[发明专利]基于激光扫描法的非接触光学镜面检测系统及其检测方法

权利要求书

1.基于激光扫描法的非接触光学镜面检测系统，其特征在于：

包括激光测距仪、二维平移台和垂直升降台；

所述激光测距仪包括激光扫描控制器，激光扫描控制器与激光感测头（10）电连接，激光扫描控制器与监视器电连接；

所述二维平移台包括X轴移动装置和Y轴移动装置， Y轴移动装置安装在X轴移动装置上；X轴移动装置包括X轴导轨（1），X轴导轨（1）顶部滑动安装有X轴滑块（3），X轴滑块（3）中部的内螺纹中安装有X轴滚珠丝杠，X轴滚珠丝杠与X轴步进电机（2）联接，X轴步进电机（2）固定安装在X轴导轨（1）上；Y轴移动装置包括安装在X轴滑块（3）顶部的Y轴导轨（5），Y轴导轨（5）顶部滑动安装有Y轴滑块（6），Y轴滑块（6）中部的内螺纹中安装有Y轴滚珠丝杠，Y轴滚珠丝杠与Y轴步进电机（4）联接，Y轴步进电机（4）固定安装在Y轴导轨（5）上；

所述垂直升降台安装在Y轴滑块（6）上，垂直升降台包括台面（12）和Z轴导轨（8），Z轴导轨（8）固定安装在Y轴滑块（6）上，Z轴导轨（8）上滑动安装有Z轴滑块（9），台面（12）安装在Z轴滑块（9）上，Z轴滑块（9）中部的内螺纹中安装有Z轴滚珠丝杠，Z轴滚珠丝杠与Z轴步进电机（7）联接，Z轴步进电机（7）固定安装在Z轴导轨（8）上，激光感测头（10）位于台面（12）上方；

所述X轴步进电机（2）与平移台控制器电连接，Y轴步进电机（4）与平移台控制器电连接，Z轴步进电机（7）与升降台控制器电连接；

所述平移台控制器与调度控制器电连接，升降台控制器与调度控制器电连接，激光扫描控制器与调度控制器电连接，调度控制器与上位机电连接。

2.根据权利要求1所述的基于激光扫描法的非接触光学镜面检测系统，其特征在于：

所述激光测距仪采用基恩士公司生产的LT-9031高精度激光测量仪；

所述调度控制器采用的核心控制芯片为STM32F107VCT6芯片；

所述平移台控制器采用美国丹纳赫集团生产的ULTI-MAC-G型运动控制器；

所述二维平移台采用美国丹纳赫集团生产的XYR-8080型二维移动平台；

所述垂直升降台采用卓立汉光公司生产的KSAV2030-ZF高精密电控升降台，升降台控制器采用卓立汉光公司生产的SC300-1B控制器。

3.采用权利要求1或2所述的基于激光扫描法的非接触光学镜面检测系统来检测光学镜面的方法，其特征在于，包括以下顺序步骤：

步骤1：将被测镜面（11）固定安装在垂直升降台的台面（12）上，使被测镜面（11）位于激光感测头（10）下方，调节被测镜面（11）与感测头之间的初始距离，使初始距离大于被测镜面（11）的弧高，则位于激光感测头（10）竖直下方的被测镜面（11）的投影区域构成当前被测点；

