CN105277134A - 球形状测定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供球形状测定方法和装置。一种球形状测定方法，使被测定球(10)能够自如地旋转，在各个旋转位置针对以彼此相邻的测定区域之间具有重复区域的方式设定的每个测定区域测定局部的球面形状，基于这些重复区域的形状来通过拼接运算将各个局部的球面形状接合，由此测定表面形状，在该球形状测定方法中，在从能够自由地保持或释放被测定球(10)的球保持机构(50)释放了被测定球(10)的状态下能够通过球支承台(52)保持球，通过转换对球进行保持的位置，能够高精度地测定球整体的形状。

Description

球形状测定方法和装置

2014年7月17日提交的日本专利申请2014-147226的包括说明书、附图和权利要求书的全部内容通过引用而被包含于此。

技术领域

本发明涉及一种球形状测定方法和装置，特别是涉及一种能够高精度地测定球整体的形状的球形状测定方法和装置。

背景技术

轴承的球、作为测定仪的基准的参照球、透镜等球或局部具有球形状的部件在产业界被广泛利用。为了测定这些具有球形状的部件的形状，提出了很多的表面形状测定方法、装置。干涉仪装置为其代表性的一例，能够高精度且高密度地测定这些球的表面形状。并且，为了测定超出表面形状测定装置所能够测定的面内区域的球面形状，还提出了具备表面形状测定单元以及用于保持测定对象的球面且变更测定位置的位置变更单元的装置(美国专利6,956,657B2号公报(以下为专利文献1)以及《光波干渉による真球度の測定》、2011年度精密工学会秋季大会学术演讲会演讲论文集P868-869(以下为非专利文献1))。

这些装置通过位置变更单元使测定对象的球面移动来变更测定位置，并且通过表面形状测定单元测定多个局部区域的形状。通过被称为拼接的运算来将这些多个区域的测定形状连接，由此测定出广范围的球面形状。

在此，说明非专利文献1所示的球形状测定装置的概要。在图1中示出表示装置的结构的侧视图。测定装置包含形成表面形状测定单元的由例如斐索(Fizeau)干涉仪构成的激光干涉仪20的部分和作为位置变更单元的位置变更机构40的部分。在该装置中使用的激光干涉仪20是通过使用具有球面形状的参照球面22并将由激光光源24产生的激光光线26的波长作为标准与参照球面22进行比较来测定被测定球10的表面形状的装置。在图中，28是分束器，30是用于使激光光线26平行光线化的准直透镜，32是用于检测通过分束器28合成得到的干涉光的摄像元件。

被测定球(以下，也被简称为球)10被设置在参照球面22的焦点位置处。通过激光干涉仪20测定的区域是激光光线26所照射的球10的表面上的一部分，因此为了测定更广的区域而需要使激光干涉仪20主体或被测定球10的位置移动的单元。非专利文献1所示的装置具备位置变更机构40，该位置变更机构40将被测定球10和支承轴12固定，将具有轴的球设为对象，通过支承轴12对被测定球10进行保持的同时，通过θ旋转轴42以及与θ旋转轴42正交的φ旋转轴44的二轴旋转机构将球10的任意的面向激光干涉仪20的测定范围移动。

在图2中表示非专利文献1的装置的俯视图。φ旋转轴44与测定光轴成直角(图2中的纸面垂直方向)，在该轴上参照球面22的焦点被调整为一致。当使φ旋转轴44旋转时，能够使支承θ旋转轴42的支架46绕φ轴旋转。θ旋转轴42在此基础上能够旋转360度以上。此时，通过调整支承轴12、支架46的臂的长度使得被测定球10的中心位置在φ旋转轴44上，由此被测定球10能够在参照球面22的焦点位置旋转为任意的角度。在这样的结构中，为了通过激光干涉仪20测定被测定球10的半球所涉及的区域，只要使被测定球10绕θ旋转轴42旋转360度并绕φ旋转轴44在从支承轴12与测定光轴正交的位置到支承轴12与测定光轴平行的位置为止90度的范围内旋转。

