CN102519416B - 基于双测头扫描数据拼接的工件转台误差分离的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双测头扫描数据拼接的工件转台误差分离的测量装置及方法，该装置在由测头***(1)、横臂(2)、立柱(3)、配重(4)、标准平晶(5)、工件转台(6)和横臂转台(7)组成的摆臂式轮廓仪上采用两套测头***(1、1′)同时进行扫描测量；两套测头***扫描一次后得到两根扫描轨迹M1，以一定角度β旋转工作转台再进行一次扫描，得到另外两根扫描轨迹M2；本发明采用双测头扫描数据拼接的方法，可以有效地分离去除工件转台的运动误差对测量结果的影响，从而大大提高了测量精度，为摆臂式轮廓仪在光学加工现场的在位测量提供了实用化的解决方案。

Description

基于双测头扫描数据拼接的工件转台误差分离的测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学镜面加工过程检测的技术领域，特别涉及一种基于双测头扫描数据拼接的工件转台误差分离方法。

背景技术

摆臂式轮廓仪是一种有效的光学镜面加工过程的在位检测仪器，其最大的优点是可以直接架设在光学镜面加工机床旁边，将光学镜面加工机床的转台作为摆臂式轮廓仪的工作转台使用，对被测镜面进行在位检测。这种方法在方便的同时也带来了另外一个问题：光学镜面加工机床的转台一般运动误差都比较大，如果不对这些误差进行分离，摆臂式轮廓仪的测量结果将不能反映被测镜面实际的面形误差。目前，对于摆臂式轮廓仪工件转台误差没有有效的分离方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：摆臂式轮廓仪用于车间在位检测时，如何对工件转台误差的进行分离。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于双测头扫描数据拼接的工件转台误差分离的测量装置，在由测头***、横臂、立柱、配重、标准平晶、工件转台和横臂转台组成的摆臂式轮廓仪上采用两套测头***同时进行扫描测量；双测头扫描一次后得到两根扫描轨迹M1，以一定角度β旋转工作转台再进行一次扫描，得到另外两根扫描轨迹M2；对测量数据进行旋转和平移，实现数据拼接并有效分离去除工件转台的运动误差对测量结果的影响。

所述的测头***为高精度接触式测头，测头分辨力为25nm，测量精度为50nm。

所述的横臂和立柱用于连接横臂转台和测头***，并完成测头的旋转运动。

所述的配重用于平衡测头***和横臂以保证横臂转台保持平稳的旋转。

所述的标准平晶为口径数百毫米、面形误差λ/10的高精度的标准器。

所述的工件转台为低精度转台，用于完成标准平晶的旋转运动。

所述的横臂转台为高精度气浮转台，转台的端面跳动为25nm，转台的角晃动为0.02″，用于完成两套测头***的旋转运动。

一种基于双测头扫描数据拼接的工件转台误差分离方法，采用上述的基于双测头扫描数据拼接的工件转台误差分离的测量装置的两套测头***同时扫描测量；两套测头***扫描一次后得到两根扫描轨迹M1，以一定角度旋转β工作转台再进行一次扫描，得到另外两根扫描轨迹M2；对测量数据进行旋转和平移，实现数据拼接并有效分离去除工件转台的运动误差对测量结果的影响。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明采用双测头扫描数据拼接的方法，可以有效地分离去除工件转台的运动误差对测量结果的影响，从而大大提高了测量精度，为摆臂式轮廓仪在光学加工现场的在位测量提供了实用化的解决方案。

