CN101464141A

CN101464141A - 一种非球面检测仪

Info

Publication number: CN101464141A
Application number: CNA2009101108525A
Authority: CN
Inventors: 郭隐彪; 刘建春; 刘古今; 朱永炉
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2009-06-24

Abstract

一种非球面检测仪，涉及一种光学非球面检测设备。提供一种结合非接触式与接触式测量的优缺点，将接触式和非接触式测量融合在一起对非球面表面进行测量，通过两种方法相互补偿，以得到较高测量精度的非球面检测仪。设有结构架、检测平台、非接触激光位移测头、光栅接触式位移测头、XYZ三轴运动机构和控制装置，非接触激光位移测头和光栅接触式位移测头安装在XYZ三轴运动机构的Z轴上，检测平台设在X轴运动机构上；XYZ三轴运动机构上分别装有X轴马达、Y轴马达和Z轴马达，通过X轴马达、Y轴马达和Z轴马达带动XYZ三轴运动机构，从而实现非接触激光位移测头和光栅接触式位移测头的运动，对非球面光学元件实现三维测量。

Description

一种非球面检测仪

技术领域

本发明涉及一种光学非球面检测设备，尤其是涉及一种接触式及非接触式联合的非球面检测仪。

背景技术

非球面在光学设计上相对于球面光学元件存在着许多优势，用于光学系统可消除球差、慧差、像散、场曲，减少光能损失，获得高成像质量；同时，可以减少光学系统的重量，缩小光学系统的体积(参见文献：Machkour-Deshayes N，Stoup J，Lu ZQJ，et al.Form-profiling ofoptics using the geometry measuring machine and the M-48 CMM at NIST.JOURNAL OFRESEARCH OF THE NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY 111(5)：373-384 SEP-OCT 2006)。可以广泛地应用于现代光电子产品和图像处理产品，以及军事、天文等领域。但是由于受到制造水平的限制，非球面元件没能得到广泛的应用。进入20世纪80年代后，随着计算机的发展和激光干涉技术的进步，非球面技术得到了突飞猛进的发展。由于非球面在光学设计中的广泛应用，对非球面面型参数的检测和非球面面型质量的评价提出了更高的要求，高精度非球面的加工与检测技术上仍有瓶颈等待突破。

光学非球面的检测主要有接触式和非接触式两种测量方法。

接触式测量精度较高，量程大，测量结果稳定可靠、重复性好，一直是各个国家标准和国际标准制定的依据。但它存在一定的接触力，测头容易划伤被测表面或被表面划伤，不适合软质非球面的检测，而且需要补偿侧头半径(参见文献：Chang-Ock Lee，Kilsu Park，ByongChon Park Yoon Woo Lee.algorithm for stylus instruments to measure aspheric surfaces.INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING Meas.Sci.Technol.16(2005)1215-1222)。

与接触式测量相比，采用非接触测量方式的激光扫描轮廓仪具有测量速度快、无损伤等优点；但这种轮廓仪对被测表面清洁度要求较高，当测量较大倾斜角的轮廓表面时，会造成信号畸变和失真，工件材料的反射率及表面峰谷的高低程度也对测量结果有一定影响。

光学非球面零件检测中存在多方面的影响因素，为了提高测量精度，除了提高机构和测量仪器的精度外，还应尽可能剔除系统误差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的光学非球面检测精度及效率不高等问题，提供一种结合非接触式与接触式测量的优缺点，将接触式和非接触式测量融合在一起对非球面表面进行测量，通过两种方法相互补偿，以得到较高测量精度的非球面检测仪。

本发明设有结构架、检测平台、非接触激光位移测头、光栅接触式位移测头、XYZ三轴运动机构和控制装置，非接触激光位移测头和光栅接触式位移测头安装在XYZ三轴运动机构的Z轴上，检测平台设在X轴运动机构上用于放置非球面光学元件；XYZ三轴运动机构上分别装有X轴马达、Y轴马达和Z轴马达，通过X轴马达、Y轴马达和Z轴马达带动XYZ三轴运动机构，从而实现非接触激光位移测头和光栅接触式位移测头的运动，对非球面光学元件实现三维测量。

控制装置设有计算机、四轴运动控制卡、驱动器和光栅尺，计算机的串口与四轴运动控制卡连接，驱动器分别与马达和四轴运动控制卡连接，驱动器受四轴运动控制卡控制，光栅尺设在XYZ三轴运动机构上，光栅尺与四轴运动控制卡连接，设在XYZ三轴运动机构上的光栅尺分别获得X、Y、Z轴位移量，并通过光栅尺把各轴位移量实时传送给计算机；XYZ三轴运动机构的X轴安装在结构架上，用于控制非接触激光位移测头和光栅接触式位移测头在X轴方向的运动，检测平台安装在XYZ三轴运动机构的Y轴上，实现Y向运动。

