TWI609171B - Shape measuring device, processing device, and shape measuring device calibration method - Google Patents

Shape measuring device, processing device, and shape measuring device calibration method Download PDF

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TWI609171B
TWI609171B TW105106339A TW105106339A TWI609171B TW I609171 B TWI609171 B TW I609171B TW 105106339 A TW105106339 A TW 105106339A TW 105106339 A TW105106339 A TW 105106339A TW I609171 B TWI609171 B TW I609171B
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市原浩一
高娜
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/245—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using a plurality of fixed, simultaneously operating transducers

Description

形狀測量裝置、加工裝置及形狀測量裝置的校正方法
本申請主張基於2015年3月4日於日本申請之日本專利申請2015-042694號的優先權。該日本申請之全部內容藉由參閱援用於本說明書中。
本發明涉及一種形狀測量裝置、加工裝置及形狀測量裝置的校正方法。
已知有一種直線度測定法，其利用3個位移計以逐次三點法求出測量對象物的直線形狀。藉由該種方法以高精度求出直線形狀時，需要對3個位移計之安裝位置的偏差進行校正。
因此，公開有一種方法，該方法中將3個位移計與3個圓板對向配置，並依據圓板的規定旋轉位置上的位移計的測定值、及從圓板的規定旋轉位置旋轉180度的位置上的位移計的測定值，來對位移計的相互位置進行校正(例如，參閱專利文獻1)。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2010-286430號公報
然而，專利文獻1所涉及之方法中，需要以高精度對圓板的設置位置、旋轉角度等進行校正。並且，依據所求出的位置偏移量對位移計之位置進行調整時，有可能需要進行非常繁瑣的操作。尤其，提高形狀測量的解析度而以高精度進行測量時，需要進一步精確地進行校正，有可能需要進行更加繁瑣的操作。
本發明是鑑於上述內容而完成的，其目的在於提供一種形狀測量裝置，該形狀測量裝置能夠輕鬆地對位移計之安裝位置執行校正，並能夠以高精度對測量對象物之表面形狀進行測量。
依本發明之一方案，一種形狀測量裝置，係藉由將3個位移計配設成一列之檢測儀來對測量對象物進行掃描，並對前述測量對象物之表面形狀進行測量，該形狀測量裝置具備：取得機構，藉由前述3個位移計取得各自的測定值；間隙資料計算機構，依據由前述3個位移計中位於中間的位移計測定之測定值和由其他位移計測定之測定值之差求出間隙資料；偏移量計算機構，將由前述檢測儀對校正用試料進行掃描而得到之前述間隙資料的平均值作為前 述3個位移計之安裝位置的偏移量而進行計算：校正機構，利用前述偏移量來對由前述檢測儀掃描前述測量對象物所得到之前述間隙資料進行修正，並對前述位移計之位置偏移進行校正；及形狀計算機構，依據利用前述偏移量進行修正之前述間隙資料來對前述測量對象物之表面形狀進行計算。
