摆臂式轮廓仪测头空间位置检测技术研究

发布时间：2017-08-24 14:06

  本文关键词：摆臂式轮廓仪测头空间位置检测技术研究

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【摘要】：伴随着科学技术的快速发展,光学非球面由于其优异的光学性能,在大型光学系统、空间目标探测与识别和红外导引等技术领域有着较为广泛的应用。然而,目前光学非球面面形加工以及相应的在位检测依然存在一定的难度,为此提出了摆臂式轮廓仪的测量方法。摆臂式轮廓仪具有结构简单、成本低、测量范围大和测量精度高等优点,可以实现光学非球面的在位检测,避免加工中的镜面在搬运中带来的风险,同时提高了镜面面形的检测精度和加工效率。但是在实际的检测中,摆臂式轮廓仪测头空间位置中的测头偏心误差以及有效臂长均对其测量面形的精度产生一定的影响。本论文的主要工作是围绕摆臂式轮廓仪测头空间位置检测技术进行研究,提出了光谱共焦传感器测量测头偏心误差的方法以及点源显微镜标定测头系统空间坐标位置关系和激光跟踪仪测量横臂转台轴心线的联合测量有效臂长的方法。本论文的主要研究内容围绕以下几部分展开:1.调研了摆臂式轮廓仪的国内外研究发展状况,对摆臂式轮廓仪的测量原理进行了介绍,分析了测头空间位置对面形检测的影响,得出需要将摆臂式轮廓仪测头偏心误差控制在10μm,即测头偏心误差测量不确定度不超过3μm,同时有效臂长的测量不确定度不超过10μm。对目前一些偏心误差测量方法和有效臂长测量方法进行了2.介绍了摆臂式轮廓仪测头偏心误差的测量原理及光谱共焦传感器的测量原理,对测头偏心误差的误差因素及测量不确定度进行了相应理论分析,利用Monte-Carlo模拟方法得到理论扩展不确定度ULg=0.8μm。3.对有效臂长的测量方法进行了研究,提出了点源显微镜标定测头系统空间坐标位置关系以及激光跟踪仪测量横臂转台轴心线的方法,分别介绍了点源显微镜的工作原理、激光跟踪仪的工作原理以及两种测量方法的原理。利用Monte-Carlo模拟方法得到实验中有效臂长扩展不确定度UL=8.2μm。4.针对光谱共焦传感器测量摆臂式轮廓仪测头偏心误差,进行了对比实验,对比实验结果证明了光谱共焦传感器测量测头偏心误差的测量方法是可行的,测量数据是可5.针对点源显微镜标定测头系统空间坐标位置关系及激光跟踪仪测量横臂转台轴心线来测量摆臂式轮廓仪有效臂长,设计了对比实验,实验结果证明该测量方法的可行性与可靠性。
【关键词】：摆臂式轮廓仪 偏心误差 有效臂长 光谱共焦传感器 点源显微镜 激光跟踪仪
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（光电技术研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• 1 绪论11-31
• 1.1 课题研究的背景11-13
• 1.2 摆臂式轮廓仪国内外研究现状13-15
• 1.2.1 摆臂式轮廓仪国外研究现状13-14
• 1.2.2 摆臂式轮廓仪国内研究现状14-15
• 1.3 课题研究目标与意义15-24
• 1.3.1 摆臂式轮廓仪的工作原理15-19
• 1.3.2 倾斜测量模式测头空间位置对检测结果的影响19-23
• 1.3.3 课题的提出和主要研究任务23-24
• 1.4 偏心误差测量方法综述24-28
• 1.4.1 芯轴和百分表测量法24
• 1.4.2 等高V形块和千分表测量法24-25
• 1.4.3 两顶尖孔和千分表测量法25
• 1.4.4 千分表和高度游标卡尺测量法25
• 1.4.5 V形块间接测量法25-26
• 1.4.6 千分表对中测量法26-27
• 1.4.7 激光对中测量法27-28
• 1.4.8 偏心误差测量方法小结28
• 1.5 摆臂式轮廓仪有效臂长综述28-29
• 1.5.1 旋转测量法28
• 1.5.2 激光跟踪仪测量法28-29
• 1.5.3 摆臂式轮廓仪有效臂长测量方法小结29
• 1.6 主要工作和论文组织安排29-31
• 2 摆臂式轮廓仪测头偏心误差测量方法研究31-41
• 2.1 光谱共焦传感器测量摆臂式轮廓仪测头偏心误差原理31-33
• 2.2 光谱共焦传感器测量原理33
• 2.3 光谱共焦传感器测量摆臂式轮廓仪测头偏心误差算法仿真33-34
• 2.4 摆臂式轮廓仪测头偏心误差方法的影响因素34-36
• 2.5 光谱共焦传感器测量摆臂式轮廓仪测头偏心误差精度理论分析36-39
• 2.5.1 摆臂式轮廓仪测头偏心误差实验器材选择及相关参数36-37
• 2.5.2 Monte-Carlo模拟方法37-38
• 2.5.3 测头偏心误差测量不确定度理论分析38-39
• 2.6 本章小结39-41
• 3 摆臂式轮廓仪有效臂长测量方法研究41-55
• 3.1 点源显微镜标定摆臂式轮廓仪测头系统空间坐标位置关系42-45
• 3.1.1 点源显微镜的工作原理42-43
• 3.1.2 点源显微镜标定摆臂式轮廓仪测头系统空间坐标关系的原理43-44
• 3.1.3 摆臂式轮廓仪测头系统空间坐标关系的实验器材及精度分析44-45
• 3.2 激光跟踪仪测量摆臂式轮廓仪横臂转台轴心线45-49
• 3.2.1 激光跟踪仪的结构和工作原理45-47
• 3.2.2 激光跟踪仪测量摆臂式轮廓仪横臂转台轴心线的原理47-49
• 3.2.3 激光跟踪仪测量的误差因素组成49
• 3.3 摆臂式轮廓仪有效臂长的测量49-53
• 3.3.1 摆臂式轮廓仪有效臂长的测量方法49-50
• 3.3.2 Monte-Carlo模拟方法评价有效臂长测量不确定度50-51
• 3.3.3 摆臂式轮廓仪有效臂长实验仪器及参数51-52
• 3.3.4 摆臂式轮廓仪有效臂长算法及仿真分析52-53
• 3.4 摆臂式轮廓仪测头系统设计53
• 3.5 本章小结53-55
• 4 摆臂式轮廓仪测头偏心误差实验研究55-59
• 4.1 摆臂式轮廓仪测头偏心误差对比实验平台搭建55
• 4.2 摆臂式轮廓仪测头偏心误差对比实验数据采集及处理55-57
• 4.3 摆臂式轮廓仪测头偏心误差实验结果讨论57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 5 摆臂式轮廓仪有效臂长实验研究59-67
• 5.1 激光跟踪仪测量标准环半径60-61
• 5.2 点源显微镜标定测头系统空间位置坐标关系61-62
• 5.3 激光跟踪仪测量横臂转台轴心线62-64
• 5.4 对比实验有效臂长和激光跟踪仪测量有效臂长64-65
• 5.5 摆臂式轮廓仪有效臂长实验结果讨论65
• 5.6 本章小结65-67
• 6 总结与展望67-69
• 6.1 论文总结67
• 6.2 研究展望67-69
• 参考文献69-72
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果72-73

【参考文献】

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本文编号：731704