一種基于電容式位移傳感器的擺臂輪廓儀及其裝調(diào)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)元件面形檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于電容式位移傳感器的擺臂 輪廓儀及其裝調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，碳化硅材料由于其優(yōu)越的材料性能，如比剛度大、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn) 定性好等，被廣泛應(yīng)用于空間光學(xué)元件的制造；但是相比于傳統(tǒng)的玻璃材料，碳化硅材料硬 度更大，加工效率更低。大口徑光學(xué)元件的加工一般分為銑磨、研磨、拋光三個(gè)階段；銑磨階 段由銑磨機(jī)床對毛坯件進(jìn)行材料去除，研磨、拋光階段實(shí)現(xiàn)對面形的逐步加工成形。由于拋 光階段材料去除效率遠(yuǎn)低于研磨階段；為了提高反射鏡整體加工效率，提高研磨階段面形 加工精度實(shí)現(xiàn)盡量精確地材料去除，用來縮短拋光階段所需時(shí)間是一種行之有效的方法。
[0003] 然而，限制研磨精度的因素主要來自于研磨階段的面形檢測精度，因此需要一種 適用于研磨階段面形高精度檢測的手段。擺臂式輪廓儀作為一種有效指導(dǎo)大口徑反射鏡研 磨階段面形加工的檢測手段，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了面形檢測精度達(dá)2~3umPV，但不能滿足更高 精度的檢測需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提出一種基于電容式位移傳感器的擺臂輪廓儀及其裝調(diào)方法， 解決現(xiàn)有技術(shù)存在的擺臂輪廓儀不能滿足更高精度的檢測需求的問題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種基于電容式位移傳感器的擺臂輪廓儀包括氣浮轉(zhuǎn) 臺(tái)、測量臂、電容式位移傳感器、測頭裝卡裝置、控制單元和信號采集卡；
[0006] 所述測量臂與所述氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)固定連接，所述測量臂一端通過測頭裝卡裝置安裝有 電容式位移傳感器的測頭，另一端設(shè)置有配重件；
[0007] 所述信號采集卡對氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度的信號進(jìn)行采集，所述控制單元控制電容式 位移傳感器和信號采集卡記錄同一時(shí)刻信號。
[0008] 所述氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)與機(jī)床軸連接，所述氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸通過待測導(dǎo)電光學(xué)元件的最接 近球球心。
[0009] -種基于電容式位移傳感器的擺臂輪廓儀的裝調(diào)方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟一：將所述擺臂輪廓儀安裝在機(jī)床軸上，記錄電容式位移傳感器量程S。；
[0011] 步驟二：調(diào)節(jié)待測導(dǎo)電光學(xué)元件在水平方向的位置，使待測導(dǎo)電光學(xué)元件中心與 機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)中心對齊；
[0012] 步驟三：將激光測距式位移傳感器測頭通過測頭裝卡裝置安裝在測量臂端部，控 制機(jī)床軸位置移動(dòng)，并調(diào)整機(jī)床軸傾斜角度，使測量臂擺一圈時(shí)，激光測距式位移傳感器測 頭讀數(shù)變化在〇. 8*s。以內(nèi)，記錄此時(shí)機(jī)床軸的位置參數(shù)（X，y，z，A);其中，（X，y，z)為機(jī)床 軸的位置參數(shù)，A為機(jī)床軸的傾斜角度值；
[0013] 步驟四：在待測導(dǎo)電光學(xué)元件表面上找到機(jī)床中心位置，貼上靶標(biāo)，并使靶標(biāo)中心 與機(jī)床中心重合；
[0014] 步驟五：將激光測距式位移傳感器測頭換下，安裝上電容式位移傳感器測頭，并將 機(jī)床軸調(diào)整到步驟三記錄參數(shù)（X，y, Z, A)的位置；
[0015] 步驟六：調(diào)整電容式位移傳感器測頭位置，使電容式位移傳感器測頭的測量中心 對準(zhǔn)靶標(biāo)中心，且測量方向垂直于待測導(dǎo)電光學(xué)元件表面中心，以及在該位置時(shí)測頭讀數(shù) 為0. 5*s。，完成電容式位移傳感器測頭的裝調(diào)；
[0016] 步驟七：將信號采集卡連接上氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)；將控制單元與信號采集卡和電容位移傳 感器建立連接，完成基于電容式位移傳感器的擺臂輪廓儀的裝調(diào)。
[0017] 本發(fā)明的工作原理為：本發(fā)明的一種基于電容式位移傳感器的擺臂輪廓儀及其裝 調(diào)方法基于擺臂輪廓儀檢測原理，采用高精度的電容式位移傳感器，對檢測結(jié)果中的系統(tǒng) 誤差進(jìn)行的分離，從而實(shí)現(xiàn)面形的高精度檢測。
