JP3841273B2 - Scanning probe calibration apparatus, calibration program, and calibration method - Google Patents

Scanning probe calibration apparatus, calibration program, and calibration method Download PDF

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Description

【0001】
本発明は、倣いプローブの校正装置および校正プログラムおよび校正方法に関し、特に被測定物の寸法、形状、うねり、粗さなどの表面性状を測定する倣いプローブの各種誤差を校正する校正装置および校正プログラム校正方法に関する。
【0002】
【背景技術】
被測定物の三次元形状を測定する三次元測定機、二次元の輪郭形状を測定する輪郭形状測定機や画像測定機、真円度を測定する真円度測定機、更に被測定物表面のうねりや粗さ等を測定する表面粗さ測定機などの、被測定物表面の輪郭形状、粗さ、うねりなどを測定する表面性状測定機が知られている。これらは接触式あるいは非接触式のセンサーと被測定物を相対的に移動させる案内機構を1軸乃至複数軸備えているものが多い。
【0003】
これらの案内機構はガイドと送りねじとこの送りねじに螺合されたナットを備え、このナットに結合されたスライダを移動させ、そのスライダの移動をリニヤスケールなどで測定する構成のものが多い。また、必ずしも送りねじを備えず、ガイドとスライダから構成され、手動で移動させられるスライダの変位量をリニヤスケールなどで読み取るものもある。通常はスライダにプローブやCCDカメラなどのセンサーが1種類あるいは複数種類取り付けられている。
これらの用途に用いられるプローブには、タッチ信号プローブと倣いプローブがある。
【0004】
図14はこのようなタッチ信号プローブあるいは倣いプローブを三次元測定機のスピンドル117の先端に取り付けて用いる場合の例を示している。
この三次元測定機100は次のように構成されている。
除振台111の上には、定盤112がその上面をベース面として水平面と一致するように載置され、この定盤112の両側端から立設されたビーム支持体113a,113bの上端でX軸方向に延びるビーム114を支持している。ビーム支持体113aは、その下端がY軸駆動機構115によってY軸方向に駆動される。また、ビーム支持体113bは、その下端がエアーベアリングによって定盤112にY軸方向に移動可能に支持されている。ビーム支持体113a、113bの移動現在位置は図示しないY軸スケールによって検出される。
【0005】
ビーム114は、垂直方向(Z軸方向)に延びるコラム116を支持する。コラム116は、ビーム114に沿ってX軸方向に駆動される。コラム116の移動現在位置は図示しないX軸スケールによって検出される。コラム116には、スピンドル117がコラム116に沿ってZ軸方向に駆動されるように設けられている。スピンドル117の移動現在位置は図示しないZ軸スケールによって検出される。
スピンドル117の下端には、接触式の測定子119を備えたプローブ118が装着されている。このプローブ118が、定盤112上に載置された被測定物を測定する。X軸スケール、Y軸スケール、Z軸スケールには例えば光学式のリニヤスケールなどが使用される。
【0006】
タッチ信号プローブは、測定子が被測定物に接触した瞬間のリニヤスケールの値を読み取って被測定物の測定位置を求める。このようなタッチ信号プローブの例としては、特開平10-73429が知られている。これは先端に球状の接触子を備えた測定子を着座機構によって常に定位置に復帰可能とした構造で、接触子が被測定物に接触すると測定子が変位して着座機構から離脱すると同時に電気接点を開放してタッチ信号を出力する。
このタッチ信号プローブは、基本的には被測定物の1点の座標位置を求めるもので、被測定物の複数箇所を測定するためには、その都度の測定動作が必要となるので、例えば被測定物の輪郭データを密に求める場合には、多くの位置決め、測定動作を行う必要があって、全体の測定時間が長くなり、その結果、温度変化などの環境変動の影響を受けることになって、高精度測定には必ずしも適していない。
【0007】
これに対して、倣いプローブは、被測定物の位置を連続的に測定することが可能なので、被測定物の複数箇所を測定して輪郭データを密に高速に求めることが容易に出来るので、環境変動の影響を受け難く、全体として高精度測定ができる可能性がある。
このような倣いプローブとしては、特開平5-256640に示されたプローブがある(図15参照)。このプローブは、基台に対してそれぞれ直交方向に移動自在なX軸スライダとY軸スライダとZ軸スライダを介して触針が支持されており、この基台及び3つのスライダの間の摺動部には加圧空気が送出され空気軸受けを構成することにより極めて摩擦が少ない案内機構が構成されている。また、この基台とZ軸スライダ、Z軸スライダとY軸スライダと、Y軸スライダとX軸スライダとの各々の相対変位を検出するZ軸センサ、Y軸センサ、X軸センサの3つのセンサが設けられており、これら3つのセンサによって触針の三次元的な変位量を求めることができるようになっている。
【0008】
これらのセンサは例えばアブソリュート光学式直線スケールが用いられる。従って、この倣いプローブの触針(測定子)を被測定物の表面に接触させたまま、被測定物に対して倣いプローブを、被測定物の表面方向に相対移動させれば、触針は被測定物の表面の輪郭形状に沿って変位するので、被測定物の輪郭形状データを連続的に収集することが出来る。この場合、輪郭形状データは、倣いプローブから出力される3つのセンサの出力と、三次元測定機の駆動機構の変位を測定するリニヤスケールの値を合成して求める。
なお、触針が被測定物に接触していない場合の倣いプローブのX軸スライダ、Y軸スライダ、Z軸スライダの通常停止位置(復帰位置)は、各々のアブソリュートセンサの原点位置とされる。
このように、倣いプローブには高速でデータ収集が可能という特徴を備えているが、反面、タッチ信号プローブに比べて案内機構やセンサなどを内蔵していることから構造が複雑となり、十分な測定精度を確保するのが難しいという問題点がある。
【0009】
これらの案内機構には加工上の誤差や環境変動によって生じる変形その他による誤差の発生が避けられず、その結果Z軸スライダ、Y軸スライダ、X軸スライダは正しく移動することができなくなり、このスライダの変位を測定するZ軸センサ、Y軸センサ、X軸センサで測定された触針の変位を示すデータには誤差が含まれることになる。
例えば図16(A)のX軸案内機構の模式図を例にして示すと、X軸スライダがX軸方向に変位するとき、X軸スライダがX軸の回りに回転するローリング、X軸スライダがY軸の回りに回転するピッチング、X軸スライダがZ軸の回りに回転するヨーイングが発生する。
また、これらの回転運動に起因する誤差の他に、X軸案内機構の運動の直線性に起因する真直度誤差がある。これには、X軸スライダがX軸方向に変位するとき、Y軸方向に変位するY軸真直度誤差と、Z軸方向に変位するZ軸真直度誤差がある。
【0010】
さらに、X軸センサ自体にも、変位量に対する指示値の誤差(指示誤差)が測定全領域に渡って存在する。すなわち、1軸あたり6種類の誤差が考えられるが、これらの誤差の他に直交性に起因する直交誤差があり、三次元倣いプローブの場合には、X軸とY軸、Y軸とZ軸、Z軸とX軸の3種類の直交誤差があるので、少なくとも21種類の幾何学的な誤差が発生する可能性がある。
すなわち、回転運動に起因する誤差は、X軸回りの回転をA、Y軸回りの回転をB、Z軸回りの回転をCとすると、A(x)=X軸ロール誤差、A(y)=Y軸ピッチ誤差、A(z)=Z軸ピッチ誤差、B(x)=X軸ピッチ誤差、B(y)=Y軸ロール誤差、B(z)=Z軸ヨウ誤差、C(x)=X軸ヨウ誤差、C(y)=Y軸ヨウ誤差、C(z)=Z軸ロール誤差となる。
真直度誤差は、X(y)=X軸方向のY軸真直度誤差、X(z)=X軸方向のZ軸真直度誤差、Y(x)=Y軸方向のX軸真直度誤差、Y(z)=Y軸方向のZ軸真直度誤差、Z(x)=Z軸方向のX軸真直度誤差、Z(y)=Z軸方向のY軸真直度誤差となる。
【0011】
指示誤差としては、X(x)=X軸指示誤差、Y(y)=Y軸指示誤差、Z(z)=Z軸指示誤差となる。
直交誤差は、Pyx=Y軸X軸間直交誤差、Pzx=Z軸X軸間直交誤差、Pzy=Z軸Y軸間直交誤差となる。
これらの誤差は、案内機構を介して支持されている測定子の姿勢を変動させて、測定子の正確な位置の決定を困難にし、その結果、測定精度を劣化させることになる。
倣いプローブの場合は、同一の案内機構であっても測定子の長さによって、測定子の姿勢の変動量が変わるので、同一の倣いプローブであっても長さの異なる測定子に交換した場合は、測定誤差が変化する。一般的には、長い測定子を用いた場合の方が測定誤差が大きくなる傾向がある。
【0012】
図16(B)はX軸回りの回転A(X軸ローリング)が測定子232の接触球233に与える位置誤差の様子を模式的に示したもので、Y軸方向にdY、Z軸方向にdZの誤差が生じることがわかる。
更に倣いプローブの校正において考慮すべきものとして、プローブオフセットがある。これはスピンドルの基準位置から、測定子先端の接触球の中心位置までのオフセットで、Sx(X軸オフセット)、Sy(Y軸オフセット)、Sz(Z軸オフセット)から構成される。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、誤差要因が複雑であることから、これらの倣いプローブの校正を厳密に行おうとすると、作業には多大の労力を要するという問題がある。
一例として倣いプローブの幾何学的な偏差の校正を目的とする測定機器自体は古い歴史を持つにもかかわらず、測定方法の多様性の面では限られたものとなっているのが現状である。すなわち校正にあたって用いられるレーザ干渉測長機や水準器などは、ひとつの幾何学的偏差を単機能的に検出する測定機器が主流となっている。これらの測定機器を用いた測定の不確かさを管理しようとすると、装置の取り扱いや1回1回の測定に先立つ測定機器の設置姿勢の調整(アライメント)は操作に習熟したオペレータにより行われる必要がある。結果として技能作業者が多大な時間を費やして校正を行う必要があり、省力化の望めない高コスト労働集約型の作業工程となっていた。一方、倣いプローブの幾何学的精度は、その測定可能範囲で規格化すると数ppmに到達しており、単に自動化を試みるという視点では不確かさの面で満足する校正方法を実現することは難しいものとなっている。
【0014】
さらに、これらの労働集約的校正作業のコストは製品コストを引き上げるという問題点がある。
また、これらの校正機器を使いこなせる極度に高度な技能を有する校正作業者の確保は更に難しいという問題点がある。
さらに、倣いプローブの製造工程における校正は、事前に校正された履歴が無い倣いプローブが対象となるので、倣いプローブの測定可能領域をくまなくかつ、必要十分に細かい間隔で網羅する測定点を配置する必要があり、全数・全機能検査に相当する校正が必要となる。また、校正結果を使用して倣いプローブの幾何学的偏差(あるいは測定誤差)の補正を行う場合、精度補正に利用することが可能な運動学的に記述された幾何学的偏差として校正値を出力する校正方法を採用する必要がある。こうした特質のため、熟練作業者への依存度は非常に高く、また省力化への障害も大きかった。
【0015】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、倣いプローブの校正の自動化が可能な校正装置を提供することを目的とする。
さらに、倣いプローブの校正プログラムおよび校正方法を提供することを目的とする。
【0016】
本発明は、前記目的を達成するために、測定子の被測定物への接触に伴う少なくとも2軸方向の変位量を検出して被測定物の表面性状を測定する倣いプローブを校正する校正装置において、前記校正装置は、定盤と、この定盤上に立設され前記倣いプローブを着脱自在に固定するプローブ支持体と、スピンドルと、このスピンドルの変位位置を検出するスケールと、前記測定子と前記スピンドルとを結合する連結体とを備え、前記スピンドルが移動して前記測定子を測定範囲の全域に渡って変位させた際の前記変位位置と前記変位量とに基づいて前記倣いプローブを校正することを特徴とする。
さらに、本発明は、測定子の被測定物への接触に伴う少なくとも2軸方向の変位量を検出して被測定物の表面性状を測定する倣いプローブを校正する校正装置において、 前記校正装置は、定盤と、この定盤上に立設された基準体と、前記倣いプローブを着脱自在に固定するスピンドルと、このスピンドルの変位位置を検出するスケールと、前記測定子と前記基準体を結合する連結体とを備え、前記スピンドルが移動して前記測定子を測定範囲の全域に渡って変位させた際の前記変位位置と前記変位量とに基づいて前記倣いプローブを校正することを特徴とする。
【0017】
また、本発明において、前記連結体は前記測定子又は前記スピンドルのいずれか一方に接続される第1連結部材と、前記測定子又は前記スピンドルのいずれか他方に接続される第2連結部材を備え、前記第1連結部材と前記第2連結部材は回転方向にのみ自由度を有するように連結されていることが好ましい。
また、前記第1連結部材と前記第2連結部材はワイヤーによって相互に牽引されていることが好ましい。
また、前記第1連結部材と前記第2連結部材は球面軸受けによって相互に連結されていることが好ましい。
【0018】
さらに、本発明は、少なくとも2軸方向の変位量を検出して非接触で被測定物の表面性状を測定する倣いプローブを校正する校正装置において、前記校正装置は、定盤と、この定盤上に立設され前記倣いプローブを着脱自在に固定するプローブ支持体と、前記倣いプローブが測定対象とする測定目標を設けた連結体を固定するスピンドルと、このスピンドルの変位位置を検出するスケールとを備え、前記倣いプローブで前記測定目標を測定しながら前記スピンドルを移動して前記測定目標を測定範囲の全域に渡って変位させた際の前記変位位置と前記変位量とに基づいて前記倣いプローブを校正することを特徴とする。
さらに、本発明は、少なくとも2軸方向の変位量を検出して非接触で被測定物の表面性状を測定する倣いプローブを校正する校正装置において、前記校正装置は、定盤と、この定盤上に立設され前記倣いプローブが測定対象とする測定目標を設けた連結体を固定する基準体と、前記倣いプローブを着脱自在に固定するスピンドルと、このスピンドルの変位位置を検出するスケールとを備え、前記倣いプローブで前記測定目標を測定しながら前記スピンドルを移動して前記倣いプローブを測定範囲の全域に渡って変位させた際の前記変位位置と前記変位量とに基づいて前記倣いプローブを校正することを特徴とする。
【0019】
さらに、本発明は、前記記載のいずれかの校正装置を用い、この校正装置を構成する計算機に実行させて、前記倣いプローブの校正を行うための倣いプローブの校正プログラムにおいて、前記計算機へ前記倣いプローブの少なくとも各軸測定範囲を含む校正条件を入力する準備ステップと、前記各軸測定範囲において、真直測定を行ない、前記倣いプローブによる各軸の変位量に基づいて誤差を収集する誤差収集ステップと、前記誤差収集ステップにおいて収集した誤差から、指示誤差と真直度誤差と回転誤差とを算出する誤差算出ステップと、前記各軸測定範囲において、2点間の距離が既知の2組の計4点のそれぞれの点における前記倣いプローブの変位量に基づいて直交データを収集する直交データ収集ステップと、前記直交データ収集ステップにおいて収集した直交データから、直交誤差を算出する直交誤差算出ステップと、を計算機に実行させることを特徴とする。
