JP2015175704A - Calibration method of measurement instrument and device thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測定機の校正方法及びその装置に係り、特に表面粗さ輪郭形状測定機の校正方法及びその装置に関する。 The present invention relates to a calibration method and apparatus for a measuring machine, and more particularly to a calibration method and apparatus for a surface roughness profile measuring machine.
表面粗さ輪郭形状測定機において、従来、以下の手法に従って校正を行っている。 Conventionally, a surface roughness contour shape measuring machine is calibrated according to the following method.
すなわち、段差寸法が既知の段差ゲージの2面を測定機の触針でトレースし、測定機のLH1(支点から触針先端までのX方向(水平方向)の距離(アームの長さ))又は感度によるZ方向(鉛直方向)の高さを校正している。また、半径寸法が既知のボールゲージの表面を前記触針でトレースし、測定機のLV1(支点から触針先端までのZ方向の距離(離触針高さ))によるX方向の対称性を校正し、触針の先端半径値を校正している。 That is, two surfaces of a step gauge having a known step dimension are traced with a stylus of a measuring machine, and LH1 of the measuring machine (distance in X direction (horizontal direction) from the fulcrum to the tip of the stylus (arm length)) or The height in the Z direction (vertical direction) due to sensitivity is calibrated. Also, the surface of a ball gauge with a known radius is traced with the stylus, and the symmetry in the X direction is determined by the LV1 of the measuring machine (distance in the Z direction from the fulcrum to the tip of the stylus (release needle height)). Calibrate and calibrate the tip radius value of the stylus.
一方、特許文献1に開示された校正方法は、半径寸法が既知のボールゲージと、互いに平行で段差寸法が既知の2面を有する段差ゲージとを触針でトレースし、得られた測定データとこれらのゲージの既知寸法値とを比較演算することによって、LH1、LV1、及び触針の先端半径値の校正を行っている。
On the other hand, the calibration method disclosed in
特許文献1による具体的な校正方法は、LH1、LV1、及び触針の先端半径の校正を行うため、まず、それぞれの設計値を入力する。
In the specific calibration method according to
次に、前記ボールゲージのその表面を触針でトレースして球測定データを求め、その球測定データを、ボールゲージの頂点を中心に左右に分割し、左側のデータと右側のデータのそれぞれの最小二乗円の半径値の差が所定値より小さくなるようにLV1を仮校正する。 Next, the surface of the ball gauge is traced with a stylus to obtain sphere measurement data, and the sphere measurement data is divided into left and right with the vertex of the ball gauge as the center, and the left side data and the right side data are respectively divided. LV1 is provisionally calibrated so that the difference between the radius values of the least squares is smaller than a predetermined value.
次に、前記球測定データを、高さ方向に上下に分割し、上側のデータと下側のデータのそれぞれの最小二乗円の半径値の差が所定値より小さくなるようにLH1を仮校正する。 Next, the sphere measurement data is divided vertically in the height direction, and LH1 is tentatively calibrated so that the difference between the radius values of the least squares of the upper data and the lower data is smaller than a predetermined value. .
次に、前記段差ゲージの平行な2面をX方向に平行に置き、前記2面を前記触針でトレースして段差測定データを求め、その段差測定データより算出した段差寸法値が、既知の段差寸法値と等しくなるようにLH1を校正する。 Next, two parallel surfaces of the step gauge are placed parallel to the X direction, the two surfaces are traced with the stylus to obtain step measurement data, and the step dimension value calculated from the step measurement data is known. LH1 is calibrated so as to be equal to the step size value.
次に、仮校正と同様に、前記球測定データの左側のデータと右側のデータのそれぞれの最小二乗円の半径値の差が所定値より小さくなるようにLV1を校正する。 Next, as in the provisional calibration, LV1 is calibrated so that the difference between the radius values of the least squares of the left and right data of the sphere measurement data is smaller than a predetermined value.
そして最後に、前記球測定データを用いて触針の先端半径値の校正を行う。上記手順でLH1、LV1、及び触針先端半径値の校正を行っている。 Finally, the tip radius value of the stylus is calibrated using the sphere measurement data. The LH1, LV1, and stylus tip radius values are calibrated by the above procedure.
特許文献1の測定機のように、触針の先端が円弧状に運動しながら測定する測定機において、前記校正方法には以下の問題があった。
In a measuring instrument that measures while the tip of the stylus moves in an arc shape like the measuring instrument of
1)LH1とLV1は、それぞれZ方向の高さとX方向の対称性に独立に作用するパラメータではない。つまり、LH1はX方向の対称性にも影響を及ぼし、逆にLV1はZ方向にも影響を与える。 1) LH1 and LV1 are not parameters that act independently on the height in the Z direction and the symmetry in the X direction, respectively. That is, LH1 also affects the symmetry in the X direction, and conversely, LV1 also affects the Z direction.
2)触針の先端形状そのものが非対称性を有することも考えられ、この場合、対称性をLV1のみで校正することは適切ではない。 2) The tip shape of the stylus itself may have asymmetry, and in this case, it is not appropriate to calibrate the symmetry only with LV1.
したがって、特許文献1のように、LH1及びLV1及び触針先端半径値をそれぞれ個別に求めるのではなく、LH1及びLV1及び触針先端半径値を同時に最適な校正値を求めることが理想となる。
Therefore, as in
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、アームの長さ(LH1)、及び触針高さ(LV1)の最適な校正値を同時に求めることができる測定機の校正方法及びその装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a calibration method for a measuring instrument capable of simultaneously obtaining optimum calibration values of the arm length (LH1) and the stylus height (LV1), and its An object is to provide an apparatus.
本願発明者は、以下の知見に基づき、本発明を提供するものである。 This inventor provides this invention based on the following knowledge.
