本發(fā)明涉及一種形狀測量設備的控制方法。

背景技術：

已知有通過在掃描被測物的表面的同時使觸針針尖沿著該表面移動來測量該被測物的形狀的形狀測量設備(例如，日本特開2008-241420、日本特開2013-238573和日本特開2014-21004)。

為了進行掃描測量，需要準備掃描測量所用的路徑。日本特開2008-241420所公開的設備將基于CAD數據的設計數據(例如，非均勻有理B樣條(non-uniform rational B-spline，NURBS)數據)轉換成預定次數的多項式曲線群。

以下簡要說明該過程。

首先，從外部CAD系統接收包括路徑信息的CAD數據(例如，NURBS數據)，并且將該CAD數據轉換成點群的數據。各點的數據是坐標(x,y,z)和法線方向(P,Q,R)的組合(即，(x,y,z,P,Q,R))。在下文，為了以下的說明，將包括信息(x,y,z,P,Q,R)的點群的數據稱為“輪廓點數據”。

接著，使各點的坐標在法線方向上偏移預定量。(該預定量具體是觸針針尖半徑r-基準偏轉量E₀)。將這樣所獲得的點群數據稱為“偏移輪廓點數據”。

然后，將偏移輪廓點數據轉換成預定次數的多項式曲線群。

這里，假定多項式是三次函數，并且曲線是參數三次曲線(parametric cubic curve，PCC)?；赑CC曲線來生成用于測量工件的路徑。此外，將PCC曲線分割成分割PCC曲線群。

通過根據分割PCC曲線群計算速度曲線，來計算探測器的移動速度(移動矢量)。

(例如，基于分割PCC曲線群的各區(qū)段的曲率等來設置探測器的移動速度(移動矢量)。)

通過基于這樣計算出的移動速度使探測器移動，觸針針尖在掃描被測物的表面的同時進行移動(無源標稱掃描測量：注意，本說明書中的詞語“標稱”是指沿著基于物體的設計數據預先計算出的預定軌跡的掃描)。

此外，已知有在通過連續(xù)地計算偏轉校正矢量來校正軌跡以保持探測器的偏轉量恒定的同時進行掃描測量的方法(日本特開2013-238573)。

以下將這種標稱掃描稱為有源標稱掃描測量。

簡要說明日本特開2013-238573所公開的有源標稱掃描測量。

在有源標稱掃描測量中，通過以下的表達式1所表示的合成速度矢量V是針對探測器的移動指示。

探測器基于合成速度矢量V而移動，由此實現針對探測器(觸針針尖)沿著PCC曲線移動并且偏轉量恒定的工件表面的掃描測量、即有源標稱掃描測量。

V＝Gf×Vf+Ge×Ve+Gc×Vc…(表達式1)

參考圖1來簡要說明表達式1。

在圖1中，在相對于設計數據(輪廓點數據)偏移了預定量(觸針針尖半徑r-基準偏轉量E₀)的位置處存在PCC曲線(即，掃描路徑)。此外，在圖1中，實際工件相對于設計數據略微偏移。

矢量Vf是路徑速度矢量。路徑速度矢量Vf具有從PCC曲線上的插值點(i)向著下一插值點(i+1)的方向。注意，路徑速度矢量Vf的大小例如是基于插值點(i)處的PCC曲線的曲率所確定的(例如，日本特開2014-21004)。

矢量Ve是用以使探測器的偏轉量Ep保持為預定的基準偏轉量E₀(例如，0.3mm)的偏轉校正矢量。

(偏轉校正矢量Ve必然與工件表面的法線平行。)

