CN108037730A - 一种工件面形测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种工件面形测量系统及方法，电容传感器测量稳定性高，可以很好实现线性测量而无需对数据进行复杂的线性校正；镜面油污等杂质对电容传感器没有影响，不会影响测量结果，同时，电容传感器工作表面是圆形区域，具有一定的采样面积，可以均化一次采样区域内局部大偏离误差，使得测量结果中的偶发高点降低，获得合理的面形峰谷值，因此非常有利于面形误差测量。

Description

一种工件面形测量系统及方法
技术领域
本发明涉及空间光学系统先进制造技术领域，具体涉及一种工件面形测量系统及方法。
背景技术
超精密车削是一种高效率的光学元件加工方法，能够同时获得纳米级表面粗糙度和亚微米级别的面形精度。一般而言，超精密车削后的光学元件可以直接满足红外波段元件的使用要求。但超精密车削的光学元件还无法满足可见光波段光学元件的面形要求。特别是对于口径大或径厚比大的反射镜，由于机床导轨误差、加工中热变形、装卡应力等因素会引入较大的面形误差。
单点金刚石车床配备的在位检测系统以接触式球形探头为主，精度差、测量效率低，而且容易划伤元件表面。同时，铝合金反射镜表面很软，测头的压力使镜面产生弹性变形，从而引入测量误差。中国专利CN205580399U提出了激光三维扫描的测量方法，该方法虽然可以实现非接触测量，但是超精密车削表面存在油污等杂质时将对激光产生干扰，同时激光在反射镜面的散射也会引入测量误差。中国专利CN102305601A提出了采用光栅投影装置对被测物体表面投影正弦光栅条纹，由图像采集装置获取经被测物体表面调制的变形条纹图，进而恢复出被测物体表面三维形貌的方法，但该方法的分辨率不高，仅适用于微米级以上面形误差的测量。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种工件面形测量系统及方法，电容传感器测量稳定性好，可以很好保证测量线性而无需对数据进行复杂的线性校正；镜面的油污等杂质对电容传感器没有影响，不会影响测量结果，同时，电容传感器工作表面是圆形区域，具有一定的采样面积，可以均化一次采样区域内局部大偏离误差，使得测量结果中的偶发高点降低，获得合理的面形峰谷值，因此非常有利于面形误差测量。
第一方面，本发明提供一种工件面形测量系统，包括电容传感器、与所述电容传感器电连接的数据采集单元、用于调整所述电容传感器位置的调节机构、用于承载工件的主轴承载台，预先规划所述电容传感器的测量轨迹，通过所述调节机构调整所述电容传感器的中心线与所述主轴承载台的轴线重合，在进行测量时，根据所述测量轨迹对所述主轴承载台上的工件进行面形测量。
可选地，还包括精密车床，所述主轴承载台位于所述精密车床上，所述精密车床还具有B轴转台，所述调节机构设置在所述B轴转台上，所述主轴承载台的轴线与所述B轴转台的轴线互相垂直。
可选地，所述调节机构包括柔性卡环和具有三自由度的调节工装，所述电容传感器通过柔性卡环固定在所述调节工装上。
可选地，所述精密车床为多轴联动的正交机床。
可选地，所述电容传感器为具有毫米级直径的电容传感器。
第二方面，本发明提供一种工件面形测量方法，应用于如上述的工件面形测量系统，所述方法包括：
调整电容传感器的中心线与主轴承载台的轴线重合；
根据待测工件的面形进行测量轨迹规划；
配置电容传感器的采样频率及所述主轴承载台的转速；
采集所述待测工件上测量点的Z方向矢高数据；
根据采集到的所述测量点的Z方向矢高数据转化为面形误差分布数据。
可选地，还包括：
利用面形误差数据对所述待测工件进行补偿切削加工。
可选地，所述调整电容传感器的中心线与主轴承载台的轴线重合，包括：
调整电容传感器高度方向的位置，使得电容传感器与主轴承载台轴线高度方向重合；
调整电容传感器X轴零点位置，使电容传感器与主轴承载台轴线在X轴方向上重合，同时校验电容传感器与主轴承载台轴线在高度方向保持重合位置；
调整完毕后，利用调节机构将电容传感器的当前位置进行固定。
可选地，所述利用面形误差数据对所述待测工件进行补偿切削加工，包括：
根据所述面形误差数据建立待测工件的3D模型，再利用补偿加工对所述待测工件进行补偿切削加工。
可选地，所述根据所述面形误差数据建立待测工件的3D模型，再利用补偿加工对所述待测工件进行补偿切削加工之前，还包括：
采用刀轨仿真软件进行虚拟仿真加工，以实现过切和欠切检查。
