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一种用于工件的表面形貌测量的系统、用于测量系统的装置

申请号 CN201590001097.6 申请日 2015-09-09 公开(公告)号 CN206967158U 公开(公告)日 2018-02-06
申请人 香港科技大学; 发明人 高咏生; 李锐鹏;
摘要 一种用于 工件 的表面形貌测量的系统,所述系统包括: 传感器 ;移动系统,所述移动系统配置为沿x-方向、y-方向和z-方向移动所述传感器或工件;实施装置,所述实施装置配置为将冷却剂从所述工件的表面上的一个或多个测量点排开,其中,排开所述冷却剂使得所述传感器能够在一个或多个所述测量点进行检测。所述传感器配置为在机加工过程中从所述工件的表面上的一个或多个所述测量点获取测量结果,在所述机加工过程中所述工件处于基于利用所述实施装置将所述冷却剂从一个或多个所述测量点排开的冷却剂条件下。
权利要求

1.一种用于工件的表面形貌测量的系统,所述系统包括:
传感器
移动系统,所述移动系统配置为沿x-方向、y-方向和z-方向移动所述传感器或工件;
实施装置,所述实施装置配置为将冷却剂从所述工件的表面上的一个或多个测量点排开,其中,排开所述冷却剂使得所述传感器能够在一个或多个所述测量点进行检测;
其中,所述传感器配置为在机加工过程中从所述工件的表面上的一个或多个所述测量点获取测量结果,在所述机加工过程中所述工件处于基于利用所述实施装置将所述冷却剂从一个或多个所述测量点排开的冷却剂条件下。
2.根据权利要求1所述的系统,其中,所述实施装置包括多个气柱产生器,多个所述气柱产生器环绕一个或者多个所述测量点,其中,多个所述气柱产生器配置为将多个方向的所述冷却剂从一个或多个测量点排开。
3.根据权利要求1所述的系统,其中,所述实施装置被置于所述工件的表面附近,以使得在所述实施装置和所述工件的表面之间形成封闭的气体空间。
4.根据权利要求1所述的系统,其中,所述实施装置包括通道,使用过的气体通过所述通道穿过所述实施装置的主体逸出。
5.根据权利要求4所述的系统,其中,所述通道为锥形。
6.根据权利要求5所述的系统,其中,所述实施装置包括第二通道,使用过的气体通过所述第二通道穿过所述实施装置的主体逸出,并且其中,所述第二通道为圆柱形。
7.根据权利要求1所述的系统,其中,所述实施装置包括管状结构,该管状结构配置为为所述传感器与所述工件上的一个或多个测量点之间提供一个或多个路径。
8.根据权利要求1所述的系统,其中,所述实施装置配置为排开冷却流体、冷却雾和/或冷却油。
9.根据权利要求1所述的系统,其中,所述实施装置包括底表面,所述底表面与所述工件的表面大致匹配。
10.根据权利要求1所述的系统,所述系统还包括:
存储器,所述存储器具有存储在该存储器上的指令,以接收测量设置、接收测量值,并显示测量结果。
11.根据权利要求1所述的系统,其中,所述传感器为光学传感器、电磁传感器、电学传感器、声波传感器和传感器中的任意一者。
12.一种用于测量系统的装置,所述装置包括:
一个或多个内部进气通道,所述内部进气通道配置为接收进入所述装置的气流;
多个气柱产生器,多个所述气柱产生器围绕一个或多个测量点布置,多个所述气柱产生器配置为向所述工件的表面提供接收到的气流;
一个或多个内部气体逸出通道,所述内部气体逸出通道配置为收集流动跨过所述工件的表面的气体;
一个或多个测量路径,所述测量路径配置为提供所述测量系统的传感器,所述传感器直接测量所述工件的表面。
13.根据权利要求12所述的装置,所述装置还包括:
底表面,所述底表面与所述工件的表面大致匹配。
14.根据权利要求13所述的装置,其中,所述底表面为平面、球状表面和柱状表面中的任意一者。
15.根据权利要求12所述的装置,其中,多个所述气柱产生器配置为排开冷却流体、冷却雾、冷却油和/或者冷却剂。
16.根据权利要求12所述的装置,其中,一个或者多个所述内部气体逸出通道为柱状通道、锥形通道、柱形加锥形通道中的任意一者。
17.根据权利要求12所述的装置,其中,一个或多个所述测量路径为管状结构。
18.根据权利要求12所述的装置,其中,一个或者多个所述内部气体逃出通道中的每一个的尺寸均大于多个所述气柱产生器中的每一个的尺寸。
19.根据权利要求12所述的装置,其中,一个或多个所述内部气体逸出通道中的每一个的尺寸都小于或者等于多个所述气柱产生器中的每一个的尺寸。
20.根据权利要求12所述的装置,其中,多个所述气柱产生器以产生一个或多个透明窗或者透光区域的方式布置。
21.根据权利要求12所述的装置,其中,所述测量系统的传感器为光学传感器、电磁传感器、电学传感器、超声波传感器和压力传感器中的任意一者。

说明书全文

一种用于工件的表面形貌测量的系统、用于测量系统的装置

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本专利申请要求申请日为2014年9月9日、申请号为No.62/070,900的美国临时专利申请的优先权,该美国临时专利申请的全部内容以引用的方式整体结合于此。

背景技术

[0003] 加工过程通常会产生大量的热量和很多碎片或碎件。为了增加制造设备的精度、增强表面质量、并最终延长工具寿命,必须将大量的热量降低。为了减小对设备的工件的表面的损伤,必须清除碎片和瑕疵。使用冷却剂、冷却流体、冷却油或者冷却雾是达到上述两个要求的最常见的方法。由于冷却剂可能从任意方向喷射,并导致冷却剂溅射到各个位置,因此在加工过程中使用冷却剂通常会在工件的表面形成不透明的阻隔层。
[0004] 除此之外,在很多情况下,冷却液的溅射导致工件浸泡在冷却剂层中。当这种情况发生时,试图排开冷却剂可能导致气泡的产生或破裂,从而引起工件震动,导致测量误差。实用新型内容
[0005] 在一种示例性实施方式中,提供了一种用于工件的表面形貌测量的系统。所述系统包括:传感器;移动系统,所述移动系统配置为沿x-方向、y-方向、z-方向移动传感器或者工件;实施装置,所述实施装置配置为将冷却剂从工件的表面上的一个或多个测量点排开,其中,排开所述冷却剂使得所述传感器能够对一个或多个测量点进行检测。所述传感器配置为在机加工过程中从所述工件的表面上的一个或多个测量点获取测量结果,在所述机加工过程中所述工件处于基于利用所述实施装置将冷却剂被从一个或多个测量点排开的冷却剂条件 下。附图说明
[0006] 下文中将根据示例性附图对本实用新型进行更详细的描述。本实用新型不限于示例性的实施方式。此处描述和/或展示的所有特征都可以单独使用或者与本实用新型实施方式中进行的结合使用。通过参照附图阅读下文中的详细描述,本实用新型的多个实施方式的特征和优点将更加清晰,其中:
[0007] 图1描绘了测量系统的示意图;
[0008] 图1A描绘了图1中的测量系统的多个变形
