CN101893433A - 形状测量装置、形状测量方法以及程序 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够安全地执行高精确度的定心的形状测量装置、形状测量方法以及程序。形状测量装置具有将作为旋转体的被测量物配置在第一位置处的控制部。控制部在第一位置处使触头跟踪被测量物的表面与X轴平行地移动，来获取第一测量曲线。控制部使被测量物以Z轴为中心旋转90度，来将被测量物配置到第二位置处。控制部在第二位置处使触头跟踪被测量物的表面与X轴平行地移动，来获取第二测量曲线。控制部分别对第一、第二测量曲线进行圆拟合，算出各圆的最大值在X轴方向的位置。控制部使被测量物沿X轴、Y轴方向移动使得最大值在X轴方向上的位置成为0。

Description

形状测量装置、形状测量方法以及程序
技术领域
本发明涉及一种与以规定的旋转轴为中心进行相对旋转的被测量物的旋转角同步地进行位移测量的、所谓的圆度测量机等形状测量装置、形状测量方法以及程序。
背景技术
以往，已知如下一种圆度测量机(参照专利文献1、2)：将被测量物配置在平台上，使平台旋转，并使测量探针(触头)跟踪被测量物的表面。在这种圆度测量机中，必须进行触头的X轴方向和Y轴方向的校正，来将被测量物配置成其中心与平台的旋转轴一致(定心)。
目前，通过使对非球面工件进行同心圆测量得到的数据与非球面设计值最佳拟合(best fit)来进行定心(centering)。此时，如果被测量物的偏心量较大，则会测量到偏离设计值范围的半径位置，或者检测量的波动变大，因此有时会发生测量超范围(range over)。由此，存在超出机械所保障的测量区域的情况，在这种情况下，有可能损坏被测量物和测量机。
专利文献1：日本特开平5-231864号公报
专利文献2：日本特许2551698号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明提供一种能够安全地执行高精确度的定心的形状测量装置、形状测量方法以及程序。
用于解决问题的方案
本发明所涉及的形状测量装置使作为旋转体的被测量物以第一轴为中心进行旋转，并且测量上述被测量物的各旋转角处的表面的位移，该形状测量装置的特征在于，具备：触头，其前端能够与上述被测量物相接触；第一配置单元，其将上述被测量物配置在第一位置处；第一测量单元，其在上述第一位置处使上述触头跟踪上述被测量物的表面与第二轴平行地移动，测量沿着上述第二轴的各位置处的上述触头的位移量，来获取第一测量曲线，其中，上述第二轴与上述第一轴正交；第二配置单元，其使上述被测量物以上述第一轴为中心旋转90度，来将上述被测量物从上述第一位置配置到第二位置处；第二测量单元，其在上述第二位置处使上述触头跟踪上述被测量物的表面与上述第二轴平行地移动，测量沿着上述第二轴的各位置处的上述触头的位移量，来获取第二测量曲线；极值位置算出单元，其分别对上述第一测量曲线和第二测量曲线进行圆拟合，算出表示各圆的极值的第一极值和第二极值在上述第二轴方向上的位置；以及移动单元，其使上述被测量物沿与上述第二轴平行的方向以及与第三轴平行的方向移动，使得上述第一极值和上述第二极值在上述第二轴方向上的位置成为0，其中，上述第三轴与上述第一轴和上述第二轴正交。
