TW201631295A - 形狀計測裝置、加工裝置及形狀計測方法 - Google Patents

形狀計測裝置、加工裝置及形狀計測方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種形狀測量裝置、加工裝置、及形狀測量方法，該形狀測量裝置藉由減少存在於表面的異物等的影響能夠以高精度對測量對象物之表面形狀進行測量。本發明之形狀測量裝置，藉由3個位移計配設成一列的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，該形狀測量裝置具備：間隙計算機構，藉由由前述3個位移計中位於中間之位移計測定的測定值和由其他位移計測定的測定值之差求出間隙資料；插值機構，求出前述間隙資料的平均值及標準偏差，並反覆執行插值處理，直至前述標準偏差的變化率成為預先設定的值以下，前述插值處理中以前述平均值對前述間隙資料中藉由前述標準偏差而設定的範圍外之值進行插值；及形狀計算機構，藉由已執行前述插值處理的前述間隙資料對前述測量對象物之表面形狀進行計算。

Description

形狀計測裝置、加工裝置及形狀計測方法
本發明關於一種形狀測量裝置、加工裝置及形狀測量方法。
已知有一種直線度測定法，其利用3個位移計且藉由逐次三點法求出測量對象物之表面形狀，並對直線度進行測定(例如，參照專利文獻1)。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2003-254747號公報
上述直線度測定法中，例如，若在測量對象物之表面存在垃圾或油等異物、傷痕等，則有時由位移計測定的測定值會大幅變動，並難以以高精度求出測量對象物之表面形狀。
本發明係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，該形狀測量裝置藉由減少存在於表面的異物等的影響能夠以高精度對測量對象物之表面形狀進行測量。
藉由本發明之一方案，一種形狀測量裝置，藉由3個位移計配設成一列的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，該形狀測量裝置具備：間隙計算機構，藉由由前述3個位移計中位於中間之位移計測定的測定值和由其他位移計測定的測定值之差求出間隙資料；插值機構，求出前述間隙資料的平均值及標準偏差，並反覆執行插值處理，直至前述標準偏差的變化率成為預先設定的值以下，前述插值處理中以前述平均值對前述間隙資料中依據前述標準偏差而設定的範圍外之值進行插值；及形狀計算機構，依據已執行前述插值處理的前述間隙資料對前述測量對象物之表面形狀進行計算。
藉由本發明之實施形態，能夠提供一種形狀測量裝置，該形狀測量裝置藉由減少存在於表面的異物等的影響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)
20‧‧‧控制裝置
23‧‧‧間隙資料計算部(間隙計算機構)
25‧‧‧插值處理部(插值機構)
27‧‧‧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)
40‧‧‧顯示裝置(顯示機構)
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的圖。
第5圖係對實施形態中的形狀測量處理的流程進行例示之圖。
第6圖係對實施形態中的感測器資料進行例示之圖。
第7圖係對實施形態中的間隙資料進行例示之圖。
第8圖係對實施形態中的插值處理的流程進行例示之圖。
第9圖係對實施形態中的插值處理前的間隙資料進行例示之圖。
第10圖係用於對實施形態中的間隙資料的插值處理進行說明之圖。
第11圖係對在實施形態中執行1次插值處理後的間隙資料進行例示之圖。
第12圖係對在實施形態中反覆執行插值處理後的間隙資料進行例示之圖。
第13圖係用於對實施形態中的間隙資料的插值處理進行說明的圖。
第14圖係對在實施形態中執行插值處理後的間隙資料進行例示之圖。
第15圖係對實施形態中之表面形狀的測量結果進行例示之圖。
第16圖係對在物體之表面不存在異物的狀態下之表面形狀的測量結果進行例示之圖。
第17圖係在未執行插值處理狀態下之表面形狀的測量結果進行例示之圖。
