CN113375590B - 一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置和方法，装置包括立体偏折束系统和计算机，所述立体偏折束系统包括一个投影屏幕和两台相机，所述投影屏幕用于显示编码图案，所述编码图案经过固定于机床主轴上的待测加工件表面反射后被所述两台相机接收；所述计算机与所述两台相机相连，用于采集所述两台相机接收到的图像信息，并对所述图像信息进行处理得到所述立体偏折束系统的参数，并基于所述立体偏折束系统的参数计算所述待测加工表面的法向量，并通过计算所述法向量的积分获取所述待测加工表面的形貌。本发明避免了重复装夹误差对超精密加工的影响。

Description

一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置和方法
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，特别是涉及一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置和方法。
背景技术
超精密加工是一种面向大规模集成电路、激光技术和航天技术等尖端行业的精度极高的加工技术，其最高加工的尺寸精度可达10纳米，表面粗糙度可达1纳米，特别是单点金刚石切削技术，可用于加工超精密模具、高精度反射镜以及非球面等大型超精密零件。
超精密加工的加工精度的精度基础是超精密测量，传统的超精密加工测量方式分为接触式测量和非接触式测量两种方式，接触式测量是通过探针在加工件表面划过测量加工件表面的轮廓以及表面粗糙度，其中的代表有Taylor PGI系列轮廓仪，这种方式的优点在于测量稳定，缺点在于接触式测量方式会改变测量件的表面形貌，无法做到无伤检测；非接触测量是通过光学方式，对加工件表面进行无伤检测，其中的代表有Zygo白光干涉仪，这种方式的缺点是没有接触式测量结果稳定。
上述两种测量方式由于测量装备的庞大而且昂贵，只能用于加工件的离位测量，而离位测量工程中的重复装夹误差在超精密加工中非常重要，所以这就为超精密加工的原位测量带来了挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置和方法，避免了重复装夹误差对超精密加工的影响。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置，包括立体偏折束系统和计算机，所述立体偏折束系统包括一个投影屏幕和两台相机，所述投影屏幕用于显示编码图案，所述编码图案经过固定于机床主轴上的待测加工件表面反射后被所述两台相机接收；所述计算机与所述两台相机相连，用于采集所述两台相机接收到的图像信息，并对所述图像信息进行处理得到所述立体偏折束系统的参数，并基于所述立体偏折束系统的参数计算所述待测加工表面的法向量，并通过计算所述法向量的积分获取所述待测加工表面的形貌。
所述立体偏折束系统固定于所述机床的刀具架的上方，并面向所述机床主轴。
所述立体偏折束系统的参数包括相机内参以及两台相机与屏幕之间的位姿关系。
所述编码图案为多步相移三频外差的正弦条纹。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量方法，采用上述的基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置，包括以下步骤：
(1)对所述立体偏折束系统中的每台相机进行标定，得到每台相机的内参和畸变参数；
(2)利用固定于所述机床主轴上的倾斜平面镜对所述立体偏折束系统进行标定，获取所述立体偏折束系统中所述投影屏幕与所述两台相机的位置关系；
(3)将所述待测加工件固定于所述机床主轴上，通过所述立体偏折束系统进行原位测量，利用计算机得到所述待测加工表面的形貌。
所述步骤(1)具体为：每台相机拍摄多张圆环标定板或者棋盘格标定板在不同位姿下的图像，用圆环圆心或者棋盘格角点作为参考点，使用张正友标定法解算每台相机的内参以及畸变系数。
所述步骤(2)具体为：
(21)将倾斜平面镜固定在所述机床主轴上，所述投影屏幕显示多步相移三频外差的正弦条纹，每台相机拍摄经所述倾斜平面镜反射后的正弦条纹，对投影屏幕中的正弦条纹和相机拍摄的正弦条纹分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息，通过PNP算法求解相机相对于所述倾斜平面镜中投影屏幕的虚像之间的位姿关系；
(22)将所述机床主轴沿Z轴方向移动预设距离，相机再次采集经所述倾斜平面镜反射后的正弦条纹，对投影屏幕中的正弦条纹和相机拍摄的正弦条纹分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息，结合步骤(21)的坐标信息求解所述倾斜平面镜的法向量；
(23)将所述机床主轴沿C轴转动360/n度后，并返回到步骤(21)时的Z轴坐标位置，重复n次步骤(21)-(23)，直至所述机床主轴的总计转动达到360度；
(24)通过所述倾斜平面镜的法向量求解反射变换矩阵，并通过相机相对于所述倾斜平面镜中投影屏幕的虚像之间的位姿关系以及反射变换矩阵求解所述投影屏幕与所述两台相机的位姿关系。
所述步骤(3)具体为：
(31)将所述待测加工件固定于所述机床主轴上，所述投影屏幕显示多步相移三频外差的正弦条纹，每台相机拍摄经所述待测加工件的表面反射后的正弦条纹，对所述投影屏幕中的正弦条纹和相机拍摄的正弦条纹分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息；
(32)根据步骤(31)得到的坐标信息以及所述投影屏幕与所述两台相机的位姿关系，采用一维线搜索算法求解所述待测加工件表面的法向量；
(33)通过区域积分算法将所述待测加工件表面的法向量恢复至所述待测加工件表面的轮廓信息，完成原位测量。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用超精密加工的表面粗糙度极小的特性，将超精密加工的表面近似为镜面处理，通过将立体偏折束系统固定于超精密机床上，实现了对超精密加工件的原位测量，测量设备小巧，测量精度高，避免了重复装夹误差对超精密加工的影响，此外，本发明还利用了机床主轴移动的高精度实现了立体偏折束系统的在机标定，标定只需要将测量件替换为倾斜平面标定块，标定过程简单快捷。
附图说明
图1是本发明一种基于立体偏折束的原位测量装置实施实例的正视图；
图2是本发明一种基于立体偏折束的原位测量装置实施实例的左右二等角轴测图；
图3是本发明一种基于立体偏折束的原位测量装置标定实施实例的正视图；
图4是本发明一种基于立体偏折束的原位测量装置的标定流程图；
图5是本发明一种基于立体偏折束的原位测量装置中立体偏折束装置中投影屏幕显示的编码图案的示意图；
图6是本发明一种基于立体偏折束的原位测量装置中标定相机用的圆环标定板的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置，包括立体偏折束系统和计算机，所述立体偏折束系统包括一个投影屏幕和两台相机，所述投影屏幕用于显示编码图案，所述编码图案经过固定于机床主轴上的待测加工件表面反射后被所述两台相机接收；所述计算机与所述两台相机相连，用于采集所述两台相机接收到的图像信息，并对所述图像信息进行处理得到所述立体偏折束系统的参数，并基于所述立体偏折束系统的参数计算所述待测加工表面的法向量，并通过计算所述法向量的积分获取所述待测加工表面的形貌。
如图1和图2所示，该超精密加工原位测量装置设置于超精密机床1上，包括立体偏折束系统3和计算机；所述立体偏折束系统3固定于超精密机床的刀具架2的上方，并面向机床主轴4方向；所述超精密机床1包括机床主轴4以及待测加工镜面5；所述立体偏折束系统3包括一个投影屏幕7和俩台高精度低信噪比相机8和9；所述立体偏折束系统中的投影屏幕7显示编码图案，经过固定于主轴上的待测加工件表面5反射后被所述的两台相机8和9接收到；所述立体偏折束系统中的两台相机8和9均与计算机相连采集反射后的图像；所述计算机通过立体偏折束系统的参数计算待测加工件表面的法向量，再通过计算上述法向量的积分获取待测加工件的表面形貌，其中，该参数包括相机8和9的内部参数以及两台相机8和9与投影屏幕7之间的位姿关系。
本实施方式中投影屏幕显示的编码图案如图5所示，可以为多步相移三频外差的正弦条纹，该条纹的周期遵循最佳三条纹策略，如此可以避免离焦对测量的影响。
本实施方式中的超精密机床可以是超精密单点车床，也可以是超精密铣床，还可以是超精密磨床，只要能够将加工件表面粗糙度加工至镜面(小于0.8um)的机床均能够使用于本实施方式对待加工表面进行原位测量。
下面以一个具体的实施例进一步说明本实施方式在机标定以及原位测量过程。
步骤1，对所述的立体偏折束系统3中的相机8和9进行标定，获取相机的内参以及畸变参数，使用的标定板如图6所示。具体为：使用相机拍摄若干张不同位置下的圆环标定板的图片，提取图片中的圆环圆心坐标作为对应点坐标，根据对应点坐标采用张正友标定法获取各相机的内参以及畸变参数。值得一提的是，标定板还可以采用棋盘格标定板，采用棋盘格标定板时将棋盘格角点作为对应点坐标。
步骤2，将立体偏折束系统3固定于机床刀具架的上方，将标定用倾斜镜面10固定于机床主轴4之上，形成如图3所示的形式，标定流程如图4所示，步骤如下：
21.屏幕投射多步相移三频外差的正弦条纹图案，两台相机拍摄经过标定用倾斜镜面10反射的条纹图案，计算机对投影屏幕中的正弦条纹和相机拍摄的正弦条纹分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息，通过PNP算法求解相机相对于所述倾斜平面镜中显示屏虚像之间的位姿关系。
22.机床主轴沿Z轴移动一段距离，相机再次采集反射条纹图案之后，对投影屏幕中的正弦条纹和相机拍摄的正弦条纹分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息，得到新的坐标信息，将新的坐标信息结合步骤21得到的坐标信息求解所述倾斜平面镜的法向量。
23.机床主轴沿C轴转动一个角度(例如30度)后，机床Z轴移动回到步骤21时的位置，重复步骤21-23，直至机床主轴转动累计达到360度，如此可以得到12个倾斜平面镜的法向量。