依本發明之實施方式，能夠提供一種形狀測量裝置，該形狀測量裝置能夠輕鬆地對位移計之安裝位置執行校正，並能夠以高精度對測量對象物之表面形狀進行測量。
12‧‧‧物體(測量對象物)
13‧‧‧校正用試料
20‧‧‧控制裝置
21‧‧‧感測器資料取得部(取得機構)
23‧‧‧間隙資料計算部(間隙資料計算機構)
25‧‧‧偏移量計算部(偏移量計算機構)
27‧‧‧校正部(校正機構)
29‧‧‧形狀計算部(形狀計算機構)
30‧‧‧感測頭(檢測儀)
31a‧‧‧第1位移感測器(位移計)
31b‧‧‧第2位移感測器(位移計)
31c‧‧‧第3位移感測器(位移計)
100‧‧‧形狀測量裝置
200‧‧‧加工裝置
第1圖係對實施形態中的加工裝置進行例示之圖。
第2圖係對實施形態中的形狀測量裝置的結構進行例示之圖。
第3圖係對實施形態中的感測頭的結構進行例示之圖。
第4圖係用於對實施形態中的形狀測量進行說明之圖。
第5圖係用於對位移感測器之安裝位置的偏差及校正用試料表面的凹凸進行說明之圖。
第6圖係對實施形態中的偏移量計算處理的流程進行例示之圖。
第7圖係對實施形態中的校正用試料的間隙資料進行例示之圖。
第8圖係對形狀測量處理的流程進行例示之圖。
以下，參閱圖式對實施形態進行說明。在各圖式中，有時對結構相同的部分標註相同元件符號，並省略重複說明。
(加工裝置的結構)
第1圖係對加工裝置200的結構進行例示之圖，該加工裝置200中搭載有本實施形態所涉及之形狀測量裝置。
如第1圖所示，加工裝置200具有可移動工作台10、工作台引導機構11、砂輪頭15、砂輪16、導軌18、控制裝置20、顯示裝置40。另外，在以下附圖中，X方向為可移動工作台10的移動方向、Y方向為與X方向正交的砂輪頭15的移動方向、Z方向為與X方向及Y方向正交的高度方向。
可移動工作台10被設置成藉由工作台引導機構11可朝向X方向移動，且載置有成為加工對象及測量對象之物體12。工作台引導機構11使可移動工作台10朝向X方向移動。
砂輪頭15的下端部設有砂輪16，以可朝向X方向移動且可朝向Z方向升降的方式設置在導軌18。導軌18使 砂輪頭15朝向X方向及Z方向移動。砂輪16為圓柱狀，以其中心軸與Y方向平行的方式旋轉自如地設置在砂輪頭15的下端部。砂輪16與砂輪頭15一同朝向X方向及Z方向移動，並旋轉而對物體12之表面進行磨削。
控制裝置20藉由控制可移動工作台10及砂輪頭15的位置，且使砂輪16旋轉，以磨削物體12之表面的方式對加工裝置200的各部進行控制。
顯示裝置40例如為液晶顯示器等。顯示裝置40由控制裝置20控制，並顯示例如物體12的加工條件等。
(形狀測量裝置的結構)
第2圖係對搭載於加工裝置200的形狀測量裝置100的結構進行例示之圖。如第2圖所示，形狀測量裝置100包括控制裝置20、感測頭30、顯示裝置40。
如前述，控制裝置20以磨削物體12之表面的方式對加工裝置200的各部進行控制，並且依據由感測頭30的各位移感測器31a、31b、31c輸出之測定值來求出物體12之表面形狀。
控制裝置20具有感測器資料取得部21、間隙資料計算部23、偏移量計算部25、校正部27、及形狀計算部29。控制裝置20包括例如CPU、ROM、RAM等，並使CPU與RAM配合來執行儲存於ROM的控制程序，藉此來實現各部的功能。
感測器資料取得部21為取得機構的一例，從設置在 感測頭30的各位移感測器31a、31b、31c取得感測器資料。間隙資料計算部23為間隙資料計算機構的一例，藉由由感測器資料取得部21所取得之感測器資料來計算間隙資料。偏移量計算部25為偏移量計算機構的一例，求出利用校正用試料而得到之間隙資料的平均值，並將所求出之平均值設為位移感測器31a、31b、31c之安裝位置的偏移量。校正部27藉由利用計算出之偏移量對間隙資料進行修正來對位移感測器31a、31b、31c的位置偏移進行校正。形狀計算部29為形狀計算機構的一例，依據由校正部27進行校正的間隙資料來對物體12之表面形狀進行計算。關於在控制裝置20的各部中執行之處理將後述。
