精密转台轴向与径向跳动测量装置和测量方法制造方法及图纸

一种精密转台轴向与径向跳动测量装置和测量方法，测量装置包括波面测量干涉仪、待测精密转台和反射球面光学元件；所述的反射球面光学元件安装在待测精密转台上，待测精密转台的旋转轴通过反射球面光学元件的标准球面的曲率中心；通过波面测量干涉仪测量结果是Fringe Zernike多项式第Z2(X倾斜)、Z3(Y倾斜)，和Z4(离焦)项的系数，计算反射球面光学元件曲率中心与波面测量干涉仪输出球面光波的汇聚中心间的偏离，精确得到待测精密转台轴向与径向跳动。本发明专利技术具有装置结构简单、操作方便、测量精度不依赖于标准样品精度的优点。

Measuring device and measuring method for axial and radial runout of precision turntable

A measuring device and method for measuring the axial and radial runout of a precision turntable. The measuring device includes a wave surface measuring interferometer, a precision turntable and a reflection spherical optical element. The reflected spherical optical element is installed on a precision turntable, and the rotating shaft of the precision turntable passes the standard ball of the reflecting spherical optical element. The curvature center of the surface is measured by the wave surface measurement. The measurement results of the interferometer are Fringe Zernike polynomials Z2 (X tilt), Z3 (Y tilt), and the coefficients of Z4 (defocusing). The deviation between the center of curvature of the reflecting spherical optical element and the convergence of the spherical surface of the interferometer is calculated, and the precision of the precision turntable is obtained. Radial runout. The invention has the advantages of simple structure, convenient operation, and accuracy of measurement, which does not depend on the accuracy of the standard sample.

