一种符合阿贝原则的三维精密测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种符合阿贝原则的三维精密测量系统，包括三维宏动台、六自由度微动台、激光测长测角系统、三维反射镜组、低膨胀计量框架、二维微调机构、触发测头或切削刀具以及连接机构；激光测长测角系统实现载物台六自由度测量，三轴激光干涉仪作为x向，y向，z向长度基准通过二维微调机构确保测量光束相互垂直并相交于测量触发点，锁定三轴长度基准与触发点的相对位置，建立三维计量系统，工作模式为载物台运动，计量系统固定，确保在运动过程中，任一被测点始终位于长度基准或延长线上。本发明专利技术中，测角仪实时反馈载物台角运动，控制微动台进行角运动误差补偿，宏微协同运动实现大行程与高分辨力的测量效果，通过触发被测对象实现测量。现测量。现测量。

【技术实现步骤摘要】
一种符合阿贝原则的三维精密测量系统


[0001]本专利技术涉及三维精密测量系统领域，具体涉及一种符合阿贝原则的三维精密测量系统，可以用于超精密测量仪器的研制和传统测量仪器或机床精度提升。

技术介绍

[0002]随着现代制造业的发展，对各种超精密加工零件、超精密光学元件、微机电系统(MEMS)、半导体器件等三维轮廓的高精度加工、测量等方面的需求越来越迫切。数控机床与三维测量仪器作为机械制造与计量的关键，其精度直接影响被加工件的质量与评判标准，并且绝大部分三维测量仪器与机床不符合阿贝原则，严重制约了超精密测量和超精密加工的精度。因此提出一种符合阿贝原则的三维精密测量系统设计方法及装置十分必要，对于发展我国高端制造业具有重要意义。
[0003]在三维高精度测量系统中，运动系统几何误差与热膨胀误差作为主要误差源，严重限制仪器精度，几何误差包括导轨角运动误差、直线度误差和定位误差等，其中导轨角运动造成的阿贝误差是重要误差源。目前针对阿贝误差的修正仅仅针对一次阿贝误差，但是随着对超高精度测量的要求越来越高，仅仅消除一次阿贝误差对三维测量系统的影响远远不够，尽管可以通过误差建模进行修正，但是在微纳米级测量与加工中，误差建模与修正难以实现应有的效果。本专利技术为消除阿贝误差影响，从测量系统布局入手，使其符合阿贝原则，免除一次阿贝误差，并且通过测角系统与微动台搭配，消除了二次及高阶阿贝误差，同时该计量布局消除了直线度误差与运动系统热膨胀对测量的影响，大大提高了测量精度。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了克服传统三维测量仪器测量系统存在阿贝误差的缺陷，提出了一种符合阿贝原则的三维精密测量系统，以实现三维高精度测量与加工。
[0005]本专利技术提出一种符合阿贝原则的三维测量系统设计方法，首先从阿贝原则定义出发，其经典定义仅适用于一维位移和长度测量，如图4所示，在一维测量中，阿贝臂H为定值，根据角运动误差α的大小计算阿贝误差大小。然而在三维测量空间中，测量点与参考点的距离H通常是一个变量，从而投影在垂直于各轴长度基准的阿贝臂r是一个变量，使之难以分离三维测量系统阿贝误差。因此保证运动过程中，三维运动系统各轴阿贝臂始终是个定值，将有助于阿贝误差的分离与修正，进一步说，如果各轴阿贝臂在运动过程中始终为0，将直接消除角运动误差造成的一次阿贝误差，大大提高仪器精度，基于上述假设，提出一种符合阿贝原则的三维精密测量系统，将三维测量系统三轴长度基准相交于测量触发点，得知三轴长度基准角度关系，锁定长度基准与测量触发点位置固定不动，建立三维计量系统，工作模式为载物台运动，计量系统固定，确保在运动过程中，任一被测点始终位于长度基准或延长线上，消除了各轴阿贝臂，进而消除了一次阿贝误差，对于二次阿贝误差，采用测角仪与微动台搭配的方法进行消除，设计测角仪系统实时监测载物台角运动误差并反馈给上位机，控制微动台对角运动误差进行补偿，进而消除二次及高阶阿贝误差。理论上微动台对角
