DE10115288B4

DE10115288B4 - Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen und Messverfahren für Oberflächenstrukturen

Info

Publication number: DE10115288B4
Application number: DE10115288.4A
Authority: DE
Inventors: Isamu Takemura
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2019-02-28
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: US20010029778A1; JP2001280947A; US6453730B2; DE10115288A1; FR2807158B1; FR2807158A1; JP3516630B2

Abstract

Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen zum Messen einer Oberflächenstruktur eines Werkstücks (20), wobei die Messvorrichtung umfasst:
einen Taster (1) mit einer Tasterspitze, dessen Querschnitt bogenförmig ist, wobei der Taster (1) an einem drehbaren Arm (2) angebracht ist und bogenförmig bewegbar ist, und wobei der Taster (1) entlang einer Oberfläche (200) des Werkstücks (20) bewegbar ist;
einen Erfassungsabschnitt zum Erfassen eines Neigungswinkels α des Tasters (1) in Bezug auf eine Z-Richtung,
einen Messabschnitt (3) zum Messen einer Verschiebung des Tasters (1) in der Z-Richtung;
einen Speicherabschnitt (32, 33) zum Speichern von Radiuswerten (r) gemäß entsprechenden Winkeln θ zwischen einer Korrekturrichtung für einen Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung, die man durch Messen mit dem Taster (1) einer Prüflehre mit einer kugelförmigen, zylindrischen oder messerschneidenförmigen Gestalt mit bekanntem Radius (R) erhält; und
einen Korrekturabschnitt (31) zum Korrigieren eines gemessenen Wertes auf der Basis des Radiuswertes (r), der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit einem Winkel θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung an einem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) korrespondiert,
wobei der Korrekturabschnitt (31) eingerichtet ist, den gemessenen Wert zu korrigieren auf der Basis des Radiuswertes (r), der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit einem Winkel θ' korrespondiert, den man durch Korrektur des Winkels θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung an dem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) mit dem Neigungswinkel α des Tasters (1) erhält.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen und ein Messverfahren für Oberflächenstrukturen, bei dem die Kontur, die Oberflächenrauheit, die Welligkeit der Oberfläche usw. eines Werkstücks gemessen wird, indem ein Taster entlang einer Oberfläche des Werkstücks bewegt wird, und betrifft insbesondere eine Technik zur Korrektur des Fehlers aufgrund der Form der Spitze des Tasters.
Beschreibung der verwandten Technik
Messvorrichtungen für Oberflächenstrukturen, bei denen ein Taster mit einem Werkstück in Kontakt gebracht und entlang der Werkstückoberfläche bewegt wird, um die Kontur, die Oberflächenrauheit, die Welligkeit der Oberfläche usw. des Werkstücks zu messen, sind in der verwandten Technik bekannt. Solche Messvorrichtungen für Oberflächenstrukturen werden bei der Messung maschinell bearbeiteter Teile usw. verwendet. Wenn bei einer Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen der Taster mittels eines Motors in einer Richtung (X-Achse) entlang der Werkstückoberfläche bewegt wird, wird der Taster aufgrund der Oberflächenunregelmäßigkeit der Werkstückoberfläche in vertikaler Richtung (Z-Richtung) verschoben. Durch Messen der Verschiebung in der X-Richtung und der Verschiebung in der Z-Richtung kann die Kontur, Oberflächenrauheit und Welligkeit des Werkstücks gemessen werden.
Da jedoch die Querschnittsform des Spitzenabschnitts des Tasters, der mit dem Werkstück in Kontakt kommt, kein Punkt ist sondern eine bogenförmige Gestalt endlicher Größe hat, stimmt der Ort, der durch die Verschiebung in Z-Richtung des Tasters ausgedrückt wird, nicht mit der tatsächlichen Kontur des Werkstücks überein.
8 stellt die Differenz zwischen dem durch Messung erhaltenen Ort und der tatsächlichen Kontur des Werkstücks dar. In dieser Figur wird ein Taster 1 in X-Richtung verschoben und wird er entsprechend der Oberflächenstruktur des Werkstücks in Z-Richtung verschoben. Wie mit 100 in der Figur bezeichnet, ist der gemessene Ort des Werkstücks, der der Verschiebung des Tasters 1 entspricht, der Ort eines vorher bestimmten Bezugspunktes des Tasters 1 (ungefähr der Mittelpunkt des bogenförmigen Abschnitts der Tasterspitze). Im gemessenen Ort des Werkstücks tritt eine Versetzung entsprechend dem Radius r des Bogens der Spitze des Tasters 1 in Bezug auf die tatsächliche Kontur 200 des Werkstücks auf. In dem Fall, in dem der Taster an einem drehbaren Arm angebracht ist und eine bogenförmige Bewegung erfährt, wird der Ort 100 erhalten, indem der Bogenfehler korrigiert wird, der diese bogenförmige Bewegung begleitet. Um die tatsächliche Kontur des Werkstücks zu erhalten, wurde somit der gemessene Wert um genau den Radius r des Bogens der Spitze des Tasters 1 versetzt.
Die Querschnittsform der Spitze des Tasters 1 ist jedoch nicht streng kreisförmig, sondern der Wert ihres Radius ist entsprechend der Position unterschiedlich. Da die zu messenden Werkstücke feiner und mit höherer Genauigkeit hergestellt werden, kamen somit Fälle vor, in denen die Verwendung genau des repräsentativen Wertes des Radius r der Spitze als Versetzung in der verwandten Technik für Messungen mit solch hoher Genauigkeit unzulänglich ist.
