[发明专利]大口径光学非球面元件柱坐标接触式测量方法

说明书

【技术领域】

本发明属于精密测量技术领域，特别涉及一种大口径光学非球面元件的接触式测量方法。

【背景技术】

空间光学中的大型空间望远镜采用二次非球面反射镜，激光核聚变中高功率激光装置采用多片非球面，空间相机、航天遥感、大口径夜视仪等都采用高精度大口径非球面元件，随着空间技术和国防技术的提高，大口径非球面元件需要量越来越大。大批量、高效率，高精度的制造光学非球面元件就需要高精度的测量来指导加工过程，随之而来，测量过程就要效率高、精度高以及误差评定方法可靠快速。非球面的测量技术一直制约非球面应用发展，对于铣磨加工后的非球面元件无法采用非接触式的测量方法，因为面形精度不能满足干涉测量的要求，因此测量都是采用接触式的测量方法。大口径非球面的接触式测量主要有三坐标测量和拼接测量技术，三坐标测量仪的误差源多，测量精度低，高精度的三坐标测量仪价格昂贵，国外对大口径非球面测量主要有德国leitz三坐标测量仪CMM；拼接测量采用增加第三环节进行测量，再对测量数据进行分析处理，这样得到的测量结果精确度不高。

针对超精度形状测量仪-柱坐标测量仪开发了高效、高精度的测量方法和快速找中方法，实现大口径非球面铣磨加工后的面形测量和评定，旨在解决口径在500-1000mm大口径非球面光学元件的测量。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种大口径光学非球面元件柱坐标接触式测量方法，用于大口径非球面元件铣磨加工后的面形测量和评定；采用柱坐标坐标系建立工件坐标系和测量坐标系，通过高精度接触式测头进行数据的快速采样。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大口径光学非球面元件柱坐标接触式测量方法，利用测量机通过柱坐标测量方式，采集二维或三维数据；包括以下步骤：

步骤S1：利用电感测微仪，找正转台面中心和长度计中心，使上下中心同心，同心精度保证在0.1μm；

步骤S2：通过电感测微仪将工件找正，将长度计伸出，记录长度计伸出量，同时记录X轴坐标值，将这点的坐标作为基准坐标(x₀，z₀)；

步骤S3：确定基准坐标后，移动X轴将长度计移动到工件边缘确定起始点，将移动量和基准坐标比较确定测量行程L；

步骤S4：根据测量机建立工件坐标系和测量坐标系，确定二维测量或三维测量，并进行数据采集，得到所需要的坐标点。

本发明进一步的改进在于：步骤S1中先找正转台面和长度计中心，再通过电感测微仪将工件调整到中心。

本发明进一步的改进在于：步骤S1具体包括以下步骤：将电感测微仪测头固定到表座上面，并将表座固定到转台面任意可以实现测量的位置，将电感测微仪测头打到长度计端部位置，通过转台面调整旋转工作的调心机构；将电感测微仪调到0.01μm档，将误差调整到0.1微米以内，即为找正。

本发明进一步的改进在于：二维测量过程中，X轴部件带动长度计沿X轴方向运动，实现测量步距的运动，每走一个步距长度计伸出采集一次数据，得到N个坐标点(x_i，z_i)，i＝1…N；在三维测量过程中，每圈的测量步数为n1，测量的步距为n2，从第一点开始，转台面转动一个角度θ＝360/n1，长度计伸出采样一次，测完一圈，找到起始位置，转台面沿X轴方向运动一个测量步距，直到完成测量过程，得到n1×n2个坐标点(x_ij，z_ij，θ_ij)，i＝1…n1，j＝１…n2。

本发明进一步的改进在于：测量机包括天然花岗岩床身、X轴部件、Z轴部件和调心调平装置；X轴部件包括辅气体静压导轨、焊接椭圆弧龙门架、主气体静压导轨和第一直线电机；辅气体静压导轨和主气体静压导轨卡设于天然花岗岩床身两侧；焊接椭圆弧龙门架的两个末端，一端固定在辅气体静压导轨上，另一端固定在主气体静压导轨；Z轴部件包括八棱面花岗岩导柱、V型气浮轴承块、长度计和第二直线电机；两个V型气浮轴承块通过螺栓连接在焊接椭圆弧龙门架上，用于调节Z轴的垂直度；八棱面花岗岩导柱7与对称连接的双V型气浮轴承块组成气体静压导轨副，实现Z轴的上下运动；第二直线电机的次级线圈与焊接椭圆弧龙门架固定连接，初级线圈与花岗岩导柱连接；长度计固定在花岗岩导柱的内腔；调心调平装置包括转台面、万向调平板、转台下静压盘和驱动转台下静压盘转动的驱动单元；转台下静压盘与天然花岗岩床身之间通过气体静压轴承支承。