CN101900537B - 光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法，它是采用波面干涉仪对球体零件进行检测，先根据球体零件的大小以及波面干涉仪的测量镜头的孔径大小将球体零件表面划分成若干子孔径区域，用波面干涉仪对所有子孔径区域逐一进行测量，得到各子孔径区域的面形误差分布情况，再使用子孔径拼接方法将各子孔径区域的面形误差拼接起来，获得球体零件的全局面形误差分布情况。该方法具有低成本、高精度、高效率的优点。一种用于上述光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法的检测装置，包括波面干涉仪和与波面干涉仪连接的计算机，波面干涉仪前设有可将球体零件置于波面干涉仪的测量镜头前方、并可对球体零件进行位姿调节的球体位姿调节装置。

Description

光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法与装置

技术领域

本发明涉及光学元件测试技术领域，尤其涉及光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法与装置。

背景技术

小型高精度球体零件存在于众多精密装备中，如轴承滚珠、计量标准球、核聚变靶球、陀螺转子等。特别是在高精度陀螺仪表中，敏感结构大多采用球形部件，如静电悬浮陀螺的核心敏感部件就是一个球形转子，并且球面的形状和面形精度要求非常高，成为制约陀螺仪性能的关键因素。

静电悬浮陀螺仪是目前公认的精度最高的陀螺仪，美国宇航局的“引力探测B”卫星用于验证广义相对论预测的时空漩涡，其核心部件就是球形转子，其球度误差达到了25nm的偏差。2008年澳大利亚精确光学中心(ACPO)造出了两个完美的计量标准球，球体直径为93.75mm，球度误差典型值50nm，是继“引力探测B”上陀螺转子球后新的世界上最接近完美球体的物体。由此可见，纳米精度的小型超半球面一方面在尖端科技发展中占有重要地位，在一定意义上代表了世界科技的发展水平；另一方面，具有纳米精度的小型超半球面是高精度、长寿命惯性仪表中的核心部件，成为制约其性能的关键因素。

如此高精度的球体零件加工是非常困难的，因为存在机床误差复印，基于范成运动原理的切削加工精度不够高，因而常用研抛方法进行加工，通过逐步修抛误差高点使得球度误差减小到公差范围之内，其前提是要获得球体零件上全球面的三维球度误差分布。

长期以来，传统测量中的球度最常用截线圆度测量方法进行评价，即通过测量球面上多条大圆截线的圆度间接评价球度。例如“引力探测B”的转子球度测量采用泰勒-霍普森(TaylorHobson)的圆度仪测量16条经线圆和1条赤道圆，早在1980年利帕(Lipa)和西德尔(Siddal)就采用该方法测量精密陀螺转子。莱斯特纳(Leistner)在修抛完美标准球时，也是根据圆度仪测得的结果，采用多条截线测量的方法。截线圆度测量方法反映的表面形貌信息非常有限，因而对球体零件的评价也是不完全、不科学的。由于所采用的测量方式的局限性，并且有关先进的测量手段研究较少，未能有效地解决高精度光学球体零件测量中存在的技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种低成本、高精度、高效率的光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法，以及用于该方法中的光学球体零件全球面三维球度误差的检测装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法，它是采用波面干涉仪对球体零件进行检测，先根据所述球体零件的大小以及所述波面干涉仪的测量镜头的孔径大小将球体零件表面划分成若干子孔径区域，用波面干涉仪对所有子孔径区域逐一进行测量，得到各子孔径区域的面形误差分布情况，再使用子孔径拼接方法将各子孔径区域的面形误差拼接起来，获得球体零件的全局面形误差分布情况。

将球体零件表面划分成若干子孔径区域时，相邻的子孔径区域具有重合区域。

波面干涉仪对一个子孔径区域的测量完成后，通过可调节球体零件位姿的球体位姿调节装置来调整改变球体零件的位姿，使波面干涉仪可对下一个子孔径区域进行测量。

一种用于上述光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法的检测装置，包括波面干涉仪和与所述波面干涉仪连接的计算机，所述波面干涉仪前设有可将球体零件置于所述波面干涉仪的测量镜头前方、并可对球体零件进行位姿调节的球体位姿调节装置。

