TW200804757A - Measuring error method for high precision and nano-scale rotation axis and the apparatus thereof - Google Patents

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200804757 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有1㈣—種旋轉轴誤差量測方法與裝置，尤其是指 -種應用於微型機台上’作為高精密加工時，該微型機台之旋轉 主轴的誤差量測方法與裝置，而^高精度奈米級的旋轉軸誤差 量測。 【先前技術】 南精密加卫之微型機台’如微型銑床、微型鑽床、微型雕刻 機等微型加母機，對於現代高精密度工業及高科技產業之影響 與曰俱增，是這些產業得以蓬勃發展的主要動力之一。 微型加工母機的旋轉主軸具有多自由度的誤差，實際運動時 會產生六自由度的誤差，如圖一所示，該誤差包括三個線誤差 (X、y、z)與二個角誤差（俯仰（pitch)、搖擺（γ_及滾動 (Ro 11) δ吳差）。由於旋轉主軸是經由主軸、軸承、驅動器等許 多π件依序組裝而成，會因為此等諸多元件尺寸的誤差、各元件 間配合度等關係，而產生具有多自由度的誤差。眾所皆知，機器 中之旋轉軸的特性將影響整台機器的精度與加工產品的品質，被 加工之精密工件的加工尺寸皆需要考慮六個自由度的誤差，才能 確保加工品質及誤差是在容許之範圍内。 隨著技術的發展^現有旋轉軸量測技術有以下幾種分類，如 下所述： 200804757 一、 直接使用master ball/axis/cylinder ’但不補償標準 •軸之誤差： ' 此方法是最早的旋轉軸量測技術，但會受限於標準棒/球的 加工精度，因此不適用於高精度量測。在2000年12月Eric的 論文，其提供之技術可測得1 // in解析度，然而在E. G1 eason文 ， 章，他提出以目前加工技術極限，標準球之球度（out of roundness)為75 nm。以Air Spindle之極限精度可達到50醒， 故此第一類方法，以目前的技術而言尚無法達成。 二、 直接使用master ball/axis/cylinder，但有做補償標 準軸之誤差，其補償標準軸誤差之方式為單探頭多次設定 (multi-steps): 採用單（多）探頭多次設定是誤差分離的第一種方法（如圖二 所示）。上述標準軸之誤差必須再加以分離，分解才能得到所需 之解析精度。有關此論文之發表皆以數學理論為主，部分以模擬 — 為輔，樣本分析是建立之模式。因此，皆未能有實際之用途，主 要原因在於由量測時候架設多次，每架設一次量取一次資料，量 測方式係依不同指定角度位置固定探頭，因此，最困難之部份， 就是角位置定位不易（有偏心問題）。另外，還有待測標準軸及旋 轉差誤差之重複性（repeatabi 1 ity)、及探頭之重複性是此方法 必須克服之處，如圖三所示。 另有一種旋轉軸誤差量測方法與裝置，主要是利用一般雷射 200804757 光繞射與光干涉的原理及架構來組成，將標準棒内置-角隅菱鏡 在放於U5L機口上（如微型銳床、微型鑽床、微型雕刻機等微型 加工母機）之主軸上，t絲有迴轉誤差時，會造成繞射光的變 化，進而影響到反射光打到光柵上，由光感㈣器上之位置，再經 由數學運算後而得到其平移誤差值。此技術對於要求更高精度且 要達奈米級，X限於角隅菱鏡構造的問題，有3個接缝處會形成 仏號的不易判讀導致系統誤差產生。 