摆臂式轮廓仪旋转轴空间状态标定方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004]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】
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 猫眼通过固定装置安装在摆臂式轮廓仪的工件转台上。
【附图说明】
[0012]图1是本发明标定摆臂式轮廓仪旋转轴空间状态方法的示意图；
[0013]图2是摆臂式轮廓仪测量平面镜时横臂转轴和工件转台轴线的空间位置关系；
[0014]图3是摆臂式轮廓仪测量凸面镜时横臂转轴和工件转台轴线的空间位置关系；
[0015]图4是摆臂式轮廓仪测量凹面镜时横臂转轴和工件转台轴线的空间位置关系。
【具体实施方式】
[0016] 为使本发明的目的、技术方案和特点更加清楚明白，以下结合具体实施案例，并参 照附图，对本发明进一步详细说明。
[0017] 如图1所示，摆臂式轮廓仪旋转轴空间状态标定方法的设备包括：4台激光跟踪仪 1、2、3、4 ;横臂转轴5 ;横臂6 ;激光跟踪仪靶球7 ;摆臂式轮廓仪测头8 ;待测工件9 ;猫眼 10 ;工件转台11 ;摆臂转台12 ;配重13。其中：
[0018] 4台激光跟踪仪1、2、3、4在标定横臂轴线和工件转台轴线时分别跟踪激光跟踪仪 靶球7和猫眼10 ；
[0019] 激光跟踪仪靶球7和猫眼10通过特制的紧固装置安装在横臂6和工件转台11 上;
[0020] 横臂6安装在横臂转轴5上，当启动横臂转轴5时，横臂6绕横臂转轴5旋转；
[0021] 摆臂轮廓仪是通过摆臂式轮廓仪测头8在待测工件9表面接触扫描进行镜面面形 测量；
[0022] 工件转台11通过自身旋转，带动工件旋转，实现工件整个面的测量。
[0023] 摆臂式轮廓仪旋转轴标定方法的实施步骤：
[0024] 步骤S1 :安装激光跟踪仪1、2、3、4，使其处于布局适合摆臂式轮廓仪实际工况而 且由布局带来的测量误差最小的布局状态，安装靶球7在横臂6上且靠近摆臂式轮廓仪测 头8处。安装猫眼10于工件转台11上。调整靶球7、猫眼10、横臂6和工件转台11位置， 使横臂6和工件转台11在激光跟踪仪不断光的条件下旋转角度最大，记调整好的横臂6和 工件转台11的位置为初始零位。
[0025] 步骤S2 :使4台激光跟踪仪同时跟踪靶球7，并确保不断光。通过对横臂转轴5的 控制，使横臂6每旋转一定角度后，4台激光跟踪仪同时采样，采样点数目必须大于等于6， 为了提最终自标定的精度，可以适当增加采样点数。
[0026] 步骤S3 :利用S2获得的离散点三维坐标值和距离信息可以标定出系统的4台激 光跟踪仪的空间坐标，再将标定出的4台激光跟踪仪实际的坐标值通过算法转换为虚拟坐 标系下的坐标，此时就完成了测量系统的自标定，虚拟坐标系下4台激光跟踪仪的坐标形 式为：第一台（0，0，0)、第二台（a，0，0)、第三台（b，c，d)、第四台（e，f，g)。
[0027] 步骤S4 :调整横臂6到初始零位，安装好靶球7，设置4台激光跟踪仪采样模式和 横臂旋转角度。首先开启4台激光跟踪仪，保证4台激光跟踪仪不断光。然后启动横臂转 轴5，使横臂6绕其连续旋转一定角度，同时4台激光跟踪仪跟踪靶球并连续采样。记4台 激光跟踪仪获得的旋转弧线上的点到各个激光跟踪仪的距离信息Ml。
[0028] 步骤S5 :调整工件转台11到初始零位，安装好猫眼10，设置4台激光跟踪仪采样 模式和工件转台11旋转角度。首先开启4台激光跟踪仪，保证4台激光跟踪仪不断光。然 后启动工件转台11，使其连续旋转一定角度，同时4台激光跟踪仪跟踪猫眼并连续采样。记 4台激光跟踪仪获得的旋转弧线上的点到各个激光跟踪仪的距离信息为M2。
[0029] 步骤S6 :利用最小二乘法对Ml和M2两组数据进行处理，求出两组采样点在虚拟 坐标系下的三维坐标，分别记作D1和D2。
[0030] 步骤S7 :通过D1和D2可以拟合出两个扫描弧线所在的圆面C1和C2，分别拟合出 过圆面C1和C2圆心的圆面法线L1和L2，确定出L1和L2之