CN113834438A - 基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置及方法 - Google Patents
基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113834438A CN113834438A CN202110925097.7A CN202110925097A CN113834438A CN 113834438 A CN113834438 A CN 113834438A CN 202110925097 A CN202110925097 A CN 202110925097A CN 113834438 A CN113834438 A CN 113834438A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- axis
- probe
- measuring
- measurement
- compensation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 89
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 73
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 148
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 93
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 9
- 239000004579 marble Substances 0.000 claims description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 2
- 230000009191 jumping Effects 0.000 claims description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 3
- 230000036544 posture Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置及方法。本发明通过组合三个直线运动台、两个转台以及一个角位移台形成六轴联动机构，带动高精度位移传感器相对被测物体在三维空间中的六个自由度上运动，以实现具有高曲率、大矢高等复杂几何特征的自由曲面的扫描测量。此外，通过高精度位移传感器构建三维的测量框架，以阻断误差传递链，补偿扫描过程中的直线度误差及定位误差等多种误差源。本发明适用于自由曲面的面型快速检测，也可用于非球面、球面及平面元件的面型检测，具有通用性好、测量速度快与测量精度高的特点，不仅可解决当前自由曲面制造过程中的测量难题，也可满足平面、球面、非球面等光学元件的检测过程。
Description
技术领域
本发明涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置与方法。
背景技术
自由曲面元件是继平面元件、球面元件、非球面元件以来的发展出的新一代光学元件。非球面元件相比于传统球面元件具备高阶几何特征，可以使用更少数量的元件实现更加复杂的性能，不仅可促进光学系统轻量化、小型化，更能够提升光学系统的成像质量与性能。非球面元件通常具备回转对称面形，自由曲面元件则更进一步，具备非对称、不规则的表面几何特征，典型元器件如离轴曲面、微透镜阵列、f-theta透镜、V型槽阵列等。这类元件被广泛用于新型成像系统、激光系统、光通讯等光电领域作为核心器件。其表面面形质量对于成像质量、传递效率等核心性能十分关键，因而制造过程亟需兼具高效率，高适应性以及高精度的测量仪器完成高精度形状检测，以保障面形加工质量。
自由曲面光学元件在多个方向上具有变化的曲率特征，部分特征存在接近90°的大陡度表面，因而传统测量仪器如球面干涉仪、轮廓仪无法实现这类元件的面形检测，而三坐标测量机这类仪器由于效率低下，且划伤元件表面，也无法满足其测量需求。目前这类元件的检测对于工业界及学界仍是难题。
自由曲面元件的精密测量技术对于新型光电系统的综合创新设计制造具有重要意义。本发明提出的一种基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形扫描测量装置与方法，基于六轴联动的仿形扫描可以有效解决自由曲面特别是大陡度自由曲面的测量难题，适应多种形状的自由曲面的测量，同时也可解决如保形光学元件等高端复杂非球面元件的测量需求，通过三维测量框架对测量运动平台进行补偿，以保障高测量精度。所提出的装置与方法可实现自由曲面的高效率、高精度测量，对于保障自由曲面元件的制造精度及制造质量具有重要价值。
发明内容
本发明针对自由曲面元件的面形高精度、高效率、多样化测量难题，提供一种基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形扫描测量装置，在完成复杂自由曲面的面形测量的同时，消除敏感系统误差，提升系统测量精度，实现自由曲面的高速、高精度与自动化检测。
为达到上述目的，本发明采用技术方案如下：
