一种非接触式超精密轮廓扫描检测装置的制作方法

1.本发明涉及精密测量技术领域，具体为一种非接触式超精密轮廓扫描检测装置。


背景技术：

2.精密光学、机械零件在国防、安防、天文、民用消费等领域的应用不断拓展。对于精密零件，几何轮廓往往是核心参数，因此其制造对超精密轮廓测量技术提出了极高的要求。对零件轮廓的高精度测量是改良制造工艺，提高制造精度的关键。在高精度面形轮廓检测领域，光学检测法由于不通用性、检测成本昂贵及效率低下，在使用方面受到了较大的限制。轮廓测量法具有通用性强、自动化程度高的特点，成为近几年研究发展的重点，逐渐在一些高技术领域得到了应用。
3.目前主流的超精密轮廓仪实现的方法有三种，一种代表技术为日本松下公司的ua3p，该设备结构与三坐标测量机结构类似，为正交结构，其采用原子力复合测头对被测零件表面进行接触式测量，使用双频激光干涉仪进行x轴、y轴及z轴的位移测量。这种测量方式的主要不足之处是：接触式测量效率较低，仪器整体结构较为复杂，难以实现大曲率零件的高精度轮廓测量。第二种代表技术为荷兰tno公司的nanomefos系列轮廓仪，仪器为五轴结构，采用差动共焦非接触式位移传感测头进行表面探测，同样使用双频激光干涉测量技术进行x方向、z方向、测头运动方向及测头回转轴误差的测量，由于在测头上增加了直线运动轴增大了测头量程，增强了设备的动态测量特性，但其光路结构极为复杂，不易于工程实现。第三种代表技术为美国泰勒公司的luphoscan系列轮廓仪，该仪器为四轴结构，与nanomefos测量原理类似，沿被测件轮廓法向进行测量，其采用特有专利的多波长干涉位移传感器作为位移及轮廓探测单元，具有结构紧凑的优点，但还是存在结构复杂、难以满足高精度测量的缺点。可见，设计一种结构简单、体积小且具有高精度测量的超精密轮廓仪是非常重要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种非接触式超精密轮廓扫描检测装置，用于高速、高效、高精度的超精密光机零件轮廓测量，可实现如平面、球面、非球面等类型光机零件面形轮廓的精密测量。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种非接触式超精密轮廓扫描检测装置，包括隔振平台和设于所述隔振平台上的隔离罩，所述隔离罩内设置有大理石基座，所述大理石基座放置于所述隔振平台上，所述大理石基座包括底座和固定于底座一侧的侧座；
6.所述大理石基座的底座上设置有精密气浮转台，所述精密气浮转台的台面上固定回转轴基准，所述回转轴基准为圆环结构，所述回转轴基准与所述精密气浮转台同轴设置，且所述回转轴基准的外径大于所述精密气浮转台的台面直径，所述回转轴基准的上方设置有工件调整台，所述工件调整台的底部穿过回转轴基准的内环连接于所述精密气浮转台，
所述工件调整台具有水平方向的二维平移调整自由度以及二维俯仰调整自由度；
7.所述大理石基座的侧座设置有x轴直线运动平台，所述x轴直线运动平台的移动方向垂直于所述精密气浮转台的回转轴，所述x轴直线运动平台上设置有z轴直线运动平台，所述z轴直线运动平台的移动方向垂直于所述x轴直线运动平台的移动方向，所述z轴直线运动平台的移动方向平行于所述精密气浮转台的回转轴，所述z轴直线运动平台上固定有测头回转台，所述测头回转台的回转轴垂直于所述x轴直线运动平台的移动平面和z轴直线运动平台的移动平面，所述测头回转台上安装有非接触式光学位移传感测头，所述非接触式光学位移传感测头的测量量程方向的反向延长线经过所述测头回转台的中心，当所述测头回转台及所述x轴直线运动平台均位于零位时，所述非接触式光学位移传感测头的量程过所述精密气浮转台的中心；
8.所述z轴直线运动平台上固定有补偿标准球，所述补偿标准球的球心位于所述测头回转台的旋转轴上，所述补偿标准球与所述非接触式光学位移传感测头的测量量程等高；
9.所述大理石基座的底座固定有x轴位移参考基准，所述x轴位移参考基准位于所述精密气浮转台的一侧，所述x轴位移参考基准的参考基准面经过所述精密气浮转台回转轴与x轴直线运动平台运动直线方向所构成的平面且所述x轴位移参考基准的基准面法向与该平面法向垂直；
10.所述侧座的顶部固定有z轴位移参考基准，所述z轴位移参考基准的参考基准面与所述精密气浮转台的回转轴垂直，所述z轴位移参考基准的参考基准面设置于经过所述精密气浮转台回转轴与所述x轴直线运动平台运动直线方向所构成的平面；
11.还包括法布里－珀罗干涉位移传感器，所述法布里－珀罗干涉位移传感器具有a测头、b测头、c测头、d测头、e测头和f测头，所述a测头设置于所述z轴直线运动平台上，所述a测头的测量方向平行于所述x轴直线运动平台运动方向并经过所述精密气浮转台回转轴的回转轴及测头回转台回转轴，所述a测头与所述x轴位移参考基准构成干涉腔用于对所述非接触式光学位移传感测头在水平方向上的位移量进行高精度测量；
12.所述b测头设置于所述z轴直线运动平台上并位于所述测头回转台的上方，所述b测头的测量方向平行于所述z轴直线运动平台的运行方向并过测头回转台的回转轴，所述b测头位于由所述精密气浮转台的回转轴与所述x轴直线运动平台运动直线方向所构成的平面内，所述b测头与所述z轴位移参考基准构成干涉腔用于对所述非接触式光学位移传感测头在竖直方向上的位移量进行高精度测量；
13.所述c测头和d测头均置于所述回转轴基准的下方，所述c测头和d测头均沿x轴方向对心放置且测量方向竖直向上，所述c测头和d测头用于测量所述回转轴基准底部的基准圆环面以实时监测所述精密气浮转台的轴向跳动及晃动误差；
14.所述e测头置于底座上并位于所述回转轴基准的一侧，所述e测头的测量方向沿x轴方向设置且过所述精密气浮转台回转轴的中心，所述e测头用于测量所述回转轴基准外圆以实时监测精密气浮转台的径向跳动误差；
15.所述f测头置于所述测头回转台上，所述f测头与所述非接触式光学位移传感测头共线且对径放置，所述f测头用于测量所述补偿标准球以监控测量所述测头回转台回转时引入的跳动及晃动误差；
16.所述侧座的顶部设置有环境传感器，所述环境传感器用于在测量前对空气环境参数进行精密测量以补偿所述法布里－珀罗干涉位移传感器空气折射率误差。
17.在一些实施例中，所述回转轴基准底部圆环面的平面精度加工至亚微米量级，所述回转轴基准的外侧面精度加工至亚微米量级。
18.在一些实施例中，所述x轴位移参考基准由光学材料抛光制成且面形误差控制在20nm量级。
19.在一些实施例中，所述z轴位移参考基准由光学材料抛光制成且面形误差控制在20nm量级。
20.在一些实施例中，所述非接触式光学位移传感测头选用光谱共焦位移传感测头或白光干涉位移传感测头。
21.在一些实施例中，所述法布里－珀罗干涉位移传感器采用光纤导光，并采用二通道测头对所述x轴直线运动平台、z轴直线运动平台的大行程位移进行精密测量。
22.本发明的有益效果是：
23.1、本发明装置结构简单，体积小，易于实现且成本低，可实现高速、高效、高精度测量。
24.2、本发明装置采用光纤法布里－珀罗干涉位移测量技术实现大量程及微位移高精度测量，并可实现多通道同步测量，测量光路结构简单且易于调整，同时兼具绝对测距功能，简化了仪器标定步骤。
25.3、本发明装置采用光谱共焦位移传感测头或白光干涉位移传感测头进行被测零件表面的非接触探测，测量光斑直径小，量程大，探测斜率范围大，且不受扫描断光及被测件材质及粗糙度影响，兼具薄板、薄膜厚度测量功能。
26.4、本发明采用法布里－珀罗干涉位移传感器三个测头结合误差标定数据对实现对精密气浮转台的典型运动误差的全面实时监控及补偿，补偿全面，结构原理简单，提升了仪器测量精度的稳定性。
27.5、本发明装置采用补偿标准球进行测头回转台运动误差的补偿，结构上易于实现，同时减少补偿元件装调自由度。
附图说明
28.图1为本发明一种非接触式超精密轮廓扫描检测装置的整体结构示意图；
29.图中，1-隔振平台，2-大理石基座，3-精密气浮转台，4-回转轴基准，5-工件调整台，6-x轴直线运动平台，7-z轴直线运动平台，8-测头回转台，9-非接触式光学位移传感测头，10-补偿标准球，11-z轴位移参考基准，12-环境传感器，13-x轴位移参考基准，14-隔离罩，15-被测零件，16-法布里－珀罗干涉位移传感器，17-主控器，18-a测头，19-b测头，20-c测头，21-d测头，22-e测头，23-f测头。
具体实施方式
30.下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
31.如图1所示，一种非接触式超精密轮廓扫描检测装置，包括隔振平台1和设于隔振
平台1上的隔离罩14，隔离罩14内设置有大理石基座2，大理石基座2放置于隔振平台1上，大理石基座2包括底座和固定于底座一侧的侧座；其中，隔振平台1应放置于隔振地基上，设备采用刚性隔振平台，衰减隔离外界环境引入的机械振动，大理石基座2采用天然大理石，大理石基座2的底座及侧座的安装面平面度、平行度研磨至3-5μm；大理石基座2的底座上设置有精密气浮转台3，精密气浮转台3的回转轴为测量坐标系z轴基准，精密气浮转台3轴向跳动重复性应优于30nm，径向跳动误差的重复性应优于30nm，晃动重复性应优于0.04
″
，精密气浮转台3固定于大理石基座2的底座台面上，其安装有角度编码器，可以实现亚角秒级测量分辨率，测角误差应在1
″
量级；精密气浮转台3的台面上固定回转轴基准4，回转轴基准4为圆环结构，回转轴基准4与精密气浮转台3同轴设置，且回转轴基准4的外径大于精密气浮转台3的台面直径，回转轴基准4的上方设置有工件调整台5，工件调整台5的底部穿过回转轴基准4的内环连接于精密气浮转台3，工件调整台5具有水平方向的二维平移调整自由度以及二维俯仰调整自由度；其中，回转轴基准4采用invar合金或低膨胀稳定光学材料制作，为环状结构，内环通过螺纹连接固定于精密气浮转台3台面上，回转轴基准4底部圆环面的平面精度加工至亚微米量级，回转轴基准4的外侧面精度加工至亚微米量级，工件调整台5固定于精密气浮转台3上，其具备二维平移及二维俯仰调整功能，采用双向互锁结构，确保随精密气浮转台3旋转过程中保持足够刚性；
32.其次，大理石基座2的侧座设置有x轴直线运动平台6，x轴直线运动平台6的移动方向垂直于精密气浮转台3的回转轴，x轴直线运动平台6上设置有z轴直线运动平台7，z轴直线运动平台7的移动方向垂直于x轴直线运动平台6的移动方向，z轴直线运动平台7的移动方向平行于精密气浮转台3的回转轴，z轴直线运动平台7上固定有测头回转台8，测头回转台8的回转轴垂直于x轴直线运动平台6的移动平面和z轴直线运动平台7的移动平面，测头回转台8上安装有非接触式光学位移传感测头9，非接触式光学位移传感测头9的测量量程方向的反向延长线经过测头回转台8的中心，当测头回转台8及x轴直线运动平台6均位于零位时，非接触式光学位移传感测头9的量程过精密气浮转台3的中心；将x轴直线运动平台6的运动方向定义测量坐标系的x轴，x轴直线运动平台6采用直驱形式，有效行程应完全覆盖被测零件15的半径，且具有一定过心(精密气浮转台3回转轴心)冗余量，以利于精密气浮转台3回转轴与z轴位移参考基准11的平行度误差的快速标定，x轴直线运动平台6安装有直线光栅，应具有良好的动态性能及定位精度，其运动典型晃动量应在5
″
量级，定位精度和直线度应在1μm量级，重复定位精度应在0.1μm量级，x轴直线运动平台6带动非接触式光学位移测头9进行直线运动时，将非接触式光学位移测头9光轴过精密气浮转台3旋转中心处时x轴直线运动平台6位置置零；z轴直线运动平台7上固定有补偿标准球10，补偿标准球10的球心位于测头回转台8的旋转轴上，补偿标准球10与非接触式光学位移传感测头9的测量量程等高，z轴直线运动平台7采用直驱结构，有效行程应至少覆盖被测零件15的矢高，z轴直线运动平台7安装有直线光栅，应具有良好的动态性能及定位精度，其运动典型晃动量应在5
″
量级，定位精度和直线度应在1μm量级；其次，测头回转台8采用直驱结构，可进行整周期回转运动，测头回转台8安装有角度圆光栅，应具有良好的动态性能及定位精度，其典型定位精度在2
″
量级，轴向及径向典型运动误差应优于2μm。测头回转台8带动非接触式光学位移测头9进行回转运动时，将非接触式光学位移测头9光轴与精密气浮转台3旋转轴平行时测头回转台8的位置置零；而补偿标准球10通过支撑架固定于z轴直线运动平台7上，直径一般可
在25mm-40mm之间，可由金属或陶瓷材料制作，其任意180
°
过心截面圆的典型误差应优于40nm。
33.进一步地，大理石基座2的底座固定有x轴位移参考基准13，x轴位移参考基准13位于精密气浮转台3的一侧，x轴位移参考基准13的参考基准面经过精密气浮转台3回转轴与x轴直线运动平台6运动直线方向所构成的平面且x轴位移参考基准13的基准面法向与该平面法向垂直；x轴位移参考基准13可由石英、微晶或碳化硅等低膨胀稳定光学材料制作，抛光处理后平面度在20nm量级，有效区域大于z轴直线运动平台7测量使用区域。x轴位移参考基准13可通过由低热膨胀系数材料(如invar合金或碳化硅)制作的独立立柱或龙门架支架固定在精密气浮转台3一侧的大理石基座2上；侧座的顶部固定有z轴位移参考基准11，z轴位移参考基准11的参考基准面与精密气浮转台3的回转轴垂直，z轴位移参考基准11的参考基准面设置于经过精密气浮转台3回转轴与x轴直线运动平台6运动直线方向所构成的平面；z轴位移参考基准11可由石英、微晶或碳化硅等低膨胀稳定光学材料制作，抛光处理后平面度在20nm量级，有效区域大于x轴直线运动平台6测量使用区域，z轴位移参考基准11通过由低热膨胀系数材料(如invar合金或碳化硅)制作的横梁或龙门架桁架固定于精密气浮转台3的上方。
34.进一步地、还包括法布里－珀罗干涉位移传感器16，法布里－珀罗干涉位移传感器16具有a测头18、b测头19、c测头20、d测头21、e测头22和f测头23，a测头18设置于z轴直线运动平台7上，a测头18的测量方向平行于x轴直线运动平台6运动方向并经过精密气浮转台回转轴3的回转轴及测头回转台8回转轴，a测头18采用平行光测量，光斑直径在2mm量级，a测头与x轴位移参考基准13构成干涉腔用于对非接触式光学位移传感测头9在水平方向上的位移量进行高精度测量；b测头19设置于z轴直线运动平台7上并位于测头回转台8的上方，b测头19的测量方向平行于z轴直线运动平台7的运行方向并过测头回转台8的回转轴，b测头19位于由精密气浮转台3的回转轴与x轴直线运动平台6运动直线方向所构成的平面内，b测头19采用平行光测量，光斑直径在2mm量级，b测头19与z轴位移参考基准11构成干涉腔用于对非接触式光学位移传感测头9在竖直方向上的位移量进行高精度测量；c测头20和d测头21均置于回转轴基准4的下方，c测头20和d测头21均沿x轴方向对心放置且测量方向竖直向上，c测头20和d测头21用于测量回转轴基准4底部的基准圆环面以实时监测精密气浮转台3的轴向跳动及晃动误差；e测头22置于底座上并位于回转轴基准4的一侧，e测头22的测量方向沿x轴方向设置且过精密气浮转台回转轴3的中心，e测头22用于测量回转轴基准4外圆以实时监测精密气浮转台3的径向跳动误差；f测头23置于测头回转台8上，使用聚焦测头，f测头23与非接触式光学位移传感测头9共线且对径放置，f测头23用于测量补偿标准球10以监控测量测头回转台8回转时引入的跳动及晃动误差；侧座的顶部设置有环境传感器12，环境传感器12用于在测量前对空气环境参数进行精密测量以补偿法布里－珀罗干涉位移传感器16空气折射率误差；非接触式光学位移传感测头9选用光谱共焦位移传感测头或白光干涉位移传感测头，若采用光谱共焦位移传感测头，其典型量程应小于400μm，测量光斑应小于10μm，位移测量分辨率应优于10nm,采样速率应大于5k。若采用白光干涉测头，其典型位移分辨率优于1nm，测量光斑应优于10μm，采样速率应大于5k，环境参数包括温度参数、湿度参数和气压参数。
35.在一些实施例中，法布里－珀罗干涉位移传感器16采用光纤导光，并采用二通道
