CN108458642B - 形状测定装置的控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种形状测定装置的控制方法，该形状测定装置能够控制五个轴。形状测定装置包括探针头及坐标测量机，该探针头通过第一驱动轴及第二驱动轴的旋转而改变其姿势，该坐标测量机通过三个平移轴(第三驱动轴至第五驱动轴)而使该探针头的位置变化。将第一旋转轴与第二旋转轴的交点设定为旋转中心Q。首先计算出第一驱动轴至第五驱动轴的每个控制周期的插值点，然后根据考虑第一驱动轴及第二驱动轴的插值点(αi、βi)的值的规定变换式将测定端的插值点的坐标值变换为旋转中心Q的坐标值，并将其设定为控制用插值点Qi。第三驱动轴至第五驱动轴的位置被控制到控制用插值点Qi并且第一驱动轴及第二驱动轴的位置被控制到插值点(αi、βi)。

Description

形状测定装置的控制方法
技术领域
本发明涉及一种形状测定装置的控制方法。
背景技术
使用探针器检测出测定对象物的表面的形状测定装置得到广泛使用。探针器以能够三维移动的方式安装至坐标测量机。另外，有的探针器自身也具有内藏旋转轴的可动探针头。
以下，在本说明书中，将可动探针头只称为探针头。
图1示出探针头500的一个例子(专利文献1：日本专利申请公开2873404号)。
如图1所示那样，探针头500包括头固定部501以及在其顶端具有测定端503的触针502。
探针头500经由头固定部501安装到坐标测量机。
在头固定部501与触针502之间设有旋转机构510及旋转机构520这两个旋转机构。作为两个旋转机构，设置有具有第一旋转轴A1作为旋转轴的第一旋转机构部510以及具有垂直于第一旋转轴A1的第二旋转轴A2作为旋转轴的第二旋转机构部520。
因此，测定端503可以由坐标测量机所具有的三个驱动轴(X轴、Y轴、Z轴)以及内藏于探针头500中的两个旋转轴A1、A2的五个驱动轴移动。
形状测定装置可以由不只三个轴而是五个轴控制测定端503的位置，高速地测定具有复杂形状的工件。
专利文献
[专利文献1]日本专利申请公开2873404号
发明内容
尽管由于测定端503能够由五个驱动轴移动而可以高速测定具有复杂形状的工件，但是出现了新问题。
例如，当将测定端503移到下一个测定对象位置时，考虑将测定端503从第一点移到第二点的情况(例如参照图4)。
只要被提供作为目标点的第二点的地点(x、y、z、α、β)，形状测定装置就可以将测定端503移到该地点。
在此，α表示第一旋转机构部510的旋转角(第一旋转角)，β表示第二旋转机构部520的旋转角(第二旋转角)。就是说，测定端503的移动不仅意味着三维的位置(X、Y、Z)变化还意味着探针头500的姿势(α、β)变化。
在形状测定装置具有坐标测量机200的驱动轴(X轴、Y轴、Z轴)及探针头500的驱动轴(第一旋转轴A1、第二旋转轴A2)的情况下，通过每个驱动轴的定位反馈控制适当地控制各驱动轴。
然后，测定端503到达目标点(第二点)。
可是，尽管测定端503可以到达目标点(第二点)，却不清楚在途中路经上测定端503如何移动，除非进行测定才明白测定端503如何移动。
如果测定端503在移动途中摆动得超出操作员的预期，测定端503(或者触针502)就可能会与工件干涉。在此情况下，测定端503(或者触针502)及工件会受到损坏。
操作员在探针头500的移动时需要注意以使触针502与工件不干渉，但是不能简单地预测测定端503的轨线，只好以大裕度预测轨线或者试行几次来确认轨线。
本发明的目的之一是提供一种能够控制五个轴的形状测定装置的控制方法，通过使用该形状测定装置可以预测测定端的移动路径。
根据本发明的实施方式的形状测定装置的控制方法是如下方法，其中该形状测定装置包括：探针头，该探针头包括顶端具有测定端的触针、绕着第一旋转轴旋转的第一驱动轴以及绕着垂直于第一旋转轴的第二旋转轴旋转的第二驱动轴，该探针头由第一驱动轴及第二驱动轴的旋转动作改变触针的姿势；以及坐标测量机，该坐标测量机包括作为互相垂直的三个平移轴的第三驱动轴、第四驱动轴以及第五驱动轴，该坐标测量机使探针头的位置三维变位，其中通过第三驱动轴至第五驱动轴的坐标值(T3、T4、T5)来提供测定端的位置，其中通过第一驱动轴的第一旋转角α及第二驱动轴的第二旋转角β来提供探针头的姿势，该控制方法包括如下步骤：
针对第一驱动轴至第五驱动轴的各驱动轴，计算在从现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的移动路径上的每个控制周期的插值点；
当将第一旋转轴与第二旋转轴的交点设定为旋转中心Q时，根据考虑第一驱动轴及第二驱动轴的插值点(αi、βi)的值的规定变换式将测定端的插值点的坐标值变换为旋转中心Q的坐标值，并将该旋转中心Q的坐标值作为控制用插值点Qi；以及
