CN106802141B - 形状测量设备的控制方法 - Google Patents

形状测量设备的控制方法 Download PDF

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Abstract

提供一种形状测量设备的控制方法，其能够实现轨迹校正能力和控制稳定性这两者。在对触针针尖进行控制以使探测器相对于工件的偏转量保持为基准偏转量的同时，使触针针尖沿着扫描路径移动。根据通过以下表达式表示的合成速度矢量V来生成针对探测器的移动指示：合成速度矢量V＝Gf·Vf+Ge·Ve+Gc·Vc2，其中：Vf是用以使探测器沿着扫描路径移动的路径速度矢量，Ve是用以使探测器相对于工件的偏转量保持为基准偏转量的偏转校正矢量，Vc2是通过(Vc1·q)q表示的第二轨迹校正矢量，Vc1是用以对探测器的位置进行校正以使得触针针尖朝向扫描路径的第一轨迹校正矢量，以及q是利用工件的表面的法线与路径速度矢量Vf的矢积给出的轨迹校正方向矢量。

Description

形状测量设备的控制方法
技术领域
本发明涉及一种形状测量设备的控制方法。
背景技术
已知有通过在扫描被测物的表面的同时使触针针尖沿着该表面移动来测量该被测物的形状的形状测量设备(例如，日本特开2008-241420、日本特开2013-238573和日本特开2014-21004)。
为了进行扫描测量，需要准备扫描测量所用的路径。日本特开2008-241420所公开的设备将基于CAD数据的设计数据(例如，非均匀有理B样条(non-uniform rational B-spline，NURBS)数据)转换成预定次数的多项式曲线群。
以下简要说明该过程。
首先，从外部CAD系统接收包括路径信息的CAD数据(例如，NURBS数据)，并且将该CAD数据转换成点群的数据。各点的数据是坐标(x,y,z)和法线方向(P,Q,R)的组合(即，(x,y,z,P,Q,R))。在下文，为了以下的说明，将包括信息(x,y,z,P,Q,R)的点群的数据称为“轮廓点数据”。
接着，使各点的坐标在法线方向上偏移预定量。(该预定量具体是触针针尖半径r-基准偏转量E0)。将这样所获得的点群数据称为“偏移轮廓点数据”。
然后，将偏移轮廓点数据转换成预定次数的多项式曲线群。
这里，假定多项式是三次函数，并且曲线是参数三次曲线(parametric cubiccurve，PCC)。基于PCC曲线来生成用于测量工件的路径。此外，将PCC曲线分割成分割PCC曲线群。
通过根据分割PCC曲线群计算速度曲线，来计算探测器的移动速度(移动矢量)。
(例如，基于分割PCC曲线群的各区段的曲率等来设置探测器的移动速度(移动矢量)。)
通过基于这样计算出的移动速度使探测器移动，触针针尖在扫描被测物的表面的同时进行移动(无源标称扫描测量：注意，本说明书中的词语“标称”是指沿着基于物体的设计数据预先计算出的预定轨迹的扫描)。
此外，已知有在通过连续地计算偏转校正矢量来校正轨迹以保持探测器的偏转量恒定的同时进行扫描测量的方法(日本特开2013-238573)。
以下将这种标称扫描称为有源标称扫描测量。
简要说明日本特开2013-238573所公开的有源标称扫描测量。
在有源标称扫描测量中，通过以下的表达式1所表示的合成速度矢量V是针对探测器的移动指示。
探测器基于合成速度矢量V而移动，由此实现针对探测器(触针针尖)沿着PCC曲线移动并且偏转量恒定的工件表面的扫描测量、即有源标称扫描测量。
V＝Gf×Vf+Ge×Ve+Gc×Vc…(表达式1)
参考图1来简要说明表达式1。
