JP5593109B2

JP5593109B2 - CMM calibration method

Info

Publication number: JP5593109B2
Application number: JP2010082342A
Authority: JP
Inventors: 隆行倉田; 恵一吉住
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011214949A

Description

本発明は、三次元測定機の校正方法、すなわち、接触式三次元測定機の座標軸間の直角度誤差及びプローブ誤差の校正方法に関するものである。 The present invention relates to a method for calibrating a coordinate measuring machine, that is, a method for calibrating a squareness error and a probe error between coordinate axes of a contact type coordinate measuring machine.

非球面レンズなどの形状を高精度に測定する事ができる三次元測定機として図１６Ａに示す構成をしたものがある。この種の三次元測定機は、お互いに直交するＸ軸ステージ８１１とＹ軸ステージ８１２及びＺ軸ステージ８０４からなる駆動部と、Ｚ軸ステージ８０４に被測定物８０１の表面８０１ａに追随するプローブ８０２を備えている。そのプローブ８０２に図１６Ｂに示すスタイラス８２０が取り付けられており、スタイラス８２０の先端に、被測定物表面８０１ａに接触する真球度の高い球体８２１が取り付けられている。前記プローブ８０２は、スタイラス８２０が被測定物表面８０１ａに接触した際にスタイラス８２０が図１６Ｂの上方へプローブ８０２内に押し込まれる構造をしており、被測定物表面８０１ａの高さの変化を前記プローブ８０２で検出することができる。前記プローブ８０２の高さの変化の検出量に応じてＺ軸ステージ８０４を移動させる事により、押込み量が一定となるような追従制御が行われる。この追従制御を行っている間に、Ｘ軸ステージ８１１とＹ軸ステージ８１２とを移動させると、プローブ８０２が被測定物表面８０１ａに倣って移動する。このプローブ８０２の位置（Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標）を公知のレーザ測長光学系により測定することで、被測定物表面８０１ａの形状を測定する事ができる。また、プローブ８０２とプローブ先端球８２１とは同様に移動するため、プローブ８０２の位置を測定する事はプローブ先端球８２１の位置を測定している事になる。 As a three-dimensional measuring machine capable of measuring the shape of an aspheric lens or the like with high accuracy, there is one having a configuration shown in FIG. 16A. This type of coordinate measuring machine includes a drive unit including an X-axis stage 811, a Y-axis stage 812, and a Z-axis stage 804 that are orthogonal to each other, and a probe 802 that follows the surface 801 a of the object 801 to be measured 801. It has. A stylus 820 shown in FIG. 16B is attached to the probe 802, and a sphere 821 having a high sphericity that contacts the surface 801a to be measured is attached to the tip of the stylus 820. The probe 802 has a structure in which the stylus 820 is pushed into the probe 802 upward in FIG. 16B when the stylus 820 contacts the object surface 801a, and changes in the height of the object surface 801a are measured. It can be detected with the probe 802. By moving the Z-axis stage 804 in accordance with the detected amount of change in the height of the probe 802, follow-up control is performed so that the amount of pushing becomes constant. If the X-axis stage 811 and the Y-axis stage 812 are moved during this follow-up control, the probe 802 moves following the object surface 801a to be measured. By measuring the position (X coordinate, Y coordinate, Z coordinate) of the probe 802 with a known laser measuring optical system, the shape of the surface 801a to be measured can be measured. Further, since the probe 802 and the probe tip sphere 821 move in the same way, measuring the position of the probe 802 means measuring the position of the probe tip sphere 821.

この種の三次元測定機で形状を測定する場合、前記レーザ測長光学系により構成される測定座標系のＸ、Ｙ、Ｚ軸の直角度が測定精度に影響し、無視できない程度の測定誤差を生じる事が知られている。例えば、真球度の高い球の形状を直角度誤差を含む座標系で測定すると、楕円体状の結果となる。図３Ａに各軸が直交する理想の座標系ＸＹＺと、図３Ｂ〜図３Ｄに、座標軸間の直角度誤差α、β、γを有する座標系Ｘ’Ｙ’Ｚ’を示す。 When measuring a shape with this kind of CMM, the perpendicularity of the X, Y, and Z axes of the measurement coordinate system configured by the laser length measurement optical system affects the measurement accuracy, and the measurement error cannot be ignored. It is known to cause. For example, if the shape of a sphere having a high sphericity is measured in a coordinate system including a squareness error, an ellipsoidal result is obtained. FIG. 3A shows an ideal coordinate system XYZ in which axes are orthogonal to each other, and FIGS. 3B to 3D show a coordinate system X′Y′Z ′ having squareness errors α, β, γ between coordinate axes.

また、測定精度にはプローブ誤差も影響する。接触式プローブ８０２を用いる場合においては、プローブ先端球８２１の半径誤差がプローブ誤差となる。図４を用いてプローブ誤差の影響を説明する。プローブ８０２の位置を測定データＰとする。被測定物８０１の形状を測定するためには、プローブ先端球８２１と被測定物表面８０１ａの接触点Ｐ’を求める必要がある。プローブ先端球８２１の半径Ｒ_２が既知であれば接触点Ｐ’を求める事ができるが、前記半径Ｒ_２が誤差を持つ場合においては、その影響を無視する事ができない場合がある。 In addition, probe error also affects measurement accuracy. When the contact type probe 802 is used, the radius error of the probe tip sphere 821 becomes the probe error. The influence of the probe error will be described with reference to FIG. The position of the probe 802 is taken as measurement data P. In order to measure the shape of the object 801 to be measured, it is necessary to obtain a contact point P ′ between the probe tip sphere 821 and the object surface 801a to be measured. If the radius R ₂ of the probe tip sphere 821 is known, the contact point P ′ can be obtained, but if the radius R ₂ has an error, the influence may not be ignored.

測定データの補正に用いる直角度誤差及びプローブ誤差の校正方法として、互いに相似形状を有する複数の基準測定物を測定し、測定された複数の基準測定物の測定データに基づいて直角度誤差α、β、γを求めるものがある（特許文献１参照）。この方法は、プローブ先端球８２１の半径に設計値を用いることで複数の基準測定物を測定して得られた各測定データを記憶しておき、前記各測定データと各基準測定物の設計形状との差をそれぞれ最小にするような直角度誤差を求めて、前記各々の直角度誤差とプローブ誤差の関係から直角度誤差を求めるものである。 As a calibration method of square error and probe error used for correction of measurement data, a plurality of reference measurement objects having similar shapes are measured, and a square error α based on the measurement data of the plurality of reference measurement objects measured. There exists what calculates | requires (beta) and (gamma) (refer patent document 1). This method stores each measurement data obtained by measuring a plurality of reference measurement objects by using a design value for the radius of the probe tip sphere 821, and stores each measurement data and the design shape of each reference measurement object. The squareness error is calculated so as to minimize the difference between the squareness error and the squareness error from the relationship between the squareness error and the probe error.

前述の技術で校正された直角度誤差α、β、γを用いると、測定データ（ｘ’、ｙ’、ｚ’）に含まれる直角度誤差を下記式（１）により補正する事ができ、補正データ（ｘ、ｙ、ｚ）が算出できる。
（数１）

Using the squareness errors α, β, and γ calibrated by the above-described technique, the squareness error included in the measurement data (x ′, y ′, z ′) can be corrected by the following equation (1). Correction data (x, y, z) can be calculated.
(Equation 1)

特開２００４−４５２３１号公報JP 2004-45231 A

前記特許文献１の方法では、プローブ先端球８２１の半径として設計値を用いる事で直角度誤差を校正する事が可能であるが、互いに相似の形状をした複数の基準測定物を測定する必要がある。また、複数の基準測定物を測定する際に測定誤差が生じる可能性がある。また、プローブ誤差を校正することが考慮されていなかった。 In the method of Patent Document 1, it is possible to calibrate the squareness error by using a design value as the radius of the probe tip sphere 821, but it is necessary to measure a plurality of reference measurement objects having similar shapes. is there. In addition, measurement errors may occur when measuring a plurality of reference measurement objects. Also, calibration of probe errors was not considered.

本発明の目的は、これらの問題点を解決するもので、単一の基準球面を２本の測定経路に沿って測定するだけで直角度誤差α、β、γとプローブ先端球の半径とを校正することができる三次元測定機の校正方法を提供する。 The object of the present invention is to solve these problems, and by measuring a single reference spherical surface along two measurement paths, the squareness errors α, β, γ and the radius of the probe tip sphere can be obtained. Provided is a method for calibrating a CMM capable of being calibrated.

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

本発明の第１態様によれば、被測定物の表面にプローブのスタイラスの先端の球を倣わせて前記表面の形状を測定する接触式三次元測定機の校正方法において、
単一の凸面もしくは凹面の基準球面の異なる断面を水平方向に倣って前記プローブの前記スタイラスの先端の前記球の中心の軌跡を測定データとして測定データ取得部で取得し、
前記測定データと前記基準球面の半径と前記スタイラスの先端の前記球の設計上の半径とを用いて直角度誤差を演算部で校正するとともに、前記測定データの前記直角度誤差を補正したデータを表面に持つ球の半径を前記演算部で算出し、
前記直角度誤差を補正したデータを表面に持つ前記球の半径と前記基準球面の半径との差から前記スタイラスの先端の前記球の半径を前記演算部で校正する事を特徴とする三次元測定機の校正方法を提供する。 According to the first aspect of the present invention, in the calibration method of the contact-type coordinate measuring machine for measuring the shape of the surface by following the sphere of the tip of the stylus of the probe to the surface of the object to be measured,
A cross-section of a single convex surface or concave reference spherical surface is traced in the horizontal direction, and the trajectory of the center of the sphere at the tip of the stylus of the probe is acquired as a measurement data by the measurement data acquisition unit,
Using the measurement data, the radius of the reference spherical surface, and the design radius of the sphere at the tip of the stylus, the squareness error is calibrated by the calculation unit, and the data obtained by correcting the squareness error of the measurement data is corrected. Calculate the radius of the sphere on the surface with the calculation unit,
Dimensional measurement, characterized in that calibrating the radius of the sphere of the difference from the stylus tip and the radius of the reference spherical surface of the sphere with data obtained by correcting the perpendicularity error surface by the arithmetic unit Provide a calibration method for the machine.

本発明の第２態様によれば、さらに、測定時の前記プローブの前記スタイラスの傾きを傾き検出部で検出し、
前記演算部で、前記スタイラスの傾きに応じた前記スタイラスの先端の前記球の変位量を算出して補正し、
前記傾き検出部の出力を前記スタイラスの傾きに換算する係数と、前記傾き検出部に含まれる取付角度誤差とを、前記基準球面に倣って測定されて前記測定データ取得部で取得された前記プローブの位置測定データと前記傾き検出部の出力データとから前記演算部で校正する事を特徴とする第１態様に記載の三次元測定機の校正方法を提供する。 According to the second aspect of the present invention, the inclination detector further detects the inclination of the stylus of the probe at the time of measurement,
In the arithmetic unit, and calculating and correcting the amount of displacement of the ball at the tip of the previous SL stylus according to the tilt of the stylus,
The probe obtained by measuring the coefficient for converting the output of the tilt detection unit into the tilt of the stylus and the mounting angle error included in the tilt detection unit along the reference spherical surface and acquired by the measurement data acquisition unit According to the first aspect of the present invention, there is provided a calibration method for a coordinate measuring machine according to the first aspect, wherein calibration is performed by the calculation unit from the position measurement data and the output data of the tilt detection unit.

本発明によって、単一の基準球面を測定するだけで、測定座標系の直角度誤差とスタイラスの先端の球の半径とを校正することができる。 According to the present invention, the squareness error of the measurement coordinate system and the radius of the sphere at the tip of the stylus can be calibrated only by measuring a single reference spherical surface.

