CN107560585B - 环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的高精度检测方法。环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测方法，该方法包括以下步骤：1)采用位移传感器以圆弧路径检测修正盘的表面形状；2)采用直线度表桥标定参考点相对于中心点的高度；3)生成修正盘的径向轮廓。本发明针对大尺寸修正盘工作面朝下并且难以翻转的问题，根据修正盘表面形状呈中心对称分布的特点，结合机床抛光盘的旋转运动以圆弧路径扫描测得修正盘的表面形状。本发明能够检测大型环抛机中大尺寸修正盘的表面形状误差，检测过程简单方便且精度较高，通过本发明方法获得修正盘的表面形状，可以推测沥青抛光盘的形状，从而调整环抛加工工艺参数以改善光学元件的面形精度。

Description

环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测方法

技术领域

本发明属于光学加工领域，尤其涉及一种环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测方法。

背景技术

环抛机通常采用大尺寸、高稳定性的天然花岗岩制成抛光盘基盘，基盘表面浇制环形的沥青胶层作为抛光盘。沥青抛光盘的环带表面依次放有修正盘和工件盘，其中修正盘用于修正和控制抛光盘的形状误差，而工件盘则用于把持元件。加工时抛光盘、修正盘、工件盘均以一定的转速绕逆时针方向匀速旋转，放在工件盘孔内的光学元件在沥青抛光盘及其承载的抛光颗粒作用下产生材料去除从而形成光学表面。

由于大型环抛机采用大尺寸修正盘来修正和控制抛光盘的形状误差，因此修正盘的表面形状对于抛光盘的形状误差具有重要的影响。对于大尺寸修正盘表面形状误差的检测，由于其重量可达1吨以上，直径甚至超过2米，并且工作面朝下且难以搬运和翻转，因此难以采用常见的干涉仪、三坐标测量仪等进行检测。抛光时修正盘以一定的偏距放在抛光盘的环带上，修正盘和抛光盘均在伺服电机驱动下进行自转，因此修正盘的形状误差呈中心对称分布。CN106225647A公开了一种采用中间带有探针的直线度表桥沿修正盘半径方向分段检测各子段的直线度，然后通过数据处理获得整个半径方向直线度的检测方法，由于探针连接的千分表精度较低，且根据分段检测数据生成整个直径方向的轮廓时，各分段检测数据的误差将会得到累加并被放大，从而影响整体的测量精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的高精度检测方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测方法，该方法包括以下步骤：1)采用位移传感器以圆弧路径检测修正盘的表面形状；2)采用直线度表桥标定参考点相对于中心点的高度；3)生成修正盘的径向轮廓。

进一步的，所述步骤1)为：吊起修正盘使修正盘与抛光盘表面接***行；将平板放在修正盘下方的抛光盘表面，然后将位移传感器固定于平板上，确保位移传感器的探测头的检测点指向修正盘的中心，位移传感器检测的距离数据通过数据线输送至电脑；开启抛光盘的逆时针匀速旋转运动，位移传感器随抛光盘一起匀速旋转，待位移传感器进入修正盘下方时开始记录测得的探测头与修正盘的距离，位移传感器离开修正盘下方时停止记录距离数据，从而获得圆弧路径上位移传感器的探测头相对于修正盘的距离数据，抛光盘的转速记为ω，位移传感器的检测采样时间间隔记为t(s)，检测点分别记为1,…,i,…,m，对应检测结果记为h₁,…,h_i,…,h_m。

进一步的，所述位移传感器通过磁力表座固定于平板上。

进一步的，所述步骤2)为：选择修正盘表面的任一点作为参考点p，参考点与修正盘中心的距离为d；采用跨度为2d的直线度表桥检测参考点相对于中心点的高度，检测时直线度表桥的中间探针位于中心点，两端支点分别位于参考点及其对称点，检测结果即为参考点的实际形状误差，记为h₀。

进一步的，所述步骤3)为：a)建立坐标系和分解误差；b)分离Y方向的倾角误差；c)分离X方向的倾角误差。

进一步的，所述步骤a)为：以修正盘的中心在抛光盘旋转轴线上的垂足点为原点，垂足点指向修正盘中心为X轴正方向，沿抛光盘旋转轴往上为Z轴正方向，建立检测参考直角坐标系，修正盘中心与抛光盘旋转轴的距离记为R，则各检测点在参考坐标系中的坐标为：

