CN105588533B

CN105588533B - 形状测定装置以及形状测定方法

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Publication number: CN105588533B
Application number: CN201510753225.9A
Authority: CN
Inventors: 石川修弘; 中川英幸
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2019-07-05
Anticipated expiration: 2035-11-06
Also published as: CN105588533A; JP6393156B2; US20160131470A1; JP2016090434A; DE102015014218A1; US9719779B2

Abstract

本发明提供一种形状测定装置以及形状测定方法。形状测定装置具备包括具有前端球的测针和安装有测针的测头主体的仿形测头、支承仿形测头并被设置为能够移动的滑动件、检测滑动件的移动量的标尺部、检测前端球的位移量的前端球位移检测部以及使用滑动件移动量、前端球位移量以及校正用过滤器来计算测定值的运算部，运算部具有校正用过滤器设定单元，该校正用过滤器设定单元使用通过仿形测头的校准处理检测出的滑动件移动量和前端球位移量来计算校正矩阵的对角成分，基于该对角成分计算校正用过滤器的校正系数，从而对校正用过滤器进行设定。

Description

形状测定装置以及形状测定方法

技术领域

本发明涉及一种形状测定装置以及形状测定装置的形状测定方法。

背景技术

以往，已知有使用仿形测头来测定被测定物的形状的形状测定装置。在这样的形状测定装置中，当利用仿形测头进行圆形测定等时，在机械正交坐标的象限切换时(各轴的运动方向反转时)，产生形成为突起状的运动误差(象限突起)，并由此产生测定误差。

对此，提出了一种对由于这样的象限突起而产生的测定误差进行校正的形状测定装置(例如，参照文献1(日本特开2007-315897号公报)、文献2(日本特开2014-66693号公报)、文献3(日本特开2014-98610号公报))。

文献1所记载的装置使用考虑了从标尺部到滑动件前端的频率传递特性的校正用过滤器，来校正由于象限突起而产生的测定误差。另外，文献2所记载的装置使用考虑了从标尺部到测头前端球的频率传递特性的校正用过滤器，并且，文献3所记载的装置使用考虑了从标尺部到测头前端球的频率传递特性的逆特性的校正用过滤器，来校正由于象限突起而产生的测定误差。

另外，在上述文献2～3中，通过使用事先具有与仿形测头对应的校正系数的校正用过滤器，来校正由于象限突起而产生的测定误差。因此，在更换了仿形测头的测针的情况下，存在无法充分地获得校正用过滤器的校正效果这样的问题，并且存在以下问题：为了获得充分的校正效果，伴有需要操作者重新输入与安装更换后的测针的仿形测头对应的校正系数等繁琐的作业。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够容易地对校正测定误差的校正用过滤器进行设定且能够进行高精度的形状测定的形状测定装置以及形状测定方法。

本发明的形状测定装置的特征在于，具备：仿形测头，其具有测针以及安装有所述测针的测头主体，该测针在前端具有与被测定物接触的前端球；滑动件，其支承所述仿形测头，并被设置为能够移动；标尺部，其检测所述滑动件的移动量；前端球位移检测部，其检测所述仿形测头的所述前端球相对于所述滑动件的支承部的位移量，所述滑动件的支承部是所述滑动件支承所述仿形测头的部分；以及运算部，其根据由所述标尺部检测出的所述移动量、由所述前端球位移检测部检测出的所述位移量以及校正测定误差的校正用过滤器来计算测定值，其中，所述运算部具有校正用过滤器设定单元，该校正用过滤器设定单元使用通过校准基准体的测定而由所述标尺部检测出的所述移动量和由所述前端球位移检测部检测出的所述位移量，来计算将所述位移量与所述标尺部的坐标系进行关联的校正矩阵的对角成分，基于所述校正矩阵的对角成分计算所述校正用过滤器的校正系数，从而对所述校正用过滤器进行设定。

在本发明中，使用在测头主体安装有测针的仿形测头来进行校准基准体的测定(仿形测头的校准处理)。而且，校正用过滤器设定单元根据通过该校准处理所获得的标尺部的检测值(滑动件的移动量)和前端球位移检测部的检测值(前端球的位移量)，来计算校正矩阵的对角成分，基于该对角成分计算用于校正由于象限突起而产生的测定误差的校正系数，从而对校正用过滤器进行设定。

而且，在测定被测定物时，在使用例如基于从标尺部到测头前端球的频率传递特性的逆特性的校正用过滤器的情况下，针对前端球位移检测部的检测值应用所设定的校正用过滤器进行校正，将校正后的检测值与来自标尺部的检测值相加来获得测定值。另外，在使用例如基于从标尺部到测头前端球的频率传递特性的校正用过滤器的情况下，针对标尺部的检测值应用所设定的校正用过滤器进行校正，将校正后的检测值与来自前端球位移检测部的检测值相加来获得测定值。

根据这样的结构，即使在更换了仿形测头的测针的情况下，也能够容易地对包含与更换后的测针的长度等条件相应的最佳的校正系数的校正用过滤器进行设定。即，不需要操作者重新输入与安装有更换后的测针的仿形测头对应的校正系数，并且根据与仿形测头相应的最佳的校正系数能够实施高精度的形状测定。

