CN100348946C - 表面仿形测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种表面仿形测量装置，该装置具有仿形测头(2)、驱动机构(12)、操纵杆(32)、行进向量指令部(43)、压入向量指令部(51)、仿形向量指令部(44)、及驱动控制电路(45)；其中，仿形测头具有测头传感器(24)，对被测量物表面进行仿形扫描；驱动机构使仿形测头移动；操纵杆由手动操作输入和指示方向和大小；行进向量指令部生成由操纵杆指示的方向和大小的行进向量；压力向量指令部根据测头传感器的检测值生成指令压入方向的移动的压入向量；仿形向量指令部合成行进向量和压入向量，生成仿形向量；驱动控制电路根据仿形向量对驱动机构进行驱动控制。

Description

表面仿形测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种表面仿形测量装置、表面仿形测量方法、表面仿形测量程序、及记录有该程序的记录介质。例如，涉及对被测量物表面进行仿形扫描从而测量被测量物的表面粗糙度、表面波纹度、轮廓等的表面仿形测量装置等。

背景技术

作为由仿形测头对被测量物表面进行仿形扫描而测量被测量物的表面特性或立体形状的测量机，已知有粗糙度测量机、轮廓形状测量机、圆度测量机、三维测量机等(例如参考材料：日本特开2000-74661号)。

图11示出利用三维测量机1的测量系统100的构成。该测量系统100具有使仿形测头2移动的三维测量机1、手动操作的操纵杆32、控制三维测量机1的动作的移动控制器4、及主计算机5，该主计算机5通过移动控制器4使三维测量机1动作并处理由三维测量机1获得的测量数据，求出被测量物W的尺寸和形状等。

当进行仿形测量时，需要测量条件的设定，作为测量条件输入被测量物的表面轮廓数据。表面轮廓数据可利用设计被测量物时的设计数据、测量标准工件获得的测量数据等。另外，设定仿形路径、仿形移动速度、测头的基准压入量、取样间隔等。作为仿形路径，例如示出在Z轴坐标一定的约束断面上设定对被测量物W的轮廓进行仿形测量的路径的场合。

开始测量时，先使仿形测头2移动到测量开始点。这可通过输入测量开始点的坐标或由操纵杆32将仿形测头2移动到测量开始点。这样，从移动控制器4向三维测量机1输出指令移动仿形测头2的指令信号，被测量物表面由仿形测头2进行仿形扫描。即，根据输入的表面轮廓数据，使压入量为一定，同时将在被测量物表面上使仿形测头2仿形移动的仿形方向指令到三维测量机1。然后，朝指令的仿形方向按设定的仿形速度移动仿形测头2。此时，按预定的取样间隔获得测量数据，对被测量物W进行仿形测量。

在进行仿形测量的场合，在测量之前，必须预先设定被测量物的表面轮廓数据和仿形路径。例如，即使在按某一仿形路径测量后希望按别的仿形路径测量的那样的场合，也必须重新设定输入仿形路径，所以，非常费事，存在测量效率下降的问题。另外，由于设定很费事，所以，也产生易于造成测量麻烦这样的印象的问题。

在这里，例如当可使用操纵杆32控制仿形测头2的移动时，测量者可相应于状况自由地选定仿形路径和仿形速度，操作仿形测头2，所以，可认为较方便。然而，由于仿形测头2具有检测接触被测量物W时的微小的位移的高灵敏度的传感器，所以，当由超过容许值的力将仿形测头2接触于被测量物W时，存在仿形测头2破损的那样的问题。例如，作为测头压入量的容许值，要求0.5mm前后的精度。因此，在将仿形测头2接触于被测量物W的状态下，不能用手动操作仿形测头2。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种在仿形测量中可用手动操作仿形测头的仿形测量装置和表面仿形测量方法。

本发明的表面仿形测量装置的特征在于：具有仿形测头、移动单元、操作部、指示向量指令部、相对向量指令部、仿形向量指令部、及驱动控制单元；该仿形测头具有接近或接触于被测量物表面的测量触头和检测沿被测量物表面的法线方向的上述测量触头与被测量物表面的相对位置的检测传感器，将上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置保持在预先设定的基准位置进行仿形扫描；该移动单元使上述仿形测头移动；该操作部具有由手动操作输入指示任意的方向和任意的大小的手动操作构件；该指示向量指令部在一定的处理约束时间内根据上述输入指示生成具有由上述手动操作构件指示的方向和指示的大小的指示向量；该相对向量指令部根据上述检测传感器的检测值按上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置相对上述基准位置具有的偏移量的大小自动生成在上述被测量物表面的法线方向具有方向的相对向量；该仿形向量指令部合成上述指示向量和上述相对向量，生成仿形向量；该驱动控制单元根据上述仿形向量对上述移动单元进行驱动控制。

按照这样的构成，在使仿形测头移动的场合，对手动操作构件进行手动操作，输入任意的方向和任意的大小。这样，由指示向量指令部在一定的处理约束时间内例如通过即时处理生成具有指示的方向和指示的大小的指示向量。

另一方面，当测量触头对被测量物表面进行扫描时，由检测传感器检测测量触头与被测量物表面的相对位置(在仿形测头为接触式的场合，检测测量触头压入被测量物表面的位置)。在由检测传感器检测出的相对位置从预定先设定的基准位置偏移的场合，由相对向量生成部按与该偏移量相当的大小生成具有被测量物表面的法线方向的相对向量。然后，在仿形向量指令部合成反映了手动操作的指示的指示向量和根据检测传感器的检测值生成的相对向量，生成仿形向量。由驱动控制单元将与仿形向量相应的驱动控制信号外加到移动单元，由移动单元使仿形测头沿被测量物表面进行仿形扫描。按预定的取样间隔对测量触头的坐标值进行取样，从而可测量被测量物。

方向和大小可由手动操作构件指示，根据该指示生成指示向量。因此，测量者可按任意的方向和任意的速度使仿形测头移动。另外，被测量物表面的朝法线方向的移动被来自基于检测传感器的检测值的相对向量指令部的指令控制。即，相应于从基准位置的偏移量自动生成朝测量物表面的法线方向的相对向量，根据该相对向量与指示向量的合成的仿形向量使仿形测头移动。

