CN110763151A - 一种光学元件局部修研修抛的辅助装置及其在线辅助方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学元件局部修研修抛的辅助装置及其在线辅助方法，装置包括执行机构连接控制终端，执行机构的末端设置数字摄像机，且连接控制终端；执行机构靠近末端的位置设置激光笔，且连接控制终端；在数字摄像机和点光源发射装置的正下方设置待处理的光学元件，使点光源发射装置发出的点光源可通过待处理的光学元件表面承接，数字摄像机可采集到光学元件的图像回传到控制终端；方法包括光源发射装置发射点光源到光学元件表面，数字摄像机采集光学元件表面图像，反馈给控制终端，提取光学元件的面形数据；根据光学元件几何信息进行坐标映射变换。本发明省去繁复的重复标记劳动，同时提高标记的精度，让操作人员更多的专注于工艺实践。
Description
技术领域
本发明涉及光学工程领域，具体地说是一种光学元件局部修研修抛的辅助装置及其在线辅助方法。
背景技术
现代光学技术不断发展，一方面对传统的平面和球面类光学元件的需求精度越来越高，另一方面对非球面，甚至自由曲面类的光学元件的需求也越来越迫切。经典方法加工非球面离不开局部修研和修抛工艺，某些特殊窗口和补偿器类光学元件的制造也与局部修研修抛工艺密不可分。
一般而言，局部修研修抛首先要对光学元件进行必要精度的定量干涉检测，然后对照干涉检测结果把目标区域用记号笔在光学元件表面用点和线加以表征，最后在这些标记的区域内用小磨头进行修研或修抛。该修抛方法对人的依赖性过高，存在很多重复劳动。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种光学元件局部修研修抛的辅助装置及其在线辅助方法，省去繁复的重复标记劳动，同时提高标记的精度，让操作人员更多的专注于工艺实践。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种光学元件局部修研修抛的辅助装置，包括执行机构，执行机构连接控制终端，接收控制终端的控制命令，根据控制命令进行动作；所述执行机构的末端设置数字摄像机，且连接控制终端；所述执行机构靠近末端的位置设置激光笔，且连接控制终端；在数字摄像机和点光源发射装置的正下方设置待处理的光学元件，使点光源发射装置发出的点光源可通过待处理的光学元件表面承接，数字摄像机可采集到光学元件的图像回传到控制终端。
所述执行机构通过RS232串口或者以太网方式与控制终端互动通信，执行机构为工业机械手、三轴联动装置或关节机器人；所述关节机器人包括具有六个自由度的KUKA机器人。
所述点光源发射装置为激光笔或记号笔。
在所述数字摄像机的最前端配有工业远心镜头，镜头前端紧固有照明设备，照明设备为同轴直射式LED环形光源，出光色温区间为4500K～10000K。
所述数字摄像机为至少500万像素的彩色千兆网口工业相机。
在所述待处理的光学元件放置于工作台上，光学元件的侧面设置定位标记，且标记的朝向任意设置。
一种光学元件局部修研修抛的辅助装置的在线辅助方法，光源发射装置发射点光源到待处理的光学元件表面，数字摄像机采集待处理的光学元件表面图像，并反馈给控制终端，提取光学元件的面形数据；根据光学元件几何信息进行坐标映射变换，实现控制终端的面形数据与光学元件空间几何点的一一对应。
所述面形数据包括光学元件的位置、尺寸和姿态信息。
所述控制终端的面形数据与光学元件空间几何点的一一对应为执行机构末端的点光源发射装置按照控制终端交互界面上的鼠标点击和拖拽操作，将光学元件表面对应的点位实时地投射到光学元件表面上。
所述坐标映射变换过程为：控制终端的软件***根据采集到的光学元件的位置、尺寸和姿态信息，在光学元件的几何中心位置建立工件坐标系，工件坐标系相对于机器人坐标空间首先要建立齐次坐标变换模型，实现从工件坐标系到机器人坐标空间的变换；控制终端软件界面上的光学元件面形数据自身的坐标系***为检测坐标系，控制终端交互界面上的鼠标点击和拖拽操作发生在检测坐标系中，检测坐标系与工件坐标系的齐次坐标变换模型是其次要建立的模型，根据该模型，交互界面的操作可以直接变换到工件坐标系中；结合已经建立的工件坐标系与机器人空间的坐标变换模型，最终可以得到从检测坐标系到机器人空间的映射关系。
