一种大口径反射镜面形轮廓在位检测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种大口径反射镜面形轮廓在位检测方法及装置，该检测系统主要由机械手、激光跟踪仪主机、待测反射镜及其支撑工装，反射镜基准定位装置、靶球、机械手的接口装置组成。机械手的接口装置包括磁力座、柔性力传感器、机械手接口。待测反射镜置于反射镜支撑工装上，靶球能够与待测反射镜接触，并通过磁性吸在磁力座上。机械手能够按照预先规划的路径使靶球在待测反射镜加工面上打点扫描，实现待测反射镜的面形轮廓扫描，直至扫描路径覆盖整个待测反射镜的加工面，通过数据处理，获得待测反射镜加工面的面形轮廓分布。本发明专利技术保持被测反射镜检测状态与加工状态一致，特别适合于大口径反射镜铣磨及研磨阶段的面形轮廓在线检测。

Method and device for on line inspection of large caliber reflecting mirror contour

The invention provides a large aperture mirror contour position detecting method and device, the detection system is mainly composed of manipulator, laser tracker, host tested mirror and its support tool, component interface device mirror reference positioning device and the target ball, manipulator. The interface device of the manipulator includes a magnetic base, a flexible force sensor and a manipulator interface. The reflector is placed on the reflector support assembly, and the target ball can be contacted with the mirror to be measured and sucked into the magnetic base by magnetism. The manipulator can make the target ball scanning mirror processing in dot the surface to be measured in accordance with the path pre planning, implementation of surface profile scans the measured mirror, until the scanning path covers the whole measured mirror surface processing, through data processing, get tested fabricaton surface profile. The invention keeps the measured state of the detected mirror in accordance with the processing state, and is especially suitable for the on-line profile inspection of the grinding and grinding stage of the large caliber mirror.

【技术实现步骤摘要】
一种大口径反射镜面形轮廓在位检测方法及装置
本专利技术涉及一种光学加工检测领域的测量方法和装置，特别是涉及大口径反射镜在铣磨及研磨阶段的面形轮廓检测方法及装置。
技术介绍
随着科学技术的发展，大口径非球面反射镜在天文、空间光学和军事领域得带越来越广泛的应用，对光学加工的效率和质量要求越来越高，提出了新的挑战。针对大口径反射镜铣磨及研磨阶段的面形测量，国内普遍采用刀口仪和三坐标测量机进行测量，其中，刀口仪测量非球面首先要将研磨阶段的反射镜进行表面抛光，然后再利用相应测试光路进行测量，这种方式费时费力，且无法进行量化，只能依靠工艺人员经验判断；采用三坐标测量机进行非球面面形轮廓检测，可以获取较高的面形测量精度，但需要在加工工位与检测工位之间进行频繁的吊运安装，效率低、风险大。因此，亟需采用高精度的在位面形轮廓检测系统，解决大口径反射镜毛坯制作、铣磨及研磨加工阶段的轮廓测量中的高精度、高效率、高风险问题。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种大口径反射镜面形轮廓在位检测方法及装置，提高测量效率，针对大镜光轴竖直加工及检测状态，提出一种基于智能机械手和激光跟踪仪的面形轮廓在位测试系统。