CN114485474B - 一种三轴超精密轮廓检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴超精密轮廓检测装置，属于精密测量技术领域，其基于柱坐标测量原理，主要由运动执行单元及精密测量单元构成；测量装置包括隔振平台、大理石基座、精密气浮转台、X轴直线运动平台、Z轴直线运动平台、光谱共焦位移传感器、X轴位移参考基准、Z轴位移参考基准、法布里－珀罗干涉位移传感器、工件调整台、回转轴基准R、环境传感器、主控制器、隔离罩，利用光谱共焦位移传感测量技术进行零件表面轮廓的非接触探测，使用法布里－珀罗干涉位移传感测量技术进行大位移高精度测量，结合精密气浮转台实现轮廓快速回转扫描测量，其结构简单、工程易实现，可实现精密零件面形轮廓的快速高效检测，测量精度可优于50nm（PV）。

Description

一种三轴超精密轮廓检测装置

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种三轴超精密轮廓检测装置。

背景技术

现代超精密制造对零件的轮廓测量技术提出了更高的要求，对零件轮廓的高精度测量是改良其制造工艺，提高加工精度的关键。在高精度面形轮廓检测领域，光学检测法由于不通用性及检测成本昂贵，在使用方面受到了限制。轮廓测量法具有通用性强、自动化程度高的特点，成为近几年研究发展的重点，逐渐在一些高技术领域得到了应用。

目前主流的超精密轮廓仪实现的方法有三种，一种代表技术为日本松下公司的UA3P，该设备结构与三坐标测量机结构类似，为三轴正交结构，其采用原子力复合测头对被测零件表面进行接触式测量，使用双频激光干涉仪进行X轴、Y轴及Z轴的位移测量。这种测量方式的主要不足之处是：接触式测量效率较低，仪器整体结构较为复杂。第二种代表技术为荷兰TNO公司的Nanomefos系列轮廓仪，仪器为五轴结构，采用差动共焦非接触式位移传感测头进行表面探测，同样使用双频激光干涉测量技术进行X轴、Z轴、R轴测量，由于在测头上增加了直线运动轴增大了测头量程，增强了设备的动态测量特性，但其光路结构极为复杂，不易于实现。第三种代表技术为美国泰勒公司的Luphoscan系列轮廓仪，该仪器为四轴结构，与Nanomefos测量原理类似，沿被测件轮廓法向进行测量，其采用特有专利的多波长干涉位移传感器，具有结构紧凑的优点，但仍然需要采用精密校准技术校准测头回转轴误差。

发明内容

本发明的目的是为适应产业发展的需要，提供一种三轴超精密轮廓检测装置，用于高速、高效、高精度的超精密光机零件轮廓测量，且结构简单，可实现如平面、大曲率曲面光机零件面形轮廓的精密测量。

本发明的技术解决方案是：

一种三轴超精密轮廓检测装置利用光谱共焦位移传感测量技术进行零件表面轮廓的非接触探测，使用法布里－珀罗干涉位移传感测量技术进行大位移高精度测量，结合精密气浮转台实现快速回转扫描测量。

其包括下列部件：

隔振平台, 用于放置测量系统并隔离外界震动。

大理石基座，由底座和侧座构成，放置于隔振平台上，用于为测量系统提供稳定的支撑。

精密气浮转台, 安装于大理石基座底座，用于带动被测零件进行回转运动。

X轴直线运动平台, 侧向固定于大理石基座的侧座上，用于带动Z轴直线运动平台沿水平方向移动，其移动方向应与精密气浮转台回转轴垂直。

Z轴直线运动平台，固定于X轴直线运动平台上，用于带动光谱共焦位移传感器沿竖直方向移动，其移动方向应与精密气浮转台回转轴平行。

光谱共焦位移传感器，固定于Z轴直线运动平台上，其测量量程方向与精密气浮转台回转轴平行，X轴直线运动平台归零时，光谱共焦位移传感器量程与精密气浮转台回转轴同轴。

X轴位移参考基准固定于精密气浮转台一侧的大理石基座底座上，其参考基准面与精密气浮转台的回转轴平行，且过以精密气浮转台回转轴与X轴直线运动平台运动直线方向所构成平面。X轴位移参考基准由光学材料抛光制作，面形误差应控制在20nm量级。