测量触头与被测量物表面的基准位置为微细的距离的控制，所以，不能用手动进行操作。因此，通过从手动操作分开，自动进行相对向量的生成，测量者不进行操作也自动地控制测量触头与被测量物表面的相对位置。因此，可防止测量触头强有力地接触到被测量物而导致仿形测头破损等事故。另外，测量者如指示希望测量的方向和测量时的速度，则测量触头与被测量物表面的相对位置自动受到控制地实现仿形扫描。

当开始仿形测量时，没有预先输入被测量物的轮廓数据等这样的麻烦，所以，可简便地开始测量。另外，在结束了一个测量后可直接继续进行下一测量，在更换了被测量物的场合也可立即开始测量。结果，测量作业不麻烦，非常简便，测量所需时间也可非常短。另外，即使在测量过程中，通过使速度的指令为零，可自由地调整使仿形测头的移动中断等、测量的开始和中断等的时间点。

在这里，上述指示向量指令部最好包括：生成由上述操作部指示的方向的单位向量的指示单位向量指令部，根据由上述操作部指示的大小生成使上述仿形测头行进的行进速度的指示速度指令部，及合成上述指示方向单位向量和上述行进速度生成上述指示向量的指示向量生成部。

另外，相对向量指令部最好包括根据上述检测传感器的检测值计算出上述被测量物表面的法线方向的单位向量的相对单位向量计算部，根据上述检测传感器的检测值计算出上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置从上述基准位置偏移的相对偏移量的相对偏移量计算部，及合成由上述相对单位向量计算部计算出的上述法线方向的单位向量与由上述相对偏移量计算部计算出的上述相对偏移量的相对向量生成部。

在上述本发明的表面仿形测量装置中，上述移动单元具有沿相互正交的3个方向的驱动轴和可沿这些驱动轴滑动地设于各上述驱动轴的滑动构件，设置有设定机器坐标系和工件坐标系的坐标系设定部，该机器坐标系在上述各驱动轴方向具有Xm轴、Ym轴、及Zm轴，该工作坐标系由在上述被测量物的任意的表面规定的平面内相互正交的Xw轴、Yw轴、及垂直于该平面的Zw轴构成，上述操作部具有由手动操作选择上述机器坐标系和上述工件坐标系中的任一方的坐标系选择单元，根据由上述坐标系选择单元选择的上述机器坐标系和上述工件坐标系中的任一方的坐标系规定上述手动操作构件的指示方向，同时，上述指示向量指令部根据该选择的坐标系生成上述指示向量，上述仿形向量指令部具有对上述机器坐标系和上述工件坐标系进行相互坐标变换的坐标系变换部。

按照这样的构成，在坐标系设定部设定由移动单元的驱动轴规定的机器坐标系和由被测量物规定的工件坐标系，在由手动操作构件进行手动操作的场合由坐标系选择单元选择采用哪个坐标系。指示向量指令部根据选择的坐标系识别来自手动操作构件的指令，生成指示向量。在这里，当选择了工件坐标系时，仿形向量指令部由坐标变换部将仿形向量变换到机器坐标系。变换到机器坐标系的仿形向量从驱动控制单元外加到移动单元，对移动单元进行驱动。

由于设定了由被测量物规定的工件坐标系，所以，按照该工件坐标系，在由手动操作指示对被测量物进行扫描的方向等时，易于直感地把握方向。另一方面，当对移动单元进行驱动控制时，虽然必须提供按照作为移动单元的驱动轴方向的坐标系的机器坐标系的指令，但由坐标变换部变换到机器坐标系，所以，可根据沿驱动轴的机器坐标系有效地控制移动单元。

在上述本发明的表面仿形测量装置中，最好上述操作部具有由手动操作选择构成上述机器坐标系和上述工件坐标系中的任一方的坐标系的3轴中的任一个轴的轴选择单元，上述指示向量指令部固定由上述轴选择单元选择的轴的坐标值，在与该被选择的轴垂直的面内生成上述指示向量。

按照这样的构成，当由轴选择单元选择一个轴时，在指示向量指令部固定选择的轴的坐标值。即，禁止沿该选择的轴向的仿形测头的移动。例如，在固定了x轴的场合，仿形测头的移动仅限于与yz面平行的面内。这样，在任意的x坐标下对平行于yz面的面内的断面轮廓形状进行仿形测量。在手动操作时，虽然难以正确地指示一方向，但由于可限制沿任意轴的仿形测头的移动，所以，可正确地测量平面内的断面轮廓形状。

在上述本发明的表面仿形测量装置中，最好上述手动操作构件具有可摆动地设置的操纵杆，上述操作部具有检测上述操纵杆的倾角和倾倒方向的倾角检测单元。

按照这样的构成，当使操纵杆朝任意的方向倒下时，由倾角检测单元检测操纵杆朝哪个方向倒下多少。当将该检测值输出到指示向量指令部时，生成按照倒下的方向和倒下量的方向和大小的指示向量。

朝希望移动仿形测头的方向使操纵杆倒下即可，另外，由于按此时倒下的角度指示大小，所以，可直感地理解方向和大小的指示，操作性良好。

在这里，作为手动操作构件，只要为可指示方向和大小的指示装置即可，例如可为光标键，也可为跟踪球。

本发明的表面仿形测量装置特征在于：具有仿形测头、移动单元、操作部、存储装置、指示向量指令部、相对向量指令部、仿形向量指令部、及驱动控制单元；该仿形测头具有接近或接触于被测量物表面的测量触头和检测沿被测量物表面的法线方向的上述测量触头与被测量物表面的相对位置的检测传感器，将上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置保持在预先设定的基准位置进行仿形扫描；该移动单元使上述仿形测头移动；该操作部具有由手动操作输入指示任意的大小的手动操作构件；该存储装置预先存储仿形扫描的预定路径；该指示向量指令部生成具有由上述手动操作构件指示的大小和沿上述预定路径的方向的指示向量；该相对向量指令部根据上述检测传感器的检测值按上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置相对上述基准位置具有的偏移量的大小自动生成在上述被测量物表面的法线方向具有方向的相对向量；该仿形向量指令部合成上述指示向量和上述相对向量，生成仿形向量；该驱动控制单元根据上述仿形向量对上述移动单元进行驱动控制。

