CN111272095B - 一种高精度二维位置传感器对心检测装置和方法 - Google Patents

一种高精度二维位置传感器对心检测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度二维位置传感器对心检测装置和方法，主要用于光学测距传感器光轴姿态调整，与转台轴心线的快速对心调整，并精确测量对心误差。该装置由多维调整机构、光学测距传感器、二维位置传感器、固定装置、转台组成。二维位置传感器测量光学测距传感器光斑中心的位置，调整测距传感器不同位置高度，测量测距传感器光斑中心在对应位置的坐标数据，通过数据处理得到测距传感器的姿态；随着转台转动，测量光学测距传感器光斑中心在转台对应位置的坐标数据，通过数据处理得到光学测距传感器光轴与转台轴心线相对位置关系以及对心误差。本发明采用二维位置传感器进行姿态调整、对心调整和检测，调整精度高，检测精度高、重复性好。

Description

一种高精度二维位置传感器对心检测装置和方法
技术领域
本发明属于几何量精密测试领域，涉及摆臂式轮廓仪光谱共焦传感器姿态调整、对心调整和对心误差检测，适用于光学类传感器姿态调整、对心快速调整和精密检测。具体涉及一种高精度二维位置传感器对心检测装置和方法。
背景技术
光学测距传感器的对心指其测量光轴与转台的轴心线同心。
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，其最大的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件转台使用，对待测镜面实现在位检测。为了实现对抛光镜面的面形检测，考虑接触式传感器对镜面可能产生的划痕，在检测过程中采用光学测距传感器(光谱共焦传感器)。
经分析，为了保证检测精度，需要对光谱共焦传感器进行姿态调整、对心调整以及对心误差精确测量。目前，没有有效的手段来实现以上需求。本发明采用二维位置传感器来实现光谱共焦传感器的姿态调整、对心调整以及对心误差精确测量。
发明内容
本发明的技术解决问题：为了保证采用光谱共焦传感器的摆臂式轮廓仪检测精度，需要对光谱共焦传感器进行姿态调整、对心调整以及对心误差精确测量。本发明的目的是提供光谱共焦传感器的姿态调整方法、对心调整方法以及对心误差的检测装置和测量方法。
本发明的技术解决方案：一种高精度二维位置传感器对心检测装置，该装置由多维调整机构、光学测距传感器、二维位置传感器、固定装置、转台组成，其中：
二维位置传感器安装在固定装置上，感光靶面面向光学测距传感器，在转台任意位置，传感器光斑均在二维位置传感器感光靶面内，同时二维位置传感器感光靶面与转台旋转基准面平行。
进一步的，多维调整机构至少能够实现X、Y、Z三维平移移动以及θx、θy二维倾斜调整，三维平移移动分辨率小于1μm，调整范围≥10mm，Z方向平移方向与转台轴心线平行；二维倾斜调整分辨率0.001°，调整范围≥3°；
进一步的，二维位置传感器有效靶面面积至少为2mm×2mm，分辨率为0.1μm，响应时间为0.025μs，响应光谱范围包含400nm～1100nm。
本发明另外提供一种光学测距传感器姿态调整方法，包括如下步骤：
步骤S1，将二维位置传感器和固定装置一起固定在转台，使光学测距传感器的光斑在完全处于二维位置传感器感光靶面内；
步骤S2，二维位置传感器给出初始位置时光学测距传感器光斑中心的位置(m0，n0)；
步骤S3，调整多维调整机构Z向旋钮，使光学测距传感器向上或向下平移一段距离(保证光学测距传感器在正常测量范围)，二维位置传感器给出平移后光学测距传感器光斑中心的位置(m1，n1)；
步骤S4，通过多维调整机构二维倾斜调整旋钮，将检测光学测距传感器光斑中心的调整坐标为((m1+m0)/2，(n0+n1)/2)；
步骤S5，重复步骤S3和S4，使光学测距传感器光斑中心在上下位置处的坐标一致，即完成光学测距传感器姿态调整。
本发明另外提供一种高精度二维位置传感器快速对心调整方法，包括步骤如下：
步骤S1，将二维位置传感器和固定装置一起固定在转台，使光学测距传感器的光斑在完全处于二维位置传感器感光靶面内；
步骤S2，二维位置传感器给出初始位置时光学测距传感器光斑中心的位置(m0，n0)；
