全ての測定をこれらの影響に対して補正するのが普通である。
【０００８】
本出願人の国際特許出願第ＷＯ ００/２５０８７号に記載された較正を行う１つの方法は、較正品（通常は既知の直径の基準球体）を機械に取り付け、プローブの測定装置の出力の増加が予め設定された閾値を越えて較正品の表面との接触が生じたことを示すまで、プローブをこの較正品の方向に、例えば機械の１つの軸に沿って移動させることである。スタイラスの接触が確認された後、機械のＸ，Ｙ，Ｚおよびプローブのａ，ｂ，ｃ座標データが一組取得される。確認された接触点を越えて機械が所定距離だけ移動するまで機械の移動が続き、さらなるＸ，Ｙ，Ｚおよびａ，ｂ，ｃ座標データが一組取得される。
【０００９】
３つの軸におけるプローブの測定変換器のａ，ｂ，ｃ出力に関する変化が記録され、３つの機械軸のそれぞれに沿ったこの機械の測定装置の測定値の変化と関連付けられる。この手順は、他の２つの直交方向−これは他の２つの機械軸であってよい−に対して繰り返され、これら測定値の組から、ａ，ｂおよびｃ軸におけるプローブの出力を機械のＸ，ＹおよびＺ座標系に関連付けるプローブ変換マトリックスが定められる。これは、ａ，ｂおよびｃ軸データをＸ，ＹおよびＺ軸のそれぞれに関連付ける９つの連立方程式を解くことを意味する。この処理を１つ以上の更なる偏向に対して繰り返すことができるが、通常は比較的少数のデータポイントが取得される。
【００１０】
変換マトリックスが作られると、プローブ偏向の関連する機械軸成分が、この関連プローブ出力に関連マトリックス項を乗じることによって求められる。
【００１１】
【特許文献１】英国特許第１,５５１,２１８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
この較正における基本的な前提は、機械の移動がプローブに対するスタイラスの先端の動きを反映していることにある。しかしながら、この前提は、スタイラスが球体の表面を滑る場合には無効となる。
【００１３】
スタイラスが球体の表面を滑る可能性のある２つの要因がある。
ｉ）機械が滑りを防ぐのに指示された方向へ充分正確に動かないことがある。
ii）プローブの力と偏向ベクトルとが滑りを防ぐのに充分厳密に一致していないことがある。
【００１４】
プローブ軸の感度は、この方法によって正確に決定されるけれども、スタイラスの横滑りがプローブ軸に関して不正な方向を生成する。
【００１５】
さらに、較正されたプローブによる走査の際、先端の摩擦抵抗が逆走査方向にかなり大きなプローブの変位成分をもたらす。
【００１６】
先端の摩擦抵抗と前述のプローブ軸の不正な方向との組合せは、表面の見掛けの材料状態に（すなわち表面に対して垂直な方向に）誤差を引き起こす。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、ワーク接触端と３つの直交軸に関するプローブ出力を機械のＸ，Ｙ，Ｚ座標系に関連付けるプローブ較正マトリックスとを有するスタイラスを具えて、機械に取り付けられているプローブの較正方法であって、
少なくとも１つの平面内で基準ボールを双方向に走査し、各平面に対して該平面における２つの近似したプローブベクトルの平均的な方向を、各方向における走査から得られた見掛けの材料状態が同一となるまで、該平面に直交軸を中心として回転させるステップと、
各平面に対するプローブベクトルの方向の回転平均値を取得して、修正されたプローブ較正マトリックスを形成するステップと
を具えたプローブ較正方法を提供する。
【００１８】
各平面における個々のプローブベクトルは、その大きさと方向を変化可能であって、平均されたベクトル方向は不変のまま残る。
【発明の効果】
【００１９】
この方法は、基準ボールに関する６回の走査が完了（すなわち、各平面に対して２回）すると、実在するデータが用いられ、何らかの更なるデータを必要とせずにプローブマトリックスが繰り返し最適化されるという利点を有する。
【００２０】
皿手  区  利点は、この方法による較正に必要な接触点の数が少なくてすむことにある。９点接触の最初のマトリックスを前述の６回の走査によって仕上げることによって、良好な結果が得られる。しかし、実用的には１３点が好ましく、なぜならば後続する測定課題のために必要な基準ボールの位置とプローブ先端の直径の両者が、さらに良好に推定されるからである。
【００２１】
改善されたプローブ較正のためのこの方法は、タッチトリガー（touch trigger）式の測定に使用するのにも適している。
【００２２】
本発明は、３つの直交する平面内での基準ボールの双方向走査に限定されるものではない。この方法は、これの部分集合（subset）、例えば、一平面のみ又は直交する二平面内で行われてもよい。
【００２３】
さらに、この方法は、互いに直交していない平面内で基準ボールを双方向に走査することによって行われてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の方法は、添付図面を参照して以下により詳細に説明されよう。
【００２５】