所述球体位姿调节装置包括水平分度旋转台、垂直分度旋转台、第一支撑臂、第二支撑臂、主动装卡轴、从动装卡轴、支撑定位轴、对调平移台和升降台，所述第一支撑臂、第二支撑臂和升降台均装设于所述对调平移台上，所述升降台位于第一支撑臂与第二支撑臂之间，所述垂直分度旋转台装设于升降台上，所述支撑定位轴装设于垂直分度旋转台上，所述主动装卡轴和水平分度旋转台均装设于第一支撑臂上，且主动装卡轴与水平分度旋转台相连，所述从动装卡轴装设于第二支撑臂上。

所述主动装卡轴、从动装卡轴和支撑定位轴用于定位球体零件的一端均设有锥形卡持槽。

所述球体位姿调节装置的对调平移台下端装设有三维平移台，所述三维平移台包括第一水平调节台、第二水平调节台和升降调节台，所述第二水平调节台装设于第一水平调节台上，且第二水平调节台与第一水平调节台的调节方向垂直布置，所述升降调节台装设于第二水平调节台上，且升降调节台与所述对调平移台下端连接。

还包括气动隔振台和波面干涉仪支撑台，所述三维平移台的第一水平调节台固定于所述气动隔振台，所述波面干涉仪通过所述波面干涉仪支撑台支撑于所述气动隔振台上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的检测方法采用波面干涉仪对球体零件进行检测，具有成本低、检测精度高的优点，同时将球体零件表面划分成若干子孔径区域，逐一测量后用子孔径拼接方法获得球体零件的全局面形误差分布情况，其操作方便，测量效率高，并能够获得精细三维球度误差分布，与以往的测量方法相比，本发明更适合于球度评价和确定性修形加工对球体面形误差分布测量的需求。本发明的光学球体零件全球面三维球度误差的检测装置，结构简单、制造成本低，便于对球体零件的位姿进行调整，操作简单、效率高，且调节精度高，能够实现对全球面任意位置的子孔径区域进行测量，完全能够满足上述检测方法的需要。

附图说明

图1是环带划分示意图；

图2是全球子孔径划分示意图；

图3是光学球体零件全球面三维球度误差的检测装置的结构示意图；

图4是球体位姿调节装置的结构示意图；

图5是三维平移台的结构示意图；

图6是第一条环带测量示意图；

图7是调整球面位姿示意图；

图8是第二条环带测量示意图；

图9是完成所有子孔径测量示意图；

图10是测量得到的子孔径面形误差干涉图；

图11是拼接得到的高精度球体的三维误差。

图中各标号表示：

1、球体零件；11、子孔径区域；12、重合区域；2、球体位姿调节装置；21、水平分度旋转台；22、第一支撑臂；23、主动装卡轴；24、支撑定位轴；25、从动装卡轴；26、第二支撑臂；27、对调平移台；28、垂直分度旋转台；29、升降台；3、三维平移台；31、第一水平调节台；32、第二水平调节台；33、升降调节台；4、气动隔振台；5、波面干涉仪支撑台；6、波面干涉仪；7、测量镜头；8、计算机。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法实施例，它是采用波面干涉仪6对球体零件1进行检测，先根据球体零件1的大小以及波面干涉仪6的测量镜头7的孔径大小将球体零件1表面划分成若干子孔径区域11，用波面干涉仪6对所有子孔径区域11逐一进行测量，波面干涉仪6对一个子孔径区域11的测量完成后，通过可调节球体零件1位姿的球体位姿调节装置2来调整改变球体零件1的位姿，使波面干涉仪6可对下一个子孔径区域11进行测量，从而得到各子孔径区域11的面形误差分布情况，再使用子孔径拼接方法将各子孔径区域11的面形误差拼接起来，获得球体零件1的全局面形误差分布情况。本发明的检测方法采用波面干涉仪6对球体零件1进行检测，具有成本低、检测精度高的优点，同时将球体零件1表面划分成若干子孔径区域11，逐一测量后用子孔径拼接方法获得球体零件1的全局面形误差分布情况，其操作方便，测量效率高，并能够获得精细三维球度误差分布，满足球度评价和确定性修形加工对球体面形误差分布测量的需求。

本实施例中，球体零件1的直径D＝38mm，波面干涉仪6所用测量镜头7的f数为0.75，那么每个子孔径区域11的大小为d＝25.3mm，将球体零件1表面划分成若干子孔径区域11时，使相邻子孔径区域11两两相连，并使相邻的子孔径区域11具有重合区域12，为使子孔径区域11的划分均匀合理，本实施例中，先用六个子孔径区域11连成一条如图1所示的环带，以该环带为基础再划出两条环带，如图2所示，共划出三条环带、十八个子孔径区域11，减去其中的两条环带中的两个完全重合的子孔径区域11，那么实际是划出了十四个子孔径区域11，并且任意相邻的两个子孔径区域11都具有重合区域12，这样可保证子孔径拼接时的精确和效率。

