專利名稱：物體表面形貌測量方法
技術領域：
本發(fā)明是關于一種物體表面形貌測量方法，尤其是關于一種用于超精密測量的物體表面 形貌測量方法。
背景技術：
一種現(xiàn)有測量方法，其采用接觸式測量裝置進行測量。請參閱圖l，該測量裝置包括磁 芯91、電感線圈92、支點93、杠桿94及觸針95。觸針95末端始終與工件96表面接觸。該測量 方法包括以下步驟驅動工件96沿X軸運動，得到一個測量點的X坐標；觸針95因工件96表面 輪廓的起伏而沿Z軸上下移動，帶動杠桿94繞支點93轉動；磁芯91在電感線圈92中產生位移 ，從而導致電感信號變化而偏移其零位；該電感信號經信號處理電路97放大并由A/D (模擬 /數(shù)字)轉換后傳送給計算機98;計算機98根據(jù)該放大過的信號值計算出磁芯91的位移，從 而計算出觸針95的位移，進而得出工件96的表面形狀。
上述測量方法存在以下問題
(1) 需要進行工件96表面形狀、觸針95位移、磁芯91位移、電感信號、電感信號放大 及轉換等多級轉換，每一個轉換均會產生一定的誤差，從而使累積誤差增大。
(2) 電感工作在非線性區(qū)時有非線性誤差；
(3) 不能進行大量程測量，量程越大，測量非線性誤差就越大。

發(fā)明內容
鑒于以上內容，有必要提供一種較為精確的物體表面形貌測量方法。
一種物體表面形貌測量方法，包括以下步驟(1)提供一個測量裝置，該測量裝置包
括測量端子、傳感器及與傳感器相連的處理裝置，測量端子可沿一第一方向移動，傳感器用
于感測測量端子的位移；(2)將測量端子靠近被測物并使之與被測物表面接觸，且將該位 置下測量端子與被測物的接觸點在處理裝置內記錄為原始位置；(3)驅動測量端子或被測 物運動使測量端子與被測物的接觸點運動至另一位置，傳感器感測測量端子在第一方向的位 移動并傳送給處理裝置，處理裝置記錄該位置坐標；(4)多次重復步驟(3)，處理裝置記 錄一系列位置的坐標。
如上所述，本發(fā)明的測量方法中的測量裝置的測量端子始終與被測物表面接觸，沒有中 間轉換過程，故測量端子的位移完全反映了被測物表面形貌的變化，因此能實現(xiàn)精密測量。


圖l是一種現(xiàn)有測量裝置及方法的示意圖2是本發(fā)明物體表面形貌測量方法所采用的第一實施例的測量裝置的橫斷面圖3是圖2所示測量裝置的縱斷面圖4是圖2所示測量裝置的應用實例的部分立體圖5是本發(fā)明測量方法中所測得測量值與預定理想值的對比；
圖6是本發(fā)明測量方法中所測得測量值與預定理想值的對比結果；
圖7是本發(fā)明測量方法所采用的第二實施例的測量裝置的橫斷面圖8是圖7所示測量裝置的縱斷面圖9是圖7所示測量裝置的驅動氣缸的受力分析圖10本發(fā)明測量方法所采用的第三實施例的測量裝置的橫斷面圖； 圖ll本發(fā)明測量方法所采用的第四實施例的測量裝置的橫斷面圖； 圖12本發(fā)明測量方法所采用的第五實施例的測量裝置的橫斷面圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。
本發(fā)明測量方法的較佳實施例為利用接觸式測量裝置進行測量。請參閱圖2，第一實施 例的接觸式測量裝置10包括底座11及固設在該底座11的導引塊12。該導引塊12內設有多個導 引孔13，該導引孔13相互平行且有一定間隔地貫通該導引塊12，導引孔13為通孔。每一導引 孔13內分別穿插有可移動的一個驅動氣缸14，且該導引孔13與驅動氣缸14之間存在間隙，該 間隙里充入氣體即可構成空氣軸承。在本實施例中，該導引塊12內開設有二導引孔13，該二 導引孔13內設有對應的二驅動氣缸14?？梢岳斫猓摻佑|式測量裝置10可僅包括一個驅動氣 缸14。
