JP2009300200A - Controlling device of probe for shape measurement - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は任意形状の穴の内面や穴径、及び任意形状の外側面等を高精度に測定する形状測定装置用プローブ制御装置に関する。 The present invention relates to a probe control device for a shape measuring apparatus that measures the inner surface and hole diameter of a hole having an arbitrary shape, the outer surface of an arbitrary shape, and the like with high accuracy.
任意形状の外側面、内側面、及び穴径等を高精度に測定する形状測定装置として、特許文献1に開示されるものがある。この特許文献1に記載された形状測定用プローブ1と測定点情報決定部の構成を、図4を参照して詳しく説明する。なお、この図4及び他の図において直交座標系のZ軸方向が鉛直方向であり、残りの2軸(X軸及びY軸)方向が水平方向である。
As a shape measuring device for measuring an outer surface, an inner surface, a hole diameter and the like of an arbitrary shape with high accuracy, there is one disclosed in
図4に示す形状測定用プローブ(以下、単にプローブという。)1は、測定対象となる測定物2に接触するスタイラス4を備え、このスタイラス4を先端に有するアーム5を含む揺動部材6は、連結機構8によって取付部材9に対してX軸方向、Y軸方向を問わずいずれの方向にも傾斜可能に連結されている。プローブ1は取付部材9が形状測定装置3に対して取り付けられる。要するに、プローブ1は、測定物2の被測定面2aに接触するスタイラス4を備えると共に、X軸方向及びY軸方向のいずれにも傾斜可能である。
A shape measuring probe (hereinafter simply referred to as a probe) 1 shown in FIG. 4 includes a stylus 4 that comes into contact with a
測定点情報決定部10には、測定点100の位置情報を得るための光学系11と、傾斜角度検出部12と、スタイラス位置演算部13と位置座標測定部14と、加算部15とを有する。
The measurement point
レーザ光発生部16にて発生した測定用レーザ光17は、測定点100の3次元座標位置を求めるため、光学系11にて4つに分光される。具体的には、光学系11は、X、Y、Zの座標用の3つの第1光学系11aと、プローブ1の傾斜角度用の1つの第2光学系11bとの計4つの光学系を有する。第1光学系11aには、測定点100のX軸方向及びY軸方向における位置座標を検出するため、図示を省略しているが、X軸方向に直交したX軸基準板、及びY軸方向に直交したY軸基準板を有する。
The
位置座標測定部14は、測定点100におけるX座標値、Y座標値、及びZ座標値の測長を行う検出部14a〜14cを有する。検出部14aへはX軸基準板からの反射光が、検出部14bへはY軸基準板からの反射光が、検出部14cへは形状測定用プローブ1の揺動部材6に取り付けられているミラー7からの反射光が入射される。
The position
第2光学系11bは、測定用レーザ光17の内、形状測定用プローブ1の揺動部材6に取り付けられているミラー7からの反射光17bを傾斜角度検出部12へ導く光分離部18を有する。
The second
傾斜角度検出部12は、ミラー7からの反射光17bを受光し電気信号に変換する受光面121を有する光検出器にて構成される。図5に示すように、受光面121は、それぞれ独立して光電変換を行う4つの受光領域12a〜12dに区画している。
The inclination
受光領域12a〜12eで検出された光量をそれぞれ「A」、「B」、「C」、及び「D」とすると、スタイラス演算部13は、各受光領域12a〜12dから得られる電気信号について、(A+B)−(C+D)の計算を行うことでX軸方向における揺動部材6の傾斜角度(プローブ1の傾斜角度)θXを求めることができ、(A+D)−(B+C)の計算を行うことでY軸方向における揺動部材6の傾斜角度(プローブ1の傾斜角度)θYを求める。また、スタイラス演算部13は、傾斜角度θX,θYからプローブ1(厳密には取付部材9)に対するスタイラス4のXYZ軸方向の相対的変位を求める。
Assuming that the light amounts detected in the
加算部15は、スタイラス演算部13で求めたプローブ1に対するスタイラスの相対的変位を検出部14a〜14cで求めたX座標値、Y座標値、及びZ座標値に加算し、測定点100のXYZ軸方向の位置座標を算出する。
The adding
この種のプローブ1で形状測定を実行するには、スタイラス4を測定物2の被測定面2aに沿って動かす必要がある。例えば測定物2が円筒形で、その外周面を一周測定する場合には、スタイラス4が外周面に接触した状態を維持しつつ、プローブ1を円筒の周囲で1周させる必要がある。このようなプローブ1の移動を実現するための従来の形状測定用プローブ制御装置200は、例えば図6に示すように構成されており、形状測定用プローブ1又は測定物2をXY方向に駆動することにより、プローブ1のX軸方向及びY軸方向の傾斜角度をほぼ一定に維持したまま測定物2の被測定面2a上を移動させる。
In order to perform shape measurement with this type of
この従来の形状測定用プローブ制御装置200について説明すると、動作条件設定部20において、測定物2の形状を表わす設計式、測定経路、測定速度、目標プローブ傾斜角度等を含む動作条件を設定する。位置指令生成部21において、それらの動作条件と、X位置検出器26で検出されるX実位置Xrと、Y位置検出器32で検出されるY実位置Yrと、傾斜角度検出部12からの信号に基づいて傾斜角度演算部44が算出したプローブ1のX軸方向及びY軸方向の傾斜角度(Xプローブ傾斜角度θX及びYプローブ傾斜角度θY)とにより、形状測定用プローブ1の傾斜角度をほぼ一定に維持したまま、測定経路を動くように、X目標位置XtとY目標位置Ytを計算して出力する。この処理を一定の目標位置更新周期毎に繰り返す。減算器22によって、X目標位置XtとX実位置Xrとの差が求められ、X位置制御器23によって、その差に対応した速度指令をX速度制御アンプ24に出力する。X速度制御アンプ24は、Xステージ27の速度が与えられた速度指令に一致するようにXモータ25を駆動する。その結果、Xステージ27はX目標位置Xtまで駆動される。Yステージ33の駆動についても同様である。X目標位置XtとY目標位置Ytは一定の周期毎に更新されるので、その周期を適切な時間にすれば、形状測定用プローブ1は傾斜角度を一定に維持したまま連続して測定経路を動いていくことになる。
The conventional shape measurement probe control apparatus 200 will be described. The operation