本発明の一実施形態にかかる３次元測定機の構成図The block diagram of the three-dimensional measuring machine concerning one Embodiment of this invention 本発明の第１実施形態における校正処理の流れ図Flowchart of calibration processing in the first embodiment of the present invention 本発明の第１実施形態における校正処理を実施するための校正装置のブロック図1 is a block diagram of a calibration apparatus for performing a calibration process in the first embodiment of the present invention. 本発明の前記第１実施形態における三次元測定機の斜視図The perspective view of the coordinate measuring machine in the said 1st Embodiment of this invention. 本発明の前記第１実施形態における前記三次元測定機のプローブ部分の正面図The front view of the probe part of the CMM in the first embodiment of the present invention 従来の三次元測定機の装置座標軸間の直角度誤差定義の説明図Explanatory drawing of squareness error definition between device coordinate axes of conventional CMM 前記従来の三次元測定機の装置座標軸間の直角度誤差定義の説明図Explanatory drawing of the perpendicularity error definition between the device coordinate axes of the conventional coordinate measuring machine 前記従来の三次元測定機の装置座標軸間の直角度誤差定義の説明図Explanatory drawing of the perpendicularity error definition between the device coordinate axes of the conventional coordinate measuring machine 前記従来の三次元測定機の装置座標軸間の直角度誤差定義の説明図Explanatory drawing of the perpendicularity error definition between the device coordinate axes of the conventional coordinate measuring machine 前記従来の三次元測定機のプローブ先端球の半径と測定データとの関係の説明図Explanatory drawing of the relationship between the radius of the probe tip sphere of the conventional CMM and measurement data 前記第１実施形態における前記三次元測定機の基準球面（凸面）に倣うプローブ先端球中心の軌跡の説明図Explanatory drawing of the locus | trajectory of the probe front-end | tip sphere following the reference spherical surface (convex surface) of the CMM in the first embodiment. 前記第１実施形態における前記三次元測定機の基準球面（凹面）に倣うプローブ先端球中心の軌跡の説明図Explanatory drawing of the locus | trajectory of the probe front-end | tip sphere centering on the reference spherical surface (concave surface) of the said coordinate measuring machine in the said 1st Embodiment. 前記第１実施形態における前記三次元測定機の校正に用いる基準球面に対する測定経路の説明図Explanatory drawing of the measurement path | route with respect to the reference spherical surface used for the calibration of the said coordinate measuring machine in the said 1st Embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の校正に用いる基準球面に対する測定経路の説明図Explanatory drawing of the measurement path | route with respect to the reference spherical surface used for the calibration of the said coordinate measuring machine in the said 1st Embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の校正に用いる基準球面に対する測定経路の説明図Explanatory drawing of the measurement path | route with respect to the reference spherical surface used for the calibration of the said coordinate measuring machine in the said 1st Embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の直角度誤差αの影響の説明図Explanatory drawing of influence of perpendicularity error α of the CMM in the first embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の直角度誤差αの影響の説明図Explanatory drawing of influence of perpendicularity error α of the CMM in the first embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の直角度誤差γの影響の説明図Explanatory drawing of influence of perpendicularity error γ of the CMM in the first embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の直角度誤差γの影響の説明図Explanatory drawing of influence of perpendicularity error γ of the CMM in the first embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の理想球面半径Ｒの影響の説明図Explanatory drawing of the influence of the ideal spherical radius R of the CMM in the first embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の理想球面半径Ｒの影響の説明図Explanatory drawing of the influence of the ideal spherical radius R of the CMM in the first embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の理想球面半径Ｒの影響の説明図Explanatory drawing of the influence of the ideal spherical radius R of the CMM in the first embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の理想球面半径Ｒの影響の説明図Explanatory drawing of the influence of the ideal spherical radius R of the CMM in the first embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の原点誤差Ｘｏの影響の説明図Explanatory drawing of the influence of the origin error Xo of the CMM in the first embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の原点誤差Ｘｏの影響の説明図Explanatory drawing of the influence of the origin error Xo of the CMM in the first embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の原点誤差Ｚｏの影響の説明図Explanatory drawing of the influence of the origin error Zo of the CMM in the first embodiment 前記第１実施形態における前記三次元測定機の原点誤差Ｚｏの影響の説明図Explanatory drawing of the influence of the origin error Zo of the CMM in the first embodiment 本発明の第２実施形態にかかる三次元測定機におけるプローブと傾き検出部の説明図（（ａ）は傾き検出部の平面図、（ｂ）は傾き検出部の全体の構成を示す側面図）Explanatory drawing of the probe and inclination detection part in the coordinate measuring machine concerning 2nd Embodiment of this invention ((a) is a top view of an inclination detection part, (b) is a side view which shows the whole structure of an inclination detection part). 本発明の前記第２実施形態における傾き検出部の取付角度誤差の説明図（（ａ）は傾き検出部の平面図、（ｂ）は傾き検出部の全体の構成を示す側面図）Explanatory drawing of the attachment angle error of the inclination detection part in the said 2nd Embodiment of this invention ((a) is a top view of an inclination detection part, (b) is a side view which shows the whole structure of an inclination detection part) 本発明の前記第２実施形態における傾き検出部の誤差要因の影響の説明図Explanatory drawing of the influence of the error factor of the inclination detection part in the said 2nd Embodiment of this invention. 本発明の前記第２実施形態における傾き検出部の誤差要因の影響の説明図Explanatory drawing of the influence of the error factor of the inclination detection part in the said 2nd Embodiment of this invention. 本発明の前記第２実施形態における校正処理の流れ図Flowchart of calibration processing in the second embodiment of the present invention 従来の三次元測定機の斜視図Perspective view of a conventional CMM 従来の前記三次元測定機のプローブ部分の正面図Front view of the probe portion of the conventional CMM

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる三次元測定機の校正方法は、図１Ａ〜図２Ａに示す構成をした三次元測定機１００Ｇにおいて、形状が既知で真球度の高い基準球面１ａを測定する事で、測定座標系の直角度誤差とプローブ先端球２１の半径とを校正する。 (First embodiment)
The CMM calibration method according to the first embodiment of the present invention measures a reference spherical surface 1a having a known shape and high sphericity in the CMM 100G having the configuration shown in FIGS. 1A to 2A. Thus, the squareness error of the measurement coordinate system and the radius of the probe tip sphere 21 are calibrated.

校正方法について詳細に説明する前に、まず、三次元測定機１００Ｇについて説明する。 Before describing the calibration method in detail, first, the coordinate measuring machine 100G will be described.

図１Ａ及び図２Ａに、本発明の第１実施形態にかかる３次元形状測定方法を実施可能な３次元形状測定機１００Ｇの構成を示す。 1A and 2A show the configuration of a three-dimensional shape measuring machine 100G capable of implementing the three-dimensional shape measuring method according to the first embodiment of the present invention.

前記３次元形状測定機１００Ｇは、非球面レンズなどの形状を高精度に測定する事ができる三次元測定機として構成している。 The three-dimensional shape measuring instrument 100G is configured as a three-dimensional measuring device capable of measuring the shape of an aspheric lens or the like with high accuracy.

この種の三次元形状測定機１００Ｇは、お互いに直交するＸ軸ステージ１１２ＧとＹ軸ステージ１１３ＧとＺ軸ステージ１１４Ｇとで構成する駆動部と、Ｚ軸ステージ１１４Ｇに被測定物５５の表面５５ａに追随する３次元形状測定機用プローブ２とを備えている。そのプローブ２に図２Ｂに示すスタイラス２０が取り付けられており、スタイラス２０の先端に、被測定物表面５５ａに接触する真球度の高い球体２１が取り付けられている。前記プローブ２は、スタイラス２０が被測定物表面５５ａに接触した際にスタイラス２０が図２Ｂの上方へプローブ２内に押し込まれる構造をしており、被測定物表面５５ａの高さの変化を前記プローブ２で検出することができる。前記プローブ２の高さの変化の検出量に応じてＺ軸ステージ１１４Ｇを移動させる事により、押込み量が一定となるような追従制御が行われる。この追従制御を行っている間に、Ｘ軸ステージ１１２ＧとＹ軸ステージ１１３Ｇとを移動させると、プローブ２が被測定物表面５５ａに倣って移動する。このプローブ２の位置（Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標）を公知のレーザ測長光学系により測定することで、被測定物表面５５ａの形状を測定する事ができる。また、プローブ２とプローブ先端球２１とは同様に移動するため、プローブ２の位置を測定する事はプローブ先端球２１の位置を測定している事になる。 This type of three-dimensional shape measuring machine 100G includes a drive unit composed of an X-axis stage 112G, a Y-axis stage 113G, and a Z-axis stage 114G orthogonal to each other, and a Z-axis stage 114G on the surface 55a of the object 55 to be measured. And a follow-up three-dimensional shape measuring instrument probe 2. A stylus 20 shown in FIG. 2B is attached to the probe 2, and a sphere 21 having a high sphericity that contacts the object surface 55 a is attached to the tip of the stylus 20. The probe 2 has a structure in which the stylus 20 is pushed into the probe 2 upward in FIG. 2B when the stylus 20 comes into contact with the object surface 55a, and the change in the height of the object surface 55a is measured. It can be detected with the probe 2. Follow-up control is performed so that the pushing amount becomes constant by moving the Z-axis stage 114G according to the detected amount of the change in the height of the probe 2. If the X-axis stage 112G and the Y-axis stage 113G are moved during this follow-up control, the probe 2 moves following the surface to be measured 55a. By measuring the position (X coordinate, Y coordinate, Z coordinate) of the probe 2 with a known laser length measurement optical system, the shape of the surface 55a to be measured can be measured. In addition, since the probe 2 and the probe tip sphere 21 move in the same manner, measuring the position of the probe 2 means measuring the position of the probe tip sphere 21.

本発明の第１実施形態では、図２Ａに示す構成をした前記三次元形状測定機１００Ｇにおいて、被測定物１の表面である被測定面１ａに代えて、形状が既知で真球度の高い基準球面１ａを測定する事で、測定座標系の直角度誤差とプローブ先端球２１の半径とを校正する。図２Ａにおいて、基準球面１ａを有する校正用被測定物１は、図５Ａに示す凸面又は図５Ｂに示す凹面の半径Ｒ_１の基準球面１ａを有するものである。図５Ａ及び図５Ｂは、基準球面１ａにプローブ先端球２１を倣わせて移動させた際の基準球面１ａの中心Ｏｓを通る断面を示している。ここで、プローブ先端球２１で基準球面１ａを如何様に倣っても、プローブ先端球２１の中心点２１ｃが通る軌跡３３は、点Ｏｓ（基準球面１ａの中心Ｏｓ）を中心とする半径Ｒ＝Ｒ_１＋Ｒ_２（図５Ａの凸面の場合）又はＲ＝Ｒ_１−Ｒ_２（図５Ｂの凹面の場合）の球の一部になる事がわかる。ただし、プローブ先端球２１の半径Ｒ_２は設計値に対して製造誤差が含まれるため、前記プローブ先端球２１の中心点２１ｃが通る軌跡３３の半径Ｒは、この段階では不明である。 In the first embodiment of the present invention, in the three-dimensional shape measuring machine 100G configured as shown in FIG. 2A, the shape is known and the sphericity is high instead of the surface to be measured 1a which is the surface of the device under test 1. By measuring the reference spherical surface 1a, the squareness error of the measurement coordinate system and the radius of the probe tip sphere 21 are calibrated. In Figure 2A, the calibration DUT 1 having a reference spherical surface 1a are those having a reference spherical surface 1a of the concave surface of radius R ₁ shown in convex or Figure 5B shown in FIG. 5A. 5A and 5B show a cross section passing through the center Os of the reference spherical surface 1a when the probe tip sphere 21 is moved following the reference spherical surface 1a. Here, no matter how the probe tip sphere 21 follows the reference spherical surface 1a, the trajectory 33 through which the center point 21c of the probe tip sphere 21 passes has a radius R = centered around the point Os (center Os of the reference spherical surface 1a). It can be seen that R ₁ + R ₂ (in the case of the convex surface in FIG. 5A) or R = R ₁ −R ₂ (in the case of the concave surface in FIG. 5B) becomes part of the sphere. However, the radius R ₂ of the probe end ball 21 is because it contains a manufacturing error with respect to the design value, the radius R of the probe end ball 21 center point 21c passes the locus 33 at this stage is unclear.

