CN105937886A - 形状测量装置、加工装置及形状测量装置的校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种实施方式提供一种形状测量装置，其通过将3个位移计配设成一列而成的检测仪对测量对象物进行扫描，并且对测量对象物的表面形状进行测量，该形状测量装置具备：获取机构，从3个位移计获取各自的测定值；间隙计算机构，根据3个位移计中的位于中间的位移计所测定的测定值和其他位移计所测定的测定值之差求出间隙数据；偏移量计算机构，计算出检测仪对校正用试样进行扫描而得到的间隙数据的平均值作为3个位移计的安装位置的偏移量：校正机构，用偏移量对检测仪对测量对象物进行扫描而得到的间隙数据进行修正，从而对位移计的位置偏移进行校正；及形状计算机构，根据用偏移量进行修正后的间隙数据计算出测量对象物的表面形状。

Description

形状测量装置、加工装置及形状测量装置的校正方法

本申请主张基于2015年3月4日申请的日本专利申请2015-042694号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种形状测量装置、加工装置及形状测量装置的校正方法。

背景技术

已知有一种直线度测定方法，其利用3个位移计并通过逐次三点法求出测量对象物的直线形状。通过这种方法来高精度地求出直线形状时，需要对3个位移计的安装位置的偏差进行校正。

因此，在专利文献1中公开有一种方法，该方法中，将3个位移计与3个圆盘对置配置，并根据圆盘处于规定旋转位置时的位移计的测定值及圆盘处于从规定旋转位置旋转180度的位置时的位移计的测定值，对位移计的相互位置进行校正(例如，参考专利文献1)。

专利文献1：日本特开2010-286430号公报

然而，在专利文献1所涉及的方法中，需要高精度地对圆盘的设置位置及旋转角度等进行校正。并且，根据所求出的位置偏移量对位移计的位置进行调整时，可能需要进行非常繁琐的操作。尤其，在提高形状测量的分辨能力而高精度地进行测量时，需要更加精确地进行校正，可能需要进行更加繁琐的操作。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种形状测量装置，该形状测量装置能够轻松地对位移计的安装位置进行校正，并且能够高精度地对测量对象物的表面形状进行测量。

本发明的一种实施方式提供一种形状测量装置，其通过将3个位移计配设成一列而成的检测仪对测量对象物进行扫描，并且对所述测量对象物的表面形状进行测量，该形状测量装置具备：获取机构，从所述3个位移计获取各自的测定值；间隙计算机构，根据所述3个位移计中的位于中间的位移计所测定的测定值和其他位移计所测定的测定值之差求出间隙数据；偏移量计算机构，计算出所述检测仪对校正用试样进行扫描而得到的间隙数据的平均值作为所述3个位移计的安装位置的偏移量：校正机构，用所述偏移量对所述检测仪对所述测量对象物进行扫描而得到的间隙数据进行修正，从而对所述位移计的位置偏移进行校正；及形状计算机构，根据用所述偏移量进行修正后的间隙数据计算出所述测量对象物的表面形状。

根据本发明的实施方式，能够提供一种形状测量装置，该形状测量装置能够轻松地对位移计的安装位置进行校正，并且能够高精度地对测量对象物的表面形状进行测量。

附图说明

图1为对实施方式中的加工装置进行例示的图。

图2为对实施方式中的形状测量装置的结构进行例示的图。

图3为对实施方式中的传感器头的结构进行例示的图。

图4(A)及图4(B)为用于说明实施方式中的形状测量的图。

图5为用于说明位移传感器的安装位置的偏差及校正用试样表面的凹凸的图。

图6为对实施方式中的偏移量计算处理的流程进行例示的图。

图7为对实施方式中的校正用试样的间隙数据进行例示的图。

图8为对实施方式中的形状测量处理的流程进行例示的图。

图中：12-物体(测量对象物)，13-校正用试样，20-控制装置，21-传感器数据获取部(获取机构)，23-间隙数据计算部(间隙计算机构)，25-偏移量计算部(偏移量计算机构)，27-校正部(校正机构)，29-形状计算部(形状计算机构)，30-传感器头(检测仪)，31a-第1位移传感器(位移计)，31b-第2位移传感器(位移计)，31c-第3位移传感器(位移计)，100-形状测量装置，200-加工装置。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。在各附图中，有时对结构相同的部分标注相同符号，并省略重复说明。

