CN107860341B - 一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法，特点是在Z向旋转平台上固定对中试件，对中试件的下表面为水平面、上表面为倾斜面，然后控制Z向旋转平台转动一周，测头测得其探针相对于对中试件上表面的运动轨迹的高度差为Δh，再控制X向直线平台沿X向移动微小距离Δx'，然后控制Z向旋转平台转动一周，测头测得其探针相对于对中试件上表面的运动轨迹的高度差为Δh'；将所测得的两次高度差Δh、Δh'代入关系式，得到测头探针的扫描起点与Z向旋转平台的旋转中心之间的X向对中误差Δx和Y向对中误差Δy；优点是对中操作简单，对中速度快，且对中精度和分辨率高。

Description

一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域中的表面形貌测量，尤其涉及一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法。

背景技术

近年来，随着超精密加工技术、微细加工技术的不断进步，具有精密表面的零部件，如精密机械零件，以及具有微观结构表面的元器件、集成电路，如微透镜阵列、微反射镜阵列、光栅、超大规模集成电路等不断涌现。试件的表面形貌不仅体现其表面的外在特征，也反映其内在性能。如，机械零件加工后所形成的表面形貌特征既影响表面的摩擦磨损、接触刚度、疲劳强度、配合性质以及系统的传动精度等机械性能，又影响传热性、导电性、抗腐蚀性等物理性能；用于制作集成电路的硅片表面粗糙度对电路中薄膜电阻和薄膜电容的影响非常显著，进而影响电路的性能、成品率；通过多次光刻、腐蚀方法制作的光学元件表面以及通过微机械加工技术制作的微机械结构表面等，均会影响试件的使用性能。

目前，在测量试件的表面形貌时，大都采用栅格式扫描方式，如图1所示，来获得被测试件三维形貌中的平面直角坐标(即x、y坐标)，但这种扫描方式每扫描一条栅格线，相应的移动平台均要进行加速、匀速、减速运动，这种加减速运动势必使测量时间变长，且测量结果易受干扰以及噪声的影响；并且，每扫描下一条栅格线，相应的移动平台便要反向移动，这就会产生反向运动误差，从而降低试件表面形貌的测量精度。为避免栅格式扫描中的频繁加减速以及反向间隙误差，提高试件表面三维形貌的测量速度与精度，目前也有采用螺旋式扫描法，即被测试件同时做直线与旋转运动，据此形成螺旋线(如图2所示)来获得被测试件表面三维形貌中的平面极坐标(即r、θ坐标)。但通过螺旋式扫描来实现试件表面三维形貌精密测量的关键之一是测量系统应处于对中状态，即用于获得试件表面形貌高度信息的测头探针的扫描起点应与带动试件转动的旋转平台的旋转中心重合，否则，螺旋式扫描法所给出的试件表面三维形貌便会产生失真。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可确保测头探针的扫描起点与旋转平台的旋转中心的重合精度，以实现试件表面三维形貌的精密、快速测量的螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法，其所使用的测量系统包括基座、立柱、X向直线平台、Y向直线平台、Z向直线平台和Z向旋转平台，所述的Y向直线平台位于所述的X向直线平台的下方，所述的基座上设置有用于驱动所述的Y向直线平台沿Y向移动的Y向驱动机构，所述的Y向直线平台上设置有用于驱动所述的X向直线平台沿X向移动的X向驱动机构，所述的Z向旋转平台位于所述的X向直线平台的上方，所述的X向直线平台上设置有用于驱动所述的Z向旋转平台旋转的Z向旋转驱动机构，所述的立柱垂直固定在所述的基座上，所述的立柱上设置有用于驱动所述的Z向直线平台沿Z向移动的Z向驱动机构，所述的Z向直线平台上固定设置有测头，所述的X向直线平台上固定设置有X向线位移传感器，所述的Y向直线平台上固定设置有Y向线位移传感器，所述的Z向直线平台上固定设置有Z向线位移传感器，所述的Z向旋转平台上固定设置有角位移传感器，该测量系统的对中方法包括以下具体步骤：

