CN102353345A

CN102353345A - 一种曲率半径的测量方法

Info

Publication number: CN102353345A
Application number: CN2011101579906A
Authority: CN
Inventors: 梁海锋; 刘缠牢
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-06-14
Also published as: CN102353345B

Abstract

本发明涉及测量方法技术领域，具体涉及一种曲率半径的测量方法。本发明提供的一种曲率半径的测量方法，不受震动等工厂环境影响，且属于非接触测量，不会损伤待测面，能够实现快速、大批量的现场检测要求，同时可以测量抛光和未抛光的零件表面曲率半径。本发明的提供一种曲率半径的测量方法，包括以下步骤，用距离（

）已知的两个平行面（该距离小于球的直径）切割该球，和球体表面的相交线形成两个圆，通过非接触测量的方法获得这两个圆的半径

和

，则待测面的曲率半径

表达为：

，其中：

。

Description

一种曲率半径的测量方法

技术领域：

本发明涉及测量方法技术领域，具体涉及一种曲率半径的测量方法。

背景技术

曲率半径是衡量光学零件的主要技术指标，目前在光学加工领域，测试光学零件曲率半径的主要方法分为两类：接触法和非接触法测量，其中接触法测量方法主要有球径仪和样板两种，球径仪是通过测试零件凹面或凸面的矢高和玄长，来计算被测零件凹面或凸面的曲率半径。该方法在测量过程中，需要寻求矢高的最大值点/最小值点，测头需要在零件表面滑动，容易引起被测检表面损伤；并且测试需要较长的时间，不适合快速的、大批量现场检测；且对测量环境要求较高，震动、温度的变化容易引入测量误差。样板法是目前光学加工现场应用广泛的曲率半径监控工具，对一批相同的零件需要加工一个样板，加工的零件和样板比对，看曲率半径的偏差在不在误差允许的范围内，一般不直接给出待测零件的曲率半径值，由于是接触测量，容易损伤零件表面，使用时通过观察标准面和待测面之间形成的干涉条纹多少，判读曲率半径的偏差，受人工影响因素较大，不适合快速的批量检测，并且要求待测表面经过抛光，对粗磨后和精磨后的零件，由于光的散射无法测量。非接触测量方法主要有自准直显微镜和干涉仪两种方法。自准直显微镜方法是通过先后瞄准待测面的顶点和球心，获得两次瞄准的几何位置之间的差值，这个差值就等于待测面的曲率半径，尽管测量是非接触的，但是测量中需要寻找待测面的球心（球心只有一个，需要准确的放置在自准直显微镜的光轴上），需要花费较长时间去寻找，因此不适合现场快速的批量检测，并且零件的待测面需要经过抛光后，才能使用该方法测量，否则找不到自准直像。干涉仪测量需要昂贵的工作台，且本身设备昂贵，要求待测面经过抛光后的镜面，测试受震动的影响明显，不适合现场的工作环境。

发明内容

本发明提供的一种曲率半径的测量方法，不受震动等工厂环境影响，且属于非接触测量，不会损伤待测面，能够实现快速、大批量的现场检测要求，同时可以测量抛光和未抛光的零件表面曲率半径。

为了克服现有方法存在的缺点，本发明的提供一种曲率半径的测量方法，包括以下步骤，用距离（

Figure 2011101579906100002DEST_PATH_IMAGE002

和

，则待测面的曲率半径

Figure 2011101579906100002DEST_PATH_IMAGE008

表达为：

Figure 2011101579906100002DEST_PATH_IMAGE010

（公式1）

其中：

Figure 2011101579906100002DEST_PATH_IMAGE012

上述非接触测量方法可以是三角测距法、激光测距法、光纤位移传感测距法、超生测距法或基于电容变换原理做成的距离测量方法。

与现有技术相比，本发明的技术优点是：

1) 测量不受现场低频震动的影响，零件即使存在震动甚至存在位移，只要可以获得两个切割圆，就可以计算获得待测面的曲率半径。

2) 测量不受零件表面质量的影响，可以测试粗磨后以及精磨后零件的曲率半径，也可以测量抛光后零件曲率半径，因为该方法不需要获得准直像。

3) 测量可以实现现场快速检测，测量过程中只要零件的口径大于两个切割圆之间距离，即零件只要放置的位置能形成两个切割弧，就可以测量。

附图说明

图1是本发明的原理方法示意图；

图2和图3是本发明测量零件的原理方法；

图4是本发明测量凹面零件的一种测量装置

图5是本发明测量凸面零件的一种测量装置

图6是本发明测量凹面零件的第二种测量装置

1—第一切割圆，2—第二切割圆，3—待测球面，4—球心，5—第一弧，6—第二弧，7—圆心，8—弧上任意一点，9—第一CCD像面，10—第二CCD像面，11—第一投影光学系统，12— 第二投影光学系统，13—第二成像光学系统，14—第一成像光学系统，15—弧上任意一点的像，16—第一高度计，17—第二高度计。

