專(zhuān)利名稱(chēng)：基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離的測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)鏡面加工過(guò)程檢測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離方法。
背景技術(shù)：
擺臂式輪廓儀是一種有效的光學(xué)鏡面加工過(guò)程的在位檢測(cè)儀器，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以直接架設(shè)在光學(xué)鏡面加工機(jī)床旁邊，將光學(xué)鏡面加工機(jī)床的轉(zhuǎn)臺(tái)作為擺臂式輪廓儀的工作轉(zhuǎn)臺(tái)使用，對(duì)被測(cè)鏡面進(jìn)行在位檢測(cè)。這種方法在方便的同時(shí)也帶來(lái)了另外一個(gè)問(wèn)題 光學(xué)鏡面加工機(jī)床的轉(zhuǎn)臺(tái)一般運(yùn)動(dòng)誤差都比較大，如果不對(duì)這些誤差進(jìn)行分離，擺臂式輪廓儀的測(cè)量結(jié)果將不能反映被測(cè)鏡面實(shí)際的面形誤差。目前，對(duì)于擺臂式輪廓儀工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差沒(méi)有有效的分離方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是擺臂式輪廓儀用于車(chē)間在位檢測(cè)時(shí)，如何對(duì)工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差的進(jìn)行分離。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離的測(cè)量裝置，在由測(cè)頭系統(tǒng)、橫臂、立柱、配重、標(biāo)準(zhǔn)平晶、工件轉(zhuǎn)臺(tái)和橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)組成的擺臂式輪廓儀上采用兩套測(cè)頭系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行掃描測(cè)量；雙測(cè)頭掃描一次后得到兩根掃描軌跡M1，以一定角度β旋轉(zhuǎn)工作轉(zhuǎn)臺(tái)再進(jìn)行一次掃描，得到另外兩根掃描軌跡 Μ2;對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接并有效分離去除工件轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。所述的測(cè)頭系統(tǒng)為高精度接觸式測(cè)頭，測(cè)頭分辨力為25nm，測(cè)量精度為50nm。所述的橫臂和立柱用于連接橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)和測(cè)頭系統(tǒng)，并完成測(cè)頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所述的配重用于平衡測(cè)頭系統(tǒng)和橫臂以保證橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)保持平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)。所述的標(biāo)準(zhǔn)平晶為口徑數(shù)百毫米、面形誤差λ /10的高精度的標(biāo)準(zhǔn)器。所述的工件轉(zhuǎn)臺(tái)為低精度轉(zhuǎn)臺(tái)，用于完成標(biāo)準(zhǔn)平晶的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所述的橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)為高精度氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)的端面跳動(dòng)為25nm，轉(zhuǎn)臺(tái)的角晃動(dòng)為 0.02"，用于完成兩套測(cè)頭系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一種基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離方法，采用上述的基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離的測(cè)量裝置的兩套測(cè)頭系統(tǒng)同時(shí)掃描測(cè)量；兩套測(cè)頭系統(tǒng)掃描一次后得到兩根掃描軌跡M1，以一定角度旋轉(zhuǎn)β工作轉(zhuǎn)臺(tái)再進(jìn)行一次掃描，得到另外兩根掃描軌跡Μ2 ；對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接并有效分離去除工件轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的方法，可以有效地分離去除工件轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤
3差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而大大提高了測(cè)量精度，為擺臂式輪廓儀在光學(xué)加工現(xiàn)場(chǎng)的在位測(cè)量提供了實(shí)用化的解決方案。


