基于楔形气浮及斜置测量基准的紧凑型超精密坐标测量仪

1.本发明属于精密测量设备技术领域，主要涉及一种评定加工精度在微纳米量级的微器件的形位误差测量仪器。


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组件和测头，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内啮合式斜置正交激光测量基准形位尺寸综合测量仪，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：一种基于楔形气浮及斜置测量基准的紧凑型超精密坐标测量仪，机体结构包括后主机座、外壳、前主机座；前主机座和后主机座中央内侧部位左右对称配装有外壳；前主机座和后主机座中部位置设置有楔形槽；
7.在后主机座下端内侧安装有立向横向驱动机构，所述立向横向驱动机构由横向直线导轨、横向导轨安装平台、立向直线导轨、立向导轨安装平台组成，所述横向导轨安装平台安装于后主机座下端面内侧，横向直线导轨安装于横向导轨安装平台之上，所述立向导轨安装平台可横向往复运动的安装于横向直线导轨上，立向直线导轨固定于立向导轨安装平台上，探针模块框架下端部平面可立向往复运动的安装于立向直线导轨上；
8.所述探针模块框架上端部半圆内侧面固装有第一激光干涉仪、第二激光干涉仪，探针安装于探针模块框架上端面，探针模块框架后侧安装有吊挂架、纵向激光干涉仪由吊挂架固定；
9.所述纵向运动模块包括第一激光反射面、第二激光反射面、纵向激光反射面、气浮面、回转轴、样品固配面、挡板组成，所述纵向运动模块可纵向往复运动的安装于前主机座和后主机座楔形槽内部，纵向运动模块中第一激光反射面、第二激光反射面、纵向激光反射面相互垂直，所述第一激光反射面、第二激光反射面纵向前侧和纵向后侧分别对称设置气浮面，第一激光反射面、第二激光反射面未设置气浮面中段用于反射激光光线；
10.所述纵向运动模块设置于探针模块框架相对空间内侧；
11.所述纵向运动模块后侧设置有纵向驱动模块，纵向驱动模块由驱动杆和驱动电机组成，纵向运动模块由纵向驱动模块驱动，沿前主机座和后主机座楔形槽纵向移动；
12.所述第一激光干涉仪、第二激光干涉仪及纵向激光干涉仪产生激光光线依次分布第一激光反射面、第二激光反射面、纵向激光反射面垂直，且激光光线中的测距激光光束汇集于探针测头中心，所述探针测头中心位于探针模块框架半圆形结构圆心处；
13.优选的，第一激光反射面、第二激光反射面、纵向激光反射面使用微晶玻璃制成。
14.优选的，第一激光干涉仪、第二激光干涉仪及纵向激光干涉仪产生激光光线包含多束激光光束。
15.优选的，于样品固配面中部、第一激光反射面、第二激光反射面、纵向激光反射面相对空间的内侧部位安装回转轴。
16.优选的，所述探针可与在所述纵向运动模块的样品固配面上放置的样品进行抵接测量。
17.优选的，所述立向横向驱动机构带动所述探针及第一激光干涉仪、第二激光干涉仪及纵向激光干涉仪在立向和横向移动，所述纵向驱动模块控制所述纵向运动模块在纵向移动；
18.所述纵向激光干涉仪获取位移为x
″
，获取偏航角为ry，获取俯仰角为rz；
19.所述第一激光干涉仪获取位移为y
″
，获取旋转角r
x
；
20.所述第二激光干涉仪通过获取立向轴位移为z
″
；
21.根据补偿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
′
；
22.所述补偿公式为：
[0023][0024]
优选的，在待测件坐标系中，对待测件进行测量时，所述立向横向驱动机构带动所述探针及第一激光干涉仪、第二激光干涉仪及纵向激光干涉仪在立向和横向移动，所述纵向驱动模块控制所述纵向运动模块在纵向移动，得到第i次待检测位置点的坐标(ai′
，b
i’，ci′
)，i＝1，...，n；
[0025]
第i次待检测位置点的坐标(ai′
，bi′
，ci′
)，i＝1，...，n需要通过转换公式转换至标准坐标系中，得到坐标(ai，bi，ci)，i＝1，...，n，
[0026]
转换公式为：
[0027]
其中：θ＝-45
°
[0028]
回转轴带动待测样件转动角度转动角度后，所述立向横向驱动机构带动所述探针及第一激光干涉仪、第二激光干涉仪及纵向激光干涉仪在立向和横向移动，所述纵向驱动模块控制所述纵向运动模块在纵向移动，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；
[0029]
将表面坐标(a2j，b2j，c2j)通过转换公式转换至所述标准坐标系中，得到坐标(aj，bj，cj)；其中，转换公式为：
[0030][0031]
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。
[0032]
