專利名稱：：微納米級三維測量“331”系統(tǒng)及其測量方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及微納米級三維坐標測量
技術領域：
，更具體地說是一種微納米級三維測量系統(tǒng)及測量方法。
背景技術：
：對于測量儀器，除了要求傳感器精度外，儀器結構上的合理布局可以使測量儀器在機械加工精度較低的條件下，仍能獲得高的測量結果，降低測量系統(tǒng)對機械結構精度的要求。一百多年以來，測量系統(tǒng)都遵循阿貝原則，即當測量時被測件的被測尺寸線與測量儀器標準量尺寸線相重合或者在其延長線上時，測量誤差最小，不符合阿貝原則而產(chǎn)生的測量誤差稱為阿貝誤差。一維測量系統(tǒng)能夠做到滿足阿貝原則。而二維或三維的測量系統(tǒng)，由于結構上的限制，很難做到各維都滿足阿貝原則，導致測量系統(tǒng)不可避免存在阿貝誤差。例如萬能工具顯微鏡和三坐標測量機，結構系統(tǒng)布局均不符合阿貝原則，這種影響限制了測量儀器精度的提高?，F(xiàn)有測量系統(tǒng)的結構布局分析如下圖1為串聯(lián)式一維測量臺。測量臺座4固定不動，在測量運動件1從位置①到位置②的線性距離中，被測線性距離量處于標準尺3的標準尺寸線2延長線上，滿足阿貝原則。圖2為并聯(lián)式一維測量系統(tǒng)。圖2a所示，標準尺1與被測尺寸線2存在阿貝臂S。由于導軌運動的直線度偏差，引起測量架3產(chǎn)生0的傾斜角，圖2b所示，其產(chǎn)生的測量誤差為AZ=S妙《S6>。一臺納米級測量機，其導軌運動面與標尺光柵面不重合，存在S-10附m的阿貝臂，運動平臺產(chǎn)生角度為6>=1"的傾斜，則會產(chǎn)生^=1%6>^=48柳的阿貝誤差。對于高精度測量來說，這一影響是很大的。但是按照阿貝原則設計的儀器結構尺寸又較大，所以往往采用并聯(lián)式的偽阿貝原則結構布局，用提高導軌精度的措施或采用誤差修正方法來保證測量精度，顯然前者的制造成本較高，而后者具有時變性，需經(jīng)常修改軟件。很多二維運動系統(tǒng)都違反阿貝原則，工具顯微鏡和二維數(shù)控機床測量系統(tǒng)等，都是兩運動導軌及測量平臺在不同的平面上。這樣被測件在測量平臺上測得的尺寸線段，與其對應的測量標尺會有很大的阿貝距離。圖3是一個常用的二維工作臺，X向運動導軌1、Y向運動導軌2，以及測量平臺3不在同一平面上。數(shù)控平臺以電機絲杠傳動，電機上的圓光柵編碼器記錄絲杠的轉動，轉化為工作臺的移動量。在這個系統(tǒng)中，絲杠為長度計量的標準量。而被測量處在工作臺上，其X、Y向的測量，與標尺之間分別有^和H2的阿貝臂。工作臺運動時，X、Y導軌的運動直線度誤差會分別被H!、H2放大。假設，測量平臺3與X軸絲杠中心距Z/,^10cm，測量平臺3有^=1"的運動俯仰偏差，則產(chǎn)生的X向誤差為AZ-Z^ge-480ww。三維系統(tǒng)相對更加復雜，三坐標測量機就是常用的三維測量系統(tǒng)，與上面的二維運動平臺類似，它也是明顯違背阿貝原則的。圖4為一典型的移動橋式三坐標測量機。工作臺1是固定不動的，橋框3可沿工作臺X向運動，滑架5沿橋框3沿Y向運動，主軸6可沿Z向運動。被測工件被安放在工作臺1上，測頭固定安裝在在主軸6的底端。分析其機構布局可以看到X向光柵標尺2在工作臺的一側，在Y方向存在很大的阿貝臂H1，橋框的偏擺會造成很大的阿貝誤差，對測量機的精度影響很大。并且，隨著測量機滑架5的Y向運動，阿貝臂Hi還在不斷變化；同樣，測頭與Y向光柵尺4也存在著Z向的阿貝臂H2，其也隨著主軸6的Z向運動而不斷變化。由于這種測量機跨度大，結構布局上又存在著很大的不可避免的阿貝誤差，嚴重影響測量精度。用于減少或消除結構布局帶來的測量誤差的各種方法-1、提高結構精度。比如提高導軌的直線度，以減少運動件在運動中的滾轉和偏轉等，降低直線度運動誤差；提高導軌的安裝、調整與加工的精度，降低機械結構的系統(tǒng)誤差。但是，機械加工精度每提高一個等級，都會導致成本數(shù)倍的增加。2、合理結構布局、減少阿貝臂。