各检测点对应的修正盘半径为：

修正盘相对于抛光盘旋转轴的倾角误差分解为两个方向：1)XZ平面和修正盘表面的交线与X轴的夹角，记为θ；2)YZ平面和修正盘表面的交线与Y轴的夹角，记为Φ。

进一步的，所述步骤b)为：去倾斜处理，u_i＝(h_i+h_m+1-i)/2，可得各检测点的参数：(x_i,y_i,r_i,u_i)。

进一步的，所述步骤c)为：查找得到与参考点P具有相同半径的检测点，记为c：(x_c,y_c,r_c,u_c)，c点相对于修正盘中心点的误差(u_c-u_m/2)分为两方面：1)实际形状误差；2)X方向倾角θ引入的误差，满足以下关系：

(u_c-u_m/2)＝h₀-tanθ(x_m/2-x_c)，从而求得tanθ，因此各检测点的真实形状误差v_i为：v_i＝u_i-u_m/2+tanθ(x_m/2-x_i)。

本发明的有益效果是：本发明针对大尺寸修正盘工作面朝下并且难以翻转的问题，根据修正盘表面形状呈中心对称分布的特点，结合机床抛光盘的旋转运动以圆弧路径扫描测得修正盘的表面形状。本发明能够检测大型环抛机中大尺寸修正盘的表面形状误差，检测过程简单方便且精度较高，通过本发明方法获得修正盘的表面形状，可以推测沥青抛光盘的形状，从而调整环抛加工工艺参数以改善光学元件的面形精度。

附图说明

图1为本发明实施例中修正盘形状误差检测时的立体图。

图2为本发明实施例中采用直线度表桥标定参考点相对于中心点的高度的示意图。

图3为本发明实施例中测得的修正盘形状误差数据示意图。

图4为本发明实施例中建立的直角坐标系示意图。

图5为本发明实施例中直角坐标系的主视图。

图6为图5的右视图。

具体实施方式

本发明的环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测方法，包括以下步骤：

(1)采用位移传感器31以圆弧路径检测修正盘的表面形状

如图1所示，修正盘26背面一般设有吊钩27，以方便修正盘26的装吊和搬运。采用车间配备的吊车28和缆绳29缓慢吊起修正盘26并且将其移出加工工位，尽量使修正盘26与抛光盘22表面平行且距离抛光盘22表面合适的高度；将铁质平板30平稳放在修正盘下方的抛光盘22表面，然后将位移传感器31通过磁力表座固定于铁质平板30上，确保位移传感器31的探测头的检测点指向修正盘26的中心，位移传感器31检测的距离数据通过数据线输送至电脑；开启抛光盘22的逆时针匀速旋转运动，位移传感器31随抛光盘22一起匀速旋转，待位移传感器31进入修正盘26下方时开始记录测得的探测头与修正盘26的距离，位移传感器31离开修正盘26下方时停止记录距离数据，从而获得圆弧路径上位移传感器31的探测头相对于修正盘26的距离数据。

抛光盘22的转速记为ω(rad/s)，位移传感器31的检测采样时间间隔记为t(s)，检测点分别记为1,…,i,…,m，对应检测结果记为h₁,…,h_i,…,h_m。

(2)采用直线度表桥40标定参考点相对于中心点的高度

选择修正盘26表面的任一点作为参考点(p)，参考点与修正盘26中心的距离为d；采用跨度为2d的直线度表桥40检测参考点相对于中心点的高度，检测时直线度表桥40的中间探针位于中心点，两端支点分别位于参考点及其对称点，由于修正盘26的形状误差呈中心对称分布，参考点及其对称点的形状误差相同，因此检测结果即为参考点的实际形状误差，记为h₀，如图2所示。

直线度表桥40是以表桥两端支点的连线作为测量基线，通过千分表测出中间探针相对于测量基线的偏离值，直线度表桥40两端支点的跨度即为表桥的检测距离。

(3)生成修正盘26的径向轮廓

(a)建立坐标系和分解误差

以修正盘26的中心在抛光盘22旋转轴线上的垂足点为原点，垂足点指向修正盘中心为X轴正方向，沿抛光盘22旋转轴往上为Z轴正方向，建立检测参考直角坐标系。修正盘中心与抛光盘旋转轴的距离记为R，则各检测点在参考坐标系中的坐标为：

各检测点对应的修正盘半径为：

理想的检测条件是修正盘26垂直于抛光盘22的旋转轴，此时位移传感器31随抛光盘22一起旋转运动时测得其与修正盘26的距离数据即为修正盘26的实际形状误差。实际测量时，修正盘26难以完全垂直于抛光盘22的旋转轴，即修正盘26存在一定的倾角误差，从而引入测量误差。

