座標測定機

座標測定機( CMM )は、プローブを使用して物体の表面上の離散的な点を感知することにより、物体の形状を測定する装置です。 CMM ではさまざまな種類のプローブが使用されています。最も一般的なのは機械式センサーとレーザー センサーですが、光学センサーや白色光センサーも存在します。 機械に応じて、プローブの位置はオペレーターによって手動で制御される場合もあれば、コンピューターで制御される場合もあります。 CMM (座標測定機) は、3 次元直交座標系(XYZ 軸を使用) の基準位置からの変位でプローブの位置を指定します。 X、Y、Z 軸に沿ってプローブを移動するだけでなく、多くの機械ではプローブの角度を制御して、通常は到達できない表面を測定できるようにすることもできます。

一般的な 3D「ブリッジ」CMM では、3 次元直交座標系で互いに直交する 3 つの軸 (X、Y、Z) に沿ってプローブを移動できます。各軸には、その軸上のプローブの位置を監視するセンサーがあり、その精度は通常、ミクロン単位です。プローブが物体の特定の場所に接触 (または検出) すると、機械は軸位置センサーをサンプリングし、物体の表面上の 1 点の位置と、測定された 3 次元ベクトルを測定します。このプロセスは必要に応じて繰り返され、そのたびにプローブが移動して、対象の表面領域を表す「ポイント クラウド」が生成されます。ポイントは、オペレーターが手動で測定することも、直接コンピュータ制御 (DCC) を介して自動的に測定することも、スクリプト プログラムを使用して自動的に測定することもできます。したがって、自動化された CMM は、特殊な形式の産業用ロボットです。

CMM の一般的な用途は、製造および組み立て工程で、設計意図に照らして部品またはアセンブリをテストすることです。測定ポイントは、フィーチャ間の距離を確認するために使用できます。また、円度、平面度、垂直度などの側面を評価する ために、GD&Tの円筒や平面などの幾何学的フィーチャを作成するためにも使用できます。

座標測定機には、次の 3 つの主要コンポーネントが含まれます。

• 主な構造には 3 つの動作軸が含まれます。可動フレームの製作に使用される材料は、長年にわたって変化してきました。初期の CMM では、花崗岩と鋼が使用されていました。今日では、すべての主要な CMM メーカーは、スキャン アプリケーション用に Z 軸の剛性を高めるために、花崗岩、アルミニウム合金またはその派生品、セラミックなどの材料でフレームを製造しています。現在でも、計測力学の向上を求める市場のニーズと、品質ラボの外部に CMM を設置する傾向の高まりにより、花崗岩フレームの CMM を製造している CMM メーカーはほとんどありません。スキャンへの傾向の高まりにより、CMM の Z 軸の剛性も向上する必要があり、黒色花崗岩、セラミック、シリコン カーバイドなどの新しい材料が導入されています。
• プローブシステム。
• データ収集および削減システム- これには通常、マシン コントローラー、デスクトップ コンピューター、およびアプリケーション ソフトウェアが含まれます。

これらのマシンは、固定式またはポータブル式として利用できます。

座標測定機の精度は、通常、距離の関数としての不確実性係数として与えられます。タッチプローブを使用する CMM の場合、これはプローブの再現性とリニアスケールの精度に関係します。一般的なプローブの再現性では、測定ボリューム全体にわたって 1ミクロンまたは 0.00005 インチ (10,000 分の 1) 以内の測定が可能です。3 軸、3+2 軸、および 5 軸のマシンの場合、プローブは追跡可能な標準を使用して定期的に校正され、マシンの動きはゲージを使用して検証され、精度が確保されます。

最初の CMM は、1950 年代にスコットランドのFerranti社によって開発されました^[1]。これは、軍用製品の精密部品を測定する必要性が高まったためですが、この機械は 2 軸しかありませんでした。最初の 3 軸モデルは 1960 年代に登場し始め (イタリアの DEA 社と英国の LK 社製)、コンピュータ制御は 1970 年代初頭にデビューしましたが、最初の実用的な CMM は、イギリスのメルボルンの Browne & Sharpe 社によって開発され、販売されました。その後、ドイツの Leitz 社が、可動テーブルを備えた固定機械構造を製造しました。^[要出典]