在本发明的形状测定装置中，优选的是，所述校正用过滤器设定单元使用系数计算用函数或表数据，来计算所述校正用过滤器的校正系数，该系数计算用函数或表数据表示针对所述仿形测头的所述校正矩阵的对角成分与针对所述仿形测头的所述校正用过滤器的校正系数之间的关系。

在本发明中，校正用过滤器设定单元根据系数计算用函数或表数据，来计算校正用过滤器中的校正系数(与安装于形状测定装置的仿形测头对应的校正系数)，该系数计算用函数或表数据表示针对仿形测头的校正矩阵的对角成分与针对仿形测头的校正系数之间的关系。

通过使用这样的系数计算用函数，无论在仿形测头的测头主体安装有何种测针，通过进行仿形测头的校准处理并计算校正矩阵的对角成分，都能够容易地计算出与仿形测头对应的适当的校正系数，并能够实现处理的高速化。

在本发明的形状测定装置中，优选的是，所述运算部还具有函数生成单元，该函数生成单元根据通过将多种所述测针依次安装于所述测头主体来测定所述校准基准体所计算出的针对各仿形测头的所述校正矩阵的对角成分以及针对所述各仿形测头的所述校正用过滤器的校正系数，来生成所述系数计算用函数或所述表数据。

在本发明中，由函数生成单元生成系数计算用函数或表数据。即，在形状测定装置中，将多种测针依次安装于测头主体来实施仿形测头的校准处理(校准基准体的测定)，函数生成单元根据通过该校准处理获得的针对各仿形测头的校正矩阵的对角成分和针对各仿形测头的校正系数，来计算系数计算用函数。或者，函数生成单元生成表数据，该表数据将针对各仿形测头的校正矩阵的对角成分与针对各仿形测头的校正系数进行关联。

根据这样的结构，即使在产生了例如测定环境的变化、仿形测头的经年变化等测定条件的变化的情况下，也能够针对当前的测定条件生成最佳的系数计算用函数或表数据。因而，校正用过滤器设定单元使用该系数计算用函数或表数据，能够计算出能够实施高精度的形状测定的校正系数。

在本发明的形状测定装置中，优选的是，所述校正用过滤器包含零点角频率、极点角频率、零点衰减率以及极点衰减率作为所述校正用过滤器的校正系数，所述校正用过滤器设定单元至少计算所述零点角频率。

校正用过滤器例如日本特开2014-66693号公报等所示的那样，能够使用零点角频率、极点角频率、零点衰减率以及极点衰减率的校正系数和拉普拉斯运算符来进行计算。此外，零点是指校正用过滤器为0时的拉普拉斯运算符的值，极点是指校正用过滤器为∞时的拉普拉斯运算符的值。在此，在本发明中，校正用过滤器设定单元至少计算这些校正系数中的零点角频率。由于零点角频率与其它校正系数相比，对测定误差的校正的影响大，因此通过至少计算出零点角频率，能够设定适当的校正用过滤器。

本发明的形状测定方法是形状测定装置的形状测定方法，该形状测定装置具备：仿形测头，其具有测针以及安装有所述测针的测头主体，该测针在前端具有与被测定物接触的前端球；滑动件，其支承所述仿形测头，并被设置为能够移动；标尺部，其检测所述滑动件的移动量；以及前端球位移检测部，其检测所述仿形测头的所述前端球相对于所述滑动件的支承部的位移量，所述滑动件的支承部是所述滑动件支承所述仿形测头的部分，该形状测定方法的特征在于，使用通过校准基准体的测定而由所述标尺部检测出的所述移动量和由所述前端球位移检测部检测出的所述位移量，来计算将所述位移量与所述标尺部的坐标系进行关联的校正矩阵的对角成分，基于所述校正矩阵的对角成分计算校正系数，从而对校正用过滤器进行设定，根据所设定的所述校正用过滤器、由所述标尺部检测出的所述移动量以及由所述前端球位移检测部检测出的所述位移量来计算测定值。

在本发明中，与上述发明同样地，根据通过仿形测头的校准处理而获得的校正矩阵的对角成分，来设定校正用过滤器的校正系数。因而，不需要例如在每次更换仿形测头的测针时，操作者都要手动输入校正系数，能够容易地设定适当的校正用过滤器。另外，通过使用与更换后的测针(仿形测头)对应的校正用过滤器来计算测定值，能够获得高精度的测定值。