附图说明

图1是本发明双测头扫描数据拼接的装置结构示意图；

图2是本发明双测头扫描的测量轨迹图；

图3是本发明工件坐标系示意图；

图4是本发明工件坐标计算示意图；

图中主要元件说明：1和1’为测头***；2为横臂；3为立柱；4为配重；5为标准平晶；6为工件转台；7为横臂转台；另外：

O为工件转台的旋转中心；

O′为横臂转台的旋转中心；

OA为工件转台的旋转轴；

O′A′为横臂转台的旋转轴；

M1为第一次扫描得到的两根轨迹；

M2为第二次扫描得到的两根轨迹；

P11、P12、P13和P14为第一次扫描轨迹上的交点位置；

P21、P22、P23和P24为第二次扫描轨迹上的交点位置；

β为两次扫描工件转台的旋转角度；

α为横臂转台的旋转角度；

X为坐标系的X轴；

Y为坐标系的Y轴；

Z为坐标系的Z轴；

L为横臂转台的旋转轴到测头球心点的距离；

P为扫描轨迹上的任意点。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，为双测头扫描数据拼接的装置结构示意图，包括测头***1和1′、横臂2、立柱3、配重4、标准平晶5、工件转台6和横臂转台7。所述的测头***1为高精度接触式测头，测头分辨力为25nm，测量精度为50nm。所述的横臂2和立柱3用于连接横臂转台7和测头***1，并完成测头的旋转运动。所述的配重4用于平衡测头***1和横臂2以保证横臂转台7保持平稳的旋转。所述的工件转台6为低精度转台，用于完成标准平晶5的旋转运动。所述的横臂转台7为高精度气浮转台，转台的端面跳动为25nm，转台的角晃动为0.02″，用于完成测头***1的旋转运动。测量前需要先对工件转台6进行精确调整，以保证工件转台的旋转轴OA与横臂转台的旋转轴O′A′完全平行。同时需要调整横臂2和测头***1，以保证测头***1准确位于工件转台的旋转中心O。

如图2所示，为双测头扫描的测量轨迹图。双测头扫描一次后得到两根扫描轨迹M1，以一定角度β旋转工作转台6再进行一次扫描就得到另外两根扫描轨迹M2，其中β需要事先计算确定，其大小与被测镜面的尺寸、两个测头的安装距离和拼接数据的密度有关，例如：对一块直径为Φ300mm的镜面，两个测头的安装距离为40mm，拼接数据的密度为2点/线时β为15°。扫描轨迹M1和M2有4个交点，这4个交点在扫描轨迹M1和M2上都分别存在，其中P11、P12、P13和P14为第一次扫描轨迹M1上的交点位置，P21、P22、P23和P24为第二次扫描轨迹M2上的交点位置。每一点的坐标均为(X，Y，Z)坐标，例如P11点的坐标为(X11，Y11，Z11)。

P11、P12、P13和P14组成的平面定义为平面1。

根据坐标变换公式可得：

$\mathrm{abc}1=\left[\begin{array}{ccc}X11& Y11& 1\\ X12& Y12& 1\\ X13& Y13& 1\\ X14& Y14& 1\end{array}\right]\backslash \left[\begin{array}{c}Z11\\ Z12\\ Z13\\ Z14\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中“\”为矩阵的左除。

平面1的法线与X轴的夹角为：

A1＝abc1(1)                    (2)

平面1的法线与Y轴的夹角为：

B1＝abc1(2)                                    (3)

P21、P22、P23和P24组成的平面定义为平面2。

根据坐标变换公式可得：

$\mathrm{abc}2=\left[\begin{array}{ccc}X21& Y21& 1\\ X22& Y22& 1\\ X23& Y23& 1\\ X24& Y24& 1\end{array}\right]\backslash \left[\begin{array}{c}Z21\\ Z22\\ Z23\\ Z24\end{array}\right]---\left(4\right)$

式中“\”为矩阵的左除。

平面2的法线与X轴的夹角为：

A2＝abc2(1)                                    (5)

平面2的法线与Y轴的夹角为：

B2＝abc2(2)                                    (6)

为实现数据拼接，需要对平面2实施旋转和平移变换，其中：

绕X轴的旋转角度为：

θ_X＝A2-A1                                     (7)

绕Y轴的旋转角度为：

θ_Y＝B2-B1                                     (8)

沿Z轴的平移量为：

Disp＝Z21-Z11                                  (9)

将P21、P22、P23和P24实施上述的坐标变换后即可准确地与P11、P12、P13和P14实现拼接，从而实现了对工件转台误差的分离。

同理可实现对镜面上所有数据点的拼接。

如图3所示，为工件坐标系示意图。X轴平行于横臂，Z轴垂直于工件转台台面，坐标原点为工件转台旋转轴与标准平晶的交点。

如图4所示，为工件坐标计算示意图。L为横臂转台的旋转轴O′A′到测头球心点的距离，α为横臂转台的角度，β为工作转台的角度。测头在镜面上点的坐标计算公式为：

$X=L\×\cos \left(\mathrm{\β}\right)\×\sqrt{2\×(1-\cos \left(\mathrm{\α}\right))}---\left(10\right)$

$Y=L\×\sin \left(\mathrm{\β}\right)\×\sqrt{2\×(1-\cos \left(\mathrm{\α}\right))}---\left(11\right)$

Z坐标通过测头直接测得。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种基于双测头扫描数据拼接的工件转台误差分离方法，其特征在于：采用所述的基于双测头扫描数据拼接的工件转台误差分离的测量装置，由测头***（1）、横臂（2）、立柱（3）、配重（4）、标准平晶（5）、工件转台（6）和横臂转台（7）组成的摆臂式轮廓仪上采用两套测头***（1、1′）同时进行扫描测量，所述的测头***（1）为高精度接触式测头，测头分辨力为25nm，测量精度为50nm；所述的横臂（2）和立柱（3）用于连接横臂转台（7）和测头***（1），并完成测头的旋转运动；所述的配重（4）用于平衡测头***（1）和横臂（2）以保证横臂（2）转台保持平稳的旋转；所述的标准平晶（5）为口径数百毫米、面形误差λ/10的高精度的标准器；所述的工件转台（6）为低精度转台，用于完成标准平晶（5）的旋转运动；所述的横臂（2）转台为高精度气浮转台，转台的端面跳动为25nm，转台的角晃动为0.02″，用于完成两套测头***（1）的旋转运动；两套测头***（1）同时扫描测量；两套测头***（1）扫描一次后得到两根扫描轨迹M1，以一定角度旋转β工作转台再进行一次扫描，得到另外两根扫描轨迹M2；对测量数据进行旋转和平移，实现数据拼接并有效分离去除工件转台（6）的运动误差对测量结果的影响；具体为：

双测头扫描一次后得到两根扫描轨迹M1，以一定角度β旋转工作转台（6）再进行一次扫描就得到另外两根扫描轨迹M2，其中β需要事先计算确定，其大小与被测镜面的尺寸、两个测头的安装距离和拼接数据的密度有关，扫描轨迹M1和M2有4个交点，这4个交点在扫描轨迹M1和M2上都分别存在，其中P11、P12、P13和P14为第一次扫描轨迹M1上的交点位置，P21、P22、P23和P24为第二次扫描轨迹M2上的交点位置，每一点的坐标均为（X，Y，Z）坐标，

P11、P12、P13和P14组成的平面定义为平面1；

根据坐标变换公式可得：

$\mathrm{abc}1=\left[\begin{array}{ccc}X11& Y11& 1\\ X12& Y12& 1\\ X13& Y13& 1\\ X14& Y14& 1\end{array}\right]\backslash \left[\begin{array}{c}Z11\\ Z12\\ Z13\\ Z14\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中“\”为矩阵的左除；

平面1的法线与X轴的夹角为：

A1=abc1(1)             (2)

平面1的法线与Y轴的夹角为：

B1=abc1(2)         (3)

P21、P22、P23和P24组成的平面定义为平面2；

根据坐标变换公式可得：

$\mathrm{abc}2=\left[\begin{array}{ccc}X21& Y21& 1\\ X22& Y22& 1\\ X23& Y23& 1\\ X24& Y24& 1\end{array}\right]\backslash \left[\begin{array}{c}Z21\\ Z22\\ Z23\\ Z24\end{array}\right]---\left(4\right)$

式中“\”为矩阵的左除；

平面2的法线与X轴的夹角为：

A2=abc2(1)      (5)

平面2的法线与Y轴的夹角为：

B2=abc2(2)         (6)

为实现数据拼接，需要对平面2实施旋转和平移变换，其中：

绕X轴的旋转角度为：

θ_X＝A2-A1          (7)

绕Y轴的旋转角度为：

θ_Y＝B2-B1       (8)

沿Z轴的平移量为：

Disp＝Z21-Z11        (9)

将P21、P22、P23和P24实施上述的坐标变换后即可准确地与P11、P12、P13和P14实现拼接，从而实现了对工件转台误差的分离。

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