一種擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置和方法
2023-05-12 06:58:16
一種擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置和方法
【專利摘要】本發明一種擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置和方法，該裝置由第一靶球、第二靶球、微調機構、橫臂、橫臂支座、配重塊、計算機、第一角度塊、橫臂轉臺、第二角度塊、雷射跟蹤儀、工件轉臺、待測鏡面、接觸式傳感器和工作檯面組成；橫臂繞橫臂轉臺軸心線旋轉，接觸式傳感器的測頭球心、第一靶球的球心和第二靶球的球心在空間形成繞橫臂轉臺軸心線旋轉的圓弧軌跡，雷射跟蹤儀分別跟蹤測量第一靶球的球心和第二靶球的球心在空間形成的圓弧軌跡，通過計算機的數據處理，得到接觸式傳感器的測頭球心到橫臂轉臺軸心線的距離，即擺臂式輪廓儀有效臂長。
【專利說明】一種擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於幾何量精密測試領域，涉及擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置和方法，適用於擺臂式輪廓儀有效臂長的測量。
【背景技術】
[0002]擺臂式輪廓儀的有效臂長是指:接觸式傳感器的測頭球心到橫臂轉臺軸心線的垂
直距離。
[0003]擺臂式輪廓儀是一種有效的光學鏡面加工過程的在位檢測儀器，其最大的特點是直接安裝在待測光學鏡面旁，將待測光學鏡面加工工具機的轉臺作為擺臂式輪廓儀的工作轉臺使用，對待測鏡面進行實現在位檢測。在擺臂式輪廓儀測量過程中，有效臂長對擺臂式輪廓儀測量的面形結果會產生影響；有效臂長對面形上點坐標造成影響，在點坐標存在誤差的前提下，無法保證鏡面的繼續精確加工；在利用擺臂式輪廓儀雙測頭掃描數據拼接技術實現工件轉臺誤差分離時，有效臂長的測量誤差將會影響數據拼接的精度。
[0004]由於擺臂式輪廓儀的有效臂長是空間的一個虛擬幾何尺寸，無法用傳統的幾何量測量方法進行測量，國內外未見擺臂式輪廓儀有效臂長測量的相關報導。
【發明內容】
[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]為了解決現有技術有效臂長對面形上點坐標造成影響，有效臂長的測量誤差影響數據拼接的精度的技術問題，本發明的目的是提供能精確測量擺臂式輪廓儀的有效臂的測量裝置和方法。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]本發明的第一方面，提供一種擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置，該裝置由第一靶球、第二靶球、微調機構、橫臂、橫臂支座、配重塊、計算機、第一角度塊、橫臂轉臺、第二角度塊、雷射跟蹤儀、工件轉臺、待測鏡面、接觸式傳感器和工作檯面組成，其中:第一靶球、第二革G球靠磁力吸附連接於微調機構上；橫臂的一端置於微調機構的安裝孔中；橫臂支座的一端具有一通孔，橫臂的另一端置於並穿過通孔；配重塊與橫臂的另一端連接，用於平衡接觸式傳感器和橫臂，用以保證橫臂轉臺保持平穩的旋轉；第一角度塊的上端面與橫臂支座的底端面固定連接；橫臂轉臺上端面與第一角度塊的斜端面固定連接；第二角度塊的斜端面與橫臂轉臺下端面固定連接；第二角度塊的下端面固定安裝在工作檯面上；雷射跟蹤儀置於靠近橫臂轉臺的軸心線的位置，並保證雷射跟蹤儀不能干涉橫臂轉臺轉動，雷射跟蹤儀的底端面置於工作檯面上；待測鏡面位於工件轉臺上；接觸式傳感器的一端與微調機構連接，接觸式傳感器的測頭外輪廓與待測鏡面接觸；橫臂繞橫臂轉臺的軸心線旋轉，帶動接觸式傳感器、第一祀球和第二祀球繞橫臂轉臺的軸心線旋轉，同時第一祀球的球心和第二靶球的球心在空間形成繞橫臂轉臺的軸心線旋轉的圓弧軌跡，雷射跟蹤儀分別跟蹤測量第一靶球的球心和第二靶球的球心在空間形成的圓弧軌跡；計算機通過數據採集線與雷射跟蹤儀的數據端連接，對第一靶球的球心和第二靶球的球心的圓弧軌跡數據處理，獲得擺臂式輪廓儀有效臂長。