まず、特許文献1の校正方法では高精度な校正ができない理由と誤差要因とを解明した。
First, the reason why the calibration method of
1)Z方向測定ストロークとボールゲージ測定におけるZ方向測定範囲について、従来の方法ではボールゲージを1度測定し、X方向の対称性を校正している。しかし、Z方向測定ストロークの中央付近の1ヶ所での測定のため、Z方向ストロークがその測定範囲に対して広い場合、ストロークの両端に近い範囲でX方向の対称性を高精度に校正することができない。 1) Regarding the Z direction measurement stroke and the Z direction measurement range in the ball gauge measurement, the conventional method measures the ball gauge once and calibrates the symmetry in the X direction. However, since the measurement is performed at one location near the center of the Z direction measurement stroke, if the Z direction stroke is wider than the measurement range, the symmetry in the X direction must be calibrated with high accuracy in the range close to both ends of the stroke. I can't.
この問題を解消するために、本発明では、第1のボールゲージをZ方向ストロークの複数範囲で広範囲に測定したので、高精度に校正できる。 In order to solve this problem, in the present invention, since the first ball gauge is measured over a wide range in a plurality of ranges in the Z-direction stroke, it can be calibrated with high accuracy.
2)LH1とLV1について、特許文献1の校正では、Z方向の校正をLH1により行い、X方向の対称性の校正をLV1により行う。しかし、LH1はX方向の対称性にも作用し、また、同様にLV1はZ方向にも作用する。
2) With respect to LH1 and LV1, in the calibration of
この問題を解消するために、本発明では、LH1、LV1、及びその他の校正パラメータを同時に算出することで、より高精度にZ方向のX方向の対称性の校正を行う。 In order to solve this problem, according to the present invention, LH1, LV1, and other calibration parameters are calculated at the same time, thereby calibrating the symmetry of the X direction in the Z direction with higher accuracy.
3)触針の先端半径値の校正について、特許文献1の校正では、触針の先端半径値とX方向の対称性の校正に、同一のボールゲージ(第1のボールゲージ)を用いているが、触針の先端形状そのものが非対称性を有する場合、その非対称性をLV1で校正してしまい、結果として、触針先端半径とLV1のどちらも正しく校正することができない。
3) Regarding calibration of the tip radius value of the stylus, in the calibration of
この問題を解消するために、本発明では、触針の先端半径値を校正するための第2のボールゲージを別に用意し、触針の先端半径値(既知)とX方向の対称性を別々の測定データから校正する。このとき、第2のボールゲージは、第1のボールゲージに比べて半径が小さいものを使用する。これにより、LH1及びLV1の誤差の影響が小さくなり、高精度に触針の先端半径値を校正できる。 In order to solve this problem, in the present invention, a second ball gauge for calibrating the tip radius value of the stylus is separately prepared, and the tip radius value (known) of the stylus and the symmetry in the X direction are separately provided. Calibrate from the measured data. At this time, a second ball gauge having a radius smaller than that of the first ball gauge is used. Thereby, the influence of the error of LH1 and LV1 becomes small, and the tip radius value of the stylus can be calibrated with high accuracy.
4)LH2(アーム水平状態での、支点からZ方向変位検出部までのX方向の距離)とLV2(アーム水平状態での、支点からZ方向変位検出部のZ方向の距離(オフセット量))について、特許文献1の校正は、LH1、LV1及び触針の先端半径値の校正のみを行い、LH2とLV2は工場出荷時に求めた値を固定値として使用している。しかし、検出部そのものの取り外しと取り付けの他、使用する環境(温度など)、及び触針の抜き差しなどによっても、LH2及びLV2の値が変動する可能性がある。
4) LH2 (distance in the X direction from the fulcrum to the Z direction displacement detector in the arm horizontal state) and LV2 (distance in the Z direction from the fulcrum to the Z direction displacement detector in the arm horizontal state (offset amount)) In the calibration of
この問題を解消するために、本発明では、LH2とLV2も校正のパラメータに加えることで、より高精度に校正する。 In order to solve this problem, the present invention calibrates with higher accuracy by adding LH2 and LV2 to the calibration parameters.
本発明の一態様は、前記目的を達成するために、X方向移動自在に設けられた検出器と、前記検出器に設けられた支点にXZ面内に揺動自在に支持された触針とが備えられ、前記触針でワークの表面をトレースしたときの前記検出器のX方向移動量及び前記触針のZ方向変化量に基づき、ワークの表面粗さ及び輪郭形状を求める測定機において、前記支点からの前記触針の先端のZ方向距離である触針高さの設計値、前記支点からの前記触針の先端のX方向距離であるアーム長さの設計値及び前記触針の先端半径の設計値を入力し、半径寸法が既知の第1のボールゲージに対し、測定範囲を高さ方向に複数段階に分割して、前記第1のボールゲージを触針でトレースし、高さ方向に測定範囲の異なる前記第1のボールゲージの複数の測定データを求め、互いに平行で段差寸法が既知の2面を有する段差ゲージの、前記2面をX方向に平行に置き、前記触針で前記2面をトレースして段差測定データを求め、前記第1のボールゲージと比較して小径で、かつ半径寸法が既知の第2のボールゲージを触針でトレースし、前記第2のボールゲージの測定データを求めるとともに、前記第2のボールゲージの測定データに基づき触針の先端半径値を仮校正し、前記第1のボールゲージの複数の測定データ、前記段差ゲージの測定データ、及び前記仮校正された触針の先端半径値に基づき、予め定義した評価関数を計算し、算出された値が収束するまで最適化計算を行うことにより、前記触針高さ、及び前記アーム長さを同時に校正することを特徴とする測定機の校正方法を提供する。 According to one aspect of the present invention, in order to achieve the above object, a detector provided to be movable in the X direction, and a stylus supported on a fulcrum provided in the detector so as to be swingable in an XZ plane. In the measuring machine for obtaining the surface roughness and contour shape of the workpiece based on the amount of movement in the X direction of the detector and the amount of change in the Z direction of the stylus when the surface of the workpiece is traced with the stylus, The design value of the stylus height that is the Z-direction distance of the tip of the stylus from the fulcrum, the design value of the arm length that is the X-direction distance of the tip of the stylus from the fulcrum, and the tip of the stylus The design value of the radius is inputted, the measurement range is divided into a plurality of stages in the height direction with respect to the first ball gauge whose radius dimension is known, the first ball gauge is traced with a stylus, and the height is measured. A plurality of measurement data of the first ball gauge having different measurement ranges in directions. Of the step gauge having two surfaces that are parallel to each other and have known step dimensions, the two surfaces are placed parallel to the X direction, and the two surfaces are traced with the stylus to obtain step measurement data, A second ball gauge having a smaller diameter and a known radial dimension is traced with a stylus to obtain measurement data of the second ball gauge, and measurement data of the second ball gauge Tentatively calibrating the tip radius value of the stylus, based on a plurality of measurement data of the first ball gauge, the measurement data of the step gauge, and the tip radius value of the provisionally calibrated stylus There is provided a calibration method for a measuring machine, wherein the stylus height and the arm length are simultaneously calibrated by calculating an evaluation function and performing optimization calculation until the calculated value converges. .
