CN116086272A - 形状测量设备的控制方法和记录存储器 - Google Patents

形状测量设备的控制方法和记录存储器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种形状测量设备的控制方法和记录存储器，控制方法在无需CAD系统或高性能PC的情况下进行标称扫描测量。该控制方法包括：使用户从预先准备的几何形状菜单中选择被测物的形状；使用户根据所选择的几何形状来输入用以指定该几何形状的参数；从预先准备的测量路径菜单中选择测量路径；使用户根据所选择的测量路径来输入用以指定该测量路径的参数；基于所选择的几何形状、所输入的几何形状的参数、所选择的测量路径和所输入的测量路径的参数，使用预先准备的计算公式来计算工件上的测量点和各测量点的法线方向；以及计算在扫描测量点的序列的情况下进行移动所用的扫描测量的路径，并且以扫描所述扫描测量的路径的方式进行所述扫描测量。

Description

形状测量设备的控制方法和记录存储器
(本申请是申请日为2016年6月2日、申请号为2016103882987、发明名称为“形状测量设备的控制方法”的申请的分案申请。)
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情况下移动触针头来测量该被测物的形状的形状测量设备(例如，JP 2008-241420A、JP 2013-238573A和JP2014-21004A)。
为了进行扫描测量，需要生成扫描测量的路径。
JP 2008-241420A中所公开的装置将基于CAD数据的设计数据(例如，非均匀有理B样条(NURBS)数据)转换成一组预定次数的多项式曲线。
从外部CAD系统等接收包括路径信息的CAD数据(例如，NURBS数据)，并且将CAD数据转换成一组点的数据。各点的数据是坐标(x，y，z)和法线方向(P，Q，R)的组合数据(即，该数据表示为(x，y，z，P，Q，R))。
在本说明书中，将具有(x，y，z，P，Q，R)的信息的数据称为轮廓点数据。
接着，各点的坐标在法线方向偏移了预定量(该预定量具体为触针头半径r-偏差量Ep)。将以这种方式所计算出的一组点的数据称为“偏移轮廓点数据”。
然后，将该偏移轮廓点数据转换成一组预定次数的多项式曲线。
这里，假设该多项式是三次函数，并且这些曲线是三次参数曲线(PCC)。
基于该PCC曲线，生成用于测量工件的路径。
此外，将PCC曲线分割成一组分割后的PCC曲线。根据该组分割后的PCC曲线来计算速度曲线，然后计算探测器的移动速度(移动矢量)(例如，基于该组分割后的PCC曲线的各段的曲率等来设置探测器的移动速度(移动矢量))。
根据以上述方式计算出的移动速度来移动该探测器，并且在扫描被测物的表面的情况下移动触针头(被动标称扫描测量：注意，本说明书中的术语“标称”表示沿着基于对象的设计数据而预先计算出的预定轨迹的扫描)。
此外，已知有如下方法：通过连续计算偏差校正矢量以使探测器的偏差量变为恒定，在校正轨迹的情况下进行扫描测量(JP 2013-238573A)。
在本说明书中，将这种扫描称为“主动标称扫描测量”。
此外，已经有如下方法：无需使用设计数据，在生成轨迹的情况下进行扫描测量(自主扫描测量，例如JP 5089428B)。
如上所述，存在被动标称扫描测量、主动标称扫描测量和自主扫描测量这三种测量方法，并且各种测量方法具有优点和缺点。
例如，尽管可以通过自主扫描测量来测量全部工件，但自主扫描测量需要花费较长时间。
例如，自主扫描测量中探测器的移动速度约为10mm/sec(毫米/秒)～15mm/sec，并且标称扫描测量中探测器的移动速度约为50mm/sec～100mm/sec。因而，与标称扫描测量相比，自主扫描测量预期花费约10倍长的时间。
发明内容
标称扫描测量具有优良的测量效率，但需要相当高性能的计算机(图形工作台)来进行诸如将CAD数据等转换成PCC曲线等的处理。如果用户频繁使用用于测量具有复杂形状的多个工件的坐标测量机，则该用户可能要投资昂贵的计算机(图形工作台)。
然而，另一方面，存在来自偶尔需要简单地测量诸如试验品或特殊订制品等的特定对象的用户的需求。
因而，少量用户期望在无需CAD数据或高性能PC的情况下容易地使用标称扫描测量。
