形狀測定方法及形狀測定裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種形狀測定方法及形狀測定裝置，其使觸針沿著測定面平滑地掃描，從而實現高精度且快速的形狀測定。重復包括平行移動和正交移動在內的測頭(26)的相對于測定面的相對移動(步驟4、5)，該平行移動使觸針(20)相對于測定面而向與測定面平行的方向移動指定的距離，該正交移動以在包括觸針(20)的位置相對于測頭(26)的位置的位移量和位移方向在內的觸針位移矢量(Di)的測定面上使法線方向的大小成為預先確定的壓入量的設定值(C)的方式，使測頭(26)向根據當前的觸針位置(Si)與過去的觸針位置(Si-1)之差而算出的測定面的法線方向移動。
【專利說明】形狀測定方法及形狀測定裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種使觸針與測定面接觸的同時進行掃描，來順次讀取坐標和觸針傾斜，由此對測定面的形狀進行測定的形狀測定方法及形狀測定裝置。
【背景技術】
[0002]伴隨工業產品的小型高性能化，高精度的部件不斷增加。為了進行以上述部件等為測定對象的任意的三維形狀的掃描測定，提出有一種使觸針與測定面接觸的同時進行掃描，來順次讀取坐標，由此對測定面的形狀進行測定的方式的形狀測定裝置。在此類形狀測定中，提出各種使觸針相對于測定面自動地進行掃描控制的技術。
[0003]在現有的觸針的自動掃描控制方法中，為了避免自動掃描引起的振動對測定結果產生影響，而存在搭載有以平滑的自動掃描為目的的控制方法的情況。(例如，參照專利文獻I。)
[0004]圖7A?圖9是表示上述專利文獻I所記載的現有的形狀測定裝置及形狀測定方法的圖。
[0005]圖7A及圖7B是表示現有技術中的裝置結構的圖，大致分為三維測定器22、該三維測定器22的控制裝置23和運算裝置24。三維測定器22使在測頭26上設置的觸針20與測定物25的測定面25a接觸的同時進行測定。測頭26在安裝于撓性構件的觸針軸的下端具有球狀的觸針20，在上端具有反射鏡。對于來自測定面的XY方向的測定力，觸針軸通過撓性構件而進行傾斜，根據由反射鏡反射的激光來檢測其傾斜量。另外，對于來自測定面的Z方向的測定力，觸針軸通過撓性構件而向上方移動，通過由反射鏡反射的Z方向測長激光來檢測Z方向的位移。控制裝置23具備X坐標檢測部31、Y坐標檢測部32、Z坐標檢測部33、傾斜檢測部34、聚焦誤差信號檢測部35等。運算裝置24具備測定點位置運算部41、觸針位移矢量檢測部43、移動矢量算出部49、移動指示部87、動摩擦系數存儲部40等。
[0006]根據上述的結構，在觸針20產生位移時，根據由X坐標檢測部31、Y坐標檢測部32,Z坐標檢測部33檢測出的測頭位置和由傾斜檢測部34檢測出的觸針20 (觸針軸)的傾斜來算出觸針位移矢量。并且，使用加入動摩擦力引起的觸針位移矢量的方向變化角度而算出的移動矢量M來執行掃描，其中，該動摩擦力根據事先存儲在動摩擦系數存儲部40中的觸針20與測定面25a的動摩擦系數來算出。
[0007]圖8表示現有技術中的測頭位置P與觸針位置S的軌跡。測頭26從觸針20與測定面25a不接觸的測頭位置PO (在該位置處，觸針20未受到測定力，因而相對于測頭26不產生位移。因此，測頭位置PO位于與觸針位置SO相同的位置)通過觸針20與測定面25a相接的觸針位置SI，并移動到被壓入規定的壓入量Dl的測頭位置P1。將從測頭位置P向該時刻的觸針位置S的矢量稱為觸針位移矢量D。從測頭位置Pl向觸針位置SI的位移矢量為D1。接著，使測頭26從測頭位置Pl向與觸針位移矢量Dl垂直的方向移動移動矢量Ml。于是，在動摩擦力F的作用下，觸針位移矢量D相對于與測定面成直角的矢量N而傾斜有方向變化角Θ。為了沿與測定面平行的方向對測頭26進行仿形控制，相對于觸針位移矢量D，向在方向變化角Θ上加上90°而得到的方向進行測頭移動，其中，該方向變化角Θ根據事先存儲的動摩擦系數μ，并由Θ = atan μ的關系導出。
