專(zhuān)利名稱(chēng):基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量裝置及掃描探針自動(dòng)對(duì)中方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)雜曲面的超精密在位測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量裝置及掃描探針自動(dòng)對(duì)中方法。
背景技術(shù)：
具有復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)元件廣泛應(yīng)用于光學(xué)工程、信息通訊、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。由于復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)具有特殊的表面性質(zhì)，在實(shí)際運(yùn)用中，滿(mǎn)足特殊要求、提升和改善傳輸信號(hào)質(zhì)量、縮小系統(tǒng)體積。復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)正成為現(xiàn)代精密零部件中重要的組成部分。如今，運(yùn)用超精密加工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。由于超精密加工工件尺度小，加工精度相對(duì)于傳統(tǒng)加工精度提高一個(gè)以上的數(shù)量級(jí)，所以需要通過(guò)測(cè)量手段保證加工質(zhì)量。對(duì)于表面結(jié)構(gòu)的測(cè)量手段有:針式探頭輪廓儀、光學(xué)顯微鏡、原子力顯微鏡以及掃描探針顯微鏡等。其中利用接觸式方法的針式探頭輪廓儀通過(guò)探頭接觸被測(cè)表面結(jié)構(gòu)，精確反映形貌特征，但由于接觸力劃過(guò)工件表面，影響加工質(zhì)量；利用非接觸方法的光學(xué)顯微鏡受光波長(zhǎng)限制，分辨率有限，無(wú)法探測(cè)具有曲率突變特征的微結(jié)構(gòu)；原子力顯微鏡由于系統(tǒng)較復(fù)雜，不容易集成到超精密機(jī)床上實(shí)現(xiàn)在位測(cè)量；而掃描探針顯微鏡系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，在擁有較高長(zhǎng)徑比的探針的情況下能夠有效的測(cè)量復(fù)雜曲面的結(jié)構(gòu)特征。使用測(cè)量?jī)x器對(duì)元件加工質(zhì)量評(píng)定時(shí)，主要有兩種模式:離線(xiàn)測(cè)量和在位測(cè)量。在實(shí)際運(yùn)用中，大多數(shù)精密加工設(shè)備都是采用離線(xiàn)測(cè)量模式。
對(duì)于復(fù)雜曲面加工時(shí)，一般采用回轉(zhuǎn)加工的方法。在離線(xiàn)測(cè)量模式，將加工好的工件取下，轉(zhuǎn)移到測(cè)量?jī)x器，測(cè)量得到修正數(shù)據(jù)后重新加工。這種工序能夠得到很高的修正誤差結(jié)果，但由于測(cè)量與加工的脫離，一方面，加工效率很低，很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工的要求，另一方面，對(duì)于測(cè)量裝置對(duì)中要求很高。而在離線(xiàn)測(cè)量模式中，由于加工工件的轉(zhuǎn)移，需要對(duì)工件做初始對(duì)中操作。而在使用在位測(cè)量模式，加工工件固定不變，可以大幅提高工作效率。
在高精度機(jī)床上進(jìn)行加工測(cè)量，測(cè)頭的每次安裝位置都會(huì)有偏離，測(cè)量的結(jié)果會(huì)有相應(yīng)的畸變，因此需要完成測(cè)頭的對(duì)中工作。在對(duì)超精密加工件的在位測(cè)量工作中，我們提出一種掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量裝置及掃描探針自動(dòng)對(duì)中方法，有利于實(shí)現(xiàn)加工檢測(cè)一體化控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服了超精密加工過(guò)程中加工工件拆卸測(cè)量再裝夾產(chǎn)生的二次裝夾誤差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)探針自動(dòng)對(duì)心的缺點(diǎn)，提供一種基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量裝置及掃描探針自動(dòng)對(duì)中方法。
