CN212806939U - 跨尺度激光三坐标测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了跨尺度激光三坐标测量装置，其包括：利用线激光扫描装置对测量平台上的待测物进行扫描，采用非接触式激光三角测距法对被测物进行测量，避免因接触受力使被测物产生形变而引起的误差；利用宏微混合驱动技术实现跨尺度范围内的位移及高分辨率运动，提高精度，减少高频微动造成的导轨表面磨损。基于上述跨尺度三坐标测量装置满足工业上对于测量检测在跨尺度方面的需求。

Description

跨尺度激光三坐标测量装置

技术领域

本发明属于精密测量领域，涉及到跨尺度三坐标测量装置，适用于对芯片的跨尺度的精密测量。

背景技术

进入21世纪以来，随着人工智能技术的不断发展，基础科学研究的突破、材料加工水平的提高以及计算机信息技术的应用改变了人们的生活；人工智能的快速发展使工业、农业、军事等诸多领域走向自动化、智能化；精准的信息感知是实现自动化、智能化的基础和前提；这就对精密测量提出了更高的要求；一方面，传统的接触式测量因其操作复杂，易对零件造成变形而导致误差，逐渐被等待时间短、测点密度高、数据结果准的非接触式测量所取代；另一方面，一些测量仪器只能实现纳米微观表面的测量，无法实现大尺度测量，极大限制了其应用领域；因此，对跨尺度激光三坐标进行测量具有十分必要的计量意义。

激光因其方向性好、亮度高、单色性好，能量高且稳定的特点被广泛应用于高精度测量；现有技术中基于激光的的非接触测量方法有“干涉法”，“脉冲法”，“相位法”和“三角法”，相较而言，激光三角法测量的优点体现在两大方面：首先，激光三角法属于非接触式测量，与传统的接触式测量对比，有效避免了测头损伤待测工件表面而导致误差的弊端；其次，激光三角法属于光学式测量，具有其他非光学测量法所不具备的优点；本设计中所采用的是线激光，即扫描一次就可以获得一条激光线投射到待测物表面上所有点的数据信息；运用线激光可以大大提高检测的效率，节省测量所用的时间，并提高产品检测合格率；相较于单一驱动方式的定位平台不能兼顾大行程高精度的双重要求，无法解决宏观与微观的矛盾，跨尺度宏动微动平台通过采用宏动位移平台与微动位移平台相结合的方式实现大行程、高定位精度的目标，有效地解决了宏观与微观的矛盾；因此，实现跨尺度激光三坐标测量显得尤为重要。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了跨尺度激光三坐标测量装置。

本实施装置为跨尺度激光三坐标测量装置，具体包括：线激光测头、调整机构、跨尺度移动机构和光学隔振平台；其中，线激光测头固定安装在调整机构的一端，调整机构的滑杆固定安装在光学隔振平台的一端，跨尺度移动机构固定安装在光学隔振平台的另一端，使跨尺度移动机构的运动方向和线激光测头射出激光线相互垂直；

线激光测头用于获得被测表面的三维测量值，其工作原理是：激光线投射到被测物体表面上，反射光透过高质量光学系统，被投射到光电元件上，经过计算得到传感器到表面的距离和沿着激光线的位置信息，通过调整跨尺度移动机构的进给量，就可以得到一组三维测量值；

调整机构包括：Z型测头夹具、L型测头夹具、移动平台一、移动平台二、移动副、滑块、锁紧装置一、锁紧装置二、滑杆；

线激光测头的一端与Z型测头夹具的一端以螺栓固定方式连接， Z型测头夹具的另一端与L型测头夹具的一端以螺栓固定方式连接， L型测头夹具的另一端与移动平台一的一端以螺栓固定方式连接；其中，线激光测头的上表面Z型测头夹具的内表面相互紧密贴合，L型测头夹具的另一端的外表面与线激光测头的前表面保持平行；移动平台一的另一端与移动平台二的一端以螺栓固定的方式连接，移动平台二的另一端与移动副的顶端相连；其中，移动平台一与移动平台二相互垂直；移动副的另一端穿过滑块中心，通过锁紧装置一的螺纹连接，滑杆穿过滑块的两端，通过锁紧装置二的螺纹连接，滑杆的另一端以螺栓连接方式固定在光学隔振平台上；其中，移动副与滑杆保持空间垂直，滑杆与滑块孔配合，滑杆与光学隔振平台相互垂直；

调整机构用于调整最佳成像距离，其工作原理是：移动平台一与移动平台二内部安装有涡轮蜗杆机构，通过转动蜗杆可以调整Y轴与Z轴的微小调整量；移动副与滑块通过锁紧装置一的螺纹连接固定，可实现X轴方向的中距调整；滑杆与滑块以孔配合，滑块可沿滑杆垂直滑动，在最佳成像距离处用锁紧装置二的螺纹连接固定，实现Z轴方向的大尺度调整；