本发明包括隔振底座(1)、大理石基座(2)、X轴运动台(3)、平面平晶底座(4)、平面平晶(5)、Y轴龙门架(6)、测量框架龙门架(7)、Y轴运动台(8)、Z轴运动台(9)、水平条晶(10)、水平条晶调整架(11)、垂直条晶调整架(12)、垂直条晶(13)、标准球模块(14)、A轴转台(15)、被测工件(16)、工件台(17)、B轴俯仰台(18)、C轴转台(19)、X补偿光束(20)、Z向补偿探头支架(21)、Z向补偿探头(22)、Z向补偿光束(23)、Y向补偿探头支架(24)、A轴补偿探头支架(25)、Y向补偿光束(26)、Y向补偿探头(27)、A轴补偿探头(28)、测量探头支架(29)、测量探头(30)、X向补偿探头支架(31)、X向补偿探头(32)、测控设备(33)。
隔振底座(1)置于地面上，大理石基座(2)水平安装于隔振底座(1)上，且大理石基座(2)上面安装有双驱形式的X轴运动台(3)、平面平晶底座(4)与C轴转台(19)。其中平面平晶支架(4)上方安装平面平晶(5)。C轴转台(19)上方堆叠安装B轴俯仰台(18)与工件台(17)，被测工件(16)固定于工件台(17)上。Y轴龙门架(6)上堆叠安装Y轴运动台(8)与Z轴运动台(9)。Z轴运动台(9)底端安装A轴转台(15)，并在A轴转台(15)上侧与右侧分别布置Z向补偿探头支架(21)与Y向补偿探头支架(24)，Z轴运动台(9)后侧安装X向补偿探头支架(31)。Z向补偿探头(22)固定于Z向补偿探头支架(21)末端，并发射Z向补偿光束(23)指向并通过经水平条晶调整架(11)固定于测量框架龙门(7)下侧的水平条晶(10)；Y向补偿探头(27)固定于Y向补偿探头支架(24)末端，并发射Y向补偿光束(16)指向并通过经垂直条晶调整架(12)固定于测量框架龙门(7)右内侧的垂直条晶(13)；X向补偿探头(32)固定于X向补偿探头支架(32)中心，并发射X向补偿光束(20)指向平面平晶(5)。A轴补偿探头(28)通过A轴探头支架(25)安装在A轴转台(15)上，并指向穿过A轴转台(15)安装于Z轴运动台(9)上的标准球模块(14)，测量探头(30)通过测量探头安装支架(29)安装于A轴台面上，并指向被测工件(16)。其中，X、Y、Z、A、B、C仅作为各个运动台的编号，实际应用中可调换顺序或赋予不同编号。C轴转台(19)与B轴俯仰台(18)的上下顺序可作调换，Y向补偿探头(27)、Y向补偿探头支架(24)、Y向补偿光束(16)、垂直条晶(13)、垂直条晶调整架(12)也可布置在测量框架龙门架(7)左内侧。X轴运动台(3)也可布置在C轴转台(19)或B轴俯仰台(18)下方。这些形式均与本专利所提出的装置与方法一致，在本专利保护范围之内。
所述的一种基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形扫描测量实现方法，其特征包括如下步骤：
步骤1、将被测工件(16)安装于工件台(17)上，调整工件台(17)使被测工件(16)的轴线与B轴俯仰台(18)以及C轴转台(19)的轴线一致；
步骤2、在测控设备(33)中输入被测工件(16)的面形方程，根据各个运动轴的相对空间位置关系生成扫描轨迹点云，保证扫描轨迹点云覆盖被测表面且当各个运动轴运动到扫描轨迹点云处时，测量探头(30)垂直于被测工件(16)表面；
步骤3、通过测控设备(33)控制X轴运动台(3)、Y轴运动台(8)、Z轴运动台(9)、B轴俯仰台(18)、A轴转台(15)、C轴转台(19)运动到扫描轨迹点云中的第一个点位，此时测量探头(30)垂直于被测工件(16)表面，并且被测工件(16)位于测量探头(30)量程内；
步骤4、采集并记录当前位置的测量探头(30)、X向补偿探头(32)、Y向补偿探头(27)、Z向补偿探头(22)与A轴补偿探头(28)的数据以及各运动轴的位置数据。控制各运动轴运动到扫描轨迹点云中的下一位置，并重复步骤3，直至完成所有扫描轨迹点云的测量。
步骤5、保存测量数据，结合所有测量数据重构出被测工件(16)的面形，并根据其设计方程计算面形误差。
进一步的，本发明装置中X向补偿测头(32)、X向补偿光束(20)、平面平晶(5)、Y向补偿测头(27)、Y向补偿光束(26)、垂直条晶(13)、Z向补偿测头(22)、Z向补偿光束(23)、水平条晶(10)、A轴补偿探头(28)、标准球模块(14)构成三维测量框架。其中X向补偿光束(20)、Y向补偿光束(26)、Z向补偿光束(23)及A轴补偿探头(28)的光束于标准球模块(14)的中心形成四线共心，以最大程度消除阿贝误差。可通过水平条晶调整架(11)、垂直条晶调整架(12)、平面平晶调整架(4)及标准球模块(14)调整空间姿态。
进一步的，本发明装置所述的三维测量框架在测量过程中，X向补偿测头(32)、Y向补偿测头(27)与Z向补偿测头(22)的测量数据实时反映出测量探头(30)由于各运动轴直线度、定位精度以及俯仰偏摆角等误差引起的在XYZ三个方向上相对于平面平晶(5)、垂直条晶(13)以及水平条晶(10)的位置偏移量，从而实现三维空间位置误差的实时补偿。平面平晶(5)垂直固定，以避免由重力引起的变形。测量过程中水平条晶(10)、水平条晶支架(11)、垂直条晶(13)、垂直条晶支架(12)及测量框架龙门架(7)整体与X轴运动台(3)固连，并随之整体进行前后移动，由平面平晶(5)与X向补偿光束(20)进行定位误差补偿。此外，测量过程中A轴补偿探头(28)实时监测A轴转台(15)相对于标准球模块(14)的偏离量，从而监测测量探头(30)在A轴转台(15)旋转过程中的径向跳动量，以进行补偿。
