大口径非球面表面形状测量关键技术研究

发布时间：2017-09-24 04:25

  本文关键词：大口径非球面表面形状测量关键技术研究

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【摘要】：针对目前大口径非球面元件的测量精度受限于仪器回转基准的空间回转运动误差，尤其是受限于轴向跳动等轴向回转运动误差的技术瓶颈，以及现有非球面元件的测量方法更无法兼顾高精度、大测量口径及非接触测量的技术现状，将单转位轴向空间回转运动误差的实时分离方法应用于大口径非球面测量中，同时又将光学非接触的差动共焦显微探测技术与表面轮廓的逐圆周扫描测量模式相结合，进而构建了新型的大口径非球面测量仪器，并针对大口径非球面高精度测量中涉及的仪器原理、测量方法及若干关键技术进行了深入研究。 本论文完成的主要创新性工作如下： 研究了针对大口径非球面表面形状高精度测量的轴向回转误差单转位分离方法与技术，并依据离散傅里叶变换和谐波分析等数学工具对该误差分离方法进行理论分析和仿真验证。然后，基于该误差分离技术，搭建了应用于大口径非球面测量的高精度气浮回转基准，并通过实验测试得出所研制回转基准的轴向和径向回转精度，，为实现大口径非球面元件高精度测量中对回转基准所引入轴向回转误差的实时分离奠定技术基础。 提出了基于空气静压支承技术的精密调心调倾方法与技术，该方法利用空气静压原理产生特定形状的偏心和倾斜调整气膜作为支承和导向，配合特殊布置的若干微位移驱动器进而实现偏心和倾斜位姿误差的调整。然后，依据该技术研制了用于大口径非球面测量的精密调心调倾回转工作台系统，再利用坐标变换等数学工具推导出驱动器位移与偏心和倾斜调整操作的关系，并进行仿真分析和实验验证。实验结果表明：所研制的精密调心调倾回转工作台在50Kg负载时的偏心调整分辨力为0.3μm，偏心调整范围±5mm，倾斜调整分辨力优于1.2″，倾斜调整范围±1.5°。 为实现大口径非球面元件表面形状的非接触逐圆周扫描测量，依据共焦显微探测理论分析了针对大口径非球面表面形状特征进行测量时激光差动共焦探测技术的轴向响应函数，依据该响应函数的过零点特性研究了基于激光差动共焦过零触发的光学非接触表面形状测量方法，研制了基于该方法的表面形状探测装置，并通过系列实验测定该探测器的性能参数。实验结果表明：所研制探测器具备250μm的测量范围、4.934V/μm的灵敏度、5nm左右的位移分辨力和20nm的重复性，能够为所研制的新型大口径非球面表面形状测量仪器提供高分辨、大量程、非接触的光学扫描探测系统。 应用上述的各关键技术，研究了新型非接触大口径非球面表面形状逐圆周扫描测量方法，并研制了基于该方法的新型大口径非球面测量仪器。然后，依据相关规程对所研制大口径非球面测量仪器的相关技术参数进行测试，实验测试结果表明：基于上述各关键技术研制的新型仪器能够满足大口径非球面元件表面形状测量的高精度、非接触、大测量口径等多重测量需求。 最后，分析并建立了所研制大口径非球面表面形状测量系统的误差传递数学模型，利用该模型对所研制测量系统进行不确定度评定，评定结果表明：所研制系统的不确定度为U95≈0.1626μm (k=2)，能够为大口径非球面表面形状特征等参数的高精度测量提供新的方法和技术途径。
【关键词】：大口径非球面 单转位误差分离 轴向空间回转误差 调心调倾 激光差动共焦 过零触发 表面形状测量
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目录10-13
• 第1章 绪论13-36
• 1.1 本论文研究的目的和意义13-16
• 1.2 大口径非球面测量研究现状16-22
• 1.2.1 探针扫描法大型非球面轮廓测量技术17-19
• 1.2.2 光学干涉法大型非球面轮廓测量技术19-21
• 1.2.3 存在问题21-22
• 1.3 大口径非球面测量关键技术22-32
• 1.3.1 表面形状测量回转基准及回转误差分离技术22-24
• 1.3.2 偏心和倾斜位姿误差的调整技术24-27
• 1.3.3 非接触式探针扫描技术27-32
• 1.4 大口径非球面表面轮廓测量技术发展趋势32-33
• 1.5 课题来源及主要研究内容33-36
• 第2章 基于单转位误差分离技术的表面形状测量方法36-54
• 2.1 引言36
• 2.2 回转基准空间回转运动误差的构成36-37
• 2.3 轴向回转误差单转位分离方法和技术37-44
