CN114440790A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种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。本发明通过底部转台(18)、主测头转台(11)与直线运动轴动子(16)带动光谱共焦测头(10)沿着薄壁壳类回转体(5)的表面进行仿形扫描，可一次性实现薄壁壳类回转体(5)内外壁面形与厚度分布的检测，不仅可避免在薄壁壳类回转体(5)内部布置测头所造成的机械干涉，而且可保证内外壁面形测量数据以及厚度分布数据在三维空间内的坐标一致性，从而保障了整体测量精度，同时可适应如共形整流罩、半球陀螺谐振子等不同类型的薄壁壳类回转体(5)的检测，为这类高端器件的制造过程提供一种兼具通用性、高效率与高精度的检测手段。

Description

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

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种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。

背景技术

薄壁壳类回转体是指厚度明显小于其特征尺寸的壳状回转对称元件，如应用于如导弹等飞行器上的共形整流罩、球形整流罩以及应用于航海装备惯性导航中的半球陀螺谐振子等。这类器件因具备优异的空气动力学性能与功能精度等而成为新一代空天装备及惯性导航领域中的核心光学器件，其内外壁面形质量与厚度分布均匀性直接决定其使役性能。然而由于其高长径比、高深宽比、大陡度等复杂特征，现有光学检测手段如激光干涉仪等难以采集回光，而三坐标测量机、轮廓仪等因机械结构干涉也难以实现这类器件的内外壁面形与厚度分布有效检测，其中内壁面形与厚度分布的检测难题更加凸出。当前检测手段的匮乏直接制约了这类先进器件的制造水平，亟需开发具有高效率、高精度的薄壁壳类回转体元件内外壁面形及厚度分布检测方法。

目前，部分专利提出了针对薄壁壳类回转体的检测方法，如中国专利CN110455246A公开了一种针对共形光学元件外壁面形的扫描测量方法，但未解决内壁面形与厚度的检测问题。

综合而言，当前公开的技术手段主要针对特定类型的薄壁壳类回转体的检测，如何实现具有高通用性、高效率与高精度的薄壁壳类回转体检测，仍是当前必须突破的技术瓶颈。

发明内容

本发明针对如共形整流罩、半球陀螺谐振子等薄壁壳类回转体制造过程中的内外壁面形及厚度测量需求，提供一种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。本发明通过两个转台与一个直线运动轴的联动带动光谱共焦测头对薄壁壳类回转体进行仿形扫描，可克服薄壁壳类回转体的高长径比、高深宽比以及大陡度等复杂特征的检测难题，结合光谱共焦测头的多表面测量能力可通过单次、单侧扫描实现薄壁壳类回转体内外壁面形与厚度分布的一次性扫描检测，兼具高通用性、高测量效率与高测量精度。

为达到上述目的，本发明采用技术方案如下：

本发明装置包括：基座(1)、主轴底座(2)、工件主轴(3)、工件夹具(4)、薄壁壳类回转体(5)、薄壁壳类回转体内壁(6)、薄壁壳类回转体外壁(7)、测量光束(8)、主测头支架(9)、光谱共焦测头(10)、主测头转台(11)、补偿测头支架(12)、补偿光束(13)、标准平面镜(14)、补偿测头(15)、直线运动轴动子(16)、直线运动轴定子(17)、底部转台(18)。

所述的基座(1)左侧安装有主轴底座(2)，工件主轴(3)安装于主轴底座(2)上方右侧，工件主轴(3)的右侧安装有工件夹具(4)，工件夹具(4)的右侧安装有薄壁壳类回转体(5)。通过工件夹具(4)能够带动右侧安装的薄壁壳类回转体(5)进行旋转运动。

底部转台(18)安装在基座(1)上且设置在主轴底座(2)的右侧。底部转台(18)上表面沿径向安装有直线运动轴定子(17)，直线运动轴定子(17)上表面依次堆叠安装直线运动轴动子(16)、主测头转台(11)、主测头支架(9)；光谱共焦测头(10)安装在主测头支架(9)上。有补偿测头支架(12)安装在直线运动轴动子(16)上表面，且位于主测头转台(11)的右侧；有补偿测头支架(12)上固定的补偿测头(15)，补偿测头(15)发射补偿光束(13)照射到标准平面镜(14)进行位置补偿。标准平面镜(14)安装在直线运动轴定子(17)上表面且位于直线运动轴动子(16)的右边。