进一步的，本发明装置具备两种测量模式：当被测工件(16)为大陡度自由曲面元件时，所有运动台联动以进行扫描测量；当被测工件(16)为测量小陡度自由曲面元件或者大陡度非球面元件时，通过除X轴运动台(3)与B轴俯仰台(18)以外的运动台联动即可实现扫描测量，此时通过由Y向补偿探头(32)、Y向补偿光束(26)、垂直条晶(13)、Z向补偿探头(22)、Z向补偿光束(23)、水平条晶(10)构成的平面测量框架即可实现关键误差补偿。
进一步的，本发明装置中A轴补偿探头(28)的轴线与测量探头(30)的轴线共线，且过与A轴转台(15)共线的标准球模块(14)中心。此外，标准球模块(14)也可使用标准圆柱等回转对称标准元件代替。
进一步的，本发明装置中测量探头(30)为精密位移传感器，可采用光谱共焦传感器、激光干涉传感器、白光干涉传感器、激光位移传感器、电容式位移传感器、LVDT位移传感器等多种精密位移传感器。此外X向补偿测头(32)、Y向补偿测头(27)、Z向补偿测头(23)与A轴补偿测头(28)为高精密光学位移传感器，可采用激光干涉传感器、白光干涉传感器、光谱共焦传感器等。
进一步的，本发明方法中X轴运动台(3)可沿前后方向运动、Y轴运动台(8)可沿左右方向运动，Z轴运动台(9)可沿上下方向运动，A轴转台(15)可带动测量探头(30)在YOZ面内摆动，B轴俯仰台(18)与C轴转台(19)可调整被测工件(16)在空间内的姿态。各运动台可采用气浮导轨、机械导轨或磁浮导轨等多种结构，所有六轴联动可带动探头以任意角度对准被测工件(16)。
进一步的，本发明方法中所述的仿形扫描轨迹点云，根据被测工件(16)的表面形状生成仿形扫描轨迹点云，通过X轴运动台(3)、Y轴运动台(8)、Z轴运动台(9)、A轴转台(15)、B轴俯仰台(18)与C轴转台(19)六轴联动带动测量探头(30)沿仿形扫描轨迹点云进行扫描，且扫描过程中测量探头(30)始终以恒定距离垂直于被测工件(16)表面，以实现复杂自由曲面的测量。当测量平面光学元件时，可组合XY轴实现仿形扫描测量；当测量球面及非球面光学元件时，可组合YZAC轴实现仿形扫描测量；当测量类柱面光学元件时，可组合XYZA轴实现仿形扫描测量。
本发明有益效果如下：
本发明通过组合三个直线运动台、两个转台以及一个角位移台形成六轴联动机构，带动高精度位移传感器相对被测物体在三维空间中的六个自由度上运动，以实现具有高曲率、大矢高等复杂几何特征的自由曲面的扫描测量，再以扫描出的点云数据重构出被测自由曲面的面型，实现复杂自由曲面的面型检测。此外，通过高精度位移传感器构建三维的测量框架，以阻断误差传递链，补偿扫描过程中的直线度误差及定位误差等多种误差源，提升测量系统精度。该测量方法不仅适用于自由曲面的面型快速检测，也可用于非球面、球面及平面元件的面型检测，具有通用性好、测量速度快与测量精度高的特点，不仅可解决当前自由曲面制造过程中的测量难题，也可满足平面、球面、非球面等光学元件的检测过程，满足其测量过程的通用性、高效率、高精度与自动化需求。
附图说明
图1是基于三维测量框架的自由曲面仿形扫描测量装置；
图2是三维测量框架结构示意；
图3是三维测量框架夹持安装机构示意；
图4是典型元件及仿形扫描轨迹(a)非球面元件(b)自由曲面元件；
图5是自由曲面元件测量示意图；
图6是A轴转台跳动误差补偿示意图；
图7是三维测量框架YOZ面内运动误差补偿示意图；
图8是三维测量框架XOZ与YOZ面内运动误差补偿原理；
图9是三维测量框架XOY与YOZ面内运动误差补偿原理；
图10是仿形扫描面形测量流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述。
如图1所示，隔振底座(1)置于地面上，大理石基座(2)水平安装于隔振底座上，上面安装有双驱形式的X轴运动台(3)、平面平晶底座(4)与C轴转台(18)。其中平面平晶支架(4)上方安装平面平晶(5)。C轴转台(18)上方堆叠安装B轴俯仰台(18)与工件台(17)，被测工件(16)固定于工件台(17)上。Y轴龙门架(6)上堆叠安装Y轴运动台(8)与Z轴运动台(9)。Z轴运动台(9)底端安装A轴转台(15)，并在A轴转台(15)上侧与右侧分别布置Z向补偿探头支架(21)与Y向补偿探头支架(24)，Z轴运动台后侧安装X向补偿探头支架(21)。Z向补偿探头(22)固定于Z向补偿探头支架(21)末端，并发射Z向补偿光束(23)指向通过水平条晶调整架(11)固定于测量框架龙门(7)下侧的水平条晶(10)；Y向补偿探头(27)固定于Y向补偿探头支架(24)末端，并发射Y向补偿光束(16)指向通过垂直条晶调整架(12)固定于测量框架龙门(7)右内侧的垂直条晶(13)；X向补偿探头(32)固定于X向补偿探头支架(32)中心，并发射X向补偿光束(20)指向平面平晶(5)。A轴补偿探头(28)通过A轴探头支架(26)安装在A轴转台(15)上，并指向穿过A轴转台(15)安装于Z轴运动台(9)上的标准球模块(14)，测量探头(30)通过测量探头安装支架(29)安装于A轴台面上，并指向被测工件(16)。
如图2所示，X向补偿测头(32)、X向补偿光束(20)、平面平晶(5)、Y向补偿测头(27)、Y向补偿光束(26)、垂直条晶(13)、Z向补偿测头(22)、Z向补偿光束(23)、水平条晶(10)构成三维测量框架。其中X向补偿光束(20)、Y向补偿光束(26)与Z向补偿光束(23)的延长线汇聚到测量探头(30)轴线与A轴转台(15)的相交处，以最大程度消除阿贝误差。可通过水平条晶调整架(11)、垂直条晶调整架(12)与平面平晶调整架(4)的空间姿态，以保证三者的内表面相互垂直。A轴补偿探头(28)的轴线与测量探头(30)的轴线共线，且过与A轴转台(15)共线的标准球模块(14)中心，测量探头(30)沿法线方向指向被测元件(16)。