Die JP H08-43 078 A offenbart ein Konturmessgerät, bei dem eine Spitze ein Werkstück abtastet. Die Spitze wird dabei parallel zur Oberfläche des Werkstücks über die Oberfläche geführt (X-Richtung) und ein Detektor erfasst die Auslenkung der Spitze in Z-Richtung. Der Winkel des Tasters ändert sich nicht, d.h. die vertikale Achse des Tasters bleibt konstant bei 90° zur x-Achse und ist unabhängig von der Auslenkung des Tasters. Abhängig von der Neigung der abzutastenden Oberfläche verschiebt sich der Berührungspunkt an der Oberfläche der Spitze, so dass ein Winkel zwischen der vertikalen Achse des Tasters und einer Linie zwischen dem Berührungspunkt und einem Referenzpunkt am Spitzenende von der Neigung der Oberfläche abhängt.
Die JP H09-329 402 A betrifft ein Kalibrierverfahren für ein Konturmessgerät, bei dem eine Armlänge, eine Tasterhöhe und ein Spitzenradius kalibriert werden. In der JP H09-329 402 A wird zwar der Radius der Spitze kalibriert, jedoch werden keine Radiuswerte entsprechend dem Winkel des Tasters bestimmt.
Die US 5 508 944 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überprüfen einer Nockenwelle. Ein achsfester Taster, d.h. dessen Längsachse sich bei Auslenkung des Tasters nicht neigt, und der in radialer Richtung zur Nockenwelle angeordnet ist, wird beim Drehen der Nockenwelle ausgelenkt, so dass die radialen Nockenwellengeometrie erfasst werden kann. Die Abnutzung des Tasters wird in regelmäßigen Abständen durch ein Referenzobjekt überprüft.
Die EP 0 589 500 A1 offenbart Verfahren zum Ausmessen und Abtasten von Schraubengewinden und ähnlichem. Die EP 0 589 500 A1 beschreibt die Abtastung einer zertifizierten Masterlehre mit einer Abtastsonde. Der Unterschied zwischen den Rohdaten zur Masterlehrekontur und den Kalibrierdaten der Masterlehrekontur ist die Instrumentenabweichungsfunktion, mit der die Meßdaten korrigiert werden können, um die meisten systematischen Fehler zu eliminieren.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wurde im Hinblick auf das obige Problem der verwandten Technik gemacht. Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen und ein Messverfahren für Oberflächenstrukturen bereitzustellen, in welchem die tatsächliche Oberflächenstruktur, wie die Kontur, Oberflächenrauheit, Welligkeit der Oberfläche usw., eines Werkstücks mit hoher Genauigkeit erhalten werden kann, indem eine Korrektur, die auf der Querschnittsform der Spitze des Tasters basiert, des gemessenen Wertes durchgeführt wird, der durch Messen der Verschiebung des Tasters in der Z-Richtung erhalten wurde.
Um die obige Aufgabe lösen zu können, umfasst eine erfindungsgemäße Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen, bei der eine Oberflächenstruktur eines Werkstücks gemessen wird, indem ein Taster entlang der Oberfläche des Werkstücks bewegt und eine Verschiebung des Tasters in der Z-Richtung gemessen wird, einen Speicherabschnitt, der Radiuswerte entsprechend dem Winkel des Tasters speichert, die durch Messen einer kugelförmigen, zylindrischen oder messerschneidenförmigen Prüflehre mit bekanntem Radis mit dem Taster erhalten werden, und einen Korrekturabschnitt, der die gemessenen Werte auf der Basis der im Speicherabschnitt gespeicherten Radiuswerte des Tasters korrigiert.
In dem Falle, in dem der Taster an einem drehbaren Arm angebracht ist und eine bogenförmige Bewegung erfährt, umfasst die Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen erfindungsgemäß einen Erfassungsabschnitt, der einen Neigungswinkel des Tasters in Bezug auf die Z-Richtung erfasst, wobei der Korrekturabschnitt die gemessenen Werte auf der Basis der Radiuswerte und der Neigungswinkel des Tasters korrigiert.
Die Aufgabe kann auch mit einer Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen, bei der eine Oberflächenstruktur eines Werkstücks gemessen wird, indem ein Taster entlang einer Oberfläche des Werkstücks bewegt und eine Verschiebung des Tasters in der Z-Richtung gemessen wird, gelöst werden, die einen Berechnungsabschnitt für den Radiuswert, der Radiuswerte entsprechend dem Winkel des Tasters berechnet, die durch Messen einer kugelförmigen, zylindrischen oder messerschneidenförmigen Prüflehre mit bekanntem Radius mit dem Taster erhalten wurden, einen Speicherabschnitt, der die Radiuswerte des Tasters speichert, und einen Korrekturabschnitt umfasst, der die gemessenen Werte auf der Basis der im Speicherabschnitt gespeicherten Radiuswerte des Tasters korrigiert.
In dem Falle, in dem der Taster an einem drehbaren Arm angebracht ist und eine bogenförmige Bewegung erfährt, umfasst hier die Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen erfindungsgemäß einen Erfassungsabschnitt, der einen Neigungswinkel des Tasters in Bezug auf die Z-Richtung erfasst, wobei der Berechnungsabschnitt für den Radius die Radiuswerte auf der Basis der Neigungswinkel des Tasters berechnet und der Korrekturabschnitt die gemessenen Werte auf der Basis der Radiuswerte und der Neigungswinkel des Tasters korrigiert.
