专利名称：一种大梯度非球面的轮廓测量方法
技术领域：
本发明涉及一种接触式测量方法，具体涉及一种对大梯度凹/凸非球面进行测量 的方法。
背景技术：
接触式轮廓仪是通过仪器的测头与被测表面的滑移进行测量的，属于接触测量。 既可以测量零件的表面粗糙度，又能直接按某种评定标准读数或是描绘出表面轮廓曲线的 形状。轮廓仪按传感器的工作原理分为电感式、感应式以及压电式多种。常见结构为，传感 器的测头由金刚石制成，针尖圆弧半径为2微米，在测头的后端镶有导块，形成相对于工件 表面宏观起伏的测量的基准，使测头的位移仅相对于传感器壳体上下运动，所以导块能起 到消除宏观几何形状误差和减小纹波度对表面粗糙度测量结果的影响。传感器以铰链形式 和驱动箱连接，能自由下落，从而保证导块始终与被测表面接触。当采用的是电感式传感器 时，当传感器以勻速水平移动时，被测表面的峰谷使探针产生上下位移，使敏感元件的电感 发生变化，从而引起交流载波波形发生变化，此变化经由电器箱中放大、滤波、检波、积分运 算等部分处理以后，可以直接由仪器电器箱的读数表上指示出来，也可以传递到计算机上 进行处理。利用现有的接触式轮廓仪检测大梯度非球面，面临很大的困难。由于大梯度非球 面的中心矢高与边缘矢高相差很大，而现有的高精度测头的检测范围都很小，因此难以满 足要求。另外，由于测量仪的测头是一个小的球面，当测量表面梯度很大时，接触点会严重 偏离中心位置，从而影响最终的检测精度。
发明内容
本发明目的是提供一种用于检测大梯度非球面的轮廓的接触式测量方法，以利用 现有的接触式轮廓仪的测头和处理系统，实现对大梯度非球面轮廓的测量。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种大梯度非球面的轮廓测量方法， 采用与被测表面接触的测头、测头导向系统及电控处理系统实现，设置一旋转平台，将待测 非球面工件放置于旋转平台上，非球面的主轴与旋转平台的旋转中心相互垂直，使非球面 工件的最接近球面的球心位于旋转平台的旋转中心轴上，所述测头的起伏运动方向与旋转 平台的旋转中心轴垂直设置，测量方法包括下列步骤
(1)测量测头零点位置与旋转平台的旋转中心轴的距离d；
(2)根据要测量的非球面工件，求出非球面的最接近球面半径R；
(3)将待测非球面工件垂直放置于旋转平台上，使非球面工件的最接近球面的球心位 于旋转平台的旋转中心轴上；
(4)使测头与非球面接触，勻速转动旋转平台，测量获得待测非球面工件表面与非球面 的最接近球面的偏离量分布，经计算获得非球面轮廓矢高。上述技术方案中，通过设置旋转平台，并将原来位于工件上方的可上下起伏运动的测头设置到工件的侧面，起伏运动方向与旋转平台的旋转中心轴垂直设置，使待测工件 垂直放置并旋转运动，从而创造性地将原来直接测量表面轮廓的方法改变为测量非球面与 最接近球面的偏离量。由于大梯度非球面对其相应的最接近球面的偏离量是很小的，一般 在0. 5mm左右，最大一般也不会超过1mm，因此，目前市场上的高精度测头都能满足其要求， 很好地解决目前大梯度非球面检测的难题。本测试方案中，大梯度非球面的最接近球面，可 以采用标准非球面方程中的曲率半径R来近似，这一近似不会影响测量结果。
