CN110345859A - 实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置与方法 - Google Patents
实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置与方法。现有摆臂式轮廓仪由于多自由度调整操作困难。本发明的双电容传感器测头固定在加工平台的转动台面上;测量装置包括水平驱动机构、摆臂旋转平台、测量臂、测头竖直调整装置和测头模块;测量臂由转动摆臂和移动摆臂组成;测头竖直调整装置包括绕X轴调整装置和绕Y轴调整装置。本发明的非球面接触式测头竖直状态精调以及非球面接触式测头与加工平台的转动台面对中精调均可自动完成,在保证检测精度的同时,又降低了操作技术难度,提高了非球面接触式测头调整过程的效率,降低了非球面制造过程成本。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件面形检测技术领域,尤其涉及实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置与方法。
背景技术
近年来光学非球面零件由于其卓越的光学性能使其无论在军用还是民用中有着越来越重要作用,对于高精度非球面检测技术需求也与日俱增。
摆臂式轮廓仪是一种有效的光学镜面加工过程的在位检测仪器,其最大特点是直接安装在待测光学镜面旁,将待测光学镜面加工机床的转台作为摆臂式轮廓仪的工作转台使用,对待测镜面进行在位测量。在使用摆臂式轮廓仪检测时,由于摆臂式轮廓仪自由度较多,测头调整过程复杂,对技术人员要求较高。因此需要对测头位姿自调整进行进一步改进以提高非球面加工检测的效率以及降低对技术人员熟练度的要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有摆臂式轮廓仪由于多自由度调整操作困难以及对技术人员熟练度要求高的问题,提出实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置与方法。
本发明实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置,包括测量装置和双电容传感器测头;所述的双电容传感器测头固定在加工平台的转动台面上;所述的测量装置包括水平驱动机构、摆臂旋转平台、测量臂、测头竖直调整装置和测头模块。所述的测量臂由转动摆臂和移动摆臂组成;移动摆臂固定在直线电机一的输出轴上,并与转动摆臂的燕尾形导轨构成滑动副;直线电机一的底座固定在转动摆臂上;转动摆臂与摆臂旋转平台的转台构成转动副;摆臂旋转平台的座体由水平驱动机构驱动;配重块固定在转动摆臂上,且配重块和移动摆臂分设在转动摆臂两端;移动摆臂的中心轴线与转动摆臂的中心轴线重合,并与摆臂旋转平台的中心轴线垂直。
所述的测头竖直调整装置包括绕X轴调整装置和绕Y轴调整装置。所述的绕X轴调整装置包括主蜗杆机构和副蜗杆机构;所述的主蜗杆机构包括相互啮合的主蜗杆和主涡轮环;所述的副蜗杆机构包括相互啮合的副蜗杆和副涡轮环;主蜗杆和副蜗杆平行设置,且均与摆臂旋转平台的转台构成转动副;主蜗杆和副蜗杆分别由一个步进电机一驱动;主蜗杆的旋转轴线垂直于转动摆臂的旋转轴线和摆臂旋转平台的转台旋转轴线;所述的主涡轮环和副涡轮环同轴且间距固定在转动摆臂上;所述的绕Y轴调整装置包括步进电机二、摩擦棘轮机构、齿轮、齿条和螺杆机构;所述的螺杆机构由螺杆和螺母块组成;所述步进电机二的底座固定在调整座上;调整座固定在移动摆臂上;螺杆与步进电机二的输出轴通过联轴器固定,并通过轴承支承在支座一上;支座一固定在调整座上;所述的螺母块与螺杆构成螺旋副,并与直线导轨构成滑动副;所述的直线导轨固定在调整座上;所述的齿条与螺母块固定,并与齿轮啮合;支承轴通过轴承支承在支座二上;支座二固定在调整座上;所述的摩擦棘轮机构由摩擦棘轮、弧形止逆件和弹簧片组成;所述的摩擦棘轮固定在齿轮端面上,齿轮空套在支承轴上;所述的弧形止逆件与调整座构成转动副,并与摩擦棘轮构成滑动摩擦副;弧形止逆件与摩擦棘轮的接触面由两个曲面连接而成,且其中一个曲面的最小曲率半径等于另一个曲面的最大曲率半径;所述弹簧片的一端与弧形止逆件固定,另一端与调整座固定;弧形止逆件设置在摩擦棘轮和弹簧片之间。
所述的测头模块由夹具和非球面接触式测头组成;所述的夹具固定在支承轴上,绕Y轴调整装置的齿轮固定在夹具上;所述的非球面接触式测头由夹具夹持。