步骤S3，转台顺时针旋转90°，二维位置传感器给出此时位置光学测距传感器光斑中心的位置(m1，n1)；
步骤S4，通过多维调整机构将检测光学测距传感器光斑中心的调整坐标为((m1+n0-m0-n1)/2，(m1+n1-m0-n0)/2)，即完成对心调整。
本发明另外提供一种高精度二维位置传感器对心检测方法，包括如下步骤：
步骤S1，将二维位置传感器和固定装置一起固定在转台，使光学测距传感器的光斑在完全处于二维位置传感器探测靶面内；
步骤S2，二维位置传感器给出初始位置时光学测距传感器光斑中心的位置(m0，n0)；
步骤S3，转台相对于初始位置，依次顺时针旋转角度为θi，二维位置传感器给出此时位置光学测距传感器光斑中心的位置(mi，ni)；
步骤S4，通过数据处理，可以得到光学测距传感器光轴与转台轴心线的对心误差。
本发明具有如下优点：1)可以有效地实现光学传感器姿态调整、对心调整和对心误差检测的难题；2)采用二维位置传感器进行姿态整、对心调整和检测，调整精度高，检测精度高、重复性好；3)采用的快速调整方法，调整步骤少，能够方便快捷实现对心调整。
附图说明
图1是本发明高精度二维位置传感器对心检测装置的结构示意图；
图2是本发明光学测距传感器姿态调整方法的流程图；
图3是本发明高精度二维位置传感器快速对心调整方法的流程图；
图4是本发明高精度二维位置传感器对心检测方法的流程图；
图5是本发明高精度二维位置传感器对心检测方法的原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，一种高精度二维位置传感器对心检测装置，包括：多维调整机构1、光学测距传感器2、二维位置传感器3、固定装置4、转台组成5，其中：
光学测距传感器2固定在多维调整机构1上，传感器光轴与转台5基面垂直；
固定装置4固定在转台5上，随转台5一起旋转；
二维位置传感器3安装在固定装置4上，感光靶面面向光学测距传感器2，在转台5任意位置，光学测距传感器2光斑均在二维位置传感器3感光靶面内，同时二维位置传感器3感光靶面与转台5旋转基准面平行；
多维调整机构1至少能够实现X、Y、Z三维平移移动以及θx、θy二维倾斜调整，三维平移移动分辨率小于1μm，调整范围≥10mm，Z方向平移方向与转台轴心线平行；二维倾斜调整分辨率0.001°，调整范围≥3°；
二维位置传感器3有效靶面面积至少为2mm×2mm，分辨率为0.1μm，响应时间为0.025μs，响应光谱范围包含400nm～1100nm。
如图2所示，一种光学测距传感器姿态调整方法，所述测量步骤包括：
步骤S1，将二维位置传感器3和固定装置4一起固定在转台5，使光学测距传感器2的光斑在完全处于二维位置传感器3感光靶面内；
步骤S2，二维位置传感器3给出初始位置时光学测距传感器2光斑中心的位置(m0，n0)；
步骤S3，调整多维调整机构1Z向旋钮，使光学测距传感器2向上或向下平移一段距离(保证光学测距传感器在正常测量范围)，二维位置传感器3给出平移后光学测距传感器2光斑中心的位置(m1，n1)；
步骤S4，通过多维调整机构1二维倾斜调整旋钮，将检测光学测距传感器2光斑中心的调整坐标为((m1+m0)/2，(n0+n1)/2)；
步骤S5，重复步骤S3和S4，使光学测距传感器光斑2中心在上下位置处的坐标一致，即完成光学测距传感器2姿态调整。
如图3所示，高精度二维位置传感器快速对心调整方法，所述测量步骤包括：
步骤S1，将二维位置传感器3和固定装置4一起固定在转台5，使光学测距传感器2的光斑在完全处于二维位置传感器3感光靶面内；
步骤S2，二维位置传感器3给出初始位置时光学测距传感器2光斑中心的位置(m0，n0)；
步骤S3，转台5顺时针旋转90°，二维位置传感器3给出此时位置光学测距传感器2光斑中心的位置(m1，n1)；
步骤S4，通过多维调整机构1将检测光学测距传感器2光斑中心的调整坐标为((m1+n0-m0-n1)/2，(m1+n1-m0-n0)/2)，即完成对心调整。
如图4所示，高精度二维位置传感器对心检测方法，包括如下步骤：
步骤S1，将二维位置传感器3和固定装置4一起固定在转台5，使光学测距传感器2的光斑在完全处于二维位置传感器3探测靶面；
光学测距传感器2在多维调整机构1上安装完成后，其测量光轴与转台5轴心线之间的位置关系就确定下来，以转台5建立如图5所示的XOY坐标系，O点为转台5旋转中心点，其坐标为(0,0)。
