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JP2018128350A - 位置検出装置、ステージ装置、および形状測定装置 - Google Patents

位置検出装置、ステージ装置、および形状測定装置 Download PDF

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JP2018128350A JP2017021512A JP2017021512A JP2018128350A JP 2018128350 A JP2018128350 A JP 2018128350A JP 2017021512 A JP2017021512 A JP 2017021512A JP 2017021512 A JP2017021512 A JP 2017021512A JP 2018128350 A JP2018128350 A JP 2018128350A
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友昭 樽茶
Tomoaki Tarucha
友昭 樽茶
熊井 健治
Kenji Kumai
健治 熊井
昂輔 末村
Kosuke Suemura
昂輔 末村
竜司 木村
Ryuji Kimura
竜司 木村
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Abstract

【課題】繋ぎ目や傷などのスケールの形状変化に起因する局所的な位置検出信号の変化に対応可能な高精度な位置補正を行える、メモリ容量の小さい補正テーブルを低処理負荷によって作成する。【解決手段】Xレーザスケール35と、同スケールを走査して位相が互いに異なる2相スケール信号を発生するXレーザスケールヘッド20を備える。補正値計算部118は位置情報の検出に用いる2相スケール信号を補正する補正パラメータを算出する。ステージ位置計算部114は、補正パラメータにより補正された2相スケール信号からスケール/ヘッドの相対移動量に相当する位置情報を検出する。補正用テーブル116は、補正パラメータと、当該の補正パラメータの適用区間と、を関連づけたレコードを格納する。補正用テーブルのレコードは、補正後の2相スケール信号の変化が所定範囲を超える場合に更新される。【選択図】図1

Description

本発明は、スケールと、スケールを走査し、位相が互いに異なる2相スケール信号を発生する検出器を備えた位置検出装置、その位置検出装置を用いたステージ装置および形状測定装置、および位置検出装置の制御方法に関する。
精密加工機や精密計測機などにおいて、いわゆるXYステージなどと呼ばれるステージ装置が用いられている。この種のステージ装置は、ステージ移動により工具やセンサと、対象物との相対移動を実現する。この相対移動を制御するステージ位置制御装置には、高精度な位置検出装置としてレーザスケールなどと呼ばれるリニアエンコーダが用いられる。レーザスケールは、レーザ光源と受光素子を有する光学ヘッド(レーザスケールヘッド)が、周期的に回折格子が刻まれたスケール上を移動する際に、スケールの位置情報を持つ2相の正弦波状の信号を出力する。この2相のスケール信号をA/Dコンバータによりディジタルデータに変換し、ステージ位置制御装置に取り込むことで高精度な位置検出を行うことができる。ステージ位置制御装置の内部の信号処理では、例えば取り込んだ2相のスケール信号に対して逆正接関数を用いて両信号の位相角の変化を求め、ステージ位置の移動距離を検出する。
レーザスケールにおいて、所期の精度で位置検出を行える理想の2相のスケール信号は、振幅が同じ、オフセット無し、互いに90度の位相差を有する信号であり、直交座標では、例えば原点を中心とした真円のリサージュ波形を形成する。しかし、実際の装置では、この2相信号は製造上の諸問題、組み付け誤差などによって、振幅、オフセット、位相差にズレが生じていることがある。このため、現実の2相のスケール信号は、例えば直交座標では原点からずれた傾きがある楕円状のリサージュ波形になっている場合がある。このようなズレが生じていると、位相角の変化に対しても影響するため、検出されるステージ位置に大きな誤差が生じてしまう可能性がある。
この対策として、従来からエンコーダの各部を手動で調整することが行われているが、この手動調整には限界がある。このため、スケール信号のオフセット誤差、振幅誤差、および位相誤差を補正するための構成が下記の特許文献1や特許文献2によって提案されている。
特許文献1の技術では、内挿処理を施すことによって得られるリサージュ波形から、常に補正値を算出する。そして、補正値の変化分を累積演算し続けることで、補正値を更新し、動的にズレを解消するようになっている。また、特許文献2の技術では、振幅比、位相差、オフセットのズレを補正するテータを格納した補正テーブルが用いられている。特許文献2では、オフセットに関しては近似式で置き換えてテーブルに格納する構成が用いられている。
特開2014−25871号公報 特開2002−168654号公報
ステージ装置の規模、例えばステージのストロークが大きくなるにつれて、エンコーダのスケールを長くする必要がある。しかしながら、長尺のスケールの製造では、例えば複数の工程に分けて回折格子を刻まなければならなくなる場合がある。
そして、例えばこのような工程分割によって、回折格子に繋ぎ目や光学的な特性が不連続になる部位が生じる可能性があり、このような箇所では光学ヘッドから得られる正弦波状信号は局所的なズレが大きくなる。このような事情は、スケール上に傷などがある場合も同様である。
このような局所的な検出信号の変化に対して、上記特許文献1のように、ズレに対して逐次補正値を更新していく場合、局所的な変化に対しては補正処理にタイムラグが生じてしまう可能性がある。また、上記特許文献2の技術では、局所的な検出信号の不規則な変化に対応できるよう、補正テーブル自体を細かく持つ方法も考えられるが、メモリ容量が大きくなりすぎる可能性がある。
特許文献1および特許文献2のような従来技術では、ある程度、繋ぎ目や傷などに起因するスケールの形状変化およびそれに起因する検出誤差を低減できる、と考えられる。しかしながら、上記のような従来技術では超精密機械工作などにおける位置測定に適用するには十分な測定精度を得られない可能性がある。