Um die obige Aufgabe lösen zu können, umfasst ferner ein erfindungsgemäßes Messverfahren für Oberflächenstrukturen, bei dem eine Oberflächenstruktur eines Werkstücks gemessen wird, indem ein Taster entlang einer Oberfläche des Werkstücks bewegt und eine Verschiebung des Tasters in der Z-Richtung gemessen wird, einen Messschritt, in dem das Werkstück mit dem Taster gemessen wird, und einen Korrekturschritt, in dem die gemessenen Werte des Werkstücks unter Verwendung von Korrekturwerten korrigiert werden. Der Korrekturwert ist die Differenz zwischen dem gemessenen Wert entsprechend dem Winkel, der durch Messen einer kugelförmigen, zylindrischen oder messerschneidenförmigen Prüflehre mit bekanntem Radius mit dem Taster erhalten wurde, und dem Radiuswert der Prüflehre.
In dem Falle, in dem der Taster an einem drehbaren Arm angebracht ist und eine bogenförmige Bewegung erfährt, wird hier der gemessene Wert erfindungsgemäß im Korrekturschritt korrigiert, indem die Korrekturwerte und Neigungswinkel des Tasters in Bezug auf die Z-Richtung verwendet werden.
Die Aufgabe kann mit einem Messverfahren für Oberflächenstrukturen, bei dem eine Oberflächenstruktur eines Werkstücks gemessen wird, indem ein Taster entlang einer Oberfläche des Werkstücks bewegt und eine Verschiebung des Tasters in der Z-Richtung gemessen wird, gelöst werden, das einen Messschritt, in dem das Werkstück mit dem Taster gemessen wird, einen Berechnungsschritt für den Korrekturwert, in dem Korrekturwerte als Differenz zwischen gemessenen Werten entsprechend dem Winkel, die durch Messen einer kugelförmigen, zylindrischen oder messerschneidenförmigen Prüflehre mit bekanntem Radius mit dem Taster erhalten wurden, und dem Radiuswert der Prüflehre berechnet werden, und einen Korrekturschritt umfasst, in dem gemessene Werte des Werkstücks unter Verwendung der Korrekturwerte korrigiert werden.
In dem Falle, in dem der Taster an einem drehbaren Arm angebracht ist und eine bogenförmige Bewegung erfährt, werden hier die Korrekturwerte erfindungsgemäß im Berechnungsschritt für Korrekturwerte korrigiert, indem Neigungswinkel des Tasters in Bezug auf die Z-Richtung verwendet werden, und werden die gemessenen Werte im Korrekturschritt korrigiert, indem die Korrekturwerte und Neigungswinkel des Tasters verwendet werden.
Wie oben beschrieben wurde, wird bei dieser Erfindung eine kugelförmige, zylindrische oder messerschneidenförmige Prüflehre gemessen und werden die Radiuswerte entsprechend dem Winkel des Tasters aus Messergebnissen für die Prüflehre berechnet. Um genauer zu sein: Radiuswerte des Tasters werden berechnet, indem die bekannten Radiuswerte der Prüflehre von den gemessenen Werten für die Prüflehre subtrahiert werden.
Die Radiuswerte entsprechend dem Winkel des Tasters geben die Abweichung des Tasters von einem vollkommenen Kreis an und durch Verwenden dieser Radiuswerte als Korrekturwerte und Korrigieren der gemessenen Werte, die durch tatsächliche Messung eines Werkstücks erhalten wurden, mit den Korrekturwerten entsprechend dem Winkel, kann die tatsächliche Kontur des Werkstücks erhalten werden.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm der Gestaltung einer Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 ist ein Flussdiagramm des gesamten Vorgehens der Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
3 ist ein Diagramm, das die Art und Weise der Messung einer Prüflehre erläutert;
4 ist ein erläuterndes Diagramm für die Korrekturwerte;
5 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verfahren zur Korrektur der gemessenen Kontur unter Verwendung der Korrekturwerte darstellt;
6 ist ein erläuterndes Diagramm, das die bogenförmige Bewegung des Arms darstellt;
7A-B sind erläuternde Diagramme, die jeweils die Neigung eines Tasters 1 darstellen, die die bogenförmige Bewegung des Arms begleitet;
8 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Differenz zwischen der Kontur des Werkstücks und der gemessenen Kontur darstellt;
9 ist ein Diagramm der Gestaltung einer Messvorrichtung des Typs, bei dem sich der Taster nur in der Z-Richtung bewegt; und
10 ist ein Diagramm der Gestaltung einer weiteren Messvorrichtung des Typs, bei dem sich der Taster nur in der Z-Richtung bewegt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Es werden nun Ausführungsformen dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Diagramm der Gestaltung einer Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen einer Ausführungsform. Ein Taster 1 ist am Ende eines Arms 2 bereitgestellt, der eine bogenförmige Bewegung um einen Drehpunkt P herum erfährt. Während der Taster 1 mit der Oberfläche eines Werkstücks 20 in Kontakt gehalten wird, wird ein Motor 5 durch Befehle von einer CPU 31 so betrieben, dass er den Taster 1 in X-Richtung bewegt. Der Betrag der Bewegung in X-Richtung zu diesem Zeitpunkt wird von einem Detektor 4 für die Verschiebung erfasst und der erfasste Wert wird der CPU 31 zugeführt. Auch die Verschiebung des Tasters 1 in der Z-Richtung (der vertikalen Richtung, die zur X-Richtung senkrecht ist) wird von einem Detektor 3 für die Verschiebung erfasst und der erfasste Wert wird ebenfalls der CPU 31 zugeführt. Die Erfassungswerte der X-Richtung und der Z-Richtung, die der CPU 31 zugeführt werden, werden zu Paaren zusammengefasst und als gemessene Daten (xi, zi) (i = 1 bis n; n ist die Anzahl der Messpunkte) im RAM 33 gespeichert. Die im RAM 33 gespeicherten gemessenen Daten haben Werte, die in Bezug auf die tatsächlichen Konturdaten des Werkstücks 20 um genau die Beträge versetzt sind, die der Gestalt der Spitze des Tasters 1 entsprechen. Die CPU 31 liest daher diese im RAM 33 gespeicherten gemessenen Daten aus und gibt diese nach der Korrektur an die Anzeige 34 aus. Die Korrektur der gemessenen Daten wird unter Verwendung der Korrekturdaten durchgeführt, die im Voraus im ROM 32 oder RAM 33 gespeichert werden. Die Korrekturdaten können durch Messen einer kugelförmigen, zylindrischen oder messerschneidenförmigen Prüflehre mit bekanntem Radius mit dem Taster 1 vor der Messung des Werkstücks 20 erhalten werden. Die Gestalt des zu verwendenden Tasters 1 ist nicht auf eine Kugel beschränkt und der Taster kann ein Taster mit einem einzigen Winkel, ein Taster mit zwei Winkeln, ein messerschneidenförmiger Taster oder ein anderer Taster mit nicht kugelförmiger Gestalt sein, solange die Querschnittsgestalt bogenförmig ist.