按照这样的构成，在使仿形测头移动的场合，对手动操作构件进行手动操作，输入任意的大小。这样，由指示向量指令部在一定的处理约束时间内例如通过即时处理生成在沿存储于存储装置的预定路径的方向具有指示的大小的指示向量。

另一方面，由检测传感器检测测量触头与被测量物表面的相对位置，由相对向量生成部按相对位置从基准位置的偏移量生成在被测量物表面的法线具有方向的相对向量。在仿形向量指令部合成反映了手动操作的指示的指示向量和根据检测传感器的检测值生成的相对向量，生成仿形向量。由驱动控制单元将与仿形向量相应的驱动控制信号外加到移动单元，由移动单元使仿形测头沿被测量物表面进行仿形扫描。按预定的取样间隔对测量触头的坐标值进行取样，从而可测量被测量物。

可由手动操作构件指示大小，生成具有按照该指示的大小的指示向量。因此，测量者可按任意的速度使仿形测头移动。其结果，测量者可适当自由地调整移动速度，调整测量所需要的时间。

测量触头的移动方向被预先输入的预定路径和检测传感器的检测值自动地控制。因此，例如对于螺纹槽和圆筒的内周等难以由手动操作进行方向指示的测量对象也可正确地进行仿形测量。

本发明的表面仿形测量方法由移动单元使仿形测头移动，对被测量物表面进行仿形测量；该仿形测头具有接近或接触于被测量物表面的测量触头和检测沿被测量物表面的法线方向的上述测量触头与被测量物表面的相对位置的检测传感器，将上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置保持在预先设定的基准位置进行仿形扫描；其特征在于：具有手动操作工序、指示向量指令工序、相对向量指令工序、仿形向量指令工序、及驱动控制工序；该手动操作工序由手动操作输入指示任意的方向和任意的大小；该指示向量指令工序在一定的处理约束时间内根据上述输入指示生成具有由上述手动操作工序指示的方向和指示的大小的指示向量；该相对向量指令工序根据上述检测传感器的检测值按上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置相对上述基准位置具有的偏移量的大小自动生成在上述被测量物表面的法线方向具有方向的相对向量；该仿形向量指令工序合成上述指示向量和上述相对向量，生成仿形向量；该驱动控制工序根据上述仿形向量对上述移动单元进行驱动控制。

本发明的计算机可读取的表面仿形测量程序的特征在于：将计算机装入到表面仿形测量装置，该表面仿形测量装置具有仿形测头、移动单元、及操作部；该仿形测头具有接近或接触于被测量物表面的测量触头和检测沿被测量物表面的法线方向的上述测量触头与被测量物表面的相对位置的检测传感器，将上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置保持在预先设定的基准位置进行仿形扫描；该移动单元使上述仿形测头移动；该操作部具有由手动操作输入指示任意的方向和任意的大小的手动操作构件；使该计算机起指示向量指令部、相对向量指令部、仿形向量指令部、及驱动控制单元的作用；该指示向量指令部在一定的处理约束时间内根据上述输入指示生成具有由上述手动操作构件指示的方向和指示的大小的指示向量；该相对向量指令部根据上述检测传感器的检测值按上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置相对上述基准位置具有的偏移量的大小自动生成在上述被测量物表面的法线方向具有方向的相对向量；该仿形向量指令部合成上述指示向量和上述相对向量，生成仿形向量；该驱动控制单元根据上述仿形向量对上述移动单元进行驱动控制。

本发明的计算机可读取的记录介质的特征在于：记录计算机可读取的表面仿形测量程序，将计算机装入到表面仿形测量装置，该表面仿形测量装置具有仿形测头、移动单元、及操作部；该仿形测头具有接近或接触于被测量物表面的测量触头和检测沿被测量物表面的法线方向的上述测量触头与被测量物表面的相对位置的检测传感器，将上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置保持在预先设定的基准位置进行仿形扫描；该移动单元使上述仿形测头移动；该操作部具有由手动操作输入指示任意的方向和任意的大小的手动操作构件；使该计算机起指示向量指令部、相对向量指令部、仿形向量指令部、及驱动控制单元的作用；该指示向量指令部在一定的处理约束时间内根据上述输入指示生成具有由上述手动操作构件指示的方向和指示的大小的指示向量；该相对向量指令部根据上述检测传感器的检测值按上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置相对上述基准位置具有的偏移量的大小自动生成在上述被测量物表面的法线方向具有方向的相对向量；该仿形向量指令部合成上述指示向量和上述相对向量，生成仿形向量；该驱动控制单元根据上述仿形向量对上述移动单元进行驱动控制。

按照这样的构成，可起到与上述本发明的表面仿形测量装置同样的作用效果。另外，如装入具有CPU(中央处理装置)和存储器(存储装置)的计算机使该计算机实现各功能地构成程序，则可容易地改变各功能的参数。另外，可将记录了该程序的记录介质直接插入到计算机而将程序安装到计算机，也可将读取记录介质的信息的读取装置外设于计算机，从该读取装置将程序安装到计算机。程序也可由互联网、局域网线缆、电话线路等通信线路或无线供给计算机进行安装。

附图说明

图1为在本发明第1实施方式中示出机器坐标系、工件坐标系、及测头坐标系的关系的图。

图2为上述第1实施方式中的操作部的立体图。

图3为上述第1实施方式中的测量系统的功能框图。

图4为示出上述第1实施方式中的表面仿形测量方法的工序的流程图。

图5为示出在上述第1实施方式中由操纵杆的操作使仿形测头移动的工序的流程图。

图6为示出在上述第1实施方式中进行仿形扫描的工序的流程图。

图7为示出在上述第1实施方式中生成压入向量的工序的流程图。

图8为示出在上述第1实施方式的仿形测头的移动轨迹的图。

图9为作为本发明的变形例1示出沿被测量物的表面进行仿形扫描的例子的图。

图10为示出沿被测量物的轮廓形状使仿形测头回转的状态的图。

图11为示出测量系统的构成的图。

具体实施方式

下面，参照附图和附加到图中各要素的符号说明本发明的实施方式。

(第1实施方式)