阿貝誤差是測量系統(tǒng)的一個主要誤差源，采用更加合理的結構布局，盡量減少被測量與標準尺之間的距離，也就是阿貝距離，從誤差源頭降低系統(tǒng)的誤差。3、采用靜態(tài)誤差修正。由于科學技術的發(fā)展，對測量機的精度有越來越高的要求，要完全通過提高制造精度、嚴格控制環(huán)境條件來實現(xiàn)高的測量精度，在技術上和經(jīng)濟上都很困難。為了經(jīng)濟地達到高的測量精度，誤差修正技術得到了廣泛的應用。靜態(tài)誤差修正技術的基本思想是用精度更高的儀器將測量機的誤差檢測出來，以一定方式存入測量機的軟件中，在測量機工作時，按檢測的結果對誤差進行修正。這種補償方法中，測量誤差按事先檢測的結果進行修正，所以它只能補償系統(tǒng)誤差，而不能補償隨機誤差。4、實時誤差修正。在測量機測量工件的同時，用隨機傳感器對測量機本身的誤差進行實時檢測，并按照檢測的結果對它進行誤差修正，這種方法稱為實時誤差修正。它與靜態(tài)誤差修正的最大區(qū)別就是，由于它檢測得到的是測量機測量工件時的誤差，所以它能同時補償測量機的系統(tǒng)誤差和隨機誤差。這樣，一些由于系統(tǒng)重復性不好、環(huán)境溫度變化等帶來的誤差，可以通過這種實時修正的方法來減少測量誤差。但是，實時誤差修正的方法相比靜態(tài)修正方法更為復雜，一方面，需要很多的實時響應的高精度傳感器；另一方面，也要求整個軟件系統(tǒng)的動態(tài)響應特性也要非常好。顯然，這種方法的成本較高。
發(fā)明內容本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一種適用于小測量范圍上的微納米級三維測量"331"系統(tǒng)及其測量方法，其在三維方向上都滿足阿貝原則，從而能有效避免阿貝誤差，保證高測量精度。本發(fā)明解決技術問題采用如下的技術方案。本發(fā)明微納米級三維測量"331"系統(tǒng)的結構特點是-設置三維測量系統(tǒng)的X、Y、Z軸標準量尺寸線或其延長線相互垂直并相交于一交點上，以所述交點為坐標原點，建立三維坐標系；設置測量系統(tǒng)中測量平臺的X軸導軌導向面、Y軸導軌導向面與測頭中心點所在的測量面三面共面形成重合平面，從而建立三維共平面測量平臺；設置所述X、Y、Z軸標準量尺寸線或其延長線的交點處于測量平臺的X軸導軌導向面、Y軸導軌導向面、測量面三面的重合平面上；同時使X、Y軸標準量尺寸線或其延長線也與三面重合，使已建三維坐標系的X、Y坐標面與測量面重合；設置測頭中心點與三條標準量尺寸線或其延長線交點重合。本發(fā)明微納米級三維測量"331"系統(tǒng)的結構特點也在于測量平臺由X向滑座、Y向滑座、工作滑臺和Z向可調工作臺以由外向內逐一嵌套的結構形式組成；其中，X向滑座和Y向滑座之間的X導軌面與Y向滑座和工作滑臺之間的Y導軌面與測頭中心所在的測量面處在同一面上，被測工件放在嵌套在工作滑臺中的Z向可調工作臺上。本發(fā)明微納米級三維測量"331"系統(tǒng)的測量方法的特點是鎖定測頭位置，固定在測量平臺上的被測件隨著測量平臺的運動，并向測頭逼近實現(xiàn)測量。本發(fā)明采用三軸標準量尺寸線共點的方式構建三維系統(tǒng)的空間坐標系，測頭處在坐標零點，以此保證任一被測點都處在標準量尺寸線上。其次，由于測量系統(tǒng)的X、Y向導軌面采用共平面導向，并且這兩面又與測量平臺的測量面重合，因而有效避免了傳統(tǒng)多維測量系統(tǒng)堆疊式的結構布局存在的不可避免的阿貝誤差。關于本發(fā)明"331"結構的具體論述1、三線共點。調整使三維測量系統(tǒng)的X、Y、Z軸三條標準量尺寸線相互垂直并相交在測頭中心，然后鎖定三條標準量尺寸線及測頭的位置和方向，建立整個測量系統(tǒng)的三維坐標系。在調整使三條標準量尺寸線精確垂直相交于一點且交點與測頭中心點重合后，即可以實現(xiàn)無論測量平臺的空間位置如何變化，始終能保證被測點處在三條測量線交點上，被測點不會存在由于測量平臺位置的變化而引起的測量誤差。圖6所述為測量的三線共點定位原理圖。2、三面共面。在三維測量系統(tǒng)的機械機構布局上，使X、Y兩維導軌的運動導向面與工作臺測量面重合，這種共平面導向，消除了由于導軌運動導向面不重合而產(chǎn)生的阿貝誤差。