运动误差进行补偿的同时，消除角运动误差α，同时也消除了一次阿贝误差ΔH＝Htanα，没有必要在通过计量布局消除阿贝臂H进而消除一次阿贝误差。但是实际情况为，受x向测角仪，y向测角仪与微动台精度影响，角运动误差α不能够完全补偿，存在残余角运动误差Δα，这时如果阿贝臂H过大，产生的一次残余阿贝误差ΔH＝HtanΔα依然过大；并且受装调影响，在对三轴长度基准相交于测量触发点进行装调时，存在装调误差，存在残余阿贝臂H1，与角运动误差α结合，产生的一次残余阿贝误差ΔH＝H
1 tanΔα，都会影响三维测量精度。因此在设计符合阿贝原则的三维超精密测量系统，应从消除角运动误差与消除阿贝臂两方面同时入手，更加全面地消除一次阿贝误差与二次阿贝误差。同时在三维测量系统设计过程中，尽可能保证计量系统与运动系统相互独立，能够减小运动系统热膨胀误差与几何误差对计量系统的影响。基于上述三维测量系统设计方法，设计的符合阿贝原则的三维精密测量系统如下：
[0006]本专利技术通过激光干涉仪测长系统与测角系统实现载物台六自由度测量，通过测长系统布局保证测量触发点始终位于三轴长度基准上，免除一次阿贝误差；通过测角系统监测载物台角运动，与六自由度微动台实现反馈调节，实时补偿由于导轨角运动造成的载物台倾斜，消除二次阿贝误差带来的影响。宏微协同运动实现大行程与高分辨力的测量效果，并将三维测量系统置于低膨胀计量框架上，独立于运动系统，极大地消除了运动系统热膨胀与几何误差带来的影响。
[0007]本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种符合阿贝原则的三维精密测量系统，其特征在于，包括三维宏动台、六自由度微动台、载物台、大理石基座、三维反射镜组、低膨胀计量框架、激光测长测角系统、触发式测头或切削刀具、二维调整机构；激光测长测角系统包括x向，y向，z向激光干涉仪构成测长系统、x向，y向测角仪构成的测角系统；激光测长测角系统通过三维反射镜组反馈测量信号，实现对载物台的六自由度测量，将测量信息实时反馈到宏微协同运动系统，控制宏动台进行大范围运动，控制微动台进行姿态调整，消除角运动误差并实现高分辨力触发。
[0009]三维宏动台置于大理石底座上，六自由度微动台置于宏动台上，载物台与三维反射镜组通过中空的支撑架安装在六自由度微动台上。三维反射镜组与载物台刚性连接，三维反射镜组由三块高精度平面反射镜拼接形成，反射镜之间两两正交，通过z向反射镜上的安装孔将反射镜组安装在支撑架上，并通过安装孔将载物台安装在z向反射镜上方，反射镜尺寸由测量范围决定。
[0010]激光测长测角系统与测量触发点(测头或切削刀具中心点)置于低膨胀计量框架上，与运动系统相互独立。激光干涉仪与测角仪下方安装二维调整机构置于干涉仪支撑板上，触发式测头或切削刀具通过上悬臂安装在载物台正上方，通过与上悬臂的连接机构对测量触发点进行微调。
[0011]低膨胀计量框架由x向侧板，y向侧板，干涉仪测角仪支撑架，转接板与悬臂组成，材料为低膨胀合金。x向激光干涉仪与测角仪置于x向侧板支撑架上，y向激光干涉仪与测角仪安装在y向侧板支撑架上，两者安装在同一高度，通过各自二维微调机构调整干涉仪与测角仪光束方向，通过侧板上的孔洞，垂直入射到反射镜组的x，y向反射镜；z向激光干涉仪支撑架通过转接板安装在x向支撑架正下方，z向激光干涉仪与二维微调机构安装在z向激光干涉仪支撑架上，z向光束经过转接板的孔洞与下悬臂上的槽入射到下悬臂末端支撑的五
