形狀測量裝置、加工裝置及形狀測量裝置的校正方法
【專利摘要】本發(fā)明的一種實施方式提供一種形狀測量裝置，其通過將3個位移計配設(shè)成一列而成的檢測儀對測量對象物進行掃描，并且對測量對象物的表面形狀進行測量，該形狀測量裝置具備：獲取機構(gòu)，從3個位移計獲取各自的測定值；間隙計算機構(gòu)，根據(jù)3個位移計中的位于中間的位移計所測定的測定值和其他位移計所測定的測定值之差求出間隙數(shù)據(jù)；偏移量計算機構(gòu)，計算出檢測儀對校正用試樣進行掃描而得到的間隙數(shù)據(jù)的平均值作為3個位移計的安裝位置的偏移量：校正機構(gòu)，用偏移量對檢測儀對測量對象物進行掃描而得到的間隙數(shù)據(jù)進行修正，從而對位移計的位置偏移進行校正；及形狀計算機構(gòu)，根據(jù)用偏移量進行修正后的間隙數(shù)據(jù)計算出測量對象物的表面形狀。
【專利說明】
形狀測量裝置、加工裝置及形狀測量裝置的校正方法
[00011本申請主張基于2015年3月4日申請的日本專利申請2015-042694號的優(yōu)先權(quán)。該 日本申請的全部內(nèi)容通過參考援用于本說明書中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種形狀測量裝置、加工裝置及形狀測量裝置的校正方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 已知有一種直線度測定方法，其利用3個位移計并通過逐次三點法求出測量對象 物的直線形狀。通過這種方法來高精度地求出直線形狀時，需要對3個位移計的安裝位置的 偏差進行校正。
[0004] 因此，在專利文獻(xiàn)1中公開有一種方法，該方法中，將3個位移計與3個圓盤對置配 置，并根據(jù)圓盤處于規(guī)定旋轉(zhuǎn)位置時的位移計的測定值及圓盤處于從規(guī)定旋轉(zhuǎn)位置旋轉(zhuǎn) 180度的位置時的位移計的測定值，對位移計的相互位置進行校正(例如，參考專利文獻(xiàn)1)。
[0005] 專利文獻(xiàn)1:日本特開2010-286430號公報
[0006] 然而，在專利文獻(xiàn)1所涉及的方法中，需要高精度地對圓盤的設(shè)置位置及旋轉(zhuǎn)角度 等進行校正。并且，根據(jù)所求出的位置偏移量對位移計的位置進行調(diào)整時，可能需要進行非 常繁瑣的操作。尤其，在提高形狀測量的分辨能力而高精度地進行測量時，需要更加精確地 進行校正，可能需要進行更加繁瑣的操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其目的在于提供一種形狀測量裝置，該形狀測 量裝置能夠輕松地對位移計的安裝位置進行校正，并且能夠高精度地對測量對象物的表面 形狀進行測量。
[0008] 本發(fā)明的一種實施方式提供一種形狀測量裝置，其通過將3個位移計配設(shè)成一列 而成的檢測儀對測量對象物進行掃描，并且對所述測量對象物的表面形狀進行測量，該形 狀測量裝置具備:獲取機構(gòu)，從所述3個位移計獲取各自的測定值;間隙計算機構(gòu)，根據(jù)所述 3個位移計中的位于中間的位移計所測定的測定值和其他位移計所測定的測定值之差求出 間隙數(shù)據(jù);偏移量計算機構(gòu)，計算出所述檢測儀對校正用試樣進行掃描而得到的間隙數(shù)據(jù) 的平均值作為所述3個位移計的安裝位置的偏移量:校正機構(gòu)，用所述偏移量對所述檢測儀 對所述測量對象物進行掃描而得到的間隙數(shù)據(jù)進行修正，從而對所述位移計的位置偏移進 行校正;及形狀計算機構(gòu)，根據(jù)用所述偏移量進行修正后的間隙數(shù)據(jù)計算出所述測量對象 物的表面形狀。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的實施方式，能夠提供一種形狀測量裝置，該形狀測量裝置能夠輕松 地對位移計的安裝位置進行校正，并且能夠高精度地對測量對象物的表面形狀進行測量。
