CN116295212B - 一种辅助在位集成加工的轮廓检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及装备检测制造技术领域，特别涉及一种辅助在位集成加工的轮廓检测装置和方法，解决现有技术中光学元件加工过程中缺少在位高精度检测手段匹配的问题，具体包括的方案为机械臂的动作能够带动预设待测工件到达预设检测位置；预设检测位置设置有一能够在工作台面上旋转的高精度气浮转台，高精度气浮转台上设置有位移导轨组；测头组件包括多个测头，每个测头工装能够设置在位移导轨组上，并在位移导轨组上移动及锁定；位移导轨能够自高精度气浮转台外缘向转台的轴心移动；测头具有非接触式的检测端,在测头工装上的角度可调整；通过设计检测位置对工件加工环节中的面形进行检测，提供面形输入指导迭代加工，提高光学元件的制造效率。

Description

一种辅助在位集成加工的轮廓检测装置和方法

技术领域

本发明涉及装备检测制造技术领域，特别涉及一种辅助在位集成加工的轮廓检测装置和方法。

背景技术

现行趋势下，近年随着民用航天探测等技术领域对光学元件使用需求剧增，光学元件高效制造高产能需求迫切；

目前，常用的光学元件制造方式通常可分为两种形式，一种是工件固定，磨头在工件表面运动进行面形残差加工去除；另一种是磨头固定，通过工件相对运动实现工件表面面形去除；磨头固定式加工的优势在于：可同时在位集成多种不同类型不同参数的加工磨头，只需移动工件即可实现不同加工手段的组合加工，免去了更换磨头的工序；

现有专利文献中，例如，中国发明专利申请，名称《一种磁流变抛光加工***》，专利公开号为CN109759905A，其技术方案为：将磁流变磨头固定安装在机械臂上，通过机械臂控制工件相对磁流变抛光轮运动，实现面形高效加工；这种工件相对位移加工的***中，加工工艺可以实现极大的优化配置，但是缺少配套的检测手段指导加工。

而实际上，光学元件制造过程是：面形残差不断加工收敛的过程；光学元件要达到纳米级的面形残差精度，需要经过研磨抛光多段不同工序将面形残差由百微米量级逐步去除收敛至纳米量级；每进行完一轮面形加工，需要进行面形检测，确认面形残差值，再进行下一轮加工。

而现有技术中缺少对于中小口径反射镜加工检测一体化，在不同加工手段切换的同时，缺少快速检测的手段。

发明内容

本发明要解决现有技术中光学元件在位加工过程中缺少检测手段匹配的问题，具体为缺少对于中小口径反射镜加工检测一体化，且在不同加工手段切换的同时，缺少快速检测手段的技术问题，本发明提供一种辅助在位集成加工的轮廓检测装置和方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

