CN103994731A - 柱面干涉拼接测量装置及其调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种圆柱度误差干涉测量装置及其调整方法。它包括干涉仪、支座、六维调整架、CGH、一维导轨平台、被测件、四维调整机构、五维调整机构、电控升降台。所述支座上安装干涉仪和一维导轨平台，一维导轨平台上安装六维调整架，将CGH安装在六维调整架上，使干涉仪出射光轴能够通过CGH中心，并且能调整CGH与被测件之间的距离；由所述四维调整机构、五维调整机构和电控升降台组成被测件调节机构，被测件调节机构下端是电控升降台。通过调节四维调整平台使被测件轴心线与五维调整平台上的转动平台的轴心线重合；再调节五维调整平台使转动平台的轴心线与CGH产生的柱面焦线精确重合；通过转动平台并配合升降台，实现柱型被测件的面型的整周检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种圆柱度误差检测装置及方法，特别是一种柱面干涉拼接测量装置及其调整方法，有效的解决了被测圆柱型工件在测量中安装和调整困难的问题，实现其整周检测。
背景技术
随着科技水平和工业水平的发展，在现代的工业生产中对圆柱形零件的要求越来越高。对圆柱型零件的检验中，圆柱度误差测量是检验该类零件重要的精度指标之一。针对圆柱度误差的拼接干涉测量装置及方法，虽然它能够满足ISO的采样要求并实现高精度测量，但其被测件的安装调整较为困难，阻挠了此方法的发展推广。
本发明结合了圆柱度误差的拼接干涉测量装置及方法，设计了被测件的安装调整机构及其调整方法，能够实现对被测件的快速、有效、精确调整。
目前，柱面干涉拼接测量中被测件的安装调整机构及其调整方法未见相关文献报道。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种柱面干涉拼接测量及其调整方法。利用拼接思想测量圆柱状零件，由于测量的子孔径较小，要进行整周检测，被测件不仅要实现上下移动，还要调整使被测件的轴心线与计算全息片（CGH）产生的柱面波的焦线重合，并且实现在被测件旋转过程中其轴心线与柱面波焦线始终重合。
为了达到上述目的，本发明的构思是：调整机构分两部分，一部分使被测件的轴心线与调整台的旋转中心线重合，保持这部分不变，调整另一部分使被测件的轴心线与CGH产生的柱面波焦线重合，可以确保被测件在旋转过程中三条线始终重合，稳定测量；一维升降台实现被测件的上下移动；对被测件进行调平调心，防止其轴心线与焦轴线交叉，将被测表面反射光点控制在十字交叉线中心，确保每个子孔径都有干涉条纹。该调整机构及其调整方法最终实现圆柱工件的整周检测。
根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种柱面干涉拼接测量装置，包括干涉仪（1）、支座（2）、六维调整架（3）、CGH（4）、一维导轨平台（5）、被测件（6）、四维调整机构（7）、五维调整机构（8）、电控升降台（9）。其特征在于：所述支座（2）上安装干涉仪（1）和一维导轨平台（5），一维导轨平台（5）上安装六维调整架（3），将CGH（4）安装在六维调整架（3）上，使干涉仪（1）出射光轴能够通过CGH（4）中心，并且能调整CGH（4）与被测件（6）之间的距离；由所述四维调整机构（7）、五维调整机构（8）和电控升降台（9）组成被测件调节机构，被测件调节机构下端是电控升降台（9），电控升降台（9）上面固定五维调整机构（8），用来调整被测件（6）的轴心线与CGH（4）产生的柱面波焦线重合，五维调整机构（8）上面固定四维调整机构（7），用来调整被测件（6）的轴心线与被测件调节机构的旋转中心线重合，四维调节机构（7）上面固定被测件（6）。