[0008]在先技術文獻
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:日本專利第4611403號說明書發明概要
[0011]發明要解決的課題
[0012]在上述現有方法中，因測頭26的傾斜的方向或大小的變化，而掃描方向和壓入修正方向都變化，因此成為不能稱之為平滑的掃描測定。在動摩擦力的增減十分小的范圍內，在上述現有方法中也能夠期待平滑的掃描。但是，對于實際的測定物，存在因測定物的材質?形狀和觸針的材質引起的觸針與測定物之間的靜電引力導致的動摩擦力的增減。因該動摩擦力的增減，圖8中的動摩擦力F發生變化，因動摩擦力F使觸針位移矢量的方向變化角度Θ發生變動。
[0013]圖9是圖示出以使Y軸傾斜成為固定的大小(在圖表中，縱軸為0.7mm)的方式壓入觸針、并沿著X軸向負方向掃描平面時的觸針位移矢量D的情況的圖。測頭中心位置P在Y軸方向上不產生壓入的變動，在X軸方向上以0.01mm間距掃描約1mm。觸針位移矢量D相對于測頭中心位置P的值而以約200·倍進行表示。X方向的傾斜不固定，產生觸針位移矢量D交叉的部位。這樣，現有的掃描測定方法無法實現平滑的掃描測定，產生振動而使測定誤差增大，且測定時間也延長。
[0014]
【發明內容】
[0015]本發明用于解決上述現有的課題，其目的在于，在使觸針與測定面接觸的同時進行掃描并順次讀取坐標、由此對測定面的形狀進行測定的方式的形狀測定裝置及形狀測定方法中，使觸針沿著測定面平滑地掃描，從而實現高精度且快速的形狀測定。
[0016]解決方案
[0017]本發明的第一形態提供一種形狀測定方法，其中，準備觸針，該觸針借助來自測定面的測定力而被支承為能夠相對于測頭位移，重復包括平行移動和正交移動在內的所述測頭相對于所述測定面的相對移動，所述平行移動使所述觸針相對于所述測定面而向與所述測定面平行的方向移動指定的距離，所述正交移動使所述測頭向根據當前的觸針位置與過去的觸針位置之差而算出的所述測定面的法線方向移動，使得在包括所述觸針的位置相對于所述測頭的位置的位移量和位移方向在內的觸針位移矢量的所述測定面上使法線方向的大小成為預先確定的壓入量的設定值。
[0018]本發明的第二形態提供一種形狀測定裝置，其特征在于，所述形狀測定裝置具備:測頭，其將觸針支承為能夠借助來自測定面的測定力而位移；移動部，其使所述測頭和所述測定面的相對位置移動，使得所述觸針對所述測定面進行掃描；觸針位移矢量檢測部，其對包括所述觸針的位置相對于所述測頭的位置的位移量和位移方向在內的觸針位移矢量進行檢測；法線方向輸出部，其輸出所述測定面的測定點處的法線方向；法線方向矢量分量算出部，其基于所述法線方向輸出部所輸出的值，來算出觸針位移矢量的所述法線方向分量并將其輸出；壓入矢量算出部，其基于所述測定面上的法線方向的壓入量的設定值和法線方向矢量分量算出部的輸出算出壓入矢量，使得所述觸針位移矢量的法線方向分量成為所述壓入量的設定值；掃描矢量算出部，其算出在與所述法線方向垂直的方向上成為預先設定的掃描速度的掃描矢量；移動矢量算出部，其根據所述壓入矢量算出部的輸出和所述掃描矢量算出部的輸出，來算出對所述測頭的移動指令即移動矢量；及移動控制部，其對所述移動部的移動進行控制，使得所述測頭按照所述移動矢量移動。
[0019]即使觸針位移矢量因摩擦等的外力變化而發生變化，從測定表面的觸針的壓入量也成為固定值。即使測定面具有任意的傾斜，因摩擦力而觸針位移矢量相對于測定面未成為直角方向，也能夠根據測定力檢測出與測定面成直角的方向，從而使觸針在與測定面平行的方向上掃描而進行測定。另外，即使測定面的傾斜角度上存在變化，也能將觸針位移矢量的大小維持為預先確定的規定值。換言之，即使測定面的傾斜角度上存在變化，也能夠以在觸針位移矢量的大小上不產生變化的方式進行掃描，從而能夠使觸針更準確地在與測定面平行的方向上進行掃描。而且，在掃描測定開始時除了必要的與測定面相關的數據以外，不需要額外數據。
[0020]發明效果