在每个控制周期，以将第三驱动轴至第五驱动轴的位置控制到控制用插值点Qi的方式控制第三驱动轴至第五驱动轴的位置并且以将第一驱动轴及第二驱动轴的位置控制到第一驱动轴及第二驱动轴的插值点(αi、βi)的方式控制第一驱动轴及第二驱动轴的位置。
在本发明的一个方式中，优选的是，生成从现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的第一驱动轴至第五驱动轴的各驱动轴的速度模式；以及，通过针对第三驱动轴至第五驱动轴的各驱动轴生成的速度模式以共同的加减速时间及共同的所需时间来同步的方式生成第三驱动轴至第五驱动轴的共同速度模式。
在本发明的一个方式中，优选的是，生成从现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的第一驱动轴至第五驱动轴的各驱动轴的速度模式；以及
通过使针对第一驱动轴至第五驱动轴的各驱动轴生成的速度模式以共同的加减速时间及共同的所需时间来同步的方式生成第一驱动轴至第五驱动轴的共同速度模式。
根据本发明的实施方式的形状测定装置的控制方法是如下方法，该形状测定装置包括：探针头，该探针头包括顶端具有测定端的触针、绕着第一旋转轴旋转的第一驱动轴以及绕着垂直于第一旋转轴的第二旋转轴旋转的第二驱动轴，该探针头由第一驱动轴及第二驱动轴的旋转动作改变触针的姿势；以及坐标测量机，该坐标测量机包括作为互相垂直的三个平移轴的第三驱动轴、第四驱动轴以及第五驱动轴，该坐标测量机使探针头的位置三维变位，其中通过第三驱动轴至第五驱动轴的坐标值(T3、T4、T5)来提供测定端的位置，其中通过第一驱动轴的第一旋转角α及第二驱动轴的第二旋转角β来提供探针头的姿势，该控制方法包括如下步骤：
在从现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的移动路径上以测定端的移动轨迹为直线的方式控制移动轨迹。
根据本发明的实施方式的形状测定装置的控制方法是如下方法，该形状测定装置包括：探针头，该探针头包括顶端具有测定端的触针、绕着第一旋转轴旋转的第一驱动轴以及绕着垂直于第一旋转轴的第二旋转轴旋转的第二驱动轴，该探针头由第一驱动轴及第二驱动轴的旋转动作改变触针的姿势；以及坐标测量机，该坐标测量机包括作为互相垂直的三个平移轴的第三驱动轴、第四驱动轴以及第五驱动轴，该坐标测量机使探针头的位置三维变位，其中通过第三驱动轴至第五驱动轴的坐标值(T3、T4、T5)来提供测定端的位置，其中通过第一驱动轴的第一旋转角α及第二驱动轴的第二旋转角β来提供探针头的姿势，该控制方法包括如下步骤：
由操作员设定从现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的移动路径；
针对第一驱动轴至第五驱动轴的各驱动轴，计算出在从现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的移动路径上每个控制周期的插值点；
当将第一旋转轴与第二旋转轴的交点设定为旋转中心Q时，根据考虑第一驱动轴及第二驱动轴的插值点(αi、βi)的值的规定变换式将测定端的插值点的坐标值变换为旋转中心Q的坐标值，并将该旋转中心Q的坐标值设定为控制用插值点Qi；以及
在每个控制周期，以将第三驱动轴至第五驱动轴的位置控制到控制用插值点Qi的方式控制第三驱动轴至第五驱动轴的位置并且以将第一驱动轴及第二驱动轴的位置控制到第一驱动轴及第二驱动轴的插值点(αi、βi)的方式控制第一驱动轴及第二驱动轴的位置。
在本发明的一个方式中，优选的是，从现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的移动路径被设定为大致直线形的移动路径。
在本发明的一个方式中，优选的是，从现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的移动路径被设定为大致折线形的移动路径。
在本发明的一个方式中，优选的是，从现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的移动路径被设定为大致弧形的移动路径。
附图说明
图1是例示出探针头的图；
图2是示出形状测定系统的整体结构的图；
图3是示出探针头的截面图；
图4是例示出探针头的移动的图；
图5是说明形状测定装置的控制方法的流程图；
图6是例示出从现在位置Tws(Twsx、Twsy、Twsz)到目标位置Twe(Twex、Twey、Twez)的变位的图；
图7是说明生成各驱动轴的速度模式的步骤的流程图；
图8是例示出X驱动轴的速度模式的图；
图9是例示出Y驱动轴的速度模式的图；
图10是例示出Z驱动轴的速度模式的图；
图11是例示出第一旋转机构部的速度模式的图；
图12是例示出第二旋转机构部的速度模式的图；
图13是示出从X驱动轴的速度模式提取出共同参数的示意图；
图14是例示出Y驱动轴的共同速度模式的图；