そこで、本発明の課題は、繋ぎ目や傷などのスケールの形状変化に起因する局所的な位置検出信号の変化に対応可能な高精度な位置補正を行える、メモリ容量の小さい補正用テーブルを低処理負荷によって作成できるようにすることにある。
上記課題を解決するため、本発明の位置検出装置においては、スケールと、前記スケールに対して相対移動し、前記スケールを走査して位相が互いに異なる2相スケール信号を発生する検出器と、位置情報の検出に用いる前記2相スケール信号を補正する補正パラメータを算出する補正値計算部と、前記補正パラメータにより補正された前記2相スケール信号から前記スケールと前記検出器の相対移動量に相当する位置情報を検出する位置計算部と、前記補正パラメータと、当該の補正パラメータの適用区間と、を関連づけたレコードを格納する補正用テーブルと、前記スケールと前記検出器の相対移動に応じて、前記補正用テーブルの前記適用区間に相当する前記補正パラメータにより補正された前記2相スケール信号の変化に応じて前記補正用テーブルの前記レコードを更新する制御装置と、を備えた構成を採用した。
上記構成によれば、補正用テーブルのレコードは補正パラメータと、当該の補正パラメータの適用区間と、を格納することができる。このため、2相スケール信号の変化に応じて、特定の補正パラメータとその適用区間を関連づけるレコードを持つよう補正用テーブルを更新することができる。これにより、繋ぎ目や傷などのスケールの形状変化に起因する局所的な位置検出信号の変化に対応可能な高精度な位置補正を行える、メモリ容量の小さい補正用テーブルを低処理負荷によって作成することができる。
本発明を採用した位置検出装置の補正テーブル作成時における機能構成の概略を示す説明図である。 本発明を採用した位置制御装置を用いた形状測定装置を示し、(a)は形状測定装置を正面方向から示した説明図、(b)は同装置を背面方向から示した説明図である。 本発明を採用した位置検出装置を用いてステージの位置補正処理を行う際の機能構成の概略を示す説明図である。 本発明を採用した位置検出装置における補正用テーブル作成手順を示したフローチャート図である。 (a)、(b)、および(c)は図4の手順によって作成ないし更新されていく補正用テーブルの内容を例示する表図である。 本発明を採用した位置検出装置の補正用テーブルを実装した形態における機能構成の概略を示す説明図である。 本発明を採用した位置検出装置において、補正用テーブルを自動更新するための機能構成の概略を示す説明図である。
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す構成はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。また、本実施形態で取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。
以下に示す実施形態では、スケール(Xレーザスケール35)に対して相対移動し、スケールを走査して位相が互いに異なる2相スケール信号を発生する検出器(Xレーザスケールヘッド20)を備えた位置検出装置を例示する。この位置検出装置は、例えば接触式のプローブ(38)を用いて対象物の断面形状を測定する形状測定装置(図2(a)、(b))のステージ装置に用いることができる。
このステージ装置では、例えばスケール(35)および検出器(20)が相対移動する駆動されるステージの相対位置を検出すべく配置される。そして、位置計算部(114)が検出した、ステージの相対位置に相当する位置情報に基づき、ステージを駆動する駆動量を決定する。
特に、以下に示す実施形態では、位置検出装置のプローブ(38)をX軸方向に走査させるXステージの走査位置を検出するスケール(Xレーザスケール35)および検出器(Xレーザスケールヘッド20)を例示する。
例えば、以下の実施形態では、位置情報の検出に用いるA相、B相の2相スケール信号を補正する補正パラメータを算出する補正値計算部(118)が設けられる(図1)。
Xステージの位置情報は、補正パラメータにより補正された2相スケール信号からスケール(35)と検出器(20)の相対移動量として、ステージ位置計算部(114)により検出される。
また、補正パラメータは、当該の補正パラメータの適用区間(補正適用範囲)と関連づけて補正用テーブル(116)のレコードを格納する。
そして、スケール(35)と検出器(20)の相対移動に応じて、補正用テーブル(116)の適用区間に相当する補正パラメータにより補正された前記2相スケール信号の変化に応じて補正用テーブル(116)のレコードを更新する。
上記の補正値計算部(118)は、A、B相の2相スケール信号の相互の振幅比、位相差、またはオフセットの補正値を補正する補正パラメータを算出するよう構成できる。
より具体的には、例えば、補正値計算部(118)が算出した補正パラメータと、直前の区間における補正パラメータと、の差が所定範囲を超える場合に、補正用テーブル(116)のレコードを更新する。その場合、使用中のレコードの補正パラメータの適用区間(補正適用範囲)の終端を確定し、また、新たな補正パラメータのために新たなレコードを作成する。
また、例えば、位置計算部(114)によって算出される位置と、補正値計算部(118)から得られる補正パラメータを用いて補正した位置の差が所定範囲を超える場合に、補正用テーブル(116)のレコードを更新する制御を行うこともできる。
また、例えば、補正値計算部(118)が計算した補正後の2相スケール信号の2乗和を複数、サンプリングし、複数の2乗和の値の変化が所定範囲を超える場合に、補正用テーブル(116)のレコードを更新する制御を行うこともできる。
また、補正パラメータは、例えば補正後の2相スケール信号の波形を記憶する波形信号記憶部(117)を備え、2相スケール信号のリサージュ波形の解析を介して計算することができる。例えば、補正値計算部(118)が、波形信号記憶部(117)が記憶する2相スケール信号のデータを用いて取得したリサージュ波形データに基づき、補正パラメータを計算する。
また、補正値計算部(118)が、補正後の2相スケール信号の波形を記憶する波形信号記憶部(117)が記憶する2相スケール信号の互いの位相差に基づき補正パラメータを計算するようにしてもよい。