[0021]根據本發明的形狀測定方法及形狀測定裝置，即使觸針位移矢量因摩擦等的外力變化而發生變化，從測定表面的觸針的壓入量也成為固定值，即使來自具有任意的傾斜面的測定面的測定力因摩擦力而未成為與測定面成直角的方向，也能夠根據測定力來檢測出與測定面成直角的方向，使觸針位移矢量的法線方向分量固定，并同時使觸針在與測定面平行的方向上掃描而進行測定，因此能夠實現平滑、更快速、更高精度的形狀測定，能夠有助于實現工業產品的精密微細化、高精度化及高成品率的產品制造。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1A是本發明的實施方式的形狀測定裝置的結構圖。
[0023]圖1B是本發明的實施方式的形狀測定裝置的結構圖。
[0024]圖2是本發明的實施方式的測頭的結構圖。
[0025]圖3是用于說明本發明的實施方式的觸針位置、測頭位置及觸針位移矢量的圖。
[0026]圖4是表示本發明的實施方式的處理的流程的流程圖。
[0027]圖5是對本發明的實施方式的軌跡平面圖的標記方法進行輔助的圖像圖。
[0028]圖6是表示本發明的實施方式的測定軌跡的圖。
[0029]圖7A是現有發明的形狀測定裝置的結構圖。
[0030]圖7B是現有發明的形狀測定裝置的結構圖。
[0031]圖8是表示現有發明的測定軌跡的圖。
[0032]圖9是表示現有發明的基于仿形控制的觸針位移矢量的圖。
[0033]附圖標記說明如下:
[0034]20 觸針
[0035]21三維形狀測定裝置
[0036]22三維計測器
[0037]23控制裝置
[0038]24運算裝置[0039]25測定物
[0040]25a測定面
[0041]26測頭
[0042]27XY 工作臺
[0043]28Z工作臺
[0044]31X坐標檢測部
[0045]32Y坐標檢測部
[0046]33Z坐標檢測部
[0047]34傾斜檢測部
[0048]35聚焦誤差信號檢測部
[0049]37X軸控制部
[0050]38Y軸控制部
[0051]39Z軸控制部
[0052]40動摩擦系數存儲部
[0053]41測定點位置運算部
[0054]42誤差運算輸出部
[0055]43觸針位移矢量檢測部
[0056]43aX分量檢測部
[0057]43bY分量檢測部
[0058]43cZ分量檢測部
[0059]44前次測定位置存儲部
[0060]45法線方向矢量輸出部
[0061]46法線方向矢量分量算出部
[0062]47壓入矢量算出部
[0063]48掃描方向單位矢量算出部
[0064]49移動矢量算出部(加法部)
[0065]51A.51B 撓性部
[0066]53觸針軸
[0067]54反射鏡
[0068]61振蕩頻率穩定化激光
[0069]62X參照反射鏡
[0070]63y、63z 激光
[0071]64Y參照反射鏡
[0072]68半導體激光
[0073]69激光
[0074]70準直透鏡
[0075]71光圈
[0076]72分光器
[0077]73分 色鏡[0078]74偏振棱鏡
[0079]75分色鏡
[0080]76透鏡
[0081]79受光元件
[0082]81一體化元件
[0083]82激光
[0084]83衍射光柵
[0085]84準直透鏡
[0086]87移動指示部
[0087]88X軸電動機
[0088]89Y軸電動機
[0089] 91法線方向設定?存儲部
[0090]92掃描速度設定部
[0091]93掃描方向矢量算出部
[0092]94壓入量設定.存儲部
[0093]95切換開關
【具體實施方式】
[0094]以下，參照附圖，對本發明的實施方式進行說明。在各附圖中，對相同的構成部分標注相同的附圖標記，并省略說明。
[0095](實施方式I)
[0096]圖1A及圖1B是表示本發明的實施方式I的三維形狀測定裝置(以下，簡稱為形狀測定裝置。)的結構的圖。該形狀測定裝置大致分為三維計測器22、控制裝置23、由計算機等構成的運算裝置24。