所述装置中干涉仪（1）是：Zogo公司型号为GPI XP/D的干涉仪，640X480CCD图像采集，采用激光三维相移干涉法，激光发生器为氦-氖激光（波长632.8nm），能产生一束标准平面波，平面测量精度达到λ/20。
所述CGH（4）及其配套的六维调整架（3）是：Zogo公司产品，型号为H45F1.5C，后焦距65mm。干涉仪（1）产生的平面波经过CGH（4）转换为柱面波垂直入射到被测件（6）的表面，携带者被测柱面（6）表面面形信息的反射波第二次反向通过CGH（4），进入干涉仪（1）中，与标准平面波发生干涉，在CCD中显示干涉条纹图；所述六维调整架（3）的五个旋钮（15,16,17,18,19）通过不同的组合来控制CGH（4）六个自由度的姿态。
所述一维导轨平台（5）是：安装板（20）上面固定滑轨（21,21’），滑块（22,22’）可以沿滑轨（21,21’）的平行方向自由移动，滑轨（22,22’）上面固定连接板（23）；连接板（23）上面固定六维调整架（3）可进行一维移动。
所述四维调整机构（7）是：二轴精密倾斜平台（11,11’）上面固定另一个二维直动平台（10,10’），可满足被测件（6）除上下移动和竖直旋转外的其他四个自由度的调节。
所述五维调整机构（8）是：二维精密弧摆台（14,14’）上面固定二维直动平台（13,13’），而精密转动平台（12,12’）固定在该二维直动平台（13,13’）上，可满足被测件（6）除上下移动外的其他五个自由度的调节。
所述电控升降台（9）是：采购产品型号为PSAV100-ZF，配有一维42/57步进电机驱动控制器，产品编号为SC300-1B，可实现被测件（6）竖直方向的移动和定位。
所述柱面干涉拼接测量装置的调整方法，用于对权利要求1所述的柱面干涉拼接测量装置进行调整，其特征在于操作步骤如下：
① 安装调整CGH（4）：CGH（4）安装在六维调整架（3）上，将六维调整架（3）安装在一维导轨平台（5）上；一要调整CGH（4）与被测件（6）之间的距离，使CGH（4）与被测柱形工件轴线距离为CGH（4）的后焦距；二要调整六维调整架（3）使干涉仪（1）的出射光轴通过CGH（4）的中心，并使其相对光轴有1度的偏转，通过调整CGH（4）的标记点位置使CGH（4）产生的柱面波焦线为竖直方向；再观察CGH（4）对准环，调节至对准环上的干涉条纹数在5条以内；
② 调整四维调整台（6）：首先将被测件调节机构所有部件调整到竖直位置；其次，分别使用水平和竖直的千分表对被测件（6）进行调心和调平：调心是将千分表指针顶在被测件（6）上，通过调整二维直动平台（10,10’）来调节被测柱面（6）的周线位置，直至千分表示数在转动过程中变化很小；调平与调心的方法相同，不同之处是转动过程中只调节二轴精密倾斜平台（11,11’）；在调心、调平过程中千分表配合使用：先旋转被测件（6），让千分表触头滑过整个测量行程，寻找表面变化规律，确定千分表上的最大和最小读数，然后转动被测件（6）使千分表的指针到达中间读数位置，再调整二维直动平台（10,10’），使千分表指针达到中间读数和最大读数的一半量程位置，如此反复；调整之后移动千分表的位置，保持千分表始终有示数；再重复上述步骤直至千分表示数几乎不变；
③ 调整一维导轨平台（5）与电控升降台（9）：移动一维导轨平台（5）和电控升降台（9）的位置，使CGH（4）与被测件（6）的轴心线距离为CGH（4）产生的柱面波的后焦距，并且调整被测件（6）在适合的高度；调整CGH（4）的方位，使产生的柱面波轴线为竖直方向，使干涉仪（1）光轴垂直通过CGH（4）的中心；
④ 调整五维调整平台（8）：首先在光源模式下找到反射光斑，通过调节二维直动平台（13,13’）和二维精密弧摆台（14,14’），将反射光斑逐渐调至十字交叉线中心；再切换至条纹模式进行细调，根据干涉条纹不同而调节不同自由度：面对干涉仪（1），竖条纹则调节左右移动，横条纹则调节俯仰，中间疏两边密条纹则调节离焦，星形条纹则调节左右倾斜；干涉条纹越少，被测件轴心线与柱面波焦线重合越好；
⑤ 保持步骤三的状态，对被测件（6）再进行一次调心调平，并切换至光源模式，在调整旋转平台（12,12’）的过程中不断调整四维调整台（7）中的二维直动台（10,10’）和二轴精密倾斜台（11,11’），使光点不偏出十字交叉中心，确保在条纹模式下被测件（6）转动一周，每个位置都有干涉条纹图，实现整周检测。
本发明柱面干涉拼接测量装置及其调整方法的有益效果是：能够方便、快速、准确调整柱形被测件以满足测量要求，实现其整周检测。
附图说明
图1是柱面干涉拼接测量装置的整体结构示意图。
图2是柱面干涉拼接测量装置中被测件调节机构的结构示意图。
图3是四维调整机构的结构示意图
图4是五维调整机构的结构示意图
图5是CGH六维调整架的结构示意图
图6是一维导轨平台的结构示意图
图7是测量装置调整方法的程序框图。
具体实施方式
本发明实施例结合附图说明如下：
实施例一：
如图1所示，一种柱面干涉拼接测量装置，包括干涉仪（1）、支座（2）、六维调整架（3）、CGH（4）、一维导轨平台（5）、被测件（6）、四维调整机构（7）、五维调整机构（8）、电控升降台（9）。其特征在于：所述支座（2）上安装干涉仪（1）和一维导轨平台（5），一维导轨平台（5）上安装六维调整架（3），将CGH（4）安装在六维调整架（3）上，使干涉仪（1）出射光轴能够通过CGH（4）中心，并且能调整CGH（4）与被测件（6）之间的距离；由所述四维调整机构（7）、五维调整机构（8）和电控升降台（9）组成被测件调节机构，被测件调节机构下端是电控升降台（9），电控升降台（9）上面固定五维调整机构（8），用来调整被测件（6）的轴心线与CGH（4）产生的柱面波焦线重合，五维调整机构（8）上面固定四维调整机构（7），用来调整被测件（6）的轴心线与被测件调节机构的旋转中心线重合，四维调节机构（7）上面固定被测件（6）。
所述装置中干涉仪（1）是：Zogo公司型号为GPI XP/D的干涉仪，640X480CCD图像采集，采用激光三维相移干涉法，激光发生器为氦-氖激光（波长632.8nm），能产生一束标准平面波，平面测量精度达到λ/20。
所述CGH（4）及其配套的六维调整架（3）是：Zogo公司产品，型号为H45F1.5C，后焦距65mm。干涉仪（1）产生的平面波经过CGH（4）转换为柱面波垂直入射到被测件（6）的表面，携带者被测柱面（6）表面面形信息的反射波第二次反向通过CGH（4），进入干涉仪（1）中，与标准平面波发生干涉，在CCD中显示干涉条纹图；所述六维调整架（3）的五个旋钮（15,16,17,18,19）通过不同的组合来控制CGH（4）六个自由度的姿态。
所述一维导轨平台（5）是：安装板（20）上面固定滑轨（21,21’），滑块（22,22’）可以沿滑轨（21,21’）的平行方向自由移动，滑轨（22,22’）上面固定连接板（23）；连接板（23）上面固定六维调整架（3）可进行一维移动。
所述四维调整机构（7）是：二轴精密倾斜平台（11,11’）上面固定另一个二维直动平台（10,10’），可满足被测件（6）除上下移动和竖直旋转外的其他四个自由度的调节。
所述五维调整机构（8）是：二维精密弧摆台（14,14’）上面固定二维直动平台（13,13’），而精密转动平台（12,12’）固定在该二维直动平台（13,13’）上，可满足被测件（6）除上下移动外的其他五个自由度的调节。
