CN111805427B - 一种磁流变抛光设备的精度标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁流变抛光设备的精度标定装置及方法，可以实现自动化快速的标定过程，确保磁流变抛光设备加工各类光学工件表面时，抛光间隙保持在允许的误差范围内，进而有效控制去除函数，减少或消除加工后面形残差机械臂轨迹精度不足引入的低频、中频等误差，提高了基于机械臂的磁流变抛光设备的加工精度。

Description

一种磁流变抛光设备的精度标定装置及方法

技术领域

本发明涉及磁流变抛光设备技术领域，特别是涉及一种磁流变抛光设备的精度标定装置及方法。

背景技术

现有的磁流变抛光设备的运动载体主要是基于多轴联动的数控加工中心。随着科技的发展，磁流变抛光模块可以集成在机械臂上，即以机械臂作为磁流变抛光设备的运动载体，其具有运动速度和加速度大、运动灵活、加工效率高等优点，另外对于同样加工范围，造价远低于基于多轴数控加工中心，而且占地面积小。

但是与多轴联动数控机床相比，机械臂存在运动轨迹精度低的缺点，即机械臂末端无法精确执行光学加工过程中预先设定的轨迹，轨迹精度误差往往达到亚毫米量级，高精度数控机床运动轨迹精度往往比机械臂高一个数量级。这种运动轨迹精度低的原因和机械臂的多关节串联结构密切相关。运动轨迹精度低导致磁流变抛光轮与工件表面之间的“抛光间隙”不稳定或发生不可控的变化，进而导致去除函数不稳定或发生了不可预知的变化，最终表现为基于机械臂的磁流变抛光设备加工精度受限，加工后的面形残差中存在机械臂引入的典型的低频及中频等误差。

因此，如何使得磁流变抛光设备加工各类光学元件时，抛光间隙保持在允许的误差范围内，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种磁流变抛光设备的精度标定装置，可以有效提高磁流变抛光设备的加工精度，另一个目的是提供一种磁流变抛光设备的精度标定方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种磁流变抛光设备的精度标定装置，磁流变抛光设备包括抛光轮和用于安装所述抛光轮的支座，包括：弧形支架、传感器、信号采集模块、工控上位机和运动控制模块；

所述弧形支架可拆卸连接在支座上，所述弧形支架上具有与所述抛光轮相互贴合的弧形面，所述传感器固定在所述弧形支架上，用于检测抛光间隙；

所述信号采集模块与所述传感器连接，所述工控上位机分别与所述信号采集模块和所述运动控制模块连接，所述运动控制模块与磁流变抛光设备的控制系统连接，所述工控上位机用于给所述信号采集模块和所述运动控制模块发送指令，所述信号采集模块用于控制所述传感器采集数据，同时所述运动控制模块用于给所述控制系统发送指令，使所述抛光轮以预设加工轨迹进行运动。

优选地，所述传感器为位移传感器或压力传感器。

优选地，所述弧形支架上设有通孔，所述传感器的有效工作孔与所述通孔重合，且所述传感器的有效工作孔的中心与所述抛光轮球冠的顶点重合。

优选地，所述弧形支架上设有调节架，所述调节架上设有用于调整其上下高度的条形孔，所述调节架通过紧固件穿过所述条形孔固定在所述支座上。

优选地，所述调节支架上设有两组相互平行设置的所述条形孔。

一种磁流变抛光设备的精度标定方法，包括以下步骤：

在磁流变抛光设备上安装待加工光学元件，将工件坐标系与加工坐标系进行对准；

将精度标定装置的弧形支架安装在抛光轮的支座上；

控制所述传感器采集其与待加工光学元件之间的位移值，同时控制所述抛光轮以预设加工轨迹进行运动；

获取所述位移值和预设值之间的误差值；

判断所述误差值是否满足精度要求；

若是，则将误差值补偿到磁流变抛光设备的预设加工轨迹中；

若否，则根据所述误差值，对所述预设加工轨迹进行修正；

根据修正后的预设加工轨迹，重复获取所述位移值和所述预设值之间的误差值。

优选地，所述控制所述传感器采集其与待加工光学元件之间的位移值，同时控制所述抛光轮以预设加工轨迹进行运动的步骤具体为：

通过工控上位机给信号采集电路以运动控制电路发出指令，所述信号采集电路控制所述传感器采集数据，同时所述运动控制电路给磁流变抛光设备的控制系统发出指令，以使所述抛光轮以预设加工轨迹进行运动。

