CN103673963A - 形状测量机和用于校正形状测量误差的方法 - Google Patents

Abstract

一种形状测量机和用于校正形状测量误差的方法，该形状测量机包括用于支持扫描探头的滑块。标尺单元检测所述滑块的位移。尖端球***移检测单元检测尖端球体的位移。计算单元包括校正滤波器和加法器，并且根据所述滑块和所述尖端球体的位移，计算测量值，其中，所述校正滤波器包括第一和第二滤波器。所述第一滤波器基于从所述标尺单元到所述滑块的尖端的频率传递特性，校正所述滑块的位移。所述第二滤波器输出通过基于从所述滑块的尖端到所述尖端球体的频率传递特性来校正通过所述第一滤波器校正后的值而获得的值，作为校正值。所述加法器输出通过对所述校正值和所述尖端球体的位移进行相加所获得的测量值。

Description

形状测量机和用于校正形状测量误差的方法

技术领域

本发明涉及一种形状测量机和用于校正形状测量误差的方法。例如，本发明涉及诸如坐标测量机等的形状测量机和用于校正其形状测量时的误差的方法。

背景技术

目前，使用诸如坐标测量机(以下还称为CMM)等的形状测量机来检查具有3D(三维)形状的产品的加工精度(或者处理精度)。这类CMM通过例如沿3D形状移动扫描探头来进行形状测量。

例如，在通过使用诸如CMM等的形状测量机进行使用扫描探头的测量时，由于安装有扫描探头的滑块的移动的影响而发生测量误差。例如，当通过使用扫描探头测量环形物时，发生被称为“象限投影”的运动误差。象限投影是在扫描探头的圆周运动中改变测量机的机械正交坐标***的象限时(在反转各轴上的运动方向时)所发生的投影状运动误差。此外，由于该象限投影，发生投影状测量误差。象限投影主要由测量机的机械结构产生的反冲(backlash)等所导致。

图13示出通过使用代表性的坐标测量机测量环规(要测量的环状物体)的形状所获得的测量结果。如图13所示，在测量波形的第四象限和第一象限之间的边界区域P1及第二象限和第三象限的边界区域P2中，观察到投影测量误差。它们是由在反转扫描探头在X轴方向上的运动时发生的反冲等所导致的象限投影而产生的测量误差。

此外，公开号为2007-315897的日本未审查的专利申请公开了一种用于对使用扫描探头的测量中的误差进行校正的方法的例子。根据该技术，基于标尺和滑块尖端之间的频率传递特性，通过使用校正滤波器来估计滑块尖端的位置。然后，通过将估计值和探头检测值相加来计算测量值，从而使得可以校正由于象限投影而发生的测量误差。

发明内容

然而，本发明人发现上述技术存在下面的问题。上述公开号为2007-315897的日本未审查的专利申请的技术可以消除用于通过CMM的滑块而检测探头的位移量的标尺单元和滑块的尖端之间的频率传递特性所产生的测量误差。然而，根据扫描测量中所使用的探头的类型，可能发生滑块的尖端的位置和扫描探头的尖端球体的基准位置之间的相对位移。注意，扫描探头的尖端球体的基准位置是在尖端球体与被测体没有接触时尖端球体的位置。当扫描探头的响应差、由此扫描探头的尖端球体的基准位置不能跟随滑块尖端的位置的移动时，这样的相对位移变得明显。当发生这样的相对位移时，上述技术不能消除由从滑块的尖端到与被测体接触的探头的尖端的频率传递特性所产生的测量误差。

根据本发明第一方面的形状测量机，其包括：扫描探头，用于通过使用设置在被安装至所述扫描探头的一端的触针的尖端处的尖端球体来进行扫描测量，其中，所述尖端球体被配置成能够与被测体接触；滑块，其以能够移动的方式进行配置，并且用于在所述扫描探头的与所述尖端球体相对的另一端处支持所述扫描探头；标尺单元，用于检测所述滑块的位移；尖端球***移检测单元，用于检测所述扫描探头的所述尖端球体相对于所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的位移；以及计算单元，用于根据所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移和所述尖端球***移检测单元所检测到的所述尖端球体的位移，来计算测量值，其中，所述计算单元包括：校正滤波器，用于输出校正值，其中，所述校正值是通过基于从所述标尺单元到所述尖端球体的频率传递特性来校正所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移而获得的，以及第一加法器，用于将所述校正值和所述尖端球***移检测单元所检测到的所述尖端球体的位移进行相加，以及所述校正滤波器包括：第一滤波器，用于基于从所述标尺单元到所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的频率传递特性，来校正所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移，以及第二滤波器，用于输出基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述尖端球体的频率传递特性来校正所述第一滤波器所校正后的值而获得的值，作为所述校正值。

