CN207610673U - 一种非球面光学元件的面形检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种非球面光学元件的面形检测装置，包括传感器、机床脉冲模块、接口电路、脉冲计数卡、数据采集模块、工控微机、报警模块，传感器连接接口电路；接口电路连接数据采集模块的采集端口；机床脉冲连接接口电路；接口电路连接脉冲计数卡，等待计数条件满足，发出触发信号；所述脉冲计数卡连接工控微机；工控微机连接报警模块，本实用新型非球面光学元件的面形检测装置的实现，提高了测量精度，可以大幅度提高产品的性能和质量，促进产品的小型化，增强零件的互换性。

Description

一种非球面光学元件的面形检测装置

技术领域

本实用新型涉及改进的光学元件磨削系统，具体来说一种非球面光学元件的面形检测装置。

背景技术

非球面光学元件的检测，是制约非球面光学元件技术发展和应用的主要问题，其表现为加工、检测工艺装备技术落后，目前国内的中大口径非球面抛光加工的精度和效率接近发达国家同期水平，但是由于没有抛光前序的高效精密磨削成型技术和快速表面抛亮技术支持，致使非球面光学元件的加工无法形成一套完整的工艺技术，同时给最终的精密抛光加工留有相当大的加工余量，增加了抛光加工的工作量，制约了中大口径非球面加工技术的推广应用，超精密加工技术是从二十世纪六十年代发展起来的加工方法，其最大的特点是在综合应用机械发展的新成就(新型轴承、导轨、传动装置、微位移技术等)，以及现代电子、测量、计算机等新技术的基础上大幅度提高机械加工的精度和水平，向机械加工精度的极限——纳米级水平挑战，是机电一体化的结晶，目前己成为机械加工技术发展的重要方向之一，现代机械工业之所以提高加工精度，主要原因在于提高精度可以大幅度提高产品的性能和质量，促进产品的小型化，增强零件的互换性，从某种意义上讲，超精密加工技术担负着支持最新科学技术进步的重要使命，是一个国家的战略性技术之一。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种非球面光学元件的面形检测装置，内容是根据轨迹成形法加工大口径非球面光学元件的原理，具体做以下几个方面的工作：

1、在对光学元件补偿加工之前，要对一次加工后的工件的面形进行精密的测量，测量结果经过数据处理后用来指导补偿加工，需要反复经过“加工-检测-再加工-再检测”才能达到精磨阶段加工精度的要求。

2、测量系统采用非接触的PSD传感器，测得工件面形的三维坐标，再根据非球面方程得到理想面形数据并计算出面形误差，该误差数据是离散的，滤除粗大误差后，采用最小二乘法拟合出连续的误差曲线，生成数据文件，用来指导补偿加工。

采用的在线检测与数据处理方案使系统测量范围为30±2mm，测量精度为0.4μm，采用最小二乘曲线拟合方法，当拟合次数达到6次或更高时，数据处理精度可控制在0.2μm以内。

为了实现上述目的，本实用新型采用技术方案是：一种非球面光学元件的面形检测装置，其中包括传感器模块、机床脉冲模块、接口电路、脉冲计数卡、数据采集模块、工控微机、报警模块；

采用查询方式进行数据采集；

采用在线测量的方式进行测量；

传感器测得的信号经接口电路输送到数据采集卡的采集端口(通道0) 上，等待采集；

机床脉冲信号经接口电路输送到脉冲计数卡，待计数条件满足，脉冲计数卡便送出一个触发信号；

脉冲出发经工控微机送入采集卡的采集端口(通道15)上，通知数据采集卡进行数据采集；

所选的，传感器为非接触式激光位移传感器PSD。

所选的，PSD激光位移测量方法为：

(1)选择传感器对非球面工件面形坐标进行测量；

(2)根据非球面公式计算出面形误差数据；

(3)将测得的误差数据中的粗大误差滤除，并找到合适的替代项；

(4)将误差处理后的数据拟合成一条叠加于轴对称非球面母线上的误差连续曲线，提供补偿加工所需补偿误差数据。

所选的，PSD激光位移检测精度为工件主轴精度0.1μm，砂轮轴精度 0.1μm，X轴﹑Y轴移动导轨直线度均为0.3μm/300mm，砂轮回转轴精度 0.1μm，数控系统分辨率为5nm。

所选的，脉冲计数卡的计数方式基于8254芯片，机床脉冲信号送入计数卡作为其CLK信号，计数卡的输出信号作为采集控制信号经工控微机送入采集卡的15通道，此信号还可用来确定工件或砂轮的x轴坐标，同时将 x轴驱动脉冲输送到脉冲计数卡，避免发生漏采﹑误采﹑重复采。

所选的，数据采集模块采用16位多用途数据采集卡PCL816。

所选的，系统采用其中的两个通道，通道0和通道15，所需要的测量信号经通道0送入采集卡，采集控制信号经通道15送入采集卡。

所选的，机床脉冲信号既用来实现插补，又用来驱动检测臂。

所选的，报警模块包括系统报警和用户报警。

所选的，所述系统报警和操作信息由NC自动完成。

所选的，所述用户报警对机床的操作和状态进行监控。

本实用新型非球面光学元件的面形检测装置的实现，提高了测量精度，可以大幅度提高产品的性能和质量，促进产品的小型化，增强零件的互换性。

附图说明

图1为本实用新型面形测量原理示意图；

图2为本实用新型数据处理程序流程图；

图3为本实用新型粗大误差剔除程序总流程图；

图4为本实用新型连接框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的实施方式包括但不限于下列实施例。

非球面光学元件主要应用于精密的光学仪器中，因此，对精度的要求是很高的，仅仅经过一次加工无法达到精度的要求。采用超精密磨削方式加工光学非球面的一个关键技术环节是非球面的表面面形测量技术。所以必须对经过粗加工的工件进行面形精度的检测，根据检测数据编写补偿加工程序，要反复经过“加工-检测-再加工”的过程才能达到精密加工的要求。

非球面光学元件，是指面形由多项高次方程决定且面形上各点的半径均不相同的光学元件。非球面镜属于特殊表面，它具有许多独特的性质。如二次曲面在恰当的共轭位置没有球差，将非球面用于光学系统中，能够减少系统中光学元件的数量或能提高成像质量。如图1-4所示，一种非球面光学元件的面形检测装置，其中包括传感器模块、机床脉冲模块、接口电路、脉冲计数卡、数据采集模块、工控微机，报警模块，所述传感器连接接口电路；所述接口电路连接数据采集模块的采集端口；所述机床脉冲连接接口电路；所述接口电路连接脉冲计数卡，等待计数条件满足，发出触发信号；所述脉冲计数卡连接工控微机；所述工控微机连接数据采集模块，把脉冲计数卡的触发信号送入数据采集卡的采集通道，通知数据采集卡进行数据采集，将实测误差数据所拟合出的误差曲线减去砂轮半径误差及主轴长度误差所引起的系统误差，得到新的误差曲线，将轴对称非球面的理想曲线减去新的误差曲线得到补偿加工理想轨迹，所述工控微机连接报警模块，本实用新型非球面光学元件的面形检测装置的实现，提高了测量精度，可以大幅度提高产品的性能和质量，促进产品的小型化，增强零件的互换性。

检测过程中激光位移传感器测得的信号经接口电路输送到数据采集卡的采集端口(通道0)上，等待采集，机床脉冲信号经接口电路输送到脉冲计数卡，待计数条件满足，脉冲计数卡便送出一个触发信号，经工控微机送入采集卡的采集端口(通道15)上，通知数据采集卡进行数据采集，重复进行以上过程，直到采集结束。

如图1-4所示，测量过程中测量点的定位是通过对机床的X轴、Y轴、以及工件的旋转轴A轴的控制来实现的，X轴和Y轴的移动来实现测量点在水平面上的定位，同时工件绕主轴A轴旋转，所以工件表面上的测量点轨迹是与加工轨迹相同的呈螺旋状的曲线，只要协调的控制三轴的伺服运动，即可达到测量整个工件表面的目的，根据非球面工件一次加工时的加工轨迹，选择不同的测量轨迹，采用传感器的测量方向与加工轨迹平行的测量方式，随机误差较小，能够满足加工要求，因此，测量时，测量点从非球面工件中心点出发，沿非球面工件母线运动。

如图2所示数据处理程序流程，首先，打开数据文件，进行标度变化，进行系统误差修正，进行单界面数据处理判断，若为是，删除粗大误差并做平滑处理，然后进行便面形状误差处理，进行用最小二乘进行曲线拟合，生成文件，极端拟合误差；进行单界面数据处理判断，若为否，用最小二乘法进行曲面拟合，进行曲面画图，进行面形参数计算。进行标度变化时，传感器测量所得的信号是电压信号，必须转换为位移信号，根据所用的激光位移传感器的特性图，可得到标度变换公式，即电流与位移之间的关系：

L＝I/4+27 (1)

又由实验可得，电压与电流之间的关系为：U＝I*250 (2)

所以，位移与电压之间的关系为：L＝U/1000+27 (3)

进行系统误差校正时，系统误差按来源分类，有安装误差、测量系统误差和测量方式误差。安装误差包括传感器安装误差和工件安装误差(如定位面不平)等，设备安装误差主要通过数据采集程序的设定来修正。测量系统误差主要是指传感器等测量仪器误差包括非线性误差、温漂等。传感器的非线性误差，通过标定试验，用最小二乘法拟合曲线，求出误差数据去修正测量值；传感器温漂一般作为随机误差处理。测量方式误差：对于直线测量方式，传感器运动自由度为1，将引入一个方向的轨迹误差；对于圆弧测量方式，传感器运动自由度为2，将引入一个径向误差和一个转角误差；对于圆弧带转角测量方式，传感器运动自由度为3，将引入一个径向误差和两个转角误差。测量方式误差通过标定实验，分离出对应自由度的系统误差，求出误差数据去修正测量值，即取误差数值大小相同而符号相反的值作为修正值，将实际的测得值加上或减去相应的修正值，得到不包含该系统误差的测量结果。

在粗带误差的滤除中，粗大误差是指采样数据中的奇异项，也就是指采样数据序列中有明显错误的个别数据，这些奇异项的存在，会使数据处理后的误差大大增加，为了减少数据处理后的误差，必须剔除采样数据中奇异项，然后根据一定的值差原理，人为补上一些数据，粗大误差滤除如图3所示，在应用中存在一种可能，就是起始点恰恰是被干扰产生的奇异点，一开始就必须先寻找满足一阶差预测关系的三个连续点，即满足下式：

|x_t-x_t-1-x_t-1+x_t-2|≤W1 (4)

这时所找到的三个点x_t-1，x_t-2和x_t，可以作为正确的起始点。以x_t-1和x_t-2为起始点，往x₁方向(即按x_t-3，x_t-4，…，x₁的次序)预测x'_t-3，即

x'_t-3＝x_t-2+x_t-2-x_t-1 (5)

然后依据准则，判断采样值x_t-3是否为奇异项。若是奇异项且非连续替代两次以上，则用预测值x'_t-3替代x_t-3；若是奇异项且连续替代两次以上，则按式(4)和式(5)决定是否替代。若不是奇异项，则不替代。如此下去，直到判断完x₁，再返回到x_t-1和x_t处，以这两点为起始点，往x_n方向(即按x_t+1，x_t+2，…，x_n的次序)预测x'_t+1，即x'_t+1＝x_t+x_t-x_t-1 (6)再依据准则，判断采样值x_t+1是否为奇异项。若是奇异项且非连续替代两次以上，则用预测x'_t+1值替代x_t+1；若是奇异项且连续替代两次以上，则按式(5)和式(6)决定是否替代。若不是奇异项，则不替代。如果x₁、x₂、x₃就是满足关系的连续三个点，则直接选x₂和x₃为起点，往x_n方向判别。

在曲线拟合中，所选择的曲线不一定通过所有测量数据点，但要尽可能的接近所有点，在大多数情况下，选择曲线使得测量数据点残余误差的平方和最小，这种选择就是最小二乘曲线拟合。

一般情况下，对于n个测量数据点(x_i，y_i)(i＝1，2，…，n)，x_i为测量点x轴坐标，y_i数据预处理及误差修正后的表面形状误差值。可选用m 次代数多项式进行拟合。拟合多项式的次数由加工精度及机床精度确定，拟合次数越高，拟合误差越小。设拟合多项式为：

Y＝f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+...+a_mx^m (7)

式中a₀，a₁，…，a_m为多项式拟合系数。

定义残差：

δ_i＝a₀+a₁x_i+a₂x_i ²+...+a_mx_i ^m-y_i (8)

由实验数据可建立如下方程组：

由最小二乘原理可知，须使最小，建立残差函数要使最小，须使成立，所以得到以下方程组：

整理成以a₀，a₁，…，a_m为未知数的线性方程组：

将式(11)写成矩阵形式：

B·u＝C (12)

引入

则B＝Ψ^T·ΨC＝Ψ^T·y因此B·u＝C是一个(m+1)×(m+1)阶对称方程组，解此方程组即可求得a₀，a₁，…，a_m。

按照上述实施例，便可很好地实现实用新型。

显然本实用新型具体实现并不受上述方式限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非球面光学元件的面形检测装置，其中包括传感器、机床脉冲模块、接口电路、脉冲计数卡、数据采集模块、工控微机、报警模块；

采用查询方式进行数据采集；

采用在线测量的方式进行测量；

传感器测得的信号经接口电路输送到数据采集卡的采集端口上，等待采集；

机床脉冲信号经接口电路输送到脉冲计数卡，待计数条件满足，脉冲计数卡便送出一个触发信号；

脉冲出发经工控微机送入采集卡的采集端口上，通知数据采集卡进行数据采集；

传感器为非接触式激光位移传感器PSD；

脉冲计数卡的计数方式基于8254芯片，机床脉冲信号送入计数卡作为其CLK信号，计数卡的输出信号作为采集控制信号经工控微机送入采集卡的15通道，此信号还可用来确定工件或砂轮的x轴坐标，同时将x轴驱动脉冲输送到脉冲计数卡，避免发生漏采﹑误采﹑重复采。

2.根据权利要求1所述的非球面光学元件的面形检测装置，其特征在于，PSD激光位移检测精度为工件主轴精度0.1μm，砂轮轴精度0.1μm，X轴﹑Y轴移动导轨直线度均为0.3μm/300mm，砂轮回转轴精度0.1μm，数控系统分辨率为5nm。

3.根据权利要求1所述的非球面光学元件的面形检测装置，其特征在于，数据采集模块采用16位多用途数据采集卡PCL816。

4.根据权利要求1所述的非球面光学元件的面形检测装置，其特征在于，系统采用其中的两个通道，通道0和通道15，所需要的测量信号经通道0送入采集卡，采集控制信号经通道15送入采集卡。

5.根据权利要求1所述的非球面光学元件的面形检测装置，其特征在于，机床脉冲信号实现插补及驱动检测臂。

6.根据权利要求1所述的非球面光学元件的面形检测装置，其特征在于，报警模块包括系统报警和用户报警；系统报警和操作信息由NC自动完成；所述用户报警对机床的操作和状态进行监控。