一種基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法，其實(shí)施步驟如下：將被測(cè)工件安裝在機(jī)床上，將掃描測(cè)頭通過(guò)具有微位移結(jié)構(gòu)的剪切平臺(tái)安裝在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上；在選定行程的起始位置開(kāi)始，控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)掃描測(cè)頭限幅移動(dòng)，每移動(dòng)到一個(gè)檢測(cè)位置則通過(guò)剪切平臺(tái)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移，采集微位移過(guò)程中至少兩個(gè)位置的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)，直至完成被測(cè)工件選定行程上所有檢測(cè)位置的數(shù)據(jù)采集，采用預(yù)設(shè)的誤差分離算法將各個(gè)檢測(cè)位置采集的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分離得到直線度測(cè)量結(jié)果。本發(fā)明具有測(cè)量精度高、掃描范圍大、量程大、測(cè)量方便快捷、可抑制環(huán)境低頻振動(dòng)影響和消除測(cè)頭調(diào)零誤差、間距誤差、特性差異和熱漂移等影響的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測(cè)量應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法，主要應(yīng)用于精密、超精密工件表面的直線度、平面度、超精密光學(xué)表面甚至光學(xué)自由曲面面形的測(cè)量，同時(shí)也可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的直線度誤差。

【背景技術(shù)】
[0002]在精密、超精密加工中，為了測(cè)量導(dǎo)軌的直線度運(yùn)動(dòng)誤差、被加工件表面的直線度輪廓、平面度和面形精度等，常常采用掃描測(cè)量方法，這種方法將位移測(cè)頭(常用非接觸傳感器如電容或電渦流等)或角度檢測(cè)儀(如自準(zhǔn)直儀等)安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，沿被測(cè)表面作直線運(yùn)動(dòng)，或者將傳感器固定，被測(cè)件隨平臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)被測(cè)表面輪廓誤差與溜板的直線運(yùn)動(dòng)誤差處于同一量級(jí)時(shí)，需要采用誤差分離的方法以重構(gòu)被測(cè)表面的直線度輪廓(或者求得溜板的直線運(yùn)動(dòng)誤差)，進(jìn)而測(cè)量整個(gè)被測(cè)表面的平面度和面形誤差等。
[0003]目前誤差分離方法一般包括多測(cè)頭和單測(cè)頭方法。但是，采用多測(cè)頭掃描測(cè)量時(shí)，會(huì)存在如下問(wèn)題:1.各測(cè)頭的調(diào)零誤差會(huì)引入拋物形的累積誤差，掃描尺寸越大則影響越顯著，而調(diào)零誤差又很難高精度標(biāo)定；2.多個(gè)測(cè)頭之間的間距受到安裝孔距、孔徑、測(cè)頭外徑精度以及夾緊力等的影響會(huì)偏離理想位置，并且實(shí)際的間距也難以高精度測(cè)量，這種測(cè)頭間距誤差同樣會(huì)影響被測(cè)表面輪廓的重構(gòu)精度，掃描大尺寸零件或高橫向分辨率測(cè)量時(shí)，這種誤差影響會(huì)很大；3.不同測(cè)頭之間的特性差異，也會(huì)導(dǎo)致重構(gòu)誤差。此外，現(xiàn)有技術(shù)的單測(cè)頭掃描誤差分離方法主要有翻轉(zhuǎn)法和錯(cuò)位法，但是，翻轉(zhuǎn)法需要將被測(cè)表面翻轉(zhuǎn)180°進(jìn)行再次掃描測(cè)量；錯(cuò)位法則需要將被測(cè)表面沿掃描方向錯(cuò)開(kāi)一個(gè)位置進(jìn)行再次掃描測(cè)量。在實(shí)際測(cè)量中，被測(cè)工件有時(shí)候很難進(jìn)行翻轉(zhuǎn)或者錯(cuò)位移動(dòng)，因此這兩種方法均難以實(shí)施；并且由于需要至少兩次掃描，溜板的重復(fù)精度也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。另外，被測(cè)表面與測(cè)頭之間的相對(duì)振動(dòng)，以及當(dāng)測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，測(cè)頭的熱漂移等都會(huì)給測(cè)量帶來(lái)較大的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種測(cè)量精度高、掃描范圍大、量程大、測(cè)量方便快捷、可抑制環(huán)境低頻振動(dòng)影響和消除測(cè)頭調(diào)零誤差、間距誤差、特性差異和熱漂移等影響的基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法。
[0005]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法，其實(shí)施步驟如下:
1)將被測(cè)工件安裝在機(jī)床上，將單個(gè)直線度測(cè)量用的掃描測(cè)頭通過(guò)具有微位移結(jié)構(gòu)的剪切平臺(tái)安裝在機(jī)床上，通過(guò)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)被測(cè)工件或者剪切平臺(tái)實(shí)現(xiàn)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；
2)在所述被測(cè)工件上選定行程的起始位置開(kāi)始，控制所述機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間以指定的幅度相對(duì)移動(dòng)，且每移動(dòng)到一個(gè)檢測(cè)位置則通過(guò)剪切平臺(tái)的微位移結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移，采集所述掃描測(cè)頭在當(dāng)前檢測(cè)位置進(jìn)行微位移過(guò)程中至少兩個(gè)位置的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)，直至完成所述選定行程上所有檢測(cè)位置的數(shù)據(jù)采集；采用預(yù)設(shè)的誤差分離算法將各個(gè)檢測(cè)位置采集的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分離得到直線度測(cè)量結(jié)果。
[0006]優(yōu)選地，所述步驟I)中微位移結(jié)構(gòu)的微位移行程為數(shù)十微米到毫米級(jí)。
[0007]優(yōu)選地，所述步驟I)中具有微位移結(jié)構(gòu)的剪切平臺(tái)包括微位移導(dǎo)軌、微動(dòng)工作臺(tái)
(2)和微位移驅(qū)動(dòng)器，所述微位移導(dǎo)軌、微動(dòng)工作臺(tái)之間設(shè)有用于檢測(cè)微位移導(dǎo)軌和微動(dòng)工作臺(tái)之間位置的位移傳感器，所述掃描測(cè)頭安裝于微動(dòng)工作臺(tái)上，所述微位移結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移具體是指通過(guò)微位移驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)微動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行微位移，使得所述微動(dòng)工作臺(tái)上的掃描測(cè)頭作直線位移。
[0008]優(yōu)選地，所述微位移導(dǎo)軌I為柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)、氣浮導(dǎo)軌、液浮導(dǎo)軌、滑動(dòng)導(dǎo)軌或滾動(dòng)導(dǎo)軌。
[0009]優(yōu)選地，所述掃描測(cè)頭為用于采集相對(duì)被測(cè)工件距離檢測(cè)數(shù)據(jù)的非接觸式傳感器或接觸式傳感器。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟2)的詳細(xì)步驟如下:
2.1)在所述被測(cè)工件上選定行程的起始位置開(kāi)始，控制所述機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間以指定的幅度相對(duì)移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到一個(gè)檢測(cè)位置則執(zhí)行下一步；
2.2)通過(guò)剪切平臺(tái)的微位移結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移，所述微位移的運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)剪切平臺(tái)及掃描測(cè)頭移動(dòng)的方向相同或者相反，分別采集所述掃描測(cè)頭在微位移行程中至少兩個(gè)位置的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)，得到當(dāng)前檢測(cè)位置的兩個(gè)或更多距離檢測(cè)數(shù)據(jù)；
2.3)檢測(cè)所述選定行程上所有檢測(cè)位置是否已經(jīng)檢測(cè)完畢，如果尚未完畢，則控制所述機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間以指定的幅度相對(duì)移動(dòng)到下一個(gè)檢測(cè)位置，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟2.2)，否則判定已完成所述選定行程上所有檢測(cè)位置的數(shù)據(jù)采集；
2.4)采用預(yù)設(shè)的誤差分離算法依次對(duì)各個(gè)檢測(cè)位置的兩個(gè)距離檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分離，得到誤差分離后的直線度測(cè)量結(jié)果。