图15是例示出Z驱动轴的共同速度模式的图；
图16是例示出第一旋转机构部的共同速度模式的图；
图17是例示出第二旋转机构部的共同速度模式的图；
图18是示意性地示出依次计算出X驱动轴的插值点的图；
图19是示出在探针坐标系中第一旋转角α＝第二旋转角β＝0时的旋转中心Qp0的位置的图；
图20是说明变换式的图，该变换式是求出在探针坐标系中第一旋转角为α且第二旋转角为β时的旋转中心Qp的位置的变换式；
图21是示意性地示出将探针坐标系的旋转中心Qp的坐标变换为工件坐标系的坐标的图；
图22是示意性地示出将工件坐标系的旋转中心Qw的坐标变换为机床坐标系的坐标的图；
图23是示意性地示出不使第一旋转机构部及第二旋转机构部与X、Y、Z轴同步时的旋转中心Q的轨线的例子作为对比例；
图24是示出在测定端的变位保持0的情况下只改变探针头的姿势的图。
具体实施方式
参考附加至附图中的各构成要素的附图标记来例示并说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图2是示出形状测定系统100的整体结构的图。
形状测定系统100的结构是现有的，但是在此简单地进行说明。
形状测定系统100包括坐标测量机200、用于控制坐标测量机200的驱动的运动控制器300以及用于控制运动控制器300并且进行所需的数据处理的主机计算机400。
坐标测量机200包括基座210、移动机构220以及探针头500。
移动机构220包括在Y方向上可滑动地设置在基座210上的门型Y滑动件231、沿着Y滑动件231的X方向上的梁滑动的X滑动件241、固定至X滑动件241的Z轴柱251、以及在Z方向上在Z轴柱251内上下移动的Z主轴252。
在Y滑动件231、X滑动件241以及Z主轴252各自上固定驱动马达(未图示)及编码器(未图示)。
来自运动控制器300的驱动控制信号对各驱动马达进行控制。编码器检测Y滑动件231、X滑动件241及Z主轴252各自的移动量，并且将检测值输出至运动控制器300。
探针头500安装至Z主轴252的下端。
下面，将驱动Y滑动件231的驱动机构称为Y驱动轴230，将驱动X滑动件241的驱动机构称为X驱动轴240，将驱动Z主轴252的驱动机构称为Z驱动轴250。
在此所说明的驱动机构例如意味着滚珠螺杆与马达的组合等。
图3示出探针头500的截面图。
探针头500包括头固定部501、第一旋转机构部510、第二旋转机构部520以及在顶端具有测定端503的触针502。
头固定部501安装于Z主轴252的下端。
第一旋转机构部510设置在头固定部501的下端。
第一旋转机构部510包括第一壳体511、第一马达512以及第一传动轴513。
第一壳体511安装于头固定部501的下端。
第一马达512设置于第一壳体511的内侧，第一传动轴513安装于第一马达512的电枢。
另外，将第一传动轴513的旋转轴称为第一旋转轴A1。
在本实施方式中，第一旋转轴A1的轴线方向与Z轴方向一致。
第二旋转机构部520包括第二壳体521、第二马达522、第二传动轴523以及U形连接框架524。
第二壳体521连接到第一传动轴513。
第二马达522设置在第二壳体521的内侧，第二传动轴523安装于第二马达522的电枢。
在此，第二传动轴523的旋转轴为第二旋转轴A2。此时，第一旋转轴A1(A1的延长线)垂直于第二旋转轴A2。U形连接框架524安装于第二传动轴523，U形连接框架524以第二旋转轴A2为旋转中心进行旋转。
在U形连接框架524的下端安装有触针502。另外，触针502的轴线A3(A3的延长线)垂直于第二旋转轴A2。
第一旋转轴A1(A1的延长线)、第二旋转轴A2和触针502的轴线A3(A3的延长线)在一个交点交叉。
为以下说明，将该交点称为旋转中心Q。
另外，将第一旋转轴A1的旋转角表示为α，-180°≤α≤180°。
注意，只要探针头500具有电连接性就不需要对可动范围限制，并且没有对旋转动作限制。
在图2或图3中，将垂直于纸面的方向视为0°，将从上方来看时的逆时针方向视为正方向旋转，而将从上方来看时的顺时针方向视为负方向旋转。
另外，将第二旋转轴A2的旋转角表示为β，0°≤β≤90°。在此，将触针502为铅垂向下时的β视为0°。当然，基准点的0°为随意。
第一马达512及第二马达522例如为步进马达，与被施加的驱动脉冲同步地驱动。就是说，第一旋转机构部510及第二旋转机构部520的运动量(旋转角)都与驱动脉冲的数量成比例。
为了检测出测定端503与工件表面的接触，探针头500还具备检测触针502的变位的探针检测器(未图示)。探针检测器将检测值输出至运动控制器300。
另外，在下面说明中，除了第一旋转机构部510及第二旋转机构部520以外，X驱动轴、Y驱动轴及Z驱动轴也被驱动脉冲驱动，第一旋转机构部510、第二旋转机构部520、X驱动轴240、Y驱动轴230以及Z驱动轴250的响应特性都相同。