また、本発明は、前記誤差算出ステップにおいて、算出した指示誤差から、前記直交誤差を分離することが好ましい。
また、前記誤差収集ステップにおける誤差の収集は、前記各軸測定範囲において、所定の間隔で網羅することが好ましい。
【0020】
また、本発明は、前記誤差算出ステップにおける前記指示誤差と真直度誤差と回転誤差との算出には最小自乗法を用いることが好ましい。
さらに、本発明は、前記記載のいずれかの校正装置を用いて、前記倣いプローブの校正を行うための倣いプローブの校正方法において、前記校正装置へ前記倣いプローブの少なくとも各軸測定範囲を含む校正条件を入力する準備ステップと、前記各軸測定範囲において、2点間の距離が既知の2組の計4点のそれぞれの点における倣いプローブの変位量に基づいて直交データを収集する直交データ収集ステップと、前記直交データ収集ステップにおいて収集した直交データから、直交誤差を算出する直交誤差算出ステップと、前記各軸測定範囲において、真直測定を行ない、前記倣いプローブによる各軸の変位量に基づいて誤差を収集する誤差収集ステップと、前記誤差収集ステップにおいて収集した誤差から、指示誤差と真直度誤差と回転誤差とを算出し、更にこの指示誤差から前記直交誤差を分離する誤差算出ステップと、を備えたことを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を用いた好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、全図中において同一符号を付したものは同一構成要素を表わしている。
図1は第1実施形態にかかる、倣いプローブの軸センサ、Y軸センサ、X軸センサの指示値を直接に比較測定し得る校正装置200を示し、図2は、この校正装置200の構成を示すブロック図である
校正装置200は、校正測定装置210駆動装置260および計算機270から成り、校正測定装置210は図14に示した三次元測定機と類似の構成で、具体的には以下に示すように構成されている。
【0022】
除振台211の上には、定盤212がその上面をベース面として水平面と一致するように載置され、この定盤212の両側端から立設されたビーム支持体213a,213bの上端でX軸方向に延びるビーム214を支持している。ビーム支持体213aは、その下端Y軸駆動機構242によってY軸方向に駆動され、駆動された現在位置Y軸スケール245によって測定される。また、ビーム支持体213bは、その下端がエアーベアリングによって定盤212にY軸方向に移動可能に支持されている。ビーム214は、垂直方向(Z軸方向)に延びるコラム216を支持する。コラム216は、ビーム214に沿っX軸駆動機構241によってX軸方向に駆動され、駆動された現在位置X軸スケール244によって測定される。コラム216には、スピンドル217がコラム116に沿っZ軸駆動機構243によってZ軸方向に駆動されるように設けられており、駆動された現在位置Z軸スケール246によって測定される。
【0023】
定盤212の上面には、X軸方向のほぼ中央位置にプローブ支持体220が立設されている。
プローブ支持体220の先端には被校正倣いプローブ230の本体231が測定子232を下方に向けて着脱可能に固定されている。
測定子232とスピンドル217は連結体300によって連結され、接続されているので、スピンドル217がX軸、Y軸、Z軸方向に移動して変位すると、その移動に伴って測定子232も同様に倣いプローブ230の本体231に対して変位する。
図2に示すように、倣いプローブ230にはX軸センサ、Y軸センサ、Z軸センサが内蔵されており、測定子232のX軸、Y軸、Z軸方向への変位に従って、その変位量を各々出力する。
【0024】
駆動装置260には、X軸駆動機構241を駆動するX軸駆動回路261、Y軸駆動機構242を駆動するY軸駆動回路262、Z軸駆動機構243を駆動するZ軸駆動回路263、X軸スケール244の出力を計数するX軸カウンタ264、Y軸スケール245の出力を計数するY軸カウンタ265、Z軸スケール246の出力を計数するZ軸カウンタ266、X軸センサ251の出力を計数するX軸Pカウンタ267、Y軸センサ252の出力を計数するY軸Pカウンタ268、Z軸センサ253の出力を計数するZ軸Pカウンタ269が含まれており、各々は計算機270に接続されている。従って、校正測定装置210のX軸、Y軸、Z軸の各軸は計算機270の指令によって任意速度で任意位置に位置決めが可能である。又、計算機270は各カウンタ264〜269の計数値を入力して、スピンドル217のX軸、Y軸、Z軸の各軸の現在位置および倣いプローブ230の測定子232の現在変位を知ることが出来るように構成されている。
【0025】
計算機270は、駆動装置260と情報交換を行うための図示しない接続装置を備えるほかは、公知の計算機と同様で、中央演算装置、記憶装置、入力装置、表示装置、印字装置、出力装置を備えており、記憶装置に格納されたプログラムによって、校正測定装置210の誤差補正、倣いプローブデータの収集、誤差の算出、誤差の表示、誤差の関数化、補正データの出力などの校正装置200の校正処理全般が自動制御あるいは必要に応じてそれぞれの機能を半自動制御あるいは手動制御される。
【0026】
計算機270と駆動装置260との情報交換は通常は有線通信でIEEE488などの伝送制御手順を利用して行われるが、必要に応じて無線通信や光通信などを用いても良い。
連結体300は、図3に示すように、中間連結体320によって校正測定装置210のスピンドル217へ接続されると共に中間連結体330によって倣いプローブ230の測定子232へ接続される。ここで、中間連結体320、330を用いずにスピンドル217と測定子232を連結体300へ直接的に固定する構造にしても良い。
【0027】
図4は他の形態の連結体400を示すもので、この連結体400は第1連結部材410と第2連結部材412とピアノ線413から構成されている。第1連結部材410は中央に凹部を備え、この凹部に向かって支持腕411が張り出している。第2連結部材412は中央がくりぬかれておりトンネル部を形成している。支持腕411は、このトンネル部に挿通されているが、トンネル部内壁には接触していない。第1連結部材410と第2連結部材412はピアノ線413によって連結されているが、その詳細は次の通りである。
【0028】
まず、X軸方向には凹部内壁と第2連結部材412外壁が2本のピアノ線によって締結されている。Y軸方向についても、同様に凹部内壁と第2連結部材412外壁が2本のピアノ線によって締結されている。Z軸方向には、凹部底面と第2連結部材412の下部底面がピアノ線によって締結され、更に第2連結部材412のトンネル部底面と支持腕411の先端下面間がピアノ線によって締結されている。それぞれの合計6本のピアノ線は、たるみが生じないように牽引状態で締結されている。このような締結構造によって、第2連結部材412は第1連結部材410に対してX軸、Y軸、Z軸のいずれの直線方向へも変位不能とされているが、X軸、Y軸、Z軸の各軸方向を回転中心とする回転については、若干の自由度がある。図3の場合と同様に、中間連結体420によって校正測定装置210のスピンドル217へ接続されると共に中間連結体430によって倣いプローブ230の測定子232へ接続される。ここで、中間連結体420、430を用いずにスピンドル217と測定子232を連結体400へ直接的に固定する構造にしても良いし、第1連結部材410を測定子232へ連結し、第2連結部材412をスピンドル217へ連結しても良い。
【0029】
この連結体400は、校正測定装置210のスピンドル217やプローブ230の測定子232にローリング、ピッチング、ヨーイング等の回転運動を生じた場合でも、その回転運動を吸収することが出来るので、このような構造の連結体を用いると、スピンドル217あるいは測定子232の有害な回転運動が他方へ伝達される割合が低減するため、より高精度な校正が可能となる。尚、このような目的のためには、連結体の構造としては、例えば、特開2000-304039に示されるような球面軸受けを用いても良いし、フレキシブルカップリングで構成しても良い。要するに直線方向の変位を規制しつつ、相対回転を許容する構造であれば良い。
【0030】
尚、校正測定装置210の各軸の駆動機構と各軸のスケールは全移動空間において前記の21種類の幾何学的偏差が補正されているので、各軸のスケールから検出されて補正された各軸の現在位置は必要十分な精度を有し、その結果、各軸の駆動機構によって駆動されるスピンドル217の先端部の基準位置は必要十分な精度で真直駆動されるようになっている。
【0031】
校正測定装置210はこのような構成を備えているので、プローブ支持体220の先端に固定された被校正倣いプローブ230の測定子232は、スピンドル217によって被校正倣いプローブ230の可能な全測定空間(測定子232の可動範囲)に渡って自動あるいは手動で正確に変位させることが可能である。さらにその変位位置は、校正測定装置210の各軸のスケール244、245、246で検出されて補正された各軸の現在位置によって正確に検出できるので、全測定空間に渡って被校正倣いプローブ230のX軸センサ251、Y軸センサ252、Z軸センサ253の出力(X軸Pカウンタ267、Y軸Pカウンタ268、Z軸Pカウンタ269の計数値)と比較することが可能となる。つまり、被校正倣いプローブ230の測定子232の全測定空間に渡って、被校正倣いプローブ230の各軸センサの出力値と、その正しい現在位置の比較リストを容易に作成することができる。従って、このような校正装置200を用いれば、被校正倣いプローブ230の校正が容易になり、熟練者でなくとも、校正作業を行うことが可能となる。
【0032】
次に、倣いプローブ230の校正方法を図5によって説明する。
S10によって校正の処理手順を開始する。
まず、被校正倣いプローブ230を校正装置200のプローブ支持体220の先端に固定し、被校正倣いプローブの各軸測定範囲、原点位置、測定分解能、各スライダから測定子232の先端の接触球233の中心位置までの各軸方向(X軸、Y軸、Z軸方向)の長さ、連結体の連結寸法(スピンドル217の基準位置から接触球233の中心位置までの各軸方向X軸、Y軸、Z軸方向の長さなどを入力装置によって計算機270の記憶装置へ入力して格納する(S20)。
次に、X軸について、X軸方向の指示誤差X(x)、X軸方向のY軸真直度誤差X(y)、X軸方向のZ軸真直度誤差X(z)、ピッチング誤差B(x)、ローリング誤差A(x)、ヨーイングX軸誤差C(x)を求める(S30)。
【0033】
例えば、図4に示す連結体400によって、倣いプローブ230の接触球233をスピンドル217によってX軸方向へ変位させた場合の、倣いプローブ230のX軸センサ251、Y軸センサ252、Z軸センサ253の出力(X軸Pカウンタ267、Y軸Pカウンタ268、Z軸Pカウンタ269の計数値)は、次のような変化を示す。
すなわち、X軸センサ251の出力は、校正測定装置210のX軸スケールの244の出力とほぼ、同一の変化を示すが、X軸指示誤差X(x)、X軸ピッチ誤差B(x)、X軸ヨウ誤差C(x)によって誤差を生じる。
また、Y軸センサ252の出力は、X軸方向のY軸真直度誤差X(y)、X軸ロール誤差A(x)、X軸ヨウ誤差C(x)によって誤差を生じる。
さらに、Z軸センサ253の出力は、X軸方向のZ軸真直度誤差X(z)、X軸ロール誤差A(x)、X軸ピッチ誤差B(x)によって誤差を生じる。
【0034】
図6は、倣いプローブ230の接触球233を拘束せずに、X軸スライダ234をX軸方向に変位させた場合に生じるX軸ローリングの様子をYZ平面で示している。X軸スライダ234のYZ軸方向基準点は、図6でX軸スライダ234の左上コーナとなっている。このX軸スライダ234のYZ軸方向基準点に対して、測定子232は、Y軸方向とZ軸方向にオフセットされた位置(図6ではX軸スライダ234の右下)に取り付けられており、一定の長さを有する。X軸スライダ234は、X軸方向移動に対して、Y軸方向とZ軸方向の真直誤差を発生し、さらにX軸スライダ234のローリングによって、変位途中において、例えば図6の破線で示す姿勢をとる。つまり、この時に生じるY軸方向誤差dyとZ軸方向誤差dzは、
dy=X軸方向のY軸真直度誤差X(y)+ローリングY軸誤差 …(1)
dz=X軸方向のZ軸真直度誤差X(z)+ローリングZ軸誤差 …(2)
となる。
【0035】
このことは逆に、接触球233をX軸方向に正確に真直移動させた場合、Y軸センサ252、Z軸センサ253の出力には、dyとdzの誤差出力を生じることを示している。
図7は、倣いプローブ230の接触球233を拘束せずに、X軸スライダ234をX軸方向に変位させた場合に生じるX軸ピッチングの様子をXZ平面で示している。X軸スライダ234のXZ軸方向基準点は、図7でX軸スライダ234の左上コーナとなっている。このX軸スライダ234のXZ軸方向基準点に対して、測定子232は、X軸方向とZ軸方向にオフセットされた位置(図7ではX軸スライダ234の右下)に取り付けられており、一定の長さを有する。X軸スライダ234は、X軸方向移動に対して、Z軸方向の真直誤差を発生する。また、X軸方向に対して、X軸センサはX軸指示誤差X(x)を有する。さらに、X軸スライダ234のピッチングによって、変位途中において、例えば図7の破線で示す姿勢をとる。
【0036】
つまり、この時に生じるX軸方向誤差dxとZ軸方向誤差dzは、
dx=X軸方向の指示誤差X(x)+ピッチングX軸誤差 …(3)
dz=X軸方向のZ軸真直度誤差X(z)+ピッチングZ軸誤差 …(4)
となる。
このことは逆に、接触球233をX軸方向に正確に真直移動させた場合、X軸センサ251、Z軸センサ253の出力には、dxとdzの誤差出力を生じることを示している。
【0037】
図8は、倣いプローブ230の接触球233を拘束せずに、X軸スライダ234をX軸方向に変位させた場合に生じるX軸ヨーイングの様子をXY平面で示している。X軸スライダ234のXY軸方向基準点は、図8でX軸スライダ234の左上コーナとなっている。このX軸スライダ234のXY軸方向基準点に対して、測定子232は、X軸方向とZ軸方向にオフセットされた位置(図8ではX軸スライダ234の右下)に紙面垂直方向に取り付けられている。X軸スライダ234は、X軸方向移動に対して、Y軸方向の真直誤差を発生する。また、X軸方向に対しては、X軸センサはX軸指示誤差X(x)を有する。さらに、X軸スライダ234のヨーイングによって、変位途中において、例えば図8の破線で示す姿勢をとる。
【0038】
つまり、この時に生じるX軸方向誤差dxとY軸方向誤差dyは、
dx=X軸方向の指示誤差X(x)+ヨーイングX軸誤差 …(5)
dy=X軸方向のY軸真直度誤差X(y)+ヨーイングY軸誤差 …(6)
となる。
このことは逆に、接触球233をX軸方向に正確に真直移動させた場合、X軸センサ251、Y軸センサ252の出力には、dxとdyの誤差出力を生じることを示している。
【0039】
以上の説明では、ローリングとピッチングとヨーイングによって生じる誤差を個別に説明したが、実際にはこれらの誤差は同時に発生するので、倣いプローブ230のX軸センサ251、Y軸センサ252、Z軸センサ253に含まれる誤差dx、dy、dzには各誤差成分が一緒に含まれている。
すなわち、

Figure 0003841273
となる。
【0040】