なお、本発明の第１実施形態にかかる三次元測定機の校正方法は、図１Ｃに示すように、制御装置１１１Ｇの制御下で、単一の基準球面１ａの異なる断面を水平方向に倣わせる測定経路を設定する測定条件設定部５２と、前記測定経路に従ってプローブ２を移動させる間に測定データ取得部５０Ａにおいて取得した測定データ（プローブ２の軌跡）を球の表面に座標変換する直角度誤差とその球の半径とを算出して、前記球の半径から前記基準球面の半径を差し引く事により前記プローブ先端球の半径とを校正する演算部５１とで構成される校正装置５３で行うものである。校正装置５３には、必要に応じて、各部の出力又は入力のデータを記憶する記憶部５４を備えればよい。校正装置５３は制御装置１１１Ｇの制御の下に動作する。 The CMM calibration method according to the first embodiment of the present invention is such that, as shown in FIG. 1C, different cross sections of a single reference spherical surface 1a are traced in the horizontal direction under the control of the control device 111G. A measurement condition setting unit 52 for setting a measurement path to be measured, and a perpendicularity for coordinate-converting the measurement data (the trajectory of the probe 2) acquired by the measurement data acquisition unit 50A while moving the probe 2 along the measurement path to the surface of the sphere An error and the radius of the sphere are calculated and performed by a calibration device 53 including a calculation unit 51 that calibrates the radius of the probe tip sphere by subtracting the radius of the reference spherical surface from the radius of the sphere. It is. The calibration device 53 may include a storage unit 54 that stores output or input data of each unit as necessary. The calibration device 53 operates under the control of the control device 111G.

本発明の第１実施形態では、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、基準球面１ａに対して高さの異なる２つの水平断面３１ａ，３２ａの上に、互いに大きさの異なる２つの円形の測定経路３１ｂ、３２ｂを測定条件設定部５２で設定する。すなわち、２つの円形の測定経路３１ｂ、３２ｂは、基準球面１ａと２つの水平断面３１ａ，３２ａとが交差して形成される曲線である。そして、大きさの異なる２つの円形の測定経路３１ｂ、３２ｂに沿ってプローブ先端球２１をそれぞれ倣わせてプローブ先端球２１の位置を、レーザ測長光学系などの位置座標測定部５０でそれぞれ測定して記憶部５４にそれぞれ記憶されるとともに、それらの測定データから測定座標系の直角度誤差とプローブ先端球２１の半径とを演算部５１で校正する。ここで、位置座標測定部５０は測定データ取得部５０Ａの一例として機能する。 In the first embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 6A to 6C, two circular sections having different sizes are measured on two horizontal sections 31a and 32a having different heights with respect to the reference spherical surface 1a. The measurement conditions setting unit 52 sets the paths 31b and 32b. That is, the two circular measurement paths 31b and 32b are curves formed by intersecting the reference spherical surface 1a and the two horizontal cross sections 31a and 32a. Then, the position of the probe tip sphere 21 is measured by the position coordinate measuring unit 50 such as a laser length measuring optical system by copying the probe tip sphere 21 along two circular measurement paths 31b and 32b having different sizes. Are stored in the storage unit 54, and the squareness error of the measurement coordinate system and the radius of the probe tip sphere 21 are calibrated by the calculation unit 51 from the measurement data. Here, the position coordinate measurement unit 50 functions as an example of the measurement data acquisition unit 50A.

以下では、前述の測定経路３１ｂ、３２ｂにより位置座標測定部５０で得られた測定データから直角度誤差α、β、γと半径Ｒとを演算部５１で求める方法を示す。 Hereinafter, a method of obtaining the squareness errors α, β, γ and the radius R by the calculation unit 51 from the measurement data obtained by the position coordinate measurement unit 50 through the measurement paths 31b and 32b will be described.

位置座標測定部５０で取得した測定データ（ｘ’、ｙ’、ｚ’）を、直角度誤差α、β、γを初期値０として、前述の式（１）と同じ、以下の式（２）により、演算部５１で補正する。補正データは（ｘ、ｙ、ｚ）で表す。
（数２）

その補正したデータと、プローブ先端球２１の中心点２１ｃの軌跡を表面に持ちかつ中心がＯｓ（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）で半径がＲの球とを演算部５１で比較する。校正する変数α、β、γ、Ｒと、それらを求めるために必要となる変数Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏとの計７個の変数に誤差が含まれなければ、測定データの直角度誤差を補正したデータと半径Ｒの球とを演算部５１で比較して得られる測定誤差が、最も小さくなる。この測定誤差の傾向は、前記７個の変数ごとに異なるため、測定誤差の傾向から、測定誤差を低減する変数の値を演算部５１で求める事が可能である。また、公知の最小二乗法を適用する事で、測定誤差を最小にする前記７個の変数を演算部５１で容易に算出する事ができる。 The measurement data (x ′, y ′, z ′) acquired by the position coordinate measurement unit 50 is the same as the above equation (1), with the squareness errors α, β, γ as the initial value 0. ) Is corrected by the calculation unit 51. The correction data is represented by (x, y, z).
(Equation 2)

The calculation unit 51 compares the corrected data with a sphere having the locus of the center point 21c of the probe tip sphere 21 on the surface, the center being Os (Xo, Yo, Zo) and the radius being R. If there are no errors in the seven variables, α, β, γ, R to be calibrated and the variables Xo, Yo, Zo required to obtain them, the squareness error in the measurement data is corrected. The measurement error obtained by comparing the data and the sphere of radius R by the calculation unit 51 is the smallest. Since the tendency of the measurement error is different for each of the seven variables, the value of the variable for reducing the measurement error can be obtained by the calculation unit 51 from the tendency of the measurement error. Further, the seven variables that minimize the measurement error can be easily calculated by the calculation unit 51 by applying a known least square method.

前記測定誤差の傾向から、図６Ａ〜図６Ｃに示す軌跡（３１ｂ、３２ｂで示される一点鎖線の円）を通る測定経路３１ｂ、３２ｂにより位置座標測定部５０で得られる測定データを用いる事で、前記７個の変数が分離できる事を、図７Ａ〜図１１Ｂを用いて以下に説明する。 From the tendency of the measurement error, by using the measurement data obtained by the position coordinate measurement unit 50 by the measurement paths 31b and 32b passing through the trajectories (circles shown by the alternate long and short dashed lines shown by 31b and 32b) shown in FIGS. 6A to 6C, The fact that the seven variables can be separated will be described below with reference to FIGS. 7A to 11B.

（１）直角度誤差の影響について
図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ、基準球面１ａを円形の測定経路３１ｂ、３２ｂに沿って位置座標測定部５０で測定して得られる測定データ（３１ｂ、３２ｂの実線で示すデータ）に対して直角度誤差を演算部５１で補正したデータを、補正データとして、点線７１，７３で示したものである。ここで、演算部５１において、ＹＺ軸間の直角度誤差αとＸＹ軸間の直角度誤差γとをα＝γ＝０とし、ＸＺ軸間の直角度誤差βをβ≠０として、その他の変数は全て誤差を持たない真値としている。図７Ａは測定経路３１ｂにおけるデータを図示し、図７Ｂは測定経路３２ｂにおけるデータを図示したものである。このとき、直角度誤差βの特徴を以下にまとめる。 (1) Influence of perpendicularity error FIGS. 7A and 7B show measurement data obtained by measuring the reference spherical surface 1a along the circular measurement paths 31b and 32b by the position coordinate measurement unit 50 (of 31b and 32b, respectively). Data obtained by correcting the squareness error by the calculation unit 51 with respect to (data indicated by a solid line) is indicated by dotted lines 71 and 73 as correction data. Here, in the calculation unit 51, the perpendicularity error α between the YZ axes and the perpendicularity error γ between the XY axes are set to α = γ = 0, the perpendicularity error β between the XZ axes is set to β ≠ 0, All variables are true values with no error. FIG. 7A illustrates data in the measurement path 31b, and FIG. 7B illustrates data in the measurement path 32b. At this time, the characteristics of the squareness error β are summarized below.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ７１，７３は、それぞれ、円になる（図７Ａ及び図７Ｂの点線の円７１，７３を参照）。 The correction data 71 and 73 in the horizontal sections 31a and 32a are respectively circles (see dotted circles 71 and 73 in FIGS. 7A and 7B).

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ７１，７３の半径は、それぞれ、円形の軌跡３１ｂ，３２ｂ（図７Ａ及び図７Ｂの実線の円３１ｂ，３２ｂを参照）の半径に一致する。 The radii of the correction data 71 and 73 in the horizontal sections 31a and 32a coincide with the radii of the circular trajectories 31b and 32b (see the solid circles 31b and 32b in FIGS. 7A and 7B), respectively.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ７１，７３の中心７２，７４は、円形の軌跡３１ｂ，３２ｂの中心に一致せず、それぞれ、Ｘ方向にＺｓｉｎβだけずれる。前記Ｚは、原点Ｏｓ（基準球面１ａの中心Ｏｓ）を通る水平断面から、各水平断面３１ａ、３２ａまでの距離である。 The centers 72 and 74 of the correction data 71 and 73 in the horizontal sections 31a and 32a do not coincide with the centers of the circular trajectories 31b and 32b, and are shifted by Zsin β in the X direction. Z is a distance from the horizontal cross section passing through the origin Os (the center Os of the reference spherical surface 1a) to each of the horizontal cross sections 31a and 32a.

ＹＺ軸間の直角度誤差αの特徴については、前記直角度誤差βの特徴がＸ方向に補正データをずらす事に対して、Ｙ方向にずらす事が異なるだけなので、図示していない。その特徴を以下にまとめる。 The feature of the squareness error α between the YZ axes is not shown because the feature of the squareness error β is different in that the shift in the Y direction is different from the shift in the correction data in the X direction. The features are summarized below.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データは、それぞれ、円になる。 -Correction data in each horizontal section 31a and 32a become a circle, respectively.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データの半径は、それぞれ、円形の軌跡の半径に一致する。 -The radius of the correction data in each horizontal section 31a, 32a is in agreement with the radius of a circular locus.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データの中心は、円形の軌跡の中心に一致せず、それぞれ、Ｙ方向にＺｓｉｎαだけずれる。前記Ｚは、原点Ｏｓ（基準球面１ａの中心Ｏｓ）を通る水平断面から、各水平断面３１ａ、３２ａまでの距離である。 The center of the correction data in each horizontal section 31a, 32a does not coincide with the center of the circular locus, and is shifted by Zsinα in the Y direction. Z is a distance from the horizontal cross section passing through the origin Os (the center Os of the reference spherical surface 1a) to each of the horizontal cross sections 31a and 32a.