如图3所示，X向补偿探头(32)向后发射X向补偿光束(20)，Y向补偿探头(27)向右发射Y向补偿光束(26)，Z向补偿探头(22)向上发射Z向补偿光束(23)，三者分别固定于X向补偿探头支架(31)、Y向补偿探头支架(24)与Z向补偿探头支架(21)固定于Z轴运动台(9)上。通过三个补偿探头支架可以分别调整三个补偿光束在空间中的方向，以使其与相应运动方向一致。
如图4所示，测量过程中可形成包络被测元件(16)表面的空间仿形扫描轨迹(34)。图4中(a)为针对典型高陡度共形非球面元件生成的扫描轨迹，图4中(b)为针对自由曲面元件生成的扫描轨迹。
如图5所示，图中被测工件(16)具有双正弦自由曲面特征，其在空间多个方向上均具有斜率。被测工件(16)通过工件台(17)固连在B轴俯仰台上，通过调整C轴转台(19)与B轴俯仰台(18)可调整被测工件在空间内的姿态，通过其它运动台带动测量探头(30)在空间内运动，以使测量探头(30)垂直于被测工件(16)的表面进行仿形扫描测量。
如图6所示，A轴补偿探头(28)与测量探头(30)轴线共线，且过标准球模块(14)的中心。A轴补偿探头(28)与测量探头(30)均固连在A轴转台(15)上，当A轴转台(15)旋转时，其相对于标准球模块(14)会产生图示的径向跳动，此时由A轴补偿探头(28)记录下两者的相对位移，即可明确测量探头(30)在A轴转台(15)旋转过程中的跳动量，从而进行误差补偿。
如图7所示，Z向补偿探头(22)、Z向补偿光束(23)、水平条晶(10)、Y向补偿探头(27)、Y向补偿光束(26)、垂直条晶(13)均位于测量装置的YOZ面内，当测量系统运动时，Z向补偿探头(23)与Y向补偿探头(27)实时记录下相对于平条晶(10)与垂直条晶(13)的相对位移，并根据该相对位移补偿YOZ面内的误差。
如图8所示，当Z轴运动时，X轴补偿探头(32)发射X轴补偿光束(20)垂直照射在平面平晶(5)上，实时记录下相对于平面平晶(5)的相对位移量，Y轴补偿探头(27)发射Y轴补偿光束(26)垂直照射在垂直条晶(13)上，实时记录下相对于垂直条晶(13)的相对位移量，从而实现Z轴运动台(9)的直线度误差补偿。其中以X轴方向上的误差为例，X轴补偿探头(32)相对于平面平晶(5)的位移偏差δx由Z轴运动台(9)沿X轴方向的直线度误差分量δzx、X轴运动台(3)的定位误差δxx、由X轴运动台(3)运动位移dx时沿Y轴方向的旋转所引入的误差分量dx(1-cosθy)及沿Z轴方向的旋转所引入的误差分量dx(1-cosθz)，则有δx＝δzx+δyx+dx(1-cosθy)+dx(1-cosθz)，其中θy与θz均接近0，则化简得到
类似的，可以得到系统运动过程中在Y轴方向上与Z轴方向上的误差关系，从而根据X向补偿探头(32)、Y向补偿探头(27)与Z向补偿探头(22)的数据进行误差补偿。
如图9所示，当Y轴运动时，X轴补偿探头(32)发射X轴补偿光束(20)垂直照射在平面平晶(5)上，实时记录下相对于平面平晶(5)的相对位移量，Z轴补偿探头(22)发射Z轴补偿光束(23)垂直照射在水平条晶(10)上，实时记录下相对于水平条晶(10)的相对位移量，从而实现Y轴运动台(8)的直线度误差补偿。
如图10所示，实际测量流程如下：
步骤1、在测控设备(33)中生成仿形扫描测量轨迹(34)；
步骤2、Y轴运动台(8)、Z轴运动台(9)及A轴转台(15)带动测量探头(30)沿仿形扫描测量轨迹(34)运动，X轴运动台(3)、C轴转台(19)、B轴俯仰台(18)调整被测工件(16)姿态以匹配测量探头(30)的空间位置；
步骤3、记录下测量探头(30)、X向补偿探头(32)、Y向补偿探头(27)、Z向补偿探头(22)、A轴补偿探头(28)以及各个运动台的数据；
步骤4、判断是否完成扫描测量轨迹。如果未完成，则重复步骤2)与步骤3)；如果已完成，则进行步骤5；
步骤5、保存所有的测量数据；
步骤6、根据各个补偿探头的数据对测量数据进行矫正；
步骤7、根据测量数据重建被测工件(16)的三维面形；
步骤8、将重建的三维面形与理论面形进行对比，评价其误差，完成测量。
Claims (10)
1.基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置，其特征在于，包括隔振底座(1)、大理石基座(2)、X轴运动台(3)、平面平晶底座(4)、平面平晶(5)、Y轴龙门架(6)、测量框架龙门架(7)、Y轴运动台(8)、Z轴运动台(9)、水平条晶(10)、水平条晶调整架(11)、垂直条晶调整架(12)、垂直条晶(13)、标准球模块(14)、A轴转台(15)、工件台(17)、B轴俯仰台(18)、C轴转台(19)、X补偿光束(20)、Z向补偿探头支架(21)、Z向补偿探头(22)、Z向补偿光束(23)、Y向补偿探头支架(24)、A轴补偿探头支架(25)、Y向补偿光束(26)、Y向补偿探头(27)、A轴补偿探头(28)、测量探头支架(29)、测量探头(30)、X向补偿探头支架(31)、X向补偿探头(32)、测控设备(33)；
