JP2013181817A - Surface shape measurement method and instrument thereof - Google Patents
Surface shape measurement method and instrument thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013181817A JP2013181817A JP2012045595A JP2012045595A JP2013181817A JP 2013181817 A JP2013181817 A JP 2013181817A JP 2012045595 A JP2012045595 A JP 2012045595A JP 2012045595 A JP2012045595 A JP 2012045595A JP 2013181817 A JP2013181817 A JP 2013181817A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- stylus
- measured
- contact
- surface shape
- counterweight
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、接触式変位センサを用いた表面形状測定において、スタイラスが被測定対象物に加える荷重を減少させ、接触力を一定に保持する測定方法とその装置に関するもので、輪郭形状側測定器や三次元の精密形状測定機だけでなく、工作機械上に搭載する機上形状測定器としても適用できる。 The present invention relates to a measuring method and apparatus for maintaining a constant contact force by reducing a load applied to an object to be measured by a stylus in surface shape measurement using a contact-type displacement sensor. It can be applied not only to three-dimensional precision shape measuring machines, but also to on-machine shape measuring instruments mounted on machine tools.
精密金型や光学機器等において精密加工が施された表面形状は、その性能を決定する重要な要素であり、形状測定は加工精度の評価や性能を保証する上で不可欠である。 Surface shapes that have been subjected to precision machining in precision molds, optical instruments, and the like are important factors that determine their performance, and shape measurement is indispensable for evaluating machining accuracy and ensuring performance.
従来、表面形状計測には、鋭利な先端を有するスタイラスによる接触式形状測定機や触針式形状測定機などが用いられてきた。従来の接触式形状測定装置および触針式粗さ計では、スタイラス先端と被測定対象物の表面との接触を維持した状態のままスタイラスを被測定対象物上において走査し、その時のスタイラスの変位をセンサにより計測することで、被測定対象物の表面形状の計測を行う。 Conventionally, a contact-type shape measuring machine or a stylus-type shape measuring machine using a stylus having a sharp tip has been used for surface shape measurement. In a conventional contact-type shape measuring device and stylus-type roughness meter, the stylus is scanned over the measurement object while maintaining contact between the stylus tip and the surface of the measurement object, and the stylus displacement at that time Is measured by the sensor, and the surface shape of the object to be measured is measured.
前記、従来の接触式形状測定機および触針式粗さ計では、表面形状を測定する場合において、スタイラス先端と被測定対象物の表面との間の接触はスタイラスの自重(例えば、特許文献1)によって保たれる。しかしながら、スタイラス自重による被測定対象物との接触状態維持では、被測定対象に加わる荷重はスタイラス質量に依存し、接触力を調整することは困難である。 In the conventional contact-type shape measuring machine and stylus-type roughness meter, when measuring the surface shape, the contact between the stylus tip and the surface of the object to be measured is the stylus's own weight (for example, Patent Document 1). ). However, in maintaining the contact state with the object to be measured by the stylus's own weight, the load applied to the object to be measured depends on the stylus mass, and it is difficult to adjust the contact force.
上記、従来の接触式形状測定機および触針式粗さ計では、ばねによって加えられる荷重を用いてスタイラス先端と測定表面との接触が維持されている(例えば、非特許文献1)。これらはスタイラスの一端をばねにより固定することで、スタイラスに荷重を加えて、被測定対象表面に接触させており、ばね定数を変化させることによって接触力を調整することができる。しかしながら、ばねによって被測定対象物との接触状態を維持するスタイラスでは、スタイラスの変位の増加に伴って接触力が増加するために被測定対象物の変形やダメージが問題となる。 In the conventional contact-type shape measuring machine and the stylus-type roughness meter, the contact between the stylus tip and the measurement surface is maintained using a load applied by a spring (for example, Non-Patent Document 1). In these devices, one end of the stylus is fixed by a spring so that a load is applied to the stylus and brought into contact with the surface to be measured, and the contact force can be adjusted by changing the spring constant. However, in the stylus that maintains the contact state with the object to be measured by the spring, the contact force increases with an increase in the displacement of the stylus, so that deformation or damage of the object to be measured becomes a problem.
