本文關(guān)鍵詞：大口徑非球面表面形狀測量關(guān)鍵技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 大口徑非球面 單轉(zhuǎn)位誤差分離 軸向空間回轉(zhuǎn)誤差 調(diào)心調(diào)傾 激光差動(dòng)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(zhuǎn)基準(zhǔn)的空間回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差，尤其是受限于軸向跳動(dòng)等軸向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差的技術(shù)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(shù)現(xiàn)狀，將單轉(zhuǎn)位軸向空間回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差的實(shí)時(shí)分離方法應(yīng)用于大口徑非球面測量中，同時(shí)又將光學(xué)非接觸的差動(dòng)共焦顯微探測技術(shù)與表面輪廓的逐圓周掃描測量模式相結(jié)合，進(jìn)而構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。 本論文完成的主要?jiǎng)?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(zhuǎn)誤差單轉(zhuǎn)位分離方法與技術(shù)，并依據(jù)離散傅里葉變換和諧波分析等數(shù)學(xué)工具對該誤差分離方法進(jìn)行理論分析和仿真驗(yàn)證。然后，基于該誤差分離技術(shù)，搭建了應(yīng)用于大口徑非球面測量的高精度氣浮回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)，并通過實(shí)驗(yàn)測試得出所研制回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)的軸向和徑向回轉(zhuǎn)精度，，為實(shí)現(xiàn)大口徑非球面元件高精度測量中對回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)所引入軸向回轉(zhuǎn)誤差的實(shí)時(shí)分離奠定技術(shù)基礎(chǔ)。 提出了基于空氣靜壓支承技術(shù)的精密調(diào)心調(diào)傾方法與技術(shù)，該方法利用空氣靜壓原理產(chǎn)生特定形狀的偏心和傾斜調(diào)整氣膜作為支承和導(dǎo)向，配合特殊布置的若干微位移驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而實(shí)現(xiàn)偏心和傾斜位姿誤差的調(diào)整。然后，依據(jù)該技術(shù)研制了用于大口徑非球面測量的精密調(diào)心調(diào)傾回轉(zhuǎn)工作臺(tái)系統(tǒng)，再利用坐標(biāo)變換等數(shù)學(xué)工具推導(dǎo)出驅(qū)動(dòng)器位移與偏心和傾斜調(diào)整操作的關(guān)系，并進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所研制的精密調(diào)心調(diào)傾回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在50Kg負(fù)載時(shí)的偏心調(diào)整分辨力為0.3μm，偏心調(diào)整范圍±5mm，傾斜調(diào)整分辨力優(yōu)于1.2″，傾斜調(diào)整范圍±1.5°。 為實(shí)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(jìn)行測量時(shí)激光差動(dòng)共焦探測技術(shù)的軸向響應(yīng)函數(shù)，依據(jù)該響應(yīng)函數(shù)的過零點(diǎn)特性研究了基于激光差動(dòng)共焦過零觸發(fā)的光學(xué)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(shí)驗(yàn)測定該探測器的性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fù)性，能夠?yàn)樗兄频男滦痛罂趶椒乔蛎姹砻嫘螤顪y量儀器提供高分辨、大量程、非接觸的光學(xué)掃描探測系統(tǒng)。 應(yīng)用上述的各關(guān)鍵技術(shù)，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(guān)規(guī)程對所研制大口徑非球面測量儀器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：基于上述各關(guān)鍵技術(shù)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(xué)模型，利用該模型對所研制測量系統(tǒng)進(jìn)行不確定度評(píng)定，評(píng)定結(jié)果表明：所研制系統(tǒng)的不確定度為U95≈0.1626μm (k=2)，能夠?yàn)榇罂趶椒乔蛎姹砻嫘螤钐卣鞯葏?shù)的高精度測量提供新的方法和技術(shù)途徑。
【關(guān)鍵詞】：大口徑非球面 單轉(zhuǎn)位誤差分離 軸向空間回轉(zhuǎn)誤差 調(diào)心調(diào)傾 激光差動(dòng)共焦 過零觸發(fā) 表面形狀測量
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(shù)17-19
• 1.2.2 光學(xué)干涉法大型非球面輪廓測量技術(shù)19-21
• 1.2.3 存在問題21-22
• 1.3 大口徑非球面測量關(guān)鍵技術(shù)22-32