[0011]本發(fā)明基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法具有下述優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明將被測(cè)工件安裝在機(jī)床上，將單個(gè)直線度測(cè)量用的掃描測(cè)頭通過(guò)具有微位移結(jié)構(gòu)的剪切平臺(tái)安裝在機(jī)床上，通過(guò)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)被測(cè)工件或者剪切平臺(tái)實(shí)現(xiàn)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間以指定的幅度相對(duì)移動(dòng)，且每移動(dòng)到一個(gè)檢測(cè)位置則通過(guò)剪切平臺(tái)的微位移結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移，在微位移過(guò)程中采集掃描測(cè)頭在當(dāng)前檢測(cè)位置進(jìn)行微位移過(guò)程中至少兩個(gè)位置的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)相當(dāng)于多掃描測(cè)頭“同時(shí)”測(cè)量，從而可以采用現(xiàn)有技術(shù)的誤差分離算法一次掃描即可分離直線度誤差，剪切平臺(tái)子區(qū)間的快速掃描可以有效避免低于掃描頻率的環(huán)境振動(dòng)產(chǎn)生的影響以及掃描測(cè)頭長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的熱漂移影響，能夠克服現(xiàn)有技術(shù)多掃描測(cè)頭測(cè)量方法所存在的缺陷，具有測(cè)量精度高、掃描范圍大、能夠消除調(diào)零誤差影響的優(yōu)點(diǎn)。
[0012]2、本發(fā)明將被測(cè)工件安裝在機(jī)床上，將單個(gè)直線度測(cè)量用的掃描測(cè)頭通過(guò)具有微位移結(jié)構(gòu)的剪切平臺(tái)安裝在機(jī)床上，通過(guò)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)被測(cè)工件或者剪切平臺(tái)實(shí)現(xiàn)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，后續(xù)則基于單個(gè)直線度測(cè)量用的掃描測(cè)頭的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)超精密直線度測(cè)量，相對(duì)于現(xiàn)有多測(cè)頭掃描測(cè)量方法而言，單個(gè)掃描測(cè)頭在剪切平臺(tái)的微位移子區(qū)間的橫向位移(相當(dāng)于多掃描測(cè)頭測(cè)量方法的“測(cè)頭間距”)可以實(shí)時(shí)精確檢測(cè)，能有效避免測(cè)頭間距誤差對(duì)重構(gòu)精度的影響，而且可以根據(jù)被測(cè)表面的特性，實(shí)時(shí)調(diào)整位置的位置來(lái)改變“測(cè)頭間距”，而且采用單測(cè)頭可避免測(cè)頭性能差異等對(duì)測(cè)量精度的影響，具有不存在測(cè)頭間距誤差、不存在掃描測(cè)頭間的特性差異的優(yōu)點(diǎn)。
[0013]3、本發(fā)明將被測(cè)工件安裝在機(jī)床上，將單個(gè)直線度測(cè)量用的掃描測(cè)頭通過(guò)具有微位移結(jié)構(gòu)的剪切平臺(tái)安裝在機(jī)床上，通過(guò)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)被測(cè)工件或者剪切平臺(tái)實(shí)現(xiàn)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，后續(xù)則基于單個(gè)直線度測(cè)量用的掃描測(cè)頭的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)超精密直線度測(cè)量，相對(duì)于現(xiàn)有多測(cè)頭掃描測(cè)量方法而言，無(wú)需翻轉(zhuǎn)工件或者是使工件錯(cuò)位，在選定行程的起始位置開(kāi)始控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)剪切平臺(tái)及掃描測(cè)頭以指定的幅度進(jìn)行移動(dòng)，且每移動(dòng)到一個(gè)檢測(cè)位置則通過(guò)剪切平臺(tái)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移，完成被測(cè)工件上選定行程的一次掃描即可分離直線度誤差，因此具有測(cè)量方便快捷的優(yōu)點(diǎn)。
[0014]4、本發(fā)明在獲得各個(gè)檢測(cè)位置采集的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)后，基于差分原理采用預(yù)設(shè)的誤差分離算法將各個(gè)檢測(cè)位置采集的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分離得到直線度測(cè)量結(jié)果，能夠突破傳感器量程的限制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)大矢高超精密自由曲面的測(cè)量。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的基本流程示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明實(shí)施例一中剪切平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明實(shí)施例一步驟2)的流程示意圖。