また、2相スケール信号のリサージュ波形の解析は、例えば波形判定部(119)によってリサージュ波形と真円の差分を監視することによって行うことができる。その場合、リサージュ波形と真円の差分が大きくなった時、誤差データ格納部に2相スケール信号、および補正された2相スケール信号から補正された位置のデータを格納させる。そして、2相スケール信号、および補正された2相スケール信号から補正された位置のデータから補正値計算部が算出した新たな補正パラメータを用いて補正用テーブル(116)を更新する。
<実施形態1>
図2(a)、(b)に本発明を採用した形状測定装置の全体構成を示している。図2(a)、(b)は、形状測定装置に雇が装着されていない状態に相当する。図2(a)は形状測定装置を正面方向から示した斜視図、(b)は同装置を後方から示した斜視図である。以下、図2(a)、(b)に基づき本発明の形状測定装置の本体構成と作用について説明する。
図2(a)、(b)の形状測定装置では、基準ベース1に回転ステージ2が固定され、この回転ステージ2上にXワークステージ3とYワークステージ8が装着されている。図2(a)、(b)の右下には、この形状測定装置の測定制御に用いられる3次元座標系のX、Y、Zの各座標軸の方向を示してある。
Yワークステージ8上には雇取付面5が設けられ、雇取付面5の上面には、雇を位置決めするための雇取付基準6、7が設置されている。基準ベース1上にはコラム36、37(支柱)が固定され、これらコラム36、37上にXガイド固定部15が固定されている。
Xガイド固定部15、Xガイド可動部16を備えたこのXガイドは例えば静圧ガイドにより構成される。Xガイド可動部16は、不図示の静圧パッドにより、Xガイド固定部15上に支持される。Xガイド可動部16は、Xガイド固定部15に固定されたXリニアモータ固定子17と、Xガイド可動部16上に固定されたXリニアモータ可動子19の間に発生する駆動力によって駆動される。これにより、Xガイド可動部16は、Xガイド固定部15に沿ってX軸方向に移動させることができ、プローブ38をX軸(プローブ走査)方向に走査させる。
図2(a)、(b)の構成において、X、Z軸方向の座標測定、駆動制御にはレーザスケールを用いる。Xガイド可動部16には、Xレーザスケールヘッド20(図2(b))が装着されている。プローブ走査に同期して、Xガイド可動部16のXレーザスケールヘッド20は、基準ベース1上にXスケールベース29を介して装着されたXレーザスケール35を走査し、このXレーザスケール35を基準としたX座標を測定する。
さらに、Xガイド可動部16上にはZガイド固定部24、Zリニアモータ固定子25、26、Zレーザスケールヘッド27、28が固定されている。Zガイド固定部24は図示しない静圧パッドを介してZガイド可動部30を支持している。このZガイド可動部30は、ワークを測定するためのプローブ38を支持する。Zガイド可動部30にはZリニアモータ可動子31、32が取り付けられ、これら可動子とZリニアモータ固定子25、26との間にそれぞれ発生する駆動力により、Z軸方向にZリニアモータ可動子31、32を移動させる。Zガイド可動部30にはZレーザスケール33、34が固定されており、Zレーザスケールヘッド27、28を基準としたZの座標を測定する。
上記のXガイド固定部15、Xガイド可動部16、Zガイド固定部24、Zガイド可動部30などによって、プローブ38によりワークを一方向の走査ラインに沿って走査させるプローブ走査部が構成される。
基準ベース1上の回転ステージ2は、その上部のXワークステージ3、Yワークステージ8の回動姿勢を制御するために設けられる。回転ステージ2は、例えばエアベアリング、カップリング、サーボモータなどを用いて(詳細不図示)構成することができる。回転ステージ2の構成は、上記に限定されるものではなく、Xワークステージ3、Yワークステージ8の回動姿勢を制御可能であれば、回転ステージ2にはどのような構成を用いてもよい。回転ステージ2を設けることにより、雇のZ中心方向の回転ずれを自動補正することができる。ただし、後述の自動補正を行わない場合は、回転ステージ2は必ずしも設けなくてもよい。
Xワークステージ3、およびYワークステージ8は、例えばクロスローラガイド、ボールネジ、カップリング、ステッピングモータを使用した一般的な一軸ステージとしてそれぞれ構成することができる(詳細不図示)。これらのワークステージの駆動機構やガイドの構成は、特に本発明を限定するものではなく、これらワークステージには、どのような機構を用いても構わない。Xワークステージ3、Yワークステージ8を設けることにより、例えば並進方向のワークないし雇の取付誤差を自動補正することができる。ただし、雇の位置姿勢の自動補正を行わない場合には、Xワークステージ3、Yワークステージ8は省略しても構わない。なお、Xワークステージ3とYワークステージ8は、回転ステージ2上で各々の駆動方向が直交した状態に調整されていることが望ましい。
なお、以上では、XガイドとZガイドとして(圧縮空気による)静圧ガイドを例示したが、これらのガイドは、LMガイドやクロスローラガイドなど他の方式のガイドを用いて構成しても構わない。また、以上では、X駆動モータとしてシャフトタイプのリニアモータ、Z駆動モータとして同様の2つのリニアモータを想定している。しかし、これらの駆動機構の構成は、回転モータとボールネジの組合せなど、可動部を直動させることができるものであれば任意であり、駆動機構の構成は特に本発明を限定するものではない。
プローブ38は、例えば、不図示の板ばねなどにより支持した接触子と接触子までの距離を測定するレーザ変位計として、構成することができる。ただし、プローブ38は、ワークの表面の距離が測定できるものであればよく、プローブ38には、レーザ光のフォーカスによって距離を測定する非接触測距機構など、任意の測距機構の構成を用いて構わない。
各可動部材を駆動するモータ、各スケール、スケールヘッドのセンサの配線、あるいは静圧パッドの配管の詳細については図示しないが、これらは適宜、ケーブルベア(登録商標)などのような支持手段を介して支持されるものとする。
図2(a)の右側には、同図(a)、(b)に示した形状測定装置の制御装置600の構成をブロック図形式で示してある。図示のように、この制御装置600は、制御装置の主要部たるCPU601、ROM602、RAM603、各種のインターフェース(604、606)を備えている。この制御装置600のハードウェアおよびソフトウェアによって、後述の図1、図3、図6、図7などに示した機能構成を実現することができる。
