CN104215186B - 摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系的测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系的测量装置和方法，该装置摆臂式轮廓仪测头系统包括接触式传感器夹具、接触式传感器、第一靶球和第二靶球，多功能测量显微镜包括多功能测量显微镜立柱头、多功能测量显微镜立柱和多功能测量显微镜工作台面。通过控制多功能测量显微镜工作台面实现X、Y方向的移动，控制多功能测量显微镜立柱头实现Z方向的移动，分别使第一靶球、第二靶球和接触式传感器测头通过点源显微镜CCD成像并且在计算机窗口上显示对应光斑最小，此时多功能测量显微镜的坐标即是第一靶球的球心、第二靶球的球心和接触式传感器的测头的球心对应测量的空间位置坐标。本发明精度较高，同时可以方便快捷的实现。
Description
技术领域
本发明属于几何量精密测试领域，涉及摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系的测量装置和方法，适用于空间位置坐标关系的测量。
背景技术
摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系是指第一靶球的球心、第二靶球的球心和接触式传感器的测头的球心之间的相对空间位置坐标关系。
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，其最大的特点是直接安装在待测光学镜面旁，将待测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，对待测镜面进行实现在位检测。在使用摆臂式轮廓仪对待测镜面面形进行检测时，发现摆臂式轮廓仪有效臂长精度对面形检测精度会产生一定的影响。为了减小有效臂长精度的影响，实现高精度测量，采用激光跟踪仪对摆臂式轮廓仪有效臂长进行测量。采用该测量方法时，需要对摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系进行测量。
由于摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系是一个三维空间内相对空间关系，无法用常规的测量方法实现高精度的测量，本发明中采用点源显微镜对该空间位置坐标关系进行测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题：为了使用激光跟踪仪对摆臂式轮廓仪有效臂长进行测量，需要对摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系进行测量。本发明的目的是提供能够精确测量摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系的装置和方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系的测量装置，该装置由摆臂式轮廓仪测头系统支撑架、摆臂式轮廓仪测头系统、多功能测量显微镜、点源显微镜连接板、计算机、点源显微镜和大理石台面组成，摆臂式轮廓仪测头系统包括接触式传感器夹具、接触式传感器、第一靶球和第二靶球，多功能测量显微镜包括多功能测量显微镜立柱头、多功能测量显微镜立柱和多功能测量显微镜工作台面，其中：
接触式传感器通过接触式传感器夹具上的通孔安装夹紧，第一靶球、第二靶球靠磁力吸附于接触式传感器夹具上；
多功能测量显微镜工作台面通过X和Y两方向导轨安装于大理石台面上，多功能测量显微镜立柱固定安装于大理石台面上，多功能测量显微镜立柱头通过Z方向导轨安装于多功能测量显微镜立柱上；
摆臂式轮廓仪测头系统支撑架下端面固定安装在多功能测量显微镜工作台面上，上端面与接触式传感器夹具下端面通过安装孔固定安装；
点源显微镜连接板上部分通过安装孔与多功能测量显微镜立柱头固定安装，下部分通过安装孔与点源显微镜固定安装；
多功能测量显微镜工作台面通过X、Y方向导轨移动，同时带动摆臂式轮廓仪测头系统实现X、Y方向的移动；多功能测量显微镜立柱头通过Z方向导轨移动，同时带动点源显微镜实现Z方向的移动；控制X、Y和Z三个方向的移动，分别使第一靶球、第二靶球和接触式传感器的测头通过点源显微镜CCD成像并且在计算机显示屏上显示对应光斑最小，此时多功能测量显微镜的坐标即是第一靶球的球心、第二靶球的球心和接触式传感器的测头的球心对应测量的空间位置坐标；
计算机通过数据采集线与点源显微镜相连，将点源显微镜CCD上所成像通过计算机窗口显示。
进一步的，多功能测量显微镜的X、Y和Z三个方向的定位精度为1μm，多功能测量显微镜工作台面的X方向的运动范围是0～250mm，多功能测量显微镜工作台面的Y方向的运动范围是0～200mm，多功能测量显微镜立柱头的Z方向的运动范围是0～200mm。
进一步的，接触式传感器的分辨力为25nm，测量精度为0.2μm，测量范围0～25mm。
进一步的，第一靶球、第二靶球由铁材料制成，为反射式，外轮廓为球形。
本发明另外提供一种摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系的测量方法，包括步骤如下：
