CN107687832B - 一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用接触式轮廓仪检验Wolter‑Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法，所述测试系统由轮廓仪和辅助调整装置两部分构成，所述辅助调整装置包括X轴直线位移台、水平回转转台、竖直面回转转台以及装卡工件的卡盘，其中：X轴直线位移台固定安装在轮廓仪检测平台的台面上，水平回转转台固定安装在X轴直线位移台上，竖直面回转转台固定安装在水平回转转台上，卡盘固定安装在竖直面回转转台上，用于装卡芯轴。本发明能够完成Woler I型芯轴的尺寸误差、表面粗糙度、波纹度和形状误差等性能指标的检验，无需使用其他额外的超精密测量仪器，减少了超精密测量仪器的购置成本，减少了测量次数，提高了测量效率。

Description

一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试 系统及方法

技术领域

本发明属于超精密测量技术领域，涉及一种检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法，尤其涉及一种采用接触式轮廓仪检验 Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法。

背景技术

Woler I型成像系统是一种重要的掠入射成像系统，广泛用于X 射线掠入射光学，例如：天文观测用的X射线望远镜、样品检测用的 X射线显微镜、极紫外(EUV)光刻系统中的光学收集器等。单层Woler I型反射镜是由两个同轴共焦的轴对称非球面组合而成，如图1所示。其中，S为点光源，I为S的像，R为两片非球面子午截面曲线的交点，A和B为子午线的端点。非球面1和非球面2通常为长径比较大的椭球面、双曲面、抛物面、圆锥面等二次曲面或高次非球面。

这种高精度、大长径比内凹非球面的加工和检验是十分困难的，为了降低加工难度，目前常采用芯轴复制的方法制造Woler I型反射镜。首先利用超精密车削或磨削以及抛光等方法加工出与内凹表面形状和精度要求完全一致的芯轴外凸表面，然后利用化学气相沉积或物理气象沉积等方法复制出反射镜表面，再经过电铸和脱壳等工艺最终完成反射镜的制造。显然，芯轴的表面质量对复制后反射镜表面质量的影响是至关重要的，因此在芯轴的制造过程中需要对其进行多次精密测量。尤其是对芯轴进行超精密车削或磨削之后，需要对芯轴的尺寸误差、表面粗糙度、波纹度和形状误差等性能指标进行精确测量，以便为芯轴表面的进一步抛光提供准确可靠的参考数据。

用于高陡度非球面的检测方法有接触式和非接触式两种,非接触式主要指光学检测方法，它们常常是光学表面的最终检验手段。而接触式测量适用于加工过程中的面形测量，常用的接触测量仪器有三坐标测量仪(CMM)和轮廓仪等。

光学测量法可以提供很高的分辨率(亚纳米级)，但是测量范围是有限的，常用于测量空间频率尺度较小的微观粗糙度。若要延长测量范围，则通常以牺牲精度为代价。对于空间频率尺度较大的形状误差的测量，常采用子孔径拼接的方法，拼接误差是影响测量精度的关键因素。当工件尺寸增大时，子孔径的数量也随之增加，会导致测量时间长、数据处理复杂、引起误差传递和积累等问题。CMM常用于工件尺寸的测量，测量范围大，分辨率可以达到亚微米。接触式轮廓仪是测量工件二维尺寸、表面轮廓形状、波纹度和粗糙度的常用仪器，具有分辨率高(亚纳米)、垂直测量范围大等优点。但是，在接触式轮廓仪上测量的轴对称非球面常包含顶点，如图2所示A点。以顶点 A为坐标原点建立测量坐标系，使测量坐标系与加工坐标系重合，则测量所得的数据能够精确的反映出非球面的尺寸误差和轮廓形状误差。但是Woler I型芯轴的表面一般不包含非球面的顶点，例如图3 所示的椭球面和双曲面组成的芯轴表面。显然，找不到参考顶点就无法建立测量数据与芯轴子午截面曲线方程之间的位置关系，这增加了采用轮廓仪对Woler I型芯轴表面进行精确测量的难度。

发明内容

本发明针对Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量检验难的问题，提供了一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法，采用接触式轮廓仪测量其尺寸、表面轮廓形状、波纹度和粗糙度，解决了找不到参考顶点的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统，由轮廓仪和辅助调整装置两部分构成，所述辅助调整装置包括X 轴直线位移台、水平回转转台、竖直面回转转台以及装卡工件的卡盘，其中：