本發明人因從事多年有關於旋轉軸誤差量測方法之研究，發 現目前現有旋轉軸誤差量測方法雖有4之功效，但常因旋轉轴 玦差罝測方法之諸多缺失的限制，而無法發揮最大之效益，因而 提供一種極具創新與實用價值之旋轉軸誤差量測方法與裝置。 【發明内容】 因此，本發明之目的在於提供一種旋轉軸誤差量測方法與裝 置，系統中的直度誤差利用這光栅移動所產生的都卜勒效應及偏 振的現象，再加上電子訊號處理的光路組合，將干涉所產生的直 流飄移問題降到最低，以達到最佳的量測效果，可以有效達成高 精度奈米級旋轉軸誤差量測之積極目的。 根據本發明之上述目的，提出一旋轉軸誤差量測方法與裝 置，包含有··一雷射光源、複數個分光鏡、一貓眼反射鏡、一反 射式光柵、複數個極化分光鏡、複數個玻片及複數個光感測器組 成；貓眼反射器，植入於標準棒一端；該標準棒固定於微型機台 200804757 之旋轉轴；複數個分光鏡，包含有第一、二、三分光鏡，雷射光 源產生之雷射光束射向第一分光鏡將光反射至旋轉軸之貓眼反 ‘ 射器，貓眼反射器再將光反射且穿過第一分光鏡；一反射式光 柵，該反射式光柵及貓眼反射器、第一分光鏡成一直線，穿過第 一分光鏡的雷射光束射入該反射式光柵；複數個極化分光鏡，包 含有第一、二及第三極化分光鏡；上述反射之光路在第一極化分 光鏡重合後，在這第一極化分光鏡接收分光射出之反射光，使兩 # 道正負一階反射光疊加形成一干涉光；複數個波片，包含有第 一、二波片；該波片其中第一玻片與第二極化分光鏡為一組相對 應；第二玻片與第三極化分光鏡為另組對應，兩組成90度分佈； 複數個光感測器，包含有第一、二、三及第四光感測器；其中第 一、第二光感測器與第二極化分光鏡一組且成90度分佈；第三、 第四光感測器與第三極化分光鏡一組亦成9 0度分佈。 根據本發明之上述目的，提出一旋轉軸誤差量測方法與裝 ® 置，實施步驟包含有：將含有貓眼反射器的標準棒固定於為型機 台之旋轉軸上；將雷射光源置於定位，使雷射光源射出一雷射光 束至第一分光鏡，將雷射光束反射至貓眼反射器來測量旋轉軸之 誤差；貓眼反射器再將該雷射光束予以反射產生一反射光並反 射，該反射光將穿過上述之第一分光鏡；穿過第一分光鏡之反射 光照射到反射式光柵，通過反射式光柵的反射光將會產生產生三 道繞射光；其中之正一階繞射光、負一階繞射光則分別射入兩邊 200804757 ) 之第二分光鏡與第三分光鏡；射入之繞射光，將產生兩道光，一 道穿透’一道反射；反射之光路會在第一極化分光鏡重合，在這 第一極化分光鏡會產生干涉現象以產生另一道反射光及一道穿 透光，各自分別穿過第一、第二玻片後，再分別射入第二及第三 極化分光鏡；第二及第三極化分光鏡後方各放置第一、第二、第 三及第四光感測器等四個光感測器；利用這四個光感測器負責接 收處理干涉條紋的變化。 •【實施方式】 請參照圖四與圖五，係本發明之旋轉軸誤差量測裝置之平面 及立體組成示意圖。本發明之旋轉軸誤差量測裝置，包含有雷射 光源（1)、貓眼反射器（2)、分光鏡、反射式光柵（4)、極化反光 透鏡（5)、波片（6)及光感測器（7)組成，其中： * 雷射光源（1)，為一般的氦氖（He-Ne)雷射，也可使用半導 體雷射或線偏振雷射光源皆可。 ® 貓眼反射器（2)，係植入於標準棒一端；該標準棒固定於微 型機台之旋轉轴（21)。該貓眼反射4器（2)使入射光與出射光相互 平行（請參照圖七），其構造可以克服角隅菱鏡有接面照成光的 不連續問題。另外，標準棒的直徑約為微型銑床、鑽床、雕刻機 等加工母機之刀具大小。 