CN101354246B - 物体表面形貌测量方法 - Google Patents

物体表面形貌测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种物体表面形貌测量方法，包括以下步骤：(1)提供测量装置，该测量装置包括测量端子、传感器及与传感器相连的处理装置，测量端子可沿第一方向移动，传感器用于感测测量端子的位移；(2)将测量端子靠近被测物并使之与被测物表面接触，且将该位置下测量端子与被测物的接触点在处理装置内记录下来；(3)驱动测量端子运动使其与被测物的接触点运动至另一位置，测量端子始终与被测物表面接触，传感器感测测量端子在第一方向的位移并传送给处理装置，处理装置记录该另一位置的坐标；(4)重复步骤(3)，处理装置记录一系列位置坐标。

Description

物体表面形貌测量方法
技术领域
本发明是关于一种物体表面形貌测量方法，尤其是关于一种用于超精密测量的物体表面形貌测量方法。
背景技术
一种现有测量方法，其采用接触式测量装置进行测量。请参阅图1，该测量装置包括磁芯91、电感线圈92、支点93、杠杆94及触针95。触针95末端始终与工件96表面接触。该测量方法包括以下步骤：驱动工件96沿X轴运动，得到一个测量点的X坐标；触针95因工件96表面轮廓的起伏而沿Z轴上下移动，带动杠杆94绕支点93转动；磁芯91在电感线圈92中产生位移，从而导致电感信号变化而偏移其零位；该电感信号经信号处理电路97放大并由A/D(模拟/数字)转换后传送给计算机98；计算机98根据该放大过的信号值计算出磁芯91的位移，从而计算出触针95的位移，进而得出工件96的表面形状。
上述测量方法存在以下问题：
(1)需要进行工件96表面形状、触针95位移、磁芯91位移、电感信号、电感信号放大及转换等多级转换，每一个转换均会产生一定的误差，从而使累积误差增大。
(2)电感工作在非线性区时有非线性误差；
(3)不能进行大量程测量，量程越大，测量非线性误差就越大。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种较为精确的物体表面形貌测量方法。
一种物体表面形貌测量方法，包括以下步骤：(1)提供一个测量装置，该测量装置包括测量端子、传感器及与传感器相连的处理装置，测量端子可沿一第一方向移动，传感器用于感测测量端子的位移；(2)将测量端子靠近被测物并使之与被测物表面接触，且将该位置下测量端子与被测物的接触点在处理装置内记录为原始位置；(3)驱动测量端子或被测物运动使测量端子与被测物的接触点运动至另一位置，测量端子始终与被测物表面接触，传感器感测测量端子在第一方向的位移并传送给处理装置，处理装置记录该另一位置的坐标；(4)多次重复步骤(3)，处理装置记录一系列位置的坐标。
如上所述，本发明的测量方法中的测量装置的测量端子始终与被测物表面接触，没有中间转换过程，故测量端子的位移完全反映了被测物表面形貌的变化，因此能实现精密测量。
附图说明
图1是一种现有测量装置及方法的示意图；
图2是本发明物体表面形貌测量方法所采用的第一实施例的测量装置的横断面图；
图3是图2所示测量装置的纵断面图；
图4是图2所示测量装置的应用实例的部分立体图；
图5是本发明测量方法中所测得测量值与预定理想值的对比；
图6是本发明测量方法中所测得测量值与预定理想值的对比结果；
图7是本发明测量方法所采用的第二实施例的测量装置的横断面图；
图8是图7所示测量装置的纵断面图；
图9是图7所示测量装置的驱动气缸的受力分析图；
图10本发明测量方法所采用的第三实施例的测量装置的横断面图；
图11本发明测量方法所采用的第四实施例的测量装置的横断面图；
图12本发明测量方法所采用的第五实施例的测量装置的横断面图。
具体实施方式
下面将参照附图详细说明本发明的实施例。
