CN1580690A - 测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量方法和测量装置。以代入用于修正测量装置固有的几何的测量误差的修正计算式中的设计值中的多个设计值为变量，通过数值解法将该变量最优化，并使用所得到的最优化修正计算式运算测量值。变量的最优化是，通过测量标准工件，并调整变量以使测量误差最小而完成的。

Description

测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及测量方法及测量装置，特别是涉及最适当地修正内置于研磨机等中的机械控制仪器或者光洁度轮廓形状测量器等固有的几何的测量误差的测量方法及测量装置。

背景技术

内置于研磨机等中的机械控制仪器(自动定尺寸装置)或者光洁度轮廓形状测量器等中使用测头，该测头设置有：前端具有探头，能以支点部件为支点支撑并可转动的杠杆式部件；在一个方向上对杠杆式部件施力的施力部件；及，夹持支点部件并设置在探头的相反一侧，并通过检测出杠杆式部件的变位来检测出探头的变位的检测器。

该检测器中使用光学数显测量装置或者被称为LVDT(LinearVoltage Differential Trasducer)的线性电压差动变压器(通称差动变压器)等，该光学数显测量装置由固定在测头主体上的读取头和安装在杠杆式部件上的弧形标尺构成，该线性电压差动变压器由固定在测头主体上的差动线圈部和安装在杠杆式部件上并插入差动线圈部内的铁心构成。

探头的移动量作为光学数显测量装置的脉冲计数值被检测出来(LVDT的情况下作为电压的变化被检测出来)，该检测值由运算处理部处理，并作为移动量求出。

机械控制仪器使用L字型测头或者夹持型测头，L字型测头由1个杠杆式部件构成，通过1个探头测量1处的变位，夹持型测头中成对地插入了2个杠杆式部件，由相对向的2个探头夹持被测量物，并测量被测量物的外径。

由这些杠杆式测头测量平面的位置(厚度等)的情况下，会产生将变位作为角度测量而引起的误差。另外，测量圆筒形工件的外径等曲面的情况下，会产生探头接触的点移动所引起的误差。

为了减少这些几何的误差要因导致的影响，提出了各种方案(例如，参照特开平10-19545号公报)。

特开平10-19545号公报中所记载的尺寸测量装置中，预先取得横贯整个测量范围的修正数据并存储。在测量时，从存储器导出相符的修正值，并修正测量值。

上述特开平10-19545号公报中记载的现有技术中，为了得到横贯整个测量区域的修正数据，必须准备多个作为覆盖整个测量范围的尺寸基准的已知尺寸的标准工件(マスタ一ワ一ク)，并测量这些多个标准工件以取得修正数据，

但是，机械控制仪器等测量器中，必须由测量对象工件交换或者调整构成杠杆式部件的钩爪或者安装在钩爪前端的探头，每次测量多个标准工件从而取得修正数据对用户来说事实上是不可能的。

另外，在其他测量装置中，也经常代替修正数据而使用通过计算圆弧误差等几何的误差来进行修正的方法。但是，由该计算得到的几何的误差修正，因为构成测量装置的各部件尺寸相对设计值具有误差，因而不能准确修正，不能进行高精度测量。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的是提供一种高精度测量方法及测量装置，例如，对于修正杠杆式测量装置等固有的测量误差，便于用户实施，另外，即使测量装置的各部件相对设计值具有误差也可以进行准确的修正，并具有几何的误差修正方法。

为达成上述目的，本发明的测量方法，其是使探头接触工件并测量该工件的尺寸的，其特征在于，存储基于用于修正测量装置固有的几何的测量误差的设计值的修正计算式；测量工件并运算使用所述修正计算式的测量值；以代入所述修正计算式中的设计值中的多个设计值为变量并通过数值解法将该变量最优化，以使所述被运算的测量值和真值的误差最小；存储将所述被最优化的变量代入的最优化修正计算式；在以后的测量中使用所述最优化修正计算式而运算测量值。