Z轴位移参考基准固定于精密气浮转台上方，其参考基准面与精密气浮转台回转轴垂直，且过以精密气浮转台回转轴与X轴直线运动平台运动直线方向所构成平面。Z轴位移参考基准由光学材料抛光制作，面形误差应控制在20nm量级。

法布里－珀罗干涉位移传感器，具备A、B、C三个测量通道/测头，其中A测头固定于光谱共焦位移传感器测头焦点高度处的Z轴直线运动平台上，测量方向与光谱共焦位移传感器测头焦点运行平面共面并与精密气浮转台回转轴垂直。该测头与X轴位移参考基准构成干涉腔，用于光谱共焦位移传感器在水平方向位移的高精度测量。B测头固定于光谱共焦位移传感器上方的Z轴直线运动平台上，测量方向与光谱共焦位移传感器焦点运行平面共面并与精密气浮转台回转轴方向一致。该测头与Z轴位移参考基准构成干涉腔，用于光谱共焦位移传感器在竖直方向位移的高精度测量。C测头置于回转轴基准R下方，测量回转轴基准R底部的基准圆环面，用于测量精密气浮转台的轴向晃动。

回转轴基准R固定于精密气浮转台台面上，底部圆环面超出精密气浮转台直径，其平面精度抛光至亚微米量级。

工件调整台，设置于精密气浮转台上，用于被测零件的调心及调平，其具有在水平方向的二维平移调整功能及二维俯仰调整功能。

环境传感器，用于在测量前对空气环境（包括温度、湿度及气压）进行精密测量，补偿法布里－珀罗干涉位移传感器空气折射率误差。

主控器，用以实现精密气浮转台、X轴直线运动平台、Z轴直线运动平台按照指定参数及路径的精密运动控制，及用以对精密气浮转台、光谱共焦位移传感器、法布里－珀罗干涉位移传感器、环境传感器的角度、位移及环境信号进行采集，经数据处理后得到面形轮廓采样点的柱坐标。

隔离罩，罩设于隔振平台上方对整个测量系统进行隔离，用于隔离环境扰动对精密位移测量的影响。

进一步的，该三轴超精密轮廓检测装置的测量头采用光谱共焦位移传感测头，可实现大于30°的倾角测量，测量光斑小于10μm。其不受被测材料材质影响，可测量粗糙、抛光及透明表面，测量精度不受断光影响，适用于正交坐标测量系统。

进一步的，该三轴超精密轮廓检测装置中，其X、Z及回转基准轴R晃动的位移测量采用多通道法布里－珀罗位移传感器，其测头采用光纤导光，结构紧凑，易于集成，可达到亚纳米级位移分辨率及纳米级测量精度。

本发明与现有技术相比有如下优点：

（1）本发明装置采用柱坐标测量原理，依靠三轴运动实现零件轮廓精密测量，测量装置结构简单，体积小，易于实现且成本低，可实现高速、高效、高精度测量。

（2）本发明装置采用光谱共焦位移传感技术进行被测零件表面的非接触探测，测量光斑直径小，量程大，探测斜率范围大，且不受扫描断光及被测件材质及粗糙度影响，在工件回转方向存在斜率/矢高变化时具有特别优势，可实现如平面、大曲率曲面光机零件面形轮廓的精密测量。

（3）本发明装置采用法布里－珀罗干涉位移测量技术实现大量程位移高精度测量，可实现多通道同步测量，光路结构简单且易于调整，同时兼具绝对测距功能。

附图说明

图1为本发明一种三轴超精密轮廓检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，为本发明一种三轴超精密轮廓检测装置的结构示意图，其包括隔振平台1、大理石基座2、精密气浮转台3、X轴直线运动平台4、Z轴直线运动平台5、光谱共焦位移传感器6、X轴位移参考基准7、Z轴位移参考基准8、法布里－珀罗干涉位移传感器9、回转轴基准R10、工件调整台11，环境传感器12、主控器13、隔离罩14。