进一步，所述的主轴底座(2)由一体成型的半圆和长方体组成。

进一步，所述的工件主轴(3)与工件夹具(4)同轴心连接。

进一步，所述的工件夹具(4)的截面为工字型，两端分别连接工件主轴(3)和薄壁壳类回转体(5)。

进一步的，所述的光谱共焦测头(10)的具体要求为：如已知被测薄壁壳类回转体(5)的理论壁厚，则可直接选用量程超过其理论壁厚的光谱共焦测头(10)进行检测；如未知被测薄壁壳类回转体(5)的壁厚信息，则可使用游标卡尺等简易标准量具估测其壁厚，再根据估测的壁厚信息选用量程超出该估测壁厚的光谱共焦测头(10)进行检测。

进一步的，所述补偿测头(15)为高精度的直线位移传感器，可采用激光干涉位移传感器等高精度直线测距传感器以实现运动误差补偿。

所述的同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法，其步骤包括：

步骤1、将待测的薄壁壳类回转体(5)安装于工件夹具(4)上；

步骤2、根据薄壁壳类回转体(5)的轮廓方程生成运动轨迹序列(α,β,s)，其中(α_i,β_i,s_i)表示运动轨迹序列中第i个点的位置；

步骤3、启动工件主轴(3)旋转，带动薄壁壳类回转体(5)进行旋转运动；

步骤4、启动光谱共焦测头(10)的扫描运动，控制底部转台(18)、直线运动轴动子(16)与主测头转台(11)带动光谱共焦测头(10)沿着步骤2生成的运动轨迹序列(α,β,s)进行扫描运动，扫描过程中光谱共焦测头(10)的轴线始终沿薄壁壳类回转体(5)的轮廓法线进行运动，并且保证薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁壳类回转体外壁(7)均始终位于光谱共焦测头(10)的量程范围内；

步骤5、在扫描过程中，实时记录第i个点运动轴的位置(α_i,β_i,s_i)、薄壁壳类回转体内壁(6)的位置d_{inner_i}、薄壁壳类回转体外壁(7)的位置d_{outer_i}、厚度数据d_{thikness_i}以及补偿测头(15)测量得到的运动误差数据ds_i；

步骤6、扫描完成后，存储扫描过程中记录的所有测量数据，并根据待测的薄壁壳类回转体(5)的折射率对测量得到的厚度数据进行修正；

步骤7、根据运动轴的位置数据、光谱共焦测头(10)的测量数据(包括薄壁壳类回转体内壁(6)的位置d_{inner_i}、薄壁壳类回转体外壁(7)的位置d_{outer_i}、厚度数据d_{thickness_i})以及补偿测头(15)的测量数据，重建薄壁壳类回转体内外壁三维面形点云以及三维厚度分布点云数据，完成薄壁壳类回转体(5)的内外壁面形测量及厚度分布测量。

进一步的，所述薄壁壳类回转体(5)具备薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁壳类回转体外壁(7)两个表面，且光谱共焦测头(10)发出的测量光束(8)照射在薄壁壳类回转体(5)表面时，其测量量程可同时覆盖薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁壳类回转体外壁(7)，以实现内外壁的同时检测。

所述的薄壁壳类回转体(5)的内外壁面形与厚度分布的测量装置使用光谱共焦测头(10)进行测量，当光谱共焦测头(10)发射测量光束(8)照射到薄壁壳类回转体(5)表面时，薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁壳类回转体外壁(7)均会产生一个反射峰值，通过解析两个反射峰值的信息能够分别提取出薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁壳类回转体外壁(7)的位置d_inner与d_outer。根据薄壁壳类回转体(5)的材料折射率对薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁壳类回转体外壁(7)之间的位置差值进行修正，得到该测量位置处薄壁壳类回转体的厚度值d_thickness，从而实现薄壁壳类回转体(5)指定点位的内壁、外壁以及厚度信息的同时准确检测。不失一般性，光谱共焦测头(9)也可使用激光位移测头、超声测头等可同时检测多个界面的测头代替，以适应各类透明或不透明材料的检测。例如，当薄壁壳类回转体(5)的材质为金属等不透明材料时，使用超声测头即可实现其内外壁面形及厚度分布的同时检测。

