関節式プローブヘッド
【課題】高速走査を精度と共に達成するため、測定システムの運動質量、動的誤差を最小にする関節式プローブヘッドを提供する。
【解決手段】ＣＭＭは、その直線駆動に関する回転誤差（例えばピッチ，ロールおよびヨー）のための誤差マップが作成される。走査ヘッドもまた、回転誤差のための誤差マップが作成される。測定データは、ＣＭＭおよび走査ヘッドの組み合わされた回転誤差に関して実時間に同期して誤差補正される。この同期補正ためＣＭＭおよび走査ヘッドの誤差マッピングデータを使用する。
【解決手段】ＣＭＭは、その直線駆動に関する回転誤差（例えばピッチ，ロールおよびヨー）のための誤差マップが作成される。走査ヘッドもまた、回転誤差のための誤差マップが作成される。測定データは、ＣＭＭおよび走査ヘッドの組み合わされた回転誤差に関して実時間に同期して誤差補正される。この同期補正ためＣＭＭおよび走査ヘッドの誤差マッピングデータを使用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、座標測定機械（ＣＭＭ）、工作機械、手動座標測定アームおよび検査ロボットの如き座標位置決め装置に取り付けられる電動走査ヘッドを用いて加工対象物の表面を走査するための関節式プローブヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
座標位置決め機械に電動走査ヘッドを取り付けることは、特許文献１から知られている。電動走査ヘッドは、この電動走査ヘッドに取り付けられるスタイラスが２本の直交する軸線を中心に回転することを可能にする。従って、スタイラスはこれら２本の軸線を中心として角度をつけて配されることができるのに対し、電動走査ヘッドは座標位置決め機械によってこの機械の作業範囲内のどのような位置にでも配されることができる。
【０００３】
電動走査ヘッドは、スタイラスを多くの異なる向きに配することができるため、このような電動走査ヘッドは、より大きな走査の柔軟性を持った座標位置決め機械をもたらす。
【０００４】
特許文献１は、電動走査ヘッドの回転軸線が位置決めモードまたは付勢モードに操作されることができることをさらに開示している。付勢モードは、電動走査ヘッドのモータにより加えられる一定トルクにて表面が走査されることを可能にする。この特許文献１はまた、スタイラスに作用する力を検出するために歪ゲージアレイをこのスタイラスに設けることができることも開示している。歪ゲージからのデータは、スタイラスに作用する力ができるだけ一定となるように、電動走査ヘッドによって加えられるトルクを調整するために用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開パンフレット第ＷＯ９０/０７０９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高速走査を精度と共に達成するため、この測定システムにおいては、運動質量、従って動的誤差を最小にすることが望ましい。電動走査ヘッドは、その回転軸線を中心とする高加速を可能にし、従って高速走査の使用に適している。
【０００７】
走査中、スタイラスのチップは、走査される部分の表面と接触状態に保持される必要がある。周知の部分の走査のため、ＣＭＭおよび電動走査ヘッドは、所定の経路を追随することができる。しかしながら、未知の部分のため、プローブのスタイラスに損傷を与えたり、この部分と衝突を起こす可能性のある力を越えることなく、このチップをこの未知の部分の表面に対して保持するように、スタイラスチップの経路を調整する必要がある。
【０００８】
電動走査ヘッドのモータは一定トルクを加えることができるけれども、加速，重力および表面摩擦の如き要因がスタイラスチップにて検知される力に影響を与える。さらに、スタイラスチップにて検知される力は、表面に対するスタイラスの角度と共に変化しよう。従って、一定のトルクは、一定のスタイラスチップ力を必ずしももたらさない。従って、一定のトルクを用いる方法は、これがスタイラスチップでの一定の力を保証しないので、高速走査に適していない。
【０００９】
スタイラスチップと表面との間の大きな接触力は、プローブが表面と接触状態でいることを確実にするために必要である。大きな力を伴う高速走査は、これがセンサに摩耗をもたらすので望ましくない。従って、力を最小にすることが望まれる。しかしながら、歪ゲージの如き力センサにて小さな力を測定するため、この力センサは柔軟性のある構造体に取り付けられる必要がある。このような柔軟性のある構造体は強靭ではなく、落としたり、衝突した場合に破損しやすく、従って、これは一定の力で高速走査を実行するための主たる障害である。それ故、一定の力を持つプローブチップにて高速走査を行うために必要な小さな力を検出することに問題がある。
【００１０】
高速走査のために必要とされる高帯域幅の力測定プローブは、狭い範囲を概ね有する。従って、（例えば加工誤差や固定具などのために）この部分の予想される形状からのどんな著しい逸脱でも、プローブが範囲外に外れるという結果になる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、表面検出器を取り付けることができ、少なくとも１つの軸線を中心として前記表面検出器の回転運動をもたらす関節式プローブヘッドを提供し、
このフローブヘッドには、前記少なくとも１つの軸線を中心とする前記表面検出器の角度位置を測定するために少なくとも１つの回転測定器具が設けられ、
この少なくとも１つの回転測定器具がマップ化された誤差である。
【００１２】
好ましくは、少なくとも１つの回転測定器具が関節式プローブヘッドの他の誤差から切り離してマップ化された誤差である。
【００１３】
少なくとも１つの回転測定器具は、測定した表面検出器の角度位置を測定誤差に関連付けた参照テーブルか、誤差関数か、またはフーリエ級数を有するものであってよい。
【００１４】
少なくとも１つの回転測定器具は、測定された表面検出器の角度位置を訂正された表面検出器の角度位置に関連付けた参照テーブルか、誤差関数か、またはフーリエ級数を有するものであってよい。
【発明の効果】
【００１５】
これは、正確さを最高にするため、予め設定された範囲に亙って表面検出器を較正できるという利点を有する。従って、前記検出器の全範囲に亙るよりもこの予め設定された範囲に亙って表面検出器を較正することにより、より良好な較正適合性を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による関節式プローブヘッドを含む座標測定機械の立面図である。
【図２】電動走査ヘッドの断面図である。
【図３】平坦な表面の掃引走査を例示する。
【図４】穴の走査を例示する。
【図５】フィードバックシステムを例示するフローチャートである。
【図６】表面上のスタイラスチップをその関連付けられた撓みと駆動ベクトルと共に例示する。
【図７】この先の表面の点を予測するために用いられる履歴データ点を例示する。
【図８】角度干渉装置を例示する。
【図９】回転テーブルに対して第１の方向に結合される走査ヘッドの側面図である。
【図１０】回転テーブルに対して第２の方向に結合される走査ヘッドの側面図である。
【図１１】走査ヘッドのエンコーダを誤差マップ化する非接触装置を例示する。
【図１２】走査ヘッドのエンコーダを誤差マップ化する第２の非接触装置を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
さて、本発明の好ましい実施形態の例が添付図面を参照して記述されよう。
【００１８】
図１は、座標測定機械（ＣＭＭ）に取り付けられた電動走査ヘッドを例示する。測定される加工対象物１０がＣＭＭ１４のテーブル１２に取り付けられ、電動走査ヘッド１６がＣＭＭ１４のクイル１８に取り付けられる。スピンドルは、モータにより周知の方法にてテーブル対してＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動可能である。
【００１９】
図２に示すように、電動走査ヘッド１６は、ベース、すなわちハウジング２０により形成された固定部と、モータＭ１によりハウジング２０対して軸線Ａ１を中心に回転可能な軸２２の形態の可動部とを具有する。軸２２は別なハウジング２４に固定され、このハウジングは、次の軸２６をモータＭ２によりハウジング２４に対して軸線Ａ１と直交する軸線Ａ２を中心に回転可能に支持する。
【００２０】
