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CN120685007A - 一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法及测量装置 - Google Patents

一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法及测量装置

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CN120685007A
CN120685007A CN202510903675.5A CN202510903675A CN120685007A CN 120685007 A CN120685007 A CN 120685007A CN 202510903675 A CN202510903675 A CN 202510903675A CN 120685007 A CN120685007 A CN 120685007A
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CN
China
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coordinates
axis
measured
ball head
measurement
Prior art date
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Application number
CN202510903675.5A
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Inventor
姚洪辉
卓少木
张嘉荣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangzhou Jingdian Technology Co ltd
Original Assignee
Guangzhou Jingdian Technology Co ltd
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Publication date
Application filed by Guangzhou Jingdian Technology Co ltd filed Critical Guangzhou Jingdian Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法及测量装置，该方法包括：记录球头圆心坐标；对球头圆心坐标迭代转换为测量坐标；补正测量坐标获得实测坐标；校正实测坐标获得被测物坐标。从而，在基于球头圆心坐标转换得到测量坐标之后，还根据测得的垂直度误差、直线度变化等数据对测量坐标补正，获得指示球头与被测物表面接触点的实测坐标，再校正得到被测物坐标，有效消除了球头圆心坐标换算过程所存在的必然误差，真实体现被测物表面的空间位置。

Description

一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法及测量装置
技术领域
本发明涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法及测量装置。
背景技术
在进行超精密加工生产时，除了加工设备需要具备相应精度的加工性能，对于加工得到的工件还需进行超精密测量，以确保工艺达标。若采用传统的千分表等设备手动测量，则测量效率过低，特别是在面对具备复杂曲面的工件时，其取样测量点的数量相较于表面平直工件将大幅增加，且手动测量依赖于测量者的经验，测量准确性难以保证。为此，现有采用球头在被测物表面进行接触测量的测量设备，测杆端部的球头于被测物表面遍历移动，通过测定球头移动的轨迹坐标，实现对被测物表面的间接测量。
可以理解的是，在测量被测物的水平表面时，球头与被测物的接触点处在测杆的垂直轴向上，而在测量被测物的曲面时，球头与被测物的接触点将偏离测杆的垂直轴向，转移至球头的侧面，从而接触点与球头圆心的连线相对测杆的垂直轴向产生夹角。由于现有测量设备都是记录球头的圆心坐标，因而在测量具备自由曲面的被测物时，基于球头的圆心坐标并不能直接推算接触点坐标，而接触点坐标才是实际的被测物实测坐标，这使得超精密测量时存在难以纠正的不规律误差。
