CN110793461A - 一种超精密大口径非球面轮廓测量机及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超精密大口径非球面轮廓测量机及其测量方法，解决了现有技术中非球面轮廓测量精度不高的问题。本发明包括机架，机架下部设有X轴位移装置，X轴位移装置上设有气浮转台，机架上部设有Z轴位移装置和配重机构，配重机构与Z轴位移装置相连接，且Z轴位移装置与气浮转台相对应。本发明采用极坐标测量方式，XZ轴直线运动配合转台圆周运动，利用高精度测头接触被测工件，快速采集数据，以实现对较大口径的非球面工件（600mm）形状精度和平面工件的轮廓测量，这种测量方式简单易于操作，避免了多维操作测量的误差累积，提高测量精度。

Description

一种超精密大口径非球面轮廓测量机及其测量方法

技术领域

本发明涉及轮廓测量装置技术领域，特别是指一种超精密大口径非球面轮廓测量机及其测量方法。

背景技术

随着航空航天、空间遥感卫星相机、医疗设备、光学设备等高科技领域的飞速发展，对高精度大口径光学非球面元件有极大的需求。非球面器件在各种关键设备中都起着十分重要的作用，现代精密机床设备对零部件的精密度要求极高，相应的对高精密检测技术要求更高对非球面光学镜片的测量则采用非球面测量仪，该测量仪为接触式测量机。然而采用传统的平面、球面测量仪测量非球面，测量精度误差大，操作繁琐。

目前，非球面、平面的高精度检测已经成为高精度非球面、平面等光学元件制造中所面临的瓶颈问题之一，尤其对于大口径高精度非球面、平面等光学元件磨削加工阶段和误差补偿方案，其测量精度要求越来越高。因此，提高对大口径非球面、平面测量精度及减小误差具有重要意义，需要一种超精密大口径非球面轮廓测量机。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种超精密大口径非球面轮廓测量机及其测量方法，解决了现有技术中非球面轮廓测量精度不高的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种超精密大口径非球面轮廓测量机，包括机架，所述机架下部设有X轴位移装置，X轴位移装置上设有气浮转台，机架上部设有Z轴位移装置和配重机构，配重机构与Z轴位移装置相连接，且Z轴位移装置与气浮转台相对应。

所述机架包括底座和龙门架，龙门架固定在底座上，X轴位移装置设置在底座上，Z轴位移装置和配重机构设置在龙门架上。

所述X轴位移装置包括静压导轨和溜板，静压导轨沿X轴方向固定在机架的底座上，溜板位于静压导轨上方且通过X轴直线电机沿静压导轨滑动，溜板的下方设有用于测量移动距离的激光测量仪。

所述X轴直线电机的固定端通过枕木连接在底座上，X轴直线电机的移动面通过L型连接板连接在溜板底面；所述激光测量仪固定在溜板的底面，且激光测量仪与固定在底座上的平晶相对应。

所述静压导轨包括平行设置的左导轨和右导轨，溜板的底面上设有沿X轴方向设置的两个气浮轴承块，两个气浮轴承块分别位于右导轨的两侧，位于右导轨左侧的气浮轴承块的侧面上设有第一读数头，第一读数头与设置在枕木右侧面上的光栅尺相对应。

所述溜板的底面上设有槽口和出气孔，出气孔与气浮轴承块相连通，溜板的一侧沿X轴方向设有进气孔，进气孔与槽口相连通，槽口内设有气浮块，气浮块位于溜板与静压导轨之间。

所述气浮转台包括转台底座、外壳体和转台，转台底座固定在X轴位移装置的溜板上，外壳体固定在转台底座上，外壳体内从外向内同轴线设有转台座、固定环座和转子主轴座，转台位于外壳体上方且分别与转台座、转子主轴座连接，转台座的下端设有下台座，固定环座与转台底座固定连接，转子主轴座与设置在转台底座上的Z轴电机的输出端相连接。

所述固定环座与转子主轴座之间设有转子和定子，转子与转子主轴座固定连接，定子与固定环座固定连接，转子和定子相对应；所述转台座与固定环座之间设有径向静压块，固定环座和转台底座内均设有相连通的气道，气道的出气端与径向静压块和固定环座的腔室相连通，气道的进气端连接有气管接头。

