[发明专利]面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，属于光学曲面测量 技术领域。

背景技术

随着科技的发展，光学镜面在国防、工业、民用等各个领域都发挥着重要的作用。其 中，光学非球面镜具有质量高，成本低，结构更紧凑，成像更清晰等优点，广泛地应用在 光学领域。然而由于非球面镜面形较为复杂，制造高精度的非球面镜较为困难，所以需要 补偿来消除加工误差对工件面形的影响。传统制造过程中，为确定非球面加工的面形误差， 需要先将工件取下，在测量装置上测量后重新装夹，这会引入装夹误差，不能很好地补偿 非球面的面形误差，很难得到高精度的非球面镜。在位检测可以很好地克服这个缺点，在 位测量出工件的面形误差后，可以在位补偿该误差，从而使工件得到很高的面形精度。

然而对于在位检测而言，由于在位测量时会引入导轨误差，测得的工件面形也会不准 确。现今光学镜面的面形误差可以达到0.1～10um，而精密、超精密机床的导轨直线度误 差也可达到0.1～10um，两项误差相互耦合使得在位检测的工件面形精度下降，严重影响 后续的补偿加工，甚至会破坏工件面形。

误差分离测量方法可以有效地分离工件面形与导轨直线度误差，然而传统的误差分离 测量方法用多个测头同时测量，采样间隔大，一般在1mm以上，不适于测量通常在100mm 以下的光学元件。同时，由于误差分离测量方法多用于测量平面工件，对于表面起伏较大 的光学镜面而言，尚缺一种成熟测量方法。因此，对于精密、超精密机床的在位检测，传 统误差分离测量方法不适用，需基于以上条件发明一种新的误差分离测量方法。

发明内容

本发明目的是为了解决传统的误差分离测量方法采样间隔大，并不适用于表面起伏较 大的光学镜面的问题，提供了一种面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法。

本发明第一种技术方案：面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，它通 过直线滑台和位移传感器实现，

将直线滑台安装在精密或超精密机床的Z轴导轨上，并使直线滑台能够沿平行于X 轴导轨的方向移动，所述Z轴导轨与机床主轴的轴向平行，X轴导轨的方向为水平面内 与Z轴导轨相垂直的方向；

位移传感器安装在直线滑台上，位移传感器的测量方向平行于Z轴导轨方向；

测量过程为：使直线滑台在Z轴导轨方向的位置固定，使安装于机床主轴上的光学 曲面沿X轴导轨的方向移动，在光学曲面的移动过程中，通过位移传感器沿X轴导轨方 向测量光学曲面面形；

重复N-1次上述测量过程，每一次测量前，使直线滑台沿X轴导轨的方向移动预定 位移，所述预定位移为微米至毫米量级，使位移传感器每一次测量的起点与终点相同，并 且每一次光学曲面的移动速度及位移传感器的采样频率均相同，最终获得N个光学曲面 面形测量数据；N为大于1的自然数；

将测得的N个光学曲面面形测量数据采用误差分离方法进行分离，获得光学曲面的 真实面形误差与机床的直线度误差。

所述直线滑台为手动滑台或自动滑台，滑台的导轨结构为气浮式导轨、液浮式导轨、 滑动式导轨或滚动式导轨。

位移传感器为接触式传感器或非接触式传感器，接触式传感器结构为气浮式。

第二种技术方案：面向精密超精密机床的单测头光学曲面在位测量方法，它通过直线 滑台和位移传感器实现，

将直线滑台安装在精密或超精密机床的Z轴导轨上，并使直线滑台能够沿平行于X 轴导轨的方向移动，所述Z轴导轨与机床主轴的轴向平行，X轴导轨的方向为水平面内 与Z轴导轨相垂直的方向；

位移传感器安装在直线滑台上，位移传感器的测量方向平行于Z轴导轨方向；

所述测量方法用于位移传感器的量程小于光学曲面的矢高时，所述矢高为光学曲面沿 Z轴导轨方向的总高度；

首先沿光学曲面的面形设定分段平行于X轴导轨或Z轴导轨的折线轨迹，使折线轨 迹中每一段平行于X轴导轨的直线所对应的光学曲面的光学曲面段沿Z轴导轨方向的高 度在位移传感器的量程内；

折线轨迹中每一段直线所对应的光学曲面段的测量过程为：

使直线滑台固定在Z轴导轨方向上的预定位置，使安装于机床主轴上的光学曲面沿X 轴导轨的方向移动，在光学曲面的移动过程中，通过位移传感器沿X轴导轨方向测量折 线轨迹中当前段直线对应的光学曲面段的面形；