大口徑光學(xué)元件輪廓的一次拼接測量裝置制造方法
【專利摘要】大口徑光學(xué)元件輪廓的一次拼接測量裝置，涉及一種光學(xué)元件輪廓的測量裝置。設(shè)有Y軸直線電機、Y軸直線導(dǎo)軌、底座、運動控制器、立柱、橫梁、測量傳感器、直線運動絲桿螺母副、聯(lián)軸器、測頭運動驅(qū)動電機、Z軸直線導(dǎo)軌、Z軸直線電機、測頭連接座、Z軸工作臺、X軸工作臺、X軸直線導(dǎo)軌、X軸直線電機、工件、工件回轉(zhuǎn)臺、連接座、旋轉(zhuǎn)電機、Y軸工作臺和計算機。可實現(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單緊湊，操作方便。
【專利說明】大口徑光學(xué)元件輪廓的一次拼接測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件輪廓的測量裝置，尤其是涉及一種大口徑光學(xué)元件輪廓的一次拼接測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著光電及先進制造技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)元件在軍用和民用產(chǎn)品上的應(yīng)用越來越普及，尤其是大口徑非球面光學(xué)元件因具有校正像差、提高系統(tǒng)相對口徑、擴大視場角度、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減輕重量、縮小體積等優(yōu)越性能，被廣泛應(yīng)用于天文光學(xué)系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、熱核聚變、大型望遠(yuǎn)鏡、強激光武器系統(tǒng)之中。
[0003]伴隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)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(shè)備十分昂貴、維護和使用環(huán)境要求很高，無法滿足大口徑光學(xué)元件的測量需求。在各種非接觸式測量方法中，干涉法以其靈敏度高，加之補償鏡、計算全息、移相、外差、鎖相、條紋掃描等先進技術(shù)的出現(xiàn)，一直成為光學(xué)元件檢測的主要途徑。干涉法檢測對工件表面的加工精度要求極高，測量應(yīng)用對象受限，且大口徑的干涉測量設(shè)備同樣存在價格昂貴、維護要求極高、對國內(nèi)技術(shù)禁運等問題。因此采用已有小口徑高精度測量設(shè)備來進行大口徑光學(xué)元件的測量十分必要，也就是拼接測量方法。(參見文獻(xiàn):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(xué)元件[J]，光學(xué)技術(shù)，2001，27 (6):516-517.)
[0004]大口徑光學(xué)元件已有的拼接測量裝置和方法主要是子孔徑拼接干涉法。其基本原理是將被測口徑劃分為若干更小口徑的子孔徑，子孔徑的測量范圍可以覆蓋整個元件，并且各子孔徑間稍有重疊；每次用標(biāo)準(zhǔn)的小口徑高精度干涉儀對子孔徑進行零位干涉檢測，通過移動被檢元件或干涉儀孔徑，測得全部子孔徑面形，然后采用拼接技術(shù)得到全口徑的檢測結(jié)果。由于干涉法的局限性，綜合測量儀器的成本、精度、效率以及對環(huán)境控制的需求等方面來考慮，如果采用小行程高精度坐標(biāo)測量設(shè)備來進行大口徑測量，且進行面形復(fù)原，對于大口徑光學(xué)元件測量具有很強現(xiàn)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(biāo)設(shè)備測量范圍，并大幅度提高使用性價比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的坐標(biāo)測量設(shè)備測量大口徑光學(xué)元件時存在的問題，提供一種可以實現(xiàn)通過一次拼接測量即可獲得大口徑光學(xué)元件表面輪廓的大口徑光學(xué)元件輪廓的一次拼接測量裝置。
[0006]本發(fā)明設(shè)有Y軸直線電機、Y軸直線導(dǎo)軌、底座、運動控制器、立柱、橫梁、測量傳感器、直線運動絲桿螺母副、聯(lián)軸器、測頭運動驅(qū)動電機、Z軸直線導(dǎo)軌、Z軸直線電機、測頭連接座、Z軸工作臺、X軸工作臺、X軸直線導(dǎo)軌、X軸直線電機、工件、工件回轉(zhuǎn)臺、連接座、旋轉(zhuǎn)電機、Y軸工作臺和計算機；