根据本发明第二方面的形状测量机，是上述形状测量机，其中，所述第一滤波器基于从所述标尺单元到所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的频率传递特性的估计值，来校正所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移，以及所述第二滤波器基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述尖端球体的频率传递特性的估计值，来校正所述第一滤波器所校正后的值。

根据本发明第三方面的形状测量机，是上述形状测量机，其中，所述频率传递特性是针对所述滑块的各移动方向轴而实际测量出的，以及所述频率传递特性的估计值是针对所述滑块的各移动方向轴、作为基于频率传递特性的实际测量值的传递函数而计算出的。

根据本发明第四方面的形状测量机，是上述形状测量机，其中，还包括存储单元，所述存储单元用于存储表示被测体的形状的设计值，其中，所述计算单元还包括：减法器，用于输出通过从所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移减去所述设计值而获得的值，作为要输入至所述第一滤波器的所述滑块的运动误差，以及第二加法器，用于输出通过将所述设计值与从所述第二滤波器输出的值进行相加而获得的值，作为从所述校正滤波器所输出的校正值。

根据本发明第五方面的形状测量机，是上述形状测量机，其中，所述第二滤波器包括：第三滤波器，用于输出通过基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述触针的安装部的频率传递特性来校正所述第一滤波器所校正后的值而获得的值；以及第四滤波器，用于输出通过基于从所述触针的安装部到所述尖端球体的频率传递特性来校正所述第三滤波器所校正后的值而获得的值，作为所述校正值。

根据本发明第六方面的用于校正形状测量误差的方法，其包括以下步骤：利用标尺单元来检测以能够移动的方式配置的滑块的位移，其中，所述滑块用于支持扫描探头，所述扫描探头用于通过使用设置在被安装至所述扫描探头的一端的触针的尖端处的尖端球体来进行扫描测量，所述滑块在所述扫描探头的与所述尖端球体相对的另一端处支持所述扫描探头，所述尖端球体被配置成能够与被测体接触；检测所述扫描探头的所述尖端球体相对于所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的位移；基于从所述标尺单元到所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的频率传递特性，来校正所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移；输出通过基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述尖端球体的频率传递特性来对校正后的位移进行校正而获得的值，作为校正值；以及通过将所述校正值和所述尖端球体的位移进行相加来计算测量值。

根据本发明第七方面的用于校正形状测量误差的方法，是上述用于校正形状测量误差的方法，其中，基于从所述标尺单元到所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的频率传递特性的估计值，来校正所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移，以及基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述尖端球体的频率传递特性的估计值，来对所述滑块的校正后的位移进行校正。

根据本发明第八方面的用于校正形状测量误差的方法，是上述用于校正形状测量误差的方法，其中，所述频率传递特性是针对所述滑块的各移动方向轴而实际测量出的，以及所述频率传递特性的估计值是针对所述滑块的各移动方向轴、作为基于频率传递特性的实际测量值的传递函数而计算出的。

根据本发明第九方面的用于校正形状测量误差的方法，是上述用于校正形状测量误差的方法，其中，基于从所述标尺单元到所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的频率传递特性，来校正通过从所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移减去表示被测体的形状的设计值而获得的值，以及输出通过将基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述尖端球体的频率传递特性来对校正后的值进行校正而获得的值与所述设计值进行相加所获得的值，作为所述校正值。

根据本发明第十方面的用于校正形状测量误差的方法，是上述用于校正形状测量误差的方法，其中，输出通过基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述触针的安装部的频率传递特性来对校正后的位移进行校正而获得的第一值，以及输出通过基于从所述触针的安装部到所述尖端球体的频率传递特性来校正所述第一值而获得的值，作为所述校正值。

根据本发明，可以有效降低形状测量机的测量误差。

通过以下的详细说明和附图，将更加充分理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中，这些附图仅是说明性的，因此不应认为限制本发明。