本发明能够提供一种能够容易地设定与仿形测头对应的校正用过滤器并能够通过使用该校正用过滤器来实施高精度的形状测定的形状测定装置以及形状测定方法。

附图说明

图1是示意性地表示本发明所涉及的一个实施方式的形状测定装置的结构的立体图。

图2是表示本实施方式的形状测定装置的概要结构的框图。

图3是本实施方式中的测定值计算单元及其外围设备的控制框图。

图4是表示本实施方式的系数计算用函数的导出方法的流程图。

图5是表示本实施方式的校正矩阵的对角成分的计算处理的流程图。

图6是说明本实施方式的校正矩阵的对角成分的计算处理中的一点测定处理的概要的图。

图7是示出表示本实施方式中的校正矩阵的对角成分与零点角频率之间的关系的系数计算用函数的图。

图8是示出表示本实施方式中的校正矩阵的对角成分与零点衰减率之间的关系的系数计算用函数的图。

图9是表示本实施方式的校正用过滤器的设定处理的流程图。

图10是表示本实施方式中的环规的测定结果的一例的图。

图11是表示使用以往的校正用过滤器来测定环规时的测定结果的一例的图。

具体实施方式

以下，根据附图说明本发明所涉及的一个实施方式。

图1是示意性地表示本发明所涉及的一个实施方式的形状测定装置100的结构的立体图。图2是表示形状测定装置100的概要结构的框图。

如图1所示，形状测定装置100构成为包括三维测定机1以及计算机2。三维测定机1和计算机2例如经由线缆3连接。此外，在三维测定机1与计算机2之间例如也可以经由运动控制器等其它装置，也可以代替线缆3，而通过无线通信等可通信地连接。

(三维测定机的结构)

三维测定机1例如图1所示那样构成，将平台11以其上表面(基面)与水平面(图1的XY平面)一致的方式设置在减震台10之上。在平台11的X方向的一端上设置有沿Y方向延伸的Y轴驱动机构14。在Y轴驱动机构14上竖立设置有横梁支承体12a。由此，Y轴驱动机构14将横梁支承体12a沿Y方向驱动。在平台11的X方向的另一端上竖立设置有横梁支承体12b。通过空气轴承以能够沿Y轴方向移动的方式支承横梁支承体12b的下端。沿X轴方向延伸的横梁13的两端分别由横梁支承体12a和12b所支承，并且支承沿垂直方向(Z轴方向)延伸的立柱15。另外，在横梁13设置有使立柱15沿X轴方向移动的X轴驱动机构(省略图示)。在立柱15上以能够沿着立柱15在Z轴方向上移动的方式设置有滑动件16，并设置有使滑动件16沿Z轴方向移动的Z轴驱动机构(省略图示)。在滑动件16的下端安装有仿形测头17。

仿形测头17具备安装于滑动件16的测头主体17c以及相对于测头主体17c可装卸地被安装的测针17b。在测针17b的前端设置有例如球状的前端球17a。

前端球17a与放置在平台11上的被测定物31接触，从其基准位置(中央位置)压入规定的压入量。内置于仿形测头17(测头主体17c)的前端球位移检测部19a检测压入量(X、Y、Z轴的各轴方向)、即前端球17a的XYZ坐标值(相距基准位置的位移量)，并输出到计算机2。

另外，如图2所示，三维测定机1具有XYZ轴驱动部18以及标尺部19b。XYZ轴驱动部18将仿形测头17沿XYZ轴方向驱动。标尺部19b随着XYZ轴方向上的移动而输出滑动件16的各轴方向上的移动脉冲(滑动件16的移动量)。

标尺部19b具有X轴标尺部19bx、Y轴标尺部19by以及Z轴标尺部19bz。X轴标尺部19bx被配置于横梁13，检测立柱15的X轴方向位移。Y轴标尺部19by被配置于Y轴驱动机构14的附近，检测横梁支承体12a的Y轴方向位移。Z轴标尺部19bz被配置于立柱15，检测滑动件16的Z轴方向位移。检测出的滑动件16的位移信息(从标尺部19b输出的XYZ轴各自的移动量)与由前端球位移检测部19a检测出的XYZ坐标值一起被输出到计算机2。此外，标尺部19b被调整为输出标尺部19b与前端球17a的基准位置之间未发生相对位移时的前端球17a的基准位置。

(计算机的结构)

计算机2对三维测定机1进行驱动控制来取入所需要的测定值，并且执行被测定物31的表面形状计算所需要的运算处理。如图2所示，计算机2具有计算机主机21、键盘22、鼠标23、CRT 24以及打印机25等。关于键盘22、鼠标23、CRT 24以及打印机25，各自能够使用一般的设备，因此省略详细的说明。

计算机主机21主要具有例如由HDD、半导体存储器等构成的存储部211以及由CPU等构成的运算部212。

在存储部211中存储有使三维测定机1驱动的表面形状测定程序以及通过其测定所检测出的检测值、被测定物31的设计值等。

运算部212通过读入并执行存储于存储部211的程序，来控制三维测定机1的驱动。

具体地说，如图2所示，运算部212作为模式设定单元213、测定指令单元214、函数生成单元215、校正用过滤器设定单元216以及测定值计算单元217而发挥功能。

模式设定单元213切换用于生成用于求出校正系数的系数计算用函数的函数设定模式、进行仿形测头17的校准处理的校准模式以及实施测定对象的测定的主测定模式。

测定指令单元214控制三维测定机1来实施与各模式对应的测定。

函数生成单元215根据函数设定模式下的前端球位移量和滑动件移动量，来设定用于计算校正系数的系数计算用函数。

校正用过滤器设定单元216根据校准模式下的前端球位移量和滑动件移动量以及系数计算用函数，来计算校正系数，对校正用过滤器进行设定。

测定值计算单元217在主测定模式下根据由标尺部19b检测出的滑动件移动量和由前端球位移检测部19a检测出的前端球位移量，来计算测定值。具体地说，测定值计算单元217具备校正用过滤器217a和加法器217b。关于这些校正用过滤器217a和加法器217b的详细说明在后面记述。

