CN105444724A - 高精度平面度在线测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

高精度平面度在线测量装置及测量方法，属于高精度在线测量技术领域。解决了现有技术中平面度测量方法检测精度低、效率低、操作繁琐等问题。该装置包括数控立式车床、刀杆接柄、适配器、长度计、数显装置和PC机；其中，刀杆接柄夹持固定在数控立式车床的刀具夹持系统上；适配器固定在刀杆接柄上，长度计固定在适配器上且沿Z向设置，适配器能够相对于刀杆接柄运动，调节长度计的位置，使长度计的探针在工件的被测面上的Z向投影恰好落在数控立式车床的X轴上；数显装置显示长度计的测量值；PC机与数显装置、控制系统分别连接。该装置能够达到亚微米级检测精度，提高了检测效率。尤其适用于光刻投影物镜镜框平面度的在线测量。

Description

高精度平面度在线测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于高精度在线测量技术领域，具体涉及一种高精度平面度在线测量装置及测量方法，尤其适用于光刻投影物镜镜框平面度的在线测量。

背景技术

光刻投影物镜是制造大规模集成电路中的关键设备，近些年来，随着科学技术的不断进步，集成电路的规模不断提高，对光刻投影物镜分辨率的要求也不断提高。在光刻投影物镜的设计与系统集成过程中，对物镜镜框的机械精度有着极高的要求，尤其是镜框的基准面平面度，它可以直接影响所支撑镜片的倾斜程度，从而影响物镜最终成像质量。

现有技术中，镜框平面度的测量方法主要有三种：一种是将镜框加工完成之后，从机床上取下来，放在诸如三坐标测量机(CMM)、圆度仪等设备上进行检测，如果没有达到工件精度要求，再重新装夹找正进行重新加工，但是这种方法要耗费许多时间装调夹具及工件，甚至比工件真正切削的时间都长，而且多次装夹也将产生装夹误差，影响工件的最终精度。一种是通过一些常规手段进行在线测量，例如千分表等，这种测量方法简单易行，但是这些测量设备精度都是微米级别的，很难满足物镜镜框亚微米的精度要求，通过读数只能大概反映出平面度的数值。还有一种是利用机床自身所带探针进行打点，然后判断工件的平面度，但是机床自身携带的探针精度也是在几微米甚至更大，也很难满足亚微米的测量需求。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中平面度测量方法检测精度低、效率低、操作繁琐等技术问题，提供一种高精度平面度在线测量装置及测量方法。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。

高精度平面度在线测量装置，包括主要由导磁块、C向旋转工作台、Z向运动轴、X向运动轴、床身、床座、刀具夹持系统和控制系统组成的数控立式车床；

还包括，刀杆接柄、适配器、长度计、数显装置和PC机；

所述刀杆接柄夹持固定在刀具夹持系统上；

所述适配器固定在刀杆接柄上，长度计固定在适配器上且沿Z向设置，适配器能够相对于刀杆接柄运动，调节长度计的位置，使长度计的探针在工件的被测面上的Z向投影恰好落在数控立式车床的X轴上；