将当前被测点的X坐标值设定为0，Y坐标值设定为0；

按以下方法检定当前被测点的Z坐标值：通过上位机、调度控制器、激光扫描控制器检测基准点与当前被测点之间的距离，如果该距离高于激光测距仪的测量范围上限，则通过上位机、调度控制器、升降台控制器使Z轴步进电机（7）旋转，从而驱使垂直升降台的台面（12）上的被测镜面（11）沿Z轴导轨（8）下降到激光测距仪的测量范围内，然后通过激光扫描控制器读取检测基准点与当前被测点之间的距离，将此距离与垂直升降台的台面（12）下降的距离之和，作为当前被测点的Z坐标值；通过上位机、调度控制器、激光扫描控制器检测基准点与当前被测点之间的距离，如果该距离低于激光测距仪的测量范围下限，则通过上位机、调度控制器、升降台控制器使Z轴步进电机（7）反向旋转，从而驱使垂直升降台的台面（12）上的被测镜面（11）沿Z轴导轨（8）上升到激光测距仪的测量范围内，然后通过激光扫描控制器读取检测基准点与当前被测点之间的距离，将此距离与垂直升降台的台面（12）上升的距离之差，作为当前被测点的Z坐标值；

步骤2：按以下顺序步骤获取其余被测点的三维坐标值：

步骤2.1：通过上位机和调度控制器控制平移台控制器，驱使Y轴步进电机（4）旋转，从而驱使被测镜面（11）沿Y轴导轨（5）移动一个步数，则位于激光感测头（10）竖直下方的被测镜面（11）的投影区域构成当前被测点，当前被测点的Y坐标值为上一个被测点的Y坐标值加上被测镜面（11）沿Y轴导轨（5）移动一个步数的距离之和，当前被测点的X坐标值与上一个被测点的X坐标值相同，然后通过步骤1中的方法检定当前被测点的Z坐标值；

步骤2.2：重复M次步骤2.1，得到M个被测点的X坐标值、Y坐标值和Z坐标值，其中M为大于1的正整数；

步骤2.3：然后通过上位机和调度控制器控制平移台控制器，驱使X轴步进电机（2）旋转，从而驱使被测镜面（11）沿X轴导轨（1）移动一个步数，则位于激光感测头（10）竖直下方的被测镜面（11）的投影区域构成当前被测点，当前被测点的X坐标值为上一个被测点的X坐标值加上被测镜面（11）沿X轴导轨（1）移动一个步数的距离之和，当前被测点的Y坐标值与上一个被测点的Y坐标值相同，通过步骤1中的方法检定当前被测点的Z坐标值；

步骤2.4：然后通过上位机和调度控制器控制平移台控制器，驱使Y轴步进电机（4）反向旋转，即与步骤2.1中的Y轴步进电机（4）的旋转方向相反，从而驱使被测镜面（11）沿Y轴导轨（5）反向移动一个步数，则位于激光感测头（10）竖直下方的被测镜面（11）的投影区域构成当前被测点，当前被测点的Y坐标值为上一个被测点的Y坐标值减去被测镜面（11）沿Y轴导轨（5）移动一个步数的距离之差，通过步骤1中的方法检定当前被测点的Z坐标值；

步骤2.5：重复M次步骤2.4，得到M个被测点的X坐标值、Y坐标值和Z坐标值，其中M为大于1的正整数；

步骤2.6：然后通过上位机和调度控制器控制平移台控制器，驱使X轴步进电机（2）旋转，从而驱使被测镜面（11）沿X轴导轨（1）移动一个步数，则位于激光感测头（10）竖直下方的被测镜面（11）的投影区域构成当前被测点，当前被测点的X坐标值为上一个被测点的X坐标值加上被测镜面（11）沿X轴导轨（1）移动一个步数的距离之和，当前被测点的Y坐标值与上一个被测点的Y坐标值相同，通过步骤1中的方法检定当前被测点的Z坐标值；

步骤3：重复若干次步骤2过程，得到网格扫描后的被测镜面（11）的X坐标值、Y坐标值和Z坐标值；

步骤4：将步骤1、步骤2和步骤3中得到的被测镜面（11）的X坐标值、Y坐标值和Z坐标值代入以下公式中：

Z= a₁+ a₂X₁+ a₃Y₂+ a₄X² + a₅ X Y+ a₆Y² + a₇ X³+ a₈X²Y + a₉ X Y²+ a₁₀Y³

然后用最小二乘法从上式中解算出参数a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈、a₉、a₁₀，从而拟合得到被测镜面（11）的三维坐标方程。