上記、従来の接触式形状測定機および触針式粗さ計による形状測定では、測定対象物に加わる接触力を減少する方法として、スタイラスをスライドベアリングにより保持し、先端を鉛直方向から傾斜させることが提案されている(例えば、非特許文献2参照)。スタイラスを傾斜させることによって、被測定対象物に加わる重力荷重を減少できる。しかしながら、スタイラスを傾斜させる角度によって被測定対象物に加わる接触力が変化するため、接触力を一定に保つことは困難となる。 In the shape measurement using the conventional contact type shape measuring machine and stylus type roughness meter, the stylus is held by the slide bearing and the tip is inclined from the vertical direction as a method of reducing the contact force applied to the measurement object. Has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 2). By tilting the stylus, the gravitational load applied to the object to be measured can be reduced. However, since the contact force applied to the object to be measured changes depending on the angle at which the stylus is inclined, it is difficult to keep the contact force constant.
また、従来の接触式形状測定機および触針式粗さ計では、被測定対象物の表面への荷重を減少させ、接触力を一定に保持するため方法として、スタイラスバイアスコイルを用いた磁気軸受により保持する方法(例えば、非特許文献3)や真空吸着により保持する方法(例えば、非特許文献4参照)が提案されている。これらは磁気力や真空吸着によってスタイラスを保持することによって、極めて微弱な接触力も検出することが可能である。しかしながら、これらのスタイラス保持機構の構成は複雑で大がかりなものであり、加工機上に搭載し、機上計測を行うことは困難である。 Further, in the conventional contact type shape measuring machine and stylus type roughness meter, a magnetic bearing using a stylus bias coil is used as a method for reducing the load on the surface of the object to be measured and keeping the contact force constant. (For example, Non-Patent Document 3) and a method for holding by vacuum suction (for example, see Non-Patent Document 4). These can detect a very weak contact force by holding the stylus by magnetic force or vacuum suction. However, the configuration of these stylus holding mechanisms is complicated and large, and it is difficult to mount on a processing machine and perform on-machine measurement.
また前記、従来の接触式形状測定機および触針式粗さ計において、加工機上に形状測定機を搭載して測定対象物の機上計測を行う場合には、加工機上の空間的制約により、スタイラス先端を鉛直方向だけではなく、任意の角度に傾斜させた状態で計測を行えることが望ましい。 In addition, in the conventional contact-type shape measuring machine and stylus type roughness meter, when the shape measuring machine is mounted on the processing machine and the measurement object is measured on the machine, the spatial constraints on the processing machine. Therefore, it is desirable that measurement can be performed with the tip of the stylus inclined not only in the vertical direction but also at an arbitrary angle.
そこで本発明では、釣り合いおもりによりスタイラスを保持することによって、被測定対象物とスタイラス先端との間の接触力を減少させ、スタイラスの変位に関わらず接触力を一定に保つ表面形状測定手法を実現する。また、スタイラスの鉛直方向からの傾斜に関わらず、被測定対象物との接触力を一定に保たれる構成の装置を提供する。 Therefore, in the present invention, by holding the stylus with a counterweight, the contact force between the object to be measured and the tip of the stylus is reduced, and a surface shape measurement method that keeps the contact force constant regardless of the displacement of the stylus is realized. To do. Moreover, the apparatus of the structure which can maintain the contact force with to-be-measured object constant irrespective of the inclination from the perpendicular direction of a stylus is provided.
本発明によれば、接触式センサを用いた表面形状の計測方法であって、表面形状の計測に用いるスタイラスと釣り合いおもりおよび変位を計測するセンサおよびから構成される形状測定装置が得られる。スタイラスはシャフトの一端に固定され、シャフトのもう一端はワイヤにより釣り合いおもりとつながれ、定滑車を介して支持される。この釣り合いおもりの質量は、シャフトの質量と同等もしくはわずかに軽く設定される。シャフトが釣り合いおもりにより支持されることにより、被測定対象物の表面に加わる接触力はスタイラス単体が鉛直方向に接触している場合と比較して軽減される。スタイラス先端と被測定対象物間の接触状態は、スタイラスおよびシャフトと釣り合いおもりの質量の差によって維持される。釣り合いおもりの質量はスタイラスを取り付けたシャフトよりもわずかに小さくすることによって、スタイラスを取り付けたシャフト自重の重力荷重によって、スタイラス先端は被測定対象表面との接触が維持される。スタイラスと被測定対象物の接触状態を維持したまま、被測定対象物の表面を水平方向に走査し、スタイラスの変位をセンサにより計測することで表面形状の計測を行う。 According to the present invention, a surface shape measuring method using a contact sensor, which is a shape measuring device including a stylus used for measuring a surface shape, a counterweight and a sensor for measuring displacement, is obtained. The stylus is fixed to one end of the shaft, and the other end of the shaft is connected to a counterweight by a wire and supported through a fixed pulley. The mass of the counterweight is set equal to or slightly lighter than the mass of the shaft. Since the shaft is supported by the counterweight, the contact force applied to the surface of the object to be measured is reduced as compared with the case where the stylus is in contact with the vertical direction. The contact state between the stylus tip and the object to be measured is maintained by the difference in mass between the stylus and the shaft and the counterweight. The mass of the counterweight is slightly smaller than that of the shaft on which the stylus is attached, so that the tip of the stylus is kept in contact with the surface to be measured by the gravity load of the shaft itself attached with the stylus. While maintaining the contact state between the stylus and the object to be measured, the surface shape is measured by scanning the surface of the object to be measured in the horizontal direction and measuring the displacement of the stylus with a sensor.
