JP2007248287A - Control gain adjustment method of measurement control circuit, and measurement control circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測定制御回路の制御ゲイン調整方法および測定制御回路に関する。例えば、加振型センサにより被測定物の形状や表面粗さなどの表面性状を測定する表面性状測定装置の測定制御回路などに適用できる。 The present invention relates to a control gain adjustment method for a measurement control circuit and a measurement control circuit. For example, the present invention can be applied to a measurement control circuit of a surface property measuring apparatus that measures surface properties such as the shape and surface roughness of an object to be measured using an excitation type sensor.
被測定物の表面を走査して被測定物の形状や表面粗さなど表面性状を測定する表面性状測定装置として、粗さ測定機、輪郭測定機、真円度測定機、三次元測定機などが知られている。
このような測定機において、接触部が被測定物の表面に接触した微小変位に基づいて被測定物表面を検出するセンサとして、加振型力センサが利用されている。
Surface texture measuring devices that measure the surface properties such as the shape and surface roughness of the object to be measured by scanning the surface of the object to be measured, such as roughness measuring machine, contour measuring machine, roundness measuring machine, and three-dimensional measuring machine It has been known.
In such a measuring machine, an excitation type force sensor is used as a sensor for detecting the surface of the object to be measured based on a minute displacement in which the contact portion contacts the surface of the object to be measured.
<加振型力センサについて>
加振型力センサ1は、図5に示すように、金属製のベース2と、このベース2と一体的に形成されたスタイラス3と、このスタイラス3を振動(軸方向へ振動)させる加振素子4と、スタイラス3の振動状態を検出し検出信号として出力する検出素子5とから構成されている。スタイラス3の先端には、ダイヤモンドチップやルビーなどで構成された接触部としての触針6が接着固定されている。加振素子4および検出素子5は、1枚の圧電素子によって構成され、ベース2の表裏にそれぞれ1枚ずつ接着固定されている。
<Excitation type force sensor>
As shown in FIG. 5, the vibration-
いま、図6に示すように、力センサ1の加振素子4に対して、特定の周波数と振幅をもつ加振信号Pi(電圧信号)を与えると、検出素子5では、特定の周波数と振幅の検出信号Qo(電圧信号)が得られる。
被測定物Wとの接触に伴う検出信号Qoの振幅変化を図7に示す。スタイラス3が被測定物Wと非接触状態にあるとき、スタイラス3の共振周波数で一定の振幅をもつ加振信号Piを加振素子4に加えると、スタイラス3が共振し、検出素子5に振幅Aoの検出信号Qoが得られる。スタイラス3が被測定物Wに接触すると、検出信号Qoの振幅がAoからAxに減衰する。
Now, as shown in FIG. 6, when an excitation signal Pi (voltage signal) having a specific frequency and amplitude is given to the
FIG. 7 shows the amplitude change of the detection signal Qo accompanying the contact with the workpiece W. When the excitation signal Pi having a constant amplitude at the resonance frequency of the
この減衰率k(Ax/Ao)と測定力との間には、図8に示す関係がある。
ここで、スタイラス3(力センサ1)が被測定物Wに接触したときの検出信号Qoが非接触時の90%に減衰している場合(減衰率k=0.9の状態)を例にとる。図8の関係より、この接触状態における測定力は135[μN]であることがわかる。
従って、力センサ1を被測定物Wに接触させる際、減衰率kが常に一定となるように、駆動用アクチュエータなどを用いて力センサ1と被測定物Wとの距離を制御すれば、測定力一定状態で被測定物Wの形状や粗さを測定することができる。
There is a relationship shown in FIG. 8 between the attenuation factor k (Ax / Ao) and the measuring force.
Here, the case where the detection signal Qo when the stylus 3 (force sensor 1) contacts the workpiece W is attenuated to 90% of the non-contact state (a state where the attenuation factor k = 0.9) is taken as an example. Take. From the relationship of FIG. 8, it can be seen that the measuring force in this contact state is 135 [μN].
Accordingly, when the
<力センサを用いた接触式倣いプローブシステム>
図9に力センサを用いた接触式倣いプローブシステムの一例を示す。このシステムは、プローブ10と、このプローブ10を制御するコントローラ20とから構成されている。
プローブ10は、力センサ1と、この力センサ1を被測定物Wに対して進退させる駆動用アクチュエータ11と、この駆動用アクチュエータ11による力センサ1の変位量(つまり、力センサ1による被測定物の測定位置情報)を検出する検出器(スケールと検出ヘッドからなる)12とから構成されている。
<Contact type scanning probe system using force sensor>
FIG. 9 shows an example of a contact-type scanning probe system using a force sensor. This system includes a
The
コントローラ20は、力センサ1を振動させるために力センサ1に加振信号を与える発振器21と、力センサ1からの検出信号を直流信号に変換するピークホールド回路22と、検出器12からの信号をカウントし力センサ1の測定位置情報を位置測定値として出力するカウンタ26と、ピークホールド回路22からの出力(力フィードバック信号)と目標測定力との偏差を演算する演算器23と、この演算器23からの出力を入力とした力制御補償器24と、カウンタ26からの位置信号を微分して速度信号に変換する時間微分回路31と、この時間微分回路31からの出力とスイッチ30を介して取り込んだ力制御補償器24からの出力との偏差を求める演算器32と、この演算器32からの出力を基に駆動用アクチュエータ11を駆動させる駆動アンプ25と、カウンタ26の測定値(位置情報)と目標位置との偏差を演算する演算器33と、この演算器33からの出力を入力とし出力をスイッチ30を通じて演算器32へ与える位置制御補償器34とから構成されている。
The
このシステムで力一定倣い測定を行う場合、図10に示すようにして行う。
(a)位置決め制御により、プローブを被測定物にアプローチ。
(b)プローブが被測定物に接触したら、力一定倣い制御に切り替える。
(c)プローブまたは被測定物を駆動して、力一定倣い制御状態で被測定物の表面を走査。
(d)走査の間、形状測定位置として、プローブの位置または被測定物の位置を読み取る。
(e)力一定倣い測定が終了したら、位置決め制御に切り替えて退避位置までリトラクト。
When performing constant force scanning measurement with this system, it is performed as shown in FIG.