矢量Vc是軌跡校正矢量。軌跡校正矢量Vc與從探測器位置向著PCC曲線的垂線平行。

在表達式1中，Gf、Ge和Gc分別是掃描驅動增益、偏轉校正增益和軌跡校正增益。

技術實現要素：

通過利用表達式1的合成速度矢量V控制探測器的移動，可以實現有源標稱掃描測量，但該控制可能根據各矢量的方向而變得不穩(wěn)定。

例如，在圖1中，軌跡校正矢量Vc的方向與偏轉校正矢量Ve的方向相反。因而，可能會使探測器230發(fā)生振動。

由于該原因，在日本特開2013-238573中，要分別通過函數f1(C,E)、f2(E)和f3(C)來調整Gf、Ge和Gc的值。

然而，由于減小Ge或Gc的值以抑制振動，因此合成速度矢量V的大小當然減小。然后，軌跡校正能力或偏轉校正能力也下降。

因而，已難以實現軌跡校正能力和控制穩(wěn)定性這兩者。

本發(fā)明的目的是提供一種能夠實現軌跡校正能力和控制穩(wěn)定性這兩者的形狀測量設備的控制方法。

本發(fā)明的方面中的形狀測量設備的控制方法是如下的形狀測量設備的控制方法，所述形狀測量設備包括：探測器，其前端具有觸針針尖；以及移動機構，用于使所述探測器移動，并且所述形狀測量設備被配置為通過檢測所述觸針針尖與工件的表面之間的接觸來測量所述工件的形狀，所述控制方法包括以下步驟：

為了基于所述工件的設計數據來計算用以使所述觸針針尖移動的掃描路徑，并且為了在控制所述觸針針尖以使所述探測器相對于所述工件的偏轉量保持為基準偏轉量的同時、使所述觸針針尖沿著所述掃描路徑移動，根據通過以下表達式所表示的合成速度矢量V來生成針對所述探測器的移動指示：

合成速度矢量V＝Gf·Vf+Ge·Ve+Gc·Vc2，

其中：Vf是用以使所述探測器沿著所述掃描路徑移動的路徑速度矢量，

Ve是用以使所述探測器相對于所述工件的偏轉量保持為所述基準偏轉量的偏轉校正矢量，

Vc2是通過(Vc1·q)q所表示的第二軌跡校正矢量，

Vc1是用以對所述探測器的位置進行校正以使得所述觸針針尖朝向所述掃描路徑的第一軌跡校正矢量，

q是利用所述工件的表面的法線與路徑速度矢量Vf的矢積所給出的軌跡校正方向矢量，以及

Gf、Ge和Gc分別是掃描驅動增益、偏轉校正增益和軌跡校正增益。

在本發(fā)明的方面中，優(yōu)選地，偏轉校正矢量Ve是通過K(|Ep|-E₀)e_u所給出的，

其中：Ep是所述探測器的傳感器輸出，

E₀是所述基準偏轉量，以及

e_u是所述探測器的位移方向上的單位矢量。

在本發(fā)明的方面中，優(yōu)選地，軌跡校正方向矢量q是通過e_u×Vf/|e_u×Vf|或者Vf×e_u/|Vf×e_u|所表示的。

本發(fā)明的方面中的記錄介質是如下的非易失性記錄介質，其中該非易失性記錄介質用于記錄控制程序，所述控制程序用于使計算機執(zhí)行上述的形狀測量設備的控制方法。

附圖說明

圖1是作為現有技術示出合成速度矢量V的各成分的示例的圖；

圖2是示出形狀測量系統整體的結構的圖；

圖3是運動控制器和主機計算機的功能框圖；

圖4是說明有源標稱掃描測量的整體控制的流程圖；

圖5是說明用以生成合成速度矢量V的過程的流程圖；

圖6是說明用以生成合成速度矢量V的過程的圖；

圖7是說明用以生成第二軌跡校正矢量Vc2的過程的流程圖；

圖8是示出矢量之間的相對方向關系的圖；以及

圖9是示出比較例的圖。

具體實施方式

參考附加至附圖中的各元素的附圖標記來例示并說明本發(fā)明的實施例。

第一典型實施例

以下說明本發(fā)明的第一典型實施例。

由于在其它文獻(例如，日本特開2008-241420)中公開了有源標稱掃描測量的基本操作過程，因此說明本實施例的主要特征、即合成速度矢量V的生成。

首先，簡要說明形狀測量系統100的基本結構。

圖2是示出形狀測量系統100的整體結構的圖。

形狀測量系統100包括：坐標測量機200；運動控制器300，用于控制坐標測量機200的驅動；以及主機計算機500，用于控制運動控制器300并且進行所需的數據處理。

