CN1191301A - 测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种测量方法及测量装置。在采用测量头(接触触发式测量头(70))的测量方法中,对从接触触发式测量头(70)产生接触检测信号时的测量头(70)的坐标值(P1)及速度(V1)进行检测,根据这些坐标值(P1)、速度(V1)及接触触发式测量头(70)的接触检测延迟时间(T1)(从接触至产生接触检测信号为止的时间)求得接触时的坐标值(P0)。

Description

测量方法及测量装置

本发明涉及使用测量头(probe)对被测物体的尺寸及表面状况等进行测量的测量方法及测量装置。

坐标测量装置例如三维测量机，是一面使接触触发式测量头与被测物沿三维方向相对移动一面使之接触，当两者接触时，根据接触触发式测量头产生的接触检测信号，读取各轴(三维方向的各轴)坐标值，并根据这些坐标值求出被测物的尺寸及形状。

以往，作为三维测量机等所采用的接触触发式测量头的形式，已知的有一种是用6个球和轴销支承与测量杆整体地形成的3个轴销的结构，即利用所谓6点接触式支承机构支承测量杆构造的接触触发式测量头；另一种是使测量杆处于振动状态下与被测物接触，通过检测当时振动的衰减来检测与被测物接触的构造的接触触发式测量头。

前者的接触触发式测量头，例如如图13所示，其结构包括测量头主体4，通过6点接触式支承机构8支承于该测量头本体4、其端部有接触球的测量杆1，将该测量杆1压紧贴靠在支承机构8上的弹簧等压力产生手段7。

支承机构8由固定于前述测量杆末端的可动体2，在该可动体2的周围、垂直于测量杆1轴线的平面内而且以测量杆1轴线为中心每隔120度间隔放射状地突出设置的3个轴销3，与该各个轴销3对应、固定于测量头主体4的底壁5上、分别将2个轴销(或球)组合成V字形的3组V字形卡住部分6构成。

在这样的结构中，一旦利用压力产生手段7将可动体2压向测量头主体4的底壁5，则可动体2静止于规定的位置。这时，由于可动体2上的各轴销3与V字形卡住部分6有2点接触，而作为全体有6点接触，因此，称为6点接触式支承机构。

如图14所示，后者的接触触发式测量头，具有触杆座12、通过轴销18在大致中间部分支承于该触杆座12的作为测量杆的振子14、配置于该振子14的振节附近且用粘接剂等固定于槽20的2片压电元件16。

振子14，在其一端具有与被测物接触的接触部分14A，在另一端具有与前述接触部分14A相同重量的平衡块14B，而且在其振节处支承于触杆座12。由于在振子14的一端有接触部分14A，因此用平衡块14B取得重量平衡，以使得共振时振节不偏离振子14的中心，而且当整个接触触发式测量头沿与振子14振动方向的交叉方向移动、受到加速度时，使得不受绕支承点的力矩。

如图15所示，压电元件16，分为使振子14往复振动的励振用电极16A及将振子的往复振动状态以交流电信号的检测用电极14B。励振用电极16A通过信号线与使振子14振动的驱动电路24相连，另外，检测用电极14B通过信号线22B与检测振子14振动的检测电路26相连。来自检测电路26的信号通过信号线22D送至驱动电路24。这样，就构成了将检测用电极16B取出的电信号利用检测电路26及驱动电路24放大后送至励振用电极16A的反馈闭环。

检测电路26与接触触发信号发生电路28相连。接触触发信号发生电路28是这样构成，将来自检测用电极16B的交流信号进行全波整流，将该整流的信号利用低通滤波器变换为直流信号后与基准值进行比较，当检测信号达到基准值时产生接触触发信号。

但是，对于以往的接触触发式测量头，无论有怎样的构造，都会有由于与被测物接触时的相对移动速度即接触速度而产生测量误差的问题。

首先，对于前者的接触触发式测量头(图13所示的接触触发式测量头)，当与被测物的相当移动速度特别小的时候，就有测量误差大的问题。其原因之一，接触触发式测量头与被测物接触瞬间的接触速度一般为2～20mm/s左右，以该速度以上接触触发式测量头与被测物接触时的测量值显示出比较稳定的值，而若接触速度比上述速度低，则发现接触检测信号发生时取入的坐标值与本来的坐标值发生偏差。

其理由虽然不清楚，但可认为，如图13所示的接触触发式测量头的结构情况下，是当测量杆1与被测物接触产生位移时，6个轴销(或球)中至少有1个处于非接触状态，通过电气方法来检测这种状态，然而当测量杆以缓慢的速度产生相对位移时，一直到接触点断开为止的弯曲量就变大。

另一方面，对于后者的接触触发式测量头(图14及图15所示的接触触发式测量头)，由于比前者的接触检测灵敏度要高，因此在前者那样的低速区测量误差增加的趋势非常小，但是问题在于，由于压电元件以外的检测及驱动电路复杂，因此从振子14的接触部分14A与被测物接触之后到接触触发信号(接触检测信号)发生为止的延迟时间较长，由于该延迟时间就产生测量误差。

例如，如图16所示，若设振子14的接触部分14A上被测物接触之后经延迟时间T1后产生接触检测信号，则将接触部分14A与被测物接触时的接触时坐标值PO偏离ΔP后的坐标值P1作为接触时坐标值进行测量。

而且，该偏离量ΔP，若测量速度一定，还能够预先决定修正量，但若测量速度变化，则相应发生变化。特别是对于要求高速高精度的测量装置，必须改变测量速度进行测量，因此产生不能进行正确修正的问题。

