CN108020193B - 一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正***及矫正方法 - Google Patents

一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正***及矫正方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正***及矫正方法,所述***包括工件转台、测量装置,所述工件转台能够绕中心轴旋转;测量装置包括摆臂转台、测量臂、测头装卡微调装置和测头;所述摆臂转台用于带动所述测量臂绕摆臂转台的中心轴旋转;所述测头用于对待测工件的面形参数进行测量,所述测头包括第一测头、第二测头和第三测头;第一测头和第二测头的间距、与第二测头和第三测头的间距相等。矫正***可以通过工件转台以及摆臂转台的转动,从不同方向采集待测工件的镜面参数,进而根据采集的参数进行方程求解除测试过程的***误差,有效提高了检测精度。

Description

一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正***及矫正方法
技术领域
本发明涉及光学元件面形检测领域,尤其涉及摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正方法和***。
背景技术
近年来,碳化硅材料由于其优越的材料性能(如比刚度大、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等)被广泛应用于空间光学元件的制造。相比于传统的玻璃材料,碳化硅材料硬度更大,加工效率更低。
大口径光学元件的加工一般分为铣磨、研磨、抛光三个阶段。铣磨阶段由铣磨机床对毛坯件进行材料去除,研磨、抛光阶段实现对面形的逐步加工成形。由于抛光阶段材料去除效率远低于研磨阶段。为了提高光学元件(如反射镜) 面形的整体加工效率,提高研磨阶段面形加工精度实现尽可能精确地材料去除,进而缩短抛光阶段所需时间是一种行之有效的方法。
然而,限制研磨精度的因素主要来自于研磨阶段的面形检测精度,因此提供一种适用于研磨阶段面形高精度检测的技术手段就显得十分有价值。摆臂式轮廓仪作为一种有效指导大口径反射镜研磨阶段面形加工的检测手段,目前已经实现了面形检测精度达2~3umPV,但还需要进一步改进以满足更高精度的检测需求。
发明内容
为此,需要提供一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正的技术方案,解决现有研磨阶段待测工件的面形精度检测需要满足高精度检测需求的问题。
为实现上述目的,发明人提供了一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正***,所述***包括工件转台、测量装置;工件转台包括台面,所述台面用于放置待测工件;
所述测量装置设置于工件转台的上方,测量装置包括摆臂转台、测量臂、测头装卡微调装置和测头;所述测量臂通过测头装卡微调装置与测头连接,所述摆臂转台带动所述测量臂绕摆臂转台的中心轴旋转,在待测镜面上扫描。
所述测头用于对待测工件的面形进行测量,所述测头包括第一测头、第二测头和第三测头;所述第二测头设置于第一测头和第三测头之间,第一测头和第二测头的间距、与第二测头和第三测头的间距相等。
进一步地,所述***还包括信号采集卡和控制单元;
所述信号采集卡用于采集测头测量得到的待测工件的面形参数;
所述控制单元用于控制摆臂转台运转并同步记录摆臂转台读数和测头读数,所述待测面形结果为待测工件上各个采样点对应的面形高度值。
进一步地,所述测头通过测头装卡微调装置与测量臂可拆卸连接。
进一步地,所述方法包括以下步骤:
步骤一:将第一测头、第二测头、第三测头通过测头装卡微调装置安装在测量臂上;
步骤二:以第二测头为基准,调整摆臂转台和测量臂的位置,使得3个测头的扫描轨迹位于待测工件的镜面对应的最接近球面上;所述待测工件为非球面光学元件;
步骤三:通过调整测头装卡微调装置使得第一测头、第三测头分别与第二测头的间隔相等;
步骤四:控制单元根据采集到的数据信息建立姿态误差参量与待测面形相关的方程,并解算出检测过程中的***误差;所述数据信息包括三个测头相对于待测光学元件表面在多个不同方向上的斜率;
步骤五:根据***误差解算出待测工件的镜面的面形结果fi,解算方程如下:
Si1=aiX1i+biY1i+ci+f1i
Si2=aiX2i+biY2i+ci+f2i
Si3=aiX3i+biY3i+ci+f3i
其中,Si1、Si2、Si3分别为三个测头的在i测量位置处的读数,f1i,f2i,f3i分别为三个测头对应测量位置的待测工件的镜面的实际面形;x、y、z为待测位置的坐标值,具体如下:
x=r*sinξ*cosη;
y=r*sinξ*sinη;
z=r+r*cosξ;
其中,r=Rfit,Rfit为待测工件的镜面对应的最接近球面的半径;
Figure GDA0002148485720000031
Figure GDA0002148485720000032
其中,L为臂长,θ为倾斜角,β为摆臂转台旋转角度,α为工件转台旋转角度。