辅助在位集成加工的轮廓检测装置，包括：

机械臂，其连接工件工装，所述工件工装上预设有待测工件；

所述机械臂的动作能够带动所述待测工件到达预设检测位置；

所述预设检测位置设置有一能够在工作台面上旋转的高精度气浮转台，所述高精度气浮转台上设置有位移导轨组；

测头组件，其包括多个测头，每个所述测头能够预设在一测头工装上；

所述测头工装能够设置在所述位移导轨组上、且每个所述测头工装还能够锁定在所述位移导轨组上；

所述测头工装能够自所述高精度气浮转台的外缘向所述高精度气浮转台的轴心移动；

所述测头在所述测头工装上的角度可调整。

具体地，所述高精度气浮转台能够控制测头组件绕Z2轴旋转，以实现在所述待测工件表面进行轮廓线扫描采样。

具体地，所述的待测工件的背侧通过所述工件工装与所述机械臂连接；

所述机械臂控制所述待测工件的位姿移动，以实现在所述待测工件不同面形位置的轮廓线扫描。

具体地，所述测头组件包括4组，分别为：第一测头、第二测头、第三测头和第四测头；

所述测头工装包括4组，分别为：第一测头工装、第二测头工装、第三测头工装和第四测头工装。

具体地，所述第一测头工装和第三测头工装安装在所述位移导轨组的Y2轴方向上、且两者分别布置于所述Z2轴的两侧。

具体地，所述第二测头工装和第四测头工装安装在所述位移导轨组的X2轴方向上、且两者分别布置于所述Z2轴的两侧。

另外，本技术方案提出一种辅助在位集成加工的轮廓检测的方法，应用所述的辅助在位集成加工的轮廓检测装置，还包括如下步骤：

步骤S1，首先针对所述待测工件的球半径R_fit和直径D，计算出所述测头组件的倾斜角度θ和位移L，具体公式为：

L＝R_fit·sinθ；

步骤S2，将所述第一测头和所述第三测头，分别绕X2轴倾斜θ和-θ，并分别向待测面的球心O₁相对移动，形成第一距离，使得所述第一测头和所述第三测头的探测方向指向待测面的球心O₁；

将所述第二测头和所述第四测头，分别绕所述Y2轴倾斜θ和-θ，并分别向待测面的球心O₁的方向移动，形成第二距离，使得所述第二测头和所述第四测头的探测方向指向待测面的所述待测面的球心O₁；

所述第一距离和所述第二距离的数值相同，均为等于位移L的数值；

再分别将所述第一测头工装、所述第二测头工装、所述第三测头工装和所述第四测头工装固定；

步骤S3，控制所述机械臂携带移动所述待测工件至第一预设位置；

步骤S4，操作所述高精度气浮转台旋转一圈，同时启用自动记录设备，自动记录设备记录四个测头的采样读数和所述高精度气浮转台的实际旋转角度；

步骤S5，控制所述机械臂移动所述待测工件至依次序的预设位置，再执行步骤S4。

在所述步骤S5中，所述机械臂移动所述待测工件至依次序的预设位置的次序数至少为两次；

其中，当所述次序数完成后，停止步骤4。

本发明具有以下的有益效果：

第一方面，解决了光学元件在位加工缺少检测手段匹配的问题；通过设计一个检测工位对工件加工环节中的面形进行检测，提供面形输入指导准确加工，提高光学元件的制造效率。

第二方面，通过设计测头位姿的可调整自由度，实现对不同光学元件的通用性检测，大大降低检测成本；制定测头位姿初校准方案和工件位姿自动定位策略，实现对不同光学元件的快速自动检测，极大减少检测所需的时间成本和人工成本。

第三方面，通用自动检测工位的集成弥补了光学元件全流程自动加工的检测需求。

第四方面，同时采用四测头同时在线测量监控并剔除采样过程中镜***姿变化值，实现高精度的面形检测。

第五方面，本发明针对机械手快速加工设备，通过夹持工件运动，研发与机械臂集成的高精度在位检测装置，极大提高元件的制造效率，实现光学元件快速制造。

附图说明

图1为本发明所述的一种辅助在位集成加工的轮廓检测装置示意图；

图2为本发明所述的轮廓检测装置位置关系正视图；

图3为本发明的轮廓检测装置在第一预设位置的工件与测量轨迹的关系示意图；

图4为本发明的轮廓检测装置在第一、二、三、…N/2、…N预设位置的工件与测量轨迹的相对位置关系示意图；

图5为本发明的轮廓检测装置面形检测过程中工件相对测量轨迹的所有位置俯视图；

图6为本发明的轮廓检测装置第N/2个采样位置的示意图；

图7为本发明轮廓检测装置第N/2个采样位置关系轨迹示意图。

图中的附图标记表示为：

1、工件工装；2、待测工件；7、位移导轨组；

8、高精度气浮转台；9工作台面；10、机械臂；

11、单条轮廓线采样俯视图轨迹；

3(5)-1、中心测头；3(5)-2、中心测头工装；

O₁、待测面的球心；O₂、气浮转台中心；

3-1、第一测头；3-2、第一测头工装；

4-1、第二测头；4-2、第二测头工装；

5-1、第三测头；5-2、第三测头工装；

6-1、第四测头；6-2、第四测头工装。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；

关于初始位置的确定：对于不同曲率半径和口径的待测工件，调节测头工装俯仰角角度和位移导轨组位置，可以使得测头随高精度气浮转台8转动一圈的采样轨迹位于待测工件2的最接近球面上，以该轨迹作为待测面的球心O₁。