角棱镜上，将z向测长光束反射到三维反射镜组的z向反射镜。
[0012]布置三维测量系统时，x向，y向，z向三轴长度基准两两正交并相交于测量触发点，锁定长度基准与触发点的相对位置，保证了在测量过程中，触发点始终位于长度基准上，消除了阿贝臂，从结构上消除一次阿贝误差对测量精度的影响。
[0013]与现有三维测量系统相比，本专利技术的优点体现在：
[0014]本专利技术通过对三维测量系统的结构布局进行设计，保证了运动过程中被测点始终位于各轴长度基准上，消除了三维测量系统各轴阿贝臂，从结构上避免了三轴导轨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种符合阿贝原则的三维精密测量系统，其特征在于，包括三维宏动台(1)、六自由度微动台(2)、载物台(5)、大理石基座(6)、三维反射镜组(7)、低膨胀计量框架(8)、激光测长测角系统(9)、触发式测头或切削刀具(10)；所述六自由度微动台(2)安装于三维宏动台(1)上并协同运动，所述低膨胀计量框架(8)固定在大理石基座(6)上，所述激光测长测角系统(9)与触发式测头或切削刀具(10)固定在低膨胀计量框架(8)上，所述六自由度微动台(2)上方安装三维反射镜组(7)，所述六自由度微动台(2)与三维反射镜组(7)之间安装中空的支撑架(3)，所述载物台5固定在三维反射镜组(7)的z向反射镜32上方；所述低膨胀计量框架(8)将触发式测头或切削刀具(10)置于载物台(5)的正上方；所述三维反射镜组(7)包括x向反射镜(31)、y向反射镜(33)、z向反射镜(32)，所述x向反射镜(31)、y向反射镜(33)、z向反射镜(32)两两正交拼接；所述激光测长测角系统(9)包括z向激光干涉仪(17)、x向测角仪(26)、x向激光干涉仪(27)、y向测角仪(21)、y向激光干涉仪(22)；所述低膨胀计量框架(8)包括x向侧板(29)、y向侧板(19)、z向竖板(38)、上转接板(25)、下转接板(18)、上悬臂(24)、下悬臂(14)，所述x向侧板(29)、y向侧板(19)呈正交拼接构成框架本体，所述框架本体的上方通过通过上转接板(25)与上悬臂(24)连接，所述框架本体的下方通过下转接板(18)与z向竖板(38)连接，所述z向竖板(38)的一侧通过转接板(15)与下悬臂(14)连接；所述z向竖板(38)的另一侧通过z向支撑板(16)支撑安装有z向激光干涉仪(17)，所述x向侧板(29)的外侧壁上通过x向支撑板(28)支撑安装有x向测角仪(26)、x向激光干涉仪(27)，所述y向侧板(19)的外侧壁上通过y向支撑板(20)支撑安装有y向测角仪(21)、y向激光干涉仪(22)；所述x向侧板(29)、y向侧板(19)、z向竖板(38)上分别开设有x向通孔(23)、y向通孔(40)、z向通孔(39)；所述上悬臂(24)用于支撑触发测头或切削刀具(10)，所述下悬臂(14)支撑一五角棱镜(4)并将五角棱镜(4)置于所述中空的支撑架(3)内部；所述x向测角仪(26)、x向激光干涉仪(27)、y向测角仪(21)、y向激光干涉仪(22)分别产生的的x向测角光束(34)、x向测长光束(35...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄强先，张祖杨，王广谱，陈志文，李红莉，张连生，程荣俊，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：