TWI451217B - 機上測量裝置之探針安裝位置計算方法 - Google Patents

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Description

機上測量裝置之探針安裝位置計算方法
本發明係關於一種在使用安裝於工具機上之機上測量裝置測量工作物之形狀時的該機上測量裝置的探針安裝位置計算方法。
在超精密加工中，為了實現奈米級的形狀精度，機上測量之修正加工是必要而不可缺少的。另外，最近的需要機上測量之修正加工的加工形狀逐漸變複雜，即使對具備60度以上之急陡傾斜角的形狀也必須正確地實現奈米單位的形狀精度。再者，由於同時5軸加工的需要增加，預計接下來5軸加工之3維立體形狀的機上測量也會變得有所必要。
日本特開2010-32373號公報揭示一種利用機上測量裝置對測量對象物之形狀進行測量的系統，其特徵為在習知只有直動軸的機上測量中，增設旋轉軸以同時進行5軸加工測量，藉此除了能夠應付具備60度以上的急陡傾斜角的形狀之外，更可實現同時進行5軸加工之3維立體形狀的機上測量。
根據習知技術，係將機上測量裝置的探針以探針前端部在與該旋轉軸正交的平面上盡量與該旋轉軸的旋轉中心一致的方式安裝在旋轉軸上，並以卡尺、測微計等的尺寸測量裝置進行調整。之後，測量作為基準的對象物(球體等)，以平台、進給螺桿、鐵鎚等工具進行微調整，使探針前端部接近旋轉軸的旋轉中心。另外，在探針安裝偏離旋轉中心時也進行同樣的調整或微調整。
在增設旋轉軸的機上測量中最重要的是：機上測量裝置能夠正確地算出所安裝之旋轉軸的旋轉中心軸與探針的前端位置之間的位置關係。為了該計算，使用平面板的探針位置安裝位置計算方法在日本已提出專利申請(2009年12月25日申請，日本特願2009-295501號)。
若探針的安裝位置的位置關係發生錯誤，便無法定出旋轉測量時的探針位置，進而無法實現奈米級的正確測量。
然而，以往為了掌握探針的正確安裝位置，必須手動重複進行調整，故調整非常花費工夫與時間，而且非常依賴實施調整作業的作業者的調整作業熟練度。
另外，機上測量裝置的探針安裝位置的計算方法是根據計算式求取，測量時的干擾、誤差等可能會被放大，因此，算出精度會有惡化的可能性。因此，為了實現更高精度的超精密測量，有必要對該算出精度進行修正。
於是本發明之目的在於提供一種機上測量裝置的探針安裝位置計算方法，其在使用旋轉軸的機上測量中，根據基準球測量結果修正各種計算所算出之安裝有機上測量裝置的旋轉軸的旋轉中心軸與探針的前端的距離。
在本發明之機上測量裝置的探針安裝位置計算方法中，該機上測量裝置安裝在至少具有3個直動軸與1個旋轉軸的工具機的該旋轉軸上，且該3個直動軸互相正交，使該等直動軸當中的1個與該旋轉軸的方向一致，該機上測量裝置的探針朝與該旋轉軸方向正交的方向移動。該探針的移動位移可用該機上測量裝置所安裝之探針位置檢測器檢測。使該探針前端所安裝之測量頭的前端抵接設置在該工具機上的基準球，算出該旋轉軸的旋轉中心與該測量頭的前端之間的距離。然後，該探針安裝位置計算方法包含以下步驟：
(1)　將該直動軸當中朝與該旋轉軸正交的2個方向移動的直動軸分別設為第1、第2直動軸，並預先定義相對於該旋轉軸中心的該測量頭的前端的位置作為該第1以及第2直動軸的座標的步驟；
(2)　作成相對於該旋轉軸之既定的2個相異的角度以探針的中心軸垂直於該基準球的表面的方式移動該第1以及第2直動軸並進行測量的測量程式的步驟；
(3)　求出根據所作成之該測量程式在該旋轉軸的該2個角度所測量到的該探針的移動位移資料與該探針之本來的移動位移資料的誤差作為相對於該2個角度的各測量誤差的步驟；
(4)　以該測量誤差分別為零的方式求出該第1以及第2直動軸的位移量作為相對於該2個角度的各第1修正量的步驟；
(5)　求出以該第1修正量修正之該測量程式的相對於該2個角度的該第1以及第2直動軸的座標作為基準座標，再者，將以該直動軸的位置檢測解析度為最小單位在既定範圍內分別獨立增減時的增減量作為第2修正量，該(1)步驟所定義之該測量頭的前端的位置以該第2修正量修正，根據修正後所得到的位置在該(2)的步驟作成測量程式，根據該程式求出相對於該2個角度的該第1以及第2直動軸的座標作為修正座標的步驟；
(6)　該(1)步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標以分別在該(5)步驟求出之該基準座標以及該修正座標的兩者的差為最小的該第2修正量修正，作為最終的相對於該旋轉軸中心的該測量頭的前端的位置的該第1以及第2直動軸的座標的步驟。
該(5)步驟亦可包含以下步驟：
(51)　求出用該第1修正量修正的該測量程式的相對於該2個角度的該第1以及第2直動軸的座標作為基準座標，再者，將該直動軸的位置檢測解析度乘以既定範圍內之正整數的數值作為第2修正量，從以自該(1)步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標分別減去該第2修正量而得的位置為基礎而在該(2)步驟所作成之測量程式，求出相對於該2個角度的該第1以及第2直動軸的座標作為修正座標的步驟；
