CN116007532A - 用机械臂调整摆臂式轮廓测量仪的装置及误差标定方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用机械臂调整摆臂式轮廓测量仪的装置及误差标定方法，涉及遥感领域光学镜头大口径光学元件的加工测试技术领域，装置包括摆臂组件、高精度转台、工作转台，高精度转台连接于机械臂末端，摆臂组件连接在高精度转台上，工作转台位于机械臂旁边，工作转台用于放置被测镜，且带动被测镜转动；摆臂组件的一端用于测量其距离被测镜表面的距离。满足多种角度和位置需求，能够适应更多光学镜的加工，与机械手研抛工艺相结合，可以有效提高光学加工效率。

Description

用机械臂调整摆臂式轮廓测量仪的装置及误差标定方法

技术领域

本发明属于遥感领域光学镜头大口径光学元件的加工测试技术领域，尤其涉及一种用机械臂调整摆臂式轮廓测量仪的装置及误差标定方法。

背景技术

大口径光学系统具有角分辨率高、能量收集能力强的特点，被广泛用于天文观测和空间对地观测，而大口径反射镜作为光学系统的关键元件，其加工工艺复杂、检测难度大、加工周期长，是各国投入大量资金和人力物力研发的关键技术之一。

光学反射镜的加工阶段相应的面形检测手段也不同：铣磨阶段采用机床自带测量装置，对于大口径光学元件加工至面形误差值为30μm(PV)；研磨阶段则主要采用轮廓检测仪。传统的三坐标轮廓测量仪在中小口径反射镜的研磨阶段得到广泛使用，但受机床精度的限制，其轮廓检测的精度随着反射镜口径的增大而降低。对于2m量级反射镜检测精度PV值约为10μm。但在这个误差量级下转到抛光加工，导致抛光阶段材料去除量剧增，直接影响加工效率。研磨阶段测量技术的空白严重制约了面形的收敛效率，成为大口径光学元件制造效率的瓶颈。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用机械臂调整摆臂式轮廓测量仪的装置及误差标定方法，在机械臂末端安装摆臂式轮廓测量仪，利用机械臂的控制系统以被测镜为基准建立坐标系，利用机械臂调整高精度转台和摆臂组件满足测量的角度和位置要求；在摆臂组件和高精度转台上安装激光跟踪仪靶球，机械臂在运动和测量过程中的定位误差由激光跟踪仪进行实时测量校准。

本发明的技术解决方案是：

用机械臂调整摆臂式轮廓测量仪的装置，包括摆臂组件、高精度转台、工作转台，高精度转台连接于机械臂末端，摆臂组件连接在高精度转台上，工作转台位于机械臂旁边，工作转台用于放置被测镜，且带动被测镜转动；摆臂组件的一端用于测量其距离被测镜表面的距离。

所述摆臂组件包括摆臂、测量用传感器、配重块以及连接件，连接件用于将摆臂与高精度转台连接，测量用传感器、配重块分别连接于摆臂的两端，测量用传感器通过调整机构连接于摆臂，调整机构用于精确调整传感器的位置。

所述摆臂连接传感器的端部安装一根金属探针，金属探针用于找被测镜的位置；

摆臂和高精度转台上安装有至少三个激光跟踪仪靶球。

用机械臂调整摆臂式轮廓测量仪的误差标定方法，使用权利要求1-3任一所述的用机械臂调整摆臂式轮廓测量仪的装置，包括

S1:把摆臂组件连接在高精度转台上，并将金属探针和激光跟踪仪靶球安装到摆臂和高精度转台上，采用三坐标设备测量靶球、探针、传感器、转台、摆臂之间的位置关系，获得三坐标设备测量结果；

S2:将高精度转台与机械臂末端连接；

S3:工件转台上放置被测镜、且使被测镜与工作转台同轴，用金属探针探测被测镜位置，以被测镜位置为基准建立坐标系，采用激光跟踪仪测量靶球位置，根据三坐标设备测量结果、以及激光跟踪仪测得的靶球位置，可获得摆臂组件、传感器和高精度转台的当前位置；根据被测镜位置、三坐标设备测量结果，建立位置关系模型；

S4:建立摆臂测量模型，根据摆臂测量模型计算测量时的初始位置结果，初始位置结果包括摆臂的角度、高精度转台的转轴位置和角度；

S5:按照初始位置结果，调整高精度转台和摆臂组件，使摆臂和高精度转台处于初始位置结果中的位置；然后使高精度转台带动摆臂转动，摆臂端部的传感器测量得到一个弧线曲线，根据弧线曲线，可以获得改弧线曲线上各点位置距离被测镜的距离；

