CN102692195B - 一种转角测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种转角测量装置，应用于被测目标的转角和转速测量，包括偏心装置和测量系统，所述偏心装置有反射膜，固定安装在所述被测目标上，与所述被测目标同轴旋转；所述测量系统位于所述偏心装置一侧，通过测量所述偏心装置靠近所述测量系统一侧的位移计算得到所述被测目标的转角或转速。本发明的转角测量装置结构简单，安装方便快捷，通过测量所述偏心装置靠近所述测量系统一侧的直线位移来实现被测目标转角的间接测量，数据处理量小和算法简单，实现了连续的360°转角测量和高速主轴的转速测量。

Description

一种转角测量装置
技术领域
本发明涉及测量仪器领域，尤其涉及一种应用于数控机床的转角测量装置。
背景技术
随着数控技术和数控机床的发展，数控机床的加工精度要求、柔性化和自动化程度愈来愈高，也对数控机床的测试仪器提出了更高的要求。如何快速准确的对数控机床几何误差进行标定甚至测量，进一步进行误差补偿，是提高数控机床精度的基础。随着机加工精度和表面质量要求越来越高，高速切削迅猛发展，现在电主轴转速达到了几万转，新开发的加工中心甚至达到了三十万转。其中工作台的转角、主轴的摆角、分度盘的转角、主轴的转速都需要标定甚至测量。
美国专利US5341702中公布了一种转角测量装置，此方案中标定台机构复杂，控制算法繁琐，装置测校时间长，无法测量高速主轴的转速，无法实现连续的360°转角测量；美国专利US5969817中公布了一种转角测量装置，仅能实现一定范围内的角度测量；美国专利US7110121B2中公布了一种转角测量装置，只是用两个线性干涉仪取代了角度干涉仪，同样仅能实现一定范围内的角度测量。
因此，急需提供一种结构简单，安装方便快捷，控制算法简单，能实现连续的360°转角测量的装置和方法。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种转角测量装置，使得装置结构简单，安装方便快捷，控制算法简单，能实现连续的360°转角测量。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种转角测量装置，应用于被测目标的转角和转速测量，包括偏心装置和测量系统，所述偏心装置侧面镀有反射膜，固定安装在所述被测目标上，与所述被测目标同轴旋转；所述测量系统位于所述偏心装置一侧，通过测量所述偏心装置靠近所述测量系统一侧的位移计算得到所述被测目标的转角或转速。
进一步的，所述偏心装置连接所述被测目标的固定点相对偏心装置中心的距离可调。
进一步的，所述偏心装置为圆形或环形装置。
进一步的，所述测量系统为双频激光干涉仪测量系统。
进一步的，所述偏心装置为偏心圆盘镜，所述偏心圆盘镜的圆盘侧面镀有反射膜。
进一步的，所述双频激光干涉仪测量系统包括：
氦氖激光器，发射双频激光；
偏振分光棱镜，接收所述双频激光并将所述双频激光分为参考光和测量光；
参考臂四分之一波片，反射所述参考光到所述偏振分光棱镜透射形成透射参考光；
测量臂四分之一波片，透射所述测量光到所述偏心装置反射，并将所述偏心装置反射的测量光透射到所述偏振分光棱镜反射，形成反射测量光；
控制及补偿模块，接收所述透射参考光和反射测量光，并计算出所述偏心装置靠近所述测量系统一侧的位移。
进一步的，通过双频激光干涉仪测量系统测量所述偏心装置靠近所述测量系统一侧在测量光束方向的位移获得所述被测目标的转角或转速。
进一步的，所述测量系统为非接触式微位移传感器，电路连接所述偏心装置。
进一步的，所述测量系统为电容传感器的带电极板，所述偏心装置为电容传感器的动片，通过测量所述动片靠近所述测量系统一侧的位移计算得到所述被测目标的转角或转速。
与现有技术相比，本发明的转角测量装置结构简单，安装方便快捷，通过测量所述偏心装置靠近所述测量系统一侧的直线位移来实现被测目标转角的间接测量，数据处理量小和算法简单，实现了连续的360°转角测量和高速主轴的转速测量。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的转角测量装置示意图；
图2是本发明较佳实施例的偏心装置的位移几何关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的转角测量装置及方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，本发明提供一种转角测量装置及方法，应用于被测目标的转角和转速测量，包括偏心装置20和测量系统10，所述偏心装置20安装在被测目标30上，与所述被测目标30同轴(绕转轴B)旋转；所述测量系统10位于所述偏心装置20一侧，通过测量所述偏心装置20靠近测量系统10一侧的位移，计算得到所述被测目标30的转角或转速。其中所述偏心装置20为圆形或环形装置，连接所述被测目标30与所述偏心装置20的固定点相对偏心装置20中心的距离可调，以得到所述偏心装置中心轴A相对所述转轴B的不同偏心距a。被测目标30可以是机床的工作台、分度机构或主轴。