(1)、在Z向旋转平台上固定对中试件，对中试件的下表面为水平面、上表面为倾斜面；

(2)、控制Z向旋转驱动机构驱动Z向旋转平台转动一周，测头测得其探针相对于对中试件上表面的运动轨迹的高度差为Δh；

(3)、控制X向驱动机构驱动X向直线平台沿X向移动微小距离Δx'，然后控制Z向旋转驱动机构驱动Z向旋转平台转动一周，测头测得其探针相对于对中试件上表面的运动轨迹的高度差为Δh'；

(4)、将所测得的两次高度差Δh、Δh'代入关系式：

得到测头探针的扫描起点与Z向旋转平台的旋转中心之间的X向对中误差Δx和Y向对中误差Δy，式中：α为对中试件的上表面与水平面之间的夹角，即对中试件的倾斜面的倾角；

(5)、控制X向驱动机构驱动X向直线平台向靠近测头探针的方向移动Δx距离，控制Y向驱动机构驱动Y向直线平台向靠近测头探针的方向移动Δy距离，使测头探针的扫描起点与Z向旋转平台的旋转中心重合。

进一步地，所述的X向驱动机构、所述的Y向驱动机构和所述的Z向驱动机构的结构均相同，所述的Y向驱动机构包括安装座、伺服电机和丝杆，所述的安装座固定在所述的基座上，所述的伺服电机固定在所述的安装座上，所述的Y向直线平台与所述的安装座Y向水平滑动配合，所述的丝杆与所述的伺服电机同轴固定连接，所述的Y向直线平台与所述的丝杆相螺接。

进一步地，所述的X向驱动机构、所述的Y向驱动机构和所述的Z向驱动机构均为直线电机。

进一步地，所述的Z向旋转驱动机构为DD马达。

进一步地，所述的测头为机械触针式测头或光学非接触式测头，所述的光学非接触式测头为几何光探针式测头、物理光探针式测头、干涉显微式测头或结构光式测头。

进一步地，所述的X向线位移传感器、所述的Y向线位移传感器和所述的Z向线位移传感器均采用光栅尺或激光干涉仪，所述的角位移传感器采用光电式编码器或磁编码器。

进一步地，所述的基座和所述的立柱的材料均为大理石，可用来实现隔振与吸振；所述的对中试件的材料为大理石，以减小热变形的影响。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)、由于仅通过Z向旋转平台的两次360°旋转和X向直线平台的一次微小移动，便可使测量系统处于对中状态，即测头探针的扫描起点与Z向旋转平台的旋转中心重合，其对中操作简单，对中速度快；

(2)、由于对中的精度取决于测头、X向直线平台、X向线位移传感器、对中试件上表面的倾角，而它们均具有高精度，对中的分辨率取决于测头、X向直线平台和X向线位移传感器，而它们又具有高分辨率，因此本方法的对中精度与分辨率高。

附图说明

图1为现有的栅格式扫描法的扫描过程；

图2为现有的螺旋式扫描法的扫描过程；

图3为本发明的测量系统的结构示意图；

图4为本发明的Z向旋转平台转动一周探针相对对中试件的运动轨迹图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图所示，一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法，其所使用的测量系统包括基座1、立柱2、X向直线平台3、Y向直线平台4、Z向直线平台5和Z向旋转平台6，基座1和立柱2的材料均为大理石，Y向直线平台4位于X向直线平台3的下方，基座1上设置有用于驱动Y向直线平台4沿Y向移动的Y向驱动机构10，Y向直线平台4上设置有用于驱动X向直线平台3沿X向移动的X向驱动机构11，Z向旋转平台6位于X向直线平台3的上方，X向直线平台3上设置有用于驱动Z向旋转平台6旋转的Z向旋转驱动机构12，立柱2垂直固定在基座1上，立柱2上设置有用于驱动Z向直线平台5沿Z向移动的Z向驱动机构13，Z向直线平台5上固定设置有测头7，X向直线平台3上固定设置有X向线位移传感器31，Y向直线平台4上固定设置有Y向线位移传感器41，Z向直线平台5上固定设置有Z向线位移传感器51，Z向旋转平台6上固定设置有角位移传感器(图中未显示)，该测量系统的对中方法包括以下具体步骤：

(1)、在Z向旋转平台6上固定对中试件8，对中试件8的下表面为水平面、上表面为倾斜面；

(2)、控制Z向旋转驱动机构12驱动Z向旋转平台6转动一周，测头7测得其探针71相对于对中试件8上表面的运动轨迹的高度差为Δh；

(3)、控制X向驱动机构11驱动X向直线平台3沿X向移动微小距离Δx'，然后控制Z向旋转驱动机构12驱动Z向旋转平台6转动一周，测头7测得其探针71相对于对中试件8上表面的运动轨迹的高度差为Δh'；

(4)、将所测得的两次高度差Δh、Δh'代入关系式：

得到测头探针71的扫描起点O＇与Z向旋转平台6的旋转中心O之间的X向对中误差Δx和Y向对中误差Δy，式中：α为对中试件8的上表面与水平面之间的夹角，即对中试件8的倾斜面的倾角；

(5)、控制X向驱动机构11驱动X向直线平台3向靠近测头探针71的方向移动Δx距离，控制Y向驱动机构10驱动Y向直线平台4向靠近测头探针71的方向移动Δy距离，使测头探针71的扫描起点O＇与Z向旋转平台6的旋转中心O重合。

上述实施例中，X向驱动机构11、Y向驱动机构10和Z向驱动机构13的结构均相同，Y向驱动机构10包括安装座101、伺服电机102和丝杆103，安装座101固定在基座1上，伺服电机102固定在安装座101上，Y向直线平台4与安装座101Y向水平滑动配合，丝杆103与伺服电机102同轴固定连接，Y向直线平台4与丝杆103相螺接；Z向旋转驱动机构12为DD马达。

上述实施例中，X向驱动机构11、Y向驱动机构10和Z向驱动机构13还可均为直线电机。

上述实施例中，测头7可以为机械触针式测头或光学非接触式测头，光学非接触式测头可以为几何光探针式测头、物理光探针式测头、干涉显微式测头或结构光式测头；此外，X向线位移传感器31、Y向线位移传感器41和Z向线位移传感器51均采用光栅尺或激光干涉仪，角位移传感器采用光电式编码器或磁编码器。

上述实施例中，X向对中误差Δx和Y向对中误差Δy的关系式通过下述过程推算得到：

当测头探针71的扫描起点O＇与Z向旋转平台6的旋转中心O不重合，即存在X向对中误差Δx和Y向对中误差Δy时，将对中试件8固定在Z向旋转平台6上，并控制Z向旋转平台6带动对中试件8旋转一周，测头探针71相对于对中试件8的运动轨迹在对中试件8的水平下表面所形成的圆的半径Δr同Δx、Δy的关系为：

Δx²+Δy²＝Δr² (1)

同时测头7测得其探针71相对于对中试件8上表面的运动轨迹的高度差为Δh，进而由图4所给出的运动轨迹图可得：

2Δr＝Δh/tanα (2)

接着，控制X向直线平台3沿X向移动微小距离Δx'，(这时探针71存在的X向对中误差为Δx+Δx'、Y向对中误差为Δy)，再控制Z向旋转平台6带动对中试件8旋转一周，这时探针71相对于对中试件8的运动轨迹在对中试件8的水平下表面所形成的圆的半径Δr'同Δx+Δx'、Δy的关系为：

(Δx+Δx′)²+Δy²＝Δr′² (3)

同时测头7测得其探针71相对于对中试件8上表面的运动轨迹的高度差为Δh'，进而可得：

2Δr′＝Δh′/tanα (4)