另外，这样的问题，不限于接触触发式测量头，对于非接触式测量头也会发生。

例如，利用具有将物镜对准测量面接近并隔开一段距离使物镜的焦点位置与被测物的测量面一致的光学位移传感器的非接触式测量头、或者摄像机等的非接触式测量头测量被测物尺寸的情况，当非接触式测量头与被测物的距离一定时，取入测量头与被测物的相对坐标值，但是这时，也存在由于测量头与被测物的相对移动速度而产生测量误差的问题。

本发明的目的在于，解决以往的这种问题，在根据测量内容必须改变测量速度的复杂测量中，提供能够修正与测量速度相关的偏离误差、能够实现高精度且高效率的测量方法及测量装置。

本发明的测量方法，其特征在于，是使根据与被测物的关系产生位置检测信号的测量头与被测物相对移动，根据来自该测量头的位置检测信号检测测量头与被测物的相对移动坐标值，并根据该相对移动坐标值，测量被测物尺寸及表面状况中的至少一种的测量方法，根据来自前述测量头的位置检测信号，分别检测测量头与被测物的相对移动坐标值及测量头与被测物的相对移动速度，用根据前述检测时的相对移动速度的修正量对前述检测时的相对移动坐标值进行修正。

另外，本发明的测量装置，其特征在于，是使根据与被测物的关系产生位置检测信号的测量头与被测物相对移动，根据来自该测量头的位置检测信号检测测量头与被测物的相对移动坐标值，并根据该相对移动坐标值，测量被测物尺寸及表面状况中的至少一种的测量装置，具有根据来自前述测量头的位置信号检测测量头与被测物的相对移动坐标值的坐标值检测手段，对前述坐标值检测手段检测相对移动坐标值时的测量头与被测物的相对移动速度进行检测的速度检测手段，以及用根据前述检测时的相对移动速度的修正量对前述检测时的相对移动坐标值进行修正的修正手段。

在这样的结构中，若使测量头与被测物相对移动，则根据来自测量头的位置检测信号检测测量头与被测物的相对移动坐标植，同时检测当时的测量头与被测物的相对移动速度，然后用根据该相对移动速度的修正量对前述相对坐标值进行修正。

因而，由于自动对与测量头与被测物的相对移动速度相关的测量误差进行修正，因此即使在根据测量内容必须改变测量速度的复杂测量中，也能够实现高精度且高效率的测量。

上述的测量头，可以是根据与被测物接触产生接触检测信号的接触式，或者也可以是具有将物镜对准测量面接近并隔开一段距离使物镜的焦点位置与被测物的测量面一致的光学位移传感器的非接触式测量头，或者也可以是摄像机等非接触式测量头。

作为测量头，当采用接触式、即接触触发式测量头时，最好采用如下的构成。

首先，对于测量方法，其特征在于，是一面使接触触发式测量头与被测物相对移动一面使其接触，在那时根据来自接触触发式测量头产生的接触检测信号检测接触触发式测量头与被测物的相对移动坐标值，并根据该相对移动坐标值，测量被测物尺寸及表面状况中的至少一种的测量方法，当从前述接触触发式测量头产生接触检测信号时，分别测量该时候接触触发式测量头与被测物的相对移动坐标值及接触触发式测量头与被测物的相对移动速度，用根据前述接触检测信号发生时的相对移动速度的修正量对前述接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正。

另外，对于测量装置，其特征在于，是一面使接触触发式测量头与被测物相对移动一面使其接触，在那时根据来自接触触发式测量头产生的接触检测信号检测接触触发式测量头与被测物的相对移动坐标值，并根据该相对移动坐标值，测量被测物尺寸及表面状况中的至少一种的测量装置，具有对从前述接触触发式测量头产生接触检测信号时的接触触发式测量头与被测物的相对移动坐标值进行检测的坐标值检测手段，对从前述接触触发式测量头产生接触检测信号时的接触触发式测量头与被测物的相对移动速度进行检测的速度检测手段，以及用根据前述接触检测信号发生时的相对移动速度的修正量对前述接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正的修正手段。

在这样的结构中，一旦使接触触发式测量头与被测物相对移动并使其接触，则从接触触发式测量头产生接触检测信号。于是就分别测量这时的接触触发式测量头与被测物的相对移动坐标值及接触触发式测量头与被测物的相对移动速度，然后用根据该相对移动速度的修正量对前述相对移动坐标值进行修正。

因而，由于自动对与测量头与被测物的相对移动速度相关的测量误差进行修正，因此即使在根据测量内容必须改变测量速度的复杂测量中，也能够实现高精度且高效率的测量。

这里，为了检测当接触检测信号发生时的接触触发式测量头与被测物的相对移动坐标值，例如可以采用具有检测接触触发式测量头与被测物的相对移动坐标值的位移检测器、及对用该位移检测器检测的相对移动坐标值中当从接触触发式测量头产生接触检测信号时的相对移动坐标值加以存储的坐标值存储单元的坐标值检测手段。

位移检测器可以采用电容式、光电式、磁式等位移检测器，坐标值存储单元可以采用计数器等。

另外，为了检测当接触检测信号发生时的接触触发式测量头与被测物的相对移动速度，可以采用测速发电机等速度检测器来进行检测，但也可以在一定时间间隔检测接触触发式测量头与被测物的相对移动坐标值，然后，根据该检测的2个以上相对移动坐标值及前述一定时间间隔推算前述接触检测信号发生时的相对移动速度。