本発明の一態様は、前記目的を達成するために、X方向移動自在に設けられた検出器と、その検出器に設けられた支点にXZ面内に揺動自在に支持された触針とが備えられ、前記触針でワークの輪郭をトレースしたときの前記検出器のX方向移動量及び前記触針のZ方向変化量に基づき、ワークの表面粗さ及び輪郭形状を求める測定機において、半径寸法が既知の第1のボールゲージ、及び前記第1のボールゲージと比較して小径で、かつ半径寸法が既知の第2のボールゲージと、互いに平行で段差寸法が既知の2面を有する段差ゲージと、前記支点からの前記触針の先端のZ方向距離である触針高さの設計値、前記支点からの前記触針の先端のX方向距離であるアーム長さの設計値及び前記触針の先端半径の設計値を入力する設計値入力部と、前記第1のボールゲージに対し、測定範囲を高さ方向に複数段階に分割して、前記第1のボールゲージを触針でトレースしたときの、高さ方向に測定範囲の異なる前記第1のボールゲージの複数の測定データを記憶する第1の記憶部と、前記段差ゲージの前記2面を前記触針でトレースしたときの段差測定データを記憶する第2の記憶部と、前記第2のボールゲージを触針でトレースしたときの、前記第2のボールゲージの測定データを記憶する第3の記憶部と、前記第2のボールゲージの測定データに基づき触針の先端半径値を仮校正する仮校正部と、前記第1のボールゲージの複数の測定データ、前記段差ゲージの段差測定データ、及び前記仮校正された触針の先端半径値に基づき、予め定義した評価関数を計算し、算出された値が収束するまで最適化計算を行うことにより、前記触針高さ、及び前記アーム長さを同時に校正する校正部と、を備えることを特徴とする測定機の校正装置を提供する。 According to one aspect of the present invention, in order to achieve the above object, a detector provided so as to be movable in the X direction, and a stylus supported on a fulcrum provided in the detector so as to be swingable in the XZ plane; In the measuring machine for obtaining the surface roughness and contour shape of the workpiece based on the amount of movement in the X direction of the detector and the amount of change in the Z direction of the stylus when tracing the contour of the workpiece with the stylus, A first ball gauge having a known radial dimension, and a second ball gauge having a smaller diameter than the first ball gauge and a known radial dimension, and two surfaces parallel to each other and having a known step dimension A step gauge, a design value of a stylus height that is a Z-direction distance of the tip of the stylus from the fulcrum, a design value of an arm length that is a distance of the tip of the stylus in the X direction from the fulcrum, and Design value input section for entering the design value of the tip radius of the stylus When the first ball gauge is divided into a plurality of stages in the height direction and the first ball gauge is traced with a stylus, the first measurement range is different in the height direction. A first storage unit that stores a plurality of measurement data of the ball gauge, a second storage unit that stores step measurement data when the two surfaces of the step gauge are traced by the stylus, and the second When the ball gauge is traced with a stylus, a third storage unit for storing measurement data of the second ball gauge and a tip radius value of the stylus based on the measurement data of the second ball gauge are temporarily calculated. Based on the temporary calibration unit to be calibrated, the plurality of measurement data of the first ball gauge, the step measurement data of the step gauge, and the tip radius value of the calibrated stylus, a predefined evaluation function is calculated. The calculated value is By performing the optimization calculation until the bundle, to provide a calibration device for measuring machine characterized by comprising the probe height, and a calibration unit for calibrating the arm length at the same time.
本発明では粗さ輪郭形状測定機等の測定機において、以下のパラメータをより高精度に校正する方法を提案する。 The present invention proposes a method of calibrating the following parameters with higher accuracy in a measuring machine such as a roughness profile measuring machine.
a)LH1(アーム長さ)又はZ方向感度
b)LV1(触針高さ)
c)触針の先端半径値
さらに必要に応じて以下のパラメータも高精度に校正する。
a) LH1 (arm length) or Z-direction sensitivity b) LV1 (stylus height)
c) Radius value of the tip of the stylus Furthermore, calibrate the following parameters with high accuracy as necessary.
d)LH2(アーム水平状態での、支点からZ方向変位検出部までの距離)
e)LV2(アーム水平状態での、支点からZ方向変位検出部のオフセット量)
これらの校正値を用いることで、粗さ輪郭形状測定機のX方向及びZ方向の空間精度が向上する。
d) LH2 (distance from the fulcrum to the Z-direction displacement detector in the arm horizontal state)
e) LV2 (offset amount of the Z-direction displacement detection unit from the fulcrum in the arm horizontal state)
By using these calibration values, the spatial accuracy in the X direction and Z direction of the roughness profile measuring machine is improved.
