CN108050959B

CN108050959B - 一种用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统

Info

Publication number: CN108050959B
Application number: CN201711318090.9A
Authority: CN
Inventors: 黄启泰
Original assignee: Suzhou Zebra Optical Technology Co Ltd; Suzhou University
Current assignee: Suzhou Zebra Optical Technology Co Ltd; Suzhou University
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2020-01-21
Anticipated expiration: 2037-12-12
Also published as: CN108050959A

Abstract

本发明公开了一种用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统，通过自准直定位光路与标准块精确控制转轴的转角，同机床对待加工金属多面扫描棱镜镜胚的车削加工金属多面扫描棱镜上精确的复制了标准块各个侧面的角度精度，以加工好的金属多面扫描棱镜第一扫描面为基准装调自准直检测光路，转动转轴，自准直定位光路与标准块上第n个侧面实现自准直时，自准直检测光路也与金属多面扫描棱镜第n个扫描面自准直；本技术方案了实现金属多面扫描棱镜的在线检测，并直接将在线检测结果反馈给机床，只需一次装夹完成所有扫面面的加工，解决了现有技术中多次装夹的引入的定位误差影响角各个扫描面角度精度的问题，大幅提高加工效率、加工精度及加工一致性。

Description

一种用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统

技术领域

本发明属于光学加工技术领域，具体涉及一种多面扫描棱镜的加工的在线检测装置。

背景技术

多面扫描棱镜具有多个反射面，是扫描仪、复印机、扫码器等激光设备中的核心光学器件。使用时通常安装在电动机的旋转轴上，通过多面扫描棱镜的高速旋转，可实现大范围、超高速、高精度与高重复性的激光光束扫描，其角度精度、表面质量等因素将直接影响扫描精度和效果，因此对其各个反射面的角度加工精度要求非常高。

前国内多面扫描棱镜的加工主要依靠带有转轴的数控车床实现，一次可加工数量有限，各面之间的角度精度依靠数控转轴的精度进行保障。数控车床上加工的多面扫描棱镜时，为了保证各个扫描面之间的角度精度，需要一次装夹完成所有侧面加工。检测各个扫描面角度时，如果采用线下检测，如果某个扫描面角度超差，就需要重新装夹，对扫描棱镜再次加工，重新装夹时必然引入新的定位误差，是加工效率低下、检测效率也低；此外批量加工时产品一致性差，严重影响到组装设备的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的多面扫描棱镜的各面之间的角度精度难以控制的问题。

具体技术方案如下：

一种用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统，包括电控转台支架、安装在电控转台支架上的电控转台、电控转台的转轴、设置于所述转轴上的用于装夹待加工金属多面扫描棱镜镜胚的夹持部，其特征在于：还包括精度优于金属多面扫描棱镜的设计参数的多面棱镜标准块、自准直定位光路，自准直检测光路；所述的多面棱镜标准块固定在电控转台的转轴上，多面棱镜标准块的横截面法线方向与电控转台的转轴平行；所述的自准直定位光路设置在电控转台支架上，且自准直定位光路发出的入射光与多面棱镜标准块的横截面法线方向垂直；所述的自准直检测光路设置在电控转台支架上，且自准直检测光路发出的入射光与电控转台的转轴轴线垂直。

使用上述夹具进行金属多面扫描棱镜加工时，将电控转台支架装夹在机床的工作转台上，将待加工的金属多面扫描棱镜镜胚也装夹在所述的夹持部，通过所述的加持部使金属多面扫描棱镜镜胚横截面法线方向与电控转台的转轴平行；转动所述电控转台，将所述多面棱镜标准块的任意一个侧面对准自准直定位光路，用锁止机构固定所述电控转台的转轴；在所述金属多面扫描棱镜镜胚上车削出一个扫描面；多面棱镜标准块的第一个侧面对准所述自准直定位光路时，以金属多面扫描棱镜的第一扫描面为基准，调整自准直检测光路使被第一扫描面反射的反射光和入射光重合；转动所述电控转台，依次将多面棱镜标准块的第n个侧面对准所述自准直定位光路，在金属多面扫描棱镜镜胚上车削出第n个扫描面；多面棱镜标准块的第n个侧面对准所述自准直定位光路时，若所述自准直检测光路的入射光与被金属多面扫描棱镜第n个扫面反射的反射光不重合，将第n个扫描面的反射光和入射光角度误差反馈至机床进行误差补偿加工，并再次对第n个扫描面车削；若自准直检测光路的入射光与被第n个扫面反射的反射光重合，第一扫描面和第n扫描面的角度符合要求；其中n从2依次增加到N。