(测量系统的构成)

作为本发明的第1实施方式，在图11中示出使用三维测量机1的作为表面仿形测量装置的测量系统100。该测量系统100的概略构成与在背景技术中说明的构成同样，具有三维测量机1、对三维测量机1的动作进行手动操作的操作部3、实施三维测量机1的驱动控制的移动控制器4、将预定的指令提供给移动控制器4并实施被测量物的形状解析等运算处理的主计算机5、输入测量条件等的输入单元6、及输出测量结果的输出单元7。

三维测量机1包括平台11、立设于平台11使仿形测头2进行三维移动的驱动机构(移动单元)12、检测驱动机构12的驱动量的驱动传感器13(参照图3)。

驱动机构12包括两根横梁支承体121、横梁122、立柱123、及测量杆124；该横梁支承体121从平台11的两侧端在大体与平台11垂直的方向即Zm方向具有高度，同时可朝沿平台11的侧端的Ym轴方向滑动地设置；该横梁122支承在横梁支承体121的上端，在Xm方向具有长度；该立柱123可在Xm方向滑动地设于横梁122上，在Zm轴方向具有导向件；该测量杆124可在Z轴方向在立柱123内滑动地设置，在下端保持仿形测头2。

在这里，由驱动机构12的Xm轴向、Ym轴向、Zm轴向规定机器坐标系(参照图1)。

驱动机构12的Xm轴、Ym轴、Zm轴为相互正交的驱动轴，由横梁支承体121、立柱123、及测量杆124构成滑动构件。

驱动传感器13具有检测横梁支承体121朝Ym方向的移动的Ym轴传感器131、检测立柱123朝Xm方向的移动的Xm轴传感器132、检测测量杆124朝Z方向的移动的Zm轴传感器133。由驱动传感器13检测的检测结果经由移动控制器4输出到主计算机5。

仿形测头2包括在前端具有接触部(测量触头)22的触针21和在一定的范围内可朝Xp方向、Yp方向、Zp方向滑动支承触针21的基端的支承部23。

支承部23具有滑动机构(图中未示出)和测头传感器24(参照图3)，该滑动机构具有可朝相互正交的方向移动的xp滑动构件、yp滑动构件、及zp滑动构件；该测头传感器24检测滑动机构的各轴向的位移量，并输出检测到的位移量。触针21由滑动机构可相对于操作部3在一定范围内滑动地支承。

测头传感器24具有：检测触针21朝Xp方向的移动的Xp方向传感器241，检测触针21朝Yp方向的移动的Yp方向传感器242，及检测触针21朝Zp方向的移动的Zp方向传感器243。由测头传感器24检测出的触针2 1的位移量经由移动控制器4输出到主计算机5。

由滑动机构的Xp方向、Yp方向、Zp方向规定测头坐标系(参照图1)。

另外，如图1所示那样，以载置于平台11上的被测量物W的成为测量对象的面S为基准规定工件坐标系。工件坐标系在由成为被测量物W的测量对象的面S上的任意3点决定的平面内将相互正交的方向规定为Xw方向和Yw方向，将该平面的法线规定为Zw方向。

操作部3包括作为手动操作构件的操纵杆32、检测操纵杆32的操作的检测部(倾角检测单元)33、选择指令移动方向时的坐标系的坐标系选择开关(坐标系选择单元)34、及选择固定仿形测头2的移动的轴的固定轴选择开关(轴选择单元)35，该操纵杆32可摆动地设于操作板31上，由手动操作仿形测头2的移动。

操纵杆32具有第1杆321和第2杆322，第1杆321和第2杆322在基端侧可摆动地支承于操作板31，自由端侧由手动操作朝前后左右摆动。

检测部3 3具有在第1杆321的下端检测第1杆321的左右倾角的X角检测部331、在第1杆321的下端检测第1杆321的前后倾角的Y角检测部332、及在第2杆322的下端检测第2杆322的前后倾角的Z角检测部333。检测部33将检测信号输出到移动控制器4。

坐标系选择开关34由按动操作切换选择机器坐标系和工件坐标系。

固定轴选择开关35具有x轴固定开关351、y轴固定开关352、及z轴固定开关353，禁止沿被选择的轴向的仿形测头2的移动。例如，在选择了x轴固定开关351的场合，仿形测头2的移动方向被限制于YZ面内。各轴的方向按照由坐标系选择开关34选择的坐标系(机器坐标系或工件坐标系)。

移动控制器4包括：对三维测量机1的驱动量进行计数的计数器部41；设定与操作部3的操作相应的坐标系的坐标系设定部42；相应于操作部3的手动操作，指令仿形测头2的行进方向和行进速度的行进向量指令部(指示向量指令部)43；相应于行进向量指令部43的指令和主计算机5的测头压入方向的指令，指令沿被测量物表面的仿形向量的仿形向量指令部44；及相应于从仿形向量指令部44指令的仿形向量对驱动机构12进行驱动控制的驱动控制电路(驱动控制单元)45。

计数器部41具有驱动计数器411和测头计数器415，该驱动计数器411对从驱动传感器13输出的脉冲信号进行计数，并测量驱动机构12的驱动量；该测头计数器415对从测头传感器24输出的脉冲信号进行计数，并将触针21的滑动量作为压入量进行测量。驱动计数器411具有对Ym轴传感器131的输出进行计数的Ym轴计数器412、对Xm轴传感器132的输出进行计数的Xm轴计数器413、及对Zm轴传感器133的输出进行计数的Zm轴计数器414。测头计数器415具有对Xp方向传感器241的输出进行计数的Xp方向计数器416、对Yp方向传感器242的输出进行计数的Xp方向计数器417、及对Zp方向传感器243的输出进行计数的Zp方向计数器418。

