[发明专利]微纳米级三维测量“331”系统及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及微纳米级三维坐标测量技术领域，更具体地说是一种微纳米级三维测量系统及测量方法。

背景技术

对于测量仪器，除了要求传感器精度外，仪器结构上的合理布局可以使测量仪器在机械加工精度较低的条件下，仍能获得高的测量结果，降低测量系统对机械结构精度的要求。

一百多年以来，测量系统都遵循阿贝原则，即当测量时被测件的被测尺寸线与测量仪器标准量尺寸线相重合或者在其延长线上时，测量误差最小，不符合阿贝原则而产生的测量误差称为阿贝误差。一维测量系统能够做到满足阿贝原则。而二维或三维的测量系统，由于结构上的限制，很难做到各维都满足阿贝原则，导致测量系统不可避免存在阿贝误差。例如万能工具显微镜和三坐标测量机，结构系统布局均不符合阿贝原则，这种影响限制了测量仪器精度的提高。

现有测量系统的结构布局分析如下：

图1为串联式一维测量台。测量台座4固定不动，在测量运动件1从位置①到位置②的线性距离中，被测线性距离量处于标准尺3的标准尺寸线2延长线上，满足阿贝原则。

图2为并联式一维测量系统。图2a所示，标准尺1与被测尺寸线2存在阿贝臂S。由于导轨运动的直线度偏差，引起测量架3产生θ的倾斜角，图2b所示，其产生的测量误差为ΔL＝Stgθ≈Sθ。

一台纳米级测量机，其导轨运动面与标尺光栅面不重合，存在S＝10mm的阿贝臂，运动平台产生角度为θ＝1″的倾斜，则会产生ΔL＝Stgθ≈Sθ＝48nm的阿贝误差。对于高精度测量来说，这一影响是很大的。但是按照阿贝原则设计的仪器结构尺寸又较大，所以往往采用并联式的伪阿贝原则结构布局，用提高导轨精度的措施或采用误差修正方法来保证测量精度，显然前者的制造成本较高，而后者具有时变性，需经常修改软件。

很多二维运动系统都违反阿贝原则，工具显微镜和二维数控机床测量系统等，都是两运动导轨及测量平台在不同的平面上。这样被测件在测量平台上测得的尺寸线段，与其对应的测量标尺会有很大的阿贝距离。

图3是一个常用的二维工作台，X向运动导轨1、Y向运动导轨2，以及测量平台3不在同一平面上。数控平台以电机丝杠传动，电机上的圆光栅编码器记录丝杠的转动，转化为工作台的移动量。在这个系统中，丝杠为长度计量的标准量。而被测量处在工作台上，其X、Y向的测量，与标尺之间分别有H₁和H₂的阿贝臂。工作台运动时，X、Y导轨的运动直线度误差会分别被H₁、H₂放大。假设，测量平台3与X轴丝杠中心距H₁＝10cm，测量平台3有θ＝1″的运动俯仰偏差，则产生的X向误差为ΔL＝H₁tgθ＝480nm。

三维系统相对更加复杂，三坐标测量机就是常用的三维测量系统，与上面的二维运动平台类似，它也是明显违背阿贝原则的。

图4为一典型的移动桥式三坐标测量机。工作台1是固定不动的，桥框3可沿工作台X向运动，滑架5沿桥框3沿Y向运动，主轴6可沿Z向运动。被测工件被安放在工作台1上，测头固定安装在在主轴6的底端。分析其机构布局可以看到：X向光栅标尺2在工作台的一侧，在Y方向存在很大的阿贝臂H1，桥框的偏摆会造成很大的阿贝误差，对测量机的精度影响很大。并且，随着测量机滑架5的Y向运动，阿贝臂H1还在不断变化；同样，测头与Y向光栅尺4也存在着Z向的阿贝臂H₂，其也随着主轴6的Z向运动而不断变化。由于这种测量机跨度大，结构布局上又存在着很大的不可避免的阿贝误差，严重影响测量精度。

用于减少或消除结构布局带来的测量误差的各种方法：

1、提高结构精度。比如提高导轨的直线度，以减少运动件在运动中的滚转和偏转等，降低直线度运动误差；提高导轨的安装、调整与加工的精度，降低机械结构的系统误差。但是，机械加工精度每提高一个等级，都会导致成本数倍的增加。

2、合理结构布局、减少阿贝臂。阿贝误差是测量系统的一个主要误差源，采用更加合理的结构布局，尽量减少被测量与标准尺之间的距离，也就是阿贝距离，从误差源头降低系统的误差。