(52)　將利用該第(51)步驟所求出之該基準座標與該修正座標的差在既定誤差以下的該第2修正量之中為最小誤差的該第2修正量，修正了該(1)步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標而得的座標，作為最終的相對於該旋轉軸中心的該測量頭的前端的位置的該第1以及第2直動軸的座標的步驟；
再者，在該(51)以及(52)步驟中當該誤差未在該既定誤差以下時，更可包含：(53)從以自該(1)步驟所定義之該第1直動軸的座標減去該第2修正量並將該(1)步驟所定義之該第2直動軸的座標加上該第2修正量所得之位置為基礎而在該(2)步驟所作成之測量程式，求出相對於該2個角度的該第1以及第2直動軸的座標作為修正座標的步驟；(54)將利用該第(51)步驟所求出之該基準座標與利用該(53)步驟所求出之該修正座標的差在既定誤差以下的該第2修正量之中為最小誤差的該第2修正量，修正了該(1)步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標而得的座標，作為最終的相對於該旋轉軸中心的該測量頭的前端的位置的該第1以及第2直動軸的座標的步驟；再者，在該(51)到(54)步驟中當該誤差未在該既定誤差以下時，更可包含：(55)從以對該(1)步驟所定義之該第1直動軸的座標加上該第2修正量且從該(1)步驟所定義之該第2直動軸的座標減去該第2修正量而得的位置為基礎而在該(2)步驟所作成之測量程式，求出相對於該2個角度的該第1以及第2直動軸的座標作為修正座標的步驟；(56)將利用該第(51)步驟所求出之該基準座標與利用該(55)步驟所求出之該修正座標的差在既定誤差以下的該第2修正量之中為最小誤差的該第2修正量，修正了該(1)步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標而得的座標，作為最終的相對於該旋轉軸中心的該測量頭的前端的位置的該第1以及第2直動軸的座標的步驟；再者，在該(51)到(56)的步驟中當該測量誤差未在該既定測量誤差以下時，更可包含：(57)從以對該第1步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標分別加上該第2修正量而得的位置為基礎而在該(2)步驟所作成 之測量程式，求出相對於該2個角度的該第1以及第2直動軸的座標作為修正座標的步驟；(58)將利用該第(51)步驟所求出之該基準座標與利用該(57)步驟所求出之該修正座標的差在既定誤差以下的該第2修正量之中為最小誤差的該第2修正量，修正了該(1)步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標而得的座標，作為最終的相對於該旋轉軸中心的該測量頭的前端的位置的該第1以及第2直動軸的座標的步驟。
該基準球宜為具有100奈米以下之形狀精度的球體。
根據本發明，便可提供一種機上測量裝置的探針安裝位置計算方法，其在使用旋轉軸的機上測量中，可根據基準球測量的結果，對利用各種計算所算出之安裝有機上測量裝置的旋轉軸的旋轉中心軸與探針的前端之間的距離進行修正。
首先，說明本發明之機上測量裝置的探針安裝位置計算方法的概略內容。本發明之特徵為：在使用旋轉軸的機上測量中，根據基準球測量結果對利用各種計算所算出之機上測量裝置的安裝旋轉軸的旋轉中心軸與探針前端之間的距離進行修正，以實現奈米單位的超精密旋轉測量。
具體而言，(a)預先定義出相對於已安裝探針之旋轉軸的中心的該探針的前端位置的X軸、Z軸的座標，(b)作出以該探針的中心軸對基準球的表面垂直的方式移動X軸、Z軸並進行測量的基準球測量程式，(c)根據所作成之基準球測量程式求出在該旋轉軸的相異2個角度θ1 、θ2 所測得之探針位置資料與本來的探針位置資料的誤差作為測量誤差，(d)修正在該旋轉軸的相異2個角度θ1 、θ2 的該探針的前端的 各位置座標，使該測定誤差為零。
(e)接著，以直線軸的檢測解析度的單位對X軸、Z軸的座標給子正或負之偏差量(在圖11的步驟SB103、圖12的步驟SB108、圖13的步驟SB113或圖14的步驟SB118中稱「總偏差量」)以進行修正，計算求出修正後的測量誤差，然後(f)以該求出之測定誤差作為所期望之測定誤差精度以下的最小測定誤差的修正量(總偏差量)修正X軸、Z軸的座標作為實際的探針前端位置。
圖1為被數值控制裝置所控制且由至少3個直動軸與至少1個旋轉軸所構成的工具機的一個實施例的說明圖。該工具機具備X軸、Y軸、Z軸的直動軸，更在X軸上具備旋轉軸B軸並在Y軸上具備旋轉軸C軸，可同時進行5軸控制。能夠以奈米等級控制各可動軸，對工作物實施奈米級精度的加工。
圖2係說明機上測量裝置的一個實施例的主要部位剖面圖。該機上測量裝置1包含外殼1a以及該外殼1a所內藏之探針1b。該探針1b係可利用外殼1a所設置之空氣軸承等軸承(圖中未顯示)朝探針1b的中心軸方向移動的可動部位。在該探針1b的前端安裝了由細棒狀的構件所構成的測量棒1e，且在該測量棒1e的前端安裝了球型測量頭1f。該球型測量頭1f接觸測量對象物100的測量對象面100a進行形狀測量。使探針1b沿著測量對象面100a移動，根據測量探針1b的位移，測量出測量對象物100的測量對象面100a的表面形狀。