所述数显装置与长度计连接，显示长度计的测量值；

所述PC机与数显装置、控制系统分别连接，PC机采集并存储数显装置的数据，且通过控制系统实时控制数控立式车床。

进一步的，所述刀杆接柄刀杆接柄的顶端设有凸台，凸台夹持固定在刀具夹持系统上，刀杆接柄的侧面设有凹槽，凹槽一端开口。

进一步的，所述适配器由底座和固定在底座上的凸台组成，凸台置于刀杆接柄的凹槽内，能够相对凹槽移动，并通过紧固螺钉夹持固定。

进一步的，长度计通过自带螺钉固定在适配器的底座上。

采用上述高精度平面度在线测量装置测量平面度的方法，包括以下步骤：

步骤一、将数控立式车床的C轴定位到0度，移动X向运动轴和Z向运动轴，使长度计的探针头到工件的被测面的Z向位移在长度计的量程内；

步骤二、通过长度计的控制开关使长度计的探针头与工件的被测面接触，获得一个采集点，将PC机上的数据采集软件归零，以该采集点作为工件的被测面的第一个直径上的第一个数据点x₁₁＝(1，0)，通过长度计的控制开关抬起探针头，转动C向旋转工作台，采集该第一个直径上的其它数据点x_1i＝(1，z)，i表示工件的被测面的同一直径上的第i个采集点，i为整数且1≦i≦n，n为工件的被测面的同一直径上所需采集的数据点的个数，z为长度计的测量值；

步骤三、采集完第一个直径上的所有数据点后，通过移动X向运动轴，采集工件的被测面上其它直径上的数据点x_ki＝(k，z)，k表示工件的被测面上的第k个直径，k为正整数且k≥2；

步骤四、读取PC机上采集的所有数据点，采用最小二乘法求取平面度。

进一步的，所述步骤一中，长度计的探针头到工件的被测面的Z向位移在2-5mm的范围内。

进一步的，所述步骤二中，C向旋转工作台转动的角度为360°/n。

进一步的，所述步骤二中，n≧12。

进一步的，所述步骤四中，读取软件为matlab软件。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的高精度平面度在线测量装置能够实现工件平面度的在线测量，满足工件所需的亚微米级检测精度，在工件车削之后不需要拆卸工件就可以进行测量，只需要将车削刀具换成长度计即可，这样大大降低了由于工件重复装夹对加工精度的影响和工件搬运所需的时间，提高了平面度检测的效率，降低由于工件重复装夹对加工精度的影响；

2、本发明的高精度平面度在线测量装置处于精密立式车床的密闭加工空间中，检测结果基本不受外界环境影响，具备良好的检测稳定性；

3、本发明的高精度平面度在线测量装置测量方法，测量前，可以通过Z向运动轴任意调节长度计的位置，使长度计保持在一个离工件被测面适当的高度上，在检测过程中始终让Z轴保持在同一高度，这样就可以避免机床自身的Z向定位误差对长度计测量精度的影响，保证了高精度长度计的亚微米测量精度；

4、本发明的高精度平面度在线测量装置测量方法，利用高精密立式车床的C轴及其数控系统对工件进行角度分度，保持长度计不动，转动C轴以实现采集工件被测面上的不同数据点，另外通过移动机床X向运动轴实现工件不同直径上数据点的采集，使得测量过程简便，充分利用了精密车床的自有条件，便于工件平面度的多点测量；

5、本发明的高精度平面度在线测量装置测量方法，能够精确快速计算平面度，在PC机上生成平面度的直观图和工件不同半径上的平面高低差，真实详细的反映工件平面度情况，可以用来指导工件的进一步切削。

附图说明

图1为本发明的高精度平面度在线测量装置的结构示意图(图中省略数显装置和PC机)；

图2为本发明的适配器与刀杆接柄的装配图；

图3为本发明的适配器的结构示意图；

图中，1、工件，2、导磁块，3、C向旋转工作台，4、长度计，5、适配器，5-1、底座，5-2、凸台，6、刀杆接柄，6-1、凸台，7、Z向运动轴，8、X向运动轴，9、床身，10、床座。

具体实施方式

下面结合图1-3对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明的高精度平面度在线测量装置，主要包括数控立式车床、刀杆接柄、适配器、长度计、数显装置和PC机。

其中，数控立式车床为现有结构，一般为精密数控立式车床，没有特殊限制，主要包括导磁块2、C向旋转工作台3、Z向运动轴7、X向运动轴8、床身9、床座10、刀具夹持系统和控制系统(图中未示出)，Z向运动轴7能够沿Z向运动，X向运动轴8能够沿X向运动。

