表面构造测量装置的制作方法

相关申请引用

本申请根据35u.s.c.§119的规定要求于2016年2月25日提交的日本专利申请2016-034436的优先权，该专利申请的公开内容通过完整引用结合在此。

本发明涉及一种使用非接触型测量传感器测量可测物体的内壁的表面构造的表面构造测量装置。

背景技术：

通常使用表面构造测量装置测量可测物体的表面构造。例如，日本公开专利2006-064512中公开的一种表面构造测量装置检测可测物体表面上的凹凸的位置变化，以测量可测物体的内径和外径。

近年来，一直有对可测物体的内壁的详细表面构造进行自动测量的需求。例如，在开发汽车发动机时，从提高发动机性能和延长发动机寿命的角度来说，需要对发动机气缸的内壁进行精确检测。因此，需要对气缸内壁表面的状态进行更精确的观测。

技术实现要素：

鉴于这些情况，本发明提供一种能够高精度地测量可测物体的内壁的详细表面构造的表面构造测量装置。

在本发明的一个方面中，提供一种表面构造测量装置，该表面构造测量装置包括：使具有内壁的可测物体沿第一平面位移的第一位移机构；以非接触方式测量内壁的表面构造的测量传感器；使测量传感器沿与第一平面正交的正交方向位移并使测量传感器面向内壁的第二位移机构；使面向内壁的测量传感器沿内壁的法向位移的第三位移机构；以及使面向内壁的测量传感器沿内壁位移的第四位移机构。

另外，上述测量传感器可为使用与通过光学干涉形成的干涉条纹的亮度有关的数据测量表面构造的光学干涉传感器。

另外，上述测量传感器可为通过捕获内壁的图像来测量表面构造的图像传感器。

另外，上述测量传感器可为通过使光聚焦在内壁上来测量表面构造的共焦传感器。

另外，上述测量传感器可为通过检测与捕获的内壁图像对比的峰值来测量表面构造的传感器。

另外，上述表面构造测量装置可配置为还包括与可测物体接触以测量可测物体的坐标的接触式测头。

另外，上述接触式测头可配置为能够在测量位置和备用位置之间位移，在所述测量位置，接触式测头在正交方向上比测量传感器更靠近可测物体，在所述备用位置，接触式测头在正交方向上比测量传感器更远离可测物体。

另外，上述表面构造测量装置还可包括安装有所述测量传感器的测量器，该测量器具有沿所述正交方向延伸的长度方向。所述测量器可包括检测与可测物体的碰撞的碰撞检测传感器。

另外，上述表面构造测量装置还可包括锁定机构，在测量内壁的表面构造时，该锁定机构锁定第一位移机构和第二位移机构的驱动，而第三位移机构使测量传感器位移。

第四位移机构可配置为包括使测量传感器沿具有作为内壁的圆筒状内壁的可测物体的周向转动的驱动源，并且上述表面构造测量装置可配置为还包括具有联接至所述驱动源的第一轴向端的转动构件，该转动构件支撑测量传感器，并沿周向转动；以及位于所述转动构件的第二轴向端的轴承，在转动期间，该轴承支撑所述转动构件。

另外，第四位移机构可配置为使测量传感器沿具有作为内壁的圆筒状内壁的可测物体的周向转动，并且上述表面构造测量装置可配置为还包括支撑构件，该支撑构件支撑连接至所述测量传感器的电缆。上述支撑构件可配置为在所述支撑构件支撑所述电缆的状态中随着测量传感器的周向转动而沿周向转动。

