CN101947746A - 一种基于激光干涉的球杆测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光干涉的球杆测量装置及其测量方法，这种基于激光干涉的球杆测量装置，包括一可水平旋转的旋转底盘，旋转底盘的上端通过殷钢杆固定有一光学精密球，光学精密球连接有球杆支撑架，球杆支撑架固定连接有光学盒子，光学盒子的外侧固定连接有一伸缩筒，伸缩筒的伸缩末端筒内设有一测量角锥棱镜，且伸缩筒的伸缩末端于测量角锥棱镜的后侧固定连接有精密标准球。本发明通过伸缩筒的配置增大了测量范围，为较大型具有运动坐标系统的机床的精度校验提供了有效的技术手段，另外本发明可以在短时间内求取多项误差的分量，节省时间，并且该装置结构简单、零件数目少、装配容易，操作简便。

Description

一种基于激光干涉的球杆测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，涉及一种球杆测量装置及其测量方法，尤其是一种基于激光干涉的球杆测量装置及其测量方法。

背景技术

一般CMM或机床的校验方式，包括了使用块规(block gauge)、阶规(step gauge)、环规(ring gauge)、直角规(square)、标准球(standard sphere)、电子式水平仪(electrical spirit level)等等。若要以上述校验方式校验较大型的CMM，不但校验所需的时间较长，任一校验方式往往只能校验一两项误差值，且校验器的价格昂贵，不符合经济性、方便性的要求。

Renishaw公司推出的球杆仪，它由一安装在可伸缩的纤维杆内的高精度位移传感器构成，其测量臂长受到限制，一般不小于50mm。

美国Zigert&Mize提出的激光球杆(LBB)测量系统，是基于双频激光干涉原理实现数控机床的测量，有较高的测量精度和较大的测量范围，但测量效率低。接着，Zigert对LBB做了改进，三支LBB的底座固定在工作台上，另一端交于一点即主轴刀具端，测量时三支LBB同时获取数据，其测量速度提升了三倍，但其三支伸缩杆的伸长受其四面体三角形限制，测量空间有死角限制。

台湾范光照提出的3D激光跟踪球杆测量系统，是以激光直线位移测量和旋转角度测量将空间极坐标参数转换为空间卡氏坐标参数，以实现对运动目标空间运动和定位精度的评定，其测量效率较高，但装置过于笨重，运动不灵活，并且球铰链误差过大，会使测量精度受到较大影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于激光干涉的球杆仪测量方法及装置，该装置基于激光干涉原理，配合其测量方法可以方便地实现较大型具有运动坐标系统的机床的精度校验工作。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种基于激光干涉的球杆测量装置，包括一可水平旋转的旋转底盘，所述旋转底盘的上端通过殷钢杆固定有一光学精密球，所述光学精密球连接有球杆支撑架，所述球杆支撑架固定连接有光学盒子，所述光学盒子的外侧固定连接有一伸缩筒，所述伸缩筒的伸缩末端筒内设有一测量角锥棱镜，且伸缩筒的伸缩末端于测量角锥棱镜的后侧固定连接有精密标准球。

上述光学精密球通过一水平的转轴与球杆支撑架连接，所述球杆支撑架能够绕转轴于垂直向转动。

上述光学盒子呈矩形盒体，在盒体内设置有扩束系统、干涉分光镜和参考角锥棱镜，所述盒体上还设有输入光纤和输出光纤；所述输入光纤引入一细光束作为输入光束，所述输入光束射出盒体并被所述光学精密球反射后重新进入盒体后通过所述扩束系统到达所述干涉分光镜，通过干涉分光镜的透过光束向着所述测量角锥棱镜前进，被干涉分光镜反射出来的光束向着所述参考角锥棱镜前进，经过测量角锥棱镜和参考角锥棱镜反射的两束光逆着各自入射方向返回至干涉分光镜处发生干涉形成干涉光束，所述干涉光束由输出光纤输出。

上述伸缩筒包括依次由大至小同轴嵌套的管状伸缩杆一、伸缩杆二和伸缩杆三，所述伸缩杆三的末端固定有筒状的反射镜固定座，所述反射镜固定座的外端固定有端盖，所述端盖外侧面的中心位置固定所述精密标准球；所述测量角锥棱镜同轴固定在所述反射镜固定座内。

