CN113465539B - 一种基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于干涉拼接的自动化圆柱度测量装置及方法。本装置包括干涉仪、计算全息片、自动测试件调整装备、激光位移传感器、控制电箱和计算机，利用激光位移传感器和自动控制系统对轴类零件进行摆正，通过分析干涉图像，利用闭环控制系统实现对当前子孔径下的轴类零件进行姿态补偿，实现干涉的零位测量。整个测量过程避免了人工操作时引入的环境误差，降低了测量结果的不确定度，减少了测量时间。相比传统圆柱度仪的测量结果，提高了轴向采样密度，给出高精度的元件表面轮廓误差图和其他更多的表征结果。
Description
技术领域
本发明应用于光学检测技术领域，具体涉及一种基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量装置及方法，用于高精度圆柱形工件的圆柱度测量，包括其自动化的测量装置和方法。
背景技术
近年来，以轴类为代表的高精度的圆柱形零件(以下简称轴类零件)在现代工业、航空航天、核技术等各类精密工程领域需求越来越广泛，同时对其质量有着更高的要求。例如，在高精度加工机床中，其液体动静压电主轴的回转误差要求小于达50nm；在汽车工业中，其主轴的圆度和圆柱度偏差要求都小于100nm；惯性制导系统中陀螺仪气浮轴承的形状误差要求小于0.2μm；气体悬浮电主轴的回转精度小于50nm。因此，及时、准确、定量地对该类零件的形位误差进行精密测量，不但可以为保证产品质量提供必要的量化信息，而且还能为零件进行工艺分析提供可靠的依据，为进一步提高产品质量提供决策信息。
圆柱度误差是评价轴类零件质量的重要指标之一。它是多种误差的结合，包括：锥度误差、圆度误差、轴线的直线度误差和母线的直线度误差。对于圆柱度误差的测量与评估，目前主要采用圆柱度仪。它利用接触式的探针逐点测量，需要扫描多个截面才能得到圆柱度误差，测量效率低，轴向采样率不能满足ISO/TS 12180系列规定的圆柱度采样密度和采样频率的要求，评定指标单一和评定结果不稳定的问题。目前主流的圆柱度仪一般仅针对5-6个截面进行滤波，主要采用圆度轮廓的提取策略，即圆周线提取方案，圆周方向的提取点密度高于素线的点密度，利用5-6个截面分析圆柱度偏差，无法实现鸟笼和素线提取方案的要求。而且传统的接触式测量方法，在测量过程中，圆柱度仪的探头容易对被测工件的表面造成损伤。所以目前圆柱度的计量技术在几何量测量领域仍然是一个薄弱的环节。因此我们急需一种能够及时、准确地对柱状零件进行精密测量技术，为轴类零件的加工误差分析及工艺提供指导，保证零件质量。
干涉测量技术是以光波为载体，通过波的叠加引起的干涉现象来获取信息的技术，一般以光波波长为计量单位，是公认的高精度、高灵敏度的非接触式检测手段之一。干涉测量技术广泛应用于科学研究和工业生产中对微小位移、折射率以及表面平整度、材料应力的测量。在科学分析中，干涉仪用于测量长度以及光学元件的形状，精度能到纳米级。它是现有精度较高的长度测量仪器。但以圆柱度仪为代表的轴类零件圆柱度测量方法存在的轴向采样率低，表征不明确等问题，限制了自动化圆柱度测量方法的应用。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量装置及方法，从轴类零件的测量需求出发，引入干涉测量技术，提出了全新的圆柱度测量系统和操作流程，突破现有测量方法对圆柱度误差评价的限制。同时通过采用子孔径拼接技术，极大地提高了轴类零件的测量效率和轴向采样率，为圆柱度误差的测量提供高精度，高分辨率的测量结果。本发明通过闭环控制系统实现对所有孔径的零位测量，避免了人工操作时引入的环境误差，从而降低了测量的不确定度，减少了测量时间。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量装置，包括干涉仪、计算全息片、自动测试件调整装备、激光位移传感器、控制电箱和计算机，在干涉仪前为计算全息片，在计算全息片前方为自动测试件调整装备，将测试件安装在自动测试件调整装备上，激光位移传感器用支架固定，使激光位移传感器的激光发射方向与电控水平二维位移平台的X轴正方向相同，调整激光位移传感器的高度与测试件的高度一致，并调整激光位移传感器与测试件的距离在激光位移传感器的量程范围15-17mm内，一般将激光位移传感器放置于距离测试件约16mm的位置，激光位移传感器和自动测试件调整装备与控制电箱相连，计算机连接控制电箱和干涉仪；
