[发明专利]自由曲面非接触降维误差分离检测方法与装置

权利要求书

1.自由曲面非接触降维误差分离检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：将高精度平面平晶分别置于自由曲面样品姿态调整装置(9)和参考平晶姿态调整装置(10)上，通过激光干涉仪(11)测量激光干涉测量镜组(6)与高精度平面平晶间的距离，调整自由曲面样品姿态调整装置(9)和参考平晶姿态调整装置(10)的姿态，保证与Z向气浮导轨(8)垂直；

步骤二：将被测自由曲面样品和高精度平面平晶分别放置在自由曲面样品姿态调整装置(9)上和参考平晶姿态调整装置(10)上，利用Z向气浮导轨(8)带动非接触高度测量传感器(5)和激光干涉位移测量镜组(6)沿Z向移动，获得被测自由曲面样品轮廓的Z向表面高度和倾角信息；

步骤三：当被测自由曲面样品表面倾角较大，超过非接触高度测量传感器(5)的倾角测量范围时，通过纵向最小区域法进行姿态判定，利用位于支撑点(13)的压电陶瓷，调整球面气浮工作台的姿态，使被测自由曲面样品的倾角在系统可测范围内，沿蛇形路径驱动X向气浮导轨(3)和Y向气浮导轨(7)，对每个测量点(12)重复步骤二，采集每一个测量点(12)的表面高度和倾角信息实现自由曲面样品轮廓的X-Y平面扫描检测；

步骤四：被测自由曲面样品进行X向和Y向扫描检测时的直线运动误差由激光干涉仪(11)测量得到的位移数据进行补偿，将自由曲面样品三维形貌数据{D₁₁(x,y,z),D₁₂(x,y,z),…,D_ij(x,y,z),…,D_MN(x,y,z)}拟合，得到被测自由曲面样品的整体面型轮廓，求解自由曲面表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

2.根据权利要求1所述的自由曲面非接触降维误差分离检测方法，其特征在于：使用纳米精度高度测量传感器，通过降维误差分离方法，实现自由曲面形貌的纳米精度检测，提高自由曲面测量效率，并对具有微细结构的自由曲面进行快速测量。

3.根据权利要求1所述的自由曲面非接触降维误差分离检测方法，其特征在于，基于三点支撑结构设计的球面气浮自由曲面样品姿态调整装置(9)，通过压电陶瓷调节被测自由曲面样品的姿态，提高被测自由曲面样品轮廓的测量范围。

4.自由曲面非接触降维误差分离检测装置，采用龙门结构三坐标测量机的轮廓测量方式，其特征在于包括：主动气浮隔震弹簧(1)、气浮隔振基座(2)、X向气浮导轨(3)、龙门架(4)、非接触高度测量传感器(5)、激光干涉位移测量镜组(6)、Y向气浮导轨(7)、Z向气浮导轨(8)、自由曲面样品姿态调整装置(9)、参考平晶姿态调整装置(10)、激光干涉仪(11)；其中，气浮隔振基座(2)安装在主动气浮隔震弹簧(1)上，通过主动气浮隔振弹簧(1)起到隔振的作用；将X向气浮导轨(3)固定安装在气浮隔振基座(2)上，X向气浮导轨(3)上安装有气浮导套，并将基于三点支撑结构设计自由曲面样品姿态调整装置(8)和参考平晶姿态调整装置(9)平行安装在气浮导套上；非接触高度传感器(5)和激光干涉位移测量镜组(6)平行安装在Z向气浮导轨(8)上，Z向气浮导轨(8)安装在Y向气浮导轨(7)，Y向气浮导轨(7)和激光干涉仪(11)分别安装在龙门架(4)上，龙门架固定安装在气浮隔震基座(2)上。

5.根据权利要求4所述的自由曲面非接触降维误差分离检测装置，其特征在于，将高精度平面平晶作为X-Y参考基准平面装置，通过调整自由曲面样品姿态调整装置(9)和参考平晶姿态调整装置(10)的姿态与Z向气浮导轨(8)垂直，抑制X向气浮导轨(3)和Y向气浮导轨(7)的直线度误差，实现X-Y平面直线度降维误差分离，提高自由曲面形貌的测量精度。

6.根据权利要求4所述的自由曲面非接触降维误差分离检测装置，其特征在于：利用非接触高度传感器(5)的特性，对自由曲面样品表面进行高精度高度测量，避免单点扫描过程中的重复定焦问题，对样品直接层析测量，提高自由曲面测量效率，可对具有微细结构的自由曲面进行快速测量。

7.根据权利要求4所述的自由曲面非接触降维误差分离检测装置，其特征在于，将余气回收式气浮导轨技术、大行程丝杠驱动技术、纳米级压电陶瓷驱动技术、激光干涉测长技术和无扰联接器技术融合，实现宏-微跨尺度纳米精度无扰驱动与测量，为自由曲面提供高精度的三维直线定位与扫描测量手段。