步骤S2，二维位置传感器3给出初始位置时光学测距传感器2光斑中心的位置P0(m0，n0)；
二维位置传感器3在初始位置的坐标系为X0O0Y0坐标系，O0点为二维位置传感器3中心点，其坐标为(x0,y0)，光学测距传感器2光斑中心的位置P0在二维位置传感器3坐标系为X0O0Y0坐标系的坐标为P0(m0，n0)。
步骤S3，转台5相对于初始位置，依次顺时针旋转角度为θi，二维位置传感器3给出此时位置光学测距传感器2光斑中心的位置Pi(mi，ni)；
为了保证测量精度，转台5旋转位置尽可能均匀分布。
步骤S4，通过数据处理，可以得到光学测距传感器3光轴与转台5轴心线的对心误差。
结合图5，转台5旋转不同位置时，光学测距传感器2光斑中心点相对于旋转5旋转中心点O的位置并没有发生改变，则有：
Figure BDA0002390923640000041
Figure BDA0002390923640000042
Figure BDA0002390923640000051
整理可得到：
Figure BDA0002390923640000052
不妨记：
Figure BDA0002390923640000053
则有：
Figure BDA0002390923640000054
将式(6)代入式(2)、式(3)中，得到光学测距传感器2光轴与转台5轴心线的对心误差：
Figure BDA0002390923640000055
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或者替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (3)

1.一种光学测距传感器姿态调整方法，利用高精度二维位置传感器对心检测装置，其特征在于：该装置由多维调整机构、光学测距传感器、二维位置传感器、固定装置、转台组成，其中：
光学测距传感器固定在多维调整机构上；
固定装置固定在转台上，随转台一起旋转；
二维位置传感器安装在固定装置上，感光靶面面向光学测距传感器，在转台任意位置，测距传感器光斑均在二维位置传感器感光靶面内，同时二维位置传感器感光靶面与转台旋转基准面平行；
所述的多维调整机构至少能够实现X、Y、Z三维平移移动以及θx、θy二维倾斜调整，三维平移移动分辨率小于1μm，调整范围≥10mm，Z方向平移方向与转台轴心线平行；二维倾斜调整分辨率0.001°，调整范围≥3°；
所述的光学测距传感器类型包括光谱共焦式传感器、激光测距传感器、三角法激光测距传感器；
所述的二维位置传感器感光靶面面积至少为2mm×2mm，分辨率为0.1μm，响应时间为0.025μs，响应光谱范围包含400nm～1100nm；
所述的固定装置能够固定二维位置传感器，并能够固定在转台上；
所述的转台包括气浮转台、空气轴承类转台、机械轴承类转台，能够精密控制转动，并读取转台转动角度；
该光学测距传感器姿态调整方法包括如下步骤：
步骤S1，将二维位置传感器和固定装置一起固定在转台，使光学测距传感器的光斑在完全处于二维位置传感器感光靶面内；
步骤S2，二维位置传感器给出初始位置时光学测距传感器光斑中心的位置(m0，n0)；
步骤S3，调整多维调整机构Z向旋钮，使光学测距传感器向上或向下平移一段距离以保证光学测距传感器在正常测量范围，二维位置传感器给出平移后光学测距传感器光斑中心的位置(m1，n1)；
步骤S4，通过多维调整机构二维倾斜调整旋钮，将检测光学测距传感器光斑中心的调整坐标为((m1+m0)/2，(n0+n1)/2)；
步骤S5，重复步骤S3和步骤S4，使光学测距传感器光斑中心在上下位置处的坐标一致，即完成光学测距传感器姿态调整。
2.一种高精度二维位置传感器快速对心调整方法，利用高精度二维位置传感器对心检测装置，其特征在于：该装置由多维调整机构、光学测距传感器、二维位置传感器、固定装置、转台组成，其中：
光学测距传感器固定在多维调整机构上；
固定装置固定在转台上，随转台一起旋转；
二维位置传感器安装在固定装置上，感光靶面面向光学测距传感器，在转台任意位置，测距传感器光斑均在二维位置传感器感光靶面内，同时二维位置传感器感光靶面与转台旋转基准面平行；
所述的多维调整机构至少能够实现X、Y、Z三维平移移动以及θx、θy二维倾斜调整，三维平移移动分辨率小于1μm，调整范围≥10mm，Z方向平移方向与转台轴心线平行；二维倾斜调整分辨率0.001°，调整范围≥3°；
所述的光学测距传感器类型包括光谱共焦式传感器、激光测距传感器、三角法激光测距传感器；
所述的二维位置传感器感光靶面面积至少为2mm×2mm，分辨率为0.1μm，响应时间为0.025μs，响应光谱范围包含400nm～1100nm；
所述的固定装置能够固定二维位置传感器，并能够固定在转台上；
所述的转台包括气浮转台、空气轴承类转台、机械轴承类转台，能够精密控制转动，并读取转台转动角度；
该高精度二维位置传感器快速对心调整方法包括如下步骤：
步骤S1，将二维位置传感器和固定装置一起固定在转台，使光学测距传感器的光斑在完全处于二维位置传感器感光靶面内；
步骤S2，二维位置传感器给出初始位置时光学测距传感器光斑中心的位置(m0，n0)；
步骤S3，转台顺时针旋转90°，二维位置传感器给出此时位置光学测距传感器光斑中心的位置(m1，n1)；
步骤S4，通过多维调整机构将检测光学测距传感器光斑中心的调整坐标为((m1+n0-m0-n1)/2，(m1+n1-m0-n0)/2)，即完成对心调整。
3.一种高精度二维位置传感器对心检测方法，利用高精度二维位置传感器对心检测装置，其特征在于：该装置由多维调整机构、光学测距传感器、二维位置传感器、固定装置、转台组成，其中：
光学测距传感器固定在多维调整机构上；
固定装置固定在转台上，随转台一起旋转；
二维位置传感器安装在固定装置上，感光靶面面向光学测距传感器，在转台任意位置，测距传感器光斑均在二维位置传感器感光靶面内，同时二维位置传感器感光靶面与转台旋转基准面平行；
所述的多维调整机构至少能够实现X、Y、Z三维平移移动以及θx、θy二维倾斜调整，三维平移移动分辨率小于1μm，调整范围≥10mm，Z方向平移方向与转台轴心线平行；二维倾斜调整分辨率0.001°，调整范围≥3°；
所述的光学测距传感器类型包括光谱共焦式传感器、激光测距传感器、三角法激光测距传感器；
所述的二维位置传感器感光靶面面积至少为2mm×2mm，分辨率为0.1μm，响应时间为0.025μs，响应光谱范围包含400nm～1100nm；
所述的固定装置能够固定二维位置传感器，并能够固定在转台上；
所述的转台包括气浮转台、空气轴承类转台、机械轴承类转台，能够精密控制转动，并读取转台转动角度；
该高精度二维位置传感器对心检测方法包括如下步骤：
步骤S1，将二维位置传感器和固定装置一起固定在转台，使光学测距传感器的光斑在完全处于二维位置传感器探测靶面内；
光学测距传感器在多维调整机构上安装完成后，其测量光轴与转台轴心线之间的位置关系就确定下来，以转台建立XOY坐标系，O点为转台旋转中心点，其坐标为(0,0)；
步骤S2，二维位置传感器给出初始位置时光学测距传感器光斑中心的位置(m0，n0)；
二维位置传感器在初始位置的坐标系为X0O0Y0坐标系，O0点为二维位置传感器中心点，其坐标为(x0,y0)，光学测距传感器光斑中心的位置P0在二维位置传感器坐标系为X0O0Y0坐标系的坐标为P0(m0，n0)；
步骤S3，转台相对于初始位置，依次顺时针旋转角度为θi，二维位置传感器给出此时位置光学测距传感器光斑中心的位置(mi，ni)；
步骤S4，通过数据处理，可以得到光学测距传感器光轴与转台轴心线的对心误差；
转台旋转不同位置时，光学测距传感器光斑中心点相对于旋转旋转中心点O的位置并没有发生改变，则有：
Figure FDA0003451757880000031
Figure FDA0003451757880000032
Figure FDA0003451757880000041
整理可得到：
Figure FDA0003451757880000042
不妨记：
Figure FDA0003451757880000043
则有：
Figure FDA0003451757880000044
将式(6)代入式(2)、式(3)中，得到光学测距传感器光轴与转台轴心线的对心误差：
Figure FDA0003451757880000045
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