三維測定機的測定坐標校正方法及三維測定系統的制作方法

專利名稱：三維測定機的測定坐標校正方法及三維測定系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及三維測定機的測定坐標校正方法，特別涉及在三維測定機的基座上載置有重量的工件時的測定坐標校正方法以及三維測定系統。
背景技術：
在三維測定機中，以沿構成三維測定空間的各軸配置的標度為基準的標度坐標系中，使用各種測定器件進行測定。為了提高三維測定機的測定精度，需要提高其結構體的靜態剛性的情況增多，通過導入利用軟件的空間精度校正技術，而盡可能降低幾何誤差從而可以應對高精度化。
如圖4所示，三維測定機的幾何誤差中，有運動學模型中的正交坐標系中的各軸標度誤差、直線度誤差以及傾斜(pitching)、偏轉(yawing)等角度誤差。將它們歸納如下，合計有21個誤差原因。
各軸標度誤差3各軸水平方向直線度誤差3各軸垂直方向直線度誤差3各軸傾斜誤差3各軸偏轉誤差3各軸轉動誤差3各軸間角度誤差3一般在CMM(Coordinate Measuring Machine)上計測的幾何誤差中包含角度誤差等原因的影響，所以為了將它們作為各軸基準上的誤差處理，而必須進行誤差的分離處理。因此，已知圖4所示的使用運動學模型進行分離處理的技術(日本特開平7-146130號公報(段落0002～0007)、圖4)。而且，該運動學模型使用于校正參數計算時的誤差的分離處理，同時也使用在校正執行時將各校正參數進行對坐標空間上的誤差的變換處理時。
通過以上的處理，即使存在各軸的誤差，通過計測該誤差并進行校正，也可以降低CMM的幾何誤差，并實現CMM的高精度。
在CMM等裝置中，兼作Y軸運動導向的基座在幾何誤差中，特別起重要作用。利用空間精度校正實現了CMM的高精度化，但兼作Y軸運動導向的基座的幾何誤差中，裝載用戶工件時，基座變形，Y軸運動導向的幾何精度變化，引起CMM的精度惡化。因此，以往，加厚基座的厚度而提高基座的靜態剛性，從而增加用戶最大裝載重量。因此，必須對每個用戶工件的最大裝載重量研究基座的厚度，交貨期、價格都增加。特別最近以來，測定大型模具工件的用途增加，期待可進行5t～10t的工件的測定的CMM。

發明內容
本發明鑒于這樣的問題而完成，其目的在于提供一種不改變基座的厚度而可以進行對應用戶工件的高精度的測定的三維測定機以及其測定空間校正方法。
本發明的第一方式的三維測定機的測定坐標校正方法的特征在于，包括根據在對三維測定機裝載了各種重量的工件的狀態下計測的所述三維測定機的幾何誤差，來對每個工件的重量求校正參數，并將這些校正參數存儲到存儲部件中的步驟；輸入要測定的工件的重量的步驟；以及從所述存儲部件讀取該步驟中輸入的工件的重量所對應的校正參數，從而校正所述要測定的工件的測定坐標的步驟。
而且，本發明的第二方式的三維測定系統包括三維測定機，將要測定的工件載置到三維測定空間內的基座上來測定；控制器，用于在驅動控制該三維測定機的同時，從三維測定機取入必要的測定值；以及主計算機，對經由該控制器取入的測定值進行處理，其特征在于，包括存儲部件，存儲根據在對所述三維測定機的基座裝載了各種重量的工件的狀態下計測的所述三維測定機的幾何誤差而求出的每個工件的重量的校正參數；以及輸入部件，輸入所述工件的重量的信息，基于所述輸入的工件的重量的信息和所述存儲部件所存儲的校正參數，校正所述要測定的工件的測定坐標。
另外，所述存儲部件，例如設置在所述控制器中，所述控制器基于所述輸入的工件的重量的信息切換校正參數，從而可以校正所述要測定的工件的測定坐標。而且，所述存儲部件也可以設置于所述主計算機中。在該情況下，所述主計算機基于所述輸入的工件的重量的信息，對所述控制器發送該工件重量所對應的校正參數，所述控制器基于從所述主計算機發送來的校正參數，對所述要測定的工件的測定坐標進行校正。
所述輸入部件可以是通過手動輸入操作對所述主計算機輸入工件的重量的信息的部件，也可以包括組裝到所述三維測定機的基座的重量計，和對所述主計算機發送由該重量計檢測出的所述工件的重量的信息的部件。
而且，所述三維測定機的基座，例如可以兼作Y軸運動導向，所述三維測定機的幾何誤差中可以包含所述基座的變形造成的Y軸角度誤差。