以下，參閱附圖對實施形態進行說明。在各附圖中，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之下端部設有砂輪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係圓柱狀，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係顯示機構的一例，例如係液晶顯示器等。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。
如上述，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，並且藉由由感測頭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、插值處理部25，形狀計算部27。控制裝置20 包括例如CPU、ROM、RAM等，並藉由由CPU執行與RAM配合而儲存於ROM的控制程式來實現各部的功能。
感測器資料取得部21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係間隙計算機構的一例，藉由由感測器資料取得部21所取得之感測器資料計算間隙資料。插值處理部25係插值機構的一例，對由間隙資料計算部23計算出之間隙資料執行插值處理。形狀計算部27係形狀計算機構的一例，基於藉由插值處理部25執行插值處理的間隙資料計算物體12之表面形狀。
感測頭30係檢測儀的一例，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之結構進行例示之圖
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27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求出測量物體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方向上隔開間隔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)依據以下式(1)求出。
[數學式1]g=B-(A+C)/2…(1)
接著，如第4圖(B)所示，物體12表面之b點上的位移z的二階微分(d2z/dx2)為b點之曲率(1/r)，利用連結a點與b點的直線之傾斜度(dzab/dx)與連結b點與c點的直線之傾斜度(dzbc/dx)，依據以下式(2)示出。
式(2)中代入以下式(3)、式(4)，如式(5)所示，可知藉由進一步利用式(1)，則依據間隙g及感測器之間的距離P可以求出位移z的二階微分亦即曲率。
感測器之間的距離P被預先設定，由此藉由依據式(1)並基於各位移感測器31a、31b、31c所輸出的感測器資料能夠求出間隙g，且將依據式(5)所求出的曲率以感測器間隔P進行二階積分，能夠求出b點上的位移z。
然而，若在物體12之表面存在垃圾、油等異物或傷痕等，並感測器資料受到異物等的影響而大幅變動，則有時難以正確求出物體12之表面形狀。因此，本實施形態所涉及之形狀測量裝置100，藉由以下將要說明的形狀測量處理對物體12之表面形狀進行測量。
(形狀測量處理)
第5圖係對實施形態中的形狀測量處理之流程進行例示之圖。
本實施形態之形狀測量處理中，首先藉由步驟S101，可移動工作台10與作為測量對象物之物體12一同朝向X方向移動，感測頭30的各位移感測器31a、31b、31c對物體12之表面進行掃描。
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。第6圖係對實 施形態中的感測器資料進行例示之圖。各位移感測器31a、31b、31c輸出感測器資料來作為與物體12之表面的測定點之間的距離。第5圖中所示出之曲線圖中，以一點虛線表示第1位移感測器31a的資料，以實線表示第2位移感測器31b的資料，以虛線表示第3位移感測器31c的資料。
其中，若在物體12之表面存在異物等，則如第6圖所例示，在存在異物等的部分感測器資料大幅變動。第6圖中所示出之例中，位移感測器31a中為150mm附近，位移感測器31b中為250mm附近，位移感測器31c中為350mm附近，由於異物等的影響感測器資料分別成為非常大的值。另外，由於各位移感測器31a、31b、31c在掃描方向即X方向上隔開間隔而設置，因此即使為同一表面上的測量結果，由異物等所導致的資料變動位置亦不同。
回到第5圖的流程，接著藉由步驟S103，間隙資料計算部23依據式(1)從各位移感測器31a、31b、31c的感測器資料計算間隙資料。第7圖係由第6圖中所示出之感測器資料計算出之間隙資料計算例。