2 zeigt das Flussdiagramm des gesamten Prozesses der vorliegenden Erfindung. Zuerst wird vor der Messung des Werkstücks 20 die Messung der Prüflehre durchgeführt (S101). Hier wird eine kugelförmige oder zylindrische Prüflehre mit bekanntem Radius R als Prüflehre verwendet. Die Bedingung, die die Prüflehre erfüllen sollte, ist, dass die Querschnittsform entlang der X-Richtung, in der der Taster 1 bewegt wird, ein Kreis (oder Halbkreis) mit bekanntem Radius R ist. Solange der Abschnitt, der mit dem Taster in Berührung kommt, diese Bedingung erfüllt, muss offensichtlich nicht die gesamte Gestalt der Prüflehre kugelförmig oder zylindrisch sein.
Nach der Messung der Prüflehre wird der Korrekturwert r für jeden Winkel, d.h. der Radius der Kugel der Spitze des Tasters 1 für den entsprechenden Winkel, berechnet, in dem der Radius R der Prüflehre vom gemessenen Wert am entsprechenden Messpunkt subtrahiert wird (S102). Der berechnete Korrekturwert r wird dann entsprechend dem Winkel im ROM 32 oder RAM 33 gespeichert (S103).
Die Prozesse von S101 bis S103 sind Berechnungsprozesse für Korrekturdaten und diese Prozesse werden nun ausführlicher beschrieben. 3 ist ein schematisches Diagramm, das den Zustand zeigt, in dem die Prüflehre mit dem Taster 1 gemessen wird. Der Radius R der Prüflehre ist bekannt und Messergebnisse werden durch Bewegen des Tasters 1 entlang der Oberfläche der Prüflehre erhalten. In der Figur wird für die tatsächliche Kontur 300 der Prüflehre die vom Taster 1 gemessene Kontur 400 bei jedem Winkel erhalten. Indem dann der bekannte Radiuswert R der Prüflehre vom für jeden Winkel erhaltenen gemessenen Wert subtrahiert wird, wird für jeden Winkel der Korrekturwert r, d.h. der Radius der Kugel der Spitze des Tasters 1, berechnet. In dem Fall, in dem der Taster an einem drehbaren Arm angebracht ist und eine bogenförmige Bewegung erfährt, wird dieser Ort 400 erhalten, indem der Bogenfehler korrigiert wird, der diese bogenförmige Bewegung begleitet.
4 zeigt ein Beispiel der Korrekturwerte r entsprechend dem Winkel, die in der obigen Weise berechnet werden. Die Korrekturwerte r werden entsprechend den Winkeln θ in Bezug auf eine vorher bestimmte Richtung (Z-Richtung) berechnet. Um genauer zu sein: die Korrekturwerte, d.h. die Radien r1, r2, r3, ··· des Tasters 1 werden entsprechend den Winkeln θ1, θ2, θ3, ··· berechnet und im ROM 32 oder RAM 33 gespeichert. Obwohl in dem Falle, in dem die Querschnittsform der Spitze des Tasters 1 ein vollkommener Kreis ist, ungeachtet des Winkels θ ein fester Wert r erhalten wird, ändert sich der Radiuswert r entsprechend dem Winkel θ, da die Querschnittsform der Spitze des Tasters 1 im Allgemeinen kein vollkommener Kreis ist, wie oben erwähnt. Die Art der Änderung wird als Korrekturdaten ausgedrückt, wie in 4 gezeigt. Die Korrekturdaten r konnen in einem solchen Tabellenformat im ROM 32 oder RAM 33 gespeichert werden.
Zurück zu 2: nach dem Berechnen und Speichern der Korrekturwerte r entsprechend dem Winkel, wird das zu messende Werkstuck 20 an eine vorgeschriebene Position gesetzt und wird der Taster 1 entlang der Oberfläche des Werkstücks 20 bewegt, um die Oberflächenstruktur des Werkstücks 20 zu messen (S104). Wie oben erwähnt wurde, werden die gemessenen Daten im RAM 33 gespeichert. Nach der Speicherung der gemessenen Daten im RAM 33 korrigiert die CPU 31 die gemessenen Daten unter Verwendung der Korrekturwerte r entsprechend dem Winkel, die im ROM 32 oder RAM 33 gespeichert sind (S105).
