CN109425320B - 表面纹理测量设备的控制方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种表面纹理测量设备的控制方法，该表面纹理测量设备配备有无法检测边缘部分以自动进行边缘检测并自动设置工件坐标系的探测器。因此，可以减少在设置坐标系时各个操作者的差异，并且提高坐标系设置的可作业性。利用探测器(260)沿预设的预备测量路径(PL)扫描待测面(S_w)。在发生当待测面(S_w)超出探测器(260)的追踪范围时引起的检测错误的情况下，将紧接在检测错误发生之前的测量值临时登记为临时边缘点。在沿着预备测量路径进行预定距离的后续扫描期间检测错误继续的情况下，将临时登记的临时边缘点设置为边缘点。

Description

表面纹理测量设备的控制方法

技术领域

本发明涉及一种表面纹理测量设备的控制方法。本发明涉及一种例如通过扫描工件(待测物体)的表面来测量该待测物体的表面的形状和表面粗糙度等的表面纹理测量设备的控制方法。更具体地，本发明涉及表面纹理测量设备的边缘检测功能，并且进一步涉及基于边缘检测功能的工件识别功能(工件坐标系设置功能)。

背景技术

作为用于检测工件的传感器，例如存在接触式探测器。这些传感器各自沿着工件的法线方向接近待测物体的表面，并检测工件表面在法线上的位置(坐标)。在本说明书中，用于将工件检测为“点”的这种传感器(探测器)被称为点传感器。通过利用点传感器扫描工件的表面，详细地获取到扫描线上的工件的表面的形状、粗糙度和不平度等。

为了通过形状测量设备来测量工件，需要将传感器设置在测量开始点处。可以由操作者在视觉上手动地将传感器设置在测量开始点处，但是这引起如下问题：测量开始点根据各个操作者和每次测量而发生改变。由于这个原因，使用一些方法将传感器定位在测量开始点处。

作为第一种方法，形状测量设备配备有图像传感器。在这种情况下，通过进行工件的图像测量，图像传感预备获取到工件的图像。通过图像识别技术来识别工件的形状，并自动设置工件坐标系。然后，在工件的图像中自动识别测量开始点，并且将点传感器移动到测量开始点以开始测量。因此，进行操作者所期望的测量，并获取到期望的测量结果。

然而，需要相当大的成本来配备具有图像传感器和图像识别功能的形状测量设备。

作为第二种方法，形状测量设备利用点传感器来预备测量工件，并自动设置工件坐标系(例如，JP4041372B和JP4359485B)。例如，在图1中，假设期望通过扫描测量来测量工件W的表面纹理(表面的粗糙度和不平度)。进一步假设将在扫描测量中要扫描的测量线ML预设在测量部件程序中。在这种情况下，在测量部件程序中，基于例如工件的设计CAD数据来定义工件坐标系，并且在工件坐标系中指定测量线ML。

在图1中，前侧的第一边缘Ed1是工件坐标系的Xw轴，并且与第一边缘 Ed1(Xw轴)相交的第二边缘Ed2是工件坐标系的Yw轴。Xw轴和Yw轴的交点是工件坐标系的原点Ow。在工件坐标系中设置测量开始点、测量线ML(或点传感器的行进方向)和测量结束点等。(为了便于表达，图1示出边缘相对于坐标轴略微偏移。) 。

为了进行实际测量，每次将工件W放置在形状测量设备上时，操作者都可以在视觉上手动地设置工件坐标系，而形状测量设备自动识别工件的边缘并自动设置工件坐标系。例如，在JP4041372B和JP4359485B中，为了预备检测边缘部分，如图2所示，点传感器在与边缘相交的方向上扫描若干次。

