CN105081888A - 一种二维振动辅助激光扫描在位检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二维振动辅助激光扫描在位检测系统，包括随动导轨和X轴导轨，以及与该随动导轨匹配连接的随动导轨连接件；还包括Y轴音圈电机、激光位移传感器、X轴音圈电机和X轴运动平台；随动导轨平行于X轴导轨，可沿该X轴导轨方向来回滑动，而所述随动导轨连接件在X轴方向上保持不动。随动导轨的存在使得与随动导轨连接件相连接的Y轴音圈电机在激光位移传感器拉动随动导轨沿X轴导轨运动时能够保持不动，从而Y轴音圈电机的质量不会成为激光位移传感器在X轴方向运动的阻力，因而不用增大X轴音圈电机的功率和体积。本发明实现了在位检测，在保证精度的同时具有较好的检测效率，抗干扰性好，可以应用于不同场合和用于不同目标的检测。

Description

一种二维振动辅助激光扫描在位检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种在位检测系统及其检测方法，尤其涉及一种二维振动辅助激光扫描在位检测系统及其检测方法，属于大口径光学镜面几何测量技术领域。

背景技术

随着现代军事和航天航空的快速发展以及先进制造技术的不断突破，越来越多的大型光学镜面得到了应用，精度要求也越来越高。然而在机床加工大口径光学镜面时，为了提高加工精度，需要不断进行加工-检测-加工。目前大口径光学镜面主要通过离线设备进行检测，然而由于镜面体积重量大，不容易搬动，而且价格昂贵，为保证搬运过程的安全性，搬运时需要耗费大量时间和人力物力，测量完成之后还要再次搬运到加工设备上，又会带来二次安装误差，因此离线方法最好适用于面型的最终检测。

为了保证加工精度和加工效率，对大口径光学镜面进行在位检测是最好的方法。目前在位测量方法也已经应用于大口径光学镜面加工中，例如在位测头、结构光方法以及干涉方法，然而各种方法都有明显的缺陷。在位测头通常采用触发式测头，具有较好的检测精度但是检测效率低下；扫描式测头也可用于在位检测，但是价格昂贵；结构光方法检测效率高，但是检测精度不能满足要求；干涉方法检测效率和检测精度都不错，但是对环境要求高，而且仪器本身价格昂贵，需要配置大型夹具来进行检测，经济型较差，不适合推广应用。

发明内容

为解决在位检测，同时克服检测效率低下、精度不足、价格昂贵等问题，本发明的目的是提供一种二维振动辅助激光扫描在位检测系统，包括随动导轨和X轴导轨，以及与所述随动导轨匹配连接的随动导轨连接件；所述随动导轨平行于所述X轴导轨，可沿所述X轴导轨方向来回滑动，而所述随动导轨连接件在X轴方向上保持不动。

本发明的另一较佳实施方式是，还包括Y轴音圈电机、Y轴导轨、Y轴运动平台、激光位移传感器、X轴音圈电机、X轴运动平台连接件和X轴运动平台；所述Y轴音圈电机、所述随动导轨连接件、所述随动导轨和所述激光位移传感器依次连接；从上到下依次设置所述激光位移传感器、所述Y轴运动平台、所述Y轴导轨、所述X轴运动平台、所述X轴导轨；所述X轴音圈电机通过所述X轴运动平台连接件与X轴运动平台连接；

其中，进一步地将所述Y轴音圈电机和X轴音圈电机设置为：当所述Y轴音圈电机产生作用力时，推动所述随动导轨连接件、所述随动导轨、所述激光位移传感器和所述Y轴运动平台沿所述Y轴导轨运动；当所述X轴音圈电机产生作用力时，推动所述X轴运动平台连接件、所述X轴运动平台、所述Y轴导轨、所述Y轴运动平台、所述激光位移传感器、所述随动导轨沿所述X轴导轨运动。

