CN106802135B - 自由曲面光学元件的在位检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由曲面光学元件的在位检测装置，包括旋转主轴、Z轴、X轴以及竖直布置于所述Z轴上方的Y轴模块，所述旋转主轴水平设置于X轴的上方并与所述Z轴平行，旋转主轴上夹持有自由曲面光学元件，所述Y轴模块包括滑块和立柱，所述滑块滑设于所述立柱上，所述滑块上设有用于对所述自由曲面光学元件进行在位测量的位移传感器。本发明还提供前述装置的在位检测方法。本发明的装置可实现自由曲面光学元件的高精度在位检测。

Description

自由曲面光学元件的在位检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及复杂曲面的超精密检测领域，尤其涉及一种自由曲面光学元件的在位检测装置及检测方法。

背景技术

自由曲面光学元件有利于简化系统结构，减少镜片数量和尺寸，提高成像质量，还能获得许多特殊的光学性能，给新产品的设计带来巨大的潜力。因此，自由曲面光学元件无论在军用、民用领域都有着越来越迫切的需求，如大型天文观测系统、军用光热成像装置、导弹导引系统、数码显示系统、汽车照明系统、眼科医疗系统等。现阶段基于超精密车床的自由曲面光学元件的在位检测主要有两种方式：1.测量待测件的某条径向截线；2.采用螺旋扫描的方式实时跟踪曲面形状进行测量。前者无法实现自由曲面的测量评价，后者存在动态跟踪误差，且需要测头严格对准主轴回转中心，否则造成的误差难以控制，且误差形式和加工误差重合，难以分辨。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的技术问题，提供一种实现超精密车削加工过程中高精度在位检测的自由曲面光学元件的在位检测装置，相应的还提供一种各轴无需联动控制的自由曲面光学元件的在位检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种自由曲面光学元件的在位检测装置，包括旋转主轴、Z轴、X轴以及竖直布置于所述Z轴上方的Y轴模块，所述旋转主轴水平设置于X轴的上方并与所述Z轴平行，旋转主轴上夹持有自由曲面光学元件，所述Y轴模块包括滑块和立柱，所述滑块滑设于所述立柱上，所述滑块上设有用于对所述自由曲面光学元件进行在位测量的位移传感器。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述Y轴模块还包括驱动机构，所述驱动机构与所述滑块连接并驱动所述滑块在所述立柱上移动。

所述滑块在靠近自由曲面光学元件方向处设有传感器安装板，所述位移传感器通过所述传感器安装板固定于所述滑块上。

所述Z轴上设有溜板，所述Y轴模块底部设有用于调整Y轴模块位置的调整楔块，所述调整楔块位于溜板上方。

所述驱动机构包括驱动电机、上同步带轮、下同步带轮以及用于连接所述上同步带轮和所述下同步带轮的同步皮带，所述上同步带轮与所述驱动电机连接，所述同步皮带上设有同步带连接板，所述同步带连接板固定于所述滑块上。

所述Y轴模块还包括底板和竖直安装于底板上的驱动安装板，所述驱动安装板还设有上固定座和下固定座，所述驱动机构的上同步带轮和下同步带轮分别通过上固定座和下固定座与驱动安装板连接。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种自由曲面光学元件的在位检测方法，包括以下步骤：

S1、通过调整调整楔块将Y轴模块调整至与机床原有直线轴X轴、Z轴正交；

S2、确定合适的扫描路径进行自由曲面轮廓扫描，同时锁存各轴的坐标及对应的位移传感器读数，得到自由曲面光学元件表面的点云数据；

S3、将测得的点云数据与自由曲面光学元件的理想轮廓形状进行匹配，得到自由曲面光学元件的在位测量误差。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述步骤S2的具体步骤为：

根据自由曲面光学元件表面理想形状确定合适的扫描路径和采样频率，编制扫描程序，控制机床X轴、Z轴、旋转主轴和Y轴模块的运动进行自由曲面轮廓扫描，同时锁存各轴的坐标及对应的位移传感器读数，得到自由曲面光学元件表面的点云数据。