在图3a和3b中示出通过这种结构的装置所能够测定的区域与θ和φ两个旋转轴的关系。本图是对图1所示的装置从上面观察到的图。首先，将支承轴12处于与激光干涉仪20的测定光轴正交的位置时的φ旋转轴44的角度定义为第一支承角度φ1。图3a表示该状态。如果将支承轴12的中心轴定义为被测定球10的极轴，则能够将处于与该极轴正交的位置的球的表面的轮廓考虑为球的纬线，直径最大的位置的轮廓为赤道(第一测定纬线)。通过在第一支承角度φ1下使θ旋转轴42旋转，能够使球面的第一测定纬线上的任意的点朝向激光干涉仪20。如果在该位置实施测定，则能够测定θ旋转轴42在任意位置时的单个测定区域的形状。为了之后进行的拼接运算，而期望以相邻的单个测定区域具有重复区域的方式决定θ旋转轴42的旋转步进。该重复区域设为例如激光干涉仪20的视角的大致一半左右即可。在此，将第一支承角度φ1设为支承轴12与测定光轴正交的位置进行了说明，但是并非一定如此，也可以将第一支承角度φ1设定在任意的位置。

接着，使φ旋转轴44旋转，设定在与第一支承角度φ1不同的位置。将该位置设为第二支承角度φ2。图3b表示该状态。当在该位置使θ旋转轴42旋转时，与激光干涉仪20的测定光轴相交的球面上的点描绘出某个轨迹。将由该轨迹表示的轮廓设为第二测定纬线。通过与第一支承角度φ1时的操作同样地使θ旋转轴42旋转，能够在球面的第二测定纬线上测定θ旋转轴42在任意位置时的单个测定区域的形状。与θ旋转轴42的步进同样地，第一支承角度φ1与第二支承角度φ2的间隔设为例如激光干涉仪20的视角的大致一半左右即可。

在φ旋转轴44的旋转范围内设定多个支承角度φ，在各个位置操作θ旋转轴42，并执行该过程直到对应位置的单个测定区域覆盖被测定球10的半球部分为止。参照θ旋转轴42和φ旋转轴44的位置信息，将通过这样获得的很多的单个测定区域的形状通过拼接运算相互连接，能够测定被测定球10的表面形状。φ旋转轴44的旋转范围不限于图2所示的90度的范围，只要激光干涉仪20与位置变更机构40之间不发生物理性的冲突等，就能够设定为任意的范围。用于由多个单个测定区域覆盖被测定球10的半球的必要条件是φ旋转轴44的旋转范围为90度。

当构成位置变更机构40的各个部件的尺寸与设计值不同、或存在运动误差时，存在随着θ旋转轴42、φ旋转轴44的旋转而被测定球10从参照球面22的焦点位置偏移的情况。在对球面进行测定的干涉仪装置中，该位置偏移使得产生测定误差。为此，在非专利文献1的装置中也能够具备例如图4所示的由台48x、48y、48z构成的正交三轴的平移机构48。基于激光干涉仪20的干涉条纹图像，以使干涉条纹数尽可能少的方式移动被测定球10，由此能够修正该位置偏移。

发明内容

发明要解决的问题

专利文献1和非专利文献1中所示的现有技术是对透镜那样的局部球形状、或者通过被固定的轴所保持的球进行测定的技术，很难对轴的周边、保持部分的周边的区域进行测定，其测定范围被限制为大致半球的程度。虽然能够根据激光干涉仪的视场范围的大小、位置变更单元的移动范围来测定超出半球的区域，但是无法对保持球的部位进行测定。因此，期望一种高精度地测定球整体的形状的装置及其测定方法。