機上測量裝置1在外殼1a內設有作為探針1b之移動位移檢測機構的線型量尺1d以及雷射頭1c。另外，使用雷射頭1c與線型量尺1d的位移檢測機構已為人所習知。如圖2所示的，使機上測量裝置1沿著測量對象物100的測量對象面100a移動，利用移動位移檢測機構(線型量尺1d與雷射頭1c)檢測出探針1b的位移。該移動位移檢測機構的檢測輸出，如圖3所示的，作為機上測量裝置1的測量信號ipf，輸入個人電腦11，被該個人電腦11作為探針1b的位置資訊儲存起來。
圖3係連結機上測量裝置與工具機的一個實施例的說明圖。該工具機的5個的可動軸X、Y、Z、B、C軸，分別設有用來控制各軸的相同電路構造的介面，機上測量裝置1也設有與其相同電路構造的介面。機上測量裝置1雖然不是構成工具機之可動軸的裝置，但在此該機上測量裝置1被視為工具機的一個可動軸，從該機上測量裝置1所得到之信號與從工具機的各可動軸(X、Y、Z、B、C軸)所得到之信號同樣透過數值控制裝置8的伺服控制部8b儲存到個人電腦11。
如前所述，工具機的5個可動軸與機上測量裝置分別設有相同電路構造的介面，故測量時以下述方式進行。各可動軸的位置檢測信號與機上測量裝置1的位置檢測信號以簡單的方式同步輸入數值控制裝置8的伺服控制部8b(進給軸驅動控制部)。數值控制裝置8與個人電腦11透過網路(註冊商標)12進行LAN通信，各軸的位置資訊與機上測量裝置1的探針的位移資料同時輸入外部記憶裝置亦即個人電腦11。再者，所輸入之各可動軸的位置資訊與探針的位移資料的保存可為測量用軟體所利用。
圖3表示將機上測量裝置1的測量信號透過數值控制裝置8輸入個人電腦11的實施例。在該例中，工具機的各可動軸(X、Y、Z、B、C軸)與安裝在B軸上的機上測量裝置1分別具備相同介面，使各可動軸的位置檢測信號與機上測量裝置1的測量信號以簡單的方式同步輸入數值控制裝置8的進給軸驅動控制部(伺服控制部8b)。
分別驅動工具機之各可動軸(X軸3、Y軸4、Z軸5、B軸6、C軸7)的伺服馬達所內建之位置檢測裝置(圖示省略)所輸出的位置檢測信號ipx、ipy、ipz、ipb、ipc透過各介面(圖中未顯示)回饋輸入到數值控制裝置8的伺服控制部8b。再者，測量被加工物W的表面形狀的機上測量裝置1的探針1b(參照圖2)的移動位移的相關測量信號亦即位置檢測信號ipf透過介面2與該位置檢測信號ipx、ipy、ipz、ipb、ipc同步輸入該伺服控制部8b。
另外，數值控制裝置8包含：記憶機構(圖中未顯示)，其可儲 存工具機的各可動軸的位置資訊與機上測量裝置1的測量資訊(位置資訊)；以及介面，其將該記憶機構所儲存的位置資訊送到外部裝置的個人電腦11。數值控制裝置8根據記憶機構所儲存之測量資訊(位置資訊)計算出在本發明之機上測量中的探針安裝位置。
工具機的各可動軸的回饋信號亦即位置檢測信號與機上測量裝置的測量信號透過相同電路構造的介面被數值控制裝置8的伺服控制部8b所取得，故各可動軸的位置檢測裝置的測量信號(軸位置檢測信號)與機上測量裝置1的測量信號(位置檢測信號)以簡單的方式同步輸入數值控制裝置8。然後，輸入數值控制裝置8的該等測量信號被作為位置資訊儲存在數值控制裝置8的記憶機構(圖示省略)。
另外，數值控制裝置8透過網路(註冊商標)12與外部裝置例如個人電腦11進行LAN通信，於每一採樣週期將各可動軸的位置資訊與機上測量裝置1的測量資訊同步儲存於連接或內建於該個人電腦11之記憶裝置11a。
個人電腦11內儲存有測量用軟體，根據透過數值控制裝置8所讀取的該位置資訊，利用習知技術執行測量被加工物形狀所需要的計算處理。
圖4係測量具有曲面之工作物面的說明圖。機上測量裝置1安裝在旋轉軸(在圖3的實施例中為B軸)上，為了測量具有曲面之工作物的表面，利用前端側具備球型測量頭1f的探針1b的位移進行機上測量。另外，測量頭的測量棒1e在圖4中被省略。
為了測量具有曲面之工作物的表面，同時控制各可動軸，使球型測量頭1f亦即紅寶石球體一邊接觸工作物W的表面亦即曲面一邊移動，掃描機上測量裝置1。探針1b的掃描，按照圖4所示之(1)→(2)→(3)→(4)→(5)的順序進行。然後，檢測探針1b(機上測量裝置1的可動軸)的位移以對工作物表面的形狀作機上測量。在進行該機上測量時，同時控制工具機的各可動軸，使探針1b的中心軸與工作物表面經常保持垂直。因此，在理想的情況下係僅以探針1b的中心軸與球型測量頭1f的前端相交之點接觸工作物W 的表面，故即使對以往不可能進行測量的90度以上的角度也能夠進行測量。另外，由於一直都只以球型測量頭1f上的同一點，(亦即，探針1b的中心軸與球型測量頭1f的前端相交之點)進行測量，故能夠讓球型測量頭1f的形狀誤差的影響最小化。
接著，以圖5與圖6說明機上測量裝置1與加工工具搭載於相同旋轉軸上時加工以及測量的態樣。
圖5係機上測量裝置1與如轉軸之加工裝置20安裝在一個旋轉軸30上時該加工裝置20所具備之加工工具21進行加工的說明圖。工具機的各可動軸同時受到控制，使安裝在該旋轉軸30上的加工裝置20以加工以及測量對象物Wm(以下稱工作物)的球面與加工工具21的中心軸垂直的方式對固定工作物Wm按照圖5的(1)→(2)→(3)的順序一邊改變位置一邊進行加工。指揮命令工具機以加工工具21的中心軸對工作物Wm的加工面一直保持垂直的方式進行加工是習知技術，實行該加工的加工程式本身也是習知技術。