上記のような従来の形状測定用プローブ制御装置においては、あらかじめ設定された測定物の形状を表わす設計式、測定経路、測定速度、及び目標プローブ傾き量と、X実位置、Y実位置、Xプローブ傾斜角度、及びYプローブ傾斜角度より、プローブの傾斜角度をほぼ一定に維持したまま、測定経路を動くように、X目標位置とY目標位置を一定の周期毎に更新している。つまり、X軸及びY軸のいずれにも位置と傾きの両方を同時に制御している。このような制御はプローブの被測定面に対する追従性を十分に確保することが困難であり、プローブを高速に動かすと、プローブが測定物から離れてしまい、測定できなくなるという課題を有していた。また、プローブから測定物に加わる測定力を大きくすれば追従性を確保して測定速度を上げることができるが、プローブ傾斜角度の検出精度が低くなり、測定精度が低くなるという課題を有していた。 In the conventional shape measurement probe control device as described above, a design equation representing the shape of the measurement object set in advance, a measurement path, a measurement speed, a target probe tilt amount, an X actual position, a Y actual position, and an X From the probe tilt angle and the Y probe tilt angle, the X target position and the Y target position are updated at regular intervals so as to move along the measurement path while maintaining the probe tilt angle substantially constant. That is, both the position and the inclination are controlled simultaneously on both the X axis and the Y axis. Such control has a problem that it is difficult to ensure sufficient followability of the probe to the surface to be measured, and if the probe is moved at a high speed, the probe is separated from the measurement object and cannot be measured. . In addition, if the measurement force applied to the measurement object from the probe is increased, the followability can be secured and the measurement speed can be increased, but there is a problem that the detection accuracy of the probe tilt angle is lowered and the measurement accuracy is lowered. It was.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、低測定力を維持したまま高速にプローブを測定面に追従させることができ、高速で高精度な測定を実現できる形状測定用プローブ制御装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and provides a probe controller for shape measurement that can cause a probe to follow a measurement surface at high speed while maintaining a low measurement force, and realize high-speed and high-precision measurement. The purpose is to provide.
本発明は、測定物の被測定面に接触するスタイラスを備えると共に、X軸方向及びY軸方向のいずれにも傾斜可能である形状測定用プローブを、上記被測定面に沿って動かすための形状測定用プローブ制御装置であって、X軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをX軸方向の任意の位置に動かすX軸位置制御器と、Y軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをY軸方向の任意の位置に動かすY軸位置制御器と、X軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをX軸方向の傾斜角度に動かすX軸傾き制御器と、Y軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをY軸方向の傾斜角度に動かすY軸傾き制御器と、上記X軸モータを上記X軸位置制御器により駆動される位置制御モードと上記X軸傾き制御器により駆動される傾き制御モードとに切り換え可能であると共に、上記Y軸モータを上記Y軸位置制御器により駆動される位置制御モードと上記Y軸傾き制御器により駆動される傾き制御モードとに切り換え可能であり、上記X軸モータ及びY軸モータのうちのいずれか一方を上記位置制御モードとしているときは、他方を上記傾き制御モードとするモード制御部とを備える、形状測定用プローブ制御装置を提供する。 The present invention includes a stylus that contacts a surface to be measured of a measurement object, and a shape for moving a shape measuring probe that can be tilted in both the X-axis direction and the Y-axis direction along the surface to be measured. An X-axis position controller that drives an X-axis motor to move the shape measuring probe to an arbitrary position in the X-axis direction and a Y-axis motor to drive the shape measuring probe. A Y-axis position controller that moves the X-axis motor to an arbitrary position in the Y-axis direction, an X-axis tilt controller that drives the X-axis motor to move the shape measurement probe to an inclination angle in the X-axis direction, and a Y-axis motor Then, the Y-axis tilt controller that moves the shape measuring probe to the tilt angle in the Y-axis direction, the X-axis motor is driven by the X-axis position controller, and the X-axis tilt controller drives the position control mode. Tilt control mode And the Y-axis motor can be switched between a position control mode driven by the Y-axis position controller and a tilt control mode driven by the Y-axis tilt controller. Provided is a shape measurement probe control device including a mode control unit that sets one of the motor and the Y-axis motor to the tilt control mode when the other is in the position control mode.
