CN211072866U - 带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置，包括由激光器、第一棱镜反射镜、第一分光镜、第二分光镜、第二棱镜反射镜、第四分光镜、第二凸透镜、第二二维位置敏感探测器、第三凸透镜和第三二维位置敏感探测器构成的激光发射端；由第三分光镜、第一四象限探测器、第一凸透镜、第一二维位置敏感探测器和第二四象限探测器构成的激光接收端；使用该测量装置时将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；本实用新型可实现俯仰角、偏摆角、滚转角、水平直线度及竖直直线度的同时测量，实现远距离测量；可消除激光角度漂移对五自由度测量的影响，提高测量精度。

Description

带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置

技术领域

本实用新型属于精密测量技术领域与光学工程领域，特别是带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置。

背景技术

数控机床的加工精度是衡量机床性能高低的主要指标之一，直接影响零件的品质。随着机械制造业对零件精度要求持续不断的提高，“如何提高数控机床的加工精度”受到各国专家学者的普遍关注。误差测量补偿法通过测量机床的原始误差并利用空间误差模型解算出误差补偿值来减小机床误差，是一种经济有效的方法。常见的三轴数控机床有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。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。

机床误差静态校准体系比较成熟，但机床误差的动态测量与溯源仍然是当今世界亟待解决的工业难题。目前市场上已经有一些成熟机床误差静态测量仪器，如激光干涉仪是数控机床几何误差测量的常用仪器，基于激光干涉原理测量，但每次测量只能测一个自由度，安装调整过程复杂，测量周期长，且由于造价高、体积大等因素不能集成在数控机床中，只能用于机床误差的离线测量与校准；英国雷尼绍公司生产的XM-60型多光束激光干涉仪可以沿线性轴同时测量6个自由度误差，但由于造价高，难以集成在数控机床中；美国光动公司的激光多普勒位移测量仪，通过分步体对角线测量法测量四条对角线，辨识出机床三轴的三项定位误差、六项直线度误差和三项垂直度误差，同样由于造价高且测量安装过程复杂，难以集成在数控机床中。国内很多高校将多自由度测量作为测量领域的重要课题进行研究，但多处于实验室阶段，文献“直线导轨激光六自由度几何运动误差同时测量方法与系统的研究”(崔存星，博士学位论文，北京交通大学，2016)中基于激光干涉与激光准直结合实现六自由度测量，并利用共路光线漂移测量和补偿原理提高测量精度；文献“Lowcost,compact 4-DOF measurement system with active compensation of beamangular drift error”(Y.Huang,K.C.Fan,W.Sun,S.Liu.Opt.Express vol.26,pp.17185,2018.)中基于激光准直与自准直原理实现四自由度测量，并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中的测量装置对于机床误差动态测量至关重要，需要进一步加强研究。

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。该方法的激光器安装在固定端用来发射激光，测量时激光器位置不变。根据位置探测器的安装位置，可以将多自由度测量结构分为两种。一种结构是将角锥棱镜、平面镜等反射元件安装在被测物上，利用角锥棱镜、平面镜等元件的反射特性使激光器出射的激光反射回固定端，在固定端安装位置探测器用来接收激光，这种结构称之为收发一体式；另一种结构将位置探测器直接安装在被测物上直接接收出射激光，这种结构称之为收发分体式。收发一体式测量结构收发分体式测量结构光程是收发一体式光程的一半，有利于长距离测量。大多数机床自带光栅尺，精度1～2μm左右，因此测量机床单轴除定位误差的五自由度误差即可满足机床误差动态测量要求。利用激光准直特性测量时，激光的角度漂移对于测量精度有严重干扰，测量激光角度漂移并补偿可有效提高误差测量精度。对于长行程的大型机床，需要一种可补偿激光角度漂移、适合远距离测量、便于集成在数控机床中且成本低的五自由度测量装置，来实现高精度、远距离、在线多自由度测量。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置，包括激光器、第一棱镜反射镜、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第一四象限探测器、第一凸透镜、第一二维位置敏感探测器、第二棱镜反射镜、第四分光镜、第二四象限探测器、第二凸透镜、第二二维位置敏感探测器、第三凸透镜和第三二维位置敏感探测器；

