CN105547184B - 一种平面度误差测量装置及其二维扫描工作台 - Google Patents

一种平面度误差测量装置及其二维扫描工作台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平面度误差测量装置其包括激光器、柔性铰链、静光栅、动光栅、测量头、压缩弹簧、底板以及光电探测器，测量头固定在柔性铰链的第一端部处并伸出，动光栅设置在柔性铰链的第一端部内，压缩弹簧一端与底板连接且另一端与柔性铰链的第一端部连接，压缩弹簧位于测量头的下方，柔性铰链的第二端部与底板固定，静光栅固定在底板上，其与动光栅平行相对且相邻设置，激光器也设置在底板上，光电探测器设置在静光栅出光端。本发明还提供一种二维扫描工作台。本发明装置可实时测量待补偿对象的平面度误差，以方便根据平面度误差进行补偿从而使待补偿对象始终具有良好的平面精度。

Description

一种平面度误差测量装置及其二维扫描工作台
技术领域
本发明属于表面形貌测量领域，更具体地，涉及一种平面度误差测量装置及其二维扫描工作台。
背景技术
触针扫描表面形貌测量中，二维扫描工作台提供形貌测量基准面，其扫描平面度精度至为关键。随着表面形貌测量精度要求不断提高，现有采用电机丝杠加滚动导轨形式的工作台运行平面度精度已难以满足高精度表面形貌测量要求，不得不采用气浮或磁悬浮工作台。然而，此类工作台结构复杂，成本高，在表面形貌测量仪器中并不适用。
因此，需要开发一种用于表面形貌测量的二维扫描工作台，使其能简单实现实时自动补偿，保持较高的平面度精度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种平面度误差测量装置及其二维扫描工作台，其目的在于，通过将平面的微小位移转换为动光栅的微小位移，利用双光栅干涉的原理在干涉条纹中反应出平面的微小位移，以便进行补偿，本发明还提供了一种利用平面度误差测量装置的二维扫描工作台，能实时根据平面的微小位移进行补偿，可始终保持待补偿对象具有良好的平面精度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种平面度误差测量装置，其特征在于，其包括激光器、柔性铰链、静光栅、动光栅、测量头、压缩弹簧、底板以及光电探测器，其中，
所述测量头固定在柔性铰链的第一端部处并伸出该第一端部以与待补偿对象相接触，所述动光栅同样设置在柔性铰链的第一端部内，以随柔性铰链发生微位移，所述压缩弹簧一端与底板连接且另一端与所述柔性铰链的第一端部连接，且该压缩弹簧位于所述测量头的下方，所述柔性铰链的第二端部与底板固定，
所述静光栅固定在底板上且与所述动光栅平行相对且相邻设置，
所述激光器设置在底板上，用于发射出激光，
所述光电探测器设置在所述静光栅出光端，以接受激光经过所述动光栅和所述静光栅后形成的干涉条纹。
以上发明构思中，由于平面度误差测量装置的主要组成部件均固定于底板上，测量头固定不动，待补偿对象运动。由于待补偿对象运行平面并不是理想平面，会产生高低起伏，从而会使测量头产生微小的上下位移。测量头与待补偿对象之间设置一定的预压力，所以待补偿对象产生向上的微小位移时，测量头也会向上有一定微小位移，不会产生分离的现象。当测量头随着待补偿对象运动时会产生高低起伏，测量头和动光栅均设置在柔性铰链上，使得动光栅和静光栅发生相对移动，激光器发射的激光穿过动光栅和静光栅，光电探测器的探测面就会接受干涉条纹，再通过譬如电路、程序处理，得到测量头的位移量，即可获得待补偿对象实时的上下位移量，再进行一定的补偿，即可保证待补偿对象具有较高的平面精度。
进一步的，所述静光栅通过静光栅支撑座固定在底板上，所述静光栅支撑座通过紧固件固定在底板上。
进一步的，还包括激光器夹具，所述激光器夹具通过紧固件固定在底板上，所述激光器夹具用于夹持所述激光器以保证其发射的激光光束稳定性。
进一步的，还包括探测器支撑座，所述探测器支撑座通过紧固件固定在底板上，所述探测器支撑座用于夹持并调节所述光电探测器的位置，使其接受到的干涉条纹信号良好。