根据本发明，可高精度地测量可测物体的内壁的详细表面构造。

附图说明

下面将参照多张附图通过本发明的示例性实施方式的非限定性实例来进一步详细说明本发明，在附图中，相似的标号在多个视图中代表相似的部件，其中：

图1是根据本发明的一种实施方式的表面构造测量装置的示例性外部结构的透视图；

图2是表面构造测量装置的结构框图；

图3是接触式测头和测量传感器的说明性示意图；

图4示出了接触式测头正在与可测物体接触的状态；

图5(a)至5(c)是测量器的位移方向的说明性示意图；

图6是沿内壁表面的周向布置的多个测量区域的说明性示意图；

图7(a)和7(b)是测量传感器在θ轴方向上的位置的示意图；

图8示出了z滑架的结构；

图9是图8中所示的z滑架的一部分的透视图；和

图10是制动机构的一种示例性结构的说明性示意图。

具体实施方式

在此所示的具体内容是示例性的，仅用于示例性地论述本发明的实施方式，并且是为了更好地理解本发明的原理和概念特征而给出的。在此方面，除了理解本发明所必须的内容外，本文不试图更详细地展示本发明的结构细节，参照附图给出的说明是为了使本领域技术人员清晰地理解本发明的实施形式。

表面构造测量装置的结构

下面将参照图1和图2说明根据本发明的一种实施方式的表面构造测量装置1的结构。图1是根据本发明的一种实施方式的表面构造测量装置1的示例性外部结构的透视图。图2是表面构造测量装置1的结构框图。

如图1和图2所示，表面构造测量装置1包括工作台10、载物台12、支撑柱14、z滑架16、接触式测头20、测量传感器22、碰撞检测传感器24、x轴位移机构/位移器30、y轴位移机构32、z轴位移机构/位移器34、w轴位移机构/位移器36、θ轴位移机构/位移器38、锁定机构/锁定器40、以及控制装置/控制器70。在此实施方式中，x轴位移机构30和y轴位移机构32相应于第一位移机构/位移器，z轴位移机构34相应于第二位移机构/位移器，w轴位移机构36相应于第三位移机构/位移器，θ轴位移机构38相应于第四位移机构/位移器。

表面构造测量装置1是自动测量可测物体90的内壁92的表面构造的装置。在下文的说明中，可测物体90是发动机的气缸盖。该气缸盖具有四个气缸(气缸部分)，表面构造测量装置1测量四个气缸的内壁92的表面构造。表面构造测量装置1能够测量可测物体90的表面构造，而无需分解或切割可测物体90。

工作台10是表面构造测量装置1的底座。例如，工作台10布置在安装在车间地面上的防震台上。该防震台防止车间地面的震动传递至工作台10。

载物台12布置在工作台10上。可测物体90放置在载物台12上。载物台12能够利用x轴位移机构30和y轴位移机构32沿x和y轴方向位移。也可使用专用夹具将可测物体90布置在载物台12上。在这种情况中，可测量具有很多形状的可测物体90的内壁92的表面构造。

支撑柱14布置为从工作台10的顶面沿z轴方向耸起。支撑柱14支撑z滑架16，使得z滑架16能够沿z轴方向位移。

使用z轴位移机构34，能够使z滑架16沿z轴方向相对于支撑柱14位移。如图3所示，接触式测头20、测量传感器22和碰撞检测传感器24安装到z滑架16上。下面说明z滑架16的细节。

图3是接触式测头20和测量传感器22的说明性示意图。图4示出了接触式测头20正在与可测物体90接触的状态。接触式测头20与可测物体90接触，以测量可测物体90的坐标。由于接触式测头20安装到z滑架16上，因此接触式测头20随着z滑架16沿z轴方向的位移一起沿z轴方向位移。z滑架16包括使接触式测头20沿z轴方向在测量位置和备用位置之间上下位移的位移机构。

在接触式测头20的测量位置，接触式测头20在z轴方向上比测量传感器22更靠近可测物体90，处于接触式测头20可与可测物体90接触的位置。在接触式测头20的备用位置，接触式测头20处于在z轴方向上比测量传感器22更远离可测物体90的位置。接触式测头20通常在备用位置处于备用状态，在测量可测物体90的坐标时，接触式测头20位移至测量位置。相应地，在处于备用位置时，可防止接触式测头20在测量传感器22测量表面构造时与可测物体90碰撞。

测量传感器22是以非接触方式测量内壁92的表面构造的传感器。测量传感器22随着z滑架16沿z轴方向的位移一起沿z轴方向位移。测量传感器22例如测量内壁92的三维形状作为表面构造。相应地，可测量内壁92的凹凸，例如可测量凹痕的大小或凹痕的分布。如图3中所示，测量传感器22安装到从z滑架16沿z轴方向向下延伸的测量器26上。