图3至图5示出了本发明的一种用于上述光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法的检测装置实施例，该装置包括三维平移台3、气动隔振台4、波面干涉仪支撑台5、波面干涉仪6和与波面干涉仪6连接的计算机8，波面干涉仪6前设有可将球体零件1置于波面干涉仪6的测量镜头7前方、并可对球体零件1进行位姿调节的球体位姿调节装置2，三维平移台3的第一水平调节台31固定于气动隔振台4，波面干涉仪6通过波面干涉仪支撑台5支撑于气动隔振台4上。

本实施例中，球体位姿调节装置2包括水平分度旋转台21、垂直分度旋转台28、第一支撑臂22、第二支撑臂26、主动装卡轴23、从动装卡轴25、支撑定位轴24、对调平移台27和升降台29，第一支撑臂22、第二支撑臂26和升降台29均装设于对调平移台27上，升降台29位于第一支撑臂22与第二支撑臂26之间，垂直分度旋转台28装设于升降台29上，支撑定位轴24装设于垂直分度旋转台28上，主动装卡轴23和水平分度旋转台21均装设于第一支撑臂22上，且主动装卡轴23与水平分度旋转台21相连，从动装卡轴25装设于第二支撑臂26上。主动装卡轴23和从动装卡轴25用于装卡被测球体零件1，主动装卡轴23、从动装卡轴25和支撑定位轴24用于定位球体零件1的一端均设有锥形卡持槽，该锥形卡持槽旋转时圆跳动在1μm以内。水平分度旋转台21和垂直分度旋转台28用来调整球体零件1的经纬位置，以便于波面干涉仪6测量相应的子孔径区域11；支撑定位轴24、对调平移台27以及升降台29是每次调整经度时的辅助装置。本实施例中，三维平移台3装设于球体位姿调节装置2的对调平移台27下端，该三维平移台3包括第一水平调节台31、第二水平调节台32和升降调节台33，第二水平调节台32装设于第一水平调节台31上，且第二水平调节台32与第一水平调节台31的调节方向垂直布置，升降调节台33装设于第二水平调节台32上，且升降调节台33与对调平移台27下端连接，其中，第一水平调节台31的调节方向与测量镜头7的中心轴线方向一致，主要用于调节焦距，第二水平调节台32用于调节偏摆位置，升降调节台33用于调节俯仰位置。综上所述，本发明的光学球体零件全球面三维球度误差的检测装置，结构简单、制造成本低，便于对球体零件1进行位姿调整，操作简单、效率高，且并调节精度很高，能够实现对全球面任意位置的子孔径区域进行测量，完全能够满足上述检测方法的需要。

以下将结合图6至图11对本发明的光学球体零件全球面三维球度误差的检测具体步骤作详细说明：

第一步，根据球体零件1的大小，以及波面干涉仪6配备的测量镜头7合理选择在球体零件1上划分子孔径区域11的大小，本实施例中，球体零件1的直径D＝38mm，采用的测量镜头7的f数为0.75，子孔径区域11的直径d＝D/f＝25.3mm，所以将其划分成14个子孔径区域11较为合适。

第二步，调节对调平移台27使得主动装卡轴23和从动装卡轴25将球体零件1装卡好，并且调整三维平移台3，直到连接波面干涉仪6的计算机8上显示的条纹为零条纹，并且定义该位置为0点。

第三步，调节水平分度旋转台21，使球体零件1绕主动装卡轴23和从动装卡轴25旋转30°，调整三维平移台3，直到计算机8上显示的条纹为零条纹为止，测量该子孔径区域11的面形误差(测量结果如图10所示)，并且定义该子孔径区域11为第一子孔径区域。

第四步，继续调节水平分度旋转台21，使球体零件1绕主动装卡轴23和从动装卡轴25旋转60°，然后重复第三步的测量子孔径区域11的过程，并且定义该子孔径区域11为第二子孔径区域。

第五步，重复第四步的测量过程，直到球体零件1绕主动装卡轴23和从动装卡轴25旋转330°，测量完该环带的最后一个子孔径区域11(如图6所示)。然后，继续调节水平分度旋转台21将球体零件1回到0点位置。