【附圖說明】
[0010]圖1為對實施方式中的加工裝置進行例示的圖。
[0011]圖2為對實施方式中的形狀測量裝置的結(jié)構(gòu)進行例示的圖。
[0012] 圖3為對實施方式中的傳感器頭的結(jié)構(gòu)進行例示的圖。
[0013] 圖4(A)及圖4(B)為用于說明實施方式中的形狀測量的圖。
[0014] 圖5為用于說明位移傳感器的安裝位置的偏差及校正用試樣表面的凹凸的圖。
[0015] 圖6為對實施方式中的偏移量計算處理的流程進行例示的圖。
[0016] 圖7為對實施方式中的校正用試樣的間隙數(shù)據(jù)進行例示的圖。
[0017] 圖8為對實施方式中的形狀測量處理的流程進行例示的圖。
[0018] 圖中：12-物體(測量對象物），13-校正用試樣，20-控制裝置，21-傳感器數(shù)據(jù)獲取 部(獲取機構(gòu)），23_間隙數(shù)據(jù)計算部（間隙計算機構(gòu)），25_偏移量計算部(偏移量計算機構(gòu)）， 27-校正部(校正機構(gòu)），29_形狀計算部(形狀計算機構(gòu)），30_傳感器頭(檢測儀），31a-第1位 移傳感器(位移計），31b-第2位移傳感器(位移計），31c-第3位移傳感器(位移計），100_形狀 測量裝置，200-加工裝置。
【具體實施方式】
[0019] 以下，參考附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。在各附圖中，有時對結(jié)構(gòu)相同的部 分標(biāo)注相同符號，并省略重復(fù)說明。
[0020] (加工裝置的結(jié)構(gòu)）
[0021] 圖1為對本實施方式所涉及的搭載有形狀測量裝置的加工裝置200的結(jié)構(gòu)進行例 示的圖。
[0022]如圖1所示，加工裝置200具有:可移動工作臺10、工作臺引導(dǎo)機構(gòu)11、砂輪頭15、砂 輪16、導(dǎo)軌18、控制裝置20、顯示裝置40。另外，在附圖中，X方向為可移動工作臺10的移動方 向、Y方向為與X方向正交的砂輪頭15的移動方向、Z方向為與X方向及Y方向正交的高度方 向。
[0023] 可移動工作臺10設(shè)置成通過工作臺引導(dǎo)機構(gòu)11能夠沿X方向移動，且可移動工作 臺10上載置有作為加工對象及測量對象的物體12。工作臺引導(dǎo)機構(gòu)11使可移動工作臺10沿 X方向移動。
[0024] 在砂輪頭15的下端部設(shè)有砂輪16，并且該砂輪頭15以能夠沿Y方向移動且能夠沿Z 方向升降的方式設(shè)置在導(dǎo)軌18。導(dǎo)軌18使砂輪頭15沿Y方向及Z方向移動。砂輪16為圓柱狀， 該砂輪16旋轉(zhuǎn)自如地設(shè)置在砂輪頭15的下端部且其中心軸與Y方向平行。砂輪16與砂輪頭 15-同沿Y方向及Z方向移動，并進行旋轉(zhuǎn)而對物體12的表面進行磨削。
[0025] 控制裝置20控制加工裝置200的各部，以便控制可移動工作臺10及砂輪頭15的位 置并使砂輪16旋轉(zhuǎn)，從而磨削物體12的表面。
[0026] 顯示裝置40例如為液晶顯示器等。顯示裝置40被控制裝置20控制，并顯示例如物 體12的加工條件等。
[0027](形狀測量裝置的結(jié)構(gòu)）
[0028]圖2為對搭載于加工裝置200的形狀測量裝置100的結(jié)構(gòu)進行例示的圖。如圖2所 示，形狀測量裝置1 〇〇包括控制裝置20、傳感器頭30、顯示裝置40。
[0029]如上所述，控制裝置20控制加工裝置200的各部以磨削物體12的表面，并且根據(jù)從 傳感器頭30的各個位移傳感器31a、31b、31c輸出過來的測定值來求出物體12的表面形狀。
