一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法技术方案

技术编号:17263754 阅读:45 留言:0更新日期:2018-02-14 10:36
本发明专利技术公开了一种采用接触式轮廓仪检验Wolter‑Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法,所述测试系统由轮廓仪和辅助调整装置两部分构成,所述辅助调整装置包括X轴直线位移台、水平回转转台、竖直面回转转台以及装卡工件的卡盘,其中:X轴直线位移台固定安装在轮廓仪检测平台的台面上,水平回转转台固定安装在X轴直线位移台上,竖直面回转转台固定安装在水平回转转台上,卡盘固定安装在竖直面回转转台上,用于装卡芯轴。本发明专利技术能够完成Woler I型芯轴的尺寸误差、表面粗糙度、波纹度和形状误差等性能指标的检验,无需使用其他额外的超精密测量仪器,减少了超精密测量仪器的购置成本,减少了测量次数,提高了测量效率。

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The invention discloses a test system for contact profilometer surface quality inspection Wolter type core shaft and methods, two part of the test system by a profilometer and auxiliary adjusting device, the auxiliary adjusting device comprises a X axis linear displacement, horizontal rotary turntable, vertical rotary turntable and chuck. Clamp workpiece including: X axis linear displacement platform is fixed on the surface profilometer testing platform, horizontal rotary turntable is fixed on the X axis linear displacement stage, vertical rotary turntable is fixed on the rotary table. The card plate is fixedly arranged on the vertical rotary turntable, used for clamping mandrel. The invention can complete the inspection of Woler I core shaft size error, surface roughness, waviness and form error performance, without the use of other ultra precision measuring instruments additional, reduces the purchase cost of the ultra precision measurement instrument, reduce the number of measurements, improve the measurement efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法
本专利技术属于超精密测量
,涉及一种检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法,尤其涉及一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法。
技术介绍
WolerI型成像系统是一种重要的掠入射成像系统,广泛用于X射线掠入射光学,例如:天文观测用的X射线望远镜、样品检测用的X射线显微镜、极紫外(EUV)光刻系统中的光学收集器等。单层WolerI型反射镜是由两个同轴共焦的轴对称非球面组合而成,如图1所示。其中,S为点光源,I为S的像,R为两片非球面子午截面曲线的交点,A和B为子午线的端点。非球面1和非球面2通常为长径比较大的椭球面、双曲面、抛物面、圆锥面等二次曲面或高次非球面。这种高精度、大长径比内凹非球面的加工和检验是十分困难的,为了降低加工难度,目前常采用芯轴复制的方法制造WolerI型反射镜。首先利用超精密车削或磨削以及抛光等方法加工出与内凹表面形状和精度要求完全一致的芯轴外凸表面,然后利用化学气相沉积或物理气象沉积等方法复制出反射镜表面,再经过电铸和脱壳等工艺最终完成反射镜的制造。显然,芯轴的表面质量对复制后反射镜表面质量的影响是至关重要的,因此在芯轴的制造过程中需要对其进行多次精密测量。尤其是对芯轴进行超精密车削或磨削之后,需要对芯轴的尺寸误差、表面粗糙度、波纹度和形状误差等性能指标进行精确测量,以便为芯轴表面的进一步抛光提供准确可靠的参考数据。用于高陡度非球面的检测方法有接触式和非接触式两种,非接触式主要指光学检测方法,它们常常是光学表面的最终检验手段。而接触式测量适用于加工过程中的面形测量,常用的接触测量仪器有三坐标测量仪(CMM)和轮廓仪等。光学测量法可以提供很高的分辨率(亚纳米级),但是测量范围是有限的,常用于测量空间频率尺度较小的微观粗糙度。若要延长测量范围,则通常以牺牲精度为代价。对于空间频率尺度较大的形状误差的测量,常采用子孔径拼接的方法,拼接误差是影响测量精度的关键因素。