CN105606012A - 面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法 - Google Patents

Abstract

面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，属于光学曲面测量技术领域。本发明是为了解决传统的误差分离测量方法采样间隔大，并不适用于表面起伏较大的光学镜面的问题。它通过直线滑台和位移传感器实现，使直线滑台在Z轴导轨方向的位置固定，使安装于机床主轴上的光学曲面沿X轴导轨的方向移动，在光学曲面的移动过程中，通过位移传感器沿X轴导轨方向测量光学曲面面形；将测得的N个光学曲面面形测量数据采用误差分离方法进行分离，获得光学曲面的真实面形误差与机床的直线度误差。本发明用于面形起伏较大的光学曲面在位测量。

Description

面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法

技术领域

本发明涉及面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，属于光学曲面测量技术领域。

背景技术

随着科技的发展，光学镜面在国防、工业、民用等各个领域都发挥着重要的作用。其中，光学非球面镜具有质量高，成本低，结构更紧凑，成像更清晰等优点，广泛地应用在光学领域。然而由于非球面镜面形较为复杂，制造高精度的非球面镜较为困难，所以需要补偿来消除加工误差对工件面形的影响。传统制造过程中，为确定非球面加工的面形误差，需要先将工件取下，在测量装置上测量后重新装夹，这会引入装夹误差，不能很好地补偿非球面的面形误差，很难得到高精度的非球面镜。在位检测可以很好地克服这个缺点，在位测量出工件的面形误差后，可以在位补偿该误差，从而使工件得到很高的面形精度。

然而对于在位检测而言，由于在位测量时会引入导轨误差，测得的工件面形也会不准确。现今光学镜面的面形误差可以达到0.1～10um，而精密、超精密机床的导轨直线度误差也可达到0.1～10um，两项误差相互耦合使得在位检测的工件面形精度下降，严重影响后续的补偿加工，甚至会破坏工件面形。

误差分离测量方法可以有效地分离工件面形与导轨直线度误差，然而传统的误差分离测量方法用多个测头同时测量，采样间隔大，一般在1mm以上，不适于测量通常在100mm以下的光学元件。同时，由于误差分离测量方法多用于测量平面工件，对于表面起伏较大的光学镜面而言，尚缺一种成熟测量方法。因此，对于精密、超精密机床的在位检测，传统误差分离测量方法不适用，需基于以上条件发明一种新的误差分离测量方法。

发明内容

本发明目的是为了解决传统的误差分离测量方法采样间隔大，并不适用于表面起伏较大的光学镜面的问题，提供了一种面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法。

本发明第一种技术方案：面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，它通过直线滑台和位移传感器实现，

将直线滑台安装在精密或超精密机床的Z轴导轨上，并使直线滑台能够沿平行于X轴导轨的方向移动，所述Z轴导轨与机床主轴的轴向平行，X轴导轨的方向为水平面内与Z轴导轨相垂直的方向；

位移传感器安装在直线滑台上，位移传感器的测量方向平行于Z轴导轨方向；

测量过程为：使直线滑台在Z轴导轨方向的位置固定，使安装于机床主轴上的光学曲面沿X轴导轨的方向移动，在光学曲面的移动过程中，通过位移传感器沿X轴导轨方向测量光学曲面面形；

重复N-1次上述测量过程，每一次测量前，使直线滑台沿X轴导轨的方向移动预定位移，所述预定位移为微米至毫米量级，使位移传感器每一次测量的起点与终点相同，并且每一次光学曲面的移动速度及位移传感器的采样频率均相同，最终获得N个光学曲面面形测量数据；N为大于1的自然数；

将测得的N个光学曲面面形测量数据采用误差分离方法进行分离，获得光学曲面的真实面形误差与机床的直线度误差。

所述直线滑台为手动滑台或自动滑台，滑台的导轨结构为气浮式导轨、液浮式导轨、滑动式导轨或滚动式导轨。

位移传感器为接触式传感器或非接触式传感器，接触式传感器结构为气浮式。

第二种技术方案：面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，它通过直线滑台和位移传感器实现，

将直线滑台安装在精密或超精密机床的Z轴导轨上，并使直线滑台能够沿平行于X轴导轨的方向移动，所述Z轴导轨与机床主轴的轴向平行，X轴导轨的方向为水平面内与Z轴导轨相垂直的方向；