本発明の校正方法は、
1)設計値の入力(Step1)
Step1において、LH1、LV1、LH2、LV2、及び触針の先端半径値の校正を行うため、それぞれの設計値を入力する。なお、LH2及びLV2は必要に応じて入力する。
The calibration method of the present invention comprises:
1) Design value input (Step 1)
In
2)LH1、LV1、LH2、LV2の校正(Step2〜Step10)
Step2からStep4において、半径既知の第1のボールゲージに対し、測定範囲を高さ方向に複数段階(例えば上側、中央、下側)に分割して、第1のボールゲージを触針でトレースし、高さ方向に測定範囲の異なる第1のボールゲージの複数の測定データを求める。なお、複数の測定範囲は、触針がもつZ方向測定ストローク内に存在する範囲である。
2) Calibration of LH1, LV1, LH2, and LV2 (Step 2 to Step 10)
In Step 2 to Step 4, for the first ball gauge with a known radius, the measurement range is divided into multiple steps in the height direction (for example, upper, middle, and lower), and the first ball gauge is traced with a stylus. A plurality of measurement data of the first ball gauge having different measurement ranges in the height direction is obtained. The plurality of measurement ranges are ranges existing in the Z direction measurement stroke of the stylus.
Step5において、段差寸法が既知の段差ゲージの平行な2面をX方向に平行に置き、前記2面を触針でトレースして段差測定データを求める。 In Step 5, two parallel surfaces of a step gauge having a known step dimension are placed parallel to the X direction, and the two surfaces are traced with a stylus to obtain step measurement data.
Step6において、第1のボールゲージと比較して小径で、かつ半径既知の第2のボールゲージを触針でトレースし、第2のボールゲージの測定データを求める。 In Step 6, a second ball gauge having a smaller diameter than the first ball gauge and having a known radius is traced with a stylus to obtain measurement data of the second ball gauge.
Step7において、Step2からStep4で求めた第1のボールゲージの複数の測定データ、及びStep5で求めた段差ゲージの段差測定データよって、触針の先端半径値を仮校正するとともに、予め定義した評価関数を計算し(Step8)、算出された値が収束するまで最適化計算を行うことにより(Step9、10)、LH1、LV1、LH2、LV2を同時に校正する。ここで、評価関数の計算に必要な触針先端半径は、Step6で得られた第2のボールゲージの測定データから仮校正された触針先端半径値を用いる。
In Step 7, the tip radius value of the stylus is tentatively calibrated with the plurality of measurement data of the first ball gauge obtained in Step 2 to Step 4 and the step measurement data of the step gauge obtained in Step 5, and a predefined evaluation function (Step 8), and optimization calculations are performed until the calculated values converge (
したがって、本発明の一態様によれば、LH1、LV1、触針先端半径値の最適な校正値を同時に求めることができる。さらに必要に応じてLH2、LV2の最適な校正値も同時に求めることができる。 Therefore, according to one aspect of the present invention, optimal calibration values for LH1, LV1, and stylus tip radius values can be obtained simultaneously. Furthermore, if necessary, optimum calibration values for LH2 and LV2 can be obtained simultaneously.
本発明の一態様は、前記第2のボールゲージの測定データと前記第2のボールゲージの既知半径値との差から前記触針の先端半径値の校正を行うことが好ましい。 In one aspect of the present invention, it is preferable that the tip radius value of the stylus is calibrated from a difference between measurement data of the second ball gauge and a known radius value of the second ball gauge.
本発明の一態様は、前記第2のボールゲージの測定データと前記第2のボールゲージの既知半径値との差から前記触針の先端の半径値を校正する触針先端半径校正部が備えられたことが好ましい。 One aspect of the present invention includes a stylus tip radius calibration unit that calibrates a radius value of the tip of the stylus from a difference between measurement data of the second ball gauge and a known radius value of the second ball gauge. Preferably.
3)触針先端半径値の校正(Step11)
最後にStep6で得られた第2のボールゲージの測定データ第2のボールゲージの既知半径値との差から触針先端半径値の校正を行う。
3) Calibration of stylus tip radius value (Step 11)
Finally, the measurement data of the second ball gauge obtained in Step 6 is used to calibrate the stylus tip radius value from the difference from the known radius value of the second ball gauge.
本発明によれば、アームの長さ、及び触針高さ、及び触針先端半径値の最適な校正値を同時に求めることができる。さらに必要に応じてLH2(アーム水平状態での、支点からZ方向変位検出までのX方向の距離)、及びLV2(アーム水平状態での、支点からZ方向変位検出までのZ方向の距離)の最適な校正値も同時に求めることができる。 According to the present invention, it is possible to simultaneously obtain the optimum calibration values of the arm length, the stylus height, and the stylus tip radius value. Furthermore, LH2 (distance in the X direction from the fulcrum to the Z direction displacement detection in the arm horizontal state) and LV2 (distance in the Z direction from the fulcrum to the Z direction displacement detection in the arm horizontal state) as necessary. The optimum calibration value can be obtained at the same time.
