CN105157573B - 一种高精度静压导轨形位误差全息检测方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度静压导轨形位误差全息检测方法，包括以下步骤：第一步，搭建形位误差光学检测系统；形位误差光学检测系统包括大调整台、高精度端齿盘、小调整台、高精度三十六棱镜和波面干涉仪，大调整台由台面和3个可调高度的螺纹支撑脚组成，高精度端齿盘固定在台面上，小调整台固定在高精度端齿盘上，高精度三十六棱镜置于小调整台上；然后利用高精度三十六棱镜对搭建的形位误差光学检测系统进行校准；最后，对待测导轨进行检测。本发明检测精度高，检测数据全，其直接获得了待测导轨的形状和位置综合误差的全息数据，以此指导误差修正加工时数据更准、更全，大大提高了加工效率。

Description

一种高精度静压导轨形位误差全息检测方法

技术领域

本发明属于精密制造领域，涉及高精度静压导轨形位误差检测的工艺方法。

背景技术

作为静压轴系的基准部件，静压导轨的制造精度直接决定了系统的运动精度。静压导轨零件不仅要求各表面有高的形状精度，还要求各表面之间有高的平行度和垂直度等位置精度。传统导轨一般选用碳钢或花岗石材质，沿用传统的形位误差机械测量和评价方法，难以实现高精度的制造要求。首先，其形位误差的测量精度受限于坐标测量仪器本身的精度，很难达到微米级以下。其次，测量都是沿母线进行，组成误差网格的密度有限，只能用宏观误差体系加以评价，局部误差定位的功能差，对指导确定性修形加工而言，信息量远远不够。将玻璃、陶瓷、金属等光学材料用作新型静压导轨材料，从而引入光学干涉测量技术和现代光学加工手段，对于提高静压导轨的形位精度具有突破性的意义。

激光干涉测量法基于波面干涉原理，通过合适的测量光路可以使获得被测面的面形分布数据，在一定条件下可以解算出被测面之间的形位误差。干涉测量法可以获得高精度的形位误差全息分布数据，能够直接用于确定性修形加工。

目前较为成熟的光学确定性修形加工手段主要有数控小工具抛光(ComputerControlled Polishing，CCP)和磁流变抛光(Magnetorheological Finishing，MRF)等。数控小工具抛光通过柔性抛光垫和不同参数的抛光液组合，可以获得不同的去除效率，通过迭代加工使抛光面形位误差得到收敛。数控小磨头抛光可以消除研磨粗抛后剩余的研磨损伤，并对面形具有光顺效应。磁流变抛光是一种可控柔体抛光，抛光液与镜面接触形成“柔性抛光膜”通过数控的方法使抛光液在镜面上的截流状态保持高度稳定性，具有确定性高，精度高等优点，其确定性高的特点可以带来高的收敛比，特别是在精加工阶段。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服静压导轨传统形位误差检测精度不高、数据分辨率不够的不足，提供一种针对光学材质静压导轨的基于波面干涉测量的高精度静压导轨形位误差全息检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高精度静压导轨形位误差全息检测方法，包括以下步骤：

第一步，搭建形位误差光学检测系统；

形位误差光学检测系统包括大调整台、高精度端齿盘、小调整台、高精度三十六棱镜和波面干涉仪，大调整台由台面和3个可调高度的螺纹支撑脚组成，台面由其底部的3个可调节高度的螺纹支撑脚固定支撑，3个可调高度的螺纹支撑脚呈三角形分布，通过调节3个螺纹支撑脚的高度以调整台面的俯仰倾斜角度，所述高精度端齿盘固定在台面上，小调整台固定在高精度端齿盘上，大调整台、高精度端齿盘和小调整台之间由螺钉连接固定，高精度三十六棱镜置于小调整台上。其中，波面干涉仪采用美国ZYGO公司24英寸波面干涉仪。高精度三十六棱镜一组平行面的平行度为0.4″，高精度端齿盘回转精度为0.2″。

第二步，利用高精度三十六棱镜对搭建的形位误差光学检测系统进行校准；

1、首先将大调整台置于波面干涉仪的气浮平台上，正对波面干涉仪的反射镜，然后用内六角螺钉将高精度端齿盘固定在大调整台的相应位置，再将小调整台置于高精度端齿盘的回转平面，并用螺钉固定；高精度三十六棱镜放在小调整台上，选取高精度三十六棱镜的一个侧面正对波面干涉仪上，标记此侧面为1#面，同时按逆时针方向每隔90°依次标记棱镜的2#、3#、4#面；