基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)包括:L形機(jī)座、氣浮主軸、Z向水平移動(dòng)軸、X向水平移動(dòng)軸、大理石支架、二維精密手調(diào)臺(tái)、Y方向精密伺服電機(jī)、探頭夾具、壓電陶瓷、前置信號(hào)調(diào)制單元、掃描探針、被測(cè)工件山形機(jī)座上設(shè)有氣浮主軸、Z向水平移動(dòng)軸以及X向水平移動(dòng)軸，被測(cè)工件通過(guò)真空吸盤(pán)吸附固定在氣浮主軸上，大理石機(jī)架固定在X向水平移動(dòng)軸上，其上順次設(shè)有二維精密手調(diào)平臺(tái)、Y方向精密伺服電機(jī)及探頭夾具，在探頭夾具上橫向固定壓電陶瓷，壓電陶瓷的末端順次固定前置信號(hào)調(diào)制單元和掃描探針。
基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量的掃描探針自動(dòng)對(duì)中方法的步驟如下:
I)掃描探針對(duì)中前，在氣浮主軸上固定標(biāo)準(zhǔn)球加持工具，將標(biāo)準(zhǔn)球安裝吸附在上面；
2)掃描探針對(duì)中時(shí)，將氣浮主軸旋轉(zhuǎn)到Φι,記為位置I，調(diào)整Z向水平移動(dòng)軸、X向水平移動(dòng)軸以及Y方向精密伺服電機(jī)直至掃描探針進(jìn)入剛好產(chǎn)生隧道電流為止，得到探測(cè)點(diǎn)Ia ;同樣方法在位置I處的標(biāo)準(zhǔn)球上隨機(jī)探測(cè)到另外兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)Ib、探測(cè)點(diǎn)I。；
3)按照2)的方法，分別將氣浮主軸旋轉(zhuǎn)到爭(zhēng)2、爭(zhēng)3，得到位置II >111,同時(shí)獲取對(duì)應(yīng)位置II的產(chǎn)生隧道效應(yīng)的探測(cè)點(diǎn)IIa、探測(cè)點(diǎn)IIb、探測(cè)點(diǎn)II。和對(duì)應(yīng)位置III的探測(cè)點(diǎn)ΙΙΙΑ、探測(cè)點(diǎn)IIIb、探測(cè)點(diǎn)IIIc ;
4)通過(guò)位置I的探測(cè)點(diǎn)Ia、探測(cè)點(diǎn)Ib、探測(cè)點(diǎn)I。的坐標(biāo)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)球的半徑R，利用三點(diǎn)及半徑計(jì)算出位置I的標(biāo)準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)O1 ;同樣方法獲取位置II及位置III的標(biāo)準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)O11和球心坐標(biāo)Om ；
5)獲取三個(gè)位置的球心坐標(biāo)O1、球心坐標(biāo)O11、球心坐標(biāo)O111后,通過(guò)三點(diǎn)對(duì)心法得到氣浮主軸的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)0。，聯(lián)動(dòng)Z向水平移動(dòng)軸、X向水平移動(dòng)軸以及Y方向精密伺服電機(jī)，將掃描探針定位到氣浮主軸的中心。
所述標(biāo)準(zhǔn)球材質(zhì)為硬質(zhì)合金，精度等級(jí)為G10，半徑為R，吸附在具有磁性的標(biāo)準(zhǔn)球加持工具上。所述的探測(cè)點(diǎn)的x、Y、z坐標(biāo)由X向水平移動(dòng)軸、Y方向精密伺服電機(jī)、Z向水平移動(dòng)軸的光柵尺脈沖信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集卡采集得到。
本發(fā)明區(qū)別于傳統(tǒng)測(cè)量模式，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量裝置，其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于:將掃描隧道效應(yīng)應(yīng)用于在位測(cè)量中，同時(shí)運(yùn)用在位測(cè)量模式能夠避免傳統(tǒng)測(cè)量模式中加工工件拆卸、測(cè)量再裝夾產(chǎn)生的二次裝夾誤差，提高加工精度，同時(shí)提升加工效率；設(shè)計(jì)在位測(cè)量結(jié)構(gòu)緊湊，利用L形高精密機(jī)床X向水平移動(dòng)軸、Z向水平移動(dòng)軸信號(hào)，通過(guò)高倍率細(xì)分電路運(yùn)算、運(yùn)用信號(hào)采集卡采集X、Z坐標(biāo)信息，Y方向精密伺服電機(jī)作位移控制，通過(guò)信號(hào)采集卡獲得Y向坐標(biāo)值。在實(shí)現(xiàn)掃描探針自動(dòng)對(duì)心方法上，通過(guò)判斷隧道電流和XYZ軸位移，精確確定探測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)；運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)球模型，結(jié)合球心計(jì)算公式，得到主軸回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)。本發(fā)明通過(guò)在位測(cè)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和掃描探針自動(dòng)對(duì)心方法提出，使得掃描探針在在位測(cè)量中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)心測(cè)量功能。