采用多个测头绕高精度气浮转台8旋转的方式实现面形轮廓的单条圆弧轮廓线扫描，单条轮廓线测量完成后，待测工件2移动可预先设定的位置，进行下一条轮廓线测量；

具体地测量过程中，采用四个测头布置在高精度气浮转台8上，监控单条轮廓线扫描过程待测工件2的位姿变化，位姿监控数据结合轮廓检测数据，实现面形高精度重构。

另外，测头在高精度气浮转台8上，通过转角和位移的变化，可以实现不同俯仰角和回转半径的变化检测，以实现对不同参数的待测工件2的测量。

本发明的主要部件涉及待测工件2、测头、高精度气浮转台8、测头工装、位移导轨组7；

测头安装在测头工装上，测头可以实现一维俯仰角自动调整；

测头工装安装在一位移导轨组7上，对于不同曲率半径和口径的待测工件2，调节测头工装俯仰角角度与位移导轨组7位置，可以使得测头随高精度气浮转台8转动一圈的采样轨迹位于待测工件2的待测面的球心O₁，相当于最近球面的球心上。

请参阅附图1-4所示，该辅助在位集成加工的轮廓检测装置，包括：

机械臂10，其连接工件工装1，工件工装1上预设有待测工件2；

机械臂10的动作能够带动待测工件2到达预设检测位置；

预设检测位置设置有一能够在工作台面9上旋转的高精度气浮转台8，高精度气浮转台8上设置有位移导轨组7；

测头组件，其包括多个测头，每个测头能够预设在一测头工装上；

测头工装能够设置在位移导轨组7上、且每个测头工装还能够锁定在位移导轨组7上；

测头工装能够自高精度气浮转台8的外缘向高精度气浮转台8的轴心移动；

测头在测头工装上的角度可调整。

具体地，所述高精度气浮转台8能够控制测头组件绕Z2轴旋转，以实现在所述待测工件2表面进行轮廓线扫描采样。

具体地，所述的待测工件2的背侧通过所述工件工装1与所述机械臂10连接；

所述机械臂10控制所述待测工件2的位姿移动，以实现在所述待测工件2不同面形位置的轮廓线扫描。

具体地，所述测头组件包括4组，分别为：第一测头3-1、第二测头4-1、第三测头5-1和第四测头6-1；

所述测头工装包括4组，分别为：第一测头工装3-2、第二测头工装4-2、第三测头工装5-2和第四测头工装6-2。

具体地实施例中，位移导轨组7被构造呈沿X2轴和Y2轴的方向分布，并用于测头组件向高精度气浮转台8的轴心方向的相对移动；

第一测头工装3-2和第三测头工装5-2安装在位移导轨组7的Y2轴方向上、且两者分别布置于Z2轴的两侧。

第二测头工装4-2和第四测头工装6-2安装在位移导轨组7的X2轴方向上、且两者分别布置于Z2轴的两侧。

实际上，第一测头工装3-2和第三测头工装5-2安装在位移导轨组7的Y2轴方向上、且具有绕轴X2轴的旋转自由度；可理解为实际可绕X2轴的倾斜调整与沿Y2轴方向的位移导轨组7的移动，以及在对应的测头工装配合下实现在对应位置的锁定；