本发明所涉及的形状测量方法，使用具有触头的形状测量装置，该形状测量装置使作为旋转体的被测量物以第一轴为中心进行旋转，并且测量上述被测量物的各旋转角处的表面的位移，该触头的前端能够与上述被测量物相接触，该形状测量方法的特征在于，具备以下工序：将上述被测量物配置在第一位置处；在上述第一位置处，使上述触头跟踪上述被测量物的表面与第二轴平行地移动，测量沿着上述第二轴的各位置处的上述触头的位移量，来获取第一测量曲线，其中，上述第二轴与上述第一轴正交；使上述被测量物以上述第一轴为中心旋转90度，来将上述被测量物从上述第一位置配置到第二位置处；在上述第二位置处，使上述触头跟踪上述被测量物的表面与上述第二轴平行地移动，测量沿着上述第二轴的各位置处的上述触头的位移量，来获取第二测量曲线；分别对上述第一测量曲线和上述第二测量曲线进行圆拟合，算出表示各圆的极值的第一极值和第二极值在上述第二轴方向上的位置；以及使上述被测量物沿与上述第二轴平行的方向以及与第三轴平行的方向移动，使得上述第一极值和上述第二极值在上述第二轴方向上的位置成为0，其中，上述第三轴与上述第一轴和上述第二轴正交。
本发明所涉及的形状测量程序使用具有触头的形状测量装置，该形状测量装置使作为旋转体的被测量物以规定的旋转轴为中心进行旋转，并且测量上述被测量物的各旋转角处的表面的位移，该触头的前端能够与上述被测量物相接触，该形状测量程序用于使计算机执行以下工序：将上述被测量物配置在第一位置处；在上述第一位置处，使上述触头跟踪上述被测量物的表面与第二轴平行地移动，测量沿着上述第二轴的各位置处的上述触头的位移量，来获取第一测量曲线，其中，上述第二轴与上述第一轴正交；使上述被测量物以上述第一轴为中心旋转90度，来将上述被测量物从上述第一位置配置到第二位置处；在上述第二位置处，使上述触头跟踪上述被测量物的表面与上述第二轴平行地移动，测量沿着上述第二轴的各位置处的上述触头的位移量，来获取第二测量曲线；分别对上述第一测量曲线和上述第二测量曲线进行圆拟合，算出表示各圆的极值的第一极值和第二极值在上述第二轴方向上的位置；以及使上述被测量物沿与上述第二轴平行的方向以及与第三轴平行的方向移动，使得上述第一极值和上述第二极值在上述第二轴方向上的位置成为0，其中，上述第三轴与上述第一轴和上述第二轴正交。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种能够安全地执行高精确度的定心的形状测量装置、形状测量方法以及程序。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的形状测量装置的概要结构的外观立体图。
图2是表示运算处理装置主体31的结构的框图。
图3是表示实施方式所涉及的形状测量装置的动作的流程图。
图4是表示图3的步骤S103的概要图。
图5是表示图3的步骤S104、S105的概要图。
图6是表示图3的步骤S106的概要图。
图7是用于说明图3的步骤S103、S105的图。
图8是用于说明实施方式所涉及的形状测量装置的效果的图。
附图标记说明
1：测量机主体；2：运算处理装置；3：基座；4：被测量物；5：平台；6：位移检测装置；7：操作部；21：立柱；22：滑动件；23：测针；24：触头；31：运算处理装置主体；32：操作部；33：显示画面。
具体实施方式
接着，参照附图说明本发明所涉及的实施方式。
[实施方式]
[实施方式所涉及的形状测量装置的结构]
首先，参照图1说明实施方式所涉及的形状测量装置的结构。图1是实施方式所涉及的形状测量装置(圆度测量装置)的外观立体图。
形状测量装置使被测量物4以规定的旋转轴为中心进行旋转，并且测量被测量物4的各旋转角处的表面的位移。在本实施方式中，被测量物4是作为旋转体的凸型的非球面透镜。
如图1所示，形状测量装置由测量机主体1和运算处理装置2构成，该运算处理装置2经由驱动控制装置1a与测量机主体1相连接。
测量机主体1构成为具备基座3、平台5、位移检测装置6以及操作部7，该平台5被设置在该基座3上，载置被测量物4，并且使被测量物4进行旋转，该位移检测装置6对载置在该平台5上的被测量物4的位移进行检测，该操作部7用于对这些部件进行操作。