加工対象物接触チップ３０を有するスタイラス２９を持ったプローブ２８が電動走査ヘッドに取り付けられている。この構成は、ヘッドのモータＭ１，Ｍ２が加工対象物接触チップを軸線Ａ１またはＡ２を中心とする角度で位置決めすることができ、かつスタイラスチップが走査される表面に対して予め設定した関係となるように、ＣＭＭのモータが電動走査ヘッドを直線的に三次元座標枠組み内のどこへでも位置決めすることができるようになっている。モータＭ１，Ｍ２は直結駆動であり、モータがコントローラからの要求に応じて迅速に作動可能である。
【００２１】
空気軸受（摩擦がゼロ）の如き低摩擦軸受もまた、軸線Ａ１およびＡ２を中心に応答性の良いプローブの高速移動を可能にする。空気軸受はこれらが軽いというさらなる利点を有する。
【００２２】
走査ヘッドの直線変位を測定するための直線位置変換器がＣＭＭに設けられ、それぞれの軸線Ａ１およびＡ２を中心とするスタイラスの角度変位を測定するための角度位置変換器Ｔ１およびＴ２が走査ヘッドに設けられている。変換器Ｔ１およびＴ２は、その負荷（すなわちプローブ）に対して強固に結合される。これは、プローブの正確な位置データをもたらす。走査ヘッドの軸受は曲がらず、変換器Ｔ１およびＴ２が地面に対して正確な位置データを与え得ることを確実にする。
【００２３】
プローブは、可撓性スタイラス２９と、スタイラスの撓み量を測定するプローブの変換器とを有する。代わりに非接触プローブを用いることができる。このプローブは、一次元（例えば表面からの距離を検出する非接触プローブ）か、二次元（例えばＸおよびＹの撓みを検知する接触プローブ）か、または三次元（例えばＸ，ＹおよびＺの撓みを検知する接触プローブ）であってよい。
【００２４】
図１に示すような垂直アームのＣＭＭに関し、走査ヘッド１６の軸線Ａ１は、（軸１８に沿った）ＣＭＭのＺ軸に対して名目上、平行である。走査ヘッドは、プローブをこの軸を中心として連続的に回転させることができる。走査ヘッドの軸線Ａ２は、その軸線Ａ１に対して直交する。
【００２５】
電動走査ヘッドは、これを高速走査に適合させる低慣性構造を有する。低慣性構造は、その小さくかつ軽量な構造によって達成される。走査ヘッドはまた、測定誤差を減らす剛体構造と軸受とを有する。
【００２６】
本発明の第１の実施形態が図３に示され、平坦面３２が掃引走査プロフィール３４を用いて走査される。
【００２７】
ＣＭＭは、ヘッドを経路に沿って動かすのに対し、電動走査ヘッドはプローブをＣＭＭの経路に対して横切る方向の１本の回転軸線を中心に往復動し、正弦波の形で変化するプロフィールを作り出す。
【００２８】
スタイラス２９の撓みは、プローブの変換器によって測定される。この撓みは、可能な限り目標値に近い望ましい範囲内に保たれる。プローブ２８からの出力は、コントローラに送られる。撓みが目標値から離れている場合、電動走査ヘッドの他の回転軸線を中心とするプローブ２８の角度を調整し、これが目標値に近づくように撓みを調整するようになっている。
【００２９】
図４は、穴または円形のプロフィールをこのシステムにて走査する方法を示す。この場合、電動走査ヘッド１６は穴３８の中心線３６に沿って動かされる。電動走査ヘッド１６の回転軸線Ａ１，Ａ２がスタイラスチップ３０を穴の内周に沿って動かすために用いられ、ＣＭＭと電動走査ヘッドとの合成運動が穴の内面に沿った螺旋軌跡でスタイラスチップを移動させるようになっている。
【００３０】
位置Ａにて、一方の回転軸線がプローブを駆動すると共に他方の回転軸線がスタイラスの撓みを調整するために用いられる。位置Ｂではこれが逆となる。２つの回転軸線は、位置Ａと位置Ｂとの間で螺旋状のプロフィールに沿ってプローブを駆動すると共に撓みを調整するために組み合わさって機能する。
【００３１】
回転軸線の何れか一方または両方がプローブの撓みを調整するために用いられると共に回転軸線の何れか他方または両方がプローブを駆動に用いられるこの技術を用いて他の表面プロフィールを測定することができる。
【００３２】
図５は、スタイラスの撓みのフィードバック制御を例示するフローチャートである。プローブセンサ４０からの出力ＰSは、中央処理装置（ＣＰＵ）４２に送られる。この出力は、一次元か、二次元か、または三次元のデータを含むことができる。
【００３３】
ＣＰＵ４０はまた、ＣＭＭ４４のＸ，Ｙ，Ｚ軸のエンコーダからの位置入力信号ＰX，ＰY，ＰZと、電動走査ヘッド４６の軸線Ａ１，Ａ２のエンコーダの位置入力信号ＰＡA1，ＰA2とを受け取る。ＣＰＵ４２は、ＣＭＭデータＰX，ＰY，ＰZと、電動走査ヘッドのデータＰA1，ＰA2と、プローブセンサのデータＰSとから表面位置を計算することができる。
【００３４】
ＣＰＵはまた、測定されたスタイラスの撓みを目標値および規定範囲と比較することができる。
【００３５】
プローブセンサが２Ｄまたは３Ｄセンサの場合、ＣＰＵは、次に図６に示したスタイラスチップの撓みベクトル５０を計算することができる。これは、スタイラスチップ３０が撓む方向である。これはまた、撓みが規定範囲内であって目標値に対して可能な限り近く保つためにスタイラスチップの位置を調整すべき方向と平行な方向である。
【００３６】
撓みベクトルはまた、駆動ベクトル５２を生成するために用いることもでき、これはスタイラスチップ３０が表面９４に沿って駆動される方向である。駆動ベクトルを生成するため、撓み方向が約９０°だけ回転させられる。大体の方向は（例えばＣＡＤデータや部品プログラムから、または履歴データ点から）すでに知られているが、この計算は駆動ベクトルを表面に対する接線に保つ。
【００３７】
ＣＰＵが駆動ベクトルと撓みベクトルとを決定すると、これは駆動コマンドＤX，ＤY，Ｄ2，ＤA1，ＤA2をＣＭＭと電動走査ヘッドとに送ることができる。スタイラスチップを駆動ベクトルに沿って駆動するため、駆動コマンドがＸ，Ｙ，Ｚ軸と、電動走査ヘッドの軸線の一方または両方とに送られる。これらの指令は、個々のモータに対する電圧または電流により送られる。
【００３８】
撓み調整コマンドは、撓みベクトルと平行な方向に撓みを制御するため、電圧または電流の形態で電動走査ヘッドの回転軸線の一方または両方に送られる。
【００３９】
従って、撓みおよび駆動の両方がプローブからのフィードバックを用いて実時間にて調整される。
【００４０】
ＣＰＵは、同期駆動コマンドを電動走査ヘッドおよびＣＭＭに対して生成する。これは、走査ヘッドによってもたらされる回転運動がＣＭＭの直線運動の前または後に得られないことを確実にする。この同期化は、表面、例えば自由表面を走査するため、走査ヘッドおよびＣＭＭの両方が駆動ベクトルに応じて（例えば予期しない障害を回避するため）それぞれそれらの軸線を中心とした運動を与えることができるという利点を有する。
【００４１】
実時間撓み制御を達成するため、プローブセンサが迅速かつ正確なプローブ撓みの測定を実行できることが重要である。迅速かつ正確にプローブ撓みを測定する方法は、光学的手段による。
【００４２】
欧州特許出願ＥＰ１５０５３６２は、スタイラスが取り付けられるスタイラスホルダの撓みを検出するための光学的変換器を開示する。各変換器はレーザーダイオード光源を含み、このレーザーダイオード光源は、スタイラスホルダに配された反射鏡の如き光学的形体に対してビームを投射する。光学的形体を反射した光は、高感度位置検出器に入射し、その出力が反射光の入射位置、つまりスタイラスホルダの変位量を示す。
【００４３】
米国特許第６６３３０５１号は、相対的に堅い中空のスタイラスキャリアと、相対的に可撓性のある中空のスタイラスとを有するスタイラスアセンブリを開示している。光学的変換システムがこのスタイラスアセンブリ内に設けられ、光ビームをスタイラスチップの方に導く固定光源と、この光ビームをスタイラスチップにて反射して固定検出器に戻す再帰反射部材とを具えている。この構成は、スタイラスチップが表面と接触状態にある場合、スタイラスチップの横方向変位を直接測定することができるようなものである。この構成は、スタイラスチップの位置が検出され、従ってスタイラスの曲げが考慮されるという利点を有する。
【００４４】
これら両方の機構は、これらが高感度な光であって、高分解能を有するという利点を持っており、これらの開示は、これらを参照することにより本願に組み入れられる。
【００４５】
プローブを高速走査に適合させるため、これは高い構造的共振を有することが必要であり、すなわちこれは測定経路を高速で追従するために充分堅くなくてはならない。しかしながら、堅いプローブは、これが狭い測定範囲を有するという欠点を有する。従って、プローブをその測定範囲内に保持するためにフィードバックが必要である。
【００４６】
この発明はまた、静電容量式か、誘導式か、または光学式プローブの如き、非接触プローブを用いても好適である。この場合、プローブのオフセットがオフセット目標値に可能な限り近い規定範囲内に保持される。規定範囲外では、プローブは直線的に動かなかったり、あるいは較正されない可能性がある。
【００４７】