そこで、倣いプローブ230のX軸測定範囲の全域に渡って、この誤差dx、dy、dzを収集する。ここで、例えばピッチングの角度が決まれば、ピッチングX軸誤差とピッチングZ軸誤差が一義的に決まることは言うまでもない。従って、変数としては、X軸方向の指示誤差X(x)、X軸方向のY軸真直度誤差X(y)、X軸方向のZ軸真直度誤差X(z)、ピッチング角度、ローリング角度、ヨーイング角度の6つがあるが、式が3つしかないので、このままでは解を求めることはできない。この解法としては、例えば線形多重回帰問題として、QR分解等を利用した最小自乗法を用いる。
Y軸変位、Z軸変位に対する誤差についても同様に求めて、各誤差要素を求める(S40、S50)。
【0041】
次に、各軸の直交誤差を求める(S60)。
図9は倣いプローブ230のセンサのPX軸とPY軸の直交誤差を求める方法を模式的に示したものである。ここで、図中のX、Yは校正測定装置210のX軸スケール244とY軸スケール245の軸方向を示し、両者間の直交誤差は許容範囲内に補正されている。PX、PYは倣いプローブ230のX軸センサとY軸センサの軸方向を示しており、それぞれ、XとYに対してθx、θyの角度誤差を持っている。
まず、校正測定装置210を駆動して接触球233をP1点へ位置決めし、その時のX軸センサとY軸センサの出力を記憶する。次に接触球233をP2点へ位置決めし、その時のX軸センサとY軸センサの出力を記憶する。ここで、P1点からP2点までの長さは、正確にLとなるようにP1点とP2点を選定する。この時、PX軸上でのP1点からP2点までの計数値をA、PY軸上でのP1点からP2点までの計数値をBとする。
【0042】
次に、校正測定装置210を駆動して接触球233をP3点へ位置決めし、その時のX軸センサとY軸センサの出力を記憶する。次に接触球233をP4点へ位置決めし、その時のX軸センサとY軸センサの出力を記憶する。ここで、P3点からP4点までの長さは、正確にLとなるようにP3点とP4点を選定する。この時、PX軸上でのP3点からP4点までの計数値をC、PY軸上でのP3点からP4点までの計数値をDとする。
この結果から、次の式を解いてθxとθyを得る。
=A・cosθx+B・cosθy …(10)
=C・cosθx+D・cosθy …(11)
これによって、X軸センサとY軸センサの直交誤差を求めることが出来るが、同様にしてY軸センサとZ軸センサの直交誤差およびX軸センサとZ軸センサの直交誤差を求める。
【0043】
なお、前記指示誤差の算出時には、この直交誤差の影響を加味しておらず、図5のS30、S40、S50で求めた各軸の指示誤差には、この直交誤差成分が含まれている。そのため、指示誤差から直交誤差を分離しておく。より具体的には、補正前指示誤差成分から、前記直交誤差成分(例えばX軸の場合は、角度θxによる一次相関成分)を除外して、指示誤差と直交誤差を分離する。
【0044】
以上の測定、計算処理によって各種の誤差データを算出できたので、これらの誤差を容易に補正することができるように、補正データ算出用の関数を求める(S70)。これは、倣いプローブ230の測定範囲全域に渡って誤差データを関数近似することで求めることが出来る。この結果、X軸、Y軸、Z軸用の補正データ算出関数はそれぞれ、Fx(x、y、z)、Fy(x、y、z)、Fz(x、y、z)となる。つまり、一般的には、例えばX軸の補正データは、X軸のみならず、Y軸とZ軸の変位位置の影響を受ける。
【0045】
この関数近似に当たって、必要に応じて指示誤差のみを除外して関数近似を行っても良い。
この場合、指示誤差は指示誤差データ列として、別途処理を行う目的で分離される。
これらの結果(近似された関数データ、指示誤差データ列)は、被校正倣いプローブの補正データとして出力する。すなわち、校正装置の表示装置に表示、印字装置で印字、あるいは出力装置を経由して三次元測定機に直接記憶させて格納したり、あるいはICメモリやフレキシブルディスク等の記憶媒体に記憶させて、倣いプローブを使用する時点で三次元測定機に補正データ(関数データ)を転送する。また、倣いプローブ内に格納した不揮発性メモリなどに記憶して、三次元測定機にプローブを装着した時点で、補正データを倣いプローブから読み出すようにしても良い。このようにすれば、補正データ自体の取り扱いの間違いが生じにくく、倣いプローブのポータビリティが向上して使い勝手がよくなる。
【0046】
次にプローブオフセットを求める(S80)。
一般に倣いプローブは、被測定物の形状に応じた各種の測定子が用いられる。従って、原理的には、倣いプローブに応じた測定プログラム(パートプログラム)が作成される必要がある。同一測定物であってもプローブ毎に専用の測定プログラムを用意するということは実務的には極めて煩雑となる。この煩雑さを解消して、測定プログラムの共用化をはかるために、プローブオフセットの考え方が用いられる。
そのために三次元測定機は通常、基準点を有し、この基準点から倣いプローブの測定子の接触球の中心位置までのオフセット量を「プローブオフセット」として保持しておき、使用されるプローブが決定されると、該当のプローブオフセットが選択されて、この基準点の位置にプローブオフセットが加算されて、接触球の位置が算出される。
【0047】
三次元測定機の基準点は、Z軸スピンドルの下端中心位置に設けられることが多い。三次元測定機は、機械原点の位置とX軸、Y軸、Z軸の各スケールの値から、この基準点位置を知ることが出来るので、前述の通りプローブオフセットを加算すれば、接触球の中心座標を現在位置座標として算出することができ、これによって各軸の駆動制御を行うことが出来る。
プローブオフセットは、例えば図14に示すような三次元測定機100に該当する倣いプローブ118を装着し、三次元測定機のテーブルの一定位置に設置されている基準球120を測定して、その中心座標を求める。このようにして求められた基準球120の中心座標は、プローブオフセット分だけ座標値がシフトするので、このシフト量をプローブオフセットとすれば良い。このプローブオフセットは前述の補正データと同様に保存される。
これらによって補正データの算出を終了する(S90)。
【0048】
次に、これらの補正データ(関数データ)を用いて倣いプローブ230の出力を補正する方法を図10のフローチャートによって説明する。
補正データは、倣いプローブが三次元測定機に装着された段階で、前もって誤差補正を行うデータ処理装置等に前記いずれかの方法によって格納しておき、S100によって補正処理を開始する。
まず、倣いプローブ230のセンサ出力を入力する(S110)。倣いプローブ230から出力されたX軸センサ251、Y軸センサ252、Z軸センサ253の出力は、図2に示したカウンタ(X軸Pカウンタ、Y軸Pカウンタ、Z軸Pカウンタ)に類似のPカウンタによって計数されので、測長センサの値としては、このPカウンタの内容を入力することになる。また、倣いプローブが温度センサを内蔵している場合は、温度センサ出力も入力する。
【0049】
次に、比例誤差補正の要否をチェックする(S120)。
比例誤差補正とは、測長センサの出力に対して比例係数的に補正を行うもので、ここでは温度補正と指示誤差の多点補正を行う。
通常、測長センサ(X軸センサ、Y軸センサ、Z軸センサ)は一定の線膨張係数を有し、温度によってセンサのスケール自体が伸縮する。そこで、前述の温度センサによって、測長センサの温度を測定することによってスケールの伸縮を補正する。
また、指示誤差の多点補正は、倣いプローブの測長センサの指示誤差を近似関数の形で与えて補正を行うのに代えて、複数位置での指示誤差データを基にして補正を行うもので、より高精度な補正が行える。この場合は、図5のS70では、指示誤差の関数化を行わず、指示誤差データ列を生成しておく。指示誤差データ列は倣いプローブの測定範囲の全領域に渡って、一定距離毎の誤差データをデータ列としたものである。
【0050】
これらの比例誤差補正が必要ない場合は、S150へ処理を移行する。
比例誤差補正を行う場合は、まず比例誤差を算出する(S130)。この場合の温度誤差算出は具体的には次のように行う。
倣いプローブの測長センサの線膨張係数をβ、温度センサの出力を摂氏Tc度とする。温度誤差は、通常、標準温度として摂氏20度が用いられることから、この摂氏20度に対する温度の差Tw=Tc−20を求め、これに線膨張係数βを乗算して求める。すなわち、一例として倣いプローブのX軸測長センサの出力をXとした場合、温度誤差Xtは次のように求める。
Xt=X・β・(20−Tc) …(12)
Y軸とZ軸も同様に求める。
【0051】
倣いプローブでは、各軸のスライド機構が近接して配置されているので、通常、温度センサは代表的な1ヶ所のみで測定すれば良いが、必要に応じて各軸毎に温度センサを個別に配置し、各軸毎に異なる温度を用いて温度誤差算出を行っても良い。また、倣いプローブの各軸の測長センサの線膨張係数が異なる場合は、軸毎の固有の線膨張計数を用いて、軸毎に温度誤差を求めても良い。
倣いプローブの測長センサの指示精度の補正のための誤差算出は次のように行う。
【0052】
図11は誤差データ列の様子を示したもので、この例では、X軸の全測長範囲に渡って、X1からX5の5点の誤差データ列から構成されている。それぞれの誤差値は、E1、E2、、、E5となっている。今、X軸センサ出力がXnで、X1を超え、かつX2以下である場合に、その誤差値Enは次のようにして算出する。
En=E1・Xn・(E2−E1)/(X2−X1)…(13)
つまり、多点補正は複数箇所の離散誤差データから、求める位置での誤差値を内挿によって求める。Y軸とZ軸も同様に求める。
なお、指示誤差が指示誤差データ列で与えられず、近似関数データの形で与えられる場合は、以下に述べるS160において指示誤差を関数誤差として算出する。
【0053】
これらの比例誤差を求めた後、比例誤差を補正する(S140)。
すなわち、同様にX軸の場合は、温度誤差Xtと指示誤差Enを測長センサの出力Xに加算して比例誤差補正結果Xcを得る。Y軸とZ軸も同様に求める。
Xc=X+Xt+En …(14)
次に、関数誤差補正要否をチェックする(S150)。
ここで求める関数誤差には、回転誤差、真直度誤差、直交誤差があり、これらの誤差補正が不要な場合はS180へ移行して補正処理を終了する。
【0054】
関数誤差補正が必要な場合は、まず、関数誤差を算出する(S160)。
関数Fx、Fy、Fzは既に図5のS70で与えられているので、これを用いて例えばX軸の関数誤差Xfを次のように求める。Y軸とZ軸も同様に求める。
Xf=Fx(Xc、Yc、Zc) …(15)
その後、X軸の関数誤差補正結果Xpを次のように求めて、倣いプローブのX軸測長センサの補正結果を得る。Y軸とZ軸も同様に求める。
Xp=Xc+Xf …(16)
以上の処理によって補正処理を終了する(S180)。
実際にこの倣いプローブを使用して求める最終座標値は、これらの結果を用いて、さらに以下の計算処理によって算出する。
【0055】
三次元測定機の駆動機構の変位を測定するリニヤスケールの値(Xs、Ys、Zs)は前述の通り、基準点(通常はZ軸スピンドルの下端中心位置)位置を示しているので、これにプローブオフセット(X軸オフセットSx、Y軸オフセットSy、Z軸オフセットSz)を加算し、さらに倣いプローブの測定子の変位位置を加算して、最終的に測定子の接触球の中心座標値Xo、Yo、Zoを求める。
Xo=Xs+Sx+Xp …(17)
Yo=Ys+Sy+Yp …(18)
Zo=Zs+Sz+Zp …(19)
被測定物の測定にあたっては、三次元測定機の各軸の駆動機構によって倣いプローブを移動させ、被測定物の表面をトレースし、順次、接触球の中心座標値を求めることによって、被測定物の寸法や形状等を求めることが出来る。
【0056】
次に図12は、非接触倣いプローブ290を校正するときの校正装置200の構成を示す。
図1と相違する点は、倣いプローブ290が非接触測定を行う点と連結体500がスピンドル217のみに固定される点のみで、その他の構成は図1と同一である。
非接触倣いプローブ290としては、例えば画像光学系を含む焦点検出機能付撮像プローブなどがあり、非接触で測定対象の倣い測定が可能である。この非接触倣いプローブ290の本体291はプローブ支持体220に着脱可能に固定される。
【0057】
連結体500は図13に示すように、スピンドル217にのみ固定され、十字ヘアーラインなどの測定目標530を備えている。非接触倣いプローブ290はこの測定目標530を倣い測定し、測長センサの座標値(X軸センサ、Y軸センサ、Z軸センサの値)を出力する。例えば、非接触倣いプローブ290が焦点検出機能付二次元CCD撮像プローブの場合には、焦点検出結果がZ軸センサの出力となり、二次元CCDで検出された測定目標530の測定位置(十字ヘアーラインの交差位置)がX軸センサ、Y軸センサの出力となる。
【0058】
この場合、図5と同様な校正を行えば画像光学系の収差(真直度誤差、回転誤差)、二次元CCDの個別センサーの配列ピッチの誤差(指示誤差)、二次元CCDの個別センサーの直交誤差(直交誤差)、焦点検出機能の誤差(真直度誤差、回転誤差、指示誤差)などを校正することが出来るので、その結果を用いて、図10の手順によって誤差補正を行うことが出来ることは言うまでもない。
【0059】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での変更が可能である。
たとえば、図1の実施形態では、被校正倣いプローブ230の本体231をプローブ支持体220に着脱自在に固定したが、プローブ支持体220に代えてほぼ同一形状の基準体221を備え、スピンドル217に被校正倣いプローブ230の本体231を着脱自在に固定し、その測定子232と基準体221を連結体300で結合しても良い。要するに被校正倣いプローブの測定子を正確に相対真直運動させることが出来ればいずれでも良い。
【0060】
また、図12の実施形態においては、プローブ支持体220に非接触倣いプローブ290の本体291を着脱可能に固定したが、プローブ支持体に代えてほぼ同一形状の基準体221を備え、スピンドル217に被校正非接触倣いプローブ290の本体291を着脱可能に固定し、連結体500を基準体221に固定して被校正非接触倣いプローブ290で測定目標530を倣い測定するようにしても良い。要するに被校正非接触倣いプローブと連結体500を正確に相対真直運動させることが出来ればいずれでも良い。
さらに、三次元倣いプローブに限って説明したが、輪郭形状測定に用いられる二次元倣いプローブであっても良い。
【0061】
また、倣いプローブに温度センサを備える形態の説明を行ったが、この温度センサは倣いプローブの近傍に設けても良いし、さらに恒温室中に校正装置が設置される場合は、その恒温室温度を用いても良い。あるいは、校正精度面の要求がそれほど厳しくなく、温度センサを設けない倣いプローブの場合は、温度誤差の校正を省略しても良い。
また、実際の校正のための測定は、手動操作によって各軸測定点へ位置決めするほか、プログラムによって校正測定装置が自動位置決めを行って自動測定されるものであっても良い。
【0062】
【発明の効果】
以上述べたように、校正測定装置と被校正倣いプローブの出力座標を比較することによって、被校正倣いプローブの幾何学的偏差を収集し、その誤差を算出して補正データを求めることができるので、倣いプローブの誤差補正が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施形態の校正装置における校正測定装置の構成を示す図である。
【図2】同校正装置の構成を示すブロック図である。
【図3】同校正装置における連結体を示す図である。
【図4】同校正装置における他の連結体を示す図である。
【図5】倣いプローブの校正方法を示すフローチャートである。
【図6】倣いプローブの回転誤差を示す模式図である。
【図7】倣いプローブの回転誤差を示す他の模式図である。