本发明中，平面度误差测量装置基于双光栅干涉原理设计，平面度误差测量装置固定在待测对象下方，其采用譬如半导体激光器作为光源，采用柔性铰链作为动光栅的位移导向机构。与动光栅一体的测量头与待补偿对象垂直接触，用来感测待补偿对象在移动过程中相对底板在竖直方向的高度变化。柔性铰链的下方放置一个压缩弹簧，其作用是给测量头一个初始作用力，保证测量头与待补偿对象预接触。光电探测器接收双光栅干涉条纹信号，通过后续处理电路即可实时测量出待补偿对象平移过程中运行平面度误差，应用此结果即可实现待补偿对象平面度误差实时自补偿。
按照本发明的另一方面，提供了一种二维扫描工作台，其特征在于，其包括如上所述的平面度误差测量装置。
进一步的，还包括X方向运动单元和Y方向运动单元，其中，
所述X方向运动单元包括X方向驱动电机、X方向滚珠丝杆、丝杠固定座、X方向滚珠支撑座、X方向滑块以及X方向导轨，
所述X方向驱动电机与所述X方向滚珠丝杠相连，以驱动所述X方向滚珠丝杠转动，所述丝杠固定座用于固定所述X方向滚珠丝杠的一端，所述X方向滚珠丝杠的另一端受X方向滚珠丝杆支撑座支撑，所述X方向滑块与所述X方向导轨相连，以沿所述X方向导轨滑动，所述X方向滑块与所述X方向滚珠丝杆连接以能在所述X方向滚珠丝杆的带动下发生移动，
所述Y方向运动单元通过共基面平板整体设置在所述X方向运动单元上，
所述Y方向运动单元包括Y方向驱动电机、Y方向滚珠丝杠、Y方向导轨以及Y方向滑块，
所述Y方向驱动电机与所述Y方向滚珠丝杠相连，以驱动所述Y方向滚珠丝杠转动，所述Y方向滑块与所述Y方向导轨相连，以沿所述Y方向导轨滑动，所述Y方向滑块与所述Y方向滚珠丝杆连接以能在所述Y方向滚珠丝杆的带动下发生移动。
进一步的，还包括工作台，所述工作台与所述Y方向滑块相连，以受所述Y方向滑块带动而发生沿Y方向的往复移动。
进一步的，所述工作台的底面开设有凹槽，该凹槽内安装有高精度平板，该高精度平板与所述平面度误差测量装置的测量头相接触。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由能够取得下列有益效果：
本发明中，动光栅嵌装在柔性铰链一端，静光栅粘贴在静光栅支撑座上，两光栅平行放置。当待补偿对象在移动过程中产生平面度误差时，动光栅与静光栅之间就会产生相对移动，经过动光栅和静光栅后的激光会发生干涉产生干涉条纹，由光电探测器接受干涉条纹，其微小的平面度变化转为为更精密的干涉条纹变化，精确获知了平面度的误差，以便进行补偿。其具有装调简单、受环境影响小等特点，补偿精度高，可达0.1μm。
本发明提供的二维扫描工作台可实现工作台平面误差实时测量，为实时补偿平面度误差提供可能。将本发明的二维扫描工作台应用在表面形貌测量中，可提高表面形貌测量的精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的平面度误差测量装置结构示意图；
图2是本发明实施例提供的二维扫描工作台整体结构示意图，图2(a)图为主视图，图2(b)图为俯视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
100-平面度误差测量装置 200-X方向运动单元 300-Y方向运动单元
101-底板 102-激光器 103-激光器夹具
104-柔性铰链 105-压缩弹簧 106-测量头
107-静光栅支撑座 108-动光栅 109-光电探测器
110-探测器支撑座 201-X方向驱动电机 202-丝杆固定座
203-X方向滚珠丝杆 204-工作台 301- Y方向驱动电机
302-弹性联轴器 303-Y方向滚珠丝杆 304-共基面平板
305-Y方向导轨 306-限位开关
