一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正系统及矫正方法技术方案

本发明专利技术提供了一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正系统及矫正方法，所述系统包括工件转台、测量装置，所述工件转台能够绕中心轴旋转；测量装置包括摆臂转台、测量臂、测头装卡微调装置和测头；所述摆臂转台用于带动所述测量臂绕摆臂转台的中心轴旋转；所述测头用于对待测工件的面形参数进行测量，所述测头包括第一测头、第二测头和第三测头；第一测头和第二测头的间距、与第二测头和第三测头的间距相等。矫正系统可以通过工件转台以及摆臂转台的转动，从不同方向采集待测工件的镜面参数，进而根据采集的参数进行方程求解除测试过程的系统误差，有效提高了检测精度。

A multi head attitude self correcting system and its correction method for swing arm contour detection

The invention provides an attitude self correction system and a correction method for a swinging arm contour detection. The system includes a workpiece turntable and a measuring device. The workpiece turntable can rotate around the center axis, and the measuring device includes a swing arm turntable, a measuring arm, a micro adjustable mounting of a head mounting card and a measuring head; the swing arm turntable is used for the belt. The measuring arm is rotated around the central axis of the swing arm turntable, and the measuring head is used to measure the surface parameters of the measuring workpiece, which includes the first probe, the second head and the third measuring head, and the distance between the first and the second heads is equal to the distance between the second measuring head and the third head. The correction system can collect the mirror parameters of the workpieces from different directions through the rotation of the workpiece turntable and the swing arm turntable, and then the system error of the test process is relieved according to the parameters collected, and the detection precision is improved effectively.

【技术实现步骤摘要】
一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正系统及矫正方法
本专利技术涉及光学元件面形检测领域，尤其涉及摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正方法和系统。
技术介绍
近年来，碳化硅材料由于其优越的材料性能(如比刚度大、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等)被广泛应用于空间光学元件的制造。相比于传统的玻璃材料，碳化硅材料硬度更大，加工效率更低。大口径光学元件的加工一般分为铣磨、研磨、抛光三个阶段。铣磨阶段由铣磨机床对毛坯件进行材料去除，研磨、抛光阶段实现对面形的逐步加工成形。由于抛光阶段材料去除效率远低于研磨阶段。为了提高光学元件(如反射镜)面形的整体加工效率，提高研磨阶段面形加工精度实现尽可能精确地材料去除，进而缩短抛光阶段所需时间是一种行之有效的方法。然而，限制研磨精度的因素主要来自于研磨阶段的面形检测精度，因此提供一种适用于研磨阶段面形高精度检测的技术手段就显得十分有价值。摆臂式轮廓仪作为一种有效指导大口径反射镜研磨阶段面形加工的检测手段，目前已经实现了面形检测精度达2～3umPV，但还需要进一步改进以满足更高精度的检测需求。
技术实现思路
为此，需要提供一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正的技术方案，解决现有研磨阶段待测工件的面形精度检测需要满足高精度检测需求的问题。为实现上述目的，专利技术人提供了一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正系统，所述系统包括工件转台、测量装置，；工件转台包括台面，所述台面用于放置待测工件；所述测量装置设置于工件转台的上方，测量装置包括摆臂转台、测量臂、测头装卡微调装置和测头；所述测量臂通过测头装卡微调装置与测头连接，所述摆臂转台带动所述测量臂绕摆臂转台的中心轴旋转，在待测镜面上扫描所述测头用于对待测工件的面形进行测量，所述测头包括第一测头、第二测头和第三测头；所述第二测头设置于第一测头和第三测头之间，第一测头和第二测头的间距、与第二测头和第三测头的间距相等。进一步地，所述系统还包括信号采集卡和控制单元；所述信号采集卡用于采集测头测量得到的待测工件的面形参数；所述控制单元用于控制摆臂转台运转并同步记录摆臂转台读数和测头读数，所述待测面形结果为待测工件上各个采样点对应的面形高度值。进一步地，所述测头通过测头装卡微调装置与测量臂可拆卸连接。进一步地，所述方法包括以下步骤：步骤一：将第一测头、第二测头、第三测头通过测头装卡微调装置安装在测量臂上；步骤二：以第二测头为基准，调整摆臂转台和测量臂的位置，使得3个测头的扫描轨迹位于待测工件的镜面对应的最接近球面上；所述待测工件为非球面光学元件；步骤三：通过调整测头装卡微调装置使得第一测头、第三测头分别与第二测头的间隔相等；步骤四：控制单元根据采集到的数据信息建立姿态误差参量与待测面形相关的方程，并解算出检测过程中的系统误差；所述数据信息包括三个测头相对于待测光学元件表面在多个不同方向上的斜率；步骤五：根据系统误差解算出待测工件的镜面的面形结果fi,，解算方程如下：Si1＝aiX1i+biY1i+ci+f1iSi2＝aiX2i+biY2i+ci+f2iSi3＝aiX3i+biY3i+ci+f3i其中，Si1、Si2、Si3分别为三个测头的在i测量位置处的读数，f1i，f2i，f3i分别为三个测头对应测量位置的待测工件的镜面的实际面形；x、y、z为待测位置的坐标值，具体如下：x＝r*sinξ*cosη；y＝r*sinξ*sinη；z＝r+r*cosξ；其中，r＝Rfit；Rfit为待测工件的镜面对应的最接近球面的半径；其中，L为臂长，θ为倾斜角，β为摆臂转台旋转角度，α为工件转台旋转角度。本专利技术提供了一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正方法和系统，所述系统包括工件转台、测量装置，所述工件转台绕转台轴旋转，工件转台包括台面，所述台面用于放置待测工件；所述测量装置设置于工件转台的上方，测量装置包括摆臂转台、测量臂、测头装卡微调装置和测头；所述测量臂通过测头装卡微调装置与测头连接，所述摆臂转台用于带动所述测量臂绕旋转；所述测头用于对待测工件的面形进行测量，所述测头包括第一测头、第二测头和第三测头；所述第二测头设置于第一测头和第三测头之间，第一测头和第二测头的间距、与第二测头和第三测头的间距相等。矫正系统可以通过工件转台以及摆臂转台的转动，从不同方向采集待测工件的镜面参数，进而根据采集的参数进行方程求解除测试过程的系统误差，并将系统误差从多测头的检测数据中剔除以获得矫正后的镜面面形的检测结果，有效提高了检测精度。附图说明图1为本专利技术一实施例涉及的摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正系统的结构示意图；图2为本专利技术一实施例涉及的3个测头正面排列的示意图；图3为本专利技术一实施例涉及的摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正系统的姿态参量的原理示意图；图4为本专利技术一实施例涉及的摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正方法的流程图；图5为本专利技术一实施例涉及的非球面待测工件与其最接近球面的偏离量的示意图；图6为本专利技术一实施例涉及的摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正系统的各个参数示意图；附图标记：1、摆臂转台；2、测量臂；3、配重；4、测头装卡微调装置；5、测头；6、待测工件；7、工件转台；8、第一测头；9、第二测头；10、第三测头。具体实施方式为详细说明技术方案的
技术实现思路
、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。请参阅图1和图2，本专利技术提供了一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正系统。所述系统包括工件转台7、测量装置，所述测量装置设置于工件转台的上方。所述工件转台7绕中心轴旋转；工件转台7包括台面，所述台面用于放置待测工件6。在本实施方式中，所述待测工件为非球面光学元件。测量装置包括摆臂转台1、测量臂2、测头装卡微调装置4和测头5；所述测量臂2通过测头装卡微调装置4与测头5连接，并且通过调节配重2保证测量臂两端平衡；所述摆臂转台1用于带动所述测量臂2绕中心轴旋转。所述测头5用于对待测工件的面形参数进行测量，所述测头5包括第一测头8、第二测头9和第三测头10；所述第二测头9设置于第一测头8和第三测头10之间，第一测头8和第二测头9的间距、与第二测头9和第三测头10的间距相等。在使用过程中，通过工件转台以及摆臂转台分别绕各自的轴转动，可以从不同方向采集待测工件的镜面参数，进而根据采集的参数进行方程求解测试过程的系统误差，并将系统误差从多测头的检测数据中剔除以获得矫正后的镜面面形的检测结果，有效提高了检测精度。在实施例中，所述系统还包括信号采集卡和控制单元。所述信号采集卡用于采集测头测量得到的待测工件的面形参数；所述控制单元用于控制摆臂转台旋转并同时记录下摆臂转台角度和三个测头的读数，所述待测面形结果为待测工件上各个采样点对应的面形高度值。在某些实施例中，所述测头通过测头装卡微调装置与测量臂可拆卸连接。这样，当某一个测头发生损坏时，可以及时拆下进行更换，降低维护成本。请参阅图4，为本专利技术一实施例涉及的摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正方法的流程图。所述方法包括以下步骤：首先进入步骤S401将第一测头、第二测头、第三测头通过测头装卡微调装置安装在测量臂上。三个测头具有沿着某个方向角度旋转的自由度，以便适应不同的待测工件，三个测头的设置为在如图1所示的零位状态下垂直于待测工件的镜面。而后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正系统，其特征在于，所述系统包括工件转台、测量装置，所述工件转台能够绕中心轴旋转；工件转台包括台面，所述台面用于放置待测工件；所述测量装置设置于工件转台的上方，测量装置包括摆臂转台、测量臂、测头装卡微调装置和测头；所述测量臂通过测头装卡微调装置与测头连接，所述摆臂转台用于带动所述测量臂绕摆臂转台的中心轴旋转；所述测头用于对待测工件的面形参数进行测量，所述测头包括第一测头、第二测头和第三测头；所述第二测头设置于第一测头和第三测头之间，第一测头和第二测头的间距、与第二测头和第三测头的间距相等。