发明内容
本发明实施例的第一方面公开了一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法，具体包括：
记录球头圆心坐标Po(x，y，z)；
对所述球头圆心坐标Po(x，y，z)迭代转换为测量坐标P1(x1，y1，z1)；
补正所述测量坐标P1(x1，y1，z1)获得实测坐标(x′，y′，z′)。
校正所述实测坐标(x′，y′，z′)获得被测物坐标(x2，y2，z2)。
作为一种可选的实施方式，所述方法包括：
所述球头圆心坐标Po(x，y，z)基于若干激光干涉仪和纳米电容传感器测得，设球头半径为r，设f(x，y)为被测物自由曲面的曲面方程，设fx ′(x，y)为f(x，y)面对x轴的一阶偏导，设fy ′(x，y)为f(x，y)面对y轴的一阶偏导，则Po(x，y，z)表达为如下坐标系：
作为一种可选的实施方式，所述记录球头圆心坐标Po(x，y，z)，包括：
针对双频激光和纳米电容传感器进行位移测量，换算获得所述球头圆心坐标Po(x，y，z)。
作为一种可选的实施方式，所述对所述球头圆心坐标Po(x，y，z)迭代转换为测量坐标P1(x1，y1，z1)，包括：
设置迭代目标参数ε，所述目标参数ε用于标定迭代转换的参数精度；
对所述球头圆心坐标与其对应的测量坐标求取绝对差值；
若所述绝对差值符合||Po(x，y，z)-P1(x1，y1，z1)||＜ε，则采用该测量坐标P1(x1，y1，z1)替代其所对应的球头圆心坐标Po(x，y，z)。
作为一种可选的实施方式，所述补正所述测量坐标P1(x1，y1，z1)获得实测坐标(x′，y′，z′)，包括：
以a表示X轴与Z轴之间的垂直度误差，以b表示Y轴与Z轴之间的垂直度误差，以c表示X轴与Y轴的垂直度误差，以zd表示激光干涉仪测得的位移变化，以Z1、Zx、Zy分别表示各纳米电容传感器测得的直线度变化，则补正得到：
作为一种可选的实施方式，所述校正所述实测坐标(x′，y′，z′)获得被测物坐标(x2，y2，z2)，包括：
设α为被测坐标系绕X轴旋转的角度，设β为被测坐标系绕Y轴旋转的角度，设γ为被测坐标系绕Z轴旋转的角度，设tx、ty、tz分别为被测坐标系沿X轴、Y轴、Z轴所偏移的位移量，则校正得到：
作为一种可选的实施方式，在所述校正所述实测坐标(x′，y′，z′)获得被测物坐标(x2，y2，z2)之后，所述方法还包括：
求取测物坐标(x2，y2，z2)中每一测量点的面形误差e(α,β,γ,tx,ty,tz)＝z2-f(x2,y2)；
采用最小二乘法拟合所述面形误差e(α,β,γ,tx,ty,tz)；
基于所述面形误差e(α,β,γ,tx,ty,tz)优化所述被测物坐标(x2，y2，z2)。
本发明实施例第二方面公开一种测量装置，包括：
用于放置被测物的测量平台，用于在所述测量平台下方移动所述被测物的XY位移平台；
装配于气浮Z轴，用于在被测物上方接触被测物表面的测杆，所述测杆的端部为球头；
测量XY位移平台直线度变化的第一纳米电容传感器，测量气浮Z轴竖直方向直线度变化的第二纳米电容传感器，测量气浮Z轴水平方向直线度变化的第三纳米电容传感器；
固定设置的输出激光光束的激光发生器，反射激光光束的X轴反射镜、Y轴反射镜、Z轴反射镜与测杆顶部反射镜，接收所述X轴反射镜所反射激光光束的X轴激光干涉仪，接收所述Y轴反射镜所反射激光光束的Y轴激光干涉仪，接收所述Z轴反射镜所反射激光光束的Z轴激光干涉仪，接收所述测杆顶部反射镜所反射激光光束的测杆顶部激光干涉仪。
作为一种可选的实施方式，所述第一纳米电容传感器、所述第二纳米电容传感器及所述第三纳米电容传感器用于测量各位移轴的直线度变化，所述X轴激光干涉仪、所述Y轴激光干涉仪、所述Z轴激光干涉仪及所述测杆顶部激光干涉仪分别用于测定激光光束的频率变化值并转化为位移值，据此换算得到所述测杆球头的球头圆心坐标。
作为一种可选的实施方式，所述球头圆心坐标用以供迭代转换为测量坐标，所述测量坐标用于指示所述球头与被测物表面的接触点；
所述测量坐标结合测得的各位移轴的直线度变化与垂直度误差，校正得到指示被测物表面实际位置的被测物坐标。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
