[发明专利]形状测定装置和形状测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种形状测定装置和一种形状测定方法，用于通过使针头与测量表面轻微地接触来扫描测量表面，然后读取坐标，并由此测定测量表面的形状。

背景技术

在加工产品的减小尺寸和提高性能方面的巨大进步使得对于具有不经过测量就无法加工的复杂形状的部件和要求更高精度的部件的需求不断增长。对于测量目标例如上述部件的任意三维形状的扫描测量，已经提供有通过使针头与测量表面轻微地接触来扫描测量表面，然后读取坐标，并由此测量表面形状的形状测定装置。而且，已经提出了通过用于这样的形状测定的针头来自动扫描测量表面的各种技术。

例如，特许公开号为S57-33301的日本专利申请公开文件公开了一种形状测定装置，其中应变片(计)被安装在其末端具有探针的针杆的四个位置上。应变片检测针杆内由来自测量表面的测量作用力造成的应变的方向和量值。探针沿垂直于测量作用力的被检测方向的方向的移动能够实现自动扫描测量。尽管没有公开例如用于保持应变常数的数量这样的控制，但是该公开文献公开了向坐标测量数据中加入应变量以减小测量误差。

日本专利3101322公开了一种形状测定装置，其中测量针头通过使用盘式弹簧的支撑元件被支撑在探针上，以能够沿X轴、Y轴和Z轴方向移动。根据设置在测量针头上部、投影到位敏探测器上的狭缝的移动读取测量针头相对于探针在X轴、Y轴和Z轴方向上的位置。沿垂直于已被检测到的测量作用力方向的方向由探针执行扫描。

特许公开号为2005-345123的日本专利申请公开了一种形状测定装置，其通过以下述速度来对测量表面进行扫描，利用基本恒定的测量作用力实现扫描测量，所述速度是将用于校正检测到的测量作用力的不小于给定常数值的增加量和减少量的速度分量加入到垂直于检测到的测量作用力的速度分量所获得速度。

特许公开号为2003-240538的日本专利申请公开了一种用于控制扫描的方法，其中在分别连接先前测量点和当前测量点的直线的延长线上移动探针并且其中沿一定的方向移动测量探针的位置，以使得如果测量作用力超过预定的极限值就将测量作用力恢复为给定的常数值。

在上述第一和第二篇公开文献所公开的形状测定装置中，探针被沿垂直于测量作用力方向的方向移动。但是，作用在针头上的测量作用力是沿垂直于测量表面的方向的作用力和作用在平行于测量表面的方向上的摩擦力的合力。因此，垂直于测量作用力的方向与平行于测量表面的方向并不一致，而实际上是从测量表面偏离的方向。所以，在上述第一和第二篇公开文献内公开的方法会导致探针从测量表面偏离。

在上述第三篇公开文献所公开的形状测定装置中，测量作用力的减少量使得探针沿用于校正减少量的方向(探针被推向测量表面的方向)移动，而将测量作用力恢复为给定常数值使得探针沿使得与测量表面之间的距离增加的方向移动。这些情况造成探针在相对于测量表面的正弦轨迹上移动，导致难于进行平稳的测量。

根据上述第四篇公开文献内公开的方法，即使测量表面是曲面，探针也仍然直接在连接先前和当前测量点的直线的延长线上移动，直到作用在针头上的测量作用力达到极限值为止。在测量作用力超过极限值时，探针沿垂直于延长线的方向移动以用于校正。这些情况造成针头无法沿测量表面平稳地移动并造成测量作用力的不稳定。而且，在测量表面形成的壁部构成小于直角的角度的情况下，在检测到测量作用力超过极限值时，即使探针沿垂直于延长线的方向移动，也不能对测量作用力进行校正。因此，在此情况下，探针需要返回初始位置和垂直地改变其行程，导致不平稳的扫描测量。

如上所述，常规的扫描测量方法无法实现和给出平稳的扫描测量。无法实现平稳的扫描会造成振动，其增加了测量误差并且增加了测量时间。

发明内容

在通过使针头与测量表面相接触以随后读取坐标的形状测定装置和形状测定方法中，本发明的目的是通过使针头沿测量表面平稳地移动来进行扫描，从而实现高精度和高速的形状测定。

本发明的第一种应用是提供一种形状测定装置，包括用于支撑针头以使针头能够通过来自测量表面的测量作用力被移动的探针，用于移动在探针和测量表面之间的相对位置以使针头扫描测量表面的移动单元，用于检测表示针头相对于探针的位移的大小和方向的针头位移矢量的针头位移矢量检测单元，用于在通过针头扫描测量表面期间在针头位移矢量和由针头与测量表面之间的摩擦力造成的针头位移矢量的变向角度的基础上计算表示探针移动的大小和方向的移动矢量的移动矢量计算单元，和用于控制移动单元以使探针按照移动矢量移动的移动控制单元。

具体地，移动矢量计算单元把移动矢量作为将针头位移矢量转过变向角度与90度之和后所得的矢量来计算。