[0009] 图2A-2B描绘了实施装置的模型;
[0010] 图3描绘了所述实施装置的模型的工作原理;
[0011] 图4描绘了所述实施装置的模型的俯视图;
[0012] 图5描绘了所述实施装置的模型的主视图;
[0013] 图6描绘了所述实施装置的模型的横截面图;
[0014] 图7描绘了所述实施装置的模型的仰视图;
[0015] 图8描绘了所述实施装置的模型的另一个仰视图;
[0016] 图9描绘了传感器的视图;
[0017] 图10描绘了测量系统的侧视图;
[0018] 图11描绘了测量系统的主视图;
[0019] 图12描绘了所述测量系统中包含的z轴编码器系统;
[0020] 图13描绘了所述测量系统中包含的x轴编码器系统;
[0021] 图14描绘了实施装置调节系统;
[0022] 图15描绘了实施装置后盖;
[0023] 图16描绘了实施装置前盖;
[0024] 图17描绘了工件样本;
[0025] 图18描绘了工件的表面;
[0026] 图19描绘了工件的表面粗糙度示意图;
[0027] 图20描绘了冷却剂箱;
[0028] 图21描绘了放置在所述冷却剂箱中的工件;
[0029] 图22描绘了冷却剂喷嘴
[0030] 图23描绘了填充有冷却剂的冷却剂箱;
[0031] 图24描绘了无冷却剂的tc测试的主视图;
[0032] 图25描绘了无冷却剂的tc测试的侧视图;
[0033] 图26描绘了有冷却剂的tc测试的主视图;
[0034] 图27描绘了有冷却剂的tc测试的侧视图;
[0035] 图28描绘了有冷却剂的工作条件下实施装置后盖的视图;
[0036] 图29描绘了有冷却剂的工作条件下实施装置前盖的视图;
[0037] 图30描绘了来自前方的冷却剂的主视图;
[0038] 图31描绘了来自前方的冷却剂的侧视图;
[0039] 图32描绘了来自后方的冷却剂的侧视图;
[0040] 图33描绘了来自侧方的冷却剂的主视图;
[0041] 图34描绘了来自侧方的冷却剂的侧视图;
[0042] 图35是根据特定实施方式的测量系统和测试系统的流程图
[0043] 图36A-H是数据采集软件的示例性截图;
[0044] 图37描绘了数据采集软件的数据处理图形用户界面(data processing GUI interface);
[0045] 图38描绘了数据采集软件的数据处理图形用户帮助界面;
[0046] 图39是展示x轴正方向的随机残差评估的曲线;
[0047] 图40是展示x轴负方向的随机残差评估的曲线;
[0048] 图41是展示z轴正方向的随机残差评估的曲线;
[0049] 图42是展示每个点的x轴正方向的系统残差评估的曲线;
[0050] 图43是展示每个点的x轴负方向的系统残差评估的曲线;
[0051] 图44是展示每个点的z轴正方向的系统残差评估的曲线;
[0052] 图45A-D展示了两个不同晶片(晶片1和晶片2)上的多个测量结果;
[0053] 图46A-B展示了制工件的测量结果;
[0054] 图47A是用于具有柱形表面的工件的实施装置的示例图;
[0055] 图47B是用于具有球形表面的工件的实施装置的示例图;
[0056] 图48A-C是实施装置的多个示例性视图,展示了示例性尺寸信 息。

具体实施方式

[0057] 此处描述的测量系统的多种实施方式都使得能够对冷却剂条件下的加工过程中进行非接触光学测量。非接触测量的测量部分不与工件接触。非接触测量方法的实施例包括光学法、电磁法、电学法、声波法和压法(pneunatic method)。非接触测量提供了不在工件的表面留下损伤的优点。此外,非接触光学传感器能够提供高精度和高效率的非接触测量。
[0058] 在依赖于冷却剂的加工过程中,冷却剂可能从任意方向喷射,并导致冷却剂溅射到各个位置,从而覆盖工件的表面。一种示例性实施方式提供一种非接触测量传感器,以精确测量处于冷却剂条件下的工件,所述冷却剂条件是指加工过程中使用冷却剂并且可能导致工件被浸泡在冷却剂中的条件。
[0059] 测量方法可以被分为三种类型:在线测量、离线测量(post-process measurement)和在位测量(in-situ measurement)。在线测量是正在加工工件时执行且不会打断加工过程的测量。本公开的特定实施方式将提供允许改进产品质量和生产率的在线测量的方式。
[0060] 在一种示例性实施方式中,提供一种测量系统,所述测量系统能够在冷却剂条件下在线光学测量工件的表面形貌z(x,y)或表面形貌y(x,z)。表达式z(x,y)通常用于单次独立计量的实验室实验(stand-alone metrology lab test)中。表达式y(x,z)通常用于在加工过程中。为了简化描述,表达式y(x,z)将会被用于表示工件的表面形貌。
[0061] 所述测量系统的示例性实施方式提供了一种能够在y方向高精测量的精密传感器。此外,这些示例性实施方式可以提供3D移动系统,由于这种类型的精密传感器通常沿y方向的量程(measurement range)有限,所以,所述3D移动系统用于沿着x方向和z方向移动传感器或者工件,并用于沿y方向移动传感器或者工件以实现沿y方向的传感器位置调节,该3D移动系统通常由三个精密平台实现。例如,某些传感器只可以测量小于300μm的特征。对于超过这个量 程的测量,所述传感器将无法工作。因此,利用y平台的设计方案能够解决量程的问题。
[0062] 所述测量系统的示例性实施方式还可以装配有特殊设计的一个或多个实施装置(applicator),该实施装置用于处理特定的冷却剂问题。所述实施装置的设计可以包括多个特征,例如,该多个特征包括:(1)气柱锥(air beam cone)或气柱结构;(2)仅用气体充满小的封闭空间;(3)气体逸出锥(air escape cone)或气体逸出结构;和(4)测量路径(measurement path)。下文中对这些特征进行了更加详细的讨论:
[0063] (1)气柱锥或气柱结构。气柱产生器可以产生多个气柱,并且,如图1-图7所描绘的,多个气柱沿锥形表面均匀分布。所述气柱的喷嘴或尖端在位于所述实施装置底部的直径为φar的气柱环上。每个气柱喷嘴φa都是倾斜的,并且相对工件表面的度为αa,以允许将冷却剂从测量点(x,z)排开。选定的设计结构能够产生透明窗,该透明窗的面积为At,并且所述透明窗允许仅利用气柱所具有的最小量的动能便进行精密的光学测量,以获得表面形貌y(x,z)。可以根据特定的加工过程对角度、直径、和气柱的尺寸以及气柱环的尺寸进行优化。因此,示例性实施方式能够排开来自任何方向的冷却剂,这对于在线光学测量系统来说是一个重要特性。应当注意的是,所述透明窗At还允许进行精密的多点测量,以获得所述透明窗At内的多点处的测量值y(x1≤x≤xn,z1≤z≤zn)。