ＸＹ軸間の直角度誤差γの特徴について、図８Ａ及び図８Ｂに示す。図８Ａ及び図８Ｂの意味は図７Ａ及び図７Ｂと同様で、α＝β＝０、γ≠０として、その他の変数は全て正しい値としている。その特徴を以下にまとめる。 The characteristics of the squareness error γ between the XY axes are shown in FIGS. 8A and 8B. The meanings of FIGS. 8A and 8B are the same as those of FIGS. 7A and 7B. Α = β = 0 and γ ≠ 0, and all other variables are correct values. The features are summarized below.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの測定データ８１，８３は、それぞれ、４５度傾斜した楕円になる（図８Ａ及び図８Ｂの点線の円８１，８３を参照）。 -The measurement data 81 and 83 in each horizontal section 31a and 32a become an ellipse inclined 45 degree | times (refer the dotted circles 81 and 83 of FIG. 8A and FIG. 8B), respectively.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの測定データ８１，８３の楕円形状は、それぞれ、正しい直角度誤差γを用いて式（２）により演算部５１で補正すれば、補正データはそれぞれ円形状になり（図８Ａ及び図８Ｂの実線の円３１ｂ，３２ｂを参照）、それぞれの半径は、それぞれ、円形の軌跡３１ｂ，３２ｂの半径に一致する。 If the elliptical shape of the measurement data 81 and 83 in each horizontal section 31a and 32a is corrected by the calculation unit 51 using the correct squareness error γ according to the equation (2), the correction data becomes a circular shape. (See the solid circles 31b and 32b in FIGS. 8A and 8B), and the respective radii coincide with the radii of the circular trajectories 31b and 32b, respectively.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データの中心８２，８４は、それぞれ、円形の軌跡３１ｂ，３２ｂの中心に一致する。 The correction data centers 82 and 84 in the horizontal sections 31a and 32a coincide with the centers of the circular trajectories 31b and 32b, respectively.

（２）軌跡を表面に持つ球の半径の影響について
図９Ａ〜図９Ｄは、プローブ先端球２１の半径Ｒ_２を、真値に微小値ΔＲ_２だけ加えた値に設定し、その他の変数は、全て正しい値としている。前記ΔＲ_２は製造誤差であり、図９Ｄでは真値Ｒ_２に製造誤差ΔＲ_２を加えたものが、設計値となることを示している。軌跡を表面に持つ球の半径の影響について、その特徴を以下にまとめる。 (2) Influence of the radius of a sphere having a trajectory on the surface In FIGS. 9A to 9D, the radius R ₂ of the probe tip sphere 21 is set to a value obtained by adding a minute value ΔR ₂ to the true value. All are correct values. The ΔR ₂ is a manufacturing error, and FIG. 9D shows that a value obtained by adding the manufacturing error ΔR ₂ to the true value R ₂ is a design value. The characteristics of the influence of the radius of a sphere having a locus on the surface are summarized below.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ９１，９３は、それぞれ、円になる（図９Ａ及び図９Ｂの点線の円を参照）。 The correction data 91 and 93 in the horizontal sections 31a and 32a are respectively circles (see the dotted circles in FIGS. 9A and 9B).

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ９１，９３の半径は、円形の軌跡３１ｂ，３２ｂ（図９Ａ及び図９Ｂの実線の円を参照）の半径と一致せず、それぞれ、下記の誤差Δｒを生じる。 The radii of the correction data 91 and 93 in the horizontal sections 31a and 32a do not coincide with the radii of the circular trajectories 31b and 32b (see the solid circles in FIGS. 9A and 9B). Produce.

（数３）

式（３）のθは、図９Ｃに示すように各断面の傾斜角度を表す。 (Equation 3)

In Expression (3), θ represents the inclination angle of each cross section as shown in FIG. 9C.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ９１，９３の中心９２，９４は、それぞれ、円形の軌跡３１ｂ，３２ｂの中心に一致する。 The centers 92 and 94 of the correction data 91 and 93 in the horizontal sections 31a and 32a coincide with the centers of the circular trajectories 31b and 32b, respectively.

（３）軌跡を表面に持つ球の原点の影響について
図１０Ａ及び図１０Ｂは、基準球面１ａの原点ＯｓのＸ座標Ｘｏを、正しい値に微小値ΔＸｏだけ加えた値に設定し、その他の変数は、全て正しい値としている。図１０Ａ及び図１０Ｂの意味は図７Ａ及び図７Ｂと同様である。その特徴を以下にまとめる。 (3) Influence of the origin of a sphere having a trajectory on the surface In FIGS. 10A and 10B, the X coordinate Xo of the origin Os of the reference spherical surface 1a is set to a value obtained by adding a minute value ΔXo to the correct value, and other variables. Are all correct values. The meanings of FIGS. 10A and 10B are the same as those of FIGS. 7A and 7B. The features are summarized below.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ１０１，１０３は、それぞれ、円になる（図１０Ａ及び図１０Ｂの点線の円１０１，１０３を参照）。 The correction data 101 and 103 in the horizontal sections 31a and 32a are respectively circles (see dotted circles 101 and 103 in FIGS. 10A and 10B).

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ１０１，１０３の半径は、それぞれ、円形の軌跡３１ｂ，３２ｂ（図１０Ａ及び図１０Ｂの実線の円３１ｂ，３２ｂを参照）の半径に一致する。 The radii of the correction data 101 and 103 in the horizontal sections 31a and 32a are equal to the radii of the circular trajectories 31b and 32b (see the solid circles 31b and 32b in FIGS. 10A and 10B), respectively.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ１０１，１０３の中心１０２，１０４は、円形の軌跡３１ｂ，３２ｂの中心に一致せず、それぞれ、Ｘ方向にＸｏだけずれる。 The centers 102 and 104 of the correction data 101 and 103 in the horizontal sections 31a and 32a do not coincide with the centers of the circular trajectories 31b and 32b, and are shifted by Xo in the X direction.

基準球面１ａの原点ＯｓのＹ座標Ｙｏの特徴については、前記Ｘｏの特徴がＸ方向に補正データをずらす事に対して、Ｙ方向にずらす事が異なるだけなので図示していない。その特徴を以下にまとめる。 The feature of the Y coordinate Yo of the origin Os of the reference spherical surface 1a is not shown because the feature of the Xo is different in that the correction data is shifted in the X direction, but different in the Y direction. The features are summarized below.

・各水平断面３１ａ、３２ａで補正データの半径は、それぞれ、円形の軌跡３１ｂ，３２ｂの半径に一致する。 -The radius of correction data in each horizontal section 31a and 32a corresponds to the radius of circular locus 31b and 32b, respectively.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データの中心は、円形の軌跡３１ｂ，３２ｂの中心に一致せず、それぞれ、Ｙ方向にＹｏだけずれる。 The center of the correction data in each horizontal section 31a, 32a does not coincide with the center of the circular trajectories 31b, 32b, and is shifted by Yo in the Y direction.

また、基準球面１ａの原点ＯｓのＺ座標Ｚｏの特徴について図１１Ａ及び図１１Ｂに示す。Ｚ座標Ｚｏを、正しい値に微小値ΔＺｏだけ加えた値に設定し、その他の変数は、全て正しい値としている。図１１Ａ及び図１１Ｂの意味は図７Ａ及び図７Ｂと同様である。その特徴を以下にまとめる。 Further, the features of the Z coordinate Zo of the origin Os of the reference spherical surface 1a are shown in FIGS. 11A and 11B. The Z coordinate Zo is set to a value obtained by adding a minute value ΔZo to a correct value, and all other variables are set to correct values. The meanings of FIGS. 11A and 11B are the same as those of FIGS. 7A and 7B. The features are summarized below.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ１１１，１１３は、それぞれ、円になる。 -Correction data 111 and 113 in each horizontal section 31a and 32a become a circle, respectively.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ１１１，１１３の中心１１２，１１４は、それぞれ、円形の軌跡３１ｂ，３２ｂの中心に一致する。 The centers 112 and 114 of the correction data 111 and 113 in the horizontal sections 31a and 32a coincide with the centers of the circular trajectories 31b and 32b, respectively.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ１１１，１１３の半径は、円形の軌跡３１ｂ，３２ｂの半径と一致せず、それぞれ、下記の誤差Δｒを生じる。 The radius of the correction data 111 and 113 in each horizontal section 31a and 32a does not coincide with the radius of the circular trajectories 31b and 32b, and the following error Δr is generated.

（数４）

ここで、式（４）のθは図９Ｃに示すように各断面の傾斜角度を表す。 (Equation 4)

Here, θ in Equation (4) represents the inclination angle of each cross section as shown in FIG. 9C.

以上の特徴から、変数α、β、γ、Ｒ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏは下記のような調整方法で演算部５１により決定する事ができる。 From the above characteristics, the variables α, β, γ, R, Xo, Yo, and Zo can be determined by the calculation unit 51 by the following adjustment method.

γの調整：水平断面３１ａ、３２ａでの各補正データの楕円形状が円形状になるように演算部５１で調整する。 Adjustment of γ: The calculation unit 51 adjusts so that the elliptical shape of each correction data in the horizontal cross sections 31a and 32a becomes a circular shape.

βの調整：水平断面３１ａ、３２ａでの各補正データの中心がＸ方向に一致するように演算部５１で調整する。 Adjustment of β: The calculation unit 51 adjusts so that the centers of the correction data in the horizontal sections 31a and 32a coincide with the X direction.

αの調整：水平断面３１ａ、３２ａでの各補正データの中心がＹ方向に一致するように演算部５１で調整する。 Adjustment of α: The calculation unit 51 adjusts so that the centers of the correction data in the horizontal sections 31a and 32a coincide with the Y direction.

Ｘｏの調整：水平断面３１ａ、３２ａでの各補正データの中心が軌跡３１ｂ，３２ｂの中心とＸ方向に一致するように演算部５１で調整する。 Adjustment of Xo: The calculation unit 51 adjusts so that the center of each correction data in the horizontal cross sections 31a and 32a coincides with the center of the trajectories 31b and 32b in the X direction.

Ｙｏの調整：水平断面３１ａ、３２ａでの各補正データの中心が軌跡３１ｂ，３２ｂの中心とＹ方向に一致するように演算部５１で調整する。 Adjustment of Yo: The calculation unit 51 adjusts so that the center of each correction data in the horizontal sections 31a and 32a coincides with the center of the trajectories 31b and 32b in the Y direction.

Ｚｏの調整：水平断面３１ａでの補正データの半径が軌跡３２ｂの半径に一致するように演算部５１で調整する。 Adjustment of Zo: The calculation unit 51 performs adjustment so that the radius of the correction data in the horizontal section 31a matches the radius of the locus 32b.

Ｒの調整：水平断面３１ａ、３２ａでの各補正データと軌跡３１ｂ，３２ｂを比較した測定誤差が、最小となる値に演算部５１で調整する。 Adjustment of R: The calculation unit 51 adjusts the measurement error by comparing the correction data in the horizontal sections 31a and 32a and the trajectories 31b and 32b to a minimum value.

以上のように、図６Ａに示す測定経路３１ｂ，３２ｂにより位置座標測定部５０で得られる測定データと球面形状とを演算部５１で比較する事で、変数α、β、γ、Ｒ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏを演算部５１で求める事ができる。また、前記の方法により求まる変数Ｒを用いて、プローブ先端球２１の半径Ｒ_２を、Ｒ_２＝Ｒ−Ｒ_１（凸面の場合）又はＲ_２＝Ｒ_１−Ｒ（凹面の場合）により演算部５１で求める事ができる。 As described above, the measurement data obtained by the position coordinate measurement unit 50 and the spherical shape are compared by the calculation unit 51 through the measurement paths 31b and 32b shown in FIG. 6A, so that the variables α, β, γ, R, Xo, Yo and Zo can be obtained by the calculation unit 51. Further, the radius R ₂ of the probe tip sphere 21 is calculated by R ₂ = R−R ₁ (in the case of a convex surface) or R ₂ = R ₁ −R (in the case of a concave surface) using the variable R obtained by the above method. It can be found in the part 51

以降では、図１Ｂに示す本発明の第１実施形態の校正処理の流れに基づいて説明する。 Hereinafter, description will be given based on the flow of the calibration processing according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1B.

