CN112857257A - 一种高精度面型测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度面型测量系统，属于高精度面型测量仪技术领域，解决了现有技术中的面型测量系统对于球面、非球面和自由曲面等不规则曲面难以实现纳米级面型精度测量的问题，本发明包括实时反馈系统、运动扫描系统、实时定位激光系统、回转工作台和支撑框架，回转工作台、实时反馈系统和运动扫描系统均安装于支撑框架上，实时定位激光系统安装于运动扫描系统上，实时定位激光系统包括旋转轴，旋转轴上安装有光谱共焦测头，所述运动扫描系统包括X向运动副，X向运动副上安装有Z向运动副，旋转轴通过安装支架安装于Z向运动副上，安装支架上安装有激光位移传感器。本发明用于对工件的高精度面型测量，测量误差小、受环境影响小。

Description

一种高精度面型测量系统

技术领域

本发明属于高精度面型测量仪技术领域,具体涉及一种高精度面型测量系统。

背景技术

高精密面型测量仪是一种用于信息科学与系统科学、力学领域的电子测量仪器。

生产和科研实践中，常需要对许多物体的表面面型进行测量，即测量表面的微观结构。在许多情况下，得知表面的三维结构，尤其是精细的三维结构尤为难得和重要。现有技术中最为常见的面型测量方法是对物体表面进行拍摄，从垂直于被测表面的方向获取被测物图像。但显而易见，无论拍摄仪器的精度有多高，所得到的图像仅为物体表面的二维结构信息，第三维信息只能通过光照的明暗来推测。在较为光滑的表面，即凹凸不明显的表面，很难得到正确的面型数据。

为同时获取表面第三维，即高度的测量数据，现有技术中有采用接触式测量方法，即用探测头直接探测表面的高度，结合二维测量的数据，得到三维结构信息。但此方法存在一些问题：

一是不能测量精细和复杂表面。因为测量头是机械装置，无法对精细表面进行微观面型测量，只能通过较大间距的测量后通过特征面的拟合来获得面型信息，这样得到的是误差很大的数据，将使测量结果变得毫无意义；

二是只能测量硬质表面。因为软质表面在测量探头触到后会发生变形，得到不正确的表面信息；

三是难以测量不能直接接触的物质。许多待测物是有毒有害物质，如放射性物质，腐蚀性化学物质等，不能直接接触，需要将被测物与测量者及测量仪分隔，以保证安全。

激光测量法克服了上两种测量方法的不足，可以非接触测量得到物体的结构信息，但现有技术的测量方法是通过测量传感器运动，工件静止，而间接获得被测物信息的方式，该方法容易受温度、湿度、风速的影响，因此测量过程中会产生较大误差，对于测量球面、非球面和自由曲面等不规则曲面，该方法无法正常测得准确数据。

3D测量技术还可使用三坐标测量仪，通过测量面上取点，形成三维坐标的检测点阵，最终拟合成面的测量仪器，但局限于其测量的精度只有0.0001mm，由于三坐标的测量探头最小直径为2mm，多次测量会加大误差，无法实现纳米级面型精度的测量。

发明内容

本发明的目的在于：

为解决现有技术中的面型测量系统对于球面、非球面和自由曲面等不规则曲面难以实现纳米级面型精度测量的问题，提供一种高精度面型测量系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种高精度面型测量系统，包括实时反馈系统、运动扫描系统、实时定位激光系统、回转工作台和支撑框架，所述回转工作台、实时反馈系统和运动扫描系统均安装于支撑框架上，所述实时定位激光系统安装于运动扫描系统上，实时定位激光系统包括旋转轴，所述旋转轴上安装有光谱共焦测头，所述运动扫描系统包括X向运动副，所述X向运动副上安装有Z向运动副，所述旋转轴通过安装支架安装于Z向运动副上，所述安装支架上安装有激光位移传感器。

进一步地，所述回转工作台包括安装于支撑框架上的回转机构，所述回转机构上安装有工件固定座，所述回转机构和运动扫描系统均连接有运动主机，所述运动主机安装于支撑框架内部。

进一步地，所述回转机构内设置有气浮系统，所述气浮系统包括气浮转台和减振气囊。

进一步地，所述实时反馈系统包括定位基准框架和多个平面反射镜，所述定位基准框架安装于回转工作台上方，所述平面反射镜均安装于定位基准框架上，平面反射镜由X向反射镜和Z向反射镜组成。

进一步地，所述激光位移传感器包括双频激光光源部件、传感器反射镜、分束镜和测头。

进一步地，所述支撑框架上方安装有整机防护罩，所述整机防护罩罩设于实时反馈系统、运动扫描系统、实时定位激光系统和回转工作台的外部。

本发明的气浮系统针对系统各轴运动所产生的振动进行补偿，温度、湿度则通过激光传感器的环境补偿单元来实现测量，并进行系统整体补偿，环境补偿包括温度、湿度、压力测量，而整机防护罩可隔绝空气流动产生的风速。

光谱共焦测头是检测工件面型数据的测量工具，其原理是利用一束宽光谱的复色光透过色散镜头发生光谱色散，形成不同波长的单色光，测量光照射到被测物体表面反射回来，只有满足共焦条件的单色光，可以通过小孔被光谱仪感测到，通过计算感测单色光的波长，换算获得距离值，由单色光的波长不同，则工件表面面型参数可由单色光波长计算，实现测头“变焦”追踪法线、只沿设定轨迹参数测量，它的纵向测量分辨率可达到纳米级。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过运动扫描系统中X向运动副、Z向运动副和旋转轴对工件面型进行法向追踪，再通过回转工作台带动工件进行回转运动，从而实现工件在三维空间的扫描，本发明的测量系统实现了纳米级面型精度的测量，为纳米级抛光提供数据基础，可结合软件算法进行倾斜和偏移补偿，降低了测量误差，旋转轴在X向运动副和Z向运动副的交点上，整个扫描运动系统在XZ平面内沿法线追踪工件表面面型，追踪法线更准确，追踪效果更好，大幅减少了测量的误差，有效提升了测量的精确性。

2、本发明将待测工件通过工件固定座固定在回转机构上，运动主机通过系统已经设定好的参数控制运动扫描系统和回转机构对工件进行面型扫描，使工件回转更加稳定，保证了测量过程的稳定性，进一步减少误差。

3、本发明的气浮系统可以在待测工件周围建立固定范围的空气条件，减少了整个系统在测量过程中，振动对测量产生的影响，防止产生较大误差。

4、本发明的实时反馈系统通过激光位移传感器发射激光向平面反射镜，使激光垂直反射回来，从而接受光信号，两激光反射的交点就是旋转轴的旋转中心，从而实现了平面位置记录和运行距离的实时补偿，反馈快速，数据记录更新速度快。

附图说明

图1为本发明的内部结构图；

图2为本发明的整体结构图；

图3为图2的主视图；

图4为本发明实时反馈系统的光路示意图；

图5为本发明运动扫描系统的结构图；

图6为实时定位激光系统的结构图。

图中标记：1-运动扫描系统，2-实时定位激光系统，3-回转工作台，4-支撑框架，5-X向运动副，6-Z向运动副，7-旋转轴，8-回转机构，9-工件固定座，10-运动主机，11-定位基准框架，12-X向反射镜，13-Z向反射镜，14-光谱共焦测头，15-待测工件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种高精度面型测量系统，如图1所示，包括实时反馈系统、运动扫描系统1、实时定位激光系统2、回转工作台3和支撑框架4，回转工作台3、实时反馈系统和运动扫描系统1均安装于支撑框架4上，实时定位激光系统2安装于运动扫描系统1上，实时定位激光系统2包括旋转轴7，旋转轴7上安装有光谱共焦测头14，运动扫描系统1包括X向运动副5，X向运动副5上安装有Z向运动副6，旋转轴7通过安装支架安装于Z向运动副6上，安装支架上安装有激光位移传感器。

如图5所示，为实现光谱共焦测头14沿工件表面的法向跟踪，X向运动副5和Z向运动副6需要在XZ平面内进行扫描，旋转轴7也需要沿Y轴做旋转运动，配合回转工作台3，实现工件面型的三维立体扫描和精准测量面型参数。