[0064] (2)仅较小的封闭空间内充满气体。在利用这个特征的示例性实施方式中,将所述实施装置设置为在距离工件表面ha的位置靠近工件的表面。所述实施装置的底部、所述工件的表面、以及所述气柱环内部的空间是封闭的并且非常小,但是该空间足以执行在点(x,z)处的测量。所述空间由如图1中所描绘的连续流入和流出的压缩气体形成。所述空间内填充有光学透明的气体,并且所述压缩气体还用作所述腔体的壁,通过从中间区域向外部区域呈放射状地移动使得所述冷却剂离开所述测量点。中心为测量点(x,z)。因此,形成透明或透光的测量窗,该测量窗允许在冷却剂条件下对工件的表面y(x,z)进 行在线精密光学测量。这些示例性实施方式可以帮助将压缩气体的消耗量最小化,并且还可以避免使用高速气流,该高速气流可以影响测量精度。
[0065] (3)气体逸出锥或气体逸出结构。如图1-图7所描绘的,所述实施装置中设计有锥形通道,以允许使用过的气体沿着穿过所述实施装置的主体的锥形通道容易地逸出。使用过的气体从内部穿过所述实施装置逸出,并且不在外部环绕所述实施装置的本体。当空间有限时,可以使用柱形通道58(图3)和锥形通道60(图3)的组合来替代单纯的锥形通道。由于需要增加图3中的气体逸出锥45和气体逸出锥46之间的间隔,因此,单纯的锥形通道将使得所述实施装置比现有设计大很多。作为对比,图1提供了单纯的锥形气体逸出结构,并且图3图示了锥形加柱形的气体逸出结构。图1A图示了图1中锥形设计和图3中锥形加柱形设计之间的不同与改变。逸出环φae(图7)为位于所述实施装置底部的开口,所述逸出环允许使用过的气体逸出。气体逸出锥或气体逸出结构消除了在所述实施装置周围的冷却剂气泡的产生以及破裂,并且,更加重要的是,杜绝了在工件附近冷却剂气泡的产生和破裂,从而避免工件振动。在特定的示例性实施方式中,气体逸出锥或气体逸出结构的尺寸比气柱锥或气柱结构的尺寸大,从而能够实现收集所有的使用过的气体,并且能够实现气体穿过所述逸出锥或者逸出结构而产生一个或多个透明窗的目的。所述气体逸出锥的较大端位于顶部(见图3中的气体逸出锥45、气体逸出锥46和气体逸出锥60)。在特定示例性实施方式中,可以根据特定的加工过程对由气体逸出环的直径φae、气体逸出环的厚度tae以及气体逸出角度αae确定的气体逸出锥的尺寸进行优化。因此,利用气体逸出锥或气体逸出结构的示例性实施方式能够避免或减少实施装置与工件的振动(该振动可能是测量误差的重要来源)。这允许提高测量精度。在其他示例性实施方式中,为了产生一个或多个透明窗,所述气体逸出锥或气体逸出结构的尺寸可以等于或小于所述气柱锥或气柱结构的尺寸。
[0066] (4)测量路径。为了读取工件在点(x,z)处的表面y(x,z), 设置例如图1至图7所描绘的长的中空管或长的中空矩形结构,以允许光柱直接到达工件表面从而进行精密测量。将所述测量路径设置在所述气柱锥内部。部分使用过的气体可能通过测量路径48(图5至图
6)或中空结构部分逸出。这种设计允许单一的光传播介质,从而避免了光在两种介质中传播时折射引起的挑战。因此,设置上述测量路径的示例性实施方式允许实现光路的稳定。由于即便所述实施装置承受振动时所述光路也不受影响,从而提供了高的测量精度。
[0067] 当与如示例性的图1至图16中描绘的测量系统的特定实施方式结合时,上述特征利用气体排开冷却剂、冷却流体、冷却雾或冷却油,并在所述实施装置的底部和工件的表面之间产生透光区域。该透光区域还被称为透明窗,该透明窗的面积为At。最终产生的结构允许对工件的表面进行精密测量,从而在冷却剂条件下得到y(x,z),所述冷却剂条件为常见的机加工条件。透光的区域充满了气体。因此,不会产生因折射差异而导致的不良影响。因此,上述特征使得当所述工件处于冷却剂条件下时能够测量所述工件的形貌y(x,z)。
[0068] 特定的实施方式利用圆形排布的多个气柱或多气体喷嘴。如图3和图7至图8所例示的,所述气体喷嘴与所述工件呈特定角度地向外喷射气体。如此排布的气柱能够阻止任意方向的冷却剂流,从而约束了冷却剂流动模式并防止产生不可预测的冷却剂流动模式。此处以圆形排布的喷嘴为例,但是采用其他的几何形状的排布(例如椭圆形排布)也是可以的。
[0069] 如示例图10至示例图14中描绘的,特定实施方式利用被称作“调节零件”的附加零件,该调节零件能够用于控制所述实施装置的底表面和工件的表面之间的间隙距离ha。减小所述间隙的尺寸以提供小的间隙能够有效地减少一个或多个所述气柱所需要阻止的冷却剂的量。因此,当工作在厚冷却剂层(条件下)时,使用减小所述间隙的尺寸的调节零件能够节约气体消耗。这还允许所述实施装置在工件深深地浸泡在冷却剂中时发挥作用。
[0070] 特定实施方式利用收集使用过的气体的气体逸出结构(该气体逸出结构被称作“逸出环”或“逸出锥”)。通过结合这些结构, 气泡将产生在逸出通道内部,并且所述气泡最终在所述实施装置内破裂或者在通过所述逸出锥(例如,如示例图5中所描绘的)离开所述实施装置时破裂。因此,破裂的气泡只会振动所述实施装置而不是工件。当所述气泡产生在所述实施装置的边缘处时,所述气泡可能与所述工件的表面接触(这会导致所述工件振动并产生测量误差),上述设置允许所述测量系统避免在所述实施装置的边缘产生气泡。
[0071] 如示例图14至示例图16中所示,特定的实施方式利用被称作“实施装置前/后盖”的附属零件。所述实施装置前/后盖防止非接触光学传感器在冷却剂气泡离开所述实施装置后破裂时被所述冷却剂污染。
[0072] 因此,此处描述的所述测量系统的示例性实施方式提供了多个优点。例如,提供在线非接触测量,该在线非接触测量避免了精密表面上的潜在划伤,并且同时允许在不停止机加工过程的情况下进行测量。此外,无论所述冷却剂流在工件的表面的方向如何,示例性实施方式中的光学非接触传感都能够测量所述工件的表面,甚至在浸没在冷却剂中的条件下,所述光学非接触传感器都能够测量所述工件的表面,并且一个或多个所述实施装置能够配置为收集使用过的气体以避免产生气泡,气泡的产生可能对测量产生消极影响。
[0073] 下面的讨论将提供更多细节,以实现本公开的特定实施方式。将理解的是,在以下面描述中对图和表格,包括括号中的内容,作出的参考都是示例性的。
[0074] 图10和图11描绘了一种对相应的冷却剂条件下的零件表面进行在线测量的示例性系统。例如,在图1至图8、图10至图11、以及图14至图16中从多个视角展示了实施装置35。实施装置35安装在左竖直保持件26(图15)和右竖直保持件27(图14至图16)之间。实施装置
35通过两个实施装置螺杆36和四个实施装置螺母37安装在左竖直保持件26和右竖直保持件27上(图14至图16)。实施装置35能够在左竖直保持件26(图15)与右竖直保持件27(图14至图15)中的槽中沿z轴移动,从而找到与光学传感器34(图9至图11;表6)配合的合适位置。
还能够通过调节y轴手动台24竖 直地移动实施装置35(图1至图8,图10至图11,图14至图