5 stellt das Korrekturverfahren unter Verwendung der Korrekturwerte r dar. Wie in dieser Figur gezeigt, wird für die Kontur (gemessene Kontur) 500 des Werkstücks, die durch die gemessenen Daten angegeben ist, der Winkel θ zwischen der Z-Richtung und der Korrekturrichtung für den Radius der Tasterspitze (im Allgemeinen der tangentialen Richtung) an einem beliebigen Punkt T der gemessenen Kontur 500 für den Punkt T berechnet. Dann wird der Korrekturwert r für diesen Winkel θ aus der Korrekturwertetabelle ausgelesen, die im ROM 32 oder RAM 33 gespeichert ist. Der Korrekturwert r, der ausgelesen wurde, wird dann von der gemessenen Kontur 500 subtrahiert, um den Punkt Q zu erhalten. Dieser Punkt Q wird das Datum, das der tatsächlichen Kontur des Werkstücks 20 entspricht. Die korrigierten Daten werden dann wieder im RAM 33 gespeichert. Nachdem der Korrekturprozess für alle Punkte der gemessenen Kontur 500 durchgeführt wurde, werden die korrigierten Daten auf einer Anzeige 34 angezeigt. In dem Fall, in dem der Taster an einem drehbaren Arm angebracht ist und eine bogenförmige Bewegung erfährt, wird dieser Ort 500 erhalten, indem der Bogenfehler korrigiert wird, der diese bogenförmige Bewegung begleitet.
Es ist auch bevorzugt, die Daten zwischen den in bestimmten Abständen erhaltenen Korrekturdaten durch lineare Interpolation oder nichtlineare Interpolation zu berechnen.
Auch können während des Erhaltens der gemessenen Kontur 400, die durch Messen der Prüflehre erhalten wird, die Punkte zwischen den gemessenen Punkten durch nichtlineare Interpolation unter Verwendung von Bézier-Kurven oder Spline-Kurven usw. oder durch lineare Interpolation erhalten werden. Es ist auch bevorzugt, den gemessenen Ort zu glätten, um den Einfluss von Rauschen zu beseitigen.
Der Prozess von S101 und S103 kann getrennt von der Messung des Werkstücks 20 oder als kontinuierlicher Prozess durchgeführt werden, der vor der Messung des Werkstücks 20 ausgeführt werden soll. Das heißt, die Messung des Werkstücks 20 kann nach der Speicherung der Korrekturwerte im ROM 32 im Voraus ausgeführt werden. In einem Zustand, in dem die Korrekturwerte nicht im Speicher gespeichert sind, kann die Prüflehre gemessen werden und können die Korrekturwerte auf der Basis des bekannten Radius R berechnet und im Speicher gespeichert werden und danach kann nach dem Austauschen der Prüflehre durch das Werkstück die Messung durchgeführt werden.
Indem somit die gemessenen Daten des Werkstücks auf der Basis der Korrekturwerte r entsprechend dem Winkel, die durch Messen einer Prüflehre erhalten werden, das heißt auf der Basis der Radien der Kugel der Spitze des Tasters 1, korrigiert werden, kann die tatsächliche Kontur des Werkstücks 20 mit hoher Genauigkeit berechnet werden.
Wenn beim Messen einer Prüflehre die Prüflehre nach dem Anbringen des Tasters 1 an einem Trägerteil, das nur in der Z-Richtung verschoben wird (das heißt einem Arm, der keine bogenförmige Bewegung erfährt), anstatt der in 1 gezeigten Messvorrichtung gemessen wird und die sich ergebenden Korrekturwerte im ROM 32 oder RAM 33 gespeichert werden, ist möglicherweise die Verwendung der gespeicherten Korrekturwerte zur Korrektur der gemessenen Werte, die mit der in 1 gezeigten Messvorrichtung erhalten wurden, in einigen Fällen nicht geeignet. Das liegt daran, dass in dem Falle, in dem der Taster 1 am Ende des Arms 2 angebracht ist, der Taster 1 - um genau zu sein - wie oben erwähnt nicht in Z-Richtung verschoeben wird, sondern eine bogenförmige Bewegung um den Drehpunkt P erfährt und sich die Punkte, an denen die Spitze des Tasters 1 das Werkstück 20 berühren, auch auf der Basis des Winkels α der bogenförmigen Drehung von Arm 2 ändern.
Die Änderung des Berührungspunktes des Tasters 1 als Begleiterscheinung der bogenförmigen Bewegung des Arms 2 ist schematisch in 6 und 7A-B gezeigt. Wenn, wie in 6 gezeigt, der Arm 2 sich um genau α aus der Z-Richtung heraus dreht, dreht sich auch die Spitze des Tasters 1 um genau α aus der Z-Richtung heraus, wie in 7A-B gezeigt, und die scheinbare Z-Richtung (Z'-Richtung) neigt sich von der Spitze des Tasters 1 aus gesehen um genau α. Durch diese Neigung wird der Winkel der Berührung mit der Oberfläche des Werkstücks 20 ebenfalls verschoben. Somit muss bei der Korrektur der gemessenen Werte auf der Basis der Korrekturwerte (diese sind Korrekturwerte für eine Neigung von 0) der Neigungswinkel α in Betracht gezogen werden. Um genauer zu sein: es ist bevorzugt, die gemessenen Werte zu korrigieren, indem aus der Korrekturtabelle nicht die Korrekturdaten, die dem in 5 gezeigten Winkel θ entsprechen, sondern die Korrekturdaten ausgelesen werden, die dem Winkel, der durch Subtrahieren genau des Neigungswinkels α von θ erhalten wird, d.h. dem Winkel θ' = θ - α entsprechen.