(A) Approach the object to be measured by positioning control.
(B) When the probe contacts the object to be measured, the control is switched to constant force scanning control.
(C) Drive the probe or the object to be measured, and scan the surface of the object to be measured in a constant force scanning control state.
(D) During scanning, the position of the probe or the position of the object to be measured is read as the shape measurement position.
(E) When the constant force scanning measurement is completed, the control is switched to the positioning control and retracted to the retracted position.
図9のようなシステムの場合、安定して速く測定を行うためには、制御ループが安定な状態で可能な限り制御ゲインを高めて使用することが望まれる。しかし、図9で説明した力一定倣い測定を行う場合の力制御ゲインは、被測定物の表面の硬さによって力センサ位置を制御する量が異なるため、被測定物毎に適正ゲインに切り替えて使用することが必要であった。つまり、図11に示すように、被測定物Wの表面の硬さによって、力制御補償器24の力制御ゲインを、被測定物毎に適正ゲインに切り替えて使用することが必要であった。
そのため、被測定物や目標測定力毎に適正な制御ゲインを求める自動調整技術が要求されてきた。
In the case of the system as shown in FIG. 9, in order to perform measurement stably and quickly, it is desired to use the control loop as high as possible while the control loop is stable. However, the force control gain in the case of performing the constant force scanning measurement described with reference to FIG. 9 differs in the amount for controlling the position of the force sensor depending on the hardness of the surface of the object to be measured. It was necessary to use. That is, as shown in FIG. 11, it is necessary to switch the force control gain of the
Therefore, an automatic adjustment technique for obtaining an appropriate control gain for each object to be measured and a target measurement force has been required.
<被測定物表面の硬さと力センサ感度の関係>
接触式の測定においては、被測定物との測定力によって、被測定物表面とプローブ(力センサ)の両者が弾性変形を起こしている。力センサでは、この弾性変形の反力を測定力として検出している。
接触時におけるプローブの位置と変形量の関係を図12に示す。この図12より、プローブの位置Zと、力センサ1の変形量Z1と、被測定物W表面の変形量Z2との関係は、次式で表される。
Z=Z1+Z2 ………(1)
<Relationship between surface hardness and force sensor sensitivity>
In the contact-type measurement, both the surface of the object to be measured and the probe (force sensor) are elastically deformed by the measuring force with the object to be measured. The force sensor detects the reaction force of this elastic deformation as a measuring force.
FIG. 12 shows the relationship between the position of the probe and the amount of deformation at the time of contact. From FIG. 12, the relationship among the position Z of the probe, the deformation amount Z1 of the
Z = Z1 + Z2 (1)
また、変形量と測定力との関係は、変形量と被測定物表面および力センサ1のばね定数で表せるので、次式のようになる。
F1=K1×Z1 ………(2−1)
F2=K2×Z2 ………(2−2)
F1=F2 ………(2−3)
ただし、F1:力センサ1の変形による作用力(測定力)
F2:被測定物表面の変形による反作用力
K1:力センサ1の等価ばね定数
K2:被測定物表面の等価ばね定数
Further, since the relationship between the deformation amount and the measuring force can be expressed by the deformation amount, the surface of the object to be measured, and the spring constant of the
F1 = K1 × Z1 (2−1)
F2 = K2 × Z2 (2-2)
F1 = F2 (2-3)
F1: Acting force due to deformation of the force sensor 1 (measuring force)
F2: Reaction force due to deformation of the surface of the object to be measured
K1: equivalent spring constant of
K2: Equivalent spring constant of the surface of the object to be measured
上記式(1)(2−1)〜(2−3)の関係から、プローブの位置Zと測定力Fとの関係は、
Z=Z1+Z2=(F1/K1)+(F2/K2)=F(1/K1+1/K2)
………(3)
となる。整理すると、図13のようになる。
図13から、力センサの等価ばね定数が被測定物表面の等価ばね定数より十分小さい場合(K1≪K2)を除き、プローブの位置と測定力との関係は、被測定物表面の等価ばね定数(被測定物表面の硬さ)に応じて変化する。すなわち、被測定物表面の硬さに応じて力センサの感度が変化するので、被測定物に応じて力制御ゲインを適正値に調整する必要があることがわかる。
また、この関係から、力センサの等価ばね定数を十分小さくすれば、制御ゲインの被測定物依存性問題が改善されるが、力センサの変形量(測定誤差)が大きくなるため、高精度に寸法測定を行うプローブの力センサでは、この方法を採用できない。
From the relationship of the above formulas (1) (2-1) to (2-3), the relationship between the probe position Z and the measuring force F is
Z = Z1 + Z2 = (F1 / K1) + (F2 / K2) = F (1 / K1 + 1 / K2)
……… (3)
It becomes. When arranged, it becomes as shown in FIG.
From FIG. 13, except when the equivalent spring constant of the force sensor is sufficiently smaller than the equivalent spring constant of the surface of the object to be measured (K1 << K2), the relationship between the probe position and the measuring force is the equivalent spring constant of the surface of the object to be measured. It changes according to (the hardness of the surface of the object to be measured). That is, since the sensitivity of the force sensor changes according to the hardness of the surface of the object to be measured, it can be seen that the force control gain needs to be adjusted to an appropriate value according to the object to be measured.
In addition, from this relationship, if the equivalent spring constant of the force sensor is made sufficiently small, the problem of dependence of the control gain on the object to be measured will be improved, but the amount of deformation (measurement error) of the force sensor will increase, so that the accuracy will be high. This method cannot be adopted in a force sensor of a probe that performs dimension measurement.
<従来の方法>
これまでに考えられていた制御ゲインを決定する方法として、力制御ループの力フィードバック信号が制御ゲインの変化に対してどのように変化するかを観測するものなどがあった。
図14に、これまでの方法の概念図を示す。力センサ1が被測定物Wに力一定で接触した状態のときに、力制御ループの制御ゲインを、力制御ループが発振してしまう状態になるまで徐々に高くしていく。その間の力フィードバック信号の状態を観測して適正点を求める。
<Conventional method>
As a method for determining the control gain that has been considered so far, there has been a method of observing how the force feedback signal of the force control loop changes with respect to the change of the control gain.
FIG. 14 shows a conceptual diagram of the conventional method. When the
また、制御ゲインを決定する他の方法として、特許文献1に開示された方法がある。これは、連続鋳造機のモールドオッシレーション装置において、励磁装置による振動に伴う加速度を検出する加速度センサや、励磁装置の位置を検出する位置センサからの出力を周波数分析してフィードバックゲインを指定する内容である。ここでは、周波数毎の信号の振幅に基づいて加速度フィードバックゲインを指定したり、比例ゲインを指定している。
As another method for determining the control gain, there is a method disclosed in
図14に示す方法の場合、力制御ループが応答できないような高周波の外乱振動などでプローブ取付側および被測定物が振動した場合、力フィードバック信号が乱れてしまい、この乱れが制御ループの調整によるものなのか、外乱によるものなのかの切り分けが困難であった。
たとえば、図15に示すように、被測定物Wが高周波の外乱振動などで振動すると、力フィードバック信号も乱れてしまう結果、この乱れが力制御ループの調整によるものなのか、外乱によるものなのかの切り分けが困難であった。そのため、この方法で力制御ゲインの自動調整を行うことは、外乱の存在しない系においてしか成り立たず、現実的には困難であった。
In the case of the method shown in FIG. 14, when the probe mounting side and the object to be measured vibrate due to high-frequency disturbance vibration or the like that the force control loop cannot respond to, the force feedback signal is disturbed, and this disturbance is caused by adjustment of the control loop. It was difficult to identify whether it was due to a disturbance or not.
For example, as shown in FIG. 15, when the workpiece W vibrates due to high-frequency disturbance vibration or the like, the force feedback signal is also disturbed. As a result, is this disturbance caused by adjustment of the force control loop or due to disturbance? It was difficult to isolate. For this reason, automatic adjustment of the force control gain by this method can be realized only in a system in which no disturbance exists, and is difficult in practice.
特許文献1に記載の方法では、周波数毎の振幅に応じて、速度フィードバックゲインが適正、高い、低いという判定を行い、この判定結果に基づいて、加速度フィードバックゲインを予め決めた調整量または計算から算出された調整量で調整するものであるから、最も最適なゲインになるまで、調整に時間がかかる。
In the method described in
本発明の目的は、被測定物が変わっても、外乱に影響されることなく、適正な制御ゲインを求めることができ、使い勝手の向上および測定精度、測定速度の向上に寄与できる測定制御回路の制御ゲイン調整方法および測定制御回路を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a measurement control circuit capable of obtaining an appropriate control gain without being affected by disturbance even when the object to be measured changes, and contributing to improvement in usability, measurement accuracy, and measurement speed. A control gain adjustment method and a measurement control circuit are provided.
本発明の測定制御回路の制御ゲイン調整方法は、被測定物との接触時に発生する測定力を検出し力検出信号として出力する力センサ、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段とを有するプローブと、前記力センサからの力検出信号を力フィードバック信号として力設定値と比較し、力フィードバック信号が力設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる力制御ループと、前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる位置制御ループと、前記力制御ループと位置制御ループのいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段とを備えた測定制御回路において、前記力制御ループの制御ゲインを調整する制御ゲイン調整方法であって、前記力センサからの力検出信号および前記位置検出手段からの測定位置情報のいずれかにフィルタ処理を施して前記相対移動手段の振動的な動きを表す観測値を抽出し、前記制御ループ切替手段によって力制御ループが有効とされた状態において、前記力センサを被測定物に接触させたのち、前記力制御ループの制御ゲインを徐々に上げながら前記観測値を観測し、前記観測値の変化から、前記相対移動手段が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを前記力制御ループの制御ゲインとすることを特徴とする。 The control gain adjustment method of the measurement control circuit according to the present invention is a force sensor that detects a measurement force generated upon contact with a measurement object and outputs it as a force detection signal, and detects and measures a measurement position of the measurement object by the force sensor. A probe having position detecting means for outputting as position information, and a relative moving means for relatively moving the force sensor and the object to be measured, and comparing the force detection signal from the force sensor with a force setting value as a force feedback signal A force control loop for driving the relative movement means so that the force feedback signal coincides with the force setting value, and the measured position information from the position detecting means is compared with the position setting value as a position feedback signal, and the position feedback signal A position control loop for driving the relative movement means so that the value matches a position set value, and the force control loop and the position control loop. A control gain adjustment method for adjusting a control gain of the force control loop in a measurement control circuit including a control loop switching unit that enables one of the force detection signal, the force detection signal from the force sensor, and the position detection Filtering any of the measurement position information from the means to extract an observation value representing the vibrational movement of the relative movement means, in a state where the force control loop is enabled by the control loop switching means, After the force sensor is brought into contact with the object to be measured, the observed value is observed while gradually increasing the control gain of the force control loop, and the state before the relative moving means becomes oscillating from the change in the observed value In addition, a gain in a state having a predetermined margin with respect to the vibration limit value is obtained and used as a control gain of the force control loop.