于是，联立式(1)、式(2)、式(3)、式(4)，可得探针71的扫描起点O＇相对于Z向旋转平台6的旋转中心O沿x、y轴的对中误差分别为：

Claims (8)

1.一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法，其所使用的测量系统包括基座、立柱、X向直线平台、Y向直线平台、Z向直线平台和Z向旋转平台，所述的Y向直线平台位于所述的X向直线平台的下方，所述的基座上设置有用于驱动所述的Y向直线平台沿Y向移动的Y向驱动机构，所述的Y向直线平台上设置有用于驱动所述的X向直线平台沿X向移动的X向驱动机构，所述的Z向旋转平台位于所述的X向直线平台的上方，所述的X向直线平台上设置有用于驱动所述的Z向旋转平台旋转的Z向旋转驱动机构，所述的立柱垂直固定在所述的基座上，所述的立柱上设置有用于驱动所述的Z向直线平台沿Z向移动的Z向驱动机构，所述的Z向直线平台上固定设置有测头，所述的X向直线平台上固定设置有X向线位移传感器，所述的Y向直线平台上固定设置有Y向线位移传感器，所述的Z向直线平台上固定设置有Z向线位移传感器，所述的Z向旋转平台上固定设置有角位移传感器，其特征在于该测量系统的对中方法包括以下具体步骤：

(1)、在Z向旋转平台上固定对中试件，对中试件的下表面为水平面、上表面为倾斜面；

(2)、控制Z向旋转驱动机构驱动Z向旋转平台转动一周，测头测得其探针相对于对中试件上表面的运动轨迹的高度差为Δh；

(3)、控制X向驱动机构驱动X向直线平台沿X向移动微小距离Δx'，然后控制Z向旋转驱动机构驱动Z向旋转平台转动一周，测头测得其探针相对于对中试件上表面的运动轨迹的高度差为Δh'；

(4)、将所测得的两次高度差Δh、Δh'代入关系式：

得到测头探针的扫描起点与Z向旋转平台的旋转中心之间的X向对中误差Δx和Y向对中误差Δy，式中：α为对中试件的上表面与水平面之间的夹角，即对中试件的倾斜面的倾角；

(5)、控制X向驱动机构驱动X向直线平台向靠近测头探针的方向移动Δx距离，控制Y向驱动机构驱动Y向直线平台向靠近测头探针的方向移动Δy距离，使测头探针的扫描起点与Z向旋转平台的旋转中心重合。

2.如权利要求1所述的一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法，其特征在于：所述的X向驱动机构、所述的Y向驱动机构和所述的Z向驱动机构的结构均相同，所述的Y向驱动机构包括安装座、伺服电机和丝杆，所述的安装座固定在所述的基座上，所述的伺服电机固定在所述的安装座上，所述的Y向直线平台与所述的安装座Y向水平滑动配合，所述的丝杆与所述的伺服电机同轴固定连接，所述的Y向直线平台与所述的丝杆相螺接。

3.如权利要求1所述的一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法，其特征在于：所述的X向驱动机构、所述的Y向驱动机构和所述的Z向驱动机构均为直线电机。

4.如权利要求1所述的一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法，其特征在于：所述的Z向旋转驱动机构为DD马达。

5.如权利要求1所述的一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法，其特征在于：所述的测头为机械触针式测头或光学非接触式测头，所述的光学非接触式测头为几何光探针式测头或物理光探针式测头。

6.如权利要求5所述的一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法，其特征在于：所述的光学非接触式测头为干涉显微式测头或结构光式测头。

7.如权利要求1所述的一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法，其特征在于：所述的X向线位移传感器、所述的Y向线位移传感器和所述的Z向线位移传感器均采用光栅尺或激光干涉仪，所述的角位移传感器采用光电式编码器或磁编码器。

8.如权利要求1所述的一种螺旋扫描式表面形貌测量系统的对中方法，其特征在于：所述的基座、所述的立柱和所述的对中试件的材料均为大理石。