[发明专利]轴孔的同轴度加工误差的光学检测装置及光学检测方法

说明书

本发明公开一种轴孔的同轴度加工误差的光学检测装置及光学检测方法。光学检测装置包括主光学组件及两个辅光学组件，主光学组件包括两维调整平台及全站仪；辅光学组件包括平板透镜、第一、第二千分表及五维调整架，五维调整架包括调整架底座、回转轴承、第一、第二及第三调整机构，回转轴承与调整架底座转动连接，用于带动平板透镜、第一、第二千分表转动，第一调整机构用于调整调整架底座的位置和倾斜，第二、第三调整机构用于调整平板透镜的倾斜及位置，平板透镜具有辅十字丝，第一千分表用于量测轴端面与回转轴承的轴线的垂直偏差，第二千分表用于量测轴孔面与回转轴承的中心的偏差。光学检测装置及光学检测方法具有较高的检测精度。

技术领域

本发明涉及同轴度加工误差检测技术领域，特别涉及一种轴孔的同轴度加工误差的光学检测装置及光学检测方法。

背景技术

天文望远镜的研制是人类征服宇宙、探索宇宙奥秘的一个成功壮举。随着天文学对暗弱目标研究的需求，如宇宙深空恒星的形成与演变、星系分布与结构、太阳物理、时域天文学及星系物理和太阳系外行星物理等，推动了地基大型光学望远镜朝大口径、高分辨力方向发展，其原因在于：宇宙中除了特定粒子(宇宙射线，中微子等)外，信息的唯一载体是地球上或者地球附近能接收到的电磁辐射，而望远镜的作用是探测并收集电磁辐射。为了收集更多的电磁辐射，以更高的灵敏度探测电磁辐射，需要尽可能提高望远镜系统的衍射极限角分辨力，角分辨力越高意味着望远镜系统可以探测到更加微弱的目标，而提高角分辨力的一种直接有效途径就是增大望远镜的通光口径。

经过了过去四个世纪的发展，望远镜的口径已从最初的伽利略望远镜(400mm口径)增大到目前正在研制中的TMT(30m口径)和GMT(25m口径)。随着望远镜口径的增大，与之对应的望远镜结构件尺度也随之不断增大。以国内正在研制的4m口径地平式望远镜为例，作为光学系统载体的望远镜跟踪机架的总体高度达到了12m量级，宽度达到7m量级。望远镜跟踪机架的功能是通过精密控制俯仰轴和方位轴的回转运动实现光学系统对任意天区的精确指向和对目标的稳定跟踪测量。为了提高望远镜跟踪测量精度，减小方位轴和俯仰轴的回转误差是一个关键。

与方位轴相比，减小俯仰轴回转误差的难度更大，从俯仰轴本身结构上考虑，其原因在于以下三个方面：

(1)为了保证望远镜通光口径，俯仰轴跨度要大于主镜的直径，这会导致俯仰轴的关键结构件四通的跨度大，结构刚度下降，自身变形增大；

(2)四通作为俯仰轴的关键结构件，上下表面分别连接望远镜主镜和次镜，两侧分别连接俯仰轴的两个轴端，两轴端的同轴度误差对俯仰轴回转精度影响非常大，而对于四通这类跨度非常大的结构件来说，降低轴孔的同轴度加工误差难度非常大；

(3)四通结构复杂而且跨度大，两侧轴端的同轴度误差检测困难，目前往往通过数控机床自身定位来实现加工误差的控制，而数控机床自身属于一个动坐标系，有多个可动环节，这会在检测中因引入自身的误差而影响检测精度，而且数控机床自身的精度随运动范围增大而线性增长。

具体地，通过数控机床现场检测地基大型光学望远镜中的大尺度回转类结构件的同轴度加工误差时，数控机床的加工精度受机床滑枕移动范围影响较大，大尺度的被加工件如四通两侧轴端的加工，往往需要机床滑枕移动的范围很大，这会造成机床自身加工精度下降，而且还会导致机床自身的现场检测精度下降，两种因素综合在一起，将很难降低四通两轴端的同轴度加工误差。为了控制两轴端同轴度加工误差，往往采用精度非常高的数控加工设备，尽管在一定程度上能够满足使用要求。但随着结构件尺度的不断增大，加工设备的选择将会受到很大的限制。

从四通结构自身特点上考虑，两侧轴端面的加工面积非常小，若单纯加工一个端面，即使采用中等精度的数控机床，也能达到非常高加工精度。由于四通的跨度大，将两个轴端面同轴误差控制在一定精度范围内的加工难度是非常大的。若能够通过合理的检测手段，准确检测出四通两侧跨距较大的两个轴端面的同轴度加工误差，然后根据检测数据进行补偿加工，这样即使采用中等精度的加工设备也能够满足加工误差的要求，同等精度的加工设备可以加工更大尺度的结构件。