一种基于热稳定性设计的机床五自由度误差测量装置

摘要

本发明公开一种基于热稳定性设计的机床五自由度误差测量装置，包括激光发射端和激光接收端，激光发射端由激光发射端上面板、激光发射端后面板、激光发射端下面板、激光发射端前面板、光学窗口、激光发射端光路部分、激光发射端电路部分组成；激光接收端由激光接收端上面板、激光接收端前面板、激光接收端后面板、激光接收端下面板、镜筒、激光接收端电路部分、激光接收端光路部分构成；本发明在发射端与接收端中将电路部分和光路部分集成于一体的同时进行分层隔离设计，缩小了测量装置的体积；通过外壳热传导设计，减弱了热应力导致的激光器及角锥棱镜、平面镜等反射元件的机械形变，提高了装置的热稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，特别是一种基于热稳定性设计的机床五自由度误差测量装置。

背景技术

机床是制造业的重要载体，其发展迅速，普及范围广，为制造业的发展注入了新的活力。随着现代机械制造技术的飞速发展，对各种数控机床的加工精度提出了更高的要求，采用恰当的方法提高机床的精度具有十分重要的意义。典型的三轴机床包括21项几何误差，分别是各轴对应的六自由度误差以及每两轴之间的正交误差，而六自由度误差包括定位误差、二维直线度误差、俯仰角、偏摆角以及滚转角。目前常用的测量手段如激光干涉仪，激光跟踪干涉仪、球杆仪等，每次只能测量一个参数，要完成所有参数的测量既费时费力又大大降低生产效率，进而影响经济效益。因此，机床误差的快速有效测量是提高数控机床加工精度的关键。

基于激光准直与自准直原理实现多自由度测量是一种结构简单易于集成、成本低的方法。目前国内外出现了许多激光准直方法与技术，，但这些方法与技术或测量系统复杂，造成测量头体积大，或没有考虑合理的热稳定性设计，造成测量精度不足，故只停留在实验室阶段，未能应用于机床现场测量。专利号2019109776237，“带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置与方法”中提出一种基于激光准直与自准直原理实现测量的机床三轴五自由度测头，可同时测量激光角度漂移实现补偿，实现多自由度测量且可集成于数控机床。目前，该方法的测量精度及稳定性受到空气扰动、激光漂移、机械形变、光电传感器的标定误差等因素影响，其中，激光器及角锥棱镜、平面镜等反射元件的机械形变是影响多自由误差同时测量精度的主要因素之一，而激光器及角锥棱镜、平面镜等反射元件的机械形变主要受到测量装置电路发热而产生的热变形影响。同时，为了保证机床五自由度误差测量的精度和可靠性，对机械件加工和设计装配提出了更高的要求。因此，研制一种基于热稳定性设计的机床五自由度误差测量装置具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于热稳定性设计的机床五自由度误差测量装置，用于实现适合远距离测量、可补偿激光角度漂移、便于集成在数控机床中且成本低的现场机床五自由度误差测量。本发明通过分层隔离设计，将机床五自由度误差测量装置电路部分与光路部分分层隔离，两层之间填补隔热材料，把热量隔绝在光路部分之外，同时电路部分和光路部分集成于一体，缩小了测量装置的体积；通过外壳热传导设计，将电路部分产生的热量传导于测量装置外部，通过装置外部空气对流散热，减弱了热应力导致的激光器及角锥棱镜、平面镜等反射元件的机械形变，提高了装置的热稳定性。本发明可推广用于多种机床现场测量场合，实现高精度、远距离、在线多自由度机床误差测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于热稳定性设计的机床五自由度误差测量装置，包括激光发射端和激光接收端，所述激光发射端由激光发射端上面板、激光发射端后面板、激光发射端下面板，激光发射端前面板，光学窗口，激光发射端光路部分、激光发射端电路部分组成；

