專利名稱：一種大梯度非球面的輪廓測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種接觸式測(cè)量方法，具體涉及一種對(duì)大梯度凹/凸非球面進(jìn)行測(cè)量 的方法。
背景技術(shù)：
接觸式輪廓儀是通過(guò)儀器的測(cè)頭與被測(cè)表面的滑移進(jìn)行測(cè)量的，屬于接觸測(cè)量。 既可以測(cè)量零件的表面粗糙度，又能直接按某種評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)或是描繪出表面輪廓曲線的 形狀。輪廓儀按傳感器的工作原理分為電感式、感應(yīng)式以及壓電式多種。常見(jiàn)結(jié)構(gòu)為，傳感 器的測(cè)頭由金剛石制成，針尖圓弧半徑為2微米，在測(cè)頭的后端鑲有導(dǎo)塊，形成相對(duì)于工件 表面宏觀起伏的測(cè)量的基準(zhǔn)，使測(cè)頭的位移僅相對(duì)于傳感器殼體上下運(yùn)動(dòng)，所以導(dǎo)塊能起 到消除宏觀幾何形狀誤差和減小紋波度對(duì)表面粗糙度測(cè)量結(jié)果的影響。傳感器以鉸鏈形式 和驅(qū)動(dòng)箱連接，能自由下落，從而保證導(dǎo)塊始終與被測(cè)表面接觸。當(dāng)采用的是電感式傳感器 時(shí)，當(dāng)傳感器以勻速水平移動(dòng)時(shí)，被測(cè)表面的峰谷使探針產(chǎn)生上下位移，使敏感元件的電感 發(fā)生變化，從而引起交流載波波形發(fā)生變化，此變化經(jīng)由電器箱中放大、濾波、檢波、積分運(yùn) 算等部分處理以后，可以直接由儀器電器箱的讀數(shù)表上指示出來(lái)，也可以傳遞到計(jì)算機(jī)上 進(jìn)行處理。利用現(xiàn)有的接觸式輪廓儀檢測(cè)大梯度非球面，面臨很大的困難。由于大梯度非球 面的中心矢高與邊緣矢高相差很大，而現(xiàn)有的高精度測(cè)頭的檢測(cè)范圍都很小，因此難以滿 足要求。另外，由于測(cè)量?jī)x的測(cè)頭是一個(gè)小的球面，當(dāng)測(cè)量表面梯度很大時(shí)，接觸點(diǎn)會(huì)嚴(yán)重 偏離中心位置，從而影響最終的檢測(cè)精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種用于檢測(cè)大梯度非球面的輪廓的接觸式測(cè)量方法，以利用 現(xiàn)有的接觸式輪廓儀的測(cè)頭和處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大梯度非球面輪廓的測(cè)量。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種大梯度非球面的輪廓測(cè)量方法， 采用與被測(cè)表面接觸的測(cè)頭、測(cè)頭導(dǎo)向系統(tǒng)及電控處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，設(shè)置一旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，將待測(cè) 非球面工件放置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，非球面的主軸與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心相互垂直，使非球面 工件的最接近球面的球心位于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸上，所述測(cè)頭的起伏運(yùn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn) 平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸垂直設(shè)置，測(cè)量方法包括下列步驟
(1)測(cè)量測(cè)頭零點(diǎn)位置與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸的距離d；
(2)根據(jù)要測(cè)量的非球面工件，求出非球面的最接近球面半徑R；
(3)將待測(cè)非球面工件垂直放置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，使非球面工件的最接近球面的球心位 于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸上；
(4)使測(cè)頭與非球面接觸，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，測(cè)量獲得待測(cè)非球面工件表面與非球面 的最接近球面的偏離量分布，經(jīng)計(jì)算獲得非球面輪廓矢高。上述技術(shù)方案中，通過(guò)設(shè)置旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，并將原來(lái)位于工件上方的可上下起伏運(yùn)動(dòng)的測(cè)頭設(shè)置到工件的側(cè)面，起伏運(yùn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸垂直設(shè)置，使待測(cè)工件 垂直放置并旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而創(chuàng)造性地將原來(lái)直接測(cè)量表面輪廓的方法改變?yōu)闇y(cè)量非球面與 最接近球面的偏離量。由于大梯度非球面對(duì)其相應(yīng)的最接近球面的偏離量是很小的，一般 在0. 5mm左右，最大一般也不會(huì)超過(guò)1mm，因此，目前市場(chǎng)上的高精度測(cè)頭都能滿足其要求， 很好地解決目前大梯度非球面檢測(cè)的難題。本測(cè)試方案中，大梯度非球面的最接近球面，可 以采用標(biāo)準(zhǔn)非球面方程中的曲率半徑R來(lái)近似，這一近似不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

上述技術(shù)方案中，所述步驟(1)中，測(cè)量測(cè)頭零點(diǎn)位置與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸 的距離的方法是，把一已知半徑的標(biāo)準(zhǔn)球面或標(biāo)準(zhǔn)圓柱面放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，通過(guò)打表的 方式確保球面中心位于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸上，然后移動(dòng)測(cè)頭，使測(cè)頭與標(biāo)準(zhǔn)球面相接 觸，讀出測(cè)頭讀數(shù)，根據(jù)測(cè)頭讀數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)球面的半徑計(jì)算出探測(cè)頭零點(diǎn)位置與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的 旋轉(zhuǎn)中心軸的距離d。上述技術(shù)方案中，所述步驟(3)中，放置待測(cè)非球面工件時(shí)，首先使非球面的最接 近球面的球心盡可能地在旋轉(zhuǎn)中心軸上，再進(jìn)行精確調(diào)整，所述精確調(diào)整步驟為，①在工件 測(cè)量范圍內(nèi)，均勻采樣5個(gè)點(diǎn)，分別進(jìn)行測(cè)量；②對(duì)采樣到的5個(gè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)利用非線性 最小二乘法，分析出工件放置的位置誤差；③根據(jù)分析出的位置誤差，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的十字 星調(diào)整平臺(tái)(現(xiàn)有技術(shù)中用于測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)互相垂直的二維調(diào)整機(jī)構(gòu))，自動(dòng)調(diào)整鏡子位 置；④重復(fù)上述過(guò)程，直到位置誤差符合精度要求。本發(fā)明的原理解釋如下
上述技術(shù)方案中，非球面矢高測(cè)量原理如圖2所示。測(cè)量?jī)x測(cè)量到的是非球面與最接近球面的偏離量dr，測(cè)量?jī)x的測(cè)量點(diǎn)可用 (民來(lái)表示，其中5為旋轉(zhuǎn)的角度。設(shè)最接近球面的半徑為fitR，則在理想條件下，測(cè)量 結(jié)果可表示為
權(quán)利要求
1.一種大梯度非球面的輪廓測(cè)量方法，采用與被測(cè)表面接觸的測(cè)頭、測(cè)頭導(dǎo)向系統(tǒng)及 電控處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其特征在于設(shè)置一旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，將待測(cè)非球面工件放置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上， 非球面的主軸與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心相互垂直，使非球面工件的最接近球面的球心位于旋 轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸上，所述測(cè)頭的起伏運(yùn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸垂直設(shè)置，測(cè) 量方法包括下列步驟(1)測(cè)量測(cè)頭零點(diǎn)位置與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸的距離d；(2)根據(jù)要測(cè)量的非球面工件，求出非球面的最接近球面半徑R；(3)將待測(cè)非球面工件垂直放置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，使非球面工件的最接近球面的球心位 于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸上；(4)使測(cè)頭與非球面接觸，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，測(cè)量獲得待測(cè)非球面工件表面與非球面 的最接近球面的偏離量分布，經(jīng)計(jì)算獲得非球面輪廓矢高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大梯度非球面的輪廓測(cè)量方法，其特征在于所述步驟(1) 中，測(cè)量測(cè)頭零點(diǎn)位置與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸的距離的方法是，把一已知半徑的標(biāo)準(zhǔn)球 面或標(biāo)準(zhǔn)圓柱面放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，通過(guò)打表的方式確保球面中心位于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中 心軸上，然后移動(dòng)測(cè)頭，使測(cè)頭與標(biāo)準(zhǔn)球面相接觸，讀出測(cè)頭讀數(shù)，根據(jù)測(cè)頭讀數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)球 面的半徑計(jì)算出探測(cè)頭零點(diǎn)位置與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸的距離d。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大梯度非球面的輪廓測(cè)量方法，其特征在于所述步驟(3) 中，放置待測(cè)非球面工件時(shí)，首先使非球面的最接近球面的球心盡可能地在旋轉(zhuǎn)中心軸上， 再進(jìn)行精確調(diào)整，所述精確調(diào)整步驟為，①在工件測(cè)量范圍內(nèi)，均勻采樣5個(gè)點(diǎn)，分別進(jìn)行 測(cè)量；②對(duì)采樣到的5個(gè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)利用非線性最小二乘法，分析出工件放置的位置誤 差；③根據(jù)分析出的位置誤差，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的十字星調(diào)整平臺(tái)，自動(dòng)調(diào)整鏡子位置；④重 復(fù)上述過(guò)程，直到位置誤差符合精度要求。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大梯度非球面的輪廓測(cè)量方法，其特征在于設(shè)置一旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，測(cè)頭的起伏運(yùn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸垂直設(shè)置，測(cè)量方法包括下列步驟(1)測(cè)量測(cè)頭零點(diǎn)位置與旋轉(zhuǎn)中心軸的距離；(2)求出非球面的最接近球面半徑；(3)將待測(cè)非球面工件垂直放置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，使非球面工件的最接近球面的球心位于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸上；(4)使測(cè)頭與非球面接觸，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，測(cè)量獲得待測(cè)非球面工件表面與最接近球面的偏離量分布，經(jīng)計(jì)算獲得非球面輪廓矢高。本發(fā)明通過(guò)測(cè)量非球面與其最接近球面的偏離量，來(lái)測(cè)量非球面，大大減小了測(cè)頭的行程，大幅提高了測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01B7/28GK102095366SQ20101058725
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者仇谷烽, 余景池 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)