所述的摆臂旋转平台包括转台、座体和旋转电机;所述的转台与座体构成转动副,并与旋转电机的输出轴固定;所述旋转电机的底座固定在座体上;旋转电机由控制器控制。
所述的水平驱动机构包括滑动块和直线滑轨;摆臂旋转平台的座体与滑动块固定;滑动块与直线滑轨构成滑动副,并由直线电机二驱动;所述直线电机二的底座固定在加工平台的底座上;直线电机二由控制器控制。
所述的步进电机一、步进电机二和直线电机一均由控制器控制,加工平台的转动台面启停也由控制器控制;双电容式测头的信号传给控制器。
该实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置的检测方法,具体如下:
步骤一:建立坐标系O-XYZ,X轴与转动摆臂的旋转轴线同轴,Y轴与支承轴的旋转轴线同轴;坐标系O-XYZ为笛卡尔坐标系;粗调非球面接触式测头位置,具体为:水平驱动机构驱动摆臂旋转平台、测量臂、测头竖直调整装置和测头模块移动,摆臂旋转平台驱动测量臂、测头竖直调整装置和测头模块旋转,直线电机一驱动移动摆臂移动,实现非球面接触式测头与加工平台的转动台面对中粗调。
步骤二:建立坐标系O1-X1Y1Z1,X1轴和Y1轴均位于水平面上,原点O1为加工平台的转动台面中心;坐标系O1-X1Y1Z1为笛卡尔坐标系;X1轴正向与X轴正向所夹角度为锐角,Y1轴正向与Y轴正向所夹角度为锐角;初始位置时,设双电容式测头上的电容式测头一和电容式测头二的顶点在坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2);非球面接触式测头与平面z=z1相交于M点,与平面z=z2相交于N点;加工平台的转动台面带动双电容式测头转动,当双电容式测头转动到电容式测头一有测量值时,电容式测头一的顶点、点(0,0,z1)和M点共线,控制器记录电容式测头一到非球面接触式测头的距离d1以及此时加工平台的转动台面转动角度α,根据转动角度α求得转好后电容式测头一的顶点坐标,继而求得转好后电容式测头一的顶点到点(0,0,z1)的距离d2,然后根据d1与d2的比值λ1、点(0,0,z1)以及转好后电容式测头一的顶点坐标求得M点的X1坐标和Y1坐标;当双电容式测头转动到电容式测头二有测量值时,电容式测头二的顶点、点(0,0,z2)和N点共线,控制器记录电容式测头二到非球面接触式测头的距离d3以及此时加工平台的转动台面转动角度β,根据转动角度β求得转好后电容式测头二的顶点坐标,继而求得转好后电容式测头二的顶点到点(0,0,z2)的距离d4,然后根据d3与d4的比值λ2、点(0,0,z2)以及转好后电容式测头二的顶点坐标求得N点的X1坐标和Y1坐标;接着,根据M点和N点在坐标系O1-X1Y1Z1中坐标求得非球面接触式测头在坐标系O1-X1Y1Z1中的空间直线方程;设空间直线MN在X1O1Z1面上的投影直线与Z1轴的夹角为θ,且沿Y1正向视角,Z1轴在空间直线MN逆时针方向位置时,夹角θ为正,Z1轴在空间直线MN顺时针方向位置时,夹角θ为负;空间直线MN在Y1O1Z1面上的投影直线与Z1轴的夹角为γ,且沿X1负向视角,Z1轴在空间直线MN逆时针方向位置时,夹角γ为正,Z1轴在空间直线MN顺时针方向位置时,夹角γ为负。
步骤三:测头竖直调整装置中的绕X轴调整装置带动非球面接触式测头绕X轴调整角度γ,且γ为正时,沿X轴正向视角,非球面接触式测头绕X轴顺时针转动;绕Y轴调整装置带动非球面接触式测头绕Y轴调整角度θ,且θ为正时,沿Y轴正向视角,非球面接触式测头绕Y轴逆时针转动,最终实现非球面接触式测头的竖直状态精调。
步骤四:水平驱动机构驱动摆臂旋转平台、测量臂、测头竖直调整装置和测头模块移动,且摆臂旋转平台驱动测量臂、测头竖直调整装置和测头模块旋转,直线电机一驱动移动摆臂移动,再次进行非球面接触式测头与加工平台的转动台面对中粗调。
步骤五:设加工平台的转动台面回转轴线与摆臂旋转平台回转轴线相交于O3点,摆臂旋转平台的回转轴线与加工平台的转动台面回转轴线的夹角为ψ,并设定非球面接触式测头的中心轴线与加工平台的转动台面中心轴线重合状态下,非球面接触式测头顶点到摆臂旋转平台回转轴线的垂直距离为L,该状态下非球面接触式测头顶点为G点,G点到摆臂旋转平台回转轴线的垂足为O4,即O4G=L;设加工工件的非球面理论顶点所在球面的曲率半径为R,则有L=Rsinψ,其中,加工工件的非球面理论顶点为加工工件上与加工平台的转动台面高度差最大的点;故非球面接触式测头与加工平台的转动台面对中精调过程如下:
5.1、双电容式测头回到初始位置;非球面接触式测头与平面z=z1相交于P点,设定P点在坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标为(x3,y3,z3),其中,z3=z1;加工平台的转动台面带动双电容式测头转动,当双电容式测头转动到电容式测头一有测量值时,电容式测头一的顶点、点(0,0,z1)和P点共线,控制器记录电容式测头一到非球面接触式测头的距离d5以及此时加工平台的转动台面转动角度根据转动角度求得转好后电容式测头一的顶点坐标,继而求得转好后电容式测头一的顶点到点(0,0,z1)的距离d6,然后根据d5与d6的比值λ3、点(0,0,z1)以及转好后电容式测头一的顶点坐标求得P点的X1坐标和Y1坐标;
5.2、驱动摆臂旋转平台旋转,使摆臂旋转平台旋转角度为ω=arcsin(YP/L),设摆臂旋转平台回转轴线正方向与Z1轴正方向成锐角,ω为正时,沿摆臂旋转平台的回转轴线正方向视角,摆臂旋转平台逆时针旋转;其中,YP为P点的Y1坐标。
5.3、双电容式测头回到初始位置;非球面接触式测头与平面z=z1相交于Q点,设定点在坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标为(x4,y4,z4),其中,z4=z1;加工平台的转动台面带动双电容式测头转动,当双电容式测头转动到电容式测头一有测量值时,电容式测头一的顶点、点(0,0,z1)和Q点共线,控制器记录电容式测头一到非球面接触式测头的距离d7以及此时加工平台的转动台面转动角度ζ,根据转动角度ζ求得转好后电容式测头一的顶点坐标,继而求得转好后电容式测头一的顶点到点(0,0,z1)的距离d8,然后根据d7与d8的比值λ4、点(0,0,z1)以及转好后电容式测头一的顶点坐标求得Q点的X1坐标和Y1坐标;直线电机一驱动移动摆臂移动距离L2=XQsecψ,当XQ为正数时,移动摆臂沿X轴负方向移动;其中,XQ为Q点的X1坐标。
5.4、重复步骤5.1,然后检验是否成立,其中,XP为P点的X1坐标,δ为对中误差容许值;若成立,完成非球面接触式测头与加工平台的转动台面对中精调,执行步骤六;否则回到步骤5.2。
步骤六:将加工工件夹紧在加工平台的转动台面上,非球面接触式测头对加工工件的非球面面形进行检测。
优选地,步骤一粗调非球面接触式测头位置时,在非球面接触式测头与加工平台的转动台面对中粗调之前,先进行非球面接触式测头竖直状态粗调,具体如下:绕X轴调整装置的主蜗杆和副蜗杆由两个步进电机一驱动同步转动,并分别带动主涡轮环和副涡轮环,从而带动转动摆臂绕X轴转动;绕Y轴调整装置的步进电机二经螺杆驱动螺母块和齿条移动,进而带动齿轮和摩擦棘轮同步绕Y轴转动,实现非球面接触式测头竖直状态粗调。
优选地,步骤六中非球面接触式测头对加工工件的非球面面形进行检测前,使非球面接触式测头沿Z1轴平移至与加工工接触,非球面接触式测头的顶点置为零位。
本发明具有的有益效果:
1、本发明非球面接触式测头的竖直状态精调以及非球面接触式测头与加工平台的转动台面对中精调均可自动完成,而为了提高效率和准确性,还可人工预先控制非球面接触式测头与加工平台的转动台面中心轴线的对心粗调,以及非球面接触式测头与加工平台的转动台面对中粗调;因此,本发明在保证检测精度的同时,又降低了操作技术难度,提高了非球面接触式测头调整过程的效率,降低了非球面制造过程成本。
2、本发明中绕X轴调整装置采用双蜗杆机构,主蜗杆机构和副蜗杆机构同步调整后,副蜗杆机构反向微调转动,以类似“夹子”的方式消除蜗杆传动中蜗轮蜗杆之间的轮廓侧隙,且通过双蜗杆的自锁作用使得转动摆臂在测量过程中不发生窜动。另外,绕Y轴调整装置采用螺杆机构加齿轮齿条传动方式,并利用摩擦棘轮机构连续单向止逆的特性,通过齿条回程使齿轮与齿条接触面压紧,从而齿轮两向压紧,以类似“夹子”的方式保证齿轮的相对固定,从而达到消除齿侧间隙的目的,保证非球面接触式测头在测量过程中不发生窜动。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是本发明中绕X轴调整装置的结构示意图。
图3是本发明中绕Y轴调整装置的结构示意图。
图4是本发明中摆臂旋转平台结合双电容传感器测头进行旋转角度调整的示意图。
图5是本发明中移动摆臂结合双电容传感器测头进行移动调整的示意图。