制御装置600のCPU601には、ROM602、RAM603、および各種入出力方式によるインターフェース604、606が接続される。ROM602には、BIOS等の基本プログラムの他、後述の測定制御手順(図4)を記述した制御プログラムを格納することができる。RAM603は、CPU601の演算処理結果を一時的に記憶する記憶装置である。CPU601は、ROM602(あるいは不図示のHDDなど)に記録(格納)されたプログラムに基づいて後述の測定制御手順を実行する。
インターフェース604には、後述の測定制御において、例えばユーザ(本装置を取り扱う作業者)に対して、情報通知を行うための出力装置605を接続してある。出力装置605には、LCDパネルのような表示装置(ディスプレイ)や、音声出力装置(音声合成回路+増幅器+スピーカなど)、任意の出力形式の出力装置を用いることができる。
インターフェース606は、上記の各部のモータ、各スケール、スケールヘッドのセンサを制御し、またこれらに対して情報の入出力を行うインターフェースに相当する。インターフェース606は、便宜上、1ブロックで示してあるが、実際には上記各部との通信に必要な入出力仕様に応じて、異なる回路構成のインターフェースブロックを用いて構成される場合もある。制御装置600のCPU601は、プローブ38の検出位置を測定するZレーザスケールヘッド27、28の測定情報はインターフェース606を介して取得することができる。また、X軸に沿った走査ライン上の位置(X座標)を測定するXレーザスケールヘッド20の測定情報もインターフェース606を介して取得可能であり、また、他のセンサ類についても同様とする。
後述の測定制御手順をCPU601に実行させるプログラムをROM602(あるいはHDDなどの他の記録媒体)に記録(格納)する場合、これらの記録媒体は、本発明を実施するための制御手順を格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を構成する。なお、後述の測定制御手順に相当する形状測定プログラムは、ROM602のような固定的な記録媒体に格納する他、各種フラッシュメモリや光(磁気)ディスクのように着脱可能なコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納してもよい。このような格納形態は、本実施形態の形状測定プログラムをインストールしたり更新したりする場合に利用できる。また、本実施形態の形状測定プログラムをインストールしたり更新したりする場合、上記のような着脱可能な記録媒体を用いる他、後述のようにネットワークなどを介してプログラムをダウンロードする方式を利用してもよい。
図2(a)、(b)の形状測定装置に、雇を介してワークをセットし、プローブ38で所望のワーク領域を走査し、ワーク表面までの距離を測定する。このプローブ走査時、プローブ38の位置はXレーザスケールおよびZレーザスケールにてXZ座標として随時測定される。
図2(a)、(b)の形状測定装置ではプローブ38の位置(XZ座標)を検出する位置検出装置として、XレーザスケールおよびZレーザスケールが用いられている。本実施形態におけるこれらのレーザスケールに係る位置検出信号の補正のための構成は、X、Zレーザスケールのいずれにおいても適用可能である。しかしながら、以下では説明を容易にするため、Xレーザスケールに係る構成を例示し、それに係る補正処理について説明するものとする。
図3は、図2(a)、(b)の形状測定装置の制御装置600によって実現されるステージ101に係る位置補正処理を行うための機能構成を示している。図3において、ステージ101は、図2(a)、(b)の形状測定装置のプローブの位置を検出するXステージの部分に相当する。ただし同様の構成は、形状測定装置のZステージに関しても実施可能であるのはいうまでもない。
図3のステージ101は、Xステージの位置制御装置の機構的な構成に相当し、同図におけるそれ以外の機能ブロックは制御装置600のハードウェアおよびソフトウェアによって実現される。
図3のステージ101は、固定部と可動部に分けられる。固定部は、図2(a)、(b)において基準ベース1の上面に設置されたXレーザスケール35に相当する。また、可動部は、図2(a)、(b)においてXガイド固定部15の上面に設置されたXガイド可動部16に相当し、Xガイド可動部16にはXリニアモータ可動子19とXレーザスケールヘッド20が設けられている。
形状測定時には、Xリニアモータ可動子19によってXガイド可動部16がXレーザスケール35に対して相対移動される。Xレーザスケール35のスケール、およびXレーザスケールヘッド20は、この相対移動によって、位相が90°異なるA相、B相のスケール信号が得られるように構成されている。この2相のスケール信号を、A/Dコンバータ111、112によって特定周期でサンプリングする。これによりサンプリングされたA、B相スケール信号は下式(数1)のように表すことができる。
Figure 2018128350
ここで、a、bはA、B相スケール信号の振幅を表し、a、bは両信号のオフセットズレ、bは位相差ズレをそれぞれ示す。
図3の制御装置600の各機能ブロックは以下のように構成される。動作指令生成部108は、位置制御部109に対して位置指令を出力する。位置制御部109のハードウェア部分、あるいはさらに下記のモータコントローラ110は例えば図2(a)のインターフェース606によって構成することができる。
位置制御部109に対して出力される位置指令は、加算器のシンボルで示すようにステージ位置計算部114の計算したステージ位置の現在位置に関する情報によってフィードバック制御される。
位置制御部109ではモータコントローラ110にて駆動指令に変換し、ステージ101を駆動する。このステージ101の駆動によって、上記のA、B相スケール信号が得られ、A/Dコンバータ111、112を介してディジタル化されたA、B相スケール信号が補正部113に入力される。
補正部113では、例えばディジタルデータ処理によって、A、B両相のスケール信号の振幅比(aとb)、オフセット(aとb)、位相差(b)のズレをa=b、a=b=0、b=0の理想状態となるように補正する。また、上記のズレを補正するために設定する値を補正パラメータ(後述のS)とする。
