CN105300270B - 一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪及其装调方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪及其装调方法属于光学元件面形检测领域，目的在于解决现有技术存在的摆臂轮廓仪不能满足更高精度的检测需求的问题。本发明的测量臂与气浮转台固定连接，测量臂一端通过测头装卡装置安装有电容式位移传感器的测头，另一端设置有配重块；信号采集卡对气浮转台角度信号进行采集，控制单元控制电容式位移传感器和信号采集卡采集同一时刻信号。本发明采用高精度的电容式位移传感器，作用距离为零，实现高精度的摆臂轮廓检测，相比传统摆臂轮廓仪，测量精度更高，稳定性更好。本发明提出的一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪的装调方法，有效地解决了摆臂轮廓仪装调和测量时与元件磕碰的风险问题。

Description

一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪及其装调方法

技术领域

本发明属于光学元件面形检测领域，具体涉及一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪及其装调方法。

背景技术

近年来，碳化硅材料由于其优越的材料性能，如比刚度大、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等，被广泛应用于空间光学元件的制造；但是相比于传统的玻璃材料，碳化硅材料硬度更大，加工效率更低。大口径光学元件的加工一般分为铣磨、研磨、抛光三个阶段；铣磨阶段由铣磨机床对毛坯件进行材料去除，研磨、抛光阶段实现对面形的逐步加工成形。由于抛光阶段材料去除效率远低于研磨阶段；为了提高反射镜整体加工效率，提高研磨阶段面形加工精度实现尽量精确地材料去除，用来缩短抛光阶段所需时间是一种行之有效的方法。

然而，限制研磨精度的因素主要来自于研磨阶段的面形检测精度，因此需要一种适用于研磨阶段面形高精度检测的手段。摆臂式轮廓仪作为一种有效指导大口径反射镜研磨阶段面形加工的检测手段，目前已经实现了面形检测精度达2～3umPV，但不能满足更高精度的检测需求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪及其装调方法，解决现有技术存在的摆臂轮廓仪不能满足更高精度的检测需求的问题。

为实现上述目的，本发明的一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪包括气浮转台、测量臂、电容式位移传感器、测头装卡装置、控制单元和信号采集卡；

所述测量臂与所述气浮转台固定连接，所述测量臂一端通过测头装卡装置安装有电容式位移传感器的测头，另一端设置有配重件；

所述信号采集卡对气浮转台旋转角度的信号进行采集，所述控制单元控制电容式位移传感器和信号采集卡记录同一时刻信号。

所述气浮转台与机床轴连接，所述气浮转台的转轴通过待测导电光学元件的最接近球球心。

一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪的装调方法，包括以下步骤：

步骤一：将所述摆臂轮廓仪安装在机床轴上，记录电容式位移传感器量程S₀；

步骤二：调节待测导电光学元件在水平方向的位置，使待测导电光学元件中心与机床转台中心对齐；

步骤三：将激光测距式位移传感器测头通过测头装卡装置安装在测量臂端部，控制机床轴位置移动，并调整机床轴倾斜角度，使测量臂摆一圈时，激光测距式位移传感器测头读数变化在0.8*S₀以内，记录此时机床轴的位置参数(x,y,z,A)；其中，(x,y,z)为机床轴的位置参数，A为机床轴的倾斜角度值；

步骤四：在待测导电光学元件表面上找到机床中心位置，贴上靶标，并使靶标中心与机床中心重合；

步骤五：将激光测距式位移传感器测头换下，安装上电容式位移传感器测头，并将机床轴调整到步骤三记录参数(x,y,z,A)的位置；

步骤六：调整电容式位移传感器测头位置，使电容式位移传感器测头的测量中心对准靶标中心，且测量方向垂直于待测导电光学元件表面中心，以及在该位置时测头读数为0.5*S₀，完成电容式位移传感器测头的装调；

步骤七：将信号采集卡连接上气浮转台；将控制单元与信号采集卡和电容位移传感器建立连接，完成基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪的装调。

本发明的工作原理为：本发明的一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪及其装调方法基于摆臂轮廓仪检测原理，采用高精度的电容式位移传感器，对检测结果中的系统误差进行的分离，从而实现面形的高精度检测。

检测系统由一台倾斜放置的高精度气浮转台、刚性测量臂和位于测量臂末端的电容式位移传感器组成；气浮转台倾斜，转轴通过待测导电光学元件最接近球球心O₁，倾角满足：

其中，L：镜面中心点到气浮转台转轴的距离；

R：反射镜最接近球半径；

待测导电光学元件为凸非球面反射镜或凹非球面反射镜，测量臂位于检测零位时，电容式位移传感器测头装调至反射镜光轴方向。所述的检测零位是指测头与镜面中心即转台中心对齐时测量臂的位置。

