三坐标测量曲率半径误差评价的新方法研究

曲率半径检测是光学加工工艺流程中最基本的检测内容之一,为了克服传统三坐标测量曲率半径的测量策略测量误差无法定量评估的问题,将病态矩阵理论与三坐标检测曲率半径算法相结合,提出了基于IC值的三坐标检测曲率半径测量策略误差评估新方法。首先分析了三坐标测量曲率半径的测量模型以及误差产生原因,然后利用病态矩阵理论评价该测量模型的病态程度,在此基础上提出了一种评价三坐标测量模型病态程度的判据算法,并且进行了相关算法的验证。在仿真及实验均验证其准确性和有效性的基础上,利用该方法对三坐标检测曲率半径的三环法进行测量策略优化。结果表明:常规测量将中环放在上下环中间位置的做法是测量误差最大的一种方法,中环的位置越靠近球冠顶点,其测量结果的精度越高。分析结果对制定光学元件曲率半径测量的测量策略具有一定的指导意义。     

大口径深焦比Hindle球面镜曲率半径精确测量

Hindle法无像差法检测凸双曲面中,大口径深焦比球面反射镜的曲率半径测量是关键技术之一。提出了一种基于激光干涉仪、三坐标测量臂及标准定标球相结合测量球面曲率半径的方法。在球面镜面形干涉检验光路中引入一个标准定标球体,将其球心与检测系统的焦点重合,应用FARO测量臂对标准定标球体球心和被检球面镜镜面点坐标进行采样,从而计算球面镜曲率半径值。对一个口径Φ800 mm、设计半径为861.8 mm的球面标准反射镜进行曲率半径测量及精度分析,实测曲率半径为862.036 mm,系统的最大测量误差为±0.036 mm,测量不确定度为±0.015 mm;经Zemax软件分析,该测量误差对双曲面检测精度的影响仅为精度要求的3.4%,验证了这种球面半径测量方法的有效性及实用性。     

CMM机构误差引入的空间点不确定度评定

提出了一种坐标测量机空间点测量不确定度的评定方法。在坐标测量机的准刚体模型下,通过坐标系旋转矩阵建立空间坐标点的三维测量模型;依据A类和B类评定方法,通过误差检测实验,量化21项机构误差所引起的不确定度分量;最后,根据测量不确定度表示指南(GUM)评定三坐标测量机机构误差引入的空间任一点的三维标准不确定度。采用Renishaw激光干涉仪对一台未经过误差补偿的三坐标测量机进行误差检测并评定出机构误差引入空间点的三维不确定度,验证了该方法的可行性,使得基于GUM评定CMM的测量不确定度成为可能。     

激光差动共焦反射式超大曲率半径测量系统研制

针对球面超大曲率半径测量中存在的测量精度低、抗环境干扰能力差的难题,研制了一套激光差动共焦反射式超大曲率半径测量系统。该系统采用反射式测量光路,利用差动共焦响应曲线对被测件的猫眼和反射位置进行高精度定位,并用测长干涉仪记录位置信息,最后结合物镜顶焦距解算出超大曲率半径值。理论分析与实验表明,该系统定焦精度高,测量范围大,抗环境干扰能力强,相对测量误差优于2×10~(-4),-15 m超大曲率半径测量结果的重复性可达1.2×10~(-4),实现了超大曲率半径的高精度测量。     

高精度六维激光测量系统误差补偿算法研究

根据极大规模集成电路制造对光刻物镜中敏感光学元件调节机构高精度的调整要求,研究设计了一套基于双频激光干涉仪的高精度六自由度位姿检测测量系统。但由于双频激光干涉仪是一种线性增量式的测长仪器,其固有的机械安装误差及运动平台在工作过程中引入的倾斜或旋转运动都将导致测量光程的变化而产生阿贝误差与余弦误差。为此,根据系统测量原理,采用解析法基于空间齐次变换建立了系统误差补偿数学模型,并深入分析了装调误差对测量精度的影响,实现了调节机构六自由度运动的高精度测量。     