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明实施例提供的实时自补偿的二维扫描工作台的平面度误差测量装置结构示意图，由图可知，平面度误差测量装置100主要包括底板101、激光器102、激光器夹具103、柔性铰链104、压缩弹簧105、测量头106、静光栅支撑座107、动光栅108、光电探测器109以及探测器支撑座110以及静光栅。其中，静光栅和动光栅尺寸相同，静光栅粘贴在静光栅支撑座107的凹槽内，图中没有画出。激光器102为半导体激光器。
平面度误差测量装置100整体安装在工作台204下方，在本发明实施例中，待补偿对象即为工作台。平面度误差测量装置100安装于底板101上,通过螺钉连接。平面度误差测量装置100的顶部测量头106与内嵌于工作台204底部的高精度平板相接触,高精度平板也是通过螺钉与工作台204下表面连接，为了减小工作台204整体高度，将工作台下表面挖了一个凹槽，以便将高精度平板内嵌进去。
整个平面度误差测量装置主要的组成部件安装在底板101上，底板101与二维扫描工作台的底座用螺栓固连。采用半导体型的激光器102作为光源，激光器夹具103用来固定激光器102以保证激光器发出的光束稳定性较好。采用柔性铰链104作为动光栅108的位移导向机构。测量头106与工作台204底部的高精度平板直接相接触，用来感测工作台的位移变化。作为位移导向机构的柔性铰链104的下方放置一个压缩弹簧105，其作用是给测量头一个初始作用力，保证测量头与高精度平板的预接触。静光栅及静光栅支撑机构107与动光栅108并排放置，然后用光电探测器109接收干涉条纹信号，光电探测器109放置在探测器支撑座110上，用来调节光电探测器109的位置，使其接收到的干涉条纹信号较好。
本发明中，平面度误差测量装置的基本测量原理采用的是双光栅干涉的原理，当两块光栅平行放置时，经由双光栅衍射出的衍射光之间会发生干涉，产生干涉条纹。如果双光栅之间产生相对移动，那么干涉条纹也会随之移动。本装置采用激光器102作为光源，激光器夹具103使激光器102发出的光线平稳可靠，测量头106与工作台204的高精度平板相接触，用来实时测量工作台运动过程中产生的平面度误差，用柔性铰链104作为动光栅108的位移导向机构和支撑机构，动光栅108胶接在柔性铰链104一端，静光栅胶接在静光栅支撑座107一端，两光栅平行放置。当工作台在移动过程中产生直线度误差时，动光栅与静光栅之间就会产生相对移动，由光电探测器109接受干涉条纹，并将光信号转换为电信号，最后经由信号处理电路得到测量结果。
在本发明的一个实施例中，选用的光栅刻线密度为1000l/mm，其栅距d＝1μm。外形尺寸为：16.5mm×12mm×3mm。由于光栅的栅距很小，仅仅为1μm，故两个光栅之间的距离要足够小才能保证能够产生稳定的干涉条纹。
由双光栅干涉原理可知，两光栅之间相对移动一个栅距，干涉条纹会移动一个周期，那么在后续处理电路中，单片机每检测到一个脉冲信号，即代表1μm的位移，***的分辨率为1μm。所以若在后续的条纹信号处理电路中加入硬件细分和软件细分，还可以进一步提高***分辨率。
图2是本发明实施例提供的实时自补偿的二维扫描工作台整体结构示意图，图2(a)图为主视图，图2(b)图为俯视图。由图可知，本发明的一种二维扫描工作台，主要包括一个共基面的二维扫描工作台和平面度误差测量装置。
二维扫描工作台包括X方向运动单元200和Y方向运动单元300。两运动单元均由步进电机、联轴器、滚珠丝杆、传动件、柔性铰链和滑块导轨组成。具体的，X方向运动单元200包括X方向驱动电机201、X方向滚珠丝杆203、丝杠固定座202、X方向滚珠丝杆支撑座、X方向滑块以及X方向导轨。Y方向运动单元300通过共基面平板304整体设置在所述X方向运动单元200上。所述Y方向运动单元300包括Y方向驱动电机301、Y方向滚珠丝杠303、Y方向导轨305、Y方向滑块，弹性联轴器302、限位开关306。
X方向运动单元和Y方向运动单元采用常用的机械传动方式，即步进电机通过联轴器驱动滚珠丝杆将角位移转换为直线位移，再由滚珠丝杆通过传动件驱动工作台在直线导轨上运动，使得工作台在二维平面上完成运动。