在本发明的实施例中，一种形状测量设备的控制方法，所述形状测量设备包括前端具有触针头的探测器和用以移动所述探测器的移动机构，并且所述形状测量设备通过检测所述触针头与工件的表面之间的接触来测量工件的形状，所述控制方法包括以下步骤：
使用户从预先准备的几何形状菜单中选择被测物的形状；
使用户从预先准备的测量路径菜单中选择测量路径；
基于所选择的几何形状和所选择的测量路径，使用预先准备的计算公式来计算工件上的测量点和各测量点的法线方向；以及
计算在扫描测量点的序列的情况下进行移动所用的扫描测量的路径，并且以扫描所述扫描测量的路径的方式进行所述扫描测量。
在本发明的实施例中，优选地，所述控制方法还包括以下步骤：
使用户根据所选择的几何形状来输入用以指定该几何形状的参数；
使用户根据所选择的测量路径来输入用以指定该测量路径的参数；以及
基于所选择的几何形状、所输入的几何形状的参数、所选择的测量路径和所输入的测量路径的参数，使用预先准备的计算公式来计算工件上的测量点和各测量点的法线方向。
在本发明的实施例中，优选地，所述几何形状菜单至少包括球体、柱体、锥体和平面。
在本发明的实施例中，优选地，所述测量路径菜单至少包括螺旋和正弦曲线。
在本发明的实施例中，一种形状测量设备的控制程序，用于使计算机执行形状测量设备的控制方法。
附图说明
图1是示出形状测量系统的整体结构的图；
图2是运动控制器和主机计算机的功能框图；
图3是示出简化标称扫描测量部件程序的功能结构的图；
图4是用于说明简化标称扫描测量的操作的整体流程图；
图5是示出准备步骤(ST100)的过程的流程图；
图6是示出选择输入步骤(ST200)的过程的流程图；
图7是例示选择菜单的图；
图8是例示选择菜单的图；
图9是例示输入画面的图；
图10是例示选择菜单的图；
图11是例示输入画面的图；
图12是例示球面坐标的图；
图13是示出利用螺旋路径对球形工件进行扫描测量的图；
图14是例示输入画面的图；以及
图15是利用正弦曲线路径对球形工件进行扫描测量的图。
具体实施方式
本发明的概要
已经说明了例如存在来自偶尔需要简单地测量诸如试验品或特殊订制品等的特定对象的用户的需求。
通过分析这些需求，要测量的点是诸如平面的一部分、球体的一部分、圆柱体的一部分或圆锥体的一部分等的几何形状，或者大部分可以利用几何形状来替代。
因而，为了进行标称扫描测量，代替CAD数据，预先准备使用近似函数的标称扫描测量所用的菜单。因此，可以在无需CAD数据或高性能计算机(图形工作台)的情况下满足来自少量用户的需求。
将参考分配给附图中的元件的附图标记来示出并说明本发明的实施例。
第一典型实施例
图1是示出形状测量系统100的整体结构的图。
形状测量系统100的基本结构是已知的，而将进行简要地说明。
形状测量系统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并执行必要的数据处理的主机计算机500。
坐标测量机200包括基台210、移动机构220和探测器230。
移动机构220包括门型Y滑动器221、X滑动器222、Z轴柱体223和Z主轴224。Y滑动器221在Y方向上可滑动地设置于基台210上。X滑动器222在X方向上沿着Y滑动器221的梁滑动。Z轴柱体223固定于X滑动器222。Z主轴224在Z轴柱体223的内部沿Z方向上下移动。
驱动马达(未示出)和编码器(未示出)固定于Y滑动器221、X滑动器222和Z主轴224中的每一个上。
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滑动器221、X滑动器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)具有触针头232。支撑部233支撑触针231的基端侧(+Z轴方向侧)。
触针头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，即在使触针头232与被测物相接触的情况下，支撑部233支撑触针231以使得触针231能够在特定范围内在X、Y和Z轴方向上移动。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)。