然後，將該機上測量裝置1(詳細而言係安裝了該機上測量裝置1與加工裝置20的旋轉軸30)搭載於工具機上，利用加工用NC程式將機上測量裝置1作為1項工具操作，同時控制各可動軸，控制機上測量裝置1所具備之探針1b的中心軸的方向以及球型測量頭1f的位置，讓球型測量頭1f一邊與工作物表面接觸一邊進行動作。
圖6係將機上測量裝置1與加工裝置20安裝在一個旋轉軸30上時，該機上測量裝置1所進行之測量的說明圖。在與機上測量裝置1一起安裝在該旋轉軸30上的加工裝置20以圖5所示之態樣對工作物Wm進行加工之後，利用測量程式，以工作物Wm的球面與探針1b的中心軸垂直的方式，同時控制工具機的各可動軸(參照圖1)，對固定工作物Wm按照圖6之(1)→(2)→(3)的順序改變位置，進行測量。另外，該機上測量裝置1用來進行機上測量的測量程式可利用加工程式作成。此時，可考量加工工具21的前端(刀刃頭)到探針1b的中心軸與球型測量頭1f相交之點的方向以 及距離(亦即位移)修正加工程式以作成測量程式。由於能夠利用該等加工程式作成測量程式，故可省下最初作成測量程式的工夫。
以上，係說明具備可應用本發明之機上測量裝置的5軸加工機的一個實施例。接著，說明本發明之機上測量的探針安裝位置計算方法。
圖7係旋轉軸中心與機上測量裝置的探針的前端的距離的相關位置的說明圖。詳而言之，係說明機上測量裝置1安裝在旋轉軸亦即B軸的平面盤上，B軸旋轉中心與機上測量裝置1的探針1b的前端的球型測量頭1f之間的距離的相關位置。
根據本發明之使用工具機的旋轉軸的機上測量，便能夠以簡單且正確的方式算出從安裝著機上測量裝置1的旋轉軸的旋轉中心軸到安裝在機上測量裝置1的探針1b的前端上的球型測量頭1f的各直動軸方向(X軸方向以及Z軸方向)的距離X0 、Z0 ，故即使機上測量裝置1的安裝以及拆卸動作反覆多次，也能夠維持奈米級的超精密測量。根據各直動軸的距離X0 、Z0 ，得到經過計算之探針安裝位置(X0 、Z0 )。
圖8A以及圖8B係分別表示根據利用平面板測量(參照圖15並於文後有詳述)等方式所算出之探針安裝位置(X0 、Z0 )進行增設旋轉軸的機上測量時的正常軌跡與異常軌跡。當根據利用平面板測量等方式所求出之探針安裝位置(X0 、Z0 )對具備既定半徑r0之基準球300進行增設旋轉軸的機上測量時，正常軌跡如圖8A所示。
然而，在實施平面板測量等方式時欲避免干擾、溫度漂移等問題發生相當困難，該等影響所導致之測量誤差，會在求取探針安裝位置(X0 、Z0 )的計算中擴大。因此，所算出之探針安裝位置(X0 、Z0 )與真實的探針安裝位置會有差異。若根據與真實探針安裝位置有差異的計算探針安裝位置對基準球300進行增設旋轉軸的機上測量，則會描繪出如圖8B附箭號實線所示的異常軌跡。
圖9A以及圖9B，係說明用來將圖8B所示之異常軌跡修正為正常軌跡的理論公式，以及如何使用該式求出真實探針安裝位置(X0 、Z0 )。圖9A係圖8B之虛線所圍出之區域的放大圖，表示探 針1b的中心軸從基準位置旋轉角度θ的狀態。圖8B所示之異常軌跡的測量誤差△ZP，對應安裝有機上測量裝置的旋轉軸的旋轉角θ，可分為X軸方向的誤差分量△X(=△ZP×sinθ)與Z軸方向的誤差分量△Z(=△ZP×cosθ)。
將該誤差分量△X、△Z反映到測量座標上以抵銷誤差，便可得到正常軌跡的位置。換言之，在既定旋轉角θ的情況下，抵銷基準球300的測量誤差，計算出安裝在探針1b的前端上的球型測量頭1f的前端的空間座標(X、Z、θ)，得到該空間座標(X、Z、θ)，求出經過計算的探針安裝位置(X0 、Z0 )，此即為真實探針安裝位置。另外，由於基準球300的精度對測量誤差△ZP的算出有絶對性的影響，為了使絶對精度在100奈米以下，可將基準球300的真圓度設在100奈米以下。
接著，用圖10~圖14說明測量基準球300以提高探針安裝位置的精度的處理的計算法則。
圖10係在利用探針測量基準球藉此提高平面板測量所算出之探針安裝位置(B軸旋轉中心與機上測量裝置的探針的測量頭之間的距離)的精度的測量準備階段(第0階段)的處理的流程圖。以下，按照各步驟進行說明。
[步驟SA100]用所算出之探針安裝位置(X0 、Z0 )作成基準球旋轉測量程式。
[步驟SA101]利用探針1b對基準球300進行測量。
[步驟SA102]實際測量既定角度θ1 、θ2 (θ1 ≠θ2 )的測量誤差△ZP1 、△ZP2 。
[步驟SA103]從實際測量之測量誤差△ZP1 、△ZP2 求出「誤差修正用的移動距離」(△X1 、△Z1 )、(△X2 、△Z2 )。
[步驟SA104]用步驟SA103所求出之「誤差修正用的移動距離」(△X1 、△Z1 )、(△X2 、△Z2 )修正基準球測量程式的既定角度θ1 、θ2 的座標(X1 、Z1 、θ1 )、(X2 、Z2 、θ2 )，使步驟SA102實際測量到的測量誤差△ZP1 、△ZP2 為零。然後，將修正後的座標設為(X1 ’、Z1 ’、θ1 )、(X2 ’、Z2 ’、θ2 )，完成該處理。
圖11係說明利用探針1b測量基準球300藉此提高所算出之探針安裝位置(X0 、Z0 )(B軸旋轉中心與機上測量裝置的探針1b的測量頭之間的距離)的精度的準備階段(第1階段)的流程圖。以下，按照各步驟進行說明。
