一种用于单点金刚石车床直线轴误差测量的装置及方法与流程

本发明属于超精密加工装备精密测量领域，涉及一种用于单点金刚石车床直线轴误差测量的装置及方法，更具体地，涉及一种基于标准靶阵列的单点金刚石车床直线轴垂直度误差测量装置及方法。

背景技术：

单点金刚石车床是典型的超精密加工装备之一，其经过长时间发展，在恒温、恒压、主动隔振等超精密加工环境，及直线静压导轨与空气轴承主轴等先进技术装备的条件下，其加工性能已达到传统机械制造的极限，实现了微米级的尺寸精度与纳米级的表面粗糙度。其优良性能依赖机床运动精度保证，垂直度误差是机床的一项重要几何误差，特别是对于单点金刚石车床，影响其进给精度，进而降低了工件尺寸加工精度。只有提高垂直度误差的检测水平，通过误差补偿及改进加工工艺来提高超精密加工装备的加工精度，促进超精密加工技术的发展。

现有垂直度误差测量方法有直角尺法，基于激光干涉计量的对角线法与镜组法，以及基于球杆仪数据分析等，这些测量方法精度有限，并且受限于机床结构布置，测量范围有限，只适用于普通机床，无法满足超精密加工装备的检测需求。

因此，亟需一种测量范围更广、测量精度更高的装置与方法。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于单点金刚石车床直线轴误差测量的装置，其目的在于，基于特制的标准靶阵列，能够在直线轴的全行程内进行微特征图像扫描，结合图像提取技术自动计算单点金刚石车床直线轴的相关误差，从而实现单点金刚石车床直线轴全行程内的误差精确测量，由此解决现有技术测量范围有限、测量精度有限的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于单点金刚石车床直线轴误差测量的装置，包括显微相机、标准靶阵列平板、微特征提取程序模块和误差计算程序模块；

所述标准靶阵列平板的长度大于待测单点金刚石车床的直线轴x的行程，宽度大于待测单点金刚石车床的直线轴z的行程；所述标准靶阵列平板的一面设有由标定过的呈行列等间隔均匀分布的微特征组成的微特征阵列；

所述微特征包括辅助特征与目标特征；辅助特征包括田字形图案及多个指向田字形图案中心的箭头，用于辅助显微相机快速寻找与定位目标特征；目标特征为圆环图案，位于田字形图案中心位置；

使用状态下，显微相机安装在待测单点金刚石车床的直线轴x的运动平台上；所述标准靶阵列平板安装在待测单点金刚石车床的直线轴z的运动平台上，且设有微特征阵列的一面朝向显微相机且与待测单点金刚石车床的加工平面对齐；

微特征提取程序模块用于根据显微相机按照预设路径扫描的微特征，定位目标特征并提取圆环图案的圆心位置和半径大小；误差计算程序模块用于根据圆环图案的圆心位置和半径大小计算出单点金刚石车床直线轴x、z的定位误差、水平直线度误差及垂直度误差中的至少一个。

进一步地，使用光刻工艺在矩形的光刻掩膜板的一侧表面加工所述微特征阵列，再使用计量型三坐标测量仪对光刻掩膜板上的微特征阵列的位置关系进行标定，制成所述标准靶阵列平板。

进一步地，所述多个指向田字形图案中心的箭头，沿田字形图案的周向均匀分布。

进一步地，所述显微相机包括显微物镜和高速ccd相机，显微物镜用于对所述标准靶阵列平板上的微特征进行显微放大，高速ccd相机用于采集放大后的微特征图像。

进一步地，所述微特征提取程序模块在被调用执行时，基于边缘跟踪算法识别出圆环图案的外圆和内圆，进而分别提取圆环图案外圆与内圆的圆心坐标与半径，将外圆与内圆的圆心坐标的平均值作为圆环图案的圆心位置，将外圆与内圆的半径差作为圆环图案的宽度。

