CN104296716B - 一种基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法，其实施步骤如下：将被测工件安装在机床上，将扫描测头通过具有微位移结构的剪切平台安装在机床的运动机构上；在选定行程的起始位置开始，控制运动机构带动扫描测头限幅移动，每移动到一个检测位置则通过剪切平台驱动扫描测头进行微位移，采集微位移过程中至少两个位置的距离检测数据，直至完成被测工件选定行程上所有检测位置的数据采集，采用预设的误差分离算法将各个检测位置采集的距离检测数据进行误差分离得到直线度测量结果。本发明具有测量精度高、扫描范围大、量程大、测量方便快捷、可抑制环境低频振动影响和消除测头调零误差、间距误差、特性差异和热漂移等影响的优点。

Description

一种基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法

技术领域

本发明涉及测量应用技术领域，具体涉及一种基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法，主要应用于精密、超精密工件表面的直线度、平面度、超精密光学表面甚至光学自由曲面面形的测量，同时也可以检测运动平台的直线度误差。

背景技术

在精密、超精密加工中，为了测量导轨的直线度运动误差、被加工件表面的直线度轮廓、平面度和面形精度等，常常采用扫描测量方法，这种方法将位移测头（常用非接触传感器如电容或电涡流等）或角度检测仪（如自准直仪等）安装在移动平台上，沿被测表面作直线运动，或者将传感器固定，被测件随平台一起运动。当被测表面轮廓误差与溜板的直线运动误差处于同一量级时，需要采用误差分离的方法以重构被测表面的直线度轮廓（或者求得溜板的直线运动误差），进而测量整个被测表面的平面度和面形误差等。

目前误差分离方法一般包括多测头和单测头方法。但是，采用多测头扫描测量时，会存在如下问题：1. 各测头的调零误差会引入抛物形的累积误差，扫描尺寸越大则影响越显著，而调零误差又很难高精度标定；2. 多个测头之间的间距受到安装孔距、孔径、测头外径精度以及夹紧力等的影响会偏离理想位置，并且实际的间距也难以高精度测量，这种测头间距误差同样会影响被测表面轮廓的重构精度，扫描大尺寸零件或高横向分辨率测量时，这种误差影响会很大；3. 不同测头之间的特性差异，也会导致重构误差。此外，现有技术的单测头扫描误差分离方法主要有翻转法和错位法，但是，翻转法需要将被测表面翻转180°进行再次扫描测量；错位法则需要将被测表面沿扫描方向错开一个位置进行再次扫描测量。在实际测量中，被测工件有时候很难进行翻转或者错位移动，因此这两种方法均难以实施；并且由于需要至少两次扫描，溜板的重复精度也会对测量结果产生影响。另外，被测表面与测头之间的相对振动，以及当测量时间较长时，测头的热漂移等都会给测量带来较大的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述技术问题，提供一种测量精度高、扫描范围大、量程大、测量方便快捷、可抑制环境低频振动影响和消除测头调零误差、间距误差、特性差异和热漂移等影响的基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法，其实施步骤如下：

1）将被测工件安装在机床上，将单个直线度测量用的扫描测头通过具有微位移结构的剪切平台安装在机床上，通过机床的运动机构驱动被测工件或者剪切平台实现剪切平台、被测工件之间的相对运动；所述具有微位移结构的剪切平台包括微位移导轨、微动工作台（2）和微位移驱动器，所述微位移导轨、微动工作台之间设有用于检测微位移导轨和微动工作台之间位置的位移传感器，所述扫描测头安装于微动工作台上，所述微位移结构驱动扫描测头进行微位移具体是指通过微位移驱动器驱动微动工作台进行微位移，使得所述微动工作台上的扫描测头作直线位移；

2）在所述被测工件上选定行程的起始位置开始，控制所述机床的运动机构驱动剪切平台、被测工件之间以指定的幅度相对移动，且每移动到一个检测位置则通过剪切平台的微位移结构驱动扫描测头进行微位移，采集所述扫描测头在当前检测位置进行微位移过程中至少两个位置的距离检测数据，直至完成所述选定行程上所有检测位置的数据采集；采用预设的误差分离算法将各个检测位置采集的距离检测数据进行误差分离得到直线度测量结果。