检测时测量臂与气浮转台固定在一起，携带位移传感器测头绕气浮转台旋转轴旋转，测头在镜面扫过一条弧线，测得轨迹位置处非球面与其最接近球面的偏离量。电容式位移传感器测完一条弧线，反射镜绕机床转台转轴旋转一定角度，电容式位移传感器继续测下一条弧线。

反射镜旋转一周后，得到电容式位移传感器在镜面上的测量点分布图，误差面形为：

ΔS＝S-S₀

其中：S：实测面形各点的非球面偏离量；

S₀：理想面形各点的非球面偏离量；

对于凸非球面反射镜的测量，摆臂气浮转台反方向倾斜，即顺时针倾斜，使气浮转台转轴经过凸非球面反射镜最接近球球心，测量原理与凹非球面反射镜测量原理相同。

本发明的有益效果为：本发明采用更高精度的电容式位移传感器，利用其超高分辨率、强抗干扰能力的特点进行摆臂检测系统的误差分离，与传统摆臂轮廓仪相比，测量精度更高，稳定性更好。

本发明的一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪及其装调方法基于摆臂轮廓仪的工作原理，结合碳化硅材料的导电特性，将电容式位移传感器应用于摆臂轮廓检测系统。摆臂轮廓仪检测的过程中，电容式位移传感器和摆臂气浮转台以各自不同的频率进行采集读数。由控制单元发出锁频信号，记录该时刻下电容式位移传感器读数与摆臂气浮转台角度，实现电容式位移传感器与摆臂气浮转台数据的同步采集。

本发明使用的电容式位移传感器具有比常用非接触式的激光测距式位移传感器更高的精度和更好的稳定性。传统的非接触式激光测距位移传感器测量时有一定的作用距离，如量程为1mm的激光测距位移传感器作用距离为20mm，即测头距离镜面20mm±0.5mm范围内进行测量。而电容式位移传感器作用距离为零，即量程为1mm的电容位移传感器测头距镜面0～1mm范围内进行测量，这增大了电容式位移传感器应用于摆臂式轮廓仪上进行面形测量的风险；本发明提出的一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪的装调方法有效地解决了电容式位移传感器应用于摆臂式轮廓仪上进行面形测量时的风险问题。

附图说明

图1为本发明的一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪的原理示意图；

图2为本发明的一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪悬挂式结构的示意图；

图3为本发明的一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪立柱式结构的示意图；

图4为本发明的一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪的装调方法流程图；

其中：1、电容式位移传感器，2、控制单元，3、信号采集卡，4、气浮转台，5、测头装卡装置，6、导电光学元件，7、机床轴，8、机床转台，9、测量臂。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1和附图2，本发明的一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪包括气浮转台4、测量臂9、电容式位移传感器1、测头装卡装置5、控制单元2和信号采集卡3；

所述的电容式位移传感器1的量程为1mm、2mm等，作用距离为零，测量对象需是导电元件；

所述测量臂9与所述气浮转台4固定连接，所述测量臂9一端通过测头装卡装置5安装有电容式位移传感器1的测头，另一端设置有配重件；所述气浮转台4带动所述测量臂9绕气浮转台4旋转轴旋转，实现电容式位移传感器1测头对待测导电光学元件6的测量。

所述信号采集卡3对气浮转台4旋转角度数据进行采集，所述控制单元2控制电容式位移传感器1和信号采集卡3记录同一时刻信号。

所述气浮转台4悬挂连接，所述气浮转台4的转轴通过待测导电光学元件6的最接近球球心。气浮转台4悬挂连接，与传统的立柱式的摆臂轮廓仪相比优势在于：对于同一大口径光学元件的测量，可以减少测量臂9的长度。测量臂9越短，相应地在镜面上划过的弧度就越大，每转一周，可达2π弧度，即一整圈，可以有效减少低阶面形如像散和三叶的测量不确定性，提高系统检测的稳定性以及对边缘信息的检测能力；并且测量臂9越短，测量臂9刚性变形、放大气浮转台震动误差等影响就会减小。参见附图3，本发明的一种基于电容式位移传感器1的摆臂轮廓仪不仅可以采用悬挂式结构，同时也可以将电容式位移传感器1应用在传统的立柱式摆臂轮廓仪上，实现光学元件的面形轮廓检测。