さて、図１および図２を参照すると、機械のクイル（図示しない）に取り付けられ、自由端にスタイラスボール３を持ったスタイラス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、機械軸座標における位置Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１に中心Ｏを有する既知の半径Ｒの基準球体に接触状態で示されている。スタイラスボールは、球体の中心位置およびプローブ変換マトリックスと共に決定される半径ｒを有する。
【００２６】
この較正方法の第１ステップとして、プローブはその自由状態において「ゼロ化」される必要がある。これは、単にスタイラスに接触力が作用していない時にプローブ測定変換器から読み取りを行い、これらを３軸のすべてにおいてゼロにするか、あるいは別の選択肢としてこれらの読み取り値を記憶し、これに続くすべての読み取り値からこれらが減算されることができるようにするだけである。
【００２７】
次のステップは、中心位置が既知の方法で計算されることができる球体の表面に関する４箇所の点の測定を行い、起点として適切な初期設定プローブ変換マトリックスを用いることにより、球体の中心位置の推定を行うことにある。この較正方法では球体が少なくとも９点、ただ障害物を考慮に入れてその表面に亙る合理的な配分に応じて必要とされるだけの数の点で接触することが必要であり、しかもプローブが球体の表面のほぼ正確な位置でこの表面と接触するように機械を駆動すべきことが重要であるので、このステップは必要とされる。しかしながら、この段階で球体の中心位置を正確に知っていることは重要ではない。
【００２８】
この較正方法は、較正アルゴリズムの複数の点のそれぞれに対し、プローブスタイラスが機械によって駆動され、球体表面に対して名目上、垂直な方向で球体と接触することを必要とする。スタイラスボールが球体の表面に接触した後、機械は、スタイラスの偏向が所定の較正偏向を超えるまで、プローブを同じ方向に駆動し続ける。この偏向の大きさは、プローブがワークを測定するために使用中の時に実際に発生する偏向によって決定される。
【００２９】
スタイラスの所定の偏向が得られると機械は停止し、その進入路に沿って逆行し、機械の測定装置およびプローブの測定変換器の出力の読み取りが一定間隔で同時に行われ、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出力をもたらす。この処理は、プローブのスタイラスが表面を離れるまで継続し、その後、短い距離に亙るプローブ出力のノイズおよび時間遅れを考慮する。
【００３０】
さて、このデータは、例えば各点に対するデータを
ｘ＝ｋ１.ａ＋ｋ２.ｂ＋ｋ３.ｃ＋ｋ4
という形式の等式に当てはめ、次にゼロまで、すなわちｘ＝ｋ４を外挿することによって、球体上の各点に対するプローブ偏向ゼロでの機械のＸ，ＹおよびＺ軸位置を計算するのに用いられることができる。
【００３１】
基準球体およびスタイラスボールは、共に正確な球形であるように規定されているので、これら外挿点のすべてが半径Ｒ＋ｒの球体の表面に存在していなければならないことになる。ところで、球体の半径Ｒ＋ｒおよび中心位置は、計算された点から標準多点球体適合関数、例えば最適最小二乗法を用いてさらに正確に計算されることができる。球体の半径Ｒが既知であるので、スタイラスボールの半径ｒを求めることができる。
【００３２】
上述した較正処理は、ＷＯ ００/２５０８７に記載されている。この処理は、スタイラスの一つの半径方向の偏向に対して最適化されたプローブマトリックスをもたらし、必要に応じて通常の測定範囲内のプローブの他の偏向に対してさらなる計算を行うことができる。
【００３３】
この較正処理の利点は、スタイラスボールが基準球体の表面に留まっていると同時にデータがこれらの各点で取得されているという唯一の必要条件があることである。各点にてＸ，ＹおよびＺ座標を与える機械の測定装置からの測定データの取得が、プローブ軸のａ，ｂおよびｃデータをもたらすプローブ測定装置から得られるデータとうまく同期されるいることもまた重要である。
【００３４】
上で生成されるマトリックスは、摩擦の影響がプローブ軸の方向および大きさを歪ませる可能性があるので、近似に過ぎない。
【００３５】
較正されたプローブを使った走査中において、プローブの先端３に対する摩擦抵抗は、図３に見られるように、表面４と平行な逆走査方向にプローブの変位の大きな成分を生じさせる。
【００３６】
滑り（スタイラスの先端の摩擦係数が極めて小さい）によって引き起こされたプローブ軸の不正な方向と摩擦抵抗との組合せは、表面の見掛けの材料状態に誤差を生じさせる。
【００３７】
この誤差は、表面に沿って反対方向に走査した場合に容易に確かめられる。表面の材料状態の見掛けの変化は、摩擦に起因するプローブの抵抗によってもたらされる向かい合った２方向において検出される。本発明は、これらの相違を用いてベクトル方向を細かく調整することにある。これは、プローブマトリックスを回転させ、見掛けの摩擦角が各方向で名目上、同じに見えるようにすることによってなされる。これは、繰り返されることができる。
【００３８】
滑りのない完全なシステムにおいては、ＣＭＭが表面に対して所与の距離および方向に動かされる場合、プローブの先端はＣＭＭの変位を正確に反映した変位を持たなければならない。この完全システムにおいては、プローブマトリックスは、例えば