Da der Einfluss des Neigungswinkels auf den Korrekturwert in dem Falle klein ist, in dem die bogenförmige Bewegung des Arms sehr klein ist, ist es auch bevorzugt, die Korrektur unter Verwendung des Neigungswinkels α nur vorzunehmen, wenn der Drehwinkel des Arms größer oder gleich einem vorher bestimmten Winkel wird. Der Drehwinkel α des Arms 2 kann aus der Verschiebung in Richtung der Z-Achse und dem Radius L der Drehung der bogenförmigen Bewegung des Arms 2 erhalten werden als: $α = {sin}^{- 1} (\frac{Z}{L})$
oder als $α = {cos}^{- 1} (\frac{\sqrt{L^{2} - Z^{2}}}{L})$
Oder α kann auch unter Verwendung eines Winkelsensors, der am Arm 2 oder in der Nähe des Arms 2 bereitgestellt ist, erfasst und der CPU 31 zugeführt werden. In dem Falle, in dem eine Prüflehre unter Verwendung der in 1 gezeigten Messvorrichtung gemessen wird, ist es auch bevorzugt, eine solche Korrektur für den Neigungswinkel durchzuführen, solange der Taster 1 während der Messung des Werkstücks 20 eine bogenförmige Bewegung erfährt.
Die oben beschriebene Korrektur auf der Basis des Neigungswinkels α wird auch vorzugsweise an den Radiuswerten in dem Falle durchgeführt, in dem eine Prüflehre mit der in 1 gezeigten Messvorrichtung gemessen wird (das heißt in dem Falle, in dem der Taster eine bogenförmige Bewegung erfährt). Das heißt, nach dem Berechnen der Radien r1, r2, ··· für jeden der Winkel θ1, θ2, ··· werden die Winkeldaten nach der Durchführung der Korrektur zu 0' = θ - α im ROM 32 oder RAM 33 gespeichert. Es werden dann genaue Radiuswerte in Form einer Tabelle gespeichert.
In dem Falle, in dem ein Werkstück 20 nicht mit einer solchen Messvorrichtung wie in 1 gezeigt sondern mit einer Messvorrichtung gemessen werden soll, bei der der Taster 1 an einem Trägerteil angebracht ist, das nur in der Z-Richtung verschoben wird, wie in 9 gezeigt, ist die Korrektur für die Neigung offensichtlich unnötig, da die Neigung α eines Tasters 1 aus der Richtung der Z-Achse erst einmal nicht existiert. Um den in 9 gezeigten Zustand kurz zu beschreiben: ein Arm 2 wird auf einer linearen Antriebseinrichtung 52 getragen, die in Z-Richtung bewegt wird, und die lineare Antriebseinrichtung 52 bewegt sich in Z-Richtung, so dass der vom am Arm 2 bereitgestellten Messdrucksensor 50 (Verwindungssensor) erhaltene Messdruck zu jeder Zeit konstant gehalten wird. Die lineare Antriebseinrichtung 52 bewegt sich auch mittels eines Motors 58, einer Kugelumlaufspindel 60 und einer Mutter 62 in X-Richtung und der Taster 1, der am Ende des Arms 2 angebracht ist, wird dadurch entlang der Oberfläche des Werkstücks 20 in X-Richtung geprüft. Ein Detektor 66 ist an der Mutter 62 bereitgestellt und die Verschiebung des Tasters 1 in X-Richtung wird durch Lesen einer Skala 64 mit dem Detektor 66 erfasst. Die lineare Antriebseinrichtung 52 ist ebenfalls mit einem Detektor 56 versehen und die Verschiebung des Tasters 1 in Z-Richtung wird durch Lesen einer linearen Skala 54 mit dem Detektor 56 erfasst. Es kann verstanden werden, dass der Taster 1 nur in Z-Richtung verschoben wird, da die lineare Antriebseinrichtung 52 den Arm 2 in einer solchen Weise in Z-Richtung verschiebt, dass der Messdruck immer konstant ist. Die Messung des Werkstücks 20 kann auch unter Verwendung einer einfacheren Messvorrichtung vorgenommen werden, wie in 10 gezeigt. In 10 ist ein Taster 1 an einem Arm 2 angebracht, der nur in Z-Richtung verschoben wird, und wird Arm 2 mittels eines Motors 58, einer Kugelumlaufspindel 60 und einer Mutter 62 in X-Richtung bewegt, um zu bewirken, dass die Oberfläche des Werkstücks 20 mit dem Taster 1 abgetastet wird. Bei jeder der in 9 und 10 gezeigten Messvorrichtungen ist die Korrektur für eine bogenförmigen Bewegung unnötig, da der Taster 1 nur in Z-Richtung verschoben wird.
Wie oben beschrieben wurde kann mit dieser Erfindung, da Korrekturdaten für die Kugel der Spitze des Tasters entsprechend dem Winkel durch Verwendung einer Prüflehre erhalten und die Messergebnisse unter Verwendung dieser Korrekturdaten korrigiert werden, die Oberflächenstruktur des Werkstücks mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Claims

Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen zum Messen einer Oberflächenstruktur eines Werkstücks (20), wobei die Messvorrichtung umfasst: einen Taster (1) mit einer Tasterspitze, dessen Querschnitt bogenförmig ist, wobei der Taster (1) an einem drehbaren Arm (2) angebracht ist und bogenförmig bewegbar ist, und wobei der Taster (1) entlang einer Oberfläche (200) des Werkstücks (20) bewegbar ist; einen Erfassungsabschnitt zum Erfassen eines Neigungswinkels α des Tasters (1) in Bezug auf eine Z-Richtung, einen Messabschnitt (3) zum Messen einer Verschiebung des Tasters (1) in der Z-Richtung; einen Speicherabschnitt (32, 33) zum Speichern von Radiuswerten (r) gemäß entsprechenden Winkeln θ zwischen einer Korrekturrichtung für einen Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung, die man durch Messen mit dem Taster (1) einer Prüflehre mit einer kugelförmigen, zylindrischen oder messerschneidenförmigen Gestalt mit bekanntem Radius (R) erhält; und einen Korrekturabschnitt (31) zum Korrigieren eines gemessenen Wertes auf der Basis des Radiuswertes (r), der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit einem Winkel θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung an einem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) korrespondiert, wobei der Korrekturabschnitt (31) eingerichtet ist, den gemessenen Wert zu korrigieren auf der Basis des Radiuswertes (r), der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit einem Winkel θ' korrespondiert, den man durch Korrektur des Winkels θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung an dem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) mit dem Neigungswinkel α des Tasters (1) erhält.
Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen zum Messen einer Oberflächenstruktur eines Werkstücks (20), wobei die Messvorrichtung umfasst: einen Taster (1) mit einer Tasterspitze, dessen Querschnitt bogenförmig ist, wobei der Taster (1) an einem drehbaren Arm (2) angebracht ist und bogenförmig bewegbar ist, und wobei der Taster (1) entlang einer Oberfläche (200) des Werkstücks (20) bewegbar ist; einen Erfassungsabschnitt zum Erfassen eines Neigungswinkels α des Tasters (1) in Bezug auf eine Z-Richtung, einen Messabschnitt (3) zum Messen einer Verschiebung des Tasters (1) in der Z-Richtung; einen Berechnungsabschnitt (31) für den Radiuswert zum Berechnen von Radiuswerten (r) gemäß entsprechenden Winkeln θ zwischen einer Korrekturrichtung für einen Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung auf der Basis gemessener Werte einer Prüflehre, die man durch Messen mit dem Taster (1) einer kugelförmigen, zylindrischen oder messerschneidenförmigen Prüflehre mit bekanntem Radius (R) erhält; einen Speicherabschnitt (32, 33) zum Speichern der berechneten Radiuswerte (r) gemäß den entsprechenden Winkeln θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung; und einen Korrekturabschnitt (31) zum Korrigieren eines gemessenen Wertes des Werkstückes (20) auf der Basis des Radiuswertes (r), der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit einem Winkel θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung an einem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) korrespondiert, wobei der Berechnungsabschnitt (31) für den Radiuswert eingerichtet ist, die Radiuswerte (r) zu berechnen gemäß den entsprechenden Winkeln θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung, die mit dem Neigungswinkel α korrigiert wurden, und wobei der Korrekturabschnitt (31) eingerichtet ist, den gemessenen Wert des Werkstücks (20) zu korrigieren auf der Basis des Radiuswertes (r), der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit einem Winkel θ' korrespondiert, den man durch Korrektur des Winkels θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung an dem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) mit dem Neigungswinkels α des Tasters (1) erhält.
Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen zum Messen einer Oberflächenstruktur eines Werkstücks (20), wobei die Messvorrichtung umfasst: einen Taster (1) mit einer Tasterspitze, dessen Querschnitt bogenförmig ist, wobei die Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen so ausgebildet ist, dass der Taster (1) an einem Arm angebracht ist, der nur in der Z-Richtung verschiebbar ist, um die Prüflehre zu messen, und dass der Taster (1) an einem drehbaren Arm (2) angebracht ist und bogenförmig bewegbar ist zum Zeitpunkt, wenn das Werkstück (20) gemessen wird, einen Erfassungsabschnitt zum Erfassen eines Neigungswinkels α des Tasters (1) in Bezug auf eine Z-Richtung, einen Messabschnitt (3) zum Messen einer Verschiebung des Tasters (1) in der Z-Richtung; einen Berechnungsabschnitt (31) für den Radiuswert zum Berechnen der Radiuswerte (r) gemäß entsprechenden Winkeln θ zwischen einer Korrekturrichtung für einen Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung auf der Basis gemessener Werte einer Prüflehre, die man durch Messen mit dem Taster (1) einer kugelförmigen, zylindrischen oder messerschneidenförmigen Prüflehre mit bekanntem Radius (R) erhält; einen Speicherabschnitt (32, 33) zum Speichern der berechneten Radiuswerte (r) gemäß den entsprechenden Winkeln θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung; und einen Korrekturabschnitt (31) zum Korrigieren eines gemessenen Wertes des Werkstückes (20) auf der Basis des Radiuswertes (r), der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit einem Winkel θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und hinsichtlich der Z-Richtung an einem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) korrespondiert, wobei der Korrekturabschnitt (31) eingerichtet ist, den gemessenen Wert des Werkstücks (20) zu korrigieren auf der Basis des Radiuswertes (r), der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit einem Winkel θ' korrespondiert, den man durch Korrektur des Winkels θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung an dem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) mit dem Neigungswinkel α des Tasters (1) erhält.
Messvorrichtung für Oberflächenstrukturen nach Anspruch 2 oder 3, bei der der Berechnungsabschnitt (31) für den Radiuswert eingerichtet ist, die Radiuswerte (r) entsprechend dem Winkel θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung auf der Basis einer Differenz zwischen dem gemessenen Wert für die Prüflehre und dem bekannten Radiuswert (R) der Prüflehre zu berechnen.
Verfahren zum Messen einer Oberflächenstruktur eines Werkstücks (20) durch Messen einer Verschiebung in einer Z-Richtung eines Tasters (1) mit einer Tasterspitze, dessen Querschnitt bogenförmig ist, während der Taster (1) sich entlang einer Oberfläche (200) des Werkstücks (20) bewegt, wobei der Taster (1) an einem drehbaren Arm (2) angebracht ist und sich bogenförmig bewegt, wobei das Verfahren umfasst: Speichern (S103) in einem Speicherabschnitt (32, 33) von Radiuswerten (r) gemäß entsprechenden Winkeln θ zwischen einer Korrekturrichtung für einen Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung, die man durch Messen (S101) mit dem Taster (1) einer Prüflehre mit einer kugelförmigen, zylindrischen oder messerschneidenförmigen Gestalt mit bekanntem Radius (R) erhält; Korrigieren (S105) in einem Korrekturabschnitt (31) eines gemessenen Wertes auf der Basis des Radiuswertes (r) des Tasters (1), der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit einem Winkel θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung an einem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) korrespondiert; und Erfassen in einem Erfassungsabschnitt eines Neigungswinkels α des Tasters (1) in Bezug auf eine Z-Richtung, wobei der Korrekturabschnitt (31) den gemessenen Wert korrigiert auf der Basis des Radiuswertes (r), der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit einem Winkel θ' korrespondiert, den man durch Korrektur des Winkels θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung an dem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) mit dem Neigungswinkel α des Tasters (1) erhält.