附图说明

图1是示意性示出根据第一典型实施例的形状测量机100的结构的透视图；

图2是根据第一典型实施例的形状测量机100的功能块图；

图3是计算单元212及其***装置的控制块图；

图4是示出通过计算单元212所进行的测量值计算处理的流程图；

图5是示出第一滤波器2121a的频率传递特性设置方法的流程图；

图6是根据第二典型实施例的形状测量机200的计算单元222及其***装置的控制块图；

图7是示出通过计算单元222所进行的测量值计算处理的流程图；

图8A示出在应用第二典型实施例的情况下被测体31的测量值的模拟结果；

图8B示出仅使用第一滤波器的比较例子中被测体31的测量值的模拟结果；

图9是根据第三典型实施例的形状测量机300的计算单元232及其***装置的控制块图；

图10是示出通过计算单元232所进行的测量值计算处理的流程图；

图11A示出根据第三典型实施例在不使用校正滤波器2321时通过使用触针A进行测量的情况下的测量值的模拟结果；

图11B示出根据第三典型实施例在不使用校正滤波器2321时通过使用触针B进行测量的情况下的测量值的模拟结果；

图12A示出在利用形状测量机300中的触针A进行测量的情况下的测量值的模拟结果；

图12B示出在利用形状测量机300中的触针B进行测量的情况下的测量值的模拟结果；以及

图13示出通过使用代表性的坐标测量机的环规(要测量的环状物体)的测量的例子。

具体实施方式

下面参考附图说明根据本发明的典型实施例。向整个附图中相同的组件分配相同的附图标记，并且适当省略对其的重复说明。

第一典型实施例

首先说明根据第一典型实施例的形状测量机100。图1是示意性示出根据第一典型实施例的形状测量机100的结构的透视图。形状测量机100包括坐标测量机(以下还称为CMM)1和计算机2。CMM1通过线缆3与计算机2连接。

CMM1的配置如图1所示，其中，以平板11的上表面(基底表面)与水平面(图1中的XY平面)一致的方式，将平板11安装在振动阻尼底座10上。将在Y方向上延伸的Y轴驱动机构14设置在平板11在X方向上的一端。梁支持件12a以立姿设置在Y轴驱动机构14上。这样，Y轴驱动机构14可以在Y方向上驱动梁支持件12a。将梁支持件12b以立姿设置在平板11在X方向上的另一端。通过空气轴承支持梁支持件12b的底端，从而使得梁支持件12b可以在Y轴方向上移动。分别通过梁支持件12a和12b在两端支持在X轴方向上延伸的梁13，并且梁13支持垂直地(在Z轴方向上)延伸的柱体15。在X轴方向上沿梁13驱动柱体15。以可以在Z轴方向上沿柱体15驱动滑块16的方式，将滑块16设置在柱体15上。将扫描探头17安装在滑块16的底端。此外，将触针17b可移动地安装在扫描探头17的触针安装部。例如，将球形尖端球体17a设置在触针17b的尖端。

尖端球体17a与被置于平板11上的被测体31接触，从而被推动离开其基准位置(中立位置)预定推动量。被设置在扫描探头17内部的尖端球***移检测单元19a输出(在X、Y和Z轴各方向上的)推动量，并且计算机2获取在该状态下的尖端球体17a的XYZ坐标值(相对于基准位置的移位量)。

计算机2通过驱动和控制CMM1来获取所需的测量值，并且进行用于计算被测体的表面特性所需的计算处理。计算机2包括计算机主体21、键盘22、鼠标23、CRT24和打印机25。可以使用代表性的键盘、鼠标、CRT和打印机分别作为键盘22、鼠标23、CRT24和打印机25，因此这里省略对它们的详细说明。稍后将详细说明计算机主体21。

接着参考图2说明形状测量机100的功能结构。图2是根据第一典型实施例的形状测量机100的功能块图。CMM1包括XYZ轴驱动单元18和标尺单元19b。XYZ轴驱动单元18在XYZ轴方向上驱动扫描探头17。随着标尺单元19b在XYZ轴方向上移动，标尺单元19b输出滑块16在各轴方向上的移动脉冲。

标尺单元19b包括X轴标尺单元19bx、Y轴标尺单元19by和Z轴标尺单元19bz。X轴标尺单元19bx被设置在梁13中，并且检测柱体15在X轴方向上的位移。Y轴标尺单元19by被设置在Y轴驱动机构14附近，并且检测梁支持件12a在Y轴方向上的位移。Z轴标尺单元19bz被设置在柱体15中，并且检测滑块16在Z轴方向上的位移。将所检测到的尖端球体17a的位移信息(从尖端球***移检测单元19a所输出的XYZ轴各自的移位量)和所检测到的滑块16的位移信息(从标尺单元19b所输出的XYZ轴各自的位移)输出给计算单元212(稍后说明)。注意，预先调整标尺单元19b，从而使得标尺单元19b输出标尺单元19b和尖端球体17a的基准位置之间没有发生相对位移的状态下的尖端球体17a的基准位置。

计算机2的计算机主体21包括HDD或半导体存储器等作为主组件。计算机主体21包括存储单元211、计算单元212、显示控制单元213和I/F(接口)214～216。存储单元211存储所输入的信息。计算单元212包括CPU等，并且驱动CMM1并计算测量值。显示控制单元213控制要显示在CRT24上的图像。注意，存储单元211还存储用于驱动CMM1的表面特性测量程序、通过该程序所检测到的检测值、以及被测体的设计值等。计算单元212从存储单元211读取表面特性测量程序，并且测量被测体的形状。