この発明によれば、力制御ループの制御ゲインを調整するにあたって、力センサからの力検出信号および位置検出手段からの測定位置情報のいずれかにフィルタ処理を施して相対移動手段の振動的な動きを表す観測値を抽出し、制御ループ切替手段によって力制御ループが有効とされた状態で、かつ、力センサを被測定物に接触させた状態において、力制御ループの制御ゲインを徐々に上げながら観測値を観測する。
たとえば、位置検出手段からの測定位置情報にハイパスフィルタ処理を施して観測値とした場合、力制御ループが応答できないような高周波の外乱振動に対しては、観測値には外乱振動が現れない。
力制御ループが応答可能な低周波の外乱振動に対しては、力制御ループによって力一定制御が実行される。すると、相対移動手段によって力センサと被測定物とが相対移動されるから、位置検出手段の測定位置情報には、低周波の外乱振動の振幅成分が現れる。しかし、力一定制御によって相対移動された力センサと被測定物との測定位置情報はハイパスフィルタ処理で除去されるから、観測値には現れない。
制御ゲインを徐々に上げていくと、力制御ループは機械系が抱える高域の共振周波数で発振して制御限界に達する。つまり、相対移動手段が振動的な動きをすると、このような高域の振動成分はハイパスフィルタ処理で除去されることなく、観測値に現れる。従って、この観測値の変化から、相対移動手段が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを力制御ループの制御ゲインとすることができる。
このようにして、被測定物が変わっても、外乱に影響されることなく、適正な制御ゲインを求めることができるから、使い勝手の向上および測定精度、測定速度の向上に寄与できる
According to the present invention, when adjusting the control gain of the force control loop, either the force detection signal from the force sensor or the measured position information from the position detection unit is filtered to perform the vibrational movement of the relative movement unit. While the force control loop is enabled by the control loop switching means and the force sensor is in contact with the object to be measured, the control gain of the force control loop is gradually increased. Observe observations.
For example, when high-pass filter processing is performed on the measurement position information from the position detection means to obtain observation values, no disturbance vibrations appear in the observation values for high-frequency disturbance vibrations in which the force control loop cannot respond.
For low-frequency disturbance vibrations to which the force control loop can respond, constant force control is executed by the force control loop. Then, since the force sensor and the object to be measured are relatively moved by the relative moving means, an amplitude component of low-frequency disturbance vibration appears in the measurement position information of the position detecting means. However, since the measurement position information of the force sensor and the object to be measured that are relatively moved by the constant force control is removed by the high-pass filter process, it does not appear in the observed value.
When the control gain is gradually increased, the force control loop oscillates at the high resonance frequency of the mechanical system and reaches the control limit. That is, when the relative movement means vibrates, such a high-frequency vibration component appears in the observed value without being removed by the high-pass filter process. Therefore, from this change in the observed value, a gain in a state before the relative moving means becomes oscillating and having a predetermined margin with respect to the vibration limit value is obtained, and this is obtained as a control gain of the force control loop. can do.
In this way, even if the object to be measured changes, an appropriate control gain can be obtained without being affected by disturbances, which can contribute to improved usability, measurement accuracy, and measurement speed.
本発明の測定制御回路の制御ゲイン調整方法において、前記位置検出手段からの測定位置情報にハイパスフィルタ処理を施して観測値とすることが好ましい。
この際、前記ハイパスフィルタ処理の遮断周波数を、前記力制御ループの遮断周波数に略一致させることが好ましい。
この発明によれば、力制御ループの遮断周波数以下の外乱振動は、ハイパスフィルタで遮断され、観測値には現れないため、プローブの異常振動のみを取り出すことができる。従って、被測定物が変わっても、適正な制御ゲインを求めることができる。
In the control gain adjusting method of the measurement control circuit according to the present invention, it is preferable that the measurement position information from the position detection means is subjected to high-pass filter processing to obtain an observed value.
At this time, it is preferable that the cut-off frequency of the high-pass filter process is substantially matched with the cut-off frequency of the force control loop.
According to the present invention, disturbance vibration below the cutoff frequency of the force control loop is blocked by the high-pass filter and does not appear in the observed value, so that only abnormal vibration of the probe can be extracted. Therefore, even if the object to be measured changes, an appropriate control gain can be obtained.
本発明の測定制御回路の制御ゲイン調整方法において、前記観測値を複数回サンプリングして、これらサンプリングした観測値の標準偏差を算出し、この標準偏差が予め設定した閾値を超えたことを条件として、制御ゲインに余裕係数を乗算して最適制御ゲインとすることが好ましい。
この発明によれば、力制御ループの遮断周波数を超える外乱振動が含まれていた場合でも、観測値を複数回サンプリングしてこれらサンプリングした観測値の標準偏差を算出するようにしたので、不規則外乱の影響を低減することができるとともに、標準偏差が予め設定した閾値を超えたか否かで、力制御ループの異常振動を検出することができる。
In the control gain adjustment method of the measurement control circuit of the present invention, the observed values are sampled a plurality of times, a standard deviation of the sampled observed values is calculated, and the standard deviation exceeds a preset threshold. It is preferable to multiply the control gain by a margin coefficient to obtain the optimum control gain.
According to the present invention, even when disturbance vibration exceeding the cutoff frequency of the force control loop is included, the observation values are sampled a plurality of times, and the standard deviation of these sampled observation values is calculated. The influence of disturbance can be reduced, and abnormal vibration of the force control loop can be detected based on whether or not the standard deviation exceeds a preset threshold value.