[0009]本發明的第二方面，提供一種擺臂式輪廓儀有效臂長的測量方法，包括步驟如下:
[0010]步驟S1:由已知的接觸式傳感器的測頭球心、第一靶球的球心和第二靶球的球心的空間位置關係進行坐標平移變換，得到第一坐標系，從而得到接觸式傳感器的測頭球心、第一靶球的球心和第二靶球的球心在第一坐標系下的坐標；
[0011]步驟S2:雷射跟蹤儀測量第一靶球的球心和第二靶球的球心的初始位置，以及第一靶球和第二靶球繞橫臂轉臺旋轉形成的圓弧軌跡上的數據；
[0012]步驟S3:將第一坐標系旋轉平移變換到雷射跟蹤儀坐標系，得到接觸式傳感器的測頭球心在雷射跟蹤儀坐標系下的坐標；
[0013]步驟S4:通過計算機實現對以上數據的處理，得到接觸式傳感器的測頭球心到橫臂轉臺軸心線的距離，即擺臂式輪廓儀有效臂長。
[0014](三)有益效果
[0015]本發明與現有技術相比具有如下優點:本發明採用雷射跟蹤儀測量擺臂式輪廓儀有效臂長的方法，利用雷射跟蹤儀高精度的測量特點，準確測量出有效臂長，提高了有效臂長的測量精度，從而消除了有效臂長存在誤差的前提下對面形上點坐標造成影響，能夠保證鏡面的繼續精確加工；保證了利用擺臂式輪廓儀雙測頭掃描數據拼接技術實現工件轉臺誤差分離的精度。同時該種方法可以更加方便快捷地測量有效臂長，為擺臂式輪廓儀在光學加工現場的在位測量提供了實用化的解決方案。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明測量擺臂式輪廓儀有效臂長的裝置的結構示意圖。
[0017]圖2是本發明測量擺臂式輪廓儀有效臂長的方法流程圖。
[0018]圖3是第一靶球的球心、第二靶球的球心和接觸式傳感器的測頭球心的空間位置關係。
[0019]圖4是坐標平移後新的第一坐標系oxyz。
[0020]圖5是雷射跟蹤儀掃描測量第一靶球的球心和第二靶球的球心。
[0021]圖6是圓面及圓心求解參考圖。
【具體實施方式】
[0022]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0023]如圖1所示，雷射跟蹤儀測量擺臂式輪廓儀有效臂長的裝置的結構包括:第一靶球1、第二靶球2、微調機構3、橫臂4、橫臂支座5、配重塊6、計算機7、第一角度塊8、橫臂轉臺9、第二角度塊10、雷射跟蹤儀11、工件轉臺12、待測鏡面13、接觸式傳感器14和工作檯面15，其中:第一靶球1、第二靶球2靠磁力吸附連接於微調機構3上；橫臂4的一端置於微調機構3的安裝孔中；橫臂支座5的一端具有一通孔，橫臂4的另一端置於並穿過通孔；配重塊6與橫臂4的另一端連接，用於平衡接觸式傳感器14和橫臂4，用以保證橫臂轉臺9保持平穩的旋轉；第一角度塊8的上端面與橫臂支座5的底端面固定連接；橫臂轉臺9上端面與第一角度塊8的斜端面固定連接；第二角度塊10的斜端面與橫臂轉臺9下端面固定連接；第二角度塊10的下端面固定安裝在工作檯面15上；雷射跟蹤儀11置於靠近橫臂轉臺9的軸心線的位置，並保證雷射跟蹤儀11不能干涉橫臂轉臺9轉動，雷射跟蹤儀11的底端面置於工作檯面15上；待測鏡面13位於工件轉臺12上；工件轉臺12安裝於工作檯面15上；接觸式傳感器14的一端與微調機構3連接，接觸式傳感器14的測頭外輪廓與待測鏡面13接觸,橫臂4繞橫臂轉臺9的軸心線旋轉,帶動接觸式傳感器14、第一祀球I和第二革巴球2繞橫臂轉臺9的軸心線旋轉，同時第一祀球I的球心和第二祀球2的球心在空間形成繞橫臂轉臺9的軸心線旋轉的圓弧軌跡，雷射跟蹤儀11分別跟蹤測量第一靶球I的球心和第二靶球2的球心在空間形成的圓弧軌跡；計算機7通過數據採集線與雷射跟蹤儀11的數據端連接，得到並對第一靶球I的球心和第二靶球2的球心的圓弧軌跡數據處理，獲得擺臂式輪廓儀有效臂長。