在图2的示例中，点传感器在与前侧的第一边缘Ed1相交的方向上扫描四次(PL₁₁至PL₁₄)，并且在与第二边缘相交的方向上进一步扫描四次(PL₁₅至 PL₁₈)。在沿预备测量线PL₁₁至PL₁₄的扫描期间，存在测量值突然变化的点。在假设这些变化点是CP₁₁至CP₁₄的情况下，直线SL1由连接变化点CP₁₁至CP₁₄的线来限定。同样，在沿预备测量线PL₁₅至PL₁₈的扫描期间，存在测量值突然变化的点。在假设这些变化点是CP₁₅至CP₁₈的情况下，直线SL2由连接变化点CP₁₅至CP₁₈的线来限定。

通过计算直线SL1和直线SL2的交点，获取工件坐标系的原点Ow。然后，直线SL1是工件坐标系的Xw轴，并且直线SL2是工件坐标系的Yw轴。与Xw 轴和Yw轴正交的方向是Zw轴。(为了便于表达，图2示出边缘相对于坐标轴略微偏移。) 。

以这种方式，形状测量设备自动进行工件的预备测量并设置工件坐标系，因此可以测量由测量部件程序指定的待测部分(例如，测量线ML)。

注意，如JP4041372B和JP4359485B中公开的探测器难以检测边缘。对“检测值”(测量值)进行包括多个步骤的形状分析，以检测诸如边缘等的特征部分 (JP4041372B和JP4359485B)。

发明内容

作为点传感器，例如存在彩色点传感器(CPS)。(彩色点传感器有时被称为共焦显微镜。)CPS使用测量光来调整焦点，并且具有极高波长级的分辨率。此外，由于CPS是非接触式传感器，因此测量压力为零，并且待测物体的刚性无关紧要。

CPS是具有许多优点的卓越的点传感器，但是存在测量轴仅为1个并且测量范围极短的问题。例如，在使用CPS来检测边缘的情况下，CPS在跨过边缘的时刻超过其范围，并且发生检测错误。因此，配备有CPS的形状测量设备不能自动检测工件的边缘，因此不能利用简单的操作来自动设置工件坐标系。操作者没有选择，而只能每次使用例如夹具来将工件放置在相同位置，或者在视觉上手动地设置工件坐标系。然而，任一选择都需要很长时间，并且测量结果会改变。

除了CPS之外，仅具有一个测量轴和极短测量范围的接触式或非接触式探测器具有不能进行边缘检测的共同问题。在非接触式传感器的情况下，如果传感器具有足够长的测量范围，则存在用于光学传感器、静电电容传感器和磁传感器等的各种检测方法。各种检测方法具有其特征，并且一些材料或表面纹理不适合于每种方法。因此，不能检测工件的边缘部分，并且可能发生错误。

本发明的目的是提供一种表面纹理测量设备的控制方法，该表面纹理测量设备配备有无法检测边缘部分以自动进行边缘检测并自动设置工件坐标系的探测器。

因此，可以减少各个操作者在设置坐标系时的差异，并且可以提高坐标系设置的可作业性。

根据本发明实施例的表面纹理测量设备的控制方法是一种表面纹理测量设备的控制方法，所述表面纹理测量设备用于利用接触式或非接触式的探测器来扫描待测物体的表面并测量所述待测物体的表面的形状，所述控制方法包括：利用所述探测器沿预设的预备测量路径来扫描所述待测物体的表面；在发生所述探测器的检测错误的情况下，将紧接在发生所述检测错误之前的测量值临时登记为临时边缘点；以及在沿着所述预备测量路径进行预定距离的后续扫描期间所述检测错误继续发生的情况下，将临时登记的临时边缘点设置为边缘点。

