一種基于表面形貌數據的面形偏差檢驗方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于面形偏差檢驗技術領域，涉及一種基于表面形貌數據的面形偏差檢驗方法。
【背景技術】
[0002]隨著高精度激光陀螺的發展，對反射鏡基片的要求越來越高，而零件的面形偏差是表征反射鏡基片表面加工質量的重要指標之一。面形偏差無論是對光線反射路徑，還是對鏡片與腔體光膠的密封性都有著重要的影響，因此需對其進行質量評價并監控。
[0003]在傳統面形檢測中，主要是靠有經驗的檢驗員通過平面干涉儀或樣板目視判讀干涉條紋來完成，此方法需提前對員工進行培訓，而且檢驗員的個體差異也會造成判讀結果的差異，而且在檢驗判讀過程中，會受到人員疲勞、粗心、情緒等情況的干擾，最終影響檢測精度。目前有依據光學零件與樣板的干涉圖進行自動分析計算面形偏差的方法(干涉條紋圖像的空域處理與應用研究[學位論文]魏彩云，2011-南京理工大學:光學工程)。但根據干涉圖進行面形偏差的自動判讀方法受干涉圖的影響，而且由于面形偏差分為半徑偏差N、象散偏差Λ ^和局部偏差Λ 2Ν(《光學零件的面形偏差檢驗方法》GB2831-81)，必須先找到面形偏差中三個參數的各自最大的干涉圖，其中的象散偏差需拍攝兩張圖，之后對干涉圖進行計算才能得到面形偏差值，因而這種方法判讀檢測效率較低。
【發明內容】
[0004]本發明解決的技術問題為:提供一種基于表面形貌數據(用數字激光干涉儀進行測量采集)的，以Matlab為開發平臺進行的面形自動計算分析方法。
[0005]本發明的技術方案為:所述的評價方法包括以下步驟:
[0006]步驟1.用數字激光干涉儀測量
[0007]1.1將所測零件背面涂覆深藍色玻璃保護漆，待保護漆干后對被測零件進行測量;
[0008]1.2在測量參數選項中選擇相應參數；
[0009]1.3將零件固定在測量用調整架上，調整干涉條紋為2條左右進行測量，并保存數據；
[0010]步驟2.用Matlab軟件讀取數據
[0011]用Matlab軟件讀取數字激光干涉儀保存的數據，確定有效數據區域并計算圓心坐標、半徑；
[0012]步驟3.零件表面輪廓數據的預處理
[0013]3.1確定圓心零件的圓心和半徑；
[0014]3.2根據周圍矩陣點的值對計算時未落在矩陣上的點進行高度值的估算，
[0015]ζ (X，y) = ζ (xs, ys)氺(x_xb)氺(y-yb) +z (xs, yb)氺(xb_x)氺(y-ys) +z (xb, ys)氺(xs_x)* (y-yb) +z (xb, yb) * (xs_x) * (ys-y) (I)
[0016](I)式中z(x，y)表示(x，y)坐標下點的高度值。xs表示小于x值的最大整數，ys表示小于y值的最大整數，xb表示大于X值的最小整數，yb表示大于y值的最小整數；
[0017]3.3判定任意直徑的高低光圈，首先將直徑對應的表面輪廓的數據進行二次曲線擬合，并判斷其二次曲線的二階導數的正負，正對應的為低光圈，負對應為高光圈；
[0018]4.計算面形偏差
[0019]4.1計算半徑偏差
[0020]4.1.1去除邊緣效應的影響
[0021]將測量區域邊緣5個像素點的數據去掉，并以像素為單位進行采樣；
[0022]4.1.2定義通過圓心的坐標系
[0023]以圓心為原點，數據矩陣的行作為X軸，矩陣的列作為Y軸；
[0024]4.1.3確定直徑旋轉的方向和步長
[0025]確定直徑的起始角度、終止角度和旋轉步長，直徑以X軸正方向作為0°方向，向Y軸正方向逆時針旋轉，至X軸負方向截止，共180，步進的步長為1° ；
[0026]4.1.4確定每條直徑上的表面輪廓數值
[0027]根據公式計算直徑上任意一點的高度值，
[0028]ζ (X，y) = z (xs, ys)氺(x_xb)氺(y-yb) +z (xs, yb)氺(xb_x)氺(y-ys) +z (xb, ys)氺(xs_x)* (y-yb) +z (xb, yb) * (xs_x) * (ys-y) (2)
[0029](2)式中z(x，y)表示(x，y)坐標下點的高度值。xs表示小于x值的最大整數，ys表示小于y值的最大整數，xb表示大于X值的最小整數，yb表示大于y值的最小整數；
[0030]通過確定采樣單位和計算采樣數據，確定每條直徑上對應的表面輪廓數值；
[0031]4.1.5計算半徑偏差
[0032]計算通過圓心的每個直徑上對應的表面輪廓PV值，將此PV值作為該直徑方向的半徑偏差；
[0033]4.2計算象散偏差
