CN108036720B - 精密转台轴向与径向跳动测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种精密转台轴向与径向跳动测量装置和测量方法，测量装置包括波面测量干涉仪、待测精密转台和反射球面光学元件；所述的反射球面光学元件安装在待测精密转台上，待测精密转台的旋转轴通过反射球面光学元件的标准球面的曲率中心；通过波面测量干涉仪测量结果是Fringe Zernike多项式第Z2(X倾斜)、Z3(Y倾斜)，和Z4(离焦)项的系数，计算反射球面光学元件曲率中心与波面测量干涉仪输出球面光波的汇聚中心间的偏离，精确得到待测精密转台轴向与径向跳动。本发明具有装置结构简单、操作方便、测量精度不依赖于标准样品精度的优点。

Description

精密转台轴向与径向跳动测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及精密转台，特别是一种精密转台轴向与径向跳动测量装置和测量方法。

背景技术

精密转台在高精度精密仪器设备中有着广泛的应用；如定心车床、定心仪、轮廓仪、光机加工等设备中广泛采用了精密气浮转台。精密转台旋转过程中的径向、轴向跳动是衡量精密转台性能的重要参数。精密转台的径向、轴向跳动分为同步运动误差和异步运动误差，同步运动误差是多次测量的平均值，是精密转台的可重复系统误差，实现精确测量后能够在使用过程中进行前馈补偿；异步运动误差虽然并不是随机误差，但其周期不是转台旋转周期的整数倍。

精密转台的径向、轴向跳动的检测通常是通过在精密转台上放置标准小球等标准样品，采用杠杆千分尺、激光位移测量干涉仪、或电容传感器等高精度位移传感器对标准样品的位移量进行测试，从而实现精密转台的径向、轴向跳动的检测。但是，精密气浮转台的径向、轴向跳动已可以控制在100nm以下，传统的测量方法必须分离标准样品圆度偏差对测试结果的影响，需要通过翻转被测样品，或多角度平均，多传感器同时测量等不同方法分离标准样品圆度偏差的影响，操作和计算步骤复杂(见在先技术1，Shu Q,Zhu M,Liu X,ChengH.Radial Error Motion Measurement of Ultraprecision Axes of Rotation WithNanometer Level Precision.ASME.J.Manuf.Sci.Eng.2017,139(7):071017-071017-11.)。在转台测试领域，国内外科研人员在转台径向跳动误差与标准样品圆度偏差分离方面进行了大量的研究工作。

此外，XY两个方向的径向跳动至少需要用两个传感器同步测量，轴向跳动也至少需要另一个传感器进行测量，测量装置结构复杂。

在先技术2(王福全，王珏，陈刚，一种精密转台跳动检测装置及检测方法，发明专利申请201710084427.8)提出了一种精密转台跳动检测方法，通过平行光管聚焦点的变化实现精密转台跳动检测，在一定程度上避免了对标准样品的依赖。但是，该方法基于几何光学原理，实现高精度测量对仪器的装调、光路调试、信号处理提出了较高要求。

目前尚没有结构及操作简单，不需要分离标准样品圆度偏差的高精度精密转台轴向与径向跳动同时测量的测量装置及测量方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种精密转台轴向与径向跳动同步测量装置和测量方法，该装置具有结构简单、操作方便、测量精度不依赖于标准样品精度的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种精密转台轴向与径向跳动测量装置，其特点在于包括波面干涉测量仪、待测精密转台和反射球面光学元件；所述的波面测量干涉仪输出球面光波，入射至所述的反射球面光学元件的标准球面；

所述的反射球面光学元件是球面标准镜或标准反射球；所述的反射球面光学元件是球面标准镜时，所述的波面测量干涉仪输出球面光波的中心轴与待测精密转台的旋转轴平行；所述的反射球面光学元件是标准反射球时，所述的波面测量干涉仪输出球面光波的中心轴与待测精密转台的旋转轴平行或垂直；