ステージ位置計算部114は、補正部113で補正したスケール信号を取り込み、A、B両相のスケール信号の電気角の変化から、ステージの位置情報を算出し、フィードバック制御の返り値として、位置制御部109に対して位置情報を送る。今回の発明に関しては図3のような構成であれば、どのような機構であっても構わない。
ここで、補正部113で行うA、B相スケール信号の補正手法について説明する。A、B相スケール信号をリサージュ波形で表記すると各ズレa、b、a、b、bのために、傾きがあり、原点からずれた楕円となる。この楕円を一般式で表すと、下式(数2)のように表すことができる。
Figure 2018128350
この上式(数2)をA、B相に関して整理すると、下式(数3)のようになる。
Figure 2018128350
次に上式(数3)を整理し、未知部分を変数k、l、m、n、oで置き換えると下式(数4)のようになる。
Figure 2018128350
そして、最小二乗法で上式(数4)の2乗の和が最小になるようにk〜oの値を決めると、下式(数5)の関係が得られる。
Figure 2018128350
この式(数5)を満たすように変数k、l、m、n、oで偏微分を行い、この式(数5)を解くと最終的にa、b、a、b、bは以下の各式(数6〜数10)の形で表せる。
Figure 2018128350
Figure 2018128350
Figure 2018128350
Figure 2018128350
Figure 2018128350
以上のようにして、楕円の一般式からA、B相スケール信号のズレであるa、b、a、b、bを算出することができる。A、B相のスケール信号のデータを最小二乗法によって楕円近似が行えるサンプリングデータ数αの分だけ集め、ズレa、b、a、b、bをそれぞれ算出することができる。そして、ディジタルデータ処理によってa=b、a=b=0、b=0の理想状態となるように補正することができる。
次に、補正テーブルの作成方法について説明する。図1は補正テーブル作成時におけるステージ位置制御装置の機能構成の概略を示し、図3の構成に対して115から120までの処理が加えられている。図4は、補正テーブルを作成する制御手順のフローチャートである。
計測開始前準備動作として、A、B相のスケール信号の前記サンプリングデータ数αを設定し、図1の補正テーブル作成プログラム115がスタートすると、図4のステップS101において、補正用テーブル116の初期化を行う。
ここで、補正用テーブル116の構成例を図5(a)〜(c)に示す。同図のように、補正部113でA、B相のスケール信号を補正する時に必要な補正パラメータ(右側のフィールド)と前記補正パラメータが適用される適用範囲(中央のフィールド)の情報を記録する記憶領域である。また、必須ではないが、同図の補正用テーブル116は、レコード番号に相当するテーブル番号(左側のフィールド)を格納している。
補正用テーブル116は、例えば、図2(a)のRAM603などの記憶領域に割り当てられるものとする。その場合、補正用テーブル116は、補正テーブルは行列のデータとしてRAM603などの記憶領域に記憶させる。
補正用テーブル116には、初期化時には図5(a)に示すように補正テーブル番号(No=1)の行列が1行(1レコード)格納されているものとする。この時、補正テーブル(No=1)は、補正適用範囲のフィールドにはプログラムスタート地点0からのX軸方向の距離範囲に相当する可変の実数Xの範囲が格納されている。また、補正パラメータ(S)のフィールドには可変の実数H(初期化時はH=0)が格納されている。なお、後述の補正処理が進む毎に、補正用テーブル116には図5(b)、さらに図5(c)のように、補正テーブル番号(No=1、2…N、N+1…)を持つ補正テーブルのレコードが追加されていく。
図4のステップS102では、図1の破線で示すように、動作指令生成部108から判定部119の判定実行ON指令が出力される。ステップS103では、動作指令生成部108から位置制御部109へ初めに左右どちらかの端にステージを移動させた後、Xレーザスケール35全体を一定速度で走査するようにステージ101を駆動させる。ステップS104では、補正部113に補正用テーブル116の行列の最下行(最新)のレコードを読み込み、補正パラメータ(S)をセットする。なお、図5(a)のように補正用テーブル116に補正テーブル番号(No=1)の補正テーブルのみが格納されている場合にはこの補正テーブル(No=1)のデータが用いられる。
ステップS105では、Xレーザスケールヘッド20からコンバータ111、112を介して取り込まれたA、B相スケール信号を補正する。この補正は、例えば補正テーブルの最下層の行に格納されている補正パラメータ(S)を用いて、A、B相スケール信号のズレの補正することによって行う。さらに、ステップS106において、補正されたA、B相スケール信号を波形信号記憶部117で起動前に設定したサンプリングデータ数αだけサンプリングする。ステップS107では、サンプリングデータ数が規定値αに達したか否かを判断する。このステップS107でサンプリングデータ数が規定値αに達すると、補正値計算部118はサンプリングしたデータに対して、上述の楕円フィッティングを行いリサージュ波形の一般式を算出する。
そして、この一般式より、上述した補正パラメータSを求める。ステップS108では補正値計算部118で補正パラメータSを求めた後、補正パラメータSを用いてサンプリングデータを、ディジタルデータ処理で、a=b、a=b=0、b=0の理想状態となるように補正する。そして、補正後のサンプリングデータから実際のステージ位置情報Uを算出し、判定部119にステージ位置情報Uと補正パラメータSを送出する。
ステップS109では、判定部119で、補正値計算部118で得られる補正パラメータSを、オフセット、位相差、振幅の各項目で比較し、予め設定した規定値以内に収まっているか否か判定する。ステップS110では補正パラメータSが上記規定値以内であれば、ステージ位置計算部114からサンプリングデータ数がαに達した時点のステージ位置情報Tを得て、補正用テーブル更新部120に送信する(ステップS110a)。また、補正パラメータSが上記規定値を超える場合は、補正パラメータSおよびステージ位置情報Uを補正用テーブル更新部120に送信する(ステップS110b)。
