CN101776434A - 基于隧道电流反馈瞄准的小盲孔测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

基于隧道电流反馈瞄准的小盲孔测量方法及测量装置，涉及对小孔径深盲孔的直径、圆度、锥度、直线度和表面粗糙度的测量。测量装置包括扫描隧道显微镜，带反馈的xy电动平移台和电动回转台。测量方法是：待测工件安装在扫描隧道显微镜的三维压电平移台上，分别通过对扫描隧道显微镜的电动升降柱、xy电动平移台、电动回转台以及压电平移台的调整，实现对隧道电流反馈探针的3维姿态调整和3维平移调节，用隧道电流实现纳米精度定位，用针尖的坐标作为测量点的坐标，根据电动平移台和压电平移台反馈的位置信息获取亚微米分辨率的三维坐标值，进而实现上述几何量测量。本发明可测最小孔径为0.5mm，孔深30mm。

Description

基于隧道电流反馈瞄准的小盲孔测量方法及测量装置

【技术领域】：

本发明属于计量测试技术领域，涉及对小孔径深盲孔孔径、圆度、锥度、直线度和表面粗糙度的测量。

【背景技术】：

在计量测试领域中，对孔径小于1mm的深孔进行高精度无损测量一直是精密测量技术中的难题之一。其难点表现在以下三方面①孔径太小，现有传统几何量测试用接触或非接触式传感器无法进入孔内；②采用光纤进入孔内，无法实现精密瞄准；③测量参数复杂，包括若干宏观的形状参数和微观的表面粗糙度。常规商品化圆度仪受传感器结构和尺寸的限制，无法测量深小孔。

现有的非接触测量技术主要有光学测量法、气动测量法、电容测量法和光纤测量法。对于非接触检测小直径深孔，有一些新方法和专利技术，但是都存在一定的局限性，例如：

“微孔自动测量方法及装置”【申请号：02137742.1】，该方法使用显微物镜和CCD采集显微图像，通过图像处理技术测量小孔参数，其缺点是只能测量薄片形状零件上的小孔。

“细长小孔超精密自动测量***研究及其精度分析”【刘笃喜，柴艳波，朱名铨，液压与气动，8(2007)：50-52】，采用气动测量方法，可以测量孔径、圆度、圆柱度等参数，测量精度达到0.5μm，其缺点是只能测量通孔，无法测量盲孔。

“电容传感微小孔径测量方法”【孙长库，王小兵，刘斌，郑义忠，纳米技术与精密工程，4，2(2006)：103-106】，该方法可以测量直径1.5mm以上小孔的直径、锥度、直线度，其缺点有两点①是无法测量圆度和表面粗糙度，②电容式由于其非接触面积的平均效应，所测得的直线度、锥度误差较大。

“一种光纤式数字塞规仪的设计”【杨秀华，赵世平，廖俊必，中国测试技术，3，2(2004)：4-16】，该方法可以测量直径、圆度、锥度，精度达到0.1μm，其缺点是成本高，操作复杂，无法测量直线度和表面粗糙度。因此，现有技术不能对小孔径深盲孔进行全面测量。

【发明内容】：

本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于隧道电流反馈瞄准的小盲孔测量方法及测量装置。

本发明为一种针对小孔径深盲孔的高精度非接触测量技术，测量内容包括：非接触测量瞄准定位，对小孔径深盲孔的直径、圆度、锥度、直线度等宏观参数以及表面粗糙度进行测量，并可以显示待测表面的微观三维表面。

本发明提供的基于隧道电流反馈瞄准的小孔径深盲孔测量方法的步骤如下：

第1、将隧道电流反馈探针夹持器固定在电动回转台上，该电动回转台用x向和y向电动平移台支撑，x向和y向电动平移台通过支架由扫描隧道显微镜的三个电动升降柱支撑；

第2、标定探针针尖位置随回转角变化的关系后，将待测零件固定在扫描隧道显微镜的三维压电平移台上；

第3、将隧道电流反馈探针***待测零件的小孔径深盲孔中，分别通过对第一步所述的三个电动升降柱、xy电动平移台、电动回转台以及第二步所述的三维压电平移台的调整，实现对隧道电流反馈探针的3维姿态调整和3维平移调节；当隧道电流反馈探针针尖靠近待测表面，使所述针尖与待测表面上最接近的原子之间的距离接近1nm时，产生明显的隧道电流，将隧道电流控制在1nA以下，此时所述针尖的坐标即可作为待测表面上对应该测量点的坐标；

