基于框架式激光测量基准的大行程高精度形位误差测量仪

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：
7.基于框架式激光测量基准的大行程高精度形位误差测量仪，包括主机座，在所述主机座的左右两侧设置有立向支撑柱，两根所述立向支撑柱的顶部设置有轴座；所述左侧立向支撑柱开设有安装空间，可容纳探针组件；所述主机座开设有通孔，可使得立向激光光束照射至立向激光反射镜上；
8.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，反射镜模块固连于横向纵向移动机构中纵向运动块左侧端部；纵向运动块可纵向往复运动的套装于纵向导轨上，所述纵向导轨可横向往复运动的安装于横向导轨内；
9.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；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.所述反射镜模块由一整块微晶玻璃制成，反射镜模块左侧面设置为横向激光反射
镜，后侧面设置为纵向激光反射镜，底面设置为立向激光反射镜，回转轴配装于反射镜模块内侧，回转轴端面与样品固配面在同一平面；所述立向激光反射镜、横向激光反射镜、纵向激光反射镜相互垂直；
11.所述探针组件由立向激光干涉仪、横向激光干涉仪、纵向激光干涉仪、探针及吊挂架组成，所述探针安装于吊挂架上，在吊挂架上固装立向激光干涉仪、横向激光干涉仪和纵向激光干涉仪；立向激光干涉仪、横向激光干涉仪和纵向激光干涉仪产生测距光线正交汇聚于探针测头处；立向激光干涉仪、横向激光干涉仪、纵向激光干涉仪产生光线分别与立向激光反射镜、横向激光反射镜、纵向激光反射镜垂直；
12.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。
13.优选的，所述探针可与在所述样品固配面上放置的样品进行抵接测量。
14.优选的，所述立向激光干涉仪、横向激光干涉仪、纵向激光干涉仪发射出的激光光线包含多束激光光束。
15.优选的，所述横向纵向移动机构控制所述反射镜模块在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机控制所述立轴在竖直方向移动探针；
16.所述纵向激光干涉仪获取纵向轴位移为x
″
，获取偏航角为ry，获取俯仰角为rz；
17.所述横向激光干涉仪获取横向轴位移为y
″
，获取旋转角r
x
；
18.通过立向激光干涉仪获取立向轴位移为z
″
；
19.根据补充公式计算被测样件补偿后的纵向轴位移x
′
、横向轴位移y
′
、立向轴位移z
′
；
20.所述补充公式为：
[0021][0022]
优选的，所述横向纵向移动机构控制所述反射镜模块在横向和纵向移动，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；
[0023]
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反射镜模块在横向和纵向移动，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；
[0024]
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：
[0025]
[0026]
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。
[0027]
本发明结构设计符合阿贝原则，测量误差小，同时使用激光干涉仪测量位移和角度，在横向、纵向、立向上获得亚纳米级测量精度，且通过角度对位移误差进行实时补偿，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。
[0028]
具体的，本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
[0029]
1)本发明结构设计在横向、纵向、立向上符合阿贝原则，通过结构设计消除一阶测量误差，实现了高测量精度；
[0030]
2)本发明提出了一种框架式正交激光测量基准，可以监测探针及待测件六自由度运动结构，其可以准确测量三轴方向探针和待测件之间相对位移及偏转角度，实现测量误差的实时补偿，保证测量仪的高测量精度。
[0031]
3)本发明提出的探针组件及反射镜模块易于移植，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。
[0032]
4)本发明提出的一种框架式正交激光测量基准，将z轴置于运动座底部，可以有效扩大提高测量范围，利用激光干涉仪检测位移和角度，该框架式正交激光测量基准结构使得本发明兼具高精度和大行程。
[0033]
本发明结构独特、合理，精度远高于传统尺寸及形位误差测量仪器，可在较小的体积内，兼具高测量精度和大行程。
附图说明
[0034]
图1为本发明一种基于框架式激光测量基准的大行程高精度形位误差测量仪结构示意图；
[0035]
图2为本发明一种基于框架式激光测量基准的大行程高精度形位误差测量仪的反射镜模块及探针组件结构及相对空间位置示意图；
[0036]
图3为本发明一种基于框架式激光测量基准的大行程高精度形位误差测量仪的主机座结构示意图；
[0037]
图4为本发明一种基于框架式激光测量基准的大行程高精度形位误差测量仪突出立向驱动机构的示意图；
[0038]
图中件号说明：
[0039]
100、主机座；200、立向支撑柱；300、轴座；400、横向纵向移动机构；410、纵向运动块；420、纵向导轨；430、横向导轨；500、反射镜模块；510、立向激光反射镜；520、横向激光反射镜；530、纵向激光反射镜；540、样品固配面；550、回转轴；600、探针组件；610、立向激光干涉仪；620、横向激光干涉仪；630、纵向激光干涉仪；640、探针；650、吊挂架；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]