在图1中，在相对于设计数据(轮廓点数据)偏移了预定量(触针针尖半径r-基准偏转量E0)的位置处存在PCC曲线(即，扫描路径)。此外，在图1中，实际工件相对于设计数据略微偏移。
矢量Vf是路径速度矢量。路径速度矢量Vf具有从PCC曲线上的插值点(i)向着下一插值点(i+1)的方向。注意，路径速度矢量Vf的大小例如是基于插值点(i)处的PCC曲线的曲率所确定的(例如，日本特开2014-21004)。
矢量Ve是用以使探测器的偏转量Ep保持为预定的基准偏转量E0(例如，0.3mm)的偏转校正矢量。
(偏转校正矢量Ve必然与工件表面的法线平行。)
矢量Vc是轨迹校正矢量。轨迹校正矢量Vc与从探测器位置向着PCC曲线的垂线平行。
在表达式1中，Gf、Ge和Gc分别是扫描驱动增益、偏转校正增益和轨迹校正增益。
发明内容
通过利用表达式1的合成速度矢量V控制探测器的移动，可以实现有源标称扫描测量，但该控制可能根据各矢量的方向而变得不稳定。
例如，在图1中，轨迹校正矢量Vc的方向与偏转校正矢量Ve的方向相反。因而，可能会使探测器230发生振动。
由于该原因，在日本特开2013-238573中，要分别通过函数f1(C,E)、f2(E)和f3(C)来调整Gf、Ge和Gc的值。
然而，由于减小Ge或Gc的值以抑制振动，因此合成速度矢量V的大小当然减小。然后，轨迹校正能力或偏转校正能力也下降。
因而，已难以实现轨迹校正能力和控制稳定性这两者。
本发明的目的是提供一种能够实现轨迹校正能力和控制稳定性这两者的形状测量设备的控制方法。
本发明的方面中的形状测量设备的控制方法是如下的形状测量设备的控制方法，所述形状测量设备包括：探测器，其前端具有触针针尖；以及移动机构，用于使所述探测器移动，并且所述形状测量设备被配置为通过检测所述触针针尖与工件的表面之间的接触来测量所述工件的形状，所述控制方法包括以下步骤：
为了基于所述工件的设计数据来计算用以使所述触针针尖移动的标称扫描路径，并且为了在控制所述触针针尖以使所述探测器相对于所述工件的偏转量保持为基准偏转量的同时、使所述触针针尖沿着所述标称扫描路径移动，根据通过以下表达式所表示的合成速度矢量V来生成针对所述探测器的移动指示：
合成速度矢量V＝Gf·Vf+Ge·Ve+Gc·Vc2，
其中：Vf是用以使所述探测器沿着所述标称扫描路径移动的路径速度矢量，
Ve是用以使所述探测器相对于所述工件的偏转量保持为所述基准偏转量的通过K(|Ep|-E0)eu所给出的偏转校正矢量，
Ep是所述探测器的传感器输出，
E0是所述基准偏转量，以及
eu是所述探测器的位移方向上的单位矢量，
Vc2是通过(Vc1·q)q所表示的第二轨迹校正矢量，
Vc1是为了对所述探测器的位置进行校正以使得所述触针针尖朝向所述标称扫描路径而与从所述探测器的位置向着所述标称扫描路径的垂线平行的第一轨迹校正矢量，
q是利用所述探测器的位移方向上的单位矢量eu与所述路径速度矢量Vf的矢积所给出的轨迹校正方向矢量，以及
Gf、Ge和Gc分别是扫描驱动增益、偏转校正增益和轨迹校正增益。
在本发明的方面中，优选地，所述轨迹校正方向矢量q是通过eu×Vf/|eu×Vf|或者Vf×eu/|Vf×eu|所表示的。
本发明的方面中的记录介质是如下的非易失性记录介质，其中该非易失性记录介质用于记录控制程序，所述控制程序用于使计算机执行上述的形状测量设备的控制方法。
附图说明
图1是作为现有技术示出合成速度矢量V的各成分的示例的图；
图2是示出形状测量系统整体的结构的图；
图3是运动控制器和主机计算机的功能框图；
图4是说明有源标称扫描测量的整体控制的流程图；
图5是说明用以生成合成速度矢量V的过程的流程图；
图6是说明用以生成合成速度矢量V的过程的图；
图7是说明用以生成第二轨迹校正矢量Vc2的过程的流程图；