複數個分光鏡（Beam Spl i tter，BS )，包含有第一分光鏡 (31)、第二分光鏡（32)及第三分光鏡（33)，可為圓形，方型或矩 200804757 形；該分光鏡會讓振動方向90度的光反射，振動方向0度的光 則可以直接穿透。光源通過分光鏡後會產生分光，且為垂直及水 '平方向之分光效果；該分光鏡比圓板形分光鏡有較大的穿透與反 射的接觸面積。該分光鏡用來使雷射光分光，在此用來使反射光 分出二道光，一道光（與反射光平行.）穿過透鏡打入位移感測器， 量測俯仰度、滾動度、搖偏度、所需的數值，另一道光直接打入 極化分光鏡（5)，產生干涉進而測量值度誤差。其中第一分光鏡 • (31)與雷射光源（1)、貓眼反射器（2)成90度角分佈設置。雷射 光源（1)產生之雷射光束射向第一分光鏡（31)將光反射至旋轉軸 (21)之貓眼反射器（2)，貓眼反射器（2)再將光反射且穿過第一分 光鏡（31)照射至反射式光栅（4)。 一反射式光柵（4) ( Diffraction Grating)，該反射式光栅 (4)及貓眼反射器（2)、第一分光鏡（31)成一直線，且可以如圖五 所示，於反射式光柵（4)之下另設有一反射鏡（41)將穿過第一分 胃 光鏡（31)的雷射光束，作90度之轉折以直接反射至反射式光柵 (4)，使光順利進入系統，同時可以有效縮減整個裝置之組成體 積；係藉由雷射光束入射後，該反射式光柵（4)會利用光的繞射 現象產生正、負一階繞射光及零階繞射光之三道光，並將其中之 正、負一階繞射光反分別射至兩侧的第二分光鏡（32)及第三分光 鏡（33)。射入第二分光鏡（32)與第三分光鏡（33)之正一階繞射 光、負一階繞射光，將產生兩道光，一道穿透，一道反射。反射 200804757 、 s 之光路會在極化分光鏡（5)之第一極化分光鏡（51)重合。 複數個極化分光鏡（5) ( Polarizing Beam Splitter，PBS)， ' 包含有第一極化分光鏡（51)、第二極化分光鏡（52)及第三極化分 光鏡（53);其中上述反射之光路在第一極化分光鏡（51)重合後， 在這第一極化分光鏡（51)接收分光射出之反射光，使兩道正負一 階反射光疊加形成一干涉光。該第一極化分光鏡（51)產生干涉現 象，將產生另一道反射光及一道穿透光。極化分光鏡（5)用來使 Φ 雷射光分光，在此用來使入射光及反射光分出二道光，一道水平 偏振，一道垂直偏振，都會穿過1/4 λ玻片（6)以分別進入光強度 檢測器（7)。 複數個波片（6)，包含有第一波片（61)，第二波片（62);該 波片（6)為1/4又玻片，用來調整光的相位，改變雷射光振動方 向，通過二次會使雷射光振動方向轉90度，亦即讓兩組訊號有 90度的相位差而達到干涉訊號的要求。其中第一玻片（61)與第二 ® 極化分光鏡（52)為一組相對應；第二玻片（62)與第三極化分光鏡 (53)為另組對應，兩組成90度分佈。 複數個光感測器（7 ) ’包含有第一光感測器（71)、第二光感 測器（72)、第三光感測器（73)、第四光感測器（74)。光感測器（7) 可為光檢測器或位移感測器，可以感測光強度的變化，利用光強 度的變化來做後面的信號處理。其中第一光感測器（71)、第二光 感測器（72)與第二極化分光鏡（52) —組且成90度分佈；第三光 11 4Ϋ) 200804757 感測器（73)、第四光感測器（74)與第三極化分光鏡（53)一組亦成 90度分佈。光感測器（7)對光強度信號變化的接收，處理干涉條 紋。而第一光感測器（71)、第二光感測器（72)、第三光感測器 (73)、第四光感測器（74)所形成之四象限感測器，依據光點的變 化來量測，再經由類比/數位轉換卡（A/D卡）轉換求的其他自由度 誤差。

