CN116572077B - 一种大曲率自由曲面法向测量方法 - Google Patents

一种大曲率自由曲面法向测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于曲面测量领域，具体公开了一种大曲率自由曲面法向测量方法，将测量装置安装在五轴加工中心的B轴上，使得测量装置的测头的激光点聚焦于B轴回转中心的位置；将工件安装在五轴加工中心的C轴上；确定测量装置的测头原点在工件中心处的原点坐标；获取测头在机床的实时位置坐标；根据测头原点在工件中心处的原点坐标、自由曲面的离散点云数据以及B轴法向摆动角度的精确控制生成自由曲面法向摆动光栅式测量路径；在该路径中测头在X/Z/B三轴联动带动下沿自由曲面进行轮廓扫描，扫描过程中测头在法矢方向与自由曲面距离始终为为测头焦距；每完成一行的扫描，测头在Y轴方向按给定步长进给，完成下一行的轮廓扫描。

Description

一种大曲率自由曲面法向测量方法
技术领域
本发明属于曲面测量领域，具体公开了一种大曲率自由曲面法向测量方法。
背景技术
随着精密加工技术及光学设计水平的进步，对光学自由曲面元件的功能与性能的要求日趋多样化，其产品结构也越来越复杂，将复杂的自由曲面组合成光学***， 优化了产品的结构与性能，各种高附加值的光电产品，已经转向具有微结构特点的、非回转对称的复杂自由曲面光学元件，它们是光电信息技术和光通信技术中不可缺少的关键元件。近年来，光学自由曲面元件被广泛地应用在国防和民用光电产品中，如激光装置、数码相机镜头、激光打印机扫描仪镜头、光纤连接器、 LED 照明***等。将自由曲面引入光学成像***，可减少透镜片数，缩小***尺寸，减轻重量，提高***成像质量和能量传输效率。元宇宙概念的提出，进一步推动了VR、AR、MR等泛现实技术的发展，光学自由曲面作为虚拟可穿戴设备的必要组件，其市场需求十分巨大，并且在迅猛增长中。
由于光学自由曲面高的面形精度要求，加工表面往往需要进行多次“成形-测量-补偿”的生产流程，因此超精密测量也是光学自由曲面加工的关键环节，对于自由曲面的超精密加工具有重要的意义。目前的测量***主要包括离线式和在线式测量***。应该比较广泛的商业测量设备多属于离线测量，即工件加工后从机床上取下，在离线测量仪器上进行测量，测量完毕后将工件重新装夹于机床，根据测量结果进行再次加工。这样就不可避免的增加了许多非加工时间，并且会引入二次装夹误差。而在线测量可以有效的解决这些问题，为后续的误差补偿提供便利，但是随着光学器件的不断升级换代，光学镜片的精度和安装要求不断提高，光学元件也由一体单镜慢慢向一体多镜、大曲率光学自由曲面发展，传统的在线测量方法很难实现大曲率光学自由曲面的测量要求，测量精度受测量角度的影响比较大。
在专利CN115540730A公开了一种高陡度或深凹复杂曲面的坐标测量***与方法，通过在超精密机床的B轴上安装电感式测头，基于电感式测头良好的探测性能，以旁向触发的形式探测高陡度、深凹曲面的轮廓，并仅需移动机床的X/Z/C轴即可完成面形的采集，该方法减少了多轴运动的误差，即陡度在很大范围内变化时都不用改变测头的姿态，采集到的坐标值直接在机床XZC坐标系中。但该测量方法依然基于三坐标测量***，测量过程中需要以一定的速度分别由Z方向和X方向靠近测量点，因此测量速度较慢，同时测量点数也有限，这也极大的限制了测量效率。同时测量过程中无法直接获得每个点的面形误差，需要后期对测量数据进行再次处理，数据分析过程复杂。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种大曲率自由曲面法向测量方法。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种大曲率自由曲面法向测量方法，如下：
