JPH0783653A

JPH0783653A - 形状測定方法および形状測定システム

Info

Publication number: JPH0783653A
Application number: JP5227260A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Okazawa; 泰夫岡沢; Kenzo Sato; 賢蔵佐藤; Hideki Tanaka; 秀規田中
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-09-13
Filing date: 1993-09-13
Publication date: 1995-03-28

Abstract

(57)【要約】【目的】短い測定時間で、被測定物の全面に渡る多くの
点において、形状の測定を行う形状測定システムを提供
する。【構成】加工機１に搭載された状態の被測定物５０の測
定面に沿って、測定プローブ７０を移動させながら被測
定物の形状を測定する形状測定装置１０において、被測
定物５０を、回転制御部１１により回転させながら、測
定プローブ７０を移動制御部１２により被測定物５０の
１対角線上を移動させて計測生データ検出部１３により
測定を行う。また、加工機１において、被測定物５０
と、被測定物５０を加工機１に取り付ける部材、測定プ
ローブ７０と、測定プローブを取り付けている部材の振
動による変位と変形とを、計測誤差要因データ検出部１
４で検出し、検出部１３の検出結果に検出部１４の検出
結果を加味し、測定時間を増やすことなく、加工面の全
面について計測誤差を排除して高精度に形状測定をす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加工機における被加工
物、とくにレンズを加工する加工機におけるレンズの形
状を測定するシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】加工機において、被加工物を加工した
後、被加工物の加工形状の良否の判断や、引き続き行う
補正加工に使用するための補正データを得るために、被
加工物の加工形状の測定を行っている。この際、被加工
物を加工機から着脱すると、この着脱に伴い時間を損失
してしまう。また、着脱すると、被加工物が加工機に取
り付けた状態と、測定時の被加工物の状態との対応をと
ることが難しいので、補正加工の加工精度が悪くなる。
このため、被加工物を加工機に取り付けたまま、形状の
測定を行っている。

【０００３】従来、加工機に取り付けられている被測定
物（被加工物）であるレンズの１対角線（レンズの回転
の中心点を通る一直線）上で、測定手段である測定プロ
ーブを走査させ、前記対角線上の複数の点における被測
定物の形状を測定する。この測定点の例を具体的に図５
に示す。測定プローブを、被測定物であるレンズ４５の
Ｐ１からＰＮまでの各測定点で測定する。つまり、最初
にＰ１点を測定し、次にＰ２点を測定し、続いてＰ３
点、Ｐ４点と測定していき、最後にＰＮ点を測定する。
つづいて測定された各点における形状と、理想的な形状
との差である誤差を算出し、各点における誤差の値をプ
ロットした点を直線で結んで（補間して）図６のような
測定結果を出力する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の形状測定では、
レンズの１対角線上で測定プローブを走査させた場合
に、測定点が１対角線上に限られてしまう。該対角線上
以外の点において形状を測定しようとすると、測定時間
が増えるという問題がある。

【０００５】本発明は、短い測定時間で、被測定物であ
るレンズの加工面上の１対角線上に限らず、前記加工面
上の全面に渡る多くの点において形状の測定を行うこと
ができる形状測定システムを提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】被測定物の測定面に沿っ
て、前記測定面上の点の３次元的な位置を検出するため
の測定プローブを移動させながら、前記被測定物の形状
を測定する形状測定システムにおいて、前記被測定物を
回転させる回転制御手段と、該回転制御手段により前記
被測定物を回転させながら、該被測定物の測定面上で前
記測定プローブを直線的に移動させる移動制御手段と、
前記測定プローブの座標位置を検出する計測データ検出
手段と、該計測データ検出手段により検出されたデータ
と、予め与えられた前記被測定物の測定面の理想的な形
状とに基づいて、前記被測定物の測定面の形状の前記理
想的な形状との誤差を算出する形状誤差算出手段とを備
えることができる。

【０００７】

【作用】加工機に搭載された状態の被測定物（レンズ）
の測定面に沿って測定プローブを移動させながら被測定
物の形状を測定する形状測定装置において、被測定物を
回転させながら、測定プローブを被測定物の１対角線上
を移動させて測定を行う。被測定物に対する測定プロー
ブの動きが、測定面の全面に螺旋状あるいは複数の円弧
を描くようになるので、短時間で高精度に、測定面上の
加工状況を把握することができる。

