CN104647144A - 基于坐标转换的光学测角装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于坐标转换的光学测角装置及方法，包括光电自准直仪、长平面反射镜、支撑架、带驱动的角度编码器、定位夹具以及编码器支架；长平面反射镜固定在支撑架上，支撑架固定在带驱动的角度编码器的回转轴上，带驱动的角度编码器固定在编码器支架上，编码器支架通过定位夹具安装在被测回转工作台上；长平面反射镜的回转轴线与被测回转工作台俯仰轴平行；光电自准直仪的光轴与长平面反射镜平面垂直。本发明解决了数控机床回转工作台俯仰角分度误差的技术问题，本发明可实现数控机床回转工作台俯仰角分度误差的校准。

Description

基于坐标转换的光学测角装置及方法

技术领域

本发明涉及角度测量技术领域，具体而言，涉及一种基于坐标转换的光学测角装置及方法。

背景技术

数控机床广泛应用于航空、航天、兵器、船舶及民用行业中工件、零部件加工生产的各个环节。随着现代数控机床科技的发展，数控机床的形式及种类越来越多，随着耳轴(摇篮)式机床和车铣复合机床、五轴加工中心等机床设计日趋多样化，回转轴的种类及应用也随之发生变化，与机床上的直线轴一样，回转轴也存在与预期位置相关的误差。

传统的回转工作台俯仰角校准方法是以正多面棱体为主标准器，辅以光电自准直仪作为瞄准装置，以三位置平均法或排列组合法进行角度校准。该方法要求正多面棱体必须与被校回转轴严格同心安装，否则由于正多面棱体的反射面较小，较大的同心偏差可能造成自准直光轴超出瞄准范围而无法采集数据，实际测量中很难保证。同时，该方法只能测量固定的整度数(15°间隔)，不能测量连续变化的任意角度。由于机床回转工作台俯仰角的回转轴无法找到，而且使用中可能用到范围在-90°～+90°之间的任意角度，因此，传统角度校准方法的使用受到很大的局限，可靠性低，无法满足型号任务的需求。

另外一种方法是以光学象限仪作为标准，通过象限仪的水泡对零实现回转俯仰轴的校准，但是这种方法中所用主标准器光学象限仪本身精度不高，且现场振动环境对水泡的影响较明显，无法满足俯仰角分度精度的校准要求。

发明内容

为了解决数控机床回转工作台俯仰角分度误差的技术问题，本发明提供一种基于坐标转换的光学测角装置及方法，本发明采用一种基于坐标转换的光学测角方法，可实现数控机床回转工作台俯仰角分度误差的校准。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于坐标转换的光学测角装置，其特殊之处在于：包括光电自准直仪、长平面反射镜、支撑架、带驱动的角度编码器、定位夹具以及编码器支架；

所述长平面反射镜固定在支撑架上，所述支撑架固定在带驱动的角度编码器的回转轴上，所述带驱动的角度编码器固定在编码器支架上，所述编码器支架通过定位夹具安装在被测回转工作台上，使得带驱动的角度编码器回转轴与被测回转工作台俯仰轴平行；所述长平面反射镜的回转轴线与被测回转工作台俯仰轴平行；所述光电自准直仪的光轴与长平面反射镜平面垂直。

上述长平面反射镜为平面度满足0.1μm的长条形反射镜。

上述长平面反射镜通过粘接剂粘贴于支撑架上。

上述带驱动的角度编码器，包括角度编码器、蜗轮蜗杆机构以及减速机构，

所述减速机构包括支架、粗调手轮以及精调组件，所述粗调手轮固定在支架上，所述精调组件固定在支架上；

所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮、蜗杆以及支座，所述蜗杆穿过支架且与支架固定连接，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述蜗轮与角度编码器固定连接，所述支座的一端固定在定位夹具上，所述支座的另一端通过轴承支撑蜗杆。

基于坐标转换的光学测角方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】被测回转工作台的俯仰角为0°时，调整光电自准直仪高度，使光电自准直仪光轴与带驱动的角度编码器的回转轴和长平面反射镜的镜面均垂直，此时光电自准直仪上读数为θ₁；

2】改变被测回转工作台的俯仰角为i°的位置，反向转动带驱动的角度编码器的角度为-i°，调整光电自准直仪高度，使光电自准直仪光轴与带驱动的角度编码器的回转轴和长平面反射镜的镜面均垂直，此时光电自准直仪上读数为θ_i；其中i°为0°到90°之间的任意角度；