【図8】倣いプローブの回転誤差を示す他の模式図である。
【図9】倣いプローブの直交誤差を求める説明図である。
【図10】倣いプローブの誤差補正方法を示すフローチャートである。
【図11】指示誤差の補正方法を示す説明図である。
【図12】本発明に係る他の実施形態の校正装置における校正測定装置の構成を示す図である。
【図13】同校正装置における連結体を示す図である。
【図14】三次元測定機におけるプローブの使用状態を示す図である。
【図15】倣いプローブの構成例を示す図である。
【図16】倣いプローブの案内機構の回転誤差を示す模式図である。
【符号の説明】
200 校正装置
210 校正測定装置
220 プローブ支持体
230、290 被校正倣いプローブ
260 駆動装置
270 計算機
300、400、500 連結体[0001]
The present invention relates to a scanning probe calibration apparatus, a calibration program, and a calibration method, and more particularly, a calibration apparatus and a calibration program for calibrating various errors of a scanning probe that measures surface properties such as dimensions, shape, waviness, and roughness of an object to be measured. And calibration methods.
[0002]
[Background]
A three-dimensional measuring machine for measuring the three-dimensional shape of the object to be measured, a contour shape measuring machine and an image measuring machine for measuring a two-dimensional contour shape, a roundness measuring machine for measuring roundness, and a surface of the object to be measured. 2. Description of the Related Art A surface texture measuring instrument that measures the contour shape, roughness, undulation, etc. of the surface of an object to be measured, such as a surface roughness measuring instrument that measures swell and roughness, is known. Many of these include a contact type or non-contact type sensor and a guide mechanism that relatively moves the object to be measured.
[0003]
Many of these guide mechanisms include a guide, a feed screw, and a nut screwed to the feed screw, and a slider coupled to the nut is moved, and the movement of the slider is measured with a linear scale or the like. In addition, there are some which are not necessarily provided with a feed screw and are composed of a guide and a slider, and read a displacement amount of the slider which is manually moved by a linear scale or the like. Usually, one or more types of sensors such as probes and CCD cameras are attached to the slider.
Probes used for these applications include a touch signal probe and a scanning probe.
[0004]
FIG. 14 shows an example in which such a touch signal probe or a scanning probe is used by being attached to the tip of the spindle 117 of the coordinate measuring machine.
The coordinate measuring machine 100 is configured as follows.
A surface plate 112 is placed on the vibration isolation table 111 so as to coincide with a horizontal surface with the upper surface as a base surface, and at the upper ends of beam supports 113 a and 113 b erected from both ends of the surface plate 112. A beam 114 extending in the X-axis direction is supported. The lower end of the beam support 113a is driven in the Y-axis direction by the Y-axis drive mechanism 115. The lower end of the beam support 113b is supported on the surface plate 112 by an air bearing so as to be movable in the Y-axis direction. The current movement positions of the beam supports 113a and 113b are detected by a Y-axis scale (not shown).
[0005]
The beam 114 supports a column 116 extending in the vertical direction (Z-axis direction). The column 116 is driven along the beam 114 in the X-axis direction. The current movement position of the column 116 is detected by an X-axis scale (not shown). The column 116 is provided with a spindle 117 so as to be driven along the column 116 in the Z-axis direction. The current movement position of the spindle 117 is detected by a Z-axis scale (not shown).
A probe 118 having a contact-type measuring element 119 is attached to the lower end of the spindle 117. The probe 118 measures an object to be measured placed on the surface plate 112. For example, an optical linear scale is used for the X-axis scale, the Y-axis scale, and the Z-axis scale.
[0006]
The touch signal probe reads the value of the linear scale at the moment when the measuring element contacts the object to be measured, and obtains the measurement position of the object to be measured. JP-A-10-73429 is known as an example of such a touch signal probe. This is a structure in which a probe with a spherical contact at the tip can always be returned to a fixed position by the seating mechanism. When the contact comes into contact with the object to be measured, the probe is displaced and detached from the seating mechanism. The contact is released and a touch signal is output.
This touch signal probe basically obtains the coordinate position of one point of the object to be measured, and in order to measure a plurality of locations of the object to be measured, each measurement operation is required. If the contour data of the measurement object is to be obtained closely, it is necessary to perform many positioning and measurement operations, which increases the overall measurement time, and as a result, is affected by environmental fluctuations such as temperature changes. Therefore, it is not necessarily suitable for high-precision measurement.
[0007]
On the other hand, since the scanning probe can continuously measure the position of the object to be measured, it can easily determine the contour data densely and at high speed by measuring multiple points of the object to be measured. There is a possibility that high-accuracy measurement is possible as a whole because it is not easily affected by environmental changes.
As such a scanning probe, there is a probe disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-256640 (see FIG. 15). In this probe, a stylus is supported via an X-axis slider, a Y-axis slider, and a Z-axis slider that are movable in a direction orthogonal to the base, and sliding between the base and the three sliders. A guide mechanism with very little friction is configured by sending pressurized air to the section to form an air bearing. The three sensors of the base, the Z-axis slider, the Z-axis slider and the Y-axis slider, and the Z-axis sensor, the Y-axis sensor, and the X-axis sensor that detect the relative displacement of each of the Y-axis slider and the X-axis slider. The three-dimensional displacement amount of the stylus can be obtained by these three sensors.
[0008]
For these sensors, for example, an absolute optical linear scale is used. Therefore, if the scanning probe is moved in the direction of the surface of the object to be measured while the stylus (measurement element) of the scanning probe is in contact with the surface of the object to be measured, Since it is displaced along the contour shape of the surface of the object to be measured, the contour shape data of the object to be measured can be continuously collected. In this case, the contour shape data is obtained by combining the outputs of the three sensors output from the scanning probe and the value of the linear scale for measuring the displacement of the driving mechanism of the coordinate measuring machine.
