三次元測定機による精密検査

三次元測定機(CMM: Coordinate Measurement Machine)は、X軸、Y軸、Z軸に駆動する機構を備えた、精密測定用の機械です。
ヘッド先端には、測定するためのプローブを備えていて、プロープ先端(チップ)を製品に接触させることで、接触したポイントの三次元座標を認識し、記録します。

様々なポイントの座標情報を測定することで、平面や直径などを割り出し、さらには形状同士の位置関係などを算出することが可能となります。
このため、汎用の測定器具では測定できない幾何公差なども測定可能となります。

三次元測定機は、起動後に使用するスタイラスのキャリブレーションを行います。
チップの直径や、スタイラスの姿勢ごとの補正値を割り出す事になります。

具体的には左図のような、真球度の高い「マスターボール」を使用します。
マスターボールの球形状部分を「球」の要素として測定します。

三次元測定機の多くの機種で、スタイラスの姿勢(A軸角度、B軸角度)を変更することができます。

スタイラスの姿勢を変える事で、基準姿勢では測定できない横穴などにもアクセスできるようになり、幾何公差の測定が可能となったり、段取り替えの手間が省けたりします。

ワークを三次元測定機のテーブルに固定します。

通常の三次元測定では、切削加工のような強い力がかかりませんので、クランプ工具などで動かないように軽く固定する程度が一般的です。

次に、ワークの座標系を定義します。

三次元測定機自体の持っている機械座標系(X軸、Y軸、Z軸)と、ワークの座標系は異なりますので、ワークを基準とした座標系を改めて設定することが必要となります。

緑色の部分が基準面(Z基準)となりますので、この面にチップを触れさせ「平面」を測定します。

平面は3点以上触れる事で測定可能ですが、通常は10～20点程度のポイントを取得します。

取得した平面を、専用アプリケーション上で「基準面」として定義します。

これで、新しくワーク座標系の基準となる平面のデータを取得し定義することができました。

次に、ワーク座標系のX軸を定義していきます。

ワークの側面にチップ先端を当てていきます。

線を定義するためには2点以上のポイントが必要ですが、現実的には5～10点ほど取る事が多いと思います。

取得したポイントの座標系を専用アプリケーション中で先ほどの「基準面」に投影し、それを線データ(青)とします。

得られた線データを「X軸」に定義します。

続いて、X軸と同様に画面から見て左奥側の側面にチップ先端を当てていきます。
取得したポイントの座標系を専用アプリケーション上の「基準面」に投影することで基準面上の線データ(黄色)を得ることができます。

そして先ほどのX軸(青)とこの線とが交差するポイントの座標値(黒点)を割り出します。

この黒い点がワーク座標系の原点となりますので、「原点」として設定し、座標系の構築が完了します。

ここでは例として、「基準面」に対する水色の面の「直角度」と、水色の平面に対するオレンジ色の穴の「直角度」を測定する手順をご紹介します。

スタイラスを傾け(事前にキャリブレーションしておきます)、左図のようにチップ先端を側面に触れさせて「平面」を測定します。

これで専用アプリケーション上に記録されている「基準面」と今回取得した「平面」との直角度を算出することができます。

アプリケーション上でデータ同士を照合し、「直角度」を演算させます。

続いて穴の測定に移ります。

直角度を算出するためには、穴を「円筒」として測定し、中心軸の線データが必要となります。

スタイラスを穴に入れ、ある深さで穴の内径に数点触れて各ポイントの座標値を取得した後、さらに置く前入れて内径のポイントの座標系を取得します。
繊細な操作が必要な測定作業です。

円筒形状もできるだけ多くのポイントを取得することで、測定精度が向上します。
特に軸方向の情報が必要な場合は、奥行方向に3か所ほどは測定ポイントを設けます。