本发明的另一较佳实施方式是，还包括Y轴光栅和X轴光栅；所述Y轴光栅设置在所述Y轴导轨旁边，用于监测所述激光位移传感器在Y轴方向上的移动距离；所述X轴光栅设置在所述X轴导轨旁边，用于监测所述激光位移传感器在X轴方向上的移动距离；从而实现全闭环运动控制。优选地是，所述X轴光栅和所述Y轴光栅均是高精密光栅。

本发明的另一较佳实施方式是，还包括振动平台基座和电机固定支座；所述Y轴音圈电机和所述X轴音圈电机设置在所述电机固定支座上；所述电机固定支座和所述X轴导轨设置在所述振动平台基座上；所述振动平台基座可拆卸地连接到机床上。所述振动平台基座可拆卸地连接到机床上是指当需要加工时，机床运动到一头，本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统通过机床控制系统自动卸下；当需要检测时，将本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统安装到机床上后进行检测。因此，避免了被测工件的搬运。

本发明的另一较佳实施方式是，所述振动平台基座采用花岗岩材料制备。

本发明的另一较佳实施方式是，还包括驱动与控制系统、数据处理系统；所述激光位移传感器通过所述驱动与控制系统调节所述X轴音圈电机的频率和所述Y轴音圈电机的频率，得到各种扫描轮廓和大量面型数据，再通过所述数据处理系统进行数据处理、拼接和融合，得到所测面型的误差。

本发明的另一较佳实施方式是，所述Y轴音圈电机包括连接在一起的Y轴电机定子和Y轴电机动子；所述Y轴电机动子与所述随动导轨连接件相连，能与所述随动导轨连接件一同在Y轴方向上运动；所述X轴音圈电机包括连接在一起的X轴电机定子和X轴电机动子；所述X轴电机动子与所述X轴运动平台连接件相连，能与所述X轴运动平台连接件一同在X轴方向上运动。

本发明的另一较佳实施方式是，所述X轴音圈电机和所述Y轴音圈电机均通过频率调节，获得不同形状的扫描曲线；根据所测面型选择合适的频率，从而提高检测效率。

本发明的另一目的是提供一种如上所述的二维振动辅助激光扫描在位检测系统的应用是作为大口径光学镜面机床的配套检测装置。优选地是，作为超精密大口径光学镜面磨床的配套检测装置。磨床是机床中的一种。

本发明的第三个目的是提供一种如上所述的二维振动辅助激光扫描在位检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：通过激光干涉仪进行机床和所述二维振动辅助激光扫描在位检测系统的标定，得到所述机床和所述二维振动辅助激光扫描在位检测系统的几何误差；

步骤二：根据需要通过所述驱动与控制系统设定所述X轴音圈电机的频率和所述Y轴音圈电机的频率，得到被检测的大口径光学镜面的相应的局部扫描轨迹；

步骤三：机床按事先规划好的轨迹作相应运动，结合所述二维振动辅助激光扫描在位检测系统的运动，进行大范围的扫描运动，得到大量数据点；

步骤四：通过所述数据处理系统对所述步骤三得到的大量数据点进行数据滤波预处理，以及基于多贝叶斯和/或神经融合算法进行局部数据融合，将大量冗余数据信息进行融合后，得到数量较少但精度较高的点，对每一部分局部检测数据都进行相应的融合，然后将数据进行拼接，得到检测区域的数据；

步骤五：通过所述数据处理系统将所述步骤一得到的几何误差以数字补偿方式对所述步骤四得到的检测区域的数据进行补偿，得到被检测的大口径光学镜面的曲面误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统可以自如的安装机床和从机床上卸载，实现光学镜面的在位检测，极大地提高检测效率，最大限度地减小由于被测元件搬运带来的成本和误差；

(2)通过X轴音圈电机和Y轴音圈电机控制激光位移传感器的快速的前后左右运动，短时间内获得局部检测部位的大量面型数据，然后本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统又随着机床按某一轨迹运动，从而可在检测范围内得到大量数据；

(3)本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统和机床的误差可以通过激光干涉仪得到并可以进行数字补偿，然后对大量数据进行处理和融合，可以极大地提高检测精度；

(4)设置有高精密的X轴光栅和Y轴光栅，从而可以实现全闭环运动控制，使得检测精度更可靠；

(5)由于存在随动导轨，使得Y轴音圈电机和随动导轨连接件不会随着随动导轨、激光位移传感器、Y轴运动平台、Y轴导轨和X轴运动平台一同沿X轴导轨运动，即Y轴音圈电机的质量不会施加到该X轴运动平台上。从而不需要增大X轴音圈电机的额定推力，也不需要增大本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统的整体体积。因此减小了本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统的整体动载荷和尺寸，保证精度，有利于灵活方便的在机床上装卸。

附图说明

图1是本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统的一个具体实施方式与超精密磨床的集成图。

图2是本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统的一个具体实施方式的结构立体图。

图3是本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统的一个具体实施方式的另一观察位的结构立体图。

图4-7是不同频率下的本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统的轨迹图。

图8是本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统在两轴低频联动时运行1s的轨迹图。

图9是机床三轴联动的轨迹图。

图10是在图8和图9条件下的二维振动辅助激光扫描在位检测系统的轨迹图。

图11是本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统的检测和数据分析流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，是本发明的二维振动辅助激光扫描在位检测系统的一个具体实施方式与超精密磨床的集成图。其检测对象可以是大型空间反射镜。该二维振动辅助激光扫描在位检测系统20集成在磨床21的主轴上，能与主轴一起运动。磨床是机床中的一种。该二维振动辅助激光扫描在位检测系统，如图2和3所示，包括振动平台基座1、电机固定支座2、Y轴音圈电机4、随动导轨连接件13、随动导轨14、激光位移传感器6、Y轴运动平台15、Y轴导轨8、Y轴光栅7、X轴音圈电机3、X轴运动平台连接件16、X轴运动平台5、X轴导轨9、X轴光栅10，以及驱动与控制系统和数据处理系统。Y轴音圈电机4包括Y轴电机定子11和Y轴电机动子12；X轴音圈电机3包括X轴电机定子17和X轴电机动子18。

其连接关系是：电机固定支座2和X轴导轨9设置在振动平台基座1上；X轴电机定子17和Y轴电机定子11设置在电机固定支座2上；Y轴电机定子11、Y轴电机动子12、随动导轨连接件13、随动导轨14和激光位移传感器6依次连接；由上到下依次设置有激光位移传感器6、Y轴运动平台15、Y轴导轨8、X轴运动平台5、X轴导轨9和振动平台基座1；X轴电机定子17、X轴电机动子18、X轴运动平台连接件16、X轴运动平台5依次连接；Y轴光栅7和X轴光栅10分别设置在Y轴导轨8和X轴导轨9旁边，用于监测激光位移传感器6在Y轴和X轴方向上实际移动的距离，即是否按照设定的轨迹运动，实现闭环运动控制。Y轴光栅7和X轴光栅10均为高精度光栅。

随动导轨14与X轴导轨9平行，Y轴导轨8垂直于随动导轨14和X轴导轨9。随动导轨连接件13与随动导轨14相匹配，能够在随动导轨14上来回滑动；Y轴运动平台15与Y轴导轨8相匹配，能够在Y轴导轨8上来回滑动；X轴运动平台5与X轴导轨9相配，能够在X轴导轨9上来回滑动。

当Y轴电机定子11产生作用力时，推动Y轴电机动子12、随动导轨连接件13、随动导轨14、激光位移传感器6和Y轴运动平台15沿Y轴导轨8运动。Y轴电机定子11的质量不会施加到Y轴运动平台15上，从而比现有技术减小了Y轴方向上的运动质量。