图中:1、水平驱动机构;2、摆臂旋转平台;3、配重块;4、绕X轴调整装置;5、旋转摆臂;6、直线电机一;7、移动摆臂;8、绕Y轴调整装置;9、非球面接触式测头;10、双电容传感器测头;11、加工工件;12、加工平台;13副蜗杆机构;14、主蜗杆机构;15、测头模块;16、弹簧片;17、弧形止逆件;18、摩擦棘轮;19、齿条;20、螺杆机构。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现的目的及效果,以下结合具体实施方式并配附图详细说明。
如图1所示,实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置,包括测量装置和检测非球面检测测头9位置的双电容传感器测头10。双电容传感器测头10采用米铱(北京)测试技术有限公司型号为capaNCDT6530的电容位移传感器;双电容传感器测头10固定在加工平台12的转动台面上。
测量装置包括水平驱动机构1、摆臂旋转平台2、测量臂、测头竖直调整装置和测头模块15。测量臂由转动摆臂5和移动摆臂7组成;移动摆臂7固定在直线电机一6的输出轴上,并与转动摆臂5的燕尾形导轨构成滑动副;直线电机一6的底座固定在转动摆臂5上。配重块3固定在转动摆臂5,配重块3和移动摆臂7分设在转动摆臂5两端。
测头竖直调整装置包括绕X轴调整装置4和绕Y轴调整装置8。如图2所示,绕X轴调整装置4包括主蜗杆机构14和副蜗杆机构13;主蜗杆机构14包括相互啮合的主蜗杆和主涡轮环;副蜗杆机构13包括相互啮合的副蜗杆和副涡轮环;转动摆臂5与摆臂旋转平台2的转台构成转动副;主蜗杆和副蜗杆平行设置,且均与摆臂旋转平台2的转台构成转动副;主蜗杆和副蜗杆分别由一个步进电机一驱动;转动摆臂5的旋转轴线垂直于主蜗杆的旋转轴线和摆臂旋转平台2的转台旋转轴线;主涡轮环和副涡轮环同轴且间距固定在转动摆臂5上;摆臂旋转平台2的座体由水平驱动机构1驱动;本实施例中,摆臂旋转平台2包括转台、座体和旋转电机;转台与座体构成转动副,并与旋转电机的输出轴固定;旋转电机的底座固定在座体上;本实施例中,水平驱动机构1包括滑动块和直线滑轨;摆臂旋转平台2的座体与滑动块固定;滑动块与直线滑轨构成滑动副,并由直线电机二驱动;直线电机二的底座固定在加工平台12的底座上。如图3所示,绕Y轴调整装置8包括步进电机二、摩擦棘轮机构、齿轮、齿条19和螺杆机构20;螺杆机构20由螺杆和螺母块组成;步进电机二的底座固定在调整座上;调整座固定在移动摆臂7上;螺杆与步进电机二的输出轴通过联轴器固定,并通过轴承支承在支座一上;支座一固定在调整座上;螺母块与螺杆构成螺旋副,并与直线导轨构成滑动副;直线导轨固定在调整座上;齿条19与螺母块固定,并与齿轮啮合;支承轴通过轴承支承在支座二上;支座二固定在调整座上;摩擦棘轮机构由摩擦棘轮18、弧形止逆件17和弹簧片16组成;摩擦棘轮18固定在齿轮端面上,齿轮空套在支承轴上;弧形止逆件17与调整座构成转动副,并与摩擦棘轮18构成滑动摩擦副;弧形止逆件17与摩擦棘轮18的接触面由两个曲面连接而成,且其中一个曲面的最小曲率半径等于另一个曲面的最大曲率半径;弹簧片16的一端与弧形止逆件17固定,另一端与调整座固定;弧形止逆件17设置在摩擦棘轮18和弹簧片16之间。
测头模块15由夹具和非球面接触式测头9组成;夹具固定在支承轴上,齿轮固定在夹具上;非球面接触式测头9由夹具夹持。非球面接触式测头9采用深圳灏东科技有限公司的POM-HDH20系列直流回弹式位移传感器。
步进电机一、步进电机二、旋转电机、直线电机一和直线电机二均由控制器控制,加工平台12的转动台面启停也由控制器控制;双电容式测头10的信号传给控制器。
该实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置的检测方法,具体如下:
步骤一:建立坐标系O-XYZ,X轴与转动摆臂5的旋转轴线同轴,Y轴与支承轴的旋转轴线同轴;坐标系O-XYZ为笛卡尔坐标系;粗调非球面接触式测头9位置,具体为:绕X轴调整装置4的主蜗杆和副蜗杆由两个步进电机一驱动同步转动,并分别带动主涡轮环和副涡轮环,从而带动转动摆臂5绕X轴转动;绕Y轴调整装置8的步进电机二经螺杆驱动螺母块和齿条19移动,进而带动齿轮和摩擦棘轮18同步绕Y轴转动;上述绕X轴和Y轴转动,对非球面接触式测头9进行竖直状态粗调;然后,水平驱动机构1驱动摆臂旋转平台2、测量臂、测头竖直调整装置和测头模块15移动,摆臂旋转平台2驱动测量臂、测头竖直调整装置和测头模块15旋转,直线电机一驱动移动摆臂移动,实现非球面接触式测头9与加工平台的转动台面对中粗调。
