大口径非球面轮廓加工检测一体化装置与方法与流程

本发明属于光学精密测试、精密加工技术领域，涉及一种大口径精密非球面加工检测装置及其方法，可用于精密光学系统中大型高精度非球面元件面形的检测与加工。

技术背景

大口径高精度非球面光学元件，在航天相机、天文望远镜等精密光学系统中起着极其重要的作用。在非球面加工中，为了满足非球面的面形和粗糙度的设计要求，其一般采用加工-检测-再加工-再检测等制造工艺，在某种程度上，获得高精度非球面元件的关键在于能否提供可靠的、行之有效的检测技术来指导加工，尤其是在大口径光学非球面的铣磨和研抛阶段，非球面面形的高精度测量是决定面形收敛精度以及收敛速度的关键。目前，非球面的高精度检测已经成为高精度非球面光学元件制造中所面临的最大问题。

目前，常用的主要测量方法有接触式探针扫描法、光学探针扫描法和光学干涉法，其中接触式扫描测量法主要应用于大型球面非球面元件在研磨加工阶段时的检测，光学非接触式扫描法和光学干涉法由于其非接触测量的特点，应用于研磨后期及抛光阶段，特别适合于经最终成型处理后镜面的检测。

光学干涉法包括零位干涉法和非零干涉法，主要包括无像差点法、零补偿镜方法、计算全息法、剪切干涉法、子孔径拼接法等。零位干涉法是通过设计补偿器的结构与位置来完全补偿被测非球面理论形状的法线像差，实现面形误差的零位检测。该方法检测精度高、可靠性强，是目前非球面面形检测的参照基准。但是，零位检测法需要设计与被测非球面相匹配的辅助元件，不具有通用性，因而检测成本较高，测量周期较长，尤其对大口径凸非球面检测时成本更高。而且，该方法还存在系统的装调精度要求较高、补偿镜的设计和装调以及高精度检测困难、计算全息板线纹频率过大引入中高频误差且难以制作等问题。

非零干涉法在检测非球面时不需要完全补偿被测面的全部法线像差，但检测系统存在固有回程误差，干涉图样不直接反映被测面的面形误差信息。

探针扫描法通常是直接测试被测面形以获得各采样点的三维信息，再通过分析、拟合和重建实现非球面面形误差的测量，其原理简单直观，不需要辅助装置和元件，仪器标定后即可建立测量坐标系，还可以同时测得非球面顶点球的曲率半径。该方法适用于任意口径非球面元件的面形检测，其缺点是采用单点扫描、效率较低，由于探头所基于的测量原理，其响应速度有限，测量时间较长，环境条件的变化会引入测量误差，面形测量精度受限。

目前，非球面的高精度检测主要存在的问题如下：

1）加工和检测相对独立，大口径（直径在Ф400mm以上）非球面元件在加工设备和检测设备之间来回重复装卡，耗去大量的时间去反复装调和找正，加工效率低并存在搬运风险等；

2）大口径非球面元件在加工铣磨和精磨阶段，由于受表面散射影响，难以用高精度的干涉方法来直接测量，而现有的大型轮廓仪由于仪器结构设计的局限以及运动基准系统精度的限制，已开始难以适应口径日益增大的大口径非球面元件的测量需求。

3）现有的非球面轮廓测量仪的测量精度主要受制于主轴回转精度、直线导轨精度、基准间位置误差和传感技术等，没有充分利用到空间基准运动误差的可补偿性。

针对上述问题，本发明提出可自主分离和补偿基准运动误差的超精密非球面轮廓扫描测量新装置与新方法，将大口径非球面元件的加工功能与检测功能有机融合在一起，实现加工检测一体化，可根除现有加工工艺因在加工设备和检测设备之间来回重复装卡而带来的诸多不足，显著提高加工精度和效率。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提高大口径精密非球面元件的加工精度和效率，提出了一种大口径非球面轮廓加工检测一体化装置与方法。

本发明基于我们发明的空间回转误差单转位分离技术、直线/回转基准技术以及基准间误差分离技术等，通过将加工设备的功能与检测设备的功能相融合，实现了基于精密气浮回转中心的集加工和检测功能于一体的大口径非球面元件的高精度加工检测。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种大口径非球面轮廓加工检测一体化装置，包括基座、精密直线气浮导轨系统、精密气浮回转工作台、直线气浮导轨系统运动误差激光监测系统、气浮工作台调整系统、传感测量系统、直线运动误差探测模块和研抛关节臂。

其中，精密直线气浮导轨系统、直线气浮导轨系统运动误差激光监测系统、精密气浮回转工作台、研抛关节臂固定在基座上，非球面元件同轴放置于精密气浮回转工作台上；精密直线气浮导轨系统位于精密气浮回转工作台的一侧，且位于精密气浮回转工作台的台面下面；直线气浮导轨系统运动误差激光监测系统与精密直线气浮导轨系统平行放置，其直线运动误差探测模块与传感测量系统固结在一起，随传感测量系统一起运动；传感测量系统固定在和精密直线气浮导轨系统的轴套相连的横向测量臂上，并可随轴套作一维直线运动，运动过程中传感测量系统与精密直线气浮导轨系统的运动方向垂直。

本发明的一种大口径非球面轮廓加工检测一体化方法，包括：利用研抛关节臂依据设定的工艺加工参数对置于精密气浮回转工作台上的非球面元件进行反复研抛；利用传感测量系统对非球面元件工作表面进行扫描检测，在扫描的同时利用导轨直线运动误差激光监测系统分离、补偿精密直线气浮导轨系统的直线运动误差，实现纳米级的直线扫描运动，得到非球面元件沿母线方向上的轮廓；计算机研抛测量控制系统控制精密气浮回转工作台转动不同的角度，实现非球面元件面形轮廓的高精度检测；计算机研抛测量控制系统依据测得轮廓数据来确定研抛关节臂的加工路径和研磨量，进而实现非球面元件的高精度轮廓一体化加工检测。

本发明的一种大口径非球面轮廓加工检测一体化方法，实现非球面元件轮廓的高精度测试加工包括以下步骤：

步骤一：驱动精密气浮回转工作台进行回转运动，利用传感测量系统对精密气浮回转工作台的工作表面轮廓进行测量，得到精密气浮回转工作台的位姿参数，调整气浮工作台调整系统使精密气浮回转工作台的台面无倾斜；

步骤二：将非球面元件置于精密气浮回转工作台上，计算机研抛测量控制系统驱动精密气浮回转工作台进行回转运动，由固定在和精密直线气浮导轨系统的轴套相连的垂直测量臂上的径向传感系统对非球面元件的径向轮廓进行检测，依据测量结果调整非球面元件位置使其与精密气浮回转工作台同轴放置；

步骤三：精密直线气浮导轨系统作一维扫描运动，传感测量系统对非球面元件进行一维扫描测量，测得非球面元件在此一维方向上的轮廓信息；精密直线气浮导轨系统在一维扫描运动过程中，其直线运动误差由直线气浮导轨系统运动误差激光监测系统监测，计算机研抛测量控制系统依据监测数据分离、补偿精密直线气浮导轨系统的直线运动误差，实现纳米级的直线扫描运动，得到非球面元件沿一条母线方向上的轮廓；

步骤四：计算机研抛测量控制系统依据规划的扫描路径控制精密气浮回转工作台旋转一个设定角度；

步骤五：重复步骤三、四，通过传感测量系统得到非球面元件沿多条母线方向上的轮廓值，通过拟合得到非球面元件的整体面形轮廓，实现非球面元件轮廓的高精度检测。

步骤六：计算机研抛测量控制系统依据测得的轮廓测量数据和设定的工艺参数，控制研抛关节臂对非球面元件进行研抛加工，重复测量步骤三和步骤四，直至加工、检测的非球面元件满足设计精度要求，完成非球面元件的一体化加工检测。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1）将加工设备与检测设备的功能相融合，实现了非球面元件的原位检测，可大幅提高加工效率和精度；

2）开放式的非龙门结构设计，便于大口径非球面元件加工口径的扩展、加工检测系统的融合以及工件的搬运与装调，大型元件口径大小主要由基准导轨的运动范围确定；

3）回转—直线基准系统共基面设计以及测量架的折转设计，最大限度地减小了仪器阿贝误差，使测量导轨的运动精度得以最大程度地发挥；

4）直线气浮导轨系统运动误差激光检测系统的采用便于米级大口径非球面元件的加工和检测。

本发明特点：

1．采用开放式非龙门结构设计，将系统中的直线运动导轨直接放在工作台上，传感器与导轨相连，使得系统运动幅最短、测量过程中变形小，可提高大口径非球面元件的加工效率和精度；

2.采用高精度气浮直线技术，消除了因废气的排放所产生的气体扰动对测量环境的影响，可显著提高测量系统的测量精度；

3．采用高精度气浮回转技术，提高了回转系统的回转精度，可显著提高测量系统的测量精度；

4．采用基于空气静压轴承技术的偏心调整工作台，实现系统的高精度调倾、调心，可显著提高测量系统的测量精度；

5．采用高精度激光直线基准技术，保证了系统直线运动精度，可提高系统测量精度；

6．采用单侧测量导轨系统布局，融入加工系统，实现了高精度加工检测一体化，可提高加工精度和效率。

附图说明

图1为本发明大口径非球面元件轮廓加工检测装置及其方法示意图；

图2为本发明大口径非球面元件轮廓加工检测方法基于顺序扫描原理的扫描路径示意图；

图3a)为本发明大口径非球面元件轮廓加工检测装置实施示意图；

图3b)为本发明大口径非球面元件轮廓加工检测装置的计算机控制连接示意图；

其中：1-基座、2-精密直线气浮导轨系统、3-精密气浮回转工作台、4-直线气浮导轨系统运动误差激光监测系统、5-传感测量系统、6-直线运动误差探测模块、7-研抛关节臂、8-轴套、9-横向测量臂、10-非球面元件、11-气浮工作台调整系统、12-计算机研抛测量控制系统、13-垂直测量臂、14-径向传感系统，15-母线方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明将将加工设备的功能与检测设备的功能相融合，其基本思想是：利用研抛关节臂，依据设定的工艺加工参数对工件进行反复研抛，利用测量臂上的传感测量系统对被研抛工作表面的轮廓参数直接进行检测，计算机测量控制系统依据测得轮廓数据来确定研抛关键臂的加工路径和研磨量，实现了大口径非球面轮廓的加工检测一体化，提高了加工精度和效率。

