TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Oberflächenformmessvorrichtung, die eine Oberflächenform durch einen kontaktlosen Verlagerungssensor unter Verwendung eines Lichtstrahls misst, eine mit der Oberflächenformmessvorrichtung ausgerüstete Werkzeugmaschine und ein Oberflächenformmessverfahren.The present invention relates to a surface shape measuring apparatus that measures a surface shape by a contactless displacement sensor using a light beam, a machine tool equipped with the surface shape measuring apparatus, and a surface shape measuring method.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Herkömmlich wird, wenn ein Werkstück durch eine Werkzeugmaschine bearbeitet wird, die Form des Werkstücks üblicherweise durch einen kontaktlosen Sensor gemessen. In diesem Fall wird ein Bearbeitungsprogramm der Werkzeugmaschine auf der Basis der gemessenen Form unter Verwendung eines interaktiven Systems, eines externen Computers oder dergleichen erstellt.Conventionally, when a workpiece is machined by a machine tool, the shape of the workpiece is usually measured by a non-contact sensor. In this case, a machining program of the machine tool is prepared on the basis of the measured shape using an interactive system, an external computer, or the like.
Wenn die Form eines Werkstücks durch einen kontaktlosen Sensor gemessen wird, ist eine Oberflächenhöhendifferenz (auch als ”Kante” bezeichnet) des Werkstücks ein wichtiger Bereich zum Festlegen eines Bearbeitungsstartpunkts, da die Bearbeitungsgenauigkeit und die Bearbeitungszeit dadurch beeinflusst werden, wie genau und wie schnell die Kante detektiert wird.When the shape of a workpiece is measured by a non-contact sensor, a surface height difference (also referred to as "edge") of the workpiece is an important area for setting a machining start point because the machining accuracy and the machining time are influenced by how accurately and how fast the edge is detected.
Herkömmlich wurden mehrere Verfahren zum genauen Detektieren einer Kante unter Verwendung eines kontaktlosen Sensors vorgeschlagen. Bei einer Technik, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2012-194085 (PTD 1) beschrieben ist, wird beispielsweise ein Laserstrahl von einem Halbleiterlaser gebündelt und auf eine gemessene Oberfläche aufgebracht und reflektiertes Licht des Strahls wird auf einem mehrfach unterteilten Photodetektor eingefangen. Um das Laserlicht auf der gemessenen Oberfläche zu fokussieren, wird ein Abstand zwischen dem Laserlicht und der gemessenen Oberfläche derart eingestellt, dass mehrere Signale, die aus dem Photodetektor ausgegeben werden, eine maximale Amplitude aufweisen. Eine Kante der gemessenen Oberfläche wird auf der Basis der Differenz der Ausgangsintensität zwischen Detektionseinheiten, die den mehrfach unterteilten Photodetektor bilden, detektiert.Conventionally, several methods have been proposed for accurately detecting an edge using a non-contact sensor. In a technique used in the Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2012-194085 (PTD 1), for example, a laser beam from a semiconductor laser is condensed and applied to a measured surface, and reflected light from the beam is captured on a multiply-divided photodetector. In order to focus the laser light on the measured surface, a distance between the laser light and the measured surface is adjusted so that a plurality of signals output from the photodetector have a maximum amplitude. An edge of the measured surface is detected on the basis of the difference of the output intensity between detection units constituting the multiply-divided photodetector.
ENTGEGENHALTUNGSLISTECITATION LIST
PATENTDOKUMENTPatent Document
-
PTD 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2012-194085 PTD 1: Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2012-194085
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
TECHNISCHES PROBLEMTECHNICAL PROBLEM
Bei der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Technik nimmt eine Vorrichtungskonfiguration in der Komplexität aufgrund des Bedarfs, das reflektierte Licht des Laserstrahls auf dem mehrfach unterteilten Photodetektor einzufangen, zu. Außerdem braucht die Messung Zeit aufgrund des Bedarfs, eine Laserlichtquelle und ein optisches System einzustellen, um den Laserstrahl auf die gemessene Oberfläche zu fokussieren, um eine Position der Kante zu detektieren.In the conventional technique described above, a device configuration increases in complexity due to the need to capture the reflected light of the laser beam on the multiply-divided photodetector. In addition, the measurement takes time due to the need to adjust a laser light source and an optical system to focus the laser beam on the measured surface to detect a position of the edge.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehend angegebenen Probleme durchgeführt und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Oberflächenformmessvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, die Position einer Oberflächenhöhendifferenz eines zu messenden Objekts leichter und schneller als bei herkömmlichen Techniken zu detektieren.The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a surface shape measuring apparatus capable of detecting the position of a surface height difference of an object to be measured more easily and faster than in conventional techniques.
LÖSUNG FÜR DAS PROBLEMSOLUTION FOR THE PROBLEM
In einem Aspekt ist die vorliegende Erfindung eine Oberflächenformmessvorrichtung, die eine Oberflächenform eines zu messenden Objekts mit einer Höhendifferenz misst, mit einem Verlagerungsmesser, einem Bewegungsmechanismus, einer Messsteuereinheit und einer Höhendifferenz-Identifikationseinheit. Der Verlagerungsmesser umfasst eine Lichtemissionseinheit, die einen Lichtstrahl in Richtung des zu messenden Objekts emittiert, ein optisches System, das gestreutes Licht des Lichtstrahls vom zu messenden Objekt sammelt, und eine Lichtempfangseinheit, die eine Fokussierposition des durch das optische System gesammelten Lichts detektiert. Der Verlagerungsmesser misst eine Verlagerung einer Oberfläche des zu messenden Objekts auf der Basis der Fokussierposition des Lichts an der Lichtempfangseinheit. Der Bewegungsmechanismus tastet den Lichtstrahl durch Bewegen des Verlagerungsmessers und des zu messenden Objekts relativ zueinander ab. Die Messsteuereinheit ist dazu konfiguriert, eine erste Messung und eine zweite Messung durchzuführen. Bei der ersten Messung misst die Messsteuereinheit kontinuierlich die Verlagerung der Oberfläche des zu messenden Objekts durch den Verlagerungsmesser, während der Lichtstrahl durch den Bewegungsmechanismus in einer Richtung abgetastet wird, die die Höhendifferenz schneidet. Bei der zweiten Messung misst die Messsteuereinheit kontinuierlich denselben Teil wie bei der ersten Messung durch den Verlagerungsmesser, wobei die Anordnung des optischen Systems und der Lichtempfangseinheit um 180 Grad von der Anordnung bei der ersten Messung um den Lichtstrahl als Rotationssymmetrieachse gedreht wurde. Die Höhendifferenz-Identifikationseinheit identifiziert eine Position der Höhendifferenz auf der Basis eines Trennungsstartpunkts, an dem ein gemessener Wert durch die erste Messung und ein gemessener Wert durch die zweite Messung sich voneinander zu trennen beginnen.In one aspect, the present invention is a surface shape measuring apparatus that measures a surface shape of an object to be measured having a height difference, a displacement meter, a moving mechanism, a measuring control unit, and a height difference identifying unit. The displacement meter includes a light emitting unit that emits a light beam toward the object to be measured, an optical system that collects scattered light of the light beam from the object to be measured, and a light receiving unit that detects a focusing position of the light collected by the optical system. The displacement meter measures a displacement of a surface of the object to be measured on the basis of the focusing position of the light at the light receiving unit. The moving mechanism scans the light beam by moving the displacement meter and the object to be measured relative to each other. The measurement control unit is configured to perform a first measurement and a second measurement. In the first measurement, the measurement control unit continuously measures the displacement of the surface of the object to be measured by the displacement meter while the light beam is scanned by the moving mechanism in a direction intersecting the height difference. In the second measurement, the measurement control unit continuously measures the same part as in the first measurement by the displacement meter, and the arrangement of the optical system and the light receiving unit has been rotated by 180 degrees from the arrangement in the first measurement around the light beam as a rotational symmetry axis. The Height difference identification unit identifies a position of the height difference on the basis of a separation start point at which a measured value by the first measurement and a measured value by the second measurement start to separate from each other.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration tritt eine Differenz zwischen dem gemessenen Wert des Höhendifferenzabschnitts durch die erste Messung und dem gemessenen Wert des Höhendifferenzabschnitts durch die zweite Messung auf. Die Position der Höhendifferenz kann folglich auf der Basis der Position eines Messpunkts identifiziert werden, an dem die Differenz zwischen den gemessenen Werten aufzutreten beginnt (Trennungsstartpunkt).According to the configuration described above, a difference occurs between the measured value of the height difference portion by the first measurement and the measured value of the height difference portion by the second measurement. The position of the height difference can thus be identified on the basis of the position of a measurement point at which the difference between the measured values starts to occur (separation start point).
Vorzugsweise identifiziert die Höhendifferenz-Identifikationseinheit innerhalb eines Abschnitts, in dem der gemessene Wert durch die erste Messung und der gemessene Wert durch die zweite Messung voneinander getrennt sind, einen Punkt, der vom Trennungsstartpunkt um 1/2 einer Fleckgröße des Lichtstrahls verschoben ist, als Position der Höhendifferenz.Preferably, within a portion where the measured value is separated from each other by the first measurement and the measured value by the second measurement, the height difference identifying unit identifies a point shifted from the separation start point by 1/2 a spot size of the light beam as a position the height difference.
Vorzugsweise umfasst die Oberflächenformmessvorrichtung ferner eine Datenkorrektureinheit. Die Datenkorrektureinheit bestimmt einen Wert der Verlagerung der Oberfläche in jedem Messpunkt vom Trennungsstartpunkt zur identifizierten Position der Höhendifferenz als Mittelwert des gemessenen Werts durch die erste Messung und des gemessenen Werts durch die zweite Messung.Preferably, the surface shape measuring device further comprises a data correction unit. The data correction unit determines a value of the displacement of the surface in each measurement point from the separation start point to the identified position of the height difference as an average value of the measured value by the first measurement and the measured value by the second measurement.
Zweidimensional aus einer Richtung entlang des Lichtstrahls betrachtet ist vorzugsweise eine Abtastrichtung des Lichtstrahls keine zu einer Strahlengangebene mit dem Lichtstrahl und der Fokussierposition des Lichts an der Lichtempfangseinheit senkrechte Richtung.Viewed two-dimensionally from one direction along the light beam, preferably, a scanning direction of the light beam is not a direction perpendicular to a beam path plane with the light beam and the focusing position of the light at the light receiving unit.
Vorzugsweise ist die Lichtempfangseinheit entweder vor oder hinter dem Lichtstrahl in der Abtastrichtung des Lichtstrahls während der ersten Messung angeordnet. Die Lichtempfangseinheit ist im anderen vor oder hinter dem Lichtstrahl in der Abtastrichtung während der zweiten Messung angeordnet.Preferably, the light receiving unit is disposed either in front of or behind the light beam in the scanning direction of the light beam during the first measurement. The light receiving unit is disposed in the other in front of or behind the light beam in the scanning direction during the second measurement.
Vorzugsweise umfasst der Verlagerungsmesser als optisches System ein erstes optisches System und ein zweites optisches System, das in einer Position angeordnet ist, die um 180 Grad vom ersten optischen System um den Lichtstrahl als Rotationssymmetrieachse gedreht ist. Der Verlagerungsmesser umfasst ferner als Lichtempfangseinheit eine erste Lichtempfangseinheit und eine zweite Lichtempfangseinheit, die in einer Position angeordnet ist, die um 180 Grad von der ersten Lichtempfangseinheit um den Lichtstrahl als Rotationssymmetrieachse gedreht ist. In diesem Fall werden das erste optische System und die erste Lichtempfangseinheit für die erste Messung verwendet und das zweite optische System und die zweite Lichtempfangseinheit werden für die zweite Messung verwendet.Preferably, the displacement meter includes, as an optical system, a first optical system and a second optical system disposed at a position rotated by 180 degrees from the first optical system about the light beam as a rotational symmetry axis. The displacement meter further includes, as a light receiving unit, a first light receiving unit and a second light receiving unit disposed in a position rotated 180 degrees from the first light receiving unit about the light beam as a rotational symmetry axis. In this case, the first optical system and the first light-receiving unit are used for the first measurement, and the second optical system and the second light-receiving unit are used for the second measurement.
