擺臂式輪廓儀旋轉(zhuǎn)軸空間狀態(tài)標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于儀器儀表領(lǐng)域，涉及擺臂式輪廓儀旋轉(zhuǎn)軸空間狀態(tài)的標(biāo)定，適用于空 間旋轉(zhuǎn)軸線的位置標(biāo)定及測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 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，其最大的特點(diǎn)是 直接安裝在待測(cè)光學(xué)鏡面旁，將待測(cè)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)待測(cè)鏡面進(jìn)行實(shí)時(shí)在位檢測(cè)。擺臂式輪廓儀對(duì)不同面形鏡面（凹面鏡、凸面鏡、 平面鏡等）的測(cè)量是通過(guò)調(diào)整橫臂轉(zhuǎn)軸軸線和工件轉(zhuǎn)軸軸線之間的空間位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的（見(jiàn) 附圖2、3、4)，通過(guò)分析可知，兩個(gè)軸線之間存在比較小的標(biāo)定誤差時(shí)就會(huì)造成比較大的面 形測(cè)量誤差，所以高精度的標(biāo)定兩軸線的空間狀態(tài)關(guān)系是實(shí)現(xiàn)高精度面形測(cè)量的前提。
[0003] 擺臂式輪廓儀旋轉(zhuǎn)部分是由氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)組成的，實(shí)際工作狀態(tài)是在通氣的情況下連 續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，在通氣的情況下不連續(xù)旋轉(zhuǎn)的軸線狀態(tài)和通氣的情況下連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸 線狀態(tài)是不一樣的，所以要對(duì)兩條空間軸線進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)，必須在實(shí)際測(cè)量狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定，這 樣才那能反映真實(shí)的軸線狀態(tài)。
[0004]由于擺臂式輪廓儀旋轉(zhuǎn)軸空間狀態(tài)關(guān)系是一個(gè)三維空間內(nèi)相對(duì)關(guān)系，要標(biāo)定兩軸 狀態(tài)關(guān)系必須在擺臂式輪廓儀處于連續(xù)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定，而且要實(shí)現(xiàn)高精度。目前常 用的軸線標(biāo)定方法不能滿足擺臂式輪廓儀旋轉(zhuǎn)軸線的標(biāo)定工作。本發(fā)明中采用4臺(tái)激光跟 蹤儀對(duì)擺臂式輪廓儀旋轉(zhuǎn)軸空間狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題：為了利用擺臂式輪廓儀實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同面形鏡面的高 精度測(cè)量，需要對(duì)擺臂式輪廓儀旋轉(zhuǎn)軸線空間狀態(tài)進(jìn)行高精度的標(biāo)定。本發(fā)明的目的是提 供能夠高精度標(biāo)定擺臂式輪廓儀旋轉(zhuǎn)軸線空間狀態(tài)的方法。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種擺臂式輪廓儀旋轉(zhuǎn)軸空間狀 態(tài)標(biāo)定方法。該方法是通過(guò)結(jié)合多邊測(cè)量原理和4臺(tái)激光跟蹤儀冗余自標(biāo)定技術(shù)來(lái)得到旋 轉(zhuǎn)弧線上點(diǎn)的三維坐標(biāo)，利用弧線上點(diǎn)的坐標(biāo)擬合出圓面，進(jìn)而得出過(guò)圓心的法線，即旋轉(zhuǎn) 軸線。該方法由4臺(tái)激光跟蹤儀、靶球、貓眼和擺臂式輪廓儀組成。