[0018]圖4為應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例一的機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖5為應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例一的機(jī)床上掃描測(cè)頭的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖6為應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例二的機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖例說(shuō)明:1、微位移導(dǎo)軌；2、微動(dòng)工作臺(tái)；3、微位移驅(qū)動(dòng)器；4、機(jī)床本體；41、X軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；42、Y軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；43、Ζ軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；5、剪切平臺(tái)；6、掃描測(cè)頭；7、被測(cè)工件；8、主軸。

【具體實(shí)施方式】
[0022]實(shí)施例一:
如圖1所示，本實(shí)施例基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法的實(shí)施步驟如下:
I)將被測(cè)工件安裝在機(jī)床上，將單個(gè)直線度測(cè)量用的掃描測(cè)頭通過(guò)具有微位移結(jié)構(gòu)的剪切平臺(tái)安裝在機(jī)床上，通過(guò)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)被測(cè)工件或者剪切平臺(tái)實(shí)現(xiàn)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于剪切平臺(tái)、被測(cè)工件而言，其大范圍的直線掃描運(yùn)動(dòng)通過(guò)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)被測(cè)工件或者剪切平臺(tái)實(shí)現(xiàn)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，可以由工件作直線運(yùn)動(dòng)或者剪切平臺(tái)作直線運(yùn)動(dòng)，其行程根據(jù)被測(cè)表面的要求而定，一般數(shù)十毫米或數(shù)百毫米，甚至更大；與此同時(shí)，由于掃描測(cè)頭通過(guò)具有微位移結(jié)構(gòu)的剪切平臺(tái)安裝在機(jī)床上，剪切平臺(tái)具有微位移結(jié)構(gòu)，因此能夠使得剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間實(shí)現(xiàn)小范圍子區(qū)間直線運(yùn)動(dòng)(微位移)，從而通過(guò)微位移的不同位置來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬多掃描測(cè)頭，剪切平臺(tái)要求其在垂直于運(yùn)動(dòng)方向(掃描測(cè)頭敏感方向)具有高重復(fù)精度。
[0023]本實(shí)施例中，步驟I中微位移結(jié)構(gòu)的微位移行程為數(shù)十微米到毫米級(jí)；掃描測(cè)頭可以根據(jù)需要采用非接觸式傳感器或接觸式傳感器。
[0024]如圖2所示，步驟I)中具有微位移結(jié)構(gòu)的剪切平臺(tái)5包括微位移導(dǎo)軌1、微動(dòng)工作臺(tái)2和微位移驅(qū)動(dòng)器3，微位移導(dǎo)軌1、微動(dòng)工作臺(tái)2之間設(shè)有用于檢測(cè)微位移導(dǎo)軌I和微動(dòng)工作臺(tái)2之間位置的位移傳感器(如光柵尺或者其它非接觸式傳感器)，掃描測(cè)頭安裝于微動(dòng)工作臺(tái)2上，微位移結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移具體是指通過(guò)微位移驅(qū)動(dòng)器3驅(qū)動(dòng)微動(dòng)工作臺(tái)2進(jìn)行微位移，使得微動(dòng)工作臺(tái)2上的掃描測(cè)頭作直線位移。其中，微位移驅(qū)動(dòng)器3可以采用壓電陶瓷或者音圈電機(jī)等實(shí)現(xiàn)。由于掃描測(cè)頭在微位移驅(qū)動(dòng)器3控制下做高速子區(qū)間運(yùn)動(dòng)(微位移)，因此剪切平臺(tái)在掃描方向的每個(gè)位置停留時(shí)間相當(dāng)短暫，從而可以快速完成直線度輪廓的掃描測(cè)量。一般來(lái)說(shuō)，柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)具有極高的甚至亞埃級(jí)的重復(fù)精度，因此本實(shí)施例中微位移導(dǎo)軌I為柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，此外微位移導(dǎo)軌I也可以根據(jù)需要采用氣浮導(dǎo)軌、液浮導(dǎo)軌、滑動(dòng)導(dǎo)軌或滾動(dòng)導(dǎo)軌。