16),以控制ha的值,ha被定义为实施装置的底表面与工件39的表面的之间距离(图3、图17至图18、图21、图24至图34)。
[0075] 实施装置35(图1至图8、图10至图11、图14至图16)的基本工作原理是利用气柱在实施装置的底表面和工件的表面(图3)之间产生一个透光区域38(图3),从而使得激光束40(图3)到达工件表面。此外,实施装置35利用气柱阻止冷却剂41(图22至图23,图26至图34)流入测量路径48(图3至图8)。
[0076] 实施装置的结构包括底部42(图1至图3)、实施装置固定件(applicatior grip)43(图1至图2、图4至图8)、安装孔44(图1至图3)、气体逸出锥45(图1至图7)、气体逸出锥46(图1至图5)、测量路径凸起47(图1至图6)、测量路径48(图3至图8)、气柱环49(图3、图7至图8)、气柱锥50(图3)、内部气体通道51至内部气体通道55(图3)、进气喷嘴安装孔(inlet mounting hole)56(图3)、进气喷嘴57(图2、图4、图8)、使用过的气体逸出通道58(图3、图7至图8)、逸出环筋(escape ring rib)59(图7至图8)和内部逸出通道锥60(图3、图5)。
[0077] 在工作条件下,通过进气喷嘴57(图2、图4、图8)将气体注入实施装置35(图1至图8、图10至图11、图14至图16)内部。进气喷嘴57(图2、图4、图8)安装在进气喷嘴安装孔56(图
3)中。随后气流经过内部气体通道55(图3)并分成三股气流-该三股气流分别流入内部气体通道54(图3)、内部气体通道53(图3和图6)和内部气体通道52(图3)。不流经内部气体通道
53(图3和图6)的气流流入气柱锥50(图3),并通过气柱环49(图3、图7至图8)喷射而出,并与工件39(图3、图17至图18、图21、图24至图34)的表面接触。为了实现上述过程,气流流经内部气体通道54(图3)和内部气体通道52(图3),并流入内部气体通道51(图3)。内部气体通道
51(图3)与气柱锥50(图3)相连。如图3所示,气柱锥50(图3)与所述实施装置的底表面之间具有特定角度αa。气流最终以速度va从气柱环49(图3,7-8)喷射出。在某些 实施方式中,气柱环49可以有多个开口,例如十个开口。气柱喷嘴的直径为φa,并且十个气柱环49(图3、图
7至图8)布置在直径为φar的圆上。当所述气柱接触工件39(图3、图17至18、图21、图24至图
34)的表面时,少量来自内部气体通道53(图3和图6)的气流流回测量路径48(图3至图8),并且其余所有气流流入所述实施装置的底表面和工件的表面之间的封闭空间。实施装置的底表面和工件的表面之间的间隙距离为ha。实施装置的底表面面和工件的表面之间的气流将有助于将冷却剂41(图22至图23、图26至图34)排开并创造透光区域38(图3)。随后,所述气流将流入使用过的气体逸出通道58(图3、图7至图8)并将被重新引导至内部逸出通道锥60(图3和图5)。使用过的气体逸出通道58(图3、图7至图8)的内径为φae,槽的宽度为tae,气体逸出角度为αae。最终,所述气流将被引导进入气体逸出锥45和气体逸出锥46(图1至图5)并引导出实施装置35(图1至图8、图10至图11、图14至图16)。所述气流产生的气泡将在所述实施装置内破裂或者将在离开所述实施装置后破裂。所述气泡不会与所述工件的表面接触,从而避免气泡的破裂振动工件而影响测量。
[0078] 当实施装置35(图1至图8、图10至图11、图14至图16)处于工作条件下时,透光区域38(图3)的面积将会比所述测量窗的面积Am大。因此,所述光学传感器提供的激光束能够通过测量路径48(图3至图8)到达工件的表面而不接触冷却剂。如图3所示,测量路径48(图3至图8)独立于其他所有通道(包括通道50至通道52、通道53至通道56和通道60)。
[0079] 利用底部42(图1至图3)减少实施装置35(图1至图8、图10至图11、图14至图16)所要阻挡的冷却剂层的厚度。利用实施装置固定件43(图1至图2、图4至图8)和安装孔44(图1至图3)将实施装置35(图1至图8、图10至图11、图14至图16)安装在第三层的左竖直保持件26(图15)与右竖直保持件27(图14至图15)上。利用逸出环筋59(图7至图8)增强实施装置35(图1至图8、图10至图11、图14至图16)的结构。利用测量路径凸起47 (图1至图6)防止测量路径48(图3-8)中出现偶尔滴落在实施装置35(图1至8、图10至图11、图14至图16)的上表面上的冷却剂滴。
[0080] 在一种示例性实施方式中,测量系统(图10)有四层,包括:(1)用于支撑的第一层,(2)用于z轴控制的第二层,(3)用于x轴控制的第三层,(4)用于y轴控制的第四层。接下来将详细描述这四层。
[0081] 第一层-支撑。利用所述第一层(图10)支撑所述第二层、所述第三层和所述第四层(图10)。所述第一层(图10)包括四个支脚1(图10至图12)、四个支脚调节零件2(图10至图12)、四个支脚螺母3(图10至图12)和一个基板4(图10至图12)。
[0082] 在特定实施方式中,四个支脚1(图10至图12)的高度为大约65mm,并且可以通过更换其他类型的支脚基底调节上述高度。在特定实施方式中,利用支脚调节零件2(图10至图12)和支脚螺母3(图10至图12)用来调整基板4(图10-12)的底表面和支脚1(图10至图12)的底表面之间的距离。还可以利用支脚调节零件2(图10至图12)调节所述测量系统的平程度(horizontal level)。利用所述基板支撑z轴平台7(图10;表1)。
[0083] 表1-x/z轴平台的示例参数
[0084]平台尺寸 100mm×100mm
行程 ±12.5mm
分辨率 0.5μm
最大速度 5mm/s
重复精度 ≤±0.2μm
[0085] 第二层-z轴。利用所述第二层控制第三层和第四层沿z轴(图10)方向的移动。所述第二层包括z轴电机5(图10;表2)、z轴束线器6(图10)、z轴平台7(图10、图12;表1)、z轴编码器 塑料基底8(图12)、z轴编码器带(z-axis encoder tape)9(图12;表3)、z轴编码器10(图12;表4)、z轴编码器调节件11(图12)、z轴编码器插件(z-axis encoder inserter)12(图
12)和z轴插件13(图12)。
[0086] 表2-x/y/z轴电机的示例参数
[0087]电流/单相 0.4A
电压/单相 12V
电阻/单相 30Ω
电感/单相 37mH
静止力矩 2600g·cm
转动惯量 34g·cm2
步进角度 1.8°
[0088] 表3-x/z轴编码器带的示例参数
[0089]带尺寸 0.2mm×6mm×75mm
刻度间距 20μm
直线度 ±3μm/m
[0090] 表4-x/z轴编码器示例参数
[0091]分辨率 0.5μm
