ニュース - 座標測定機とは？

A座標測定機（CMM）は、プローブを用いて対象物の表面上の離散的な点を感知することで、対象物の形状を測定する装置です。CMMでは、機械式、光学式、レーザー式、白色光式など、さまざまな種類のプローブが使用されます。装置によっては、プローブの位置をオペレーターが手動で制御する場合と、コンピュータで制御する場合があります。CMMは通常、プローブの位置を3次元直交座標系（XYZ軸）における基準位置からの変位で指定します。プローブをX、Y、Z軸に沿って移動させることに加えて、多くの装置ではプローブの角度を制御することもでき、通常では測定できない表面の測定が可能になります。

一般的な3D「ブリッジ型」CMMでは、プローブは3次元直交座標系において互いに直交する3軸（X、Y、Z）に沿って移動します。各軸には、プローブの位置を監視するセンサーが備えられており、通常はマイクロメートル精度で位置を検出します。プローブが対象物上の特定の位置に接触（または検出）すると、装置は3つの位置センサーからデータをサンプリングし、対象物表面上の1点の位置と、その測定の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、その都度プローブが移動することで、測定対象の表面領域を表す「点群」が生成されます。

CMMの一般的な用途は、製造および組立工程において、部品または組立品が設計意図に合致しているかを検査することです。このような用途では、点群が生成され、回帰アルゴリズムによって解析され、特徴が構築されます。これらの点は、オペレーターが手動で配置するプローブ、またはダイレクトコンピュータ制御（DCC）によって自動的に配置されるプローブを使用して収集されます。DCC CMMは、同一の部品を繰り返し測定するようにプログラムできるため、自動化されたCMMは産業用ロボットの特殊な形態と言えます。

部品

座標測定機は主に3つの構成要素から成ります。

3つの運動軸を含む主要構造。可動フレームの構築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、主要なCMMメーカーはすべて、アルミニウム合金またはその派生材料でフレームを製造し、スキャン用途でZ軸の剛性を高めるためにセラミックも使用しています。現在、CMMメーカーで花崗岩フレームのCMMを製造しているのはごく少数です。これは、計測ダイナミクスの向上に対する市場のニーズと、品質ラボ外にCMMを設置する傾向が高まっているためです。一般的に、中国とインドの小規模CMMメーカーと国内メーカーのみが、低コストの技術アプローチとCMMフレームメーカーへの参入の容易さから、花崗岩CMMを製造しています。スキャンへの傾向の高まりは、CMMのZ軸の剛性を高めることも要求しており、セラミックや炭化ケイ素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・処理システム ― 通常、機械制御装置、デスクトップコンピュータ、およびアプリケーションソフトウェアで構成される。

可用性

これらの機械は、自立型、手持ち型、持ち運び型などがあります。

正確さ

座標測定機の精度は、通常、距離の関数としての不確かさ係数で表されます。タッチプローブを使用するCMMの場合、これはプローブの繰り返し精度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繰り返し精度は、測定範囲全体で0.001mmまたは0.00005インチ（10分の1インチの半分）以内の測定値となります。3軸、3+2軸、および5軸の測定機では、プローブはトレーサブルな標準器を使用して定期的に校正され、測定機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。

特定の部分

機械本体

最初のCMMは、スコットランドのフェランティ社が1950年代に軍事製品の精密部品を測定する必要性から開発しましたが、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（イタリアのDEA）、コンピュータ制御は1970年代初頭に登場しましたが、最初の実用的なCMMは、イギリスのメルボルンのブラウン＆シャープ社によって開発され、販売されました。（その後、ドイツのライツ社が可動テーブルを備えた固定式機械構造を製造しました。）

現代の機械では、ガントリー型の上部構造は2本の脚を持ち、ブリッジと呼ばれることが多い。これは花崗岩製のテーブル上を自由に移動し、一方の脚（内側の脚と呼ばれることが多い）は花崗岩製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移動する。反対側の脚（外側の脚と呼ばれることが多い）は、花崗岩製テーブルの垂直な表面形状に沿ってテーブル上に載っている。摩擦のない移動を保証するために、エアベアリングが採用されている。エアベアリングでは、圧縮空気が平らなベアリング面の非常に小さな穴を通して押し出され、滑らかで制御されたエアクッションが作られる。このエアクッション上をCMMはほぼ摩擦なく移動でき、ソフトウェアで補正することができる。花崗岩製テーブルに沿ったブリッジまたはガントリーの移動は、XY平面の1つの軸を形成する。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するキャリッジがあり、もう1つのXまたはY水平軸を形成する。3番目の移動軸（Z軸）は、キャリッジの中心を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によって提供される。タッチプローブは、スピンドルの先端にあるセンシングデバイスです。X、Y、Z軸の動きによって、測定範囲が完全に定義されます。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。回転テーブルは4番目の駆動軸として機能しますが、測定寸法は3Dのままで、測定寸法自体が拡張されるわけではありませんが、ある程度の柔軟性を提供します。タッチプローブの中には、プローブ先端が垂直方向に180度以上、そして360度回転できる電動回転装置になっているものもあります。

現在、CMMはさまざまな形態で提供されています。例えば、アームの関節部で取得した角度測定値を用いてスタイラス先端の位置を計算するCMMアームがあり、レーザースキャンや光学イメージング用のプローブを取り付けることができます。このようなアーム型CMMは、従来の固定式CMMに比べて携帯性に優れているため、測定位置を保存することで、測定ルーチン中に測定アーム自体とその測定範囲を測定対象部品の周囲に移動させることが可能です。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軸測定機ではプローブできないような複雑な部品の内部にも到達できる場合が多くあります。