该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2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、路径计算单元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器的移位量，并且通过对从各探测器传感器输出的检测信号进行计数来测量探测器230(触针231)的移位量。
通过所测量出的滑动器和探测器230的移位，来获得触针头232的坐标位置PP(以下称为探测器位置PP)。此外，通过计数器320所测量出的触针231的移位(探测器传感器的检测值(Px，Py，Pz))，来获得触针头232的偏差量(矢量Ep的绝对值)。
路径计算单元330计算利用探测器230(触针头232)测量被测物的表面所用的探测器230的移动路径，并计算沿着该移动路径的速度成分矢量(路径速度矢量)。
路径计算单元330包括用以根据测量方法(测量模式)来计算路径的功能单元。具体地，存在被动标称扫描测量、主动标称扫描测量、自主扫描测量和点测量这四种方法。
以下将根据需要来说明这些测量方法。
驱动控制单元340基于路径计算单元330所计算出的移动矢量来控制各滑动器的驱动。
注意，将手动控制器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器的驱动。
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，并且通过运动控制器300来控制坐标测量机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存储通过测量所获得的测量数据、以及用以控制整个测量操作的测量控制程序。
在本典型实施例中，包括简化标称扫描测量所用的部件程序作为控制程序的一部分。
如图3所示，将简化标称扫描测量所用的部件程序大致分割成两个功能单元。一个是几何形状选择单元，而另一个是路径图案选择单元。
以下将说明选择单元所控制的操作的示例。
简化标称扫描测量所用的部件程序每次重复时过于冗长，并且被称为“简化测量部件程序”。
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的表面形状数据，并且进行形状分析以对所计算出的被测物的表面形状数据的误差或失真进行计算。
形状分析单元530还进行诸如将所输入的进行简化标称扫描测量所用的各种参数转换成PCC曲线等的运算处理。
CPU 511执行测量控制程序，从而实现本典型实施例的测量操作。
根据需要，将输出装置(显示器或者打印机)和输入装置(键盘或者鼠标)连接至主机计算机500。
测量操作的说明
将说明本典型实施例的测量操作。
本典型实施例是用来在无需设计数据的情况下进行被称为“简化标称扫描测量”的标称扫描测量。
按顺序说明图4所示的本典型实施例的过程。
图4是用于说明简化标称扫描测量的操作的流程图。
注意，最终目的是利用图13所示的螺旋路径对球体表面进行扫描测量。
首先，进行扫描测量所需的准备(准备步骤ST100)。
通过主机计算机500来进行准备步骤(ST100)。
图5示出准备步骤(ST100)的过程。
作为准备步骤(ST100)，首先，进行用于使得用户选择或输入必要信息的选择输入步骤(ST200)。
图6中详细示出选择输入步骤(ST200)。
作为选择输入步骤(ST200)，由用户选择测量方法(ST210)。例如，将图7所示的选择菜单展现给用户。
测量方法的菜单包括被动标称扫描测量、主动标称扫描测量、自主扫描测量和点测量，并且还包括本典型实施例中的“简化标称扫描测量”。
这里，假设用户选择“简化标称扫描测量”(ST220：是)。
由于选择了“简化标称扫描测量”，因此简化测量部件程序使用户从所所准备的几何形状菜单中选择测量点的形状(ST230)。
例如，将图8所示的选择菜单展现给用户。
在本说明书中，形状菜单包括球体、圆柱体、圆锥体和平面。另外，可以包括棱柱(多面棱柱)和角锥体(多面角锥体)。此外，选择要测量的形状是内表面还是外表面。
这里，假设选择了“球体”和“外表面”。
在选择了几何形状的情况下，请求用户输入用于指定所选择的几何形状的详情所需的参数(ST240)。
这里，选择了球体，并且展现了用以例如在图9所示的输入画面中输入中心坐标(x，y，z)和半径r的画面。因而，获得被测物的几何形状。