【技术实现步骤摘要】
精密转台轴向与径向跳动测量装置和测量方法
本专利技术涉及精密转台，特别是一种精密转台轴向与径向跳动测量装置和测量方法。
技术介绍
精密转台在高精度精密仪器设备中有着广泛的应用；如定心车床、定心仪、轮廓仪、光机加工等设备中广泛采用了精密气浮转台。精密转台旋转过程中的径向、轴向跳动是衡量精密转台性能的重要参数。精密转台的径向、轴向跳动分为同步运动误差和异步运动误差，同步运动误差是多次测量的平均值，是精密转台的可重复系统误差，实现精确测量后能够在使用过程中进行前馈补偿；异步运动误差虽然并不是随机误差，但其周期不是转台旋转周期的整数倍。精密转台的径向、轴向跳动的检测通常是通过在精密转台上放置标准小球等标准样品，采用杠杆千分尺、激光位移测量干涉仪、或电容传感器等高精度位移传感器对标准样品的位移量进行测试，从而实现精密转台的径向、轴向跳动的检测。但是，精密气浮转台的径向、轴向跳动已可以控制在100nm以下，传统的测量方法必须分离标准样品圆度偏差对测试结果的影响，需要通过翻转被测样品，或多角度平均，多传感器同时测量等不同方法分离标准样品圆度偏差的影响，操作和计算步骤复杂(见在先技术1，ShuQ,ZhuM,LiuX,ChengH.RadialErrorMotionMeasurementofUltraprecisionAxesofRotationWithNanometerLevelPrecision.ASME.J.Manuf.Sci.Eng.2017,139(7):071017-071017-11.)。在转台测试领域，国内外科研人员在转台径向跳动误差与标准样品圆度偏差分离方面进行了大量的研究工作。此外，XY两个方向的径向跳动至少需要用两个传感器同步测量，轴向跳动也至少需要另一个传感器进行测量，测量装置结构复杂。在先技术2(王福全，王珏，陈刚，一种精密转台跳动检测装置及检测方法，专利技术专利申请201710084427.8)提出了一种精密转台跳动检测方法，通过平行光管聚焦点的变化实现精密转台跳动检测，在一定程度上避免了对标准样品的依赖。但是，该方法基于几何光学原理，实现高精度测量对仪器的装调、光路调试、信号处理提出了较高要求。目前尚没有结构及操作简单，不需要分离标准样品圆度偏差的高精度精密转台轴向与径向跳动同时测量的测量装置及测量方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种精密转台轴向与径向跳动同步测量装置和测量方法，该装置具有结构简单、操作方便、测量精度不依赖于标准样品精度的优点。本专利技术的技术解决方案如下：一种精密转台轴向与径向跳动测量装置，其特点在于包括波面干涉测量仪、待测精密转台和反射球面光学元件；所述的波面测量干涉仪输出球面光波，入射至所述的反射球面光学元件的标准球面；所述的反射球面光学元件是球面标准镜或标准反射球；所述的反射球面光学元件是球面标准镜时，所述的波面测量干涉仪输出球面光波的中心轴与待测精密转台的旋转轴平行；所述的反射球面光学元件是标准反射球时，所述的波面测量干涉仪输出球面光波的中心轴与待测精密转台的旋转轴平行或垂直；所述的波面测量干涉仪是带球面标准镜的Fizeau干涉仪、带有汇聚镜的泰曼格林干涉仪、带有汇聚镜的马赫泽德干涉仪或带有汇聚镜的点衍射干涉仪；所述的波面测量干涉仪是相移测量干涉仪、单幅干涉图测量干涉仪、动态测量干涉仪或高速动态测量干涉仪。利用上述的精密转台轴向与径向跳动测量装置测量待测精密转台的测量方法，该方法包括下列步骤：1)将所述的反射球面光学元件置于待测精密转台上，使待测精密转台的旋转轴通过反射球面光学元件的标准球面的曲率中心；调整测量装置，使所述的波面干涉测量仪输出球面光波的汇聚中心在所述的反射球面光学元件的标准球面的曲率中心附近，使经所述的反射球面光学元件的标准球面反射的反射光返回所述的波面测量干涉仪，并与所述的波面测量干涉仪的参考光干涉，形成的干涉条纹需能够由所述的波面干涉测量仪正确计算干涉相位；将所述的待测精密转台旋转一周分为N等分的旋转角，记为θi，其中i＝1,2,3，…，N，N为正整数，θ1＝0°；2)将待测精密转台旋转至初始位置，即使得θi＝θ1，即0°角位置；3)使用所述的波面测量干涉仪对所述的反射球面光学元件的标准球面进行测量，对所述的反射球面光学元件的标准球面波面测量结果求取FringeZernike多项式的第Z2(X倾斜)、Z3(Y倾斜)和Z4(离焦)项系数，按式(1)计算当前旋转角位置θi反射球面光学元件的标准球面的曲率中心与波面测量干涉仪输出球面光波的汇聚中心之间的偏离量：其中，δzi是沿波面测量干涉仪输出球面光波的中心轴方向的偏离量，即z坐标方向的偏离量；δxi是沿波面测量干涉仪输出球面光波横截面x坐标方向的偏离量；δyi是沿波面测量干涉仪输出球面光波横截面y坐标方向的偏离量；x、y、z坐标分别与待测精密转台的轴向和径向两个正交方向中的一个方向对应；a2_i、a3_i、a4_i分别为第i次波面测量结果的FringeZernike多项式的第Z2(X倾斜)、Z3(Y倾斜)，和Z4(离焦)项的系数；fNum是所述的波面测量干涉仪接收到的有效干涉条纹区域对应的波面测量干涉仪输出球面光波的F数；4)如果所述的待测精密转台的当前转角位置为θN，则获得了完整的一组所述的反射球面光学元件的标准球面的曲率中心的位置变化δxi，δyi，δzi(i＝1,2,3，…，N)测量结果，进入步骤5)；否则将所述的待测精密转台旋转至下一个旋转角位置，即使得θi＝θi+1，返回步骤3)；5)重复步骤2)～4)共M次，M为正整数；共得到M组所述的反射球面光学元件(3)的标准球面的曲率中心的位置变化δxi，δyi，δzi测量结果；6)求取M组δxi，δyi，δzi的平均值，记为该三组坐标方向数据中，待测精密转台轴向方向的值即为待测精密转台的同步轴向跳动；在待测精密转台径向方向的值包含了反射球面光学元件安装偏心误差，和待测精密转台的同步径向跳动，采用现有的标准件安装偏心与径向跳动数据分离方法得到待测精密转台同步径向跳动的测量结果。所述的标准件安装偏心与径向跳动数据分离方法是最小二乘圆心拟合法，或最佳正弦曲线拟合法，或频域傅里叶变换滤波法。本专利技术的工作原理是当波面测量干涉仪测量球面时，波面测量结果的第Z2(XTilt)、Z3(YTilt)，和Z4(Defocus)项FringeZernike多项式系数与波面测量干涉仪输出球面汇聚中心和球面曲率中心之间的偏差具有线性关系(见在先技术3，JAMESC.WYANTANDKATHERINECREATH,APPLIEDOPTICSANDOPTICALENGINEERING,CHAPTER1BasicWavefrontAberrationTheoryforOpticalMetrology,ISBN0-12-408611-X)。所述的反射球面光学元件安装在待测精密转台上，并采用波面测量干涉仪测量其表面面形，当待测精密转台旋转时，其轴向与径向跳动使得所述的反射球面光学元件的球心发生改变，从而波面测量结果的第Z2(XTilt)、Z3(YTilt)，和Z4(Defocus)项FringeZernike多项式系数改变，通过这三项系数能够精确计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精密转台轴向与径向跳动的测量装置，其特征在于包括波面干涉测量仪(1)、待测精密转台(2)和反射球面光学元件(3)；所述的波面测量干涉仪(1)输出球面光波，入射至所述的反射球面光学元件(3)的标准球面。

