ニュース - 座標測定機とは何ですか?

あ座標測定機CMM（三次元測定機）は、物体表面上の離散点をプローブで検知することで、物体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、様々な種類のプローブが使用されます。機械の種類に応じて、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、コンピューター制御される場合もあります。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。多くの機械では、プローブをX、Y、Z軸に沿って移動させるだけでなく、プローブの角度を制御することで、通常は測定できない表面も測定できます。

一般的な3D「ブリッジ」CMMは、X、Y、Zの3軸に沿ってプローブを移動させます。これらの軸は、3次元直交座標系において互いに直交しています。各軸には、その軸上のプローブの位置を、通常はマイクロメートル単位の精度で監視するセンサーが搭載されています。プローブが物体上の特定の位置に接触（または検出）すると、機械は3つの位置センサーからデータを取り込み、物体表面上の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、製造工程や組立工程において、部品やアセンブリを設計意図に沿ってテストすることです。このような用途では、点群が生成され、回帰アルゴリズムを用いて解析され、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、または直接コンピュータ制御（DCC）によって自動的に位置決めされたプローブによって収集されます。DCC CMMは、同一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

座標測定機には、次の 3 つの主要コンポーネントが含まれます。

3 つの動作軸を含む主要構造。可動フレームの製造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、アルミニウム合金またはその派生素材からフレームを製造し、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セラミックも使用しています。計測ダイナミクスの向上に対する市場の要求と、品質ラボの外に CMM を設置する傾向の高まりにより、今日でも花崗岩フレーム CMM を製造している CMM メーカーはわずかです。通常、技術的なアプローチが低く、CMM フレームビルダーになるのが容易なため、少量の CMM ビルダーと中国およびインドの国内メーカーのみが、今でも花崗岩 CMM を製造しています。スキャンへの傾向の高まりにより、CMM Z 軸の剛性も高くなる必要があり、セラミックや炭化ケイ素などの新材料が導入されています。
プロービングシステム
データ収集および削減システム — 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。

可用性

これらのマシンは、自立型、手持ち型、ポータブル型にすることができます。

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実性係数として表されます。タッチプローブを使用するCMMの場合、これはプローブの再現性とリニアスケールの精度に関係します。典型的なプローブの再現性は、測定範囲全体にわたって0.001mmまたは0.00005インチ（10分の1の半分）以内の測定結果をもたらします。3軸、3+2軸、および5軸の機械では、プローブはトレーサブルな標準を用いて定期的に校正され、機械の動きはゲージを用いて検証され、精度が確保されています。

特定の部品

機械本体

最初のCMMは、1950年代にスコットランドのフェランティ社によって開発されました。これは、軍用製品に使用される精密部品の測定という直接的なニーズに応えるものでしたが、この機械は2軸のみでした。最初の3軸モデルは1960年代（イタリアのDEA）に登場し始め、コンピュータ制御は1970年代初頭に導入されましたが、最初の実用的なCMMはイギリスのメルボルンにあるブラウン＆シャープ社によって開発・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構造の機械を製造しました。）

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、しばしばブリッジと呼ばれます。この上部構造は、花崗岩テーブル上を自由に移動できます。一方の脚（内側脚と呼ばれることが多い）は、花崗岩テーブルの片側に設置されたガイドレールに沿って移動します。もう一方の脚（外側脚と呼ばれることが多い）は、花崗岩テーブル上の垂直面の輪郭に沿って移動します。エアベアリングは、摩擦のない移動を保証するために採用されています。エアベアリングでは、圧縮空気が平坦なベアリング面にある一連の非常に小さな穴を通して送り込まれ、滑らかでありながら制御されたエアクッションを形成します。このエアクッションの上で、CMMはほぼ摩擦のない状態で移動できます。この移動はソフトウェアによって補正可能です。花崗岩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、内側脚と外側脚の間を移動するキャリッジが内蔵されており、もう一方のX軸またはY軸を形成します。3つ目の移動軸（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で実現されます。タッチプローブは、クイルの先端に取り付けられた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正確に表現されます。オプションの回転テーブルを使用することで、測定プローブの複雑なワークへのアプローチ性を向上させることができます。回転テーブルを第4の駆動軸として使用しても測定範囲は3Dのままですが、ある程度の柔軟性が得られます。一部のタッチプローブは、プローブ先端が垂直方向に180度以上、回転方向に360度回転する電動回転装置です。

