[发明专利]一种基于路径规划的光学探针在线检测方法

说明书

本发明涉及一种基于路径规划的光学探针在线检测装置及其方法，该方法涉及到多次在线检测数据的重构三维测试曲面的过程，第一步在线检测曲面的径向误差数据，利用双探针探测方式，一个探针实时监测环境影响，另一探针检测多条过中心的径向轮廓数据；第二步在线检测曲面的周向轮廓数据，一个探针实时监测环境影响，另两个光学探针协同获得曲面的面形误差和主轴的旋转角度数据，检测路径为多个同心圆环；第三步利用第一步测试数据将第二步的测试数据坐标位置逐点修正，并重构成三维检测曲面。与现有技术相比，本发明能够有效降低环境因素对光学探针的扰动影响，并能提高较大口径非旋转对称曲面的在线检测精度。

技术领域

本发明涉及高精度检测技术领域，尤其是涉及一种基于路径规划的光学探针在线检测方法。

背景技术

超精密金刚石加工技术能够通过金刚石刀具直接加工出亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙度的光学表面，近年来被广泛应用于光学、生物医学、电子和航空航天等领域。然而，受到各种误差因素的影响，超精密加工后的表面不可避免地会与理想表面产生偏差，从而影响其光学性能。因此有必要对加工后的光学表面进行测量，进而调整加工方案，以获得更高精度的光学表面，可以说，表面测量是进一步提高超精密金刚石加工精度和效率的基础。

目前应用比较广泛的表面测量技术，例如商用轮廓仪和干涉仪等，仅适用于离线检测，但是，对于需要补偿加工的光学表面，离线检测过程中的拆卸和重新安装步骤容易引入对准误差，并且延长了生产周期。因此，为了提高测量的可靠性和效率，基于离线检测的方法开始转向于直接在制造平台上进行表面测量，即在线检测。由于避免了二次安装，在线检测可以实时评估加工表面，并为超精密加工的过程控制提供反馈，现有的在线检测技术分为接触式和非接触式两类，其中又以非接触式在线检测最为受关注，因其省略了半径补偿步骤，并且对测量表面无损伤的特性，已被广泛应用于超精密制造过程中。

但是，非接触式在线检测探头，很容易受到机床环境因素的影响，从而造成测量误差。针对这一问题，巴黎大学在2012年使用彩色共焦探针搭建了在线检测系统，并分析了机床和环境热效应的影响，实验结果表明温度与测量误差存在明显的相关性，但并未给出修正温度误差的方法；中科院长春光机所于2018年对基于电容式位移传感器的在线检测系统的主轴旋转热效应进行了研究，并对机床旋转过程中的温度变化进行了监测，结果表明热效应是主轴和环境共同作用的结果，并且与主轴的转速相关；同济大学在2018年基于超精密金刚石车削后的在线检测过程，设计了一种补偿环境扰动的方案，以径向轮廓测量数据为基础对螺旋形测量数据进行校正，最终补偿加工后的离轴抛物面轮廓精度为0.345μm。

由此可见，超精密加工机床的环境因素直接影响了非接触式在线检测系统的精度，尤其对于光学探针，温度和湿度的扰动会导致空气折射率的变化，从而影响测量结果。特别是对大口径光学表面进行测量时，测量时间的增加也使得这种环境误差更为明显。然而纵观国内外现有的研究成果，还并没有对环境因素所引起的测量误差进行修正的有效方法。基于以上问题可知，提高光学探针在线检测精度的难点之一在于减少测量结果中的环境误差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于路径规划的光学探针在线检测方法，以降低环境因素对光学探针的扰动影响、提高检测精度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于路径规划的光学探针在线检测装置，包括设置在超精密车削车床的第一平台和第二平台，所述第一平台上架设有第一光学探针和第二光学探针，所述第二平台上安装有车床主轴和第三光学探针，所述第一光学探针、第二光学探针和第三光学探针分别连接至控制器，所述车床主轴连接有真空吸盘，所述真空吸盘上吸附有待检测工件，所述真空吸盘同轴于车床主轴的旋转轴，所述第一光学探针用于实时监测环境扰动影响；

所述第二光学探针根据规划路径，用于检测待检测工件的径向面形轮廓误差和周向轮廓误差；

所述第三光学探针用于检测真空吸盘的旋转方位角度；