基于微位移平臺(tái)的輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)在位測(cè)量方法

段彬，孟松濤，陳威，彭昆

基于微位移平臺(tái)的輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)在位測(cè)量方法

段彬，孟松濤，陳威，彭昆

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

輥對(duì)輥壓花工藝中，具有功能性微結(jié)構(gòu)圖案的金屬輥模是關(guān)鍵部件，因?yàn)楣δ苄晕⒔Y(jié)構(gòu)圖案的表面質(zhì)量和精度將直接反映在光學(xué)膜上。因此，對(duì)輥模具表面微結(jié)構(gòu)的輪廓測(cè)量顯得尤為重要。但是，離線測(cè)量后想要進(jìn)行補(bǔ)償加工會(huì)引入裝夾誤差，對(duì)于一些大型輥筒模具而言不便于拆裝且很難有相應(yīng)的測(cè)量儀器。本文提出了一種基于微位移平臺(tái)的輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)在位測(cè)量方法。建立了測(cè)量原理的數(shù)學(xué)模型，以消除機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差和微位移平臺(tái)系統(tǒng)誤差的影響，減少傳感器漂移的影響。分析了在實(shí)際測(cè)量中測(cè)量系統(tǒng)的不確定性，并通過仿真分析了該方法的可行性。對(duì)微位移平臺(tái)的性能進(jìn)行了測(cè)試且對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。最后，實(shí)現(xiàn)了輥筒表面結(jié)構(gòu)的在位測(cè)量。

誤差分離；輪廓重構(gòu)；微位移平臺(tái)

輥筒模具的超精密加工是輥筒模壓技術(shù)的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。輥筒模具表面光學(xué)微結(jié)構(gòu)需要在專用超精密輥筒模具機(jī)床上采用金剛石刀具進(jìn)行車削[1-2]。輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)精度反映的是輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)的實(shí)際輪廓與理想輪廓的相對(duì)偏差量，對(duì)不符合精度要求的輥筒模具需要進(jìn)行補(bǔ)償加工。所以，表面微結(jié)構(gòu)測(cè)量又是輥筒模具加工的關(guān)鍵一環(huán)。隨著表面微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的不斷發(fā)展，更高精度的測(cè)量是表面微結(jié)構(gòu)加工的關(guān)鍵技術(shù)。

在光學(xué)輪廓在位測(cè)量領(lǐng)域，機(jī)床部件的直線度運(yùn)動(dòng)誤差是影響測(cè)量精度的主要因素。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)直線度誤差分離技術(shù)做了大量的研究。目前，輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)在位測(cè)量方法主要有單測(cè)頭反轉(zhuǎn)法[3,5]、雙測(cè)頭法[6,10]和多測(cè)頭法[11-12]。單測(cè)頭反轉(zhuǎn)法需要對(duì)輥筒與測(cè)頭進(jìn)行反轉(zhuǎn)，這樣會(huì)引入二次裝夾誤差，且大型輥筒工件不便反轉(zhuǎn)。雙測(cè)頭法能實(shí)現(xiàn)工件表面輪廓與機(jī)床導(dǎo)軌直線度的完全分離，但是由于測(cè)頭本身具有一定大小，所以不能實(shí)現(xiàn)高精度的工件表面輪廓重構(gòu)。多測(cè)頭法能提高輪廓表面重構(gòu)精度，但是多測(cè)頭會(huì)引入測(cè)頭間調(diào)零誤差的問題，這也是三點(diǎn)法并沒有完全替代兩點(diǎn)法的原因。

針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量方法的不足，提出基于微位移平臺(tái)的輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)在位測(cè)量方法，采用安裝在微位移平臺(tái)上的單測(cè)頭，通過微位移平臺(tái)的直線剪切運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)虛擬多測(cè)頭系統(tǒng)的功能。與現(xiàn)有測(cè)量方法相比，該測(cè)量方法具有以下特點(diǎn)：①使用單個(gè)測(cè)頭就能重構(gòu)出整個(gè)被測(cè)輪廓，避免了多個(gè)測(cè)頭的各向異性，且不需要進(jìn)行工件和測(cè)頭的反轉(zhuǎn)；②調(diào)零誤差對(duì)輪廓重構(gòu)結(jié)果不造成影響；③能實(shí)現(xiàn)高分辨率高精度的輪廓表面重構(gòu)；④同時(shí)能測(cè)量出機(jī)床導(dǎo)軌直線度。本文在理論上模擬了測(cè)量方法的數(shù)學(xué)模型，分析了在實(shí)際測(cè)量中影響測(cè)量系統(tǒng)輪廓重構(gòu)精度的因素，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分完成了微位移平臺(tái)的重復(fù)性測(cè)試、測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性測(cè)試、輥筒模具的表面結(jié)構(gòu)的在位測(cè)量，最后通過高精度的輪廓測(cè)量儀PGI-1240進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。

1 測(cè)量裝置

如圖1所示，測(cè)量系統(tǒng)由微位移平臺(tái)與輥筒機(jī)床組成，其中微位移平臺(tái)包括導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、光學(xué)測(cè)頭、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、編碼反饋裝置。

由于柔性鉸鏈具有極高的重復(fù)性，所以微位移平臺(tái)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)選擇了圖1所示的鉸鏈結(jié)構(gòu)。光學(xué)測(cè)頭選用非接觸式的彩色共焦光學(xué)測(cè)頭，由于其3.5 μm的小光斑尺寸而具有較高的橫向分辨率。光學(xué)探針的測(cè)量范圍和縱向分辨率分別為100 μm和0.01 μm。探頭的高孔徑即使在90°±45°的大角度下也能捕捉到足夠的光線。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇音圈電機(jī)，位置反饋裝置選擇光柵尺和讀數(shù)頭的位置反饋系統(tǒng)。

2 測(cè)量過程

整個(gè)測(cè)量過程主要包括微位移平臺(tái)的剪切運(yùn)動(dòng)和機(jī)床工作臺(tái)的掃描運(yùn)動(dòng)兩個(gè)步驟：

（1）在起始位置，微位移運(yùn)動(dòng)平臺(tái)先進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)，形成虛擬三測(cè)頭系統(tǒng)，測(cè)頭間距為，光學(xué)測(cè)頭在每個(gè)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖2（a）所示。

（2）剪切完成后，工作臺(tái)沿工件表面的方向進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)，掃描運(yùn)動(dòng)步長也為，到位后再次進(jìn)行如步驟（1）所述的剪切運(yùn)動(dòng)。如圖2（b）所示。

s為采用間隔或重構(gòu)分辨率。

重復(fù)以上兩個(gè)步驟，確保微位移平臺(tái)在每個(gè)工作臺(tái)的定點(diǎn)進(jìn)行一次剪切運(yùn)動(dòng)，直到掃描整個(gè)工件被測(cè)表面，測(cè)量過程結(jié)束。

3 測(cè)量原理

圖3為基于微位移平臺(tái)測(cè)量輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)的測(cè)量模型圖。假設(shè)傳感器之間的距離為，即重構(gòu)分辨率，被測(cè)輪廓進(jìn)行離散化設(shè)為()，其中表示第個(gè)采樣離散點(diǎn)，機(jī)床導(dǎo)軌直線度設(shè)為()，則對(duì)于本測(cè)量系統(tǒng)第步第個(gè)傳感器的采樣表達(dá)式為（起始位置設(shè)為0）：

式中：cj為第j個(gè)傳感器鉸鏈的直線度誤差。

由于在本測(cè)量中每次剪切運(yùn)動(dòng)，都只形成三個(gè)傳感器，所以可得：

對(duì)式（2）～（4）進(jìn)行差分，可以得到式（5）～（7）。

設(shè)需要重構(gòu)的輪廓點(diǎn)數(shù)為，則微位移平臺(tái)掃描工件表面輪廓點(diǎn)數(shù)為＋2（起始和結(jié)束位置各會(huì)超出一點(diǎn)），微位移平臺(tái)進(jìn)行次剪切運(yùn)動(dòng)，即：＝0, 1, ...,＋1，需要重構(gòu)輪廓的序號(hào)為1, 2, ...,。