所述的安装于直线运动轴动子(16)上表面的补偿测头(15)发射补偿光束(13)照射到安装于直线运动轴定子(17)上表面的标准平面镜(14)，以实时测量直线运动轴动子(16)相对于直线运动轴定子(17)的位置，并根据测量数据对直线运动轴动子(16)的运动误差进行补偿，以实现光谱共焦测头(10)的高精度空间定位与补偿。

所述的薄壁壳类回转体内外壁面形与厚度分布的测量方法，通过底部转台(18)的旋转运动、直线运动轴动子(16)的直线运动以及主测头转台(11)的旋转运动构建出仿照被测薄壁壳类回转体(5)轮廓的仿形扫描轨迹，并带动光谱共焦测头(10)沿着薄壁壳类回转体(5)的轮廓法线方向进行扫描运动，实现薄壁壳类回转体(5)轮廓母线的扫描。

所述的仿照被测薄壁壳类回转体(5)轮廓的仿形扫描轨迹以薄壁壳类回转体(5)顶点中心为坐标原点，对于任意第i个点的位置设薄壁壳类回转体(5)表面轮廓上相对于其自身回转轴线极径为r_i的位置坐标为z_ri，一阶导数为z′_ri，其中z_ri代表薄壁壳类回转体(5)表面上的点与坐标原点的高度差；则底部转台转角α_i(19)、主测头转台转角β_i(20)、直线运动轴动子位移s_i(21)、底部转台(18)的旋转中心到坐标原点的距离l₀、主测头转台(11)到光谱共焦测头(10)量程原点的距离l₁之间满足下方关系式(1)。对于已知的薄壁壳类回转体(5)的轮廓方程，z_ri与z′_ri均为r_i的函数，因此对于任意极径r_i，式中仅α_i、β_i、s_i为未知数。通过给定极径序列(r₁,r₂,r₃,…)，可解出运动轨迹序列(α_i,β_i,s_i),i＝1,2,3,…，从而生成底部转台(18)、主测头转台(11)与直线运动轴动子(16)仿形扫描轨迹。

所述的薄壁壳类回转体内外壁面形与厚度分布检测方法可根据任意薄壁壳类回转体(5)的轮廓方程生成沿被测薄壁壳类回转体(5)轮廓法线的运动轨迹。通过光谱共焦测头(10)沿被测薄壁壳类回转体(5)轮廓法线的扫描运动以及由工件主轴(3)带动进行的薄壁壳类回转体(5)转动，使光谱共焦测头(9)相对于薄壁壳类回转体(5)形成三维空间内的仿形扫描轨迹，从而采集薄壁壳类回转体(5)全表面的测量信息。在光谱共焦测头(10)扫描过程中，可实时记录扫描轨迹上的薄壁壳类回转体内壁(6)位置、薄壁壳类回转体外壁(7)位置及薄壁壳类回转体(5)厚度，从而构建出薄壁壳类回转体(5)在三维空间内的内、外壁点云以及厚度点云，以实现薄壁壳类回转体的内外壁面形及厚度分布的一次性扫描检测。

所述的薄壁壳类回转体内外壁面形与厚度分布检测方法，在获取到底部转台(18)、主测头转台(11)与直线运动轴动子(16)的运动轨迹序列(α_i,β_i,s_i)、工件主轴(3)的旋转角度θ_i、光谱共焦测头(10)对于薄壁壳类回转体外壁(7)的测量数据d_{outer_i}、光谱共焦测头(10)对于薄壁壳类回转体内壁(6)的测量数据d_{inner_i}以及厚度测量数据d_{thickness_i}后，根据系统空间坐标关系对可以得到薄壁壳类回转体外壁(7)的面形三维点云坐标为：

薄壁壳类回转体内壁(6)的面形三维点云坐标为：

薄壁壳类回转体(5)在三维空间内的厚度分布为:

其中i＝1,2,3,…，t_i即为在薄壁壳类回转体(5)表面三维空间点云位置(x_i,y_i,z_i)上的厚度分布。

本发明的有益效果在于：

本发明通过底部转台(18)、主测头转台(11)与直线运动轴动子(16)带动光谱共焦测头(10)沿着薄壁壳类回转体(5)的表面进行仿形扫描，可一次性实现薄壁壳类回转体(5)内外壁面形与厚度分布的检测，不仅可避免在薄壁壳类回转体(5)内部布置测头所造成的机械干涉，而且可保证内外壁面形测量数据以及厚度分布数据在三维空间内的坐标一致性，从而保障了整体测量精度，同时可适应如共形整流罩、半球陀螺谐振子等不同类型的薄壁壳类回转体(5)的检测，为这类高端器件的制造过程提供一种兼具通用性、高效率与高精度的检测手段。

本发明能够解决如共形整流罩以及半球陀螺谐振子等新一代航空、航海装备中应用的薄壁壳类回转体的内外壁面形与厚度分布的检测难题。

附图说明

图1为可同时检测薄壁壳类回转体内外壁面形与厚度分布的测量装置

图2为薄壁壳类回转体内外壁面形与厚度分布测量装置俯视图

图3为薄壁壳类回转体内外壁面形与厚度分布扫描测量原理示意图

图4为基于光谱共焦传感器的薄壁壳类回转体厚度测量原理

图5为典型薄壁壳类回转体示意

图6为薄壁壳类回转体内外壁面形及厚度分布测量流程

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述。

本发明提出一种基于如光谱共焦测头等可以测量多个表面的传感器实现薄壁壳类回转体内外壁面形与厚度分布的测量装置与方法，该方法仅在外侧布置传感器，通过多个运动轴带动光谱共焦测头沿薄壁壳类回转体表面进行仿形扫描运动，通过单侧测厚避免了对射式测厚的机械干涉问题，同时在扫描过程中同步采集薄壁壳类回转体内外壁位置与厚度信息，可保证检测数据在空间中的坐标的一致性，从而实现薄壁壳类回转体内外壁面形及厚度分布的高精度、快速检测。

如图1所示，基座(1)左侧安装有主轴底座(2)，工件主轴(3)安装于主轴底座(2)上方右侧，其右侧安装有工件夹具(4)，并可通过工件夹具(4)带动右侧安装的薄壁壳类回转体(5)进行旋转运动。基座(1)右侧安装有底部转台(18)，上方沿径向安装直线运动轴定子(17)，直线运动轴定子(17)上表面依次堆叠安装直线运动轴动子(16)、主测头转台(11)、主测头支架(9)、光谱共焦测头(10)。直线运动轴动子(16)上表面外侧安装有补偿测头支架(12)，其上固定的补偿测头(15)发射补偿光束(13)照射到安装于直线运动轴定子(17)上表面外侧的标准平面镜(14)进行位置补偿。

如图2所示，在初始位置1处，光谱共焦测头(10)轴线与被测的薄壁壳类回转体(5)以及工件主轴(3)共线，并从该位置处开始扫描，当底部转台(18)带动直线运动轴定子(17)与其上固定的标准平面镜(14)旋转至位置2时，光谱共焦测头(10)的方向与被测薄壁壳类回转体(5)的表面法线方向出现偏差，此时通过主测头转台(11)旋转带动光谱共焦测头(10)进行摆动以补偿光谱共焦测头(10)的偏角，可调整光谱共焦测头(10)的轴线至与被测薄壁壳类回转体(5)表面垂直，再通过直线运动轴动子(16)的运动调整光谱共焦测头(10)的位置使薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁壳类回转体外壁(7)均位于测量光束(8)范围内，即实现位置2处的光谱共焦测头(10)的位置调节，此时通过补偿测头(15)记录下直线运动轴动子(16)相对于标准平面镜(14)的准确位移量，即可对直线运动轴动子(16)的运动进行补偿。在整个扫描过程中重复上述动作，即可实现沿薄壁壳类回转体(5)表面法线的仿形扫描。在薄壁壳类回转体(5)表面形状为球面的特例情况下，只需要将其球形与底部转台(18)的轴线调整重合，即可实现在扫描过程中光谱共焦测头(10)始终垂直于该球面，而无需运动主测头转台(11)与直线运动轴动子(16)。