所述激光器、第一棱镜反射镜、第一分光镜、第二分光镜、第二棱镜反射镜、第四分光镜、第二凸透镜、第二二维位置敏感探测器、第三凸透镜和第三二维位置敏感探测器构成激光发射端；

所述第三分光镜、第一四象限探测器、第一凸透镜、第一二维位置敏感探测器和第二四象限探测器构成激光接收端；使用该测量装置时将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，并作为该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，该测量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。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：

1.本实用新型提供的一种带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置，充分利用机械空间，结构紧凑，体积小，可集成于数控机床内部，实现在线测量；

2.本实用新型可实现俯仰角、偏摆角、滚转角、水平直线度及竖直直线度的同时测量，采用分体式测量结构，克服一体式测量结构光路长、易受空气扰动影响的缺点，实现远距离测量；

3.本实用新型可通过对光路角度漂移的测量并推导补偿后五自由度的测量公式，消除激光角度漂移对五自由度测量的影响，提高测量精度。

附图说明

图1是带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置整体结构图。

图2是激光接收端存在俯仰角时第一二维位置敏感探测器上光斑位置变化正视图。

图3是激光接收端存在俯仰角时第一二维位置敏感探测器上光斑位置变化侧视图。

图4是激光接收端存在偏摆角时第一二维位置敏感探测器上光斑位置变化正视图。

图5是激光接收端存在偏摆角时第一二维位置敏感探测器上光斑位置变化侧视图。

图6是激光接收端存在水平直线度时第一四象限探测器上光斑位置变化图。

图7是激光接收端存在竖直直线度时第一四象限探测器上光斑位置变化图。

图8是激光接收端存在滚转角时第一四象限探测器与第二四象限探测器上光斑位置变化图。

图9是激光发射端透过第二分光镜的激光y轴发生角度漂移时光路变化图。

图10是激光发射端透过第二分光镜的激光x轴发生角度漂移时第二二维位置敏感探测器上光斑位置变化图。

图11是激光发射端透过第二分光镜的激光x轴发生角度漂移时透过第二分光镜4的光路变化图。

图12是激光发射端透过第四分光镜的激光x轴发生角度漂移时第三二维位置敏感探测器上光斑位置变化图。

图13是激光发射端透过第四分光镜的激光x轴发生角度漂移时透过第四分光镜的光路变化图。

图中：1为激光器，2为第一棱镜反射镜，3为第一分光镜，4为第二分光镜，5为第三分光镜，6为第一四象限探测器，7为第一凸透镜，8为第一二维位置敏感探测器，9为第二棱镜反射镜，10为第四分光镜，11为第二四象限探测器，12为第二凸透镜，13为第二二维位置敏感探测器，14为第三凸透镜，15为第三二维位置敏感探测器，16为激光发射端，17为激光接收端，f₇是第一凸透镜7的焦距，f₁₂是第二凸透镜12的焦距，f₁₄是第一凸透镜14的焦距，Δy₈是光斑在第一二维位置敏感探测器8上沿y轴的移动量，Δz₈是光斑在第一二维位置敏感探测器8上沿z轴的移动量，Δx₆是光斑在第一四象限探测器6上沿x轴的移动量，Δy₆是光斑在第一四象限探测器6上沿y轴的移动量，Δy₁₁是光斑在第二四象限探测器11上沿y轴的移动量，Δz₁₃是光斑在第二二维位置敏感探测器13上沿z轴的移动量，Δy₁₃是光斑在第二二维位置敏感探测器13上沿y轴的移动量，Δy₁₅是光斑在第三二维位置敏感探测器15上沿y轴的移动量，ε_x为俯仰角，ε_y为偏摆角，ε_z为滚转角，δ_x为水平直线度，δ_y为竖直直线度，θ_y4为透过第二分光镜4的激光沿y轴的漂移角度，θ_x4为透过第二分光镜4的激光沿x轴的漂移角度，θ_x10为透过第四分光镜10的激光沿x轴的漂移角度，d为第一四象限探测器6与第二四象限探测器11之间的距离，l为第二分光镜4中心到第一四象限探测器6的距离以及第四分光镜10中心到第二四象限探测器11的距离。