坐標測量機200包括基座210、移動機構220和探測器230。

移動機構220包括門型Y滑動件221、X滑動件222、Z軸柱223和Z主軸224。Y滑動件221在Y方向上可滑動地設置在基座210上。X滑動件222沿著Y滑動件221的X方向上的梁滑動。Z軸柱223固定至X滑動件222。Z主軸224在Z方向上在Z軸柱223內上下移動。

在Y滑動件221、X滑動件222和Z主軸224各自上固定驅動馬達(未示出)和編碼器(未示出)。

來自運動控制器300的驅動控制信號對驅動馬達的驅動進行控制。

編碼器檢測Y滑動件221、X滑動件222和Z主軸224各自的移動量，并且將檢測值輸出至運動控制器300。

探測器230安裝至Z主軸224的下端。

探測器230包括觸針231和支撐部233。觸針231在前端側(-Z軸方向側)具有觸針針尖232。支撐部233支撐觸針231的基端側(+Z軸方向側)。

觸針針尖232具有球形形狀，并且能夠與被測物W相接觸。

在向觸針231施加外力的情況下、即在觸針針尖232與被測物W相接觸的情況下，支撐部233支撐觸針231，以使得觸針231在特定范圍內在X軸、Y軸和Z軸的方向上可移動。

支撐部233還包括用以檢測觸針231在各軸方向上的位置的探測器傳感器(未示出)。探測器傳感器將檢測值輸出至運動控制器300。

運動控制器300的結構

圖3是運動控制器300和主機計算機500的功能框圖。

運動控制器300包括PCC獲取單元310、計數器320、移動指示生成單元330和驅動控制單元340。

PCC獲取單元310從主機計算機500獲取PCC曲線數據。

計數器320通過對從編碼器輸出的檢測信號進行計數來測量各滑動件的位移量，并且通過對從探測器230的各傳感器輸出的檢測信號進行計數來測量探測器230(觸針231)的位移量。

