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专利名称：一种回转工作台的倾斜误差测量方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211034270.5

专利申请（专利权）人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心
权利人地址：四川省绵阳市绵山路64号

专利发明（设计）人：廖德锋,张明壮,谢瑞清,赵世杰

专利摘要：本发明公开了一种回转工作台的倾斜误差测量方法，包括：采用电子水平仪对回转工作台进行测量，获得电子水平仪的测量读数；根据测量读数，计算回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线的平均绝对倾斜度测量值；根据平均绝对倾斜度测量值，计算回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线与轴线平均线的倾斜误差值；将计算出来的最大倾斜误差值作为回转工作台的倾斜误差；通过该方法可以快速简便地测量回转工作台的倾斜误差，且测量精度较高，因此可以适用于不同工业现场、实验室条件下各类回转工作台的倾斜误差测量。

主权利要求：
1.一种回转工作台的倾斜误差测量方法，其特征在于，包括：S1、采用电子水平仪对回转工作台进行测量，获得电子水平仪的测量读数；
S2、根据所述测量读数，计算所述回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线的平均绝对倾斜度测量值；
S3、根据所述平均绝对倾斜度测量值，计算所述回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线与轴线平均线的倾斜误差值；
S4、将S3中计算出来的最大倾斜误差值作为所述回转工作台的倾斜误差；
所述S2中，对应的计算公式表示为：
其中，q(i)表示第i个旋转角采样点对应实际轴线的平均绝对倾斜度测量值；k表示电子水平仪采样时间内回转工作台的旋转周期次数；m表示电子水平仪在回转工作台的单次旋转周期内的采样点数量；z(i)表示测量读数；z(i+l·m)表示第(i+l·m)个采样点的测量读数；l表示求和变量；
所述S3包括：
S31、计算回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线与轴线平均线的夹角，对应的计算公式表示为：c(i)＝q(i)?f(i)，(i＝1，…，m)
其中，q(i)表示第i个旋转角采样点对应实际轴线的平均绝对倾斜度测量值；f(i)表示第i个旋转角采样点对应轴线平均线的倾斜度值；c(i)表示第i个旋转角采样点对应实际轴线与轴线平均线的夹角；
S32、计算各个旋转角采样点的倾斜误差值，对应的计算公式表示为：k(i)＝|(c(i)?c(m/2+i))/2|，(i＝1，…，m/2)其中，m表示电子水平仪在回转工作台的单次旋转周期内的采样点数量；c(m/2+i)表示旋转角采样点i的对称点对应实际轴线与轴线平均线的夹角。
2.如权利要求1所述的一种回转工作台的倾斜误差测量方法，其特征在于，所述S1具体包括：S11、将光学平板放在回转工作台上，并标记出光学平板表面指向回转工作台旋转中心的半径线；
S12、将电子水平仪放在所述光学平板表面的几何中心处，使所述电子水平仪的检测方向对齐标记的所述半径线；
S13、控制所述回转工作台匀速旋转运动，并采用所述电子水平仪对所述回转工作台进行测量，获得所述电子水平仪的测量读数。
3.如权利要求1所述的一种回转工作台的倾斜误差测量方法，其特征在于，所述S2还包括：采用最小二乘法对所述各个旋转角采样点的平均倾斜度误差值进行拟合，生成正弦函数；所述正弦函数表示为；
f(α)＝a·sin(b·α+c)+d