[0007] 多邊測(cè)量原理：通過(guò)已知空間3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和其到空間任意一點(diǎn)的距離，就可以 確定出空間任意一點(diǎn)的空間坐標(biāo)。多邊測(cè)量原理只需要知道長(zhǎng)度值，而不需要?jiǎng)e的測(cè)量值 就可以求出空間點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0008] 4臺(tái)激光跟蹤儀冗余自標(biāo)定方法：4臺(tái)激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量獲得4個(gè)激光跟蹤 儀儀器坐標(biāo)原點(diǎn)到靶球中心的距離，相比于多邊測(cè)量原理就會(huì)冗余一個(gè)測(cè)距信息，冗余的 一個(gè)距離信息可以實(shí)現(xiàn)四站激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的自標(biāo)定。因此，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自標(biāo)定，只 需要增加動(dòng)點(diǎn)的數(shù)量，使得多出的冗余距離方程個(gè)數(shù)大于系統(tǒng)未知參數(shù)的個(gè)數(shù)。冗余自標(biāo) 定方法不需要額外的基準(zhǔn)作為標(biāo)定依據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)高精度的標(biāo)定，此方法可以更好的適應(yīng) 工作現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)定條件。
[0009] 4臺(tái)激光跟蹤儀安裝位置最好處于最優(yōu)布局，這樣得到的數(shù)據(jù)誤差最小。
[0010] 靶球通過(guò)靶球座和固定裝置安裝在擺臂式輪廓儀橫臂上并且靠近測(cè)頭。
[0011] 貓眼通過(guò)固定裝置安裝在擺臂式輪廓儀的工件轉(zhuǎn)臺(tái)上。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明標(biāo)定擺臂式輪廓儀旋轉(zhuǎn)軸空間狀態(tài)方法的示意圖；
[0013]圖2是擺臂式輪廓儀測(cè)量平面鏡時(shí)橫臂轉(zhuǎn)軸和工件轉(zhuǎn)臺(tái)軸線的空間位置關(guān)系；
[0014]圖3是擺臂式輪廓儀測(cè)量凸面鏡時(shí)橫臂轉(zhuǎn)軸和工件轉(zhuǎn)臺(tái)軸線的空間位置關(guān)系；
[0015]圖4是擺臂式輪廓儀測(cè)量凹面鏡時(shí)橫臂轉(zhuǎn)軸和工件轉(zhuǎn)臺(tái)軸線的空間位置關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和特點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施案例，并參 照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0017] 如圖1所示，擺臂式輪廓儀旋轉(zhuǎn)軸空間狀態(tài)標(biāo)定方法的設(shè)備包括：4臺(tái)激光跟蹤儀 1、2、3、4 ;橫臂轉(zhuǎn)軸5 ;橫臂6 ;激光跟蹤儀靶球7 ;擺臂式輪廓儀測(cè)頭8 ;待測(cè)工件9 ;貓眼 10 ;工件轉(zhuǎn)臺(tái)11 ;擺臂轉(zhuǎn)臺(tái)12 ;配重13。其中：
[0018] 4臺(tái)激光跟蹤儀1、2、3、4在標(biāo)定橫臂軸線和工件轉(zhuǎn)臺(tái)軸線時(shí)分別跟蹤激光跟蹤儀 靶球7和貓眼10 ；
[0019] 激光跟蹤儀靶球7和貓眼10通過(guò)特制的緊固裝置安裝在橫臂6和工件轉(zhuǎn)臺(tái)11 上;
