一种气囊轮廓在位检测方法及装置与流程

本发明涉及先进光学制造技术领域，具体而言，涉及一种气囊轮廓在位检测方法及装置。

背景技术：

随着现代科学技术的不断发展，特别是航空航天、国防军工、信息、微电子与光电子等尖端科学技术的突飞猛进，对光学加工领域提出越来越高的要求。其中大口径非球面元件具有无中心遮拦、可改善像质且简化系统结构等优点，已成为空间相机、极紫外光刻机、超高功率激光装置的关键元件，其超精密加工是光学加工领域的前沿研究方向之一。

气囊抛光是近些年大口径非球面元件超精密加工技术的研究热点之一。该技术是采用柔性气囊作为抛光工具，可保证抛光头与被抛光工件表面较好吻合性，且可调的气囊充气压力及较高的主轴转速可实现抛光效率提升和表面质量控制的兼得，是一种极具发展潜力的高效抛光方法。

迄今，国内外在气囊柔性抛光技术研发方面均取得了一定发展，正在不断开展各类工件的高效高精度抛光应用。但是，国内在气囊抛光设备研制方面虽然取得一定成绩，但还未达到工程应用的程度，同时气囊抛光工艺也受限于气囊抛光硬件，如气囊工具。气囊工具作为与工件直接接触的部件，其尺寸精度和形状精度直接影响加工精度，如何保证其尺寸和形状的精度一直是业界亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气囊轮廓在位检测方法及装置，以改善上述问题。

本发明较佳实施例提供一种气囊轮廓在位检测方法，该方法包括：通过激光测微仪确定待测气囊在初始状态时沿旋转轴轴线方向的最低点，令所述激光测微仪的激光测头对准所述最低点，该最低点的位置坐标为预设坐标系下的原点坐标；驱动所述待测气囊进行球面轨迹运动，所述待测气囊的运动轨迹为包含所述最低点的球面轨迹，所述球面轨迹的半径为预设的参考气囊的半径；在所述待测气囊运动过程中，通过所述激光测微仪对该待测气囊的轮廓数据进行采集；根据所述参考气囊的球面轨迹数据和上述激光测微仪采集到的数据计算出所述待测气囊的半径；根据上述计算出的半径编制球面轨迹检测程序检测出该待测气囊的轮廓误差。

本发明另一较佳实施例提供一种气囊轮廓在位检测装置，该装置包括气囊抛光机床、激光测微仪和数据处理终端，其中，所述激光测微仪安装于所述气囊抛光机床上，待测气囊安装于所述气囊抛光机床的旋转轴上；所述激光测微仪用于确定待测气囊在初始状态时沿旋转轴轴线方向的最低点，以使所述激光测微仪的激光测头对准所述最低点，该最低点的位置坐标为预设坐标系下的原点坐标；所述气囊抛光机床用于驱动所述待测气囊进行球面轨迹运动，所述待测气囊的运动轨迹为包含所述最低点的球面轨迹，所述球面轨迹的半径为预设的参考气囊的半径；所述激光测微仪还用于在所述待测气囊运动过程中对该待测气囊的轮廓数据进行采集；所述数据处理终端用于根据所述参考气囊的球面轨迹数据和上述采集到的数据计算出所述待测气囊的半径，进而通过根据上述计算出的半径编制球面轨迹检测程序检测出该待测气囊的轮廓误差。

本发明实施例提供的气囊轮廓在位检测方法及装置，通过激光测微仪对待测气囊进行对刀，然后驱动所述待测气囊进行球面轨迹运动使其运动轨迹为过所述最低点的球面轨迹，球面轨迹的半径为预设的参考气囊的半径，并在该待测气囊运动过程中，通过激光测微仪对该待测气囊的轮廓数据进行采集，进而根据上述参考气囊的球面轨迹数据和激光测微仪采集到的数据计算出待测气囊的半径，最后再根据计算出的半径编制球面轨迹检测程序检测出该待测气囊的轮廓误差。与现有技术相比，本发明实施例提供的方法及装置，能够有效保证气囊轮廓质量的一致性，提高气囊抛光去除的稳定性和工艺可控性，而且可以基于检测获得的气囊轮廓特征推测实际去除函数，从而调整抛光工艺参数以改善光学元件的去除效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种气囊轮廓在位检测装置的方框示意图；

图2为本发明实施例提供的一种应用于图1所示的装置的气囊轮廓在位检测方法流程图；

图2A为本发明实施例提供的激光测微仪对刀待测气囊的状态示意图；

图3为本发明实施例提供的激光测微仪确定待测气囊初始状态时的最低点的实现过程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种待测气囊实际半径求解示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种气囊轮廓在位检测方法流程图；