3】按照下面公式计算被测回转工作台的俯仰角为i°的位置处的分度误差δ：

$\mathrm{\δ}={\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\α}={\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{artg}\frac{0.1}{\mathrm{\Δl}}={\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{artg}\frac{0.1}{\sin {\mathrm{\θ}}_i\·h}$

其中：

h-角度编码器的轴心与被测回转工作台的轴心的偏心距离；

Δl-光电自准直仪发出的光位置在长平面反射镜上相对初始位置的偏移量， $\mathrm{\Δl}=\sin {\mathrm{\θ}}_i\·h;\mathrm{tg\α}=\frac{0.1}{\mathrm{\Δl}};\mathrm{\α}=\mathrm{artg}\frac{0.1}{\mathrm{\Δl}};$

δ-俯仰角分度误差(″)；

θ_i-被测回转工作台在i位置时光电自准直仪的读数值(″)；

θ₀-被测回转工作台在零位时光电自准直仪的读数值(″)；

α-由长平面反射镜的平面度引入的分度误差。

本发明所具有的优点：

1、本发明提供一种坐标转换的光学测角方法，解决了对不同种类、不同用途数控机床回转工作台面向上、传统的角度编码器无法实现同轴安装的问题；测角范围为-90°～+90°，精度：±2.5″，可实现了连续任意角度的校准，提高了数控机床可倾斜回转工作台的俯仰角分度值校准的准确性及可靠性。

2、本发明采用了偏心安装的测量方法以实现角度的准确测量与控制，具有构思巧妙、实现简单，测量结果准确可靠的优点。

附图说明

图1为本发明所采用的方法原理示意图；

图2为局部原理示意图；

图3为本发明装置的结构示意图；

图4为带驱动角度编码器的结构示意图；

图5为支撑架的结构示意图；

其中附图标记为：1-光电自准直仪，2-长平面反射镜，3-带驱动的角度编码器，31-角度编码器，32-轴承，33-减速机构，4-定位夹具，5-被测回转工作台，6-支撑架，7-编码器支架。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图3、4、5所示，本发明提供一种坐标转换的光学测角技术，主要由光电自准直仪1、长平面反射镜2、支撑架6、带驱动的角度编码器3、编码器支架7、定位夹具4组成，长平面反射镜固定在支撑架上，所述支撑架固定在带驱动的角度编码器的回转轴上，带驱动的角度编码器固定在编码器支架上，编码器支架通过定位夹具安装在被测回转工作台上，使得带驱动的角度编码器回转轴与被测回转工作台俯仰轴平行；长平面反射镜的回转轴线与被测回转工作台俯仰轴平行；所述光电自准直仪的光轴与长平面反射镜平面垂直。

带驱动的角度编码器包括角度编码器31、蜗轮蜗杆机构、轴承32以及减速机构33，减速机构包括支架、粗调手轮以及精调组件，粗调手轮固定在支架上，所述精调组件固定在支架上；蜗轮蜗杆机构包括蜗轮、蜗杆以及支座，蜗杆穿过支架且与支架固定连接，蜗轮与蜗杆啮合，蜗轮与角度编码器固定连接，支座的一端固定在定位夹具上，支座的另一端通过轴承支撑蜗杆。带驱动的角度编码器装卡在编码器支架上，角度编码器、轴承和减速机构均通过编码器支架装夹在定位夹具上。

长平面反射镜为专用特制的平面度满足0.1μm的长条形反射镜，其回转轴轴线与被测回转工作台俯仰轴平行，镀层均匀无场曲，成像质量好，无变形，重量控制在0.2kg以内。

支撑架与角度编码器同轴装卡，保证支撑架的轴线垂直于角度编码器的轴线。支撑架主要用于固定长平面反射镜，可以起到保护长平面反射镜，防止其变形的作用，具有安装方便的特点。

定位夹具须加工一个基准面，保证夹具在水平和垂直两个方向上的基准面与转台回转轴平行。

如图1所示，角度编码器的轴心与回转工作台的轴心之间偏心距离为h，由于角度编码器与回转工作台是偏心安装，导致当回转工作台俯仰轴转动时，由自准直仪发出的光位置在长反射镜上相对初始位置有一个偏移量，设为Δl，则

