一种具有滚动角自校正功能的测量系统及方法

摘要

本发明属于线性工作台的运动精度测量技术领域，公开了一种具有滚动角自校正功能的测量系统及方法。通过双光束来测量滚动角的方式需要从原理上保证两束光平行才能测得准确的滚动角误差，然而由于直角反射镜安装在小型二维角度调整架上，其内部弹簧部件难免在长时间后会有微小变化，以及激光本身角漂等原因，均会导致其两束光之间会产生微小角度变化，从而使双光束产生不平行度影响滚动角误差的测量精度，两束光产生不平行度的情况如附图4所示。两束光之间的不平行度会反映到两个测量俯仰角误差的实准仪上，因此可以通过双示准仪来实时监测双光束不平度之间的变化，然后将其补偿到滚动角中，便可以得到真实的滚动角误差。

说明书

技术领域

本发明属于线性工作台的运动精度测量技术领域，具体涉及带有监测双光束不平行度功能的五自由度误差测量系统及方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，在航空航天、军工国防、医疗器械等高端制造领域，由于对零部件的加工精度有着极高的要求，因此对扮演着核心生产力角色的数控机床的加工精度便提出了越来越高的要求。而机床上线性工作台的精度直接影响着数控机床的加工精度，因此对线性工作台进行误差测量是提高机床加工精度关键性的一步。

当机床线性工作台运动时，由于其加工工艺及装配方式有着不可避免的偏差，会产生六个自由度的几何误差，如附图1所示，包括运动轴方向的定位误差(δ

自研五自由度系统所采用的是结构简单，便于集成且造价低的双平行光束法测滚动角，而由于双平行光束法需严格保证其双光束的平行才能准确测量滚动角，因此对双光束不平行度的监测便尤为重要。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明提供了一种带有监测双光束不平行度功能的五自由度误差测量系统及方法，基于双视准仪实现该监测功能从而提高滚动角误差的测量精度。

具体技术方案为：一种具有滚动角自校正功能的测量系统，包括半导体激光器、第一分光棱镜、第一直角反射镜、第二分光棱镜、第一四象限光电探测器、第一聚焦透镜、第二四象限光电探测器、第三分光棱镜、第三四象限光电探测器、第二聚焦透镜、第四四象限光电探测器、激光测距模块、；

其中，半导体激光器、第一分光棱镜、直角反射镜安装在固定端；第二分光棱镜、第一四象限光电探测器、第一聚焦透镜、第二四象限光电探测器、第三分光棱镜、第三四象限光电探测器、第二聚焦透镜、第四四象限光电探测器、激光测距模块安装在移动端；

半导体激光器产生的光束经第一分光棱镜后将光束一分为二，其透射光射入第二分光棱镜，第二分光棱镜的透射光由第一四象限光电探测器接收，第一四象限光电探测器探测到的光斑位移作为线性平台的二维直线度误差，第二分光棱镜的反射光经第一聚焦透镜后射入第二四象限光电探测器，第二四象限光电探测器探测到的光斑位移作为线性平台的俯仰角误差和偏摆角误差；第一分光棱镜的反射光经直角反射镜反射后平行射入第三分光棱镜，其透射光射入第三四象限光电探测器，第三四象限光电探测器所测得的竖直方向直线度误差与第一四象限光电探测器所测得的竖直方向直线度误差做差分处理得到滚动角误差；第三分光棱镜的反射光经第二聚焦透镜后射入第四四象限光电探测器，与第二四象限光电探测器配合起到监测双光束不平行度的功能；激光测距模块用于实时测量固定端和移动端之间的距离来实现滚动角的补偿。

由于直角反射镜安装在小型二维角度调整架上，其内部弹簧部件难免在长时间后会有微小变化，以及激光本身角漂等原因，均会导致其反射光会产生微小角度变化，从而使双光束产生不平行度影响滚动角误差的测量精度。理论上，将双光束调平的情况下双视准仪所测得的角度误差应相同，即导轨实际的角度误差。但实际由于安装误差会导致双视准仪的读数有所偏差，二者差值即为其安装误差。在五自由度系统正常测试状态下，双视准仪的差值为定值，当这一差值产生变化时，表明双视准仪监测到双光束不平行度相对于初始状态发生了变化。由于双光束不平行度的存在，导致装置实际所测出的滚动角误差是由双光束不平行度对滚动角误差的影响以及导轨实际的滚动角误差两部分组成。因此可以将双光束不平行度对滚动角误差的影响值补偿至滚动角误差中，从而实现提高实现对导轨滚动角误差的测量。