X向运动副5和Z向运动副6之间设有X向滑块，滑块可在X向运动副5上滑动，Z向运动副6与旋转轴7之间也设置有Z向滑块，安装支架则安装于Z向滑块上。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2所示，回转工作台3包括安装于支撑框架4上的回转机构8，回转机构8上安装有工件固定座9，回转机构8和运动扫描系统1均连接有运动主机10，运动主机10安装于支撑框架4内部。

优选地，回转机构8下方设置有气浮系统。气浮系统可以在待测工件15周围建立固定范围的空气条件，减少了整个系统在测量过程中，温度、湿度、风速对测量结构产生的影响，防止因空气条件差异产生较大误差。

实施例3

在实施例1的基础上，如图3-4所示，实时反馈系统包括定位基准框架11和多个平面反射镜，定位基准框架11安装于回转工作台3上方，平面反射镜均安装于定位基准框架11上，平面反射镜由X向反射镜12和Z向反射镜13组成。

实施例4

在实施例1的基础上，激光位移传感器包括双频激光光源部件、传感器反射镜、分束镜和测头。激光位移传感器以双频激光为测量光源，发射频率相近的两束红外激光，通过反射镜反射，透过分束镜分束，最后分束到X、Z向，Z向激光通过测头照射到Z向反射镜13，再回到Z向测头，利用光程差来计算测头与Z向反射镜13之间光程的变化，计算Z向距离数值，从而进行Z坐标补偿。X向激光经过两次反射，通过另一测头，照射到X向反射镜12，再回到X向测头，利用光程差来计算测头与X向反射镜12之间光程的变化，计算X向距离数值，从而进行X坐标补偿。其原理光路如图4所示。

优选地，双频激光光源采用LH3000型。

实施例5

在实施例1的基础上，支撑框架4上方安装有整机防护罩，整机防护罩罩设于实时反馈系统、运动扫描系统1、实时定位激光系统2和回转工作台3的外部。

本发明的测量系统还可以与测量数据处理软件配合，测量数据处理软件通过记录扫描系统的测量数据，综合倾斜和偏移补偿，通过最佳拟合算法，直接显示出误差图的三维影像和剖面图，以及描述表面偏移程度的POWER、PV、RMS和ZERNICKE系数等数据，处理成所需的文件类型，可多文件输出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高精度面型测量系统，其特征在于，包括实时反馈系统、运动扫描系统(1)、实时定位激光系统(2)、回转工作台(3)和支撑框架(4)，所述回转工作台(3)、实时反馈系统和运动扫描系统(1)均安装于支撑框架(4)上，所述实时定位激光系统(2)安装于运动扫描系统(1)上，实时定位激光系统(2)包括旋转轴(7)，所述旋转轴(7)上安装有光谱共焦测头(14)，所述运动扫描系统(1)包括X向运动副(5)，所述X向运动副(5)上安装有Z向运动副(6)，所述旋转轴(7)通过安装支架安装于Z向运动副(6)上，所述安装支架上安装有激光位移传感器。

2.根据权利要求1所述的一种高精度面型测量系统，其特征在于，所述回转工作台(3)包括安装于支撑框架(4)上的回转机构(8)，所述回转机构(8)上安装有工件固定座(9)，所述回转机构(8)和运动扫描系统(1)均连接有运动主机(10)，所述运动主机(10)安装于支撑框架(4)内部。

3.根据权利要求2所述的一种高精度面型测量系统，其特征在于，所述回转机构(8)内设置有气浮系统，所述气浮系统包括气浮转台和减振气囊。

4.根据权利要求1所述的一种高精度面型测量系统，其特征在于，所述实时反馈系统包括定位基准框架(11)和多个平面反射镜，所述定位基准框架(11)安装于回转工作台(3)上方，所述平面反射镜均安装于定位基准框架(11)上，平面反射镜由X向反射镜(12)和Z向反射镜(13)组成。

5.根据权利要求1所述的一种高精度面型测量系统，其特征在于，所述激光位移传感器包括双频激光光源部件、传感器反射镜、分束镜和测头。

6.根据权利要求1所述的一种高精度面型测量系统，其特征在于，所述支撑框架(4)上方安装有整机防护罩，所述整机防护罩罩设于实时反馈系统、运动扫描系统(1)、实时定位激光系统(2)和回转工作台(3)的外部。

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