例如，若设在一定时间间隔T2检测接触触发式测量头与被测物的相对移动坐标值时的2个以上相对移动坐标值为Pn及Pn-1，则平均速度Vn可由下式求得

Vn＝(Pn-Pn-1)/T2

也可以将该平均速度Vn看作为接触检测信号发生时的相对移动速度V1。

作为具体的构成，最好包括检测前述接触触发式测量头与被测物的相对移动坐标值的位移检测器，一定时间间隔信号发生器，对前述位移检测器检测的相对移动坐标值经过前述一定时间间隔信号发生器发生信号的一定时间间隔加以更新存储而得到相对移动坐标值的第1坐标值存储单元，对距离前述相对移动坐标值的一定时间间隔前的相对移动坐标值加以存储的第2坐标值存储单元，以及根据前述第1及第2坐标值存储单元存储的相对移动坐标值及前述一定时间间隔求出前述接触检测信号发生时的相对移动速度的速度运算单元。

这样一定，由于不要测速发电机等速度检测器，因此构成简单而且经济。

另外，关于根据检测信号发生时相对移动速度的修正量计算方法，也可以预先将前述接触触发式测量头与被测物接触后到产生接触检测信号为止的接触触发式测量头固有延迟时间加以存储，再根据前述接触检测信号发生时的相对移动速度及前述延迟时间计算前述修正量。

例如，若设接触触发式测量头的固有延迟时间为T1，则修正量ΔP可由下式求得

ΔP＝K1·V1·T1(式中，K1为常数)

然后，用该修正量ΔP对接触检测信号发生时的相对移动坐标值P1进行修正，求得接触时的相对移动坐标值P0。即根据

P0＝P1-ΔP

求得接触时的相对移动坐标值P0。

这样一来，不管接触触发式测量头的固有延迟时间及接触检测信号发生时的相对移动速度如何，都能实现正确的测量。

另外，作为其他的根据接触检测信号发生时相对移动速度的修正量求得方法，也可以预先将前述接触触发式测量头与被测物的相对移动速度及根据该相对移动速度的修正量的关系存储在修正表中，然后从前述修正表得到与前述接触检测信号发生时的相对移动速度对应的修正量，再用该修正量对前述接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正。

这样一来，不管接触检测信号发生时的相对移动速度如何，都能实现正确的测量。

这时，当接触检测信号发生时的相对移动速度处于前述修正表中存储的相对移动速度之间时，只要利用其前后的相对移动速度及其前后相对移动速度对应的修正量，来计算前述接触检测信号发生时相对移动对应的修正量即可。例如，只要利用直线插补计算修正量即可。

这样一来，能够更正确地求得根据接触检测信号发生时的相对移动速度的修正量。另外，作为其他的根据接触检测信号发生时相对移动速度的修正量求得方法，也可以预先将前述接触触发式测量头与被测物的相对移动速度及根据该相对移动速度的修正量的关系用函数加以近似，然后将前述接触检测信号发生时的相对移动速度代入前述函数，求出修正量，再用该修正量对前述接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正。

这样一来，由于不要前述的修正表等，因此结构简单而且经济。

在上述当中，接触检测信号发生时的相对移动坐标值是二维或三维坐标值，而前述接触检测信号发生量的相对移动速度最好具有与前述坐标值相同维数以上的向量分量，利用前述接触检测信号发生时相对移动速度的各分量值及前述延迟时间，对接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正。

或者，接触检测信号发生时的相对移动坐标值是二维或三维坐标值，而前述修正表中最好存储与前述接触检测信号发生时相对移动速度相对应的二维或三维修正量，然后从前述修正表中得到与前述接触检测信号发生时的相对移动速度对应的二维或三维修正量。

这样一来，也可以适用于测量误差与测量方向有关的接触触发式测量头。

另外考虑到，接触检测信号发生时的相对移动速度与测量误差的关系，通常对于每一个接触触发式测量头是不一样的。

因此，作为解决这一问题的方法，只要预先对每种接触触发式测量头将接触触发式测量头的固有延迟时间加以存储，每更换一次前述接触触发式测量头，采用更换后的接触触发式测量头的固有延迟时间进行前述修正量的计算即可。

或者，只要预先对每种接触触发式测量头将接触触发式测量头与被测物的相对移动速度及根据该相对移动速度的修正量的关系存储在修正表中，每更换一次前述接触触发式测量头，采用与更换后的接触触发式测量头种类相对应的前述相对移动速度与修正量的关系进行前述修正量的计算即可。

图1表示本发明实施例1的方框图。

图2表示实施例1的坐标测量手段的方框图。

图3表示实施例1的速度检测手段的其他例子的方框图。

图4表示用于说明实施例1的速度检测手段的作用的图。

图5表示与本发明实施例2相关的手动型三维测量机的立体图。

图6表示实施例2的方框图。

图7表示实施例2的修正表的内容。

图8表示实施例2的接触速度与偏差的关系图。

图9表示实施例2的测量时的修正处理的流程图。

图10表示与本发明实施例3相关的CNC三维测量机的立体图。

图11表示实施例3的方框图。

图12表示用于说明修正表制作方法。

图13表示6点接触式支承机构的接触触发式测量头。

图14表示振动式的接触触发式测量头。

图15表示振动式的接触触发式测量头检测驱动电路图。

图16表示用于说明振动式的接触触发式测量头固有的延迟时间所产生的问题的图。

下面参照附图对本发明实施例进行说明。

实施例1

图1表示与实施例1相关的坐标测量装置总体方框图。该坐标测量装置由利用图示省略的三维移动机构能够沿三维方向(X、Y及Z轴方向)移动、根据与被测物W的关系发出位置检测信号、这里是根据与被测物W的接触发出接触检测信号而设置的接触触发式测量头70，对该接触触发式测量头70的各轴方向坐标值进行测量的X、Y及Z轴坐标测量手段80X、80Y及80Z，以及根据这些坐标测量手段80X、80Y及80Z测量的坐标值P0x、P0y及P0z求得被测物W尺寸或形状的运算处理手段60构成。

