群馬県立産業技術センター研究報告（ 2013）三次元測定機の信頼性向上に関する研究（第２報） ―スキャニング測定における測定条件の影響― 鏑木哲志・中村哲也・小谷雄二 *・横山靖 *・細谷肇 * A study on reliability improvement of coordinate measuring machine (2 n d Report) ― Effects of measurement conditions under scannin g measuring mode― Tetsushi KABURAGI, Tetsuya NAKAMURA, Yuji KOTANI Yasushi YOKOYAMA and Hajime HOSOYA 本研究では、三次元測定機の信頼性向上のため、スキャニング測定における測定機の特性を把握することを試みた。実験は、スキャニング測定において重要な測定条件となる基準変位と倣い速度を変化させてマスターボールの赤道面を測定し、形状誤差と直径値の評価を行った。その結果、形状誤差は基準変位に依存せず倣い速度の増加に伴い大きくなった。直径値は倣い速度を速くすると小さくなり、基準変位が大きくなるほど校正値からの偏差が大きくなった。キーワード：三次元測定機、信頼性、スキャニング測定 To improve reliability of coordinate measuring machine (CMM), we have examined the characteristics of the CMMs under scanning measuring mode. The equator of the reference sphere was measured under the different scanning speed and deflection conditions, and the form error and the diameter value ware obtained. As a result, the form error did not depend on the deflection and it increased with increasing scanning speed. The diameter value decreased with the increase of the scanning speed and the deviation from the calibrated value of the diameter increased with increasing deflection. Keywords : Coordinate Measuring Machine, CMM, Reliability, Scanning Measuring １はじめには、比較的容易にかつ高精度に機械部品等の三次元形状及び寸法等の測定を可能とする装置で当センターでは、依頼試験や共同研究等であり、広く工業界で利用されている。CMM の各種測定機を使用した測定結果を顧客に提供信頼性を確保する手段は、例えば製造者が実施している。そのため、測定結果の信頼性の確する定期点検やユーザが実施する日常点検によ保及び向上は重要な課題である。る精度確認が挙げられる。これらの点検方法は、本研究において対象とする測定機は、三次元測定機（以下、CMM という）である。CMM 技術支援係 * 計測係 JIS 規格 1) やメーカ規格に従う場合が多い。この点検により、測定機の仕様に対する適合性を判断することによる信頼性の確保は可能であるが、点検方法とは異なる特殊な測定方法を採用する場合、測定結果の信頼性の判断は必ずし対象をプロービングする際のスタイラス球の動も行えない場合が多い。実際の測定においてきを模式的に示したものである。CMM のプロは、特殊な測定方法を採用する場合がほとんーブは大きく 2 つあり、1 つはタッチトリガーどであり、その利用形態に合わせた信頼性のプローブ、そしてもう 1 つはスキャニングプロ評価を行う必要がある。ーブである。タッチトリガープローブによる測スキャニング測定（倣い測定）は、測定対定対象のプロービングは、測定目標点から離れ象（ワーク）にスタイラスを接触させて表面た位置から接近し、接触してプロービングするを倣うことにより、ワーク形状を高速かつ高行為を繰り返すことで測定対象の表面点を得る密度に取得する測定方法である。スキャニンというものである。一方、スキャニングプローグ測定は、動的な測定であることから、一般ブでは測定対象にスタイラスを接触させたまま的なタッチトリガー方式の測定と比較して、測定対象の表面を倣うことで表面点を得るとい測定条件が測定結果に影響しやすい測定方法うものである。