式（5）可以展開為一組線性方程組，如式（8）所示。式（8）可以轉(zhuǎn)為求工件輪廓()的方程組如式（9）所示。

置(0)＝0，由于柔性鉸鏈具有極高的重復(fù)性，所以（1－0）為常量，對(duì)于(0)～()是一條線性趨勢(shì)，不造成重構(gòu)精度的影響（忽略工件錐度角）。去除線性趨勢(shì)后可得到(0)～()的一條輪廓曲線。同理，由式（6）進(jìn)行上述相同運(yùn)算可得到(1)～(＋1)的一條輪廓曲線，由式（7）計(jì)算可得到(0)～(－1)的一條輪廓曲線。

需要重構(gòu)的輪廓離散點(diǎn)為(1)～()，所以由式（5）（6）進(jìn)行上述誤差分離計(jì)算后都能得到(1)～()有效線段。為減少測(cè)量系統(tǒng)隨機(jī)誤差，用得到的兩組(1)～()曲線進(jìn)行相加平均，即可得到本方法重構(gòu)的工件(1) ～()的最終輪廓曲線。

4 測(cè)量系統(tǒng)的不確定性分析

上述建立的直線輪廓重構(gòu)算法，消除或減少了微位移平臺(tái)直線度誤差和機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。理論上可通過該方法對(duì)被測(cè)面進(jìn)行精確重構(gòu)，但是在實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量精度同樣也會(huì)受到各種測(cè)量系統(tǒng)不確定性誤差的影響。本節(jié)對(duì)其中的主要因素進(jìn)行詳細(xì)的分析。

分別對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌定位誤差、微位移平臺(tái)偏擺角誤差及傳感器噪聲加入重構(gòu)算法進(jìn)行仿真分析，以研究其對(duì)測(cè)量精度的影響。

設(shè)被測(cè)仿真輪廓表達(dá)式為：

設(shè)測(cè)量輥筒模具長度為20 mm，測(cè)量重構(gòu)分辨率為50 μm，則在輥筒模具表面的總采樣點(diǎn)數(shù)＝被測(cè)面長度/重構(gòu)分辨率＋1＝401，其中首尾各有一點(diǎn)不進(jìn)行輪廓重構(gòu)，被測(cè)仿真輥筒模具直線輪廓如圖4所示。

設(shè)機(jī)床導(dǎo)軌直線度為±0.3 μm，則理想條件下輥筒模具直線輪廓重構(gòu)誤差如圖5所示。理想條件下可進(jìn)行輥筒模具表面的直線度的高精度測(cè)量與輪廓重構(gòu)，但是在輪廓重構(gòu)算法中進(jìn)行了去除線性趨勢(shì)，倘若輥筒模具本身具有相應(yīng)的錐角，此時(shí)輪廓重構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的誤差，所以在進(jìn)行輥筒模具直線輪廓重構(gòu)前，應(yīng)先進(jìn)行錐角的測(cè)量。

圖5 理想條件下輪廓重構(gòu)誤差

4.1 輥筒機(jī)床導(dǎo)軌的定位誤差

由于上述提出的輪廓重構(gòu)算法，主要是利用測(cè)頭在各個(gè)位置的輸出信號(hào)進(jìn)行差分，以此來進(jìn)行誤差分離，所以當(dāng)機(jī)床導(dǎo)軌產(chǎn)生定位誤差時(shí)測(cè)頭的位置會(huì)跟隨發(fā)生相應(yīng)變化，從而影響傳感器的輸出，其誤差原理如圖6所示。機(jī)床導(dǎo)軌的定位誤差為Δu?？芍獧C(jī)床導(dǎo)軌的定位誤差引起傳感器輸出的變化主要與輥筒模具的表面輪廓有關(guān)，輸出變化即為實(shí)際位置和理想位置的差值。傳感器的輸出誤差即為輥筒模具表面輪廓上各重構(gòu)點(diǎn)的斜率和機(jī)床導(dǎo)軌定位誤差的積，被測(cè)輪廓的導(dǎo)函數(shù)為：

