微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)探頭等效直徑測(cè)量

趙曉萌

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,合肥 230009）

微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)探頭等效直徑測(cè)量

趙曉萌

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,合肥 230009）

文中微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在外尺寸測(cè)量過(guò)程中，探頭與被測(cè)件存在接觸力變形、摩擦力、還有測(cè)頭的各向異性等因素，因此，對(duì)最終的測(cè)量精度有一定的影響。為了進(jìn)一步提高微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度，本文提出了通過(guò)對(duì)量塊標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行不同角度方向測(cè)量，得到探頭在測(cè)量外尺寸的不同角度方向測(cè)端等效直徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)10mm厚度量塊得到的外尺寸測(cè)端等效直徑補(bǔ)償20mm厚度量塊，可以減小一定程度的探頭測(cè)端直徑誤差。

微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；量塊；等效直徑

0 引言

隨著微細(xì)加工技術(shù)和微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，多種多樣的微型器件相機(jī)被加工出來(lái)，如微型渦輪、微型針陣列、微型馬達(dá)以及汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的噴油嘴。這些器件的尺寸形狀對(duì)測(cè)量系統(tǒng)提出更高的要求，因此，研制高精度微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)件的高精度測(cè)量。日本東京大學(xué)Kiyoshi Takamasu首次提出了區(qū)別于傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)具備的一些技術(shù)指標(biāo)。據(jù)此，國(guó)內(nèi)外一些大學(xué)和研究所開(kāi)始研制微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，例如德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究所（PTB)研制的Special CMM、日本東京大學(xué)Takamatsu 教授于1995年開(kāi)始研制的Nano-CMM、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)研制的小型三維測(cè)量機(jī)、瑞士聯(lián)邦計(jì)量局(METAS)研制的Ultra precision CMM、臺(tái)灣大學(xué)范光照教授研制的Nano-CMM[1]。此外，中國(guó)精密機(jī)械研究所（303所）、中國(guó)長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試研究院、天津大學(xué)、清華大學(xué)等許多科研院所和高校都對(duì)微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行了深入的研究。

本文研制的微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是來(lái)源于科技部“863”計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，整個(gè)微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)是由微納米接觸掃描式探頭[2]（測(cè)頭是直徑為1mm的紅寶石球）、“331”原則工作臺(tái)[3,4]以及激光回饋干涉儀[5]的測(cè)量系統(tǒng)等部分組成。

1 微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)

文中研制一臺(tái)新型微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)其測(cè)量范圍為50×50×50mm，各軸測(cè)長(zhǎng)的分辨率為1nm，測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)總不確定度≤100nm。本文研究的微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要部分包括零阿貝誤差的工作臺(tái)、微納接觸掃描式探頭以及準(zhǔn)共路微片激光器回饋干涉儀。其中，零阿貝誤差工作臺(tái)是基于“331”原則（即：三軸標(biāo)尺線相互垂直并交于一點(diǎn)，并以此三軸測(cè)量線為基準(zhǔn)建立三維坐標(biāo)系；由x、y標(biāo)尺線構(gòu)成的測(cè)量面與x、y軸導(dǎo)軌導(dǎo)向面相互重合；探頭中心點(diǎn)與各軸標(biāo)尺線交點(diǎn)重合，簡(jiǎn)稱(chēng)三線共點(diǎn)、三面共面、點(diǎn)面重合）設(shè)計(jì)的；接觸掃描式探頭三軸可以實(shí)現(xiàn)20μm的測(cè)量范圍以及1nm測(cè)量分辨率；微片激光回饋干涉儀可以實(shí)現(xiàn)50mm的量程，位移分辨率優(yōu)于0.1～1nm。圖1是微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的實(shí)物圖。

2 探頭測(cè)端等效直徑測(cè)量及誤差分析

本文的微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)使用的是接觸式探頭，采點(diǎn)原理是通過(guò)二次觸發(fā)的方式，即在對(duì)被測(cè)件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，探頭第一時(shí)間碰到被測(cè)件時(shí)，會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一定的位移直至達(dá)到某一觸發(fā)閾值才會(huì)記錄下該點(diǎn)的坐標(biāo)。這段接觸后行走的距離則被稱(chēng)為探頭觸發(fā)的預(yù)行程，并且包括了測(cè)桿的力變形。由于探頭在接觸被測(cè)件時(shí)，測(cè)桿會(huì)發(fā)生變形、紅寶石測(cè)球與被測(cè)件之間的摩擦力以及紅寶石測(cè)球的形貌等因素都會(huì)對(duì)最終的測(cè)量精度有影響，并且測(cè)量?jī)?nèi)尺寸和外尺寸引起的影響是有區(qū)別的。設(shè)為d0為紅寶石測(cè)球直徑。

本文使用的是被檢定過(guò)長(zhǎng)度為10mm和20mm兩種一等量塊作為測(cè)量基準(zhǔn)，這兩種量塊的檢定值分別為10.000045mm和19.999998mm。由于本文中的微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采點(diǎn)過(guò)程中只設(shè)計(jì)特殊角度，所以只把量塊在幾個(gè)特殊角度（0o、30o、45o、60o、90o、120o、135o、150o）之間切換。量塊的測(cè)量方法：在量塊的一個(gè)平面上均勻選取六個(gè)點(diǎn)，得到此平面的最小二乘平面，在另一個(gè)平面上中間位置選取一點(diǎn)，該點(diǎn)到最小二乘平面的距離作為該量塊的長(zhǎng)度測(cè)量值。量塊測(cè)量示意圖如圖4所示。

首先，按照上述測(cè)量方法測(cè)量檢定值為10.000045mm的一等量塊。根據(jù)長(zhǎng)度測(cè)量原理及測(cè)端等效直徑的測(cè)量原理，得到探頭在各個(gè)方向的等效直徑。表1是10mm厚00級(jí)量塊特殊方向的長(zhǎng)度測(cè)量值。

為了驗(yàn)證測(cè)端等效外徑的修正效果，本文又進(jìn)行長(zhǎng)度檢定值19.999998mm量塊特殊方向的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并用長(zhǎng)度10mm的量塊測(cè)端等效直徑對(duì)長(zhǎng)度20mm量塊測(cè)端等效直徑進(jìn)行補(bǔ)償?shù)闷湔`差，其測(cè)得值如表2所示。

表1 10mm厚00級(jí)量塊特殊方向的長(zhǎng)度測(cè)量值

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，這種方法在一定程度上減小量塊長(zhǎng)度測(cè)量誤差，但使用上述所述的補(bǔ)償方法各個(gè)特殊方向還會(huì)存在一定的誤差，這種誤差是由多種因素引起，包括各個(gè)方向的測(cè)量力的微弱變化、探頭與被測(cè)件之間摩擦力變化以及環(huán)境因素等，為了降低這種影響，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要采用多次測(cè)量方法，來(lái)降低其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.

表2 20mm厚00級(jí)量塊特殊方向的長(zhǎng)度測(cè)量值及補(bǔ)償后的誤差值

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比的實(shí)驗(yàn)方法在測(cè)量量塊長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)中，可以得到很高的測(cè)量精度，但是還存在一定的殘余誤差，帶來(lái)這些誤差的主要原因有：測(cè)量方法帶來(lái)的誤差；標(biāo)定的數(shù)學(xué)模型引入的誤差；探頭本身引入的誤差，包括各個(gè)方向上測(cè)力的不同，以及探頭在各個(gè)方向上的的重復(fù)性的差異；測(cè)量機(jī)本身的誤差；外界環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響。

[1]A.Küng,F.Meli,R.Thalmann.Ultraprecision micro-CMM using a low force 3D touch probe[J]. Measurement Science and Technology,2007(18)：319-327.

[2]程方,費(fèi)業(yè)泰.納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)接觸式測(cè)頭觸發(fā)控制[J].光學(xué)精密工程,2010,18(12)：2603-2609.

[3]黃強(qiáng)先,余夫領(lǐng),宮二敏等.零阿貝誤差的納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工作臺(tái)及誤差分析[J].光學(xué)精密工程,2013,21(03)：664-671.

[4]余夫領(lǐng).微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誤差修正與實(shí)驗(yàn)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)碩士論文,2013.

[5]張松,張書(shū)練,任舟.采用Nd：YAG微片激光器的激光回饋干涉儀的研制[J].紅外與激光工程,2011,40(10)：1914-1917,1927.

[6]張國(guó)雄.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)[M].天津：天津大學(xué)出版社,1999.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.254

趙曉萌(1988-)，男，河南駐馬店人，碩士，學(xué)生，研究方向：微納米測(cè)量技術(shù)。