[发明专利]一种三坐标测量机二维平台误差的高精度校正方法

说明书

技术领域

本发明属于精密测量领域，尤其涉及一种三坐标测量机二维平台误差的高精度校正方法。

背景技术

超精密加工技术的高速发展对相应的三维检测设备的测量精度提出了更高的要求。三坐标测量机(Coordinate Measuring Machining,CMM)作为传统的通用型高精度测量仪器，在工件形位误差的检测中有着不可替代的作用，并正朝着尺寸小型化以及纳米级精度的方向发展。超精密三坐标测量机研究的关键是对其进行形位误差测量与不确定度评定，进而保证其微纳米级的测量精度。

三坐标测量机是一个具有较多误差源的复杂系统，国内外学者对其误差修正方法进行了广泛的研究。为实现测量误差的高精度校正，必须准确得到测量机各个单项误差。根据坐标测量机校准规范JJF1064-2010的要求，校准尺寸测量示值误差时一般使用量块或激光干涉仪（大型坐标测量机的补充测量使用激光干涉仪进行位置示值误差测量）作为标准器。通过测量标准器上标记点的测量值与标准值之间的差异得出被标定的示值误差，并进行拟合和补偿，进而实现对待测坐标测量机的校正。但该方法使用一维标准检具进行单项误差检测，耗时长、专用仪器及装置造价昂贵、数据处理繁琐。尤其是当待测的精密平台为超大规模集成电路制造、高密度存储设备加工以及光纤对接等超精密加工领域使用的纳米级或者亚纳米级超精密工作台时，传统的坐标测量机标定技术因无法找到更高精度的标准计量仪器而无法应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用精度等级较低的栅格板有效地分离出三坐标测量机的二维平台误差以及所使用的栅格板标尺误差，进而实现二维平台的高精度校正。

一种三坐标测量机二维平台误差的高精度校正方法如下：

1)选用n×n的方形栅格板，n为自然数，将该栅格板固定在三坐标测量机平台上，并且栅格方向与坐标测量机的x、y轴导轨运动方向对齐；

2)以栅格板为基准建立坐标系，利用该三坐标测量机测得原始位姿状态下对应栅格板上所有标记点中心位置的坐标数据M₁；

3)将栅格板相对于原始位姿分别沿x轴正、负方向各平移一个栅格距离，利用三坐标测量机分别测得栅格板上所有标记点中心位置的坐标数据M₂和M₃；

4)将栅格板平移回步骤2)中的原始位姿，并将其分别相对原始位姿逆时针旋转至90°、180°和270°位置，利用三坐标测量机分别测得对应栅格板上所有标记点中心位置的坐标数据为M₄、M₅、M₆；

5)将步骤2)到步骤4)中所测得的六组坐标数据M₁、M₂、M₃、M₄、M₅和M₆代入相应的六位姿误差分离方程组，即：

其中I为主对角线为1的矩阵，I₁、I₂为I的x轴方向平移矩阵，R₉₀、R₁₈₀、R₂₇₀为I的逆时针90°、180°和270°旋转矩阵，N_x、N_y为栅格板上测量点x和y坐标的标称值，N_xs和N_ys以及N_yt和N_xt分别为N_x、N_y由于x轴正负方向平移而形成的矩阵；E为所有元素为1的矩阵。A_x、A_y为测量点的二维平台x和y坐标误差，G_x、G_y为测量点的栅格板x和y坐标标尺误差，V_i、W_i为两理想坐标系原点的x和y坐标偏移（i＝1,2,...,6，下同），θ_i为两理想坐标系的角度偏移，并且有：