CN101876531B - 一种高精度球旋转机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度球旋转机构，其包括：球支撑部、球旋转扫描部及控制装置；球支撑部包括一固定底座、多个调节螺钉、一可调底座、四个支撑柱、以及一支撑底座；可调底座通过多个调节螺钉与固定底座连接，四个支撑柱设置在可调底座的四个顶角处，将支撑底座支撑并固定在可调底座上方，支撑底座中央凹设有一个球支撑部，球支撑部上设置有三个高度严格一致的球支撑点；球旋转扫描部设置在可调底座、四个支撑柱及支撑底座构成的容置空间中，包括一设置在可调底座中心的升降机构，设置在升降机构上的水平旋转机构及竖直旋转机构；控制装置为一计算机，其中设置有控制程序，以控制升降机构、水平旋转机构和竖直旋转机构按照工作流程动作。

Description

一种高精度球旋转机构

技术领域

本发明涉及精密机械的测量装置，特别是指一种能对球旋转、定位的高精度球旋转机构。

背景技术

在精密测量领域经常需要测量一定尺寸的球的精细参数，包括球表面粗糙度的分布均匀性、在特定点处的直径、圆度等，这就需要对球进行精确的旋转和定位。然而现有的测量仪器往往不具备这些功能。例如在阿伏加德罗常数NA的测量中，需要精确测量一个直径约94mm、圆度小于100nm、粗糙度约为几纳米的硅球的面形信息。目前精度最高的长度测量仪器当属激光干涉仪，但激光干涉仪只能获取某一特定位置处的长度信息，而硅球的面形是不均匀的，为了得到整个硅球表面的信息，需要一种可对硅球进行旋转的机构，要求该机构理论上能够将硅球旋转至其表面任意一个位置，并具有极高的重复定位精度，同时不能对硅球表面造成损伤，当前尚未有能满足该要求的球旋转机构。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种新的高精度球旋转机构，其可对一定尺寸的球进行精确的旋转和定位，从而满足测量球的直径、形状的要求。

为达到上述目的，本发明所提供的一种高精度球旋转机构，其特征在于包括：球支撑部、球旋转扫描部及控制装置；所述球支撑部包括一固定底座、多个调节螺钉、一可调底座、四个支撑柱、以及一支撑底座；所述可调底座通过所述多个调节螺钉与所述固定底座连接，四个所述支撑柱设置在所述可调底座的四个顶角处，将所述支撑底座支撑并固定在所述可调底座上方，所述支撑底座中央凹设有一个球支撑部，所述球支撑部上设置有三个高度严格一致的球支撑点；所述球旋转扫描部设置在所述可调底座、四个支撑柱及支撑底座构成的容置空间中，包括一设置在所述可调底座中心的升降机构，设置在所述升降机构上的水平旋转机构及竖直旋转机构；所述控制装置为一计算机，其中设置有控制程序，以控制所述升降机构、水平旋转机构和竖直旋转机构按照工作流程动作。

上述本发明的技术方案中，所述球支撑部为一内凹的环形平台，中心为一通孔，三个所述球支撑点均匀布设在所述球支撑部的环形平台上。

所述球支撑点由支撑钉构成。

所述升降机构为电控升降台，设置在所述可调底座的中心位置。

所述水平旋转机构为一个可在水平方向旋转的电控旋转台，固定在所述升降机构顶端的平台上，在电机的驱动下沿水平方向以垂直旋转轴为中心做旋转运动。

所述竖直旋转机构设置在所述水平旋转机构的顶面上，所述竖直旋转机构包括一个主动轮和一对从动轮，所述主动轮和从动轮穿设在固定在支架上的转轴上，且以所述水平旋转机构的旋转中心为中心呈品字形设置在所述水平旋转机构的顶部，且高度严格一致。

采用上述技术方案，本发明具有以下优点：1、本发明由于在球支撑部设置三个支撑点用来支撑待测量的小球，利用最有效的三点支撑定位法，保证了每次旋转结束后球恢复到最初的三点定位状态，实现了将球的旋转和定位的分离，这就避免了球的旋转过程产生的定位误差，严格保证了重复定位精度，使本发明具有重复定位精度高的优点。2、由于本发明只需要在使用开始时进行一次初始调校过程即可，使得待测球的装调过程非常简单，具有易于装调的优点。3、由于本发明的旋转机构没有夹持部件，因此可避免对待测球施加外力后造成的球形改变，同时，由于与待测球接触的部件均采用特殊的化学材料，不会对待测球表面产生划伤或破坏，使本发明对待测球的影响减到最小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的俯视示意图