圖1是本發(fā)明雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明雙測(cè)頭掃描的測(cè)量軌跡圖；圖3是本發(fā)明工件坐標(biāo)系示意圖；圖4是本發(fā)明工件坐標(biāo)計(jì)算示意圖；圖中主要元件說(shuō)明1和1’為測(cè)頭系統(tǒng)；2為橫臂；3為立柱；4為配重；5為標(biāo)準(zhǔn)平晶；6為工件轉(zhuǎn)臺(tái)；7為橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)；另外0為工件轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心；0'為橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心；OA為工件轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸；0' A'為橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸；Ml為第一次掃描得到的兩根軌跡；M2為第二次掃描得到的兩根軌跡；P11、P12、P13和P14為第一次掃描軌跡上的交點(diǎn)位置；P21、P22、P23和P24為第二次掃描軌跡上的交點(diǎn)位置；β為兩次掃描工件轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度；α為橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度；X為坐標(biāo)系的X軸；Y為坐標(biāo)系的Y軸；Z為坐標(biāo)系的Z軸；L為橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸到測(cè)頭球心點(diǎn)的距離；P為掃描軌跡上的任意點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。如圖1所示，為雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，包括測(cè)頭系統(tǒng)1和Γ、 橫臂2、立柱3、配重4、標(biāo)準(zhǔn)平晶5、工件轉(zhuǎn)臺(tái)6和橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)7。所述的測(cè)頭系統(tǒng)1為高精度接觸式測(cè)頭，測(cè)頭分辨力為25nm，測(cè)量精度為50nm。所述的橫臂2和立柱3用于連接橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)7和測(cè)頭系統(tǒng)1，并完成測(cè)頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所述的配重4用于平衡測(cè)頭系統(tǒng)1和橫臂2 以保證橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)7保持平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)。所述的工件轉(zhuǎn)臺(tái)6為低精度轉(zhuǎn)臺(tái)，用于完成標(biāo)準(zhǔn)平晶 5的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所述的橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)7為高精度氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)的端面跳動(dòng)為25nm，轉(zhuǎn)臺(tái)的角晃動(dòng)為0.02"，用于完成測(cè)頭系統(tǒng)1的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。測(cè)量前需要先對(duì)工件轉(zhuǎn)臺(tái)6進(jìn)行精確調(diào)整， 以保證工件轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸OA與橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸0' A'完全平行。同時(shí)需要調(diào)整橫臂2 和測(cè)頭系統(tǒng)1，以保證測(cè)頭系統(tǒng)1準(zhǔn)確位于工件轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心0。如圖2所示，為雙測(cè)頭掃描的測(cè)量軌跡圖。雙測(cè)頭掃描一次后得到兩根掃描軌跡 M1，以一定角度β旋轉(zhuǎn)工作轉(zhuǎn)臺(tái)6再進(jìn)行一次掃描就得到另外兩根掃描軌跡Μ2，其中β需要事先計(jì)算確定，其大小與被測(cè)鏡面的尺寸、兩個(gè)測(cè)頭的安裝距離和拼接數(shù)據(jù)的密度有關(guān)， 例如對(duì)一塊直徑為Φ300πιπι的鏡面，兩個(gè)測(cè)頭的安裝距離為40mm，拼接數(shù)據(jù)的密度為2點(diǎn) /線時(shí)β為15°。掃描軌跡Ml和Μ2有4個(gè)交點(diǎn)，這4個(gè)交點(diǎn)在掃描軌跡Ml和Μ2上都分別存在，其中Ρ11、Ρ12、Ρ13和Ρ14為第一次掃描軌跡Ml上的交點(diǎn)位置，Ρ21、Ρ22、Ρ23和 Ρ24為第二次掃描軌跡Μ2上的交點(diǎn)位置。每一點(diǎn)的坐標(biāo)均為(Χ，Υ，Ζ)坐標(biāo)，例如Pll點(diǎn)的坐標(biāo)為(XII，Yll, Zll)。
Ρ11、Ρ12、Ρ13和Ρ14組成的平面定義為平面I1
根據(jù)坐標(biāo)變換公式可得
Vl I711 Γ"ζιΓXl 2712 1Ζ12abcl\Xl 3713 1Ζ13Xl 4714 1Ζ14
⑴
⑵
式中“\”為矩陣的左除。 平面1的法線與X軸的夾角為 Al = abcl(l) 平面1的法線與Y軸的夾角為 Bl = abcl(2)
P21、P22、P23和PM組成的平面定義為平面
根據(jù)坐標(biāo)變換公式可得
⑶ abcl =
Χ21721 1Ζ21Χ22722 1\Z 22Χ23723 1\Z 23Χ24724 1Z 24
(4)
式中“\”為矩陣的左除。 平面2的法線與X軸的夾角為
A2 = abc2(l)(5)
平面2的法線與Y軸的夾角為
B2 = abc2(2)(6)
為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接，需要對(duì)平面2實(shí)施旋轉(zhuǎn)和平移變換，其中 繞X軸的旋轉(zhuǎn)角度為
θ x = A2-A1 繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角度為 θ Y = Β2-Β1
(7)
⑶
沿Z軸的平移量為
Disp = Ζ21-Ζ11(9)
將Ρ21、Ρ22、Ρ23和Ρ24實(shí)施上述的坐標(biāo)變換后即可準(zhǔn)確地與Ρ11、Ρ12、Ρ13和Ρ14 實(shí)現(xiàn)拼接，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差的分離。