隔振底座(1)置于地面上，大理石基座(2)水平安装于隔振底座(1)上，且大理石基座(2)上面安装有双驱形式的X轴运动台(3)、平面平晶底座(4)与C轴转台(19)；其中平面平晶支架(4)上方安装平面平晶(5)；C轴转台(19)上方堆叠安装B轴俯仰台(18)与工件台(17)，被测工件(16)固定于工件台(17)上；Y轴龙门架(6)上堆叠安装Y轴运动台(8)与Z轴运动台(9)；Z轴运动台(9)底端安装A轴转台(15)，并在A轴转台(15)上侧与右侧分别布置Z向补偿探头支架(21)与Y向补偿探头支架(24)，Z轴运动台(9)后侧安装X向补偿探头支架(31)；Z向补偿探头(22)固定于Z向补偿探头支架(21)末端，并发射Z向补偿光束(23)指向并通过经水平条晶调整架(11)固定于测量框架龙门(7)下侧的水平条晶(10)；Y向补偿探头(27)固定于Y向补偿探头支架(24)末端，并发射Y向补偿光束(16)指向并通过经垂直条晶调整架(12)固定于测量框架龙门(7)右内侧的垂直条晶(13)；X向补偿探头(32)固定于X向补偿探头支架(32)中心，并发射X向补偿光束(20)指向平面平晶(5)；A轴补偿探头(28)通过A轴探头支架(25)安装在A轴转台(15)上，并指向穿过A轴转台(15)安装于Z轴运动台(9)上的标准球模块(14)，测量探头(30)通过测量探头安装支架(29)安装于A轴台面上，并指向被测工件(16)。
2.根据权利要求1所述的基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置，其特征在于X向补偿测头(32)、X向补偿光束(20)、平面平晶(5)、Y向补偿测头(27)、Y向补偿光束(26)、垂直条晶(13)、Z向补偿测头(22)、Z向补偿光束(23)、水平条晶(10)、A轴补偿探头(28)、标准球模块(14)构成三维测量框架；其中X向补偿光束(20)、Y向补偿光束(26)、Z向补偿光束(23)及A轴补偿探头(28)的光束于标准球模块(14)的中心形成四线共心，以最大程度消除阿贝误差；且能够通过水平条晶调整架(11)、垂直条晶调整架(12)、平面平晶调整架(4)及标准球模块(14)调整空间姿态。
3.根据权利要求2所述的基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置，其特征在于在测量过程中，X向补偿测头(32)、Y向补偿测头(27)与Z向补偿测头(22)的测量数据能够实时反映出测量探头(30)由于各运动轴直线度、定位精度以及俯仰偏摆角的误差引起的，在XYZ三个方向上相对于平面平晶(5)、垂直条晶(13)以及水平条晶(10)的位置偏移量，从而实现三维空间位置误差的实时补偿；平面平晶(5)垂直固定，以避免由重力引起的变形；测量过程中水平条晶(10)、水平条晶支架(11)、垂直条晶(13)、垂直条晶支架(12)及测量框架龙门架(7)整体与X轴运动台(3)固连，并随整体进行前后移动，由平面平晶(5)与X向补偿光束(20)进行定位误差补偿；此外，测量过程中A轴补偿探头(28)实时监测A轴转台(15)相对于标准球模块(14)的偏离量，从而监测测量探头(30)在A轴转台(15)旋转过程中的径向跳动量，以进行补偿。
4.根据权利要求1所述的基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置，其特征在于，该装置的一种测量模式：当被测工件(16)为大陡度自由曲面元件时，所有运动台联动以进行扫描测量。
5.根据权利要求1所述的基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置，其特征在于，该装置的另一种测量模式：
当被测工件(16)为测量小陡度自由曲面元件或者大陡度非球面元件时，通过除X轴运动台(3)与B轴俯仰台(18)以外的运动台联动即可实现扫描测量，此时通过由Y向补偿探头(32)、Y向补偿光束(26)、垂直条晶(13)、Z向补偿探头(22)、Z向补偿光束(23)、水平条晶(10)构成的平面测量框架即可实现关键误差补偿。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置，其特征在于A轴补偿探头(28)的轴线与测量探头(30)的轴线共线，且通过与A轴转台(15)共线的标准球模块(14)中心；标准球模块(14)是回转对称标准元件。
7.根据权利要求1或2或3所述的基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置，其特征在于X轴运动台(3)可沿前后方向运动、Y轴运动台(8)可沿左右方向运动，Z轴运动台(9)可沿上下方向运动，A轴转台(15)可带动测量探头(30)在YOZ面内摆动，B轴俯仰台(18)与C轴转台(19)可调整被测工件(16)在空间内的姿态；各运动台采用气浮导轨、机械导轨或磁浮导轨结构，所有运动台联动可带动探头以任意角度对准被测工件(16)。
8.根据权利要求7所述的基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置，其特征在于测量探头(30)为精密位移传感器，包括采用光谱共焦传感器、激光干涉传感器、白光干涉传感器、激光位移传感器、电容式位移传感器、LVDT位移传感器；此外X向补偿测头(32)、Y向补偿测头(27)、Z向补偿测头(23)与A轴补偿测头(28)为高精密光学位移传感器，包括激光干涉传感器、白光干涉传感器、光谱共焦传感器。