非接触プローブは、スカラーセンサを有することができ、この場合、センサ出力は表面からの距離を与えるけれども、これは方向についての情報を何ら与えない。従ってセンサ出力のみでは、オフセットを調整するためにプローブを動かす必要のある方向を決定するための充分なデータがない。さらに、撓みベクトルをセンサデータから決定することができないので、駆動ベクトルもまた決定することができない。
【００４８】
この場合、適切な撓みベクトルを決定するために履歴データを用いることができる。図７に示すように、履歴データ点Ｐ１，Ｐ２およびＰ３が表面５８上の次の表面点Ｐ４の位置を予測するために用いられる。この予測位置から、点Ｐ４における表面の垂線５６もまた予測することができる。この方法は、米国特許第５３３４９１８号に記述されており、これを参照することによって、この明細書に組み入れられる。
【００４９】
撓みベクトルは、予測された表面の垂線５６に沿って存在するように取得される。従って、表面点の位置が測定データから知れており、撓みベクトルの方向は履歴データを用いて推定される。回転軸の一方または両方を動かしてプローブが撓みベクトルに沿って動くようにすることにより、オフセットを調整することができる。撓みベクトルを前述したように９０度だけ回転させることにより、駆動ベクトルを決定することができる。
【００５０】
しかしながら、二次元または三次元のプローブに関し、履歴データを用いずに撓みベクトルを決定するためのセンサからの充分なデータがある。
【００５１】
電動走査ヘッドは、高速走査を実行することが可能であり、それは高い固有振動数を有し、それ故にプローブチップを高速にて位置決めすることができるからである。
【００５２】
電動走査ヘッドはまた、高いサーボ制御帯域幅を有する。これは、プローブが長い範囲の距離に亙って動くことが可能であり、従ってスタイラスの撓みを調整するのに有効であることを意味する。さらに、電動走査ヘッドの運動が直接駆動モータにより制御され、ＣＰＵからの指令に対して迅速な応答を確実にし、従って望ましい実時間フィードバックを可能にする。
【００５３】
この装置は、さまざまな異なるプローブ、例えば異なるスタイラス長を有するプローブを用いることができる。各プローブの目標撓みをコントローラ内にプログラムすることができる。従って、プローブを相互に代用することができ、電動走査ヘッドは、スタイラス撓みを個々のプローブの範囲内に調整するためにフィードバックを使用し続けることが可能である。プローブを較正してこれらがすべて同じ目標撓みおよび目標範囲を有するようにすることができる。非接触プローブも同様に較正し、オフセット目標値およびそれらの範囲が全て同じであって接触プローブの目標撓みおよび範囲と対応させることができる。
【００５４】
電動走査ヘッドは、このヘッドの寸法形状誤差を実時間にて補償することができる。このような誤差は、電動走査ヘッドの組み立て中に生ずる可能性がある。走査ヘッドは、周知の方法を用いてそのパラメータを理解するために較正される。このような方法は、基準ボールの如き既知の寸法の一部を走査ヘッドで測定するステップと、ヘッドを較正するために用いられる測定誤差をそれによって集めるステップとを含むことができる。電動走査ヘッドが較正されるように、ヘッドのモータを駆動して表面検出器の位置をフィードバックに応じて調整する場合、これらの誤差が計算に取り込まれる。
【００５５】
ＣＭＭは、その直線駆動に関する回転誤差（例えばピッチ，ロールおよびヨー）のための誤差マップが作成される。走査ヘッドもまた、回転誤差のための誤差マップが作成される。測定データは、ＣＭＭおよび走査ヘッドの組み合わされた回転誤差に関して実時間にて補正された誤差があり、従って同期した誤差補正をもたらす。ＣＭＭおよび走査ヘッドの両方に対する指令信号を同期誤差補正のために実時間にて誤差補正するため、同じＣＭＭおよび走査ヘッドの誤差マッピングデータを使用することもまた可能である。
【００５６】
この高速走査の方法は、未知の部品を測定するのに適している。ＣＭＭが追従すべき経路は、コントローラにプログラムされるか、または手動にて操作棹を介して制御することができる。広域プロフィールの如き電動走査ヘッドの走査移動もまたプログラムされる。走査中、電動走査ヘッドの少なくとも１本の回転軸線が前述のように撓みを制御するために駆動される。ＣＭＭと電動走査ヘッドの少なくとも１本の軸線とを制御する駆動ベクトルもまた、前述のように調整することができる。
【００５７】
電動走査ヘッドの角度位置変換器Ｔ１およびＴ２は回転エンコーダを具えることができる。規格品の回転エンコーダは、電動走査ヘッドの測定要求に対して充分に正確ではなく、それで誤差マップを作成する必要がある。
【００５８】
走査ヘッドは多くの誤差要因、例えば幾何学的な誤差や、重力または加速度によって生ずる歪みを含む。幾何学的誤差の如き他の誤差から独立しているエンコーダのための誤差マップを作成することが有利である。
【００５９】
回転エンコーダは、電動走査ヘッドの組み込み前か、または後の何れかで誤差マップが作成されてよい。回転エンコーダの組み込み後の誤差マップの作成は、エンコーダを取り付けることによって生ずる歪みおよび偏心の如き誤差が配慮されるという利点を有する。
【００６０】
走査ヘッドのエンコーダは、走査ヘッドを参照基準に対して駆動することにより誤差マップが作成されてよい。
【００６１】
エンコーダの誤差マップを作成する第１の方法が角度干渉計を用いた図８を参照して以下に記述される。適当な角度干渉計は、国際特許出願ＷＯ９６/３１７５２に開示されている。角度干渉計は、コヒーレントな光ビームを発振するレーザー６０を含む。偏光ビームスプリッタおよびプリズム６４は、光ビームを一対の直角に偏光して平行に延在する光ビーム６６，６８へと分割する。各光ビームは、走査ヘッドの台座７４に取り付けた屈折製品のガラスブロック７０，７２をそれぞれ通過する。その後、光ビーム６６，６８は、一対の再帰反射器７０，７２によりこれらの入射経路と平行に反射して戻され、これら光ビーム間の距離と等しい距離だけ一方が他方に対して光ビームの伝搬方向に変位し、位相ノイズを削減する。これら光ビームは、干渉ビームを生成するために再結合される。走査ヘッドの回転は、ビーム６６および６８の相対的な光路長の変化をもたらし、従って干渉ビームの位相の変化は、走査ヘッドの角度変位量を決定するために用いることができる。ビーム６６，６８は軸線方向に間隔をあけられ、比較的低慣性モーメントを持つ製品の使用を可能にすると共に広範囲の角度変位を可能にする。
【００６２】
この屈折製品が各軸線を中心に個々に回転する電動走査ヘッドに取り付けられるのに対し、測定が走査ヘッドエンコーダと干渉装置とでなされる。これら二組の測定が誤差関数や参照テーブルを作成するために用いられる。
【００６３】
干渉計は、有限の角度に関して単に読み取りを行うことができるだけなので、滑りクラッチ装置が用いられ、エンコーダの全範囲に亙って誤差マップを作成することができるようになっている。それぞれの角度区域からの測定データのセットが相互に継ぎ合わされ、全範囲に亙る測定データを作成する。
【００６４】
走査ヘッドの角度誤差は、走査ヘッドの記録角度と、干渉計により測定した角度位置との間の差から取得される。
【００６５】
さて、エンコーダの誤差マップを作成する第２の方法が図９を参照して記述されよう。図９は、軸線Ａ１と一直線状に配される直接結合にて較正回転台に直接結合される電動走査ヘッド１６を示す。回転台は、ベースに取り付けられる固定構造体８２と、軸受に取り付けられて固定ハウジング８２に対し軸線を中心に回転可能である可回転構造体８４とを有する。回転エンコーダは、固定構造体に対する可回転構造体の回転を測定するために用いられる。継手は、走査ヘッド１６のプローブ台座８８に取り付けられる軸８６を具有する。軸８６は、その長手方向軸線を中心とする回転のねじれに対して変形しないけれども、その長手方向軸線から離れたＸおよびＹの平行移動と、すべての軸線を中心とする少量の傾きとを可能にする。
【００６６】
次に、走査ヘッドが軸線Ａ１を中心に回転するのに対し、走査ヘッドを読み込むエンコーダは、回転台を読み込むエンコーダと同時に記録される。次に、走査ヘッドエンコーダからの読み取り位置と、較正回転台の読み取り位置とを比較することができる。
【００６７】
軸線Ａ２のエンコーダは、図１０に示すように、誤差マップが作成される。図１０の回転テーブルは、その側方に取り付けられ、軸８６が回転テーブル８０から水平に延在するようになっている。Ｌ字状の板９０が軸の自由端に設けられ、そしてＬ字状板９０の水平部分がプローブヘッドのプローブ台座８８に取り付けられる。従って、軸８６は軸線Ａ２と一直線状に整列される。従って、プローブヘッド１６のその軸線Ａ２を中心とする回転は、回転テーブル８０の回転部８４の回転をもたらす。走査ヘッドはその軸線Ａ２を中心に回転するのに対し、走査ヘッドおよび回転テーブルの両方からのエンコーダの読み取りが同時に記録される。
【００６８】
走査ヘッドの読み取り誤差は、走査ヘッドのエンコーダの読み取りと回転テーブルのエンコーダの読み取りとの間の差から決定される。
【００６９】
回転テーブルのエンコーダを次の方法により較正することができる。走査ヘッド１６は図９に示すように回転テーブル８０に結合され、軸８６が走査ヘッドと回転テーブルとを相互に強固に結合する。
【００７０】
走査ヘッドおよび結合した回転テーブルを予め設定した量（例えば１回転）回転した後、走査ヘッドをその軸線Ａ１を中心として回転テーブル対して回転し、この処理がこの新たな位置合わせにて繰り返される。軸線Ａ１を中心とする何回かの回転位置合わせにてこの処理を繰り返すことにより、測定結果を数学的に処理することができ、単一のエンコーダ（この場合、回転テーブルの回転エンコーダ）からの誤差が得られるようになっている。
【００７１】
回転テーブルのエンコーダを較正するステップのため、走査ヘッドは回転エンコーダを含む他の機器、例えば第２の回転テーブルと置き換えることができる。
【００７２】
回転テーブルのエンコーダを較正する他の方法において、第２の回転エンコーダが回転テーブルに直接結合される。前述同様、回転テーブルおよび第２の回転エンコーダは相互に回転すると同時に両方の回転エンコーダからの読み取りが記録される。予め設定した量（例えば１回転）を回転した後、第２の回転エンコーダの結合が解除され、新たな角度位置合わせのためにその軸線を中心に回転する。絶対位置検出器ではなく、インクリメンタルエンコーダを用いた場合、回転した回転エンコーダは、これらが位置合わせし直されるようにこれらの位置を記録し続けるか、あるいはこれらの時間位置が位置合わせし直し後に設定できるように、参照マーカを有する必要がある。この処理は、第２の回転エンコーダのその軸線を中心とする何回かの回転位置あわせにて繰り返される。前述同様、これは、単一のエンコーダからの誤差が得られることを可能にし、従って回転テーブルの回転エンコーダの誤差マップが作成されることを可能にする。この方法は、第２の回転テーブルが回転テーブルのエンコーダと同じ軸受に取り付けられるので、軸受の位置不整合による誤差が排除されるという利点を有する。
【００７３】
図１１は、図９に示した方法の変更例を示す。この実施形態において、走査ヘッド１６はＣＣＤまたは位置検出器の如き検出器９０の上に直接取り付けられる。光源９２は電動走査ヘッド１６に取り付けられ、検出器９０に入射する光ビーム９４を創成する。走査ヘッドがその軸線Ａ１を中心に回転するので、検出器９０に入射するビーム９４の位置が変化しよう。従って、エンコーダ読み取りを検出器に対する光線の位置と比較することができる。
【００７４】
走査ヘッドの角度の誤差は、記録された走査ヘッドの角度と、検出器に対する光線の記録された位置との間の差から取得される。
【００７５】
記録された走査ヘッドの角度と誤差補正とを関係付けるために参照テーブルを作成することができる。代わりに、走査ヘッドの記録角度と走査ヘッドの補正角度とを関係付けるために参照テーブルを作成することができる。
【００７６】
参照テーブルの変化量の間にある走査ヘッドの角度の誤差補正は例えば直線または平滑補間により補間することができる。
【００７７】
誤差に対する走査ヘッドの記録角度か、あるいは正しい角度に対する走査ヘッドの記録角度を関連付けるため、多項関数を画成することができる。この多項関数を角度の全範囲に関連させることができる。代わりに、いくつかの多項関数をそれぞれの角度範囲に関連して画成することができる。
【００７８】
代わりに、誤差関数をフーリエ級数とし、格納されたフーリエ級数の係数と共に設計することができる。
【００７９】
走査ヘッドのエンコーダをマップ化するための他の実施形態を図１２に示す。この装置において、コリメート光源１００と、ビームスプリッタ１０２と、ｘ，ｙ位置検出器の如き光検出器１０４とが走査ヘッド１６に取り付けられる。走査ヘッド１６は、回転台１０６の上方に配され、この回転台は軸受により固定構造体１０９に回転可能に取り付けられた可回転板１０８を有する。回転エンコーダは、回転板１０８の角度位置を測定するために設けられる。回転板１０８には、再帰反射器１１２を取り付けた直立支柱１１０が設けられている。
【００８０】
走査ヘッド１６の光学機器を再帰反射器１１２と位置合わせした場合、光源１００から出射した光線は、再帰反射器１１２へとビームスプリッタ１０２を通過しよう。再帰反射器１１２はビームを反射してビームスプリッタに戻し、ビームスプリッタはこのビームを検出器１０４へと反射する。
【００８１】
回転台の可回転板１０８は一定速度で回転する。走査ヘッド１６は、ビームが検出器１０４に入射するようにしておくことにより、その軸線Ａ１を中心に回転板と合致した速度で回転する。検出器１０４からのフィードバックがコントローラにより用いられ、走査ヘッドの速度を制御するようになっている。回転板１０８と走査ヘッド１６とが同じ速度で回転すると、二組のエンコーダの出力が同時に記録され、従って走査ヘッドエンコーダの誤差マップを作成することが可能になる。
【００８２】
走査ヘッド１６が回転すると、ｘ，ｙ位置検出器の一方のチャンネルが回転台と基準エンコーダとの間の方位の相違を伝える。位置検出器の他方のチャンネルは、ヘッドに対する再帰反射器の高さのあらゆる変化を伝え、従って走査ヘッドの軸線と基準軸線との間の角度の位置ずれを伝えることができる。これらは、回転台１０６のピッチとロールとを調整することにより除去することができる。この調整を可能にするため、回転台１０６はピッチおよびロール傾斜台１１４に取り付けられる。
【００８３】
唯一の可能性がある別な位置ずれは、走査ヘッドの回転中心が回転台の回転中心の上にない場合である。これは、走査ヘッドと回転台エンコーダとの出力間の一回転毎に発生する正弦波の形で変化する相違として認識することができる。この一次誤差を最小にするため、走査ヘッドまたは回転台のｘ，ｙ位置を変更することができる。それで、走査ヘッドおよび回転台の回転軸線が一致しよう。
【００８４】
ヘッドエンコーダと回転台エンコーダとの間に残る相違は、次の関心事の一つであり、誤差マップを作成するために前述したようなアクティブヘッドエンコーダを用いることができる。
【００８５】
回転台エンコーダを較正しない場合、可回転板に対する多数の異なる角度に対し、再帰反射器の支柱を動かしてデータ採取を繰り返すことにより、走査ヘッドと可回転板との間の多数の相対角度を作り出すことができ、これは、結合軸を用いて１つのエンコーダの誤差マップを作成することを可能にするという前述したのと同じ方法である。
【００８６】
回転テーブルがその側方に取り付けられると共に光学機器がＬ字形ブラケットに取り付けられた図１０に示すものと同様な構成を用いて同じように走査ヘッドの軸線Ａ２をマップ化することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、座標測定機械（ＣＭＭ）、工作機械、手動座標測定アームおよび検査ロボットの如き座標位置決め装置に取り付けられる電動走査ヘッドを用いて加工対象物の表面を走査するための関節式プローブヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
座標位置決め機械に電動走査ヘッドを取り付けることは、特許文献１から知られている。電動走査ヘッドは、この電動走査ヘッドに取り付けられるスタイラスが２本の直交する軸線を中心に回転することを可能にする。従って、スタイラスはこれら２本の軸線を中心として角度をつけて配されることができるのに対し、電動走査ヘッドは座標位置決め機械によってこの機械の作業範囲内のどのような位置にでも配されることができる。
【０００３】
電動走査ヘッドは、スタイラスを多くの異なる向きに配することができるため、このような電動走査ヘッドは、より大きな走査の柔軟性を持った座標位置決め機械をもたらす。
【０００４】
特許文献１は、電動走査ヘッドの回転軸線が位置決めモードまたは付勢モードに操作されることができることをさらに開示している。付勢モードは、電動走査ヘッドのモータにより加えられる一定トルクにて表面が走査されることを可能にする。この特許文献１はまた、スタイラスに作用する力を検出するために歪ゲージアレイをこのスタイラスに設けることができることも開示している。歪ゲージからのデータは、スタイラスに作用する力ができるだけ一定となるように、電動走査ヘッドによって加えられるトルクを調整するために用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開パンフレット第ＷＯ９０/０７０９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高速走査を精度と共に達成するため、この測定システムにおいては、運動質量、従って動的誤差を最小にすることが望ましい。電動走査ヘッドは、その回転軸線を中心とする高加速を可能にし、従って高速走査の使用に適している。
