CN103292727B - 基于智能数控平台的子孔径拼接激光干涉在线测量方法及*** - Google Patents
基于智能数控平台的子孔径拼接激光干涉在线测量方法及*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN103292727B CN103292727B CN201310179320.3A CN201310179320A CN103292727B CN 103292727 B CN103292727 B CN 103292727B CN 201310179320 A CN201310179320 A CN 201310179320A CN 103292727 B CN103292727 B CN 103292727B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sub
- aperture
- interferometer
- transient
- splicing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明属于现代光学测量技术领域，具体为一种基于智能数控平台的子孔径拼接激光干涉在线测量***及方法。该***由工业机器人及其控制模块、驱动模块，瞬态干涉仪，拼接与数据分析***，人机交互界面，工作台构成。原本工业机器人是通过安装于机器人腕部的抛光组件实现对光学元件的抛光。本发明运用瞬态干涉仪通过法兰盘按照和抛光头相同的基准要求安装在工业机器人手腕上，实现对工件表面各子孔径面形进行精密测量，并通过拼接与数据分析***实现整个工件表面的面形测量。本发明造价低廉，通用性与便利性好，可实现对多种面形的在线测量。
Description
技术领域
本发明属于现代光学测量技术领域，具体涉及一种基于计算机控制（CNC）的子孔径拼接激光瞬态干涉的在线测量***及方法，特别针对大口径非球面及平面、球面以及复杂面型的光学零部件抛光期间的原位在线测量。
背景技术
子孔径拼接技术（SubapertureStitchingInterferometry,SSI），是一种集光学干涉、精密机械、计算机图像处理以及数学分析等技术相结合的综合技术。子孔径拼接干涉法弥补了传统全口径干涉测量法口径限制与面形限制的缺点。瞬态干涉仪运用像素化四相位掩模板技术克服了传统干涉仪采集测量数据时间上的缺点，具备很好的抗干扰能力。子孔径拼接干涉仪技术和瞬态干涉技术是现代干涉仪的发展趋势。将它们运用到机器人抛光***中可以提升并显现机器人抛光光学元件口径大面形复杂的优点，并加快确定性抛光的收敛速度。
在光学***中使用非球面或自由曲面光学元件，能够矫正像差，改善像质，同时简化光学***结构，减小体积。因此，这类光学元件被广泛应用于天文观测、空间光学、遥感观测、高功率激光***等领域。机器人抛光的灵活性、可控性和大尺度特点非常适合这类光学元件的抛光。但是，这类光学面的加工和测量比平面和球面要困难得多，尤其是大口径高陡度非球面的测量问题已经成为当今国内外研究的焦点和难点。此外，大口径的平面镜、球面镜由于体积大、自重大，其在加工中的检测问题也成为限制加工的瓶颈之一。
子孔径拼接和瞬态干涉技术相结合运用到机器人抛光***中能够很好的解决上述问题，并已成为大口径高陡度非球面甚至自由面测量问题的最佳解决方案。利用子孔径拼接技术，可以拓展干涉仪测量非球面的横向和纵向动态范围，提高测量的空间分辨率，而瞬态干涉技术可以消除环境和机器人***抖动带来的干扰并提升测量速度。
由于测量局限在子孔径范围，干涉仪CCD的放大倍率有很大的提高，局部范围陡度大大缓解而使条纹变疏，干涉仪信号有较好的分辨率，各子孔径数据没有缺失。再通过拼接算法可以得到完整的面形信息，从而为后续进一步确定性抛光提供依据。
目前，国内外已有很多科研机构和公司从事子孔径拼接干涉技术和瞬态干涉技术的研究工作，并开发出一些产品，如美国QED公司开发的SSI和SSI-A系列产品，能够对口径不超过200mm的非球面，如较大相对数值（NA）的球面以及适度非球面进行子孔径拼接测量，达到纳米级测量精度。国内有很多的研究机构，如中国科学院光电技术研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所也开展了很多研究并申请了相关专利。而瞬态干涉技术是美国4D公司的专利和产品。
利用复旦大学专利：“基于智能数控平台的铣磨抛光装置ZL201010506393”，将子孔径拼接算法和瞬态干涉技术融入到智能数控***中，实现光学制造的在线检测是现代光学制造的趋势。体现了光学测量的实时性和原位性。
发明内容
针对现有的机器人抛光***对在线光学面型检测的迫切需求，本发明提出一种基于智能数控平台和瞬态式干涉仪的子孔径拼接干涉在线测量方法和***。本发明的***造价低廉，通用性与便利性好，可实现对多种面形的在线测量。
本发明提供的一种基于智能数控平台的子孔径拼接干涉在线测量***，其由成熟的商业工业机器人（如ABB、FANUC、Motoman，KUKA等公司产品）、驱动模块、控制模块、瞬态干涉仪、拼接与数据分析***、人机交互界面和工作台构成；其中，工业机器人具有六个轴；瞬态干涉仪通过法兰盘安装在工业机器人的“腕部”；拼接与数据分析***与所述瞬态干涉仪相连接；控制模块和驱动模块控制并驱动工业机器人和工作台的空间移动与空间定位；人机交互界面通过控制模块控制瞬态干涉仪的工作位置与工作状态。
本发明中，加工中的工件无须从工件台移动，只需在需要测量时将原本安装于机器人手腕部法兰盘上的抛光组件换成瞬态干涉仪，即可实现对加工工件的原位在线测量。
在已知工件的摆放位置和待测曲面方程的条件下，通过所述的拼接与数据分析***，计算适合该工件待测表面测量的所有子孔径的尺寸和位置分布情况。
根据得到的子孔径尺寸和位置分布情况，利用工业机器人的驱动与控制软件编写控制瞬态干涉仪移动的路径程序，从而控制干涉仪按照设定的测量路径对待测表面逐个进行子孔径的测量。所述的测量路径往往与抛光加工路径相同。这有利于后续确定性抛光路径与滞留时间设定。
各子孔径的面形测量结果被干涉仪中的探测器阵列分别进行采集并传输给拼接与数据分析***。拼接与数据分析***与所述的干涉仪相连接，可对干涉仪测量得到的各孔径反应面形的干涉条纹进行分析处理、拼接和显示。