驅動氣缸14為管狀。該驅動氣缸14的前端部，即驅動氣缸14的從導引塊12前方伸出的部 位固設有一個桿狀固定件15。該固定件15的中間部位固設有測量端子16。該測量端子16的頭 部呈針狀，而其根部固定在該固定件15上。
驅動氣缸14的后端部，即驅動氣缸14的從導引塊12后方伸出的部位固設有另一個桿狀固 定件17。該固定件15、固定件17避免該驅動氣缸14相對該導引塊12旋轉，其可相對該導引塊 12平行地前后移動。該固定件17上固設有向后方伸出的標尺18，底座11上設有與該標尺18對 應且用于讀取該標尺18刻度的傳感器19。在此，該標尺18和傳感器19也可互相換位設置。
底座11上固設有比固定件17還要靠后的支撐體110，該支撐體110用于固定多個氣體吹入管l 11 。該氣體吹入管l 11部分插設在該驅動氣缸14的后端部內，給該驅動氣缸14提供驅動氣 體，且因為該驅動氣缸14的后端部內周面與氣體吹入管111外周面之間留有間隙，所以當向 驅動氣缸14內吹入氣體時，氣體吹入管111與驅動氣缸14之間形成空氣軸承。上述氣體可為 一般空氣，但也可為其他氣體。
如圖3所示，該底座11及各上述構成物上面覆蓋有蓋體112。該蓋體112前端開設有使測 量端子16的前端部伸出的測量端子口 (圖未標)。蓋體112的上面設有向空氣軸承提供氣體的 氣體導管114。驅動該測量端子16的驅動氣缸14上設有氣體排出機構115，驅動氣缸14內的空 腔通過氣體排出機構115與外界相通。向驅動氣缸14內部吹入氣體時，氣體排出機構115排出 一部分氣體，所以能實現(xiàn)較小且穩(wěn)定的驅動壓力。空氣軸承及氣體排出機構115排出的氣體 ，使蓋體112的內部壓力比外界氣壓稍高，因此可以防止外部的灰塵等異物侵入蓋體112內部
下面說明本發(fā)明的接觸式測量裝置的工作原理。請一并參閱圖2及圖4，使用該接觸式測 量裝置時，將本發(fā)明的接觸式測量裝置B用于超精密鏡片模具加工設備A上，加工設備A的工 作臺可帶動接觸式測量裝置B沿預定方向移動，該工作臺由加工設備A的驅動裝置帶動，將該 氣體吹入管111和氣體導管114通過軟管與之氣體供給源連接，以使該接觸式測量裝置開始工 作。
當氣體經過該氣體吹入管111進入該驅動氣缸14內，且積蓄一定壓力時，該氣體成為該 驅動氣缸14的驅動壓力。此時，該驅動氣缸14在該導引塊12的導引孔13導引下，向前緩慢前 進。
因為該驅動氣缸l4的前端設有用于固定該測量端子16的固定件l5，所以該測量端子16和 驅動氣缸14一同移動，當該測量端子16與被測量物接觸時，二者停止移動。又因該驅動氣缸 14的后端部設有標尺18，該標尺18也隨該驅動氣缸14一同移動，所以該驅動氣缸14移動時， 該傳感器19可以感測該標尺18的移動距離，并傳送給處理裝置(圖未示)。處理裝置可對所得 的數(shù)據(jù)進行計算處理。該處理裝置還與加工設備A的驅動裝置連接，以記錄驅動裝置驅動測 量端子16移動的位移。
下面以測量端子16在Y二Yi的平面內運動為例說明該測量方法，請參閱圖5及圖6:
(1) 將測量裝置的測量端子16靠近被測物并使之與被測物表面接觸，且將該位置下測 量端子16與被測物的接觸點在處理裝置內記錄為(0， Y0， 0);
(2) 在Y二Yo的平面內沿平行于X軸的方向驅動測量端子16運動X^，測量端子16在測量壓 力的作用下始終與被測物表面接觸，故其同時在平行于Z軸的方向運動，從而使測量端子16 與被測物的接觸點移至另一位置，傳感器感測測量端子16在Z軸方向的位移Z^并傳至處理裝 置，處理裝置將該位置坐標記錄為(Xral， Yq， Zral);
(3) 繼續(xù)驅動測量端子16在Y二Yo的平面內運動，處理裝置記錄一系列位置的坐標( Xml， Yo， Zmi) 、(X鵬2， Yo， Z鵬2) 、(X鵬3， Yo， Z鵬3) (X鵬i， Yo， Z鵬i);
(4) 處理裝置根據(jù)被測物的預定的理想表面形貌的函數(shù)Z二f (X， Y)，其中Y二Yo，計算 出上述各位置X， Y坐標值下對應的理想Z坐標，即處理裝置計算出一系列被測物表面的理想 坐標(Xral， Y0， Znl) 、 (Xra2， Y0， Zn2) 、 (Xra3， Y0， Zn3)…(Xrai， Y0， Zni);
(5) 處理裝置比較各相同X、 Y坐標下的Z坐標，由此可知道被測物實際表面形貌(在此 將測量值視為實際值)與理想形貌的差別，即得到一系列Z坐標的差值AZfZ^-Zm、 △
Z2=Zm2—Zn2、 AZ3二Z鵬3—Zn3''./\Zi=Zmi—Zni;
(6) 將測量端子16驅動至Y坐標為Yh Y2、 Y3…Yi的平面內，重復上述操作；
(7) 當該測量裝置用于在線測量時，處理裝置內裝有補償軟件及加工程序，該加工程 序決定了刀具加工被測物時的切削路徑，在測量后進一步加工被測物時，處理裝置運用補償 軟件根據(jù)上述AZi的值對加工程序內的加工參數(shù)進行修正。
在測量過程中，也可同時驅動測量端子16在X、 Y方向同時移動，采用相似的方式同樣可 得到被測物理想與實際之間的差別AZi。另外，測量時，也可將測量裝置固定，而驅動被測 物移動。
上述測量方法可采用多種不同的測量裝置，請參閱圖7，為第二實施例的接觸式測量裝 置20。
請同時參閱圖8，接觸式測量裝置20的結構與接觸式測量裝置10的結構大體相同，其不 同在于接觸式測量裝置20的驅動氣缸26后端部未設置氣體吹入管，且其導引塊22內穿插有 傾斜設置的多個氣體導管204、 206。多個氣體導管204相互平行且有一定間隔地穿插于導引 塊22內，并與導引孔24相通。氣體導管204的延伸方向與驅動氣缸26的軸線夾角大于0度且小 于90度。導引塊22的下方也設有向導引孔24提供氣體的氣體導管206，多個氣體導管206相互 平行且有一定間隔地穿插于導引塊22內且位于氣體導管204的相對側，并與導引孔24相通。 氣體導管206與氣體導管204的數(shù)量相等，且以驅動氣缸26的軸線為對稱中心與氣體導管204 對稱設置，即氣體導管206的延伸方向與驅動氣缸26的軸線夾角等于氣體導管204的延伸方向 與驅動氣缸26的軸線夾角，從而使驅動氣缸26在非測量端子30的移動方向受力平衡?？梢岳?解，氣體導管204并不限于位于驅動氣缸26的上、下方，只需其與導引孔24相通，且氣體導 管204、 206的延伸方向與驅動氣缸26的軸線夾角為大于0度且小于90度。氣體導管204與氣體
導管106還可以不對稱相互錯開設置于驅動氣缸26的兩側。也可以只設置氣體導管204或只設 置氣體導管206。