接着，简化测量部件程序使用户选择测量路径的图案。
简化测量部件程序使用户从所准备的测量路径菜单中选择测量路径(ST250)。
例如，将图10所示的测量路径菜单展现给用户。这里，路径菜单包括固定高度、螺旋和正弦曲线。
该固定高度表示z-坐标是固定的，路径菜单除此之外可以包括固定x-坐标和固定y-坐标，并且可以使用户输入倾斜的扫描截面。
此外，可以针对各几何形状准备路径菜单。
例如，可以针对具有诸如平面、棱柱和角锥体等的平坦面的工件，来准备用以通过在平面上进行折线前进(zigzagging)而对被测物整体进行测量的路径菜单。
这里，假设选择了螺旋。
在选择了测量路径的情况下，请求用户输入用于指定所选择的路径的详情所需的参数(ST260)。
这里，由于选择了螺旋作为测量路径，因此展现了用以输入诸如开始点
Figure BDA0004061371960000091
结束点θzf、圈数i和采样点数N等的信息的画面(图11)。
例如，如图12所示定义角度。
角度
Figure BDA0004061371960000092
是XY平面上相对于X轴的角度。
角度θ是ZY平面上相对于Z轴的角度。
圈数i不仅可以包括整数，还可以是诸如1.5和2.25等的十进小数，并且可以省略输入结束点的值
Figure BDA0004061371960000101
利用这些步骤，获得了作为被测物的工件的几何形状和与用户期望的扫描路径有关的信息。
因而，终止选择输入步骤(ST200)。
在选择输入步骤(ST200)之后，进行形状计算步骤(ST300)。
形状分析单元530基于选择输入步骤(ST200)中所获得的信息来进行形状计算步骤(ST300)。
在形状计算步骤(ST300)中，使用所准备的计算公式来计算工件上的测量点(点序列)。
由于工件是球体，因此通过使用图12的球面坐标并将球体的中心坐标设为原点，将工件上的测量点(点序列)
Figure BDA0004061371960000102
按照如下表示：
Figure BDA0004061371960000103
θz＝θz0-[(θz0-θzf)×{(k-1)/(N-1)}]
这里，k表示第k个采样点(k＝1,2,3……N)。
获得测量点(点序列)
Figure BDA0004061371960000104
并且按照如下获得轮廓点数据(x,y,z,P,Q,R)(ST400)。
换句话说，利用以下计算公式将球面坐标转换成正交坐标：
Figure BDA0004061371960000105
Figure BDA0004061371960000106
z＝rcosθ
此外，通过将球体的中心设为原点，结合原点和各测量点(x,y,z)，从而获得各测量点处的法线方向(P,Q,R)。
因而，针对各测量点获得坐标(x,y,z)和法线方向(P,Q,R)，这意味着相当于获得轮廓点数据。
一旦获得轮廓点数据，则用于将数据转换成PCC曲线的技术是已知的(JP2008-241420A、JP 2013-238573A以及JP 2014-21004A)。
为了简要说明，使轮廓点数据在法线方向上偏移预定量，然后计算PCC曲线(ST500)。
利用上述过程，获得标称扫描测量的路径。因而，终止准备步骤(ST100)。
由于终止了准备步骤(ST100)，因此主机计算机500指示运动控制器300进行标称扫描测量(ST610)。
标称扫描测量本身是众所周知的，而省略其详细。
简要说明如下：
将PCC曲线发送到运动控制器300，并且将该PCC曲线暂时存储在PCC获取单元310中。
路径计算单元330基于该PCC曲线生成测量工件所用的路径。
路径计算单元330生成与测量方法相对应的路径。
这里，假设要进行主动标称扫描测量并且生成主动标称扫描测量的路径。
(注意，针对主动标称扫描测量所生成的路径和针对被动标称扫描测量所生成的路径是相同的。)
路径计算单元330基于分割后的PCC曲线的曲率来设置探测器230的移动速度，并且确定PCC曲线上的各点的移动方向和移动速度(速度矢量)。根据该移动矢量的探测器230的移动实现了标称扫描测量。
此外，在主动标称扫描测量的情况下，生成法线方向上的矢量(偏差校正矢量)以使偏差量Ep变得恒定，并且生成用以校正当前触针头232的中心坐标和路径之间的偏差的轨迹校正方向(轨迹校正矢量)。然后，生成了通过对速度矢量、偏差校正矢量和轨迹校正矢量进行合成所获得的合成速度矢量。
