專利名稱：接觸式非球面面形檢驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種接觸式光學(xué)非球面面形檢驗裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，檢驗非球面元件的方法有很多種，主要分為接觸式測量和非接觸式測量。接 觸式測量主要借助輪廓儀或者三坐標(biāo)測量儀通過對光學(xué)元件進行多個離散點的測量，然后 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，擬合得到面形誤差。非接觸式測量主要有陰影法、激光掃描法、干涉法等。陰 影法主要分為刀口法和哈特曼法(光闌法)，該方法主要觀察陰影分布的圖形和陰影圖的 明暗對比。這種方法設(shè)備簡單，對于某些二次曲面測量方便，適于現(xiàn)場檢驗。但存在主觀、 定量困難、靈敏度欠高等缺點。激光掃描法可分平移法、旋轉(zhuǎn)法，以及平移旋轉(zhuǎn)法，這是一種 利用光的直線性進行面形檢測的方法，通過用激光束對被測面進行逐點測量可計算出非球 面的面形參數(shù)。它通用性強，可以測量各種非球面，而且是對被測面進行絕對測量，精度高， 缺點是相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜。干涉法是一種短時間檢測非球面的方法，由于它具有高 分辨、高精度、高靈敏度、重復(fù)性好等優(yōu)點，但是利用該技術(shù)測量非球面面形時，要求非球面 表面有很好的光潔度和很高的反射能力。因此，干涉法一般適用于非球面精拋光和最終階 段的檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種適用于非球面加工整個過程的接觸式非球 面面形檢驗裝置，該裝置能夠直接實現(xiàn)對非球面的測量，數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)運算簡單，實驗操 作簡單易行，測量時間短、測試成本低。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的接觸式非球面面形檢驗裝置包括計算機和激光 跟蹤儀；所述計算機包括存儲待測非球面CAD模型的裝置、坐標(biāo)變換裝置、求解位置坐標(biāo)的 裝置和求解待測非球面面形分布的裝置；激光跟蹤儀首先測量待測非球面上特征點的位置 坐標(biāo)并將其傳輸給坐標(biāo)變換裝置，由坐標(biāo)變換裝置利用測量的待測非球面上特征點的位置 坐標(biāo)及CAD模型上對應(yīng)的特征點的位置坐標(biāo)，通過坐標(biāo)變換求解得到待測非球面、CAD模型 兩個坐標(biāo)系之間的平移量和旋轉(zhuǎn)量，將待測非球面此時的物理坐標(biāo)系與CAD模型的坐標(biāo)系 統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系；激光跟蹤儀測量在統(tǒng)一坐標(biāo)系下待測非球面上多點的位置坐標(biāo)并將其 傳輸給求解位置坐標(biāo)的裝置，由求解位置坐標(biāo)的裝置利用測得的統(tǒng)一坐標(biāo)系下待測非球面 上多點的位置坐標(biāo)進行插值計算得到待測非球面上各點的位置坐標(biāo)；求解待測非球面面形 分布的裝置分析求解得到統(tǒng)一坐標(biāo)系下待測非球面上各點的坐標(biāo)值與CAD數(shù)模上對應(yīng)的 各點坐標(biāo)值之間的偏差，并對偏差數(shù)據(jù)進行擬合，得到待測非球面面形分布。所述特征點為在待測非球面上設(shè)定的三個點，如側(cè)面或者背部的輕量化圓孔、錐 孔的圓心或者三角形孔的中心等。本發(fā)明通過擴充激光跟蹤儀的現(xiàn)有功能，利用激光跟蹤儀的靶標(biāo)球?qū)Ψ乔蛎姹砻?進行多點接觸測量，并將測量的結(jié)果與數(shù)據(jù)模型進行分析對比、處理和運算，獲得非球面的
4面形分布信息，無需其它輔助光學(xué)元件就能夠準(zhǔn)確的實現(xiàn)對大口徑非球面面形的檢測。本 發(fā)明數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)運算簡單，實驗操作簡單易行，檢測成本很低，測試時間短，適用于非 球面加工整個過程的面形檢測。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1是本發(fā)明的接觸式非球面面形檢驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是計算機測量軟件功能模塊示意圖。圖3是待測非球面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是利用本發(fā)明對非球面面形進行檢驗的流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的接觸式非球面面形檢驗裝置包括計算機1和激光跟蹤儀2 ； 所述激光跟蹤儀2與計算機1通過數(shù)據(jù)線進行連接。激光跟蹤儀2是一種高精度、大容量的便攜式三位坐標(biāo)測量設(shè)備，該激光跟蹤儀 使用兩個旋轉(zhuǎn)角編碼器和一個激光距離測量系統(tǒng)，以跟蹤和測量靶標(biāo)球3的位置。靶標(biāo)球3 是由空心的直角反射鏡組成，此反射鏡精確固定在加工球體內(nèi)。球體外表面到中心的距離 已知(即球體半徑)，激光跟蹤儀測量軟件利用球體半徑進行測量偏移或補償測量。激光跟 蹤儀發(fā)射并接收從靶標(biāo)球返回的紅色氦氖激光，激光跟蹤儀機械軸的方向會根據(jù)其內(nèi)部的 位置感應(yīng)探測器接收的兩個旋轉(zhuǎn)角編碼器及距離測量系統(tǒng)反饋的信息不斷進行調(diào)整。激光 跟蹤儀通過測量兩個角度和一個距離來確定目標(biāo)的坐標(biāo)。