CN109341523A - 一种点衍射干涉三坐标测量装置探头端面调平方法 - Google Patents

一种点衍射干涉三坐标测量装置探头端面调平方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种点衍射干涉三坐标测量装置探头端面调平方法，涉及测量技术领域。采用基于波面对称的探头零点位置调整方法，探测器获取初始波面数据，将探头旋转180°，平移探头再次获取波面，将波面数据旋转180°后与初始波面数据作差值，将探头平移至初始位置和差值为极小值位置的中点位置，为探头零点位置，调整探头的倾斜角并获取波面数据，利用泽尼克多项式拟合方法对波面数据进行拟合得到xy方向倾斜项系数，调节至该系数为极大值时的角度，实现探头端面调平。本发明解决了现有技术中探头端面相对探测面调平困难影响测量精度的技术问题。本发明有益效果为：确定探头端面状态，满足测量模型求解要求，使三维坐标重构结果更加快速和精确。

Description

一种点衍射干涉三坐标测量装置探头端面调平方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其是涉及一种点衍射干涉三坐标测量装置探头端面调平 方法。
背景技术
随着现代机械工业的不断发展，对三维坐标测量技术的需求也在不断提高。目前主要 的三维坐标测量仪器包括三坐标测量机和激光跟踪仪等。其中，三坐标测量机在逆向工程等 方面应用较多，但是，它的结构复杂，价格昂贵，在大空间范围进行三维坐标测量时，需要 庞大的测量平台，其昂贵的成本限制了应用。激光跟踪仪因其测量精度而限制了应用范围。 近年来，随着测量技术和点衍射干涉技术的不断发展，因为测量精度高且具有较好的重复性， 一种基于点衍射干涉的三维坐标测量方法被提出。中国专利申请公布号CN105066880A，申 请公布日2015年11月18日，名称为“基于粒子群解调点光源干涉的三维坐标快速测量方法” 的发明专利申请文件，公开了一种基于粒子群解调点光源干涉的三维坐标快速测量方法。该 方法虽然充分考虑了测量探头在测量过程中可能出现的状态，建立的数学模型将探头的运动 状态量分为位置量与旋转量，以此简化迭代算法在搜索解过程中的难度。其数学模型相当复 杂，求解过程中需要对六个未知数进行搜索求解，其测量重复性及测量精度有待提高。在点 衍射干涉三维坐标测量装置中，要求其探头端面与CCD探测面严格平行，但由于加工工艺的 限制，实际探头中的两根光纤放置不平行，不但导致坐标求解数学模型无法满足高精度三维 坐标测量要求，同时也致使实际探头端面调节中无法直接根据探头投射的两光斑中心位置偏 移来确定探头状态，因此需要一种探头端面调平的方法来实现探头端面相对CCD探测面的调 平，进而使其与三维坐标求解数学模型对应。
发明内容
为了解决现有技术中基于点衍射干涉的三维坐标测量方法中探头端面相对CCD探测 面调平困难，影响测量精度的技术问题，本发明提供一种点衍射干涉三坐标测量装置探头端 面调平方法，有效消除点衍射干涉三坐标测量装置探头加工误差对实际探头调平的影响。
本发明的技术方案是：一种点衍射干涉三坐标测量装置探头端面调平方法，包括三坐 标测量装置探头的两根光纤、不带成像镜头的CCD探测器，两根光纤的出射端为探头端面， 探头端面面向CCD探测器，方法包括以下步骤：
(1-1)以CCD探测面中心为坐标原点，CCD探测面为x-y平面，垂直于CCD探测面的光轴方向为z轴，建立三维直角坐标系，并以两根光纤出射端连线的中点位置代表探头位置；
(1-2)采用基于波面对称的探头零点位置调整方法，在x-y平面内移动探头，将其xy坐标值 平移至(0,0)点位置；
(1-3)探头两根光纤出射端面连线与x-y平面的夹角设为探头倾斜角α，用CCD探测器采集 来自于三坐标测量装置探头的5幅相位差为π/2的干涉图，利用五步移相算法解调出对应的 波面数据W(α)；