隔振平台1应放置于隔振地基上，设备采用刚性隔振平台，衰减隔离外界环境引入的机械振动。

隔离罩14罩设在隔振平台1上，大理石基座2、精密气浮转台3、X轴直线运动平台4、Z轴直线运动平台5、光谱共焦位移传感器6、X轴位移参考基准7、Z轴位移参考基准8、法布里－珀罗干涉位移传感器9、回转轴基准R10、工件调整台11，环境传感器12均设置于隔离罩14内，该隔离罩14用于隔离气流扰动对精密位移测量的影响。

大理石基座2采用天然大理石，由底座和侧座紧固构成，放置于隔振平台1上。大理石基座2底座及侧座运动台安装面平面度、平行度研磨至3~5μm。

精密气浮转台3的回转轴为测量坐标系Z轴基准，精密气浮转台3校准后轴跳动应在30nm量级，晃动应在0.05″量级，测角误差应在1″量级，精密气浮转台3固定于大理石基座2的底座台面上，其安装有角度编码器，可以实现亚角秒级测量分辨率。

X轴直线运动平台侧向固定于大理石基座2的侧座上，其运动方向定义测量坐标系X轴。X轴直线运动平台4采用直驱结构，有效行程应覆盖被测零件15的半径，且具有一定过心（精密气浮转台3回转轴心）冗余量，用以标定精密气浮转台3回转轴与Z轴位移参考基准8的平行度误差。X轴直线运动平台4安装有直线光栅，具有良好的动态性能及定位精度，其运动典型晃动量应在5″量级，定位精度应在2μm量级。

Z轴直线运动平台5安装在X轴直线运动平台4上，Z轴直线运动平台5采用直驱结构，有效行程应覆盖被测零件15矢高，采用气缸平衡结构。Z轴直线运动平台5安装有直线光栅，具有良好的动态性能及定位精度，其运动典型晃动量应在5″量级，定位精度应在2μm量级。

光谱共焦位移传感器6固定于Z轴直线运动平台5上，其典型量程应小于400μm，测量光斑应小于10μm，测量分辨率应优于10nm, 采样速率应大于5k。可实现大于30°的倾角测量，不受被测材料材质影响，可测量粗糙、抛光及透明表面，测量精度不受断光影响，适用于正交坐标测量系统。

X轴位移参考基准7可由石英、微晶或碳化硅等低膨胀稳定光学材料制作，抛光处理后平面度在20nm量级，有效区域大于X轴直线运动平台4测量使用区域。X轴位移参考基准7通过由低热膨胀系数材料（如INVAR合金或碳化硅）制作的独立立柱或龙门架支架固定在精密气浮转台一侧的大理石基座上。

Z轴位移参考基准8可由石英、微晶或碳化硅等低膨胀稳定光学材料制作，抛光处理后平面度在20nm量级，有效区域大于Z轴直线运动平台5测量使用区域。Z轴位移参考基准8通过由低热膨胀系数材料（如INVAR合金或碳化硅）制作的横梁或龙门架桁架固定于精密气浮转台上方。

法布里－珀罗干涉位移传感器9，激光频率稳定性应在10^-8量级，具有亚纳米分辨率及良好的非线性及动态特性，其包括A、B、C三个测头。A测头固定于光谱共焦位移传感器6测头焦点高度处的Z轴直线运动平台5上，测量方向与光谱共焦位移传感器6测头焦点运行平面共面并与精密气浮转台3回转轴垂直，该测头与X轴位移参考基准7构成干涉腔，用于光谱共焦位移传感器6在水平方向位移的高精度测量。B测头固定于光谱共焦位移传感器6上方的Z轴直线运动平台5上，测量方向与光谱共焦位移传感器6焦点运行平面共面并与精密气浮转台3回转轴方向一致，该测头与Z轴位移参考基准8构成干涉腔，用于光谱共焦位移传感器6在竖直方向位移的高精度测量；C测头置于回转轴基准R10下方，测量回转轴基准R10底部的基准圆环面，用于测量精密气浮转台3的轴向晃动。其中，A、B测头采用平行光测头，光斑直径在2mm量级，用以实现大量程位移测量；C测头可使用聚焦测头或平行光测头，用以监测精密气浮转台3的轴向晃动变化。