前述接触触发式测量头70的构造与前述图14及图15所示接触触发式测量头的结构相同。因而这里省略详细说明。从振子14的接触部分14A与被测物W接触后到产生接触检测信号为止的时间，即延迟时间，当接触触发式测量头的固有值，大致为一定值T1。

前述各坐标测量手段80X、80Y及80Z，如图2所示，具有检测当从前述接触触发式测量头70产生接触检测信号时的接触触发式测量头70各轴方向坐标值P1的坐标值检测手段30，检测当从前述接触触发式测量头70产生接触检测信号时的接触触发式测量头70各轴方向速度V1的速度检测手段40，以及根据前述坐标值P1、速度V1及前述延迟时间T1求得接触触发式测量头70与被测物W接触时的坐标值P0的修正手段50。

前述坐标值检测手段30由检测前述接触触发式测量头70各轴方向移动位置(坐标值P)的移动检测器31，以及将该位移检测器31检测的坐标值P中、当前述接触触发式测量头70产生接触检测信号时的坐标值P1取入加以存储的坐标值存储单元32构成。

前述速度检测手段40由检测前述三维移动机构各轴方向移动速度的测速发电机等速度检测器41，以及将该速度检测器41检测的检测速度V中、当前述接触触发式测量头70输出接触检测信号时的检测速度V1取入加以存储的速度存储单元42构成。

前述修正手段50由预先将前述接触触发式测量头70的固有延迟时间T1加以存储的延迟时间存储单元51，根据该延迟时间存储单元51存储的延迟时间T1及速度检测手段40检测的检测速度V1计算修正量ΔP的修正量运算单元52，以及用该修正量运算单元52计算的修正量ΔP对前述坐标值检测手段30检测的坐标值P1进行修正、求得接触触发式测量头70与被测物W接触时的坐标值P0的坐标值修正单元53构成。

在这样的构成中，一面使接触触发式测量头70在三维方向移动、一面使其与被测物W接触。于是，根据那时接触触发式测量头70产生的接触检测信号，用各坐标值检测手段30对接触触发式测量头70的各轴方向坐标值P1(P1x、P1y、P1z)加以检测和存储，同时用速度检测手段40对接触触发式测量头70的各轴方向速度V1(V1x、V1y、V1z)加以检测和存储。

利用修正手段50，在修正量运算单元52，将修正量ΔP作为速度V1及延迟时间T1的函数进行计算，即

ΔP＝f(V1，T1)

例如，按照下式求得

ΔP＝K1·V1·T1(式中K1为常数)

接着，在坐标值修正单元53，根据坐标值P1及修正量ΔP，进行下式运算

P0＝P1-ΔP

求得接触时的坐标值P0。

这里，在各手段及运算中使用的值(P、P1、P0、ΔP、V、V1、K1)具有与本坐标测量装置的维数相对应的维数。例如，对于三维的情况，则有下式

(公式1) $\left[\begin{array}{c}P{0}_x\\ P{0}_y\\ P{0}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}P{1}_x\\ P{1}_y\\ P{1}_z\end{array}\right]-\left[\begin{array}{ccc}K{1}_x& 0& 0\\ 0& K{1}_y& 0\\ 0& 0& K{1}_z\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}V{1}_x\\ V{1}_y\\ V{1}_z\end{array}\right]\·T1$

因而，根据实施例1，当接触触发式测量头70与被测物W接触、产生接触检测信号时，检测接触触发式测量头70的坐标值P1及速度V1，然后根据该坐标值P1及速度V1及延迟时间T1求得接触触发式测量头70与被测物W接触时的坐标值P0，因此能够修正由于接触触发式测量头70的延迟时间T1及速度V1而产生的偏离误差。

具体来说，根据速度V1及延迟时间T1，求得修正量ΔP＝K1·V1·T1，然后根据坐标值P1及修正量ΔP，进行下式运算

P0＝P1-ΔP

以求得接触时的坐标值P0，因此即使在根据测量内容必须改变测量速度的复杂测量中，也能够修正由于接触触发式测量头70的接触检测延迟时间及接触速度而产生的偏离误差。

另外，由于使得接触检测信号发生时的相对移动速度V1具有与坐标值P1及P0相同维数(二维)的向量分量，利用接触检测信号发生时的相对移动坐标值P1及相对移动速度V1的各分量值及前述延迟时间T1分别求得接触时的相对移动坐标值P0的各分量值，因此对于因测量方向不同接触检测延迟时间也不同的接触触发式测量头也能够适用。

另外，在上述实施例中，作为对接触触发式测量头70产生接触检测信号时的接触触发式测量头70速度V1进行检测的速度检测手段40，设置了速度检测器41及速度存储单元42，但也可以如图3所示构成。

这是由前述位移检测器31，一定时间间隔信号发生器43，对前述位移检测器31检测的坐标值P经过前述一定时间间隔信号发生器43发生信号的一定时间间隔T2加以更新存储而得到坐标值Pn的第1坐标值存储单元44，对距离前述坐标值Pn的一定时间间隔T2前的坐标值Pn-1加以存储的第2坐标值存储单元45，以及根据前述第1及第2坐标值存储单元44及45存储的坐标值Pn及Pn-1及一定时间间隔T2求得前述接触检测信号发生时的速度V1的速度运算单元46构成。