設(shè)機(jī)床導(dǎo)軌定位誤差為Δu()（＝1, 2, ..., 399），則各掃描位置時(shí)傳感器的輸出誤差為：

傳感器輸出表達(dá)式為：

測(cè)頭在前兩個(gè)位置的輸出分別為：

進(jìn)行差分可得式（16），式（16）可化為一組線性方程組為式（17），由式（17）得出輥筒模具輪廓()的線性方程組為式（18）。

同理后兩個(gè)傳感器做差分也可化簡為輥筒模具輪廓()的線性方程組，設(shè)機(jī)床導(dǎo)軌的定位誤差為一組幅值±0.25 μm的隨機(jī)數(shù)，因此而造成的輥筒模具直線度輪廓重構(gòu)誤差如圖7所示，可以看出，±0.25 μm的機(jī)床導(dǎo)軌定位誤差會(huì)造成6×10-5μm的重構(gòu)誤差。

4.2 微位移平臺(tái)偏擺角誤差

在測(cè)量原理中，認(rèn)為彩色光譜共焦測(cè)頭跟隨微位移平臺(tái)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)形成的虛擬多測(cè)頭系統(tǒng)與輥筒輪廓表面是相對(duì)平行的，但是在實(shí)際測(cè)量中虛擬多測(cè)頭系統(tǒng)并不會(huì)完全平行于輥筒模具表面，其在每一個(gè)掃描位置形成的多測(cè)頭系統(tǒng)，都會(huì)具有一個(gè)相應(yīng)的偏擺角。其誤差原理如圖8所示。

微位移臺(tái)在每個(gè)掃描位置的偏擺角為()，采樣分辨率為，則此時(shí)，第步第個(gè)傳感器的輸出表達(dá)式為：

對(duì)此時(shí)傳感器的輸出表達(dá)式采用上述輪廓重構(gòu)算法進(jìn)行計(jì)算，最終也可得到三條擬合曲線，分別為(0)～(399)、(1)～(400)、(0)～(398)，其中(0)～(399)的線性方程組為：

圖6 機(jī)床導(dǎo)軌定位誤差示意圖

圖7 輪廓重構(gòu)誤差（存在導(dǎo)軌定位誤差）

設(shè)微位移平臺(tái)偏擺角為一組幅值±6 μrad的隨機(jī)數(shù)，圖9給出了在系統(tǒng)存在±6 μrad微位移平臺(tái)偏擺誤差下，重構(gòu)算法的重構(gòu)誤差。

圖8 微位移平臺(tái)偏擺角誤差示意圖

4.3 傳感器噪聲誤差

由于采用的非接觸式彩色光譜共焦測(cè)頭，在實(shí)際測(cè)量環(huán)境下傳感器會(huì)具有噪聲影響，傳感器噪聲的大小取決于傳感器的性能以及測(cè)量系統(tǒng)各部件之間的相對(duì)振動(dòng)有關(guān)。傳感器噪聲影響傳感器的輸出值，設(shè)傳感器噪聲為Δu，其大小為一組幅值±0.1 μm的隨機(jī)數(shù)，則此時(shí)第步第個(gè)傳感器的輸出表達(dá)式為：

此時(shí)進(jìn)行上述輪廓重構(gòu)算法的重構(gòu)誤差如圖10所示，可以看出，幅值為±0.1 μm的傳感器噪聲誤差會(huì)引起測(cè)量系統(tǒng)±0.04 μm的重構(gòu)誤差，相較于上面分析的因素，傳感器噪聲對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行輥筒模具直線度測(cè)量于輪廓重構(gòu)的影響最大，這是因?yàn)閭鞲衅鬟@是是直接作用于傳感器的輸出，并沒有經(jīng)過換算。

圖10 輪廓重構(gòu)誤差（存在傳感器噪聲）

4.4 小結(jié)

上述分別單獨(dú)分析了輥筒機(jī)床導(dǎo)軌定位誤差、微位移平臺(tái)偏擺角和傳感器噪聲對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行輥筒模具直線度測(cè)量與輪廓重構(gòu)精度的影響，但在實(shí)際測(cè)量中上述因素并不是單獨(dú)作用，而是共同作用于測(cè)量系統(tǒng)?，F(xiàn)對(duì)上述因素進(jìn)行總體分析，設(shè)機(jī)床導(dǎo)軌定位誤差對(duì)傳感器輸出造成的誤差為Δm、微位移平臺(tái)偏擺角對(duì)傳感器輸出造成的誤差為··tan(())（其中：為傳感器形成虛擬多測(cè)頭系統(tǒng)的序號(hào)；為采用分辨率；()為第步的微位移平臺(tái)偏擺角）、傳感器噪聲為Δu，則傳感器的輸出表達(dá)式為：