Vorzugsweise ist die erste Lichtempfangseinheit entweder vor oder hinter dem Lichtstrahl in der Abtastrichtung des Lichtstrahls angeordnet. Die zweite Lichtempfangseinheit ist im anderen vor oder hinter dem Lichtstrahl in der Abtastrichtung angeordnet.Preferably, the first light receiving unit is arranged either in front of or behind the light beam in the scanning direction of the light beam. The second light receiving unit is disposed in the other in front of or behind the light beam in the scanning direction.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration tritt eine Differenz zwischen dem gemessenen Wert des Höhendifferenzabschnitts durch die erste Lichtempfangseinheit und dem gemessenen Wert des Höhendifferenzabschnitts durch die zweite Lichtempfangseinheit auf. Folglich kann die Position der Höhendifferenz auf der Basis der Position eines Messpunkts identifiziert werden, an dem die Differenz zwischen den gemessenen Werten aufzutreten beginnt (Trennungsstartpunkt).According to the configuration described above, a difference occurs between the measured value of the height difference portion by the first light receiving unit and the measured value of the height difference portion by the second light receiving unit. Thus, the position of the height difference can be identified on the basis of the position of a measurement point at which the difference between the measured values starts to occur (separation start point).
In einem nochmals anderen Aspekt ist die vorliegende Erfindung eine Werkzeugmaschine mit der vorstehend beschriebenen Oberflächenformmessvorrichtung.In yet another aspect, the present invention is a machine tool having the surface shape measuring apparatus described above.
In einem nochmals anderen Aspekt ist die vorliegende Erfindung ein Oberflächenformmessverfahren zum Messen einer Oberflächenform eines zu messenden Objekts mit einer Höhendifferenz unter Verwendung eines kontaktlosen Verlagerungsmessers. Der Verlagerungsmesser umfasst eine Lichtemissionseinheit, die einen Lichtstrahl in Richtung des zu messenden Objekts emittiert, ein optisches System, das gestreutes Licht des Lichtstrahls vom zu messenden Objekt sammelt, und eine Lichtempfangseinheit, die eine Fokussierposition des Lichts durch das optische System detektiert. Das Oberflächenformmessverfahren umfasst einen ersten Messschritt zum kontinuierlichen Messen einer Verlagerung einer Oberfläche des zu messenden Objekts durch den Verlagerungsmesser, während der Lichtstrahl in einer Richtung, die die Höhendifferenz schneidet, durch Bewegen des Verlagerungsmessers und des zu messenden Objekts relativ zueinander abgetastet wird, einen zweiten Messschritt zum kontinuierlichen Messen desselben Teils wie bei der ersten Messung durch den Verlagerungsmesser, wobei die Anordnung des optischen Systems und der Lichtempfangseinheit um 180 Grad von der Anordnung bei der ersten Messung um den Lichtstrahl als Rotationssymmetrieachse gedreht wurde, und den Schritt zum Identifizieren einer Position der Höhendifferenz auf der Basis eines Trennungsstartpunkts, an dem ein gemessener Wert im ersten Messschritt und ein gemessener Wert im zweiten Messschritt sich voneinander zu trennen beginnen.In still another aspect, the present invention is a surface shape measuring method for measuring a surface shape of an object to be measured having a height difference using a non-contact displacement meter. The displacement meter includes a light emitting unit that emits a light beam toward the object to be measured, an optical system that collects scattered light of the light beam from the object to be measured, and a light receiving unit that detects a focusing position of the light by the optical system. The surface shape measuring method includes a first measuring step for continuously measuring a displacement of a surface of the object to be measured by the displacement meter while the light beam is scanned in a direction intersecting the height difference by moving the displacement meter and the object to be measured relative to each other, a second measuring step for continuously measuring the same part as in the first measurement by the displacement meter, wherein the arrangement of the optical system and the light receiving unit has been rotated by 180 degrees from the arrangement at the first measurement about the light beam as the rotational symmetry axis, and the step of identifying a position of the height difference based on a separation start point at which a measured value in the first measurement step and a measured value in the second measuring step begin to separate from each other.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNGADVANTAGEOUS EFFECTS OF THE INVENTION
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Position einer Oberflächenhöhendifferenz eines zu messenden Objekts leichter und schneller als bei herkömmlichen Techniken detektiert werden.According to the present invention, the position of a surface height difference of an object to be measured can be detected more easily and faster than in conventional techniques.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
1 ist ein Diagramm, das schematisch die Konfiguration eines Laserverlagerungsmessers zeigt. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a laser displacement meter.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Konfiguration eines linearen Bildsensors von 1 zeigt. 2 FIG. 15 is a perspective view schematically showing the configuration of a linear image sensor of FIG 1 shows.
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Daten zeigt, die durch den linearen Bildsensor von 1 detektiert werden. 3 FIG. 13 is a diagram showing an example of data obtained by the linear image sensor of FIG 1 be detected.
4 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Beispiel der Konfiguration einer Oberflächenformmessvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. 4 Fig. 10 is a block diagram schematically showing an example of the configuration of a surface shape measuring apparatus according to a first embodiment.
5 ist ein Diagramm, das einen Fehler zeigt, der während der Messung eines Höhendifferenzabschnitts auftritt. 5 FIG. 12 is a diagram showing an error occurring during the measurement of a height difference portion. FIG.
6 ist ein Diagramm, das einen Fehler darstellt, der während der Messung des Höhendifferenzabschnitts auftritt, wobei die Anordnung des in 5 gezeigten Laserverlagerungsmessers um 180 Grad gedreht wurde. 6 FIG. 15 is a diagram illustrating an error occurring during the measurement of the height difference portion, wherein the arrangement of the in 5 shown laser displacement meter was rotated 180 degrees.
7 ist ein Diagramm, das schematisch Beispiele der Helligkeitsverteilung eines Lichtsammelflecks auf dem linearen Bildsensor in den Fällen von 5 und 6 zeigt. 7 FIG. 12 is a diagram schematically showing examples of brightness distribution of a light-collecting spot on the linear image sensor in the cases of FIG 5 and 6 shows.
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von gemessenen Daten auf einer Oberflächenform in den Fällen von 5 und 6 zeigt. 8th is a diagram showing an example of measured data on a surface shape in the cases of 5 and 6 shows.
9 ist ein Ablaufplan, der eine Prozedur zum Messen einer Oberflächenform und eine Prozedur zum Verarbeiten von gemessenen Daten zeigt. 9 Fig. 10 is a flowchart showing a procedure for measuring a surface shape and a procedure for processing measured data.
10 ist ein Diagramm, das schematisch die Konfiguration eines Laserverlagerungsmessers zur Verwendung in einer Oberflächenformmessvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. 10 FIG. 12 is a diagram schematically showing the configuration of a laser displacement meter for use in a surface shape measuring apparatus according to a second embodiment. FIG.
11 ist ein Ablaufplan, der eine Prozedur zum Messen einer Oberflächenform und eine Prozedur zum Verarbeiten von gemessenen Daten in der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform zeigt. 11 Fig. 10 is a flowchart showing a procedure for measuring a surface shape and a procedure for processing measured data in the apparatus of the second embodiment.
12 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Werkzeugmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt. 12 FIG. 15 is a perspective view schematically showing the configuration of a machine tool according to a third embodiment. FIG.
13 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionale Konfiguration eines Abschnitts, der sich auf eine Oberflächenformmessvorrichtung bezieht, der Werkzeugmaschine von 12 zeigt. 13 FIG. 10 is a block diagram showing a functional configuration of a portion related to a surface shape measuring apparatus of the machine tool of FIG 12 shows.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Ausführungsformen werden nun im Einzelnen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Obwohl jede der folgenden Ausführungsformen eine Oberflächenformmessvorrichtung unter Verwendung eines Laserverlagerungsmessers als Beispiel beschreibt, ist die vorliegende Erfindung auch auf einen kontaktlosen Verlagerungsmesser unter Verwendung eines inkohärenten Lichtstrahls anstelle von Laserlicht anwendbar. In der folgenden Beschreibung sind dieselben oder entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibungen können nicht wiederholt werden.Embodiments will now be described in detail with reference to the drawings. Although each of the following embodiments describes a surface shape measuring apparatus using a laser displacement meter as an example, the present invention is also applicable to a non-contact type displacement meter using an incoherent light beam instead of laser light. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and their descriptions can not be repeated.
<Erste Ausführungsform><First Embodiment>
[Überblick über den Laserverlagerungsmesser][Overview of the Laser Displacement Meter]
1 ist ein Diagramm, das schematisch die Konfiguration eines Laserverlagerungsmessers zeigt. Mit Bezug auf 1 umfasst ein Laserverlagerungsmesser 100 eine Lichtemissionseinheit 110, eine Kondensorlinse 118 als optisches System und einen linearen Bildsensor 120 als Lichtempfangseinheit. Die Lichtemissionseinheit 110 umfasst eine Laserdiode 112 und eine Linse 114. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a laser displacement meter. Regarding 1 includes a laser displacement meter 100 a light emission unit 110 , a condenser lens 118 as an optical system and a linear image sensor 120 as a light receiving unit. The light emission unit 110 includes a laser diode 112 and a lens 114 ,
Ein Laserstrahl 116, der von der Laserdiode 112 emittiert wird, wird in im Wesentlichen paralleles Licht durch die Linse 114 kollimiert und auf ein zu messendes Objekt 130 aufgebracht. Eine Fleckgröße w (auch als Fleckdurchmesser bezeichnet) des Laserstrahls 116 am zu messenden Objekt ist beispielsweise 50 μm im Durchmesser.A laser beam 116 from the laser diode 112 is emitted in substantially parallel light through the lens 114 collimated and onto an object to be measured 130 applied. A spot size w (also called a spot diameter) of the laser beam 116 on the object to be measured, for example, 50 microns in diameter.
Das am zu messenden Objekt 130 diffus reflektierte Licht wird durch die Kondensorlinse 118 auf den linearen Bildsensor 120 gesammelt, der in einer Winkelrichtung von γ relativ zum Laserstrahl 116 angeordnet ist. In 1 stellt f0 eine Brennweite der Kondensorlinse 118 dar und l stellt einen Abstand von einer Bestrahlungsposition des Laserstrahls 116 (Laserfleck 132) auf einer Oberfläche des zu messenden Objekts 130 zur Kondensorlinse 118 dar.The object to be measured 130 diffused light is transmitted through the condenser lens 118 on the linear image sensor 120 collected in an angular direction of γ relative to the laser beam 116 is arranged. In 1 f 0 represents a focal length of the condenser lens 118 and l represents a distance from an irradiation position of the laser beam 116 (Laser spot 132 ) on a surface of the object to be measured 130 to the condenser lens 118 represents.
Der lineare Bildsensor 120 ist in einem Winkel auf der Basis der Scheimpflug-Bedingung angeordnet. Das heißt, eine Detektionsebene des linearen Bildsensors 120 und eine Hauptebene der Kondensorlinse 118 schneiden sich in einer geraden Linie, wobei diese Ebenen einen Winkel β bilden. Eine Ebene mit dem Laserstrahl 116 dient als Gegenstandsebene. Mit dieser Anordnung wird ein Bild des Laserflecks 132 auf dem linearen Bildsensor 120 ohne Unschärfe gebildet, selbst wenn der Abstand zwischen dem zu messenden Objekt 130 und dem Laserverlagerungsmesser 100 variiert.The linear image sensor 120 is at an angle based on the Scheimpflug condition arranged. That is, a detection plane of the linear image sensor 120 and a main plane of the condenser lens 118 intersect in a straight line, these planes forming an angle β. A plane with the laser beam 116 serves as an item level. With this arrangement, an image of the laser spot 132 on the linear image sensor 120 formed without blur, even if the distance between the object to be measured 130 and the laser displacement meter 100 varied.