所述X轴直线位移台固定安装在轮廓仪检测平台的台面上，其运动方向垂直于探针的运动方向，用于控制芯轴沿X方向的直线运动；

所述水平回转转台固定安装在X轴直线位移台上，用于控制芯轴在水平面内绕B轴旋转；

所述竖直面回转转台固定安装在水平回转转台上，用于控制芯轴在竖直面内绕A轴旋转，以调整芯轴轴线与探针运动方向平行；

所述卡盘固定安装在竖直面回转转台上，用于装卡芯轴。

一种利用上述测试系统检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的方法，包括如下步骤：

一、测量数据

(1)初步调整芯轴和探针的相对位置，使探针与芯轴子午截面偏离较小；

(2)通过X轴调整芯轴位置，使探针针尖位于芯轴表面某一最高点；

(3)Z向移动探针一段距离，调整X轴寻找芯轴表面最高点，通过探针Z向移动距离和X轴移动距离计算出探针与芯轴子午截面偏离的程度，通过水平回转转台进行调整，使探针运动轴线位于芯轴子午截面内；

(4)通过竖直面回转转台调整芯轴轴线与探针运动轴线平行；

(5)调整好芯轴和探针之间的相对位置后开始测量；

(6)探针沿着芯轴子午截面轮廓曲线运动，得到测量原始数据；

二、建立测量坐标系

(1)设测量数据点的个数为N，将测量数据中相邻点的纵坐标做差，得到增量值Δy_i＝y_i+1-y_i,(i＝1,2,…,N-1)；

(2)利用小波变换从测量数据中提取出两片非球面子午截面曲线的交点R的坐标值，然后以R点为参考点对测量数据进行坐标平移变换，使测量坐标系与加工坐标系重合；

(3)以R点为界，将Wolter-Ⅰ型芯轴上两片非球面的测量数据进行分离，分别检验各自的表面质量；

三、去倾斜处理

(1)假设测量数据的长度为l，则在理想和实际的子午截面轮廓曲线上分别计算出l对应的弦长与探针运动方向的夹角θ₀和θ₁；

(2)通过以下公式建立补偿表，将倾斜误差的影响补偿到测量数据中：

c_i＝(l-i)×(tanθ₀-tanθ₁),(i＝1,...,l+1) (1)；

四、芯轴表面质量评价

(1)将去倾斜处理后的测量值与理想值比较，计算出芯轴的尺寸误差；

(2)在轮廓误差的测量数据中选择不同长度的取样信号，通过小波变换对取样信号进行多尺度分解，详细分析分解后的细节系数和逼近系数包含的频率成分，计算出芯轴的表面粗糙度、波纹度和形状误差。

本发明具有如下优点：

1、本发明设计的辅助调整装置结合轮廓仪的ZY运动轴使测量系统共包含6个自由度，可以精确的调整轮廓仪探针与芯轴的位置关系，使探针在竖直平面内沿着芯轴子午截面曲线运动。

2、本发明通过提取测量数据中的特征点R，将Wolter-Ⅰ型芯轴上两片非球面的测量数据分离，可以分别检验各自的表面质量；以R 点为参考点，建立测量坐标系，使测量坐标系与加工坐标系重合，可以实现芯轴径向尺寸误差的精确计算。

3、测量系统选用的轮廓仪型号是Form TalysurfPGI 1240，其纵向分辨率为0.8nm，水平方向最大行程为200mm，竖直方向传感器最大测量范围12.5mm，因此测量系统能够满足超精密车削后芯轴表面纳米级表面粗糙度的检验要求，并且对于中等口径的芯轴可以实现全程测量，避免了其他轮廓拼接测量方法在拼接过程中出现的测量时间长、数据处理复杂、引起误差传递和积累等问题。

4、本发明可以使用轮廓仪准确测量Wolter-Ⅰ型结构的非球面表面，包括反射镜及其复制用芯轴的表面，为Wolter-Ⅰ型结构反射镜的制造提供了一种新的测量手段。

5、本发明使用一台高精度接触式轮廓仪和加装的辅助装置能够完成Woler I型芯轴的尺寸误差、表面粗糙度、波纹度和形状误差等性能指标的检验，无需使用其他额外的超精密测量仪器，减少了超精密测量仪器的购置成本，减少了测量次数，提高了测量效率，测量的结果为芯轴的进一步精整提供了准确可靠的参考数据。