所述步骤S2中所述合适的扫描路径为以下选项的一种：

1）根据X轴、Y轴、Z轴三直线轴形成的空间栅格扫描路径；

2）根据任意两直线轴与C轴形成的径向放射线扫描路径；

3）C轴持续转动形成的螺旋扫描路径。

所述空间栅格扫描路径中，选取X轴、Y轴、Z轴三直线轴中精度最低的直线轴为栅格换行轴，其余两直线轴为轮廓扫描轴。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的自由曲面光学元件在位检测装置，竖直布置于Z轴上方的Y轴模块与X轴、Z轴组成三直线轴实现空间运动，Y轴模块包括滑块和立柱，滑块滑设于立柱上，滑块上设有用于对自由曲面光学元件进行在位测量的位移传感器，合理规划空间栅格扫描路径，实现自由曲面光学元件的在位检测；本发明中的Y轴模块结构紧凑，体积小通用性强，可兼容绝大部分超精密车床布局，无需与机床现有运动轴联动，可实现即插即用；本发明的装置可实现超精密车削加工过程中自由曲面光学元件的高精度在位检测，得到亚微米量级精度的自由曲面加工误差，为整个工艺过程的误差补偿提供数据。

本发明的自由曲面光学元件的在位检测方法，在自由曲面轮廓扫描过程中，不要求Y轴模块与机床各轴进行联动控制，只需实时锁存各轴的坐标值和对应的位移传感器的读数，就能得到自由曲面表面的点云数据，而重构出自由曲面光学元件的表面形状。

附图说明

图1是本发明自由曲面光学元件的在位检测装置的立体结构示意图。

图2是本发明自由曲面光学元件的在位检测装置的另一视角立体结构示意图。

图3是本发明Y轴模块的立体结构示意图。

图4是本发明Y轴模块的主视图。

图5是本发明Y轴模块的侧视图。

图6是本发明Y轴模块的俯视图。

图7是本发明Y轴模块的另一视觉立体结构示意图（移除部分驱动安装板）。

图8是本发明光栅结构的立体结构示意图。

图例说明：

1、Y轴模块；11、滑块；12、传感器安装板；121、传感器固定件；13、光栅结构；131、光栅尺；132、读数头转接板；133、光栅读数头；14、驱动安装板；141、上固定座；142、上连接块；143、下固定座；15、调整楔块；16、立柱；161、通槽；17、驱动机构；170、同步带连接板；171、驱动电机；172、减速器；173、联轴器；174、同步带轮轴；175、上轴承固定单元；176、上同步带轮；177、同步皮带；178、下同步带轮；179、下轴承固定单元；18、底板；19、防挡块；2、旋转主轴；21、主电机；22、主支撑；23、元件夹具；24、电机座；25、定位板；3、自由曲面光学元件；4、车刀；5、位移传感器；6、溜板；7、Z轴；8、X轴；9、机架座。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。

如图1至8所示，本发明的一种自由曲面光学元件的在位检测装置，包括旋转主轴2、Z轴7、X轴8以及竖直布置于Z轴7上方的Y轴模块1，旋转主轴2水平设置于X轴8的上方并与Z轴7平行，旋转主轴2上夹持有自由曲面光学元件3，Y轴模块1包括滑块11和立柱16，滑块11滑设于立柱16上，滑块11上设有用于对自由曲面光学元件3进行在位测量的位移传感器5。竖直布置于Z轴7上方的Y轴模块1与X轴8、Z轴7组成三直线轴实现空间运动，Y轴模块1包括滑块11、立柱和驱动机构，滑块11滑设于立柱16上，滑块11上设有用于对自由曲面光学元件3进行在位测量的位移传感器5，合理规划空间栅格扫描路径，实现自由曲面光学元件3的在位检测，本发明中的Y轴模块1结构紧凑，可兼容绝大部分超精密车床布局，无需与机床现有运动轴联动，可实现即插即用。

本实施例中，旋转主轴2、Z轴7、X轴8以及Y轴模块1均设置与超精密车床的机架座9上。

Y轴模块1还包括驱动机构17，驱动机构17与滑块11连接并驱动滑块11在立柱16上移动。

驱动机构17包括驱动电机171、上同步带轮176、下同步带轮178以及用于连接上同步带轮176和下同步带轮178的同步皮带177，上同步带轮176与驱动电机171连接，同步皮带177上设有同步带连接板170，同步带连接板170固定于滑块11上。

