一种激光平面坐标标准装置

摘要

本发明是一种激光平面坐标标准装置，包括测量水平轴向坐标的三路激光干涉测量光路，其特征在于：该装置中增加了一套测量竖直轴向坐标的激光干涉测量光路，该测量光路包括一个竖直轴，目标工作台位于竖直轴上，并由电机驱动沿竖直轴运动，工作台上设置角锥反射镜和测量靶标，其下方设置一个使光路由水平轴向转向竖直轴向的转向棱镜。本发明装置通过两套相互垂直的激光干涉测量光路建立了激光平面标准坐标面，该装置结构机简单，阿贝误差补偿准确度高，测量精度高，首次实现大尺寸便携式三座标测量机的基于坐标点的直接校准和误差评定。

说明书

技术领域

本发明是一种激光平面坐标标准装置，属于长度计量领域。直接应用于大尺寸坐标测量。

背景技术

大尺寸计量的发展主要是受工业产品需求的影响。特别是航空航天及汽车等传统大尺寸工业，生产产品的信息化及全球化导致复杂产品的生产需要由来自世界各地生产的零部件进行无缝连接、统一装配，供应商通过多层渠道提供的大型部件必须在尺寸上满足国际标准的溯源性，并且给出测量不确定度的说明。另外舰船、航天器、粒子加速器、大型地面望远镜等都需要准确的大尺寸计量，利用大尺寸测量仪器建立和维护系统，以确保系统准确的校准。大型部件的测量主要依赖于直线距离或空间坐标测量系统，例如激光干涉仪、坐标测量机、经纬仪、激光跟踪仪、摄影测量仪和3D扫描仪等便携式大尺寸三坐标测量机。

目前大尺寸工业测量仪器的溯源给传统的特定测量方式带来了压力。计量部门很难有资金和能力为每种工业计量仪器建立校准装置，为了保证溯源环节不中断，可通过使用间接溯源的特定被测量引入其它的被测量。目前只能依靠标准长度(如量块、定标尺等)去校准便携式大尺寸三坐标测量机，通过测量两点之间的长度来间接校准便携式三坐标测量机。这种量值传递涉及到复杂的运算，只能实现间接溯源和局部溯源，不能从根本上解决便携式大尺寸三坐标测量机的坐标校准，不能全面评价仪器的技术指标。上述方法只实现了长度溯源，未能实现坐标的直接溯源。

现有电子经纬仪、激光跟踪仪、摄影测量仪和3D扫描仪等便携式大尺寸三坐标测量机的溯源只局限于长度比较、标尺测量等一维校准模式。对于其坐标测量的准确与否无法进行全面校准。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题而设计提供了一种激光平面坐标标准装置，其目的是实现了平面的坐标点的直接测量和校准，提供了光学基准坐标面。可用于大尺寸便携式三座标测量机的的误差评定和校准，克服了现有校准手段不足的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种激光平面坐标标准装置，包括测量水平轴向坐标的三路激光干涉测量光路，其特征在于：该装置中增加了一套测量竖直轴向坐标的激光干涉测量光路，该测量光路包括一个竖直轴，目标工作台位于竖直轴上，并由电机驱动沿竖直轴运动，工作台上设置角锥反射镜和测量靶标，其下方设置一个使光路由水平轴向转向竖直轴向的转向棱镜。

本发明技术方案按照坐标面的构成，提供了两路相互垂直的测量光路。坐标平面的测量是由两套激光干涉仪实现的。受导轨直线度等因素的影响，目标点的坐标与坐标面之间有较大的误差，若提高精度必须通过合理的补偿求解出目标点的真实坐标。

采用两套双频激光干涉仪作为长度计量标准，建立X、Z两个方向的移动坐标导轨。校准时Y坐标是固定不变值。通过两套激光干涉测量系统分别提供两个相互垂直的测量光路，所得出的测量结构形成了校准装置的坐标系，即光学基准坐标面，从而实现了对被测系统的坐标的直接校准。

由于长导轨的直线度很难控制，在水平光路上的两条辅助测量光路，可以消除对水平轴导轨直线度的影响，尤其是消除垂直竖轴对目标点的影响。这种三路干涉光的同向测量结构可以实时监测水平轴向导轨两个方向上阿贝角的变化，同时根据实时所测的阿贝角来补偿被测目标点的阿贝误差。试验表明采用这种方案有效提高了系统的测量精度，同时降低了对导轨的直线度的要求。竖直轴向的测量是通过第四路激光干涉系统及一个90°转向棱镜N来实现。由于目标点P安置位置与第四路标准光束的反射镜近似同轴，在竖直轴导轨直线度很小的情况下，可以忽略阿贝误差的影响。保持水平工作台不动，这样目标点在竖直方向上的行程长度P_Z就可以直接通过第四路光求出。

附图说明

图1是本发明技术方案的实施流程示意图

图2是本发明技术方案的组成及结构示意图

图3是本发明技术方案的光路结构示意图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的详述：

参见附图1～3所示，本发明所述的激光平面坐标标准装置，包括测量水平轴向坐标的三路激光干涉测量光路，它包括水平主光路OX，辅助光路OY、OZ，其主体是大理石直线导轨7，总长36米，九块大理石拼接而成，位于独立的地基上，由千斤顶支撑，采用的测量标准为原美国惠普公司的长距双频激光干涉仪8，干涉仪位于导轨的一端，目标反射镜放置在气浮工作台9上，气浮工作台9由电机驱动沿大理石直线导轨运行，移动的距离由干涉仪8测量。在气浮工作台9上增加了一套测量竖直轴向坐标的激光干涉测量光路，该测量光路包括一个竖直轴1，目标工作台2位于竖直轴1上，并由电机3驱动沿竖直轴运动，工作台2上设置角锥反射镜4和测量靶标5，其下方设置一个使光路由水平轴向转向竖直轴向的转向五棱镜6，光路由另一台干涉仪8出射。

被校准的测量靶标5安装在竖直轴1的目标工作台2上，被测量靶标5可随气浮工作台9和垂直工作台2运动，可以实现双向单轴长度测量和平面坐标测量。移动目标台2和气浮工作台9可使被测量靶标5置于测量系统标准坐标面的任意位置上。测量时，两台激光干涉仪8就可以采集目标点在两个坐标轴上的位置，同时用被校仪器采集同一目标点的坐标值，将被校测量仪器的坐标系变换至系统标准坐标面的坐标系下，数据经最小二乘法拟合分析和处理，得到被校测量系统相对系统标准坐标面内三维坐标值的偏差值，从而判定被校测量系统在测量空间点坐标位置的测量不确定度是否满足被校准测量系统的技术指标要求。

本发明装置通过两套相互垂直的激光干涉测量光路建立了激光平面标准坐标面，该装置结构机简单，阿贝误差补偿准确度高，测量精度高，首次实现大尺寸便携式三座标测量机的基于坐标点的直接校准和误差评定。