CN112985299A - 一种基于路径规划的光学探针在线检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于路径规划的光学探针在线检测装置及其方法，该方法涉及到多次在线检测数据的重构三维测试曲面的过程，第一步在线检测曲面的径向误差数据，利用双探针探测方式，一个探针实时监测环境影响，另一探针检测多条过中心的径向轮廓数据；第二步在线检测曲面的周向轮廓数据，一个探针实时监测环境影响，另两个光学探针协同获得曲面的面形误差和主轴的旋转角度数据，检测路径为多个同心圆环；第三步利用第一步测试数据将第二步的测试数据坐标位置逐点修正，并重构成三维检测曲面。与现有技术相比，本发明能够有效降低环境因素对光学探针的扰动影响，并能提高较大口径非旋转对称曲面的在线检测精度。

Description

一种基于路径规划的光学探针在线检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及高精度检测技术领域，尤其是涉及一种基于路径规划的光学探针在线检测装置及其方法。

背景技术

超精密金刚石加工技术能够通过金刚石刀具直接加工出亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙度的光学表面，近年来被广泛应用于光学、生物医学、电子和航空航天等领域。然而，受到各种误差因素的影响，超精密加工后的表面不可避免地会与理想表面产生偏差，从而影响其光学性能。因此有必要对加工后的光学表面进行测量，进而调整加工方案，以获得更高精度的光学表面，可以说，表面测量是进一步提高超精密金刚石加工精度和效率的基础。

目前应用比较广泛的表面测量技术，例如商用轮廓仪和干涉仪等，仅适用于离线检测，但是，对于需要补偿加工的光学表面，离线检测过程中的拆卸和重新安装步骤容易引入对准误差，并且延长了生产周期。因此，为了提高测量的可靠性和效率，基于离线检测的方法开始转向于直接在制造平台上进行表面测量，即在线检测。由于避免了二次安装，在线检测可以实时评估加工表面，并为超精密加工的过程控制提供反馈，现有的在线检测技术分为接触式和非接触式两类，其中又以非接触式在线检测最为受关注，因其省略了半径补偿步骤，并且对测量表面无损伤的特性，已被广泛应用于超精密制造过程中。

但是，非接触式在线检测探头，很容易受到机床环境因素的影响，从而造成测量误差。针对这一问题，巴黎大学在2012年使用彩色共焦探针搭建了在线检测系统，并分析了机床和环境热效应的影响，实验结果表明温度与测量误差存在明显的相关性，但并未给出修正温度误差的方法；中科院长春光机所于2018年对基于电容式位移传感器的在线检测系统的主轴旋转热效应进行了研究，并对机床旋转过程中的温度变化进行了监测，结果表明热效应是主轴和环境共同作用的结果，并且与主轴的转速相关；同济大学在2018年基于超精密金刚石车削后的在线检测过程，设计了一种补偿环境扰动的方案，以径向轮廓测量数据为基础对螺旋形测量数据进行校正，最终补偿加工后的离轴抛物面轮廓精度为0.345μm。

由此可见，超精密加工机床的环境因素直接影响了非接触式在线检测系统的精度，尤其对于光学探针，温度和湿度的扰动会导致空气折射率的变化，从而影响测量结果。特别是对大口径光学表面进行测量时，测量时间的增加也使得这种环境误差更为明显。然而纵观国内外现有的研究成果，还并没有对环境因素所引起的测量误差进行修正的有效方法。基于以上问题可知，提高光学探针在线检测精度的难点之一在于减少测量结果中的环境误差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于路径规划的光学探针在线检测装置及其方法，以降低环境因素对光学探针的扰动影响、提高检测精度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于路径规划的光学探针在线检测装置，包括设置在超精密车削车床的第一平台和第二平台，所述第一平台上架设有第一光学探针和第二光学探针，所述第二平台上安装有车床主轴和第三光学探针，所述第一光学探针、第二光学探针和第三光学探针分别连接至控制器，所述车床主轴连接有真空吸盘，所述真空吸盘上吸附有待检测工件，所述真空吸盘同轴于车床主轴的旋转轴，所述第一光学探针用于实时监测环境扰动影响；