本發明之量測系統，整個雷射光之光路順序射向如圖八所 根據光學理論，光強度正比於電場向量振幅的平方，而在討 論光強度分佈時，總是討論相對光強度，所以上述方程式中常數 疋不重要的’可以直接認為光強度等於電場相量振幅的平方，因 壓訊號，可以表示 示’其信號表示如 此由光感測器所接收到的干涉光強度訊號為電 如下公式的四組信號，前面4為常數項用γ表 圖九所示’係本發明之-較佳實施例之光栅χ轴移動與四個光感 測器訊號對應示意圖。

Vpm =4 + 4sin(2A^)

Vpdi =4-4sin^A^) VPm =4+4cos^A^) ypDA ~ 4 - 4cos(2A^) 若將以上訊號做適當的相減處理可以得到兩組相位角相差 的弦波訊號，可表示如下的另兩組公式： 12 200804757 Vλ = Vpm - VPD2 == 8sin(2A^))

Vb ^ ypDz - VPD4 - 8cos(2A^) 以消 的問 而且原本直流電壓訊號的部份也藉由這種處理方式得 除-留下交流電壓訊號的部分降低產生直流電壓訊號飄移 將如上的兩組公式簡化，可以得到一圓方程式：

圖來檢測，圖十為I彳^ 口十為Llssa J0US圖。另外若是與兩訊號的相位差 並非剛好，也會使圖形成為橢，不過這些差異都很小，也能 夠藉由光路與電路的調整來修正。 其中當光束對準不良時，圓的直徑會變小，可以用此做為調 H且及;k準光束的翏考，若直流訊號未去除乾淨，圓心將會偏 離原點’可以接示波器利用X軸和γ軸關係組成為Lissa j0us

請參照圖四與圖八，其繪示依照本發明一較佳實施例的一種 旋轉軸誤差量測方法的實施系統及量測說明示意圖。本發明之旋 轉軸誤差量測方法的實施步驟如下： 步驟一 ·將含有㈣反射器⑵的標準棒固定於為型機台之 旋轉軸（21)上。 步驟二：將雷射光源⑴置於定位且與第一分光鏡（31)成垂 直的又角（如X Y軸）相對應處。該第一分光鏡⑶)與貓眼反射

13 200804757 器（2)亦成垂直的交角（如Υ-Χ軸）相對應。使雷射光源（1)從X 方向射出一雷射光束至第一分光鏡（31)，該第一分光鏡（31)將雷 * 射光束反射至貓眼反射器（2)來測量旋轉軸（21)之誤差；貓眼反 射器（2)再將該雷射光束予以反射產生一反射光並反射，該反射 光將穿過上述之第一分光鏡（31)。 步驟三：穿過第一分光鏡（31)之反射光照射到反射式光柵 (4)，此時通過反射式光柵（4)的反射光將會產生產生三道繞射 ® 光，即：正一階繞射光、負一階繞射光及零階繞射光。 步驟四：上述之正一階繞射光、負一階繞射光則分別射入兩 邊之另兩組分光鏡，即：第二分光鏡（32)與第三分光鏡（33)。射 入第二分光鏡（32)與第三分光鏡（33)之正一階繞射光、負一階繞 射光，將產生兩道光，一道穿透，一道反射。反射之光路會在第 一極化分光鏡（51)重合，在這第一極化分光鏡（51)會產生干涉現 象，然而也是產生另一道反射光及一道穿透光，各自分別穿過第 ® 一玻片（61)、第二玻片（62)。該第一玻片（61)、第二玻片（62)為 ί/4λ玻片。 步驟五:上述之穿透光分別穿過第一玻片（61)、第二玻片（62) 後，再分別射入第二極化分光鏡（52)及第三極化分光鏡（53)。. 步驟六··第二極化分光鏡（52)及第三極化分光鏡（53)後方各 放置四個光感測器，即：第一光感測器（71)、第二光感測器（72)、 第三光感測器（73)及第四光感測器（74);利用這四個光感測器負