まず、校正に使用する半径及び真球度の保証された基準球面１ａを有する被測定物１を測定機１００Ｇに設置して、被測定物表面１ａにスタイラス２０を接触させて、スタイラス２０を基準球面１ａに一定の力で押し込むように制御装置１１１Ｇで追従制御を行う（ステップＳ１）。 First, the measurement object 1 having a reference spherical surface 1a with a guaranteed radius and sphericity used for calibration is set on the measuring machine 100G, the stylus 20 is brought into contact with the measurement object surface 1a, and the stylus 20 is used as a reference. Follow-up control is performed by the control device 111G so as to be pushed into the spherical surface 1a with a constant force (step S1).

次に、基準球面１ａの中心点Ｏｓの近傍に測定座標系ＸＹＺの原点Ｏを測定条件設定部５２で設定する（ステップＳ２）。 Next, the measurement condition setting unit 52 sets the origin O of the measurement coordinate system XYZ near the center point Os of the reference spherical surface 1a (step S2).

そして、第１断面３１ａにおける第１測定経路３１ｂに沿って、制御装置１１１Ｇの制御下で、Ｘ軸ステージ１１２ＧとＹ軸ステージ１１３Ｇをそれぞれ動作制御する事で、第１測定経路３１ｂ上のＮ点（Ｎは測定誤差の傾向を掴むために多いほど好ましい）の測定データｐ_ｉ＝（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）、ｉ＝１、２、・・・Ｎを位置座標測定部５０で取得する（ステップＳ３）。 Then, by controlling the operation of the X-axis stage 112G and the Y-axis stage 113G along the first measurement path 31b in the first cross section 31a under the control of the control device 111G, N points on the first measurement path 31b are controlled. Measurement data p _i = (x _i , y _i , z _i ), i = 1, 2,... N is acquired by the position coordinate measuring unit 50 (N is more preferable for grasping the tendency of measurement error). (Step S3).

同様に、第２断面３２ａにおける第２測定経路３２ｂに沿って、制御装置１１１Ｇの制御下で、Ｘ軸ステージ１１２ＧとＹ軸ステージ１１３Ｇをそれぞれ制御して第２測定経路３２ｂ上のＭ点（Ｍは測定誤差の傾向を掴むために多いほど好ましい）の測定データｐ’_ｊ＝（ｘ’_ｊ，ｙ’_ｊ，ｚ’_ｊ）、ｊ＝１、２、・・・Ｍを位置座標測定部５０で取得する（ステップＳ４）。 Similarly, M point (M on the second measurement path 32b is controlled by controlling the X-axis stage 112G and the Y-axis stage 113G along the second measurement path 32b in the second cross section 32a under the control of the control device 111G. Is more preferable in order to grasp the tendency of measurement error). Measurement data p ′ _j = (x ′ _j , y ′ _j , z ′ _j ), j = 1, 2,. (Step S4).

以上の手順で位置座標測定部５０で取得した第１及び第２測定経路３１ａ、３２ｂの測定データｐ_ｉとｐ’_ｊを用いて、直角度誤差α、β、γとプローブ先端球２１の半径Ｒ_２とを演算部５１で校正する。 Using the measurement data p _i and p ′ _j of the first and second measurement paths 31 a and 32 b acquired by the position coordinate measuring unit 50 in the above procedure, the squareness errors α, β, γ and the radius of the probe tip sphere 21 R ₂ is calibrated by the calculation unit 51.

変数α、β、γ、Ｒ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏの初期値を演算部５１で設定する（ステップＳ５）。このとき、初期値の設定は、１回目の測定時には、α＝β＝γ＝０、Ｒは設計値を用いて演算部５１で校正し、２回目以降の測定時には、前回校正した結果の変数α、β、γ、Ｒを演算部５１で用いる事が好ましい。変数Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏについては、常に、初期値を０とする。 Initial values of the variables α, β, γ, R, Xo, Yo, and Zo are set by the calculation unit 51 (step S5). At this time, the initial value is set to α = β = γ = 0 during the first measurement, R is calibrated by the calculation unit 51 using the design value, and the variable after the previous calibration is used during the second and subsequent measurements. α, β, γ, and R are preferably used in the calculation unit 51. For variables Xo, Yo, and Zo, the initial value is always 0.

前記の変数を用いてプローブ先端球２１の中心点２１ｃの軌跡を表す補正データを演算部５１で求め、その補正データと中心Ｏｓ、半径Ｒの球とを演算部５１で比較して測定誤差及びその二乗平均平方根（ＲＭＳ）を演算部５１で算出する（ステップＳ６）。 Correction data representing the locus of the center point 21c of the probe tip sphere 21 is obtained by the calculation unit 51 using the above variables, and the correction data is compared with the sphere having the center Os and the radius R by the calculation unit 51. The root mean square (RMS) is calculated by the calculation unit 51 (step S6).

前記ＲＭＳが所定の値よりも小さいと演算部５１で判断した場合、あるいは変数α、β、γ、Ｒ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏの値を変更してもＲＭＳが小さくできないと演算部５１で判断した場合には、その各変数の値が最適であると考えて、最適化処理を演算部５１で終了する（ステップＳ７）。 When the calculation unit 51 determines that the RMS is smaller than a predetermined value, or the calculation unit 51 determines that the RMS cannot be reduced even if the values of the variables α, β, γ, R, Xo, Yo, and Zo are changed. In such a case, the value of each variable is considered to be optimal, and the optimization process is terminated in the calculation unit 51 (step S7).

前記ＲＭＳが最適でないと演算部５１で判断した場合には、前述の調整方法に基づいてγ⇒β⇒α⇒Ｘｏ⇒Ｙｏ⇒Ｚｏ⇒Ｒの順で変数を演算部５１で決定する（ステップＳ８）。 When the calculation unit 51 determines that the RMS is not optimal, the calculation unit 51 determines variables in the order of γ⇒β⇒α⇒Xo⇒Yo⇒Zo⇒R based on the adjustment method described above (step S8). ).

そして、演算部５１で、更新したα、β、γ、Ｒ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏを改めて初期値として（ステップＳ９）、再度、ステップＳ６を演算部５１で行う。もし、ステップＳ７においてＲＭＳが収束したと演算部５１で判断した場合には、変数α、β、γが最適化されており、直角度誤差の校正が完了する。 Then, in the calculation unit 51, the updated α, β, γ, R, Xo, Yo, Zo are set as initial values again (step S9), and step S6 is performed again by the calculation unit 51. If the calculation unit 51 determines that the RMS has converged in step S7, the variables α, β, and γ are optimized, and the calibration of the squareness error is completed.

次に、プローブ先端球２１の中心点２１ｃが通る軌跡の半径Ｒが前述の方法で最適化されるため、プローブ先端球２１の半径Ｒ_２を、Ｒ_２＝Ｒ−Ｒ_１（凸面の場合）又はＲ_２＝Ｒ_１−Ｒ（凹面の場合）により、演算部５１で校正する（ステップＳ１０）。 Next, since the radius R of the locus through which the center point 21c of the probe tip sphere 21 passes is optimized by the above-described method, the radius R ₂ of the probe tip sphere 21 is set to R ₂ = R−R ₁ (in the case of a convex surface). or _R 2 ₌ by R 1 -R (if concave), calibrated by the arithmetic unit 51 (step S10).

以上の手順で校正された直角度誤差α、β、γとプローブ先端球の半径Ｒ_２とを記憶部５４に記憶する（ステップＳ１１）。 The squareness errors α, β, γ and the radius R ₂ of the probe tip sphere calibrated by the above procedure are stored in the storage unit 54 (step S11).

以上が本発明の第１実施形態における三次元測定機１００Ｇの校正方法である。以後の三次元形状測定において、前述の記憶部５４に記憶した直角度誤差α、β、γとプローブ先端球２１の半径Ｒ_２とを適用する事が可能になる。 The above is the calibration method of the coordinate measuring machine 100G in the first embodiment of the present invention. In the subsequent three-dimensional shape measurement, it is possible to apply the squareness errors α, β, γ stored in the storage unit 54 and the radius R ₂ of the probe tip sphere 21.

前記第１実施形態によれば、形状が既知の基準球面１ａの高さの異なる２つの断面を水平方向に測定して得られるプローブ先端球２１の軌跡３１ｂ、３２ｂを表す測定データを用いて、演算部５１において直角度誤差の影響により楕円体の一部となる前記測定データを球の一部に変換するためのα、β、γを求めて直角度誤差を校正し、さらに前記測定データの直角度誤差を補正したデータを表面に持つ球の半径を求め、この半径から基準球面の半径を差し引く事でプローブ先端球の半径を校正することができる。すなわち、単一の基準球面１ａを２本の測定経路３１ｂ、３２ｂに沿って測定するだけで、直角度誤差α、β、γとプローブ先端球２１の半径Ｒ_２とを校正することができる。 According to the first embodiment, using the measurement data representing the trajectories 31b and 32b of the probe tip sphere 21 obtained by measuring two cross sections having different heights of the reference spherical surface 1a having a known shape in the horizontal direction, The arithmetic unit 51 obtains α, β, γ for converting the measurement data that becomes a part of an ellipsoid to a part of a sphere due to the influence of the squareness error, calibrates the squareness error, The radius of the probe tip sphere can be calibrated by obtaining the radius of the sphere having the data with the corrected squareness error and subtracting the radius of the reference sphere from this radius. That is, the squareness errors α, β, γ and the radius R ₂ of the probe tip sphere 21 can be calibrated only by measuring the single reference spherical surface 1a along the two measurement paths 31b, 32b.

（第２実施形態）
図１２は、本発明の第２実施形態の三次元測定機１００Ｇに用いるプローブ部の斜視図である。このプローブ２を用いた従来技術として、プローブ２の位置の測定に加えて、プローブ２の先端に取り付けられたスタイラス２０のＸ方向、Ｙ方向への傾きθｘ、θｙも測定し、スタイラス２０の傾きにより生じるプローブ先端球２１の変位量を補正するものがある（特開２００６−２８４４１０号公報参照）。この従来技術を三次元測定機１００Ｇで使用する場合について、まず、説明する。 (Second Embodiment)
FIG. 12 is a perspective view of a probe unit used in the coordinate measuring machine 100G according to the second embodiment of the present invention. As a conventional technique using the probe 2, in addition to measuring the position of the probe 2, the inclinations θx and θy of the stylus 20 attached to the tip of the probe 2 in the X and Y directions are also measured. There is one that corrects the amount of displacement of the probe tip sphere 21 caused by (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-284410). First, the case where this prior art is used with the coordinate measuring machine 100G will be described.