本发明提供了一种基于框架式激光测量基准的大行程高精度形位误差测量仪，参见图1-图4，包括主机座100，在所述主机座100的左右两侧设置有立向支撑柱200，两根所述立向支撑柱200的顶部设置有轴座300；所述左侧立向支撑柱200开设有安装空间，可容纳探针组件600；所述主机座100开设有通孔，使得立向激光干涉仪610发射的激光光束可穿过主机座100照射至立向激光反射镜510上；
[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，反射镜模块500固连于横向纵向移动机构400中纵向运动块410左侧端部；纵向运动块410可纵向往复运动的套装于纵向导轨420上，所述纵向导轨420可横向往复运动的安装于横向导轨430内；
[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；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；
[0045]
所述反射镜模块500由一整块微晶玻璃制成，反射镜模块500左侧面设置为横向激光反射镜520，后侧面设置为纵向激光反射镜530，底面设置为立向激光反射镜510，回转轴550配装于反射镜模块500内侧，回转轴端面550与样品固配面540在同一平面；所述立向激光反射镜510、横向激光反射镜520、纵向激光反射镜530相互垂直；
[0046]
所述探针组件600由立向激光干涉仪610、横向激光干涉仪620、纵向激光干涉仪630、探针640及吊挂架650组成，所述探针640安装于吊挂架600上，在吊挂架650上固装立向激光干涉仪610、横向激光干涉仪620、纵向激光干涉仪630；立向激光干涉仪610、横向激光干涉仪620、纵向激光干涉仪630产生测距光线正交汇聚于探针640测头处；立向激光干涉仪610、横向激光干涉仪620、纵向激光干涉仪630产生光线分别与立向激光反射镜510、横向激光反射镜520、纵向激光反射镜530垂直；
[0047]
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710输出轴沿直线移动，且可带动所述立轴600沿竖直方向滑动。
[0048]
进一步的，所述探针640可与在所述样品固配面540上放置的样品进行抵接测量。
[0049]
进一步的，所述立向激光干涉仪610、横向激光干涉仪620、纵向激光干涉仪630发射出的激光光线包含多束激光光束。
[0050]
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。
[0051]
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《双直线电机驱动的h型运动平台控制研究》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平台，在此不限。
[0052]
配装在回转轴550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，俯仰角是指反射镜模块在绕y轴产生的角度值ry，旋转角是指反射镜模块绕x轴产生的角度值r
x
，偏航角是指反射镜模块绕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。
[0053]
补偿过程如下，所述横向纵向移动机构400控制所述反射镜模块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640；所述纵向激光干涉仪630获取纵向轴位移为x
″
，获取偏航角为ry，获取俯仰角为rz；所述横向激光干涉仪620获取横向轴位移为y
″
，获取旋转角r
x
；通过立向激光干涉仪610获取立向轴位移为z
″
；
[0054]
根据补充公式计算被测样件补偿后的纵向轴位移χ
′
、横向轴位移y
′
、立向轴位移z
′
；
[0055]
所述补充公式为：
[0056][0057]
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控制所述反射镜模块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640；当探针640与被测样件接触，在探针640反馈达到设定阈值后，该接触位置为待检测位置点。
[0058]
在待测件坐标系中，探针640和待测件相对运动时，可以获得补偿后的纵向轴位移x
′
、横向轴位移y
′
、立向轴位移z
′
。不断移动探针640和待测件接触，当探针640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。
[0059]
若回转轴550配合测量，则回转轴550带动待测样件转动角度后，再次移动探针640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。
[0060]
由于回转轴550带动待测件发生了转动，旋转前探针640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640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：
[0061][0062]
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。
[0063]
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。
[0064]
若不使用回转轴550，根据纵向激光干涉仪630、横向激光干涉仪620、立向激光干涉仪610测得纵向轴位移x
′
、横向轴位移y
′
、立向轴位移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。
[0065]
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。
[0066]
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。
[0067]
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。