9.根据权利要求1或2或3或4或5或8所述的基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形扫描测量装置，其特征在于具体实现包括如下步骤：
步骤1、将被测工件(16)安装于工件台(17)上，调整工件台(17)使被测工件(16)的轴线与B轴俯仰台(18)以及C轴转台(19)的轴线一致；
步骤2、在测控设备(33)中输入被测工件(16)的面形方程，根据各个运动轴的相对空间位置关系生成扫描轨迹点云，保证扫描轨迹点云覆盖被测表面且当各个运动轴运动到扫描轨迹点云处时，测量探头(30)垂直于被测工件(16)表面；
步骤3、通过测控设备(33)控制X轴运动台(3)、Y轴运动台(8)、Z轴运动台(9)、B轴俯仰台(18)、A轴转台(15)、C轴转台(19)运动到扫描轨迹点云中的第一个点位，此时测量探头(30)垂直于被测工件(16)表面，并且被测工件(16)位于测量探头(30)量程内；
步骤4、采集并记录当前位置的测量探头(30)、X向补偿探头(32)、Y向补偿探头(27)、Z向补偿探头(22)与A轴补偿探头(28)的数据以及各运动轴的位置数据；控制各运动轴运动到扫描轨迹点云中的下一位置，并重复步骤3，直至完成所有扫描轨迹点云的测量；
步骤5、保存测量数据，结合所有测量数据重构出被测工件(16)的面形，并根据其设计方程计算面形误差。
10.根据权利要求9所述的基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形扫描测量方法，其特征在于根据被测工件(16)的表面形状生成仿形扫描轨迹点云，通过X轴运动台(3)、Y轴运动台(8)、Z轴运动台(9)、A轴转台(15)、B轴俯仰台(18)与C轴转台(19)六轴联动带动测量探头(30)沿仿形扫描轨迹点云进行扫描，且扫描过程中测量探头(30)始终以恒定距离垂直于被测工件(16)表面，以实现复杂自由曲面的测量；当测量平面光学元件时，可组合XY轴实现仿形扫描测量；当测量球面及非球面光学元件时，可组合YZAC轴实现仿形扫描测量；当测量类柱面光学元件时，可组合XYZA轴实现仿形扫描测量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110925097.7A CN113834438B (zh) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | 基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110925097.7A CN113834438B (zh) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | 基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113834438A true CN113834438A (zh) | 2021-12-24 |
| CN113834438B CN113834438B (zh) | 2024-03-01 |
Family
ID=78960452
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110925097.7A Active CN113834438B (zh) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | 基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113834438B (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114383595A (zh) * | 2022-01-10 | 2022-04-22 | 浙江大学 | 一种光学位移测头空间姿态自校准方法与装置 |
| CN114440790A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-06 | 浙江大学 | 同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法与装置 |
| CN114459379A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-05-10 | 长春财经学院 | 五轴柔性检测平台及检测方法 |
| CN114623772A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-06-14 | 长春财经学院 | 机械加工零部件四轴在线检测柔性平台及检测方法 |
| CN114910014A (zh) * | 2022-04-24 | 2022-08-16 | 浙江大学 | 针对高深宽比曲面构件面形测量的测量系统及方法 |
| CN115047221A (zh) * | 2022-05-20 | 2022-09-13 | 浙江大学 | 一种末端稳定性较好的冂字型长探针装置 |
| CN115127477A (zh) * | 2022-07-09 | 2022-09-30 | 浙江大学 | 一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量系统及方法 |