[0025]2)在被測(cè)工件上選定行程的起始位置開(kāi)始，控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間以指定的幅度相對(duì)移動(dòng)，且每移動(dòng)到一個(gè)檢測(cè)位置則通過(guò)剪切平臺(tái)的微位移結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移，采集掃描測(cè)頭在當(dāng)前檢測(cè)位置進(jìn)行微位移過(guò)程中至少兩個(gè)位置的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)，直至完成選定行程上所有檢測(cè)位置的數(shù)據(jù)采集；采用預(yù)設(shè)的誤差分離算法將各個(gè)檢測(cè)位置采集的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分離得到直線度測(cè)量結(jié)果。
[0026]如圖3所示，步驟2)的詳細(xì)步驟如下:
2.1)在被測(cè)工件上選定行程的起始位置開(kāi)始，控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間以指定的幅度相對(duì)移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到一個(gè)檢測(cè)位置則執(zhí)行下一步；
2.2)通過(guò)剪切平臺(tái)的微位移結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移，微位移的運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)剪切平臺(tái)及掃描測(cè)頭移動(dòng)的方向相同或者相反，分別采集掃描測(cè)頭在微位移行程中至少兩個(gè)位置的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)，得到當(dāng)前檢測(cè)位置的兩個(gè)或更多距離檢測(cè)數(shù)據(jù)；
2.3)檢測(cè)選定行程上所有檢測(cè)位置是否已經(jīng)檢測(cè)完畢，如果尚未完畢，則控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間以指定的幅度相對(duì)移動(dòng)到下一個(gè)檢測(cè)位置，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟2.2)，否則判定已完成選定行程上所有檢測(cè)位置的數(shù)據(jù)采集；
2.4)采用預(yù)設(shè)的誤差分離算法依次對(duì)各個(gè)檢測(cè)位置的兩個(gè)距離檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分離，得到誤差分離后的直線度測(cè)量結(jié)果。
[0027]目前常用的誤差分離算法包括兩點(diǎn)法和多點(diǎn)法，兩點(diǎn)法有經(jīng)典的逐次兩點(diǎn)法，多點(diǎn)法包括采用利用頻域法進(jìn)行差分測(cè)量的精確重構(gòu)方法(參見(jiàn)中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?3124600.2)、利用時(shí)域法進(jìn)行差分測(cè)量的精確重構(gòu)方法(參見(jiàn)中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?3124599.4)、基于多傳感器掃描的超精密測(cè)量方法(參見(jiàn)中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?01310445029.6)等三點(diǎn)法以及采用更多點(diǎn)的誤差分離算法。需要說(shuō)明的是，微位移的行程、掃描測(cè)頭在微位移行程中采集距離檢測(cè)數(shù)據(jù)的位置點(diǎn)和所采用的預(yù)設(shè)誤差分離算法相關(guān)。例如:對(duì)于逐次兩點(diǎn)法而言，微位移的行程與控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)剪切平臺(tái)及掃描測(cè)頭以指定的幅度進(jìn)行移動(dòng)的移動(dòng)距離相同(等于橫向分辨率)，掃描測(cè)頭在微位移行程中采集距離檢測(cè)數(shù)據(jù)的位置點(diǎn)分別為微位移行程首尾共2個(gè)位置點(diǎn)；對(duì)于采用利用頻域法進(jìn)行差分測(cè)量的精確重構(gòu)方法或利用時(shí)域法進(jìn)行差分測(cè)量的精確重構(gòu)方法而言，微位移的行程為兩個(gè)預(yù)設(shè)剪切量的長(zhǎng)度之和，掃描測(cè)頭在微位移行程中采集距離檢測(cè)數(shù)據(jù)的位置點(diǎn)包括微位移行程首尾兩個(gè)位置點(diǎn)、離首點(diǎn)距離等于其中一個(gè)剪切量的位置點(diǎn)共3個(gè)位置點(diǎn)；對(duì)于采用基于多傳感器掃描的超精密測(cè)量方法而言，微位移的行程為兩個(gè)預(yù)設(shè)剪切量的中較小剪切量的兩倍或以上，且在相隔距離等于橫向分辨率的每個(gè)位置點(diǎn)采集距離檢測(cè)數(shù)據(jù)。