所述第二光学探针根据规划路径，用于检测待检测工件的径向面形轮廓误差和周向轮廓误差；

所述第三光学探针用于检测真空吸盘的旋转方位角度；

所述控制器用于输出规划路径信息给第二光学探针，以及结合环境扰动影响、待检测工件的面形轮廓误差和真空吸盘的旋转方位角度，通过数据处理计算，以重构出检测曲面。

进一步地，所述第一光学探针的前端固定安装有挡板。

进一步地，所述真空吸盘的侧壁上设置有角度标志位。

进一步地，所述第一光学探针、第二光学探针和第三光学探针的量程均为300μm。

进一步地，所述第二光学探针在检测待检测工件的面形轮廓误差时，第二光学探针与车床主轴的旋转轴中心一致。

一种基于路径规划的光学探针在线检测方法，包括以下步骤：

S1、通过第一光学探针和第二光学探针协同检测待检测工件的径向轮廓误差，其中，第一光学探针实时监测环境扰动影响，并将环境扰动影响数据传输给控制器；第二光学探针根据径向检测规划路径，以检测待检测工件的径向面形轮廓误差，并将检测的径向面形轮廓误差数据传输给控制器；

S2、基于步骤S1的环境扰动影响和径向面形轮廓误差数据，由控制器筛选出满足第一预设条件的多组径向检测数据；

S3、通过第一光学探针、第二光学探针和第三光学探针协同检测待检测工件的周向轮廓误差，其中，第一光学探针实时监测环境扰动影响，并将环境扰动影响数据传输给控制器；第二光学探针根据周向检测规划路径，以检测待检测工件的周向面形轮廓误差，并将检测的周向面形轮廓误差数据传输给控制器；第三光学探针检测真空吸盘的旋转方位角度，并将检测的方位角度数据传输给控制器；

S4、由控制器将步骤S3的周向面形轮廓误差与方位角度数据进行一一对应，得到完整的周向轮廓误差数据，之后结合步骤S3的环境扰动影响数据，筛选出满足第二预设条件的多组周向检测数据；

S5、根据多组径向检测数据以及多组周向检测数据，由控制器通过数据处理计算，重构出检测曲面。

进一步地，所述步骤S1中径向检测规划路径具体为自中心向边缘辐射的多条路径，所述步骤S3中周向检测侧规划路径具体为多个同心圆环路径。

进一步地，所述步骤S2中第一预设条件具体为在径向检测时间内环境扰动影响数据不超过第二光学探针的检测精度。

进一步地，所述步骤S4中第二预设条件具体为在周向检测时间内环境扰动影响数据不超过第二光学探针的检测精度。

进一步地，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51、将多组径向检测数据和多组周向检测数据进行低通滤波再插值处理；

S52、将不同环带的周向检测数据进行拼接处理，并通过径向检测数据修正拼接的位置信息，得到检测曲面的面形数据，以此重构出三维的检测曲面。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明通过设置三个光学探针，利用第一光学探针实时监测环境扰动影响数据、第二光学探针根据规划路径分别获得径向轮廓误差数据和周向轮廓误差数据，由此可避免环境扰动对检测面形数据的影响，即降低在线检测方法对测试环境的要求，结合第三光学探针对车床主轴上真空吸盘的旋转角度进行检测，能够实现旋转运动下数据点实时的精确定位，从而提高检测点的定位精度、提高光学探针在线检测精度。

二、本发明分别采用双探针协同探测径向轮廓误差、采用三探针协同探测周向轮廓误差的方式，能够大大提高数据检测采样密度，从而提高光学探针在线检测效率。

三、本发明利用径向检测数据对周向检测数据进行位置修正，能够消除周向检测数据中的误差，进一步提高重构检测曲面的准确性。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明的方法流程示意图；

图3为实施例中在线径向检测路径示意图；

图4为实施例中在线周向检测路径示意图；

图5为实施例中径向与周向拼接检测示意图；

图6为实施例中径向检测数据结果图；

图7为实施例中周向检测数据结果图；

图8为实施例中径向和周向数据拼接后三维面形重构结果图；

图中标记说明：1、第一平台，2、第一光学探针，3、挡板，4、第二光学探针，5、第二平台，6、车床主轴，7、真空吸盘，8、角度标志位，9、待检测工件，10、第三光学探针。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于路径规划的光学探针在线检测装置，包括设置在超精密车削车床的第一平台1和第二平台5，第一平台1上架设有第一光学探针2和第二光学探针4，第二平台5上安装有车床主轴6和第三光学探针10，第一光学探针2、第二光学探针4和第三光学探针10分别连接至控制器，车床主轴6连接有真空吸盘7，真空吸盘7上吸附有待检测工件9，真空吸盘7同轴于车床主轴6的旋转轴，第一光学探针2用于实时监测环境扰动影响；