在本发明的实施例中，优选地，所述预备测量路径被设置成在机器坐标系中从虚拟设置的虚拟待测物体的虚拟待测面延伸，并且在跨越虚拟边缘之后进一步直线延伸。

根据本发明实施例的表面纹理测量设备的控制方法是一种表面纹理测量设备的控制方法，所述表面纹理测量设备用于利用接触式或非接触式的探测器扫描待测物体的表面并测量所述待测物体的表面的形状，所述控制方法包括：将预备测量路径预设成从所述待测物体外侧朝向所述待测物体延伸；在所述探测器在所述待测物体外侧沿着所述预备测量路径扫描期间输出检测错误；在所述探测器到达所述待测物体的边缘的情况下获取测量值；以及将由于所述检测错误而不能获取到测量值的状态改变为能够获取到测量值的状态的点设置为边缘点。

在本发明的一个实施例中，优选地，所述探测器是彩色点传感器。

附图说明

图1是示意性示出对待测物体进行扫描测量的图；

图2是示意性示出对待测物体进行预备测量的图；

图3是示意性示出表面纹理测量设备的图；

图4是示意性示出利用彩色点传感器来扫描待测物体的表面的图；

图5是示意性示出利用彩色点传感器来扫描待测物体的表面的图；

图6是主机计算机的功能框图；

图7是用于说明原点设置方法的流程图；

图8是用于说明预备测量路径的设置的图；

图9是用于说明预备测量路径的设置的图；

图10是用于说明预备测量路径的设置的图；

图11是示出将待测物体放置在移动台上的图；

图12是用于说明原点设置方法的流程图；

图13是用于说明原点设置方法的流程图；

图14是用于说明预备测量的动作的示意图；

图15是用于说明原点设置方法的流程图；

图16是示出具有孔的待测物体的图；

图17是用于说明变形例的图；以及，

图18是用于说明变形例的流程图。

具体实施方式

参考分配给附图中的元件的附图标记来示出并描述本发明的示例性实施例。

(第一示例性实施例)

图3是示出根据第一示例性实施例的表面纹理测量设备100的图。

表面纹理测量设备100包括坐标测量机200和控制计算机单元300。控制计算机单元300控制坐标测量机200的驱动并进行必要的数据处理。

坐标测量机200大致按照如下配置。

在控制台210上，安装放置有作为待测物体的工件W的移动台220。移动台220由Y轴驱动机构(未示出)沿Y轴方向驱动。在控制台210的后端，固定有向上延伸的框架230。未示出的X轴驱动机构和Z轴驱动机构设置在从框架 230的上部朝向前面突出的盖240内。X轴驱动机构和Z轴驱动机构支撑彩色点传感器(CPS)260。Z轴驱动机构包括Z轴柱和设置在Z轴柱内的Z轴250，以向上和向下移动。CPS 260设置在Z轴250的下部，以从上方面对移动台220。

将作为待测物体的工件W放置在移动台220上。

设置在盖240内的X轴驱动机构和Z轴驱动机构以及移动台220的Y轴驱动机构构成了移动机构。移动机构的结构仅需要使CPS 260和工件W相对于彼此三维地移动，并且不限于上述结构。例如，固定台以三维移动的方式支撑CPS 260，反之亦然。

CPS 260利用白色光(测量光)照射待测物体，并使用反射光的轴向色像差来高精度且快速地调整焦点。如果要检测的物体不在光轴上，则CPS不能检测到物体，并且这意味着光轴是测量轴线(检测轴线)。CPS 260的追踪范围最长约6mm(±3mm)，并且最短约0.25mm(±0.125mm)。

例如，如图4所示，通过CPS 260来扫描工件的表面。

此时，通过移动机构(Z轴驱动机构)来调整CPS 260的高度以调整焦点。此时CPS260的高度位置的变化对应于工件W的表面的形状(参见图5)。

控制计算机单元300包括主机计算机400和输入/输出部件。作为输入/输出部件，设置有显示器311、键盘312、鼠标313和打印机314。显示器311可以是触摸面板。

图6是主机计算机400的功能框图。

主机计算机400是包括CPU和存储器的计算机。主机计算机400根据作为控制程序的测量部件程序410的指令来控制坐标测量机200的驱动。在测量部件程序410中，已经将基于例如待测物体的设计CAD数据如何进行测量(即，以什么顺序扫描工件的哪些部分)设置为测量程序。此时，工件是位置指定的基准，并且基于工件坐标系来指定测量程序。另外，已经设置了用于自动设置工件坐标系的预备测量程序411，但是这将在后面参考流程图进行描述。

主机计算机400还包括驱动控制器420和形状分析器430。驱动控制器420 包括移动机构控制器421和聚焦判断器422。移动机构控制器421控制坐标测量机200的移动机构的驱动。聚焦判断器422进行CPS 260的聚焦判断。移动机构控制器421根据测量部件程序410中预设的移动指令来指示移动机构移动。

移动机构控制器421根据聚焦判断器422的聚焦判断来精细地调整移动机构(尤其是Z轴驱动机构)，使得CPS 260与工件表面之间的距离是焦距。聚焦判断器422包括聚焦判断所需的计算处理器(例如，S形信号(聚焦信号)计算器)，并且具有聚焦判断阈值。此外，在聚焦判断器422中设置了用于判断是否获得调整焦点所需的光量的光量阈值。聚焦判断器422将测量光未达到光量阈值的状态判断为“检测错误”。

形状分析器430处理由坐标测量机200获取到的测量数据，以进行对工件 W的形状分析等。

(动作说明)

参考图7、12、13和15的流程图来描述原点设置方法。通过执行预备测量程序411来进行自动原点设置。预备测量程序411执行图12、13和15的流程图的步骤。在执行之前，操作者需要在测量部件程序410中设置预备测量路径(图7中的ST110)。

例如，如图8中的虚线所示，假设工件W具有平板形状。在假设工件W 放置在移动台220的大致中心的情况下，基于工件W的设计CAD数据来粗略地确定移动台220上的待测面S_W的位置。虚拟地放置在移动台220上的工件W 被称为“虚拟待测物体IW”，并且“虚拟待测物体”的待测面S_W被称为“虚拟待测面IS_W”。虚拟待测面的边缘被称为“虚拟边缘IEd”。

操作者在机器坐标系中以跨越虚拟待测物体IW的虚拟边缘IEd的方式设置多个预备测量路径PL。这里，假设操作者在跨越前侧的第一虚拟边缘IEd1 的方向上设置四个预备测量路径PL，并且进一步在跨越与第一虚拟边缘IEd1 相交的第二虚拟边缘IEd2的方向上设置三个预备测量路径PL。

为了设置预备测量路径PL，设置从虚拟待测面IS_W上的点朝向虚拟边缘 IEd延伸的路径。然后，如图9所示，将预备测量路径PL设置成在跨越虚拟待测面ISw的虚拟边缘IEd之后进一步直线延伸。换句话说，没有必要如图10 所示将路径设置成沿着待测物体的形状在虚拟边缘处转弯。

在设置了预备测量路径(ST110)之后，如图11所示，将工件W实际放置在移动台220上(ST120)。此时，尽管实际工件W相对于“虚拟待测物体IW”的位置略微偏移并且略微转动是自然的，但只要预备测量路径PL跨越工件W的边缘Ed，则这无关紧要。在该状态下，操作者选择自动原点设置模式，并且表面纹理测量设备100执行预备测量程序411以进行自动原点设置(ST200)。

参考图12、13和15的流程图来描述自动原点设置的动作。首先，在ST210 中读取预备测量路径PL。存在所设置的多个预备测量路径PL。这里，假设逐一顺次地读取预备测量路径。

接着，获取预备测量路径PL上的边缘点的坐标(ST220)。参考图13和15 的流程图来描述用于获取边缘点的坐标的动作。

表面纹理测量设备100将CPS 260移动到预备测量路径PL的开始点，并且沿着预备测量路径PL从开始点起开始扫描。在光量足够并且没有发生检测错误的情况下(ST222：否)，动作与普通测量的动作相同。调整CPS 260的高度以基于聚焦信号来调整焦点(ST223)，并且以焦点被调整的高度对测量值 (xm，ym，zm)进行采样(ST224)。例如，用于测量从图14中的点PP₁到点PP₂的工件的待测面S_W的动作等同于普通扫描测量。