进一步地，所述微特征提取程序模块在被调用执行时，对于扫描路径上的每个微特征，均按照如下步骤提取圆环图案的位置和半径：

(1)对显微相机(4)采集的微特征图像进行逐行扫描，直到遇到第一个非零点；将该非零点作为外圆的起始点，对该外圆进行8-邻域跟踪，并记录被跟踪点的x坐标和y坐标；

(2)跟踪完毕后，利用跟踪得到的圆边界点的x坐标和y坐标值进行最小二乘拟合，得到外圆的拟合圆心(x1i,y1i)和半径r1i；

(3)将外圆半径减小n个像素的圆区域作为新的扫描区域，按照步骤(1)、(2)的方法，获取圆环图案的内圆的拟合圆心(x2i,y2i)和半径r2i；

(4)将外圆与内圆的圆心坐标的平均值作为圆环图案的圆心坐标(xi,yi)如下：

将外圆与内圆的半径差r1i-r2i作为圆环图案的宽度δri；

其中，i为微特征的采集顺序编号，采集的第一个微特征编号为i＝0。

进一步地，误差计算程序模块用于按照如下方法计算单点金刚石车床直线轴定位误差、水平直线度误差及垂直度误差：

对于直线轴x(1)，以显微相机(4)沿直线轴x(1)运动过程中采集的第一个微特征的圆心在ccd图像中的位置(x0,y0)为参考基准，其它微特征圆心(xi,yi)相对于(x0,y0)在ccd图像中的x轴方向的偏移量为定位误差δdi，在ccd图像中的y轴方向的偏移量为δvi；对δdi进行最小二乘拟合得到直线轴x(1)的定位误差，对δvi进行最小二乘拟合得到直线轴x(1)的水平直线度和水平直线度误差；

其中：

式中，d为圆环图案的实际标称宽度值；

同理可得直线轴z(8)的定位误差、水平直线度和水平直线度误差；

获取直线轴x(1)与直线轴z(8)的水平直线度后，计算垂直度误差sxz为：

sxz＝arctank2-arctank1-90°

式中，k1与k2分别为直线轴z(8)与直线轴x(1)的水平直线度。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述装置进行单点金刚石车床直线轴误差测量的方法，包括如下步骤：

(1)驱动单点金刚石车床的直线轴x与直线轴z分别运动到零行程的起始位置，将显微相机安装在直线轴x的运动平台上，将标准靶阵列平板安装在单点金刚石车床的直线轴z的运动平台上，使标准靶阵列平板上设有微特征阵列的一面与单点金刚石车床的加工平面对齐，调整显微相机与标准靶阵列平板之间的距离，直到可以清晰呈现微特征显微放大图像；

(2)驱动直线轴x带动显微相机匀速运动，同时采集显微相机扫描到的微特征显微放大图像，直到直线轴x运动完全行程后停止运动；再驱动直线轴z带动标准靶阵列平板匀速运动，同时采集显微相机扫描到的微特征显微放大图像，直到直线轴z运动完全行程，完成l形扫描运动轨迹；

(3)在步骤扫描的同时或步骤扫描完成后，使用微特征提取程序模块对显微相机采集到的微特征图像进行特征提取，获取微特征的圆环图案的圆心位置和半径大小，通过误差计算程序模块计算出单点金刚石车床直线轴定位误差、水平直线度误差及垂直度误差中的至少一个，完成测量。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)测量精度高：使用标定过的标准靶阵列平板作为扫描提取对象，具有较的高精度；再利用显微相机，结合显微技术与微特征图像提取技术，可实现标准靶阵列平板上的微特征精准定位与高精度特征参数提取，从而实现单点金刚石车床直线轴垂直度误差高精度测量；在实际测量时检测平面为单点金刚石车床的加工平面，更能反映机床垂直度误差对加工精度的影响；此外，使用光刻技术加工标准靶阵列平板，可以获取高精度的微特征阵列，同时运用计量型三坐标测量仪对平板上的微特征阵列之间的位置关系进行标定，可以进一步保证标准靶阵列平板的高精度。

(2)测量范围大，可实现全行程测量：现有方法由于测量装置部件较多，受机床内部及外部空间限制，只能对机床局部运动行程进行测量，而局部行程垂直度误差与全行程垂直度误差差异巨大；本发明使用尺寸大于机床运动行程的标准靶阵列平板，即可实现机床全行程的垂直度误差测量。