In 1 ist eine Richtung des Laserstrahls 116 eine Z-Achsen-Richtung. Eine Ebene, die eine Mittelachse des Laserstrahls 116 und eine optische Achse der Kondensorlinse 118 enthält, wird als Strahlengangebene bezeichnet. Eine zu dieser Strahlengangebene parallele und zur Z-Achsen-Richtung senkrechte Richtung ist eine X-Achsen-Richtung. Eine zu sowohl der X-Achsen-Richtung als auch der Z-Achsen-Richtung senkrechte Richtung ist eine Y-Achsen-Richtung. Im Fall von 1 ist die Y-Achsen-Richtung eine zum Blatt der Zeichnung senkrechte Richtung und eine X-Z-Ebene ist zum Blatt der Zeichnung parallel (Strahlengangebene).In 1 is a direction of the laser beam 116 a Z-axis direction. A plane that is a central axis of the laser beam 116 and an optical axis of the condenser lens 118 contains, is called the beam path plane. A direction parallel to this beam path plane and perpendicular to the Z-axis direction is an X-axis direction. A direction perpendicular to both the X-axis direction and the Z-axis direction is a Y-axis direction. In case of 1 the Y-axis direction is a direction perpendicular to the sheet of the drawing, and an XZ plane is parallel to the sheet of the drawing (beam path plane).
Eine Strahlgröße eines Laserlichts (eine Fleckgröße an einem zu messenden Objekt) wird nun beschrieben. Es gibt verschiedene Definitionen einer Strahlgröße von Laserlicht. Eine Strahlgröße von Laserlicht mit einem symmetrischen Strahlprofil wie z. B. im TEM00-Modus wird beispielsweise auf einer zur optischen Achse orthogonalen Oberfläche mit einer Breite der Intensitätsverteilung entsprechend dem Kehrwert des Quadrats von e (es ist zu beachten, dass e die Basis des natürlichen Logarithmus ist) (13,5%) relativ zu einem Spitzenwert definiert. Wenn das Strahlprofil verzerrt wurde, wird beispielsweise ein Kreis, der 86,5% der ganzen Leistung des Strahls in Bezug auf die Spitzenleistung umfasst, berechnet und der Durchmesser dieses Kreises wird als Strahlgröße definiert. In dieser Patentbeschreibung ist, um verschiedene Definitionen einzuschließen, ein Bereich gleich oder größer als der Durchmesser eines Kreises, der 50% der ganzen Leistung umfasst, und gleich oder kleiner als der Durchmesser eines Kreises, der 95% der ganzen Leistung umfasst, im Wesentlichen gleich der Strahlgröße (der Fleckgröße am zu messenden Objekt).A beam size of a laser light (a spot size on an object to be measured) will now be described. There are several definitions of a beam size of laser light. A beam size of laser light with a symmetrical beam profile such. For example, in TEM00 mode, for example, on a surface orthogonal to the optical axis having a width of the intensity distribution corresponding to the inverse of the square of e (note that e is the base of the natural logarithm) (13.5%) is relative to a peak value. For example, if the beam profile has been distorted, a circle comprising 86.5% of the total power of the beam in terms of peak power is calculated, and the diameter of this circle is defined as the beam size. In this specification, to include various definitions, a range equal to or greater than the diameter of a circle comprising 50% of the total power and equal to or less than the diameter of a circle comprising 95% of the total power is substantially equal the beam size (the spot size on the object to be measured).
2 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Konfiguration des linearen Bildsensors von 1 zeigt. Mit Bezug auf 2 umfasst der lineare Bildsensor 120 linear angeordnete 1024 Pixel 122. Jedes Pixel 122 gibt ein Signal mit einem Helligkeitspegel im Bereich von 0 bis zu einem Maximum von 255 in Abhängigkeit von der Menge an empfangenem Licht aus. 2 FIG. 15 is a perspective view schematically showing the configuration of the linear image sensor of FIG 1 shows. Regarding 2 includes the linear image sensor 120 linearly arranged 1024 pixels 122 , Every pixel 122 outputs a signal having a brightness level in the range of 0 to a maximum of 255 depending on the amount of received light.
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Daten zeigt, die durch den linearen Bildsensor von 1 detektiert werden. Eine horizontale Achse von 3 stellt eine Pixelposition dar und eine vertikale Achse stellt den Helligkeitspegel dar. Mit Bezug auf 2 und 3 wird das am zu messenden Objekt 130 diffus reflektierte Licht durch die Kondensorlinse 118 auf einen Fleck 124 auf dem linearen Bildsensor 120 gesammelt, was zu Daten mit der Form einer Gaußverteilung führt, wie in 3 gezeigt. Ein Abstand zum Objekt wird auf der Basis einer Schwerpunktposition der Daten von 3 durch Triangulation berechnet. Im Fall von 3 entspricht eine Mittellinie 180 der Helligkeitsverteilung dem Schwerpunkt. 3 FIG. 13 is a diagram showing an example of data obtained by the linear image sensor of FIG 1 be detected. A horizontal axis of 3 represents a pixel position and a vertical axis represents the brightness level. Referring to FIG 2 and 3 becomes the object to be measured 130 diffusely reflected light through the condenser lens 118 in one spot 124 on the linear image sensor 120 collected, resulting in data in the form of a Gaussian distribution, as in 3 shown. A distance to the object is based on a center of gravity position of the data of 3 calculated by triangulation. In case of 3 corresponds to a center line 180 the brightness distribution to the center of gravity.
[Konfiguration der Oberflächenformmessvorrichtung][Configuration of surface shape measuring device]
4 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Beispiel der Konfiguration einer Oberflächenformmessvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Mit Bezug auf 4 umfasst eine Oberflächenformmessvorrichtung 140 einen Tisch 144, auf dem ein zu messendes Objekt 130 angeordnet wird, einen Sattel 142, einen Laserverlagerungsmesser 100, einen X-Achsen-Antriebsmechanismus 146X, einen Y-Achsen-Antriebsmechanismus 146Y, einen Z-Achsen-Antriebsmechanismus 146Z, einen C-Achsen-Antriebsmechanismus 146C und einen Computer 150. 4 FIG. 10 is a block diagram schematically showing an example of the configuration of a surface shape measuring apparatus according to the first embodiment. FIG. Regarding 4 includes a surface shape measuring device 140 a table 144 on which an object to be measured 130 is arranged a saddle 142 , a laser displacement meter 100 , an X-axis drive mechanism 146x , a Y-axis drive mechanism 146y , a Z-axis drive mechanism 146Z , a C-axis drive mechanism 146C and a computer 150 ,
Der Tisch 144 ist auf dem Sattel 142 angeordnet und ist in der X-Achsen-Richtung beweglich. Der Sattel 142 ist in der Y-Achsen-Richtung beweglich. Der X-Achsen-Antriebsmechanismus 146X bewegt den Tisch 144 in der X-Achsen-Richtung. Der Y-Achsen-Antriebsmechanismus 146Y bewegt den Sattel 142 in der Y-Achsen-Richtung. Der Z-Achsen-Antriebsmechanismus 146Z bewegt den Laserverlagerungsmesser 100 in der Z-Achsen-Richtung. Der C-Achsen-Antriebsmechanismus 146C dreht den Laserverlagerungsmesser 100 um eine Drehachse (C-Achsen-Drehzentrum) parallel zur Z-Achse. Der C-Achsen-Antriebsmechanismus 146C kann in irgendeinen Drehwinkel relativ zu einer Referenzposition eingestellt werden.The table 144 is on the saddle 142 arranged and is movable in the X-axis direction. The saddle 142 is movable in the Y-axis direction. The X-axis drive mechanism 146x moves the table 144 in the X-axis direction. The Y-axis drive mechanism 146y moves the saddle 142 in the Y-axis direction. The Z-axis drive mechanism 146Z moves the laser displacement meter 100 in the Z-axis direction. The C-axis drive mechanism 146C turns the laser displacement meter 100 around a rotation axis (C-axis rotation center) parallel to the Z-axis. The C-axis drive mechanism 146C can be set in any angle of rotation relative to a reference position.
Der X-Achsen-Antriebsmechanismus 146X, der Y-Achsen-Antriebsmechanismus 146Y, der Z-Achsen-Antriebsmechanismus 146Z und der C-Achsen-Antriebsmechanismus 146C funktionieren als Bewegungsmechanismus 146 zum Bewegen des Laserverlagerungsmessers 100 und des zu messenden Objekts 130 relativ zueinander. Folglich tastet der Laserstrahl 116 die Oberfläche des zu messenden Objekts 130 durch den Bewegungsmechanismus 146 ab.The X-axis drive mechanism 146x , the Y-axis drive mechanism 146y , the Z-axis drive mechanism 146Z and the C-axis drive mechanism 146C work as a movement mechanism 146 for moving the laser displacement meter 100 and the object to be measured 130 relative to each other. Consequently, the laser beam is scanned 116 the surface of the object to be measured 130 through the movement mechanism 146 from.
Es wird angemerkt, dass die Konfiguration des Bewegungsmechanismus 146 nicht auf das Beispiel von 4 begrenzt ist. Die Konfiguration kann beispielsweise derart sein, dass das zu messende Objekt 130 fest ist und der Laserverlagerungsmesser 100 in den drei X-, Y- und Z-Richtungen beweglich ist. Die Konfiguration kann derart sein, dass der Laserverlagerungsmesser 100 fest ist und der Tisch 144, der das zu messende Objekt 130 trägt, um das C-Achsen-Drehzentrum drehbar ist.It is noted that the configuration of the movement mechanism 146 not on the example of 4 is limited. The configuration may, for example, be such that the one to be measured object 130 is fixed and the laser displacement meter 100 is movable in the three X, Y and Z directions. The configuration may be such that the laser displacement meter 100 is fixed and the table 144 , the object to be measured 130 contributes to the C-axis turning center is rotatable.
Der Computer 150 umfasst einen Prozessor 152, einen Speicher 154 sowie eine Anzeigevorrichtung, eine Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung und dergleichen, die nicht gezeigt sind. Der Prozessor 152 fungiert als Messsteuereinheit 156 und Datenverarbeitungseinheit 158 durch Ausführen eines im Speicher 154 gespeicherten Programms.The computer 150 includes a processor 152 , a store 154 and a display device, an input / output device, and the like, which are not shown. The processor 152 acts as a measurement control unit 156 and data processing unit 158 by running one in memory 154 saved program.
Die Messsteuereinheit 156 tastet den Laserstrahl 116 durch Steuern des Laserverlagerungsmessers 100 und des Bewegungsmechanismus 146 ab. Während dieser Abtastung des Laserstrahls 116 misst die Messsteuereinheit 156 kontinuierlich Oberflächenformdaten 166 am zu messenden Objekt 130 mittels des Laserverlagerungsmessers 100. Die gemessenen Oberflächenformdaten 166 werden im Speicher 154 gespeichert. Die Oberflächenformdaten 166 sind eine Datenreihe, in der eine Abtastposition am zu messenden Objekt 130 (die mit dem Laserstrahl bestrahlte Position) einer Verlagerung in der Z-Achsen-Richtung der Oberfläche des zu messenden Objekts 130 in dieser Abtastposition zugeordnet ist.The measuring control unit 156 scans the laser beam 116 by controlling the laser displacement meter 100 and the movement mechanism 146 from. During this scanning of the laser beam 116 measures the measurement control unit 156 continuous surface shape data 166 on the object to be measured 130 by means of the laser displacement meter 100 , The measured surface shape data 166 be in memory 154 saved. The surface shape data 166 are a data series in which a sampling position on the object to be measured 130 (the position irradiated with the laser beam) of a displacement in the Z-axis direction of the surface of the object to be measured 130 assigned in this scanning position.