实际上，第二测头工装4-2和第四测头工装6-2安装在位移导轨组7的X2轴方向上、且具有绕轴Y2轴的旋转自由度；可理解为实际可绕Y2轴的倾斜调整和沿X2轴方向的位移导轨组7的移动，以及在对应的测头工装配合下实现在对应位置的锁定。

另外，还配置有中心测头3(5)-1和中心测头工装3(5)-2，作为上述过程中的待测面的球心O₁的配合辅助测量使用。

请参阅附图1-4所示，一种辅助在位集成加工的轮廓检测的方法，应用上述技术方案，具体的步骤包括：

步骤S1，首先针对所述待测工件2的球半径R_fit和直径D，计算出所述测头组件的倾斜角度θ和位移L，具体公式为：

L＝R_fit·sinθ；

步骤S2，将所述第一测头3-1和所述第三测头5-1，分别绕X2轴倾斜θ和-θ，并分别向待测面的球心O₁的方向移动，形成第一距离，使得所述第一测头3-1和所述第三测头5-1的探测方向指向待测面的球心O₁；

将所述第二测头4-1和所述第四测头6-1，分别绕所述Y2轴倾斜θ和-θ，并分别向待测面的球心O₁的方向移动，形成第二距离，使得所述第二测头4-1和所述第四测头6-1的探测方向指向待测面的所述待测面的球心O₁；

所述第一距离和所述第二距离的数值相同，均为等于位移L的数值；

再分别将所述第一测头工装3-2、所述第二测头工装4-2、所述第三测头工装5-2和所述第四测头工装6-2固定；

步骤S3，控制所述机械臂10携带移动所述待测工件2至第一预设位置；

步骤S4，操作所述高精度气浮转台8旋转一圈，同时启用自动记录设备，自动记录设备记录四个测头的采样读数和所述高精度气浮转台8的实际旋转角度；

步骤S5，控制所述机械臂移动所述待测工件至依次序的预设位置，再执行步骤S4；

在所述步骤S5中，所述机械臂移动所述待测工件至依次序的预设位置的次序数至少为两次；

其中，步骤S4中，第一个检测位置如图2、图3所示；待测工件2在第N/2个检测位置的相对位置关系如图6，图7所示。

其中，在步骤S5中，控制机械臂10携带移动待测工件2第二预设位置以及后续的依次序的预设位置，相当于在不断的重复检测过程中，依次移动至其他检测位置，具体解释为：结合附图4所示，预设N个检测位置(N为偶数)，第一、二、三、…N/2、…N个检测位置对应图中2-1，2-2，2-3…,2-N/2…,2-N，位置中心对应为O₁，O₂，O₃…，O_N/2，…O_N等。

单条轮廓线采样俯视图轨迹11，可理解为为所有预设位置的中心位移轨迹，且为圆形；

其中，当所述依次序的预设位置的次序数完成后，停止步骤4。

其中，图5为轮廓检测装置面形检测过程中工件相对测量轨迹的所有位置俯视图，即单条轮廓线采样俯视图轨迹11的位置分布；

另外，如图4和5所示，为了便于理解，图6给出了待测工件2的第N/2个检测位置相对于测头组件的相对位置，图7为轮廓检测装置第N/2个采样位置关系轨迹示意图，即待测工件2的第N/2个检测位置相对于测头的单条轮廓线采样俯视图轨迹11的相对位置关系俯视图。

本技术方案的装置及方法，目的是解决光学元件在位加工缺少检测手段匹配的问题，通过设计一个预设检测位，对待测工件2加工环节中的面形进行检测，提供面形输入指导准确加工，提高光学元件的制造效率。

通过设计测头位姿的可调整自由度，实现对不同光学元件的通用性检测，大大降低检测费用成本；制定测头位姿初校准方案和工件位姿自动定位策略，实现对不同光学元件的快速自动检测，极大缩短检测所需的时间成本和人工成本。