設(shè)上述誤差都為隨機(jī)數(shù)，幅值分別為機(jī)床導(dǎo)軌定位誤差±0.25 μm、微位移平臺(tái)偏擺角±6 μrad、傳感器噪聲±0.1 μm。此時(shí)基于提出的重構(gòu)算法進(jìn)行輥筒模具直線度測(cè)量與輪廓重構(gòu)的誤差如圖11所示，可以看出在測(cè)量系統(tǒng)存在上述誤差時(shí)系統(tǒng)的輪廓重構(gòu)精度為±0.04 μm。

5 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要分為四部分：

（1）微位移平臺(tái)的重復(fù)性測(cè)試。微位移平臺(tái)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)由柔性鉸鏈構(gòu)成。柔性鉸鏈具有極高的重復(fù)性（亞埃米級(jí)），但微位移平臺(tái)的重復(fù)性影響測(cè)量精度，所以在進(jìn)行輪廓重構(gòu)實(shí)驗(yàn)前，需對(duì)平臺(tái)重復(fù)性進(jìn)行測(cè)試。

（2）測(cè)量系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試。由上分析可知傳感器噪聲是造成輪廓重構(gòu)誤差的主要因素，測(cè)量系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試即包括傳感器性能的測(cè)試。

（3）輥筒模具的表面輪廓重構(gòu)。目的在于實(shí)現(xiàn)輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)的在位測(cè)量。

（4）將輥筒模具從機(jī)床上取下，用高精度輪廓測(cè)量儀PGI1240進(jìn)行離線測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與在位測(cè)量結(jié)果進(jìn)行大致比較。

5.1 微動(dòng)平臺(tái)的重復(fù)性測(cè)試

微位移平臺(tái)的重復(fù)性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示，選用一塊高精度的平精作為測(cè)量工件。測(cè)頭由電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線移動(dòng)0.45 mm，采樣間隔為0.05 mm，采樣點(diǎn)數(shù)為10。傳感器的采樣頻率設(shè)置為2000 Hz，平均次數(shù)為20。測(cè)頭來回移動(dòng)3次，對(duì)同一條輪廓進(jìn)行3次采樣。采樣結(jié)果如圖13所示，可以看出微位移平臺(tái)具有良好的重復(fù)性。

5.2 測(cè)量系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試

測(cè)量系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置如圖14所示，測(cè)量系統(tǒng)的振動(dòng)主要與傳感器的性能和測(cè)量系統(tǒng)各部件之間的相對(duì)振動(dòng)有關(guān)。由對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的不確定性分析可知，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行輥筒表面微結(jié)構(gòu)輪廓測(cè)量時(shí)，傳感器噪聲在重構(gòu)輪廓誤差中占據(jù)了很大一部分，在仿真時(shí)設(shè)置傳感器噪聲為幅值±10 nm的隨機(jī)數(shù)，現(xiàn)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)過程中微位移平臺(tái)、機(jī)床導(dǎo)軌、主軸均保持不動(dòng)。測(cè)試結(jié)果如圖15所示，可知，傳感器在10 s內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)振動(dòng)幅值為30 nm左右。

圖12 微動(dòng)平臺(tái)重復(fù)性測(cè)試示意圖

圖13 微動(dòng)平臺(tái)重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

圖14 振動(dòng)測(cè)試與輪廓重構(gòu)實(shí)驗(yàn)示意圖

圖15 10 s振動(dòng)測(cè)試輸出圖

5.3 輥筒模具表面輪廓重構(gòu)實(shí)驗(yàn)