另外，为达成上述目的，本发明的测量装置，其具备：前端具有探头，以支点部件为支点支撑并可转动的臂部件；通过检测出该臂部件的变位量来检测出所述探头的变位量的检测器；及，根据该检测器的检测信号来运算测量值的运算处理部，其特征在于：所述运算处理部设置有：存储基于设计值的几何的测量误差的修正计算式的存储单元；根据所述检测器的检测信号，使用所述修正计算式来运算测量值的测量值运算单元；及最优化运算单元，以被代入所述修正计算式中的设计值中的多个设计值为变量，并通过数值解法将该变量最优化，以使所述被运算的测量值和真值的误差最小，所述存储单元用于存储将所述被最优化的变量代入的最优化修正计算式，并且，所述测量值运算单元使用所述最优化修正计算式运算测量值。

根据本发明，以代入用来修正测量装置所固有的几何的测量误差的修正计算式中的设计值中的多个设计值为变量，通过数值解法将该变量最优化，并使用得到的最优化修正计算式运算测量值，因此，即使测量装置的各部件相对设计值具有误差也可以进行准确的修正，可以进行高精度的测量。

另外，本发明提供一种测量方法和测量装置，其特征在于，测量已知尺寸的标准工件，将所述变量最优化以使得到的测量值和所述已知的尺寸的差最小，并且，其特征在于，所述标准工件使用的是，测量范围的上限尺寸的标准工件和测量范围的下限尺寸的标准工件中至少一方的标准工件。

根据本发明，使用测量范围的上限尺寸的标准工件和测量范围的下限尺寸的标准工件中至少一方的标准工件从而使修正计算式最优化，因此，作为尺寸基准的标准工件，除了一般使用的零点设定用标准工件之外，至少还使用1个或2个(总计2个或3个)，用户容易将修正计算式最优化，并可以进行高精度的测量。

如上所述，根据本发明的测量方法及测量装置，即使测量装置的各部件相对设计值具有误差，也可以通过修正计算式修正例如杠杆式的测量装置等所固有的几何的测量误差，另外，用户可以很容易地将修正计算式最优化，并可以进行高精度的测量。

附图说明

图1是表示本发明的实施例的测量装置的概念图；

图2是表示由球面触点测量圆筒形工件的模型的侧视图；

图3是表示实施例的坐标图。

具体实施方式

下面，根据附图对本发明涉及的测量方法及测量装置的较好实施例进行说明。而且，在各图中，相同部件标以相同号码或符号。

图1是表示本发明的实施例的测量装置的概念图。测量装置10由测量工件50的外径的夹持型测头11、用于运算处理测量数据的运算处理部20以及未图示的显示部等构成。

测头11具有：以支点部件13为中心旋转支撑的臂部件12、安装在臂部件12的前端并接触工件50的探头14、由作用在臂部件12上并向工件50方向对探头14施力的压缩弹簧构成的施力部件15、由夹持着臂部件12的支点部件13并固定在与探头14相反一侧端面上的标尺(スケ一ル)16A和固定在头主体17上的读取头16B构成的检测器16等。

这些臂部件12、探头14、检测器16等成对地上下对称设置。

运算处理部20由输入输出电路部21、存储单元22、测量值运算单元23及最优化运算处理部24等构成，并分别连接到汇流线上。输入输出电路部21进行运算处理部20和检测器16及显示部之间的信号交换，存储单元22用于检测信号的存储或者修正测量值的几何的误差的修正计算式等的存储。

测量值运算单元23，基于从检测器16输出的检测信号，使用修正计算式运算测量值。最优化运算单元24具有通过数值解法将用于修正计算式的各设计值最优化，以使几何的测量误差最小的程序，并将基于设计值作成的修正计算式修正为最优化的修正计算式。