另外，运算部212接受从键盘22和鼠标23经由I/F(接口)输入的操作员的指示信息。并且，运算部212取入检测出的前端球位移信息和滑动件位移信息。然后，运算部212根据这些输入信息、操作员的指示信息以及保存在存储部211中的程序，来执行通过XYZ轴驱动部18进行的滑动件16的移动以及被测定物31的测定值的解析、测定值的校正处理等各种处理。

另外，运算部212根据从键盘22、鼠标23输入的操作员的指示信息来将通过各种处理计算出的测定值经由I/F(接口)输出到打印机25。并且，运算部212控制CRT 24来显示并输出测定结果等。

并且，运算部212从外部的未图示的CAD系统等获取被测定物31的CAD数据。

[利用形状测定装置的形状测定方法]

接着，根据附图说明利用如上述那样的形状测定装置100的形状测定方法。

图3是运算部212中的测定值计算单元217及其外围设备的控制框图。

如图3所示，测定值计算单元217具有校正用过滤器217a和加法器217b。而且，测定值计算单元217在主测定模式下将由标尺部19b检测出的滑动件移动量Ds直接输入到加法器217b，将由前端球位移检测部19a检测出的前端球位移量Db输入到校正用过滤器217a，从而校正为测定空间中的前端球17a的误差被校正后的已校正前端球位移量Db_c，之后输入到加法器217b。然后，加法器217b输出将滑动件移动量Ds和已校正前端球位移量Db_c相加得到的测定值MV。

在此，校正用过滤器217a针对前端球位移量Db使用作为校正值的估计值G1(s)，该估计值G1(s)是与从标尺部19b到前端球17a的频率传递特性的逆特性近似地设定的值。估计值G1(s)例如通过以下所示的式(1)表示。

其中，在式(1)中，ω_z是零点角频率，ω_p是极点角频率，ζ_z是零点衰减率，ζ_p是极点衰减率，s是拉普拉斯运算符。在此，零点是指估计值G1(s)为0时的s的值，极点是指估计值G1(s)为∞时的s的值。

在本实施方式中，由校正用过滤器设定单元216设定式(1)中的零点角频率ω_z和零点衰减率ζ_z。另外，极点角频率ω_p使用零点角频率ω_z的常数倍的值(ω_p＝K·ω_z，其中，K为常数)，极点衰减率ζ_p使用固定值。以后具体说明零点角频率ω_z和零点衰减率ζ_z的计算方法。

(系数计算用函数的计算)

在本实施方式的形状测定装置100中，为了设定校正系数(零点角频率ω_z、零点衰减率ζ_z)，首先，通过函数生成单元215计算用于设定校正系数的系数计算用函数。

图4是表示形状测定装置100的形状测定方法中的系数计算用函数的导出方法的流程图。

在导出系数计算用函数的情况下，运算部212的模式设定单元213将形状测定装置100的动作模式设定为函数设定模式(步骤S1)。

然后，在函数设定模式下，函数生成单元215将表示仿形测头17的测针的种类的变量i初始化(i＝1)(步骤S2)。此外，在函数设定模式下，对仿形测头17的测头主体17c依次安装例如长度、粗细、材质、前端球的尺寸等不同的多种(n种)测针17b，根据安装了各测针17b时的前端球位移量和滑动件移动量来求出系数计算用函数。因而，变量i为满足1≤i≤n的整数。

在步骤S2之后，对测头主体17c安装与变量i对应的测针17b(步骤S3)。

然后，函数生成单元215实施仿形测头17的校准处理，计算针对仿形测头17的校正矩阵的对角成分(步骤S4)。

一般地，在形状测定装置100测定测定值时，当将由标尺部19b检测的滑动件移动量Ds的XYZ轴上的各移动量设为(x_s,y_s,z_s)、将由前端球位移检测部19a检测的前端球位移量Db的XYZ轴上的各位移量设为(x_b,y_b,z_b)时，如式(2)所示，通过各轴上的移动量和位移量的相加值来计算测定值。

对于此，在三维测定机1的标尺部19b的坐标系(设备坐标系)与前端球位移检测部19a的坐标系(测头坐标系)不一致的情况下，产生误差。使用下述式(3)所示的校正矩阵，通过对测头坐标系的各值(x_b,y_b,z_b)进行坐标变换(将由前端球位移检测部19a检测出的前端球位移量与标尺部19b的坐标系相关联)，能够降低这样的由于坐标系的不一致所产生的误差。

校正矩阵

在此，使用图5和图6说明校正矩阵的对角成分的计算方法的一例。

图5是表示步骤S4的校正矩阵的对角成分的计算方法的流程图。图6是表示一点接触测定的实施的图。

在本实施方式的步骤S4中，测定指令单元214实施例如前端球17a稍接触在平台11上设置的如图1所示的基准球60那样的接触测定。由此，求出基准球60的中心坐标(步骤S11)。

接着，测定指令单元214从X轴、Y轴、Z轴各轴的方向实施在使前端球17a以一点与基准球60进行点接触的状态下进行的测定(以下称为一点接触测定)(步骤S12)。

作为该步骤S12的说明，例示针对X轴的一点接触测定来进行说明。

在步骤S12中，以前端球17a在Y轴、Z轴方向上不发生位移的方式将仿形测头17的两轴固定。此外，允许在一轴方向上移动并进行对其它两轴方向上的移动的限制的结构是公知的，能够使用例如日本特许第2628523号等的技术。