本发明实施例中，在基于球头圆心坐标转换得到测量坐标之后，还根据测得的垂直度误差、直线度变化等数据对测量坐标补正，获得指示球头与被测物表面的接触点的实测坐标，再据此校正得到被测物坐标，有效消除了球头圆心坐标换算过程所存在的必然误差，从而真实体现被测物表面的空间位置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明实施例公开的一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法的工作流程示意图；
图2是本发明实施例公开的一种测量装置的立体结构示意图；
图3是本发明实施例公开的一种测量装置的另一立体结构示意图；
图4是本发明实施例公开的一种测量装置的测杆测量被测物自由曲面的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
请参阅图1，如图1所示，本发明实施例公开的一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法包括以下步骤：
101、记录球头圆心坐标Po(x，y，z)。
本实施例中，通过检测测杆的球头，可直接测定准确的球头圆心坐标，然而，在测定被测物的自由曲面时，球头与被测物表面的接触点并非恒定，而是根据自由曲面的曲率发生变化，且接触点的坐标并未得到直接测定，因而在测量自由曲面时，采用球头测得的坐标数据不可避免地存在六自由度的测量误差。
故，本实施例先行记录球头圆心坐标，据此推算出较为准确的测量坐标，再结合外源设备测得的位移参数进行补正校准，以求取被测物表面真实的坐标数据。
作为一种可选的实施方式，针对双频激光和纳米电容传感器进行位移测量，换算获得球头圆心坐标Po(x，y，z)。
具体地，固定设置的激光发生器发出激光光束，激光光束在反射后照射激光干涉仪，以供测得位移测量值，同时，纳米电容传感器同步测量位移值，间接测得球头圆心坐标。
作为一种可选的实施方式，球头圆心坐标Po(x，y，z)基于若干激光干涉仪和纳米电容传感器测得，设球头半径为r，设f(x，y)为被测物自由曲面的曲面方程，设f′x(x，y)为f(x，y)面对x轴的一阶偏导，设f′y(x，y)为f(x，y)面对y轴的一阶偏导，则Po(x，y，z)表达为如下坐标系：
在此，还基于球头半径，以及测量过程记录得到的被测物自由曲面的曲面方程，进行偏导计算，据此除了记录球头圆心坐标，还针对每一球头圆心坐标同步记录该点位对应的曲面数据，用以供后续进行坐标纠偏。
102、对球头圆心坐标Po(x，y，z)迭代转换为测量坐标P1(x1，y1，z1)。
本实施例中，将球头圆心坐标转换为测量坐标，此时，因球头半径及自由曲面的存在，测量坐标相较于球头与被测物接触点的真实坐标，必然存在误差值，在此先行进行坐标转换，再由后续步骤消弭误差值。
作为一种可选的实施方式，设置迭代目标参数ε，所述目标参数ε用于标定迭代转换的参数精度；
对球头圆心坐标与其对应的测量坐标求取绝对差值；
若绝对差值符合||Po(x，y，z)-P1(x1，y1，z1)||＜ε，则采用该测量坐标P1(x1，y1，z1)替代其所对应的球头圆心坐标Po(x，y，z)。
具体地，针对转换过程设定目标参数，以确保转换获得的测量坐标误差值处于限定范围，避免后续优化过程出现数值波动。
103、补正测量坐标P1(x1，y1，z1)获得实测坐标(x′，y′，z′)。
本实施例中，除了直接测定并换算获得的实测坐标，还在测量过程测定垂直度误差与直线度变化，据此对测量坐标进行误差值消弭。
作为一种可选的实施方式，以a表示X轴与Z轴之间的垂直度误差，以b表示Y轴与Z轴之间的垂直度误差，以c表示X轴与Y轴的垂直度误差，以zd表示激光干涉仪测得的位移变化，以Z1、Zx、Zy分别表示各纳米电容传感器测得的直线度变化，则补正得到：
具体地，通过外源设备测得的检测过程的垂直度误差、位移变化、直线度变化等设备端数值，对换算转换得到的测量坐标进行补正，从而避免单一测量来源导致的误差偏移，实现互相印证，大幅消弭转换过程中必然存在的误差值。
104、校正实测坐标(x′，y′，z′)获得被测物坐标(x2，y2，z2)。
本实施例中，测杆相对于被测物在各坐标轴所产生的旋转角度，可用于测定被测物表面与测杆球头的具体接触点位，以对换算获得的实测坐标，校正为球头与被测物表面接触点的真实的被测物坐标。
