本發(fā)明屬于光學(xué)精密測試、精密加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大口徑精密非球面加工檢測裝置及其方法，可用于精密光學(xué)系統(tǒng)中大型高精度非球面元件面形的檢測與加工。

技術(shù)背景

大口徑高精度非球面光學(xué)元件，在航天相機(jī)、天文望遠(yuǎn)鏡等精密光學(xué)系統(tǒng)中起著極其重要的作用。在非球面加工中，為了滿足非球面的面形和粗糙度的設(shè)計要求，其一般采用加工-檢測-再加工-再檢測等制造工藝，在某種程度上，獲得高精度非球面元件的關(guān)鍵在于能否提供可靠的、行之有效的檢測技術(shù)來指導(dǎo)加工，尤其是在大口徑光學(xué)非球面的銑磨和研拋階段，非球面面形的高精度測量是決定面形收斂精度以及收斂速度的關(guān)鍵。目前，非球面的高精度檢測已經(jīng)成為高精度非球面光學(xué)元件制造中所面臨的最大問題。

目前，常用的主要測量方法有接觸式探針掃描法、光學(xué)探針掃描法和光學(xué)干涉法，其中接觸式掃描測量法主要應(yīng)用于大型球面非球面元件在研磨加工階段時的檢測，光學(xué)非接觸式掃描法和光學(xué)干涉法由于其非接觸測量的特點(diǎn)，應(yīng)用于研磨后期及拋光階段，特別適合于經(jīng)最終成型處理后鏡面的檢測。

光學(xué)干涉法包括零位干涉法和非零干涉法，主要包括無像差點(diǎn)法、零補(bǔ)償鏡方法、計算全息法、剪切干涉法、子孔徑拼接法等。零位干涉法是通過設(shè)計補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)與位置來完全補(bǔ)償被測非球面理論形狀的法線像差，實(shí)現(xiàn)面形誤差的零位檢測。該方法檢測精度高、可靠性強(qiáng)，是目前非球面面形檢測的參照基準(zhǔn)。但是，零位檢測法需要設(shè)計與被測非球面相匹配的輔助元件，不具有通用性，因而檢測成本較高，測量周期較長，尤其對大口徑凸非球面檢測時成本更高。而且，該方法還存在系統(tǒng)的裝調(diào)精度要求較高、補(bǔ)償鏡的設(shè)計和裝調(diào)以及高精度檢測困難、計算全息板線紋頻率過大引入中高頻誤差且難以制作等問題。

非零干涉法在檢測非球面時不需要完全補(bǔ)償被測面的全部法線像差，但檢測系統(tǒng)存在固有回程誤差，干涉圖樣不直接反映被測面的面形誤差信息。

探針掃描法通常是直接測試被測面形以獲得各采樣點(diǎn)的三維信息，再通過分析、擬合和重建實(shí)現(xiàn)非球面面形誤差的測量，其原理簡單直觀，不需要輔助裝置和元件，儀器標(biāo)定后即可建立測量坐標(biāo)系，還可以同時測得非球面頂點(diǎn)球的曲率半徑。該方法適用于任意口徑非球面元件的面形檢測，其缺點(diǎn)是采用單點(diǎn)掃描、效率較低，由于探頭所基于的測量原理，其響應(yīng)速度有限，測量時間較長，環(huán)境條件的變化會引入測量誤差，面形測量精度受限。

目前，非球面的高精度檢測主要存在的問題如下：

1）加工和檢測相對獨(dú)立，大口徑（直徑在Ф400mm以上）非球面元件在加工設(shè)備和檢測設(shè)備之間來回重復(fù)裝卡，耗去大量的時間去反復(fù)裝調(diào)和找正，加工效率低并存在搬運(yùn)風(fēng)險等；

2）大口徑非球面元件在加工銑磨和精磨階段，由于受表面散射影響，難以用高精度的干涉方法來直接測量，而現(xiàn)有的大型輪廓儀由于儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計的局限以及運(yùn)動基準(zhǔn)系統(tǒng)精度的限制，已開始難以適應(yīng)口徑日益增大的大口徑非球面元件的測量需求。

3）現(xiàn)有的非球面輪廓測量儀的測量精度主要受制于主軸回轉(zhuǎn)精度、直線導(dǎo)軌精度、基準(zhǔn)間位置誤差和傳感技術(shù)等，沒有充分利用到空間基準(zhǔn)運(yùn)動誤差的可補(bǔ)償性。