具体的には、形状測定用プローブ制御装置は、上記形状測定用プローブのX軸方向の実位置を検出するX軸位置検出器と、上記形状測定用プローブのY軸方向の実位置を検出するY軸位置検出器と、光学的に検出される上記形状測定用プローブの上記X軸方向及び上記Y軸方向の傾斜角度から上記形状測定用プローブの代表傾斜角度を算出する傾斜角度演算部とをさらに備え、上記X位置制御器は、上記X軸方向の実位置とX軸方向の目標位置との差に応じて上記形状測定用プローブを上記X軸方向の任意の位置に動かし、上記Y位置制御器は、上記Y軸方向の実位置とY軸方向の目標位置との差に応じて上記形状測定用プローブを上記Y軸方向の任意の位置に動かし、上記X軸傾き制御器は、上記代表傾斜角度と目標傾斜角度の差に応じて上記形状測定用プローブを上記X軸方向の任意の傾斜角度に動かし、上記Y軸傾き制御器は、上記代表傾斜角度と上記目標傾斜角度の差に応じて上記形状測定用プローブを上記Y軸方向の任意の傾斜角度に動かす。 Specifically, the shape measurement probe control device detects an actual position of the shape measurement probe in the X axis direction and an actual position of the shape measurement probe in the Y axis direction. A Y-axis position detector; and an inclination angle calculation unit that calculates a representative inclination angle of the shape measurement probe from the optically detected inclination angle of the shape measurement probe in the X axis direction and the Y axis direction. The X position controller further moves the shape measuring probe to an arbitrary position in the X axis direction according to a difference between an actual position in the X axis direction and a target position in the X axis direction, and moves the Y position. The controller moves the shape measuring probe to an arbitrary position in the Y-axis direction according to the difference between the actual position in the Y-axis direction and the target position in the Y-axis direction, and the X-axis tilt controller Depending on the difference between the representative tilt angle and the target tilt angle The shape measurement probe is moved to an arbitrary inclination angle in the X-axis direction, and the Y-axis inclination controller moves the shape measurement probe in the Y-axis direction according to a difference between the representative inclination angle and the target inclination angle. Move to any tilt angle.
本発明の形状測定用プローブ制御装置では、モード制御部がX軸モータ及びY軸モータのうちの一方を位置制御モードと、他方を傾き制御モードとする。つまり、一方の軸で位置制御を、他方の軸で傾き制御をそれぞれ独立して行う(傾き制御を行う軸と位置制御を行う軸は別々)。その結果、二つの軸(X軸モータ及びY軸モータ)それぞれの制御の応答性を高めることができ、低測定力を維持したまま高速に形状測定用プローブを測定面に追従して移動させることができる。 In the shape measuring probe control device of the present invention, the mode control unit sets one of the X-axis motor and the Y-axis motor as the position control mode and the other as the tilt control mode. That is, position control is performed independently on one axis, and tilt control is performed independently on the other axis (an axis for tilt control and an axis for position control are separate). As a result, the control responsiveness of each of the two axes (X-axis motor and Y-axis motor) can be improved, and the shape measurement probe can be moved following the measurement surface at high speed while maintaining a low measurement force. Can do.
具体的には、上記モード制御部は、上記測定物の形状に基づいて、あるいは上記形状測定用プローブの上記X軸方向及び上記Y軸方向の傾斜角度の比較結果に基づいて、上記X軸モータ及びY軸モータのうちのいずれか一方を上記位置制御モードとして、他方を上記傾き制御モードとする。 Specifically, the mode control unit is configured to determine the X-axis motor based on the shape of the measurement object or based on a comparison result of the inclination angles of the X-axis direction and the Y-axis direction of the shape measurement probe. One of the motor and the Y-axis motor is set as the position control mode, and the other is set as the tilt control mode.
上記傾斜角度演算部は、上記光学的に検出されるX軸方向及びY軸方向の傾斜角度のうち、上記X軸モータ及び上記Y軸モータのうちの上記傾き制御モードに設定されている軸に対応するものを上記代表傾斜角度に設定する。あるいは、上記傾斜角度算出部は、上記光学的に検出されるX軸方向及びY軸方向の傾斜角度の二乗和の平方根を上記代表傾斜角度に設定してもよい。また、上記傾斜角度算出部は、上記光学的に検出されるX軸方向及びY軸方向の傾斜角度の絶対値の和を上記代表傾斜角度に設定してもよい。 The tilt angle calculation unit is configured to set an axis set in the tilt control mode of the X-axis motor and the Y-axis motor among the optically detected tilt angles in the X-axis direction and the Y-axis direction. The corresponding one is set to the representative inclination angle. Alternatively, the inclination angle calculation unit may set the square root of the square sum of the optically detected inclination angles in the X-axis direction and the Y-axis direction as the representative inclination angle. The tilt angle calculation unit may set the sum of absolute values of the optically detected tilt angles in the X-axis direction and the Y-axis direction as the representative tilt angle.
本発明の形状測定用プローブ制御装置によれば、低測定力を維持したまま高速にプローブを測定面に追従させることができ、高速で高精度な形状測定を行うことができる。 According to the probe controller for shape measurement of the present invention, the probe can follow the measurement surface at high speed while maintaining a low measurement force, and shape measurement can be performed at high speed and with high accuracy.
本発明の実施形態である形状測定用プローブ制御装置について、図1〜5を参照にしながら以下に詳しく説明する。 A probe controller for shape measurement which is an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to FIGS.