2、将高精度三十六棱镜的1#面对准波面干涉仪镜头，微调小调整台使反射光斑出现在视场内；

3、将高精度端齿盘旋转180°，使高精度三十六棱镜的3#面对准波面干涉仪，由于高精度端齿盘回转轴线的偏差，此时3#面反射光斑与之前1#面反射光斑分别居于视场上下半部，且与视场中央横线的距离大体一致，慢慢调节大、小调整台俯仰角度并旋转高精度端齿盘，观察1#和3#面反射光斑，使两个光斑均位于中央横线上(如图2所示)；

4、旋转高精度端齿盘使高精度三十六棱镜的2#面正对波面干涉仪镜头，与第3步操作相同，通过调节大、小调整台的俯仰角度使2#面和4#面反射光斑也落在中央横线上；

5、顺次观察四个侧面反射光斑位置，微调小调整台使其落在视场十字线中央。此时校准完毕，高精度端齿盘回转轴线与波面干涉仪光路垂直；取下高精度三十六棱镜。

第三步，对待测导轨进行检测；

1、将待测导轨反射面依次标记为1#面～4#面，将待测导轨放在小调整台上，使待测导轨的1#面正对波面干涉仪镜头，采用螺钉和压板用靠压的方式将导轨固定；

2、转动高精度端齿盘，使待测导轨的四个待测面依次对准波面干涉仪镜头，观察反射光斑的位置；通过调整小调整台的俯仰角度，使四个待测面的反射光斑位于十字线中央；

3、将待测导轨的1#面正对波面干涉仪，在ZYGO干涉仪配套的测量软件Metropro中将视场光斑模式切换为条纹模式；将待测导轨的1#待测面的反射条纹调至最稀疏，记录全息测量数据。高精度端齿盘顺次转动90°，记录其余三个待测面的测量数据，测量过程中始终保持大调整台不动。通过Metropro记录的全息测量数据，可以经过简单的处理折算成被测面与基准面位置关系的角度偏差(秒)，也可以直接用以形位误差的俢正加工。

与现有形位误差检测技术相比，本发明的优点在于：

1、检测精度高。传统的三坐标采点测量方法受限于设备精度，形位检测误差往往在秒级以上，且待测件尺寸越大，测量误差越大；而本发明提出的基于波面干涉原理检测导轨形位误差的方法，通过高精度端齿盘和高精度三十六面体辅助测量，精度可达0.4″，而且在干涉仪口径范围内，对不同尺寸的待测件均可保证高精度检测。

2、检测数据全。平行光管等激光干涉检测待测件形位误差时，只能得到角度误差数据，无法指导误差的确定性修正加工。三坐标采点测量虽可获得待测件表面的面形分布数据，但是分辨率不高，指导加工时收敛效率很低。本发明提出的检测方法，直接获得了待测导轨的形状和位置综合误差的全息数据，以此指导误差修正加工时数据更准、更全，大大提高了加工效率。

附图说明

图1为形位误差测量系统的结构示意图。

其中：1、大调整台；2、高精度端齿盘；3小调整台；4、高精度三十六棱镜。

图2为利用高精度三十六棱镜的1#面和3#面的平行关系校准端齿盘的轴线偏差。

图3是具体实施范例中待测件检测现场图。

图4是本方法检测得到的四个待测面形位误差全息分布图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

本发明提出的一种高精度静压导轨形位误差全息检测方法并不局限于静压导轨的测量，在一定尺寸范围内，任何对侧面之间的角度关系有较高要求的长方体类零件、棱柱类零件，通过光学加工手段将其待测面抛光后，均可通过此方法得到高精度的全息误差分布数据。以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图3所示，待测件为一长方体零件，4个侧面之间的位置精度指标是2″。下面介绍利用本发明提出的检测方法获得形位综合误差全息分布的过程。

首先，搭建形位误差光学检测系统并利用高精度三十六棱镜进行校准；

图1中，给出了形位误差测量系统的结构示意图，形位误差光学检测系统包括大调整台、高精度端齿盘、小调整台、高精度三十六棱镜和美国ZYGO公司24英寸波面干涉仪，大调整台由台面和3个可调高度的螺纹支撑脚组成，台面由其底部的3个可调节高度的螺纹支撑脚固定支撑，3个可调高度的螺纹支撑脚呈三角形分布，通过调节3个螺纹支撑脚的高度以调整台面的俯仰倾斜角度，所述高精度端齿盘固定在台面上，小调整台固定在高精度端齿盘上，大调整台、高精度端齿盘和小调整台之间由螺钉连接固定，高精度三十六棱镜置于小调整台上(图1)。高精度三十六棱镜一组平行面的平行度为0.4″，高精度端齿盘回转精度为0.2″。