图8是示出矢量之间的相对方向关系的图；以及
图9是示出比较例的图。
具体实施方式
参考附加至附图中的各元素的附图标记来例示并说明本发明的实施例。
第一典型实施例
以下说明本发明的第一典型实施例。
由于在其它文献(例如，日本特开2008-241420)中公开了有源标称扫描测量的基本操作过程，因此说明本实施例的主要特征、即合成速度矢量V的生成。
首先，简要说明形状测量系统100的基本结构。
图2是示出形状测量系统100的整体结构的图。
形状测量系统100包括：坐标测量机200；运动控制器300，用于控制坐标测量机200的驱动；以及主机计算机500，用于控制运动控制器300并且进行所需的数据处理。
坐标测量机200包括基座210、移动机构220和探测器230。
移动机构220包括门型Y滑动件221、X滑动件222、Z轴柱223和Z主轴224。Y滑动件221在Y方向上可滑动地设置在基座210上。X滑动件222沿着Y滑动件221的X方向上的梁滑动。Z轴柱223固定至X滑动件222。Z主轴224在Z方向上在Z轴柱223内上下移动。
在Y滑动件221、X滑动件222和Z主轴224各自上固定驱动马达(未示出)和编码器(未示出)。
来自运动控制器300的驱动控制信号对驱动马达的驱动进行控制。
编码器检测Y滑动件221、X滑动件222和Z主轴224各自的移动量，并且将检测值输出至运动控制器300。
探测器230安装至Z主轴224的下端。
探测器230包括触针231和支撑部233。触针231在前端侧(-Z轴方向侧)具有触针针尖232。支撑部233支撑触针231的基端侧(+Z轴方向侧)。
触针针尖232具有球形形状，并且能够与被测物W相接触。
在向触针231施加外力的情况下、即在触针针尖232与被测物W相接触的情况下，支撑部233支撑触针231，以使得触针231在特定范围内在X轴、Y轴和Z轴的方向上可移动。
支撑部233还包括用以检测触针231在各轴方向上的位置的探测器传感器(未示出)。探测器传感器将检测值输出至运动控制器300。
运动控制器300的结构
图3是运动控制器300和主机计算机500的功能框图。
运动控制器300包括PCC获取单元310、计数器320、移动指示生成单元330和驱动控制单元340。
PCC获取单元310从主机计算机500获取PCC曲线数据。
计数器320通过对从编码器输出的检测信号进行计数来测量各滑动件的位移量，并且通过对从探测器230的各传感器输出的检测信号进行计数来测量探测器230(触针231)的位移量。
根据所测量到的滑动件和探测器230的位移量，来获得触针针尖232的坐标位置Pp(以下称为探测器位置Pp)。
此外，根据计数器320所测量到的触针231的位移量(探测器传感器的检测值(Px,Py,Pz))，来获得触针针尖232的偏转量(矢量Ep的绝对值)。
移动指示生成单元330计算探测器230(触针针尖232)的用以利用探测器230(触针针尖232)测量被测物W的表面的移动路径，并且计算沿着该移动路径的速度矢量。
移动指示生成单元330包括用以计算与测量方法(测量模式)相对应的路径的功能单元。
具体地，存在无源标称扫描测量、有源标称扫描测量、自主扫描测量和点测量这四个方法。有源标称扫描测量与本实施例有关。
驱动控制单元340基于移动指示生成单元330所计算出的移动矢量来控制各滑动件的驱动。
注意，手动控制器400连接至运动控制器300。
手动控制器400包括操纵杆和各种按钮，接收来自用户的手动输入操作，并且将用户的操作指示发送至运动控制器300。
在这种情况下，运动控制器300(驱动控制单元340)响应于用户的操作指示来控制各滑动件的驱动。
主机计算机500的结构