第4、重复上述第三步操作，即可得到所需各测量点的坐标值；

第5、根据测量要求，通过对第四步得到的各测量点的坐标值的分析计算，就能够计算出待测零件的小孔径深盲孔的孔径、圆度、锥度、直线度以及表面粗糙度。

在以上所述的隧道电流反馈探针的调整中，对水平面内任一方向的调整步骤如下：

第3.1、首先让三维压电平移台沿指定方向正向移动，当三维压电平移台沿该方向调节到满行程时，仍然没有检测到隧道电流，则隧道电流反馈探针没有找到待测表面，则反向调节三维压电平移台到最小位置；

第3.2、用xy电动平移台正向平移隧道电流反馈探针，移动量即步长为接近三维压电平移台的最大行程，再用三维压电平移台继续正向搜索待测表面，这样，两个同方向的平移台交替工作直至检测到隧道电流，即找到待测表面，实现纳米级分辨率的定位。

第4步各测量点的确定方法如下：

第4.1、将待测零件的小孔径深盲孔沿径向分成6个扇面，沿轴向分成5-10个深度，进行分组测量；

第4.2、在同一扇面内，各测量点按照弧长等分的原则确定；

第4.3、不同测量扇面相互独立，使用各自的坐标系进行测量，根据标定针尖位置随回转角变化的关系确定各坐标系之间的关系，并将所有测量值换算到同一坐标系中。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于第5步所述分析计算的方法如下：

第5.1、对于同一深度的数据，其z坐标相同，将本组坐标拟合成圆周曲线，计算该圆周的圆心坐标和半径；

第5.2、用孔两端的直径计算孔的锥度；

第5.4、计算各深度的圆心坐标，并将这些坐标随深度变化的曲线拟合成直线，用各圆心到该直线的最大值衡量小孔的直线度误差；

第5.5、从相同z坐标的各测量点中找出测量点到拟合圆圆心距离的最大值为圆度误差。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于第5步所述表面粗糙度的计算方法如下：

第5.6、按国家标准确定取样面积，用三维压电平移台带动待测工件，根据预先设定隧道电流测量待测表面的微观起伏；

第5.7、根据权利要求4第5.1步方法计算的拟合圆周直径，将基于平面的微观起伏换算成基于柱面的微观起伏；

第5.8、按国家标准计算待测表面的表面粗糙度。

本发明提供的用于实现以上所述方法的测量装置，是由扫描隧道显微镜改造而成，即扫描隧道显微镜基座上设置有三维压电平移台，扫描隧道显微镜基座上设置的三个电动升降柱的上端固定有一个支架，支架上安装有x向电动平移台和y向电动平移台，x向和y向电动平移台上安装有电动回转台，隧道电流反馈探针通过探针夹持器固定在电动回转台上。所述的电动平移台和回转台均为通用的光学实验调整台，探针夹持器采用扫描隧道显微镜上的原装件。

本发明的优点和积极效果：

本发明将测量区域划分成6个扇面，用隧道电流进行纳米精度定位，用电动台和压电平移台的位置反馈信息测量孔壁三维坐标，不仅能测量直径、圆度、锥度、直线度等宏观参数，而且能对待测表面的表面粗糙度进行测量，并可以显示待测表面的微观三维表面。

本发明利用隧道电流反馈位置信息，实现非接触测量瞄准定位，不会损伤待测表面。

可测最小孔径0.5mm，深度直径比达到60∶1。

定位分辨率达到1nm，测量分辨率0.1μm。

可以消除转动探针引起的***误差。

【附图说明】：

图1是本发明测量装置的结构示意图。

图2是本发明标定实验的结构示意图。

图中，1扫描隧道显微镜基座，2三维压电平移台，3待测零件，4隧道电流反馈探针，5至7扫描隧道显微镜的三个电动升降柱，8支架，9x向电动平移台，10电动回转台，11y向电动平移台，1240倍显微物镜，13平面反光镜，14CCD，组成光学显微镜。