感測頭30為檢測儀的一例，具備第1位移感測器31a、第2位移感測器31b、第3位移感測器31c，並設置在加工裝置200的砂輪頭15的下端。第3圖係對實施形態所涉及之感測頭30的結構進行例示之圖。
如第3圖所示，感測頭30中，第1位移感測器31a、第2位移感測器31b、第3位移感測器31c朝向X方向配設成一列。
第1位移感測器31a、第2位移感測器31b、第3位移感測器31c為位移計的一例，例如為雷射位移計。第1位移感測器31a、第2位移感測器31b、第3位移感測器31c被配設成測定點在物體12之表面上以與X方向平行的直線狀等間隔排列，分別對與物體12之表面上的測定點之間的距離進行測定。若物體12被搭載於可移動工作 台10而向X方向移動，則感測頭30相對物體12進行相對移動，各位移感測器31a、31b、31c對物體12之表面進行掃描而輸出測定值。
顯示裝置40由控制裝置20控制，並顯示例如藉由形狀計算部29求出之表面形狀的測量結果等。
另外，本實施形態中，形狀測量裝置100與加工裝置200被構成為共用控制裝置20與顯示裝置40，但亦可以將控制裝置與顯示裝置分別設置在形狀測量裝置100與加工裝置200。並且，可移動工作台10被構成為與物體12一同朝向X方向移動，但亦可以構成為感測頭30相對物體12朝向X方向移動。
(形狀測量的基本原理)
接著，對利用形狀測量裝置100求出物體12之表面形狀的方法進行說明。第4圖係用於對表面形狀的測量方法進行說明之圖。
如第4圖所示，位移感測器31a、31b、31c在X方向上隔著間隔P配設成一列，且分別對與物體12表面的a點、b點、c點之間的距離進行測定。若將藉由位移感測器31a、31b、31c求出之各位移感測器31a、31b、31c與物體12表面之間的距離分別設為A、B、C，則從第4圖(A)中所示的Z方向上的b點至連結a點與c點的直線之間的距離g(間隙)，係藉由以下式(1)求出。
[式1]g=B-(A+C)/2．．．(1)
接著，如第4圖(B)所示，物體12表面的b點上的位移z的二階微分(d2z/dx2)為b點的曲率(1/r)，利用連結a點與b點的直線的傾斜度(dzab/dx)與連結b點與c點的直線的傾斜度(dzbc/dx)，藉由以下式(2)表示。
藉由將以下式(3)、式(4)代入式(2)，並進一步利用式(1)，如式(5)所表示可知依據間隙g及感測器之間的間隔P可以求出位移z的二階微分亦即曲率。
感測器之間的間隔P被預先設定，因此依據式(1)並藉由由各位移感測器31a、31b、31c輸出之感測器資料求出間隙g，且將依據式(5)求出的曲率以積分間距進行二階積分，由此能夠求出任意的x點上的位移z。積分間距為，例如進行掃描時X方向的各位移感測器31a、31b、31c的資料取得間隔等。
在此，很難將3個位移感測器31a、31b、31c，以在數十nm級的範圍內嚴密地排列在一條直線上的方式調整高度來安裝於感測頭30。因此，如第5圖所示，在感測頭30中位移感測器31a、31b、31c之安裝位置在Z方向上具有微偏差。另外，第5圖中，為了進行說明將安裝位置的偏差放大而示出。
第5圖所示的例中，第2位移感測器31b之安裝位置、及連結第1位移感測器31a之安裝位置與第3位移感測器31c之安裝位置的直線在Z方向上僅偏移g0。
如前述，若在位移感測器31a、31b、31c之安裝位置中存在偏差，則依據測定值並藉由式(1)求出之間隙g為包括偏移量g0的值，在物體12之表面形狀上產生所謂拋物線形狀的誤差。
因此，本實施形態所涉及之形狀測量裝置100中，藉由以下將要說明之偏移量計算處理求出位移感測器31a、31b、31c的偏移量g0，並在對表面形狀進行測量時利用偏移量g0進行校正。
