CN109115123B - 一种镀膜表面型面精度测试方法 - Google Patents

一种镀膜表面型面精度测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镀膜表面型面精度测试方法：测量经纬仪靶球中心和镀膜表面基准孔在双经纬仪交会测量坐标系下的坐标值；采用基准转换方法，得到经纬仪靶球中心在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值；将双经纬仪靶球置换成跟踪仪靶球，采用激光跟踪测量方法，测量跟踪仪靶球中心在跟踪仪测量坐标系下的空间坐标值；使用跟踪仪以空间扫描测量方式，扫描测量跟踪仪靶球中心点在跟踪仪测量坐标系的轨迹和空间坐标值；采用基准转换方法，得到扫描跟踪仪靶球中心点轨迹在镀膜表面基准坐标系的坐标值；对比扫描跟踪仪靶球中心点轨迹上的点在基准坐标系的空间坐标值与镀膜表面在基准坐标系下的理论模型在法向的偏差得到被测镀膜表面型面精度。

Description

一种镀膜表面型面精度测试方法
技术领域
本发明涉及一种镀膜表面型面精度测试方法，属于天线机械测量技术领域。
背景技术
某中继卫星S/Ka天线Ka副反射器尺寸400mm，由纸蜂窝材料成型，表面采用刻蚀镀膜工艺，受天线电性能指标要求，其表面精度要求极高，所以在研制阶段对其型面提出了高精度、高可靠的测试需求。
传统的型面测量方法主要有经纬仪交会测量、摄影测量、关节臂接触式测量和三坐标测量机接触式测量，但是由于该表面刻蚀镀膜的特性，为了保护镀膜层不受破坏，其表面不能粘贴带有胶层的测量靶标，同时经纬仪交会测量、关节臂和三坐标测量型面多点效率较低、精度无法保证，三坐标测量机需要专用装卡工装，但是装卡极易造成纸蜂窝材料的变形并且基准无法统一。总之，现有传统的测量方法已无法满足该表面型面精度的测量工作。
发明内容
本发明的技术解决方案是：克服现有技术的不足，提出了一种镀膜表面型面精度测试方法，结合传统测量方法，利用一套激光跟踪测试系统在对测试基准转换的基础上完成镀膜表面型面精度空间扫描测量，避免了粘贴标志点留胶损坏镀膜的风险，同时很大程度上提高了测试效率和精度。
本发明的技术方案是：一种镀膜表面型面精度测试方法，步骤如下：
(1)、将被测物体镀膜表面无应力固定放置在稳定平台上，在被测物体周围布设M个公共靶球基座，M≥3；
(2)、在公共靶球基座上放置经纬仪靶球，采用经纬交会测量方法，测量得到M个经纬仪靶球中心和镀膜表面N个基准孔在双经纬仪交会测量坐标系下的坐标值，N≥3；
(3)、根据基准孔在双经纬仪交会测量坐标系下的测量坐标值和在基准坐标系下的理论坐标值，采用基准转换方法，得到M个经纬仪靶球中心在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值；
(4)、将双经纬仪靶球置换成跟踪仪靶球，所述跟踪仪靶球与双经纬仪靶球直径相等；
(5)、采用激光跟踪测量方法，测量得到M个跟踪仪靶球中心在跟踪仪测量坐标系下的空间坐标值；
(6)、使用跟踪仪以空间扫描测量方式，将扫描跟踪仪靶球接触镀膜表面，在镀膜表面移动扫描跟踪仪靶球，扫描测量得到扫描跟踪仪靶球中心点在跟踪仪测量坐标系的轨迹和空间坐标值；
(7)、根据步骤(5)得到的M个跟踪仪靶球中心在跟踪仪测量坐标系下的空间坐标值和步骤(3)得到的M个经纬仪靶球中心在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值，采用基准转换方法，得到步骤(6)所得到的扫描跟踪仪靶球中心点轨迹在镀膜表面基准坐标系的坐标值；
(8)、对比扫描跟踪仪靶球中心点轨迹上的点在基准坐标系的空间坐标值与镀膜表面在基准坐标系下的理论模型在法向的偏差，消除耙球半径带来的偏差，得到被测镀膜表面型面精度。
所述基准转换方法包括如下步骤：
(a)、根据同一位置的测量点在第一坐标系下的空间坐标值和第二坐标系下的空间坐标值，计算得到第一坐标系与第二坐标系的转换关系；
(b)、根据第一坐标系与第二坐标系的转换关系，将测量点在第一坐标系的坐标值转为其在第二坐标系下的空间坐标值。
所述步骤(3)中采用基准转换方法，得到M个经纬仪靶球中心在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值的具体实现是：
(3.1)、根据基准孔在双经纬仪交会测量坐标系下的测量坐标值和在基准坐标系下的理论坐标值，计算得到双经纬仪交会测量坐标系与基准坐标系的转换关系；
(3.2)、根据双经纬仪交会测量坐标系与基准坐标系的转换关系，将M个经纬仪靶球中心在双经纬仪交会测量坐标系下的坐标值转为其在在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值。
所述步骤(7)中采用基准转换方法，得到步骤(6)所得到的扫描跟踪仪靶球中心点轨迹在镀膜表面基准坐标系的坐标值的具体实现是：
(7.1)、根据步骤(6)得到的M个跟踪仪靶球中心在跟踪仪测量坐标系下的空间坐标值和步骤(3)得到的M个经纬仪靶球中心在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值，计算得到跟踪仪测量坐标系与镀膜表面基准坐标系的转换关系；
(7.2)、根据跟踪仪测量坐标系与基准坐标系的转换关系，将扫描跟踪仪靶球中心点轨迹在镀膜表面基准坐标系的坐标值转为其在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值。
所述步骤(8)采用三维空间测量分析软件SA实现。
所述步骤(8)消除耙球半径带来的偏差采用目标厚度补偿法实现，具体为:
将扫描跟踪仪靶球中心点轨迹上的点在基准坐标系的空间坐标值与镀膜表面在基准坐标系下的理论模型在法向的偏差减去靶球半径，即得到镀膜表面扫描测量点在基准坐标系的空间坐标值与镀膜表面在基准坐标系下的理论模型在法向的偏差，进而得到被测镀膜表面型面精度。
所述步骤(2)采用双面切圆孔测量的方式测量基准孔和靶球中心在双经纬仪交会测量坐标系下的坐标值。
所述步骤(6)中的扫描跟踪仪扫描速度小于50mm/s；
扫描频率10～100Hz。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明采用激光跟踪测试系统空间扫描测量镀膜表面型面精度，大幅提高了测试效率和测试精度，同时避免了对镀膜表面破坏的风险。
(2)、本发明采用基准转换技术测量型面精度，实现了基准坐标系的高精度建立，降低了基准测试误差引起的型面精度测量误差。
附图说明
图1为本发明实施例的测试系统图；
图2为本发明实施例的测量坐标系与基准坐标系转换图；
图3为本发明实施例的型面精度测量扫描轨迹图；
图4为本发明实施例靶球半径偏差示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种镀膜表面型面精度测试方法，该方法采用激光跟踪测试系统结合传统的双经纬仪交会测量系统，在对测试基准转换的基础上完成镀膜目标表面型面精度空间扫描测量，同时通过目标厚度补偿实现了高精度镀膜表面型面精度的直接比较测量，避免了粘贴标志点留胶损坏镀膜的风险，同时很大程度上提高了测试效率和精度。
以下以一个具体实例进行详细说明：
(1)、将被测物体镀膜表面无应力固定放置在稳定平台上，在被测物体周围布设M个公共靶球基座，M≥3；
如图1所示，测量前将被测镀膜表面无应力固定在平面度小于0.1mm的稳定平台上，用纸胶带固定表面法兰四角，确保测量过程中表面稳定不移动。距平台周围Lm空间范围内均匀布设M个稳定的1.5英寸靶球通用基座，稳定平台周围建立双经纬交会测量系统和激光跟踪仪测试系统，使得镀膜表面均匀分布的N个直径为φ的安装基准孔和布设的M个靶球基座在双经纬仪交会测量系统中可视且交会角度在60°～120°，镀膜表面和布设的M个靶球基座在激光跟踪仪测试系统下可视。L不大于1，M为8，N不小于3。
(2)、在公共靶球基座上放置经纬仪靶球，采用经纬交会测量方法，测量得到M个经纬仪靶球中心和镀膜表面N个基准孔在双经纬仪交会测量坐标系下的坐标值，N≥3；
经纬仪靶球有1.5英寸、7/8英寸和0.5英寸三种标准规格可选，可以采用吸附的方式放置在靶球基座上。双经纬仪交会测量时采用双面切圆孔测量的方式测量基准孔和靶球中心在双经纬仪交会测量坐标系下的坐标值。
(3)、根据基准孔在双经纬仪交会测量坐标系下的测量坐标值和在基准坐标系下的理论坐标值，采用基准转换方法，得到M个经纬仪靶球中心在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值；
所述基准转换方法包括如下步骤：
(a)、根据同一位置的测量点在第一坐标系下的空间坐标值和第二坐标系下的空间坐标值，计算得到第一坐标系与第二坐标系的转换关系；
(b)、根据第一坐标系与第二坐标系的转换关系，将测量点在第一坐标系的坐标值转为其在第二坐标系下的空间坐标值。
本步骤中采用基准转换方法，得到M个经纬仪靶球中心在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值的具体实现是：
(3.1)、由最小二乘原理，采用公共点转换的方法，根据基准孔在双经纬仪交会测量坐标系下的测量坐标值和在基准坐标系下的理论坐标值，计算得到双经纬仪交会测量坐标系与基准坐标系的转换关系；
(3.2)、根据双经纬仪交会测量坐标系与基准坐标系的转换关系，将M个经纬仪靶球中心在双经纬仪交会测量坐标系下的坐标值转为其在在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值。
如图2所示，OT-XTYTZT为双经纬仪交会测量坐标系，o-xyz为镀膜表面基准坐标系，kT为比例参数，
Figure BDA0001772989140000051
为旋转矩阵参数，(XT0,YT0,ZT0)为平移参数，根据坐标系转换参数将M个经纬仪靶球中心由双经纬交会测量坐标系转换至镀膜表面基准坐标系下。
Figure BDA0001772989140000061
(4)、将双经纬仪靶球置换成跟踪仪靶球，所述跟踪仪靶球与双经纬仪靶球直径相等，使得吸附放置在M个通用靶球基座上的经纬仪靶球与跟踪仪靶球中心位置相同。
(5)、采用激光跟踪测量方法，测量得到M个跟踪仪靶球中心在跟踪仪测量坐标系下的空间坐标值；
(6)、使用跟踪仪以空间扫描测量方式，将扫描跟踪仪靶球接触镀膜表面，在镀膜表面移动扫描跟踪仪靶球，扫描测量得到扫描跟踪仪靶球中心点在跟踪仪测量坐标系的轨迹和空间坐标值；
本实施例中，利用激光测试系统配合1.5英寸跟踪仪靶球按空间扫描测量镀膜表面，手持靶球以均匀适度力接触镀膜表面，按图3所示轨迹均匀采集表面测点，移动速度小于50mm/s，扫描频率10～100Hz，测点均匀分布于被测镀膜表面。
(7)、根据步骤(5)得到的M个跟踪仪靶球中心在跟踪仪测量坐标系下的空间坐标值和步骤(3)得到的M个经纬仪靶球中心在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值，采用基准转换方法，得到步骤(6)所得到的扫描跟踪仪靶球中心点轨迹在镀膜表面基准坐标系的坐标值；
具体实现是：
(7.1)、根据步骤(6)得到的M个跟踪仪靶球中心在跟踪仪测量坐标系下的空间坐标值和步骤(3)得到的M个经纬仪靶球中心在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值，计算得到跟踪仪测量坐标系与镀膜表面基准坐标系的转换关系；
(7.2)、根据跟踪仪测量坐标系与基准坐标系的转换关系，将扫描跟踪仪靶球中心点轨迹在镀膜表面基准坐标系的坐标值转为其在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值。
本实施例中，利用在镀膜表面基准坐标系下M个经纬仪靶球中心三维坐标值和激光跟踪仪测量坐标系下的M个跟踪仪靶球中心三维坐标值的不同，确定出镀膜表面基准坐标系和激光跟踪仪测量坐标系之间的转换参数，OL-XLYLZL为激光跟踪仪测量坐标系，o-xyz为镀膜表面基准坐标系。kL为比例参数，
Figure BDA0001772989140000071
为旋转矩阵参数，(XL0，YL0，ZL0)为平移参数,根据坐标系转换参数将M个跟踪仪靶球中心和一组镀膜表面扫描测点由激光跟踪仪测量坐标系转换至镀膜表面基准坐标系下：
Figure BDA0001772989140000072
(8)、在三维空间测量分析软件SA中，对比扫描跟踪仪靶球中心点轨迹上的点在基准坐标系的空间坐标值与镀膜表面在基准坐标系下的理论模型在法向的偏差，消除耙球半径带来的偏差，得到被测镀膜表面型面精度。
由于跟踪仪扫描测量最终得到在基准坐标系下靶球中心位置坐标，而扫描测量时扫描靶球始终与镀膜表面相切，靶球中心位置与表面存在一个固定的靶球半径偏差，在基准坐标系下进行扫描测量点与理论模型法向偏差对比时，靶球的半径偏差包含在了法向偏差中。
因此，消除耙球半径带来的偏差采用目标厚度补偿法实现。具体为：将扫描跟踪仪靶球中心点轨迹上的点在基准坐标系的空间坐标值与镀膜表面在基准坐标系下的理论模型在法向的偏差减去靶球半径，即得到镀膜表面扫描测量点在基准坐标系的空间坐标值与镀膜表面在基准坐标系下的理论模型在法向的偏差，进而得到被测镀膜表面型面精度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种镀膜表面型面精度测试方法，其特征在于步骤如下：
(1)、将被测物体镀膜表面无应力固定放置在稳定平台上，在被测物体周围布设M个公共靶球基座，M≥3；
(2)、在公共靶球基座上放置经纬仪靶球，采用经纬交会测量方法，测量得到M个经纬仪靶球中心和镀膜表面N个基准孔在双经纬仪交会测量坐标系下的坐标值，N≥3；
(3)、根据基准孔在双经纬仪交会测量坐标系下的测量坐标值和在基准坐标系下的理论坐标值，采用基准转换方法，得到M个经纬仪靶球中心在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值；
(4)、将双经纬仪靶球置换成跟踪仪靶球，所述跟踪仪靶球与双经纬仪靶球直径相等；
(5)、采用激光跟踪测量方法，测量得到M个跟踪仪靶球中心在跟踪仪测量坐标系下的空间坐标值；
(6)、使用跟踪仪以空间扫描测量方式，将扫描跟踪仪靶球接触镀膜表面，在镀膜表面移动扫描跟踪仪靶球，扫描测量得到扫描跟踪仪靶球中心点在跟踪仪测量坐标系的轨迹和空间坐标值；
(7)、根据步骤(5)得到的M个跟踪仪靶球中心在跟踪仪测量坐标系下的空间坐标值和步骤(3)得到的M个经纬仪靶球中心在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值，采用基准转换方法，得到步骤(6)所得到的扫描跟踪仪靶球中心点轨迹在镀膜表面基准坐标系的坐标值；
(8)、对比扫描跟踪仪靶球中心点轨迹上的点在基准坐标系的空间坐标值与镀膜表面在基准坐标系下的理论模型在法向的偏差，消除靶球半径带来的偏差，得到被测镀膜表面型面精度。
2.根据权利要求1所述的一种镀膜表面型面精度测试方法，其特征在于所述基准转换方法包括如下步骤：
(a)、根据同一位置的测量点在第一坐标系下的空间坐标值和第二坐标系下的空间坐标值，计算得到第一坐标系与第二坐标系的转换关系；
(b)、根据第一坐标系与第二坐标系的转换关系，将测量点在第一坐标系的坐标值转为其在第二坐标系下的空间坐标值。
3.根据权利要求1所述的一种镀膜表面型面精度测试方法，其特征在于所述步骤(3)中采用基准转换方法，得到M个经纬仪靶球中心在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值的具体实现是：
(3.1)、根据基准孔在双经纬仪交会测量坐标系下的测量坐标值和在基准坐标系下的理论坐标值，计算得到双经纬仪交会测量坐标系与基准坐标系的转换关系；
(3.2)、根据双经纬仪交会测量坐标系与基准坐标系的转换关系，将M个经纬仪靶球中心在双经纬仪交会测量坐标系下的坐标值转为其在在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值。
4.根据权利要求1所述的一种镀膜表面型面精度测试方法，其特征在于所述步骤(7)中采用基准转换方法，得到步骤(6)所得到的扫描跟踪仪靶球中心点轨迹在镀膜表面基准坐标系的坐标值的具体实现是：
(7.1)、根据步骤(6)得到的M个跟踪仪靶球中心在跟踪仪测量坐标系下的空间坐标值和步骤(3)得到的M个经纬仪靶球中心在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值，计算得到跟踪仪测量坐标系与镀膜表面基准坐标系的转换关系；
(7.2)、根据跟踪仪测量坐标系与基准坐标系的转换关系，将扫描跟踪仪靶球中心点轨迹在镀膜表面基准坐标系的坐标值转为其在镀膜表面基准坐标系下的空间坐标值。
5.根据权利要求1所述的一种镀膜表面型面精度测试方法，其特征在于所述步骤(8)采用三维空间测量分析软件SA实现。
6.根据权利要求1所述的一种镀膜表面型面精度测试方法，其特征在于所述步骤(8)消除靶球半径带来的偏差采用目标厚度补偿法实现，具体为:
将扫描跟踪仪靶球中心点轨迹上的点在基准坐标系的空间坐标值与镀膜表面在基准坐标系下的理论模型在法向的偏差减去靶球半径，即得到镀膜表面扫描测量点在基准坐标系的空间坐标值与镀膜表面在基准坐标系下的理论模型在法向的偏差，进而得到被测镀膜表面型面精度。
7.根据权利要求1所述的一种镀膜表面型面精度测试方法，其特征在于所述步骤(2)采用双面切圆孔测量的方式测量基准孔和靶球中心在双经纬仪交会测量坐标系下的坐标值。
8.根据权利要求1所述的一种镀膜表面型面精度测试方法，其特征在于：所述步骤(6)中的扫描跟踪仪扫描速度小于50mm/s。
9.根据权利要求1所述的一种镀膜表面型面精度测试方法，其特征在于：扫描频率10～100Hz。
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