前述速度运算单元46，如图4所示，在接触触发式测量头70刚产生接触检测信号后的时刻Tn，根据该时刻Tn的坐标值Pn、接触检测信号要发生前的时刻Tn-1(在Tn之前相差T2的时刻)的坐标值Pn-1及一定时间间隔T2求得接触检测信号发生时的平均速度Vn。即求得

Vn＝(Pn-Pn-1)/T2

然后，将平均速度Vn作为接触检测信号发生时的速度V1的值计值输出。

这里，在各手段及运算中使用的值(Pn、Pn-1、Vn、V1)具有与本坐标测量装置的维数相对应的维数。例如，对于三维的情况，则有下式

(公式2) $\left[\begin{array}{c}V{1}_x\\ V{1}_y\\ V{1}_z\end{array}\right]\underset{.}{\overset{.}{=}}\left[\begin{array}{c}V{n}_x\\ V{n}_y\\ V{n}_z\end{array}\right]=(\left[\begin{array}{c}P{n}_x\\ P{n}_y\\ P{n}_z\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}\mathrm{Pn}-1x\\ \mathrm{Pn}-1y\\ \mathrm{Pn}-1z\end{array}\right])\·\frac{1}{T2}$ 另外，也可以将对于每时间间隔T2的平均速度Vn利用数字滤波器(公式3) $V1\underset{.}{\overset{.}{=}}F{V}_n=\underset{m=0}{\overset{a1}{\mathrm{\Σ}}}{K}_m\·V_{n-m}+\underset{m=1}{\overset{a1}{\mathrm{\Σ}}}F{K}_m\·F{V}_{n-m}$

(式中，a1为数字滤波器的阶数)

求得的FVn作为接触检测信号发生时的速度V1的估计值。

另外，在上述实施例中，也可以在延迟时间存储单元51中预先对每种接触触发式测量头将若干接触触发式测量头的固有延迟时间加以存储，在修正量运算单元52中，每更换一次接触触发式测量头70，将该更换后的接触触发式测量头的固有延迟时间从延迟时间存储单元51中读出，进行前述修正量的计算。

如果这样，由于还能够考虑到因接触触发式测量头种类而异的延迟时间进行修正，因此能够实现更高精度的测量。

另外，在上述实施例中，采用了振动式的接触触发式测量头70，但也可以采用例如不使测量杆处于振动状态下与被测物接触、而通过电的方法检测这时测量杆的冲击力来检测与被测物接触的这种构造的接触触发式测量头。

另外，在前述实施例中，仅仅是使接触触发式测量头70沿三维方向移动，但也可以使被测物W移动，或者也可以使两者(接触触发式测量头70及被测物W)同时移动。

实施例2

图5表示与实施例2相关的手动测量型三维测量机结构立体图。

该三维测量机由三维测量机主体101，以及从该三维测量机本体101取入必要的测量值、并对其进行处理用的主机系统102构成。

前述三维测量机主体101如下所述构成。即在消振台110上安置平台111，使其上面作为基准平面与水平面一致，在垂直设置于该平台111两侧端部的测量臂支柱112a及112b的上端支持X轴导轨113。设置的测量臂支柱112a的下端能够沿Y轴导轨114沿Y轴方向移动，另外，起支持作用的测量臂支柱112b的下端利用空气轴承能够在平台111上沿Y轴方向移动。

前述X轴导轨113引导在垂直方向延伸的Z轴导轨115沿X轴方向移动。设置的Z轴导轨115使Z轴测量臂116沿Z轴导轨115移动。Z轴测量臂116的下端安装有接触式的接触触发式测量头117。该接触触发式测量头117是与前述图13所示构造的接触触发式测量头相同，当与放置在平台112上的被测物W接触时，从接触触发式测量头117输出接触检测信号至主机系统102，这时的X、Y及Z轴坐标值被取入至主机系统102。

图6表示该三维测量机的方框图。

在三维测量机主体101内装有随着接触触发式测量头117的XYZ轴移动而输出各轴方向移动脉冲的XYZ轴编码器118。

主机系统102由计数器120、主计算机121、监视器122、打印机123及键盘124构成。计数器120对来自XYZ轴编码器118的与各轴相应对的脉冲信号分别按每个轴进行计数，同时，当接触触发式测量头117与被测物W接触时，利用接触触发式测量头117输出的接触检测信号对各轴的计数值进行锁存。

主计算机121将计数器120锁存的计数值输入，并将其变换为接触触发式测量头117的现在位置坐标值，同时根据以一定间隔取样的计数器120的计数值，检测接触触发式测量头117的移动方向及移动速度，并进一步检测来自接触触发式测量头117的接触检测信号，从而检测接触触发式测量头117与被测物W接触时的接触速度。另外，主计算机121中存放着修正表125。修正表125由例如电可擦除的EEPROM等构成，例如图7所示，存储了接触触发式测量头117的相对于被测物W的接触速度与测量误差的关系，即按照每种接触触发式测量头117存储了接触检测信号发生时的两者相对移动速度与修正量的关系。这里，主计算机121构成坐标值检测手段、速度检测手段及修正手段。

下面，对这种结构的三维测量机的动作进行说明。

三维测量机是通过手动操作，抓住接触触发式测量头117或Z轴测量臂116的部分使接触触发式测量头117移动，利用使接触触发式测量头117的前端球部与被测物W的各部分接触，对被测物W的各部分进行测量。由于常常因那时的接触速度而产生测量误差，因此利用下面那样的操作预先求得修正表。