【技术特征摘要】
1.一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正系统，其特征在于，所述系统包括工件转台、测量装置，所述工件转台能够绕中心轴旋转；工件转台包括台面，所述台面用于放置待测工件；所述测量装置设置于工件转台的上方，测量装置包括摆臂转台、测量臂、测头装卡微调装置和测头；所述测量臂通过测头装卡微调装置与测头连接，所述摆臂转台用于带动所述测量臂绕摆臂转台的中心轴旋转；所述测头用于对待测工件的面形参数进行测量，所述测头包括第一测头、第二测头和第三测头；所述第二测头设置于第一测头和第三测头之间，第一测头和第二测头的间距、与第二测头和第三测头的间距相等。2.如权利要求1所述的摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正系统，其特征在于，所述系统还包括信号采集卡和控制单元；所述信号采集卡用于采集测头测量得到的待测工件的面形参数；所述控制单元用于控制摆臂转台运转并同步记录摆臂转台读数和测头读数，所述待测面形结果为待测工件上各个采样点对应的面形高度值。3.如权利要求1所述的摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正系统，其特征在于，所述测头通过测头装卡微调装置与测量臂可拆卸连接。4.一种摆臂式轮廓检测的多测头姿态自矫正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一：将第一测头、第二测头、第三测头通过测头装卡微调装置安装在测量臂上；步骤二：以第二测头为基准，调整摆臂转台和测量臂的位置，使得3个测头的扫描轨迹位于待测工件的镜面对应的最接近球面上；所述待测工件为非球面光学元件；步骤三：通过调整测头装卡微调装...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊玲，罗霄，胡海翔，薛栋林，张峰，张学军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22