最大运行速度 3m/s
加速度 500m/s2
[0092] 利用z轴电机5(图10;表2)控制z轴平台7(图10,12;表1)的移动。利用z轴束线器6(图10)固定测量系统的线缆的位置。 利用z轴平台7(图10、图12;表1)沿z轴移动所述第三层和所述第四层。在某些实施方式中,平台的名义行程为±12.5mm而真实的移动距离为±20mm。z轴编码器塑料基底8(图12)用作粘贴z轴编码器带9(图12;表3)的平板。z轴编码器带
9(图12;表3)的尺寸为0.2mm×6mm×75mm。z轴编码器10(图12;表4)安装在z轴编码器调节件11(图12)的下方,该z轴编码器10与z轴编码器带9(图12;表3)一起工作并记录z轴平台7(图10、图12;表1)的位置。利用z轴编码器插件12(图12)和z轴插件13(图12),以在第二层和第三层之间留出空间,因此为z轴编码器调节件11(图12)提供安装位置。
[0093] 第三层-x轴。利用所述第三层控制所述第四层沿x轴(图10)的移动。所述第三层包括x轴电机14(图10至图11;表2)、x轴平台15(图10、图13;表1)、x轴编码器塑料基板16(图13)、x轴编码器带17(图13;表3)、x轴编码器18(图13;表4)、x轴编码器调节件19(图13)、x轴编码器插件20(图13),x轴插件21(图13)、x轴基础保持件22(图10)、x轴水平保持件23(图
10、图14)、y轴手动平台24(图14;表5)、x轴上水平保持件25(图14)、左竖直保持件26(图
15)、右竖直保持件27(图14至图15)、实施装置后盖28(图15、图25、图27至图28、图31至图
32、图34)和实施装置前盖29(图16、图25至27、图29至34)。
[0094] 利用x轴电机14(图10至图11;表2)控制x轴平台15(图10,13;表1)移动。利用x轴平台15(图10,图13;表1)沿x轴方向移动所述第四层。在某些实施方式中,名义行程为±12.5mm而真实的移动距离为±20mm。x轴编码器塑料基底16(图13)用作粘贴x轴编码器带17(图13;表3)的平板。x轴编码器带17(图13;表3)的尺寸为0.2mm×6mm×75mm。x轴编码器18(图13;表4)安装在x轴编码器调节件19(图13)上,并且与x轴编码器带17(图13;表3)一起工作并记录x轴平台15(图10、图13;表1)的移动位置。利用x轴编码器插件20(图13)和x轴插件
21(图13), 以在第三层和第四层之间留出空间,并为x轴编码器调节件19(图13)提供安装位置。利用x轴基础保持件22(图10)和x轴水平保持件23(图10,14)支撑y轴手动平台24(图
14;表5)。在某些实施方式中,y轴手动平台24(图14;表5)具有有限的竖直行程,该竖直行程为大约10mm。x轴上水平保持件25(图14)安装在y轴手动平台24(图14;表5)上,并且用于支撑左竖直保持件26(图15)和右竖直保持件27(图14至图15)。利用左竖直保持件26(图15)和右竖直保持件27(图14-15)安装实施装置35(图1至图8、图10至图11、图14至图16)。利用实施装置后盖28(图15、图25、图27至图28、图31至图32、图34)阻止因气泡破裂而对z轴平台7(图10、图12;表1)和x轴平台15(图10、图13;表1)造成的污染。利用实施装置前盖29(图16、图25至图27、图29至图34)阻止因气泡破裂而对光学传感器34(图9至图11;表6)造成的污染。
[0095] 表5-y轴手动平台示例参数
[0096]平台尺寸 40mm×40mm
行程 10mm
分辨率 10μm
[0097] 表6-DRS(数字距离传感器,Digital Range Sensor)三角传感器(triangulation sensor)示例参数
[0098]
[0099]
[0100] 第四层-y轴。利用所述第四层精密地控制光学传感器34(图9至图11;表6)的竖直位置。在某些实施例中,所述第四层包括y轴电机30(图10;表2)、y轴平台31(图10;表7)、y轴水平保持件32(图10至图11)、T形竖直保持件33(图10至图11)和光学传感器34(图9至图11;表6)。
[0101] 利用y轴电机30(图10和表2)控制y轴平台31(图10和表7)的移动。在某些实施方式中,y轴平台31(图10和表7)的竖直移动行程为大约±7mm。利用y轴水平保持件32(图10至图11)连接y轴平台31(图10和表7)和T型竖直保持件33(图10至图11)。利用T型竖直保持件33(图10至图11)安装光学传感器34(图9至图11和表6)。
[0102] 表7y轴平台示例参数
[0103]平台尺寸 100mm×100mm
行程 ±7mm
分辨率 0.25μm
最大运行速度 2.5mm/s
重复精度 ≤±0.5μm
[0104] 尽管参照光学传感器描述了上述示例性实施方式,但是,将理解的是,此处描述的测量系统的实施方式还可以与其他类型的传感器 (例如,电学传感器、超声波传感器、和压力传感器(pneunatic sensor))一起使用。
[0105] 示例结果
[0106] 利用此处描述的测量系统的某些示例性实施方式,进行了关于冷却剂厚度的实验。
[0107] 根据冷却剂厚度tc的测试
[0108] (a)准备-通过实验测定工件表面上的冷却剂的最大厚度tc。对某些实施方式,实验显示,当tc=15mm时,所述测量系统和实施装置35(图1至图8、图10至图11、图14至图16)能够工作。利用商业金属抛光剂(例如BRASSO金属抛光剂)对工件39(图3、图17至图18、图21、图24至图34)进行抛光。抛光后的工件39(图3、图17至图18、图21、图24至图34)的表面粗糙度为Ra=48nm。在一些实施方式中,冷却剂与水的比例cc可以为1:9。工件39(图3、17至图
18、图21、图24至图34)安装在特殊设计的冷却剂箱61(图20至图29)中。在特定实施方式中,冷却剂箱61(图20-29)的深度为59mm,并且工件39(图3、图17至图18、图21、图24至图34)的高度为44mm。光学传感器34(图9至图11和表6)的测量距离为17mm(测量距离值是指DRS三角激光传感器的底端点与参考平面之间的距离)。当冷却剂箱61(图20至图29)充满冷却剂,冷却剂的厚度tc为15mm(图27)。
[0109] 表8无冷却剂的条件下测试tc的示例性测量条件
[0110]平台速度vt 0.5mm/s
采样间隔Δz 5μm
测量长度lz 10mm
采样点数Nz 2000
采样频率fs 100Hz
[0111] 表9有冷却剂的条件下测试tc的示例性测量条件
[0112]平台速度vt 0.5mm/s
采样间隔Δz 5μm
测量长度lz 10mm
采样点数Nz 2000
采样频率fs 100Hz
气体冲击角度αa 55°
