大口徑光學元件輪廓的一次拼接測量裝置製造方法
2023-04-27 20:31:56
大口徑光學元件輪廓的一次拼接測量裝置製造方法
【專利摘要】大口徑光學元件輪廓的一次拼接測量裝置，涉及一種光學元件輪廓的測量裝置。設有Y軸直線電機、Y軸直線導軌、底座、運動控制器、立柱、橫梁、測量傳感器、直線運動絲杆螺母副、聯軸器、測頭運動驅動電機、Z軸直線導軌、Z軸直線電機、測頭連接座、Z軸工作檯、X軸工作檯、X軸直線導軌、X軸直線電機、工件、工件迴轉臺、連接座、旋轉電機、Y軸工作檯和計算機。可實現一次拼接測量，特別針對大口徑工件減少了測量步驟，測量過程簡單，測量效率高，結構簡單緊湊，操作方便。
【專利說明】大口徑光學元件輪廓的一次拼接測量裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種光學元件輪廓的測量裝置，尤其是涉及一種大口徑光學元件輪廓的一次拼接測量裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著光電及先進位造技術的發展，光學元件在軍用和民用產品上的應用越來越普及，尤其是大口徑非球面光學元件因具有校正像差、提高系統相對口徑、擴大視場角度、簡化系統結構、減輕重量、縮小體積等優越性能，被廣泛應用於天文光學系統、醫療系統、熱核聚變、大型望遠鏡、強雷射武器系統之中。
[0003]伴隨著計算機控制技術的發展，光學元件的檢測工藝也得到了極大的推動。接觸式中最常用的就是高精度表面輪廓儀，測量精度高，但量程小，且該類設備十分昂貴、維護和使用環境要求很高，無法滿足大口徑光學元件的測量需求。在各種非接觸式測量方法中，幹涉法以其靈敏度高，加之補償鏡、計算全息、移相、外差、鎖相、條紋掃描等先進技術的出現，一直成為光學元件檢測的主要途徑。幹涉法檢測對工件表面的加工精度要求極高，測量應用對象受限，且大口徑的幹涉測量設備同樣存在價格昂貴、維護要求極高、對國內技術禁運等問題。因此採用已有小口徑高精度測量設備來進行大口徑光學元件的測量十分必要，也就是拼接測量方法。(參見文獻:1、張蓉竹，楊春林，許喬，蔡邦維.使用子孔徑拼接法檢測大口徑光學元件[J]，光學技術，2001，27 (6):516-517.)
[0004]大口徑光學元件已有的拼接測量裝置和方法主要是子孔徑拼接幹涉法。其基本原理是將被測口徑劃分為若干更小口徑的子孔徑，子孔徑的測量範圍可以覆蓋整個元件，並且各子孔徑間稍有重疊；每次用標準的小口徑高精度幹涉儀對子孔徑進行零位幹涉檢測，通過移動被檢元件或幹涉儀孔徑，測得全部子孔徑面形，然後採用拼接技術得到全口徑的檢測結果。由於幹涉法的局限性，綜合測量儀器的成本、精度、效率以及對環境控制的需求等方面來考慮，如果採用小行程高精度坐標測量設備來進行大口徑測量，且進行面形復原，對於大口徑光學元件測量具有很強現實意義，可方便定量化表面，提高加工檢測整體效率；同時也極大拓展坐標設備測量範圍，並大幅度提高使用性價比。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對現有的坐標測量設備測量大口徑光學元件時存在的問題，提供一種可以實現通過一次拼接測量即可獲得大口徑光學元件表面輪廓的大口徑光學元件輪廓的一次拼接測量裝置。
[0006]本發明設有Y軸直線電機、Y軸直線導軌、底座、運動控制器、立柱、橫梁、測量傳感器、直線運動絲杆螺母副、聯軸器、測頭運動驅動電機、Z軸直線導軌、Z軸直線電機、測頭連接座、Z軸工作檯、X軸工作檯、X軸直線導軌、X軸直線電機、工件、工件迴轉臺、連接座、旋轉電機、Y軸工作檯和計算機；
[0007]所述Y軸直線電機和Y軸直線導軌設於底座上，立柱位於底座上，用以支撐橫梁，X軸工作檯固定於橫梁上並由X軸直線電機驅動，X軸直線電機設在X軸直線導軌上，Z軸工作檯位於X軸工作檯上並由Z軸直線電機驅動，Z軸直線電機設在Z軸直線導軌上，測頭連接座位於Z軸工作檯上，聯軸器連接測頭運動驅動電機和直線運動絲杆螺母副，用於控制測量傳感器的運動，旋轉電機位於Y軸工作檯上，旋轉電機通過連接座帶動工件迴轉臺作旋轉運動，計算機和運動控制器均位於底座上，計算機由運動控制器控制X軸直線電機及測頭運動驅動電機速度進行測量軌跡聯動插補，使測量傳感器的拼接分段測量軌跡與工件輪廓線為等距線。