[0097]三維計測器22使在測頭26上設置的觸針20與測定物25的測定面25a接觸的同時進行測定。作為使測定面25a與測頭26的相對位置在XYZ方向上移動的移動部，具備:由使測定面25a在X方向上移動的X軸電動機88和使測定面25a在Y方向上移動的Y軸電動機89驅動的XY工作臺27 ;在下端安裝有測頭26且使測頭26在Z方向上移動的Z工作臺28。需要說明的是，在測定大型的測定物的情況下，也可以通過使測定面固定且使測頭在XYZ方向上移動的結構來實施。
[0098]控制裝置23具備X坐標檢測部31、Y坐標檢測部32、Z坐標檢測部33、傾斜檢測部34、聚焦誤差信號檢測部35、X軸控制部37、Y軸控制部38及Z軸控制部39。
[0099]運算裝置24具備測定點位置運算部41、誤差運算輸出部42、觸針位移矢量檢測部43、前次測定位置存儲部44、法線方向矢量輸出部45、法線方向矢量分量算出部46、壓入矢量算出部47、掃描方向單位矢量算出部48、移動矢量算出部49、移動指示部87、法線方向設定.存儲部91、掃描速度設定部92、掃描方向矢量算出部93、壓入量設定部94、切換開關95。
[0100]X坐標檢測部31利用在XY工作臺27上固定的X參照反射鏡62使由振蕩頻率穩定化激光61產生并分支后的激光(未圖示。)反射。使X參照反射鏡62的包含反射光路長變化信息的該反射光與不包含光路長變化信息的基準的激光發生干涉，并通過已知的激光測長法對XY工作臺27的X方向的移動量進行檢測。即，X坐標檢測部31對測頭位置P的X坐標Px進行測定。同樣，Y坐標檢測部32利用在XY工作臺27上固定的Y參照反射鏡64使由振蕩頻率穩定化激光61產生并分支后的激光63y反射，使包含光路長變化信息的該反射光與不包含光路長變化信息的基準的激光發生干涉，并通過已知的激光測長法對XY工作臺27的Y方向的移動量進行檢測。即，Y坐標檢測部32對測頭位置P的Y坐標Py進行測定。
[0101]Z坐標檢測部33使由振蕩頻率穩定化激光61產生且分支后的激光63z如圖2所示那樣在觸針軸53的上端的反射鏡54處反射，使包含光路長變化信息的該反射光和不包含光路長變化信息的基準的激光發生干涉，并通過已知的激光測長法對觸針20的Z方向的移動量進行檢測。即，Z坐標檢測部33對觸針位置S的Z坐標Sz進行測定。
[0102]這樣，基于激光測長得到的測定數據為測頭位置P的相對于測定面的XY坐標Px、Py和觸針位置S的相對于測定面的Z坐標Sz。
[0103]圖2是本發明的實施方式I中的測頭的結構圖。測頭26具備經由撓性構件51A、51B而安裝的觸針20。撓性構件51A、51B是具有施加力時發生撓曲的性質的構件，由局部加入切口且在上下方向(Z方向)和橫向(XY方向)上具有彈性的金屬的板簧或塑料、橡膠等構成。觸針20安裝在相對于撓性構件51A、51B固定的觸針軸53的下端，在觸針軸53的上端張貼有反射鏡54。通過來自測定面25a的對觸針20的測定力，觸針20相對于測頭26而能夠在XYZ方向中的任意方向上相對地位移。當來自測定面25a的測定力作用于觸針20時，在來自XY方向的測定力的作用下，撓性構件51A、51B發生變形而使反射鏡54傾斜，在來自Z方向的測定力的作用下，反射鏡54向上方移動。
[0104]圖3是對觸針位置S、測頭位置P及觸針位移矢量D進行說明的圖。
[0105]圖3(a)表示在觸針20上未作用測定力且觸針20在XYZ方向中的任意方向上都未發生位移的狀態。圖3(b)表示在觸針20上作用有測定力且觸針20在XYZ方向上發生了位移的狀態。
[0106]將觸針位置S定義為以球面對觸針20的表面進行近似時的球的中心的坐標。觸針位置S通過下式那樣表示。
[0107]數學式I
[0108]S=(SxSySz)T
[0109]將在觸針20上未作用測定力且觸針20在XYZ方向中的任意方向上都未發生位移時的觸針位置S定義為測頭位置P。測頭位置P由下式表示。當觸針20在XYZ方向中的任意方向上都未發生位移時，觸針位置S與測頭位置P —致。
[0110]數學式2
