立方体式反射镜组及探针一体的形位误差测量仪

1.本发明属于精密测量仪器，主要涉及一种评定加工精度在微纳米量级的微器件尺寸及形位误差测量仪器。


背景技术：

2.近年来，微电子技术的进步在许多领域引发了一场微小型化革命，以微米加工、纳米结构和系统为目的的微/纳米技术在此背景下应运而生，出现了各种微/ 纳米级的微器件，如微齿轮、微型孔、微型喷嘴、微型台阶等mems产品。
3.传统三坐标测量机在面对几何尺寸在数十微米至数毫米之间，尺寸不确定度在数十纳米至数百纳米的微纳米器件测量场景时，测量精度和测量尺寸无法满足这些器件的三维精密测量要求。与此同时，分辨力在纳米和皮米量级的扫描探针显微镜(spm)、激光外差干涉技术等方法测量范围小，探针短，无法满足微纳米级器件的三维测量要求。因此，现有的工业界和学术界迫切需求一种可测量三维器件尺寸及形位误差、分辨力在微纳米量级的测量设备来可靠的评价形状复杂的微纳米级微器件。
4.发明专利“小型微纳米级三坐标测量机”(公开号：cn104457563a，李志刚) 提供了一种小型微纳米三坐标测量机，该发明利用纳米定位工作台、ccd组件和探针，设计了一种小型微纳米级三坐标测量机，该微纳米三坐标测量机成本较低，但是无法测量复杂形状的零件尺寸及形位误差。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种超精密形位误差测量仪，不仅可以适应和满足对形状复杂零件尺寸及形位误差的微纳米级精密测量使用、而且实现测量精准度高、测量重复性好、测量速度快、效率高的目的。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供的一个技术方案如下：立方体式反射镜组及探针一体的形位误差测量仪，包括主机座，在所述主机座的上侧间隔设置有立向支撑柱，两根所述立向支撑柱的顶部设置有轴座。
7.所述主机座上侧且位于两根立向支撑柱之间设置有横向纵向移动机构，所述横向纵向移动机构的上侧面设置角度位移测量组件。
8.所述轴座上沿竖直方向滑动设置有立轴；所述轴座上设置有控制所述立轴沿竖直方向移动的立轴纳米电机，以及设置缓冲气缸对立轴进行重力补偿；
9.所述立轴竖直两侧，靠近探针组件的一端分别开设固定槽，所述缓冲气缸由缓冲气缸固定块固定安装于所述立向连接孔内壁，且缓冲气缸的伸缩端连接所述固定槽内壁；所述立轴下端面设置有探针组件；
10.所述角度位移测量组件由横向激光干涉仪、纵向激光干涉仪、立向激光干涉仪及激光干涉仪安装块组成，立向激光干涉仪安装于激光干涉仪安装块内侧凹槽处，横向激光干涉仪和纵向激光干涉仪安装于激光干涉仪安装块上顶面；所述激光干涉仪安装块内侧平
面为样品固配面；所述样品固配面上设置有回转轴，所述被测样件放置于所述回转轴上端；所述样品固配面内侧设置有检测所述回转轴转动角度的角度测量机构。
11.所述探针组件由反射镜块及探针组成，反射镜块底面设置有立向激光反射面、反射镜块后侧设置有纵向激光反射面、反射镜块左侧设置有横向激光反射面；所述探针安装于反射镜块的相对空间内侧；所述探针组件安装于角度位移测量组件相对空间内侧；所述立向激光反射面、横向激光反射面、纵向激光反射面相互正交。
12.优选的，所述反射镜块及激光干涉仪安装块均使用微晶玻璃制作。
13.优选的，所述横向纵向移动机构可带动所述角度位移测量组件沿横向和纵向移动。
14.优选的，所述轴座沿竖直方向开设有贯穿的立向连接孔，所述立向连接孔内壁开设有安装槽；立轴纳米电机安装于所述安装槽内，所述立轴纳米电机输出轴沿直线移动，且可带动所述立轴沿竖直方向滑动。
15.优选的，所述探针可与在所述角度位移测量组件上放置的样品进行抵接测量。
16.优选的，所述横向纵向移动机构控制所述角度位移测量组件在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机控制所述立轴在竖直方向移动探针；
17.所述横向激光干涉仪获取横向轴位移为x
″
，获取偏航角为rz，获取俯仰角为 ry；
18.所述纵向激光干涉仪获取纵向轴位移为y