14 200804757 責接收處理干涉條紋的變化。

其中.第一光感測器（71)、第二光感測器（72)為—組，第三 光感測器（73)及第四光感測器（74)為—組，2組相位差⑽度。在 這之前旋轉前面的1/4λ之第-玻片⑽、第二玻片⑽即利用 2組光感測⑸目位差9G度，使純中的直度誤差鮮i用這光柵移 動所產生的都卜勒效應及偏振的現象，再加上電子訊號處理四組 光感測器的光路組合，將干涉所產生的直流飄移問題降到最低， 以達到最佳的量測效果。另外，本發日相時湘；〇嶋矩陣、㈣ 相量與複數形式來分析與朗偏振光的干涉疊加問題。 上列詳細說日聽針對本發明之—可行實施狀具體說明，惟 該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技获 精神：為之等效實施或變更’均應包含於本案之專利範圍中。 综上所述’本案不但在方法上销_，並能㈣用處理方 法增進上述多項功效，應已充分符合新贿及進步性之法定發明 專利要件，爰依法提出中請，懇_貴局核准本件發明專利申請 案，以勵發明，至感德便。 【圖式簡單說明】 圖-係旋轉平台的六個自由度誤差之立體示意圖； 圖一係傳統的旋轉軸量測系統示意圖； 圖三係傳統的單探頭多次設定旋轉袖量測系統示意圖； 圖四係本發明之—較佳實施例的-種實施量測原理平面示 15 200804757 意圖； 圖五係本發明之一較佳實施例的一種實施量測立體組成示 意圖； 圖六係本發明之一較佳實施例的一種貓眼反射器實施立體 不意圖， 圖七係本發明之一較佳實施例的一種實施光路射向示意圖； 圖八係本發明之一較佳實施例的一種實施方法之流程示意 圖； 圖九係本發明之一較佳實施例的一種實施方法之光柵X軸移 動與四個光感測器訊號對應示意圖； 圖十係本發明之一較佳實施例的一種實施方法之Lissa jous 示意圖。 【主要元件符號說明】 1雷射光源 2貓眼反射器 21旋轉軸 31第一分光鏡 32第二分光鏡 33第三分光鏡 4反射式光柵 41反射鏡 5極化分光鏡

16 200804757 第一極化分光鏡 第二極化分光鏡 第三極化分光鏡 玻片 第一玻片 第二玻片 光感測器 第一光感測器 第二光感測器 第三光感測器 第四光感測器

Claims (1)

1. 200804757 十、申請專利範圍： 1- 一種高精度奈米級旋轉軸誤差量測裝置，包括： 雷射光源， 貓眼反射器，植入於標準棒一端； 複數個分光鏡，包含有第一分光鏡、第二分光鏡及第三分光 鏡，雷射光源產生之雷射光束射向第一分光鏡將光反射至貓 眼反射器，貓眼反射器再將光反射且穿過第一分光鏡； 反射式光柵，該反射式光柵及貓眼反射器、第一分光鏡成一 直線，穿過第一分光鏡的雷射光束射入該反射式光柵； . 複數個極化分光鏡，包含有第一極化分光鏡、第二極化分光 鏡及第三極化分光鏡；上述反射之光路在第一極化分光鏡重 合後，在這第一極化分光鏡接收分光射出之反射光，使兩道 正負一階反射光疊加形成一干涉光； 複數個波片，包含有第一波片、第二波片；該波片其中第一 玻片與第二極化分光鏡為一組相對應；第二玻片與第三極化 分光鏡為另組對應； 複數個光感測器，包含有第一光感測器、第二光感測器、第 三光感測器及第四光感測器。 2 如申請專利範圍第1項所述之一種高精度奈米級旋轉軸誤 差量測裝置，其中該雷射光源為氦氖雷射光源，半導體雷射 光源或線偏振雷射光源其中之一種。 3 如申請專利範圍第1項所述之一種高精度奈米級旋轉軸誤