現代の機械では、ガントリー型の上部構造には 2 本の脚があり、ブリッジと呼ばれることがよくあります。この上部構造は、花崗岩のテーブルに沿って自由に動き、一方の脚 (内側の脚と呼ばれることが多い) は、花崗岩のテーブルの片側に取り付けられたガイド レールに沿って動きます。反対側の脚 (外側の脚と呼ばれることが多い) は、垂直面の輪郭に沿って花崗岩のテーブル上に単に載っています。エア ベアリングは、摩擦のない移動を保証するために選択された方法です。エア ベアリングでは、圧縮空気が平らなベアリング面にある一連の非常に小さな穴に押し込まれ、滑らかでありながら制御されたエア クッションが提供され、CMM はほぼ摩擦のない状態で移動できます。このエア クッションは、ソフトウェアによって補正できます。花崗岩のテーブルに沿ったブリッジまたはガントリーの動きは、XY 平面の 1 つの軸を形成します。ガントリーのブリッジには、内側の脚と外側の脚の間を移動してもう 1 つの水平軸を形成するキャリッジが含まれています。3 番目の移動軸 (Z 軸) は、キャリッジの中心を通って上下に移動する垂直のクイルまたはスピンドルを追加することで提供されます。タッチ プローブは、クイルの端にある感知装置です。X、Y、Z 軸の動きによって、測定範囲が完全に表されます。オプションの回転テーブルを使用すると、測定プローブを複雑なワークピースに近づけやすくなります。4 番目の駆動軸としての回転テーブルでは、測定範囲は 3D のままですが、測定範囲は広がりませんが、ある程度の柔軟性が得られます。タッチ プローブの中には、プローブの先端が垂直方向に 180° 以上回転し、360° 完全に回転する、動力付き回転装置であるものもあります。

CMM は、現在ではさまざまな形で提供されています。これには、アームのジョイントで取得した角度測定値を使用してスタイラス先端の位置を計算し、レーザー スキャンや光学イメージング用のプローブを装備できる CMM アームが含まれます。このようなアーム CMM は、従来の固定ベッド CMM よりも携帯性に優れているため、多くの場合に使用されます。測定場所を保存することで、プログラミング ソフトウェアを使用して、測定ルーチン中に測定アーム自体とその測定領域を測定対象部品の周囲に移動することもできます。CMM アームは人間の腕の柔軟性を模倣しているため、標準的な 3 軸マシンではプローブできなかった複雑な部品の内部に到達できることもよくあります。

座標測定の初期の頃は、機械式プローブはクイルの端にある特別なホルダーに取り付けられていました。非常に一般的なプローブは、硬いボールをシャフトの端にハンダ付けして作られました。これは、平面、円筒形、球形など、さまざまな表面を測定するのに理想的でした。他のプローブは、特殊な特徴を測定できるように、特定の形状、たとえば象限に研磨されていました。これらのプローブは、ワークピースに対して物理的に保持され、空間内の位置は 3 軸デジタル読み取り (DRO) から読み取られるか、より高度なシステムでは、フットスイッチなどのデバイスを使用してコンピューターに記録されました。この接触方式で行われた測定値は、機械が手動で動かされ、各機械オペレーターがプローブに異なる量の圧力をかけたり、測定に異なるテクニックを採用したりするため、信頼性が低い場合が多かったです。^[要出典]

さらなる発展として、各軸を駆動するためのモーターが追加されました。オペレーターはもはや物理的に機械に触れる必要がなくなり、現代のリモコンカーとほぼ同じように、ジョイスティック付きのハンドボックスを使用して各軸を操作できるようになりました。電子タッチトリガープローブの発明により、測定の正確さと精度が劇的に向上しました。この新しいプローブデバイスのパイオニアは、後に現在のRenishaw plc を設立したDavid McMurtryです。^[2]まだ接触式デバイスではありましたが、プローブにはバネ仕掛けの鋼球（後にルビー球）スタイラスが付いていました。プローブが部品の表面に触れると、スタイラスがたわみ、同時に X、Y、Z 座標情報をコンピューターに送信しました。個々のオペレーターによって引き起こされる測定誤差が減少し、CNC 操作の導入と CMM の成熟への準備が整いました。

光学プローブはレンズと CCD のシステムで、機械式プローブのように移動し、材料に触れるのではなく、関心のあるポイントに向けられます。表面のキャプチャされた画像は、残留物が黒と白のゾーン間のコントラストに十分になるまで、測定ウィンドウの境界で囲まれます。分割曲線は、空間内の必要な測定ポイントであるポイントまで計算できます。CCD の水平情報は 2D (XY) であり、垂直位置はスタンド Z ドライブ (またはその他のデバイス コンポーネント) 上の完全なプローブ システムの位置です。

新しいモデルには、指定された間隔でポイントを取得しながら部品の表面に沿って移動するプローブ (スキャン プローブと呼ばれる) が搭載されています。この CMM 検査方法は、従来のタッチ プローブ方法よりも正確で、ほとんどの場合、より高速です。

非接触スキャンと呼ばれる次世代のスキャンには、高速レーザーシングルポイント三角測量法^[3] 、レーザーラインスキャン^[4]、白色光スキャン^[5]などがあり、急速に進歩しています。この方法では、部品の表面に投影されるレーザービームまたは白色光を使用します。何千ものポイントを取得して、サイズや位置を確認するだけでなく、部品の 3D 画像を作成することもできます。この「ポイントクラウドデータ」を CAD ソフトウェアに転送して、部品の実用的な 3D モデルを作成できます。これらの光学スキャナーは、柔らかい部品や繊細な部品、またはリバースエンジニアリングを容易にするために使用されることがよくあります。

マイクロ計測プローブ

マイクロスケール計測アプリケーション用のプローブシステムも新たな分野です。^{[6] [7]}マイクロプローブがシステムに統合された市販の座標測定機がいくつかあり、政府の研究所にはいくつかの特殊システムがあり、大学で構築されたマイクロスケール計測用の計測プラットフォームも数多くあります。これらのマシンは優れたもので、多くの場合、ナノメートルスケールの計測プラットフォームとして優れていますが、主な制限は信頼性が高く、堅牢で、機能的なマイクロ/ナノプローブです。^{[引用が必要]} マイクロスケールプロービング技術の課題には、表面を損傷しないように低い接触力で深く狭い特徴にアクセスでき、高精度（ナノメートルレベル）を実現する高アスペクト比プローブの必要性が含まれます。^{[引用が必要]} さらに、マイクロスケールプローブは、湿度などの環境条件や、スティクション（接着、メニスカス、ファンデルワールス力などによって引き起こされる）などの表面相互作用の影響を受けます。^{[引用が必要]}

マイクロスケールのプロービングを実現する技術には、従来のCMMプローブの縮小版、光学プローブ、定在波プローブなどがある^[8]。しかし、現在の光学技術では、深く狭い特徴を測定できるほど小さくスケールすることができず、光学解像度は光の波長によって制限される。X線イメージングでは特徴の画像は得られるが、追跡可能な計測情報は得られない。

物理的原理

光学プローブとレーザープローブは、（可能な場合は組み合わせて）使用することができ、これにより、CMM が測定顕微鏡またはマルチセンサー測定機に変わります。縞投影システム、セオドライト三角測量システム、レーザー距離および三角測量システムは測定機とは呼ばれませんが、測定結果は同じで、空間点です。レーザープローブは、表面と運動連鎖の端（つまり、Z ドライブコンポーネントの端）の基準点との間の距離を検出するために使用されます。これには、干渉機能、焦点変化、光偏向、またはビームシャドウイング原理を使用できます。

従来の CMM では、3 つの直交軸上で移動するプローブを使用してオブジェクトの物理的特性を測定しますが、ポータブル CMM では、多関節アームを使用するか、光学式 CMM の場合は、光学式三角測量法を使用してオブジェクトの周囲を完全に自由に移動できるアームフリー スキャン システムを使用します。

多関節アームを備えたポータブル CMM には、直線軸の代わりに回転エンコーダを備えた 6 軸または 7 軸があります。ポータブル アームは軽量 (通常 20 ポンド未満) で、持ち運びでき、ほぼどこでも使用できます。ただし、業界では光学 CMM の使用が増えています。コンパクトな直線またはマトリックス アレイ カメラ (Microsoft Kinect など) で設計された光学 CMM は、アームを備えたポータブル CMM よりも小型で、配線がなく、ほぼどこにでも存在するあらゆる種類のオブジェクトの 3D 測定を簡単に行うことができます。

リバースエンジニアリング、ラピッドプロトタイピング、あらゆるサイズの部品の大規模検査など、反復しない特定のアプリケーションは、ポータブル CMM に最適です。ポータブル CMM の利点は多岐にわたります。ユーザーは、あらゆる種類の部品の 3D 測定を、最も遠隔地や困難な場所でも柔軟に行うことができます。ポータブル CMM は使いやすく、正確な測定を行うために管理された環境を必要としません。さらに、ポータブル CMM は従来の CMM よりもコストが低くなる傾向があります。

ポータブル CMM の固有の欠点は、手動操作 (常に人間が使用する必要がある) です。さらに、全体的な精度はブリッジ型 CMM よりも若干劣るため、一部の用途には適していません。

タッチプローブを使用する従来のCMM技術は、今日では他の測定技術と組み合わせられることが多くなっています。これには、レーザー、ビデオ、または白色光センサーが含まれ、マルチセンサー測定と呼ばれるものを提供します。^[9]

座標測定機の性能を検証するために、ISO 10360 シリーズが利用可能です。この一連の規格は、プローブ システムの特性と長さ測定誤差を定義します。

• P_フォーム：球体の形状を測定する際のプローブ偏差
• P_サイズ：球の大きさを測定するときのプローブ偏差
• E _Uni : 球面上の一方向からの測定長さの偏差
• E _Bi : 球面上の測定長さの左右の偏差

ISO 10360 シリーズは次の部分で構成されています。

• ISO 10360-1 製品の幾何特性仕様 (GPS) - 座標測定機 (CMM) の受入および再検証テスト - パート 1: 用語
• ISO 10360-2 製品の幾何特性仕様 (GPS) - 座標測定機 (CMM) の受入および再検証テスト - パート 2: 直線寸法の測定に使用される CMM
• ISO 10360-7 幾何製品仕様 (GPS) - 座標測定機 (CMM) の受入および再検証テスト - パート 7: イメージング プロービング システムを備えた CMM
• ISO 10360-8 幾何製品仕様 (GPS) - 座標測定システム (CMS) の受入および再検証テスト - パート 8: 光学距離センサーを備えた CMM

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