上述技术方案中，所述步骤(1)中，测量测头零点位置与旋转平台的旋转中心轴 的距离的方法是，把一已知半径的标准球面或标准圆柱面放置在旋转平台上，通过打表的 方式确保球面中心位于旋转平台的旋转中心轴上，然后移动测头，使测头与标准球面相接 触，读出测头读数，根据测头读数及标准球面的半径计算出探测头零点位置与旋转平台的 旋转中心轴的距离d。上述技术方案中，所述步骤(3)中，放置待测非球面工件时，首先使非球面的最接 近球面的球心尽可能地在旋转中心轴上，再进行精确调整，所述精确调整步骤为，①在工件 测量范围内，均勻采样5个点，分别进行测量；②对采样到的5个点的测量数据利用非线性 最小二乘法，分析出工件放置的位置误差；③根据分析出的位置误差，通过测量系统的十字 星调整平台(现有技术中用于测量系统的一个互相垂直的二维调整机构)，自动调整镜子位 置；④重复上述过程，直到位置误差符合精度要求。本发明的原理解释如下
上述技术方案中，非球面矢高测量原理如图2所示。测量仪测量到的是非球面与最接近球面的偏离量dr，测量仪的测量点可用 (民来表示，其中5为旋转的角度。设最接近球面的半径为fitR，则在理想条件下，测量 结果可表示为
权利要求
1.一种大梯度非球面的轮廓测量方法，采用与被测表面接触的测头、测头导向系统及 电控处理系统实现，其特征在于设置一旋转平台，将待测非球面工件放置于旋转平台上， 非球面的主轴与旋转平台的旋转中心相互垂直，使非球面工件的最接近球面的球心位于旋 转平台的旋转中心轴上，所述测头的起伏运动方向与旋转平台的旋转中心轴垂直设置，测 量方法包括下列步骤(1)测量测头零点位置与旋转平台的旋转中心轴的距离d；(2)根据要测量的非球面工件，求出非球面的最接近球面半径R；(3)将待测非球面工件垂直放置于旋转平台上，使非球面工件的最接近球面的球心位 于旋转平台的旋转中心轴上；(4)使测头与非球面接触，勻速转动旋转平台，测量获得待测非球面工件表面与非球面 的最接近球面的偏离量分布，经计算获得非球面轮廓矢高。
2.根据权利要求1所述的大梯度非球面的轮廓测量方法，其特征在于所述步骤(1) 中，测量测头零点位置与旋转平台的旋转中心轴的距离的方法是，把一已知半径的标准球 面或标准圆柱面放置在旋转平台上，通过打表的方式确保球面中心位于旋转平台的旋转中 心轴上，然后移动测头，使测头与标准球面相接触，读出测头读数，根据测头读数及标准球 面的半径计算出探测头零点位置与旋转平台的旋转中心轴的距离d。
3.根据权利要求1所述的大梯度非球面的轮廓测量方法，其特征在于所述步骤(3) 中，放置待测非球面工件时，首先使非球面的最接近球面的球心尽可能地在旋转中心轴上， 再进行精确调整，所述精确调整步骤为，①在工件测量范围内，均勻采样5个点，分别进行 测量；②对采样到的5个点的测量数据利用非线性最小二乘法，分析出工件放置的位置误 差；③根据分析出的位置误差，通过测量系统的十字星调整平台，自动调整镜子位置；④重 复上述过程，直到位置误差符合精度要求。
全文摘要
本发明公开了一种大梯度非球面的轮廓测量方法，其特征在于设置一旋转平台，测头的起伏运动方向与旋转平台的旋转中心轴垂直设置，测量方法包括下列步骤(1)测量测头零点位置与旋转中心轴的距离；(2)求出非球面的最接近球面半径；(3)将待测非球面工件垂直放置于旋转平台上，使非球面工件的最接近球面的球心位于旋转平台的旋转中心轴上；(4)使测头与非球面接触，匀速转动旋转平台，测量获得待测非球面工件表面与最接近球面的偏离量分布，经计算获得非球面轮廓矢高。本发明通过测量非球面与其最接近球面的偏离量，来测量非球面，大大减小了测头的行程，大幅提高了测量精度。
文档编号G01B7/28GK102095366SQ20101058725
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者仇谷烽, 余景池 申请人:苏州大学