上述伸缩杆一内固定有第一减摩套，在伸缩杆二内固定有第二减摩套。

上述精密标准球是一能吸附在待检测的具有运动坐标系统的机床主轴端的球状物。

上述旋转底盘包括同轴设置的旋转基座底板、旋转筒和旋转基座外筒，所述旋转基座外筒设于旋转基座底板上，旋转筒嵌套在旋转基座外筒内，所述旋转筒的上端面与殷钢杆固定连接。

本发明还提出一种基于上述装置的机床主轴刀具误差测量方法，具体包括以下步骤：

1)首先利用校准规校准所述的基于激光干涉的球杆测量装置，得到球杆的初始长度L₀；

2)将球杆测量装置的底座固定于工作台上，将其另一端的精密标准球吸附于机床主轴刀具端；

3)控制机床工作台运动从而使固定在工作台上面的球杆测量装置的底座带动伸缩筒以机床主轴刀具端为中心，分别完成顺时针和逆时针两个方向的正周回转运动，同时实时采集杆长变化量dL_i；

4)将采集的变化量dL_i分别送入计算机，依次进行主轴端点的位置提取，机床初始和发生变形之后状态的提取，对变形前后两种状态进行比较，最终获得被测机床主轴端的误差。

进一步的，上述步骤4)中，主轴端误差提取具体方法如下：

(1)设M、N、P是机床工作台上任意选取三点，在该处测得球杆仪的真实杆长L_i，所述真实杆长L_i为校准规校准后的初始长度L₀与杆长变化dL之和，即L_i＝L₀+dL；i为自然数；

(2)根据三角形公式，求得主轴端在机床参考坐标系中的实际X坐标值，然后根据空间几何中各量之间的关系，求得主轴端的实际Y坐标值；最后求出Z坐标值，完成被测机床主轴端点的位置提取；为了提高数据精确度，采取选择多组M、N、P点按照上述过程计算X、Y、Z坐标值，然后求取X、Y、Z坐标值的平均值

(3)按照步骤(1)(2)分别测出机床初始状态下主轴端的位置

和发生变形后主轴端的位置

然后代入下列公式，得到主轴端的误差

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Xt}}=|{\stackrel{\‾}{X}}_t-{\stackrel{\‾}{X}}_s|$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Yt}}=|{\stackrel{\‾}{Y}}_t-{\stackrel{\‾}{Y}}_s|$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Zt}}=|{\stackrel{\‾}{Z}}_t-{\stackrel{\‾}{Z}}_s|$

其中，

是机床变形之后测得主轴端坐标值；

是机床初始状态下测得主轴端坐标值；δ_Xt、δ_Yt、δ_Zt分别为主轴热漂移导致的刀具点在X、Y、Z三个方向上的位置误差。

本发明的基于激光干涉的球杆测量装置及其测量方法采用对被测机床进行三边测量，然后通过计算机进行数据处理，可以准确测出具有运动坐标系统的机床误差，本发明具体具有以下几点优越性：