所述激光发射端电路部分由激光器、激光发射端印制电路板和激光发射端散热板构成；

所述激光发射端光路部分由光纤缠绕盘、激光发射端光路底板、激光准直器，第一棱镜反射镜，第一分光镜，第二分光镜，第二凸透镜，第二二维位置敏感探测器，第二棱镜反射镜，第四分光镜，第三凸透镜，第三二维位置敏感探测器构成；

所述激光接收端由激光接收端上面板、激光接收端前面板、激光接收端后面板、激光接收端下面板、镜筒、激光接收端电路部分、激光接收端光路部分构成；

激光接收端电路部分由激光接收端散热板、激光接收端印制电路板构成；

激光接收端光路部分由第三分光镜、第一凸透镜、第一二维位置敏感探测器、第一四象限探测器、第二四象限探测器构成；

所述激光发射端通过所述激光发射端上面板、激光发射端后面板、激光发射端下面板、激光发射端前面板形成密封箱体结构，所述光学窗口设置于激光发射端前面板上；

所述激光接收端通过激光接收端上面板、激光接收端下面板、激光接收端前面板、激光接收端后面板形成密封箱体结构，所述镜筒伸出于所述激光接收端前面板；激光从激光发射端光学窗口处出射，经激光接收端镜筒接收，完成机床五自由度的测量；

所述激光发射端光路部分与所述激光发射端电路部分之间分层隔离设置且在二者空隙之间填充有隔热材料，激光发射端光路部分单独设置有外壳，所述激光发射端印制电路板通过铜柱安装于激光发射端散热板上方，激光发射端散热板用于将激光发射端印制电路板产生的热量传导至激光发射端的各个面板；

所述激光接收端电路部分与激光接收端光路部分之间分层隔离设置，激光接收端印制电路板通过铜柱安装于激光接收端散热板上方，激光接收端散热板用于将激光接收端印制电路板产生的热量传导至激光接收端的各个面板；

所述激光发射端光路底板设置于激光发射端下面板上表面，光纤缠绕盘与激光器依次设置于激光发射端光路底板的上表面，激光器发出激光，激光被第一棱镜反射镜反射后，再经过第一分光镜后分成两束激光，透过第一分光镜的激光经过第二分光镜后分成两束激光，透过第二分光镜的激光经过激光接收端第三分光镜后分成两束激光，透过第三分光镜的激光照射到第一四象限探测器上，实现水平直线度与竖直直线度的测量，并作为测量装置的二维直线度测量结果；被第三分光镜反射的激光经过第一凸透镜聚焦在第一二维位置敏感探测器上，实现俯仰角、偏摆角测量；被第二分光镜反射的激光经过第二凸透镜聚焦在第二二维位置敏感探测器上，实现透过第二分光镜的激光角度漂移测量；被第一分光镜反射的激光被第二棱镜反射镜反射，被第二棱镜反射镜反射的激光经过第四分光镜后分成两束激光，透过第四分光镜后的激光照射到激光接收端第二四象限探测器上，实现水平直线度与竖直直线度的测量，该装置只利用第二四象限探测器的竖直方向直线度，并结合第一四象限探测器的竖直方向直线度实现滚转角测量；被第四分光镜反射的激光经过第三凸透镜聚焦在第三二维位置敏感探测器上，实现透过第四分光镜的激光角度漂移测量。

进一步的，激光接收端散热板和激光发射端散热板均为铜板。

进一步的，激光发射端下面板能够通过法兰与机床相连接，通过外壳热传导方式，将电路部分产生的热量传导于测量装置外部，通过测量装置外部空气对流散热，减少激光发射端光路部分内部光学元件受到的热应力，提高激光发射端的热稳定性，防止发生机械形变；

