内表面间垂直度的高精度测量方法设计与误差分析

    随着现代科学技术的迅猛发展,特别是航空航天、信息与微电子等尖端科技的突飞猛进,对敏感元件的材料、几何特征、力学特性等提出了越来越高的要求。例如,静电悬浮加速度计[1-2]是用于地球重力场测量的关键器件,可以实现高精度、高分辨率的微重力测量,成为目前国际上已实际应用的、分辨率最高的加速度计。为确保静电悬浮加速度计X,Y,Z三轴的耦合足够小,对某敏感元件的精度要求很高,因其工作表面为内表面,如何实现内表面的超精密加工与形位误差检测成为当前的难点问题。对于内表面的加工,常规的超精密磨、铣削难以达到011Lm量级的形位精度。现代光学零件的确定性修形方法是解决该问题的有效方法,但需要获得内表面的三维误差分布,这对测量方法提出了特别的要求。

    目前,实验室测量形位误差一般采用三坐标测量机、自准直仪、激光等,这些测量设备或方法都有其自身的局限性。三坐标测量机是现代工业普遍采用的形状和尺寸检测设备,通过测头采集一些点来计算误差值,由于采集到的数据有限,获得的形位误差分布数据不便用于确定性误差修正加工,而且精度只能保证到微米级。用双自准直仪或激光测量可实现相邻表面间垂直度的快速测量,具有测量装置简单、数据处理方便、测量结果精确度高等优点,但由于都不能获得被测面的误差分布,因此无法指导确定性修形加工。

    针对该问题,本文探讨了一种基于波面干涉技术测量框体零件内表面间垂直度误差的新方法,以期获得对内表面垂直度误差及其分布的高精度测量,解决利用确定性修形加工方法提高内表面形位误差精度面临的高精度测量问题。

    1 测量原理和方法分析

    1.1 被测对象及内表面间垂直度的测量方法.

    被测对象如图1(a)所示,材料为微晶玻璃。目前在形位误差测量中,干涉测量[3]是精度最高的方法,但受敏感元件的几何形状限制,内表面间垂直度不能直接进行干涉测量。

    为此,笔者提出了新的测量方法,如图1(b)所示,首先测量外表面间垂直度误差Ai,再测量外表面与所对应内表面的平行度误差Di,之后以该角度误差Di修正外表面间垂直度误差Ai,最终得到内表面间垂直度误差Bi。该方法以Di和Ai的高精度测量为前提,外表面间垂直度误差采用相移干涉法测量,内外表面间平行度误差采用波面干涉仪标准的透射式平行度测量法进行测量[6]。

    1.2 基于干涉仪的外表面垂直度测量原理

    采用Fizeau型等厚干涉仪[3]进行平面测量时,实际测量的是参考平面和被测平面之间空气间隙的厚度信息,测量结果既包含被测平面的面形误差,又包含相对于与标准参考平面的位置误差。测量外表面间垂直度[6-8]时,可利用图2(a)所示的测量光路,干涉仪产生的部分激光束经标准参考镜头反射回干涉仪,形成参考波面;其余部分激光透射后经被测对象反射至辅助平面反射镜,并反射回主机形成测试波面。根据测试波面与参考波面的干涉图像可获得被测两面相对于90b基准角的位置误差,从而得到外表面间垂直度误差。