CN113514004A - 一种螺旋扫描式表面形貌测量的等间隔采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋扫描式表面形貌测量的等间隔采样方法，包括y向直线平台、x向直线平台、z向旋转平台、z向直线平台、激光差动共焦测头，还公开了应用此设备的第一至第六步骤。与现有技术相比，本发明的一种螺旋扫描式表面形貌测量的等间隔采样方法的优点是：1)通过等间隔采样方法，使螺旋线上采样点都分布均匀，每一圈螺旋线便无需那么多采样点，便可使采样点的数量大大减少，使采样数据大大减少，从而使采样数据占用计算机内存少；2)等间隔采样法在三位形貌成像结果都不失真的情况下，等间隔采样法采样点的数目比等时采样法采样点的数目要少，便可使计算机三维形貌成像时处理的数据要少，从而使三维形貌成像所花的时间要少。

Description

一种螺旋扫描式表面形貌测量的等间隔采样方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，涉及螺旋扫描测量方法，特别涉及一种螺旋扫描式表面形貌测量的等间隔采样方法。

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，在测量试件表面三维形貌时，形貌z向坐标是靠显微镜测头获得，x向和y向坐标大多是采用栅格式扫描方式(如图1所示)获得，这种扫描方式在后续出数据比较方便，但是移动平台在进行栅格式扫描时，每扫描一条栅格式都要进行相应的加速、匀速和减速运动(如图2所示)，因此栅格式扫描频繁的加减速运动势必使测量时间变长，进而使测量结果易受干扰以及噪声的影响；并且，每进行下一条栅格线的扫描，移动平台都要反向移动，这就产生了反向运动误差，近而使试件表面形貌测量精度下降。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，可采用螺旋式扫描方法，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、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控制每个采样点的间隔相等。在使用螺旋扫描方式测量试件三维形貌时，设置测量试件表面采样点间隔时，大都采用等时采样方式，即(如图3所示)来获得被测试件表面采样点，这种采样方式在经过直线速度、加速度和旋转速度、加速度匹配后，虽然采样点在试件表面的分布能够很好的反映被测表面形貌，但是采样点云图在靠近中心部分非常密集(如图4所示)，这会导致数据冗余，增加了数据处理的时间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供能降低后续数据处理复杂程度，减少三维成像的时间的一种螺旋扫描式表面形貌测量的等间隔采样方法。

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的等间隔采样方法，包括设置在y向直线平台上的x向直线平台，x向直线平台上设有z向旋转平台，z向旋转平台的上方悬设有z向直线平台，z向直线平台上固定有激光差动共焦测头；本发明为避免等时采样方式的中心部位数据冗余导致的占用电脑内存大和数据处理时间长导致的三维成像速度慢，而采用螺旋扫描方式等间隔采样方法，即被测试件表面螺旋线上每两个采样点的间隔相等，据此形成等间隔采样方式采样点分布云图(如图5所示)。

还包括如下步骤：

第一步，对具体测量试件进行试测后确定一个合适的径向采样间隔Δd，并且径向采样间隔Δd要与螺旋扫描螺旋线最外圈的采样间隔等距；

第二步，根据螺旋扫描螺旋线最外圈的采样间隔确定差动共焦测头9的采样频率f_s；

第三步，根据采样频率f_s求得螺旋线每一圈的弧长s_n；

第四步，确定形成螺旋线的x向直线平台直线速度v与z向旋转平台旋转速度ω；

第五步，确定起始时x向直线平台直线加速度a和z向旋转平台角加速度α；

第六步，通过螺旋线每一圈的弧长s_n和测头采样间隔Δd确定螺旋线上每一圈的采样频率f_s ⁿ。

在第三步中，通过式(1)计算出螺旋线最外圈的弧长s，

s＝f_s×Δd×t (1)

在第四步中，从极坐标原点开始的阿基米德螺旋线表达式为：

r＝bθ (2)

b＝Δd/2π (3)

