CN113029022A - 透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置与方法，本发明形位误差干涉测量装置包括分别安装有激光波面干涉仪以及干涉仪光轴方向平移台的隔振平台，所述激光波面干涉仪的出光口设有球面镜头，所述干涉仪光轴方向平移台上安装有壳体偏摆转台，所述壳体偏摆转台上安装有壳体回转转台，所述壳体回转转台上安装有壳体对心平台，所述壳体对心平台上设有用于安装被测量的半球壳体的安装位，且壳体偏摆转台与壳体回转转台的轴线交汇于被测量的半球壳体的球心，可用于透明半球壳体的内外球面面形误差和厚度差的干涉测量，具有结构简单，精度高的优点；本发明方法基于相移干涉子孔径扫描拼接原理，测量范围大而分辨率高。

Description

透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置与方法
技术领域
本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及一种透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置与方法。
背景技术
透明半球壳体零件如高品质熔石英半球谐振子是半球谐振陀螺中的一个关键零件，其形状为带有中心锚柱的半球形薄壁壳体，直径一般为
Figure BDA0002952135470000011
壁厚一般为0.3～1.1mm。理想的谐振子应具有高品质因数、弹性物质和能量耗散的各向同性，但实际加工工艺受限于机床精度，导致半球壳体的内、外球面面形与厚度差不均匀，相应地谐振子的质量分布不均匀，特别是质量分布偏差四次谐波的存在，导致谐振子中出现两个相互间展成45°的两个固有轴系，谐振子沿这两个轴中的每个轴振动的固有频率都能达到极大和极小值，极大和极小的频率差即固有频率的裂解对陀螺性能造成严重影响。
段荣等在公开号CN106052577B的中文专利文献中公开了一种光学干涉法球径球度检测仪及检测方法，其中涉及球面表面形状及曲率半径的检测，程云勇等在公开号CN11735-0A的中文专利文献中公开了一种钟形球壳零件测量装置及其测量方法，其中涉及非透明球壳零件表面高精度检测的方法，陈善勇等在CN20101055740.3的中文专利文献中公开了一种光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法与装置，其中涉及球体零件全球面的面形误差检测方法与装置。但是，以上方法都只能检测球体或球壳零件的面形误差，而无法检测壳体厚度误差。对于半球谐振子，除了球面的面形误差外，还必须检测其内外球面的厚度差，面形误差与厚度差共同作用，决定了谐振子的质量分布均匀性。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置与方法，本发明透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置可用于透明半球壳体的内外球面面形误差和厚度差的干涉测量，具有结构简单，精度高的优点；本发明方法基于相移干涉子孔径扫描拼接原理，测量范围大而分辨率高。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置，包括分别安装有激光波面干涉仪以及干涉仪光轴方向平移台的隔振平台，所述激光波面干涉仪的出光口设有球面镜头，所述干涉仪光轴方向平移台上安装有壳体偏摆转台，所述壳体偏摆转台上安装有壳体回转转台，所述壳体回转转台上安装有壳体对心平台，所述壳体对心平台上设有用于安装被测量的半球壳体的安装位，且壳体偏摆转台与壳体回转转台的轴线交汇于被测量的半球壳体的球心。
可选地，所述激光波面干涉仪为具有相移干涉功能的激光波面干涉仪。
可选地，被测量的半球壳体内外球面同心，所述激光波面干涉仪为波长调谐相移干涉仪。
可选地，所述球面镜头的参数满足镜头f/数<1。
可选地，所述干涉仪光轴方向平移台的运动方向平行于激光波面干涉仪的光轴。
可选地，所述壳体偏摆转台为电控转台，所述壳体偏摆转台的轴线为竖直方向且与激光波面干涉仪的光轴垂直，所述壳体偏摆转台的分度精度优于1′。
可选地，所述壳体回转转台为电控转台，所述壳体回转转台的轴线与干涉仪的光轴垂直，且分度精度优于1′。
可选地，所述壳体对心平台包括相互连接的二维平移调整机构和平移调整机构，所述二维平移调整机构垂直于壳体回转转台的轴线的平面，所述平移调整机构的运动方向为沿壳体回转转台轴线方向。
此外，本实施例还提供一种前述透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置的应用方法，包括：
S1：子孔径对准：干涉仪光轴方向平移台、壳体偏摆转台、壳体回转转台以及壳体对心平台，使得激光波面干涉仪发出的测试光束通过球面镜头后的焦点与被测量的半球壳体的外球面球心重合实现共焦，且在壳体偏摆转台或壳体回转转台的转动调节过程中始终保持共焦状态；
S2：调节壳体偏摆转台，选择一个当前偏摆角度；
S3：调节壳体回转转台，选择一个当前圆周方向；
S4：针对当前偏摆角度、当前圆周方向的子孔径进行单个子孔径测量；
S5：判断圆周方向是否遍历完毕，若遍历完毕，则跳转下一步，否则跳转步骤S3；
S6：判断偏摆角度是否遍历完毕，若遍历完毕，则跳转下一步，否则跳转步骤S2；
S7：将所有的子孔径测量拼接，得到全表面分布的半球壳体形位误差数据；
S8：将得到的全表面分布的半球壳体形位误差数据进行谐波分解，从而得到不同阶次的角度谐波分量值。
可选地，步骤S4中进行单个子孔径测量的步骤包括：若被测量的半球壳体的内外球面同心，则应用激光波面干涉仪的波长调谐相移功能，一次测量同时获得被测量的半球壳体的子孔径的外球面面形、内球面面形和内外球面厚度差；若被测量的半球壳体的内外球面不同心，则首先测得外球面面形W1，然后调整半球壳体轴线方向使激光波面干涉仪发出的测试光束透过球面镜头后的焦点与被测量的半球壳体内球面球心重合实现共焦，测得内球面面形W2，对外球面面形W1、内球面面形W2两组数据进行横坐标畸变校正后，计算得到内外球面厚度差(W2-W1)/n，其中n为被测量的半球壳体材料在激光波面干涉仪发出的激光光束波长下的折射率。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置能测得半球壳体零件的内外球面的面形误差和厚度差分布，具有结构简单，精度高的优点。
本发明透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置的应用方法基于相移干涉子孔径扫描拼接原理，能够一次性将厚度、面形均匀性信息检测出来，而不是离散的线状均匀性信息，具有测量范围大而分辨率高的优点。
附图说明
图1为本发明实施例形位误差干涉测量装置的立体结构示意图。
图2为本发明实施例应用方法的基本流程示意图。
图3是本发明实施例中子孔径测量结果。
图4是本发明实施例中子孔径拼接与谐波分解结果。
具体实施方式
如图1所示，本实施例透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置包括分别安装有激光波面干涉仪1以及干涉仪光轴方向平移台2的隔振平台，激光波面干涉仪1的出光口设有球面镜头11，干涉仪光轴方向平移台2上安装有壳体偏摆转台3，壳体偏摆转台3上安装有壳体回转转台4，壳体回转转台4上安装有壳体对心平台5，壳体对心平台5上设有用于安装被测量的半球壳体6的安装位，且壳体偏摆转台3与壳体回转转台4的轴线交汇于被测量的半球壳体6的球心。
本实施例中，激光波面干涉仪1为具有相移干涉功能的激光波面干涉仪，该干涉仪可以高精度地测量出表面形貌和不同光腔的厚度差，以及用于测量透明球壳的厚度。
作为一种可选的实施方式，当被测量的半球壳体6内外球面同心时，激光波面干涉仪1为波长调谐相移干涉仪。
本实施例中，球面镜头11的参数满足镜头f/数(光圈数值)<1，可以较大范围的测量出一个子孔径，减少拼接的次数。
本实施例中，干涉仪光轴方向平移台2的运动方向平行于激光波面干涉仪1的光轴，可用于调整测试时透明球壳的离焦项。
本实施例中，壳体偏摆转台3为电控转台，壳体偏摆转台3的轴线为竖直方向且与激光波面干涉仪1的光轴垂直，壳体偏摆转台3的分度精度优于1′，可用于精确调整透明球壳的偏摆角度。
本实施例中，壳体回转转台4为电控转台，壳体回转转台4的轴线与干涉仪1的光轴垂直，且分度精度优于1′，可用于球壳测量时不同子孔径的转换。
如图1所示，壳体对心平台5包括相互连接的二维平移调整机构51和平移调整机构52，二维平移调整机构51垂直于壳体回转转台4的轴线的平面，平移调整机构52的运动方向为沿壳体回转转台4轴线方向，可将球壳的球心与镜头焦点对齐。
如图2所示，本实施例还提供一种前述透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置的应用方法，包括：
S1：子孔径对准：干涉仪光轴方向平移台2、壳体偏摆转台3、壳体回转转台4以及壳体对心平台5，使得激光波面干涉仪1发出的测试光束通过球面镜头11后的焦点与被测量的半球壳体6的外球面球心重合实现共焦，且在壳体偏摆转台3或壳体回转转台4的转动调节过程中始终保持共焦状态；
S2：调节壳体偏摆转台3，选择一个当前偏摆角度；
本实施例中调整壳体回转转台3使得被测量的半球壳体6绕壳体偏摆转台轴线回转某个角度，角度间隔根据预先的子孔径划分结果给定，确保相邻子孔径有20％以上重叠区域。
S3：调节壳体回转转台4，选择一个当前圆周方向；
本实施例中调整壳体回转转台4使得被测量的半球壳体6绕其对称轴等角度间隔回转一周，角度间隔根据预先的子孔径划分结果给定，确保相邻子孔径有20％以上重叠区域。
S4：针对当前偏摆角度、当前圆周方向的子孔径进行单个子孔径测量；
S5：判断圆周方向是否遍历完毕，若遍历完毕，则跳转下一步，否则跳转步骤S3；
S6：判断偏摆角度是否遍历完毕，若遍历完毕，则跳转下一步，否则跳转步骤S2；
S7：将所有的子孔径测量拼接，得到全表面分布的半球壳体形位误差数据；
S8：将得到的全表面分布的半球壳体形位误差数据进行谐波分解，从而得到不同阶次的角度谐波分量值。
本实施例中，步骤S4中进行单个子孔径测量的步骤包括：若被测量的半球壳体6的内外球面同心，则应用激光波面干涉仪1的波长调谐相移功能，一次测量同时获得被测量的半球壳体6的子孔径的外球面面形、内球面面形和内外球面厚度差；若被测量的半球壳体6的内外球面不同心，则首先测得外球面面形W1，然后调整半球壳体轴线方向平移台2使激光波面干涉仪1发出的测试光束透过球面镜头11后的焦点与被测量的半球壳体6内球面球心重合实现共焦，测得内球面面形W2，对外球面面形W1、内球面面形W2两组数据进行横坐标畸变校正后，计算得到内外球面厚度差(W2-W1)/n，其中n为被测量的半球壳体6材料在激光波面干涉仪1发出的激光光束波长下的折射率。
综上所述，本实施例透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置的应用方法基于子孔径拼接干涉原理，通过相移干涉分别测得半球壳体上多个子孔径的外球面面形和内外球面厚度差数据，相邻子孔径数据存在重叠区域且所有子孔径可覆盖半球壳体上待测区域，将多个子孔径的测量数据拼接在一起得到半球壳体零件的面形和厚度差。需要说明的是：(1)上述方法中按照先偏摆角度、后圆周方向的方式进行遍历子孔径，此外也可以根据需要采用先圆周方向、后偏摆角度的方式进行遍历子孔径。(2)步骤S7将所有的子孔径测量拼接可根据需要采用现有的拼接算法，例如作为一种可选的实施方式，本实施例中采用的子孔径拼接算法为论文“Shanyong Chen,Wenlin Liao,Yifan Dai,Shengyi Li.Self-calibrated subaperture stitching test of hyper-hemispheres using latitude andlongitude coordinates.Applied Optics 6(17):3817-3825,2011”中公开的子孔径拼接算法。(4)步骤S8进行谐波分解为现有方法，例如作为一种可选的实施方式，本实施例中采用的谐波分解算法为论文“Virendra N.Mahajan.Zernike annular polynomials forimaging systems withannular pupils.J.Opt.Soc.Am.71(1):75-85,1981”中公开的圆形或环带域上的Zernike多项式拟合方法来进行谐波分解。
本实施例中，半球壳体的内外球面不同心，偏摆角度为60°，圆周方向的角度间隔为72°，一共测得外球面面形、包含内外球面面形和厚度差的子孔径各5个数据，测量结果如图3所示。最终，将所有子孔径测量数据变换到同一个坐标系中描述，将子孔径扫描运动引入的误差作为优化变量，根据相邻子孔径之间测量数据在重叠区域应一致的原则，建立最小二乘优化模型，对扫描运动误差进行最优辨识并补偿，得到全表面分布的半球壳体形位误差数据，如图4所示。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置，其特征在于，包括分别安装有激光波面干涉仪(1)以及干涉仪光轴方向平移台(2)的隔振平台，所述激光波面干涉仪(1)的出光口设有球面镜头(11)，所述干涉仪光轴方向平移台(2)上安装有壳体偏摆转台(3)，所述壳体偏摆转台(3)上安装有壳体回转转台(4)，所述壳体回转转台(4)上安装有壳体对心平台(5)，所述壳体对心平台(5)上设有用于安装被测量的半球壳体(6)的安装位，且壳体偏摆转台(3)与壳体回转转台(4)的轴线交汇于被测量的半球壳体(6)的球心。
2.根据权利要求1所述的透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置，其特征在于，所述激光波面干涉仪(1)为具有相移干涉功能的激光波面干涉仪。
3.根据权利要求2所述的透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置，其特征在于，被测量的半球壳体(6)内外球面同心，所述激光波面干涉仪(1)为波长调谐相移干涉仪。
4.根据权利要求3所述的透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置，其特征在于，所述球面镜头(11)的参数满足镜头f/数<1。
5.根据权利要求4所述的透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置，其特征在于，所述干涉仪光轴方向平移台(2)的运动方向平行于激光波面干涉仪(1)的光轴。
6.根据权利要求5所述的透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置，其特征在于，所述壳体偏摆转台(3)为电控转台，所述壳体偏摆转台(3)的轴线为竖直方向且与激光波面干涉仪(1)的光轴垂直，所述壳体偏摆转台(3)的分度精度优于1′。
7.根据权利要求6所述的透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置，其特征在于，所述壳体回转转台(4)为电控转台，所述壳体回转转台(4)的轴线与干涉仪(1)的光轴垂直，且分度精度优于1′。
8.根据权利要求7所述的透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置，其特征在于，所述壳体对心平台(5)包括相互连接的二维平移调整机构(51)和平移调整机构(52)，所述二维平移调整机构(51)垂直于壳体回转转台(4)的轴线的平面，所述平移调整机构(52)的运动方向为沿壳体回转转台(4)轴线方向。
9.一种权利要求1～8中任意一项所述的透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置的应用方法，其特征在于，包括：
S1：子孔径对准：干涉仪光轴方向平移台(2)、壳体偏摆转台(3)、壳体回转转台(4)以及壳体对心平台(5)，使得激光波面干涉仪(1)发出的测试光束通过球面镜头(11)后的焦点与被测量的半球壳体(6)的外球面球心重合实现共焦，且在壳体偏摆转台(3)或壳体回转转台(4)的转动调节过程中始终保持共焦状态；
S2：调节壳体偏摆转台(3)，选择一个当前偏摆角度；
S3：调节壳体回转转台(4)，选择一个当前圆周方向；
S4：针对当前偏摆角度、当前圆周方向的子孔径进行单个子孔径测量；
S5：判断圆周方向是否遍历完毕，若遍历完毕，则跳转下一步，否则跳转步骤S3；
S6：判断偏摆角度是否遍历完毕，若遍历完毕，则跳转下一步，否则跳转步骤S2；
S7：将所有的子孔径测量拼接，得到全表面分布的半球壳体形位误差数据；
S8：将得到的全表面分布的半球壳体形位误差数据进行谐波分解，从而得到不同阶次的角度谐波分量值。
10.根据权利要求9所述的透明半球壳体零件的形位误差干涉测量装置的应用方法，其特征在于，步骤S4中进行单个子孔径测量的步骤包括：若被测量的半球壳体(6)的内外球面同心，则应用激光波面干涉仪(1)的波长调谐相移功能，一次测量同时获得被测量的半球壳体(6)的子孔径的外球面面形、内球面面形和内外球面厚度差；若被测量的半球壳体(6)的内外球面不同心，则首先测得外球面面形W1，然后调整干涉仪光轴方向平移台(2)使激光波面干涉仪(1)发出的测试光束透过球面镜头(11)后的焦点与被测量的半球壳体(6)内球面球心重合实现共焦，测得内球面面形W2，对外球面面形W1、内球面面形W2两组数据进行横坐标畸变校正后，计算得到内外球面厚度差(W2-W1)/n，其中n为被测量的半球壳体(6)材料在激光波面干涉仪(1)发出的激光光束波长下的折射率。
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