驱动计数器411的计数值(Xm、Ym、Zm)和测头计数器415的计数值(Xp、Yp、Zp)分别输出到主计算机5。

坐标系设定部42设定输入机器坐标系和工件坐标系的坐标轴，同时，相应于坐标系选择开关34的输入操作切换设定机器坐标系和工件坐标系。坐标系设定部42朝行进向量指令部43和仿形向量指令部44指令切换设定的坐标系。机器坐标系在出厂时被预先设定，工件坐标系相应于测量对象重新生成。

行进向量指令部43具有：相应于固定轴选择开关35和操纵杆32的输入操作，指令仿形测头2行进方向的单位向量的行进方向单位向量指令部(指示单位向量指令部)431；相应于操纵杆32的输入操作，指令仿形测头2的向行进方向的移动速度的行进速度指令部(指示速度指令部)432；及根据行进方向的单位向量和朝行进方向的移动速度生成朝指示的方向按指示的速度使仿形测头2移动的行进向量(指示向量)的行进向量生成部(指示向量生成部)433。

仿形向量指令部44具有向量合成部441和坐标系变换部442，该向量合成部441合成来自行进向量指令部43的行进向量指令和来自主计算机5的压入方向的压入向量指令，生成沿被测量物表面使仿形测头2进行仿形扫描的仿形向量；该坐标系变换部442将仿形向量变换为机器坐标系上的指令。

主计算机5具有生成指令相对被测量物W的压入方向(被测量物表面的法线方向)的移动的压入向量(相对向量)的压入向量指令部(相对向量指令部)51，存储由输入单元6设定输入的测量条件等的存储器(存储装置)52，根据被取样的接触部的坐标值解析被测量物W的形状的形状解析部53，具有运算装置和存储装置(ROM、RAM)并进行预定程序的执行和数据处理等的中央处理部(CPU)54，及连接压入向量指令部51、存储器52、形状解析部53、及中央处理部54的总线55。

压入向量指令部51具有：计算出将接触部22压入到被测量物W的方向的单位向量的压入方向单位向量计算部(相对单位向量计算部)511，计算出相对预先设定的基准压入量的时时刻刻的压入量的偏移的压入偏移量计算部(相对偏移量计算部)512，使用压入方向单位向量和压入偏移量生成指令压入方向的移动的压入向量的压入向量生成部(相对向量生成部)513。另外，压入向量指令部51存储测头坐标系的各轴向。

作为设定输入到存储器52的测量条件，可例示出在仿形扫描中对接触部22的坐标进行取样的间隔(取样间隔)、相对被测量物W压入接触部22的量(基准位置、基准压入量)等。

(表面仿形测量方法)

下面，参照图4的流程图说明表面仿形测量方法。在这里，说明由固定轴选择开关35将仿形测头2的移动限制于规定的平面内而测量该平面中的被测量物W的轮廓断面形状的场合。另外，说明根据工件坐标系实施操作部3的指令的场合。

首先，在测量之前设定输入测量条件。

在ST101中，作为测量模式，由输入单元6的操作选择操纵杆断面仿形模式，接着，设定抽出接触部22的坐标值的取样间隔和接触部22相对被测量物的基准压入量(基准位置)(ST102)。作为取样间隔，示出设定为从0.01mm到0.1mm左右的间隔的例子。作为基准压入量，示出设定为0.5mm左右的例子。

在ST103中，生成工件坐标系。工件坐标系在被测量物W的成为测量对象的面上对任意三点测量坐标，将由该三点确定的平面的法线设为Zw方向，将在平面内相互正交的方向设为Xw方向和Yw方向地生成(参照图1)。生成的工件坐标系存储于坐标系设定部42中。

在ST104中，作为由操作部3进行手动操作时使用的坐标系由坐标系选择开关34选择机器坐标系和工件坐标系中的任一个。坐标系选择开关34的选择输出到坐标系设定部42。这样，在坐标系设定部42选择机器坐标系和工件坐标系中的任一个。其中，说明选择工件坐标系的场合。由坐标系设定部42选择的坐标系被送到行进向量指令部43、仿形向量指令部44，行进向量指令部43和仿形向量指令部44根据被选择的坐标系(在此为工件坐标系)实施处理。

当测量条件的设定大体结束时，在ST105，使仿形测头2移动到开始仿形扫描的点P(图8中的箭头A)。这是通过操作操纵杆32而进行的。下面参照图5的流程图说明由操纵杆32的手动操作使仿形测头2移动的工序。

在ST201中，操作操纵杆32。例如，在使第1杆321朝左右倾倒了的场合，第1杆321的倾角由X角检测部331检测出(ST202)。X角检测部331的检测值输出到行进方向单位向量指令部431和行进速度指令部432。即，通过第1杆321朝左右倾倒，作为行进方向指令了X方向的这一状态输出到行进方向单位向量指令部431，另一方面，将第1杆321的倾倒量输出到行进速度指令部432。这样，在ST203中，行进方向单位向量指令部431在一定的处理约束时间内例如即时地生成被指令的行进方向的单位向量。在这里，在工件坐标系中在Xw方向生成大小为1的单位向量。另外，在ST204中，行进速度指令部432相应于第1杆321的倾倒量生成行进速度Vs。

在ST205中，行进向量生成部433合成来自行进方向单位向量指令部431的单位向量和来自行进速度指令部432的行进速度Vs，生成使仿形测头2移动的行进向量指令，将该行进向量指令输出到仿形向量指令部44(ST205)。

在这里，行进向量VF用朝向行进方向的单位向量F/|F|、行进速度Vs、规定的增益α由下式表示。

${\stackrel{\→}{V}}_F=\mathrm{\α}\·\frac{\stackrel{\→}{F}}{\left|\stackrel{\→}{F}\right|}\·V_S$

该向量指令在工件坐标系中生成时，送入驱动机构12的指令需要由机器坐标系形成。因此，在ST206中，由行进向量生成部433生成的行进向量指令由坐标系变换部442变换成机器坐标系。这样的坐标变换是通过由一次变换对向量进行线性映射来进行。