ステップS111において、補正用テーブル更新部120は、補正用テーブル116が初期行列(1行の行列)かどうかを判定する。初期行列の処理においてステージ位置情報Tのみが送信された場合、補正用テーブル116の1行目の補正適用範囲(X1)にステージ位置情報Tを代入する。また、ステップS110を経由して補正パラメータSとステージ位置情報Uの2つが送られた場合には、1行目のレコードに記録されている補正パラメータ(H1)に補正パラメータSを、補正適用範囲X1にはステージ位置情報Uを代入する。
一方、補正用テーブル更新部120に送信された補正テーブルが図5(a)のような初期行列でない場合について、図5(b)のようなn行行列を用いて説明する。図5(b)において、最下層(最新)の行列をn行目とすると、補正パラメータはH、補正適用範囲はXn−1からXと表せる。ここでH、Xn−1、Xは可変の実数である。ステージ位置情報Tのみが送られた場合、Xにステージ位置情報Tを代入し補正適用範囲を拡大させる。
補正パラメータSとステージ位置情報Uの2つが送られた場合には、まず補正用テーブル116の最下層n行目の下に新規n+1行目のテーブル(レコード)を挿入する。次にn行目に記録されている補正パラメータHと算出した補正パラメータSの合算値を補正パラメータHn+1に代入する。最後に補正適用範囲Xn+1にはステージ位置情報Uを代入し、これにより、図5の(c)のような補正テーブルが作成される。
ステップS112では、波形信号記憶部117のリサージュ波形のサンプリングデータを初期化する。ステップS113ではXステージの測定範囲の全体の走査が終了したか否かを判定する。ここでは、例えばステージ101がXレーザスケール35上を全範囲走査したか否かを判定する。ステップS113が否定された場合には、上述のステップS104に復帰し、上述の処理を繰り返す。ステップS113が肯定された場合には、ステージ101がXレーザスケール35上を全範囲走査すれば、図4の補正テーブル作成処理を終了する。
なお、本実施形態では補正テーブルの精度にA、B相のスケール信号のデータ数が大きく影響する。このため、例えば精度を上げる場合はステージの相対移動速度を遅くすることで区間内のデータ数を増やすことが可能である。
以上のようにして、本実施形態によれば、Xスケールの構造が傷や継ぎ目などの不規則的かつ局所的な変化を有する場合でもこれに対応可能な補正テーブルを作成でき、補正された位置検出データを取得することができる。特に、取得した補正パラメータSが規定値以内かを判定し、補正パラメータSが規定値を超える毎に、補正適用範囲(X〜Xn+1)の異なる補正用テーブル116のレコード(行列)が新たに1行追加されていく。これにより、結果として、現実のXスケールの状態に応じて補正値の適用範囲が可変範囲となっている補正用テーブル116が作成される。即ち、本実施形態によれば、繋ぎ目や傷などのスケールの形状変化に起因する局所的な位置検出信号の変化に対応可能な高精度な位置補正を行える補正テーブルを自動的に作成することができる。
次に、上述のようにして補正用テーブル116を作成した後のステージ位置制御装置の制御について説明する。図6は、図3のステージ位置制御装置の概略構成に、図1および図4で示した上述の作成処理によって作成した補正用テーブル116が実装された状態を示している。図6の構成では、ステージ101が移動すると、位置制御部109からのステージの位置情報に基づき、補正用テーブル116を参照して補正パラメータSを取得でき、この補正パラメータが補正部113に送信される。補正部113では送られた補正パラメータを使用してA、B相のスケール信号を補正する。これにより、ステージを移動させながら、局所的な変化に対応した補正を行うことで、より精度の高いステージ位置制御を行うことができる。
特に、本実施形態によれば、従来の逐次更新の補正方式よりも、タイムラグなくスケールの局所的な変化に対応した検出位置の補正を行うことができる。また、本実施形態によれば、補正パラメータの値の範囲に応じてその補正パラメータを通用させる適用範囲を補正用テーブルに可変長で定義することができる。本実施形態によれば、例えば補正パラメータが大きく変化しなければ補正用テーブルのテーブルデータの追加は起きない。このため、従来の固定範囲長で刻まれた補正用テーブルを用いる方式より低処理負荷で高速に補正用テーブルを作成ないし更新でき、また、補正用テーブルのために必要なRAM603などの記憶容量を効果的に低減することができる。
<実施形態2>
上記実施形態1のA、B相のスケール信号の局所変化検出は、補正パラメータ(S)の値が規定値以内か否かを判定することによって行っている(図4のステップS109)。これに限らず、A、B相のスケール信号の局所変化検出は、ステージ位置を比較する方法でも行うことができる。本実施形態では、このステージ位置を用いた局所変化検出の手法について述べる。
本実施形態のステージ位置を用いた局所変化検出では、図1の判定部119の役割を変更する。例えば、図4のステップS109においては、判定部119で、ステージ位置計算部114からのステージ位置情報Tと補正値計算部118からのステージ位置情報Uを比較する。そして、その差が予め設定した規定値以内かを判定することにより局所変化を検出する。この判定(S109)において、ステージ位置情報T、Uの差が規定値以内の場合は、図4のステップS110aにおいて補正用テーブル更新部120にステージ位置情報Tを送出する。一方、ステージ位置情報T、Uの差が規定値を超える場合は、図4のステップS110bにおいて、補正用テーブル更新部120に補正パラメータSおよびステージ位置情報Uを送出する。
本実施形態によれば、上述のようにして、ステージ位置情報Uを用いてスケールの局所変化を検出し、スケールの局所変化に対応する補正用テーブルを作成することができ、上述の実施形態1とほぼ同様の作用効果を期待できる。
<実施形態3>
さらに、A、B相のスケール信号の局所変化検出は、A、B相のスケール信号によるリサージュ波形の半径変化を比較する手法によっても可能である。本実施形態では、このリサージュ波形の半径変化を利用した局所変化検出の手法について述べる。
なお、本実施形態のリサージュ波形の半径変化とは、横軸をA、縦軸をBに取った2次元座標平面においてA、B相のスケール信号が描くリサージュ波形と、原点(A=0、B=0)との距離を表すものである。