所述Z轴电机通过下盖板固定在转台底座内，下盖板上设有支板，支板上设有第二读数头，转子主轴座的下端设有环形光栅尺，第二读数头与环形光栅尺相对应。

所述Z轴位移装置包括Z轴气浮轴承块和长度计，Z轴气浮轴承块固定设置在机架的龙门架上，Z轴气浮轴承块内设有导柱，长度计固定在导柱的下部，导柱与设置在龙门架上的Z轴直线电机相连接。

所述配重机构包括重物块、皮带和滑轮组件，滑轮组件固定在龙门架上，皮带的一端与重物块相连接、另一端绕过滑轮组件与导柱相连接。

一种超精密大口径非球面轮廓测量机的测量方法，包括如下步骤：

S1：将被测工件放置在气浮转台上，根据被测工件具体大小，调整长度计的位置及角度；

S2：启动气浮转台和X轴位移装置，气浮转台的转台转动，同时X轴位移装置的X轴直线电机通过溜板带动气浮转台沿X轴运动，将待测工件表面边缘移至长度计正下方；

S3：X轴位移装置的X轴运动与气浮转台的圆周运动相组合，使被测工件表面轮廓由最大直径圆开始检测，长度计相对被测工件外轮廓，向被测工件中心移动，检测轨迹为若干个同心圆，实现被测工件全方位测量。

在步骤S3中，第一读数头与设置在枕木右侧面上的光栅尺发生相对移动，通过第一读数头读取溜板沿X轴运动距离；溜板通过激光测量仪检测其沿Z轴方向浮动距离；第二读数头与环形光栅尺发生相对转动，通过第二读数头读取转台的转速。

本发明采用极坐标测量方式，XZ轴直线运动配合转台圆周运动，利用高精度测头接触被测工件，快速采集数据，以实现对较大口径的非球面工件（600mm）形状精度和平面工件的轮廓测量，这种测量方式简单易于操作，避免了多维操作测量的误差累积，提高测量精度。本发明易于操作，便于调节，测量精度高，能实现对较大直径的工件检测，尤其对于大口径高精度非球面、平面等光学元件磨削加工阶段和误差补偿方案，运动导轨采用高精度石墨气体静压轴承方式，实现高精度的平稳运动，稳定性好，具有较高的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体主视示意图。

图2为本发明整体侧视示意图。

图3为本发明X轴位移装置结构示意图。

图4为本发明溜板结构示意图。

图5为本发明气浮转台三维结构示意图。

图6为本发明气浮转台内部侧视示意图。

图7为本发明气浮转台内部俯视示意图。

图8为本发明Z轴位移装置结构示意。

具体实施方式

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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和2所示，实施例1，一种超精密大口径非球面轮廓测量机，包括机架1，即所述机架1包括底座11和龙门架12，龙门架12固定在底座11上，X轴位移装置2设置在底座11上，Z轴位移装置4和配重机构5设置在龙门架12上。X轴位移装置2上设有气浮转台3，在X轴位移装置2的作用下气浮转台3沿X轴方向进行直线运动，气浮转台用于承载被测工件，同时带动其转动。机架1上部设有Z轴位移装置4和配重机构5，配重机构5与Z轴位移装置4相连接，配重机构用于定位Z轴位移装置在Z轴方向上的运动，Z轴位移装置4与气浮转台3相对应其均与后台控制装置相连接，Z轴位移装置通过称量装置检测气浮转台上的被测工件，X轴位移装置配合气浮转台实现被测工件由外轮廓向被测工件中心移动检测，实现被测工件全方位测量，提高测量精度。

优选地，如图3所示，所述X轴位移装置2包括静压导轨22和溜板28，静压导轨22沿X轴方向固定在机架1的底座11上，溜板28位于静压导轨22上方且通过X轴直线电机21沿静压导轨22滑动，X轴直线电机21采用Parker I-Force无铁芯310，在X轴直线电机21的作用下，溜板沿静压导轨22进行X轴向运动。溜板28的下方设有用于测量移动距离的激光测量仪26，激光测量仪26竖直设置用于检测溜板在Z轴方向上的浮动距离。所述X轴直线电机21的固定端通过枕木29连接在底座11上，用于固定X轴直线电机21，X轴直线电机21的移动面通过L型连接板210连接在溜板28底面，启动X轴直线电机带动溜板沿静压导轨22进行X轴向运动。所述激光测量仪26固定在溜板28的底面，且激光测量仪26与固定在底座11上的平晶27相对应，平晶27位于激光测量仪26的正下方，用于检测溜板28与底座11之间的距离且激光测量仪26测量标准平晶27，以反馈位移数据并作出位置反馈和误差补偿。

优选地，如图4所示，所述静压导轨22包括平行设置的左导轨和右导轨，左导轨和右导轨均采用真空预载荷结构，以保证超精密大口径非球面轮廓测量机X轴运动的稳定性。溜板28的底面上固定设有沿X轴方向设置的两个气浮轴承块24，两个气浮轴承块24分别位于右导轨的两侧，采用高精度石墨气体静压轴承，用于限位溜板，使其只能沿静压导轨做X轴运动，运动平稳。位于右导轨左侧的气浮轴承块24的侧面上设有第一读数头25，第一读数头25与设置在枕木29右侧面上的光栅尺相对应，通过第一读数头对光栅尺上的数字的读取，后台控制器实现对溜板沿X轴运动距离的监测和控制。所述溜板28的底面上设有槽口28-3和出气孔28-2，槽口28-3分为两列分别与静压导轨的左导轨和右导轨相对应。出气孔28-2与气浮轴承块24相连通，充气使得气浮轴承块24与气体静压导轨Ⅱ22的两侧面形成气膜，限制溜板28自由度，保证溜板28沿X轴直线运动。溜板28的一侧沿X轴方向设有进气孔28-1，进气孔28-1与槽口28-3相连通，槽口28-3内设有至少一个气浮块23，气浮块23位于溜板28与静压导轨22之间。通过进气孔充气使气浮块23与气体静压导轨28之间形成气膜，使得溜板28、气浮转台3及被测工件浮起，提供测量稳定性和测量精度。

实施例2，如图5和6所示，一种超精密大口径非球面轮廓测量机，所述气浮转台3包括转台底座311、外壳体308和转台301，转台底座311通过螺栓固定在X轴位移装置2的溜板28上，溜板带动转台底座同步运动。外壳体308固定在转台底座311上，外壳体308内从外向内同轴线设有转台座302、固定环座306和转子主轴座304，转台301位于外壳体308上方且分别与转台座302、转子主轴座304连接，转台座302的下端设有下台座310，下台座与固定环座面接触，固定环座306与转台底座311固定连接，用于支撑转台。转子主轴座304与设置在转台底座311上的Z轴电机316的输出端相连接。即Z轴电机的输出轴与转子主轴座固定连接，Z轴电机转动通过转子主轴座带动转台转动。

优选地，如图7所示，所述固定环座306与转子主轴座304之间设有转子303和定子305，转子303和定子305采用耐磨材料。转子303与转子主轴座304固定连接，定子305与固定环座306固定连接，转子303和定子305相对应，提高转子主轴座转动稳定性。所述转台座302与固定环座306之间设有径向静压块307，用于在径向方向定位转台座，提高转动稳定性。固定环座306和转台底座311内均设有相连通的气道317，气道317的出气端与径向静压块307和固定环座306的腔室相连通，气道317的进气端连接有气管接头309。工作时在转台301上放置被测工件，通过向气管接口309吹入气体，径向静压块307与台面301形成气膜，在Z轴电机的转动下，带动转子303转动，从而使转台301转动，保证转台在XY平面内平稳转动。

优选地，所述Z轴电机316通过下盖板312固定在转台底座311内，即下盖板312通过螺栓固定在转台底座311下部，将Z轴电机316密封在壳体中。下盖板312上固定设有支板313，支板313上固定设有第二读数头314，转子主轴座304的下端设有环形光栅尺318，第二读数头314与环形光栅尺318相对应。即第二读数头读取环形光栅尺上的数值，便于后台控制系统监测和控制转子主轴座的转速，使转台以一定转速平稳转动。

优选地，如图8所示，所述Z轴位移装置4包括Z轴气浮轴承块44和长度计41，Z轴气浮轴承块44固定设置在机架1的龙门架12上，Z轴气浮轴承块44内设有导柱42，或Z轴气浮轴承块44包括两个长方形的气浮轴承块以及一个“L”型的气浮轴承块，且均开有气孔，Z轴气浮轴承块44与导柱42的四个Z轴平行面之间通过气浮块形成气膜，使得导柱42上固定的长度计41能上下移动。长度计41固定在导柱42的下部，导柱42与设置在龙门架12上的Z轴直线电机43相连接，Z轴直线电机43为Parker I-Force无铁芯210。在Z轴直线电机43的作用下通过导柱带动长度计在Z轴方向上上下移动。所述配重机构5包括重物块51、皮带52和滑轮组件，滑轮组件可设置两组包括滑轮架Ⅰ55和滑轮架Ⅱ54，滑轮架Ⅰ55和滑轮架Ⅱ54上设有滑轮53，滑轮组件固定在龙门架12上，皮带52的一端与重物块51相连接、另一端绕过滑轮组件与导柱42相连接，通过重物块对导柱起到制动作用，使导柱平稳进行上下运动，进一步提高测量精度。

其他结构与实施例1相同。

实施例3，一种超精密大口径非球面轮廓测量机的测量方法，包括如下步骤：

S1：将被测工件放置在气浮转台3上，根据被测工件具体大小，调整长度计41的位置及角度；

S2：启动气浮转台3和X轴位移装置2，气浮转台3的转台301转动，同时X轴位移装置2的X轴直线电机21通过溜板28带动气浮转台3沿X轴运动，将待测工件表面边缘移至长度计41正下方；

S3：X轴位移装置2的X轴运动与气浮转台3的圆周运动相组合，使被测工件表面轮廓由最大直径圆开始检测，长度计相对被测工件外轮廓，向被测工件中心移动，检测轨迹为若干个同心圆，实现被测工件全方位测量。

在步骤S3中，第一读数头25与设置在枕木29右侧面上的光栅尺发生相对移动，通过第一读数头25读取溜板28沿X轴运动距离；溜板28通过激光测量仪26检测其沿Z轴方向浮动距离；第二读数头314与环形光栅尺318发生相对转动，通过第二读数头314读取转台301的转速，上述三个维度的监测控制，保证了测量精度。

其他结构与实施例2相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种超精密大口径非球面轮廓测量机，包括机架（1），其特征在于：所述机架（1）下部设有X轴位移装置（2），X轴位移装置（2）上设有气浮转台（3），机架（1）上部设有Z轴位移装置（4）和配重机构（5），配重机构（5）与Z轴位移装置（4）相连接，且Z轴位移装置（4）与气浮转台（3）相对应。

2.根据权利要求1所述的超精密大口径非球面轮廓测量机，其特征在于：所述机架（1）包括底座（11）和龙门架（12），龙门架（12）固定在底座（11）上，X轴位移装置（2）设置在底座（11）上，Z轴位移装置（4）和配重机构（5）设置在龙门架（12）上。

3.根据权利要求1或2所述的超精密大口径非球面轮廓测量机，其特征在于：所述X轴位移装置（2）包括静压导轨（22）和溜板（28），静压导轨（22）沿X轴方向固定在机架（1）的底座（11）上，溜板（28）位于静压导轨（22）上方且通过X轴直线电机（21）沿静压导轨（22）滑动，溜板（28）的下方设有用于测量移动距离的激光测量仪（26）。

4.根据权利要求3所述的超精密大口径非球面轮廓测量机，其特征在于：所述X轴直线电机（21）的固定端通过枕木（29）连接在底座（11）上，X轴直线电机（21）的移动面通过L型连接板（210）连接在溜板（28）底面；所述激光测量仪（26）固定在溜板（28）的底面，且激光测量仪（26）与固定在底座（11）上的平晶（27）相对应。

5.根据权利要求4所述的超精密大口径非球面轮廓测量机，其特征在于：所述静压导轨（22）包括平行设置的左导轨和右导轨，溜板（28）的底面上设有沿X轴方向设置的两个气浮轴承块（24），两个气浮轴承块（24）分别位于右导轨的两侧，位于右导轨左侧的气浮轴承块（24）的侧面上设有第一读数头（25），第一读数头（25）与设置在枕木（29）右侧面上的光栅尺相对应。

6.根据权利要求5所述的超精密大口径非球面轮廓测量机，其特征在于：所述溜板（28）的底面上设有槽口（28-3）和出气孔（28-2），出气孔（28-2）与气浮轴承块（24）相连通，溜板（28）的一侧沿X轴方向设有进气孔（28-1），进气孔（28-1）与槽口（28-3）相连通，槽口（28-3）内设有气浮块（23），气浮块（23）位于溜板（28）与静压导轨（22）之间。

7.根据权利要求1或3或6所述的超精密大口径非球面轮廓测量机，其特征在于：所述气浮转台（3）包括转台底座（311）、外壳体（308）和转台（301），转台底座（311）固定在X轴位移装置（2）的溜板（28）上，外壳体（308）固定在转台底座（311）上，外壳体（308）内从外向内同轴线设有转台座（302）、固定环座（306）和转子主轴座（304），转台（301）位于外壳体（308）上方且分别与转台座（302）、转子主轴座（304）连接，转台座（302）的下端设有下台座（310），固定环座（306）与转台底座（311）固定连接，转子主轴座（304）与设置在转台底座（311）上的Z轴电机（316）的输出端相连接。

8.根据权利要求7所述的超精密大口径非球面轮廓测量机，其特征在于：所述固定环座（306）与转子主轴座（304）之间设有转子（303）和定子（305），转子（303）与转子主轴座（304）固定连接，定子（305）与固定环座（306）固定连接，转子（303）和定子（305）相对应；所述转台座（302）与固定环座（306）之间设有径向静压块（307），固定环座（306）和转台底座（311）内均设有相连通的气道（317），气道（317）的出气端与径向静压块（307）和固定环座（306）的腔室相连通，气道（317）的进气端连接有气管接头（309）。

9.根据权利要求8所述的超精密大口径非球面轮廓测量机，其特征在于：所述Z轴电机（316）通过下盖板（312）固定在转台底座（311）内，下盖板（312）上设有支板（313），支板（313）上设有第二读数头（314），转子主轴座（304）的下端设有环形光栅尺（318），第二读数头（314）与环形光栅尺（318）相对应。

10.根据权利要求1或8或9所述的超精密大口径非球面轮廓测量机，其特征在于：所述Z轴位移装置（4）包括Z轴气浮轴承块（44）和长度计（41），Z轴气浮轴承块（44）固定设置在机架（1）的龙门架（12）上，Z轴气浮轴承块（44）内设有导柱（42），长度计（41）固定在导柱（42）的下部，导柱（42）与设置在龙门架（12）上的Z轴直线电机（43）相连接。

11.根据权利要求10所述的超精密大口径非球面轮廓测量机，其特征在于：所述配重机构（5）包括重物块（51）、皮带（52）和滑轮组件，滑轮组件固定在龙门架（12）上，皮带（52）的一端与重物块（51）相连接、另一端绕过滑轮组件与导柱（42）相连接。

12.一种如权利要求1或11所述的超精密大口径非球面轮廓测量机的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：将被测工件放置在气浮转台（3）上，根据被测工件具体大小，调整长度计（41）的位置及角度；

S2：启动气浮转台（3）和X轴位移装置（2），气浮转台（3）的转台（301）转动，同时X轴位移装置（2）的X轴直线电机（21）通过溜板（28）带动气浮转台（3）沿X轴运动，将待测工件表面边缘移至长度计（41）正下方；

S3：X轴位移装置（2）的X轴运动与气浮转台（3）的圆周运动相组合，使被测工件表面轮廓由最大直径圆开始检测，长度计相对被测工件外轮廓，向被测工件中心移动，检测轨迹为若干个同心圆，实现被测工件全方位测量。

13.根据权利要求12所述的超精密大口径非球面轮廓测量机的测量方法，其特征在于：在步骤S3中，第一读数头（25）与设置在枕木（29）右侧面上的光栅尺发生相对移动，通过第一读数头（25）读取溜板（28）沿X轴运动距离；溜板（28）通过激光测量仪（26）检测其沿Z轴方向浮动距离；第二读数头（314）与环形光栅尺（318）发生相对转动，通过第二读数头（314）读取转台（301）的转速。

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