进行了坐标变换的行进向量指令输出到驱动控制电路45。这样，驱动控制电路45生成按照行进向量指令使驱动机构12进行驱动的控制信号，并提供到驱动机构12(ST207)。这样，由驱动机构12的驱动如图8中的箭头A所示那样使仿形测头2平行于Xw轴地移动(ST208)。

这样，由操纵杆32的操作使仿形测头2移动到测量开始点P。

当使仿形测头2移动到测量开始点P时，中止操纵杆32的操作，使仿形测头2的移动停止后，选择对仿形测头2的移动进行限制的固定轴(ST106)。例如，通过在平行于YZ面的面内使仿形测头2移动，从而在对被测量物W的断面的轮廓形状进行仿形测量的场合，固定Xw轴。固定轴的选择由操作部3的固定轴选择开关35选择。由固定轴选择开关35选择的固定轴由行进方向单位向量指令部431指示。这样，在行进方向单位向量指令部431中，按现状固定固定轴的坐标值。

在ST107中，如图8的箭头B所示那样使仿形测头2朝被测量物W移动。这例如使第1杆321朝前后倾倒，使仿形测头2平行于Yw轴地移动仿形测头2。这样，由在ST201～ST208中说明的工序移动仿形测头2。

在ST108中，当接触部22到达被测量物表面时，开始仿形扫描(图8中的箭头C)。下面参照图6的流程图说明使接触部22沿被测量物表面进行仿形移动的工序。

在图6中，ST301～ST304与在图5中说明的ST201～ST204同样，相应于操纵杆32的倾角从行进向量指令部43向仿形向量指令部44输出使仿形测头2移动的行进方向和行进速度的行进向量VF。

在ST303和ST304中，生成与ST301中的手动操作的指令相应的行进方向和行进速度的指令，而在ST305中，由压入向量指令部51生成指令向被测量物W的压入方向的移动的压入向量。下面参照图7的流程图说明生成压入向量的工序。

首先，在ST401中，由测头传感器24检测作为压入量的触针21的位移量。这样，由测头计数器415对测头传感器24的输出进行计数，将计数值输出到主计算机5。在ST402中，压入方向单位向量计算部511根据测头计数器415的计数值计算压入方向单位向量。在这里，从测头计数器415输出的计数值为(xp、yp、zp)的场合，压入方向单位向量由下式表示。

$\stackrel{\→}{n}=(\frac{\mathrm{xp}}{\left|{\stackrel{\→}{P}}_C\right|},\frac{\mathrm{yp}}{\left|{\stackrel{\→}{P}}_C\right|},\frac{\mathrm{zp}}{\left|{\stackrel{\→}{P}}_C\right|}),$ $\left|{\stackrel{\→}{P}}_C\right|=\sqrt{{\mathrm{xp}}^2+{\mathrm{yp}}^2+{\mathrm{zp}}^2}$

在ST403中，压入偏移量计算部512根据测头计数器415的计数值计算出接触部22相对基准压入量Ps的压入偏移量。压入偏移量d由下式表示。

$d=\left|{\stackrel{\→}{P}}_C\right|-\left|\stackrel{\→}{P}s\right|$

其中，

为基准压入量

压入向量生成部513使用规定的增益β生成压入向量Vp，同时，将压入向量Vp输出到仿形向量指令部44(ST404)。

${\stackrel{\→}{V}}_P=\mathrm{\β}\·\mathrm{\α}\·\stackrel{\→}{n}$

压入向量在测头坐标系中生成时，在ST405中，压入向量Vp由坐标系变换部442变换到工件坐标系。

在这样生成行进向量和压入向量时，在ST306(图6)中，由向量合成部441合成来自行进向量指令部4 3的行进向量和来自压入向量指令部51的压入向量，生成仿形向量Vw。

${\stackrel{\→}{V}}_W={\stackrel{\→}{V}}_F+{\stackrel{\→}{V}}_P^{,}$

为表示将

变换到工件坐标系后的向量。

在ST307中，合成的仿形向量Vw由坐标系变换部442变换到机器坐标系。

如从工件坐标系向机器坐标系的变换矩阵用[A]表示，设变换到机器坐标系的仿形向量为Vw′，则变换式由下式表示。

${{\stackrel{\→}{V}}_W}^{,}=\left[A\right]{\stackrel{\→}{V}}_W$

根据变换到机器坐标系的仿形向量Vw′，从驱动控制电路45将控制信号外加到驱动机构12(ST308)，接触部22沿被测量物表面进行仿形扫描(ST309)。

按在仿形扫描中预先设定的取样间隔将驱动计数器411和测头计数器415的输出值输出到主计算机5，抽出接触部22的坐标(ST310)。

在ST311中，如满足了结束条件，则结束仿形扫描。作为结束条件，也可以预先设定输入仿形测量的区域，在对该仿形扫描的整个对象区域完成仿形扫描时，结束仿形扫描。也可在返回到测量开始点P时，判断为满足了仿形扫描的结束条件。或者，也可在测量者输入结束命令的场合判断为满足了结束条件。

在ST311中，当未满足结束条件时，从ST301由操纵杆32的操作进行仿形测头2的移动指令。

此时，如改变操纵杆32的倾倒量，则从行进速度指令部432输出的行进速度指令变化。这样，仿形测头2的行进速度变化。

另外，通过改变使操纵杆32倾倒的方向，从而可改变仿形测头2的行进方向。

在仿形扫描结束了时，根据抽出的接触部22的坐标在形状解析部53中实施被测量物W的轮廓形状的解析。在形状解析部53中，对测头坐标系或机器坐标系获得的坐标值进行适当的坐标变换，计算出接触部22的坐标值。