计算单元212通过I/F(接口)214接收操作者通过键盘22和鼠标23输入的指示信息。此外，计算单元212获取所检测到的尖端球***移信息和滑块位移信息。计算单元212通过使用XYZ轴驱动单元18移动滑块16，检测被测体31的测量值，并且基于上述输入信息、操作者的指示信息和存储在存储单元211中的程序，进行诸如用于校正测量值的处理等的各种处理。计算单元212通过I/F(接口)215将通过各种处理所计算出的测量值输出给打印机25。注意，使用I/F(接口)216将通过外部CAD***等(未示出)所提供的被测体31的CAD数据转换成预定格式，并且将转换后的CAD数据提供给计算机主体21。

接着参考图3和4，说明计算被测体31的测量值的计算单元212的功能结构和用于计算测量值的处理。图3是计算单元212及其***装置的控制块图。图4是示出通过计算单元212所进行的测量值计算处理的流程图。

首先，标尺单元19b检测滑块16的位移(步骤S11)，并且将所检测到的位移提供给计算单元212。计算单元212包括校正滤波器2121。校正滤波器2121包括第一滤波器2121a和第二滤波器2121b。

第一滤波器2121a基于所提供的滑块16的位移，计算作为尖端球体17a在测量空间中的基准位置(坐标)的第一尖端球体基准位置估计值(步骤S12)。例如，第一滤波器2121a使用估计值Gel(s)作为校正值，其中，定义估计值Gel(s)以基于实际测量的标尺单元19b的位移来对到滑块16的尖端的频率传递特性进行近似。例如，估计值Gel(s)是下面示出的公式(1)。

[公式1]

$\mathrm{Ge}1\left(s\right)=\frac{{{\mathrm{\ω}}_P}^2(s^2+{2\mathrm{\ξ}}_Z{\mathrm{\ω}}_{Z}s+{{\mathrm{\ω}}_Z}^2)}{{{\mathrm{\ω}}_Z}^2(s^2+{2\mathrm{\ξ}}_P{\mathrm{\ω}}_{P}s+{{\mathrm{\ω}}_P}^2)}\·\·\·\left(1\right)$

在该公式中，ω_z是零点的角频率，ω_p是极点的角频率，ξ_z是零点处的衰减因子，并且ξ_p是极点处的衰减因子。注意，零点表示在Gel(s)是0时变量s的值。极点表示在Gel(s)无限大时变量s的值。

第二滤波器2121b基于通过第一滤波器2121a所计算出的第一尖端球体基准位置估计值，计算第二尖端球体基准位置估计值(步骤S13)。第二滤波器2121b使用估计值Ge2(s)作为校正值，其中，定义估计值Ge2(s)以基于第一尖端球体基准位置估计值来近似从滑块16的尖端到尖端球体17a的频率传递特性。这样，获得第二尖端球体基准位置估计值。将第二尖端球体基准位置估计值输出给加法器2121c(还被称为“第一加法器”)。

尖端球***移检测单元19a检测表示尖端球体17a相对于滑块16的尖端的位移的尖端球***移值(相对于尖端球体17a的基准位置的移位量)(步骤S14)，并且将所检测到的尖端球***移值提供给加法器2121c。

加法器2121c通过将尖端球体基准位置估计值和尖端球***移值相加来计算测量值，并且输出所计算出的测量值(步骤S15)。这样，通过第一滤波器2121a消除由于从标尺单元19b到滑块16的尖端的频率传递特性所引起的影响。通过第二滤波器2121b消除由于从滑块16的尖端到尖端球体17a的频率传递特性所引起的影响。

接着说明用于设置第一滤波器2121a中的频率传递特性的方法。图5是示出用于设置第一滤波器2121a中的频率传递特性的方法的流程图。首先，将具有足够高的响应的扫描探头安装至滑块16。接着将诸如量规块等的被测体置于CMM1的平板11上。在该处理中，放置被测体，从而使得被测体的表面方向与CMM的X、Y和Z轴方向相一致。

将计数值i设置成初始值(步骤S121)。计数值i是满足关系0≤i≤n(n是正整数)的整数。

然后，设置测量参数(步骤S122)。在该处理中，将滑块16的往复运动的振幅ΔS和频率f设置为测量参数。在该处理中，通过例如下面示出的公式(2)表示频率f。

[公式2]

f＝f₀+i×Δf…(2)

然后，在Y轴方向上将扫描探头17移动至测量位置(步骤S123)。结果，使扫描探头17的尖端球体17a与被测体接触，从而使得以预定量将尖端球体17a推向被测体的XZ表面(在Y轴方向使尖端球体17a移位了预定量)。