   18 200804757 差量測裝置，其中該分光鏡為圓形，方型或矩形其中之一種。 如申清專利範圍第1項所述之一種高精度奈米級旋轉軸誤 差量測裝置，其中該波片為1/4 λ玻片。 如申凊專利la圍第1項所述之一種高精度奈米級旋轉軸誤 6差置測裝置，其中該反射式光柵與第一分光鏡設有反光鏡。 如申明專利範圍第1項所述之一種高精度奈米級旋轉軸誤 差里測裝置，其中該標準棒固定於微型機台之旋轉軸。 如申印專利範圍第1項所述之一種高精度奈米級旋轉軸誤 差里測裝置，其中該波片其中第一玻片與第二極化分光鏡為 一組相對應，第二玻片與第三極化分光鏡為另組對應，兩組 成9 〇度分佈。 如申凊專利範圍第1項所述之一種高精度奈米級旋轉軸誤 差ϊ測裝置，其中該第一光感測器、第二光感測器與第二極 化分光鏡一組且成90度分佈。 9如I料利範圍第i項所述之一種高精度奈米級旋轉軸誤 差$測裝置，其中該第三光感測器、第四光感測器與第三極 化分光鏡一組亦成9〇度分佈。 〇 一種咼精度奈米級旋轉軸誤差量測方法，實施步驟為： 步驟一·將含有福眼反射器的標準棒固定於為型機台之旋轉 軸上； 步驟二·將雷射光源置於定位且與第一分光鏡成垂直的交角 相對應處’該第一分光鏡與貓眼反射器亦成垂直的交角相對 應，使雷射光源射出一雷射光束至第一分光鏡，該第一分光 鏡將雷射光束反射至貓眼反射器來測量旋轉軸之誤差；貓眼 反射器再將該雷射光束予以反射產生一反射光並反射，該反 射光將穿過上述之第一分光鏡； 200804757

   步驟三：穿過第一分光鏡之反射光照射到反射式光柵，此時 通過反射式光栅的反射光將會產生產生正一階繞射光、負一 階繞射光及零階繞射光的三道繞射光； 步驟四：上述之正一階繞射光、負一階繞射光則分別射入兩 邊之苐一分光鏡與第三分光鏡；射入第二分光鏡與第三分光 鏡之正一階繞射光、負一階繞射光，將產生兩道光，一道穿 透，一道反射；反射之光路會在第一極化分光鏡重合，在這 第一極化分光鏡會產生干涉現象以產生另一道反射光及一 這穿透光，各自分別穿過第一玻片、第二玻片； 步驟五：上述之穿透光分別穿過第一玻片、第二玻片後，再 分別射入第二極化分光鏡及第三極化分光鏡； 乂驟^、.苐一極化分光鏡及第三極化分光鏡後方各放置第一 光感測器、第二光感測器、第三光感測器及第四光感測器等 四個光感測器；利用這四個光感測器負貴接收處理干涉條紋 的變化。 11.

   12. 13. ^申明專利範圍第1〇所述之一種高精度奈米級旋轉軸誤差 量測分法，其中該射光源為氦氖雷射光源，半導體雷射光源 或線偏振雷射光源其中之一種。 =申明專利範圍第1〇所述之一種高精度奈米級旋轉軸誤差 量測分法，其中該分光鏡為圓形，方型或矩形其中之一種。 2申請專利範圍第10所述之一種高精度奈米級旋轉軸誤差 ®測分法，其中該波片為1/4 λ玻片。 $申請專利範圍第10所述之一種高精度奈米級旋轉軸誤差 曰、】刀去，其中该反射式光栅與第一分光鏡設有反光鏡。

   20 14.