【技术特征摘要】
1.一种精密转台轴向与径向跳动的测量装置，其特征在于包括波面干涉测量仪(1)、待测精密转台(2)和反射球面光学元件(3)；所述的波面测量干涉仪(1)输出球面光波，入射至所述的反射球面光学元件(3)的标准球面。2.根据权利要求1所述的精密转台轴向与径向跳动的测量装置，其特征在于所述的反射球面光学元件是球面标准镜或标准反射球；所述的反射球面光学元件是球面标准镜时，所述的波面测量干涉仪输出球面光波的中心轴与待测精密转台的旋转轴平行；所述的反射球面光学元件是标准反射球时，所述的波面测量干涉仪输出球面光波的中心轴与待测精密转台的旋转轴平行或垂直。3.根据权利要求1所述的精密转台轴向与径向跳动测量装置，其特征在于所述的波面测量干涉仪是带球面标准镜的Fizeau干涉仪、带有汇聚镜的泰曼格林干涉仪、带有汇聚镜的马赫泽德干涉仪或带有汇聚镜的点衍射干涉仪。4.根据权利要求1所述的精密转台轴向与径向跳动测量装置，其特征在于所述的波面测量干涉仪是相移测量干涉仪、单幅干涉图测量干涉仪、动态测量干涉仪或高速动态测量干涉仪。5.利用权利要求1所述的精密转台轴向与径向跳动测量装置测量精密转台的轴向与径向跳动的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：1)将所述的反射球面光学元件(3)置于待测精密转台(2)上，使待测精密转台的旋转轴通过所述的反射球面光学元件的标准球面的曲率中心；调整测量装置，使所述的波面干涉测量仪(1)输出球面光波的汇聚中心在所述的反射球面光学元件(3)的标准球面的曲率中心附近，使经所述的反射球面光学元件(3)的标准球面反射的反射光返回所述的波面测量干涉仪(1)，并与所述的波面测量干涉仪(1)的参考光干涉，形成的干涉条纹需能够由所述的波面干涉测量仪(1)正确计算干涉相位；将所述的待测精密转台旋转一周分为N等分的旋转角，记为θi，其中i＝1,2,3，…，N，N为正整数，θ1＝0°；2)将所述的待测精密转台旋转至初始位置，即使得θi＝θ1，即0°角位置；3)使用所述的波面测量干涉仪(1)对所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐锋，王向朝，卢云君，张国先，冯鹏，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31