[步驟SB100]分別以負1奈米、負1奈米為單位調整探針安裝位置(X0 、Z0 )的X、Z值。
[步驟SB101]根據所調整之座標作成基準球測量程式，求出既定角度θ1 、θ2 的座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )。
[步驟SB102]判斷步驟SB101所求出之座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )是否與圖10的步驟SA104所求出之「修正後的座標」(X1 ’、Z1 ’、θ1 )、(X2 ’、Z2 ’、θ2 )一致(或兩者的差是否在預先設定的容許範圍以內)，當一致時(判斷結果為是時)移到步驟SB103，當不一致時(判斷結果為否時)移到步驟SB104。
[步驟SB103]將探針安裝位置(X0 、Z0 )加上「總偏差量」作為「真實探針安裝位置」，完成該處理。在此，於該第1階段的處理重複若干次步驟SB100的處理以決定「總偏差量」。
[步驟SB104]隨著不斷重複分別以負1奈米、負1奈米為單位調整探針安裝位置(X0 、Z0 )的X、Z值的步驟SB100的處理，判斷步驟SB101所求出之座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )是否逐漸遠離圖10的步驟SA104所求出之「修正後的座標」(X1 ’、Z1 ’、θ1 )、(X2 ’、Z2 ’、θ2 )，當逐漸遠離時(判斷結果為是時)移到步驟SB105(參照圖12)，另一方面，當逐漸靠近時(判斷結果為否時)回到步驟SB100。
圖12係說明利用探針測量基準球藉此提高所算出之探針安裝位置(B軸旋轉中心與機上測量裝置的探針的測量頭之間的距離)的精度的準備階段(第2階段)的流程圖。
[步驟SB105]分別以負1奈米、正1奈米為單位調整探針安裝位置(X0 、Z0 )的X、Z值。
[步驟SB106]根據所調整之座標作成基準球測量程式，求出既定角度θ1 、θ2 的座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )。
[步驟SB107]判斷步驟SB106所求出之座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )是否與圖10的步驟SA104所求出之「修正後的座標」(X1 ’、Z1 ’、θ1 )、(X2 ’、Z2 ’、θ2 )一致(或兩者的差是否在預先設定的容許範圍以內)，當一致時(判斷結果為是時)移到步驟SB108，當不一致時(判斷結果為否時)移到步驟SB109。
[步驟SB108]將探針安裝位置(X0 、Z0 )加上「總偏差量」作為「真實探針安裝位置」，完成該處理。在此，於該第2階段的處理重複若干次步驟SB105的處理以決定「總偏差量」。
[步驟SB109]隨著不斷重複分別以負1奈米、正1奈米為單位調整探針安裝位置(X0 、Z0 )的X、Z值的步驟SB105的處理，判斷步驟SB106所求出之座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )是否逐漸遠離圖10的步驟SA104所求出之「修正後的座標」(X1 ’、Z1 ’、θ1 )、(X2 ’、Z2 ’、θ2 )，當逐漸遠離時(判斷結果為是時)移到步驟SB110(參照圖13)，另一方面，當逐漸靠近時(判斷結果為否時)回到步驟SB105。
圖13係說明利用探針測量基準球以提高所算出之探針安裝位置(B軸旋轉中心與機上測量裝置的探針的測量頭之間的距離)的精度的準備階段(第3階段)的流程圖。
[步驟SB110]分別以正1奈米、負1奈米為單位調整探針安裝位置(X0 、Z0 )的X、Z值。
[步驟SB111]根據所調整之座標作成基準球測量程式，求出既定角度θ1 、θ2 的座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )。
[步驟SB112]判斷步驟SB111所求出之座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )是否與圖10的步驟SA104所求出之「修正後的座標」(X1 ’、Z1 ’、θ1 )、(X2 ’、Z2 ’、θ2 )一致(或兩者的差是否在預先設定的容許範圍以內)，當一致時(判斷結果為是時)移到步驟SB113，當不一致時(判斷結果為否時)移到步驟SB114。
[步驟SB113]將探針安裝位置(X0 、Z0 )加上「總偏差量」作為「真實探針安裝位置」，完成該處理。在此，於該第3階段的處理重複若干次步驟SB110的處理以決定「總偏差量」。
[步驟SB114]隨著不斷重複分別以正1奈米、負1奈米為單位調整探針安裝位置(X0 、Z0 )的X、Z值的步驟SB110的處理，判斷步驟SB111所求出之座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )是否逐漸遠離圖10的步驟SA104所求出之「修正後的座標」(X1 ’、Z1 ’、θ1 )、(X2 ’、Z2 ’、θ2 )，當逐漸遠離時(判斷結果為是時)移到步驟SB115(參照圖14)，另一方面，當逐漸靠近時(判斷結果為否時)回到步驟SB110。