同理可實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡面上所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的拼接。
如圖3所示，為工件坐標(biāo)系示意圖。X軸平行于橫臂，Z軸垂直于工件轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面，坐標(biāo)原點(diǎn)為工件轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸與標(biāo)準(zhǔn)平晶的交點(diǎn)。如圖4所示，為工件坐標(biāo)計(jì)算示意圖。L為橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸0' A'到測(cè)頭球心點(diǎn)的距離，α為橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)的角度，β為工作轉(zhuǎn)臺(tái)的角度。測(cè)頭在鏡面上點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算公式為
權(quán)利要求
1.一種基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離的測(cè)量裝置，其特征在于在由測(cè)頭系統(tǒng)(1)、橫臂(2)、立柱(3)、配重(4)、標(biāo)準(zhǔn)平晶(5)、工件轉(zhuǎn)臺(tái)(6)和橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)(7)組成的擺臂式輪廓儀上采用兩套測(cè)頭系統(tǒng)(1、1')同時(shí)進(jìn)行掃描測(cè)量；兩套測(cè)頭系統(tǒng)掃描一次后得到兩根掃描軌跡M1，以一定角度β旋轉(zhuǎn)工作轉(zhuǎn)臺(tái)再進(jìn)行一次掃描，得到另外兩根掃描軌跡Μ2;對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接并有效分離去除工件轉(zhuǎn)臺(tái)(6)的運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離的測(cè)量裝置，其特征在于所述的測(cè)頭系統(tǒng)(1)為高精度接觸式測(cè)頭，測(cè)頭分辨力為25nm，測(cè)量精度為50nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離的測(cè)量裝置，其特征在于所述的橫臂(2)和立柱(3)用于連接橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)(7)和測(cè)頭系統(tǒng)(1)，并完成測(cè)頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離的測(cè)量裝置，其特征在于所述的配重(4)用于平衡測(cè)頭系統(tǒng)(1)和橫臂O)以保證橫臂(2)轉(zhuǎn)臺(tái)保持平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離的測(cè)量裝置，其特征在于所述的標(biāo)準(zhǔn)平晶( 為口徑數(shù)百毫米、面形誤差λ/10的高精度的標(biāo)準(zhǔn)O
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離的測(cè)量裝置，其特征在于所述的工件轉(zhuǎn)臺(tái)(6)為低精度轉(zhuǎn)臺(tái)，用于完成標(biāo)準(zhǔn)平晶( 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離的測(cè)量裝置，其特征在于所述的橫臂(2)轉(zhuǎn)臺(tái)為高精度氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)的端面跳動(dòng)為25nm，轉(zhuǎn)臺(tái)的角晃動(dòng)為0.02"，用于完成兩套測(cè)頭系統(tǒng)(1)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
8.一種基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離方法，其特征在于采用權(quán)利要求1所述的基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離的測(cè)量裝置的兩套測(cè)頭系統(tǒng)(1) 同時(shí)掃描測(cè)量；兩套測(cè)頭系統(tǒng)(1)掃描一次后得到兩根掃描軌跡M1，以一定角度旋轉(zhuǎn)β工作轉(zhuǎn)臺(tái)再進(jìn)行一次掃描，得到另外兩根掃描軌跡Μ2;對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接并有效分離去除工件轉(zhuǎn)臺(tái)(6)的運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的工件轉(zhuǎn)臺(tái)誤差分離的測(cè)量裝置及方法，該裝置在由測(cè)頭系統(tǒng)(1)、橫臂(2)、立柱(3)、配重(4)、標(biāo)準(zhǔn)平晶(5)、工件轉(zhuǎn)臺(tái)(6)和橫臂轉(zhuǎn)臺(tái)(7)組成的擺臂式輪廓儀上采用兩套測(cè)頭系統(tǒng)(1、1′)同時(shí)進(jìn)行掃描測(cè)量；兩套測(cè)頭系統(tǒng)掃描一次后得到兩根掃描軌跡M1，以一定角度β旋轉(zhuǎn)工作轉(zhuǎn)臺(tái)再進(jìn)行一次掃描，得到另外兩根掃描軌跡M2；本發(fā)明采用雙測(cè)頭掃描數(shù)據(jù)拼接的方法，可以有效地分離去除工件轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而大大提高了測(cè)量精度，為擺臂式輪廓儀在光學(xué)加工現(xiàn)場(chǎng)的在位測(cè)量提供了實(shí)用化的解決方案。
文檔編號(hào)G01B21/20GK102519416SQ20111041484
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者匡龍, 吳時(shí)彬, 景洪偉, 曹學(xué)東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所