CN101149257A - 测长装置 - Google Patents

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CN101149257A CNA2007101277454A CN200710127745A CN101149257A CN 101149257 A CN101149257 A CN 101149257A CN A2007101277454 A CNA2007101277454 A CN A2007101277454A CN 200710127745 A CN200710127745 A CN 200710127745A CN 101149257 A CN101149257 A CN 101149257A
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Abstract

本发明公开一种测长装置，其用于对测量物的形状进行测量，该测长装置包括测量探测器、可动机台及校正模块，该测量探测器包括第一测量探测器和第二测量探测器，其中，该第一测量探测器上设有沿测长方向设置且对测量物进行测量的测量端子；该第二测量探测器上设有沿测长方向设置且对平面基准面进行测量的测量端子，该校正模块收集该第一测量探测器和第二测量探测器的测量信息后对其进行校正。

Description

测长装置
技术领域
本发明涉及一种用于测量精密产品形状的测长装置，特别是一种可以实时自动校正真直度等误差的测长装置。
背景技术
测长装置广泛应用于镜片等精密光学元件及制造该光学元件的模具形状的测量领域。测长装置通常包括以下两种类型，一是将测量端子接触于被测量物表面进行测量的接触式测长装置；二是将光触针的光斑聚焦于被测量物表面进行测量的非接触式测长装置。上述两种类型的测长装置均有如图1所示的结构，即固定部31上固设有导轨32，该导轨32上载有沿着该导轨滑动自如的可动机台33，该可动机台33上载设具有测量端子或光触针的测量探测器331。当可动机台33上载设具有测量端子的测量探测器331时，将该测量探测器331的测量端子接触于被测量物34表面进行形状测量。当可动机台33上载设具有光触针的测量探测器331时，将该测量探测器331的光触针的光斑聚焦于被测量物34表面，用光扫描方式对被测量物34的形状进行测量。
在上述测长装置中，无法避免导轨真直度误差、载有测量探测器或被测量物的机台运动误差。因此，在使用现有测长装置时，导轨的真直度误差(XY平面内真直度误差、XZ平面内真直度误差)及可动机台运动误差(Z轴旋转误差、Y轴旋转误差、X轴旋转误差)，会干扰测量探测器的测量工作，进而会降低形状测量精度。
为解决上述问题，可以事先测量好导轨真直度误差，在数据处理时根据测量好的导轨真直度误差对测量结果进行校正，但真直度误差的重复出现性较差，所以仍然会存在不能准确校正误差的缺点。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种可以实时自动校正导轨真直度误差与可动机台运动误差的测长装置。
本发明提供一种测长装置，其用于对被测量物的形状进行测量，该测长装置包括测量探测器、可动机台及校正模块，该测量探测器包括第一测量探测器和第二测量探测器，其中，该第一测量探测器上设有沿测长方向设置且对被测量物进行测量的测量端子；该第二测量探测器上设有沿测长方向设置且对平面基准面进行测量的测量端子，该校正模块收集该第一测量探测器和第二测量探测器的测量信息后对其进行校正。
作为本发明的改进，本发明的测长装置，第一测量探测器和第二测量探测器，设置在测长方向上的一条直线上。上述结构的两个探测器分别所测得的导轨和机台运动误差信息的相位相反且相互抵消，  因此，导轨和机台运动误差信息的校正容易，还可以提高测量精度。
作为本发明的改进，本发明的测长装置，第一测量探测器和第二测量探测器，在测长方向上相互平行设置。上述结构的可动机台的宽度变小，  因此，该测量装置可实现小型化。
如上所述，本发明的测长装置通过校正模块进行实时自动校正，降低导轨真直度误差及可动机台运动误差对测量结果的负面影响。
另外，本发明的测长装置由数量较少的元件组成，故具有制造简单、价格低廉的优点。
附图说明
图1是现有测长装置和机台运动的误差主要要素立体示意图；
图2是本发明测长装置的第一实施例的第一状态立体示意图；
图3是本发明测长装置的第一实施例的全系统平面图；
图4是本发明测长装置的测量探测器的横断面图；
图5是本发明测长装置的测量信息取得和处理概要说明图；
图6是本发明测长装置所取得测量信息和校正结果示意图；
图7是本发明测长装置的第一实施例的第二状态平面图；
图8a是本发明测长装置的第二实施例的第一状态平面图；
图8b是本发明测长装置的第二实施例的第二状态平面图；
图8c是本发明测长装置的第二实施例的第三状态平面图；
图8d是本发明测长装置的第二实施例的第四状态平面图；
图9a是本发明的测长装置应用于超精密镜片形状测量装置立体示意图；
图9b是本发明测长装置的导轨的真直度误差校正效果示意图。
具体实施方式
下面将参照附图详细说明本发明的具体实施例。
图2至图4是关于本发明测长装置的第一实施例。
如图2所示，本发明的测长装置包括：工作台11、固定部12、导轨13及可动机台14。导轨13固设在固定部12上，可动机台14载设在导轨13上。可动机台14在驱动机构(图未示)的驱动作用下，可沿导轨13以所需速度移动所需距离。其中，该驱动机构可以是手动机构，也可以是自动机构。
可动机台14上还设有第一测量探测器15和第二测量探测器16，二探测器15及16设置在沿测长方向的一条直线上。第一测量探测器15通过可动机台14的移动，测量设置在固定部12上的被测量物A形状；第二测量探测器16通过可动机台14的移动，测量设置在固定部12上且位于测量物A相对侧的平面基准器B。
在本实施例中，第一测量探测器15和第二测量探测器16为分别接触于被测量物A和平面基准器B上的接触式测量探测器，其构造可根据需要进行设计。如图4所示，测量探测器15或16包括：一本体110、片状(Block)导轨111、轴(Shaft)112、测量端子113、标尺(Scale)114、传感器(Sensor)115、光学读取头(Pick-up Head)116及盖体117。片状导轨111搭设在本体110上面；轴112设在导轨111上面，由后者导引；测量端子113设在轴112的前端；标尺114设在轴112后端，其用于测量测量端子113的移动距离；传感器115设置在本体110上面，其用于读取标尺114的移动距离；光学读取头116用于读取并输出传感器115的刻度信号；盖体117覆盖在本体110上面，且盖体117的前端设有使测量端子113进出的孔(图未示)。
如图3所示，在固定部12上面或固定部12的外围设有一校正模块17。校正模块17包括一中央处理器(CPU)18及一记录器19。CPU18包括设有计时电路(Timer)或逻辑电路的测量信息处理模块；记录器19用于记录CPU18的输出的信息，且其具有显示功能。CPU18与第一测量探测器15及第二测量探测器16的输出端相连，以便接收测量探测器15及16的测量信息，并去除与导轨13和可动机台14相关的误差。
图5是本发明测长装置的测量信息取得和处理概要说明图。如图5所示，在进行形状测量时，首先，使第一测量探测器15的测量端子113接触于被测量物A表面，同时使第二测量探测器16的测量端子113接触于平面基准器B表面。之后，驱动可动机台14，使第一测量探测器15及第二测量探测器16分别对被测量物A及平面基准器B的表面进行测量。此时，标尺114、传感器115及光学读取头116将所测得的测量信息传输给校正模块17。
此时，第一测量探测器15获取一综合信息50并将其输出，其中，综合信息50由被测量物A的形状信息、导轨13的真直度误差及可动机台14的运动误差信息组成；第二测量探测器16也获取一综合信息60并将其输出，其中，综合信息60由平面基准器B的形状信息、导轨13的真直度误差及可动机台14的运动误差信息组成。为降低导轨13的真直度误差及可动机台14的运动误差对测量结果的负面影响，应使综合信息50和60的相位相反且相互抵消。
将测量信息输入校正模块17后，校正模块17进行以下两个步骤：第一步骤，从第二测量探测器16所测得的综合信息60中除去已知的平面基准器B的形状信息，以提取与导轨13和可动机台14相关的误差数据；第二步骤，从第一测量探测器15所测得的综合信息50中除去在第一阶段中所提取的与导轨13和可动机台14相关的误差数据。
如图6所示，校正第一测量探测器15测得的综合信息50后获得一修正信息70，其中综合信息50由被测量物A的形状信息、导轨13的真直度误差及可动机台14的运动误差信息组成。因修正信息70几乎不包括导轨13和可动机台14相关的误差信息，所以修正信息70与被测量物A的实际形状信息几乎相等。修正信息70经CPU18传送到记录器19。因为上述两个步骤均在CPU18内进行，所以记录器19可以实时逐条记录CPU18所输出的形状信息。
图7是本发明测长装置的第一实施例的第二状态平面图。如图7所示，可动机台14两侧的固定部12上面分别设有第一测量探测器15和第二测量探测器16，且二测量探测器15和16的二测量端子113设置在沿测长方向的一条直线上。可动机台14上设有被测量物A和平面基准器B，该被测量物A和平面基准器B也设置在沿测长方向的一条直线上。驱动可动机台14，使其移动时，第一测量探测器15和第二测量探测器16分别对被测量物A和平面基准器B的表面进行测量。其他构成与第一状态相同，所以在此不予详细说明。
图8a是本发明测长装置的第二实施例的第一状态平面图；图8b是本发明测长装置的第二实施例的第二状态平面图；图8c是本发明测长装置的第二实施例的第三状态平面图；图8d是本发明测长装置的第二实施例的第四状态平面图。
在第二实施例和第一实施例基本相同，即，第一测量探测器25对被测量物A的形状进行测量，第二测量探测器26对平面基准器B的表面进行扫描测量，并且校正误差。其不同点在于：第一测量探测器25和第二测量探测器26分别与测长方向上平行地设置。在第二实施例的各图中虽没有表示校正模块，但在第二实施例中也要设置校正模块。其他结构也和第一实施例相同，所以在此不予详细说明。
如图8a所示，第一测量探测器25和第二测量探测器26均设置在可动机台24上面，第一测量探测器25和第二测量探测器26在可动机台24的移动方向上有一定间距，且二者相互平行；被测量物A和平面基准器B设置在可动机台24的同一例的固定部22上，且分别与第一测量探测器25和第二测量探测器26相对应。
如图8b所示，第一测量探测器25和第二测量探测器26设置在可动机台24的同一侧的固定部22上，第一测量探测器25和第二测量探测器26在可动机台24的移动方向上有一定间距，且二者相互平行；被测量物A和平面基准器B设置在可动机台24上，且分别与第一测量探测器25和第二测量探测器26相对应。
如图8c所示，在可动机台24上设有第一测量探测器25和平面基准器B。第一测量探测器25和平面基准器B沿可动机台24的移动方向上有一定间距，且二相互平行。在可动机台24的同一侧的固定部22上设有被测量物A和第二测量探测器26，且分别与第一测量探测器25和平面基准器B相对应。设在可动机台24上的第一测量探测器25对设在固定部22上的被测量物A进行测量，设在固定部22上的第二测量探测器26对设在可动机台24上的平面基准器B进行测量。
如图8d所示，在可动机台24上设有被测量物A和第二测量探测器26。被测量物A和第二测量探测器26沿可动机台24的移动方向上有一定间隔，且二者相互平行。在可动机台24的同一侧的固定部22上设有第一测量探测器25和平面基准器B，且分别与被测量物A和第二测量探测器26相对应。设在该可动机台24上的第二测量探测器26对设在固定部22上的平面基准器B进行扫描测量，设在固定部22上的第一测量探测器25对设在可动机台24上的被测量物A进行测量。
上述的4种状态中，该被测量物A和平面基准器B沿该可动机台24的移动方向排列，如将二者的顺序倒置也不会影响本发明的实施。
第二实施例的形状测量步骤和第一实施例基本相同。即，首先使第一测量探测器25的测量端子213接触于被测量物A表面，同时使第二测量探测器26的测量端子213接触于平面基准器B表面。之后，驱动可动机台24，第一测量探测器25及第二测量探测器26对被测量物A及平面基准器B的表面进行测量。此时，标尺(图未示)、传感器(图未示)及光学读取头(图未示)将测得的测量信息传输给校正模块(图未示)。
此时，第二测量探测器26获取一综合信息60并将其输出，其中，综合信息60由平面基准器B的形状信息、导轨23的真直度误差及可动机台24的运动误差信息组成。第一测量探测器25也获取一综合信息50并将其输出，其中，综合信息50由被测量物A的形状信息、导轨23的真直度误差及可动机台24的运动误差信息组成。
向该校正模块输入测量信息后，该校正模块进行以下两个步骤：第一步骤，从第二测量探测器26所测得的综合信息60中除去已知的平面基准器B的形状信息，以提取与导轨23和可动机台24相关的误差数据；第二步骤，从第一测量探测器25所测得的综合信息50中除去在第一阶段中所提取的与导轨23和可动机台24相关的误差数据。
如图6所示，校正第一测量探测器25测得的综合信息50后获得一修正信息70，其中，综合信息50由被测量物A的形状信息、导轨23的真直度误差及可动机台24的运动误差信息组成。因修正信息70几乎不包括导轨23和可动机台24相关的误差信息，所以修正信息70与被测量物A的实际形状信息几乎相等。修正信息70经CPU(图未示)传送到记录器(图未示)。因为上述两个步骤均在CPU内进行，所以记录器可以实时逐条记录CPU所输出的形状信息。
本发明不仅不限于上述实施例中所述的结构，还可采用其他结构，如：
(1)第一测量探测器和第二测量探测器可以分别采用不同的结构，即，第一测量探测器是接触式的(或非接触式的)测量探测器时，第二测量探测器可以是非接触式的(或接触式的)测量探测器。
(2)使用光触针等非接触式测量探测器时，可使光触针的光斑聚焦于测量物或平面基准器表面。
(3)本发明可采用如下的形状测量方法。即，使用第一测量探测器和第二测量探测器，并使该二测量探测器分别接触测量物和平面基准器表面。使用光触针等非接触式测量探测器时，使光触针的光斑聚焦于测量物及平面基准器表面。该测量探测器通过可动机台的运动，分别对测量物和平面基准器进行扫描测量，并且分别测得第一信息和第二信息。该第一信息是由测量物形状信息、导轨真直度误差信息及机台运动误差信息混合而成的综合信息；该第二信息是由平面基准器形状信息、导轨真直度误差信息及机台运动误差信息混合而成的综合信息。从该第二信息中提取与导轨和机台相关的误差信息，并从该第一信息中去除从该第二信息中提取的导轨和机台相关的误差信息，而实现对该导轨真直度误差及机台运动误差的校正。
本发明的测长装置实际应用结果如下：
图9a是本发明的测长装置应用于超精密镜片形状测量装置的立体示意图。即，在超精密镜片形状测量装置上使用图2和图3所示的测量装置，由第一测量探测器对测量物进行测量、由第二测量探测器对真直度误差进行校正的平面基准器进行测量。
图9b是本发明测长装置的导轨的真直度误差校正效果示意图。导轨的真直度误差对形状测量的影响从700nm大大缩小到50nm，由此，证实了本发明测长装置的真直度误差的实时校正的效果。
本发明测长装置还可用于高精度形状测量装置或高精度连接式测量装置。本发明也可用于工作台的导轨真直度误差及可动机台运动误差的测量领域。

Claims (7)

1.一种测长装置，其用于对测量物的形状进行测量，该测长装置包括测量探测器、可动机台及校正模块，该测量探测器包括第一测量探测器和第二测量探测器，其特征在于：该第一测量探测器上设有沿测长方向设置且对测量物进行测量的测量端子；该第二测量探测器上设有沿测长方向设置且对平面基准面进行测量的测量端子，该校正模块收集该第一测量探测器和第二测量探测器的测量信息后对其进行校正。
2.如权利要求1所述的测长装置，其特征在于：第一测量探测器和第二测量探测器，设置在测长方向上的一条直线上。
3.如权利要求1所述的测长装置，其特征在于：第一测量探测器和第二测量探测器，在测长方向上相互平行设置。
4.如权利要求1所述的测长装置，其特征在于：该测量探测器为接触式测量探测器。
5.如权利要求4所述的测长装置，其特征在于：该接触式测量探测器包括本体、片状导轨、轴、测量端子、标尺、传感器及光学读取头，该片状导轨设在本体上，该轴设在导轨上，该测量端子设在该轴的一端，该标尺设在该轴的另一端，该标尺用于测量测量端子的移动距离，该传感器用于读取标尺的移动距离，该光学读取头用于读取并输出传感器的刻度信号。
6.如权利要求1所述的测长装置，其特征在于：该测量探测器为非接触式测量探测器。
7.如权利要求1所述的测长装置，其特征在于：该校正模块包括中央处理器及记录器，该中央处理器与第一测量探测器及第二测量探测器的输出端相连，以接收和校正该二测量探测器的测量信息，该记录器用于记录和显示该中央处理器输出的校正信息。
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