步骤1 将测量装置安装在五轴加工中心的B轴上，使得测量装置的测头的
激光点聚焦于所述B轴回转中心的位置；
步骤2 将工件安装在五轴加工中心的C轴上；
步骤3 确定测量装置的测头原点在工件中心处的原点坐标；
步骤4 将数据采集装置与所述的测量装置、五轴加工中心的X/Y/Z/B/C轴
的光栅信号的输出接口相连；
步骤5 根据步骤3中确定的测头原点在工件中心处的原点坐标、自由曲面离散点的位置坐标以及B轴法向摆动角度生成自由曲面法向摆动光栅式测量路径；在该路径中所述的测头在X/Z/B三轴联动带动下沿自由曲面进行轮廓扫描，扫描过程中测头在法矢方向上始终与球面距离为测头焦距；每完成一行的扫描，测头在Y轴方向按给定步长进给，然后完成下一行的轮廓扫描。
作为进一步的技术方案，所述的测量装置通过夹具安装在所述的B轴上。
作为进一步的技术方案，所述的夹具包括上底座、下底座和夹持装置，所述的下底座顶部安装设有定位球柱，所述的上底座安装在所述的定位球柱上，所述的夹持装置固定在上底座上。
作为进一步的技术方案，所述的测量装置为光谱共聚焦位移传感器。
作为进一步的技术方案，所述的数据采集装置为FPGA板卡控制器。
作为进一步的技术方案，所述的FPGA板卡控制器分别设计X/Y/Z/B/C端口；X/Y/Z/B/C端口与五轴加工中心的X/Y/Z/B/C轴的光栅信号细分盒输出接口相连接；FPGA板卡控制器上的传感器触发端口与测量装置的控制器端口相连接。
作为进一步的技术方案，步骤1中利用光学对刀仪和回转检棒对所述测头的激光点聚焦位置进行调节。
作为进一步的技术方案，步骤3的具体过程如下：
移动机床X轴和Y轴，将测头激光原点调节至工件中心位置处，然后对该中心位置坐标进行校准；以该中心位置坐标为坐标原点，在自由曲面X方向和Y方向分别取两个对称点/>、/>和/>、/>；X方向测量原点校准时，利用测头分别测量两个对称点/>与/>的误差值，根据误差值计算X方向原点偏移量，对测量中心的原点进行修正，修正后坐标原点为/>，根据修正后的测量原点坐标/>重新计算自由曲面同样位置两对称点的位置坐标/>、，对两对称点进行再次测量，计算X方向的原点偏移量/>，再次对测量中心的原点进行修正，得到/>，对上述校准过程进行多次迭代直到X方向原点偏移量小于1μm，此时原点坐标为/>；
重复上述步骤，对Y轴方向原点进行校准，直至Y方向原点偏移量也小于1μm，最终得到测头测量的原点坐标为。
作为进一步的技术方案，B轴法向摆动角度如下：
(1)
式中，和/>为自由曲面表面离散点在X和Z方向的法向量。
作为进一步的技术方案，所述的由曲面表征为三维离散点云的获取方式为：将自由曲面垂直投影至 XY 平面上，由最大、最小值形成一个矩形区域，对矩形区域进行网格划分得到(x，y)坐标，对 X 轴、Y 轴网格化处理的精δx、δy 取决于加工精度的要求及点云的疏密程度。对于每一个网格坐标点(x，y)存在对应的Z 轴坐标值，即对于 XY 平面上的点和Z 轴高度值存在一一对应的单值函数关系，自由曲面可以表示为三维离散点云(x，y，z)。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
