斜置正交激光框架及一体式V型工作台配合的精密测量机

斜置正交激光框架及一体式v型工作台配合的精密测量机
技术领域
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.本发明的目的就是针对上述现有技术存在的问题，结合当前对测量和评价形状复杂的微纳米级微器件的实际需要，研究设计一种新结构的斜置正交激光框架及一体式v型工作台配合的精密测量机，达到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.本发明的目的是这样实现的：一种斜置正交激光框架及一体式v型工作台配合的精密测量机，其特征在于：在支柱底座横向左、右侧部位上分别安装立向支撑柱，轴座支撑配装在立向支撑柱上；
7.所述支柱底座上端面上可纵向和横向移动地配装横向气浮轴套，在所述支柱底座位于横向气浮轴套横向左、右侧部位上相互对称地固装纵向导轨，所述横向气浮轴套底部和内侧与纵向运动轴接触位置布置有气浮面，横向气浮轴套可横向往复移动地支撑插配在纵向运动轴上，所述纵向运动轴可纵向往复移动地支撑插配在纵向导轨上；在所述轴座上可立向上下移动地插装立轴、在所述立轴下端部上安装吊挂架、探针安装在吊挂架上端；
8.所述横向气浮轴套上使用支撑板固装v型工作台，所述v型工作台由微晶玻璃制成，v型工作台具有的第一激光反射面、第二激光反射面、纵向激光反射面在空间上呈正交关系；
9.所述探针位于v型工作台相对的内侧部位处，在吊挂架上安装第一激光干涉仪、第
二激光干涉仪、纵向激光干涉仪，所述第一激光干涉仪、第二激光干涉仪、纵向激光干涉仪产生的激光光线分别与v型工作台相对应的三个面垂直，且三束激光光线延长线正交汇集在探针的测球中心；
10.所述立轴竖直两侧，靠近探针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；
11.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；
12.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，所述第一激光干涉仪、第二激光干涉仪、纵向激光干涉仪发射出的激光光线包含多束激光光束。
14.优选的，所述横向气浮轴套带动v型工作台在横向和纵向移动，所述立向移动机构控制所述立轴在竖直方向移动探针；
15.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；
16.所述第二激光干涉仪获取位移为y
″
，获取旋转角r
x
；
17.所述第一激光干涉仪通过获取立向轴位移为z
″
；
18.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
′
；
19.所述补偿公式为：
[0020][0021]
优选的，在待测件坐标系中，对待测件进行测量时，所述横向气浮轴套带动v型工作台在横向和纵向移动，所述立向移动机构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；
[0022]
第i次待检测位置点的坐标(a
′i，b
′i，c
′i)，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
[0023]
转换公式(1)为：
[0024]
其中：θ＝-45
°
[0025]
回转轴带动待测样件转动角度转动角度后，所述横向气浮轴套带动v型工作台在横向和纵向移动，所述立向移动机构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；
[0026]
将表面坐标(a2j，b2j，c2j)通过转换公式(2)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：
7、固定槽；
具体实施方式
[0041]
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。
[0042]
实施例
[0043]
本发明提供了一种斜置正交激光框架及一体式v型工作台配合的精密测量机，在支柱底座1-3横向左、右侧部位上分别安装立向支撑柱1-2，轴座1-1支撑配装在立向支撑柱1-2上；
[0044]
所述支柱底座1-3上端面上可纵向和横向移动地配装横向气浮轴套3-4，在所述支柱底座1-3位于横向气浮轴套3-5横向左、右侧部位上相互对称地固装纵向导轨3-5，所述横向气浮轴套3-4底部和内侧与纵向运动轴3-3接触位置布置有气浮面，横向气浮轴套3-4可横向往复移动地支撑插配在纵向运动轴3-3上，所述纵向运动轴3-3可纵向往复移动地支撑插配在纵向导轨3-5上；在所述轴座1-1上可立向上下移动地插装立轴2-1、在所述立轴2-1下端部上安装吊挂架2-2、探针2-3安装在吊挂架2-2上端；
[0045]
所述横向气浮轴套3-4上使用支撑板3-2固装v型工作台3-1，所述v型工作台3-1由微晶玻璃制成，v型工作台3-1具有的第一激光反射面3-7、第二激光反射面3-8、纵向激光反射面3-9在空间上呈正交关系；