• 2.3.1 轴向回转运动误差的逐测量圆周分离方法38-41
• 2.3.2 谐波奇异问题41-43
• 2.3.3 转位角影响分析Δα43-44
• 2.4 误差分离系统构成44-45
• 2.5 仿真实验及实验验证45-52
• 2.5.1 仿真分析和验证46-47
• 2.5.2 实际测量数据验证47-51
• 2.5.3 与多步法误差分离比对51-52
• 2.6 空间回转误差自分离精密气浮轴系52-53
• 2.7 本章小结53-54
• 第3章 基于空气静压支承技术的调心调倾方法与技术研究54-68
• 3.1 引言54
• 3.2 调心调倾技术原理54-62
• 3.2.1 调心调倾工作台构成54-56
• 3.2.2 偏心调整原理56-57
• 3.2.3 偏心调整数学模型57-58
• 3.2.4 倾斜调整原理58-59
• 3.2.5 倾斜调整数学模型59-62
• 3.3 调心调倾回转工作台测控系统构成62
• 3.4 测量实验与误差分析62-66
• 3.4.1 偏心调整分辨力测试62-63
• 3.4.2 倾斜调整分辨力测试63-65
• 3.4.3 稳定性测试65-66
• 3.5 本章小结66-68
• 第4章 大口径非球面轮廓测量中的激光差动共焦过零触发探测技术68-87
• 4.1 引言68
• 4.2 共焦探测系统对倾斜表面的响应特性68-75
• 4.2.1 共焦探测理论68-71
• 4.2.2 点探测器轴向偏移时共焦测量系统的响应特性71-72
• 4.2.3 差动共焦测量系统的轴向响应特性72-73
• 4.2.4 差动共焦系统对倾斜被测表面的轴向响应特性分析73-75
• 4.3 激光差动共焦过零触发表面形状测量技术75-79
• 4.3.1 激光差动共焦轴向光强响应曲线特性76-77
• 4.3.2 过零点跟踪和触发位置采集77-79
• 4.4 激光差动共焦过零触发表面形状探测系统79-80
• 4.5 表面形状探测器的实验测试80-85
• 4.5.1 对不同倾斜角度被测表面的测试80-82
• 4.5.2 轴向响应特性及过零触发测试82-83
• 4.5.3 恒高度传感测量实验83-84
• 4.5.4 轴向灵敏度测试84
• 4.5.5 稳定性测试84-85
• 4.6 本章小结85-87
• 第5章 大口径非球面测量系统87-101
• 5.1 引言87
• 5.2 大口径非球面测量系统87-90
• 5.3 大口径非球面测量仪器测控系统90-97
• 5.3.1 测控系统总体构成90-91
• 5.3.2 激光差动共焦过零触发扫描测量模块91
• 5.3.3 逐测量圆周单转位误差分离测量模块91-93
• 5.3.4 X 向精密驱动定位模块93-95
• 5.3.5 Z 向精密驱动定位模块95-97
• 5.4 大口径非球面测量仪器的测量方式及测控软件97-100
• 5.4.1 大口径非球面测量仪器的测量方式97-98
• 5.4.2 大口径非球面测量仪器的测控软件系统98-100
• 5.5 本章小结100-101
• 第6章 实验结果及分析101-120
• 6.1 引言101
• 6.2 表面形状测量系统各部分性能测试101-108
• 6.2.1 仪器回转基准的径向回转误差测试101-103
• 6.2.2 仪器回转基准的轴向回转误差测试103-104
• 6.2.3 X 向和 Z 向直线运动基准的定位性能测试104-105
• 6.2.4 所研制探测器的轴向位移分辨力分析与实验105-107
• 6.2.5 所研制探测器的重复性实验107-108
• 6.3 大口径非球面表面形状测试108-109
• 6.4 不确定度分析109-118
• 6.4.1 测量系统数学模型109-116
• 6.4.2 标准不确定度评定116-118
• 6.4.3 合成不确定度评定118
• 6.4.4 扩展不确定度评定118
• 6.5 本章小结118-120
• 结论120-123
• 参考文献123-131
• 附录131-133
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单133-134
• 致谢134-135
• 作者简介135

【参考文献】

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本文编号：909338