[0034]4.2.1執行步驟4.1.1去除邊緣效應的影響；
[0035]4.2.2執行步驟4.1.2定義通過圓心的坐標系；
[0036]4.2.3確定兩條直徑旋轉的方向和步長
[0037]確定兩條直徑的起始角度、終止角度和旋轉步長，其中一條直徑以X軸正方向作為O。方向，向Y軸正方向逆時針旋轉，至Y軸正方向截止，共90°，步進的步長為1° ?’另一條直徑與在第一條直徑上角度的基礎上加90°，也就是從Y軸正方向，逆時針轉到X軸負方向；
[0038]4.2.4執行步驟4.1.4確定每條直徑上的表面輪廓數值；
[0039]4.2.5判定每條直徑的光圈的高低
[0040]首先將直徑對應的表面輪廓的數據進行二次曲線擬合，并判斷其二次曲線的二階導數的正負，正對應的為低光圈，負對應為高光圈；
[0041]4.2.6計算象散偏差
[0042]按照步驟4.1分別計算某一角度上的兩條直徑的半徑偏差，并根據步驟4.2.5的方法計算出該角度兩條直徑的光圈的高低；
[0043]當兩條直徑的光圈高低方向相同時，用兩個直徑的半徑偏差相減得出結果；高低方向不同的用兩個直徑對應的半徑偏差相加得出結果，則該零件的半徑偏差是該零件在90°上所有方向的半徑偏差的最大值；
[0044]4.3計算局部偏差
[0045]找到零件表面輪廓高度上的最大值、最小值和中值，計算最大值與中值的差，中值與最小值的差，取其絕對值較大者作為局部偏差。
[0046]本發明的有益效果為:本發明是一種基于表面形貌數據的面形偏差檢驗評價方法。通過一次計算即可得到面形偏差的三個評價參數的值，測試重復性與檢測效率都大大提高。解決了數字激光干涉儀測量結果與國標GB2831-81評價參數不對應的問題，并杜絕了人工檢測時疲勞、粗心、情緒等情況干擾的影響。通過與波前干涉條紋檢測法的結果進行比對，該方法能達到與樣板同等或更高精度。
【具體實施方式】
[0047]本發明是一種基于數字激光干涉儀的測試數據，對激光陀螺反射鏡基片進行面形自動計算的方法，它包括以下步驟:
[0048]1.用數字激光干涉儀測量
[0049]1.1將所測零件背面涂覆深藍色玻璃保護漆，以消除零件上下表面平行度干涉條紋影響，待保護漆干后對被測零件進行測量。
[0050]1.2在測量參數選項中選擇相應參數，以消除光路偏移和零件放置傾斜的影響。
[0051]1.3將零件固定在測量用調整架上，調整干涉條紋為2條左右進行測量，并進行數據保存。
[0052]2.用Matlab軟件讀取數據
[0053]Matlab讀取數字激光干涉儀所保存的數據，得到以矩陣方式表示的表面輪廓數據立方體。
[0054]確定有效數據區域并計算圓心坐標、半徑。干涉儀保存的測量數據對于沒有測試對象的地方是用一個很大的固定值一2147483640表示，因此，數據值小于該值的為有效數據區域。
[0055]本發明針對的測量對象(反射鏡基片)多是圓形，需做計算圓心坐標和半徑，由于采集的數據是以像素為單位，因此圓心、半徑歸一化的最小單位皆選為像素。
[0056]3.零件表面輪廓數據的預處理
[0057]用計算機對讀取的數據進行預處理，主要是確定圓心零件的圓心和半徑，對計算時未落在矩陣上的點根據周圍矩陣點的值進行該點的高度值的估算，及任意直徑上表面輪廓高低光圈的判定。
[0058]3.1計算有效數據區域的確定及圓心坐標、半徑。干涉儀保存的測量數據對于沒有測試對象的地方是用一個很大的固定值一2147483640表示，因此，數據值小于該值的為有效數據區域。
[0059]本發明針對的測量對象(反射鏡基片)多是圓形，需做計算圓心坐標和半徑，由于采集的數據是以像素為單位，因此圓心、半徑歸一化的最小單位皆選為像素。
[0060]3.2計算未落在矩陣上的點的高度值。在計算半徑偏差和象散偏差時，需沿測量區域圓周直徑方向來計算分析，而數字激光干涉儀保存的數據是以像素為單位的矩陣形式存在的，并不是任意直徑上單位長度的點都恰好落在矩陣的結點上，因此需計算未落在矩陣上的點的高度值。某一點的計算公式如下:
[0061]z (x, y) = z (xs, ys) * (x~xb) * (y-yb) +z (xs, yb) * (xb~x) * (y-ys) +z (xb, ys) * (xs~x)* (y-yb) +z (xb, yb) * (xs_x) * (ys-y) (I)
[0062](I)式中z(x，y)表示(x，y)坐標下點的高度值。xs表示小于x值的最大整數，ys表示小于y值的最大整數，xb表示大于X值的最小整數，yb表示大于y值的最小整數。
[0063]3.3判定任意直徑的高低光圈。在計算象散偏差時，需要判斷兩個相互