第六步，调节升降台29，使支撑定位轴24上升，支撑定位轴24的锥形卡持槽与球体零件1接触。调节对调平移台27往外平移，使主动装卡轴23和从动装卡轴25脱离球体零件1，调节垂直分度旋转台28，使球体零件1绕支撑定位轴24旋转60°(如图7所示)。

第七步，调节对调平移台27往内平移，使主动装卡轴23和从动装卡轴25夹紧球体零件1，并且调节升降台29使支撑定位轴24脱离小球(如图8所示)。

第八步，重复第三步至第七步的操作过程，由于划分子孔径区域11时，有的子孔径区域11是重合的，测量过程中球体零件1绕主动装卡轴23和从动装卡轴25旋转到90°和270°的位置不需要测量。这样直到完成第三条环带最后一个子孔径区域11的测量(如图9所示)，所有子孔径区域11的测量结束。

第九步，使用子孔径拼接方法，获得全球面的三维球度误差(如图11所示)，并对球度误差进行评价。子孔径拼接方法可参考陈善勇等“Iterative algorithm for subaperture stitching testwith spherical interferometers”，Journal of the Optical Society of America A，23(5)；1219～1226，2006(“用球面干涉仪进行子孔径拼接测试的迭代算法”，美国光学学会会刊A，23(5)：1219-1226，2006)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该提出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法，其特征在于：它是采用波面干涉仪（6）对球体零件（1）进行检测，先根据所述球体零件（1）的大小以及所述波面干涉仪（6）的测量镜头（7）的孔径大小将球体零件（1）表面划分成若干子孔径区域（11），用波面干涉仪（6）对所有子孔径区域（11）逐一进行测量，得到各子孔径区域（11）的面形误差分布情况，再使用子孔径拼接方法将各子孔径区域（11）的面形误差拼接起来，获得球体零件（1）的全局面形误差分布情况，将球体零件（1）表面划分成若干子孔径区域（11）时，相邻的子孔径区域（11）具有重合区域（12）。

2.根据权利要求1所述的光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法，其特征在于：波面干涉仪（6）对一个子孔径区域（11）的测量完成后，通过可调节球体零件（1）位姿的球体位姿调节装置（2）来调整改变球体零件（1）的位姿，使波面干涉仪（6）可对下一个子孔径区域（11）进行测量。

3.一种用于如权利要求1或2所述光学球体零件全球面三维球度误差的检测方法的检测装置，其特征在于：包括波面干涉仪（6）和与所述波面干涉仪（6）连接的计算机（8），所述波面干涉仪（6）前设有可将球体零件（1）置于所述波面干涉仪（6）的测量镜头（7）前方、并可对球体零件（1）进行位姿调节的球体位姿调节装置（2），所述球体位姿调节装置（2）包括水平分度旋转台（21）、垂直分度旋转台（28）、第一支撑臂（22）、第二支撑臂（26）、主动装卡轴（23）、从动装卡轴（25）、支撑定位轴（24）、对调平移台（27）和升降台（29），所述第一支撑臂（22）、第二支撑臂（26）和升降台（29）均装设于所述对调平移台（27）上，所述升降台（29）位于第一支撑臂（22）与第二支撑臂（26）之间，所述垂直分度旋转台（28）装设于升降台（29）上，所述支撑定位轴（24）装设于垂直分度旋转台（28）上，所述主动装卡轴（23）和水平分度旋转台（21）均装设于第一支撑臂（22）上，且主动装卡轴（23）与水平分度旋转台（21）相连，所述从动装卡轴（25）装设于第二支撑臂（26）上。

4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于：所述主动装卡轴（23）、从动装卡轴（25）和支撑定位轴（24）用于定位球体零件（1）的一端均设有锥形卡持槽。

5.根据权利要求3或4所述的检测装置，其特征在于：所述球体位姿调节装置（2）的对调平移台（27）下端装设有三维平移台（3），所述三维平移台（3）包括第一水平调节台（31）、第二水平调节台（32）和升降调节台（33），所述第二水平调节台（32）装设于第一水平调节台（31）上，且第二水平调节台（32）与第一水平调节台（31）的调节方向垂直布置，所述升降调节台（33）装设于第二水平调节台（32）上，且升降调节台（33）与所述对调平移台（27）下端连接。

6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于：还包括气动隔振台（4）和波面干涉仪支撑台（5），所述三维平移台（3）的第一水平调节台（31）固定于所述气动隔振台（4），所述波面干涉仪（6）通过所述波面干涉仪支撑台（5）支撑于所述气动隔振台（4）上。

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