【具体实施方式】：

实施例1：

本发明用L形金属隧道电流反馈探针探测待测零件表面，读取三维坐标。探针可做6维调整。待测零件用三维压电平移台驱动。以隧道电流反馈探针针尖与待测零件表面原子之间的距离。通过分扇区测量和分组计算，消除转动探针引起的测量误差。可测量小孔径深盲孔的全部参数，如直径、圆度、锥度、直线度和表面粗糙度。

本发明的测量装置如图1所示，主要由扫描隧道显微镜基座1(图中只画了隧道显微镜基座1)，三维压电平移台2，L形隧道电流反馈探针4，三个电动升降杆5、6、7，支架8，x向电动平移台9，y向电动平移台11和电动回转台10组成。它同时具有纳米级定位分辨率，亚微米级测量分辨率和非接触测量的特性。

本发明的具体测量过程如下：

1.调整探针长度方向与压电平移台上表面近似垂直

调整扫描隧道显微镜的基座，使压电平移台2上表面与水平面平行；

探针夹持器固定在电动回转台上，用扫描隧道显微镜的三个升降柱调整探针4的俯仰角和侧倾角，使探针长度方向垂直于水平面。

2.标定针尖位置随回转角变化的关系

标定方法如图2所示，回转台带动探针转动一周，用光学显微镜测量针尖划出圆周的圆心和直径，以及针尖坐标随回转角变化的关系。

3.划分扇面

先将圆周划分为6个扇面，按相同扇面相同深度分组，分别测量，然后通过标定针尖位置随回转角的关系将转动探针产生的测量误差消除，得到同一坐标系中的坐标值。

4.通过隧道电流反馈定位，测量三维坐标

为了实现厘米级量程、亚微米级测量分辨率的非接触测量，将电动平移台和压电平移台串联，以略小于压电平移台最大行程为电动平移台的步长，两组平移台交替移动，通过隧道电流反馈定位信息，将两组平移台的相同分量分别相加，得到待测孔壁上采样点的三维坐标。

每个平移方向上都有微米级的行程和0.1nm的最小平移步长；

电动平移台的每个方向都有厘米级的行程和0.1μm的最小平移步长；

当探针针尖与待测表面上最接近的原子之间的距离接近1nm时，产生明显的隧道电流，随着距离缩短，隧道电流呈指数函数增大，为了实现亚微米精度测量，只要探测到隧道电流，就可以认为针尖坐标是待测表面坐标；将隧道电流控制在1nA以下，针尖与待测表面不接触，不会破坏待测表面，所以这种定位方法属于非接触测量。

5.计算盲孔参数

a)在同一深度上测量n个坐标P_i(x_i，y_i)(i＝1，2，…，n)，设圆心坐标为P₀(x₀，y₀)，用最小二乘法计算圆心坐标。定义各测量点到圆心距离之和为

$L=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2]$

该距离极小的条件为

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂L}{\∂x_0}=0\\ \frac{\∂L}{\∂y_0}=0\end{array}\right.$

即

$x_0=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,$ $y_0=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i---\left(1\right)$

b)将圆心P₀(x₀，y₀)平移到坐标原点

测量点P_i(x_i，y_i)变为P_i’(x_i’，y_i’)(i＝1，2，…，n)

x′_i＝x_i-x₀，y′_i＝y_i-y₀                (2)

第i个测量点到坐标原点的距离为R_i

$R_i=\sqrt{{x^{\′}}_i^2+{y^{\′}}_i^2}---\left(3\right)$

c)计算最小二乘圆的半径R₀

设圆的半径R随回转角θ线性变化，即R＝kθ+b，其中k、b为待定常数，令

$M=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(R-R_i)}^2$

M取极小的条件为 $\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂M}{\∂k}=0\\ \frac{\∂M}{\∂b}=0\end{array}\right.,$ 经推导

$k=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(R_i{\mathrm{\θ}}_i-R_i)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\θ}}_i^2-{\mathrm{\θ}}_i)}\≈0,$ $b=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(R_i{\mathrm{\θ}}_i\right)-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_i^2\·\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(R_i{\mathrm{\θ}}_i-R_i)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\θ}}_i^2-{\mathrm{\θ}}_i)}\≈R_0---\left(4\right)$

在该深度上，孔的直径为2R₀。

d)计算最大圆度误差ΔR

各测量点到最小二乘圆距离的最大值为最大圆度误差ΔR，即

ΔR＝max{|R_i-R₀|}(i＝1，2，…，n)    (5)

e)计算孔的锥度Δ_锥

在m(一般取5-10)个深度上测量，得到第1个深度的半径为R₁，第m个深度的半径为R_m，则孔的锥度为

Δ_锥＝2|R₁-R_m|             (6)

f)计算孔的直线度Δ

在m个深度上测量，第j个深度的z坐标为z_j，相应的圆心坐标为P_j(x_j，y_j，z_j)(j＝1，2，…，m)，用最小二乘法得到圆心坐标在xz平面投影的拟合直线为

l₁：A₁x+B₁z+C₁＝0

圆心坐标P_j(x_j，y_j，z_j)在该平面的投影到直线l₁的距离为

$L_{j1}=\frac{|A_1{x}_j+B_1{z}_j+C_1|}{\sqrt{A_1^2+B_1^2}}---\left(7\right)$

用最小二乘法得到圆心坐标在yz平面投影的拟合直线为

l₂：A₂y+B₂z+C₂＝0

圆心坐标P_j(x_j，y_j，z_j)在该平面的投影到直线l₂的距离为

$L_{j2}=\frac{|A_2{x}_j+B_2{z}_j+C_2|}{\sqrt{A_2^2+B_2^2}}---\left(8\right)$

所以，圆心坐标P_j(x_j，y_j，z_j)到三维空间拟合直线的距离为

$L_j=\sqrt{L_{j1}^2+L_{j2}^2}---\left(9\right)$

定义孔的直线度为

Δ＝max{L_j}(j＝1，2，…，m)        (10)

g)计算表面粗糙度

按国家标准测量和计算。

计算实例1—计算孔的直径和圆度

将圆周近似6等分，测得坐标(4.8519，5.4481)，(5.3519，5.4492)，(5.6010，5.0159)，(5.3519，4.5822)，(4.8519，4.5824)，(4.6019，5.0159)

代入式(1)计算圆心坐标为(5.1018，5.0156)

用式(2)将最小二乘圆的圆心平移到坐标原点后，根据式(3)得到各测量点坐标及测量点到圆心的距离为

(-0.2499，0.4325)  R₁＝0.4995

(0.2501，0.4336)   R₂＝0.5006

(0.4992，0.0003)   R₃＝0.4992

(0.2501，-0.4334)  R₄＝0.5004

(-0.2499，-0.4332) R₅＝0.5001

(-0.4999，0.0003)  R₆＝0.4999

代入式(4)，得到R₀＝0.4998，孔的直径为2R₀＝φ0.9996

代入式(5)，得到圆度误差ΔR＝0.0008

计算实例2—计算孔的锥度和直线度

用计算实例1中的方法根据测量值计算各深度的圆心坐标P(x，y，z)和半径R(z)，数据列于表1中。

表1不同深度的圆心坐标和半径

深度序号j	深度坐标z	圆心坐标P(x，y，z)	半径R(z)
				1	0.2000	(-0.0085，0.0094，0.2000)	0.5021
2	10.0000	(-0.0036，0.0091，10.0000)	0.5011
				3	20.0000	(-0.0009，0.0041，20.0000)	0.5002
4	30.0000	(0.0006，-0.0019，30.0000)	0.4996
				5	39.8000	(0.0090，-0.0079，39.8000)	0.4982

将数据代入式(6)，计算孔的锥度

Δ_锥＝2×(0.5021-0.4982)＝0.0078

拟合直线在xz平面的投影

x＝-0.008576+0.0003948z

拟合直线在yz平面的投影

y＝0.01176-0.0004599z

代入式(7)、(8)、(9)计算L_j1、L_j2和L_j，结果列于表2中。

表2 L_j1、L_j2、L_j的计算结果

深度序号j	Lj1	Lj2	Lj
				1	0.0000	0.0023	0.0023
2	0.0010	0.0019	0.0022
				3	0.0002	0.0015	0.0016
4	0.0027	0.0001	0.0027
				5	0.0019	0.0014	0.0023

