座標測定機（CMM）は柔軟性の高い測定装置であり、従来からの品質検査室での使用に加え、近年ではより過酷な環境下での製造現場における生産支援など、製造環境において様々な役割を担ってきました。CMMエンコーダスケールの熱特性は、その役割と用途において重要な考慮事項となります。
レニショー社が最近発表した記事では、フローティング式およびマスタリング式エンコーダスケールの取り付け技術について論じられている。
エンコーダスケールは、取り付け基板から熱的に独立しているもの（フローティング型）と、基板の熱特性に依存するもの（マスタリング型）の2種類に分けられます。フローティング型スケールはスケール材料の熱特性に応じて膨張・収縮しますが、マスタリング型スケールは下地の基板と同じ速度で膨張・収縮します。測定スケールの取り付け技術は、様々な測定用途において多様な利点をもたらします。レニショー社の記事では、ラボ用機器においてマスタリング型スケールが好ましいソリューションとなる事例を紹介しています。
CMMは、品質管理プロセスの一環として、エンジンブロックやジェットエンジンブレードなどの高精度加工部品の3次元測定データを取得するために使用されます。座標測定機には、ブリッジ型、カンチレバー型、ガントリー型、水平アーム型の4つの基本タイプがあります。ブリッジ型CMMが最も一般的です。CMMブリッジ設計では、Z軸スピンドルがブリッジに沿って移動するキャリッジに取り付けられています。ブリッジは、Y軸方向に2つのガイドウェイに沿って駆動されます。モーターはブリッジの一方の肩を駆動しますが、反対側の肩は従来は駆動されません。ブリッジ構造は通常、静圧軸受でガイド/支持されます。キャリッジ（X軸）とスピンドル（Z軸）は、ベルト、ねじ、またはリニアモーターで駆動できます。CMMは、コントローラーで補正するのが難しい非再現性誤差を最小限に抑えるように設計されています。
高性能CMMは、熱容量の大きい花崗岩製のベッドと、剛性の高いガントリー／ブリッジ構造で構成され、低慣性スピンドルにセンサーを取り付けてワークピースの形状を測定します。生成されたデータは、部品が所定の公差を満たしていることを確認するために使用されます。高精度リニアエンコーダは、X、Y、Z軸それぞれに個別に設置されており、大型機では数メートルにも及ぶことがあります。
平均温度20±2℃の空調室内で稼働する一般的な花崗岩製ブリッジ型CMMでは、室温が1時間に3回変動するため、熱容量の大きい花崗岩は平均温度20℃を一定に保つことができます。各CMM軸に設置されたフローティング式リニアステンレス鋼エンコーダは、花崗岩基板とはほぼ独立しており、高い熱伝導率と低い熱容量（花崗岩テーブルの熱容量よりもかなり低い）により、気温の変化に迅速に対応します。これにより、一般的な3m軸におけるスケールの最大膨張または収縮は約60µmとなります。この膨張は、時間とともに変化する性質のため補正が困難な、大きな測定誤差を生じさせる可能性があります。
この場合、基板補正スケールが最適です。補正スケールは花崗岩基板の熱膨張係数（CTE）のみで膨張するため、気温のわずかな変動に対してほとんど変化しません。ただし、長期的な温度変化は考慮する必要があり、これは熱容量の大きい基板の平均温度に影響を与えます。温度補正は簡単で、コントローラはエンコーダスケールの熱挙動を考慮することなく、機械の熱挙動のみを補正すればよいからです。
要約すると、基板マスタリングスケールを備えたエンコーダシステムは、低熱膨張係数／高熱容量基板を用いた高精度CMMや、高い計測性能が求められるその他の用途に最適なソリューションです。マスタリングスケールの利点としては、熱補償方式の簡素化や、例えば機械設置環境における気温変動などによる非再現性測定誤差の低減などが挙げられます。
投稿日時：2021年12月25日