針對上述問題，本發(fā)明提出可自主分離和補(bǔ)償基準(zhǔn)運(yùn)動誤差的超精密非球面輪廓掃描測量新裝置與新方法，將大口徑非球面元件的加工功能與檢測功能有機(jī)融合在一起，實(shí)現(xiàn)加工檢測一體化，可根除現(xiàn)有加工工藝因在加工設(shè)備和檢測設(shè)備之間來回重復(fù)裝卡而帶來的諸多不足，顯著提高加工精度和效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提高大口徑精密非球面元件的加工精度和效率，提出了一種大口徑非球面輪廓加工檢測一體化裝置與方法。

本發(fā)明基于我們發(fā)明的空間回轉(zhuǎn)誤差單轉(zhuǎn)位分離技術(shù)、直線/回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)技術(shù)以及基準(zhǔn)間誤差分離技術(shù)等，通過將加工設(shè)備的功能與檢測設(shè)備的功能相融合，實(shí)現(xiàn)了基于精密氣浮回轉(zhuǎn)中心的集加工和檢測功能于一體的大口徑非球面元件的高精度加工檢測。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明的一種大口徑非球面輪廓加工檢測一體化裝置，包括基座、精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)、精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺、直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)、氣浮工作臺調(diào)整系統(tǒng)、傳感測量系統(tǒng)、直線運(yùn)動誤差探測模塊和研拋關(guān)節(jié)臂。

其中，精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)、直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)、精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺、研拋關(guān)節(jié)臂固定在基座上，非球面元件同軸放置于精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺上；精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)位于精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺的一側(cè)，且位于精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺的臺面下面；直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)與精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)平行放置，其直線運(yùn)動誤差探測模塊與傳感測量系統(tǒng)固結(jié)在一起，隨傳感測量系統(tǒng)一起運(yùn)動；傳感測量系統(tǒng)固定在和精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的軸套相連的橫向測量臂上，并可隨軸套作一維直線運(yùn)動，運(yùn)動過程中傳感測量系統(tǒng)與精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的運(yùn)動方向垂直。

本發(fā)明的一種大口徑非球面輪廓加工檢測一體化方法，包括：利用研拋關(guān)節(jié)臂依據(jù)設(shè)定的工藝加工參數(shù)對置于精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺上的非球面元件進(jìn)行反復(fù)研拋；利用傳感測量系統(tǒng)對非球面元件工作表面進(jìn)行掃描檢測，在掃描的同時利用導(dǎo)軌直線運(yùn)動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)分離、補(bǔ)償精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的直線運(yùn)動誤差，實(shí)現(xiàn)納米級的直線掃描運(yùn)動，得到非球面元件沿母線方向上的輪廓；計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)控制精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)動不同的角度，實(shí)現(xiàn)非球面元件面形輪廓的高精度檢測；計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)依據(jù)測得輪廓數(shù)據(jù)來確定研拋關(guān)節(jié)臂的加工路徑和研磨量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非球面元件的高精度輪廓一體化加工檢測。

本發(fā)明的一種大口徑非球面輪廓加工檢測一體化方法，實(shí)現(xiàn)非球面元件輪廓的高精度測試加工包括以下步驟：

步驟一：驅(qū)動精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動，利用傳感測量系統(tǒng)對精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺的工作表面輪廓進(jìn)行測量，得到精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺的位姿參數(shù)，調(diào)整氣浮工作臺調(diào)整系統(tǒng)使精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺的臺面無傾斜；

步驟二：將非球面元件置于精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺上，計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)驅(qū)動精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動，由固定在和精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的軸套相連的垂直測量臂上的徑向傳感系統(tǒng)對非球面元件的徑向輪廓進(jìn)行檢測，依據(jù)測量結(jié)果調(diào)整非球面元件位置使其與精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺同軸放置；

步驟三：精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)作一維掃描運(yùn)動，傳感測量系統(tǒng)對非球面元件進(jìn)行一維掃描測量，測得非球面元件在此一維方向上的輪廓信息；精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)在一維掃描運(yùn)動過程中，其直線運(yùn)動誤差由直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測，計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分離、補(bǔ)償精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的直線運(yùn)動誤差，實(shí)現(xiàn)納米級的直線掃描運(yùn)動，得到非球面元件沿一條母線方向上的輪廓；

步驟四：計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)依據(jù)規(guī)劃的掃描路徑控制精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)一個設(shè)定角度；

步驟五：重復(fù)步驟三、四，通過傳感測量系統(tǒng)得到非球面元件沿多條母線方向上的輪廓值，通過擬合得到非球面元件的整體面形輪廓，實(shí)現(xiàn)非球面元件輪廓的高精度檢測。

