研 究 ノート

三次元座標測定機のスタイラスシステム剛性と測定精度との関係
島 津 達 哉 ＊ 1、 水 野 和 康 ＊ 1、 松 浦 勇 ＊ 1、 依 田 康 宏 ＊ 2

Relations between Stylus System Stiffness of CMM
and Measurement Accuracy
Tatsuya SHIMADZU *1 ,Kazuyasu MIZUNO *1 ,Isamu MATSUURA *1
and Yasuhiro YODA *2
Industrial Technology Division, AITEC * 1 * 2
検 査 用 標 準 球 を 三 次 元 座 標 測 定 機 （ CMM） に よ り 測 定 し 、 プ ロ ー ビ ン グ 誤 差 P を 評 価 し た 。 基 準 ス タ
イ ラ ス を 用 い た 場 合 、P=0.5±0.2μ m（ 信 頼 水 準 95%）で あ り 、CMM の 性 能 を 評 価 す る 指 標 の 1 つ で あ る
最 大 許 容 プ ロ ー ビ ン グ 誤 差 MPE P =0.8μ m を 導 出 し た 。 続 い て 、 種 々 の ス タ イ ラ ス や 付 属 の 治 具 で 構 成 され る ス タ イ ラ ス シ ス テ ム を 用 い て P を 評 価 し 、値 を 比 較 す る こ と で 測 定 精 度 の 変 化 の 有 無 を 検 討 し た 。その 結 果 、ス タ イ ラ ス シ ス テ ム の 剛 性 を 表 す 値 G が 30N/mm を 下 回 る 場 合 、P の 値 が 大 き く な る こ と か ら 、測定に使用するスタイラスシステムの剛性不足が測定精度の悪化に影響することが確認された。

１．はじめにμm（L[mm]:測定長さ）である。
2.2 プロービング誤差 P

三次元座標測定機（CMM）は、様々な機械加工部品の三次元形状や位置、寸法を高精度に測定することがでCMM の性能を評価する指標の 1 つに最大許容プロー

き、現在では製造業の品質管理において不可欠なものとビング誤差 MPEP がある。MPEP は CMM の受入検査・なっている。一方、CMM の測定精度に関しては、JIS B定期検査におけるプロービング誤差 P の限界値と定義さ7440 に CMM の性能評価として規格化されているが、れる。JIS B 7440-2:2003 によれば、検査用標準球の少その値は CMM 製造業者が指定する特定の条件下で、十なくとも半球上にほぼ均一に分布した任意の 25 点（図分に剛性の高い基準スタイラスを使用した場合にのみ適１）を測定し、得られた測定結果から最小二乗球の中心応される値であり、CMM を用いた測定全体の精度を保を計算する。この球中心位置から各測定点までの距離 R証するものではない。実際の測定では、測定作業者が測を計算し R の最大値 RMax と最小値 RMin の差が P である。

定課題に応じて大小様々なスタイラスや、付属の治具を22.5°
22.5°選択し組み付けたスタイラスシステムを用いるため、測検査用標準球

22.5°

定精度も一定ではない。信頼性のある測定データを提供22.5°するためには、測定に用いるスタイラスシステムの信頼性を把握しておくことが重要である。

２．実験方法図１

2.1 測定装置の詳細

プロービング目標

本研究に使用した CMM は、カールツァイス社製

本測定では、更に細分化した点を加えた合計 57 点を

UPMC 550 CARAT で、温度 20±0.1℃、湿度 50±5%に測定点とする。φ30mm 検査用標準球を測定対象とし、制御された恒温恒湿クリーンルームに設置されている。