优选地，所述步骤1）中微位移结构的微位移行程为数十微米到毫米级。

优选地，所述微位移导轨1为柔性铰链结构、气浮导轨、液浮导轨、滑动导轨或滚动导轨。

优选地，所述扫描测头为用于采集相对被测工件距离检测数据的非接触式传感器或接触式传感器。

优选地，所述步骤2）的详细步骤如下：

2.1）在所述被测工件上选定行程的起始位置开始，控制所述机床的运动机构驱动剪切平台、被测工件之间以指定的幅度相对移动，当移动到一个检测位置则执行下一步；

2.2）通过剪切平台的微位移结构驱动扫描测头进行微位移，所述微位移的运动方向与机床的运动机构带动剪切平台及扫描测头移动的方向相同或者相反，分别采集所述扫描测头在微位移行程中至少两个位置的距离检测数据，得到当前检测位置的两个或更多距离检测数据；

2.3）检测所述选定行程上所有检测位置是否已经检测完毕，如果尚未完毕，则控制所述机床的运动机构驱动剪切平台、被测工件之间以指定的幅度相对移动到下一个检测位置，跳转执行步骤2.2），否则判定已完成所述选定行程上所有检测位置的数据采集；

2.4）采用预设的误差分离算法依次对各个检测位置的两个距离检测数据进行误差分离，得到误差分离后的直线度测量结果。

本发明基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法具有下述优点：

1、本发明将被测工件安装在机床上，将单个直线度测量用的扫描测头通过具有微位移结构的剪切平台安装在机床上，通过机床的运动机构驱动被测工件或者剪切平台实现剪切平台、被测工件之间的相对运动，控制机床的运动机构驱动剪切平台、被测工件之间以指定的幅度相对移动，且每移动到一个检测位置则通过剪切平台的微位移结构驱动扫描测头进行微位移，在微位移过程中采集扫描测头在当前检测位置进行微位移过程中至少两个位置的距离检测数据相当于多扫描测头“同时”测量，从而可以采用现有技术的误差分离算法一次扫描即可分离直线度误差，剪切平台子区间的快速扫描可以有效避免低于扫描频率的环境振动产生的影响以及扫描测头长时间工作时的热漂移影响，能够克服现有技术多扫描测头测量方法所存在的缺陷，具有测量精度高、扫描范围大、能够消除调零误差影响的优点。

2、本发明将被测工件安装在机床上，将单个直线度测量用的扫描测头通过具有微位移结构的剪切平台安装在机床上，通过机床的运动机构驱动被测工件或者剪切平台实现剪切平台、被测工件之间的相对运动，后续则基于单个直线度测量用的扫描测头的数据来实现超精密直线度测量，相对于现有多测头扫描测量方法而言，单个扫描测头在剪切平台的微位移子区间的横向位移（相当于多扫描测头测量方法的“测头间距”）可以实时精确检测，能有效避免测头间距误差对重构精度的影响，而且可以根据被测表面的特性，实时调整位置的位置来改变“测头间距”，而且采用单测头可避免测头性能差异等对测量精度的影响，具有不存在测头间距误差、不存在扫描测头间的特性差异的优点。

3、本发明将被测工件安装在机床上，将单个直线度测量用的扫描测头通过具有微位移结构的剪切平台安装在机床上，通过机床的运动机构驱动被测工件或者剪切平台实现剪切平台、被测工件之间的相对运动，后续则基于单个直线度测量用的扫描测头的数据来实现超精密直线度测量，相对于现有多测头扫描测量方法而言，无需翻转工件或者是使工件错位，在选定行程的起始位置开始控制机床的运动机构带动剪切平台及扫描测头以指定的幅度进行移动，且每移动到一个检测位置则通过剪切平台驱动扫描测头进行微位移，完成被测工件上选定行程的一次扫描即可分离直线度误差，因此具有测量方便快捷的优点。

4、本发明在获得各个检测位置采集的距离检测数据后，基于差分原理采用预设的误差分离算法将各个检测位置采集的距离检测数据进行误差分离得到直线度测量结果，能够突破传感器量程的限制，从而能够实现大矢高超精密自由曲面的测量。