主机计算机500包括中央处理单元(CPU)511和存储器，并且经由运动控制器300控制坐标测量机200。
主机计算机500还包括存储单元520和形状分析单元530。
存储单元520存储与被测物(工件)W的形状有关的设计数据(诸如CAD数据或NURBS数据等)、通过测量所获得的测量数据和用以控制测量操作整体的测量控制程序。
形状分析单元530基于从运动控制器300输出的测量数据来计算被测物W的表面形状数据，并且进行形状分析以计算所计算出的被测物W的表面形状数据的误差或失真。
形状分析单元530还进行诸如设计数据(CAD数据或NURBS数据等)向PCC曲线的转换等的运算处理。
CPU 511执行测量控制程序，由此实现本实施例的测量操作。
输出装置(显示器或打印机)和输入装置(键盘或鼠标)根据需要连接至主机计算机500。
接着，以下说明作为本实施例的主要特征的合成速度矢量V的生成。
图4是说明有源标称扫描测量的整体控制的流程图。
主机计算机500生成PCC曲线，并且将所生成的PCC曲线发送至运动控制器300(ST100)。
然后，运动控制器300生成作为用于利用沿着PCC曲线的路径对工件表面进行有源标称扫描测量的移动指示的合成速度矢量V(ST200)。
以下说明合成速度矢量V的生成。
图5是说明用以生成合成速度矢量V的过程的流程图。
合成速度矢量V是通过将路径速度矢量Vf(ST210)、偏转校正矢量Ve(ST220)和第二轨迹校正矢量Vc2(ST230)合成所获得的。
这里，传统技术和本发明的本实施例之间的差异是第二轨迹校正矢量Vc2(ST230)。
首先，生成路径速度矢量Vf(ST210)。
假定如下：插值点i和下一插值点(i+1)在路径(PCC曲线)上，路径速度矢量Vf的方向是从点i向着点(i+1)(参见图6)。
路径速度矢量Vf的大小例如是根据点i处的PCC曲线的曲率所设置的(日本特开2014-21004)。
注意，后面说明PCC曲线上的点P。
接着，生成偏转校正矢量Ve。
通过以下表达式来表示偏转校正矢量Ve：
Figure GDA0001779426950000091
在表达式2中，Ep是根据探测器输出所获得的探测器位移矢量。
Ep＝(xp,yp,zp)
因而，通过以下的表达式来表示探测器的偏转量|Ep|：
Figure GDA0001779426950000092
在表达式2中，假定eu是根据探测器输出所获得的探测器位移方向上的单位矢量。
Figure GDA0001779426950000093
然后，通过表达式2来表示用以使偏转量|Ep|保持为基准偏转量E0的偏转校正矢量Ve。
注意，K是任意系数。
接着，生成第二轨迹校正矢量Vc2。
图7是说明用以生成第二轨迹校正矢量Vc2的过程的流程图。参考图7的流程图来说明第二轨迹校正矢量Vc2。
为了生成第二轨迹校正矢量Vc2，首先，计算第一轨迹校正矢量Vc1。
第一轨迹校正矢量Vc1与传统技术(日本特开2013-238573)中的轨迹校正矢量Vc相同，但为了说明而以不同的命名指代。
从探测器位置Pp向路径(PCC曲线)引出垂线(参见图6)。将该垂线的垂足称为P。
沿从探测器位置Pp向点P的方向的矢量是第一轨迹校正矢量Vc1。
在本实施例中，第一轨迹校正矢量Vc1不被直接使用，而是在提取对于轨迹校正有效的成分之后使用。
在ST232中，获取探测器位移方向上的单位矢量eu。在生成偏转校正矢量Ve的说明中已说明了探测器位移方向上的单位矢量eu。
接着，在ST233中，获取路径速度矢量Vf。在ST210中已说明了路径速度矢量Vf。
通过使用探测器位移方向上的单位矢量eu和路径速度矢量Vf，来计算轨迹校正方向矢量q(ST234)。