此后，向Y轴驱动机构14提供指示，从而使得CMM1的滑块16在Y轴方向上进行往复运动持续预定时间段(步骤S124)。在该处理中，优选使得滑块16以其在Y轴方向上的位移以正弦波模式变化的方式进行往复运动。

由于安装了具有足够高响应的扫描探头，因而可以将从尖端球***移检测单元19a所输出的Y轴移位量当作为滑块16的尖端的位移量。因此，将从尖端球***移检测单元19a所输出的Y轴移位量与标尺单元19b的往复运动进行比较。检测Y轴移位量相对于标尺单元19b的振幅ΔS的增益gs和相位Δθs(步骤S125)。

判断计数值i是否等于n(即，i=n)(步骤S126)。当计数值i不等于n时(即，i≠n)，将计数值i增大1，并且处理返回至步骤S122(步骤S127)。也就是说，步骤S122～S126构成循环处理。这样，可以获得从标尺单元19b到滑块16的尖端的频率传递特性。

当计数值i等于n时(即，i=n)，根据频率传递特性的实际测量值获得近似函数(步骤S128)。这样，可以获得从标尺单元19b到滑块16的尖端的频率传递特性的估计值Ge1(即，以上示出的公式(1))。

接着说明用于设置第二滤波器2121b中的频率传递特性的方法。第二滤波器2121b中的频率传递特性根据安装至滑块16的扫描探头的类型而变化。因此，通过对于每一类型的扫描探头分别进行测量，预先获得用于每一类型的扫描探头的频率传递特性。

首先，将要测量其频率传递特性的探头安装至滑块16。然后，通过与用于上述估计值Ge1的方法相同的方法，获得频率传递特性的估计值。使用所获得的估计值作为从标尺单元19b到尖端球体17a的频率传递特性的估计值。当由Ge0表示该估计值时，可以通过下面示出的公式(3)获得从滑块16的尖端到尖端球体17a的频率传递特性的估计值Ge2。

[公式3]

Ge2＝Ge0/Ge1…(3)

尽管在上述例子中说明了Y轴方向上的频率传递特性，但是通过使用与图5所示相同的处理，同样可以获得X轴和Z轴上的频率传递特性。注意，从Y轴标尺单元19by到滑块16的尖端的频率传递特性、从X轴标尺单元19bx到滑块16的尖端的频率传递特性和从Z轴标尺单元19bz到滑块16的尖端的频率传递特性不必相互一致。因此，它们通常产生不同的传递函数。此外，对于从滑块16的尖端到尖端球体17a的频率传递特性，X、Y和Z轴上的特性同样不必相互一致。因此，它们通常产生不同的传递函数。

此外，传递函数可以根据例如CMM1的梁支持件12a和12b的位置(例如，它们处于图1的前面、中心还是后面)而改变。在这些情况下，通过预先获得用于X、Y和Z轴方向上滑块16的预定位置各自的传递函数、并且通过使用与X、Y和Z轴方向上的位置相对应的传递函数，可以进一步提高校正滤波器2121的精度。

此外，在上述用于校正滤波器2121的获取方法的例子中，当向Y轴驱动机构14提供往复命令时，仅输出Y轴成分作为尖端球***移检测单元19a的输出。也就是说，假定在向Y轴驱动机构14提供往复命令时，其他轴(X和Z轴)的成分不会改变的前提下，说明了上述例子。然而，实际上，存在下面的情况：当仅在Y轴上提供往复命令时，X和Z轴上的成分也变化。也就是说存在下面的情况：当梁支持件12a和12b在Y轴方向(图1的前后方向)上振动时，扫描探头17的尖端球体17a还在X轴或Z轴方向上振动。在发生不同轴方向上的振动的这些情况下，通过预先基于这些成分获得传递函数、并且通过使用校正滤波器2121，可以更高精度地估计尖端球体17a的基准位置。注意，当获得不同轴的成分时，优选例如使得扫描探头17的尖端球体17a与被测体接触，从而使得在X轴方向和Z轴方向上限制尖端球体17a的情况下，在Y轴方向上以预定量将尖端球体17a推向被测体。例如，可以通过使用防止尖端球体17a在X、Y和Z轴方向上移动、但是允许尖端球体17a在X、Y和Z轴转动的旋转接头等将尖端球体17a固定至平板11.