驱动控制单元340根据该合成速度矢量将驱动信号提供给坐标测量机200。
因而，坐标测量机200通过主动标称扫描测量来对工件进行测量。
来自运动控制器300的驱动信号驱动坐标测量机200，因而进行主动标称扫描测量。
坐标测量机200经由运动控制器300将检测值(探测器传感器检测值和编码器检测值)反馈给主机计算机500。
将通过测量所获得的数据存储在存储单元520中(ST620)。在测量了路径上的全部测量点的情况下(ST630：是)，终止测量。
利用上述的本典型实施例，可以在无需CAD系统或高性能PC的情况下进行标称扫描测量。
变形例1
作为参考，将说明在测量路径选择(ST250)中选择了“正弦曲线”的情况。图15示出扫描测量的正弦曲线路径的示例。
在选择了“正弦曲线”作为测量路径的情况下，展现了用以输入诸如开始点
Figure BDA0004061371960000121
振幅(θzH,θzL)、圈数i和采样点数N等的信息的画面(图14)。
注意，θzH表示θz的最大值，并且θzL表示θz的最小值。
利用该信息，将工件上的测量点(点序列)
Figure BDA0004061371960000122
表示如下：
Figure BDA0004061371960000123
θz＝(θzH+θzL)/2±{(θzH-θzL)/2}sin[360i×{(k-1)/(N-1)}]
如果被测物是球体，则使用球面坐标系，并且如果被测物是圆柱体，则使用圆柱体坐标系。
其它处理与上述实施例相同。
变形例2
在输入形状参数的情况下(ST240)，输入了球体的中心坐标(图9)。然而，可以基于没有立即获得机械坐标系中的正确中心坐标这一假设来添加“中心坐标的自动设置”的菜单。
如果已经知道形状是球体，则可以通过测量工件上的一些点来计算中心坐标。
在选择了“中心坐标的自动设置”的情况下，可以通过例如利用点测量对工件上的一些点进行预备测量来获得中心坐标。该点测量可以自动进行或者由用户手动进行。
注意，本发明不限于上述典型实施例，并且可以在不偏离本发明的范围的情况下进行变形。
在上述实施例中，主要说明了主动标称扫描测量，但可以利用“被动标称扫描测量”来替代“主动标称扫描测量”。
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2015年6月2日提交的日本专利申请2015-111960的优先权，在此通过引用包含其全部内容。

Claims (4)

1.一种形状测量设备(200)的控制方法，所述形状测量设备包括前端具有触针头(232)的探测器(230)和用以移动所述探测器(230)的移动机构(220)，并且所述形状测量设备(200)通过检测所述触针头(232)与工件(W)的表面之间的接触来测量工件(W)的形状，所述控制方法包括以下步骤：
预先准备标称扫描测量所用的菜单；
使用户从预先准备的几何形状菜单中选择工件(W)的形状；
使用户从预先准备的测量路径菜单中选择测量路径；
使用户根据所选择的几何形状来输入用以指定该几何形状的参数；
使用户根据所选择的测量路径来输入用以指定该测量路径的参数；
基于所选择的几何形状、所输入的几何形状的参数、所选择的测量路径、以及所输入的测量路径的参数，使用预先准备的计算公式来计算工件(W)上的测量点和各测量点的法线方向；以及
计算在扫描测量点的序列的情况下进行移动所用的扫描测量的路径，并且以扫描所述扫描测量的路径的方式进行所述扫描测量，
所述控制方法的特征在于，
预先准备的标称扫描测量所用的菜单使用近似函数来代替CAD数据，以及
在无需工件(W)的设计数据的情况下进行所述扫描测量。
2.根据权利要求1所述的形状测量设备(200)的控制方法，其中，所述几何形状菜单至少包括球体、柱体、锥体和平面。
3.根据权利要求1所述的形状测量设备(200)的控制方法，其中，所述测量路径菜单至少包括螺旋和正弦曲线。
4.一种非易失性记录存储器，其包含使计算机执行根据权利要求1所述的形状测量设备(200)的控制方法的形状测量设备(200)所用的控制程序。
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