本发明针对一体多镜大曲率光学自由曲面元件开发了非接触式在位法向测量方法及相关***组件。借助超精密五轴联动加工机床、光谱共聚焦位移传感器和高精度的可拆卸在位测量夹具，通过对B轴旋转角度的精确控制与反馈以及X\Y\Z\B四轴的联动控制来保证测头在测量过程中始终沿工件的法线方向按设计好的测量路径进行光栅式扫描，从而直接获得被测工件每个测量点的形状误差。同时通过开发FPGA板卡控制器，与机床数据输出接口相连接，获取机床PMAC控制卡的坐标信息，并通过软件实现信号的输出，从而实现了坐标位置的实时采集，所有的采集和运动控制都是实现同步进行。该在位测量方法及***可以直接获取的是被测面的面形误差，从而实现小量程传感器的大范围高精度测量，同时通过法向测量方式避免非接触测量过程中测量角度对测量精度的影响，避免了测量数据的后期面型匹配处理和误差分析，同时，由于不采用坐标测量仪传统上的主动探测测量方式，因此，在保证测量精度的同时提高测量效率；且可通过测量路径设计的疏密程度控制测量数据的多少，测量较灵活。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明公开的在位测量***示意图；
图2是本发明公开的在位测量夹具示意图；
图3是本发明测头测量焦点到B轴回转中心校准示意图；
图4是本发明提出的在位法向测量路径规划示意图；
图中：1-机床床身；2-X轴；3-Y轴；4-Z轴；5-C轴；6-B轴；7-光学对刀仪；8-工件；9-金刚石车刀；10-刀架；11-测量夹具；12测头；13-FPGA板卡；14-电脑；15-下底座；16-上底座；17-定位球柱；18-连接座；19-夹持装置；20检棒。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种大曲率自由曲面法向测量方法。
本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明提出的大曲率自由曲面法向测量方法是基于超精密五轴加工中心实现，具体的，该方法对应的测量***包括超精密五轴加工中心、FPGA板卡控制器、光谱共聚焦位移传感器和高精度可拆卸的在位测量夹具11；
所述的超精密五轴加工中心包括机床床身1，机床床身1上设置X轴2、Y轴3、Z轴4、C轴5、B轴6；所述的B轴6上安装测量夹具11、刀架10，刀架10上安装金刚石车刀9，其中测量夹具11用于夹持测头12；工件安装在C轴5上；FPGA板卡控制器可以采集机床各坐标轴的位移信号，从而获得各测量点的实时位置坐标；FPGA板卡13与电脑14相连。
本发明根据自由曲面参数方程或离散点云数据，计算测头法向测量运动轨迹的数控程序，以超精密加工中心为在位测量的工作平台，通过对B轴旋转角度的精确控制与反馈以及X\Y\Z\B四轴的联动控制来实现自由曲面在位法向测量。
高精度可拆卸测量夹具11可以实现测量装置的自由拆卸，防止测量与加工的互相干涉。
进一步的，FPGA板卡13分别设计X/Y/Z/B/C端口，分别与超精密五轴加工中心的X/Y/Z/B/C轴的光栅信号细分盒输出接口相连接，从而采集机床各坐标轴的运动信号，板卡上的传感器触发端口与光谱共聚焦位移传感器的控制器端口相连接，最后通过开发的统一测量软件，实现测量数据与位置坐标的同步采集，保证测量点的形状误差与表面位置坐标的一一对应，采集频率一致；
测量***连接完毕后，需要将测头固定于高精度可拆卸测量夹具上；如图2所示，所述的测量夹具主要包括上底座16、下底座15与镜头夹持装置19三部分组成。其中下底座15通过螺栓固定于机床B轴台面上。下底座15上部固定三个精密的定位球柱17，用于上底座16的高精密定位。光谱共聚焦位移传感器测头通过镜头夹持装置19、连接座18固定于上底座16上。当进行自由曲面测量时只需要将上底座16放置于下底座15的三个定位球柱17上，测量完毕后只需要将上底座16连同镜头夹持装置19以及位移传感器测头一同取下即可，避免自由曲面加工时，位移传感器测头与工件干涉。