Verfahren zum Messen einer Oberflächenstruktur eines Werkstücks (20) durch Messen einer Verschiebung in einer Z-Richtung eines Tasters (1) mit einer Tasterspitze, dessen Querschnitt bogenförmig ist, während der Taster (1) sich entlang einer Oberfläche (200) des Werkstücks (20) bewegt, wobei der Taster (1) an einem drehbaren Arm (2) angebracht ist und sich bogenförmig bewegt, wobei das Verfahren umfasst: Berechnen (S102) in einem Berechnungsabschnitt (31) der Radiuswerte (r) gemäß den entsprechenden Winkeln θ zwischen einer Korrekturrichtung für einen Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung auf der Basis gemessener Werte einer Prüflehre, die man durch Messen (S101) mit dem Taster (1) einer kugelförmigen, zylindrischen oder messerschneidenförmigen Prüflehre mit bekanntem Radius (R) erhält; Speichern (S103) in einem Speicherabschnitt (32, 33) der berechneten Radiuswerte (r) gemäß den entsprechenden Winkeln θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung; Korrigieren (S105) in einem Korrekturabschnitt (31) eines gemessenen Wertes des Werkstückes (20) auf der Basis des Radiuswertes, der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit dem Winkel θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung an einem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) korrespondiert; und Erfassen in einem Erfassungsabschnitt eines Neigungswinkels α des Tasters (1) in Bezug auf eine Z-Richtung, wobei der Berechnungsabschnitt (31) für den Radiuswert die Radiuswerte (r) berechnet gemäß den entsprechenden Winkeln θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung, die mit dem Neigungswinkel α korrigiert wurden, und wobei der Korrekturabschnitt (31) den gemessenen Wert des Werkstücks (20) korrigiert auf der Basis des Radiuswertes (r), der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit einem Winkel Θ' korrespondiert, den man durch Korrektur des Winkels θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung an dem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) mit dem Neigungswinkel α des Tasters (1) erhält.
Verfahren zum Messen einer Oberflächenstruktur eines Werkstücks (20) durch Messen einer Verschiebung in einer Z-Richtung eines Tasters (1) mit einer Tasterspitze, deren Querschnitt bogenförmig ist, während der Taster (1) sich entlang einer Oberfläche (200) des Werkstücks (20) bewegt, wobei das Verfahren umfasst: Berechnen (S102) in einem Berechnungsabschnitt (31) der Radiuswerte (r) gemäß entsprechenden Winkeln θ zwischen einer Korrekturrichtung für einen Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung auf der Basis gemessener Werte einer Prüflehre, die man durch Messen (S101) mit dem Taster (1) einer kugelförmigen, zylindrischen oder messerschneidenförmigen Prüflehre mit bekanntem Radius (R) wobei der Taster (1) an einem Arm angebracht ist, der nur in der Z-Richtung verschiebbar ist, um die Prüflehre zu messen; Speichern (S103) in einem Speicherabschnitt (32, 33) der berechneten Radiuswerte (r) gemäß den entsprechenden Winkeln θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung; Korrigieren (S105) in einem Korrekturabschnitt (31) eines gemessenen Wertes des Werkstückes (20) auf der Basis des Radiuswertes (r), der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit einem Winkel θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung an einem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) korrespondiert, wobei der Taster (1) an einem drehbaren Arm (2) angebracht ist und sich bogenförmig bewegt zum Zeitpunkt, wenn das Werkstück (20) gemessen wird, und wobei das Verfahren weiterhin umfasst: Erfassen in einem Erfassungsabschnitt eines Neigungswinkels α des Tasters (1) in Bezug auf eine Z-Richtung zum Zeitpunkt, wenn das Werkstück (20) gemessen wird, wobei der Korrekturabschnitt (31) den gemessenen Wert des Werkstücks (20) korrigiert auf der Basis des Radiuswertes (r), der im Speicherabschnitt (32, 33) gespeichert ist und der mit einem Winkel θ' korrespondiert, den man durch Korrektur des Winkels θ zwischen der Korrekturrichtung für den Radius der Spitze des Tasters (1) und der Z-Richtung an dem Punkt des gemessenen Wertes des Werkstückes (20) mit dem Neigungswinkel α des Tasters (1) erhält.
Verfahren zum Messen der Oberflächenstruktur des Werkstücks (20) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, welches umfasst: Messen (S101) einer Prüflehre mit bekanntem Radius (R) mit dem Taster (1); Berechnen einer Differenz zwischen dem gemessenen Wert für die Prüflehre und dem bekannten Radiuswert (R) der Prüflehre als Korrekturwert.
Verfahren zum Messen der Oberflächenstruktur des Werkstücks (20) nach Anspruch 8, welches umfasst: Erfassen eines Neigungswinkels α des Tasters (1) in Bezug auf eine Z-Richtung, wenn die Prüflehre gemessen wird, wobei im Berechnungsschritt (S102) der Korrekturwert auf der Basis der Differenz und des Neigungswinkels α des Tasters (1) korrigiert wird.