平台5通过配置在圆板状的载物台11下侧的旋转驱动装置12对载物台11进行旋转驱动，来使载置于载物台11上的被测量物4旋转。在旋转驱动装置12的侧面沿圆周方向以大致90度的间隔配置有调整用捏手13。通过操作这些调整用捏手13，能够通过手动操作进行载物台11的定心和水平调整(leveling)。即，载物台11构成为能够在X轴、Y轴、Z轴方向上进行调整。另外，载物台11构成为通过后述的控制部41进行定心和水平调整。此外，X轴、Y轴、Z轴是各自正交的轴。
如下构成位移检测装置6。即，在基座3上垂直设置有向上方延伸的立柱(column)21，在该立柱21上以能够上下移动的方式安装有滑动件(slider)22。在滑动件22上安装有测针(stylus)23。测针23构成为能够在水平(X轴、Y轴)、垂直(Z轴)方向上进行驱动，在测针23的前端设置有触头24。触头24构成为其前端能够与被测量物相接触。立柱21、滑动件22以及测针23构成触头驱动单元。
一边使平台5旋转，一边使滑动件22、测针23移动，来使触头24沿X轴方向扫描(跟踪)被测量物4的表面，由此能够得到X轴方向的各位置处的触头24的位移量来作为测量数据(测量曲线)。
运算处理装置2取入由位移检测装置6得到的测量数据。运算处理装置2具有执行运算处理的运算处理装置主体31、操作部32以及显示画面33。另外，运算处理装置2构成为与操作部7同样地能够控制测量机主体1的动作。
接着，参照图2说明运算处理装置主体31的结构。如图2所示，运算处理装置主体31主要具有控制部(CPU：CentralProcessing Unit：中央处理单元)41、RAM(Random AccessMemory：随机存取存储器)42、ROM(Read Only Memory：只读存储器)43、HDD(Hard Disk Drive：硬盘驱动器)44以及显示控制部45。在运算处理装置主体31中，从操作部32输入的代码信息和位置信息通过I/F 46a被输入到控制部41。控制部41按照保存在ROM 43中的宏程序(macroprogram)以及从HDD 44经由I/F46b保存在RAM 42中的各种程序来执行各种处理。
控制部41按照测量执行处理，通过I/F 46c控制测量机主体1。HDD 44是保存各种控制程序的记录介质。RAM 42除了保存各种程序以外，还提供各种处理的工作区域。另外，控制部41通过显示控制部45在显示画面33上显示测量结果等。
控制部41从HDD 44中读出各种程序，通过执行该程序来执行以下的图3所示的动作。
[实施方式所涉及的形状测量装置的动作]
接着，参照图3所示的流程图来说明实施方式所涉及的形状测量装置中的非球面工件的最佳拟合水平调整动作。首先，在对载置于载置台11上的作为非球面工件的被测量物4大致地进行水平调整之后，控制部41通过操作部32接收测量条件、例如测量开始半径位置、测量长度、用于有效利用测量范围的自动设置水平等的输入(步骤S101)。接着，控制部41按照所输入的测量条件，将被测量物4配置在第一位置P1处(步骤S102)。具体地说，控制部41将载置台11的旋转角设定为“0°”。
接着，如图4所示，控制部41在第一位置P1处使触头24跟踪被测量物4的表面沿X轴方向移动规定距离，来测量表面形状，得到第一测量曲线L1(直线移动测量(linear tracingmeasurement))(步骤S103)。在此，第一测量曲线L1是第一位置P1的X轴方向的各位置处的触头24的位移量。
