一种大曲率自由曲面法向测量方法技术

本发明专利技术属于曲面测量领域，具体公开了一种大曲率自由曲面法向测量方法，将测量装置安装在五轴加工中心的B轴上，使得测量装置的测头的激光点聚焦于B轴回转中心的位置；将工件安装在五轴加工中心的C轴上；确定测量装置的测头原点在工件中心处的原点坐标；获取测头在机床的实时位置坐标；根据测头原点在工件中心处的原点坐标、自由曲面的离散点云数据以及B轴法向摆动角度的精确控制生成自由曲面法向摆动光栅式测量路径；在该路径中测头在X/Z/B三轴联动带动下沿自由曲面进行轮廓扫描，扫描过程中测头在法矢方向与自由曲面距离始终为为测头焦距；每完成一行的扫描，测头在Y轴方向按给定步长进给，完成下一行的轮廓扫描。完成下一行的轮廓扫描。完成下一行的轮廓扫描。

【技术实现步骤摘要】
一种大曲率自由曲面法向测量方法


[0001]本专利技术属于曲面测量领域，具体公开了一种大曲率自由曲面法向测量方法。

技术介绍

[0002]随着精密加工技术及光学设计水平的进步，对光学自由曲面元件的功能与性能的要求日趋多样化，其产品结构也越来越复杂，将复杂的自由曲面组合成光学系统， 优化了产品的结构与性能，各种高附加值的光电产品，已经转向具有微结构特点的、非回转对称的复杂自由曲面光学元件，它们是光电信息技术和光通信技术中不可缺少的关键元件。近年来，光学自由曲面元件被广泛地应用在国防和民用光电产品中，如激光装置、数码相机镜头、激光打印机扫描仪镜头、光纤连接器、 LED 照明系统等。将自由曲面引入光学成像系统，可减少透镜片数，缩小系统尺寸，减轻重量，提高系统成像质量和能量传输效率。元宇宙概念的提出，进一步推动了VR、AR、MR等泛现实技术的发展，光学自由曲面作为虚拟可穿戴设备的必要组件，其市场需求十分巨大，并且在迅猛增长中。
[0003]由于光学自由曲面高的面形精度要求，加工表面往往需要进行多次“成形
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测量
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补偿”的生产流程，因此超精密测量也是光学自由曲面加工的关键环节，对于自由曲面的超精密加工具有重要的意义。目前的测量系统主要包括离线式和在线式测量系统。应该比较广泛的商业测量设备多属于离线测量，即工件加工后从机床上取下，在离线测量仪器上进行测量，测量完毕后将工件重新装夹于机床，根据测量结果进行再次加工。这样就不可避免的增加了许多非加工时间，并且会引入二次装夹误差。而在线测量可以有效的解决这些问题，为后续的误差补偿提供便利，但是随着光学器件的不断升级换代，光学镜片的精度和安装要求不断提高，光学元件也由一体单镜慢慢向一体多镜、大曲率光学自由曲面发展，传统的在线测量方法很难实现大曲率光学自由曲面的测量要求，测量精度受测量角度的影响比较大。
[0004]在专利CN115540730A公开了一种高陡度或深凹复杂曲面的坐标测量系统与方法，通过在超精密机床的B轴上安装电感式测头，基于电感式测头良好的探测性能，以旁向触发的形式探测高陡度、深凹曲面的轮廓，并仅需移动机床的X/Z/C轴即可完成面形的采集，该方法减少了多轴运动的误差，即陡度在很大范围内变化时都不用改变测头的姿态，采集到的坐标值直接在机床XZC坐标系中。但该测量方法依然基于三坐标测量系统，测量过程中需要以一定的速度分别由Z方向和X方向靠近测量点，因此测量速度较慢，同时测量点数也有限，这也极大的限制了测量效率。同时测量过程中无法直接获得每个点的面形误差，需要后期对测量数据进行再次处理，数据分析过程复杂。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种大曲率自由曲面法向测量方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本专利技术的实施例提供了一种大曲率自由曲面法向测量方法，如下：步骤1 将测量装置安装在五轴加工中心的B轴上，使得测量装置的测头的激光点聚焦于所述B轴回转中心的位置；步骤2 将工件安装在五轴加工中心的C轴上；步骤3 确定测量装置的测头原点在工件中心处的原点坐标；步骤4 将数据采集装置与所述的测量装置、五轴加工中心的X/Y/Z/B/C轴的光栅信号的输出接口相连；步骤5 根据步骤3中确定的测头原点在工件中心处的原点坐标、自由曲面离散点的位置坐标以及B轴法向摆动角度生成自由曲面法向摆动光栅式测量路径；在该路径中所述的测头在X/Z/B三轴联动带动下沿自由曲面进行轮廓扫描，扫描过程中测头在法矢方向上始终与球面距离为测头焦距；每完成一行的扫描，测头在Y轴方向按给定步长进给，然后完成下一行的轮廓扫描。
[0007]作为进一步的技术方案，所述的测量装置通过夹具安装在所述的B轴上。
[0008]作为进一步的技术方案，所述的夹具包括上底座、下底座和夹持装置，所述的下底座顶部安装设有定位球柱，所述的上底座安装在所述的定位球柱上，所述的夹持装置固定在上底座上。
[0009]作为进一步的技术方案，所述的测量装置为光谱共聚焦位移传感器。
[0010]作为进一步的技术方案，所述的数据采集装置为FPGA板卡控制器。