図1は、本発明の実施形態における形状測定用プローブ制御装置300の構成を示す図である。この図1において傾斜角度検出部12のみを示す形状測定用プローブ(以下、単にプローブという)1は、本実施形態では図4及び図5に示したものとする。以下の説明で、図4及び図5を併せて参照するものとする。また、図4及び図5に関する説明は、本実施形態の説明に組み込まれるものとする。ただし、本発明の対象となるプローブ1は、図4及び図5に示すものに限定されず、少なくとも測定物の被測定面に接触するスタイラスを備えると共に、X軸方向及びY軸方向のいずれにも傾斜可能であればよい。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a shape measuring
以下、形状測定用プローブ制御装置300について詳細説明する。
Hereinafter, the shape measuring
図1の動作条件設定部20において、測定物2の形状を表わす設計式、測定経路、測定速度、測定加速度、目標プローブ傾斜角度θtを含む動作条件を設定する。目標プローブ傾斜角度θtは、スタイラス4が測定物2の被測定面2a上を移動中(走査中)にプローブ1のスタイラス4が維持すべきZ軸方向に対する傾斜角度である。
In the operating
指令生成部40には、動作条件設定部20で設定された各条件と、X位置検出器26で検出されたX実位置Xrと、Y位置検出器32で検出されたY実位置Yrと、傾斜角度検出部12で検出された信号を用いて傾斜角度演算部44により求めたXプローブ傾斜角度θXとYプローブ傾斜角度θYが入力される。指令生成部40は、これらの入力からX軸及びY軸のうち傾き制御を行う軸と位置制御を行う軸を決定する。また、指令生成部40は、この決定に応じて、X目標位置Xt、Y目標位置Yt、目標プローブ傾斜角度θtか、X制御モード切換信号Mx、及びY制御モード切換信号Myを出力する。なお、Xステージ27またはYステージ33をある位置から他の位置へ動かす場合、目標位置を一気に更新すると、急加速、急停止となるため、設定された測定速度と測定加速度になるように一定周期毎に目標位置を計算し出力する。
In the
傾斜角度検出部12は、図5を参照して既に説明した通りである。
The inclination
傾斜角度算出部44は、本実施形態では、2つの機能を有する。第1の機能とてしは、傾斜角度算出部44は、傾斜角度検出部12の受光領域12a〜12e(図5参照)で検出された光量をそれぞれ「A」、「B」、「C」、及び「D」とすると、(A+B)−(C+D)の計算を行うことでX軸方向におけるプローブ1の傾斜角度(Xプローブ傾斜角度)θXを求め、(A+D)−(B+C)の計算を行うことでY軸方向におけるプローブ1の傾斜角度(Yプローブ傾斜)θYを求める。算出したX及びYプローブ傾斜角度θX,θYは指令生成部40に出力される。第2の機能としては、傾斜角度演算部44は、以下に示す3つの方法のいずれかで、X及びYプローブ傾斜角度θX,θYから代表プローブ傾斜角度θrを求め、X軸方向及びY軸方向の傾き制御にそれぞれ使用される減算器42,46へ出力する。
The inclination
第1の代表プローブ傾斜角度θrの演算方法は、X軸及びY軸(Xモータ25及びYモータ31)のうち傾き制御モードになっている方のプローブ傾斜角度をそのまま代表プローブ傾斜角度θrとして使用するものである。具体的には、X軸(Xモータ25)が傾き制御モードの場合には、Xプローブ傾斜角度θXの絶対値(|(A+B)−(C+D)|)を代表プローブ傾斜角度θrとして出力し、Y軸(Yモータ31)が傾き制御モードの場合には、Yプローブ傾斜角度θYの絶対値(|(A+D)−(B+C)|)を代表プローブ傾斜角度θrとして出力する。
The first representative probe tilt angle θr is calculated by using the probe tilt angle of the X axis and Y axis (
第2の代表プローブ傾斜角度θrの演算方法は、X及びYプローブ傾斜角度θX,θYを被測定面2aに対して垂直方向に換算した傾斜角度、X及びYプローブ傾斜角度θX,θYの二乗和の平方根を代表プローブ傾斜角度θrとする。この場合、代表プローブ傾斜角度θrは以下の式(1)で表される。
The calculation method of the second representative probe tilt angle θr includes the tilt angle obtained by converting the X and Y probe tilt angles θX and θY into the direction perpendicular to the measured
第3の代表プローブ傾斜角度θrの演算方法は、X及びYプローブ傾斜角度θX,θYの絶対値の和を代表プローブ傾斜角度θrとする。この場合、代表プローブ傾斜角度θrは以下の式(2)で表される。 In the third representative probe tilt angle θr calculation method, the sum of absolute values of the X and Y probe tilt angles θX and θY is set as the representative probe tilt angle θr. In this case, the representative probe tilt angle θr is expressed by the following equation (2).