前者と比較して短時間に多数のである。ワークは形状や表面状態が様々であ連続した点が得られることが利点である。り、使用するスタイラス、測定力あるいは測定速度等の測定条件は CMM のユーザにおい表 2-1 CMM の主な仕様て任意に設定される。過去に、独立行政法人項　目仕　様産業技術総合研究所が主催し実施された「ス測定範囲 [mm] 1205×1905×1005 キャニング測定機能を使用して同一ワークを多機関で測定を実施する持ち回り測定」では、各機関の測定結果が測定機の保証精度を超えて大きく異なる結果であった。この要因は測定機の固有の測定能力だけでなく、測定条件最小表示量 [mm] 0.0001 最大許容指示誤差（MPEE） [µm] 2.3 + 3L / 1000 （L：測定長mm）最大許容スキャニング誤差（MPETHP） [µm] 2.8 使用プローブ SP25M （+ SM25-1）（スタイラス：f 4×50 mm）図 2-1 CMM の外観の影響も大きいと考えられる。このような背景から、当センターは、CMM ２．３プロービングシステムの信頼性の向上を目的として、カールツァイプロービングシステムは、レニショー製のプス製の CMM についてスキャニング測定におロービングシステムを使用した。プロービングける測定条件が測定結果に与える影響についシステムの外観を図 2-3 に示す。また、構成内ての検討を実施し 2 ）、信頼性向上に資する有容を表 2-2 に示す。効な知見を得た。そこで本研究では、製造者が異なる CMM について同様の検討を実施したので、その結果について述べる。スタイラススタイラスの動き ■タッチトリガープローブ２２．１実施方法測定対象測定機本研究において使用した CMM は、ミツトヨ製 Crysta-Apex C121910 である。図 2-1 に外観を示す。表 2-1 に測定機の主な仕様を示す。本測定機は比較的大きな測定範囲であ ■スキャニングプローブ測定対象ることが特徴である。２．２スキャニング測定機能本研究は、スキャニング測定を検討対象とした。図 2-2 にスキャニング測定を説明するための模式図を示す。図は CMM により測定図 2-2 プローブ方式とスタイラスの動き２．６測定条件測定条件が測定精度に与える影響について、製造者から表 2-3 に示す関係が示されている 3) 。回転式プローブヘッドここで、スキャニング速度（倣い速度）はワーク表面にスタイラスを接触さながら移動しそのプローブ座標を取得する測定速度である。基準変位はスモジュールタイラスをワークに接触させて、ワーク側にプスタイラスローブを押し込む量であり、測定力に近い測定図 2-3 プロービングシステムの外観条件と言える。ワーク曲率はワーク寸法に依存するものでありユーザが自由に設定することは表 2-2 プロービングシステムの構成項目型式及び仕様回転式プローブヘッド PH10MQ プローブ SP25M モジュール SM25-1 スタイラス φ 4×50mm 困難な項目である。高精度な測定を目的とした場合、倣い速度は遅く、そして基準変位は小さく設定することが望ましい。表 2-3 測定条件と測定精度との関係水準測定精度２．４測定対象測定対象はマスターボールとした。外観を図 2-4 に示す。マスターボールの材質はセラ低高倣い速度速遅基準変位大小ワーク曲率大小ミックであり、直径は呼び寸法 20mm である。直径及び形状の不確かさはおよそ 0.2µm と本研究で設定する測定条件の範囲を表 2-4 に言われている。本研究では、ワークの影響で示す。倣い速度については、1mm/s から 20mm/s はなく、測定機の特性の検討を目的として、までの範囲において段階的に設定した。基準変測定機の校正に使用さる基準器である本試料位については、0.2mm から 0.4mm の範囲でユを測定対象とした。ーザにて設定可能でありこの範囲において段階的に設定した。測定点の間隔は 0.1mm とした。表 2-4 測定条件項目水準倣い速度 [mm/s] 1～20 基準変位 [mm] 0.2～0.4　図 2-4 マスターボール２．７２．５評価対象と測定方法基準変位の影響の検討基準変位の影響を検討するため、測定条件に評価対象は、マスターボールの赤道、すなついて、倣い速度を 1mm/s で固定して、基準わちマスターボールの中心を通る XY 面と平変位を 0.2mm から 0.4mm の範囲を 0.05mm ご行な面とマスターボール表面とが交差する断との値で設定し測定を実施した。面とした。測定方法は、マスターボールをスタイラスのシャフト方向で定まる極と赤道面２．