微納米三坐標測量機探頭等效直徑測量

趙曉萌

（合肥工業大學儀器科學與光電工程學院,合肥 230009）

微納米三坐標測量機探頭等效直徑測量

趙曉萌

（合肥工業大學儀器科學與光電工程學院,合肥 230009）

文中微納米三坐標測量機在外尺寸測量過程中，探頭與被測件存在接觸力變形、摩擦力、還有測頭的各向異性等因素，因此，對最終的測量精度有一定的影響。為了進一步提高微納米三坐標測量機的測量精度，本文提出了通過對量塊標準件進行不同角度方向測量，得到探頭在測量外尺寸的不同角度方向測端等效直徑。實驗結果表明通過10mm厚度量塊得到的外尺寸測端等效直徑補償20mm厚度量塊，可以減小一定程度的探頭測端直徑誤差。

微納米三坐標測量機；量塊；等效直徑

0 引言

隨著微細加工技術和微電子機械系統技術的快速發展，多種多樣的微型器件相機被加工出來，如微型渦輪、微型針陣列、微型馬達以及汽車發動機中的噴油嘴。這些器件的尺寸形狀對測量系統提出更高的要求，因此，研制高精度微納米三坐標測量機來實現對被測件的高精度測量。日本東京大學Kiyoshi Takamasu首次提出了區別于傳統三坐標測量機的納米三坐標測量機應具備的一些技術指標。據此，國內外一些大學和研究所開始研制微納米三坐標測量機，例如德國聯邦物理技術研究所（PTB)研制的Special CMM、日本東京大學Takamatsu 教授于1995年開始研制的Nano-CMM、英國國家物理實驗室(NPL)研制的小型三維測量機、瑞士聯邦計量局(METAS)研制的Ultra precision CMM、臺灣大學范光照教授研制的Nano-CMM[1]。此外，中國精密機械研究所（303所）、中國長城計量測試研究院、天津大學、清華大學等許多科研院所和高校都對微納米三坐標測量機進行了深入的研究。

本文研制的微納米三坐標測量機是來源于科技部“863”計劃重點項目，整個微納米三坐標測量機系統是由微納米接觸掃描式探頭[2]（測頭是直徑為1mm的紅寶石球）、“331”原則工作臺[3,4]以及激光回饋干涉儀[5]的測量系統等部分組成。

1 微納米三坐標測量機系統

文中研制一臺新型微納米三坐標測量機其測量范圍為50×50×50mm，各軸測長的分辨率為1nm，測量系統設計總不確定度≤100nm。本文研究的微納米三坐標測量機主要部分包括零阿貝誤差的工作臺、微納接觸掃描式探頭以及準共路微片激光器回饋干涉儀。其中，零阿貝誤差工作臺是基于“331”原則（即：三軸標尺線相互垂直并交于一點，并以此三軸測量線為基準建立三維坐標系；由x、y標尺線構成的測量面與x、y軸導軌導向面相互重合；探頭中心點與各軸標尺線交點重合，簡稱三線共點、三面共面、點面重合）設計的；接觸掃描式探頭三軸可以實現20μm的測量范圍以及1nm測量分辨率；微片激光回饋干涉儀可以實現50mm的量程，位移分辨率優于0.1～1nm。圖1是微納米三坐標測量機的實物圖。

2 探頭測端等效直徑測量及誤差分析

本文的微納米三坐標測量機使用的是接觸式探頭，采點原理是通過二次觸發的方式，即在對被測件進行測量時，探頭第一時間碰到被測件時，會繼續運動一定的位移直至達到某一觸發閾值才會記錄下該點的坐標。這段接觸后行走的距離則被稱為探頭觸發的預行程，并且包括了測桿的力變形。由于探頭在接觸被測件時，測桿會發生變形、紅寶石測球與被測件之間的摩擦力以及紅寶石測球的形貌等因素都會對最終的測量精度有影響，并且測量內尺寸和外尺寸引起的影響是有區別的。設為d0為紅寶石測球直徑。

本文使用的是被檢定過長度為10mm和20mm兩種一等量塊作為測量基準，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測量機采點過程中只設計特殊角度，所以只把量塊在幾個特殊角度（0o、30o、45o、60o、90o、120o、135o、150o）之間切換。量塊的測量方法：在量塊的一個平面上均勻選取六個點，得到此平面的最小二乘平面，在另一個平面上中間位置選取一點，該點到最小二乘平面的距離作為該量塊的長度測量值。量塊測量示意圖如圖4所示。

首先，按照上述測量方法測量檢定值為10.000045mm的一等量塊。根據長度測量原理及測端等效直徑的測量原理，得到探頭在各個方向的等效直徑。表1是10mm厚00級量塊特殊方向的長度測量值。

為了驗證測端等效外徑的修正效果，本文又進行長度檢定值19.999998mm量塊特殊方向的測量實驗，并用長度10mm的量塊測端等效直徑對長度20mm量塊測端等效直徑進行補償得其誤差，其測得值如表2所示。

表1 10mm厚00級量塊特殊方向的長度測量值

由實驗數據處理結果可知，這種方法在一定程度上減小量塊長度測量誤差，但使用上述所述的補償方法各個特殊方向還會存在一定的誤差，這種誤差是由多種因素引起，包括各個方向的測量力的微弱變化、探頭與被測件之間摩擦力變化以及環境因素等，為了降低這種影響，在實驗過程需要采用多次測量方法，來降低其對測量結果的影響.

表2 20mm厚00級量塊特殊方向的長度測量值及補償后的誤差值

3 結束語

通過對比的實驗方法在測量量塊長度的實驗中，可以得到很高的測量精度，但是還存在一定的殘余誤差，帶來這些誤差的主要原因有：測量方法帶來的誤差；標定的數學模型引入的誤差；探頭本身引入的誤差，包括各個方向上測力的不同，以及探頭在各個方向上的的重復性的差異；測量機本身的誤差；外界環境對測量結果產生的影響。

[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,費業泰.納米三坐標測量機接觸式測頭觸發控制[J].光學精密工程,2010,18(12)：2603-2609.

[3]黃強先,余夫領,宮二敏等.零阿貝誤差的納米三坐標測量機工作臺及誤差分析[J].光學精密工程,2013,21(03)：664-671.

[4]余夫領.微納米三坐標測量機誤差修正與實驗研究[D].合肥工業大學碩士論文,2013.

[5]張松,張書練,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]張國雄.三坐標測量機[M].天津：天津大學出版社,1999.

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

趙曉萌(1988-)，男，河南駐馬店人，碩士，學生，研究方向：微納米測量技術。