本发明提供了一种基于楔形气浮及斜置测量基准的紧凑型超精密坐标测量仪，本发明通过复合阿贝原则的结构设计，消除了三轴方向阿贝误差，且使用激光干涉仪测量探针和待测件之间的相对位移和相对旋转，实时消除旋转导致的测量误差，本发明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。
[0033]
具体的，本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
[0034]
1)本发明提出一种三角锥形运动块设计，气浮面为锥形结构，加工与装配简单，易于保证运动和装配精度；
[0035]
2)本发明的探针模块框架采用了半圆形结构设计，探针测头设置于半圆形框架结构圆形处，调试与安装简单，通过结构设计保证了装配精度；
[0036]
3)本发明的三角锥形运动块和探针框架配合实现了探针位移测量和探针触测点位于同一条直线上，该结构消除了一阶测量误差，实现高测量精度。
[0037]
4)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。本发明提出了一种
[0038]
本发明中通过结构设计消除了测量中的阿贝误差，提高了测量精度，通过立向横向驱动机构和纵向纳米驱动电机实现了探针和待测件之间的相对运动，可以实现对精度在微纳米级的复杂零件的高精度测量。
附图说明
[0039]
图1为本发明基于楔形气浮及斜置测量基准的紧凑型超精密坐标测量仪正面结构示意图
[0040]
图2为本发明基于楔形气浮及斜置测量基准的紧凑型超精密坐标测量仪背面结构
示意图
[0041]
图3为本发明基于楔形气浮及斜置测量基准的紧凑型超精密坐标测量仪突出内侧详细结构示意图
[0042]
图4为本发明基于楔形气浮及斜置测量基准的紧凑型超精密坐标测量仪立向横向驱动机构详细结构示意图
[0043]
图5为本发明基于楔形气浮及斜置测量基准的紧凑型超精密坐标测量仪纵向运动模块详细结构示意图
[0044]
图中附图标记：
[0045]
100、机体结构；110、后主机座；120、外壳；130、前主机座；200、立向横向驱动机构；210、横向直线导轨；220、横向导轨安装平台；230、立向直线导轨；240、立向导轨安装平台；300、纵向运动模块；310、第一激光反射面；320、第二激光反射面；330、纵向激光反射面；340、气浮面；350、回转轴；360、样品固配面；370、挡板；400、探针；410、第一激光干涉仪；420、第二激光干涉仪；430、纵向激光干涉仪；440、探针模块框架；450、吊挂架；500、纵向驱动模块；510、驱动杆；520、驱动电机；
具体实施方式
[0046]
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。
[0047]
实施例
[0048]
一种基于楔形气浮及斜置测量基准的紧凑型超精密坐标测量仪，机体结构100包括后主机座110、外壳120、前主机座130；前主机座130和后主机座110中央内侧部位左右对称配装有外壳120；前主机座130和后主机座110中部位置设置有楔形槽；
[0049]
在后主机座110下端内侧安装有立向横向驱动机构200，所述立向横向驱动机构200由横向直线导轨210、横向导轨安装平台220、立向直线导轨230、立向导轨安装平台240组成，所述横向导轨安装平台220安装于后主机座110下端面内侧，横向直线导轨210安装于横向导轨安装平台220之上，所述立向导轨安装平台240可横向往复运动的安装于横向直线导轨210上，立向直线导轨230固定于立向导轨安装平台240上，探针模块框架440下端部平面可立向往复运动的安装于立向直线导轨230上；
[0050]
所述探针模块框架440上端部半圆内侧面固装有第一激光干涉仪410、第二激光干涉仪420，探针400安装于探针模块框架440上端面，探针模块框架440后侧安装有吊挂架450、纵向激光干涉仪430由吊挂架450固定；
[0051]
所述纵向运动模块300包括第一激光反射面310、第二激光反射面320、纵向激光反射面330、气浮面340、回转轴350、样品固配面360、挡板370组成，所述纵向运动模块300可纵向往复运动的安装于前主机座130和后主机座110楔形槽内部，纵向运动模块300中第一激光反射面310、第二激光反射面320、纵向激光反射面330相互垂直，所述第一激光反射面310、第二激光反射面320纵向前侧和纵向后侧分别对称设置气浮面340，第一激光反射面310、第二激光反射面320未设置气浮面中段用于反射激光光线；
[0052]
所述纵向运动模块300设置于探针模块框架440相对空间内侧；
[0053]
所述纵向运动模块300后侧设置有纵向驱动模块500，纵向驱动模块由驱动杆510和驱动电机520组成，纵向运动模块300由纵向驱动模块500驱动，沿前主机座130和后主机座110楔形槽纵向移动；
[0054]