接着，就几何的测量误差的修正计算式进行说明。图2表示测量直径不同的3种工件时的探头14和工件50的接触状态。图2中，O表示设计上的工件中心，K表示实际的工件中心。Q是臂部件12的转动支点，B₁、B₂、B₃是探头14前端为球时接触各工件的球的中心。

L是使探头14的前端接触半径为A的工件时的支点Q和球的中心B₁的X方向的距离，S是从这时的支点Q到标尺读取点为止的X方向的距离。另外，X₀是这时的球的中心B₁相对工件的中心K的X方向的偏移量。

R是探头的前端球的半径。Y₀是相对设计上的工件中心O的实际的工件中心K的Y方向偏移量，H是设计上的工件中心O和支点Q的Y方向距离。

α是连接支点Q和工件中心K的线段和线段QB₁所成的角度，β是线段QK和线段QB₂所成的角度，θ是探头14的前端球从B₁向B₂移动时以支点Q为中心的角度。

a表示QK之间的X方向距离，b表示QK之间的Y方向距离，d表示线段QK的长度，e表示线段KB₁的长度，f表示KB₁之间的Y方向距离，g表示QB₁之间的Y方向距离，h表示线段QB₁及线段QB₂的长度，i表示线段KB₂的长度。

另外，标尺16A的间距为P，标尺读取时的电分割数为N，探头14的前端球从接触半径为A的工件的位置向接触半径为A+δ的工件的位置转动时，即臂部件12仅旋转角度θ时的检测器16的计算数为C时，工件半径的变化量δ可以由以下算式表示。

(式1)

a＝L+X

b＝Y+h

$d=\sqrt{(a^2+b^2)}$

e＝A+R

$f=\sqrt{(e^2-X^2)}$

g＝f-b

$h=\sqrt{(L^2+g^2)}$

i＝A+δ+R

e²＝d²+h²-2×d×h×COS(α)

    ∴α＝A×COS[(d²+h²-e²)/(2×d×h)]

i²＝d²+h²-2×d×h×COS(β)

    ∴β＝A×COS[(d²+h²-i²)/(2×d×h)]

θ＝β-α

C＝(S×N×θ)/P

θ＝(C×P)/(S×N)

β＝θ+α

$i=\sqrt{[d^2+h^2-2\×d\×h\×\mathrm{COS}\left(\mathrm{\β}\right)]}$

δ＝i-A-R

通过运算检测器16的计算数C和根据上述计算式得到的测量值，修正引起杠杆运动的几何的误差。但是，上述计算式中的X₀、Y₀是未知数，另外，虽然L、A、H、S、P也有设计上的数值，但是并不能保证实际的是何种尺寸。

如果这些数值全部准确地测量，则上述计算式的准确度提高，但是，因为有很难实际测量的部分，测量还是有误差。另外，也有由用户进行探头14或者构成臂部件12的一部分的钩爪的调整的情况，每次都进行测量并不现实。因此，可以通过以下顺序实现各数值的最优化，以得到更准确的测量值。

首先，最初，将在运算处理部20中修改上述几何的误差的计算式程序化。但是，各变量的值是代入设计值或者现实中想到的数值。

接着，测量在测量范围中央的尺寸的标准工件(基准标准)，为了得到正确的测量值，进行构成臂部件12的一部分的钩爪或者探头的调整从而符合基准标准的已知尺寸。

然后，对测量范围的上限尺寸的标准工件(大标准)进行测量，并记录由上述程序化的计算式运算的测量值和大标准的已知的实际尺寸值的差(误差)。

同样，对测量范围的下限尺寸的标准工件(小标准)进行测量，并记录误差。然后，分别将大标准的测量误差和小标准的测量误差乘方并相加。即计算出误差的乘方和。

然后，为了使这里得到的误差的乘方和最小，先调整将计算式程序化时给予的各变量的值。各变量的调整是将在运算处理部20的优化运算单元24中使用牛顿法、反复法等的计算机的数值解法程序化，使各变量自动最优化。