所述电控升降台（9）是：采购产品型号为PSAV100-ZF，配有一维42/57步进电机驱动控制器，产品编号为SC300-1B，可实现被测件（6）竖直方向的移动和定位。
实施例二：
一种柱面干涉拼接测量装置的调整方法，用于对权利要求1所述的柱面干涉拼接测量装置进行调整，其特征在于操作步骤如下：
① 安装调整CGH（4）：CGH（4）安装在六维调整架（3）上，将六维调整架（3）安装在一维导轨平台（5）上；一要调整CGH（4）与被测件（6）之间的距离，使CGH（4）与被测柱形工件轴线距离为CGH（4）的后焦距；二要调整六维调整架（3）使干涉仪（1）的出射光轴通过CGH（4）的中心，并使其相对光轴有1度的偏转，通过调整CGH（4）的标记点位置使CGH（4）产生的柱面波焦线为竖直方向；再观察CGH（4）对准环，调节至对准环上的干涉条纹数在5条以内；
② 调整四维调整台（6）：首先将被测件调节机构所有部件调整到竖直位置；其次，分别使用水平和竖直的千分表对被测件（6）进行调心和调平：调心是将千分表指针顶在被测件（6）上，通过调整二维直动平台（10,10’）来调节被测柱面（6）的周线位置，直至千分表示数在转动过程中变化很小；调平与调心的方法相同，不同之处是转动过程中只调节二轴精密倾斜平台（11,11’）；在调心、调平过程中千分表配合使用：先旋转被测件（6），让千分表触头滑过整个测量行程，寻找表面变化规律，确定千分表上的最大和最小读数，然后转动被测件（6）使千分表的指针到达中间读数位置，再调整二维直动平台（10,10’），使千分表指针达到中间读数和最大读数的一半量程位置，如此反复；调整之后移动千分表的位置，保持千分表始终有示数；再重复上述步骤直至千分表示数几乎不变；
③ 调整一维导轨平台（5）与电控升降台（9）：移动一维导轨平台（5）和电控升降台（9）的位置，使CGH（4）与被测件（6）的轴心线距离为CGH（4）产生的柱面波的后焦距，并且调整被测件（6）在适合的高度；调整CGH（4）的方位，使产生的柱面波轴线为竖直方向，使干涉仪（1）光轴垂直通过CGH（4）的中心；
④ 调整五维调整平台（8）：首先在光源模式下找到反射光斑，通过调节二维直动平台（13,13’）和二维精密弧摆台（14,14’），将反射光斑逐渐调至十字交叉线中心；再切换至条纹模式进行细调，根据干涉条纹不同而调节不同自由度：面对干涉仪（1），竖条纹则调节左右移动，横条纹则调节俯仰，中间疏两边密条纹则调节离焦，星形条纹则调节左右倾斜；干涉条纹越少，被测件轴心线与柱面波焦线重合越好；
⑤ 保持步骤三的状态，对被测件（6）再进行一次调心调平，并切换至光源模式，在调整旋转平台（12,12’）的过程中不断调整四维调整台（7）中的二维直动台（10,10’）和二轴精密倾斜台（11,11’），使光点不偏出十字交叉中心，确保在条纹模式下被测件（6）转动一周，每个位置都有干涉条纹图，实现整周检测。
上述实例实施不以任何形式限制本发明，凡采取等同替换或者等效变换的方式所获得技术方案，均在本发明保护范围内。
Claims (5)
1.一种柱面干涉拼接测量装置，包括干涉仪（1）、支座（2）、六维调整架（3）、CGH（4）、一维导轨平台（5）、被测件（6）、四维调整机构（7）、五维调整机构（8）、电控升降台（9）；其特征在于：所述支座（2）上安装干涉仪（1）和一维导轨平台（5），一维导轨平台（5）上安装六维调整架（3），将CGH（4）安装在六维调整架（3）上，使干涉仪（1）出射光轴能够通过CGH（4）中心，并且能调整CGH（4）与被测件（6）之间的距离；由所述四维调整机构（7）、五维调整机构（8）和电控升降台（9）组成被测件调节机构，被测件调节机构下端是电控升降台（9），电控升降台（9）上面固定五维调整机构（8），用来调整被测件（6）的轴心线与CGH（4）产生的柱面波焦线重合，五维调整机构（8）上面固定四维调整机构（7），用来调整被测件（6）的轴心线与被测件调节机构的旋转中心线重合，四维调节机构（7）上面固定被测件（6）。