如图3所示，以薄壁壳类回转体(5)顶点中心为坐标原点建立坐标系，对于任意第i个点的位置，横轴正方向向下，代表薄壁壳类回转体(5)表面上的点与其回转轴线的极径距离r_i；纵轴正方向向右，代表薄壁壳类回转体(5)表面轮廓上相对于其自身回转轴线极径为r_i的位置坐标z_ri，一阶导数为z′_ri，其中z_ri代表薄壁壳类回转体(5)表面上的点与坐标原点的高度差；底部转台转角α_i、主测头转台转角β_i(20)、直线运动轴动子位移s_i(21)、底部转台(18)旋转中心到坐标原点的距离l₀、主测头转台(11)到光谱共焦测头(10)量程原点的距离l₁之间满足如下关系式：

对于已知的薄壁壳类回转体(5)的轮廓方程，z_ri与z′_ri均为r_i的函数，因此对于任意极径r_i，式中仅α_i、β_i、s_i为未知数。通过给定极径序列(r₁,r₂,r₃,…)，可解出扫描点位序列(α_i,β_i,s_i),i＝1,2,3,…，从而生成底部转台(18)、主测头转台(11)与直线运动轴动子(16)仿形扫描轨迹。

当给定薄壁壳类回转体(5)的轮廓方程后，便可根据公式(1)规划求解出光谱共焦测头(10)沿薄壁壳类回转体(5)表面法线的仿形扫描轨迹。

不失一般性，以二次非球轮廓为例，其标准方程为：

其中C为二次非球轮廓的顶点曲率，k为二次非球轮廓的圆锥参数，当k＝0时，该轮廓为圆形轮廓；当k>-1且k≠0时，该轮廓为椭球轮廓；当k＝-1时，该轮廓为抛物线轮廓；当k<-1时，该轮廓为双曲线轮廓。结合该轮廓方程与式(1)即可生成仿形扫描轨迹。当光谱共焦传感器(10)运动到图3中的任意第j个点的位置时，亦始终满足上述公式(1)。

如图4所示，当光谱共焦测头(10)发出的测量光束(8)照射在薄壁壳类回转体(5)表面时，由于薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁回转体外壁(7)均存在一处空气-固体的界面，该两个界面均会产生反射。进一步的，两个界面反射的光束会在光谱共焦测头(10)配套的控制器中形成如图4右侧所示的两个信号峰值，其中薄壁壳类回转体外壁(7)形成的信号峰值的强度为I_p1，对应的波长位置为λ_p1；薄壁壳类回转体内壁(6)形成的信号峰值的强度为I_p2，对应的波长位置为λ_p2。通过分别解析该两个峰值即可实现薄壁壳类回转体外壁(7)位置d_outer与薄壁壳类回转体内壁(6)位置d_inner的检测，考虑到薄壁壳类回转体(5)的材料折射率n对厚度进行修正，可以按照以下公式计算出厚度，实现薄壁壳类回转体(5)内外壁位置与厚度的准确测量。

不失一般性，光谱共焦测头(10)也可采用激光三角位移测头、激光干涉测头、超声测头等其它原理的测头代替，以适应各类透明或不透明材料的检测。例如，当薄壁壳类回转体(5)的材质为金属等不透明材料时，使用超声测头即可实现其内外壁面形及厚度分布的同时检测。

如图5所示，薄壁壳类回转体(5)包括多种类型的元件，图5(a)为具备大长径比的共形整流罩，图5(b)为球形的球罩，图5(c)为惯性导航中应用的半球陀螺谐振子。这类器件均具备薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁壳类回转体外壁(7)的类似特征，且两个壁面间的厚度明显小于薄壁壳类回转体(5)的直径、高度等特征尺寸。

如图6所示，薄壁壳类回转体内外壁面形与厚度分布的测量流程如下：

步骤1、将待测的薄壁壳类回转体(5)安装于工件夹具(4)上；

步骤2、根据薄壁壳类回转体(5)的轮廓方程生成运动轨迹序列(α,β,s)，其中(α_i,β_i,s_i)表示运动轨迹序列中第i个点的位置；

步骤3、启动工件主轴(3)旋转，带动薄壁壳类回转体(5)进行旋转运动；

步骤4、启动光谱共焦测头(10)的扫描运动，控制底部转台(18)、直线运动轴动子(16)与主测头转台(11)带动光谱共焦测头(10)沿着步骤2生成的运动轨迹序列(α,β,s)进行扫描运动，扫描过程中光谱共焦测头(10)的轴线始终沿薄壁壳类回转体(5)的轮廓法线进行运动，并且保证薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁壳类回转体外壁(7)均始终位于光谱共焦测头(10)的量程范围内；