[0030] 控制裝置20具有傳感器數(shù)據(jù)獲取部21、間隙數(shù)據(jù)計算部23、偏移量計算部25、校正 部27、形狀計算部29。控制裝置20例如包括CPU、R0M、RAM等，并通過使CPU與RAM配合而執(zhí)行 儲存于ROM的控制程序來實現(xiàn)各部的功能。
[0031] 傳感器數(shù)據(jù)獲取部21為獲取機構(gòu)的一例，其從設(shè)置在傳感器頭30的各個位移傳感 器31a、31b、31c獲取傳感器數(shù)據(jù)。間隙數(shù)據(jù)計算部23為間隙計算機構(gòu)的一例，其根據(jù)傳感器 數(shù)據(jù)獲取部21所獲取的傳感器數(shù)據(jù)計算出間隙數(shù)據(jù)。偏移量計算部25為偏移量計算機構(gòu)的 一例，其求出使用校正用試樣而得到的間隙數(shù)據(jù)的平均值，并將所求出的平均值設(shè)為位移 傳感器31a、31b、31c的安裝位置的偏移量。校正部27使用計算出的偏移量對間隙數(shù)據(jù)進行 修正，從而對位移傳感器3 Ia、3 Ib、3 Ic的位置偏移進行校正。形狀計算部29為形狀計算機構(gòu) 的一例，其根據(jù)由校正部27進行校正之后的間隙數(shù)據(jù)計算出物體12的表面形狀。關(guān)于在控 制裝置20的各部中執(zhí)行的處理將在后面敘述。
[0032]傳感器頭30為檢測儀的一例，其具備第1位移傳感器31a、第2位移傳感器31b、第3 位移傳感器31c，而且該傳感器頭30設(shè)置在加工裝置200的砂輪頭15的下端。圖3為對實施方 式所涉及的傳感器頭30的結(jié)構(gòu)進行例示的圖。
[0033] 如圖3所示，傳感器頭30的第1位移傳感器31a、第2位移傳感器31b、第3位移傳感器 31c沿X方向配設(shè)成一列。
[0034] 第1位移傳感器31a、第2位移傳感器31b、第3位移傳感器31c為位移計的一例，例如 為激光位移計。第1位移傳感器31a、第2位移傳感器31b、第3位移傳感器31c以其測定點在物 體12表面的與X方向平行的直線上等間隔排列的方式配設(shè)，并且分別測定各個位移傳感器 與物體12表面上的測定點之間的距離。若物體12搭載于可移動工作臺10上并沿X方向移動， 則傳感器頭30相對于物體12進行相對移動，各個位移傳感器31a、31b、31c對物體12的表面 進行掃描并輸出測定值。
[0035] 顯示裝置40被控制裝置20控制，并顯示例如通過形狀計算部29求出的表面形狀的 測量結(jié)果等。
[0036]另外，本實施方式構(gòu)成為形狀測量裝置100與加工裝置200共用控制裝置20與顯示 裝置40,但也可以構(gòu)成為分別在形狀測量裝置100與加工裝置200設(shè)置控制裝置與顯示裝 置。并且，本實施方式構(gòu)成為可移動工作臺10與物體12-同沿X方向移動，但也可以構(gòu)成為 使傳感器頭30相對于物體12沿X方向移動。
[0037](形狀測量的基本原理）
[0038] 接著，對形狀測量裝置100求出物體12的表面形狀的方法進行說明。圖4(A)及圖4 (B)為用于說明表面形狀的測量方法的圖。
[0039] 如圖4(A)及圖4(B)所示，位移傳感器31a、31b、31c在X方向上隔著間隔P配設(shè)成一 列，并且分別對位移傳感器31a與物體12表面的a點之間的距離、位移傳感器31b與物體12表 面的b點之間的距離、位移傳感器31c與物體12表面的c點之間的距離進行測定。若將通過位 移傳感器31a、31b、31c求出的各個位移傳感器31a、31b、31c與物體12表面之間的距離分別 設(shè)為A、B、C，則可以通過下式（1)求出圖4(A)中所示的Z方向上的從b點至連結(jié)a點與c點的直 線之間的距離g(間隙）。
[0040] [式1]
