[实用新型]基于扫描隧道效应的在位测量装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及复杂曲面的超精密在位测量领域，尤其涉及一种基于扫描隧道效应的在位测量装置。 

背景技术

具有复杂曲面结构元件广泛应用于光学工程、信息通讯、航空航天和生物医学等领域。由于复杂曲面结构具有特殊的表面性质，在实际运用中，满足特殊要求、提升和改善传输信号质量、缩小系统体积。复杂曲面结构正成为现代精密零部件中重要的组成部分。如今，运用超精密加工工艺能够实现复杂曲面结构的生产。由于超精密加工工件尺度小，加工精度相对于传统加工精度提高一个以上的数量级，所以需要通过测量手段保证加工质量。对于表面结构的测量手段有：针式探头轮廓仪、光学显微镜、原子力显微镜以及扫描探针显微镜等。其中利用接触式方法的针式探头轮廓仪通过探头接触被测表面结构，精确反映形貌特征，但由于接触力划过工件表面，影响加工质量；利用非接触方法的光学显微镜受光波长限制，分辨率有限，无法探测具有曲率突变特征的微结构；原子力显微镜由于系统较复杂，不容易集成到超精密机床上实现在位测量；而扫描探针显微镜系统较简单，在拥有较高长径比的探针的情况下能够有效的测量复杂曲面的结构特征。使用测量仪器对元件加工质量评定时，主要有两种模式：离线测量和在位测量。在实际运用中，大多数精密加工设备都是采用离线测量模式。 

对于复杂曲面加工时，一般采用回转加工的方法。在离线测量模式，将加工好的工件取下，转移到测量仪器，测量得到修正数据后重新加工。这种工序能够得到很高的修正误差结果，但由于测量与加工的脱离，一方面，加工效率很低，很难实现自动化加工的要求，另一方面，对于测量装置对中要求很高。而在离线测量模式中，由于加工工件的转移，需要对工件做初始对中操作。而在使用在位测量模式，加工工件固定不变，可以大幅提高工作效率。 

在高精度机床上进行加工测量，测头的每次安装位置都会有偏离，测量的结果会有相应的畸变，因此需要完成测头的对中工作。在对超精密加工件的在位测量工作中，我们提出一种扫描隧道效应的在位测量装置及扫描探针自动对中方法，有利于实现加工检测一体化控制。 

发明内容

本实用新型的目的是克服了超精密加工过程中加工工件拆卸测量再装夹产生的二次装夹 误差，无法实现探针自动对心的缺点，提供一种基于扫描隧道效应的在位测量装置及扫描探针自动对中方法。 

基于扫描隧道效应的在位测量装置结构包括：L形机座、气浮主轴、Z向水平移动轴、X向水平移动轴、大理石支架、二维精密手调台、Y方向精密伺服电机、探头夹具、压电陶瓷、前置信号调制单元、扫描探针、被测工件；L形机座上设有气浮主轴、Z向水平移动轴以及X向水平移动轴，被测工件通过真空吸盘吸附固定在气浮主轴上，大理石支架固定在X向水平移动轴上，其上顺次设有二维精密手调台、Y方向精密伺服电机及探头夹具，在探头夹具上横向固定压电陶瓷，压电陶瓷的末端顺次固定前置信号调制单元和扫描探针。 

本实用新型区别于传统测量模式，创新性的设计基于扫描隧道效应的在位测量装置，其结构优势在于：将扫描隧道效应应用于在位测量中，同时运用在位测量模式能够避免传统测量模式中加工工件拆卸、测量再装夹产生的二次装夹误差，提高加工精度，同时提升加工效率；设计在位测量结构紧凑，利用L形高精密机床X向水平移动轴、Z向水平移动轴信号，通过高倍率细分电路运算、运用信号采集卡采集X、Z坐标信息，Y方向精密伺服电机作位移控制，通过信号采集卡获得Y向坐标值。在实现扫描探针自动对心方法上，通过判断隧道电流和XYZ轴位移，精确确定探测点坐标；运用标准球模型，结合球心计算公式，得到主轴回转中心坐标。本实用新型通过在位测量结构设计和扫描探针自动对心方法提出，使得扫描探针在在位测量中实现自动对心测量功能。 

附图说明

图1基于扫描隧道效应的在位测量装置的结构俯视图； 

图2基于扫描隧道效应的在位测量装置的结构侧视图； 

图3位置I处标准球上3个检测点位置演示，以及标准球球心与测量点位置关系，另两个位置测量点情况同上； 

图4通过在位测量装置测量标准球的自动对中测量流程图：位置I(a)表示将标准球加持工具固定在气浮主轴上；位置I(b)表示修正标定标准球加持工具的位置，旋转角度后标准球加持工具处于气浮主轴水平位置；位置II表示旋转角度后，在位测量装置检测的位置；位置III表示再旋转角度后，在位测量装置检测的位置。 

具体实施方式

下面结合附图，对本专利进行进一步的说明。