接着，控制部41如图5所示那样使被测量物4以Z轴为中心旋转90度，来将被测量物4从第一位置P1配置到第二位置P2处(步骤S104)。具体地说，控制部41将载置台11的旋转角设定为“90°”。接着，如图5所示，控制部41在第二位置P2处使触头24跟踪被测量物4的表面沿X轴方向移动规定距离，来测量表面形状，得到第二测量曲线L2(直线移动测量)(步骤S105)。在此，第二测量曲线L2是第二位置P2的X轴方向的各位置处的触头24的位移量。
接着，控制部41通过最小二乘法分别对第一测量曲线L1和第二测量曲线L2进行圆拟合，来算出这些圆的最大值(极值)M1、M2在X轴方向的位置(步骤S106)。例如，如图6所示，控制部41通过最小二乘法使圆弧状的函数f(x)与构成第一测量曲线L1(第二测量曲线L2)的测量值D最佳拟合，根据该函数f(x)求出最大值M1、M2。通过执行这种处理，能够抑制由于噪声等而包含误差的测量值D的影响。
接着，控制部41使被测量物4沿X轴方向和Y轴方向移动，使得最大值M1、M2在X轴方向的位置成为0(步骤S107)。控制部41通过以上处理来结束动作。
接着，参照图7详细说明上述步骤S103～S105的处理。在图7中，设被测量物4配置在第一位置P1处，被测量物4的中心C位于在X轴方向上距旋转轴O(Z轴)cx、在Y轴方向上距旋转轴O(Z轴)cy的位置处。图7的(a1)和(a2)表示在第一位置P1处的测量(步骤S103)。图7的(a1)是X-Y俯视图，图7的(a2)是X-Z俯视图。图7的(b1)和(b2)表示第二位置P2处的测量(步骤S105)。图7的(b1)是X-Y俯视图，图7的(b2)是X-Z俯视图。
通过图7的(a1)所示的步骤S103的测量，测量出图7的(a2)所示的第一测量曲线L1。第一测量曲线L1的拟合圆的最大值M1如图7的(a2)所示那样位于X轴方向的cx处。即，通过该测量，控制部41能够确定被测量物4的中心C在X轴方向上距旋转轴O的偏移量cx。
通过图7的(b1)所示的步骤S105的测量，测量出图7的(b2)所示的第二测量曲线L2。第二测量曲线L2的拟合圆的最大值M2如图7的(b2)所示那样位于X轴方向的cy处。即，通过该测量，控制部41能够确定被测量物4的中心C在Y轴方向上距旋转轴O的偏移量cy。
[实施方式所涉及的形状测量装置的效果]
接着，参照图8说明实施方式所涉及的形状测量装置的效果。图8表示使被测量物4以Z轴为中心旋转、并且使触头24跟踪被测量物4来测量被测量物4的各旋转角处的表面的位移从而获取测量曲线L的例子。在这种情况下，在执行上述图3所示的步骤S101～步骤S107的处理之前，如图8的(a)所示，测量曲线L不收敛于测量区域AR内。在此，测量区域AR是保障能够执行稳定测量的区域。即，检测量的波动变大，有可能使触头24、被测量物4损坏。
另一方面，在执行上述图3所示的步骤S101～S107的处理之后，如图8的(b)所示，测量曲线L收敛于测量区域AR内。即，本实施方式所涉及的形状测量装置通过上述处理，即使在偏心量较大的情况下，也能够通过稳定的测量来执行定心。
另外，现有的形状测量装置通过测量至少五个同心圆状的测量数据来执行定心。与此相对地，在本实施方式的步骤S101～S107中，由于测量仅进行横跨X轴方向的规定距离的两次直线移动测量，因此能够在短时间内执行定心。另外，在由于被测量物4的形状、设置状态而无法测量其外周的情况下，本实施方式的处理是有效的。
[其它实施方式]
以上说明了形状测量装置的实施方式，但是本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离发明宗旨的范围内能够进行各种变更、追加、置换等。例如，在上述实施方式中，被测量物4是凸透镜等凸型的非球面工件。然而，被测量物4也可以是凹透镜等凹型的非球面工件。此外，在被测量物4是凹透镜的情况下，在步骤S106中，控制部41只要算出第一、第二测量曲线L1、L2的拟合圆的最小值即可。