本发明测量方法的较佳实施例为利用接触式测量装置进行测量。请参阅图2，第一实施例的接触式测量装置10包括底座11及固设在该底座11的导引块12。该导引块12内设有多个导引孔13，该导引孔13相互平行且有一定间隔地贯通该导引块12，导引孔13为通孔。每一导引孔13内分别穿插有可移动的一个驱动气缸14，且该导引孔13与驱动气缸14之间存在间隙，该间隙里充入气体即可构成空气轴承。在本实施例中，该导引块12内开设有二导引孔13，该二导引孔13内设有对应的二驱动气缸14。可以理解，该接触式测量装置10可仅包括一个驱动气缸14。
驱动气缸14为管状。该驱动气缸14的前端部，即驱动气缸14的从导引块12前方伸出的部位固设有一个杆状固定件15。该固定件15的中间部位固设有测量端子16。该测量端子16的头部呈针状，而其根部固定在该固定件15上。
驱动气缸14的后端部，即驱动气缸14的从导引块12后方伸出的部位固设有另一个杆状固定件17。该固定件15、固定件17避免该驱动气缸14相对该导引块12旋转，其可相对该导引块12平行地前后移动。该固定件17上固设有向后方伸出的标尺18，底座11上设有与该标尺18对应且用于读取该标尺18刻度的传感器19。在此，该标尺18和传感器19也可互相换位设置。
底座11上固设有比固定件17还要靠后的支撑体110，该支撑体110用于固定多个气体吹入管111。该气体吹入管111部分插设在该驱动气缸14的后端部内，给该驱动气缸14提供驱动气体，且因为该驱动气缸14的后端部内周面与气体吹入管111外周面之间留有间隙，所以当向驱动气缸14内吹入气体时，气体吹入管111与驱动气缸14之间形成空气轴承。上述气体可为一般空气，但也可为其他气体。
如图3所示，该底座11及各上述构成物上面覆盖有盖体112。该盖体112前端开设有使测量端子16的前端部伸出的测量端子口(图未标)。盖体112的上面设有向空气轴承提供气体的气体导管114。驱动该测量端子16的驱动气缸14上设有气体排出机构115，驱动气缸14内的空腔通过气体排出机构115与外界相通。向驱动气缸14内部吹入气体时，气体排出机构115排出一部分气体，所以能实现较小且稳定的驱动压力。空气轴承及气体排出机构115排出的气体，使盖体112的内部压力比外界气压稍高，因此可以防止外部的灰尘等异物侵入盖体112内部。
下面说明本发明的接触式测量装置的工作原理。请一并参阅图2及图4，使用该接触式测量装置时，将本发明的接触式测量装置B用于超精密镜片模具加工设备A上，加工设备A的工作台可带动接触式测量装置B沿预定方向移动，该工作台由加工设备A的驱动装置带动，将该气体吹入管111和气体导管114通过软管与之气体供给源连接，以使该接触式测量装置开始工作。
当气体经过该气体吹入管111进入该驱动气缸14内，且积蓄一定压力时，该气体成为该驱动气缸14的驱动压力。此时，该驱动气缸14在该导引块12的导引孔13导引下，向前缓慢前进。
因为该驱动气缸14的前端设有用于固定该测量端子16的固定件15，所以该测量端子16和驱动气缸14一同移动，当该测量端子16与被测量物接触时，二者停止移动。又因该驱动气缸14的后端部设有标尺18，该标尺18也随该驱动气缸14一同移动，所以该驱动气缸14移动时，该传感器19可以感测该标尺18的移动距离，并传送给处理装置(图未示)。处理装置可对所得的数据进行计算处理。该处理装置还与加工设备A的驱动装置连接，以记录驱动装置驱动测量端子16移动的位移。
下面以测量端子16在Y＝Yi的平面内运动为例说明该测量方法，请参阅图5及图6：
(1)将测量装置的测量端子16靠近被测物并使之与被测物表面接触，且将该位置下测量端子16与被测物的接触点在处理装置内记录为(0，Y0，0)；
(2)在Y＝Y0的平面内沿平行于X轴的方向驱动测量端子16运动Xm1，测量端子16在测量压力的作用下始终与被测物表面接触，故其同时在平行于Z轴的方向运动，从而使测量端子16与被测物的接触点移至另一位置，传感器感测测量端子16在Z轴方向的位移Zm1并传至处理装置，处理装置将该位置坐标记录为(Xm1，Y0，Zm1)；