下面，在上述五个轴的响应特性都相同的前提下说明本实施方式的控制方法。
当五个轴的响应特性具有差异时，调整具有迟延的要素的控制增益。
主机计算机400从外部CAD系统等接收包含路径信息的CAD数据(例如非均匀有理B样条(non-uniform rational Bspline，NURBS)数据)，产生测定路径信息。
产生的测定路径信息被供应到运动控制器300，运动控制器300以测定端503沿着测定路径对工件表面进行扫描测量的方式控制坐标测量机200及探针头500的各驱动轴。
(形状测定装置的控制方法)
下面说明涉及本实施方式的形状测定装置的控制方法。
在说明具体的控制步骤前，首先简单地说明通过本实施方式想要实现的形状测定装置的动作。
例如，如图4所示那样，说明将探针头500从第一点P1移到第二点P2的情况。
(此时，不但三维位置(X、Y、Z)而且探针头500的姿势(α、β)变化。)
当在探针头500的位置变化的同时改变其姿势时，需要考虑第一旋转机构部510及第二旋转机构部520也会做旋转动作，由此测定端503的移动轨迹就不会成为直线。
在这一点，在本实施方式中可以容易预测测定端503的移动路径。具体而言，测定端503的移动的移动轨迹为直线。
参照流程图(图5、图7)依次说明具体的控制步骤。
图5、图7中的步骤主要在运动控制器300中执行。
首先，在ST100中，运动控制器300依次读出从主机计算机400接收的测定路径信息，然后读取下次的目标地点He(Twex、Twey、Twez、αe、βe)。
在此，当控制探针头500的移动及姿势时，不但需要三维坐标位置(x、y、z)，还需要探针头500的姿势(第一旋转机构部510及第二旋转机构部520的目标角度(α、β))。
在此，将坐标位置(x、y、z)及姿势(α、β)并称为“地点(position)”，而将表示单纯的三维坐标位置(x、y、z)称为“位置(location)”。
为了控制坐标测量机200及探针头500的动作，需要工件坐标系、探针坐标系以及机床坐标系等各种坐标系。
当需要明确区别坐标系的种类时，清楚记载其坐标系的种类，但是当不需要区别坐标系的种类或者当根据语境能够明确坐标系时，有时省略记载坐标系的种类。
关于主机计算机400对运动控制器300供应的指示，三维坐标位置作为工件坐标系的测定端503的坐标Twi被提供。
Twi＝(Twix、Twiy、Twiz)
在此，将现在位置Tws表示为Tws＝(Twsx、Twsy、Twsz)，将目标位置表示为Twe＝(Twex、Twey、Twez)(参照图6)。
另外，第一旋转机构部510及第二旋转机构部520的目标角度(α、β)在探针坐标系上被提供。
此外，将工件坐标系的位置(location)和探针坐标系的角度并称为地点Hi(Twix、Twiy、Twiz、αi、βi)，将现在地点称为Hs(Twsx、Twsy、Twsz、αs、βs)，将目标地点称为He(Twex、Twey、Twez、αe、βe)。
当设定下次目标地点He(Twex、Twey、Twez、αe、βe)时(ST100)，下面，运动控制器300以测定端503到达目标地点的方式生成控制各驱动轴的速度模式(ST110)。
参照图7的流程图说明生成速度模式的步骤(ST110)。
在ST111中，运动控制器300计划各驱动轴的速度模式。
该处理本身是现有方法。
现在，提供有现在地点Hs(Twsx、Twsy、Twsz、αs、βs)和目标地点He(Twex、Twey、Twez、αe、βe)。在从现在地点以初速为0的速度开始移动之后加速，在到达上限速度时转到定速，然后减速，在目标地点停止。作为生成这种速度模式的方法，已知各种方法(例如，日本申请专利2014-48095)。
在此，如图8至图12所示那样，假定计算出各驱动轴的速度模式。
图8、图9以及图10分别表示坐标测量机200的X驱动轴240的速度模式、Y驱动轴230的速度模式以及Z驱动轴250的速度模式(具体地说，图8、图9以及图10分别表示X滑动件241、Y滑动件231、Z主轴252的移动速度模式)。
例如，图8表示X驱动轴240的速度模式。
在从开始到时刻ta(X)加速之后到达上限速度，转到定速，然后在时刻te(X)停止。
在图8、图9以及图10中统一附图中的标记规则，省略冗长的说明。
当如图8(X驱动轴240)或图9(Y驱动轴230)的速度模式所示那样具有定速移动的区域时，将这种移动方式称为梯形方式。
当如图10(Z驱动轴250)所示的速度模式那样在到达上限速度之前开始减速，即，不具有定速移动的区域时，将这种移动方式称为三角方式。
与此同样，图11及图12分别表示探针头500的第一旋转机构部510、第二旋转机构部520的速度模式(具体地说，上述速度模式分别是第一马达512、第二马达522的旋转角速度)。
如图8至图12所示那样计算出各驱动轴的速度模式，然后进行使所有轴同步的处理。