測量時被測件放在工作臺測量面上。對于MEMS微小零件，其厚度小，由高度差引起的近阿貝誤差可予忽略，但對于有一定高度的被測件，在測量時可能引起不可忽略的誤差。對于這種情況由兩種解決辦法一種是將工作臺測量面設計加工成低于共面位置，根據(jù)被測件高度來選擇相應厚度的墊片，以保證被測面與導軌面共面；另一種方法是將臺面設計成可作Z向位移的組件，但其位移控制精度要求不高，只需控制被測工件的測量面與導軌面重合度在0.10.2mm以內即可。例如三維測量平臺，其兩導軌運動面不重合，存在S二O.lmm的阿貝臂，滑臺運動傾斜角度為^=1"，則產(chǎn)生的測量誤差AI-S/ges^^0.48nm，影響非常小。在實際加工裝配或控制中，兩導軌運動面重合誤差可以做到更小，這樣導軌垂直面內直線度誤差引起的阿貝誤差接近于零，實現(xiàn)"零阿貝誤差"。三面共面系統(tǒng)的結構原理如圖5所示。3、點面重合。在三維測量系統(tǒng)布局和裝配滿足"三線共點"和"三面共面"后，使三條標準量尺寸線相交的交點(即測頭中心)落在X、Y軸導軌導向面與測量面所重合的平面上，且使X、Y軸標準量尺寸線所建立的平面直角坐標系與測量面重合，實現(xiàn)測量機整體布局的"331原則"，從而保證測量點在三維空間的任一處的測量值不存在阿貝誤差，其結構布局如圖7所示，測量平臺中的各構件采用嵌套的結構形式。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在本發(fā)明基于共平面導向、標準量尺寸線共點和測量點與導向面重合的"331"結構，不僅克服了傳統(tǒng)三維運動系統(tǒng)堆棧式的結構而帶來的不可避免阿貝誤差的問題，而且實現(xiàn)了三維測量空間上的"零阿貝誤差"。但由于這嵌套式的共平面結構布局，限制了整個測量系統(tǒng)的測量范圍，可適用于測量范圍較小，但測量精度要求較高的微納米級測量。這種基于"331原則"的系統(tǒng)結構，為高精度納米級三維測量系統(tǒng)的結構布局提供了創(chuàng)新設計原則，將可大大降低儀器制造成本，具有廣泛實用價值。圖1為已有技術中串聯(lián)式一維測量臺結構示意圖。圖2a、圖2b為已有技術中并聯(lián)式一維測量系統(tǒng)結構示意圖。圖3為已有技術中二維工作臺結構示意圖。圖4為已有技術中移動橋式三坐標測量機。圖5a為本發(fā)明X向滑座結構示意圖。圖5b為本發(fā)明Y向滑座結構示意圖。圖5c為本發(fā)明工作滑臺結構示意圖。圖5d為本發(fā)明三維共面測量平臺結構示意圖。圖6為本發(fā)明三線共點原理圖示意圖。圖7為本發(fā)明三維測量"331"系統(tǒng)示意圖。圖中標號1為X向滑座、11為X導軌面、2為Y向滑座、21為Y導軌面、3工作滑臺、31工作臺測量面、4為Z向可調工作臺面、5為X軸計量儀器、6為Y軸計量儀器、7為Z軸計量儀器、8為Z向測桿、9為測頭。以下通過具體實施方式，結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。具體實施例方式圖7所示為滿足三線共線、三面共面和點面重合的"331原則"的三維運動結構系統(tǒng)示意圖。為了實現(xiàn)符合"331原則"的結構布局，需要在結構裝配時進行精確的調整，實際調整分為以下四個步驟1、調整共平面三維運動系統(tǒng)和三線共點系統(tǒng)如圖5d所示，首先裝配三維共平面系統(tǒng)；整個三維運動工作臺主要由X向滑座1(圖5a所示)、Y向滑座2(圖5b所示)、工作滑臺3(圖5c所示)和Z向可調工作臺4(圖5c所示)組成，這四部分以由外向內逐一嵌套的結構布局形式組成，被測工件放在嵌套在工作滑臺中的Z向可調工作臺上。其中X導軌面ll、Y導軌面21、工作臺測量面31三面處在同一平面上。整個三維運動平臺的共平面特性是由制造來保證的，因此平臺的運動精度由制造精度所確定。調整三維運動平臺的X、Y、Z運動方向分別與圖6中X、Y、Z軸三條標準量尺寸線相平行，以保證三線相互垂直。2、調整三線共點如圖6所示，調整使X軸計量儀器5、Y軸計量儀器6和Z軸計量儀器7的三條標準量尺寸線兩兩垂直、且在同一平面上，以保證三條標準量尺寸線相交在一點(圖中0點)上，各計量儀器可以是標尺或激光干涉儀等。