如上述，若在物體12之表面存在異物等，則因受到異物等的影響而產生間隙資料大幅變動的部分，並難以正確求出物體12之表面形狀。因此，本實施形態之形狀測量處理中，藉由步驟S104，插值處理部25對間隙資料執行插值處理。
(插值處理)
第8圖係對實施形態中的插值處理的流程進行例示之圖。
插值處理中，首先藉由步驟S201，插值處理部25對間隙資料的平均值及標準偏差σ進行計算。接著，藉由步驟S202，插值處理部25對間隙資料中有無存在(平均值±3σ)的範圍外之資料進行判定。
若不存在(平均值±3σ)的範圍外之資料(步驟S202：否)，則進入步驟S203，插值處理部25判斷為在物體12之表面不存在異物等並將異物標誌設定為“False”，並結束插值處理。
若存在(平均值±3σ)的範圍外之資料(步驟S202：是)，則進入步驟S204，插值處理部25判斷為在物體12之表面存在異物等並將異物標誌設定為“True”。接著，藉由步驟S205，插值處理部25以平均值對間隙資料中(平均值±3σ)的範圍外之資料進行插值。
例如，在第9圖中所示出之間隙資料中存在(平均值±3σ)的範圍外之資料。在該種情況下，例如，如第10圖(A)所示，插值處理部25對大於(平均值+3σ)的資料進行刪除，並如第10圖(B)所示以平均值對刪除的部分進行插值。同樣，插值處理部25對小於(平均值-3σ)的資料進行刪除，並以平均值對刪除的部分進行插值。藉由該種處理，間隙資料中的存在於物體12之表面的異物的影響得以減少。
接著，藉由步驟S206，插值處理部25再次對間隙資料的平均值及標準偏差進行計算。第11圖係從第9圖中所示出之間隙資料中以平均值對(平均值±3σ)的範圍外之資料進行插值後的間隙資料。如第11圖所示，若存在(平均值±3σ)的範圍外之資料，則藉由步驟S207，插值處理部25同樣以平均值對(平均值±3σ)的範圍外之資料進行插值。
步驟S208中，插值處理部25對計算出的標準偏差σn與之前計算出的標準偏差σn-1的變化率|(σn-σn-1)/σn×100|(%)進行計算，並判定標準偏差σ的變化率是否小於0.1%。插值處理部25反覆執行步驟S206、S207的處理，直至標準偏差σ的變化率例如小於0.1%。藉由反覆執行步驟S206、S207的處理，間隙資料中存在於物體12之表面的異物的影響進一步減少。
第12圖係反覆執行步驟S206、S207的處理，直至標準偏差σ的變化率小於0.1%的間隙資料。與第9圖中所示出之插值處理前的間隙資料相比較，可知第12圖中所示出之間隙資料中因存在於物體12之表面的異物所導致的資料變動大幅減少。另外，標準偏差σ的變化率的目標值並不限定於0.1%，例如依據所需測定精度等可適當設定。
接著，藉由步驟S209，插值處理部25利用插值資料前後的資料各自的平均值，對間隙資料中包括插值資料前後的資料之插值區域的資料進行線形插值。利用第13圖 對步驟S209的處理進行具體說明。
如第13圖(A)所示，插值處理部25中，將包括間隙資料中的以平均值進行插值之插值資料與插值資料前後的資料(例如，前後各3mm)的範圍設為插值區域。另外，插值區域並不限定於包括插值資料的前後各3mm的範圍，例如，藉由測量條件等可適當設定。
接著，插值處理部25對插值區域中的插值資料前後的資料各自的平均值進行計算。第13圖(A)的例中，插值資料前的資料(第13圖中的插值資料的左側)之平均值為a，插值資料後的資料(第13圖中的插值資料的右側)之平均值為b。如第13圖(B)所示，插值處理部25刪除插值區域中的間隙資料，以連結平均值a與平均值b的直線對插值區域進行線形插值。
第14圖係對第12圖中所示出之間隙資料至對插值區域進行線形插值之後的間隙資料進行例示之圖。第14圖中所示出之間隙資料中，可知在第12圖的間隙資料中分別殘留於X座標的150mm附近、250mm附近、350mm附近之存在於物體12之表面的異物的影響得以減少。
另外，藉由步驟S201至S208的處理，在間隙資料中能夠減少異物等的影響的情況下，可以不對步驟S209中之插值區域進行線形插值。
藉由插值處理部25執行以上所說明之插值處理，並去除間隙資料中存在於物體12之表面的異物之影響，則回到第5圖中所示出之形狀測量處理，並進入步驟 S105。
步驟S105中，形狀計算部27利用藉由插值處理部25執行插值處理的間隙資料，並基於式(5)對物體12之表面形狀進行計算。並且，由形狀計算部27計算出的物體12之表面形狀顯示於顯示裝置40。