附图说明

图1为单层Wolter-Ⅰ型反射镜示意图；

图2为轮廓仪测量轴对称非球面；

图3为芯轴子午截面；

图4为辅助调整装置及测量系统的示意图，图中，1-竖直面回转转台，2-水平回转转台，3-X方向直线位移台，4-手轮，5-卡盘，6- 探针，7-轮廓仪，8-芯轴；

图5为测量数据坐标变换；

图6为倾斜误差。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种采用接触式轮廓仪检验 Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的方法，具体实施步骤如下：

1、搭建测量系统

为保证接触式轮廓仪对轴对称非球面测量的准确性，轮廓仪探针必须沿着非球面的子午截面轮廓曲线运动。因此，需要设计辅助调整装置来精确调整芯轴与探针之间的相对位置。所述辅助调整装置包括 X轴直线位移台3、水平回转转台2、竖直面回转转台1以及装卡工件的卡盘5。其中，X轴直线位移台3固定安装在轮廓仪检测平台的台面上，其运动方向垂直于探针6的运动方向，用于控制芯轴8沿X 方向的直线运动；水平回转转台2固定安装在X轴直线位移台3上，用于控制芯轴8在水平面内绕B轴旋转；竖直面回转转台1固定安装在水平回转转台2上，用于控制芯轴8在竖直面内绕A轴旋转，以调整芯轴轴线与探针6运动方向平行；卡盘5固定安装在竖直面回转转台1上，用于装卡芯轴8，芯轴8可以绕C轴旋转，以便测量不同位置的子午截面轮廓曲线。轮廓仪探针可以沿Y和Z两个方向做直线运动，以调整探针6在芯轴子午轮截面廓曲线上起始测量点的位置和探针6与工件之间的接触力。辅助调整装置配合轮廓仪探针的Z和Y 向平移运动，使整套Wolter-Ⅰ型芯轴测量系统共包含6个自由度。通过调整这6个自由度将轮廓仪探针准确定位到芯轴子午截面轮廓曲线上，如图4所示。

测量系统的工作原理和使用方法：

1)初步调整芯轴和探针的相对位置，使探针与芯轴子午截面偏离较小；

2)通过X轴调整芯轴位置，使探针针尖位于芯轴表面某一最高点；

3)Z向移动探针一段距离，调整X轴寻找芯轴表面最高点，通过探针Z向移动距离和X轴移动距离可计算出探针与芯轴子午截面偏离的程度，通过水平回转转台进行调整，使探针运动轴线位于芯轴子午截面内；

4)通过竖直面回转转台调整芯轴轴线与探针运动轴线平行；

5)调整好芯轴和探针之间的相对位置后开始测量；

6)对测量数据进行分析和处理，得出测量结果。

2、建立测量坐标系

使用轮廓仪测量芯轴表面，得到的原始数据曲线与芯轴子午截面轮廓曲线在形状上是一致的。但是测量坐标系与加工坐标系通常是不重合的，如图5(a)所示。由于轮廓仪探针的移动范围有限，测量数据中不包含子午截面轮廓曲线上的端点A和B，仅包含交点R。设测量数据点的个数为N，将测量数据中相邻点的纵坐标做差，得到增量值Δy_i＝y_i+1-y_i,(i＝1,2,…,N-1)，由于R点两侧曲线斜率变化较大，增量数据在R点处会出现间断点，利用小波变换提取出R点的坐标值。然后以R点为参考点对测量数据进行坐标平移变换，使测量坐标系与加工坐标系重合，变换后测量曲线与理论曲线的位置关系如图5(b)所示。以R点为界，将Wolter-Ⅰ型芯轴上两片非球面的测量数据进行分离，分别检验各自的表面质量。

3、去倾斜处理

当芯轴轴线在竖直平面内发生倾斜时，倾斜误差对测量结果有较大影响，如图6所示。通过补偿法进行去倾斜处理，假设测量数据的长度为l，则在理想和实际的子午截面轮廓曲线上可以分别计算出l 对应的弦长与探针运动方向的夹角θ₀和θ₁。通过公式(1)建立补偿表，可以将倾斜误差的影响补偿到测量数据中，以消除倾斜误差的影响。

c_i＝(l-i)×(tanθ₀-tanθ₁),(i＝1,...,l+1) (1)

4、芯轴表面质量评价

将去倾斜处理后的测量值与理想值比较计算出芯轴的尺寸误差。在轮廓误差的测量数据中选择不同长度的取样信号，通过小波变换对取样信号进行多尺度分解。详细分析分解后的细节系数和逼近系数包含的频率成分，计算出芯轴的表面粗糙度、波纹度和形状误差。测量系统选用的轮廓仪型号是Form TalysurfPGI 1240，其纵向分辨率为 0.8nm，水平方向最大行程为200mm，竖直方向传感器最大测量范围 12.5mm，因此测量系统能够满足超精密车削后芯轴表面纳米级表面粗糙度的检验要求，并且对于中等口径的芯轴可以实现全程测量。