(偏移量計算處理)
第6圖係對實施形態中的偏移量計算處理的流程進行例示之圖。
如第6圖所示，在進行偏移量計算處理的情況下，首先藉由步驟S101，將校正用試料13載置於可移動工作台10，並使感測頭30對校正用試料13之表面進行掃描。作為校正用試料13，能夠較佳地使用例如光學平面，平面度接近0，表面粗糙度較小的試料。並且，還能夠使用曲率恆定且已知形狀資料的試料。依據感測頭30的掃描距離例如被設定在10mm至100mm之間，但並不限定於此。
接著，藉由步驟S102，感測器資料取得部21從各位移感測器31a、31b、31c取得感測器資料。其中，感測器資料取得部21取得感測器資料的間隔為包含於第5圖中所示出的校正用試料13表面的掃描方向(X方向)上的表面粗糙度的波形中的最大空間頻率周期之1/2以下為較佳。
感測器資料取得部21例如藉由依據感測頭30的掃描速度適當設定感測器資料的取得時間間隔，能夠適當調整感測器資料取得間隔。感測器資料取得部21被設定為例如在感測頭30的掃描方向上以10μm間隔取得感測器資料，但感測器取得間隔可依據測量條件等適當設定。
藉由將感測器資料取得部21的感測器資料取得間隔設為包含於校正用試料13表面的掃描方向(X方向)上 的表面粗糙度的波形的最大空間頻率周期之1/2以下，能夠以高精度求出後述偏移量g0。
接著，藉由步驟S103，間隙資料計算部23依據式(1)並藉由由感測器資料取得部21所取得之感測器資料來計算間隙資料。第7圖係對藉由校正用試料13而得到之間隙資料進行例示之圖。
藉由校正用試料13而得到之間隙g成為與位移感測器31a、31b、31c的偏移量g0大致相等的值。然而，由於表面粗糙度的影響，在藉由校正用試料13而得到之間隙資料中如第7圖所示以平均值為中心發生偏差。因此，若採用任意一點上的測量結果來作為偏移量g0，則偏移量g0在偏差範圍內發生偏差，因此藉由使用其值而求出的物體12的直線度測定結果亦有可能成為偏差的可靠性較低的結果。
因此，藉由步驟S104，偏移量計算部25對由間隙資料計算部23所計算出之間隙資料的平均值進行計算。藉由將間隙資料的平均值設為偏移量g0，能夠減少校正用試料13之表面粗糙度的影響，並能夠以高精度求出位移感測器31a、31b、31c的偏移量g0。然而，所求出的偏移量g0中還包括校正用試料13的曲率成分g0r，因此需要藉由其他機構預先對校正用試料13的曲率進行測定而減去。
如前述，藉由使用由偏移量計算部25所求出之偏移量g0對間隙資料進行修正，能夠校正感測器位置偏移而以高精度對作為測量對象物的物體12之表面形狀進行測 量。
另外，上述偏移量計算處理，例如可以在形狀測量裝置100每次對物體12之表面形狀執行測量時執行，亦可以在啟動形狀測量裝置100時、或偏移量計算處理後經過設定的時間之後等適當執行。
(形狀測量處理)
第8圖係對實施形態中的形狀測量處理的流程進行例示之圖。
如第8圖所示，當對物體12之表面形狀進行測量時，首先藉由步驟S201，在作為測量對象物的物體12載置於可移動工作台10的狀態下，感測頭30對物體12之表面進行掃描。接著，藉由步驟S202，感測器資料取得部21從與感測頭30一同對物體12之表面進行掃描之各位移感測器31a、31b、31c以所設定之採樣周期取得感測器資料。接下來，藉由步驟S203，間隙資料計算部23依據式(1)並藉由由感測器資料取得部21取得之感測器資料來計算間隙g，並取得包含掃描範圍內的多個測定點上的間隙g的間隙資料。
在步驟S204中，校正部27利用在偏移量計算處理中求出之偏移量g0對間隙資料進行修正。具體而言，從包含於間隙資料的間隙g的各值減去偏移量g0。
接著，藉由步驟S205，形狀計算部29依據式(5)並藉由由校正部27以偏移量g0進行校正之間隙資料來計 算二階微分值，並將該值以積分間距進行二階積分而求出Z位移，從Z、X的散布圖計算物體12的直線形狀。藉由以偏移量g0對間隙資料進行修正，能夠對位移感測器31a、31b、31c之安裝位置的偏差進行校正，並能夠以高精度對物體12之表面形狀進行測量。並且，將由形狀計算部29計算出之物體12之表面形狀顯示於顯示裝置40。
