CN116878378A - 一种机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法 - Google Patents
一种机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法，采用自动定心和定域装置，包括样品台、机械臂、安装在机械臂上的带有光谱共焦传感器和相机的探头、与光谱共焦传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的反馈并控制机械臂运动的控制单元；对于大口径球面光学元件来说，通过采集球面上某一同心圆的三个点来自动定心，然后通过采集边缘点来自动定域。本发明简单易行，无需对传感器进行定标，仅需要通过工业机械臂承载光学精密探头进行三维移动，降低机械设计与装配难度，实现光学元件的非接触式、快速、自动定心和定域，适合流水化生产和检测大口径光学元件。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其是涉及一种机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法。
背景技术
工业机械臂是在各个领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，尽管它们的形态各异，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业。在光学元件的表面缺陷检测领域，主要采用显微成像系统对被检样品表面进行扫描成像，从而获得表面缺陷的形貌与分布。在对大口径光学元件进行检测时，需要首先完成元件定心，以轴心线位置作为参考点，进行扫描路径规划。若能将光学元件的表面缺陷检测与工业机械臂相结合起来，对精密光学元件的流水线生产和加工都具有重要的意义。
现有的大口径球面光学元件自动定心和定域方法，如公开号为CN105157617A的中国专利文献公开了应用于球面光学元件表面缺陷检测的球面自动定心方法，采用球面反射十字叉丝成像，利用自旋转台带动被测球面光学元件旋转，观察十字叉丝位置变化，拟合叉丝运动轨迹的圆心，从而实现球面光学元件定心。然而，上述这种方法对机械结构的要求高，需要设计自旋转台结构带动样品旋转，增加了设计、加工和装调的复杂性。
公开号为CN111288933A的中国专利文献公开了应用于球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法，采用自动定心装置，自动定心时，三台激光位移传感器同时提供被测光学元件上三个采样点的相对距离，当三个采样点的相对距离为0或者小于允许误差阈值时，即可认为三个采样点构成的截面为垂直于光轴的圆形截面，圆心即光学元件轴心线位置。但是，上述这种方法对激光位移传感器的装调要求比较高，且需要对三台激光位移传感器的初始位置进行定标，在定标时，扫描截线的间隔大小会影响定标精度。
因此，需要设计简单、高效的装置与方法，实现大口径球面光学元件定心和定域。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法，实现大口径球面光学元件的非接触式、快速、自动定心和定域。
一种机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法，采用自动定心和定域装置，所述的自动定心和定域装置包括样品台、机械臂、安装在机械臂上的带有光谱共焦传感器和相机的探头、与光谱共焦传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的反馈并控制机械臂运动的控制单元；
所述的大口径球面光学元件定心和定域方法包括如下步骤：
(1)采用水平放置姿态，将待定心和定域的球面光学元件固定在样品台上；
(2)在机械臂的原始工具坐标系下，控制机械臂靠近样品台，使光谱共焦传感器的采样点位于光学元件的表面，控制机械臂沿Z轴方向移动，使光谱共焦传感器位于工作距离之内，并使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为Q1(x1，y1，z1)；
(3)控制机械臂沿X轴正方向移动，光谱共焦传感器的示数发生变化，直至光谱共焦传感器的示数回到量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为Q2(x2，y2，z1)；
(4)控制机械臂沿Y轴正方向移动，光谱共焦传感器的示数发生变化，直至光谱共焦传感器的示数回到量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为Q3(x3，y3，z1)；
(5)设球面光学元件的曲率半径为R，则球心的坐标
(6)在原始工具坐标系下，控制机械臂靠近样品台，使光谱共焦传感器的采样点位于光学元件的表面，控制机械臂沿Z轴方向移动，使光谱共焦传感器位于工作距离之内，并使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点；
(7)控制机械臂沿X轴负方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变，在临界值位置控制机械臂沿Z轴方向移动，使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为A(a1，b1，c1)；控制机械臂沿X轴正方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变，在临界值位置控制机械臂沿Z轴方向移动，使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为B(a2，b2，c2)；控制机械臂沿Y轴正方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变，在临界值位置控制机械臂沿Z轴方向移动，使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，机械臂的坐标记为C(a3，b3，c3)；
(8)设球面光学元件的边缘面法向量为则其顶点坐标/>
(9)设P点坐标为(x′，y′，z′)，光谱共焦传感器和相机之间的标定距离为L，L在X轴的投影长度为α，在Y轴的投影长度为β，由P′(x′-α，y′-β，z′)， 三点，依照三点法重建机械臂工具坐标系，记为坐标系S；S坐标系的原点对应于球面光学元件的顶点；
(10)在S坐标系下，按照球面光学元件的尺寸进行定域，并按照算法规划的路径对球面光学元件进行扫描。
优选地，所述的机械臂为工业高精度机械臂，能够与控制单元进行通讯，通过控制单元的算法实现机械臂对球面光学元件进行自动定心和定域功能。
所述的工业高精度机械臂上的坐标系有六种：大地坐标系、基坐标系、关节坐标系、工具坐标系、工件坐标系和用户坐标系，其中，工具坐标系用于确定工具的位置，即光学精密探头的位置，由工具中心点(TCP)和坐标位置组成。
优选地，工业机械臂的末端安装有经过周全集成设计的光学精密探头，能够高精度地实现距离探测，光学成像，自动对焦，缺陷检测等功能。
进一步地，所述的定域为确定球面光学元件的边界在机械臂工具坐标系上的函数。
进一步地，所述的光学精密探头带有光谱共焦传感器、光源、相机和物镜驱动器等多种设备，并且，所述机械臂上的相机主轴与光谱共焦传感器的光轴平行。
所述的光谱共焦传感器，是一种非接触式测量传感器，光谱共焦测量通过使用特殊透镜，延长不同颜色光的焦点光晕范围，形成特殊放大色差，使其根据不同的被测物体到透镜的距离，会对应一个精确波长的光聚焦到被测物体上，通过测量反射光的波长，就可以得到被测物体到透镜的精确距离。
进一步地，所述的大口径球面光学元件通过夹持机构固定在样品台上。
所述的水平放置姿态，是指大口径球面光学元件的光轴垂直于水平面放置。
所述的大口径球面光学元件在定心和定域前不需要预先进行调平。
进一步地，所述的大口径球面光学元件的定心和定域精度由工业机械臂的末端定位精度和光谱共焦传感器的测量精度共同决定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明为大口径球面光学元件的定心和定域提供了一种新的装置和方法，对于大口径球面光学元件，仅需要通过工业机械臂承载光学精密探头进行三维移动，不需要针对特定样品定制高精度导轨和样品自旋台，大大降低了机械设计、装调难度以及生产成本；采用光谱共焦传感器，抗倾角能力强，装调方便，并且一台传感器能够减少因多台传感器的差异而带来的各种定标工作，提高了生产的效率。定心方法操作简单、步骤少、速度快、效率高，具有很大的工程应用价值，为高效、快速、高精度大口径球面光学元件表面缺陷检测奠定了基础。
附图说明
图1为本发明实施例中圆形口径凹球面光学元件定心过程图；
图2为本发明实施例中圆形口径凹球面光学元件边缘点采集示意图；
图3为本发明实施例中圆形口径凹球面光学元件顶点求解示意图；
图4为本发明实施例中S坐标系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明的方法采用自动定心和定域装置，自动定心和定域装置包括样品台、机械臂、安装在机械臂上的带有光谱共焦传感器和相机等设备的探头、与光谱共焦传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的反馈并控制机械臂运动的控制单元。
在大口径球面光学元件方面，考虑到方形口径的球面光学元件在日常生活中并不常见，这里只列举圆形口径的球面光学元件的定心和定域方法，以大口径凹球面光学元件为例，具体包括以下步骤：
步骤1、采用水平放置姿态，将待定心和定域的光学元件固定在样品台上。
步骤2、如图1所示，在原始工具坐标系下，控制机械臂靠近样品台，使光谱共焦传感器的采样点位于光学元件的表面，控制机械臂沿Z轴方向移动，使光谱共焦传感器位于工作距离之内，并使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为Q1(x1，y1，z1)。
步骤3、控制机械臂沿X轴正方向移动，光谱共焦传感器的示数会发生变化，直至光谱共焦传感器的示数回到量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为Q2(x2，y2，z1)。
步骤4、控制机械臂沿Y轴正方向移动，光谱共焦传感器的示数会发生变化，直至光谱共焦传感器的示数回到量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为Q3(x3，y3，z1)。
步骤5、设光学元件球心Q坐标为(x0，y0，z0)，曲率半径为R，球心Q到Q1 Q2 Q3同心圆平面的距离为h，则可得
因此，球心的坐标
步骤6、在原始工具坐标系下，控制机械臂靠近样品台，使光谱共焦传感器的采样点位于光学元件的表面，控制机械臂沿Z轴方向移动，使光谱共焦传感器位于工作距离之内，并使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点。
步骤7、如图2所示，控制机械臂沿X轴负方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变(边缘点)，在临界值位置控制机械臂沿Z轴方向移动，使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为A(a1，b1，c1)；控制机械臂沿X轴正方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变(边缘点)，在临界值位置控制机械臂沿Z轴方向移动，使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为B(a2，b2，c2)；控制机械臂沿Y轴正方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变(边缘点)，在临界值位置控制机械臂沿Z轴方向移动，使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，机械臂的坐标记为C(a3，b3，c3)。
步骤8、如图3所示，设光学元件边缘面的法向量为P点坐标为(x′，y′，z′)，将样品和其对应的坐标系进行翻转，使其成为球体的一部分，可以得到
由图可知，顶点坐标其中
则
步骤9、光学元件定域所需边界条件的三个点，分别是P(x′，y′，z′)，
步骤10、考虑到光谱共焦传感器和相机之间的距离，假设光谱共焦传感器和相机之间的标定距离为L，L在X轴的投影长度为α，在Y轴的投影长度为β，由P′(x′-α，y′-β，z′)， 三点，依照三点法重建机械臂工具坐标系，记为坐标系S。S坐标系的原点对应于球面光学元件的顶点。
步骤11、如图4中(a)或(b)所示，在S坐标系下，按照球面光学元件的尺寸进行定域，并按照算法规划的路径对球面光学元件进行扫描。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法，其特征在于，采用自动定心和定域装置，所述的自动定心和定域装置包括样品台、机械臂、安装在机械臂上的带有光谱共焦传感器和相机的探头、与光谱共焦传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的反馈并控制机械臂运动的控制单元；
所述的大口径球面光学元件定心和定域方法包括如下步骤：
(1)采用水平放置姿态，将待定心和定域的球面光学元件固定在样品台上；
(2)在机械臂的原始工具坐标系下，控制机械臂靠近样品台，使光谱共焦传感器的采样点位于光学元件的表面，控制机械臂沿Z轴方向移动，使光谱共焦传感器位于工作距离之内，并使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为Q1(x1，y1，z1)；
(3)控制机械臂沿X轴正方向移动，光谱共焦传感器的示数发生变化，直至光谱共焦传感器的示数回到量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为Q2(x2，y2，z1)；
(4)控制机械臂沿Y轴正方向移动，光谱共焦传感器的示数发生变化，直至光谱共焦传感器的示数回到量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为Q3(x3，y3，z1)；
(5)设球面光学元件的曲率半径为R，则球心的坐标
(6)在原始工具坐标系下，控制机械臂靠近样品台，使光谱共焦传感器的采样点位于光学元件的表面，控制机械臂沿Z轴方向移动，使光谱共焦传感器位于工作距离之内，并使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点；
(7)控制机械臂沿X轴负方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变，在临界值位置控制机械臂沿Z轴方向移动，使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为A(a1，b1，c1)；控制机械臂沿X轴正方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变，在临界值位置控制机械臂沿Z轴方向移动，使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为B(a2，b2，c2)；控制机械臂沿Y轴正方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变，在临界值位置控制机械臂沿Z轴方向移动，使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，机械臂的坐标记为C(a3，b3，c3)；
(8)设球面光学元件的边缘面法向量为则其顶点坐标/>
(9)设P点坐标为(x′，y′，z′)，光谱共焦传感器和相机之间的标定距离为L，L在X轴的投影长度为α，在Y轴的投影长度为β，由P′(x′-α，y′-β，z′)， 三点，依照三点法重建机械臂工具坐标系，记为坐标系S；S坐标系的原点对应于球面光学元件的顶点；
(10)在S坐标系下，按照球面光学元件的尺寸进行定域，并按照算法规划的路径对球面光学元件进行扫描。
2.根据权利要求1所述的机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法，其特征在于，所述的机械臂为工业高精度机械臂，与控制单元进行通讯，通过控制单元的算法实现机械臂对球面光学元件进行自动定心和定域功能。
3.根据权利要求2所述的机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法，其特征在于，所述的工业高精度机械臂上的坐标系有六种：大地坐标系、基坐标系、关节坐标系、工具坐标系、工件坐标系和用户坐标系，其中，工具坐标系用于确定工具的位置，即光学精密探头的位置，由工具中心点和坐标位置组成。
4.根据权利要求1所述的机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法，其特征在于，所述的定域为确定球面光学元件的边界在机械臂工具坐标系上的函数。
5.根据权利要求1所述的机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法，其特征在于，所述机械臂上的相机主轴与光谱共焦传感器的光轴平行。
6.根据权利要求1所述的机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法，其特征在于，所述的大口径球面光学元件通过夹持机构固定在样品台上。
7.根据权利要求1所述的机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法，其特征在于，所述的大口径球面光学元件的定心和定域精度由工业机械臂的末端定位精度和光谱共焦传感器的测量精度共同决定。
8.根据权利要求1所述的机械臂操纵下的大口径球面光学元件定心和定域方法，其特征在于，所述的光谱共焦传感器根据不同的被测物体到透镜的距离，对应一个精确波长的光聚焦到被测物体上，通过测量反射光的波长，得到被测物体到透镜的精确距离。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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