[0111]P=(PxPyPz)T
[0112]將作用有測定力且觸針位置S相對于測頭位置P發生位移時的表示位移量和位移方向的矢量定義為觸針位移矢量。觸針位移矢量由以下的式子表示。
[0113]數學式3
[0114]D=(DxDyDz)T
[0115]觸針位移矢量D的坐標分量由下述的式(I)表示。[0116]數學式4
【權利要求】
1.一種形狀測定方法，其中， 準備觸針，該觸針借助來自測定面的測定力而被支承為能夠相對于測頭位移， 重復包括平行移動和正交移動在內的所述測頭的相對于所述測定面的相對移動，所述平行移動使所述觸針相對于所述測定面而向與所述測定面平行的方向移動指定的距離，所述正交移動使所述測頭向根據當前的觸針位置與過去的觸針位置之差而算出的所述測定面的法線方向移動，使得在包括所述觸針的位置相對于所述測頭的位置的位移量和位移方向在內的觸針位移矢量的所述測定面上使法線方向的大小成為預先確定的壓入量的設定值。
2.根據權利要求1所述的形狀測定方法，其中， 在重復所述測頭的相對于所述測定面的相對移動之前，以使所述觸針在與已知的所述測定面正交的方向上移動的方式使所述測頭移動，使所述觸針與所述測定面接觸，且在所述觸針位移矢量的所述測定面的法線方向的大小成為所述壓入量的設定值以上時停止測頭的移動。
3.根據權利要求1或2所述的形狀測定方法，其中， 所述平行移動由以下的式子表示。
4.根據權利要求1至3任一項所述的形狀測定方法，其中， 所述正交移動由以下的式子表示。
5.一種形狀測定裝置，其特征在于， 所述形狀測定裝置具備: 測頭，其將觸針支承為能夠借助來自測定面的測定力而位移； 移動部，其使所述測頭和所述測定面的相對位置移動，使得所述觸針對所述測定面進行掃描； 觸針位移矢量檢測部，其對包括所述觸針的位置相對于所述測頭的位置的位移量和位移方向在內的觸針位移矢量進行檢測； 法線方向輸出部，其輸出所述測定面的測定點處的法線方向； 法線方向矢量分量算出部，其基于所述法線方向輸出部所輸出的值，來算出觸針位移矢量的所述法線方向分量并將其輸出； 壓入矢量算出部，其基于所述測定面上的法線方向的壓入量的設定值和法線方向矢量分量算出部的輸出算出壓入矢量，使得所述觸針位移矢量的法線方向分量成為所述壓入量的設定值； 掃描矢量算出部，其算出在與所述法線方向垂直的方向上成為預先設定的掃描速度的掃描矢量； 移動矢量算出部，其根據所述壓入矢量算出部的輸出和所述掃描矢量算出部的輸出，來算出對所述測頭的移動指令即移動矢量；及 移動控制部，其對所述移動部的移動進行控制，使得所述測頭按照所述移動矢量移動。
6.根據權利要求5所述的形狀測定裝置，其特征在于， 所述法線方向輸出部在掃描測定開始時輸出設定的值的所述法線方向，在掃描測定開始后以與將過去的測定位置與當前的測定位置連結起來的直線正交的方式對法線方向輸出進行更新。
7.根據權 利要求6所述的形狀測定裝置，其特征在于， 所述法線方向輸出部在所述掃描測定開始時輸出所述觸針位移矢量。
8.根據權利要求5至7中任一項所述的形狀測定裝置，其特征在于， 所述法線方向輸出部中使用的之前測定位置與當前測定位置的時間間隔比所述移動矢量算出部中的根據所述法線方向分量與壓入量設定之差來算出法線方向移動量的時間間隔大。
9.根據權利要求5所述的形狀測定裝置，其特征在于， 所述法線方向輸出部在所述觸針位移矢量比所述觸針的壓入方向位移矢量的1/2小時，輸出觸針位移矢量，在所述觸針位移矢量比所述觸針的壓入方向位移矢量的1/2大時，以與將過去的測定位置和當前的測定位置連結起來的直線正交的方式輸出法線方向。
【文檔編號】G01B21/20GK103852048SQ201310631384
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2012年12月6日
【發明者】土居正照 申請人:松下電器產業株式會社
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