″
，获取旋转角r
x
；
19.通过立向激光干涉仪获取立向轴位移为z
″
；
20.根据补充公式计算被测样件补偿后的横向轴位移x
′
、纵向轴位移y
′
、立向轴位移z
′
；
21.所述补充公式为：
[0022][0023]
优选的，在待测件坐标系中，对待测件进行测量时，所述横向纵向移动机构控制所述角度位移测量组件在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机控制所述立轴在竖直方向移动探针，得到第i次待检测位置点的坐标(ai，bi，ci)，i＝1，...，n；
[0024]
回转轴带动待测样件转动角度转动角度后，所述横向纵向移动机构控制所述角度位移测量组件在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机控制所述立轴在竖直方向移动探针，在仪器坐标系下获取第j次待检测位置点的坐标 (a2j，b2j，c2j)，j＝n 1，...，n k，其中，n、k为整数；
[0025]
将表面坐标(a2j，b2j，c2j)通过转换公式转换为所述待测件坐标系中，得到坐标(aj,bj,cj)；其中，转换公式为：
[0026][0027]
若干待检测位置点坐标(aj,bj,cj)和若干待检测位置点坐标值(ai,bi,ci)结合，获
取一组待测件表面坐标集(ai，bi，ci)，i＝1，...，n k。
[0028]
本发明提供了一种立方体式反射镜组及探针一体的形位误差测量仪，通过设置的移动机构和立轴，分别带动角度位移测量组件及探针组件移动。横向激光干涉仪、纵向激光干涉仪、立向激光干涉仪产生激光光线分别与横向激光反射面、纵向激光反射面、立向激光反射面垂直，且横向激光干涉仪、纵向激光干涉仪、立向激光干涉仪可以测量位移和角度。至此构成立方体式反射镜组及探针一体的形位误差测量仪。
[0029]
本发明使用激光干涉仪测量探针和待测件之间的相对位移，可以在xyz三轴方向获得亚纳米级的测量精度，其精度远高于传统尺寸及形位误差测量仪器，具有结构独特、合理、适用能力强、适用范围广、测量精度高、速度快、重复性好的特点。
[0030]
具体的，本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
[0031]
1)本发明使用激光干涉仪对探针和待测件之间的相对位移和相对旋转进行实时检测，对位移误差进行实时补偿，可以实现待测件表面形位误差的超高精度测量。
[0032]
2)本发明反射镜块及激光干涉仪安装块采用微晶玻璃制作，确保了激光干涉仪和反射镜组位置不受超精密仪器主要误差——热膨胀影响，可以极大的提高测量精度。
[0033]
3)本发明提出的反射镜块及角度位移测量组件易于移植，可安装至现有低精度形位误差测量仪中，使得低精度形位误差测量仪也具有高精度测量微纳米级微器件的能力。
[0034]
本发明中的探针和立方体式反射镜块结合，配合角度位移测量组件，通过横向纵向移动机构及立轴纳米驱动电机实现探针和待测件的相对运动，以简单的结构实现了高测量精度。
附图说明
[0035]
图1为本发明一种立方体式反射镜组及探针一体的形位误差测量仪结构示意图；
[0036]
图2为图1本发明一种立方体式反射镜组及探针一体的形位误差测量仪的反射镜块结构示意图；
[0037]
图3为图1本发明一种立方体式反射镜组及探针一体的形位误差测量仪的角度位移测量组件结构示意图；
[0038]
图4为本发明一种立方体式反射镜组及探针一体的形位误差测量仪突出立向驱动机构的示意图；
[0039]
图中件号说明：100、主机座；200、立向支撑柱；300、轴座；400、横向纵向移动机构；410、纵向导轨；420、横向导轨；430、横向运动块；500、角度位移测量组件；510、横向激光干涉仪；520、纵向激光干涉仪；530、立向激光干涉仪；540、激光干涉仪安装块；550、样品固配面；560、回转轴；600、探针组件；610、反射镜块；611、纵向激光反射面；612、立向激光反射面；613、横向激光反射面；620、探针；700、立向移动机构；710、立轴；720、立轴纳米电机；730、缓冲气缸；740、气缸固定块；750、立向连接孔；760、安装槽；770、固定槽；