跨尺度移动机构包括：跨尺度宏动平台、跨尺度微动平台；其中，跨尺度宏动平台包括：伺服直线电机、导轨、宏动滑架、滚轴丝杠、联轴器，跨尺度微动平台包括：驱动器、直线位移平台，驱动器包括但不局限于超声波压电马达、压电陶瓷直线驱动器；

跨尺度微动平台、跨尺度宏动平台与光学隔振平台依次从上至下安装；跨尺度微动平台以螺栓连接方式固定在跨尺度宏动平台上，跨尺度宏动平台以螺栓连接方式固定在光学隔振平台上；其中，跨尺度微动平台、跨尺度宏动平台与光学隔振平台各平面相互平行；

跨尺度移动机构用于实现Y轴的跨尺度进给量，其工作原理是：当启动伺服直线电机，伺服直线电机的转动通过联轴器传递到滚轴丝杠上，通过滚轴丝杠驱动宏动滑架实现Y轴100mm行程和0.5μm 步距的宏观尺度直线运动；当启动超声波压电马达，超声波压电马达在接触点产生椭圆振荡，通过该接触点的椭圆振动使微动平台沿Y 轴以水平直线的方式行进，实现Y轴30μm行程和0.2nm步距的微观尺度直线运动；其中，超声波压电马达在定位后实现自锁。

本发明跨尺度激光三坐标测量装置，其有益效果是：能够对被测物实现跨尺度微米级位移高精度测量，利用线激光扫描装置对测量平台上的待测物进行扫描，采用非接触式激光三角测距法对被测物进行测量，避免因接触受力使被测物产生形变而引起的误差；利用宏微混合驱动技术实现跨尺度范围内的位移及高分辨率运动，提高精度，减少高频微动造成的导轨表面磨损。

附图说明

图1为本发明的侧视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的正视图；

图4为本发明的左视图；

其中：

1、线激光测头，2、调整机构，3、跨尺度移动机构，4、光学隔振平台；

2-1、Z型测头夹具，2-2、L型测头夹具，2-3、移动平台一，2-4、移动平台二，2-5、移动副，2-6、滑块，2-7、锁紧装置一，2-8、锁紧装置二，2-9、滑杆；

3-1、跨尺度宏动平台，3-2、跨尺度微动平台；

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供跨尺度激光三坐标测量装置，具体包括：

线激光测头1、调整机构2、跨尺度移动机构3和光学隔振平台 4；其中，线激光测头1固定安装在调整机构2的一端，调整机构2 的滑杆2-9固定安装在光学隔振平台4的一端，跨尺度移动机构3固定安装在光学隔振平台4的另一端，使使跨尺度移动机构3的运动方向和线激光测头1射出激光线相互垂直；

线激光测头1用于获得被测表面的三维测量值，其工作原理是：激光线投射到被测物体表面上，反射光透过高质量光学系统，被投射到光电元件上，经过计算得到传感器到表面的距离和沿着激光线的位置信息，通过调整跨尺度移动机构3的进给量，就可以得到一组三维测量值；

调整机构2包括：Z型测头夹具2-1、L型测头夹具2-2、移动平台一2-3、移动平台二2-4、移动副2-5、滑块2-6、锁紧装置一2-7、锁紧装置二2-8、滑杆2-9；

线激光测头1的一端与Z型测头夹具2-1的一端以螺栓固定方式连接，Z型测头夹具2-1的另一端与L型测头夹具2-2的一端以螺栓固定方式连接，L型测头夹具2-2的另一端与移动平台一2-3的一端以螺栓固定方式连接；其中，线激光测头1的上表面Z型测头夹具 2-1的内表面相互紧密贴合，L型测头夹具2-2的另一端的外表面与线激光测头1的前表面保持平行；移动平台一2-3的另一端与移动平台二2-4的一端以螺栓固定的方式连接，移动平台二2-4的另一端与移动副2-5的顶端相连；其中，移动平台一2-3与移动平台二2-4相互垂直；移动副2-5的另一端穿过滑块2-6中心，通过锁紧装置一2-7 的螺纹连接，滑杆2-9穿过滑块2-6的两端，通过锁紧装置二2-8的螺纹连接，滑杆2-9的另一端以螺栓连接方式固定在光学隔振平台4 上；其中，移动副2-5与滑杆2-9保持空间垂直，滑杆2-9与滑块2-6 孔配合，滑杆2-9与光学隔振平台4相互垂直；

调整机构2用于调整最佳成像距离，其工作原理是：移动平台一 2-3与移动平台二2-4内部安装有涡轮蜗杆机构，通过转动蜗杆可以调整Y轴与Z轴的微小调整量；移动副2-5与滑块2-6通过锁紧装置一2-7的螺纹连接固定，可实现X轴方向的中距调整；滑杆2-9与滑块2-6以孔配合，滑块2-6可沿滑杆2-9垂直滑动，在最佳成像距离处用锁紧装置二2-8的螺纹连接固定，实现Z轴方向的大尺度调整；