圖14係說明利用探針測量基準球以提高所算出之探針安裝位置(B軸旋轉中心與機上測量裝置的探針的測量頭之間的距離)的精度的準備階段(第4階段)的流程圖。
[步驟SB115]分別以正1奈米、正1奈米為單位調整探針安裝位置(X0 、Z0 )的X、Z值。
[步驟SB116]根據所調整之座標作成基準球測量程式，求出既定角度θ1 、θ2 的座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )。
[步驟SB117]判斷步驟SB116所求出之座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )是否與圖10的步驟SA104所求出之「修正後的座標」(X1 ’、Z1 ’、θ1 )、(X2 ’、Z2 ’、θ2 )一致(或兩者的差是否在預先設定的容許範圍以內)，當一致時(判斷結果為是時)移到步驟SB118，當不一致時(判斷結果為否時)移到步驟SB119。
[步驟SB118]將探針安裝位置(X0 、Z0 )加上「總偏差量」作為「真實探針安裝位置」，完成該處理。在此，於該第4階段的處理重複若干次步驟SB115的處理以決定「總偏差量」。
[步驟SB119]隨著不斷重複分別以正1奈米、正1奈米為單位調整探針安裝位置(X0 、Z0 )的X、Z值的步驟SB115的處理，判斷步驟SB116所求出之座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )是否逐漸遠離圖10的步驟SA104所求出之「修正後的座標」(X1 ’、Z1 ’、θ1 )、(X2 ’、Z2 ’、θ2 )，當逐漸遠離時(判斷結果為是時)移到步驟SB120，另一方面，當逐漸靠近時(判斷結果為否時)回到步驟SB115。
[步驟SB120]進行「異常處理」，完成該處理。該「異常處理」 係指將無法定位出探針安裝位置等情況顯示於個人電腦的顯示畫面。此時，操作者再度從第0階段的處理開始執行，並再度執行第1~第4處理。
補充說明上述圖10~圖14所示之流程圖。若每次均執行在準備階段(第0階段)執行之測量，每次均求取測量誤差的話，會花費太多時間。因此，在本發明中，實際的誤差的測量只在第0階段的準備階段執行。進行比較的是測量程式的角度為θ1 與θ2 之時的直動軸的座標亦即第1階段~第4階段的「總偏差量」，其為各階段的X方向以及Z軸方向的偏差量的合計值。然後，「總偏差量」在進入其他階段時(例如，從第1階段進入到第2階段的處理時)會被歸零。
圖11的步驟SB100、圖12的步驟SB105、圖13的步驟SB110或圖14的步驟SB115的「偏差量」預設為超精密測量，與機上測量裝置1的解析度相等數值。或者，亦可為解析度的整數倍。另外，加上「偏差量」是針對相對於旋轉軸的中心軸的測量頭的前端的位置(參照圖7)，進行比較是相對於測量程式的2個角度θ1 、θ2 的X軸、Y軸的座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )。
圖11的步驟SB102、圖12的步驟SB107、圖13的步驟SB112或圖14的步驟SB117的判斷，亦可不是判斷步驟SB101所求出之座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )與圖10的步驟SA104所求出之「修正後的座標」(X1 ’、Z1 ’、θ1 )、(X2 ’、Z2 ’、θ2 )是否完全一致，而是預先設定好容許值(例如10奈米)，並判斷兩者的差是否在該容許值以內，若在容許值以內，即視為一致。
將對所算出之探針安裝位置(X0 、Z0 )加上[解析度×整數(=總偏差量)]的探針安裝位置作為「新算出之探針安裝位置」(X0 、Z0 )，根據該位置作成基準球測量程式，求出相對於2個角度θ1 、θ2 的X、Z的座標(XS1 、ZS1 、θ1 )、(XS2 、ZS2 、θ2 )。基準球測量程式，係用滿足所要求之容許誤差的節距(關於角度的)間隔所作成的點群測量程式。在此，分別抽出角度為θ1 、θ2 時的X、Z座標。
另外，第1階段到第4階段的處理，以何種順序進行均可， 並非僅限於上述順序(第1階段→第2階段→第3階段→第4階段)。
在此，補充說明使用平面板的旋轉軸(B軸)的中心與安裝在機上測量裝置的探針1b的前端的球形測量頭1f之間的X軸、Y軸的距離X0 、Z0 的求出方式。
圖15係圖7所說明之旋轉軸中心與機上測量裝置的探針的前端的各直動軸方向的距離(X0 、Z0 )以及各種參數的說明圖。無視安裝在探針1b的前端的球型測量頭1f的半徑R，將探針1b的前端的球型測量頭1f假定為沒有半徑R的點。推測B平面盤上的旋轉角為0(探針1b與Z軸平行的情況)的X-Z平面上(參照圖1)的探針1b的前端點亦即球型測量頭1f的位置。另外，在圖15中，省略圖2所示之測量棒1e或球型測量頭1f，整體記載為探針1b。
另外，若要說明無視球型測量頭1f的半徑R的理由，則是因為當有球型測量頭1f的半徑R時推測從旋轉軸的旋轉中心算起的距離時會在數學上變複雜。在此所求之各直動軸方向的距離X0 、Z0 藉由無視球型測量頭1f的半徑R，而成為呈球狀之球型測量頭1f的中心與B軸旋轉中心的距離。