[0011]作为进一步的技术方案，所述的FPGA板卡控制器分别设计X/Y/Z/B/C端口；X/Y/Z/B/C端口与五轴加工中心的X/Y/Z/B/C轴的光栅信号细分盒输出接口相连接；FPGA板卡控制器上的传感器触发端口与测量装置的控制器端口相连接。
[0012]作为进一步的技术方案，步骤1中利用光学对刀仪和回转检棒对所述测头的激光点聚焦位置进行调节。
[0013]作为进一步的技术方案，步骤3的具体过程如下：移动机床X轴和Y轴，将测头激光原点调节至工件中心位置处，然后对该中心位置坐标进行校准；以该中心位置坐标为坐标原点，在自由曲面X方向和Y方向分别取两个对称点、和、；X方向测量原点校准时，利用测头分别测量两个对称点与的误差值，根据误差值计算X方向原点偏移量，对测量中心的原点进行修正，修正后坐标原点为，根据修正后的测量原点坐标重新计算自由曲面同样位置两对称点的位置坐标、，对两对称点进行再次测量，计算X方向的原点偏移量，再次对测量中心的原点进行修正，得到，对上述校准过程进行多次迭代直到X方向原点偏移量小于1μm，此时原点坐标为；重复上述步骤，对Y轴方向原点进行校准，直至Y方向原点偏移量也小于1μm，最终得到测头测量的原点坐标为。
[0014]作为进一步的技术方案，B轴法向摆动角度如下：(1)
式中，和为自由曲面表面离散点在X和Z方向的法向量。
[0015]作为进一步的技术方案，所述的由曲面表征为三维离散点云的获取方式为：将自由曲面垂直投影至 XY 平面上，由最大、最小值形成一个矩形区域，对矩形区域进行网格划分得到(x，y)坐标，对 X 轴、Y 轴网格化处理的精δx、δy 取决于加工精度的要求及点云的疏密程度。对于每一个网格坐标点(x，y)存在对应的Z 轴坐标值，即对于 XY 平面上的点和 Z 轴高度值存在一一对应的单值函数关系，自由曲面可以表示为三维离散点云(x，y，z)。
[0016]上述本专利技术的实施例的有益效果如下：本专利技术针对一体多镜大曲率光学自由曲面元件开发了非接触式在位法向测量方法及相关系统组件。借助超精密五轴联动加工机床、光谱共聚焦位移传感器和高精度的可拆卸在位测量夹具，通过对B轴旋转角度的精确控制与反馈以及X\Y\Z\B四轴的联动控制来保证测头在测量过程中始终沿工件的法线方向按设计好的测量路径进行光栅式扫描，从而直接获得被测工件每个测量点的形状误差。同时通过开发FPGA板卡控制器，与机床数据输出接口相连接，获取机床PMAC控制卡的坐标信息，并通过软件实现信号的输出，从而实现了坐标位置的实时采集，所有的采集和运动控制都是实现同步进行。该在位测量方法及系统可以直接获取的是被测面的面形误差，从而实现小量程传感器的大范围高精度测量，同时通过法向测量方式避免非接触测量过程中测量角度对测量精度的影响，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，如下：步骤1 将测量装置安装在五轴加工中心的B轴上，使得测量装置的测头的激光点聚焦于所述B轴回转中心的位置；步骤2 将工件安装在五轴加工中心的C轴上；步骤3 确定测量装置的测头原点在工件中心处的原点坐标；步骤4 将数据采集装置与所述的测量装置、五轴加工中心的X/Y/Z/B/C轴的光栅信号的输出接口相连；步骤5 根据步骤3中确定的测头原点在工件中心处的原点坐标、自由曲面离散点的位置坐标以及B轴法向摆动角度生成自由曲面法向摆动光栅式测量路径；在该路径中所述的测头在X/Z/B三轴联动带动下沿自由曲面进行轮廓扫描，扫描过程中测头在法矢方向上与自由曲面的距离始终为测头焦距；每完成一行的扫描，测头在Y轴方向按给定步长进给，然后完成下一行的轮廓扫描。2.如权利要求1所述的大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，所述的测量装置通过夹具安装在所述的B轴上。3.如权利要求2所述的大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，所述的夹具包括上底座、下底座和夹持装置，所述的下底座顶部安装设有定位球柱，所述的上底座安装在所述的定位球柱上，所述的夹持装置固定在上底座上。4.如权利要求1所述的大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，所述的测量装置为光谱共聚焦位移传感器。5.如权利要求1所述的大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，所述的数据采集装置为FPGA板卡控制器。6.如权利要求5所述的大曲率自由曲面法向测量方法，其特征在于，所述的FPGA板卡控制器分别设计X/Y/Z/B/C端口；X/Y/Z/B/C端口与五轴加工中心的X/Y/Z/B/C轴的光栅信号细分盒输出接口相连接；FPGA板卡控制器上的传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚鹏，于世孟，王一帆，包晓宇，王启林，褚东凯，屈硕硕，黄传真，王海军，刘宗磊，张志，
申请(专利权)人：歌尔光学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：