气体速度va 38m/s
气体喷嘴直径φa 0.5mm
气体环喷嘴直径φar 10mm
实施装置高度ha 0.2mm
气体逸出环直径φae 24mm
气体逸出槽宽度tae 5mm
气体逸出角度αae 90°
测量窗面积Am 1.5mm×3mm
冷却剂厚度tc 15mm
冷却剂浓度cc 10%
气体体积流率Qa 5L/min
冷却剂体积流率Qc 650L/h
冷却剂喷嘴直径φc 3.5mm
透光区域雷诺数 ≤1211.73
[0113] (b)实验-(i)第一,应在没有冷却剂的条件下进行nr次重复测量,以减少随机干扰(图24至图25和表8)。所述测量系统沿z轴以特定速度vt进行扫描,并且编码器系统将光学传感器34(图9至图11和表6)的z轴位置记作[zi,i=1,2,…,Nz],其中,i是沿z轴方向的采样序号,并且而Nz是沿z方向整个测量长度lz上的采样点的总数。对于同一表面轮廓点的测量结果为记作[ymI0(zi)im,im=1,2,…,nr]的一系列测量结果。(ii)第二,将气体入实施装置35(图1至图8、图10至图11、图14至图16)中,并且打开冷却剂。气体体积流率为Qa。在冷却剂41(图22至图23、图26至图34)填满冷却剂箱61(图20至图29)后,工件39(图3、图17至图
18、图21、图24至图34)深深地浸没在冷却剂41(图22至图23、图26至图34)中。在某些实施方式中,冷却剂的厚度tc为15mm,并且冷却剂的上表面与光学传感器34(图9至图11和表6)之间的距离仅为2mm。利用实施装置后盖28(图15、图25、图27至图28、图31至图32和图34)阻止气泡破裂污染z轴平台7(图10、图12和表1)和x轴平台15(图10、图13和表1),并且利用实施装置前盖29(图16、图25至图27、图29至图34)阻止气泡破裂污染光学传感器34(图9至图11和表6)。(iii)第三,应当在冷却剂条件下进行nr次重复测量,以减少随机干扰(图26至图29和表9)。测量系统沿z轴以特定速度vt从相同起点进行扫描,并且所述编码器系统将光学传感器34(图9至图11和表6)的z轴位置记作[zi,i=1,2,…,Nz]。因此,对同一表面轮廓点的测量结果将是记作[ymIc(zi)im,im=1,2,…,nr]的一系列测量结果。(iv)最后,经过对[ymI0(zi)im,im=1,2,…,nr]和[ymIc(zi)im,im=1,2,…,nr]进行数据处理,可以得到由15mm厚的冷却剂层导致的测量误差emIc。由于进行了nr次重复测量,可以显著减小所述测量系统的随机误差,并且因此可以忽略所述随机误差。因此,
[0114]
[0115]
[0116] 在没有冷却剂的条件下,工件的表面的PV值为  并且在冷却剂条件下工件的表面的PV值为 用方程(2)减去方程
(1),
[0117]
[0118] 公式(3)表示由15mm厚冷却剂导致的每个点[zi,i=1,2,…,Nz]的测量误差emIc(zi)。为了简化,可以使用公式(4)作为测量误差的平均值
[0119]
[0120] 表10-根据某些实施方式的tc测试的测量结果
[0121]
[0122] 结果。利用根据本公开的某些实施方式的设置有样本值的测试过程,测量结果展示了没有冷却剂条件的PV值为4.06μm,15mm厚冷却剂层条件的PV值为4.24μm。15mm厚的冷却剂引入的误差平均值仅为0.16μm(表10)。对于提出的新实施装置,PV值仅比冷却剂条件下的结果小0.18μm。当将冷却剂条件下的结果与无冷却剂条件下的结果对比时,15mm厚的冷却剂将引入0.16μm的额外误差。
[0123] 透光区域内的气流为雷诺系数小于2300(表9)的层流。因此所述气流对非接触光学测量传感器的影响有限,并且可以忽略所述影响。值得注意的是,tc=15mm的结果被这种特殊的测量距离为17mm的传感器所限制。如果去除这种传感器限制,tc的值甚至可以更高。
[0124] 根据某些实施方式,如下文中将详细描述的,还进行了排开多方向冷却剂的测试:
[0125] 准备。在一些情况中,实施装置35(图1至图8、图10至图11、 图14至图16)未深浸没入冷却剂41(图22至图23、图26至图34)下。实施装置35(图1至图8、图10至图11、图14至图16)需要阻止来自不可预知方向的冷却剂。因此,可以设计至少三个实验,以测试所述实施装置在不同方向冷却剂流条件下的性能。
[0126] 首先可以利用商业金属抛光剂(例如,BRASSO金属抛光剂)对工件39(图3、图17至图18、图21、图24至图34)进行抛光。在某些实施方式中,抛光后,工件39(图3、图17至图18、图21、图24至图34)的表面粗糙度Ra为48nm。冷却剂与水的比例cc为1:9。抛光后,冷却剂从冷却剂喷嘴62(图22至图23、图25至图27、图29至图33)以特定速度和方向喷出。在特定的实施方式中,三组实验分别对应于冷却剂从前方(图30至图31)喷出、冷却剂从后方(图32)喷出和冷却剂从侧面(图33至图34)喷出的情况。
[0127] 实验。首先,将气体以Qa的气体体积流率泵入实施装置35(图1至图8、图10至图11、图14至图16)。随后冷却剂喷嘴62(图22至图23、图25至图27、图29至图33)喷出冷却剂41(图22至图23、图26至图34),并将所述冷却剂引导冷却液至工件39(图3、图17至图18、图21、图
24至图34)的表面。冷却剂喷嘴62(图22至图23、图25至图27、图29至图33)的直径为φc,并且所述冷却剂的体积流率为Qc。所述冷却剂和工件的接触点远离测量通道38(图3至图8)一特定距离(在某些实施方式中中,远离距离大约为50mm至70mm)。依次对不同的冷却剂流方向进行测试。所述测量系统在无冷却剂的条件下(表11)从起始点起沿z轴扫描。随后对于每个单独的实验,测量系统在冷却剂条件下(表12)从相同起点起沿z轴扫描。经过数据处理,得到PV值和测量误差的平均值 (表13)。下文中介绍的对比方法以及数据处理方法与之前介绍的完全相同。
[0128] 表11无冷却剂的条件下,冷却剂方向测试的示例性测量条件
[0129]
[0130]
[0131] 表12冷却剂条件下冷却剂方向测试的示例性测量条件
[0132]
[0133]
[0134] 表13根据特定实施方式的冷却液方向测试的测量结果
[0135]
[0136] 结果。在采用上述示例性设定的特定实施方式中,测量结果显示无冷却剂的条件下PV值为3.82μm。前方冷却剂流条件下PV值为3.64μm。当将冷却剂条件下的测量结果与无冷却剂的条件下的测量结果进行对比时,PV值仅小了0.18μm。前方冷却剂流条件下引入的测量误差的平均值为0.23μm(表13)。因此,对改进后的新的实施装置的特定实施方式,当将5mm的前方冷却剂流的测量结果与无冷却剂的条件下的测量结果进行对比时,5mm的前方冷却剂流可以大概引入0.23μm的额外误差。