通过这样获得用于各轴位置的传递函数和用于滑块16的基于不同轴振动的传递函数、并且将这些传递函数设置在校正滤波器2121中，可以更高精度地估计尖端球体17a的基准位置。

如上所述，在本典型实施例中，在获得测量值时，应用了设置有根据从标尺单元19b到滑块16的尖端的和从滑块16的尖端到扫描探头17的尖端球体17a的频率传递特性(相对位移特性)所获得的传递函数的校正滤波器2121。结果，可以更高精度地获得尖端球体17a的位置。因此，可以获得测量值，同时抵消由象限投影、空程(lost motion)、瞬变现象和谐振现象等所产生的影响，因而高精度地测量诸如环规等的被测体。

第二典型实施例

接着说明根据第二典型实施例的形状测量机200。除利用计算单元222替换计算单元212以外，形状测量机200的结构与形状测量机100的结构大体相同。由于形状测量机200的其他结构与形状测量机100的相同，因而下面说明计算单元222。图6是根据第二典型实施例的形状测量机200的计算单元222及其***装置的控制块图。图7是示出通过计算单元222所进行的测量值计算处理的流程图。图8A示出应用第二典型实施例的情况下被测体31的测量值的模拟结果。

通过在计算单元212中添加减法器2121d和加法器2121e(还被称为“第二加法器”)获得计算单元222的结构。

如图6和7所示，与第一典型实施例相同，标尺单元19b检测滑块16的位移(步骤S21)，并且将所检测到的位移提供给计算单元222。

接着，计算单元222读取预先存储在存储单元211中的设计值，即，被测体31的形状信息。然后，减法器2121d从所提供的滑块16的位移减去设计值，从而计算运动误差(步骤S22)。

接着，计算单元222通过在第一滤波器2121a和第二滤波器2121b中进行用于校正由该运动误差所导致的对尖端球体17a的基准位置的影响的处理，来估计尖端球体17a的基准位置的误差(步骤S23)。

接着，加法器2121e将从存储单元211读取的设计值相加至尖端球体17a的基准位置的校正后的运动误差，从而计算尖端球体17a的基准位置的运动误差校正后的估计值(步骤S24)。

然后，尖端球***移检测单元19a检测尖端球体17a的位移信息(步骤S25)，并且基于尖端球体17a的位移信息和尖端球体17a的基准位置的运动误差校正后的估计值，计算测量值(步骤S26)。

如根据图8A和8B所示的第二典型实施例的测量值的模拟结果所示，可以看出，与图13相比，在第四象限和第一象限之间的边界区域P1和在第二象限和第三象限之间的边界区域P2中，消除了投影状测量误差。注意，图8B示出仅使用第一滤波器的比较例子中的被测体31的测量值的模拟结果。在图8B中，尽管降低了投影状测量误差，但是它们未能被完全消除。此外，与图8A相比，噪声成分的影响较大。因此，可以理解，通过引入第二滤波器可以更高精度地进行测量。

如上所述，形状测量机200使用用于运动误差的第一滤波器2121a和第二滤波器2121b。

注意，在代表性的测量中，例如，在测量直径为100mm的环规时，与100mm的设计值相比，运动误差是数百μm的数量级。因此，这些值相差10³的数量级。另外，实现第一滤波器2121a和第二滤波器2121b所使用的计算单元212的单精度浮点数计算精度通常为10⁷的数量级(1.7×10⁷≈24比特)。由于如上所述，与设计值相比，运动误差非常小，因而通过在根据误差区分数值范围的情况下进行计算，可以有效使用第一滤波器2121a和第二滤波器2121b的计算动态范围。结果，可以进行更高精度的校正处理。

第三典型实施例

接着说明根据第三典型实施例的形状测量机300。除利用计算单元232替换计算单元212以外，形状测量机300的结构与形状测量机100的大体相同。由于形状测量机300的其他结构与形状测量机100的相同，因而下面说明计算单元232。图9是根据第三典型实施例的形状测量机300的计算单元232及其***装置的控制块图。

通过利用校正滤波器2321替换计算单元212的校正滤波器2121，获得计算单元232的结构。通过利用第二滤波器2321b替换校正滤波器2121的第二滤波器2121b，获得校正滤波器2321的结构。第二滤波器2321b包括第三滤波器2321c和第四滤波器2321d。

图10是示出通过计算单元232所进行的测量值计算处理的流程图。步骤S31和S32与图4的步骤S11和S12相同，并且因此这里省略对其的说明。

第三滤波器2321c基于通过第一滤波器2121a所计算出的第一尖端球体基准位置估计值，计算第二尖端球体基准位置估计值(步骤S33)。第三滤波器2321c使用估计值Ge21(s)作为校正值，其中，定义估计值Ge21(s)以基于第一尖端球体基准位置估计值而对从滑块16的尖端到扫描探头17的触针17b的安装部的频率传递特性进行近似。这样，获得第二尖端球体基准位置估计值。将第二尖端球体基准位置估计值输出给第四滤波器2321d。