プロービング誤差 P の評価を行う。

2009 年にレトロフィットを行い、導入当時の 2 軸ク2.3 測定条件

ランプ 1 軸力検出方式から、常時 3 軸力検出のプローブ

まず、基準スタイラスを用いて P（=PS）を評価する。

ヘッドとなり、プロービング方向によって測定精度が悪続いて、表１に示す各スタイラスを図２に示す姿勢 Z 方化する不具合が改善された。測定精度は導入当時の JIS

向に取り付けたスタイラスシステム、D8 短、D8 長スタ規格（JIS B 7440:1987）で、空間測定精度 U3=0.8+L/600

イラスを姿勢 X 方向に取り付けたスタイラスシステム、＊

1 工業技術部

機械電子室（現自動車・機械技術室）＊

2 工業技術部

機械電子室（現総合技術支援・人材育成室）

D8 短スタイラスに図３に示す材種の異なる長さ 100mmのスタイラスエキステンション（EX）を組み付けたスタP≈PS であった D8 短スタイラスに、図３の各 EX を組み込んで構成されるスタイラスシステムについては、EXイラスシステムを用いて P を評価する。
各々のスタイラスシステムを用いて得られた P と PSとを比較し、測定精度の変化の有無を検討する。
表１

えられる。の材質がステンレス鋼製、炭素繊維製の場合、P=0.4~0.5μm≈PS であり測定精度が維持できているのに対し、EXの材質がアルミ合金製の場合、P=0.8μm>PS となり測定

スタイラスの種類
シャフト

精度が悪化した。一般に、アルミ合金のヤング率はステmm

材質

ンレス鋼と比較して半分以下であるため、スタイラスシ

6.086

セラミックス

ステムとしての剛性が不足し、測定精度の悪化の要因と8.06.046.5

超硬なったと考えられる。

D3 短

3.02.022

超硬3.2 スタイラスの剛性と測定精度の相関D3 長3.02.046.5超硬一般に CMM における測定では、測定に用いるスタイD0.80.80.5/1.011.6

超硬ラスシステムについて、事前に球径やシャフトのたわみ

球径

シャフト径

シャフト長mmmmD8 短

8.0D8 長名称姿勢 X

姿勢 Z

量等の情報を得るためのキャリブレーション（校正）を行う。本研究で用いた CMM に保存される校正結果の内、スタイラスシステムの剛性を表す値 G に着目した。基準スタイラスの剛性 GS=96 N/mm であるのに対して、
P≈PS の D8 短、D8 長、D3 長スタイラスを用いた場合、G=65~129 N/mm（姿勢 Z）であり、P>PS となる D3 長、D0.8 スタイラスを用いた場合、G=11~23 N/mm（姿勢 Z）であった。図４に G と P の関係を示す。

図２

取り付け方
材質
アルミ合金

ステンレス鋼

炭素繊維

直径:11mm 長さ:100mm
図３ スタイラスエキステンション（EX）

３．実験結果及び考察
3.1 測定結果

図４

G と P の関係

図４から、G>Gs のスタイラスシステムはもちろん、基準スタイラスを用いて検査用標準球を測定した場

G≧30N/mm のスタイラスシステムであれば P≈PS であ合、PS=0.5±0.2μm（信頼水準 95%）となった。更に、り、測定精度が維持できていると判断できる。一方、測定の不確かさ（検査用標準球の形状偏差）を考慮に入G<30N/mm のスタイラスシステムでは P>PS となってれて MPEP=0.8μm を導出した。

いることから、使用するスタイラスシステムの剛性不足

表１に示した D8 短、D8 長、D3 短スタイラスを用いにより測定精度が悪化したと考えられる。

たスタイラスシステムの場合、P=0.4~0.5μm≈PS となり測定精度が維持できているといえる。しかし、D3 長、４．結び

D0.8 スタイラスを用いたスタイラスシステムの場合は、本研究では、CMM の測定精度を評価する指標の 1 つ

P=0.8μm>PS となり測定精度が悪化した。また、D8 短、である最大許容プロービング誤差に着目した。検査用標D8 長スタイラスを用いたスタイラスシステムについて

準球の測定において、プロービング誤差を評価することは、取り付け方向（姿勢 Z、姿勢 X）を変更しても P のにより、使用するスタイラスシステムの剛性不足に起因値に変化は認められず、測定精度が維持できていると考する測定精度悪化の傾向を把握することができた。