接著，說明求出B軸旋轉中心O與機上測量裝置1的探針1b的球型測量頭1f的各直動軸方向的距離的計算式。在此如上所述的，無視球型測量頭1f的半徑R。推測B軸的旋轉角0度(探針1b與Z軸平行的情況)的X-Z平面上的探針1b的前端點的位置。此時B軸旋轉中心O到探針1b的前端點的X軸方向與Z軸方向的距離以及Z軸方向與探針1b的前端點所形成的角度為X0 、Z0 、θ0 。當從角度θ0 再旋轉角度θR 時，θ1 、θR 、θ0 的關係以下述式(1)表示之。另外，θ1 可利用下述式(2)算出。另外，式(1)到式(10)參照圖15便容易理解。
θ0 根據上述式(1)與式(2)可用下述式(3)表示。
另外，下述式(4)與式(5)成立。
根據上述式(4)與式(5)，下述式(6)成立。
另外，θ0 成立下述式(7)與式(8)的關係。
根據上述式(3)~式(8)成立下述式(9)以及式(10)。根據式(9)以及式(10)式，可知前述各直動軸方向的距離(X0 、Z0 )為X1 、Z1 、θ0 、θR 的函數。亦即，求出X1 、Z1 、θ0 、θR ，便可算出機上測量的探針安裝位置。
然後，將抵接安裝於探針前端之測量頭的平面板配置成與從 該3個直動軸除去與該旋轉軸方向一致的該直動軸的1個軸至少交叉，控制直動軸、旋轉軸，以求出X1 、Z1 、θ0 、θR ，並求出根據式(1)~式(10)所算出之探針安裝位置(X0 、Z0 )。另外，X0 、Z0 除了使用平面板以外，亦可使用3維測量裝置測量探針的前端位置而求得。
1‧‧‧機上測量裝置
1a‧‧‧外殼
1b‧‧‧探針
1c‧‧‧雷射頭
1d‧‧‧線型量尺
1e‧‧‧測量棒
1f‧‧‧球型測量頭
2‧‧‧介面
3‧‧‧X軸
4‧‧‧Y軸
5‧‧‧Z軸
6‧‧‧B軸
7‧‧‧C軸
8‧‧‧數值控制裝置
8b‧‧‧伺服控制部
11‧‧‧個人電腦
11a‧‧‧記憶裝置
12‧‧‧網路
20‧‧‧加工裝置
100‧‧‧測量對象物
100a‧‧‧測量對象面
300‧‧‧基準球
X、Y、Z、B、C‧‧‧軸
W‧‧‧被加工物
ipx、ipy、ipz、ipb、ipc、ipf‧‧‧位置檢測信號
X0 、Z0 ‧‧‧距離
X1 、Z1 ‧‧‧距離
r0‧‧‧半徑
θ‧‧‧角度
k‧‧‧距離
△X‧‧‧誤差分量
△Z‧‧‧誤差分量
△ZP‧‧‧測量誤差
O‧‧‧B軸旋轉中心
θ1 、θR 、θ0 ‧‧‧角度
本發明的前述或其他目的以及特徵，從以下參照附圖的實施例說明應可清楚了解。在該等圖式中： 圖1為被數值控制裝置所控制且由3個直動軸(X軸、Y軸、Z軸)與2個旋轉軸(B軸、C軸)所構成之工具機的說明圖。
圖2係用來說明使探針沿測量對象面移動並根據該探針的位移對測量對象物的形狀進行測量的設有探針之機上測量裝置的一個實施例的主要部位剖面圖。
圖3為設有具備機上測量裝置之工具機與控制該工具機之數值控制裝置的系統的說明圖。
圖4係利用機上測量裝置的探針的位移測量具有曲面之工作物面的說明圖。
圖5為在將機上測量裝置與加工裝置安裝在一個旋轉軸上的情況下利用該加工裝置所具備之加工工具進行加工的說明圖。
圖6為在將機上測量裝置與加工裝置安裝在一個旋轉軸上的情況下該機上測量裝置所進行之測量的說明圖。
圖7為旋轉軸(B軸)中心與機上測量裝置的探針的前端之間的距離的相關定義的說明圖。
圖8A以及圖8B分別表示，根據圖15所示之平面板測量所算出之探針安裝位置(X0 、Z0 )進行增設旋轉軸之機上測量時的正常軌跡(圖8A)與異常軌跡(圖8B)。
圖9A以及圖9B表示用來將圖8B所示之異常軌跡修正為正常軌跡的理論公式，以其如何使用該式求出真實探針安裝位置(X0 、Z0 )，圖9A為圖8B的虛線所示範圍的放大圖。
圖10係利用探針測量基準球以提高平面板測量所算出之探針安裝位置(B軸旋轉中心與機上測量裝置的探針的測量頭之間的距離)的精度的測量的準備階段(第0階段)的處理的流程圖。
圖11係用來說明利用探針測量基準球以提高所算出之探針安裝位置(X0 、Z0 )的精度的準備階段(第1階段)的流程圖。
圖12係用來說明利用探針測量基準球以提高所算出之探針安裝位置(B軸旋轉中心與機上測量裝置的探針的測量頭之間的距離)的精度的準備階段(第2階段)的流程圖。
圖13係用來說明利用探針測量基準球以提高所算出之探針安裝位置(B軸旋轉中心與機上測量裝置的探針的測量頭之間的距離)的精度的準備階段(第3階段)的流程圖。
圖14係用來說明利用探針測量基準球以提高所算出之探針安裝位置(B軸旋轉中心與機上測量裝置的探針的測量頭之間的距離)的精度的準備階段(第4階段)的流程圖。
圖15係圖7所說明之旋轉軸中心與機上測量裝置的探針的前端的各直動軸方向的距離(X0 、Z0 )以及各種參數的說明圖。
SB100～SB104．．．步驟

Claims (3)

  1. 一種機上測量裝置的探針安裝位置計算方法，該機上測量裝置安裝在至少具有3個直動軸與1個旋轉軸的工具機的該旋轉軸上，該3個直動軸彼此互相正交，使該直動軸當中的1個與該旋轉軸的方向一致，該機上測量裝置的探針朝與該旋轉軸的方向正交的方向移動，該探針的移動位移由該機上測量裝置所安裝之探針位置檢測器檢測，使安裝在該探針前端上之測量頭的前端抵接設置在該工具機上的基準球，算出該旋轉軸的旋轉中心與該測量頭的前端之間的距離，該計算方法由以下步驟所構成：第1步驟，將該直動軸當中朝與該旋轉軸正交之2個方向移動的直動軸分別設為第1、第2直動軸，將該測量頭的前端相對於該旋轉軸的中心之位置預先定義為該第1以及第2直動軸的座標；第2步驟，作成相對於該旋轉軸之既定的2個相異的角度以探針中心軸垂直於該基準球表面的方式移動該第1以及第2直動軸並進行測量的測量程式；第3步驟，求出根據所作成之該測量程式在該旋轉軸的該2個角度所測量到的該探針的移動位移資料與該探針之本來的移動位移資料的誤差，作為相對於該2個角度的各測量誤差；第4步驟，求出使該測量誤差分別成為零的該第1以及第2直動軸的位移量，作為相對於該2個角度的各第1修正量；第5步驟，求出以該第1修正量修正過的該測量程式的相對於該2個角度的該第1以及第2直動軸的座標作為基準座標；然後，將以該直動軸的位置檢測解析度為最小單位在既定範圍內各自獨立增減時的增減量作為第2修正量，從以利用該第2修正量對該第1步驟所定義之該測量頭前端的位置進行了修正的位置為基礎而在該第2步驟所作成之測量程式，求出相對於該2個角度的該第1以及第2直動軸的座標作為修正座標；以及第6步驟，將該第1步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標，用在該第5步驟分別求出之該基準座標以及該修正座標兩者的差為最小的該第2修正量加以修正，作為最終的相對於該旋 轉軸中心之該測量頭的前端位置之該第1以及第2直動軸的座標。
  2. 如申請專利範圍第1項之機上測量裝置的探針安裝位置計算方法，其中，該第5步驟包含以下步驟：第51步驟，求出用該第1修正量修正過之該測量程式的相對於該2個角度之該第1以及第2直動軸的座標作為基準座標，然後，將該直動軸的位置檢測解析度乘以既定範圍內的正整數所得之數值作為第2修正量，從以自該第1步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標分別減去該第2修正量而得的位置為基礎而在該第2步驟所作成之測量程式求出相對於該2個角度的該第1以及第2直動軸的座標作為修正座標；以及第52步驟，將利用該第51步驟所求出之該基準座標與該修正座標的差在既定誤差以下的該第2修正量中之最小誤差的該第2修正量，修正了該第1步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標而得的座標，作為最終的相對於該旋轉軸中心之該測量頭的前端位置之該第1以及第2直動軸的座標；另外，在第51以及第52步驟中若該誤差非在該既定誤差以下時，更包含以下步驟：第53步驟，從以自該第1步驟所定義之該第1直動軸的座標減去該第2修正量並將該第1步驟所定義之該第2直動軸的座標加上該第2修正量所得之位置為基礎而在該第2步驟所作成之測量程式，求出相對於該2個角度的該第1以及第2直動軸的座標作為修正座標；及第54步驟，將利用該第51步驟所求出之該基準座標與利用該第53步驟所求出之該修正座標的差在既定誤差以下的該第2修正量之中為最小誤差的該第2修正量，修正了該第1步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標而得的座標，作為最終的相對於該旋轉軸中心之該測量頭的前端的位置的該第1以及第2直動軸的座標； 另外，在第51到第54步驟中若該誤差非在該既定誤差以下時，更包含以下步驟：第55步驟，從以對該第1步驟所定義之該第1直動軸的座標加上該第2修正量且從該第1步驟所定義之該第2直動軸的座標減去該第2修正量而得的位置為基礎而在該第2步驟所作成之測量程式，求出相對於該2個角度的該第1以及第2直動軸之座標作為修正座標；及第56步驟，將利用該第51步驟所求出之該基準座標與利用該第55步驟所求出之該修正座標的差在既定誤差以下的該第2修正量中之最小誤差的該第2修正量，修正了該第1步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標而得的座標，作為最終的相對於該旋轉軸中心之該測量頭前端的位置之該第1以及第2直動軸的座標；另外，在第51到第56步驟中若該測量誤差非在該既定測量誤差以下時，更包含以下步驟：第57步驟，從以對該第1步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標分別加上該第2修正量而得的位置為基礎而在該第2步驟所作成之測量程式，求出相對於該2個角度的該第1以及第2直動軸的座標作為修正座標；及第58步驟，將利用該第51步驟所求出之該基準座標與利用該第57步驟所求出之該修正座標的差在既定誤差以下的該第2修正量中之最小誤差的該第2修正量，修正了該第1步驟所定義之該第1以及第2直動軸的座標而得的座標，作為最終的相對於該旋轉軸中心之該測量頭的前端的位置的該第1以及第2直動軸的座標。
  3. 如申請專利範圍第1項之機上測量裝置的探針安裝位置計算方法，其中，該基準球為具有100奈米以下之形狀精度的球體。
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