请参考图1，本实施例中，所述测量系统10为双频激光干涉仪测量系统，包括：氦氖激光器101，偏振分光棱镜102，控制及补偿模块103，测量臂四分之一波片104和参考臂四分之一波片105。所述偏心装置20为偏心圆盘镜，其圆盘侧面镀有反射膜。
转角测量时，首先将偏心圆盘镜20装在被测目标30上，被测目标30的中心轴作为转轴B，偏心圆盘镜20与被测目标30一起绕转轴B旋转，其中心轴A相对轴B有偏心距a，双频激光干涉测量系统10固定在偏心圆盘镜20旁边的静止支架上。氦氖激光器101发出的双频激光进入偏振分光棱镜102后分为参考光和测量光，参考光反射到参考臂四分之一波片105上并经其反射后，再次经偏振分光棱镜102透射到控制及补偿模块103形成透射参考光；测量光经测量臂四分之一波片104后打在偏心圆盘镜20上返回，再次经偏振分光棱镜102反射到控制及补偿模块103形成反射测量光；所述透射参考光和反射测量光在控制及补偿模块103发生干涉，通过计算干涉条纹数量得到所述偏心圆盘镜20靠近所述测量系统一侧在测量光束方向的位移，最后计算出被测目标30的转角或转速。
请参考图2，所述偏心圆盘镜20的中心轴A相对转轴B有偏心距a，所述偏心圆盘镜20圆盘镜的半径为R，假设中心轴A相对转轴B旋转的角度为θ(如图2中中心轴A转到A’位置)，此时双频激光干涉仪测量系统10测量所述偏心圆盘镜20靠近测量系统10的一侧在测量光束方向上的位移为x，(由于双频激光干涉仪测量系统10只能测量相对位移，因此以双频激光干涉仪测量系统10最小读数的位置为基准)，那么根据几何原理，可得方程式
R2＝(R-a+x)2+a2-2(R-a+x)a cos(π-θ)，(0≤x≤2a)
初始时，n＝0，x每经过零位移一次，n值加1，
所述被测目标的转角θ计算公式为：
当x从0到2a时，
当x从2a到0时，
由公式可知，本实施例的转角测量范围取决于R、a、x等。
本实施例中，进一步对所述被测目标的转角θ计算公式进行计算机mathlab仿真，测试流程为：
初始化双频激光干涉仪测量系统读数；
缓慢旋转所述被测目标，通过计算干涉条纹数量得到所述偏心圆盘镜靠近所述测量系统一侧在所述双频激光干涉测量系统测量光束方向上的位移与被测目标的转角或转速对比表存储至所述计算机，并得到所述位移的最大值或最小值；
在所述最大值或最小值对应的旋转位置处，再次初始化双频激光干涉仪测量系统读数；
开始测量所述被测目标的转角或转速；
所述计算机通过测量的干涉条纹数量得到所述偏心圆盘镜靠近所述测量系统一侧在所述双频激光干涉测量系统测量光束方向上的位移，依据所述位移在所述对比表中查询出被测物的转角或转速。
完成测试。
在本发明的其他实施例，所述测量系统为非接触式微位移传感器，电路连接所述偏心装置，同样可以实现转角或转速的测量。
在本发明的其他实施例，所述测量系统为电容传感器的带电极板，所述偏心装置为电容传感器的动片，通过测量所述动片靠近所述测量系统一侧的位移计算得到所述被测目标的转角或转速。
综上所述，本发明的转角测量装置结构简单，安装方便快捷，通过测量所述偏心装置靠近所述测量系统一侧的直线位移来实现被测目标转角的间接测量，数据处理量小和算法简单，实现了连续的360°转角测量和高速主轴的转速测量。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种转角测量装置，应用于被测目标的转角和转速测量，其特征在于，包括偏心装置和测量系统，所述偏心装置侧面镀有反射膜，固定安装在所述被测目标上，与所述被测目标同轴旋转；所述测量系统位于所述偏心装置一侧，通过测量所述偏心装置靠近所述测量系统一侧的位移计算得到所述被测目标的转角或转速，所述偏心装置为圆形或环形装置，所述测量系统为双频激光干涉仪测量系统或所述测量系统为非接触式微位移传感器，电路连接所述偏心装置。
2.如权利要求1所述的转角测量装置，其特征在于，所述偏心装置连接所述被测目标的固定点相对偏心装置中心的距离可调。
3.如权利要求1所述的转角测量装置，其特征在于，所述偏心装置为偏心圆盘镜，所述偏心圆盘镜的圆盘侧面镀有反射膜。
4.如权利要求1所述的转角测量装置，其特征在于，当所述测量系统为频激光干涉仪测量系统时，所述双频激光干涉仪测量系统包括：
氦氖激光器，发射双频激光；
偏振分光棱镜，接收所述双频激光并将所述双频激光分为参考光和测量光；
参考臂四分之一波片，反射所述参考光到所述偏振分光棱镜透射形成透射参考光；
测量臂四分之一波片，透射所述测量光到所述偏心装置，并将所述偏心装置反射的测量光透射到所述偏振分光棱镜反射，形成反射测量光；
控制及补偿模块，接收所述透射参考光和反射测量光，并计算出所述偏心装置靠近所述测量系统一侧的位移。
5.如权利要求4所述的转角测量装置，其特征在于，当所述测量系统为频激光干涉仪测量系统时，通过双频激光干涉仪测量系统测量所述偏心装置靠近所述测量系统一侧在测量光束方向的位移获得所述被测目标的转角或转速。
6.如权利要求1所述的转角测量装置，其特征在于，当所述测量系统为非接触式微位移传感器时，所述非接触式微位移传感器为电容传感器的带电极板，所述偏心装置为电容传感器的动片，通过测量所述动片靠近所述测量系统一侧的位移计算得到所述被测目标的转角或转速。
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