本专利技术解决的技术方案为：一种大口径反射镜面形轮廓在位检测装置，包括：机械手(1)、激光跟踪仪主机(2)、待测反射镜(3)、反射镜支撑工装(4)、反射镜基准定位装置(5)、靶球(6)、机械手的接口装置(7)；机械手的接口装置(7)，包括：磁力座(71)、柔性力传感器(72)、机械手接口(73)；磁力座(71)与机械手接口(73)实现刚性连接；柔性力传感器(72)安装在机械手接口(73)上；机械手(1)和机械手接口(73)刚性连接；机械手(1)位于反射镜支撑工装(4)旁；待测反射镜(3)置于反射镜支撑工装(4)上，待测反射镜(3)的加工面朝上；靶球(6)能够与待测反射镜(3)接触，靶球(6)通过磁性能够吸在磁力座(71)上；激光跟踪仪主机(2)的激光发射方向对准靶球(6)开口处；反射镜基准定位装置(5)安装在待测反射镜(3)的基准面上，反射镜基准定位装置(5)能够定义待测反射镜(3)的空间坐标系；待测反射镜(3)面形轮廓在位检测时，机械手(1)能够通过机械手的接口装置(7)控制靶球(6)与待测反射镜(3)的加工面轻微接触多次，机械手(1)能够控制靶球(6)与待测反射镜(3)的加工面的接触压力，避免靶球(6)划伤待测反射镜(3)的加工面，柔性力传感器(72)能够监控靶球(6)与待测反射镜(3)的接触压力；机械手(1)能够按照预先规划的路径使靶球(6)在待测反射镜(3)加工面上打点扫描，实现待测反射镜(3)的面形轮廓扫描，直至扫描路径覆盖整个待测反射镜的加工面；激光跟踪仪主机(2)实时测量靶球(6)中心的空间坐标集，并能够根据测量得到的靶球(6)中心的空间坐标集，确定待测反射镜(3)加工面的轮廓。机械手的接口装置(7)能够与机械手(1)分离，在机械手(1)上安装研抛工具，能够实现对待测反射镜(3)进行加工。机械手连接机械手的接口装置(7)与研抛工具的机械接口通用。一种大口径反射镜面形轮廓在位检测方法，步骤如下：步骤1：进行待测反射镜初定位，即在机械手(1)安装研抛工具，对待测反射镜(3)进行加工，加工后原位安装在反射镜支撑工装(4)上，清洗待测反射镜(3)。步骤2：卸去机械手(1)上的研抛工具，将磁力座(71)与机械手接口(73)连接。步骤3：规划靶球(6)在待测反射镜(3)加工面上的打点路径，规划的打点路要能够覆盖待测反射镜(3)的整个加工面。步骤4：通过激光跟踪仪主机(2)测量反射镜基准定位装置(5)的位置，定义待测反射镜的测量坐标系，即在待测反射镜(3)上设定三个特征测量点，三个特征测量点已经预先通过精密机床加工出来，位于待测反射镜(3)的侧面和加工面与侧面形成的镜面平台处，将反射镜基准定位装置(5)置于这三个特征测量点，将靶球(6)置于反射镜基准定位装置(5)上，使用激光跟踪仪测量主机(2)测量靶球(6)在这三个特征测量点的坐标，分别记为：m1(x1,y1,z1)、m2(x2,y2,z2)和m3(x3,y3,z3)根据靶球(6)在这三个特征测量点的坐标，建立待测反射镜的测量坐标系。步骤5：将步骤(4)建立的待测反射镜的测量坐标系与待测反射镜(3)的CAD模型坐标系的转换矩阵，即确定设定的三个特征测量点在待测反射镜(3)的CAD模型坐标系上的位置坐标M1(X1,Y1,Z1)、M2(X2,Y2,Z2)和M3(X3,Y3,Z3)，利用待测反射镜的测量坐标系的m1(x1,y1,z1)、m2(x2,y2,z2)和m3(x3,y3,z3)及待测反射镜(3)的CAD模型坐标系间的M1(X1,Y1,Z1)、M2(X2,Y2,Z2)和M3(X3,Y3,Z3)，通过齐次坐标变化，即能够求得两坐标系间的平移量和旋转量，即转换矩阵。步骤6：架设激光跟踪仪主机(2)，使激光跟踪仪主机的激光发射口与镜面最近端距离L满足公式L≥R·(ctanα-1)。式中R为待测反射镜的加工面半径，α为激光跟踪仪视野范围，ctan(·)为反正切函数。步骤7：控制机械手(1)按照步骤(3)规划的打点路径，利用靶球(6)对待测反射镜的面形轮廓开始测量，直至打点路径覆盖整个反射镜的加工面，激光跟踪仪主机(2)实时测量靶球(6)中心位置，记录靶球(6)位置的测量数据为P(xi,yi,zi)，xi,yi,zi分别为规划的打点路径上的测量点在待测反射镜的测量坐标系的三维坐标位置，i＝1,2,...N，N为测量数据点数。步骤8：根据步骤5的转换矩阵和步骤7得到的靶球位置的测量数据和靶球球头半径，获得待测反射镜的CAD模型坐标系下的面形轮廓。规划的打点路径使靶球(6)沿着激光跟踪仪主机激光发射方向以栅线的形式覆盖待测反射镜(3)的整个加工面。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术首次将激光跟踪仪的高精度与机械手的灵活性结合在一起，扩展了设备的应用领域。(2)本专利技术所测轮廓数据的精度为激光干涉仪的测量精度，不依赖于机械手的运动精度，测量精度较高。(3)本专利技术提出了研抛工具头与测量工具头快速切换的通用接口装置。(4)本专利技术激光跟踪仪、靶球等测量设备可自由摆放，快速拆卸，操作方便，可快速测量光轴竖直检测时反射镜铣磨/研磨阶段的面形，提高加工效率，适合于大镜制造单位使用。