[0041 ] g = B-(A+C)/2 · · · (I)
[0042] 接著，如圖4 (B)所示，可以使用連結(jié)a點與b點的直線的傾斜度(dzab/dx)及連結(jié)b點 與c點的直線的傾斜度(dzhc/dx)并通過下式(2)來表示物體12表面的b點上的位移z的二階 微分(d 2z/dx2)(即，b點的曲率(1/r))。
[0043] [式2]
[0044]
[0045] 若將下式(3)及式(4)代入式(2)中并進一步利用式（1)，則如式(5)所示，可根據(jù)間 隙g及傳感器彼此之間的距離P求出位移z的二階微分(即曲率）。
[0046]
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051]
[0052]由于傳感器彼此之間的距離P是預(yù)先被設(shè)定的，因此，可以基于式（1)從各個位移 傳感器31a、31b、31c所輸出的傳感器數(shù)據(jù)求出間隙g，并且將基于式(5)所求出的曲率以積 分間距進行二階積分，從而求出任意X點上的位移z。積分間距為例如進行掃描時的X方向上 的各個位移傳感器31a、31b、31c的數(shù)據(jù)獲取間隔等。
[0053] 在此，在將3個位移傳感器31a、31b、31c安裝于傳感器頭30時，很難調(diào)整3個位移傳 感器31a、31b、31c高度以使其在數(shù)十nm級的范圍內(nèi)嚴(yán)格地排列在一條直線上。因此，如圖5 所示，位移傳感器31a、31b、31c在傳感器頭30上的安裝位置在Z方向上存在微小偏差。另外， 在圖5中，為了便于說明，放大表示安裝位置的偏差。
[0054]在圖5所示的例子中，第2位移傳感器31b的安裝位置和連結(jié)第1位移傳感器31a的 安裝位置與第3位移傳感器31c的安裝位置的直線在Z方向上偏離go。
[0055] 如此，若在位移傳感器31a、31b、31c的安裝位置存在偏差，則基于式（1)從測定值 求出的間隙g就會成為包含偏移量go的值，在物體12的表面形狀上產(chǎn)生所謂拋物線形狀的 誤差。
[0056] 因此，在本實施方式所涉及的形狀測量裝置100中，通過以下將要說明的偏移量計 算處理而求出位移傳感器31a、31b、31c的偏移量go,并在對表面形狀進行測量時利用偏移 量go進行校正。
[0057](偏移量計算處理）
[0058]圖6為對實施方式中的偏移量計算處理的流程進行例示的圖。
[0059]如圖6所示，在進行偏移量計算處理時，首先在步驟SlOl，將校正用試樣13載置于 可移動工作臺10上，并使傳感器頭30對校正用試樣13的表面進行掃描。作為校正用試樣13 可以優(yōu)選使用例如光學(xué)平晶等平面度近乎零且表面粗糙度較小的試樣。并且，也可以使用 曲率恒定且已知其形狀數(shù)據(jù)的試樣。傳感器頭30的掃描距離設(shè)定為例如IOmm至IOOmm之間， 但并不只限于此。
[0060] 接著，在步驟S102,傳感器數(shù)據(jù)獲取部21從各個位移傳感器31a、31b、31c獲取傳感 器數(shù)據(jù)。其中，傳感器數(shù)據(jù)獲取部21獲取傳感器數(shù)據(jù)的間隔優(yōu)選為圖5中所示的校正用試樣 13表面的掃描方向(X方向）上的表面粗糙度波形中所包含的最大空間頻率周期的1 /2以下。
[0061] 傳感器數(shù)據(jù)獲取部21例如根據(jù)傳感器頭30的掃描速度來適當(dāng)設(shè)定傳感器數(shù)據(jù)的 獲取時間間隔，從而能夠適當(dāng)調(diào)整傳感器數(shù)據(jù)獲取間隔。傳感器數(shù)據(jù)獲取部21例如設(shè)定為 在傳感器頭30的掃描方向上以ΙΟμπι間隔獲取傳感器數(shù)據(jù)，但也可以根據(jù)測量條件等適當(dāng)設(shè) 定傳感器獲取間隔。