测试时，计算机发出控制信号至控制电箱和干涉仪，使控制电箱控制自动测试件调整装备运作，从而实现测试件的位移和转动，同时激光位移传感器对测试件测取位移信号，将采集到的子孔径数据传输给计算机，计算机程序利用柱面拼接算法将采集到的的数据进行拼接处理，得到测试件的整周形貌分布，然后使用二维高斯滤波权函数对形貌进行滤波与轮廓提取，最终可以获得测试件的圆柱度误差。本发明的干涉仪的输出信号传输给计算机进行拼接计算，获得测试件的圆柱度误差。
优选地，所述自动测试件调整装备包括手动俯仰调整平台、手动水平二维移动平台、固定电控转台、电控俯仰调整平台、电控水平二维移动平台和三爪卡盘，自动测试件调整装备的底部为手动俯仰调整平台，其上通过螺栓固定有手动水平二维移动平台，手动水平二维移动平台上方用螺栓固定电控转台，电控转台的转动部分与上方的电控俯仰调整平台通过螺栓连接，在电控俯仰调整平台上方通过螺栓固定有电控水平二维移动平台，在电控水平二维移动平台上方固定有三爪卡盘，三爪卡盘夹持测试件。
优选地，在所述自动测试件调整装备，电控转台的上方连接电控俯仰调整平台和电控水平二维移动平台，为了保证串口通信时数据传输顺畅，同时不破坏机械运动机构，在转台中间处加入导电滑环，防止在转台转动过程中，通讯缆线阻碍电控俯仰调整平台和电控水平二维移动平台的运动。
一种基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量方法，采用本发明基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量装置进行操作，操作步骤如下：
步骤1、由于测试件为轴类零件，因此将测试件固定在三爪卡盘上，打开激光位移传感器，打开计算机，打开控制电箱，调整激光位移传感器3的位置和角度，使其收集到测试件的信号；
步骤2、计算机通过RS-232转串口的数据线对电控转台发送指令，使其连续转动；计算机从激光位移传感器连续读取采集到的激光位移传感器与测试件之间相对位置变化的数据；利用椭圆拟合算法对采集到的数据进行拟合，获得拟合椭圆的长短轴以及倾斜角度，即可根据椭圆相对调整平台的坐标的位置计算得到测试件与电控转台的回转轴线相对偏差；
步骤3、计算机通过RS-232总线向电控俯仰调整平台和电控水平二维移动平台发送运动量数据，对测试件进行位置校正，使测试件的轴线与电控转台旋转轴线重合；当激光位移传感器读取到的激光位移传感器与测试件之间相对距离变化小于设定阈值时，调整完毕，结束并关闭激光位移传感器；优选最小阈值为0.02mm；
步骤4、打开干涉仪，观察计算机显示屏中采集到的条纹图，调整手动俯仰调整平台和手动水平二维移动平台，直到条纹数量达到当前姿态的最小值；然后通过计算机向控制电箱发送指令，使电控转台连续转动，继续调整；经多次反复，直到电控转台轴线、测试件的轴线和柱面波前的焦轴线重合；优选直到条纹数量达到当前姿态的最小值的条纹数量为2-3根；
步骤5、规划测量路径，对测试件的表面面形进行测量；针对每个子孔径，电控转台根据设定需求转动设定角度；计算机程序读取计算机端口信号，打开干涉仪软件接口，并对干涉仪进行远程控制以实现自动化测量的目的；
步骤6、干涉仪采集当前子孔径下的干涉图像和位相信息；利用Zernike多项式分析当前子孔径下测试件的位置偏差，并将偏差信号传递给电控俯仰调整平台和电控水平二维移动平台，进行位置误差的补偿；不断重复以上步骤，直到采集到的相位小于设定阈值；
步骤7、按照规划路径调整电控转台，重复步骤6，直到所有子孔径的位相信息采集完成；
步骤8、对所有子孔径数据进行拼接，并给出圆柱度的测量结果；
步骤9、测量结束后，关闭干涉仪，关闭计算机，关闭控制电箱，取下测试件。