【０００８】また、加工機において、被測定物（被加工
物）と、被加工物を取り付けている部材と、測定プロー
ブと、測定プローブを取り付けている部材の振動による
変位と変形とを検出し、この検出結果を前記加工状況に
加味することにより、測定時間を増やすことなく、加工
面の全面について計測誤差を排除して高精度に形状測定
をすることができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。

【００１０】図１に、本発明の一実施例を加工機１に適
用した加工制御システムの概要を示す。図２に、本実施
例で用いられる形状測定装置１０の機能ブロック図を示
す。

【００１１】図１において、本実施例は、被加工物５０
に対する加工を行なう加工機１と、これに接続されるＮ
Ｃコントローラ３０と、加工機１に設けられて、被加工
物５０の形状を測定する形状測定装置１０と、形状測定
結果を参照して、ＮＣ加工プログラムを作成するホスト
コンピュータ４０とを有する。

【００１２】形状測定装置１０は、被加工物５０に対し
て相対移動可能に設けられて、被加工物５０の相対位置
関係を検出する測定端子７０と、予め定めた原点を基準
として、この測定端子７０の位置を測定する位置測定器
９０と、測定データの処理を行なって形状測定値を求め
る情報処理装置１００とで構成される。

【００１３】測定端子７０は、図１に示すように、加工
機１に搭載される。

【００１４】加工機１は、被加工物５０およびこれを保
持すると共に回転駆動するワーク駆動機構８７と、駆動
機構８７を載置するステージ８１と、ステージ８１を移
動自在に支持するための支持台８２と、ステージ８１を
必要量移動させるためのステージ駆動装置８３と、工具
台５１および測定端子７０を支持するためのステージ８
４と、ステージ８４を移動自在に支持するための支持台
８５と、ステージ８４を必要量移動させるためのステー
ジ駆動装置８６とを有する。

【００１５】ＮＣコントローラ３０は、加工プログラム
にしたがって、加工機１の、ステージ駆動装置８３，８
６およびワーク駆動機構８７の動作を制御する。また、
形状測定を行なう際に、ホストコンピュータ４０からの
指示に応じて、ステージ駆動装置８３，８６の動作を制
御する。

【００１６】ホストコンピュータ４０は、ＮＣコントロ
ーラ３０の制御プログラム、および、加工、測定等のた
めに必要な各種パラメータを作成して、これに出力する
と共に、情報処理装置１０からの形状測定情報を取り込
んで、修正プログラム、パラメータ等を作成して、ＮＣ
コントローラ３０に送る。

【００１７】情報処理装置１００は、図示していない
が、ホストコンピュータ４０から送られる測定指令を受
けて測定端子７０からの出力信号を取り込んで、被加工
物の形状を測定する形状測定手段と、各測定点について
の測定値を記憶する形状測定値記憶手段と、形状測定値
をＮＣプログラム作成装置４０に出力する形状測定値出
力部とを有する。

【００１８】測定端子７０は、例えば、差動トランス型
の測定プローブにより構成され、予め定めた基準点、例
えば、理想形状から±の変位量を示す信号を出力する。
測定端子７０は、本実施例では、接触式の例を示すが、
非接触式であってもよい。

【００１９】位置測定器９０は、本実施例では、光学式
の測長計が用いられる。すなわち、ステージ８１にミラ
ー９４が、ステージ８４にミラー９６がそれぞれ取り付
けられ、前者には、ミラー９２および９３を介して、ま
た、後者には、ミラー９５を介して、それぞれ光線が入
射される。本実施例の測長計は、ミラー９４および９６
の変位を光学的に測定すると共に、予め定めた原点を基
準とする座標データを出力する。本実施例では、加工機
１に備え付けられているものを共用しているが、独自に
設けてもよい。