図１２のプローブ２に取り付けられたスタイラス２０は、被測定物１に対して水平方向へ接触させて、その接触力に応じて傾く事が可能である。その傾き量｜θ｜＝ｓｑｒｔ（θｘ^２＋θｙ^２）が一定となるように、制御装置１１１Ｇの制御下で、Ｘ軸ステージ１１２ＧとＹ軸ステージ１１３Ｇとをそれぞれ追従制御させる事で、被測定物表面１ａに倣って測定できる。前記スタイラス２０の傾きθｘ、θｙは、スタイラス２０の端面に取り付けられたミラー１０５Ｇにレーザ光を照射して、前記ミラー１０５Ｇからの反射光を傾き検出部１０６Ｇで受光し、反射光のスポット３００Ｇｂの移動量を電圧などに傾き検出部１０６Ｇで変換し、前記傾き検出部１０６Ｇの出力にＸ方向、Ｙ方向の換算係数Ｇｘ、Ｇｙを乗じて傾き検出部１０６Ｇで算出できる。傾き検出部１０６Ｇは例えば２次元のフォトダイオードで構成される。この傾き検出部１０６Ｇは、図１３に示すようにレーザの光軸回りに角度誤差φをもって三次元測定機１００Ｇに取り付けられる（以降では、この誤差φを取付角度誤差と呼ぶ）。この取付誤差φの影響は無視できないため、前記傾き検出部１０６Ｇの出力から換算された傾きθｘ’、θｙ’を角度φだけ補正して傾きデータθｘ、θｙを演算部５１で取得する。 The stylus 20 attached to the probe 2 in FIG. 12 can be brought into contact with the DUT 1 in the horizontal direction and can be inclined according to the contact force. The device under test is controlled by following the X-axis stage 112G and the Y-axis stage 113G under the control of the control device 111G so that the inclination amount | θ | = sqrt (θx ² + θy ² ) is constant. It can be measured following the surface 1a. The inclinations θx and θy of the stylus 20 irradiate the mirror 105G attached to the end face of the stylus 20 with laser light, and the reflected light from the mirror 105G is received by the inclination detection unit 106G, and the reflected light spot 300Gb The amount of movement can be converted into voltage or the like by the inclination detecting unit 106G, and the inclination detecting unit 106G can multiply the output of the inclination detecting unit 106G by the conversion factors Gx and Gy in the X and Y directions. The inclination detection unit 106G is configured by, for example, a two-dimensional photodiode. As shown in FIG. 13, the inclination detector 106G is attached to the coordinate measuring machine 100G with an angle error φ around the laser optical axis (hereinafter, this error φ is referred to as an attachment angle error). Since the influence of the attachment error φ cannot be ignored, the inclinations θx ′ and θy ′ converted from the output of the inclination detection unit 106G are corrected by the angle φ, and the inclination data θx and θy are obtained by the calculation unit 51.

前記した従来技術における測定方法は、以下のようになる。被測定物表面１ａに倣ってプローブ２を移動させて、プローブ２の位置測定データを位置座標測定部５０で取得するとともに傾き検出部１０６Ｇの出力データを取得する。前記測定データには直角度誤差が含まれるため、前記測定データに含まれる直角度誤差を演算部５１で補正する。傾き検出部１０６Ｇの出力データに前記Ｘ方向、Ｙ方向の換算係数Ｇｘ、Ｇｙを演算部５１で乗じて傾きデータθｘ’、θｙ’に演算部５１で換算する。さらに、傾きデータθｘ’、θｙ’に含まれる取付角度誤差φを演算部５１で補正してスタイラスの傾きデータθｘ、θｙを演算部５１で求める。前記スタイラスの傾きデータθｘ、θｙを用いてプローブ先端球２１のＸ、Ｙ方向の変位量データδｘ、δｙを演算部５１で求めて、前記直角度誤差を補正した測定データに前記変位量データδｘ、δｙを演算部５１で加える事で、被測定物表面１ａを倣うプローブ先端球２１の中心点の軌跡データを演算部５１で取得する。最後に、前記プローブ先端球２１の軌跡データに含まれるプローブ誤差を演算部５１で補正する事で、被測定物１の形状データを演算部５１で取得する。 The measurement method in the above-described prior art is as follows. The probe 2 is moved following the surface 1a to be measured, and the position measurement data of the probe 2 is acquired by the position coordinate measurement unit 50 and the output data of the inclination detection unit 106G is acquired. Since the measurement data includes a squareness error, the calculation unit 51 corrects the squareness error contained in the measurement data. The calculation unit 51 multiplies the output data of the inclination detection unit 106G by the conversion factors Gx and Gy in the X direction and the Y direction by the calculation unit 51, and converts the inclination data θx 'and θy' by the calculation unit 51. Further, the calculation unit 51 corrects the mounting angle error φ included in the inclination data θx ′ and θy ′, and the calculation unit 51 obtains stylus inclination data θx and θy. Using the stylus tilt data θx, θy, the displacement data δx, δy in the X and Y directions of the probe tip sphere 21 are obtained by the calculation unit 51, and the displacement data δx is added to the measurement data corrected for the squareness error. , Δy is added by the calculation unit 51 so that the calculation unit 51 obtains the trajectory data of the center point of the probe tip sphere 21 that follows the surface 1a to be measured. Finally, the calculation unit 51 acquires the shape data of the DUT 1 by correcting the probe error included in the trajectory data of the probe tip sphere 21 by the calculation unit 51.

このとき、傾き検出部１０６Ｇの出力データをスタイラスの傾きデータθｘ、θｙに演算部５１で換算するためには、その換算係数Ｇｘ、Ｇｙと、傾き検出部１０６Ｇの取付角度誤差φを校正しておく必要がある。 At this time, in order to convert the output data of the inclination detection unit 106G into the stylus inclination data θx and θy by the calculation unit 51, the conversion coefficients Gx and Gy and the mounting angle error φ of the inclination detection unit 106G are calibrated. It is necessary to keep.

現在までに、前記傾き検出部１０６Ｇの取付角度誤差φを校正する技術が提案されている（特開２００８−３０４４１３号公報参照）。この校正方法は、同一の測定経路を相反する方向に走査してプローブの位置測定データと傾き検出部１０６Ｇの出力データを取得し、前記測定データの直角度誤差とスタイラス２０の傾きによるプローブ先端球２１の変位とを補正した結果が走査方向によらず一致するように、傾き検出部１０６Ｇの取付角度誤差φを調整するものである。 To date, a technique for calibrating the mounting angle error φ of the inclination detection unit 106G has been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-304413). In this calibration method, the same measurement path is scanned in opposite directions to acquire probe position measurement data and output data of the inclination detector 106G, and the probe tip sphere is determined by the squareness error of the measurement data and the inclination of the stylus 20. The attachment angle error φ of the inclination detecting unit 106G is adjusted so that the result of correcting the displacement of 21 matches regardless of the scanning direction.

しかしながら、特開２００８−３０４４１３号公報の方法は、傾き検出部１０６Ｇの取付角度誤差φに対する校正方法しか与えられておらず、直角度誤差α、β、γ又はプローブ先端球２１の半径Ｒ_２及び傾き検出部１０６Ｇの出力に対する換算係数Ｇｘ、Ｇｙを校正する方法が記述されていない。前記傾き検出部１０６Ｇの取付角度誤差φを校正する際に、その他の校正結果の影響を強く受けるため、事前に直角度誤差などその他の誤差要因を別の手段で校正しておく必要があった。 However, the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-304413 only provides a calibration method for the mounting angle error φ of the inclination detecting unit 106G, and the squareness errors α, β, γ or the radius R ₂ of the probe tip sphere 21 and A method for calibrating the conversion coefficients Gx and Gy with respect to the output of the inclination detection unit 106G is not described. When the mounting angle error φ of the tilt detector 106G is calibrated, it is strongly influenced by other calibration results. Therefore, it is necessary to calibrate other error factors such as a square angle error beforehand by another means. .

これに対して、本発明の第２実施形態は、このような従来技術の課題を解決するもので、単一の基準球面１ａの２つの断面を水平方向に測定するだけで直角度誤差α、β、γとプローブ先端球２１の半径Ｒ_２と傾き検出部１０６Ｇとを演算部５１で校正する方法を提供する事を目的とする。 On the other hand, the second embodiment of the present invention solves such a problem of the prior art, and by measuring two cross sections of a single reference spherical surface 1a in the horizontal direction, the squareness error α, An object of the present invention is to provide a method for calibrating β, γ, the radius R ₂ of the probe tip sphere 21, and the inclination detection unit 106 G by the calculation unit 51.

本発明の第２実施形態の三次元測定機１００Ｇの校正方法は、形状が既知で真球度の高い図５に示す凸面（図５Ａ参照）又は凹面（図５Ｂ参照）の半径Ｒ_１の基準球面１にプローブ２を倣わせて、図６に示すように基準球面１ａに対して高さの異なる２つの水平断面３１ａ，３２ａの上に測定経路３１ｂ、３２ｂを測定条件設定部５２で設定して、その経路に沿ってプローブ先端球２１を倣わせてプローブ２の位置測定データを位置座標測定部５０で取得するとともに傾き検出部１０６Ｇの出力データを取得し、それらのデータから、演算部５１で直角度誤差α、β、γと傾き検出部１０６Ｇ及びプローブ先端球２１の半径Ｒ_２とを校正するものである。 Calibration method of the coordinate measuring machine 100G of the second embodiment of the present invention, the reference of the radius R ₁ of the convex surface shape shown in high 5 sphericity known (see FIG. 5A) or concave (see FIG. 5B) The measurement path 31b, 32b is set by the measurement condition setting unit 52 on the two horizontal cross sections 31a, 32a having different heights with respect to the reference spherical surface 1a as shown in FIG. Then, the position measurement data of the probe 2 is acquired by the position coordinate measurement unit 50 along with the probe tip sphere 21 along the path, and the output data of the inclination detection unit 106G is acquired, and the calculation unit 51 is obtained from these data. in squareness error alpha, beta, is intended to calibrate the radius R ₂ of the γ and the inclination detecting unit 106G and the probe end ball 21.

以下では、前述の測定経路により位置座標測定部５０で得たプローブ２の位置測定データと傾き検出部１０６Ｇの出力データとから、直角度誤差α、β、γと傾き検出部１０６Ｇ及びプローブ先端球２１の半径Ｒ_２とを演算部５１で求める方法を示す。測定データを適当な直角度誤差α、β、γを用いて演算部５１で補正する。その補正したデータと、傾き検出部１０６Ｇから換算して得られるスタイラス傾きデータとを用いて、プローブ先端球２１の中心点のデータを演算部５１で求め、前記データと、プローブ先端球２１の中心点の軌跡を表面に持つ中心がＯｓ（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）で半径がＲの球とを演算部５１で比較する。前記１０個の変数α、β、γ、Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ、Ｒ、Ｇｘ、Ｇｙ、φを全て正しく演算部５１で求めることができれば、補正して得られたプローブ先端球２１の中心点のデータと半径Ｒの球とを演算部５１で比較して得られる測定誤差を、最も小さくできる。逆に、１つの変数でも誤っていれば、前述の測定誤差は大きくなる。この測定誤差の傾向は、前記１０個の変数ごとに異なるため、測定誤差の傾向から、測定誤差を低減する変数の値を演算部５１で求める事が可能である。また、公知の最小二乗法を適用する事で測定誤差を最小にする前記１０個の変数を演算部５１で容易に算出する事ができる。 Hereinafter, from the position measurement data of the probe 2 obtained by the position coordinate measurement unit 50 and the output data of the inclination detection unit 106G obtained by the above-described measurement path, the squareness errors α, β, γ, the inclination detection unit 106G, and the probe tip sphere are detected. A method of obtaining the radius R _{2 of} 21 by the calculation unit 51 is shown. The measurement data is corrected by the calculation unit 51 using appropriate squareness errors α, β, γ. Using the corrected data and the stylus inclination data obtained by conversion from the inclination detecting unit 106G, the calculation unit 51 obtains the data of the center point of the probe tip sphere 21, and the data and the center of the probe tip sphere 21 are obtained. The calculation unit 51 compares a sphere having a point locus on the surface with a center having Os (Xo, Yo, Zo) and a radius of R. If all the 10 variables α, β, γ, Xo, Yo, Zo, R, Gx, Gy, and φ can be obtained correctly by the calculation unit 51, the center point of the probe tip sphere 21 obtained by correction is determined. The measurement error obtained by comparing the data and the sphere of radius R by the calculation unit 51 can be minimized. On the other hand, if one variable is wrong, the above measurement error becomes large. Since the tendency of the measurement error is different for each of the 10 variables, the value of the variable that reduces the measurement error can be obtained by the calculation unit 51 from the tendency of the measurement error. Further, the ten variables that minimize the measurement error can be easily calculated by the calculation unit 51 by applying a known least square method.