[0046]
所述探针2-3位于v型工作台3-1相对的内侧部位处，在吊挂架2-2上安装第一激光干涉仪2-5、第二激光干涉仪2-6、纵向激光干涉仪2-4，所述第一激光干涉仪2-5、第二激光干涉仪2-6、纵向激光干涉仪2-4产生的激光光线分别与v型工作台3-1相对应的三个面垂直，且三束激光光线延长线正交汇集在探针2-3的测球中心；
[0047]
所述立轴4-1竖直两侧，靠近探针2-3的一端分别开设固定槽4-7，所述缓冲气缸4-3由气缸固定块4-4固定安装于所述立向连接孔4-5内壁，且缓冲气缸4-3的伸缩端连接所述固定槽4-7内壁；
[0048]
所述轴座1-1沿竖直方向开设有贯穿的立向连接孔4-5，所述立向连接孔4-5内壁开设有安装槽4-6；
[0049]
立轴纳米电机4-2安装于所述安装槽4-6内，所述立轴纳米电机4-2输出轴沿直线移动，且可带动所述立轴600沿竖直方向滑动。
[0050]
进一步的，所述第一激光干涉仪2-5、第二激光干涉仪2-6、纵向激光干涉仪2-4发射出的激光光线包含多束激光光束。
[0051]
进一步的，所述横向气浮轴套3-4带动v型工作台3-1在横向和纵向移动，所述立向移动机构4控制所述立轴4-1在竖直方向移动探针2-3；
[0052]
其中，上文提到的立轴纳米电机4-2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。
[0053]
配装在回转轴3-6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二激光反射镜
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一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。
[0054]
补偿过程如下，通过横向气浮轴套3-4在纵向运动轴3-3和纵向导轨上产生的横向和纵向运动，固定在v型工作台3-1上的待测样品产生横向和纵向运动，所述立轴纳米电机4-2控制所述立轴4-1在竖直方向移动探针2-3；所述纵向激光干涉仪3-9获取位移为x
″
，获取偏航角为ry，获取俯仰角为rz；所述第二激光干涉仪2-6获取位移为y
″
，获取旋转角r
x
；所述第一激光干涉仪2-5通过获取立向轴位移为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：
[0055][0056]
在对待测件进行测量时，在仪器坐标系中，通过横向气浮轴套3-4在纵向运动轴3-3和纵向导轨上产生的横向和纵向运动，固定在v型工作台3-1上的待测样品产生横向和纵向运动，所述立轴纳米电机4-2控制所述立轴4-1在竖直方向移动探针2-3；当探针2-3与被测样件接触，在探针2-3反馈达到设定阈值后，该接触位置为待检测位置点，
[0057]
在仪器坐标系中，探针2-3和待测件相对运动时，不断移动探针2-3和待测件接触，当探针2-3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，依据第一激光干涉仪2-5、第二激光干涉仪2-6、纵向激光干涉仪2-4补偿后的位移值，在仪器坐标系中，得到第i次待检测位置点的坐标(ai′
，bi′
，ci′
)，i＝1，...，n；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
[0058]
转换公式(1)为：
[0059]
其中：θ＝-45
°
[0060]
若回转轴3-6配合测量，回转轴3-6带动待测样件转动角度转动角度后，所述横向气浮轴套3-4带动v型工作台3-1在横向和纵向移动，所述立向移动机构4控制所述立轴4-1在竖直方向移动探针2-3，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；
[0061]
由于回转轴3-6带动待测件发生了转动，旋转前探针2-3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2-3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(2)处理，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(2)为：
[0062][0063]
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。
[0064]
若不使用回转轴3-6，根据第一激光干涉仪2-5、第二激光干涉仪2-6、纵向激光干涉仪2-4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。
[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。