[0028]本實(shí)施例可用于超精密加工機(jī)床的在位測(cè)量，也可用于專門的測(cè)量?jī)x器；在進(jìn)行在位測(cè)量時(shí)，根據(jù)機(jī)床的不同結(jié)構(gòu)，可以針對(duì)被測(cè)工件采用立式測(cè)量或臥式測(cè)量方案。
[0029]如圖4和圖5所示，本實(shí)施例應(yīng)用的機(jī)床為立式結(jié)構(gòu)的光學(xué)零件拋光機(jī)床，光學(xué)零件拋光機(jī)床具有XYZ三軸運(yùn)動(dòng)功能，包括機(jī)床本體4，機(jī)床本體4上設(shè)有X軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)41和Y軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)42，Y軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)42上設(shè)有Z軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)43，X軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)41上進(jìn)一步帶有C軸轉(zhuǎn)臺(tái)，掃描測(cè)頭6通過(guò)具有微位移結(jié)構(gòu)的剪切平臺(tái)5則安裝在Z軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)43上。通過(guò)X軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)41、Y軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)42、Ζ軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)43可以調(diào)節(jié)掃描測(cè)頭6的位置，通過(guò)Y軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)42隨Y軸一起作水平移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)工件7的線輪廓掃描，隨Z軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)43垂直移動(dòng)以適應(yīng)不同厚度被測(cè)工件7的測(cè)量，并能在測(cè)量過(guò)程中擴(kuò)大測(cè)量的量程，隨X軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)41移動(dòng)或C軸轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)以完成整個(gè)工件表面的掃描。在本實(shí)施例基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量時(shí)，剪切平臺(tái)5與掃描測(cè)頭6 —起被Y軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)42驅(qū)動(dòng)沿Y軸作水平掃描運(yùn)動(dòng)，Y軸的位移通過(guò)相應(yīng)位移傳感器(比如光柵尺等)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，位移信息反饋給控制器(計(jì)算機(jī))，由控制器根據(jù)橫向測(cè)量分辨率以及誤差分離算法的要求，每移動(dòng)到一個(gè)檢測(cè)位置則通過(guò)剪切平臺(tái)的微位移結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移，采集掃描測(cè)頭在當(dāng)前檢測(cè)位置進(jìn)行微位移過(guò)程中至少兩個(gè)位置的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)，直至完成選定行程上所有檢測(cè)位置的數(shù)據(jù)采集；采用預(yù)設(shè)的誤差分離算法將各個(gè)檢測(cè)位置采集的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分離得到直線度測(cè)量結(jié)果。本實(shí)施例能夠根據(jù)不同誤差分離算法的要求，每當(dāng)大范圍直線掃描運(yùn)動(dòng)到達(dá)確定的檢測(cè)位置時(shí)，剪切平臺(tái)上的測(cè)頭作相應(yīng)的子區(qū)間小范圍高速直線運(yùn)動(dòng)(進(jìn)行微位移)，由于剪切平臺(tái)具有極高的重復(fù)精度，在子區(qū)間高速移動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于多測(cè)頭“同時(shí)”掃描測(cè)量，因此，與多測(cè)頭掃描測(cè)量一樣，溜板的直線運(yùn)動(dòng)誤差以及測(cè)頭的“調(diào)零”誤差(即剪切平臺(tái)微位移結(jié)構(gòu)在垂直于掃描運(yùn)動(dòng)方向的測(cè)頭敏感方向存在的位置誤差)等均會(huì)影響到被測(cè)表面直線度輪廓的測(cè)量，需要通過(guò)相應(yīng)的誤差分離算法以消除籃板直線運(yùn)動(dòng)誤差和“調(diào)零”誤差的影響。