二维扫描工作台采用共基面设计，X方向运动单元200和Y方向运动单元300的直线导轨均安装在同一平面上，工作台204安装在Y方向导轨305的Y方向滑块上，从而完成Y方向上运动。而Y向运动单元300安装在共基面平板304上，共基面平板304通过X方向运动导轨与二维扫描工作台的机架连接。即X方向运动单元200带动共基面平板304在X方向上运动，工作台204又随着共基面平板304在X方向上进行扫描运动，进而使得工作台204的X向运动与Y向运动是基于同一平面上。
在本发明的一个实施例中，二维扫描工作台的X方向和Y方向的两个方向共有四副直线导轨安装在同一块共基面平台304上，在共基面面板304上起一个微小的台阶，通过保证共基平面平板上台阶四个面的平行度、垂直度和加工精度，就能很容易的保证X方向导轨和Y方向导轨305的平行度以及相互之间的垂直度，从而在工作台的二维运动中，提高了工作台的运动平面度精度。
Y方向运动单元300中滑块直接与工作台204底部固定，及工作台直接通过Y方向滑块在Y方向导轨上运动。而X方向运动单元200中X方向导轨的X方向滑块与一个较高刚度的支撑板相固定，即导轨滑块固定不动，Y方向运动单元通过Y方向导轨305的Y方向滑块悬挂在刚性架下，Y方向导轨305相对Y方向滑块进行运动，而Y方向导轨305固定于共基面平板304上，从而带动整个共基面平板304运动，工作台204也随着共基面平板304在X方向上进行运动。因为考虑到X方向行程远小于Y方向行程，故选择工作台204与X方向导轨滑块固连，以使得工作台结构更为紧密。
更具体的，X向和Y向传动件均是由两个部分组成，一部分与各自的滚珠丝杆螺母连接，一部分与工作台204连接。而这两部分通过柔性铰链连接在一起，主要是为了防止滚珠丝杆与导轨不平行，运行过程中受到较大阻碍。通过柔性铰链连接，既能保证传动，又能有效避免两个正交方向的扰动误差，具有较高的传动精度。工作台204一方面与Y方向滑块连接，使其可以随Y方向滑块在Y方向导轨上运动，另一方面通过传动件与Y方向上的滚珠丝杆连接。这样当Y方向电机转动，通过弹性联轴器302带动Y方向滚珠丝杆303运动，其中Y方向滚珠丝杆303的螺帽将角位移转换为直线位移，再由与Y方向滚珠丝杆303螺帽连接的传动件传动，带动工作台204在Y方向导轨305上运行。Y方向驱动电机301是由电机支撑件固定在共基面平板304上，Y方向滚珠丝杆303由于行程较长，采用两端固定，即由丝杆固定件和丝杆支撑件固定于共基面平板304上，相当于整个Y方向运动单元固定于共基面平板304上。
更具体的，X方向导轨的X方向滑块与外支撑件连接，固定不动，X方向导轨安装于共基面平板304上，故共基面平板304与X方向导轨作为一个整体可相对于X方向导轨的X方向滑块运动。共基面平板304通过传动件与X方向滚珠丝杆203连接，故而当X方向驱动电机201转动，共基面平板304在X方向导轨上运行，从而带动工作台204在X方向上运动。其中，X方向驱动电机201安装于工作台204侧面支撑板上，X方向滚珠丝杆203由于行程较短，故采用一端固定一端自由的方式，只用一个丝杠固定座202固定于底座上。
本发明中，其采用电机丝杠加滚动导轨形式的工作台，再配合扫描平面度误差实时测量装置，在表面形貌测量中能够实现高精度的二维扫描基准面。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种二维扫描工作台，其特征在于，其包括平面度误差测量装置(100)和工作台(204)，平面度误差测量装置(100)整体安装在工作台(204)下方，待补偿对象为工作台，平面度误差测量装置(100)的顶部测量头(106)与内嵌于工作台(204)底部的高精度平板相接触，高精度平板通过螺钉与工作台(204)下表面连接，为了减小工作台(204)整体高度，将工作台下表面设置有凹槽，以便将高精度平板内嵌进去，
