CN112192370A - 一种用于光学元件空间曲面抛光的机械手定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于光学元件空间曲面抛光的机械手定位方法，用以解决现有技术中机械手对空间曲面抛光时的定位问题并提高定位精度。所述机械手定位方法首先在光学元件上某定位区域加工直角标记作为工件坐标系，而后将元件固定在工作台上；控制机械手在定位区域内加工至少三个驻留斑，三个驻留斑的顺序连接线形成直角，作为加工坐标系；测量三个驻留斑在工件坐标系中的坐标和最大直径处的直径尺寸，计算加工坐标系相对工件坐标系的空间位置关系，并根据空间位置关系，调整机械手完成定位。本发明完成了空间光学曲面抛光时的机械手定位，定位精准，适用于空间曲面、离轴非球面抛光等工艺过程，加工精度高，同时提高了空间曲面的抛光效率。

Description

一种用于光学元件空间曲面抛光的机械手定位方法

技术领域

本发明属于光学元件加工领域，具体涉及一种用于光学元件空间 曲面抛光的机械手定位方法。

背景技术

由于光学元件对透明度、尺寸精度要求较高，加工时需要进行高 精度抛光。传统的设备辅助人工抛光，不仅抛光效率低，精度也无法 得到保证。将机械手应用于光学元件抛光，尤其对于大口径和空间曲 面光学元件高精度抛光过程，具有人工抛光无法达到的效果。机械手 抛光是将气囊、沥青盘、聚氨酯盘等抛光工具安装在工业机器人手臂 上，通过数控程序控制机械手的运动方式和速度，实现光学元件表面 抛光的工艺过程，通常面形精度可以达到亚微米级。

现有技术中，在抛光过程中，机械手加工坐标系的建立采用现有 的工业机器手的定位方法，根据安装在前端工具点上的抛光磨头位置 确定坐标系，控制机械臂运动并记录抛光磨头的空间位置，建立坐标 系作为后续抛光的加工坐标系。但是，当光学元件的表面为空间曲面 时，曲线结构复杂，不存在对称轴，工业机器手的定位方法不再适用 于光学元件的抛光，机械手无法完成对光学元件空间曲面的抛光。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种用于光 学元件空间曲面抛光的机械手定位方法，基于抛光去除函数形状特征 和干涉测量，以提高定位效率和可操作性，建立加工坐标系与工件坐 标系之间的确定性关系，调整抛光机械手的加工坐标系，对机械手进 行有效定位，实现对光学元件空间曲面的抛光。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

本发明实施例提供了一种用于光学元件空间曲面抛光的机械手定 位方法，所述机械手定位方法，包括如下步骤：

步骤S1，在光学元件上选定定位区域，并在定位区域内加工直角 标记，所述直角标记包括原点和从原点出发的两个正交向量，作为光 学元件的工件坐标系；

步骤S2,将光学元件固定于工作台上；

步骤S3，控制机械手抛光磨头，在光学元件的定位区域内，采用 相同的工作参数加工至少三个驻留斑，且三个驻留斑最大直径处的圆 心点的顺序连接线形成一个直角，作为机械手的加工坐标系；

步骤S4,测量三个驻留斑最大直径处的圆心点在工件坐标系中的 坐标和最大直径处的直径尺寸；

步骤S5,根据三个驻留斑点的坐标及直径尺寸，计算加工坐标系 相对工件坐标系的空间位置关系；

步骤S6，根据所述加工坐标系和工件坐标系的空间位置关系，调 整机械手抛光程序中的加工坐标系，再输入光学元件的基本尺寸参数， 完成机械手定位。

上述方案中，步骤S5中的空间位置关系，包括空间俯仰角和水平 位移。

上述方案中，步骤S5进一步包括：

步骤S51，根据驻留斑直径尺寸及磨头参数，计算驻留斑的压入 深度；

步骤S52，根据压入深度及磨头参数，计算在直角标记两个方向 上的俯仰角；

步骤S53，根据驻留斑最大直径处圆心点坐标及三个驻留斑A、B、 C在加工坐标系中的坐标值，计算加工坐标系与工件坐标系的水平位 移。

上述方案中，所述抛光磨头采用气囊抛光磨头；磨头参数为气囊 半径；

通过式(1)计算抛光气囊的压入深度d_i：

式(1)中，测量得到的驻留斑尺寸r_i(i＝A,B,C)和气囊半径 R_i(i＝A,B,C)；

通过式(2)和(3)计算直角标记两个方向的俯仰角θ_x、θ_y：

式(2)和(3)中，L_AB和L_BC分别为抛光气囊沿AB和BC直线在 加工坐标系上的运动距离；d_A、d_B、d_C分别为驻留斑A、B、C的压入深 度。

上述方案中，所述加工坐标系与工件坐标系的水平位移，为三个 驻留斑的水平位移的平均值。

上述方案中，所述定位区域，尺寸至少为60mm×60mm，且区域内 粗糙度R_a优于12nm，平面度优于10μm。

上述方案中，所述光学元件采用键槽或定位销固定在工作台上。

上述方案中，当需要光学元件多次安装于工作台上时，重复定位 精度优于30μm。

上述方案中，所述相同的工作参数，包括抛光磨头采用相同的压 力、转速、驻留时间。

上述方案中，所述步骤S4中测量，采用激光干涉仪配4寸平面标 准镜进行。

本发明具有如下有益效果：

完成了空间光学曲面抛光时的机械手定位，定位精准、高效，适 用于空间曲面、离轴非球面抛光等工艺过程，加工精度高，同时提高 了空间曲面的抛光效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描 述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施方式提供的用于光学元件空间曲面抛光的机械 手定位方法流程图；

图2为本发明实施方式中光学元件上的定位区域及直角标记示意 图；

图3为本发明实施方式中光学元件与工作台示意图；

图4为本发明实施方式中驻留斑示意图；

图5为本发明实施方式中俯仰定位原理图；

图6为本发明实施方式中水平定位原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解 的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发 明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与 发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例 中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本 发明。

图1示出了本发明实施方式提供的用于光学元件空间曲面抛光的机 械手定位方法流程。如图1所示，所述机械手定位方法，包括如下步骤：

步骤S1，在光学元件上选定定位区域，并在定位区域内加工直角标 记，所述直角标记包括原点和从原点出发的两个正交向量，作为光学元 件的工件坐标系。

作为一个举例，本实施方式中以共体反射成像光学元件的空间曲面 抛光为例进行说明。如图2所示，共体反射成像光学元件包括一个底部 平台和两个具有相对空间曲面的突出部，需要抛光的位置是突出部的两 个相对曲面上。所述定位区域，选定为底部平台上的某区域，尺寸至少 为60mm×60mm，且区域内粗糙度R_a优于12nm，平面度优于10μm。所述直角标记，包括原点和从原点出发的两个正交向量。这个直角标记，也 可以是光学元件的工件坐标系。如图2中的X_WO_WY_W。

步骤S2,将光学元件固定于工作台上。

如图3所示，本步骤中，所述光学元件固定于工作台上，采用键槽 或定位销进行固定，也可以采用螺钉进行固定。这里的固定方式，根据 光学元件本身的结构进行选择，同时保证不影响机械手定位及后续抛光 工续。当需要光学元件多次安装于工作台上时，重复定位精度优于30μm。

步骤S3，控制机械手抛光磨头，在光学元件的定位区域内，采用相 同的工作参数加工至少三个驻留斑，且三个驻留斑最大直径处的圆心点 的顺序连接线形成一个直角，作为机械手的加工坐标系。

如图2所示，通过机械手磨头加工三个驻留斑点A、B和C，连线AB 和连线BC垂直相交于B点。三个驻留斑形成的直角，是机械手的加工坐 标系，以两条直线的交点B点为原点，以两条直线AB和BC为两个基准 向量，如图2中的X_RO_RY_R。引处的斑点，采用驻留斑最大直径处的圆心点。