接著，步驟S106中，插值處理部25判定異物標誌是否為“True”。異物標誌為“True”(步驟S106：是)，則藉由步驟S107，作為警告例如將“在比最前列更靠近136mm附近檢測出垃圾等的異物”等的異物檢測結果顯示於顯示裝置40。異物標誌為“False”(步驟S106：否)，則結束處理而不顯示異物檢測結果。
使用形狀測量裝置100的操作員從顯示於顯示裝置40的警告中意識到存在異物等，若欲以進一步高的高精度進行測量，則可在將異物等去除後再次執行測量。
第15圖係第14圖中所示出之藉由已執行插值處理的間隙資料計算出之表面存在異物等的物體12之表面形狀測量結果。並且，將表面不存在垃圾等的異物的物體12之表面形狀測量結果示出於第16圖。第15圖與第16圖係相同物體12的相同部分之表面形狀測量結果，而在有無存在異物方面則不同。並且，將未利用第7圖中所示出之受到異物等的影響之間隙資料執行插值處理而直接求出之表面形狀測量結果示出於第17圖。
如第17圖所示，在未對表面存在異物等的物體12之表面形狀執行插值處理而直接進行測量之結果，與第16 圖中所示出之不存在異物等的物體12之表面形狀測量結果相比大有不同。如上述，可知在間隙資料受到存在於物體12之表面的異物等的影響之情況下，結果與物體12的實際表面形狀大有不同。
相對於此，可知第15圖中所示出之本實施形態中之表面形狀測量結果中得到與第16圖中所示出之不存在異物時之物體12之表面形狀測量結果相同的結果。如上述，藉由本實施形態，藉由執行上述插值處理而減少間隙資料中的異物的影響，即使在物體12之表面存在異物等的情況下，亦能夠得到與不存在異物等時相同之表面形狀測量結果。
如以上說明，藉由本實施形態所涉及之形狀測量裝置100，即使為在表面存在垃圾、油等異物、傷痕等物體12，亦能夠以高精度對表面形狀進行測量。
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，藉由在將物體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，能夠進行校正加工等。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 (5)

  1. 一種形狀測量裝置，藉由3個位移計配設成一列的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，該形狀測量裝置的特徵在於，具備：間隙計算機構，藉由由前述3個位移計中位於中間之位移計測定的測定值和由其他位移計測定的測定值之差求出間隙資料；插值機構，求出前述間隙資料的平均值及標準偏差，並反覆執行插值處理，直至前述標準偏差的變化率成為預先設定的值以下，前述插值處理中以前述平均值對前述間隙資料中藉由前述標準偏差而設定的範圍外之值進行插值；及形狀計算機構，藉由已執行前述插值處理的前述間隙資料對前述測量對象物之表面形狀進行計算。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之形狀測量裝置，其中，前述插值機構對已執行前述插值處理的前述間隙資料中包括以前述平均值進行插值的插值資料前後的資料的插值區域的值，利用前述插值區域的前述插值資料前後的資料各自的平均值進行線形插值。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之形狀測量裝置，其中，該形狀測量裝置具備顯示機構，當前述間隙資料包括前述範圍外之值時，該顯示機構顯示在前述測量對象物之 表面存在異物。
  4. 一種加工裝置，其特徵在於，該加工裝置具備申請專利範圍第1或2項所述之形狀測量裝置。
  5. 一種形狀測量方法，藉由3個位移計配設成一列的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，該形狀測量方法的特徵在於，具備：間隙計算步驟，藉由由前述3的位移計中位於中間之位移計測定的測定值和由其他位移計測定的測定值之差求出間隙資料；插值步驟，求出前述間隙資料的平均值及標準偏差，並反覆執行插值處理，直至前述標準偏差的變化率成為預先設定的值以下，前述插值處理中以前述平均值對前述間隙資料中藉由前述標準偏差而設定的範圍外之值進行插值；及形狀計算步驟，藉由已執行前述插值處理的前述間隙資料對前述測量對象物之表面形狀進行計算。
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