根據所測量到的滑動件和探測器230的位移量，來獲得觸針針尖232的坐標位置Pp(以下稱為探測器位置Pp)。

此外，根據計數器320所測量到的觸針231的位移量(探測器傳感器的檢測值(Px,Py,Pz))，來獲得觸針針尖232的偏轉量(矢量Ep的絕對值)。

移動指示生成單元330計算探測器230(觸針針尖232)的用以利用探測器230(觸針針尖232)測量被測物W的表面的移動路徑，并且計算沿著該移動路徑的速度矢量。

移動指示生成單元330包括用以計算與測量方法(測量模式)相對應的路徑的功能單元。

具體地，存在無源標稱掃描測量、有源標稱掃描測量、自主掃描測量和點測量這四個方法。有源標稱掃描測量與本實施例有關。

驅動控制單元340基于移動指示生成單元330所計算出的移動矢量來控制各滑動件的驅動。

注意，手動控制器400連接至運動控制器300。

手動控制器400包括操縱桿和各種按鈕，接收來自用戶的手動輸入操作，并且將用戶的操作指示發(fā)送至運動控制器300。

在這種情況下，運動控制器300(驅動控制單元340)響應于用戶的操作指示來控制各滑動件的驅動。

主機計算機500的結構

主機計算機500包括中央處理單元(CPU)511和存儲器，并且經由運動控制器300控制坐標測量機200。

主機計算機500還包括存儲單元520和形狀分析單元530。

存儲單元520存儲與被測物(工件)W的形狀有關的設計數據(諸如CAD數據或NURBS數據等)、通過測量所獲得的測量數據和用以控制測量操作整體的測量控制程序。

形狀分析單元530基于從運動控制器300輸出的測量數據來計算被測物W的表面形狀數據，并且進行形狀分析以計算所計算出的被測物W的表面形狀數據的誤差或失真。

形狀分析單元530還進行諸如設計數據(CAD數據或NURBS數據等)向PCC曲線的轉換等的運算處理。

CPU 511執(zhí)行測量控制程序，由此實現本實施例的測量操作。

輸出裝置(顯示器或打印機)和輸入裝置(鍵盤或鼠標)根據需要連接至主機計算機500。

接著，以下說明作為本實施例的主要特征的合成速度矢量V的生成。

圖4是說明有源標稱掃描測量的整體控制的流程圖。

主機計算機500生成PCC曲線，并且將所生成的PCC曲線發(fā)送至運動控制器300(ST100)。

然后，運動控制器300生成作為用于利用沿著PCC曲線的路徑對工件表面進行有源標稱掃描測量的移動指示的合成速度矢量V(ST200)。

以下說明合成速度矢量V的生成。

圖5是說明用以生成合成速度矢量V的過程的流程圖。

合成速度矢量V是通過將路徑速度矢量Vf(ST210)、偏轉校正矢量Ve(ST220)和第二軌跡校正矢量Vc2(ST230)合成所獲得的。

這里，傳統技術和本發(fā)明的本實施例之間的差異是第二軌跡校正矢量Vc2(ST230)。

首先，生成路徑速度矢量Vf(ST210)。

假定如下：插值點i和下一插值點(i+1)在路徑(PCC曲線)上，路徑速度矢量Vf的方向是從點i向著點(i+1)(參見圖6)。

路徑速度矢量Vf的大小例如是根據點i處的PCC曲線的曲率所設置的(日本特開2014-21004)。

注意，后面說明PCC曲線上的點P。

接著，生成偏轉校正矢量Ve。

通過以下表達式來表示偏轉校正矢量Ve：

在表達式2中，Ep是根據探測器輸出所獲得的探測器位移矢量。

Ep＝(x_p,y_p,z_p)

因而，通過以下的表達式來表示探測器的偏轉量|Ep|：

在表達式2中，假定e_u是根據探測器輸出所獲得的探測器位移方向上的單位矢量。

然后，通過表達式2來表示用以使偏轉量|Ep|保持為基準偏轉量E₀的偏轉校正矢量Ve。

注意，K是任意系數。

接著，生成第二軌跡校正矢量Vc2。

圖7是說明用以生成第二軌跡校正矢量Vc2的過程的流程圖。參考圖7的流程圖來說明第二軌跡校正矢量Vc2。

為了生成第二軌跡校正矢量Vc2，首先，計算第一軌跡校正矢量Vc1。

第一軌跡校正矢量Vc1與傳統技術(日本特開2013-238573)中的軌跡校正矢量Vc相同，但為了說明而以不同的命名指代。

從探測器位置Pp向路徑(PCC曲線)引出垂線(參見圖6)。將該垂線的垂足稱為P。

沿從探測器位置Pp向點P的方向的矢量是第一軌跡校正矢量Vc1。

在本實施例中，第一軌跡校正矢量Vc1不被直接使用，而是在提取對于軌跡校正有效的成分之后使用。

在ST232中，獲取探測器位移方向上的單位矢量e_u。在生成偏轉校正矢量Ve的說明中已說明了探測器位移方向上的單位矢量e_u。

接著，在ST233中，獲取路徑速度矢量Vf。在ST210中已說明了路徑速度矢量Vf。

通過使用探測器位移方向上的單位矢量e_u和路徑速度矢量Vf，來計算軌跡校正方向矢量q(ST234)。

軌跡校正方向矢量q是與探測器位移方向上的單位矢量e_u和路徑速度矢量Vf的矢積平行的單位矢量。

在圖6中，在假定路徑速度矢量Vf和探測器位移方向上的單位矢量e_u在紙面上的情況下，軌跡校正方向矢量q的方向垂直于紙面。

注意，由于箭頭的方向并不重要，因此矢積“Vf×e_u”可以被“e_u×Vf”替換。

第二軌跡校正矢量Vc2是第一軌跡校正矢量Vc1的q方向上的成分。

換句話說，在通過(Vc1·q)來表示第一軌跡校正矢量Vc1和軌跡校正方向矢量q的標積的情況下，通過以下的表達式來表示第二軌跡校正矢量Vc2(ST235)。

這樣生成了第二軌跡校正矢量Vc2。

圖8是示出各矢量的相對方向關系的示例的圖。

這表明，第二軌跡校正矢量Vc2的方向與具有探測器位移方向的單位矢量e_u和路徑速度矢量Vf垂直。

然后，通過第二軌跡校正矢量Vc2的軌跡校正，將探測器230的位置校正為朝向工件表面上的如下點，其中在該點處，觸針針尖的中心與PCC曲線之間的距離最小。

一旦獲得了第二軌跡校正矢量Vc2，則返回圖5的流程圖，確定增益Gf、Ge和Gc(ST240)。增益Gf、Ge和Gc各自利用預定函數進行了適當調整(例如，日本特開2013-238573)。例如，在軌跡偏差或偏轉偏差大的情況下，將增益Gf調整成減小。