本发明是为了解决上述以往的问题点而完成的，其课题在于高精度地测定球整体的形状。

本发明通过下面的球形状测定方法来解决上述课题，该球形状测定方法使被测定球能够自如地旋转，在各个旋转位置针对以彼此相邻的测定区域之间具有重复区域的方式设定的每个测定区域测定局部的球面形状，基于这些重复区域的形状来通过拼接运算将各个局部的球面形状接合，由此测定表面形状，在该球形状测定方法中，在从能够自由地保持或释放被测定球的球保持机构释放了被测定球的状态下使得球支承台能够保持球，通过转换对球进行保持的位置，使得能够测定球整体的形状。

在此，能够设为使上述球支承台能够旋转。

另外，能够设为能够调整被测定球和表面形状测定单元的位置。

本发明还提供一种球形状测定装置，具备：表面形状测定单元，其测定球面的局部形状；以及位置变更单元，其使被测定球相对于上述表面形状测定单元自如地旋转，其中，在各个旋转位置针对以彼此相邻的测定区域之间具有重复区域的方式设定的每个测定区域测定局部的球面形状，基于这些重复区域的形状来通过拼接运算将各个局部的球面形状接合，由此测定表面形状，该球形状测定装置还具备球形状测定单元，该球形状测定单元具有能够自由地保持或释放被测定球的球保持机构以及在从该球保持机构释放了被测定球的状态下对球进行保持的球支承台，通过转换对球进行保持的位置，来测定球整体的形状。

在此，能够设为上述表面形状测定单元是激光干涉仪，上述位置变更单元用于使被测定球围绕第一旋转轴旋转以及使被测定球围绕与该第一旋转轴正交的第二旋转轴旋转。

另外，上述球支承台能够在上表面具有容纳用凹部，该容纳用凹部用于容纳并支承从上述球保持机构释放的球。

另外，还能够具备使上述球支承台升降的机构。

另外，还能够具备在释放了被测定球的期间使上述球保持机构退避的机构。

另外，还能够具备使上述球支承台旋转的机构。

另外，能够将使上述球支承台旋转的机构的旋转轴和上述位置变更单元的第二旋转轴设为同轴。

另外，还能够用于调整被测定球与表面形状测定单元的相对位置的在正交三轴方向上平移的平移机构。

根据本发明，能够高精度地测定球整体的形状。

通过以下针对优选实施例的详细说明，本发明的这些以及其它新颖特征和优点将变得明显。

附图说明

将参考附图来说明优选实施例，其中在整个附图中，利用相同的附图标记来表示相同的元件，其中：

图1是表示非专利文献1所示的球形状测定装置的侧视图。

图2是表示该球形状测定装置的俯视图。

图3a是用于说明该球形状测定装置的测定过程1的放大俯视图，图3b是用于说明该球形状测定装置的测定过程2的放大俯视图。

图4是表示具备平移机构的该球形状测定装置的侧视图。

图5是表示本发明的第一实施方式的侧视图。

图6是表示该第一实施方式的测定球整体的形状的过程的流程图。

图7是表示该第一实施方式的将球进行转换的过程的流程图。

图8是表示本发明的第二实施方式的侧视图。

图9是表示该第二实施方式的将球进行转换的过程的流程图。

图10是表示本发明的第三实施方式的侧视图。

图11是表示本发明的第四实施方式的侧视图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。此外，本发明不限定于以下的实施方式以及实施例所记载的内容。另外，在以下记载的实施方式以及实施例中的结构要件中包含本领域技术人员能够容易设想的结构要件、实质相同的结构要件、所谓的均等范围的结构要件。并且，以下记载的实施方式以及实施例中公开的结构要素可以适当组合，也可以适当地选择使用。

在图5中表示本发明的第一实施方式的结构。本实施方式通过在非专利文献1所示的具备激光干涉仪20以及具有θ旋转轴42、φ旋转轴44及支架46的位置变更机构40的装置中新追加球保持机构50、球支承台52、Z升降轴54、对它们进行支承的台56以及R调整轴60，能够将球转换并测定球整体的形状。