然后，利用高精度三十六棱镜对搭建的形位误差光学检测系统进行校准；利用高精度三十六棱柱的平行面，配合高精度端齿盘校准其回转轴线。校准过程不再赘述。

最后，对待测件进行检测并记录检测结果；

将待测件置于小调整台并固定，检测时应按照待测件指标要求，首先将作为评价基准的待测面标记为1#侧面，其余三个待测面顺次标记为2#、3#、4#面。转动高精度端齿盘，使待测导轨的四个待测面依次对准波面干涉仪镜头，观察反射光斑的位置；通过调整小调整台的俯仰角度，使四个待测面的反射光斑位于十字线中央。然后将待测件的1#面正对波面干涉仪，测量软件将视场光斑模式切换为条纹模式，将待测导轨的1#待测面的反射条纹调至最稀疏，记录全息测量数据(图4a)。然后检测系统不再调整，将高精度端齿盘顺次转动90°，记录其余三个待测面的测量数据并保存(图4b～c)。需要注意的是保存数据时需要关闭Metropro软件中的去倾斜选项。通过得到的形位误差综合分布数据，利用磁流变、小磨头数控加工等手段，经过数次迭代使检测面形不断收敛，即可使待测件的形位精度收敛到指标要求之内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高精度静压导轨形位误差全息检测方法，第一步，搭建形位误差光学检测系统，其中形位误差光学检测系统包括大调整台、高精度端齿盘、小调整台和波面干涉仪，所述高精度端齿盘固定在大调整台的台面上，小调整台固定在高精度端齿盘上；第二步，校准；第三步，检测；其特征在于：

第一步中：形位误差光学检测系统还包括高精度三十六棱镜，大调整台由台面和3个可调高度的螺纹支撑脚组成，台面由其底部的3个可调节高度的螺纹支撑脚固定支撑，3个可调高度的螺纹支撑脚呈三角形分布，通过调节3个螺纹支撑脚的高度以调整台面的俯仰倾斜角度，大调整台、高精度端齿盘和小调整台之间由螺钉连接固定，高精度三十六棱镜置于小调整台上；其中，波面干涉仪采用美国ZYGO公司24英寸波面干涉仪；

第二步中利用高精度三十六棱镜对搭建的形位误差光学检测系统进行校准

a、首先将大调整台置于波面干涉仪的气浮平台上，正对波面干涉仪的反射镜，然后用内六角螺钉将高精度端齿盘固定在大调整台的相应位置，再将小调整台置于高精度端齿盘的回转平面，并用螺钉固定；高精度三十六棱镜放在小调整台上，选取高精度三十六棱镜的一个侧面正对波面干涉仪上，标记此侧面为1#面，同时按逆时针方向每隔90°依次标记棱镜的2#、3#、4#面；

b、将高精度三十六棱镜的1#面对准波面干涉仪镜头，微调小调整台使反射光斑出现在视场内；

c、将高精度端齿盘旋转180°，使高精度三十六棱镜的3#面对准波面干涉仪，由于高精度端齿盘回转轴线的偏差，此时3#面反射光斑与之前1#面反射光斑分别居于视场上下半部，且与视场中央横线的距离大体一致，慢慢调节大、小调整台俯仰角度并旋转高精度端齿盘，观察1#和3#面反射光斑，使两个光斑均位于中央横线上；

d、旋转高精度端齿盘使高精度三十六棱镜的2#面正对波面干涉仪镜头，与第3步操作相同，通过调节大、小调整台的俯仰角度使2#面和4#面反射光斑也落在中央横线上；

e、顺次观察四个侧面反射光斑位置，微调小调整台使其落在视场十字线中央；此时校准完毕，高精度端齿盘回转轴线与波面干涉仪光路垂直；取下高精度三十六棱镜；

第三步，对待测导轨进行检测

a、将待测导轨反射面依次标记为1#面～4#面，将待测导轨放在小调整台上，使待测导轨的1#面正对波面干涉仪镜头，采用螺钉和压板用靠压的方式将导轨固定；

b、转动高精度端齿盘，使待测导轨的四个待测面依次对准波面干涉仪镜头，观察反射光斑的位置；通过调整小调整台的俯仰角度，使四个待测面的反射光斑位于十字线中央；

c、将待测导轨的1#面正对波面干涉仪，在ZYGO波面干涉仪配套的测量软件Metropro中将视场光斑模式切换为条纹模式；将待测导轨的1#待测面的反射条纹调至最稀疏，记录全息测量数据；高精度端齿盘顺次转动90°，记录其余三个待测面的测量数据，测量过程中始终保持大调整台不动。

2.根据权利要求1所述的高精度静压导轨形位误差全息检测方法，其特征在于：形位误差光学检测系统中的高精度三十六棱镜一组平行面的平行度为0.4″，高精度端齿盘回转精度为0.2″。