其中，正弦函数f(α)反映了回转工作台的轴线平均线的最大倾斜度及其对应旋转角；α表示正弦函数的自变量；a值反映了回转工作台的倾斜度；b值反映了回转工作台的转速；c值反映了回转工作台的初始旋转角；d值与电子水平仪的零点偏移呈线性相关。 说明书 : 一种回转工作台的倾斜误差测量方法技术领域[0001] 本发明属于精密和超精密加工与检测领域，特别是一种回转工作台的倾斜误差测量方法。背景技术[0002] 回转工作台(简称转台)的回转误差包含轴向跳动误差、径向跳动误差、倾斜误差(倾角摆动)等3个分项误差，根据GB/T17421.7?2016(ISO230?7:2006)，转台的倾斜误差运动是指在一个相对于轴线平均线成一角度的方向上的误差运动，通常采用基于圆度误差评定的测量方法，通过标准玻璃球的圆度分离出转台轴系的回转误差。[0003] 上述常用测量方法的步骤包括：首先使转台轴系以6r/min速度匀速旋转，电感传感器在标准玻璃球或平晶上等间隔采样，得到2N个测量点数据；然后采用高斯滤波器对数据进行处理；接下来对滤波后的数据进行最小二乘圆处理，剔除0次和一次谐波分量，也就是消除标准玻璃球或平晶的半径和偏心误差；最后求出数据中最大与最小值差，该最大与最小值之差为轴系的径向回转误差或轴向回转误差。标准玻璃球置于转台轴系之上，传感器对玻璃球等间隔采样，评定出来的圆度误差包含两部分，分别是玻璃球本身的圆度和气浮轴系的回转误差；其中圆度误差包括玻璃球的圆度和转台径向回转误差。基于此方法的前提是玻璃球的圆度要远小于气浮轴系的回转误差。大型转台轴系的径向回转误差通常在0.05～0.5μm范围内，所以采用此方法测量时，标准玻璃半球的圆度要远小于0.05μm，通常选用9nm的玻璃球作为圆度基准。角摆误差测量方法同径向跳动误差类似，仅增加一个测量步骤，即将标准玻璃球距离台面加高H距离后再进行一次圆度测量，两次圆度的差值除以H后的反正切值。由此可知，采用上述方程测量转台的倾角误差时，测量步骤繁琐，数据处理复杂，测量难度系数大。[0004] 因此，如何简化转台倾斜误差的测量过程，提高测量精度，成为当前研究的关键问题。发明内容[0005] 鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的一种回转工作台的倾斜误差测量方法，该方法可以快速简便地测量回转工作台的倾斜误差，且测量精度较高，因此可以适用于不同工业现场、实验室条件下各类回转工作台的倾斜误差测量。[0006] 本发明实施例提供了一种回转工作台的倾斜误差测量方法，包括：[0007] S1、采用电子水平仪对回转工作台进行测量，获得电子水平仪的测量读数；[0008] S2、根据所述测量读数，计算所述回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线的平均绝对倾斜度测量值；[0009] S3、根据所述平均绝对倾斜度测量值，计算所述回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线与轴线平均线的倾斜误差值；[0010] S4、将S3中计算出来的最大倾斜误差值作为所述回转工作台的倾斜误差。[0011] 进一步地，所述S1具体包括：[0012] S11、将光学平板放在回转工作台上，并标记出光学平板表面指向回转工作台旋转中心的半径线；[0013] S12、将电子水平仪放在所述光学平板表面的几何中心处，使所述电子水平仪的检测方向对齐标记的所述半径线；[0014] S13、控制所述回转工作台匀速旋转运动，并采用所述电子水平仪对所述回转工作台进行测量，获得所述电子水平仪的测量读数。[0015] 进一步地，所述S2中，对应的计算公式表示为：[0016][0017] 其中，q(i)表示第i个旋转角采样点对应实际轴线的平均绝对倾斜度测量值；k表示电子水平仪采样时间内回转工作台的旋转周期次数；m表示电子水平仪在回转工作台的单次旋转周期内的采样点数量；z(i)表示测量读数；z(i+l·m)表示第(i+l·m)个采样点的测量读数；l表示求和变量。[0018] 进一步地，所述S2还包括：采用最小二乘法对所述各个旋转角采样点的平均倾斜度误差值进行拟合，生成正弦函数；所述正弦函数表示为；[0019] f(α)＝a·sin(b·α+c)+d[0020] 其中，正弦函数f(α)反映了回转工作台的轴线平均线的最大倾斜度及其对应旋转角；α表示正弦函数的自变量；a值反映了回转工作台的倾斜度；b值反映了回转工作台的转速；c值反映了回转工作台的初始旋转角；d值与电子水平仪的零点偏移呈线性相关。