图6为本发明实施例提供的待测气囊使用环带跳动误差检测示意图；

图7为本发明实施例提供的一示例中待测气囊与参考气囊轮廓误差检测数据示意图；

图8为本发明实施例提供的基于实际半径的球面轨迹检测程序的轮廓误差检测数据示意图；

图9为本发明实施例提供的所述示例中待测气囊的使用环带跳动误差检测数据示意图。

图标：100-气囊轮廓在位检测装置；110-气囊抛光机床；120-激光测微仪；130-数据处理终端；200-待测气囊；400-夹角；500-环形带状区域。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

请参阅图1，是本发明实施例提供的一种气囊轮廓在位检测装置100的方框示意图。该装置包括气囊抛光机床110、激光测微仪120以及数据处理终端130。其中，所述激光测微仪120安装于所述气囊抛光机床110上，待测气囊200(图中未示出)安装于所述气囊抛光机床110的旋转轴上。

作为一种实施方式，所述气囊抛光机床110可以是6轴数控机床，其中H轴为所述旋转轴。

作为一种实施方式，所述激光测微仪120可以是基恩士激光测微仪120。

作为一种实施方式，所述数据处理终端130可以是计算机。

请参阅图2，是本发明实施例提供的一种可以应用于图1所示装置的气囊轮廓在位检测方法流程图。所应说明的是，本实施例中的方法不以图2及以下所述的具体顺序为限制。下面对图2中示出的各步骤进行详细阐述。

步骤S201，通过激光测微仪120确定待测气囊200在初始状态时沿旋转轴轴线方向的最低点，令所述激光测微仪120的激光测头对准所述最低点。

本实施例中，所述初始状态可以是指待测气囊200的转动轴线与旋转轴(H轴)轴线平行，且待测气囊200未发生旋转时的状态。

本实施例中，该最低点的位置坐标为预设坐标系下的原点坐标。所述预设坐标系可以是图2A中所示出的XYZ三维坐标系。该坐标系下的原点坐标为(0,0,0)。

作为一种实施方式，通过所述激光测微仪120确定所述待测气囊200初始状态时的最低点的实现过程如图3所示。首先，确定一初始点a0，同时激光测头置零；然后，移动气囊抛光机床110的X轴以通过激光测头检测与a0相距L的左右两个点b0、c0，并记录两点的高度检测值，以及求出两点的高度差ΔH0；再然后，选择高度检测值较大的点c0向气囊转动轴线方向移动一定距离到点c1使高度差减小1/2ΔH0，并记录点c1的高度检测值；再从c1向气囊转动轴线方向移动2L到b1，并记录点b1的高度检测值；求出c1、b1两点的高度差ΔH1；接下来重复上述操作，直到cn、bn两点的高度差ΔHn≤50μm为止。此时，cn、bn两点中心点即为待测气囊200在X方向的原点。同理可以确定待测气囊200在Y方向的原点。激光测头对准待测气囊200在X、Y方向的原点后置零。

步骤S203，驱动所述待测气囊200进行球面轨迹运动。

本实施例中，可以预先在所述数据处理终端130上编制预先设定的参考气囊的球面轨迹程序，然后将编制的程序输入气囊抛光机床110的数控系统中。该数控系统运行所述程序，以控制所述气囊抛光机床110的X轴、Z轴联合驱动所述待测气囊200，以使待测气囊200进行球面轨迹运动。

所述待测气囊200的运动轨迹为过所述最低点的球面轨迹。该球面轨迹的半径为预设值。该预设值是上述预先设定的参考气囊的半径。

步骤S205，在所述待测气囊200运动过程中，通过所述激光测微仪120对该待测气囊200的轮廓数据进行采集。

激光测微仪120具有出光口和光束接收口，激光测微仪120通过分析接收光束的变化计算被测点的高度变化。

步骤S207，根据所述参考气囊的球面轨迹数据和上述激光测微仪120采集到的数据计算出所述待测气囊200的半径。

作为一种实施方式，待测气囊200的半径的求解公式可以如下获得。不失一般性地，如图4所示，设所述参考气囊的半径为R，待求解的待测气囊200的半径为r。以所述半径R编制球面轨迹程序，通过该程序驱动所述待测气囊200朝X方向移动2倍的A1B1。此时，激光测微仪120检测所得数据为待测气囊200与参考气囊的高度偏差Δh。由图4可得以下关系组：

由上述关系组可知：

其中，max(Δh)为上述关系式中的B1B2，表示所述待测气囊200与参考球面间的轮廓线最大偏差。角度θ表示所述参考气囊的边缘检测点偏离气囊转动轴线的角度。

另外，由于待测气囊200上的抛光垫的表面通常具有大量微孔，因此激光测微仪120检测得到的数据一般需要通过数据处理终端130进行数据拟合，得到相应的拟合曲线。本实施例中，作为一种实施方式，可以对采集到的数据进行多项式拟合，如二次多项式拟合，得到相应的二次拟合曲线。

