CN106871831A - 一种大口径平面反射镜加工与检测坐标系对准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大口径平面反射镜加工与检测坐标系对准方法，包括靶标设置步骤，测量各靶标对应的检测位置坐标步骤，测量各靶标对应的加工位置坐标步骤，检测位置坐标换算步骤，拟合步骤。通过在大口径平面反射镜镜面粘贴i个靶标，利用检测仪器测量各靶标对应的检测位置坐标，将大口径平面反射镜移至加工设备，利用加工测头测量各靶标的加工位置坐标，对靶标在加工坐标系内测量结果与其在检测坐标系内测量结果的关系进行数学换算，可以得出经过变换后的坐标结果，用数学方法拟合，求得加工坐标系与检测坐标系的变换关系，从而将面形检测结果换算到加工坐标系内，进行加工坐标系与检测坐标系对准，提高了生产效率，同时保障了产品质量。

Description

一种大口径平面反射镜加工与检测坐标系对准方法
技术领域
本发明涉及平面镜加工与检测坐标系对准方法，特别是涉及一种大口径平面反射镜加工与检测坐标系对准方法。
背景技术
随着科技的发展，大口径平面反射镜越来越多的应用于大口径光学系统中，如空间望远镜、车载光学系统、遥感卫星等。大口径平面反射镜的制造是通过加工与检测迭代收敛最终完成的，即是加工一轮再检测一轮、再加工再检测、反复迭代对比加工和检测数据直至反射镜检测结果符合验收指标。其加工由数控机床完成，检测则是根据大口径平面反射镜镜面精度的不同而使用不同的检测仪器，例如三坐标测量仪等。但由于反复迭代对比耗费时间，致使生产率低下，同时引入人为的不确定因素，难于保障产品质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有大口径平面反射镜的制造是通过加工与检测迭代收敛来最终完成的缺点，提供一种大口径平面反射镜加工与检测坐标系对准方法，包括如下步骤，
靶标设置步骤：在大口径平面反射镜镜面粘贴i个靶标，i为不为0的自然数；
测量各靶标对应的检测位置坐标步骤：利用检测仪器在检测坐标系内测量各靶标对应的检测位置坐标，同时对平面反射镜进行面形检测；
测量各靶标对应的加工位置坐标步骤：将大口径平面反射镜移至加工设备，利用加工测头在加工坐标系内测量各靶标在加工设备上的位置坐标；
求解加工坐标系与检测坐标系变换关系步骤，包括：
检测位置坐标换算步骤：靶标在加工坐标系内测量结果与其在检测坐标系内测量结果的关系用数学方法进行数学换算，经过此换算关系可以得出靶标在检测坐标系内的检测位置坐标经过齐次坐标变换后在加工坐标系内的坐标结果；拟合步骤：用数学方法拟合，求得加工坐标系与检测坐标系之间的变换关系，从而将面形检测结果换算到加工设备相应的加工坐标系内；
加工坐标系与检测坐标系对准步骤：完成加工坐标系与检测坐标系的对准，对平面反射镜完成后续精确加工。
具体地，所述靶标设置步骤中靶标设置原则为：所述靶标设置在平面反射镜的镜面上，设置个数根据所要检测的参数个数而定。
具体地，所述测量各靶标对应的检测位置坐标步骤中，
检测仪器为三坐标测量仪，所述靶标设置个数i为3个，在检测坐标系内用检测测头测量各靶标对应的检测位置坐标，各靶标测量结果记为(xi，yi)，i＝1，2，3，其中i为靶标编号；
所述测量各靶标对应的加工位置坐标步骤中，
将大口径平面反射镜移至加工设备，利用加工测头在加工坐标系内测量各靶标在加工设备上的位置坐标，测量结果记为(Xi，Yi)，i＝1，2，3，其中i为靶标编号；
所述求解加工坐标系与检测坐标系变换关系步骤的检测位置坐标换算步骤中，
靶标在加工坐标系内测量结果与其在检测坐标系内测量结果关系满足其中(tx，ty)为加工坐标系与检测坐标系间的相对平移，θ为二者相对旋转角度，s为二者基准长度间的相对放大倍率，经过此换算关系可以得到其中(X′i，Y′i)为靶标在检测坐标系内的检测位置坐标(xi，yi)经过齐次坐标变换后在加工坐标系内的坐标结果；
所述求解加工坐标系与检测坐标系变换关系步骤的拟合步骤中，
所用数学方法为最小二乘法拟合求得加工坐标系与检测坐标系之间的变换关系，从而将检测结果换算到加工设备相应的加工坐标系内，进行加工坐标系与检测坐标系对准，对准后对平面反射镜完成后续精确加工。
优选地，所述靶标为圆形。
本发明的一种大口径平面反射镜加工与检测坐标系对准方法，克服了现有大口径平面反射镜是通过加工与检测迭代收敛来最终完成制造的缺点，在大口径平面反射镜镜面粘贴i个靶标，利用检测仪器在检测坐标系内用检测测头测量各靶标对应的检测位置坐标，将大口径平面反射镜移至加工设备，利用加工测头在加工坐标系内测量各靶标在加工设备上的位置坐标，对靶标在加工坐标系内测量结果与其在检测坐标系内测量结果的关系用数学方法进行数学换算，经过此换算关系可以得出经过变换后的坐标结果，用数学方法拟合，求得加工坐标系与检测坐标系(即加工设备坐标系与检测仪器坐标系)之间的变换关系，从而将面形检测结果换算到加工设备相应的加工坐标系内，即是进行加工坐标系与检测坐标系对准，对准后对平面反射镜完成后续精确加工。避免了反复迭代对比，提高了生产效率，同时保障了产品质量。
附图说明
图1为大口径平面反射镜粘贴靶标位置示意图；
图2为检测仪器测量靶标位置示意图；
图3为加工设备测量靶标位置示意图；
图4为本发明方法步骤流程图。
其中，1-第一靶标，2-第二靶标，3-第三靶标，4-大口径平面反射镜，5-检测仪器(三坐标测量仪)，51-检测测头，6-加工设备，61-加工测头。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步描述：
一种大口径平面反射镜加工与检测坐标系对准方法，如图4，为本发明方法步骤流程图，包括如下步骤，
靶标设置步骤：如图1，在大口径平面反射镜4的镜面上粘贴3个靶标，第一靶标1，第二靶标2，第三靶标3，各靶标均为圆形，利用该圆形靶标可以更精确的测量出其在加工坐标系(即加工设备坐标系)与检测坐标系(即检测仪器坐标系)中的位置坐标；
测量各靶标对应的检测位置坐标步骤：如图2，检测仪器5为三坐标测量仪，靶标设置个数为3个，在检测坐标系内用检测测头51测量各靶标第一靶标1、第二靶标2和第三靶标3对应的检测位置坐标，各靶标测量结果记为(xi，yi)，i＝1，2，3，其中i为靶标编号，本实施例中，如图2，纸面为检测坐标系的oxy平面，过o点垂直于纸面并朝向纸面的方向为oz轴的正向，o点为检测坐标系的原点；同时对平面反射镜进行面形检测，其检测结果记为TEST。
测量各靶标对应的加工位置坐标步骤：如图3，将大口径平面反射镜4移至加工设备6，本实施例中加工设备为加工机床，利用加工测头61在加工坐标系内测量各靶标在加工设备6上的位置坐标，各靶标测量结果记为(Xi，Yi)，i＝1，2，3，其中i为靶标编号，本实施例中，如图3，纸面为加工坐标系的oxy平面，过o点垂直于纸面并朝向纸面的方向为oz轴的正向，o点为加工坐标系的原点；
求解加工坐标系与检测坐标系变换关系步骤中的检测位置坐标换算步骤中，
靶标在加工坐标系内测量结果与其在检测坐标系内测量结果关系满足其中(tx，ty)为加工坐标系与检测坐标系间的相对平移，θ为二者相对旋转角度，s为二者基准长度间的相对放大倍率，经过此换算关系可以得到其中(X′i，Yi′)为靶标在检测坐标系内的检测位置坐标(xi，yi)经过齐次坐标变换后在加工坐标系内的坐标结果；二者基准长度间的相对放大倍率s可由两个靶标在加工机床的加工坐标系内测量结果与其在三坐标测量仪的检测坐标系内测量结果的比值得到；
求解加工坐标系与检测坐标系变换关系步骤中的拟合步骤中，
所用数学方法为最小二乘法拟合求得加工坐标系与检测坐标系之间的变换关系，即求得(tx，ty)及θ，从而将检测结果换算到加工设备相应的加工坐标系内，进行加工坐标系与检测坐标系对准，对准后对平面反射镜完成后续精确加工。
即是通过对比检测坐标系内靶标间的距离和加工坐标系内靶标间的距离找到检测坐标系与加工坐标系基准长度间的相对放大倍率s的，通过最小二乘拟合找到加工坐标系与检测坐标系间的相对平移，及二者相对旋转角度，以完成后续将检测结果变换到加工坐标系内的运算。
本实施例的在大口径平面反射镜实际制造中，平面反射镜在三坐标检测仪的检测坐标系上的检测结果为(xi，yi)，在加工机床的加工坐标系上的检测结果为(Xi，Yi)，如表1所示：
表1 靶标检测结果
经计算，检测坐标系和加工坐标系相对平移量为tx＝93.32mm，ty＝62.39mm；绕z轴逆时针旋转角度为θ＝0.9817弧度，s＝1.0117，据此完成加工坐标系与检测坐标系的对准，即是根据上述坐标变换关系，对检测坐标系内的面形检测结果进行坐标变换，而后，即可将面形检测结果从检测坐标系变换到加工坐标系内；即：Process＝T·TEST，其中TEST为平面反射镜在检测坐标系内的面形检测结果，Process为面形检测结果转换到加工机床坐标系内的结果，根据上述结果即可对平面反射镜完成后续精度加工。

Claims (4)

1.一种大口径平面反射镜加工与检测坐标系对准方法，包括如下步骤，
靶标设置步骤：在大口径平面反射镜镜面粘贴i个靶标，i为不为0的自然数；
测量各靶标对应的检测位置坐标步骤：利用检测仪器在检测坐标系内测量各靶标对应的检测位置坐标，同时对平面反射镜进行面形检测；
测量各靶标对应的加工位置坐标步骤：将大口径平面反射镜移至加工设备，利用加工测头在加工坐标系内测量各靶标在加工设备上的位置坐标；
求解加工坐标系与检测坐标系变换关系步骤，包括：
检测位置坐标换算步骤：靶标在加工坐标系内测量结果与其在检测坐标系内测量结果的关系用数学方法进行数学换算，经过此换算关系可以得出靶标在检测坐标系内的检测位置坐标经过齐次坐标变换后在加工坐标系内的坐标结果；拟合步骤：用数学方法拟合，求得加工坐标系与检测坐标系之间的变换关系，从而将面形检测结果换算到加工设备相应的加工坐标系内；
加工坐标系与检测坐标系对准步骤：完成加工坐标系与检测坐标系的对准，对平面反射镜完成后续精确加工。
2.根据权利要求1的一种大口径平面反射镜加工与检测坐标系对准方法，所述靶标设置步骤中靶标设置原则为：所述靶标设置在平面反射镜的镜面上，设置个数根据所要检测的参数个数而定。
3.根据权利要求2的一种大口径平面反射镜加工与检测坐标系对准方法，所述测量各靶标对应的检测位置坐标步骤中，
检测仪器为三坐标测量仪，所述靶标设置个数i为3个，在检测坐标系内用检测测头测量各靶标对应的检测位置坐标，各靶标测量结果记为(xi，yi)，i＝1，2，3，其中i为靶标编号；
所述测量各靶标对应的加工位置坐标步骤中，
将大口径平面反射镜移至加工设备，利用加工测头在加工坐标系内测量各靶标在加工设备上的位置坐标，测量结果记为(Xi，Yi)，i＝1，2，3，其中i为靶标编号；
所述求解加工坐标系与检测坐标系变换关系步骤的检测位置坐标换算步骤中，
靶标在加工坐标系内测量结果与其在检测坐标系内测量结果关系满足其中(tx，ty)为加工坐标系与检测坐标系间的相对平移，θ为二者相对旋转角度，s为二者基准长度间的相对放大倍率，经过此换算关系可以得到其中(X′i，Y′i)为靶标在检测坐标系内的检测位置坐标(xi，yi)经过齐次坐标变换后在加工坐标系内的坐标结果；
所述求解加工坐标系与检测坐标系变换关系步骤的拟合步骤中，
所用数学方法为最小二乘法拟合求得加工坐标系与检测坐标系之间的变换关系，从而将检测结果换算到加工设备相应的加工坐标系内，进行加工坐标系与检测坐标系对准，对准后对平面反射镜完成后续精确加工。
4.根据权利要求1～3中任一项的一种大口径平面反射镜加工与检测坐标系对准方法，所述靶标为圆形。
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