如图2所示，刀杆接柄6为柱状结构，顶端设有凸台6-1，凸台6-1夹持固定在刀具夹持系统上，刀杆接柄6的侧面设有凹槽，凹槽底端开口，凹槽壁上设有螺纹孔，用于安装紧固螺钉。

如图2-3所示，适配器5由底座5-1和凸台5-2组成，凸台5-2置于刀杆接柄6的刀杆接柄6的凹槽内，凸台5-2能够相对于凹槽移动，并通过紧固螺钉夹持固定。底座5-1上设有螺纹孔，用于固定长度计4，螺纹孔的具体位置按照长度计4上自身所带螺钉位置设计。适配器5可以采用对温度不敏感的材料加工，可以最大限度减少环境温度变化对测量结果的影响，提高工件平面度测量的准确性。

长度计4通过其自带螺钉固定在适配器5的底座5-1上，且沿Z向设置。通过长度计4的控制开关控制长度计4的探针头的升降，通过调节长度计4的自带螺钉可以调节长度计4固定的松紧程度，通过调节适配器5的凸台5-2与刀杆接柄6的刀杆接柄6的凹槽的相对位置，可以调整长度计4的垂直度。保证长度计4的探针头在Z方向上的投影在X轴上，投影面为工件1的被测面。长度计4进行数据点的采集，保证长度计4的探针头在Z方向上的投影恰好在X轴上，能够充分利用数控立式车床的自身运动轴精度，使得测量的结果更精确，排除一些不必要的误差。

数显装置通过数据线与长度计4连接，实时显示长度计4的测量值。数据线可以固定在床座10和/或床身9上。

PC机通过网络接口与数控立式车床连接，应用PC机上的数控立式车床操控软件对数控立式车床实现实时控制，同时与数显装置连接，应用PC机上的数据采集软件采集数显装置的数据并存储在本地磁盘上，然后通过计算程序采用最小二乘法实现工件平面度的计算，进而，还可以通过分析PC机上的数据点生成平面度的直观图和工件不同半径上的平面高低差，指导工件1的加工。

本发明中的，X轴、Z轴两两垂直，且原点为数控立式车床的旋转中心。

本发明的高精度平面度在线测量装置，在测量时，首先将C轴定位到0度，该过程可以采用PC机上的数控立式车床操控软件实现，也可以通过调节机床手轮实现，移动Z向运动轴7和X向运动轴8，控制长度计4的探针头接近工件1的被测面，至少探针头到被测面的Z向位移在长度计4的量程范围内，通常长度计4的探针头到被测面的Z向位移在2-5mm左右，这个范围内长度计4的精度可以达到±0.2um。探针头在Z方向上的投影(投影面为工件1的被测面)在被测面的一个合理的直径上，保证其能够对被测面测量。

然后通过长度计4的控制开关使探针头与工件1的被测面接触，获得一个采集点，将PC机上的数据采集软件归零，将该采集点作为工件1的被测面第一个直径上的第一个数据点x₁₁＝(1，0)，然后通过长度计4的控制开关抬起探针头，转动C向旋转工作台3，继续采集相同直径上的其它数据点x_1i＝(1，z)(i表示工件1的被测面的同一直径上的第i个采集点，i为整数且1≦i≦n，n为工件1的被测面的同一直径上所需采集的数据点的个数)。在采集这些数据点时，采集点可以均匀分布，即每次旋转的C向旋转工作台3的角度为分度角，为360°/n，当n≧12时所计算的平面度结果更精确，这样最终所得的平面度值更精确，所以优选n≧12。

采集完第一个直径上的所有数据点后，通过长度计4的控制开关抬起探针头，移动X向运动轴，采集工件1的被测面上其它直径上的数据点x_ki＝(k，z)，k表示工件1的被测面上的第k个直径，k为正整数且k≥2。