[0021] 进一步地，所述S3包括：[0022] S31、计算回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线与轴线平均线的夹角，对应的计算公式表示为：[0023] c(i)＝q(i)?f(i)，(i＝1，…，m)[0024] 其中，q(i)表示第i个旋转角采样点对应实际轴线的平均绝对倾斜度测量值；f(i)表示第i个旋转角采样点对应轴线平均线的倾斜度值；c(i)表示第i个旋转角采样点对应实际轴线与轴线平均线的夹角；[0025] S32、计算各个旋转角采样点的倾斜误差值，对应的计算公式表示为：[0026] k(i)＝|(c(i)?c(m/2+i))/2|，(i＝1，…，m/2)[0027] 其中，m表示电子水平仪在回转工作台的单次旋转周期内的采样点数量；c(m/2+i)表示旋转角采样点i的对称点对应实际轴线与轴线平均线的夹角。[0028] 与现有技术相比，本发明记载的一种回转工作台的倾斜误差测量方法，具有如下有益效果：该方法可以快速简便地测量回转工作台的倾斜误差，且测量精度较高，因此可以适用于不同工业现场、实验室条件下各类回转工作台的倾斜误差测量。[0029] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。[0030] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。附图说明[0031] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：[0032] 图1为本发明实施例提供的回转工作台的倾斜误差测量方法流程示意图。[0033] 图2为本发明实施例提供的水平仪与气浮转台的安装示意图。[0034] 图3为本发明实施例提供的水平仪的测量读数示意图。[0035] 图4为本发明实施例提供的平均倾斜度测量值示意图。[0036] 图5为本发明实施例提供的旋转角采样点的倾斜误差示意图。[0037] 图中：1?光学抛光机床；11?气浮转台；12?光学平板；13?水平仪；20?半径线。具体实施方式[0038] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。[0039] 参见图1所示，本发明实施例提供了一种回转工作台的倾斜误差测量方法，具体包括如下步骤：[0040] S1、采用电子水平仪对回转工作台进行测量，获得电子水平仪的测量读数；[0041] S2、根据所述测量读数，计算所述回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线的平均绝对倾斜度测量值；[0042] S3、根据所述平均绝对倾斜度测量值，计算所述回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线与轴线平均线的倾斜误差值；[0043] S4、将S3中计算出来的最大倾斜误差值作为所述回转工作台的倾斜误差。[0044] 下面分别对上述各个步骤进行详细的说明。[0045] 在上述步骤S1中，首先将具有一定等厚精度的光学平板放在回转工作台上，标记出光学平板表面指向回转工作台旋转中心的半径线；之后将电子水平仪放在光学平板表面的几何中心处，使其检测方向对齐光学平板表面标记的半径线，从而确保电子水平仪的倾斜度检测方向指向回转工作台的半径方向；[0046] 设定电子水平仪的采样周期为dt(s)，电子水平仪在回转工作台的单次旋转周期内的采样点数为m，则回转工作台的单次旋转周期为u(u＝m·dt)，回转工作台的转速为w＝1/u；设定电子水平仪的采样持续时间(t)为回转工作台的k次旋转周期，则电子水平仪的采样总数为n＝k·m；[0047] 通过回转工作台的运动控制系统开启回转工作台进行匀速旋转运动，电子水平仪随回转工作台一起匀速旋转，待回转工作台旋转至零度时开始记录电子水平仪的测量读数，各个测量读数记为z(i)，i＝1，…，n。[0048] 在上述步骤S2中，首先计算所述回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线的平均绝对倾斜度测量值，对应的计算公式表示为：[0049][0050] 其中，q(i)表示第i个旋转角采样点对应实际轴线的平均绝对倾斜度测量值；k表示电子水平仪采样时间内回转工作台的旋转周期次数；m表示电子水平仪在回转工作台的单次旋转周期内的采样点数量；z(i)表示测量读数；z(i+l·m)表示第(i+l·m)个采样点的测量读数；l表示求和变量。