• 1.3.1 表面形狀測量回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)及回轉(zhuǎn)誤差分離技術(shù)22-24
• 1.3.2 偏心和傾斜位姿誤差的調(diào)整技術(shù)24-27
• 1.3.3 非接觸式探針掃描技術(shù)27-32
• 1.4 大口徑非球面表面輪廓測量技術(shù)發(fā)展趨勢32-33
• 1.5 課題來源及主要研究內(nèi)容33-36
• 第2章 基于單轉(zhuǎn)位誤差分離技術(shù)的表面形狀測量方法36-54
• 2.1 引言36
• 2.2 回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差的構(gòu)成36-37
• 2.3 軸向回轉(zhuǎn)誤差單轉(zhuǎn)位分離方法和技術(shù)37-44
• 2.3.1 軸向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)位角影響分析Δα43-44
• 2.4 誤差分離系統(tǒng)構(gòu)成44-45
• 2.5 仿真實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證45-52
• 2.5.1 仿真分析和驗(yàn)證46-47
• 2.5.2 實(shí)際測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證47-51
• 2.5.3 與多步法誤差分離比對51-52
• 2.6 空間回轉(zhuǎn)誤差自分離精密氣浮軸系52-53
• 2.7 本章小結(jié)53-54
• 第3章 基于空氣靜壓支承技術(shù)的調(diào)心調(diào)傾方法與技術(shù)研究54-68
• 3.1 引言54
• 3.2 調(diào)心調(diào)傾技術(shù)原理54-62
• 3.2.1 調(diào)心調(diào)傾工作臺(tái)構(gòu)成54-56
• 3.2.2 偏心調(diào)整原理56-57
• 3.2.3 偏心調(diào)整數(shù)學(xué)模型57-58
• 3.2.4 傾斜調(diào)整原理58-59
• 3.2.5 傾斜調(diào)整數(shù)學(xué)模型59-62
• 3.3 調(diào)心調(diào)傾回轉(zhuǎn)工作臺(tái)測控系統(tǒng)構(gòu)成62
• 3.4 測量實(shí)驗(yàn)與誤差分析62-66
• 3.4.1 偏心調(diào)整分辨力測試62-63
• 3.4.2 傾斜調(diào)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(jié)66-68
• 第4章 大口徑非球面輪廓測量中的激光差動(dòng)共焦過零觸發(fā)探測技術(shù)68-87
• 4.1 引言68
• 4.2 共焦探測系統(tǒng)對傾斜表面的響應(yīng)特性68-75
• 4.2.1 共焦探測理論68-71
• 4.2.2 點(diǎn)探測器軸向偏移時(shí)共焦測量系統(tǒng)的響應(yīng)特性71-72
• 4.2.3 差動(dòng)共焦測量系統(tǒng)的軸向響應(yīng)特性72-73
• 4.2.4 差動(dòng)共焦系統(tǒng)對傾斜被測表面的軸向響應(yīng)特性分析73-75
• 4.3 激光差動(dòng)共焦過零觸發(fā)表面形狀測量技術(shù)75-79
• 4.3.1 激光差動(dòng)共焦軸向光強(qiáng)響應(yīng)曲線特性76-77
• 4.3.2 過零點(diǎn)跟蹤和觸發(fā)位置采集77-79
• 4.4 激光差動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(yīng)特性及過零觸發(fā)測試82-83
• 4.5.3 恒高度傳感測量實(shí)驗(yàn)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(jié)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(gòu)成90-91
• 5.3.2 激光差動(dòng)共焦過零觸發(fā)掃描測量模塊91
• 5.3.3 逐測量圓周單轉(zhuǎn)位誤差分離測量模塊91-93
• 5.3.4 X 向精密驅(qū)動(dòng)定位模塊93-95
• 5.3.5 Z 向精密驅(qū)動(dòng)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(jié)100-101
• 第6章 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhuǎn)基準(zhǔn)的徑向回轉(zhuǎn)誤差測試101-103
• 6.2.2 儀器回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)的軸向回轉(zhuǎn)誤差測試103-104
• 6.2.3 X 向和 Z 向直線運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)105-107
• 6.2.5 所研制探測器的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)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(xué)模型109-116
• 6.4.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定116-118
• 6.4.3 合成不確定度評(píng)定118
• 6.4.4 擴(kuò)展不確定度評(píng)定118
• 6.5 本章小結(jié)118-120
• 結(jié)論120-123
• 參考文獻(xiàn)123-131
• 附錄131-133
• 攻讀學(xué)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(xiàn)】

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本文編號(hào)：909338