在ST112中，通过对于te(X)至te(A2)进行比较，运动控制器300识别所需时间最长的驱动轴。
在此，假定X轴方向的移动距离最长，因此te(X)最长。并且，将所需时间te最长的驱动轴的参数设定为共同参数(ST113)。
作为共同参数，决定共同移动时间tec、共同移动方式、共同加速时间tac以及共同减速时间tdc。
在此，根据X驱动轴240的速度模式，共同移动时间tec为X驱动轴的移动时间te(X)，共同移动方式为梯形方式，共同加速时间tac为ta(X)，共同减速时间tdc为td(X)。
接着，在ST114中计算出各驱动轴的共同速度模式。
在所需时间最长的X驱动轴240的速度模式中使用原来的共同参数，因此不需要计算X驱动轴240的共同速度模式(图13)。
关于X驱动轴以外的各轴的速度模式，调整为使移动时间te、移动方式、加速时间ta以及减速时间td与共同参数一致(图14至图17)。
例如，以第二旋转机构部520为例子进行说明(图17)。
第二旋转机构部520的移动方式原来是三角方式，但将三角方式变成为梯形方式。另外，将加速时间ta(A2)调整为共同加速时间tac，将减速时间td(A2)调整为共同减速时间tdc，将移动时间te(A2)调整为共同移动时间tec。
注意，移动距离(旋转角)必须要同样地保存，以进行共同化之前的移动距离(旋转角)和进行共同化之后的移动距离(旋转角)相同的方式调整加速度的大小。
如此，获得通过共同参数使五个轴同步的速度模式(图13至图17)。
在生成通过共同参数使五个轴同步的速度模式(图7)之后回到图5，计算作为在每个控制周期的目标的插值点(ST120)。
就是说，当运动控制器300的一个控制周期为Δt时，计算出在每个控制周期的各驱动轴的目标点。
在此，将每个控制周期的目标点称为插值点。
将共同移动时间tec除以控制周期Δt时的商称为n。
n＝(tec/Δt)
通过五个驱动轴的速度模式的时间除以n并且依次加以一个控制周期Δt的增量，可以计算出插值点。
图18示意性地示出依次计算X驱动轴的插值点的情况。
在图18中使用((Vx(i-1)+Vxi)×Δt/2)计算出一个控制周期Δt的变位量ΔTwix，但是既可以使用Vx(i-1)×Δt计算，也可以使用Vi×Δt计算。另外，当速度模式为曲线时又可以更精细地计算(积分)出该变位量ΔTwix。
如此，计算出各驱动轴的插值点。
Hi(Twix、Twiy、Twiz、αi、βi)
在ST120中计算出插值点Hi(Twix、Twiy、Twiz、αi、βi)，而Twi(Twix、Twiy、Twiz)是作为工件坐标系的点所提供的。
为了进行坐标测量机200的驱动控制，必须要将上述工件坐标系的点变换为机床坐标系的指示。指示是作为工件坐标系的测定端503的坐标所提供的。在本实施方式中，将上述工件坐标系的坐标变换为机床坐标系的探针头500的旋转中心QM的坐标(ST130)。
另外，以QM表示机床坐标系的探针头500的旋转中心Q的位置，以Qw表示工件坐标系的探针头500的旋转中心Q的位置，以QP表示探针坐标系的探针头500的旋转中心Q的位置。
在此，说明变换式。
首先，说明如何表示对于探针坐标系的第一旋转角α以及第二旋转角β的旋转中心Qp。
在此，假定将探针坐标系的原点设定为测定端503(测定端503的中心)，将第一旋转角α＝第二旋转角β＝0时的旋转中心Q的坐标设定为Qp0(Qpx0、Qpy0、Qpz0)(参照图19)。并且，假定将第一旋转角为α且第二旋转角为β时的旋转中心Q的坐标表示为Qp(Qpx、Qpy、Qpz)(图20)。
此时，第一旋转角为α且第二旋转角为β时的旋转中心Qp的位置是将Qp0(Qpx0、Qpy0、Qpz0)绕着第一旋转轴旋转α且绕着第二旋转轴旋转β的位置(例如参照图20)。
[算式1]
Figure BDA0001563619420000121
例如，假定第一旋转角α＝第二旋转角β＝0时的旋转中心Q的坐标Qp0为(0、0、L)。
此时，任意的第一旋转角α且第二旋转角β时旋转中心Q的坐标Qp(Qpx、Qpy、Qpz)为如下；
[算式2]
Figure BDA0001563619420000131
计算出了插值点Hi(Twix、Twiy、Twiz、αi、βi)作为每个控制周期Δt的目标点。
需要计算出对应于各控制插值点Hi的旋转中心Qwi。
关于第一旋转角α及第二旋转角β，计算出了αi及βi作为每个控制周期的插值点。
通过使用每一次的第一旋转角αi及第二旋转角βi，计算出探针坐标系的旋转中心Qpi的插值点Qpi(Qpix、Qpiy、Qpiz)。
[算式3]
Figure BDA0001563619420000132
上述旋转中心Qpi(Qpix、Qpiy、Qpiz)的坐标是探针坐标系(以测定端503为原点的坐标系)的坐标，因此将该坐标变换为工件坐标系的坐标。
工件坐标系的旋转中心Qwi(Qwix、Qwiy、Qwiz)的坐标为如下坐标(参照图21)。