[0051] 采用最小二乘法对所述各个旋转角采样点的平均倾斜度误差值进行拟合，生成正弦函数，获得正弦函数的四个参数(a、b、c、d)；所述正弦函数表示为；[0052] f(α)＝a·sin(b·α+c)+d[0053] 其中，正弦函数f(α)反映了回转工作台的轴线平均线的最大倾斜度及其对应旋转角；α表示正弦函数的自变量；a值反映了回转工作台的倾斜度；b值反映了回转工作台的转速；c值反映了回转工作台的初始旋转角；d值与电子水平仪的零点偏移呈线性相关。[0054] 在上述步骤S3中，首先，计算回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线与轴线平均线的夹角，对应的计算公式表示为：[0055] c(i)＝q(i)?f(i)，(i＝1，…，m)[0056] 其中，q(i)表示第i个旋转角采样点对应实际轴线的平均绝对倾斜度测量值；f(i)表示第i个旋转角采样点对应轴线平均线的倾斜度值；c(i)表示第i个旋转角采样点对应实际轴线与轴线平均线的夹角；[0057] 其次，计算各个旋转角采样点的倾斜误差值，对应的计算公式表示为：[0058] k(i)＝|(c(i)?c(m/2+i))/2|，(i＝1，…，m/2)[0059] 其中，m表示电子水平仪在回转工作台的单次旋转周期内的采样点数量；c(m/2+i)表示旋转角采样点i的对称点对应实际轴线与轴线平均线的夹角。[0060] 在上述步骤S4中，将步骤S3中求解得到其中的最大倾斜度r为回转工作台的倾斜误差，通过公式表示为：[0061] r＝max(k(i))。[0062] 接下来通过一个具体的实施例对上述内容进行进一步说明。[0063] 本发明实施例中，将提供的倾斜误差测量方法应用于一台精密光学抛光机床1上，如图2所示。精密光学抛光机床1中设置有气浮转台11(即回转工作台)，气浮转台11由数控系统通过伺服电机进行驱动控制，其直径为2000mm。[0064] (1)采用电子水平仪对气浮转台11进行测量：[0065] 将尺寸规格为Ф200mm×20mm的光学平板12放在气浮转台11上，采用直尺和标记笔标出经过气浮转台和光学平板中心的气浮转台表面的半径线20，然后将WL11型数字水平仪13放在光学平板12表面的几何中心处，使其检测方向对齐标记的半径线20，从而确保电子水平仪13的倾斜度检测方向指向回转工作台11的半径方向。电子水平仪测量的倾斜度单位为μm/m。[0066] 设定电子水平仪的采样周期dt为0.2s，气浮转台的转速为0.5rpm，则电子水平仪在回转工作台的单次旋转周期内的采样点数m为600个，设定电子水平仪的采样持续时间t为240s，即回转工作台的k＝2次旋转周期，则电子水平仪的采用总数n为1200个。[0067] 通过气浮转台的数控系统开启回转工作台进行匀速旋转运动，电子水平仪随气浮转台一起匀速旋转，待气浮转台旋转至零度时开始记录电子水平仪的测量读数，各个测量读数记为z(i)，i＝1，…，n。见图3。[0068] (2)计算所述回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线的平均绝对倾斜度测量值：[0069] 计算气浮转台的各个旋转角采样点的平均倾斜度测量值为：[0070] 见图4。[0071] 采用最小二乘法拟合生成正弦函数，获得正弦函数的四个参数a＝125.9；b＝0.05233；c＝?0.03624；d＝0.32。[0072] f(α)＝a·sin(b·α+c)+d.[0073] (3)计算回转工作台的各个旋转角采样点的倾斜误差[0074] 首先计算回转工作台的各个旋转角采样点对应实际轴线与轴线平均线的夹角：[0075] c(i)＝q(i)?f(i)，i＝1，…，m。[0076] 然后计算各个旋转角采样点的倾斜误差，其为采样点与其对侧采样点的夹角的一半，见图5。[0077] k(i)＝|(c(i)?c(m/2+i))/2|，i＝1，…，m/2。[0078] (4)最后求解得到其中的最大倾斜度r为回转工作台的倾斜误差：[0079] r＝1.47μm/m。[0080] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

专利地区：四川

专利申请日期：2022-08-26

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN115420257B