该加工方法的机床可使用两轴或者以上单点金刚石车床的飞刀车削技术完成。为了减小切削量，可先将金属多面扫描棱镜镜胚制作成角度误差小于2度的金属多面体，然后用金刚石飞刀车削技术按照上述技术方案直接车削成光学面。

上述技术方案还可在一个较长的金属多面扫描棱镜镜胚上车削，待所有侧面都加工好后，通过切割工艺直接获得多个金属多面扫描棱镜。

上述技术方案中：所述多面棱镜标准块为精度优于金属多面扫描棱镜的设计参数的玻璃多面棱镜。

上述技术方案中：所述的玻璃多面棱镜可采用常规冷加工方法加工，加工多面棱镜标准块时严格控制各表面之间角度误差、塔差。

上述技术方案中：多面棱镜标准块上设置通孔，该多面棱镜标准块上的通孔与电控转台的转轴同轴的方式装配固定。

上述技术方案中：所述的待加工的金属多面扫描转镜镜胚上也设置通孔，并穿入电控转台的转轴。

上述技术方案中：所述的自准直定位光路为自准直平行光管。

优选方案：所述的自准直定位光路由平行光激光器、分光镜、平面反射镜、像屏组成，其中平行光激光器射出的平行光入射至分光镜，分光镜反射的光作为参考光被垂直放置于光路中的平面反射镜反射后入射至像屏，分光镜透射的光作为检测光垂直入射至所述多面棱镜标准块的任意一个侧面；检测光被该侧面反射至像屏，在像屏上形成干涉条纹。该自准直定位光路实际上为迈克尔逊干涉光路，通过干涉条纹可以更精确的控制电控转台的转轴转角。

还可以用CCD替换像屏，将参考光与检测光的干涉条纹成像在CCD中，在整个加工过程中实时监控干涉条纹的变化。这样可以更方便的观察到加工过程中控制电控转台的转轴是否发生旋转。

还可在用机床进行车削加工时，将所述干涉条纹的实时变化信息反馈回机床，进行误差实时补偿。这样的加工属于闭环加工工艺，可以实施通过干涉条纹变化转化为电控转台的转轴的姿态变化，将这一实时变化信息反馈至加工机床，可以进一步提高加工精度。

批量加工方案为：上述技术方案中，步骤2)中所述的电控转台的转轴通过联动机构与若干根从动转轴连接，每一根从动转轴上都可装夹至少一个金属多面扫描棱镜镜胚，当电控转台的转轴旋转时，所述的从动转轴也旋转相同角度；上述步骤3)中同时将多个待加工的金属多面扫描棱镜镜胚装夹在所述从动转轴上；上述步骤4)中转动所述电控转台，将所述多面棱镜标准块的任意一个侧面对准自准直定位光路，用锁止机构固定所述电控转台的转轴以及所有从动转轴；在所述电控转台的转轴与从动转轴上固定的金属多面扫描棱镜镜胚上车削出扫描面。这样每一根转轴上都可安装多个待加工金属多面扫描棱镜镜胚，并且可以通过联动装置连接多根从动转轴，这样就可以实现批量加工，还可以保证同一批产品精度一致，这就大大提高了所组装产品的稳定性。