(加工装置的结构)

图1为对本实施方式所涉及的搭载有形状测量装置的加工装置200的结构进行例示的图。

如图1所示，加工装置200具有：可移动工作台10、工作台引导机构11、砂轮头15、砂轮16、导轨18、控制装置20、显示装置40。另外，在附图中，X方向为可移动工作台10的移动方向、Y方向为与X方向正交的砂轮头15的移动方向、Z方向为与X方向及Y方向正交的高度方向。

可移动工作台10设置成通过工作台引导机构11能够沿X方向移动，且可移动工作台10上载置有作为加工对象及测量对象的物体12。工作台引导机构11使可移动工作台10沿X方向移动。

在砂轮头15的下端部设有砂轮16，并且该砂轮头15以能够沿Y方向移动且能够沿Z方向升降的方式设置在导轨18。导轨18使砂轮头15沿Y方向及Z方向移动。砂轮16为圆柱状，该砂轮16旋转自如地设置在砂轮头15的下端部且其中心轴与Y方向平行。砂轮16与砂轮头15一同沿Y方向及Z方向移动，并进行旋转而对物体12的表面进行磨削。

控制装置20控制加工装置200的各部，以便控制可移动工作台10及砂轮头15的位置并使砂轮16旋转，从而磨削物体12的表面。

显示装置40例如为液晶显示器等。显示装置40被控制装置20控制，并显示例如物体12的加工条件等。

(形状测量装置的结构)

图2为对搭载于加工装置200的形状测量装置100的结构进行例示的图。如图2所示，形状测量装置100包括控制装置20、传感器头30、显示装置40。

如上所述，控制装置20控制加工装置200的各部以磨削物体12的表面，并且根据从传感器头30的各个位移传感器31a、31b、31c输出过来的测定值来求出物体12的表面形状。

控制装置20具有传感器数据获取部21、间隙数据计算部23、偏移量计算部25、校正部27、形状计算部29。控制装置20例如包括CPU、ROM、RAM等，并通过使CPU与RAM配合而执行储存于ROM的控制程序来实现各部的功能。

传感器数据获取部21为获取机构的一例，其从设置在传感器头30的各个位移传感器31a、31b、31c获取传感器数据。间隙数据计算部23为间隙计算机构的一例，其根据传感器数据获取部21所获取的传感器数据计算出间隙数据。偏移量计算部25为偏移量计算机构的一例，其求出使用校正用试样而得到的间隙数据的平均值，并将所求出的平均值设为位移传感器31a、31b、31c的安装位置的偏移量。校正部27使用计算出的偏移量对间隙数据进行修正，从而对位移传感器31a、31b、31c的位置偏移进行校正。形状计算部29为形状计算机构的一例，其根据由校正部27进行校正之后的间隙数据计算出物体12的表面形状。关于在控制装置20的各部中执行的处理将在后面叙述。

传感器头30为检测仪的一例，其具备第1位移传感器31a、第2位移传感器31b、第3位移传感器31c，而且该传感器头30设置在加工装置200的砂轮头15的下端。图3为对实施方式所涉及的传感器头30的结构进行例示的图。

如图3所示，传感器头30的第1位移传感器31a、第2位移传感器31b、第3位移传感器31c沿X方向配设成一列。

第1位移传感器31a、第2位移传感器31b、第3位移传感器31c为位移计的一例，例如为激光位移计。第1位移传感器31a、第2位移传感器31b、第3位移传感器31c以其测定点在物体12表面的与X方向平行的直线上等间隔排列的方式配设，并且分别测定各个位移传感器与物体12表面上的测定点之间的距离。若物体12搭载于可移动工作台10上并沿X方向移动，则传感器头30相对于物体12进行相对移动，各个位移传感器31a、31b、31c对物体12的表面进行扫描并输出测定值。