在此实施方式中，测量传感器22是使用与通过光学干涉形成的干涉条纹的亮度有关的数据测量内壁92的表面构造的光学干涉传感器。例如，众所周知的是，在使用白光源的光学干涉传感器中，在参考光路的光路长度与测量光路的光路长度相符的焦点位置处，由不同波长的干涉条纹的重叠峰形成的复合干涉条纹的亮度增加。因此，在光学干涉传感器中，在改变测量光路长度的同时，由图像捕获元件(例如ccd摄像头)捕获显示干涉光强度的二维分布的干涉图像，并在图像捕获视场中的各个测量位置检测干涉光强度达到峰值的焦点位置。相应地，对每个测量位置处的被测表面(具体而言是内壁92)的高度进行测量，因而例如可测量内壁92的三维形状。

光学干涉传感器例如可使用众所周知的麦克森干扰测量法，并且包括光源、透镜、参考镜、图像捕获元件等。另外，在此实施方式中，从位于测量器26上方的光源发射的光在测量器26内向下前进，随后所述光的光轴弯曲90°，并且所述光通过测量器26的面向内壁92的侧表面上的孔口被导向内壁92。

请再次参考图2，碰撞检测传感器24检测测量器26与可测物体90的碰撞。碰撞检测传感器24布置在位于z滑架16下的测量器26的尖端处。碰撞检测传感器24沿圆筒状测量器26的径向突出，并能够在传感器22触及内壁92之前与内壁92接触。通过使用碰撞检测传感器24检测碰撞，例如能够防止测量传感器22触及内壁92。

x轴位移机构30是使布置有可测物体90的载物台12沿x轴方向(图1)位移的驱动机构。x轴位移机构30例如由进给螺杆机构构成，当然，本领域技术人员应理解，(像所有公开的位移机构/位移器一样)在可替代实施方式中也可使用其它适当的位移器。上述进给螺杆机构包括滚珠丝杠和拧到该滚珠丝杠上的螺母构件。x轴位移机构30不局限于进给螺杆机构，例如也可由带式机构构成，当然，本领域技术人员应理解，在可替代实施方式中也可使用其它适当的位移器。

y轴位移机构32是使载物台12沿y轴方向(图1)位移的驱动机构。与x轴位移机构30相似，y轴位移机构32例如由进给螺杆机构构成，当然，本领域技术人员应理解，在可替代实施方式中也可使用其它适当的位移器。在此实施方式中，x轴位移机构30和y轴位移机构32协作使布置有可测物体90的载物台12沿x轴方向和y轴方向相互正交的xy平面(第一平面)位移。

z轴位移机构34是使z滑架16(测量器26)沿与xy平面正交的z轴方向(图1)位移的驱动机构。z轴位移机构34例如由进给螺杆机构构成。z轴位移机构34通过沿z轴方向降低测量器26而使测量传感器22面向内壁92。

图5(a)至5(c)是测量器26的位移方向的说明性示意图。通过沿图5(a)中所示的箭头的方向降低测量器26(具体而言，是通过将测量传感器22置于气缸部分内)，z轴位移机构34使测量传感器22面向内壁92，如图5(b)所示。在此实施方式中，只有测量器26被置于气缸部分内。因此，即使在可测物体90的气缸部分具有很小直径的情况中，也能测量气缸部分的内壁92的表面构造。

w轴位移机构36是使面向内壁92的测量器26(具体而言，是测量传感器22)沿内壁92的法向位移的驱动机构。在此实例中，内壁92的法向与可测物体90的气缸部分的径向相同(以下称为w轴方向)。因此，w轴位移机构36使测量传感器22沿w轴方向位移。w轴位移机构36例如使测量传感器22从可测物体90的气缸部分的中心朝内壁92(图5(b)中所示的箭头的方向)位移。相应地，测量传感器22靠近内壁92，如图5(c)所示。