球保持机构50具有相对于支承轴12任意地保持或释放被测定球10的机构，在真空吸附或者被磁化的球的情况下，能够通过磁力等自如地吸附或释放被测定球10。

球支承台52是在上表面具有容纳用凹部52A的台，该容纳用凹部52A用于暂时容纳并支承从球保持机构50释放的球。期望在球保持机构50吸附被测定球10的期间，通过Z升降轴54使球支承台52退避使得不会碰触被测定球10。另外，期望在释放了球的期间，通过R调整轴60使球保持机构50也能够退避使得不会碰触被测定球10。

此外，为了将球10转换，设为φ旋转轴44能够旋转例如±90度＝180度。

在图中，34是激光干涉仪20用的干涉仪用计算机，62是用于控制位置变更机构40的θ旋转轴42和φ旋转轴44的旋转、球保持机构50的吸附、Z升降轴54的升降、R调整轴60的伸缩等的控制器，64是用于通过该控制器62控制位置变更机构40和球的转换并以从干涉仪用计算机34获得的信息为基础对球形状进行解析的球形状解析用计算机。

以下，参照图6说明对球整体的形状进行测定的过程。

首先，在步骤100中将被测定球10吸附于球保持机构50，在步骤110中使φ旋转轴44旋转并设定为规定角度，重复步骤120的θ旋转轴42的旋转以及步骤130的单个测定区域的测定直到在步骤140中判定为进行了覆盖规定纬线上的测定为止。

接着，通过在步骤110中使φ旋转轴44旋转来改变纬线，并重复步骤120～140直到在步骤150中判定为进行了覆盖第一半球的测定。

在步骤150中判定为结束了第一半球的测定时，在步骤160中将被测定球10转换。具体地说，如图7中所示，在被测定球10被吸附于球保持机构50的状态下使Z升降轴54上升，并使球支承台52与被测定球10接触(步骤162)。接着，使被测定球10从球保持机构50释放，并通过球支承台52支承被测定球10(步骤164)。接着，通过使R调整轴60进行动作(向图的右方后退)来使球保持机构50退避以不碰触被测定球10(步骤166)。在该状态下，位置变更机构40能够通过φ旋转轴44的旋转而移动到任意的旋转位置(步骤168)。在移动了旋转位置之后，使R调整轴60进行动作(向图的左方前进)来使球保持机构50紧贴于被测定球10(步骤170)，并再次吸附(步骤172)。之后，使Z升降轴54进行动作来使球支承台52下降(步骤174)。

通过这一系列的操作能够变更对球进行保持的位置，来将球转换。具体地说，通过使φ旋转轴44从图2所示的θ旋转轴42与测定光轴正交的位置旋转180度，能够转换为被测定球10的反转180度后的位置。

在转换后，通过与步骤110～150对应的步骤210～250来进行第二半球的测定。由此，能够使非专利文献1所示的装置无法测定的对球进行保持的部位朝向激光干涉仪20来进行测定，从而能够收集覆盖球整体的单个测定区域的测定结果。如果将进行转换之前的测定设为第一半球、将转换后进行的测定设为第二半球，则通过将这两个半球在步骤300中进行拼接运算，能够测定球整体的形状。对第一半球和第二半球分别进行测定的流程与非专利文献1相同。是在这两个测定之间进行被测定球10的转换并在测定的最后进行将两个半球连接的拼接运算的流程。

在此，将球10进行转换的动作中的φ旋转轴44的动作范围不限于180度，可以在任意的角度位置进行，但是通过以180度的位置进行转换来进行每个半球的测定是对于测定球整体的形状最有效的方法。

在本实施方式中，由于利用φ旋转轴44进行球10的转换，因此结构简单。

接着，在图8中表示本发明的第二实施方式的结构。本实施方式的结构为在第一实施方式所示的装置的Z升降轴54与球支承台52之间还具备φ2旋转轴70，使球支承台52能够旋转。φ2旋转轴70被设为与φ旋转轴44同轴。在此，φ旋转轴44的旋转范围可以与图1所示的现有技术同样地是0度～90度。此外，设置φ2旋转轴70的位置不限定于Z升降轴54与球支承台52之间，也可以是Z升降轴54与台56之间。