测头对x轴直线运动平台6、z轴直线运动平台7的大行程位移进行精密测量，隔振平台1的一侧设置有主控器17，主控器17用以实现精密气浮转台3、x轴直线运动平台6、z轴直线运动平台7、测头回转台8按照指定参数及路径的精密运动控制，根据被测零件15轮廓的数学模型进行路径规划，并控制x轴直线运动平台6、z轴直线运动平台7、测头回转台8同时运动，使得非接触式光学位移传感测头9与被测零件15表面距离恒定。同时，主控制器17对精密气浮转台3、x轴直线运动平台6、z轴直线运动平台7、非接触式光学位移传感测头9、测头回转台8、环境传感器12、法布里－珀罗干涉位移传感器16等输出信号进行同步采样。
36.测量模式可根据需要选择设置为螺旋线测量模式、同心圆测量模式或径向线测量模式。
37.在螺旋线测量模式下，精密气浮转台3始终保持匀速运动，转速一般可设置在90
°
/s-360
°
/s，对x轴直线运动平台6、z轴直线运动平台7、测头回转台8进行运动编程，使非接触式光学位移传感测头9按照指定参数及路径进行轮廓线扫描。
38.在同心圆测量模式下，精密气浮转台3始终保持匀速运动，对x轴直线运动平台6、z轴直线运动平台7、测头回转台8进行运动编程，使非接触式光学位移传感测头9按照指定参数运行至径向不同位置处，稳定后进行圆周采样；
39.在径向线测量模式下，依次按所需角度间隔旋转精密气浮转台3，在每个角度位置处，对x轴直线运动平台6、z轴直线运动平台7、测头回转台8进行运动编程，使非接触式光学位移传感测头9按照指定参数及路径进行轮廓线扫描；
40.具体测量步骤如下(以螺旋线扫描测量模式为例)：
41.(1)根据被测零件15轮廓方程对x轴直线运动平台6、z轴直线运动平台7、测头回转台8的运动轨迹进行编程，使运动轨迹与被测零件15轮廓线吻合；
42.(2)将被测零件15放置于处于精密气浮转台3的工件调整台5上，使用工件调整台5对被测零件15进行调心及调平(调整后偏差一般应优于10μm)。调心及调平操作可借助旋转测头回转台8、精密气浮转台3结合非接触式光学位移传感测头9测量被测零件15外圆读数变化完成；调平操作可将非接触式光学位移传感测头9移至被测零件15边缘表面处，并结合精密气浮转台3回转，测量等高线读数变化完成；
43.(3)将x轴直线运动平台6、测头回转台8回零，回零后x轴直线运动平台6零位与精密气浮转台3旋转轴重合；
44.(4)主控制器17对z轴直线运动平台7发送移动指令，使被测零件15处于非接触式光学位移传感测头9最优测量行程处；
45.(5)根据被测零件15特征，使用主控制器17设置精密气浮转台3回转速度，并使精密气浮转台3处于匀速回转运动；
46.(6)记录环境传感器12测量的温度、湿度及气压值计算空气折射率；
47.(7)主控制器17运行编程运动指令，同时同步记录精密气浮转台3回转角度、测头回转台8回转角度、非接触式光学位移传感测头9位移、法布里－珀罗干涉位移传感器16六通道位移；
48.(8)对采集的法布里－珀罗干涉位移传感器16位移数据进行空气折射率修正；进行系统误差补偿，包括精密气浮转台3轴系系统误差及角度系统误差、测头回转台8轴系误差、z轴位移参考基准11系统误差、x轴位移参考基准13系统误差及非接触式光学位移传感
器9系统误差；
49.(9)计算采样点坐标，根据点坐标值，结合被测件数学模型，拟合轮廓误差，进行数值统计及结果的可视化；
50.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”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，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；以及本领域普通技术人员可知，本发明所要达到的有益效果仅仅是在特定情况下与现有技术中目前的实施方案相比达到更好的有益效果，而不是要在行业中直接达到最优秀使用效果。
51.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。