在w轴位移机构36使测量传感器22沿w轴方向位移时，测量传感器22沿w轴方向在预定的扫描范围(测定范围)内进行扫描，并测量内壁92的表面构造。

θ轴位移机构38是使面向内壁92的测量器26(具体而言，是测量传感器22)沿内壁92位移的驱动机构。具体而言，θ轴位移机构38使测量传感器22沿θ轴方向(图5(c)中所示的箭头的方向)转动，该θ轴方向是具有圆筒状内壁(内壁92)的可测物体90的气缸部分的周向。

在此实施方式中，内壁92被沿周向分为多个测量区域，并且测量传感器22测量每个测量区域的表面构造。相应地，通过利用θ轴位移机构38沿θ轴方向(周向)位移，测量传感器22可测量每个测量区域的表面构造。

图6是沿内壁92的周向布置的多个测量区域的说明性示意图。测量区域(图6中所示的测量区域r1、r2、r3等)是内壁92的矩形段。测量区域的尺寸例如可根据测量传感器22的图像捕获元件能够捕获的视场的尺寸限定。

图7(a)和7(b)是测量传感器22在θ轴方向上的位置的示意图。图7(a)示出了在测量图6中所示的测量区域r1的表面构造时测量传感器22的位置。图7(b)示出了在测量与测量区域r1相邻的测量区域r2的表面构造时测量传感器22的位置。测量传感器22通过在沿w轴方向位移的同时扫描测量区域r1来测量测量区域r1的表面构造，随后测量传感器22沿θ轴方向(内壁92的周向)位移。然后，测量传感器22通过在沿w轴方向位移的同时扫描测量区域r2来测量所述测量区域r2的表面构造。

请再次参考图2，在测量传感器22沿w轴方向位移的同时测量内壁92的表面构造时，锁定机构40锁定对x轴位移机构30、y轴位移机构32和z轴位移机构34的驱动。具体而言，锁定机构40关断分别用于x轴位移机构30、y轴位移机构32和z轴位移机构34的驱动电机。另外，锁定机构40包括制动机构，例如盘式制动器，该制动机构的细节将在下文中说明。在这种情况中，当测量传感器22进行扫描时，可防止因x轴位移机构30、y轴位移机构32和z轴位移机构34的电机而导致的震动，因此可防止因震动而导致的表面构造测量精度降低。而且，除了x轴位移机构30、y轴位移机构32和z轴位移机构34外，锁定机构40还可锁定θ轴位移机构38的驱动。

控制装置70控制表面构造测量装置1的总体操作。控制装置70包括存储器72和控制器74。存储器72例如包括rom(只读存储器)和ram(随机存取存储器)。存储器72存储由控制器74执行的程序和各种数据。例如，存储器72存储由测量传感器22获得的内壁92的测量结果、以及基于测量结果产生的内壁92的表面构造的分析结果。

控制器74例如是cpu(中央处理器)。控制器74通过执行存储在存储器72中的程序来控制表面构造测量装置1的操作。例如，控制器74驱动x轴位移机构30、y轴位移机构32、z轴位移机构34、w轴位移机构36和θ轴位移机构38，从而实现气缸盖(可测物体90)的四个气缸的内壁92的自动测量。另外，控制器74基于测量结果分析内壁92的表面构造。

z滑架的详细结构

下面参照图8和图9说明z滑架16的详细结构。图8示出了z滑架16的示例性结构。图9是图8中所示的z滑架16的一部分的透视图。另外，为了便于说明，在图8和图9中未示出遮盖z滑架16的盖件。

如图8和图9所示，z滑架16包括z轴驱动电机50、θ轴驱动电机52、转动构件/转动体54、支撑轴承56、w轴驱动电机58、支撑滑轮60、测头支架62、以及制动机构/制动器64。

z轴驱动电机50布置在z滑架16的上部，是使整个z滑架16沿z轴方向位移的驱动源，z滑架16被支撑在支撑柱14上。通过使用z轴驱动电机50使z滑架16沿z轴方向位移，可以使测量器26和接触式测头20也沿z轴方向位移。