法向测量需要严格控制光谱共聚焦位移传感器测头的角度变化，因此测头固定后，需要调整光谱共聚焦位移传感器测头位置保证光谱共聚焦位移传感器测头激光点聚焦于B轴回转中心的中心线上。如图3所示，利用光学对刀仪7和精密的回转检棒20(半径R)对测头的激光点聚焦位置进行调节。首先利用精密的回转检棒20将检棒的回转中心调节至与B轴回转中心重合，然后利用光学对刀仪确定检棒的回转中心的位置坐标，从而确定B轴回转中心的位置。然后将光谱共聚焦位移传感器测头调节至与机床所在的XY平面垂直，同时利用两轴精密位移平台调节测头位置，将光谱共聚焦位移传感器测头激光点聚焦至检棒20母线最高点处，此时调节精密位移平台使光谱共聚焦位移传感器测头沿Z轴负方向移动距离R，就可将光谱共聚焦位移传感器测头激光点聚焦至B轴回转中心的中心线上，进行法向测量。
在确定好光谱共聚焦位移传感器测头位置后，将工件固定于机床主轴，在开始自由曲面的超精密法向测量之前，需要确保光谱共聚焦位移传感器测头的精确对正，即确定光谱共聚焦位移传感器测头的测量原点在工件中心处的位置坐标。本发明利用测量软件中设置的校准模块，实现测量中心自动匹配。首先手动移动机床X轴和Y轴，将光谱共聚焦位移传感器测头激光原点调节至工件中心位置处，然后对该中心位置坐标进行校准。以该中心位置坐标为坐标原点，在自由曲面X方向和Y方向分别取两个对称点、/>和/>、/>。X方向测量原点校准时，利用测头分别测量两个对称点/>与/>的误差值，根据误差值计算X方向原点偏移量/>，对测量中心的原点进行修正，修正后坐标原点为/>，根据修正后的测量原点坐标/>重新计算自由曲面同样位置两对称点的位置坐标/>、/>，对两对称点进行再次测量，计算X方向的原点偏移量/>，再次对测量中心的原点进行修正，得到，对上述校准过程进行多次迭代直到X方向原点偏移量小于1μm，此时原点坐标为/>。重复上述步骤，对Y轴方向原点进行校准，直至Y方向原点偏移量也小于1μm，最终得到测头测量的原点坐标为/>。
确定好测量原点后，根据自由曲面的表面轮廓形状规划测点的法向扫描路径。路径设计为根据X轴、Y轴、Z轴三个直线轴与B轴旋转轴联动形成的空间法向摆动光栅式扫描路径。在该路径中测头在X/Z/B三轴联动带动下沿自由曲面进行轮廓扫描，扫描过程中测头在法矢方向上始终与球面距离为测头焦距。每完成一行的扫描，测头在Y轴方向按给定步长进给，然后完成下一行的轮廓扫描。
B轴法向摆动的角度可由公式（1）求出。
(1)
式中，和/>为自由曲面表面离散点在X和Z方向的法向量。
通过上述路径规划，根据测头测量原点位置坐标、自由曲面离散点云数据以及B轴法向摆动角度生成自由曲面法向摆动光栅式测量路径，如图4所示。
本发明借助超精密五轴联动加工机床、光谱共聚焦位移传感器和高精度的可拆卸在位测量夹具，通过对B轴旋转角度的精确控制与反馈以及X\Y\Z\B四轴的联动控制来保证测头在测量过程中始终沿工件的法线方向按设计好的测量路径进行光栅式扫描，从而直接获得被测工件每个测量点的形状误差。同时通过开发FPGA板卡控制器，与机床数据输出接口相连接，获取机床PMAC控制卡的坐标信息，并通过软件实现信号的输出，从而实现了坐标位置的实时采集，所有的采集和运动控制都是实现同步进行。该在位测量方法及***可以直接获取的是被测面的面形误差，从而实现小量程传感器的大范围高精度测量，同时通过法向测量方式避免非接触测量过程中测量角度对测量精度的影响，避免了测量数据的后期面型匹配处理和误差分析，同时，由于不采用坐标测量仪传统上的主动探测测量方式，因此，在保证测量精度的同时提高测量效率；且可通过测量路径设计的疏密程度控制测量数据的多少，测量较灵活。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，如下：
步骤1 将测量装置安装在五轴加工中心的B轴上，使得测量装置的测头的
激光点聚焦于所述B轴回转中心的位置；
步骤2 将工件安装在五轴加工中心的C轴上；
步骤3 确定测量装置的测头原点在工件中心处的原点坐标；
步骤4 将数据采集装置与所述的测量装置、五轴加工中心的X/Y/Z/B/C轴