显示装置40被控制装置20控制，并显示例如通过形状计算部29求出的表面形状的测量结果等。

另外，本实施方式构成为形状测量装置100与加工装置200共用控制装置20与显示装置40，但也可以构成为分别在形状测量装置100与加工装置200设置控制装置与显示装置。并且，本实施方式构成为可移动工作台10与物体12一同沿X方向移动，但也可以构成为使传感器头30相对于物体12沿X方向移动。

(形状测量的基本原理)

接着，对形状测量装置100求出物体12的表面形状的方法进行说明。图4(A)及图4(B)为用于说明表面形状的测量方法的图。

如图4(A)及图4(B)所示，位移传感器31a、31b、31c在X方向上隔着间隔P配设成一列，并且分别对位移传感器31a与物体12表面的a点之间的距离、位移传感器31b与物体12表面的b点之间的距离、位移传感器31c与物体12表面的c点之间的距离进行测定。若将通过位移传感器31a、31b、31c求出的各个位移传感器31a、31b、31c与物体12表面之间的距离分别设为A、B、C，则可以通过下式(1)求出图4(A)中所示的Z方向上的从b点至连结a点与c点的直线之间的距离g(间隙)。

[式1]

g＝B-(A+C)/2 ···(1)

接着，如图4(B)所示，可以使用连结a点与b点的直线的倾斜度(dz_ab/dx)及连结b点与c点的直线的倾斜度(dz_bc/dx)并通过下式(2)来表示物体12表面的b点上的位移z的二阶微分(d²z/dx²)(即，b点的曲率(1/r))。

[式2]

$\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dx}}^2}=\frac{\frac{{\mathrm{dz}}_{ab}}{dx}-\frac{{\mathrm{dz}}_{bc}}{dx}}{P}...\left(2\right)$

若将下式(3)及式(4)代入式(2)中并进一步利用式(1)，则如式(5)所示，可根据间隙g及传感器彼此之间的距离P求出位移z的二阶微分(即曲率)。

[式3]

$\frac{{\mathrm{dz}}_{ab}}{dx}=\frac{(B-A)}{P}...\left(3\right)$

[式4]

$\frac{{\mathrm{dz}}_{bc}}{dx}=\frac{(C-B)}{P}...\left(4\right)$

[式5]

$\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dx}}^2}=\frac{\frac{(B-A)}{P}-\frac{(C-B)}{P}}{P}=\frac{2B-(A+C)}{P^2}=\frac{2g}{P^2}...\left(5\right)$

由于传感器彼此之间的距离P是预先被设定的，因此，可以基于式(1)从各个位移传感器31a、31b、31c所输出的传感器数据求出间隙g，并且将基于式(5)所求出的曲率以积分间距进行二阶积分，从而求出任意x点上的位移z。积分间距为例如进行扫描时的X方向上的各个位移传感器31a、31b、31c的数据获取间隔等。

在此，在将3个位移传感器31a、31b、31c安装于传感器头30时，很难调整3个位移传感器31a、31b、31c高度以使其在数十nm级的范围内严格地排列在一条直线上。因此，如图5所示，位移传感器31a、31b、31c在传感器头30上的安装位置在Z方向上存在微小偏差。另外，在图5中，为了便于说明，放大表示安装位置的偏差。

在图5所示的例子中，第2位移传感器31b的安装位置和连结第1位移传感器31a的安装位置与第3位移传感器31c的安装位置的直线在Z方向上偏离g₀。

如此，若在位移传感器31a、31b、31c的安装位置存在偏差，则基于式(1)从测定值求出的间隙g就会成为包含偏移量g₀的值，在物体12的表面形状上产生所谓抛物线形状的误差。