具体实施方式

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

本实用新型实施方式由以下部分组成：

第一部分，一种带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置；

如图1，带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置由激光器1、第一棱镜反射镜2、第一分光镜3、第二分光镜4、第三分光镜5、第一四象限探测器6、第一凸透镜7、第一二维位置敏感探测器8、第二棱镜反射镜9、第四分光镜10、第二四象限探测器11、第二凸透镜12、第二二维位置敏感探测器13、第三凸透镜14、第三二维位置敏感探测器15构成；激光器1、第一棱镜反射镜2、第一分光镜3、第二分光镜4、第二棱镜反射镜9、第四分光镜10、第二凸透镜12、第二二维位置敏感探测器13、第三凸透镜14、第三二维位置敏感探测器15构成激光发射端16；第三分光镜5、第一四象限探测器6、第一凸透镜7、第一二维位置敏感探测器8、第二四象限探测器11构成激光接收端17；测量装置使用时激光发射端16安装在数控机床待测轴的固定位置，激光接收端17安装在数控机床待测轴的滑台上。

激光器1发出激光，激光被第一棱镜反射镜2反射后，再经过第一分光镜3后分成两束激光，透过第一分光镜3的激光经过第二分光镜4后分成两束激光，透过第二分光镜4的激光经过第三分光镜5后分成两束激光，透过第三分光镜5的激光照射到第一四象限探测器6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5反射的激光经过第一凸透镜7聚焦在第一二维位置敏感探测器8上，实现俯仰角、偏摆角测量；被第二分光镜4反射的激光经过第二凸透镜12聚焦在第二二维位置敏感探测器13上，实现透过第二分光镜4的激光角度漂移测量；被第一分光镜3反射的激光被第二棱镜反射镜9反射，被第二棱镜反射镜9反射的激光经过第四分光镜10后分成两束激光，透过第四分光镜10后的激光照射到第二四象限探测器11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11的竖直方向直线度，并结合第一四象限探测器6的竖直方向直线度实现滚转角测量；被第四分光镜10反射的激光经过第三凸透镜14聚焦在第三二维位置敏感探测器15上，实现透过第四分光镜10的激光角度漂移测量；

第二部分，针对第一部分的测量装置结构提供一种收发分体式五自由度测量方法；

五自由度测量包括俯仰角、偏摆角、滚转角、水平直线度以及竖直直线度的测量，分以下几个步骤实现：

a.实现俯仰角、偏摆角测量，当激光接收端17存在俯仰角ε_x时，如图2、图3，第一二维位置敏感探测器8上光斑沿y轴方向移动Δy₈，第一凸透镜7的焦距为f₇，俯仰角ε_x用式(1)表示：

当激光接收端17存在偏摆角ε_y时，如图4、图5，第一二维位置敏感探测器8上光斑沿z轴方向移动Δz₈，第一凸透镜7的焦距为f₇，偏摆角ε_y用式(2)表示：

b.实现水平直线度、竖直直线度测量，当激光接收端17存在水平直线度δ_x时，如图6，第一四象限探测器6上光斑沿x轴方向移动Δx₆，水平直线度δ_x用式(3)表示：

δ_x＝-Δx₆ (3)

当激光接收端17的第一四象限探测器6处存在竖直直线度δ_y时，如图7，第一四象限探测器6上光斑沿y轴方向移动Δy₆，水平直线度δ_y用式(4)表示：

δ_y＝-Δy₆ (4)

c.实现滚转角测量，当激光接收端17的第一四象限探测器6处存在竖直直线度δ_y且存在滚转角ε_z时，如图8，第二四象限探测器11上光斑沿y轴方向移动Δy₁₁，滚转角ε_z用式(5)表示：

第三部分，针对第一部分的测量装置结构提供一种测量光路角度漂移并补偿的方法；

透过第二分光镜4的激光发生漂移时，影响俯仰角、偏摆角、水平直线度、竖直直线度、滚转角测量；透过第二分光镜10的激光发生漂移时，影响第二四象限探测器11处的竖直直线度测量，进而影响滚转角测量；测量光路角度漂移并补偿分以下几个步骤实现：

a.当透过第二分光镜4的激光发生角度y轴漂移θ_y4时，如图9，第二二维位置敏感探测器13上光斑沿z轴移动Δz₁₃，第二凸透镜12焦距为f₁₂，激光角度漂移θ_y4用式(6)表示：