(3)实施方便与快速测量：现有测量方法，如基于激光干涉的镜组法，受现场空间及测量原理的限制，其安装调试较为困难，并需要多次装调；相对而言，本发明基于标准靶阵列平板和显微相机实现，装置构成简单，安装调试较为容易，并且只需一次装调便可完成测量。

(4)总之，本发明的测量装置及方法，为了实现对单点金刚石车床的垂直度误差进行测量，利用光刻技术制造高精度标准靶阵列平板，结合显微技术与微特征提取技术，实现单点金刚石车床直线轴定位精度、水平直线度及轴间垂直度误差测量，该方法测量精度高，具有测量范围大，实施方便与快速测量的优点。

附图说明

图1是本发明优选实施例的用于单点金刚石车床直线轴垂直度误差测量方法的装置简图；

图2是本发明优选实施例的用于单点金刚石车床直线轴垂直度误差测量方法的微特征布局示意图；

图3是本发明优选实施例的用于单点金刚石车床直线轴垂直度误差测量方法的圆环图案示意图；

图4是本发明优选实施例的用于单点金刚石车床直线轴垂直度误差测量方法的标准靶阵列平板结构示意图；

图5是本发明优选实施例的用于单点金刚石车床直线轴垂直度误差测量方法的显微相机结构示意图；

图6是本发明优选实施例的垂直度误差计算原理图，曲线a为沿直线轴x提取微特征得到的圆心连线，直线b为曲线a的拟合直线，曲线c为沿直线轴z提取微特征得到的圆心连线，直线d为曲线c的拟合直线。

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：

1-直线轴x，2-显微相机固定组件3-显微相机调整组件，4-显微相机，5-“l”形扫描运动轨迹，6-标准靶阵列平板，7-支撑块，8-直线轴z，9-显微物镜，10-ccd相机。

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为本发明的装置简图。如图1所示，本发明优选实施例的用于单点金刚石车床直线轴误差测量装置，包括：直线轴x1、显微相机固定组件2、显微相机调整组件3、显微相机4、标准靶阵列平板6、支撑块7、直线轴z8、“l”形扫描运动轨迹5。

所述显微相机4通过显微相机固定组件2与显微相机调整组件3安装在直线轴x1的运动平台上，所述标准靶阵列平板6通过支撑块7安装在单点金刚石车床的直线轴z的运动平台上，使所述标准靶阵列平板6上端面与单点金刚石车床的加工平面对齐，通过显微相机调整组件3调整所述显微相机4与所述标准靶阵列平板6上端面之间的距离，直到可以清晰呈现微特征显微放大图像为止。

图2为图1中所示标准靶阵列平板结构示意图，本实施例优选为矩形状的光刻掩膜板，长度与宽度分别略大于单点金刚石车床直线轴x1与直线轴z8的行程，使用光刻工艺在光刻掩膜板的上表面加工呈行列等间隔均匀分布的微特征阵列，再使用计量型三坐标测量仪对光刻掩膜板上的微特征阵列的位置关系进行标定，制成所述标准靶阵列平板6。

图3为图1和图2中所示标准靶阵列平板上表面的微特征示意图，微特征包括辅助特征与目标特征，优选地，辅助特征包括田字形图案以及四个均匀环绕在田字形图案的指向箭头，箭头指向田字形图案中心。用于在显微相机下快速寻找与定位目标特征，目标特征为圆环图案，位于田字形图案中心位置。

图4为图3中微特征的目标结构特征——圆环图案的放大示意图，由两个同心圆环组成，尺寸优选为微米级。

图5为图1中所示显微相机结构示意图，其为同轴光源的微型显微相机，集成有高倍率显微物镜9和高速ccd相机10，对所述标准靶阵列平板6上的微特征进行显微放大与图像采集。

下面将具体描述利用按照本发明的测量方法进行单点金刚石车床直线轴垂直度误差测量：

(1)调整好单点金刚石车床的直线轴x1与直线轴z8的起始位置，将所述显微相机4通过显微相机固定组件2与显微相机调整组件3安装在直线轴x1的运动平台上，再将所述标准靶阵列平板6通过支撑块7安装在单点金刚石车床的直线轴z8的运动平台上，使所述标准靶阵列平板6上端面与单点金刚石车床的加工平面对齐，通过显微相机调整组件3调整所述显微相机4的显微物镜9与所述标准靶阵列平板6上端面之间的距离，直到高速ccd相机10可以清晰呈现微特征显微放大图像为止。