通用自动检测工位的集成弥补了光学元件全流程自动加工的检测需求。同时采用四测头同时在线测量监控并剔除采样过程中镜***姿变化值，实现高精度的面形检测。

综上所述，本发明提及的待测工件运动机构包括但不限于机械臂，机械臂夹持工件进行在位表面检测，可以更换为其他运动机构，实现工件相对测量端或加工端的相对运动既可。

本发明提及的测头检测用的转台，包括但不限于气浮转台，需能提供测头绕轴旋转的运动自由度既可。

本发明提及的位移滑轨不限于一维滑轨，能提供在半径方向的不同位置既可。

本发明所述的测头工装包含旋转运动机构，该旋转机构可以是手动倾斜旋转台，也可以是自动旋转精密倾斜调整台。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种辅助在位集成加工的轮廓检测的方法，其特征在于，包括：

应用辅助在位集成加工的轮廓检测装置，其包括：

机械臂，其连接工件工装，所述工件工装上预设有待测工件；

所述机械臂的动作能够带动所述待测工件到达预设检测位置；

所述预设检测位置设置有一能够在工作台面上旋转的高精度气浮转台，所述高精度气浮转台上设置有位移导轨组；

测头组件，其包括多个测头，每个所述测头能够预设在一测头工装上；

所述测头工装能够设置在所述位移导轨组上、且每个所述测头工装还能够锁定在所述位移导轨组上；

所述测头工装能够自所述高精度气浮转台的外缘向所述高精度气浮转台的轴心移动；

所述测头在所述测头工装上的角度可调整；

所述高精度气浮转台能够控制测头组件绕Z2轴旋转，以实现在所述待测工件表面进行轮廓线扫描采样；

所述的待测工件的背侧通过所述工件工装与所述机械臂连接；

所述机械臂控制所述待测工件的位姿移动，以实现在所述待测工件不同面形位置的轮廓线扫描；

所述测头组件包括4组，分别为：第一测头、第二测头、第三测头和第四测头；

所述测头工装包括4组，分别为：第一测头工装、第二测头工装、第三测头工装和第四测头工装；

所述第一测头工装和第三测头工装安装在所述位移导轨组的Y2轴方向上、且两者分别布置于所述Z2轴的两侧；

所述第二测头工装和第四测头工装安装在所述位移导轨组的X2轴方向上、且两者分别布置于所述Z2轴的两侧；

应用所述的辅助在位集成加工的轮廓检测装置，还包括如下步骤：

步骤S1，首先针对所述待测工件的球半径R_fit和直径D，计算出所述测头组件的倾斜角度θ和位移L，具体公式为：

L＝R_fit·sinθ；

步骤S2，将所述第一测头和所述第三测头，分别绕X2轴倾斜θ和-θ，并分别向待测面的球心O₁的方向移动，形成第一距离，使得所述第一测头和所述第三测头的探测方向指向待测面的球心O₁；

将所述第二测头和所述第四测头，分别绕所述Y2轴倾斜θ和-θ，并分别向待测面的球心O₁的方向移动，形成第二距离，使得所述第二测头和所述第四测头的探测方向指向待测面的所述待测面的球心O₁；

所述第一距离和所述第二距离的数值相同，均为等于位移L的数值；

再分别将所述第一测头工装、所述第二测头工装、所述第三测头工装和所述第四测头工装固定；

步骤S3，控制所述机械臂携带移动所述待测工件至第一预设位置；

步骤S4，操作所述高精度气浮转台旋转一圈，同时启用自动记录设备，自动记录设备记录四个测头的采样读数和所述高精度气浮转台的实际旋转角度；

步骤S5，控制所述机械臂移动所述待测工件至依次序的预设位置，再执行步骤S4。

2.如权利要求1所述的一种辅助在位集成加工的轮廓检测的方法，其特征在于，还包括：

在所述步骤S5中，所述机械臂移动所述待测工件至依次序的预设位置的次序数至少为两次；

其中，当所述次序数完成后，停止步骤4。