位移传感器安装在直线滑台上，位移传感器的测量方向平行于Z轴导轨方向；

所述测量方法用于位移传感器的量程小于光学曲面的矢高时，所述矢高为光学曲面沿Z轴导轨方向的总高度；

首先沿光学曲面的面形设定分段平行于X轴导轨或Z轴导轨的折线轨迹，使折线轨迹中每一段平行于X轴导轨的直线所对应的光学曲面的光学曲面段沿Z轴导轨方向的高度在位移传感器的量程内；

折线轨迹中每一段直线所对应的光学曲面段的测量过程为：

使直线滑台固定在Z轴导轨方向上的预定位置，使安装于机床主轴上的光学曲面沿X轴导轨的方向移动，在光学曲面的移动过程中，通过位移传感器沿X轴导轨方向测量折线轨迹中当前段直线对应的光学曲面段的面形；

重复N-1次上述测量过程，每一次测量前，使直线滑台沿X轴导轨的方向移动预定位移，所述预定位移为微米至毫米量级，使位移传感器每一次测量的起点与终点相同，并且每一次光学曲面段的移动速度及位移传感器的采样频率均相同，最终获得N个当前光学曲面段的面形段测量数据；N为大于1的自然数；

将测得的N个面形段测量数据采用误差分离方法进行分离，获得当前光学曲面段的真实面形段误差与机床的段直线度误差；

最后，将所有真实面形段误差拼接获得光学曲面的真实面形误差；将所有机床的段直线度误差拼接获得机床的直线度误差。

所述直线滑台为手动滑台或自动滑台，滑台的导轨结构为气浮式导轨、液浮式导轨、滑动式导轨或滚动式导轨。

位移传感器为接触式传感器或非接触式传感器，接触式传感器结构为气浮式。

本发明的优点：本发明方法测量过程中只需要一个位移传感器。同时，由直线滑台使位移传感器移动一段距离，该段距离可视为传统误差分离测量方法的位移传感器安装间隔，由于直线滑台可以移动一个足够小的距离，误差分离测量方法的采样间隔大大减小。

测量方法用于位移传感器的量程小于工件的光学曲面的矢高时，通过拼接法，位移传感器相对于工件走过折线轨迹，测量时只有X轴运动，排除了Z轴定位误差的干扰，解决了位移传感器的量程问题，使该误差分离测量方法可适用于面形起伏较大的非球面镜。

本发明采用的误差分离测量方法的改进与应用，排除了在位检测时导轨误差对于工件面形信息的干扰，大大提高了测量准确度，并只用一个位移传感器，节约了成本，方便并完全解决了精密超精密机床的光学镜面在位面形测量问题。

附图说明

图1是本发明所述面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法的测量状态示意图；

图2是当位移传感器的量程小于工件的光学曲面的矢高时，测量轨迹示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，它通过直线滑台1和位移传感器2实现，

将直线滑台1安装在精密或超精密机床的Z轴导轨3上，并使直线滑台1能够沿平行于X轴导轨的方向移动，所述Z轴导轨3与机床主轴的轴向平行，X轴导轨的方向为水平面内与Z轴导轨3相垂直的方向；

位移传感器2安装在直线滑台1上，位移传感器2的测量方向平行于Z轴导轨3方向；

测量过程为：使直线滑台1在Z轴导轨3方向的位置固定，使安装于机床主轴上的光学曲面沿X轴导轨的方向移动，在光学曲面的移动过程中，通过位移传感器2沿X轴导轨方向测量光学曲面面形；

重复N-1次上述测量过程，每一次测量前，使直线滑台1沿X轴导轨的方向移动预定位移，所述预定位移为微米至毫米量级，使位移传感器2每一次测量的起点与终点相同，并且每一次光学曲面的移动速度及位移传感器2的采样频率均相同，最终获得N个光学曲面面形测量数据；N为大于1的自然数；