當向氣體導管204、 206內吹入氣體時，氣體進入導引孔24內。此時，驅動氣缸26的受力 情況如圖9所示，F(xiàn)2分別為自氣體導管204、氣體導管206內吹入的氣體作用在兩個驅動 氣缸26上的力。由于氣體導管204與氣體導管206的數(shù)量相等，所以氣體作用在驅動氣缸26上 的力Fh F2的大小相等，而又因為氣體導管204的延伸方向與驅動氣缸26的軸線夾角和氣體 導管206的延伸方向與驅動氣缸26的軸線夾角相等，所以Fh F2在垂直于驅動氣缸26軸線方 向即圖示的Y軸方向分力F^、 F2Y大小相等，但分力F^、 F2Y方向相反，故驅動氣缸26在Y軸方 向受到的作用力為零。同時，由于氣體進入導引孔24時，于驅動氣缸26的外側壁與導引塊 22之間形成空氣軸承，故驅動氣缸26在運動時受到的摩擦力較小。Fh F2在平行于驅動氣缸 26軸線方向即圖示X軸方向的分力分別為Fu、 F2X， F1X、 F2x大小相等，方向均指向靠近測量 端子30的方向，分力Fu、 F2x可推動驅動氣缸26運動，從而使得測量端子30始終與被測量物 表面接觸。
請參閱圖IO，第三實施例的接觸式測量裝置40，其包括底座41及固設在該底座41的導引 塊42。該導引塊42內設有多個導引孔44，該導引孔44相互平行且有一定間隔地貫穿該導引塊 42。每一導引孔44內分別穿插有可移動的多個驅動件46，且該導引塊42與驅動件46的外側壁 之間存在間隙，該間隙里充入氣體就構成空氣軸承。在本實施例中，該導引塊42內開設有二 導引孔44，該二導引孔44內各穿插有一個驅動件46?？梢岳斫猓摻佑|式測量裝置可僅包括 一個驅動件46。
該驅動件46的兩端伸出導引塊42，其一端部固設有一個桿狀固定件48。該固定件48的中 間部位固設有測量端子50。該測量端子50的頭部呈針狀以與被測量物體接觸，而其根部固定 在該固定件48上。上述驅動件46與測量端子50均沿垂直于水平面的方向延伸，即接觸式測量 裝置40為立式測量裝置。
驅動件46的另一端部固設有另一個桿狀固定件52。該固定件48、固定件52可防止驅動件 46相對該導引塊42旋轉，其可隨驅動件46—起沿導引孔44上下移動。該固定件52上固設有向 上方伸出的標尺54，底座41上設有與該標尺54對應且用于讀取該標尺54刻度的傳感器56。在 此，該標尺54和傳感器56也可互相換位設置。
該底座41及各上述構成物上面覆蓋有蓋體402，蓋體402與固定件48之間設置有一個彈簧 58，其具有一定的預壓縮量。彈簧58的延伸方向平行于測量端子50的軸線，彈簧58用于平衡 驅動件46、標尺54、固定件48及固定件52的重力，從而減小測量端子50作用在被測量物體上
的測量壓力，從而提高測量精度。
該蓋體402底端開設有供測量端子50的頭部伸出的測量端子口 (圖未標)。多個氣體導管 404相互平行且有一定間隔地穿插于導引塊42內，并與導引孔44相通，氣體導管404用于向導 引孔44提供氣體。氣體導管404的延伸方向垂直于驅動件46的軸線。
驅動件46、標尺54、固定件48、固定件52及測量端子50固定為一個整體，其產生一個向 下的重力。因為蓋體402與固定件48之間設置有一個彈簧58，彈簧58的兩端分別與蓋體402及 固定件48相抵，彈簧58具有一定的預壓縮量，形成一個向上的彈力，從而減小重力對測量端 子50的作用，使得測量端子50具有較小的測量壓力。
請參閱圖ll，第四實施例的接觸式測量裝置60，其與第三實施例的接觸式測量裝置40基 本相同，其不同在于設置驅動件46的位置設置為驅動氣缸66，且接觸式測量裝置60還包括 氣體吹入管662，該氣體吹入管662部分插設于驅動氣缸66的底端部，其可以向驅動氣缸66內 吹入氣體，從而對驅動氣缸66施加一個向上的力。驅動氣缸36上還設有氣體排出機構664， 當向驅動氣缸66內部吹入氣體時，氣體排出機構664排出部分氣體，從而使上述向上的力保 持較小且穩(wěn)定。
請參閱圖12，第五實施例的接觸式測量裝置70，其與第一實施例10基本相同，其不同在 于二驅動氣缸74A、 74B平行但相互錯開地前后設置。且驅動氣缸74A、 74B的前端部上設有用 于排出一部分氣體的氣體排出機構715。由于驅動氣缸74A及74B前后錯開設置，所以會增加 測量方向上的導引距離，實現(xiàn)穩(wěn)定的測量。另外，可僅驅動氣缸74A、 74B中的一個后端插入 氣體吹入管711，即僅對驅動氣缸74A、 74B中一個吹氣，由此只設一個氣體吹入機構，可進 一步簡化該測量裝置的結構。
類似地，對于第二、第三、第四實施例中的接觸式測量裝置20、 40、 60，也可將其驅動 氣缸或驅動件24、 44、 64前后或上下錯開設置。
權利要求
1.一種物體表面形貌測量方法，該測量方法包括以下步驟(1)提供一個測量裝置，該測量裝置包括測量端子、傳感器及與傳感器相連的處理裝置，測量端子可沿一第一方向移動，傳感器用于感測測量端子的位移；(2)將測量端子靠近被測物并使之與被測物表面接觸，且將該位置下測量端子與被測物的接觸點在處理裝置內記錄為原始位置；(3)驅動測量端子或被測物運動使測量端子與被測物的接觸點運動至另一位置，傳感器感測測量端子在第一方向的位移動并傳送給處理裝置，處理裝置記錄該位置坐標；(4)多次重復步驟(3)，處理裝置記錄一系列位置的坐標。
2.如權利要求l所述的物體表面形貌測量方法，其特征在于該測量 方法還包括以卜-步驟處理裝置根據(jù)被測物的預定的理想表面形貌的凼數(shù)計算出一系列被測 物表面的理想坐標，并將上述記錄的坐標與該理想坐標對比，得到一系列坐標差值，由此得 到被測物表面形貌與理想形貌的差別。
3.如權利要求2所述的物體表面形貌測量方法，其特征在于該測量 方法還包括以卜-步驟該測量裝置用于在線測量，處理裝置內裝有補償軟件及加工程序，加 工程序可于加工被測物時運用補償軟件根據(jù)上述AZi的值對其內加工參數(shù)進行修正。
4.如權利要求l所述的物體表面形貌測量方法，其特征在于在上述 驅動測量端子的過程中，驅動測量端子在除去上述第一方向外的至少一個方向運動，測量端 子同時在測量裝置施加的測量壓力作用卜沿第一方向移動。
5.如權利要求4所述的物體表面形貌測量方法，其特征在于設定上 述第一方向為Z軸方向，還設定一個垂直十Z軸方向的X軸和一個垂直于Z軸和X軸的Y軸，驅動 測量端子在Y二YO的平面內沿平行于X軸的方向運動Xml，測量端子同時在平行于Z軸的方向運動 ，處理裝置記錄的一系列坐標為(Xml， Y0， Zml) 、 (Xm2， Y0， Zm2) 、 (Xm3， Y0， Zm3)…( Xmi， Y0， Zmi);處理裝置根據(jù)被測物的理想表面形貌的函數(shù)Z二f (X， Y)，其中Y二Y0，計算 出一系列被測物表面的理想坐標(Xml， Y0， Znl) 、 (Xm2， Y0， Zn2) 、 (Xm3， Y0, Zn3)… (Xmi， Y0， Zni);處理裝置比較各相同X、 Y坐標下的Z坐標，得到一系列Z坐標的差值△ Zl=ZmHnl、 AZ2=Zm2-Zn2、 AZ3=Zm3-Zn3...AZi=ZmHni 。