１００
０１０
００１
となる。
【００３９】
これは、順次用いられる下記の規則を使用している。
【００４０】
ａ(Ｘ項)ｂ(Ｘ項)ｃ(Ｘ項)
ａ(Ｙ項)ｂ(Ｙ項)ｃ(Ｙ項)
ａ(Ｚ項)ｂ(Ｚ項)ｃ(Ｚ項)
しかしながら、較正中に例えば滑りが生じた場合、不正な方向があるプローブ軸に関して取得される可能性がある。例示のため、この滑りがプローブのａ＋ベクトルをその真の方向から＋１°ＸＺ平面のみに対してずれて見えることをもたらしたと仮定する。この場合、不正なプローブマトリックスは下記に示されるように作り出されよう。
【００４１】
cos１°００
０     １０
sin１°０１
この場合、影響のある誤差は sin１°（すなわちａ(Ｚ項)）である。従って、Ｚ方向に測定すると、プローブの「ａ」方向における何がしかの偏向がａ sin１°の測定誤差を生じよう。
【００４２】
±ａ方向に表面を走査すると、摩擦抵抗が±ａのプローブ偏向を反対方向に生じさせる。従って、この場合に平面全体を走査すると、±ａ sin１°のＺ方向の誤差が１°の摩擦角を有するプローブ抵抗によってもたらされる。
【００４３】
真のプローブ軸方向を決定するため、基準ボールが名目上、直交する３つの各平面内で双方向に走査され、同期した機械およびプローブの読み取り値が得られる。これらの平面は、ＸＹ平面，ＹＺ平面およびＸＺ平面であってよい。
【００４４】
各走査のため、測定表面の法線とプローブ偏向方向との間の差から、見掛けの摩擦角が連続的に求められる。見掛けの摩擦角に対するボールを中心とする角度位置が、各走査方向に対してプロットされることができる。プローブ軸方向の誤差は、ゼロ摩擦角の両側が非対称となるような平均線をもたらす。
【００４５】
最初、基準ボールは、図４Ａに示されるように時計および反時計の両方向共、ＸＹ平面内を走査される。ＸＹ平面における２つの近似プローブベクトル（すなわちａおよびｂ）の平均方向は、両走査方向に対する見掛けの摩擦角が等しくなるまで、Ｚ軸を中心に繰り返し回転させられる。
【００４６】
次に、基準ボールは図４Ｂに示されるようにＹＺ平面内を走査される。基準ボールはまた、時計および反時計の両方向にも走査される。この時、ＹＺ平面における２つの近似プローブベクトル（すなわちｂおよびｃ）の平均方向は、両方向に対する見掛けの摩擦角が等しくなるまで、Ｘ軸を中心に繰り返し回転させられる。
【００４７】
最後に、基準ボールは、図４Ｃに示されるように時計および反時計の両方向共、ＸＺ平面内を走査される。この場合、ＸＺ平面における２つの近似プローブベクトル（すなわちａおよびｃ）の平均方向は、両方向に対する見掛けの摩擦角が等しくなるまで、Ｙ軸を中心に繰り返し回転させられる。
【００４８】
上述された３つの走査の後、結果として得られる３つの平均ベクトルａ／ｂ，ｂ／ｃおよびｃ／ａがあることを理解できる。これらの平均方向の何れかを（例えばａおよびｂをａｂ平面内で逆に等しく回転させることによって）変えることなく、個々のプローブ軸ベクトルの方向および大きさが半径方向の二乗誤差の合計を小さくするために変えられる。これは普通の較正技術であり、さらに詳しくは述べない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】そのスタイラスが基準物体と接触状態にある走査用プローブを示す。
【図２】プローブの偏向に対して機械のＸ，Ｙ，Ｚ軸の１つにおける機械の移動に関するグラフを示す。
【図３】摩擦によってそのスタイラスが遅れている走査用プローブを示す。
【図４Ａ】３つの直交する平面における基準ボールの双方向走査を示す。
【図４Ｂ】３つの直交する平面における基準ボールの双方向走査を示す。
【図４Ｃ】３つの直交する平面における基準ボールの双方向走査を示す。
【図１】
2004521343.tif 000003
【図２】
2004521343.tif 000004
【図３】
2004521343.tif 000005
【図４Ａ】
2004521343.tif 000006
【図４Ｂ】
2004521343.tif 000007
【図４Ｃ】
2004521343.tif 000008
【国際公開パンフレット】
2004521343.tif 000009
2004521343.tif 000010
2004521343.tif 000011
2004521343.tif 000012
2004521343.tif 000013
2004521343.tif 000014
2004521343.tif 000015
2004521343.tif 000016
2004521343.tif 000017
2004521343.tif 000018
2004521343.tif 000019
2004521343.tif 000020
2004521343.tif 000021
2004521343.tif 000022
2004521343.tif 000023
2004521343.tif 000024
2004521343.tif 000025
2004521343.tif 000026
【国際調査報告】
2004521343.tif 000027
2004521343.tif 000028