首先，将被测物W固定于平台111上，通过手动使接触触发式测量头117移动，使其与被测物W特定的而接触。在该状态下作为不使接触触发式测量头117产生变形自由状态。接着，在该状态下固定各轴，通过采用激光干涉仪或修正用测量头等众所周知的刻度修正方法，精密测量X、Y及Z轴坐标值。然后，当主机系统102显示的X、Y及Z的显示值与精密测量的表示值有差别时，将显示值修正为测量的数值。

接着，在Z轴测量臂116上安装接触触发式测量头117的状态下，一面改变与被测物W的上述特定面的接触速度，并一面使其多次接触，将这时的接触速度与测量值的关系存储在主计算机121内。主计算机121根据得到的接触速度与测量值的关系，利用最小二乘法等求得如图8所示的表示接触速度与偏差量(误差＝测量值-精密测量值)关系的曲线。然后，若对各接触触发式测量头求得各轴方向的该曲线，则能够根据求得的曲线制成如图7所示的表示接触速度与偏差量关系的修正表125。另外，当接触速度与偏差量的关系因接触触发式测量头117构造所致与接触方向完全没有关系时，没有必要对每个轴求出偏差量。

图9表示实际测量中主计算机121的处理流程图。

当从接触触发式测量头输入接触检测信号时，首先取入接触检测信号输入时的测量值(X、Y及Z轴坐标值)(S1)。接着，根据修正表125求得相对于接触速度的偏差量(S2)。这时，若设接触速度例如为1.3mm/s，修正表125中登录的接触速度为0.5、1.0、1.5……mm/s，则根据修正表125的1.0mm/s及1.5mm/s的偏差量利用例如直线插补等计算偏差量。

接着，如图7所示，当预先存储各轴方向的偏差量时，只要将接触触发式测量头117的接触方向分解至各轴，计算出各轴方向的接触速度，再分别相对于该计算出的接触速度求出偏差量即可。而当接触速度与偏差量的关系与移动方向无关时，则根据接触方向将求得的偏差量分配为各轴(XYZ)方向的分量(S3)。然后，将取入的修正前测量值与各轴偏差量进行加法(或减法)计算求得的结果作为修正后测量值(S4)。也就是说，将各轴的偏差量作为修正量，与修正前测量值进行加法(或减法)计算。这样，能够进行与接触速度无关的高精度测量。

实施例3

图10表示CNC三维测量机采用本发明之一例。

该三维测量机除了具有三维测量机本体103及主机系统104以外，还具有驱动控制三维测量机本体103及从三维测量机主体103取入必要测定值用的控制器105，以及通过该控制器对三维测量机103进行手动操作用的操作盘106。

三维测量机主体103，在CNC测量机的情况下，除了在图5所示的手动式三维测量机本体101设置各轴的驱动机构外，其他的基本结构与图5的三维测量机主体101相同，因此对应的部分附以相同的标号，并省略其详细说明。

测量臂支柱112a，其下端利用Y轴移动机构131沿Y轴方向驱动，X轴导轨113在X轴方向驱动沿垂直方向延伸的Z轴导轨115。设置的Z轴导轨115使Z轴测量臂116高Z轴导轨115驱动。

图11表示该三维测量机的方框图。

三维测量机主体103内装有在XYZ轴方向驱动接触触发式测量头117用的XYZ轴电动机132。

在操作盘106设置有利用手动操作在XYZ轴方向驱动三维测量机本体103的接触触发式测量头用的操作杆161，以及将现在接触触发式测量头117位置的X。Y及Z轴坐标值输入至控制器105用的坐标值输入开关162。

控制器105设置有CPU151，利用该CPU151进行测量头117的驱动控制及计数值的取入控制。即根据CPU151的指令，XYZ轴驱动控制单元152驱动三维测量机本体103的XYZ轴电动机132，XYZ轴计数器对来自XYZ编码器118的与各轴对应的脉冲信号进行计数，求得现在位置，反馈给CPU151。CPU151根据该反馈信息进行接触触发式测量头117的驱动控制。另外，CPU151响应来自接触触发式测量头的接触检测信号而动作，使XYZ轴电动机132停止。

从操作盘106输出与操作杆162的倾斜方向及倾斜角相应的对应于各轴的电位器电压值，根据这些各轴的电压值，控制器105的移动方向及速度决定单元152决定测量头117的移动方向及移动速度。

另外，在控制器105内部还设置有前述的修正表125。

在该实施例中，由于CPU151也根据接触触发式测量头117与被测物W的接触方向及接触速度参照修正表125对取入内部的测量值进行修正，因此在接触速度不能太快的小孔自动测量或利用操作盘106的手动测量中，也能够进行高精度测量。

另外，修正表125也可以采用下述方法制成。图12表示该方法的说明图。

对于CNC三维测量机，按照进行。

①首先，将图12所示的预先知道直径的修正球171安装在三维测量机主体103的平台111上，在安装好测量用的接触触发式测量头117之后，将测量头编号等测量头信息输入控制器105。

②接着，用接触触发式测量头711对修正球171进行多点测量(例如4点)，求得修正球171的临时中心点的坐标。

③接着，从Z轴正方向来看修正球171，以临时中心点为中心例如每隔30°加以分割，同时再从各剖面的垂直方向来看各剖面，利用主计算机141计算出以临时中心点为中心每隔30°加以分割时的各分割线与修正球171表面的交点，将这些交点作为修正球171的格子点P。另外，在该例中，格子点P的数量为62点，如果更密地设置格子点，则能够提高测量精度。