6.如權利要求5所述的物體表面形貌測量方法，其特征在于將測量 端子驅動至Y坐標為Y1、 Y2、 Y3…Yi的平面內，重復上述操作。
7.如權利要求l所述的物體表面形貌測量方法，其特征在于設定上 述第一方向為Z軸方向，還設定一個垂直于Z軸方向的X軸和一個垂直于Z軸和X軸的Y軸，同時 驅動測量端子在X、 Y方向同時移動。
8.如權利要求l所述的物體表面形貌測量方法，其特征在于該測量 裝置上設有至少一個用于驅動該測量端子的驅動氣缸；該驅動氣缸上設有將吹入該驅動氣缸 內的氣體排出一部分而保持該驅動氣缸較小驅動壓力的氣體排出機構。
9.如權利要求l所述的物體表面形貌測量方法，其特征在于該測量 裝置上設有至少一個驅動氣缸，該驅動氣缸的外側壁設置有至少一個氣體導管，該氣體導管 的延伸方向與驅動氣缸軸線的夾角大于0度且小于90度，向氣體導管內吹入的氣體作用于驅 動氣缸的外側壁上，從而推動驅動氣缸帶動測量端子運動，吹入的氣體部分排出從而保持該 驅動氣缸較小之驅動壓力。
10.如權利要求l所述的物體表面形貌測量方法，其特征在于該測 量裝置利用測量裝置至少部分元件的重力作為測量壓力，該測量裝置上還設有重力平衡裝置 ，該重力平衡裝置可抵消至少部分上述部分元件的重力，而使測量端子獲得較小的測量壓力
11.如權利要求10所述的物體表面形貌測量方法，其特征在于該測 量端子可移動地設于測量裝置上，且其移動方向平行于重力方向，該重力平衡裝置為彈簧， 該彈簧產生一個與重力方向相反的彈力。
12.如權利要求10所述的物體表面形貌測量方法，其特征在于該測 量端子可移動地設于測量裝置上，且其移動方向平行于重力方向，該重力平衡裝置為驅動氣 缸，該驅動氣缸在氣體的作用下受與重力方向相反的作用力。
13.如權利要求8或9或10所述的物體表面形貌測量方法，其特征在于 :該測量裝置還包括至少一個導引塊，導引塊上設有導引孔，驅動氣缸穿插于該導引孔內， 該導引塊上均勻設置有用于吹入氣體的氣體導管，該氣體導管與導引孔相通，該驅動氣缸的 外側壁與該導引塊間存在間隙，向氣體導管內吹入氣體使驅動氣缸的外側壁與導引塊之間形 成空氣軸承。
全文摘要
本發(fā)明公開一種物體表面形貌測量方法，包括以下步驟(1)提供測量裝置，該測量裝置包括測量端子、傳感器及與傳感器相連的處理裝置，測量端子可沿第一方向移動，傳感器用于感測測量端子的位移；(2)將測量端子靠近被測物并使之與被測物表面接觸，且將該位置下測量端子與被測物的接觸點在處理裝置內記錄下來；(3)驅動測量端子運動使其與被測物的接觸點運動至另一位置，傳感器感測測量端子在第一方向的位移動并傳送給處理裝置，處理裝置記錄該位置坐標；(4)重復步驟(3)，處理裝置記錄一系列位置坐標。
文檔編號G01B21/20GK101354246SQ200710201200
公開日2009年1月28日 申請日期2007年7月27日 優(yōu)先權日2007年7月27日
發(fā)明者中川威雄, 慶 劉, 李軍旗 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司;鴻海精密工業(yè)股份有限公司