本發明涉及微米尺度微球球度測量及其他形狀微結構的幾何參數測量領域，可應用于納米三坐標測量機及其他精密測量儀器，具體是一種可實現納米三坐標測量機微球探頭球度高精度測量的方法。

背景技術：

直徑為數十微米至數毫米的微球一直廣泛地應用于精密軸承、微型機械、mems器件、醫療檢測設備和科學研究等領域，隨著微納制造技術的快速發展，對于此類微球的尺寸精度要求也越來越高，例如用于微納精密探測的納米三坐標測量機，其微球探頭直徑在數十至數百微米以內，且球度一般要求在數十納米甚至更高精度。

目前，對于球徑在毫米量級以上的常規尺寸球度誤差測量已經非常成熟，發展出了經圓測量法、徑向法、激光干涉法等多種測量方法，容易實現球度誤差的高精度測量，市面上有較多能達到高精度的標準球，如用于圓度儀標定的talyrond標準校準球，其半徑一般為毫米量級，不確定度優于5nm。然而，對于球徑在數微米至亞毫米量級的微球球度精確測量，仍沒有統一的測量技術和高精度的標準件。iso3290-1規定，測量球體表面三個相互垂直的赤道面的圓度，其中圓度的最大值即為球度。該方法是一種二維測量方法，而球是一個三維物體，通過測量三個面的圓度來計算出球度是不合理和不可靠的，因此，研究一種新的高精度微球球度測量技術是十分必要的。

技術實現要素：

本發明的目的是解決球徑在數十微米至亞毫米量級的微球球度測量問題，提供一種可實現納米三坐標測量機微球探頭球度高精度測量的方法，既可用于微球球度的高精度測量，也為微米尺度上其他形狀的高精度測量提供技術。

本發明解決技術問題采用以下技術方案：

一種可實現納米三坐標測量機微球探頭球度高精度測量的方法，其特征在于包括以下步驟：

（1）將兩個大長徑比、頂端尖銳的鎢探針分別固定在兩個石英音叉諧振傳感器上，構建具有納米級分辨力、大長徑比的兩個音叉掃描探針測頭；

（2）將兩音叉掃描探針測頭以差動方式放置，并輔助以測量其運動位移的精密微動臺構建差動掃描測量系統；

（3）測量前，先調節x軸方向上兩音叉掃描探針測頭的鎢探針的針尖對準，再將y軸方向上的待測微球探頭調節至兩音叉掃描探針測頭的鎢探針的針尖處；由于兩音叉掃描探針測頭在垂直方向測量微球探頭時，針尖與微球探頭頂部會出現耦合現象，因此將兩音叉掃描探針測頭相對于x軸方向分別傾斜一定角度θ；

（4）測量時，將待測的微球探頭固定在探頭夾具上，探頭夾具與旋轉結構連接，控制微球探頭沿y軸方向前后運動，同時控制兩音叉掃描探針測頭共同運動，在x軸方向對微球探頭的大圓截面輪廓進行差動掃描測量；

（5）利用精密微動臺測量音叉掃描探針測頭運動位移獲取微球探頭大圓截面輪廓的準確參數，再控制旋轉結構使微球探頭旋轉一定角度，掃描測量微球探頭另一大圓截面輪廓，多次重復上述測量，獲取多組大圓截面輪廓數據，利用所獲得的各組大圓截面輪廓數據構建出微球三維立體空間輪廓，并以此進行微球探頭各幾何參數的擬合計算，即可得到微球探頭的球度數據。

所述的一種可實現納米三坐標測量機微球探頭球度高精度測量的方法，其特征在于：所述差動掃描測量系統在測量時同時控制兩音叉掃描探針測頭共同運動，差動掃描測量待測的微球探頭各大圓截面輪廓，以此消除測量過程中探頭運動產生的徑向誤差。

所述的一種可實現納米三坐標測量機微球探頭球度高精度測量的方法，其特征在于：所述驅動音叉掃描探針測頭運動的精密微動臺在測量時其測量延長線與其對應的音叉掃描探針測頭的軸心共線，以此消除測量時存在的阿貝誤差。

本發明的原理是：

本發明利用石英音叉的壓電效應及其對微力的高敏感性，結合大長徑比鎢探針構建具有亞納米級觸發分辨力的掃描探針測頭，并利用兩個掃描探針測頭對nano-cmm微球探頭表面輪廓進行差動掃描測量，消除測量過程中微球運動產生的徑向誤差，再通過多次旋轉后重復測量獲取多組表面輪廓參數，以此構建微球立體空間輪廓，進行微球探頭幾何參數的計算，實現微球球度的高精度測量。

與已有技術相比，本發明的有益效果體現在：

1、本發明測量對象為直徑在數十到數百微米的nano-cmm微球探頭，測量時不受測量對象材料和表面特性的限制，且測量對象的尺寸較小，目前少有技術能夠實現此范圍的測量。

2、本發明使用具有優良壓電效應、對微力具有高敏感性的石英音叉，結合大長徑比鎢探針構建掃描探針測頭，它能夠實現亞納米級觸發分辨力，且測量力小，保證了對nano-cmm微球探頭表面形貌的高精度測量。

3、本發明采用大長徑比、頂端尖銳的鎢探針，其有效長度可達數百微米，能夠實現對nano-cmm微球探頭表面測量的高覆蓋率，幾乎可將整個微球探頭有效測量面輪廓完全測量，保證了對微球探頭表面形貌的還原。

4、本發明使用兩掃描探針測頭對nano-cmm微球探頭表面輪廓進行差動掃描測量，消除了測量過程中探頭運動產生的徑向誤差，即消除了微球運動軸引入的一項主要誤差，提高了nano-cmm微球探頭球度誤差測量精度。

附圖說明

圖1音叉掃描探針測頭的結構示意圖。

圖2a掃描探針垂直測量時與nano-cmm微球探頭頂部耦合的幾何關系圖。

圖2b掃描探針傾斜方式測量nano-cmm微球探頭示意圖。

圖3兩掃描探針測頭對準示意圖。

圖4nano-cmm微球探頭掃描測量過程示意圖。

圖4中標號：1為精密微動臺，2為精密微動臺，3為鎢探針，4為鎢探針，5為待測的微球探頭，6為探頭夾具，7為旋轉結構，s為鎢探針，a為石英音叉諧振傳感器，θ為掃描探針傾角。

具體實施方式

下面將結合附圖4，以納米三坐標測量機上所用直徑約為300μm的納米三坐標測量機（nano-cmm）微球探頭5為例，進一步介紹本發明。

一種可實現納米三坐標測量機微球探頭球度高精度測量的方法，包括以下步驟：首先，將大長徑比、頂端尖銳的鎢探針s固定在石英音叉諧振傳感器a上，構建具有納米級分辨力、大長徑比的音叉掃描探針測頭。音叉掃描探針測頭的結構示意圖參閱圖1。

將兩音叉掃描探針測頭以差動方式放置，并輔助以測量其運動位移的精密微動臺1、2構建差動掃描測量系統；測量前，先調節x軸方向上兩鎢探針3、4針尖對準，再將y軸方向上直徑約為300μm的待測微球探頭5調節至兩鎢探針3、4針尖處。由于鎢探針3、4在垂直方向測量微球時，針尖與微球頂部會出現耦合現象（參閱圖2a），因此將兩鎢探針3、4相對于x軸方向分別傾斜一定角度θ（參閱圖2b）；測量時，微球探頭5固定于其探頭夾具6上，控制微球探頭5沿y向前后運動，同時控制兩音叉掃描探針測頭共同運動，在x軸方向對微球探頭5的大圓截面輪廓進行差動掃描測量。兩掃描探針測頭對準示意圖請參閱圖3。微球探頭5掃描測量過程示意圖請參閱圖4。

利用精密微動臺1、2測量音叉掃描探針測頭運動位移獲取微球探頭的大圓截面輪廓準確參數，再控制旋轉結構7使微球探頭5旋轉一定角度，掃描測量微球探頭5另一大圓截面輪廓，多次重復上述測量，獲取多組大圓截面輪廓數據，利用所獲得的各組大圓截面輪廓數據構建出微球三維立體空間輪廓，并以此進行微球探頭5各幾何參數的擬合計算，即可得到微球探頭5的球度數據。