在此，假设在探针坐标系与工件坐标系之间只原点错开并且这两个坐标系的X轴、Y轴及Z轴分别互相平行。如果在探针坐标系与工件坐标系之间轴方向错开，还就需要旋转的要素。
Qwi＝Twi+Qpi
(Qwi、Twi、Qpi都是矢量)
将成分明确地表示为如下：
[算式4]
Figure BDA0001563619420000141
如此，计算出工件坐标系的旋转中心Qwi，然后变换为机床坐标系(参照图22)。以仿射变换MfW表示从工件坐标系到机床坐标系的变换。
QMi＝MfW·Qwi
(QMi、Qwi都是矢量)
从工件坐标系到机床坐标系的变换MfW是旋转移动和平行移动的合成，假设原点之间的错开为矢量Ow并且旋转矩阵为MCW，可以表示为如下：
QMi＝[MCW]Qwi+Ow
经过如上步骤可以计算出机床坐标系的控制用插值点QMi。
将计算出的控制用插值点QMi保存在存储器(未图示)中(ST140)，依次对存储在存储器中的控制用插值点QMi进行定位控制(ST150)。另外，计算出各驱动轴的现在地点与目标地点之间的差异，由根据该差异的驱动脉冲驱动各轴的马达。
当进行上述控制时，测定端503的移动轨迹为直线。
在此，回顾计算的意思进行说明。
当进行探针头500从现在地点Hs(Twsx、Twsy、Twsz、αs、βs)到目标地点He(Twex、Twey、Twez、αe、βe)的变位时，位置信息(location information)表示从现在位置Tws(Twsx、Twsy、Twsz)到目标位置Twe(Twex、Twey、Twez)的变位(参照图6)。
为了使探针头500进行从现在位置Tws(Twsx、Twsy、Twsz)到目标位置Twe(Twex、Twey、Twez)的变位，驱动坐标测量机200的X驱动轴240、Y驱动轴230以及Z驱动轴250。
此时，在本实施方式中，为生成速度模式(ST110)时，经过ST113决定共同参数，经过ST114得到使用共同参数的共同速度模式。
相比之下，当只考虑将测定端503的移动轨迹形成为直线时，需要通过共同参数使X驱动轴240、Y驱动轴230以及Z驱动轴250的速度模式共同化，而不需要使第一旋转机构部510及第二旋转机构部520的速度模式共同化。
后面说明也使第一旋转机构部510的速度模式及第二旋转机构部520的速度模式共同化的好处。
X驱动轴240、Y驱动轴230及Z驱动轴250通过共同速度模式同时开始移动，在相同时间内加速、减速，然后同时停止在目标位置。
如此，在合成使三个轴同步的动作时，生成从现在位置Tws(Twsx、Twsy、Twsz)到目标位置Twe(Twex、Twey、Twez)的直线路径(参照图6)。
并且，假设运动控制器300的一个控制周期为Δt，计算出每个控制周期的各驱动轴的插值点。
Hi(Twix、Twiy、Twiz、αi、βi)
在此，Ti(Twix、Twiy、Twiz)的轨迹为直线。并且，第i控制周期的第一旋转角αi及第二旋转角βi是作为(αi、βi)所提供的。另外，考虑每次的第一旋转角αi及第二旋转角βi，将测定端503的坐标Ti变换为探针头500的旋转中心的坐标Qi。通过将经过上述步骤计算出的控制用插值点QMi(QMix、QMiy、QMiz、αi、βi)设定为定位用目标点，在合成五个轴时，当然测定端503的轨迹为直线。
(当然，探针头500的旋转中心Q的轨迹不是直线而可能是曲线。)
如此，通过使用本实施方式，可以使测定端503的移动路径简化(具体地说成为直线)并且预测该移动路径，由此可以更简单地制作测定部分程序(包括工件的测定地方及测定路径等的测定控制程序)。并且，可以避免测定端503(或触针502)与工件的非意图的干涉。
(变形例1)
原来，坐标测量机200的移动机构220有可能实现三轴同步控制。
在此情况下，坐标测量机200的移动机构220的速度模式为将原来的X驱动轴240、Y驱动轴230以及Z驱动轴250的速度合成的合成速度Vsyn的速度模式。
在此情况下，不需要进行使X驱动轴240、Y驱动轴230以及Z驱动轴250的速度模式共同化的步骤(ST112至ST114)，而在计算出控制插值点时需要分别将移动机构220的该速度模式分解到X方向、Y方向以及Z方向。
在此，假定一个控制周期Δt的移动量ΔTsyni为((Vsyn(i-n)+Vsyn)/2)×Δt。
另外，假定从现在位置Tws(Twsx、Twsy、Twsz)到目标位置Twe(Twex、Twey、Twez)的直线移动的方向余弦为(I、J、K)。
此时，ΔTwxi＝I·ΔTsyni，ΔTwyi＝J·ΔTsyni，ΔTwzi＝K·ΔTsyni。
因此，控制用插值点Twix、Twiy、Twiz为如下：
Twix＝T w(i-1)x+ΔTwix＝T w(i-1)x+I·ΔTsyni
Twiy＝T w(i-1)y+ΔTwiy＝T w(i-1)y+J·ΔTsyni
Twiz＝T w(i-1)z+ΔTwiz＝T w(i-1)z+K·ΔTsyni
(变形例2)
