[发明专利]非球面磨削圆弧金刚石砂轮三维形状误差在位精密测量方法

说明书

本发明提供一种非球面磨削圆弧金刚石砂轮三维形状误差的在位精密测量方法，该方法包含：1)螺旋式连续扫描测量砂轮表面各点的高度数据；2)将数据按螺旋轨迹模型进行插值拟合处理，得到砂轮表面三维几何形貌矩阵，并进行最小二乘圆弧拟合，得到砂轮圆弧半径、圆弧中心坐标和圆弧中心偏差；3)建立砂轮表面的平均三维几何形貌矩阵，并与形貌矩阵相减，得到三维误差分布矩阵、圆弧度误差和径向跳动误差；4)测量砂轮外圆周高度数据，通过最小二乘圆弧拟合，得到砂轮基础部分半径。本发明实现对圆弧金刚石砂轮所有重要几何参数的高效精密非接触式测量，测量结果可直接用于非球面光学元件超精密磨削加工砂轮运动控制点坐标的精确插补计算。

技术领域

本发明涉及非球面光学元件超精密磨削加工领域，具体涉及非球面磨削过程中使用的圆弧金刚石砂轮三维形状误差的精密测量方法。

背景技术

非球面镜能够消除球面元件在光束传递过程中产生的球差、慧差、像差等不利影响，在光束聚焦时能减少光能损失，提高聚焦和校准精度，在大型高功率光学系统中获得了广泛的应用。采用超精密磨削加工的方法，可批量获得高精度大口径非球面镜片，目前国际上已被多项大型光学系统(如NIF、KECK、TMT、GMT、EURO50、OWL等)作为光学元器件制造的主工艺使用。超精密磨削加工基于高精度和高刚度的磨削机床，通过对运动坐标的精确插补计算，利用砂轮的运动复印原理获得成形表面，因此砂轮的几何形状误差会完全复印到元件表面，影响最终元件的成形加工精度。对砂轮形状误差的精确测量，是实现数控磨床运动坐标精确插补计算的前提，是进行高精度非球面超精密磨削加工必须首先解决的问题。

CN102840839A公开了一种砂轮截形精确测量和误差补偿的方法，该方法利用高分辨率数码设备对待测砂轮进行图像采集，提取截形并获得待测砂轮轮廓数据，然后与标准砂轮截形数据进行对比，获得待测砂轮的截形误差。该种方法可以用于各种类型的砂轮截形的检测，并且获得的数据是衡量砂轮修整器性能的重要指标。但对于光学加工微米级别的精度要求，该种方法的测量精度受限于数码设备的分辨率而不能满足光学加工的实际应用，并且对于圆弧砂轮的多个形状误差评价参数，如：圆弧中心偏差、砂轮径向跳动误差、砂轮基础部分半径等，无法进行准确计算获得。

CN105234820A公开了一种非接触式金属基砂轮圆度误差及磨损量在线检测方法及其装置，利用固定电涡流传感器实现对金属基砂轮圆弧误差的精确测量，结合光电码盘对砂轮相位的精确定位，测量磨损前后砂轮同一位置处的半径变化获得砂轮的磨损量。该方法能够以非接触的方式在线精确获得金属基砂轮的圆度误差，但同样无法准确获取圆弧砂轮例如圆弧半径、圆弧中心偏差、圆弧度误差等参数，并且对于陶瓷基、树脂基等不导电的砂轮无法进行准确测量。

目前公开的砂轮形状误差检测技术中，多数利用工业相机对砂轮进行图像采集与处理，以及利用传感器对表征形状误差的极个别参数进行检测，对于高精度的复杂非球面加工领域的复杂曲面砂轮，其形状误差需要进行多参数精确测量与评价。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于大口径非球面光学元件精密磨削圆弧金刚石砂轮三维形状误差的在位精密测量方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：非球面磨削圆弧金刚石砂轮三维形状误差在位精密测量方法，该方法包含以下步骤：

1)将位移传感器安装于金刚石砂轮下方，匀速旋转金刚石砂轮，同时位移传感器沿金刚石砂轮轴向匀速平动，测量点在金刚石砂轮表面进行螺旋式连续扫描，同时记录位移传感器测得的数据z(t)；

2)对数据z(t)进行匀滑滤波处理，并截取中央部分有效数据，按螺旋轨迹模型进行插值拟合处理，得到金刚石砂轮表面三维几何形貌矩阵M₀；

3)将三维几何形貌矩阵M₀按金刚石砂轮轴向取向量，逐一进行最小二乘圆弧拟合，得到金刚石砂轮不同相位处的圆弧半径R(α)以及圆弧中心坐标Y(α)和Z(α)；