电池放电系统电压示值误差不确定度评定

介绍了使用DF-930F 数字万用表对"DM-2000电池自动放电检测系统"电压显示值示值误差校准结果的不确定度的评定方法。合成标准不确定度的估算使用了4种相互独立的误差来源,其中包括在任意选取负载电阻时DM-2000检测系统重复测量的标准偏差、DM-2000检测系统分度值的不确定度、DF-930F 数字万用表的准确度的不确定度和DF-930F 数字万用表的分辨力的不确定度。电池电压测量不确定度一般可直接使用本不确定度的评定结果。     

水平式激光发射系统激光指向远场检测研究

为了测量水平式激光发射系统激光指向误差,提出了一种天顶范围激光指向远距离检测方法,设计了一个激光方向检测装置,介绍了激光方向检测装置的组成及工作原理,详细介绍了光线折转系统的结构,对指向误差进行了实际测量,获得激光指向误差为5.7″,对检测装置中影响激光指向误差的误差源进行了分析,得到了作为系统误差的视差ε1、检测装置的结构变形误差ε2被消除、检测装置的测量误差主要取决于电视系统分辨率和激光器光轴漂移误差的结论,该检测装置测量的激光指向不确定度为1.87″。外场试验结果表明,通过该检测装置得到的检测结果进行误差修正后,激光发射精度满足使用要求,检测方法直接、简便,检测精度较高,该检测方法可以在工程实际中得到推广应用。     

光栅测量系统的误差研究

研究光栅系统的误差构成及其变化规律,对提高光栅测量系统的精度,进行测量系统结构的优化设计均具有重要意义。在全面分析光栅测量系统误差来源的基础上,定量描述了光栅副误差、导轨误差、工作台误差,建立了光栅测量系统总误差模型;研制了一套激光干涉仪与光栅测量系统实时比对实验装置,实现了光栅测量系统综合误差的分离。通过模型仿真与实验比对,验证了总误差模型的有效性。应用该模型对光栅测量系统进行误差修正,能显著提高光栅系统的精度,使测量不确定度减小了一半。     

对头镗削工艺同轴度加工误差研究

本文通过校验三坐标测量设备的测量误差,对零件装夹刚性以及卧式加工中心旋转误差补偿进行分析研究,综合解决了对头镗削工艺同轴度加工超差的问题。     

直线时栅测量系统的误差研究

研究直线时栅位移测量系统中的误差规律,对提高时栅测量系统的测量精度及进一步优化系统结构具有重要意义。在分析直线时栅测量系统误差来源的基础上,定量分析了时栅误差、导轨误差、滑台及连接臂变形误差,建立了时栅测量系统的全误差模型;研制一套激光干涉仪与时栅测量系统标定实验装置,实现了时栅测量系统误差的分离,并利用该模型对测量系统进行误差修正,显著提高时栅测量系统的测量精度,修正后的精度达±8 m/m,测量不确定度减小一半。     

悬臂式坐标测量机误差分离与补偿的研究

对一台自主设计的,专用于连铸结晶器测量的悬臂式坐标测量机进行研究,分析了影响其精度的主要误差源。用齐次坐标变换矩阵建立测量机的几何误差修正模型,并附加了非刚性误差补偿项。使用激光干涉仪和激光跟踪仪将误差模型中的各项误差给予逐项的分离,经计算后代入误差模型进行补偿。实测结果表明,当测量机沿体对角线运动时,其最大位移误差从补偿前的600μm降低到50μm,因此该补偿方法是有效可行的。     