[0024]第一靶球1、第二靶球2由鐵材料製成，並為反射式，直徑為0.5英寸，主要反射來自雷射跟蹤儀10的雷射，從而保證雷射跟蹤儀10可以跟蹤測量第一靶球I的球心和第二靶球2的球心在空間形成的圓弧軌跡上的數據。
[0025]雷射跟蹤儀11的測距範圍大於60m，靜態測量精度5 μ m/m,動態測量精度10 μ m/m,坐標重複性優於2.5 μ m/m。
[0026]工件轉臺12為加工現場的工具機轉臺，用於支撐待測鏡面13。
[0027]接觸式傳感器14分辨力為25nm，測量精度為50nm。
[0028]微調機構3可實現X軸方向、Y軸方向、Z軸方向、俯仰方向和偏擺方向的微調。
[0029]橫臂4和橫臂支座5，用於連接橫臂轉臺9和接觸式傳感器14，並完成對接觸式傳感器14的旋轉運動。
[0030]第一角度塊8、第二角度塊10,用於支撐橫臂轉臺9和橫臂支座5,並使橫臂轉臺9保持在設定的傾角；第一角度塊8的角度範圍為20°?40°、第二角度塊10的角度範圍為20。?40°。
[0031]橫臂轉臺9為高精度氣浮轉臺，橫臂轉臺9的端面跳動為25nm,橫臂轉臺9的角晃動為0.02"，用於實現接觸式傳感器14的旋轉運動。
[0032]本發明擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置工作時，橫臂4繞橫臂轉臺9的軸心線旋轉，帶動接觸式傳感器14、第一祀球I和第二祀球2繞橫臂轉臺9的軸心線旋轉，同時第一革El球I的球心和第二祀球2的球心在空間形成繞橫臂轉臺9的軸心線旋轉的圓弧軌跡，雷射跟蹤儀11分別跟蹤測量第一靶球I的球心和第二靶球2的球心在空間形成的圓弧軌跡，通過計算機的數據處理，對第一靶球I的球心和第二靶球2的球心的圓弧軌跡數據處理是得到兩段圓弧軌跡所在圓面的圓心坐標，利用兩段圓弧軌跡所在圓面的圓心坐標，獲得兩圓心坐標的空間直線方程即是橫臂轉臺的軸心線方程；再利用空間點和空間直線的距離方程，求出得到接觸式傳感器14的測頭球心到橫臂轉臺9軸心線的距離，即擺臂式輪廓儀有效臂長。
[0033]如圖2所示為擺臂式輪廓儀有效臂長的測量方法，所述測量方法利用擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置的測量步驟包括:
[0034]步驟SI:由已知的接觸式傳感器14的測頭球心、第一靶球I的球心和第二靶球2的球心的空間位置關係進行坐標平移變換，得到第一坐標系，從而得到接觸式傳感器14的測頭球心、第一靶球I的球心和第二靶球2的球心在第一坐標系下的坐標；
[0035]如圖3所示為第一靶球I的球心、第二靶球2的球心和接觸式傳感器14的測頭球心在某一坐標系下空間位置關係:第一靶球I的球心坐標是(X1 Y1 Z1),第二靶球2的球心坐標是(X2 Y2 Z2),接觸式傳感器14的測頭球心坐標是(X3 Y3 Z3)。由坐標平移公式，將某一坐標系的坐標原點平移到第二靶球2的球心處，記此時得到的新直角坐標係為第一坐標系oxyz,如圖4所示。由某一坐標繫到第一坐標系的平移矩陣為[Δ X1 Ay1 ΔΖι]τ,則有:
【權利要求】
1.一種擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置，其特徵在於:由第一靶球、第二靶球、微調機構、橫臂、橫臂支座、配重塊、計算機、第一角度塊、橫臂轉臺、第二角度塊、雷射跟蹤儀、工件轉臺、待測鏡面、接觸式傳感器和工作檯面組成，其中:第一靶球、第二靶球靠磁力吸附連接於微調機構上；橫臂的一端置於微調機構的安裝孔中；橫臂支座的一端具有一通孔，橫臂的另一端置於並穿過通孔；配重塊與橫臂的另一端連接，用於平衡接觸式傳感器和橫臂，用以保證橫臂轉臺保持平穩的旋轉；第一角度塊的上端面與橫臂支座