1)通过伸缩杆组件的配置增大了测量范围，为较大型具有运动坐标系统的机床的精度校验提供了有效的技术手段；

2)本发明的基于激光干涉原理的新型球杆测量装置采用的光学精密球既可作为球铰链，又可作为光学元件，有效减少了误差来源，提高了测量精度；

3)本发明的基于激光干涉原理的新型球杆测量装置，可以在很短的时间之内求取多项误差的分量，可以节省时间；

4)本发明操作简便、易用性好。可以利用计算机协同处理数据，实现测量的自动化。

附图说明

图1为本发明所述球杆仪的结构示意图；

图2为本发明的激光光路示意图；

图3为图1中的光学盒子11的内部示意图；

图4为本发明的伸缩杆结构剖面示意图。

其中：1、旋转基座底板，2、旋转筒，3、旋转基座外筒，4、殷钢杆，5、转轴，6、光学精密球，7、伸缩杆一，8、伸缩杆二，9、伸缩杆三，10、精密标准球，11、光学盒子，12、输入光纤，13、输出光纤，14、球杆支撑架，15、Input beam，16、扩束系统，17、干涉分光镜，18、测量角锥棱镜，19、参考角锥棱镜，20、透过光束，21、返回光束，22、干涉光束，23、第一减摩套，24、第二减摩套，25、反射镜固定座，26、端盖，27紧固件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的基于激光干涉的球杆测量装置，包括一可水平旋转的旋转底盘，该旋转底盘包括同轴设置的旋转基座底板1、旋转筒2和旋转基座外筒3，旋转基座外筒3设于旋转基座底板1上，旋转筒2嵌套在旋转基座外筒3内，旋转筒2的上端面与殷钢杆4固定连接。该旋转底盘的上端(即旋转筒2的上端)通过殷钢杆4固定有一光学精密球6，光学精密球6连接有球杆支撑架14，其中光学精密球6是通过一水平设置的转轴5与球杆支撑架14连接，转轴5通过光学精密球6的球心且保证光学精密球6在转轴5的中心，使球杆支撑架14能够绕转轴5于垂直向转动。本发明这里的光学精密球6不但作为光学元件，而且从结构和作用上来说，其也作为一球铰链，用以固定球杆支撑架14，这种设计有效减少了误差来源，提高了测量精度。球杆支撑架14固定连接有光学盒子11，光学盒子11的外侧以螺钉固定连接有一伸缩筒，伸缩筒的伸缩末端筒内设有一测量角锥棱镜18，且伸缩筒的伸缩末端于测量角锥棱镜18的后侧固定连接有精密标准球10，该精密标准球10是一能吸附在待检测的具有运动坐标系统的机床主轴端的球状物。

参见图4，伸缩筒包括依次由大至小同轴嵌套的管状伸缩杆一7、伸缩杆二8和伸缩杆三9，伸缩杆三9的末端固定有筒状的反射镜固定座25，反射镜固定座25的外端通过紧固件27固定有端盖26，端盖26外侧面的中心位置固定所述精密标准球10；所述测量角锥棱镜18同轴固定在所述反射镜固定座25内。为了减少摩擦，增强紧密性，在伸缩杆一7内固定第一减摩套23，在伸缩杆二8内固定第二减摩套24，这样伸缩杆二8便可由第一减摩套23的引导，在伸缩杆一7内滑动。以同样的紧密配合的方式，伸缩杆三9便可由第二减摩套24的引导，在伸缩杆二8内滑动。这样，就可由伸缩杆二8与伸缩杆三9的伸缩滑动，在一定的范围之内，得到任意长度的总杆长，从而实现伸缩筒的长度伸缩，各伸缩杆内的中空通道时光束通道。

参见图3，光学盒子11呈矩形盒体，在盒体内设置有扩束系统16、干涉分光镜17和参考角锥棱镜19，所述盒体上还设有输入光纤12和输出光纤13。以下通过引入光速的运动路径来具体说明光学盒子11内部各部件以及光学盒子11与外部部件之间的安装关系：

由输入光纤12引入一细光束作为输入光束15，输入光束15射出盒体并被所述光学精密球6反射后重新进入盒体后通过所述扩束系统16到达干涉分光镜17，通过干涉分光镜17的透过光束20向着测量角锥棱镜18前进(如图2)，被干涉分光镜17反射出来的光束向着所述参考角锥棱镜19前进，经过测量角锥棱镜18和参考角锥棱镜19反射的两束光逆着各自入射方向返回至干涉分光镜17处发生干涉形成干涉光束22，最后干涉光束22由输出光纤13输出。当测量角锥棱镜18沿伸缩筒轴向移动时，就会在干涉分光镜17处产生不同的干涉条纹，从而由输出光纤13输出不同的干涉光束22信号。

本发明的杆长测量方法如下：

本发明由He-Ne激光器将发出的光由输入光纤12引入到光学盒子11中、按顺序进入伸缩杆一7、伸缩杆二8、伸缩杆三9与反射镜固定座25等零件的内部中空部分，经由测量角锥棱镜18反射，再经由上述各零件的内部中空部分，最后再进入光学盒子11中，有输出光纤13输出进行处理。这样，单频激光干涉测量光学盒子11与测量角锥棱镜18之间的距离，便可计算出杆长。