优选地，所述获取所述位移值和预设值之间的误差值的步骤具体为：

对所述传感器采集的数据在所述工控上位机中进行处理，将采集到的各个位移值与预设值比对，得到误差值。

优选地，所述误差值包括低频误差、中频误差和高频误差。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明所提供的一种磁流变抛光设备的精度标定装置，当需要进行精度标定时，将设有传感器的弧形支架安装在支座上。本发明位移传感器的安装方式，保证了抛光轮和待加工光学元件的距离在精度标定时可以很短，该距离和实际加工时毫米量级的抛光间隙是相对应的，能够有效保证标定精度和实际使用时的精度。在标定完成之后，可将携带有传感器的弧形支架整体从支座上拆卸下来，之后可使用磁流变抛光设备进行实际光学元件的加工。

本发明所提供的一种磁流变抛光设备的精度标定方法，由于精度标定装置对数据的采集和机械臂运动同步，能够有效保证测量的数据和机械臂的运动位置相对应，保证了数据的有效性；对影响“抛光间隙”的所有频段误差均可以测量出来，对其中低频中频及系统误差部分的高频都能够进行有效补偿，进而提高设备精度；直接测量的误差可以转换为实际加工时的“抛光间隙”误差，而且二者仅相差一个线性部分，因此，更容易得到误差补偿后运动轨迹精度明显提高的实际加工代码。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施方式所提供的一种磁流变抛光设备的精度标定装置的结构示意图；

图2为图1中的A区域放大图；

图3为图2中未安装精度标定装置的示意图；

图4为图2中沿着Y正方向观察的示意图；

图5为图2中沿着Z正方向观察的示意图。

附图标记如下：

1为机械臂，2为光学元件，3为抛光轮，4为传感器，5为弧形支架，6为调节支架，7为支座，8为信号采集电路，9为工控上位机，10为运动控制电路，11为线缆，12为通孔。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参考图1～图5，图1为本发明一种具体实施方式所提供的一种磁流变抛光设备的精度标定装置的结构示意图；图2为图1中的A区域放大图；图3为图2中未安装精度标定装置的示意图；图4为图2中沿着Y正方向观察的示意图；图5为图2中沿着Z正方向观察的示意图。

本发明的一种具体实施方式提供了一种磁流变抛光设备的精度标定装置，磁流变抛光设备包括抛光轮和用于安装抛光轮的支座，包括：弧形支架、传感器、信号采集模块、工控上位机和运动控制模块。弧形支架上设有弧形面，传感器固定在弧形支架上，传感器优选为位移传感器，也可为压力传感器，以测量接触力来判断抛光间隙的大小。信号采集模块可通过信号与动力电缆与传感器连接，工控上位机可通过信号与动力电缆分别与信号采集模块和运动控制模块连接，运动控制模块可通过信号与动力电缆与磁流变抛光设备的控制系统连接。当需要进行精度标定时，将设有传感器的弧形支架安装在支座上，弧形支架与抛光轮相接触的一面设为弧形面，且该弧形面与抛光轮的曲率半径一致。其中，弧形支架上设有通孔，传感器的有效工作孔与通孔重合，且传感器的有效工作孔的中心与抛光轮球冠的顶点重合。为了保证该位置重合关系，可通过以下方面进行：a在机械设计时就尽可能保证，同时利用弧形支架与抛光轮完全贴合，传感器安装在特定位置；b使用三坐标或激光跟踪仪等坐标测量设备对安装标定装置后的磁流变抛光模块进行校核；c进行有效的误差补偿。本发明位移传感器的安装方式，保证了抛光轮和待加工光学元件的距离在精度标定时可以很短，该距离和实际加工时毫米量级的抛光间隙是相对应的，能够有效保证标定精度和实际使用时的精度。也可理解为本发明的精度标定状态下和实际加工状态下机械臂各个关节的位置姿态一致性好，能够有效提高实际加工时抛光间隙的精度。在标定完成之后，可将携带有传感器的弧形支架整体从支座上拆卸下来，即一旦标定一次后，再次使用时，各子部件的位置关系不用再重新标定。当具体进行精度标定时，工控上位机给信号采集模块和运动控制模块发送指令，信号采集模块控制传感器采集数据，同时运动控制模块给控制系统发送指令，使抛光轮以预设加工轨迹进行运动，对传感器采集的数据在工控上位机中进行处理，将采集到的各个位移值与预设值比对，得到误差值，判断该误差值是否满足精度要求，若不满足，则根据该误差值对预设加工轨迹进行补偿，并继续获取误差值，直至满足精度要求，当误差值满足精度要求之后，将该误差值补偿到磁流变抛光设备的预设加工轨迹中，即可完成精度标定作业，在拆除标定装置之后，可使用磁流变抛光设备进行实际光学元件的加工。