本发明提供的工件面形测量系统及方法，按照待测表面的理想面形数据规划电容传感器的测量轨迹，测量轨迹和加工轨迹仅有一个矢高方向的固定偏离量，矢高方向的测量距离变化量等于待测表面面形误差的PV值，因而可以保证良好的测量线性度；被测工件表面残留的切屑、油污和灰尘等不会影响电容传感器测量结果；并且电容传感器具有均化误差作用，因为电容传感器的圆形平面测头，具有一定的采样面积，可以对采集区域内的数据进行平均，使得测量结果中的随机因素降低，非常有利于面形误差测量，本发明的方法使用的电容传感器具有很高的采样频率，因此可以在主轴高速旋转情况下完成全面形检测，大幅度缩短被测工件表面的检测时间。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的工件面形测量系统的示意图；
图2是本发明实施例中提供的工件面形测量方法的流程图；
图3是本发明实施例中提供的工件面形测量方法的测量轨迹的示意图；
图4是本发明实施例中提供的工件面形测量方法的面形误差分布示意图；
图5是本发明实施例中提供的工件面形测量方法的经过补偿切削后的面形误差分布图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1所示，本发明提供一种工件面形测量系统，包括电容传感器、与所述电容传感器电连接的数据采集单元、用于调整所述电容传感器位置的调节机构、用于承载工件的主轴承载台，预先规划所述电容传感器的测量轨迹，通过所述调节机构调整所述电容传感器的中心线与所述主轴承载台的轴线重合，在进行测量时，根据所述测量轨迹对所述主轴承载台上的工件进行面形测量。
可选地，还包括精密车床，所述主轴承载台位于所述精密车床上，所述精密车床还具有B轴转台，所述调节机构设置在所述B轴转台上，所述主轴承载台的轴线与所述B轴转台的轴线互相垂直。
可选地，所述调节机构包括柔性卡环和具有三自由度的调节工装，所述电容传感器通过柔性卡环固定在所述调节工装上，调整电容传感器高度方向的位置，使得电容传感器与主轴承载台轴线高度方向重合，调整电容传感器X轴零点位置，使电容传感器与主轴承载台轴线在X轴方向上重合，同时校验电容传感器与主轴承载台轴线在高度方向是否仍保持重合位置，调整完毕后，将电容传感器当前位置最终固定。
可选地，所述精密车床为多轴联动的正交机床，也可以采用四轴或五轴，对此不做限定。
可选地，所述电容传感器为具有毫米级直径的电容传感器，电容传感器工作表面是具有毫米级直径的圆形区域，具有一定的采样面积，可以均化一次采样区域内局部大偏离误差，使得测量结果中的偶发高点降低，获得合理的面形峰谷(PV)值，因此非常有利于面形误差测量。
本发明实施例提供了一种工件面形测量系统，电容传感器测量稳定性高，可以实现线性测量而无需对数据进行复杂的线性校正；镜面的油污等对电容传感器没有影响，不会影响测量结果，同时，电容传感器工作表面是圆形区域，具有一定的采样面积，可以均化一次采样区域内局部大偏离误差，使得测量结果中的偶发高点降低，获得合理的面形峰谷值，因此非常有利于面形误差测量。
结合图2所示，对应地，本发明提供一种工件面形测量方法，应用于如上述的工件面形测量系统，所述方法包括：
S201、调整电容传感器的中心线与主轴承载台的轴线重合。
具体地，调整电容传感器高度方向的位置，使得电容传感器与主轴承载台轴线高度方向重合，调整电容传感器X轴零点位置，使电容传感器与主轴承载台轴线在X轴方向上重合，同时校验电容传感器与主轴承载台轴线在高度方向保持重合位置，调整完毕后，利用调节机构将电容传感器的当前位置进行固定。
S202、根据待测工件的面形进行测量轨迹规划。
规划测量轨迹，根据待测工件的镜面几何形状，规划合理的测量轨迹，采用商用软件(例如Diffsys)或自行编写的软件，生成测量代码。
S203、配置电容传感器的采样频率及所述主轴承载台的转速。
为和加工状态保持一致，测量过程中的主轴转速设置为加工过程中的主轴转速，选定电容传感器的采样频率和主轴转速，经由信号采集系统，自动采集测量点的Z方向矢高数据，实现全面形测量点的自动采集，并自动保存测量数据。
S204、采集所述待测工件上测量点的Z方向矢高数据。
自动采集测量点的Z方向矢高数据，实现全面形测量点的自动采集，并保存测量数据。
S205、根据采集到的所述测量点的Z方向矢高数据转化为面形误差分布数据。
将采集到的所述测量点的Z方向矢高数据和理论面形数据做差，得到面形误差分布数据。
S206、利用面形误差数据对所述待测工件进行补偿切削加工。
根据所述面形误差数据建立待测工件的3D模型，再利用补偿加工对所述待测工件进行补偿切削加工，具体地，根据面形误差数据建立被切削工件的新模型，再次通过程序编制软件编写新的补偿加工程序，进行补偿切削加工。