Δl＝sinθ_i·h

如图2所示，长平面反射镜的平面度为0.1μm，那么本发明提出的基于坐标转换的光学测角方法可通过如下的数学模型实现：

$\mathrm{\δ}={\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\α}={\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{artg}\frac{0.1}{\mathrm{\Δl}}={\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{artg}\frac{0.1}{\sin {\mathrm{\θ}}_i\·h}$

式中：δ——俯仰角分度误差(″)

      θ_i——分度台在i位置时光电自准直仪的读数值(″)

θ₀——分度台在零位时光电自准直仪的读数值(″)

α——由反射镜的平面度引入的分度误差

如果编码器与被测工作台回转轴能够同轴安装，则本发明可以通过联轴器将编码器安装在被测轴与床身基础上，不需要自准直仪瞄准读数，直接从编码器数显单元读取角度误差。

当分度台位于0°位置，借助调整支架安装光电自准直仪高度，使光电自准直仪光轴与角度编码器回转轴垂直，照准长反射镜面并在光电自准直仪上读数为θ₁。然后转动分度台俯仰角分别为5°、10°、...90°位置，角度编码器反向转动同样的角度，使长反射镜面对准并读数为θ₂、θ₃...θ_i...θ₁₉。各点读数与初始读数之差即为俯仰角各位置分度误差。同样的方法可测量俯仰角0°到-90°位置分度误差。

由于本发明采用了高精度的角度编码器作为角度标准部件，因此大大提高了俯仰角分度值校准的准确度。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于坐标转换的光学测角装置，其特征在于：包括光电自准直仪、长平面反射镜、支撑架、带驱动的角度编码器、定位夹具以及编码器支架；

所述长平面反射镜固定在支撑架上，所述支撑架固定在带驱动的角度编码器的回转轴上，所述带驱动的角度编码器固定在编码器支架上，所述编码器支架通过定位夹具安装在被测回转工作台上，使得带驱动的角度编码器回转轴与被测回转工作台俯仰轴平行；所述长平面反射镜的回转轴线与被测回转工作台俯仰轴平行；所述光电自准直仪的光轴与长平面反射镜平面垂直。

2.根据权利要求1所述的基于坐标转换的光学测角装置，其特征在于：所述长平面反射镜为平面度满足0.1μm的长条形反射镜。

3.根据权利要求1所述的基于坐标转换的光学测角装置，其特征在于：

所述长平面反射镜通过粘接剂粘贴于支撑架上。

4.根据权利要求1所述的基于坐标转换的光学测角装置，其特征在于：所述带驱动的角度编码器，包括角度编码器、蜗轮蜗杆机构以及减速机构，

所述减速机构包括支架、粗调手轮以及精调组件，所述粗调手轮固定在支架上，所述精调组件固定在支架上；

所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮、蜗杆以及支座，所述蜗杆穿过支架且与支架固定连接，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述蜗轮与角度编码器固定连接，所述支座的一端固定在定位夹具上，所述支座的另一端通过轴承支撑蜗杆。

5.基于坐标转换的光学测角方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】被测回转工作台的俯仰角为0°时，调整光电自准直仪高度，使光电自准直仪光轴与带驱动的角度编码器的回转轴和长平面反射镜的镜面均垂直，此时光电自准直仪上读数为θ₁；

2】改变被测回转工作台的俯仰角为i°的位置，反向转动带驱动的角度编码器的角度为-i°，调整光电自准直仪高度，使光电自准直仪光轴与带驱动的角度编码器的回转轴和长平面反射镜的镜面均垂直，此时光电自准直仪上读数为θ_i；其中i°为0°到90°之间的任意角度；

3】按照下面公式计算被测回转工作台的俯仰角为i°的位置处的分度误差δ：

$\mathrm{\δ}={\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\α}={\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{artg}\frac{0.1}{\mathrm{\Δl}}={\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{artg}\frac{0.1}{\sin {\mathrm{\θ}}_i\·h}$

其中：

h-角度编码器的轴心与被测回转工作台的轴心的偏心距离；

Δl-光电自准直仪发出的光位置在长平面反射镜上相对初始位置的偏移量，Δl＝sinθ_i·h； $\mathrm{tg\α}=\frac{0.1}{\mathrm{\Δl}};$ $\mathrm{\α}=\mathrm{artg}\frac{0.1}{\mathrm{\Δl}};$

δ-俯仰角分度误差(″)；

θ_i-被测回转工作台在i位置时光电自准直仪的读数值(″)；

θ₀-被测回转工作台在零位时光电自准直仪的读数值(″)；

α-由长平面反射镜的平面度引入的分度误差。