[0008]所述X軸直線電機可採用X軸平板型直線電機，所述Y軸直線電機可採用Y軸平板型直線電機，所述Z軸直線電機可採用Z軸平板型直線電機。
[0009]所述工件迴轉臺的主體可採用花崗石材料。
[0010]由於X/Y/Z軸運動模塊採用平板型直線電機驅動，是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置，精度高，無空回。
[0011]由於工件迴轉臺的主體採用花崗石材料，花崗巖工作面受碰撞或劃傷後，只會產生凹坑，不產生凸紋、毛刺，因此對測量精度無影響，線脹係數小，受溫度影響小。花崗石平板的主要特點是精度穩定、維護方便，花崗石平板組織結構稠密、表面光滑耐磨、粗糙度數值小。
[0012]本發明的工作原理及有益效果如下:
[0013]進行一次拼接測量時，首先根據工件口徑大小，設定拼接分段長度L和分段數目N，選擇N個測量傳感器及對應的一次拼接測頭運動機構，按一定的尺寸間距D(D〈L)固定於測頭連接座上。然後根據工件的表面輪廓方程，通過計算機經由運動控制器來控制三軸測量平臺的X軸電機及測頭運動驅動電機速度進行測量軌跡聯動插補，使各測量傳感器的拼接分段測量軌跡與工件輪廓線為等距線。本發明只要移動拼接分段長度L就能夠完成L +(N-1) *D 口徑光學元件輪廓的一次性拼接測量。本發明可實現一次拼接測量，特別針對大口徑工件減少了測量步驟，測量過程簡單，測量效率高，結構簡單緊湊，操作方便。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明實施例的主視結構示意圖。
[0015]圖2為本發明實施例的一次拼接分段原理圖。
[0016]圖3為本發明實施例的一次拼接測量起始位置示意圖。
[0017]圖4為本發明實施例的一次拼接測量結束位置示意圖。
[0018]圖5為本發明實施例的同心圓測量輪廓起始位置示意圖。
[0019]圖6為本發明實施例的同心圓測量輪廓結束位置示意圖。
[0020]以下給出各圖各主要配件的標記:
[0021]1-Y軸直線電機、2-Y軸直線導軌、3-底座、4-運動控制器、5_立柱、6_橫梁、7_測量傳感器、8-直線運動絲杆螺母副、9-聯軸器、10-測頭運動驅動電機、Il-Z軸直線導軌、12-Z軸直線電機、13-測頭連接座、14-Z軸工作檯、15-X軸工作檯、16-X軸直線導軌、17-X軸直線電機、18-工件、19-工件迴轉臺、20-連接座、21-旋轉電機、22-Y軸工作檯、23-計算機。【具體實施方式】
[0022]以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。
[0023]本發明實施例設有Y軸直線電機1、Y軸直線導軌2、底座3、運動控制器4、立柱5、橫梁6、測量傳感器7、直線運動絲杆螺母副8、聯軸器9、測頭運動驅動電機10、Z軸直線導軌11、Z軸直線電機12、測頭連接座13、Z軸工作檯14、X軸工作檯15、X軸直線導軌16、X軸直線電機17、工件18、工件迴轉臺19、連接座20、旋轉電機21、Y軸工作檯22和計算機23。
[0024]所述Y軸直線電機I和Y軸直線導軌2設於底座3上，立柱5位於底座3上，用以支撐橫梁6，X軸工作檯15固定於橫梁6上並由X軸直線電機17驅動，X軸直線電機17設在X軸直線導軌16上，Z軸工作檯14位於X軸工作檯15上並由Z軸直線電機12驅動，Z軸直線電機12設在Z軸直線導軌11上，測頭連接座13位於Z軸工作檯14上，聯軸器9連接測頭運動驅動電機10和直線運動絲杆螺母副8，用於控制測量傳感器7的運動，旋轉電機21位於Y軸工作檯22上，旋轉電機21通過連接座20帶動工件迴轉臺19作旋轉運動，計算機23和運動控制器4均位於底座3上，計算機23由運動控制器4控制X軸直線電機17及測頭運動驅動電機10速度進行測量軌跡聯動插補，使測量傳感器7的拼接分段測量軌跡與工件輪廓線為等距線。