θ轴驱动电机52是使转动构件54和测量器26沿θ轴方向转动的驱动源。在z轴驱动电机50下布置有固定构件53，θ轴驱动电机52固定到该固定构件53上。支撑柱14为固定构件53提供悬臂支撑。通过使用θ轴驱动电机52使测量器26沿θ轴方向转动，可以使测量传感器22也沿θ轴方向转动。

转动构件54联接至θ轴驱动电机52，并在θ轴驱动电机52的作用下沿θ轴方向转动。转动构件54是圆筒状的。转动构件54的第一轴向端联接至θ轴驱动电机50，转动构件54的第二轴向端支撑测量器26。因此，转动构件54和测量器26一起转动。

支撑轴承56布置在转动构件54的第二轴向端，转动构件54在转动期间由θ轴驱动电机52支撑。支撑轴承56例如是金属轴承，并布置在由支撑柱14支撑的转接板57上。通过布置支撑轴承56，可防止转动构件54的转动偏差，因此可防止与转动构件54一起转动的测量器26的测量精度降低。另外，支撑轴承56吸收震动，因此可防止转动构件54转动期间的震动。而且，支撑柱14为固定构件53提供悬臂支撑，由于θ轴驱动电机52固定到固定构件53上，因此固定构件53可能翘曲。但是，通过布置支撑轴承56并支撑转动构件54，可防止翘曲。

w轴驱动电机58是使测量器26沿w轴方向位移的驱动源。通过使支撑测量器26的支撑板59沿w轴方向位移，w轴驱动电机58可使测量器26沿w轴方向位移。而且，w轴驱动电机58和支撑板59配置为与转动构件54一起转动。

支撑滑轮60例如支撑连接至测量传感器22的电缆61。支撑滑轮60由布置在θ轴驱动电机52上方的支撑机构60a轴向支撑。支撑机构60a布置在支撑柱14内，从而可围绕平行于z轴方向的轴线自由转动。采用这种构造，支撑滑轮60能够通过支撑构造60a围绕平行于z轴方向的轴线转动。换言之，支撑滑轮60在支撑电缆61的状态中随着测量传感器22沿θ轴方向的转动而沿周向转动。具体而言，支撑电缆61的支撑滑轮60沿与测量传感器22的转动方向相同的方向转动。在这种情况中，在测量传感器22沿θ轴方向转动时，可防止电缆61扭曲。

测头支架62沿θ轴驱动电机52、转动构件54和w轴驱动电机58布置(具体而言，是沿z轴方向布置)，并支撑接触式测头20，从而接触式测头20能够沿z轴方向位移。具体而言，测头支架62包括驱动装置，并支撑接触式测头20，从而接触式测头20能够在备用位置(图8中所示的位置)和测量位置之间竖向位移。

制动机构64沿z轴方向布置在z轴驱动电机50和支撑滑轮60之间。在此实例中，制动机构64是盘式制动机构，并锁定z轴驱动电机50。当上述的锁定机构40(参见图2)将z轴驱动电机50置为off时，制动机构64锁定z轴驱动电机50。

图10是制动机构64的一种示例性结构的说明性示意图。制动机构64包括盘部65a和制动器部65b。盘部65a安装到z轴驱动电机50的电机轴51上。制动器部65b配置为能够竖向夹紧盘部65a。当制动器部65b夹紧盘部65a时，制动器部65b锁定电机轴51。

在上文的说明中，当z轴驱动电机50被置为off时，制动机构64锁定电机轴51。但是，本发明不局限于此。例如，也可采用当z轴驱动电机50被置为on时制动机构64锁定电机轴51的构造。在这种情况中，能够防止因z轴驱动电机50而导致的震动。

测量内壁的表面构造的方法

现在说明使用上述的表面构造测量装置1测量内壁92的表面构造的方法。内壁92的表面构造的测量由执行存储在存储器72中的程序的控制装置70的控制器74进行。

在此实例中，如图1所示，可测物体90被置于载物台12上。首先，控制器74驱动x轴位移机构30和y轴位移机构32，并使载物台12沿x轴方向和y轴方向位移，从而将可测物体90置于z滑架16之下(参见图4)。