第四滤波器2321d基于通过第三滤波器2321c所计算出的第二尖端球体基准位置估计值，计算第三尖端球体基准位置估计值(步骤S34)。第四滤波器2321d使用估计值Ge22(s)作为校正值，其中，定义估计值Ge22(s)以基于第二尖端球体基准位置估计值而对从扫描探头17的触针17b的安装部到尖端球体17a的频率传递特性进行近似。这样，获得第三尖端球体基准位置估计值。将第三尖端球体基准位置估计值输出给加法器2121c。

步骤S35和S36与图4的步骤S14和S15相同，因此这里省略对其的说明。

在本典型实施例中，在获得测量值时，应用了设置有根据从标尺单元19b到滑块16的尖端、从滑块16的尖端到扫描探头17的触针17b的安装部和从触针17b的安装部到尖端球体17a的频率传递特性(相对位移特性)所获得的传递函数的校正滤波器2321。结果，与第一典型实施例相比，可以更高精度地获得尖端球体17a相对于各种触针的位置。因此，可以获得抵消由象限投影、空程、瞬变现象和谐振现象等所导致的影响的测量值，从而更高精度地测量诸如环规等的被测体。

图11A示出根据该典型实施例的在不使用校正滤波器2321的情况下通过使用触针A进行测量的情况下的测量值的模拟结果。图11B示出根据本典型实施例的在不使用校正滤波器2321的情况下通过使用触针B进行测量的情况下的测量值的模拟结果。如图11A和11B所示，可以观察到在X轴附近(P1和P2)和Y轴附近(P3和P4)出现投影状测量误差。

图12A示出在利用形状测量机300的触针A进行测量的情况下的测量值的模拟结果。图12B示出在利用形状测量机300的触针B进行测量的情况下的测量值的模拟结果。如图12A和12B所示，可以观察到，在形状测量机300中，不管触针的类型如何，都可以消除在图11A和11B所示的情况下出现在X轴附近(P1和P2)和Y轴附近(P3和P4)的投影状测量误差。

其他典型实施例

本发明不仅限于上述典型实施例，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以适当改变这些典型实施例。例如，在第二典型实施例中，从存储单元211读取设计值，并且从实际测量的滑块16的位移减去设计值以获得运动误差。然而，还可以采用其他结构。例如，可以使用这样的结构：基于实际测量的滑块16的位移的信息，通过最小二乘法等计算被测体的设计值的估计值；从实际测量的滑块16的位移的信息减去估计值以获得估计运动误差；通过使用估计运动误差用的第一滤波器2121a和第二滤波器2121b获得估计运动误差的校正值；并且对该校正值、设计值的估计值和尖端球体的位移相加来计算测量值。根据该变形例，不必将设计值保持在存储单元211中。因此，即使对于设计值本身未知的被测体，也可以实现本发明。

注意，在第二和第三典型实施例中，如第一典型实施例的情况一样，通过预先获得用于X、Y和Z轴方向上的预定位置各自的传递函数、并且通过使用与X、Y和Z轴方向上的滑块位置相对应的传递函数，同样可以进一步提高第一滤波器2121a及第二滤波器2121b和2321b的精度。

此外，在传递函数的选择中，可以针对X、Y和Z轴各自上的各预定位置选择传递函数。可选地，可以针对根据X、Y和Z轴上的预定位置所确定的各3D空间位置来选择传递函数。

尽管通过使用扫描测量环状物的示例性情况说明了上述典型实施例，但是本发明不仅限于该结构。例如，本发明可应用于自由曲面等的扫描测量。

此外，不管扫描测量是探头沿着预定路径(设计值)的设计值扫描测量还是自动扫描测量(其中，测量机在以逐步方式估计表面形状的情况下测量被测体的表面形状)，都可以实现本发明。

此外，尽管仅使用CMM说明了上述典型实施例，但是本发明不仅限于该结构。也就是说，不用说，对于诸如图像测量机、轮廓测量机、圆度测量机和表面粗糙度测量机等的各种测量机，也可以以相同方式实现本发明。此外，尽管仅利用坐标/形状测量说明了上述典型实施例，但是本发明不仅限于该结构。也就是说，不用说，对于诸如圆度测量、轮廓测量和粗糙度/波动测量等的表面特性测量，同样可以以相同方式实现本发明。此外，对于表面特性测量程序，同样可以以相同方式实现本发明。

根据第三典型实施例的校正滤波器2321还可以应用于根据第二典型实施例的形状测量机200。

根据这样所述的本发明，显而易见，可以以很多方式来改变本发明的实施例。这些变形例不应被认为脱离本发明的精神和范围，并且对于本技术领域的技术人员来说，所有这些变形例显然包含在所附权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种形状测量机，包括：