Note that the normal stop position (return position) of the X-axis slider, Y-axis slider, and Z-axis slider of the scanning probe when the stylus is not in contact with the object to be measured is the origin position of each absolute sensor.
In this way, the scanning probe has the feature that data can be collected at high speed, but on the other hand, it has a complicated structure due to the built-in guide mechanism and sensor compared with the touch signal probe, and sufficient measurement is possible. There is a problem that it is difficult to ensure accuracy.
[0009]
These guide mechanisms are inevitably subject to machining errors and deformations caused by environmental fluctuations, and as a result, the Z-axis slider, Y-axis slider, and X-axis slider cannot move correctly. The data indicating the displacement of the stylus measured by the Z-axis sensor, the Y-axis sensor, and the X-axis sensor that measure the displacement includes an error.
For example, taking the schematic diagram of the X-axis guide mechanism in FIG. 16A as an example, when the X-axis slider is displaced in the X-axis direction, the X-axis slider rotates around the X-axis, Pitching that rotates around the Y axis and yawing that the X axis slider rotates around the Z axis occur.
In addition to errors due to these rotational motions, there is a straightness error due to the linearity of the motion of the X-axis guide mechanism. This includes a Y-axis straightness error that is displaced in the Y-axis direction and a Z-axis straightness error that is displaced in the Z-axis direction when the X-axis slider is displaced in the X-axis direction.
[0010]
Further, the X-axis sensor itself has an error in the indicated value with respect to the displacement amount (indicated error) over the entire measurement area. That is, there are six types of errors per axis, but in addition to these errors, there are orthogonal errors due to orthogonality. In the case of a three-dimensional scanning probe, the X axis and the Y axis, the Y axis and the Z axis Since there are three types of orthogonal errors of the Z axis and the X axis, there is a possibility that at least 21 types of geometric errors may occur.
That is, the error caused by the rotational motion is A (x) = X-axis roll error, A (y), where A is the rotation around the X axis, B is the rotation around the Y axis, and C is the rotation around the Z axis. = Y-axis pitch error, A (z) = Z-axis pitch error, B (x) = X-axis pitch error, B (y) = Y-axis roll error, B (z) = Z-axis yaw error, C (x) = X-axis yaw error, C (y) = Y-axis yaw error, and C (z) = Z-axis roll error.
Straightness error is X (y) = Y-axis straightness error in X-axis direction, X (z) = Z-axis straightness error in X-axis direction, Y (x) = X-axis straightness error in Y-axis direction, Y (z) = Z-axis straightness error in the Y-axis direction, Z (x) = X-axis straightness error in the Z-axis direction, and Z (y) = Y-axis straightness error in the Z-axis direction.
[0011]
As the instruction error, X (x) = X-axis instruction error, Y (y) = Y-axis instruction error, and Z (z) = Z-axis instruction error.
The orthogonal error is Pyx = Y axis X axis orthogonal error, Pzx = Z axis X axis orthogonal error, and Pzy = Z axis Y axis orthogonal error.
These errors fluctuate the attitude of the probe supported via the guide mechanism, making it difficult to determine the accurate position of the probe, and as a result, degrade the measurement accuracy.
In the case of a scanning probe, even if the guide mechanism is the same, the amount of change in the orientation of the probe changes depending on the length of the probe. The measurement error changes. In general, the measurement error tends to increase when a long probe is used.
[0012]
FIG. 16B schematically shows the position error that the rotation A (X-axis rolling) around the X-axis gives to the contact sphere 233 of the measuring element 232, dY in the Y-axis direction and Z-axis in the Z-axis direction. It can be seen that an error of dZ occurs.
Further, there is a probe offset to be taken into consideration in calibration of the scanning probe. This is an offset from the reference position of the spindle to the center position of the contact sphere at the tip of the probe, and is composed of Sx (X-axis offset), Sy (Y-axis offset), and Sz (Z-axis offset).
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, since the error factors are complicated, there is a problem that a great deal of labor is required to perform the calibration of these scanning probes strictly.
As an example, the measuring instrument itself for the purpose of calibrating the geometric deviation of the scanning probe has a long history, but it is limited in terms of the variety of measuring methods. . In other words, laser interferometers and levels used for calibration are mainly measuring instruments that detect a single geometric deviation in a single function. If you are trying to manage the uncertainty of measurement using these measuring instruments, the handling of the equipment and the installation orientation (alignment) of the measuring instrument prior to each measurement must be performed by an operator who is familiar with the operation. is there. As a result, it was necessary for the technicians to spend a lot of time performing calibration, which resulted in a high-cost labor-intensive work process that could not be labor-saving. On the other hand, the geometric accuracy of the scanning probe reaches several ppm when normalized within its measurable range, and it is difficult to realize a calibration method that is satisfactory in terms of uncertainty from the viewpoint of simply trying to automate. It has become.
[0014]
In addition, the cost of these labor intensive calibration operations raises the cost of the product.
In addition, there is a problem that it is more difficult to secure a calibration worker having an extremely high level of skill to master these calibration devices.
Furthermore, since the calibration in the manufacturing process of the scanning probe is for scanning probes that do not have a history of calibration in advance, the measurement points that cover the measurable area of the scanning probe are arranged at a sufficiently fine interval. It is necessary to carry out calibration equivalent to the inspection of all and all functions. In addition, when correcting the geometric deviation (or measurement error) of the scanning probe using the calibration result, the calibration value is expressed as a kinematically described geometric deviation that can be used for accuracy correction. It is necessary to adopt the calibration method to output. Because of these characteristics, the dependence on skilled workers was very high, and the obstacles to labor saving were great.
[0015]
The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a calibration apparatus capable of automating calibration of a scanning probe.
It is another object of the present invention to provide a scanning probe calibration program and calibration method.
[0016]
In order to achieve the above object, the present invention provides a calibration apparatus for calibrating a scanning probe for measuring the surface property of a measured object by detecting a displacement amount in at least two axial directions accompanying the contact of the measuring element with the measured object. The calibration device includes a surface plate, a probe support that is erected on the surface plate and detachably fixes the scanning probe, a spindle, a scale that detects a displacement position of the spindle, and the measuring element. And a connecting body that couples the spindle, and the scanning probe is moved based on the displacement position and the displacement amount when the spindle moves and displaces the probe over the entire measurement range. It is characterized by calibration.
Furthermore, the present invention provides a calibration apparatus for calibrating a scanning probe that detects the amount of displacement in at least two axial directions accompanying the contact of the probe with the measurement object and measures the surface property of the measurement object. A surface plate, a reference body standing on the surface plate, a spindle for detachably fixing the scanning probe, a scale for detecting a displacement position of the spindle , the measuring element, and the reference body. A coupling body to be coupled, wherein the scanning probe is calibrated based on the displacement position and the displacement amount when the probe moves to displace the measuring element over the entire measurement range. And
[0017]
Further, in the present invention, wherein the coupling element comprises a first coupling member connected to one of said measuring element or the spindle, and a second coupling member connected to the other of the measuring element or the spindle provided, it is preferable that said first coupling member and the second connecting member are connected so as to have a degree of freedom only in the rotating direction.
Further, said first coupling member and the second connecting member which is preferably driven by each other by a wire.
Further, it is preferably connected to each other by the spherical bearing and the second connection member and the first coupling member.
[0018]
Furthermore, the present invention provides a calibration apparatus for calibrating a scanning probe that detects a surface property of a measurement object in a non-contact manner by detecting a displacement amount in at least two axial directions. The calibration apparatus includes a surface plate and the surface plate. A probe support which is erected on the probe probe and detachably fixes the scanning probe ; a spindle which fixes a coupling body provided with a measurement target to be measured by the scanning probe; and a scale for detecting a displacement position of the spindle ; The scanning probe is moved based on the displacement position and the displacement amount when the spindle is moved while the measurement target is measured by the scanning probe and the measurement target is displaced over the entire measurement range. Is calibrated.
Furthermore, the present invention provides a calibration apparatus for calibrating a scanning probe that detects a surface property of a measurement object in a non-contact manner by detecting a displacement amount in at least two axial directions. The calibration apparatus includes a surface plate and the surface plate. A reference body for fixing a coupling body, which is erected on the scanning probe and has a measurement target to be measured by the scanning probe; a spindle for detachably fixing the scanning probe; and a scale for detecting a displacement position of the spindle. The scanning probe is moved based on the displacement position and the displacement amount when the scanning probe is moved over the entire measurement range by measuring the measurement target with the scanning probe. It is characterized by calibration.
[0019]
Furthermore, the present invention provides a scanning probe calibration program for calibrating the scanning probe, using any of the calibration apparatuses described above, and causing a computer constituting the calibration apparatus to execute the copying apparatus. A preparation step for inputting a calibration condition including at least each axis measurement range of the probe; an error collection step for performing straight measurement in each axis measurement range and collecting an error based on a displacement amount of each axis by the scanning probe; An error calculation step for calculating an indication error, a straightness error, and a rotation error from the errors collected in the error collection step, and two sets of known distances between the two points in each axis measurement range, for a total of four points Orthogonal data collection step for collecting orthogonal data based on the displacement amount of the scanning probe at each of the points, and the orthogonal data collection From the orthogonal data collected in step, a quadrature error calculating step of calculating the quadrature error, characterized in that to execute the computer.
In the present invention, it is preferable that in the error calculation step, the orthogonal error is separated from the calculated instruction error .
Moreover, it is preferable that the error collection in the error collection step is covered at predetermined intervals in each axis measurement range .
[0020]
In the present invention, it is preferable to use a least square method for calculating the indication error, straightness error, and rotation error in the error calculating step.
Furthermore, the present invention provides a scanning probe calibration method for calibrating the scanning probe using any one of the calibration devices described above, wherein the calibration device includes at least each axis measurement range of the scanning probe. Preparatory step for inputting conditions, and orthogonal data collection for collecting the orthogonal data based on the displacement amount of the scanning probe at each of a total of four sets of two known distances between the two points in each axis measurement range Step, an orthogonal error calculating step for calculating an orthogonal error from the orthogonal data collected in the orthogonal data collecting step, straight measurement in each axis measurement range, and based on a displacement amount of each axis by the scanning probe An error collection step for collecting errors, and an indication error, a straightness error, and a rotation from the errors collected in the error collection step. Calculating the difference, further the error calculating step of separating the quadrature error from the indication error, comprising the.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments using the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, what attached | subjected the same code | symbol in all the figures represents the same component.
1 according to the first embodiment, Z-axis sensor of the scanning probe, Y-axis sensor, indicates the calibration device 200 that may directly compare measured indicated value of the X-axis sensor, FIG. 2, the calibration device 200 It is a block diagram which shows a structure .
The calibration device 200 includes a calibration measurement device 210 , a driving device 260, and a computer 270. The calibration measurement device 210 has a configuration similar to that of the three-dimensional measurement device shown in FIG. 14, and is specifically configured as follows. ing.
[0022]
On the vibration isolation table 211, a surface plate 212 is placed so as to coincide with a horizontal surface with the upper surface as a base surface, and at the upper ends of beam supports 213a and 213b erected from both ends of the surface plate 212. A beam 214 extending in the X-axis direction is supported. Beam support 213a has its lower end driven in the Y-axis direction by a Y-axis driving mechanism 242, the driving current position is measured by the Y-axis scale 245. The lower end of the beam support 213b is supported on the surface plate 212 by an air bearing so as to be movable in the Y-axis direction. The beam 214 supports a column 216 extending in the vertical direction (Z-axis direction). Column 216 is driven by X-axis driving mechanism 241 along the beam 214 in the X-axis direction, driving current position is measured by the X-axis scale 244. In the column 216, a spindle 217 is provided along the column 116 so as to be driven in the Z-axis direction by the Z-axis drive mechanism 243, and the driven current position is measured by the Z-axis scale 246.
[0023]
A probe support 220 is erected on the upper surface of the surface plate 212 at a substantially central position in the X-axis direction.
A main body 231 of the calibrated scanning probe 230 is detachably fixed to the tip of the probe support 220 with the measuring element 232 facing downward.
Since the measuring element 232 and the spindle 217 are connected and connected by the connecting body 300, when the spindle 217 moves and is displaced in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, the measuring element 232 is similarly moved along with the movement. The scanning probe 230 is displaced with respect to the main body 231.
As shown in FIG. 2, the scanning probe 230 includes an X-axis sensor, a Y-axis sensor, and a Z-axis sensor, and the displacement amount according to the displacement of the probe 232 in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. Are output respectively.