步驟六：計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)依據(jù)測得的輪廓測量數(shù)據(jù)和設(shè)定的工藝參數(shù)，控制研拋關(guān)節(jié)臂對非球面元件進(jìn)行研拋加工，重復(fù)測量步驟三和步驟四，直至加工、檢測的非球面元件滿足設(shè)計精度要求，完成非球面元件的一體化加工檢測。

有益效果

本發(fā)明對比已有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

1）將加工設(shè)備與檢測設(shè)備的功能相融合，實(shí)現(xiàn)了非球面元件的原位檢測，可大幅提高加工效率和精度；

2）開放式的非龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于大口徑非球面元件加工口徑的擴(kuò)展、加工檢測系統(tǒng)的融合以及工件的搬運(yùn)與裝調(diào)，大型元件口徑大小主要由基準(zhǔn)導(dǎo)軌的運(yùn)動范圍確定；

3）回轉(zhuǎn)—直線基準(zhǔn)系統(tǒng)共基面設(shè)計以及測量架的折轉(zhuǎn)設(shè)計，最大限度地減小了儀器阿貝誤差，使測量導(dǎo)軌的運(yùn)動精度得以最大程度地發(fā)揮；

4）直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動誤差激光檢測系統(tǒng)的采用便于米級大口徑非球面元件的加工和檢測。

本發(fā)明特點(diǎn)：

1．采用開放式非龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計，將系統(tǒng)中的直線運(yùn)動導(dǎo)軌直接放在工作臺上，傳感器與導(dǎo)軌相連，使得系統(tǒng)運(yùn)動幅最短、測量過程中變形小，可提高大口徑非球面元件的加工效率和精度；

2.采用高精度氣浮直線技術(shù)，消除了因廢氣的排放所產(chǎn)生的氣體擾動對測量環(huán)境的影響，可顯著提高測量系統(tǒng)的測量精度；

3．采用高精度氣浮回轉(zhuǎn)技術(shù)，提高了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度，可顯著提高測量系統(tǒng)的測量精度；

4．采用基于空氣靜壓軸承技術(shù)的偏心調(diào)整工作臺，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度調(diào)傾、調(diào)心，可顯著提高測量系統(tǒng)的測量精度；

5．采用高精度激光直線基準(zhǔn)技術(shù)，保證了系統(tǒng)直線運(yùn)動精度，可提高系統(tǒng)測量精度；

6．采用單側(cè)測量導(dǎo)軌系統(tǒng)布局，融入加工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高精度加工檢測一體化，可提高加工精度和效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明大口徑非球面元件輪廓加工檢測裝置及其方法示意圖；

圖2為本發(fā)明大口徑非球面元件輪廓加工檢測方法基于順序掃描原理的掃描路徑示意圖；

圖3a)為本發(fā)明大口徑非球面元件輪廓加工檢測裝置實(shí)施示意圖；

圖3b)為本發(fā)明大口徑非球面元件輪廓加工檢測裝置的計算機(jī)控制連接示意圖；

其中：1-基座、2-精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)、3-精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺、4-直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)、5-傳感測量系統(tǒng)、6-直線運(yùn)動誤差探測模塊、7-研拋關(guān)節(jié)臂、8-軸套、9-橫向測量臂、10-非球面元件、11-氣浮工作臺調(diào)整系統(tǒng)、12-計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)、13-垂直測量臂、14-徑向傳感系統(tǒng)，15-母線方向。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明將將加工設(shè)備的功能與檢測設(shè)備的功能相融合，其基本思想是：利用研拋關(guān)節(jié)臂，依據(jù)設(shè)定的工藝加工參數(shù)對工件進(jìn)行反復(fù)研拋，利用測量臂上的傳感測量系統(tǒng)對被研拋工作表面的輪廓參數(shù)直接進(jìn)行檢測，計算機(jī)測量控制系統(tǒng)依據(jù)測得輪廓數(shù)據(jù)來確定研拋關(guān)鍵臂的加工路徑和研磨量，實(shí)現(xiàn)了大口徑非球面輪廓的加工檢測一體化，提高了加工精度和效率。

實(shí)施例1

如圖1所示，大口徑非球面元件輪廓加工檢測方法，檢測加工步驟如下：

非球面元件10放置在精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3上，傳感測量系統(tǒng)5固定在和精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)2的軸套8相連的橫向測量臂9上，并可隨軸套8作一維直線運(yùn)動，測量過程中要保證傳感測量系統(tǒng)5與精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)2的運(yùn)動方向垂直，傳感測量系統(tǒng)5沿著非球面元件10母線方向15進(jìn)行一維直線運(yùn)動，從而完成一次一維掃描測量。

