[发明专利]一种直线电机驱动的五轴光学非球面检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学非球面元件面形检测装置，尤其是涉及一种针对不同曲率的直线电机驱动的五轴光学非球面检测装置。

背景技术

非球面光学元件在应用方面有诸多优点，例如可校正高分辨率透镜的像差，从而提高光学系统成像质量，而且一个或几个非球面元件可代替多个球面元件，从而简化仪器结构，降低成本并有效地减轻仪器质量。(参见文献：张云庆.日益增长的需求和面临的工艺挑战。光机电信息，2005，11：14-21)。特别是近年来，新材料的出现和新的制造技术的发展使得非球面的加工技术有了突飞猛进的发展，现在，可以使用一些新的流程像离子束修整、计算机控制抛光以及磁流变成形来制造非球面元件，而且这样的新方法可以达到很高的制造精度。但是非球面元件的制造必须与精确的非球面元件的检测技术相结合才能得到合格的非球面。所以非球面光学元件的检测已经成为现代光学测量技术研究的前沿领域。

目前，检测非球面的方法大多采用的是接触式和非接触式两种测量方法，但是在非接触式测量时通常会遇到一些麻烦。在非接触式测量中，由于不是直接测量非球面本身的几何形状，而是用光感传感器对非球面的反射光进行探测，因此对测头和被测工件表面的相对位置要求很高。在对非球面光学元件进行检测时，若碰到测量较大倾斜角的轮廓表面或者高曲率的表面时，则会造成信号畸变和失真，还有照明情况和表面状态反射情况等。因此要求在进行非接触式测量时，测头与被测表面要基本保持垂直，或者只能存在很小的倾角。这就要求有一种能实现测头与工件表面相对位置调整的检测平台。

发明内容

本发明的目的是针对现有的检测平台在对非球面光学元件测量时无法调整测头与工件表面到垂直的位置，无法对非球面光学元件实现准确测量的问题，提供一种能够通过五轴的联动调整测头与工件表面的相对位置，保证测头与工件表面垂直的直线电机驱动的五轴光学非球面检测装置。

本发明设有计算机、运动控制卡、驱动器、X轴直线电机、X轴直线导轨、底座、X轴工作台、支柱、横梁、Y轴直线电机、Y轴直线导轨、Y轴工作台、Z轴直线导轨、Z轴直线电机、Z轴工作台、A轴工作台、测头固定座、测头、C轴工作台、C轴DD马达(直接驱动马达)、X轴直线导轨滑块、Y轴直线导轨滑块、Z轴直线导轨滑块和A轴DD马达(直接驱动马达)。

驱动器与运动控制卡相连，驱动器受运动控制卡控制；X轴工作台位于底座上，由X轴平板型直线电机驱动，Y轴工作台由Y轴直线电机驱动，Z轴工作台由Z轴直线电机驱动；A轴工作台的旋转运动由A轴DD马达驱动，C轴工作台的旋转运动由C轴DD马达驱动，C轴DD马达位于X轴工作台上，C轴DD马达可随X轴工作台做前后方向的移动；Z轴工作台位于Y轴工作台上，A轴DD马达位于Z轴工作台上，A轴DD马达可随Y轴工作台和Z轴工作台做左右和上下运动。

所述X轴直线电机可采用X轴平板型直线电机，所述Y轴直线电机可采用Y轴平板型直线电机，所述Z轴直线电机可采用Z轴平板型直线电机。

在实际测量过程中，首先通过X/Y/Z 3个方向的运动机构可以调整工件与测头在X/Y/Z 3个方向上的相对位置，把工件调整到测头的下方。然后再通过位于X轴工作台上的C轴DD马达，把工件要测部位旋转到测头的正下方。再根据预先拟合出来的模型中被测位置的曲率，通过控制卡给驱动器发送指令，驱动Y/Z/A三轴的联动，调整测头的位置，并根据测头所获得反射光的强度来确定最优位置，实现测头与被测工作表面的垂直，以获得真实的面形数据。

平台的主体可采用花岗石材料，具有变形小、稳定性好、强度大、硬度高等优点，能在重负荷及一般温度下保持高精度。

X/Y/Z轴运动模块采用平板型直线电机驱动，具有响应速度快、运行平稳、负载大、对工作环境要求低等特点。最主要的特点是省去了中间的运动转换装置，克服了传统电机存在运动间隙的问题，满足了作为一个高精度检测平台的要求。

其中A轴和C轴都采用的是DD马达直接驱动，省去了中间的连接机构，减少了由于机械结构产生的定位误差。并且配备了高解析度的编码器，使得DD马达比普通的伺服高一个等级精度，再配上磁光栅作为位置反馈，可以使定位精度达到微秒级。

本发明提供的五轴非球面光学元件检测平台，能够实现5个方向的运动，包括X/Y/Z 3个方向的直线运动和A/C轴两个方向上的旋转运动。可以精确的实现对测头和工件相对位置的调整，保证测头与工件表面的垂直，从而获得精确的面形数据。同时还可以结合控制系统，实现对各种工件的表面面形检测。因此利用本发明的检测平台具有运动平稳，刚性好，精度高等特点，应用前景广阔。

附图说明