本发明提供了一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正方法和***,所述***包括工件转台、测量装置,所述工件转台绕转台轴旋转,工件转台包括台面,所述台面用于放置待测工件;所述测量装置设置于工件转台的上方,测量装置包括摆臂转台、测量臂、测头装卡微调装置和测头;所述测量臂通过测头装卡微调装置与测头连接,所述摆臂转台用于带动所述测量臂绕旋转;所述测头用于对待测工件的面形进行测量,所述测头包括第一测头、第二测头和第三测头;所述第二测头设置于第一测头和第三测头之间,第一测头和第二测头的间距、与第二测头和第三测头的间距相等。矫正***可以通过工件转台以及摆臂转台的转动,从不同方向采集待测工件的镜面参数,进而根据采集的参数进行方程求解除测试过程的***误差,并将***误差从多测头的检测数据中剔除以获得矫正后的镜面面形的检测结果,有效提高了检测精度。
附图说明
图1为本发明一实施例涉及的摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正***的结构示意图;
图2为本发明一实施例涉及的3个测头正面排列的示意图;
图3为本发明一实施例涉及的摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正***的姿态参量的原理示意图;
图4为本发明一实施例涉及的摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正方法的流程图;
图5为本发明一实施例涉及的非球面待测工件与其最接近球面的偏离量的示意图;
图6为本发明一实施例涉及的摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正***的各个参数示意图。
附图标记:
1、摆臂转台;2、测量臂;3、配重;4、测头装卡微调装置;5、测头;6、待测工件;7、工件转台;8、第一测头;9、第二测头;10、第三测头。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果,以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1和图2,本发明提供了一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正***。所述***包括工件转台7、测量装置,所述测量装置设置于工件转台的上方。所述工件转台7绕中心轴旋转;工件转台7包括台面,所述台面用于放置待测工件6。在本实施方式中,所述待测工件为非球面光学元件。
测量装置包括摆臂转台1、测量臂2、测头装卡微调装置4和测头5;所述测量臂2通过测头装卡微调装置4与测头5连接,并且通过调节配重2保证测量臂两端平衡;所述摆臂转台1用于带动所述测量臂2绕中心轴旋转。所述测头5用于对待测工件的面形参数进行测量,所述测头5包括第一测头8、第二测头9和第三测头10;所述第二测头9设置于第一测头8和第三测头10之间,第一测头8和第二测头9的间距、与第二测头9和第三测头10的间距相等。在使用过程中,通过工件转台以及摆臂转台分别绕各自的轴转动,可以从不同方向采集待测工件的镜面参数,进而根据采集的参数进行方程求解测试过程的***误差,并将***误差从多测头的检测数据中剔除以获得矫正后的镜面面形的检测结果,有效提高了检测精度。
在实施例中,所述***还包括信号采集卡和控制单元。所述信号采集卡用于采集测头测量得到的待测工件的面形参数;所述控制单元用于控制摆臂转台旋转并同时记录下摆臂转台角度和三个测头的读数,所述待测面形结果为待测工件上各个采样点对应的面形高度值。在某些实施例中,所述测头通过测头装卡微调装置与测量臂可拆卸连接。这样,当某一个测头发生损坏时,可以及时拆下进行更换,降低维护成本。
请参阅图4,为本发明一实施例涉及的摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正方法的流程图。所述方法包括以下步骤:
首先进入步骤S401将第一测头、第二测头、第三测头通过测头装卡微调装置安装在测量臂上。三个测头具有沿着某个方向角度旋转的自由度,以便适应不同的待测工件,三个测头的设置为在如图1所示的零位状态下垂直于待测工件的镜面。
而后进入步骤S402以第二测头为基准,调整摆臂转台和测量臂的位置,使得3个测头的扫描轨迹位于待测工件的镜面对应的最接近球面上;所述待测工件为非球面光学元件。
摆臂式轮廓检测技术的原理依据是:(1)选用精度尽可能高的位移传感器,由于位移传感器的精度与量程成反比,想要选用精度更高的位移传感器,意味着其相应的量程会更小。(2)测量非球面所需的最小量程是非球面与其最接近球面的偏离量,具体如图5所示。请参阅图3,非球面与其最接近球面的偏离量测量具体过程如下:(1)假设待测工件(为非球面镜)对应的最接近球面半径R,测量使用的臂长L,可计算得θ=asin(L/R);(2)调整气浮转台(即摆臂转台) 的倾角至θ;(3)调整气浮转台位移,使得测头在图1所示状态下与待测工件的镜面中心对齐。
而后进入步骤S403通过调整测头装卡微调装置使得第一测头、第三测头分别与第二测头的间隔相等。具体可以通过以下方式实现:在制作(机械加工) 测头装卡微调装置的时候保证三个测头的装卡位间距相等。第一测头与第二测头的的间距、第二测头与第三测头的的间距d小于待测工件的面形误差分布的特征长度。d的选取例与待测工件镜面的误差频段有关,例如以2m口径待测工件的镜面为例,需要测得的镜面的面形误差主要是以中频误差的形式分布,假设特征长度为50cm,则间距d<50cm。
而后进入步骤S404控制单元根据采集到的数据信息建立姿态误差参量与待测面形相关的方程,并解算出检测过程中的***误差;所述数据信息包括三个测头相对于待测工件的镜面在多个不同方向上的斜率。
如图3所示,测量的斜率为坐标系中的x-y方向,当然在另一些实施例中,测量的斜率还可以为其他方向的。在实际测量过程中,测量臂绕气浮转台轴02Z2方向旋转,记测量臂在X2O2Y2平面的投影为