作为一种可选的实施方式，设α为被测坐标系绕X轴旋转的角度，设β为被测坐标系绕Y轴旋转的角度，设γ为被测坐标系绕Z轴旋转的角度，设tx、tv、tz分别为被测坐标系沿X轴、Y轴、Z轴所偏移的位移量，则校正得到：
在此，通过加入测杆相对于被测物在各坐标轴所产生的旋转角度进行坐标校正，使得校正获得的被测物坐标更为拟合球头与被测物表面接触点的真实坐标，消除被测物坐标相对于被测物表面的位姿误差。
本实施例中，由于以上各坐标参数均采用光学测量方案测得，因而存在面形误差，需要予以优化拟合。
作为一种可选的实施方式，在校正实测坐标(x′，y′，z′)获得被测物坐标(x2，y2，z2)之后，还包括：
求取被测物坐标(x2，y2，z2)中每一测量点的面形误差e(α,β,γ,tx,ty,tz)＝z2-f(x2,y2)；
采用最小二乘法拟合所述面形误差e(α,β,γ,tx,ty,tz)；
基于面形误差e(α,β,γ,tx,ty,tz)优化被测物坐标(x2，y2，z2)。
在此，采用最小二乘法，对被测物坐标的面形误差进行优化，使得被测物坐标更为拟合球头与被测物表面接触点的实际坐标。
可见，在基于球头圆心坐标转换得到测量坐标之后，还根据测得的垂直度误差、直线度变化等数据对测量坐标补正，获得指示球头与被测物表面接触点的实测坐标，再校正得到被测物坐标，有效消除了球头圆心坐标换算过程所存在的必然误差，真实体现被测物表面的空间位置。
实施例二
请参阅图2～4。如图2～4所示，该测量装置可以包括：
用于放置被测物的测量平台100，用于在测量平台100下方移动被测物的XY位移平台200；
装配于气浮Z轴110，用于在被测物上方接触被测物表面的测杆111，测杆111的端部为球头；
测量XY位移平台200直线度变化的第一纳米电容传感器210，测量气浮Z轴110竖直方向直线度变化的第二纳米电容传感器220，测量气浮Z轴110水平方向直线度变化的第三纳米电容传感器230；
固定设置的输出激光光束的激光发生器300，反射激光光束的X轴反射镜310、Y轴反射镜320、Z轴反射镜330与测杆顶部反射镜340，接收X轴反射镜310所反射激光光束的X轴激光干涉仪240，接收Y轴反射镜320所反射激光光束的Y轴激光干涉仪250，接收Z轴反射镜330所反射激光光束的Z轴激光干涉仪260，接收测杆顶部反射镜所反射激光光束的测杆顶部激光干涉仪270。
本实施例中，被测物放置于测量平台100上方，通过移动气浮Z轴110使测杆111的端部球头接触被测物表面，进而移动XY位移平台200，此时球头随动于被测物的表面在Z轴方向上产生位移变化，位移变化实时反馈，用以供调节移动气浮Z轴110的移动过程，确保测量过程压力稳定，不对被测物过度施压。
作为一种可选的实施方式，第一纳米电容传感器210、第二纳米电容传感器220及第三纳米电容传感器230用于测量各位移轴的直线度变化，X轴激光干涉仪240、Y轴激光干涉仪250、Z轴激光干涉仪260及测杆顶部激光干涉仪270分别用于测定激光光束的频率变化值并转化为位移值，据此换算得到所述测杆球头的球头圆心坐标。
本实施例中，球头圆心坐标用以供迭代转换为测量坐标，测量坐标用于指示所述球头与被测物表面的接触点；
测量坐标结合测得的各位移轴的直线度变化与垂直度误差，校正得到指示被测物表面实际位置的被测物坐标。
从而，将测量自由曲面时无法避免的六自由度测量误差，坐标换算过程产生的计算误差，测量设备运行时所累积的设备误差，以及光学测量时存在的面形误差等，通过多来源检测数据与优化算法进行消弭，使最终获得的被测物坐标尽可能地反映球头与被测物表面接触点的真实坐标值。
以上对本发明实施例公开的一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法及测量装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法，其特征在于，所述方法包括：
记录球头圆心坐标Po(x，y，z)；
对所述球头圆心坐标Po(x，y，z)迭代转换为测量坐标P1(x1，y1，z1)；
补正所述测量坐标P1(x1，y1，z1)获得实测坐标(x′，y′，z′)；
校正所述实测坐标(x′，y′，z′)获得被测物坐标(x2，y2，z2)。
2.根据权利要求1所述的一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法，其特征在于，所述方法包括：