当X轴电机定子17产生作用力时，推动X轴电机动子18、X轴运动平台连接件16、X轴运动平台5、Y轴导轨8、Y轴运动平台15、激光位移传感器6和随动导轨14沿X轴导轨9运动。此时，随动导轨14与随动导轨连接件13之间产生在X轴导轨9方向上相对位移，使得Y轴音圈电机4(包括Y轴电机定子11和Y轴电机动子12)和随动导轨连接件13在X轴导轨9方向上保持不动。Y轴电机定子11、Y轴电机动子12和X轴电机定子17的质量均不会施加到X轴运动平台5上，从而比现有技术减小了X轴方向上的运动质量。

通过调节X轴音圈电机3的频率和Y轴音圈电机4的频率，得到各种扫描轮廓和大量面型数据，通过数据处理、拼接和融合技术，得到面型误差。该二维振动辅助激光扫描在位检测系统能够达到2μm的精度，通过与机床集成可以在机床整个行程范围内进行大面积的检测。

X轴音圈电机3和Y轴音圈电机4通过频率调节，可以获得不同形状的扫描曲线，如图4-7所示，短时间内可以获得大量的测量数据。根据需要选择合适的频率，可以提高检测效率。

二维振动辅助激光扫描在位检测系统20的X和Y轴具有很好的直线度和垂直度，振动平台基座1采用精度好，性能稳定的花岗岩材料，与磨床21集成于一体，随着主轴一起运动，通过路径规划可以得到较优的检测路径，得到不同形状的检测点云。如图8-10所示，二维振动辅助激光扫描在位检测系统和机床都在运动，机床按时限规划好的轨迹运动，二维振动辅助激光扫描在位检测系统按照一定的频率振动，可以看到在较短的时间内得到大量的冗余数据，可以进行后续的数据融合提高检测精度。当需要加工时，机床运动到一头，二维振动辅助激光扫描在位检测系统通过机床控制系统自动卸下，当需要检测时，二维振动辅助激光扫描在位检测系统装夹上后进行检测，避免了工件的搬运。具体实施流程如图11所示，首先根据需要来设定X轴音圈电机和Y轴音圈电机的频率，得到相应的局部扫描轨迹；机床按事先的规划好的轨迹作相应运动，结合二维振动辅助激光扫描在位检测系统的运动，可以进行大范围的扫描运动，得到大量数据点。再通过数据滤波等预处理后，基于多贝叶斯等融合算法进行局部数据融合，将大量冗余数据信息进行融合后，得到数量较少但精度较高的点，对每一部分局部检测数据都进行相应的融合，然后将数据进行拼接，得到检测区域的数据。事先通过激光干涉仪进行机床和二维振动辅助激光扫描在位检测系统的标定，得到机床和二维振动辅助激光扫描在位检测系统的几何误差，然后通过数字补偿方式对处理后的数据进行补偿，得到了被测大口径光学镜面的曲面误差。通过该二维振动辅助激光扫描在位检测系统，在保证精度的同时具有较好的检测效率，抗干扰性好，可以应用于不同场合和用于不同目标的检测。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种二维振动辅助激光扫描在位检测系统，其特征在于，包括随动导轨和X轴导轨，以及与所述随动导轨匹配连接的随动导轨连接件；所述随动导轨平行于所述X轴导轨，可沿所述X轴导轨方向来回滑动，而所述随动导轨连接件在X轴方向上保持不动。

2.如权利要求1所述的二维振动辅助激光扫描在位检测系统，其特征在于，还包括Y轴音圈电机、Y轴导轨、Y轴运动平台、激光位移传感器、X轴音圈电机、X轴运动平台连接件和X轴运动平台；所述Y轴音圈电机、所述随动导轨连接件、所述随动导轨和所述激光位移传感器依次连接；从上到下依次设置所述激光位移传感器、所述Y轴运动平台、所述Y轴导轨、所述X轴运动平台、所述X轴导轨；所述X轴音圈电机通过所述X轴运动平台连接件与X轴运动平台连接；