Figure GDA0002148485720000061
结合图1-3以及图5-6所示可知,在实际测量过程中,三个测头的连线方向始终与
Figure GDA0002148485720000062
方向相对垂直。当绕 O2Z2轴旋转至沿X2方向时,三个测头得到的是待测面在相应测量点处沿Y方向的斜率信息。当
Figure GDA0002148485720000064
绕O2Z2轴旋转至沿Y2方向时,三个测头得到的是待测面在相应测量点处沿X方向的斜率信息。当绕O2Z2轴旋转至沿其他方向时,三个测头得到的是待测面在相应测量点处垂直于
Figure GDA0002148485720000066
的其他方向的斜率信息。
而后进入步骤S405根据***误差解算出待测工件的镜面的面形结果fi。具体地,先根据以下方程提取出多个方向斜率信息中相对于待测面不相同的信息 (ai,bi,ci):
Si1=aiX1i+biY1i+ci+f1i
Si2=aiX2i+biY2i+ci+f2i
Si3=aiX3i+biY3i+ci+f3i
其中,Si1、Si2、Si3分别为三个测头的在i测量位置处的读数,f1i,f2i,f3i分别为三个测头对应测量位置的待测工件的镜面的实际面形;x、y、z为待测位置的坐标值,具体如下:
而后将检测过程中***姿态变化正交化分为:摆臂转台绕X2方向旋转、绕 Y2方向旋转、沿Z2方向的端跳,工件转台绕X方向旋转、绕Y方向旋转、沿Z 方向的端跳。请参考图6,结合之前步骤获得的斜率信息,解算出待测镜面形结果。面形方程如下:
x=r*sinξ*cosη;
y=r*sinξ*sinη;
z=r+r*cosξ;
其中, r=Rfit,Rfit为待测工件的镜面对应的最接近球面的半径;
Figure GDA0002148485720000071
Figure GDA0002148485720000072
其中,L为臂长,θ为倾斜角,β为摆臂转台旋转角度,α为工件转台旋转角度。
本发明提供了一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正方法和***,所述***包括工件转台、测量装置,所述工件转台绕中心轴旋转;工件转台包括台面,所述台面用于放置待测工件;所述测量装置设置于工件转台的上方,测量装置包括摆臂转台、测量臂、测头装卡微调装置和测头;所述测量臂通过测头装卡微调装置与测头连接,所述摆臂转台用于带动所述测量臂旋转;所述测头用于对待测工件的面形参数进行测量,所述测头包括第一测头、第二测头和第三测头;所述第二测头设置于第一测头和第三测头之间,第一测头和第二测头的间距、与第二测头和第三测头的间距相等。矫正***可以通过工件转台以及摆臂转台的转动,从不同方向采集待测工件的镜面参数,进而根据采集的参数求解出测试过程的***误差,并将***误差从多测头的检测数据中提取出来以获得矫正后的镜面面形的检测结果,有效提高了检测精度。
需要说明的是,尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述,但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此,基于本发明的创新理念,对本文所述实施例进行的变更和修改,或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域,均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (1)

1.一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤一:将第一测头、第二测头、第三测头通过测头装卡微调装置安装在测量臂上;
步骤二:以第二测头为基准,调整摆臂转台和测量臂的位置,使得3个测头的扫描轨迹位于待测工件的镜面对应的最接近球面上;所述待测工件为非球面光学元件;
步骤三:通过调整测头装卡微调装置使得第一测头、第三测头分别与第二测头的间隔相等;
步骤四:控制单元根据采集到的数据信息建立姿态误差参量与待测面形相关的方程,并解算出检测过程中的***误差;所述数据信息包括三个测头相对于待测光学元件表面在多个不同方向上的斜率;
步骤五:根据***误差解算出待测工件的镜面的面形结果fi,解算方程如下:
Si1=aiX1i+biY1i+ci+f1i
Si2=aiX2i+biY2i+ci+f2i
Si3=aiX3i+biY3i+ci+f3i
其中,Si1、Si2、Si3分别为三个测头的在i测量位置处的读数,f1i,f2i,f3i分别为三个测头在对应测量位置处待测工件表面的实际面形;
(ai、bi、ci)分别为三个测头采样点组成的平面在X方向、Y方向的斜率值和Z方向的平移值;(X1i、Y1i)、(X2i、Y2i)、(X3i、Y3i)为三个测头对应的待测位置坐标值;相应的采样点坐标值(x,y,z)具体如下:
x=r*sinξ*cosη;
y=r*sinξ*sinη;
z=r+r*cosξ;
其中,r=Rfit,Rfit为待测工件的镜面对应的最接近球面的半径,ξ为测量点与工件最接近球心O0的连线和Z轴的夹角;η为测量点与待测工件回转中心点O连线和O1与O2连线之间的夹角,具体关系表示如下;
Figure FDA0002148485710000021
其中,L为臂长,θ为倾斜角,β为摆臂转台旋转角度,α为工件转台旋转角度。
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