[0137] 后方冷却剂流条件下的PV值为4.14μm。当将后方冷却剂条件下的测量结果与无冷却剂的条件下的测量结果进行对比时,后方冷却 剂条件下测得的PV值仅比无冷却剂的条件下测得的PV值大0.32μm。后方冷却剂流条件下引入的测量误差的平均值为0.27μm(表13)。因此,对于提出的新的实施装置的特定实施方式,当将冷却剂条件下的测量结果与无冷却剂的条件下的测量结果相比时,5mm的后方冷却剂流可以引入0.27μm的额外误差。
[0138] 侧面冷却剂流条件下的PV值为3.54μm。当将冷却剂条件下的测量结果与无冷却剂的条件下的测量结果进行对比时,冷却剂条件下测得的PV值仅比无冷却剂条件下测得的PV值小0.28μm。侧方冷却剂流条件下引入的测量误差的平均值为0.26μm(表13)。因此,对于改进后的新的实施装置的特定实施方式,当将冷却剂条件下的测量结果与无冷却剂条件下的测量结果进行对比时,5mm的侧面冷却剂流可以引入0.26μm的额外误差。
[0139] 透光区域内的气流为雷诺系数小于2300(表12)的层流。因此气流对非接触光学测量传感器的影响有限,并且因此可以忽略该影响。
[0140] 从前文中描述的实验得知,冷却剂厚度tc测试结果显示了对于采用了新方法的特定实施方式而言,冷却剂厚度tc能够达到例如15mm,该厚度远大于现有技术中的厚度。此外,当所述冷却剂流方向为不可预测的任意方向时,新的实施装置均能够工作。因此,上述实验展示了改进后的测量系统能够满足在冷却剂条件下测量y(x,z)的要求。
[0141] 实验。
[0142] 测量冷却剂条件下多气柱实施装置的性能。开发了测量系统、测试系统、数据采集软件和一个数据处理GUI。此处将描述这些部件的特定实施方式。本部分将介绍这些硬件和软件系统。
[0143] (a)测试系统。该测试系统(图35)用于模拟冷却剂条件。测试系统包括:箱、保持板、冷却剂喷射件、阀、冷却剂容器和泵。所述泵将冷却剂从冷却剂容器送出,并将所述冷却剂输送入冷却剂喷射件。冷却剂喷射件的喷嘴能够调节冷却剂喷射位置、冷却剂喷射角度(coolant impinging angle)和冷却剂喷射方向。所述阀能够调节冷却 剂喷射速度。
[0144] (b)软件和控制系统。数据采集软件可以基于Visual C++编写并被打包成微软基础类(MFC,Microsoft Foundation Classes)可执行文档。在特定实施方式中,采集的数据存储为文本文档。所述数据采集软件只采集数据,同时利用控制盒控制轮廓测量仪(profiler)的移动。控制盒的输入参数由数据采集软件确定,但是必须手动输入所述参数。在特定实施方式中,数据处理GUI由 软件编写。GUI为能够观察被测量表面和测量信息的GUI文件。所述数据处理GUI的主要功能是将采集的数据(文本文档(txt)格式)转化为表面的矩阵(mat格式)。表面的矩阵更容易利用 软件处理。所述数据处理GUI还能够减少测量噪声、减少系统误差以及测量面的倾斜。
[0145] (b1)数据采集系统。在某些实施方式中,数据采集过程可能需要测量系统和数据采集程序(图36A-至图36H)一起工作。所述测量系统可以控制轮廓测量仪沿特定路径移动。DRS激光传感器一次只能测量一个点。为了得到三维表面信息,DRS激光传感器应当沿x轴和z轴移动。可以通过重复基本图形形成扫描路径:(i)轮廓测量仪沿x轴正方向扫描x轴长度lx;(ii)轮廓测量仪沿z轴正方向扫描z轴采样间隔Δz;(iii)轮廓测量仪沿x轴负方向扫描x轴长度lx;(iv)轮廓测量仪沿z轴正方向扫描z轴采样间隔Δz;(v)重复步骤(i)至步骤(iv)共nr次。
[0146] (b2)控制系统。由所述软件系统提供的待输入所述控制盒的参数包括:x轴长度lx,z轴间隔Δz和重复次数nr。为了控制轮廓测量仪平台,该轮廓测量仪平台速度vt也是必要参数。所有上述四个参数均由数据采集软件计算得到,并且上述计算基于‘测量参数’,包括:x轴长度lx、z轴长度lz、x轴间隔Δx、z轴间隔Δz和平台速度vt。在特定实施方式中,为了开始测量,用户可以将‘测量参数’输入数据采集软件并得到‘控制盒参数’。随后,用户可以手动将‘控制盒参数’输入控制盒。在点击数据采集软件的开始按钮之后,用户需要按下控制盒面板上的开始按钮并使得轮廓测量仪开始移动。随后 开始数据采集过程。所述数据采集软件是利用MFC程序编写的。该数据采集软件可以提供了四种基本功能:(i)测量步骤的介绍;(ii)监控激光传感器的高度信息;(iii)数据采集;和(iv)保存测量数据。
[0147] 数据采集软件系统可以总共具有五个独立的对话框:交互对话框(interface dialog)、关于对话框(about dialog)、介绍对话框、确认对话框和采集对话框(图36)。交互对话框是基本对话框。该交互对话框包括:激光传感器信息窗口、高度值框、‘激光启动’按钮、提示框、‘关于(about)’按钮、‘介绍’按钮、‘开始’按钮和‘退出’按钮。
[0148] DRS三角传感器利用线性解码器接收激光束。所述激光传感器信息窗口能够显示线性解码器上每个像素对应的激光光强。基于光强的分布和内部定义的算法,所述交互对话框在高度值框中展示高度值。‘激光启动’按钮能够开启激光束并保持该激光束输出功率最大;这将有助于用裸眼探测激光束在工件表面的位置。提示框提供了多条有关测量步骤的提示。所述‘关于’按钮链接至一个新的对话框,该新的对话框用于给出可移动式轮廓测量仪的说明书。所述‘介绍’按钮链接至介绍对话框,该介绍对话框帮助用户了解所述可移动轮廓测量仪的测量步骤。
[0149] 点击‘开始’按钮将通过打开名为‘参数’的对话框开始测量。‘参数’对话框具有成组的名为‘测量参数’的编辑框(edit box)、成组的名为‘控制盒参数’的文本框、成组的名为‘预计测量信息’的文本框、‘返回’按钮、‘接受’按钮和‘下一步’按钮。‘测量参数’对话框允许用户输入测量参数,该测量参数包括:x轴长度、z轴长度、x轴间隔、z轴间隔和平台速度。x轴长度和z轴长度表示工件的表面上目标区域的横向测量范围。x轴间隔和z轴间隔表示相邻两个被测点之间的间隔。平台速度表示可移动轮廓测仪平台在x轴方向和z轴方向的移动速度。‘控制盒参数’框帮助用户计算需要输入至控制盒面板的参数。‘预计测量信息’文本框显示:测量范围、预计总时间和预计总数据点数。‘返回’按钮链接至交互对话框。‘接 受’按钮用于:(i)检测‘测量参数’框中输入的参数是否合理;(ii)开始计算控制盒参数并将其显示在‘控制盒参数’文本框中;(iii)开始计算测量信息并将其显示在‘预计测量信息’文本框中;(iv)当输入参数合理时,激活‘下一步’按钮。