本发明还提供一种基于智能数控平台的子孔径拼接激光干涉在线测量方法，具体步骤如下：
（1）根据工件在工件台上的摆放位置坐标和待测曲面的方程,计算机的拼接与数据分析***利用分析软件和拼接算法计算，得到适合该待测曲面测量的子孔径的数目、尺寸、位置分布，并制定测量方案；
（2）工业机器人的驱动与控制软件编写控制瞬态干涉仪移动的路径程序；
（3）控制模块和驱动模块精确控制工业机器人，使得通过法兰盘安装在工业机器人“腕部”的瞬态干涉仪按照上述编写的路径程序进行测量路径运动，同时控制模块和驱动模块驱动工作台配合以必要的移动或旋转，实现各个子孔径的精确定位和测量，从而获得每个子孔径的面形测量结果；上述子孔径的面形测量结果通过瞬态干涉仪的探测器阵列采集并传输到计算机的拼接与数据分析***；
（4）完成所有子孔径的测量后，拼接和数据分析***依照拼接分析软件和拼接算法对所采集到的数据进行分析与拼接，最终根据拼接重叠区域分析去除***误差后得到整个待测表面的面形误差图。
本发明中，拼接算法是已经研究的非常成熟的一种技术，最早由专利US20090384723提出，国内也有很多专利申请，如CN201210180322.X，CN201210101164.4，CN200910072626.2等。
本发明中，所述的相关的分析软件是基于拼接算法作为核心而编写的软件，从而完成数据输入输出以及数据分析等目的。
本发明的方法不仅能够更方便的在线测量抛光中的工件，而且得益于成熟的工业机器人技术，其测量范围很大，理论上可以达到机器人的活动范围；该方法借助于机器人强大的三维空间运动能力，能实现对大口径的平面镜、球面镜、高陡度的非球面镜，甚至自由曲面的子孔径拼接测量的目的；本方法中采用瞬态干涉技术，在测量过程中能够避免测量过程中由于机械部件的振动或者环境的波动带来的测量误差。
本发明与现有的子孔径拼接干涉仪相比，具有明显的优点：
1)与原本的基于智能数控平台的铣磨抛光装置共用一套机器人***，在需要测
量时只需要将原本的铣磨抛光装置取下，将干涉仪以相同的安装基准安装于机器人的“手腕”上即可，极大的节省了设备成本。
2)利用技术成熟的工业机器人作为移动和调节装置，不仅能方便的实现在线、
原位测量，而且无需额外设计整套装置。测量***结构轻便，安装简单，空间运动和定位能力强大。
3)由于可以实现原位在线测量，因此被测工件可以不用从工件台上卸下，避免
了工件重新定位和装夹引入新的加工误差，保证加工的一致性，可以节省时间并提高测量精度。
4)该测量***所用的干涉仪是瞬态干涉仪配合拼接算法，相比于单纯的子孔径
拼接干涉仪，所采用的瞬态干涉仪能在很短暂时间内获得面形计算所需的干涉条纹图，每个子孔径的测量时间大大缩短，避免了机械振动和空气扰动对测量精度的影响，从而极大的提高了整体的测量精度。
附图说明
图1为整个在线测量***的工作流程图。
图2为整个在线测量***的组成模块图。
图3为干涉仪组件和铣磨/抛光组件互换示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1
如图2所示为整个在线测量***的组成模块图。图1为整个在线测量***的工作流程图。
本实施例中，应用在线测量***对工件表面各子孔径面形进行精密测量，最终得到待测表面的面形测量结果，具体实施步骤如下：
（1）将瞬态干涉仪通过法兰盘，按与专利号为201010506393的发明中提及的抛光组件相同的基准要求安装在工业机器人的腕部，被测的抛光光学工件无需从工作台移动，图3所示为干涉仪组件和铣磨/抛光组件互换示意图。
（2）将待测表面的几何参数，如面形方程、有效口径、离轴量等输入到拼接和数据分析***中，得到子孔径的数目、尺寸和相对位置分布，制定出测量方案。
（3）依据上述产生的测量方案，工业机器人的驱动和控制软件编写出测量各子
孔径的瞬态干涉仪的移动路径程序，其路径一般与抛光加工路径一致。
（4）将编写好的移动路径程序输入机器人的驱动和控制模块，使得瞬态干涉仪
在机器人的带动下，按照制定好的测量方案和测量路径对各个子孔径进行精确面形测量。测量结果通过干涉仪中的探测器阵列采集并传输到计算机的拼接和数据分析***中。
（5）完成所有子孔径的测量后，拼接和数据分析软件依照算法对所采集到的数
据进行分析与拼接，最终根据拼接重叠区域分析去除***误差后得到整个待测表面的面形误差图。
Claims (3)
1.一种基于智能数控平台的子孔径拼接激光干涉在线测量***，其特征在于：
该***由工业机器人、驱动模块、控制模块、瞬态干涉仪、拼接与数据分析***、人机交互界面和工作台构成；其中：所述工业机器人具有六个轴；所述瞬态干涉仪通过法兰盘安装在工业机器人的“腕部”；所述拼接与数据分析***与所述瞬态干涉仪相连接；
所述控制模块和驱动模块控制并驱动工业机器人和工作台的空间移动与空间定位；
所述人机交互界面通过控制模块控制瞬态干涉仪的工作位置与工作状态；
所述拼接与数据分析***根据工件的摆放位置和待测曲面方程，计算得到适合该工件待测表面测量的所有的子孔径尺寸和位置分布情况；
所述工业机器人的驱动与控制软件编写控制瞬态干涉仪移动的路径程序，从而控制瞬态干涉仪按照设定的路径程序对待测表面逐个进行子孔径的测量；子孔径的面形测量结果通过瞬态干涉仪中的探测器阵列分别进行采集并传输给拼接与数据分析***。
2.根据权利要求1所述的基于智能数控平台的子孔径拼接激光干涉在线测量***，其特征在于：所述工件的子孔径为大口径的平面镜、球面镜、高陡度的非球面镜，或者自由曲面的子孔径。
3.一种基于智能数控平台的子孔径拼接激光干涉在线测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）根据工件在工件台上的摆放位置坐标和待测曲面的方程,计算机的拼接与数据分析***利用分析软件和拼接算法计算得到适合该待测曲面测量的子孔径的数目、尺寸、位置分布，并制定测量方案；
（2）工业机器人的驱动与控制软件编写控制瞬态干涉仪移动的路径程序；
（3）控制模块和驱动模块精确控制工业机器人，使得通过法拉盘安装在工业机器人“腕部”的瞬态干涉仪按照上述编写的路径程序进行测量路径运动，同时控制模块和驱动模块驱动工作台配合以必要的移动或旋转，实现各个子孔径的精确定位和测量，从而获得每个子孔径的面形测量结果；上述子孔径的面形测量结果通过瞬态干涉仪的探测器阵列采集并传输到计算机的拼接与数据分析***；
（4）完成所有子孔径的测量后，计算机的拼接与数据分析***利用分析软件和拼接算法对所采集到的数据进行分析与拼接，最终根据拼接重叠区域分析去除***误差后得到整个待测表面的面形误差图。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310179320.3A CN103292727B (zh) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | 基于智能数控平台的子孔径拼接激光干涉在线测量方法及*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310179320.3A CN103292727B (zh) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | 基于智能数控平台的子孔径拼接激光干涉在线测量方法及*** |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103292727A CN103292727A (zh) | 2013-09-11 |
| CN103292727B true CN103292727B (zh) | 2016-02-24 |
Family
ID=49093990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310179320.3A Expired - Fee Related CN103292727B (zh) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | 基于智能数控平台的子孔径拼接激光干涉在线测量方法及*** |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103292727B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103862373B (zh) * | 2014-02-25 | 2016-03-30 | 复旦大学 | 基于动态干涉仪的实时研磨抛光方法 |
| CN104776978B (zh) * | 2015-04-23 | 2017-05-10 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种基于图像互相关的阵列元件拼接方法 |
| CN110243306B (zh) * | 2019-07-22 | 2024-06-11 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 基于机器人的平面面形子孔径拼接干涉测量装置及方法 |
| CN114102340B (zh) * | 2021-12-03 | 2023-03-14 | 湖北久之洋红外***股份有限公司 | 一种针对二次曲面反射镜的抛光制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101709955A (zh) * | 2009-11-24 | 2010-05-19 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 子孔径拼接干涉检测光学非球面面形的装置 |
| CN101983838A (zh) * | 2010-10-14 | 2011-03-09 | 复旦大学 | 基于智能数控平台的铣磨抛光装置 |
| CN102997864A (zh) * | 2012-12-17 | 2013-03-27 | 北京理工大学 | 一种大口径光学非球面镜检测*** |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7864338B2 (en) * | 2007-11-09 | 2011-01-04 | Bossa Nova Technologies, Llc | Interferometric method and apparatus for linear detection of motion from a surface |
-
2013
- 2013-05-15 CN CN201310179320.3A patent/CN103292727B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101709955A (zh) * | 2009-11-24 | 2010-05-19 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 子孔径拼接干涉检测光学非球面面形的装置 |
| CN101983838A (zh) * | 2010-10-14 | 2011-03-09 | 复旦大学 | 基于智能数控平台的铣磨抛光装置 |
| CN102997864A (zh) * | 2012-12-17 | 2013-03-27 | 北京理工大学 | 一种大口径光学非球面镜检测*** |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Subaperture stitching interferometry for testing a large hyperboloid;Wang Xiao-kun等;《Infrared and Laser Engineering》;20090228;第38卷(第1期);第114-119页 * |
| 子孔径拼接检测大口径非球面技术的研究;王孝坤等;《应用光学》;20090331;第30卷(第2期);第273-278页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103292727A (zh) | 2013-09-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Qiu et al. | Digital assembly technology based on augmented reality and digital twins: a review | |
| Zhu et al. | A new diamond machining approach for extendable fabrication of micro-freeform lens array | |
| Huang et al. | A novel modeling of volumetric errors of three-axis machine tools based on Abbe and Bryan principles | |
| Jywe et al. | Non-bar, an optical calibration system for five-axis CNC machine tools | |
| CN103292727B (zh) | 基于智能数控平台的子孔径拼接激光干涉在线测量方法及*** | |
| Catalucci et al. | Optical metrology for digital manufacturing: a review | |
| Kong et al. | Design, fabrication and measurement of ultra-precision micro-structured freeform surfaces | |
| Mears et al. | Quality and inspection of machining operations: CMM integration to the machine tool | |
| CN104050316A (zh) | 一种数控机床空间加工误差分布特征分析方法 | |
| Ye et al. | In-situ deflectometic measurement of transparent optics in precision robotic polishing | |
| Li et al. | Enhancement and evaluation in path accuracy of industrial robot for complex surface grinding | |
| Zhang et al. | A simultaneous optimization method of calibration and measurement for a typical hand–eye positioning system | |
| Gąska et al. | Simulation model for uncertainty estimation of measurements performed on five-axis measuring systems | |
| Yao et al. | VMMC: a test-bed for machining | |
| Lu et al. | Calibration of five-axis motion platform based on monocular vision | |
| Zhang et al. | A robust rotation-invariance displacement measurement method for a micro-/nano-positioning system | |
| Ding et al. | Gear evaluation deviations-based crucial geometric error identification of five-axis CNC gear form grinding process | |
| Wu et al. | Characterization of milling robot mode shape and analysis of the weak parts causing end vibration | |
| Zhou et al. | A segmental calibration method for a miniature serial-link coordinate measuring machine using a compound calibration artefact | |
| CN103862373B (zh) | 基于动态干涉仪的实时研磨抛光方法 | |
| Wang et al. | Coordinate transformation of an industrial robot and its application in deterministic optical polishing | |
| Chen et al. | Workpiece positioning and error decoupling in the single-point diamond turning of freeform mirrors based on the monoscopic deflectometry | |
| Walker et al. | Robotic automation in computer controlled polishing | |
| Larue et al. | How optical CMMs and 3D scanning will revolutionize the 3D metrology world | |
| Chen et al. | High-precision modeling of CNCs’ spatial errors based on screw theory |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160224 Termination date: 20180515 |