[0007]所述Y軸直線電機和Y軸直線導(dǎo)軌設(shè)于底座上，立柱位于底座上，用以支撐橫梁，X軸工作臺固定于橫梁上并由X軸直線電機驅(qū)動，X軸直線電機設(shè)在X軸直線導(dǎo)軌上，Z軸工作臺位于X軸工作臺上并由Z軸直線電機驅(qū)動，Z軸直線電機設(shè)在Z軸直線導(dǎo)軌上，測頭連接座位于Z軸工作臺上，聯(lián)軸器連接測頭運動驅(qū)動電機和直線運動絲桿螺母副，用于控制測量傳感器的運動，旋轉(zhuǎn)電機位于Y軸工作臺上，旋轉(zhuǎn)電機通過連接座帶動工件回轉(zhuǎn)臺作旋轉(zhuǎn)運動，計算機和運動控制器均位于底座上，計算機由運動控制器控制X軸直線電機及測頭運動驅(qū)動電機速度進行測量軌跡聯(lián)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軸直線電機可采用X軸平板型直線電機，所述Y軸直線電機可采用Y軸平板型直線電機，所述Z軸直線電機可采用Z軸平板型直線電機。
[0009]所述工件回轉(zhuǎn)臺的主體可采用花崗石材料。
[0010]由于X/Y/Z軸運動模塊采用平板型直線電機驅(qū)動，是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置，精度高，無空回。
[0011]由于工件回轉(zhuǎn)臺的主體采用花崗石材料，花崗巖工作面受碰撞或劃傷后，只會產(chǎn)生凹坑，不產(chǎn)生凸紋、毛刺，因此對測量精度無影響，線脹系數(shù)小，受溫度影響小?；◢徥桨宓闹饕攸c是精度穩(wěn)定、維護方便，花崗石平板組織結(jié)構(gòu)稠密、表面光滑耐磨、粗糙度數(shù)值小。
[0012]本發(fā)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(jù)工件口徑大小，設(shè)定拼接分段長度L和分段數(shù)目N，選擇N個測量傳感器及對應(yīng)的一次拼接測頭運動機構(gòu)，按一定的尺寸間距D(D〈L)固定于測頭連接座上。然后根據(jù)工件的表面輪廓方程，通過計算機經(jīng)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(qū)動電機速度進行測量軌跡聯(lián)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(fā)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(xué)元件輪廓的一次性拼接測量。本發(fā)明可實現(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單緊湊，操作方便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實施例的主視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明實施例的一次拼接分段原理圖。
[0016]圖3為本發(fā)明實施例的一次拼接測量起始位置示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明實施例的一次拼接測量結(jié)束位置示意圖。
[0018]圖5為本發(fā)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(fā)明實施例的同心圓測量輪廓結(jié)束位置示意圖。
[0020]以下給出各圖各主要配件的標(biāo)記:
[0021]1-Y軸直線電機、2-Y軸直線導(dǎo)軌、3-底座、4-運動控制器、5_立柱、6_橫梁、7_測量傳感器、8-直線運動絲桿螺母副、9-聯(lián)軸器、10-測頭運動驅(qū)動電機、Il-Z軸直線導(dǎo)軌、12-Z軸直線電機、13-測頭連接座、14-Z軸工作臺、15-X軸工作臺、16-X軸直線導(dǎo)軌、17-X軸直線電機、18-工件、19-工件回轉(zhuǎn)臺、20-連接座、21-旋轉(zhuǎn)電機、22-Y軸工作臺、23-計算機?！揪唧w實施方式】
[0022]以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0023]本發(fā)明實施例設(shè)有Y軸直線電機1、Y軸直線導(dǎo)軌2、底座3、運動控制器4、立柱5、橫梁6、測量傳感器7、直線運動絲桿螺母副8、聯(lián)軸器9、測頭運動驅(qū)動電機10、Z軸直線導(dǎo)軌11、Z軸直線電機12、測頭連接座13、Z軸工作臺14、X軸工作臺15、X軸直線導(dǎo)軌16、X軸直線電機17、工件18、工件回轉(zhuǎn)臺19、連接座20、旋轉(zhuǎn)電機21、Y軸工作臺22和計算機23。
[0024]所述Y軸直線電機I和Y軸直線導(dǎo)軌2設(shè)于底座3上，立柱5位于底座3上，用以支撐橫梁6，X軸工作臺15固定于橫梁6上并由X軸直線電機17驅(qū)動，X軸直線電機17設(shè)在X軸直線導(dǎo)軌16上，Z軸工作臺14位于X軸工作臺15上并由Z軸直線電機12驅(qū)動，Z軸直線電機12設(shè)在Z軸直線導(dǎo)軌11上，測頭連接座13位于Z軸工作臺14上，聯(lián)軸器9連接測頭運動驅(qū)動電機10和直線運動絲桿螺母副8，用于控制測量傳感器7的運動，旋轉(zhuǎn)電機21位于Y軸工作臺22上，旋轉(zhuǎn)電機21通過連接座20帶動工件回轉(zhuǎn)臺19作旋轉(zhuǎn)運動，計算機23和運動控制器4均位于底座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(qū)動電機10速度進行測量軌跡聯(lián)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軸直線電機可采用X軸平板型直線電機，所述Y軸直線電機可采用Y軸平板型直線電機，所述Z軸直線電機可采用Z軸平板型直線電機。
