技术领域
[0001] 本
发明主要针对大口径球面和非球面元件的面型及表面粗糙度等参数的精密检测，特别涉及一种可实时分离轴向端跳误差的大口径球面和非球面轮廓扫描测量方法与装置，属于超精密测量技术领域。技术背景
[0002] 随着激光
核聚变、空间望远观测等重大前沿技术的发展，对大型球面和非球面元件的需求日益广泛，且对其加工过程中的面型和表面粗糙度等参数的要求也日益提高，如果没有与大型球面和非球面元件的加工
精度相匹配的高精度表面轮廓检测方法和装置，其超精密的加工精度要求就无从保证。
[0003] 目前，常用于大型球面和非球面的轮廓测量仪器分为
接触式和非接触式轮廓测量仪器。非接触式轮廓测量仪采用
干涉法进行测量，如ZYGO公司的Verifire系列全口径干涉仪，其测量光束口径最大为6英寸，RMS重复性最高可达λ/10000。但由于其测量原理为采用补偿元件形成与被测非球面理想面型相同的参考波前，补偿元件的加工制造困难，通用性差，且测量光束口径较小，成为制约全口径干涉仪测量大型非球面的主要因素。干涉法测量中的子孔径拼接技术，是将大口径被测非球面分割为若干个被测子孔径，采用小口径干涉仪分别对各子孔径进行干涉测量，然后再通过拼接融合
算法，将各子孔径的测量数据拼接为全口径被测非球的表面轮廓信息，代表性产品如QED公司的SSI自动拼接干涉仪。但其对高陡度非球面难于测量，拼接算法复杂，对各执行机构的运动精度要求极高，测量精度难于保证。接触式轮廓测量仪主要采用
传感器逐点扫描法进行测量，如英国Taylor Hobson公司最新研制的Talysurf PGI Dimension非球面测量仪，X向测量范围为300mm，Z向
分辨率为0.2nm。但其测量精度不仅受制于仪器回
转轴系的径向误差和X向精密
导轨的运动误差，更主要的还受制于回转轴系的轴向端跳误差，而且轴向端跳误差随被测件测量轮廓半径的增大呈放大趋势，这一问题已成为大型轮廓测量仪器提高测量精度的技术
瓶颈。
[0004] 因此，如何减小由回转轴系引起的轴向端跳误差，以及如何实时监测并补偿X向精密导轨的运动误差，已成为提高大型非球面轮廓测量仪器测量精度的核心问题。
[0005] 基于上述问题，本发明提出一种大型球面非球面轮廓扫描测量方法和装置，有效地突破现有大口径非球面轮廓扫描测量方法受回转轴系轴向端跳误差和X向精密导轨运动误差制约难以提高测量精度的技术瓶颈。
发明内容
[0006] 本发明的第一个目的在于：为实现大型非球面元件的高精度轮廓扫描测量中由回转轴系引起的轴向端跳误差的实时自分离，提出单转位轴向端跳误差分离方法，采用谐波分析和傅里叶变换等方法，实现轴向端跳误差在1-100upr范围内的全谐波分离。
[0007] 本发明的第二个目的在于：为实时监测并补偿大型球面、非球面元件的高精度轮廓扫描测量中X向精密导轨的运动误差，采用高方向
稳定性基准光束发生装置和光斑
位置探测器，实时监测由X向导轨的运动误差和弯曲
变形等引起的沿Z向的偏移量，并进行误差补偿。
[0008] 本发明的思路为：基于回转基准空间回转误差的单转位误差分离技术，实现回转轴系轴向端跳误差与非球面轮廓测量值的实时自分离；采用高
方向稳定性基准光束，实时监测补偿导轨运动误差。构建可自主分离和实时补偿回转轴系端跳误差、X向
直线导轨运动误差等的高精度大型球面、非球面轮廓扫描测量方法与装置。为大型球面和非球面的面型、表面粗糙度、
顶点曲率半径等参数的高精度测量提供新方法和技术。
[0009] 本发明是通过以下技术方案实现的。
[0010] 一种大型球面非球面轮廓扫描测量装置，包括：位移测量用激光干涉仪，
角锥测量镜、精密气浮直线导轨系统、仪器
支架、转位角发生装置、误差分离转台、精密气浮回转轴系、驱动
电机、仪器
基座、仪器
工作台、大量程位移传感器、光斑位置探测器、高方向稳定性基准光束发生装置、精密转角测量装置；其中，非球面被测
工件放置于仪器工作台上，误差分离转台放置于精密气浮回转轴系上，非球面被测工件可分别由误差分离转台和精密气浮回转轴系带动进行回转，大量程位移传感器位于沿X向运动的精密气浮直线导轨系统上，对非球面被测工件的表面轮廓进行扫描测量，高方向稳定性基准光束发生装置沿X方向布置，而光斑位置探测器安置于精密气浮直线导轨系统的滑套上，精密转角测量装置安装于仪器工作台的沿圆周方向，位移测量用激光干涉仪沿X向布置，角锥测量镜布置于精密气浮直线导轨系统的滑套上。
[0011] 采用单转位误差分离方法实现轴系端跳误差的实时自分离，该方法包括以下步骤：
[0012] 1)将被测非球面划分为N个测量圆周，大量程位移传感器处于初始转位位置a；精密气浮直线导轨系统沿X方向带动大量程位移传感器运动至各测量圆周，被测非球面由精密气浮回转轴系带动旋转，大量程位移传感器即可获得各测量圆周上包括被测非球面的表面轮廓数据{P1(n)，P2(n)，L，Pi(n)L，PN(n)}和仪器回转轴系的端跳误差数据{V1(n)，V2(n)，L，Vi(n)L，VM(n)}在内的综合测量数据{Sa1(n)，Sa2(n)，L，Sai(n)L，SaN(n)}，其中n=1，L，N为被测非球面各测量圆周上的
采样点数；
[0013] 2)转动误差分离转台，带动被测非球面转过α角度到达转位位置b，即初始转位位置为b，再对与初始转位位置a严格对应的N个测量圆周上的表面轮廓
信号依次进行测量，得到其综合测量数据{Sb1(n)，Sb2(n)，L，Sbi(n)L，SbN(n)}
[0014] 3)利用单转位误差分离方法和谐波分析法对转位角α、{Sa1(n)，Sa2(n)，L，Sai(n)L，SaN(n)}和{Sb1(n)，Sb2(n)，L，Sbi(n)L，SbN(n)}进行
数据处理和误差分离后，得到X向N个测量圆周上剔除了轴系回转端跳误差的表面轮廓信息{P1(n)，P2(n)，L，Pi(n)L，PN(n)}；
[0015] 4)将{P1(n)，P2(n)，L，Pi(n)L，PN(n)}代入表面轮廓测量评定系统中进行面型和粗糙度评定，即可实现剔除了轴系回转端跳误差的表面轮廓测量；
[0016] 为实时监测和补偿由精密气浮直线导轨系统的运动误差和弯曲变形等因素引起的大量程位移传感器沿Z向的测量值偏差，将所述高方向稳定性基准光束发生装置发出的光束作为X方向的直线基准，其光束入射至位于精密气浮直线导轨系统的滑套上的光斑位置探测器；当精密气浮直线导轨系统的滑套沿X方向运动时，由导轨运动误差及导轨弯曲变形等因素引起的大量程位移传感器沿Z向的测量值偏差就近似等于光斑位置探测器上光斑位置的偏移量。
[0017] 所述的精密转角测量装置用于高精度转角测量，该测量方法包括以下步骤：
[0018] 1)将第一条直线位移光栅尺作为主光栅尺，沿回转轴系工作端面的圆周粘贴，首尾接头处留出3～5mm缝隙；
[0019] 2)将第二条直线位移光栅尺作为副光栅尺，沿圆周方向粘贴于主光栅尺首尾接头的缝隙处；
[0020] 3)在主光栅尺的首尾接头缝隙两侧放置参考零位；
[0021] 4)通过参考零位形成触发信号，在接缝位置附近切换主副两套光栅系统的有效状态，以避开光栅尺接头缝隙对精密转角测量的干扰，实现对回转
主轴7连续整圆周的
角位移高精度测量。
[0022] 所述的位移测量用激光干涉仪用于获得各测量圆周沿X方向的精确位置。有益效果
[0023] 本发明对比已有方法技术具有以下显著优点：
[0024] 1、本发明的单转位轴向端跳误差分离方法，可实现回转轴系引起的轴向端跳误差与被测件的表面轮廓数据在1-100upr范围内的全谐波实时自分离；
[0025] 2、与其它误差分离技术相比，单转位轴向端跳误差分离方法基于谐波分析和傅里叶变换等数学工具，在分离过程中，只需要使被测工件相对回转轴系完成单次小角度转位，经过简单的算法即可实现回转轴系轴向端跳误差与非球面轮廓数据在1-100upr范围内的全谐波实时自分离；
[0026] 3、本发明的直线导轨误差检测补偿技术，采用高方向稳定性基准光束发生装置和光斑位置探测器等实现，可实时监测和补偿由X向导轨的运动误差和弯曲变形等引起的
测量传感器沿Z向的偏移误差；
[0027] 4、本发明基于回转基准误差单转位分离方法、直线导轨误差检测补偿技术等，构建可自主分离和补偿基准运动误差的超精密球面、非球面轮廓扫描测量装置，实现大型非球面光学元件的超精密测量；
[0028] 5、基于本发明方法的表面轮廓扫描测量装置，在保证良好测量精度的同时，可将被测球面和非球面元件的口径拓展至1米以上；
[0029] 6、本发明的超精密大型球面非球面轮廓扫描测量装置可配置非接触
光学传感器进行轮廓扫描测量，实现了大口径高陡度球面和非球面元件表面轮廓的高精度非接触测量，对被测元件无损伤破坏。
[0030] 7、本发明的精密转角测量装置采用两套直线位移光栅系统，通过参考零位切换其工作状态，有效地解决直线位移光栅尺的安装接缝处无法获取准确计数信号的问题，实现连续整圆周的精密角位移测量。
附图说明
[0031] 图1为本发明装置的结构示意图；
[0032] 图2为本发明装置的测量原理示意图；
[0034] 图4为本发明实施例的直线导轨Z向偏移监测原理示意图；
[0035] 图5为本发明实施例的精密转角测量装置原理示意图；
[0036] 图中，1-位移测量用激光干涉仪、2-角锥测量镜、3-精密气浮直线导轨系统、4-仪器支架、5-转位角发生装置、6-误差分离转台、7-精密气浮回转轴系、8-
驱动电机、9-仪器基座、10-仪器工作台、11-非球面被测工件、12-大量程位移传感器、13-光斑位置探测器、14-高方向稳定性基准光束发生装置、15为精密转角测量装置、16-主光栅尺、17-辅助光栅尺、18和19-参考零位、20-辅助光栅读数头、21-主光栅读数头。
具体实施方式
[0037] 本发明的一种大型球面非球面轮廓扫描测量装置的一个实施例的结构示意图如图3所示，包括位移测量用激光干涉仪1，角锥测量镜2、精密气浮直线导轨系统3、仪器支架4、转位角发生装置5、误差分离转台6、精密气浮回转轴系7、驱动电机8、仪器基座9、仪器工作台10、非球面被测工件11、大量程位移传感器12、光斑位置探测器13、高方向稳定性基准光束发生装置14、精密转角测量装置15、主光栅尺16、辅助光栅尺17、参考零位18和19、辅助光栅读数头20、主光栅读数头21。
[0038] 其中，精密气浮回转轴系7作为仪器的回转基准，误差分离转台6作为误差分离装置与仪器回转基准重合，且可相对于精密气浮回转轴系7做小角度转动。具体测量时，非球面被测工件11、放置在仪器工作台10上，由精密气浮回转轴系7带动误差分离转台6、仪器工作台10和非球面被测工件11一起回转。精密气浮直线导轨系统3带动大量程位移传感器12沿X方向运动，可以达到任意测量圆周上进行表面轮廓的扫描测量。当进行误差分离操作时，误差分离转台6供气并工作，带动仪器工作台10和非球面被测工件11完成误差分离所需的相对于精密气浮回转轴系7的小角度转动。当无需误差分离时，误差分离转台6断气，在重
力的作用下与精密气浮回转轴系7合二为一，等同于无误差分离系统的表面轮廓测量仪器。
[0039] 本发明中的仪器回转基准除精密气浮回转轴系外，还可以是其它形式的轴系，如液压、密珠等形式。
[0040] 本发明中的作为误差分离装置的误差分离转台，其形式除静压气浮
轴承外，还可以是其它形式，如液压、密珠等。
[0041] 本发明中的大量程位移传感器不仅可以为非接触的光学高精度大量程位移传感器，如激光差动共焦传感器等，还可以为双光束干涉原理的扫描传感器和精密大量程电感传感器等。
[0042] 本发明的一种大型球面非球面轮廓扫描测量方法，其测量步骤如下：
[0043] 如图3所示，将非球面被测工件11置于工作台上，调整使其回转中心线与精密气浮回转轴系7的回转中心线同轴。将精密气浮回转轴系7上某一固
定位置a作为仪器测量起始点，将非球面被测工件11的起始参考点设为b。如图2所示，精密气浮直线导轨系统3沿X方向移动，使大量程位移传感器12到达第1个测量圆周上，旋转非球面被测工件11得到第1个测量圆周上的Sa1(n)数据。然后，转动误差分离转台6使非球面被测工件11的起始参考点b相对于精密气浮回转轴系7的测量起始点a逆
时针转过α角，使工件处于如图2所示的第二转位位置，再转动工作台测得第1个测量圆周的Sb1(n)数据。根据测得的Sa1(n)和Sb1(n)两组数据，应用本发明的单转位误差分离方法，即可对第1个测量圆周上的轴系端跳误差V1(n)进行分离。以此类推，精密气浮直线导轨系统3沿X向移动，大量程位移传感器12依次在非球面被测工件11的被测端面的第2LiL M个测量圆周进行测量，同样采用上述处理方法即可分离出各测量圆周的轴系端跳误差{V2(n)，V3(n)，L，Vi(n)L，VM(n)}。将剔除了轴系端跳误差的{P1(n)，P2(n)，L，Pi(n)L，PM(n)}值代入表面轮廓评定系统，即可评定出非球面被测工件11的表面轮廓和粗糙度等特征。
[0044] 分离第i个测量圆周上的轴系端跳误差Vi(n)和被测工件的表面轮廓信号Pi(n)的方法及具体步骤如下：
[0045]
选定被测工件11上如图2所示的第i个测量圆周进行分离测量，设Vi(θ)为被测工件第i个测量圆周上由轴系端跳引入的误差值，Pi(θ)为被测工件第i个测量圆周上的表面轮廓值。大量程位移传感器12处于初始转位位置a处，旋转被测工件11，测得包括被测工件表面轮廓信号Pi(θ)和仪器回转轴系的端跳误差Vi(θ)在内的综合误差数据Sai(θ)，其中n=1，L，iL，N为被测工件11该测量圆周的采样点数。
[0046] Sai(θ)=Pi(θ)+Vi(θ) (1)
[0047] 将Pi(θ)，Vi(θ)在时域内展开为以主轴回转一周为基波的函数，则其傅里叶级数展开式为：
[0048]
[0049]
[0050] 式中：P0、V0、ak、bk、ck和dk分别为傅里叶级数展开系数。
[0051] 转动误差分离转台6，将非球面被测工件11相对于精密气浮回转轴系7转过角度α到达如图2所示的转位位置b，再对处于转位位置b的非球面被测工件11进行同一测量圆周的测量。工件相对主轴转过α角转位后，表面轮廓信号诸次谐波的
相位发生了变化，其值为Pi(θ+α)。而轴系端跳误差的相位不变，其值仍为Vi(θ)，则此第二转位上大量程位移传感器12测得的综合误差数据Sbi(θ)为：
[0052] Sbi(θ)=Pi(θ+α)+Vi(θ) (4)
[0053] 同理，将Pi(θ+α)在时域内展开为以主轴回转一周为基波的函数，其傅里叶级数展开式为：
[0054] (5)
[0055]
[0056] 将(1)和(4)两式相减得：
[0057]
[0058]
[0059] 式中：P0′，ak和bk为傅里叶级数展开系数。
[0060] 将上式经过N点采样离散化处理，且只取0到S-1次谐波。第n次采样点的角度为2nπ/N，其离散化形式如下：
[0061]
[0062] 同理，Ri(n)也可展开为傅里叶级数形式：
[0063]
[0064] 式 中 ：
[0065] 比较式(7)和(8)中k≥2的谐波成分，得：
[0066]
[0067] 求解上式，得：
[0068]
[0069] 求出任意k次谐波的谐波系数ak、bk后，再依据式(2)并进行离散化处理即可求出工件圆跳动误差的时域离散值Pi(n)为：
[0070]
[0071] 由式(1)得，轴系误差的时域离散值Vi(n)为：
[0072] Vi(n)=Pi(n)-Sbi(n) (12)
[0073] 圆跳动测量时，谐波分量中的基波分量和一次谐波分量(k=0，1)都不属圆跳动的范畴。因此，Pi(n)可修正如下：
[0074]
[0075] 即为剔除了各截面高度处圆柱度仪主轴回转误差的工件的圆跳动误差。
[0076] 同理，依据式(12)求出Vi(n)时，除去Sai(n)，Sbi(n)中的基波分量和一次谐波分量。将Sai(n)展开为傅里叶级数形式：
[0077]
[0078] 式 中 ：除去基波和一次谐波分量，即k≥2，则有：
[0079] Sai″(n)=Sai(n)-S0-[h1cos(2nπ/N)+l1sin(2nπ/N)] (15)
[0080] 则轴系端跳误差数据由下式得到：
[0081] 按照上述单转位误差分离方法，再依次测得2，3，L，i，L，M各测量圆周的综合误差Sai(n)和Sbi(n)，经轴系端跳误差分离评定系统得出1，L i，L，M各测量圆周上剔除了轴系端跳误差序列{V1(n)，V2(n)，L，Vi(n)L，VM(n)}(其中i＝1，L i，L M)的表面轮廓值序列{P1(n)，P2(n)，L，Pi(n)L，PM(n)}，将其代入表面轮廓评定系统进行分析评定非球面的表面轮廓和粗糙度等特征。
[0082] 本实施例的高方向稳定性基准光束发生装置14的具体形式可以为高精度光电自
准直测量系统，如德国MOLLER-WEDEL公司的ELCOMAT系列
电子自准直仪，还可以为激光准直光束配合光电位置探测器等形式。本实施例的具体实现方式为：将高方向稳定性基准光束发生装置14发出的光束作为X方向的直线基准，其光束射至位于精密气浮直线导轨系统3的滑套上的光斑位置探测器13。精密气浮直线导轨系统3的滑套沿X方向运动，使大量程位移传感器12处于第i个测量圆周上时，在该位置上由精密气浮直线导轨系统3的直线度误差及弯曲变形等因素引起的沿Z向的测量值偏差Δz就近似等于光斑位置探测器13上沿Z向的光斑位置偏移量Δd。监测光斑位置偏移量Δd，并作为该测量圆周上的系统误差进行实时补偿，可显著提高表面轮廓扫描测量仪器的测量精度。
[0083] 本实施例中的精密转角测量装置15除采用精密圆光栅外，还可以采用雷尼绍直线位移光栅尺。应用直线位移光栅尺实现精密转角测量的具体实施方式为：在仪器工作台10的圆周方向安装主光栅尺16，其首尾两端接缝处无需做精确的接合处理，留下3-5mm间隙。而参考零位18和19分别安装在主光栅尺首尾接缝的两侧。在光栅尺4的上方或下方，沿圆周方向再安装一条辅助光栅尺17，辅助光栅尺17的长度须超过两参考零位18和19间的距离。辅助光栅读数头20、主光栅读数头21固定于仪器基座9上。当仪器工作台10的转动使参考零位18经过辅助光栅读数头20、主光栅读数头21的位置时，两读数头的脉冲计数器同时被清零复位，经过这一位置后，即由辅助光栅读数头20和辅助光栅尺17对仪器工作台10的角位移进行计数和测量；当参考零位19经过辅助光栅读数头20、主光栅读数头
21的位置时，两读数头的脉冲计数器再次被清零复位，经过这一位置后，切换为由主光栅尺
16和主光栅读数头21对仪器工作台10的角位移进行计数和测量。通过上述方法，即可获得两参考零位18和19之间的、包含主光栅尺16首尾接合处空隙的一段弧长上的角位移信息，而被测圆周上其余的弧长部分，由主光栅尺16和主光栅读数头21进行计数和测量。本发明可有效地解决光栅尺接缝处无法获取准确计数信号的问题，进而实现连续整圆周的精密角位移测量。
[0084] 本实施例中采用雷尼绍XL-80激光干涉装置，其中，激光干涉仪主机安装于仪器支架4上，光路沿X方向布置，角锥测量镜安装于精密气浮直线导轨系统3的滑套或大量程位移传感器上，以此获取大量程位移传感器12所处于测量圆周的精确位置。
[0085] 本实施例中转位角发生装置5设计为正切机构，沿误差分离转台的
外延伸机构进行驱动，转位角通过精密转角测量装置15来精确检测。为减小转角回程，在与精密转角测量装置15相对的方向上安放闭合力发生装置。
[0086] 本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等效的技术方案也属于本发明的范畴，本
专利保护范围是由本专利
申请权利要求书所限定的，任何在本发明权利要求
基础上的改动都是本发明的保护范围。