以下、添付図面に従って本発明に係る測定機の校正方法及びその装置の好ましい実施の形態について詳説する。 Hereinafter, preferred embodiments of a measuring instrument calibration method and apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明が適用された表面粗さ輪郭形状測定機の測定部10の構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a measuring
測定部10は、ベース11に立設されたコラム12に送り装置13がZ方向(鉛直方向)に移動自在に設けられている。また、触針14を有し触針14のZ方向の変位を検出する検出器15が送り装置13にX方向(水平方向)移動自在に設けられている。送り装置13には、検出器15のX方向の移動量を検出するスケール16が内蔵されている。これによって、ワークWの測定位置に触針14を当接した状態で検出器15をX方向に移動させると、触針14のZ方向の変位が検出器15で検出され、検出器15のX方向の移動量が送り装置13のスケール16で検出されて、ワークWの測定データが得られる。ワークWの測定データは、データ処理装置17によって演算され、ワークWの輪郭形状を示す信号がコンピュータ18のディスプレイ19に出力され、ディスプレイ19に前記輪郭形状が表示される。
In the measuring
触針14は検出器15に設けられた回転支点20にXZ面内に揺動自在に支持されたアーム21の先端に 固着されている。
The
図2は、触針14の変位検出位置と触針14の先端位置との関係を示した説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the displacement detection position of the
同図によれば、回転支点20を通り、X軸に水平な直線上の任意の位置に原点を取る。また、図2に記載されたパラメータは、アーム21の水平状態を基準にそれぞれ以下を表している。
According to the figure, the origin is set at an arbitrary position on a straight line passing through the
LH1:支点から触針先端までのX方向の距離(アーム21の長さ)
LV1:支点から触針先端までのZ方向の距離(触針14の高さ)
LH2:アーム水平状態での、支点からZ方向変位検出部までのX方向の距離
LV2:アーム水平状態での、支点からZ方向変位検出部のZ方向の距離
θ:アームの傾き角度
x0i:X方向変位検出器の信号のi番目のサンプル点
z0i:Z方向変位検出器の信号のi番目のサンプル点
x1i:(x0i, z0i)に対応する触針先端の位置のX座標
z1i:(x0i, z0i)に対応する触針先端の位置のZ座標
その他のパラメータはそれぞれ図2の寸法線又は数式によって示される。
LH1: Distance in X direction from fulcrum to tip of stylus (length of arm 21)
LV1: Distance in the Z direction from the fulcrum to the tip of the stylus (height of the stylus 14)
LH2: Distance in the X direction from the fulcrum to the Z direction displacement detector in the arm horizontal state LV2: Distance in the Z direction from the fulcrum to the Z direction displacement detector in the arm horizontal state θ: Angle of the arm
x0i: i-th sample point of the X direction displacement detector signal
z0i: i-th sample point of the Z direction displacement detector signal
x1i: X coordinate of the position of the tip of the stylus corresponding to (x0i, z0i)
z1i: Z coordinate of the position of the tip of the stylus corresponding to (x0i, z0i) Other parameters are indicated by the dimension line or the mathematical formula in FIG. 2, respectively.
図2に示したx1i及びθの下記式(1)より、触針先端のX座標はx0iとLH1、LV1、LH2、LV2、z0iによって決定される。 From the following formula (1) of x1i and θ shown in FIG. 2, the X coordinate of the tip of the stylus is determined by x0i and LH1, LV1, LH2, LV2, and z0i.
なお、L1、L2、θ1、θ2は図2に示した下記式(2)により、求められる。 In addition, L1, L2, θ1, and θ2 are obtained by the following formula (2) shown in FIG.
前記z1i及びθの式より、触針先端のZ座標はLH1、LV1、LH2、LV2、z0iによって決定される。 From the above equations z1i and θ, the Z coordinate of the tip of the stylus is determined by LH1, LV1, LH2, LV2, and z0i.
実施形態では、LH1、LV1、LH2、LV2、及び触針14の先端半径値を校正するために、図3の実線で示す半径値が既知のボールゲージ(第2のボールゲージ)30、図4の実線で示す半径値が既知のボールゲージ(第1のボールゲージ)32、図6に示す段差寸法が既知の段差ゲージ34を用いる。
In the embodiment, in order to calibrate the tip radius values of LH1, LV1, LH2, LV2, and the
また、図1のデータ処理装置17は、図8の如く、以下の1)〜10)の構成及び機能を備える。
Moreover, the
1)LH1、LV1、LH2、LV2、及び触針14の先端半径値のそれぞれの設計値を入力するキーボード36とマウス38(設計値入力部)。
1) A
2)ボールゲージ32を検出器15のZ方向ストローク中の1つ又は複数の範囲(上側、中央、下側:図5参照)で測定して測定データを記憶する機能(第1の記憶部)50。
2) Function for measuring the
3)段差ゲージ34の段差測定データを記憶する記憶部(第2の記憶部)52。
3) A storage unit (second storage unit) 52 that stores step measurement data of the
4)ボールゲージ30の測定データを記憶する記憶部(第3の記憶部)54。
4) A storage unit (third storage unit) 54 that stores measurement data of the
5)ボールゲージ30の測定データに基づき、触針14の先端半径値を仮校正する仮校正部(仮校正部)56。