【０００７】
走査中、スタイラスのチップは、走査される部分の表面と接触状態に保持される必要がある。周知の部分の走査のため、ＣＭＭおよび電動走査ヘッドは、所定の経路を追随することができる。しかしながら、未知の部分のため、プローブのスタイラスに損傷を与えたり、この部分と衝突を起こす可能性のある力を越えることなく、このチップをこの未知の部分の表面に対して保持するように、スタイラスチップの経路を調整する必要がある。
【０００８】
電動走査ヘッドのモータは一定トルクを加えることができるけれども、加速，重力および表面摩擦の如き要因がスタイラスチップにて検知される力に影響を与える。さらに、スタイラスチップにて検知される力は、表面に対するスタイラスの角度と共に変化しよう。従って、一定のトルクは、一定のスタイラスチップ力を必ずしももたらさない。従って、一定のトルクを用いる方法は、これがスタイラスチップでの一定の力を保証しないので、高速走査に適していない。
【０００９】
スタイラスチップと表面との間の大きな接触力は、プローブが表面と接触状態でいることを確実にするために必要である。大きな力を伴う高速走査は、これがセンサに摩耗をもたらすので望ましくない。従って、力を最小にすることが望まれる。しかしながら、歪ゲージの如き力センサにて小さな力を測定するため、この力センサは柔軟性のある構造体に取り付けられる必要がある。このような柔軟性のある構造体は強靭ではなく、落としたり、衝突した場合に破損しやすく、従って、これは一定の力で高速走査を実行するための主たる障害である。それ故、一定の力を持つプローブチップにて高速走査を行うために必要な小さな力を検出することに問題がある。
【００１０】
高速走査のために必要とされる高帯域幅の力測定プローブは、狭い範囲を概ね有する。従って、（例えば加工誤差や固定具などのために）この部分の予想される形状からのどんな著しい逸脱でも、プローブが範囲外に外れるという結果になる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、表面検出器を取り付けることができ、少なくとも１つの軸線を中心として前記表面検出器の回転運動をもたらす関節式プローブヘッドを提供し、
このフローブヘッドには、前記少なくとも１つの軸線を中心とする前記表面検出器の角度位置を測定するために少なくとも１つの回転測定器具が設けられ、
この少なくとも１つの回転測定器具がマップ化された誤差である。
【００１２】
好ましくは、少なくとも１つの回転測定器具が関節式プローブヘッドの他の誤差から切り離してマップ化された誤差である。
【００１３】
少なくとも１つの回転測定器具は、測定した表面検出器の角度位置を測定誤差に関連付けた参照テーブルか、誤差関数か、またはフーリエ級数を有するものであってよい。
【００１４】
少なくとも１つの回転測定器具は、測定された表面検出器の角度位置を訂正された表面検出器の角度位置に関連付けた参照テーブルか、誤差関数か、またはフーリエ級数を有するものであってよい。
【発明の効果】
【００１５】
これは、正確さを最高にするため、予め設定された範囲に亙って表面検出器を較正できるという利点を有する。従って、前記検出器の全範囲に亙るよりもこの予め設定された範囲に亙って表面検出器を較正することにより、より良好な較正適合性を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による関節式プローブヘッドを含む座標測定機械の立面図である。
【図２】電動走査ヘッドの断面図である。
【図３】平坦な表面の掃引走査を例示する。
【図４】穴の走査を例示する。
【図５】フィードバックシステムを例示するフローチャートである。
【図６】表面上のスタイラスチップをその関連付けられた撓みと駆動ベクトルと共に例示する。
【図７】この先の表面の点を予測するために用いられる履歴データ点を例示する。
【図８】角度干渉装置を例示する。
【図９】回転テーブルに対して第１の方向に結合される走査ヘッドの側面図である。
【図１０】回転テーブルに対して第２の方向に結合される走査ヘッドの側面図である。
【図１１】走査ヘッドのエンコーダを誤差マップ化する非接触装置を例示する。
【図１２】走査ヘッドのエンコーダを誤差マップ化する第２の非接触装置を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
さて、本発明の好ましい実施形態の例が添付図面を参照して記述されよう。
【００１８】
図１は、座標測定機械（ＣＭＭ）に取り付けられた電動走査ヘッドを例示する。測定される加工対象物１０がＣＭＭ１４のテーブル１２に取り付けられ、電動走査ヘッド１６がＣＭＭ１４のクイル１８に取り付けられる。スピンドルは、モータにより周知の方法にてテーブル対してＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動可能である。
【００１９】
図２に示すように、電動走査ヘッド１６は、ベース、すなわちハウジング２０により形成された固定部と、モータＭ１によりハウジング２０対して軸線Ａ１を中心に回転可能な軸２２の形態の可動部とを具有する。軸２２は別なハウジング２４に固定され、このハウジングは、次の軸２６をモータＭ２によりハウジング２４に対して軸線Ａ１と直交する軸線Ａ２を中心に回転可能に支持する。
【００２０】
加工対象物接触チップ３０を有するスタイラス２９を持ったプローブ２８が電動走査ヘッドに取り付けられている。この構成は、ヘッドのモータＭ１，Ｍ２が加工対象物接触チップを軸線Ａ１またはＡ２を中心とする角度で位置決めすることができ、かつスタイラスチップが走査される表面に対して予め設定した関係となるように、ＣＭＭのモータが電動走査ヘッドを直線的に三次元座標枠組み内のどこへでも位置決めすることができるようになっている。モータＭ１，Ｍ２は直結駆動であり、モータがコントローラからの要求に応じて迅速に作動可能である。
【００２１】
空気軸受（摩擦がゼロ）の如き低摩擦軸受もまた、軸線Ａ１およびＡ２を中心に応答性の良いプローブの高速移動を可能にする。空気軸受はこれらが軽いというさらなる利点を有する。
【００２２】
走査ヘッドの直線変位を測定するための直線位置変換器がＣＭＭに設けられ、それぞれの軸線Ａ１およびＡ２を中心とするスタイラスの角度変位を測定するための角度位置変換器Ｔ１およびＴ２が走査ヘッドに設けられている。変換器Ｔ１およびＴ２は、その負荷（すなわちプローブ）に対して強固に結合される。これは、プローブの正確な位置データをもたらす。走査ヘッドの軸受は曲がらず、変換器Ｔ１およびＴ２が地面に対して正確な位置データを与え得ることを確実にする。
【００２３】
プローブは、可撓性スタイラス２９と、スタイラスの撓み量を測定するプローブの変換器とを有する。代わりに非接触プローブを用いることができる。このプローブは、一次元（例えば表面からの距離を検出する非接触プローブ）か、二次元（例えばＸおよびＹの撓みを検知する接触プローブ）か、または三次元（例えばＸ，ＹおよびＺの撓みを検知する接触プローブ）であってよい。
【００２４】
図１に示すような垂直アームのＣＭＭに関し、走査ヘッド１６の軸線Ａ１は、（軸１８に沿った）ＣＭＭのＺ軸に対して名目上、平行である。走査ヘッドは、プローブをこの軸を中心として連続的に回転させることができる。走査ヘッドの軸線Ａ２は、その軸線Ａ１に対して直交する。
【００２５】
電動走査ヘッドは、これを高速走査に適合させる低慣性構造を有する。低慣性構造は、その小さくかつ軽量な構造によって達成される。走査ヘッドはまた、測定誤差を減らす剛体構造と軸受とを有する。
【００２６】
本発明の第１の実施形態が図３に示され、平坦面３２が掃引走査プロフィール３４を用いて走査される。
【００２７】
ＣＭＭは、ヘッドを経路に沿って動かすのに対し、電動走査ヘッドはプローブをＣＭＭの経路に対して横切る方向の１本の回転軸線を中心に往復動し、正弦波の形で変化するプロフィールを作り出す。
【００２８】
スタイラス２９の撓みは、プローブの変換器によって測定される。この撓みは、可能な限り目標値に近い望ましい範囲内に保たれる。プローブ２８からの出力は、コントローラに送られる。撓みが目標値から離れている場合、電動走査ヘッドの他の回転軸線を中心とするプローブ２８の角度を調整し、これが目標値に近づくように撓みを調整するようになっている。