具体实施方式
[0040]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提
下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
实施例
[0042]
本发明提供了一种立方体式反射镜组及探针一体的形位误差测量仪，参见图 1-图4，包括主机座100，在所述主机座100的上侧间隔设置有立向支撑柱200，两根所述立向支撑柱200的顶部设置有轴座300；
[0043]
所述主机座100上侧且位于两根立向支撑柱200之间设置有横向纵向移动机构400，所述横向纵向移动机构400的上侧面设置角度位移测量组件500；
[0044]
所述轴座300上沿竖直方向滑动设置有立轴710；所述轴座300上设置有控制所述立轴710沿竖直方向移动的立轴纳米电机720，以及设置缓冲气缸730对立轴710进行重力补偿；
[0045]
所述立轴710竖直两侧，靠近探针组件600的一端分别开设固定槽770，所述缓冲气缸730由缓冲气缸固定块740固定安装于所述立向连接孔750内壁，且缓冲气缸730的伸缩端连接所述固定槽770内壁；所述立轴710下端面设置有探针组件600；
[0046]
所述角度位移测量组件500由横向激光干涉仪510、纵向激光干涉仪520、立向激光干涉仪530及激光干涉仪安装块540组成，立向激光干涉仪530安装于激光干涉仪安装块540内侧凹槽处，横向激光干涉仪510和纵向激光干涉仪 520安装于激光干涉仪安装块540上顶面；
[0047]
所述激光干涉仪安装块540内侧平面为样品固配面550；
[0048]
所述样品固配面550上设置有回转轴560，所述被测样件放置于所述回转轴560上端；所述样品固配面550内侧设置有检测所述回转轴560转动角度的角度测量机构。
[0049]
所述探针组件600由反射镜块610及探针620组成，反射镜块610底面设置有立向激光反射面612、反射镜块610后侧设置有纵向激光反射面611、反射镜块610左侧设置有横向激光反射面613；所述探针620安装于反射镜块610的相对空间内侧；所述探针组件600安装于角度位移测量组件500相对空间内侧；
[0050]
所述立向激光反射面612、横向激光反射面613、纵向激光反射面611相互正交。
[0051]
所述反射镜块610及激光干涉仪安装块540均使用微晶玻璃制作。
[0052]
所述横向纵向移动机构400可带动所述角度位移测量组件500沿横向和纵向移动。
[0053]
所述轴座300沿竖直方向开设有贯穿的立向连接孔750，所述立向连接孔750 内壁开设有安装槽760；立轴纳米电机720安装于所述安装槽760内，所述立轴纳米电机720输出轴沿直线移动，且可带动所述立轴600沿竖直方向滑动。
[0054]
所述探针620可与在所述角度位移测量组件500上放置的样品进行抵接测量。
[0055]
其中，上文提到的立轴纳米电机720为现有技术，其可以是论文《一种双足驱动压电直线电机》中的直线电机，或者其他可以实现直线移动的驱动电机，在此不限。
[0056]
其中，上文提到的横向纵向移动机构400为现有技术，其可以是论文《designand control of a dual-stage feed drive》中的二维位移台，或者其他可以实现横向纵向移动的二维位移台，在此不限。
[0057]
配装在回转轴560上的待测件沿横向或纵向移动时，或立轴沿立向移动时，均会产生三个角度误差，即俯仰角、偏航角、旋转角，俯仰角是指样品固配座在绕y轴产生的角度值ry，旋转角是指样品固配座绕x轴产生的角度值r
x
，偏航角是指绕z轴产生的角度值rz，其中
仪器在测量过程中，需要对俯仰角、偏航角、旋转角导致的三轴位移测量误差进行补偿。
[0058]
