[发明专利]一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置和方法

说明书

本发明涉及一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置和方法，装置包括立体偏折束系统和计算机，所述立体偏折束系统包括一个投影屏幕和两台相机，所述投影屏幕用于显示编码图案，所述编码图案经过固定于机床主轴上的待测加工件表面反射后被所述两台相机接收；所述计算机与所述两台相机相连，用于采集所述两台相机接收到的图像信息，并对所述图像信息进行处理得到所述立体偏折束系统的参数，并基于所述立体偏折束系统的参数计算所述待测加工表面的法向量，并通过计算所述法向量的积分获取所述待测加工表面的形貌。本发明避免了重复装夹误差对超精密加工的影响。

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，特别是涉及一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置和方法。

背景技术

超精密加工是一种面向大规模集成电路、激光技术和航天技术等尖端行业的精度极高的加工技术，其最高加工的尺寸精度可达10纳米，表面粗糙度可达1纳米，特别是单点金刚石切削技术，可用于加工超精密模具、高精度反射镜以及非球面等大型超精密零件。

超精密加工的加工精度的精度基础是超精密测量，传统的超精密加工测量方式分为接触式测量和非接触式测量两种方式，接触式测量是通过探针在加工件表面划过测量加工件表面的轮廓以及表面粗糙度，其中的代表有Taylor PGI系列轮廓仪，这种方式的优点在于测量稳定，缺点在于接触式测量方式会改变测量件的表面形貌，无法做到无伤检测；非接触测量是通过光学方式，对加工件表面进行无伤检测，其中的代表有Zygo白光干涉仪，这种方式的缺点是没有接触式测量结果稳定。

上述两种测量方式由于测量装备的庞大而且昂贵，只能用于加工件的离位测量，而离位测量工程中的重复装夹误差在超精密加工中非常重要，所以这就为超精密加工的原位测量带来了挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置和方法，避免了重复装夹误差对超精密加工的影响。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置，包括立体偏折束系统和计算机，所述立体偏折束系统包括一个投影屏幕和两台相机，所述投影屏幕用于显示编码图案，所述编码图案经过固定于机床主轴上的待测加工件表面反射后被所述两台相机接收；所述计算机与所述两台相机相连，用于采集所述两台相机接收到的图像信息，并对所述图像信息进行处理得到所述立体偏折束系统的参数，并基于所述立体偏折束系统的参数计算所述待测加工表面的法向量，并通过计算所述法向量的积分获取所述待测加工表面的形貌。

所述立体偏折束系统固定于所述机床的刀具架的上方，并面向所述机床主轴。

所述立体偏折束系统的参数包括相机内参以及两台相机与屏幕之间的位姿关系。

所述编码图案为多步相移三频外差的正弦条纹。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种基于立体偏折束的超精密加工原位测量方法，采用上述的基于立体偏折束的超精密加工原位测量装置，包括以下步骤：

(1)对所述立体偏折束系统中的每台相机进行标定，得到每台相机的内参和畸变参数；

(2)利用固定于所述机床主轴上的倾斜平面镜对所述立体偏折束系统进行标定，获取所述立体偏折束系统中所述投影屏幕与所述两台相机的位置关系；

(3)将所述待测加工件固定于所述机床主轴上，通过所述立体偏折束系统进行原位测量，利用计算机得到所述待测加工表面的形貌。

所述步骤(1)具体为：每台相机拍摄多张圆环标定板或者棋盘格标定板在不同位姿下的图像，用圆环圆心或者棋盘格角点作为参考点，使用张正友标定法解算每台相机的内参以及畸变系数。

所述步骤(2)具体为：