[0062] 通過將傳感器數(shù)據(jù)獲取部21的傳感器數(shù)據(jù)獲取間隔設(shè)為校正用試樣13表面的掃 描方向（X方向）上的表面粗糙度波形中所包含的最大空間頻率周期的1 /2以下，由此能夠高 精度地求出后述偏移量go。
[0063] 接著，在步驟S103,間隙數(shù)據(jù)計算部23基于式（1)從傳感器數(shù)據(jù)獲取部21所獲取的 傳感器數(shù)據(jù)計算出間隙數(shù)據(jù)。圖7為對使用校正用試樣13而得到的間隙數(shù)據(jù)進行例示的圖。 [0064]使用校正用試樣13而得到的間隙g為與位移傳感器31a、31b、31c的偏移量go大致 相等的值。然而，受到表面粗糙度的影響，使用校正用試樣13而得到的間隙數(shù)據(jù)如圖7所示 以平均值為中心波動。因此，若采用任意一點上的測量結(jié)果作為偏移量go,則由于偏移量go 在波動范圍內(nèi)進行波動，因此使用該值而求出的物體12的直線度測定結(jié)果也會波動，有可 能成為可靠性較低的結(jié)果。
[0065]因此，在步驟S104，偏移量計算部25計算出由間隙數(shù)據(jù)計算部23計算出的間隙數(shù) 據(jù)的平均值。通過將間隙數(shù)據(jù)的平均值作為偏移量go,能夠減少校正用試樣13的表面粗糙 度的影響，從而能夠高精度地求出位移傳感器3 Ia、3 Ib、31 c的偏移量go。然而，所求出的偏 移量go中還包含校正用試樣13的曲率成分gQr，因此需要通過其他機構(gòu)預(yù)先測定校正用試樣 13的曲率并進行減法計算。
[0066]如此，通過用偏移量計算部25所求出的偏移量go來修正間隙數(shù)據(jù)，由此能夠校正 傳感器位置的偏移從而高精度地對作為測量對象物的物體12的表面形狀進行測量。
[0067]另外，例如可以在形狀測量裝置100每次對物體12的表面形狀進行測量時進行上 述偏移量計算處理，也可以適當(dāng)?shù)卦趩有螤顪y量裝置100時或偏移量計算處理結(jié)束并經(jīng) 過設(shè)定的時間之后等進行上述偏移量計算處理。
[0068](形狀測量處理）
[0069] 圖8為對實施方式中的形狀測量處理的流程進行例示的圖。
[0070] 如圖8所示，在對物體12的表面形狀進行測量時，首先在步驟S201，在作為測量對 象物的物體12載置于可移動工作臺10上的狀態(tài)下，使傳感器頭30對物體12的表面進行掃 描。接著，在步驟S202,傳感器數(shù)據(jù)獲取部21從與傳感器頭30-同對物體12的表面進行掃描 的各個位移傳感器31a、31b、31c以所設(shè)定的采樣周期獲取傳感器數(shù)據(jù)。接下來，在步驟 S203,間隙數(shù)據(jù)計算部23基于式（1)從傳感器數(shù)據(jù)獲取部21所獲取的傳感器數(shù)據(jù)計算出間 隙g，并且獲取包含掃描范圍內(nèi)的多個測定點上的間隙g的間隙數(shù)據(jù)。
[0071] 在步驟S204中，校正部27使用在偏移量計算處理中求出的偏移量go來對間隙數(shù)據(jù) 進行修正。具體而言，從包含于間隙數(shù)據(jù)中的間隙g的各值減去偏移量go。
[0072]接著，在步驟S205,形狀計算部29基于式(5)從由校正部27用偏移量go進行校正后 的間隙數(shù)據(jù)計算出二階微分值，并將該值以積分間距進行二階積分而求出Z位移，接著根據(jù) Z、X的分布圖計算出物體12的直線形狀。通過用偏移量go對間隙數(shù)據(jù)進行修正，能夠?qū)ξ灰?傳感器31a、31b、31c的安裝位置的偏差進行校正，從而能夠高精度地測量出物體12的表面 形狀。并且，將由形狀計算部29計算出的物體12的表面形狀顯示于顯示裝置40。