的底端面固定連接；橫臂轉臺上端面與第一角度塊的斜端面固定連接；第二角度塊的斜端面與橫臂轉臺下端面固定連接；第二角度塊的下端面固定安裝在工作檯面上；雷射跟蹤儀置於靠近橫臂轉臺的軸心線的位置，並保證雷射跟蹤儀不能干涉橫臂轉臺轉動，雷射跟蹤儀的底端面置於工作檯面上；待測鏡面位於工件轉臺上；接觸式傳感器的一端與微調機構連接，接觸式傳感器的測頭外輪廓與待測鏡面接觸；橫臂繞橫臂轉臺的軸心線旋轉，帶動接觸式傳感器、第一靶球和第二祀球繞橫臂轉臺的軸心線旋轉，同時第一祀球的球心和第二祀球的球心在空間形成繞橫臂轉臺的軸心線旋轉的圓弧軌跡，雷射跟蹤儀分別跟蹤測量第一靶球的球心和第二靶球的球心在空間形成的圓弧軌跡；計算機通過數據採集線與雷射跟蹤儀的數據端連接，對第一靶球的球心和第二靶球的球心的圓弧軌跡數據處理，獲得擺臂式輪廓儀有效臂長。
2.根據權利要求1所述的擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置，其特徵在於:所述的雷射跟蹤儀的測距範圍大於60m,靜態測量精度5 μ m/m,動態測量精度10 μ m/m,坐標重複性優於 2.5 μ m/m。
3.根據權利要求1所述的擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置，其特徵在於:所述對第一靶球的球心和第二靶球的球心的圓弧軌跡數據處理，是得到兩段圓弧軌跡所在圓面的圓心坐標，利用兩段圓弧軌跡所在圓面的圓心坐標，獲得兩圓心坐標的空間直線方程即是橫臂轉臺的軸心線方程；再利用空間點和空間直線的距離方程，求出接觸式傳感器的測頭球心到橫臂轉臺軸心線 的距離，即為擺臂式輪廓儀的有效臂長。
4.根據權利要求1所述的擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置，其特徵在於:所述第一靶球、第二靶球由鐵材料製成，並為反射式，用於反射來自雷射跟蹤儀的雷射，從而保證雷射跟蹤儀跟蹤測量第一靶球的球心和第二靶球的球心在空間形成的圓弧軌跡上的數據。
5.根據權利要求1所述的擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置，其特徵在於:所述接觸式傳感器的分辨力為25nm，測量精度為50nm。
6.根據權利要求1所述的擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置，其特徵在於:所述微調機構為能實現X軸方向、Y軸方向、Z軸方向、俯仰方向和偏擺方向的微調。
7.根據權利要求1所述的擺臂式輪廓儀有效臂長的測量裝置，其特徵在於:所述橫臂轉臺為氣浮轉臺，橫臂轉臺的端面跳動為25nm，橫臂轉臺的角晃動為0.02"，用於實現接觸式傳感器的旋轉運動。
8.一種擺臂式輪廓儀有效臂長的測量方法，包括步驟如下: 步驟SI:由已知的接觸式傳感器的測頭球心、第一靶球的球心和第二靶球的球心的空間位置關係進行坐標平移變換，得到第一坐標系，從而得到接觸式傳感器的測頭球心、第一靶球的球心和第二靶球的球心在第一坐標系下的坐標； 步驟S2:雷射跟蹤儀測量第一靶球的球心和第二靶球的球心的初始位置，以及第一靶球和第二靶球繞橫臂轉臺旋轉形成的圓弧軌跡上的數據；步驟S3:將第一坐標系旋轉平移變換到雷射跟蹤儀坐標系，得到接觸式傳感器的測頭球心在雷射跟蹤儀坐標系下的坐標； 步驟S4:通過計算機實現對以上數據的處理，得到接觸式傳感器的測頭球心到橫臂轉臺軸心線的距離，即擺臂式輪廓儀有效臂長。
【文檔編號】G01B11/03GK104019750SQ201410243303
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月3日 優先權日:2014年6月3日
【發明者】陳林, 曹學東, 景洪偉, 匡龍, 李 傑, 魏中偉 申請人:中國科學院光電技術研究所