式中，r为螺旋扫描的旋转半径，θ为旋转角度，b为螺距增长速度；

根据曲线弧长计算公式，可得第n圈的弧长S_n为：

式中，

分别为第n圈弧长起始点、终止点所对应的弧度，d是定积分公式。

在第四步中，根据直线速度v和旋转速度ω公式：

v＝Δd/t (5)

ω＝2π/t (6)

联立(1)-(6)可得：

在第五步中，x向直线平台和z向旋转平台的加速阶段在螺旋线第一圈完成，直线加速度a和旋转平台的角加速度α的关系式为：

a＝v/t_a (9)

α＝ω/t_a (10)

式中，t_a为加速时间.由于移动平台y第一圈的移动距离为Δd,a旋转平台的旋转角度为2π；

联立(9)-(12)可得

a＝v²/(2Δd) (13)

α＝ω²/4π (14)

在第六步中，根据式(1)、(4)、(5)可知第n圈的采样率f_s ⁿ为

上述的y向直线平台固定在大理石基座上，z向直线平台固定在大理石立柱上；x向直线平台设有x向线位移传感器。

当测量系统采用等间隔采样方法时，要对具体测量试件进行试测后确定一个合适的径向采样间隔Δd与周向采样间隔相等，即适合于螺旋扫描螺旋线最外圈的采样间隔。从而能确定一个差动共焦测头9采样频率f_s，然后通过差动共焦测头采样频率可以求得螺旋线每一圈的弧长s_n，从而能确定形成螺旋线的x向直线平台直线速度v与z向旋转平台旋转速度ω和起始时x向直线平台直线加速度a和z向旋转平台角加速度α，然后通过螺旋线每一圈的弧长s_n和测头采样间隔Δd可以确定螺旋线上每一圈的采样频率f_s ⁿ，确定了每一圈的采样频率便可以控制所有采样点的间隔相等，这样采样点在试件表面的分布不仅能够很好的反映被测表面形貌，还不会导致数据冗余增加数据处理时间的问题。

然后在测量的过程中根据所求的采样频率控制好每一圈的采样频率，就能实现等间隔采样。

与现有技术相比，本发明的一种螺旋扫描式表面形貌测量的等间隔采样方法的优点是：

1)通过等间隔采样方法，使螺旋线上采样点都分布均匀，每一圈螺旋线便无需那么多采样点，便可使采样点的数量大大减少，使采样数据大大减少，从而使采样数据占用计算机内存少；

2)等间隔采样法在三位形貌成像结果都不失真的情况下，等间隔采样法采样点的数目比等时采样法采样点的数目要少，便可使计算机三维形貌成像时处理的数据要少，从而使三维形貌成像所花的时间要少。

附图说明

图1是x向和y向坐标按照传统的栅格式扫描示意图；

图2是传统的栅格式扫描单道路径的加减速度情况示意图；

图3是传统的螺旋扫描示意图；

图4是图3中采样点分布不均示意图；

图5是本发明等间隔采样点分布图；

图6是本发明所用设备；

图7是图6的分解示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

其中的附图标记为：x向直线平台1、y向直线平台2、z向直线平台3、z向旋转平台4、x向线位移传感器5、激光差动共焦测头6、大理石基座7、大理石立柱8、测量试件9。

具体实施例：一种螺旋扫描式表面形貌测量的等间隔采样方法，如图6和图7所示，包括设置在y向直线平台2上的x向直线平台1，x向直线平台1上设有z向旋转平台4，z向旋转平台4的上方悬设有z向直线平台3，z向直线平台3上固定有激光差动共焦测头6；y向直线平台2固定在大理石基座7上，z向直线平台3固定在大理石立柱8上；x向直线平台1设有x向线位移传感器5。y向直线平台2只作为调整x向直线平台1的初始位置之用，螺旋扫描仅靠x向直线平台1和z向旋转平台4联动完成。

首先，对一测量试件9进行试测后确定一个合适的径向采样间隔Δd，确定测头在螺旋线最外圈的采样频率f_s，而螺旋线最外圈的弧长s、Δd和采样频率f_s之间存在如下关系：

s＝f_s×Δd×t (1)

从极坐标原点开始的阿基米德螺旋线表达式为：

r＝bθ (2)

b＝Δd/2π (3)

式中，r为螺旋扫描的旋转半径，b为螺距增长速度，θ是旋转角度。根据曲线弧长计算公式，可得第n圈的弧长为：

式中，

分别为第n圈弧长起始点、终止点所对应的弧度。

最后根据直线速度v和旋转速度ω公式：

v＝Δd/t (5)

ω＝2π/t (6)

联立(1)-(6)可得：

接着，为了减少加速过程对螺旋线形成的影响，使加速阶段在第一圈完成。因为直线平台在第一圈的位移为Δd，旋转平台的旋转角度为2π。那么直线加速度a和旋转平台的角加速度α的关系式为：

a＝v/t_a (9)

α＝ω/t_a (10)

式中，t_a加速时间.由于移动平台y第一圈的移动距离为Δd,a旋转平台的旋转角度为2π。

联立(9)-(12)可得

a＝v²/(2Δd) (13)

α＝ω²/4π (14)

通过计算得到合适的直线速度与旋转速度和加速阶段的直线加速度a的与角加速度，形成如图2所示的合适具体被测件的螺旋扫描轨迹。

最后，为了控制所有采样点间隔相等，则需控制旋转平台旋转一圈内的采样率不变，那么根据式(1)、(4)、(5)可知第n圈的采样率f_s ⁿ为

然后在测量的过程中根据所求的采样频率控制好每一圈的采样频率，就可以实现等间隔采样，所形成的等间隔螺旋扫描线如图5所示。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (2)

1.一种螺旋扫描式表面形貌测量的等间隔采样方法，其特征是：包括设置在y向直线平台(2)上的x向直线平台(1)，所述的x向直线平台(1)上设有z向旋转平台(4)，所述的z向旋转平台(4)的上方悬设有z向直线平台(3)，所述的z向直线平台(3)上固定有激光差动共焦测头(6)；

还包括如下步骤：

第一步，对具体测量试件进行试测后确定一个合适的径向采样间隔Δd，并且径向采样间隔Δd要与螺旋扫描螺旋线最外圈的采样间隔等距；

第二步，根据螺旋扫描螺旋线最外圈的采样间隔确定差动共焦测头9的采样频率f_s；

第三步，根据采样频率f_s求得螺旋线每一圈的弧长s_n；

第四步，确定形成螺旋线的x向直线平台直线速度v与z向旋转平台旋转速度ω；

第五步，确定起始时x向直线平台直线加速度a和z向旋转平台角加速度α；

第六步，通过螺旋线每一圈的弧长s_n和测头采样间隔Δd确定螺旋线上每一圈的采样频率f_s ⁿ。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋扫描式表面形貌测量的等间隔采样方法，其特征是：在第三步中，通过式(1)计算出螺旋线最外圈的弧长s，t是时间；

s＝f_s×Δd×t (1)

在第四步中，从极坐标原点开始的阿基米德螺旋线表达式为：

r＝bθ (2)

b＝Δd/2π (3)

式中，r为螺旋扫描的旋转半径，θ为旋转角度，b为螺距增长速度；

根据曲线弧长计算公式，可得第n圈的弧长S_n为：

式中，

分别为第n圈弧长起始点、终止点所对应的弧度；

在第四步中，根据直线速度v和旋转速度ω公式：

v＝Δd/t (5)

ω＝2π/t (6)

联立(1)-(6)可得：

在第五步中，x向直线平台和z向旋转平台的加速阶段在螺旋线第一圈完成，直线加速度a和旋转平台的角加速度α的关系式为：

a＝v/t_a (9)

α＝ω/t_a (10)

式中，t_a为加速时间.由于移动平台y第一圈的移动距离为Δd,a旋转平台的旋转角度为2π；

联立(9)-(12)可得

a＝v²/(2Δd) (13)

α＝ω²/4π (14)

在第六步中，根据式(1)、(4)、(5)可知第n圈的采样率f_s ⁿ为

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