大口径光学元件轮廓的一次拼接测量装置制造方法
【专利摘要】大口径光学元件轮廓的一次拼接测量装置，涉及一种光学元件轮廓的测量装置。设有Y轴直线电机、Y轴直线导轨、底座、运动控制器、立柱、横梁、测量传感器、直线运动丝杆螺母副、联轴器、测头运动驱动电机、Z轴直线导轨、Z轴直线电机、测头连接座、Z轴工作台、X轴工作台、X轴直线导轨、X轴直线电机、工件、工件回转台、连接座、旋转电机、Y轴工作台和计算机。可实现一次拼接测量，特别针对大口径工件减少了测量步骤，测量过程简单，测量效率高，结构简单紧凑，操作方便。
【专利说明】大口径光学元件轮廓的一次拼接测量装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种光学元件轮廓的测量装置，尤其是涉及一种大口径光学元件轮廓的一次拼接测量装置。
【背景技术】
[0002]近年来，随着光电及先进制造技术的发展，光学元件在军用和民用产品上的应用越来越普及，尤其是大口径非球面光学元件因具有校正像差、提高系统相对口径、扩大视场角度、简化系统结构、减轻重量、缩小体积等优越性能，被广泛应用于天文光学系统、医疗系统、热核聚变、大型望远镜、强激光武器系统之中。
[0003]伴随着计算机控制技术的发展，光学元件的检测工艺也得到了极大的推动。接触式中最常用的就是高精度表面轮廓仪，测量精度高，但量程小，且该类设备十分昂贵、维护和使用环境要求很高，无法满足大口径光学元件的测量需求。在各种非接触式测量方法中，干涉法以其灵敏度高，加之补偿镜、计算全息、移相、外差、锁相、条纹扫描等先进技术的出现，一直成为光学元件检测的主要途径。干涉法检测对工件表面的加工精度要求极高，测量应用对象受限，且大口径的干涉测量设备同样存在价格昂贵、维护要求极高、对国内技术禁运等问题。因此采用已有小口径高精度测量设备来进行大口径光学元件的测量十分必要，也就是拼接测量方法。(参见文献:1、张蓉竹，杨春林，许乔，蔡邦维.使用子孔径拼接法检测大口径光学元件[J]，光学技术，2001，27 (6):516-517.)
[0004]大口径光学元件已有的拼接测量装置和方法主要是子孔径拼接干涉法。其基本原理是将被测口径划分为若干更小口径的子孔径，子孔径的测量范围可以覆盖整个元件，并且各子孔径间稍有重叠；每次用标准的小口径高精度干涉仪对子孔径进行零位干涉检测，通过移动被检元件或干涉仪孔径，测得全部子孔径面形，然后采用拼接技术得到全口径的检测结果。由于干涉法的局限性，综合测量仪器的成本、精度、效率以及对环境控制的需求等方面来考虑，如果采用小行程高精度坐标测量设备来进行大口径测量，且进行面形复原，对于大口径光学元件测量具有很强现实意义，可方便定量化表面，提高加工检测整体效率；同时也极大拓展坐标设备测量范围，并大幅度提高使用性价比。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有的坐标测量设备测量大口径光学元件时存在的问题，提供一种可以实现通过一次拼接测量即可获得大口径光学元件表面轮廓的大口径光学元件轮廓的一次拼接测量装置。
[0006]本发明设有Y轴直线电机、Y轴直线导轨、底座、运动控制器、立柱、横梁、测量传感器、直线运动丝杆螺母副、联轴器、测头运动驱动电机、Z轴直线导轨、Z轴直线电机、测头连接座、Z轴工作台、X轴工作台、X轴直线导轨、X轴直线电机、工件、工件回转台、连接座、旋转电机、Y轴工作台和计算机；
[0007]所述Y轴直线电机和Y轴直线导轨设于底座上，立柱位于底座上，用以支撑横梁，X轴工作台固定于横梁上并由X轴直线电机驱动，X轴直线电机设在X轴直线导轨上，Z轴工作台位于X轴工作台上并由Z轴直线电机驱动，Z轴直线电机设在Z轴直线导轨上，测头连接座位于Z轴工作台上，联轴器连接测头运动驱动电机和直线运动丝杆螺母副，用于控制测量传感器的运动，旋转电机位于Y轴工作台上，旋转电机通过连接座带动工件回转台作旋转运动，计算机和运动控制器均位于底座上，计算机由运动控制器控制X轴直线电机及测头运动驱动电机速度进行测量轨迹联动插补，使测量传感器的拼接分段测量轨迹与工件轮廓线为等距线。
[0008]所述X轴直线电机可采用X轴平板型直线电机，所述Y轴直线电机可采用Y轴平板型直线电机，所述Z轴直线电机可采用Z轴平板型直线电机。
[0009]所述工件回转台的主体可采用花岗石材料。
[0010]由于X/Y/Z轴运动模块采用平板型直线电机驱动，是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置，精度高，无空回。
[0011]由于工件回转台的主体采用花岗石材料，花岗岩工作面受碰撞或划伤后，只会产生凹坑，不产生凸纹、毛刺，因此对测量精度无影响，线胀系数小，受温度影响小。花岗石平板的主要特点是精度稳定、维护方便，花岗石平板组织结构稠密、表面光滑耐磨、粗糙度数值小。
[0012]本发明的工作原理及有益效果如下:
[0013]进行一次拼接测量时，首先根据工件口径大小，设定拼接分段长度L和分段数目N，选择N个测量传感器及对应的一次拼接测头运动机构，按一定的尺寸间距D(D〈L)固定于测头连接座上。然后根据工件的表面轮廓方程，通过计算机经由运动控制器来控制三轴测量平台的X轴电机及测头运动驱动电机速度进行测量轨迹联动插补，使各测量传感器的拼接分段测量轨迹与工件轮廓线为等距线。本发明只要移动拼接分段长度L就能够完成L +(N-1) *D 口径光学元件轮廓的一次性拼接测量。本发明可实现一次拼接测量，特别针对大口径工件减少了测量步骤，测量过程简单，测量效率高，结构简单紧凑，操作方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明实施例的主视结构示意图。
[0015]图2为本发明实施例的一次拼接分段原理图。
[0016]图3为本发明实施例的一次拼接测量起始位置示意图。
[0017]图4为本发明实施例的一次拼接测量结束位置示意图。
[0018]图5为本发明实施例的同心圆测量轮廓起始位置示意图。
[0019]图6为本发明实施例的同心圆测量轮廓结束位置示意图。
[0020]以下给出各图各主要配件的标记:
[0021]1-Y轴直线电机、2-Y轴直线导轨、3-底座、4-运动控制器、5_立柱、6_横梁、7_测量传感器、8-直线运动丝杆螺母副、9-联轴器、10-测头运动驱动电机、Il-Z轴直线导轨、12-Z轴直线电机、13-测头连接座、14-Z轴工作台、15-X轴工作台、16-X轴直线导轨、17-X轴直线电机、18-工件、19-工件回转台、20-连接座、21-旋转电机、22-Y轴工作台、23-计算机。【具体实施方式】
[0022]以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
[0023]本发明实施例设有Y轴直线电机1、Y轴直线导轨2、底座3、运动控制器4、立柱5、横梁6、测量传感器7、直线运动丝杆螺母副8、联轴器9、测头运动驱动电机10、Z轴直线导轨11、Z轴直线电机12、测头连接座13、Z轴工作台14、X轴工作台15、X轴直线导轨16、X轴直线电机17、工件18、工件回转台19、连接座20、旋转电机21、Y轴工作台22和计算机23。
[0024]所述Y轴直线电机I和Y轴直线导轨2设于底座3上，立柱5位于底座3上，用以支撑横梁6，X轴工作台15固定于横梁6上并由X轴直线电机17驱动，X轴直线电机17设在X轴直线导轨16上，Z轴工作台14位于X轴工作台15上并由Z轴直线电机12驱动，Z轴直线电机12设在Z轴直线导轨11上，测头连接座13位于Z轴工作台14上，联轴器9连接测头运动驱动电机10和直线运动丝杆螺母副8，用于控制测量传感器7的运动，旋转电机21位于Y轴工作台22上，旋转电机21通过连接座20带动工件回转台19作旋转运动，计算机23和运动控制器4均位于底座3上，计算机23由运动控制器4控制X轴直线电机17及测头运动驱动电机10速度进行测量轨迹联动插补，使测量传感器7的拼接分段测量轨迹与工件轮廓线为等距线。
[0025]所述X轴直线电机可采用X轴平板型直线电机，所述Y轴直线电机可采用Y轴平板型直线电机，所述Z轴直线电机可采用Z轴平板型直线电机。
[0026]所述工件回转台的主体可采用花岗石材料。
[0027]以下结合500mm 口径光学元件作进一步说明。
[0028]图2给出本发明一次拼接分段原理图，根据工件口径大小为500mm，设定拼接分段长度为200mm，即X轴进给距离为200mm，设定分段数目为3，即选择3个测量传感器及对应的一次拼接测头运动机构，按一定的尺寸间距150mm固定于测头连接座上，由此可计算出每一重叠部分A间距为50mm，然后根据工件的表面轮廓方程，通过计算机经由运动控制器来控制三轴测量平台的X轴电机及测头运动驱动电机速度进行测量轨迹联动插补，使各测量传感器的拼接分段测量轨迹与工件轮廓线为等距线，一次拼接过程中共有两次重叠，三段等距线。在图2中，标记B为测量结束位置。
[0029]图3给出本发明一次拼接测量起始位置示意图，图4为本发明实施例的一次拼接测量结束位置示意图。根据工件的表面轮廓方程，通过计算机经由运动控制器驱动X/Y/Z轴电机，将光学元件待测部分边缘置于测量传感器7下方，测头运动驱动电机控制直线运动丝杆螺母副，将3个测量传感器置于待测部分表面，如图3，通过计算机设定好X轴进给距离为200_，即可开始检测，由3个测量传感器反馈待测部分面形轮廓数据，通过控制测头运动驱动电机速度进行测量轨迹联动插补，使各测量传感器的拼接分段测量轨迹与工件轮廓线为等距线，最后得到如图4。图3中，标记C为测量起始位置，图4中，标记B为测量结束位置。
[0030]图5给出本发明同心圆测量轮廓示意图，图6为本发明实施例的同心圆测量轮廓结束位置示意图。将口径为500_的待测工件18放置在工件旋转台19上，设置4个测量传感器，测头间距设为60_，在一次拼接测量方式下，驱动旋转电机，如图5，使得工件旋转平台带动工件以一定速度旋转，然后通过计算机设定好每次X轴进给距离为20mm，共移动16次，可得到64个待测元件表面同心圆，最后得到如图6，可通过此方法得到工件表面的面形轮廓数据，以用来拟合待测元件三维表面，可根据需要测量若干个同心圆，且同心圆越多，用来拟合成三维表面的精度会越高。
【权利要求】
1.大口径光学元件轮廓的一次拼接测量装置，其特征在于设有Y轴直线电机、Y轴直线导轨、底座、运动控制器、立柱、横梁、测量传感器、直线运动丝杆螺母副、联轴器、测头运动驱动电机、Z轴直线导轨、Z轴直线电机、测头连接座、Z轴工作台、X轴工作台、X轴直线导轨、X轴直线电机、工件、工件回转台、连接座、旋转电机、Y轴工作台和计算机； 所述Y轴直线电机和Y轴直线导轨设于底座上，立柱位于底座上，用以支撑横梁，X轴工作台固定于横梁上并由X轴直线电机驱动，X轴直线电机设在X轴直线导轨上，Z轴工作台位于X轴工作台上并由Z轴直线电机驱动，Z轴直线电机设在Z轴直线导轨上，测头连接座位于Z轴工作台上，联轴器连接测头运动驱动电机和直线运动丝杆螺母副，用于控制测量传感器的运动，旋转电机位于Y轴工作台上，旋转电机通过连接座带动工件回转台作旋转运动，计算机和运动控制器均位于底座上，计算机由运动控制器控制X轴直线电机及测头运动驱动电机速度进行测量轨迹联动插补，使测量传感器的拼接分段测量轨迹与工件轮廓线为等距线。
2.如权利要求1所述大口径光学元件轮廓的一次拼接测量装置，其特征在于所述X轴直线电机采用X轴平板型直线电机，所述Y轴直线电机采用Y轴平板型直线电机，所述Z轴直线电机采用Z轴平板型直线电机。
【文档编号】G01B21/20GK103822605SQ201410098960
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】郭隐彪, 李欣, 杨旭, 张艳婷, 王振忠 申请人:厦门大学