所述球头圆心坐标Po(x，y，z)基于若干激光干涉仪和纳米电容传感器测得，设球头半径为r，设f(x，y)为被测物自由曲面的曲面方程，设fx ′(x，y)为f(x，y)面对x轴的一阶偏导，设f′y(x，y)为f(x，y)面对y轴的一阶偏导，则Po(x，y，z)表达为如下坐标系：
3.根据权利要求2所述的一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法，其特征在于，所述记录球头圆心坐标Po(x，y，z)，包括：
针对双频激光和纳米电容传感器进行位移测量，换算获得所述球头圆心坐标Po(x，y，z)。
4.根据权利要求2所述的一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法，其特征在于，所述对所述球头圆心坐标Po(x，y，z)迭代转换为测量坐标P1(x1，y1，z1)，包括：
设置迭代目标参数ε，所述目标参数ε用于标定迭代转换的参数精度；
对所述球头圆心坐标与其对应的测量坐标求取绝对差值；
若所述绝对差值符合||Po(x，y，z)-P1(x1，y1，z1)||＜ε，则采用该测量坐标P1(x1，y1，z1)替代其所对应的球头圆心坐标Po(x，y，z)。
5.根据权利要求1所述的一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法，其特征在于，所述补正所述测量坐标P1(x1，y1，z1)获得实测坐标(x′，y′，z′)，包括：
以a表示X轴与Z轴之间的垂直度误差，以b表示Y轴与Z轴之间的垂直度误差，以c表示X轴与Y轴的垂直度误差，以zd表示激光干涉仪测得的位移变化，以Z1、Zx、Zy分别表示各纳米电容传感器测得的直线度变化，则补正得到：
6.根据权利要求5所述的一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法，其特征在于，所述校正所述实测坐标(x′，y′，z′)获得被测物坐标(x2，y2，z2)，包括：
设α为被测坐标系绕X轴旋转的角度，设β为被测坐标系绕Y轴旋转的角度，设γ为被测坐标系绕Z轴旋转的角度，设tx、ty、tz分别为被测坐标系沿X轴、Y轴、Z轴所偏移的位移量，则校正得到：
7.根据权利要求6所述的一种超精密光学轮廓测量的三维补正方法，其特征在于，在所述校正所述实测坐标(x′，y′，z′)获得被测物坐标(x2，y2，z2)之后，所述方法还包括：
求取测物坐标(x2，y2，z2)中每一测量点的面形误差e(α,β,γ,tx,ty,tz)＝z2-f(x2,y2)；
采用最小二乘法拟合所述面形误差e(α,β,γ,tx,ty,tz)；
基于所述面形误差e(α,β,γ,tx,ty,tz)优化所述被测物坐标(x2，y2，z2)。
8.一种测量装置，其特征在于，包括：
用于放置被测物的测量平台，用于在所述测量平台下方移动所述被测物的XY位移平台；
装配于气浮Z轴，用于在被测物上方接触被测物表面的测杆，所述测杆的端部为球头；
测量XY位移平台直线度变化的第一纳米电容传感器，测量气浮Z轴沿Y轴方向直线度变化的第二纳米电容传感器，测量气浮Z轴沿X轴方向直线度变化的第三纳米电容传感器；
固定设置的输出激光光束的激光发生器，反射激光光束的X轴反射镜、Y轴反射镜、Z轴反射镜与测杆顶部反射镜，接收所述X轴反射镜所反射激光光束的X轴激光干涉仪，接收所述Y轴反射镜所反射激光光束的Y轴激光干涉仪，接收所述Z轴反射镜所反射激光光束的Z轴激光干涉仪，接收所述测杆顶部反射镜所反射激光光束的测杆顶部激光干涉仪。
9.根据权利要求8所述的一种测量装置，其特征在于，包括：
所述第一纳米电容传感器、所述第二纳米电容传感器及所述第三纳米电容传感器用于测量各位移轴的直线度变化，所述X轴激光干涉仪、所述Y轴激光干涉仪、所述Z轴激光干涉仪及所述测杆顶部激光干涉仪分别用于测定激光光束的频率变化值并转化为位移值，据此换算得到所述测杆球头的球头圆心坐标。
10.根据权利要求9所述的一种测量装置，其特征在于，包括：
所述球头圆心坐标用以供迭代转换为测量坐标，所述测量坐标用于指示所述球头与被测物表面的接触点；
所述测量坐标结合测得的各位移轴的直线度变化与垂直度误差，校正得到指示被测物表面实际位置的被测物坐标。
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