回转轴基准R10采用INVAR合金材料制作，为环状结构，固定于精密气浮转台3台面上，底部圆环参考面超出精密气浮转台3直径，其圆环参考面精度抛光至亚微米量级。通过法布里－珀罗干涉位移传感器9的C测头测得圆环平面平面度的变化值计算精密气浮转台3的晃动变化量。

工件调整台11设置于精密气浮转台3上，其具备二维平移及二维俯仰调整功能，采用双向互锁调整结构，确保随精密气浮转台3旋转过程中保持足够刚性。

主控制器13用以实现精密气浮转台3、X轴直线运动平台4、Z轴直线运动平台5的运动控制。在测量时，精密气浮转台3始终保持匀速运动，转速一般可设置在90°/s~180°/s。测量模式可选择螺旋线测量方式及同心圆测量方式。在螺旋线测量模式下，主控制器13根据被测零件15轮廓的数学模型进行路径规划，并控制X轴直线运动平台4、Z轴直线运动平台5同时运动，使得光谱共焦位移传感器6与被测零件15表面距离恒定。同时，主控制器13对精密气浮转台3、X轴直线运动平台4、Z轴直线运动平台5、法布里－珀罗干涉位移传感器9、环境传感器12输出信号进行同步采样。

X轴直线运动平台4带动光谱共焦位移传感器6进行直线运动时，将光谱共焦位移传感器6测头焦点过精密气浮转台3旋转中心处时X轴直线运动平台4位置置零。

具体测量步骤如下:

(1) 根据被测零件15轮廓方程对X轴直线运动平台4、 Z轴直线运动平台5的运动轨迹进行编程，使运动轨迹与被测零件15轮廓线吻合。

(2) 将被测零件15放置于处于精密气浮转台3的工件调整台11上，使用工件调整台11对被测零件15进行调心及调平（调整后偏差一般应优于10μm）。调心操作可使用千分表结合精密气浮转台3回转，测量被测零件15外圆读数变化完成；调平操作可将光谱共焦位移传感器6移至被测零件15边缘表面处，结合精密气浮转台3回转，测量等高线读数变化完成。

(3) 将X轴直线运动平台4回零（X轴直线运动平台4零位与精密气浮转台3旋转轴重合）。

(4) 主控制器13对Z轴直线运动平台5发送移动指令，使被测零件15处于光谱共焦位移传感器6最优测量行程处。

(5) 根据被测零件15特征，使用主控制器13设置精密气浮转台3回转速度，并使精密气浮转台3处于匀速回转运动。

(6) 记录环境传感器12测量的温度、湿度及气压值计算空气折射率。

(7) 主控制器13运行编程运动指令，同时同步记录精密气浮转台3回转角度、光谱共焦位移传感器6位移、法布里－珀罗干涉位移传感器9三通道位移、,进行同心圆或螺旋线轨迹采样。

(8) 对采集的法布里－珀罗干涉位移传感器9位移数据进行空气折射率修正；进行系统误差补偿，包括精密气浮转台3轴系系统误差及角度系统误差、X轴位移参考基准7系统误差、Z轴位移参考基准8系统误差及光谱共焦位移传感器6系统误差，获得补偿后各点柱坐标值。

(9) 计算采样点坐标，根据点坐标值，结合被测件数学模型，拟合轮廓误差，进行数值统计及结果的可视化。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种三轴超精密轮廓检测装置，其特征在于，包括下列部件：

隔振平台（1）；

放置于隔振平台（1）上的大理石基座（2），所述大理石基座（2）包括底座和固定于底座一侧的侧座；

安装于所述大理石基座（2）底座上的精密气浮转台（3）；

固定于所述精密气浮转台（3）台面上的回转轴基准R（10），所述回转轴基准R（10）底部圆环面超出精密气浮转台（3）台面直径，所述回转轴基准R（10）底部圆环面的平面精度抛光至亚微米量级；