前記測定誤差の傾向から、図６Ａ〜図６Ｃに示す測定経路３１ｂ、３２ｂにより位置座標測定部５０で得られる測定データを用いる事で、前記１０個の変数が分離できる事を以下に説明する。 It will be described below that the ten variables can be separated from the tendency of the measurement error by using the measurement data obtained by the position coordinate measuring unit 50 through the measurement paths 31b and 32b shown in FIGS. 6A to 6C.

（１）直角度誤差の影響について
前記第１実施形態と同様の内容であるため省略する。 (1) Effect of perpendicularity error Since the content is the same as that of the first embodiment, a description thereof will be omitted.

（２）軌跡を表面に持つ球の半径の影響について
前記第１実施形態と同様の内容であるため省略する。 (2) Influence of the radius of a sphere having a trajectory on the surface The description is omitted because it is the same as the first embodiment.

（３）軌跡を表面に持つ球の原点の影響について
前記第１実施形態と同様の内容であるため省略する。 (3) About the influence of the origin of a sphere having a trajectory on the surface Since the contents are the same as those in the first embodiment, a description thereof will be omitted.

（４）傾き検出部１０６Ｇの校正結果の影響について
図１４Ａ及び図１４Ｂは、基準球面１ａを測定経路３１ｂ、３２ｂに沿って測定して得られるプローブ２の位置測定データと傾き検出部１０６Ｇの出力データとを用いて演算部５１で求まるプローブ先端球２１の中心点のデータ（以下、補正データと呼ぶ）を点線１４１，１４３で示したものである。ここで、傾き検出部１０６Ｇの出力を傾きθｘ’に換算する係数Ｇｘを、正しい値に微小値ΔＧｘだけを加えた値に設定し、その他の変数は、全て正しい値としている。図１４Ａは測定経路３１ｂにおける補正データを、図１４Ｂは３２ｂにおける補正データを図示したものである。このとき、換算係数Ｇｘの特徴を以下にまとめる。 (4) Influence of Calibration Result of Inclination Detection Unit 106G FIGS. 14A and 14B show the position measurement data of the probe 2 obtained by measuring the reference spherical surface 1a along the measurement paths 31b and 32b and the output of the inclination detection unit 106G. Data of the center point of the probe tip sphere 21 (hereinafter referred to as correction data) obtained by the calculation unit 51 using the data is indicated by dotted lines 141 and 143. Here, the coefficient Gx for converting the output of the inclination detection unit 106G into the inclination θx ′ is set to a value obtained by adding only a minute value ΔGx to a correct value, and all other variables are set to correct values. FIG. 14A illustrates correction data in the measurement path 31b, and FIG. 14B illustrates correction data in 32b. At this time, the characteristics of the conversion coefficient Gx are summarized below.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ１４１、１４３は、それぞれ、円がＸ方向に伸縮した誤差を持つ。 The correction data 141 and 143 in the horizontal sections 31a and 32a have an error that the circle expands and contracts in the X direction.

・換算係数Ｇｘを正しく校正すると、補正データ１４１、１４３は、それぞれ、円になり、それぞれの半径は円形の軌跡３１ｂ、３２ｂの半径に一致する。 When the conversion coefficient Gx is correctly calibrated, the correction data 141 and 143 become circles, and the respective radii coincide with the radii of the circular trajectories 31b and 32b.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ１４１、１４３の中心１４２、１４４は、それぞれ、円形の軌跡３１ｂ、３２ｂの中心に一致する。 The centers 142 and 144 of the correction data 141 and 143 in the horizontal sections 31a and 32a coincide with the centers of the circular trajectories 31b and 32b, respectively.

換算係数Ｇｙの校正誤差の特徴については、前記Ｇｘの特徴がＸ方向に形状を伸縮させる事に対して、Ｙ方向に伸縮させる事が異なるだけなので、図示していない。その特徴を以下にまとめる。 The calibration error feature of the conversion factor Gy is not shown because the feature of Gx is that the shape is expanded and contracted in the X direction, but only the expansion and contraction in the Y direction is different. The features are summarized below.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データは、それぞれ、円がＹ方向に伸縮した誤差を持つ。 The correction data in each horizontal section 31a and 32a has an error that the circle expands and contracts in the Y direction.

・換算係数Ｇｙを正しく校正すると、補正データは、それぞれ、円になり、それぞれの半径は円形の軌跡３１ｂ、３２ｂの半径に一致する。 When the conversion coefficient Gy is correctly calibrated, the correction data becomes a circle, and the respective radii coincide with the radii of the circular trajectories 31b and 32b.

・各水平断面３１ａ、３２ａでの補正データの中心は、それぞれ、円形の軌跡３１ｂ、３２ｂの中心に一致する。 -The center of the correction data in each horizontal section 31a and 32a corresponds to the center of circular locus 31b and 32b, respectively.

傾き検出部の取付誤差φの校正誤差の特徴は、特開２００８−３０４４１３号公報に示されているように、水平断面３２ａにおける相反する方向に測定して得られた互いの補正データが一致しない。 As shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-304413, the correction error feature of the inclination detection unit mounting error φ is different from each other in correction data obtained by measurement in opposite directions in the horizontal section 32a. .

Ｇｘの調整：水平断面３１ａ、３２ａでの各補正データのＸ方向に伸縮した形状が円形状になるように演算部５１で調整する。 Adjustment of Gx: Adjustment is performed by the calculation unit 51 so that the shape expanded and contracted in the X direction of each correction data in the horizontal sections 31a and 32a becomes a circular shape.

Ｇｙの調整：水平断面３１ａ、３２ａでの各補正データのＹ方向に伸縮した形状が円形状になるように演算部５１で調整する。 Adjustment of Gy: The calculation unit 51 adjusts the shape of the correction data in the horizontal sections 31a and 32a so that the shape expanded and contracted in the Y direction becomes a circular shape.

φの調整：水平断面３２ａでの相反する方向に測定して得られた各補正データが一致するように演算部５１で調整する。 Adjustment of φ: The calculation unit 51 adjusts so that the correction data obtained by measuring in the opposite directions on the horizontal section 32a coincide.

Ｒの調整：水平断面３１ａ、３２ａでの各補正データと軌跡３１ｂ，３２ｂを比較した測定誤差が最小となる値に演算部５１で調整する。 Adjustment of R: The calculation unit 51 adjusts the correction data in the horizontal cross sections 31a and 32a to the value that minimizes the measurement error by comparing the trajectories 31b and 32b.

以上のように、図６Ａに示す測定経路３１ｂ，３２ｂにより位置座標測定部５０で得られる測定データと球面形状とを演算部５１で比較する事で、変数α、β、γ、Ｒ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏ、Ｇｘ、Ｇｙ、φを演算部５１で求める事ができる。また、前記の方法により求まる変数Ｒを用いて、プローブ先端球２１の半径Ｒ_２を、Ｒ_２＝Ｒ−Ｒ_１（凸面の場合）又はＲ_２＝Ｒ_１−Ｒ（凹面の場合）により演算部５１で求める事ができる。 As described above, the measurement data obtained by the position coordinate measurement unit 50 and the spherical shape are compared by the calculation unit 51 through the measurement paths 31b and 32b shown in FIG. 6A, so that the variables α, β, γ, R, Xo, Yo, Zo, Gx, Gy, and φ can be obtained by the calculation unit 51. Further, the radius R ₂ of the probe tip sphere 21 is calculated by R ₂ = R−R ₁ (in the case of a convex surface) or R ₂ = R ₁ −R (in the case of a concave surface) using the variable R obtained by the above method. It can be found in the part 51

以降では、図１５に示す本発明の第２実施形態の校正処理の流れに基づいて説明する。 Hereinafter, description will be made based on the flow of the calibration processing according to the second embodiment of the present invention shown in FIG.

まず、測定機１００Ｇに、基準球面１ａを有する被測定物１を設置し、被測定物表面１ａにスタイラス２０を接触させて、スタイラス２０を基準球面１ａに一定の力で押し込むようにスタイラス２０を基準球面１ａに追従制御を行う（ステップＳ１）。 First, the measurement object 1 having the reference spherical surface 1a is installed on the measuring instrument 100G, the stylus 20 is brought into contact with the measurement object surface 1a, and the stylus 20 is pushed into the reference spherical surface 1a with a constant force. Follow-up control is performed on the reference spherical surface 1a (step S1).

次に、測定座標系ＸＹＺの原点Ｏを基準球面１ａの中心Ｏｓの近傍に測定条件設定部５２で設定する（ステップＳ２）。 Next, the measurement condition setting unit 52 sets the origin O of the measurement coordinate system XYZ near the center Os of the reference spherical surface 1a (step S2).

そして、第１断面３１ａにおける第１測定経路３１ｂに沿って、制御装置１１１Ｇの制御下で、Ｘ軸ステージ１１２ＧとＹ軸ステージ１１３Ｇとをそれぞれ制御する事で、第１測定経路３１ｂ上のプローブ２の位置測定データを位置座標測定部５０で取得するとともに傾き検出部１０６Ｇの出力データを取得する（ステップＳ３）。 The probe 2 on the first measurement path 31b is controlled by controlling the X-axis stage 112G and the Y-axis stage 113G along the first measurement path 31b in the first cross section 31a under the control of the control device 111G. And the output data of the inclination detector 106G are acquired (step S3).

次に、第２断面３２ａにおいて前記第２測定経路３２ｂに沿って、制御装置１１１Ｇの制御下で、Ｘ軸ステージ１１２ＧとＹ軸ステージ１１３Ｇとをそれぞれ制御する事で、第２測定経路３２ｂ上のプローブ２の位置測定データを位置座標測定部５０で取得するとともに傾き検出部１０６Ｇの出力データを取得する（ステップＳ４）。 Next, the X-axis stage 112G and the Y-axis stage 113G are respectively controlled along the second measurement path 32b in the second cross section 32a under the control of the control device 111G. The position coordinate measurement unit 50 acquires the position measurement data of the probe 2 and the output data of the inclination detection unit 106G (step S4).

次に、第２断面３２ａにおいて前記第２測定経路３２ｂをステップＳ４の測定方向と相反する方向に、制御装置１１１Ｇの制御下で、Ｘ軸ステージ１１２ＧとＹ軸ステージ１１３Ｇとをそれぞれ制御する事で、プローブ２の位置測定データを位置座標測定部５０で取得するとともに傾き検出部１０６Ｇの出力データを取得する（ステップＳ５Ａ）。 Next, the X-axis stage 112G and the Y-axis stage 113G are respectively controlled in the second cross section 32a in the direction opposite to the measurement direction of step S4 in the second cross section 32a under the control of the control device 111G. The position measurement data of the probe 2 is acquired by the position coordinate measurement unit 50, and the output data of the inclination detection unit 106G is acquired (step S5A).

以上の手順で位置座標測定部５０で取得した第１及び第２測定経路３１ａ、３２ｂの３種のプローブ２の位置測定データと傾き検出部１０６Ｇの出力データとを用いて、以降の処理により直角度誤差α、β、γとプローブ先端球２１の半径Ｒ_２と傾き検出部校正項目Ｇｘ、Ｇｙ、φとを演算部５１で校正する。 By using the position measurement data of the three types of probes 2 of the first and second measurement paths 31a and 32b and the output data of the inclination detection unit 106G acquired by the position coordinate measurement unit 50 in the above procedure, The calculation unit 51 calibrates the angle errors α, β, γ, the radius R ₂ of the probe tip sphere 21, and the tilt detection unit calibration items Gx, Gy, φ.