８倣い速度の影響の検討を等間隔に 4 分割した箇所の点を取得し、そ倣い速度の影響を検討するため、測定条件にれにより決定される球の中心を原点として、ついて、倣い速度を 1mm/s から 20mm/s の範機械座標系の XY 面に平行な断面に沿ってス囲で最小速度を 1 mm/s として 2 mm/s 以上は 2 キャニング測定を行うこととした。 mm/s ずつ増加させた。基準変位はそれぞれの倣い速度において、0.2mm から 0.4mm の範ている。形状誤差が最大で 1.8µm にもかかわら囲を 0.1mm ごとの値で設定し測定を実施しず直径値が 0.3µm の範囲で一致するのは、主とた。して 2 つの理由が考えられる。一つは、形状誤差が全測定値における半径方向の差異の幅であ３実験結果と考察り、1 点でも大きな誤差が生じるとその値が形状誤差として表現されてしまうことである。こ３．１基準変位の影響の対策として、適切なフィルタを適用すること測定結果の例を図 3-1 に示す。図はスキャが考えられるが、通常顧客に提供する測定結果ニング測定により取得された点の座標と指示は、測定対象が円や線等の単純な幾何形状ではすべき座標（以下、基準値という）との差でないことが大半であり、フィルタを適用するこある形状誤差を示したものである。各測定点とができないため、各測定点の形状誤差に対すの誤差が基準値からの線分で示されている。る重みが強い。もう一つは、測定点と原点との測定対象は球の断面、すなわち円であり、内距離は半径となるが、この半径の中央値が校正周及び外周の円は±1µm の公差を示してい値に近い値であり、全ての点が半径方向で基準る。この公差は測定の目標値ではなく、誤差値に対しての正負に均等に存在していることでの目安として使用するものである。図の例である。図 3-1 から後者の理由が合理的であるとは、いずれの測定点も±1µm 以内であること考えられる。が分かる。また、誤差も中央の基準値から半 0.002 生じていないことが分かる。 Form error [mm] 径方向に出入りしており、測定結果に偏りが 0.001 0.2 0.3 0.4 Deflection [mm] 図 3-2 形状誤差と基準変位との関係 0.2 図 3-1 測定結果の例る形状誤差と測定値に最小自乗法を用いて円をあてはめた際の直径値の評価を実施した。それらの結果を図 3-2 及び図 3-3 に示す。それぞれの図において、横軸は基準変位であり縦軸は各評価量である。直径値のグラフで示される破線はマスターボールの校正値であり、 19.987 Diameter [mm] 測定点について、誤差の半径方向の幅であ Calibrated value 19.986 0.2 0.3 0.4 Deflection [mm] 図 3-3 直径値と基準変位との関係本評価では基準値となる。の形状誤差については、それぞれの基準変位にて 1.7µm を中央形状誤差は、基準変位が 0.3mm で最も小さ値として 0.2µm の範囲であった。基準変位がい結果となったが、直径値は、基準変位が 0.3mm の場合は最も形状誤差が小さくなっ 0.2mm で最も校正値に近い結果となった。直径た。その程度は測定機の最小表示値の単位で値については製造者から得られた情報のとおりある。直径値については、校正値に対して最基準変位が大きくなると校正値との差異が大き大でも 0.3µm 程度の誤差である。基準変位のくなる傾向が見られたが、形状誤差については、増加に伴い、校正値からの偏差が大きくなっ設定範囲の中央値で最も小さい値となった。これについては、プロービングシステムとワー測定を行う機能である。倣い速度が速い場合は、クとの相性やワークの表面状態により最適値曲率や表面性状の急峻な変化の影響で、測定機が異なることが予想され、今回の検討での組は指示値どおりに動作しないことが多い。また、み合わせにおいては、基準変位 0.3 が形状誤制御機側の点の倣い速度にも依存するため、倣差を小さくする目的であれば最適値となった。い速度はあくまでも制御の上での目標値となる。目視では、倣い速度の設定値を増すごとに初期３．２倣い速度の影響の段階では測定機の動作が速くなることは確認倣い速度を変化させて測定した結果についできたが、後半はその違いを明確に把握するこて、前節と同様に形状誤差の評価を実施した。とはできなかった。実用的な使用を想定すると、形状誤差と倣い速度の関係を図 3-4 に示す。スタイラスの寿命やワーク形状の複雑さから倣また、形状誤差は測定点 1 点の重みが強いたい速度を 10mm/s 以上で使用することは現実的め、その影響を緩和するために各測定点と原でないことから、この議論はここまでに留める点との距離である半径の標準偏差も求めた。 0.2 その結果を図 3-5 に示す。倣い速度が 6 mm/s から 8mm/s までの領域では比較的大きく増加する傾向であり、その後倣い速度が速くなると緩やかな増加傾向となる。