圖1基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)俯視圖；
圖2基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；
圖3位置I處標(biāo)準(zhǔn)球上3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位置演示，以及標(biāo)準(zhǔn)球球心與測(cè)量點(diǎn)位置關(guān)系，另兩個(gè)位置測(cè)量點(diǎn)情況同上；
圖4通過(guò)在位測(cè)量裝置測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球的自動(dòng)對(duì)中測(cè)量流程圖:位置I (a)表示將標(biāo)準(zhǔn)球加持工具固定在氣浮主軸上；位置I (b)表示修正標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)球加持工具的位置，旋轉(zhuǎn)例角度后標(biāo)準(zhǔn)球加持工具處于氣浮主軸水平位置；位置II表示旋轉(zhuǎn)灼角度后，在位測(cè)量裝置檢測(cè)的位置；位置III表示再旋轉(zhuǎn)％角度后，在位測(cè)量裝置檢測(cè)的位置。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本專(zhuān)利進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。
結(jié)合圖1、圖2所示，基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)的組成:L形機(jī)座12、氣浮主軸1、Z向水平移動(dòng)軸2、X向水平移動(dòng)軸3、大理石支架4、二維精密手調(diào)臺(tái)5、Y方向精密伺服電機(jī)6、探頭夾具7、壓電陶瓷8、前置信號(hào)調(diào)制單元9、掃描探針10、被測(cè)工件11。各部分結(jié)構(gòu)的裝配位置關(guān)系:L形機(jī)座上設(shè)有氣浮主軸1、Z向水平移動(dòng)軸2以及X向水平移動(dòng)軸3，被測(cè)工件11通過(guò)真空吸盤(pán)吸附固定在氣浮主軸I上，大理石機(jī)架4固定在X向水平移動(dòng)軸3上，其上順次設(shè)有二維精密手調(diào)平臺(tái)5、Y方向精密伺服電機(jī)6及探頭夾具7，在探頭夾具7上橫向固定壓電陶瓷8，壓電陶瓷8的末端順次固定前置信號(hào)調(diào)制單元9和掃描探針10。根據(jù)圖4,自動(dòng)對(duì)中測(cè)量裝置包括:標(biāo)準(zhǔn)球加持工具13、標(biāo)準(zhǔn)球14。標(biāo)準(zhǔn)球加持工具13具有磁性，可以緊密吸附在氣浮主軸I上，同時(shí)能夠吸附安裝標(biāo)準(zhǔn)球14，實(shí)現(xiàn)在氣浮主軸I上的固定。通過(guò)所述設(shè)計(jì)裝置，將掃描隧道效應(yīng)應(yīng)用于在位測(cè)量裝置的自動(dòng)對(duì)中里，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量對(duì)中。
基于上述裝置結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中方法，根據(jù)圖3、圖4，實(shí)施步驟如下:
I)掃描探針對(duì)中前，在氣浮主軸I上固定標(biāo)準(zhǔn)球加持工具13，將標(biāo)準(zhǔn)球14吸附在上面；
2)掃描探針對(duì)中時(shí)，將氣浮主軸I旋轉(zhuǎn)到，記為位置I，調(diào)整Z向水平移動(dòng)軸2、X向水平移動(dòng)軸3以及Y方向精密伺服電機(jī)6，使掃描探針10剛好產(chǎn)生隧道電流，得到探測(cè)點(diǎn)Ia ;同樣方法在位置I處的標(biāo)準(zhǔn)球14上隨機(jī)探測(cè)到另外兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)Ib、探測(cè)點(diǎn)I。；
3)按照2)的方法，分別將氣浮主軸I旋轉(zhuǎn)到，得到位置I1、位置III，同時(shí)獲取對(duì)應(yīng)位置II的產(chǎn)生隧道效應(yīng)的探測(cè)點(diǎn)IIa、探測(cè)點(diǎn)IIb、探測(cè)點(diǎn)II。和對(duì)應(yīng)位置III的探測(cè)點(diǎn)IIIa、探測(cè)點(diǎn)IIIb、探測(cè)點(diǎn)IIIc;
4)通過(guò)位置I的探測(cè)點(diǎn)Ia、探測(cè)點(diǎn)Ib、探測(cè)點(diǎn)Ic的坐標(biāo)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)球的半徑R，利用三點(diǎn)及半徑計(jì)算出位置I的標(biāo)準(zhǔn)球14的球心坐標(biāo)O1 ;同樣方法獲取位置II及位置III的標(biāo)準(zhǔn)球14的球心坐標(biāo)O11和球心坐標(biāo)Om ；
5)獲取三個(gè)位置的球心坐標(biāo)O1、球心坐標(biāo)0Π、球心坐標(biāo)Om后,通過(guò)三點(diǎn)對(duì)心法得到氣浮主軸I的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)0。，聯(lián)動(dòng)Z向水平移動(dòng)軸2、X向水平移動(dòng)軸3以及Y方向精密伺服電機(jī)6，將掃描探針10定位到氣浮主軸I的中心。
在方法實(shí)際實(shí)施中，工件加工后，將標(biāo)準(zhǔn)球吸附在標(biāo)準(zhǔn)球加持工具上，在第一次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球時(shí)，利用氣浮主軸精確定位，旋轉(zhuǎn)(h使標(biāo)準(zhǔn)球處于氣浮主軸水平線(xiàn)位置；之后轉(zhuǎn)
動(dòng)角度％、％分別定為150°和60°。通過(guò)控制Y方向精密伺服電機(jī)，在每個(gè)位置采集剛
好產(chǎn)生隧道電流的三個(gè)不同點(diǎn)坐標(biāo)，得到對(duì)應(yīng)位置的標(biāo)準(zhǔn)球球心坐標(biāo)。由于標(biāo)準(zhǔn)球旋轉(zhuǎn)過(guò)程Z向坐標(biāo)不變，并且中心坐標(biāo)與Z方向坐標(biāo)無(wú)關(guān)，可以將三個(gè)位置的標(biāo)準(zhǔn)球球心的Z方向坐標(biāo)舍去，轉(zhuǎn)化為平面三點(diǎn)定心方法，獲取主軸回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)。計(jì)算得到氣浮主軸中心坐標(biāo)后，利用X向水平移動(dòng)軸、Z向水平移動(dòng)軸、Y方向精密伺服電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，控制掃描探針運(yùn)動(dòng)到回轉(zhuǎn)中心位置，實(shí)現(xiàn)掃描探針自動(dòng)對(duì)中。
權(quán)利要求
1.一種基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量裝置，其特征在于包括氣浮主軸(I)、Z向水平移動(dòng)軸(2)、X向水平移動(dòng)軸(3)、大理石支架(4)、二維精密手調(diào)臺(tái)(5)、Y方向精密伺服電機(jī)(6)、探頭夾具(7)、壓電陶瓷(8)、前置信號(hào)調(diào)制單元(9)、掃描探針(10)、被測(cè)工件(11)、L形機(jī)座(12);在L形機(jī)座(12)上設(shè)有氣浮主軸(1)、Z向水平移動(dòng)軸(2)以及X向水平移動(dòng)軸(3 )，被測(cè)工件(11)通過(guò)真空吸盤(pán)吸附固定在氣浮主軸(I)上，大理石機(jī)架(4 )固定在X向水平移動(dòng)軸(3)上，大理石機(jī)架(4)上順次設(shè)有二維精密手調(diào)平臺(tái)(5)、Y方向精密伺服電機(jī)(6)及探頭夾具(7)，在探頭夾具(7)上橫向固定壓電陶瓷(8)，壓電陶瓷(8)的末端順次固定前置信號(hào)調(diào)制單元(9)和掃描探針(10)。
2.一種使用如權(quán)利要求
1所述裝置的基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量裝置的掃描探針的自動(dòng)對(duì)中方法，其特征在于它的步驟如下: 1)掃描探針(10)對(duì)中前，在氣浮主軸(I)上固定標(biāo)準(zhǔn)球加持工具(13)，將標(biāo)準(zhǔn)球(14)安裝吸附在標(biāo)準(zhǔn)球加持工具(13)上面； 2)掃描探針(10)對(duì)中時(shí)，將氣浮主軸(I)旋轉(zhuǎn)到Ii1，記為位置I，調(diào)整Z向水平移動(dòng)軸(2)、X向水平移動(dòng)軸(3)以及Y方向精密伺服電機(jī)(6)將掃描探針(10)直至剛好產(chǎn)生隧道電流為止，得到探測(cè)點(diǎn)Ia ;同樣方法在位置I的標(biāo)準(zhǔn)球(14)上隨機(jī)探測(cè)到另外兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)Ib、探測(cè)點(diǎn)Ic ; 3)按照步驟2)的方法，分別將氣浮主軸(I)旋轉(zhuǎn)到、f 3，得到位置I1、位置III，同時(shí)獲取對(duì)應(yīng)位置II的產(chǎn)生隧道效應(yīng)的探測(cè)點(diǎn)IIa、探測(cè)點(diǎn)IIb、探測(cè)點(diǎn)II。和對(duì)應(yīng)位置III時(shí)的探測(cè)點(diǎn)IIIa、探測(cè)點(diǎn)IIIb、探測(cè)點(diǎn)IIIc ； 4)通過(guò)位置I的探測(cè)點(diǎn)Ia、探測(cè)點(diǎn)Ib、探測(cè)點(diǎn)I。的坐標(biāo)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)球(14)的半徑R，利用三點(diǎn)及半徑計(jì)算出位置I的標(biāo)準(zhǔn)球(14)的球心坐標(biāo)O1 ;同樣方法獲取位置II及位置III的標(biāo)準(zhǔn)球(14)的球心坐標(biāo)O11和球心坐標(biāo)Om ； 5)獲取三個(gè)位置的球心坐標(biāo)O1、球心坐標(biāo)O11、球心坐標(biāo)Om后，通過(guò)三點(diǎn)對(duì)心法得到氣浮主軸(I)的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)0。，聯(lián)動(dòng)Z向水平移動(dòng)軸(2)、X向水平移動(dòng)軸(3)以及Y方向精密伺服電機(jī)(6)，將掃描探針(10)定位到氣浮主軸(I)的中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的一種基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量裝置，其特征在于所述的標(biāo)準(zhǔn)球(14)的材質(zhì)為硬質(zhì)合金，等級(jí)精度為G10。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的一種基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量方法，其特征在于所述的探測(cè)點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)由X向水平移動(dòng)軸(3)、Y方向精密伺服電機(jī)(6)、Z向水平移動(dòng)軸(2)的光柵尺脈沖信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集卡采集得到。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于掃描隧道效應(yīng)的在位測(cè)量裝置及掃描探針自動(dòng)對(duì)中方法。它包括L形機(jī)座、氣浮主軸、Z向水平移動(dòng)軸、X向水平移動(dòng)軸、大理石支架、二維精密手調(diào)臺(tái)、Y方向精密伺服電機(jī)、探頭夾具、壓電陶瓷、前置信號(hào)調(diào)制單元、掃描探針、被測(cè)工件；L形機(jī)座上設(shè)有氣浮主軸、Z向水平移動(dòng)軸以及X向水平移動(dòng)軸，被測(cè)工件通過(guò)真空吸盤(pán)吸附固定在氣浮主軸上，大理石機(jī)架固定在X向水平移動(dòng)軸上，其上順次設(shè)有二維精密手調(diào)平臺(tái)、Y方向精密伺服電機(jī)及探頭夾具，在探頭夾具上橫向固定壓電陶瓷，壓電陶瓷的末端順次固定前置信號(hào)調(diào)制單元和掃描探針。發(fā)明通過(guò)在位測(cè)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和掃描探針自動(dòng)對(duì)心方法提出，使得掃描探針在在位測(cè)量中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)心測(cè)量功能。本發(fā)明創(chuàng)新性的將掃描隧道效應(yīng)應(yīng)用于在位測(cè)量，并基于標(biāo)準(zhǔn)球?qū)崿F(xiàn)掃描探針的自動(dòng)對(duì)中。
文檔編號(hào)G01Q60/10GKCN103116040SQ201310048915
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年2月7日
發(fā)明者居冰峰, 朱吳樂(lè), 楊舜堯, 陳遠(yuǎn)流, 張威 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan