专利名称：大型球面非球面轮廓扫描测量方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明主要针对大口径球面和非球面元件的面型及表面粗糙度等参数的精密检测，特别涉及一种可实时分离轴向端跳误差的大口径球面和非球面轮廓扫描测量方法与装置，属于超精密测量技术领域。
背景技术：
随着激光核聚变、空间望远观测等重大前沿技术的发展，对大型球面和非球面元件的需求日益广泛，且对其加工过程中的面型和表面粗糙度等参数的要求也日益提高，如果没有与大型球面和非球面元件的加工精度相匹配的高精度表面轮廓检测方法和装置，其超精密的加工精度要求就无从保证。目前，常用于大型球面和非球面的轮廓测量仪器分为接触式和非接触式轮廓测量仪器。非接触式轮廓测量仪采用干涉法进行测量，如ZYGO公司的Verifire系列全口径干涉仪，其测量光束口径最大为6英寸，RMS重复性最高可达λ/10000。但由于其测量原理为采用补偿元件形成与被测非球面理想面型相同的参考波前，补偿元件的加工制造困难，通用性差，且测量光束口径较�。晌圃既诰陡缮嬉遣饬看笮头乔蛎娴闹饕蛩�。干涉法测量中的子孔径拼接技术，是将大口径被测非球面分割为若干个被测子孔径，采用小口径干涉仪分别对各子孔径进行干涉测量，然后再通过拼接融合算法，将各子孔径的测量数据拼接为全口径被测非球的表面轮廓信息，代表性产品如QED公司的SSI自动拼接干涉仪。但其对高陡度非球面难于测量，拼接算法复杂，对各执行机构的运动精度要求极高，测量精度难于保证。接触式轮廓测量仪主要采用传感器逐点扫描法进行测量，如英国Taylor Hobson公司最新研制的Talysurf PGI Dimension非球面测量仪,X向测量范围为300mm, Z向分辨率为0.2nm。但其测量精度不仅受制于仪器回转轴系的径向误差和X向精密导轨的运动误差，更主要的还受制于回转轴系的轴向端跳误差，而且轴向端跳误差随被测件测量轮廓半径的增大呈放大趋势，这一问题已成为大型轮廓测量仪器提高测量精度的技术瓶颈。因此，如何减小由回转轴系引起的轴向端跳误差，以及如何实时监测并补偿X向精密导轨的运动误差，已成为提高大型非球面轮廓测量仪器测量精度的核心问题。基于上述问题，本发明提出一种大型球面非球面轮廓扫描测量方法和装置，有效地突破现有大口径非球面轮廓扫描测量方法受回转轴系轴向端跳误差和X向精密导轨运动误差制约难以提高测量精度的技术瓶颈。
发明内容
本发明的第一个目的在于:为实现大型非球面元件的高精度轮廓扫描测量中由回转轴系引起的轴向端跳误差的实时自分离，提出单转位轴向端跳误差分离方法，采用谐波分析和傅里叶变换等方法，实现轴向端跳误差在1-1OOupr范围内的全谐波分离。本发明的第二个目的在于:为实时监测并补偿大型球面、非球面元件的高精度轮廓扫描测量中X向精密导轨的运动误差，采用高方向稳定性基准光束发生装置和光斑位置探测器，实时监测由X向导轨的运动误差和弯曲变形等引起的沿Z向的偏移量，并进行误差补偿。本发明的思路为:基于回转基准空间回转误差的单转位误差分离技术，实现回转轴系轴向端跳误差与非球面轮廓测量值的实时自分离；采用高方向稳定性基准光束，实时监测补偿导轨运动误差。构建可自主分离和实时补偿回转轴系端跳误差、X向直线导轨运动误差等的高精度大型球面、非球面轮廓扫描测量方法与装置。为大型球面和非球面的面型、表面粗糙度、顶点曲率半径等参数的高精度测量提供新方法和技术。本发明是通过以下技术方案实现的。一种大型球面非球面轮廓扫描测量装置，包括:位移测量用激光干涉仪，角锥测量镜、精密气浮直线导轨系统、仪器支架、转位角发生装置、误差分离转台、精密气浮回转轴系、驱动电机、仪器基座、仪器工作台、大量程位移传感器、光斑位置探测器、高方向稳定性基准光束发生装置、精密转角测量装置；其中，非球面被测工件放置于仪器工作台上，误差分离转台放置于精密气浮回转轴系上，非球面被测工件可分别由误差分离转台和精密气浮回转轴系带动进行回转，大量程位移传感器位于沿X向运动的精密气浮直线导轨系统上，对非球面被测工件的表面轮廓进行扫描测量，高方向稳定性基准光束发生装置沿X方向布置，而光斑位置探测器安置于精密气浮直线导轨系统的滑套上，精密转角测量装置安装于仪器工作台的沿圆周方向，位移测量用激光干涉仪沿X向布置，角锥测量镜布置于精密气浮直线导轨系统的滑套上。采用单转位误差分离方法实现轴系端跳误差的实时自分离，该方法包括以下步骤:I)将被测非球面划分为N个测量圆周，大量程位移传感器处于初始转位位置a ;精密气浮直线导轨系统沿X方向带动大量程位移传感器运动至各测量圆周，被测非球面由精密气浮回转轴系带动旋转，大量程位移传感器即可获得各测量圆周上包括被测非球面的表面轮廓数据(P1 (n), P2 (n), L7Pi(H)L, Pn (η)}和仪器回转轴系的端跳误差数据IV1 (n)，V2 (η)，L, Vi (n) L，Vm(η)}在内的综合测量数据{Sal (η)，Sa2 (η)，L，Sai (n) L，S3n (η) }，其中 η=1，L，N 为被测非球面各测量圆周上的采样点数；2)转动误差分离转台，带动被测非球面转过α角度到达转位位置b，即初始转位位置为b，再对与初始转位位置a严格对应的N个测量圆周上的表面轮廓信号依次进行测量，得到其综合测量数据{Sbl (η)，Sb2 (η)，L，Sbi (n) L，SbN (n)}3)利用单转位误差分离方法和谐波分析法对转位角a、{Sal (η)，Sa2 (η)，L，Sai (η)L，SaN(n)}和{Sbl(n)，Sb2(n)，L，Sbi(n)L，SbN(n)}进行数据处理和误差分离后，得到X向N个测量圆周上剔除了轴系回转端跳误差的表面轮廓信息(P1 (n) ,P2OihUPi(Ii)L, Pn(η)}；4)将{Pjn)，P2(n)，L，Pi(Ii)L, Pn(η)}代入表面轮廓测量评定系统中进行面型和粗糙度评定，即可实现剔除了轴系回转端跳误差的表面轮廓测量；为实时监测和补偿由精密气浮直线导轨系统的运动误差和弯曲变形等因素引起的大量程位移传感器沿Z向的测量值偏差，将所述高方向稳定性基准光束发生装置发出的光束作为X方向的直线基准，其光束入射至位于精密气浮直线导轨系统的滑套上的光斑位置探测器；当精密气浮直线导轨系统的滑套沿X方向运动时，由导轨运动误差及导轨弯曲变形等因素引起的大量程位移传感器沿Z向的测量值偏差就近似等于光斑位置探测器上光斑位置的偏移量。所述的精密转角测量装置用于高精度转角测量，该测量方法包括以下步骤:I)将第一条直线位移光栅尺作为主光栅尺，沿回转轴系工作端面的圆周粘贴，首尾接头处留出3 5mm缝隙；2)将第二条直线位移光栅尺作为副光栅尺，沿圆周方向粘贴于主光栅尺首尾接头的缝隙处；3)在主光栅尺的首尾接头缝隙两侧放置参考零位；4)通过参考零位形成触发信号，在接缝位置附近切换主副两套光栅系统的有效状态，以避开光栅尺接头缝隙对精密转角测量的干扰，实现对回转主轴7连续整圆周的角位移高精度测量。所述的位移测量用激光干涉仪用于获得各测量圆周沿X方向的精确位置。有益效果本发明对比已有方法技术具有以下显著优点:1、本发明的单转位轴向端跳误差分离方法，可实现回转轴系引起的轴向端跳误差与被测件的表面轮廓数据在1-1OOupr范围内的全谐波实时自分离；2、与其它误差分离技术相比，单转位轴向端跳误差分离方法基于谐波分析和傅里叶变换等数学工具，在分离过程中，只需要使被测工件相对回转轴系完成单次小角度转位，经过简单的算法即可实现回转轴系轴向端跳误差与非球面轮廓数据在1-1OOupr范围内的全谐波实时自分离；3、本发明的直线导轨误差检测补偿技术，采用高方向稳定性基准光束发生装置和光斑位置探测器等实现，可实时监测和补偿由X向导轨的运动误差和弯曲变形等引起的测量传感器沿Z向的偏移误差；4、本发明基于回转基准误差单转位分离方法、直线导轨误差检测补偿技术等，构建可自主分离和补偿基准运动误差的超精密球面、非球面轮廓扫描测量装置，实现大型非球面光学元件的超精密测量；5、基于本发明方法的表面轮廓扫描测量装置，在保证良好测量精度的同时，可将被测球面和非球面元件的口径拓展至I米以上；6、本发明的超精密大型球面非球面轮廓扫描测量装置可配置非接触光学传感器进行轮廓扫描测量，实现了大口径高陡度球面和非球面元件表面轮廓的高精度非接触测量，对被测元件无损伤破坏。7、本发明的精密转角测量装置采用两套直线位移光栅系统，通过参考零位切换其工作状态，有效地解决直线位移光栅尺的安装接缝处无法获取准确计数信号的问题，实现连续整圆周的精密角位移测量。
图1为本发明装置的结构示意图；图2为本发明装置的测量原理示意图；图3为本发明实施例的结构示意图；图4为本发明实施例的直线导轨Z向偏移监测原理意图5为本发明实施例的精密转角测量装置原理示意图；图中，1-位移测量用激光干涉仪、2-角锥测量镜、3-精密气浮直线导轨系统、4-仪器支架、5-转位角发生装置、6-误差分离转台、7-精密气浮回转轴系、8-驱动电机、9-仪器基座、10-仪器工作台、11-非球面被测工件、12-大量程位移传感器、13-光斑位置探测器、14-高方向稳定性基准光束发生装置、15为精密转角测量装置、16-主光栅尺、17-辅助光栅尺、18和19-参考零位、20-辅助光栅读数头、21-主光栅读数头。
具体实施例方式本发明的一种大型球面非球面轮廓扫描测量装置的一个实施例的结构示意图如图3所示，包括位移测量用激光干涉仪1，角锥测量镜2、精密气浮直线导轨系统3、仪器支架4、转位角发生装置5、误差分离转台6、精密气浮回转轴系7、驱动电机8、仪器基座9、仪器工作台10、非球面被测工件11、大量程位移传感器12、光斑位置探测器13、高方向稳定性基准光束发生装置14、精密转角测量装置15、主光栅尺16、辅助光栅尺17、参考零位18和19、辅助光栅读数头20、主光栅读数头21。其中，精密气浮回转轴系7作为仪器的回转基准，误差分离转台6作为误差分离装置与仪器回转基准重合，且可相对于精密气浮回转轴系7做小角度转动。具体测量时，非球面被测工件11、放置在仪器工作台10上，由精密气浮回转轴系7带动误差分离转台6、仪器工作台10和非球面被测工件11 一起回转。精密气浮直线导轨系统3带动大量程位移传感器12沿X方向运动，可以达到任意测量圆周上进行表面轮廓的扫描测量。当进行误差分离操作时，误差分离转台6供气并工作，带动仪器工作台10和非球面被测工件11完成误差分离所需的相对于精密气浮回转轴系7的小角度转动。当无需误差分离时，误差分离转台6断气，在重力的作用下与精密气浮回转轴系7合二为一，等同于无误差分离系统的表面轮廓测量仪器。本发明中的仪器回转基准除精密气浮回转轴系外，还可以是其它形式的轴系，如液压、密珠等形式。本发明中的作为误差分离装置的误差分离转台，其形式除静压气浮轴承外，还可以是其它形式，如液压、密珠等。本发明中的大量程位移传感器不仅可以为非接触的光学高精度大量程位移传感器，如激光差动共焦传感器等，还可以为双光束干涉原理的扫描传感器和精密大量程电感传感器等。本发明的一种大型球面非球面轮廓扫描测量方法，其测量步骤如下:如图3所示，将非球面被测工件11置于工作台上，调整使其回转中心线与精密气浮回转轴系7的回转中心线同轴。将精密气浮回转轴系7上某一固定位置a作为仪器测量起始点，将非球面被测工件11的起始参考点设为b。如图2所示，精密气浮直线导轨系统3沿X方向移动，使大量程位移传感器12到达第I个测量圆周上，旋转非球面被测工件11得到第I个测量圆周上的Sal (η)数据。然后，转动误差分离转台6使非球面被测工件11的起始参考点b相对于精密气浮回转轴系7的测量起始点a逆时针转过α角，使工件处于如图2所示的第二转位位置，再转动工作台测得第I个测量圆周的Sbl (η)数据。根据测得的Sal (η)和Sbl (η)两组数据，应用本发明的单转位误差分离方法，即可对第I个测量圆周上的轴系端跳误差V1(Ii)进行分离。以此类推，精密气浮直线导轨系统3沿X向移动，大量程位移传感器12依次在非球面被测工件11的被测端面的第2LiL M个测量圆周进行测量，同样采用上述处理方法即可分离出各测量圆周的轴系端跳误差IV2 (n)，V3 (η)，L，Vi (n)L，VM(n)}。将剔除了轴系端跳误差的(P1 (n) ,P2OihUPi(Ii)L, Pm(η)}值代入表面轮廓评定系统，即可评定出非球面被测工件11的表面轮廓和粗糙度等特征。分离第i个测量圆周上的轴系端跳误差Vi(Ii)和被测工件的表面轮廓信号Pi(Ii)的方法及具体步骤如下:选定被测工件11上如图2所示的第i个测量圆周进行分离测量，设Vi ( Θ )为被测工件第i个测量圆周上由轴系端跳引入的误差值，Pi(Q)为被测工件第i个测量圆周上的表面轮廓值。大量程位移传感器12处于初始转位位置a处，旋转被测工件11，测得包括被测工件表面轮廓信号Pi ( Θ )和仪器回转轴系的端跳误差Vi ( Θ )在内的综合误差数据Sai ( Θ )，其中n=l，L，iL，N为被测工件11该测量圆周的采样点数。
权利要求
1.一种大型球面非球面轮廓扫描测量装置，其特征在于:包括:位移测量用激光干涉仪(I)，角锥测量镜(2)、精密气浮直线导轨系统(3)、仪器支架(4)、转位角发生装置(5)、误差分离转台(6)、精密气浮回转轴系(7)、驱动电机(8)、仪器基座(9)、仪器工作台(10)、大量程位移传感器(12)、光斑位置探测器(13)、高方向稳定性基准光束发生装置(14)、精密转角测量装置(15);其中，非球面被测工件(11)放置于仪器工作台(10)上，误差分离转台(6)放置于精密气浮回转轴系(7)上，非球面被测工件(11)可分别由误差分离转台(6)和精密气浮回转轴系⑵带动进行回转，大量程位移传感器(12)位于沿X向运动的精密气浮直线导轨系统(3)上，对非球面被测工件(11)的表面轮廓进行扫描测量，高方向稳定性基准光束发生装置(14)沿X方向布置，而光斑位置探测器(13)安置于精密气浮直线导轨系统(3)的滑套上，精密转角测量装置(15)安装于仪器工作台(10)的沿圆周方向，位移测量用激光干涉仪(I)沿X向布置，角锥测量镜(2)布置于精密气浮直线导轨系统(3)的滑套上。
2.根据权利要求1所述的一种大型球面非球面轮廓扫描测量装置，其特征在于:采用单转位误差分离方法实现轴系端跳误差的实时自分离，该方法包括以下步骤: 1)将被测非球面(11)划分为N个测量圆周，大量程位移传感器(12)处于初始转位位置a;精密气浮直线导轨 系统(3)沿X方向带动大量程位移传感器(12)运动至各测量圆周，被测非球面(11)由精密气浮回转轴系⑵带动旋转，大量程位移传感器(12)即可获得各测量圆周上包括被测非球面(11)的表面轮廓数据(P1 (n), P2 (n), L7Pi(H)L, Pn (η)}和仪器回转轴系的端跳误差数据{V ，V2 (n) ,UVi(Ii)L, Vm (η)}在内的综合测量数据{Sal (η)，Sa2 (η)，L，Sai (n) L，S3n (η) }，其中n=l，L，N为被测非球面(11)各测量圆周上的采样点数； 2)转动误差分离转台￠)，带动被测非球面(11)转过α角度到达转位位置b，即初始转位位置为b，再对与初始转位位置a严格对应的N个测量圆周上的表面轮廓信号依次进行测量，得到其综合测量数据{Sbl (η)，Sb2 (η)，L，Sbi (n) L，SbN (n)} 3)利用单转位误差分离方法和谐波分析法对转位角a、{Sal(n)，Sa2(η)，L，Sai (n) L,S3n(H)I和{Sbl(n)，Sb2(n)，L，Sbi(n)L，SbN(n)}进行数据处理和误差分离后，得到X向N个测量圆周上剔除了轴系回转端跳误差的表面轮廓信息(P1 (n) ,P2(I^UPiOi)L, Pn(η)}； 4)将{Pjn)，P2(n)，L，Pi(Ii)L,Pn(η)}代入表面轮廓测量评定系统中进行面型和粗糙度评定，即可实现剔除了轴系回转端跳误差的表面轮廓测量。
3.根据权利要求1所述的一种大型球面非球面轮廓扫描测量装置，其特征在于:为实时监测和补偿由精密气浮直线导轨系统(3)的运动误差和弯曲变形等因素引起的大量程位移传感器(12)沿Z向的测量值偏差，将所述高方向稳定性基准光束发生装置(14)发出的光束作为X方向的直线基准，其光束入射至位于精密气浮直线导轨系统(3)的滑套上的光斑位置探测器(13);当精密气浮直线导轨系统(3)的滑套沿X方向运动时，由导轨运动误差及导轨弯曲变形等因素引起的大量程位移传感器(12)沿Z向的测量值偏差就近似等于光斑位置探测器(13)上光斑位置的偏移量。
4.根据权利要求1所述的一种大型球面非球面轮廓扫描测量装置，其特征在于:所述的精密转角测量装置(15)用于高精度转角测量，该测量方法包括以下步骤: I)将第一条直线位移光栅尺作为主光栅尺，沿回转轴系工作端面的圆周粘贴，首尾接头处留出3 5mm缝隙；2)将第二条直线位移光栅尺作为副光栅尺，沿圆周方向粘贴于主光栅尺首尾接头的缝隙处； 3)在主光栅尺的首尾接头缝隙两侧放置参考零位； 4)通过参考零位形成触发信号，在接缝位置附近切换主副两套光栅系统的有效状态，以避开光栅尺接头缝隙对精密转角测量的干扰，实现对回转主轴7连续整圆周的角位移高精度测量。
5.根据权利要求1所述的一种大型球面非球面轮廓扫描测量装置，其特征还在于:所述的位移测量用激光`干涉仪(I)用于获得各测量圆周沿X方向的精确位置。
全文摘要
本发明主要针对大型球面和非球面元件的面型及表面粗糙度等特征参数的精密检测，特别涉及一种可实时分离轴向端跳误差和X方向直线运动导轨误差的大口径球面和非球面轮廓扫描测量方法与装置，属于超精密测量技术领域。本发明基于回转基准空间回转误差的单转位误差分离技术，实现回转轴系轴向端跳误差与非球面轮廓测量值的实时自分离；采用高方向稳定性基准光束，实时监测补偿导轨运动误差；构建可自主分离和实时补偿回转轴系端跳误差、X向直线导轨运动误差等的高精度大型球面、非球面轮廓扫描测量方法与装置。为大型球面和非球面的面型、表面粗糙度、顶点曲率半径等参数的高精度测量提供新方法和技术。
文档编号G01B11/24GK103105141SQ201210592290
公开日2013年5月15日 申请日期2012年12月30日 优先权日2012年12月30日
发明者赵维谦, 侯茂盛, 邱丽荣, 王帆 申请人:北京理工大学
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