| US11761756B2 (en) | 2022-01-27 | 2023-09-19 | Zhejiang University | Method and device for simultaneously detecting surface shapes and thickness distribution of inner and outer walls of thin-wall rotating body |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101216295A (zh) * | 2008-01-14 | 2008-07-09 | 浙江大学 | 基于组合点激光测头的未知自由曲面测量方法与测头装置 |
| WO2017107777A1 (zh) * | 2015-12-23 | 2017-06-29 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种旋转对称未知非球面面形误差的测量方法及其测量装置 |
| CN110057337A (zh) * | 2019-04-04 | 2019-07-26 | 北京理工大学 | 基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置 |
| US20210076503A1 (en) * | 2018-03-22 | 2021-03-11 | Huazhong University Of Science And Technology | Conformal manufacturing device and method for complex curved-surface electronic system |
| CN112857257A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-05-28 | 四川欧瑞特光电科技有限公司 | 一种高精度面型测量系统 |
-
2021
- 2021-08-12 CN CN202110925097.7A patent/CN113834438B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101216295A (zh) * | 2008-01-14 | 2008-07-09 | 浙江大学 | 基于组合点激光测头的未知自由曲面测量方法与测头装置 |
| WO2017107777A1 (zh) * | 2015-12-23 | 2017-06-29 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种旋转对称未知非球面面形误差的测量方法及其测量装置 |
| US20210076503A1 (en) * | 2018-03-22 | 2021-03-11 | Huazhong University Of Science And Technology | Conformal manufacturing device and method for complex curved-surface electronic system |
| CN110057337A (zh) * | 2019-04-04 | 2019-07-26 | 北京理工大学 | 基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置 |
| CN112857257A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-05-28 | 四川欧瑞特光电科技有限公司 | 一种高精度面型测量系统 |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114383595A (zh) * | 2022-01-10 | 2022-04-22 | 浙江大学 | 一种光学位移测头空间姿态自校准方法与装置 |
| CN114383595B (zh) * | 2022-01-10 | 2023-11-17 | 浙江大学 | 一种光学位移测头空间姿态自校准方法与装置 |
| CN114440790A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-06 | 浙江大学 | 同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法与装置 |
| US11761756B2 (en) | 2022-01-27 | 2023-09-19 | Zhejiang University | Method and device for simultaneously detecting surface shapes and thickness distribution of inner and outer walls of thin-wall rotating body |
| WO2023142186A1 (zh) * | 2022-01-27 | 2023-08-03 | 浙江大学 | 同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法与装置 |
| CN114440790B (zh) * | 2022-01-27 | 2022-11-01 | 浙江大学 | 同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法与装置 |
