一种大口径反射镜面形轮廓在位检测方法及装置技术领域
本发明涉及一种光学加工检测领域的测量方法和装置，特别是涉及大口径反射镜
在铣磨及研磨阶段的面形轮廓检测方法及装置。
背景技术
随着科学技术的发展，大口径非球面反射镜在天文、空间光学和军事领域得带越
来越广泛的应用，对光学加工的效率和质量要求越来越高，提出了新的挑战。
针对大口径反射镜铣磨及研磨阶段的面形测量，国内普遍采用刀口仪和三坐标测
量机进行测量，其中，刀口仪测量非球面首先要将研磨阶段的反射镜进行表面抛光，然后再
利用相应测试光路进行测量，这种方式费时费力，且无法进行量化，只能依靠工艺人员经验
判断；采用三坐标测量机进行非球面面形轮廓检测，可以获取较高的面形测量精度，但需要
在加工工位与检测工位之间进行频繁的吊运安装，效率低、风险大。因此，亟需采用高精度
的在位面形轮廓检测系统，解决大口径反射镜毛坯制作、铣磨及研磨加工阶段的轮廓测量
中的高精度、高效率、高风险问题。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种大口径反射镜面形轮廓
在位检测方法及装置，提高测量效率，针对大镜光轴竖直加工及检测状态，提出一种基于智
能机械手和激光跟踪仪的面形轮廓在位测试系统。
本发明解决的技术方案为：一种大口径反射镜面形轮廓在位检测装置，包括：机械
手(1)、激光跟踪仪主机(2)、待测反射镜(3)、反射镜支撑工装(4)、反射镜基准定位装置
(5)、靶球(6)、机械手的接口装置(7)；
机械手的接口装置(7)，包括：磁力座(71)、柔性力传感器(72)、机械手接口(73)；
磁力座(71)与机械手接口(73)实现刚性连接；柔性力传感器(72)安装在机械手接
口(73)上；机械手(1)和机械手接口(73)刚性连接；机械手(1)位于反射镜支撑工装(4)旁；
待测反射镜(3)置于反射镜支撑工装(4)上，待测反射镜(3)的加工面朝上；
靶球(6)能够与待测反射镜(3)接触，靶球(6)通过磁性能够吸在磁力座(71)上；
激光跟踪仪主机(2)的激光发射方向对准靶球(6)开口处；
反射镜基准定位装置(5)安装在待测反射镜(3)的基准面上，反射镜基准定位装置
(5)能够定义待测反射镜(3)的空间坐标系；
待测反射镜(3)面形轮廓在位检测时，机械手(1)能够通过机械手的接口装置(7)
控制靶球(6)与待测反射镜(3)的加工面轻微接触多次，机械手(1)能够控制靶球(6)与待测
反射镜(3)的加工面的接触压力，避免靶球(6)划伤待测反射镜(3)的加工面，柔性力传感器
(72)能够监控靶球(6)与待测反射镜(3)的接触压力；
机械手(1)能够按照预先规划的路径使靶球(6)在待测反射镜(3)加工面上打点扫
描，实现待测反射镜(3)的面形轮廓扫描，直至扫描路径覆盖整个待测反射镜的加工面；
激光跟踪仪主机(2)实时测量靶球(6)中心的空间坐标集，并能够根据测量得到的
靶球(6)中心的空间坐标集，确定待测反射镜(3)加工面的轮廓。
机械手的接口装置(7)能够与机械手(1)分离，在机械手(1)上安装研抛工具，能够
实现对待测反射镜(3)进行加工。
机械手连接机械手的接口装置(7)与研抛工具的机械接口通用。
一种大口径反射镜面形轮廓在位检测方法，步骤如下：
步骤1：进行待测反射镜初定位，即在机械手(1)安装研抛工具，对待测反射镜(3)
进行加工，加工后原位安装在反射镜支撑工装(4)上，清洗待测反射镜(3)。
步骤2：卸去机械手(1)上的研抛工具，将磁力座(71)与机械手接口(73)连接。
步骤3：规划靶球(6)在待测反射镜(3)加工面上的打点路径，规划的打点路要能够
覆盖待测反射镜(3)的整个加工面。
步骤4：通过激光跟踪仪主机(2)测量反射镜基准定位装置(5)的位置，定义待测反
射镜的测量坐标系，即在待测反射镜(3)上设定三个特征测量点，三个特征测量点已经预先
通过精密机床加工出来，位于待测反射镜(3)的侧面和加工面与侧面形成的镜面平台处，将
反射镜基准定位装置(5)置于这三个特征测量点，将靶球(6)置于反射镜基准定位装置(5)
上，使用激光跟踪仪测量主机(2)测量靶球(6)在这三个特征测量点的坐标，分别记为：
m1(x1,y1,z1)、m2(x2,y2,z2)和m3(x3,y3,z3)
根据靶球(6)在这三个特征测量点的坐标，建立待测反射镜的测量坐标系。
步骤5：将步骤(4)建立的待测反射镜的测量坐标系与待测反射镜(3)的CAD模型坐
标系的转换矩阵，即确定设定的三个特征测量点在待测反射镜(3)的CAD模型坐标系上的位
置坐标M1(X1,Y1,Z1)、M2(X2,Y2,Z2)和M3(X3,Y3,Z3)，利用待测反射镜的测量坐标系的m1(x1,
y1,z1)、m2(x2,y2,z2)和m3(x3,y3,z3)及待测反射镜(3)的CAD模型坐标系间的M1(X1,Y1,Z1)、M2
(X2,Y2,Z2)和M3(X3,Y3,Z3)，通过齐次坐标变化，即能够求得两坐标系间的平移量和旋转量，
即转换矩阵。
步骤6：架设激光跟踪仪主机(2)，使激光跟踪仪主机的激光发射口与镜面最近端
距离L满足公式L≥R·(ctanα-1)。
式中R为待测反射镜的加工面半径，α为激光跟踪仪视野范围，ctan(·)为反正切
函数。
步骤7：控制机械手(1)按照步骤(3)规划的打点路径，利用靶球(6)对待测反射镜
的面形轮廓开始测量，直至打点路径覆盖整个反射镜的加工面，激光跟踪仪主机(2)实时测
量靶球(6)中心位置，记录靶球(6)位置的测量数据为P(xi,yi,zi)，xi,yi,zi分别为规划的打
点路径上的测量点在待测反射镜的测量坐标系的三维坐标位置，i＝1,2,...N，N为测量数
据点数。
步骤8：根据步骤5的转换矩阵和步骤7得到的靶球位置的测量数据和靶球球头半
径，获得待测反射镜的CAD模型坐标系下的面形轮廓。
规划的打点路径使靶球(6)沿着激光跟踪仪主机激光发射方向以栅线的形式覆盖
待测反射镜(3)的整个加工面。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明首次将激光跟踪仪的高精度与机械手的灵活性结合在一起，扩展了设
备的应用领域。
(2)本发明所测轮廓数据的精度为激光干涉仪的测量精度，不依赖于机械手的运
动精度，测量精度较高。
(3)本发明提出了研抛工具头与测量工具头快速切换的通用接口装置。
(4)本发明激光跟踪仪、靶球等测量设备可自由摆放，快速拆卸，操作方便，可快速
测量光轴竖直检测时反射镜铣磨/研磨阶段的面形，提高加工效率，适合于大镜制造单位使
用。
附图说明
图1为本发明大口径反射镜面形轮廓在位检测系统原理图；
图2为本发明激光跟踪仪靶球与机械手接口装置示意图；
图3为本发明激光跟踪仪主机与靶球位置关系及测量路径规划示意图；
图4本发明靶球半径补偿原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
如图1所示为大口径反射镜面形轮廓在位检测系统原理图，主要由机械手(1)、激
光跟踪仪主机(2)、待测反射镜(3)、反射镜支撑工装(4)，反射镜基准定位装置(5)、靶球
(6)、机械手的接口装置(7)组成。
大口径反射镜面形轮廓在位检测系统原理如图1所示，主要由机械手(1)、激光跟
踪仪主机(2)、待测反射镜(3)、反射镜支撑工装(4)，反射镜基准定位装置(5)、靶球(6)、机
械手的接口装置(7)组成。机械手的接口装置(7)，包括：磁力座(71)、柔性力传感器(72)、机
械手接口(73)。磁力座(71)与机械手接口(73)实现刚性连接，柔性力传感器(72)安装在机
械手接口(73)上，机械手(1)和机械手接口(73)刚性连接，机械手(1)位于反射镜支撑工装
(4)旁，如图2所示。机械手连接机械手的接口装置(7)与研抛工具的机械接口通用。本发明
保持被测反射镜检测状态与加工状态一致，待测反射镜(3)面形轮廓在位检测时，机械手
(1)能够通过机械手的接口装置(7)控制靶球(6)与待测反射镜(3)的加工面轻微接触多次，
机械手(1)能够控制靶球(6)与待测反射镜(3)的加工面的接触压力，避免靶球(6)划伤待测
反射镜(3)的加工面，柔性力传感器(72)能够监控靶球(6)与待测反射镜(3)的接触压力。机
械手(1)能够按照预先规划的路径使靶球(6)在待测反射镜(3)加工面上打点扫描，实现待
测反射镜(3)的面形轮廓扫描，直至扫描路径覆盖整个待测反射镜的加工面。激光跟踪仪主
机(2)实时测量靶球(6)中心的空间坐标集，并能够根据测量得到的靶球(6)中心的空间坐
标集，确定待测反射镜(3)加工面的轮廓，经过数据分析及处理，可以得到反射镜的实时面
形轮廓。具体的实施步骤如下：
1)、进行待测反射镜初定位，即在机械手上安装研抛工具，对待测反射镜进行加
工，加工后反射镜原位安装在反射镜支撑工装上，清洗待测反射镜。反射镜支撑工装要求具
有高刚度和稳定性，对反射镜提供光轴竖直状态下的稳定支撑，可以采用多点支撑等光学
加工工艺中的常用方式。
2)、卸去机械手上的研抛工具，将磁力座与机械手接口装置连接，磁力座与研磨工
具的机械接口是通用的，实现快速更换。
3)、规划靶球在待测反射镜加工面上的打点路径，规划的打点路要能够覆盖待测
反射镜的整个加工面。
根据激光跟踪仪测量原理，其距离测量精度远高于其角度测量精度，因此规划的
路径为使激光跟踪仪主机出光的方向沿着轮廓扫描方向，如图3所示。此时，角度编码器的
移动量很小，导致引入的角度误差也小，测量精度会大幅提高。激光跟踪仪与镜面最近端距
离L满足公式L≥R·(ctanα-1)，其中R为待测非球面半径，α为激光跟踪仪视野范围。
4)、通过激光跟踪仪主机测量反射镜基准定位装置的位置，定义待测反射镜的测
量坐标系。
在待测反射镜上设定三个特征测量点，三个特征测量点已经预先通过精密机床加
工出来，位于待测反射镜的侧面和加工面与侧面形成的镜面平台处，将反射镜基准定位装
置置于这三个特征测量点，将靶球置于反射镜基准定位装置上。架设激光跟踪仪主机，建立
测试光路，使激光跟踪仪主机光束出口位置略高于镜面最上端，视野范围全部覆盖镜面位
置及基准特征点位置，尽量不存在断光或遮光现象。使用激光跟踪仪测量主机测量靶球在
这三个特征测量点的坐标，分别记为：m1(x1,y1,z1)、m2(x2,y2,z2)和m3(x3,y3,z3)，根据靶球
在这三个特征测量点的坐标，建立待测反射镜的测量坐标系。
5)、在激光跟踪仪软件中导入待测非球面的CAD模型，寻找设定的三个特征测量点