④接着，使接触触发式测量头沿从各格子点P向着临时中心点的方向移动，以校准接触速度(例如5mm/S)测量各格子点P的坐标，根据得到的各格子点P的坐标再求得修正球171的中心，将这作为真正中心点。

⑤接着，使接触触发式测量头沿从各格子点P向着真正中心点的方向移动，测量各格子点P的坐标，这时，对于同一格子点P，使接触速度在例如0.1mm/s～50mm/s左右、以0.1mm/s间隔变化，求得各接触速度的各格子的坐标。

⑥接着，求出求得的各接触速度的从各格子点到真正中心点的距离与校准接触速度的从格子点到真正中心点的距离之差，将其作为各接触速度的偏差量加以登录。

⑦通过对所有的接触触发式测量头重复以上的作业，能够制成表示相对于测量头信息、接触方向及接触速度的偏差量关系的修正表125。

另外，对于手动测量型三维测量机，由于不能够精确地给定接触方向。或不能够以给定的接触速度使接触触发式测量头117接触，因此按照下述进行。

①首先，对修正球171进行多点测量(测量点数越多越好)，求得修正球17的中心点。

②接着，根据求得的中心点Y及Z坐标，将Y轴的测量臂支柱112a及112b及Z轴测量臂116固紧，使接触触发式测量头仅沿X轴方向移动，以各种速度与修正球171接触。

③对于Y轴及Z轴也进行同样的测量。

③求出从求得的测量值到中心点的长度与修正球171的半径(已知)之差作为偏差量。速度可以根据时间序列输入的XYZ轴编码器118的输出求得，因此根据该接触速度与偏差量的关系求得如图8所示的表示接触速度与偏差量关系的曲线，再根据从该曲线制成修正表125。

按照该方式，即使不使用激光干涉仪等，也可能高精度制成修正表125。

另外，也可以不像实施例2和实施例3那样制成修正表125，而是将前述接触触发式测量头117与被测物W的接触速度(相对移动速度)及根据该接触速度的偏差量(修正量)的关系作为函数预先存储在存储手段中，利用运算手段将接触速度(前述接触检测信号发生时的相对移动速度)代入前述函数求得偏差，再利用该偏差对前述接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正。

附带提一下，作为函数例子，在接触速度≤C时，偏差量＝(C-接触速度)2。按照这样，与修正表相比，能够构成简单，而且经济。

另外，在前述实施例2和实施例3中，是仅仅使接触触发式测量头沿三维方向移动的构造，但也可以使被测物W移动，或者也可以使两者(接触触发式测量头117与被测物W)同时移动。

再有，在实施例1至实施例3中，是使接触触发式测量头与被测物沿三维方向移动的构造，但也能够适用于沿一维或二维方向相对移动的构造。

另外，在实施例1至实施例3中，是采用接触触发式测量头作为例子加以说明，但也可以是非接触式测量头。例如也可以用具有将物镜对准测量面接近并隔开一段距离使物镜的焦点位置与被测物的测量面一致的光学位移传感器的非接触式测量头、或者摄像机等的非接触式测量头对被测物的尺寸进行测量。

另外，在实施例1至实施例3中，就被测物的大小及形状的测量进行了说明，但不限于此，也可以用于根据测量的坐标值对被测物的表面状况、如粗糙度、弯曲、形状(轮廓或圆度)等进行测量。

如上所述，采用本发明的测量方法及测量装置，即使在根据测量内容必须改变测量速度的复杂测量中，也能够修正根据测量速度的偏离误差，能够实现高精度且高效率的测量。

Claims (19)

1.一种测量方法，其特征在于，

使根据与被测物的关系发生位置检测信号的测量头与被测物体相对移动，根据来自所述测量头的位置检测信号，检测测量头与被测物的相对移动坐标值，并根据该相对移动坐标值，测量被测物的尺寸及表面状况中的至少一种，

根据来自所述测量头的位置检测信号，分别检测测量头与被测物体的相对移动坐标值及测量头与被测物的相对移动速度，

用根据所述检测时的相对移动速度的修正量，对所述检测时的相对移动坐标值进行修正。

2.一种测量方法，其特征在于，

一面使接触触发式测量头与被测物相对移动一面使其接触，在那时根据来自接触触发式测量头产生的接触检测信号，检测接触触发式测量头与被测物体的相对移动坐标值，并根据该相对移动坐标值，测量被测物尺寸及表面状况中的至少一种，

当从所述接触触发式测量头发生接触检测信号时，分别测量这时的接触触发式测量头与被测物的相对移动速度，

用根据所述接触检测信号发生时的相对移动速度的修正量对所述接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，

预先将所述接触触发式测量头与被测物体接触后到产生接触检测信号为止的接触触发式测量头固有的延迟时间进行存储，

再根据所述接触检测信号发生时的相对移动速度及所述延迟时间计算所述修正量，用所述修正量对所述接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正。

4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，

所述接触检测信号发生时的相对移动坐标值是二维或三维坐标值，

所述接触检测信号发生时的相对移动速度具有与所述二维或三维坐标值相同维数以上的向量分量，

利用所述接触检测信号发生时相对移动速度的各分量值及所述延迟时间，对所述接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正。

5.如权利要求3或4所述的测量方法，其特征在于，

预先对每种接触触发式测量头将所述接触触发式测量头的固有的延迟时间进行存储，

每更换一次所述接触触发式测量头，采用更换后的接触触发式测量头的固有的延迟时间进行所述修正量的计算。

6.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，

预先将所述接触触发式测量头与被测物体的相对移动速度及根据所述相对移动速度的修正量的关系存储在修正表中，

从所述修正表得到与所述接触检测信号发生时的相对移动速度对应的修正量，再用该修正量对所述接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正。