具体实施方案

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。

本发明的设计原理是：任何光学球面透镜的待测球面，可以认为是从一个完整球面上通过切割获得的，因此测量球面的曲率半径，可以归结为测量该完整球面组成的球半径，用距离（）已知的两个平行面（该距离小于球的直径）切割该球，和球体表面的相交线形成两个圆，通过非接触测量的方法（比如三角测距法、激光测距法、光纤位移传感测距法、超生测距法、以及基于电容变换原理做成的距离测量方法）获得这两个圆的半径

和

，则球体的半径（即待测面的曲率半径）可以表达为：

（公式1）

其中：

显然，在两个切割平行平面之间距离

已知的情况下，只要获得切割形成的两个圆的半径

和

，可以通过公式1计算获得待测面的曲率半径。两个圆的半径

和

的测量方法可以通过非接触测距的方法获得。具体讲，切割圆落在待测面是一段弧，获得该弧上多个点的相互距离以及高度差，然后用圆拟合即可获得。

参见图1，图1给出的是本发明的原理方法，图中需要测量获得待测球面3的曲率半径（任何凹面或者凸面的零件表面都可以认为是待测球面3的一部分，因此获得待测球面3的曲率半径即为各种凹面或者凸面的零件的曲率半径），用两个平行的、相距为D的平行平面切割待测球面3，则形成第一切割圆1和第二切割圆2，其半径分别为r1和r2，根据几何位置关系，待测球面3的曲率半径R可以表达为公式1。

参见图2，在测量凹面的曲率半径时，两个平行的、相距为D的平行平面切割后，留在待测球面3上是两段弧（第一弧5和第二弧6），用非接触的测量方法可以获得第一弧5和第二弧6所在第一切割圆1和第二切割圆2的半径r1和r2。参见图3，对于一段弧，如果放置在一个笛卡尔坐标系中，设圆心7坐标为（），弧上任意一点8坐标为（

），则有：

（公式2）

显然我们只要知道其中的任意三个点的坐标，就可以反算出弧所在圆的曲率半径；当然为了提高反算精度，可以测出

个点的坐标，代入公式2形成如下超定方程组：

（公式3）

利用圆的最小二乘法求解，获得弧所在圆的半径。

根据上述的方法，实际测量时，部件可根据其公知功能进行选择并进行装置的构建，本发明给出了以下的三种装置形式进行示例说明。

图4给出了使用本发明测量凹面零件的曲率半径的一种测量装置，图中第一投影光学系统11和第二投影光学系统12投下两条平行的线光斑（距离D根据零件口径设计），在待测零件的待测球面3的表面形成第一弧5和第二弧6，通过第二成像光学系统13和第一成像光学系统14，分别成像在第一CCD像面9和第二CCD像面10上。显然，弧上任意一点8成像在第一CCD像面9上的像（弧上任意一点的像15）的位置，和弧的空间位置关系一一对应，因此可以利用公式3获得第一弧5和第二弧6所在圆的曲率半径r1和r2，把已知的距离D和计算得到的r1和r2带入公式（1）：

，就可以获得零件的曲率半径。图中的投影光学系统也可以是一套，这种配置情况下，需要横向移动投影光学系统，两次测量获得两个弧的曲率半径，进而计算3待测零件的曲率半径。

图5给出了使用本发明测量图凸面零件的曲率半径的一种测量装置，获得数据和计算方法同测量凹面相同。

图6给出使用本发明测量凹面曲率半径的另外一种测量装置，图中用第一高度计16和第二高度计17在图示方向扫描，同样可以获得第一弧5和第二弧6上各点的空间位置关系，利用上述的方法计算获得第一弧5和第二弧6所在圆的曲率半径r1和r2，带入公式（1）：

，计算得到零件的曲率半径。该测量装置也可以测量凸面零件的曲率半径。装置中涉及到的高度计，可以是基于光学原理的非接触高度计，比如激光高度计，光纤位移高度计；也可以是基于超生测距原理的高度计；也可使用基于电容变换原理做成的距离测量装置。

Claims

1.一种曲率半径的测量方法，包括以下步骤，用距离（

和

，则待测面的曲率半径

表达为：

（公式1）

其中：

。

2.如权利要求1所述的一种曲率半径的测量方法，其特征在于：所述非接触测量方法是三角测距法、激光测距法、光纤位移传感测距法、超生测距法或基于电容变换原理做成的距离测量方法。