まず、演算部５１において変数α、β、γ、Ｒ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏ、Ｇｘ、Ｇｙ、φの初期値を設定する（ステップＳ５）。このとき、初期値の設定は、１回目の測定時にはα＝β＝γ＝０、φ＝０とし、Ｇｘ、Ｇｙ、Ｒは設計値を用いて校正する。２回目以降の測定時には前回校正した結果の変数α、β、γ、Ｒ、Ｇｘ、Ｇｙ、φを用いる事が好ましい。変数Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏの初期値については、常に、Ｘｏ＝Ｙｏ＝Ｚｏ＝０とする。 First, initial values of variables α, β, γ, R, Xo, Yo, Zo, Gx, Gy, and φ are set in the calculation unit 51 (step S5). At this time, initial values are set to α = β = γ = 0 and φ = 0 in the first measurement, and Gx, Gy, and R are calibrated using design values. In the second and subsequent measurements, it is preferable to use the variables α, β, γ, R, Gx, Gy, and φ as a result of previous calibration. The initial values of the variables Xo, Yo, and Zo are always Xo = Yo = Zo = 0.

前記ＲＭＳが、所定の値よりも小さいと演算部５１で判断した場合、あるいは変数α、β、γ、Ｒ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏ、Ｇｘ、Ｇｙ、φの値を変更してもＲＭＳが小さくできないと演算部５１で判断した場合には、その各変数の値が最適であると考えて最適化処理を演算部５１で終了する（ステップＳ７）。 If the calculation unit 51 determines that the RMS is smaller than a predetermined value, or the value of the variables α, β, γ, R, Xo, Yo, Zo, Gx, Gy, and φ is changed, the RMS is small. If the calculation unit 51 determines that it cannot be performed, it considers that the value of each variable is optimal, and ends the optimization process in the calculation unit 51 (step S7).

前記ＲＭＳが最適でないと演算部５１で判断した場合には、前述の調整方法に基づいてγ⇒β⇒α⇒Ｇｘ⇒Ｇｙ⇒Ｘｏ⇒Ｙｏ⇒Ｚｏ⇒Ｒ⇒φの順で変数を演算部５１で決定する（ステップＳ８）。 When the calculation unit 51 determines that the RMS is not optimal, the calculation unit 51 calculates variables in the order of γ⇒β⇒α⇒Gx⇒Gy⇒Xo⇒Yo⇒Zo⇒R⇒φ based on the adjustment method described above. (Step S8).

そして、演算部５１で、更新したα、β、γ、Ｒ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏ、Ｇｘ、Ｇｙ、φを改めて初期値として（ステップＳ９）、再度、ステップＳ６を演算部５１で行う。もし、ステップＳ７においてＲＭＳが収束したと演算部５１で判断した場合には、変数α、β、γ、Ｇｘ、Ｇｙ、φが最適化されており、直角度誤差及び傾き検出部１０６Ｇの校正が完了する。 Then, in the calculation unit 51, the updated α, β, γ, R, Xo, Yo, Zo, Gx, Gy, and φ are set as initial values again (step S9), and step S6 is performed again by the calculation unit 51. If the calculation unit 51 determines that the RMS has converged in step S7, the variables α, β, γ, Gx, Gy, φ are optimized, and the squareness error and inclination detection unit 106G is calibrated. Complete.

以上の手順で校正された直角度誤差α、β、γとプローブ先端球の半径Ｒ_２と傾き検出部１０６Ｇの校正項目Ｇｘ、Ｇｙ、φとを記憶部５４に記憶する（ステップＳ１１）。 Perpendicularity error α is calibrated by the above procedure, beta, calibration items Gx detection unit 106G inclination to the radius R ₂ of the γ and the probe end ball, Gy, stores and φ in the storage unit 54 (step S11).

以上が本発明の第２実施形態における三次元測定機１００Ｇの校正方法である。以後の１００Ｇ測定において、前述の記憶部５４に記憶した直角度誤差α、β、γとプローブ先端球２１の半径Ｒ_２と傾き検出部１０６Ｇの校正項目Ｇｘ、Ｇｙ、φとを適用する事が可能になる。 The above is the calibration method of the coordinate measuring machine 100G in the second embodiment of the present invention. In subsequent 100G measurement, squareness errors stored in the storage unit 54 of the aforementioned alpha, beta, calibration items Gx detection unit 106G inclination to the radius R ₂ of the γ and the probe end ball 21, Gy, is possible to apply the φ It becomes possible.

前記第２実施形態によれば、形状が既知の基準球面１ａの高さの異なる２つの断面を水平方向に測定して得られるプローブ先端球２１の軌跡３１ｂ、３２ｂを表す測定データを位置座標測定部５０で取得するとともに傾き検出部１０６Ｇの出力データを取得する。そして、これらのデータ用いて、演算部５１において直角度誤差の影響により楕円体の一部となる前記測定データを球の一部に変換するためのα、β、γを求めて直角度誤差を校正する。さらに、前記測定データの直角度誤差を補正したデータと傾き検出部１０６Ｇの出力データから換算して得られるスタイラス傾きデータとを用いて、プローブ先端球２１の中心点の軌跡を表面に持つ球の半径を求める。そして、この半径から基準球面の半径を差し引く事でプローブ先端球の半径を校正することができる。すなわち、単一の基準球面１ａを２本の測定経路３１ｂ、３２ｂに沿って測定するだけで、直角度誤差α、β、γとプローブ先端球２１の半径Ｒ_２と傾き検出部１０６Ｇとを校正することができる。 According to the second embodiment, the measurement data representing the trajectories 31b and 32b of the probe tip sphere 21 obtained by measuring two cross sections having different heights of the reference spherical surface 1a having a known shape in the horizontal direction is measured by position coordinates. Obtained by the unit 50 and output data of the inclination detecting unit 106G. Then, using these data, α, β, and γ for converting the measurement data that becomes a part of an ellipsoid into a part of a sphere due to the influence of the squareness error in the calculation unit 51 are obtained, and the squareness error is calculated. Calibrate. Further, by using the data obtained by correcting the squareness error of the measurement data and the stylus inclination data obtained by conversion from the output data of the inclination detecting unit 106G, the sphere having the locus of the center point of the probe tip sphere 21 on the surface is obtained. Find the radius. The radius of the probe tip sphere can be calibrated by subtracting the radius of the reference spherical surface from this radius. That is, the squareness errors α, β, γ, the radius R ₂ of the probe tip sphere 21 and the inclination detector 106G are calibrated only by measuring the single reference spherical surface 1a along the two measurement paths 31b and 32b. can do.

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。 It is to be noted that, by appropriately combining any of the various embodiments, the effects possessed by them can be produced.

本発明の三次元測定機の校正方法によれば、単一の基準球面上を倣い測定し、測定されたプローブ位置座標データからプローブ半径誤差の影響を排除した上で装置座標軸の直角度誤差を容易に高精度に求めることができる。また、本発明の校正方法においてプローブの軌跡データに含まれる直角度誤差を補正した球体状のデータの半径から、基準球面の半径を差し引く事によりプローブ先端球の半径を校正する事が可能である。 According to the CMM calibration method of the present invention, a single reference sphere is copied and measured, and the influence of the probe radius error is excluded from the measured probe position coordinate data, and then the squareness error of the apparatus coordinate axis is calculated. It can be easily obtained with high accuracy. In addition, the radius of the probe tip sphere can be calibrated by subtracting the radius of the reference spherical surface from the radius of the spherical data in which the squareness error included in the probe trajectory data is corrected in the calibration method of the present invention. .

１基準球面を有する校正用被測定物
１ａ基準球面
２３次元形状測定機用プローブ
２０スタイラス
２０Ｇｂ測定点（接触点）
２１プローブ先端球
３１ａ第１断面（水平断面）
３１ｂ第１測定経路
３２ａ第２断面（水平断面）
３２ｂ第２測定経路
３３プローブ先端球中心の軌跡
５０位置座標測定部
５０Ａ測定データ取得部
５１演算部
５２測定条件設定部
５３校正装置
５４記憶部
５５被測定物
５５ａ被測定物表面
７１，７３測定データに対して直角度誤差を補正したデータ
７２，７４補正データ７１，７３の中心
８０Ｇ測定点情報決定部
８１，８３水平断面３１ａ、３２ａでの測定データ
８２，８４円形の軌跡３１ｂ，３２ｂの中心
９１，９３水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ
９１Ｇ反射ミラー
９２，９４補正データ９１，９３の中心
１００Ｇ３次元形状測定機
１０１，１０３水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ
１０１Ｇレーザ光源
１０２，１０４補正データ１０１，１０３の中心
１０５Ｇミラー
１０６Ｇ傾き検出部（例えばフォトダイオード）
１１１，１１３水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ
１１１Ｇ制御装置
１１２，１１４補正データ１１１，１１３の中心
１１２ｃ位置ずれ防止部
１１２ＧＸ軸ステージ
１１３ＧＹ軸ステージ
１１４ＧＺ軸ステージ
１１５ＧＺ軸参照ミラー
１１６Ｇミラー
１４１、１４３水平断面３１ａ、３２ａでの補正データ
１４２、１４４補正データ１４１、１４３の中心
３００Ｇｂ受光面におけるレーザのスポット 1 Calibration object having a reference spherical surface 1a Reference spherical surface 2 Probe for 3D shape measuring machine 20 Stylus 20Gb Measurement point (contact point)
21 Probe tip sphere 31a First section (horizontal section)
31b First measurement path 32a Second section (horizontal section)
32b Second measurement path 33 Trajectory of probe tip sphere center 50 Position coordinate measurement unit 50A Measurement data acquisition unit 51 Calculation unit 52 Measurement condition setting unit 53 Calibration device 54 Storage unit 55 Measurement object 55a Measurement object surface 71, 73 Measurement data Data for correcting squareness error 72, 74 Center of correction data 71, 73 80G Measurement point information determination unit 81, 83 Measurement data 82, 84 at horizontal sections 31a, 32a Center of circular trajectories 31b, 32b 91 , 93 Correction data at horizontal sections 31a and 32a 91G Reflector mirrors 92 and 94 Center of correction data 91 and 93 100G Three-dimensional shape measuring machine 101 and 103 Correction data at horizontal sections 31a and 32a 101G Laser light source 102 and 104 Correction data 101, 103 center 105G mirror 106G tilt detector (example The photo diode)
111, 113 Correction data at horizontal sections 31a, 32a 111G Control unit 112, 114 Center of correction data 111, 113 112c Position shift prevention unit 112G X-axis stage 113G Y-axis stage 114G Z-axis stage 115G Z-axis reference mirror 116G mirror 141 , 143 Correction data at horizontal sections 31a, 32a 142, 144 Center of correction data 141, 143 300Gb Laser spot on light receiving surface

Claims

In a calibration method for a contact type CMM that measures the shape of the surface by following the sphere of the tip of the stylus of the probe to the surface of the object to be measured.
A cross-section of a single convex surface or concave reference spherical surface is traced in the horizontal direction, and the trajectory of the center of the sphere at the tip of the stylus of the probe is acquired as a measurement data by the measurement data acquisition unit,
Using the measurement data, the radius of the reference spherical surface, and the design radius of the sphere at the tip of the stylus, the squareness error is calibrated by the calculation unit, and the data obtained by correcting the squareness error of the measurement data is corrected. Calculate the radius of the sphere on the surface with the calculation unit,
Dimensional measurement, characterized in that calibrating the radius of the sphere of the difference from the stylus tip and the radius of the reference spherical surface of the sphere with data obtained by correcting the perpendicularity error surface by the arithmetic unit Machine calibration method.

Furthermore, the inclination detector detects the inclination of the stylus of the probe at the time of measurement,
The calculation unit calculates and corrects the amount of displacement of the sphere at the tip of the stylus according to the inclination of the stylus,
The probe obtained by measuring the coefficient for converting the output of the tilt detection unit into the tilt of the stylus and the mounting angle error included in the tilt detection unit along the reference spherical surface and acquired by the measurement data acquisition unit 2. The coordinate measuring machine calibration method according to claim 1, wherein calibration is performed by the calculation unit from the position measurement data of and the output data of the tilt detection unit.