平面度误差测量装置包括激光器(102)、柔性铰链(104)、静光栅、动光栅(108)、测量头(106)、压缩弹簧(105)、底板(101)以及光电探测器(109)，其中，整个平面度误差测量装置主要的组成部件安装在底板(101)上，底板(101)与二维扫描工作台的底座固连，
所述测量头(106)固定在柔性铰链(104)的第一端部处并伸出该第一端部以与工作台相接触，所述动光栅(108)同样设置在柔性铰链(104)的第一端部内，以随柔性铰链发生微位移，所述压缩弹簧(105)一端与底板(101)连接且另一端与所述柔性铰链(104)的第一端部连接，且该压缩弹簧(105)位于所述测量头(106)的下方，该压缩弹簧(105)用于给测量头一个初始作用力，保证测量头与工作台预接触，所述柔性铰链(104)的第二端部与底板(101)固定，
所述静光栅固定在底板(101)上且与所述动光栅(108)平行相对且相邻设置，
所述激光器(102)设置在底板(101)上，用于发射出激光，
所述光电探测器(109)设置在所述静光栅出光端，以接受所述激光经过所述动光栅(108)和所述静光栅后形成的干涉条纹，
当工作台在移动过程中产生平面度误差时，动光栅与静光栅之间就会产生相对移动，经过动光栅和静光栅后的激光会发生干涉产生干涉条纹，由光电探测器接受干涉条纹，其微小的平面度变化转为为更精密的干涉条纹变化，精确获知了平面度的误差，以便进行补偿。
2.如权利要求1所述的一种二维扫描工作台，其特征在于，所述静光栅通过静光栅支撑座(107)固定在底板(101)上，所述静光栅支撑座(107)通过紧固件固定在底板(101)上。
3.如权利要求2所述的一种二维扫描工作台，其特征在于，还包括激光器夹具(103)，所述激光器夹具(103)通过紧固件固定在底板(101)上，所述激光器夹具(103)用于夹持所述激光器(102)以保证其发射的激光光束稳定性。
4.如权利要求3所述的一种二维扫描工作台，其特征在于，还包括探测器支撑座(110)，所述探测器支撑座(110)通过紧固件固定在底板(101)上，所述探测器支撑座(110)用于夹持并调节所述光电探测器(109)的位置，使其接受到的干涉条纹信号良好。
5.如权利要求4所述的一种二维扫描工作台，其特征在于，还包括X方向运动单元(200)和Y方向运动单元(300)，其中，
所述X方向运动单元(200)包括X方向驱动电机(201)、X方向滚珠丝杆(203)、丝杠固定座(202)、X方向滚珠支撑座、X方向滑块以及X方向导轨，
所述X方向驱动电机(201)与所述X方向滚珠丝杠(203)相连，以驱动所述X方向滚珠丝杠(203)转动，所述丝杠固定座(202)用于固定所述X方向滚珠丝杠(203)的一端，所述X方向滚珠丝杠(203)的另一端受X方向丝杠支撑座支撑，所述X方向滑块与所述X方向导轨相连，以沿所述X方向导轨滑动，所述X方向滑块与所述X方向滚珠丝杆(203)连接以能在所述X方向滚珠丝杆(203)的带动下发生移动，
所述Y方向运动单元(300)通过共基面平板(304)整体设置在所述X方向运动单元(200)上，
所述Y方向运动单元(300)包括Y方向驱动电机(301)、Y方向滚珠丝杠(303)、Y方向导轨(305)以及Y方向滑块，
所述Y方向驱动电机(301)与所述Y方向滚珠丝杠(303)相连，以驱动所述Y方向滚珠丝杠(303)转动，所述Y方向滑块与所述Y方向导轨(305)相连，以沿所述Y方向导轨(305)滑动，所述Y方向滑块与所述Y方向滚珠丝杆(303)连接以能在所述Y方向滚珠丝杆(303)的带动下发生移动，
所述工作台(204)与所述Y方向滑块相连，以受所述Y方向滑块带动而发生沿Y方向的往复移动，
X方向运动单元(200)和Y方向运动单元(300)的直线导轨均安装在同一平面上，工作台(204)安装在Y方向导轨(305)的Y方向滑块上，从而完成Y方向上运动，Y方向运动单元(300)安装在共基面平板(304)上，共基面平板(304)通过X方向运动导轨与二维扫描工作台的机架连接。
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