基于垂直位移扫描的三维表面轮廓测量仪

　　1 前言

　　表面形貌的测量和评定是近年来国内外摩擦学和表面计量学领域的一个重要的研究方向，而研究开发精度高、微位移、大量程的测量仪器更有着迫切的需要。英国Rank Taylor Hobson公司研制并生产的使用激光干涉传感技术的测量仪器，有效地扩大了仪器的动态测量范围，可以在几毫米测量范围内得到纳米级的分辨率，但它最大的缺点是不可避免地存在杠杆轴线绕支点转动时所形成的弧线对测量探针在X、Z方向坐标的影响，从而造成测量上的误差，并且随着测量范围的增大，测量力越来越大，对工件的划伤及测头的磨损越来越严重。

　　作者实验室采用在传统的工件垂直方向上不动而杠杆触针随轮廓表面的起伏而上下移动的思路，研制开发了一种保持杠杆始终处于平衡位置而使工件上下移动的方法来进行测量的二维形貌仪，从而保证了高精度、小测量力的需要。为了进一步满足表面形貌三维的测量需要，本文提出了以X-Y向正交衍射光栅工作台取代原有的X向工作台，并且采用直线电机和压电陶瓷两级定位，在横向定位精度上又取得了进一步的提高。

　　2 测量仪的结构和测量原理

　　仪器的结构如图1所示。

　　测量过程中，工作台上的工件在X-Y向电机驱动下移动，得到一个测量点的X、Y坐标，杠杆一侧的触针始终接触被测工件表面，并因表面轮廓的起伏而上下移动，带动杠杆绕支点旋转，从而引起电感式位移传感器输出电信号，偏移其零位;偏离零点的位移信号经放大，A/D转换处理送与计算机，该数值作为输出量由程序驱动压电陶瓷使工作台沿Z向移动，带动工件随之上下移动，最终使得杠杆回到平衡位置。杠杆是否回到平衡位置由电感式位移传感器是否处于零位来判断，这时工件上下移动的距离由衍射光栅干涉位移传感器测得，这个距离即为零件表面轮廓在该测量点z方向上的变动。该信号经光电信号处理电路(前置放大、细分、辨向、计数)送到计算机，即为一个采集到的z向坐标。如此重复该过程，可得到一系列数据，送到计算机经表面轮廓评定软件进行处理。

　　3 工作台定位控制原理

　　3.1 X-Y向工作台的定位系统

　　工作台采用粗定位和细定位相结合的结构方式。

　　细定位工作台作为目标工作台，定位时首先驱动直线电机进行粗定位，然后再驱动压电微位移器精确定位。压电微位移器的驱动范围为20μm, 理论分辨率小于1nm。考虑到直线电机的定位精度小于10μm和压电微位移器在粗定位过程中处于无伸展状态，让工作台粗定位在距目标位置-10μm 附近，以保证工作台粗定位在距目标位置(-20，0)μm 的范围内，然后通过D/A转换启动高压驱动器，并根据压电位移器伸展量与加载高压近似成线性的关系及工作台距目标位置的残差值，调整D/A转换量，驱动压电微位移器精密定位。工作台利用正交衍射光栅作为位置反馈元件，将正交衍射光栅安放在目标工作台上，对工作台X-Y方向上的位移进行实时采集和测量，进行闭环控制，以达到精确定位的目的。