本実施形態のリサージュ波形の半径変化を用いた局所変化検出では、図1の補正値計算部118と判定部119の役割を変更する。補正値計算部118には、実施形態1における役割に加え、補正部113により補正されたA、B相のスケール信号の2乗和Rを、サンプリング数α分だけ算出する処理を行わせる。このA、B相のスケール信号の2乗和Rは、例えば下式(数11)のように表すことができる。
Figure 2018128350
補正値計算部118は、α個サンプルから上式(数11)の2乗和Rから、最大値と最小値の差Wを求め、差Wを判定部119に送出する。一方、例えば、図4のステップS109において、判定部119は、差Wが予め設定した規定値以内かを判定することで、局所変化を検出することができる。この判定(S109)において、上記の差Wが予め設定した規定値以内の場合は、図4のステップS110aにおいて、補正用テーブル更新部120にステージ位置計算部140からのステージ位置情報Tを送出する。一方、上記の差Wが予め設定した規定値以上の場合は、図4のステップS110bにおいて、補正用テーブル更新部120に補正パラメータSおよびステージ位置情報Uを送出する。
本実施形態によれば、上述のようにして、リサージュ波形の半径変化を用いてスケールの局所変化を検出し、スケールの局所変化に対応する補正用テーブルを作成することができ、上述の実施形態1、2とほぼ同様の作用効果を期待できる。
なお、以上では、リサージュ波形の半径変化を求めるために、α個サンプルから上記(数11)のように2乗和Rを計算している。しかしながら、他の適当な計算によってリサージュ波形の半径に対応する値を求め、その値の変化を介してリサージュ波形の半径変化を検出してもよい。
<実施形態4>
また、A、B相のスケール信号の補正値を算出する方法は当業者において種々の変更や追加が可能である。本実施形態では、A、B相のスケール信号を正弦波状の信号として一般式を算出し、補正パラメータを求める方法を説明する。ここで、下式(数12)で表されるような正弦波信号を考える。
Figure 2018128350
この式(数12)の未知部分をP=xcos(x)、Q=xsin(x)のように整理すると下式(数13)のように表すことができる。
Figure 2018128350
そして、例えば下式(数14)のような計算を行い、最小二乗法で上式(数13)の2乗の和が最小になるようP、Qを同定することができる。
Figure 2018128350
さらに、上式(数14)を満たすようにP、Q、xに関して偏微分を行い、実数Nを使用して行列に整理すると、下式(数15)のようになる。
Figure 2018128350
そして、上式(数15)を用いて、例えば最小二乗法を行うに足るサンプリングデータ数β分だけ、A、B相のスケール信号をサンプリングし、それぞれ上式(数15)のP、Q、xを算出することにより、両相のスケール信号の一般式を導出することができる。
リサージュ波形を利用する場合には、理想値を真円と考えるが、スケール信号を利用する場合、両相の信号のうち片方を基準とすることによっても理想値を求めることができる。例として、A相スケール信号を基準とすると、B相スケール信号の理想値はA相スケール信号から位相差のみが90度だけずれた状態の信号である。そこで、B相スケール信号を理想値と比較し、振幅、位相差、オフセットが予め設定した規定値以内かを判定する。
以上の手法によってもスケールの局所変化を検出し、スケールの局所変化に対応する補正用テーブルを作成することができ、上述の実施形態1、2および3とほぼ同様の作用効果を期待できる。
<実施形態5>
上述の各実施形態で用いた補正用テーブル116はX(またはZ)ステージが移動中であれば更新が可能である。例えば、図2(a)、(b)に示したような形状測定装置であれば、補正用テーブル116の作成や更新は、必ずしもシステムの初期化期間中や、出荷前や設置初期における校正動作においてのみ行うものでなくてよい。例えば、形状測定装置の(本番の)測定動作においてX(またはZ)ステージが移動中において、補正用テーブル116の作成や更新を行うようにしてもよい。
図7は、図1、図3、図6などと同様の形式で補正用テーブルの自動更新が実装されたステージ位置制御装置の構成を示している。図7の構成において、Xステージが移動すると、自動判定部121は補正部113で補正された2相のスケール信号を取り込む。
そして、Xステージの移動中に、例えば、実施形態1の手法によって方法で振幅、位相差、オフセットを計算し予め設定した規定値以内かを判定する(図4のステップS109)。判定後、規定値を超える場合には位置データと補正されたスケール信号を誤差データ格納部122で記録する。また、自動判定部121の判定方法は実施形態3に示したようにA相、B相のリサージュ波形から、半径を比較し、判定してもよい。補正値計算部118は誤差データ格納部122内のデータを参照し、例えば実施形態1に示した手法によって補正パラメータを導出する。ただし、この時、誤差データ格納部122の同一補正適用範囲内におけるスケール信号のデータ数が補正パラメータを得られる所定数以上に達している必要がある。補正テーブル自動更新部123は導出された補正パラメータを用いて補正用テーブル116を更新することができる。
以上のようにして、例えば図2(a)、(b)のような形状測定装置において、例えば、形状測定装置の(本番の)測定動作においてX(またはZ)ステージが移動中において、補正用テーブル116を更新することができる。
なお、上述の各実施形態に示したスケールの局所変化の検出処理は、必ずしも補正用テーブル116の作成や更新にのみ利用するものでなくてよい。例えば、図2(a)、(b)のような形状測定装置において、上述の各実施形態に示したスケールの局所変化の検出処理を行うことにより、装置、特にレーザスケールに生じた異常を自動検出することができる。このレーザスケールの局所変化の検出は初期化期間中や、出荷前や設置初期における校正動作、形状測定装置の(本番の)測定動作などのいずれの期間においても行うことができる。その場合、例えば何らかの原因でレーザスケールに突発的に局所変化が生じた場合であってもこれを検出し、それに応じて適当な警告やエラー通知を行うことができる。