這些角度由安裝在頂點角軸和方 位角軸上的編碼器來測量。徑向距離是由條紋計數(shù)干涉儀或一種相位偏移絕對距離測量系 統(tǒng)(XtremeADM)來測量。激光跟蹤儀一般用來測量物體之間的相對位置關(guān)系，并可以直接 檢驗平面和球面物體的面形，但是對于非球面元件的面形卻不能實現(xiàn)直接檢驗。如圖2所示，所述計算機1的測量軟件包括存儲待測非球面CAD模型的裝置11、坐 標(biāo)變換裝置12、求解位置坐標(biāo)的裝置13和求解待測非球面面形分布的裝置14。所述坐標(biāo)變換裝置12查找待測非球面的CAD模型，提取與激光跟蹤儀2測量的特 征點P1 (X1, Y1, Z1)，P2 (x2，Y2, Z2)和P3 (x3，Y3, Z3)相對應(yīng)的CAD模型上的特征點的位置坐標(biāo) P^X1, Y1, Z1)，P2 (X2, Y2, Z2)和P3 (X3, Y3，Z3)，如圖3所示；通過迭代法求解公式(1)和公式 (5)聯(lián)立的非線性方程組，得到待測非球面的物理坐標(biāo)系相對CAD模型的坐標(biāo)系在χ方向、 y方向、ζ方向上的平移量dx、dy和dz以及待測非球面的物理坐標(biāo)系相對CAD模型的坐標(biāo)系 繞χ軸、y軸、ζ軸的轉(zhuǎn)動角度量α、β和γ，進而將兩個坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系；
(X1^1,Z1^ = CX1,Y1,Z1,1)-F<(χ2,γ2,ζ2,1) = (Χ2,Υ2,Ζ2,1)·ν (1)
權(quán)利要求
1.一種接觸式非球面面形檢驗裝置，其特征在于包括計算機(1)和激光跟蹤儀O)；所 述計算機(1)包括存儲待測非球面CAD模型的裝置(11)、坐標(biāo)變換裝置(12)、求解位置坐 標(biāo)的裝置(13和求解待測非球面面形分布的裝置(14;激光跟蹤儀( 首先測量待測非球 面上特征點的位置坐標(biāo)并將其傳輸給坐標(biāo)變換裝置(12)，由坐標(biāo)變換裝置(12利用測量的 待測非球面上特征點的位置坐標(biāo)及CAD模型上對應(yīng)的特征點的位置坐標(biāo)，通過坐標(biāo)變換求 解得到待測非球面、CAD模型兩個坐標(biāo)系之間的平移量和旋轉(zhuǎn)量，將待測非球面此時的物理 坐標(biāo)系與CAD模型的坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系；激光跟蹤儀(2)測量在統(tǒng)一坐標(biāo)系下待測 非球面上多點的位置坐標(biāo)并將其傳輸給求解位置坐標(biāo)的裝置(1 ，由求解位置坐標(biāo)的裝置 (13)利用測得的統(tǒng)一坐標(biāo)系下待測非球面上多點的位置坐標(biāo)進行插值計算得到待測非球 面上各點的位置坐標(biāo)；求解待測非球面面形分布的裝置(14)分析求解得到統(tǒng)一坐標(biāo)系下 待測非球面上各點的坐標(biāo)值與CAD數(shù)模上對應(yīng)的各點坐標(biāo)值之間的偏差，并對偏差數(shù)據(jù)進 行擬合，得到待測非球面面形分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸式非球面面形檢驗裝置，其特征在于所述坐標(biāo)變換裝置 (12)查找待測非球面的CAD模型，提取與激光跟蹤儀⑵測量的特征點？10^，71，21)，？20^2， I2, Z2)和P3 (x3，y3，Z3)相對應(yīng)的CAD模型上的特征點的位置坐標(biāo)P1 (X1, Y1, Z1)，P2 (X2, Y2, Z2) ^P P3(X3jY3^Z3)；通過迭代法求解公式⑴和公式(5)聯(lián)立的非線性方程組，得到待測非球 面的物理坐標(biāo)系相對CAD模型的坐標(biāo)系在χ方向、y方向、ζ方向上的平移量dx、dy和dz以 及待測非球面的物理坐標(biāo)系相對CAD模型的坐標(biāo)系繞χ軸、y軸、ζ軸的轉(zhuǎn)動角度量α、β 和Y，進而將兩個坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸式非球面面形檢驗裝置，其特征在于所述求解位置坐標(biāo) 的裝置(1 利用測量得到的非球面上多點的位置坐標(biāo)，通過三次樣條插值或牛頓插值計算求解得到非球面上各點的位置坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種接觸式非球面面形檢驗裝置，該裝置包括計算機和激光跟蹤儀；計算機利用激光跟蹤儀測量的待測非球面上特征點的位置坐標(biāo)及CAD模型上對應(yīng)的特征點的位置坐標(biāo)，通過坐標(biāo)變換將待測非球面此時的物理坐標(biāo)系與CAD模型的坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系；然后利用激光跟蹤儀測得的統(tǒng)一坐標(biāo)系下待測非球面上多點的位置坐標(biāo)進行插值計算得到待測非球面上各點的位置坐標(biāo)；最后分析求解得到統(tǒng)一坐標(biāo)系下待測非球面上各點的坐標(biāo)值與CAD數(shù)模上對應(yīng)的各點坐標(biāo)值之間的偏差，并對偏差數(shù)據(jù)進行擬合，得到待測非球面面形分布。本發(fā)明數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)運算簡單，實驗操作簡單易行，檢測成本很低，測試時間短，適用于非球面加工整個過程的面形檢測。
文檔編號G01B11/24GK102128599SQ20101060734
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者張學(xué)軍, 王孝坤, 鄭立功 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所