機械式プローブ

座標測定機（CMM）の初期の頃は、機械式プローブがスピンドルの先端にある専用ホルダーに取り付けられていました。最も一般的なプローブは、シャフトの先端に硬い球をはんだ付けして作られていました。これは、平面、円筒面、球面など、あらゆる形状の測定に最適でした。その他のプローブは、例えば象限など、特定の形状に研磨され、特殊な形状の測定を可能にしていました。これらのプローブはワークピースに物理的に押し当てられ、空間内の位置は3軸デジタル表示器（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に記録されました。この接触方式による測定は、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加える圧力が異なったり、測定方法に違いがあったりしたため、信頼性に欠けることが多かったのです。

さらに、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機械に直接触れる必要がなくなり、現代のラジ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駆動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、測定精度と精密さが劇的に向上しました。この新しいプローブ装置の先駆者は、後に現在のレニショー社を設立したデイビッド・マクマートリーでした。プローブは依然として接触式装置でしたが、バネ仕掛けの鋼球（後にルビー球）スタイラスを備えていました。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座標情報がコンピュータに送信されました。個々のオペレーターによる測定誤差が減少し、CNC操作の導入とCMMの成熟への道が開かれました。

電動式自動プローブヘッド（電子式タッチトリガープローブ付き）

光学プローブは、機械式プローブと同様に移動し、対象物に接触するのではなく、対象点に照準を合わせるレンズ-CCDシステムです。表面のキャプチャ画像は、黒と白の領域が十分にコントラストを保てるまで、測定ウィンドウの境界内に収まります。分割曲線は、空間内の目的の測定点となる点まで計算できます。CCD上の水平方向の情報は2D（XY）であり、垂直方向の位置は、スタンドのZ軸駆動装置（またはその他のデバイスコンポーネント）上のプローブシステム全体の位置です。

走査プローブシステム

より新しいモデルでは、プローブが部品の表面をなぞりながら一定間隔で測定点を取得する、いわゆるスキャニングプローブを備えたものが登場しています。このCMM検査方法は、従来のタッチプローブ方式よりも精度が高く、多くの場合、測定速度も速くなります。

次世代のスキャン技術である非接触スキャンは、高速レーザー単点三角測量、レーザーラインスキャン、白色光スキャンなどを含み、急速に発展しています。この方式では、レーザービームまたは白色光を部品の表面に照射します。これにより、数千点もの点を取得でき、サイズや位置の確認だけでなく、部品の3D画像を作成するためにも利用できます。この「点群データ」はCADソフトウェアに転送され、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のスキャン、あるいはリバースエンジニアリングを容易にするためによく使用されます。

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向けのプローブシステムは、もう一つの新たな分野として注目されています。マイクロプローブをシステムに統合した市販の座標測定機（CMM）がいくつかあり、政府研究所にはいくつかの専用システムがあり、また大学が開発したマイクロスケール計測プラットフォームも数多く存在します。これらの装置はナノメートルスケールでの計測において優れた、場合によっては非常に優れたプラットフォームですが、主な制約は信頼性が高く、堅牢で、高性能なマイクロ／ナノプローブの不足です。^{[出典が必要]}マイクロスケール探査技術における課題としては、表面を損傷しないように低い接触力で深く狭い構造にアクセスできる高アスペクト比のプローブと、高い精度（ナノメートルレベル）が必要となることが挙げられる。^{[出典が必要]}さらに、マイクロスケールのプローブは、湿度などの環境条件や、スティクション（接着力、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やすい。^{[出典が必要]}

マイクロスケールでの測定を実現する技術としては、従来のCMMプローブの小型版、光学プローブ、定在波プローブなどが挙げられる。しかし、現在の光学技術では、深く狭い構造を測定できるほど小型化することはできず、光学分解能は光の波長によって制限される。X線イメージングでは構造の画像は得られるものの、トレーサブルな計測情報は得られない。

物理原理

光学プローブやレーザープローブ（可能な場合は組み合わせて）を使用することで、CMMを測定顕微鏡またはマルチセンサー測定機に変更できます。フリンジ投影システム、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、空間点となります。レーザープローブは、表面と運動連鎖の端（つまり、Z軸駆動コンポーネントの端）にある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、焦点調整、光偏向、またはビーム遮蔽の原理を使用できます。

携帯型座標測定機

従来のCMMは、3つの直交座標軸に沿って移動するプローブを使用して対象物の物理的特性を測定するのに対し、ポータブルCMMは、関節式アームを使用するか、光学式CMMの場合は、光学三角測量法を使用するアームレススキャンシステムを使用し、対象物の周囲を完全に自由に移動できるようにする。

関節式アームを備えたポータブルCMMは、直線軸ではなく回転エンコーダを備えた6軸または7軸を有しています。ポータブルアームは軽量（通常20ポンド未満）で、ほぼどこにでも持ち運んで使用できます。しかし、光学式CMMは業界でますます広く使用されるようになっています。コンパクトな直線型またはマトリックスアレイ型カメラ（Microsoft Kinectなど）を搭載した光学式CMMは、アーム付きポータブルCMMよりも小型で、配線がなく、ほぼどこにでも設置されたあらゆる種類の物体の3D測定を容易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、反復作業を必要としない特定の用途には、ポータブルCMMが最適です。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。操作が簡単で、正確な測定を行うために制御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よりも低価格である傾向があります。

携帯型三次元測定機の本質的な欠点は、手動操作であること（常に人間が操作する必要がある）です。さらに、全体的な精度はブリッジ型三次元測定機よりもやや劣る場合があり、用途によっては適さない場合もあります。