滑块11在靠近自由曲面光学元件3方向处设有传感器安装板12，位移传感器5通过传感器安装板12固定于滑块11上。

本实施例中，传感器安装板12的下方设有用于夹持位移传感器5的传感器固定件121。在其他实施例中，传感器固定件121可位于传感器安装板12的上方。

本实施例中，位移传感器5采用高精度位移传感器，优选为激光共聚焦传感器，可实现非接触式测量，避免刮伤光学元件表面，并且具有优于100 nm的测量精度，聚焦光斑的物理直径可忽略，免除位移传感器5侧头补偿的过程及由此引入的误差，进一步提高测量精度。

Z轴7上设有溜板6，Y轴模块1底部设有用于调整Y轴模块1位置的调整楔块15，调整楔块15位于溜板6上方。调整楔块15用于实现Y轴模块1与X轴8、Z轴7之间垂直度的调整。

Y轴模块1还包括底板18和竖直安装于底板18上的驱动安装板14，驱动安装板14还设有上固定座141和下固定座143，驱动机构17的上同步带轮176和下同步带轮178分别通过上固定座141和下固定座143与驱动安装板14连接。

本实施例中，驱动机构17还包括依次连接的减速器172、联轴器173、同步带轮轴174，减速器172的另一端与驱动电机171的另一端连接，同步带轮轴174的另一端与上同步带轮176连接，同步带轮轴174上固定有上轴承固定单元175，上轴承固定单元175与驱动安装板14的上固定座141连接，驱动机构17还包括位于下同步带轮178和下固定座143之间的下轴承固定单元179。

本实施例中，底板18在立柱16的滑块11的下方设有防挡块19，用于防止滑块11与底板碰撞，驱动安装板14上方设有与底板18平行的上连接块142，上连接块142在滑块11的上方设有防挡块19，防挡块19下表面的高度低于立柱16上表面的高度，用于防止滑块11从立柱16中滑出。

本实施例中，车刀4由Y轴模块1取代。旋转主轴2包括位于X轴8上方的电机座24电机座24上方固定有主支撑22，主支撑22分别在远离Y轴模块1方向处连接有主电机21，在靠近Y轴模块1方向处连接有元件夹具23，元件夹具23夹持有自由曲面光学元件3。电机座24在远离Y轴模块1方向处设有定位板25，用于固定电机座24的位置。

本实施例中，Y轴模块1还包括光栅结构13，立柱16在靠近X轴8方向的侧面设有通槽161，光栅结构13位于滑块11与通槽161间，光栅结构13包括光栅尺131、光栅读数头133以及位于光栅尺131和光栅读数头133之间的读数头转接板132，读数头转接板132呈L形，一端搭设于滑块11的上表面，另一端位于通槽161内，光栅尺131固定于通槽161内。

本发明还提供上述自由曲面光学元件在位检测装置的在位检测方法，包括以下步骤：

S1、通过调整调整楔块15将Y轴模块1调整至与机床原有直线轴X轴8、Z轴7正交；

S2、确定合适的扫描路径进行自由曲面轮廓扫描，同时锁存各轴的坐标及对应的位移传感器5读数，得到自由曲面光学元件3表面的点云数据；

S3、将测得的点云数据与自由曲面光学元件3的理想轮廓形状进行匹配，得到自由曲面光学元件3的在位测量误差。

步骤S2的具体步骤为：根据自由曲面光学元件3表面理想形状确定合适的扫描路径和采样频率，编制扫描程序，控制机床X轴8、Z轴7、旋转主轴2和Y轴模块1的运动进行自由曲面轮廓扫描，同时锁存各轴的坐标及对应的位移传感器5读数，得到自由曲面光学元件3表面的点云数据。