然而，在CPS 260通过作为边缘位置的点PP₂的时刻，反射光不会返回到 CPS 260。然后，由于光量不足，因此发生检测错误(ST222：是)。在发生了检测错误的情况下(ST222：是)，处理进入图15的流程图，并且将前次采样值(xm，ym，zm)登记为临时边缘点(ST225)。

随后，在检测错误继续发生的状态下，对剩余的预备测量路径PL进行扫描(ST226)。这里，例示了用于在检测错误继续发生的状态下沿预备测量路径PL进行“扫描”的方法。例如，在由于光量不足而发生检测错误的情况下，调整CPS 260的高度位置，以在所设置的预备测量路径上虚拟地调整焦点(参见图14)。在这种状态下，沿着预备测量路径进行针对每个采样间距的扫描。 (当然，由于未调整焦点，因此不能获取到“测量值”，并且仅输出检测错误信号。) 。

在扫描剩余的预备测量路径PL时检测错误继续发生的情况下(ST227：是)，并且在由于未调整焦点而无法在剩余路径中采样测量值的情况下，这意味着CPS 260在点PP₂之后已经通过边缘。因此，ST225中临时登记的临时边缘点是预备测量路径PL上的边缘的坐标。登记为临时边缘点的坐标被设置为边缘点(ST228)。

以这种方式，已经获取到预备测量路径PL上的边缘点，对所设置的所有预备测量路径PL进行从ST221到ST228的步骤(图12中的ST230)，并且获取到所有预备测量路径PL的各个边缘点(图12中的ST220)。在获取到所有边缘点的情况下，通过形状分析器430来进行形状分析(ST240)。因此，确定Xw轴、 Yw轴和Zw轴，并且将坐标轴的交点设置为工件坐标系的原点以设置工件坐标系(ST250)。

如上所述，根据本示例性实施例，可以在使用具有极短追踪范围的传感器探测器的情况下自动设置工件坐标系和工件坐标系的原点。

(补充说明)

在发生检测错误的情况下(图13中的ST222：是)，此时可以假设“已获取到边缘点”。然而，在本示例性实施例中，尽管检测错误继续发生，但是在从图15中的ST225到ST228中扫描剩余的预备测量路径。然后，在由于光量不足引起的检测错误在剩余路径中继续的情况下(ST227：是)，将临时登记的临时边缘点登记为边缘点(ST228)。

这是因为，例如孔的边不会被误认为是工件的边缘。例如，如图16所示，工件W可以在外边缘附近具有孔12。可以将预备测量路径PL设置成避开孔 12，但是当工件W放置在移动台220上时(图11)，实际工件相对于“虚拟待测物体”的位置略微偏移并略微转动，并且预备测量路径不能避开通过孔12。由于这个原因，在发生检测错误之后(ST222：是)，在检测错误继续发生的状态下进行扫描、直到预备测量路径PL的结束为止，并且获取紧接在检测错误之前的前次采样值作为边缘点。

(变形例1)

在第一示例性实施例中，预备测量路径PL被设置为连接开始点和结束点的线。作为变形例1，可以利用开始点PP_s的坐标和方向矢量V_d来设置预备测量路径PL(图17)。在这种情况下，优选设置用于边缘检测的长度阈值Lt。换句话说，在发生检测错误之后(图13中的ST222：是)，当在扫描长度阈值Lt 的距离之后检测错误继续发生时，将临时登记的临时边缘点实际登记为边缘点。