| CN114459379B (zh) * | 2022-03-01 | 2022-09-30 | 长春财经学院 | 五轴柔性检测平台及检测方法 |
| CN114623772B (zh) * | 2022-03-01 | 2022-11-04 | 长春财经学院 | 机械加工零部件四轴在线检测柔性平台及检测方法 |
| CN114623772A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-06-14 | 长春财经学院 | 机械加工零部件四轴在线检测柔性平台及检测方法 |
| CN114459379A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-05-10 | 长春财经学院 | 五轴柔性检测平台及检测方法 |
| CN114910014B (zh) * | 2022-04-24 | 2023-07-07 | 浙江大学 | 针对高深宽比曲面构件面形测量的测量系统及方法 |
| CN114910014A (zh) * | 2022-04-24 | 2022-08-16 | 浙江大学 | 针对高深宽比曲面构件面形测量的测量系统及方法 |
| CN115047221A (zh) * | 2022-05-20 | 2022-09-13 | 浙江大学 | 一种末端稳定性较好的冂字型长探针装置 |
| CN115047221B (zh) * | 2022-05-20 | 2023-09-15 | 浙江大学 | 一种面向末端稳定性的冂字型长探针装置 |
| CN115127477A (zh) * | 2022-07-09 | 2022-09-30 | 浙江大学 | 一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量系统及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113834438B (zh) | 2024-03-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113834438B (zh) | 基于三维测量框架的高精度自由曲面仿形测量装置及方法 | |
| CN108267095B (zh) | 自由曲面形貌双边错位差动共焦检测方法与装置 | |
| CN108225213B (zh) | 自由曲面非接触降维误差分离检测方法与装置 | |
| US6971183B2 (en) | Probe head for coordinate measuring machines | |
| CN108362221B (zh) | 一种自由曲面形貌纳米精度检测方法与装置 | |
| CN104316001B (zh) | 一种无基准孔系同轴度误差测量系统及其测量方法 | |
| CN101419044B (zh) | 微纳米级三维测量“331”系统及其测量方法 | |
| CN111678471B (zh) | 圆柱坐标测量机转台误差辨识与补偿方法 | |
| CN115752239B (zh) | 一种运动机构同步性测量装置及其测量方法 | |
| CN110954019B (zh) | 基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量方法及装置 | |
| CA3092360A1 (en) | Metrology system | |
| CN115388771A (zh) | 基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪 | |
| CN109421003A (zh) | 框架结构中的定位装置 | |
| CN111189390B (zh) | 一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置 | |
| CN113607053A (zh) | 基于筒体内表面特征点的位姿调整装置、方法及系统 | |
| CN114964056B (zh) | 一种针对微装配设备的自标定方法 | |
| CN115752255A (zh) | 一种符合阿贝原则的三维精密测量系统 | |
| CN115533675A (zh) | 一种光学元件控时磨削面形测量系统及面形测量方法 | |
| CN113997157A (zh) | 基于宏微复合驱动的多面共体光学曲面抛光机床及方法 | |
| CN110954020B (zh) | 基于液体基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置 | |
| CN113513986A (zh) | 几何公差测量设备及其测量方法 | |
| CN112729119A (zh) | 一种基准坐标动态补偿的测量设备及坐标动态补偿方法 | |
| CN114383595B (zh) | 一种光学位移测头空间姿态自校准方法与装置 | |
| JP2019206043A (ja) | 送り装置の運動誤差同定方法 | |
| CN217331177U (zh) | 用于二维反馈定位框架垂直度校准装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |