CN101936699A - 摆臂式三维轮廓仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摆臂式三维轮廓仪，该轮廓仪包括：测头系统、横臂、立柱、配重、被测平面元件、工件转台和横臂转台，立柱的一端部位于横臂转台的安装孔中并固定连接，横臂位于立柱的另一端部安装孔中；在横臂的一端部设置有配重，在横臂的另一端部设置有测头系统；工件转台上置有被测平面元件；测头系统的探测端与被测平面元件接触；所述的横臂和立柱，用于完成测头系统的旋转运动；所述的配重用于平衡测头系统和横臂以保证横臂转台保持平稳的旋转。本发明的检测仪可用于大口径、高精度平面元件三维表面轮廓的测量和分析，可测量的参数有三维形貌图、二维形貌图、PV、RMS、三维形貌体积。

Description

摆臂式三维轮廓仪

技术领域

本发明属于精密测试领域，特别涉及一种用于平面元件三维表面轮廓测量的摆臂式三维轮廓仪。

背景技术

平面元件三维表面轮廓测量是了解元件表面形貌、机床加工精度和机床去除量的有效手段，涉及到参数包括三维形貌图、二维形貌图、PV、RMS、三维形貌体积等。目前市场上的轮廓仪主要有两种。一种是大尺寸平面元件二维轮廓测量仪，该仪器测量范围可达到上百个毫米，可用于测量旋转对称平面元件的某几根径向上的表面轮廓，该仪器的缺点是不能获得被测平面元件的完整三维表面轮廓。另一种是用于平面元件微观形貌测量的三维轮廓仪，这些仪器的测量方法主要为光学测量显微镜或微观表面力测量显微镜，这些仪器主要用于被测平面元件的局部微观形貌测量，测量范围只有几个毫米。目前对于大口径(数百毫米)、高精度(0.1μm)的三维表面轮廓测量目前没有有效的检测仪器。

发明内容

为了解决现有技术的技术问题，本发明的目的是提供一种大口径(数百毫米)、高精度(0.1μm)的三维表面轮廓测量仪器。

为了实现所述目的，本发明提供的摆臂式三维轮廓仪，解决技术问题所采用的技术方案是：该轮廓仪包括：测头系统、横臂、立柱、配重、被测平面元件、工件转台和横臂转台，立柱的一端部位于横臂转台的安装孔中并固定连接，横臂位于立柱的另一端部安装孔中；在横臂的一端部设置有配重，在横臂的另一端部设置有测头系统；工件转台上置有被测平面元件；测头系统的探测端与被测平面元件接触；所述的横臂和立柱，用于完成测头系统的旋转运动；所述的配重用于平衡测头系统和横臂以保证横臂转台保持平稳的旋转。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的检测仪采用高精度气浮转台保证测量精度，同时采用工件转台和横臂转台同时旋转的工作方式解决了传统检验方法只能测量二维轮廓和测量范围小的问题，能用于大口径(数百毫米)、高精度(0.1μm)的三维表面轮廓测量和分析，可测量的参数有三维形貌图、二维形貌图、PV、RMS、三维形貌体积等。

附图说明

图1是本发明摆臂式三维轮廓仪的结构示意图

图2是本发明摆臂式三维轮廓仪的测量轨迹图

图3是本发明摆臂式三维轮廓仪的测量示意图

主要元件说明

1为测头系统，5为被测平面元件，

2为横臂，6为工件转台，

3为立柱，7为横臂转台，

4为配重，

O为工件转台的旋转中心，

O′为横臂转台的旋转中心，

OA为工件转台的旋转轴，

O′A′为横臂转台的旋转轴，

XOY为工件坐标系，

SS′为测头轨迹，

P为某一测量点，

α为横臂转台转角，

β为工件转台转角。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，为摆臂式三维轮廓仪的结构示意图，包括测头系统1、横臂2、立柱3、配重4、被测平面元件5、工件转台6和横臂转台7。测头系统1、横臂2、立柱3、配重4、被测平面元件5、工件转台6和横臂转台7，立柱3的一端部位于横臂转台7的安装孔中并固定连接，横臂2位于立柱3的另一端部安装孔中；在横臂2的一端部设置有配重4，在横臂2的另一端部设置有测头系统1；工件转台6上置有被测平面元件5；测头系统1的探测端与被测平面元件5接触；所述的横臂2和立柱3，用于完成测头系统1的旋转运动；所述的配重4用于平衡测头系统1和横臂2以保证横臂转台7保持平稳的旋转。

所述的测头系统1为高精度接触式测头，测头系统1分辨力为25nm，测量精度为50nm。所述的横臂2和立柱3用于连接横臂转台7和测头系统1，并完成测头的旋转运动。所述的配重4用于平衡测头系统1和横臂2以保证横臂转台7保持平稳的旋转。所述的工件转台6为高精度气浮转台，工件转台6的端面跳动为25nm，工件转台6的角晃动为0.02″，用于完成被测平面元件5的旋转运动。所述的横臂转台7为高精度气浮转台，转横臂台7的端面跳动为25nm，横臂转台7的角晃动为0.02″，用于完成测头系统1的旋转运动。测量前需要先对工件转台6进行精确调整，以保证工件转台6的旋转轴OA与横臂转台7的旋转轴O′A′完全平行。同时需要调整横臂2和测头系统1，以保证测头系统1准确位于工件转台6的旋转中心O。所述的被测平面元件5为被测大口径(数百毫米)、高精度元件，需要测量的参数包括：三维形貌图、二维形貌图、PV、RMS、三维形貌体积等。

如图2所示，为摆臂式三维轮廓仪的测量轨迹图。测量工作进行时工件转台6连续旋转，横臂转台7以一设定的步距旋转。当停在某一位置时通过工件转台6的连续旋转扫描一个圆周上的轮廓。当横臂转台7以一设定的步距旋转覆盖整个测头轨迹SS′后，扫描一簇同心圆周上的轮廓。

如图3所示，为摆臂式三维轮廓仪的测量示意图。定义被测平面元件5的坐标系为XOY。当横臂转台7停在某一位置α，工件转台6旋转至点P时，工件转台6的转角为β。此时点P在工件坐标系XOY中的坐标值为：

$X=L\×\cos \left(\mathrm{\β}\right)\×\sqrt{2\×(1-\cos \left(\mathrm{\α}\right))},$

$Y=L\×\sin \left(\mathrm{\β}\right)\×\sqrt{2\×(1-\cos \left(\mathrm{\α}\right))},$

式中L为工件转台6的旋转轴到横臂转台7的旋转轴的距离，α为横臂转台7转角，β为工件转台6转角。P点的Z坐标通过测头系统1直接测得。

本发明的摆臂式三维轮廓仪的横臂2和工件转台6可根据被测平面元件的尺寸进行调整以满足不同口径的平面元件三维表面轮廓的测量。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种摆臂式三维轮廓仪，其特征在于，该轮廓仪包括：测头系统、横臂、立柱、配重、被测平面元件、工件转台和横臂转台，立柱的一端部位于横臂转台的安装孔中并固定连接，横臂位于立柱的另一端部安装孔中；在横臂的一端部设置有配重，在横臂的另一端部设置有测头系统；工件转台上置有被测平面元件；测头系统的探测端与被测平面元件接触；所述的横臂和立柱，用于完成测头系统的旋转运动；所述的配重用于平衡测头系统和横臂以保证横臂转台保持平稳的旋转。

2.根据权利要求1所述的摆臂式三维轮廓仪，其特征在于，所述的测头系统的分辨力为25nm，测量精度为50nm。

3.根据权利要求1所述的摆臂式三维轮廓仪，其特征在于，所述的工件转台为气浮转台，工件转台的端面跳动为25nm，工件转台的角晃动为0.02″。

4.根据权利要求1所述的摆臂式三维轮廓仪，其特征在于，所述的横臂转台为气浮转台，横臂转台的端面跳动为25nm，横臂转台的角晃动为0.02″。

5.根据权利要求1所述的摆臂式三维轮廓仪，其特征在于，所述的横臂和工件转台的尺寸可根据被测平面元件的尺寸进行调整，用以满足不同口径的被测平面元件三维表面轮廓的测量。

6.根据权利要求1所述的摆臂式三维轮廓仪，其特征在于，设定工件转台连续旋转，横臂转台以一设定的步距旋转，当停在某一位置时通过工件转台的连续旋转扫描一个圆周上的轮廓；当横臂转台以一设定的步距旋转覆盖整个测头轨迹后，扫描一簇同心圆周上的轮廓。

7.根据权利要求1所述的摆臂式三维轮廓仪，其特征在于，定义被测平面元件的坐标系为XOY，当横臂转台停在某一位置α，工件转台旋转至点P时，工件转台的转角为β，此时点P在工件坐标系XOY中的坐标值为：

$X=L\×\cos \left(\mathrm{\β}\right)\×\sqrt{2\×(1-\cos \left(\mathrm{\α}\right))},$

$Y=L\×\sin \left(\mathrm{\β}\right)\×\sqrt{2\×(1-\cos \left(\mathrm{\α}\right))},$

式中L为工件转台的旋转轴到横臂转台的旋转轴的距离，α为横臂转台转角，β为工件转台转角，P点的Z坐标通过测头系统直接测得。

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