本発明の測定制御回路は、被測定物との接触時に発生する測定力を検出し力検出信号として出力する力センサ、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段とを有するプローブと、前記力センサからの力検出信号を力フィードバック信号として力設定値と比較し、力フィードバック信号が力設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる力制御ループと、前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる位置制御ループと、前記力制御ループと位置制御ループのいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段と、前記力センサからの力検出信号および前記位置検出手段からの測定位置情報のいずれかにフィルタ処理を施して前記相対移動手段の振動的な動きを表す観測値を抽出するフィルタ回路と、前記制御ループ切替手段によって力制御ループが有効とされ、前記力センサが被測定物に接触された状態において、前記力制御ループの制御ゲインを徐々に上げたときの前記観測値を観測し、前記観測値の変化から、前記相対移動手段が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを前記力制御ループの制御ゲインとする制御ゲイン自動調整手段とを備えたことを特徴とする。 The measurement control circuit according to the present invention detects a measurement force generated upon contact with the object to be measured and outputs it as a force detection signal, detects a measurement position of the object to be measured by the force sensor, and outputs the measurement position information. A force detection signal, a probe having position detection means, and a relative movement means for relatively moving the force sensor and the object to be measured; a force detection signal from the force sensor as a force feedback signal and a force setting value; The force control loop for driving the relative movement means so that the value coincides with the force set value, and the measured position information from the position detecting means is compared with the position set value as a position feedback signal, and the position feedback signal becomes the position set value. The position control loop for driving the relative movement means so as to coincide, and either the force control loop or the position control loop are enabled. Control loop switching means, and a filter for extracting an observation value representing the vibrational movement of the relative moving means by applying a filter process to any of the force detection signal from the force sensor and the measured position information from the position detecting means When the force control loop is enabled by the circuit and the control loop switching means, and the force sensor is in contact with the object to be measured, the observed value when the control gain of the force control loop is gradually increased is observed. Then, from the change of the observed value, a gain in a state before the relative movement means becomes oscillating and having a predetermined margin with respect to the vibration limit value is obtained, and this is controlled by the control of the force control loop. Control gain automatic adjustment means for gain is provided.
本発明の測定制御回路において、前記フィルタ回路を、前記位置検出手段からの測定位置情報にハイパスフィルタ処理を施して観測値とするハイパスフィルタ回路によって構成し、このハイパスフィルタ回路の遮断周波数を前記力制御ループの遮断周波数に略一致させることが好ましい。
このような測定制御回路においても、上述した測定制御回路の制御ゲイン調整方法と同様な効果が期待できる。
In the measurement control circuit of the present invention, the filter circuit is configured by a high-pass filter circuit that performs high-pass filter processing on the measurement position information from the position detection unit to obtain an observation value, and the cutoff frequency of the high-pass filter circuit is set as the force It is preferable to substantially match the cutoff frequency of the control loop.
Even in such a measurement control circuit, the same effect as the control gain adjustment method of the measurement control circuit described above can be expected.
<全体構成(図1)の説明>
図1は、本発明に係る測定制御回路を表面形状測定装置に適用した実施形態を示すブロック図である。なお、同図の説明にあたって、図9と同一構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
本実施形態の表面形状測定装置は、図9のシステムと基本的構成は同じであるが、図9のシステムに対して、カウンタ26からの位置フィードバック信号の高周波成分のみを通過させるハイパスフィルタ回路40と、このハイパスフィルタ回路40を通過した位置フィードバック信号を基に力制御補償器24の制御ゲインを最適制御ゲインに自動設定する制御ゲイン自動調整回路41とが付加されている。つまり、本発明では、位置制御ループの位置フィードバック信号を使用することにより、力制御ループが応答できないような高周波の外乱に対しては鈍感で、かつ、力制御ループのハイゲイン化による発振に対しては、その状況を把握できるように構成したものである。
<Description of overall configuration (FIG. 1)>
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment in which a measurement control circuit according to the present invention is applied to a surface shape measuring apparatus. In the description of the figure, the same components as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
Although the basic configuration of the surface shape measuring apparatus of this embodiment is the same as that of the system of FIG. 9, a high-
力センサ1、ピークホールド回路22、演算器23、力制御補償器24、演算器32、速度補償器28、駆動アンプ25および駆動用アクチュエータ11を含んで、力センサ1からの力検出信号を力フィードバック信号として目標測定力(力設定値)と比較し、力フィードバック信号が目標測定力に一致するように相対移動手段としての駆動用アクチュエータ11を駆動させる力制御ループRFが構成されている。
検出器12、カウンタ26、演算器33、位置制御補償器34、演算器32,速度補償器28、駆動アンプ25および駆動用アクチュエータ11を含んで、位置検出手段としての検出器12からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値(目標位置)と比較し、位置フィードバック信号が目標位置に一致するように相対移動手段としての駆動用アクチュエータ11を駆動させる位置制御ループRPが構成されている。
スイッチ30は、力制御ループRFと位置制御ループRPのいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段を構成している。
The
The measurement position from the
The
ハイパスフィルタ回路40は、カウンタ26からの位置フィードバック信号にハイパスフィルタ処理を施して駆動用アクチュエータ11の振動的な動きを表す観測値を抽出するもので、ハイパスフィルタ回路40の遮断周波数が、力制御ループRFの遮断周波数に略一致するように構成されている。
制御ゲイン自動調整回路41は、スイッチ30が力制御ループRF側に切り替えられ、つまり、力制御ループRFが有効とされ、力センサ1が被測定物に接触された状態において、力制御ループRFの制御ゲインを徐々に上げたときの観測値を観測し、観測値の変化から、駆動用アクチュエータ11が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを力制御ループの力制御補償器24の制御ゲインとして設定する機能を備える。
The high-
In the control gain
<(1)力制御ループが応答可能な外乱を分離する方法>
プローブ取付側や被測定物に対して、力制御ループRFが応答可能な低周波の外乱振動が入った場合を考える。図2および図3に、この方式の概念図を示す。
外乱振動による力の乱れを打ち消そうとする力一定制御が行われるため、駆動用アクチュエータ11が力センサ1の位置を動かす。結果、測定値には低周波の外乱振動の振幅成分が現れる。式で表すと、
Pm=Perr+Pv_res …………(4)
ただし、Pm :測定値
Perr :力制御ループのハイゲイン化による振動
Pv_res :力制御ループが応答可能な外乱振動成分
となる。
<(1) Method for separating disturbance that can be responded by force control loop>
Consider a case in which low-frequency disturbance vibration capable of responding to the force control loop RF enters the probe mounting side or the object to be measured. 2 and 3 are conceptual diagrams of this method.
Since force constant control is performed to cancel the force disturbance due to disturbance vibration, the driving
P m = P err + P v_res (4)
Where P m : measured value
Perr : Vibration due to high gain of the force control loop
P v_res : A disturbance vibration component that can be responded to by the force control loop.
