本文關鍵詞：大口徑非球面表面形狀測量關鍵技術研究

  更多相關文章： 大口徑非球面 單轉位誤差分離 軸向空間回轉誤差 調心調傾 激光差動共焦 過零觸發(fā) 表面形狀測量

【摘要】：針對目前大口徑非球面元件的測量精度受限于儀器回轉基準的空間回轉運動誤差，尤其是受限于軸向跳動等軸向回轉運動誤差的技術瓶頸，以及現(xiàn)有非球面元件的測量方法更無法兼顧高精度、大測量口徑及非接觸測量的技術現(xiàn)狀，將單轉位軸向空間回轉運動誤差的實時分離方法應用于大口徑非球面測量中，同時又將光學非接觸的差動共焦顯微探測技術與表面輪廓的逐圓周掃描測量模式相結合，進而構建了新型的大口徑非球面測量儀器，并針對大口徑非球面高精度測量中涉及的儀器原理、測量方法及若干關鍵技術進行了深入研究。 本論文完成的主要創(chuàng)新性工作如下： 研究了針對大口徑非球面表面形狀高精度測量的軸向回轉誤差單轉位分離方法與技術，并依據(jù)離散傅里葉變換和諧波分析等數(shù)學工具對該誤差分離方法進行理論分析和仿真驗證。然后，基于該誤差分離技術，搭建了應用于大口徑非球面測量的高精度氣浮回轉基準，并通過實驗測試得出所研制回轉基準的軸向和徑向回轉精度，，為實現(xiàn)大口徑非球面元件高精度測量中對回轉基準所引入軸向回轉誤差的實時分離奠定技術基礎。 提出了基于空氣靜壓支承技術的精密調心調傾方法與技術，該方法利用空氣靜壓原理產生特定形狀的偏心和傾斜調整氣膜作為支承和導向，配合特殊布置的若干微位移驅動器進而實現(xiàn)偏心和傾斜位姿誤差的調整。然后，依據(jù)該技術研制了用于大口徑非球面測量的精密調心調傾回轉工作臺系統(tǒng)，再利用坐標變換等數(shù)學工具推導出驅動器位移與偏心和傾斜調整操作的關系，并進行仿真分析和實驗驗證。實驗結果表明：所研制的精密調心調傾回轉工作臺在50Kg負載時的偏心調整分辨力為0.3μm，偏心調整范圍±5mm，傾斜調整分辨力優(yōu)于1.2″，傾斜調整范圍±1.5°。 為實現(xiàn)大口徑非球面元件表面形狀的非接觸逐圓周掃描測量，依據(jù)共焦顯微探測理論分析了針對大口徑非球面表面形狀特征進行測量時激光差動共焦探測技術的軸向響應函數(shù)，依據(jù)該響應函數(shù)的過零點特性研究了基于激光差動共焦過零觸發(fā)的光學非接觸表面形狀測量方法，研制了基于該方法的表面形狀探測裝置，并通過系列實驗測定該探測器的性能參數(shù)。實驗結果表明：所研制探測器具備250μm的測量范圍、4.934V/μm的靈敏度、5nm左右的位移分辨力和20nm的重復性，能夠為所研制的新型大口徑非球面表面形狀測量儀器提供高分辨、大量程、非接觸的光學掃描探測系統(tǒng)。 應用上述的各關鍵技術，研究了新型非接觸大口徑非球面表面形狀逐圓周掃描測量方法，并研制了基于該方法的新型大口徑非球面測量儀器。然后，依據(jù)相關規(guī)程對所研制大口徑非球面測量儀器的相關技術參數(shù)進行測試，實驗測試結果表明：基于上述各關鍵技術研制的新型儀器能夠滿足大口徑非球面元件表面形狀測量的高精度、非接觸、大測量口徑等多重測量需求。 最后，分析并建立了所研制大口徑非球面表面形狀測量系統(tǒng)的誤差傳遞數(shù)學模型，利用該模型對所研制測量系統(tǒng)進行不確定度評定，評定結果表明：所研制系統(tǒng)的不確定度為U95≈0.1626μm (k=2)，能夠為大口徑非球面表面形狀特征等參數(shù)的高精度測量提供新的方法和技術途徑。
【關鍵詞】：大口徑非球面 單轉位誤差分離 軸向空間回轉誤差 調心調傾 激光差動共焦 過零觸發(fā) 表面形狀測量
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH74
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目錄10-13
• 第1章 緒論13-36
• 1.1 本論文研究的目的和意義13-16
• 1.2 大口徑非球面測量研究現(xiàn)狀16-22
• 1.2.1 探針掃描法大型非球面輪廓測量技術17-19
• 1.2.2 光學干涉法大型非球面輪廓測量技術19-21
• 1.2.3 存在問題21-22
• 1.3 大口徑非球面測量關鍵技術22-32
• 1.3.1 表面形狀測量回轉基準及回轉誤差分離技術22-24
• 1.3.2 偏心和傾斜位姿誤差的調整技術24-27
• 1.3.3 非接觸式探針掃描技術27-32
• 1.4 大口徑非球面表面輪廓測量技術發(fā)展趨勢32-33
• 1.5 課題來源及主要研究內容33-36
• 第2章 基于單轉位誤差分離技術的表面形狀測量方法36-54
• 2.1 引言36
• 2.2 回轉基準空間回轉運動誤差的構成36-37