CMMは現在、様々な形態で提供されています。例えば、アームの関節で角度を測定し、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装備できます。このようなアームCMMは、従来の固定式CMMに比べて携帯性に優れているため、測定箇所を保存できるだけでなく、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測定範囲を測定対象部品の周囲に移動させることもできます。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軸測定機ではプローブ測定が不可能な複雑な部品の内部まで到達できる場合も少なくありません。

機械プローブ

座標測定 (CMM) 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、硬い球をシャフトの端に半田付けして作られていました。これは、平面、円筒形、球面など、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、象限などの特定の形状に研磨されていました。これらのプローブは、物理的にワークピースに押し当てられ、空間内の位置は 3 軸デジタル表示 (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、信頼性が低いことがよくありました。

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操作できるようになりました。測定の正確さと精度は、電子タッチトリガープローブの発明によって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。依然として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す。オペレーター個人のせいで生じる測定誤差は減少し、CNC 操作の導入と CMM の成熟への道が開かれました。

電子タッチトリガープローブを備えた電動自動プローブヘッド

光学プローブはレンズCCDシステムであり、機械式プローブと同様に移動し、材料に直接接触するのではなく、測定対象点に向けられます。測定対象表面の画像は、測定ウィンドウの境界内に収まり、残留物が白黒の領域間のコントラストを十分に確保するまで保持されます。分割曲線は、空間内の測定対象点となる点まで計算されます。CCDの水平方向の情報は2D（XY）で、垂直方向の位置は、スタンドのZ軸（またはその他の装置コンポーネント）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

最新のモデルには、部品の表面に沿ってプローブを移動させ、指定された間隔で測定点を計測する「スキャニングプローブ」と呼ばれるプローブを搭載したものがあります。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、検査時間も短縮されます。

非接触スキャンと呼ばれる次世代スキャン技術は、高速レーザーシングルポイント三角測量、レーザーラインスキャン、白色光スキャンなどを含み、急速に進歩しています。この方法では、レーザービームまたは白色光を部品の表面に投影します。数千もの点群を取得し、サイズや位置の確認だけでなく、部品の3D画像を作成することもできます。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、あるいはリバースエンジニアリングを容易にする目的でよく使用されます。

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ビングシステムも、新たな分野として注目されています。市販の座標測定機（CMM）の中には、マイクロプローブをシステムに組み込んだものが多く、政府機関の研究所には専用のシステムもいくつか設置されており、大学が開発し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存在します。これらの機械は優れたもので、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、信頼性が高く、堅牢で、高性能なマイクロ/ナノプローブが不可欠であることが大きな制約となっています。^{[引用が必要]}マイクロスケールのプローブ技術の課題には、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する能力を備えた高アスペクト比プローブと高精度（ナノメートルレベル）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発生する）などの表面相互作用の影響を受けやすくなります。^{[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としては、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挙げられます。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型化できず、光学分解能は光の波長によって制限されます。X線イメージングでは特徴の画像は得られますが、追跡可能な計測情報は得られません。

物理原理

光学プローブおよび／またはレーザープローブ（可能な場合、併用）を使用することで、CMMは測定顕微鏡またはマルチセンサー測定機として機能します。干渉縞投影システム、セオドライト三角測量システム、またはレーザー距離・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、表面と運動連鎖の末端（Z軸駆動コンポーネントの末端）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。この測定には、干渉関数、焦点変化、光偏向、またはビームシャドウイング原理を利用できます。

ポータブル座標測定機

従来の CMM では、物体の物理的特性を測定するために 3 つの直交軸上で移動するプローブを使用しますが、ポータブル CMM では、多関節アームを使用するか、または光学式 CMM の場合は、光学式三角測量法を使用して物体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は、直線軸ではなくロータリーエンコーダを備えた6軸または7軸を備えています。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、業界では光学式CMMの採用がますます増えています。コンパクトな直線カメラまたはマトリックスアレイカメラ（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、配線が不要なため、ほぼどこにでも設置できる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、反復作業が少ないアプリケーションには、ポータブルCMMが最適です。ポータブルCMMには様々なメリットがあります。あらゆる種類の部品を、最も遠隔地や困難な場所でも3D測定できる柔軟性が得られます。操作も簡単で、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よりもコストが低い傾向があります。

ポータブルCMMの本質的なトレードオフは、手動操作（常に人間による操作が必要）です。さらに、全体的な精度はブリッジ型CMMに比べてやや劣るため、一部の用途には適していません。