根據本發明，在對三維測定機裝載各種重量的工件的狀態下，計測所述三維測定機的幾何誤差，并根據該計測結果求每個工件的重量的校正參數并存儲，適當讀取要測定的工件的重量所對應的校正參數，從而校正要測定的工件的測定坐標，所以即使基座由于工件的重量而變形，也可以進行高精度的坐標值的校正，所以不增加基座的厚度也可以進行對應于用戶工件的高精度的測定。另外，這里所說的三維測定機不限于用于測定坐標的裝置，也可以是用于測定表面性質(surface texture)的裝置，包含表面粗糙度測定機、輪廓形狀測定機、圓度測定機、表面波紋度(うねり)測定機、直線度測定機等。


圖1是表示本發明的一實施方式的三維測定系統的結構的方框圖。
圖2是表示同一系統中的三維測定機的結構的立體圖。
圖3是表示同一系統中的事前注冊處理的流程圖。
圖4是表示用于說明三維測定機的幾何誤差的運動學模型的圖。
圖5是表示同一系統中的事前注冊處理時的幾何誤差的測定例的圖。
圖6(a)～(c)是用于說明同一事前注冊處理時的校正參數的存儲方法的圖。
圖7是表示同一系統中的測定處理的流程圖。
圖8是表示同一系統中的測定處理的其它例的流程圖。
具體實施例方式
以下，參照

本發明的實施方式。
圖1是表示本發明的一實施方式的CNC(Computerized NumericalControl)三維測定系統的結構的方框圖。
該三維測定機1的同時，從三維測定機1取入必需的測定值；以及主計算機3，對經由該控制器2取入的測定值進行處理。三維測定機1包括用于測定工件的重量的重量計1a，和用于對主計算機3發送該重量數據的發送部1b。控制器2包含用于存儲數據的存儲裝置2a。而且，主計算機3包含用于存儲數據的存儲裝置3a和輸入部3b。
三維測定機1例如圖2所示那樣構成。
減振臺11上載置基座12，并使其上表面作為基面而與水平面一致，在從該基座12的兩端豎立的梁支承體13a、13b的上端，支承在X軸方向延伸的梁14。梁支承體13a的下端由Y軸驅動機構15沿Y軸方向驅動。而且，梁支承體13b的下端由空氣軸承支承，并可在基座12上沿Y軸方向移動。梁14支承在垂直方向(Z軸方向)延伸的柱16。沿梁14在X軸方向上驅動柱16。柱16上設置主軸17，并使其被沿柱16在Z軸方向上驅動。主軸17的下端安裝接觸式的檢測器18。該檢測器18在接觸到基座12上載置的工件19時，從檢測器18對控制器2輸出接觸信號，控制器2取入此時的XYZ坐標值。而且，基座12上的規定位置上安裝用于構筑機械坐標系的主球(masterball)20。
接著，說明使用了該CNC三維測定系統的空間誤差校正方法。
(1)事前注冊圖3是表示事前注冊的處理的流程圖。
在該事前注冊處理中，使三維測定機1的基座12上載置的工件19的重量W變化為0、5t、10t、……，對于各個情況計算用于空間誤差校正的校正參數。另外，這里，重量W＝0為沒有載置工件19的狀態。
參照圖3更詳細地說明，首先，將重量W的工件19載置到三維測定機1的基座12上(S1)，并計測三維測定機1的幾何誤差(S2)。由此計測所述21個幾何誤差，由這些求出的21個幾何誤差計算21種校正參數(S3)。計算出的校正參數被存儲于控制器2或主計算機3的存儲裝置3a中(S4)。在將校正參數存儲于控制器2的存儲裝置2a中的情況下，有存儲容量的限制，因而不必在每次改變工件重量時從主計算機3傳輸校正參數，有可以更快速地切換校正參數的優點。與此相對，在將校正參數存儲于主計算機3的存儲裝置中的情況下，通過存儲到大容量硬盤裝置中，而消除存儲容量的限制。通過消除存儲容量的限制，可以預先準備更詳細的工件重量對應的校正參數。
接著，對三維測定機1的幾何誤差的計測(S2)進行更詳細的說明。
圖4是表示三維測定機1的結構體的幾何誤差的運動學模型圖。圖中，T1、T2、T3、T4分別表示各個X軸支點、Y軸支點、Z軸支點以及主球中心點。而且，A、B、P分別為從檢測器前端、主軸前端以及主軸前端B朝向檢測器前端A的檢測器矢量，TF1、TF2、TF3、TF4為從X軸測定點、Y軸測定點、Z軸測定點以及主球中心點分別朝向檢測器前端A的矢量。
這里，作為要測定的幾何誤差，有特定的著眼的支點(也是轉動中心)T中的平行誤差(ex、ey、ez)以及轉動誤差(εx、εy、εz)，將從支點朝向檢測器前端的矢量設為(TFx、TFy、TFz)時，校正參數(δx、δy、δz)可如下求解。