优选地，所述步骤1至步骤4中，在对测试件进行摆正时，引入了激光位移传感器；通过激光位移传感器将采集到的数字信号传输给计算机，利用整个闭环控制系统和自动化的调整装备，调节控制电控俯仰调整平台和电控水平二维移动平台，补偿测试件在空间中的位姿误差，实现对测试件的调平调心；自动化的测量系统免去了操作人员带来的空气扰动和温湿度变化，加装防尘罩减小环境引起的测量不确定度；利用非接触式的激光位移传感器同时防止对轴类零件造成表面损伤。
优选地，所述步骤四中，在对测试件的进行测量时，会通过干涉仪分析采集到的子孔径位相中存在的失调像差，解析在当前子孔径下测试件的姿态误差；利用电控俯仰调整平台和电控水平二维移动平台对子孔径进行位姿补偿，使得干涉测量满足零位条件，避免测试件相位失配引起的失调像差和回程误差。
优选地，所述步骤5中，所述子孔径采集过程，针对单一孔径实施多次测量，获取单孔径中所有采样点的相位均值与方差；并对测量结果进行不确定度评估，最终获得关于测量结果每一个采样点的不确定度，对测量结果的不确定度进行可视化表征。
优选地，在步骤8所述的子孔径拼接过程中，计算机程序将记录电控俯仰调整平台和电控水平二维移动平台的调整数值，用于在拼接算法中对子孔径的空间位置进行修正。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明针对高精度轴类零件的圆柱度及其他几何量测量，提出了一种基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量装置，相比传统圆柱度仪的测量结果，大大提高了圆柱类元件轴向的采样密度，同时满足圆周和轴线方向的高次谐波提取要求，能够实现ISO/TS12180-2:2003中鸟笼提取方案、圆周线提取方案、素线提取方案和布点提取方案；
2.本发明能够直接提供高精度的三维轮廓误差，提供更加可靠的表征方式；
3.本发明从轴类零件的测量需求出发，引入干涉测量技术，提出了全新的圆柱度测量系统和操作流程，突破现有测量方法对圆柱度误差评价的限制。同时通过采用子孔径拼接技术，极大地提高了轴类零件的测量效率和轴向采样率，为圆柱度误差的测量提供高精度，高分辨率的测量结果；
4.本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。
附图说明
图1是发明优选实施例的基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量装置的结构示意图。
图2是图1中自动测试件调整装备和传感器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1和图2，一种基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量装置，包括干涉仪1、计算全息片2、自动测试件调整装备20、激光位移传感器3、控制电箱11和计算机12，在干涉仪1前为计算全息片2，在计算全息片2前方为自动测试件调整装备20，将测试件10安装在自动测试件调整装备20上，激光位移传感器3用支架固定，使激光位移传感器3的激光发射方向与电控水平二维位移平台8的X轴正方向相同，调整激光位移传感器3的高度与测试件10的高度一致，并调整激光位移传感器3与测试件10的距离在激光位移传感器3的量程范围15-17mm内，一般将激光位移传感器3放置于距离测试件10约16mm的位置，激光位移传感器3和自动测试件调整装备20与控制电箱11相连，计算机12连接控制电箱11和干涉仪1；
测试时，计算机12发出控制信号至控制电箱11和干涉仪1，使控制电箱11控制自动测试件调整装备20运作，从而实现测试件10的位移和转动，同时激光位移传感器3对测试件10测取位移信号，以及干涉仪1将采集到的子孔径数据传输给计算机12，计算机程序利用柱面拼接算法将采集到的的数据进行拼接处理，得到测试件10的整周形貌分布，然后使用二维高斯滤波权函数对形貌进行滤波与轮廓提取，最终可以获得测试件10的圆柱度误差。