7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，

所述接触检测信号发生时的相对移动坐标值是二维或三维坐标值，

所述修正表中存储与所述接触检测信号发生时相对移动速度相对应的二维或三维修正量，

从所述修正表中得到与所述接触检测信号发生时的相对移动速度对应的二维或三维量。

8.如权利要求6或7所述的测量方法，其特征在于，

当所述接触检测信号发生时的相对移动速度处于所述修正表中存储的相对移动速度之间时，利用其前后的相对移动速度及其前后相对移动速度对应的修正量，来计算所述接触检测信号发生时相对移动速度对应的修正量。

9.如权利要求6至8中任一项所述的测量方法，其特征在于，

预先对每种接触触发式测量头将所述接触触发式测量头与被测物体的相对移动速度及根据所述相对移动速度的修正量的关系存储在修正表中，

每更换一次所述接触触发式测量头，采用与更换后的接触触发式测量头种类相对应的所述相对移动速度与修正量的关系进行所述修正量的计算。

10.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，

预先将所述接触触发式测量头与被测物体的相对移动速度及根据所述相对移动速度的修正量的关系用函数进行近似，

将所述接触检测信号发生时的相对移动速度代入所述函数，求出修正量，再用所述修正量对所述接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正。

11.如权利要求2至10中任一项所述的测量方法，其特征在于，

在一定时间间隔检测接触触发式测量头与被测物体的相对移动坐标值，

根据该检测的2个以上相对移动坐标值及所述一定时间间隔推算所述接触检测信号发生有相对移动速度。

12.一种测量装置，其特征在于，

使根据与被测物的关系产生位置检测信号的测量头与被测物体相对移动，根据来自该测量头的位置检测信号检测测量头与被测物体的相对移动坐标值，并根据所述相对移动坐标值，测量被测物尺寸及表面状况中的至少一种，

具有根据来自所述测量头的位置检测信号检测测量头与被测物体的相对移动坐标值的坐标值检测手段，

对所述坐标值检测手段检测相对移动坐标值时的测量头与被测物体的相对移动速度进行检测的速度检测手段，

用根据所述检测时的相对移动速度的修正量对所述检测时的相对移动坐标值进行修正的修正手段。

13.一种测量装置，其特征在于，

一面使接触触发式测量头与被测物体相对移动一面使其接触，在那时根据来自接触触发式测量头产生的接触检测信号，接触触发式测量头与被测物体的相对移动坐标值，并根据所述相对移动坐标值，测量被测物尺寸及表面状况中的至少一种，

具有对从所述接触触发式测量头产生接触检测信号时的接触触发式测量头与被测物体的相对移动坐标值进行检测的坐标值检测手段，

对从所述接触触发式测量头产生接触检测信号时的接触触发式测量头与被测物体的相对移动速度进行检测的速度检测手段，

用根据所述接触检测信号发生时的相对移动速度的修正量对所述接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正的修正手段。

14.如权利要求13所述的测量装置，其特征在于，

所述修正手段含有预先将从所述接触触发式测量头与被测物体接触后到产生接触检测信号为止的接触触发式测量头的固有的延迟时间进行存储的延迟时间存储单元，根据所述接触检测信号发生时的相对移动速度及延迟时间计算所述修正量的修正量运算单元，用该修正量运算单元计算的修正量对所述接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正的坐标值修正单元。

15.如权利要求14所述的测量装置，其特征在于，

在所述延迟时间存储单元中，对每种接触触发式测量头存储所述接触触发式测量头的固有的延迟时间，

所述修正量运算单元，每更换一次所述接触触发式测量头，将该更换后的接触触发式测量头的延迟时间从所述延迟时间存储单元中读出，进行所述修正量的计算。

16.如权利要求13所述的测量装置，其特征在于，

所述修正手段含有预先将所述接触触发式测量头与被测物体的相对移动速度及根据该相对移动速度的修正量的关系加以存储的修正表，根据修正表得到所述接触检测信号发生时的相对移动速度对应的修正量，并用该修正量对所述接触检测信号发生时的相对移动坐标值进行修正的误差修正单元。

17.如权利要求16所述的测量装置，其特征在于，

在所述修正表中基于所述接触触发式测量头与被测物体相对移动速度及根据该相对移动速度，将修正量的关系存储在每种接触触发式测量头中，

所述误差修正单元，每更换一次所述触发式测量头，利用其更换后的接触触发式测量头种类对应的所述相对移动速度与修正量的关系进行所述修正量的计算。

18.如权利要求13所述的测量装置，其特征在于，

所述修正手段含有预先用近似函数将所述接触触发式测量头与被测物的相对移动速度及根据所述相对移动速度的修正量的关系进行存储的存储手段，将所述接触检测信号发生时的相对移动速度代入所述函数求得所述修正量的运算手段。

19.如权利要求13至18中任一项所述的测量装置，其特征在于，包括

所述速度检测手段含有检测所述接触触发式测量头与被测物相对移动坐标值的位移检测器，

一定时间间隔信号发生器，

对所述位移检测器检测的相对移动坐标值经过所述一定时间间隔信号发生器发生信号的一定时间间隔进行更新存储而得到相对移动坐标值的第1坐标值存储单元，

对距离所述相对移动坐标值的一定时间间隔前的相对移动坐标值进行存储的第2坐标值存储单元，

根据所述第1及第2坐标值存储单元存储的相对移动坐标值及所述一定时间间隔求出所述接触检测信号发生时的相对移动速度运算单元。

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