一種大梯度非球面的輪廓測量方法
2023-05-25 20:10:21 1
專利名稱：一種大梯度非球面的輪廓測量方法
技術領域：
本發明涉及一種接觸式測量方法，具體涉及一種對大梯度凹/凸非球面進行測量 的方法。
背景技術：
接觸式輪廓儀是通過儀器的測頭與被測表面的滑移進行測量的，屬於接觸測量。 既可以測量零件的表面粗糙度，又能直接按某種評定標準讀數或是描繪出表面輪廓曲線的 形狀。輪廓儀按傳感器的工作原理分為電感式、感應式以及壓電式多種。常見結構為，傳感 器的測頭由金剛石製成，針尖圓弧半徑為2微米，在測頭的後端鑲有導塊，形成相對於工件 表面宏觀起伏的測量的基準，使測頭的位移僅相對於傳感器殼體上下運動，所以導塊能起 到消除宏觀幾何形狀誤差和減小紋波度對表面粗糙度測量結果的影響。傳感器以鉸鏈形式 和驅動箱連接，能自由下落，從而保證導塊始終與被測表面接觸。當採用的是電感式傳感器 時，當傳感器以勻速水平移動時，被測表面的峰谷使探針產生上下位移，使敏感元件的電感 發生變化，從而引起交流載波波形發生變化，此變化經由電器箱中放大、濾波、檢波、積分運 算等部分處理以後，可以直接由儀器電器箱的讀數表上指示出來，也可以傳遞到計算機上 進行處理。利用現有的接觸式輪廓儀檢測大梯度非球面，面臨很大的困難。由於大梯度非球 面的中心矢高與邊緣矢高相差很大，而現有的高精度測頭的檢測範圍都很小，因此難以滿 足要求。另外，由於測量儀的測頭是一個小的球面，當測量表面梯度很大時，接觸點會嚴重 偏離中心位置，從而影響最終的檢測精度。
發明內容
本發明目的是提供一種用於檢測大梯度非球面的輪廓的接觸式測量方法，以利用 現有的接觸式輪廓儀的測頭和處理系統，實現對大梯度非球面輪廓的測量。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是一種大梯度非球面的輪廓測量方法， 採用與被測表面接觸的測頭、測頭導向系統及電控處理系統實現，設置一旋轉平臺，將待測 非球面工件放置於旋轉平臺上，非球面的主軸與旋轉平臺的旋轉中心相互垂直，使非球面 工件的最接近球面的球心位於旋轉平臺的旋轉中心軸上，所述測頭的起伏運動方向與旋轉 平臺的旋轉中心軸垂直設置，測量方法包括下列步驟
(1)測量測頭零點位置與旋轉平臺的旋轉中心軸的距離d；
(2)根據要測量的非球面工件，求出非球面的最接近球面半徑R；
(3)將待測非球面工件垂直放置於旋轉平臺上，使非球面工件的最接近球面的球心位 於旋轉平臺的旋轉中心軸上；
(4)使測頭與非球面接觸，勻速轉動旋轉平臺，測量獲得待測非球面工件表面與非球面 的最接近球面的偏離量分布，經計算獲得非球面輪廓矢高。上述技術方案中，通過設置旋轉平臺，並將原來位於工件上方的可上下起伏運動的測頭設置到工件的側面，起伏運動方向與旋轉平臺的旋轉中心軸垂直設置，使待測工件 垂直放置並旋轉運動，從而創造性地將原來直接測量表面輪廓的方法改變為測量非球面與 最接近球面的偏離量。由於大梯度非球面對其相應的最接近球面的偏離量是很小的，一般 在0. 5mm左右，最大一般也不會超過1mm，因此，目前市場上的高精度測頭都能滿足其要求， 很好地解決目前大梯度非球面檢測的難題。本測試方案中，大梯度非球面的最接近球面，可 以採用標準非球面方程中的曲率半徑R來近似，這一近似不會影響測量結果。