的光栅信号的输出接口相连；
步骤5 根据步骤3中确定的测头原点在工件中心处的原点坐标、自由曲面离散点的位置坐标以及B轴法向摆动角度生成自由曲面法向摆动光栅式测量路径；在该路径中所述的测头在X/Z/B三轴联动带动下沿自由曲面进行轮廓扫描，扫描过程中测头在法矢方向上与自由曲面的距离始终为测头焦距；每完成一行的扫描，测头在Y轴方向按给定步长进给，然后完成下一行的轮廓扫描；
所述B轴法向摆动角度 如下：
(1)
式中，和/>为自由曲面表面离散点在X和Z方向的法向量。
2.如权利要求1所述的大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，所述的测量装置通过夹具安装在所述的B轴上。
3.如权利要求2所述的大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，所述的夹具包括上底座、下底座和夹持装置，所述的下底座顶部安装设有定位球柱，所述的上底座安装在所述的定位球柱上，所述的夹持装置固定在上底座上。
4.如权利要求1所述的大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，所述的测量装置为光谱共聚焦位移传感器。
5.如权利要求1所述的大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，所述的数据采集装置为FPGA板卡控制器。
6.如权利要求5所述的大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，所述的FPGA板卡控制器分别设计X/Y/Z/B/C端口；X/Y/Z/B/C端口与五轴加工中心的X/Y/Z/B/C轴的光栅信号细分盒输出接口相连接；FPGA板卡控制器上的传感器触发端口与测量装置的控制器端口相连接。
7.如权利要求1所述的大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，步骤1中利用光学对刀仪和回转检棒对所述测头的激光点聚焦位置进行调节。
8.如权利要求1所述的大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，步骤3的具体过程如下：
移动机床X轴和Y轴，将测头激光原点调节至工件中心位置处，然后对该中心位置坐标进行校准；以该中心位置坐标为坐标原点，在自由曲面X方向和Y方向分别取两个对称点/>、 />和/>、 />；X方向测量原点校准时，利用测头分别测量两个对称点/>与/>的误差值，根据误差值计算X方向原点偏移量/>，对测量中心的原点进行修正，修正后坐标原点为/>，根据修正后的测量原点坐标/>重新计算自由曲面同样位置两对称点的位置坐标/>、 />，对两对称点进行再次测量，计算X方向的原点偏移量/>，再次对测量中心的原点进行修正，得到/>，对上述校准过程进行多次迭代直到X方向原点偏移量小于1μm，此时原点坐标为/>；
重复上述步骤，对Y轴方向原点进行校准，直至Y方向原点偏移量也小于1μm，最终得到测头测量的原点坐标为。
9.如权利要求1所述的大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，所述的自由曲面离散点的位置坐标获取方式为：将自由曲面垂直投影至 XY 平面上，由最大、最小值形成一个矩形区域，对矩形区域进行网格划分得到(x，y)坐标，对于每一个网格坐标点(x，y)存在对应的Z 轴坐标值，即对于 XY 平面上的点和 Z 轴高度值存在一一对应的单值函数关系，自由曲面表示为三维离散点云(x，y，z)。
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