具体实施方式二：本实施方式中实验所用的Woler I型芯轴由椭球面和双曲面构成，以椭球面表面质量的检验为例进行分析和计算，得出其性能指标，双曲面表面质量检验的分析与计算方法与椭球面相同。已知椭球面上R和B点对应的直径分别为d_R＝150.4872mm和 d_B＝153.4338mm，轴向距离L_RB＝101.3474mm，如图3所示。选用半径2μm的探针，设置采样间隔1μm，对超精密车削后的芯轴进行测量实验。从R点开始在椭球面子午截面曲线上取70000个测量点进行分析，对应测量长度70mm，测量结果如下：

1)芯轴径向尺寸误差(直径)：真实测量值小于理论值，误差值介于-2～-3μm；

2)表面粗糙度：平均值R_a＝2.05274nm；均方根值R_q＝2.46926nm；最大峰-谷值R_z＝10.96392nm；

3)表面波纹度：平均值W_a＝16.185nm；均方根值W_q＝20.3766nm；最大峰-谷值W_z＝118.378nm；

4)表面形状误差：平均值P_a＝87.021nm；均方根值P_q＝100.50 nm；最大峰-谷值P_z＝0.41361μm。

Claims (2)

1.一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统，其特征在于所述测试系统由轮廓仪和辅助调整装置两部分构成，所述辅助调整装置包括X轴直线位移台、水平回转转台、竖直面回转转台以及装卡工件的卡盘，其中：

所述X轴直线位移台固定安装在轮廓仪检测平台的台面上，其运动方向垂直于探针的运动方向，用于控制芯轴沿X方向的直线运动；

所述轮廓仪的纵向分辨率为0.8nm，水平方向最大行程为200mm，竖直方向传感器最大测量范围12.5mm；

所述水平回转转台固定安装在X轴直线位移台上，用于控制芯轴在水平面内绕B轴旋转；

所述竖直面回转转台固定安装在水平回转转台上，用于控制芯轴在竖直面内绕A轴旋转，以调整芯轴轴线与探针运动方向平行；

所述卡盘固定安装在竖直面回转转台上，用于装卡芯轴。

2.一种利用权利要求1所述的测试系统检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

一、测量数据

(1)初步调整芯轴和探针的相对位置，使探针与芯轴子午截面偏离较小；

(2)通过X轴调整芯轴位置，使探针针尖位于芯轴表面某一最高点；

(3)Z向移动探针一段距离，调整X轴寻找芯轴表面最高点，通过探针Z向移动距离和X轴移动距离计算出探针与芯轴子午截面偏离的程度，通过水平回转转台进行调整，使探针运动轴线位于芯轴子午截面内；

(4)通过竖直面回转转台调整芯轴轴线与探针运动轴线平行；

(5)调整好芯轴和探针之间的相对位置后开始测量；

(6)探针沿着芯轴子午截面轮廓曲线运动，得到测量原始数据；

二、建立测量坐标系

(1)设测量数据点的个数为N，将测量数据中相邻点的纵坐标做差，得到增量值Δy_i＝y_i+1-y_i，i＝1,2,…,N-1；

(2)利用小波变换从测量数据中提取出两片非球面子午截面曲线的交点R的坐标值，然后以R点为参考点对测量数据进行坐标平移变换，使测量坐标系与加工坐标系重合；

(3)以R点为界，将Wolter-Ⅰ型芯轴上两片非球面的测量数据进行分离，分别检验各自的表面质量；

三、去倾斜处理

(1)假设测量数据的长度为l，则在理想和实际的子午截面轮廓曲线上分别计算出l对应的弦长与探针运动方向的夹角θ₀和θ₁；

(2)通过以下公式建立补偿表，将倾斜误差的影响补偿到测量数据中：

c_i＝(l-i)×(tanθ₀-tanθ₁),(i＝1,...,l+1) (1)；

四、芯轴表面质量评价

(1)将去倾斜处理后的测量值与理想值比较，计算出芯轴的尺寸误差；

(2)在轮廓误差的测量数据中选择不同长度的取样信号，通过小波变换对取样信号进行多尺度分解，详细分析分解后的细节系数和逼近系数包含的频率成分，计算出芯轴的表面粗糙度、波纹度和形状误差。