[0026]所述工件回轉(zhuǎn)臺的主體可采用花崗石材料。
[0027]以下結(jié)合500mm 口徑光學(xué)元件作進一步說明。
[0028]圖2給出本發(fā)明一次拼接分段原理圖，根據(jù)工件口徑大小為500mm，設(shè)定拼接分段長度為200mm，即X軸進給距離為200mm，設(shè)定分段數(shù)目為3，即選擇3個測量傳感器及對應(yīng)的一次拼接測頭運動機構(gòu)，按一定的尺寸間距150mm固定于測頭連接座上，由此可計算出每一重疊部分A間距為50mm，然后根據(jù)工件的表面輪廓方程，通過計算機經(jīng)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(qū)動電機速度進行測量軌跡聯(lián)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(biāo)記B為測量結(jié)束位置。
[0029]圖3給出本發(fā)明一次拼接測量起始位置示意圖，圖4為本發(fā)明實施例的一次拼接測量結(jié)束位置示意圖。根據(jù)工件的表面輪廓方程，通過計算機經(jīng)由運動控制器驅(qū)動X/Y/Z軸電機，將光學(xué)元件待測部分邊緣置于測量傳感器7下方，測頭運動驅(qū)動電機控制直線運動絲桿螺母副，將3個測量傳感器置于待測部分表面，如圖3，通過計算機設(shè)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(shù)據(jù)，通過控制測頭運動驅(qū)動電機速度進行測量軌跡聯(lián)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，最后得到如圖4。圖3中，標(biāo)記C為測量起始位置，圖4中，標(biāo)記B為測量結(jié)束位置。
[0030]圖5給出本發(fā)明同心圓測量輪廓示意圖，圖6為本發(fā)明實施例的同心圓測量輪廓結(jié)束位置示意圖。將口徑為500_的待測工件18放置在工件旋轉(zhuǎn)臺19上，設(shè)置4個測量傳感器，測頭間距設(shè)為60_，在一次拼接測量方式下，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機，如圖5，使得工件旋轉(zhuǎn)平臺帶動工件以一定速度旋轉(zhuǎn)，然后通過計算機設(shè)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，最后得到如圖6，可通過此方法得到工件表面的面形輪廓數(shù)據(jù)，以用來擬合待測元件三維表面，可根據(jù)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(quán)利要求】
1.大口徑光學(xué)元件輪廓的一次拼接測量裝置，其特征在于設(shè)有Y軸直線電機、Y軸直線導(dǎo)軌、底座、運動控制器、立柱、橫梁、測量傳感器、直線運動絲桿螺母副、聯(lián)軸器、測頭運動驅(qū)動電機、Z軸直線導(dǎo)軌、Z軸直線電機、測頭連接座、Z軸工作臺、X軸工作臺、X軸直線導(dǎo)軌、X軸直線電機、工件、工件回轉(zhuǎn)臺、連接座、旋轉(zhuǎn)電機、Y軸工作臺和計算機； 所述Y軸直線電機和Y軸直線導(dǎo)軌設(shè)于底座上，立柱位于底座上，用以支撐橫梁，X軸工作臺固定于橫梁上并由X軸直線電機驅(qū)動，X軸直線電機設(shè)在X軸直線導(dǎo)軌上，Z軸工作臺位于X軸工作臺上并由Z軸直線電機驅(qū)動，Z軸直線電機設(shè)在Z軸直線導(dǎo)軌上，測頭連接座位于Z軸工作臺上，聯(lián)軸器連接測頭運動驅(qū)動電機和直線運動絲桿螺母副，用于控制測量傳感器的運動，旋轉(zhuǎn)電機位于Y軸工作臺上，旋轉(zhuǎn)電機通過連接座帶動工件回轉(zhuǎn)臺作旋轉(zhuǎn)運動，計算機和運動控制器均位于底座上，計算機由運動控制器控制X軸直線電機及測頭運動驅(qū)動電機速度進行測量軌跡聯(lián)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(quán)利要求1所述大口徑光學(xué)元件輪廓的一次拼接測量裝置，其特征在于所述X軸直線電機采用X軸平板型直線電機，所述Y軸直線電機采用Y軸平板型直線電機，所述Z軸直線電機采用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(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】郭隱彪, 李欣, 楊旭, 張艷婷, 王振忠 申請人:廈門大學(xué)