将测得的N个光学曲面面形测量数据采用误差分离方法进行分离，获得光学曲面的真实面形误差与机床的直线度误差。

所述直线滑台1为手动滑台或自动滑台，滑台的导轨结构为气浮式导轨、液浮式导轨、滑动式导轨或滚动式导轨。

位移传感器2为接触式传感器或非接触式传感器，接触式传感器结构为气浮式。

所述测量方法应用的硬件包括直线滑台、位移传感器和精密或超精密机床。直线滑台安装在精密或超精密机床的Z轴上，并使其运动方向平行于X轴。测量时，先令位移传感器沿X轴测量一遍工件面形后，令直线滑台带动位移传感器平移一小段距离后再沿X轴测量一次工件面形，重复几次以上的操作，几次测得的结果应用误差分离测量方法即可得到光学镜面的真实面形误差与机床的直线度误差，直线滑台平移的一小段距离可视作传统误差分离测量方法的测头安装间隔，也是本发明方法的采样间隔。

具体实施方式二：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，它通过直线滑台1和位移传感器2实现，

将直线滑台1安装在精密或超精密机床的Z轴导轨3上，并使直线滑台1能够沿平行于X轴导轨的方向移动，所述Z轴导轨3与机床主轴的轴向平行，X轴导轨的方向为水平面内与Z轴导轨3相垂直的方向；

位移传感器2安装在直线滑台1上，位移传感器2的测量方向平行于Z轴导轨3方向；

所述测量方法用于位移传感器2的量程小于光学曲面的矢高时，所述矢高为光学曲面沿Z轴导轨方向的总高度；

首先沿光学曲面的面形设定分段平行于X轴导轨或Z轴导轨的折线轨迹，使折线轨迹中每一段平行于X轴导轨的直线所对应的光学曲面的光学曲面段沿Z轴导轨方向的高度在位移传感器2的量程内；

折线轨迹中每一段直线所对应的光学曲面段的测量过程为：

使直线滑台1固定在Z轴导轨3方向上的预定位置，使安装于机床主轴上的光学曲面沿X轴导轨的方向移动，在光学曲面的移动过程中，通过位移传感器2沿X轴导轨方向测量折线轨迹中当前段直线对应的光学曲面段的面形；

重复N-1次上述测量过程，每一次测量前，使直线滑台1沿X轴导轨的方向移动预定位移，所述预定位移为微米至毫米量级，使位移传感器2每一次测量的起点与终点相同，并且每一次光学曲面段的移动速度及位移传感器2的采样频率均相同，最终获得N个当前光学曲面段的面形段测量数据；N为大于1的自然数；

将测得的N个面形段测量数据采用误差分离方法进行分离，获得当前光学曲面段的真实面形段误差与机床的段直线度误差；

最后，将所有真实面形段误差拼接获得光学曲面的真实面形误差；将所有机床的段直线度误差拼接获得机床的直线度误差。

所述直线滑台1为手动滑台或自动滑台，滑台的导轨结构为气浮式导轨、液浮式导轨、滑动式导轨或滚动式导轨。

位移传感器2为接触式传感器或非接触式传感器，接触式传感器结构为气浮式。

本实施方式中所测光学镜面的矢高大于位移传感器的量程，采用拼接法，令位移传感器相对于光学镜面的面形沿平行于坐标轴方向的折线轨迹运动，将光学镜面的面形轮廓沿X轴划分为几段曲线，每段曲线沿Z方向的高度在位移传感器的量程内。然后，折线轨迹上的每段直线轨迹上应用误差分离测量方法。最后将测得的结果拼接即可得到光学镜面的全部面形。由于在测量时，只有X轴导轨运动，Z轴导轨定位误差带来的干扰是恒定的，因此可以去除。本实施方式的测量方法解决了量程在300um以下的精密位移传感器对矢高大于1mm的光学曲面的测量。