补偿后的偏摆角ε_y′用式(7)表示：

考虑激光角度漂移θ_y4对水平直线度的影响时，认为激光以第二分光镜4中心位置旋转，第二分光镜4中心之前激光角度漂移θ_y4对水平直线度的影响忽略不计，第二分光镜4中心到第一四象限探测器6的距离为l，则补偿后的水平直线度δ_x′用(8)表示：

b.当透过第二分光镜4的激光x轴发生角度漂移θ_x4时，如图10、图11，第二二维位置敏感探测器13上光斑沿y轴移动Δy₁₃，第二凸透镜12焦距为f₁₂，激光角度漂移θ_x4用式(9)表示：

补偿后的俯仰角ε_x′用式(10)表示：

考虑激光角度漂移θ_x4对竖直直线度的影响时，认为激光以第二分光镜4中心位置旋转，第二分光镜4中心之前激光角度漂移θ_x4对竖直直线度的影响忽略不计，第二分光镜4中心到第一四象限探测器6的距离为l，则补偿后的竖直直线度δ_y′用(11)表示：

c.当透过第四分光镜10的激光x轴发生角度漂移θ_x10时，如图12、图13，第三二维位置敏感探测器15上光斑沿y轴移动Δy₁₅，第三凸透镜14焦距为f₁₄，激光角度漂移θ_x10用式(12)表示：

激光角度漂移θ_x10对第二四象限探测器11处竖直直线度的影响，进而对滚转角产生影响时，认为激光以第四分光镜10中心位置旋转，第四分光镜10中心之前激光角度漂移θ_x10对竖直直线度的影响忽略不计，第四分光镜10中心到第二四象限探测器11的距离为l，则补偿后的滚转角ε_z′用(13)表示：

本实用新型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实用新型的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本实用新型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实用新型的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置，其特征在于，包括激光器(1)、第一棱镜反射镜(2)、第一分光镜(3)、第二分光镜(4)、第三分光镜(5)、第一四象限探测器(6)、第一凸透镜(7)、第一二维位置敏感探测器(8)、第二棱镜反射镜(9)、第四分光镜(10)、第二四象限探测器(11)、第二凸透镜(12)、第二二维位置敏感探测器(13)、第三凸透镜(14)和第三二维位置敏感探测器(15)；

所述激光器(1)、第一棱镜反射镜(2)、第一分光镜(3)、第二分光镜(4)、第二棱镜反射镜(9)、第四分光镜(10)、第二凸透镜(12)、第二二维位置敏感探测器(13)、第三凸透镜(14)和第三二维位置敏感探测器(15)构成激光发射端(16)；

所述第三分光镜(5)、第一四象限探测器(6)、第一凸透镜(7)、第一二维位置敏感探测器(8)和第二四象限探测器(11)构成激光接收端(17)；使用该测量装置时将激光发射端(16)安装在数控机床待测轴的固定位置，激光接收端(17)安装在数控机床待测轴的滑台上；

激光器(1)发出激光，激光被第一棱镜反射镜(2)反射后，再经过第一分光镜(3)后分成两束激光，透过第一分光镜(3)的激光经过第二分光镜(4)后分成两束激光，透过第二分光镜(4)的激光经过第三分光镜(5)后分成两束激光，透过第三分光镜(5)的激光照射到第一四象限探测器(6)上，实现水平直线度与竖直直线度的测量，并作为该测量装置的二维直线度测量结果；

被第三分光镜(5)反射的激光经过第一凸透镜(7)聚焦在第一二维位置敏感探测器(8)上，实现俯仰角、偏摆角测量；

被第二分光镜(4)反射的激光经过第二凸透镜(12)聚焦在第二二维位置敏感探测器(13)上，实现透过第二分光镜(4)的激光角度漂移测量；

被第一分光镜(3)反射的激光被第二棱镜反射镜(9)反射，被第二棱镜反射镜(9)反射的激光经过第四分光镜(10)后分成两束激光，透过第四分光镜(10)后的激光照射到第二四象限探测器(11)上，实现水平直线度与竖直直线度的测量，该测量装置只利用第二四象限探测器(11)的竖直方向直线度，并结合第一四象限探测器(6)的竖直方向直线度实现滚转角测量；

被第四分光镜(10)反射的激光经过第三凸透镜(14)聚焦在第三二维位置敏感探测器(15)上，实现透过第四分光镜(10)的激光角度漂移测量。

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