参见附图4，一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪的装调方法，包括以下步骤：

步骤一：将所述摆臂轮廓仪安装在机床轴7上，记录电容式位移传感器1量程S₀；

步骤二：调节待测导电光学元件6在水平方向的位置，使待测导电光学元件6中心与机床转台8中心对齐；

步骤三：将激光测距式位移传感器测头通过测头装卡装置5安装在测量臂9端部，控制机床轴7运动，调整机床轴7倾斜角度，使测量臂9摆一圈，激光测距式位移传感器测头读数变化在0.8*S₀以内，记录此时机床轴的位置参数(x,y,z,A)；其中，(x,y,z)为机床轴的位置参数，A为机床轴的倾斜角度值；

步骤四：在待测导电光学元件表面上找到机床中心位置，贴上靶标，并使靶标中心与机床中心重合；

步骤五：将激光测距式位移传感器测头换下，安装上电容式位移传感器1测头，并将机床轴调整到步骤三记录参数(x,y,z,A)的位置；

步骤六：调整电容式位移传感器1测头位置，使电容式位移传感器1测头的测量中心对准靶标中心，且测量方向垂直于待测导电光学元件表面中心，以及在该位置时测头读数为0.5*S₀；

步骤七：将信号采集卡3连接上气浮转台4，实现其旋转角度数据的采集；将控制单元2与信号采集卡3和电容位移传感器1建立连接，控制单元2控制信号采集卡3和电容位移传感器1实现数据同步采集，完成基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪的装调。

本发明所述的测头装卡装置5可实现与激光测距式位移传感器装卡装置的互换，见附图2坐标系自由度标注，具有沿测头探测方向的位移和两个垂直测头探测方向的绕轴旋转的自由度，便于调整测头垂直于镜面及微调对于镜面的测量距离。

Claims (2)

1.一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪的装调方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将所述摆臂轮廓仪安装在机床轴(7)上；

步骤二：调节待测导电光学元件(6)在水平方向的位置，使待测导电光学元件(6)中心与机床转台(8)中心对齐；

步骤三：将激光测距式位移传感器测头通过测头装卡装置(5)安装在测量臂(9)端部，控制机床轴(7)运动，并调整机床轴(7)倾斜角度，使测量臂(9)摆一圈时，激光测距式位移传感器测头读数变化在0.8*S₀以内，记录此时机床轴的位置参数(x,y,z,A)；其中S₀为电容式位移传感器(1)的量程，(x,y,z)为机床轴的位置参数，A为机床轴的倾斜角度值；

步骤四：在待测导电光学元件表面上找到机床中心位置，贴上靶标，并使靶标中心与机床中心重合；

步骤五：将激光测距式位移传感器测头换下，安装上电容式位移传感器(1)测头，并将机床轴调整到步骤三记录参数(x,y,z,A)的位置；

步骤六：调整电容式位移传感器(1)测头位置，使电容式位移传感器(1)测头的测量中心对准靶标中心，且测量方向垂直于待测导电光学元件表面中心，以及在该位置时测头读数为0.5*S₀，完成电容式位移传感器(1)测头的装调；

步骤七：将信号采集卡(3)连接上气浮转台(4)，将控制单元(2)与信号采集卡(3)和电容位移传感器(1)建立连接，完成基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪的装调；

一种基于电容式位移传感器的摆臂轮廓仪，包括测量臂(9)、测头装卡装置(5)和控制单元(2)，其特征在于，还包括气浮转台(4)、电容式位移传感器(1)和信号采集卡(3)；

所述测量臂(9)与所述气浮转台(4)固定连接，所述测量臂(9)一端通过测头装卡装置(5)安装有电容式位移传感器(1)的测头，另一端设置有配重件；

所述信号采集卡(3)对气浮转台(4)旋转角度的信号进行采集，所述控制单元(2)控制电容式位移传感器(1)和信号采集卡(3)记录同一时刻信号；

检测时测量臂(9)与气浮转台(4)固定在一起，携带电容式位移传感器(1)测头绕气浮转台(4)旋转轴旋转，测头在镜面扫过一条弧线，测得轨迹位置处非球面与其最接近球面的偏离量，电容式位移传感器(1)测完一条弧线，机床转台转轴旋转一定角度，电容式位移传感器(1)继续测下一条弧线。

2.根据权利要求1所述的装调方法，其特征在于，所述气浮转台(4)与机床轴连接，所述气浮转台(4)的转轴通过待测导电光学元件(6)的最接近球球心。