步骤S2中合适的扫描路径为以下选项的一种：

1）根据X轴、Y轴、Z轴三直线轴形成的空间栅格扫描路径；

2）根据任意两直线轴与C轴形成的径向放射线扫描路径；

3）C轴持续转动形成的螺旋扫描路径。

以上各扫描路径测量得到的形状误差可以进行互检互校。

本实施例中，空间栅格扫描路径中，选取X轴、Y轴、Z轴三直线轴中精度最低的直线轴为栅格换行轴，其余两直线轴为轮廓扫描轴。

本实施例中，采用了栅格扫描来扫描路径，可避免现有在位检测方法中位移传感器5测头与旋转主轴回转中心的对准误差造成的测量误差，实现更高的测量精度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种自由曲面光学元件的在位检测装置，其特征在于，包括旋转主轴（2）、Z轴（7）、X轴（8）以及竖直布置于所述Z轴（7）上方的Y轴模块（1），所述旋转主轴（2）水平设置于X轴（8）的上方并与所述Z轴（7）平行，旋转主轴（2）上夹持有自由曲面光学元件（3），所述Y轴模块（1）包括滑块（11）和立柱（16），所述滑块（11）滑设于所述立柱（16）上，所述滑块（11）上设有用于对所述自由曲面光学元件（3）进行在位测量的位移传感器（5）；所述Y轴模块（1）还包括驱动机构（17），所述驱动机构（17）与所述滑块（11）连接并驱动所述滑块（11）在所述立柱（16）上移动；

所述驱动机构（17）包括驱动电机（171）、上同步带轮（176）、下同步带轮（178）以及用于连接所述上同步带轮（176）和所述下同步带轮（178）的同步皮带（177），所述上同步带轮（176）与所述驱动电机（171）连接，所述同步皮带（177）上设有同步带连接板（170），所述同步带连接板（170）固定于所述滑块（11）上。

2.根据权利要求1所述的自由曲面光学元件的在位检测装置，其特征在于，所述滑块（11）在靠近自由曲面光学元件（3）方向处设有传感器安装板（12），所述位移传感器（5）通过所述传感器安装板（12）固定于所述滑块（11）上。

3.根据权利要求2所述的自由曲面光学元件的在位检测装置，其特征在于，

所述Z轴（7）上设有溜板（6），所述Y轴模块（1）底部设有用于调整Y轴模块（1）位置的调整楔块（15），所述调整楔块（15）位于溜板（6）上方。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的自由曲面光学元件的在位检测装置，其特征在于，

所述Y轴模块（1）还包括底板（18）和竖直安装于底板（18）上的驱动安装板（14），所述驱动安装板（14）还设有上固定座（141）和下固定座（143），所述驱动机构（17）的上同步带轮（176）和下同步带轮（178）分别通过上固定座（141）和下固定座（143）与驱动安装板（14）连接。

5.一种根据权利要求1至4中任一项自由曲面光学元件的在位检测装置的在位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过调整调整楔块（15）将Y轴模块（1）调整至与机床原有直线轴X轴（8）、Z轴（7）正交；

S2、确定合适的扫描路径进行自由曲面轮廓扫描，同时锁存各轴的坐标及对应的位移传感器（5）读数，得到自由曲面光学元件（3）表面的点云数据；

S3、将测得的点云数据与自由曲面光学元件（3）的理想轮廓形状进行匹配，得到自由曲面光学元件（3）的在位测量误差；

所述步骤S2的具体步骤为：

根据自由曲面光学元件（3）表面理想形状确定合适的扫描路径和采样频率，编制扫描程序，控制机床X轴（8）、Z轴（7）、旋转主轴（2）和Y轴模块（1）的运动进行自由曲面轮廓扫描，同时锁存各轴的坐标及对应的位移传感器（5）读数，得到自由曲面光学元件（3）表面的点云数据。

6.根据权利要求5所述的在位检测方法，其特征在于，

所述步骤S2中所述合适的扫描路径为以下选项的一种：

1）根据X轴、Y轴、Z轴三直线轴形成的空间栅格扫描路径；

2）根据任意两直线轴与C轴形成的径向放射线扫描路径；

3）C轴持续转动形成的螺旋扫描路径。

7.根据权利要求6所述的在位检测方法，其特征在于，所述空间栅格扫描路径中，选取X轴、Y轴、Z轴三直线轴中精度最低的直线轴为栅格换行轴，其余两直线轴为轮廓扫描轴。