接着，如图6所示，从基准球60的表面的法线方向起，使仿形测头17的前端球17a在法线方向上以与基准球60的表面以一点进行接触的方式移动。在该情况下，使前端球17a以从基准球60的接近位置起靠近基准球60的方式移动。此时，在前端球17a接触到基准球60之后，使前端球17a移动直到前端球位移检测部19a的检测值达到规定值为止，并分别持续获取从前端球位移检测部19a和标尺部19b输出的检测值(前端球位移量和滑动件移动量)。

然后，在前端球位移检测部19a的检测值达到规定值后，使前端球17a的移动反转。之后，使前端球17a在法线方向上移动直到前端球17a从基准球60分离。在该反转后也持续获取从前端球位移检测部19a和标尺部19b输出的检测值。也就是说，从前端球17a接触基准球60起直到分离为止分别持续获取从前端球位移检测部19a和标尺部19b输出的检测值。

另外，关于Y轴和Z轴，测定指令单元214也同样地实施上述的一点接触测定。

之后，函数生成单元215实施基于从前端球位移检测部19a输出的检测值(前端球位移量)和从标尺部19b输出的检测值(滑动件移动量)的校正矩阵的对角成分A₁₁、A₂₂、A₃₃的计算处理(步骤S13)。

在上述步骤S12中，在将仿形测头17的两轴固定的状态下以前端球17a在其它轴方向上不产生位移的方式使前端球17a在一轴方向上移动。因此，对于被限制移动的两轴方向，标尺部19b和前端球位移检测部19a的检测值为“零”。另外，关于被允许移动的一轴方向上的位移，由于在前端球17a以一点来接触基准球60的状态下进行了检测值的获取，因此三维测定机1中的标尺部19b的检测值和通过校正矩阵进行坐标变换后的前端球位移检测部19a的检测值应该为绝对值相等、符号反转。也就是说，例如针对X轴方向，三维测定机检测值和测头检测值满足式(4)。此外，关于Y轴、Z轴方向也相同。

{x_s1 x_s2 … x_s1}-{x_s1 x_s1 … x_s1}

＝-A₁₁{x_b1 x_b2 … x_b1}...(4)

{x_s1 x_s2 … x_s1}：标尺部的检测值

{x_b1 x_b2 … x_b1}：前端球位移检测部的检测值

在步骤S13中，函数生成单元215对上述式(4)应用最小二乘法等来进行线性近似。由此，容易地计算出校正矩阵的对角成分A₁₁。通过同样的方法，根据对Y轴、Z轴方向实施的一点接触测定的检测值，能够计算出对角成分A₂₂、A₃₃。

返回图4，在步骤S4之后，函数生成单元215估计针对仿形测头17的校正用过滤器217a的校正系数(步骤S5)。

在该步骤S5中，函数生成单元215例如使用日本特开2007-315897号公报所示的方法来计算校正系数。

也就是说，将块规等规定了XY平面、YZ平面以及ZX平面的工件(基准体)以XY平面、YZ平面以及ZX平面各面与三维测定机1的X、Y、Z轴方向一致的方式设置于平台11。

然后，测定指令单元214向XYZ轴驱动部18输出指令，通过Y轴驱动机构14使滑动件16在Y轴方向上移动，以将仿形测头17的前端球17a向工件的XZ面压入规定量(前端球17a沿Y轴方向移动规定量)的方式使前端球17a接触工件。之后，测定指令单元214对Y轴驱动机构14施加指令使得三维测定机1的滑动件16在规定时间沿Y轴方向进行往返运动。此时，分别记录从标尺部19b输出的各轴方向上的移动量以及从前端球位移检测部19a输出的各轴方向上的位移量的振幅和相位。此外，优选的是，在该往返运动时，通常呈正弦波状地进行往返运动。

接着，通过同样的方法，以不同的往返运动的时间(往返的周期或往返的频率)记录各自的滑动件移动量以及前端球位移量的振幅和相位。

根据通过这样求出的在各周期(各频率)的振幅和相位的信息求出从Y轴标尺部19by到前端球17a的频率传递特性的估计值(频率传递函数)，通过将分母和分子替换，能够求出估计值G1(s)的校正系数。

此外，关于X轴、Z轴也同样，测定指令单元214向XYZ轴驱动部18输出指令，通过同样地使X轴驱动机构、Z轴驱动机构驱动，能够求出各轴方向的传递函数。

在此，从Y轴标尺部19by到前端球17a的频率传递特性、从X轴标尺部19bx到前端球17a的频率传递特性以及从Z轴标尺部19bz到前端球17a的频率传递特性未必均一致，因此作为传递函数，通常是不同的特性。

另外，该传递函数有时根据例如三维测定机1的横梁支承体12a、12b的位置(例如在图1中前侧、中央部或后侧)而不同。

在这样的情况下，在滑动件16的X、Y、Z轴方向上的各规定位置事先求出传递函数，通过使用与滑动件16的X、Y、Z轴方向位置对应的传递函数，能够进一步提高校正用过滤器217a的精度。