本实施例装置能够直接提供高精度的三维轮廓误差，提供更加可靠的表征方式，通过闭环控制系统实现对所有孔径的零位测量，避免了人工操作时引入的环境误差，从而降低了测量的不确定度，减少了测量时间。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1和图2，所述自动测试件调整装备20包括手动俯仰调整平台4、手动水平二维移动平台5、固定电控转台6、电控俯仰调整平台7、电控水平二维移动平台8和三爪卡盘9，自动测试件调整装备20的底部为手动俯仰调整平台4，其上通过螺栓固定有手动水平二维移动平台5，手动水平二维移动平台5上方用螺栓固定电控转台6，电控转台6的转动部分与上方的电控俯仰调整平台7通过螺栓连接，在电控俯仰调整平台7上方通过螺栓固定有电控水平二维移动平台8，在电控水平二维移动平台8上方固定有三爪卡盘9，三爪卡盘9夹持测试件10。
在本实施例中，在所述自动测试件调整装备20，电控转台6的上方连接电控俯仰调整平台7和电控水平二维移动平台8，为了保证串口通信时数据传输顺畅，同时不破坏机械运动机构，在转台中间处加入导电滑环，防止在转台转动过程中，通讯缆线阻碍电控俯仰调整平台7和电控水平8二维移动平台的运动。
利用计算全息片2将干涉仪1产生的平面波前转换成标准的柱面测量波前。根据计算全息片的F数可以获得其焦轴线的位置，理论上在整个测量过程中，需要保持轴类零件10的轴线与柱面波前的焦轴线重合。手动俯仰调整平台4、手动水平二维移动平台5、固定电控转台6、电控俯仰调整平台7、电控水平二维移动平台8和三爪卡盘9，控制电箱11构成多维调整机构。其中手动俯仰调整平台4、手动水平二维移动平台5构成的手动调整部分，可保证电控转台6的轴线与柱面波前的焦轴线重合，调整完毕之后锁死，保证在测量过程中测量基准不变。电控转台6、电控俯仰调整平台7和电控水平二维移动平台8为自动调整设备。首先自动调整设备与激光位移传感器3同时使用，构成闭环调整系统。在电控转台6转动过程中，利用激光位移传感器3测量得到的测试件10的运动轨迹并加以分析，将测量到的数据进行椭圆拟合，拟合得到的椭圆长短轴用于计算测试件10的姿态误差，调整测试件10相对于电动转台6的位置，使得两者的轴线重合。其次，自动测试件调整装备20和干涉仪1同时使用，通过分析干涉仪1采集到的测试件10表面相位信息，分析失调像差来调整测试件的位姿，保证测量时干涉图像仅存在1-2根条纹，实现零位测量条件。本实施例自动测试件调整装备结构合理，有利于高精度测量测试件圆柱度。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量方法，采用实施例二所述基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量装置进行操作，操作步骤如下：
步骤1、当测试件10为轴类零件时，将测试件10固定在三爪卡盘9上，打开激光位移传感器3，打开计算机12，打开控制电箱11，调整激光位移传感器3的位置和角度，使其收集到测试件10的信号；
步骤2、计算机12通过RS-232转串口的数据线对电控转台7发送指令，使其连续转动；计算机12从激光位移传感器3连续读取采集到的激光位移传感器3与测试件10之间相对位置变化的数据；利用椭圆拟合算法对采集到的数据进行拟合，获得拟合椭圆的长短轴以及倾斜角度，根据椭圆相对调整平台的坐标的位置计算得到测试件(10)与电控转台(6)的回转轴线相对偏差；
步骤3、计算机12通过RS-232总线向电控俯仰调整平台7和电控水平二维移动平台8发送运动量数据，对测试件10进行位置校正，使测试件10的轴线与电控转台6旋转轴线重合；当激光位移传感器3读取到的激光位移传感器3与测试件10相对距离变化小于设定阈值0.02mm时，调整完毕，结束并关闭激光位移传感器3；
步骤4、打开干涉仪1，观察计算机12显示屏中采集到的条纹图，调整手动俯仰调整平台4和手动水平二维移动平台5，直到条纹数量达到当前姿态的最小值，以2-3根为宜；然后通过计算机12向控制电箱发送11发送指令，使电控转台6连续转动，继续调整；经多次反复，直到电控转台6轴线、测试件10的轴线和柱面波前的焦轴线重合；