实施例1

如图1所示，大口径非球面元件轮廓加工检测方法，检测加工步骤如下：

非球面元件10放置在精密气浮回转工作台3上，传感测量系统5固定在和精密直线气浮导轨系统2的轴套8相连的横向测量臂9上，并可随轴套8作一维直线运动，测量过程中要保证传感测量系统5与精密直线气浮导轨系统2的运动方向垂直，传感测量系统5沿着非球面元件10母线方向15进行一维直线运动，从而完成一次一维扫描测量。

如图2所示，沿母线方向15，利用传感测量系统5对非球面元件10进行扫描测量，同时利用直线气浮导轨系统运动误差激光监测系统4对精密直线气浮导轨系统2的直线运动误差进行监测、分离、补偿，实现纳米级的直线扫描运动，测得沿一条母线方向上的N个轮廓测量数据。

计算机研抛测量控制系统12控制精密气浮回转工作台3旋转一个角度，重复上述扫描测量过程，即可测量得到沿多条母线方向上的轮廓数据。

依据轮廓测量数据进行拟合处理，可得到非球面元件10的整体面形轮廓，实现非球面元件10的高精度轮廓测量。

依据轮廓测量结果，利用研抛关节臂7对非球面元件10进行研抛加工，进而实现非球面元件10的一体化加工检测。

实施例2

结合图1和图3所示，大口径非球面加工检测装置主要由基座1、精密直线气浮导轨系统2、精密气浮回转工作台3、直线气浮导轨系统运动误差激光监测系统4、气浮工作台调整系统11、测量传感系统5、研抛关节臂7、计算机研抛测量控制系统12等构成，精密直线气浮导轨系统2、直线气浮导轨系统运动误差激光监测系统4、研抛关节臂7分布在精密气浮回转工作台3周围，且均固定在基座1上。其中，传感测量系统5固定在和精密直线气浮导轨系统2的轴套8相连的横向测量臂9上，并可随轴套8作一维直线运动；径向传感系统14固定在和精密直线气浮导轨系统2的轴套8相连的垂直测量臂13上，且其测量方向与非球面元件10径向方向一致；精密直线气浮导轨系统2置于精密气浮回转工作台3的一侧且位于精密气浮回转工作台3台面以下；直线气浮导轨系统运动误差激光监测系统4放置在精密气浮回转工作台3的轴线方向，且与精密直线气浮导轨系统2平行放置，直线气浮导轨系统运动误差激光监测系统4的直线运动误差探测模块6与传感测量系统5一起固结在横向测量臂9上；研抛关节臂7放置在精密气浮回转工作台3的一侧；计算机研抛测量控制系统12控制大口径非球面加工检测装置中测量、调整、研抛系统的工作。

非球面元件10的加工检测过程如下：

1）计算机研抛测量控制系统12控制精密气浮回转工作台3进行回转运动，传感测量系统5测得精密气浮回转工作台3的表面轮廓参数，计算机研抛测量控制系统12对其进行分析，得到精密气浮回转工作台3的位姿参数，由气浮工作台调整系统11依据该位姿参数进行调整，消除精密气浮回转工作台3的倾斜；

2）将非球面元件10置于精密气浮回转工作台3上，计算机研抛测量控制系统12控制精密气浮回转工作台3进行旋转，由径向传感系统14对非球面元件10的径向轮廓进行监测，计算机研抛测量控制系统12依据径向传感系统14的测量结果对非球面元件10放置偏心进行调整，使非球面元件10与精密气浮回转工作台3同轴；

3）驱动精密直线气浮导轨系统2作一维扫描运动，传感测量系统5随其同步运动，对非球面元件10进行一维扫描，测得非球面元件10在此一维方向上的轮廓；精密直线气浮导轨系统2在一维扫描运动过程中，其直线度由直线气浮导轨系统运动误差激光监测系统4监测，计算机研抛测量控制系统（12）依据监测数据分离、补偿精密直线气浮导轨系统2的直线运动误差，实现纳米级的直线扫描运动，得到非球面元件10沿母线方向15上的轮廓数据；

4）计算机研抛测量控制系统12控制精密气浮回转工作台3旋转一个设定角度

5）重复步骤3、4，通过传感测量系统5得到非球面元件10沿多条母线方向上的轮廓值，通过拟合得到非球面元件10的整体面形轮廓，实现非球面元件10轮廓的高精度检测；

6）计算机研抛测量控制系统12依据测得轮廓测量数据和设定的工艺参数，控制研抛关节臂7对非球面元件10进行研抛加工，重复上述测量步骤3、4，直至非球面元件10满足设计精度要求。实现了大口径非球面元件的一体化加工检测，提高了加工精度和效率。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，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。