专利名称: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
技术领域：
本发明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及扫描探针自动对中方法。
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
本发明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、被测工件山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，大理石机架固定在X向水平移动轴上，其上顺次设有二维精密手调平台、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。
基于扫描隧道效应的在位测量的扫描探针自动对中方法的步骤如下:
I)扫描探针对中前，在气浮主轴上固定标准球加持工具，将标准球安装吸附在上面；
2)扫描探针对中时，将气浮主轴旋转到Φι,记为位置I，调整Z向水平移动轴、X向水平移动轴以及Y方向精密伺服电机直至扫描探针进入刚好产生隧道电流为止，得到探测点Ia ;同样方法在位置I处的标准球上随机探测到另外两个探测点Ib、探测点I。；
3)按照2)的方法，分别将气浮主轴旋转到爭2、爭3，得到位置II >111,同时获取对应位置II的产生隧道效应的探测点IIa、探测点IIb、探测点II。和对应位置III的探测点ΙΙΙΑ、探测点IIIb、探测点IIIc ;
4)通过位置I的探测点Ia、探测点Ib、探测点I。的坐标，根据标准球的半径R，利用三点及半径计算出位置I的标准球的球心坐标O1 ;同样方法获取位置II及位置III的标准球的球心坐标O11和球心坐标Om ；
5)获取三个位置的球心坐标O1、球心坐标O11、球心坐标O111后,通过三点对心法得到气浮主轴的旋转中心坐标0。，联动Z向水平移动轴、X向水平移动轴以及Y方向精密伺服电机，将扫描探针定位到气浮主轴的中心。
所述标准球材质为硬质合金，精度等级为G10，半径为R，吸附在具有磁性的标准球加持工具上。所述的探测点的x、Y、z坐标由X向水平移动轴、Y方向精密伺服电机、Z向水平移动轴的光栅尺脉冲信号通过信号采集卡采集得到。
本发明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。本发明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。
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，旋转例角度后标准球加持工具处于气浮主轴水平位置；位置II表示旋转灼角度后，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。
结合图1、图2所示，基于扫描隧道效应的在位测量装置结构的组成:L形机座12、气浮主轴1、Z向水平移动轴2、X向水平移动轴3、大理石支架4、二维精密手调台5、Y方向精密伺服电机6、探头夹具7、压电陶瓷8、前置信号调制单元9、扫描探针10、被测工件11。各部分结构的装配位置关系:L形机座上设有气浮主轴1、Z向水平移动轴2以及X向水平移动轴3，被测工件11通过真空吸盘吸附固定在气浮主轴I上，大理石机架4固定在X向水平移动轴3上，其上顺次设有二维精密手调平台5、Y方向精密伺服电机6及探头夹具7，在探头夹具7上横向固定压电陶瓷8，压电陶瓷8的末端顺次固定前置信号调制单元9和扫描探针10。根据图4,自动对中测量装置包括:标准球加持工具13、标准球14。标准球加持工具13具有磁性，可以紧密吸附在气浮主轴I上，同时能够吸附安装标准球14，实现在气浮主轴I上的固定。通过所述设计装置，将扫描隧道效应应用于在位测量装置的自动对中里，实现高精度测量对中。
基于上述装置结构实现自动对中方法，根据图3、图4，实施步骤如下:
I)扫描探针对中前，在气浮主轴I上固定标准球加持工具13，将标准球14吸附在上面；
2)扫描探针对中时，将气浮主轴I旋转到，记为位置I，调整Z向水平移动轴2、X向水平移动轴3以及Y方向精密伺服电机6，使扫描探针10刚好产生隧道电流，得到探测点Ia ;同样方法在位置I处的标准球14上随机探测到另外两个探测点Ib、探测点I。；
3)按照2)的方法，分别将气浮主轴I旋转到，得到位置I1、位置III，同时获取对应位置II的产生隧道效应的探测点IIa、探测点IIb、探测点II。和对应位置III的探测点IIIa、探测点IIIb、探测点IIIc;
4)通过位置I的探测点Ia、探测点Ib、探测点Ic的坐标，根据标准球的半径R，利用三点及半径计算出位置I的标准球14的球心坐标O1 ;同样方法获取位置II及位置III的标准球14的球心坐标O11和球心坐标Om ；
5)获取三个位置的球心坐标O1、球心坐标0Π、球心坐标Om后,通过三点对心法得到气浮主轴I的旋转中心坐标0。，联动Z向水平移动轴2、X向水平移动轴3以及Y方向精密伺服电机6，将扫描探针10定位到气浮主轴I的中心。
在方法实际实施中，工件加工后，将标准球吸附在标准球加持工具上，在第一次测量标准球时，利用气浮主轴精确定位，旋转(h使标准球处于气浮主轴水平线位置；之后转
动角度％、％分别定为150°和60°。通过控制Y方向精密伺服电机，在每个位置采集刚
好产生隧道电流的三个不同点坐标，得到对应位置的标准球球心坐标。由于标准球旋转过程Z向坐标不变，并且中心坐标与Z方向坐标无关，可以将三个位置的标准球球心的Z方向坐标舍去，转化为平面三点定心方法，获取主轴回转中心坐标。计算得到气浮主轴中心坐标后，利用X向水平移动轴、Z向水平移动轴、Y方向精密伺服电机联动控制，控制扫描探针运动到回转中心位置，实现扫描探针自动对中。
权利要求
1.一种基于扫描隧道效应的在位测量装置，其特征在于包括气浮主轴(I)、Z向水平移动轴(2)、X向水平移动轴(3)、大理石支架(4)、二维精密手调台(5)、Y方向精密伺服电机(6)、探头夹具(7)、压电陶瓷(8)、前置信号调制单元(9)、扫描探针(10)、被测工件(11)、L形机座(12);在L形机座(12)上设有气浮主轴(1)、Z向水平移动轴(2)以及X向水平移动轴(3 )，被测工件(11)通过真空吸盘吸附固定在气浮主轴(I)上，大理石机架(4 )固定在X向水平移动轴(3)上，大理石机架(4)上顺次设有二维精密手调平台(5)、Y方向精密伺服电机(6)及探头夹具(7)，在探头夹具(7)上横向固定压电陶瓷(8)，压电陶瓷(8)的末端顺次固定前置信号调制单元(9)和扫描探针(10)。
2.一种使用如权利要求
1所述装置的基于扫描隧道效应的在位测量装置的扫描探针的自动对中方法，其特征在于它的步骤如下: 1)扫描探针(10)对中前，在气浮主轴(I)上固定标准球加持工具(13)，将标准球(14)安装吸附在标准球加持工具(13)上面； 2)扫描探针(10)对中时，将气浮主轴(I)旋转到Ii1，记为位置I，调整Z向水平移动轴(2)、X向水平移动轴(3)以及Y方向精密伺服电机(6)将扫描探针(10)直至刚好产生隧道电流为止，得到探测点Ia ;同样方法在位置I的标准球(14)上随机探测到另外两个探测点Ib、探测点Ic ; 3)按照步骤2)的方法，分别将气浮主轴(I)旋转到、f 3，得到位置I1、位置III，同时获取对应位置II的产生隧道效应的探测点IIa、探测点IIb、探测点II。和对应位置III时的探测点IIIa、探测点IIIb、探测点IIIc ； 4)通过位置I的探测点Ia、探测点Ib、探测点I。的坐标，根据标准球(14)的半径R，利用三点及半径计算出位置I的标准球(14)的球心坐标O1 ;同样方法获取位置II及位置III的标准球(14)的球心坐标O11和球心坐标Om ； 5)获取三个位置的球心坐标O1、球心坐标O11、球心坐标Om后，通过三点对心法得到气浮主轴(I)的旋转中心坐标0。，联动Z向水平移动轴(2)、X向水平移动轴(3)以及Y方向精密伺服电机(6)，将扫描探针(10)定位到气浮主轴(I)的中心。
3.根据权利要求
2所述的一种基于扫描隧道效应的在位测量装置，其特征在于所述的标准球(14)的材质为硬质合金，等级精度为G10。
4.根据权利要求
2所述的一种基于扫描隧道效应的在位测量方法，其特征在于所述的探测点的X、Y、Z坐标由X向水平移动轴(3)、Y方向精密伺服电机(6)、Z向水平移动轴(2)的光栅尺脉冲信号通过信号采集卡采集得到。
专利摘要
本发明公开了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。它包括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，大理石机架固定在X向水平移动轴上，其上顺次设有二维精密手调平台、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。发明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。本发明创新性的将扫描隧道效应应用于在位测量，并基于标准球实现扫描探针的自动对中。
文档编号G01Q60/10GKCN103116040SQ201310048915
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月7日
发明者居冰峰, 朱吴乐, 杨舜尧, 陈远流, 张威 申请人:浙江大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan