大型球面非球面轮廓扫描测量方法与装置.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103105141A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103105141103105141A(43)申请公布日2013.05.15(21)申请号201210592290.4(22)申请日2012.12.30(71)申请人北京理工大学地址100081北京市海淀区中关村南大街5号(72)发明人赵维谦侯茂盛邱丽荣王帆(51)Int.Cl.G01B11/24(2006.01)权权利要求书2页利要求书2页说明书8页说明书8页附图3页附图3页(54)发明名称大型球面非球面轮廓扫描测量方法与装置(57)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。CN103105141ACN10354ACN103105141A权利要求书1/2页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(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)、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(7)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(1)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(7)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)，L，Pi(n)L，PN(n)}和仪器回转轴系的端跳误差数据{V1(n)，V2(n)，L，Vi(n)L，VM(n)}在内的综合测量数据{Sa1(n)，Sa2(n)，L，Sai(n)L，SaN(n)}，其中n=1，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(6)，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{Sb1(n)，Sb2(n)，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α、{Sa1(n)，Sa2(n)，L，Sai(n)L，SaN(n)}和{Sb1(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(n)，L，Pi(n)L，PN(n)}；4)将{P1(n)，P2(n)，L，Pi(n)L，PN(n)}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(