并且，在上述的校正用过滤器217a的计算方法中，以在对Y轴驱动机构14施加往返指令时前端球位移检测部19a的输出只输出Y轴成分、其它的轴(X、Z轴)的成分不产生变化为前提，但是实际上即使只对Y轴施加往返指令，有时X、Z轴成分也出现变化。也就是说，在使横梁支承体12a、12b沿Y轴方向(图1的前侧/后侧方向)振动的情况下，有时仿形测头17的前端球17a产生X轴方向或Z轴方向的振动。在产生这样的异轴方向的振动的情况下，事先求出基于该成分的传递函数，能够通过校正用过滤器217a更准确地进行前端球17a的位移的估计。此外，在求出异轴成分时，优选的是，例如不只是使仿形测头17的前端球17a以向工件的Y轴方向压入规定量的方式接触，在X轴方向、Z轴方向也对前端球17a进行约束。例如，也可以使用不具有向X、Y、Z轴方向的自由度而在各轴的旋转方向上具有自由度的旋转接头等来将前端球17a固定于平台11。

在上述步骤S5之后，函数生成单元215判定变量i是否为n(步骤S6)。在步骤S6中判定为“否”的情况下，使变量i加1(步骤S7：i＝i+1)，并返回步骤S3，将不同种类的测针17b安装于测头主体17c。

在步骤S6中判定为“是”的情况下，函数生成单元215生成表示通过步骤S4计算出的校正矩阵的对角成分与通过步骤S5计算出的过滤器的校正系数之间的关系的函数(步骤S8)。

图7和图8是示出表示针对X轴方向的校正系数与校正矩阵的对角成分A₁₁之间的关系的函数的图。此外，在图7和图8中，白色的圆对应将为了使用系数计算用函数而使用的n种测针17b安装于测头主体17c时的各仿形测头17。

如图7所示，根据将多种测针17b依次安装于测头主体17c时的针对各仿形测头17计算出的校正矩阵的对角成分A₁₁和针对X轴方向计算出的零点角频率ω_z，导出近似校正系数ω_z(零点角频率)相对于对角成分A₁₁的关系所得到的函数。

具体地说，函数生成单元215导出下述式(5)所示的相对于对角成分A₁₁的校正系数ω_z的近似函数。

其中，是常数。

另外，同样地，如图8所示，函数生成单元215根据将多种测针17b依次安装于测头主体17c时的针对各仿形测头17计算出的校正矩阵的对角成分A₁₁和针对X轴方向计算出的零点衰减率ζ_z，导出近似校正系数ζ_z(零点衰减率)相对于对角成分A₁₁的关系所得到的函数。

具体地说，函数生成单元215导出下述式(6)所示的相对于对角成分A₁₁的校正系数ζ_z的近似函数。

其中，是常数。

此外，上述图7、图8、式(5)以及式(6)是针对X轴方向的校正系数，但是针对Y轴方向和Z轴方向也同样地导出系数计算用函数。针对Y轴方向，使用校正矩阵的对角成分A₂₂和针对Y轴方向估计出的校正系数(零点角频率、零点衰减率)来计算系数计算用函数。另外，针对Z轴方向，使用校正矩阵的对角成分A₃₃和针对Z轴方向估计出的校正系数(零点角频率、零点衰减率)来计算系数计算用函数。

(校正用过滤器的设定)

接着，根据附图说明形状测定装置100中的校正用过滤器的设定方法。

图9是表示形状测定装置100的形状测定方法中的校正用过滤器的设定处理的流程图。

在形状测定装置100的形状测定中，首先，模式设定单元213将形状测定装置100的动作模式设定为校准模式(步骤S21)。

在该校准模式下，校正用过滤器设定单元216实施仿形测头17的校准处理，计算针对仿形测头17的校正矩阵的对角成分(步骤S22)。该步骤S22是与上述的步骤S4同样的处理，具体地说，通过实施图5所示的步骤S11至步骤S13的处理，来计算针对仿形测头17的校正矩阵的对角成分。

接着，校正用过滤器设定单元216根据通过步骤S8生成的系数计算用函数，针对X轴、Y轴、Z轴分别计算与在步骤S22计算出的校正矩阵的对角成分的系数(A₁₁、A₂₂、A₃₃)对应的校正系数(零点角频率ω_Z和零点衰减率ζ_Z)(步骤S23)。此外，关于极点角频率ω_P和极点衰减率ζ_P，由于是用于降低由校正用过滤器217a放大后的检测值的高频噪声成分的系数，因此可通过简单的运算式求出，也可以使用常数。在本实施方式中，如上述那样，使用零点角频率ω_z的常数倍的值作为极点角频率ω_p，使用规定的固定值(常数)作为极点衰减率ζ_P。

然后，校正用过滤器设定单元216将通过步骤S23计算出的校正系数ω_Z、ζ_Z输入到上述的式(1)中，来设定校正用过滤器的估计值(校正值)G1(s)(步骤S24)。

在本实施方式中，即使在将在步骤S4中使用过的多种(n种)测针17b以外的测针安装到了测头主体17c上的情况下，也能够使用系数计算用函数来通过适当的校正系数设定校正用过滤器。图10是表示使用在系数计算用函数的导出中所使用的测针17b以外的测针17b并应用根据本实施方式计算出的校正用过滤器的校正值G1(s)来测定环规所得到的测定结果的图。另一方面，图11是表示使用以往的校正用过滤器在更换了测针17b时(校正系数不与更换后的测针对应的情况)所测定出的环规的测定结果的图。