【００２０】差動トランス型の測定プローブを用いた場
合の測定原理を説明する。

【００２１】図３（ａ）は、測定プローブ７０を設計値
位置（理想形状位置）に移動させたときに、被測定物５
０の形状が設計値通りの形状にあり、被測定物５０と測
定プローブ７０が設計値位置で接触した状態を示してい
る。この時、測定プローブ４０の出力電圧が零になるよ
うあらかじめ測定プローブ７０を調整しておく。各測定
点の位置で得られた測定プローブ７０の出力電圧を形状
測定装置１０で入力し記憶していく。図３（ｂ）は、測
定プローブ７０を設計値位置に移動させたときに被測定
物５０が設計値形状に対して形状誤差４４があるとき、
すなわち被測定物５０と測定プローブ７０が設計値位置
に対して形状誤差４４がある位置で接触した状態を示し
ている。一方、形状誤差と測定プローブの出力電圧の関
係は、図４の様になるように予めわかって測定プローブ
７０が設計されているので、測定プローブの出力電圧を
測定すれば形状誤差を求めることができる。

【００２２】図２は、本発明による形状測定装置１０の
実施例を示す機能ブロック図である。

【００２３】形状測定装置１０以外には、測定を指示す
るホストコンピュータ４０と、測定プローブ７０と、被
測定物（非加工物）５０と、被測定物および測定プロー
ブを取付けた移動ステージを有する加工機１、とで構成
される。

【００２４】以下、本実施例における形状測定過程を説
明する。

【００２５】ホストコンピュータ４０は、被測定物の測
定面の形状と測定プローブの形状と測定条件とから、測
定指令データを作成して形状測定装置１０へ測定の指示
を出力する。形状測定装置１０は、外部通信部１６を通
して前記測定の指示を入力する。

【００２６】形状測定装置１０は、測定の指示に従って
測定を行う。この測定について詳細に説明する。回転制
御部１１は、加工機１に含まれるモータを制御すること
により、被測定物５０を回転させる。移動制御部１２
は、加工機１に含まれる移動ステージを制御することに
より回転している被測定物５０の測定面に沿って測定プ
ローブ７０が移動するように、被測定物５０と測定プロ
ーブ７０とを移動させる。

【００２７】前記回転制御と前記移動制御と同時に、計
測生データ検出部１３は、被測定物５０の回転位置と、
被測定物５０と測定プローブ７０の座標位置と、測定プ
ローブ７０からの出力信号、とからなる計測生データを
検出し記憶する。

【００２８】前記計測生データの検出と同時に、計測誤
差要因データ検出部１４は、被測定物５０と被加工物を
取り付けている部材と測定プローブ７０と測定プローブ
を取り付けている部材の振動による変位と変形とからな
る計測誤差要因データを検出し記憶する。形状誤差算出
部１５は、前記計測生データと前記計測誤差要因データ
と被測定物の設計値データ（理想形状データ）とから、
被測定物の形状誤差データを算出する。

【００２９】形状測定装置１０は、算出された形状誤差
データを、外部通信部１６を介してホストコンピュータ
４０へ出力する。

【００３０】図７において、本発明による形状の測定の
動作を、具体的に説明する。

【００３１】被測定物５０を回転させながらＺ方向に移
動制御する。測定プローブ７０をＸ方向に移動制御す
る。移動制御は測定プローブ７０の先端が被測定物５０
の設計値の形状に沿って移動するとき測定プローブ７０
の出力が零になるよう移動制御する。測定プローブ７０
の出力と形状誤差との関係はあらかじめわかっているの
で、測定プローブ７０の出力により形状誤差データを得
る。

【００３２】被測定物取付け具５２と測定プローブ７０
に付属している干渉系光学部品５５、５６、５７、５
８、５９を含む干渉計システム６０により、被測定物５
０と測定プローブ７０の位置座標を検出して位置座標デ
ータを得る。

【００３３】被測定物取付け具５２に付属しているロー
タリエンコーダを含む回転角度検出器５３により、被測
定物５０の回転角度を検出して回転角度データを得る。

【００３４】被測定物取付け具５２に付属している加速
度計を含む振動検出器５４により、被測定物の振動を検
出して振動データを得る。本実施例では、検出器として
被測定物取付け具５２に付属している振動検出器５４の
みを用いているが、測定プローブにも振動検出器を付け
てもよいし、干渉計を用いて直接に変位を測定してもよ
い。

【００３５】図１１、図１２、図１３は形状誤差と測定
誤差要因の関係のうち形状誤差と振動との関係を表した
例である。測定プローブ７０から得た形状誤差（図１２
参照）から、振動成分（図１３参照）を除去した被測定
物の真の形状誤差（図１１参照）を得る。

【００３６】図８は、被測定物の回転位置を説明したも
のである。被測定物の回転位置は、被測定物５０の回転
の中心６２を含む基準線６４から、回転中心と測定プロ
ーブ中心位置を結ぶ直線６３までの角度６５となる。

【００３７】図９、図１０は、被測定物の測定位置の例
を表したものである。図９は測定開始点６８から測定終
了点６９まで渦巻の線上の点で被測定物５０の測定面の
全面を測定していく。図１０は、測定プローブ７０の移
動と停止を繰り返して、停止時に測定することにより、
複数の円弧の線上の点で被測定物７０の測定面の全面を
測定していく。

【００３８】図１６，１７，１８を用いて、具体的な測
定例について説明する。

【００３９】まず、被測定物を、一定回転速度、例え
ば、３０ｒｐｍで回転させる（ステップ１９１０）。
次、測定プローブが、被測定物の測定表面に沿って移動
するように、被測定物をＺ方向に、測定プローブをＸ軸
方向に移動開始する（ステップ１９２０）。

【００４０】移動と同時に、測定プローブが指定された
測定位置にきたら、以下のデータ（１）から（５）を読
み込み記憶する（ステップ１９３０）。

【００４１】（１）被測定物の回転角度位置Ａｉ（２）被測定物のＺ軸方向の座標位置Ｚｉ（３）測定プローブのＸ軸方向の座標位置Ｘｉ（４）測定プローブからの出力電圧Ｖｉ（５）加速度計からの出力変位量Ｗｉそして、指定された個数の測定位置で、前記測定を繰り
返す（ステップ１９４０）。

【００４２】測定プローブの移動が終了したら、各測定
点毎に記憶されたデータについて、設計値形状と実形状
との誤差である形状誤差Ｅｉを、次のように計算する。

【００４３】Ｅｉ＝ａ＊Ｖｉ（ａ＝比例定数）次に、各測定点毎に、加速度計の出力変位量Ｗｉを引い
た新の形状誤差Ｍｉを計算する。

【００４４】Ｍｉ＝Ｅｉ−Ｗｉ各測定点毎に、座標変換の計算を行ない、３次元データ
（ＸＸｉ，ＹＹｉ，Ｍｉ）を得る。

【００４５】ＸＸｉ＝（Ｒ−Ｘｉ）ｃｏｓＡｉＹＹｉ＝（Ｒ−Ｘｉ）ｓｉｎＡｉＲ＝回転中心とＸ０点までの距離上記のＸＸｉ，ＹＹｉ，Ｘ０を、図１７に図示する。

【００４６】また、具体例として、測定長さ（半径）を
５０ｍｍ，被測定物の回転速度を３０ｒｐｍ（毎分３０
回転），測定プローブの移動速度を１２ｍｍ／ｍｉｎと
し、１，２，…，ｋと１ｍｍおきに１周分測定してい
き、円周上の測定間隔を１ｍｍとした場合を、図１６に
示す。このとき、測定点の総数は、Ｓｋを一周分の測定
点の個数として、 ΣＳｋ（ｋ＝１，２，…，ｋ）となる。このように測定を行なうと、５０ｍｍ÷１２ｍｍ／ｍｉｎ＝４．２ｍｉｎなので、４．２ｍｉｎで、約１ｍｍ四方の密度で、測定
面（加工面）全体のデータが得られる。

【００４７】図１４、図１５は、形状測定の結果を表示
出力した例である。何れも形状誤差を３次元表示で表し
ている。図１４は、立体表示。図１５は等高線表示した
ものである。

【００４８】本例では、測定プローブとして接触型を用
いたが、非接触型でもよい。

【００４９】本例では、被測定物の測定面として円柱の
端面を用いたが、円柱の側面や球面や非球面でも同様で
ある。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、測定プローブは、測定
面の半径を移動すればよいので、測定時間を増やすこと
なく、測定面の全面について計測誤差を排除した測定を
行うことができる。従って、高精度で、高スループット
な形状測定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される形状測定システムの一実施
例の構成を示すブロック図。

【図２】本発明の実施例の形状測定装置が実行する各種
機能を示すブロック図。

【図３】測定プローブの説明図。

【図４】測定プローブの出力電圧と形状誤差の説明図。

【図５】従来の測定点の具体例の説明図。

【図６】従来の測定位置と形状誤差との具体例の説明
図。

【図７】本発明による形状の測定の動作の説明図。

【図８】被測定物の回転位置の説明図。

【図９】被測定物の測定位置の例の説明図。

【図１０】被測定物の測定位置の例の説明図。

【図１１】形状誤差と振動との説明図。

【図１２】形状誤差と振動との説明図。

【図１３】形状誤差と振動との説明図。

【図１４】本発明による形状測定結果の説明図。

【図１５】本発明による形状測定結果の説明図。

【図１６】本発明による具体的な測定例の説明図。

【図１７】本発明による具体的な測定例の説明図。

【図１８】本発明による具体的な測定の手順を示すフロ
ーチャート。

【符号の説明】

１…加工機、１０…形状測定装置、１１…回転制御部、
１２…移動制御部、１３…計測生データ検出部、１４…
計測誤差要因データ検出部、１５…形状誤差算出部、１
６…外部通信部、４０…ホストコンピュータ、５０…被
測定物、７０…測定プローブ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物の測定面に沿って、前記測定面上
の点の３次元的な位置を検出するための測定プローブを
移動させながら、前記被測定物の形状を測定する形状測
定方法において、前記被測定物を回転させながら、該被測定物の測定面上
で前記測定プローブを直線的に移動させ、前記測定プローブの座標位置を検出し、該検出されたデータと、予め与えられた前記被測定物の
測定面の理想的な形状とに基づいて、前記被測定物の測
定面の形状の前記理想的な形状との誤差を算出すること
を特徴とする形状測定方法。
【請求項２】請求項１において、前記被測定物の回転の
中心点を通る一直線上で、前記測定プローブを移動させ
ることを特徴とする形状測定方法。
【請求項３】請求項２において、前記直線上で、前記測
定プローブを連続的または断続的に移動させることによ
り、前記測定プローブの軌跡が前記被測定物の測定面上
で螺旋状または同心円状となることを特徴とする形状測
定方法。
【請求項４】請求項１，２，または３において、前記シ
ステムの振動による被測定物の変位を検出し、該変位と、前記検出されたデータと、予め与えられた前
記被測定物の測定面の理想的な形状とに基づいて、前記
被測定物の測定面の形状の前記理想的な形状との誤差を
算出することを特徴とする形状測定方法。
【請求項５】被測定物の測定面に沿って、前記測定面上
の点の３次元的な位置を検出するための測定プローブを
移動させながら、前記被測定物の形状を測定する形状測
定システムにおいて、前記被測定物を回転させる回転制御手段と、該回転制御手段により前記被測定物を回転させながら、
該被測定物の測定面上で前記測定プローブを直線的に移
動させる移動制御手段と、前記測定プローブの座標位置を検出する計測データ検出
手段と、該計測データ検出手段により検出されたデータと、予め
与えられた前記被測定物の測定面の理想的な形状とに基
づいて、前記被測定物の測定面の形状の前記理想的な形
状との誤差を算出する形状誤差算出手段と、を備えるこ
とを特徴とする形状測定システム。
【請求項６】請求項５において、前記移動制御手段は、
前記被測定物の回転の中心点を通る一直線上で、前記測
定プローブを移動させることを特徴とする形状測定シス
テム。
【請求項７】請求項６において、前記移動制御手段は、
前記直線上で、前記測定プローブを連続的または断続的
に移動させることにより、前記測定プローブの軌跡が前
記被測定物の測定面上で螺旋状または同心円状となるこ
とを特徴とする形状測定システム。
【請求項８】請求項５，６，または７において、前記シ
ステムの振動による被測定物の変位を検出する計測誤差
要因データ検出手段を備え、前記形状誤差算出手段は、前記誤差要因データ検出手段
により検出されたデータと、前記計測データ検出手段に
より検出されたデータと、予め与えられた前記被測定物
の測定面の理想的な形状とに基づいて、前記被測定物の
測定面の形状の前記理想的な形状との誤差を算出するこ
とを特徴とする形状測定システム。