本发明方法中位移传感器的输出信号通过数据采集卡传输给工业控制计算机。本发明所述的测量方法不仅局限于应用在精密或超精密机床上，还适用于其他由于导轨直线度误差导致测量光学曲面时面形误差测量不准的装置，如三坐标测量仪，轮廓仪等。直线滑台可以是任何可以使位移传感器沿X轴方向平移的装置。

工作原理：传统误差分离测量方法适用于平坦平面，由于机床X轴运动精度问题会导致位移传感器所测曲线并不是光学镜面的子午截线，使传统误差分离测量方法对于测量起伏较大的平面而言需要进一步的理论验证。将测量过程建模，光学镜面的面形z(ρ)可用方程表示为：

$\left\{\begin{array}{c}z\left(\mathrm{\ρ}\right)=\frac{{\mathrm{c\ρ}}^2}{1+\sqrt{1-(k+1)c^2{\mathrm{\ρ}}^2}}\\ {\mathrm{\ρ}}^2=x^2+y^2\end{array}\right.,$

其中，k，c为非球面参数，x，y为机床坐标。由于所测非球面面形误差很小，在0.1～10um内，所以该方程可以很好地近似测量过程。非接触式位移传感器的输出信号可近似为z(ρ)，当由于机床导轨引入Y轴方向的误差△y时，位移传感器的输出偏差△z_y(ρ)为：

${\mathrm{\Δz}}_y\left(\mathrm{\ρ}\right)\≈z^{\′}\left(\mathrm{\ρ}\right){\mathrm{\Δ\ρ}}_y=\frac{c\mathrm{\ρ}}{\sqrt{1-(k+1)c^2{\mathrm{\ρ}}^2}}(\sqrt{x^2+{\mathrm{\Δy}}^2}-x)\≈\frac{{\mathrm{c\Δy}}^2}{2\sqrt{1-(k+1)c^2{x}^2}},$

易得偏差最大值在光学镜面的边缘处，即：

${\mathrm{\Δz}}_y{\left(\mathrm{\ρ}\right)}_{max}\≈\frac{{\mathrm{c\Δy}}^2}{2\sqrt{1-(k+1)c^2{x_{max}}^2}},$

当位移传感器为接触式时，设位移传感器的测头的半径为r，此时位移传感器的输出信号p_y(ρ)为：

$p_y\left(\mathrm{\ρ}\right)=z\left(\mathrm{\ρ}\right)+r\frac{1}{\sqrt{z^{\′}{\left(\mathrm{\ρ}\right)}^2+1}}=z\left(\mathrm{\ρ}\right)+r\sqrt{1-\frac{c^2{\mathrm{\ρ}}^2}{1-{\mathrm{kc}}^2{\mathrm{\ρ}}^2}}=z\left(\mathrm{\ρ}\right)+r_y\left(\mathrm{\ρ}\right),$

由于测头半径而引入的位移传感器的输出信号偏差△r_y(ρ)为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Δr}}_y\left(\mathrm{\ρ}\right)=r\frac{d}{d\mathrm{\ρ}}\left(\sqrt{1-\frac{c^2{\mathrm{\ρ}}^2}{1-{\mathrm{kc}}^2{\mathrm{\ρ}}^2}}\right){\mathrm{\Δ\ρ}}_y\\ =\frac{-{\mathrm{rc}}^2\mathrm{\ρ}}{{\[1-(k+1)c^2{\mathrm{\ρ}}^2\]}^{\frac{1}{2}}{(1-{\mathrm{kc}}^2{\mathrm{\ρ}}^2)}^{\frac{3}{2}}}(\sqrt{x^2+{\mathrm{\Δy}}^2}-x)\\ \≈\frac{-{\mathrm{rc}}^2{\mathrm{\Δy}}^2}{2{\[1-(k+1)c^2{x}^2\]}^{\frac{1}{2}}{(1-{\mathrm{kc}}^2{x}^2)}^{\frac{3}{2}}}\end{array},$

偏差最大值有：

$\begin{array}{cc}|{\mathrm{\Δr}}_y\left(\mathrm{\ρ}\right){|}_{max}==\frac{{\mathrm{rc}}^2{\mathrm{\Δy}}^2}{2}& (k\≤-1)\end{array},$