然后，控制器74使接触式测头20从备用位置位移至测量位置，以接触可测物体90(气缸体)，从而例如测量气缸体的顶面高度、气缸的中心位置和直径等。在测量结束时，控制器74使接触式测头20位移至备用位置。

随后，控制器74驱动x轴位移机构30和y轴位移机构32，并且基于接触式测头20的测量结果使测量器26位移至气缸的中心(图5(a))。然后，控制器74驱动z轴位移机构34，并使测量器26降入气缸中(图5(b))。

随后，控制器74驱动w轴位移机构36，并使测量器26沿w轴方向位移(图5(c))。当测量器26沿w轴方向位移时，测量器26的测量传感器22扫描可测物体90的内壁92的第一测量区域。在第一测量区域的扫描结束时，控制器74驱动θ轴位移机构38，并使测量器26沿θ轴方向转动。然后，控制器74使测量器26沿w轴方向位移，并扫描内壁92上的与第一测量区域相邻的测量区域。采用这种方式，通过重复测量器26沿w轴向和θ轴向的位移来扫描整个内壁92。

随后，控制器74基于内壁92的每个测量区域的测量结果分析内壁92的表面构造。控制器74例如分析内壁92的详细三维形状作为表面构造。

此实施方式的优点

除了x轴位移机构30、y轴位移机构32和z轴位移机构34外，上述实施方式的表面构造测量装置1还包括使处于面向内壁92的状态的测量传感器22沿w轴方向(内壁92的法向)位移的w轴位移机构36以及使测量传感器22沿θ轴方向(气缸部分的周向)位移的θ轴位移机构38，并且测量传感器22以非接触方式测量可测物体90的内壁92的表面构造。在这种情况中，在测量传感器22被x轴位移机构30、y轴位移机构32和z轴位移机构34置为面向内壁92后，测量传感器22在w轴位移机构36和θ轴位移机构38的作用下沿w轴方向和θ轴方向位移。相应地，可高精度地自动测量可测物体90的内壁92的详细表面构造。

在上文的说明中，测量传感器22是使用光学干涉测量法测量内壁92的表面构造的光学干涉传感器。但是，本发明不局限于此。例如，测量传感器22可为通过捕获内壁92的图像来测量内壁92的表面构造的图像传感器。在这种情况中，可利用具有简单结构的图像传感器高精度地测量内壁92的详细表面构造。

另外，测量传感器22可为通过使光聚焦在内壁92上来测量内壁92的表面构造的共焦传感器。而且，测量传感器22可为通过检测与内壁92的捕获图像对比的峰值来测量内壁92的表面构造的传感器(为了便于说明，称为对比传感器)。采用这种方式，通过使用共焦传感器或对比传感器作为测量传感器22，可高精度地测量内壁92的详细三维形状。

在上文中，可测物体90是发动机的气缸盖。但是，可测物体90不局限于此。可测物体90例如也可以是珩磨管。换言之，可测物体90可以是具有圆筒部分的任何物体。

另外，在上文的说明中，是测量气缸部分的内壁92的表面构造。但是，本发明不局限于此。例如，可测物体90可具有方形管部分(从上方观察时为矩形)，并且可测量方形管部分的内壁92的表面构造。

虽然本发明在上文中是通过具体实施方式来说明的，但是本发明的技术范围不局限于上述实施方式中所述的技术范围。对于本领域技术人员来说，显而易见的是，可在上述实施方式的基础上做出多种修改或改进。所附权利要求的范围明确表明，这种修改和改进也包含在本发明的技术范围之内。

应注意，上述实例仅用于示例性地说明本发明，而不是限制本发明。虽然本发明是参照示例性实施方式来说明的，但是应理解，在本文中所用的词汇是说明性和示例性的，而不是限定性的。在本脱离本发明的各个方面的范围和精神的前提下，可在当前所述的和修正的所附权利要求限定的范围内做出各种更改。虽然本发明是参照特定结构、材料和实施方式来说明的，但是本发明不限于在此公开的细节；相反，本发明意图涵盖属于所附权利要求的范围之内的所有功能等效的结构、方法和用途。

本发明不局限于上述的实施方式，在不脱离本发明的范围的前提下，能够做出各种变化和修改。