在上述实施方式中，将作为测定端503的坐标值所提供的指示变换为探针头500的旋转中心Q的坐标值，将旋转中心Q设定为控制目标点。
另外，以测定端503的移动为基准计算出速度模式(ST111)。因此，没有保证进行变换处理后的旋转中心Q的速度在最大速度以内，旋转中心Q的速度可能会超过最大速度。在此情况下，需要考虑旋转中心Q的最大速度而以逆算方式修改测定端503的移动速度。
例如，旋转中心Q的轨迹的一部分或全部是曲线轨线，其加速度(离心力)可能会超过坐标测量机200的抗加速度(resistance to the acceleration)。因此，先计算出轨线(曲线)的每个部分的曲率半径r，然后根据各曲率半径r及此时的速度V计算出探针头500的旋转中心的加速度。如果该加速度超过坐标测量机200的抗加速度a，就需要以将最大速度VQmax限制为VQmax≤√(a·r)的方式再次计算测定端503的速度模式。
在此，重新说明不仅使X驱动轴230、Y驱动轴240以及Z驱动轴250而且使第一旋转机构部510及第二旋转机构部520的速度模式共同化的必要性。
如果只考虑将测定端503的移动轨迹形成为直线，则只需要使X驱动轴240、Y驱动轴240以及Z驱动轴250三个轴同步。但是，如果不使X驱动轴230、Y驱动轴240以及Z驱动轴250与第一旋转机构部510及第二旋转机构部520同步，旋转中心Q的轨线的曲率弯(曲率大)的可能性就会增高。
例如，假设使第一旋转机构部510及第二旋转机构部520的速度模式保持为图11、图12所示的速度模式而不进行共同化。
此时，可以推测旋转中心Q的轨线为如下：例如如图23所示那样，先为曲线的轨线CP1然后为直线LP1。
首先进行包括第一旋转机构部510以及第二旋转机构部520的旋转的坐标变换，因此旋转中心Q的轨线成为曲线CP1，然后，在第一旋转机构部510及第二旋转机构部520停止时，只驱动X驱动轴240、Y驱动轴230及Z驱动轴250而不使其旋转，因此旋转中心Q的轨线会只成为直线LP1。
如果旋转中心Q的轨线具有曲率大的曲线轨线或突然的转向，旋转中心Q的加速度就可能会超过坐标测量机200的抗加速度。
相比之下，只要如上述实施方式那样使五个轴同步，旋转中心Q的轨迹就总体来说成为缓慢的曲线(参照图21或图22)，旋转中心Q的加速度超过坐标测量机200的抗加速度的可能性低。由此，这不是单纯的数学解决方案的问题，而是从考虑实质上的坐标测量机200的驱动性能(例如抗加速度性能)的角度来看，优选对五个轴进行同步控制。
注意，本发明不局限于上述实施方式，并且可以在不脱离其宗旨的范围中进行适当修改。
在上述实施例中例示出测定端503的移动轨迹为直线的情况。
另外，例如如图24所示那样，可能会在测定端503的位置没有改变的情况下只想要改变探针头500的姿势。
如果简单地适用现有技术，就可以预测如下情况：最终测定端503回到相同位置，但是在其中途阶段随着第一旋转机构部510及第二旋转机构部520的旋转使测定端503(触针502)摆动得较大。
操作员由于没想到测定端503的移动，所以可能会没想到测定端503(或触针502)与工件干涉，但是实际上测定端503(触针502)移动得较大，因此测定端503(或触针502)与工件可能会干涉。
相比之下，通过适用本发明，可以在测定端503完全不移动的情况下只改变探针头500的姿势。
因此，可以避免测定端503(或触针502)与工件的非意图的干涉。
本发明的特征为如下：通过考虑第一旋转角αi及第二旋转角βi的变换式将作为测定端的坐标值所提供的指示变换为旋转中心Q的坐标，来将该旋转中心Q的坐标设定为控制用插值点Qi。
例如，操作员可以根据需要将测定端的移动轨迹设定为直线、任意的圆弧或折线等。
通过使用考虑当时的第一旋转角αi及第二旋转角βi的变换式计算出控制用插值点Qi，并以该控制用插值点Qi作为定位目标来使X、Y、Z驱动轴移动，能够使测定端的移动轨迹成为操作员所希望的移动轨迹。
参考引用
本申请基于并要求于2017年1月30日提交的第2017-014609号日本专利申请的优先权，其公开内容在此通过引用作为整体并入本文中。

Claims (7)

1.一种形状测定装置的控制方法，该形状测定装置包括：
探针头，该探针头包括顶端具有测定端的触针、绕着第一旋转轴旋转的第一驱动轴以及绕着垂直于所述第一旋转轴的第二旋转轴旋转的第二驱动轴，该探针头由所述第一驱动轴及所述第二驱动轴的旋转动作改变所述触针的姿势；以及
坐标测量机，该坐标测量机包括作为互相垂直的三个平移轴的第三驱动轴、第四驱动轴以及第五驱动轴，该坐标测量机使所述探针头的位置三维变位，
其中，通过所述第三驱动轴至所述第五驱动轴的坐标值(T3、T4、T5)来提供所述测定端的位置，
其中，通过所述第一驱动轴的第一旋转角α及所述第二驱动轴的第二旋转角β来提供所述探针头的姿势，
该控制方法包括如下步骤：