所述第一激光干涉仪410、第二激光干涉仪420及纵向激光干涉仪430产生激光光线依次分布第一激光反射面310、第二激光反射面320、纵向激光反射面330垂直，且激光光线中的测距激光光束汇集于探针400测头中心，所述探针400测头中心位于探针模块框架440半圆形结构圆心处；
[0055]
进一步的，第一激光反射面310、第二激光反射面320、纵向激光反射面330使用微晶玻璃制成。
[0056]
进一步的，第一激光干涉仪410、第二激光干涉仪420及纵向激光干涉仪430产生激光光线包含测距激光光束及测角激光光束。
[0057]
进一步的，于样品固配面360中部、第一激光反射面310、第二激光反射面320、纵向激光反射面330相对空间的内侧部位安装回转轴350。
[0058]
进一步的，所述探针400可与在所述纵向运动模块300的样品固配面360上放置的样品进行抵接测量。
[0059]
其中上文提到的立向直线导轨230和横向直线导轨为现有技术，其可以是“日本iko直线电机工作台”，或其他可以实现相同功能的工作台，在此不限。
[0060]
其中上文提到的纵向驱动模块500为现有技术，其可以是音圈电机或其他可以实现相同功能的驱动模块，在此不限。
[0061]
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，俯仰角是指探针组件绕垂直第一激光反射镜轴线方向产生的角度值ry，旋转角是指探针组件绕垂直纵向激光反射镜轴线方向产生的角度值r
x
，偏航角是指绕探针组件绕垂直第二激光反射镜轴线方向产生的角度值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。
[0062]
补偿过程如下，所述立向横向驱动机构200带动所述探针400及第一激光干涉仪410、第二激光干涉仪420及纵向激光干涉仪430在立向和横向移动，所述纵向驱动模块500控制所述纵向运动模块300在纵向移动；所述纵向激光干涉仪430获取位移为x
″
，获取偏航角为ry，获取俯仰角为rz；所述第一激光干涉仪410获取位移为y
″
，获取旋转角r
x
；所述第二激光干涉仪420通过获取位移为z
″
；根据补偿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
′
；所述补偿公式为：
[0063][0064]
进一步的，在待测件坐标系中，对待测件进行测量时，所述立向横向驱动机构200带动所述探针400及第一激光干涉仪410、第二激光干涉仪420及纵向激光干涉仪430在立向和横向移动，所述纵向驱动模块500控制所述纵向运动模块300在纵向移动，依据第一激光干涉仪410、第二激光干涉仪420及纵向激光干涉仪430获得位移，得到待测件坐标系中，第i
次待检测位置点的坐标(ai′
，bi′
，ci′
)，i＝1，...，n；
[0065]
第i次待检测位置点的坐标(ai′
，bi′
，ci′
)，i＝1，...，n需要通过转换公式1转换至标准坐标系中，得到坐标(ai，bi，ci)，i＝1，...，n，
[0066]
转换公式1为：
[0067]
其中：θ＝-45
°
[0068]
若回转轴430配合测量，回转轴350带动待测样件转动角度转动角度后，所述立向横向驱动机构200带动所述探针400及第一激光干涉仪410、第二激光干涉仪420及纵向激光干涉仪430在立向和横向移动，所述纵向驱动模块500控制所述纵向运动模块300在纵向移动，在待测件坐标系中获取第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；
[0069]
由于回转轴430带动待测件发生了转动，旋转前探针400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400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，将表面坐标(a2j，b2j，c2j)转换至所述标准坐标系中，得到坐标(aj，bj，cj)；其中，转换公式2为：
[0070][0071]
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。
[0072]
若不使用回转轴430，根据第一激光干涉仪410、第二激光干涉仪420及纵向激光干涉仪430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。
[0073]
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。
[0074]
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。
[0075]
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。