第1の代表プローブ傾斜角度演算方法の場合、例えば、図2に示すスタイラス位置61では、Yプローブ傾斜角度θYはほぼゼロであるが、スタイラス位置62の方へ移動するに従い、Yプローブ傾斜角度θYも増えていき、スタイラス位置62では、Xプローブ傾斜角度θXとYプローブ傾斜角度θYがほぼ同じ値となる。スタイラス位置61の時、傾斜角度検出部12の受光面に反射光が当たる位置は図3の受光位置50であり、スタイラス位置62の時、傾斜角度検出部12の受光面に反射光が当たる位置は受光位置51である。
In the case of the first representative probe tilt angle calculation method, for example, at the
実際には、傾斜角度検出部12の各受光領域12a〜12dの特性が完全に線形であることはありえないので、(A+B)−(C+D)が同じ値でもYプローブ傾斜角度θYが異なると実際のXプローブ傾斜角度θXに誤差が発生する。すなわち、受光位置50と受光位置51では、実際のXプローブ傾斜角度θXが異なることになる。測定点のX位置座標は、位置座標測定部14によって測定されるX座標値と傾斜角度検出部12と傾斜角度演算部44で求められるXプローブ傾斜角度θXから求められるため、Xプローブ傾斜角度θXの検出誤差がそのまま測定誤差となる。測定誤差は傾斜角度検出部12の受光面の中心から離れるほど大きくなるので、高精度な測定のためには、受光面の中心に近い位置に反射光が当たるようにした方がよい。
Actually, since the characteristics of the
第2の代表プローブ傾斜角度演算方法の場合、スタイラス位置62の時に式(1)で算出される代表プローブ傾斜角度θrをX及びYプローブ傾斜角度θX,θYとすると(θX,θY=θr)、傾斜角度検出部12の受光面に反射光が当たる位置は受光位置52となり、受光位置51に比べて受光面の中心に近づくため誤差が小さくなる。
In the case of the second representative probe tilt angle calculation method, assuming that the representative probe tilt angle θr calculated by Equation (1) at the
第3の代表プローブ傾斜角度演算方法の場合、スタイラス位置62の時に式(2)で算出される代表プローブ傾斜角度θrをX及びYプローブ傾斜角度θX,θYとすると(θX,θY=θr)、傾斜角度検出部12の受光面に反射光が当たる位置は受光位置53となり、さらに受光面の中心に近づくため誤差が小さくなる。ただし、この場合、測定面に対して垂直方向に換算した傾斜角度が小さくなる部分があるため、測定速度を速くすると、傾き制御が追従できず、スタイラス4が測定物2から離れてしまい測定できなくなってしまう場合がある。
In the case of the third representative probe tilt angle calculation method, when the representative probe tilt angle θr calculated by the equation (2) at the
以上のように、測定精度が少し悪くても高速で測定したい場合には、第1の傾斜角度演算方法を、測定速度が少し遅くても高精度で測定したい場合には、第3の傾斜角度演算方法を、それらの中間として、第2の傾斜角度演算方法を使用する。なお、いずれの場合でも、傾き制御を行う軸と位置制御を行う軸は別々であり、従来の形状測定用プローブ制御装置による方法に比べ、傾き制御の追従性がよいため、高速で高精度な測定が可能である。 As described above, the first tilt angle calculation method is used when it is desired to measure at high speed even if the measurement accuracy is slightly low. The third tilt angle is used when it is desired to measure with high accuracy even if the measurement speed is slightly slow. The second tilt angle calculation method is used with the calculation method as an intermediate between them. In either case, the axis for tilt control and the axis for position control are separate, and the tracking capability of tilt control is better than the conventional method using a shape control probe control device, so it is fast and highly accurate. Measurement is possible.
指令生成部40からのX制御モード切換信号MxによりX制御モード切換スイッチ41が実線の位置に設定されている時、X軸(Xモータ25)は位置制御モードとなり、X位置制御器23とX傾き制御器43のうち、X位置制御器23が有効となる。X位置制御器23は、X目標位置XtとX実位置Xrの差に応じてX速度制御アンプ24へX速度指令を出力するものであり、比例制御を基本とし、制御特性改善のため、積分制御や微分制御を追加する場合がある。説明を簡単にするため、比例制御のみとすると、X位置制御器23は、減算器22によって計算された(X目標位置Xt−X実位置Xr)にX位置比例ゲインを乗算したものをX速度指令としてX速度制御アンプ24へ出力する。X速度制御アンプ24は、Xステージ27の速度がX速度指令に一致するようにXスタージ27駆動用のXモータ25を駆動する。すなわち、X実位置がX目標位置よりも小さい時は、X実位置が大きくなる方向へXモータ25が駆動され、逆に、X実位置がX目標位置よりも大きい時は、X実位置が小さくなる方向へXモータ25が駆動されるので、常にX実位置がほぼX目標位置に一致するように制御されることになる。
When the X control
指令生成部40からのX制御モード切換信号MxによりX制御モード切換スイッチ41が破線の位置に設定されている時、X軸(Xモータ25)は傾き制御モードとなり、X位置制御器23とX傾き制御器43のうち、X傾き制御器43が有効となる。X傾き制御器43は、目標プローブ傾斜角度θtと代表プローブ傾斜角度θrの差に応じてX速度制御アンプ24へX速度指令を出力するものであり、比例制御を基本とし、制御特性改善のため、積分制御や微分制御を追加する場合がある。説明を簡単にするため、比例制御のみとすると、X傾き制御器43は、減算器42によって計算された(目標プローブ傾斜角度θt−代表プローブ傾斜角度θr)にX傾き比例ゲインを乗算したものをX速度指令としてX速度制御アンプ24へ出力する。ただし、スタイラス4と測定物2の位置関係により、制御方向が変わるので、測定物2のX位置がスタイラス4のX位置よりも+側にある場合は、X傾き比例ゲインの符号は+とし、測定物2のX位置がスタイラス4のX位置よりも−側にある場合は、X傾き比例ゲインの符号は−とする。X速度制御アンプ24は、Xステージ27の速度がX速度指令に一致するようにXモータ25を駆動する。すなわち、代表プローブ傾斜角度が目標プローブ傾斜角度よりも小さい時は、代表プローブ傾斜角度が大きくなる方向へXモータ25が駆動され、逆に、代表プローブ傾斜角度が目標プローブ傾斜角度よりも大きい時は、代表プローブ傾斜角度が小さくなる方向へXモータ25が駆動されるので、常に代表プローブ傾斜角度がほぼ目標プローブ傾斜角度に一致するように制御されることになる。
When the X control
Y軸(Yステージ33駆動用のYモータ31)についても、Y制御モード切換スイッチ45が指令生成部40からのY制御モード切換信号Myにより、位置制御モードと傾き制御モードとの切り換えを行う。位置制御モードと傾き制御モードの動作については上記のXの場合と同様であるため、説明を省略する。
Also for the Y axis (
以上のように構成された形状測定用プローブ制御装置300の詳細の動作について、図2に示すような円筒形の測定物を測定する場合を例にして説明する。図2は、円筒形の測定物を上から見た図(XY平面)である。
The detailed operation of the shape measuring
図1に示す形状測定用プローブ制御装置300を用いて形状測定を行う場合、プローブ1側をXステージ27及びYステージ33により動かす構造にしても、測定物2側をXステージ27及びYステージ33により動かす構造にしてもよいが、以下の説明では理解を容易にするためプローブ1側を動かすものとする。また、プローブ1は図4に示す構造であるものとし、Z方向の動作についての説明は省略し、任意のZ位置においてXステージ27及びYステージ33を動かして測定物2の外側面を一周測定する方法について説明する。しかし、プローブに対してスタイラスがXY方向に揺動可能かつZ方向に変位可能であれば、プローブ1をZ方向に動かして、円筒形の測定物2の外側面の全面を測定することも可能である。
When shape measurement is performed using the shape measurement
まず、測定中に変更する必要のないパラメータである、X速度、X加速度、Y速度、Y加速度、目標プローブ傾斜角度θtを動作条件設定部20において設定する。
First, the operation
測定物2を設置するために、プローブ1を退避させる動作が必要であるため、X制御モード切換スイッチ41とY制御モード切換スイッチ45はどちらも実線の位置、すなわち位置制御モードにしておく。図2の例では、X目標位置を測定物2の設置に問題のない位置に設定し、プローブ1をその位置まで動かした後、測定物2をプローブ1の可動範囲のほぼ中心に設置し、プローブ1をY方向の位置が測定物2のほぼ中心になるように動かす。この状態でのスタイラス4の位置は、図5のスタイラス位置60である。
Since the operation of retracting the
次に、指令生成部40において、形状測定用プローブ1がX方向の−側に一定速度で動くように、一定周期毎にX目標位置Xtを更新していく(図5の矢印A1)。その間、その周期毎に代表プローブ傾斜角度θrを確認し、その値が目標プローブ傾斜角度θtを中心とするあらかじめ設定した範囲に入ると、X制御モード切換スイッチ41を実線の位置から破線の位置に切り換えることにより、X軸を位置制御モードから傾き制御モードに切り換える。この状態でのスタイラス4の位置は図2のスタイラス位置61である。
Next, in the
次に、動作条件設定部20において、スタイラス4の位置が45度の位置、すなわち、図2のスタイラス位置62になるように、Y目標位置Ytを計算し、指令生成部40へ出力する。これにより、Yステージ33はスタイラス位置61のY位置よりスタイラス位置62のY位置まで動く(図2の矢印A2)。この間、Xステージ27は傾き制御モードであり、代表プローブ傾斜角度θrが目標プローブ傾斜角度θtにほぼ一致するように動くため、スタイラス4はスタイラス位置61からスタイラス位置62まで測定物2の外側面に沿って動くことになる。
Next, the operation
スタイラス4がスタイラス位置62まで移動すると、X目標位置Xtを現時点のX実位置Xrと同じ値に設定した後、X制御モード切換スイッチ41を実線の位置に切り換えて、X軸を位置制御モードにし、Y制御モード切換スイッチ45を破線の位置に切り換えて、Y軸を傾き制御モードにする。
When the stylus 4 moves to the
次に、動作条件設定部20において、スタイラス4の位置が135度の位置、すなわち、スタイラス位置63になるように、X目標位置Xtを計算し、指令生成部40へ出力する。これにより、Xステージ27はスタイラス位置62のX位置よりスタイラス位置63のX位置まで動く(図2の矢印A3)。この間、Yステージ33は傾き制御モードであり、代表プローブ傾斜角度θrが目標プローブ傾斜角度θtにほぼ一致するように動くため、スタイラス4はスタイラス位置62からスタイラス位置63まで測定物2の外側面に沿って動くことになる。
Next, in the operation
スタイラス4がスタイラス位置63まで移動すると、Y目標位置Ytを現時点のY実位置Yrと同じ値に設定した後、Y制御モード切換スイッチ45を実線の位置に切り換えて、Yを位置制御モードにし、X制御モード切換スイッチ41を破線の位置に切り換えて、Xを傾き制御モードにする。
When the stylus 4 moves to the
その後、スタイラス位置64への移動(図2の矢印A4)、スタイラス位置64における制御モードの切り換え(X軸を傾き制御から位置制御へ、Y軸を位置制御から傾き制御へ)、スタイラス位置65への移動(図2の矢印A5)、スタイラス位置65における制御モードの切換(X軸を位置制御から傾き制御へ、Y軸を傾き制御から位置制御へ)及びスタイラス位置61への移動(図2の矢印A6)を行う。
Thereafter, movement to the stylus position 64 (arrow A4 in FIG. 2), switching of the control mode at the stylus position 64 (X-axis from tilt control to position control, Y-axis from position control to tilt control), to
以上のように、最初にスタイラス位置60からスタイラス位置61まで移動した後、測定物2の外側面に沿って一周動いて再びスタイラス位置61に戻ってくるまでの間(矢印A1〜A6)、位置座標測定部14によって測定されるX座標値、Y座標値、Z座標値と、傾斜角度検出部12と傾斜角度演算部44で求められるXプローブ傾斜角度θX、Yプローブ傾斜角度θYとから、測定点100のX位置座標、Y位置座標、Z位置座標が求められる。
As described above, after moving from the
次に、図2を参照しつつ他の測定方法を説明する。スタイラス位置60からスタイラス位置61へ移動するところまで(矢印A1)は、前記の方法と同じである。その後、指令生成部40において、プローブ1がY方向の+側に一定速度で動くように、一定周期毎にY目標位置Ytを更新していく。この間、その周期毎にXプローブ傾斜角度θXとYプローブ傾斜角度θYを比較し、Yプローブ傾斜角度θYがXプローブ傾斜角度θXと判定幅Dの和よりも大きくなると、X目標位置Xtを現時点のX実位置Xrと同じ値に設定した後、X制御モード切換スイッチ41を実線の位置に切り換えて、X軸を位置制御モードにし、Y制御モード切換スイッチ45を破線の位置に切り換えて、Y軸を傾き制御モードにする。
Next, another measurement method will be described with reference to FIG. The process from the
制御モード切り換え前のYプローブ傾斜角度θYの符号によりスタイラス4と測定物2の位置関係を知ることができるので、それによって、Y傾き比例ゲインの符号を設定する。また、制御モード切り換え前のXプローブ傾斜角度の符号により、スタイラス4と測定物2の位置関係を知ることができるので、指令生成部40において、形状測定用プローブ1がX方向へ測定物側に一定速度で動くように、一定周期毎にX目標位置を更新していく。
Since the positional relationship between the stylus 4 and the
X方向への移動中に、周期毎にXプローブ傾斜角度θXとYプローブ傾斜角度θYを比較し、Xプローブ傾斜角度θXがYプローブ傾斜角度θYと判定幅Dの和よりも大きくなると、Y目標位置Ytを現時点のY実位置Yrと同じ値に設定した後、Y制御モード切換スイッチ45を実線の位置に切り換えて、Y軸を位置制御モードにし、X制御モード切換スイッチ41を破線の位置に切り換えて、X軸を傾き制御モードにする。
During the movement in the X direction, the X probe tilt angle θX and the Y probe tilt angle θY are compared for each period, and if the X probe tilt angle θX becomes larger than the sum of the Y probe tilt angle θY and the determination width D, the Y target After setting the position Yt to the same value as the current Y actual position Yr, the Y
判定幅Dは、Xプローブ傾斜角度θXとYプローブ傾斜角度θYの大小関係の変化にヒステリシスを持たせ、Xプローブ傾斜角度θXとYプローブ傾斜角度θYがほぼ同じくらいのところで、制御モードの切り換えが何回も繰り返すことのないようにするためのものである。 The determination width D gives hysteresis to the change in the magnitude relationship between the X probe tilt angle θX and the Y probe tilt angle θY, and the control mode can be switched when the X probe tilt angle θX and the Y probe tilt angle θY are approximately the same. It is intended not to be repeated many times.
以上の動作を繰り返すことにより、測定物の設計式が不明であっても、スタイラス位置61から測定物2の外側面に沿って一周して測定することができる。
By repeating the above operation, even if the design formula of the measurement object is unknown, the measurement can be performed by making a round along the outer surface of the
前述の2つの方法のいずれを採用した場合でも、X軸(Xモータ25)とY軸(Yモータ31)のうちの一方を位置制御モードとし、他方を傾き制御モードとしている。つまり、X軸とY軸のうちの一方の軸で位置制御を、他方の軸で傾き制御をそれぞれ独立して行っている(傾き制御を行う軸と位置制御を行う軸は別々)。その結果、二つの軸(X軸モータ25及びY軸モータ31)それぞれの制御の応答性を高めることができ、低測定力を維持したまま高速にプローブ1を測定面2aに追従して移動させて高速で高精度な形状測定を行うことができる。
Regardless of which of the two methods described above, one of the X axis (X motor 25) and the Y axis (Y motor 31) is set to the position control mode, and the other is set to the tilt control mode. That is, position control is performed independently on one of the X axis and the Y axis, and tilt control is performed independently on the other axis (the axis for tilt control and the axis for position control are separate). As a result, the control responsiveness of each of the two axes (
本発明の形状測定用プローブ制御装置は、プローブを低測定力にて測定物に高速に追従させながら、高精度な測定を行うことができるという効果を有し、任意形状の穴の内面や穴径の測定、及び任意形状の外側面の形状測定等を高精度に測定する形状測定装置のプローブ制御に有効に利用できる。 The shape measuring probe control device of the present invention has an effect that high-precision measurement can be performed while causing the probe to follow a measurement object at a high speed with a low measurement force. It can be effectively used for probe control of a shape measuring apparatus that measures the diameter and the shape of the outer surface of an arbitrary shape with high accuracy.
1 形状測定用プローブ
2 測定物
4 スタイラス
5 アーム
6 揺動部材
7 ミラー
8 連結機構
9 取付部材
10 測定点情報決定部
11 光学系
11a 第1光学系
11b 第2光学系
12 傾斜角度検出部
12a〜12d 受光領域
13 スタイラス位置演算部
14 位置座標測定部
14a〜14c 検出部
15 加算部
16 レーザ光発生部
17 測定用レーザ光
17b 反射光
18 光分離部
20 動作条件設定部
21 位置指令生成部
22 減算器
23 X位置制御器
24 X速度制御アンプ
25 Xモータ
26 X位置検出器
27 Xステージ
28 減算器
29 Y位置制御器
30 Y速度制御アンプ
31 Yモータ
32 Y位置検出器
33 Yステージ
40 指令生成部
41 X制御モード切換スイッチ
42 減算器
43 X傾き制御器
44 傾斜角度演算部
45 Y制御モード切換スイッチ
46 減算器
47 Y傾き制御器
50〜53 受光位置
60〜65 スタイラス位置
100 測定点
121 受光面
DESCRIPTION OF
Claims (7)
X軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをX軸方向の任意の位置に動かすX軸位置制御器と、
Y軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをY軸方向の任意の位置に動かすY軸位置制御器と、
X軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをX軸方向の傾斜角度に動かすX軸傾き制御器と、
Y軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをY軸方向の傾斜角度に動かすY軸傾き制御器と、
上記X軸モータを上記X軸位置制御器により駆動される位置制御モードと上記X軸傾き制御器により駆動される傾き制御モードとに切り換え可能であると共に、上記Y軸モータを上記Y軸位置制御器により駆動される位置制御モードと上記Y軸傾き制御器により駆動される傾き制御モードとに切り換え可能であり、上記X軸モータ及びY軸モータのうちのいずれか一方を上記位置制御モードとしているときは、他方を上記傾き制御モードとするモード制御部と
を備える、形状測定用プローブ制御装置。 A shape measuring probe control for moving a shape measuring probe, which is provided with a stylus in contact with the surface to be measured of the object to be measured and can be tilted in both the X axis direction and the Y axis direction, along the surface to be measured. A device,
An X-axis position controller that drives the X-axis motor to move the shape measuring probe to an arbitrary position in the X-axis direction;
A Y-axis position controller for driving the Y-axis motor to move the shape measuring probe to an arbitrary position in the Y-axis direction;
An X-axis tilt controller that drives the X-axis motor to move the shape measuring probe to an tilt angle in the X-axis direction;
A Y-axis tilt controller that drives the Y-axis motor to move the shape measuring probe to a tilt angle in the Y-axis direction;
The X-axis motor can be switched between a position control mode driven by the X-axis position controller and a tilt control mode driven by the X-axis tilt controller, and the Y-axis motor is controlled by the Y-axis position control. The position control mode can be switched between a position control mode driven by a motor and a tilt control mode driven by the Y-axis tilt controller, and one of the X-axis motor and the Y-axis motor is set as the position control mode. And a shape control probe control device, comprising: a mode control unit that sets the other to the tilt control mode.
上記形状測定用プローブのY軸方向の実位置を検出するY軸位置検出器と、
光学的に検出される上記形状測定用プローブの上記X軸方向及び上記Y軸方向の傾斜角度から上記形状測定用プローブの代表傾斜角度を算出する傾斜角度演算部と
をさらに備え、
上記X位置制御器は、上記X軸方向の実位置とX軸方向の目標位置との差に応じて上記形状測定用プローブを上記X軸方向の任意の位置に動かし、
上記Y位置制御器は、上記Y軸方向の実位置とY軸方向の目標位置との差に応じて上記形状測定用プローブを上記Y軸方向の任意の位置に動かし、
上記X軸傾き制御器は、上記代表傾斜角度と目標傾斜角度の差に応じて上記形状測定用プローブを上記X軸方向の任意の傾斜角度に動かし、
上記Y軸傾き制御器は、上記代表傾斜角度と上記目標傾斜角度の差に応じて上記形状測定用プローブを上記Y軸方向の任意の傾斜角度に動かす、請求項1に記載の形状測定用プローブ制御装置。 An X-axis position detector for detecting the actual position of the shape measuring probe in the X-axis direction;
A Y-axis position detector for detecting the actual position of the shape measuring probe in the Y-axis direction;
An inclination angle calculation unit that calculates a representative inclination angle of the shape measurement probe from the inclination angles of the X axis direction and the Y axis direction of the shape measurement probe detected optically;
The X position controller moves the shape measuring probe to an arbitrary position in the X axis direction according to a difference between the actual position in the X axis direction and a target position in the X axis direction,
The Y position controller moves the shape measuring probe to an arbitrary position in the Y axis direction according to the difference between the actual position in the Y axis direction and the target position in the Y axis direction,
The X-axis tilt controller moves the shape measuring probe to an arbitrary tilt angle in the X-axis direction according to the difference between the representative tilt angle and the target tilt angle.
The shape measurement probe according to claim 1, wherein the Y axis inclination controller moves the shape measurement probe to an arbitrary inclination angle in the Y axis direction according to a difference between the representative inclination angle and the target inclination angle. Control device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008153807A JP2009300200A (en) | 2008-06-12 | 2008-06-12 | Controlling device of probe for shape measurement |
Applications Claiming Priority (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2466249A1 (en) | 2010-12-15 | 2012-06-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Shape measuring apparatus and method |
CN112729066A (en) * | 2019-10-28 | 2021-04-30 | 松下知识产权经营株式会社 | Measuring probe and shape measuring device |
-
2008
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