在待测反射镜的CAD模型坐标系上的位置坐标M1(X1,Y1,Z1)、M2(X2,Y2,Z2)和M3(X3,Y3,Z3)，将
步骤4)建立的待测反射镜的测量坐标系与待测反射镜的CAD模型坐标系进行比对，即利用
待测反射镜的测量坐标系的m1(x1,y1,z1)、m2(x2,y2,z2)和m3(x3,y3,z3)及待测反射镜的CAD
模型坐标系间的M1(X1,Y1,Z1)、M2(X2,Y2,Z2)和M3(X3,Y3,Z3)，通过齐次坐标变化，即能够求得
两坐标系间的平移量和旋转量，即转换矩阵。
齐次坐标变换算法步骤如下：
设定m1点在实际坐标系中的齐次坐标行矩阵为m1(x1,y1,z1,1)，M1点在理论模型坐
标系中的齐次坐标行矩阵为M1(X1,Y1,Z1,1)，反射镜实际坐标系相对于理论坐标系在x方
向、y方向、z方向上的平移量分别为dx、dy、dz；在x方向、y方向、z方向上的旋转量分别为α、
β、γ，则两种坐标系的关系有：
式中V为两个坐标系件的变换矩阵，它是平移变化矩阵T和旋转变换矩阵R之间的
乘积，即：
通过迭代法求解公式(1)和公式(2)联立的非线性方程组，即可得到反射镜的实际
坐标系和理论坐标系在x方向，y方向和z方向上的平移量dx、dy、dz和旋转量α、β、γ，从而将
两个坐标系统一起来。
6)、架设激光跟踪仪主机，规划加工路径。
根据激光跟踪仪测量原理，其距离测量精度远高于其角度测量精度，因此规划的
路径为使激光跟踪仪主机出光的方向沿着轮廓扫描方向，如图3所示。此时，角度编码器的
移动量很小，导致引入的角度误差也小，测量精度会大幅提高。架设激光跟踪仪主机，使激
光跟踪仪主机的激光发射口与镜面最近端距离L满足公式L≥R·(ctanα-1)。式中R为待测
反射镜的加工面半径，α为激光跟踪仪视野范围，ctan(·)为反正切函数。
7)、控制机械手按照步骤6)规划的打点路径，使靶球按照规划的打点路径对待测
反射镜的面形轮廓开始测量，直至靶球运动路径覆盖整个反射镜的加工面，如图3所示，即
打点路径为首先靶球(6)从待测反射镜(3)的加工面边缘的一点开始，沿着激光跟踪仪主机
激光发射方向打点直至到达待测反射镜的边缘，沿待测反射镜的边缘打点一段距离后，以
平行于激光跟踪仪主机激光发射方向进行打点，直至到达测反射镜的边缘，然后沿待测反
射镜的边缘打点一段距离后，以激光跟踪仪主机激光发射方向进行打点，直至到达测反射
镜的边缘，以此类推，直至规划的打点路径要能够覆盖待测反射镜(3)的整个加工面。激光
跟踪仪主机实时测量靶球中心位置，记录靶球位置的测量数据为P(xi,yi,zi)，xi,yi,zi分别
为规划的打点路径上的测量点在待测反射镜的测量坐标系的三维坐标位置，i＝1,2,...N，
N为测量数据点数。测量时，靶球触点与待测反射镜镜面轻微接触，注意划伤玻璃，通过柔性
力传感器控制触力的大小。
8)、根据步骤5)的转换矩阵和步骤7)得到的靶球位置的测量数据和靶球球头半
径，获得待测反射镜的CAD模型坐标系下的面形轮廓。
激光跟踪仪所测得坐标点为靶球中心位置C1，靶球与待测镜面的实际接触点为
C2，如图4所示，需要将测量点进行半径补偿。依据测量点在非球面方程中的位置，对测量点
坐标沿相应法线方向进行补偿，补偿后的坐标即为镜面点坐标，即
式中r为靶球半径。
将分析求解得到的统一坐标系下待测反射镜上各点的坐标值与反射镜理论坐标
系下各点坐标值进行差值计算，即可得到反射镜的实际面形轮廓。在统一坐标系下，对半径
补偿后的坐标数据进行三次样条差值计算，即可得到反射镜上各点的位置坐标。