得到拟合曲线后，根据该拟合曲线计算所述待测气囊200与参考气囊的轮廓线最大偏差max(Δh)。然后，基于上述分析出的待测气囊200的半径求解公式、参考气囊的球面轨迹数据和上述得到的轮廓线最大偏差计算出所述待测气囊200的半径。

步骤S209，根据上述计算出的半径编制球面轨迹检测程序检测出该待测气囊200的轮廓误差。

本实施例中，在计算出待测气囊200的实际半径r后，编制相应的球面轨迹测试程序，并将该程序输入气囊抛光机床110的数控系统中，以使气囊抛光机床110的X、Z轴在该程序的控制下驱动待测气囊200进行球面轨迹运动。此刻，待测气囊200的运动轨迹为半径为r且过所述最低点的球面轨迹。

在待测气囊200运动过程中，通过激光测微仪120进行数据采集，以获取待测气囊200与半径为r的理想球面轨迹的轮廓偏差。

请参阅图5，是本发明实施例提供的另一种气囊轮廓在位检测方法的流程图。与上述方法不同的是，除了步骤S201-步骤S209外，本方法还包括检测待测气囊200使用环带的跳动误差的步骤。

步骤S301，控制所述待测气囊200偏转预设进动角。

如图6所示，本实施例中，所述进动角是指待测气囊200的转动轴线与工件加工点法线之间的夹角400。

步骤S303，将所述激光测微仪120的检测光束照射于该待测气囊200的使用环带上。其中，所述使用环带是指图6中示出的待测气囊200抛光工件时与工件接触的环形带状区域500。

步骤S305，驱动所述待测气囊200进行旋转。

步骤S307，在所述待测气囊200旋转过程中，通过所述激光测微仪120对所述使用环带进行数据采集，并得到所述使用环带的跳动误差。

本发明实施例提供的气囊轮廓在位检测方法及装置，能够对气囊轮廓特征进行检测以判断待测气囊200是否满足使用要求，进而保证气囊轮廓质量的一致性，对提高气囊抛光去除稳定性和工艺可控性有着重要意义。

下面举出一具体示例，以进一步说明本发明实施例提供所提供的气囊轮廓在位检测方法及装置的优点。该示例中已知的是待测气囊200的半径为80毫米左右。

利用激光测微仪120对待测气囊200进行对刀，以确定该待测气囊200在初始状态时的最低点，并令激光测微仪120的测头对准所述最低点。将该最低点设为XYZ三维坐标系中的原点。

在数据处理终端130上编制半径为80mm的参考气囊中轴线球面轨迹程序。该程序参数为沿X方向移动总距离80mm、移动速度200mm/min。程序驱动气囊抛光机床110的X、Z轴带动待测气囊200进行球面轨迹运动，同时采用激光测微仪120进行数据采集。激光测微仪120检测到的轮廓数据即为实际气囊与所述参考气囊的球面轨迹的轮廓偏差。

如图7所示，对检测数据进行二次多项式拟合，得到二次拟合曲线。由图7可知，检测数据存在球差，这说明待测气囊200的实际半径并非80mm。另外，检测数据中两侧的数据值为正(激光测头与被测表面相对距离减小时为正值)，这说明待测气囊200的实际半径大于80mm。原始数据的二次多项式拟合公式为y＝0.126x²-10.2x+249.5。由拟合曲线可知，当x＝0、x＝40时，y分别为249.5μm、43.1μm。所以，待测气囊200与参考气囊的轮廓最大偏差max(Δh)＝249.5μm-43.1μm＝206.4μm，即上述B1B2＝206.4μm。另外，A1O1＝O1O3＝80mm，θ＝30°。代入半径r的计算式中可得r＝81.3mm。因此，本示例中待测气囊200的实际半径为81.3mm。

然后，编制半径为81.3mm的球面轨迹测试程序检测可得待测气囊200的轮廓误差，如图8所示。测量得到原始数据的二次多项式拟合公式为y＝0.009x²-0.795x+10.93。由拟合曲线可知，当x＝0、x＝40时，y分别为10.93μm、-6.47μm，即待测气囊200的轮廓误差为17.4μm。

待测气囊200使用环带的跳动误差检测时，将待测气囊200绕气囊球心偏转22.5°，即形成22.5°的进动脚，以使激光测微仪120检测光束照射在待测气囊200的使用环带上。然后旋转待测气囊200，进行激光测微仪120数据采集。待测气囊200的旋转速度为10rpm，激光测微仪120的采样频率为25。此时，测得待测气囊200的使用环带的环带跳动误差约为450μm，具体参见图9。

综上所述，与现有技术相比，本发明实施例提供的方法及装置，能够有效保证气囊轮廓质量的一致性，提高气囊抛光去除的稳定性和工艺可控性，而且可以基于检测获得的气囊轮廓特征推测实际去除函数，从而调整抛光工艺参数以改善光学元件的去除效果。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。