借助在线辅助方法可以实现对局部超差的目标线或目标区域辅助进行精确的修研修抛，具体过程为：首先在控制终端交互界面上定义好目标线或目标区域，然后选择合适的路径规划算法和进给速度，最后启动跟随功能；此时，执行机构根据已计算得到的点列阵坐标信息，带动末端的点光源发射装置按照设定的进给速度遍历目标线或目标区域；在遍历的过程中，操作人员可以用合适的小磨头跟随点光源发射的光点同步修研或修抛，最终实现修研修抛过程中的轨迹规划和修研修抛时间进度安排。
本发明具有以下有益效果及优点：
1)与传统局部修研修抛方法相比，本发明集成了机器视觉、图像变换和自动化定位等技术，可以自动完成对目标点、目标线和目标区域的快速标记，定位精度更优、可靠性更强。
2)本发明包含对光学元件的机器视觉定位和标定技术，通过摄像机和必要的照明措施，完成对光学元件的非接触式定位，并对光学元件的姿态同步进行标定，有效避免了接触式测量和定位对光学元件造成的损伤风险。
3)本发明包含对检测结果的图像变换技术，可以按照已定位和标定好的光学元件，对检测结果进行相应的旋转、缩放以及平移等变换操作，实现检测结果与光学元件待加工表面的点对点一一对应。
4)本发明包含快速的执行机构，机构末端可以携带激光笔或者记号笔，将电脑终端对检测结果的点击单点或拖拽轨迹，同步复现到光学元件的表面，进行对目标点、目标线和目标区域的快速精确标记。
5)本发明还可借助机构末端对预定点和预定轨迹的跟随功能，指导修研修抛过程中的轨迹规划和进度安排。
附图说明
图1是本发明的装置结构图；其中1为控制终端，2为六自由度KUKA机器人，3为激光笔，4为数字摄像机，5为照明设备，6为光学元件，7为工作台。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为本发明的装置结构图。
光学元件6置于工作台7上，其中，光学元件6的侧面有检测时的定位标记，该标记的朝向可以任意设置。光学元件6的检测结果可以输入到控制终端1中，控制终端1将检测获得的面形数据进行可视化显示。与此同时，控制终端1可对KUKA机器人2进行在线控制，借助六自由度KUKA机器人2末端的数字摄像机4和照明设备5对光学元件6的位置和尺寸进行标定，并借助捕获的影像数据，对光学元件1侧面的检测标记进行精确定位，实现对光学元件非接触式的位置和尺寸标定，同时实现姿态标定。控制终端1对光学元件6完成了标定和定位之后，对显示的检测结果进行必要的变换，变换矩阵存储在软件内部，变换后的检测结果可以选择显示或者不显示在软件界面上，至此，已经完成了从光学元件6到检测结果的点对点一一映射关系。六自由度KUKA机器人2是本实施例中的执行机构，但执行机构不局限于工业机器人，还可以是平面机器人或者其他形式的三轴联动装置。
激活了目标点、目标线或者目标区域定义功能之后，鼠标在控制终端1软件界面的检测结果上进行的点击或拖拽操作，会实时映射到光学元件6表面的相应位置，映射的可视化过程是结果工业机器人末端的激光笔3实现的，另外还可以将激光笔3换成记号笔，实现在光学元件表面的直接画点画线。
控制终端还可设置跟随功能，通过定义特定的移动轨迹和跟随速度，执行器末端的激光笔3可以在光学元件6相应位置复现出来，这有利于辅助修研修抛过程中的轨迹规划和修研修抛时间进度安排。控制终端完成对检测结果的可视化显示，并可对检测结果进行目标点、目标线和目标区域的定义。
