面向光學(xué)反射鏡的非接觸面形測量關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、基于非球面、自由曲面的光學(xué)反射鏡是光學(xué)系統(tǒng)中不可或缺的元件，由其構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)體積小、能量透過率高、成像質(zhì)量高等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于大型天文望遠(yuǎn)鏡、空間遙感、復(fù)雜自由曲面制造以及精密工程等領(lǐng)域。大口徑、非球面（離軸非球面）、自由曲面型反射鏡的高效加工一直是光學(xué)領(lǐng)域的瓶頸問題，隨著計(jì)算機(jī)控制局部磨拋等先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)車間基本形成了固定的銑磨、研磨、拋光的三段式確定性加工模式，只要測量精度足夠高，確定性研拋就能

2、加工出相應(yīng)精度的光學(xué)反射鏡，而測量技術(shù)的短板，特別是銑磨到研磨過渡階段測量手段的缺乏，嚴(yán)重影響到光學(xué)反射鏡的加工效率。
　　坐標(biāo)式掃描測量通用性廣，適用于面形誤差較大和表面較粗糙時(shí)使用，是最有希望銜接銑磨到研磨過渡的面形測量方式，而現(xiàn)有的坐標(biāo)式測量技術(shù)存在諸多缺點(diǎn):1）接觸式坐標(biāo)測量設(shè)備存在效率低的問題，而采用非接觸探頭的坐標(biāo)式面形測量設(shè)備受限于探頭的量程和精度，如何實(shí)現(xiàn)非接觸探頭的高精度大量程測量？2）傳統(tǒng)坐標(biāo)式測量設(shè)備采用柵格

3、掃描的方式，掃描效率過低，而采用螺旋掃描測量能夠明顯提高測量效率，但如何解決螺旋掃描測量時(shí)探頭與主軸旋轉(zhuǎn)中心的對中問題？3）傳統(tǒng)CMM在測量工件邊緣時(shí)存在測量不準(zhǔn)的缺點(diǎn)，在測量異形工件時(shí)存在探頭軌跡復(fù)雜的問題，如何解決異形工件的全口徑測量？4）反射鏡的表面疵病測量意義重大，但目前仍舊依賴人工或?qū)Ｓ迷O(shè)備檢測，而幾乎所有的面形測量設(shè)備都不具備表面疵病測量功能，如何實(shí)現(xiàn)面形測量和表面疵病測量在同一臺設(shè)備上同時(shí)測量？本文的研究工作將針對上述關(guān)鍵

4、問題，提出了一系列具有工程意義的方法和關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了具有自主技術(shù)的非接觸坐標(biāo)式面形測量系統(tǒng)。
　　論文的研究內(nèi)容一共分為六章:
　　第一章:介紹了光學(xué)反射鏡的面形測量研究背景，介紹了光學(xué)反射鏡的應(yīng)用前景和面形測量的基礎(chǔ)理論。概括了目前常用的可用于光學(xué)反射面測量的各種方法，并概述了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了目前反射面測量所面臨的技術(shù)難題和測量要求。簡述了針對非接觸坐標(biāo)掃描式面形測量技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，對比了我國與國外先進(jìn)技術(shù)的差距，并

5、指出現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)的不足之處。最后概述了本文的主要研究內(nèi)容和意義。
　　第二章:針對目前高精度探頭均存在量程低、無法測量PV值較大的面形的缺點(diǎn)，提出了基于音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺的自動(dòng)聚焦式面形跟蹤測量技術(shù)，為此本章從音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺的開發(fā)以及自動(dòng)聚焦的實(shí)現(xiàn)提出了兩種不同精度和跟蹤速度的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)，即機(jī)械導(dǎo)軌式和氣浮導(dǎo)軌式。詳細(xì)介紹了機(jī)械導(dǎo)軌式從器件到系統(tǒng)的開發(fā)過程，包括音圈電機(jī)的設(shè)計(jì)制造、光柵尺細(xì)分器的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)和系統(tǒng)調(diào)試策略等。介

6、紹了氣浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢和開發(fā)難點(diǎn)，重點(diǎn)解決了氣浮導(dǎo)軌的裝配技術(shù)，提出了一種低成本、易實(shí)現(xiàn)的裝配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了比機(jī)械式系統(tǒng)更優(yōu)的定位精度和更高的跟蹤速度。提出了適用于同類系統(tǒng)的控制策略、調(diào)試策略以及性能評估方法。
　　第三章:提出了一種新的面形測量系統(tǒng)，并系統(tǒng)介紹了直角坐標(biāo)式面形跟蹤測量樣機(jī)的開發(fā)過程，包括坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、搭建以及控制，運(yùn)動(dòng)誤差的測量及補(bǔ)償方法，高精度面形測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，測量信號采集策略和抗干擾措施以及軟件開

7、發(fā);樣機(jī)搭建完成后，對分辨率、漂移、重復(fù)性等指標(biāo)進(jìn)行了測量。
　　第四章:對于掃描式面形測量設(shè)備而言，螺旋掃描是掃描效率最高的方式，而實(shí)現(xiàn)螺旋掃描最大的難點(diǎn)在于掃描探頭和主軸旋轉(zhuǎn)中心的對中。本章提出了一種適用于所有螺旋掃描測量設(shè)備的探頭對中方法，這種方法只需要使用一個(gè)傾斜的平面鏡就能實(shí)現(xiàn)高效率、高精度的對中。本章詳細(xì)說明了該方法的原理和操作步驟，并開展了系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，同時(shí)提出了一種對中誤差的評估方法，實(shí)驗(yàn)證明在自主

8、搭建的測量設(shè)備上的對中精度為10μm，在高精度氣浮平臺上的對中精度為1.7μm，所需的操作時(shí)間僅為3 min。
　　第五章:論述了基于色散共焦位移傳感器的反射鏡全口徑面形測量技術(shù)和表面疵病測量技術(shù)。首先介紹了色散共焦位移傳感器的原理，研究了傳感器輸出的譜峰強(qiáng)度信號的工程意義，優(yōu)化了面形測量系統(tǒng)的測量原理，提出了異形光學(xué)反射鏡的全口徑覆蓋測量方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性。為了實(shí)現(xiàn)反射鏡表面疵病測量，建立了色散共焦位移傳感器的“