步骤5、规划测量路径，对测试件10的表面面形进行测量；针对每个子孔径，电控转台6根据设定需求转动设定角度；计算机程序读取计算机12端口信号，打开干涉仪1软件接口，并对干涉仪1进行远程控制以实现自动化测量的目的；
步骤6、干涉仪1采集当前子孔径下的干涉图像和位相信息；利用Zernike多项式分析当前子孔径下测试件10的位置偏差，并将偏差信号传递给电控俯仰调整平台7和电控水平二维移动平台8，进行位置误差的补偿；不断重复以上步骤，直到采集到的相位小于设定阈值；
步骤7、按照规划路径调整电控转台6，重复步骤6，直到所有子孔径的位相信息采集完成；
步骤8、对所有子孔径数据进行拼接，并给出圆柱度的测量结果；
步骤9、测量结束后，关闭干涉仪1，关闭计算机12，关闭控制电箱11，取下测试件10。
本实施例从轴类零件的测量需求出发，引入干涉测量技术，提出了全新的圆柱度测量系统和操作流程，突破现有测量方法对圆柱度误差评价的限制。同时通过采用子孔径拼接方法，极大的提高了轴类零件的测量效率和轴向采样率，为圆柱度误差的测量提供高精度，高分辨率的测量结果。
实施例四：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，所述步骤1至步骤4中，在对测试件10进行摆正时，引入了激光位移传感器3；通过激光位移传感器3将采集到的数字信号传输给计算机12，利用整个闭环控制系统和自动化的调整装备，调节控制电控俯仰调整平台7和电控水平二维移动平台8，补偿测试件10在空间中的位姿误差，实现对测试件10的调平调心；自动化的测量系统免去了操作人员带来的空气扰动和温湿度变化，加装防尘罩13减小环境引起的测量不确定度；利用非接触式的激光位移传感器3同时防止对轴类零件造成表面损伤。
在本实施例中，所述步骤四中，在对测试件10的进行测量时，会通过干涉仪1分析采集到的子孔径位相中存在的失调像差，解析在当前子孔径下测试件10的姿态误差；利用电控俯仰调整平台7和电控水平二维移动平台8对子孔径进行位姿补偿，使得干涉测量满足零位条件，避免测试件10相位失配引起的失调像差和回程误差。
在本实施例中，所述步骤5中，所述子孔径采集过程，针对单一孔径实施多次测量，获取单孔径中所有采样点的相位均值与方差；并对测量结果进行不确定度评估，最终获得关于测量结果每一个采样点的不确定度，对测量结果的不确定度进行可视化表征。
在本实施例中，在步骤8中所述的子孔径拼接过程中，计算机程序将记录电控俯仰调整平台7和电控水平二维移动平台8的调整数值，用于在拼接算法中对子孔径的空间位置进行修正。
本实施例针对高精度轴类零件的圆柱度及其他几何量测量，提出了一种基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量方法，相比传统圆柱度仪的测量结果，大大提高了圆柱类元件轴向的采样密度，同时满足圆周和轴线方向的高次谐波提取要求，能够实现ISO/TS12180-2:2003中鸟笼提取方案、圆周线提取方案、素线提取方案和布点提取方案。能够直接提供高精度的三维轮廓误差，提供更加可靠的表征方式。
综上所述，上述实施例基于干涉拼接的自动化圆柱度测量装置包括干涉仪、计算全息片、自动测试件调整装备、激光位移传感器、控制电箱和计算机，利用激光位移传感器和自动控制系统对轴类零件进行摆正，通过分析干涉图像，利用闭环控制系统实现对当前子孔径下的轴类零件进行姿态补偿，实现干涉的零位测量。整个测量过程避免了人工操作时引入的环境误差，降低了测量结果的不确定度，减少了测量时间。相比传统圆柱度仪的测量结果，提高了轴向采样密度，给出高精度的元件表面轮廓误差图和其他更多的表征结果。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量装置，包括干涉仪(1)、计算全息片(2)、自动测试件调整装备(20)、激光位移传感器(3)、控制电箱(11)和计算机(12)，其特征在于：在干涉仪(1)前为计算全息片(2)，在计算全息片(2)前方为自动测试件调整装备(20)，将测试件(10)安装在自动测试件调整装备(20)上，激光位移传感器(3)用支架固定，使激光位移传感器(3)的激光发射方向与电控水平二维位移平台(8)的X轴正方向相同，调整激光位移传感器(3)的高度与测试件(10)的高度一致，并调整激光位移传感器(3)与测试件(10)的距离在激光位移传感器(3)的量程范围15-17mm内，一般将激光位移传感器(3)放置于距离测试件(10)16mm的位置，激光位移传感器(3)和自动测试件调整装备(20)与控制电箱(11)相连，计算机(12)连接控制电箱(11)和干涉仪(1)；
测试时，计算机(12)发出控制信号至控制电箱(11)和干涉仪(1)，使控制电箱(11)控制自动测试件调整装备(20)运作，从而实现测试件(10)的位移和转动，同时激光位移传感器(3)对测试件(10)测取位移信号，以及干涉仪(1)将采集到的子孔径数据传输给计算机(12)，计算机程序利用柱面拼接算法将采集到的的数据进行拼接处理，得到测试件(10)的整周形貌分布，然后使用二维高斯滤波权函数对形貌进行滤波与轮廓提取，最终可以获得测试件(10)的圆柱度误差；所述自动测试件调整装备(20)包括手动俯仰调整平台(4)、手动水平二维移动平台(5)、固定电控转台(6)、电控俯仰调整平台(7)、电控水平二维移动平台(8)和三爪卡盘(9)，自动测试件调整装备(20)的底部为手动俯仰调整平台(4)，其上通过螺栓固定有手动水平二维移动平台(5)，手动水平二维移动平台(5)上方用螺栓固定电控转台(6)，电控转台(6)的转动部分与上方的电控俯仰调整平台(7)通过螺栓连接，在电控俯仰调整平台(7)上方通过螺栓固定有电控水平二维移动平台(8)，在电控水平二维移动平台(8)上方固定有三爪卡盘(9)，三爪卡盘(9)夹持测试件(10)。
2.根据权利要求1所述基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量装置，其特征在于：在所述自动测试件调整装备(20)，电控转台(6)的上方连接电控俯仰调整平台(7)和电控水平二维移动平台(8)，为了保证串口通信时数据传输顺畅，同时不破坏机械运动机构，在转台中间处加入导电滑环，防止在转台转动过程中，通讯缆线阻碍电控俯仰调整平台(7)和电控水平二维移动平台(8)的运动。
3.一种基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量方法，采用权利要求1所述基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量装置进行操作，其特征在于，操作步骤如下：
步骤1、当测试件(10)为轴类零件时，将测试件(10)固定在三爪卡盘(9)上，打开激光位移传感器(3)，打开计算机(12)，打开控制电箱(11)，调整激光位移传感器(3)的位置和角度，使其收集到测试件(10)的信号；
步骤2、计算机(12)通过RS-232转串口的数据线对电控俯仰调整平台(7)发送指令，使其连续转动；计算机(12)从激光位移传感器(3)连续读取采集到的激光位移传感器(3)与测试件(10)之间相对位置变化的数据；利用椭圆拟合算法对采集到的数据进行拟合，获得拟合椭圆的长短轴以及倾斜角度，根据椭圆相对调整平台的坐标的位置计算得到测试件(10)与电控转台(6)的回转轴线相对偏差；
步骤3、计算机(12)通过RS-232总线向电控俯仰调整平台(7)和电控水平二维移动平台(8)发送运动量数据，对测试件(10)进行位置校正，使测试件(10)的轴线与电控转台(6)旋转轴线重合；当激光位移传感器(3)读取到的激光位移传感器(3)与测试件(10)相对距离数据变化小于设定阈值时，调整完毕，结束并关闭激光位移传感器(3)；
步骤4、打开干涉仪(1)，观察计算机(12)显示屏中采集到的条纹图，调整手动俯仰调整平台(4)和手动水平二维移动平台(5)，直到条纹数量达到当前姿态的最小值；然后通过计算机(12)向控制电箱(11)发送指令，使电控转台(6)连续转动，继续调整；经多次反复，直到电控转台(6)轴线、测试件(10)的轴线和柱面波前的焦轴线重合；
