CN105043280B - 一种回转中心间距测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量装置及其方法，具体涉及一种回转中心测量装置及其间距测量方法，本发明包括导轨、设置在导轨上的位移台、设有激光器的回转工作台、目标平面以及设置在目标平面上的相机；所述导轨平行设置在目标平面正上方，所述回转工作台设置在位移台上，本发明通过激光光斑定点构造直角梯形的方式可有效的将测量不确定度控制在很小的范围（约10μm左右）；本发明采用离线式测量，各运动部件的运动精度可以通过算法补偿，这就扩大了其适用的用途，对于有类似需求的测量有指导意义。

Description

一种回转中心间距测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，具体涉及一种回转中心间距测量方法。

背景技术

回转工作台的回转中心到某平面的距离，是机械领域中的一种重要物理量。然而在测试过程中回转工作台的回转中心是一个抽象的空间点，点的选取与计算均有很大难度。目前多采用干涉条纹方法和半导体方法进行测量，中国专利公开了“用于干涉式间距测量的设备”(公告号为：CN 103512505 A)和“间距测量装置”(公告号为：CN 201844805 U)两种方案，然而采用干涉方法对实验环境要求极为苛刻，且在条纹的记录中易出现“明暗”条纹计数的不确定性，而采用纯装置测试则需要依靠一些特殊材料的特殊特性，而材料在反复使用过程中，其特性值往往不是常量，这均给测量带来较大的误差和不便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种操作方便、操作环境要求较为宽松的回转中心测量装置，并基于此装置提供了一种基于回转中心间距精确测量方法。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种回转中心间距测量方法，包括导轨、设置在导轨上的位移台、设有激光器的回转工作台、目标平面以及设置在目标平面上的相机；所述导轨平行设置在目标平面正上方，所述回转工作台设置在位移台上，所述位移台通过丝杠螺母副设置在导轨上，所述回转工作台轴线与导轨轴线在同一水平面内垂直，所述相机型号为CCD/CMOS板级相机，所述位移台、激光器的中心与回转工作台的回转中心重合，还包括激光位移传感器，所述激光位移传感器设置在位移台上。

本发明间距精确测量方法步骤如下：

①建立XYZ坐标系将待测距离D分成d₁和d₂两部分来进行分段测量，其中d₁是回转工作台的回转中心与相机上表面的距离，d₂是相机上表面与目标平面的距离；

②确定初始位置，使回转工作台的回转中心位于点M₁，测量光斑位于相机靶面上的点A；

③使回转工作台的回转中心沿X方向移动L，到达点M₂，回转工作台旋转角度θ，使激光束重新照射在相机靶面上，并记相机靶面上的新光斑为点B；

④得到直角梯形M₁M₂BA，由几何关系有式中M₁M₂的长度L由安装于导轨上的光栅尺测量，BA的长度δ通过对相机上的光斑图像求解，回转工作台的旋转角度θ通过自准直仪或圆光栅测量；

⑤对d₁进行不确定度分析与传播计算；

⑥将相机水平放置于目标平面上，再将激光位移传感器放置于相机上方进行测量，并记录此时的激光位移传感器示数h₁，将相机从目标平面上卸下，读取并记录此时的激光位移传感器示数h₂，得到d₂＝h₁-h₂；

⑦对d₂进行不确定度分析与传播计算；

⑧在完成d₁和d₂的测量后，计算出回转工作台的回转中心到目标平面的距离D＝d₁+d₂，并得出D的合成不确定度。

本发明的积极效果如下：本发明测量结构简单，稳定性好，通过激光的光斑可以实现对空间回转轴到指定平面距离的精确测量；本发明通过激光光斑定点构造直角梯形的方式可有效的将测量不确定度控制在很小的范围(约10μm左右)；因可以通过阈值算法确定光斑中心，故本发明对激光光源的光斑大小要求不高；本发明光源可用其它平行光代替，故对光源要求也不高，这就有效的提升了使用范围，降低了使用条件；本发明采用离线式测量，各运动部件的运动精度可以通过算法补偿，这就扩大了其适用的用途，对于有类似需求的测量有指导意义。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明E_y、E_roll对相机靶面上光斑位置影响示意图；

图3为本发明E_z对相机靶面上光斑偏差影响示意图；

图4为本发明E_yaw对相机靶面上光斑位置影响示意图；

图5为本发明测量与合成不确定度关系示意图；

图6为本发明激光位移传感器结构示意图；

在图中：1回转工作台、2导轨、3位移台、4激光器、5相机、6目标平面、7初始光斑、8旋转后光斑、9激光位移传感器。

具体实施方式

一、本发明装置的实施例：

如图1、6所示，一种回转中心测量装置，其包括导轨2、设置在导轨2上的位移台3、设有激光器4的回转工作台1、目标平面6以及设置在目标平面6上的相机5；所述导轨2平行设置在目标平面6正上方，所述回转工作台1设置在位移台3上。所述位移台3通过丝杠螺母副设置在导轨2上，所述回转工作台1轴线与导轨2轴线在同一水平面内垂直，所述相机5型号为CCD/CMOS板级相机，所述位移台3、激光器4的中心与回转工作台1的回转中心重合。本发明还包括激光位移传感器9，所述激光位移传感器9设置在位移台3上。

如图1所示，使用该装置时，先调节位移台3，激光器4中心发射激光亮斑至相机5上，然后继续调节位移台3至另一位置，回转工作台1旋转，激光器4中心再次发射激光亮斑至相机5上完成装置的第一步操作；如图6所示，将激光位移传感器9单独使用进行测定相机5的厚度，完成全部装置操作，然后进行方法演绎。

二、本发明的方法实施例：

因涉及精密测量，本实施例中给定的数值以及计算数值的量级均较小。

本实施例利用回转中心测量装置实施间距精确测量方法的步骤如下：

①如图1所示，建立XYZ坐标系将待测距离D分成d₁和d₂两部分来进行分段测量，其中d₁是回转工作台1的回转中心与相机5上表面的距离，d₂是相机5上表面与目标平面6的距离；

②确定初始位置，使回转工作台1的回转中心位于点M₁，测量光斑位于相机靶面上的点A；

③使回转工作台1的回转中心沿X方向移动L，到达点M₂，回转工作台1旋转角度θ，使激光束重新照射在相机5靶面上，并记相机5靶面上的新光斑为点B；

④得到直角梯形M₁M₂BA，由几何关系有式中M₁M₂的长度L由安装于导轨2上的光栅尺测量，BA的长度δ通过对相机5上的光斑图像求解，回转工作台1的旋转角度θ通过自准直仪或圆光栅测量；

⑤对d₁进行不确定度分析与传播计算；

给定回转工作台1的回转中心距目标平面6的距离为90mm，相机5的靶面距基面的厚度约为10mm，因而自准直仪的回转中心与相机5靶面的距离约为80mm；给定测量尺寸，d₁＝80mm、d₂＝10mm、L＝25mm、δ＝3mm，求得回转工作台1的旋转角度：

如图2、3、4所示，位移台3在运动过程中会产生6个自由度方向的误差：E_x、E_y、E_z、E_roll、E_pitch、E_yaw，其中，X方向的位置误差E_x可通过激光位移传感器9在线测量与补偿，俯仰误差E_pitch可通过自准直仪(或圆光栅)在线测量与补偿，这两种误差对d₁测量的影响取决于测量仪器的不确定度；回转工作台1在Y方向的跳动误差E_y和滚转误差E_roll对d₁测量的影响，可通过相机5靶面上的光斑位置偏差来表征，如图2所示，其中A为激光束的初始光斑，B为光束在经过了直线和回转运动后的光斑，由于E_y或E_roll的影响，回转工作台1在运动以后，其落在相机5靶面上的光斑位置将在Y方向发生了位移量为△的偏移，然而该偏移并不影响δ的测量，只需测量A、B两点在X方向的距离δ即可；回转工作台在Z方向上的跳动误差E_z对d₁测量所产生的影响，表现为相机5靶面上的光斑位置因E_z而发生变化；如图3所示，当位移台3从M₁沿X方向移动L后，其回转中心受Z方向跳动误差E_z的影响，将从理论位置M₂移动到M₂′；当回转工作台1转过θ角后，其照射在相机5靶面上的光斑位置将从图3中的点B移动到点B'，由此产生的位置偏差δ_z即为E_z引起的测量误差；图3中存在如下的几何关系δ_z＝E_z tan(θ)，给定位移台3在Z方向的跳动误差E_z＝5μm，由此可得δ_z≈0.437μm，位移台3的摇摆误差E_yaw同样对相机5靶面上的光斑位置有影响；如图4所示，初始位置时，激光束竖直向下，光斑位于相机5靶面上的位置A；位移台3沿X方向运动L后，光斑位于位置C(不在相机5靶面上)。当位移台3的运动不产生误差，其旋转θ角后的光斑位于相机5靶面上的位置B，且位置A、B、C位于同一直线，在实际的运动中，位移台3会受摇摆误差E_yaw的影响，光斑的位置将从位置B移动到位置B′，位置B和位置B′在X方向上会存在因摇摆误差E_yaw而形成的偏差δ_yaw，如图4所示，可得几何关系δ_yaw＝(L-δ)[1-cos(E_yaw)]，给定E_yaw＝50″可得δ_yaw约为0.2nm，其误差值量级远小于其它因素的影响，可忽略不计；

继续对L、θ、δ的测量不确定度进行分析和传播计算：

L是自准直仪在X方向上的直线运动距离，由光栅尺进行测量，故L的测量不确定度u_L也就是光栅尺的测量不确定度u_GR，给定u_L＝u_GR＝1μm，θ是回转工作台1的旋转角度(既包括回转工作台1的宏观转角，也包括因俯仰误差E_pitch而产生的角度变化)，可以通过自准直仪进行测量，也可以通过加装圆光栅进行测量；对15.676°的角度变化范围，进行29次(给定次数)测量，θ的测量不确定度u_θ等于自准直仪29次独立测量的合成不确定度式中，u_{ATC_2}为自准直仪单次测量的不确定度(约为0.1″)，L、θ、δ的测量彼此独立，并且将δ的测量不确定度u_δ当作变量进行分析，得到d₁的合成标准不确定度

式中将设计(给定)尺寸L＝25mm、θ＝15.676°、δ＝3mm和测量不确定度u_L＝1μm、u_θ＝0.54″带入，得到d₁的合成标准不确定度与δ的测量不确定度u_δ的关系，如图5所示；

⑥将相机5水平放置于目标平面6上，再将激光位移传感器9放置于相机5上方进行测量，并记录此时的激光位移传感器9示数h₁，将相机5从目标平面6上卸下，读取并记录此时的激光位移传感器9的示数h₂，得到d₂＝h₁-h₂，如图6所述；

⑦对d₂进行不确定度分析与传播计算；

对于给定10mm的距离量d₂，激光位移传感器9的测量不确定度

⑧在完成d₁和d₂的测量后，计算出回转工作台1的回转中心到目标平面的距离D＝d₁+d₂，并得出D的合成不确定度。

遵循以上步骤，可得d₁的测量不确定度对于10mm的距离量d₂，激光位移传感器9的测量不确定度因此，D的合成标准不确定度为

本发明通过构造梯形M₁M₂BA进行测距，然后利用激光传感器9测另一距离，最后间接测量回转工作台1的回转中心到目标平面6上的距离D，本发明可以将测量的不确定度控制在20μm左右的范围内(实施例中获得约为10μm的测量不确定度)。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种回转中心间距测量方法，包括导轨(2)、设置在导轨(2)上的位移台(3)、设有激光器(4)的回转工作台(1)、目标平面(6)以及设置在目标平面(6)上的相机(5),所述导轨(2)平行设置在目标平面(6)正上方，所述回转工作台(1)设置在位移台(3)上，所述位移台(3)通过丝杠螺母副设置在导轨(2)上，所述回转工作台(1)轴线与导轨(2)轴线在同一水平面内垂直，所述相机(5)型号为CCD/CMOS板级相机，所述位移台(3)、激光器(4)的中心与回转工作台(1)的回转中心重合，还包括激光位移传感器(9)，所述激光位移传感器(9)设置在位移台(3)上；其特征在于步骤如下：

①建立XYZ坐标系将待测距离D分成d₁和d₂两部分来进行分段测量，其中d₁是回转工作台(1)的回转中心与相机(5)上表面的距离，d₂是相机(5)上表面与目标平面(6)的距离；

②确定初始位置，使回转工作台(1)的回转中心位于点M₁，测量光斑位于相机(5)靶面上的点A；

③使回转工作台(1)的回转中心沿X方向移动L，到达点M₂，回转工作台(1)旋转角度θ，使激光束重新照射在相机(5)靶面上，并记相机(5)靶面上的新光斑为点B；

④得到直角梯形M₁M₂BA，由几何关系有式中M₁M₂的长度L由安装于导轨(2)上的光栅尺测量，BA的长度δ通过对相机(5)上的光斑图像求解，回转工作台(1)的旋转角度θ通过自准直仪或圆光栅测量；

⑤对d₁进行不确定度分析与传播计算；

⑥将相机(5)水平放置于目标平面(6)上，再将激光位移传感器(9)放置于相机(5)上方进行测量，并记录此时的激光位移传感器(9)示数h₁，将相机(5)从目标平面(6)上卸下，读取并记录此时的激光位移传感器(9)示数h₂，得到d₂＝h₁-h₂；

⑦对d₂进行不确定度分析与传播计算；

⑧在完成d₁和d₂的测量后，计算出回转工作台(1)的回转中心到目标平面(6)的距离D＝d₁+d₂，并得出D的合成不确定度。