前述實(shí)驗(yàn)證明微位移平臺(tái)具有良好的重復(fù)性，且測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性也較好。最后進(jìn)行輥筒模具的表面輪廓重構(gòu)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工件選用一個(gè)初次加工完成后的輥筒工件，輥筒工件表面進(jìn)行了徑向菲涅爾結(jié)構(gòu)的加工，如圖16所示。輪廓重構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試裝置相同（圖14），微位移平臺(tái)安裝在軸導(dǎo)軌上，微位移平臺(tái)做剪切運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)沿軸導(dǎo)軌做掃描運(yùn)動(dòng)。理想條件下菲涅爾結(jié)構(gòu)的加工輪廓如圖17所示，但實(shí)際加工中會(huì)有對(duì)刀誤差、刀具磨損等，往往會(huì)存在加工誤差，其進(jìn)行基于微位移平臺(tái)的在位輪廓重構(gòu)結(jié)果如圖18所示。

圖16 徑向菲涅爾結(jié)構(gòu)

圖17 理想加工輪廓

圖18 實(shí)際重構(gòu)輪廓

5.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)在位測(cè)量后，將工件從機(jī)床上取下，用高精度的輪廓測(cè)量儀PGI1240對(duì)此工件進(jìn)行離線測(cè)量，實(shí)驗(yàn)裝置如圖19所示，測(cè)得結(jié)果如圖20所示，對(duì)兩者輪廓重構(gòu)結(jié)果進(jìn)行形狀比較，可以看出兩者對(duì)同一個(gè)工件的測(cè)量結(jié)果具有極高的相似性，體現(xiàn)了本文提出的測(cè)量系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)較高精度工件表面的輪廓重構(gòu)。

圖19 PGI1240對(duì)輥筒模具進(jìn)行測(cè)量

圖20 工件表面微結(jié)構(gòu)的輪廓重構(gòu)示意圖

6 結(jié)論

提出了一種基于微動(dòng)平臺(tái)的輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)在位測(cè)量方法。該方法具有使用單個(gè)測(cè)頭就能進(jìn)行表面的輪廓重構(gòu)、調(diào)零誤差對(duì)重構(gòu)結(jié)果不起影響作用、能實(shí)現(xiàn)高分辨率的表面輪廓重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。單個(gè)測(cè)頭通過微位移平臺(tái)的線性剪切運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多測(cè)頭的功能，對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌的直線度和微位移平臺(tái)的直線度進(jìn)行有效的分離。并且對(duì)實(shí)際測(cè)量環(huán)境下的不確定因素進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果表面在存在系統(tǒng)誤差下該方法仍能實(shí)現(xiàn)高精度的輪廓重構(gòu)效果，實(shí)驗(yàn)對(duì)微動(dòng)平臺(tái)的重復(fù)性、測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了相應(yīng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真條件相接近，最后實(shí)現(xiàn)了輥筒模具的表面微結(jié)構(gòu)在位測(cè)量，并通過高精度輪廓測(cè)量儀器PGI1240進(jìn)行離線測(cè)量，對(duì)兩者輪廓重構(gòu)形狀進(jìn)行比較，證明該方法能高精度地進(jìn)行工件表面輪廓的測(cè)量。

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On-Machine Measurement Method of Surface Micro-Structure of Roll Mold Based on Micro-Stage Platform

DUAN Bin，MENG Songtao，CHEN Wei，PENG Kun

(School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006, China)

In roll-to-roll embossing process, the roller mold with functional microstructure pattern is the key component, because the surface quality and accuracy of the functional microstructure pattern will be directly reflected on the optical film. Therefore, it is very important to measure the surface microstructure of the roller mold. However, the compensation processing after the off-line measurement will lead to clamping error. For some large roller molds, it is not easy to disassemble and assemble, and it is difficult to have corresponding measuring instruments. In this paper, an on-machine measurement method for the surface microstructure of roller mold based on micro-stage platform is proposed. The mathematical model of the measurement principle is established to eliminate the influence of the straightness error of the machine tool guide rail and the system error of the micro-stage platform, and reduce the influence of the sensor drift. The uncertainty of the measurement system in actual measurement is analyzed, and the feasibility of this method is analyzed by simulation. The performance of the micro-stage platform and the stability of the measurement system are tested. Finally, the on-machine measurement of roller surface structure is realized.

error separation；contour reconstruction；micro-stage platform

TH133.35

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.11.010

1006－0316 (2021) 11－0072－09

2021－03－05

廣州市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（201810220040）

段彬（1995－），男，湖南衡陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫軠y(cè)量，E-mail：2997376408@qq.com。