[0030]需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例為基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法，在本實(shí)施例的基礎(chǔ)上，通過(guò)機(jī)床調(diào)節(jié)在掃描完一條直線度輪廓后，再沿X軸移動(dòng)或繞C軸轉(zhuǎn)動(dòng)工件以完成下一條直線度輪廓的掃描測(cè)量，這樣直到完成被測(cè)工件7整個(gè)被測(cè)表面的掃描，即可測(cè)量出被測(cè)工件7整個(gè)被測(cè)表面的三維形貌。
[0031]實(shí)施例二:
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，其不同點(diǎn)為步驟I)所使用的機(jī)床結(jié)構(gòu)不同。
[0032]如圖6所示，本實(shí)施例應(yīng)用的機(jī)床為臥式結(jié)構(gòu)的帶有C軸功能的金剛石車床，帶有C軸功能的金剛石車床具有XZ兩軸運(yùn)動(dòng)功能，包括機(jī)床本體4，機(jī)床本體4上設(shè)有X軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)41和Z軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)43，Χ軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)41上設(shè)有可轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸8 (C軸)，被測(cè)工件7安裝在主軸8上，掃描測(cè)頭6通過(guò)具有微位移結(jié)構(gòu)的剪切平臺(tái)5則安裝在Z軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)43上。剪切平臺(tái)5安裝在Z軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)43上(金剛石刀具安裝位置)，隨Z軸水平移動(dòng)以適應(yīng)不同厚度工件的測(cè)量，并能在測(cè)量過(guò)程中擴(kuò)大測(cè)量的量程。臥式結(jié)構(gòu)的帶有C軸功能的金剛石車床與實(shí)施例一的立式結(jié)構(gòu)的光學(xué)零件拋光機(jī)床的工作原理相同，在本實(shí)施例基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量時(shí)，被測(cè)工件7被X軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)41驅(qū)動(dòng)沿X軸作水平掃描運(yùn)動(dòng)或者被主軸8驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，水平掃描運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)位移通過(guò)相應(yīng)位移傳感器(比如光柵尺等)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，位移信息反饋給控制器(計(jì)算機(jī))，由控制器根據(jù)橫向測(cè)量分辨率以及誤差分離算法的要求，每移動(dòng)到一個(gè)檢測(cè)位置則通過(guò)剪切平臺(tái)的微位移結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移，采集掃描測(cè)頭在當(dāng)前檢測(cè)位置進(jìn)行微位移過(guò)程中至少兩個(gè)位置的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)，直至完成選定行程上所有檢測(cè)位置的數(shù)據(jù)采集；采用預(yù)設(shè)的誤差分離算法將各個(gè)檢測(cè)位置采集的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分離得到直線度測(cè)量結(jié)果。
[0033]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法，其特征在于實(shí)施步驟如下: 1)將被測(cè)工件安裝在機(jī)床上，將單個(gè)直線度測(cè)量用的掃描測(cè)頭通過(guò)具有微位移結(jié)構(gòu)的剪切平臺(tái)安裝在機(jī)床上，通過(guò)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)被測(cè)工件或者剪切平臺(tái)實(shí)現(xiàn)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)； 