一種二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)及其檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在位檢測系統(tǒng)及其檢測方法，尤其涉及一種二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)及其檢測方法，屬于大口徑光學鏡面幾何測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代軍事和航天航空的快速發(fā)展以及先進制造技術(shù)的不斷突破，越來越多的大型光學鏡面得到了應(yīng)用，精度要求也越來越高。然而在機床加工大口徑光學鏡面時，為了提高加工精度，需要不斷進行加工-檢測-加工。目前大口徑光學鏡面主要通過離線設(shè)備進行檢測，然而由于鏡面體積重量大，不容易搬動，而且價格昂貴，為保證搬運過程的安全性，搬運時需要耗費大量時間和人力物力，測量完成之后還要再次搬運到加工設(shè)備上，又會帶來二次安裝誤差，因此離線方法最好適用于面型的最終檢測。
[0003]為了保證加工精度和加工效率，對大口徑光學鏡面進行在位檢測是最好的方法。目前在位測量方法也已經(jīng)應(yīng)用于大口徑光學鏡面加工中，例如在位測頭、結(jié)構(gòu)光方法以及干涉方法，然而各種方法都有明顯的缺陷。在位測頭通常采用觸發(fā)式測頭，具有較好的檢測精度但是檢測效率低下；掃描式測頭也可用于在位檢測，但是價格昂貴；結(jié)構(gòu)光方法檢測效率高，但是檢測精度不能滿足要求；干涉方法檢測效率和檢測精度都不錯，但是對環(huán)境要求高，而且儀器本身價格昂貴，需要配置大型夾具來進行檢測，經(jīng)濟型較差，不適合推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決在位檢測，同時克服檢測效率低下、精度不足、價格昂貴等問題，本發(fā)明的目的是提供一種二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)，包括隨動導(dǎo)軌和X軸導(dǎo)軌，以及與所述隨動導(dǎo)軌匹配連接的隨動導(dǎo)軌連接件；所述隨動導(dǎo)軌平行于所述X軸導(dǎo)軌，可沿所述X軸導(dǎo)軌方向來回滑動，而所述隨動導(dǎo)軌連接件在X軸方向上保持不動。
[0005]本發(fā)明的另一較佳實施方式是，還包括Y軸音圈電機、Y軸導(dǎo)軌、Y軸運動平臺、激光位移傳感器、X軸音圈電機、X軸運動平臺連接件和X軸運動平臺；所述Y軸音圈電機、所述隨動導(dǎo)軌連接件、所述隨動導(dǎo)軌和所述激光位移傳感器依次連接；從上到下依次設(shè)置所述激光位移傳感器、所述Y軸運動平臺、所述Y軸導(dǎo)軌、所述X軸運動平臺、所述X軸導(dǎo)軌；所述X軸音圈電機通過所述X軸運動平臺連接件與X軸運動平臺連接；
[0006]其中，進一步地將所述Y軸音圈電機和X軸音圈電機設(shè)置為:當所述Y軸音圈電機產(chǎn)生作用力時，推動所述隨動導(dǎo)軌連接件、所述隨動導(dǎo)軌、所述激光位移傳感器和所述Y軸運動平臺沿所述Y軸導(dǎo)軌運動；當所述X軸音圈電機產(chǎn)生作用力時，推動所述X軸運動平臺連接件、所述X軸運動平臺、所述Y軸導(dǎo)軌、所述Y軸運動平臺、所述激光位移傳感器、所述隨動導(dǎo)軌沿所述X軸導(dǎo)軌運動。
[0007]本發(fā)明的另一較佳實施方式是，還包括Y軸光柵和X軸光柵；所述Y軸光柵設(shè)置在所述Y軸導(dǎo)軌旁邊，用于監(jiān)測所述激光位移傳感器在Y軸方向上的移動距離；所述X軸光柵設(shè)置在所述X軸導(dǎo)軌旁邊，用于監(jiān)測所述激光位移傳感器在X軸方向上的移動距離；從而實現(xiàn)全閉環(huán)運動控制。優(yōu)選地是，所述X軸光柵和所述Y軸光柵均是高精密光柵。
[0008]本發(fā)明的另一較佳實施方式是，還包括振動平臺基座和電機固定支座；所述Y軸音圈電機和所述X軸音圈電機設(shè)置在所述電機固定支座上；所述電機固定支座和所述X軸導(dǎo)軌設(shè)置在所述振動平臺基座上；所述振動平臺基座可拆卸地連接到機床上。所述振動平臺基座可拆卸地連接到機床上是指當需要加工時，機床運動到一頭，本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)通過機床控制系統(tǒng)自動卸下；當需要檢測時，將本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)安裝到機床上后進行檢測。因此，避免了被測工件的搬運。
[0009]本發(fā)明的另一較佳實施方式是，所述振動平臺基座采用花崗巖材料制備。
[0010]本發(fā)明的另一較佳實施方式是，還包括驅(qū)動與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述激光位移傳感器通過所述驅(qū)動與控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)所述X軸音圈電機的頻率和所述Y軸音圈電機的頻率，得到各種掃描輪廓和大量面型數(shù)據(jù)，再通過所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理、拼接和融合，得到所測面型的誤差。
[0011]本發(fā)明的另一較佳實施方式是，所述Y軸音圈電機包括連接在一起的Y軸電機定子和Y軸電機動子；所述Y軸電機動子與所述隨動導(dǎo)軌連接件相連，能與所述隨動導(dǎo)軌連接件一同在Y軸方向上運動；所述X軸音圈電機包括連接在一起的X軸電機定子和X軸電機動子；所述X軸電機動子與所述X軸運動平臺連接件相連，能與所述X軸運動平臺連接件一同在X軸方向上運動。
[0012]本發(fā)明的另一較佳實施方式是，所述X軸音圈電機和所述Y軸音圈電機均通過頻率調(diào)節(jié)，獲得不同形狀的掃描曲線；根據(jù)所測面型選擇合適的頻率，從而提高檢測效率。
[0013]本發(fā)明的另一目的是提供一種如上所述的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的應(yīng)用是作為大口徑光學鏡面機床的配套檢測裝置。優(yōu)選地是，作為超精密大口徑光學鏡面磨床的配套檢測裝置。磨床是機床中的一種。
[0014]本發(fā)明的第三個目的是提供一種如上所述的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括以下步驟:
[0015]步驟一:通過激光干涉儀進行機床和所述二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的標定，得到所述機床和所述二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的幾何誤差；
[0016]步驟二:根據(jù)需要通過所述驅(qū)動與控制系統(tǒng)設(shè)定所述X軸音圈電機的頻率和所述Y軸音圈電機的頻率，得到被檢測的大口徑光學鏡面的相應(yīng)的局部掃描軌跡；
[0017]步驟三:機床按事先規(guī)劃好的軌跡作相應(yīng)運動，結(jié)合所述二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的運動，進行大范圍的掃描運動，得到大量數(shù)據(jù)點；
[0018]步驟四:通過所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對所述步驟三得到的大量數(shù)據(jù)點進行數(shù)據(jù)濾波預(yù)處理，以及基于多貝葉斯和/或神經(jīng)融合算法進行局部數(shù)據(jù)融合，將大量冗余數(shù)據(jù)信息進行融合后，得到數(shù)量較少但精度較高的點，對每一部分局部檢測數(shù)據(jù)都進行相應(yīng)的融合，然后將數(shù)據(jù)進行拼接，得到檢測區(qū)域的數(shù)據(jù)；
[0019]步驟五:通過所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將所述步驟一得到的幾何誤差以數(shù)字補償方式對所述步驟四得到的檢測區(qū)域的數(shù)據(jù)進行補償，得到被檢測的大口徑光學鏡面的曲面誤差。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0021](I)本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)可以自如的安裝機床和從機床上卸載，實現(xiàn)光學鏡面的在位檢測，極大地提高檢測效率，最大限度地減小由于被測元件搬運帶來的成本和誤差；
[0022](2)通過X軸音圈電機和Y軸音圈電機控制激光位移傳感器的快速的前后左右運動，短時間內(nèi)獲得局部檢測部位的大量面型數(shù)據(jù)，然后本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)又隨著機床按某一軌跡運動，從而可在檢測范圍內(nèi)得到大量數(shù)據(jù)；
[0023](3)本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)和機床的誤差可以通過激光干涉儀得到并可以進行數(shù)字補償，然后對大量數(shù)據(jù)進行處理和融合，可以極大地提高檢測精度；
[0024](4)設(shè)置有高精密的X軸光柵和Y軸光柵，從而可以實現(xiàn)全閉環(huán)運動控制，使得檢測精度更可靠；
[0025](5)由于存在隨動導(dǎo)軌，使得Y軸音圈電機和隨動導(dǎo)軌連接件不會隨著隨動導(dǎo)軌、激光位移傳感器、Y軸運動平臺、Y軸導(dǎo)軌和X軸運動平臺一同沿X軸導(dǎo)軌運動，即Y軸音圈電機的質(zhì)量不會施加到該X軸運動平臺上。從而不需要增大X軸音圈電機的額定推力，也不需要增大本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的整體體積。因此減小了本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的整體動載荷和尺寸，保證精度，有利于靈活方便的在機床上裝卸。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的一個【具體實施方式】與超精密磨床的集成圖。
[0027]圖2是本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的一個【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)立體圖。
[0028]圖3是本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的一個【具體實施方式】的另一觀察位的結(jié)構(gòu)立體圖。
[0029]圖4-7是不同頻率下的本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的軌跡圖。
[0030]圖8是本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)在兩軸低頻聯(lián)動時運行Is的軌跡圖。
[0031]圖9是機床三軸聯(lián)動的軌跡圖。
[0032]圖10是在圖8和圖9條件下的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的軌跡圖。
[0033]圖11是本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的檢測和數(shù)據(jù)分析流程圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的描述。
[0035]如圖1所示，是本發(fā)明的二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)的一個【具體實施方式】與超精密磨床的集成圖。其檢測對象可以是大型空間反射鏡。該二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)20集成在磨床21的主軸上，能與主軸一起運動。磨床是機床中的一種。該二維振動輔助激光掃描在位檢測系統(tǒng)，如圖2和3所示，包括振動平臺基座1、電機固定支座2、Y軸音圈電機4、隨動導(dǎo)軌連接件13、隨動導(dǎo)軌14、激光位移傳感器6、Y軸運動平臺15、Y軸導(dǎo)軌8、Y軸光柵7、X軸音圈電機3、X軸運動平臺連接件16、X軸運動平臺5、X軸導(dǎo)軌9、X軸光柵10，以及驅(qū)動與控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。Y軸音圈電機4包括Y軸電機定子11和Y軸電機動子12 ;X軸音圈電機3包括X軸電機定子17和X軸電機動子18。
[0036]其連接關(guān)系是:電機固定支座2和X軸導(dǎo)軌9設(shè)置在振動平臺基座I上；X軸電機定子17和Y軸電機定子11設(shè)置在電機固定支座2