第二光学探针4根据规划路径，用于检测待检测工件9的径向面形轮廓误差和周向轮廓误差，当第二光学探针4在检测待检测工件9的面形轮廓误差时，第二光学探针4与车床主轴6的旋转轴中心一致；

第三光学探针10用于检测真空吸盘7的旋转方位角度；

控制器用于输出规划路径信息给第二光学探针4，以及结合环境扰动影响、待检测工件9的面形轮廓误差和真空吸盘7的旋转方位角度，通过数据处理计算，以重构出检测曲面。

其中，第一光学探针2的前端固定安装有挡板3，为方便检测旋转方位角度数据，在真空吸盘7的侧壁上设置有角度标志位8，本实施例中，具体是在真空吸盘7的侧壁粘贴聚酰亚胺胶带作为精密的角度标志位8。

本实施例中，第一光学探针2、第二光学探针4和第三光学探针10的量程均为300μm。

将上述装置应用于实际，其基于路径规划的光学探针在线检测方法如图2所示，包括以下步骤：

S1、通过第一光学探针和第二光学探针协同检测待检测工件的径向轮廓误差，其中，第一光学探针实时监测环境扰动影响，并将环境扰动影响数据传输给控制器；第二光学探针根据径向检测规划路径，以检测待检测工件的径向面形轮廓误差，并将检测的径向面形轮廓误差数据传输给控制器，径向检测规划路径具体为自中心向边缘辐射的多条路径；

S2、基于步骤S1的环境扰动影响和径向面形轮廓误差数据，由控制器筛选出满足第一预设条件的多组径向检测数据，第一预设条件具体为在径向检测时间内环境扰动影响数据不超过第二光学探针的检测精度；

S3、通过第一光学探针、第二光学探针和第三光学探针协同检测待检测工件的周向轮廓误差，其中，第一光学探针实时监测环境扰动影响，并将环境扰动影响数据传输给控制器；第二光学探针根据周向检测规划路径，以检测待检测工件的周向面形轮廓误差，并将检测的周向面形轮廓误差数据传输给控制器；第三光学探针检测真空吸盘的旋转方位角度，并将检测的方位角度数据传输给控制器，周向检测侧规划路径具体为多个同心圆环路径；

S4、由控制器将步骤S3的周向面形轮廓误差与方位角度数据进行一一对应，得到完整的周向轮廓误差数据，之后结合步骤S3的环境扰动影响数据，筛选出满足第二预设条件的多组周向检测数据，第二预设条件具体为在周向检测时间内环境扰动影响数据不超过第二光学探针的检测精度；

S5、根据多组径向检测数据以及多组周向检测数据，由控制器通过数据处理计算，重构出检测曲面，具体的：

首先将多组径向检测数据和多组周向检测数据进行低通滤波再插值处理；

之后将不同环带的周向检测数据进行拼接处理，并通过径向检测数据修正拼接的位置信息，得到检测曲面的面形数据，以此重构出三维的检测曲面，其中，面形数据包括位置信息(即X、Y方向坐标数据)和高度数据(即Z方向坐标数据)。

综上所述，本发明提出一种基于路径规划的光学探针在线检测的技术方案，该技术方案的具体思路为：利用多个光学探针分别检测非旋转对称曲面的径向误差数据和周向误差数据，将多组路径的检测数据重构成检测曲面。本发明的方法主要分为三步，第一步在线检测曲面的径向误差数据，利用双探针探测方式，一个探针用于实时监测环境影响，另一探针快速检测多条过中心的径向轮廓数据；第二步在线检测曲面的周向轮廓数据，一个探针用于实时监测环境影响，另利用两个光学探针协同获得曲面的面形误差和主轴的旋转角度数据，检测路径为多个同心圆环；第三步利用第一步测试数据将第二步的测试数据坐标位置逐点修正，并重构成三维测试曲面。

在具体实施时，主要分为以下步骤：

(1)在超精密车削车床上的平台1上架设光学探针2和4、挡板3，另一平台5上放置车床主轴6，真空吸盘7上吸附待检测工件9，真空吸盘7侧壁经在线检测，并调试与车床主轴6的旋转轴(即C轴)同轴，检测前需调节光学探针4与车床主轴6旋转轴中心一致，可利用斜平面对中心的方法调节探针4与车床主轴6旋转轴(即C轴)中心一致并记录此时的机床坐标，本实施例中，待检测工件9的待检测曲面口径尺寸要求≥100mm，具体选用平面反射镜，材料为6061铝合金，尺寸为100mm；

(2)采用两个光学探针协同检测曲面的径向轮廓误差，其中一个光学探针2用于监测环境扰动影响，光学探针2前端固定一个稳定的挡板3，光学探针2与挡板3的距离在光学探针2的有效测量范围内；另一个光学探针4规划出径向检测路径，用于检测吸附的待检测工件9的径向面形轮廓误差；双探针采用同一控制器接收反馈数据信号，可于同一时间轴获取径向面形高度和环境扰动的检测数据，其中，光学探针4的检测路径源于待检表面的轮廓数据为径向路径，并提取出过中心的径向路径数据，径向检测路径自中心向边缘辐射，如图3所示，本实施例中，光学探针4的径向检测路径大于8条，方位角度均布在圆周上，具体的，光学探针4沿图3所示的径向检测路径，从主轴中心到边缘进行扫描，扫描速度为10mm/s，探针采样频率为2000Hz，一次扫描完成后，让探针回到测量原点，并顺时针旋转主轴45°，重复上述测量过程，获得8段径向面形轮廓误差数据,；

(3)基于步骤(2)的面形误差和环境扰动的检测数据设定径向检测速度，满足在径向检测时间内环境扰动不超过光学探针4精度，光学探针4的检测精度在0.1μm，环境扰动影响光学探针2在0.1μm内的检测数据为可靠的检测数据，以此选出多组可靠的径向检测数据，最终的径向检测数据结果如图6所示；

(4)采用三个光学探针协同检测曲面的周向轮廓误差，其中一个光学探针2用于监测环境扰动影响；一个光学探针4规划出周向检测路径，用于检测吸附的待检测工件9的周向面形轮廓误差；一个光学探针10用于检测吸附待检工件9所用的真空吸盘7的旋转方位角度，光学探针10安装在平台5上，探针10沿着X轴做稳定的、匀速线性运动以保证与真空吸盘7的相对距离不变，使得调节后的光学探针10可以清晰地探测出真空吸盘7侧壁的角度标志位8；多探针采用同一控制器接收反馈数据信号，可于同一时间轴获取面形误差、周向角度和环境扰动的检测数据，其中，周向检测路径为若干组同心圆环，如图4所示，光学探针4的检测路径源于待检表面的轮廓数据为不等间距的圆环形路径，并提取多组同心圆环路径数据，具体的，每相邻同心圆环间隔设置为0.2mm，单个测量时转速设置为60rev/min，共测量250个圆环数据；

(5)基于步骤(4)的面形误差和方位角度的检测数据计算出曲面的周向轮廓误差，满足在周向检测时间内环境扰动不超过光学探针4精度，光学探针4的检测精度在0.1μm，环境扰动影响光学探针2在0.1μm内的检测数据为可靠的检测数据，以此选出多组可靠的同心圆环检测数据，本实施例中，光学探针4的同心圆环的半径按照由内向外不等间距分布，步长范围为0.1～1mm，最终的周向检测数据结果如图7所示；

(6)基于步骤(3)、(5)的径向和周向检测数据，将不同环带的同心圆数据做拼接，如图5所示，拼接的位置信息通过径向数据修正，多组路径的离散检测数据重构出待检曲面，其中，面形误差和径向检测数据均需低通滤波再插值处理；在拼接处理时，采用周向和径向的多个重叠区域数据做曲面面形姿态的修正量，以得到检测曲面的面形数据，具体是通过计算每一个周向和所有径向路径间多个重叠数据的偏差，得到平均偏差值，之后在每一个圆环数据中减去该平均偏差值，以修正周向检测数据，最终的三维面形重构结果如图8所示。

综上所述，本发明一方面采用单个光学探针对环境扰动引起的检测误差做实时监视，另一个光学探针在相对较短的时间内获得径向轮廓的误差数据，避免了环境扰动对检测面形数据的影响；另一方面为了提高采样密度提高检测效率，采用双探针协同检测的方式，其中一个探针以同心圆环路径作为在线检测路径，另一个探针检测机床主轴(即C轴)的旋转角度标志位，实现了旋转运动下数据点实时的精确定位，提高了检测点的定位精度。基于上述方法可降低环境因素的需求，从而保证了在线检测较大口径的非旋转对称的曲面面形的高精确性。

Claims (10)

1.一种基于路径规划的光学探针在线检测装置，其特征在于，包括设置在超精密车削车床的第一平台(1)和第二平台(5)，所述第一平台(1)上架设有第一光学探针(2)和第二光学探针(4)，所述第二平台(5)上安装有车床主轴(6)和第三光学探针(10)，所述第一光学探针(2)、第二光学探针(4)和第三光学探针(10)分别连接至控制器，所述车床主轴(6)连接有真空吸盘(7)，所述真空吸盘(7)上吸附有待检测工件(9)，所述真空吸盘(7)同轴于车床主轴(6)的旋转轴，所述第一光学探针(2)用于实时监测环境扰动影响；

所述第二光学探针(4)根据规划路径，用于检测待检测工件(9)的径向面形轮廓误差和周向轮廓误差；

所述第三光学探针(10)用于检测真空吸盘(7)的旋转方位角度；

所述控制器用于输出规划路径信息给第二光学探针(4)，以及结合环境扰动影响、待检测工件(9)的面形轮廓误差和真空吸盘(7)的旋转方位角度，通过数据处理计算，以重构出检测曲面。

2.根据权利要求1所述的一种基于路径规划的光学探针在线检测装置，其特征在于，所述第一光学探针(2)的前端固定安装有挡板(3)。

3.根据权利要求1所述的一种基于路径规划的光学探针在线检测装置，其特征在于，所述真空吸盘(7)的侧壁上设置有角度标志位(8)。

4.根据权利要求1所述的一种基于路径规划的光学探针在线检测装置，其特征在于，所述第一光学探针(2)、第二光学探针(4)和第三光学探针(10)的量程均为300μm。

5.根据权利要求1所述的一种基于路径规划的光学探针在线检测装置，其特征在于，所述第二光学探针(4)在检测待检测工件(9)的面形轮廓误差时，第二光学探针(4)与车床主轴(6)的旋转轴中心一致。

6.一种应用权利要求1所述基于路径规划的光学探针在线检测装置的光学探针在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过第一光学探针和第二光学探针协同检测待检测工件的径向轮廓误差，其中，第一光学探针实时监测环境扰动影响，并将环境扰动影响数据传输给控制器；第二光学探针根据径向检测规划路径，以检测待检测工件的径向面形轮廓误差，并将检测的径向面形轮廓误差数据传输给控制器；

S2、基于步骤S1的环境扰动影响和径向面形轮廓误差数据，由控制器筛选出满足第一预设条件的多组径向检测数据；

S3、通过第一光学探针、第二光学探针和第三光学探针协同检测待检测工件的周向轮廓误差，其中，第一光学探针实时监测环境扰动影响，并将环境扰动影响数据传输给控制器；第二光学探针根据周向检测规划路径，以检测待检测工件的周向面形轮廓误差，并将检测的周向面形轮廓误差数据传输给控制器；第三光学探针检测真空吸盘的旋转方位角度，并将检测的方位角度数据传输给控制器；

S4、由控制器将步骤S3的周向面形轮廓误差与方位角度数据进行一一对应，得到完整的周向轮廓误差数据，之后结合步骤S3的环境扰动影响数据，筛选出满足第二预设条件的多组周向检测数据；

S5、根据多组径向检测数据以及多组周向检测数据，由控制器通过数据处理计算，重构出检测曲面。

7.根据权利要求6所述的一种光学探针在线检测方法，其特征在于，所述步骤S1中径向检测规划路径具体为自中心向边缘辐射的多条路径，所述步骤S3中周向检测侧规划路径具体为多个同心圆环路径。

8.根据权利要求6所述的一种光学探针在线检测方法，其特征在于，所述步骤S2中第一预设条件具体为在径向检测时间内环境扰动影响数据不超过第二光学探针的检测精度。

9.根据权利要求6所述的一种光学探针在线检测方法，其特征在于，所述步骤S4中第二预设条件具体为在周向检测时间内环境扰动影响数据不超过第二光学探针的检测精度。

10.根据权利要求6所述的一种光学探针在线检测方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51、将多组径向检测数据和多组周向检测数据进行低通滤波再插值处理；

S52、将不同环带的周向检测数据进行拼接处理，并通过径向检测数据修正拼接的位置信息，得到检测曲面的面形数据，以此重构出三维的检测曲面。

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