[0024]
The drive device 260 includes an X-axis drive circuit 261 that drives the X-axis drive mechanism 241, a Y-axis drive circuit 262 that drives the Y-axis drive mechanism 242, a Z-axis drive circuit 263 that drives the Z-axis drive mechanism 243, and an X-axis X-axis counter 264 that counts the output of scale 244, Y-axis counter 265 that counts the output of Y-axis scale 245, Z-axis counter 266 that counts the output of Z-axis scale 246, and X that counts the output of X-axis sensor 251 An axis P counter 267, a Y axis P counter 268 that counts the output of the Y axis sensor 252, and a Z axis P counter 269 that counts the output of the Z axis sensor 253 are included, and each is connected to a computer 270. Therefore, the X axis, Y axis, and Z axis of the calibration measuring apparatus 210 can be positioned at an arbitrary position at an arbitrary speed by a command from the computer 270. Further, the computer 270 inputs the count values of the counters 264 to 269 and knows the current positions of the X axis, Y axis, and Z axis of the spindle 217 and the current displacement of the probe 232 of the scanning probe 230. It is configured to be able to.
[0025]
The computer 270 is similar to a known computer except that it includes a connection device (not shown) for exchanging information with the drive device 260, and includes a central processing unit, a storage device, an input device, a display device, a printing device, and an output device. In accordance with a program stored in the storage device, calibration of the calibration apparatus 200, such as error correction of the calibration measurement apparatus 210, collection of scanning probe data, calculation of error, display of error, functioning of error, output of correction data, etc. The entire process is automatically controlled or each function is semi-automatically controlled or manually controlled as necessary.
[0026]
Information exchange between the computer 270 and the driving device 260 is usually performed by wired communication using a transmission control procedure such as IEEE488, but wireless communication or optical communication may be used as necessary.
As shown in FIG. 3, the connection body 300 is connected to the spindle 217 of the calibration measuring device 210 by the intermediate connection body 320 and is connected to the probe 232 of the scanning probe 230 by the intermediate connection body 330. Here, the spindle 217 and the measuring element 232 may be directly fixed to the connecting body 300 without using the intermediate connecting bodies 320 and 330.
[0027]
FIG. 4 shows another type of connection body 400, which is composed of a first connection member 410, a second connection member 412, and a piano wire 413. The first connecting member 410 has a recess at the center, and a support arm 411 projects toward the recess. The center of the second connecting member 412 is hollowed out to form a tunnel portion. The support arm 411 is inserted through the tunnel portion, but does not contact the inner wall of the tunnel portion. The first connecting member 410 and the second connecting member 412 are connected by a piano wire 413. The details are as follows.
[0028]
First, in the X-axis direction, the inner wall of the recess and the outer wall of the second connecting member 412 are fastened by two piano wires. Similarly, in the Y-axis direction, the inner wall of the recess and the outer wall of the second connecting member 412 are fastened by two piano wires. In the Z-axis direction, the bottom surface of the recess and the lower bottom surface of the second connecting member 412 are fastened by a piano wire, and the bottom surface of the tunnel portion of the second connecting member 412 and the bottom surface of the tip of the support arm 411 are fastened by a piano wire. . Each of the six piano wires in total is fastened in a pulled state so that no slack occurs. With such a fastening structure, the second connecting member 412 is not displaceable in any of the X axis, Y axis, and Z axis linear directions with respect to the first connecting member 410, but the X axis, Y axis, There is a slight degree of freedom with respect to rotation about the axis direction of the Z axis. As in the case of FIG. 3, the intermediate connector 420 is connected to the spindle 217 of the calibration measuring device 210 and the intermediate connector 430 is connected to the probe 232 of the scanning probe 230. Here, the spindle 217 and the measuring element 232 may be directly fixed to the connecting body 400 without using the intermediate connecting bodies 420 and 430, or the first connecting member 410 may be connected to the measuring element 232, The two connecting members 412 may be connected to the spindle 217.
[0029]
Since this coupling body 400 can absorb the rotational motion such as rolling, pitching, yawing and the like on the spindle 217 of the calibration measuring device 210 and the probe 232 of the probe 230, such a rotational motion can be absorbed. When the structure of the connecting body is used, the rate at which the harmful rotational motion of the spindle 217 or the measuring element 232 is transmitted to the other is reduced, so that more accurate calibration is possible. For such a purpose, as the structure of the coupling body, for example, a spherical bearing as disclosed in JP 2000-304039 may be used, or a flexible coupling may be used. In short, any structure that allows relative rotation while restricting displacement in the linear direction may be used.
[0030]
Incidentally, since the 21 types of geometric deviations of the drive mechanism of each axis and the scale of each axis of the calibration measuring apparatus 210 are corrected in the entire moving space, each detected and corrected from the scale of each axis. The current position of the shaft has necessary and sufficient accuracy, and as a result, the reference position of the tip portion of the spindle 217 driven by the driving mechanism of each shaft is driven straight with necessary and sufficient accuracy.
[0031]
Since the calibration measuring apparatus 210 has such a configuration, the measuring element 232 of the calibration probe 230 fixed to the tip of the probe support 220 can be measured by the spindle 217 in all possible measurement spaces of the calibration probe 230. It is possible to accurately or manually displace it over (the movable range of the measuring element 232). Further, the displacement position can be accurately detected by the current position of each axis detected and corrected by the scales 244, 245, and 246 of each axis of the calibration measuring apparatus 210, so that the calibration probe 230 to be calibrated over the entire measurement space. Can be compared with the outputs of the X-axis sensor 251, Y-axis sensor 252, and Z-axis sensor 253 (count values of the X-axis P counter 267, Y-axis P counter 268, and Z-axis P counter 269). That is, it is possible to easily create a comparison list of the output value of each axis sensor of the calibration probe 230 and its correct current position over the entire measurement space of the probe 232 of the calibration probe 230. Therefore, by using such a calibration apparatus 200, calibration of the to-be-calibrated scanning probe 230 is facilitated, and it is possible to perform calibration work even if it is not an expert.
[0032]
Next, a method for calibrating the scanning probe 230 will be described with reference to FIG.
The calibration processing procedure is started in S10.
First, the to-be-calibrated scanning probe 230 is fixed to the tip of the probe support 220 of the calibration apparatus 200, and each axis measurement range, origin position, measurement resolution of the to-be-calibrated scanning probe, and the contact ball 233 at the tip of the probe 232 from each slider. The length in each axial direction (X-axis, Y-axis, Z-axis direction) to the center position of each, the connection dimension of the coupling body (each axial direction from the reference position of the spindle 217 to the center position of the contact ball 233 [ X-axis, Y-axis, and stores the input to the storage device of the computer 270 by the Z-axis direction] length) inputting a device (S20).
Next, for the X axis, the X axis direction instruction error X (x), the X axis direction Y axis straightness error X (y), the X axis direction Z axis straightness error X (z), and the pitching error B ( x), a rolling error A (x), and a yawing X-axis error C (x) are obtained (S30).
[0033]
For example, when the contact ball 233 of the scanning probe 230 is displaced in the X-axis direction by the spindle 217 using the coupling body 400 shown in FIG. 4, the X-axis sensor 251, the Y-axis sensor 252, and the Z-axis sensor 253 of the scanning probe 230 are used. Output (count values of the X-axis P counter 267, the Y-axis P counter 268, and the Z-axis P counter 269) show the following changes.
That is, the output of the X-axis sensor 251 shows almost the same change as the output of the X-axis scale 244 of the calibration measuring apparatus 210, but the X-axis indication error X (x), the X-axis pitch error B (x), An error is caused by the X-axis yaw error C (x).
Further, the output of the Y-axis sensor 252 causes errors due to the Y-axis straightness error X (y) in the X-axis direction, the X-axis roll error A (x), and the X-axis yaw error C (x).
Further, the output of the Z-axis sensor 253 causes errors due to the Z-axis straightness error X (z), the X-axis roll error A (x), and the X-axis pitch error B (x) in the X-axis direction.
[0034]
FIG. 6 shows the state of the X-axis rolling that occurs when the X-axis slider 234 is displaced in the X-axis direction without restraining the contact ball 233 of the scanning probe 230 on the YZ plane. The reference point in the YZ-axis direction of the X-axis slider 234 is the upper left corner of the X-axis slider 234 in FIG. The measuring element 232 is attached to a position offset in the Y-axis direction and the Z-axis direction (the lower right of the X-axis slider 234 in FIG. 6) with respect to the YZ-axis direction reference point of the X-axis slider 234. Have a certain length. The X-axis slider 234 generates a straight error in the Y-axis direction and the Z-axis direction with respect to the movement in the X-axis direction. Further, the X-axis slider 234 has a posture shown by, for example, a broken line in FIG. Take. That is, the Y-axis direction error dy and the Z-axis direction error dz generated at this time are
dy = Y-axis straightness error X (y) in the X-axis direction + rolling Y-axis error (1)
dz = Z-axis straightness error X (z) in the X-axis direction + rolling Z-axis error (2)
It becomes.
[0035]
Conversely, this indicates that when the contact ball 233 is accurately moved straight in the X-axis direction, error outputs of dy and dz are generated in the outputs of the Y-axis sensor 252 and the Z-axis sensor 253.
FIG. 7 shows, on the XZ plane, the state of X-axis pitching that occurs when the X-axis slider 234 is displaced in the X-axis direction without constraining the contact ball 233 of the scanning probe 230. The XZ-axis direction reference point of the X-axis slider 234 is the upper left corner of the X-axis slider 234 in FIG. With respect to the XZ-axis direction reference point of the X-axis slider 234, the measuring element 232 is attached at a position offset in the X-axis direction and the Z-axis direction (lower right of the X-axis slider 234 in FIG. 7). Have a certain length. The X-axis slider 234 generates a straight error in the Z-axis direction with respect to movement in the X-axis direction. Further, the X-axis sensor has an X-axis instruction error X (x) with respect to the X-axis direction. Further, by the pitching of the X-axis slider 234, the posture shown by the broken line in FIG.
[0036]
That is, the X-axis direction error dx and the Z-axis direction error dz generated at this time are
dx = X-axis direction instruction error X (x) + pitching X-axis error (3)
dz = Z-axis straightness error X (z) in the X-axis direction + pitching Z-axis error (4)
It becomes.
Conversely, this indicates that when the contact ball 233 is accurately moved straight in the X-axis direction, error outputs of dx and dz are generated in the outputs of the X-axis sensor 251 and the Z-axis sensor 253.
[0037]
FIG. 8 shows an X-axis yawing that occurs when the X-axis slider 234 is displaced in the X-axis direction without restraining the contact ball 233 of the scanning probe 230 on the XY plane. The XY-axis direction reference point of the X-axis slider 234 is the upper left corner of the X-axis slider 234 in FIG. The measuring element 232 is attached to a position offset in the X-axis direction and the Z-axis direction with respect to the XY-axis reference point of the X-axis slider 234 (in FIG. 8, the lower right of the X-axis slider 234). It has been. The X-axis slider 234 generates a straight error in the Y-axis direction with respect to movement in the X-axis direction. Further, with respect to the X-axis direction, the X-axis sensor has an X-axis instruction error X (x). Further, by the yawing of the X-axis slider 234, the posture shown by the broken line in FIG.
[0038]
That is, the X-axis direction error dx and the Y-axis direction error dy generated at this time are
dx = X-axis direction instruction error X (x) + Yawing X-axis error (5)
dy = Y-axis straightness error X (y) in the X-axis direction + Yawing Y-axis error (6)
It becomes.
Conversely, this indicates that when the contact ball 233 is accurately moved straight in the X-axis direction, error outputs of dx and dy are generated in the outputs of the X-axis sensor 251 and the Y-axis sensor 252.
[0039]
In the above description, errors caused by rolling, pitching, and yawing are individually described. However, since these errors actually occur at the same time, the X-axis sensor 251, the Y-axis sensor 252, and the Z-axis sensor 253 of the scanning probe 230. Each error component is included together in the errors dx, dy, and dz included in.
That is,
Figure 0003841273
It becomes.
[0040]
Therefore, the errors dx, dy, and dz are collected over the entire X-axis measurement range of the scanning probe 230. Here, for example, if the pitching angle is determined, it goes without saying that the pitching X-axis error and the pitching Z-axis error are uniquely determined. Therefore, the variables include the X-axis direction error X (x), the X-axis direction Y-axis straightness error X (y), the X-axis direction Z-axis straightness error X (z), the pitching angle, and the rolling angle. There are six yawing angles, but there are only three equations, so a solution cannot be obtained as it is. As this solution, for example, a least square method using QR decomposition or the like is used as a linear multiple regression problem.
Similarly, the error with respect to the Y-axis displacement and the Z-axis displacement is obtained, and each error element is obtained (S40, S50).
[0041]
Next, the orthogonal error of each axis is obtained (S60).
FIG. 9 schematically shows a method for obtaining the orthogonal error between the PX axis and the PY axis of the sensor of the scanning probe 230. Here, X and Y in the figure indicate the axial directions of the X-axis scale 244 and the Y-axis scale 245 of the calibration measuring apparatus 210, and the orthogonal error between them is corrected within an allowable range. PX and PY indicate the axial directions of the X-axis sensor and the Y-axis sensor of the scanning probe 230, and have angle errors of θx and θy with respect to X and Y, respectively.