3、調整點面重合調整三條標準量尺寸線交點與X、Y兩維導軌的運動導向面與工作臺測量面的重合面相重合。4、調整測頭位置如圖7所示，最后調整測頭9的中心與三條標準量尺寸線交點和三面共平面重合，并調整Z向測桿8處在Z向標準量尺寸線上。在儀器測量過程中，始終保持測頭的位置不變，通過移動工作滑臺3來實現(xiàn)對被測工件所需尺寸的測量，由此可以保證任一測量點都處在三面共面的零阿貝測量面上。在實際測量時，由于被測工件具有一定的厚度，可以通過調整Z向可調工作臺4的高度，使被測點始終與被測面重合使被測點始終處在零阿貝測量面上。測量系統(tǒng)布局在符合"331"結構形式后，測量結果將不再存在阿貝誤差，或其影響很小，可予忽略。此時，只存在由導軌運動直線度誤差引起測量的二次誤差，而這一影響甚微。設由于導軌的運動誤差引起平臺偏擺P角度，行程/，則測量誤差為AI=/(1-cos60"丄W2，6的影響為二次誤差。2假設^=1"，/=10mw，則產(chǎn)生的二次誤差為AI=/(1—cos60-丄W2=0.12"m2若夕=5"時，AL=2.9"/w由此可知，由導軌直線度誤差所引起的二次誤差可不予考慮，而只需考慮一次誤差的影響。表l給出幾個算例，在不同參數(shù)時，由于導軌直線度誤差所產(chǎn)生的一次測量誤差。表1導軌運動誤差所產(chǎn)生的一次測量誤差算例<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>從表1數(shù)據(jù)可知，保證達到表中工作臺制造精度和共點(面)精度，這是較為一般的技術。這種共平面和共測量線的結構布局，不需要特殊的精密技術，因此制造成本不高。權利要求1、微納米級三維測量“331”系統(tǒng)，其特征是系統(tǒng)構成為設置三維測量系統(tǒng)的X、Y、Z軸標準量尺寸線或其延長線相互垂直并相交于一交點上，以所述交點為坐標原點，建立三維坐標系；設置測量系統(tǒng)中測量平臺的X軸導軌導向面、Y軸導軌導向面與測頭中心點所在的測量面三面共面形成重合平面，從而建立三維共平面測量平臺；設置所述X、Y、Z軸標準量尺寸線或其延長線的交點處于測量平臺的X軸導軌導向面、Y軸導軌導向面、測量面三面的重合平面上；同時使X、Y軸標準量尺寸線或其延長線也與三面重合，使已建三維坐標系的X、Y坐標面與測量面重合；設置測頭中心點與三條標準量尺寸線或其延長線交點重合。2、根據(jù)權利要求1所述的微納米級三維測量"331"系統(tǒng)，其特征是測量系統(tǒng)的測量平臺由X向滑座(1)、Y向滑座(2)、工作滑臺(3)和Z向可調工作臺(4)以由外向內逐一嵌套的結構形式組成；其中，X向滑座U)和Y向滑座(2)之間的X導軌面(11)與Y向滑座(2)和工作滑臺(3)之間的Y導軌面(12)與測頭中心所在的測量面處在同一面上，被測工件放在嵌套在工作滑臺(3)中的Z向可調工作臺(4)上。3、一種權利要求1所述微納米級三維測量"331"系統(tǒng)的測量方法，其特征是鎖定測頭位置，固定在測量平臺上的被測件隨著測量平臺的運動，并向測頭逼近實現(xiàn)測量。全文摘要微納米級三維測量“331”系統(tǒng)及其測量方法，其特征是設置三維測量系統(tǒng)X、Y、Z軸標準量尺寸線或其延長線相互垂直并相交于一交點上，以交點為坐標原點，建立三維坐標系；設置測量系統(tǒng)中測量平臺的X軸導軌導向面、Y軸導軌導向面與測頭中心點所在的測量面三面共面形成重合平面；設置X、Y、Z軸標準量尺寸線或其延長線的交點處于測量平臺的重合平面上；同時使X、Y軸標準量尺寸線或其延長線也與三面重合，使已建三維坐標系的X、Y坐標面與測量面重合；設置測頭中心點與三條標準量尺寸線或其延長線交點重合。本發(fā)明在三維方向上都滿足阿貝原則，從而能有效避免阿貝誤差，保證高測量精度。文檔編號G01B5/008GK101419044SQ20081019674公開日2009年4月29日申請日期2008年9月19日優(yōu)先權日2008年9月19日發(fā)明者平尚,王晨晨,費業(yè)泰申請人:合肥工業(yè)大學