【００２９】
図４は、穴または円形のプロフィールをこのシステムにて走査する方法を示す。この場合、電動走査ヘッド１６は穴３８の中心線３６に沿って動かされる。電動走査ヘッド１６の回転軸線Ａ１，Ａ２がスタイラスチップ３０を穴の内周に沿って動かすために用いられ、ＣＭＭと電動走査ヘッドとの合成運動が穴の内面に沿った螺旋軌跡でスタイラスチップを移動させるようになっている。
【００３０】
位置Ａにて、一方の回転軸線がプローブを駆動すると共に他方の回転軸線がスタイラスの撓みを調整するために用いられる。位置Ｂではこれが逆となる。２つの回転軸線は、位置Ａと位置Ｂとの間で螺旋状のプロフィールに沿ってプローブを駆動すると共に撓みを調整するために組み合わさって機能する。
【００３１】
回転軸線の何れか一方または両方がプローブの撓みを調整するために用いられると共に回転軸線の何れか他方または両方がプローブを駆動に用いられるこの技術を用いて他の表面プロフィールを測定することができる。
【００３２】
図５は、スタイラスの撓みのフィードバック制御を例示するフローチャートである。プローブセンサ４０からの出力ＰSは、中央処理装置（ＣＰＵ）４２に送られる。この出力は、一次元か、二次元か、または三次元のデータを含むことができる。
【００３３】
ＣＰＵ４０はまた、ＣＭＭ４４のＸ，Ｙ，Ｚ軸のエンコーダからの位置入力信号ＰX，ＰY，ＰZと、電動走査ヘッド４６の軸線Ａ１，Ａ２のエンコーダの位置入力信号ＰＡA1，ＰA2とを受け取る。ＣＰＵ４２は、ＣＭＭデータＰX，ＰY，ＰZと、電動走査ヘッドのデータＰA1，ＰA2と、プローブセンサのデータＰSとから表面位置を計算することができる。
【００３４】
ＣＰＵはまた、測定されたスタイラスの撓みを目標値および規定範囲と比較することができる。
【００３５】
プローブセンサが２Ｄまたは３Ｄセンサの場合、ＣＰＵは、次に図６に示したスタイラスチップの撓みベクトル５０を計算することができる。これは、スタイラスチップ３０が撓む方向である。これはまた、撓みが規定範囲内であって目標値に対して可能な限り近く保つためにスタイラスチップの位置を調整すべき方向と平行な方向である。
【００３６】
撓みベクトルはまた、駆動ベクトル５２を生成するために用いることもでき、これはスタイラスチップ３０が表面９４に沿って駆動される方向である。駆動ベクトルを生成するため、撓み方向が約９０°だけ回転させられる。大体の方向は（例えばＣＡＤデータや部品プログラムから、または履歴データ点から）すでに知られているが、この計算は駆動ベクトルを表面に対する接線に保つ。
【００３７】
ＣＰＵが駆動ベクトルと撓みベクトルとを決定すると、これは駆動コマンドＤX，ＤY，Ｄ2，ＤA1，ＤA2をＣＭＭと電動走査ヘッドとに送ることができる。スタイラスチップを駆動ベクトルに沿って駆動するため、駆動コマンドがＸ，Ｙ，Ｚ軸と、電動走査ヘッドの軸線の一方または両方とに送られる。これらの指令は、個々のモータに対する電圧または電流により送られる。
【００３８】
撓み調整コマンドは、撓みベクトルと平行な方向に撓みを制御するため、電圧または電流の形態で電動走査ヘッドの回転軸線の一方または両方に送られる。
【００３９】
従って、撓みおよび駆動の両方がプローブからのフィードバックを用いて実時間にて調整される。
【００４０】
ＣＰＵは、同期駆動コマンドを電動走査ヘッドおよびＣＭＭに対して生成する。これは、走査ヘッドによってもたらされる回転運動がＣＭＭの直線運動の前または後に得られないことを確実にする。この同期化は、表面、例えば自由表面を走査するため、走査ヘッドおよびＣＭＭの両方が駆動ベクトルに応じて（例えば予期しない障害を回避するため）それぞれそれらの軸線を中心とした運動を与えることができるという利点を有する。
【００４１】
実時間撓み制御を達成するため、プローブセンサが迅速かつ正確なプローブ撓みの測定を実行できることが重要である。迅速かつ正確にプローブ撓みを測定する方法は、光学的手段による。
【００４２】
欧州特許出願ＥＰ１５０５３６２は、スタイラスが取り付けられるスタイラスホルダの撓みを検出するための光学的変換器を開示する。各変換器はレーザーダイオード光源を含み、このレーザーダイオード光源は、スタイラスホルダに配された反射鏡の如き光学的形体に対してビームを投射する。光学的形体を反射した光は、高感度位置検出器に入射し、その出力が反射光の入射位置、つまりスタイラスホルダの変位量を示す。
【００４３】
米国特許第６６３３０５１号は、相対的に堅い中空のスタイラスキャリアと、相対的に可撓性のある中空のスタイラスとを有するスタイラスアセンブリを開示している。光学的変換システムがこのスタイラスアセンブリ内に設けられ、光ビームをスタイラスチップの方に導く固定光源と、この光ビームをスタイラスチップにて反射して固定検出器に戻す再帰反射部材とを具えている。この構成は、スタイラスチップが表面と接触状態にある場合、スタイラスチップの横方向変位を直接測定することができるようなものである。この構成は、スタイラスチップの位置が検出され、従ってスタイラスの曲げが考慮されるという利点を有する。
【００４４】
これら両方の機構は、これらが高感度な光であって、高分解能を有するという利点を持っており、これらの開示は、これらを参照することにより本願に組み入れられる。
【００４５】
プローブを高速走査に適合させるため、これは高い構造的共振を有することが必要であり、すなわちこれは測定経路を高速で追従するために充分堅くなくてはならない。しかしながら、堅いプローブは、これが狭い測定範囲を有するという欠点を有する。従って、プローブをその測定範囲内に保持するためにフィードバックが必要である。
【００４６】
この発明はまた、静電容量式か、誘導式か、または光学式プローブの如き、非接触プローブを用いても好適である。この場合、プローブのオフセットがオフセット目標値に可能な限り近い規定範囲内に保持される。規定範囲外では、プローブは直線的に動かなかったり、あるいは較正されない可能性がある。
【００４７】
非接触プローブは、スカラーセンサを有することができ、この場合、センサ出力は表面からの距離を与えるけれども、これは方向についての情報を何ら与えない。従ってセンサ出力のみでは、オフセットを調整するためにプローブを動かす必要のある方向を決定するための充分なデータがない。さらに、撓みベクトルをセンサデータから決定することができないので、駆動ベクトルもまた決定することができない。
【００４８】
この場合、適切な撓みベクトルを決定するために履歴データを用いることができる。図７に示すように、履歴データ点Ｐ１，Ｐ２およびＰ３が表面５８上の次の表面点Ｐ４の位置を予測するために用いられる。この予測位置から、点Ｐ４における表面の垂線５６もまた予測することができる。この方法は、米国特許第５３３４９１８号に記述されており、これを参照することによって、この明細書に組み入れられる。
【００４９】
撓みベクトルは、予測された表面の垂線５６に沿って存在するように取得される。従って、表面点の位置が測定データから知れており、撓みベクトルの方向は履歴データを用いて推定される。回転軸の一方または両方を動かしてプローブが撓みベクトルに沿って動くようにすることにより、オフセットを調整することができる。撓みベクトルを前述したように９０度だけ回転させることにより、駆動ベクトルを決定することができる。
【００５０】
しかしながら、二次元または三次元のプローブに関し、履歴データを用いずに撓みベクトルを決定するためのセンサからの充分なデータがある。
【００５１】
電動走査ヘッドは、高速走査を実行することが可能であり、それは高い固有振動数を有し、それ故にプローブチップを高速にて位置決めすることができるからである。
【００５２】
電動走査ヘッドはまた、高いサーボ制御帯域幅を有する。これは、プローブが長い範囲の距離に亙って動くことが可能であり、従ってスタイラスの撓みを調整するのに有効であることを意味する。さらに、電動走査ヘッドの運動が直接駆動モータにより制御され、ＣＰＵからの指令に対して迅速な応答を確実にし、従って望ましい実時間フィードバックを可能にする。
【００５３】
この装置は、さまざまな異なるプローブ、例えば異なるスタイラス長を有するプローブを用いることができる。各プローブの目標撓みをコントローラ内にプログラムすることができる。従って、プローブを相互に代用することができ、電動走査ヘッドは、スタイラス撓みを個々のプローブの範囲内に調整するためにフィードバックを使用し続けることが可能である。プローブを較正してこれらがすべて同じ目標撓みおよび目標範囲を有するようにすることができる。非接触プローブも同様に較正し、オフセット目標値およびそれらの範囲が全て同じであって接触プローブの目標撓みおよび範囲と対応させることができる。