基于精度理论的测量不确定度评定与分析

针对测量不确定度表示指南(GUM)所述的测量不确定度评定方法存在的局限性,提出了基于经典精度理论的测量不确定度评定的新方法。分析了当不确定度来源繁杂或测量模型未知等特殊情况时,以测量正确度和测量精密度作为2项主要来源进行测量结果的不确定度评定的优势及理论依据。最后,坐标测量机(CMM)工件端面距离测量的不确定度评定实例验证了该方法的可行性。实验结果表明,CMM测量环境引入的标准不确定度分量相对于正确度和精密度引入的不确定度分量可忽略不计。在测量环境非主要不确定度来源时,测量不确定度评定的初始模型仅需考虑正确度和精密度2项来源就可获得较可靠的测量不确定度。     

光刻投影物镜整体式XY微调整机构设计

针对光刻投影物镜XY补偿镜调整量程小、调整精度高的特点,设计了一种XY微位移并联调整机构。首先,分析圆弧形铰链切口厚度、切口半径和高度对柔度系数的影响,以指导铰链结构设计。接着,基于柔度矩阵法分析了机构各个支链的柔度和整体柔度。最后,计算了机构的输出耦合误差,并将柔度矩阵法得到的理论值和有限元法得到的结果对比。结果表明:机构在±50 N的驱动力范围内,可以实现运动行程±40.997μm,X向调整引入的Y向耦合误差小1%,机构完全解耦。由柔度矩阵法和有限元法得到的机构柔度分别为2.537μm/N和2.934μm/N,偏差为13.531%。50 N调整力作用后的镜片上表面面形未去除power前PV值为2.684 nm,RMS为0.524 nm;去除power后PV值为2.433 Nm,RMS值为0.476 nm,并且面形主要为像散。该机构满足设计指标,符合光刻投影物镜高精度XY补偿要求。     

基于LabVIEW的高精度激光干涉测距系统

微位移和直线度误差作为工业测量中重要的几何参数,其测量值对精密仪器的制造与检测有着广泛应用.但随着工业技术发展,就传统测量仪器自准直仪而言,存在精度不高、实时性不强、速度慢等缺点,无法完全满足当下高速、高精度、实时监测的的要求,提出一种基于LabVIEW 的高精度激光干涉测距系统,对位移位置和直线度进行测量与分析.基于双频激光干涉测距原理,设计了光电测距仪测量得到带位移信号的光信号,经光电转换得到电信号,利用LabVIEW 平台编写操作界面和数据处理与误差分析.对系统进行实验,表明对长度30cm 导轨检测,相对误差小于0.2nm,系统具有结构简单、测量速度快、实时性强等优点,实现了位移与直线度的大范围、高精度的测量,可被在工业位移测量中广泛使用.     

基于电流比较仪测试直流互感器误差的方法

本文分析直流互感器的基本结构和测量功能,介绍基于电流比较仪来实现对直流互感器误差的测试方法。电流比较仪采用磁芯零磁通原理对激磁电流进行反馈补偿,其测量准确度理论上可以达到1×10-5。     

水平臂式三坐标测量机的误差补偿

根据水平臂三坐标测量机的结构特点,提出了非刚体三坐标测量机的误差补偿技术.在刚体误差补偿模型的基础上引入附加函数项,通过对测量机的横梁和立柱的详细研究,研究包括横梁和立柱的结构分析,受力分析及误差分析,推导出附加函数的回归方程.从而得到非刚体模型三坐标测量机的误差补偿理论公式.最后利用激光干涉仪对补偿结果进行检验,补偿结果证明非刚体误差补偿技术能有效的提高测量机的精度.     

虚拟仪器测量不确定度研究

对虚拟仪器的测量不确定度进行了研究.首先分析了虚拟仪器的结构及工作原理,详细论述了其测量不确定度的来源.着重研究了测量不确定度的评定方法,特别是不确定度分量的估计和合成不确定度的计算.强调了传感器环节带来的不确定度的根本性意义,指出虚拟仪器的B类不确定度必须用标准仪器进行校验.以多次测量取均值测直流电压的实例说明了多次测量取均值会将测量精度大大提高.该方法已经在某低频电参数综合校准设备中应用,验证了其正确性.