[0150] 点击‘参数’对话框中的‘下一步’按钮将打开‘轮廓测量(profiling)’对话框。所述软件将准备DRS传感器并准备开始测量。‘轮廓测量’对话框包括成组的名为‘测量信息’的文本框、测量进度条、‘开始’按钮、‘停止’按钮、‘保存’按钮和‘退出’按钮。点击‘开始’按钮将激活软件,该软件将通过接收到的基于干涉法的编码器数据(interferometer encoder data)保持追踪轮廓测量仪的x轴位置和z轴位置。随后点击控制盒面板上的‘开始’按钮,轮廓测量仪将开始移动并开始扫描工件的表面。在特定的实施方式中,所述测量信息会被实时刷新。所述测量信息包括:x轴值、y轴值、z轴值、目前采集的数据点、预计总测量点数和测量进度值。在特定实施方式中,当所述轮廓测量仪开始测量时,‘保存’和‘退出’按钮不可操作。当用户遇到紧急情况时,用户可以点击‘停止’按钮来停止测量过程。当停止测量时,‘开始’按钮、‘停止’按钮和‘保存’按钮将不可操作,并且用户将需要通过点击‘退出’按钮以链接回‘参数’对话框来开始新的测量。当所述测量过程结束时,软件将会弹出信息框让用户确认结果。经确认后,用户可以将储存采集的数据保存在具体的文件夹中。在特定的实施方式中,还可以在与执行文件所处位置相同的文件夹中找到当前组测量数据,但是当新的测量开始时,这些数据将被清除。在特定的实施方式中,为了开始新的测量,用户可以点击‘退出’按钮并随后返回至‘参数’对话框。
[0151] (b3)数据处理GUI。在特定的实施方式中,可以在 中编程实现数据处理GUI(图37至图38)。数据处理GUI的主要功能是将采集的数据(文本文档格式)转化为表面的矩阵(mat格式)。GUI界面还可以结合多个有用的功能:(i)读取表面信息,例如:x轴范围、z轴范围、x轴间隔、z轴间隔、平台速度、采样频率和总采样点数;(ii)进行噪声过滤从而平整表面和减小高度突变;(iii) 减小可移动轮廓测量仪的系统误差;(iv)调平倾斜表面至水平位置;(v)显示表面粗糙度信息,例如:Ra、Rq、Rt、截断长度(cutoff length)、轮廓峰值和轮廓谷值;(vi)预览被测量的表面;(vii)在 的新对话图框中进行预览;(viii)将表面的数据保存为mat格式;(iv)保存GUI界面状态。
[0152] 通过所述数据处理GUI对采集到的数据进行处理后,可以获得用于表示表面轮廓的矩阵。可以利用该矩阵重建测量表面。还可以得到可移动轮廓测量仪在冷却剂条件下测得的表面,并且将可移动轮廓测量仪在冷却剂条件下测得的表面与显微镜(例如,BRUKER NPFLEX 3D光学显微镜)测得的表面进行对比。经过对比,可以确定冷却剂条件下可移动轮廓测量仪和实施装置的测量误差与工作性能。
[0153] 误差研究。
[0154] 图39至图44提供了利用本公开的特定实施方式中所提供的样本值的实验获得的误差的示例水平。这些数据将作为参考被应用于对比研究中,以对性能行评价。
[0155] 性能。
[0156] (a)具有台阶的表面
[0157] 通过表14、表15和图45A至图45D中,展示了当冷却剂厚度为5mm并且冷却剂的流速为0.7m/s时,多气柱技术引入的晶片1的测量误差可以小至0.08μm。在晶片2上执行的测试显示了多气柱技术引入的测量误差为0.26μm。该误差可能由影响多气柱技术性能的小的底面积所导致。
[0158] 表14根据特定的实施方式测试晶片1冷却剂条件下以及无冷却剂的条件下的测量误差
[0159]
[0160]
[0161] 表15晶片2冷却剂条件下和无冷却剂的条件下的测量误差
[0162]
[0163] (b)表面粗糙度为Ra=80nm的铝制工件
[0164] 在表16和图46A至图46B中,展示了当所述冷却剂厚度为5mm并且冷却剂流速为0.7m/s时,多气柱技术对铝制工件引入的测量误差为0.44μm。该引入的测量误差大于对晶片1和晶片2的测试结果。该更大的误差可能是由表面匹配程序所导致的。
[0165] 表16冷却剂条件下和无冷却剂的条件下测试的铝制工件的测量误差
[0166]emIw30(μm) emIw3c(μm) ΔemIw3c(μm)
1.4690 1.9092 0.4402
[0167] 在特定的实施方式中,可以对所述实施装置进行修改以适应工件的表面。例如,当所述工件的表面是曲面时,可以将所述实施装置设计成与具有所述工件的曲面来,从而优化性能。提供的多气柱技术的特定实施方式主要被应用在平面磨削(flat surface grinding)的在线测量中。也存在涉及其他形状的市场和研究。例如,对于柱面磨削和球面磨削(如轴和光学镜片)的需求,因此,所述实施装置需要能够在这种曲面上工作。
[0168] 多气柱技术的基本工作原理是利用多个气体喷嘴和封闭空间来 创造透光区域。当被测量的目标的表面不是平面,实施装置的高度值ha将被改变。ha的改变将严重影响实施装置的性能。当实施装置的高度自ha改变时,冷却剂的体积率(volume fraction)急剧增加。当能够保持实施装置的相对工件的曲面的高度ha时,可以在曲面上使用多气柱技术。因此,可以增强多气柱技术的能力,以使得所述多气柱技术能够在图47A和图47B中的示例性实施方式中所提供的柱状表面和球形表面上应用。
[0169] 图48A至图48C提供实施装置的示例性视图,并且提供了所述实施装置的多个部件的尺寸。提供的尺寸是示例性的,并且可以根据待测量的工件、使用的传感器的类型等进行修改。
[0170] 除非此处有其他解释或者明确限定,否则在描述本实用新型的内容中(尤其是在所附权利要求的内容中)所使用的术语“一个”、“一种”以及“所述”和“至少一个”以及相似术语解释为覆盖单个和多个的情况。除非有其他说明,否则后续附有一个或多个项目列表时使用的术语“至少一个”解释为选自列表中项目中的一个项目(A或B),或者两个或更多个项目的组合(A和B)。除非此处有其他解释,否则,此处复述的数值范围仅用于各个落入上述数值范围内的速记方法,并且,当将独立数值独立地复述时,各个独立的数值均结合在所述说明书中。除非有其他解释或者除非文中有明确限定,此处描述的所有方法均可以以合适的顺序执行。除非权利要求有其他说明,此处使用的任意一个或者所有实施例或者示例性语言(例如,“例如”),都仅仅时为了更好地解释本实用新型,并且并不用于限制本实用新型的范围。说明书中所有语言都不应被解释为表明将任何未在权利要求中的元件作为本实用新型实践的必要特征。
[0171] 此处描述了本实用新型的优选实施方式,包括发明人所知的实施本实用新型的最佳模式。在阅读了上述描述后,上述优选实施方式的改变对于本领域技术人员而言时明显的。发明人希望本领域技术人员适当采用这种变形,并且发明人希望本实用新型实践为此处具体描述的方式之外的方式。相应地,在法律允许的情况下,本实用新型包括此处所附加的权利要求书中所复述的主体的所有变形和等同形式。 此外,除非此处有其他说明或者与本文有其他明显矛盾之处,否则在所有可能变形中,上述元件的任何结合都属于本实用新型。
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