如图11所示，以往没有使用与更换后的测针17b对应的校正用过滤器，因此无法充分降低由于象限突起所产生的测定误差。与此相对地，如图10所示，在本实施方式中，针对更换后的测针17b使用系数计算用函数来导出校正用过滤器的校正系数，利用使用了该校正系数的校正用过滤器来实施测定，因此能够获得降低了由于象限突起所产生的测定误差的高精度的测定结果。

[本实施方式的作用效果]

本实施方式的形状测定装置100在测针17b被更换时，实施仿形测头17的校准处理。而且，校正用过滤器设定单元216根据通过校准处理而由标尺部19b检测出的滑动件移动量Ds和由前端球位移检测部19a检测出的前端球位移量Db来计算校正矩阵的对角成分，根据校正矩阵的对角成分来计算用于校正由于象限突起所产生的测定误差的校正系数，从而对使用了该校正系数的校正用过滤器进行设定。

因此，即使在更换了仿形测头17的测针17b的情况下，也无需操作者设定输入与更换后的测针17b的长度等条件相应的校正系数，就能够容易地设定校正用过滤器。另外，由于设定与测针17b对应的校正用过滤器的校正值，因此当将图10和图11进行比较时可知，能够实施降低了由于象限突起所产生的测定误差的高精度的形状测定。

在本实施方式中，校正用过滤器设定单元216根据系数计算用函数来计算校正用过滤器所使用的校正系数(与形状测定时使用的仿形测头17对应的校正系数)，该系数计算用函数表示将多种测针17b依次安装于测头主体17c时的针对各仿形测头17的校正矩阵的对角成分与针对该各仿形测头17的校正系数之间的关系。

通过使用这样的系数计算用函数，无论在测头主体17c安装有何种测针17b的情况下，通过进行具有被安装的该测针17b的仿形测头17的校准处理来计算校正矩阵的对角成分，都能够容易地计算出适当的校正系数。由此，不论测针17b的种类如何，都能够实施高精度的形状测定，并且也能够减轻用于设定校正用过滤器的处理负荷，因此能够实现处理的高速化。

在本实施方式中，函数生成单元215对系数计算用函数进行计算，该系数计算用函数表示将多种测针17b依次安装于测头主体17c时的针对各仿形测头17的校正矩阵的对角成分与针对该各仿形测头17的校正用过滤器的校正系数之间的关系。

作为系数计算用函数，例如也考虑在出厂时等预先存储到存储部211，但是根据由测定环境的变化、三维测定机1的经年变化所引起的频率传递函数的变化，有时针对校正矩阵的对角成分的校正系数的值发生变化。对此，在本实施方式中，如上述那样，能够通过函数生成单元215计算系数计算用函数。即，如上述那样，即使在频率传递函数发生了变化的情况下，也能够通过更新系数计算用函数，来设定针对仿形测头17的适当的校正系数和校正用过滤器，从而能够抑制测定精度的降低。

在本实施方式中，校正用过滤器设定单元216计算式(1)中的零点角频率ω_Z和零点衰减率ζ_Z。极点角频率ω_P和极点衰减率ζ_P是用于去除通过校正用过滤器放大后的噪声成分的系数，即使在使用了简单的运算、常数的情况下，也能够保持充分的测定精度。因而，通过计算其以外的校正系数ω_Z、ζ_Z并对极点角频率ω_P和极点衰减率ζ_P使用简单的运算、常数，与例如基于校正矩阵的对角成分计算全部校正系数的情况相比，能够实现处理的高速化。

[变形例]

此外，本发明并不限定于上述的实施方式，能够达到本发明的目的的范围内的变形、改进等也包含于本发明中。

例如，在上述实施方式中，作为校正用过滤器，使用基于从标尺部19b到前端球17a的频率传递特性的逆特性的校正用过滤器，来校正来自前端球位移检测部19a的前端球位移量，但是并不限定于此。例如，也可以使用基于从标尺部19b到前端球17a的频率传递特性的校正用过滤器来校正来自标尺部19b的移动量，将校正后的移动量与前端球位移量相加来获得测定值。在该情况下，也通过与上述实施方式相同的方法，将多种测针17b依次安装于测头主体17c来实施仿形测头17的校准处理，由此能够计算针对各仿形测头17的校正矩阵的对角成分，并分别估计针对该各仿形测头17的校正系数，之后基于这些校正矩阵的对角成分和校正系数导出系数计算用函数。另外，通过同样的方法实施仿形测头17的校准处理，来求出与安装于测头主体17c的测针17b、测头主体17c的特性相应的针对仿形测头17的校正矩阵的对角成分，并基于系数计算用函数计算与该对角成分对应的校正系数，从而能够对校正用过滤器进行设定。

在上述实施方式中，例示了由函数生成单元215生成系数计算用函数的结构，但是也可以不设置函数生成单元215。在该情况下，例如在三维测定机1出厂时预先计算出系数计算用函数并存储到存储部211即可。