参考图18中的流程图。

当CPS 260通过边缘或孔的边时，由于光量不足而发生检测错误(图13中的ST222)，并且使用检测错误作为触发来将紧接在检测错误之前的采样值登记为临时边缘点(图18中的ST325)。随后，在检测错误继续发生的状态下，根据预备测量路径PL的方向矢量Vd来将CPS 260移动采样间距(ST326)。在根据方向矢量Vd将CPS 260移动了预定长度阈值Lt的距离之后检测错误继续的情况下(ST327：是)，将登记为临时边缘点的坐标设置为边缘点(ST329)。

另一方面，在检测错误没有继续的情况下(ST327：否)，并且在利用聚焦信号调整了焦点的情况下，这意味着错误不表示边缘(例如，错误表示孔)，处理返回到第一步骤(图13中的ST221)以重复这些步骤。

注意，本发明不限于上述示例性实施例，并且可以在不脱离范围的情况下进行改变。

CPS被例示为点传感器，但是例如可以使用接触式触针。只要诸如探测器等的传感器仅具有一个测量轴和极短的追踪范围(例如，约±3mm或约±0.3mm)，则这种传感器就具有本发明的共同问题，并且可以利用本发明来解决该问题。不用说，本发明不仅可广泛应用于探测器传感器，而且还可广泛应用于不能适当地进行边缘检测的情况。

在以上描述中，例示了在可获取到测量值的状态改变为发生检测错误 (图13中的ST222：是)并且不能获取到测量值的状态的点处设置边缘点(图15 中的ST225或图18中的ST325)。

相反，可以将发生检测错误并且不能获取到测量值的状态改变为可获取到测量数据的状态的点识别为边缘点。在这种情况下，预备测量路径PL已被设置成从工件外部朝向工件延伸。然后，当探测器(例如，CPS 260)沿着预备测量路径PL扫描工件外部时，发生检测错误，但是当探测器到达工件的边缘时，获取到测量值。因此，可以将由于检测错误而不能获取到测量点的状态改变为可获取到测量数据的状态的点设置为边缘点。

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2017年9月5日提交的日本专利申请2017-170153的优先权，其公开内容通过引用而全文并入于此。

Claims (4)

1.一种表面纹理测量设备的控制方法，所述表面纹理测量设备用于利用接触式或非接触式的探测器来扫描待测物体的表面并测量所述待测物体的表面的形状，所述控制方法包括：

利用所述探测器沿预设的预备测量路径来扫描所述待测物体的表面；

在沿着所述预备测量路径扫描所述待测物体的表面期间，在发生所述探测器的检测错误的情况下，将紧接在发生所述检测错误之前的测量值临时登记为临时边缘点；以及

在沿着所述预备测量路径进行预定距离的后续扫描期间所述检测错误继续发生的情况下，将临时登记的临时边缘点设置为边缘点，

在所述待测物体的表面超过所述探测器的测量范围时，发生所述检测错误。

2.根据权利要求1所述的表面纹理测量设备的控制方法，其中，所述预备测量路径被设置成在机器坐标系中从虚拟设置的虚拟待测物体的虚拟待测面延伸，并且在跨越虚拟边缘之后进一步直线延伸。

3.根据权利要求1所述的表面纹理测量设备的控制方法，其中，所述探测器是彩色点传感器。

4.一种表面纹理测量设备的控制方法，所述表面纹理测量设备用于利用接触式或非接触式的探测器扫描待测物体的表面并测量所述待测物体的表面的形状，所述控制方法包括：

将预备测量路径预设成从所述待测物体外侧朝向所述待测物体延伸；

在所述探测器在所述待测物体外侧沿着所述预备测量路径扫描期间输出检测错误；

在所述探测器在所述待测物体外侧沿着所述预备测量路径扫描期间，在所述探测器到达所述待测物体的边缘的情况下获取测量值；以及

将由于所述检测错误而不能获取到测量值的状态改变为能够获取到测量值的状态的点设置为边缘点，

在所述待测物体的表面超过所述探测器的测量范围时，发生所述检测错误。

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