Claims (3)

1.一种形状测量装置，使作为旋转体的被测量物以第一轴为中心进行旋转，并且测量上述被测量物的各旋转角处的表面的位移，该形状测量装置的特征在于，具备：
触头，其前端能够与上述被测量物相接触；
第一配置单元，其将上述被测量物配置在第一位置处；
第一测量单元，其在上述第一位置处使上述触头跟踪上述被测量物的表面与第二轴平行地移动，测量沿着上述第二轴的各位置处的上述触头的位移量，来获取第一测量曲线，其中，上述第二轴与上述第一轴正交；
第二配置单元，其使上述被测量物以上述第一轴为中心旋转90度，来将上述被测量物从上述第一位置配置到第二位置处；
第二测量单元，其在上述第二位置处使上述触头跟踪上述被测量物的表面与上述第二轴平行地移动，测量沿着上述第二轴的各位置处的上述触头的位移量，来获取第二测量曲线；
极值位置算出单元，其分别对上述第一测量曲线和第二测量曲线进行圆拟合，算出表示各圆的极值的第一极值和第二极值在上述第二轴方向上的位置；以及
移动单元，其使上述被测量物沿与上述第二轴平行的方向以及与第三轴平行的方向移动，使得上述第一极值和上述第二极值在上述第二轴方向上的位置成为0，其中，上述第三轴与上述第一轴和上述第二轴正交。
2.一种形状测量方法，使用具有触头的形状测量装置，该形状测量装置使作为旋转体的被测量物以第一轴为中心进行旋转，并且测量上述被测量物的各旋转角处的表面的位移，该触头的前端能够与上述被测量物相接触，该形状测量方法的特征在于，具备以下工序：
将上述被测量物配置在第一位置处；
在上述第一位置处，使上述触头跟踪上述被测量物的表面与第二轴平行地移动，测量沿着上述第二轴的各位置处的上述触头的位移量，来获取第一测量曲线，其中，上述第二轴与上述第一轴正交；
使上述被测量物以上述第一轴为中心旋转90度，来将上述被测量物从上述第一位置配置到第二位置处；
在上述第二位置处，使上述触头跟踪上述被测量物的表面与上述第二轴平行地移动，测量沿着上述第二轴的各位置处的上述触头的位移量，来获取第二测量曲线；
分别对上述第一测量曲线和上述第二测量曲线进行圆拟合，算出表示各圆的极值的第一极值和第二极值在上述第二轴方向上的位置；以及
使上述被测量物沿与上述第二轴平行的方向以及与第三轴平行的方向移动，使得上述第一极值和上述第二极值在上述第二轴方向上的位置成为0，其中，上述第三轴与上述第一轴和上述第二轴正交。
3.一种形状测量程序，使用具有触头的形状测量装置，该形状测量装置使作为旋转体的被测量物以规定的旋转轴为中心进行旋转，并且测量上述被测量物的各旋转角处的表面的位移，该触头的前端能够与上述被测量物相接触，该形状测量程序用于使计算机执行以下工序：
将上述被测量物配置在第一位置处；
在上述第一位置处，使上述触头跟踪上述被测量物的表面与第二轴平行地移动，测量沿着上述第二轴的各位置处的上述触头的位移量，来获取第一测量曲线，其中，上述第二轴与上述第一轴正交；
使上述被测量物以上述第一轴为中心旋转90度，来将上述被测量物从上述第一位置配置到第二位置处；
在上述第二位置处，使上述触头跟踪上述被测量物的表面与上述第二轴平行地移动，测量沿着上述第二轴的各位置处的上述触头的位移量，来获取第二测量曲线；
分别对上述第一测量曲线和上述第二测量曲线进行圆拟合，算出表示各圆的极值的第一极值和第二极值在上述第二轴方向上的位置；以及
使上述被测量物沿与上述第二轴平行的方向以及与第三轴平行的方向移动，使得上述第一极值和上述第二极值在上述第二轴方向上的位置成为0，其中，上述第三轴与上述第一轴和上述第二轴正交。
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