所述的波面测量干涉仪是带球面标准镜的Fizeau干涉仪、带有汇聚镜的泰曼格林干涉仪、带有汇聚镜的马赫泽德干涉仪或带有汇聚镜的点衍射干涉仪；所述的波面测量干涉仪是相移测量干涉仪、单幅干涉图测量干涉仪、动态测量干涉仪或高速动态测量干涉仪。

利用上述的精密转台轴向与径向跳动测量装置测量待测精密转台的测量方法，该方法包括下列步骤：

1)将所述的反射球面光学元件置于待测精密转台上，使待测精密转台的旋转轴通过反射球面光学元件的标准球面的曲率中心；调整测量装置，使所述的波面干涉测量仪输出球面光波的汇聚中心在所述的反射球面光学元件的标准球面的曲率中心附近，使经所述的反射球面光学元件的标准球面反射的反射光返回所述的波面测量干涉仪，并与所述的波面测量干涉仪的参考光干涉，形成的干涉条纹需能够由所述的波面干涉测量仪正确计算干涉相位；将所述的待测精密转台旋转一周分为N等分的旋转角，记为θ_i，其中i＝1,2,3，…，N，N为正整数，θ₁＝0°；

2)将待测精密转台旋转至初始位置，即使得θ_i＝θ₁，即0°角位置；

3)使用所述的波面测量干涉仪对所述的反射球面光学元件的标准球面进行测量，对所述的反射球面光学元件的标准球面波面测量结果求取Fringe Zernike多项式的第Z2(X倾斜)、Z3(Y倾斜)和Z4(离焦)项系数，按式(1)计算当前旋转角位置θ_i反射球面光学元件的标准球面的曲率中心与波面测量干涉仪输出球面光波的汇聚中心之间的偏离量：

其中，δz_i是沿波面测量干涉仪输出球面光波的中心轴方向的偏离量，即z坐标方向的偏离量；δx_i是沿波面测量干涉仪输出球面光波横截面x坐标方向的偏离量；δy_i是沿波面测量干涉仪输出球面光波横截面y坐标方向的偏离量；x、y、z坐标分别与待测精密转台的轴向和径向两个正交方向中的一个方向对应；a_{2_i}、a_{3_i}、a_{4_i}分别为第i次波面测量结果的Fringe Zernike多项式的第Z2(X倾斜)、Z3(Y倾斜)，和Z4(离焦)项的系数；f_Num是所述的波面测量干涉仪接收到的有效干涉条纹区域对应的波面测量干涉仪输出球面光波的F数；

4)如果所述的待测精密转台的当前转角位置为θ_N，则获得了完整的一组所述的反射球面光学元件的标准球面的曲率中心的位置变化δx_i，δy_i，δz_i(i＝1,2,3，…，N)测量结果，进入步骤5)；否则将所述的待测精密转台旋转至下一个旋转角位置，即使得θ_i＝θ_i+1，返回步骤3)；

5)重复步骤2)～4)共M次，M为正整数；共得到M组所述的反射球面光学元件(3)的标准球面的曲率中心的位置变化δx_i，δy_i，δz_i测量结果；

6)求取M组δx_i，δy_i，δz_i的平均值，记为该 三组坐标方向数据中，待测精密转台轴向方向的值即为待测精密转台的同步轴向跳动；在待测精密转台径向方向的值包含了反射球面光学元件安装偏心误差，和待测精密转台的同步径向跳动，采用现有的标准件安装偏心与径向跳动数据分离方法得到待测精密转台同步径向跳动的测量结果。

所述的标准件安装偏心与径向跳动数据分离方法是最小二乘圆心拟合法，或最佳正弦曲线拟合法，或频域傅里叶变换滤波法。

本发明的工作原理是当波面测量干涉仪测量球面时，波面测量结果的第Z2(XTilt)、Z3(Y Tilt)，和Z4(Defocus)项Fringe Zernike多项式系数与波面测量干涉仪输出球面汇聚中心和球面曲率中心之间的偏差具有线性关系(见在先技术3，JAMES C.WYANTAND KATHERINE CREATH,APPLIED OPTICS AND OPTICAL ENGINEERING,CHAPTER 1BasicWavefront Aberration Theory for Optical Metrology,ISBN 0-12-408611-X)。所述的反射球面光学元件安装在待测精密转台上，并采用波面测量干涉仪测量其表面面形，当待测精密转台旋转时，其轴向与径向跳动使得所述的反射球面光学元件的球心发生改变，从而波面测量结果的第Z2(X Tilt)、Z3(Y Tilt)，和Z4(Defocus)项Fringe Zernike多项式系数改变，通过这三项系数能够精确计算球心的偏离量，即待测精密转台的轴向与径向跳动。并且，由于波面测量结果是Fringe Zernike多项式的第Z2(X倾斜)、Z3(Y倾斜)，和Z4(离焦)项的系数，受所述的反射球面光学元件的面形影响较小，使得待测精密转台的轴向与径向跳动的检测精度不受制于反射球面光学元件的面形精度；所得到的径向偏离数据中包含所述的反射球面光学元件的安装偏心误差，该安装偏心误差的分离可采用已有数据处理方法，如最小二乘圆心拟合法，或频域傅里叶变换滤波法(见在先技术4，Jamalian,A.(2010).A new method for characterizing spindle radial error motion:a two-dimensional point of view(T).University of British Columbia.)，或最佳正弦曲线拟合法(见在先技术5，周继昆,张荣,凌明祥,张毅.高精密机床主轴回转误差在线测试系统[J].中国测试,2016,42(07):64-67.)。

与在先技术相比，本发明测量装置具有结构简单，操作容易，仅需要一套传感器同时测量待测精密转台的轴向与径向跳动，检测精度不依赖于标准样品的精度，不需要分离标准样品圆度误差。

附图说明

图1为本发明精密转台轴向与径向跳动测量装置实施例1的结构示意图；

图2为本发明精密转台轴向与径向跳动测量装置实施例2的结构示意图；

图3为本发明精密转台轴向与径向跳动测量装置实施例3的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明精密转台轴向与径向跳动测量装置实施例1的结构示意图，由图可见，本发明精密转台轴向与径向跳动测量装置，包括波面测量干涉仪1、待测精密转台2和反射球面光学元件3；所述的波面测量干涉仪1输出球面光波，入射至所述的反射球面光学元件3的标准球面；

所述的反射球面光学元件3是球面标准镜；波面测量干涉仪1输出球面光波的中心轴与待测精密转台2的旋转轴对齐；

所述的波面测量干涉仪1是带球面标准镜的Fizeau干涉仪；所述的波面测量干涉仪1是采用空间相移技术的高速动态测量干涉仪。

利用上述的精密转台轴向与径向跳动测量装置测量待测精密转台2轴向与径向跳动的测量方法，该方法包括下列步骤：

1)将所述的反射球面光学元件3置于待测精密转台2上，使得待测精密转台2的旋转轴通过反射球面光学元件3的标准球面的曲率中心；调整测量装置，使所述的波面干涉测量仪1输出球面光波的汇聚中心与反射球面光学元件3的标准球面的曲率中心重合，使得反射球面光学元件3的标准球面反射光沿原路返回波面测量干涉仪1，与波面测量干涉仪1的参考光干涉，形成的干涉条纹数量最少且最宽，由波面干涉测量仪1计算干涉相位；将所述的待测精密转台2旋转一周分为N等分的旋转角，记为θ_i，其中i＝1,2,3，…，N，N为正整数，θ₁＝0°；

2)将待测精密转台2旋转至初始位置θ₁，即使得θ_i＝θ₁，0°角位置；

3)使用所述的波面测量干涉仪1对所述的反射球面光学元件的标准球面进行测量，对所述的反射球面光学元件3的标准球面波面测量结果求取Fringe Zernike多项式的第Z2(X倾斜)、Z3(Y倾斜)和Z4(离焦)项系数，按下式计算当前旋转角位置θ_i反射球面光学元件3的标准球面的曲率中心与波面测量干涉仪1输出球面光波的汇聚中心之间的偏离量：

δz_i＝8·a_{4_i}·f_Num ²，

δx_i＝a_{2_i}·f_Num，

δy_i＝a_{3_i}·f_Num，

其中，δz_i是沿波面测量干涉仪1输出球面光波的中心轴方向的偏离量，即z坐标方向的偏离量；δx_i是沿波面测量干涉仪1输出球面光波横截面x坐标方向的偏离量；δy_i是沿波面测量干涉仪1输出球面光波横截面y坐标方向的偏离量；x、y、z坐标分别与待测精密转台2的轴向和径向两个正交方向中的一个方向对应；a_{2_i}、a_{3_i}、a_{4_i}分别为第i次波面测量结果的Fringe Zernike多项式的第Z2(X倾斜)、Z3(Y倾斜)，和Z4(离焦)项的系数；f_Num是所述的波面测量干涉仪1接收到的有效干涉条纹区域对应的波面测量干涉仪1输出球面光波的F数；

4)如果所述的待测精密转台2的当前转角位置为θ_N，则获得了完整的一组所述的反射球面光学元件3的标准球面的曲率中心的位置变化δx_i，δy_i，δz_i(i＝1,2,3，…，N)测量结果，进入步骤5)；否则将所述的待测精密转台2旋转至下一个旋转角位置并令θ_i＝θ_i+1，返回步骤3)；

5)重复步骤2)～4)共M次，M为正整数；共得到M组所述的反射球面光学元件3的标准球面的曲率中心的位置变化δx_i，δy_i，δz_i测量结果；

6)求取M组δx_i，δy_i，δz_i的平均值，记为该 三组坐标方向数据中，待测精密转台2轴向方向(z坐标方向)的值即为待测精密转台2的同步轴向跳动；在待测精密转台2径向方向(x，y坐标方向)的值包含了反射球面光学元件3安装偏心误差，和待测精密转台2同步径向跳动，采用最佳正弦曲线拟合法(见在先技术5，周继昆,张荣,凌明祥,张毅.高精密机床主轴回转误差在线测试系统[J].中国测试,2016,42(07):64-67.)分离安装偏心误差，即可得到待测精密转台2的同步径向跳动测量结果。

图2为本发明精密转台轴向与径向跳动测量装置实施例2的结构示意图，与图1实施例1不同的是，所述的反射球面光学元件3是标准反射球；波面测量干涉仪1输出球面光波的中心轴与待测精密转台2的旋转轴对齐。

图3为本发明精密转台轴向与径向跳动测量装置实施例3的结构示意图，与图1实施例1不同的是，所述的反射球面光学元件3是标准反射球；波面测量干涉仪1输出球面光波的中心轴与待测精密转台2的旋转轴垂直。

利用图3的精密转台轴向与径向跳动测量装置测量待测精密转台2轴向与径向跳动的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)将反射球面光学元件3置于待测精密转台2上，使得待测精密转台2的旋转轴通过反射球面光学元件3的标准球面的曲率中心；调整测量装置，使所述的波面干涉测量仪1输出球面光波的汇聚中心在所述的反射球面光学元件3的标准球面的曲率中心附近，使得反射球面光学元件3的标准球面反射光返回波面测量干涉仪1，与波面测量干涉仪1的参考光干涉，形成10根以内的干涉条纹，由波面干涉测量仪1计算干涉相位；将所述的待测精密转台2旋转一周分为N等分的旋转角，记为θ_i，其中i＝1,2,3，…，N，N为正整数，θ₁＝0°；

2)将待测精密转台2旋转至初始位置θ₁，即使得θ_i＝θ₁，即0°角位置；

3)使用波面测量干涉仪1对所述的反射球面光学元件3的标准球面进行测量，对所述的反射球面光学元件3的标准球面波面测量结果求取第Z2(X倾斜)、Z3(Y倾斜)，和Z4(离焦)项Fringe Zernike多项式系数，基于下式计算当前旋转角位置计算当前旋转角位置θ_i反射球面光学元件3的标准球面的曲率中心与波面测量干涉仪输出球面光波的汇聚中心之间的偏离量：

δz_i＝8·a_{4_i}·f_Num ²，

δx_i＝a_{2_i}·f_Num，

δy_i＝a_{3_i}·f_Num，

其中，δz_i是沿波面测量干涉仪1输出球面光波的中心轴方向的偏离量，即z坐标方向的偏离量；δx_i是沿波面测量干涉仪1输出球面光波横截面x坐标方向的偏离量；δy_i是沿波面测量干涉仪1输出球面光波横截面y坐标方向的偏离量；z坐标方向与待测精密转台2径向两个正交方向中的一个对应，x坐标方向与待测精密转台2径向两个正交方向中的另一个对应，y坐标方向与待测精密转台2轴向对应；a_{2_i}、a_{3_i}、a_{4_i}分别为第i次波面测量结果的Fringe Zernike多项式的第Z2(X倾斜)、Z3(Y倾斜)，和Z4(离焦)项的系数；f_Num是波面测量干涉仪接收到的有效干涉条纹区域对应的波面测量干涉仪输出球面光波的F数，为1.5；

4)如果所述的待测精密转台2的当前转角位置θ_i为θ_N，则获得了完整的一组所述的反射球面光学元件3的标准球面的曲率中心的位置变化δx_i，δy_i，δz_i(i＝1,2,3，…，N)测量结果，进入步骤5)；否则将所述的待测精密转台2旋转至下一个旋转角位置，即使得θ_i＝θ_i+1，然后重复步骤3)；

5)重复步骤2)～4)共M次，M为正整数；共得到M组所述的反射球面光学元件3的标准球面的曲率中心的位置变化δx_i，δy_i，δz_i测量结果；

6)求取M组δx_i，δy_i，δz_i(i＝1,2,3，…，N)的平均值，记为 (i＝1,2,3，…，N)；三组坐标方向数据中，待测精密转台2轴向方向(y坐标方向)的值即为待测精密转台2的同步轴向跳动；在待测精密转台2径向方向(x，z坐标方向)的值包含了反射球面光学元件3安装偏心误差，和待测精密转台2同步径向跳动，采用频域傅里叶变换滤波法(见在先技术4，Jamalian,A.(2010).A new method forcharacterizing spindle radial error motion:a two-dimensional point of view(T).University of British Columbia.)分离安装偏心误差，即可得到待测精密转台2的同步径向跳动测量结果。

与在先技术相比，本发明具有结构简单，操作容易，仅需要一套传感器同时测量待测精密转台的轴向与径向跳动，检测精度不依赖于标准样品的精度。

Claims (6)

1.一种精密转台的轴向与径向跳动的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)将反射球面光学元件(3)置于待测精密转台(2)上，使待测精密转台的旋转轴通过所述的反射球面光学元件的标准球面的曲率中心；使波面测量干涉仪(1)输出球面光波的汇聚中心在所述的反射球面光学元件(3)的标准球面的曲率中心附近，使经所述的反射球面光学元件(3)的标准球面反射的反射光返回所述的波面测量干涉仪(1)，并与所述的波面测量干涉仪(1)的参考光干涉，形成的干涉条纹需能够由所述的波面测量干涉仪(1)正确计算干涉相位；将所述的待测精密转台旋转一周分为N等分的旋转角，记为θ_i，其中i＝1,2,3，…，N，N为正整数，θ₁＝0°；