步骤S1：启动多功能测量显微镜，使多功能测量显微镜的坐标系回到绝对零位并初始化；
步骤S2：控制多功能测量显微镜X、Y和Z三个方向的移动，使第一靶球通过点源显微镜的CCD成像并且在计算机显示屏上显示对应光斑最小，此时多功能测量显微镜的坐标即是第一靶球的球心空间位置坐标，记为(x1，y1，z1)；
步骤S3：控制多功能测量显微镜X、Y和Z三个方向的移动，使第二靶球通过点源显微镜的CCD成像并且在计算机显示屏上显示对应光斑最小，此时多功能测量显微镜的坐标即是第二靶球的球心空间位置坐标，记为(x2，y2，z2)；
步骤S4：控制多功能测量显微镜X、Y和Z三个方向的移动，使接触式传感器的测头通过点源显微镜的CCD成像并且在计算机显示屏上显示对应光斑最小，此时多功能测量显微镜的坐标即是接触式传感器的测头的球心空间位置坐标，记为(x3，y3，z3)；
步骤S5：通过坐标平移变换，可以得到第一靶球的球心、第二靶球的球心和接触式传感器的测头的球心三者之间的相对空间位置坐标关系。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明采用点源显微镜测量摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系方法，利用点源显微镜可以找到球体球心和多功能测量显微镜实现X、Y和Z三个方向的精确定位移动，准确测量出测头系统中第一靶球的球心、第二靶球的球心和接触式传感器的测头的球心三者之间的空间位置坐标。该种测量方法的精度较高，同时可以方便快捷的实现。
附图说明
图1是本发明测量摆臂式轮廓仪测头系统空间位置关系的装置的结构示意图。
图2是本发明测量摆臂式轮廓仪测头系统空间位置关系的方法流程图。
图3是摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，摆臂式轮廓仪测头系统空间位置关系的装置的结构包括：摆臂式轮廓仪测头系统支撑架1、摆臂式轮廓仪测头系统、多功能测量显微镜、点源显微镜连接板5、计算机7、点源显微镜8和大理石台面10组成，摆臂式轮廓仪测头系统包括接触式传感器夹具2、接触式传感器3、第一靶球11和第二靶球12，多功能测量显微镜包括多功能测量显微镜立柱头4、多功能测量显微镜立柱6和多功能测量显微镜工作台面9，其中：
接触式传感器3通过接触式传感器夹具2上的通孔安装夹紧，第一靶球11、第二靶球12靠磁力吸附于接触式传感器夹具2上；
多功能测量显微镜工作台面9通过X和Y两方向导轨安装于大理石台面10上，多功能测量显微镜立柱6固定安装于大理石台面10上，多功能测量显微镜立柱头4通过Z方向导轨安装于多功能测量显微镜立柱6上；
摆臂式轮廓仪测头系统支撑架1下端面固定安装在多功能测量显微镜工作台面9上，上端面与接触式传感器夹具2下端面通过安装孔固定安装；
点源显微镜连接板5上部分通过安装孔与多功能测量显微镜立柱头4固定安装，下部分通过安装孔与点源显微镜8固定安装；
多功能测量显微镜工作台面9通过X、Y方向导轨移动，同时带动摆臂式轮廓仪测头系统实现X、Y方向的移动；多功能测量显微镜立柱头4通过Z方向导轨移动，同时带动点源显微镜8实现Z方向的移动；控制X、Y和Z三个方向的移动，分别使第一靶球11、第二靶球12和接触式传感器3的测头通过点源显微镜CCD成像并且在计算机显示屏上显示对应光斑最小，此时多功能测量显微镜的坐标即是第一靶球11的球心、第二靶球12的球心和接触式传感器3的测头的球心对应测量的空间位置坐标；
多功能测量显微镜的X、Y和Z三个方向的定位精度为1μm，多功能测量显微镜工作台面9的X方向的运动范围是0～250mm，多功能测量显微镜工作台面9的Y方向的运动范围是0～200mm，多功能测量显微镜立柱头4的Z方向的运动范围是0～200mm；
接触式传感器3的分辨力为25nm，测量精度为0.2μm，测量范围0～25mm；
第一靶球11、第二靶球12由铁材料制成，为反射式，外轮廓为球形；
计算机7通过数据线与点源显微镜8连接，显示点源显微镜8内部CCD上所成像。
如图2所示，摆臂式轮廓仪测头系统空间位置关系的测量方法，所述测量步骤包括：
步骤S1：启动多功能测量显微镜，使多功能测量显微镜的坐标系回到绝对零位并初始化；
步骤S2：控制多功能测量显微镜X、Y和Z三个方向的移动，使第一靶球11通过点源显微镜8的CCD成像并且在计算机7显示屏上显示对应光斑最小，此时多功能测量显微镜的坐标即是第一靶球11的球心空间位置坐标，记为(x1，y1，z1)；
步骤S3：控制多功能测量显微镜X、Y和Z三个方向的移动，使第二靶球12通过点源显微镜8的CCD成像并且在计算机7显示屏上显示对应光斑最小，此时多功能测量显微镜的坐标即是第二靶球12的球心空间位置坐标，记为(x2，y2，z2)；
步骤S4：控制多功能测量显微镜X、Y和Z三个方向的移动，使接触式传感器3的测头通过点源显微镜8的CCD成像并且在计算机7显示屏上显示对应光斑最小，此时多功能测量显微镜的坐标即是接触式传感器3的测头的球心空间位置坐标，记为(x3，y3，z3)；
步骤S5：通过坐标平移变换，可以得到第一靶球11的球心、第二靶球12的球心和接触式传感器3的测头的球心三者之间的相对空间位置坐标关系。