また、本発明によれば、接触式センサを用いた表面形状の計測方法であって、エアベアリングによって保持されたスタイラスから構成されることを特徴とする形状測定装置が得られる。スタイラスが固定されるシャフトはエアベアリングにより保持され、シャフトはケーシングとの間の接触による摩擦の影響を受けることなく、ケーシング内を移動することが可能となる。このシャフトはエアベアリングの圧縮空気によってケーシング内で浮上しているため、シャフトを傾斜させてもシャフトとケーシングとの間は非接触の状態を維持することができる。このため、スタイラスを傾斜させた状態においても、シャフトとケーシングとの摩擦の影響なくスタイラスは変位することができるため、スタイラスの傾斜時においても被測定対象物との接触状態を維持し、表面形状の計測を行うことが可能である。 In addition, according to the present invention, there is provided a shape measuring apparatus that is a surface shape measuring method using a contact sensor, and includes a stylus held by an air bearing. The shaft to which the stylus is fixed is held by an air bearing, and the shaft can move in the casing without being affected by friction due to contact with the casing. Since this shaft floats in the casing by the compressed air of the air bearing, even if the shaft is inclined, a non-contact state can be maintained between the shaft and the casing. Therefore, even when the stylus is tilted, the stylus can be displaced without being affected by the friction between the shaft and the casing. Can be measured.
さらに、本発明によれば、接触式センサを用いた表面形状の測定方法であって、スタイラスの変位は光学式リニアエンコーダ等の非接触型の変位センサにより計測を行うことで、スタイラスおよびシャフトの移動変位に干渉することなくスタイラス変位の計測が可能ということを特徴とする形状測定装置が得られる。 Furthermore, according to the present invention, there is provided a method for measuring a surface shape using a contact sensor, wherein the displacement of the stylus is measured by a non-contact displacement sensor such as an optical linear encoder, so that the stylus and the shaft can be measured. It is possible to obtain a shape measuring apparatus characterized in that the stylus displacement can be measured without interfering with the moving displacement.
本発明により、スタイラスと被測定対象物との接触力を一定に制御することで、スタイラス先端が被測定対象物に加える荷重を減少させることができ、スタイラスおよび測定対象物の損傷や変形無しに、光学式リニアエンコーダを用いた変位センサにより検出されたスタイラス変位を用いて、測定対象物表面の3次元表面を計測することができるという効果が得られる。 According to the present invention, by controlling the contact force between the stylus and the object to be measured to be constant, the load applied to the object to be measured by the stylus tip can be reduced, and there is no damage or deformation of the stylus and the object to be measured. The effect that the three-dimensional surface of the surface of the measuring object can be measured using the stylus displacement detected by the displacement sensor using the optical linear encoder is obtained.
本発明にかかる実施形態を、図1から図5を用いて詳細に説明する。図1は、本発明にかかるスタイラスの接触力の調整方法および装置の概略図を示している。スタイラス20はシャフト21の一端に固定されており、シャフト21のもう一端はワイヤ25によって釣り合いおもり29と接続されている。釣り合いおもり29の質量は、スタイラス20およびシャフト21の合計の質量と同等かわずかに少なく設定されている。シャフト21と釣り合いおもり29の間のワイヤ25は定滑車23に吊るされている。スタイラス20は、自重によって被測定対象物22の表面との接触が維持される。本発明では、スタイラス20およびシャフト21の自重は釣り合いおもり29によって支えられるため、スタイラスによって被測定対象物に加えられる接触力は減少させることができる。また、スタイラスはワイヤ25を介して釣り合いおもり29によって保持されているため、ばねのように変位によって接触力が変化することはなく、Z方向の変位に関わらずスタイラスによって被測定対象物に加わる接触力は一定とすることができる。
An embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 1 shows a schematic diagram of a method and apparatus for adjusting the contact force of a stylus according to the present invention. The
図2は、本発明にかかる表面形状測定装置11の概略図である。スタイラス20はシャフト21の一端に固定されており、スタイラス20の先端はまた被測定対象物22の表面に接触させる。前述の図10に示したスタイラス20、シャフト21およびエアベアリング27は傾斜ステージ33上に搭載される。このシャフト21は、定滑車23および定滑車36を介してワイヤ25により、釣り合いおもり12とつながっている。シャフト21はシャフトケーシング26の内部に固定されたシャフト保持用エアベアリング27によって保持される。シャフト21はエアベアリングによって保持されることにより、摩擦の影響なく長軸方向に移動することができる。スタイラス20の先端に荷重が加わり、シャフト21が長軸方向に移動する。このシャフト21の移動変位は光学式リニアエンコーダ28によって計測される。
FIG. 2 is a schematic view of the surface
スタイラス20およびシャフト21を収めたシャフト保持ケーシング26は傾斜ステージ33に取り付けられる。これにより、スタイラス先端はZ方向に対して任意の角度を傾斜させることが可能となり、鉛直方向だけでなく、斜め方向からもスタイラス20の先端を被測定対象物22の表面に接触させ、形状を計測することができる。定滑車23は傾斜ステージ上に取り付けられており、シャフト21の中心軸とワイヤ25が常時一直線に配置されるようワイヤ25の位置を保持している。
A
ここからは、スタイラス20と被測定対象物22との間の接触力の調整方法について説明を進める。スタイラス20の先端の接触力はスタイラス20のおよびシャフト21の合計の質量と釣り合いおもり12の質量との差によって調整することが出来る。図3は釣り合いおもり12の構成の詳細を示している。釣り合いおもり12は、釣り合いおもりシャフト33と調整用おもり34によって構成されている。釣り合いおもりシャフト33の一端はワイヤ25によってシャフト21に連結されている。また釣り合いおもりシャフト33の内部は中空構造を有しており、内部に調整用おもり36を付加することによって釣り合いおもりの総質量を調整することができる。釣り合いおもりシャフト34はまた、釣り合いおもり部分ケーシング37内に固定された釣り合いおもり保持用エアベアリング33によって保持され、釣り合いおもりの揺動を防ぎ、Z方向に対して円滑に変位できるようになっている。
From here, a description will be given of a method for adjusting the contact force between the
釣り合いおもりの質量を調整し、スタイラス20の先端と被測定対象22との間の接触力が調整された状態において、X−Y−Z軸位置決めステージ30により被測定対象物22をXおよびY方向に走査し、その時のシャフト21の移動変位をシャフト保持用ケーシング内に収容された光学式リニアエンコーダ28により計測することによって、表面形状を精密に計測する。
In a state where the mass of the counterweight is adjusted and the contact force between the tip of the
スタイラス20によって、非測定対象物22に加わる荷重は、X−Y−Z軸位置決めステージ上に搭載されたロードセル31によって計測される。図4は、X−Y−Z軸位置決めステージを用いてZ軸方向に変位を加えたときに、ロードセル31を用いて計測した荷重を示している。スタイラスの先端はX−Y面に対して垂直に配置されている。Z方向の変位が加えられても、ロードセル31に加わる荷重は、ばねのように変位によって増加することなく、ほぼ一定に保たれていることが分る。図4中の矢印は、本発明のスタイラスの測定範囲を示しており、スタイラスの変位が被測定対象物との接触から1.5 mmまでの範囲において接触力をほぼ一定に保つことができることを示している。しかしながら、スタイラスのZ方向変位や測定回数ごとに接触力にばらつきが生じており、接触力を一定に保つためには、さらなる改良が必要である。
The load applied to the
本発明の接触力調整法を用いたスタイラスにより形状測定を行った結果を図5に示す。図5は、直径4.7mmのスチールボールを被測定対象物としてスタイラスにより、表面形状の計測を行った。スタイラスはZ方向に垂直に配置され、スチールボールの表面に接触させた状態でY軸方向に被測定対象物を平行移動させたときの、スタイラスのZ方向の移動変位をリニアエンコーダにより測定した。図5において、ステージのY方向変位が1.75mmの位置、すなわちスチールボールの頂点付近においてはスタイラス変位の測定結果は繰り返し性を示しているが、頂点付近から離れるに従ってスタイラス変位の測定結果にばらつきが生じていることが分る。この測定位置におけるばらつきは、今後の改善が必要である。 FIG. 5 shows the result of measuring the shape with a stylus using the contact force adjusting method of the present invention. In FIG. 5, the surface shape was measured with a stylus using a steel ball having a diameter of 4.7 mm as an object to be measured. The stylus was arranged perpendicular to the Z direction, and the displacement of the stylus in the Z direction when the object to be measured was translated in the Y-axis direction while being in contact with the surface of the steel ball was measured with a linear encoder. In FIG. 5, the measurement result of the stylus displacement shows repeatability when the Y-direction displacement of the stage is 1.75 mm, that is, near the apex of the steel ball, but the measurement result of the stylus displacement varies as the distance from the apex is increased. Can be seen. This variation in the measurement position needs to be improved in the future.
本発明を用いると、精密加工機上において加工面の表面形状のその場観察が可能になり、測定された加工形状の情報を加工機にフィードバックすることによって、リアルタイムで形状を補正しながら加工を行うことが可能となり、微細加工の精度や再現性の向上を実現することが出来る。 By using the present invention, it is possible to observe the surface shape of the processing surface on the precision processing machine on the spot and feed back the measured processing shape information to the processing machine to correct the shape in real time. Therefore, it is possible to improve the precision and reproducibility of microfabrication.
10 本発明における釣り合いおもりによる接触力の調整方法の概要
11 本発明で表面形状の計測に用いる測定機の構成
12 釣り合いおもり
20 スタイラス
21 シャフト
22 被測定対象物
23 定滑車
24 定滑車
25 ワイヤ
26 シャフト保持ケーシング
27 シャフト保持用エアベアリング
28 光学式リニアエンコーダ
29 釣り合いおもり
30 X−Y−Z軸位置決めステージ
31 ロードセル
32 粗動Z軸ステージ
33 傾斜ステージ
34 釣り合いおもりシャフト
35 釣り合いおもり保持用エアベアリング
36 調整用おもり
37 釣り合いおもり部分ケーシング
10 Outline of Adjustment Method of Contact Force by Counterweight in the
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012045595A JP2013181817A (en) | 2012-03-01 | 2012-03-01 | Surface shape measurement method and instrument thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012045595A JP2013181817A (en) | 2012-03-01 | 2012-03-01 | Surface shape measurement method and instrument thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013181817A true JP2013181817A (en) | 2013-09-12 |
Family
ID=49272574
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012045595A Pending JP2013181817A (en) | 2012-03-01 | 2012-03-01 | Surface shape measurement method and instrument thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2013181817A (en) |
-
2012
- 2012-03-01 JP JP2012045595A patent/JP2013181817A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Küng et al. | Ultraprecision micro-CMM using a low force 3D touch probe | |
Weckenmann et al. | Probing systems for dimensional micro-and nano-metrology | |
JP3926793B2 (en) | Surface shape measuring device | |
USRE45211E1 (en) | Surface sensing device with optical sensor | |
US5917181A (en) | Profile measuring apparatus | |
Fan et al. | A scanning contact probe for a micro-coordinate measuring machine (CMM) | |
Ducourtieux et al. | Development of a metrological atomic force microscope with minimized Abbe error and differential interferometer-based real-time position control | |
Widdershoven et al. | Realization and calibration of the" Isara 400" ultra-precision CMM | |
CN109253710B (en) | Calibration method for zero error of A axis of REVO measuring head | |
CN115388771A (en) | Ultra-precise form and position error measuring instrument based on reflector measuring head integrated design | |
Gorges et al. | Integrated planar 6-DOF nanopositioning system | |
JP2009281768A (en) | Measuring apparatus | |
Bos et al. | High-accuracy CMM metrology for micro systems | |
JP4704932B2 (en) | Stylus type shape measuring device and method and rotation restricting air cylinder suitable for the same | |
Donker et al. | ISARA 400: Enabling ultra-precision coordinate metrology for large parts | |
JP2013181817A (en) | Surface shape measurement method and instrument thereof | |
Meli et al. | Ultra precision micro-CMM using a low force 3D touch probe | |
JP2013142685A (en) | Shape measuring device | |
JP6799815B2 (en) | Shape measurement probe | |
JP5645349B2 (en) | Shape measuring device | |
JP4909562B2 (en) | Surface texture measuring device | |
JP2005172810A (en) | Three-dimensional shape measuring method and three-dimensional shape measuring device | |
Hoffmann et al. | Traceable profilometry with a 3D nanopositioning unit and zero indicating sensors in compensation method | |
JP2011209076A (en) | Scanning probe microscope and scanning method thereof | |
US11473904B2 (en) | Measurement probe |