δxδyβz=exeyez+ϵxϵyϵz×TFxTFyTFz]]>=exeyez+ϵy·TFz-ϵz·TFyϵz·TFx-ϵx·TFzϵx·TFy-ϵy·TFx]]>從而，如果分別將各軸支點T1、T2、T3以及基準點T4中的平行誤差設為(T1ex、T1ey、T1ez)、(T2ex、T2ey、T2ez)、(T3ex、T3ey、T3ez)、(T4ex、T4ey、T4ez)，并將轉動誤差分別設為(T1εx、T1εy、T1εz)、(T2εx、T2εy、T2εz)、(T3εx、T3εy、T3εz)、(T4εx、T4εy、T4εz)，則上述式1可以如式2那樣擴展。
δxδyδz=Σi=14TiexΣi=14TieyΣi=14Tiez+Σi=14(TiϵyTFiz-TiϵzTFiy)Σi=14(TiϵzTFix-TiϵxTFiz)Σi=14(TiϵxTFiy-TiϵyTFix)]]>例如圖5所示，在主軸17的前端設置測定用的光學輔助件(治具)21，可以通過由激光干涉測定計30測定對于各標度值的檢測器前端位置，來進行實際的幾何誤差的測定。激光干涉測定計30包括激光頭31，射出激光；接收器32，使從該激光頭31輸出的激光通過光學輔助件21側，同時，接收從光學輔助件21側射入的激光；以及干涉計33，使從激光頭31射出的激光和從光學輔助件21反射的激光干涉，從而生成干涉條紋。通過光學輔助件21沿XYZ的標度移動時的各位置的由干涉計33生成的干涉條紋，檢測檢測器位置的平行誤差以及轉動誤差。通過對整個三維測定空間測定平行誤差以及轉動誤差，可以計算三維測定空間的全區域的校正參數。
但是，對所有三維測定空間存儲該校正參數是不現實的。因此，例如圖6所示，削減存儲數據量。另外，這里為了說明的簡便，對沿X軸方向的校正參數δX進行說明。首先，如圖6(a)所示，計算根據X軸計數值x的校正參數δX。接著，如圖6(b)所示，基于預先設定的插補函數次數、得到的原始數據的曲線、根據其形狀求出的區間分割數和分割位置，決定各區間的插補函數系數。例如，將各區間的插補函數次數設為“2”時，各區間中系數成為3個。然后，如圖6(c)所示，實際的校正參數的讀取中，通過上述求出的插補函數來計算對于計數值X的校正參數δX(X)。這對其它的Y軸以及Z軸的校正參數也同樣進行。由此，可以大幅削減要存儲的數據量。
在本實施方式中，使基座12上載置工件19的重量W變化為0、5t、10t、……，對各個情況測定上述那樣的幾何誤差，并計算用于空間誤差校正的校正參數。
而且，基座12由于工件的重量而變形時，對以基座12為導向的Y軸角度影響最大。因此，也可以對每個工件重力由角度計進行Y軸角度誤差計測，以代替上述幾何誤差的測定。
(2)測定圖7是表示這樣由存儲每個工件的重量的校正參數的三維測定機實際進行測定時的流程的流程圖。另外，本實施方式是在控制器2中存儲校正參數的例子。
首先，在基座12上載置工件19，并將工件12的重量輸入主計算機3(S11)。工件重量，由操作者通過手工輸入操作輸入主計算機3，或者在基座12上組裝重量計1a，并自動檢測，然后由發送部1b發送到主計算機3。
另外，工件重量的信息也可以使用輸入部3b直接輸入主計算機3。
接著，主計算機3將對應于工件重量的工件識別碼發送到控制器2(S12)。控制器2將內部存儲的校正參數中、計測所使用的校正參數切換為工件識別碼所對應的校正參數(S13)。在實際的測定中，使用被切換的校正參數校正測定值(S14)。
圖8是表示由存儲了每個工件的重量的校正參數的三維測定機實際進行計測的其它實施方式的流程的流程圖。在本實施方式中，在主計算機3中存儲校正參數。
首先，在基座12上載置工件19，并將工件12的重量輸入主計算機3(S21)。工件重量由操作者通過手工輸入操作輸入主計算機3，或在基座12上組裝重量計，通過自動檢測而輸入。
接著，主計算機3將對應于工件重量的校正參數發送到控制器2(S22)。控制器2將發送來的校正參數存儲到內部的存儲器中(S23)。在實際的測定中，使用存儲的校正參數校正測定值(S24)。
根據本實施方式，即使在測定各種重量的工件的情況下也可以進行高精度坐標值的校正，可以容易地進行測定的高精度化，但本發明不限于本實施方式。