图3是本发明去除顶部支撑底座后的俯视示意图

图4是本发明测量硅球表面氧化层厚度的实施示意图

图5是本发明的工作流程图

具体实施方式

现举以下实施例并结合附图对本发明的结构及功效进行详细说明。

如图1～图3所示，为本发明所提供的一种高精度球旋转机构1，其包括球支撑部10、球旋转扫描部20及控制装置，其中：

球支撑部10包括一固定底座11、多个调节螺钉12、一可调底座13、四个支撑柱14、支撑底座15以及三个支撑钉16。

固定底座11用于支撑和固定整个旋转机构。可调底座13通过各调节螺钉12与固定底座11连接。在本实施例中，调节螺钉12共有八颗，其中四颗均匀分布在可调底座13四周的中心位置，这四颗调节螺钉12用于调整可调底座13相对于固定底座11的左右和前后位置，另外四颗均匀分布在可调底座13上表面的四个顶角处，用于调整可调底座13相对于固定底座11的倾斜位置(如图3所示)。

四个支撑柱14设置在可调底座13的四个顶角处，将支撑底座15支撑并固定在可调底座13上方，支撑底座15中央凹设有一个球支撑部17，球支撑部17为一内凹的环形平台171，中心为一通孔172。在球支撑部17的环形平台171上均匀布设三个支撑钉16，各支撑钉16的高度严格一致，用于支撑待测的球。

球旋转扫描部20设置在可调底座13、支撑柱14及支撑底座15构成的容置空间中，包括一升降机构21、水平旋转机构22及竖直旋转机构23，其中：

升降机构21设置在可调底座13的中心位置，包括一固定在固定底座11中央的活动支架211，一设置在活动支架211顶端的平台212及设置在活动支架211上的驱动电机213。活动支架211在驱动电机213的驱动下能沿垂直方向做升降运动，在控制装置的控制下可以实现任意位置的升降。升降机构21为一种电控升降台，是本领域的一项成熟技术，故在此不予详述。

水平旋转机构22固定在升降机构21顶端的平台212上，为一个可在水平方向旋转的平台，平台在电机221的驱动下沿水平方向以垂直旋转轴为中心做旋转运动。水平旋转机构22为一种电控旋转台，是本领域的一项成熟技术，在此同样不再详述。

竖直旋转机构23固设在旋转机构22的顶面上，竖直旋转机构23包括一个主动轮232和一对从动轮233，主动轮232和从动轮233穿设在固定在支架231上的转轴上，且以旋转机构22的旋转中心为中心对称设置在水平旋转机构22的顶部(如图2所示)。主动轮232为一个用橡胶制成的滚轮，具有较大的摩擦力。从动轮233为两个用聚四氟乙烯制成的滚轮。在本实施例中，主动轮232与从动轮233呈品字形分布在旋转机构22的顶面上，且高度严格一致、旋转轴互相平行并与旋转机构22的旋转轴垂直。主动轮232的转轴与步进电机234的输出轴连接，以在步进电机234的驱动下沿旋转轴主动旋转，从动轮233则在外加力的影响下被迫旋转。

控制装置为一计算机，其中设置有控制程序，以控制升降机构21的驱动电机213、水平旋转机构22的电机221和竖直旋转机构23的步进电机234按照工作流程动作。

下面以测量硅球表面氧化层厚度为例来说明本发明的工作过程。

如图4所示，在本发明所提供的高精度球旋转机构1的支撑底座15上放置一直径约为94mm质量约为1Kg的待测硅球2，通过手动调节各调节螺钉12，来调节可调底座13达到水平及垂直，使待测硅球2稳定地置于球支撑部17中，一膜厚测量仪器椭偏仪的测量光路13投射到待测硅球2上。用椭偏仪测量时，要求入射光线投射到待测物体表面后，反射光线的方向沿竖直方向与入射光线对称分布，因此测量硅球表面氧化膜时就要求入射光线恰好照射到硅球的顶点处。

本发明的工作流程如图5所示，其中Nx表示水平旋转机构22旋转一周的步进数，则每次步进的角度为360/Nx度；Ny表示竖直旋转机构23旋转一周的步进数，每次步进的角度为360/Ny度。Nx和Ny的数值均可通过计算机中的软件来设定。Sx和Sy分别表示主动轮232和水平旋转机构22当前的累计步进数。Nx，Ny，Sx，Sy的值均为非负整数。

初始状态下，待测硅球2在支撑钉16的支撑下呈静止状态，通过调节螺钉12的调整可将待测硅球2的顶点精确调整到待测位置，此时，球旋转扫描部20与待测硅球2处于脱离状态，Sx＝Sy＝0。在当前位置测量完毕后，需要旋转待测硅球2，升降机构21在驱动电机213驱动下升起，直至竖直旋转机构23的主动轮232和从动轮233支撑起待测硅球2并使待测硅球2脱离支撑钉16，然后步进电机234驱动主动轮232沿水平轴转动，主动轮232和待测硅球2之间的摩擦力将带动待测硅球2沿水平轴旋转，二从动轮233也将在摩擦力的作用下做被迫转动，通过控制装置控制转动速度和时间，即可精确控制待测硅球2旋转后的位置。当旋转到既定位置后，升降机构21在驱动电机213的驱动下缓慢降落，直至待测硅球2被支撑钉16支撑并与球旋转扫描部20脱离，重复上述过程即可扫描待测硅球2沿水平方向旋转的整个大圆。在扫描过程中Sx实时计数，当扫描完成后Sx＝Nx，升降机构21升起，水平旋转机构22转动一步后升降机构21落下，重复之前的待测硅球2沿水平方向的扫描过程。依次循环，即可完成整个球面的扫描。但需要注意的是，每当水平旋转机构22旋转后的第一个位置与上一过程的最后一个位置重复，测量时需扣除这一个重复位置。

