本发明涉及标准器技术领域，尤其是用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置。
背景技术：
微纳米坐标测量系统的精度在0.1微米左右，是一种新型自动化程度高、高精度的精密测量仪器，其通常集中了激光传感器、图像传感器、接触式探针为一体。由于微纳米坐标测量系统的测量范围为0.001mm～1000mm，具有测量范围跨度大、精度高的特点，而因此评价微纳米坐标测量系统的装置和方法与传统不同。
微纳米坐标测量系统由于不受被测对象的材料限制，已经被广泛地使用在航空航天、高铁、船舶等先进制造领域，并在医疗治疗、医药生产、生命科学、环境保护、农制品生产等多个重要领域发挥重要的检测作用。
在先进制造领域，微纳米坐标测量系统不仅在传统的复杂零部件质量检测，例如齿轮、花键、凸轮、叶片、发动机关键零部件、不规则复杂零部件，是通过对其进行表面形貌获取与分析，判断零部件的质量和寿命；而且在微型化的复杂零部件的检测起到十分重要的作用，这包括微型齿轮、极小模数齿轮或花键、微型台阶、喷嘴等超精密、微小零部件的几何尺寸的高精度的检测。
在医疗治疗领域，微纳米坐标测量系统被用来观察病理的图形形貌变化，作为重要的参考依据来辅助医生治疗，提高患者的治愈效果；在医药研制方面，微纳米坐标测量系统被用来观测新药品的效能及机理变化规律；在空气净化领域，微纳米坐标测量系统被用来观测空气含有颗粒的形状分布及粒径大小。
因此，保证微纳米坐标测量系统的测量量值准确十分关键，直接影响后续的产品质量。本发明涉及的微纳米坐标测量系统的校准装置并研究成套完备的检测方法具有重大意义。
技术实现要素：
针对上述技术的不足，本发明提供了一种用于校准维纳米坐标测量系统的测量误差的标准装置，解决现有技术中的标准器不能很好适应微纳米坐标测量系统测量范围跨度大与精度高的特点的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，包括底座，底座上分布有标准单元，标准单元选择性的对称设置在半对称拓扑结构的节点上；半对称拓扑结构包括位于同一中轴直线上的中心节点，相邻中心节点之间的拓扑长度均为l；每个中心节点均沿关于中轴直线呈θ夹角的斜直线依次衍生出多级衍生节点；衍生次序相同的衍生节点为同级衍生节点，同级衍生节点位于中轴直线的同一平行线上，使得相邻同级衍生节点之间的距离等于相邻中心节点之间的拓扑长度l；每个衍生节点均具有关于中轴直线对称的对称节点。
进一步的，相邻中心节点之间的拓扑长度l大于微纳米坐标测量系统中传感器最小视场分辨率率的4.25倍，且小于传感器最大视场范围的1/3。
进一步的，标准单元为标准球、标准圆柱、标准圆孔或标准锥孔，或者为其组合。
进一步的，标准单元为采用导磁材料制成的标准球；底座包括壳体，壳体顶面设有基板，基板上设有标准球安装孔；壳体内部设有用于将检测球吸合固定在基座上的磁定位装置。
进一步的，中心节点以拓扑长度l/2·cosθ衍生出初级衍生节点；各级衍生节点均以拓扑长度l/2·cosθ衍生出下一级衍生节点。
本发明还提供了另一种用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，包括底座，底座上分布有标准单元，标准单元选择性的对称设置在全对称拓扑结构的节点上；所述全对称拓扑结构由半对称拓扑结构与镜像半对称拓扑结构组成；所述半对称拓扑结构包括位于同一中轴直线上的中心节点，相邻中心节点之间的拓扑长度均为l；每个中心节点均沿关于中轴直线呈θ夹角的斜直线依次衍生出多级衍生节点；衍生次序相同的衍生节点为同级衍生节点，同级衍生节点位于中轴直线的同一平行线上，使得相邻同级衍生节点之间的距离等于相邻中心节点之间的拓扑长度l；每个衍生节点均具有关于中轴直线对称的对称节点；半对称拓扑结构关于所述中轴直线的垂线镜像对称以形成所述镜像半对称拓扑结构。
与现有技术相比，本发明具有的优点包括：
1、半对称拓扑结构通过从中心节点向外衍生节点就能十分容易的提高标准器的设计尺度，增大标准器的覆盖范围，以适应微纳米坐标测量系统测量范围跨度大的特点；同时，通过改变相邻中心节点之间的拓扑长度l就能提高标准器在x/y方向的正交分辨率，以适应微纳米坐标测量系统精度高的特点。
2、标准单元选择性的对称设置在半对称拓扑结构的节点上：标准单元可以一一对应的设置在半对称拓扑结构的每个节点上，也可以部分设置在半对称拓扑结构的节点上，只要形成关于中轴直线对称的对称图形即可。
3、各级衍生节点均存在对称节点，是保证标准器在长期使用过程中高重复性和高稳定性的关键，同时，也扩大了标准器的覆盖范围。
4、全对称拓扑结构不仅使得标准器的尺寸覆盖范围易于扩大，更使得集成不同传感器的坐标测量系统的多个传感器能够同步校准，联合测量误差便于表达修正。
5、相邻中心节点之间的拓扑长度l受到仪器配置的传感器视场分辨率、视场范围以及仪器测量覆盖范围影响，不宜设置得过小，也不宜设置得过大，为了满足正常采样与精度的平衡，因此，相邻中心节点之间的拓扑长度l大于微纳米坐标测量系统中传感器最小视场分辨率的4.25倍，且小于传感器最大视场范围的1/3。
6、衍生节点进行衍生时的拓扑长度与相邻中心节点之间的拓扑长度l存在如下关系：l/2·cosθ，使得各级衍生节点与上一级节点始终保持相等的几何关系，便于标准器结构的稳定和线性拓扑延伸。
附图说明
图1为半对称拓扑结构的示意图；
图2为全对称拓扑结构的示意图。
图3为磁控装置的结构示意图。
具体实施方式
参考图1所示，用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，包括底座，底座上分布有标准单元，标准单元选择性的对称设置在半对称拓扑结构的节点上；半对称拓扑结构包括位于同一中轴直线(如图1中x轴)上的中心节点，相邻中心节点之间的拓扑长度均为l；每个中心节点均沿关于中轴直线呈θ夹角的斜直线依次衍生出多级衍生节点；衍生次序相同的衍生节点为同级衍生节点，同级衍生节点位于中轴直线的同一平行线上，使得相邻同级衍生节点之间的距离等于相邻中心节点之间的拓扑长度l；每个衍生节点均具有关于中轴直线对称的对称节点。
图1中，a0、a1、a2、a3、a4均是中心节点，可根据微纳米坐标测量系统测量的测量范围来相应增加或减少中心节点。每个中心节点均衍生出了三级衍生节点：分别是b级、c级与d级，如中心节点a1具有三个衍生节点b2,1、c2,1、d2,1，三个衍生节点b2,1、c2,1、d2,1的对称节点分别为b2,2、c2,2、d2,2。相邻同级衍生节点之间的距离等于相邻中心节点之间的拓扑长度l，如b1,1、b2,1、b3,1、b4,1为同级衍生节点，b1,1与b2,1之间的距离等于a0与a1之间的距离，即拓扑长度l。
相邻中心节点之间的拓扑长度l受到仪器配置的传感器视场分辨率、视场范围以及仪器测量覆盖范围影响，不宜设置得过小，也不宜设置得过大，为了满足正常采样与精度的平衡，因此，相邻中心节点之间的拓扑长度l大于微纳米坐标测量系统中传感器最小视场分辨率的4.25倍，且小于传感器最大视场范围的1/3。
中心节点以拓扑长度l/2·cosθ衍生出初级衍生节点；各级衍生节点均以拓扑长度l/2·cosθ衍生出下一级衍生节点。θ的取值范围15°～60，优选的，θ＝45°，使得整个拓扑结构保持不仅保持轴对称，同时与该节点相关的衍生节点都较该节点相互对称。
标准单元选择性的对称设置在半对称拓扑结构的节点上：标准单元可以一一对应的设置在半对称拓扑结构的每个节点上，也可以部分设置在半对称拓扑结构的节点上，只要形成关于中轴直线对称的对称图形即可。
标准单元进行选择性对称设置的模式包括：
模式a：在半对称拓扑结构上形成包含中心节点的菱形分布，参考图1所示，中心节点a1、a2、a3、a4，衍生节点b2,1、b3,1、b4,1、c2,1、c3,1、d2,1以及衍生节点的对称节点b2,2、b3,2、b4,2、c2,2、c3,2、d2,2形成了一个菱形分布区域，标准单元对应设置在该棱线分布区域中的节点上。
模式b：在半对称拓扑结构上形成包含中心节点的箭头形分布，例如：包含中心节点a0，衍生节点b1,1、c1,1、d1,1以及衍生节点的对称节点b1,2、c1,2、d1,2形成了箭头形状区域，标准单元对应设置在该箭头形状区域中的节点上。
模式c：在半对称拓扑结构上形成包含一个中心节点的折线形分布，例如：包含中心节点a0与衍生节点b1,1、c1,1、d1,1、d2,1、d3,1、d4,1，以及衍生节点的对称节点b1,2、c1,2、d1,2、d2,2、d3,2、d4,2，形成的折线形区域，标准单元对应设置在该折线形区域中的节点上。
除了半对称拓扑结构，本发明还提供了另一种具有全对称拓扑结构的用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，参考图2所示，全对称拓扑结构由半对称拓扑结构与镜像半对称拓扑结构组成；半对称拓扑结构关于板对称拓扑结构的中轴直线(x轴)的垂线(y轴)镜像对称以形成所述镜像半对称拓扑结构。y轴右侧采用本具体实施方式中的板对称拓扑结构，y轴左侧为镜像半对称拓扑结构。标准单元在半对称拓扑结构上的分布镜像对称分布到镜像半对称拓扑结构上。因此，标准单元选择性的对称设置在全对称拓扑结构的节点上，标准单元进行选择性对称设置的模式包括：
模式a′：在半对称拓扑结构上形成包含中心节点的菱形分布，同时在镜像半对称拓扑结构上形成菱形分布的镜像；
模式b′：在半对称拓扑结构上形成包含中心节点的箭头形分布，同时在镜像半对称拓扑结构上形成箭头分布的镜像；
模式c′：在半对称拓扑结构上形成包含一个中心节点的折线形分布，同时在镜像半对称拓扑结构上形成折线形分布的镜像。
本领域技术人员根据本发明的启示可选择不同的节点在半对称拓扑结构上组成各种对称图形区域，因此，只要是在半对称拓扑结构上组成的对称图形区域及其镜像对称图形区域，均应在本发明的保护范围内。
标准单元为标准球、标准圆柱、标准圆孔或标准锥孔，或者为其组合：如标准球与标准圆孔的组合，衍生节点与其对称节点采用同种类型同种尺寸的标准单元为宜。
标准单元可固定连接在底座上，标准单元还可以通过磁控方式可拆卸连接在底座上：参考图3所示，标准单元为采用导磁材料制成的标准球；同级衍生节点及其对称节点采用同种尺寸的标准球，不同级衍生节点采用不同尺寸的标准球；底座包括壳体1，壳体1顶面设有基板，基板上设有标准球安装孔；壳体1内部设有用于将检测球吸合固定在基座上的磁定位装置。
壳体1采用铝制成，基板包括大理石板6与导磁板5，大理石板6上设置标准球安装孔，导磁板5位于大理石板6与壳体顶面之间，用于增强磁力。磁定位装置为设置在标准球安装孔下方的电磁铁，电磁铁底面与壳体之间通过绝缘层2隔离，各电磁铁通过独立的变阻器控制，以改变绕在电磁铁铁芯4上的线圈3的电流大小，从而调节磁力，使传感器探触标准球时，标准球不会发生移动。具体磁力设计方法可采用现有技术中“多层-多球磁定位式齿距样板及其磁力设计方法(cn109365924b)”，在此不再赘述。
1.用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，包括底座，底座上分布有标准单元，其特征在于：标准单元选择性的对称设置在半对称拓扑结构的节点上；半对称拓扑结构包括位于同一中轴直线上的中心节点，相邻中心节点之间的拓扑长度均为l；每个中心节点均沿关于中轴直线呈θ夹角的斜直线依次衍生出多级衍生节点；衍生次序相同的衍生节点为同级衍生节点，同级衍生节点位于中轴直线的同一平行线上，使得相邻同级衍生节点之间的距离等于相邻中心节点之间的拓扑长度l；每个衍生节点均具有关于中轴直线对称的对称节点。
2.根据权利要求1所述的用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，其特征在于：相邻中心节点之间的拓扑长度l大于微纳米坐标测量系统中传感器最小视场分辨率的4.25倍，且小于传感器最大视场范围的1/3。
3.根据权利要求1所述的用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，其特征在于：中心节点以拓扑长度l/2·cosθ衍生出初级衍生节点；各级衍生节点均以拓扑长度l/2·cosθ衍生出下一级衍生节点。
4.根据权利要求1所述的用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，其特征在于：θ的取值范围15°～60°。
5.根据权利要求1所述的用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，其特征在于：θ＝45°。
6.根据权利要求1所述的用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，其特征在于：标准单元为标准球、标准圆柱、标准圆孔或标准锥孔，或者为其组合。
7.根据权利要求1所述的用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，其特征在于：标准单元为采用导磁材料制成的标准球；底座包括壳体，壳体顶面设有基板，基板上设有标准球安装孔；壳体内部设有用于将检测球吸合固定在基座上的磁定位装置。
8.根据权利要求1所述的用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，其特征在于：标准单元进行选择性对称设置的模式包括：
模式a：在半对称拓扑结构上形成包含中心节点的菱形分布；
模式b：在半对称拓扑结构上形成包含中心节点的箭头形分布；
模式c：在半对称拓扑结构上形成包含一个中心节点的折线形分布。
9.一种用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，包括底座，底座上分布有标准单元，其特征在于：标准单元选择性的对称设置在全对称拓扑结构的节点上；所述全对称拓扑结构由半对称拓扑结构与镜像半对称拓扑结构组成；所述半对称拓扑结构包括位于同一中轴直线上的中心节点，相邻中心节点之间的拓扑长度均为l；每个中心节点均沿关于中轴直线呈θ夹角的斜直线依次衍生出多级衍生节点；衍生次序相同的衍生节点为同级衍生节点，同级衍生节点位于中轴直线的同一平行线上，使得相邻同级衍生节点之间的距离等于相邻中心节点之间的拓扑长度l；每个衍生节点均具有关于中轴直线对称的对称节点；半对称拓扑结构关于所述中轴直线的垂线镜像对称以形成所述镜像半对称拓扑结构。
10.根据权利要求9所述的用于校准微纳米坐标测量系统测量误差的标准装置，其特征在于：标准单元进行选择性对称设置的模式包括：
模式a′：在半对称拓扑结构上形成包含中心节点的菱形分布，同时在镜像半对称拓扑结构上形成菱形分布的镜像；
模式b′：在半对称拓扑结构上形成包含中心节点的箭头形分布，同时在镜像半对称拓扑结构上形成箭头分布的镜像；
模式c′：在半对称拓扑结构上形成包含一个中心节点的折线形分布，同时在镜像半对称拓扑结构上形成折线形分布的镜像。
技术总结