下面以机床主轴测量为例对本发明的可行性进行分析。本实施例中所使用的基于激光干涉原理的新型球杆测量装置结构是如图1所示的装置。

1、测量开始前，需要做下面一系列的准备工作：

(1)首先利用校准规校准本发明的基于激光干涉原理的新型球杆测量装置，得到球杆的初始长度L₀；

(2)然后将校准后的球杆测量装置的底座1固定于机床工作台上，其另一端的精密标准球10吸附在机床主轴刀具端；

2、采集信号

打开激光器，使机床主轴保持中高转速(18,000rpm)高速空转，控制机床工作台运动从而使固定在工作台上面的球杆测量装置的底座1带动伸缩筒以机床主轴刀具端为中心，分别完成顺时针和逆时针两个方向的正周回转运动，同时实时采集杆长变化量dL_i；(此时该球杆测量装置扫过的区域为一圆锥面，完成顺时针和逆时针各360度圆弧信号初始采集；然后，每隔20分钟采集一次被测刀具信号)。

3.数据处理

当该测量装置测得被测刀具的信号后，该信号经采集卡分别送入计算机，由数据处理软件对原始数据任意选取M、N、P三点，依次进行主轴端点的位置提取，机床初始和发生变形之后状态的提取，对变形前后两种状态进行比较分析，最终获得被测机床主轴端的误差。其中主轴端误差提取的具体方法如下：

(1)设M、N、P是机床工作台上任意选取三点，在该处测得球杆仪的真实杆长L_i，所述真实杆长L_i为校准规校准后的初始长度L₀与杆长变化dL之和，即L_i＝L₀+dL；i为自然数；

(2)根据三角形公式，求得主轴端在机床参考坐标系中的实际X坐标值，然后根据空间几何中各量之间的关系，求得主轴端的实际Y坐标值；最后求出Z坐标值，完成被测机床主轴端点的位置提取；为了提高数据精确度，采取选择多组M、N、P点按照上述过程计算X、Y、Z坐标值，然后求取X、Y、Z坐标值的平均值

(3)按照步骤(1)(2)分别测出机床初始状态下主轴端的位置

和发生变形后主轴端的位置

然后代入下列公式，得到主轴端的误差

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Xt}}=|{\stackrel{\‾}{X}}_t-{\stackrel{\‾}{X}}_s|$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Yt}}=|{\stackrel{\‾}{Y}}_t-{\stackrel{\‾}{Y}}_s|$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Zt}}=|{\stackrel{\‾}{Z}}_t-{\stackrel{\‾}{Z}}_s|$

其中，

是机床变形之后测得主轴端坐标值；

是机床初始状态下测得主轴端坐标值；δ_Xt、δ_Yt、δ_Zt分别为主轴热漂移导致的刀具点在X、Y、Z三个方向上的位置误差。

综上所述，本发明的激光干涉原理的新型球杆测量装置及其测量方法的一个优点是通过伸缩杆组件的配置增大了测量范围，为较大型具有运动坐标系统的机床的精度校验提供了有效的技术手段，另外本发明采用的光学精密球既可作为球铰链，又可作为光学元件，有效减少了误差来源，提高了测量精度，除此之外，本发明的测量装置可以在很短的时间之内求取多项误差的分量，可以节省时间，并且这种装置整体结构简单、零件数目少、装配容易，操作简便、易用。

Claims (9)

1.一种基于激光干涉的球杆测量装置，包括一可水平旋转的旋转底盘，其特征在于：所述旋转底盘的上端通过殷钢杆(4)固定有一光学精密球(6)，所述光学精密球(6)连接有球杆支撑架(14)，所述球杆支撑架(14)固定连接有光学盒子(11)，所述光学盒子(11)的外侧固定连接有一伸缩筒，所述伸缩筒的伸缩末端筒内设有一测量角锥棱镜(18)，且伸缩筒的伸缩末端于测量角锥棱镜(18)的后侧固定连接有精密标准球(10)。

2.根据权利要求1所述的基于激光干涉的球杆测量装置，其特征在于：所述光学精密球(6)通过一水平的转轴(5)与球杆支撑架(14)连接，所述球杆支撑架(14)能够绕转轴(5)于垂直向转动。

3.根据权利要求1所述的基于激光干涉的球杆测量装置，其特征在于：所述光学盒子(11)呈矩形盒体，在盒体内设置有扩束系统(16)、干涉分光镜(17)和参考角锥棱镜(19)，所述盒体上还设有输入光纤(12)和输出光纤(13)；所述输入光纤(12)引入一细光束作为输入光束(15)，所述输入光束(15)射出盒体并被所述光学精密球(6)反射后重新进入盒体后通过所述扩束系统(16)到达所述干涉分光镜(17)，通过干涉分光镜(17)的透过光束(20)向着所述测量角锥棱镜(18)前进，被干涉分光镜(17)反射出来的光束向着所述参考角锥棱镜(19)前进，经过测量角锥棱镜(18)和参考角锥棱镜(19)反射的两束光逆着各自入射方向返回至干涉分光镜(17)处发生干涉形成干涉光束(22)，所述干涉光束(22)由输出光纤(13)输出。

4.根据权利要求1所述的基于激光干涉的球杆测量装置，其特征在于：所述伸缩筒包括依次由大至小同轴嵌套的管状伸缩杆一(7)、伸缩杆二(8)和伸缩杆三(9)，所述伸缩杆三(9)的末端固定有筒状的反射镜固定座(25)，所述反射镜固定座(25)的外端固定有端盖(26)，所述端盖(26)外侧面的中心位置固定所述精密标准球(10)；所述测量角锥棱镜(18)同轴固定在所述反射镜固定座(25)内。

5.根据权利要求4所述的基于激光干涉的球杆测量装置，其特征在于：所述伸缩杆一(7)内固定有第一减摩套(23)，在伸缩杆二(8)内固定有第二减摩套(24)。

6.根据权利要求1所述的基于激光干涉的球杆测量装置，其特征在于：所述精密标准球(10)是一能吸附在待检测的具有运动坐标系统的机床主轴端的球状物。

7.根据权利要求1所述的基于激光干涉的球杆测量装置，其特征在于：所述旋转底盘包括同轴设置的旋转基座底板(1)、旋转筒(2)和旋转基座外筒(3)，所述旋转基座外筒(3)设于旋转基座底板(1)上，旋转筒(2)嵌套在旋转基座外筒(3)内，所述旋转筒(2)的上端面与殷钢杆(4)固定连接。

8.一种基于权利要求1所述装置的机床主轴刀具误差测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)首先利用校准规校准所述的基于激光干涉的球杆测量装置，得到球杆的初始长度L₀；

2)将球杆测量装置的底座(1)固定于工作台上，将其另一端的精密标准球(10)吸附于机床主轴刀具端；

3)控制机床工作台运动从而使固定在工作台上面的球杆测量装置的底座(1)带动伸缩筒以机床主轴刀具端为中心，分别完成顺时针和逆时针两个方向的正周回转运动，同时实时采集杆长变化量dL_i；

4)将采集的变化量dL_i分别送入计算机，依次进行主轴端点的位置提取，机床初始和发生变形之后状态的提取，对变形前后两种状态进行比较，最终获得被测机床主轴端的误差。

9.根据权利要求8所述的机床主轴刀具误差测量方法，其特征在于，步骤4)中，主轴端误差提取具体方法如下：

(1)设M、N、P是机床工作台上任意选取三点，在该处测得球杆仪的真实杆长L_i，所述真实杆长L_i为校准规校准后的初始长度L₀与杆长变化dL之和，即L_i＝L₀+dL；i为自然数；

(2)根据三角形公式，求得主轴端在机床参考坐标系中的实际X坐标值，然后根据空间几何中各量之间的关系，求得主轴端的实际Y坐标值；最后求出Z坐标值，完成被测机床主轴端点的位置提取；为了提高数据精确度，采取选择多组M、N、P点按照上述过程计算X、Y、Z坐标值，然后求取X、Y、Z坐标值的平均值

(3)按照步骤(1)(2)分别测出机床初始状态下主轴端的位置

和发生变形后主轴端的位置然后代入下列公式，得到主轴端的误差

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Xt}}=|{\stackrel{\‾}{X}}_t-{\stackrel{\‾}{X}}_s|$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Yt}}=|{\stackrel{\‾}{Y}}_t-{\stackrel{\‾}{Y}}_s|$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Zt}}=|{\stackrel{\‾}{Z}}_t-{\stackrel{\‾}{Z}}_s|$

其中，

是机床变形之后测得主轴端坐标值；

是机床初始状态下测得主轴端坐标值；δ_Xt、δ_Yt、δ_Zt分别为主轴热漂移导致的刀具点在X、Y、Z三个方向上的位置误差。

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