如图3所示，摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系通过从多功能测量显微镜坐标系到建立在第一靶球11的球心坐标系XYZO的坐标平移变换，可以得到第二靶球12的球心和接触式传感器3的测头的球心相对第一靶球11的球心的空间位置坐标关系。记平移矩阵为[Δx Δy Δz]T,则有：
则有[Δx Δy Δz]T＝[-x1 -y1 -z1]，则有第二靶球12的球心相对第一靶球11的球心的空间位置坐标为(x2-x1,y2-y1,z2-z1)，接触式传感器3的测头的球心相对第一靶球11的球心的空间位置坐标为(x3-x1,y3-y1,z3-z1)。
综上摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系为第一靶球11的球心坐标为(0,0,0)，第二靶球12的球心坐标为(x2-x1,y2-y1,z2-z1)，接触式传感器3的测头的球心坐标为：(x3-x1,y3-y1,z3-z1)。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (5)
1.一种摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系的测量装置，其特征在于：
由摆臂式轮廓仪测头系统支撑架、摆臂式轮廓仪测头系统、多功能测量显微镜、点源显微镜连接板、计算机、点源显微镜和大理石台面组成，摆臂式轮廓仪测头系统包括接触式传感器夹具、接触式传感器、第一靶球和第二靶球，多功能测量显微镜包括多功能测量显微镜立柱头、多功能测量显微镜立柱和多功能测量显微镜工作台面，其中：
接触式传感器通过接触式传感器夹具上的通孔安装夹紧，第一靶球、第二靶球靠磁力吸附于接触式传感器夹具上；
多功能测量显微镜工作台面通过X和Y两方向导轨安装于大理石台面上，多功能测量显微镜立柱固定安装于大理石台面上，多功能测量显微镜立柱头通过Z方向导轨安装于多功能测量显微镜立柱上；
摆臂式轮廓仪测头系统支撑架下端面固定安装在多功能测量显微镜工作台面上，上端面与接触式传感器夹具下端面通过安装孔固定安装；
点源显微镜连接板上部分通过安装孔与多功能测量显微镜立柱头固定安装，下部分通过安装孔与点源显微镜固定安装；
多功能测量显微镜工作台面通过X、Y方向导轨移动，同时带动摆臂式轮廓仪测头系统实现X、Y方向的移动；多功能测量显微镜立柱头通过Z方向导轨移动，同时带动点源显微镜实现Z方向的移动；控制X、Y和Z三个方向的移动，分别使第一靶球、第二靶球和接触式传感器的测头通过点源显微镜CCD成像并且在计算机显示屏上显示对应光斑最小，此时多功能测量显微镜的坐标即是第一靶球的球心、第二靶球的球心和接触式传感器的测头的球心对应测量的空间位置坐标；
计算机通过数据采集线与点源显微镜相连，将点源显微镜CCD上所成像通过计算机窗口显示。
2.如权利要求1所述的摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系的测量装置，其特征在于：所述多功能测量显微镜的X、Y和Z三个方向的定位精度为1μm，多功能测量显微镜工作台面的X方向的运动范围是0～250mm，多功能测量显微镜工作台面的Y方向的运动范围是0～200mm，多功能测量显微镜立柱头的Z方向的运动范围是0～200mm。
3.如权利要求1所述的摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系的测量装置，其特征在于：所述接触式传感器的分辨力为25nm，测量精度为0.2μm，测量范围0～25mm。
4.如权利要求1所述的摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系的测量装置，其特征在于：所述第一靶球、第二靶球由铁材料制成，为反射式，外轮廓为球形。
5.一种摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系的测量方法，利用权利要求1所述的一种摆臂式轮廓仪测头系统空间位置坐标关系的测量装置，其特征在于：包括步骤如下：
步骤S1：启动多功能测量显微镜，使多功能测量显微镜的坐标系回到绝对零位并初始化；
步骤S2：控制多功能测量显微镜X、Y和Z三个方向的移动，使第一靶球通过点源显微镜的CCD成像并且在计算机显示屏上显示对应光斑最小，此时多功能测量显微镜的坐标即是第一靶球的球心空间位置坐标，记为(x1，y1，z1)；
步骤S3：控制多功能测量显微镜X、Y和Z三个方向的移动，使第二靶球通过点源显微镜的CCD成像并且在计算机显示屏上显示对应光斑最小，此时多功能测量显微镜的坐标即是第二靶球的球心空间位置坐标，记为(x2，y2，z2)；
步骤S4：控制多功能测量显微镜X、Y和Z三个方向的移动，使接触式传感器的测头通过点源显微镜的CCD成像并且在计算机显示屏上显示对应光斑最小，此时多功能测量显微镜的坐标即是接触式传感器的测头的球心空间位置坐标，记为(x3，y3，z3)；
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