CN103344195B - 一种传感器旋转的摆臂式轮廓仪测头对心校准装置 - Google Patents

Abstract

一种传感器旋转的摆臂式轮廓仪测头对心校准装置，由轮廓仪测头、轮廓仪测头微调机构、横臂、立柱、配重、横臂转台、工件转台和光学测头组成；光学测头固定于工件转台上绕轮廓仪测头进行旋转运动，获得轮廓仪测头的外轮廓数据，通过数据处理算法求出轮廓仪测头的中心位置信息，通过调整轮廓仪测头微调机构实现轮廓仪测头与工件转台的对心调整。本发明实现轮廓仪测头与工件转台的对心调整，为摆臂式轮廓仪在光学加工现场的在位测量提供实用化的解决方案。

Description

一种传感器旋转的摆臂式轮廓仪测头对心校准装置

技术领域

本发明涉及一种传感器旋转的摆臂式轮廓仪测头对心校准装置，属于光学检测技术领域，适用于摆臂式轮廓仪测头与工件转台的对心校准。

背景技术

摆臂式轮廓仪是一种有效的光学镜面加工过程的在位检测仪器，其最大的优点是可以直接架设在光学镜面加工机床旁边，将光学镜面加工机床的转台作为摆臂式轮廓仪的工作转台使用，对被测镜面进行在位检测。这种方法在方便的同时也带来了另外一个问题：如何保证检测过程中摆臂式轮廓仪测头中心经过工件转台的旋转中心？如果摆臂式轮廓仪测头中心不经过工件转台的旋转中心，摆臂式轮廓仪坐标系将不成立，摆臂式轮廓仪的测量结果将不能反映被测镜面实际的面形误差。目前，对于摆臂式轮廓仪测头中心经过工件转台的旋转中心没有有效的对心方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种传感器旋转的摆臂式轮廓仪测头对心校准装置，实现轮廓仪测头与工件转台的对心调整，为摆臂式轮廓仪在光学加工现场的在位测量提供实用化的解决方案。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种传感器旋转的摆臂式轮廓仪测头对心校准装置，由轮廓仪测头、轮廓仪测头微调机构、横臂、立柱、配重、横臂转台、工件转台和光学测头组成；轮廓仪测头和轮廓仪测头微调机构固定在横臂末端，轮廓仪测头微调机构可实现X，Y，Z，俯仰和偏摆5个自由度的微调，立柱用于连接横臂和横臂转台，配重用于平衡轮廓仪测头和横臂以保证横臂转台平稳的旋转，光学测头固定于工件转台上绕轮廓仪测头进行旋转运动，获得轮廓仪测头的外轮廓数据，通过数据处理算法求出轮廓仪测头的中心位置信息，通过调整轮廓仪测头微调机构实现轮廓仪测头与工件转台的对心调整。

所述的传感器为高精度非接触式光学测头，其测头分辨力为10nm，测头量程1mm，测量精度为0.5μm。

所述的摆臂式轮廓仪由轮廓仪测头、轮廓仪测头微调机构、横臂、立柱、配重、横臂转台和工件转台组成。

所述的轮廓仪测头为高精度接触式测头，测头分辨力为25nm，测量精度为50nm。

所述的轮廓仪测头微调机构可实现X，Y，Z，俯仰和偏摆5个自由度的微调。

所述的横臂和立柱用于连接横臂转台和测头系统，并完成测头的旋转运动。

所述的配重用于平衡测头系统和横臂以保证横臂转台保持平稳的旋转。

所述的横臂转台为高精度气浮转台，转台的端面跳动为25nm，转台的角晃动为0.02″，用于完成两套测头系统的旋转运动。

所述的工件转台为加工现场的机床转台，用于完成光学测头的旋转运动。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明采用传感器旋转的摆臂式轮廓仪测头对心校准方法，可以实现轮廓仪测头与工件转台的对心调整，为摆臂式轮廓仪在光学加工现场的在位测量提供了实用化的解决方案。

附图说明

图1是本发明传感器旋转的摆臂式轮廓仪测头对心校准装置的结构示意图；

图2是本发明轮廓仪测头的外轮廓数据拟合示意图；

图3是本发明轮廓仪测头扫描的测量轨迹图；

图中主要元件说明：1为轮廓仪测头；2为轮廓仪测头微调机构；3为横臂；4为立柱；5为配重；6为横臂转台；7为工件转台；8为光学测头；另外：

C1为工件转台的旋转中心；

(X2，Y2)为轮廓仪测头的中心；

R为光学测头的测量值；

θ为工件转台的角度值；

P1为轮廓仪测头的外轮廓拟合圆；

P2为轮廓仪测头的外轮廓数据；

M为轮廓仪测头的扫描测量轨迹；

具体实施方式

如图1所示，为传感器旋转的摆臂式轮廓仪测头对心校准装置结构示意图，包括轮廓仪测头1、轮廓仪测头微调机构2、横臂3、立柱4、配重5、横臂转台6、工件转台7和光学测头8。所述的轮廓仪测头1为高精度接触式测头，测头分辨力为25nm，测量精度为50nm。所述的轮廓仪测头微调机构2可实现X，Y，Z，俯仰和偏摆5个自由度的微调。所述的横臂3和立柱4用于连接横臂转台6和轮廓仪测头1，并完成轮廓仪测头1的旋转运动。所述的配重5用于平衡轮廓仪测头1、轮廓仪测头微调机构2和横臂3以保证横臂转台6保持平稳的旋转。所述的横臂转台6为高精度气浮转台，转台的端面跳动为25nm，转台的角晃动为0.02″，用于完成轮廓仪测头1的旋转运动。所述的工件转台6为加工现场的机床转台，用于完成光学测头8的旋转运动。

光学测头8固定于工件转台7上绕轮廓仪测头1进行旋转运动。通过工件转台7内部的编码器获取工件转台7的角度值θ，通过光学测头8的测量值R获取轮廓仪测头1的外轮廓数值，光学测头8旋转一圈后可获得轮廓仪测头1的外轮廓数据P2，如图2所示。

通过公式：

$\left\{\begin{array}{c}X=R\×\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\\ Y=R\×\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right.---(1)$

可将外轮廓数据P2转换为直角坐标数据。

通过如下的数据拟合算法：

abc＝[XY1]\[-(X²+Y²)](2)

式中“\”为矩阵的左除。

$\left\{\begin{array}{c}a=\mathrm{abc}\left(1\right)\\ b=\mathrm{abc}\left(2\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

可计算得出轮廓仪测头1的外轮廓拟合圆P1和中心位置信息：

$\left\{\begin{array}{c}X2=-\frac{a}{2}\\ Y2=-\frac{b}{2}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，（X,Y）为轮廓仪测头1外轮廓的坐标,(X2,Y2)为轮廓仪测头中心的坐标。

通过分析轮廓仪测头1的中心位置信息(X2,Y2)与工件转台7的旋转中心C1的关系可指导技术人员通过调整轮廓仪测头微调机构2实现轮廓仪测头1与工件转台7的对心调整。

如图3所示，为经过精确对心调整后的轮廓仪测头扫描的测量轨迹图。M为工件转台7转到不同角度时，轮廓仪测头的扫描测量轨迹，从图中可以看出轮廓仪测头的扫描测量轨迹M均通过工件转台7的旋转中心C1。

本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。

Claims (1)

1.一种传感器旋转的摆臂式轮廓仪测头对心校准装置，其特征在于：由轮廓仪测头(1)、轮廓仪测头微调机构(2)、横臂(3)、立柱(4)、配重(5)、横臂转台(6)、工件转台(7)和光学测头(8)组成；轮廓仪测头(1)和轮廓仪测头微调机构(2)固定在横臂(3)末端，轮廓仪测头微调机构(2)可实现X，Y，Z，俯仰和偏摆5个自由度的微调，立柱(4)和横臂(3)用于连接轮廓仪测头(1)和横臂转台(6)，配重(5)用于平衡轮廓仪测头(1)、轮廓仪测头微调机构(2)和横臂(3)以保证横臂转台(6)平稳的旋转，光学测头(8)固定于工件转台(7)上绕轮廓仪测头(1)进行旋转运动，获得轮廓仪测头(1)的外轮廓数据，通过数据处理算法求出轮廓仪测头(1)的中心位置信息，通过调整轮廓仪测头微调机构(2)实现轮廓仪测头(1)与工件转台(7)的对心调整；所述的轮廓仪测头(1)为高精度接触式测头，测头分辨力为25nm，测量精度为50nm；

所述的光学测头(8)为高精度非接触式测头，测头分辨力为10nm，测头量程1mm，测量精度为0.5μm。