按照具有这样的构成的第1实施方式，可具有以下的效果。

(1)通过设置操纵杆32，对操纵杆32进行手动操作，可输入任意的行进方向和任意的行进速度，测量者可按任意的行进方向和任意的行进速度使仿形测头2移动。因此，当开始仿形测量时，不需要预先输入被测量物的轮廓数据等这样的麻烦，所以，可简便地开始测量。另外，在结束一个测量后可直接继续进行下一测量，在更换被测量物的场合也可立即开始测量。结果，测量作业不麻烦，非常简便，测量所需时间也可非常短。或者，通过使操纵杆32的倾角为零，使速度的指令为零，可自由地调整使仿形测头的移动中断等、测量的开始和中断等的时间点。

(2)由于可由操纵杆32任意地调整行进速度，所以，例如在对直线的区域进行仿形测量的场合，指示快的行进速度，在对曲线那样的区域进行仿形测量的场合，指示慢的行进速度等，可按与测量对象相应的仿形速度进行测量。在预先设定仿形速度的场合，存在由较慢的速度形成限制速度的危险，但可通过操纵杆32的速度调整对适当测量所需要的时间进行调整。

(3)由操纵杆32可指示行进方向和行进速度，另一方面，对于压入方向的移动由压入向量指令部51根据测头传感器24的检测值进行自动控制。因此，即使在由手动对仿形测头2进行操作的场合，可不需要特别的技术水平和细微的操作使接触部22保持在基准位置而进行仿形扫描。仿形测头2相对被测量物W的压入量细微，不可能用手动控制压入量，但通过从手动操作切离后自动控制对仿形测头2的移动进行控制的指令中的与压入方向相关的指令，从而可对其它指令(行进方向和行进速度)进行手动操作。

(4)在坐标系设定部42设定由驱动机构12的驱动轴规定的机器坐标系和由被测量物规定的工件坐标系，可由坐标系选择开关3 4选择坐标系。因此，在由操纵杆32指示行进方向的场合，如按照工件坐标系，也容易直感地捕捉方向。

(5)通过设置固定轴选择开关35，选择轴固定开关351～353，可限制沿选择的轴的仿形测头2的移动。这样，仿形测头2仅在与选择的轴垂直的面内移动，所以，可对该面中的断面轮廓形状进行仿形扫描。虽然难以由操纵杆32的手动操作正确地指示一方向，但由于可限制沿选择的轴的仿形测头2的移动，所以，可正确地测量平面内的断面轮廓形状。

(变形例1)

下面，说明本发明的变形例1。变形例1的基本构成与第1实施方式同样，变形例1的特征在于，不选择对仿形测头2的移动进行限制的轴，沿成为测量对象的面S使仿形测头2移动。

即，在进行仿形扫描时，当使仿形测头2移动到测量开始点P时(ST105)，跳过由固定轴选择开关35选择轴的工序(ST106)，使仿形测头2接近被测量物W(ST107)，接着进行仿形测量(ST108)。

图9示出这样的仿形扫描的轨迹的一例。在图9中，使接触部22接触到被测量物表面后，由操纵杆32的操作使仿形测头2沿Yw轴移动(在图9中的箭头D)。当仿形测头2朝Yw方向移动了预定距离时，接着，使仿形测头2沿Xw轴移动(箭头E)。然后，再次使仿形测头2沿Yw轴移动(箭头F)。这样，在被测量物表面的成为测量对象的面S上由操纵杆32使仿形测头2朝任意的测量区域移动。对于与被测量物表面垂直的压入方向，由压入向量指令部51进行自动控制，这一点与第1实施方式中的说明相同。

按照这样的构成，可连续地对被测量物W的成为测量对象的面S进行测量。此时，可在沿一线进行仿形测量后立即测量下一线。结果，测量作业不中断，所以，可缩短测量所需的时间。另外，由于也不需要预先输入成为测量对象的面的形状数据等麻烦，所以，可简单地进行仿形测量。

(变形例2)

下面，说明本发明的变形例2。变形例2的基本构成与第1实施方式同样，变形例2的特征在于，行进方向根据预先设定的规定路径决定，另一方面，行进速度由操纵杆32指示。

作为实现这样的功能的构成，预先将被测量物的轮廓形状数据和进行仿形测量的规定路径设定输入到存储器52。作为规定路径，作为例子列举出对圆筒形状的内周仿形的路径和对螺纹槽进行仿形的形状等。

行进方向单位向量指令部431从存储器52读出该规定路径，并时时刻刻指令规定路径的切线方向的单位向量。行进方向单位向量指令部431不接受操纵杆32的行进方向的指示，仅按照存储器52的输入数据计算出行进方向的单位向量。即，关于仿形测头2的行进方向和相对于被测量物表面的压入方向，由行进方向单位向量指令部431和压入向量指令部51的指令控制。

在这样的构成中，当使操纵杆32倒下时，由检测部33检测出倾角的大小，行进速度指令部432根据该倾角的大小指令行进速度。这样，在仿形向量指令部44中合成仿形向量，对于其方向成分，按照由行进方向单位向量指令部431和压入向量指令部51自动生成的指令，对于其行进速度，按照操纵杆32的指示。相应于该仿形向量的指令由驱动控制电路45对驱动机构12进行驱动，仿形测头2沿规定路径进行仿形扫描。

按照这样的构成，如预先输入仿形扫描的预定的路径，则可根据自动生成的方向的指令，即使为复杂的路径，也可进行仿形扫描。关于速度的指示，可由操纵杆32进行，所以，可通过测量者的调整按适当的速度进行仿形测量。结果，可缩短测量时间。另外，如在测量过程中设操纵杆32的倾角为零，则速度指令为零，所以，可自由调整能够中断仿形扫描等测量的时间点。

本发明的仿形测量方向和仿形测量装置不仅限于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内当然也可进行各种变更。

虽然由杆321、322的倾倒方向指示行进方向，但在测量被测量物W的断面轮廓形状的场合，持续使杆321、322倾倒期间，仿形测头2也可沿轮廓形状继续行进。例如，当使杆321朝+Y方向倾倒时，如图10所示那样，接触部22朝+Y方向移动(箭头G)。在这里，使杆321朝+Y方向倾倒期间，当仿形测头2移动半周时，仿形测头接着朝-Y方向行进(箭头H)。