これは図 3-5 に示す半径の標準偏差の傾 0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 向と同様であることから、形状誤差は特異的 0 に大きな偏差をもつある固有の点に支配され 4 象が起こりづらかったためと考えられる。これについては、標準偏差の結果から測定値の半径方向のばらつきが小さいことからも予想される。従って、形状誤差は、倣い速度の上 Standard deviation of radius [mm] 対して基準変位は影響している様子は見られ速度を速めても測定子のはねやびびり等の現 16 20 0.2 0.3 0.4 4 8 12 0.0010 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0.0000 0 16 20 Measuring speed [mm/s] 昇にともなう動的な系統的誤差が表現されていると考えられる。この原因については様々 12 図 3-4 形状誤差と倣い速度との関係て、倣い速度 4mm/s 以上では、形状誤差にスの表面粗さは非常に小さいことから、倣い 8 Measuring speed [mm/s] ていないことが分かる。また、図 3-5 においない。これは、マスターボール及びスタイラ 0.4 0.010 Form error [mm] まず両者について注目する。形状誤差は、 0.3 図 3-5 半径の標準偏差と倣い速度との関係な理由が考えられ、原因を特定することは困難であるが、形状誤差を小さくするためには倣い速度を遅くすることは有効な手段である 0.2 因として測定機が指示値どおりに動作していないことが考えられる。本測定においては、測定対象は円形状であるもののスキャニング測定については未知形状として実施している。これは予め決められた軌道で測定点を取得するのではなく、ワークの測定形状に追従して Diameter [mm] ると形状誤差の増加が小さくなった。この原 0.4 Calibrated value 19.988 と言える。また、形状誤差において、ある速度を超え 0.3 19.986 19.984 0 4 8 12 16 Measuring speed [mm/s] 図 3-6 直径値と倣い速度との関係 20 ものとする。４まとめ次に、前節と同様に直径値の評価を実施した結果について、直径値と倣い速度の関係を CMM によるスキャニング測定について、マ図 3-6 に示す。全ての基準変位に対して、直スターボールを測定対象として、測定条件の影径値は倣い速度に対して負の相関があること響を検討したところ次の知見を得た。が分かる。また、基準変位が大きくなると、基準値からの偏差が大きくなることが分かる。 (1) 倣い速度が 1mm/s の場合、全ての基準変位これは形状誤差と同様に、測定機の動的な影の設定値において形状誤差は 1.8µm 以下、そ響が表現されていると考えられる。実用的なして直径値の校正値からの偏差は 0.3µm 以倣い速度である 10mm/s 以下の範囲では、基下であった。準値からの偏差がおよそ 0.5µm の範囲とな (2) 形状誤差は、倣い速度を速くすると大きくり、直径値においても基準値からの偏差を小なるが、基準変位は形状誤差に対して大きなさくするためには倣い速度を遅くすることは影響を与えない。 (3) 直径値は、倣い速度を速くすると小さくな有効な手段である。形状誤差の評価を行った例の抜粋を図 3-7 に示す。倣い速度が増加すると、半径方向のり、基準変位が大きくなるほど校正値からの偏差が大きくなる。誤差が大きくなっていくことが分かる。過去実施したカールツァイス製の CMM（UPMC 参考文献 850/700 CARAT HSS）での評価 2) において、剛性の低いスタイラスでは、近傍の点間の半 1) JIS B 7440 シリーズ、日本規格協会径方向のばらつきは小さいものの、形状自体 2) 鏑木哲志ほか：三次元測定機の信頼性向上にがゆがんで測定される結果であった。一方、関する研究、群馬産業技術センター研究報告、本研究で使用したミツトヨ製の CMM では、 43-46（2012）半径方向の誤差は大きいものの、その誤差の幅の中央値は実際の形状にほぼ近い値として 3) ミツトヨ倣いプローブ SP25M ユーザーズマニュアル測定されている。CMM の種類により誤差の発生する機構が異なることから、測定機の信頼性を向上させるためには、測定機の特性を理解して適切に運用することが重要である。 2 Measuring speed [mm/s] 4 6 0.4 Deflection 0.3 0.2 1 図 3-7 形状誤差の例 12 18