轨迹校正方向矢量q是与探测器位移方向上的单位矢量eu和路径速度矢量Vf的矢积平行的单位矢量。
在图6中，在假定路径速度矢量Vf和探测器位移方向上的单位矢量eu在纸面上的情况下，轨迹校正方向矢量q的方向垂直于纸面。
Figure GDA0001779426950000101
注意，由于箭头的方向并不重要，因此矢积“Vf×eu”可以被“eu×Vf”替换。
第二轨迹校正矢量Vc2是第一轨迹校正矢量Vc1的q方向上的成分。
换句话说，在通过(Vc1·q)来表示第一轨迹校正矢量Vc1和轨迹校正方向矢量q的标积的情况下，通过以下的表达式来表示第二轨迹校正矢量Vc2(ST235)。
Figure GDA0001779426950000102
这样生成了第二轨迹校正矢量Vc2。
图8是示出各矢量的相对方向关系的示例的图。
这表明，第二轨迹校正矢量Vc2的方向与具有探测器位移方向的单位矢量eu和路径速度矢量Vf垂直。
然后，通过第二轨迹校正矢量Vc2的轨迹校正，将探测器230的位置校正为朝向工件表面上的如下点，其中在该点处，触针针尖的中心与PCC曲线之间的距离最小。
一旦获得了第二轨迹校正矢量Vc2，则返回图5的流程图，确定增益Gf、Ge和Gc(ST240)。增益Gf、Ge和Gc各自利用预定函数进行了适当调整(例如，日本特开2013-238573)。例如，在轨迹偏差或偏转偏差大的情况下，将增益Gf调整成减小。
然后，通过将路径速度矢量Vf、偏转校正矢量Ve和第二轨迹校正矢量Vc2合成，来计算合成速度矢量V(ST250)。
通过基于合成速度矢量V控制探测器230的移动(ST300)，实现了偏转量恒定的有源标称扫描测量。
以下说明通过使用合成速度矢量V所产生的效果。
使用第一轨迹校正矢量Vc1的传统控制作为轨迹校正最简单并且需要较少的计算量，但探测器230可能发生振动。
例如，如图1和8所示，第一轨迹校正矢量Vc1可能具有与偏转校正矢量Ve和路径速度矢量Vf相反的方向上的成分。
在实际情况中，第一轨迹校正矢量Vc1和偏转校正矢量Ve相反，并且频繁地相互干扰。这是因为，偏转校正矢量Ve的方向根据工件表面的粗糙度而恒定地改变。
在第一轨迹校正矢量Vc1具有与偏转校正矢量Ve或路径速度矢量Vf相反的方向上的成分的情况下、将第一轨迹校正矢量Vc1、偏转校正矢量Ve和路径速度矢量Vf合成时，这些矢量的成分相互干扰，并且探测器230的移动变得不稳定。
因而，通过适当地调整增益Gf、Ge和Gc，可以使第一轨迹校正矢量Vc1、偏转校正矢量Ve和路径速度矢量Vf之间的相互干扰最小。
然而，如果减小增益Gf、Ge和Gc中的任一个以使相互干扰最小，则合成速度矢量V本身减小，并且轨迹校正能力必然减小。
作为对比，在本实施例中，第二轨迹校正矢量Vc2的方向要与具有探测器位移方向的单位矢量eu和路径速度矢量Vf正交。
因而，第二轨迹校正矢量Vc2与偏转校正矢量Ve不再发生干扰，并且控制变得稳定。
注意，通过实验已确认，通过使用第二轨迹校正矢量Vc2实现了有源标称扫描测量。
比较例
为了进一步明确本实施例的效果，以下说明比较例。
比较例曾被作为第一轨迹校正矢量Vc1的变形进行了研究，但由于另一问题因而尚未投入实践。
在比较例中，将第一轨迹校正矢量Vc1称为子轨迹校正矢量Vc1’。
子轨迹校正矢量Vc1’是通过从第一轨迹校正矢量Vc1的成分中提取与探测器位移方向单位矢量eu正交的成分所获得的。
在图9中的虚线包围的部分中，示出各矢量的方向的示例。
通过以下的表达式来表示子轨迹校正矢量Vc1’：
Figure GDA0001779426950000121
子轨迹校正矢量Vc1’与偏转校正矢量Ve正交。因而，可以解决由于第一轨迹校正矢量Vc1和偏转校正矢量Ve之间的干扰所引起的探测器230的振动。