【００５４】
電動走査ヘッドは、このヘッドの寸法形状誤差を実時間にて補償することができる。このような誤差は、電動走査ヘッドの組み立て中に生ずる可能性がある。走査ヘッドは、周知の方法を用いてそのパラメータを理解するために較正される。このような方法は、基準ボールの如き既知の寸法の一部を走査ヘッドで測定するステップと、ヘッドを較正するために用いられる測定誤差をそれによって集めるステップとを含むことができる。電動走査ヘッドが較正されるように、ヘッドのモータを駆動して表面検出器の位置をフィードバックに応じて調整する場合、これらの誤差が計算に取り込まれる。
【００５５】
ＣＭＭは、その直線駆動に関する回転誤差（例えばピッチ，ロールおよびヨー）のための誤差マップが作成される。走査ヘッドもまた、回転誤差のための誤差マップが作成される。測定データは、ＣＭＭおよび走査ヘッドの組み合わされた回転誤差に関して実時間にて補正された誤差があり、従って同期した誤差補正をもたらす。ＣＭＭおよび走査ヘッドの両方に対する指令信号を同期誤差補正のために実時間にて誤差補正するため、同じＣＭＭおよび走査ヘッドの誤差マッピングデータを使用することもまた可能である。
【００５６】
この高速走査の方法は、未知の部品を測定するのに適している。ＣＭＭが追従すべき経路は、コントローラにプログラムされるか、または手動にて操作棹を介して制御することができる。広域プロフィールの如き電動走査ヘッドの走査移動もまたプログラムされる。走査中、電動走査ヘッドの少なくとも１本の回転軸線が前述のように撓みを制御するために駆動される。ＣＭＭと電動走査ヘッドの少なくとも１本の軸線とを制御する駆動ベクトルもまた、前述のように調整することができる。
【００５７】
電動走査ヘッドの角度位置変換器Ｔ１およびＴ２は回転エンコーダを具えることができる。規格品の回転エンコーダは、電動走査ヘッドの測定要求に対して充分に正確ではなく、それで誤差マップを作成する必要がある。
【００５８】
走査ヘッドは多くの誤差要因、例えば幾何学的な誤差や、重力または加速度によって生ずる歪みを含む。幾何学的誤差の如き他の誤差から独立しているエンコーダのための誤差マップを作成することが有利である。
【００５９】
回転エンコーダは、電動走査ヘッドの組み込み前か、または後の何れかで誤差マップが作成されてよい。回転エンコーダの組み込み後の誤差マップの作成は、エンコーダを取り付けることによって生ずる歪みおよび偏心の如き誤差が配慮されるという利点を有する。
【００６０】
走査ヘッドのエンコーダは、走査ヘッドを参照基準に対して駆動することにより誤差マップが作成されてよい。
【００６１】
エンコーダの誤差マップを作成する第１の方法が角度干渉計を用いた図８を参照して以下に記述される。適当な角度干渉計は、国際特許出願ＷＯ９６/３１７５２に開示されている。角度干渉計は、コヒーレントな光ビームを発振するレーザー６０を含む。偏光ビームスプリッタおよびプリズム６４は、光ビームを一対の直角に偏光して平行に延在する光ビーム６６，６８へと分割する。各光ビームは、走査ヘッドの台座７４に取り付けた屈折製品のガラスブロック７０，７２をそれぞれ通過する。その後、光ビーム６６，６８は、一対の再帰反射器７０，７２によりこれらの入射経路と平行に反射して戻され、これら光ビーム間の距離と等しい距離だけ一方が他方に対して光ビームの伝搬方向に変位し、位相ノイズを削減する。これら光ビームは、干渉ビームを生成するために再結合される。走査ヘッドの回転は、ビーム６６および６８の相対的な光路長の変化をもたらし、従って干渉ビームの位相の変化は、走査ヘッドの角度変位量を決定するために用いることができる。ビーム６６，６８は軸線方向に間隔をあけられ、比較的低慣性モーメントを持つ製品の使用を可能にすると共に広範囲の角度変位を可能にする。
【００６２】
この屈折製品が各軸線を中心に個々に回転する電動走査ヘッドに取り付けられるのに対し、測定が走査ヘッドエンコーダと干渉装置とでなされる。これら二組の測定が誤差関数や参照テーブルを作成するために用いられる。
【００６３】
干渉計は、有限の角度に関して単に読み取りを行うことができるだけなので、滑りクラッチ装置が用いられ、エンコーダの全範囲に亙って誤差マップを作成することができるようになっている。それぞれの角度区域からの測定データのセットが相互に継ぎ合わされ、全範囲に亙る測定データを作成する。
【００６４】
走査ヘッドの角度誤差は、走査ヘッドの記録角度と、干渉計により測定した角度位置との間の差から取得される。
【００６５】
さて、エンコーダの誤差マップを作成する第２の方法が図９を参照して記述されよう。図９は、軸線Ａ１と一直線状に配される直接結合にて較正回転台に直接結合される電動走査ヘッド１６を示す。回転台は、ベースに取り付けられる固定構造体８２と、軸受に取り付けられて固定ハウジング８２に対し軸線を中心に回転可能である可回転構造体８４とを有する。回転エンコーダは、固定構造体に対する可回転構造体の回転を測定するために用いられる。継手は、走査ヘッド１６のプローブ台座８８に取り付けられる軸８６を具有する。軸８６は、その長手方向軸線を中心とする回転のねじれに対して変形しないけれども、その長手方向軸線から離れたＸおよびＹの平行移動と、すべての軸線を中心とする少量の傾きとを可能にする。
【００６６】
次に、走査ヘッドが軸線Ａ１を中心に回転するのに対し、走査ヘッドを読み込むエンコーダは、回転台を読み込むエンコーダと同時に記録される。次に、走査ヘッドエンコーダからの読み取り位置と、較正回転台の読み取り位置とを比較することができる。
【００６７】
軸線Ａ２のエンコーダは、図１０に示すように、誤差マップが作成される。図１０の回転テーブルは、その側方に取り付けられ、軸８６が回転テーブル８０から水平に延在するようになっている。Ｌ字状の板９０が軸の自由端に設けられ、そしてＬ字状板９０の水平部分がプローブヘッドのプローブ台座８８に取り付けられる。従って、軸８６は軸線Ａ２と一直線状に整列される。従って、プローブヘッド１６のその軸線Ａ２を中心とする回転は、回転テーブル８０の回転部８４の回転をもたらす。走査ヘッドはその軸線Ａ２を中心に回転するのに対し、走査ヘッドおよび回転テーブルの両方からのエンコーダの読み取りが同時に記録される。
【００６８】
走査ヘッドの読み取り誤差は、走査ヘッドのエンコーダの読み取りと回転テーブルのエンコーダの読み取りとの間の差から決定される。
【００６９】
回転テーブルのエンコーダを次の方法により較正することができる。走査ヘッド１６は図９に示すように回転テーブル８０に結合され、軸８６が走査ヘッドと回転テーブルとを相互に強固に結合する。
【００７０】
走査ヘッドおよび結合した回転テーブルを予め設定した量（例えば１回転）回転した後、走査ヘッドをその軸線Ａ１を中心として回転テーブル対して回転し、この処理がこの新たな位置合わせにて繰り返される。軸線Ａ１を中心とする何回かの回転位置合わせにてこの処理を繰り返すことにより、測定結果を数学的に処理することができ、単一のエンコーダ（この場合、回転テーブルの回転エンコーダ）からの誤差が得られるようになっている。
【００７１】
回転テーブルのエンコーダを較正するステップのため、走査ヘッドは回転エンコーダを含む他の機器、例えば第２の回転テーブルと置き換えることができる。
【００７２】
回転テーブルのエンコーダを較正する他の方法において、第２の回転エンコーダが回転テーブルに直接結合される。前述同様、回転テーブルおよび第２の回転エンコーダは相互に回転すると同時に両方の回転エンコーダからの読み取りが記録される。予め設定した量（例えば１回転）を回転した後、第２の回転エンコーダの結合が解除され、新たな角度位置合わせのためにその軸線を中心に回転する。絶対位置検出器ではなく、インクリメンタルエンコーダを用いた場合、回転した回転エンコーダは、これらが位置合わせし直されるようにこれらの位置を記録し続けるか、あるいはこれらの時間位置が位置合わせし直し後に設定できるように、参照マーカを有する必要がある。この処理は、第２の回転エンコーダのその軸線を中心とする何回かの回転位置あわせにて繰り返される。前述同様、これは、単一のエンコーダからの誤差が得られることを可能にし、従って回転テーブルの回転エンコーダの誤差マップが作成されることを可能にする。この方法は、第２の回転テーブルが回転テーブルのエンコーダと同じ軸受に取り付けられるので、軸受の位置不整合による誤差が排除されるという利点を有する。
【００７３】
図１１は、図９に示した方法の変更例を示す。この実施形態において、走査ヘッド１６はＣＣＤまたは位置検出器の如き検出器９０の上に直接取り付けられる。光源９２は電動走査ヘッド１６に取り付けられ、検出器９０に入射する光ビーム９４を創成する。走査ヘッドがその軸線Ａ１を中心に回転するので、検出器９０に入射するビーム９４の位置が変化しよう。従って、エンコーダ読み取りを検出器に対する光線の位置と比較することができる。