当工件尺寸增大时,子孔径的数量也随之增加,会导致测量时间长、数据处理复杂、引起误差传递和积累等问题。CMM常用于工件尺寸的测量,测量范围大,分辨率可以达到亚微米。接触式轮廓仪是测量工件二维尺寸、表面轮廓形状、波纹度和粗糙度的常用仪器,具有分辨率高(亚纳米)、垂直测量范围大等优点。但是,在接触式轮廓仪上测量的轴对称非球面常包含顶点,如图2所示A点。以顶点A为坐标原点建立测量坐标系,使测量坐标系与加工坐标系重合,则测量所得的数据能够精确的反映出非球面的尺寸误差和轮廓形状误差。但是WolerI型芯轴的表面一般不包含非球面的顶点,例如图3所示的椭球面和双曲面组成的芯轴表面。显然,找不到参考顶点就无法建立测量数据与芯轴子午截面曲线方程之间的位置关系,这增加了采用轮廓仪对WolerI型芯轴表面进行精确测量的难度。
技术实现思路
本专利技术针对Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量检验难的问题,提供了一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法,采用接触式轮廓仪测量其尺寸、表面轮廓形状、波纹度和粗糙度,解决了找不到参考顶点的问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的:一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统,由轮廓仪和辅助调整装置两部分构成,所述辅助调整装置包括X轴直线位移台、水平回转转台、竖直面回转转台以及装卡工件的卡盘,其中:所述X轴直线位移台固定安装在轮廓仪检测平台的台面上,其运动方向垂直于探针的运动方向,用于控制芯轴沿X方向的直线运动;所述水平回转转台固定安装在X轴直线位移台上,用于控制芯轴在水平面内绕B轴旋转;所述竖直面回转转台固定安装在水平回转转台上,用于控制芯轴在竖直面内绕A轴旋转,以调整芯轴轴线与探针运动方向平行;所述卡盘固定安装在竖直面回转转台上,用于装卡芯轴。一种利用上述测试系统检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的方法,包括如下步骤:一、测量数据(1)初步调整芯轴和探针的相对位置,使探针与芯轴子午截面偏离较小;(2)通过X轴调整芯轴位置,使探针针尖位于芯轴表面某一最高点;(3)Z向移动探针一段距离,调整X轴寻找芯轴表面最高点,通过探针Z向移动距离和X轴移动距离计算出探针与芯轴子午截面偏离的程度,通过水平回转转台进行调整,使探针运动轴线位于芯轴子午截面内;(4)通过竖直面回转转台调整芯轴轴线与探针运动轴线平行;(5)调整好芯轴和探针之间的相对位置后开始测量;(6)探针沿着芯轴子午截面轮廓曲线运动,得到测量原始数据;二、建立测量坐标系(1)设测量数据点的个数为N,将测量数据中相邻点的纵坐标做差,得到增量值Δyi=yi+1-yi,(i=1,2,…,N-1);(2)利用小波变换从测量数据中提取出两片非球面子午截面曲线的交点R的坐标值,然后以R点为参考点对测量数据进行坐标平移变换,使测量坐标系与加工坐标系重合;(3)以R点为界,将Wolter-Ⅰ型芯轴上两片非球面的测量数据进行分离,分别检验各自的表面质量;三、去倾斜处理(1)假设测量数据的长度为l,则在理想和实际的子午截面轮廓曲线上分别计算出l对应的弦长与探针运动方向的夹角θ0和θ1;(2)通过以下公式建立补偿表,将倾斜误差的影响补偿到测量数据中:ci=(l-i)×(tanθ0-tanθ1),(i=1,...,l+1)(1);四、芯轴表面质量评价(1)将去倾斜处理后的测量值与理想值比较,计算出芯轴的尺寸误差;(2)在轮廓误差的测量数据中选择不同长度的取样信号,通过小波变换对取样信号进行多尺度分解,详细分析分解后的细节系数和逼近系数包含的频率成分,计算出芯轴的表面粗糙度、波纹度和形状误差。本专利技术具有如下优点:1、本专利技术设计的辅助调整装置结合轮廓仪的ZY运动轴使测量系统共包含6个自由度,可以精确的调整轮廓仪探针与芯轴的位置关系,使探针在竖直平面内沿着芯轴子午截面曲线运动。2、本专利技术通过提取测量数据中的特征点R,将Wolter-Ⅰ型芯轴上两片非球面的测量数据分离,可以分别检验各自的表面质量;以R点为参考点,建立测量坐标系,使测量坐标系与加工坐标系重合,可以实现芯轴径向尺寸误差的精确计算。3、测量系统选用的轮廓仪型号是FormTalysurfPGI1240,其纵向分辨率为0.8nm,水平方向最大行程为200mm,竖直方向传感器最大测量范围12.5mm,因此测量系统能够满足超精密车削后芯轴表面纳米级表面粗糙度的检验要求,并且对于中等口径的芯轴可以实现全程测量,避免了其他轮廓拼接测量方法在拼接过程中出现的测量时间长、数据处理复杂、引起误差传递和积累等问题。4、本专利技术可以使用轮廓仪准确测量Wolter-Ⅰ型结构的非球面表面,包括反射镜及其复制用芯轴的表面,为Wolter-Ⅰ型结构反射镜的制造提供了一种新的测量手段。5、本专利技术使用一台高精度接触式轮廓仪和加装的辅助装置能够完成WolerI型芯轴的尺寸误差、表面粗糙度、波纹度和形状误差等性能指标的检验,无需使用其他额外的超精密测量仪器,减少了超精密测量仪器的购置成本,减少了测量次数,提高了测量效率,测量的结果为芯轴的进一步精整提供了准确可靠的参考数据。附图说明图1为单层Wolter-Ⅰ型本文档来自技高网
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一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法

