[发明专利]摆臂式轮廓仪旋转轴空间状态标定方法

说明书

技术领域

本发明属于仪器仪表领域，涉及摆臂式轮廓仪旋转轴空间状态的标定，适用于空间旋转轴线的位置标定及测量。

背景技术

摆臂式轮廓仪是一种有效的光学镜面加工过程的在位检测仪器，其最大的特点是直接安装在待测光学镜面旁，将待测光学镜面加工机床的转台作为摆臂式轮廓仪的工作转台使用，对待测镜面进行实时在位检测。摆臂式轮廓仪对不同面形镜面(凹面镜、凸面镜、平面镜等)的测量是通过调整横臂转轴轴线和工件转轴轴线之间的空间位置来实现的(见附图2、3、4)，通过分析可知，两个轴线之间存在比较小的标定误差时就会造成比较大的面形测量误差，所以高精度的标定两轴线的空间状态关系是实现高精度面形测量的前提。

摆臂式轮廓仪旋转部分是由气浮转台组成的，实际工作状态是在通气的情况下连续旋转运动的，在通气的情况下不连续旋转的轴线状态和通气的情况下连续旋转运动的轴线状态是不一样的，所以要对两条空间轴线进行标点，必须在实际测量状态下进行标定，这样才那能反映真实的轴线状态。

由于摆臂式轮廓仪旋转轴空间状态关系是一个三维空间内相对关系，要标定两轴状态关系必须在摆臂式轮廓仪处于连续旋转状态下进行标定，而且要实现高精度。目前常用的轴线标定方法不能满足摆臂式轮廓仪旋转轴线的标定工作。本发明中采用4台激光跟踪仪对摆臂式轮廓仪旋转轴空间状态进行标定。

发明内容

本发明要解决的技术问题：为了利用摆臂式轮廓仪实现对各种不同面形镜面的高精度测量，需要对摆臂式轮廓仪旋转轴线空间状态进行高精度的标定。本发明的目的是提供能够高精度标定摆臂式轮廓仪旋转轴线空间状态的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种摆臂式轮廓仪旋转轴空间状态标定方法。该方法是通过结合多边测量原理和4台激光跟踪仪冗余自标定技术来得到旋转弧线上点的三维坐标，利用弧线上点的坐标拟合出圆面，进而得出过圆心的法线，即旋转轴线。该方法由4台激光跟踪仪、靶球、猫眼和摆臂式轮廓仪组成。

多边测量原理：通过已知空间3个点的坐标和其到空间任意一点的距离，就可以确定出空间任意一点的空间坐标。多边测量原理只需要知道长度值，而不需要别的测量值就可以求出空间点的坐标。

4台激光跟踪仪冗余自标定方法：4台激光跟踪仪测量系统测量获得4个激光跟踪仪仪器坐标原点到靶球中心的距离，相比于多边测量原理就会冗余一个测距信息，冗余的一个距离信息可以实现四站激光跟踪仪测量系统的自标定。因此，要实现系统的自标定，只需要增加动点的数量，使得多出的冗余距离方程个数大于系统未知参数的个数。冗余自标定方法不需要额外的基准作为标定依据就可以实现高精度的标定，此方法可以更好的适应工作现场的标定条件。

4台激光跟踪仪安装位置最好处于最优布局，这样得到的数据误差最小。

靶球通过靶球座和固定装置安装在摆臂式轮廓仪横臂上并且靠近测头。

猫眼通过固定装置安装在摆臂式轮廓仪的工件转台上。

本发明提出一种摆臂式轮廓仪旋转轴空间状态标定方法，结合多边测量原理和4台激光跟踪仪冗余自标定方法实现摆臂式轮廓仪旋转轴空间状态的标定，采用激光跟踪仪、激光跟踪仪靶球、猫眼和摆臂式轮廓仪来实现该标定方法；

所述多边测量原理是通过已知空间3个点的坐标和已知3个点到空间任意一点的距离，就可以确定出空间任意一点的空间坐标，多边测量原理只需要知道已知点和空间任意一点之间的距离值长度值，而不需要别的测量值就可以求出空间点的坐标；

所述4台激光跟踪仪冗余自标定方法采用如下步骤：4台激光跟踪仪测量系统测量获得4个激光跟踪仪仪器坐标原点到靶球中心的距离，相比于多边测量原理就会冗余一个测距信息，冗余的一个距离信息能实现四站激光跟踪仪测量系统的自标定；因此，要实现系统的自标定，只需要增加动点即靶球测点的数量，使得多出的冗余距离方程个数大于系统未知参数的个数；所述4台激光跟踪仪冗余自标定方法的标定过程如下：激光跟踪仪通过测量激光跟踪仪仪器坐标原点到靶球球心的距离L，激光跟踪仪与靶球的水平夹角α和俯仰夹角β，即可求得靶球球心在激光跟踪仪坐标系下的坐标值，公式如下：

激光跟踪仪测距是基于激光干涉测量原理，测角通过角度码盘获得；4台激光跟踪仪冗余自标定方法只采用测距信息，而舍去激光跟踪仪的测角信息，能得到高精度自标定值。