CN115388805A - 一种零阿贝误差结构的在位测量方法、系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零阿贝误差结构的在位测量方法、系统和装置，本发明装置包括工件支撑台、测量框架和运动系统，运动系统的运动末端分别固定设有工件传感器、Z位移传感器和X位移传感器，Z位移传感器发出的激光光束方向沿竖直方向布置、X位移传感器发出的激光光束方向沿水平方向布置，Z位移传感器和X位移传感器两者均为激光干涉仪，测量框架上分别设有与Z位移传感器相对布置的Z基准平晶、与X位移传感器相对布置的X基准平晶。本发明能够实现大口径复杂曲面的高精度测量，测量过程简单，测量结果可靠，测量精度高，可方便对大口径复杂曲面高精度、高效的制造。

Description

一种零阿贝误差结构的在位测量方法、系统和装置

技术领域

本发明涉及机床研制过程中高精度在位测量技术，具体涉及一种零阿贝误差结构的在位测量方法、系统和装置。

背景技术

光学元件的表面加工精度通常采用面形误差、表面粗糙度、表面疵病等级(或光洁度)等指标来进行表征。传统光学元件检测一般采用离线方式进行，因为光学检测精度要求高、环境影响大，一般在加工装备的环境中无法满足要求，因此采用离线方法进行光学元件检测。但是，在大口径光学元件加工中，离线检测将大大增加光学元件制造的辅助时间，降低整个光学元件制造效率，因此需要研究光学元件的在位检测方法。光学元件的面形误差检测主要分为两个阶段，在进入波面检测之前，一般采用在位坐标轮廓扫面检测方法。由于测量机关键部件制造精度的限制测量机结构设计与装配等原因，阿贝误差会随着测量范围的扩大而变大，严重影响测量精度。因此，阿贝误差已经成为制约高精度测量机测量精度的一项重要误差，在微小范围的纳米测量机中，阿贝误差得到了充分的抑制，通过优化设计结构，使得阿贝臂长(Abbe offset)近似为零。

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，提供一种零阿贝误差结构的在位测量方法、系统和装置，本发明能够实现大口径复杂曲面的高精度测量，测量过程简单，测量结果可靠，测量精度高，可方便对大口径复杂曲面高精度、高效的制造。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种零阿贝误差结构的在位测量装置，包括工件支撑台、测量框架和运动系统，所述工件支撑台用于固定被测量的工件，所述测量框架和运动系统设于工件支撑台的一侧，所述运动系统的运动末端分别固定设有工件传感器、Z位移传感器和X位移传感器，所述Z位移传感器发出的激光光束方向沿竖直方向布置、X位移传感器发出的激光光束方向沿水平方向布置，所述Z位移传感器和X位移传感器两者均为激光干涉仪，所述测量框架上分别设有与Z位移传感器相对布置的Z基准平晶、与X位移传感器相对布置的X基准平晶。

可选地，所述工件支撑台上设有相互连接的回转平台和两维平移平台，所述回转平台或两维平移平台上设有用于固定被测量的工件的夹具。

可选地，所述测量框架包括相互正交布置的水平梁和垂直梁，所述水平梁和垂直梁均为刚性结构且相互连接固定，并通过垂直梁与工件支撑台固定连接，所述Z基准平晶安装在水平梁底部，所述X基准平晶安装在垂直梁内侧。

可选地，所述工件传感器的一侧设有固定框架，所述Z位移传感器和X位移传感器分别安装在固定框架上，且工件传感器位于Z位移传感器和X位移传感器所发出激光光束的激光光路交点上。

可选地，所述运动系统为机械臂运动系统、超精密车削机床、研磨机床或抛光机床。

可选地，所述工件支撑台的一侧还设有另一个运动系统，所述运动系统上安装有用于对被测量的工件进行光学加工的加工组件，所述加工包括打磨、修形和抛光中的至少一种工序。

此外，本发明还提供一种零阿贝误差结构的在位测量系统，包括在位轮廓坐标测量装置和上位机，所述在位轮廓坐标测量装置为所述零阿贝误差结构的在位测量装置，且其工件传感器、Z位移传感器和X位移传感器的输出端分别与上位机相连，所述运动系统的控制端与上位机相连。

此外，本发明还提供一种所述零阿贝误差结构的在位测量装置的应用方法，包括：

S101，将工件安装在工件支撑台上；

S102，对工件进行光学加工，在完成光学加工后跳转S103；

S103，通过工件支撑台驱动工件转动，同时通过运动系统带动工件传感器随着工件的母线轮廓运动，通过工件传感器采集工件的表面轮廓信息，并通过Z位移传感器和X位移传感器两者的至少一种获得工件传感器的位置信息，并根据获得的工件传感器的位置信息补偿工件传感器的位置信息在线性运动过程中直线度误差。

优选地，步骤S103中通过运动系统带动工件传感器随着工件的母线轮廓运动时，采用工件的工件旋转轴进行测量，且通过运动系统带动工件传感器随着工件的母线轮廓运动是指在X-Z平面上随着工件的母线轮廓运动。

优选地，步骤S103中通过运动系统带动工件传感器随着工件的母线轮廓运动时，采用工件的笛卡尔坐标三轴测量进行测量，且通过运动系统带动工件传感器随着工件的母线轮廓运动是指沿着三维轨迹上随着工件的母线轮廓运动。

和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：

1、本发明将用于固定测量基准(Z基准平晶、X基准平晶)的测量框架、运动系统两者分离、相互独立，使得运动系统带动工件传感器运动的在位测量符合阿贝原则，在提供精确定位的同时使测量结果不受阿贝误差影响(零阿贝误差)，从而实现高精度、大口径的在位轮廓扫描测量。

2、本发明Z位移传感器和X位移传感器两者均为激光干涉仪，可以实现纳米精度位移分辨率，可实现对工件传感器的位置信息在线性运动过程中直线度误差的高精度补偿；工件传感器可采用高精度接触式或者非接触测头，实现高精度工件表面轮廓测量。

3、本发明运动系统的运动末端分别固定设有工件传感器、Z位移传感器和X位移传感器，因此Z位移传感器和X位移传感器两者与工件传感器之间位移保持一致，不产生阿贝臂长，测量过程中不产生阿贝误差，使得测量系统精度的主要几何误差影响为直线度误差，由于测量过程中沿着基准平晶运动，因此可以实现直线度的高精度实时补偿。本发明的Z基准平晶、X基准平晶主要起到两方面的作用，一是起到工件传感器的定位作用，二是实现直线度误差补偿的作用。

4、本发明的运动系统适用范围广泛，既可以是所有需要在位测量的机床，机床本身运动系统不仅仅如本发明所述的机械臂运动系统，可以是普通线轨机床，如超精密车削机床、研磨机床、抛光机床等，可用于各类工件在位高精度测量或加工。

附图说明

图1为本发明实施例装置的一个角度的立体结构示意图。

图2为本发明实施例装置的另一个角度的立体结构示意图。

图例说明：1、工件支撑台；11、回转平台；12、两维平移平台；2、测量框架；21、Z基准平晶；22、X基准平晶；23、水平梁；24、垂直梁；3、运动系统；31、工件传感器；32、Z位移传感器；33、X位移传感器；34、固定框架。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例零阿贝误差结构的在位测量装置包括工件支撑台1、测量框架2和运动系统3，工件支撑台1用于固定被测量的工件，测量框架2和运动系统3设于工件支撑台1的一侧，运动系统3的运动末端分别固定设有工件传感器31、Z位移传感器32和X位移传感器33，Z位移传感器32发出的激光光束方向沿竖直方向(Z方向)布置、X位移传感器33发出的激光光束方向沿水平方向(X方向)布置，Z位移传感器32和X位移传感器33两者均为激光干涉仪，测量框架2上分别设有与Z位移传感器32相对布置的Z基准平晶21、与X位移传感器33相对布置的X基准平晶22。

本实施例装置采用大口径光学元件高精度在位检测，实现固定测量基准(Z基准平晶21、X基准平晶22)的测量框架2、运动系统3两者分离、独立，使测量精度不受运动基准的影响；根据阿贝原理对位移传感器(Z位移传感器32和X位移传感器33)、测量基准(Z基准平晶21和X基准平晶22)进行装配，使测量系统不受阿贝误差的影响；运动系统3可沿着测量基准(Z基准平晶21和X基准平晶22)所在平面运动，确保位移传感器(Z位移传感器32和X位移传感器33)通过测量基准平晶反馈得到工件传感器31的测头位置坐标。Z基准平晶21和X基准平晶22构成的测量基准采用先进光学制造方法得到的高精度的平晶，材料为光学材料，与位移传感器(Z位移传感器32和X位移传感器33)相对的面为工作面，需要通过加工与测量严格控制。

如图1和图2所示，本实施例中工件支撑台1上设有相互连接的回转平台11和两维平移平台12，回转平台11或两维平移平台12上设有用于固定被测量的工件的夹具，通过回转平台11和两维平移平台12可实现工件的底部转台圆周转动和两维平移运动。其中，回转平台11和两维平移平台12均为现有结构，例如回转平台11包括一回转盘和用于驱动回转盘的驱动电机，驱动方式可为齿轮、摩擦轮、皮带等；两维平移平台12采用相互连接的X、Y轴方向的两个直线电机以实现X、Y轴两个维度的平移。

如图1和图2所示，本实施例中测量框架2包括相互正交布置的水平梁23和垂直梁24，水平梁23和垂直梁24均为刚性结构且相互连接固定，并通过垂直梁24与工件支撑台1固定连接，Z基准平晶21安装在水平梁23底部，X基准平晶22安装在垂直梁24内侧，水平梁23和垂直梁24要求具有较好的刚度以防止测量基准在安装过程中产生的变形。

如图1和图2所示，本实施例中工件传感器31的一侧设有固定框架34，Z位移传感器32和X位移传感器33分别安装在固定框架34上，且工件传感器31位于Z位移传感器32和X位移传感器33所发出激光光束的激光光路交点上。Z位移传感器32和X位移传感器33两者均为激光干涉仪，具有测量行程大，测量精度高的优点，安装在运动系统3末端的固定框架34上，安装原则是所产生的激光光束(图1和图2中的虚线所示)与工件传感器31的位置符合阿贝原则，使工件传感器31在运动过程的阿贝臂长为零，不产生阿贝误差。

参见图1和图2，本实施例中运动系统3为机械臂运动系统，此外运动系统3可以是普通的线轨(直线导轨)机床，如超精密车削机床、研磨机床或抛光机床等。

本实施例零阿贝误差结构的在位测量装置在位轮廓坐标测量是工件在加工系统或装置加工后，利用同一平台，采用测量装置对加工结果进行轮廓坐标测量，无需移动工件，进行在位或在线测量。参见图1和图2，本实施例中工件支撑台1的一侧还设有另一个运动系统3，运动系统3上安装有用于对被测量的工件进行光学加工的加工组件(图中未绘出)，加工包括打磨、修形和抛光中的至少一种工序，加工组件可为小磨头、激光、磁流变等加工设备。总之，进行光学加工的工序种类，以及进行光学加工的加工组件的形式或原理，均不应构成对本实施例零阿贝误差结构的在位测量装置的限制。

本实施例零阿贝误差结构的在位测量装置的测量原理为：运动基准(运动系统3)带动工件传感器31随着工件的母线轮廓运动，高精度位移传感器(Z位移传感器32和X位移传感器33)通过测量基准(Z基准平晶21和X基准平晶22)记录工件传感器31位置信息，并补偿掉传工件感器31在线性运动过程中直线度误差，同时，工件支撑台1带动工件作圆周运动，工件传感器31记录工件的轮廓信息，通过数据处理得到工件轮廓信息，实现高精度测量。本实施例零阿贝误差结构的在位测量装置可用于各类工件在位高精度测量或加工，能够实现大口径光学元件高精度在位检测，实现固定测量基准(Z基准平晶21、X基准平晶22)的测量框架2、运动系统3两者分离、独立的零阿贝误差测量，测量过程简单，测量结果可靠，测量精度高，能够实现大口径光学元件高精度在位检测，方便对大口径光学元件高精度高效制造，具有测量过程简单，测量结果可靠，测量精度高的优点。

此外，本实施例还提供一种零阿贝误差结构的在位测量系统，包括在位轮廓坐标测量装置和上位机，在位轮廓坐标测量装置为前述零阿贝误差结构的在位测量装置，且其工件传感器31、Z位移传感器32和X位移传感器33的输出端分别与上位机相连，运动系统3的控制端与上位机相连。毫无疑问，运动系统3既可以采用上位机集中控制，此外也可以采用其自带的控制器独立控制，总之，运动系统3的具体控制形式不应构成对本实施例零阿贝误差结构的在位测量系统的限制。

此外，本实施例还提供一种前述零阿贝误差结构的在位测量装置的应用方法，包括：

S101，将工件安装在工件支撑台1上；

S102，对工件进行光学加工，在完成光学加工后跳转S103；

S103，通过工件支撑台1驱动工件转动，同时通过运动系统3带动工件传感器31随着工件的母线轮廓运动，通过工件传感器31采集工件的表面轮廓信息，并通过Z位移传感器32和X位移传感器33两者的至少一种获得工件传感器31的位置信息，并根据获得的工件传感器31的位置信息补偿工件传感器31的位置信息在线性运动过程中直线度误差，即：将获得的工件传感器31的位置信息计算位置变化量(基本位置为初始位置)，将工件传感器31采集工件的表面轮廓信息减去位置变化量，即可完成补偿工件传感器31的位置信息在线性运动过程中直线度误差。

步骤S103中通过运动系统3带动工件传感器31随着工件的母线轮廓运动时，根据采用的加工坐标不同运动方式有所不同，运动基准(运动系统3)带动工件传感器31随着工件的母线轮廓运动是由测量系统决定的。例如，步骤S103中通过运动系统3带动工件传感器31随着工件的母线轮廓运动时，采用工件的工件旋转轴进行测量，且通过运动系统3带动工件传感器31随着工件的母线轮廓运动是指在X-Z平面上随着工件的母线轮廓运动，即运动系统3需要沿着测量基准(Z基准平晶21、X基准平晶22)构成的平面(X-Z平面)运动。或者，步骤S103中通过运动系统3带动工件传感器31随着工件的母线轮廓运动时，采用工件的笛卡尔坐标三轴测量进行测量，且通过运动系统3带动工件传感器31随着工件的母线轮廓运动是指沿着三维轨迹上随着工件的母线轮廓运动，即需要三个方向的运动基准，运动系统3可沿着设定的轨迹进行三维运动。因此，本实施例零阿贝误差结构的在位测量装置的应用方法能够实现大口径复杂曲面的高精度测量，测量过程简单，测量结果可靠，测量精度高，可方便对大口径复杂曲面高精度、高效的制造。

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)

1.一种零阿贝误差结构的在位测量装置，其特征在于，包括工件支撑台(1)、测量框架(2)和运动系统(3)，所述工件支撑台(1)用于固定被测量的工件，所述测量框架(2)和运动系统(3)设于工件支撑台(1)的一侧，所述运动系统(3)的运动末端分别固定设有工件传感器(31)、Z位移传感器(32)和X位移传感器(33)，所述Z位移传感器(32)发出的激光光束方向沿竖直方向布置、X位移传感器(33)发出的激光光束方向沿水平方向布置，所述Z位移传感器(32)和X位移传感器(33)两者均为激光干涉仪，所述测量框架(2)上分别设有与Z位移传感器(32)相对布置的Z基准平晶(21)、与X位移传感器(33)相对布置的X基准平晶(22)。

2.根据权利要求1所述的零阿贝误差结构的在位测量装置，其特征在于，所述工件支撑台(1)上设有相互连接的回转平台(11)和两维平移平台(12)，所述回转平台(11)或两维平移平台(12)上设有用于固定被测量的工件的夹具。

3.根据权利要求1所述的零阿贝误差结构的在位测量装置，其特征在于，所述测量框架(2)包括相互正交布置的水平梁(23)和垂直梁(24)，所述水平梁(23)和垂直梁(24)均为刚性结构且相互连接固定，并通过垂直梁(24)与工件支撑台(1)固定连接，所述Z基准平晶(21)安装在水平梁(23)底部，所述X基准平晶(22)安装在垂直梁(24)内侧。

4.根据权利要求1所述的零阿贝误差结构的在位测量装置，其特征在于，所述工件传感器(31)的一侧设有固定框架(34)，所述Z位移传感器(32)和X位移传感器(33)分别安装在固定框架(34)上，且工件传感器(31)位于Z位移传感器(32)和X位移传感器(33)所发出激光光束的激光光路交点上。

5.根据权利要求1所述的零阿贝误差结构的在位测量装置，其特征在于，所述运动系统(3)为机械臂运动系统、超精密车削机床、研磨机床或抛光机床。

6.根据权利要求1所述的零阿贝误差结构的在位测量装置，其特征在于，所述工件支撑台(1)的一侧还设有另一个运动系统(3)，所述运动系统(3)上安装有用于对被测量的工件进行光学加工的加工组件，所述加工包括打磨、修形和抛光中的至少一种工序。

7.一种零阿贝误差结构的在位测量系统，包括在位轮廓坐标测量装置和上位机，其特征在于，所述在位轮廓坐标测量装置为权利要求1～6中任意一项所述零阿贝误差结构的在位测量装置，且其工件传感器(31)、Z位移传感器(32)和X位移传感器(33)的输出端分别与上位机相连，所述运动系统(3)的控制端与上位机相连。

8.一种权利要求1～6中任意一项所述零阿贝误差结构的在位测量装置的应用方法，其特征在于，包括：

S101，将工件安装在工件支撑台(1)上；

S102，对工件进行光学加工，在完成光学加工后跳转S103；

S103，通过工件支撑台(1)驱动工件转动，同时通过运动系统(3)带动工件传感器(31)随着工件的母线轮廓运动，通过工件传感器(31)采集工件的表面轮廓信息，并通过Z位移传感器(32)和X位移传感器(33)两者的至少一种获得工件传感器(31)的位置信息，并根据获得的工件传感器(31)的位置信息补偿工件传感器(31)的位置信息在线性运动过程中直线度误差。

9.根据权利要求8所述的零阿贝误差结构的在位测量装置的应用方法，其特征在于，步骤S103中通过运动系统(3)带动工件传感器(31)随着工件的母线轮廓运动时，采用工件的工件旋转轴进行测量，且通过运动系统(3)带动工件传感器(31)随着工件的母线轮廓运动是指在X-Z平面上随着工件的母线轮廓运动。

10.根据权利要求9所述的零阿贝误差结构的在位测量装置的应用方法，其特征在于，步骤S103中通过运动系统(3)带动工件传感器(31)随着工件的母线轮廓运动时，采用工件的笛卡尔坐标三轴测量进行测量，且通过运动系统(3)带动工件传感器(31)随着工件的母线轮廓运动是指沿着三维轨迹上随着工件的母线轮廓运动。

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