24.根据得到12个倾斜平面镜的法向量求解反射变换矩阵，并通过相机与显示屏虚像的位姿关系以及反射变换矩阵求解所述实际投影屏幕与所述两台相机的位姿关系。
步骤3，将待测加工件5固定于机床主轴4之上，通过立体偏折束系统进行原位测量，测量过程如下：
31.投影屏幕投射多步相移三频外差的正弦条纹图案，条纹周期遵循最佳三条纹策略，每台相机拍摄经所述倾斜平面镜反射后的条纹图像，对投影屏幕中的正弦条纹图像和相机拍摄的条纹图像分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息。
32.根据步骤31得到的坐标信息以及所述投影屏幕与所述两台相机的位姿关系，采用一维线搜索算法求解所述待测加工件表面的法向量。
33.通过区域积分算法将所述待测加工件表面的法向量恢复至所述待测加工件表面的轮廓信息，完成原位测量。
不难发现，本发明通过将立体偏折束系统固定于超精密机床之上，实现了超精密加工镜面的原位测量，利用一块倾斜的平面镜完成了立体偏折束系统的在机标定，避免了离位标定带来的系统参数变化，实现了超精测量从标定到测量的全过程原位操作。

Claims (6)

1.一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量方法，其特征在于，采用基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置，所述超精密加工原位测量装置包括立体偏折束系统和计算机，所述立体偏折束系统包括一个投影屏幕和两台相机，所述投影屏幕用于显示编码图案，所述编码图案经过固定于机床主轴上的待测加工件表面反射后被所述两台相机接收；所述计算机与所述两台相机相连，用于采集所述两台相机接收到的图像信息，并对所述图像信息进行处理得到所述立体偏折束系统的参数，并基于所述立体偏折束系统的参数计算所述待测加工表面的法向量，并通过计算所述法向量的积分获取所述待测加工表面的形貌，包括以下步骤：
(1)对所述立体偏折束系统中的每台相机进行标定，得到每台相机的内参和畸变参数；
(2)利用固定于所述机床主轴上的倾斜平面镜对所述立体偏折束系统进行标定，获取所述立体偏折束系统中所述投影屏幕与所述两台相机的位置关系；具体为：
(21)将倾斜平面镜固定在所述机床主轴上，所述投影屏幕显示多步相移三频外差的正弦条纹，每台相机拍摄经所述倾斜平面镜反射后的正弦条纹，对投影屏幕中的正弦条纹和相机拍摄的正弦条纹分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息，通过PNP算法求解相机相对于所述倾斜平面镜中投影屏幕的虚像之间的位姿关系；
(22)将所述机床主轴沿Z轴方向移动预设距离，相机再次采集经所述倾斜平面镜反射后的正弦条纹，对投影屏幕中的正弦条纹和相机拍摄的正弦条纹分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息，结合步骤(21)的坐标信息求解所述倾斜平面镜的法向量；
(23)将所述机床主轴沿C轴转动360/n度后，并返回到步骤(21)时的Z轴坐标位置，重复n次步骤(21)-(23)，直至所述机床主轴的总计转动达到360度；
(24)通过所述倾斜平面镜的法向量求解反射变换矩阵，并通过相机相对于所述倾斜平面镜中投影屏幕的虚像之间的位姿关系以及反射变换矩阵求解所述投影屏幕与所述两台相机的位姿关系；
(3)将所述待测加工件固定于所述机床主轴上，通过所述立体偏折束系统进行原位测量，利用计算机得到所述待测加工表面的形貌。
2.根据权利要求1所述的基于立体偏折束的超精密加工原位测量方法，其特征在于，所述立体偏折束系统固定于所述机床的刀具架的上方，并面向所述机床主轴。
3.根据权利要求1所述的基于立体偏折束的超精密加工原位测量方法，其特征在于，所述立体偏折束系统的参数包括相机内参以及两台相机与屏幕之间的位姿关系。
4.根据权利要求1所述的基于立体偏折束的超精密加工原位测量方法，其特征在于，所述编码图案为多步相移三频外差的正弦条纹。
5.根据权利要求1所述的基于立体偏折束的超精密加工原位测量方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：每台相机拍摄多张圆环标定板或者棋盘格标定板在不同位姿下的图像，用圆环圆心或者棋盘格角点作为参考点，使用张正友标定法解算每台相机的内参以及畸变系数。
6.根据权利要求1所述的基于立体偏折束的超精密加工原位测量方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：
(31)将所述待测加工件固定于所述机床主轴上，所述投影屏幕显示多步相移三频外差的正弦条纹，每台相机拍摄经所述待测加工件的表面反射后的正弦条纹，对所述投影屏幕中的正弦条纹和相机拍摄的正弦条纹分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息；
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