结构架最好采用花岗岩结构架，检测平台最好采用花岗岩检测平台。

非接触激光位移测头最好采用自动聚焦式非接触激光位移测头。

X轴马达、Y轴马达和Z轴马达最好采用压电陶瓷马达。

非球面检测软件运行于计算机上，在非球面检测软件上选择测量传感器，并设置测量参数，由测量软件生成检测程序。计算机通过伺服系统控制四轴运动控制卡，由驱动器分别驱动X、Y、Z轴马达带动XYZ三轴运动机构沿各自直线导轨移动测量仪器和工件到测量的初始点开始测量，测量传感器测量并采集得到的被检测点坐标通过USB和串行通讯口被传递给计算机。非球面检测软件根据测量仪器及参数对数据进行误差补偿及误差分离，从而得到高精度的检测数据。

非球面检测软件为菜单驱动式，设有系统管理模块、基本测量模块、专业测量模块，仿真模块、误差数据处理模块、数学分析模块和系统帮助模块。

本发明基于同一个高精度三维检测平台，对同一零件采用接触式和非接触式两种不同测量方案。根据多组测量数据，对系统误差进行分离和补偿，提高测量精度，以满足非球面工件精磨阶段检测精度要求的检测装置。

附图说明

图1为本发明实施例的结构原理框图。

图2为本发明实施例的花岗岩结构架、花岗岩超精密检测平台、自动聚焦式非接触激光位移测头、光栅接触式位移测头和XYZ三轴运动机构的结构示意图。

图3为本发明实施例所采用的非球面检测软件总体结构框图。在图3中，A.非球面检测软件；B.系统管理模块；B1.文件管理子模块；B2.传感器参数设置子模块；B3.运动卡参数设置子模块；C.基本测量模块；D.专业测量模块；D1.手动操作；D2.顶点查找；D3.自动测量；E.仿真模块；F.误差数据处理模块；F1.定位精度补偿；F2.测头半径补偿；F3.坐标修正；G.数学分析模块；H.系统帮助模块。

以下给出图1和2中的各主要配件的代号：0.花岗岩结构架；1.花岗岩超精密检测平台2.自动聚焦式非接触激光位移测头；3.光栅接触式位移测头；4.计算机；5.四轴运动控制卡；6.驱动器；7.压电陶瓷马达；8.XYZ三轴运动机构；9.光栅尺。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式作进一步的说明。

参见图1和2，本发明设有花岗岩结构架0、花岗岩超精密检测平台1、自动聚焦式非接触激光位移测头2、光栅接触式位移测头3、计算机4、四轴运动控制卡5、驱动器6、压电陶瓷马达7、XYZ轴运动机构8和光栅尺9。

XYZ三轴运动机构8安装固定在花岗岩结构架0上，自动聚焦式非接触激光位移测头2和光栅接触式位移测头3分别安装固定在Z轴运动机构上，花岗岩超精密检测平台1设在X轴运动机构上；XYZ三轴运动机构8上分别装有相应的X、Y、Z轴压电陶瓷马达7，压电陶瓷马达7的驱动器6与四轴运动控制卡5连接，并受四轴运动控制卡5控制；XYZ三轴运动机构8各轴上均装有光栅尺9，XYZ三轴运动机构8中的高精度光栅尺获得各轴位移量，并通过光栅尺9把各轴位移量实时传送给计算机4；而计算机4终端同时连接着自动聚焦式非接触激光位移测头2、光栅接触式位移测头3和四轴运动控制卡5，一方面存入传感器采集得到的数据，一方面发出运动控制卡指令。

参见图1～3，非球面检测软件A运行于计算机4上，在非球面检测软件A上选择测量传感器(自动聚焦式非接触激光位移测头2或光栅接触式位移测头3)，并设置测量参数，由非球面检测软件A生成检测程序。计算机4通过伺服系统控制四轴运动控制卡5，由驱动器6分别驱动X、Y、Z轴压电陶瓷马达7带着XYZ三轴运动机构8沿着各自直线导轨移动测量仪器和工件到测量的初始点开始测量，测量传感器测量并采集得到的被检测点坐标值通过USB和串行通讯口被传递给计算机4。非球面检测软件A根据测量仪器及参数对数据进行误差补偿及误差分离，从而得到高精度的检测数据。

计算机4主CPU根据检测程序产生指令信号，经四轴运动控制卡5中的D/A转换后，输送到电机驱动器6，驱动压电陶瓷马达7运转，控制X、Y、Z三轴的运动机构8移动。光栅通过闭环光栅位置反馈系统9实时反馈位移信息给计算机4的主CPU。当到达目标位移时，由主CPU发出指令，压电陶瓷马达7停止运转。

在图3中，非球面检测软件A为菜单驱动式，设有系统管理模块B、基本测量模块C、专业测量模块D、仿真模块E、误差数据处理模块F、数学分析模块G和系统帮助模块H。

软件中各模块的主要功能如下：

1、系统管理模块B。此模块包含有文件管理、传感器参数设置与运动卡参数设置三个子模块。

1)文件管理子模块B₁，是来实现文件、数据的储存、打开、编辑等功能。

2)传感器参数设置子模块B₂，完成测量所用传感器的选择以及相关参数的设定。

3)运动卡参数设置子模块B₃，用于设定测量的步长、速度等参数。

2、基本测量模块C。实现坐标建立及变换、运动坐标显示、测量数据显示等。

3、专业测量模块D。具备手动操作D₁，顶点查找D₂，自动测量D₃等功能子模块。而自动测量包括了星形、矩形、圆形三种测量模式。

4、仿真模块E。在检测之前或检测中，通过软件对超精密检测平台进行仿真，模拟实际非球面测量的全过程。

5、误差处理模块F。对传感器测量得到的数据进行误差分补偿，分别有：定位精度补偿F₁，测头半径补偿F₂，坐标修正F₃。

6、数学分析模块G。用于设置被测表面的面形参数，拟合出设计的图形，实际零件图形，通过程序得到被测表面的面形精度，根据检测结果算出表面加工的补偿数据。

7、系统帮助模块H。以文档形式对软件各部分功能及操作进行详细解释说明，方便用户使用。

非球面检测软件的工作流程如下：

首先进入系统管理模块B选择测量时所用的传感器，设置好传感器的参数；接着设置运动控制卡5的测量步长及测量速度；进入基本测量模块C后，软件会自动实现坐标建立，即可将传感器移回坐标原点；选择专业测量模块D，紧接着通过手动操作模块D₁移动X、Y两轴的坐标，设置好测量起点、终点，进入自动测量模式D₃，选择好测量方式就可以进行测量，软件实时采集测量的坐标值，并传递给计算机4，由计算机4进行误差补偿F后显示在窗口。测量结束可以将数据保存成文档形式以便以后处理，或者直接通过数学分析模块G拟合检测表面，并算出面形精度。实现了非球面的精确测量。

自动聚焦式非接触激光位移测头可采用Keyence LK-G10型产品，光栅接触式位移测头可采用HEIDENHAIN-CERTO长度计，型号：CT6001。

非球面检测软件可采用登记号为2008SR07384，著作权人为厦门大学，登记日期为2008年04月17日的ACMM非球面测量分析系统软件(V1.0[简称：ACMM])。

Claims

1.一种非球面检测仪，其特征在于设有结构架、检测平台、非接触激光位移测头、光栅接触式位移测头、XYZ三轴运动机构和控制装置，非接触激光位移测头和光栅接触式位移测头安装在XYZ三轴运动机构的Z轴上，检测平台设在X轴运动机构上用于放置非球面光学元件；XYZ三轴运动机构上分别装有X轴马达、Y轴马达和Z轴马达，通过X轴马达、Y轴马达和Z轴马达带动XYZ三轴运动机构。

2.如权利要求1所述的一种非球面检测仪，其特征在于控制装置设有计算机、四轴运动控制卡、驱动器和光栅尺，计算机的串口与四轴运动控制卡连接，驱动器分别与马达和四轴运动控制卡连接，驱动器受四轴运动控制卡控制，光栅尺设在XYZ三轴运动机构上，光栅尺与四轴运动控制卡连接，设在XYZ三轴运动机构上的光栅尺分别获得X、Y、Z轴位移量，并通过光栅尺把各轴位移量实时传送给计算机；XYZ三轴运动机构的X轴安装在结构架上，用于控制非接触激光位移测头和光栅接触式位移测头在X轴方向的运动，检测平台安装在XYZ三轴运动机构的Y轴上，实现Y向运动。

3.如权利要求1所述的一种非球面检测仪，其特征在于结构架为花岗岩结构架。

4.如权利要求1所述的一种非球面检测仪，其特征在于检测平台为花岗岩检测平台。

5.如权利要求1所述的一种非球面检测仪，其特征在于非接触激光位移测头为自动聚焦式非接触激光位移测头。

6.如权利要求1所述的一种非球面检测仪，其特征在于X轴马达、Y轴马达和Z轴马达为压电陶瓷马达。