【００７４】
走査ヘッドの角度の誤差は、記録された走査ヘッドの角度と、検出器に対する光線の記録された位置との間の差から取得される。
【００７５】
記録された走査ヘッドの角度と誤差補正とを関係付けるために参照テーブルを作成することができる。代わりに、走査ヘッドの記録角度と走査ヘッドの補正角度とを関係付けるために参照テーブルを作成することができる。
【００７６】
参照テーブルの変化量の間にある走査ヘッドの角度の誤差補正は例えば直線または平滑補間により補間することができる。
【００７７】
誤差に対する走査ヘッドの記録角度か、あるいは正しい角度に対する走査ヘッドの記録角度を関連付けるため、多項関数を画成することができる。この多項関数を角度の全範囲に関連させることができる。代わりに、いくつかの多項関数をそれぞれの角度範囲に関連して画成することができる。
【００７８】
代わりに、誤差関数をフーリエ級数とし、格納されたフーリエ級数の係数と共に設計することができる。
【００７９】
走査ヘッドのエンコーダをマップ化するための他の実施形態を図１２に示す。この装置において、コリメート光源１００と、ビームスプリッタ１０２と、ｘ，ｙ位置検出器の如き光検出器１０４とが走査ヘッド１６に取り付けられる。走査ヘッド１６は、回転台１０６の上方に配され、この回転台は軸受により固定構造体１０９に回転可能に取り付けられた可回転板１０８を有する。回転エンコーダは、回転板１０８の角度位置を測定するために設けられる。回転板１０８には、再帰反射器１１２を取り付けた直立支柱１１０が設けられている。
【００８０】
走査ヘッド１６の光学機器を再帰反射器１１２と位置合わせした場合、光源１００から出射した光線は、再帰反射器１１２へとビームスプリッタ１０２を通過しよう。再帰反射器１１２はビームを反射してビームスプリッタに戻し、ビームスプリッタはこのビームを検出器１０４へと反射する。
【００８１】
回転台の可回転板１０８は一定速度で回転する。走査ヘッド１６は、ビームが検出器１０４に入射するようにしておくことにより、その軸線Ａ１を中心に回転板と合致した速度で回転する。検出器１０４からのフィードバックがコントローラにより用いられ、走査ヘッドの速度を制御するようになっている。回転板１０８と走査ヘッド１６とが同じ速度で回転すると、二組のエンコーダの出力が同時に記録され、従って走査ヘッドエンコーダの誤差マップを作成することが可能になる。
【００８２】
走査ヘッド１６が回転すると、ｘ，ｙ位置検出器の一方のチャンネルが回転台と基準エンコーダとの間の方位の相違を伝える。位置検出器の他方のチャンネルは、ヘッドに対する再帰反射器の高さのあらゆる変化を伝え、従って走査ヘッドの軸線と基準軸線との間の角度の位置ずれを伝えることができる。これらは、回転台１０６のピッチとロールとを調整することにより除去することができる。この調整を可能にするため、回転台１０６はピッチおよびロール傾斜台１１４に取り付けられる。
【００８３】
唯一の可能性がある別な位置ずれは、走査ヘッドの回転中心が回転台の回転中心の上にない場合である。これは、走査ヘッドと回転台エンコーダとの出力間の一回転毎に発生する正弦波の形で変化する相違として認識することができる。この一次誤差を最小にするため、走査ヘッドまたは回転台のｘ，ｙ位置を変更することができる。それで、走査ヘッドおよび回転台の回転軸線が一致しよう。
【００８４】
ヘッドエンコーダと回転台エンコーダとの間に残る相違は、次の関心事の一つであり、誤差マップを作成するために前述したようなアクティブヘッドエンコーダを用いることができる。
【００８５】
回転台エンコーダを較正しない場合、可回転板に対する多数の異なる角度に対し、再帰反射器の支柱を動かしてデータ採取を繰り返すことにより、走査ヘッドと可回転板との間の多数の相対角度を作り出すことができ、これは、結合軸を用いて１つのエンコーダの誤差マップを作成することを可能にするという前述したのと同じ方法である。
【００８６】
回転テーブルがその側方に取り付けられると共に光学機器がＬ字形ブラケットに取り付けられた図１０に示すものと同様な構成を用いて同じように走査ヘッドの軸線Ａ２をマップ化することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面検出器を取り付けることができ、少なくとも１つの軸線を中心として前記表面検出器の回転運動をもたらす関節式プローブヘッドであって、
このフローブヘッドには、前記少なくとも１つの軸線を中心とする前記表面検出器の角度位置を測定するために少なくとも１つの回転測定器具が設けられ、
この少なくとも１つの回転測定器具がマップ化された誤差であることを特徴とする関節式プローブヘッド。
【請求項２】
前記少なくとも１つの回転測定器具がこの関節式プローブヘッドの他の誤差から切り離してマップ化された誤差であることを特徴とする請求項１に記載の関節式プローブヘッド。
【請求項３】
前記少なくとも１つの回転測定器具は、測定した前記表面検出器の角度位置を前記測定誤差に関連付けた参照テーブルか、誤差関数か、またはフーリエ級数を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の関節式プローブヘッド。
【請求項４】
前記少なくとも１つの回転測定器具は、測定された前記表面検出器の角度位置を訂正された前記表面検出器の角度位置に関連付けた参照テーブルか、誤差関数か、またはフーリエ級数を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の関節式プローブヘッド。
【請求項１】
表面検出器を取り付けることができ、少なくとも１つの軸線を中心として前記表面検出器の回転運動をもたらす関節式プローブヘッドであって、
このフローブヘッドには、前記少なくとも１つの軸線を中心とする前記表面検出器の角度位置を測定するために少なくとも１つの回転測定器具が設けられ、
この少なくとも１つの回転測定器具がマップ化された誤差であることを特徴とする関節式プローブヘッド。
【請求項２】
前記少なくとも１つの回転測定器具がこの関節式プローブヘッドの他の誤差から切り離してマップ化された誤差であることを特徴とする請求項１に記載の関節式プローブヘッド。
【請求項３】
前記少なくとも１つの回転測定器具は、測定した前記表面検出器の角度位置を前記測定誤差に関連付けた参照テーブルか、誤差関数か、またはフーリエ級数を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の関節式プローブヘッド。
【請求項４】
前記少なくとも１つの回転測定器具は、測定された前記表面検出器の角度位置を訂正された前記表面検出器の角度位置に関連付けた参照テーブルか、誤差関数か、またはフーリエ級数を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の関節式プローブヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−４７６８７（Ｐ２０１３−４７６８７Ａ）
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２２８３０９（Ｐ２０１２−２２８３０９）
【出願日】平成２４年１０月１５日（２０１２．１０．１５）
【分割の表示】特願２００８−５０８２７５（Ｐ２００８−５０８２７５）の分割
【原出願日】平成１８年４月１０日（２００６．４．１０）
【出願人】（３９１００２３０６）レニショウ パブリック リミテッド カンパニー (166)
【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＩＳＨＡＷ ＰＵＢＬＩＣ ＬＩＭＩＴＥＤ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月１５日（２０１２．１０．１５）
【分割の表示】特願２００８−５０８２７５（Ｐ２００８−５０８２７５）の分割
【原出願日】平成１８年４月１０日（２００６．４．１０）
【出願人】（３９１００２３０６）レニショウ パブリック リミテッド カンパニー (166)
【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＩＳＨＡＷ ＰＵＢＬＩＣ ＬＩＭＩＴＥＤ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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