如以上所說明，依本實施形態所涉及之形狀測量裝置100，藉由對校正用試料13的間隙資料的平均值進行計算，能夠以高精度求出位移感測器31a、31b、31c的偏移量g0。並且，利用如前述以高精度求出的偏移量g0對作為測量對象物的物體12的間隙資料進行修正，藉此能夠輕鬆地且以高精度對位移感測器31a、31b、31c之安裝位置的偏差進行校正，並能夠以高精度對物體12之表面形狀進行測量。
並且，本實施形態所涉及之搭載有形狀測量裝置100的加工裝置200中，在對物體12之表面進行磨削之後，依據在將物體12搭載於可移動工作台10的狀態下藉由形狀測量裝置100所執行之表面形狀測量結果，能夠進行修正加工等。從而，能夠以高效率、高精度對物體12進行加工。
以上，對實施形態所涉及之形狀測量裝置、加工裝置及形狀測量方法進行了說明，但本發明並不限定於上述實施形態，在本發明之範圍內可施以各種變更及改良。
例如，形狀測量裝置100可以搭載於加工裝置，該加工裝置以與本實施形態不同的構成對物體12進行磨削等加工。

Claims (3)

  1. 一種形狀測量裝置，係藉由將3個位移計配設成一列之檢測儀來對測量對象物進行掃描，並對前述測量對象物之表面形狀進行測量，其特徵為，該形狀測量裝置具備：偏移量計算機構，依據由前述檢測儀對校正用試料進行掃描而得到之資料對前述3個位移計之安裝位置的偏移量進行計算；校正機構，藉由前述偏移量對由前述檢測儀對前述測量對象物進行掃描而得到之資料進行修正，藉此校正前述位移計之位置偏移；取得機構，藉由前述3個位移計取得各自的測定值；及間隙資料計算機構，依據由前述3個位移計中位於中間的位移計測定之測定值和由其他位移計測定之測定值之差求出間隙資料，前述偏移量計算機構，係將由前述檢測儀對校正用試料進行掃描而得到之前述間隙資料的平均值作為前述3個位移計之安裝位置的偏移量而進行計算，前述校正機構，係藉由前述偏移量對由前述檢測儀對前述測量對象物進行掃描而得到之前述間隙資料進行修正，藉此校正前述位移計之位置偏移，當前述檢測儀對前述校正用試料進行掃描時，前述取得機構，係使藉由前述3個位移計取得各自的測定值的間 隔，成為包含於前述校正用試料表面的掃描方向上的表面粗糙度的波形之最大空間頻率周期之1/2以下。
  2. 一種加工裝置，其特徵為，具備，申請專利範圍第1項所述之形狀測量裝置。
  3. 一種形狀測量裝置的校正方法，藉由3個位移計配設成一列之檢測儀對測量對象物進行掃描，並對前述測量對象物之表面形狀進行測量，其特徵為，該形狀測量裝置的校正方法具備：偏移量計算步驟，依據由前述檢測儀對校正用試料進行掃描而得到之資料對前述3個位移計之安裝位置的偏移量進行計算；校正步驟，藉由前述偏移量對由前述檢測儀對前述測量對象物進行掃描而得到之資料進行修正，藉此校正前述位移計之位置偏移；取得步驟，藉由前述3個位移計取得各自的測定值；及間隙資料計算步驟，依據由前述3個位移計中位於中間的位移計測定之測定值和由其他位移計測定之測定值之差求出間隙資料，前述偏移量計算步驟，係將由前述檢測儀對校正用試料進行掃描而得到之前述間隙資料的平均值作為前述3個位移計之安裝位置的偏移量而進行計算，前述校正步驟，係藉由前述偏移量對由前述檢測儀對前述測量對象物進行掃描而得到之前述間隙資料進行修 正，藉此校正前述位移計之位置偏移，當前述檢測儀對前述校正用試料進行掃描時，前述取得步驟，係使藉由前述3個位移計取得各自的測定值的間隔，成為包含於前述校正用試料表面的掃描方向上的表面粗糙度的波形之最大空間頻率周期之1/2以下。
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