修正盘26相对于抛光盘旋转轴的倾角误差可以分解为两个方向：1)XZ平面和修正盘26表面的交线与X轴的夹角，记为θ；2)YZ平面和修正盘26表面的交线与Y轴的夹角，记为Φ。

(b)分离Y方向的倾角误差

由于修正盘26的表面形状呈中心对称分布，即检测点1,…,i,…,m的实际形状误差以中间点k＝m/2为中心呈对称分布，同时修正盘26在X方向的倾角不会影响实际检测数据的这种对称性，实际检测数据的非对称误差仅由Y方向的倾角误差决定，因此对其去倾斜处理：

u_i＝(h_i+h_m+1-i)/2，可得各检测点的参数：(x_i,y_i,r_i,u_i)

(c)分离X方向的倾角误差

为了分离X轴方向的倾角误差，首先查找得到与参考点P具有相同半径(d)的检测点，记为c：(x_c,y_c,r_c,u_c)。c点相对于修正盘中心点的误差分为两方面：1)实际形状误差；2)X方向倾角θ引入的误差，满足以下关系：

(u_c-u_m/2)＝h₀-tanθ(x_m/2-x_c)

从而求得tanθ，因此各检测点的真实形状误差v_i为：

v_i＝u_i-u_m/2+tanθ(x_m/2-x_i)

实施例：

本实施例的环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测是在一台大型环抛机21上进行的，如图1所示。抛光盘22的直径为4米，抛光盘22的上方设置有第一工位23、第二工位24、第三工位25，大尺寸修正盘26放在第一工位23上，其直径为2米，重量为1.4吨，大尺寸修正盘26的背面设置有吊钩27，可通过环抛车间配备的吊车28将其吊起和搬运。

(1)采用位移传感器以圆弧路径检测修正盘的表面形状

采用吊车28和缆绳29缓慢吊起大尺寸修正盘26并且将其移出工位23，尽量使修正盘26与抛光盘22平行，修正盘26的中心与抛光盘22的中心距离为1.5米；将直径为200mm的铁质平板30平稳放在修正盘26下方的抛光盘22表面，铁质平板30的中心与抛光盘22的中心距离为1.5米，将位移传感器31通过磁力表座固定于铁质平板30上，调整位移传感器31探测头的检测点指向修正盘26的中心，位移传感器31检测的数据通过数据线输送至电脑。设定抛光盘22的转速ω为0.5rpm(π/60rad/s)，开启抛光盘22的逆时针旋转运动，此时位移传感器31随抛光盘22一起匀速旋转，待位移传感器31进入修正盘26下方时开始记录测得的探测头相对于修正盘26的距离，位移传感器31离开修正盘26下方时停止记录距离数据，从而获得圆弧路径上探测头相对于修正盘的距离数据。

位移传感器31的检测采样时间间隔记t为0.01s，检测点分别记为1,…,i,…,m，对应检测结果记为h₁,…,h_i,…,h_m，其中m为2600，如图3所示。

(2)采用直线度表桥标定参考点相对于中心点的高度

选择修正盘26表面与其中心O₂距离为250mm的P点作为参考点，采用跨度为500mm的直线度表桥40检测P点相对于中心点O₂的高度，检测时表桥40的中间探针位于中心点O₂，两端支点分别位于参考点P及其对称点，如图2所示。测得参考点P的实际形状误差为h₀＝5um。

(3)生成修正盘的径向轮廓

(a)建立坐标系和分解误差

以修正盘26的中心O₂在抛光盘22旋转轴线上的垂足点O₁为原点，O₁点指向修正盘中心O₂为X轴正方向，沿抛光盘22旋转轴往上为Z轴正方向，建立检测参考直角坐标系O₁XYZ，如图4所示。修正盘中心O₂与抛光盘22旋转轴的距离R＝1500mm，则各检测点在参考坐标系中的坐标为：

各检测点对应的修正盘半径为：

测量时修正盘26难以完全垂直于抛光盘22的旋转轴，即修正盘22存在一定的倾角误差，从而引入测量误差。

修正盘26相对于抛光盘22旋转轴的倾角误差分解为两个方向：1)XZ平面和修正盘26表面的交线与X轴的夹角，记为θ，如图5所示；2)YZ平面和修正盘26表面的交线与Y轴的夹角，记为Φ，如图6所示。