1…基準ベース、3…Xワークステージ、5…雇取付面、15…Xガイド固定部、16…Xガイド可動部、20…Xレーザスケールヘッド、35…Xレーザスケール、38…プローブ、101…ステージ、108…動作指令生成部、109…位置制御部、110…モータコントローラ、111…A/Dコンバータ(A相用)、112…A/Dコンバータ(B相用)、113…補正部、114…ステージ位置計算部、115…補正テーブル作成プログラム、116…補正用テーブル、117…波形信号記憶部、118…補正値計算部、119…判定部、120…補正用テーブル更新部、121…自動判定部、122…誤差データ格納部、123…補正テーブル自動更新部、600…制御装置、601…CPU、602…ROM、603…RAM、604、606…インターフェース。

Claims (13)

  1. スケールと、
    前記スケールに対して相対移動し、前記スケールを走査して位相が互いに異なる2相スケール信号を発生する検出器と、
    位置情報の検出に用いる前記2相スケール信号を補正する補正パラメータを算出する補正値計算部と、
    前記補正パラメータにより補正された前記2相スケール信号から前記スケールと前記検出器の相対移動量に相当する位置情報を検出する位置計算部と、
    前記補正パラメータと、当該の補正パラメータの適用区間と、を関連づけたレコードを格納する補正用テーブルと、
    前記スケールと前記検出器の相対移動に応じて、前記補正用テーブルの前記適用区間に相当する前記補正パラメータにより補正された前記2相スケール信号の変化に応じて前記補正用テーブルの前記レコードを更新する制御装置と、
    を備えた位置検出装置。
  2. 請求項1に記載の位置検出装置において、前記補正値計算部が、前記2相スケール信号の相互の振幅比、位相差、またはオフセットの補正値を補正する補正パラメータを算出する位置検出装置。
  3. 請求項1または2に記載の位置検出装置において、前記制御装置は、前記補正値計算部が算出した補正パラメータと、直前の区間における補正パラメータと、の差が所定範囲を超える場合に、前記補正用テーブルに補正パラメータと、当該の補正パラメータの適用区間と、を関連づけた新たなレコードを格納させる位置検出装置。
  4. 請求項1または2に記載の位置検出装置において、前記制御装置は、前記位置計算部によって算出される位置と、前記補正値計算部から得られる補正パラメータを用いて補正した位置の差が所定範囲を超える場合に、前記補正用テーブルに補正パラメータと、当該の補正パラメータの適用区間と、を関連づけた新たなレコードを格納させる位置検出装置。
  5. 請求項1または2に記載の位置検出装置において、前記制御装置は、前記補正値計算部が計算した前記補正パラメータにより補正された前記2相スケール信号の2乗和を複数、サンプリングし、前記複数の2乗和の値の変化が所定範囲を超える場合に、前記補正用テーブルに補正パラメータと、当該の補正パラメータの適用区間と、を関連づけた新たなレコードを格納させる位置検出装置。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載の位置検出装置において、前記補正パラメータにより補正された前記2相スケール信号の波形を記憶する波形信号記憶部を備え、前記補正値計算部が、前記波形信号記憶部が記憶する前記2相スケール信号のデータを用いて取得したリサージュ波形データに基づき、補正パラメータを計算する位置検出装置。
  7. 請求項1から5のいずれか1項に記載の位置検出装置において、前記補正パラメータにより補正された前記2相スケール信号の波形を記憶する波形信号記憶部を備え、前記補正値計算部が、前記波形信号記憶部が記憶する前記2相スケール信号の相互の位相差に基づき補正パラメータを計算する位置検出装置。
  8. 請求項1から5のいずれか1項に記載の位置検出装置において、前記補正パラメータにより補正された前記2相スケール信号の波形を記憶する波形信号記憶部と、
    前記波形信号記憶部が記憶する前記2相スケール信号のデータを用いて取得したリサージュ波形と、真円と、の差分を判定する波形判定部と、
    補正された前記2相スケール信号のデータを格納する誤差データ格納部と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記波形判定部がリサージュ波形と真円の差分が大きいと判断した場合に、前記誤差データ格納部に前記2相スケール信号、および補正された前記2相スケール信号から補正された位置のデータを格納させ、
    前記2相スケール信号、および補正された前記2相スケール信号から補正された位置のデータから前記補正値計算部が算出した新たな補正パラメータを用いて前記補正用テーブルを更新する位置検出装置。
  9. 請求項1から8のいずれか1項に記載の位置検出装置を備え、
    前記スケールおよび前記検出器が、相対移動する駆動されるステージの相対位置を検出すべく配置され、
    前記位置計算部が検出した、前記ステージの相対位置に相当する位置情報に基づき、前記ステージを駆動する駆動量を決定するステージ装置。
  10. 請求項9記載のステージ装置によって、対象物に対して接触式のプローブを走査し、前記対象物の形状を測定する形状測定装置。
  11. スケールと、前記スケールに対して相対移動し、前記スケールを走査して位相が互いに異なる2相スケール信号を発生する検出器と、前記2相スケール信号に基づき前記スケールと前記検出器の相対移動量に相当する位置情報を検出する位置検出装置の制御方法において、
    前記位置検出装置は、
    位置情報の検出に用いる前記2相スケール信号を補正する補正パラメータを算出する補正値計算部と、
    前記補正パラメータにより補正された前記2相スケール信号から前記スケールと前記検出器の相対移動量に相当する位置情報を検出する位置計算部と、
    前記補正パラメータと、当該の補正パラメータの適用区間と、を関連づけたレコードを格納する補正用テーブルと、
    を備え、
    制御装置が、前記スケールと前記検出器の相対移動に応じて、前記補正用テーブルの前記適用区間に相当する前記補正パラメータにより補正された前記2相スケール信号の変化に応じて前記補正用テーブルの前記レコードを更新する補正処理を実行する位置検出装置の制御方法。
  12. 前記制御装置に請求項11に記載の補正処理を実行させるための制御プログラム。
  13. 請求項12に記載の制御プログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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