跨尺度移动机构3包括：跨尺度宏动平台3-1、跨尺度微动平台 3-2；其中，跨尺度宏动平台3-1包括：伺服直线电机、导轨、宏动滑架、滚轴丝杠、联轴器，跨尺度微动平台3-2包括：驱动器、直线位移平台，驱动器包括但不局限于超声波压电马达、压电陶瓷直线驱动器；

跨尺度微动平台3-2、跨尺度宏动平台3-1与光学隔振平台4依次从上至下安装；跨尺度微动平台3-2以螺栓连接方式固定在跨尺度宏动平台3-1上，跨尺度宏动平台3-1以螺栓连接方式固定在光学隔振平台4上；其中，跨尺度微动平台3-2、跨尺度宏动平台3-1与光学隔振平台4各平面相互平行；

跨尺度移动机构3用于实现Y轴的跨尺度进给量，其工作原理是：当启动伺服直线电机，伺服直线电机的转动通过联轴器传递到滚轴丝杠上，通过滚轴丝杠驱动宏动滑架实现Y轴100mm行程和0.5 μm步距的宏观尺度直线运动；当启动超声波压电马达，超声波压电马达在接触点产生椭圆振荡，通过该接触点的椭圆振动使微动平台沿 Y轴以水平直线的方式行进，实现Y轴30μm行程和0.2nm步距的微观尺度直线运动；其中，超声波压电马达在定位后实现自锁。

Claims (1)

1.一种跨尺度激光三坐标测量装置，其特征包括：线激光测头、调整机构、跨尺度移动机构和光学隔振平台；

其中，线激光测头固定安装在调整机构的一端，调整机构的滑杆固定安装在光学隔振平台的一端，跨尺度移动机构固定安装在光学隔振平台的另一端，使跨尺度移动机构的运动方向和线激光测头射出激光线相互垂直；

线激光测头用于获得被测物表面的三维测量值，其工作原理是：激光线投射到被测物体表面上，反射光透过高质量光学系统，被投射到光电元件上，经过计算得到传感器到表面的距离和沿着激光线的位置信息，通过调整跨尺度移动机构的进给量，就可以得到一组三维测量值；

所述调整机构具体包括：Z型测头夹具、L型测头夹具、移动平台一、移动平台二、移动副、滑块、锁紧装置一、锁紧装置二、滑杆；

线激光测头的一端与Z型测头夹具的一端以螺栓固定方式连接，Z型测头夹具的另一端与L型测头夹具的一端以螺栓固定方式连接，L型测头夹具的另一端与移动平台一的一端以螺栓固定方式连接；其中，线激光测头的上表面Z型测头夹具的内表面相互紧密贴合，L型测头夹具的另一端的外表面与线激光测头的前表面保持平行；移动平台一的另一端与移动平台二的一端以螺栓固定的方式连接，移动平台二的另一端与移动副的顶端相连；其中，移动平台一与移动平台二相互垂直；移动副的另一端穿过滑块中心，通过锁紧装置一的螺纹连接，滑杆穿过滑块的两端，通过锁紧装置二的螺纹连接，滑杆的另一端以螺栓连接方式固定在光学隔振平台上；其中，移动副与滑杆保持空间垂直，滑杆与滑块孔配合，滑杆与光学隔振平台相互垂直；

调整机构用于调整最佳成像距离，其工作原理是：移动平台一与移动平台二内部安装有涡轮蜗杆机构，通过转动蜗杆可以调整Y轴与Z轴的微小调整量；移动副与滑块通过锁紧装置一的螺纹连接固定，可实现X轴方向的中距调整；滑杆与滑块以孔配合，滑块可沿滑杆垂直滑动，在最佳成像距离处用锁紧装置二的螺纹连接固定，实现Z轴方向的大尺度调整；

所述跨尺度移动机构具体包括：跨尺度宏动平台、跨尺度微动平台；其中，跨尺度宏动平台包括：伺服直线电机、导轨、宏动滑架、滚轴丝杠、联轴器，跨尺度微动平台包括：驱动器、直线位移平台，驱动器包括但不局限于超声波压电马达、压电陶瓷直线驱动器；

跨尺度微动平台、跨尺度宏动平台与光学隔振平台依次从上至下安装；跨尺度微动平台以螺栓连接方式固定在跨尺度宏动平台上，跨尺度宏动平台以螺栓连接方式固定在光学隔振平台上；其中，跨尺度微动平台、跨尺度宏动平台与光学隔振平台各平面相互平行；

跨尺度移动机构用于实现Y轴的跨尺度进给量，其工作原理是：当启动伺服直线电机，伺服直线电机的转动通过联轴器传递到滚轴丝杠上，通过滚轴丝杠驱动宏动滑架实现Y轴100mm行程和0.5μm步距的宏观尺度直线运动；当启动超声波压电马达，超声波压电马达在接触点产生椭圆振荡，通过该接触点的椭圆振动使微动平台沿Y轴以水平直线的方式行进，实现Y轴30μm行程和0.2nm步距的微观尺度直线运动；其中，超声波压电马达在定位后实现自锁。

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