步骤二:建立坐标系O1-X1Y1Z1,X1轴和Y1轴均位于水平面上,原点O1为加工平台12的转动台面中心;坐标系O1-X1Y1Z1为笛卡尔坐标系;X1轴正向与X轴正向所夹角度为锐角,Y1轴正向与Y轴正向所夹角度为锐角;初始位置时,设双电容式测头10上的电容式测头一和电容式测头二的顶点在坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2);非球面接触式测头9与平面z=z1相交于M点,与平面z=z2相交于N点;加工平台12的转动台面带动双电容式测头10转动,当双电容式测头10转动到电容式测头一有测量值时,电容式测头一的顶点、点(0,0,z1)和M点共线,控制器记录电容式测头一到非球面接触式测头的距离d1以及此时加工平台的转动台面转动角度α,根据转动角度α求得转好后电容式测头一的顶点坐标,继而求得转好后电容式测头一的顶点到点(0,0,z1)的距离d2,然后根据d1与d2的比值λ1、点(0,0,z1)以及转好后电容式测头一的顶点坐标求得M点的X1坐标和Y1坐标;当双电容式测头10转动到电容式测头二有测量值时,电容式测头二的顶点、点(0,0,z2)和N点共线,控制器记录电容式测头二到非球面接触式测头的距离d3以及此时加工平台的转动台面转动角度β,根据转动角度β求得转好后电容式测头二的顶点坐标,继而求得转好后电容式测头二的顶点到点(0,0,z2)的距离d4,然后根据d3与d4的比值λ2、点(0,0,z2)以及转好后电容式测头二的顶点坐标求得N点的X1坐标和Y1坐标;接着,根据M点和N点在坐标系O1-X1Y1Z1中坐标求得非球面接触式测头9在坐标系O1-X1Y1Z1中的空间直线方程;空间直线MN在X1O1Z1面上的投影直线与Z1轴的夹角θ,即为非球面接触式测头9绕Y轴调整角度,且沿Y1正向视角,Z1轴在空间直线MN逆时针方向位置时,夹角θ为正,Z1轴在空间直线MN顺时针方向位置时,夹角θ为负;空间直线MN在Y1O1Z1面上的投影直线与Z1轴的夹角γ,即为非球面接触式测头9绕X轴调整角度,且沿X1负向视角,Z1轴在空间直线MN逆时针方向位置时,夹角γ为正,Z1轴在空间直线MN顺时针方向位置时,夹角γ为负。
步骤三:测头竖直调整装置中的绕X轴调整装置4带动非球面接触式测头9绕X轴调整角度γ,且γ为正时,沿X轴正向视角,非球面接触式测头9绕X轴顺时针转动;绕Y轴调整装置带动非球面接触式测头9绕Y轴调整角度θ,且θ为正时,沿Y轴正向视角,非球面接触式测头9绕Y轴逆时针转动,最终实现非球面接触式测头9的竖直状态精调。
步骤四:水平驱动机构1驱动摆臂旋转平台2、测量臂、测头竖直调整装置和测头模块15移动,且摆臂旋转平台2驱动测量臂、测头竖直调整装置和测头模块15旋转,直线电机一驱动移动摆臂移动,再次进行非球面接触式测头9与加工平台的转动台面对中粗调。
步骤五:如图4所示,设加工平台12的转动台面回转轴线与摆臂旋转平台2回转轴线相交于O3点,摆臂旋转平台2的回转轴线与加工平台12的转动台面回转轴线的夹角为ψ,并设定非球面接触式测头9的中心轴线与加工平台的转动台面中心轴线重合状态下,非球面接触式测头9顶点到摆臂旋转平台回转轴线的垂直距离为L,该状态下非球面接触式测头9顶点为G点,G点到摆臂旋转平台回转轴线的垂足为O4,即O4G=L;设加工工件的非球面理论顶点(与加工平台12的转动台面高度差最大的点)所在球面的曲率半径为R,则有L=Rsinψ,故非球面接触式测头9与加工平台的转动台面对中精调过程如下:
5.1、双电容式测头10回到初始位置;非球面接触式测头9与平面z=z1相交于P点,设定P点在坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标为(x3,y3,z3),其中,z3=z1;加工平台12的转动台面带动双电容式测头10转动,当双电容式测头10转动到电容式测头一有测量值时,电容式测头一的顶点、点(0,0,z1)和P点共线,控制器记录电容式测头一到非球面接触式测头的距离d5以及此时加工平台的转动台面转动角度根据转动角度求得转好后电容式测头一的顶点坐标,继而求得转好后电容式测头一的顶点到点(0,0,z1)的距离d6,然后根据d5与d6的比值λ3、点(0,0,z1)以及转好后电容式测头一的顶点坐标求得P点的X1坐标和Y1坐标;