【技术保护点】
一种采用接触式轮廓仪检验Wolter‑Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统,其特征在于所述测试系统由轮廓仪和辅助调整装置两部分构成,所述辅助调整装置包括X轴直线位移台、水平回转转台、竖直面回转转台以及装卡工件的卡盘,其中:所述X轴直线位移台固定安装在轮廓仪检测平台的台面上,其运动方向垂直于探针的运动方向,用于控制芯轴沿X方向的直线运动;所述水平回转转台固定安装在X轴直线位移台上,用于控制芯轴在水平面内绕B轴旋转;所述竖直面回转转台固定安装在水平回转转台上,用于控制芯轴在竖直面内绕A轴旋转,以调整芯轴轴线与探针运动方向平行;所述卡盘固定安装在竖直面回转转台上,用于装卡芯轴。

【技术特征摘要】
1.一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统,其特征在于所述测试系统由轮廓仪和辅助调整装置两部分构成,所述辅助调整装置包括X轴直线位移台、水平回转转台、竖直面回转转台以及装卡工件的卡盘,其中:所述X轴直线位移台固定安装在轮廓仪检测平台的台面上,其运动方向垂直于探针的运动方向,用于控制芯轴沿X方向的直线运动;所述水平回转转台固定安装在X轴直线位移台上,用于控制芯轴在水平面内绕B轴旋转;所述竖直面回转转台固定安装在水平回转转台上,用于控制芯轴在竖直面内绕A轴旋转,以调整芯轴轴线与探针运动方向平行;所述卡盘固定安装在竖直面回转转台上,用于装卡芯轴。2.根据权利要求1所述的采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统,其特征在于所述轮廓仪的纵向分辨率为0.8nm,水平方向最大行程为200mm,竖直方向传感器最大测量范围12.5mm。3.一种利用权利要求1或2所述的测试系统检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的方法,其特征在于所述方法步骤如下:一、测量数据(1)初步调整芯轴和探针的相对位置,使探针与芯轴子午截面偏离较小;(2)通过X轴调整芯轴位置,使探针针尖位于芯轴表面某一最高点;(3)Z向移动探针一段距离,调整X轴寻找芯轴表面最高点,通过探针Z向移动距离和X轴移动距离计算出探针与芯轴子午截面偏离的程度,...

【专利技术属性】
技术研发人员:孔繁星孙涛王骐
申请(专利权)人:哈尔滨工业大学
类型:发明
国别省市:黑龙江,23

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