上述技術方案中，所述步驟(1)中，測量測頭零點位置與旋轉平臺的旋轉中心軸 的距離的方法是，把一已知半徑的標準球面或標準圓柱面放置在旋轉平臺上，通過打表的 方式確保球面中心位於旋轉平臺的旋轉中心軸上，然後移動測頭，使測頭與標準球面相接 觸，讀出測頭讀數，根據測頭讀數及標準球面的半徑計算出探測頭零點位置與旋轉平臺的 旋轉中心軸的距離d。上述技術方案中，所述步驟(3)中，放置待測非球面工件時，首先使非球面的最接 近球面的球心儘可能地在旋轉中心軸上，再進行精確調整，所述精確調整步驟為，①在工件 測量範圍內，均勻採樣5個點，分別進行測量；②對採樣到的5個點的測量數據利用非線性 最小二乘法，分析出工件放置的位置誤差；③根據分析出的位置誤差，通過測量系統的十字 星調整平臺(現有技術中用於測量系統的一個互相垂直的二維調整機構)，自動調整鏡子位 置；④重複上述過程，直到位置誤差符合精度要求。本發明的原理解釋如下
上述技術方案中，非球面矢高測量原理如圖2所示。測量儀測量到的是非球面與最接近球面的偏離量dr，測量儀的測量點可用 (民來表示，其中5為旋轉的角度。設最接近球面的半徑為fitR，則在理想條件下，測量 結果可表示為
權利要求
1.一種大梯度非球面的輪廓測量方法，採用與被測表面接觸的測頭、測頭導向系統及 電控處理系統實現，其特徵在於設置一旋轉平臺，將待測非球面工件放置於旋轉平臺上， 非球面的主軸與旋轉平臺的旋轉中心相互垂直，使非球面工件的最接近球面的球心位於旋 轉平臺的旋轉中心軸上，所述測頭的起伏運動方向與旋轉平臺的旋轉中心軸垂直設置，測 量方法包括下列步驟(1)測量測頭零點位置與旋轉平臺的旋轉中心軸的距離d；(2)根據要測量的非球面工件，求出非球面的最接近球面半徑R；(3)將待測非球面工件垂直放置於旋轉平臺上，使非球面工件的最接近球面的球心位 於旋轉平臺的旋轉中心軸上；(4)使測頭與非球面接觸，勻速轉動旋轉平臺，測量獲得待測非球面工件表面與非球面 的最接近球面的偏離量分布，經計算獲得非球面輪廓矢高。
2.根據權利要求1所述的大梯度非球面的輪廓測量方法，其特徵在於所述步驟(1) 中，測量測頭零點位置與旋轉平臺的旋轉中心軸的距離的方法是，把一已知半徑的標準球 面或標準圓柱面放置在旋轉平臺上，通過打表的方式確保球面中心位於旋轉平臺的旋轉中 心軸上，然後移動測頭，使測頭與標準球面相接觸，讀出測頭讀數，根據測頭讀數及標準球 面的半徑計算出探測頭零點位置與旋轉平臺的旋轉中心軸的距離d。
3.根據權利要求1所述的大梯度非球面的輪廓測量方法，其特徵在於所述步驟(3) 中，放置待測非球面工件時，首先使非球面的最接近球面的球心儘可能地在旋轉中心軸上， 再進行精確調整，所述精確調整步驟為，①在工件測量範圍內，均勻採樣5個點，分別進行 測量；②對採樣到的5個點的測量數據利用非線性最小二乘法，分析出工件放置的位置誤 差；③根據分析出的位置誤差，通過測量系統的十字星調整平臺，自動調整鏡子位置；④重 復上述過程，直到位置誤差符合精度要求。
全文摘要
本發明公開了一種大梯度非球面的輪廓測量方法，其特徵在於設置一旋轉平臺，測頭的起伏運動方向與旋轉平臺的旋轉中心軸垂直設置，測量方法包括下列步驟(1)測量測頭零點位置與旋轉中心軸的距離；(2)求出非球面的最接近球面半徑；(3)將待測非球面工件垂直放置於旋轉平臺上，使非球面工件的最接近球面的球心位於旋轉平臺的旋轉中心軸上；(4)使測頭與非球面接觸，勻速轉動旋轉平臺，測量獲得待測非球面工件表面與最接近球面的偏離量分布，經計算獲得非球面輪廓矢高。本發明通過測量非球面與其最接近球面的偏離量，來測量非球面，大大減小了測頭的行程，大幅提高了測量精度。
文檔編號G01B7/28GK102095366SQ20101058725
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月14日 優先權日2010年12月14日
發明者仇谷烽, 餘景池 申請人:蘇州大學