$\begin{array}{cc}|{\mathrm{\&Delta;r}}_y\left(\mathrm{\&rho;}\right){|}_{max}<\frac{{\mathrm{rc}}^2{\mathrm{\&Delta;y}}^2}{2{\&lsqb;1-(k+1)c^2{x_{max}}^2\&rsqb;}^{\frac{1}{2}}}& (-1<k<0)\end{array},$

$\begin{array}{cc}|{\mathrm{\&Delta;r}}_y\left(\mathrm{\&rho;}\right){|}_{max}=\frac{{\mathrm{rc}}^2{\mathrm{\&Delta;y}}^2}{2{\&lsqb;1-(k+1)c^2{x}_{\max }^2\&rsqb;}^{\frac{1}{2}}{(1-{\mathrm{kc}}^2{x}_{max}^2)}^{\frac{3}{2}}}& (k>0)\end{array},$

假设非球面光学镜面口径为100mm，k＝-0.8,r＝3.75mm，非接触式测量偏差最大值△z_y(ρ)_max≈1.671×10^-3△y²，接触式测量由于测头圆弧而引入的最大偏差值为△r_y(ρ)_max<2.0891×10^-5△y²。可以看出由于测头圆弧而引入的测量偏差不大，可以忽略。假设所需的测量精度为p，那么对于机床导轨而言，其Y方向由于运动精度而引入的误差△y应满足：

$\mathrm{\&Delta;}y\&le;\sqrt{\frac{2p_y\sqrt{1-(k+1)c^2{x_{max}}^2}}{c}}.$

当测量精度要求不低于0.1um时，机床测量以上非球面镜要满足△y≤245um，这对于精密、超精密机床而言是可以满足的，所以传统误差分离测量方法可以应用在测量光学镜面上。

由于传统误差分离测量方法采样间隔大，本发明对于传统误差分离测量方法进行了改进。因为精密、超精密机床上，导轨的直线度误差在在位检测的时间内变化不大，在精度允许的情况下可视为不变的，故而通过几次测量来模拟误差分离测量方法的多个测头是可行的。对比传统误差分离测量方法，以逐次两点法为例，设p_A(x_n)为测头第一次测量的工件面形信号，p_B(x_n)为测头第二次测得的面形信号，则有：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_A\left(x_n\right)=f\left(x_n\right)+e_z\left(x_n\right)\\ p_B\left(x_n\right)=f(x_n-L)+e_z\left(x_n\right)\end{array}\right.,n=1,2,3,\mathrm{...}N,$

其中，f(x_n)为光学镜面的真实面形，e_z(x_n)为导轨在X-Z平面的直线度误差，L为直线滑台的每次移动距离，x_n为采样点。形式上与传统误差分离测量方法相同，故有：

$\left\{\begin{array}{c}f\left(x_n\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\&lsqb;P_A\left(x_n\right)-P_B(x_n-L)\&rsqb;\\ e_z\left(x_n\right)=P_A\left(x_n\right)-f\left(x_n\right)=P_B(x_n-L)-f(x_n-L)\end{array}\right.n=1,2,3,\mathrm{...},N,$

由此可分离出工件的面形误差与导轨的直线度误差。

由于高精测头的量程一般在200～300um之间,对于测量矢高一般高于1mm的光学镜面而言，需要采用拼接的方法测量。结合图2，使位移传感器相对于光学镜面的面形沿平行于坐标轴方向的折线轨迹运动，将光学镜面的面形轮廓沿X轴划分为几段曲线，每段曲线沿Z方向的高度在位移传感器的量程内。由于测量时只有X轴运动，Z轴静止，所以两次测量中Z轴代入的偏差为恒定值，可以去除。

直线滑台的移动距离可以为几微米至几毫米不等。位移传感器若采用接触式，则结构选择为气浮式，以防止测头划伤光学曲面。位移传感器在精密或超精密机床上的分辨率在10nm至1um之间。

本发明所述测量方法可以将误差分离方法的采样间隔减小，使所测光学曲面的面形更准确，对口径小于100mm的光学曲面的误差分离测量具有重要意义。

Claims (6)