2)将所述的待测精密转台旋转至初始位置，即使得θ_i＝θ₁，即0°角位置；

3)使用所述的波面测量干涉仪(1)对所述的反射球面光学元件的标准球面进行测量，对所述的反射球面光学元件的标准球面波面测量结果求取Fringe Zernike多项式的第Z2、Z3和Z4项系数，按式(1)计算当前旋转角位置θ_i反射球面光学元件的标准球面的曲率中心与波面测量干涉仪输出球面光波的汇聚中心之间的偏离量：

其中，δz_i是沿波面测量干涉仪输出球面光波的中心轴方向的偏离量，即z坐标方向的偏离量；δx_i是沿波面测量干涉仪输出球面光波横截面x坐标方向的偏离量；δy_i是沿波面测量干涉仪输出球面光波横截面y坐标方向的偏离量；x、y、z坐标分别与待测精密转台的轴向和径向两个正交方向中的一个方向对应；a_{2_i}、a_{3_i}、a_{4_i}分别为第i次波面测量结果的FringeZernike多项式的第Z2、Z3，和Z4项的系数；f_Num是所述的波面测量干涉仪接收到的有效干涉条纹区域对应的波面测量干涉仪输出球面光波的F数；

4)如果所述的待测精密转台的当前转角位置为θ_N，则获得了完整的一组所述的反射球面光学元件(3)的标准球面的曲率中心的位置变化δx_i，δy_i，δz_i，i＝1,2,3，…，N测量结果，进入步骤5)；否则将所述的待测精密转台旋转至下一个旋转角位置，即使得θ_i＝θ_i+1，返回步骤3)；

5)重复步骤2)～4)共M次，M为正整数；共得到M组所述的反射球面光学元件(3)的标准球面的曲率中心的位置变化δx_i，δy_i，δz_i测量结果；

6)求取M组δx_i，δy_i，δz_i的平均值，记为该 三组坐标方向数据中，待测精密转台轴向方向的值即为待测精密转台的同步轴向跳动；在待测精密转台径向方向的值包含了反射球面光学元件安装偏心误差，和待测精密转台的同步径向跳动，采用现有的标准件安装偏心与径向跳动数据分离方法得到待测精密转台同步径向跳动的测量结果。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述的标准件安装偏心与径向跳动数据分离方法是最小二乘圆心拟合法、最佳正弦曲线拟合法或频域傅里叶变换滤波法。

3.一种基于权利要求1或2所述的测量方法进行精密转台轴向与径向跳动的测量装置，其特征在于包括波面测量干涉仪(1)、待测精密转台(2)和反射球面光学元件(3)；所述的波面测量干涉仪(1)输出球面光波，入射至所述的反射球面光学元件(3)的标准球面。

4.根据权利要求3所述的精密转台轴向与径向跳动的测量装置，其特征在于所述的反射球面光学元件是球面标准镜或标准反射球；所述的反射球面光学元件是球面标准镜时，所述的波面测量干涉仪输出球面光波的中心轴与待测精密转台的旋转轴平行；所述的反射球面光学元件是标准反射球时，所述的波面测量干涉仪输出球面光波的中心轴与待测精密转台的旋转轴平行或垂直。

5.根据权利要求3所述的精密转台轴向与径向跳动测量装置，其特征在于所述的波面测量干涉仪是带球面标准镜的Fizeau干涉仪、带有汇聚镜的泰曼格林干涉仪、带有汇聚镜的马赫泽德干涉仪或带有汇聚镜的点衍射干涉仪。

6.根据权利要求3所述的精密转台轴向与径向跳动测量装置，其特征在于所述的波面测量干涉仪是相移测量干涉仪、单幅干涉图测量干涉仪、动态测量干涉仪或高速动态测量干涉仪。