一种六面体垂直误差测量装置及方法与流程

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种六面体垂直误差测量装置及方法。

背景技术：

角度测量是几何量计量技术的重要组成部分，发展较为完备，各种测量手段的综合运用使测量准确度达到了很高的水平。测角技术中研究最早的是机械式和电磁式测角技术，如多齿分度台和圆磁栅等，这些方法的主要缺点是大多为手工测量，不易实现自动化，且测量精度受限。光学测角方法具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点，尤其是稳定的激光光源的发展使工业现场测量成为可能，因此，光学测角法的应用越来越广泛，各种新的光学测角方法也应运而生。

目前，光学测角方法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外，常用的还有光电编码器法、衍射法、自准直法、光纤法、声光调制法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法、平行干涉图法以及环形激光法等。

六面体作为常用的角度块，一直是角度测量研究的一个重要方面。现有技术中，高精度的光学六面体类零件多由经验丰富的技师利用专用夹具通过手工修研的方法进行加工。但当工件的精度要求高于1″时，这种加工方法不仅效率低，而且加工精度往往无法得到保证。为了获得高精度的六面体类零件，采用计算机控制的形位误差修正加工方法是一个可行而高效率的方法，但前提是知晓六面体类零件形位误差在每个面上的误差分布。

目前，实验室测量形位误差一般采用三坐标测量机、自准直仪、激光测量等，这些测量设备或方法都有其自身的局限性，对于特殊的被测零件、测量环境，所采用的测量方法也不同。三坐标测量机(CMM)是现代工业生产在获取测量数据时普遍采用的精密的形状和尺寸检测的测量设备。此测量设备采用接触式测量，测量时通过测头采集一些点来计算误差值，但是由于采集到的数据有限，获得的六面体形位误差分布不便用于计算机控制的误差修正加工，尤其对于小的六面体零件更为不便，而且精度不高。利用双自准直仪或激光测量六面体形位误差时，虽然两种方法测量精度都能满足要求，但由于都无法获得整个面的面形数据，即不能获得被测面的误差分布，因此无法指导零件进行修型加工。

因此，如何研发一种六面体垂直度误差测量装置，实现快速、高精度的无损伤检测，并用于指导零件修型加工，成为人们亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种六面体垂直度误差测量装置及方法，解决现有技术中，六面体垂直度误差测量精度不高，速度慢，且测量数据无法直接用于指导零件修型加工等问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种六面体垂直度误差测量装置，用于测量六面体的垂直度误差，其中，所述测量装置包括基座、波面干涉仪、平面参考镜、气浮转台、支撑工装、控制箱以及主控器；所述波面干涉仪与所述基座固定连接，用于测量所述六面体的面形数据；所述平面参考镜与所述波面干涉仪直接连接，并位于所述波面干涉仪正下方；所述平面参考镜用于产生平面波前；所述气浮转台位于所述平面参考镜下方，并安装于所述基座上，所述气浮转台的转轴与所述波面干涉仪的光轴重合；所述气浮转台用于带动所述六面体360°旋转，实现倾斜调整以及偏心调节；所述支撑工装设置所述气浮转台上方，用于支撑所述六面体；所述控制箱与所述气浮转台连接，用于控制所述气浮转台的旋转；所述主控器分别与所述波面干涉仪以及所述控制箱连接，用于控制所述气浮转台运动，并接收所述波面干涉仪采集的面形数据。

优选的，所述基座包括立柱，隔振台以及支撑所述隔振台的气浮隔振腿。

优选的，所述波面干涉仪固定在所述立柱上，所述气浮转台安装在所述隔振台上。

优选的，所述支撑工装包括支撑圆盘，支撑小球以及限位板。

优选的，所述支撑小球为三个，三个所述支撑小球按品字形均匀分布在所述支撑圆盘的中心点周围。

优选的，任意两个所述支撑小球球心之间的距离小于所述六面体的边长；任意所述支撑小球球心与所述支撑圆盘的中心点之间的距离小于所述六面体的边长。

优选的，所述限位板为四块，四块限位板中，三块限位板固定后不可拆卸，一块限位板可拆卸。

优选的，所述六面体的六个面均被抛光，六个面的面形误差均小于1/4λ，相邻两个面的垂直度误差小于50＇，相对平行两个面的平行度误差小于50＇。

优选的，所述测量装置还包括气浮隔振装置。

再另一方面，本发明提供一种六面体垂直度误差测量方法，具体通过上述测量装置进行测量，步骤包括：

(1)调整所述平面参考镜的角度，使所述平面参考镜反射到所述波面干涉仪的光斑位于所述波面干涉仪的CCD的十字叉丝中心；

(2)旋转所述气浮转台，调节所述气浮转台的倾斜角度及偏心量，使得所述气浮转台的转轴与所述波面干涉仪的光轴重合，测量此时所述六面体上下表面的面形数据，记录上下表面的倾斜量值；

(3)依次翻转所述六面体，按照S2中的方法测量所述六面体另外四个表面的面形数据，记录另外四个表面的倾斜量值；

(4)根据上述步骤中测得的面形数据、倾斜量值，利用最小二乘法计算出所述六面体相邻两个表面的垂直度误差。

本发明的有益效果在于：提供一种六面体垂直度误差测量装置及方法，通过本发明所提供的装置和方法，以波面干涉仪出射的平面波为参考基准，通过比较六面体不同面与平面波之间的倾斜，并利用四边形内角和为360°，通过最小二乘法得到六面体各面之间的垂直度误差。利用波面干涉仪直接获取六面体单面的面形数据，以及该面相对相邻面的垂直度误差数据，有利于六面体的面形精修；同时，该测量装置具有高精度的垂直度误差测量，而且测量速度快，测量方便。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的测量装置的结构示意图。

图2为根据本发明一个实施例的支撑工装的结构示意图。

图3为根据本发明一个实施例的六面体翻转示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

首先参考图1所示，一种实施例的六面体垂直度误差测量装置的结构示意图。该实施例中，测量装置包括基座1，基座1的结构包括：立柱101，隔振台102以及用于支撑隔振台102的气浮隔振腿103。其中，立柱101和隔振台102可为大理石材质或铟钢材质，优选为大理石材质。基座1设计为这种结构，能够更好的降低外界振动对于该测量装置的影响。

在基座1的立柱101上固定有波面干涉仪2，波面干涉仪2由激光器、光束整形系统、成像系统、CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)及PZT(piezoelectric ceramic transducer，锆钛酸铅压电陶瓷)等组成，可直接购买获得。平面参考镜3与波面干涉仪2直接相连，用于产生平面波前。气浮转台4被安装在基座1的隔振台102上，并且置于波面干涉仪2的正下方，气浮转台4可直接购买获得。气浮转台4的转轴与波面干涉仪2的光轴重合，几乎重合。

在气浮转台4上放置一个高稳定性的支撑工装5，支撑工装5的作用是用来固定所测量的六面体6。气浮转台4用于带动所述六面体360°旋转，实现倾斜调整以及偏心调节。

参见图2所示，支撑工装5包括3个部分：支撑圆盘501、支撑小球502以及限位板503。其中，支撑小球502优选为三个，优选为支撑小刚球。三个支撑小球502按照品字形均匀分布在支撑圆盘501的中心点周围。任意两个支撑小球502球心之间的距离，以及任意支撑小球502球心与支撑圆盘501的中心点之间的距离，都小于六面体的边长。三个支撑小球502的高度差小于0.1mm。限位板503优选为四块，四块限位板503的长和高均与六面体的边长值相等，在限位板503的半高位置固定两个支撑小球502，两个支撑小球502的高度差小于0.1mm，且有三块限位板503固定后不可拆卸，剩下的一块限位板503是可拆卸的。

支撑工装5采用稳定的三点支撑方式，可根据所测量的六面体6的尺寸配置限位板503以及支撑小球502等限位结构的具体结构，使得整个测量装置具有更好的测量重复性及复现性。

气浮转台4与控制箱7连接，具体可通过网线连接，控制箱7通常为一种。波面干涉仪2和控制箱7直接与主控器8(该实施例中为主控计算机)连接。该主控器8分别与波面干涉仪2以及控制箱7连接，用于控制气浮转台4运动，具体可通过控制箱7控制气浮转台4的运动，并接收波面干涉仪2采集的面形数据，利用测量软件对数据进行计算和分析。主控器8具体与电源连接，使得整个测量装置通电运行。

优选的实施方式所述测量装置还包括气浮隔振装置。

本发明所提供的六面体垂直度误差测量装置更加有利于针对高精度六面体垂直度误差的测量，高精度六面体具体为：六面体的六个面均被抛光，六个面的面形误差均小于1/4λ(此处一个波长λ＝632.8nm)，相邻两个面的垂直度误差小于50＇，相对平行两个面的平行度误差小于50＇。

本发明还提供一种六面体垂直度误差测量方法，其测量步骤为：

(1)调整所述平面参考镜的角度，使所述平面参考镜反射到所述波面干涉仪的光斑位于所述波面干涉仪的CCD的十字叉丝中心；

(2)旋转所述气浮转台，调节所述气浮转台的倾斜角度及偏心量，使得所述气浮转台的转轴与所述波面干涉仪的光轴重合，测量此时所述六面体上下表面的面形数据，记录上下表面的倾斜量值；

(3)依次翻转所述六面体，按照步骤(2)中的方法测量所述六面体另外四个表面的面形数据，记录另外四个表面的倾斜量值；

(4)根据上述步骤中测得的面形数据、倾斜量值，利用最小二乘法计算出所述六面体相邻两个表面的垂直度误差。

具体的，如图1、图2和图3所示，本发明提供一种六面体垂直度误差测量方法，其步骤包括：

首先，给测量装置通电，打开相应的测量软件，待波面干涉仪2稳定后，将待测六面体6置于支撑工装5上，调节可动限位板503的力度，使六面体6能稳定的支撑在支撑工装5上，且限位板503上的支撑小球502刚好接触六面体6的4个面，而不夹紧。然后将装有待测六面体6的支撑工装5置于气浮转台4上。

将波面干涉仪2的工作模式切换到调整模式状态，此时可以在主控器8的屏幕上观察到波面干涉仪2的CCD传输过来的图像上有两个光斑，其中一个光斑位于CCD上十字叉丝的中心位置，另一个光斑稍微偏离叉丝中心。这两个光斑分别来自平面参考镜3的上下表面反射光，通过成像系统最后成像在CCD上。调整气浮转台4的倾斜角度，最后使待测六面体6的支撑面及上表面反射回去的光在CCD上成像所产生的光斑与十字叉丝中心位置处的光斑有重叠，也就是使六面体6上下表面返回的光与参考平面反射镜3参考面返回的光产生干涉。

将波面干涉仪2的工作模式切换到观察模式，在波面干涉仪2的CCD上将看到很多干涉条纹。然后旋转气浮转台4并调节六面体6的倾斜角度，最后使六面体6的支撑面反射光与参考光产生的干涉条纹几乎为零，且旋转一周后干涉条纹数几乎不变。

待系统稳定几分钟后，测量此时六面体6上、下表面的面形，得到此时上、下表面S1和S3面形数据分别为A₁，A₃。

将待测六面体6取出，翻转90°后，具体如图3所示，再轻轻的将六面体6平推进入支撑工装5，再固定可拆卸限位工装503，待稳定几分钟后，测量此时上表面S2的面形，得到此时S2面和S4面形数据分别为A₂，A₄；

垂直度误差的最小二乘法评定，是用理想要素的等距图形去逼近实际要素，并使残差平方和为最小，该理想要素垂直于基准。

用最小二乘拟合被测面的理想平面，可以获得理想平面相对于基准坐标系的倾斜角的数学模型。设测量数据坐标(x_i，y_i，z_i)i＝1,2,3…m，其中m为测量数据的点数。测量点相对于坐标轴及原点呈对称分布时，通过最小二乘法获得理想平面绕x轴，y轴的转角α、β及与其等距平面的距离δ₀。

$\mathrm{\α}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{y}_i{z}_i/\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\left(y_i\right)}^2$

$\mathrm{\β}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{x}_i{z}_i/\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\left(x_i\right)}^2$

${\mathrm{\δ}}_i=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_i/m$

被测平面相对于理想平面的法向误差变换式为Δ_i＝z_i+βx_i-αy_i,残差可表示为e_i＝Δ_i-δ₀,式中i＝1,2,…,m,e_i为残差；Δ_i为平面上各点变换后的法向误差。评定平面与平面的垂直度误差时，一般将其中一个面的理想平面作为基准平面，垂直度误差值是包围另一个面的两平行平面的定向最小区域的宽度，该定向最小区域垂直于基准平面，因此评定时要考虑两个测量面的空间位姿关系。

评定时用最小二乘法分别求出两个被测面(测量数据为)的理想平面，记为(α^I,β^I,)、将第一个理想平作为基准平面，另一个理想平面经旋转变为新的理想平面垂直于基准平面，为评定垂直度误差时的理想要素。综上，基于最小二乘算法的垂直度误差评定数学模型为：

残差的表达式

其中

垂直度误差表达式为f_perp＝maxe_i-mine_i

即

将波面干涉仪2测量的数据A₁，A₂，A₃，A₄带入上述表达式中，即可得出六面体7相邻面之间的垂直度误差。

为了实现高精度测量，还需要考虑环境的温度以及气流扰动对波面干涉仪在进行面形测量时的影响，因此，除了对测量环境的温度进行严格控制外，优选的实施方式中，测量装置外围可增加了气浴装置，更好的降低气流扰动的影响。

本发明提供的六面体垂直度误差测量装置和测量方法，以波面干涉仪出射的平面波为参考基准，通过比较六面体不同面与平面波之间的倾斜，并利用四边形内角和为360°，通过最小二乘法得到六面体各面之间的垂直度误差。利用波面干涉仪直接获取六面体单面的面形数据，以及该面相对相邻面的垂直度误差数据，有利于六面体的面形精修；同时，该测量装置具有高精度的垂直度误差测量，而且测量速度快，测量方便。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。