如图4所示，本步骤中，所述相同的工作参数，包括抛光磨头采用 相同的压力、转速、驻留时间，加工三个斑点。以安装气囊抛光磨头的 机械手为例，气囊抛光磨头在一定转速和压力作用下，垂直于表面驻留 一定时间后，会形成圆形驻留斑。所述驻留斑在深度上形成半球状，在 元件表面具有最大直径，在最深处具有一个中心点，且中心点距最大直 径处的圆心具有一个深度值。

步骤S4,测量三个驻留斑最大直径处的圆心点在工件坐标系中的坐 标和最大直径处的直径尺寸。

本步骤中，所述测量，通过与机械手控制器相连的测量装置完成。 测量装置可以采用激光干涉仪配4寸平面标准镜，也可以采用微距测量 传感器。优选地，本实施方式中采用激光干涉仪配4寸平面标准镜，所 述激光干涉仪横向量程不小于60mm×60mm，横向测量精度优于10μm， 纵向量程优于0.5μm。

步骤S5,根据三个驻留斑点的坐标及直径尺寸，计算加工坐标系相对 工件坐标系的空间位置关系。

本步骤中，所述空间位置关系，包括：空间俯仰角和水平位移。

所述计算加工坐标系相对工件坐标系的空间位置关系，具体包括如 下步骤：

步骤S51，根据驻留斑直径尺寸及磨头参数，计算驻留斑的压入深度。

如图5所示，所述抛光磨头采用气囊抛光磨头，磨头参数为气囊半 径。n_R为加工坐标系水平面X_RO_RY_R(虚线)的法向量，Z_W为工件坐标系的 法向量。由于加工坐标系与工件坐标系存在俯仰倾斜，所以三个驻留斑 的压入深度不同。根据测量得到的驻留斑尺寸r_i(i＝A,B,C)和气囊半径 R_i(i＝A,B,C)，通过式(1)计算抛光气囊的压入深度d_i：

步骤S52，根据压入深度及磨头参数，计算在直角标记两个方向上的 俯仰角。

本步骤中，按照公式(1)分别计算三个驻留斑的压入深度，标定加 工坐标系相对于工件坐标系在直角标记的两个方向的俯仰角θ_x、θ_y分别 为：

式(2)和(3)中，L_AB和L_BC分别为抛光气囊沿AB和BC直线在加工 坐标系上的运动距离；d_A、d_B、d_C分别为驻留斑A、B、C的压入深度。

步骤S53，根据驻留斑最大直径处圆心点坐标及磨头参数，计算加工 坐标系与工件坐标系的水平位移。

如图6所示，通过磨头参数读取三个驻留斑在加工坐标系X_RO_RY_R中 的坐标值，再根据所计算的驻留斑在工件坐标系X_WO_WY_W中的坐标值，从 而计算加工坐标系相对于工件坐标系的水平位移。本步骤中可以分别计 算三个驻留斑的水平位移，取平均值作为坐标系的水平位移值。

通过上述步骤，计算出计算加工坐标系相对零件坐标系的空间位置 关系。

步骤S6，根据所述加工坐标系和工件坐标系的空间位置关系，调整 机械手抛光程序中的加工坐标系，再输入光学元件的基本尺寸参数，完 成机械手定位，对光学元件的空间曲面进行抛光。

步骤S1至步骤S5中对机械手的定位进行调整，使得机械手的定位 适用于当前光学元件。上述定位过程是基于在光学元件中选定区域进行 的，步骤S6还需要根据选定区域内的原点坐标与待抛光的空间曲面起点 处的位置关系，完成机械手的最终定位。这里原点坐标与空间曲面起点 处的位置关系，由光学元件自身参数决定，将光学元件自身参数输入机 械手控制器中，即可完成。

由以上技术方案可以看出，本发明实施方式所提供的用于光学元件 空间曲面抛光的机械手定位方法，解决了空间光学曲面加工定位难等问 题，适用于空间曲面、离轴非球面抛光等工艺过程，加工精度高，同时 提高了空间曲面的抛光效率。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说 明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限 于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离 所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合 而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于) 具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种用于光学元件空间曲面抛光的机械手定位方法，其特征在于，所述机械手定位方法，包括如下步骤：

步骤S1，在光学元件上选定定位区域，并在定位区域内加工直角标记，所述直角标记包括原点和从原点出发的两个正交向量，作为光学元件的工件坐标系；

步骤S2,将光学元件固定于工作台上；

步骤S3，控制机械手抛光磨头，在光学元件的定位区域内，采用相同的工作参数加工至少三个驻留斑，且三个驻留斑最大直径处的圆心点的顺序连接线形成一个直角，作为机械手的加工坐标系；

步骤S4,测量三个驻留斑最大直径处的圆心点在工件坐标系中的坐标和最大直径处的直径尺寸；

步骤S5,根据三个驻留斑点的坐标及直径尺寸，计算加工坐标系相对工件坐标系的空间位置关系；

步骤S6，根据所述加工坐标系和工件坐标系的空间位置关系，调整机械手抛光程序中的加工坐标系，再输入光学元件的基本尺寸参数，完成机械手定位。

2.根据权利要求1所述的用于光学元件空间曲面抛光的机械手定位方法，其特征在于，步骤S5中的空间位置关系，包括空间俯仰角和水平位移。

3.根据权利要求2所述的用于光学元件空间曲面抛光的机械手定位方法，其特征在于，步骤S5进一步包括：

步骤S51，根据驻留斑直径尺寸及磨头参数，计算驻留斑的压入深度；

步骤S52，根据压入深度及磨头参数，计算在直角标记两个方向上的俯仰角；

步骤S53，根据驻留斑最大直径处圆心点坐标及三个驻留斑A、B、C在加工坐标系中的坐标值，计算加工坐标系与工件坐标系的水平位移。

4.根据权利要求3所述的用于光学元件空间曲面抛光的机械手定位方法，其特征在于，所述抛光磨头采用气囊抛光磨头；磨头参数为抛光气囊半径；

通过式(1)计算抛光气囊的压入深度d_i：

式(1)中，测量得到的驻留斑尺寸r_i(i＝A,B,C)和气囊半径R_i(i＝A,B,C)；

通过式(2)和(3)计算直角标记两个方向的俯仰角θ_x、θ_y：

式(2)和(3)中，L_AB和L_BC分别为抛光气囊沿AB和BC直线在加工坐标系上的运动距离；d_A、d_B、d_C分别为驻留斑A、B、C的压入深度。

5.根据权利要求4所述的用于光学元件空间曲面抛光的机械手定位方法，其特征在于，所述加工坐标系与工件坐标系的水平位移，为三个驻留斑的水平位移的平均值。

6.根据权利要求1至5任一项所述的用于光学元件空间曲面抛光的机械手定位方法，其特征在于，所述定位区域，尺寸至少为60mm×60mm，且区域内粗糙度优于12nm，平面度优于10μm。

7.根据权利要求1至5任一项所述的用于光学元件空间曲面抛光的机械手定位方法，其特征在于，所述光学元件采用键槽或定位销固定在工作台上。

8.根据权利要求1至5任一项所述的用于光学元件空间曲面抛光的机械手定位方法，其特征在于，当需要光学元件多次安装于工作台上时，重复定位精度优于30μm。

9.根据权利要求1至5任一项所述的用于光学元件空间曲面抛光的机械手定位方法，其特征在于，所述相同的工作参数，包括抛光磨头采用相同的压力、转速、驻留时间。

10.根据权利要求1至5任一项所述的用于光学元件空间曲面抛光的机械手定位方法，其特征在于，所述步骤S4中测量，采用激光干涉仪配4寸平面标准镜进行。

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