步骤5、在扫描过程中，实时记录第i个点运动轴的位置(α_i,β_i,s_i)、薄壁壳类回转体内壁(6)的位置d_{inner_i}、薄壁壳类回转体外壁(7)的位置d_{outer_i}、厚度数据d_{thikness_i}以及补偿测头(15)测量得到的位置数据ds_i；

步骤6、扫描完成后，存储扫描过程中记录的所有测量数据，并根据待测的薄壁壳类回转体(5)的折射率对测量得到的厚度数据进行修正；

步骤7、根据运动轴的位置数据、光谱共焦测头(10)的测量数据(包括薄壁壳类回转体内壁(6)的位置d_{inner_i}、薄壁壳类回转体外壁(7)的位置d_{outer_i}、厚度数据d_{thickness_i})以及补偿测头(15)的测量数据，重建薄壁壳类回转体内外壁三维面形点云以及三维厚度分布点云数据，完成薄壁壳类回转体(5)的内外壁面形测量及厚度分布测量。

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

Claims (10)

1.同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的装置，其特征在于包括基座(1)、主轴底座(2)、工件主轴(3)、工件夹具(4)、薄壁壳类回转体(5)、薄壁壳类回转体内壁(6)、薄壁壳类回转体外壁(7)、测量光束(8)、主测头支架(9)、光谱共焦测头(10)、主测头转台(11)、补偿测头支架(12)、补偿光束(13)、标准平面镜(14)、补偿测头(15)、直线运动轴动子(16)、直线运动轴定子(17)、底部转台(18)；

所述的基座(1)左侧安装有主轴底座(2)，工件主轴(3)安装于主轴底座(2)上方右侧，工件主轴(3)的右侧安装有工件夹具(4)，工件夹具(4)的右侧安装有薄壁壳类回转体(5)；通过工件夹具(4)能够带动右侧安装的薄壁壳类回转体(5)进行旋转运动；

底部转台(18)安装在基座(1)上且设置在主轴底座(2)的右侧；底部转台(18)上表面沿径向安装有直线运动轴定子(17)，直线运动轴定子(17)上表面依次堆叠安装直线运动轴动子(16)、主测头转台(11)、主测头支架(9)；光谱共焦测头(10)安装在主测头支架(9)上；有补偿测头支架(12)安装在直线运动轴动子(16)上表面，且位于主测头转台(11)的右侧；有补偿测头支架(12)上固定的补偿测头(15)，补偿测头(15)发射补偿光束(13)照射到标准平面镜(14)进行位置补偿；标准平面镜(14)安装在直线运动轴定子(17)上表面且位于直线运动轴动子(16)的右边。

2.同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、将待测的薄壁壳类回转体(5)安装于工件夹具(4)上；

步骤2、根据薄壁壳类回转体(5)的轮廓方程生成运动轨迹序列(α,β,s)，其中(α_i,β_i,s_i)表示运动轨迹序列中第i个点的位置；

步骤3、启动工件主轴(3)旋转，带动薄壁壳类回转体(5)进行旋转运动；

步骤4、启动光谱共焦测头(10)的扫描运动，控制底部转台(18)、直线运动轴动子(16)与主测头转台(11)带动光谱共焦测头(10)沿着步骤2生成的运动轨迹序列(α,β,s)进行扫描运动，扫描过程中光谱共焦测头(10)的轴线始终沿薄壁壳类回转体(5)的轮廓法线进行运动，并且保证薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁壳类回转体外壁(7)均始终位于光谱共焦测头(10)的量程范围内；

步骤5、在扫描过程中，实时记录第i个点运动轴的位置(α_i,β_i,s_i)、薄壁壳类回转体内壁(6)的位置d_{inner_i}、薄壁壳类回转体外壁(7)的位置d_{outer_i}、厚度数据d_{thickness_i}以及补偿测头(15)测量得到的运动误差数据ds_i；

步骤6、扫描完成后，存储扫描过程中记录的所有测量数据，并根据待测的薄壁壳类回转体(5)的折射率对测量得到的厚度数据进行修正；

步骤7、根据运动轴的位置数据、光谱共焦测头(10)的测量数据以及补偿测头(15)的测量数据，重建薄壁壳类回转体内外壁三维面形点云以及三维厚度分布点云数据，完成薄壁壳类回转体(5)的内外壁面形测量及厚度分布测量。

3.根据权利要求2所述的同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法，其特征在于对薄壁壳类回转体(5)进行测量，当光谱共焦测头(10)发射测量光束(8)照射到薄壁壳类回转体(5)表面时，薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁壳类回转体外壁(7)均会产生一个反射峰值，解析两个反射峰值的信息分别提取出薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁壳类回转体外壁(7)的位置d_inner与d_outer。

4.根据权利要求3所述的同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法，其特征在于根据薄壁壳类回转体(5)的材料折射率n对薄壁壳类回转体内壁(6)与薄壁壳类回转体外壁(7)之间的位置差值进行修正，得到该测量位置i处薄壁壳类回转体的厚度值d_{thickness_i}：

5.根据权利要求4所述的同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法，其特征在于安装于直线运动轴动子(16)上表面的补偿测头(15)发射补偿光束(13)照射到安装于直线运动轴定子(17)上表面的标准平面镜(14)，以实时测量直线运动轴动子(16)相对于直线运动轴定子(17)的位置，并根据测量数据对直线运动轴动子(16)的运动误差进行补偿，以实现光谱共焦测头(10)的高精度空间定位与补偿。

6.根据权利要求4所述的同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法，其特征在于通过底部转台(18)的旋转运动、直线运动轴动子(16)的直线运动以及主测头转台(11)的旋转运动构建出仿照被测薄壁壳类回转体(5)轮廓的仿形扫描轨迹，并带动光谱共焦测头(10)沿着薄壁壳类回转体(5)的轮廓法线方向进行扫描运动，实现薄壁壳类回转体(5)轮廓母线的扫描。

7.根据权利要求6所述的同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法，其特征在于仿照被测薄壁壳类回转体(5)轮廓的仿形扫描轨迹以薄壁壳类回转体(5)顶点中心为坐标原点，对于任意第i个点的位置设薄壁壳类回转体(5)表面轮廓上相对于其自身回转轴线极径为r_i的位置坐标为z_ri，一阶导数为z′_ri；底部转台转角α_i(19)、主测头转台转角β_i(20)、直线运动轴动子位移s_i(21)、底部转台(18)的旋转中心到坐标原点的距离l₀、主测头转台(11)到光谱共焦测头(10)量程原点的距离l₁之间满足下方关系式(1)；通过给定极径序列(r₁,r₂,r₃,…)，可解出运动轨迹序列(α_i,β_i,s_i),i＝1,2,3,…，从而生成底部转台(18)、主测头转台(11)与直线运动轴动子(16)仿形扫描轨迹；

其中，根据已知薄壁壳类回转体(5)的轮廓方程，z_ri与z′_ri均为r_i的函数，因此对于任意极径r_i，式中仅α_i、β_i、s_i为未知数。

8.根据权利要求6或7所述的同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法，其特征在于获取到底部转台(18)、主测头转台(11)与直线运动轴动子(16)的运动轨迹序列(α_i,β_i,s_i)、工件主轴(3)的旋转角度θ_i、光谱共焦测头(10)对于薄壁壳类回转体外壁(7)的测量数据d_{outer_i}、光谱共焦测头(10)对于薄壁壳类回转体内壁(6)的测量数据d_{inner_i}以及厚度测量数据d_{thickness_i}后，根据系统空间坐标关系对得到薄壁壳类回转体外壁(7)的面形三维点云坐标为：

9.根据权利要求6或7所述的同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法，其特征在于薄壁壳类回转体内壁(6)的面形三维点云坐标为：

10.根据权利要求6或7所述的同时检测薄壁回转体内外壁面形与厚度分布的方法，其特征在于薄壁壳类回转体(5)在三维空间内的厚度分布为:

其中i＝1,2,3,…，t_i即为在薄壁壳类回转体(5)表面三维空间点云位置(x_i,y_i,z_i)上的厚度分布。

Images