面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，属于光学曲面 测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着科技的发展，光学镜面在国防、工业、民用等各个领域都发挥着重要的作用。 其中，光学非球面镜具有质量高，成本低，结构更紧凑，成像更清晰等优点，广泛地应用在光 学领域。然而由于非球面镜面形较为复杂，制造高精度的非球面镜较为困难，所以需要补偿 来消除加工误差对工件面形的影响。传统制造过程中，为确定非球面加工的面形误差，需要 先将工件取下，在测量装置上测量后重新装夹，这会引入装夹误差，不能很好地补偿非球面 的面形误差，很难得到高精度的非球面镜。在位检测可以很好地克服这个缺点，在位测量出 工件的面形误差后，可以在位补偿该误差，从而使工件得到很高的面形精度。
[0003] 然而对于在位检测而言，由于在位测量时会引入导轨误差，测得的工件面形也会 不准确。现今光学镜面的面形误差可以达到0.1~l〇um，而精密、超精密机床的导轨直线度 误差也可达到0.1~l〇um，两项误差相互耦合使得在位检测的工件面形精度下降，严重影响 后续的补偿加工，甚至会破坏工件面形。
[0004] 误差分离测量方法可以有效地分离工件面形与导轨直线度误差，然而传统的误差 分离测量方法用多个测头同时测量，采样间隔大，一般在1mm以上，不适于测量通常在100mm 以下的光学元件。同时，由于误差分离测量方法多用于测量平面工件，对于表面起伏较大的 光学镜面而言，尚缺一种成熟测量方法。因此，对于精密、超精密机床的在位检测，传统误差 分离测量方法不适用，需基于以上条件发明一种新的误差分离测量方法。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是为了解决传统的误差分离测量方法采样间隔大，并不适用于表面起 伏较大的光学镜面的问题，提供了一种面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方 法。
[0006] 本发明第一种技术方案:面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法， 它通过直线滑台和位移传感器实现，
[0007] 将直线滑台安装在精密或超精密机床的Z轴导轨上，并使直线滑台能够沿平行于X 轴导轨的方向移动，所述Z轴导轨与机床主轴的轴向平行，X轴导轨的方向为水平面内与Z轴 导轨相垂直的方向；
[0008] 位移传感器安装在直线滑台上，位移传感器的测量方向平行于Z轴导轨方向；
[0009] 测量过程为:使直线滑台在Z轴导轨方向的位置固定，使安装于机床主轴上的光学 曲面沿X轴导轨的方向移动，在光学曲面的移动过程中，通过位移传感器沿X轴导轨方向测 量光学曲面面形；
[0010] 重复N-1次上述测量过程，每一次测量前，使直线滑台沿X轴导轨的方向移动预定 位移，所述预定位移为微米至毫米量级，使位移传感器每一次测量的起点与终点相同，并且 每一次光学曲面的移动速度及位移传感器的采样频率均相同，最终获得N个光学曲面面形 测量数据;N为大于1的自然数；
[0011] 将测得的N个光学曲面面形测量数据采用误差分离方法进行分离，获得光学曲面 的真实面形误差与机床的直线度误差。
[0012] 所述直线滑台为手动滑台或自动滑台，滑台的导轨结构为气浮式导轨、液浮式导 轨、滑动式导轨或滚动式导轨。
[0013] 位移传感器为接触式传感器或非接触式传感器，接触式传感器结构为气浮式。
[0014] 第二种技术方案:面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，它通过 直线滑台和位移传感器实现，
[0015] 将直线滑台安装在精密或超精密机床的Z轴导轨上，并使直线滑台能够沿平行于X 轴导轨的方向移动，所述Z轴导轨与机床主轴的轴向平行，X轴导轨的方向为水平面内与Z轴 导轨相垂直的方向；
[0016] 位移传感器安装在直线滑台上，位移传感器的测量方向平行于Z轴导轨方向；
[0017] 所述测量方法用于位移传感器的量程小于光学曲面的矢高时，所述矢高为光学曲 面沿Z轴导轨方向的总高度；
[0018] 首先沿光学曲面的面形设定分段平行于X轴导轨或Z轴导轨的折线轨迹，使折线轨 迹中每一段平行于X轴导轨的直线所对应的光学曲面的光学曲面段沿Z轴导轨方向的高度 在位移传感器的量程内；
[0019] 折线轨迹中每一段直线所对应的光学曲面段的测量过程为：
[0020]使直线滑台固定在Z轴导轨方向上的预定位置，使安装于机床主轴上的光学曲面 沿X轴导轨的方向移动，在光学曲面的移动过程中，通过位移传感器沿X轴导轨方向测量折 线轨迹中当前段直线对应的光学曲面段的面形；
[0021] 重复N-1次上述测量过程，每一次测量前，使直线滑台沿X轴导轨的方向移动预定 位移，所述预定位移为微米至毫米量级，使位移传感器每一次测量的起点与终点相同，并且 每一次光学曲面段的移动速度及位移传感器的采样频率均相同，最终获得N个当前光学曲 面段的面形段测量数据;N为大于1的自然数；
[0022] 将测得的N个面形段测量数据采用误差分离方法进行分离，获得当前光学曲面段 的真实面形段误差与机床的段直线度误差；
[0023] 最后，将所有真实面形段误差拼接获得光学曲面的真实面形误差;将所有机床的 段直线度误差拼接获得机床的直线度误差。
[0024] 所述直线滑台为手动滑台或自动滑台，滑台的导轨结构为气浮式导轨、液浮式导 轨、滑动式导轨或滚动式导轨。
[0025] 位移传感器为接触式传感器或非接触式传感器，接触式传感器结构为气浮式。
[0026] 本发明的优点:本发明方法测量过程中只需要一个位移传感器。同时，由直线滑台 使位移传感器移动一段距离，该段距离可视为传统误差分离测量方法的位移传感器安装间 隔，由于直线滑台可以移动一个足够小的距离，误差分离测量方法的采样间隔大大减小。
[0027] 测量方法用于位移传感器的量程小于工件的光学曲面的矢高时，通过拼接法，位 移传感器相对于工件走过折线轨迹，测量时只有X轴运动，排除了 Z轴定位误差的干扰，解决 了位移传感器的量程问题，使该误差分离测量方法可适用于面形起伏较大的非球面镜。
[0028] 本发明采用的误差分离测量方法的改进与应用，排除了在位检测时导轨误差对于 工件面形信息的干扰，大大提高了测量准确度，并只用一个位移传感器，节约了成本，方便 并完全解决了精密超精密机床的光学镜面在位面形测量问题。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明所述面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法的测量状 态不意图；
[0030] 图2是当位移传感器的量程小于工件的光学曲面的矢高时，测量轨迹示意图。
【具体实施方式】
[0031 ]【具体实施方式】一:下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述面向精密超精密 机床的单测头光学曲面在位测量方法，它通过直线滑台1和位移传感器2实现，
[0032] 将直线滑台1安装在精密或超精密机床的Z轴导轨3上，并使直线滑台1能够沿平行 于X轴导轨的方向移动，所述Z轴导轨3与机床主轴的轴向平行，X轴导轨的方向为水平面内 与Z轴导轨3相垂直的方向；
[0033] 位移传感器2安装在直线滑台1上，位移传感器2的测量方向平行于Z轴导轨3方向；
[0034] 测量过程为:使直线滑台1在Z轴导轨3方向的位置固定，使安装于机床主轴上的光 学曲面沿X轴导轨的方向移动，在光学曲面的移动过程中，通过位移传感器2沿X轴导轨方向 测量光学曲面面形；
[0035] 重复N-1次上述测量过程，每一次测量前，使直线滑台1沿X轴导轨的方向移动预定 位移，所述预定位移为微米至毫米量级，使位移传感器2每一次测量的起点与终点相同，并 且每一次光学曲面的移动速度及位移传感器2的采样频率均相同，最终获得N个光学曲面面 形测量数据;N为大于1的自然数；
[0036] 将测得的N个光学曲面面形测量数据采用误差分离方法进行分离，获得光学曲面 的真实面形误差与机床的直线度误差。
[0037] 所述直线滑台1为手动滑台或自动滑台，滑台的导轨结构为气浮式导轨、液浮式导 轨、滑动式导轨或滚动式导轨。
[0038] 位移传感器2为接触式传感器或非接触式传感器，接触式传感器结构为气浮式。
[0039] 所述测量方法应用的硬件包括直线滑台、位移传感器和精密或超精密机床。直线 滑台安装在精密或超精密机床的Z轴上，并使其运动方向平行于X轴。测量时，先令位移传感 器沿X轴测量一遍工件面形后，令直线滑台带动位移传感器平移一小段距离后再沿X轴测量 一次工件面形，重复几次以上的操作，几次测得的结果应用误差分离测量方法即可得到光 学镜面的真实面形误差与机床的直线度误差，直线滑台平移的一小段距离可视作传统误差 分离测量方法的测头安装间隔，也是本发明方法的采样间隔。
【具体实施方式】 [0040] 二：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述面向精密 超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，它通过直线滑台1和位移传感器2实现，
[0041] 将直线滑台1安装在精密或超精密机床的Z轴导轨3上，并使直线滑台1能够沿平行 于X轴导轨的方向移动，所述Z轴导轨3与机床主轴的轴向平行，X轴导轨的方向为水平面内 与Z轴导轨3相垂直的方向；
[0042]位移传感器2安装在直线滑台1上，位移传感器2的测量方向平行于Z轴导轨3方向； [0043]所述测量方法用于位移传感器2的量程小于光学曲面的矢高时，所述矢高为光学 曲面沿Z轴导轨方向的总高度；
[0044] 首先沿光学曲面的面形设定分段平行于X轴导轨或Z轴导轨的折线轨迹，使折线轨 迹中每一段平行于X轴导轨的直线所对应的光学曲面的光学曲面段沿Z轴导轨方向的高度 在位移传感器2的量程内；
[0045] 折线轨迹中每一段直线所对应的光学曲面段的测量过程为：
[0046]使直线滑台1固定在Z轴导轨3方向上的预定位置，使安装于机床主轴上的光学曲 面沿X轴导轨的方向移动，在光学曲面的移动过程中，通过位移传感器2沿X轴导轨方向测量 折线轨迹中当前段直线对应