步骤5、规划测量路径，对测试件(10)的表面面形进行测量；针对每个子孔径，电控转台(6)根据设定需求转动设定角度；计算机程序读取计算机(12)端口信号，打开干涉仪(1)软件接口，并对干涉仪(1)进行远程控制以实现自动化测量的目的；
步骤6、干涉仪(1)采集当前子孔径下的干涉图像和位相信息；利用Zernike多项式分析当前子孔径下测试件(10)的位置偏差，并将偏差信号传递给电控俯仰调整平台(7)和电控水平二维移动平台(8)，进行位置误差的补偿；不断重复以上步骤，直到采集到的相位小于设定阈值；
步骤7、按照规划路径调整电控转台(6)，重复步骤6，直到所有子孔径的位相信息采集完成；
步骤8、对所有子孔径数据进行拼接，并给出圆柱度的测量结果；
步骤9、测量结束后，关闭干涉仪(1)，关闭计算机(12)，关闭控制电箱(11)，取下测试件(10)。
4.根据权利要求3所述的基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量方法，其特征在于：所述步骤1至步骤4中，在对测试件(10)进行摆正时，引入了激光位移传感器(3)；通过激光位移传感器(3)将采集到的数字信号传输给计算机(12)，利用整个闭环控制系统和自动化的调整装备，调节控制电控俯仰调整平台(7)和电控水平二维移动平台(8)，补偿测试件(10)在空间中的位姿误差，实现对测试件(10)的调平调心；自动化的测量系统免去了操作人员带来的空气扰动和温湿度变化，加装防尘罩(13)减小环境引起的测量不确定度；利用非接触式的激光位移传感器(3)同时防止对轴类零件造成表面损伤。
5.根据权利要求3所述的基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量方法，其特征在于：所述步骤四中，在对测试件(10)的进行测量时，会通过干涉仪(1)分析采集到的子孔径位相中存在的失调像差，解析在当前子孔径下测试件(10)的姿态误差；利用电控俯仰调整平台(7)和电控水平二维移动平台(8)对子孔径进行位姿补偿，使得干涉测量满足零位条件，避免测试件(10)相位失配引起的失调像差和回程误差。
6.根据权利要求3所述的基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量方法，其特征在于：所述步骤5中，所述子孔径采集过程，针对单一孔径实施多次测量，获取单孔径中所有采样点的相位均值与方差；并对测量结果进行不确定度评估，最终获得关于测量结果每一个采样点的不确定度，对测量结果的不确定度进行可视化表征。
7.根据权利要求3所述的基于子孔径干涉拼接的自动化圆柱度测量方法，其特征在于在步骤8中所述的子孔径拼接过程中，计算机程序将记录电控俯仰调整平台(7)和电控水平二维移动平台(8)的调整数值，用于在拼接算法中对子孔径的空间位置进行修正。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DD219565A1 (de) * | 1983-12-05 | 1985-03-06 | Adw Ddr | Anordnung zur interferometrischen ebenheitspruefung technischer oberflaechen |
| CN103175486A (zh) * | 2013-03-07 | 2013-06-26 | 上海大学 | 一种圆柱度误差的拼接干涉测量装置及方法 |
| CN103994731A (zh) * | 2014-05-26 | 2014-08-20 | 上海大学 | 柱面干涉拼接测量装置及其调整方法 |
| CN104296698A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-01-21 | 广州飞拓优视光电科技有限公司 | 一种超高精度的光学表面平整度测量方法 |
| WO2017101557A1 (zh) * | 2015-12-14 | 2017-06-22 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 面形检测装置及方法 |
| CN107421472A (zh) * | 2017-07-17 | 2017-12-01 | 哈尔滨理工大学 | 一种基于干涉条纹测量主轴倾角误差新算法 |
| CN111006851A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-04-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种拼接镜中边缘子镜的波前检测装置和方法 |
| CN111238418A (zh) * | 2019-02-21 | 2020-06-05 | 惠州市微米立科技有限公司 | 一种基于激光干涉成像的手机屏幕平整度检测方法 |
| WO2020228494A1 (zh) * | 2019-05-13 | 2020-11-19 | 深圳中科飞测科技有限公司 | 检测设备及检测设备的工作方法 |
-
2021
- 2021-07-06 CN CN202110760277.4A patent/CN113465539B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DD219565A1 (de) * | 1983-12-05 | 1985-03-06 | Adw Ddr | Anordnung zur interferometrischen ebenheitspruefung technischer oberflaechen |
| CN103175486A (zh) * | 2013-03-07 | 2013-06-26 | 上海大学 | 一种圆柱度误差的拼接干涉测量装置及方法 |
| CN103994731A (zh) * | 2014-05-26 | 2014-08-20 | 上海大学 | 柱面干涉拼接测量装置及其调整方法 |
| CN104296698A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-01-21 | 广州飞拓优视光电科技有限公司 | 一种超高精度的光学表面平整度测量方法 |
| WO2017101557A1 (zh) * | 2015-12-14 | 2017-06-22 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 面形检测装置及方法 |
| CN107421472A (zh) * | 2017-07-17 | 2017-12-01 | 哈尔滨理工大学 | 一种基于干涉条纹测量主轴倾角误差新算法 |
| CN111238418A (zh) * | 2019-02-21 | 2020-06-05 | 惠州市微米立科技有限公司 | 一种基于激光干涉成像的手机屏幕平整度检测方法 |
| WO2020228494A1 (zh) * | 2019-05-13 | 2020-11-19 | 深圳中科飞测科技有限公司 | 检测设备及检测设备的工作方法 |
| CN111006851A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-04-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种拼接镜中边缘子镜的波前检测装置和方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于多孔径重叠扫描拼接技术的圆柱度测量研究;郑鹏;郭红卫;陈明仪;;仪器仪表学报(第04期);全文 * |
| 子孔径拼接干涉的快速调整及测量;郭福东;唐锋;卢云君;王向朝;;光学精密工程(第10期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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