(b)分离Y方向的倾角误差

由于修正盘26表面检测点1,…,i,…,m的实际形状误差以中间点k＝m/2为中心呈对称分布，同时修正盘26在X方向的倾角不会影响实际检测数据的这种对称性，实际检测数据的非对称误差仅由Y方向的倾角误差决定，因此对其去倾斜处理：

u_i＝(h_i+h_m+1-i)/2，可得各检测点的参数：(x_i,y_i,r_i,u_i)，其u_i误差如图3所示。

(c)分离X方向的倾角误差

为了分离X轴方向的倾角误差θ，首先查找得到与参考点P具有相同半径(d＝250)的检测点c＝960：(x_c,y_c,r_c,u_c)＝(1489，-249.8，95.2，108.2)。c点相对于修正盘中心点的误差(u_c-u_m/2)分为两方面：1)实际形状误差；2)X方向倾角θ引入的误差，满足以下关系：

(u_c-u_m/2)＝h₀-tanθ(x_m/2-x_c)

从而求得tanθ＝-0.1，因此各检测点的真实形状误差v_i为：

v_i＝u_i-u_m/2+tanθ(x_m/2-x_i)，如图3所示。

Claims (7)

1.环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)采用位移传感器以圆弧路径检测修正盘的表面形状；2)采用直线度表桥(40)标定参考点相对于中心点的高度：选择修正盘(26)表面的任一点作为参考点p，参考点与修正盘(26)中心的距离为d；采用跨度为2d的直线度表桥(40)检测参考点相对于中心点的高度，检测时直线度表桥(40)的中间探针位于中心点，两端支点分别位于参考点及其对称点，检测结果即为参考点的实际形状误差，记为h₀；3)生成修正盘(26)的径向轮廓。

2.如权利要求1所述的环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测方法，其特征在于，所述步骤1)为：吊起修正盘(26)使修正盘(26)与抛光盘(22)表面接***行；将平板(30)放在修正盘(26)下方的抛光盘(22)表面，然后将位移传感器(31)固定于平板(30)上，确保位移传感器(31)的探测头的检测点指向修正盘(26)的中心，位移传感器(31)检测的距离数据通过数据线输送至电脑；开启抛光盘(22)的逆时针匀速旋转运动，位移传感器(31)随抛光盘(22)一起匀速旋转，待位移传感器(31)进入修正盘(26)下方时开始记录测得的探测头与修正盘(26)的距离，位移传感器(31)离开修正盘(26)下方时停止记录距离数据，从而获得圆弧路径上位移传感器(31)的探测头相对于修正盘(26)的距离数据，抛光盘(22)的转速记为ω(rad/s)，位移传感器(31)的检测采样时间间隔记为t(s)，检测点分别记为1,…,i,…,m，对应检测结果记为h₁,…,h_i,…,h_m。

3.如权利要求2所述的环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测方法，其特征在于，所述位移传感器(31)通过磁力表座固定于平板(30)上。

4.如权利要求1所述的环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测方法，其特征在于，所述步骤3)为：a)建立坐标系和分解误差；b)分离Y方向的倾角误差；c)分离X方向的倾角误差。

5.如权利要求4所述的环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测方法，其特征在于，所述步骤a)为：以修正盘(26)的中心在抛光盘旋转轴线上的垂足点为原点，垂足点指向修正盘中心为X轴正方向，沿抛光盘(22)旋转轴往上为Z轴正方向，建立检测参考直角坐标系，修正盘中心与抛光盘旋转轴的距离记为R，则各检测点在参考坐标系中的坐标为：

各检测点对应的修正盘半径为：

修正盘(26)相对于抛光盘旋转轴的倾角误差分解为两个方向：1)XZ平面和修正盘(26)表面的交线与X轴的夹角，记为θ；2)YZ平面和修正盘(26)表面的交线与Y轴的夹角，记为Φ；其中，ω为抛光盘的转速。

6.如权利要求4所述的环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测方法，其特征在于，所述步骤b)为：去倾斜处理，u_i＝(h_i+h_m+1-i)/2，可得各检测点的参数：(x_i,y_i,r_i,u_i)，其中u_i＝(h_i+h_m+1-i)/2表示第i检测点的去倾斜误差，h_i和h_m+1-i表示第i和第m+1-i检测点的检测结果。

7.如权利要求4所述的环抛中大尺寸修正盘表面形状误差的检测方法，其特征在于，所述步骤c)为：查找得到与参考点P具有相同半径的检测点c，c的参数记为c：(x_c,y_c,r_c,u_c)，c点相对于修正盘中心点的误差(u_c-u_m/2)分为两方面：1)实际形状误差；2)X方向倾角θ引入的误差，满足以下关系：

(u_c-u_m/2)＝h₀-tanθ(x_m/2-x_c)，从而求得tanθ，因此各检测点的真实形状误差v_i为：v_i＝u_i-u_m/2+tanθ(x_m/2-x_i)。