5) A temporary calibration unit (temporary calibration unit) 56 that provisionally calibrates the tip radius value of the
6)段差ゲージ34の測定データ、1つ又は複数のボールゲージ32の測定データ、及びボールゲージ30の測定データに基づき、予め定義された1つの評価関数を計算する計算部58。
6) A
7)前記評価関数を最小とするLH1又はZ方向感度、LV1、触針14の先端半径値を同時に校正計算するデータ処理部(校正部)60。
7) A data processing unit (calibration unit) 60 that simultaneously calculates and calculates the LH1 or Z-direction sensitivity, LV1, and the tip radius value of the
8)前記校正計算において、必要に応じてアーム21の水平状態での回転支点20から検出器15までのX方向の距離、Z方向のオフセット量を校正することを可能とするデータ処理部62。
8) In the calibration calculation, a
9)ボールゲージ30の測定データとボールゲージ30の既知半径値との差から触針14の先端の半径値を校正する校正部(触針先端半径校正部)64。
9) A calibration unit (stylus tip radius calibration unit) 64 for calibrating the radius value of the tip of the
10)校正結果を記憶し、以降の測定において、校正値を考慮した測定を行うためのデータ処理部66。
10) A
図3に戻り、図3は、触針14の先端半径値を校正する、半径値が既知のボールゲージ30が破線で示され、図4は、LH1、LV1を校正する、半径値が既知のボールゲージ32が実線で示されている。ボールゲージ30は、ボールゲージ32と比較して半径が小さいものが使用されている。
Returning to FIG. 3, FIG. 3 shows a
<ボールゲージ30の測定方法>
図3において、触針14の先端半径値は、ボールゲージ30を触針14でトレースし、触針14の先端がボールゲージ30に接する角度に応じた値を分割数分算出することにより求める。図3の矢印は触針14の測定点である。ボールゲージ30として半径RSが2mmのものを例示する。
<Measurement method of ball gauge 30>
In FIG. 3, the radius value of the tip of the
<ボールゲージ32の測定方法>
ボールゲージ32は、検出器15のZ方向測定ストローク中の1つ又は複数の範囲で測定する。
<Measurement method of ball gauge 32>
The ball gauge 32 measures in one or more ranges during the Z direction measurement stroke of the
図5の如く、高さが異なる3つのZ方向測定範囲(上側、中央、下側)を使用する場合には、Z方向ストロークの上側で測定データ1を測定し、次に送り装置13を上昇移動し、Z方向ストロークの中央で測定データ2を測定し、そして送り装置13を更に上昇移動し、Z方向ストロークの下側で測定データ3を測定する。例えば、Z方向ストロークが32mmで、ボールゲージの直径が30mmの場合には、基準の1点からZ方向に10mm間隔で送り装置13を2段階上昇させて測定データ1、2、3を取得する。前記3つのZ方向測定範囲は、触針14のZ方向測定ストロークに含まれる範囲である。
As shown in FIG. 5, when using three Z-direction measurement ranges (upper, middle, and lower) with different heights,
<段差ゲージ34の測定方法>
図6の如く段差ゲージ34は、互いに平行で段差寸法が既知の2面34A、34BをX方向に平行に置き、触針14で2面34A、34Bをトレースして段差測定データを求める。面34Aに対する面34Bの高さはHである。
<Measurement method of
As shown in FIG. 6, the
<ボールゲージ30の測定方法>
図7の如く、ボールゲージ32を触針14でトレースし、Z方向測定ストロークの中央で1つの測定データ6を測定する。
<Measurement method of ball gauge 30>
As shown in FIG. 7, the
ボールゲージ30の既知の半径値を、ボールゲージ32よりも小さく選択することで、ボールゲージ30の測定データに現れるLH1及びLV1等によるXZ方向の誤差の影響が小さくなるので、高精度に触針14の先端半径値を求めることができる。
By selecting a known radius value of the
図9は、校正計算部40による、ボールゲージ32を3つの測定範囲で測定する場合の計算ブロック線図である。
FIG. 9 is a calculation block diagram when the
校正計算部40は、最適化計算部42とその中の評価関数計算部44、46、48とを備える。
The
最適化計算部42の最適化計算アルゴリズムには、評価関数の複雑さから滑降シンプレックス法等の微分を必要としないアルゴリズムが用いられる。
As the optimization calculation algorithm of the
最適化の対象はLH1、LV1、LH2、LV2とする。 The optimization targets are LH1, LV1, LH2, and LV2.
触針14の先端半径補正値Riは最適化計算中と終了後に、ボールゲージ30の測定データから算出する。
The tip radius correction value Ri of the
Z方向の高さとX方向の対称性を校正するため、以下の項目の総和を評価関数として定義する。 In order to calibrate the height in the Z direction and the symmetry in the X direction, the sum of the following items is defined as an evaluation function.
(a)測定データ4、5から計算する段差量と既知の段差寸法の差の2乗
(b)測定データ1、2、3の真円度の2乗(最小二乗円からの偏差のP−P)
(c)測定データ1、2、3の対称性
極座標データ(最小二乗円の中心を原点として、各点の(A、R)データ)において、A=90°±αの左右のB値の差の2乗の総和
(d)測定データ1と2及び、2と3及び、3と1の形状誤差
極座標データにおいて、あるA値に対応する測定データ1と2のR値の差の2乗の総和(測定データ2と3及び、3と1についても同様)
このような評価関数の値を最小とするLH1、LV1、LH2、LV2を最適化計算により求める。
(A) Square of difference between step amount calculated from measurement data 4 and 5 and known step size (b) Square of roundness of
(C) Symmetry of measured
LH1, LV1, LH2, and LV2 that minimize the value of such an evaluation function are obtained by optimization calculation.
図10は、第1の実施形態の校正方法を示したフローチャートである。 FIG. 10 is a flowchart illustrating the calibration method according to the first embodiment.