因此，在本实施方式所涉及的形状测量装置100中，通过以下将要说明的偏移量计算处理而求出位移传感器31a、31b、31c的偏移量g₀，并在对表面形状进行测量时利用偏移量g₀进行校正。

(偏移量计算处理)

图6为对实施方式中的偏移量计算处理的流程进行例示的图。

如图6所示，在进行偏移量计算处理时，首先在步骤S101，将校正用试样13载置于可移动工作台10上，并使传感器头30对校正用试样13的表面进行扫描。作为校正用试样13可以优选使用例如光学平晶等平面度近乎零且表面粗糙度较小的试样。并且，也可以使用曲率恒定且已知其形状数据的试样。传感器头30的扫描距离设定为例如10mm至100mm之间，但并不只限于此。

接着，在步骤S102，传感器数据获取部21从各个位移传感器31a、31b、31c获取传感器数据。其中，传感器数据获取部21获取传感器数据的间隔优选为图5中所示的校正用试样13表面的扫描方向(X方向)上的表面粗糙度波形中所包含的最大空间频率周期的1/2以下。

传感器数据获取部21例如根据传感器头30的扫描速度来适当设定传感器数据的获取时间间隔，从而能够适当调整传感器数据获取间隔。传感器数据获取部21例如设定为在传感器头30的扫描方向上以10μm间隔获取传感器数据，但也可以根据测量条件等适当设定传感器获取间隔。

通过将传感器数据获取部21的传感器数据获取间隔设为校正用试样13表面的扫描方向(X方向)上的表面粗糙度波形中所包含的最大空间频率周期的1/2以下，由此能够高精度地求出后述偏移量g₀。

接着，在步骤S103，间隙数据计算部23基于式(1)从传感器数据获取部21所获取的传感器数据计算出间隙数据。图7为对使用校正用试样13而得到的间隙数据进行例示的图。

使用校正用试样13而得到的间隙g为与位移传感器31a、31b、31c的偏移量g₀大致相等的值。然而，受到表面粗糙度的影响，使用校正用试样13而得到的间隙数据如图7所示以平均值为中心波动。因此，若采用任意一点上的测量结果作为偏移量g₀，则由于偏移量g₀在波动范围内进行波动，因此使用该值而求出的物体12的直线度测定结果也会波动，有可能成为可靠性较低的结果。

因此，在步骤S104，偏移量计算部25计算出由间隙数据计算部23计算出的间隙数据的平均值。通过将间隙数据的平均值作为偏移量g₀，能够减少校正用试样13的表面粗糙度的影响，从而能够高精度地求出位移传感器31a、31b、31c的偏移量g₀。然而，所求出的偏移量g₀中还包含校正用试样13的曲率成分g_0r，因此需要通过其他机构预先测定校正用试样13的曲率并进行减法计算。

如此，通过用偏移量计算部25所求出的偏移量g₀来修正间隙数据，由此能够校正传感器位置的偏移从而高精度地对作为测量对象物的物体12的表面形状进行测量。

另外，例如可以在形状测量装置100每次对物体12的表面形状进行测量时进行上述偏移量计算处理，也可以适当地在启动形状测量装置100时或偏移量计算处理结束并经过设定的时间之后等进行上述偏移量计算处理。

(形状测量处理)

图8为对实施方式中的形状测量处理的流程进行例示的图。

如图8所示，在对物体12的表面形状进行测量时，首先在步骤S201，在作为测量对象物的物体12载置于可移动工作台10上的状态下，使传感器头30对物体12的表面进行扫描。接着，在步骤S202，传感器数据获取部21从与传感器头30一同对物体12的表面进行扫描的各个位移传感器31a、31b、31c以所设定的采样周期获取传感器数据。接下来，在步骤S203，间隙数据计算部23基于式(1)从传感器数据获取部21所获取的传感器数据计算出间隙g，并且获取包含扫描范围内的多个测定点上的间隙g的间隙数据。