扫描探头，用于通过使用设置在被安装至所述扫描探头的一端的触针的尖端处的尖端球体来进行扫描测量，其中，所述尖端球体被配置成能够与被测体接触；

滑块，其以能够移动的方式进行配置，并且用于在所述扫描探头的与所述尖端球体相对的另一端处支持所述扫描探头；

标尺单元，用于检测所述滑块的位移；

尖端球***移检测单元，用于检测所述扫描探头的所述尖端球体相对于所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的位移；以及

计算单元，用于根据所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移和所述尖端球***移检测单元所检测到的所述尖端球体的位移，来计算测量值，

其中，所述计算单元包括：

校正滤波器，用于输出校正值，其中，所述校正值是通过基于从所述标尺单元到所述尖端球体的频率传递特性来校正所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移而获得的，以及

第一加法器，用于将所述校正值和所述尖端球***移检测单元所检测到的所述尖端球体的位移进行相加，以及

所述校正滤波器包括：

第一滤波器，用于基于从所述标尺单元到所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的频率传递特性，来校正所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移，以及

第二滤波器，用于输出基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述尖端球体的频率传递特性来校正所述第一滤波器所校正后的值而获得的值，作为所述校正值。

2.根据权利要求1所述的形状测量机，其中，

所述第一滤波器基于从所述标尺单元到所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的频率传递特性的估计值，来校正所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移，以及

所述第二滤波器基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述尖端球体的频率传递特性的估计值，来校正所述第一滤波器所校正后的值。

3.根据权利要求2所述的形状测量机，其中，

所述频率传递特性是针对所述滑块的各移动方向轴而实际测量出的，以及

所述频率传递特性的估计值是针对所述滑块的各移动方向轴、作为基于频率传递特性的实际测量值的传递函数而计算出的。

4.根据权利要求1所述的形状测量机，其中，还包括存储单元，所述存储单元用于存储表示被测体的形状的设计值，其中，

所述计算单元还包括：

减法器，用于输出通过从所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移减去所述设计值而获得的值，作为要输入至所述第一滤波器的所述滑块的运动误差，以及

第二加法器，用于输出通过将所述设计值与从所述第二滤波器输出的值进行相加而获得的值，作为从所述校正滤波器所输出的校正值。

5.根据权利要求1所述的形状测量机，其中，所述第二滤波器包括：

第三滤波器，用于输出通过基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述触针的安装部的频率传递特性来校正所述第一滤波器所校正后的值而获得的值；以及

第四滤波器，用于输出通过基于从所述触针的安装部到所述尖端球体的频率传递特性来校正所述第三滤波器所校正后的值而获得的值，作为所述校正值。

6.一种用于校正形状测量误差的方法，其包括以下步骤：

利用标尺单元来检测以能够移动的方式配置的滑块的位移，其中，所述滑块用于支持扫描探头，所述扫描探头用于通过使用设置在被安装至所述扫描探头的一端的触针的尖端处的尖端球体来进行扫描测量，所述滑块在所述扫描探头的与所述尖端球体相对的另一端处支持所述扫描探头，所述尖端球体被配置成能够与被测体接触；

检测所述扫描探头的所述尖端球体相对于所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的位移；

基于从所述标尺单元到所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的频率传递特性，来校正所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移；

输出通过基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述尖端球体的频率传递特性来对校正后的位移进行校正而获得的值，作为校正值；以及

通过将所述校正值和所述尖端球体的位移进行相加来计算测量值。

7.根据权利要求6所述的用于校正形状测量误差的方法，其中，

基于从所述标尺单元到所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的频率传递特性的估计值，来校正所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移，以及

基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述尖端球体的频率传递特性的估计值，来对所述滑块的校正后的位移进行校正。

8.根据权利要求7所述的用于校正形状测量误差的方法，其中，

所述频率传递特性是针对所述滑块的各移动方向轴而实际测量出的，以及

所述频率传递特性的估计值是针对所述滑块的各移动方向轴、作为基于频率传递特性的实际测量值的传递函数而计算出的。

9.根据权利要求6所述的用于校正形状测量误差的方法，其中，

基于从所述标尺单元到所述扫描探头和所述滑块之间的连接部的频率传递特性，来校正通过从所述标尺单元所检测到的所述滑块的位移减去表示被测体的形状的设计值而获得的值，以及

输出通过将基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述尖端球体的频率传递特性来对校正后的值进行校正而获得的值与所述设计值进行相加所获得的值，作为所述校正值。

10.根据权利要求6所述的用于校正形状测量误差的方法，其中，

输出通过基于从所述扫描探头和所述滑块之间的连接部到所述触针的安装部的频率传递特性来对校正后的位移进行校正而获得的第一值，以及

输出通过基于从所述触针的安装部到所述尖端球体的频率传递特性来校正所述第一值而获得的值，作为所述校正值。

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