本发明涉及一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏系统及方法，具体涉及一种面向光学镜片的六自由度并联调偏系统和自动高效调偏算法，属于光学镜片精密装配的自动化装配及光学系统与机电技术领域。
背景技术：
随着航空航天和数码科技的技术的日新月异，光学镜头组已经广泛应用于航天器、无人机、智能机器人、数码相机、和民用手机等领域，对高效率、高可靠性的装配需求愈发强烈。但目前的普遍情况是对镜片中心偏的测量和调整基本上是人工进行，装配精度的可靠性和装配效率都难以保证，所以亟需一种更加可靠，更加快捷的镜片装配系统。
经过文献和专利检索，与镜片中心偏测量和镜片装配相关的装调系统或装置有如下几项：
(1)申请号cn201310411023，发明名称为：中心偏检测装置及检测方法，公开了一种结构简单、可快速、高效地检测被测透镜中心偏的中心偏检测装置和方法，解决了机械式的三坐标法中，每次测量读取数据比较吃力，耗时比较长，效率低，而且精度不高等问题，但是该方法仅仅局限于快速的测量镜片中心偏，并没有提出调偏的方案。
(2)申请号cn201410115050.4，发明名称为：光学镜头辅助装调装置，公开了一种光学镜头辅助装调装置，解决了现有技术中分别检测光学镜头的中心偏和透镜间隔测量精度低、成本高的技术问题，提高了光学镜头装调效率。然而，虽然此装置实现了中心偏测量和镜片间隔测量这两种测量的组合，但仍然没有提出在测量出镜片中心偏后如何进行调偏。
综上所述，虽然目前有许多针对光学镜片中心偏的测量设备，但通常只能实现镜片中心偏测量的自动化，当镜片存在中心偏时仍然需要人为进行调整，效率虽然相比于纯手工装配有了很大提高，但仍然无法实现镜片从测量到调偏整个过程的自动化。
本发明提供的一种面向光学镜片的中心偏自动测量及调偏系统采用测量和调整交替进行的方式，实现了中心偏测量和镜片调整的高度一体化，目前还未见类似的研究成果。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有光学镜片中心偏的测量设备处理镜片存在中心偏时仍需要人为进行调整，效率较低的技术现状，提供了一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏系统及方法，采用测量和调整交替进行的方式，实现了中心偏测量和镜片调整的高度一体化。
一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏系统及方法，包括一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏系统，简称为“自动调偏系统”；以及一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏方法，简称“自动调偏方法”。
该自动调偏系统实现了中心偏测量和镜片自动调整的一体化，不仅能够实现镜片中心偏的快速测量，而且基于中心偏的测量结果，提出了采用六自由度并联结构实现镜片调偏的自动调偏方法；本自动调偏系统在镜片装配过程中，提出了采用测量和调整交替进行的方式，每进行一次调偏，要重新测量一下中心偏以验证调偏结果是否能够满足要求，如果不满足精度要求，则需要重新拟合光轴再次调偏，直到精度达到要求为止，这样能够保证镜片的调偏精度符合要求；
其中，自动调偏系统主要由镜筒调整模块、中心偏测量模块和自动调偏模块组成；自动调偏系统能够实现中心偏测量和镜片调整的高度一体化；
规定自动调偏系统的基准轴为镜筒调整模块中下气浮转台的转轴；对于具有两个球面的单透镜，两个球心的连线为透镜的光轴。
其中，镜筒调整模块包括下气浮转台、四维调整台、镜筒夹持机构和千分表测量机构；千分表测量机构包括千分表运动平台，上千分表，下千分表；下气浮转台固定在设备工作台上，四维调整台固定在下气浮转台上，千分表测量机构固定在设备工作台上。下气浮转台具有中心通孔,通孔直径为
其中，直径
四维调整台包括两个直线位移台、一个调平台和一个镜筒卡具；两个直线位移台的运动轴线在空间互相垂直叠放，调平台固定在两个直线位移台上，镜筒卡具固定在调平台上；四维调整台中心有直径为
其中，直径
调平台主要包括工作板与下底板；工作板与下底板的旋转接触面为球面，调水平时球心处不会产生水平位移，这里的设计为球心距台面高h,，如果下千分表正好距离台面h，即下千分表正好指向调平台接触球面的球心处，则调偏过程中，在下千分表高度处不会出现水平位移，这样在调整角度时就不会产生水平位移，实现了角度和偏移的分开调整，避免了原理上的误差；
其中，高度h的范围是40mm到60mm；
千分表测量机构主要包括上千分表、下千分表、滑轨、x-y二维平移台；
上述四部分的连接方式为：上千分表和下千分表都通过螺钉锁紧在滑轨上，保证上千分表和下千分表的测量轴线处于同一竖直平面内；滑轨通过螺钉固定在x-y二维平移台上。
所述的中心偏测量模块主要包括自准直仪调整机构、自准直仪和45°反射镜；自准直仪安装时通过调整自准直仪和45°反射镜的位姿，保证自准直仪光轴与系统基准轴同轴度；
自准直仪调整机构包括一个托板，三个螺钉调整机构，托板水平放置在机架上。螺钉调整机构由三个螺钉和一个金属板组成，金属板的一部分与机架通过两个螺钉固连，金属板另一部分通过一个螺钉与托板固连，通过调节螺钉可以调整托板在机架的位置；两个螺钉调整机构布置在托板两侧，一个螺钉调整机构布置在托板端面；自准直仪水平放置在托板上，其中，自准直仪末端固定有ccd相机；45°反射镜用来转折光束，把准直仪的水平光线转折为竖直光线。
自动调偏模块主要包括z轴位移台、上气浮转台、六自由度并联机构、六自由度力传感器和气动吸附头；五个部分的连接方式为：z轴位移台竖直放置，并且其运动轴线与系统基准轴平行；上气浮转台通过一个转接板与z轴位移台固连，且要保证上气浮转台的转轴与系统基准轴的同轴度在
自动调偏方法的主要包括采集数据、计算球心坐标和快速调偏；
步骤1、采集数据，提前采集待装调透镜的曲率半径、直径、材料、厚度、透镜间隔和镜筒内径为主的参数；
步骤2、通过采集到的数据，进行几何计算来确定待装调透镜球心的空间坐标；
若待装调透镜为两个球面的单透镜，两个球面单透镜对应的两个球心坐标计算如式(1)和(2)：
计算得到的球心坐标值都是在调偏坐标系中的值，调偏坐标系规定为：
调偏坐标系的x、y轴与自准直仪本身的x、y轴重合，调偏坐标系的z轴竖直向上，与自动调偏系统的基准轴重合，调偏坐标系的z轴原点设为自准直仪光束从下到上，接触的第一块透镜的第一个球面的交点；
计算球心坐标的步骤如下：
步骤2.1调整自准直仪焦距，让自准直仪的聚焦到球心o2，让上气浮转台旋转360°，则球心o2在自准直仪ccd相机上的反射光标画出一个圆，再根据气动吸附头的结构尺寸和被吸附球面的曲率半径，确定球心o2的z轴坐标，如式(1)：
其中，
步骤2.2调整自准直仪焦距，让自准直仪的聚焦到o1的球心，让上气浮转台旋转360°，则球心o1在自准直仪ccd相机上的反射光标画出一个圆，此时可算出透镜中心偏确χ，从而确定球心o1的z轴坐标如式(2)：
其中，
步骤2.3计算出球心1和球心2在调偏坐标系中的坐标如下公式(3)、(4)：
其中，ccd相机两次分别采集到的球心o1和o2在自准直仪ccd相机上的反射光标画出两个圆，x1.0，x1.180，y1.0和y1.180分别表示球心o1对应的圆在x轴正方向、x轴负方向、y轴正方向和y轴负方向所对应的四个点的坐标值；x2.0、x2.180、y2.0和y2.180分别表示球心o2对应的圆在x轴正方向、x轴负方向、y轴正方向和y轴负方向所对应的四个点的坐标值；
βt(1)表示球心o1到探测器靶面成像过程中的垂轴放大率，βt(2)表示球心o2到探测器靶面成像过程中的垂轴放大率，表示球面2的球心o2相对于球面1成像的放大倍率，
步骤3，用六自由度并联机构实现快速调偏，步骤3.1到步骤3.5为六自由度并联机构实现快速调偏的一个完整轮次，一轮调偏主要包括如下步骤：
步骤3.1在x轴、y轴组成的水平面内调整透镜位置，x方向的平移量为
步骤3.2六自由度并联机构绕x轴旋转，旋转角度为θ2，使得
θ2为透镜光轴
步骤3.3六自由度并联机构沿y，z轴移动，y方向移动量为
-δza3的计算公式如(9)和(10)：
步骤3.4六自由度并联机构绕y轴旋转，旋转角度为θ1，使得调整后的
θ1为透镜光轴
步骤3.5沿x，z轴移动，x轴方向调整量为
-δza5的计算公式如(14)：
至此，从步骤1到步骤3，完成了自动调偏方法。
本发明自动调偏系统的实施过程，包括如下步骤：
步骤i，设备安装时要保证“自准直仪、下气浮转台转轴、上气浮转台转轴”的同轴度在3微米以内；
步骤ii，z轴位移台上升，将自动调偏模块置抬起便于安放镜筒；
步骤iii，将镜筒放置在四维调整台上并用镜筒卡具卡紧；
步骤iv，调整千分表测量机构的位置，使上千分表和下千分表指向下气浮转台的旋转轴线，并且让两个千分表同时接触镜筒外表面，准备测量镜筒的圆跳动公差；
步骤v，下气浮转台转动一周，并根据两个千分表测出的镜筒外轮廓跳动公差来拟合镜筒轴线，分析出镜筒轴线在空间中的偏角；
步骤vi，通过调整四维调整台的两个直线位移台和一个调平台，使镜筒轴线与自动调偏系统的基准轴重合；
步骤vii，气动吸附头开始工作，人工将镜片放在气动吸附头处吸附住；
步骤viii，使用自动调偏方法，对镜片完成第一次调偏；
步骤ix，测量镜片中心偏看是否满足精度要求，如果中心偏仍然较大，超出精度的要求，则重复步骤viii；如果中心偏已经满足精度要求，则继续步骤x；
步骤x，z轴位移台下降，缓慢地将镜片放入镜筒内，当六自由度力传感器探测到镜片已经触碰到隔圈时，立即停止运动；
步骤xi，人工利用点胶机在镜片圆周上涂抹紫外线光固化粘接剂，利用紫外线光照固化，固定镜片；自动调偏模块上移，准备安装下一个镜片；
至此，从步骤i到步骤xi，完成了一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏系统的实施过程。
有益效果
本发明提供的一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏系统及方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
(a)本发明所述的自动调偏系统与传统的中心偏自动测量设备相比，不仅能实现镜片中心偏的测量，且调整镜片时不需手动调整，用于自动调偏的六自由度并联机构具有很高的运动精度，基本可以对镜片经过一次性调偏就能达到装调精度要求，同时并联机构能够快速响应，即本装配实现了高度自动化，可极大地提高镜片装调效率；
(b)调偏算法能够实时测量待装调镜面的球心坐标及中心偏，并且根据当前测量值调整镜片，测量和调整交叉进行，直到调整满足精度为止；与传统的人工装调镜片相比，这样更能够保证装调的精度；
(c)自动调偏算法的输入为自准直仪测得的待装调镜面的球心坐标，输出为六自由度并联机构的调整量。而自准直仪测得的球心坐标直接反映中心偏，六自由度并联机构直接与镜片固连，所以此调偏算法是直接解决以中心偏为目标函数的镜片装调对准问题的；
(d)本自动调偏系统提出了自准直仪在下，自动调偏模块在上的倒置型结构布局，这样有利于后续镜片的装配；与传统的自准直仪在上，镜筒在下的布局相比，这种布局为自动调偏模块提供了操作空间上的便利；
(e)本发明所述的镜筒调整模块，其中的调平台与传统的调平台相比，不仅能够实现角度的细微调整，而且通过采用球面接触的方式，保证了在调平过程中，镜筒始终围绕球心位置处旋转，而不会在调平过程中产生偏移误差；与传统的调平台相比，这种调平台在调整角度时不会产生偏移误差，具有更少的调节次数，和更高的调平效率。
附图说明
图1为本发明一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏系统的结构图；
图2为本发明一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏系统中的镜筒调整模块示意图；
图3为本发明一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏系统中的中心偏测量模块示意图；
图4为本发明一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏系统中的自动调偏模块意图；
图5为本发明一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏方法中的镜片两个球心的z轴坐标求解示意图；
图6为本发明一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏方法中两球心连线在调偏坐标系里的变化过程示意图。
图7为本发明一种面向光学镜片的六自由度并联自动调偏方法的实施方式流程图。
图示说明
其中，1-1－镜筒调整模块，1-2－中心偏测量模块，1-3－自动调偏模块；
其中，2-1－千分表运动平台，2-2－上千分表，2-3—下千分表，2-4—镜筒，2-5—镜筒夹持机构，2-6—四维调整台，2-7—下气浮转台；
其中，3-1－自准直仪调节机构，3-2—自准直仪，3-3—45°反射镜；
其中，4-1—z轴位移台，4-2—上气浮转台，4-3—六自由度并联机构，4-4—六自由度力传感器，4-5—气动吸附头。
其中图5中的oxyz组成调偏坐标系，o1b和o2b为两个球面的实际球心位置，o1和o2代表理论球心位置，即透镜没有中心偏情况下的理想位置；在说明书中统一用o1和o2代替，χ表示透镜的中心偏，dx为气动吸附头的吸附口直径尺寸，l为气动吸附头的长度尺寸；
其中图6中的oxyz是调偏坐标系，
其中图7为具体实施透镜自动调偏时的流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1
参照附图1，本光学装调系统主要包括1-1镜筒调整模块、1-2中心偏测量模块和1-3自动调偏模块这三个主要部分组成。通过各个部分的协调合作，能够实现中心偏测量和镜片调整的高度一体化。
以4-2上气浮转台的转轴为整个系统的基准轴，分别保证2-7下气浮转台和3-2自准直仪光轴与基准轴的同轴度在正负3个微米以内。
参照附图2，通过1-1镜筒调整模块调整镜筒的位姿，1-1镜筒调整模块包括千分表测量机构和2-6四维调整台。将镜筒放置在2-6四维调整台上，用2-5镜筒夹持机构固定镜筒，通过调节千分表测量机构的位移台，调整千分表的位置，使千分表表头接触到镜筒的母线，其中，2-3下千分表需要正好距离台面40mm，即2-3下千分表正好指向二维调平台接触球面的球心处，则调偏过程中，在2-3下千分表高度处不会出现水平位移。
2-7下气浮转台旋转一周，两个千分表测出读数，可以根据千分表的跳动，判断镜筒机械轴的偏移矢量，从而利用2-6四维调整台对镜筒位姿进行调整，使镜筒的机械轴与系统的基准轴重合。
参照附图3，将3-2自准直仪组件横放在工作台下，通过调整准直仪的3-1调节螺钉和3-3反射镜，使得准直仪光轴与系统的基准轴同轴度在3个微米以内。把需要装配的每个镜片的曲率半径、材料、镜片间隔、厚度等信息输入计算机，计算出每个镜面曲率中心的理论位置。
参照附图4，利用1-3自动调偏模块完成镜片的调偏。让4-1z轴位移台上升，将调偏模块抬起便于安放镜筒。气动吸附头开始工作，人工将镜片放在4-5气动吸附头吸附住，
参照附图5，根据气动吸附头的吸附口直径尺寸dx和长度尺寸l、透镜球表面2的球面半径r2，可以算出球心o2的z轴坐标
参照附图6，在计算出单透镜两个球面球心坐标后，得到球心实际位置o1o2，用六自由度并联机构实现快速调偏，先使球心o2平移至自动调偏系统的基准轴上，得到附图6的状态；再利用六自由度并联机构调整透镜的位姿，让两个球心连线最终与自动调偏系统的基准轴重合；
参照附图7，在用六自由度并联机构完成一轮调偏后，需要测量镜片中心偏看是否满足要求，如果中心偏仍然比较大，超出精度的要求，则重复调偏步骤；如果中心偏已经满足精度要求，则4-1z轴位移台下降，将镜片放入镜筒内，这个过程中，如果镜片与镜筒发生触碰，则六自由度力传感器会产生信号反馈给系统，停止4-1z轴位移台的下降运动。
镜片放入镜筒安装位置后，再一次测量镜片中心偏看是否满足要求，如果不满足则重复调偏步骤，如果满足则人工在镜片与镜筒贴合处涂抹紫外线光固化粘接剂，利用紫外线光照固化，固定镜片；自动调偏模块上移，准备安装下一个镜片。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。