其它的结构与第一实施方式相同，因此省略说明。

在本发明的测定方法中，在保持被测定球10的状态下测定半球的过程中，单个测定区域在被测定球面上的位置与θ旋转轴42和φ旋转轴44各自的位置对应。但是，通过进行被测定球10的转换而将位置变更机构40和被测定球10分开一次，因此在转换前后，单个测定区域在球面上的位置与θ旋转轴42和φ旋转轴44的位置失去连续性。因此，为了尽可能地避免产生位置偏移等误差而需要慎重地进行被测定球10的转换。在第一实施方式所示的结构中，在存在支承轴12的偏心、φ旋转轴44存在离心旋转等机械性的误差的情况下，位置变更机构40的旋转中心与被测定球10的中心未必一致，从而有可能产生转换时的误差。

本实施方式通过与φ旋转轴44同轴的φ2旋转轴70使球支承台52旋转来实现球的转换操作。由此，即使在存在支承轴12的偏心、φ旋转轴44存在离心旋转的情况下，也能够稳定地进行球的转换。

以下，参照图9说明通过本发明的第二实施方式将球转换的过程。

在被测定球10被吸附于球保持机构50的状态下使Z升降轴54上升，并使球支承台52和被测定球10接触(步骤162)。接着，使被测定球10从球保持机构50释放，并通过球支承台52支承被测定球10(步骤164)。接着，通过使R调整轴60进行动作(向图8的右方后退)来使球保持机构50退避以不碰触被测定球10(步骤166)。在此，通过使被调整为与φ旋转轴44成为同轴的φ2旋转轴70旋转，能够将被测定球10相对于位置变更机构40移动到任意的旋转位置(步骤180)。在移动了旋转位置之后，使R调整轴60进行动作(向图8的左方前进)来使球保持机构50紧贴于被测定球10(步骤170)，并再次吸附(步骤172)。之后，使Z升降轴54进行动作来使球支承台52下降(步骤174)。

通过这一系列的操作能够变更对球进行保持的位置来将球转换。除了转换动作的步骤180以外的球面测定的过程与第一实施方式相同，因此省略说明。

根据本实施方式，即使存在位置变更机构40的运动误差等也能够实现精确的转换，并能够高精度地测定球整体的形状。另外，由于在转换中不使用φ旋转轴44，因此φ旋转轴44的旋转范围可以与以往同样地是0度～90度。

接着，在图10中表示本发明的第三实施方式的结构。本实施方式的结构为针对第一实施方式的装置具备平移机构82，该平移机构82将φ旋转轴44和台56载置于台80，并将该台80在x、y、z正交三轴方向上平移。在图中，82x是x轴方向移动机构，82y是y轴方向移动机构，82z是z轴方向移动机构。

其它的结构与第一实施方式相同，因此省略说明。

当构成位置变更机构40的各部件的尺寸与设计值不同、或存在运动误差时，存在伴随着θ旋转轴42、φ旋转轴44的旋转而被测定球10从表面形状测定单元的中心位置偏移的情况。该位置偏移有时使得产生表面形状测定单元的测定误差。例如在将测定球面的激光干涉仪20用于表面形状测定单元的情况下，被测定球10与参照球面22的中心产生偏移，从而产生测定误差。因此，为了校正该位置的偏移而具备平移机构82。在将激光干涉仪20用于表面形状测定单元的情况下，基于干涉条纹图像，以使干涉条纹数尽可能少的方式移动被测定球10，由此能够修正该位置偏移。

根据本实施方式，能够减少伴随着由于位置变更机构40的运动误差、结构部件的尺寸与设计值不同而引起的被测定球10与表面形状测定单元的位置偏移所产生的测定误差的影响，从而能够高精度地测定球整体的形状。