传统方式测量滚动角时，需要首先通过水平仪或其他方式将两个光束调至平行状态，当产生滚动角误差时，第一四象限和第三四象限上的光斑位置会发生变化，测量原理如附图3所示，滚动角的值表述为：

公式(1)中，ε

因此，要测得准确的滚动角误差需要保持两束光的平行状态，然而实际情况下，由于直角反射镜安装在小型二维角度调整架上，其内部弹簧部件难免在长时间后会有微小变化，以及激光本身角漂等原因，均会导致其两束光产生不平行度，此时两束光的状态如附图4所示。

采用上述具有滚动角自校正功能的测量系统对滚动角误差补偿的方法如下：

步骤1，监测不平行度的变化；

当第一和第二束光在竖直方向上产生不平度时，会导致第二和第四象限光电探测两者在竖直方向上的示数发生变化。

滚动角的值表述为：

公式(2)中，Δy

公式(3)中，θ

步骤2，计算补偿后的滚动角误差；

补偿后的滚动角误差，表述为：

根据公式(4)可以看出，滚动角示数由于双光束不平行度而产生的误差是和两束光之间的相对不平行度有关的，因此，只要通过双视准仪即第二四象限和第三四象限的差值来实时监测两束光在竖直方向上的不平行度变化便可以实现对滚动角的补偿。

本发明的有益效果：该测量方法采用半导体激光器进行五自由度误差测量，设计光路结构简单，成本低，易于集成，设计了双视准仪监测双光束不平行度对滚动角误差的影响，从而有效提高滚动角误差的测量精度。

附图说明

图1导轨的直线运动误差示意图；

图中：δ

图2带有监测双光束不平行度功能的五自由度误差测量系统光路图；

图3双光束测量滚动角原理示意图；

图中：L为第一四象限光电探测器与第三四象限光电探测器的距离；y

图4基于双视准仪监测双光束不平行度对滚动角误差影响示意图；

图中：1半导体激光器；2第一分光棱镜；3直角反射镜；4第二分光棱镜；5第一四象限光电探测器；6第一聚焦透镜；7第二四象限光电探测器；8第三分光棱镜；9第三四象限光电探测器；10第二聚焦透镜；11第四四象限光电探测器；12激光测距模块；θ

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实例对本发明作进一步的详细描述。

如附图2所示，本发明所采用的技术方案是：一种带有监测双光束不平行度功能的五自由度误差测量系统，该测量系统包括半导体激光器1、第一分光棱镜2、直角反射镜3、第二分光棱镜4、第一四象限光电探测器5、第一聚焦透镜6、第二四象限光电探测器7、第三分光棱镜8、第三四象限光电探测器9、第二聚焦透镜10、第四四象限光电探测器11、激光测距模块12；其中，半导体激光器1、第一分光棱镜2、直角反射镜3安装在固定端；第二分光棱镜4、第一四象限光电探测器5、第一聚焦透镜6、第二四象限光电探测器7、第三分光棱镜8、第三四象限光电探测器9、第二聚焦透镜10、第四四象限光电探测器11、激光测距模块12安装在移动端；固定端固定安装在线性工作台平面上，移动端在被测线性平台上运动。

半导体激光器产生的光束经第一分光棱镜后被一分为二，其透射光射入第二分光棱镜，第二分光棱镜的透射光由第一四象限光电探测器接收，第一四象限光电探测器探测到的光斑位移作为线性平台的二维直线度误差，第二分光棱镜的反射光经第一聚焦透镜后射入第二四象限光电探测器，第二四象限光电探测器探测到的光斑位移作为线性平台的俯仰角误差和偏摆角误差；第一分光棱镜的反射光经直角反射镜反射后平行射入第三分光棱镜，其透射光射入第三四象限光电探测器，第三四象限光电探测器所测得的竖直方向直线度误差与第一四象限光电探测器所测得的竖直方向直线度误差做差分处理得到滚动角误差。第三分光棱镜的反射光经第二聚焦透镜后射入第四四象限光电探测器，与第二四象限光电探测器配合起到监测双光束不平行度的功能，然后实时将不平行度补偿至滚动角中便可以得到真实的滚动角误差。

在实验验证中，首先使用水平仪将双光束进行调平，然后通过调整两束光线，使其产生2.2″的不平行度，然后根据不同距离将其补偿到滚动角误差中，将补偿过后的滚动角误差与水平仪进行对比，两者之间的差值在±1.5″内，而没有经过补偿的滚动角误差最大可与水平仪产生60″的误差。

本发明中的五自由度误差测量系统成本较低，设计光路结构简单，便于集成，可实现直线运动轴五自由度误差测量，尤其是基于双视准仪可以监测双光束不平行度，有效地提高了滚动角误差的测量精度。