激光接收端后面板能够通过法兰与机床相连接，通过外壳热传导方式，将电路部分产生的热量传导于测量装置外部，通过测量装置外部空气对流散热，减少了激光接收端光路部分内部光学元件受到的热应力，提高激光接收端的热稳定性，防止发生机械形变。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明测量装置可用于实现机床现场俯仰角、偏摆角、滚转角、水平直线度及竖直直线度的同时测量，且消除激光角度漂移对五自由度测量的影响，提高测量精度；通过激光接收端与激光发射端的电路部分与光路部分的分层隔离设计和外壳导热设计，减少了内部各光学元件受到的热应力，提高了测量装置的热稳定性，从而提高了现场测量的精度和可靠性；通过激光接收端与激光发射端的电路部分与光路部分的机械结构集成设计，充分利用空间，结构紧凑，体积小，可集成于数控机床内部，实现在线测量。相比于传统测量装置体积大，难以集成，现场测量受环境热应力影响导致精度低等问题，提供了一种高精度、集成化、易安装且可靠性高的机床五自由度误差测量装置。

附图说明

图1是本发明测量装置激光发射端整体结构示意图。

图2是本发明测量装置激光接收端整体结构示意图。

图3是本发明测量装置激光发射端内部结构示意图。

图4是本发明测量装置激光接收端内部结构示意图。

图5是本发明测量装置激光发射端光路结构示意图。

附图标记：1-激光发射端上面板，2-激光发射端后面板，3-激光发射端上下面板，4-激光发射端前面板，5-光学窗口，6-激光发射端光路部分，7-激光接收端上面板，8-激光接收端前面板，9-激光接收端散热板，10-镜筒，11-激光接收端印制电路板，12-激光发射端电路部分，13-激光器，14-激光发射端印制电路板，15-激光发射端散热板，16-光纤缠绕盘，17-激光接收端后面板，18-激光接收端下面板，19-第三分光镜，20-第一凸透镜，21-第一二维位置敏感探测器，22-第一四象限探测器，23-第二四象限探测器，24-激光接收端电路部分，25-激光接收端光路部分，26-激光发射端光路底板，27-激光准直器，28-第一棱镜反射镜，29-第一分光镜，30-第二分光镜，31-第二凸透镜，32-第二二维位置敏感探测器，33-第二棱镜反射镜，34-第四分光镜，35-第三凸透镜，36-第三二维位置敏感探测器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于热稳定性设计的机床五自由度误差测量装置。该测量装置分为激光发射端和激光接收端。激光发射端由激光发射端上面板1、激光发射端后面板2、激光发射端下面板3、激光发射端前面板4、光学窗口5、激光发射端光路部分6、激光发射端电路部分12构成；

激光发射端电路部分12由激光器13、激光发射端印制电路板14、激光发射端散热板15构成；

激光发射端光路部分6由光纤缠绕盘16、激光发射端光路底板26、激光准直器27、第一棱镜反射镜28、第一分光镜29、第二分光镜30、第二凸透镜31、第二二维位置敏感探测器32、第二棱镜反射镜33、第四分光镜34、第三凸透镜35、第三二维位置敏感探测器36构成；

激光接收端由激光接收端上面板7、激光接收端前面板8、激光接收端后面板17、激光接收端下面板18、镜筒10、激光接收端电路部分24、激光接收端光路部分25构成；

激光接收端电路部分24由激光接收端散热板9、激光接收端印制电路板11构成；

激光接收端光路部分25由第三分光镜19、第一凸透镜20、第一二维位置敏感探测器21、第一四象限探测器22、第二四象限探测器23构成。

因机床加工现场环境复杂，为保证机床五自由度误差测量装置在现场环境的实际应用，激光发射端和激光接收端的光路部分和电路部分需要集成与密封。如图1，激光发射端通过激光发射端上面板1，激光发射端后面板2，激光发射端下面板3，激光发射端前面板4与光学窗口5进行密封；如图2，激光接收端通过激光接收端上面板7，激光接收端下面板18，激光接收端前面板8，激光接收端后面板17，激光接收端下面板18，镜筒10进行密封。因机床由铸铁制成，激光发射段与激光接收端各面板材料需选取与铸铁热膨胀系数相近的不锈钢。测量装置使用时激光发射端安装在数控机床待测轴的固定位置，激光接收端安装在数控机床待测轴的滑台上，激光从激光发射端光学窗口5处出射，经激光接收端镜筒10接收，完成机床五自由度误差的测量。