进一步地，弧形支架上设有调节架，调节架上设有条形孔，其中优选设置两条相互平行的条形孔，调节架通过紧固件穿过条形孔固定在支座上，通过条形孔能够便于调整调节架的高度位置，进而调整传感器的高度位置。

本发明的一种具体实施方式还提供了一种磁流变抛光设备的精度标定方法，包括以下步骤：

步骤1：工件预对准，在磁流变抛光设备上安装待加工光学元件，该光学元件可以是平面、球面、非球面、自由曲面等，也可以是凸面或凹面，也可以是光学玻璃、SiC陶瓷、合金等各类材料，可以是反射镜也可以是透镜。可利用现有的方法将工件坐标系与加工坐标系进行对准。

步骤2：精度标定装置安装，将精度标定装置的弧形支架安装在抛光轮的支座上，具体地，先将上述实施例提供的精度标定装置进行组装，在设计时，应尽量使传感器的有效工作孔的中心位于磁流变抛光轮球冠的顶点位置；在硬件设计完成之后预留出调整量，在第一次使用时利用高精度三坐标或高精度激光追踪仪等空间坐标测量装置进行校核，一旦校核完成，传感器和弧形支架不再进行拆卸，其相对位置固定，调节支架与支座通过快装快拆进行可复位的连接，因此在后续其它工件的加工中，传感器的有效工作孔的位置无需再校核。

步骤3：加工轨迹规划，按照待加工光学元件的几何参数、初始面形误差等确定合理的加工轨迹，该加工轨迹可以使光栅扫描式，也可以是螺旋线或同心圆式，或者是随机式等复杂轨迹。

步骤4：机械臂可执行代码，在该步骤中，结合待加工光学元件的几何参数及机器人磁流变抛光设备的运动轴参数，将加工轨迹转换为机械臂可执行代码。转换后的代码保证两点：1、在不考虑机械臂运动精度的情况下，保证磁流变抛光轮上安装的传感器与待加工光学元件表面的距离尽量靠近，即在有效工作范围内，且在光学元件全口径不同区域内让该距离保持一致，该距离与“抛光间隙”概念相对应；2、给加工轨迹上的驻留点之间设定速度，可以是所有驻留点之间的速度相同即机械臂带动磁流变抛光模块做匀速运动，也可以是驻留点之间的速度不同，还可以是按照实际光学元件的面形误差计算出的实际驻留时间转化的速度。其中机械臂执行的代码中设备运动速度可调，保证了标定过程可以缩短时间，减少对实际加工周期的占用。

步骤5：机械臂开机待运行，利用工控上位机将步骤4中的可执行代码自动导入到机械臂的运动控制模块中，并将机械臂开机调整到运动准备状态。

步骤6：精度标定装置参数设置，对精度标定装置的传感器进行参数设置，在工控上位机中设定采样频率、工作范围、动态范围等。

步骤7：精度标定装置开机待运行，将精度标定装置中的信号采集电路及传感器等开机并调整至待运行状态。

步骤8：精度标定装置和磁流变抛光设备同步运行，利用工控上位机分别给信号采集电路及运动控制电路发出指令，信号采集电路控制位移传感器开始数据采集，同时运动控制电路给机械臂控制系统发出指令机械臂开始按步骤4的代码进行运动。即在此步骤中实现标定装置和机器人磁流变设备同步运行，二者应保证在同一时钟下进行。由于精度标定装置对数据的采集额机械臂运动同步，能够有效保证测量的数据和机械臂的运动位置相对应，保证了数据的有效性。

步骤9：数据处理，对信号采集电路采集的数据在工控上位机中进行处理，将采集到的各个位移数据与设定的位移理论值对比，得到误差值。在误差值中将各类误差提取出来，包括低频误差、中频误差和高频误差。其中低频误差来源于失对准：a步骤1工件预对准产生的低阶误差；b步骤2中位移传感器的有效工作孔与磁流变抛光轮球冠顶点的不重合产生的低阶误差，这些低频误差在采集到的数据中主要以倾斜、离焦、像散和彗差等形式存在。中频误差主要是由机械臂在运动过程中产生。高频误差主要由机器人磁流变抛光设备在运动中的振动等产生。将低频误差、中频误差及部分高频误差(系统性误差部分)提取出来。

步骤10：误差补偿，将步骤9中提取的低频误差、中频误差及部分高频误差，进行误差补偿，即在步骤3的加工轨迹中考虑已经测量得到的误差。

步骤11：机械臂可执行代码修正，根据步骤10中的误差补偿，结合光学元件的几何参数及机器人磁流变抛光设备的运动轴参数，将加工轨迹再次转换为机械臂可执行代码。

步骤12：机械臂待运行，利用工控上位机将步骤11中的代码自动导入到机械臂的运动控制系统中，调整机械臂装调为待运行状态。

步骤13：标定装置参数设置，可以根据步骤10中测量结果在工控上位机9中优化采样频率、工作范围、动态范围参数设置，也可以不用再次设定。

步骤14：精度标定装置待运行，此步骤中，利用工控上位机将信号采集电路和位移传感器等调整至待运行状态。

步骤15：同步运行，此步骤与步骤8一样，利用工控上位机9分别给信号采集电路8及运动控制电路10发出指令，信号采集电控8控制位移传感器4开始数据采集，同时运动控制电路10给机械臂控制系统发出指令机械臂开始按步骤11的代码进行运动。即在此步骤中实现标定装置和机器人磁流变设备同步运行，二者应保证在同一时钟下进行。但是此步骤运行的机械臂可实行代码是步骤11误差补偿后的代码。

步骤16：数据处理，再次对信号采集电路8采集的数据在工控上位机9中进行处理，将采集到的各个位移数据设定的理论值进对比，得到误差值。

步骤17：判断误差值是否满足精度条件，该步骤中将步骤16的误差数据与所需求的精度进行对比。这里主要对比的是低频误差、中频误差及高频误差的系统性误差部分，是否已经达到机器人磁流变抛光设备要求，该要求由相应的光学加工工艺对“抛光间隙”的要求决定。

如果不满足需求的精度条件，则根据误差值，对预设加工轨迹进行修正；根据修正后的预设加工轨迹，重复获取位移值和预设值之间的误差值，即重复进行步骤10～16。其中采用工控上位机对标定装置及机械臂采取自动化同步控制，参数等预先设定后，误差标定的关键步骤10～17采取自动化过程，不需人工参与。

如果满足需求的精度条件，则进行下一步。

步骤18：误差补偿加工代码，当步骤17判断满足精度条件，则进行此步骤，将误差值补偿到磁流变抛光设备的预设加工轨迹中。在该步骤中将步骤10中误差补偿时的各类误差，累计补偿到加工代码里，该加工代码由加工轨迹及根据实际面形误差计算出的驻留时间等综合得到。这里要注意的是步骤9和16测量的位移值并不是真正的“抛光间隙”，而是步骤4中提到的磁流变抛光轮上安装的位移传感器4与被加工光学元件表面的之间距离，但是这个位移值和“抛光间隙”是相对应的。因此在该步骤中进行误差补偿后的代码转换时，应考虑标定出的位移值和“抛光间隙”之间的差异，将二者之间的线性差异剔除，进而得到真正补偿后的能够保证“抛光间隙”恒定的加工代码。

步骤19：精度标定装置移除，完成步骤18后，在实际进行光学元件加工前，整体拆除精度标定装置，以备后续使用。

步骤20：实际工件加工，完成上述所有标定后，即可使用机器人磁流变抛光设备进行实际光学元件的加工。

综上所述，本发明提供的一种磁流变抛光设备的精度标定装置及方法，可以实现自动化快速的标定过程，确保磁流变抛光设备加工各类光学工件表面时，抛光间隙保持在允许的误差范围内，进而有效控制去除函数，减少或消除加工后面形残差机械臂轨迹精度不足引入的低频、中频等误差，提高了基于机械臂的磁流变抛光设备的加工精度。其至少具备以下优点：

1、可标定的误差频带范围广，对影响“抛光间隙”的所有频段误差均可以测量出来，对其中的低频、中频及系统误差部分的高频能够进行有效补偿，进而提高设备加工精度。

2、适用性强：光学元件可以是平面、球面、非球面、自由曲面等，也可以是凸面或凹面，也可以是光学玻璃、SiC陶瓷、合金等各类材料；本标定的设备也不仅仅限于机器人磁流变抛光设备，对于基于机械臂的其他设备或者基于多轴联动机床的设备均可直接采取或借鉴本发明的内容进行精度标定和提升

3、本发明标定精度高，目前已有的位移传感器的精度一般都可以达到微米量级，在此基础上本发明通过反复迭代进行误差补偿，可以有效的提高精度；本发明测量的误差量是与最终需求“抛光间隙”相对应的位移量，二者相差线性关系，这也能够保证本发明的标定精度；标定过程的机械臂运动轨迹和实际加工时的运动轨迹相吻合，保证了标定和实际加工的精度一致性。