如圖2所示，沿母線方向15，利用傳感測量系統(tǒng)5對非球面元件10進(jìn)行掃描測量，同時利用直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)4對精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)2的直線運(yùn)動誤差進(jìn)行監(jiān)測、分離、補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)納米級的直線掃描運(yùn)動，測得沿一條母線方向上的N個輪廓測量數(shù)據(jù)。

計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)12控制精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3旋轉(zhuǎn)一個角度，重復(fù)上述掃描測量過程，即可測量得到沿多條母線方向上的輪廓數(shù)據(jù)。

依據(jù)輪廓測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，可得到非球面元件10的整體面形輪廓，實(shí)現(xiàn)非球面元件10的高精度輪廓測量。

依據(jù)輪廓測量結(jié)果，利用研拋關(guān)節(jié)臂7對非球面元件10進(jìn)行研拋加工，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非球面元件10的一體化加工檢測。

實(shí)施例2

結(jié)合圖1和圖3所示，大口徑非球面加工檢測裝置主要由基座1、精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)2、精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3、直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)4、氣浮工作臺調(diào)整系統(tǒng)11、測量傳感系統(tǒng)5、研拋關(guān)節(jié)臂7、計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)12等構(gòu)成，精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)2、直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)4、研拋關(guān)節(jié)臂7分布在精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3周圍，且均固定在基座1上。其中，傳感測量系統(tǒng)5固定在和精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)2的軸套8相連的橫向測量臂9上，并可隨軸套8作一維直線運(yùn)動；徑向傳感系統(tǒng)14固定在和精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)2的軸套8相連的垂直測量臂13上，且其測量方向與非球面元件10徑向方向一致；精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)2置于精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3的一側(cè)且位于精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3臺面以下；直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)4放置在精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3的軸線方向，且與精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)2平行放置，直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)4的直線運(yùn)動誤差探測模塊6與傳感測量系統(tǒng)5一起固結(jié)在橫向測量臂9上；研拋關(guān)節(jié)臂7放置在精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3的一側(cè)；計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)12控制大口徑非球面加工檢測裝置中測量、調(diào)整、研拋系統(tǒng)的工作。

非球面元件10的加工檢測過程如下：

1）計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)12控制精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動，傳感測量系統(tǒng)5測得精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3的表面輪廓參數(shù)，計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)12對其進(jìn)行分析，得到精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3的位姿參數(shù)，由氣浮工作臺調(diào)整系統(tǒng)11依據(jù)該位姿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，消除精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3的傾斜；

2）將非球面元件10置于精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3上，計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)12控制精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，由徑向傳感系統(tǒng)14對非球面元件10的徑向輪廓進(jìn)行監(jiān)測，計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)12依據(jù)徑向傳感系統(tǒng)14的測量結(jié)果對非球面元件10放置偏心進(jìn)行調(diào)整，使非球面元件10與精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3同軸；

3）驅(qū)動精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)2作一維掃描運(yùn)動，傳感測量系統(tǒng)5隨其同步運(yùn)動，對非球面元件10進(jìn)行一維掃描，測得非球面元件10在此一維方向上的輪廓；精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)2在一維掃描運(yùn)動過程中，其直線度由直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)運(yùn)動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)4監(jiān)測，計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)（12）依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分離、補(bǔ)償精密直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)2的直線運(yùn)動誤差，實(shí)現(xiàn)納米級的直線掃描運(yùn)動，得到非球面元件10沿母線方向15上的輪廓數(shù)據(jù)；

4）計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)12控制精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3旋轉(zhuǎn)一個設(shè)定角度

5）重復(fù)步驟3、4，通過傳感測量系統(tǒng)5得到非球面元件10沿多條母線方向上的輪廓值，通過擬合得到非球面元件10的整體面形輪廓，實(shí)現(xiàn)非球面元件10輪廓的高精度檢測；

6）計算機(jī)研拋測量控制系統(tǒng)12依據(jù)測得輪廓測量數(shù)據(jù)和設(shè)定的工藝參數(shù)，控制研拋關(guān)節(jié)臂7對非球面元件10進(jìn)行研拋加工，重復(fù)上述測量步驟3、4，直至非球面元件10滿足設(shè)計精度要求。實(shí)現(xiàn)了大口徑非球面元件的一體化加工檢測，提高了加工精度和效率。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。