其中，进一步地将所述Y轴音圈电机和X轴音圈电机设置为：当所述Y轴音圈电机产生作用力时，推动所述随动导轨连接件、所述随动导轨、所述激光位移传感器和所述Y轴运动平台沿所述Y轴导轨运动；当所述X轴音圈电机产生作用力时，推动所述X轴运动平台连接件、所述X轴运动平台、所述Y轴导轨、所述Y轴运动平台、所述激光位移传感器、所述随动导轨沿所述X轴导轨运动。

3.如权利要求2所述的二维振动辅助激光扫描在位检测系统，其特征在于，还包括Y轴光栅和X轴光栅；所述Y轴光栅设置在所述Y轴导轨旁边，用于监测所述激光位移传感器在Y轴方向上的移动距离；所述X轴光栅设置在所述X轴导轨旁边，用于监测所述激光位移传感器在X轴方向上的移动距离；从而实现全闭环运动控制。

4.如权利要求2所述的二维振动辅助激光扫描在位检测系统，其特征在于，还包括振动平台基座和电机固定支座；所述Y轴音圈电机和所述X轴音圈电机设置在所述电机固定支座上；所述电机固定支座和所述X轴导轨设置在所述振动平台基座上；所述振动平台基座可拆卸地连接到机床上。

5.如权利要求4所述的二维振动辅助激光扫描在位检测系统，其特征在于，所述振动平台基座采用花岗岩材料制备。

6.如权利要求2所述的二维振动辅助激光扫描在位检测系统，其特征在于，还包括驱动与控制系统、数据处理系统；所述激光位移传感器通过所述驱动与控制系统调节所述X轴音圈电机的频率和所述Y轴音圈电机的频率，得到各种扫描轮廓和大量面型数据，再通过所述数据处理系统进行数据处理、拼接和融合，得到所测面型的误差。

7.如权利要求2所述的二维振动辅助激光扫描在位检测系统，其特征在于，所述Y轴音圈电机包括连接在一起的Y轴电机定子和Y轴电机动子；所述Y轴电机动子与所述随动导轨连接件相连，能与所述随动导轨连接件一同在Y轴方向上运动；所述X轴音圈电机包括连接在一起的X轴电机定子和X轴电机动子；所述X轴电机动子与所述X轴运动平台连接件相连，能与所述X轴运动平台连接件一同在X轴方向上运动。

8.如权利要求2所述的二维振动辅助激光扫描在位检测系统，其特征在于，所述X轴音圈电机和所述Y轴音圈电机均通过频率调节，获得不同形状的扫描曲线；根据所测面型选择合适的频率，从而提高检测效率。

9.如权利要求1～8任一项所述的二维振动辅助激光扫描在位检测系统的应用是作为大口径光学镜面机床的配套检测装置。

10.如权利要求1～8任一项所述的二维振动辅助激光扫描在位检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过激光干涉仪进行机床和所述二维振动辅助激光扫描在位检测系统的标定，得到所述机床和所述二维振动辅助激光扫描在位检测系统的几何误差；

步骤二：根据需要通过所述驱动与控制系统设定所述X轴音圈电机的频率和所述Y轴音圈电机的频率，得到被检测的大口径光学镜面的相应的局部扫描轨迹；

步骤三：机床按事先规划好的轨迹作相应运动，结合所述二维振动辅助激光扫描在位检测系统的运动，进行大范围的扫描运动，得到大量数据点；

步骤四：通过所述数据处理系统对所述步骤三得到的大量数据点进行数据滤波预处理，以及基于多贝叶斯和/或神经融合算法进行局部数据融合，将大量冗余数据信息进行融合后，得到数量较少但精度较高的点，对每一部分局部检测数据都进行相应的融合，然后将数据进行拼接，得到检测区域的数据；

步骤五：通过所述数据处理系统将所述步骤一得到的几何误差以数字补偿方式对所述步骤四得到的检测区域的数据进行补偿，得到被检测的大口径光学镜面的曲面误差。