本发明的优点在于：1、本发明的重复定位精度高。三点支撑定位是最有效的定位方法之一，本发明保证了每次旋转结束后球恢复到最初的三点定位状态，实现了将球的旋转和定位的分离，这就避免了球的旋转过程产生的定位误差，严格保证了重复定位精度。2、本发明易于装调。本发明使得待测球的装调非常简单，只需要一次初始调校过程即可。3、本发明将对待测球的影响减到最小。由于本发明所述的旋转机构没有夹持部件，因此可避免对待测球施加外力后的球形改变，同时，由于与待测球接触的部件均采用特殊的化学材料，不会对待测球表面产生划伤或破坏。

本发明所提供的一种高精度球旋转机构可满足在待测硅球直径和面形测量中对待测硅球精确旋转的要求，它具有重复定位精度高、易于装调及对待测硅球的影响极小的特点。本发明不但可用于硅球的直径和面形测量，还可用于硅球表面氧化层的扫描测量，同时也可用于其他类似的球形物体的旋转和扫描。

Claims (9)

1.一种高精度球旋转机构，其特征在于包括：球支撑部、球旋转扫描部及控制装置；

所述球支撑部包括一固定底座、多个调节螺钉、一可调底座、四个支撑柱、以及一支撑底座；所述可调底座通过所述多个调节螺钉与所述固定底座连接，四个所述支撑柱设置在所述可调底座的四个顶角处，将所述支撑底座支撑并固定在所述可调底座上方，所述支撑底座中央凹设有另一球支撑部，所述另一球支撑部上设置有三个高度严格一致的球支撑点；

所述球旋转扫描部设置在所述可调底座、四个支撑柱及支撑底座构成的容置空间中，包括一设置在所述可调底座中心的升降机构，设置在所述升降机构上的水平旋转机构及竖直旋转机构；

所述控制装置为一计算机，其中设置有控制程序，以控制所述升降机构、水平旋转机构和竖直旋转机构按照工作流程动作。

2.如权利要求1所述的高精度球旋转机构，其特征在于：所述另一球支撑部为一内凹的环形平台，中心为一通孔，三个所述球支撑点均匀布设在所述另一球支撑部的环形平台上。

3.如权利要求2所述的高精度球旋转机构，其特征在于：所述球支撑点由支撑钉构成。

4.如权利要求1或2或3所述的高精度球旋转机构，其特征在于：所述升降机构为电控升降台，设置在所述可调底座的中心位置。

5.如权利要求1或2或3所述的高精度球旋转机构，其特征在于：所述水平旋转机构为一个可在水平方向旋转的电控旋转台，固定在所述升降机构顶端的平台上，在电机的驱动下沿水平方向以垂直旋转轴为中心做旋转运动。

6.如权利要求4所述的高精度球旋转机构，其特征在于：所述水平旋转机构为一个可在水平方向旋转的电控旋转台，固定在所述升降机构顶端的平台上，在电机的驱动下沿水平方向以垂直旋转轴为中心做旋转运动。

7.如权利要求1或2或3或6所述的高精度球旋转机构，其特征在于：所述竖直旋转机构设置在所述水平旋转机构的顶面上，所述竖直旋转机构包括一个主动轮和一对从动轮，所述主动轮和从动轮穿设在固定在支架上的转轴上，且以所述水平旋转机构的旋转中心为中心呈品字形设置在所述水平旋转机构的顶部，且高度严格一致。

8.如权利要求4所述的高精度球旋转机构，其特征在于：所述竖直旋转机构设置在所述水平旋转机构的顶面上，所述竖直旋转机构包括一个主动轮和一对从动轮，所述主动轮和从动轮穿设在固定在支架上的转轴上，且以所述水平旋转机构的旋转中心为中心呈品字形设置在所述水平旋转机构的顶部，且高度严格一致。

9.如权利要求5所述的高精度球旋转机构，其特征在于：所述竖直旋转机构设置在所述水平旋转机构的顶面上，所述竖直旋转机构包括一个主动轮和一对从动轮，所述主动轮和从动轮穿设在固定在支架上的转轴上，且以所述水平旋转机构的旋转中心为中心呈品字形设置在所述水平旋转机构的顶部，且高度严格一致。

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