(3)继续驱动测量端子16在Y＝Y0的平面内运动，处理装置记录一系列位置的坐标：(Xm1，Y0，Zm1)、(Xm2，Y0，Zm2)、(Xm3，Y0，Zm3)…(Xmi，Y0，Zmi)；
(4)处理装置根据被测物的预定的理想表面形貌的函数Z＝f(X，Y)，其中Y＝Y0，计算出上述各位置X，Y坐标值下对应的理想Z坐标，即处理装置计算出一系列被测物表面的理想坐标：(Xm1，Y0，Zn1)、(Xm2，Y0，Zn2)、(Xm3，Y0，Zn3)…(Xmi，Y0，Zni)；
(5)处理装置比较各相同X、Y坐标下的Z坐标，由此可知道被测物实际表面形貌(在此将测量值视为实际值)与理想形貌的差别，即得到一系列Z坐标的差值：ΔZ1＝Zm1-Zn1、ΔZ2＝Zm2-Zn2、ΔZ3＝Zm3-Zn3…ΔZi＝Zmi-Zni；
(6)将测量端子16驱动至Y坐标为Y1、Y2、Y3…Yi的平面内，重复上述操作；
(7)当该测量装置用于在线测量时，处理装置内装有补偿软件及加工程序，该加工程序决定了刀具加工被测物时的切削路径，在测量后进一步加工被测物时，处理装置运用补偿软件根据上述ΔZi的值对加工程序内的加工参数进行修正。
在测量过程中，也可同时驱动测量端子16在X、Y方向同时移动，采用相似的方式同样可得到被测物理想与实际之间的差别ΔZi。另外，测量时，也可将测量装置固定，而驱动被测物移动。
上述测量方法可采用多种不同的测量装置，请参阅图7，为第二实施例的接触式测量装置20。
请同时参阅图8，接触式测量装置20的结构与接触式测量装置10的结构大体相同，其不同在于：接触式测量装置20的驱动气缸26后端部未设置气体吹入管，且其导引块22内穿插有倾斜设置的多个气体导管204、206。多个气体导管204相互平行且有一定间隔地穿插于导引块22内，并与导引孔24相通。气体导管204的延伸方向与驱动气缸26的轴线夹角大于0度且小于90度。导引块22的下方也设有向导引孔24提供气体的气体导管206，多个气体导管206相互平行且有一定间隔地穿插于导引块22内且位于气体导管204的相对侧，并与导引孔24相通。气体导管206与气体导管204的数量相等，且以驱动气缸26的轴线为对称中心与气体导管204对称设置，即气体导管206的延伸方向与驱动气缸26的轴线夹角等于气体导管204的延伸方向与驱动气缸26的轴线夹角，从而使驱动气缸26在非测量端子30的移动方向受力平衡。可以理解，气体导管204并不限于位于驱动气缸26的上、下方，只需其与导引孔24相通，且气体导管204、206的延伸方向与驱动气缸26的轴线夹角为大于0度且小于90度。气体导管204与气体导管106还可以不对称相互错开设置于驱动气缸26的两侧。也可以只设置气体导管204或只设置气体导管206。
当向气体导管204、206内吹入气体时，气体进入导引孔24内。此时，驱动气缸26的受力情况如图9所示，F1、F2分别为自气体导管204、气体导管206内吹入的气体作用在两个驱动气缸26上的力。由于气体导管204与气体导管206的数量相等，所以气体作用在驱动气缸26上的力F1、F2的大小相等，而又因为气体导管204的延伸方向与驱动气缸26的轴线夹角和气体导管206的延伸方向与驱动气缸26的轴线夹角相等，所以F1、F2在垂直于驱动气缸26轴线方向即图示的Y轴方向分力F1Y、F2Y大小相等，但分力F1Y、F2Y方向相反，故驱动气缸26在Y轴方向受到的作用力为零。同时，由于气体进入导引孔24时，于驱动气缸26的外侧壁与导引块22之间形成空气轴承，故驱动气缸26在运动时受到的摩擦力较小。F1、F2在平行于驱动气缸26轴线方向即图示X轴方向的分力分别为F1X、F2X，F1X、F2X大小相等，方向均指向靠近测量端子30的方向，分力F1X、F2X可推动驱动气缸26运动，从而使得测量端子30始终与被测量物表面接触。