然后，通過將路徑速度矢量Vf、偏轉校正矢量Ve和第二軌跡校正矢量Vc2合成，來計算合成速度矢量V(ST250)。

通過基于合成速度矢量V控制探測器230的移動(ST300)，實現了偏轉量恒定的有源標稱掃描測量。

以下說明通過使用合成速度矢量V所產生的效果。

使用第一軌跡校正矢量Vc1的傳統控制作為軌跡校正最簡單并且需要較少的計算量，但探測器230可能發(fā)生振動。

例如，如圖1和8所示，第一軌跡校正矢量Vc1可能具有與偏轉校正矢量Ve和路徑速度矢量Vf相反的方向上的成分。

在實際情況中，第一軌跡校正矢量Vc1和偏轉校正矢量Ve相反，并且頻繁地相互干擾。這是因為，偏轉校正矢量Ve的方向根據工件表面的粗糙度而恒定地改變。

在第一軌跡校正矢量Vc1具有與偏轉校正矢量Ve或路徑速度矢量Vf相反的方向上的成分的情況下、將第一軌跡校正矢量Vc1、偏轉校正矢量Ve和路徑速度矢量Vf合成時，這些矢量的成分相互干擾，并且探測器230的移動變得不穩(wěn)定。

因而，通過適當地調整增益Gf、Ge和Gc，可以使第一軌跡校正矢量Vc1、偏轉校正矢量Ve和路徑速度矢量Vf之間的相互干擾最小。

然而，如果減小增益Gf、Ge和Gc中的任一個以使相互干擾最小，則合成速度矢量V本身減小，并且軌跡校正能力必然減小。

作為對比，在本實施例中，第二軌跡校正矢量Vc2的方向要與具有探測器位移方向的單位矢量e_u和路徑速度矢量Vf正交。

因而，第二軌跡校正矢量Vc2與偏轉校正矢量Ve不再發(fā)生干擾，并且控制變得穩(wěn)定。

注意，通過實驗已確認，通過使用第二軌跡校正矢量Vc2實現了有源標稱掃描測量。

比較例

為了進一步明確本實施例的效果，以下說明比較例。

比較例曾被作為第一軌跡校正矢量Vc1的變形進行了研究，但由于另一問題因而尚未投入實踐。

在比較例中，將第一軌跡校正矢量Vc1稱為子軌跡校正矢量Vc1’。

子軌跡校正矢量Vc1’是通過從第一軌跡校正矢量Vc1的成分中提取與探測器位移方向單位矢量e_u正交的成分所獲得的。

在圖9中的虛線包圍的部分中，示出各矢量的方向的示例。

通過以下的表達式來表示子軌跡校正矢量Vc1’：

子軌跡校正矢量Vc1’與偏轉校正矢量Ve正交。因而，可以解決由于第一軌跡校正矢量Vc1和偏轉校正矢量Ve之間的干擾所引起的探測器230的振動。

然而，產生了另一問題。

例如，典型情況是探測器如圖9所示攀登斜坡，并且在這種情況下，子軌跡校正矢量Vc1’可能具有與路徑速度矢量Vf相反的方向上的成分。

如果工件和設計數據之間的偏移略大、或者如果斜坡的斜率大，則子軌跡校正矢量Vc1’變得大于路徑速度矢量Vf，并且探測器230可能無法攀登斜坡。例如，在上升斜坡的斜率超過20°的情況下，控制變得困難。

作為對比，第二軌跡校正矢量Vc2不僅要與偏轉校正矢量Ve正交而且要與路徑速度矢量Vf正交。因而，工件表面可以具有任何形狀，并且穩(wěn)定地實現了有源標稱掃描測量。

注意，本發(fā)明不限于上述實施例，并且可以在沒有背離上述范圍的情況下進行適當修改。

相關申請的交叉引用

本申請基于并要求2015年9月25日提交的日本專利申請2015-188167的優(yōu)先權，其內容通過引用全部包含于此。