5.2、驱动摆臂旋转平台2旋转,使摆臂旋转平台旋转角度为ω=arcsin(YP/L),设摆臂旋转平台回转轴线正方向与Z1轴正方向成锐角,ω为正时,沿摆臂旋转平台的回转轴线正方向视角,摆臂旋转平台逆时针旋转;其中,YP为P点的Y1坐标;这里ω采用了近似求解公式,ω精确求解公式应为arcsin(YP/L1),其中,L1是非球面接触式测头9顶点到摆臂旋转平台2回转轴线的实际距离,但是由于L1的值不便于测量且经过步骤四后L1与L的差值一般不会超过5mm,故这里用L代替L1,并用求得的ω进行初步调节。
5.3、双电容式测头10回到初始位置;非球面接触式测头9与平面z=z1相交于Q点,设定点在坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标为(x4,y4,z4),其中,z4=z1;加工平台12的转动台面带动双电容式测头10转动,当双电容式测头10转动到电容式测头一有测量值时,电容式测头一的顶点、点(0,0,z1)和Q点共线,控制器记录电容式测头一到非球面接触式测头的距离d7以及此时加工平台的转动台面转动角度ζ,根据转动角度ζ求得转好后电容式测头一的顶点坐标,继而求得转好后电容式测头一的顶点到点(0,0,z1)的距离d8,然后根据d7与d8的比值λ4、点(0,0,z1)以及转好后电容式测头一的顶点坐标求得Q点的X1坐标和Y1坐标;如图5所示,直线电机一6驱动移动摆臂7移动距离L2=XQsecψ,当XQ为正数时,移动摆臂沿X轴负方向移动;其中,XQ为Q点的X1坐标。
5.4、重复步骤5.1,然后检验是否成立,其中,XP为P点的X1坐标,δ为对中误差容许值;若成立,完成非球面接触式测头9与加工平台的转动台面对中精调,执行步骤六;否则回到步骤5.2。这里,由于每次执行步骤2和步骤3后,L1与L差值变小,通过渐进调节的方式,L1能逼近L。
步骤六:将加工工件11夹紧在加工平台12的转动台面上,使非球面接触式测头9沿Z1轴平移至与加工工件11接触,非球面接触式测头9的顶点置为零位;然后,非球面接触式测头9对加工工件11的非球面面形进行检测。
本发明在保证检测精度的同时,又降低了操作技术难度,提高了非球面接触式测头9调整过程的效率,降低了非球面制造过程成本。绕X轴调整装置4采用双蜗杆机构,主蜗杆机构14和副蜗杆机构13同步调整后,副蜗杆机构13反向微调转动,以类似“夹子”的方式消除蜗杆传动中蜗轮蜗杆之间的轮廓侧隙,且通过双蜗杆的自锁作用使得转动摆臂5在测量过程中不发生窜动。另外,绕Y轴调整装置8采用螺杆机构加齿轮齿条传动方式,并利用摩擦棘轮机构连续单向止逆的特性,通过齿条19回程使齿轮与齿条19接触面压紧,从而齿轮两向压紧,以类似“夹子”的方式保证齿轮的相对固定,从而达到消除齿侧间隙的目的,保证非球面接触式测头9在测量过程中不发生窜动。
Claims (7)
1.实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置,包括测量装置,其特征在于:还包括双电容传感器测头;所述的双电容传感器测头固定在加工平台的转动台面上;所述的测量装置包括水平驱动机构、摆臂旋转平台、测量臂、测头竖直调整装置和测头模块;所述的测量臂由转动摆臂和移动摆臂组成;移动摆臂固定在直线电机一的输出轴上,并与转动摆臂的燕尾形导轨构成滑动副;直线电机一的底座固定在转动摆臂上;转动摆臂与摆臂旋转平台的转台构成转动副;摆臂旋转平台的座体由水平驱动机构驱动;配重块固定在转动摆臂上,且配重块和移动摆臂分设在转动摆臂两端;移动摆臂的中心轴线与转动摆臂的中心轴线重合,并与摆臂旋转平台的中心轴线垂直;
所述的测头竖直调整装置包括绕X轴调整装置和绕Y轴调整装置;所述的绕X轴调整装置包括主蜗杆机构和副蜗杆机构;所述的主蜗杆机构包括相互啮合的主蜗杆和主涡轮环;所述的副蜗杆机构包括相互啮合的副蜗杆和副涡轮环;主蜗杆和副蜗杆平行设置,且均与摆臂旋转平台的转台构成转动副;主蜗杆和副蜗杆分别由一个步进电机一驱动;主蜗杆的旋转轴线垂直于转动摆臂的旋转轴线和摆臂旋转平台的转台旋转轴线;所述的主涡轮环和副涡轮环同轴且间距固定在转动摆臂上;所述的绕Y轴调整装置包括步进电机二、摩擦棘轮机构、齿轮、齿条和螺杆机构;所述的螺杆机构由螺杆和螺母块组成;所述步进电机二的底座固定在调整座上;调整座固定在移动摆臂上;螺杆与步进电机二的输出轴通过联轴器固定,并通过轴承支承在支座一上;支座一固定在调整座上;所述的螺母块与螺杆构成螺旋副,并与直线导轨构成滑动副;所述的直线导轨固定在调整座上;所述的齿条与螺母块固定,并与齿轮啮合;支承轴通过轴承支承在支座二上;支座二固定在调整座上;所述的摩擦棘轮机构由摩擦棘轮、弧形止逆件和弹簧片组成;所述的摩擦棘轮固定在齿轮端面上,齿轮空套在支承轴上;所述的弧形止逆件与调整座构成转动副,并与摩擦棘轮构成滑动摩擦副;弧形止逆件与摩擦棘轮的接触面由两个曲面连接而成,且其中一个曲面的最小曲率半径等于另一个曲面的最大曲率半径;所述弹簧片的一端与弧形止逆件固定,另一端与调整座固定;弧形止逆件设置在摩擦棘轮和弹簧片之间;
所述的测头模块由夹具和非球面接触式测头组成;所述的夹具固定在支承轴上,绕Y轴调整装置的齿轮固定在夹具上;所述的非球面接触式测头由夹具夹持。
2.根据权利要求1所述实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置,其特征在于:所述的摆臂旋转平台包括转台、座体和旋转电机;所述的转台与座体构成转动副,并与旋转电机的输出轴固定;所述旋转电机的底座固定在座体上;旋转电机由控制器控制。
3.根据权利要求1所述实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置,其特征在于:所述的水平驱动机构包括滑动块和直线滑轨;摆臂旋转平台的座体与滑动块固定;滑动块与直线滑轨构成滑动副,并由直线电机二驱动;所述直线电机二的底座固定在加工平台的底座上;直线电机二由控制器控制。
4.根据权利要求1、2或3所述实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置,其特征在于:所述的步进电机一、步进电机二和直线电机一均由控制器控制,加工平台的转动台面启停也由控制器控制;双电容式测头的信号传给控制器。
5.根据权利要求4所述实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置的检测方法,其特征在于:该方法具体如下:
步骤一:建立坐标系O-XYZ,X轴与转动摆臂的旋转轴线同轴,Y轴与支承轴的旋转轴线同轴;坐标系O-XYZ为笛卡尔坐标系;粗调非球面接触式测头位置,具体为:水平驱动机构驱动摆臂旋转平台、测量臂、测头竖直调整装置和测头模块移动,摆臂旋转平台驱动测量臂、测头竖直调整装置和测头模块旋转,直线电机一驱动移动摆臂移动,实现非球面接触式测头与加工平台的转动台面对中粗调;
步骤二:建立坐标系O1-X1Y1Z1,X1轴和Y1轴均位于水平面上,原点O1为加工平台的转动台面中心;坐标系O1-X1Y1Z1为笛卡尔坐标系;X1轴正向与X轴正向所夹角度为锐角,Y1轴正向与Y轴正向所夹角度为锐角;初始位置时,设双电容式测头上的电容式测头一和电容式测头二的顶点在坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2);非球面接触式测头与平面z=z1相交于M点,与平面z=z2相交于N点;加工平台的转动台面带动双电容式测头转动,当双电容式测头转动到电容式测头一有测量值时,电容式测头一的顶点、点(0,0,z1)和M点共线,控制器记录电容式测头一到非球面接触式测头的距离d1以及此时加工平台的转动台面转动角度α,根据转动角度α求得转好后电容式测头一的顶点坐标,继而求得转好后电容式测头一的顶点到点(0,0,z1)的距离d2,然后根据d1与d2的比值λ1、点(0,0,z1)以及转好后电容式测头一的顶点坐标求得M点的X1坐标和Y1坐标;当双电容式测头转动到电容式测头二有测量值时,电容式测头二的顶点、点(0,0,z2)和N点共线,控制器记录电容式测头二到非球面接触式测头的距离d3以及此时加工平台的转动台面转动角度β,根据转动角度β求得转好后电容式测头二的顶点坐标,继而求得转好后电容式测头二的顶点到点(0,0,z2)的距离d4,然后根据d3与d4的比值λ2、点(0,0,z2)以及转好后电容式测头二的顶点坐标求得N点的X1坐标和Y1坐标;接着,根据M点和N点在坐标系O1-X1Y1Z1中坐标求得非球面接触式测头在坐标系O1-X1Y1Z1中的空间直线方程;设空间直线MN在X1O1Z1面上的投影直线与Z1轴的夹角为θ,且沿Y1正向视角,Z1轴在空间直线MN逆时针方向位置时,夹角θ为正,Z1轴在空间直线MN顺时针方向位置时,夹角θ为负;空间直线MN在Y1O1Z1面上的投影直线与Z1轴的夹角为γ,且沿X1负向视角,Z1轴在空间直线MN逆时针方向位置时,夹角γ为正,Z1轴在空间直线MN顺时针方向位置时,夹角γ为负;
步骤三:测头竖直调整装置中的绕X轴调整装置带动非球面接触式测头绕X轴调整角度γ,且γ为正时,沿X轴正向视角,非球面接触式测头绕X轴顺时针转动;绕Y轴调整装置带动非球面接触式测头绕Y轴调整角度θ,且θ为正时,沿Y轴正向视角,非球面接触式测头绕Y轴逆时针转动,最终实现非球面接触式测头的竖直状态精调;
步骤四:水平驱动机构驱动摆臂旋转平台、测量臂、测头竖直调整装置和测头模块移动,且摆臂旋转平台驱动测量臂、测头竖直调整装置和测头模块旋转,直线电机一驱动移动摆臂移动,再次进行非球面接触式测头与加工平台的转动台面对中粗调;
步骤五:设加工平台的转动台面回转轴线与摆臂旋转平台回转轴线相交于O3点,摆臂旋转平台的回转轴线与加工平台的转动台面回转轴线的夹角为ψ,并设定非球面接触式测头的中心轴线与加工平台的转动台面中心轴线重合状态下,非球面接触式测头顶点到摆臂旋转平台回转轴线的垂直距离为L,该状态下非球面接触式测头顶点为G点,G点到摆臂旋转平台回转轴线的垂足为O4,即O4G=L;设加工工件的非球面理论顶点所在球面的曲率半径为R,则有L=Rsinψ,其中,加工工件的非球面理论顶点为加工工件上与加工平台的转动台面高度差最大的点;故非球面接触式测头与加工平台的转动台面对中精调过程如下:
5.1、双电容式测头回到初始位置;非球面接触式测头与平面z=z1相交于P点,设定P点在坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标为(x3,y3,z3),其中,z3=z1;加工平台的转动台面带动双电容式测头转动,当双电容式测头转动到电容式测头一有测量值时,电容式测头一的顶点、点(0,0,z1)和P点共线,控制器记录电容式测头一到非球面接触式测头的距离d5以及此时加工平台的转动台面转动角度根据转动角度求得转好后电容式测头一的顶点坐标,继而求得转好后电容式测头一的顶点到点(0,0,z1)的距离d6,然后根据d5与d6的比值λ3、点(0,0,z1)以及转好后电容式测头一的顶点坐标求得P点的X1坐标和Y1坐标;
5.2、驱动摆臂旋转平台旋转,使摆臂旋转平台旋转角度为ω=arcsin(YP/L),设摆臂旋转平台回转轴线正方向与Z1轴正方向成锐角,ω为正时,沿摆臂旋转平台的回转轴线正方向视角,摆臂旋转平台逆时针旋转;其中,YP为P点的Y1坐标;
5.3、双电容式测头回到初始位置;非球面接触式测头与平面z=z1相交于Q点,设定点在坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标为(x4,y4,z4),其中,z4=z1;加工平台的转动台面带动双电容式测头转动,当双电容式测头转动到电容式测头一有测量值时,电容式测头一的顶点、点(0,0,z1)和Q点共线,控制器记录电容式测头一到非球面接触式测头的距离d7以及此时加工平台的转动台面转动角度ζ,根据转动角度ζ求得转好后电容式测头一的顶点坐标,继而求得转好后电容式测头一的顶点到点(0,0,z1)的距离d8,然后根据d7与d8的比值λ4、点(0,0,z1)以及转好后电容式测头一的顶点坐标求得Q点的X1坐标和Y1坐标;直线电机一驱动移动摆臂移动距离L2=XQsecψ,当XQ为正数时,移动摆臂沿X轴负方向移动;其中,XQ为Q点的X1坐标;
5.4、重复步骤5.1,然后检验是否成立,其中,XP为P点的X1坐标,δ为对中误差容许值;若成立,完成非球面接触式测头与加工平台的转动台面对中精调,执行步骤六;否则回到步骤5.2;
步骤六:将加工工件夹紧在加工平台的转动台面上,非球面接触式测头对加工工件的非球面面形进行检测。
6.根据权利要求5所述实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置的检测方法,其特征在于:步骤一粗调非球面接触式测头位置时,在非球面接触式测头与加工平台的转动台面对中粗调之前,先进行非球面接触式测头竖直状态粗调,具体如下:绕X轴调整装置的主蜗杆和副蜗杆由两个步进电机一驱动同步转动,并分别带动主涡轮环和副涡轮环,从而带动转动摆臂绕X轴转动;绕Y轴调整装置的步进电机二经螺杆驱动螺母块和齿条移动,进而带动齿轮和摩擦棘轮同步绕Y轴转动,实现非球面接触式测头竖直状态粗调。
7.根据权利要求5所述实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置的检测方法,其特征在于:步骤六中非球面接触式测头对加工工件的非球面面形进行检测前,使非球面接触式测头沿Z1轴平移至与加工工接触,非球面接触式测头的顶点置为零位。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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