圆柱度误差干涉拼接测量方法及评定指标体系研究

以圆柱度仪为代表的现有圆柱度误差测量仪器，其逐点扫描工作方式存在测量效率不高和采样点不足的问题，不能满足第二代产品几何技术规范（GPS）的要求。还存在评定方法多样引起的检验与设计不统一。基于上述问题，项目提出干涉拼接测量圆柱度误差的新方法：采用面阵传感满足第二代GPS采样密度要求、干涉测量满足具有镜面特性的零件高精度测量要求、利用多孔径拼接技术实现圆柱体360度测量，以实现符合第二代GPS要求的高精密轴类零件和其它圆柱型光学件的测量需求。项目将建立圆柱度误差干涉拼接测量模型，给出圆柱体面形误差分布测量方法，并建立新的圆柱度误差评定指标体系。项目的新意在于:提出了满足新一代GPS体系要求的圆柱度误差测量方法；应用干涉进行单幅测量和采用新的误差抑制技术保证了新方法测量精度；提出的评定指标体系对于实际生产具有更好的指导意义。研究成果对于开发新的圆柱度误差测量仪器具有积极意义。

精密轴系的圆柱度误差测量是一个亟待解决的难题。目前普遍采用接触式点位测量，如三坐标测量机和圆柱度仪，不能满足ISO/TS 12180 系列规定的圆柱度采样密度和采样频率的要求，存在评定效率差、评定指标单一和评定结果不稳定的问题。本项目针对上述问题，提出将干涉测量术与子孔径拼接方法相结合，旨在获得高精度、高分辨率的360度面形误差，为准确获得精密轴系的圆柱度误差评定提供数据支持。. 本项目选择计算全息元件（Computer Generated Hologram, CGH）作为柱面波转换器，并与平面干涉仪、多自由度的调整平台组成柱面干涉拼接测量系统。为了获得精密轴系的圆柱度误差，本项目主要通过对单孔径的柱面干涉测量问题，多孔径的柱面干涉拼接测量问题、圆柱体的360度干涉拼接测量以及精密轴系的圆柱度误差评定等问题展开深入研究，并依此提出以下新技术：（1）柱面零位干涉测量中的失调像差分离模型。利用该模型不仅能够获得单孔径柱面的面形误差，而且能够估算出被测柱面的调整误差量，有助于快速、准确地调整被测柱面，实现零位测量状态；（2）非零条纹下的高阶失调像差补偿方法。利用该方法，可以简化测量程序，无需对被测柱面进行精确调零，即可通过低阶失调像差系数计算高阶失调像差，从而准确地获得柱面的面形误差；（3）大数值孔径柱面透镜的干涉拼接测量模型。该技术扩大了柱面干涉系统的测量范围，能够获得大数值孔径柱面透镜的全口径面形误差；（4）圆柱体的干涉拼接测量模型。实现精密轴系的干涉测量，获得精密轴系的360度面形误差；（5）大数值孔径柱面透镜的非零干涉拼接测量方法。利用该技术无需对所有子孔径进行精确调零，可简化测量程序，缩短了测量时间，即可准确地获得大数值孔径柱面透镜的全口径面形误差。. 利用上述测量系统并结合所提新技术，对数值孔径为0.962的柱面透镜进行测量，获得与轮廓仪一致的结果。此外，对直径为75mm的气浮轴进行测量，获得气浮轴的360度干涉拼接测量结果。实验结果表明，干涉拼接测量结果具有高精度、高分辨率等优点，能够满足满足ISO/TS 12180 系列规定的圆柱度采样密度和采样频率的要求。以干涉拼接结果为基础，对精密轴系进行圆柱度误差评定，保证了评定结果的稳定性和准确性。与现有的技术相比，所提测量方法具有非接触性、高精度、高分辨率等优点。