然而，产生了另一问题。
例如，典型情况是探测器如图9所示攀登斜坡，并且在这种情况下，子轨迹校正矢量Vc1’可能具有与路径速度矢量Vf相反的方向上的成分。
如果工件和设计数据之间的偏移略大、或者如果斜坡的斜率大，则子轨迹校正矢量Vc1’变得大于路径速度矢量Vf，并且探测器230可能无法攀登斜坡。例如，在上升斜坡的斜率超过20°的情况下，控制变得困难。
作为对比，第二轨迹校正矢量Vc2不仅要与偏转校正矢量Ve正交而且要与路径速度矢量Vf正交。因而，工件表面可以具有任何形状，并且稳定地实现了有源标称扫描测量。
注意，本发明不限于上述实施例，并且可以在没有背离上述范围的情况下进行适当修改。
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2015年9月25日提交的日本专利申请2015-188167的优先权，其内容通过引用全部包含于此。

Claims (3)

1.一种形状测量设备的控制方法，所述形状测量设备包括：探测器，其前端具有触针针尖；以及移动机构，用于使所述探测器移动，并且所述形状测量设备被配置为通过检测所述触针针尖与工件的表面之间的接触来测量所述工件的形状，所述控制方法包括以下步骤：
为了基于所述工件的设计数据来计算用以使所述触针针尖移动的标称扫描路径，并且为了在控制所述触针针尖以使所述探测器相对于所述工件的偏转量保持为基准偏转量的同时、使所述触针针尖沿着所述标称扫描路径移动，根据通过以下表达式所表示的合成速度矢量
Figure FDA0002253436460000011
来生成针对所述探测器的移动指示：
合成速度矢量
Figure FDA0002253436460000012
其中：
Figure FDA0002253436460000013
是用以使所述探测器沿着所述标称扫描路径移动的路径速度矢量，
Figure FDA0002253436460000014
是用以使所述探测器相对于所述工件的偏转量保持为所述基准偏转量的通过
Figure FDA0002253436460000015
所给出的偏转校正矢量，K是任意系数，
是所述探测器的传感器输出，
E0是所述基准偏转量，以及
是所述探测器的位移方向上的单位矢量，
Figure FDA0002253436460000018
是通过
Figure FDA0002253436460000019
所表示的第二轨迹校正矢量，
是为了对所述探测器的位置进行校正以使得所述触针针尖朝向所述标称扫描路径而与从所述探测器的位置向着所述标称扫描路径引出的垂线平行的第一轨迹校正矢量，
Figure FDA00022534364600000111
是利用所述探测器的位移方向上的单位矢量
Figure FDA00022534364600000112
与所述路径速度矢量
Figure FDA00022534364600000113
的矢积所给出的轨迹校正方向矢量，以及
Gf、Ge和Gc分别是扫描驱动增益、偏转校正增益和轨迹校正增益。
2.根据权利要求1所述的形状测量设备的控制方法，其中，所述轨迹校正方向矢量
Figure FDA0002253436460000021
是通过
Figure FDA0002253436460000022
或者
Figure FDA0002253436460000023
所表示的。
3.一种非易失性记录介质，该非易失性记录介质用于记录控制程序，所述控制程序用于使计算机执行权利要求1或2所述的形状测量设备的控制方法。
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