(2)驱动安装所述显微相机4的直线轴x1匀速缓慢运动，通过高速ccd相机10采集所述显微相机4扫描到的微特征显微放大图像，直到直线轴x1运动完全行程后停止运动；再驱动安装所述标准靶阵列平板6的直线轴z8匀速缓慢运动，通过高速ccd相机10采集所述标准靶阵列平板6在显微相机4下扫描到的微特征显微放大图像，直到直线轴z8运动完全行程为止，完成“l”形扫描运动轨迹5。

(3)使用微特征提取程序模块对所述显微相机4采集到的微特征图像进行特征提取，获取所述微特征的圆环图案的圆心位置与和半径大小等参数，然后使用误差计算程序模块分析并计算出单点金刚石车床直线轴定位误差、水平直线度误差及垂直度误差，完成测量。

其中，所述微特征提取程序模块在被调用执行时，对于扫描路径上的每个微特征，均按照如下步骤提取圆环图案的位置和半径：

(3.1)对显微相机采集的微特征图像进行逐行扫描，直到遇到第一个非零点；将该非零点作为外圆的起始点，对该外圆进行8-邻域跟踪，并记录被跟踪点的x坐标和y坐标；

(3.2)跟踪完毕后，利用跟踪得到的圆边界点的x坐标和y坐标值进行最小二乘拟合，得到外圆的拟合圆心(x1i,y1i)和半径r1i；

(3.3)将外圆半径减小n个像素的圆区域作为新的扫描区域，按照步骤(3.1)、(3.2)的方法，获取圆环图案的内圆的拟合圆心(x2i,y2i)和半径r2i；其中，n为经验值，其作用是将扫描范围缩小至外圆内部，以使逐行扫描得到的第一个非零点恰好为内圆轮廓上的点，本实施例优选n＝5。

(3.4)将外圆与内圆的圆心坐标的平均值作为圆环图案的圆心坐标(xi,yi)如下：

将外圆与内圆的半径差r1i-r2i作为圆环图案的宽度δri；

其中，i为微特征的采集顺序编号，采集的第一个微特征编号为i＝0。

误差计算程序模块用于按照如下方法计算单点金刚石车床直线轴定位误差、水平直线度误差及垂直度误差：

误差计算程序模块用于按照如下方法计算单点金刚石车床直线轴定位误差、水平直线度误差及垂直度误差：

(3.5)对于直线轴x1，以显微相机4沿直线轴x1运动过程中采集的第一个微特征的圆心在ccd图像中的位置(x0,y0)为参考基准，其它微特征圆心(xi,yi)相对于(x0,y0)在ccd图像中的x轴方向的偏移量为定位误差δdi，在ccd图像中的y轴方向的偏移量为δvi；对δdi进行最小二乘拟合得到直线轴x1的定位误差edw，对δvi进行最小二乘拟合得到直线轴x1的水平直线度和水平直线度误差ehs；

其中：

式中，d为圆环图案的实际标称宽度值；

同理可得直线轴z8的定位误差、水平直线度和水平直线度误差；

如图6所示，获取直线轴x1与直线轴z8的水平直线度后，计算垂直度误差sxz为：

sxz＝γ-90°＝-α-β＝arctank2-arctank1-90°

式中，α是直线d与单点金刚石车床z轴的夹角，β是直线b与单点金刚石车床x轴的夹角，γ是直线b与直线d的夹角，k1与k2分别为直线轴z8与直线轴x1的水平直线度。

本发明针对单点金刚石车床直线轴垂直度误差提出了一种高精度全行程的测量方法，设计了高精度的标准靶阵列，提出一种基于边缘跟踪的圆环图案提取算法，提高机床直线轴运动定位精度测量的准确性，从而实现单点金刚石车床直线轴垂直度误差高精度测量。

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。