• 2.3 軸向回轉誤差單轉位分離方法和技術37-44
• 2.3.1 軸向回轉運動誤差的逐測量圓周分離方法38-41
• 2.3.2 諧波奇異問題41-43
• 2.3.3 轉位角影響分析Δα43-44
• 2.4 誤差分離系統(tǒng)構成44-45
• 2.5 仿真實驗及實驗驗證45-52
• 2.5.1 仿真分析和驗證46-47
• 2.5.2 實際測量數(shù)據(jù)驗證47-51
• 2.5.3 與多步法誤差分離比對51-52
• 2.6 空間回轉誤差自分離精密氣浮軸系52-53
• 2.7 本章小結53-54
• 第3章 基于空氣靜壓支承技術的調心調傾方法與技術研究54-68
• 3.1 引言54
• 3.2 調心調傾技術原理54-62
• 3.2.1 調心調傾工作臺構成54-56
• 3.2.2 偏心調整原理56-57
• 3.2.3 偏心調整數(shù)學模型57-58
• 3.2.4 傾斜調整原理58-59
• 3.2.5 傾斜調整數(shù)學模型59-62
• 3.3 調心調傾回轉工作臺測控系統(tǒng)構成62
• 3.4 測量實驗與誤差分析62-66
• 3.4.1 偏心調整分辨力測試62-63
• 3.4.2 傾斜調整分辨力測試63-65
• 3.4.3 穩(wěn)定性測試65-66
• 3.5 本章小結66-68
• 第4章 大口徑非球面輪廓測量中的激光差動共焦過零觸發(fā)探測技術68-87
• 4.1 引言68
• 4.2 共焦探測系統(tǒng)對傾斜表面的響應特性68-75
• 4.2.1 共焦探測理論68-71
• 4.2.2 點探測器軸向偏移時共焦測量系統(tǒng)的響應特性71-72
• 4.2.3 差動共焦測量系統(tǒng)的軸向響應特性72-73
• 4.2.4 差動共焦系統(tǒng)對傾斜被測表面的軸向響應特性分析73-75
• 4.3 激光差動共焦過零觸發(fā)表面形狀測量技術75-79
• 4.3.1 激光差動共焦軸向光強響應曲線特性76-77
• 4.3.2 過零點跟蹤和觸發(fā)位置采集77-79
• 4.4 激光差動共焦過零觸發(fā)表面形狀探測系統(tǒng)79-80
• 4.5 表面形狀探測器的實驗測試80-85
• 4.5.1 對不同傾斜角度被測表面的測試80-82
• 4.5.2 軸向響應特性及過零觸發(fā)測試82-83
• 4.5.3 恒高度傳感測量實驗83-84
• 4.5.4 軸向靈敏度測試84
• 4.5.5 穩(wěn)定性測試84-85
• 4.6 本章小結85-87
• 第5章 大口徑非球面測量系統(tǒng)87-101
• 5.1 引言87
• 5.2 大口徑非球面測量系統(tǒng)87-90
• 5.3 大口徑非球面測量儀器測控系統(tǒng)90-97
• 5.3.1 測控系統(tǒng)總體構成90-91
• 5.3.2 激光差動共焦過零觸發(fā)掃描測量模塊91
• 5.3.3 逐測量圓周單轉位誤差分離測量模塊91-93
• 5.3.4 X 向精密驅動定位模塊93-95
• 5.3.5 Z 向精密驅動定位模塊95-97
• 5.4 大口徑非球面測量儀器的測量方式及測控軟件97-100
• 5.4.1 大口徑非球面測量儀器的測量方式97-98
• 5.4.2 大口徑非球面測量儀器的測控軟件系統(tǒng)98-100
• 5.5 本章小結100-101
• 第6章 實驗結果及分析101-120
• 6.1 引言101
• 6.2 表面形狀測量系統(tǒng)各部分性能測試101-108
• 6.2.1 儀器回轉基準的徑向回轉誤差測試101-103
• 6.2.2 儀器回轉基準的軸向回轉誤差測試103-104
• 6.2.3 X 向和 Z 向直線運動基準的定位性能測試104-105
• 6.2.4 所研制探測器的軸向位移分辨力分析與實驗105-107
• 6.2.5 所研制探測器的重復性實驗107-108
• 6.3 大口徑非球面表面形狀測試108-109
• 6.4 不確定度分析109-118
• 6.4.1 測量系統(tǒng)數(shù)學模型109-116
• 6.4.2 標準不確定度評定116-118
• 6.4.3 合成不確定度評定118
• 6.4.4 擴展不確定度評定118
• 6.5 本章小結118-120
• 結論120-123
• 參考文獻123-131
• 附錄131-133
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單133-134
• 致謝134-135
• 作者簡介135

【參考文獻】

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本文編號：909338