另一个优选方案：

所述的自准直检测光路由平行光激光器、与所述平行光激光器发出的平行光垂直放置的标尺组成，多面棱镜标准块的第一个侧面对准所述自准直定位光路，以待加工金属多面扫描棱镜的第一扫描面为自准直检测光基准面，平行光激光器发出的入射光对准所述的自准直检测光基准面。

平行光激光器发出的入射光对准所述的自准直检测光基准面，反射光在标尺上的位置为基准位置，自准直定位光路对准多面棱镜标准块的其他侧面时，自准直检测光路的反射光在标尺上的位置与所述基准位置的偏离量为h，标尺与被测扫描面之间的距离L,被测扫描面的反射光与入射光之间的角度β＝arcsin(h/L),金属多面扫描棱镜的被测扫描面与第一扫描面之间的角度偏差为β/2。

上述各种检测方案都可与批量加工方案结合，实现更佳的技术效果。

附图说明

图1金属多面扫描棱镜加工示意图；

图2多转轴批量加工金属多面扫描棱镜示意图；

图3一种自准直定位光路示意图；

图4一种自准直检测光路示意图；

其中：1-电控转台，2-多面棱镜标准块，3-金属多面扫描棱镜镜胚，4-电控转台的转轴，5-自准直定位光路，6-电控转台支架，7-锁止机构，8-联动机构，9-从动转轴，10-平行光激光器，11-分光镜，12-参考光，13-检测光，14-平面反射镜，15-像屏，16-自准直检测光路，17-标尺，18-行光激光器发出的入射光，19-被测扫描面的反射光，20-自准直检测光路的基准位置，21-反射光在标尺上的第n位置，22-第n个扫描面的理论位置，23-夹持部；h-第n位置其与基准位置之间的偏离量，L-标尺与第n个扫描面之间的距离，β-第n个扫描面的反射光与入射光之间的角度。

具体实施方式

为了更清楚地说明发明，下面结合附图及实施例作进一步描述

实施例一：

一种用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统，如附图1所示，具体技术方案如下：

一种用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统，包括电控转台支架6、安装在电控转台支架6上的电控转台1、电控转台的转轴4、设置于所述转轴4上的用于装夹待加工金属多面扫描棱镜镜胚3的夹持部23，其特征在于：还包括精度优于金属多面扫描棱镜的设计参数的多面棱镜标准块2、自准直定位光路5，自准直检测光路16，所述的多面棱镜标准块2固定在电控转台的转轴4上，多面棱镜标准块2的横截面法线方向与电控转台的转轴4平行；所述的自准直定位光路5设置在电控转台支架6上，通过旋转所述的转轴从自准直定位光路发出的入射光可垂直入射至多面棱镜标准块的任意一个侧面；所述的自准直检测光路设置在电控转台支架上，且自准直检测光路发出的入射光与电控转台的转轴轴线垂直。

使用上述夹具进行金属多面扫描棱镜加工时，将电控转台支架装夹在机床的工作转台上，将待加工的金属多面扫描棱镜镜胚3也装夹在所述的夹持部23，通过所述的夹持部23使金属多面扫描棱镜镜胚3横截面法线方向与电控转台的转轴4平行；转动所述电控转台1，将所述多面棱镜标准块2的任意一个侧面对准自准直定位光路5，用锁止机构7固定所述电控转台的转轴4；在所述金属多面扫描棱镜镜胚3上车削出一个扫描面；多面棱镜标准块的第一个侧面对准所述自准直定位光路时，以金属多面扫描棱镜的第一扫描面为基准，调整自准直检测光路使被第一扫描面反射的反射光和入射光重合；转动所述电控转台，依次将多面棱镜标准块的第n个侧面对准所述自准直定位光路，在金属多面扫描棱镜镜胚上车削出第n个扫描面；多面棱镜标准块的第n个侧面对准所述自准直定位光路时，若所述自准直检测光路的入射光与被金属多面扫描棱镜第n个扫面反射的反射光不重合，将第n个扫描面的反射光和入射光角度误差反馈至机床进行误差补偿加工，并再次对第n个扫描面车削；若自准直检测光路的入射光与被第n个扫面反射的反射光重合，第一扫描面和第n扫描面的角度符合要求；其中n从2依次增加到N。

实施例二：

附图2所示的一种用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统，具体技术方案如下：在实施例一的基础上，所述的电控转台的转轴4通过联动机构8与若干根从动转轴9连接，每一根从动转轴9上都安装有若干个用于装夹待加工金属多面扫描棱镜镜胚的夹持部23，当电控转台的转轴4旋转时，所述的从动转轴9也旋转相同角度。

使用该技术方案加工时，可以实现批量加工，将若干个待加工的金属多面扫描棱镜镜胚3装夹在所述的夹持部23，调整多面棱镜标准块的横截面法线方向与电控转台的转轴平行；电控转台1的转轴4通过联动机构8与若干根从动转轴9连接，每一根从动转轴上都可装夹至少一个金属多面扫描棱镜镜胚3，当电控转台的转轴旋转时，所述的从动转轴也旋转相同角度；转动所述电控转台1，将所述多面棱镜标准块2的任意一个侧面对准自准直定位光路5，用锁止机构7固定所述电控转台的转轴4；在所述金属多面扫描棱镜镜胚3上车削出一个扫描面；转动所述电控转台1，依次将所述多面棱镜标准块2的其他侧面对准自准直定位光路5，在金属多面扫描棱镜镜胚上车削出其余的扫描面。

实施例三：

实施例一技术方案基础上，所述的自准直定位光路5如图3所示，由平行光激光器10、分光镜11、平面反射镜14、像屏15组成，其中平行光激光器射出的平行光入射至分光镜，分光镜反射的光作为参考光12被垂直放置于光路中的平面反射镜反射后入射至像屏，分光镜透射的光作为检测光13入射至所述多面棱镜标准块的任意一个侧面；转动所述电控转台，检测光被该侧面反射至像屏15，在像屏上形成干涉条纹。该光路实际上为迈克尔逊干涉光路，通过干涉条纹可以更精确的控制电控转台的转轴转角。

实施例四：

实施例一技术方案基础上，如图4所示，所述的自准直检测光路由平行光激光器、与所述平行光激光器发出的平行光垂直放置的标尺17组成，多面棱镜标准块的第一个侧面对准所述自准直定位光路，以待加工金属多面扫描棱镜的第一扫描面为自准直检测光基准面，平行光激光器发出的入射光对准所述的自准直检测光基准面。

平行光激光器发出的入射光18对准所述的自准直检测光基准面，反射光在标尺上的位置为基准位置20，自准直定位光路对准多面棱镜标准块的其他侧面时，若加工得到的第n个扫描面与第n个扫描面的理论位置22不重合时，自准直检测光路的反射光在标尺上的位置与所述基准位置的偏离量为h，标尺与被测扫描面之间的距离L,被测扫描面的反射光19与平行光激光器发出的入射光18之间的角度β＝arcsin(h/L),金属多面扫描棱镜的被测扫描面与第一扫描面之间的角度偏差为β/2。

上述原理为：转动所述电控转台，将多面棱镜标准块的第n个侧面对准所述自准直定位光路，在金属多面扫描棱镜镜胚上车削出第n个扫描面；此时记录第n个扫描面的反射光在标尺上的第n位置21，第n个扫描面的反射光在标尺上的第n位置与所述基准位置重合，则金属多面扫描棱镜的第一扫描面与第n扫描面的角度等于多面棱镜标准块的第一个侧面与第n个侧面的角度。上述技术的方案通过自准直定位光路与多面棱镜标准块精确控制转轴的转角，由于待加工金属多面扫描棱镜镜胚与多面棱镜标准块装夹在同一根转轴上，同时以加工好的金属多面扫描棱镜第一扫描面为基准装调自准直检测光路，转动转轴，只要自准直定位光路与多面棱镜标准块上第n个侧面实现自准直，则自准直检测光路与第一扫描面的第n个扫描面也应该实现自准直，此时可以说明金属多面扫描棱镜上精确的复制了多面棱镜标准块各个侧面的角度精度。本技术方案了实现金属多面扫描棱镜的在线检测，并直接将在线检测结果反馈给机床，只需一次装夹完成所有扫面面的加工，解决了现有技术中多次装夹的引入的定位误差影响角各个扫描面角度精度的问题，大幅提高加工效率、加工精度及加工一致性。

该技术方案不但适用于多面扫描棱镜，还可适用于多面异形棱镜，例如棱镜的侧面为球面或者非球面，为了精确控制该多面异形棱镜各个面的光轴方向，也可以先加工各个面为平面的光轴角度与多面异形棱镜光轴角度相同的多面棱镜标准块，将多面棱镜标准块的光轴角度通过本技术方案复制到多面异形棱镜上。

本技术方案未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims

1.一种用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统，包括电控转台支架、安装在电控转台支架上的电控转台、电控转台的转轴、设置于所述转轴上的用于装夹待加工金属多面扫描棱镜镜胚的夹持部，其特征在于：还包括精度优于金属多面扫描棱镜的设计参数的多面棱镜标准块、自准直定位光路，自准直检测光路；所述的多面棱镜标准块固定在电控转台的转轴上，多面棱镜标准块的横截面法线方向与电控转台的转轴平行；所述的自准直定位光路设置在电控转台支架上，且自准直定位光路发出的入射光与多面棱镜标准块的横截面法线方向垂直；所述的自准直检测光路设置在电控转台支架上，且自准直检测光路发出的入射光与电控转台的转轴轴线垂直；

还包括锁止机构，该锁止机构安装在电控转台支架上，用于锁紧电控转台的转轴；

多面棱镜标准块上设置通孔，该多面棱镜标准块上的通孔与电控转台的转轴同轴的方式装配固定。

2.根据权利要求1所述的用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统，其特征在于：所述的多面棱镜标准块为玻璃多面棱镜标准块。

3.根据权利要求2所述的用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统，其特征在于：所述的自准直定位光路为自准直平行光管。

4.根据权利要求1～3之一所述的用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统，其特征在于：所述的自准直定位光路由平行光激光器、扩束镜、分光镜、平面反射镜、像屏组成，其中平行光激光器射出的平行光经过扩束后入射至分光镜，分光镜反射的光作为参考光被垂直放置于光路中的平面反射镜反射后入射至像屏，分光镜透射的光作为检测光垂直入射至所述多面棱镜标准块的任意一个侧面；检测光被该侧面反射至像屏，在像屏上形成干涉条纹。

5.根据权利要求4所述的用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统，其特征在于：用CCD替换像屏，CCD所拍摄的干涉条纹图像通过数据线传输至监视器。

6.根据权利要求1～3之一所述的用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统，其特征在于：所述的电控转台的转轴通过联动机构与若干根从动转轴连接，每一根从动转轴上都安装有若干个用于装夹待加工金属多面扫描棱镜镜胚的夹持部，当电控转台的转轴旋转时，所述的从动转轴也旋转相同角度。

7.根据权利要求1～3之一所述的用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统，其特征在于：所述的自准直检测光路由平行光激光器、与所述平行光激光器发出的平行光垂直放置的标尺组成，多面棱镜标准块的第一个侧面对准所述自准直定位光路，以待加工金属多面扫描棱镜的第一扫描面为自准直检测光基准面，平行光激光器发出的入射光对准所述的自准直检测光基准面。

8.根据权利要求7所述的用于金属多面扫描棱镜加工的在线检测系统，其特征在于：平行光激光器发出的入射光对准所述的自准直检测光基准面，反射光在标尺上的位置为基准位置，自准直定位光路对准多面棱镜标准块的其他侧面时，自准直检测光路的反射光在标尺上的位置与所述基准位置的偏离量为h，标尺与被测扫描面之间的距离L,被测扫描面的反射光与入射光之间的角度β＝arcsin(h/L),金属多面扫描棱镜的被测扫描面与第一扫描面之间的角度偏差为β/2。