(1-4)对探头倾斜角α所对应的波面W(α)进行泽尼克多项式拟合，得到分别 记录当前的探头倾斜角α位置以及对应泽尼克多项式中的x方向倾斜项系数和y方向倾 斜项系数
(1-5)不断调节探头倾斜角α，重复步骤(1-3)至(1-4)，利用探头倾斜角α位置集和对应的泽尼克多项式倾斜项系数集和绘制x方向倾斜项系数和y方向倾斜项系数关于探头倾斜角α的函数曲线Fx和Fy，根据倾斜项系数和与探头倾角α的关系，由函数曲线Fx和Fy得到和为极大值时所对应的探头倾斜角αmin；
(1-6)将探头的倾斜角调节至αmin的位置，探头端面与CCD探测器平面平行。
作为优选，基于波面对称的探头零点位置调整方法包括如下步骤：
(2-1)探头端面调整与CCD探测面大致平行；
(2-2)用CCD探测器重新采集来自于三坐标测量装置探头的5幅相位差为π/2的干涉图，并利用五步移相算法解调出对应的波面数据W0′，记录探头位置x轴和y轴的位置坐标 (xT0,yT0)；
(2-3)将探头绕z轴轴线旋转180°，并在xy轴方向平移探头；
(2-4)重复(2-2)，记录探头移动到某个位置后的三维位置坐标(xTi,yTi)和对应该位置获取 的波面数据Wi′，并将波面数据Wi′进行矩阵数据180°旋转，得到新的波面数据Wi″，再将旋 转后得到的波面数据Wi″与(2-2)中的波面数据W0′取差值，即ΔWi′＝Wi″-W0′；
(2-5)在x-y平面内不断平移探头，重复步骤(2-4)，搜索到ΔWi′均方根RMS值为极小值的三维坐标位置，将该三维坐标位置对应的xy轴位置坐标记为(x′T0,y′T0)；
(2-6)将探头平移至位置坐标[(xT0+x′T0)/2,(yT0+y′T0)/2]，即为探头零点位置。
作为优选，倾斜项系数和与探头倾角α的关系通过如下步骤得到：将直角坐 标系下的光程差转换为极坐标系光程差；根据泰勒展开式，用泽尼克多项式ΔR＝Ai·Zi表示光 程差(波前数据)；提取代表倾斜项系数的泽尼克多项式系数和系数和为 探头倾斜角α的偶函数，当α＝0°时，系数和取到极大值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过CCD探测器及五步移相算法获取初始波面数据，旋转探头180°后，根据波面的对称性进行调整，使CCD探测器与点衍射干涉探 头对零。在对零位置获取波面数据，利用最小二乘法进行泽尼克多项式拟合，根据第二项和第三项所代表的探头x方向和y方向倾斜项对探头进行调整，当值达到极大值时探头端面调平完成。该校正调整方法可以消去点衍射干涉三维坐标测量方法中的探头倾斜角，从而确定 探头端面状态，满足测量模型求解要求，使三维坐标重构结果更加快速和精确。
附图说明
附图1为本发明探头调整流程图；
附图2为本发明测量系统数学模型图；
附图3为本发明探头端面x方向和y方向倾斜角示意图；
附图4为本发明实施例中探头零点位置调整过程中的原始波面图；
附图5为本发明实施例中旋转波面差值最小时的波面图；
附图6为本发明实施例中对x方向倾斜角的光程差分析示意图；
附图7为本发明实施例中探头调平完成状态的波面图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：
如图1-7示，一种点衍射干涉三坐标测量装置探头端面调平方法。包括三坐标测量装置、CCD 探测器、二维倾斜调整架、三维平移导轨。三坐标测量装置探头由两根光纤出射端面组合安 装构成。探头安装于二维倾斜调整架上，并且探头和二维调整架整体安装于三维平移导轨上。 两根光纤的出射端为探头端面。探头端面面向CCD探测器。CCD探测器不带成像镜头。采 用本发明的方法对条纹角度为45°的点衍射干涉三维坐标测量中的测量探头进行端面对平的 调整，方法包括以下步骤：
(1-1)如图2所示，以CCD探测面中心为坐标原点，CCD探测面为x-y平面，垂直于CCD 探测面的光轴方向为z轴，建立三维直角坐标系，并以三坐标测量装置探头中两根光纤出射端连线的中点位置代表探头位置。探头状态如图3示，S1和S2表示两个光纤出射端，γ和β 分别表示S1和S2连线与x轴和y轴的夹角。
(1-2)采用基于波面对称的探头零点位置调整方法，利用三维平移导轨在x-y平面内 移动探头，将其xy坐标值平移至图2中的(0,0)点位置，即与CCD平面中心对准。
用基于波面对称的探头零点位置调整方法，包括如下步骤：
(2-1)利用二维倾斜调整架将安装于三维平移导轨上的点衍射干涉三坐标测量装置探头端面 调整与CCD探测面大致平行。
(2-2)用CCD探测器采集来自于三坐标测量装置探头的5幅相位差为π/2的干涉图，并利用五步移相算法解调出对应的波面数据W0′，其波面如图4。记录此时三维平移导轨x轴和y轴(即探头)的位置x轴和y轴的位置坐标(xT0,yT0)＝(25.458mm,16.746mm)。
(2-3)将探头绕z轴轴线旋转180°，并利用三维平移导轨在xy轴方向平移探头。
(2-4)重复(2-2)，记录探头移动到某个位置后的三维平移导轨位置坐标(xTi,yTi)和 对应该位置获取的波面数据Wi′(下标i≠0)。并将波面数据Wi′进行矩阵数据180°旋转，得 到新的波面数据Wi″(下标i≠0)。再将旋转后得到的波面数据Wi″与(2-2)中的波面数据W0′ 取差值，即ΔWi′＝Wi″-W0′。
(2-5)利用三维平移导轨在x-y平面内不断平移探头，重复步骤(2-4)，搜索到ΔWi′ 均方根RMS值为极小值的三维平移导轨xy轴位置，此时的波面数据Wi′如图5所示。将该位 置对应的xy轴位置坐标记为(x′T0,y′T0)＝(23.976mm，15.928mm)。
(2-6)根据上述测量及搜索结果，控制三维平移导轨将探头平移至位置坐标 [(xT0+x′T0)/2,(yT0+y′T0)/2]＝(24.717mm，16.337mm)，即为探头零点位置。由此实现三坐标测量装置探头零点位置调整。
(1-3)用CCD探测器重新采集来自于三坐标测量装置探头的5幅相位差为π/2的干涉图，并利用五步移相算法解调出对应的波面数据W(α)。其中α为探头倾斜角，是探头两根光纤出射端面连线与x-y平面的夹角。以x方向的倾斜角为例(y方向同理)如图6所示，定 义探头到CCD探测面之间的距离为D，S1与S2到探头中心的距离为。则S1与S2到CCD探 测面上某一点P的距离分别为R1和R2，R1与R2的光程差ΔR：
对上式进行简化分析，将直角坐标系下的光程差转换为极坐标系光程差，定义r为极 半径，θ为极角得：
根据泰勒展开式，将上述公式展开，定义Rm为CCD探测面的半径，NA为测量光束 的最大数值孔径，假设：
其中ρ代表归一化半径，因此可以用泽尼克多项式表示光程差：
ΔR＝Ai·Zi
其中，i＝1,2…表示多项式的项数，Z2表示x方向的倾斜项，A2表示对应倾斜项的系数，则 有：
由上式可知，泽尼克多项式的系数和为探头倾斜角α的偶函数，当α＝0°时， 系数和取到极大值。
(1-4)对探头倾斜角α所对应的波面W(α)进行泽尼克多项式拟合，得到其中，i＝1,2…表示泽尼克多项式的项数，表示某一探头倾斜角α所对应波面W(α)的泽 尼克多项式系数，Zi表示泽尼克多项式(Z2和Z3分别表示x和y方向倾斜项)。记录当前 的探头倾斜角α位置以及对应的泽尼克多项式中的x方向倾斜项系数和y方向倾斜项系 数
利用二维调整架不断调节三坐标测量装置探头的倾斜角α，因本发明中将两光纤出射 端视作点光源，调整过程中调节一个方向的角度足以实现探头两光纤出射端面连线与CCD探 测面平行，重复(1-3)，并分别记录当前的探头倾斜角α位置以及对应泽尼克多项式中的x 方向倾斜项系数和y方向倾斜项系数从而得到利用探头倾斜角α位置集和对应的 泽尼克多项式倾斜项系数集和
(1-5)利用探头倾斜角α位置集和对应的泽尼克多项式倾斜项系数集和绘 制x方向倾斜项系数和y方向倾斜项系数关于探头倾斜角α的函数曲线Fx和Fy，根 据倾斜项系数和与探头倾角α的关系，由函数曲线Fx和Fy得到和为极大值0.01609和0.01609时所对应的探头倾斜角αmin。
(1-6)利用二维调整架将探头的倾斜角调节至αmin的位置，至此三坐标测量装置探头 端面与CCD探测器平面平行，完成点衍射干涉三坐标测量装置探头端面调平，此时波面数据 如图7所示。

Claims (3)

1.一种点衍射干涉三坐标测量装置探头端面调平方法，包括三坐标测量装置探头的两根光纤、不带成像镜头的CCD探测器，两根光纤的出射端为探头端面，探头端面面向CCD探测器，其特征在于：方法包括以下步骤：
(1-1)以CCD探测面中心为坐标原点，CCD探测面为x-y平面，垂直于CCD探测面的光轴方向为z轴，建立三维直角坐标系，并以两根光纤出射端连线的中点位置代表探头位置；
(1-2)采用基于波面对称的探头零点位置调整方法，在x-y平面内移动探头，将其xy坐标值平移至(0,0)点位置；
(1-3)探头两根光纤出射端面连线与x-y平面的夹角设为探头倾斜角α，用CCD探测器采集来自于三坐标测量装置探头的5幅相位差为π/2的干涉图，利用五步移相算法解调出对应的波面数据W(α)；
(1-4)对探头倾斜角α所对应的波面W(α)进行泽尼克多项式拟合，得到分别记录当前的探头倾斜角α位置以及对应泽尼克多项式中的x方向倾斜项系数和y方向倾斜项系数
(1-5)不断调节探头倾斜角α，重复步骤(1-3)至(1-4)，利用探头倾斜角α位置集和对应的泽尼克多项式倾斜项系数集和绘制x方向倾斜项系数和y方向倾斜项系数关于探头倾斜角α的函数曲线Fx和Fy，根据倾斜项系数和与探头倾角α的关系，由函数曲线Fx和Fy得到和为极大值时所对应的探头倾斜角αmin；
(1-6)将探头的倾斜角调节至αmin的位置，探头端面与CCD探测器平面平行。
2.根据权利要求1所述的一种点衍射干涉三坐标测量装置探头端面调平方法，其特征在于：所述采用基于波面对称的探头零点位置调整方法包括如下步骤：
(2-1)探头端面调整与CCD探测面大致平行；
(2-2)用CCD探测器重新采集来自于三坐标测量装置探头的5幅相位差为π/2的干涉图，并利用五步移相算法解调出对应的波面数据W′0，记录探头位置x轴和y轴的位置坐标(xT0,yT0)；
(2-3)将探头绕Z轴轴线旋转180，并在xy轴方向平移探头；
(2-4)重复(2-2)，记录探头移动到某个位置后的三维位置坐标(xTi,yTi)和对应该位置获取的波面数据Wi′，并将波面数据Wi′进行矩阵数据180°旋转，得到新的波面数据Wi″，再将旋转后得到的波面数据Wi″与(2-2)中的波面数据W′0取差值，即ΔWi′＝Wi″-W′0；
(2-5)在x-y平面内不断平移探头，重复步骤(2-4)，搜索到ΔWi′均方根RMS值为极小值的探头三维坐标位置，将该三维坐标位置对应的xy轴位置坐标记为(x′T0,y′T0)；
(2-6)将探头平移至位置坐标[(xT0+x′T0)/2,(yT0+y′T0)/2]，即为探头零点位置。
3.根据权利要求1所述的一种点衍射干涉三坐标测量装置探头端面调平方法，其特征在于：所述倾斜项系数和与探头倾角α的关系通过如下步骤得到：将直角坐标系下的光程差转换为极坐标系光程差；根据泰勒展开式，用泽尼克多项式ΔR＝Ai·Zi表示光程差(波前数据)；提取代表倾斜项系数的泽尼克多项式系数和系数和为探头倾斜角α的偶函数，当α＝0°时，系数和取到极大值。
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