坐标映射变换过程为：控制终端的软件***根据采集到的光学元件的位置、尺寸和姿态信息，在光学元件的几何中心位置建立工件坐标系，工件坐标系相对于机器人坐标空间首先要建立齐次坐标变换模型，实现从工件坐标系到机器人坐标空间的变换；控制终端软件界面上的光学元件面形数据自身的坐标系***为检测坐标系，控制终端交互界面上的鼠标点击和拖拽操作发生在检测坐标系中，检测坐标系与工件坐标系的齐次坐标变换模型是其次要建立的模型，根据该模型，交互界面的操作可以直接变换到工件坐标系中；结合已经建立的工件坐标系与机器人空间的坐标变换模型，最终可以得到从检测坐标系到机器人空间的映射关系。
借助在线辅助方法可以实现对局部超差的目标线或目标区域辅助进行精确的修研修抛，具体过程为：首先在控制终端交互界面上定义好目标线或目标区域，然后选择合适的路径规划算法和进给速度，最后启动跟随功能；此时，执行机构根据已计算得到的点列阵坐标信息，带动末端的点光源发射装置按照设定的进给速度遍历目标线或目标区域；在遍历的过程中，操作人员可以用合适的小磨头跟随点光源发射的光点同步修研或修抛，最终实现修研修抛过程中的轨迹规划和修研修抛时间进度安排。
Claims (10)
1.一种光学元件局部修研修抛的辅助装置，其特征在于：包括执行机构，执行机构连接控制终端，接收控制终端的控制命令，根据控制命令进行动作；所述执行机构的末端设置数字摄像机，且连接控制终端；所述执行机构靠近末端的位置设置激光笔，且连接控制终端；在数字摄像机和点光源发射装置的正下方设置待处理的光学元件，使点光源发射装置发出的点光源可通过待处理的光学元件表面承接，数字摄像机可采集到光学元件的图像回传到控制终端。
2.根据权利要求1所述的光学元件局部修研修抛的辅助装置，其特征在于：所述执行机构通过RS232串口或者以太网方式与控制终端互动通信，执行机构为工业机械手、三轴联动装置或关节机器人；所述关节机器人包括具有六个自由度的KUKA机器人。
3.根据权利要求1所述的光学元件局部修研修抛的辅助装置，其特征在于：所述点光源发射装置为激光笔或记号笔。
4.根据权利要求1所述的光学元件局部修研修抛的辅助装置，其特征在于：在所述数字摄像机的最前端配有工业远心镜头，镜头前端紧固有照明设备，照明设备为同轴直射式LED环形光源，出光色温区间为4500K～10000K。
5.根据权利要求1或4所述的光学元件局部修研修抛的辅助装置，其特征在于：所述数字摄像机为至少500万像素的彩色千兆网口工业相机。
6.根据权利要求1所述的光学元件局部修研修抛的辅助装置，其特征在于：在所述待处理的光学元件放置于工作台上，光学元件的侧面设置定位标记，且标记的朝向任意设置。
7.一种根据权利要求1～6任一项所述装置的在线辅助方法，其特征在于：光源发射装置发射点光源到待处理的光学元件表面，数字摄像机采集待处理的光学元件表面图像，并反馈给控制终端，提取光学元件的面形数据；根据光学元件几何信息进行坐标映射变换，实现控制终端的面形数据与光学元件空间几何点的一一对应。
8.根据权利要求7所述的在线辅助方法，其特征在于：所述面形数据包括光学元件的位置、尺寸和姿态信息。
9.根据权利要求7所述的在线辅助方法，其特征在于：所述控制终端的面形数据与光学元件空间几何点的一一对应为执行机构末端的点光源发射装置按照控制终端交互界面上的鼠标点击和拖拽操作，将光学元件表面对应的点位实时地投射到光学元件表面上。
10.根据权利要求7所述的在线辅助方法，其特征在于：所述坐标映射变换过程为：根据采集到的光学元件的位置、尺寸和姿态信息，在光学元件的几何中心位置建立工件坐标系，包括：
工件坐标系相对于机器人坐标空间首先要建立齐次坐标变换模型，实现从工件坐标系到机器人坐标空间的变换；控制终端软件界面上的光学元件面形数据自身的坐标系***为检测坐标系，控制终端交互界面上的鼠标点击和拖拽操作发生在检测坐标系中，检测坐标系与工件坐标系的齐次坐标变换模型是其次要建立的模型，根据该模型，交互界面的操作可以直接变换到工件坐标系中；结合已经建立的工件坐标系与机器人空间的坐标变换模型，最终可以得到从检测坐标系到机器人空间的映射关系。
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