本發(fā)明涉及一種光學加工檢測領域的測量方法和裝置，特別是涉及大口徑反射鏡在銑磨及研磨階段的面形輪廓檢測方法及裝置。

背景技術：

隨著科學技術的發(fā)展，大口徑非球面反射鏡在天文、空間光學和軍事領域得帶越來越廣泛的應用，對光學加工的效率和質量要求越來越高，提出了新的挑戰(zhàn)。

針對大口徑反射鏡銑磨及研磨階段的面形測量，國內普遍采用刀口儀和三坐標測量機進行測量，其中，刀口儀測量非球面首先要將研磨階段的反射鏡進行表面拋光，然后再利用相應測試光路進行測量，這種方式費時費力，且無法進行量化，只能依靠工藝人員經(jīng)驗判斷；采用三坐標測量機進行非球面面形輪廓檢測，可以獲取較高的面形測量精度，但需要在加工工位與檢測工位之間進行頻繁的吊運安裝，效率低、風險大。因此，亟需采用高精度的在位面形輪廓檢測系統(tǒng)，解決大口徑反射鏡毛坯制作、銑磨及研磨加工階段的輪廓測量中的高精度、高效率、高風險問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題為：克服現(xiàn)有技術不足，提供一種大口徑反射鏡面形輪廓在位檢測方法及裝置，提高測量效率，針對大鏡光軸豎直加工及檢測狀態(tài)，提出一種基于智能機械手和激光跟蹤儀的面形輪廓在位測試系統(tǒng)。

本發(fā)明解決的技術方案為：一種大口徑反射鏡面形輪廓在位檢測裝置，包括：機械手(1)、激光跟蹤儀主機(2)、待測反射鏡(3)、反射鏡支撐工裝(4)、反射鏡基準定位裝置(5)、靶球(6)、機械手的接口裝置(7)；

機械手的接口裝置(7)，包括：磁力座(71)、柔性力傳感器(72)、機械手接口(73)；

磁力座(71)與機械手接口(73)實現(xiàn)剛性連接；柔性力傳感器(72)安裝在機械手接口(73)上；機械手(1)和機械手接口(73)剛性連接；機械手(1)位于反射鏡支撐工裝(4)旁；

待測反射鏡(3)置于反射鏡支撐工裝(4)上，待測反射鏡(3)的加工面朝上；

靶球(6)能夠與待測反射鏡(3)接觸，靶球(6)通過磁性能夠吸在磁力座(71)上；

激光跟蹤儀主機(2)的激光發(fā)射方向對準靶球(6)開口處；

反射鏡基準定位裝置(5)安裝在待測反射鏡(3)的基準面上，反射鏡基準定位裝置(5)能夠定義待測反射鏡(3)的空間坐標系；

待測反射鏡(3)面形輪廓在位檢測時，機械手(1)能夠通過機械手的接口裝置(7)控制靶球(6)與待測反射鏡(3)的加工面輕微接觸多次，機械手(1)能夠控制靶球(6)與待測反射鏡(3)的加工面的接觸壓力，避免靶球(6)劃傷待測反射鏡(3)的加工面，柔性力傳感器(72)能夠監(jiān)控靶球(6)與待測反射鏡(3)的接觸壓力；

機械手(1)能夠按照預先規(guī)劃的路徑使靶球(6)在待測反射鏡(3)加工面上打點掃描，實現(xiàn)待測反射鏡(3)的面形輪廓掃描，直至掃描路徑覆蓋整個待測反射鏡的加工面；

激光跟蹤儀主機(2)實時測量靶球(6)中心的空間坐標集，并能夠根據(jù)測量得到的靶球(6)中心的空間坐標集，確定待測反射鏡(3)加工面的輪廓。

機械手的接口裝置(7)能夠與機械手(1)分離，在機械手(1)上安裝研拋工具，能夠實現(xiàn)對待測反射鏡(3)進行加工。

機械手連接機械手的接口裝置(7)與研拋工具的機械接口通用。

一種大口徑反射鏡面形輪廓在位檢測方法，步驟如下：

步驟1：進行待測反射鏡初定位，即在機械手(1)安裝研拋工具，對待測反射鏡(3)進行加工，加工后原位安裝在反射鏡支撐工裝(4)上，清洗待測反射鏡(3)。

步驟2：卸去機械手(1)上的研拋工具，將磁力座(71)與機械手接口(73)連接。

步驟3：規(guī)劃靶球(6)在待測反射鏡(3)加工面上的打點路徑，規(guī)劃的打點路要能夠覆蓋待測反射鏡(3)的整個加工面。

步驟4：通過激光跟蹤儀主機(2)測量反射鏡基準定位裝置(5)的位置，定義待測反射鏡的測量坐標系，即在待測反射鏡(3)上設定三個特征測量點，三個特征測量點已經(jīng)預先通過精密機床加工出來，位于待測反射鏡(3)的側面和加工面與側面形成的鏡面平臺處，將反射鏡基準定位裝置(5)置于這三個特征測量點，將靶球(6)置于反射鏡基準定位裝置(5)上，使用激光跟蹤儀測量主機(2)測量靶球(6)在這三個特征測量點的坐標，分別記為：

m₁(x₁,y₁,z₁)、m₂(x₂,y₂,z₂)和m₃(x₃,y₃,z₃)

根據(jù)靶球(6)在這三個特征測量點的坐標，建立待測反射鏡的測量坐標系。

步驟5：將步驟(4)建立的待測反射鏡的測量坐標系與待測反射鏡(3)的CAD模型坐標系的轉換矩陣，即確定設定的三個特征測量點在待測反射鏡(3)的CAD模型坐標系上的位置坐標M₁(X₁,Y₁,Z₁)、M₂(X₂,Y₂,Z₂)和M₃(X₃,Y₃,Z₃)，利用待測反射鏡的測量坐標系的m₁(x₁,y₁,z₁)、m₂(x₂,y₂,z₂)和m₃(x₃,y₃,z₃)及待測反射鏡(3)的CAD模型坐標系間的M₁(X₁,Y₁,Z₁)、M₂(X₂,Y₂,Z₂)和M₃(X₃,Y₃,Z₃)，通過齊次坐標變化，即能夠求得兩坐標系間的平移量和旋轉量，即轉換矩陣。

步驟6：架設激光跟蹤儀主機(2)，使激光跟蹤儀主機的激光發(fā)射口與鏡面最近端距離L滿足公式L≥R·(ctanα-1)。

式中R為待測反射鏡的加工面半徑，α為激光跟蹤儀視野范圍，ctan(·)為反正切函數(shù)。

步驟7：控制機械手(1)按照步驟(3)規(guī)劃的打點路徑，利用靶球(6)對待測反射鏡的面形輪廓開始測量，直至打點路徑覆蓋整個反射鏡的加工面，激光跟蹤儀主機(2)實時測量靶球(6)中心位置，記錄靶球(6)位置的測量數(shù)據(jù)為P(x_i,y_i,z_i)，x_i,y_i,z_i分別為規(guī)劃的打點路徑上的測量點在待測反射鏡的測量坐標系的三維坐標位置，i＝1,2,...N，N為測量數(shù)據(jù)點數(shù)。

步驟8：根據(jù)步驟5的轉換矩陣和步驟7得到的靶球位置的測量數(shù)據(jù)和靶球球頭半徑，獲得待測反射鏡的CAD模型坐標系下的面形輪廓。

規(guī)劃的打點路徑使靶球(6)沿著激光跟蹤儀主機激光發(fā)射方向以柵線的形式覆蓋待測反射鏡(3)的整個加工面。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明首次將激光跟蹤儀的高精度與機械手的靈活性結合在一起，擴展了設備的應用領域。

(2)本發(fā)明所測輪廓數(shù)據(jù)的精度為激光干涉儀的測量精度，不依賴于機械手的運動精度，測量精度較高。

(3)本發(fā)明提出了研拋工具頭與測量工具頭快速切換的通用接口裝置。

(4)本發(fā)明激光跟蹤儀、靶球等測量設備可自由擺放，快速拆卸，操作方便，可快速測量光軸豎直檢測時反射鏡銑磨/研磨階段的面形，提高加工效率，適合于大鏡制造單位使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明大口徑反射鏡面形輪廓在位檢測系統(tǒng)原理圖；

圖2為本發(fā)明激光跟蹤儀靶球與機械手接口裝置示意圖；

圖3為本發(fā)明激光跟蹤儀主機與靶球位置關系及測量路徑規(guī)劃示意圖；

圖4本發(fā)明靶球半徑補償原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述。

如圖1所示為大口徑反射鏡面形輪廓在位檢測系統(tǒng)原理圖，主要由機械手(1)、激光跟蹤儀主機(2)、待測反射鏡(3)、反射鏡支撐工裝(4)，反射鏡基準定位裝置(5)、靶球(6)、機械手的接口裝置(7)組成。

大口徑反射鏡面形輪廓在位檢測系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由機械手(1)、激光跟蹤儀主機(2)、待測反射鏡(3)、反射鏡支撐工裝(4)，反射鏡基準定位裝置(5)、靶球(6)、機械手的接口裝置(7)組成。機械手的接口裝置(7)，包括：磁力座(71)、柔性力傳感器(72)、機械手接口(73)。磁力座(71)與機械手接口(73)實現(xiàn)剛性連接，柔性力傳感器(72)安裝在機械手接口(73)上，機械手(1)和機械手接口(73)剛性連接，機械手(1)位于反射鏡支撐工裝(4)旁，如圖2所示。機械手連接機械手的接口裝置(7)與研拋工具的機械接口通用。本發(fā)明保持被測反射鏡檢測狀態(tài)與加工狀態(tài)一致，待測反射鏡(3)面形輪廓在位檢測時，機械手(1)能夠通過機械手的接口裝置(7)控制靶球(6)與待測反射鏡(3)的加工面輕微接觸多次，機械手(1)能夠控制靶球(6)與待測反射鏡(3)的加工面的接觸壓力，避免靶球(6)劃傷待測反射鏡(3)的加工面，柔性力傳感器(72)能夠監(jiān)控靶球(6)與待測反射鏡(3)的接觸壓力。機械手(1)能夠按照預先規(guī)劃的路徑使靶球(6)在待測反射鏡(3)加工面上打點掃描，實現(xiàn)待測反射鏡(3)的面形輪廓掃描，直至掃描路徑覆蓋整個待測反射鏡的加工面。激光跟蹤儀主機(2)實時測量靶球(6)中心的空間坐標集，并能夠根據(jù)測量得到的靶球(6)中心的空間坐標集，確定待測反射鏡(3)加工面的輪廓，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析及處理，可以得到反射鏡的實時面形輪廓。具體的實施步驟如下：

1)、進行待測反射鏡初定位，即在機械手上安裝研拋工具，對待測反射鏡進行加工，加工后反射鏡原位安裝在反射鏡支撐工裝上，清洗待測反射鏡。反射鏡支撐工裝要求具有高剛度和穩(wěn)定性，對反射鏡提供光軸豎直狀態(tài)下的穩(wěn)定支撐，可以采用多點支撐等光學加工工藝中的常用方式。

2)、卸去機械手上的研拋工具，將磁力座與機械手接口裝置連接，磁力座與研磨工具的機械接口是通用的，實現(xiàn)快速更換。

3)、規(guī)劃靶球在待測反射鏡加工面上的打點路徑，規(guī)劃的打點路要能夠覆蓋待測反射鏡的整個加工面。

根據(jù)激光跟蹤儀測量原理，其距離測量精度遠高于其角度測量精度，因此規(guī)劃的路徑為使激光跟蹤儀主機出光的方向沿著輪廓掃描方向，如圖3所示。此時，角度編碼器的移動量很小，導致引入的角度誤差也小，測量精度會大幅提高。激光跟蹤儀與鏡面最近端距離L滿足公式L≥R·(ctanα-1)，其中R為待測非球面半徑，α為激光跟蹤儀視野范圍。

4)、通過激光跟蹤儀主機測量反射鏡基準定位裝置的位置，定義待測反射鏡的測量坐標系。

在待測反射鏡上設定三個特征測量點，三個特征測量點已經(jīng)預先通過精密機床加工出來，位于待測反射鏡的側面和加工面與側面形成的鏡面平臺處，將反射鏡基準定位裝置置于這三個特征測量點，將靶球置于反射鏡基準定位裝置上。架設激光跟蹤儀主機，建立測試光路，使激光跟蹤儀主機光束出口位置略高于鏡面最上端，視野范圍全部覆蓋鏡面位置及基準特征點位置，盡量不存在斷光或遮光現(xiàn)象。使用激光跟蹤儀測量主機測量靶球在這三個特征測量點的坐標，分別記為：m₁(x₁,y₁,z₁)、m₂(x₂,y₂,z₂)和m₃(x₃,y₃,z₃)，根據(jù)靶球在這三個特征測量點的坐標，建立待測反射鏡的測量坐標系。

5)、在激光跟蹤儀軟件中導入待測非球面的CAD模型，尋找設定的三個特征測量點在待測反射鏡的CAD模型坐標系上的位置坐標M₁(X₁,Y₁,Z₁)、M₂(X₂,Y₂,Z₂)和M₃(X₃,Y₃,Z₃)，將步驟4)建立的待測反射鏡的測量坐標系與待測反射鏡的CAD模型坐標系進行比對，即利用待測反射鏡的測量坐標系的m₁(x₁,y₁,z₁)、m₂(x₂,y₂,z₂)和m₃(x₃,y₃,z₃)及待測反射鏡的CAD模型坐標系間的M₁(X₁,Y₁,Z₁)、M₂(X₂,Y₂,Z₂)和M₃(X₃,Y₃,Z₃)，通過齊次坐標變化，即能夠求得兩坐標系間的平移量和旋轉量，即轉換矩陣。

齊次坐標變換算法步驟如下：

設定m₁點在實際坐標系中的齊次坐標行矩陣為m₁(x₁,y₁,z₁,1)，M₁點在理論模型坐標系中的齊次坐標行矩陣為M₁(X₁,Y₁,Z₁,1)，反射鏡實際坐標系相對于理論坐標系在x方向、y方向、z方向上的平移量分別為dx、dy、dz；在x方向、y方向、z方向上的旋轉量分別為α、β、γ，則兩種坐標系的關系有：

式中V為兩個坐標系件的變換矩陣，它是平移變化矩陣T和旋轉變換矩陣R之間的乘積，即：

通過迭代法求解公式(1)和公式(2)聯(lián)立的非線性方程組，即可得到反射鏡的實際坐標系和理論坐標系在x方向，y方向和z方向上的平移量dx、dy、dz和旋轉量α、β、γ，從而將兩個坐標系統(tǒng)一起來。

6)、架設激光跟蹤儀主機，規(guī)劃加工路徑。

根據(jù)激光跟蹤儀測量原理，其距離測量精度遠高于其角度測量精度，因此規(guī)劃的路徑為使激光跟蹤儀主機出光的方向沿著輪廓掃描方向，如圖3所示。此時，角度編碼器的移動量很小，導致引入的角度誤差也小，測量精度會大幅提高。架設激光跟蹤儀主機，使激光跟蹤儀主機的激光發(fā)射口與鏡面最近端距離L滿足公式L≥R·(ctanα-1)。式中R為待測反射鏡的加工面半徑，α為激光跟蹤儀視野范圍，ctan(·)為反正切函數(shù)。

7)、控制機械手按照步驟6)規(guī)劃的打點路徑，使靶球按照規(guī)劃的打點路徑對待測反射鏡的面形輪廓開始測量，直至靶球運動路徑覆蓋整個反射鏡的加工面，如圖3所示，即打點路徑為首先靶球(6)從待測反射鏡(3)的加工面邊緣的一點開始，沿著激光跟蹤儀主機激光發(fā)射方向打點直至到達待測反射鏡的邊緣，沿待測反射鏡的邊緣打點一段距離后，以平行于激光跟蹤儀主機激光發(fā)射方向進行打點，直至到達測反射鏡的邊緣，然后沿待測反射鏡的邊緣打點一段距離后，以激光跟蹤儀主機激光發(fā)射方向進行打點，直至到達測反射鏡的邊緣，以此類推，直至規(guī)劃的打點路徑要能夠覆蓋待測反射鏡(3)的整個加工面。激光跟蹤儀主機實時測量靶球中心位置，記錄靶球位置的測量數(shù)據(jù)為P(x_i,y_i,z_i)，x_i,y_i,z_i分別為規(guī)劃的打點路徑上的測量點在待測反射鏡的測量坐標系的三維坐標位置，i＝1,2,...N，N為測量數(shù)據(jù)點數(shù)。測量時，靶球觸點與待測反射鏡鏡面輕微接觸，注意劃傷玻璃，通過柔性力傳感器控制觸力的大小。

8)、根據(jù)步驟5)的轉換矩陣和步驟7)得到的靶球位置的測量數(shù)據(jù)和靶球球頭半徑，獲得待測反射鏡的CAD模型坐標系下的面形輪廓。

激光跟蹤儀所測得坐標點為靶球中心位置C1，靶球與待測鏡面的實際接觸點為C2，如圖4所示，需要將測量點進行半徑補償。依據(jù)測量點在非球面方程中的位置，對測量點坐標沿相應法線方向進行補償，補償后的坐標即為鏡面點坐標，即

式中r為靶球半徑。

將分析求解得到的統(tǒng)一坐標系下待測反射鏡上各點的坐標值與反射鏡理論坐標系下各點坐標值進行差值計算，即可得到反射鏡的實際面形輪廓。在統(tǒng)一坐標系下，對半徑補償后的坐標數(shù)據(jù)進行三次樣條差值計算，即可得到反射鏡上各點的位置坐標。