一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法

1.本发明涉及光学元件加工技术领域，尤其涉及一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法。


背景技术：

2.非球面光学元件能够有效提升光学系统成像质量，简化系统结构，在现代光学系统中有着广泛的应用。目前，常用的非球面光学元件加工方法是ccos技术(计算机控制小磨头加工技术)。该技术的基本原理是使用小口径研抛盘遍历反射镜表面通过控制驻留时间对面形误差进行修正。实际非球面加工过程中，准确定位磨头中心位置是保证加工效率与加工精度的重要因素之一。磨头中心的定位不准会导致理论材料去除与实际面形误差不匹配，导致关系光学元件表面出现中高频误差或面形无法有效收敛。
3.目前，应用于ccos加工的数控设备主要包括数控加工机床，机械臂等。为保证加工精度，所有设备均需要对磨头中心进行精准定位。常用的定位方式包括数控机床使用的触发式测头，机械臂使用的tcp对准等，方式对测头顶端进行标定。标定测头位置后，再通过标准件的基准传递或激光跟踪仪等其他测量手段获得测头与磨头相对位置。最终计算出磨头中心。
4.使用测头标定方法主要存在以下两方面缺陷：
5.1)操作过程较为繁琐，为保证标定的准确性，通常磨头与标定用测头均需要使用同一接口，标定过程中需要反复拆装磨头、测头、调节偏心等；
6.2)标定的准确性需要验证，由于磨头定位过程中使用了测头作为间接的标定基准，标定后，需要确认标定结果的准确性，通常情况下是使用磨头寻找工件特殊位置如边缘相切位置等，随着加工过程中由于磨头磨损等导致定位出现偏差无法及时发现并补偿。
7.所以，就以上问题，本发明提供一种能够简化光学加工过程中磨头定位操作的复杂性，提高磨头定位的准确性，能够方便的在每次加工前对去除函数中心进行标定，避免因磨头定位不准导致光学表面出现中高频误差或面形误差变差的一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法是必要的。


技术实现要素：

8.本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法。
9.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.本发明公开的一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法，包括以下步骤：
11.步骤1：设计六维力传感器工装，用于固定力传感器和承载磨头旋转；
12.步骤2：力传感器坐标系标定，在力传感器测力平台上三点施加力，三点在机床坐标p中分别为p1，p2，p3，根据三点出x，y,z方向的力fx,fy,fz和绕x,y,z方向的力矩mx,my,mz，求解三点在力传感器坐标系下坐标s1，s2，s3，根据三点在不同坐标系下坐标可解算出力
传感器坐标系与机床坐标系相对关系；
13.步骤3：磨头材料去除中心定位，将步骤2中力传感器坐标系数据输入机床或机械臂控制系统，使磨头运动至步骤2力传感器理论中心位置，磨头旋转，获得力与力矩数据，根据力与力矩数据求解受力点在力传感器中坐标。
14.进一步的，步骤2.1：建立方程，设点p(x0,y0,z0)为受力点，由于x方向分力fx对力矩mx没有作用，考虑过力的作用点p平面进行分析；
15.其中，fy,fz为y，z两个方向的力，r
x
旋转中心到力的作用点的矢量，则根据力矩计算公式
16.r
x
×fyz
＝m
x 公式1
17.o为力矩传感器标定参考点；
18.p为力的作用点；
19.oxyz为传感器标定坐标系。
20.进一步的，步骤2.1中，r
x
矢量方向为(y0,z0),fyz矢量方向为(fy,fz),则根据二维矢量叉乘公式，式可表示为：
21.y0f
z-z0fy＝m
x
公式1.2
22.该方程中由于实际接触面z方向位置z0为力传感器定位工装表面，因此，将z0作为已知数进行求解；
23.方程变为：
[0024][0025]
通过磨头在力传感器表面运行过程中测量得到的fx，fy,fz,mx,my,通过解算方程1.11即可获得磨头转动过程中的受力中心，即材料去除中心(x0，y0)。
[0026]
进一步的，力传感器坐标系变换在二维平面实现，设平移旋转矩阵为：
[0027][0028]
任一点a在机床坐标系p下坐标为p1(xp，yp)，在传感器坐标系s下坐标为s1(xs，ys)，则有
[0029][0030]
扩展至三个数据点
[0031][0032]
其中，xs，ys，xp，yp均可通过实验获得，求解公式1.14即可得到旋转平移矩阵t。
[0033]
进一步的，步骤3.1，将力传感器坐标系的数据输入机床或机械手，使用磨头的研抛盘运动至力传感器理论中心(x0、y0)并旋转，获得力与力矩数据，根据测量数据利用公式1.11求解磨头旋转中心实际位置(xp，yp)，根据理论位置(x0，y0)和实际位置(xp，yp)即可获得磨头材料去除中心位置以及理论值与实际值偏差。
[0034]
在上述技术方案中，本发明提供的一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法，有益效果：
[0035]
本发明公开的基于六维力传感器的磨头中心的定位方法，该方法有效解决了数控机床或机械手磨头加工非球面反射镜过程中快速定位问题，通过使用六维力传感器进行定位，操作方案简单，并且能够有效减少操作步骤，提高效率，实现了能够简化光学加工过程中磨头定位操作的复杂性，提高了磨头定位的准确性，能够方便的在每次加工前对去除函数中心进行标定，且避免因磨头定位不准导致光学表面出现中高频误差或面形误差变差。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1是本发明公开的一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法的六维力传感器方位示意图；
[0038]
图2是本发明公开的一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法的mx力矩示意图；
[0039]
图3是本发明公开的一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法中的y正方向力矩坐标系；
[0040]
图4是本发明公开的一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法的六维力传感器测力结构；
[0041]
图5是本发明公开的一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法的六维力传感器标定实物图。
[0042]
附图标记说明：
[0043]
1、磨头；2、测力平台；3、六维力传感器；4、固定工作台。
具体实施方式
[0044]
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
[0045]
参见图1所示；
[0046]
发明一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法，该方法包括以下步骤：
[0047]
步骤1：设计六维力传感器工装，用于固定力传感器和承载磨头旋转；
[0048]
具体的，参见图4、5所示，该工装包括固定工作台4，固定工作台4上部固连有六维力传感器3，通过六维力传感器采集磨头旋转运动过程中的力、力矩信息，六维力传感器3上部固连有测力平台2，磨头1在该测力平台2上旋转运动，且测力平台2厚度为已知，用于位置求解，磨头1为需要标定的对象，该磨头1为现有技术中的研抛盘；
[0049]
步骤2：力传感器坐标系标定，在力传感器测力平台上三点施加力，三点在机床坐标p中分别为p1，p2，p3，根据三点出x，y，z方向的力fx,fy,fz和绕x,y,z方向的力矩mx,my,mz，基本方位示意图如图1所示，求解三点在力传感器坐标系下坐标s1，s2，s3，根据三点在不同坐标系下坐标可解算出力传感器坐标系与机床坐标系相对关系；
[0050]
步骤3：磨头材料去除中心定位，将步骤2中力传感器坐标系数据输入机床或机械臂控制系统，使磨头运动至步骤2力传感器理论中心位置，磨头旋转，获得力与力矩数据，根据力与力矩数据求解受力点在力传感器中坐标。
[0051]
优选的，步骤2.1：建立方程，设点p(x0,y0,z0)为受力点，由于x方向分力fx对力矩mx没有作用，考虑过力的作用点p平面进行分析，力fy，fz分布如图2所示；
[0052]
其中，fy,fz为y，z两个方向的力，r
x
旋转中心到力的作用点的矢量，则根据力矩计算公式
[0053]rx
×fyz
＝m
x 公式1
[0054]
o为力矩传感器标定参考点；
[0055]
p为力的作用点；
[0056]
oxyz为传感器标定坐标系。
[0057]
优选的，步骤2.1中，r
x
矢量方向为(y0,z0),fyz矢量方向为(fy,fz),则根据二维矢量叉乘公式，式可表示为：
[0058]
y0f
z-z0fy＝m
x
公式1.2
[0059]
推广至三个方向力矩计算，可建立方程组
[0060][0061]
需注意，考虑y方向力矩时，由y+方向观察力矩作用平面，其坐标系如图3所示；
[0062]
将公式1.3转变为矩阵形式为：
[0063][0064]
该方程中由于实际接触面z方向位置z0为力传感器定位工装表面，因此，将z0作为已知数进行求解；
[0065]
方程变为：
[0066][0067]
通过磨头在力传感器表面运行过程中测量得到的fx，fy,fz,mx，my，通过解算方程1.11即可获得磨头转动过程中的受力中心，即材料去除中心(x0，y0)。
[0068]
优选的，力传感器坐标系变换在二维平面实现，设平移旋转矩阵为：
[0069][0070]
任一点a在机床坐标系p下坐标为p1(xp，yp)，在传感器坐标系s下坐标为s1(xs，ys)，则有
[0071][0072]
扩展至三个数据点
[0073][0074]
其中，xs，ys，xp，yp均可通过实验获得，求解公式1.14即可得到旋转平移矩阵t。
[0075]
优选的，步骤3.1，将力传感器坐标系的数据输入机床或机械手，使用磨头的研抛盘运动至力传感器理论中心(x0、y0)并旋转，优选的旋转时间为30秒(旋转时间可以根据实际转速决定时间)，获得力与力矩数据，根据测量数据利用公式1.11求解磨头旋转中心实际位置(xp，yp)，根据理论位置(x0，y0)和实际位置(xp，yp)即可获得磨头材料去除中心位置以及理论值与实际值偏差，若偏差满足实际加工需求，则可进行下一步加工，若不满足，可根据测量结果进行补偿以实现高精度加工。
[0076]
上述步骤中步骤1、步骤2为准备流程，每台机床或机械手仅需要定位一次后无需重复操作，即可对不同磨头进行标定，能有效提磨头中心对准效率。该方法除可用于磨头位置标定外，还能够对反射镜加工过程中磨头位置进行实时监控。具体实施过程为将反射镜固定在力传感器上方。通过相同方式采集磨头加工过程中力学数据即可对磨头位置进行实时监控。
[0077]
具体实施例：
[0078]
该方法已经过实验标定，对单点重复性、定位精度进行测量，测量过程如下：
[0079]
1)重复性测试：在同一点重复测量，观察重复性，测量点分别以力传感器中心为原点，坐标(0，0),(+1，0),(0,-1)处重复性；
[0080]
表1-表3为重复性测试结果。
[0081]
表1(0,0)点位置重复性测试
[0082][0083]
表2(+1，0)点位置重复性测试
[0084][0085][0086]
表3(0,-1)点位置重复性测试
[0087][0088]
根据实验结果可知：单点重复检测位置精度优于0.1mm；
[0089]
2)定位精度标定：使用机床移动1，2，5，10mm，分别使用磨头在力传感器旋转测量。根据力传感器数据求解解算移动位置，比较解算结果与实际移动距离标定定位精度。
[0090]
表4实际移动距离与解算距离比较
[0091]
机床移动距离解算距离偏差10.819-0.181 21.961-0.039 55.1680.168 1010.5000.500
[0092]
根据标定结果，10mm范围内，解算精度优于0.5mm。满足实际使用需求。
[0093]
根据上述重复性标定结果与定位精度标定结果，该方案可满足实际使用需求。
[0094]
在上述技术方案中，本发明提供的一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法，有益效果：
[0095]
本发明公开的基于六维力传感器的磨头中心的定位方法，该方法有效解决了数控机床或机械手磨头加工非球面反射镜过程中快速定位问题，通过使用六维力传感器进行定位，操作方案简单，并且能够有效减少操作步骤，提高效率，实现了能够简化光学加工过程中磨头定位操作的复杂性，提高了磨头定位的准确性，能够方便的在每次加工前对去除函数中心进行标定，且避免因磨头定位不准导致光学表面出现中高频误差或面形误差变差。
[0096]
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

技术特征：
1.一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：设计六维力传感器工装，用于固定力传感器和承载磨头旋转；步骤2：力传感器坐标系标定，在力传感器测力平台上三点施加力，三点在机床坐标p中分别为p1，p2，p3，根据三点出x，y,z方向的力fx,fy,fz和绕x,y,z方向的力矩mx,my,mz，求解三点在力传感器坐标系下坐标s1，s2，s3，根据三点在不同坐标系下坐标可解算出力传感器坐标系与机床坐标系相对关系；步骤3：磨头材料去除中心定位，将步骤2中力传感器坐标系数据输入机床或机械臂控制系统，使磨头运动至步骤2力传感器理论中心位置，磨头旋转，获得力与力矩数据，根据力与力矩数据求解受力点在力传感器中坐标。2.根据权利要求1所述的一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法，其特征在于；步骤2.1：建立方程，设点p(x0,y0,z0)为受力点，由于x方向分力fx对力矩mx没有作用，考虑过力的作用点p平面进行分析；其中，fy,fz为y，z两个方向的力，r
x
旋转中心到力的作用点的矢量，则根据力矩计算公式r
x
×
f
yz
＝m
x 公式1o为力矩传感器标定参考点；p为力的作用点；oxyz为传感器标定坐标系。3.根据权利要求2所述的一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法，其特征在于；步骤2.1中，r
x
矢量方向为(y0,z0),fyz矢量方向为(fy,fz),则根据二维矢量叉乘公式，式可表示为：y0f
z-z0f
y
＝m
x
公式1.2该方程中由于实际接触面z方向位置z0为力传感器定位工装表面，因此，将z0作为已知数进行求解；方程变为：通过磨头在力传感器表面运行过程中测量得到的fx，fy,fz,mx,my,通过解算方程1.11即可获得磨头转动过程中的受力中心，即材料去除中心(x0，y0)。4.根据权利要求3所述的一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法，其特征在于；力传感器坐标系变换在二维平面实现，设平移旋转矩阵为：任一点a在机床坐标系p下坐标为p1(xp，yp)，在传感器坐标系s下坐标为s1(xs，ys)，则有
扩展至三个数据点其中，xs，ys，xp，yp均可通过实验获得，求解公式1.14即可得到旋转平移矩阵t。5.根据权利要求4所述的一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法，其特征在于；步骤3.1，将力传感器坐标系的数据输入机床或机械手，使用磨头的研抛盘运动至力传感器理论中心(x0、y0)并旋转，获得力与力矩数据，根据测量数据利用公式1.11求解磨头旋转中心实际位置(xp，yp)，根据理论位置(x0，y0)和实际位置(xp，yp)即可获得磨头材料去除中心位置以及理论值与实际值偏差。

技术总结
本发明公开了一种基于六维力传感器的磨头中心的定位方法，包括：步骤1：设计六维力传感器工装，用于固定力传感器和承载磨头旋转；步骤2：力传感器坐标系标定，在力传感器测力平台上三点施加力，三点在机床坐标P中分别为P1，P2，P3，根据三点出x，y,z方向的力Fx,Fy,Fz和绕x,y,z方向的力矩Mx,My,Mz求解三点在力传感器坐标系下坐标S1，S2，S3；步骤3：磨头材料去除中心定位，将步骤2中力传感器坐标系数据输入机床或机械臂控制系统，使磨头运动至步骤2力传感器理论中心位置，磨头旋转，获得力与力矩数据；该方法有效解决了数控机床或机械手磨头加工非球面反射镜过程中快速定位问题，使用六维力传感器进行定位，操作简单，且能够有效减少操作步骤，提高效率。提高效率。提高效率。


技术研发人员：罗霄 刘振宇 戚二辉 胡海翔 汪首夺
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/14