图3为通过本发明的工件面形测量方法实现的反射镜全面形测量的面形误差分布图，面形误差峰谷值PV＝0.971μm，均方根值RMS＝0.175μm，图4为经过补偿切削后的面形误差分布图，面形误差PV＝0.254μm，RMS＝0.052μm。通过对比图3发现，面形误差得到了显著的降低，充分说明了本方案全面形测量方法的有效性。
本发明提供的工件面形测量系统及方法，按照待测表面的理想面形数据规划电容传感器的测量轨迹，测量轨迹和加工轨迹仅有一个矢高方向的固定偏离量，矢高方向的测量距离变化量等于待测表面面形误差的PV值，因而可以保证良好的测量线性度；被测工件表面残留的切屑、油污和灰尘等不会影响电容传感器测量结果；电容传感器具有均化误差作用，因为电容传感器的圆形平面测头，具有一定的采样面积，可以对采集区域内的数据进行平均，使得测量结果中的随机因素降低，非常有利于面形误差测量。本发明的方法使用的电容传感器具有很高的采样频率，因此可以在主轴承载台高速旋转情况下完成全面形检测，大幅度缩短被测工件表面的检测时间。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的；例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式；例如，所述多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性、机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种工件面形测量系统及方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种工件面形测量系统，其特征在于，包括电容传感器、与所述电容传感器电连接的数据采集单元、用于调整所述电容传感器位置的调节机构、用于承载工件的主轴承载台，预先规划所述电容传感器的测量轨迹，通过所述调节机构调整所述电容传感器的中心线与所述主轴承载台的轴线重合，在进行测量时，根据所述测量轨迹对所述主轴承载台上的工件进行面形测量。
2.根据权利要求1所述的工件面形测量系统，其特征在于，还包括精密车床，所述主轴承载台位于所述精密车床上，所述精密车床还具有B轴转台，所述调节机构设置在所述B轴转台上，所述主轴承载台的轴线与所述B轴转台的轴线互相垂直。
3.根据权利要求1所述的工件面形测量系统，其特征在于，所述调节机构包括柔性卡环和具有三自由度的调节工装，所述电容传感器通过柔性卡环固定在所述调节工装上。
4.根据权利要求1所述的工件面形测量系统，其特征在于，所述精密车床为多轴联动的正交机床。
5.根据权利要求1所述的工件面形测量系统，其特征在于，所述电容传感器为具有毫米级直径的电容传感器。
6.一种工件面形测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1至5中任一项所述的工件面形测量系统，所述方法包括：
调整电容传感器的中心线与主轴承载台的轴线重合；
根据待测工件的面形进行测量轨迹规划；
配置电容传感器的采样频率及所述主轴承载台的转速；
采集所述待测工件上测量点的Z方向矢高数据；
将采集到的所述测量点的Z方向矢高数据转化为面形误差分布数据。
7.根据权利要求6所述的工件面形测量方法，其特征在于，还包括：
利用面形误差数据对所述待测工件进行补偿切削加工。
8.根据权利要求6所述的工件面形测量方法，其特征在于，所述调整电容传感器的中心线与主轴承载台的轴线重合，包括：
调整电容传感器高度方向的位置，使得电容传感器与主轴承载台轴线高度方向重合；
调整电容传感器X轴零点位置，使电容传感器与主轴承载台轴线在X轴方向上重合，同时校验电容传感器与主轴承载台轴线在高度方向保持重合位置；
调整完毕后，利用调节机构将电容传感器的当前位置进行固定。
9.根据权利要求6所述的工件面形测量方法，其特征在于，所述利用面形误差数据对所述待测工件进行补偿切削加工，包括：
根据所述面形误差数据建立待测工件的3D模型，再利用补偿加工对所述待测工件进行补偿切削加工。
10.根据权利要求6所述的工件面形测量方法，其特征在于，所述根据所述面形误差数据建立待测工件的3D模型，再利用补偿加工对所述待测工件进行补偿切削加工之前，还包括：
采用刀轨仿真软件进行虚拟仿真加工，以实现过切和欠切检查。
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