补偿过程如下，通过横向纵向移动机构400控制待测样品在横向和纵向移动，立轴纳米电机720控制立轴600在竖直方向移动，
[0059]
所述横向激光干涉仪510获取横向轴位移为x
″
，获取偏航角为rz，获取俯仰角为ry；
[0060]
所述纵向激光干涉仪520获取纵向轴位移为y
″
，获取旋转角r
x
；
[0061]
通过立向激光干涉仪530获取立向轴位移为z
″
；
[0062]
测量得到俯仰角ry、偏航角rz、旋转角r
x
后，基于俯仰角、偏航角、旋转角，使用补充公式对横向轴位移x
″
、纵向轴位移y
″
、立向轴位移z
″
进行补偿，得到补偿后的横向轴位移x
′
、纵向轴位移y
′
、立向轴位移z
′
。补充公式为：
[0063][0064]
在对待测件进行测量时，在仪器坐标系中，通过所述横向纵向移动机构400 控制所述角度位移测量组件500在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机720控制所述立轴710在竖直方向移动探针620；当探针620与被测样件接触，在探针 620反馈达到设定阈值后，该接触位置为待检测位置点。
[0065]
在待测件坐标系中，探针620和待测件相对运动时，可以获得补偿后的横向轴位移χ
′
、纵向轴位移y
′
、立向轴位移z
′
。不断移动探针620和待测件接触，当探针620与被测样件接触时，该接触位置设定为第i次待检测位置点，依据横向、纵向、立向的轴向位移，在仪器坐标系中，可以获得第i组待检测位置点的坐标值(ai，bi，ci)，i＝1，...，n。
[0066]
若回转轴560配合测量，则回转轴560带动待测样件转动角度后，再次移动探针620对待测件进行测量，依据横向、纵向、立向的轴向位移，在仪器坐标系中测量得到第j次待检测位置点的坐标(a2j，b2j，c2j)，j＝n 1,...,n k，其中，n、k为整数。
[0067]
由于回转轴560带动待测件发生了转动，旋转前探针620与被测样件接触时，该接触位置设定为第i次待检测位置点，得到一组坐标值(ai，bi，ci)，i＝1，...，n；旋转后，探针620与被测样件接触时，该接触位置设定为第j次待检测位置点，得到这一组新的坐标值(a2j，b2j，c2j)，j＝n 1,...,n k所处坐标系也发生了变化，需要将旋转后得到的这一组新的坐标值(a2j，b2j，c2j)，j＝n 1,...,n k通过转换公式处理，将两者映射至同一坐标系下，即转化至在待测件坐标系中，处理后的坐标值为(aj,bj,cj)。其中，转换公式为：
[0068][0069]
若干待检测位置点坐标(aj,bj,cj)和若干待检测位置点坐标值(ai,bi,ci)结合，最终得到一组待测件表面坐标集(ai，bi，ci)，i＝1，...，n k。上述中一组待测件表面坐标包括若干次待检测位置点的坐标。
[0070]
依据测量得到的这组待测件表面坐标集(ai，bi，ci)，i＝1，...n k，即可以快速评定待测件尺寸及形位误差。
[0071]
若不使用回转轴560，根据横向激光干涉仪510、纵向激光干涉仪520、立向激光干涉仪530可测得各轴位移为x
′
，y
′
，z
′
，当探针判定一次合格的接触后，依据各轴位移x
′
，y
′
，z
′
经过误差补偿、数据处理后，即可获得待测件表面的一个测点坐标(x,y,z)，通过对待测件表面的若干测点，可实现对复杂形状待测件的形位误差的高精度测量。
[0072]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0073]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接、可以是机械连接，也可以是电连接、可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0074]
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。