2)在所述被測(cè)工件上選定行程的起始位置開(kāi)始，控制所述機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間以指定的幅度相對(duì)移動(dòng)，且每移動(dòng)到一個(gè)檢測(cè)位置則通過(guò)剪切平臺(tái)的微位移結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移，采集所述掃描測(cè)頭在當(dāng)前檢測(cè)位置進(jìn)行微位移過(guò)程中至少兩個(gè)位置的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)，直至完成所述選定行程上所有檢測(cè)位置的數(shù)據(jù)采集；采用預(yù)設(shè)的誤差分離算法將各個(gè)檢測(cè)位置采集的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分離得到直線度測(cè)量結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟1)中微位移結(jié)構(gòu)的微位移行程為數(shù)十微米到毫米級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟1)中具有微位移結(jié)構(gòu)的剪切平臺(tái)包括微位移導(dǎo)軌(1)、微動(dòng)工作臺(tái)(2)和微位移驅(qū)動(dòng)器(3)，所述微位移導(dǎo)軌(1)、微動(dòng)工作臺(tái)(2)之間設(shè)有用于檢測(cè)微位移導(dǎo)軌(1)和微動(dòng)工作臺(tái)(2)之間位置的位移傳感器，所述掃描測(cè)頭安裝于微動(dòng)工作臺(tái)(2)上，所述微位移結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移具體是指通過(guò)微位移驅(qū)動(dòng)器(3)驅(qū)動(dòng)微動(dòng)工作臺(tái)(2)進(jìn)行微位移，使得所述微動(dòng)工作臺(tái)(2)上的掃描測(cè)頭作直線位移。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法，其特征在于:所述微位移導(dǎo)軌(1)為柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)、氣浮導(dǎo)軌、液浮導(dǎo)軌、滑動(dòng)導(dǎo)軌或滾動(dòng)導(dǎo)軌。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法，其特征在于:所述掃描測(cè)頭為用于采集相對(duì)被測(cè)工件距離檢測(cè)數(shù)據(jù)的非接觸式傳感器或接觸式傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?5中任意一項(xiàng)所述的基于單測(cè)頭誤差分離的超精密直線度測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟2)的詳細(xì)步驟如下: . 2.1)在所述被測(cè)工件上選定行程的起始位置開(kāi)始，控制所述機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間以指定的幅度相對(duì)移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到一個(gè)檢測(cè)位置則執(zhí)行下一步； .2.2)通過(guò)剪切平臺(tái)的微位移結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)掃描測(cè)頭進(jìn)行微位移，所述微位移的運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)剪切平臺(tái)及掃描測(cè)頭移動(dòng)的方向相同或者相反，分別采集所述掃描測(cè)頭在微位移行程中至少兩個(gè)位置的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)，得到當(dāng)前檢測(cè)位置的兩個(gè)或更多距離檢測(cè)數(shù)據(jù)； .2.3)檢測(cè)所述選定行程上所有檢測(cè)位置是否已經(jīng)檢測(cè)完畢，如果尚未完畢，則控制所述機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪切平臺(tái)、被測(cè)工件之間以指定的幅度相對(duì)移動(dòng)到下一個(gè)檢測(cè)位置，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟2.2)，否則判定已完成所述選定行程上所有檢測(cè)位置的數(shù)據(jù)采集； . 2.4)采用預(yù)設(shè)的誤差分離算法依次對(duì)各個(gè)檢測(cè)位置的兩個(gè)距離檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分離，得到誤差分離后的直線度測(cè)量結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G01B21/24GK104296716SQ201410533360
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】尹自強(qiáng), 李圣怡, 陳善勇, 陳涵, 田富竟 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)