将该最优化的修正计算式存储在运算处理部20的存储单元22中，在以后的测量中，运算处理部20的测量值运算单元23使用该最优化的修正计算式运算测量值。

(实施例)

在上述(式1)所示的计算式中代入下述(式2)所示的设计值。

(式2)

L＝115

A＝9

R＝1.5

H＝26.5

S＝65

P＝0.02

X＝0

Y＝0

N＝1024

这些设计值中，以L、A及X为变量通过数值解法实现最优化。对通过仅将上述设计值代入的计算式进行运算的结果，和通过将设计值中的最优化的L、A及X代入的计算式进行运算的结果的测量误差的比较如图3所示。

图3的坐标图，横轴表示探头14的变位(mm)，纵轴表示测量误差(μm)。坐标图的曲线，菱形的曲线表示通过设计值中的计算式运算的测量值的误差，三角形的曲线表示通过使设计值中的L、A及X最优化的计算式运算的测量值的误差。

如图3所示，设计值修正的情况下的最大误差是256μm。对此，最优化修正的情况下的最大误差为0.8μm。

而且，在上述实施例中，对应了变量的最优化，使用基准标准、大标准及小标准3个作为标准工件，但是，也可以使用基准标准和大标准或者基准标准和小标准2个标准来进行，或者也可以使用加上中间标准的3个以上标准以提高精度。

另外，虽然是通过修正杠杆运动引起的几何的误差的计算式来实施的，但是，也可以是含有臂部件12的杆系的挠曲或者还含有支点部分的位置移动等的计算式。

另外，使用光学数显测量装置作为检测器16，但是，也可以使用LVDT(差动变压器)。但是，LVDT在广范围内的直线性并不好，因此，可以将其特性模型化并编入修正计算式中。

另外，虽然表示了通过球形触点测量圆筒工件的情况下的修正计算式，但是，也可以作成分别适合在通过球形触点测量平面工件的情况下，或者通过杆状触点测量圆筒工件的情况下等的各种测量的计算式。

Claims (6)

1.一种测量方法，其是使探头接触工件并测量该工件的尺寸的，其特征在于，存储基于用于修正测量装置固有的几何的测量误差的设计值的修正计算式；

测量工件并运算使用所述修正计算式的测量值；

以代入所述修正计算式中的设计值中的多个设计值为变量并通过数值解法将该变量最优化，以使所述被运算的测量值和真值的误差最小；

存储将所述被最优化的变量代入的最优化修正计算式；

在以后的测量中使用所述最优化修正计算式而运算测量值。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：测量已知尺寸的标准工件，将所述变量最优化以使得到的测量值和所述已知的尺寸的差最小。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于：所述标准工件使用的是，测量范围的上限尺寸的标准工件和测量范围的下限尺寸的标准工件中至少一方的标准工件。

4.一种测量装置，其具备：

前端具有探头，以支点部件为支点支撑并可转动的臂部件；通过检测出该臂部件的变位量来检测出所述探头的变位量的检测器；及，根据该检测器的检测信号来运算测量值的运算处理部，

其特征在于：所述运算处理部设置有：存储基于设计值的几何的测量误差的修正计算式的存储单元；根据所述检测器的检测信号，使用所述修正计算式来运算测量值的测量值运算单元；及最优化运算单元，以被代入所述修正计算式中的设计值中的多个设计值为变量，并通过数值解法将该变量最优化，以使所述被运算的测量值和真值的误差最小，

所述存储单元用于存储将所述被最优化的变量代入的最优化修正计算式，并且所述测量值运算单元使用所述最优化修正计算式运算测量值。

5.如权利要求4所述的测量装置，其特征在于：测量已知尺寸的标准工件，将所述变量最优化以使得到的测量值和所述已知的尺寸的差最小。

6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于：所述标准工件使用的是，测量范围的上限尺寸的标准工件和测量范围的下限尺寸的标准工件中至少一方的标准工件。

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