1.一种面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，它通过直线滑台(1)和位移传感器(2)实现，其特征在于，

将直线滑台(1)安装在精密或超精密机床的Z轴导轨(3)上，并使直线滑台(1)能够沿平行于X轴导轨的方向移动，所述Z轴导轨(3)与机床主轴的轴向平行，X轴导轨的方向为水平面内与Z轴导轨(3)相垂直的方向；

位移传感器(2)安装在直线滑台(1)上，位移传感器(2)的测量方向平行于Z轴导轨(3)方向；

测量过程为：使直线滑台(1)在Z轴导轨(3)方向的位置固定，使安装于机床主轴上的光学曲面沿X轴导轨的方向移动，在光学曲面的移动过程中，通过位移传感器(2)沿X轴导轨方向测量光学曲面面形；

重复N-1次上述测量过程，每一次测量前，使直线滑台(1)沿X轴导轨的方向移动预定位移，所述预定位移为微米至毫米量级，使位移传感器(2)每一次测量的起点与终点相同，并且每一次光学曲面的移动速度及位移传感器(2)的采样频率均相同，最终获得N个光学曲面面形测量数据；N为大于1的自然数；

将测得的N个光学曲面面形测量数据采用误差分离方法进行分离，获得光学曲面的真实面形误差与机床的直线度误差。

2.根据权利要求1所述的面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，其特征在于，所述直线滑台(1)为手动滑台或自动滑台，滑台的导轨结构为气浮式导轨、液浮式导轨、滑动式导轨或滚动式导轨。

3.根据权利要求1或2所述的面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，其特征在于，位移传感器(2)为接触式传感器或非接触式传感器，接触式传感器结构为气浮式。

4.一种面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，它通过直线滑台(1)和位移传感器(2)实现，其特征在于，

将直线滑台(1)安装在精密或超精密机床的Z轴导轨(3)上，并使直线滑台(1)能够沿平行于X轴导轨的方向移动，所述Z轴导轨(3)与机床主轴的轴向平行，X轴导轨的方向为水平面内与Z轴导轨(3)相垂直的方向；

位移传感器(2)安装在直线滑台(1)上，位移传感器(2)的测量方向平行于Z轴导轨(3)方向；

所述测量方法用于位移传感器(2)的量程小于光学曲面的矢高时，所述矢高为光学曲面沿Z轴导轨方向的总高度；

首先沿光学曲面的面形设定分段平行于X轴导轨或Z轴导轨的折线轨迹，使折线轨迹中每一段平行于X轴导轨的直线所对应的光学曲面的光学曲面段沿Z轴导轨方向的高度在位移传感器(2)的量程内；

折线轨迹中每一段直线所对应的光学曲面段的测量过程为：

使直线滑台(1)固定在Z轴导轨(3)方向上的预定位置，使安装于机床主轴上的光学曲面沿X轴导轨的方向移动，在光学曲面的移动过程中，通过位移传感器(2)沿X轴导轨方向测量折线轨迹中当前段直线对应的光学曲面段的面形；

重复N-1次上述测量过程，每一次测量前，使直线滑台(1)沿X轴导轨的方向移动预定位移，所述预定位移为微米至毫米量级，使位移传感器(2)每一次测量的起点与终点相同，并且每一次光学曲面段的移动速度及位移传感器(2)的采样频率均相同，最终获得N个当前光学曲面段的面形段测量数据；N为大于1的自然数；

将测得的N个面形段测量数据采用误差分离方法进行分离，获得当前光学曲面段的真实面形段误差与机床的段直线度误差；

最后，将所有真实面形段误差拼接获得光学曲面的真实面形误差；将所有机床的段直线度误差拼接获得机床的直线度误差。

5.根据权利要求4所述的面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，其特征在于，所述直线滑台(1)为手动滑台或自动滑台，滑台的导轨结构为气浮式导轨、液浮式导轨、滑动式导轨或滚动式导轨。

6.根据权利要求4或5所述的面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，其特征在于，位移传感器(2)为接触式传感器或非接触式传感器，接触式传感器结构为气浮式。