附图说明图1为本专利技术大口径反射镜面形轮廓在位检测系统原理图；图2为本专利技术激光跟踪仪靶球与机械手接口装置示意图；图3为本专利技术激光跟踪仪主机与靶球位置关系及测量路径规划示意图；图4本专利技术靶球半径补偿原理图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细描述。如图1所示为大口径反射镜面形轮廓在位检测系统原理图，主要由机械手(1)、激光跟踪仪主机(2)、待测反射镜(3)、反射镜支撑工装(4)，反射镜基准定位装置(5)、靶球(6)、机械手的接口装置(7)组成。大口径反射镜面形轮廓在位检测系统原理如图1所示，主要由机械手(1)、激光跟踪仪主机(2)、待测反射镜(3)、反射镜支撑工装(4)，反射镜基准定位装置(5)、靶球(6)、机械手的接口装置(7)组成。机械手的接口装置(7)，包括：磁力座(7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大口径反射镜面形轮廓在位检测装置，其特征在于包括：机械手(1)、激光跟踪仪主机(2)、待测反射镜(3)、反射镜支撑工装(4)、反射镜基准定位装置(5)、靶球(6)、机械手的接口装置(7)；机械手的接口装置(7)，包括：磁力座(71)、柔性力传感器(72)、机械手接口(73)；磁力座(71)与机械手接口(73)实现刚性连接；柔性力传感器(72)安装在机械手接口(73)上；机械手(1)和机械手接口(73)刚性连接；机械手(1)位于反射镜支撑工装(4)旁；待测反射镜(3)置于反射镜支撑工装(4)上，待测反射镜(3)的加工面朝上；靶球(6)能够与待测反射镜(3)接触，靶球(6)通过磁性能够吸在磁力座(71)上；激光跟踪仪主机(2)的激光发射方向对准靶球(6)开口处；反射镜基准定位装置(5)安装在待测反射镜(3)的基准面上，反射镜基准定位装置(5)能够定义待测反射镜(3)的空间坐标系；待测反射镜(3)面形轮廓在位检测时，机械手(1)能够通过机械手的接口装置(7)控制靶球(6)与待测反射镜(3)的加工面轻微接触多次，机械手(1)能够控制靶球(6)与待测反射镜(3)的加工面的接触压力，避免靶球(6)划伤待测反射镜(3)的加工面，柔性力传感器(72)能够监控靶球(6)与待测反射镜(3)的接触压力；机械手(1)能够按照预先规划的路径使靶球(6)在待测反射镜(3)加工面上打点扫描，实现待测反射镜(3)的面形轮廓扫描，直至扫描路径覆盖整个待测反射镜的加工面；激光跟踪仪主机(2)实时测量靶球(6)中心的空间坐标集，并能够根据测量得到的靶球(6)中心的空间坐标集，确定待测反射镜(3)加工面的轮廓。...

【技术特征摘要】
1.一种大口径反射镜面形轮廓在位检测装置，其特征在于包括：机械手(1)、激光跟踪仪主机(2)、待测反射镜(3)、反射镜支撑工装(4)、反射镜基准定位装置(5)、靶球(6)、机械手的接口装置(7)；机械手的接口装置(7)，包括：磁力座(71)、柔性力传感器(72)、机械手接口(73)；磁力座(71)与机械手接口(73)实现刚性连接；柔性力传感器(72)安装在机械手接口(73)上；机械手(1)和机械手接口(73)刚性连接；机械手(1)位于反射镜支撑工装(4)旁；待测反射镜(3)置于反射镜支撑工装(4)上，待测反射镜(3)的加工面朝上；靶球(6)能够与待测反射镜(3)接触，靶球(6)通过磁性能够吸在磁力座(71)上；激光跟踪仪主机(2)的激光发射方向对准靶球(6)开口处；反射镜基准定位装置(5)安装在待测反射镜(3)的基准面上，反射镜基准定位装置(5)能够定义待测反射镜(3)的空间坐标系；待测反射镜(3)面形轮廓在位检测时，机械手(1)能够通过机械手的接口装置(7)控制靶球(6)与待测反射镜(3)的加工面轻微接触多次，机械手(1)能够控制靶球(6)与待测反射镜(3)的加工面的接触压力，避免靶球(6)划伤待测反射镜(3)的加工面，柔性力传感器(72)能够监控靶球(6)与待测反射镜(3)的接触压力；机械手(1)能够按照预先规划的路径使靶球(6)在待测反射镜(3)加工面上打点扫描，实现待测反射镜(3)的面形轮廓扫描，直至扫描路径覆盖整个待测反射镜的加工面；激光跟踪仪主机(2)实时测量靶球(6)中心的空间坐标集，并能够根据测量得到的靶球(6)中心的空间坐标集，确定待测反射镜(3)加工面的轮廓。2.根据权利要求1所述的一种大口径反射镜面形轮廓在位检测装置，其特征在于：机械手的接口装置(7)能够与机械手(1)分离，在机械手(1)上安装研抛工具，能够实现对待测反射镜(3)进行加工；机械手连接机械手的接口装置(7)与研抛工具的机械接口通用。3.一种大口径反射镜面形轮廓在位检测方法，其特征在于步骤如下：步骤1：进行待测反射镜初定位，即在机械手(1)安装研抛工具，对待测反射镜(3)进行加工，加工后原位安装在反射镜支撑工装(4)上，清洗待测反射镜(3)；步骤2：卸去机械手(1)上的研抛工具，将磁力座(71)与机械手接口(73)连接；步骤3：规划靶球(6)在待测反射镜(3)加工面上的打点路径，规划...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永刚，孟晓辉，王慧军，邱宝玮，董惠文，王鹏，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11