测量完成之后，所有采集的数据点以表格形式存储在PC机上，利用matlab软件读取数据点，并应用最小二乘法进行平面度的计算，即使所有数据点对最小二乘平面Z轴偏差ΔZ_i的平方和S最小，求取出参考平面，然后利用包容平面求出工件1的平面度。同时也可以求取出工件1各个不同直径上的Z向高低差，通过这个值可以大致判定出刀具的磨损量，这样如果平面度不合格可以在下一次切削时进行适当的刀具磨损补偿。

Claims (9)

1.高精度平面度在线测量装置，包括主要由导磁块(2)、C向旋转工作台(3)、Z向运动轴(7)、X向运动轴(8)、床身(9)、床座(10)、刀具夹持系统和控制系统组成的数控立式车床；

其特征在于，还包括，

刀杆接柄(6)、适配器(5)、长度计(4)、数显装置和PC机；

所述刀杆接柄(6)夹持固定在刀具夹持系统上；

所述适配器(5)固定在刀杆接柄(6)上，长度计(4)固定在适配器(5)上且沿Z向设置，适配器(5)能够相对于刀杆接柄(6)运动，调节长度计(4)的位置，使长度计(4)的探针在工件(1)的被测面上的Z向投影恰好落在数控立式车床的X轴上；

所述数显装置与长度计(4)连接，显示长度计(4)的测量值；

所述PC机与数显装置、控制系统分别连接，PC机采集并存储数显装置的数据，且通过控制系统实时控制数控立式车床。

2.根据权利要求2所述的高精度平面度在线测量装置，其特征在于，所述刀杆接柄(6)的顶端设有凸台(6-1)，凸台(6-1)夹持固定在刀具夹持系统上，刀杆接柄(6)的侧面设有凹槽，凹槽一端开口。

3.根据权利要求2所述的高精度平面度在线测量装置，其特征在于，所述适配器(5)由底座(5-1)和固定在底座(5-1)上的凸台(5-2)组成，凸台(5-2)置于刀杆接柄(6)的凹槽内，能够相对凹槽移动，并通过紧固螺钉夹持固定。

4.根据权利要求3所述的高精度平面度在线测量装置，其特征在于，长度计(4)通过自带螺钉固定在适配器(5)的底座(5-1)上。

5.采用权利要求1-4任何一项所述的高精度平面度在线测量装置测量平面度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将数控立式车床的C轴定位到0度，移动X向运动轴(8)和Z向运动轴(7)，使长度计(4)的探针头到工件(1)的被测面的Z向位移在长度计(4)的量程内；

步骤二、通过长度计(4)的控制开关使长度计(4)的探针头与工件(1)的被测面接触，获得一个采集点，将PC机上的数据采集软件归零，以该采集点作为工件(1)的被测面的第一个直径上的第一个数据点x₁₁＝(1，0)，通过长度计(4)的控制开关抬起探针头，转动C向旋转工作台(3)，采集该第一个直径上的其它数据点x_1i＝(1，z)，i表示工件(1)的被测面的同一直径上的第i个采集点，i为整数且1≦i≦n，n为工件(1)的被测面的同一直径上所需采集的数据点的个数，z为长度计(4)的测量值；

步骤三、采集完第一个直径上的所有数据点后，通过移动X向运动轴(8)，采集工件(1)的被测面上其它直径上的数据点x_ki＝(k，z)，k表示工件(1)的被测面上的第k个直径，k为正整数且k≥2；

步骤四、读取PC机上采集的所有数据点，采用最小二乘法求取平面度。

6.根据权利要求5所述的高精度平面度在线测量方法，其特征在于，所述步骤一中，长度计(4)的探针头到工件(1)的被测面的Z向位移在2-5mm的范围内。

7.根据权利要求5所述的高精度平面度在线测量方法，其特征在于，所述步骤二中，C向旋转工作台(3)转动的角度为360°/n。

8.根据权利要求5所述的高精度平面度在线测量方法，其特征在于，所述步骤二中，n≧12。

9.根据权利要求5所述的高精度平面度在线测量方法，其特征在于，所述步骤四中，读取软件为matlab软件。