[0018] 檢測系統(tǒng)由一臺(tái)傾斜放置的高精度氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)、剛性測量臂和位于測量臂末端的電 容式位移傳感器組成；氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)傾斜，轉(zhuǎn)軸通過待測導(dǎo)電光學(xué)元件最接近球球心O 1，傾角滿 足：
[0020] 其中，L :鏡面中心點(diǎn)到氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸的距離；
[0021] R :反射鏡最接近球半徑；
[0022] 待測導(dǎo)電光學(xué)元件為凸非球面反射鏡或凹非球面反射鏡，測量臂位于檢測零位 時(shí)，電容式位移傳感器測頭裝調(diào)至反射鏡光軸方向。所述的檢測零位是指測頭與鏡面中心 即轉(zhuǎn)臺(tái)中心對齊時(shí)測量臂的位置。
[0023] 檢測時(shí)測量臂與氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)固定在一起，攜帶位移傳感器測頭繞氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸旋 轉(zhuǎn)，測頭在鏡面掃過一條弧線，測得軌跡位置處非球面與其最接近球面的偏離量。電容式位 移傳感器測完一條弧線，反射鏡繞機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一定角度，電容式位移傳感器繼續(xù)測 下一條弧線。
[0024] 反射鏡旋轉(zhuǎn)一周后，得到電容式位移傳感器在鏡面上的測量點(diǎn)分布圖，誤差面形 為：
[0025] AS = S-S0
[0026] 其中：S :實(shí)測面形各點(diǎn)的非球面偏離量；
[0027] S。:理想面形各點(diǎn)的非球面偏離量；
[0028] 對于凸非球面反射鏡的測量，擺臂氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)反方向傾斜，即順時(shí)針傾斜，使氣浮轉(zhuǎn) 臺(tái)轉(zhuǎn)軸經(jīng)過凸非球面反射鏡最接近球球心，測量原理與凹非球面反射鏡測量原理相同。
[0029] 本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明采用更高精度的電容式位移傳感器，利用其超高分 辨率、強(qiáng)抗干擾能力的特點(diǎn)進(jìn)行擺臂檢測系統(tǒng)的誤差分離，與傳統(tǒng)擺臂輪廓儀相比，測量精 度更高，穩(wěn)定性更好。
[0030] 本發(fā)明的一種基于電容式位移傳感器的擺臂輪廓儀及其裝調(diào)方法基于擺臂輪廓 儀的工作原理，結(jié)合碳化硅材料的導(dǎo)電特性，將電容式位移傳感器應(yīng)用于擺臂輪廓檢測系 統(tǒng)。擺臂輪廓儀檢測的過程中，電容式位移傳感器和擺臂氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)以各自不同的頻率進(jìn)行 采集讀數(shù)。由控制單元發(fā)出鎖頻信號，記錄該時(shí)刻下電容式位移傳感器讀數(shù)與擺臂氣浮轉(zhuǎn) 臺(tái)角度，實(shí)現(xiàn)電容式位移傳感器與擺臂氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)據(jù)的同步采集。
[0031] 本發(fā)明使用的電容式位移傳感器具有比常用非接觸式的激光測距式位移傳感器 更高的精度和更好的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的非接觸式激光測距位移傳感器測量時(shí)有一定的作用距 離，如量程為1mm的激光測距位移傳感器作用距離為20mm，即測頭距離鏡面20mm±0. 5mm范 圍內(nèi)進(jìn)行測量。而電容式位移傳感器作用距離為零，即量程為1mm的電容位移傳感器測頭 距鏡面0~Imm范圍內(nèi)進(jìn)行測量，這增大了電容式位移傳感器應(yīng)用于擺臂式輪廓儀上進(jìn)行 面形測量的風(fēng)險(xiǎn)；本發(fā)明提出的一種基于電容式位移傳感器的擺臂輪廓儀的裝調(diào)方法有效 地解決了電容式位移傳感器應(yīng)用于擺臂式輪廓儀上進(jìn)行面形測量時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)問題。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明的一種基于電容式位移傳感器的擺臂輪廓儀的原理示意圖；
[0033] 圖2為本發(fā)明的一種基于電容式位移傳感器的擺臂輪廓儀懸掛式結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0034] 圖3為本發(fā)明的一種基于電容式位移傳感器的擺臂輪廓儀立柱式結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0035] 圖4為本發(fā)明的一種基于電容式位移傳感器的擺臂輪廓儀的裝調(diào)方法流程圖；
[0036] 其中：1、電容式位移傳感器，2、控制單元