1)設計値の入力(Step1)
Step1において、LH1、LV1、LH2、LV2、及び触針14の先端半径値の校正を行うため、それぞれの設計値をキーボード36からデータ処理装置17に入力する。なお、LH1及びLV2は必要に応じて入力する。
1) Design value input (Step 1)
In
2)LH1、LV1、LH2、LV2の校正(Step2〜Step10)
Step2からStep4において、ボールゲージ32に対し、測定範囲を高さ方向に複数段階(例えば上側、中央、下側)に分割して、ボールゲージ32を触針14でトレースし、高さ方向に測定範囲の異なるボールゲージ32の3つの測定データ1、2、3を求める。
2) Calibration of LH1, LV1, LH2, and LV2 (Step 2 to Step 10)
In Step 2 to Step 4, with respect to the
Step5において、段差ゲージ34の平行な2面34A、34BをX方向に平行に置き、2面34A、34Bを触針14でトレースして段差測定データ4、5を求める。
In Step 5, two
Step6において、ボールゲージ30を触針14でトレースし、ボールゲージ30の測定データを求める。
In Step 6, the
Step7において、Step2からStep4で求めたボールゲージ32の測定データ1、2、3、及びStep5で求めた段差ゲージ34の段差測定データ4、5よって、触針14の先端半径値を仮校正するとともに、予め定義した評価関数を計算し(step8)、算出された値が収束するまで最適化計算を行うことにより(step9、10)、LH1、LV1、LH2、LV2を同時に校正する。ここで、評価関数の計算に必要な触針先端半径は、Step6で得られたボールゲージ30の測定データから仮校正された触針先端半径値を用いる。
In Step 7, the tip radius value of the
したがって、第1の実施形態によれば、アームの長さ(LH1)、及び触針高さ(LV1)の最適な校正値を同時に求めることができる。 Therefore, according to the first embodiment, optimum calibration values for the arm length (LH1) and the stylus height (LV1) can be obtained simultaneously.
そして最後に、Step6で得られた第2のボールゲージの測定データ第2のボールゲージの既知半径値との差から触針先端半径値の校正を行う。 Finally, the stylus tip radius value is calibrated from the difference between the second ball gauge measurement data obtained in Step 6 and the known radius value of the second ball gauge.
<第2の実施形態>
ボールゲージ30の測定データを測定データ2に限定する。つまり、Step2、4の操作は行わない。また、このとき、評価関数の項(d)の計算は行わない。
<Second Embodiment>
The measurement data of the
ただし、Z方向測定ストロークの広範囲でX方向の対称性の校正を厳密に行いたい場合は測定データ1、3により、評価関数の項(d)を計算する。つまり、Step2、4の操作を行う。
However, if it is desired to strictly calibrate the symmetry in the X direction over a wide range of the Z direction measurement stroke, the term (d) of the evaluation function is calculated from the
<第3の実施形態>
ボールゲージ30の測定Z方向の測定範囲を2つ以上の任意の数の範囲に増減する。
<Third Embodiment>
The measurement range of the
このとき、評価関数の項(c)の計算はそれぞれの測定データで行い、項(d)の計算はできるだけ全ての組み合わせで行う。 At this time, the calculation of the term (c) of the evaluation function is performed with each measurement data, and the calculation of the term (d) is performed with all possible combinations.
広範囲に多くの範囲の測定を行うことでより高精度に校正可能というメリットと、測定データの取得と校正計算に時間が掛かるデメリットがある。 There is a merit that calibration can be performed with higher accuracy by performing measurement in a wide range over a wide range, and there is a demerit that it takes time to acquire measurement data and perform calibration calculation.
<第4の実施形態>
段差ゲージの段差測定データ4、5の測定を行わない。つまり、Step5の操作は行わない。また、このとき、評価関数の項(a)の計算は行わない。
<Fourth Embodiment>
The level difference measurement data 4 and 5 of the level difference gauge are not measured. That is, Step 5 is not performed. At this time, the calculation of the term (a) of the evaluation function is not performed.
ただし、Z方向の高さの校正を厳密に行いたい場合は測定データ4、5により、評価関数の項(a)を計算する。つまり、Step5の操作を行う。 However, if it is desired to calibrate the height in the Z direction strictly, the term (a) of the evaluation function is calculated from the measurement data 4 and 5. That is, the operation of Step 5 is performed.
<第5の実施形態>
ボールゲージ30の測定データ6の測定を行わない。つまり、Step2、6の操作は行わない。
<Fifth Embodiment>
The measurement data 6 of the
このとき、最適化計算中は触針先端半径値Riの算出は行わず、最適化計算終了後、測定データ2とボールゲージ32の既知の半径値より触針先端半径値Riを算出する。
At this time, the stylus tip radius value Ri is not calculated during the optimization calculation, and the stylus tip radius value Ri is calculated from the measurement data 2 and the known radius value of the
ただし、触針先端半径値Riを厳密に算出したい場合には測定データ6とボールゲージ30の既知の半径値より、触針先端半径値Riを算出する。
However, when it is desired to strictly calculate the stylus tip radius value Ri, the stylus tip radius value Ri is calculated from the measurement data 6 and the known radius value of the
<第6の実施形態>
最適化の対象をLH1、LV1に限定し、LH2、LV2は既知の値で固定する。例えば、構造上、LV2の考慮が不要な場合には、LV2=0と固定できる。ただし、LH2、LV2の値を知ることが困難である場合、又はLH2、LV2の値がシステムの状態(構造的な要因や温度などの外的な要因)によって1つの値に固定することが困難な場合は、最適化の対象にLH2、LV2を追加すればよい。
<Sixth Embodiment>
The optimization targets are limited to LH1 and LV1, and LH2 and LV2 are fixed at known values. For example, when it is not necessary to consider LV2 due to the structure, LV2 = 0 can be fixed. However, when it is difficult to know the values of LH2 and LV2, it is difficult to fix the values of LH2 and LV2 to one value depending on the system state (external factors such as structural factors and temperature). In such a case, LH2 and LV2 may be added to the optimization target.
10…測定部、11…ベース、12…コラム、13…送り装置、14…触針、15…検出器、16…スケール、17…データ処理装置、18…コンピュータ、19…ディスプレイ、20…回転支点、21…アーム、30、32…ボールゲージ、34…段差ゲージ、36…キーボード、38…マウス、40…校正計算部、44、46、48…評価関数計算部、50、52、54…記憶部、56…仮校正部、58…計算部、60、62、64、66…データ処理部、W…ワーク
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記支点からの前記触針の先端のZ方向距離である触針高さの設計値、前記支点からの前記触針の先端のX方向距離であるアーム長さの設計値及び前記触針の先端半径の設計値を入力し、
半径寸法が既知の第1のボールゲージに対し、測定範囲を高さ方向に複数段階に分割して、前記第1のボールゲージを触針でトレースし、高さ方向に測定範囲の異なる前記第1のボールゲージの複数の測定データを求め、
互いに平行で段差寸法が既知の2面を有する段差ゲージの、前記2面をX方向に平行に置き、前記触針で前記2面をトレースして段差測定データを求め、
前記第1のボールゲージと比較して小径で、かつ半径寸法が既知の第2のボールゲージを触針でトレースし、前記第2のボールゲージの測定データを求めるとともに、前記第2のボールゲージの測定データに基づき触針の先端半径値を仮校正し、
前記第1のボールゲージの複数の測定データ、前記段差ゲージの測定データ、及び前記仮校正された触針の先端半径値に基づき、予め定義した評価関数を計算し、算出された値が収束するまで最適化計算を行うことにより、前記触針高さ、及び前記アーム長さを同時に校正することを特徴とする測定機の校正方法。 When a detector provided so as to be movable in the X direction and a stylus supported on a fulcrum provided in the detector so as to be swingable in the XZ plane are traced on the surface of the workpiece with the stylus In the measuring machine for determining the surface roughness and contour shape of the workpiece based on the amount of movement in the X direction of the detector and the amount of change in the Z direction of the stylus,
The design value of the stylus height that is the Z-direction distance of the tip of the stylus from the fulcrum, the design value of the arm length that is the X-direction distance of the tip of the stylus from the fulcrum, and the tip of the stylus Enter the radius design value,
The measurement range is divided into a plurality of stages in the height direction with respect to the first ball gauge having a known radial dimension, the first ball gauge is traced with a stylus, and the measurement ranges having different measurement ranges in the height direction are measured. Obtain multiple measurement data for one ball gauge,
A step gauge having two surfaces that are parallel to each other and have known step dimensions, the two surfaces are placed parallel to the X direction, and the two surfaces are traced with the stylus to obtain step measurement data,
A second ball gauge having a smaller diameter than that of the first ball gauge and a known radial dimension is traced with a stylus to obtain measurement data of the second ball gauge, and the second ball gauge Tentatively calibrate the tip radius value of the stylus based on the measurement data of
Based on the plurality of measurement data of the first ball gauge, the measurement data of the step gauge, and the tip radius value of the provisionally calibrated stylus, a predefined evaluation function is calculated, and the calculated value converges A calibration method for a measuring machine, wherein the stylus height and the arm length are simultaneously calibrated by performing optimization calculation up to.
半径寸法が既知の第1のボールゲージ、及び前記第1のボールゲージと比較して小径で、かつ半径寸法が既知の第2のボールゲージと、
互いに平行で段差寸法が既知の2面を有する段差ゲージと、
前記支点からの前記触針の先端のZ方向距離である触針高さの設計値、前記支点からの前記触針の先端のX方向距離であるアーム長さの設計値及び前記触針の先端半径の設計値を入力する設計値入力部と、
前記第1のボールゲージに対し、測定範囲を高さ方向に複数段階に分割して、前記第1のボールゲージを触針でトレースしたときの、高さ方向に測定範囲の異なる前記第1のボールゲージの複数の測定データを記憶する第1のデータ記憶部と、
前記段差ゲージの前記2面を前記触針でトレースしたときの段差測定データを記憶する第2の記憶部と、
前記第2のボールゲージを触針でトレースしたときの、前記第2のボールゲージの測定データを記憶する第3の記憶部と、
前記第2のボールゲージの測定データに基づき触針の先端半径値を仮校正する仮校正部と、
前記第1のボールゲージの複数の測定データ、前記段差ゲージの段差測定データ、及び前記仮校正された触針の先端半径値に基づき、予め定義した評価関数を計算し、算出された値が収束するまで最適化計算を行うことにより、前記触針高さ、及び前記アーム長さを同時に校正する校正部と、
を備えることを特徴とする測定機の校正装置。 When a detector provided so as to be movable in the X direction and a stylus supported on a fulcrum provided in the detector so as to be able to swing in the XZ plane are traced, and the contour of the workpiece is traced by the stylus In the measuring machine for determining the surface roughness and contour shape of the workpiece based on the amount of movement in the X direction of the detector and the amount of change in the Z direction of the stylus,
A first ball gauge having a known radial dimension, and a second ball gauge having a small diameter compared to the first ball gauge and a known radial dimension;
A step gauge having two surfaces parallel to each other and having known step dimensions;
The design value of the stylus height that is the Z-direction distance of the tip of the stylus from the fulcrum, the design value of the arm length that is the X-direction distance of the tip of the stylus from the fulcrum, and the tip of the stylus A design value input unit for inputting the design value of the radius;
When the measurement range is divided into a plurality of stages in the height direction with respect to the first ball gauge, and the first ball gauge is traced with a stylus, the first measurement range is different in the height direction. A first data storage unit for storing a plurality of measurement data of the ball gauge;
A second storage unit for storing step measurement data when the two surfaces of the step gauge are traced with the stylus;
A third storage unit for storing measurement data of the second ball gauge when the second ball gauge is traced with a stylus;
A temporary calibration unit that temporarily calibrates the tip radius value of the stylus based on the measurement data of the second ball gauge;
Based on the plurality of measurement data of the first ball gauge, the step measurement data of the step gauge, and the tip radius value of the provisionally calibrated stylus, a predefined evaluation function is calculated, and the calculated value converges A calibration unit that simultaneously calibrates the stylus height and the arm length by performing optimization calculation until
A calibration device for a measuring machine, comprising:
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