接着，在图11中表示在第二实施方式所示的装置中添加第三实施方式所示的平移机构82得到的本发明的第四实施方式的结构。

其它的结构和作用与第一实施方式～第三实施方式相同，因此省略说明。

根据本实施方式，即使存在位置变更机构40的运动误差等也能够实现精确的球的转换，并且能够减少伴随着由于位置变更机构40的运动误差、结构部件的尺寸与设计值不同而引起的被测定球10与表面形状测定单元的位置偏移所产生的测定误差的影响，从而能够高精度地测定球整体的形状。

在此所示的装置的结构只是例示，只要装置的动作是等效的，则也能够选择其以外的结构。例如第二实施方式、第四实施方式中的Z升降轴54和φ2旋转轴70的位置也能够选择将Z升降轴54设置在φ2旋转轴70上的结构。像该例那样，只要作为装置整体的动作是等效的，则能够自由地变更构成轴的顺序等。并且，θ旋转轴42与φ旋转轴44的位置关系等如果即使不正交也是等效的动作则能够变更。

本领域技术人员应当显而易见，上述实施例仅是例示性的，从而表示本发明的原理的应用。本领域技术人员在没有背离本发明的精神和范围的情况下，可以容易地设想许多各种其它配置。

Claims (11)

1.一种球形状测定方法，

使被测定球能够自如地旋转，

在各个旋转位置针对以彼此相邻的测定区域之间具有重复区域的方式设定的每个测定区域测定局部的球面形状，基于这些重复区域的形状来通过拼接运算将各个局部的球面形状接合，由此测定表面形状，

该球形状测定方法的特征在于，包括以下步骤：

在从能够自由地保持或释放被测定球的球保持机构释放了被测定球的状态下使得球支承台能够保持球；以及

通过转换对球进行保持的位置，使得能够测定球整体的形状。

2.根据权利要求1所述的球形状测定方法，其特征在于，

使上述球支承台能够旋转。

3.根据权利要求1或2所述的球形状测定方法，其特征在于，

能够调整被测定球和表面形状测定单元的位置。

4.一种球形状测定装置，具备：

表面形状测定单元，其测定球面的局部形状；以及

位置变更单元，其使被测定球相对于上述表面形状测定单元自如地旋转，

其中，在各个旋转位置针对以彼此相邻的测定区域之间具有重复区域的方式设定的每个测定区域测定局部的球面形状，基于这些重复区域的形状来通过拼接运算将各个局部的球面形状接合，由此测定表面形状，

该球形状测定装置的特征在于，还具备球形状测定单元，该球形状测定单元具有能够自由地保持或释放被测定球的球保持机构以及在从该球保持机构释放了被测定球的状态下对球进行保持的球支承台，通过转换对球进行保持的位置，来测定球整体的形状。

5.根据权利要求4所述的球形状测定装置，其特征在于，

上述表面形状测定单元是激光干涉仪，上述位置变更单元用于使被测定球绕第一旋转轴旋转以及使被测定球绕与该第一旋转轴正交的第二旋转轴旋转。

6.根据权利要求4所述的球形状测定装置，其特征在于，

上述球支承台在上表面具有容纳用凹部，该容纳用凹部用于容纳并支承从上述球保持机构释放的球。

7.根据权利要求4至6中的任一项所述的球形状测定装置，其特征在于，

还具备使上述球支承台升降的机构。

8.根据权利要求4至7中的任一项所述的球形状测定装置，其特征在于，

还具备在释放了被测定球的期间使上述球保持机构退避的机构。

9.根据权利要求4至8中的任一项所述的球形状测定装置，其特征在于，

还具备使上述球支承台旋转的机构。

10.根据权利要求9所述的球形状测定装置，其特征在于，

使上述球支承台旋转的机构的旋转轴和上述位置变更单元的第二旋转轴被设为同轴。

11.根据权利要求4至10中的任一项所述的球形状测定装置，其特征在于，

还具备用于调整被测定球与表面形状测定单元的相对位置的在正交三轴方向上平移的平移机构。