First, the calibration measuring device 210 is driven to position the contact ball 233 at the point P1, and the outputs of the X-axis sensor and the Y-axis sensor at that time are stored. Next, the contact ball 233 is positioned at the point P2, and the outputs of the X-axis sensor and the Y-axis sensor at that time are stored. Here, the P1 point and the P2 point are selected so that the length from the P1 point to the P2 point is exactly L. At this time, the count value from the P1 point to the P2 point on the PX axis is A, and the count value from the P1 point to the P2 point on the PY axis is B.
[0042]
Next, the calibration measuring device 210 is driven to position the contact ball 233 to the point P3, and the outputs of the X-axis sensor and the Y-axis sensor at that time are stored. Next, the contact ball 233 is positioned at the point P4, and the outputs of the X-axis sensor and the Y-axis sensor at that time are stored. Here, the points P3 and P4 are selected so that the length from the point P3 to the point P4 is exactly L. At this time, the count value from the P3 point to the P4 point on the PX axis is C, and the count value from the P3 point to the P4 point on the PY axis is D.
From this result, the following equations are solved to obtain θx and θy.
L 2 = A 2 · cos 2 θx + B 2 · cos 2 θy (10)
L 2 = C 2 · cos 2 θx + D 2 · cos 2 θy (11)
Thus, the orthogonal error between the X-axis sensor and the Y-axis sensor can be obtained. Similarly, the orthogonal error between the Y-axis sensor and the Z-axis sensor and the orthogonal error between the X-axis sensor and the Z-axis sensor are obtained.
[0043]
Note that when calculating the instruction error, the influence of the orthogonal error is not taken into consideration, and the instruction error of each axis obtained in S30, S40, and S50 of FIG. 5 includes this orthogonal error component. Therefore, the orthogonal error is separated from the instruction error. More specifically, the orthogonal error component (for example, in the case of the X axis, the primary correlation component based on the angle θx) is excluded from the instruction error component before correction, and the instruction error and the orthogonal error are separated.
[0044]
Since various error data can be calculated by the above measurement and calculation processing, a function for calculating correction data is obtained so that these errors can be easily corrected (S70). This can be obtained by function approximation of error data over the entire measurement range of the scanning probe 230. As a result, the correction data calculation functions for the X axis, the Y axis, and the Z axis are Fx (x, y, z), Fy (x, y, z), and Fz (x, y, z), respectively. That is, in general, for example, X-axis correction data is affected by not only the X-axis but also the displacement positions of the Y-axis and the Z-axis.
[0045]
In performing this function approximation, the function approximation may be performed by excluding only the instruction error as necessary.
In this case, the instruction error is separated as an instruction error data string for the purpose of performing a separate process.
These results (approximate function data, instruction error data string) are output as correction data for the calibrated scanning probe. In other words, display on the display device of the calibration device, printing on the printing device, or directly stored in the coordinate measuring machine via the output device, or stored in a storage medium such as an IC memory or a flexible disk, When the scanning probe is used, correction data (function data) is transferred to the coordinate measuring machine. Further, the correction data may be stored in a non-volatile memory or the like stored in the scanning probe, and the correction data may be read from the scanning probe when the probe is attached to the coordinate measuring machine. In this way, the handling of the correction data itself is unlikely to occur, and the portability of the scanning probe is improved and the usability is improved.
[0046]
Next, a probe offset is obtained (S80).
In general, the scanning probe uses various measuring elements corresponding to the shape of the object to be measured. Therefore, in principle, it is necessary to create a measurement program (part program) corresponding to the scanning probe. Providing a dedicated measurement program for each probe even for the same measurement object is extremely complicated in practice. In order to eliminate this complexity and share the measurement program, the concept of probe offset is used.
For this purpose, the CMM usually has a reference point, and an offset amount from this reference point to the center position of the contact sphere of the tracing probe probe is held as a “probe offset”. When determined, the corresponding probe offset is selected, the probe offset is added to the position of this reference point, and the position of the contact sphere is calculated.
[0047]
In many cases, the reference point of the coordinate measuring machine is provided at the center of the lower end of the Z-axis spindle. The coordinate measuring machine can know the position of this reference point from the position of the machine origin and the values of the scales of the X, Y, and Z axes. If the probe offset is added as described above, the contact sphere The center coordinates can be calculated as the current position coordinates, and thereby the drive control of each axis can be performed.
The probe offset is measured by, for example, mounting a scanning probe 118 corresponding to the coordinate measuring machine 100 as shown in FIG. 14, measuring a reference sphere 120 installed at a fixed position on the table of the coordinate measuring machine, Find the coordinates. Since the coordinate value of the center coordinate of the reference sphere 120 thus determined is shifted by the probe offset, this shift amount may be used as the probe offset. This probe offset is stored in the same manner as the correction data described above.
Thus, the calculation of the correction data is finished (S90).
[0048]
Next, a method for correcting the output of the scanning probe 230 using these correction data (function data) will be described with reference to the flowchart of FIG.
The correction data is stored in a data processing apparatus or the like that performs error correction in advance when the scanning probe is mounted on the coordinate measuring machine, and the correction process is started in S100.
First, the sensor output of the scanning probe 230 is input (S110). The outputs of the X-axis sensor 251, Y-axis sensor 252, and Z-axis sensor 253 output from the scanning probe 230 are similar to the counters (X-axis P counter, Y-axis P counter, and Z-axis P counter) shown in FIG. Since it is counted by the P counter, the content of the P counter is input as the value of the length measuring sensor. If the scanning probe has a built-in temperature sensor, the temperature sensor output is also input.
[0049]
Next, the necessity of proportional error correction is checked (S120).
Proportional error correction is correction in a proportional coefficient with respect to the output of the length measurement sensor. Here, temperature correction and multipoint correction of instruction error are performed.
Usually, length measuring sensors (X-axis sensor, Y-axis sensor, Z-axis sensor) have a constant linear expansion coefficient, and the scale of the sensor itself expands and contracts due to temperature. Therefore, the expansion and contraction of the scale is corrected by measuring the temperature of the length measuring sensor with the above-described temperature sensor.
In addition, the multipoint correction of the indication error is performed based on the indication error data at a plurality of positions, instead of correcting the indication error of the measuring sensor of the scanning probe in the form of an approximate function. Thus, more accurate correction can be performed. In this case, in step S70 of FIG. 5, the instruction error data is not generated and the instruction error data string is generated. The instruction error data string is a data string of error data at fixed distances over the entire measurement range of the scanning probe.
[0050]
If these proportional error corrections are not necessary, the process proceeds to S150.
When performing the proportional error correction, the proportional error is first calculated (S130). The temperature error calculation in this case is specifically performed as follows.
The linear expansion coefficient of the length measuring sensor of the scanning probe is β, and the output of the temperature sensor is Tc degrees. Since the temperature error is normally 20 degrees Celsius as the standard temperature, a temperature difference Tw = Tc−20 with respect to 20 degrees Celsius is obtained, and this is multiplied by the linear expansion coefficient β. That is, as an example, when the output of the X-axis length measurement sensor of the scanning probe is X, the temperature error Xt is obtained as follows.
Xt = X · β · (20−Tc) (12)
The Y axis and Z axis are obtained in the same manner.
[0051]
In the scanning probe, since the slide mechanism of each axis is arranged close to each other, it is usually only necessary to measure the temperature sensor at one representative location, but if necessary, the temperature sensor is individually provided for each axis. The temperature error may be calculated using a different temperature for each axis. When the linear expansion coefficient of the length measuring sensor for each axis of the scanning probe is different, the temperature error may be obtained for each axis by using a specific linear expansion coefficient for each axis.
The error calculation for correcting the indication accuracy of the length measuring sensor of the scanning probe is performed as follows.
[0052]
FIG. 11 shows the state of the error data string. In this example, the error data string is composed of five error data strings X1 to X5 over the entire length measurement range of the X axis. The respective error values are E1, E2,. If the X-axis sensor output is Xn, exceeds X1, and is equal to or less than X2, the error value En is calculated as follows.
En = E1.Xn. (E2-E1) / (X2-X1) (13)
That is, in the multipoint correction, an error value at a position to be obtained is obtained by interpolation from discrete error data at a plurality of locations. The Y axis and Z axis are obtained in the same manner.
When the instruction error is not given in the instruction error data string but in the form of approximate function data, the instruction error is calculated as a function error in S160 described below.
[0053]
After obtaining these proportional errors, the proportional errors are corrected (S140).
That is, similarly, in the case of the X axis, the temperature error Xt and the instruction error En are added to the output X of the length measurement sensor to obtain a proportional error correction result Xc. The Y axis and Z axis are obtained in the same manner.
Xc = X + Xt + En (14)
Next, it is checked whether function error correction is necessary (S150).
The function error obtained here includes a rotation error, a straightness error, and an orthogonal error. If correction of these errors is unnecessary, the process proceeds to S180 and the correction process is terminated.
[0054]
If function error correction is required, first, a function error is calculated (S160).
Since the functions Fx, Fy, and Fz are already given in S70 of FIG. 5, for example, the function error Xf of the X axis is obtained as follows. The Y axis and Z axis are obtained in the same manner.
Xf = Fx (Xc, Yc, Zc) (15)
Thereafter, the X-axis function error correction result Xp is obtained as follows to obtain the correction result of the X-axis measuring sensor of the scanning probe. The Y axis and Z axis are obtained in the same manner.
Xp = Xc + Xf (16)
The correction process is completed by the above process (S180).
The final coordinate value actually obtained using this scanning probe is further calculated by the following calculation process using these results.
[0055]
As described above, the linear scale values (Xs, Ys, Zs) for measuring the displacement of the driving mechanism of the coordinate measuring machine indicate the position of the reference point (usually the lower end center position of the Z-axis spindle). The probe offset (X-axis offset Sx, Y-axis offset Sy, Z-axis offset Sz) is added, and the displacement position of the probe of the scanning probe is added. Finally, the center coordinate value Xo of the contact ball of the probe is obtained. Find Yo and Zo.
Xo = Xs + Sx + Xp (17)
Yo = Ys + Sy + Yp (18)
Zo = Zs + Sz + Zp (19)
In measuring the object to be measured, the scanning probe is moved by the driving mechanism of each axis of the coordinate measuring machine, the surface of the object to be measured is traced, and the center coordinate value of the contact sphere is sequentially obtained, thereby measuring the object to be measured. The size, shape, etc. can be obtained.
[0056]
Next, FIG. 12 shows a configuration of the calibration apparatus 200 when calibrating the non-contact scanning probe 290.
1 is different from FIG. 1 only in that the scanning probe 290 performs non-contact measurement and the connection body 500 is fixed only to the spindle 217, and the other configurations are the same as those in FIG.
As the non-contact scanning probe 290, for example, there is an imaging probe with a focus detection function including an image optical system, and the scanning measurement of a measurement object is possible without contact. The main body 291 of the non-contact scanning probe 290 is detachably fixed to the probe support 220.
[0057]
As shown in FIG. 13, the coupling body 500 is fixed only to the spindle 217 and includes a measurement target 530 such as a cross hairline. The non-contact scanning probe 290 performs scanning measurement on the measurement target 530 and outputs coordinate values of the length measurement sensor (values of the X-axis sensor, Y-axis sensor, and Z-axis sensor). For example, when the non-contact scanning probe 290 is a two-dimensional CCD imaging probe with a focus detection function, the focus detection result is the output of the Z-axis sensor, and the measurement position of the measurement target 530 detected by the two-dimensional CCD (the cross hairline) The intersection position) is the output of the X-axis sensor and Y-axis sensor.
[0058]
In this case, if the same calibration as in FIG. 5 is performed , the aberration (straightness error, rotation error) of the image optical system, the array pitch error (indication error) of the individual sensor of the two-dimensional CCD, the individual sensor of the two-dimensional CCD Since it is possible to calibrate orthogonal errors (orthogonal errors), errors in the focus detection function (straightness error, rotation error, indication error), etc., error correction can be performed using the results according to the procedure of FIG. Needless to say.
[0059]
While the present invention has been described with reference to a preferred embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
For example, in the embodiment of FIG. 1, the main body 231 of the calibration probe 230 to be calibrated is detachably fixed to the probe support 220, but instead of the probe support 220, a reference body 221 having substantially the same shape is provided. The body 231 of the scanning probe 230 to be calibrated may be detachably fixed, and the measuring element 232 and the reference body 221 may be coupled by the coupling body 300. In short, any method is acceptable as long as the probe of the calibration probe to be calibrated can be accurately moved in a relatively straight line.
[0060]
In the embodiment shown in FIG. 12, the main body 291 of the non-contact scanning probe 290 is detachably fixed to the probe support 220. However, a reference body 221 having substantially the same shape is provided instead of the probe support, The main body 291 of the non-contact scanning probe 290 to be calibrated may be detachably fixed, the coupling body 500 may be fixed to the reference body 221 , and the measurement target 530 may be copied and measured by the non-contact scanning probe 290 to be calibrated. In short, any one can be used as long as the non-contact scanning probe to be calibrated and the coupling body 500 can be accurately moved relative to each other.