针对所述第一驱动轴至所述第五驱动轴的各驱动轴，在从现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的移动路径上计算出每个控制周期的插值点；
当将所述第一旋转轴与所述第二旋转轴的交点设定为旋转中心Q时，根据考虑所述第一驱动轴及所述第二驱动轴的插值点(αi、βi)的值的规定变换式将所述测定端的插值点的坐标值变换为所述旋转中心Q的坐标值，并将该旋转中心Q的坐标值设定为控制用插值点Qi；以及
在每个控制周期，以将所述第三驱动轴至所述第五驱动轴的位置控制到所述控制用插值点Qi的方式控制所述第三驱动轴至所述第五驱动轴的位置并且以将所述第一驱动轴及所述第二驱动轴的位置控制到所述第一驱动轴及所述第二驱动轴的插值点(αi、βi)的方式控制所述第一驱动轴及所述第二驱动轴的位置。
2.根据权利要求1所述的形状测定装置的控制方法，还包括如下步骤：
生成从所述现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到所述目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的所述第一驱动轴至所述第五驱动轴的各驱动轴的速度模式；以及
通过使针对所述第三驱动轴至所述第五驱动轴的各驱动轴生成的速度模式以共同的加减速时间及共同的所需时间来同步的方式，生成所述第三驱动轴至所述第五驱动轴的共同速度模式。
3.根据权利要求1所述的形状测定装置的控制方法，还包括如下步骤：
生成从所述现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到所述目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的所述第一驱动轴至所述第五驱动轴的各驱动轴的速度模式；以及
通过使针对所述第一驱动轴至所述第五驱动轴的各驱动轴生成的速度模式以共同的加减速时间及共同的所需时间来同步的方式，生成所述第一驱动轴至所述第五驱动轴的共同速度模式。
4.一种形状测定装置的控制方法，该形状测定装置包括：
探针头，该探针头包括顶端具有测定端的触针、绕着第一旋转轴旋转的第一驱动轴以及绕着垂直于所述第一旋转轴的第二旋转轴旋转的第二驱动轴，该探针头由所述第一驱动轴及所述第二驱动轴的旋转动作改变所述触针的姿势；以及
坐标测量机，该坐标测量机包括作为互相垂直的三个平移轴的第三驱动轴、第四驱动轴以及第五驱动轴，该坐标测量机使所述探针头的位置三维变位，
其中，通过所述第三驱动轴至所述第五驱动轴的坐标值(T3、T4、T5)来提供所述测定端的位置，
其中，通过所述第一驱动轴的第一旋转角α及所述第二驱动轴的第二旋转角β来提供所述探针头的姿势，
该控制方法包括如下步骤：
由操作员设定从现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的移动路径；
针对所述第一驱动轴至所述第五驱动轴的各驱动轴，在从现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的移动路径上计算出每个控制周期的插值点；
当将所述第一旋转轴与所述第二旋转轴的交点设定为旋转中心Q时，根据考虑所述第一驱动轴及所述第二驱动轴的插值点(αi、βi)的值的规定变换式将所述测定端的插值点的坐标值变换为所述旋转中心Q的坐标值，并将所述旋转中心Q的坐标值设定为控制用插值点Qi；以及
在每个控制周期，以将所述第三驱动轴至所述第五驱动轴的位置控制到所述控制用插值点Qi的方式控制所述第三驱动轴至所述第五驱动轴的位置并且以将所述第一驱动轴及所述第二驱动轴的位置控制到所述第一驱动轴及所述第二驱动轴的插值点(αi、βi)的方式控制所述第一驱动轴及所述第二驱动轴的位置。
5.根据权利要求4所述的形状测定装置的控制方法，其中，
从所述现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到所述目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的所述移动路径被设定为大致直线形的移动路径。
6.根据权利要求4所述的形状测定装置的控制方法，其中，
从所述现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到所述目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的所述移动路径被设定为大致折线形的移动路径。
7.根据权利要求4所述的形状测定装置的控制方法，其中，
从所述现在地点Hs(Ts3、Ts4、Ts5、αs、βs)到所述目标地点He(Te3、Te4、Te5、αe、βe)的所述移动路径被设定为大致弧形的移动路径。
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