本実施形態では、測定値にハイパスフィルタ回路40を通したものを自動調整機能での観測値として用いている。ハイパスフィルタ回路40の遮断周波数を、力制御ループの遮断周波数に略一致させているため、力一定制御の応答によって動かされたプローブの位置情報はハイパスフィルタ回路40で除去され、観測値には現れない(図2参照)。
そのため、観測値の乱れには力制御ループのハイゲイン化による振動成分のみが残る。式で表すと、
P=PHPF・Pm =P’ err …(5)
ただし、PHPF :ハイパスフィルタ特性
P’ err :力制御ループのハイゲイン化による振動(高周波成分のみ)
となる。
機械系の多くは、制御ゲインを高めていくと、機械系が抱える高域の共振周波数で発振して制御限界に達する。式(5)において、プローブのもつ機械的な高域の振動成分(駆動用アクチュエータ11の振動)はハイパスフィルタ回路40によって除去されることなく、観測値に現れるため(図3参照)、この観測値の変化から、駆動用アクチュエータ11が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを力制御ループの力制御補償器24の制御ゲインとして設定することができる。
In this embodiment, the measurement value obtained by passing the high-
Therefore, only the vibration component due to the high gain of the force control loop remains in the disturbance of the observed value. Expressed as a formula:
P = P HPF · P m = P ′ err (5)
However, P HPF : High-pass filter characteristics
P'err : Vibration due to high gain of the force control loop (only high frequency components)
It becomes.
In many mechanical systems, when the control gain is increased, the mechanical system oscillates at a resonance frequency in a high frequency range, and reaches the control limit. In equation (5), the mechanical high-frequency vibration component of the probe (vibration of the driving actuator 11) appears in the observed value without being removed by the high-pass filter circuit 40 (see FIG. 3). From the change in value, a gain in a state before the driving
<(2)力制御ループが応答不可能な外乱を分離する方法>
前述した(1)では、プローブ取付側や被測定物Wに対して、力制御ループが応答可能な低周波の外乱振動が入った場合を考えた。
力制御ループが応答不可能な高周波の外乱振動に関しては、力制御ループの周波数応答領域そのものの特性により、観測値には外乱振動が殆ど現れない。しかし、力制御ループが応答不可能な高周波の外乱に関して、力制御ループの高周波減衰特性だけでは減衰力が小さく、自動ゲイン調整結果に含まれる高周波の外乱成分の影響を考慮する必要がある場合も考えられる。
<(2) Method for separating a disturbance in which the force control loop cannot respond>
In (1) described above, a case was considered in which low-frequency disturbance vibration capable of responding to the force control loop entered the probe mounting side or the workpiece W.
With respect to high-frequency disturbance vibrations in which the force control loop cannot respond, disturbance vibrations hardly appear in the observed values due to the characteristics of the frequency response region itself of the force control loop. However, for high-frequency disturbances that the force control loop cannot respond to, the damping force is small only with the high-frequency damping characteristics of the force control loop, and there are cases where it is necessary to consider the influence of high-frequency disturbance components included in the automatic gain adjustment results. Conceivable.
ここでは、制御ゲイン自動調整回路41において、ハイパスフィルタ回路40を通して得られた観測値Pをn回平均化することで、高周波の外乱振動の影響を除去する。
外乱振動による測定値の乱れは、式(4)に高周波の外乱成分が加わることに等しい。式で表すと、
Pm=Perr+Pv_res+Pv_nores …(6)
ただし、Pm :測定値
Perr :力制御ループのハイゲイン化による振動
Pv_res :力制御ループが応答可能な外乱振動成分
Pv_nores :力制御ループが応答不可能な外乱振動成分
となる。
Here, in the control gain
The disturbance of the measured value due to the disturbance vibration is equivalent to the addition of a high-frequency disturbance component to Equation (4). Expressed as a formula:
P m = P err + P v_res + P v_nores (6)
Where P m : measured value
Perr : Vibration due to high gain of the force control loop
P v_res : Disturbance vibration component to which the force control loop can respond
P v_nores : The force control loop is a disturbance vibration component that cannot respond.
式(5)の場合と同様に、ハイパスフィルタ回路40を通った後の観測値を式で表すと、
P=PHPF・Pm =P’err+P’ v_nores …(7)
ただし、P :観測値
PHPF :ハイパスフィルタ特性
P’err :力制御ループのハイゲイン化による振動(高周波成分のみ)
P’ v_nores :力制御ループが応答不可能な外乱振動成分(高周波成分のみ)
となる。
As in the case of the equation (5), the observation value after passing through the high-
P = P HPF · P m = P ′ err + P ′ v — nores (7)
Where P is the observed value
P HPF : High-pass filter characteristics
P'err : Vibration due to high gain of the force control loop (only high frequency components)
P'v_nores : Disturbance vibration component (only high frequency component) that force control loop cannot respond to
It becomes.
一般的には、力制御ループのハイゲイン化による振動P’errが定常的な応答を示すのに対し、高周波の外乱成分P’errは過渡的、すなわち、ランダムノイズ的な振る舞いをすることが多い。従って、ランダムノイズの除去を目的とした平均化が有効である。
式(7)における観測値Pをn回平均化したものをPnとすると、
In general, the vibration P ′ err due to the high gain of the force control loop shows a steady response, whereas the high-frequency disturbance component P ′ err often behaves transiently, that is, randomly. . Therefore, averaging for the purpose of removing random noise is effective.
When the observation value P in the equation (7) is averaged n times, and P n ,
となる。ここで、 It becomes. here,
はランダム雑音成分なので、n回の平均化後は Is a random noise component, so after n times of averaging
に近づくと考えられる。nを十分に大きくとれば、 It is thought that it approaches. If n is large enough,
となるため、式(8)は Therefore, equation (8) becomes
となり、これはP’errの平均値にほぼ等しいことを意味する。
以上より、高周波の外乱振動の影響を除去し、力制御ループのハイゲイン化による振動のみを観測することができる。
Which means that it is approximately equal to the average value of P'err .
As described above, it is possible to remove only the influence of high-frequency disturbance vibration and observe only the vibration caused by the high gain of the force control loop.
<(3)自動調整アルゴリズムの一例>
図4に自動調整のフローチャートを示す。制御ゲインの自動調整を行うには、制御ゲインを徐々に高めていき、力制御ループが不安定になり発振する状態を観測値から判断できる方法をソフトウエアで構築すればよい。
<(3) Example of automatic adjustment algorithm>
FIG. 4 shows a flowchart of automatic adjustment. In order to perform automatic adjustment of the control gain, it is only necessary to build a method that can gradually increase the control gain and determine from the observed values the state in which the force control loop becomes unstable and oscillates.
図4に示す例では、次の方法を採っている。
(a)発振(振動)の大きさを判断するために、観測値の標準偏差を算出する。
(b)いくつまで制御ゲインを高めるかを判断するために、観測値の標準偏差の閾値を設ける。この閾値は、測定データのばらつきとなるので、本プローブの測定精度と実験値などで予め決めておく。
(c)閾値を超えたゲインに安定余裕係数を乗算する。
In the example shown in FIG. 4, the following method is adopted.
(A) In order to determine the magnitude of oscillation (vibration), the standard deviation of the observed value is calculated.
(B) In order to determine how much the control gain is increased, a threshold value of the standard deviation of the observed value is provided. Since this threshold value causes variations in measurement data, it is determined in advance based on the measurement accuracy of this probe and experimental values.
(C) Multiply the gain exceeding the threshold by the stability margin coefficient.
図4のフローチャートを詳細に説明する。
力制御ゲイン初期値で被測定物にアプローチし(ST1)、アプローチ完了(ST2)を条件として、ハイパスフィルタ回路40を通過した観測値を規定時間、規定時間周期でサンプリング(ST3)し、サンプリング観測値の標準偏差を算出(ばらつきを算出)する(ST4)。
標準偏差と予め決めた閾値とを比較し、標準偏差が閾値未満のとき、制御ゲインアップする処理(ST6)を行ったのち、ST3へ戻る処理を繰り返す。
標準偏差が閾値以上のとき、安定余裕をとるため、制御ゲインに余裕係数を乗算し最適制御ゲインとしたのち(ST7)、終了する。
The flowchart of FIG. 4 will be described in detail.
Sampling observation is performed by approaching the object to be measured with the initial value of the force control gain (ST1), sampling the observed value that has passed through the high-
The standard deviation is compared with a predetermined threshold value. When the standard deviation is less than the threshold value, the process of increasing the control gain (ST6) is performed, and then the process of returning to ST3 is repeated.
When the standard deviation is equal to or greater than the threshold value, a stability margin is taken, and the control gain is multiplied by a margin coefficient to obtain an optimum control gain (ST7), and the process is terminated.
<変形例の説明>
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は、本発明に含まれる。
上記実施形態では、検出器12(カウンタ26)から位置フィードバック信号を分岐し、その分岐側にハイパスフィルタ回路40を接続して、検出器12(カウンタ26)からの位置フィードバック信号にハイパスフィルタ処理を施して駆動用アクチュエータ11の振動的な動きを検出する観測値としたが、これに限らず、力センサ1からの力フィードバック信号を用いるようにしてもよい。
この場合、力センサ1からの力フィードバック信号を分岐し、その分岐側にローパスフィルタ回路を接続して、力フィードバック信号にローパスフィルタ処理を施して駆動用アクチュエータ11の振動的な動きを検出する観測値としても、上記実施形態と同様な効果が期待できる。
<Description of modification>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications and improvements within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
In the above embodiment, the position feedback signal is branched from the detector 12 (counter 26), the high-
In this case, the force feedback signal from the
上記実施形態では、力センサ1の構造が、力センサ1のベース2とスタイラス3とを一体的に構成したが、これに限らず、別体であってもよい。つまり、ベース2とスタイラス3とを別体として構成し、ベース2に対してスタイラス3を接着固定するようにしてもよい。またスタイラス3を軸方向へ振動させるようにしたが、これに限らず、スタイラス3の軸に対して交差する方向に振動させるようにしてもよい。
上記実施形態では、加振型力センサ1を用いたが、これに限らず、被測定物との接触時に発生する測定力を検出し力検出信号として出力できる構造であれば、他のセンサであってもよい。
In the embodiment described above, the structure of the
In the above embodiment, the vibration-
上記実施形態では、検出器12をスケールと検出ヘッドから構成したが、力センサ1の変位を検出できるものであれば、他の検出器であってもよい。また、力センサ1の変位を検出するものに限らず、被測定物を力センサに対して移動可能に構成した場合、被測定物の変位を検出するようにすればよい。
In the above embodiment, the
本発明は、被測定物の表面粗さを測定する表面粗さ測定機、形状測定機、輪郭測定機、真円度測定機、三次元測定機などに適用可能である。とくに、微細形状の測定に好適である。 The present invention can be applied to a surface roughness measuring machine, a shape measuring machine, a contour measuring machine, a roundness measuring machine, a three-dimensional measuring machine, and the like that measure the surface roughness of an object to be measured. In particular, it is suitable for measuring fine shapes.
1…加振型力センサ(力センサ)
3…スタイラス
4…加振素子
5…検出素子
10…プローブ
11…駆動用アクチュエータ(相対移動手段)
12…検出器(位置検出手段)
30…スイッチ(制御ループ切替手段)
40…ハイパスフィルタ回路
41…制御ゲイン自動調整回路(制御ゲイン自動調整手段)
RF…力制御ループ
RP…位置制御ループ。
1 ... Excitation type force sensor (force sensor)
DESCRIPTION OF
12 ... Detector (position detection means)
30 ... Switch (control loop switching means)
40 ... High-
RF: Force control loop RP: Position control loop.