Die Messsteuereinheit 156 dreht auch den Laserverlagerungsmesser 100 um 180 Grad um die Drehachse (C-Achsen-Drehzentrum) parallel zur Z-Achsen-Richtung durch Steuern des C-Achsen-Antriebsmechanismus 146C. Wenn das C-Achsen-Drehzentrum und die Mittelachse des Laserstrahls 116 übereinstimmen, dreht folglich der Laserverlagerungsmesser 100 sich um 180 Grad um die Mittelachse des Laserstrahls 116. Das heißt, die Kondensorlinse 118 (optisches System) und der lineare Bildsensor 120 (Lichtempfangseinheit) in 1 bewegen sich in liniensymmetrische Positionen in Bezug auf die Mittelachse des Laserstrahls 116. Wenn die Mittelachse des Laserstrahls 116 und das C-Achsen-Drehzentrum nicht übereinstimmen, kann der Laserverlagerungsmesser 100 um 180 Grad um die Mittelachse des Laserstrahls 116 gedreht werden, während die Position des Laserstrahls 116 aufrechterhalten wird, durch Drehen des Laserverlagerungsmessers 100 um das C-Achsen-Drehzentrum und durch Bewegen des Laserverlagerungsmessers 100 in der X-Achsen-Richtung und der Y-Achsen-Richtung.The measuring control unit 156 also turns the laser displacement meter 100 180 degrees about the rotation axis (C-axis rotation center) parallel to the Z-axis direction by controlling the C-axis drive mechanism 146C , If the C-axis rotation center and the center axis of the laser beam 116 Therefore, the laser displacement meter will turn 100 180 degrees around the central axis of the laser beam 116 , That is, the condenser lens 118 (optical system) and the linear image sensor 120 (Light receiving unit) in 1 move in line symmetric positions with respect to the central axis of the laser beam 116 , When the central axis of the laser beam 116 and the C-axis turning center do not match, the laser displacement meter can 100 180 degrees around the central axis of the laser beam 116 be rotated while the position of the laser beam 116 is maintained by rotating the laser displacement meter 100 around the C-axis turning center and by moving the laser displacement meter 100 in the X-axis direction and the Y-axis direction.
Wie später beschrieben wird, nachdem der Laserverlagerungsmesser 100 um 180 Grad um die Mittelachse des Laserstrahls 116 gedreht wurde, misst die Messsteuereinheit 156 denselben Teil wie jenen vor der Drehung durch den Laserverlagerungsmesser 100. Durch Vergleichen der Oberflächenformdaten am gleichen Teil, der vor und nach der Drehung gemessen wird, kann eine Kantenposition eines Höhendifferenzabschnitts des zu messenden Objekts 130 leicht, genau und schnell detektiert werden.As will be described later, after the laser displacement meter 100 180 degrees around the central axis of the laser beam 116 was rotated, the measuring control unit measures 156 same part as those before rotation by the laser displacement meter 100 , By comparing the surface shape data on the same part measured before and after the rotation, an edge position of a height difference portion of the object to be measured 130 be detected easily, accurately and quickly.
Die Datenverarbeitungseinheit 158 führt eine Datenverarbeitung an den durch den Laserverlagerungsmesser 100 gemessenen Daten (Oberflächenformdaten 166) durch, um die Höhendifferenzposition zu identifizieren. Die Inhalte der Datenverarbeitung werden später mit Bezug auf 9 beschrieben.The data processing unit 158 performs data processing by the laser displacement meter 100 measured data (surface shape data 166 ) to identify the height difference position. The contents of the data processing will be discussed later with reference to 9 described.
Ein spezielles Verfahren zum Detektieren der Höhendifferenzposition wird nun beschrieben. In der Vorrichtung dieser Ausführungsform wird die Höhendifferenzposition unter Verwendung eines Fehlers detektiert, der während der Messung des Höhendifferenzabschnitts durch den Triangulations-Laserverlagerungsmesser auftritt. Das Folgende beschreibt zuerst einen Fehler, der während der Messung des Höhendifferenzabschnitts auftritt, und beschreibt dann eine Datenverarbeitungsprozedur zum Detektieren der Höhendifferenzposition.A specific method of detecting the height difference position will now be described. In the apparatus of this embodiment, the height difference position is detected by using an error occurring during the measurement of the height difference portion by the triangulation laser displacement meter. The following describes first an error that occurs during the measurement of the height difference portion, and then describes a data processing procedure for detecting the height difference position.
[Betrachtung des Fehlers, der während der Messung des Höhendifferenzabschnitts auftritt][Observation of the error occurring during the measurement of the height difference portion]
5 ist ein Diagramm, das einen Fehler darstellt, der während der Messung eines Höhendifferenzabschnitts auftritt. In 5 ist eine Abtastrichtung des Laserstrahls eine +X-Richtung. Der Laserstrahl wird entlang einer geraden Linie 136 auf die Oberfläche des zu messenden Objekts 130 aufgebracht. Eine Richtung der geraden Linie 136 (die Abtastrichtung des Laserstrahls) schneidet (muss nicht orthogonal sein zu) eine Kante 134 eines Höhendifferenzabschnitts. Um die Darstellung zu erleichtern, ist der Laserfleck 132 in 5 in der Größe vergrößert gezeigt. 5 FIG. 13 is a diagram illustrating an error occurring during the measurement of a height difference portion. FIG. In 5 a scanning direction of the laser beam is a + X direction. The laser beam is along a straight line 136 on the surface of the object to be measured 130 applied. A direction of the straight line 136 (the scanning direction of the laser beam) intersects (does not have to be orthogonal) an edge 134 a height difference section. To facilitate the presentation, the laser spot 132 in 5 shown enlarged in size.
In dem in 5 gezeigten Beispiel wird die Orientierung des Laserverlagerungsmessers derart bestimmt, dass die Kondensorlinse (optisches System) 118 und der lineare Bildsensor (Lichtempfangseinheit) 120, die den Laserverlagerungsmesser bilden, vor dem Laserstrahl in der Abtastrichtung angeordnet sind. In diesem Fall, wenn der Laserfleck 132 den Kantenabschnitt erreicht, verschwindet ein Abschnitt des Laserflecks 132 nahe dem linearen Bildsensor 120. Dies verursacht eine Bewegung einer Schwerpunktposition des Lichtsammelflecks 124 auf dem linearen Bildsensor 120, wodurch ein flacher Oberflächenabschnitt 138 des zu messenden Objekts 130 beobachtet wird, als ob er um ε+ höher angeordnet ist (näher an der Lichtemissionseinheit 110) als die tatsächliche Position.In the in 5 the example shown, the orientation of the laser displacement meter is determined such that the condenser lens (optical system) 118 and the linear image sensor (light receiving unit) 120 which form the laser displacement meter, are arranged in front of the laser beam in the scanning direction. In this case, if the laser spot 132 reaches the edge portion, a portion of the laser spot disappears 132 near the linear image sensor 120 , This causes a movement of a center of gravity position of the light-collecting spot 124 on the linear image sensor 120 , creating a flat surface section 138 of the object to be measured 130 is observed as being positioned higher by ε + (closer to the light emission unit 110 ) as the actual position.
6 ist ein Diagramm, das einen Fehler darstellt, der während der Messung des Höhendifferenzabschnitts auftritt, wobei die Anordnung des in 5 gezeigten Laserverlagerungsmessers um 180 Grad gedreht wurde. Wie im Fall von 5 ist die Abtastrichtung des Laserstrahls die +X-Richtung und der Laserstrahl wird entlang der geraden Linie 136 am gleichem Teil auf die Oberfläche des zu messenden Objekts 130 aufgebracht. Um die Darstellung zu erleichtern, ist der Laserfleck 132 in der Größe vergrößert dargestellt. 6 FIG. 15 is a diagram illustrating an error occurring during the measurement of the height difference portion, wherein the arrangement of the in 5 shown laser displacement meter was rotated 180 degrees. As in the case of 5 the scanning direction of the laser beam is the + X direction and the laser beam is along the straight line 136 on the same part on the surface of the object to be measured 130 applied. To facilitate the presentation, the laser spot 132 shown enlarged in size.
Die Anordnung der Kondensorlinse 118 und des linearen Bildsensors 120 im Fall von 6 wird durch Drehen der Anordnung im Fall von 5 um 180 Grad um eine Mittelachse 116C des Laserstrahls erhalten. Das heißt, die Orientierung des Laserverlagerungsmessers wird derart bestimmt, dass die Kondensorlinse 118 und der lineare Bildsensor 120 hinter dem Laserstrahl in der Abtastrichtung angeordnet sind. In diesem Fall, wenn der Laserfleck 132 den Kantenabschnitt erreicht, verschwindet ein Abschnitt des Laserflecks 132 fern vom linearen Bildsensor 120. Dies verursacht eine Bewegung der Schwerpunktposition des Lichtsammelflecks 124 auf dem linearen Bildsensor 120. Es wird angemerkt, dass eine Richtung der Bewegung der Schwerpunktposition des Lichtsammelflecks 124 zur Richtung im Fall von 5 entgegengesetzt ist. Folglich wird die Oberfläche des zu messenden Objekts 130 beobachtet, als ob sie um ε– niedriger (weiter von der Lichtemissionseinheit 110) angeordnet ist als die tatsächliche Position.The arrangement of the condenser lens 118 and the linear image sensor 120 in case of 6 is by turning the arrangement in the case of 5 180 degrees around a central axis 116C of the laser beam. That is, the orientation of the laser displacement meter is determined such that the condenser lens 118 and the linear image sensor 120 are arranged behind the laser beam in the scanning direction. In this case, if the laser spot 132 reaches the edge portion, a portion of the laser spot disappears 132 away from the linear image sensor 120 , This causes a movement of the center of gravity of the light-collecting spot 124 on the linear image sensor 120 , It is noted that a direction of movement of the center of gravity of the light-collecting spot 124 to the direction in the case of 5 is opposite. Consequently, the surface of the object to be measured becomes 130 observed as if lower by ε- (farther from the light emission unit 110 ) is arranged as the actual position.
7 ist ein Diagramm, das schematisch Beispiele einer Helligkeitsverteilung des Lichtsammelflecks auf dem linearen Bildsensor in den Fällen von 5 und 6 zeigt. 7(A) stellt die Helligkeitsverteilung entsprechend 5 dar und 7(B) stellt die Helligkeitsverteilung entsprechend 6 dar. Wenn der Laserstrahl auf eine flache Oberfläche aufgebracht wird, stellt die Helligkeitsverteilung eine Form nahe jener einer Gauß-Verteilung dar und die Mittellinie 180 der Helligkeitsverteilung in diesem Fall ist durch eine Strich-Punkt-Linie angegeben. Wie gezeigt, sind eine Schwerpunktposition 182 der Helligkeitsverteilung im Fall von 7(A) entsprechend 5 und eine Schwerpunktposition 184 der Helligkeitsverteilung im Fall von 7(B) entsprechend 6 in entgegengesetzten Richtungen in Bezug auf die Mittelinie 180 voneinander verschoben. Folglich weisen die gemessenen Werte vom Laserverlagerungsmesser Fehler in entgegengesetzten Richtungen in den Fällen von 5 und 6 auf. 7 FIG. 16 is a diagram schematically showing examples of brightness distribution of the light-collecting spot on the linear image sensor in the cases of FIG 5 and 6 shows. 7 (A) sets the brightness distribution accordingly 5 and 7 (B) sets the brightness distribution accordingly 6 When the laser beam is applied to a flat surface, the brightness distribution represents a shape close to that of a Gaussian distribution and the centerline 180 the brightness distribution in this case is indicated by a dash-and-dot line. As shown, are a focal point position 182 the brightness distribution in the case of 7 (A) corresponding 5 and a focal position 184 the brightness distribution in the case of 7 (B) corresponding 6 in opposite directions with respect to the center line 180 shifted from each other. Consequently, the measured values of the laser displacement meter have errors in opposite directions in the cases of 5 and 6 on.
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von gemessenen Daten an der Oberflächenform in den Fällen von 5 und 6 zeigt. In 8(A) sind gemessene Daten 186 im Fall von 5 durch eine durchgezogene Linie angegeben und gemessene Daten 188 im Fall von 6 sind durch eine gestrichelte Linie angegeben. 8(B) zeigt einen Mittelwert 190 von gemessenen Daten 186 im Fall von 5 und gemessenen Daten 188 im Fall von 6. 8th is a diagram showing an example of measured data on the surface shape in the cases of 5 and 6 shows. In 8 (A) are measured data 186 in case of 5 indicated by a solid line and measured data 188 in case of 6 are indicated by a dashed line. 8 (B) shows an average 190 of measured data 186 in case of 5 and measured data 188 in case of 6 ,
Mit Bezug auf 8(A) stimmen in einem Bereich auf der linken Seite eines Punkts P0 die gemessenen Daten 186 im Fall von 5 und die gemessenen Daten 188 im Fall von 6 überein. In einem Bereich auf der rechten Seite des Punkts P0 sind die gemessenen Daten 186 im Fall von 5 und die gemessenen Daten 188 im Fall von 6 voneinander verschieden. Außerdem nimmt die Differenz zwischen beiden gemessenen Werten zu, wenn sich die Abtastposition des Laserstrahls vom Punkt P0 weg bewegt. In dieser Patentbeschreibung wird der Messpunkt P0, an dem der gemessene Wert im Fall von 5 und der gemessene Wert im Fall von 6 sich voneinander zu trennen beginnen, als Trennungsstartpunkt bezeichnet.Regarding 8 (A) in a region on the left side of a point P0, the measured data is correct 186 in case of 5 and the measured data 188 in case of 6 match. In an area on the right side of the point P0 are the measured data 186 in case of 5 and the measured data 188 in case of 6 different from each other. In addition, the difference between both measured values increases as the scanning position of the laser beam moves away from the point P0. In this patent specification, the measurement point P0 at which the measured value in the case of 5 and the measured value in the case of 6 start separating from each other, called a separation start point.
Die vorstehend beschriebenen Messergebnisse können durch die Beziehung zwischen der Position des Laserflecks am zu messenden Objekt und der Position der Kante des Höhendifferenzabschnitts erklärt werden. Insbesondere entspricht die Situation, in der der Laserfleck 132 sich an der oberen flachen Oberfläche 138 des zu messenden Objekts 130 befindet und die Kante 134 in 5 und 6 nicht erreicht hat, dem Fall, in dem sich die Abtastposition auf der linken Seite des Punkts P0 in 8(A) befindet. Die Situation, in der das rechte Ende des Laserflecks 132 mit der Kante 134 übereinstimmt (wenn der Laserfleck 132 beginnt die Kante 134 zu erreichen), entspricht dem Punkt P0 in 8(A). Die Situation, in der ein Mittelpunkt des Laserflecks 132 mit der Kante 134 übereinstimmt, entspricht einem Punkt P1, der vom Punkt P0 in 8(A) um eine Hälfte der Fleckgröße (w/2) verschoben ist. Die Situation, in der das linke Ende des Laserflecks 132 mit der Kante 134 übereinstimmt (ein Moment, in dem der Laserfleck 132 die obere flache Oberfläche 138 verlässt), entspricht einem Punkt P3, der vom Punkt P0 in 8(A) um die Fleckgröße (w) verschoben ist. An einem Punkt P2, bevor die Abtastposition den Punkt P3 erreicht, erreicht jedoch eine Menge an Licht, das vom linearen Bildsensor 120 empfangen wird, eine Detektionsgrenze und folglich können keine Messungen durch den Laserverlagerungsmesser durchgeführt werden.The measurement results described above can be explained by the relationship between the position of the laser spot on the object to be measured and the position of the edge of the height difference section. In particular, the situation corresponds to where the laser spot 132 on the upper flat surface 138 of the object to be measured 130 located and the edge 134 in 5 and 6 has not reached the case where the scanning position on the left side of the point P0 in FIG 8 (A) located. The situation where the right end of the laser spot 132 with the edge 134 matches (if the laser spot 132 the edge begins 134 to reach) corresponds to the point P0 in 8 (A) , The situation in which a midpoint of the laser spot 132 with the edge 134 corresponds to a point P1, which from the point P0 in 8 (A) shifted by one half of the spot size (w / 2). The situation in which the left end of the laser spot 132 with the edge 134 coincides (a moment in which the laser spot 132 the upper flat surface 138 leaves), corresponds to a point P3, from the point P0 in 8 (A) shifted by the spot size (w). However, at a point P2 before the scanning position reaches the point P3, it reaches an amount of light coming from the linear image sensor 120 is received, a detection limit, and thus no measurements can be made by the laser displacement meter.
[Datenverarbeitungsprozedur][Data Processing Procedure]
Wie vorstehend beschrieben, tritt ein Messfehler während der Messung eines Höhendifferenzabschnitts mittels eines Triangulations-Laserverlagerungsmessers auf. Unter Verwendung dieses Messfehlers kann die Position einer Kante des Höhendifferenzabschnitts leicht und genau detektiert werden. Eine spezielle Prozedur ist in 9 gezeigt.As described above, a measurement error occurs during the measurement of a height difference portion by means of a triangulation laser displacement meter. By using this measurement error, the position of an edge of the height difference portion can be easily and accurately detected. A special procedure is in 9 shown.
9 ist ein Ablaufplan, der eine Prozedur zum Messen einer Oberflächenform und eine Prozedur zum Verarbeiten von gemessenen Daten zeigt. Mit Bezug auf 4 und 9 misst zuerst in einem ersten Messschritt die Messsteuereinheit 156 kontinuierlich eine Oberflächenform des zu messenden Objekts mittels des Laserverlagerungsmessers 100, während der Laserstrahl 116 über den Messbereich mit der Höhendifferenz durch Antreiben des Bewegungsmechanismus 146 abgetastet wird (Schritt S100). 9 is a flowchart showing a procedure for measuring a surface shape and a Procedure for processing measured data shows. Regarding 4 and 9 first measures the measuring control unit in a first measuring step 156 continuously a surface shape of the object to be measured by means of the laser displacement meter 100 while the laser beam 116 over the measuring range with the height difference by driving the moving mechanism 146 is sampled (step S100).
Da ein Fehler am vorstehend beschriebenen Kantenabschnitt innerhalb eines Bereichs auftritt, der kleiner ist als die Laserfleckgröße, muss ein Abtastintervall des Laserverlagerungsmessers 1/2 oder weniger die Laserfleckgröße sein. In diesem Fall ist, um die Aufwärts- und Abwärtsvariation im gemessenen Wert genau zu detektieren, das Abtastintervall des Laserverlagerungsmessers wünschenswerterweise 1/10 oder weniger die Fleckgröße. Erwünschter ist das Abtastintervall des Laserverlagerungsmessers 1/20 oder weniger die Fleckgröße.Since an error occurs at the above-described edge portion within a range smaller than the laser spot size, a scanning interval of the laser displacement meter must be 1/2 or less the laser spot size. In this case, in order to accurately detect the upward and downward variation in the measured value, the sampling interval of the laser displacement meter is desirably 1/10 or less the spot size. More desirably, the scanning interval of the laser displacement meter is 1/20 or less the spot size.
Als nächstes dreht die Messsteuereinheit 156 den Laserverlagerungsmesser 100 um 180 Grad um die Mittelachse des Laserstrahls 116 durch Antreiben des C-Achsen-Antriebsmechanismus 146C (Schritt S105). Wenn das C-Achsen-Drehzentrum des C-Achsenantriebsmechanismus 146C und die Mittelachse des Laserstrahls 116 nicht übereinstimmen, wird der Laserverlagerungsmesser 100 bewegt, während die Position der Mittelachse des Laserstrahls 116 aufrechterhalten wird, durch den Antrieb für die Drehung von 180 Grad mittels des C-Achsen-Antriebsmechanismus 146C und durch den X-Achsen-Antriebsmechanismus 146X und/oder den Y-Achsen-Antriebsmechanismus 146Y.Next turn the measurement controller 156 the laser displacement meter 100 180 degrees around the central axis of the laser beam 116 by driving the C-axis drive mechanism 146C (Step S105). When the C-axis rotation center of the C-axis drive mechanism 146C and the center axis of the laser beam 116 do not match, the laser displacement meter becomes 100 moves while the position of the central axis of the laser beam 116 is maintained by the drive for the rotation of 180 degrees by means of the C-axis drive mechanism 146C and through the X-axis drive mechanism 146x and / or the Y-axis drive mechanism 146y ,
In einem zweiten Messschritt misst als nächstes die Messsteuereinheit 156 kontinuierlich denselben Teil wie im ersten Messschritt durch den Laserverlagerungsmesser 100 (Schritt S110). Die im ersten und im zweiten Messschritt gemessenen Daten (Oberflächenformdaten 166) werden im Speicher 154 gespeichert.In a second measuring step, the measuring control unit measures next 156 continuously the same part as in the first measuring step by the laser displacement meter 100 (Step S110). The data measured in the first and second measurement steps (surface shape data 166 ) will be in memory 154 saved.
Als nächstes führt die Datenverarbeitungseinheit 158 eine Datenverarbeitung an Oberflächenformdaten 166 durch. Die Datenverarbeitungseinheit 158 umfasst eine Höhendifferenz-Identifikationseinheit 160 und eine Datenkorrektureinheit 162. Zuerst identifiziert die Höhendifferenz-Identifikationseinheit 160 innerhalb des Messbereichs der Oberflächenformdaten 166 den Trennungsstartpunkt, an dem der gemessene Wert im ersten Messschritt (als M1 bezeichnet) und der gemessene Wert im zweiten Messschritt (als M2 bezeichnet) sich voneinander zu trennen beginnen (Punkt P0 in 8(A)) (Schritt S115).Next comes the data processing unit 158 a data processing on surface shape data 166 by. The data processing unit 158 includes a height difference identification unit 160 and a data correction unit 162 , First, the height difference identifying unit identifies 160 within the measuring range of the surface shape data 166 the separation start point where the measured value in the first measurement step (referred to as M1) and the measured value in the second measurement step (referred to as M2) start to separate (point P0 in FIG 8 (A) ) (Step S115).
Verschiedene spezielle Verfahren sind möglich, um den Trennungsstartpunkt zwischen dem gemessenen Wert M1 und dem gemessenen Wert M2 zu identifizieren. Ein Punkt, an dem eine Differenz zwischen den gemessenen Werten M1 – M2 einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, kann beispielsweise als. Trennungsstartpunkt festgelegt werden. Alternativ kann eine ungefähre Kurve, die die Beziehung zwischen der Differenz zwischen den gemessenen Werten M1 – M2 und der Abtastposition darstellt, erhalten werden, und ein Punkt, an dem ein Wert der ungefähren Kurve einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, kann als Trennungsstartpunkt festgelegt werden.Various specific methods are possible to identify the separation start point between the measured value M1 and the measured value M2. A point at which a difference between the measured values M1-M2 exceeds a predetermined threshold value may be, for example, as. Separation start point are set. Alternatively, an approximate curve representing the relationship between the difference between the measured values M1-M2 and the sampling position may be obtained, and a point where a value of the approximate curve exceeds a predetermined threshold may be set as a separation start point.
Als nächstes identifiziert die Höhendifferenz-Identifikationseinheit 160 eine Höhendifferenzposition auf der Basis des identifizierten Trennungsstartpunkts P0 (Schritt S120). Insbesondere identifiziert die Höhendifferenz-Identifikationseinheit 160 innerhalb eines Trennungsabschnitts, in dem sich der gemessene Wert M1 im ersten Messschritt und der gemessene Wert M2 im zweiten Messschritt voneinander trennen (die rechte Seite des Punkts P0 in 8(A)), einen Punkt P1, der vom Trennungsstartpunkt P0 um 1/2 der Fleckgröße w des Laserstrahls verschoben ist, als Höhendifferenzposition.Next, the height difference identifying unit identifies 160 a height difference position based on the identified separation start point P0 (step S120). In particular, the height difference identification unit identifies 160 within a separating section in which the measured value M1 in the first measuring step and the measured value M2 in the second measuring step separate (the right side of the point P0 in FIG 8 (A) ), a point P1 shifted from the separation start point P0 by 1/2 the spot size w of the laser beam as the height difference position.
Als nächstes korrigiert die Datenkorrektureinheit 162 die gemessenen Werte vom Trennungsstartpunkt P0 zur Höhendifferenzposition P1 (Schritt S125). Insbesondere betrachtet die Datenkorrektureinheit 162 einen Mittelwert (190 in 8(B)) des gemessenen Werts M1 im ersten Messschritt und des gemessenen Werts M2 im zweiten Messschritt als Verlagerung in einer Höhenrichtung in diesem Abschnitt. Dann können die Oberflächenformdaten beispielsweise durch einen Filterprozess wie z. B. einen gleitenden Mittelwert weiter korrigiert werden.Next corrects the data correction unit 162 the measured values from the separation start point P0 to the height difference position P1 (step S125). In particular, the data correction unit considers 162 an average ( 190 in 8 (B) ) of the measured value M1 in the first measuring step and the measured value M2 in the second measuring step as a displacement in a height direction in this section. Then, the surface shape data may be obtained, for example, by a filtering process such as. For example, a moving average may be further corrected.
Im Obigen ist es erwünscht, dass die Abtastrichtung des Laserstrahls eine zur Strahlengangebene (X-Z-Ebene) mit der Mittelachse 116C des Laserstrahls und dem Lichtfokussierfleck 124 des linearen Bildsensors (Lichtempfangseinheit) 120) parallele Richtung ist, wie in 5 und 6 gezeigt. Dies liegt daran, dass die Differenz zwischen dem gemessenen Wert M1 des Kantenabschnitts im ersten Messschritt und dem gemessenen Wert M2 des Kantenabschnitts im zweiten Messschritts am größten ist, wenn die Abtastrichtung und die Strahlengangebene zueinander parallel sind. Im Allgemeinen kann die Abtastrichtung des Laserstrahls in irgendeinem Winkel liegen, solange sie nicht zur Strahlengangebene parallel ist (solange sie nicht zu einer Y-Z-Ebene parallel ist), zweidimensional aus einer Richtung entlang des Laserstrahls (Z-Achsen-Richtung) betrachtet (der Höhendifferenzabschnitt muss jedoch die Abtastrichtung schneiden). Wenn die Abtastrichtung des Laserstrahls zur Y-Z-Ebene in 5 und 6 nicht parallel ist, tritt eine Differenz zwischen dem gemessenen Wert M1 des Höhendifferenzabschnitts im ersten Messschritt und dem gemessenen Wert M2 des Höhendifferenzabschnitts im zweiten Messschritt auf, was folglich ermöglicht, dass die Höhendifferenzposition identifiziert wird.In the above, it is desirable that the scanning direction of the laser beam be one to the beam path plane (XZ plane) with the central axis 116C the laser beam and the Lichtfokussierfleck 124 of the linear image sensor (light receiving unit) 120 ) parallel direction is as in 5 and 6 shown. This is because the difference between the measured value M1 of the Edge portion in the first measuring step and the measured value M2 of the edge portion in the second measuring step is greatest when the scanning direction and the beam path plane are parallel to each other. In general, the scanning direction of the laser beam may be at any angle unless it is parallel to the beam path plane (unless it is parallel to a YZ plane) viewed two-dimensionally from a direction along the laser beam (Z-axis direction) (the height difference portion) must, however, cut the scan direction). When the scanning direction of the laser beam to the YZ plane in 5 and 6 is not parallel, a difference occurs between the measured value M1 of the height difference portion in the first measuring step and the measured value M2 of the height difference portion in the second measuring step, thus allowing the height difference position to be identified.
[Effekt der ersten Ausführungsform]Effect of First Embodiment
Wie vorstehend beschrieben, wird gemäß der Oberflächenformmessvorrichtung 140 der ersten Ausführungsform, nachdem die Oberflächenform des zu messenden Objekts 130, einschließlich des Höhendifferenzabschnitts, durch den Laserverlagerungsmesser 100 gemessen ist, der Laserverlagerungsmesser 100 um 180 Grad um die Mittelachse des Laserstrahls 116 gedreht und dann wird derselbe Teil wie jener vor der Drehung erneut durch den Laserverlagerungsmesser 100 gemessen. Dann werden die Oberflächenformdaten am gleichen Teil, der vor und nach der Drehung gemessen wird, miteinander verglichen, um die Position der Kante auf der Basis der Position eines Messpunkts zu identifizieren, an dem eine Differenz beginnt zwischen beiden Daten aufzutreten (Trennungsstartpunkt). Folglich kann die Position der Höhendifferenz (Kante) des zu messenden Objekts 130 leicht, genau und schnell detektiert werden.As described above, according to the surface shape measuring apparatus 140 of the first embodiment, after the surface shape of the object to be measured 130 including the height difference portion, by the laser displacement meter 100 is measured, the laser displacement meter 100 180 degrees around the central axis of the laser beam 116 rotated and then the same part as the one before the rotation again by the laser displacement meter 100 measured. Then, the surface shape data on the same part measured before and after the rotation are compared with each other to identify the position of the edge based on the position of a measurement point where a difference starts to occur between both data (separation start point). Consequently, the position of the height difference (edge) of the object to be measured 130 be detected easily, accurately and quickly.
<Zweite Ausführungsform><Second Embodiment>
Eine Oberflächenformmessvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform ist von jener der ersten Ausführungsform in der Konfiguration des Laserverlagerungsmessers unterschiedlich. 10 ist ein Diagramm, das schematisch die Konfiguration eines Laserverlagerungsmessers zur Verwendung in der Oberflächenformmessvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.A surface shape measuring apparatus according to a second embodiment is different from that of the first embodiment in the configuration of the laser displacement meter. 10 FIG. 15 is a diagram schematically showing the configuration of a laser displacement meter for use in the surface shape measuring apparatus according to the second embodiment. FIG.
Mit Bezug auf 10A umfasst ein Laserverlagerungsmesser 100A eine Lichtemissionseinheit 110, Kondensorlinsen 118A, 118B als erstes und zweites optisches System, und lineare Bildsensoren 120A, 120B als erste und zweite Lichtempfangseinheit. Die Kondensorlinse 118B und der lineare Bildsensor 120B sind in Positionen angeordnet, die jeweils um 180 Grad von der Kondensorlinse 118A und vom linearen Bildsensor 120A um die Mittelachse des Laserstrahls 116 gedreht sind. Die Lichtemissionseinheit 110 umfasst eine Laserdiode 112 und eine Linse 114.Regarding 10A includes a laser displacement meter 100A a light emission unit 110 , Condenser lenses 118A . 118B as first and second optical system, and linear image sensors 120A . 120B as first and second light receiving unit. The condenser lens 118B and the linear image sensor 120B are arranged in positions, each 180 degrees from the condenser lens 118A and from the linear image sensor 120A around the central axis of the laser beam 116 are turned. The light emission unit 110 includes a laser diode 112 and a lens 114 ,
Der Laserstrahl 116, der von der Laserdiode 112 emittiert wird, wird durch die Linse 114 in im Wesentlichen paralleles Licht kollimiert und auf das zu messende Objekt 130 aufgebracht. Das am zu messenden Objekt 130 diffus reflektierte Licht wird durch die Kondensorlinse 118A auf den linearen Bildsensor 120A gesammelt, der in einer Winkelrichtung von +γ relativ zum Laserstrahl 116 angeordnet ist, und durch die Kondensorlinse 118B auf den linearen Bildsensor 120B gesammelt, der in einer Winkelrichtung von –γ (entgegengesetzte Richtung zu +γ) relativ zum Laserstrahl 116 angeordnet ist.The laser beam 116 from the laser diode 112 is emitted through the lens 114 collimated into substantially parallel light and onto the object to be measured 130 applied. The object to be measured 130 diffused light is transmitted through the condenser lens 118A on the linear image sensor 120A collected in an angular direction of + γ relative to the laser beam 116 is arranged, and through the condenser lens 118B on the linear image sensor 120B collected in an angular direction from -γ (opposite direction to + γ) relative to the laser beam 116 is arranged.
Der Laserverlagerungsmesser 100A in 10 ist anstelle des Laserverlagerungsmessers 100 in 1 an der Oberflächenformmessvorrichtung 140, die in 4 gezeigt ist, montiert. Eine Verlagerung der Oberfläche des zu messenden Objekts 130 wird auf der Basis der Position eines Lichtsammelflecks 124A am linearen Bildsensor 120A und der Position eines Lichtsammelflecks 124B am linearen Bildsensor 120B bestimmt. 10 ist ansonsten dieselbe wie 1 und folglich sind dieselben oder entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibungen werden nicht wiederholt.The laser displacement meter 100A in 10 is in place of the laser displacement meter 100 in 1 at the surface shape measuring device 140 , in the 4 shown is mounted. A shift of the surface of the object to be measured 130 is based on the position of a light-gathering spot 124A on the linear image sensor 120A and the location of a light-harvesting spot 124B on the linear image sensor 120B certainly. 10 otherwise it is the same as 1 and hence the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and their descriptions are not repeated.
11 ist ein Ablaufplan, der eine Prozedur zum Messen einer Oberflächenform und eine Prozedur zum Verarbeiten von gemessenen Daten in der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform zeigt. Mit Bezug auf 4, 10 und 11 misst zuerst die Messsteuereinheit 156 kontinuierlich eine Oberflächenform des zu messenden Objekts 130 mittels des Laserverlagerungsmessers 100, während der Laserstrahl 116 über den Messbereich mit der Höhendifferenz durch Antreiben des Bewegungsmechanismus 146 abgetastet wird (Schritt S200). 11 Fig. 10 is a flowchart showing a procedure for measuring a surface shape and a procedure for processing measured data in the apparatus of the second embodiment. Regarding 4 . 10 and 11 first measure the measurement control unit 156 continuously a surface shape of the object to be measured 130 by means of the laser displacement meter 100 while the laser beam 116 over the measuring range with the height difference by driving the moving mechanism 146 is sampled (step S200).
Im Fall der zweiten Ausführungsform sind die Kondensorlinsen 118A, 118B im Voraus vorgesehen und die linearen Bildsensoren 120A, 120B sind im Voraus vorgesehen in Positionen, die um die Mittelachse des Laserstrahls 116 zueinander liniensymmetrisch sind. Folglich besteht kein Bedarf, denselben Teil zweimal zu messen wie bei der ersten Ausführungsform. Es wird angemerkt, dass wie in der ersten Ausführungsform zweidimensional aus der Richtung des Laserstrahls 116 (Z-Achsen-Richtung) betrachtet die Abtastrichtung des Laserstrahls nicht zur Strahlengangebene (X-Z-Ebene) senkrecht ist (nicht zur Y-Z-Ebene parallel ist). Wünschenswerterweise ist die Abtastrichtung des Laserstrahls zur Strahlengangebene (X-Z-Ebene) parallel.In the case of the second embodiment, the condenser lenses 118A . 118B provided in advance and the linear image sensors 120A . 120B are provided in advance in positions around the central axis of the laser beam 116 are symmetrical to each other. Consequently, there is no need to measure the same part twice as in the first embodiment. It is noted that as in the first embodiment, two-dimensionally from the direction of the laser beam 116 (Z axis direction), the scanning direction of the laser beam is not perpendicular to the beam path plane (XZ plane) (not parallel to the YZ plane). Desirably, the scanning direction of the laser beam is parallel to the beam path plane (XZ plane).
Als nächstes identifiziert die Höhendifferenz-Identifikationseinheit 160 der Datenverarbeitungseinheit 158 innerhalb des Messbereichs der Oberflächenformdaten 166 den Trennungsstartpunkt, an dem der gemessene Wert vom ersten linearen Bildsensor 120A (als M1 bezeichnet) und der gemessene Wert vom zweiten linearen Bildsensor 120B (als M2 bezeichnet) sich voneinander zu trennen beginnen (Schritt S205).Next, the height difference identifying unit identifies 160 the data processing unit 158 within the measuring range of the surface shape data 166 the separation start point where the measured value from the first linear image sensor 120A (referred to as M1) and the measured value from the second linear image sensor 120B (referred to as M2) start to separate from each other (step S205).
Als nächstes identifiziert die Höhendifferenz-Identifikationseinheit 160 die Höhendifferenzposition auf der Basis des identifizierten Trennungsstartpunkts (Schritt S210). Insbesondere identifiziert die Höhendifferenz-Identifikationseinheit 160 innerhalb des Trennungsabschnitts, wo der gemessene Wert M1 vom ersten linearen Bildsensor 120A und der gemessene Wert M2 vom zweiten linearen Bildsensor 120B voneinander getrennt sind, einen Punkt, der vom Trennungsstartpunkt um 1/2 der Fleckgröße w des Laserstrahls verschoben ist, als Höhendifferenzposition (Schritt S120).Next, the height difference identifying unit identifies 160 the height difference position based on the identified separation start point (step S210). In particular, the identified Height difference identification unit 160 within the separation section, where the measured value M1 from the first linear image sensor 120A and the measured value M2 from the second linear image sensor 120B are separated from each other by a point shifted from the separation start point by 1/2 of the spot size w of the laser beam as the height difference position (step S120).
Als nächstes korrigiert die Datenkorrektureinheit 162 die gemessenen Werte vom Trennungsstartpunkt auf die Höhendifferenzposition (Schritt S215). Insbesondere betrachtet die Datenkorrektureinheit 162 einen Mittelwert des gemessenen Werts M1 vom ersten linearen Bildsensor 120A und des gemessenen Werts M2 vom zweiten linearen Bildsensor 120B als Verlagerung in einer Höhenrichtung in diesem Abschnitt.Next corrects the data correction unit 162 the measured values from the separation start point to the height difference position (step S215). In particular, the data correction unit considers 162 an average value of the measured value M1 from the first linear image sensor 120A and the measured value M2 from the second linear image sensor 120B as a shift in a height direction in this section.
Wie vorstehend beschrieben, wird gemäß der Oberflächenformmessvorrichtung der zweiten Ausführungsform die Oberflächenform des zu messenden Objekts, einschließlich des Höhendifferenzabschnitts, mittels des Laserverlagerungsmessers mit der ersten und der zweiten Kondensorlinse (optisches System) und dem ersten und dem zweiten linearen Bildsensor (Lichtempfangseinheit), die in Positionen angeordnet sind, die um die Mittelachse des Laserstrahls zueinander liniensymmetrisch sind, gemessen. Dann wird die Position der Kante auf der Basis der Position des Messpunkts identifiziert, an dem eine Differenz zwischen den gemessenen Werten vom ersten und vom zweiten linearen Bildsensor aufzutreten beginnt (Trennungsstartpunkt). Folglich kann die Position der Höhendifferenz (Kante) des zu messenden Objekts leicht, genau und schnell detektiert werden.As described above, according to the surface shape measuring apparatus of the second embodiment, the surface shape of the object to be measured, including the height difference portion, by means of the laser displacement meter with the first and second condenser lens (optical system) and the first and second linear image sensor (light receiving unit) Positions are arranged, which are line symmetrical about the central axis of the laser beam, measured. Then, the position of the edge is identified on the basis of the position of the measurement point at which a difference between the measured values starts to occur from the first and second linear image sensors (separation start point). Consequently, the position of the height difference (edge) of the object to be measured can be easily, accurately and quickly detected.
<Dritte Ausführungsform><Third Embodiment>
Eine dritte Ausführungsform offenbart eine Werkzeugmaschine mit der Oberflächenformmessvorrichtung in der ersten oder der zweiten Ausführungsform. Obwohl die Werkzeugmaschine nachstehend als vertikales Bearbeitungszentrum beschrieben wird, kann die Werkzeugmaschine von einem anderen Typ sein wie z. B. ein horizontales Bearbeitungszentrum oder eine Drehmaschine.A third embodiment discloses a machine tool having the surface shape measuring apparatus in the first or second embodiment. Although the machine tool will be described below as a vertical machining center, the machine tool may be of a different type, such as a machine tool. As a horizontal machining center or a lathe.
12 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Konfiguration der Werkzeugmaschine gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. Mit Bezug auf 12 umfasst eine Werkzeugmaschine 200 eine Bearbeitungsvorrichtung 10, eine NC-Vorrichtung (numerische Steuervorrichtung) 24, einen ATC (automatischen Werkzeugwechsler) 28 und einen Computer 150. 12 FIG. 15 is a perspective view schematically showing the configuration of the machine tool according to the third embodiment. FIG. Regarding 12 includes a machine tool 200 a processing device 10 , an NC device (numerical control device) 24 , an ATC (automatic tool changer) 28 and a computer 150 ,
Die Bearbeitungsvorrichtung 10 umfasst ein Bett 12, eine Säule 14, die auf dem Bett 12 angeordnet ist, einen Spindelkopf 20 mit einer Spindel 22 und einen Sattel 16 mit einem Tisch 18.The processing device 10 includes a bed 12 , a column 14 on the bed 12 is arranged, a spindle head 20 with a spindle 22 and a saddle 16 with a table 18 ,
Der Spindelkopf 20 ist an einer vorderen Oberfläche der Säule 14 abgestützt und ist in einer vertikalen Richtung (Z-Achsen-Richtung) beweglich. Ein Werkzeug (nicht dargestellt) oder ein Messkopf 42 ist lösbar an einer Spitze der Spindel 22 befestigt. Die Spindel 22 weist eine zentrale Achsenlinie (CL in 2), die das C-Achsen-Drehzentrum ist, parallel zur Z-Achse auf und ist am Spindelkopf 20 drehbar um das C-Achsen-Drehzentrum abgestützt. Der Spindelkopf 20 umfasst darin eine Drehantriebseinheit 36 zum Drehen der Spindel 22 mit hoher Drehzahl zur Bearbeitung eines Werkstücks 2 und eine Drehantriebseinheit 38, die zu einer Vorschubsteuerung der Spindel 22 in einer Drehrichtung mit geringer Geschwindigkeit in der Lage ist. Die letztere Drehantriebseinheit 38 entspricht dem C-Achsen-Antriebsmechanismus 146C von 4.The spindle head 20 is on a front surface of the column 14 supported and is movable in a vertical direction (Z-axis direction). A tool (not shown) or a measuring head 42 is detachable at a tip of the spindle 22 attached. The spindle 22 has a central axis line (CL in 2 ), which is the C axis turning center, is parallel to the Z axis and is on the spindle head 20 rotatably supported around the C-axis turning center. The spindle head 20 includes therein a rotary drive unit 36 for turning the spindle 22 at high speed for machining a workpiece 2 and a rotary drive unit 38 leading to a feed control of the spindle 22 in one direction of rotation at low speed. The latter rotary drive unit 38 corresponds to the C-axis drive mechanism 146C from 4 ,
Der Messkopf 42 umfasst darin Laserverlagerungsmesser 100, 100A, die in 1 oder 10 gezeigt sind, eine Steuerschaltung und eine Antriebsbatterie für diesen Laserverlagerungsmesser und eine Kommunikationsvorrichtung zum Durchführen einer drahtlosen Kommunikation. Die Orientierung des Messkopfs 42 (nämlich der Laserverlagerungsmesser 100, 100A) wird durch die Drehantriebseinheit 38 gesteuert, die zu einer Vorschubsteuerung mit geringer Geschwindigkeit in der Lage ist.The measuring head 42 includes therein laser displacement meter 100 . 100A , in the 1 or 10 a control circuit and a drive battery for this laser displacement meter and a communication device for performing a wireless communication. The orientation of the measuring head 42 (namely the laser displacement meter 100 . 100A ) is by the rotary drive unit 38 controlled, which is capable of low-speed feed control.
Der Sattel 16 ist auf dem Bett 12 angeordnet und vorwärts oder rückwärts in einer horizontalen Richtung (Y-Achsen-Richtung) beweglich. Der Tisch 18 ist auf dem Sattel 16 angeordnet. Der Tisch 18 ist nach rechts oder links in der horizontalen Richtung (X-Achsen-Richtung) beweglich. Ein Werkstück 2 ist auf dem Tisch 18 angeordnet. Der Sattel 16 entspricht dem Sattel 142 von 4 und der Tisch 18 entspricht dem Tisch 144 von 4. Das Werkstück 2 entspricht dem zu messenden Objekt 130 von 4.The saddle 16 is on the bed 12 arranged and movable forward or backward in a horizontal direction (Y-axis direction). The table 18 is on the saddle 16 arranged. The table 18 is movable to the right or left in the horizontal direction (X-axis direction). A workpiece 2 is on the table 18 arranged. The saddle 16 corresponds to the saddle 142 from 4 and the table 18 corresponds to the table 144 from 4 , The workpiece 2 corresponds to the object to be measured 130 from 4 ,
Die Bearbeitungsvorrichtung 10 ist ein Bearbeitungszentrum, das den Messkopf 42 und das Werkstück 2 relativ zueinander in den Richtungen der drei orthogonalen X-, Y- und Z-Achsen linear bewegt und das auch in der Lage ist, den Messkopf 42 anzutreiben, um ihn zumindest um das C-Achsen-Drehzentrum parallel zur Z-Achse zu drehen. Im Gegensatz zu der Konfiguration von 1 kann die Bearbeitungsvorrichtung 10 dazu konfiguriert sein, den Spindelkopf 20, der den Messkopf 42 abstützt, in den X-Achsen- und Y-Achsen-Richtungen relativ zum Werkstück 2 zu bewegen, oder kann dazu konfiguriert sein, den Tisch 18, der das Werkstück 2 trägt, um das C-Achsen-Drehzentrum zu drehen.The processing device 10 is a machining center, which is the measuring head 42 and the workpiece 2 relative to each other in the directions of the three orthogonal X, Y and Z axes moves linearly and is also able to the measuring head 42 to drive it at least about the C-axis rotation center parallel to the Z-axis to rotate. Unlike the configuration of 1 can the processing device 10 be configured to the spindle head 20 , the measuring head 42 supports, in the X-axis and Y-axis directions relative to the workpiece 2 to move, or may be configured to the table 18 that the workpiece 2 wears to turn the C-axis turning center.
Die NC-Vorrichtung 24 steuert den ganzen Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung 10 mit der vorstehend angegebenen orthogonalen Drei-Achsen- und C-Achsen-Steuerung. Der ATC (automatische Werkzeugwechsler) 28 wechselt automatisch das Werkzeug und den Messkopf 42 für die Spindel 22. Der ATC 28 wird durch die NC-Vorrichtung 24 gesteuert. The NC device 24 controls the whole operation of the processing device 10 with the aforementioned orthogonal three-axis and C-axis control. The ATC (automatic tool changer) 28 automatically changes the tool and the measuring head 42 for the spindle 22 , The ATC 28 is through the NC device 24 controlled.
13 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionale Konfiguration eines Abschnitts, der sich auf eine Oberflächenformmessvorrichtung bezieht, der Werkzeugmaschine von 12 zeigt. 13 zeigt einen Z-Achsen-Vorschubmechanismus 34, einen Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 und einen X-Achsen-Vorschubmechanismus 30, die an der Bearbeitungsvorrichtung 10 vorgesehen sind. 13 FIG. 10 is a block diagram showing a functional configuration of a portion related to a surface shape measuring apparatus of the machine tool of FIG 12 shows. 13 shows a Z-axis feed mechanism 34 , a Y-axis feed mechanism 32 and an X-axis feed mechanism 30 attached to the processing device 10 are provided.
Mit Bezug auf 12 und 13 treibt der Z-Achsen-Vorschubmechanismus 34 den Spindelkopf 20, der an der Säule 14 abgestützt ist, in der Z-Achsen-Richtung an und bewegt diesen. Der Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 treibt den Sattel 16, der am Kopf 12 angeordnet ist, in der Y-Achsen-Richtung an und bewegt diesen. Der X-Achsen-Vorschubmechanismus 30 treibt den Tisch 18, der am Sattel 16 angeordnet ist und das Werkstück 2 abstützt, in der X-Achsen-Richtung an und bewegt diesen. Die NC-Vorrichtung 24 steuert jeden des Z-Achsen-Vorschubmechanismus 34, des Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 und des X-Achsen-Vorschubmechanismus 30. Der X-Achsen-Vorschubmechanismus 30, der Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 und der Z-Achsen-Vorschubmechanismus 34 entsprechen dem X-Achsen-Antriebsmechanismus 146X, dem Y-Achsen-Antriebsmechanismus 146Y bzw. dem Z-Achsen-Antriebsmechanismus 146Z von 4.Regarding 12 and 13 drives the Z-axis feed mechanism 34 the spindle head 20 who is at the pillar 14 is supported in the Z-axis direction and moves it. The Y-axis feed mechanism 32 drives the saddle 16 who's on the head 12 is arranged in the Y-axis direction and moves it. The X-axis feed mechanism 30 drives the table 18 on the saddle 16 is arranged and the workpiece 2 supports, in the X-axis direction and moves it. The NC device 24 controls each of the Z-axis feed mechanism 34 , the Y-axis feed mechanism 32 and the X-axis feed mechanism 30 , The X-axis feed mechanism 30 , the Y-axis feed mechanism 32 and the Z-axis feed mechanism 34 correspond to the X-axis drive mechanism 146x , the Y-axis drive mechanism 146y or the Z-axis drive mechanism 146Z from 4 ,
Der Computer 150 umfasst einen Prozessor 152, einen Speicher 154, eine Kommunikationsvorrichtung 168 zum Durchführen einer drahtlosen Kommunikation mit dem Messkopf 42 und dergleichen. Der Prozessor 152 funktioniert als Messsteuereinheit 156 und Datenverarbeitungseinheiten 158, die in 4 beschrieben wurden, durch Ausführen eines im Speicher 154 gespeicherten Programms.The computer 150 includes a processor 152 , a store 154 , a communication device 168 for performing wireless communication with the probe 42 and the same. The processor 152 works as a measurement control unit 156 and data processing units 158 , in the 4 described by running one in memory 154 saved program.
Die Messsteuereinheit 156 wirkt mit der NC-Vorrichtung 24 zusammen, um kontinuierlich die Positionsbeziehung zwischen dem Messkopf 42 und dem Werkstück 2 zu ändern, wodurch der Laserstrahl 116 entlang einer Oberfläche des Werkstücks 2 abtastet. Während der Abtastung des Laserstrahls 116 erhält die Messsteuereinheit 156 Verlagerungsdaten in einer Höhenrichtung (Z-Achsen-Richtung) in mehreren Messpunkten in der Abtastrichtung des Laserstrahls 116 vom Messkopf 42 als Oberflächenformdaten über das Werkstück 2. Eine spezielle Prozedur ist wie folgt.The measuring control unit 156 acts with the NC device 24 together to continuously adjust the positional relationship between the gauge head 42 and the workpiece 2 to change, reducing the laser beam 116 along a surface of the workpiece 2 scans. During the scanning of the laser beam 116 receives the measuring control unit 156 Displacement data in a height direction (Z-axis direction) at a plurality of measurement points in the scanning direction of the laser beam 116 from the measuring head 42 as surface shape data about the workpiece 2 , A special procedure is as follows.
Auf der Basis der Steuerung durch die Messsteuereinheit 156 treibt die NC-Vorrichtung 24 zuerst einen des X-Achsen-Vorschubmechanismus 30 und Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 oder mindestens zwei des X-Achsen-Vorschubmechanismus 30, des Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 und des Z-Achsen-Vorschubmechanismus 34 an, um kontinuierlich die Positionsbeziehung zwischen dem Messkopf 42 und dem Werkstück 2 zu ändern.On the basis of the control by the measuring control unit 156 drives the NC device 24 first one of the X-axis feed mechanism 30 and Y-axis feed mechanism 32 or at least two of the X-axis feed mechanism 30 , the Y-axis feed mechanism 32 and the Z-axis feed mechanism 34 to continuously adjust the positional relationship between the gauge head 42 and the workpiece 2 to change.
Synchron mit dem Antrieb der vorstehend angegebenen Vorschubmechanismen gibt eine PLC (programmierbare Logiksteuereinheit) 26, die in der NC-Vorrichtung 24 enthalten ist, ein Auslösesignal an die Kommunikationsvorrichtung 168 in regelmäßigen Intervallen aus. In Reaktion auf das Auslösesignal überträgt die Kommunikationsvorrichtung 168 einen Messbefehl f zum Messkopf 42 und der Messkopf 42 misst einen Abstand D vom Messkopf 42 zum Werkstück 2 (nämlich eine Verlagerung der Oberfläche des Werkstücks 2) gemäß dem Messbefehl f. Daten F über den gemessenen Abstand D werden vom Messkopf 42 zur Messsteuereinheit 156 über die Kommunikationsvorrichtung 168 übertragen.Synchronous with the drive of the advance mechanisms indicated above, there is a PLC (Programmable Logic Control Unit) 26 working in the NC device 24 is included, a trigger signal to the communication device 168 at regular intervals. In response to the trigger signal, the communication device transmits 168 a measuring command f to the measuring head 42 and the measuring head 42 measures a distance D from the measuring head 42 to the workpiece 2 (namely a displacement of the surface of the workpiece 2 ) according to the measurement command f. Data F over the measured distance D are from the measuring head 42 to the measuring control unit 156 via the communication device 168 transfer.
Die PLC 26 erhält auch Positionsinformationen über den X-Achsen-Vorschubmechanismus 30, den Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 und den Z-Achsen-Vorschubmechanismus 34 zum Zeitpunkt der Abstandsmessung durch den vorstehend beschriebenen Messkopf 42, um Daten über die Position des Messkopfs 42 zu detektieren. Die PLC 26 überträgt die detektierten Positionsdaten über den Messkopf 42 zur Messsteuereinheit 156.The PLC 26 also receives position information via the X-axis feed mechanism 30 , the Y-axis feed mechanism 32 and the Z-axis feed mechanism 34 at the time of the distance measurement by the above-described measuring head 42 to get data about the position of the measuring head 42 to detect. The PLC 26 transmits the detected position data via the measuring head 42 to the measuring control unit 156 ,
Auf der Basis der Positionsdaten über den Messkopf 42, die von der PLC 26 erhalten werden, und Daten F über den Abstand D, die vom Messkopf 42 erhalten werden, speichert die Messsteuereinheit 156 die Verlagerungsdaten in der Höhenrichtung (Z-Achsen-Richtung) in jedem Messpunkt entlang der Abtastrichtung des Laserstrahls 116 im Speicher 154 als Oberflächenformdaten 166. Wenn die Position einer Höhendifferenz des Werkstücks 2 mittels des Laserverlagerungsmessers 100 mit der in 1 gezeigten Konfiguration detektiert wird, werden insgesamt zwei Messungen am gleichen Teil des Werkstücks 2 vor und nach der Drehung des Laserverlagerungsmessers 100 um 180 Grad durchgeführt.Based on the position data via the measuring head 42 that from the PLC 26 are obtained, and data F on the distance D from the measuring head 42 are received, stores the measurement control unit 156 the displacement data in the height direction (Z-axis direction) in each measuring point along the scanning direction of the laser beam 116 In the storage room 154 as surface shape data 166 , When the position of a height difference of the workpiece 2 by means of the laser displacement meter 100 with the in 1 When the configuration shown is detected, a total of two measurements are made on the same part of the workpiece 2 before and after the rotation of the laser displacement meter 100 performed by 180 degrees.
Der Prozessor 152 fungiert auch als Datenverarbeitungseinheit 158 zum Durchführen der Datenverarbeitung an den vorstehend angegebenen Oberflächenformdaten 166. Die Operation der Datenverarbeitungseinheit 158 ist wie in der ersten und der zweiten Ausführungsform beschrieben. Als Ergebnis der Datenverarbeitung durch die Datenverarbeitungseinheit 158 kann die Position der Höhendifferenz (Kante) des Werkstücks 2 leicht und schnell detektiert werden.The processor 152 also acts as a data processing unit 158 for performing the data processing on the above surface shape data 166 , The operation of the data processing unit 158 is as described in the first and second embodiments. As a result of the data processing by the data processing unit 158 can change the position of the height difference (edge) of the workpiece 2 be detected easily and quickly.
Es sollte selbstverständlich sein, dass die hier offenbarten Ausführungsformen in jeder Hinsicht erläuternd und nicht einschränkend sind. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist vielmehr durch die Bestimmungen der Ansprüche als die obige Beschreibung definiert und soll beliebige Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs und der Bedeutung enthalten, die zu den Bestimmungen der Ansprüche äquivalent sind.It should be understood that the embodiments disclosed herein are in all respects illustrative and not restrictive. Rather, the scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS
-
2 Werkstück; 10 Bearbeitungsvorrichtung; 16, 142 Sattel; 18, 144 Tisch; 20 Spindelkopf; 22 Spindel; 24 NC-Vorrichtung; 30 X-Achsen-Vorschubmechanismus; 32 Y-Achsen-Vorschubmechanismus; 34 Z-Achsen-Vorschubmechanismus; 36, 38 Drehantriebseinheit; 42 Messkopf; 100, 100A Laserverlagerungsmesser; 110 Lichtemissionseinheit; 112 Laserdiode; 114 Linse; 116 Laserstrahl; 118, 118A, 118B Kondensorlinse (optisches System); 120, 120A, 120B linearer Bildsensor (Lichtempfangseinheit); 130 zu messendes Objekt; 132 Laserfleck; 140 Oberflächenformmessvorrichtung; 146 Bewegungsmechanismus; 146X X-Achsen-Antriebsmechanismus; 146Y Y-Achsen-Antriebsmechanismus; 146Z Z-Achsen-Antriebsmechanismus; 146C C-Achsen-Antriebsmechanismus; 150 Computer; 152 Prozessor; 154 Speicher; 156 Messsteuereinheit; 158 Datenverarbeitungseinheit; 160 Höhendifferenz-Identifikationseinheit; 162 Datenkorrektureinheit; 166 Oberflächenformdaten; 200 Werkzeugmaschine; P0 Trennungsstartpunkt; P1 Höhendifferenzposition. 2 Workpiece; 10 Processing apparatus; 16 . 142 Saddle; 18 . 144 Table; 20 Spindle head; 22 Spindle; 24 NC apparatus; 30 X-axis feed mechanism; 32 Y-axis feed mechanism; 34 Z-axis feed mechanism; 36 . 38 Rotary drive unit; 42 Measuring head; 100 . 100A Laser displacement meter; 110 Light emitting unit; 112 Laser diode; 114 Lens; 116 Laser beam; 118 . 118A . 118B Condenser lens (optical system); 120 . 120A . 120B linear image sensor (light receiving unit); 130 object to be measured; 132 Laser spot; 140 Surface shape measuring device; 146 Moving mechanism; 146x X-axis drive mechanism; 146y Y-axis drive mechanism; 146Z Z-axis driving mechanism; 146C C-axis driving mechanism; 150 Computer; 152 Processor; 154 Storage; 156 Measurement control unit; 158 Data processing unit; 160 Height difference identification unit; 162 Data correction unit; 166 Surface shape data; 200 Machine tool; P0 separation start point; P1 height difference position.