4、提高了设备对光学元件实际加工的精度：对机械臂自身运动轨迹精度进行提高，保证了“抛光间隙”的恒定，进而保证了磁流变去除函数的稳定，这是最主要的提高加工精度的方面；另一个方面，本发明标定步骤也补偿了工件对准等误差，进一步提高了实际加工精度。

5、标定效率高：标定硬件快装快拆；标定时机械臂代码中的运行速度可调；较为自动化的误差测量及迭代补偿过程。

6、适用的结构范围广。不仅适用于工件(反射镜2)在下，工具(磁流变抛光模块及机械臂3)在上。也适用于其他形式，比如图1中反射镜2与磁流变抛光模块(包括磁流变抛光轮)的位置相关置换，即反射镜被机械臂抓取在上方而磁流变抛光模块在下方，也就是工件在上工具在下的形式。工件在下工具在上或工件在上工具在下的结构形式，也可以进行水平放置。所有符合本发明中工件工具位置相对关系原则的形式，本发明都适用。

另外，本发明是通过保证“抛光间隙”恒定，来保证磁流变抛光去除函数的稳定。也可以替代为保证“抛光间隙”产生可控的变化，来保证磁流变抛光去除函数发生可控的变化。基于这种可控的变化也同样能进行光学元件的高精度加工。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种磁流变抛光设备的精度标定装置，磁流变抛光设备包括抛光轮和用于安装所述抛光轮的支座，其特征在于，包括：弧形支架、传感器、信号采集模块、工控上位机和运动控制模块；

所述弧形支架可拆卸连接在支座上，所述弧形支架上具有与所述抛光轮相互贴合的弧形面，所述传感器固定在所述弧形支架上，用于检测抛光间隙；

所述信号采集模块与所述传感器连接，所述工控上位机分别与所述信号采集模块和所述运动控制模块连接，所述运动控制模块与磁流变抛光设备的控制系统连接，所述工控上位机用于给所述信号采集模块和所述运动控制模块发送指令，所述信号采集模块用于控制所述传感器采集数据，同时所述运动控制模块用于给所述控制系统发送指令，使所述抛光轮以预设加工轨迹进行运动；

所述弧形支架上设有通孔，所述传感器的有效工作孔与所述通孔重合，且所述传感器的有效工作孔的中心与所述抛光轮球冠的顶点重合；

所述弧形支架上设有调节架，所述调节架上设有用于调整其上下高度的条形孔，所述调节架通过紧固件穿过所述条形孔固定在所述支座上。

2.根据权利要求1所述的精度标定装置，其特征在于，所述传感器为位移传感器或压力传感器。

3.根据权利要求1所述的精度标定装置，其特征在于，所述调节架上设有两组相互平行设置的所述条形孔。

4.一种磁流变抛光设备的精度标定方法，其特征在于，包括采用权利要求1至3任一项所述的精度标定装置，所述精度标定方法包括以下步骤：

在磁流变抛光设备上安装待加工光学元件，将工件坐标系与加工坐标系进行对准；

将精度标定装置的弧形支架安装在抛光轮的支座上；

控制传感器采集其与待加工光学元件之间的位移值，同时控制所述抛光轮以预设加工轨迹进行运动；

获取所述位移值和预设值之间的误差值；

判断所述误差值是否满足精度要求；

若是，则将误差值补偿到磁流变抛光设备的预设加工轨迹中；

若否，则根据所述误差值，对所述预设加工轨迹进行修正；

根据修正后的预设加工轨迹，重复获取所述位移值和所述预设值之间的误差值。

5.根据权利要求4所述的精度标定方法，其特征在于，所述控制传感器采集其与待加工光学元件之间的位移值，同时控制所述抛光轮以预设加工轨迹进行运动的步骤具体为：

通过工控上位机给信号采集电路以运动控制电路发出指令，所述信号采集电路控制所述传感器采集数据，同时所述运动控制电路给磁流变抛光设备的控制系统发出指令，以使所述抛光轮以预设加工轨迹进行运动。

6.根据权利要求5所述的精度标定方法，其特征在于，所述获取所述位移值和预设值之间的误差值的步骤具体为：

对所述传感器采集的数据在所述工控上位机中进行处理，将采集到的各个位移值与预设值比对，得到误差值。

7.根据权利要求6所述的精度标定方法，其特征在于，所述误差值包括低频误差、中频误差和高频误差。

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