代入式(10)，得到孔的直线度

Δ＝0.0027。

Claims (6)

1.一种基于隧道电流反馈瞄准的小孔径深盲孔测量方法，其特征在于该测量方法的步骤如下：

第1、将隧道电流反馈探针夹持器固定在电动回转台下方，该电动回转台用x向和y向电动平移台支撑，x向和y向电动平移台通过支架由扫描隧道显微镜的三个电动升降柱支撑；

第2、用光学显微镜标定探针针尖位置随回转角变化的关系后，将待测零件固定在扫描隧道显微镜的三维压电平移台上；

第3、将隧道电流反馈探针***待测零件的小孔径深盲孔中，分别通过对第一步所述的三个电动升降柱、xy电动平移台、电动回转台以及第二步所述的三维压电平移台的调整，实现对隧道电流反馈探针的3维姿态调整和3维平移调节；当隧道电流反馈探针针尖靠近待测表面，使所述针尖与待测表面上最接近的原子之间的距离接近1nm时，产生明显的隧道电流，将隧道电流控制在1nA以下，此时所述针尖的坐标即可作为待测表面上对应该测量点的坐标；

第4、重复上述第三步操作，即可得到所需各测量点的坐标值；

第5、根据测量要求，通过对第四步得到的各测量点的坐标值的分析计算，就能够计算出待测零件的小孔径深盲孔的直径、圆度、锥度、直线度；

第6、扫描测量待测表面的微观结构，计算表面粗糙度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第3步所述隧道电流反馈探针的调整中，对水平面内任一方向的调整步骤如下：

第3.1、首先让三维压电平移台沿指定方向正向移动，当三维压电平移台沿该方向调节到满行程时，仍然没有检测到隧道电流，则隧道电流反馈探针没有找到待测表面，则反向调节三维压电平移台到最小位置；

第3.2、用xy电动平移台正向平移隧道电流反馈探针，移动量即步长为接近三维压电平移台的最大行程，再用三维压电平移台继续正向搜索待测表面，这样，两个同方向的平移台交替工作直至检测到隧道电流，即找到待测表面，实现纳米级分辨率的定位。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第4步各测量点的确定方法如下：

第4.1、将待测零件的小孔径深盲孔沿径向分成6个扇面，沿轴向分成5-10个深度，进行分组测量；

第4.2、在同一扇面内，各测量点按照弧长等分的原则确定；

第4.3、不同测量扇面相互独立，使用各自的坐标系进行测量，根据标定针尖位置随回转角变化的关系确定各坐标系之间的关系，并将所有测量值换算到同一坐标系中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第5步所述分析计算的方法如下：

第5.1、对于同一深度的数据，其z坐标相同，将本组坐标拟合成圆周曲线，计算该圆周曲线的圆心坐标和半径；

第5.2、用小孔两端的直径计算孔的锥度；

第5.4、计算各深度的圆心坐标，并将这些坐标随深度变化的曲线拟合成直线，用各圆心到该直线距离的最大值衡量小孔的直线度误差；

第5.5、从相同z坐标的各测量点中找出测量点到拟合圆圆心距离的最大值为圆度误差。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于第5步所述表面粗糙度的计算方法如下：

第5.6、按国家标准确定取样面积，用三维压电平移台带动待测工件，根据预先设定隧道电流测量待测表面的微观起伏；

第5.7、根据权利要求4第5.1步方法计算的拟合圆周直径，将基于平面的微观起伏换算成基于柱面的微观起伏；

第5.8、按国家标准计算待测表面的表面粗糙度。

6.一种用于实现权利要求1所述方法的测量装置，其特征在于该装置包括扫描隧道显微镜、支架、xy电动平移台和电动回转台。待测零件安装在扫描隧道显微镜的三维压电平移台上，扫描隧道显微镜基座上设置的三个电动升降柱的上端固定有一个支架，支架上安装x向电动平移台和y向电动平移台，x向和y向电动平移台上安装有电动回转台，隧道电流反馈探针通过探针夹持器固定在电动回转台上；所述的电动平移台和回转台均为通用的光学实验调整台，探针夹持器采用扫描隧道显微镜上的原装件。

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