附图说明

图1为本发明实施例一的基本流程示意图。

图2为本发明实施例一中剪切平台的结构示意图。

图3为本发明实施例一步骤2）的流程示意图。

图4为应用本发明实施例一的机床的结构示意图。

图5为应用本发明实施例一的机床上扫描测头的安装结构示意图。

图6为应用本发明实施例二的机床结构示意图。

图例说明：1、微位移导轨；2、微动工作台；3、微位移驱动器；4、机床本体；41、X轴方向运动机构；42、Y轴方向运动机构；43、Z轴方向运动机构；5、剪切平台；6、扫描测头；7、被测工件；8、主轴。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本实施例基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法的实施步骤如下：

1）将被测工件安装在机床上，将单个直线度测量用的扫描测头通过具有微位移结构的剪切平台安装在机床上，通过机床的运动机构驱动被测工件或者剪切平台实现剪切平台、被测工件之间的相对运动。对于剪切平台、被测工件而言，其大范围的直线扫描运动通过机床的运动机构驱动被测工件或者剪切平台实现剪切平台、被测工件之间的相对运动实现，可以由工件作直线运动或者剪切平台作直线运动，其行程根据被测表面的要求而定，一般数十毫米或数百毫米，甚至更大；与此同时，由于扫描测头通过具有微位移结构的剪切平台安装在机床上，剪切平台具有微位移结构，因此能够使得剪切平台、被测工件之间实现小范围子区间直线运动（微位移），从而通过微位移的不同位置来实现模拟多扫描测头，剪切平台要求其在垂直于运动方向（扫描测头敏感方向）具有高重复精度。

本实施例中，步骤1中微位移结构的微位移行程为数十微米到毫米级；扫描测头可以根据需要采用非接触式传感器或接触式传感器。

如图2所示，步骤1）中具有微位移结构的剪切平台5包括微位移导轨1、微动工作台2和微位移驱动器3，微位移导轨1、微动工作台2之间设有用于检测微位移导轨1和微动工作台2之间位置的位移传感器（如光栅尺或者其它非接触式传感器），扫描测头安装于微动工作台2上，微位移结构驱动扫描测头进行微位移具体是指通过微位移驱动器3驱动微动工作台2进行微位移，使得微动工作台2上的扫描测头作直线位移。其中，微位移驱动器3可以采用压电陶瓷或者音圈电机等实现。由于扫描测头在微位移驱动器3控制下做高速子区间运动（微位移），因此剪切平台在扫描方向的每个位置停留时间相当短暂，从而可以快速完成直线度轮廓的扫描测量。一般来说，柔性铰链结构具有极高的甚至亚埃级的重复精度，因此本实施例中微位移导轨1为柔性铰链结构，此外微位移导轨1也可以根据需要采用气浮导轨、液浮导轨、滑动导轨或滚动导轨。

2）在被测工件上选定行程的起始位置开始，控制机床的运动机构驱动剪切平台、被测工件之间以指定的幅度相对移动，且每移动到一个检测位置则通过剪切平台的微位移结构驱动扫描测头进行微位移，采集扫描测头在当前检测位置进行微位移过程中至少两个位置的距离检测数据，直至完成选定行程上所有检测位置的数据采集；采用预设的误差分离算法将各个检测位置采集的距离检测数据进行误差分离得到直线度测量结果。

如图3所示，步骤2）的详细步骤如下：

2.1）在被测工件上选定行程的起始位置开始，控制机床的运动机构驱动剪切平台、被测工件之间以指定的幅度相对移动，当移动到一个检测位置则执行下一步；

2.2）通过剪切平台的微位移结构驱动扫描测头进行微位移，微位移的运动方向与机床的运动机构带动剪切平台及扫描测头移动的方向相同或者相反，分别采集扫描测头在微位移行程中至少两个位置的距离检测数据，得到当前检测位置的两个或更多距离检测数据；

2.3）检测选定行程上所有检测位置是否已经检测完毕，如果尚未完毕，则控制机床的运动机构驱动剪切平台、被测工件之间以指定的幅度相对移动到下一个检测位置，跳转执行步骤2.2），否则判定已完成选定行程上所有检测位置的数据采集；

2.4）采用预设的误差分离算法依次对各个检测位置的两个距离检测数据进行误差分离，得到误差分离后的直线度测量结果。

目前常用的误差分离算法包括两点法和多点法，两点法有经典的逐次两点法，多点法包括采用利用频域法进行差分测量的精确重构方法（参见中国专利申请号03124600.2）、利用时域法进行差分测量的精确重构方法（参见中国专利申请号03124599.4）、基于多传感器扫描的超精密测量方法（参见中国专利申请号201310445029.6）等三点法以及采用更多点的误差分离算法。需要说明的是，微位移的行程、扫描测头在微位移行程中采集距离检测数据的位置点和所采用的预设误差分离算法相关。例如：对于逐次两点法而言，微位移的行程与控制机床的运动机构带动剪切平台及扫描测头以指定的幅度进行移动的移动距离相同（等于横向分辨率），扫描测头在微位移行程中采集距离检测数据的位置点分别为微位移行程首尾共2个位置点；对于采用利用频域法进行差分测量的精确重构方法或利用时域法进行差分测量的精确重构方法而言，微位移的行程为两个预设剪切量的长度之和，扫描测头在微位移行程中采集距离检测数据的位置点包括微位移行程首尾两个位置点、离首点距离等于其中一个剪切量的位置点共3个位置点；对于采用基于多传感器扫描的超精密测量方法而言，微位移的行程为两个预设剪切量的中较小剪切量的两倍或以上，且在相隔距离等于横向分辨率的每个位置点采集距离检测数据。

本实施例可用于超精密加工机床的在位测量，也可用于专门的测量仪器；在进行在位测量时，根据机床的不同结构，可以针对被测工件采用立式测量或卧式测量方案。

如图4和图5所示，本实施例应用的机床为立式结构的光学零件抛光机床，光学零件抛光机床具有XYZ三轴运动功能，包括机床本体4，机床本体4上设有X轴方向运动机构41和Y轴方向运动机构42，Y轴方向运动机构42上设有Z轴方向运动机构43，X轴方向运动机构41上进一步带有C轴转台，扫描测头6通过具有微位移结构的剪切平台5则安装在Z轴方向运动机构43上。通过X轴方向运动机构41、Y轴方向运动机构42、Z轴方向运动机构43可以调节扫描测头6的位置，通过Y轴方向运动机构42随Y轴一起作水平移动以实现对被测工件7的线轮廓扫描，随Z轴方向运动机构43垂直移动以适应不同厚度被测工件7的测量，并能在测量过程中扩大测量的量程，随X轴方向运动机构41移动或C轴转台转动以完成整个工件表面的扫描。在本实施例基于单测头误差分离的超精密直线度测量时，剪切平台5与扫描测头6一起被Y轴方向运动机构42驱动沿Y轴作水平扫描运动，Y轴的位移通过相应位移传感器（比如光栅尺等）进行实时检测，位移信息反馈给控制器（计算机），由控制器根据横向测量分辨率以及误差分离算法的要求，每移动到一个检测位置则通过剪切平台的微位移结构驱动扫描测头进行微位移，采集扫描测头在当前检测位置进行微位移过程中至少两个位置的距离检测数据，直至完成选定行程上所有检测位置的数据采集；采用预设的误差分离算法将各个检测位置采集的距离检测数据进行误差分离得到直线度测量结果。本实施例能够根据不同误差分离算法的要求，每当大范围直线扫描运动到达确定的检测位置时，剪切平台上的测头作相应的子区间小范围高速直线运动（进行微位移），由于剪切平台具有极高的重复精度，在子区间高速移动时，相当于多测头“同时”扫描测量，因此，与多测头扫描测量一样，溜板的直线运动误差以及测头的“调零”误差（即剪切平台微位移结构在垂直于扫描运动方向的测头敏感方向存在的位置误差）等均会影响到被测表面直线度轮廓的测量，需要通过相应的误差分离算法以消除溜板直线运动误差和“调零”误差的影响。

需要说明的是，本实施例为基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法，在本实施例的基础上，通过机床调节在扫描完一条直线度轮廓后，再沿X轴移动或绕C轴转动工件以完成下一条直线度轮廓的扫描测量，这样直到完成被测工件7整个被测表面的扫描，即可测量出被测工件7整个被测表面的三维形貌。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，其不同点为步骤1）所使用的机床结构不同。

如图6所示，本实施例应用的机床为卧式结构的带有C轴功能的金刚石车床，带有C轴功能的金刚石车床具有XZ两轴运动功能，包括机床本体4，机床本体4上设有X轴方向运动机构41和Z轴方向运动机构43，X轴方向运动机构41上设有可转动的主轴8（C轴），被测工件7安装在主轴8上，扫描测头6通过具有微位移结构的剪切平台5则安装在Z轴方向运动机构43上。剪切平台5安装在Z轴方向运动机构43上（金刚石刀具安装位置），随Z轴水平移动以适应不同厚度工件的测量，并能在测量过程中扩大测量的量程。卧式结构的带有C轴功能的金刚石车床与实施例一的立式结构的光学零件抛光机床的工作原理相同，在本实施例基于单测头误差分离的超精密直线度测量时，被测工件7被X轴方向运动机构41驱动沿X轴作水平扫描运动或者被主轴8驱动转动，水平扫描运动和转动位移通过相应位移传感器（比如光栅尺等）进行实时检测，位移信息反馈给控制器（计算机），由控制器根据横向测量分辨率以及误差分离算法的要求，每移动到一个检测位置则通过剪切平台的微位移结构驱动扫描测头进行微位移，采集扫描测头在当前检测位置进行微位移过程中至少两个位置的距离检测数据，直至完成选定行程上所有检测位置的数据采集；采用预设的误差分离算法将各个检测位置采集的距离检测数据进行误差分离得到直线度测量结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法，其特征在于实施步骤如下：

1）将被测工件安装在机床上，将单个直线度测量用的扫描测头通过具有微位移结构的剪切平台安装在机床上，通过机床的运动机构驱动被测工件或者剪切平台实现剪切平台、被测工件之间的相对运动；所述具有微位移结构的剪切平台包括微位移导轨（1）、微动工作台（2）和微位移驱动器（3），所述微位移导轨（1）、微动工作台（2）之间设有用于检测微位移导轨（1）和微动工作台（2）之间位置的位移传感器，所述扫描测头安装于微动工作台（2）上，所述微位移结构驱动扫描测头进行微位移具体是指通过微位移驱动器（3）驱动微动工作台（2）进行微位移，使得所述微动工作台（2）上的扫描测头作直线位移；

2）在所述被测工件上选定行程的起始位置开始，控制所述机床的运动机构驱动剪切平台、被测工件之间以指定的幅度相对移动，且每移动到一个检测位置则通过剪切平台的微位移结构驱动扫描测头进行微位移，采集所述扫描测头在当前检测位置进行微位移过程中至少两个位置的距离检测数据，直至完成所述选定行程上所有检测位置的数据采集；采用预设的误差分离算法将各个检测位置采集的距离检测数据进行误差分离得到直线度测量结果。

2.根据权利要求1所述的基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法，其特征在于：所述步骤1）中微位移结构的微位移行程为数十微米到毫米级。

3.根据权利要求2所述的基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法，其特征在于：所述微位移导轨（1）为柔性铰链结构、气浮导轨、液浮导轨、滑动导轨或滚动导轨。

4.根据权利要求3所述的基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法，其特征在于：所述扫描测头为用于采集相对被测工件距离检测数据的非接触式传感器或接触式传感器。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于单测头误差分离的超精密直线度测量方法，其特征在于，所述步骤2）的详细步骤如下：

2.1）在所述被测工件上选定行程的起始位置开始，控制所述机床的运动机构驱动剪切平台、被测工件之间以指定的幅度相对移动，当移动到一个检测位置则执行下一步；

2.2）通过剪切平台的微位移结构驱动扫描测头进行微位移，所述微位移的运动方向与机床的运动机构带动剪切平台及扫描测头移动的方向相同或者相反，分别采集所述扫描测头在微位移行程中至少两个位置的距离检测数据，得到当前检测位置的两个或更多距离检测数据；

2.3）检测所述选定行程上所有检测位置是否已经检测完毕，如果尚未完毕，则控制所述机床的运动机构驱动剪切平台、被测工件之间以指定的幅度相对移动到下一个检测位置，跳转执行步骤2.2），否则判定已完成所述选定行程上所有检测位置的数据采集；

2.4）采用预设的误差分离算法依次对各个检测位置的两个距离检测数据进行误差分离，得到误差分离后的直线度测量结果。