[0025]所述X軸直線電機可採用X軸平板型直線電機，所述Y軸直線電機可採用Y軸平板型直線電機，所述Z軸直線電機可採用Z軸平板型直線電機。
[0026]所述工件迴轉臺的主體可採用花崗石材料。
[0027]以下結合500mm 口徑光學元件作進一步說明。
[0028]圖2給出本發明一次拼接分段原理圖，根據工件口徑大小為500mm，設定拼接分段長度為200mm，即X軸進給距離為200mm，設定分段數目為3，即選擇3個測量傳感器及對應的一次拼接測頭運動機構，按一定的尺寸間距150mm固定於測頭連接座上，由此可計算出每一重疊部分A間距為50mm，然後根據工件的表面輪廓方程，通過計算機經由運動控制器來控制三軸測量平臺的X軸電機及測頭運動驅動電機速度進行測量軌跡聯動插補，使各測量傳感器的拼接分段測量軌跡與工件輪廓線為等距線，一次拼接過程中共有兩次重疊，三段等距線。在圖2中，標記B為測量結束位置。
[0029]圖3給出本發明一次拼接測量起始位置示意圖，圖4為本發明實施例的一次拼接測量結束位置示意圖。根據工件的表面輪廓方程，通過計算機經由運動控制器驅動X/Y/Z軸電機，將光學元件待測部分邊緣置於測量傳感器7下方，測頭運動驅動電機控制直線運動絲杆螺母副，將3個測量傳感器置於待測部分表面，如圖3，通過計算機設定好X軸進給距離為200_，即可開始檢測，由3個測量傳感器反饋待測部分面形輪廓數據，通過控制測頭運動驅動電機速度進行測量軌跡聯動插補，使各測量傳感器的拼接分段測量軌跡與工件輪廓線為等距線，最後得到如圖4。圖3中，標記C為測量起始位置，圖4中，標記B為測量結束位置。
[0030]圖5給出本發明同心圓測量輪廓示意圖，圖6為本發明實施例的同心圓測量輪廓結束位置示意圖。將口徑為500_的待測工件18放置在工件旋轉臺19上，設置4個測量傳感器，測頭間距設為60_，在一次拼接測量方式下，驅動旋轉電機，如圖5，使得工件旋轉平臺帶動工件以一定速度旋轉，然後通過計算機設定好每次X軸進給距離為20mm，共移動16次，可得到64個待測元件表面同心圓，最後得到如圖6，可通過此方法得到工件表面的面形輪廓數據，以用來擬合待測元件三維表面，可根據需要測量若干個同心圓，且同心圓越多，用來擬合成三維表面的精度會越高。
【權利要求】
1.大口徑光學元件輪廓的一次拼接測量裝置，其特徵在於設有Y軸直線電機、Y軸直線導軌、底座、運動控制器、立柱、橫梁、測量傳感器、直線運動絲杆螺母副、聯軸器、測頭運動驅動電機、Z軸直線導軌、Z軸直線電機、測頭連接座、Z軸工作檯、X軸工作檯、X軸直線導軌、X軸直線電機、工件、工件迴轉臺、連接座、旋轉電機、Y軸工作檯和計算機； 所述Y軸直線電機和Y軸直線導軌設於底座上，立柱位於底座上，用以支撐橫梁，X軸工作檯固定於橫梁上並由X軸直線電機驅動，X軸直線電機設在X軸直線導軌上，Z軸工作檯位於X軸工作檯上並由Z軸直線電機驅動，Z軸直線電機設在Z軸直線導軌上，測頭連接座位於Z軸工作檯上，聯軸器連接測頭運動驅動電機和直線運動絲杆螺母副，用於控制測量傳感器的運動，旋轉電機位於Y軸工作檯上，旋轉電機通過連接座帶動工件迴轉臺作旋轉運動，計算機和運動控制器均位於底座上，計算機由運動控制器控制X軸直線電機及測頭運動驅動電機速度進行測量軌跡聯動插補，使測量傳感器的拼接分段測量軌跡與工件輪廓線為等距線。
2.如權利要求1所述大口徑光學元件輪廓的一次拼接測量裝置，其特徵在於所述X軸直線電機採用X軸平板型直線電機，所述Y軸直線電機採用Y軸平板型直線電機，所述Z軸直線電機採用Z軸平板型直線電機。
【文檔編號】G01B21/20GK103822605SQ201410098960
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月18日 優先權日:2014年3月18日
【發明者】郭隱彪, 李欣, 楊旭, 張豔婷, 王振忠 申請人:廈門大學