激光发射端内部结构如图3所示，其主要热源为激光发射端电路部分12中的激光器13和印制电路板14，因此对激光发射端光路部分6和激光发射端电路部分12进行分层隔离设计，激光发射端光路部分6设计单独的外壳，减弱温度及气流对测量的干扰。同时用隔热材料将激光发射端光路部分6与激光发射端电路部分12之间的空隙填充，进一步减少激光发射端电路部分12对激光发射端光路部分6的热传导。同时激光发射端印制电路板14通过铜柱与激光发射端散热板15连接，激光发射端散热板15选取热导率较高的铜板制作，将激光发射端印制电路板14产生的热量通过激光发射端散热板15传导至激光发射端后面板2、激光发射端下面板3与激光发射端前面板4，激光发射端下面板3可设计法兰与机床相连接，通过外壳热传导设计，将电路部分产生的热量传导于测量装置外部，通过装置外部空气对流散热，减少激光发射端光路部分6内部的激光器及角锥棱镜、平面镜等反射元件受到的热应力，提高激光发射端的热稳定性，防止发生机械形变。

激光接收端内部结构如图4所示，激光接收端光学元器件少于发射端，同时热应力在接收端产生的机械形变导致的角度误差较小，又由于接收端电路部分没有激光器13等产热较大元件，其主要热源为激光接收端电路部分24中的激光接收端印制电路板11，因此对激光接收端电路部分24和激光接收端光路部分25进行分层隔离设计，减少激光接收端电路部分24对激光接收端光路部分25的热传导。同时激光接收端印制电路板11通过铜柱与激光接收端散热板9连接，激光接收端散热板9选取热导率较高的铜板制作，将激光接收端印制电路板11产生的热量通过激光接收端散热板9传导至激光接收端后面板17、激光接收端下面板18与激光接收端上面板7，激光接收端后面板17可设计法兰与机床相连接，通过外壳热传导设计，将电路部分产生的热量传导于测量装置外部，通过装置外部空气对流散热，减少了激光接收端光路部分25内部光学元件受到的热应力，提高激光接收端的热稳定性，防止发生机械形变。

激光发射端的光路部分6内部结构如图5所示，同时参考图4，激光器27发出激光，激光被第一棱镜反射镜28反射后，再经过第一分光镜29后分成两束激光，透过第一分光镜29的激光经过第二分光镜30后分成两束激光，透过第二分光镜30的激光经过激光接收端第三分光镜19后分成两束激光，透过第三分光镜19的激光照射到第一四象限探测器22上，实现水平直线度与竖直直线度的测量，并作为该装置的二维直线度测量结果；被第三分光镜19反射的激光经过第一凸透镜20聚焦在第一二维位置敏感探测器21上，实现俯仰角、偏摆角测量；被第二分光镜30反射的激光经过第二凸透镜31聚焦在第二二维位置敏感探测器32上，实现透过第二分光镜30的激光角度漂移测量；被第一分光镜29反射的激光被第二棱镜反射镜33反射，被第二棱镜反射镜33反射的激光经过第四分光镜34后分成两束激光，透过第四分光镜34后的激光照射到激光接收端第二四象限探测器23上，实现水平直线度与竖直直线度的测量，该装置只利用第二四象限探测器23的竖直方向直线度，并结合第一四象限探测器22的竖直方向直线度实现滚转角测量；被第四分光镜34反射的激光经过第三凸透镜35聚焦在第三二维位置敏感探测器36上，实现透过第四分光镜34的激光角度漂移测量；

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。