[0020] 橫臂6安裝在橫臂轉(zhuǎn)軸5上，當(dāng)啟動(dòng)橫臂轉(zhuǎn)軸5時(shí)，橫臂6繞橫臂轉(zhuǎn)軸5旋轉(zhuǎn)；
[0021] 擺臂輪廓儀是通過(guò)擺臂式輪廓儀測(cè)頭8在待測(cè)工件9表面接觸掃描進(jìn)行鏡面面形 測(cè)量；
[0022] 工件轉(zhuǎn)臺(tái)11通過(guò)自身旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工件整個(gè)面的測(cè)量。
[0023] 擺臂式輪廓儀旋轉(zhuǎn)軸標(biāo)定方法的實(shí)施步驟：
[0024] 步驟S1 :安裝激光跟蹤儀1、2、3、4，使其處于布局適合擺臂式輪廓儀實(shí)際工況而 且由布局帶來(lái)的測(cè)量誤差最小的布局狀態(tài)，安裝靶球7在橫臂6上且靠近擺臂式輪廓儀測(cè) 頭8處。安裝貓眼10于工件轉(zhuǎn)臺(tái)11上。調(diào)整靶球7、貓眼10、橫臂6和工件轉(zhuǎn)臺(tái)11位置， 使橫臂6和工件轉(zhuǎn)臺(tái)11在激光跟蹤儀不斷光的條件下旋轉(zhuǎn)角度最大，記調(diào)整好的橫臂6和 工件轉(zhuǎn)臺(tái)11的位置為初始零位。
[0025] 步驟S2 :使4臺(tái)激光跟蹤儀同時(shí)跟蹤靶球7，并確保不斷光。通過(guò)對(duì)橫臂轉(zhuǎn)軸5的 控制，使橫臂6每旋轉(zhuǎn)一定角度后，4臺(tái)激光跟蹤儀同時(shí)采樣，采樣點(diǎn)數(shù)目必須大于等于6， 為了提最終自標(biāo)定的精度，可以適當(dāng)增加采樣點(diǎn)數(shù)。
[0026] 步驟S3 :利用S2獲得的離散點(diǎn)三維坐標(biāo)值和距離信息可以標(biāo)定出系統(tǒng)的4臺(tái)激 光跟蹤儀的空間坐標(biāo)，再將標(biāo)定出的4臺(tái)激光跟蹤儀實(shí)際的坐標(biāo)值通過(guò)算法轉(zhuǎn)換為虛擬坐 標(biāo)系下的坐標(biāo)，此時(shí)就完成了測(cè)量系統(tǒng)的自標(biāo)定，虛擬坐標(biāo)系下4臺(tái)激光跟蹤儀的坐標(biāo)形 式為：第一臺(tái)（0，0，0)、第二臺(tái)（a，0，0)、第三臺(tái)（b，c，d)、第四臺(tái)（e，f，g)。
[0027] 步驟S4 :調(diào)整橫臂6到初始零位，安裝好靶球7，設(shè)置4臺(tái)激光跟蹤儀采樣模式和 橫臂旋轉(zhuǎn)角度。首先開(kāi)啟4臺(tái)激光跟蹤儀，保證4臺(tái)激光跟蹤儀不斷光。然后啟動(dòng)橫臂轉(zhuǎn) 軸5，使橫臂6繞其連續(xù)旋轉(zhuǎn)一定角度，同時(shí)4臺(tái)激光跟蹤儀跟蹤靶球并連續(xù)采樣。記4臺(tái) 激光跟蹤儀獲得的旋轉(zhuǎn)弧線上的點(diǎn)到各個(gè)激光跟蹤儀的距離信息Ml。
[0028] 步驟S5 :調(diào)整工件轉(zhuǎn)臺(tái)11到初始零位，安裝好貓眼10，設(shè)置4臺(tái)激光跟蹤儀采樣 模式和工件轉(zhuǎn)臺(tái)11旋轉(zhuǎn)角度。首先開(kāi)啟4臺(tái)激光跟蹤儀，保證4臺(tái)激光跟蹤儀不斷光。然 后啟動(dòng)工件轉(zhuǎn)臺(tái)11，使其連續(xù)旋轉(zhuǎn)一定角度，同時(shí)4臺(tái)激光跟蹤儀跟蹤貓眼并連續(xù)采樣。記 4臺(tái)激光跟蹤儀獲得的旋轉(zhuǎn)弧線上的點(diǎn)到各個(gè)激光跟蹤儀的距離信息為M2。
[0029] 步驟S6 :利用最小二乘法對(duì)Ml和M2兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出兩組采樣點(diǎn)在虛擬 坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，分別記作D1和D2。
[0030] 步驟S7 :通過(guò)D1和D2可以擬合出兩個(gè)掃描弧線所在的圓面C1和C2，分別擬合出 過(guò)圓面C1和C2圓心的圓面法線L1和L2，確定出L1和L2之