并且，在上述实施方式中，示出了函数生成单元215生成系数计算用函数的例子，但是例如也可以生成查询表数据并存储到存储部211，该查询表数据将通过将多种测针17b依次安装于测头主体17c所获得的、针对各仿形测头17的校正矩阵的对角成分与针对该各仿形测头17的校正系数进行了关联。另外，如上述那样，在未设置函数生成单元215的情况下，也可以在出厂时预先将查询表数据存储到存储部211。在使用查询表计算校正系数的情况下，在针对仿形测头17的校正矩阵的对角成分不在查询表数据中的情况下，校正用过滤器设定单元216也可以通过例如插值等来估计校正系数。

在上述实施方式中，示出了校正用过滤器设定单元216计算零点角频率ω_Z和零点衰减率ζ_Z来作为校正系数的例子，但是并不限定于此。作为校正系数，只要至少计算出零点角频率ω_Z，就能够与以往相比充分降低由于象限突起所产生的测定误差。另外，作为校正系数，也可以使用针对三个以上的系数的系数计算用函数来计算三个以上的系数。例如，也可以使用零点角频率ω_Z、零点衰减率ζ_Z、极点角频率ω_P以及极点衰减率ζ_P各自的系数计算用函数，分别计算这四个校正系数。在该情况下，能够实施更高精度的形状测定。

在上述实施方式中，函数生成单元215求出将多种测针17b依次安装于测头主体17c时的针对各仿形测头17的校正矩阵和校正系数，来计算系数计算用函数，但是还可以依次变更测头主体17c，来求出针对各仿形测头17的校正矩阵和校正系数，来计算系数计算用函数。在形状测定装置100中，在更换测头主体17c的情况下，一般使用同一规格的测头主体17c，但是在制造阶段，即使是同一规格，有时各测头主体17c也会产生个体差异。如上述那样，通过事先求出伴随测头主体17c的变更而得到的系数计算用函数，也能够降低由于该个体差异所产生的影响。另外，作为测头主体17c，在更换为不同的频率传递特性的测头主体17c的情况下，也可以将多种测头主体17c依次变更，来求出针对各仿形测头17的校正矩阵和校正系数，计算系数计算用函数。

此外，本发明实施时的具体结构在能够达到本发明的目的的范围内能够适当地变更为其它结构等。

Claims

1.一种形状测定装置，其特征在于，具备：

仿形测头，其具有测针以及安装有所述测针的测头主体，该测针在前端具有与被测定物接触的前端球；

滑动件，其支承所述仿形测头，并被设置为能够移动；

标尺部，其检测所述滑动件的移动量；

前端球位移检测部，其检测所述仿形测头的所述前端球相对于所述滑动件的支承部的位移量，所述滑动件的支承部是所述滑动件支承所述仿形测头的部分；以及

运算部，其根据由所述标尺部检测出的所述移动量、由所述前端球位移检测部检测出的所述位移量以及校正测定误差的校正用过滤器来计算测定值，

其中，所述运算部具有校正用过滤器设定单元，该校正用过滤器设定单元使用通过校准基准体的测定而由所述标尺部检测出的所述移动量和由所述前端球位移检测部检测出的所述位移量，来计算将所述位移量与所述标尺部的坐标系进行关联的校正矩阵的对角成分，基于所述校正矩阵的对角成分计算所述校正用过滤器的校正系数，从而对所述校正用过滤器进行设定。

2.根据权利要求1所述的形状测定装置，其特征在于，

所述校正用过滤器设定单元使用系数计算用函数或表数据，来计算所述校正用过滤器的校正系数，该系数计算用函数或表数据表示针对所述仿形测头的所述校正矩阵的对角成分与针对所述仿形测头的所述校正用过滤器的校正系数之间的关系。

3.根据权利要求2所述的形状测定装置，其特征在于，

所述运算部还具有函数生成单元，该函数生成单元根据通过将多种所述测针依次安装于所述测头主体来测定所述校准基准体所计算出的针对各仿形测头的所述校正矩阵的对角成分以及针对所述各仿形测头的所述校正用过滤器的校正系数，来生成所述系数计算用函数或所述表数据。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的形状测定装置，其特征在于，

所述校正用过滤器包含零点角频率、极点角频率、零点衰减率以及极点衰减率作为所述校正用过滤器的校正系数，

所述校正用过滤器设定单元至少计算所述零点角频率。

5.一种形状测定装置的形状测定方法，该形状测定装置具备：

滑动件，其支承所述仿形测头，并被设置为能够移动；

标尺部，其检测所述滑动件的移动量；以及

前端球位移检测部，其检测所述仿形测头的所述前端球相对于所述滑动件的支承部的位移量，所述滑动件的支承部是所述滑动件支承所述仿形测头的部分，

该形状测定方法的特征在于，

使用通过校准基准体的测定而由所述标尺部检测出的所述移动量和由所述前端球位移检测部检测出的所述位移量，来计算将所述位移量与所述标尺部的坐标系进行关联的校正矩阵的对角成分，基于所述校正矩阵的对角成分计算校正系数，从而对校正用过滤器进行设定，

根据所设定的所述校正用过滤器、由所述标尺部检测出的所述移动量以及由所述前端球位移检测部检测出的所述位移量来计算测定值。