Claims (6)
前記力センサからの力検出信号を力フィードバック信号として力設定値と比較し、力フィードバック信号が力設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる力制御ループと、
前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる位置制御ループと、
前記力制御ループと位置制御ループのいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段とを備えた測定制御回路において、前記力制御ループの制御ゲインを調整する制御ゲイン調整方法であって、
前記力センサからの力検出信号および前記位置検出手段からの測定位置情報のいずれかにフィルタ処理を施して前記相対移動手段の振動的な動きを表す観測値を抽出し、
前記制御ループ切替手段によって力制御ループが有効とされた状態において、前記力センサを被測定物に接触させたのち、前記力制御ループの制御ゲインを徐々に上げながら前記観測値を観測し、
前記観測値の変化から、前記相対移動手段が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを前記力制御ループの制御ゲインとすることを特徴とする測定制御回路の制御ゲイン調整方法。 A force sensor that detects a measurement force generated when contacting the object to be measured and outputs it as a force detection signal, a position detection unit that detects a measurement position of the object to be measured by the force sensor and outputs it as measurement position information, and the force A probe having relative movement means for relatively moving the sensor and the object to be measured;
A force control loop that compares the force detection signal from the force sensor as a force feedback signal with a force setting value and drives the relative movement means so that the force feedback signal matches the force setting value;
A position control loop that compares the measured position information from the position detection means with a position set value as a position feedback signal and drives the relative movement means so that the position feedback signal matches the position set value;
In a measurement control circuit including a control loop switching unit that enables either the force control loop or the position control loop, a control gain adjustment method for adjusting a control gain of the force control loop,
Filtering any one of the force detection signal from the force sensor and the measurement position information from the position detection means to extract an observation value representing the vibrational movement of the relative movement means,
In the state where the force control loop is enabled by the control loop switching means, after the force sensor is brought into contact with the object to be measured, the observed value is observed while gradually increasing the control gain of the force control loop,
From the change in the observed value, a gain in a state before the relative movement means becomes oscillating and having a predetermined margin with respect to the vibration limit value is obtained, and this is determined as a control gain of the force control loop. A control gain adjustment method for a measurement control circuit.
前記位置検出手段からの測定位置情報にハイパスフィルタ処理を施して観測値としたことを特徴とする測定制御回路の制御ゲイン調整方法。 The control gain adjustment method of the measurement control circuit according to claim 1,
A control gain adjustment method for a measurement control circuit, wherein the measurement position information from the position detection means is subjected to high-pass filter processing to obtain an observed value.
前記ハイパスフィルタ処理の遮断周波数を、前記力制御ループの遮断周波数に略一致させたことを特徴とする測定制御回路の制御ゲイン調整方法。 In the control gain adjustment method of the measurement control circuit according to claim 2,
A control gain adjustment method for a measurement control circuit, wherein a cutoff frequency of the high-pass filter processing is made to substantially coincide with a cutoff frequency of the force control loop.
前記観測値を複数回サンプリングして、これらサンプリングした観測値の標準偏差を算出し、この標準偏差が予め設定した閾値を超えたことを条件として、制御ゲインに余裕係数を乗算して最適制御ゲインとすることを特徴とする測定制御回路の制御ゲイン調整方法。 In the control gain adjustment method of the measurement control circuit according to any one of claims 1 to 3,
The observed value is sampled multiple times, the standard deviation of these sampled observed values is calculated, and on the condition that this standard deviation exceeds a preset threshold value, the control gain is multiplied by a margin coefficient to obtain the optimal control gain. A method for adjusting the control gain of the measurement control circuit.
前記力センサからの力検出信号を力フィードバック信号として力設定値と比較し、力フィードバック信号が力設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる力制御ループと、
前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる位置制御ループと、
前記力制御ループと位置制御ループのいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段と、
前記力センサからの力検出信号および前記位置検出手段からの測定位置情報のいずれかにフィルタ処理を施して前記相対移動手段の振動的な動きを表す観測値を抽出するフィルタ回路と、
前記制御ループ切替手段によって力制御ループが有効とされ、前記力センサが被測定物に接触された状態において、前記力制御ループの制御ゲインを徐々に上げたときの前記観測値を観測し、前記観測値の変化から、前記相対移動手段が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを前記力制御ループの制御ゲインとする制御ゲイン自動調整手段とを備えたことを特徴とする測定制御回路。 A force sensor that detects a measurement force generated when contacting the object to be measured and outputs it as a force detection signal, a position detection unit that detects a measurement position of the object to be measured by the force sensor and outputs it as measurement position information, and the force A probe having relative movement means for relatively moving the sensor and the object to be measured;
A force control loop that compares the force detection signal from the force sensor as a force feedback signal with a force setting value and drives the relative movement means so that the force feedback signal matches the force setting value;
A position control loop that compares the measured position information from the position detection means with a position set value as a position feedback signal and drives the relative movement means so that the position feedback signal matches the position set value;
Control loop switching means for activating any one of the force control loop and the position control loop;
A filter circuit that performs filtering on any of the force detection signal from the force sensor and the measurement position information from the position detection unit to extract an observation value representing the vibrational movement of the relative movement unit;
When the force control loop is enabled by the control loop switching means and the force sensor is in contact with the object to be measured, the observed value when the control gain of the force control loop is gradually increased is observed, Based on the change in the observed value, a gain in a state before the relative movement means becomes oscillating and has a predetermined margin with respect to the vibration limit value is obtained, and this is used as the control gain of the force control loop. A measurement control circuit comprising control gain automatic adjustment means.
前記フィルタ回路を、前記位置検出手段からの測定位置情報にハイパスフィルタ処理を施して観測値とするハイパスフィルタ回路によって構成し、このハイパスフィルタ回路の遮断周波数を前記力制御ループの遮断周波数に略一致させたことを特徴とする測定制御回路。 The measurement control circuit according to claim 5,
The filter circuit is constituted by a high-pass filter circuit that performs high-pass filter processing on the measured position information from the position detection means to obtain an observation value, and the cutoff frequency of the high-pass filter circuit substantially matches the cutoff frequency of the force control loop. A measurement control circuit characterized by the above.
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