2.所述一维导轨平台（5）是：安装板（20）上面固定滑轨（21,21’），滑块（22,22’）可以沿滑轨（21,21’）的平行方向自由移动，滑轨（22,22’）上面固定连接板（23）；连接板（23）上面固定六维调整架（3）可进行一维移动。
3.所述四维调整机构（7）是：二轴精密倾斜平台（11,11’）上面固定另一个二维直动平台（10,10’），可满足被测件（6）除上下移动和竖直旋转外的其他四个自由度的调节。
4.所述五维调整机构（8）是：二维精密弧摆台（14,14’）上面固定二维直动平台（13,13’），而精密转动平台（12,12’）固定在该二维直动平台（13,13’）上，可满足被测件（6）除上下移动外的其他五个自由度的调节。
5.所述柱面干涉拼接测量装置的调整方法，用于对权利要求1所述的柱面干涉拼接测量装置进行调整，其特征在于操作步骤如下：
① 安装调整CGH（4）：CGH（4）安装在六维调整架（3）上，将六维调整架（3）安装在一维导轨平台（5）上；一要调整CGH（4）与被测件（6）之间的距离，使CGH（4）与被测柱形工件轴线距离为CGH（4）的后焦距；二要调整六维调整架（3）使干涉仪（1）的出射光轴通过CGH（4）的中心，并使其相对光轴有1度的偏转，通过调整CGH（4）的标记点位置使CGH（4）产生的柱面波焦线为竖直方向；再观察CGH（4）对准环，调节至对准环上的干涉条纹数在5条以内；
② 调整四维调整台（6）：首先将被测件调节机构所有部件调整到竖直位置；其次，分别使用水平和竖直的千分表对被测件（6）进行调心和调平：调心是将千分表指针顶在被测件（6）上，通过调整二维直动平台（10,10’）来调节被测柱面（6）的周线位置，直至千分表示数在转动过程中变化很小；调平与调心的方法相同，不同之处是转动过程中只调节二轴精密倾斜平台（11,11’）；在调心、调平过程中千分表配合使用：先旋转被测件（6），让千分表触头滑过整个测量行程，寻找表面变化规律，确定千分表上的最大和最小读数，然后转动被测件（6）使千分表的指针到达中间读数位置，再调整二维直动平台（10,10’），使千分表指针达到中间读数和最大读数的一半量程位置，如此反复；调整之后移动千分表的位置，保持千分表始终有示数；再重复上述步骤直至千分表示数几乎不变；
③ 调整一维导轨平台（5）与电控升降台（9）：移动一维导轨平台（5）和电控升降台（9）的位置，使CGH（4）与被测件（6）的轴心线距离为CGH（4）产生的柱面波的后焦距，并且调整被测件（6）在适合的高度；调整CGH（4）的方位，使产生的柱面波轴线为竖直方向，使干涉仪（1）光轴垂直通过CGH（4）的中心；
④ 调整五维调整平台（8）：首先在光源模式下找到反射光斑，通过调节二维直动平台（13,13’）和二维精密弧摆台（14,14’），将反射光斑逐渐调至十字交叉线中心；再切换至条纹模式进行细调，根据干涉条纹不同而调节不同自由度：面对干涉仪（1），竖条纹则调节左右移动，横条纹则调节俯仰，中间疏两边密条纹则调节离焦，星形条纹则调节左右倾斜；干涉条纹越少，被测件轴心线与柱面波焦线重合越好；
保持步骤三的状态，对被测件（6）再进行一次调心调平，并切换至光源模式，在调整旋转平台（12,12’）的过程中不断调整四维调整台（7）中的二维直动台（10,10’）和二轴精密倾斜台（11,11’），使光点不偏出十字交叉中心，确保在条纹模式下被测件（6）转动一周，每个位置都有干涉条纹图，实现整周检测。
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