[0073] 如上所述，根據(jù)本實施方式所涉及的形狀測量裝置100,通過對校正用試樣13的間 隙數(shù)據(jù)的平均值進行計算，能夠更精確地求出位移傳感器31a、31b、31c的偏移量go。并且， 通過用如此高精度求出的偏移量go對作為測量對象物的物體12的間隙數(shù)據(jù)進行修正，能夠 輕松且高精度地對位移傳感器31a、31b、31c的安裝位置的偏差進行校正，從而能夠高精度 地對物體12的表面形狀進行測量。
[0074] 并且，本實施方式所涉及的搭載有形狀測量裝置100的加工裝置200可以根據(jù)在對 物體12的表面進行磨削之后并且物體12繼續(xù)搭載于可移動工作臺10的狀態(tài)下由形狀測量 裝置100執(zhí)行的表面形狀測量結(jié)果來進行校正加工等。因此，能夠高效且高精度地對物體12 進行加工。
[0075] 以上，對實施方式所涉及的形狀測量裝置、加工裝置及形狀測量裝置的校正方法 進行了說明，但本發(fā)明并不只限于上述實施方式，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可施以各種變更及改 良。
[0076] 例如，形狀測量裝置100可以搭載于以與本實施方式不同的結(jié)構(gòu)對物體12進行磨 削等加工的加工裝置。
【主權(quán)項】
1. 一種形狀測量裝置，其通過將3個位移計配設(shè)成一列而成的檢測儀對測量對象物進 行掃描，并且對所述測量對象物的表面形狀進行測量，所述形狀測量裝置的特征在于，具 備： 偏移量計算機構(gòu)，根據(jù)所述檢測儀對校正用試樣進行掃描而得到的數(shù)據(jù)計算出所述3 個位移計的安裝位置的偏移量;及 校正機構(gòu)，用所述偏移量對所述檢測儀對所述測量對象物進行掃描而得到的數(shù)據(jù)進行 修正，從而對所述位移計的位置偏移進行校正。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的形狀測量裝置，其特征在于，還具備： 獲取機構(gòu)，從所述3個位移計獲取各自的測定值;及 間隙計算機構(gòu)，根據(jù)所述3個位移計中的位于中間的位移計所測定的測定值和其他位 移計所測定的測定值之差求出間隙數(shù)據(jù)， 所述偏移量計算機構(gòu)計算出所述檢測儀對校正用試樣進行掃描而得到的間隙數(shù)據(jù)的 平均值作為所述3個位移計的安裝位置的偏移量， 所述校正機構(gòu)用所述偏移量對所述檢測儀對所述測量對象物進行掃描而得到的間隙 數(shù)據(jù)進行修正，從而對所述位移計的位置偏移進行校正。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的形狀測量裝置，其特征在于， 在所述檢測儀對所述校正用試樣進行掃描時所述獲取機構(gòu)從所述3個位移計獲取各自 的測定值的間隔為所述校正用試樣表面的掃描方向上的表面粗糙度波形中所包含的最大 空間頻率周期的1/2以下。4. 一種加工裝置，其特征在于，具備， 權(quán)利要求1至3中任一項所述的形狀測量裝置。5. -種形狀測量裝置的校正方法，其通過將3個位移計配設(shè)成一列而成的檢測儀對測 量對象物進行掃描，并且對所述測量對象物的表面形狀進行測量，所述形狀測量裝置的校 正方法的特征在于，具備： 偏移量計算步驟，根據(jù)所述檢測儀對校正用試樣進行掃描而得到的數(shù)據(jù)計算出所述3 個位移計的安裝位置的偏移量;及 校正步驟，用所述偏移量對所述檢測儀對所述測量對象物進行掃描而得到的數(shù)據(jù)進行 修正，從而對所述位移計的位置偏移進行校正。
【文檔編號】G01B11/245GK105937886SQ201610111714
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年2月29日
【發(fā)明人】市原浩, 市原浩一, 高娜
【申請人】住友重機械工業(yè)株式會社