S6:使工作转台带动被测镜转动，被测镜转动一定角度后，继续使高精度转台带动摆臂转动，摆臂端部的传感器测量得到一个弧线曲线。重复该步骤，获得多条弧线曲线；

S7:根据多条弧线曲线，可以拟合得到被测镜的实际平面。

所述步骤S1中，采用三坐标设备测量时，高精度转台应处于0度位置且无气浮，并测量和记录高精度转台工作台面在气浮升起前后的高度差。

当所述高度差小于10μm，不需要使用高度差数据，当高度差大于10μm，在计算当前位置时，需要在三坐标设备测量结果中使用高度差修正位置。

所述步骤S3中，工件转台上放置被测镜包括，通过测量被测镜的径跳和端跳并调整位置，不断调整被测镜位置，直到被测镜和工件转台同轴。

所述步骤S3中，用金属探针探测被测镜位置包括，使金属探针接触被测镜圆周外壁面上的多个点、以及端面，获得被测镜的位置。

所述步骤S4中，摆臂测量模型的基本要求包括，高精度转台的轴线过被测镜的曲率中心，传感器的测量点过被测镜的中心。

所述步骤S4中，摆臂测量模型的建立包括，根据位置关系模型和被测镜的参数建立实际测量系统，计算测量实际测量系统在满足摆臂测量模型的基本要求时，高精度转台和传感器的位置、角度，即获得初始位置结果；被测镜的参数包括被测镜的曲率半径、口径和非球面系数。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

针对目前大口径光学元件在研磨阶段存在的检测技术空白，摆臂式轮廓测量技术作为一种在线原位检测技术，能有效提升大口径光学元件在研磨阶段的检测精度和效率，从而提高研磨阶段的面形收敛率，实现大口径光学元件的制备精度和产能的全面提升。

本发明通过机械臂灵活调整摆臂式轮廓测量仪，满足多种角度和位置需求，过去所用的摆臂调整装置通常调节位置和角度都非常有限；由激光跟踪仪进行测量校准机械臂在运动和测量过程中的定位误差，使其能够适应更多光学镜的加工，与机械手研抛工艺相结合，可以有效提高光学加工效率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为机械臂安装摆臂测量仪的示意图；

图2为摆臂式轮廓测量数学模型图。

附图标记说明：1、高精度转台；2、摆臂；3、配重块；4、调整机构；5、传感器；6、被测镜；7、工作转台；8、跟踪仪；9、金属探针；10、激光跟踪仪靶球；11、曲率中心点；12、被测镜光轴；13、转台转轴；14、光轴和转轴夹角θ；15、测量弧线。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例提供了一种用机械臂调整摆臂式轮廓测量仪的装置及误差标定方法，方法包括如下步骤：

(1)摆臂式轮廓测量仪的包括摆臂组件和高精度转台1，把摆臂组件连接在高精度转台1上，摆臂组件包括摆臂2、测量用传感器5、配重块3以及连接件，连接件用于将摆臂2与高精度转台1连接，测量用传感器5、配重块3分别连接于摆臂2的两端，测量用传感器5通过调整机构4连接于摆臂2，调整机构4用于精确调整传感器5的位置，从传感器5到高精度转台1转轴中心的摆臂2长度可以通过连接件的松紧来调节；摆臂2连接传感器5的端部安装一根金属探针9，金属探针9用于找被测镜6的位置、以建立坐标系，摆臂2和高精度转台1上安装有激光跟踪仪靶球10，用三坐标设备测量靶球10、金属探针9、传感器5、高精度转台1、摆臂2之间的位置关系，获得三坐标设备测量结果，将三坐标设备测量结果记录至跟踪仪8测量分析软件；

(2)在机械臂末端安装高精度转台1，用高精度转台1底面与机械臂连接，摆臂2倒吊，并将各数据线和气管引出至外部电脑；

(3)机械臂旁边放置工件转台，在工件转台上放置被测镜6，用摆臂2上安装的金属探针探测被测镜6位置，在机械臂的控制系统里以被测镜6为基准建立坐标系；激光跟踪仪8测量靶球10位置，根据三坐标设备测量结果、以及激光跟踪仪8测得的靶球位置，可获得摆臂组件、传感器5和高精度转台1的当前位置；在跟踪仪8测量分析软件里加入被测镜6、并结合三坐标设备测量结果，建立位置关系模型；

(4)建立摆臂2测量模型，摆臂2测量模型的基本要求包括：高精度转台1的轴线过被测镜6的曲率中心，传感器5的测量点过被测镜6的中心，根据摆臂2测量模型和被测镜6的参数(包括被测镜6的曲率半径、口径和非球面系数)计算测量时摆臂2的角度，及高精度转台1的转轴位置、角度，即获得如图2所示的初始位置结果；

(5)按照初始位置结果，利用机械臂调整高精度转台1和摆臂组件，机械臂在运动和测量过程中的定位误差由激光跟踪仪8进行实时测量校准。然后使高精度转台1带动摆臂2转动，摆臂2端部的传感器5测量得到一条弧线15，根据弧线15，可以获得该弧线15上各点在被测镜6上的高度。

(6)然后使工作转台7带动被测镜6转动，被测镜6转动一定角度后，继续使高精度转台1带动摆臂2转动，摆臂2端部的传感器5测量得到一条弧线15。重复该步骤，获得多条弧线。

(7)根据多条弧线，可以拟合得到被测镜6的实际面形。

在步骤(1)中，根据摆臂2式轮廓测量的数学模型和被测镜6参数计算需要的摆臂2长度、传感器5光轴和末端位置，通过连接位置进行调整。注意传感器5末端位置再加上工作距离才是最后的测量点位置。

摆臂2和高精度转台1上安装有1根金属探针9和4个激光跟踪仪靶球10，三坐标设备测量传感器5的光轴、传感器5末端、高精度转台1转轴、上下表面、跟踪仪靶球10和金属探针9末端之间的位置关系。此时高精度转台1应处于0度位置且无气浮，以求测量稳定；高精度转台1转轴假设与工作台面(高精度转台1与摆臂2连接的台面)同轴，通过工作台面的外圆和表面来测量计算高精度转台1的转轴；高精度转台1工作台面在气浮升起前后的高度差要进行测量记录；

当高度差小于10μm，不需要使用高度差数据，当高度差大于10μm，在计算当前位置时，需要在三坐标设备的测量结果中使用高度差修正位置。

在步骤(3)中，在工件转台上放置被测镜6，被测镜6为圆形同轴镜，通过测量被测镜6的径跳和端跳并调整位置，将被测镜6和工件转台调整至同轴，被测镜6的光轴与工件转台的转轴要求基本重合。机械臂带着摆臂2上的金属探针9测量被测镜6的端面和外圆，在机械臂的控制系统里以被测镜6为基准建立坐标系，被测镜6光轴为Z轴。

以被测镜6位基准建立起坐标系后，在一个基准位置采用激光跟踪仪8测量靶球10的位置，根据三坐标记录的位置关系、以及激光跟踪仪8测得的靶球位置，可以得到摆臂组件、传感器5和高精度转台1的当前位置，在跟踪仪8测量分析软件里加入被测镜6建立位置关系模型。

在步骤(4)中，摆臂2测量模型的建立包括：根据位置关系模型(即摆臂2式轮廓测量的数学模型)和被测镜6的参数建立实际测量系统，根据实际测量系统，计算测量需要的高精度转台1和传感器5的位置、角度，利用机械臂调整高精度转台1、摆臂组件及传感器5，使其满足跟被测镜6之间的距离和角度关系，获得如图2所示的；气浮转台转轴要通过被测镜6光轴，气浮转台旋转时传感器5扫描路径在被测镜6的最接近球面上。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.用机械臂调整摆臂(2)式轮廓测量仪的装置，其特征在于：包括摆臂(2)组件、高精度转台(1)、工作转台(7)，高精度转台(1)连接于机械臂末端，摆臂(2)组件连接在高精度转台(1)上，工作转台(7)位于机械臂旁边，工作转台(7)用于放置被测镜(6)，且带动被测镜(6)转动；摆臂(2)组件的一端用于测量其距离被测镜(6)表面的距离。

2.根据权利要求1所述的用机械臂调整摆臂(2)式轮廓测量仪的装置，其特征在于：所述摆臂(2)组件包括摆臂(2)、测量用传感器(5)、配重块(3)以及连接件，连接件用于将摆臂(2)与高精度转台(1)连接，测量用传感器(5)、配重块(3)分别连接于摆臂(2)的两端，测量用传感器(5)通过调整机构(4)连接于摆臂(2)，调整机构(4)用于精确调整传感器(5)的位置。

3.根据权利要求2所述的用机械臂调整摆臂(2)式轮廓测量仪的装置，其特征在于：所述摆臂(2)连接传感器(5)的端部安装一根金属探针(9)，金属探针(9)用于找被测镜(6)的位置；

摆臂(2)和高精度转台(1)上安装有至少三个激光跟踪仪靶球(10)。

4.用机械臂调整摆臂(2)式轮廓测量仪的误差标定方法，其特征在于：使用权利要求1-3任一所述的用机械臂调整摆臂(2)式轮廓测量仪的装置，包括S1:把摆臂(2)组件连接在高精度转台(1)上，并将金属探针(9)和激光跟踪仪靶球(10)安装到摆臂(2)和高精度转台(1)上，采用三坐标设备测量靶球(10)、探针(9)、传感器(5)、转台、摆臂(2)之间的位置关系，获得三坐标设备测量结果；

S2:将高精度转台(1)与机械臂末端连接；

S3:工件转台上放置被测镜(6)、且使被测镜(6)与工作转台(7)同轴，用金属探针(9)探测被测镜(6)位置，以被测镜(6)位置为基准建立坐标系，采用激光跟踪仪(8)测量靶球(10)位置，根据三坐标设备测量结果、以及激光跟踪仪(8)测得的靶球位置，可获得摆臂(2)组件、传感器(5)和高精度转台(1)的当前位置；根据被测镜(6)位置、三坐标设备测量结果，建立位置关系模型；

S4:建立摆臂(2)测量模型，根据摆臂(2)测量模型计算测量时的初始位置结果，初始位置结果包括摆臂(2)的角度、高精度转台(1)的转轴位置和角度；

S5:按照初始位置结果，调整高精度转台(1)和摆臂(2)组件，使摆臂(2)和高精度转台(1)处于初始位置结果中的位置；然后使高精度转台(1)带动摆臂(2)转动，摆臂(2)端部的传感器(5)测量得到一条弧线(15)，根据弧线(15)，可以获得该弧线(15)上各点在被测镜(6)上的高度；

S6:使工作转台(7)带动被测镜(6)转动，被测镜(6)转动一定角度后，继续使高精度转台(1)带动摆臂(2)转动，摆臂(2)端部的传感器(5)测量得到一条弧线(15)。重复该步骤，获得多条弧线(15)；

S7:根据多条弧线，可以拟合得到被测镜(6)的实际面形。

5.根据权利要求4所述的用机械臂调整摆臂(2)式轮廓测量仪的误差标定方法，其特征在于：所述步骤S1中，采用三坐标设备测量时，高精度转台(1)应处于0度位置且无气浮，并测量和记录高精度转台(1)工作台面在气浮升起前后的高度差。

6.根据权利要求5所述的一种用机械臂调整摆臂(2)式轮廓测量仪的误差标定方法，其特征在于：当所述高度差小于10μm，不需要使用高度差数据，当高度差大于10μm，在计算当前位置时，需要在三坐标设备测量结果中使用高度差修正位置。

7.根据权利要求4所述的用机械臂调整摆臂式轮廓测量仪的误差标定方法，其特征在于：所述步骤S3中，工件转台上放置被测镜(6)包括，通过测量被测镜(6)的径跳和端跳并调整位置，不断调整被测镜(6)位置，直到被测镜(6)和工件转台同轴。

8.根据权利要求4所述的用机械臂调整摆臂(2)式轮廓测量仪的误差标定方法，其特征在于：所述步骤S3中，用金属探针(9)探测被测镜(6)位置包括，使金属探针(9)接触被测镜(6)圆周外壁面上的多个点、以及端面，获得被测镜(6)的位置。

9.根据权利要求4所述的用机械臂调整摆臂(2)式轮廓测量仪的误差标定方法，其特征在于：所述步骤S4中，摆臂(2)测量模型的基本要求包括，高精度转台(1)的轴线(13)过被测镜(6)的曲率中心(11)，传感器(5)的测量点过被测镜(6)的中心。

10.根据权利要求9所述的用机械臂调整摆臂(2)式轮廓测量仪的误差标定方法，其特征在于：所述步骤S4中，摆臂(2)测量模型的建立包括，根据位置关系模型和被测镜(6)的参数建立实际测量系统，计算测量实际测量系统在满足摆臂(2)测量模型的基本要求时，高精度转台(1)和传感器(5)的位置、角度，即获得初始位置结果；被测镜(6)的参数包括被测镜(6)的曲率半径、口径和非球面系数。

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