请参阅图10，第三实施例的接触式测量装置40，其包括底座41及固设在该底座41的导引块42。该导引块42内设有多个导引孔44，该导引孔44相互平行且有一定间隔地贯穿该导引块42。每一导引孔44内分别穿插有可移动的多个驱动件46，且该导引块42与驱动件46的外侧壁之间存在间隙，该间隙里充入气体就构成空气轴承。在本实施例中，该导引块42内开设有二导引孔44，该二导引孔44内各穿插有一个驱动件46。可以理解，该接触式测量装置可仅包括一个驱动件46。
该驱动件46的两端伸出导引块42，其一端部固设有一个杆状固定件48。该固定件48的中间部位固设有测量端子50。该测量端子50的头部呈针状以与被测量物体接触，而其根部固定在该固定件48上。上述驱动件46与测量端子50均沿垂直于水平面的方向延伸，即接触式测量装置40为立式测量装置。
驱动件46的另一端部固设有另一个杆状固定件52。该固定件48、固定件52可防止驱动件46相对该导引块42旋转，其可随驱动件46一起沿导引孔44上下移动。该固定件52上固设有向上方伸出的标尺54，底座41上设有与该标尺54对应且用于读取该标尺54刻度的传感器56。在此，该标尺54和传感器56也可互相换位设置。
该底座41及各上述构成物上面覆盖有盖体402，盖体402与固定件48之间设置有一个弹簧58，其具有一定的预压缩量。弹簧58的延伸方向平行于测量端子50的轴线，弹簧58用于平衡驱动件46、标尺54、固定件48及固定件52的重力，从而减小测量端子50作用在被测量物体上的测量压力，从而提高测量精度。
该盖体402底端开设有供测量端子50的头部伸出的测量端子口(图未标)。多个气体导管404相互平行且有一定间隔地穿插于导引块42内，并与导引孔44相通，气体导管404用于向导引孔44提供气体。气体导管404的延伸方向垂直于驱动件46的轴线。
驱动件46、标尺54、固定件48、固定件52及测量端子50固定为一个整体，其产生一个向下的重力。因为盖体402与固定件48之间设置有一个弹簧58，弹簧58的两端分别与盖体402及固定件48相抵，弹簧58具有一定的预压缩量，形成一个向上的弹力，从而减小重力对测量端子50的作用，使得测量端子50具有较小的测量压力。
请参阅图11，第四实施例的接触式测量装置60，其与第三实施例的接触式测量装置40基本相同，其不同在于：设置驱动件46的位置设置为驱动气缸66，且接触式测量装置60还包括气体吹入管662，该气体吹入管662部分插设于驱动气缸66的底端部，其可以向驱动气缸66内吹入气体，从而对驱动气缸66施加一个向上的力。驱动气缸36上还设有气体排出机构664，当向驱动气缸66内部吹入气体时，气体排出机构664排出部分气体，从而使上述向上的力保持较小且稳定。
请参阅图12，第五实施例的接触式测量装置70，其与第一实施例10基本相同，其不同在于二驱动气缸74A、74B平行但相互错开地前后设置。且驱动气缸74A、74B的前端部上设有用于排出一部分气体的气体排出机构715。由于驱动气缸74A及74B前后错开设置，所以会增加测量方向上的导引距离，实现稳定的测量。另外，可仅驱动气缸74A、74B中的一个后端插入气体吹入管711，即仅对驱动气缸74A、74B中一个吹气，由此只设一个气体吹入机构，可进一步简化该测量装置的结构。
类似地，对于第二、第三、第四实施例中的接触式测量装置20、40、60，也可将其驱动气缸或驱动件24、44、64前后或上下错开设置。

Claims (13)

1.一种物体表面形貌测量方法，该测量方法包括以下步骤：(1)提供一个测量装置，该测量装置包括测量端子、传感器及与传感器相连的处理装置，测量端子可沿一第一方向移动，传感器用于感测测量端子的位移；(2)将测量端子靠近被测物并使之与被测物表面接触，且将该位置下测量端子与被测物的接触点在处理装置内记录为原始位置；(3)驱动测量端子或被测物运动使测量端子与被测物的接触点运动至另一位置，测量端子始终与被测物表面接触，传感器感测测量端子在第一方向的位移并传送给处理装置，处理装置记录该另一位置的坐标；(4)多次重复步骤(3)，处理装置记录一系列位置的坐标。
2.如权利要求1所述的物体表面形貌测量方法，其特征在于：该测量方法还包括以下步骤：处理装置根据被测物的预定的理想表面形貌的函数计算出一系列被测物表面的理想坐标，并将上述步骤(4)中所记录的坐标与该理想坐标对比，得到一系列坐标差值，由此得到被测物表面形貌与理想形貌的差别。
3.如权利要求2所述的物体表面形貌测量方法，其特征在于：该测量方法还包括以下步骤：该测量装置用于在线测量，处理装置内装有补偿软件及加工程序，加工程序于加工被测物时运用补偿软件根据上述坐标差值对其内加工参数进行修正。
4.如权利要求1所述的物体表面形貌测量方法，其特征在于：在上述驱动测量端子的过程中，驱动测量端子在除去上述第一方向外的至少一个方向运动，测量端子同时在测量装置施加的测量压力作用下沿第一方向移动。
5.如权利要求4所述的物体表面形貌测量方法，其特征在于：设定上述第一方向为Z轴方向，还设定一个垂直于Z轴方向的X轴和一个垂直于Z轴和X轴的Y轴，驱动测量端子在Y＝Y0的平面内沿平行于X轴的方向运动Xm1，测量端子同时在平行于Z轴的方向运动，处理装置记录的一系列坐标为(Xm1，Y0，Zm1)、(Xm2，Y0，Zm2)、(Xm3，Y0，Zm3)...(Xmi，Y0，Zmi)；处理装置根据被测物的理想表面形貌的函数Z＝f(X，Y)，其中Y＝Y0，计算出一系列被测物表面的理想坐标：(Xm1，Y0，Zn1)、(Xm2，Y0，Zn2)、(Xm3，Y0，Zn3)...(Xmi，Y0，Zni)；处理装置比较各相同X、Y坐标下的Z坐标，得到一系列Z坐标的差值：ΔZ1＝Zm1-Zn1、ΔZ2＝Zm2-Zn2、ΔZ3＝Zm3-Zn3...ΔZi＝Zmi-Zni。
6.如权利要求5所述的物体表面形貌测量方法，其特征在于：将测量端子驱动至Y坐标为Y1、Y2、Y3...Yi的平面内，重复权利要求5中的操作。
7.如权利要求1所述的物体表面形貌测量方法，其特征在于：设定上述第一方向为Z轴方向，还设定一个垂直于Z轴方向的X轴和一个垂直于Z轴和X轴的Y轴，同时驱动测量端子在X、Y方向同时移动。
8.如权利要求1所述的物体表面形貌测量方法，其特征在于：该测量装置上设有至少一个用于驱动该测量端子的驱动气缸；该驱动气缸上设有将吹入该驱动气缸内的气体排出一部分而保持该驱动气缸较小驱动压力的气体排出机构。
9.如权利要求1所述的物体表面形貌测量方法，其特征在于：该测量装置上设有至少一个驱动气缸，该驱动气缸的外侧壁设置有至少一个气体导管，该气体导管的延伸方向与驱动气缸轴线的夹角大于0度且小于90度，向气体导管内吹入的气体作用于驱动气缸的外侧壁上，从而推动驱动气缸带动测量端子运动，吹入的气体部分排出从而保持该驱动气缸较小之驱动压力。
10.如权利要求1所述的物体表面形貌测量方法，其特征在于：该测量装置利用测量装置至少部分元件的重力作为测量压力，该测量装置上还设有重力平衡装置，该重力平衡装置可抵消至少部分上述部分元件的重力，而使测量端子获得较小的测量压力。
11.如权利要求10所述的物体表面形貌测量方法，其特征在于：该测量端子可移动地设于测量装置上，且其移动方向平行于重力方向，该重力平衡装置为弹簧，该弹簧产生一个与重力方向相反的弹力。
12.如权利要求10所述的物体表面形貌测量方法，其特征在于：该测量端子可移动地设于测量装置上，且其移动方向平行于重力方向，该重力平衡装置为驱动气缸，该驱动气缸在气体的作用下受与重力方向相反的作用力。
13.如权利要求8或9所述的物体表面形貌测量方法，其特征在于：该测量装置还包括至少一个导引块，导引块上设有导引孔，驱动气缸穿插于该导引孔内，该导引块上均匀设置有用于吹入气体的气体导管，该气体导管与导引孔相通，该驱动气缸的外侧壁与该导引块间存在间隙，向气体导管内吹入气体使驱动气缸的外侧壁与导引块之间形成空气轴承。
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