仿形测头2作为在使接触部22接触于被测量物表面的状态下进行仿形移动进行了说明，但仿形测头2不限于接触式，也可为非接触式的仿形测头。例如，也可以在触针21的前端具有检测静电容量的电极传感器，通过检测出随与被测量物表面的距离产生变化的静电容量，检测被测量物表面。

或者，也可为作为可测量微细形状的STM(扫描型隧道显微镜)或AFM(原子间力显微镜)而已知的显微镜。

在进行仿形测量的场合，在上述实施方式中选择了工件坐标系，但当然也可选择机器坐标系。

另外，移动控制器4或主计算机5不限于如上述实施方式那样具有由实现各功能的逻辑元件等硬件构成的要素的场合，也可以构成为通过将规定的程序安装到具有CPU(中央处理装置)、存储器(存储装置)等的计算机而实现各功能。最好配置CPU或存储器作为计算机起作用地构成，在该存储器通过互联网等通信单元或CD-ROM、存储卡等记录介质将规定的表面仿形测量程序安装到该存储器，由该安装的程序使CPU等动作，实现各功能。为了安装程序，可将存储卡和CD-ROM等直接插入来进行，也可外设读取这些记录介质的设备地连接。另外，也可连接局域网缆线、电话线等，由通信供给程序进行安装，也可由无线供给程序进行安装。

Claims (6)

1.一种表面仿形测量装置，其特征在于：具有仿形测头、移动单元、操作部、指示向量指令部、相对向量指令部、仿形向量指令部及驱动控制单元，

上述仿形测头具有接近或接触于被测量物表面的测量触头和检测沿被测量物表面的法线方向的上述测量触头与被测量物表面的相对位置的检测传感器，将上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置保持在预先设定的基准位置而进行仿形扫描；

上述移动单元使上述仿形测头移动；

上述操作部具有由手动操作输入指示大小和任意的方向的手动操作构件；

上述指示向量指令部在一定的处理约束时间内根据上述输入指示生成具有由上述手动操作构件指示的方向和指示的大小的指示向量；

上述相对向量指令部根据上述检测传感器的检测值按上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置相对上述基准位置具有的偏移量的大小自动生成在上述被测量物表面的法线方向具有方向的相对向量；

上述仿形向量指令部合成上述指示向量和上述相对向量而生成仿形向量；

上述驱动控制单元根据上述仿形向量对上述移动单元进行驱动控制。

2.根据权利要求1所述的表面仿形测量装置，其特征在于：

上述移动单元具有沿相互正交的3个方向的驱动轴和可沿这些驱动轴滑动地设于各上述驱动轴上的滑动构件，

设置有设定机器坐标系和工件坐标系的坐标系设定部，上述机器坐标系在上述各驱动轴方向具有Xm轴、Ym轴及Zm轴，上述工件坐标系由在上述被测量物的任意的表面规定的平面内相互正交的Xw轴、Yw轴及垂直上述平面的Zw轴构成，

上述操作部具有由手动操作选择上述机器坐标系和上述工件坐标系中的任何一方的坐标系选择单元，

根据由上述坐标系选择单元选择的上述机器坐标系和上述工件坐标系中的任何一坐标系规定上述手动操作构件的指示方向，同时，上述指示向量指令部根据上述选择的坐标系生成上述指示向量，

上述仿形向量指令部具有对上述机器坐标系和上述工件坐标系进行相互坐标变换的坐标系变换部。

3.根据权利要求2所述的表面仿形测量装置，其特征在于：

上述操作部具有由手动操作选择构成上述机器坐标系和上述工件坐标系中的任何一坐标系的3轴中的任何一个轴的轴选择单元，

上述指示向量指令部固定由上述轴选择单元选择的轴的坐标值，在与上述选择的轴垂直的面内生成上述指示向量。

4.根据权利要求1～3中任何一项所述的表面仿形测量装置，其特征在于：

上述手动操作构件具有可摆动地设置的操纵杆，

上述操作部具有检测上述操纵杆的倾角和倾倒方向的倾角检测单元。

5.一种表面仿形测量装置，其特征在于：具有仿形测头、移动单元、操作部、存储装置、指示向量指令部、相对向量指令部、仿形向量指令部及驱动控制单元，

上述仿形测头具有接近或接触于被测量物表面的测量触头和检测沿被测量物表面的法线方向的上述测量触头与被测量物表面的相对位置的检测传感器，将上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置保持在预先设定的基准位置而进行仿形扫描；

上 述移动单元使上述仿形测头移动；

上述操作部具有由手动操作输入指示大小的手动操作构件；

上述存储装置预先存储仿形扫描的预定路径；

上述指示向量指令部生成具有由上述手动操作构件指示的大小和沿上述预定路径的方向的指示向量；

上述相对向量指令部根据上述检测传感器的检测值按上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置相对上述基准位置具有的偏移量的大小自动生成在上述被测量物表面的法线方向具有方向的相对向量；

上述仿形向量指令部合成上述指示向量和上述相对向量，生成仿形向量；

上述驱动控制单元根据上述仿形向量对上述移动单元进行驱动控制。

6.一种表面仿形测量方法，由移动单元使仿形测头移动，对被测量物表面进行仿形测量，上述仿形测头具有接近或接触于被测量物表面的测量触头和检测沿被测量物表面的法线方向的上述测量触头与被测量物表面的相对位置的检测传感器，将上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置保持在预先设定的基准位置进行仿形扫描，其特征在于：具有手动操作工序、指示向量指令工序、相对向量指令工序、仿形向量指令工序及驱动控制工序，

上述手动操作工序由手动操作输入指示大小和任意的方向；

上述指示向量指令工序在一定的处理约束时间内根据上述输入指示生成具有由上述手动操作工序指示的方向和指示的大小的指示向量；

上述相对向量指令工序根据上述检测传感器的检测值按上述测量触头与上述被测量物表面的相对位置相对上述基准位置具有的偏移量的大小自动生成在上述被测量物表面的法线方向具有方向的相对向量；

上述仿形向量指令工序合成上述指示向量和上述相对向量而生成仿形向量；

上述驱动控制工序根据上述仿形向量对上述移动单元进行驱动控制。

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