例如，在上述實施方式中，表示了作為三維測定機在通常的三維坐標測定機中實施的例子，但不限于此，在表面粗糙度測定機、表面形狀測定機、圓度測定機等一般的表面性質測定機中也可以實施。
而且，表示了在基座12上組裝重量計，并通過自動檢測輸入的例子，但該重量計也可以組裝到減振臺11上。
此時的重量計也可以在基座12或減振臺11上組裝變形表，基于基座12或減振臺11的變形量自動檢測重量。
進而，重量計也可以測定基座12或梁支承體13a、13b等測定機各部的傾斜，并基于該傾斜量自動檢測重量。
如以上所說明的，根據本實施方式的三維測定機的測定坐標校正方法以及三維測定系統，通過要測定的工件的重量所對應的校正參數來校正工件的測定坐標，所以不僅可以緩和三維測定機的工件重量限制，也提高了工件的測定精度，所以可以更加提高測定機的可利用性，其結果，提高經濟效率。
而且，可以比以往減少基座的厚度，對資源節約有效。
權利要求
1.一種三維測定機的測定坐標校正方法，其特征在于，該方法包括根據在對三維測定機裝載了各種重量的工件的狀態下計測的所述三維測定機的幾何誤差，來對每個工件的重量求校正參數，并將這些校正參數存儲到存儲部件中的步驟；輸入要測定的工件的重量的步驟；以及從所述存儲部件讀取該步驟中輸入的工件的重量所對應的校正參數，從而校正所述要測定的工件的測定坐標的步驟。
2.如權利要求1所述的三維測定機的測定坐標校正方法，其特征在于，在所述三維測定機的一部分組裝光學輔助件，并由該光學輔助件反射來自激光光源的激光，使該反射的光與來自激光光源的激光干涉，基于由該干涉形成的干涉條紋計測所述幾何誤差。
3.一種三維測定系統，包括三維測定機，將要測定的工件載置到三維測定空間內的基座上來測定；控制器，用于在驅動控制該三維測定機的同時，從三維測定機取入必要的測定值；以及主計算機，對經由該控制器取入的測定值進行處理，其特征在于，該系統包括存儲部件，存儲根據在對所述三維測定機的基座裝載了各種重量的工件的狀態下計測的所述三維測定機的幾何誤差而求出的每個工件的重量的校正參數；以及輸入部件，輸入所述工件的重量的信息，基于所述輸入的工件的重量的信息和所述存儲部件所存儲的校正參數，校正所述要測定的工件的測定坐標。
4.如權利要求3所述的三維測定系統，其特征在于，所述存儲部件設置在所述控制器中，所述控制器基于所述輸入的工件的重量的信息切換校正參數，從而校正所述要測定的工件的測定坐標。
5.如權利要求3所述的三維測定系統，其特征在于，所述存儲部件設置于所述主計算機中所述主計算機基于所述輸入的工件的重量的信息，對所述控制器發送該工件的重量所對應的校正參數，所述控制器基于從所述主計算機發送來的校正參數，對所述要測定的工件的測定坐標進行校正。
6.如權利要求3所述的三維測定系統，其特征在于，所述輸入部件通過手工輸入操作將所述工件的重量的信息輸入所述主計算機。
7.如權利要求3所述的三維測定系統，其特征在于，所述輸入部件包括組裝到所述三維測定機的重量計；以及將該重量計檢測出的所述工件的重量的信息發送到所述主計算機的部件。
8.如權利要求7所述的三維測定系統，其特征在于，所述重量計測定所述三維測定機的各部的傾斜，并基于該傾斜檢測所述工件的重量。
9.如權利要求3所述的三維測定系統，其特征在于，所述三維測定機的基座兼作Y軸運動導向，所述三維測定機的幾何誤差中包含所述基座的變形造成的Y軸角度誤差。
10.一種三維測定機的測定坐標校正方法，其特征在于，該方法包括在三維測定機上載置了各種重量的工件的狀態下，在三維測定機的一部分組裝光學輔助件，并由該光學輔助件反射來自激光光源的激光，該反射的光與來自激光光源的激光干涉，基于由該干涉形成的干涉條紋計測所述幾何誤差的步驟；以及根據該計測結果對每個工件的重量求校正參數，并在存儲部件中存儲這些校正參數的步驟。
全文摘要
本發明提供一種三維測定機的測定坐標校正方法及三維測定系統。在對三維測定機裝載各種重量的工件的狀態下，計測所述三維測定機的幾何誤差，并根據該計測結果求每個工件的重量的校正參數并存儲，適當讀取要測定的工件的重量所對應的校正參數，從而校正要測定的工件的測定坐標。
文檔編號G01B21/04GK1651858SQ20051000644
公開日2005年8月10日 申請日期2005年2月1日 優先權日2004年2月2日
發明者小倉勝行, 杉田耕造, 道脅宏和 申請人:三豐株式會社