设置于所述精密气浮转台（3）上的工件调整台（11），所述工件调整台（11）具有在水平方向的二维平移调整功能及二维俯仰调整功能；

侧向固定于大理石基座（2）侧座上的X轴直线运动平台（4），所述X轴直线运动平台（4），移动方向与所述精密气浮转台（3）的回转轴垂直；

固定于X轴直线运动平台（4）上的Z轴直线运动平台（5），所述Z轴直线运动平台（5）的移动方向与精密气浮转台（3）的回转轴平行；

固定于Z轴直线运动平台（5）上的光谱共焦位移传感器（6），所述光谱共焦位移传感器（6）的测量量程方向与所述精密气浮转台（3）的回转轴平行；

固定于精密气浮转台（3）一侧的大理石基座（2）上的X轴位移参考基准（7），所述X轴位移参考基准（7）的参考基准面与精密气浮转台（3）的回转轴平行，所述X轴位移参考基准（7）的参考基准面设置于经过所述精密气浮转台（3）回转轴与X轴直线运动平台（4）运动直线方向所构成的平面，所述X轴位移参考基准（7）由光学材料抛光制作且面形误差控制在20nm量级；

固定于精密气浮转台（3）上方的Z轴位移参考基准（8），所述Z轴位移参考基准（8）的参考基准面与精密气浮转台（3）回转轴垂直，所述Z轴位移参考基准（8）的参考基准面设置于经过所述精密气浮转台（3）回转轴与X轴直线运动平台（4）运动直线方向所构成的平面，所述Z轴位移参考基准（8）由光学材料抛光制作且面形误差控制在20nm量级；

法布里－珀罗干涉位移传感器（9），所述法布里－珀罗干涉位移传感器（9）包括A测头、B测头和C测头，

所述A测头固定于所述光谱共焦位移传感器（6）测头焦点高度处的Z轴直线运动平台（5）上，所述A测头的测量方向与所述光谱共焦位移传感器（6）测头焦点运行平面共面并与精密气浮转台（3）回转轴垂直，所述A测头与所述X轴位移参考基准（7）构成干涉腔用于对所述光谱共焦位移传感器（6）在水平方向上的位移量进行高精度测量，

所述B测头固定于光谱共焦位移传感器（6）上方的Z轴直线运动平台（5）上，所述B测头的测量方向与所述光谱共焦位移传感器（6）焦点运行平面共面并与精密气浮转台（3）回转轴方向一致，所述B测头与所述Z轴位移参考基准（8）构成干涉腔用于对所述光谱共焦位移传感器（6）在竖直方向上的位移量进行高精度测量，

所述C测头置于所述回转轴基准R（10）下方，所述C测头用于测量所述回转轴基准R（10）底部的基准圆环面以测量精密气浮转台（3）的轴向晃动；

环境传感器（12），所述环境传感器（12）用于在测量前对空气环境参数进行精密测量以补偿法布里－珀罗干涉位移传感器（9）空气折射率误差，所述环境参数包括温度参数、湿度参数和气压参数；

主控器（13），所述主控器（13）用以实现精密气浮转台（3）、X轴直线运动平台（4）、Z轴直线运动平台（5）按照指定参数及路径的精密运动控制及精密气浮转台（3）、光谱共焦位移传感器（6）、法布里－珀罗干涉位移传感器（9）、环境传感器（12）角度、位移及环境信号采集，经数据处理后得到面形轮廓采样点的柱坐标；

设于所述隔振平台（1）上的隔离罩（14），所述大理石基座（2）、精密气浮转台（3）、回转轴基准R（10）、工件调整台（11）、X轴直线运动平台（4）、Z轴直线运动平台（5）、光谱共焦位移传感器（6）、X轴位移参考基准（7）、Z轴位移参考基准（8）、法布里－珀罗干涉位移传感器（9）、环境传感器（12）均设置于所述隔离罩（14）内，所述隔离罩（14）用于隔离环境扰动对精密位移测量的影响。

2.根据权利要求1所述的一种三轴超精密轮廓检测装置，其特征在于，所述光谱共焦位移传感器（6）选用可实现大于30°的倾角测量，测量光斑小于10μm，适用于正交坐标测量系统的光谱共焦位移传感测头。

3.根据权利要求1所述的一种三轴超精密轮廓检测装置，其特征在于，所述法布里－珀罗干涉位移传感器（9）采用光纤导光，具有亚纳米级位移分辨率和纳米级测量精度的测头。