在步骤S204中，校正部27使用在偏移量计算处理中求出的偏移量g₀来对间隙数据进行修正。具体而言，从包含于间隙数据中的间隙g的各值减去偏移量g₀。

接着，在步骤S205，形状计算部29基于式(5)从由校正部27用偏移量g₀进行校正后的间隙数据计算出二阶微分值，并将该值以积分间距进行二阶积分而求出Z位移，接着根据Z、X的分布图计算出物体12的直线形状。通过用偏移量g₀对间隙数据进行修正，能够对位移传感器31a、31b、31c的安装位置的偏差进行校正，从而能够高精度地测量出物体12的表面形状。并且，将由形状计算部29计算出的物体12的表面形状显示于显示装置40。

如上所述，根据本实施方式所涉及的形状测量装置100，通过对校正用试样13的间隙数据的平均值进行计算，能够更精确地求出位移传感器31a、31b、31c的偏移量g₀。并且，通过用如此高精度求出的偏移量g₀对作为测量对象物的物体12的间隙数据进行修正，能够轻松且高精度地对位移传感器31a、31b、31c的安装位置的偏差进行校正，从而能够高精度地对物体12的表面形状进行测量。

并且，本实施方式所涉及的搭载有形状测量装置100的加工装置200可以根据在对物体12的表面进行磨削之后并且物体12继续搭载于可移动工作台10的状态下由形状测量装置100执行的表面形状测量结果来进行校正加工等。因此，能够高效且高精度地对物体12进行加工。

以上，对实施方式所涉及的形状测量装置、加工装置及形状测量装置的校正方法进行了说明，但本发明并不只限于上述实施方式，在本发明的范围内可施以各种变更及改良。

例如，形状测量装置100可以搭载于以与本实施方式不同的结构对物体12进行磨削等加工的加工装置。

Claims (5)

1.一种形状测量装置，其通过将3个位移计配设成一列而成的检测仪对测量对象物进行扫描，并且对所述测量对象物的表面形状进行测量，所述形状测量装置的特征在于，具备：

偏移量计算机构，根据所述检测仪对校正用试样进行扫描而得到的数据计算出所述3个位移计的安装位置的偏移量；及

校正机构，用所述偏移量对所述检测仪对所述测量对象物进行扫描而得到的数据进行修正，从而对所述位移计的位置偏移进行校正。

2.根据权利要求1所述的形状测量装置，其特征在于，还具备：

获取机构，从所述3个位移计获取各自的测定值；及

间隙计算机构，根据所述3个位移计中的位于中间的位移计所测定的测定值和其他位移计所测定的测定值之差求出间隙数据，

所述偏移量计算机构计算出所述检测仪对校正用试样进行扫描而得到的间隙数据的平均值作为所述3个位移计的安装位置的偏移量，

所述校正机构用所述偏移量对所述检测仪对所述测量对象物进行扫描而得到的间隙数据进行修正，从而对所述位移计的位置偏移进行校正。

3.根据权利要求2所述的形状测量装置，其特征在于，

在所述检测仪对所述校正用试样进行扫描时所述获取机构从所述3个位移计获取各自的测定值的间隔为所述校正用试样表面的扫描方向上的表面粗糙度波形中所包含的最大空间频率周期的1/2以下。

4.一种加工装置，其特征在于，具备，

权利要求1至3中任一项所述的形状测量装置。

5.一种形状测量装置的校正方法，其通过将3个位移计配设成一列而成的检测仪对测量对象物进行扫描，并且对所述测量对象物的表面形状进行测量，所述形状测量装置的校正方法的特征在于，具备：

偏移量计算步骤，根据所述检测仪对校正用试样进行扫描而得到的数据计算出所述3个位移计的安装位置的偏移量；及

校正步骤，用所述偏移量对所述检测仪对所述测量对象物进行扫描而得到的数据进行修正，从而对所述位移计的位置偏移进行校正。