Furthermore, the description has been given only for the three-dimensional scanning probe, but a two-dimensional scanning probe used for contour shape measurement may be used.
[0061]
Further, the embodiment has been described in which the scanning probe is provided with a temperature sensor. However, this temperature sensor may be provided in the vicinity of the scanning probe. May be used. Alternatively, calibration of the temperature error may be omitted in the case of a scanning probe that is not so strict in terms of calibration accuracy and does not have a temperature sensor.
In addition, the measurement for actual calibration may be one in which the calibration measuring device performs automatic positioning and automatic measurement by a program in addition to positioning to each axis measurement point by manual operation.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, by comparing the output coordinates of the calibration measuring device and the calibration probe to be calibrated, the geometric deviation of the calibration probe to be calibrated can be collected, and the error can be calculated to obtain correction data. The error correction of the scanning probe becomes easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a calibration measuring apparatus in a calibration apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the calibration apparatus.
FIG. 3 is a view showing a coupling body in the calibration apparatus.
FIG. 4 is a view showing another connector in the calibration apparatus.
FIG. 5 is a flowchart showing a scanning probe calibration method;
FIG. 6 is a schematic diagram showing a rotation error of the scanning probe.
FIG. 7 is another schematic diagram showing a rotation error of the scanning probe.
FIG. 8 is another schematic diagram showing a rotation error of the scanning probe.
FIG. 9 is an explanatory diagram for obtaining a quadrature error of a scanning probe.
FIG. 10 is a flowchart showing an error correction method of the scanning probe.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a method for correcting an instruction error.
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a calibration measurement apparatus in a calibration apparatus according to another embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a view showing a coupling body in the calibration apparatus.
FIG. 14 is a diagram illustrating a usage state of a probe in a coordinate measuring machine.
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of a scanning probe.
FIG. 16 is a schematic diagram showing a rotation error of the guide mechanism of the scanning probe.
[Explanation of symbols]
200 Calibration apparatus 210 Calibration measurement apparatus 220 Probe support body 230, 290 Scanning probe to be calibrated 260 Drive apparatus 270 Computer 300, 400, 500 Connected body

Claims (12)

測定子の被測定物への接触に伴う少なくとも2軸方向の変位量を検出して被測定物の表面性状を測定する倣いプローブを校正する校正装置において、
前記校正装置は、定盤と、この定盤上に立設され前記倣いプローブを着脱自在に固定するプローブ支持体と、スピンドルと、このスピンドルの変位位置を検出するスケールと、前記測定子と前記スピンドルとを結合する連結体とを備え、
前記スピンドルが移動して前記測定子を測定範囲の全域に渡って変位させた際の前記変位位置と前記変位量とに基づいて前記倣いプローブを校正することを特徴とする倣いプローブの校正装置。
In a calibration apparatus for calibrating a scanning probe that detects the amount of displacement in at least two axial directions associated with the contact of the probe with the measurement object and measures the surface property of the measurement object
The calibration device includes a surface plate, a probe support that is erected on the surface plate and removably fixes the scanning probe, a spindle, a scale that detects a displacement position of the spindle , the measuring element, and the measuring device. A coupling body for coupling with the spindle ,
An apparatus for calibrating a scanning probe, wherein the scanning probe is calibrated based on the displacement position and the amount of displacement when the probe is displaced over the entire measuring range .
測定子の被測定物への接触に伴う少なくとも2軸方向の変位量を検出して被測定物の表面性状を測定する倣いプローブを校正する校正装置において、
前記校正装置は、定盤と、この定盤上に立設された基準体と、前記倣いプローブを着脱自在に固定するスピンドルと、このスピンドルの変位位置を検出するスケールと、前記測定子と前記基準体を結合する連結体とを備え、
前記スピンドルが移動して前記測定子を測定範囲の全域に渡って変位させた際の前記変位位置と前記変位量とに基づいて前記倣いプローブを校正することを特徴とする倣いプローブの校正装置。
In a calibration apparatus for calibrating a scanning probe that detects the amount of displacement in at least two axial directions associated with the contact of the probe with the measurement object and measures the surface property of the measurement object
The calibration device includes a surface plate, a reference body standing on the surface plate, a spindle for detachably fixing the scanning probe, a scale for detecting a displacement position of the spindle , the measuring element, and the measuring device. and a coupling member for coupling the reference body,
An apparatus for calibrating a scanning probe, wherein the scanning probe is calibrated based on the displacement position and the amount of displacement when the probe is displaced over the entire measuring range .
前記連結体は前記測定子又は前記スピンドルのいずれか一方に接続される第1連結部材と、前記測定子又は前記スピンドルのいずれか他方に接続される第2連結部材を備え、前記第1連結部材と前記第2連結部材は回転方向にのみ自由度を有するように連結されていることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の倣いプローブの校正装置。Wherein the coupling element comprises a second connecting member connected to the first connecting member connected to one of said measuring element or the spindle, to the other of the measuring element or the spindle, the first connection calibration apparatus of the scanning probe according to claim 1 or claim 2 and wherein the member second coupling member, characterized in that it is connected so as to have a degree of freedom only in the rotating direction. 前記第1連結部材と前記第2連結部材はワイヤーによって相互に牽引されていることを特徴とする請求項3に記載の倣いプローブの校正装置。Calibration apparatus of the scanning probe according to claim 3, characterized in that said first coupling member and the second connecting member which is driven by each other by a wire. 前記第1連結部材と前記第2連結部材は球面軸受けによって相互に連結されていることを特徴とする請求項3に記載の倣いプローブの校正装置。Calibration apparatus of the scanning probe according to claim 3 wherein the first coupling member and the second connecting member, characterized in that are interconnected by a spherical bearing. 少なくとも2軸方向の変位量を検出して非接触で被測定物の表面性状を測定する倣いプローブを校正する校正装置において、
前記校正装置は、定盤と、この定盤上に立設され前記倣いプローブを着脱自在に固定するプローブ支持体と、前記倣いプローブが測定対象とする測定目標を設けた連結体を固定するスピンドルと、このスピンドルの変位位置を検出するスケールとを備え、
前記倣いプローブで前記測定目標を測定しながら前記スピンドルを移動して前記測定目標を測定範囲の全域に渡って変位させた際の前記変位位置と前記変位量とに基づいて前記倣いプローブを校正することを特徴とする倣いプローブの校正装置。
In a calibration apparatus that calibrates a scanning probe that detects a surface property of an object to be measured in a non-contact manner by detecting a displacement amount in at least two axial directions ,
The calibration device includes a surface plate, a probe support body which is erected on the surface plate and detachably fixes the scanning probe, and a spindle which fixes a coupling body provided with a measurement target to be measured by the scanning probe. And a scale for detecting the displacement position of the spindle ,
The scanning probe is calibrated based on the displacement position and the displacement amount when the spindle is moved and the measurement target is displaced over the entire measurement range while measuring the measurement target with the scanning probe. A scanning probe calibration apparatus characterized by the above.
少なくとも2軸方向の変位量を検出して非接触で被測定物の表面性状を測定する倣いプローブを校正する校正装置において、
前記校正装置は、定盤と、この定盤上に立設され前記倣いプローブが測定対象とする測定目標を設けた連結体を固定する基準体と、
前記倣いプローブを着脱自在に固定するスピンドルと、このスピンドルの変位位置を検出するスケールとを備え、
前記倣いプローブで前記測定目標を測定しながら前記スピンドルを移動して前記倣いプローブを測定範囲の全域に渡って変位させた際の前記変位位置と前記変位量とに基づいて前記倣いプローブを校正することを特徴とする倣いプローブの校正装置。
In a calibration apparatus that calibrates a scanning probe that detects the amount of displacement in at least two axial directions and measures the surface property of a measurement object in a non-contact manner ,
The calibration device includes a surface plate and a reference body that is fixed on the surface plate and fixes a connection body provided with a measurement target to be measured by the scanning probe.
A spindle for detachably fixing the scanning probe; and a scale for detecting a displacement position of the spindle ,
The scanning probe is calibrated based on the displacement position and the displacement amount when the scanning probe is moved over the entire measurement range while measuring the measurement target with the scanning probe. A scanning probe calibration apparatus characterized by the above.
請求項1から請求項7のいずれかに記載の倣いプローブの校正装置を用い、この校正装置を構成する計算機に実行させて、前記倣いプローブの校正を行うための倣いプローブの校正プログラムにおいて、
前記計算機へ前記倣いプローブの少なくとも各軸測定範囲を含む校正条件を入力する準備ステップと、
前記各軸測定範囲において、真直測定を行ない、前記倣いプローブによる各軸の変位量に基づいて誤差を収集する誤差収集ステップと、
前記誤差収集ステップにおいて収集した誤差から、指示誤差と真直度誤差と回転誤差とを算出する誤差算出ステップと、
前記各軸測定範囲において、2点間の距離が既知の2組の計4点のそれぞれの点における前記倣いプローブの変位量に基づいて直交データを収集する直交データ収集ステップと、
前記直交データ収集ステップにおいて収集した直交データから、直交誤差を算出する直交誤差算出ステップと、
を計算機に実行させることを特徴とする倣いプローブの校正プログラム。
In a scanning probe calibration program for calibrating the scanning probe by using the scanning probe calibration apparatus according to any one of claims 1 to 7 and causing a computer constituting the calibration apparatus to execute the scanning probe calibration program,
A preparation step of inputting calibration conditions including at least each axis measurement range of the scanning probe to the computer ;
In each axis measurement range, an error collecting step of performing a straight measurement and collecting an error based on a displacement amount of each axis by the scanning probe;
An error calculating step for calculating an instruction error, a straightness error, and a rotation error from the errors collected in the error collecting step ;
An orthogonal data collection step for collecting orthogonal data based on the displacement amount of the scanning probe at each of a total of two sets of four points with known distances between the two points in each axis measurement range;
An orthogonal error calculation step for calculating an orthogonal error from the orthogonal data collected in the orthogonal data collection step;
A calibration program for a scanning probe, characterized in that a computer is executed.
前記誤差算出ステップにおいて、算出した指示誤差から、前記直交誤差を分離すること、
を特徴とする請求項8に記載の倣いプローブの校正プログラム。
Separating the orthogonal error from the calculated instruction error in the error calculation step ;
9. The scanning probe calibration program according to claim 8.
前記誤差収集ステップにおける誤差の収集は、前記各軸測定範囲において、所定の間隔で網羅すること、The error collection in the error collection step covers the measurement range of each axis at predetermined intervals.
を特徴とする請求項8に記載の倣いプローブの校正プログラム。  9. The scanning probe calibration program according to claim 8.
前記誤差算出ステップにおける前記指示誤差と真直度誤差と回転誤差との算出には最小自乗法を用いること、A least square method is used to calculate the indication error, straightness error, and rotation error in the error calculation step;
を特徴とする請求項8に記載の倣いプローブの校正プログラム。  9. The scanning probe calibration program according to claim 8.
請求項1から請求項7のいずれかに記載の倣いプローブの校正装置を用いて、前記倣いプローブの校正を行うための倣いプローブの校正方法において、In the scanning probe calibration method for performing calibration of the scanning probe using the scanning probe calibration apparatus according to any one of claims 1 to 7,
前記校正装置へ前記倣いプローブの少なくとも各軸測定範囲を含む校正条件を入力する準備ステップと、  A preparation step of inputting calibration conditions including at least each axis measurement range of the scanning probe to the calibration device;
前記各軸測定範囲において、2点間の距離が既知の2組の計4点のそれぞれの点における倣いプローブの変位量に基づいて直交データを収集する直交データ収集ステップと、  An orthogonal data collection step for collecting orthogonal data based on the displacement amount of the scanning probe at each of a total of two sets of four points with known distances between the two points in each axis measurement range;
前記直交データ収集ステップにおいて収集した直交データから、直交誤差を算出する直交誤差算出ステップと、  An orthogonal error calculation step for calculating an orthogonal error from the orthogonal data collected in the orthogonal data collection step;
前記各軸測定範囲において、真直測定を行ない、前記倣いプローブによる各軸の変位量に基づいて誤差を収集する誤差収集ステップと、  In each axis measurement range, an error collecting step that performs straight measurement and collects an error based on a displacement amount of each axis by the scanning probe;
前記誤差収集ステップにおいて収集した誤差から、指示誤差と真直度誤差と回転誤差とを算出し、更にこの指示誤差から前記直交誤差を分離する誤差算出ステップと、  An error calculation step of calculating an instruction error, a straightness error, and a rotation error from the error collected in the error collection step, and further separating the orthogonal error from the instruction error;
を備えたことを特徴とする倣いプローブの校正方法。  A scanning probe calibration method characterized by comprising:
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